(57)【要約】【課題】燃料電池の発電停止後に、エネルギーのロスを生じることなく、積層体内部に残留する凝縮水量を低減する技術を提供することを目的とする。【解決手段】シールガスケット一体型ＭＥＡ１０２をセパレータ１０４を介して複数積層した積層体１００の外側に、第１のプレート１３０ｃを積層する。積層体１００は断熱材１４０によって被覆し、その他の部分は被覆しない。これにより、第１のプレート１３０ｃは積層体１００よりも早く温度が低下し、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気が凝縮する。第１の空洞部１３２ｃは空気供給マニホールド２００ａｉと連通しているため、積層体１００内の水蒸気が空気供給マニホールド２００ａｉを通って第１の空洞部１３２ｃへ移動する。【選択図】図７
2008147063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体をセパレータを介在させて複数積層して成る積層体を有する燃料電池において、
前記積層体を積層方向に貫通すると共に、反応ガスを前記積層体内に供給するためのマニホールドと、
その内部に、前記マニホールドから流入した水蒸気を凝縮させるための空洞部を有し、前記積層体の外側に積層されるプレートと、
前記積層体の前記マニホールド近傍を被覆する断熱材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記空洞部内で凝縮された凝縮水を、前記燃料電池外へ排出可能とする排出部を、さらに備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記断熱材は、
前記積層体の周囲を一周するように、前記積層体を被覆することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、膜電極接合体を複数積層したスタック構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の両側にアノードとカソードを設け、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを供給して電気化学反応により起電力を得る燃料電池において、各電極では、以下の電気化学反応がそれぞれ行われる。
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード：（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
すなわち、アノードでは水素分子を水素イオンと電子に分解する電気化学反応が行われ、カソードでは、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応が行われる。したがって、アノードからカソードに向かって外部回路を移動する電子により起電力が生じると共に、カソード側に水が生成される（以下、「生成水」ともいう。）。
【０００３】
電解質膜の両面に電極を配置して成る膜電極接合体を、セパレータを介在させて複数積層した積層体を有する燃料電池の場合、積層体の両端に１対のエンドプレートを配置し、１対のエンドプレートをテンションロッド等で締結することにより、積層状態を保持することが多い。エンドプレートとしては、剛性を確保するために、金属製のプレートを用いることが多い。金属製のエンドプレートは、熱伝導性が良いため、大気に触れると、放熱して自然に冷却される。すると、積層体の端部付近は、熱伝導により冷却される。温度が低下すると、飽和水蒸気圧が低下するため、セパレータの酸化剤ガス流路に水蒸気として存在する生成水が凝縮して、反応ガス流路に凝縮水が滞留し（以下、「フラッディング」ともいう。）、反応ガスの流れが滞ることがあった。
【０００４】
