(57)【要約】【課題】セパレータに付着した水は勿論のこと、凍結によりセパレータに付着した氷も効率よく外部に排出することができ、且つ発電効率を向上することが可能な燃料電池、及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】ＭＥＡ２２０と、ＭＥＡ２２０の両側に各々配設されたセパレータ２３０及び２４０を備え、セパレータ２４０は、流体が流通する溝部２４１を有し、溝部２４１の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、空気供給用マニホールド２４２と、冷却媒体入口用マニホールド２４３と、水素ガス出口用マニホールド２４４と、水素ガス入口用マニホールド２４５と、冷却媒体出口用マニホールド２４６と、空気出口用マニホールド２４７と、空気導入部２４８及び空気排出部２４９が形成されており、空気導入部２４８及び空気排出部２４９は、溝部２４１の内壁面よりも高い撥水性を有する燃料電池２０である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、
流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、を有するセパレータを備え、
前記流体導入部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池。
【請求項２】
膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、
流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部から排出された流体が導入される流体排出用マニホールドと、前記流体流路部と流体排出用マニホールドとの間に位置し、当該流体流路部から排出された流体を前記流体排出用マニホールドに排出する流体排出部と、を有するセパレータを備え、
前記流体排出部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータは、前記流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、をさらに備え、
前記流体導入部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータは、前記膜−電極アッセンブリと接触する領域が非撥水処理領域である請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記流体導入部及び流体排出部の少なくとも一方の接触角が、１５０度以上である請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記溝部の内壁面の接触角が、７０度以上、１１０度以下である請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記燃料電池に流体を供給する流体供給ユニットと、
前記燃料電池から排出される流体を排出する流体排出ユニットと、
を備えた燃料電池システム。
【請求項８】
前記流体供給ユニットから供給される流体の供給量を制御する流体供給量制御部を有し、
前記流体供給量制御部は、前記燃料電池の発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を減少させ、前記燃料電池の非発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を増加させる請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記流体供給量制御部は、前記燃料電池に供給する流体量の増減を所定間隔で交互に繰り返す請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記流体供給量制御部は、前記燃料電池内の許容含水量に応じて、前記流体量の増減を切替える請求項８記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池システムの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池を低温環境下で起動させると、燃料電池や該燃料電池に連通する配管等に残存する水が凍結し、燃料電池内あるいは配管内におけるガス流通が阻害され、発電が停止する等、燃料電池システムの起動が困難になる。特に、ガス導入部は、ガス流路部に対する断面積が小さいため、凍結した水（氷）によって閉塞し易いことが知られている。
【０００３】
そこで、セパレータのガス流通用の溝部に撥水処理を施すことで、この部分に水が付着することを防止した燃料電池が紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。また、セパレータのマニホールド近傍（ガス導入部からガス流路部の入口部、ガス流路の出口部からガス出口部）の撥水性を強化した燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、燃料電池の低温起動時に、各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する電圧印加プロセスと、生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素を用いて発電する発電プロセスとを繰り返し行い、前記燃料電池スタック内を解氷する燃料電池システムが紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
そしてまた、燃料電池の低温起動時に、燃料電池システム内の温度が所定温度以上になるまで、掃引電流値を絶えず増加させることで、低温起動時における燃料電池システム内での凍結の抑制を行う燃料電池システムも紹介されている。（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
