(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池における供給ガス流路からの排水を促進することにより、発電効率を向上させる。【解決手段】燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層５２を挟持する一対のセパレータ５６と、を備え、一対のセパレータの少なくとも一方の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接続され、下流端が閉塞された溝状の第１ガス流路６２と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第２ガス流路７２と、を有する。第１ガス流路の下流端である第１領域８０と、第２ガス流路のうち第１領域に最も近い領域である第２領域８２との差圧は、第２ガス流路の上流端である第３領域８４と、第１ガス流路のうち第３領域に最も近い領域である第４領域８６との差圧より大きい。【選択図】図３
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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接続され、下流端が閉塞された溝状の第１ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第２ガス流路と、を有し、
前記第１ガス流路の下流端である第１領域と、前記第２ガス流路のうち前記第１領域に最も近い領域である第２領域との差圧が、前記第２ガス流路の上流端である第３領域と、前記第１ガス流路のうち前記第３領域に最も近い領域である第４領域との差圧より大きい、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２ガス流路における前記第２領域の流路断面積が、前記第２ガス流路における前記第２領域以外の流路断面積より小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第２ガス流路の流路断面積が、前記第１ガス流路の流路断面積より小さいことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
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接続され、下流端が閉塞された溝状の第１ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第２ガス流路と、
前記第１ガス流路の下流端である第１領域と、前記第２ガス流路のうち前記第１領域に最も近い領域である第２領域との差圧が、前記第２ガス流路の上流端である第３領域と、前記第１ガス流路のうち前記第３領域に最も近い領域である第４領域との差圧より大きくなるように制御する差圧制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記差圧制御手段は、前記第２領域に対し負圧を印加する負圧印加手段であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記差圧制御手段は、前記第２ガス流路のうち少なくとも前記第２領域に設けられ、湿度の増加に伴い流路断面積を低減する流路断面積低減手段であることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第２ガス流路における前記第２領域の流路表面積が、前記第２ガス流路における前記第２領域以外の流路表面積より大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【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。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。そこで、このような櫛型のガス流路において、供給側のガス流路の先端部に排水路を設け、当該領域における水滴の滞留を抑制したガス流路が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、セパレータを貫通する排水路を新たに設ける必要があり、セパレータの作成工程が複雑化してしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な方法により供給ガス流路からの排水を促進することで、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】
【０００７】
