JP5332898B2 - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電解質膜とガス拡散層を含む発電体と、反応ガスを発電体に供給するためのセパレータとを備える。燃料電池のアノード（水素極）には反応ガスとしての水素が供給され、カソード（酸素極）には反応ガスとしての空気が供給され、電極反応に供される。この電極反応によって水が生成する。また、電解質膜の含水率が低下しないように、反応ガスは加湿され燃料電池に供給される場合がある。電極反応により生成した水や反応ガス中に含まれる水蒸気（以下、「生成した水」や「水蒸気」を単に「水」と呼ぶ。）が、発電体近傍やセパレータに形成された反応ガス供給口に滞留することにより、反応ガスの供給及び拡散が阻害され、燃料電池の発電性能が低下する場合があった。

従来、水の滞留を抑制するために、反応ガスの出口側マニホールドに延長部（水溜め部）を設け、反応ガスの流れによって水を延長部へ排出させる技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、反応ガスの供給量や水の量によっては、水を反応ガスの流れによって出口側ガスマニホールドの延長部まで導くことができず、発電体近傍での水の滞留を防止できない場合があった。また、延長部まで水を導けないことにより、水が入口側ガスマニホールド（ガス供給口）内に流れ込み、入口側マニホールド内で水が滞留し、反応ガスを安定して発電体に供給できない場合があった。

特開２００６−６６２２５号公報 特開２００７−２７３３２６号公報 特開２００７−２９４３３９号公報

従って本発明は、発電体近傍や反応ガス供給口に水が滞留することを抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することができる。

[適用例１]燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の２つの面のうち一方の面側に配置され、前記電解質膜に第１の反応ガスを供給するための第１のガス拡散層と、を含む発電体と、前記第１のガス拡散層の面上に配置された第１のセパレータと、を備え、前記第１のセパレータには、前記発電体と対向する面上に位置し、第１の反応ガスが流れる溝状の第１のガス流路と、当該燃料電池の外部から前記第１のガス流路に、前記第１の反応ガスを供給するための第１のガス供給口と、前記第１のガス流路を流れた前記第１の反応ガスを、当該燃料電池の外部へ排出するための第１のガス排出口と、前記第１のガス流路の水を外部へ排出するための水排出口と、が形成され、前記第１のガス供給口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス排出口よりも鉛直方向について下側に位置し、前記水排出口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス流路よりも鉛直方向について下側に位置し、前記水排出口は、前記第１のセパレータ内において、前記第１のガス流路と接続され、前記第１のガス供給口は、前記第１のセパレータ内において、前記第１のガス流路と接続されておらず、前記第１のガス拡散層を介して前記第１のガス流路と接続されている、燃料電池。
適用例１の燃料電池によれば、第１のガス流路の水は、重力により第１のガス流路内を下降し、下降した水は、第１のセパレータ内において、第１のガス流路と接続されていない第１のガス供給口ではなく、第１のガス流路と接続された水排出口へと流入する。これにより、水が発電体近傍や第１のガス供給口に滞留することを抑制することができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、前記第１のガス供給口と前記第１のガス流路は、前記第１のセパレータ内において間隔をあけて形成されている、燃料電池。
適用例２の燃料電池によれば、さらに、第１のガス流路と第１のガス供給口は、第１のセパレータ内において、間隔をあけて形成されていることから、水が第１のガス供給口に流入することを確実に防止できる。よって、水が第１のガス供給口に滞留することをより抑制することができる。

［適用例３］適用例１又は適用例２に記載の燃料電池であって、当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス流路の底面の少なくとも一部は、前記水排出口に向かって傾斜している、燃料電池。
適用例３の燃料電池によれば、第１のガス流路の底面の少なくとも一部は、水排出口に向かって傾斜している。このため、重力により第１のガス流路内を下降した水は、傾斜した第１のガス流路の底面に沿って流れることで、水がより一層水排出口に流入しやすくなる。よって、水が発電体近傍や第１のガス供給口に滞留することをより抑制することができる。

［適用例４］適用例１乃至適用例３のいずれか１つに記載の燃料電池であって、前記第１のガス拡散層は、少なくとも前記第１のガス供給口と前記第１のガス流路を接続する部分において撥水性を有する、燃料電池。
適用例４の燃料電池によれば、第１のガス拡散層は、少なくとも第１のガス供給口と第１のガス流路を接続する部分において撥水性を有するため、水が第１のガス拡散層を介して第１のガス供給口に流入することを防止することができる。よって、水が第１のガス供給口に滞留することをより一層抑制することができる。

［適用例５］適用例１乃至適用例４のいずれか１つに記載の燃料電池であって、前記第１のガス供給口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス流路よりも鉛直方向について下側に位置する、燃料電池。
適用例５の燃料電池によれば、さらに、第１のガス供給口が、燃料電池の設置状態において、第１のガス流路よりも鉛直方向について下側に位置することから、第１のガス供給口から第１のガス拡散層を介して第１のガス流路に供給された反応ガスは、第１のガス流路を鉛直方向で下側から上側に向かって流れる。よって、第１のガス流路内の反応ガスの流れによって、水が第１のガス供給口に流入することを抑制できると共に、水排出口への水の流入を促進することができる。

［適用例６］適用例１乃至適用例５のいずれか１つに記載の燃料電池であって、前記第１のガス拡散層は、アノードガス拡散層であり、前記第１のセパレータは、アノードセパレータである、燃料電池。
特に、アノード側で水が滞留し、反応ガス（燃料ガス）の供給及び拡散が阻害されると、アノード側で異常電位が発生し、アノードの劣化が生じる可能性がある。しかしながら、適用例６に記載の燃料電池によれば、発電体のアノード側での水の滞留を抑制できることから、アノードの劣化を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。