さらにまた、燃料電池のアノードガスを排出する管路に備えられ、前記燃料電池内部に圧力変動を起こす第１の流量でアノードガスを排出する第１流通手段と、前記管路に備えられ、第１の流量より少ない第２の流量でアノードガスを排出する第２流通手段と、前記第１流通手段と前記第２流通手段とを切替える切替え手段とを備え、前記第１の流通手段から排出されるアノードガスにより、前記燃料電池内部に滞留している液体状の不純物を排出させた後、前記第２流通手段に切替える燃料電池システムも紹介されている。（例えば、特許文献５参照）。
【０００７】
また、セパレータを構成する金属板の表面部分に、撥水性材料と金属とを含有した複合メッキ層を形成してなる燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３６３０９号公報
【特許文献２】特開２００７−１４１６９５号公報
【特許文献３】特開２００３−１９７２４１号公報
【特許文献４】特開２００７−４２５６６号公報
【特許文献５】特開２００８−７８１０１号公報
【特許文献６】特開２０００−１００４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載されている燃料電池は、セパレータのガス流通用の溝部のみに撥水処理が施された構成であり、最も水を排除させたい部分であるガス導入部に水が付着することを抑制することができなかった。したがって、燃料電池を低温環境下で起動させた際に、前記ガス導入部に残存する水が凍結してこの部分を閉塞し、発電に支障を来す虞がある。また、セパレータの面内全体に撥水処理を施した場合は、一般的に燃料電池の下部に位置するガス導入部に水が滞留してしまう。
【００１０】
また、特許文献２に記載されている燃料電池は、マニホールド近傍の撥水性に強弱がないため、ガス導入部に水が滞留する虞がある。また、セパレータの発電面内の撥水性に強弱が付くため、発電にも強弱が付き、最適な発電を行うことが困難である。
【００１１】
そしてまた、特許文献３に記載されている燃料電池システムは、電気分解を行うために逆電圧をかける必要があるが、複数の単セルを積層した構造を有している燃料電池では、各単セルに均等に電圧をかけることが困難である。
【００１２】
また、特許文献４には、凍結を抑制する目的で生成水を積極的に排出することについて言及されていない。さらにまた、特許文献５には、燃料電池を低温環境下で起動させた際に生じる凍結を抑制することについて言及されておらず、カソードガスの排出についても言及されていない。
【００１３】
そしてまた、特許文献６に記載された燃料電池は、複合メッキ層として、電気伝導性を有しない撥水性材料と、親水性を有する金属を混合した材料を使用しているため、拡散層と金属セパレータとの接触点における電気伝導性が不十分となる。また、金属セパレータに形成されているガス流路部の撥水性が不十分である。
【００１４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、セパレータに付着した水は勿論のこと、凍結によりセパレータに付着した氷も効率よく外部に排出することができ、且つ発電効率を向上することが可能な燃料電池、及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的を達成するため本発明は、膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、を有するセパレータを備え、前記流体導入部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池を提供するものである。
【００１６】
また、本発明は、膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部から排出された流体が導入される流体排出用マニホールドと、前記流体流路部と流体排出用マニホールドとの間に位置し、当該流体流路部から排出された流体を前記流体排出用マニホールドに排出する流体排出部と、を有するセパレータを備え、前記流体排出部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池を提供するものである。
【００１７】
これらの構成を備えた燃料電池は、セパレータの流体流路部（溝部）の内壁面における撥水性よりも、流体導入部及び／または流体排出部の撥水性の方が高いため、当該流体導入部及び／または流体排出部に水が滞留することを抑制することができる。したがって、燃料電池を低温環境下で起動させても、前記流体流路部と同様に、前記流体導入部及び／または流体排出部にも氷が付着することを抑制することができる。このため、前記流体導入部及び／または流体排出部が氷の付着によって狭くなる、あるいは閉塞されることが抑制され、前記流体を適切な量で確実に導入することができる。また、セル内を昇温させるために必要な熱容量を低減することができるため、セル内を急速に昇温させる（暖機させる）ことが可能となる。
【００１８】
また、本発明は、流体排出用マニホールドと、前記流体流路部から排出された流体を前記流体排出用マニホールドに排出する流体排出部に加え、前記流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、を備え、前記流体排出部と流体導入部の両方に、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されていてもよい。
【００１９】
また、前記セパレータの前記膜−電極アッセンブリと接触する領域は、非撥水処理領域（即ち、撥水処理が施されていない領域）とすることができる。このように構成することで、セパレータの直接発電に関わる領域に、電気伝導性を有しない撥水性の膜が形成されることがないため、燃料電池の発電を効率よく行うことができる。
【００２０】
そしてまた、本発明に係る燃料電池では、前記流体導入部及び／または流体排出部の接触角を１５０度以上に設定することができる。このように構成することで、前記流体導入部及び／または流体排出部の撥水性をより向上させることができ、当該流体導入部及び／または流体排出部に水が滞留することをさらに確実に抑制することができる。なお、流体導入部及び／または流体排出部の表面における接触角が高いと、当該表面に付着した水あるいは氷は、当該表面に対し点接触となるため、前記流体の流通によって、水あるいは氷を前記表面から簡単に取除く（剥がす）ことができる。
