(57)【要約】      （修正有）【課題】供給ガス流路からの排水量を適切に制御し、発電効率を向上させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】膜−電極接合体３０と、膜−電極接合体３０を挟持する一対のガス拡散層４０、４２と、一対のガス拡散層４０、４２を挟持する一対のセパレータ４４、４６と、を備え、一対のセパレータ４４、４６の少なくとも一方において、上流端が供給マニホールド５０に連通し、下流端が排水路７０に連通する供給ガス流路５２（第１ガス流路）と、供給ガス流路５２（第１ガス流路）から排水路７０への連通部７２に配置され、連通部７２における流路断面積を増減可能な増減手段と、が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備え、
前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記ガス拡散層側の面において、
上流端が供給マニホールドに連通し、下流端が排水路に連通する溝状の第１ガス流路と、
前記第１ガス流路から前記排水路への連通部に配置され、前記連通部における流路断面積を増減可能な増減手段と、
が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１ガス流路を有する前記セパレータの前記ガス拡散層側の面において、
下流端が排出マニホールドに連通し、上流端が行き止まりとなる溝状の第２ガス流路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記増減手段は、前記第１ガス流路の下流端における相対湿度、または前記相対湿度を推定可能なパラメータに基づいて、自律的に流路断面積の増減を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１ガス流路の下流端における相対湿度、または前記相対湿度を推定可能なパラメータを取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された前記相対湿度または前記パラメータに基づいて、前記増減手段による流路断面積の増減を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記パラメータは、前記第１ガス流路の下流端における温度、前記第１ガス流路または前記第２ガス流路におけるガス圧力、前記第１ガス流路または前記第２ガス流路におけるガス流量、前記燃料電池の出力電流、及び前記燃料電池の出力電圧のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得るための装置である。燃料電池は、エネルギーへの変換効率が高く、環境面においても優れていることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められている。
【０００３】
一般的な燃料電池は、電解質膜及び触媒層を有する膜−電極接合体と、膜−電極接合体に隣接して設けられたガス拡散層と、ガス流路が形成されたセパレータと、を備えている。従来から、ガス拡散層にガスを供給する供給流路と、ガス拡散層からガスを回収する排出流路とが、所定間隔をおいて交互に形成された櫛型のガス流路が知られている。
【０００４】
また、このような櫛型のガス流路において、供給ガス流路の先端部に排水路を設け、当該排水路への入口の一部を多孔質体で塞いだガス流路が知られている（特許文献１）。この構成によれば、多孔質体の両面側の圧力を調節することにより、供給ガス流路の先端部から水のみを排出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１６６５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した櫛型のガス流路では、供給ガス流路の先端部が行き止まりとなっており、水が溜まりやすくなっている。供給ガス流路の先端部に水が溜まると、供給ガス流路からガス拡散層へのガスの拡散が阻害され、発電効率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００７】
特許文献１に記載の技術によれば、供給ガス流路の先端部に設けられた排水路から排水を行うことにより、水が溜まることを抑制することができる。しかし、この構成では供給ガス流路の先端部から常に排水が行われるため、過剰な排水により電解質膜が乾燥し、かえって発電効率が低下してしまう場合があった。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、供給ガス流路からの排水量を適切に制御することにより、発電効率を向上させることのできる燃料電池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】