本発明は、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、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接続され、下流端が閉塞された溝状の第１ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第２ガス流路と、を有し、前記第１ガス流路の下流端である第１領域と、前記第２ガス流路のうち前記第１領域に最も近い領域である第２領域との差圧が、前記第２ガス流路の上流端である第３領域と、前記第１ガス流路のうち前記第３領域に最も近い領域である第４領域との差圧より大きい、ことを特徴とする燃料電池である。本構成によれば、第１領域と第２領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることにより、第１領域からの排水を促進することができる。その結果、第１領域からガス拡散層へのガスの浸透が促進され、発電効率を向上させることができる。また、本構成によれば、排水路を新たに設ける必要がないため、セパレータの製造工程の複雑化を抑制することができる。
【０００８】
上記構成において、前記第２ガス流路における前記第２領域の流路断面積が、前記第２ガス流路における前記第２領域以外の流路断面積より小さい構成とすることができる。本構成によれば、第２領域の流路断面積を小さくすることにより、第１領域と第２領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記第２ガス流路の流路断面積が、前記第１ガス流路の流路断面積より小さい構成とすることができる。本構成によれば、第１領域と第２領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることができる。
【００１０】
本発明は、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、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接続され、下流端が閉塞された溝状の第１ガス流路と、上流端が閉塞され、下流端が排出マニホールドに接続された溝状の第２ガス流路と、前記第１ガス流路の下流端である第１領域と、前記第２ガス流路のうち前記第１領域に最も近い領域である第２領域との差圧が、前記第２ガス流路の上流端である第３領域と、前記第１ガス流路のうち前記第３領域に最も近い領域である第４領域との差圧より大きくなるように制御する差圧制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池である。本構成によれば、差圧制御手段により、第１領域と第２領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることで、第１領域からの排水を促進することができる。その結果、第１領域からガス拡散層へのガスの浸透が促進され、発電効率を向上させることができる。また、本構成によれば、排水路を新たに設ける必要がないため、セパレータの製造工程の複雑化を抑制することができる。
【００１１】
上記構成において、前記差圧制御手段は、前記第２領域に対し負圧を印加する負圧印加手段である構成とすることができる。本構成によれば、第２領域に負圧を印加することにより、第１領域と第２領域との差圧を他の領域に比べて大きくすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記差圧制御手段は、前記第２ガス流路のうち少なくとも前記第２領域に設けられ、湿度の増加に伴い流路断面積を低減する流路断面積低減手段である構成とすることができる。本構成によれば、湿度に応じて流路断面積を調節することができるため、第１領域からの排水量を湿度に応じて調節することができる。
【００１３】
上記構成において、前記第２ガス流路における前記第２領域の流路表面積が、前記第２ガス流路における前記第２領域以外の流路表面積より大きい構成とすることができる。本構成によれば、第２領域の流路表面積を大きくすることにより、排水をさらに促進することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、比較的簡易な方法で供給ガス流路からの排水を促進することにより、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に係る燃料電池システムの構成を示した図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、実施例１に係る燃料電池の詳細な構成を示した図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池のガス流路の詳細な構成を示した図である。
【図４】図４は、実施例１に係る燃料電池システムの負圧印加手段の詳細な構成を示した図である。
【図５】図５は、実施例１に係る燃料電池システムの動作を示した図である。
【図６】図６（ａ）は、実施例２に係る燃料電池のガス流路の詳細な構成を示した図であり、図６（ｂ）はその変形例である。
【図７】図７（ａ）は、実施例３に係る燃料電池のガス流路の詳細な構成を示した図であり、図７（ｂ）は、供給ガス流路におけるガスの分布を示したグラフである。図７（ｃ）は、実施例３の変形例である。