【００２１】
さらにまた、本発明に係る燃料電池では、前記溝部の内壁面の接触角を７０度以上、１１０度以下に設定することができる。このようにすることで、流体導入部及び流体排出部に水が滞留することをより効率よく抑制することができると共に、前記流体導入部及び／または流体排出部の撥水性との違いにより、当該流体導入部及び／または流体排出部に水が滞留することをさらに確実に抑制することができる。
【００２２】
なお、前記流体導入部及び／または流体排出部の接触角、前記溝部の内壁面の接触角は、必ずしも限定されるものではないが、流体導入部及び／または流体排出部の接触角が、前記溝部の内壁面の接触角よりも大きいことが必要となる。前記溝部に撥水性を付与することにより、当該溝部に水や氷が滞留することを抑制することができ、且つ、前記流体導入部及び／または流体排出部の撥水性を前記溝部の撥水性よりも大きく設定するためには、前記接触角が前記範囲にあることが好適である。
【００２３】
また、本発明でいう「流体」は、燃料ガス、酸化ガスのいずれであってもよい。当然のことながら、前記流体は、通常の燃料電池において燃料ガスや酸化ガスに含まれる成分を含んでいてもよく、燃料オフガスや酸化オフガスに含まれる成分を含んでいてもよい。
【００２４】
また、本発明は、前述した本発明に係る燃料電池と、前記燃料電池に流体を供給する流体供給ユニットと、前記燃料電池から排出される流体を排出する流体排出ユニットと、を備えた燃料電池システムを提供するものである。
【００２５】
この構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池に配設されているセパレータの流体流路部（溝部）の内壁面における撥水性よりも、流体導入部及び／または流体排出部の撥水性の方が高いため、当該流体導入部及び／または流体排出部に水が滞留することを抑制することができる。したがって、燃料電池を低温環境下で起動させても、前記流体流路部と同様に、前記流体導入部及び／または流体排出部にも氷が付着することを抑制することができる。このため、前記流体導入部及び／または流体排出部が氷の付着によって狭くなる、あるいは閉塞されることが抑制され、前記流体を適切な量で確実に導入することができる。また、セル内を昇温させるために必要な熱容量を低減することができるため、セル内を急速に昇温させる（暖機させる）ことが可能となる。
【００２６】
そしてまた、本発明に係る燃料電池システムは、前記流体供給ユニットから供給される流体の供給量を制御する流体供給量制御部を有し、前記流体供給量制御部は、前記燃料電池の発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を減少させ、前記燃料電池の非発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を増加させるよう構成することができる。このように構成することで、セパレータの溝部、及び流体導入部及び／または流体排出部に氷が付着していたとしても、非発電時に流通する流体により、前記氷を取除いて（剥がして）外部に排出させることができる。この時、セパレータの溝部、及び流体導入部及び／または流体排出部には、撥水処理が施されているため、氷が付着していたとしても、前記流体によって簡単に取除くことができる。また、流体導入部及び／または流体排出部の撥水性は溝部の撥水性よりも高いため、流体導入部及び／または流体排出部に付着していた氷は、前記流体によってさらに簡単に取除くことができる。また、発電時には、燃料電池の発電に必要な適正な量の流体を供給することができる。このように、付着された氷を流体によって取除くことで、燃料電池内を氷点以上に昇温させる必要が殆どなくなるため、急速に暖機を行うことができる。
【００２７】
前記流体供給量制御部は、前記燃料電池に供給する流体量の増減を所定間隔で交互に繰り返すことができる。あるいは、前記流体供給量制御部は、前記燃料電池内の許容含水量に応じて、前記流体量の増減を切替えることができる。このように、発電と非発電（氷の排出）を繰り返すことで、前記利点に加え、昇温性能の確保と、氷の排出性能の確保を同時に実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、セパレータに付着した水や、凍結によりセパレータに付着した氷を効率よく外部に排出することができると共に、発電効率が向上した燃料電池、及び燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池の構成要素であるセパレータの平面図である。
【図３】図２に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電と排出（非発電）の切替えの制御方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電及び排水と、エア流量、発熱量及びセル内水量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施例にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【実施例】
【００３１】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図、図２は、図１に示す燃料電池の構成要素であるセパレータの平面図、図３は、図２に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図、図４は、本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電と排出（非発電）の切替えの制御方法を示すフローチャート、図５は、本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電及び排水と、エア流量、発熱量及びセル内水量との関係を示す図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００３２】
