(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス供給用流路の端部の閉塞部に溜まる水を排水する技術を提供する。【解決手段】電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極が配置された膜電極接合体２０を用いている。それぞれのガス拡散電極に対向する面に沿って形成される２種類の反応ガスのガス流路は、膜電極接合体２０を挟んで対向する位置に配列されている。少なくとも一方のガス流路は、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造を有している。一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧との差圧に応じて、膜電極接合体２０の撓みが変化することにより、ガス供給流路に溜まる水がガス排出流路へ排出される。【選択図】図５
2011159408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極が配置された膜電極接合体を用いた燃料電池であって、
それぞれの前記ガス拡散電極に対向する面に沿って形成される２種類の反応ガスのガス流路は、前記膜電極接合体を挟んで対向する位置に配列されており、
少なくとも一方のガス流路は、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造を有しており、
一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧との差圧に応じて、前記膜電極接合体の撓みが変化することにより、前記ガス供給流路に溜まる水が前記ガス排出流路へ排出される
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体を挟んで対向するガス流路の流路壁のうち、少なくとも、前記ガス供給用流路の端部と前記ガス排出用流路とを隔てる閉塞部の流路壁および前記閉塞部の流路壁に対向する流路壁は、弾性構造を有している
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体を挟んで対向するガス流路の流路壁のうち、少なくとも、前記ガス供給用流路の端部と前記ガス排出用流路とを隔てる閉塞部の流路壁および前記閉塞部の流路壁に対向する流路壁は、前記一方のガス流路のガス圧と前記他方のガス流路のガス圧が等しい状態で、前記膜電極接合体に接しないように、高さの低い流路壁となっている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
燃料電池システムであって、
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池と、
前記燃料電池に対して２種類の反応ガスを供給する反応ガス供給系と、
前記反応ガス供給系の動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記反応ガス供給系の動作を制御することにより、一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧との差圧を調整して、前記膜電極接合体の撓みを変化させることにより、前記ガス供給流路に溜まる水を前記ガス排出流路へ排出させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって発電する装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に反応ガスあるいはガスと呼ぶ場合もある。この燃料電池は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ触媒電極層を接合し、さらに、それぞれガス拡散層を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を有しており、ガス拡散層に当接する面に反応ガスの流路用の溝が形成されたセパレータにより挟持した燃料電池セル（単に「セル」とも呼ぶ）により構成される。
【０００３】
上記燃料電池の一例として、セパレータに形成された反応ガスの流路をガス供給用流路とガス排出用流路とに分離し、ガス供給用流路を経て供給される反応ガスが上記した触媒電極層やガス拡散層を介してガス排出用流路から排出される構造の燃料電池が知られている。
【０００４】
しかしながら、上記ガス供給用流路とガス排出用流路とが分離された構造のガス流路では、ガス供給用流路の端部が閉塞状態となるため、電気化学反応によって生成された水が排水されずに端部（閉塞部）に溜まってしまうという問題があった。なお、通常、電気化学反応により、水が生成されるのはカソード側であるため、カソード側のガス流路が上記分離構造であれば、閉塞部に水が溜まることになる。また、カソード側で生成された水は電解質膜を介してアノード側にも移動するため、アノード側のガス流路が、上記分離呼応増である場合にも、閉塞部に水が溜まることになる。
【０００５】
上記問題点を対策した燃料電池として、特許文献１には、水透過性の高い閉塞部材を用いて、ガス供給用流路の端部を構成して、ガス供給用流路とガス排出用流路とを分離するとともに、ガス供給用流路からガス排出用流路に積極的に水を排出させる例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１４１９７９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４９８０１号公報