［適用例７］適用例１乃至適用例６のいずれか１つに記載の燃料電池であって、さらに、前記電解質膜の他方の面側に配置され、前記電解質膜に第２の反応ガスを供給するための第２のガス拡散層と、前記第２のガス拡散層の面上に配置された第２のセパレータと、を備え、
前記第２のセパレータには、前記発電体と対向する面上に位置し、第２の反応ガスが流れる溝状の第２のガス流路と、前記第２のガス流路に前記第２の反応ガスを供給するための第２のガス供給口と、前記第２のガス流路を流れた前記第２の反応ガスを外部へ排出するための第２のガス排出口と、が形成され、前記第２のガス供給口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第２のガス排出口よりも鉛直方向について上側に位置する、燃料電池。
適用例７の燃料電池によれば、燃料電池の設置状態において、第１の反応ガスは第１のガス流路を鉛直方向で下側から上側に向かって流れ、第２の反応ガスは第２のガス流路を鉛直方向で上側から下側に向かって流れる。このように、第１と第２の反応ガスの流れが電解質膜を挟んで平行、かつ、逆向きになることで、電解質膜の両面で水を循環させることができ、電解質膜の含水率の低下を防止できる。これにより、発電性能の低下をより抑制することができる。

［適用例８］燃料電池システムであって、適用例１乃至適用例７のいずれか１つに記載の燃料電池と、前記燃料電池内の水の滞留の程度を表す情報を取得する取得部と、前記水の排出を制御する水排出制御部と、を備え、当該燃料電池システムは、水を外部へ排出しない第１の状態と、水を外部へ排出する第２の状態と、を有し、前記水排出制御部は、前記取得部が取得した前記情報に基づき、水の滞留の程度が低い第１の場合に当該燃料電池システムを第１の状態とし、水の滞留の程度が第１の場合よりも高い第２の場合に当該燃料電池システムを第２の状態とする、燃料電池システム。
適用例８の燃料電池システムによれば、水の滞留の程度が高い第２の場合に水排水口の水を外部に排出するため、発電体近傍やガス供給口での水の滞留を継続的に抑制でき、水の滞留による燃料電池の発電性能の低下を長期的に抑制することができる。また、水の滞留の程度が低い第１の場合は水を外部へ排出することなく燃料電池を運転することができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池１０を備える燃料電池システム１の全体構成を示す説明図である。 モジュール２０の概略構成を説明するための図である。 シール一体型膜電極接合体２１の面のうちアノードセパレータ２３と対向する面を説明するための図である。 シール一体型膜電極接合体２１の面のうちカソードセパレータ２２と対向する面を説明するための図である。 図３のＰ−Ｐ断面を示す図である。 アノードセパレータ２３の面のうちシール一体型膜電極接合体２１と対向する面を説明するための図である。 アノードセパレータ２３の部分斜視図である。 モジュール２０の第１の面２３ｆａ側の部分断面図である。 カソードセパレータ２２の面のうちシール一体型膜電極接合体２１と対向する面を説明するための図である。 水の排出方法を示すフローチャートである。 第２実施例としての燃料電池システム１ａの全体構成を示す説明図である。 第２実施例の水排出方法を示すフローチャートである。 第１変形例のカソードセパレータ２２ａを説明するための図である。 第３変形例のアノードセパレータ２３ａを説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例
Ｂ．第２実施例
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１０を備える燃料電池システム１の全体構成を示す説明図である。第１実施例の燃料電池システム１は、例えば車両に搭載され、車両の動力源として使用することができる。燃料電池システム１は、主に燃料電池１０と燃料ガス供給部としての水素タンク４０と、酸化ガス供給部としてのエアポンプ６０と、冷却媒体供給部としてのラジエータ７４及び循環ポンプ７０とを備えている。また、燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力電圧を測定するための電圧計８０と、燃料電池１０の外部へ水を排出するための制御を行う制御部９０とを備えている。さらに、燃料電池システム１は、反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）や冷却媒体を燃料電池１０へ供給するための配管４５，６２，７６とバルブ４２とを備える。また燃料電池システム１は、燃料電池１０から反応ガスや水や冷却媒体を排出するための配管４７，５０，６４，７２とバルブ４６，５２とを備えている。燃料電池システム１は、水が水排出配管５０を介して外部へ排出されない第１の状態と、水が水排出配管５０を介して外部へ排出される第２の状態とを有する。第１の状態では、燃料ガス排出バルブ４６が開状態、水排出バルブ５２が閉状態となり、第２の状態では、燃料ガス排出バルブ４６が閉状態、水排出バルブ５２が開状態となる。燃料電池システム１の通常運転時は第１の状態となっている。なお、水の排出制御方法及び制御部９０の詳細については後述する。

燃料電池１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、モジュール２０（「セル２０」ともいう。）と、エンドプレート３０と、インシュレータ３３と、ターミナル３４とを備えている。複数のモジュール２０は、インシュレータ３３およびターミナル３４を挟んで、２枚のエンドプレート３０によって挟持される。すなわち、燃料電池１０は、モジュール２０が、複数個積層されたスタック構造を有している。さらに、燃料電池１０には、反応ガスや冷却媒体や水が流れるマニホールドが積層方向に沿って形成されている。図１には、マニホールドのうち、燃料ガスとしての水素を燃料電池１０に供給するための燃料ガス供給マニホールドＭ１と、アノードを通過した水素（以下、「水素オフガス」ともいう。）を外部へ排出するための燃料ガス排出マニホールドＭ２と、水を外部へ排出するための水排出マニホールドＭ３を破線で示している。なお、後述する燃料電池１０内で滞留した水を、燃料オフガスの風速を利用して効率良く外部へ排出させるために、水排出マニホールドＭ３の流路断面積は、燃料ガス供給マニホールドＭ１の流路断面積よりも小さいことが好ましい。例えば、水排出マニホールドＭ３の流路断面積を燃料ガス供給マニホールドＭ１の流路断面積の半分以下とすることが好ましい。水排出マニホールドＭ３の流路断面積を小さくすることで、一定量の水素オフガスであっても、水排出マニホールドＭ３内を通過する水素オフガスの流速が速くなり、効率良く水を外部へと排出させることができる。