なお、本実施例では、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明は、このような適用例に限らず、船舶，航空機，電車等のあらゆる移動体や歩行ロボットへの適用が可能である他、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００３３】
図１に示すように、本発明の実施例に係る燃料電池システムでは、酸化ガス（空気を主成分とする流体：以下、単に「空気」と記す）が空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。
【００３４】
一方、燃料ガス（水素を主成分とする流体：以下、単に「水素ガス」と記す）は、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００３５】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。また、水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。
【００３６】
さらに、燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータＣ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００３７】
燃料電池２０で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、二次電池（給電先）５４に充電される。トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は、燃料電池２０と二次電池５４の双方または何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータＭ３と補機モータＭ４のそれぞれに交流電力を供給する。
【００３８】
制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成され、図示しない車両のアクセル信号等の要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。また、この制御部５０は、後に詳述するが、システム起動時に、図３に示すフローチャートにしたがって、燃料電池２０における発電と排出（非発電）の切替えの制御を行う。即ち、制御部５０は、本発明でいう流体供給量制御部としての役割も果たしている。
【００３９】
燃料電池２０は、図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（以下、「ＭＥＡ」という）２２０と、ＭＥＡ２２０を挟んだ両側に各々配設されたセパレータ２３０及び２４０とを有する単セル２５０を有している。そして、この単セル２５０を複数枚積層したモジュール群のセル積層方向両端に、図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付けて固定した構成を備えている。
【００４０】
ＭＥＡ２２０は、イオン交換膜からなる電解質膜２１１を備え、この電解質膜２１１の一方の面には、触媒層２１２、マイクロポーラス層２１３及び拡散層２１４からなる燃料極２１５（アノード）が配設され、電解質膜２１１の他方の面には、触媒層２１６、マイクロポーラス層２１７及び拡散層２１８からなる酸化剤極２１９（カソード）が配設された構成を備えている。
【００４１】
酸化剤極２１９（カソード）側に配設されるセパレータ２４０は、図２及び図３に示すように、ＭＥＡ２２０と対向する面であり且つ発電部と対向する領域に、空気が流通する流体流路部としての溝部２４１が形成されている。
【００４２】
セパレータ２４０の一端縁部には、単セルの積層方向に連通して空気を供給するための空気供給用マニホールド２４２、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口用マニホールド２４３、及び水素ガスを排出するための水素ガス出口用マニホールド２４４が設けられている。また、セパレータ２４０の他端縁部には、単セルの積層方向に連通して、水素ガスを供給するための水素ガス入口用マニホールド２４５、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口用マニホールド２４６、及び空気を排出するための空気出口用マニホールド２４７が設けられている。
【００４３】
また、空気供給用マニホールド２４２と、溝部２４１との間には、空気供給用マニホールド２４２から供給された空気を溝部２４１に導入する空気導入部２４８が設けられている。一方、溝部２４１と、空気出口用マニホールド２４７との間には、溝部２４１から排出された空気を空気出口用マニホールド２４７に排出する空気排出部２４９が設けられている。
【００４４】
溝部２４１の内壁面（拡散層２１８と接触していない部分）には、撥水処理が施されることにより、撥水層２７０が形成されている。この撥水処理としては、溝部２４１の内壁面に、例えば、テフロン（登録商標）やＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂、シリコーン系樹脂等からなる被膜を形成する等の方法が挙げられる。なお、この撥水処理により、溝部２４１の内壁面の接触角が、７０度以上、１１０度以下となることが好ましい。
【００４５】
また、空気導入部２４８及び空気排出部２４９の表面には、溝部２４１の内壁面よりも高い撥水性が得られる撥水処理が施されることにより、撥水層（図示せず）が形成されている。この撥水処理としては、空気導入部２４８及び空気排出部２４９の表面に、例えば、ＨＩＲＥＣ（登録商標：ＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製）やアデッソＷＲ（登録商標：日華化学株式会社製）を塗布して被膜を形成する、めっき金属被膜とＰＴＦＥ粒子の複合めっき被膜を形成する、略円錐形状の微細構造膜を形成する等が挙げられる。なお、この撥水処理により、空気導入部２４８及び空気排出部２４９の表面の接触角が１５０度以上となることが好ましい。