【特許文献３】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】
【０００７】
しかしながら、上記従来例の燃料電池の場合には、閉塞部材がガスも透過させてしまう可能性があり、ガス供給用流路とガス排出用流路とを分離することにより、反応ガスをガス拡散層および触媒電極層で構成されるガス拡散電極中を積極的に通過させて、反応ガスを加湿させる効果が十分に得られない可能性がある、という問題がある。また、２種類の部材を併用して反応ガス流路を形成するため、流路構造が複雑化して量産化には不向きである、という問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、ガス供給用流路の端部の閉塞部に溜まる水を排水する手法として従来とは異なる技術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】
本発明は、上述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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極が配置された膜電極接合体を用いた燃料電池であって、
それぞれの前記ガス拡散電極に対向する面に沿って形成される２種類の反応ガスのガス流路は、前記膜電極接合体を挟んで対向する位置に配列されており、
少なくとも一方のガス流路は、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造を有しており、
一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧との差圧に応じて、前記膜電極接合体の撓みが変化することにより、前記ガス供給流路に溜まる水が前記ガス排出流路へ排出される
ことを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧との差圧に応じて、前記膜電極接合体の撓みが変化することにより、ガス供給用流路とガス排出用流路との間に、ガス供給用流路の端部に溜まった水の通り道を設けることができるので、これにより、端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体を挟んで対向するガス流路の流路壁のうち、少なくとも、前記ガス供給用流路の端部と前記ガス排出用流路とを隔てる閉塞部の流路壁および前記閉塞部の流路壁に対向する流路壁は、弾性構造を有している
ことを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、閉塞部の流路壁および閉塞部の流路壁に対向する流路壁が弾性構造となっているので、一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧との差圧を調整して、膜電極接合体の撓みを調整することにより、より容易に、ガス供給流路に溜まる水をガス排出流路へ排出することが可能となる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体を挟んで対向するガス流路の流路壁のうち、少なくとも、前記ガス供給用流路の端部と前記ガス排出用流路とを隔てる閉塞部の流路壁および前記閉塞部の流路壁に対向する流路壁は、前記一方のガス流路のガス圧と前記他方のガス流路のガス圧が等しい状態で、前記膜電極接合体に接しないように、高さの低い流路壁となっている
ことを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧が等しい状態では、ガス供給用流路の端部とガス排出用流路とを隔てる閉塞部の流路壁および閉塞部の流路壁に対向する流路壁が、膜電極接合体に接しないようにすることができるので、さらに容易に、閉塞部に溜まった水を排出することが可能である。
【００１３】
［適用例４］
燃料電池システムであって、
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池と、
前記燃料電池に対して２種類の反応ガスを供給する反応ガス供給系と、
前記反応ガス供給系の動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記反応ガス供給系の動作を制御することにより、一方のガス流路のガス圧と他方のガス流路のガス圧との差圧を調整して、前記膜電極接合体の撓みを変化させることにより、前記ガス供給流路に溜まる水を前記ガス排出流路へ排出させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
この燃料電池システムは、上記燃料電池を用いているので、膜電極接合体の撓みを変化させることにより、ガス供給用流路とガス排出用流路との間に、ガス供給用流路の端部に溜まった水の通り道を設けることができるので、これにより、端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム等の種々の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施例の燃料電池を用いた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。