そこで、従来は、積層体とエンドプレートとの間に、発電に寄与しないガス流路を形成した層（以下、「ダミーセル」ともいう。）を設けて、外部温度の影響を緩和して、積層体の端部に配置されているセパレータの温度低下を抑制することによって、フラッディングを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３８３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池が発電を停止した後、積層体の温度が低下することによって、積層体内部に残った生成水の水蒸気が凝縮し、積層体内（酸化剤ガス流路、ガス拡散層および触媒層）に凝縮水が滞留することがある。そのため、外気の温度が低い（例えば、氷点下）場合には、積層体内に滞留している凝縮水が凍結して、反応ガス流路、ガス拡散層および触媒層が閉塞されるおそれがある。そうすると、低温始動しようとした場合に、酸化剤ガスを各電極に供給することができなくなるため、始動できないおそれがある。
【０００７】
積層体内の凝縮水を低減するためには、発電停止後に燃料電池内に空気を送ることによって、凝縮水を燃料電池外へ掃き出す処理（以下、「掃気処理」ともいう。）を、長時間に亘って行うことが考えられる。しかしながら、掃気処理を長時間行うと、掃気処理を行うために動力を必要とするため、エネルギーのロスが生じるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、燃料電池の発電停止後に、エネルギーのロスを生じることなく、積層体内部に残留する凝縮水量を低減す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】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明における燃料電池は、
電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体をセパレータを介在させて複数積層して成る積層体を有する燃料電池において、
前記積層体を積層方向に貫通すると共に、反応ガスを前記積層体内に供給するためのマニホールドと、
その内部に、前記マニホールドから流入した水蒸気を凝縮させるための空洞部を有し、前記積層体の外側に積層されるプレートと、
前記積層体の前記マニホールド近傍を被覆する断熱材と、
を備えることを要旨とする。
【００１０】
本明細書中において、反応ガスとは、例えば、燃料ガスとしての水素等や、酸化剤ガスとしての酸素等の、電極反応に使用されるガスをいう。また、プレートは、例えば、酸化剤ガスを供給するマニホールドと連通する空洞部が一つ形成されたプレートを１枚備えるものであってもよいし、酸化剤ガスを供給するマニホールドと連通する空洞部と、燃料ガスを供給するマニホールドと連通する空洞部の２つが形成されたプレートを１枚備えるものであってもよい。また、酸化剤ガスを供給するマニホールドと連通する空洞部が一つ形成されたプレートと、燃料ガスを供給するマニホールドと連通する空洞部が形成されたプレートをそれぞれ１枚ずつ備えるものであってもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池では、積層体のマニホールド近傍は断熱材に被覆されているため、積層体は外部温度の影響を受けにくい。そのため、燃料電池が発電を停止した後、プレートは外部温度の影響を受けて冷却され、積層体よりも早く温度が低下する。したがって、プレートの飽和水蒸気圧が、積層体よりも低くなるため、プレートに形成されている空洞部内に存在する水蒸気は、凝縮しやすくなる。
【００１２】
そのため、プレートの温度が低下して、空洞部内の飽和水蒸気圧が空洞部内の水蒸気圧より低くなると、水蒸気が凝縮し、空洞部内の水蒸気濃度が薄くなる。すると、積層体内の水蒸気が、マニホールドを通じて空洞部内へ移動する。すなわち、積層体内および空洞部内の水蒸気濃度は、燃料電池の発電停止直後に比べて薄くなる（水蒸気圧が低くなる）。
【００１３】
したがって、燃料電池の発電停止後十分時間が経過して、積層体の温度が低下し、積層体内の飽和水蒸気圧が積層体内の水蒸気圧より低くなった場合でも、積層体内の水蒸気圧が低いため、凝縮水量は減少する。すなわち、燃料電池の発電停止後に、掃気処理等によるエネルギーのロスを生じることなく、積層体内部に残留する凝縮水量を低減することができる。
【００１４】
上記した燃料電池において、
前記空洞部内で凝縮された凝縮水を、前記燃料電池外へ排出可能とする排出部を、さらに備えることが好ましい。
【００１５】
このようにすることによって、空洞部内で凝縮された凝縮水を適時、燃料電池外へ排出することが可能となるため、空洞部内の凝縮水が一杯になって、積層体の方へ流入することを防止することができるようになる。