【００４６】
そしてまた、セパレータ２４０の拡散層２１８と接触する領域は、撥水処理を施されておらず、これによって、セパレータ２４０の拡散層２１８と接触する領域の電気伝導性を損なうことがない。したがって、発電を効率よく行うことができる。なお、セパレータ２４０の拡散層２１８と接触する領域には、所望により親水性処理を行ってもよい。
【００４７】
なお、燃料極２１５（アノード）が配設されるセパレータ２３０は、セパレータ２４０に準じた構成を有しており、ＭＥＡ２２０と対向する面であり且つ発電部と対向する領域に、水素ガスが流通する流体流路部としての溝部が形成され、この溝部と水素ガス供給用マニホールドとの間に水素ガス導入部が設けられ、この溝部と水素ガス出口用マニホールド２４４との間に水素ガス排出部が設けられ、溝部の撥水性と水素ガス導入部及び水素ガス排出部の撥水性、及び、この撥水性によって得られる効果は、セパレータ２４０と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００４８】
次に、本実施例に係る燃料電池システムにおける発電と排出（非発電）の切替えを制御する方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００４９】
燃料電池システムが起動されると、図４に示すように、制御部５０は、燃料電池２０のスタック温度を上記温度センサＴ１で検出し（ステップＳ１）、検出したスタック温度が所定の凍結温度（例えば、０℃）を越えている場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）は、ステップＳ３に進み、通常の発電（燃料電池２０から二次電池５４、補機インバータ５２、補機モータＭ４の少なくともいずれか１つへの給電）を開始する。その後、このフローを終了する。
【００５０】
一方、検出したスタック温度が所定の凍結温度（例えば、０℃）未満である場合には、ステップＳ４に進み、セル内の含水量（Ａ）を算出し、ステップＳ５に進む。ここで、生成水の量は、燃料電池２０の発電電流の積分値であり、また、生成水は、飽和水蒸気として排出されるため、排出水量は、ガス流量と温度との関係によって決まる。したがって、セル内の含水量（Ａ）は、（燃料電池２０の発電電流）−（空気流量、空気の温度）によって算出される。
【００５１】
次に、セル内の含水量（Ａ）が、空気導入部２４８及び空気排出部２４９が閉塞されることが懸念される水量（閉塞懸念水量）以上である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）は、ステップＳ６に進み、制御部５０が、発電を停止させると共に、コンプレッサＡ３を制御して、燃料電池２０に供給される空気の流量を増加させる。この動作により、セパレータ２４０の溝部２４１及び空気導入部２４８及び空気排出部２４９に付着していた氷が取除かれ、燃料電池２０の外部（系外）に効率よく排出される。このように、付着された氷を空気によって取除くことで、スタック内を氷点以上に昇温させる必要が殆どなくなるため、急速に暖機を行うことができる。次に、ステップＳ７においてセル内の含水量（Ａ）を再び算出し、ステップＳ８に進む。
【００５２】
ステップＳ８では、セル内の含水量（Ａ）が、空気導入部２４８及び空気排出部２４９が閉塞される虞がない水量（閉塞回避水量）以下である場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）は、このフローを終了する。一方、セル内の含水量（Ａ）が、空気導入部２４８及び空気排出部２４９が閉塞される虞がない水量（閉塞回避水量）を超えている場合は、ステップＳ６に戻る。
【００５３】
一方、セル内の含水量（Ａ）が、空気導入部２４８及び空気排出部２４９が閉塞されることが懸念される水量（閉塞懸念水量）未満である場合（ステップＳ５：ＮＯ）は、ステップＳ９に進み、制御部５０が、発電を開始させると共に、コンプレッサＡ３を制御して、燃料電池２０に供給される空気の流量を減少させ、前記氷の除去を停止させる。その後、このフローを終了する。
【００５４】
ここで、発電と排出（非発電）の切替えによる空気流量と、発熱量と、セル内の含水量との関係は、図５に示すように変化する。即ち、発電時には、空気流量が低下し、発熱量が増加する。また、セル内の含水量は、発電開始時から徐々に増加する。一方、排出（非発電）時には、空気流量が増加し、発熱量が低下する。また、セル内の含水量は、排出開始時から徐々に減少する。
【００５５】
なお、例えば、単セルの温度を、−３０℃から０℃まで上昇させるために必要な発電水量を３ｇ／ｃｅｌｌとすると、３００枚の単セルを積層した燃料電池の場合、必要な熱量は、３５７ｋＪである。セルを昇温中の燃料電池における発熱量を３０ｋＷとすると、３５７／３０＝１２秒である。本実施例に係る燃料電池システムでは、氷を発熱により解凍する必要が無いため、従来よりも約１２秒速く、セル内部を昇温させることができることになる。
【００５６】
また、本実施例では、燃料電池２０に供給する空気流量を増減する場合について説明したが、これに限らず、水素ガスの流量を増減してもよい。また、空気流量及び水素ガスの流量を増減してもよい。
【００５７】
そしてまた、本実施例では、空気供給用マニホールド２４２から供給された空気を溝部２４１に導入する空気導入部２４８と、溝部２４１から排出された空気を空気出口用マニホールド２４７に排出する空気排出部２４９の両方に、撥水処理が施されている場合について説明したが、これに限らず、所望により、空気導入部２４８と、空気排出部２４９のいずれか一方に撥水処理が施されている構成であってもよい。これは、水素ガス導入部及び水素ガス排出部についても同様である。
【符号の説明】
【００５８】
２０…燃料電池、  ５０…制御部、  ２２０…ＭＥＡ、  ２３０、２４０…セパレータ、２４１…溝部、  ２４８…空気導入部、  ２４９…空気排出部、  ２５０…単セル、  ２７０…撥水層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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