【図３】セパレータに形成されている燃料ガス流路を示す説明図である。
【図４】セパレータに形成されている酸化ガス流路を示す説明図である。
【図５】燃料電池セルの燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝の端部を拡大して示す概略断面図である。
【図６】第２実施例としての燃料電池セルの燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝の端部を拡大して示す概略断面図である。
【図７】第３実施例としての燃料電池セルの燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝の端部を拡大して示す概略断面図である。
【図８】第４実施例としての燃料電池セルの燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝の端部を拡大して示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成例：
図１は、第１実施例の燃料電池１００を用いた燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給系２００と、酸化ガス供給系３００と、燃料電池冷却系４００と、負荷装置５００と、システムコントローラ９００と、を備えている。
【００１７】
燃料電池１００は、電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガス（水素）と、カソード側触媒電極層に供給される酸化ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。また、燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０を積層したスタック構造を有するものとする。なお、燃料電池１００の各燃料電池セル１１０には、それぞれセル電圧モニター端子１２０が取り付けられている。各セル電圧モニター端子１２０は、それぞれの燃料電池セル１１０の電位を検出する。セル電圧モニター端子１２０は、通常、燃料電池セル１１０の隣接する燃料電池セルとの間に設けられるセパレータに取り付けられる（不図示）。各セル電圧モニター端子１２０の出力は、システムコントローラ９００に接続される。
【００１８】
燃料ガス供給系２００は、水素タンク２１０と、流量調整部２２０と、加湿調整部２３０、切換バルブ２４０と、循環コンプレッサ２５０と、を備える。この燃料ガス供給系２００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のアノード側触媒電極層（以下、単に「燃料電池１００のアノード」とも略す）に、水素タンク２１０から、配管２６０ａ、流量調整部２２０、配管２６０ｂ、加湿調整部２３０、および、配管２６０ｃを介して、燃料ガスである水素を供給する。この際、流量調整部２２０は、システムコントローラ９００からの指示に従った流量および圧力で水素を燃料電池１００のアノードへ供給する。また、加湿調整部２３０は、燃料電池１００のアノードへ供給する水素の湿度が、システムコントローラ９００からの指示に従った状態となるように、加湿温度を調整する。なお、水素タンク２１０としては、例えば、高圧水素が貯蔵された水素タンクと圧力調整弁を用いて構成することができる。
【００１９】
また、燃料ガス供給系２００は、切換バルブ２４０を開くことにより、燃料電池１００のアノードで使用されなかった水素を配管２６０ｄ、切換バルブ２４０、および、配管２６０ｅを介して、後述するカソードからの排出ガスとともに、後述する排気口３９０から排出する。
【００２０】
さらにまた、燃料ガス供給系２００は、切換バルブ２４０を閉じることにより、燃料電池１００のアノードで使用されなかった水素を、配管２６０ｆ、循環コンプレッサ２５０、および、配管２６０ｇを介して配管２６０ｂに戻し、循環させて、再び燃料ガスとして利用する。循環コンプレッサ２５０は、システムコントローラ９００からの指示に従って、水素の循環量および圧力を調整する。
【００２１】
なお、配管２６０ｃには、水素圧力計２７０が接続されており、燃料電池１００のアノードに供給される水素の圧力Ｐａを計測することができる。水素圧力計２７０の出力は、システムコントローラ９００に接続されている。また、配管２６０ｄには、水素濃度計２８０が接続されており、燃料電池１００のアノードから排出されるガスの水素濃度Ｈｄを計測することができる。水素濃度計２８０の出力は、システムコントローラ９００に接続されている。
【００２２】
酸化ガス供給系３００は、吸気口３１０と、コンプレッサ３２０と、加湿調整部３３０と、空気調圧バルブ３４０と、排気口３９０とを備える。この酸化ガス供給系３００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のカソード側触媒電極層（以下、「燃料電池１００のカソード」とも略す）に、吸気口３１０、配管３５０ａ、コンプレッサ３２０、配管３５０ｂ、加湿調整部３３０、および、配管３５０ｃを介して、酸化ガスである酸素を含む空気を供給する。この際、コンプレッサ３２０は、吸気口３１０から取り込む空気をシステムコントローラ９００からの指示に従った圧力で加湿調整部３３０へ向けて送り出す。また、加湿調整部２３０は、燃料電池１００のカソードへ供給する空気の湿度が、システムコントローラ９００からの指示に従った状態となるように、加湿温度を調整する。