【０００９】
本燃料電池は、膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、を備えている。また、前記一対のセパレータの少なくとも一方の前記ガス拡散層側の面において、上流端が供給マニホールドに連通し、下流端が排水路に連通する溝状の第１ガス流路と、前記第１ガス流路から前記排水路への連通部に配置され、前記連通部における流路断面積を増減可能な増減手段と、が設けられている。本構成によれば、連通部に備えられた増減手段により流路断面積を調節することで、第１ガス流路から排水路への排水量を適切な量に制御することができる。これにより、第１供給ガス流路の先端部における水の滞留及び電解質膜の乾燥の両方を抑制することができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１０】
上記構成において、前記第１ガス流路を有する前記セパレータの前記ガス拡散層側の面において、下流端が排出マニホールドに連通し、上流端が行き止まりとなる溝状の第２ガス流路が設けられている構成とすることができる。このように、本発明は櫛型のガス流路を備えた燃料電池に対し特に好適である。
【００１１】
上記構成において、前記増減手段は、前記第１ガス流路の下流端における相対湿度、または前記相対湿度を推定可能なパラメータに基づいて、自律的に流路断面積の増減を行う構成とすることができる。本構成によれば、増減手段を制御するための機構を設ける必要がないため、部品点数を低減することができる。
【００１２】
上記構成において、前記第１ガス流路の下流端における相対湿度、または前記相対湿度を推定可能なパラメータを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された前記相対湿度または前記パラメータに基づいて、前記増減手段による流路断面積の増減を制御する制御手段と、を有する構成とすることができる。本構成によれば、制御手段により増減手段を制御することにより、より適切に流路断面積の調節を行うことができる。
【００１３】
上記構成において、前記パラメータは、前記第１ガス流路の下流端における温度、前記第１ガス流路または前記第２ガス流路におけるガス圧力、前記第１ガス流路または前記第２ガス流路におけるガス流量、前記燃料電池の出力電流、及び前記燃料電池の出力電圧のうち少なくとも１つである構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、供給ガス流路からの排水量を適切に制御することにより、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池の構成を示した図である。
【図２】図２は、図１における連通部の拡大図である。
【図３】図３は、実施例２に係る燃料電池における連通部の拡大図である。
【図４】図４は、実施例３に係る燃料電池における連通部の拡大図である。
【図５】図５は、実施例３の変形例に係る連通部の拡大図である。
【図６】図６は、実施例４に係る燃料電池システムの構成を示した図である。
【図７】図７は、実施例４に係る燃料電池の構成を示した図である。
【図８】図８は、図７における連通部の拡大図である。
【図９】図９は、実施例４に係る燃料電池システムの動作を示したフローチャートである。
【図１０】図１０は、実施例５に係る燃料電池の構成を示した図である。
【図１１】図１０における連通部の拡大図である。
【図１２】図１２は、実施例６に係る燃料電池の構成を示した図である。
【図１３】図１３は、図１２における制御バーの構成を示した図である。
【図１４】図１４は、実施例６の変形例に係る制御バーの構成を示した図である。
【図１５】図１５は、実施例７に係る燃料電池の構成を示した図である。
【図１６】図１６は、図１５における制御バーの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池１０の断面模式図である。図１（ａ）においては、燃料電池１０として単セルが図示されている。燃料電池１０は、膜−電極接合体３０と、膜−電極接合体３０を挟持する一対のガス拡散層（アノードガス拡散層４０及びカソードガス拡散層４２）と、ガス拡散層４０及び４２を挟持する一対のセパレータ（アノードセパレータ４４及びカソードセパレータ４６）とを備えている。膜−電極接合体３０は、電解質膜３２と、アノード触媒層３４と、カソード触媒層３６とを含む。電解質膜３２としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜（例えば、パーフルオロスルホン酸膜等）を用いることができる。
【００１８】