【００１６】
上記した燃料電池において、
前記断熱材は、
前記積層体の周囲を一周するように、前記積層体を被覆することが好ましい。
【００１７】
このようにすることによって、積層体が外気に触れなくなるため、外気温度の影響をさらに受けにくくなる。したがって、積層体の温度低下を、さらに遅らせることができるようになり、積層体内部に残留する凝縮水量をさらに低減することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．積層体の構成：
Ａ３．第１のプレートおよび第２のプレートの構成：
Ａ４．燃料電池内の空気、水素および水蒸気の流れ：
Ａ５．実施例の効果：
Ｂ．変形例：
【００１９】
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池１０は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池１０は、積層体１００（図示しない）を両側から集電板１１２、１１４、絶縁板１１６、１１８、エンドプレート１２０、１２２で挟持して形成されている。積層体１００は、後述するように、シールガスケット一体型ＭＥＡ１０２をセパレータ１０４を介在させて複数積層して成るものである。
【００２０】
さらに、本実施例においては、絶縁板１１６とエンドプレート１２０との間に、第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａが配置されている。本実施例における第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａが、請求項におけるプレートに相当する。
【００２１】
また、積層体１００は、周囲を断熱材１４０に被覆されており、その他の部分は被覆されていない。断熱材１４０は、接着剤により積層体１００に固定されている。本実施例において、断熱材１４０は、ポリエチレン（ＰＥ）の樹脂シートを用いているが、例えば、エポキシガラス等の絶縁性の樹脂シート等、種々の断熱材を用いることができる。なお、燃料電池の重量および体積を大きくしないで断熱性を確保するために、２００〜３００μｍ程度の厚さの樹脂シートを用いるのが好ましい。
【００２２】
燃料電池１０はまた、図示しないが、テンションプレートを備えており、テンションプレートを燃料電池１０の両端のエンドプレート１２０、１２２に固定することによって、燃料電池１０は、積層方向に所定の締結力で締結されている。
【００２３】
なお、エンドプレート１２０、１２２およびテンションプレートは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板１１６、１１８は、絶縁性の樹脂によって形成されているが、ゴム等によって形成されるものとしてもよい。集電板１１２、１１４は、緻密質カーボンによって形成されているが、銅板などのガス不透過な導電性材料によって形成されるものとしてもよい。集電板１１２、１１４には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池１０で発電した電力を出力可能となっている。
【００２４】
Ａ２．積層体の構成：
図２は、積層体１００の構造を示す斜視図である。積層体１００は、セパレータ１０４とシールガスケット一体型ＭＥＡ１０２とを交互に積層して構成されている。セパレータ１０４とシールガスケット一体型ＭＥＡ１０２の積層数は、燃料電池１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、シールガスケット一体型ＭＥＡ１０２が、請求項における膜電極接合体に相当する。
【００２５】
図示するように、セパレータ１０４の外周部には、水素供給用貫通孔１０４ｈｉ、水素排出用貫通孔１０４ｈｏ、空気供給用貫通孔１０４ａｉ、空気排出用貫通孔１０４ａｏが形成されている。そして、セパレータ１０４の一方の面には、空気供給用貫通孔１０４ａｉと空気排出用貫通孔１０４ａｏとを繋ぐように、溝状の空気流路１０４ａｐが形成され、他方の面には、水素供給用貫通孔１０４ｈｉと水素排出用貫通孔１０４ｈｏとを繋ぐように、溝状の水素流路１０４ｈｐが形成されている。本実施例において、セパレータ１０４は、ガス不透過の導電性部材である緻密質カーボンにより形成されているが、ステンレス、チタン、アルミニウム等の金属により形成されるものとしてもよい。