【図８】図８（ａ）〜（ｂ）は、実施例４に係る燃料電池のガス流路の詳細な構成を示した図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｂ）は、実施例５に係る燃料電池のガス流路の詳細な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は、実施例１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固体高分子型の燃料電池１０を有する。燃料電池１０には、各単セルにアノードガスを供給するためのアノードガス供給手段１２、及び各単セルにカソードガスを供給するためのカソードガス供給手段１４が接続されている。また、燃料電池１０には、出力を測定するための電流計１６及び電圧計１８、並びにセル内の湿度を測定するための湿度計２０が接続されている。さらに、燃料電池１０には、セル内に冷却水を供給するための冷却水供給手段２２が接続されている。燃料電池１０から冷却水を回収する冷却水通路２４には、セル内の温度を検出するための温度計２６が設置されている。
【００１８】
また、燃料電池システム１００は、燃料電池１０内の所定の領域に負圧を印加するための負圧印加手段３０と、負圧印加手段３０を制御するための制御手段２８とを含む。制御手段２８には、電流計１６、電圧計１８、湿度計２０、及び温度計２６からの信号が入力され、これらの信号により把握された燃料電池１０内部の状態に基づいて、負圧印加手段３０の制御が行われる。制御手段２８は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）等により構成される。
【００１９】
図２（ａ）は、燃料電池１０の断面模式図である（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、中央部に膜−電極接合体４０を有する。膜−電極接合体４０は、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層５０及びカソードガス拡散層５２）により挟持されている。一対のガス拡散層５０及び５２は、さらに一対のセパレータ（アノードセパレータ５４及びカソードセパレータ５６）により挟持されている。
【００２０】
膜−電極接合体４０は、電解質膜４２と、アノード触媒層４４と、カソード触媒層４６とを含む。電解質膜４２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）を用いることができる。
【００２１】
アノード触媒層４４及びカソード触媒層４６は、電解質膜４２を挟持するように配置されている。アノード触媒層４４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４６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４４及びカソード触媒層４６の触媒としては、例えば白金を用いることができる。この場合、アノード触媒層４４及びカソード触媒層４６は、例えば白金担持カーボンを含む。
【００２２】
アノードガス拡散層５０及びカソードガス拡散層５２は、導電性及びガス拡散性を有する。アノードガス拡散層５０は、水素を含むアノードガスを拡散させ、アノード触媒層４４に供給する機能を有する。カソードガス拡散層５２は、酸素を含むカソードガスを拡散させ、カソード触媒層４６に供給する機能を有する。アノードガス拡散層５０及びカソードガス拡散層５２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。
【００２３】
アノードセパレータ５４及びカソードセパレータ５６は、それぞれ
アノードガス拡散層５０及びカソードガス拡散層５２と接して配置されている。それぞれのセパレータには、ガス拡散層にガスを供給するためのガス流路が形成されている。
【００２４】
図２（ｂ）は、カソードセパレータ５６を膜−電極接合体４０側から見た図である。図中の矢印はガスの流れを示す。図２（ｃ）は、カソードセパレータ５６を図１（ｂ）のＡ−Ａ’線方向から見た断面図である（カソードセパレータ５６以外の構成要素は省略している）。図２（ｃ）に示すように、カソードセパレータ５６のカソードガス拡散層５２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５２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。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、燃料電池１０のガス流路は、２つの対向する櫛型ガス流路が、交互に噛み合うように形成されている。ガス流路は、供給マニホールド６０から分岐する複数の供給ガス流路６２（第１ガス流路）と、排出マニホールド７０から分岐する複数の排出ガス流路７２（第２ガス流路）とを含む。供給マニホールド６０の上流端はガスの供給口６４に接続され、排出マニホールド７０の下流端はガスの排出口７４に接続されている。供給側のガス流路（６０、６２）と、排出側のガス流路（７０、７２）とは、溝状の凹部としては繋がっていない。
【００２６】
供給ガス流路６２は、カソードガス拡散層５２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６０に接続され、下流端は閉塞している。排出ガス流路７２は、カソードガス拡散層５２からガスを回収・排出するための流路であり、その上流端は閉塞し、下流端は排出マニホールド７０に接続されている。供給ガス流路６２と排出ガス流路７２とは、所定間隔をおいて交互に形成されている。