アノード触媒層３４及びカソード触媒層３６は、電解質膜３２を挟持するように配置されている。アノード触媒層３４に含まれる触媒は、水素のプロトン化を促進させ、カソード触媒層３６に含まれる触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。アノード触媒層３４及びカソード触媒層３６の触媒としては、例えば白金を用いることができる。例えば、アノード触媒層３４及びカソード触媒層３６は、白金担持カーボン等を含む。
【００１９】
アノードガス拡散層４０及びカソードガス拡散層４２は、導電性及びガス拡散性を有する。アノードガス拡散層４０は、水素を含むアノードガスを拡散させ、アノード触媒層３４に供給する機能を有する。カソードガス拡散層４２は、酸素を含むカソードガスを拡散させ、カソード触媒層３６に供給する機能を有する。アノードガス拡散層４０及びカソードガス拡散層４２としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維を用いることができる。
【００２０】
アノードセパレータ４４及びカソードセパレータ４６は、それぞれアノードガス拡散層４０及びカソードガス拡散層４２と接して配置されている。また、アノードセパレータ４４及びカソードセパレータ４６には、後述するようにアノードガス拡散層４０及びカソードガス拡散層４２のそれぞれにガスを供給するためのガス流路が形成されている。
【００２１】
図１（ｂ）は、カソードセパレータ４６を膜−電極接合体３０側から見た図である。図１（ｃ）は、カソードセパレータ４６を図１（ｂ）のＡ−Ａ線方向から見た断面図である。図１（ｃ）に示すように、カソードセパレータ４６のカソードガス拡散層４２側の面には、溝状の凹部が形成されている。この凹部とカソードガス拡散層４２とによって区画された領域は、カソードガスが流動するためのガス流路として機能する。後述する供給マニホールド５０、供給ガス流路５２、排出マニホールド６０、及び排出ガス流路６２は、この溝状の凹部によって形成されている。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、本実施例では、供給マニホールド５０から分岐する複数の供給ガス流路５２（第１ガス流路）と、排出マニホールド６０から分岐する複数の排出ガス流路６２（第２ガス流路）とが交互に噛み合うことにより、対向する櫛型のガス流路が形成されている。供給マニホールド５０の上流端はガスの供給口５４に連通し、排出マニホールド６０の下流端はガスの排出口６４に連通している。
【００２３】
供給ガス流路５２は、カソードガス拡散層４２にガスを供給するための流路であり、その上流端は供給マニホールド５０に連通している。典型的な櫛型流路では、供給ガス流路５２の下流端は閉塞されている場合が多いが、本実施例の燃料電池１０では、供給ガス流路５２の下流端は排水路７０に連通している。排出ガス流路６２は、カソードガス拡散層４２からガスを回収・排出するための流路であり、その上流端は閉塞され、下流端は排出マニホールド６０に連通している。供給ガス流路５２と排出ガス流路６２とは、所定間隔をおいて交互に形成されている。
【００２４】
排水路７０は、供給ガス流路５２に溜まった水を排出するための流路であり、その上流端は供給ガス流路５２の下流端に連通している。本実施例では、排水路７０の下流端は排出マニホールド６０に連通しているが、排水の目的を果たすことができるものであれば他の構成であってもよい。例えば、排水路７０が排出ガス流路６２及び排出マニホールド６０から独立した構成となっていてもよい。
【００２５】
供給ガス流路５２から排水路７０に通ずる連通部７２には、調節弁７４が設けられている。調節弁７４は、連通部７２における流路断面積を増減することのできる増減手段として機能する。これにより、連通部７２における流路面積が調節され、供給ガス流路５２から排水路７０へ排出される水の量が調節される。なお、調節弁７４は、連通部７２を閉じることもできる。従って、調節弁７４は、連通部７２の開閉手段としても機能する。
【００２６】
図２（ａ）及び（ｂ）は、図１（ｂ）における連通部７２付近の拡大図である。調節弁７４は、熱膨張率が比較的高い第１金属板７４ａと、第１金属板７４ａより熱膨張率が低い第２金属板７４ｂとが張り合わされたバイメタルであり、その一端が供給ガス流路５２及び排水路７０の境界の壁面に固定されている。また、調節弁７４の向きは、ガスの流動方向に対し斜めになるように調節され、熱膨張率の高い第１金属板７４ａが、調節弁７４が固定された壁面に近い側に配置されている。
【００２７】