燃料ガスとしての水素は、高圧水素を貯蔵した水素タンク４０から燃料ガス供給配管４５及び燃料ガス供給マニホールドＭ１を介して各モジュール２０に供給される。燃料ガス供給配管４５には水素の供給を調整するためのバルブ４２が設置されている。各モジュール２０に供給された水素は、燃料電池１０のアノードに供給され、電気化学反応による発電に供される。水素オフガスは、燃料ガス排出マニホールドＭ２及び燃料ガス排出配管４７を介して燃料電池１０外に放出される。燃料ガス排出配管４７には、水素の排出量を調整するための燃料ガス排出バルブ４６が設置されている。

酸化ガスとしての空気は、エアポンプ６０により大気中から酸化ガス供給配管６２に取り込まれ、酸化ガス供給配管６２及び酸化ガス供給マニホールドＭ４（図示せず）を介して各モジュール２０に供給される。各モジュール２０に供給された空気は燃料電池１０のカソードに供給され、電気化学反応による発電に供される。カソードから排出された空気（以下、「空気オフガス」ともいう。）は、酸化ガス排出マニホールドＭ５（図示せず）及び酸化ガス排出配管６４を介して大気中へと放出される。

冷却媒体として冷却水は、ラジエータ７４から冷却媒体供給配管７６及び冷却媒体供給マニホールドＭ６（図示せず）を介して各モジュール２０に供給される。各モジュール２０を通過した冷却水は、冷却媒体排出マニホールドＭ７（図示せず）及び冷却媒体排出配管７２を介して、ラジエータ７４に送られ、再び各モジュール２０に供給される。なお、冷却媒体としては、水だけでなく、エチレングリコール等の不凍液や空気等を用いることができる。

各モジュール２０内の水は、水排出配管５０から水排出配管５０と接続された燃料ガス排出配管４７へと流れ、外部へ排出される。この水の排出は、燃料ガス排出バルブ４６と水排出バルブ５２の開閉を制御することで行われる。

図２は、モジュール２０の概略構成を説明するための図である。図２には、方向を特定するためにＸＹＺ軸が図示されている。なお、Ｚ軸方向を表す二重丸は、Ｚ軸正方向側が、紙面手前側にあることを意味する。この二重丸は、以下同様の意味を表すものとする。モジュール２０は、シール一体型膜電極接合体２１と、その両側に配置された２枚のセパレータ２２，２３によって構成されている。シール一体型膜電極接合体２１は、膜電極接合体２００と、膜電極接合体２００の外周を囲んで形成されているシール部材２１１とを備えている。ここで、膜電極接合体２００が「課題を解決するための手段」に記載の「発電体」に相当する。

膜電極接合体２００は、電解質膜２１２と、電解質膜２１２の両面上にそれぞれ配置されたアノード触媒層２１８とカソード触媒層２１４と、アノード触媒層２１８の面上に配置されたアノードガス拡散層２１９と、カソード触媒層２１４の面上に配置されたカソードガス拡散層２１６とを備える。電解質膜２１２は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質により形成されている。このような電解質としては、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）を用いることができる。２つの触媒層２１４，２１８は、主に電極反応を促進するための触媒と高分子電解質により形成されている。２つのガス拡散層２１６，２１９は、ガス透過性及び導電性を有すると共に、撥水性を有する。例えば、２つのガス拡散層２１６，２１９は、カーボン繊維とポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）により形成される。シール部材２１１は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの弾性を有する絶縁性樹脂材料からなり、膜電極接合体２００の外周に射出成形することで形成される。なお、アノード触媒層２１８及びアノードガス拡散層２１９を併せて「アノード２０１」とも呼び、カソード触媒層２１４及びカソードガス拡散層２１６を併せて「カソード２０３」とも呼ぶものとする。

カソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３は水素透過性が低く導電性の良好な材料で形成されており、例えば樹脂に導電材料を混入して成形したものが用いられる。２つのセパレータ２２，２３の膜電極接合体２００と対向する面上には、反応ガスが流れる溝状の反応ガス流路２２０，２３０が形成されている。反応ガス流路２２０，２３０を流れる反応ガスはガス拡散層２１６，２１９を通ることで拡散され、触媒層２１４，２１８に供給される。図２では、一例として、燃料ガス供給マニホールドＭ１を通過する水素が燃料ガス流路２３０を流れ、燃料ガス流路２３０を流れた水素が燃料ガス排出マニホールドＭ２を流れる様子を一点鎖線及び矢印で示している。また、２つのセパレータ２２，２３の他方の面上（膜電極接合体２００が位置する側とは反対側の面上）には冷却媒体が流れる溝状の冷却媒体流路２２２，２３２が形成されている。冷却媒体流路２２２，２３２に冷却媒体が流れることで燃料電池１０の内部温度が調節される。

図３〜図５を用いてシール一体型膜電極接合体２１を説明する。図３は、シール一体型膜電極接合体２１の面のうち、アノードセパレータ２３と対向する面を説明するための図である。図４は、シール一体型膜電極接合体２１の面のうち、カソードセパレータ２２と対向する面を説明するための図である。図５は、図３のＰ−Ｐ断面を示す図である。なお、図３〜図５には、方向を特定するためにＸＹＺ軸が図示されている。なお、図３のＸ軸方向を表す丸印の中に記したバツ印は、Ｘ軸正方向側が紙面奥側にあることを意味する。この丸印の中に記したバツ印は、以下同様の意味を表すものとする。燃料電池１０が車両等に設置された状態では、図３〜図５のＹ軸方向が鉛直方向となり、Ｙ軸正方向側が上側でＹ軸負方向側が下側となる。図３と図４の違いは、膜電極接合体２００の外周を覆うシール部材２１１の形状のみであるため、図３をもとにシール一体型膜電極接合体２１の構成を説明し、相違点については図４を用いて説明する。