【００２７】
図３（ａ）は、図２（ｂ）におけるガス流路の一部を拡大した図である。以下の説明において、供給ガス流路６２の下流端に相当する領域を第１領域８０と称し、排出ガス流路７２のうち第１領域８０に最も近い領域を第２領域８２と称する。同様に、排出ガス流路７２の上流端に相当する領域を第３領域８４と称し、供給ガス流路６２のうち第３領域８４に最も近い領域を第４領域８６と称する。
【００２８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面模式図である。図中の矢印はガスの流れを示す。図示するように、カソードガス及び水蒸気をはじめとするガスは、供給ガス流路６２からカソードガス拡散層５２に浸透し、カソードガス拡散層５２を通って排出ガス流路へと移動する。低温運転時においては、供給ガス流路６２及びカソードガス拡散層５２内で水滴が生じる場合があるが、その場合の水滴の移動経路もガスと同様に矢印に沿ったものとなる。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、供給ガス流路６２の下流端は閉塞しているため、その先端部（第１領域８０）に到達したガスは、カソードガス拡散層５２に潜る。このため、供給ガス流路の先端が排出側と接続された従来のガス流路に比べて、供給ガス流路６２からカソードガス拡散層５２へのカソードガスの浸透量が増え、ガスの反応が促進されることにより発電効率が向上する。その一方で、特に低温運転時において、供給ガス流路６２の先端（第１領域８０）に水が溜まることにより、当該領域におけるガスの浸透が阻害されてしまうという課題がある。本実施例に係る燃料電池システム１００は、このような課題を解決することを目的とする。
【００３０】
図４は、図１における負圧印加手段３０の詳細な構成を示した図である。負圧印加手段３０は、負圧ポンプ３２、負圧タンク３４、及び負圧切替弁３６を含む。負圧ポンプ３２は、負圧タンク３４に負圧を蓄える。負圧切替弁３６は、カソードセパレータ５６の排気系５８に設置されており、制御手段２８により開閉が制御される。以上のように、負圧印加手段３０は、負圧タンク３４内に蓄えられた負圧を、排出ガス流路７２の下流領域（第２領域８２）に対し印加することができるように構成されている。
【００３１】
図５は、本実施例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、制御手段２８が、電流計１６、電圧計１８、湿度計２０、及び温度計２６からの信号に基づいて、燃料電池１０の運転状態を検出する（ステップＳ１０）。次に、制御手段２８は、検出された運転状態に基づいて、負圧印加手段３０を作動させるか否かの判定を行う（ステップＳ１２）。ステップＳ１２でＹＥＳの場合には、制御手段２８の制御を受けた負圧印加手段３０が、排出ガス流路７２の第２領域８２に対し負圧を印加する（ステップＳ１４）。
【００３２】
例えば、燃料電池１０の出力が低い、温度が低い、湿度が高い等の状態が検出された場合には、供給ガス流路６２の先端部に水が溜まっていると推測される。従って、ステップＳ１０において、これらのパラメータの全てまたは一部が供給ガス流路６２の先端部における水の滞留を推測させる場合に、制御手段２８が負圧印加手段３０を作動させる構成とすることができる。なお、これらの計測機器は、燃料電池１０の運転状態を把握するための機器の一例であるため、その一部を省略してもよい。
【００３３】
排出ガス流路７２の下流領域（第２領域８２）に負圧が印加されることにより、供給ガス流路６２の下流端（第１領域８０）との圧力差が拡大する（詳細には、第１領域８０と第２領域８２との差圧が、第３領域８４と第４領域８６との差圧より大きくなる）。これにより、第２領域８２において、第１領域８０からカソードガス拡散層５２を介してガス及び水滴を吸引する力が増大し、第１領域８０からの排水が促進される。その結果、第１領域８０からカソードガス拡散層５２へのガスの浸透を促進し、燃料電池１０の発電効率を向上させることができる。
【００３４】
以上のように、供給ガス流路６２の下流端である第１領域８０と、排出ガス流路７２のうち第１領域８０に最も近い領域である第２領域８２との差圧が、排出ガス流路７２の上流端である第３領域８４と、供給ガス流路６２のうち第３領域８４に最も近い領域である第４領域８６との差圧より大きくなるようにすることで、供給ガス流路６２の下流端からの排水を促進し、発電効率を向上させることができる。
【００３５】
なお、実施例１では、燃料電池システム１００が制御手段２８を備える構成であったが、常に排水を行う場合は、このような制御手段を設けなくともよい。
【実施例２】
【００３６】
実施例２は、排出ガス流路の一部の流路断面積を低減することにより、供給ガス流路との差圧の拡大を図った例である。燃料電池システム１００の全体構成及び燃料電池１０の基本構成は実施例１（図１〜図２）と同様であるが、本実施例では制御手段２８及び負圧印加手段３０は必須ではない。