調節弁７４は、連通部７２における温度変化に応じて、２枚の金属板７４ａ及び７４ｂの熱膨張率の差異に起因して湾曲し、連通部７２における流路断面積を増減させる。連通部７２における温度が高い時には、第１金属板７４ａの膨張量が第２金属板７４ｂの膨張量に比較して大きいことから、調節弁７４は、図２（ａ）のように矢印Ａの方向に曲がる。これにより、連通部７２の流路断面積が減少する。このとき、流路断面積は０（供給ガス流路５２から排水路７０への入口を完全に閉鎖された状態）となってもよい。一方、連通部７２における温度が低い時には、第１金属板７４ａの収縮量が第２金属板７４ｂの収縮量に比較して大きいことから、調節弁７４は、図２（ｂ）のように矢印Ｂの方向に曲がる。これにより、連通部７２の流路断面積が増加する。
【００２８】
従来の燃料電池では、供給ガス流路５２の下流端（従来は行き止まりであった部分）に水が溜まることにより、ガスの拡散が不十分となることが問題となっていた。また、供給ガス流路の下流端に排水路が設けられた燃料電池では、過剰に排水が行われることによるドライアップが問題となっていた。
【００２９】
本実施例の燃料電池１０では、供給ガス流路５２の下流端に連通する排水路７０が設けられ、さらに供給ガス流路５２から排水路７０に通ずる連通部７２に調節弁７４が設けられている。調節弁７４は、前述のように、連通部７２の温度に応じて流路断面積を調節可能に設定されている。これにより、供給ガス流路５２からの排水量が適切に制御される。
【００３０】
具体的に、燃料電池１０が高温状態（高出力）にある場合は、水分の蒸発が促進されることから、供給ガス流路５２の下流端における残留液水は少ない（すなわち、水があまり溜まっていない）と推定される。このとき、調節弁７４は連通部７２の流路断面積を減少させ（または、連通部７２を完全に閉鎖して）、供給ガス流路５２からの排水量を減少させる。これにより、燃料電池１０のドライアップを抑制することができる。また、連通部７２の流路断面積が小さくなることにより、供給ガス流路５２の下流端は行き止まり状態またはそれに近い状態となる。これにより、供給ガス流路５２からカソードガス拡散層４２へのガスの浸透が促進され、カソードガス拡散層４２に対するガスの供給効率を向上させることができる。
【００３１】
一方、燃料電池１０が低温状態（低出力）にある場合は、水分の蒸発があまり行われないことから、供給ガス流路５２の下流端における残留液水は多め（すなわち、水が多く溜まっている）と推定される。このとき、調節弁７４は連通部７２の流路断面積を増加させ、供給ガス流路５２からの排水量を増加させる。これにより、供給ガス流路５２の下流端に水が滞留することによるガス拡散能力の低下を抑制することができる。
【００３２】
以上のように、本実施例の燃料電池１０では、調節弁７４が存在することにより、供給ガス流路５２からの排水量が温度に基づいて調節される。また、連通部７２の温度及び相対湿度（水の溜まり具合）は、互いに関連する。従って、バイメタルからなる調節弁７４を用いることにより、調節弁７４が供給ガス流路５２の下流端における液水量を間接的に感知し、自律的に排水量の調節を行うことが可能となる。その結果、燃料電池１０の水分量を適切に制御し、発電効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施例及び以下の実施例では、カソードセパレータ４６に排水路７０及び調節弁７４を設ける例について説明したが、同様の構成をアノードセパレータ４４に対して適用し、同様の効果を得ることも可能である。ただし、電解質膜３２に固体高分子を用いる場合、特にカソード側のガス流路において水の発生及び滞留が問題となるため、本実施例及び以下の実施例の構成は、カソード側のセパレータにおいて特に好適である。
【実施例２】
【００３４】
実施例２は、実施例１と異なる形態の調節弁を用いる例である。実施例２の燃料電池１０は、調節弁７４Ａの形状が実施例１と異なるのみであり、その他の構成は共通である（図１（ｂ）参照）。従って、共通の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３５】
図３（ａ）及び（ｂ）は、連通部７２付近の拡大図である。図３（ａ）は閉弁状態（流路断面積が小さい状態）を示し、図３（ｂ）は開弁状態（流路断面積が大きい状態）を示す。本実施例の調節弁７４Ａは、熱膨張係数の比較的大きい材質（例えば、樹脂、ゴム等）から構成される。調節弁７４Ａは、その一端が連通部７２の側壁に固定され、ガスの流動方向に対して略垂直方向に配置されている。
【００３６】
連通部７２の温度が高い場合は、調節弁７４Ａは流路に対し略垂直方向に伸張し、流路断面積を減少させる。これにより、供給ガス流路５２からの排水量が減少する。図３（ａ）では、流路が閉塞されているが、温度が上がるにつれ流路断面積が低減する構成となっていればよい。一方、連通部７２の温度が低い場合は、調節弁７４Ａは流路に対し略垂直方向に縮小し、流路断面積を増加させる。これにより、供給ガス流路５２からの排水量が増加する。