【００２６】
そして、シールガスケット一体型ＭＥＡ１０２は、電解質膜の両面にアノードとカソードをそれぞれ配置したＭＥＡ部１０２ｍと、反応ガスの漏洩を防止するためのシール部１０２ｓとが一体的に形成されたものである。シールガスケット一体型ＭＥＡ１０２のシール部１０２ｓには、セパレータ１０４と同様に、水素供給用貫通孔１０２ｈｉ、水素排出用貫通孔１０２ｈｏ、空気供給用貫通孔１０２ａｉ、空気排出用貫通孔１０２ａｏが形成されている。シールガスケット一体型ＭＥＡ１０２を、セパレータ１０４を介在させて、複数積層して積層体１００を構成すると、各貫通孔により、積層体１００を積層方向に貫通する水素供給マニホールド２００ｈｉ、水素排出マニホールド２００ｈｏ、空気供給マニホールド２００ａｉ、空気排出マニホールド２００ａｏが、それぞれ形成される。
【００２７】
本実施例において、積層体１００は、固体高分子型燃料電池として構成されている。電解質膜は、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る。アノードおよびカソードは、触媒層とガス拡散層とを積層したガス拡散電極である。本実施例において、電解質膜の表面に触媒としての白金を塗布することにより、触媒層が形成されているが、触媒には白金と他の金属からなる合金を用いることもできる。また、ガス拡散層は、炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されているが、ガス拡散層を炭素繊維からなるカーボンペーパ、または、カーボンフエルトにより形成するものとしてもよい。
【００２８】
なお、図示していないが、セパレータ１０４およびシールガスケット一体型ＭＥＡ１０２には冷却水供給用貫通孔、冷却水排出用貫通孔が設けられ、積層体１００を積層方向に貫通する冷却水用マニホールドが形成されている。そして、冷却水流路が形成された冷却水セパレータが、適宜配置され、積層体１００を冷却している。
【００２９】
Ａ３．第１のプレートおよび第２のプレートの構成：
図３（ａ）は第１のプレート１３０ｃの絶縁板１１６と接する面を示す平面図、（ｂ）は、第２のプレート１３０ａと接する面を示す平面図である。図４（ａ）は第２のプレート１３０ａの第１のプレート１３０ｃと接する面を示す平面図、（ｂ）は、第２のプレート１３０ａのエンドプレート１２０と接する面を示す平面図である。図５は、燃料電池１０の空気供給マニホールド２００ａｉおよび空気排出マニホールド２００ａｏを通る切断面を示す断面図である。
【００３０】
まず、第１のプレート１３０ｃについて、図３および図５に基づいて説明する。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１のプレート１３０ｃは、セパレータ１０４と同一の略長方形状を成す平板であり、第１の空洞部１３２ｃと、水素供給用貫通孔１３０ｈｉが形成されている。第１の空洞部１３２ｃは、絶縁板１１６と接する面に、空気供給用貫通孔１０４ａｉと同一の略長方形状を成す第１の開口部１３４ｃを備え、第１のプレート１３０ｃ内に略長方形の穴状に形成されている。さらに、第１の空洞部１３２ｃと連通し、第１の空洞部１３２ｃ内に貯留された凝縮水（後述する）を排出するための排出管１３８ｃ(後述する)を挿入可能な排出管挿入部１３６ｃが形成されている。
【００３１】
図５に示すように、第１のプレート１３０ｃは、燃料電池１０を構成する際に、絶縁板１１６と接している。集電板１１２、絶縁板１１６には、空気供給用貫通孔１０４ａｉと同一の略長方形状を成す貫通孔が設けられており、第１のプレート１３０ｃには、空気供給用貫通孔１０４ａｉと同一の略長方形状を成す第１の開口部１３４ｃを備える第１の空洞部１３２ｃが形成されている。そのため、燃料電池１０を構成すると、第１の空洞部１３２ｃは、集電板１１２、絶縁板１１６に形成された貫通孔を介して、空気供給マニホールド２００ａｉと連通することになる。
【００３２】