【００３７】
図６（ａ）は、実施例２に係る燃料電池１０のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例１の図３（ａ）に対応する。図示するように、実施例１のガス流路に比べて、排出ガス流路７２の下流領域（第２領域８２）における流路幅が狭くなっている。すなわち、排出ガス流路７２のうち第２領域８２の流路断面積が、排出ガス流路７２のその他の領域の流路断面積より小さくなっている。これにより、第２領域８２においてガスの流速が増大し、第２領域８２と第１領域８０との差圧が大きくなる。
【００３８】
図６（ｂ）は、実施例２の変形例を示した図であり、排出ガス流路７２の第２領域８２における断面を示している。排出ガス流路７２の上面図は実施例１の図３（ａ）と同一である。図６（ｂ）に示すように、第２領域８２における排出ガス流路７２の高さ（実線部分）は、その他の領域（点線部分）より小さくなっている。これにより、図６（ａ）と同様に、第２領域８２における流路断面積を小さくすることができる。
【００３９】
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、排出ガス流路７２のうち第２領域８２の流路断面積を、排出ガス流路７２のその他の領域の流路断面積より小さくすることで、第２領域８２におけるガスの流速を増大させることができる。これにより、実施例１と同様に、第１領域８０と第２領域８２との差圧を、第３領域８４と第４領域８６との差圧より大きくすることができる。その結果、その結果、供給ガス流路６２の第１領域８０からの排水を促進し、燃料電池１０の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
なお、流路断面積を低減するために、流路幅及び流路高さの両方を低減してもよい。また、流路の断面形状も矩形に限らず、任意の形とすることができる。
【実施例３】
【００４１】
実施例３は、排出ガス流路全体の流路断面積を低減する例である。ガス流路以外の構成については実施例２と同様である。
【００４２】
図７（ａ）は、実施例３に係る燃料電池１０のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例２の図６（ａ）に対応する。図示するように、供給ガス流路６２に比べて、排出ガス流路７２の流路幅が狭くなっている。すなわち、排出ガス流路７２の流路断面積が、供給ガス流路６２の流路断面積より小さくなっている。これにより、両者の流路断面積が同じである場合に比べて、第２領域８２を含む排出ガス流路７２全域におけるガスの流速が増大する。
【００４３】
図７（ｂ）は、供給ガス流路６２におけるガスの分布を示したグラフである。グラフの横軸は、供給ガス流路６２の溝方向の位置を示し、原点側が上流となっている。グラフの縦軸は、供給ガス流路６２からカソードガス拡散層５２へ浸透するガスの量を示している。Ａのグラフは、供給ガス流路６２と排出ガス流路７２の流路断面積が等しい場合のガス分布を示している（比較例）。Ｂのグラフは、供給ガス流路６２と排出ガス流路７２の流路断面積が、共にＡの場合よりも小さい場合のガス分布を示している（比較例）。Ｃのグラフは、本実施例のように、排出ガス流路７２の流路断面積が供給ガス流路６２の流路断面積より小さい場合のガス分布を示している。拡散層内に潜るガスの分配は、流路部の圧損と拡散層内の圧損により決定される。拡散層内の圧損が高いほど、ＡからＢのように均一な分布に近づく。
【００４４】
Ａのグラフでは、供給ガス流路６２の下流側（第１領域８０）においてガスの浸透量が多く、排水性が高くなっている。しかし、供給ガス流路６２の中央部においてはカソードガス拡散層５２へのガスの供給が不足しており、当該領域が発電不良となってしまう。Ｂのグラフでは、供給ガス流路６２の下流側（第１領域８０）においてガスの浸透量が少なく、当該領域における排水性は良好でない。
【００４５】
一方で、Ｃのグラフのように排出ガス流路７２の流路断面積が供給ガス流路６２の流路断面積より小さい場合、供給ガス流路６２側の全体の圧損が排出ガス流路７２側の全体の圧損よりも小さくなる。それにより、Ｂに比べて供給ガス流路６２の上流側（第４領域８６）及び下流側（第１領域８０）におけるガスの浸透量が多くなっている。また、Ａに比べて供給ガス流路６２の中央部におけるガスの浸透量が大きく、カソードガス拡散層５２に十分なガスが供給されている。さらに、上記圧損差に起因して、第１領域８０と第２領域８２との差圧が、第３領域８４と第４領域８６との差圧よりも大きくなる。それにより、供給ガス流路６２の上流側（第４領域８６）に比較して、下流側（第１領域８０）におけるガスの浸透量が大きくなる。その結果、供給ガス流路６２の第１領域８０からの排水が促進される。このように、本実施例の流路構成によれば、カソードガス拡散層５２に対し十分な量のガスを供給しつつ、排水性を改善することができる。
【００４６】
図７（ｃ）は、実施例３の変形例を示した図であり、排出ガス流路７２の第２領域８２における断面を示している。排出ガス流路７２の上面図は実施例１の図３（ａ）と同一である。図７（ｃ）に示すように、排出ガス流路７２の高さは、供給ガス流路６２に比べて低くなっている。これにより、図７（ａ）と同様に、排出ガス流路７２の流路断面積を小さくすることができる。