図３に示すように、シール一体型膜電極接合体２１は、中央に形成された膜電極接合体２００と、膜電極接合体２００の外周を覆うシール部材２１１を備える。シール部材２１１には複数の貫通孔Ａ１〜Ａ７が形成されている。これらの貫通孔Ａ１〜Ａ７は、モジュール２０を複数積層した場合に、燃料電池１０のマニホールドＭ１〜Ｍ７の一部を構成する。貫通孔Ａ１には、外部から供給された水素が通過し、貫通孔Ａ２には水素オフガスが通過する。貫通孔Ａ３には水が通過し、水は水排出配管５０を介して外部へ排出される。貫通孔Ａ４には、外部から供給された空気が通過し、貫通孔Ａ５には、空気オフガスが通過する。貫通孔Ａ６は外部から供給された冷却媒体が通過し、貫通孔Ａ７には、冷却に供された冷却媒体が通過する。貫通孔Ａ１〜Ａ７の開口面積の大小は特に限定されないが、滞留した水を外部へ効率良く排出させるために、貫通孔Ａ３の開口面積は、貫通孔Ａ１の開口面積よりも小さいことが好ましい。例えば、貫通孔Ａ３の開口面積は、貫通孔Ａ１の開口面積の半分以下であることが好ましい。

シール部材２１１において、貫通孔Ａ１，Ａ３，Ａ５は下辺（Ｙ軸負方向側の辺）に沿って形成され、貫通孔Ａ２，Ａ４は上辺（Ｙ軸正方向側の辺）に沿って形成され、貫通孔Ａ６は左辺（Ｚ軸負方向側の辺）に沿って形成され、貫通孔Ａ７は右辺（Ｚ軸正方向側の辺）に沿って形成されている。また、貫通孔Ａ２〜Ａ７は、反応ガス等が貫通孔から漏れ出さないように周囲全体がシール部材２１１で覆われている。これに対し貫通孔Ａ１は、その上面Ａ１ｆａの一部が図５に示すようにシール部材２１１で覆われておらず、膜電極接合体２００（詳細にはアノードガス拡散層２１９）で構成されている。

図４に示すように、カソードセパレータ２２と対向する面においては、貫通孔Ａ１〜Ａ７の周囲はシール部材２１１で覆われている。詳細には図５に示すように、貫通孔Ａ１の上面Ａ１ｆａの内、カソードセパレータ２２（図２）と接する側（Ｘ軸負方向側）はシール部材２１１で構成されている。言い換えれば、貫通孔Ａ１と、電解質膜２１２、触媒層２１４，２１８、カソードガス拡散層２１６の間にはシール部材２１１が位置している。

次に、図６〜図８を用いてアノードセパレータ２３の構成と、水素及び水の流れについて説明する。図６は、アノードセパレータ２３の面のうち、シール一体型膜電極接合体２１と対向する面２３ｆａ（以下、この面を「第１の面２３ｆａ」とも呼ぶ。）を示している。図７は、アノードセパレータ２３の第１の面２３ｆａ側の部分斜視図である。図８は、モジュール２０の部分断面図である。図８は、モジュール２０を作製した場合において、図３のＰ−Ｐ断面に相当する断面を示している。なお、図６〜図８には、方向を特定するためにＸＹＺ軸が図示されている。燃料電池１０が車両等に設置された状態では、図６〜図８のＹ軸方向が鉛直方向となり、Ｙ軸正方向側が上側でＹ軸負方向側が下側となる。

図６に示すように、アノードセパレータ２３には、第１の面２３ｆａ上に位置する燃料ガス流路２３０と、第１の面２３ｆａとは反対側の面上に位置する冷却媒体流路２３２（図２）と、アノードセパレータ２３を貫通する複数の貫通孔Ｂ１〜Ｂ７とが形成されている。この貫通孔Ｂ１〜Ｂ７は、燃料ガス流路２３０よりもアノードセパレータ２３の外周側に位置している。

貫通孔Ｂ１〜Ｂ７は、モジュール２０を複数積層した場合に、燃料電池１０の内部に形成されるマニホールドＭ１〜Ｍ７の一部を構成するように、貫通孔Ａ１〜Ａ７（図３）に対応した位置に形成されている。貫通孔Ｂ１には、外部から供給された水素が通過し、貫通孔Ｂ２には水素オフガスが通過する。貫通孔Ｂ３には水が通過し、水排出配管５０を介して外部へ排出される。貫通孔Ｂ４には、外部から供給された空気が通過し、貫通孔Ｂ５には、空気オフガスが通過する。貫通孔Ｂ６は外部から供給された冷却媒体が通過し、貫通孔Ａ７には、冷却に供された冷却媒体が通過する。また、貫通孔Ａ１，Ａ３と同様、貫通孔Ｂ３の開口面積は、貫通孔Ｂ１の開口面積よりも小さい（例えば半分以下）ことが好ましい。ここで貫通孔Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３をそれぞれ、「燃料ガス供給口Ｂ１」，「燃料ガス排出口Ｂ２」，「水排出口Ｂ３」ともいう。なお、貫通孔Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３がそれぞれ「課題を解決するための手段」の「第１のガス供給口」，「第１のガス排出口」，「水排出口」に相当し、アノードセパレータ２３が「課題を解決するための手段」の第１のセパレータに相当する。

燃料ガス流路２３０には、アノードセパレータ２３の第１の面２３ｆａ上において、主に上下方向（Ｙ軸方向）の溝が形成されている。これにより、燃料ガス流路２３０に供給された燃料ガスは、膜電極接合体２００と対向する面上を鉛直方向について下側から上側に向かって流れることになる。燃料ガス流路２３０は、燃料ガス流路２３０の外縁を形成する底面２３０ｆａ，上面２３０ｆｂ，左側面２３０ｆｄ，右側面２３０ｆｃを有する。また、底面２３０ｆａは、セパレータ２３の底面と平行な平行面２３０ｆｅと、水排出口Ｂ３へ向かって傾斜する傾斜面２３０ｆｆとを有する。なお、セパレータ２３の底面は、燃料電池１０の車両等への設置状態において、水平方向とほぼ平行となる。