また、排出管挿入部１３６ｃには、バルブＶ１によって開閉可能な排出管１３８ｃが挿入されており、第１の空洞部１３２ｃ内には、水位計（図示しない）が設置されている。バルブＶ１は、燃料電池１０の発電時は閉じられており、発電停止後、第１の空洞部１３２ｃ内に貯留された凝縮水（後述する）が所定の水位になったら開くように制御部（図示しない）によって制御されている。なお、凝縮水の水位は、上記した水位計によって計測されている。
【００３３】
続いて、第２のプレート１３０ａについて、図４および図５に基づいて説明する。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第２のプレート１３０ａは、第１のプレート１３０ｃと同一の略長方形状を成す平板であり、第２の空洞部１３２ａが形成されている。図４（ａ）に示すように、第２の空洞部１３２ａは、第１のプレート１３０ｃと接する面に、水素供給用貫通孔１０４ｈｉと同一の略長方形状を成す第２の開口部１３４ａを備え、第２のプレート１３０ａ内に略長方形の穴状に形成されている。さらに、第２の空洞部１３２ａと連通し、第２の空洞部１３２ａ内に貯留された凝縮水（後述する）を排出するための排出管１３８ａ（後述する）を挿入可能な排出管挿入部１３６ａが形成されている。
【００３４】
図５に示すように、第２のプレート１３０ａは、燃料電池１０を構成する際に、第１のプレート１３０ｃと接している。集電板１１２、絶縁板１１６には、水素供給用貫通孔１０４ｈｉと同一の略長方形状を成す貫通孔(図示しない)が設けられている。そして、上記のとおり、第１のプレート１３０ｃには、水素供給用貫通孔１３０ｈｉが設けられ、第２のプレート１３０ａには、水素供給用貫通孔１３０ｈｉと同一の略長方形状を成す第２の開口部１３４ａを備える第２の空洞部１３２ａが形成されている。そのため、燃料電池１０を構成すると、第２の空洞部１３２ａは、集電板１１２、絶縁板１１６、および第１のプレート１３０ｃに形成された貫通孔を介して水素供給マニホールド２００ｈｉと連通することになる。
【００３５】
また、第１のプレート１３０ｃと同様に、排出管挿入部１３６ａには、バルブＶ２によって開閉可能な排出管１３８ａが挿入されており、第２の空洞部１３２ａ内には、水位計（図示しない）が設置されている。バルブＶ２は、制御部（図示しない）によって、バルブＶ１と同様に制御されている。
【００３６】
なお、本実施例において、第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａは、絶縁板１１６、１１８と同様の樹脂によって形成されているが、ゴム等によって形成されるものとしてもよい。
【００３７】
本実施例における排出管挿入部１３６ｃ、排出管１３８ｃ、およびバルブＶ１が、請求項における排出部に相当する。また、排出管挿入部１３６ａ、排出管１３８ａ、およびバルブＶ２も、請求項における排出部に相当する。
【００３８】
Ａ４．燃料電池内の空気、水素、および水蒸気の流れ：
図６は、燃料電池１０の発電停止後の、積層体１００および第１のプレート１３０ｃの温度の経時変化を示すグラフである。燃料電池１０の発電停止時を時刻０として、発電停止後の経過時間を横軸に、積層体１００および第１のプレート１３０ｃの温度を縦軸に取って、示している。図７は、発電停止後の燃料電池１０内の水蒸気の流れを示す説明図である。図７は、図５と同様に、燃料電池１０の空気供給マニホールド２００ａｉおよび空気排出マニホールド２００ａｏを通る切断面を示している。
【００３９】
まず、発電時の空気の流れについて、図５に基づいて説明する。
空気は、大気から取り込まれ、ポンプ（図示しない）によって加圧されて、エンドプレート１２２（図１）側から燃料電池１０内に供給される。燃料電池１０内に供給された空気は、図５に示すように、空気供給マニホールド２００ａｉ内を流通して、各セパレータ１０４の空気流路１０４ａｐに流入すると共に、第１の空洞部１３２ｃにも流入する（一点鎖線矢印）。
【００４０】