【００４７】
図７（ａ）及び（ｃ）示すように、排出ガス流路７２全域の流路断面積を、供給ガス流路６２の流路断面積より小さくすることで、カソードガス拡散層５２に対し十分な量のガスを供給しつつ、供給ガス流路６２における排水性を改善することができる。
【００４８】
なお、実施例２と同様に、流路断面積を低減するために、流路幅及び流路高さの両方を低減してもよい。また、流路の断面形状も矩形に限らず、任意の形とすることができる。
【実施例４】
【００４９】
実施例４は、周囲の環境に応じて流路断面積を変化させる部材を用いた例である。燃料電池システム１００の全体構成及び燃料電池１０の基本構成は実施例１と同様であるが、実施例２〜３と同様に制御手段２８及び負圧印加手段３０は必須ではない。
【００５０】
図８（ａ）及び（ｂ）は、実施例４に係る燃料電池１０のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例１の図３（ａ）に対応する。図示するように、排出ガス流路７２の壁面には、吸水性樹脂９０が設けられている。吸水性樹脂９０は、吸水により膨張し、排出ガス流路７２の流路断面積を変化させる。図８（ａ）は、吸水性樹脂９０が乾燥状態にある場合を示しており、吸水性樹脂９０の縮小により流路断面積は大きくなっている。図８（ｂ）は、吸水性樹脂９０が湿潤状態にある場合を示しており、吸水性樹脂９０の膨張により流路断面積は小さくなっている。
【００５１】
図８（ｂ）の状態において、第１領域８０と第２領域８２との差圧は、第３領域８４と第４領域８６との差圧よりも大きくなる。これにより、第２領域８２において、第１領域８０からカソードガス拡散層５２を介してガス及び水滴を吸引する力が増大し、第１領域８０からの排水が促進される。その結果、発電効率を向上させることができる。
【００５２】
また、排水の必要性が低い（低湿度の）場合には、吸水性樹脂９０が縮小することで、流路断面積及びガス流量が増大する。このように、湿度が大きくなるに従って流路断面積を小さくする流路断面積低減部材（吸水性樹脂９０）を用いることで、排出ガス流路の流路断面積を環境に応じて調節することができる。なお、本実施例では吸水性樹脂９０を排出ガス流路７２の全域に設けたが、吸水性樹脂９０は、少なくとも排出ガス流路７２の第２領域８２に設けられていればよい。吸水性樹脂９０を第２領域８２のみに設けた場合は、吸水性樹脂９０の膨張時において実施例２と同様の作用効果を奏する。
【実施例５】
【００５３】
実施例５は、排出ガス流路の流路表面積を増大させることにより、排水の促進を図った例である。燃料電池システム１００の全体構成及び燃料電池１０の基本構成は実施例１と同様であるが、実施例２〜４と同様に制御手段２８及び負圧印加手段３０は必須ではない。
【００５４】
図９（ａ）及び（ｂ）は、実施例５に係る燃料電池１０のガス流路の一部を拡大した図であり、実施例１の図３（ａ）及び（ｂ）に対応する。図示するように、排出ガス流路７２における第２領域８２の壁面には、流路表面積増加手段としての突起９２が形成されている。これにより、第２領域８２の流路表面積は、排出ガス流路７２の他の領域の流路表面積より大きくなっている。また、突起９２により、第２領域８２の流路断面積は、排出ガス流路７２における他の領域に比べて小さくなっている。これにより、実施例２と同様に、第１領域８０と第２領域８２との差圧が、第３領域８４と第４領域８６との差圧より大きくなるため、第１領域８０からの排水が促進される。
【００５５】
また、排出ガス流路７２における水滴の多くは、水蒸気が冷却されることにより流路壁面等に凝結し、ガスの流れによりもたらされるせん断力により排出方向へと移動する。従って、ガスの流量・流速が同じであれば、水滴の付着可能な表面積（流路表面積）が大きいほど、排出される水の量は多くなる。本実施例では、突起９２が形成されている第２領域８２の流路表面積が、その他の部分の流路表面積に比べて大きい。これにより、第２領域８２における水の排出をさらに促進することができる。
【００５６】
以上のように、実施例１〜５の燃料電池及び燃料電池システムによれば、供給ガス流路６２の先端部（第１領域８０）における水の排出を促進し、発電効率の向上を図ることができる。また、セパレータに排水路を新たに形成する必要がないため、製造工程の複雑化を抑制することができる。なお、これら複数の実施例は、実施例２と実施例３の組み合せを除き、互いに組み合わせて実施することが可能である。
【００５７】
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】
【００５８】
１０    燃料電池
２８    制御部
３０    負圧印加手段
６０    供給マニホールド
６２    供給ガス流路
７０    排出マニホールド
７２    排出ガス流路
９０    吸水性樹脂
９２    突起
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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