図６及び図７に示すように、燃料ガス供給口Ｂ１と燃料ガス流路２３０は、アノードセパレータ２３において、間隔をあけて形成されている。つまり、燃料ガス供給口Ｂ１と燃料ガス流路２３０は直接には接続されておらず、アノードガス拡散層２１９を介して接続されている（図８）。つまり、モジュール２０を作製した場合には、図８に示すように第１の面２３ｆａ上のうち、鉛直方向について燃料ガス供給口Ｂ１の上面Ｂ１ｆａと燃料ガス流路２３０（詳細には燃料ガス流路２３０の底面２３０ｆａ）との間の区間には、アノードガス拡散層２１９が配置される。これにより、燃料ガス供給口Ｂ１はカソードガス拡散層２１６を介して燃料ガス流路２３０と接続されることになり、燃料ガス供給マニホールドＭ１を流れる水素は、図８の一点鎖線及び矢印で示すようにガス拡散層２１９を通り、燃料ガス流路２３０へと供給される。

図６及び図７に示すように、水排出口Ｂ３と燃料ガス流路２３０は、アノードセパレータ２３において、間隔をあけずにアノードセパレータ２３に形成されている。言い換えれば、水排出口Ｂ３と燃料ガス流路２３０は直接に接続されている。これにより、図７の太線及び矢印で示したように、燃料ガス流路２３０の水は、重力によって鉛直方向で下向きに流れ落ち、燃料ガス供給口Ｂ１ではなく水排出口Ｂ３に流入する。

上記のように、アノードセパレータ２３において、燃料ガス流路２３０の水は、重力によって鉛直方向で下向きに流れ落ち、燃料ガス供給口Ｂ１ではなく水排出口Ｂ３に流入する。よって、膜電極接合体２００に対向する位置に形成された燃料ガス流路２３０（言い換えれば、膜電極接合体２００近傍に位置する燃料ガス流路２３０）及び燃料ガス供給口Ｂ１に水が滞留することを抑制することができる。これにより、燃料ガス供給マニホールドＭ１から安定して水素を供給できると共に、燃料ガス流路２３０による水素の拡散を安定して行うことができる。また、アノードセパレータ２３の第１の面２３ｆａ上のうち、燃料ガス流路２３０の上面Ｂ１ｆａと燃料ガス供給口Ｂ１の位置には、撥水性を有するアノードガス拡散層２１９が配置されている。このことから、燃料ガス流路２３０の水がカソードガス拡散層２１６を介して水排出口Ｂ３へ流入することを防止し、燃料ガス供給口Ｂ１に水が滞留することをより抑制することができる。さらに、燃料ガス流路２３０の底面２３０ｆａの傾斜面２３０ｆｆは水排出口Ｂ３に向かって傾斜していることから、燃料ガス流路２３０を下降してきた水は、水排出口Ｂ３へ向かってより一層流入しやすくなる。これにより燃料ガス流路２３０及び燃料ガス供給口Ｂ１に水が滞留することをより一層抑制することができる。

図９は、カソードセパレータ２２の構成を示す図である。ここで図９は、シール一体型膜電極接合体２１と対向する面（以下、この面を「第１の面２２ｆａ」とも呼ぶ。）を示している。図９には、方向を特定するためにＸＹＺ軸が図示されている。なお、燃料電池１０が車両等に設置された状態では、Ｙ軸方向が鉛直方向となり、Ｙ軸正方向側が上側でＹ軸負方向側が下側となる。

カソードセパレータ２２には、第１の面２２ｆａ上に位置する酸化ガス流路２２０と、第１の面２２ｆａとは反対側の面上に位置する冷却媒体流路２２２（図２）と、カソードセパレータ２２を貫通する複数の貫通孔Ｃ１〜Ｃ７とが形成されている。この貫通孔Ｃ１〜Ｃ７は、酸化ガス流路２２０よりもカソードセパレータ２２の外周側に位置している。また、酸化ガス流路２２０は、底面２２０ｆａを有し、底面２２０ｆａは貫通孔Ｃ５に向かって傾斜している。

貫通孔Ｃ１〜Ｃ７は、モジュール２０を複数積層した場合に、燃料電池１０の内部に形成されるマニホールドＭ１〜Ｍ７の一部を構成するように、貫通孔Ａ１〜Ａ７（図３）に対応した位置に形成されている。貫通孔Ｃ１には、外部から供給された水素が通過し、貫通孔Ｃ２には水素オフガスが通過する。貫通孔Ｃ３には水が通過し、水排出配管５０を介して外部へ排出される。貫通孔Ｃ４には、外部から供給された空気が通過し、貫通孔Ｃ５には、空気オフガスが通過する。貫通孔Ｃ６は外部から供給された冷却媒体が通過し、貫通孔Ｃ７には、冷却に供された冷却媒体が通過する。貫通孔Ｃ１〜Ｃ７のうち、貫通孔Ｃ４，Ｃ５と酸化ガス流路２２０は間隔をあけずにカソードセパレータ２２に形成されている。言い換えれば、貫通孔Ｃ４，Ｃ５と酸化ガス流路２２０は直接に接続されている。また、貫通孔Ａ１，Ａ３と同様、貫通孔Ｃ３の開口面積は、貫通孔Ｃ１の開口面積よりも小さい（例えば、半分以下）ことが好ましい。なお、貫通孔Ｃ４，Ｃ５をそれぞれ「酸化ガス供給口Ｃ４」，「酸化ガス排出口Ｃ５」とも呼ぶ。ここで、貫通孔Ｃ４，Ｃ５がそれぞれ「課題を解決するための手段」の「第２のガス供給口」，「第２のガス排出口」に相当し、カソードセパレータ２２が「課題を解決するための手段」の「第２のセパレータ」に相当する。