【００２３】
また、酸化ガス供給系３００は、燃料電池１００から排出された電気化学反応に使用された酸素分だけ濃度の薄くなった排気ガスを、配管３５０ｄ、空気調圧バルブ３４０、および、配管３５０ｅを介して排気口３９０から排出する。なお、空気調圧バルブ３４０は、システムコントローラ９００からの指示に従って、その開閉状態を調整することにより、コンプレッサ３２０から送り出されて燃料電池１００のカソード中を流れる空気の圧力および流量を調整する。また、配管３５０ｃには、空気圧力計３６０が接続されており、燃料電池１００のカソードへ供給される空気の圧力Ｐｃを計測することができる。空気圧力計３６０の出力は、システムコントローラ９００に接続されている。
【００２４】
燃料電池冷却系４００は、冷却装置４１０と、冷媒温度計４２０と、を備える。冷却装置４１０は、２つの配管４３０ａ，４３０ｂを介して燃料電池１００に接続されており、配管４３０ａを介して冷却媒体を供給し、配管４３０ｂを介して、冷却に供された後の冷却媒体を受け取ることにより、冷却媒体を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。冷媒温度計４２０は、燃料電池１００に流入する冷却前冷却媒体温度Ｔｂおよび燃料電池１００から流出する冷却後冷却媒体温度Ｔａを測ることができる。冷媒温度計４２０の出力は、システムコントローラ９００に接続されている。そして、システムコントローラ９００では、これら２つの温度Ｔａ，Ｔｂから燃料電池１００の内部温度を推定することができる。
【００２５】
燃料電池１００の両端のエンドプレート１３０と、燃料電池セル１１０との間には、負極側のターミナル１４０（−）と正極側のターミナル１４０（＋）が設けられている。負荷装置５００の負極側端子５１０（−）は、燃料電池１００の負極側のターミナル１４０（−）に接続されるとともに、正極側端子５１０（＋）は、燃料電池１００の正極側のターミナル１４０（＋）に接続されている。また、負荷装置５００はコントローラ９００に負荷要求量を与える。
【００２６】
システムコントローラ９００は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース等を有する１以上のマイクロコンピュータで構成されている。そして、上記したように、燃料電池システム１０の各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御することにより、システム全体の動作を制御する。
【００２７】
なお、以上の説明からわかるように、燃料ガス供給系２００および酸化ガス供給系３００が本発明の反応ガス供給系に相当し、システムコントローラ９００が本願発明の制御部に相当する。
【００２８】
Ａ２．燃料電池の構造：
図２は、燃料電池１００を構成する燃料電池セル１１０の概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池セル１１０は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を両面から挟持するアノード側のセパレータ３０およびカソード側のセパレータ４０と、を備えている。膜電極接合体２０は、電解質層２１と、電解質層２１のそれぞれの面上に形成されるアノード側の触媒電極２２およびカソード側の触媒電極２３と、上記各触媒電極に隣接して設けられたアノード側のガス拡散層２４およびカソード側のガス拡散層２５と、が配置されている。なお、触媒電極およびガス拡散層を纏めてガス拡散電極とも呼ぶ。
【００２９】
電解質層２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。この電解質層２１としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）が利用される。
【００３０】
アノード側の触媒電極２２およびカソード側の触媒電極２３は、電気化学反応を促進する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質層２１と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いている。上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。触媒金属を担持するためのカーボン粒子（以下、「担持用カーボン粒子」と呼ぶ。）は、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子が用いられる。
【００３１】
ガス拡散層２４，２５は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。
【００３２】