【００３７】
以上のように、増減手段として調節弁７４Ａを用いた場合でも、実施例１と同様に、温度に応じて流路断面積を自律的に増減させることができる。これにより、供給ガス流路の下端部からの排水量を適切に調節し、発電効率を向上させることができる。
【実施例３】
【００３８】
実施例３は、実施例１〜２と異なる形態の調節弁を用いる例である。実施例３の燃料電池１０は、調節弁７４Ｂの形状が実施例１と異なるのみであり、その他の構成は共通である（図１（ｂ）参照）。従って、共通の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３９】
図４（ａ）及び（ｂ）は、連通部７２付近の拡大図である。図４（ａ）は開弁状態（流路断面積が大きい状態）を示し、図４（ｂ）は閉弁状態（流路断面積が小さい状態）を示す。本実施例では、排水路７０の一端が供給ガス流路５２の下流端近傍へ連通し、他端が排出ガス流路６２の下流端近傍へと連通する構成となっている。換言すれば、供給マニホールド５０からの供給ガス流路５２の突出方向（以下、Ｘ方向と称する）に対し、交差する方向（以下、Ｙ方向と称する）に排水路７０が形成されている。
【００４０】
供給ガス流路５２の下流端には、行き止まり部７３が形成されている。本実施例の調節弁７４Ｂの主面は、行き止まり部７３の壁面に固定されている。調節弁７４Ｂは、熱膨張率の比較的大きい材質（例えば、樹脂、ゴム等）からなり、温度変化に応じてＸ方向に伸縮自在となっている。
【００４１】
連通部７２の温度が高い場合は、調節弁７４ＢはＸ方向に伸張し、排水路７０の入口を塞ぐ（図４（ａ））。これにより、供給ガス流路５２からの排水量が減少する。一方、連通部７２の温度が低い場合は、調節弁７４ＢはＸ方向に縮小し、排水路７０の入口を開く（図４（ｂ））。これにより、供給ガス流路５２からの排水量が増加する。
【００４２】
以上のように、供給ガス流路５２の突出方向に対し交差する方向に排水路を設けた場合でも、実施例１〜２と同様に流路断面積を自律的に増減させることができる。
【００４３】
図５は、実施例３の変形例を示した図である。この変形例では、供給ガス流路５２の下流端近傍から排出ガス流路６２の下流端近傍へと連通する第１排水路７０の他に、供給ガス流路５２の上流端近傍から排出ガス流路６２の上流端近傍へと連通する第２排水路７０が形成されている。また、供給ガス流路５２の行き止まり部７３には第１調節弁７４Ｂ１が設けられ、排出ガス流路６２の行き止まり部７３には第２調節弁７４Ｂ２が設けられている。
【００４４】
この変形例によれば、実施例３（図４（ａ）〜（ｂ））と同様に調節弁７４Ｂ１及び７４Ｂ２が温度変化に応じて変形することで、供給ガス流路５２から排出ガス流路６２への排水量が調節される。また、第２の排水路７０が設けられていることにより、供給ガス流路５２からの排水量が実施例３に比べて増加する。従って、本変形例は供給ガス流路５２に水が多く溜まりやすい場合に特に好適である。
【実施例４】
【００４５】
実施例４は、供給ガス流路の下流端における水の溜まり具合を何らかの方法により取得し、その取得結果に基づいて連通部における流路断面積の増減を行う制御機構を備えた例である。
【００４６】
図６は、実施例４に係る燃料電池システム１００の構成を示した図である。燃料電池システム１００は、複数の単セルが積層されて構成された燃料電池１０を有する。燃料電池１０には、アノードガス供給手段１２、カソードガス供給手段１３、冷却水供給手段１４、並びに出力を測定するための電流計１５及び、電圧計１６が接続されている。また、冷却水通路１７には、冷却水の温度を測定するための温度計１８が接続されている。また、本実施例の燃料電池１０は、燃料電池１０の連通部７２における流路面積を増減させる増減手段としての駆動部８０と、当該駆動部８０を制御するための制御部２０とを備えている。制御部２０は、電流計１５、電圧計１６、温度計１８、及び湿度計１９に接続されており、これらの出力信号を取得する。
【００４７】
図７は、図６の燃料電池システム１００のうち、燃料電池１０を構成する単セル、及びその周辺装置の構成を示した図である。駆動部８０は、複数のパイプ８１を有し、それぞれのパイプ８１の先端には弾性体８２が取り付けられている。弾性体８２は、供給ガス流路５２から排出マニホールド６０（排水路）への連通部分に位置するように配置される。パイプ８１の基端側は集合パイプ８３へと接続され、集合パイプ８３は圧力印加部８４へと接続されている。圧力印加部８４により、集合パイプ８３及びパイプ８１内の圧力が変化し、その圧力変化に伴いパイプ８１の先端に取り付けられた弾性体８２が変形する。
【００４８】