酸化ガス流路２２０には、カソードセパレータ２２の第１の面２２ｆａ上において、主に上下方向（Ｙ軸方向）に溝が形成されている。これにより、酸化ガス供給口Ｃ４から酸化ガス流路２２０に供給された空気は、膜電極接合体２００と対向する面上を鉛直方向について上側から下側に向かって流れ、酸化ガス流路２２０を流れた空気は酸化ガス排出口Ｃ５に流入する。また、酸化ガス流路２２０の水は、重力及び空気の流れにより鉛直方向下方に向かって流れ落ち、酸化ガス排出口Ｃ５に流入する。酸化ガス排出口Ｃ５に流入した水は、空気オフガスと共に酸化ガス排出用マニホールドＭ５及び酸化ガス排出配管６４（図１）を介して外部へ排出される。

上記のように、反応ガス流路２２０，２３０内を流れる反応ガスの向きを、膜電極接合体２００を挟んで平行、かつ、逆向きとすることで、電解質膜２１２面の両面で水を循環させることができ、電解質膜の含水率の低下を防止することができる。これにより、燃料電池１０の発電性能の低下をより抑制することができる。

次に、図１及び図１０を用いて水の排出方法について説明する。図１０は水の排出方法を示すフローチャートである。図１に示すように制御部９０は、水排出制御部９２と取得部９４とを備える。取得部９４は、燃料電池１０の出力電圧の計測値を取得する。水排出制御部９２は、出力電圧の計測値に応じて燃料電池システム１の運転状態を制御する。すなわち、水排出制御部９２は、出力電圧の計測値に応じて、水を積極的に水排出口Ｂ３（詳細には、水排出マニホールドＭ３）から燃料電池１０の外部へ排出しない第１の状態と、水を積極的に水排出口Ｂ３（詳細には、水排出マニホールドＭ３）から燃料電池１０の外部へ排出する第２の状態とを制御する。

図１０に示すように、水排出制御部９２は、出力電圧の変動幅が基準値以上か否かを判断する（ステップＳ１０）。この変動幅の基準値は適宜設定可能であり、本実施例では、出力電圧の変動幅の基準値を、予め定めた出力電圧設定値の１０％とした。つまり、出力電圧が出力電圧設定値より５％以上上昇したか否か、または、５％以上低下したか否かを判断する。水排出制御部９２は、出力電圧の変動幅が基準値以上である場合は、水排出マニホールドＭ３（図１）に所定量の水が溜まり、膜電極接合体２００や燃料ガス供給口Ｂ１付近にも水が滞留してきたため、水素が流れにくくなったと判断する。すなわち、本実施例では、出力電圧（詳細には出力電圧の変動幅）を水の滞留の程度を表す情報として採用している。そして、水排出制御部９２は、水排出バルブ５２を全開状態、燃料ガス排出バルブ４６を全閉状態（すなわち、燃料電池システム１を第２の状態）とし（ステップＳ２０）、水排出マニホールドＭ３内の水を燃料オフガスの流れにより外部へ排出させる。

次に、水排出制御部９２は、出力電圧が基準値未満となったか否かを判断する（ステップＳ３０）。基準値未満の場合は、水の滞留が低減したと判断し、水排出バルブ５２を全閉状態、燃料ガス排出バルブ４６を全開状態とし（ステップＳ４０；すなわち、燃料電池システム１を第１の状態）、再びステップＳ１０からステップＳ４０を繰り返す。なお、変動幅が基準値未満でない場合は、ステップＳ３０を繰り返して行う。

ステップＳ２０において、水排出バルブ５２を全開状態、燃料ガス排出バルブ４６を全閉状態として水を外部へ排出させたが、これに限定されるものではなく水を外部へ排出させるようにバルブ４６，５２の開閉を行えば良い。例えば、ステップＳ２０において、水排出バルブ５２をある程度開き、水排出バルブ５２をある程度閉じることでも、水を外部へと排出できる。さらに、燃料ガス排出バルブ４６及び水排出バルブ５２を常に全開状態とし、水を水排出マニホールド内から常に外部へ排出することもできる。但し、この場合、水排出マニホールドＭ３及び水排出配管５０を流れる燃料ガスの流量が上記の場合に比べ少なくなる為、水を外部へ排出できるだけの流量を確保するために、燃料ガス供給配管４５からより多くの量の水素を燃料電池１０に供給する必要がある。

上記のように、燃料電池１０内の水の滞留の程度が高い場合（本実施例では、出力電圧の変動幅が基準値以上となった場合）は、水を外部へ排出させることから、膜電極接合体２００近傍や燃料ガス供給マニホールドＭ１での水の滞留を継続して低減させることができ、水の滞留による燃料電池１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、水の滞留の程度の高低により燃料ガス排出バルブ４６及び水排出バルブ５２の開閉を制御することで、燃料電池１０に供給する水素の量を通常運転時（第１の状態）よりも多くすることなく、水を外部へと排出することができる。

Ｂ．第２実施例：
図１１は、第２実施例としての燃料電池システム１ａの全体構成を示す説明図である。第１実施例の燃料電池システム１との違いは、電圧計８０に代えて第１と第２の差圧計８２，８４を設けた点である。その他の構成については第１実施例と同様の構成であるため、第１実施例と同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。

第１の差圧計８２は、燃料電池システム１ａの通常運転時（燃料電池システム１ａの第１の状態）でのアノード２０１の圧力損失（以下、「第１の圧力損失」ともいう。）を計測する。すなわち、燃料ガス排出バルブ４６が開状態、水排出バルブ５２が閉状態における燃料ガス供給配管４５内の圧力と燃料ガス排出配管４７内の圧力の差を計測する。第２の差圧計８４は、燃料電池システム１ａの水排出時（燃料電池システム１ａの第２の状態）でのアノード２０１の圧力損失（以下、「第２の圧力損失」ともいう。）を計測する。すなわち、燃料ガス排出バルブ４６が閉状態、水排出バルブ５２が開状態における、燃料ガス供給配管４５内の圧力と水排出配管５０内の圧力の差を計測する。取得部９４は、第１と第２の圧力損失の計測値を取得する。