セパレータ３０，４０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ３０，４０の表面には、燃料電池セル１１０に供給される燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、アノード側のガス拡散層２４とセパレータ３０との間には、アノードでの電気化学反応に供される燃料ガスである水素（Ｈ２）が通過する燃料ガス流路３２が形成されている。カソード側のガス拡散層２５とセパレータ４０との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸化ガスである空気（厳密には酸素［Ｏ２］）が通過する酸化ガス流路４２が形成されている。なお、これらセパレータ３０，４０に形成されるガス流路については、さらに後述する。
【００３３】
燃料電池セル１１０の外周部には、燃料ガス流路３２および酸化ガス流路４２におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。なお、上記したように、燃料電池１００は、燃料電池セル１１０を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、燃料電池セル１１０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各燃料電池セル１１０に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの燃料ガス流路３２を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各燃料電池セル１１０に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの酸化ガス流路４２を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
【００３４】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各燃料電池セル間に、あるいは所定数の燃料電池セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路が設けられている。冷媒流路は、隣り合う燃料電池セル間において、一方の燃料電池セルが備えるセパレータ３０と、これに隣接して設けられる他方の燃料電池セルのセパレータ４０との間に設ければよい。
【００３５】
図３は、セパレータ３０に形成されている燃料ガス流路３２を示す説明図である。なお、この図は、セパレータ３０の燃料ガス流路３２を膜電極接合体２０側から見た図である。セパレータ３０の左下部には、燃料ガス供給マニホールド用の孔（以下、「燃料ガス供給マニホールド孔」と呼ぶ）５０が設けられ、右上部には、燃料ガス排出マニホールド用の孔（以下、「燃料ガス供給マニホールド孔」と呼ぶ）６０が設けられている。また、セパレータ３０の外周部の右下部には、酸化ガス供給マニホールド用の孔（以下、「酸化ガス供給マニホールド孔」と呼ぶ）７０が設けられ、左上部には、酸化ガス排出マニホールド用の孔（以下、「酸化ガス排出マニホールド孔」と呼ぶ）８０が設けられている。
【００３６】
燃料ガス流路３２は、燃料ガス供給マニホールド孔５０から上方向に延びる流路溝３２ａから分岐して、燃料ガス排出マニホールド孔６０側に向かって横方向に延びる複数の流路溝３２ｂと、燃料ガス排出マニホールド孔６０から下方向に延びる流路溝３２ｃから分岐して、燃料ガス供給マニホールド孔５０側に向かって横方向に延びる複数の流路３２ｄとに分離されている。また、燃料ガス供給マニホールド孔５０に接続されている流路溝３２ｂと、燃料ガス排出マニホールド孔６０に接続されている流路溝３２ｄとは、上下方向に沿って交互に配置されている。なお、燃料ガス供給マニホールド孔５０に接続されている流路溝３２ａ，３２ｂが燃料ガス供給用流路であり、燃料ガス排出マニホールド孔６０に接続されている流路溝３２ｃ，３２ｄが燃料ガス排出用流路である。
【００３７】
図４は、セパレータ４０に形成されている酸化ガス流路４２を示す説明図である。この図は、図３のセパレータ３０と同様に設けられる４つのマニホールド孔５０〜８０の位置を図３と一致させるように、セパレータ４０の外側から酸化ガス流路４２を透視した形で示した図である。
【００３８】
酸化ガス流路４２は、従来の酸化ガス流路と同様であり、酸化ガス供給マニホールド孔７０から上方向に延びる流路溝４２ａから分岐して、複数の流路溝４２ｂが酸化ガス排出マニホールド孔８０側に向かって横方向に延び、酸化ガス排出マニホールド孔８０から下方向に延びる流路溝４２ｃに接続される構造となっている。なお、流路溝４２ｂは、セパレータ３０の流路溝３２ｂおよび３２ｄに対向する位置に配置されている。
【００３９】
以上説明したように、燃料ガス流路３２は、ガス供給用流路とガス排出用流路とに分離された構造を有している。背景技術で説明したように、ガス供給用流路とガス排出用流路とが分離された構造の場合、ガス供給用流路の端部（図３の破線の円で示す部分）が閉塞状態となるため、電気化学反応によって生成された水が、その端部（閉塞部）に溜まってしまうという問題がある。本実施例では、以下で説明するようにして、閉塞部に溜まった水をガス排出流路へ排出することができる。
【００４０】
Ａ３．排水動作：