図８（ａ）及び（ｂ）は、連通部７２付近の拡大図である。図８（ａ）の状態では、圧力印加部８４からパイプ８１に印加される圧力が小さいため、弾性体８２は収縮し、供給ガス流路５２から排出マニホールド６０への連通部７２が開口する。このため、供給ガス流路５２の下流端からの排水量は比較的多くなる。
【００４９】
一方、図８（ｂ）の状態では、圧力印加部８４からパイプ８１へ印加される圧力が大きいため、弾性体８２は膨張し、連通部７２が閉塞する。このため、供給ガス流路５２の下流端からの排水量は比較的少なくなる。このように、制御部２０が圧力印加部８４を制御することにより、連通部７２の流路断面積を変化させ、供給ガス流路５２の下流端からの排水量を調節することができる。
【００５０】
図９は、実施例４に係る燃料電池システム１００の動作を示したフローチャートである。最初に、制御部２０が供給ガス流路５２の下流端における相対湿度、または当該相対湿度を推定可能なパラメータを取得する（ステップＳ１０）。次に、制御部２０は相対湿度の大小を判定する（ステップＳ１２）。相対湿度が設定値より大きい場合には、制御部２０は排水量を増加させる（ステップＳ１４）。具体的には、圧力印加部８４によりパイプ８１内の圧力を増大させる。相対湿度が設定値より小さい場合には、制御部２０は排水量を減少させる（ステップＳ１６）。具体的には、圧力印加部８４によりパイプ８１内の圧力を減少させる。
【００５１】
ステップＳ１０における目的は、供給ガス流路５２の下流端（連通部７２）における水の溜まり具合を把握することにある。水の溜まり具合は、直接的には連通部７２の相対湿度を測定することにより得られる。連通部７２の相対湿度を測定する方法としては、例えば弾性体８２の先端に湿度計１９を取り付ける方法等が考えられる。
【００５２】
連通部７２の残留水量は、既に述べたように連通部７２の温度により推定することができる（高温の場合は設定湿度より低く、低温の場合は設定湿度より高いと推定される）。連通部７２の温度は、例えば図１の温度計１８により測定される冷却水の温度（燃料電池１０の温度）から算出することができる。また、例えば弾性体８２の先端に熱電対センサを設け、連通部７２の温度を直接測定することもできる。
【００５３】
また、連通部７２の湿度は、燃料電池１０の出力（負荷）から推定することもできる。燃料電池１０の出力とは、例えば図１の電流計１５により測定される出力電圧や、電圧計１６により測定される出力電流を指す。燃料電池１０の出力が大きい場合には、燃料電池１０の温度は高くなるため、連通部７２における相対湿度は小さいと推定される。一方、燃料電池１０の出力が小さい場合には、燃料電池１０の温度は低くなるため、連通部７２における相対湿度は大きいと推定される。
【００５４】
また、連通部７２の湿度は、ガス流量により推定することもできる。ガス流量は、例えばガスの排出口にガス流量計を設けることにより測定することができる。ガス流量が大きい場合には、連通部７２における相対湿度は設定値より小さいと推定され、ガス流量が小さい場合には、連通部７２における相対湿度は設定値より大きいと推定される。
【００５５】
以上のように、制御部２０は様々な方法で連通部７２における相対湿度を直接的または間接的に取得することができる。従って、図６において、電流計１５、電圧計１６、温度計１８、及び湿度計１９は、必ずしも設けられていなくてもよい。そして、相対湿度が大きい場合には供給ガス流路５２からの排水量を増加させ、相対湿度が小さい場合には排水量を減少させる（図９ステップＳ１４、Ｓ１６）。これにより、供給ガス流路５２の下流端における水の溜まり具合に応じて排水量を調節することができるため、燃料電池１０内の水分量を適切に保ち、発電効率を向上させることができる。
【実施例５】
【００５６】
実施例５は、実施例４とは異なる構成の駆動部８０Ａを用いる例である。図１０は、実施例５に係る燃料電池の構成を示した図であり、実施例４の図７に対応するものである。共通する構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施例では、駆動部８０の構成が実施例４と異なる。
【００５７】
本実施例の駆動部８０Ａは、複数のロッド８５を有し、それぞれのロッド８５の先端には弁８６が取り付けられている。弁８６は、供給ガス流路５２から排出マニホールド６０（排水路）への連通部分に位置するように配置される。ロッド８５の基端側は集合ロッド８７へと接続され、集合ロッド８７は動力部８８へと接続されている。動力部８８により、ロッド８５は供給ガス流路５２の突出方向（Ｘ方向）へと摺動し、その移動に伴い弁８６もＸ方向へ摺動する。弁８６の位置により、連通部７２における流路断面積が変化する。
【００５８】