図１２は、第２実施例の水の排出方法を示すフローチャートである。燃料電池システム１ａの通常運転時において、取得部９４は、第１の差圧計８２で計測した第１の圧力損失の計測値を取得する。水排出制御部９２は、第１の圧力損失が第１の閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０ａ）。この第１の閾値は適宜設定可能である。水排出制御部９２は、第１の圧力損失が第１の閾値以上である場合は、水排出マニホールドＭ３（図１）に所定量の水が溜まり、膜電極接合体２００や燃料ガス供給口Ｂ１付近にも水が滞留してきたために、水素が流れにくくなったと判断する。そして、第１実施例のステップＳ２０と同様のステップＳ２０ａを行う。次に、水排出制御部９２は、第２の圧力損失が第２の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ３０ａ）。第２の閾値以下である場合は、水が水排出マニホールドＭ３及び水排出配管５０を介して外部に排出され、水素の流れが水により阻害されなくなったと判断し、第１実施例のステップＳ４０と同様のステップＳ４０ａを行う。ステップＳ４０ａの後に再び、ステップＳ１０ａ〜ステップＳ４０ａを繰り返す。

上記のように、第１実施例と同様、膜電極接合体２００近傍や燃料ガス供給マニホールドＭ１での水の滞留を継続して低減することができ、燃料電池１０の水の滞留による発電性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例と同様、燃料電池１０に供給する水素の量を通常運転時（第１の状態）よりも多くすることなく、水を外部へと排出することができる。さらに、水排出マニホールドＭ３の流路断面積を燃料ガス供給マニホールドＭ１の流路断面積よりも小さくした場合は、第２の圧力損失をより精度良く計測することができ、水が外部へ排出されたか否かの判断をより精度良く行うことができる。これにより、水を確実に外部へ排出させることができる。

Ｃ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ−１．第１変形例：
図１３は第１変形例のカソードセパレータ２２ａを説明するための図である。図１３は第１の面２２ｆａを示している。上記実施例では、アノードセパレータ２３内において、水排出口Ｂ３と燃料ガス流路２３０が接続され、燃料ガス供給口Ｂ１と燃料ガス流路２３０は接続されていない構成であったが、上記構成をカソードセパレータ２２ａ内においても採用することができる。すなわち、図１３に示すように、カソードセパレータ２２ａ内において、酸化ガス供給口Ｃ４が酸化ガス排出口Ｃ５よりも鉛直方向で下側に位置する場合（言い換えれば、空気が酸化ガス流路２２０を鉛直方向で下側から上側に向かって流れる場合）は、カソードセパレータ２２ａ内において、水排出口Ｃ３と酸化ガス流路２２０ａが接続され、酸化ガス供給口Ｃ４と酸化ガス流路２２０ａが接続されていない構成とすることもできる。ここで、上記実施例と同様、酸化ガス供給口Ｃ４と酸化ガス流路２２０ａはカソードガス拡散層を介して接続されている。これにより、酸化ガス流路２２０ａの水は、重力によって鉛直方向で下向きに流れ落ち、酸化ガス供給口Ｃ４ではなく水排出口Ｃ３に流入する。よって、膜電極接合体２００に対向する位置に形成された酸化ガス流路２２０ａ及び酸化ガス供給口Ｃ４に水が滞留することを抑制することができる。

Ｃ−２．第２変形例：
上記第１実施例では、燃料ガス流路２３０の底面２３０ｆａは平行面２３０ｆｅと傾斜面２３０ｆｆとを有していたが、これに限定されるものではない。例えば、傾斜面２３０ｆｆを有さず平行面２３０ｆｅのみであっても良いし、底面２３０ｆａが全て傾斜面２３０ｆｆであっても良い。さらには、傾斜面２３０ｆｆを左側面２３０ｆｄ及び右側面２３０ｆｃから水排出口Ｂ３へ向かって所定長さ形成させ、次いで平行面２３０ｆｅが水排出口Ｂ３と接続されるように形成しても良い。このようにしても、上記第１実施例と同様、膜電極接合体２００に対向する位置に形成された燃料ガス流路２３０及び燃料ガス供給口Ｂ１に水が滞留することを抑制することができる。

Ｃ−３．第３変形例：
図１４は第３変形例のアノードセパレータ２３ａを説明するための図である。図１４は、アノードセパレータ２３ａの内、燃料ガス供給口Ｂ１付近のみを示している。上記第１実施例では、燃料ガス供給口Ｂ１は燃料ガス排出口Ｂ２及び燃料ガス流路２３０よりも鉛直方向で下側に位置していたが、少なくとも燃料ガス供給口Ｂ１が燃料ガス排出口Ｂ２よりも鉛直方向で下側に位置してれば良い。例えば、図１４に示すように燃料ガス供給口Ｂ１をアノードセパレータ２３ａの左辺下側（言い換えれば、燃料ガス流路２３０の左側）に形成しても良い。こうすることで、燃料ガス流路２３０を重力により流れ落ちた水が燃料ガス供給口Ｂ１へ流入することをより抑制することができる。

Ｃ−４．第４変形例：
上記第１実施例では、燃料電池１０内の水の滞留の程度を表す情報として燃料電池１０の出力電圧を採用したが、これに限定されるものではない。例えば、出力電圧に代えて、単モジュール２０の電圧を水の滞留の程度を表す情報として採用することもできる。この場合、単モジュール２０の電圧が所定値以上に低下したか否かに応じてバルブ４６，５２の開閉を制御すれば良い。具体的には、例えば、単モジュールの電圧値が運転開始時よりも所定値（例えば１０％）以上低下した場合は、ステップＳ２０の操作を行い、所定値未満となった場合は、ステップＳ４０の操作を行えば良い。

Ｃ−５．第５変形例：
上記実施例では、燃料ガス排出配管４７を介して水素オフガスを外部へ排出していたが、水素オフガスを、再び燃料ガス供給配管４５を介して燃料電池１０に供給しても良い。これにより、水素を効率良く燃料電池１０の電極反応に利用することができる。なお、この場合、燃料ガス排出配管４７のうち、水排出配管５０と合流する地点よりも下流側の地点に、水と水素を分離する気液分離装置を設置し、気液分離後の水素オフガスを燃料ガス供給配管４５に供給することが好ましい。