ここで、上記したように、燃料電池１０の発電時は、バルブＶ１が閉じられているため、第１の空洞部１３２ｃ内の空気は、発電時に排出管１３８ｃから燃料電池１０外へ流出することはない。また、第１の空洞部１３２ｃは、空気排出マニホールド２００ａｏとは繋がっていないため、第１の空洞部１３２ｃ内の空気が、空気排出マニホールド２００ａｏを介して燃料電池１０外へ流出することもない。例えば、燃料電池１０の発電中にバルブＶ１が開いていたり、第１の空洞部１３２ｃが空気排出マニホールド２００ａｏと繋がっていたりすると、第１の空洞部１３２ｃ内に供給された空気は、発電に使用されないまま、排出されることになるため、空気を無駄に供給することになるが、本実施例では、第１の空洞部１３２ｃ内の空気が流出しないため、酸化剤ガスとしての空気をほとんど無駄にしない。
【００４１】
空気流路１０４ａｐに分配された空気は、一部がカソードにおける電極反応に使用され、残りの空気は、空気排出マニホールド２００ａｏを通って、燃料電池１０外へ排出される。カソードでは、電極反応により水が生成されるが、燃料電池１０の発電中は燃料電池１０内は高温であるため、その生成水は水蒸気として、空気流路１０４ａｐ内に存在している。燃料電池１０の発電中は、上記したように、空気がポンプによって加圧され、空気供給マニホールド２００ａｉ、空気流路１０４ａｐ、空気排出マニホールド２００ａｏを通って、燃料電池１０外へ排出されているため、その水蒸気は、その空気と共に、空気排出マニホールド２００ａｏを通って、燃料電池１０外へ排出されている。
【００４２】
続いて、燃料電池１０の発電停止後の積層体内の水蒸気の流れについて、燃料電池１０の温度変化と共に、図６および図７に基づいて説明する。なお、カソードで生成された生成水の水蒸気に注目して説明する。
【００４３】
燃料電池１０の発電が停止されると、燃料電池１０内に空気を供給するためのポンプが停止されるため、燃料電池１０内の空気の流れが滞り、空気流路１０４ａｐ、マニホールド２００ａｉ、２００ａｏ、および第１の空洞部１３２ｃ内に生成水の水蒸気が滞留する。
【００４４】
図６に示すように、第１のプレート１３０ｃおよび積層体１００は、発電停止時（時刻＝０）、ほぼ同じ温度（Ｔ0）である。第１のプレート１３０ｃは、断熱材１４０に被覆されていないため、燃料電池１０の発電停止後、外気温度の影響を受けて冷却され、急速に温度が降下する。そして、ほぼ常温である温度Ｔ1にまで降下すると、その後は、わずかに降下する。
【００４５】
一方、積層体１００は、周囲に断熱材１４０が被覆されているため、外気温度の影響をあまり受けず、発電停止後、緩やかに温度が降下する。そして、時刻ｔ2のときに、第１のプレート１３０ｃと同じ温度（Ｔ2）になると、その後、第１のプレート１３０ｃと同様の温度変化を示す。
【００４６】
すなわち、発電停止後、時刻ｔ2までの間は、第１のプレート１３０ｃの温度は、積層体１００の温度よりも低い。飽和水蒸気圧は、温度が低いほど、低くなるため、発電停止後、時刻ｔ2までの間は、第１のプレート１３０ｃの飽和水蒸気圧は、積層体１００の飽和水蒸気圧よりも低くなる。そのため、第１のプレート１３０ｃの第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気は凝縮しやすくなる。
【００４７】
上記のとおり、第１の空洞部１３２ｃは空気供給マニホールド２００ａｉと繋がっているため、積層体１００内の水蒸気濃度（水蒸気圧）と、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気濃度（水蒸気圧）は、等しくなる。また、積層体１００内と第１の空洞部１３２ｃ内の気体は、相互に移動可能である。
【００４８】
発電停止直後、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気圧と、積層体１００内の水蒸気圧は同じであり、また、温度も同じであるため、飽和水蒸気圧も同じである。その後、第１の空洞部１３２ｃ内の温度が下がって、飽和水蒸気圧が第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気圧より低くなると、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気が凝縮し始める。
【００４９】