図１１（ａ）及び（ｂ）は、連通部７２付近の拡大図である。図１１（ａ）の状態では、ロッド８５及び弁８６は供給ガス流路５２から離れる方向に摺動し、供給ガス流路５２から排出マニホールド６０への連通部７２が開口する。このため、供給ガス流路５２の下流端からの排水量は比較的多くなる。一方、図１１（ｂ）の状態では、ロッド８５及び弁８６は供給ガス流路５２へと近づく方向へと摺動し、連通部７２が閉塞する。このため、供給ガス流路５２の下流端からの排水量は比較的少なくなる。このように、制御部２０が動力部８８を制御することにより弁８６の位置を変化させ、連通部７２の流路断面積を変化させることができる。
【００５９】
本実施例における燃料電池システム１００の動作は、実施例４（図９）と同様である。このように、ロッド８５、弁８６、及び動力部８８からなる駆動部８０Ａを用いた場合でも、供給ガス流路５２の下流端における相対湿度（または、相対湿度を推定可能なパラメータ）に基づいて、供給ガス流路５２の下流端からの排水量を調節することができる。
【実施例６】
【００６０】
実施例６は、実施例１〜５とは異なる増減手段を設けた例である。
【００６１】
図１２（ａ）〜（ｂ）は、実施例６に係る燃料電池の構成を示した図であり、実施例１の図１（ｂ）に対応するものである。本実施例では、連通部７２における流路断面積を増減可能な増減手段として、連通部７２に制御バー９０が配置されている。供給ガス流路５２は、制御バー９０を介して排水路７０と連通している。
【００６２】
図１３は、制御バー９０の詳細な構成を示した図である。制御バー９０には、供給ガス流路５２の下流端を排水路７０に連通するための第１貫通孔９１ａと、排出ガス流路６２の下流端を排出マニホールド６０に連通するための第２貫通孔９１ｂとが交互に形成されている。第１貫通孔９１ａの大きさは、第２貫通孔９１ｂより小さくなることが好ましい。また、第２貫通孔９１ｂの大きさは、後述する制御バー９０の摺動により、排出ガス流路６２から排出マニホールド６０へのガス及び水の排出量に実質的な影響を与えない程度の大きさであることが好ましい。具体的には、第２貫通孔９１ｂの大きさは、排出ガス流路６２の流路断面積より大きいことが好ましい。
【００６３】
また、制御バー９０の一端にはサーモスタット９２が取り付けられ、制御バー９０の他端には吸水性樹脂９３が取り付けられている。燃料電池の温度が高い（湿度が低い）場合には、サーモスタット９２は膨張し、吸水性樹脂９３は収縮する。これにより、制御バー９０は矢印Ａの方向へと移動する（この位置を第１位置とする）。一方、燃料電池の温度が低い（湿度が高い）場合には、サーモスタット９２は収縮し、吸水性樹脂９３は膨張する。これにより、制御バー９０は矢印Ｂの方向へと移動する（この位置を第２位置とする）。
【００６４】
本実施例では、制御バー９０の初期位置及び貫通孔の大きさが、以下の条件を満たすように定められる。すなわち、制御バー９０が第１位置にある場合は、第１貫通孔９１ａが供給ガス流路５２から外れた場所に位置することにより連通部７２が閉塞するように定められる（図１２（ａ））。一方、制御バー９０が第２位置にある場合は、第１貫通孔９１ａが供給ガス流路５２の下流端に位置することにより連通部７２が開放するように定められる（図１２（ｂ））。
【００６５】
以上のように、本実施例では、燃料電池が高温で湿度が低い状態の場合は、制御バー９０が第１位置に位置することにより排水量が減少する。一方、燃料電池が低温で湿度が低い状態の場合には、制御バーが第２位置に位置することにより排水量が増加する。このように、増減手段として制御バーを用いた場合でも、供給ガス流路５２の相対湿度（及びそれに関連するパラメータ）に応じて、排水量の調節を行うことができる。
【００６６】
実施例６では、サーモスタット９２及び吸水性樹脂９３を用いることにより、制御バー９０の位置が自律的に変化する構成であったが、外部の駆動機構により制御バー９０の位置を変化させてもよい。
【００６７】
図１４は、変形例に係る制御バー９０周辺の構成を示した図である。実施例６（図１３）と異なり、制御バー９０の一端には、ステッピングモータ９４に接続されたギア９５が取り付けられている。ステッピングモータ９４は、制御部２０と電気的に接続されており、制御部２０の指令により駆動する。制御部２０は、図１と同様に様々なセンサからの出力を取得可能に構成されている。
【００６８】
上記の構成によれば、制御部２０がステッピングモータ９４を制御することにより、制御バー９０を矢印の方向に移動させ、第１貫通孔９１ａの位置を変化させることができる。これにより、供給ガス流路５２の下流端からの排水量を精度良く調節することができる。なお、制御部２０は、供給ガス流路５２の下流端における相対湿度、またはそれに関連するパラメータに基づいて排水量の制御を行う。この点は、実施例３（図９）と同様である。
【実施例７】
【００６９】
実施例６は、制御バーを用いて流路の切り替えを行う例である。
【００７０】