図５は、燃料電池セル１１０の燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝３２ｂの端部を拡大して示す概略断面図である。通常使用状態においては、図４（Ａ）に示すように、アノード側のセパレータ３０の燃料ガス流路３２の燃料ガス供給用流路である流路溝３２ｂを流れるガスおよび燃料ガス排出用流路である流路溝３２ｄを流れるガスのガス圧Ｐ１と、カソード側のセパレータ４０の、燃料ガス流路３２の流路溝３２ｂ，３２ｄに対向する流路溝４２ｂを流れるガスのガス圧Ｐ２とが等しくなるように調整されている。
【００４１】
このとき、燃料ガス供給用流路の下流端である流路溝３２ｂの端部は閉塞状態となるため、燃料ガス排出流路である流路溝３２ｄや３２ｃに燃料ガスが透過してしまうことはない。しかしながら、背景技術でも説明したように、閉塞状態となった流路溝３２ｂの下流端部（閉塞部）には、図５（Ａ）に示すように、カソード側で生成された水が膜電極接合体２０を介して移動して２０を介して移動して、溜まってしまう場合がある。
【００４２】
そこで、本実施例では、上記のように溜まった水を排水する場合において、アノード側のガス圧Ｐ１とカソード側のガス圧Ｐ２の関係がＰ１＞＞Ｐ２となるように燃料ガスのガス圧Ｐ１および酸化ガスのガス圧Ｐ２を調整する。これにより、図５（Ｂ）に示すように、閉塞部を形成する流路壁部分を境界に、膜電極接合体２０を両側の流路溝部分でカソード側に押圧して撓ませることができる。これにより、燃料ガス供給流路である流路溝３２ｂと燃料ガス排出流路である流路溝３２ｄとの間の流路壁に接触する膜電極接合体２０の領域が小さくなり、溜まっていた水を膜電極接合体２０を介して排水しやすくすることができる。また、圧力差によっては隙間が発生して、溜まっていた水を排水することが可能となる。
【００４３】
以上説明したように、本実施例によれば、燃料ガス供給用流路の端部（閉塞部）に溜まる水を排水することができる。また、特許文献１の問題点として説明した、通常の使用時においてガス供給流路からガス排出流路へガスが透過してしまうこともない。
【００４４】
Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例としての燃料電池セル１１０Ａの燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝３２ｂの端部を拡大して示す概略断面図である。なお、第２実施例における燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システムと同じであるので、図示および説明を省略する。
【００４５】
第２実施例の燃料電池セル１１０Ａは、アノード側の燃料ガス供給用流路である流路溝３２ｂと燃料ス排出用流路である流路溝３２ｄとの間の流路壁３４、および、この流路壁３４に対向するカソード側の流路壁４４が、弾性体、特にバネ構造で構成されている点を除いて、第１実施例の燃料電池セル１１０と同じである。
【００４６】
第２実施例においては、アノード側のガス圧Ｐ１とカソード側のガス圧Ｐ２の関係がＰ１＜＜Ｐ２となるように燃料ガスのガス圧Ｐ１および酸化ガスのガス圧Ｐ２を調整する。これにより、図６に示すように、アノード側とカソード側の圧力差によって、膜電極接合体２０を流路溝の部分で撓ませることができるともに、さらに、膜電極接合体２０のカソード側の流路壁４４のバネ構造に接触している部分が下側に積極的に押し下げられることになる。これにより、アノード側の流路壁３４の部分に隙間が発生し、第１実施例よりもさらに、排水効果を高めることが可能となる。
【００４７】
以上説明したように、本実施例においても、燃料ガス供給用流路の端部（閉塞部）に溜まる水を排水することができる。また、特許文献１の問題点として説明した、通常の使用時においてガス供給流路からガス排出流路へガスが透過してしまうこともない。
【００４８】
Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例としての燃料電池セル１１０Ｂの燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝３２ｂの端部を拡大して示す概略断面図である。なお、第３実施例における燃料電池システムも、第１実施例の燃料電池システムと同じであるので、図示および説明を省略する。
【００４９】
第３実施例の燃料電池セル１１０Ｂは、アノード側の燃料ガス供給用流路である流路溝３２ｂと燃料ス排出用流路である流路溝３２ｄとの間の流路壁３４Ｂ、および、この流路壁３４Ｂに対向するカソード側の流路壁４４Ｂが、やわらかい材質の弾性体で構成されている点を除いて、第２実施例の燃料電池セル１１０Ａと同じである。
【００５０】
第３実施例においては、アノード側のガス圧Ｐ１とカソード側のガス圧Ｐ２の関係がＰ１＞＞Ｐ２となるように燃料ガスのガス圧Ｐ１および酸化ガスのガス圧Ｐ２を調整する。これにより、図７に示すように、アノード側とカソード側の圧力差によって、膜電極接合体２０を流路溝の部分で撓ませることができるともに、さらに、膜電極接合体２０のカソード側の流路壁４４Ｂに接触している部分が下側に積極的に押し下げられることになる。これにより、アノード側の流路壁３４Ｂの部分に隙間が発生し、第２実施例と同様に、第１実施例よりもさらに、排水効果を高めることが可能となる。
【００５１】
以上説明したように、本実施例においても、燃料ガス供給用流路の端部（閉塞部）に溜まる水を排水することができる。また、特許文献１の問題点として説明した、通常の使用時においてガス供給流路からガス排出流路へガスが透過してしまうこともない。
【００５２】
Ｄ．第４実施例：