第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気が凝縮して、液体の水と水蒸気が共存する状態では、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気圧は、第１のプレート１３０ｃの温度における飽和水蒸気圧と等しくなる。すなわち、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気圧は、積層体１００内の水蒸気圧より低くなるため、積層体１００の空気流路１０４ａｐ等に滞留している水蒸気が、空気供給マニホールド２００ａｉを通って第１のプレート１３０ｃの第１の空洞部１３２ｃ内に移動する（図７の矢印）。水蒸気が第１の空洞部１３２ｃ内に移動すると、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気圧が飽和水蒸気圧よりも高くなるため、水蒸気が凝縮し、第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気圧は、第１のプレート１３０ｃの温度における飽和水蒸気圧と等しくなる。第１のプレート１３０ｃの温度がさらに下がって飽和水蒸気圧が低下すると、さらに水蒸気が凝縮し、積層体１００内の水蒸気が第１の空洞部１３２ｃ内に移動する。このような繰り返しによって、第１の空洞部１３２ｃ内に凝縮水が貯留され、積層体１００内および第１の空洞部１３２ｃ内の水蒸気濃度が薄くなる。なお、上記したように、第１の空洞部１３２ｃ内に貯留された凝縮水の水位が、所定の水位になると、バルブＶ１が開いて、凝縮水は燃料電池１０外へ排出される。
【００５０】
その後、積層体１００の温度が第１のプレート１３０ｃと同じになると（時刻ｔ2以降）、積層体１００内の飽和水蒸気圧は第１の空洞部１３２ｃ内の飽和水蒸気圧と等しくなるため、温度が低下すると、両者の水蒸気は、同様に凝縮する。しかしながら、時刻ｔ2以降は、積層体１００の温度は、わずかにしか低下しないため、凝縮水量は少なくなる。
【００５１】
次に、燃料電池１０の発電時の水素の流れ、および発電停止後のアノード側の水蒸気の流れについて簡単に説明する。燃料電池１０の発電時、水素は、水素タンク（図示しない）から水素供給用配管（図示しない）を介して加湿されて、エンドプレート１２２（図１）側から燃料電池１０内に供給される。燃料電池１０内に供給された水素は、水素供給マニホールド２００ｈｉ内を流通して各セパレータ１０４の水素流路１０４ｈｐに流入すると共に、第２の空洞部１３２ａにも流入する。ここで、第１のプレート１３０ｃと同様に、発電時は、バルブＶ２によって排出管１３８ａは閉じられている。また、第２の空洞部１３２ａは、水素排出マニホールドとは繋がっていない。したがって、第２の空洞部内の水素が流出しないので、燃料ガスとしての水素をほとんど無駄にしない。
【００５２】
燃料電池１０の発電時には、１０４ｈｐ内に分配された水素は、一部がアノードにおける電極反応に使用され、残りの水素は、水素排出マニホールド２００ｈｏを通って、燃料電池１０外へ排出される。なお、燃料電池１０外へ排出された水素は、水素供給用配管に戻されて、循環するようにしてもよい。
【００５３】
上記したように、燃料ガスとしての水素は、高分子電解質膜の湿潤状態を良好に保つために、加湿して供給されている。そのため、燃料電池１０の発電停止時、第２のプレート１３０ａの第２の空洞部１３２ａにも、第１のプレート１３０ｃと同様に水蒸気が滞留している。
【００５４】
そして、第２のプレート１３０ａの温度も第１のプレート１３０ｃと同様の経時変化を示すため、時刻ｔ2までは、積層体１００よりも温度が低く、飽和水蒸気圧が低くなる。そのため、第２の空洞部１３２ａ内の水蒸気が凝縮して、第２の空洞部１３２ａ内の水蒸気圧が低くなると、水素流路１０４ｈｐ等の水蒸気が、水素供給マニホールド２００ｈｉを通って、第２の空洞部１３２ａ内に移動する。したがって、水素流路１０４ｈｐ等に残留する水蒸気量も、少なくなる。第２の空洞部１３２ａ内に貯留された凝縮水も、上記したように、所定の水位になると、バルブＶ２が開いて、燃料電池１０外へ排出される。
【００５５】
そして、積層体１００の温度が第２のプレート１３０ａと同じになると（時刻ｔ2以降）、カソード側の水蒸気と同様に、積層体１００のアノード側の水蒸気も、積層体１００の温度が低下すると、凝縮するが、時刻ｔ2以降は、積層体１００の温度は、わずかにしか低下しないため、アノード側の凝縮水量も少なくなる。
【００５６】