Ｃ−６．第６変形例：
上記実施例では、アノードガス拡散層２１９及びカソードガス拡散層２１６は共に撥水性を有する材料により形成されていたが、ガス透過性及び導電性有すれば他の材料（例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス）により形成されても良い。また、２つのガス拡散層２１６，２１９のうち、ガス供給口と反応ガス流路がセパレータ内において接続されておらず、ガス拡散層を介して接続されているセパレータと接するガス拡散層についてのみ、撥水性を有しても良い。例えば、上記実施例では、アノードガス拡散層２１９のみが撥水性を有し、カソードガス拡散層２１６は撥水性を有さなくても良い。さらには、撥水性は、アノードガス拡散層２１９全体について有する必要はなく、少なくとも燃料ガス供給口Ｂ１と燃料ガス流路２３０を接続する部分において有すれば良い。

１，１ａ…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…モジュール（セル）
２１…シール一体型膜電極接合体
２２，２２ａ…カソードセパレータ
２２ｆａ…第１の面
２３，２３ａ…アノードセパレータ
２３ｆａ…第１の面
３０…エンドプレート
３３…インシュレータ
３４…ターミナル
４０…水素タンク
４２…バルブ
４５…燃料ガス供給配管
４６…燃料ガス排出バルブ
４７…燃料ガス排出配管
５０…水排出配管
５２…水排出バルブ
６０…エアポンプ
６２…酸化ガス供給配管
６４…酸化ガス排出配管
７０…循環ポンプ
７２…冷却媒体排出配管
７４…ラジエータ
７６…冷却媒体供給配管
８０…電圧計
８２…第１の差圧計
８４…第２の差圧計
９０…制御部
９２…水排出制御部
９４…取得部
２００…膜電極接合体
２０１…アノード
２０３…カソード
２１１…シール部材
２１２…電解質膜
２１４…カソード触媒層
２１６…カソードガス拡散層
２１８…アノード触媒層
２１９…アノードガス拡散層
２２０，２２０ａ…酸化ガス流路
２２０ｆａ…底面
２２２…冷却媒体流路
２３０…燃料ガス流路
２３０ｆａ…底面
２３０ｆｂ…上面
２３０ｆｃ…右側面
２３０ｆｄ…左側面
２３０ｆｅ…平行面
２３０ｆｆ…傾斜面
２３２…冷却媒体流路
Ａ１ｆａ…上面
Ｂ１ｆａ…上面
Ａ１〜Ａ７…貫通孔
Ｂ１〜Ｂ７…貫通孔
Ｃ１〜Ｃ７…貫通孔
Ｍ１…燃料ガス供給マニホールド
Ｍ２…燃料ガス排出マニホールド
Ｍ３…水排出マニホールド
Ｍ４…酸化ガス供給マニホールド
Ｍ５…酸化ガス排出マニホールド

Claims (8)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、前記電解質膜の２つの面のうち一方の面側に配置され、前記電解質膜に第１の反応ガスを供給するための第１のガス拡散層と、を含む発電体と、
   前記第１のガス拡散層の面上に配置された第１のセパレータと、を備え、
   前記第１のセパレータには、
   前記発電体と対向する面上に位置し、第１の反応ガスが流れる溝状の第１のガス流路と、
   当該燃料電池の外部から前記第１のガス流路に、前記第１の反応ガスを供給するための第１のガス供給口と、
   前記第１のガス流路を流れた前記第１の反応ガスを、当該燃料電池の外部へ排出するための第１のガス排出口と、
   前記第１のガス流路の水を外部へ排出するための水排出口と、が形成され、
   前記第１のガス供給口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス排出口よりも鉛直方向について下側に位置し、
   前記水排出口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス流路よりも鉛直方向について下側に位置し、
   前記水排出口は、前記第１のセパレータ内において、前記第１のガス流路と接続され、
   前記第１のガス供給口は、前記第１のセパレータ内において、前記第１のガス流路と接続されておらず、前記第１のガス拡散層を介して前記第１のガス流路と接続されている、
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記第１のガス供給口と前記第１のガス流路は、前記第１のセパレータ内において間隔をあけて形成されている、燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池であって、
   当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス流路の底面の少なくとも一部は、前記水排出口に向かって傾斜している、燃料電池。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
   前記第１のガス拡散層は、少なくとも前記第１のガス供給口と前記第１のガス流路を接続する部分において撥水性を有する、燃料電池。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
   前記第１のガス供給口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第１のガス流路よりも鉛直方向について下側に位置する、燃料電池。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
   前記第１のガス拡散層は、アノードガス拡散層であり、
   前記第１のセパレータは、アノードセパレータである、燃料電池。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池であって、さらに、
   前記電解質膜の他方の面側に配置され、前記電解質膜に第２の反応ガスを供給するための第２のガス拡散層と、
   前記第２のガス拡散層の面上に配置された第２のセパレータと、を備え、
   前記第２のセパレータには、
   前記発電体と対向する面上に位置し、第２の反応ガスが流れる溝状の第２のガス流路と、
   前記第２のガス流路に前記第２の反応ガスを供給するための第２のガス供給口と、
   前記第２のガス流路を流れた前記第２の反応ガスを外部へ排出するための第２のガス排出口と、が形成され、
   前記第２のガス供給口は、当該燃料電池の設置状態において、前記第２のガス排出口よりも鉛直方向について上側に位置する、燃料電池。
8. 燃料電池システムであって、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池と、
   前記燃料電池内の水の滞留の程度を表す情報を取得する取得部と、
   前記水の排出を制御する水排出制御部と、を備え、
   当該燃料電池システムは、水を外部へ排出しない第１の状態と、水を外部へ排出する第２の状態と、を有し、
   前記水排出制御部は、前記取得部が取得した前記情報に基づき、水の滞留の程度が低い第１の場合に当該燃料電池システムを第１の状態とし、水の滞留の程度が第１の場合よりも高い第２の場合に当該燃料電池システムを第２の状態とする、
   燃料電池システム。

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