図８は、第４実施例としての燃料電池セル１１０Ｃの燃料ガス供給用流路の閉塞部である流路溝３２ｂの端部を拡大して示す概略断面図である。なお、第４実施例における燃料電池システムも、第１実施例の燃料電池システムと同じであるので、図示および説明を省略する。
【００５３】
第４実施例の燃料電池セル１１０Ｃは、図８（Ｂ）に示すように、アノード側のガス圧Ｐ１とカソード側のガス圧Ｐ２とがＰ１≒Ｐ２の状態で、アノード側の燃料ガス供給用流路である流路溝３２ｂと燃料ガス排出用流路である流路溝３２ｄとの間の流路壁３４Ｃに膜電極接合体２０が接触しないように構成されている点を除いて、第１実施例の燃料電池セル１１０と同じである。
【００５４】
通常使用状態においては、図８（Ａ）に示すように、アノード側のガス圧Ｐ１とカソード側のガス圧Ｐ２の関係がＰ１＞＞Ｐ２となるように調整する。この結果、膜電極接合体２０を撓ませて流路壁３４Ｃにさせることにより、燃料ガス供給用流路である流路溝３２ｂと、燃料ガス排出用流路である流路溝３２ｄを分離し、流路溝３２ｂの端部を閉塞状態として、発電動作を実施することができる。なお、この場合には、燃料ガス供給用流路である流路溝３２ｂの下流側の端部が閉塞状態となっているので、排水ができず、カソード側で生成されてアノード側に移動してきた水が、この端部（閉塞部）に溜まることになる。
【００５５】
一方、端部に溜まった水を排出する場合には、アノード側のガス圧Ｐ１とカソード側のガス圧Ｐ２の関係がＰ１≒Ｐ２となるように調整する。この結果、図８（Ｂ）に示すように、膜電極接合体２０の撓みが無くなり、燃料ガス供給用流路である流路溝３２ｂと、燃料ガス排出用流路である流路溝３２ｄとの間の空間ができ、この空間を介して溜まっていた水を排出することが可能となる。
【００５６】
以上説明したように、本実施例においても、燃料ガス供給用流路の端部（閉塞部）に溜まる水を排水することができる。また、特許文献１の問題点として説明した、通常の使用時においてガス供給流路からガス排出流路へガスが透過してしまうこともない。
【００５７】
Ｅ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされ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、この発明は上記の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態様において実施することが可能である。
【００５８】
例えば、上記各実施例では、アノード側の燃料ガス流路が燃料ガス供給用流路と燃料ガス排出用流路とに分離された構造で、カソード側の酸化ガス流路は、従来と同じで燃料ガス供給用流路と燃料ガス排出用流路とが共通である構造の場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、カソード側の酸化ガス流路が酸化ガス供給用流路と酸化ガス排出用流路とに分離された構造であってもよい。この場合にも、実施例で説明したアノード側の燃料ガス供給用流路の下流側の端部（閉塞部）に溜まった水の排出と同様に、アノード側のガス圧とカソード側のガス圧に圧力差を発生させて、カソード側の酸化ガス供給用流路の下流側の端部(閉塞部)に溜まった水の排出を実行することができる。また、アノード側の燃料ガス流路とカソード側の酸化ガス流路の両方ともガス供給用流路とガス排出用流路とに分離された構造としてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０…燃料電池システム
２０…膜電極接合体
２１…電解質層
２２…触媒電極
２３…触媒電極
２４…ガス拡散層
２５…ガス拡散層
３０…セパレータ
３２…燃料ガス流路
３２ａ…流路溝
３２ｂ…流路溝
３２ｃ…流路溝
３２ｄ…流路溝
３４…流路壁
３４Ｂ…流路壁
３４Ｃ…流路壁
４０…セパレータ
４２…酸化ガス流路
４２ａ…流路溝
４２ｂ…流路溝
４２ｃ…流路溝
４４…流路壁
４４Ｂ…流路壁
４４Ｃ…流路壁
５０…燃料ガス供給マニホールド孔
６０…燃料ガス排出マニホールド孔
７０…酸化ガス供給マニホールド孔
８０…酸化ガス排出マニホールド孔
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル
１１０Ａ…燃料電池セル
１１０Ｂ…燃料電池セル
１１０Ｃ…燃料電池セル
１２０…セル電圧モニター端子
１３０…エンドプレート
１４０（＋）…正極側のターミナル
１４０（−）…負極側のターミナル
２００…燃料ガス供給系
２１０…水素タンク
２２０…流量調整部
２３０…加湿調整部
２４０…切換バルブ
２５０…循環コンプレッサ
２６０ａ〜２６０ｇ…配管
２７０…水素圧力計
２８０…水素濃度計
３００…酸化ガス供給系
３１０…吸気口
３２０…コンプレッサ
３３０…加湿調整部
３４０…空気調圧バルブ
３５０ａ〜３５０ｅ…配管
３６０…空気圧力計
３９０…排気口
４００…燃料電池冷却系
４１０…冷却装置
４２０…冷媒温度計
４３０ａ…配管
４３０ｂ…配管
５００…負荷装置
５１０（＋）…正極側端子
５１０（−）…負極側端子
９００…システムコントローラ
【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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