図１５（ａ）〜（ｂ）は、実施例７に係る燃料電池のセパレータの詳細な構成を示した図であり、実施例１の図１（ｂ）に対応するものである。本実施例では、供給マニホールド５０と排出マニホールド６０との間にある複数のガス流路５３の上流端及び下流端のそれぞれに、第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂが設けられている。複数のガス流路５３の上流端は、第１制御バー９０ａを介して供給マニホールド５０に連通している。また、複数のガス流路５３の下流端は、第２制御バー９０ｂを介して排出マニホールド６０に連通している。すなわち、本実施例では全てのガス流路が、供給マニホールド５０及びは排出マニホールド６０に連通しており、この点が排出ガス流路６２の上流端が閉塞されていた実施例１〜６とは異なる。
【００７１】
図１６は、制御バー（第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂ）の構成を示した図である。制御バー９０には、ガス流路５３の流路断面積と略等しい断面積を持つ貫通孔９１が、所定間隔をおいて複数形成されている。
【００７２】
図１５（ａ）は、第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂが第１位置にある状態を示す。このとき、複数のガス流路の一部（以下、第１ガス流路５３ａと称する）は、その上流端が第１制御バー９０ａを介して供給マニホールド５０に接続され、下流端が第２制御バー９０ｂにより閉塞された状態となっている。また、残りのガス流路（以下、第２ガス流路５３ｂと称する）は、その上流端が第１制御バー９０ａにより閉塞され、下流端が第２制御バー９０ｂを介して排出マニホールド６０に接続された状態となっている。すなわち、第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂが第１位置にある場合、第１ガス流路５３ａが実施例１〜６における供給ガス流路５２の役割を果たし、第２ガス流路５３ｂが排出ガス流路６２の役割を果たす。
【００７３】
図１５（ｂ）は、第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂが第２位置にある状態を示す。このとき、第１ガス流路５３ａは、その上流端が第１制御バー９０ａにより閉塞され、下流端が第２制御バー９０ｂを介して排出マニホールド６０に接続された状態となっている。また、第２ガス流路５３ｂは、その上流端が第１制御バー９０ａを介して供給マニホールド５０に接続され、下流端が第２制御バー９０ｂにより閉塞された状態となっている。すなわち、第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂが第２位置にある場合、第１ガス流路５３ａが排出ガス流路６２の役割を果たし、第２ガス流路５３ｂが供給ガス流路５２の役割を果たす。
【００７４】
以上のように、実施例７の燃料電池システム１００によれば、第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂの位置を変化させることにより、供給マニホールド５０及び排出マニホールド６０の間にある複数のガス流路５３（第１ガス流路５３ａ及び第２ガス流路５３ｂ）を、供給ガス流路５２及び排出ガス流路６２のいずれかに切り替えて使用することができる。これにより、例えば供給ガス流路５２として使用されたガス流路５３の下流端に水が溜まった場合は、それまでの供給ガス流路５２を排出ガス流路６２に切り替えることで、下流端が開放され、溜まった水が排出される。これにより、供給ガス流路の下流端に水が滞留することによる発電効率の低下を抑制することができる。
【００７５】
なお、第１制御バー９０ａ及び第２制御バー９０ｂの位置制御は、図１２（ｂ）〜（ｃ）のように環境に応じて自律的に行われる構成としてもよいし、図１３のように制御部２０により制御される構成としてもよい。いずれの方法においても、供給ガス流路５２として使用されたガス流路５３の下流端における水の滞留を抑制し、発電効率を向上させることができる。
【００７６】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０    燃料電池
２０    制御部
３０    膜−電極接合体
５０    供給マニホールド
５２    供給ガス流路
６０    排出マニホールド
６２    排出ガス流路
７０    排水路
７２    連通部
７４    調節弁
９０    制御バー
１００  燃料電池システム
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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