なお、本実施例において、水位計を用いて、第１の空洞部１３２ｃおよび第２の空洞部１３２ａ内に貯留された凝縮水の水位を測定し、所定の水位になったらバルブＶ１、Ｖ２を開いて、凝縮水を燃料電池１０外へ排出するように制御部によって制御しているが、発電停止後、バルブＶ１、Ｖ２を開いたままの状態にして、水蒸気が凝縮したらそのまま放出するようにしてもよい。このようにすることによって、水位計を用いた制御が不要になる。
【００５７】
Ａ５．実施例の効果：
【００５８】
以上説明したように、本実施例の燃料電池１０によれば、積層体１００とエンドプレート１２０との間に配置された第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａと、積層体１００とに温度差を設けることによって、飽和水蒸気圧の差が生じる。そして、第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａの温度が低下して、飽和水蒸気圧がプレート内の水蒸気圧より低くなると、第１の空洞部１３２ｃ、第２の空洞部１３２ａ内の水蒸気が凝縮する。そうすると、第１の空洞部１３２ｃ、第２の空洞部１３２ａ内の水蒸気濃度が、積層体１００内の水蒸気濃度より薄くなるため、積層体１００内の水蒸気が第１の空洞部１３２ｃ、第２の空洞部１３２ａ内に移動する。
【００５９】
したがって、積層体１００内の水蒸気濃度が薄くなるため、掃気処理を行うことなく、積層体１００内の残留凝縮水量を低減することができる。すなわち、掃気処理を行うことによるエネルギーの損失を防止することができる。さらに、掃気処理によって、高分子電解質膜の水分を過剰に除去してしまうことがなくなるため、高分子電解質膜の湿潤状態を良好に保つことができるようになる。
【００６０】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例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で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。
【００６１】
（１）上記した実施例において、第１の空洞部１３２ｃが形成された第１のプレート１３０ｃ、第２の空洞部１３２ａが形成された第２のプレート１３０ａの２枚のプレートが配置された燃料電池１０を示したが、第１のプレート１３０ｃと第２のプレート１３０ａとを合わせて、１枚のプレートを形成してもよい。すなわち、第１の空洞部１３２ｃと第２の空洞部１３２ａを１枚のプレートに形成してもよい。このようにすることによって、部品点数が減るため、組み付けが容易になる。
【００６２】
（２）上記した実施例において、燃料電池１０内に、第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａの２枚のプレートを配置しているが、第１のプレートのみを配置してもよい。このようにしても、カソード側の残留凝縮水量を低減することができるため、例えば、水素を供給する際に、加湿していない場合等、アノード側に残留する凝縮水量が少ない場合に好適である。
【００６３】
（３）上記した実施例において、断熱材１４０は、積層体１００の周囲を一周しているが、例えば、図１における上面と底面だけを覆うようにしてもよい。このようにしても、空気供給マニホールド２００ａｉと空気排出マニホールド２００ａｏの近傍は、外気から断熱されているため、積層体１００内の電極反応による生成水の水蒸気が滞留している空間は、冷却されにくい。したがって、第１のプレート１３０ｃとの温度差を設けることによって、上記した実施例と同様に、第１のプレートに、積層体１００の空気供給マニホールド２００ａｉ、空気排出マニホールド２００ａｏ、および空気流路１０４ａｐに滞留している水蒸気を移動させることができる。したがって、掃気処理を行わず、カソード側の残留凝縮水量を低減することができる。
【００６４】
（４）上記した実施例において、空気流路１０４ａｐおよび水素流路１０４ｈｐは、セパレータ１０４の両面にそれぞれ溝状に形成されているものを示したが、この形状に限定されない。例えば、一方の面にのみ溝状の流路が形成されているセパレータを、２枚１組として用いてもよいし、電極に接するように金属多孔体を配置することによって流路を形成してもよい。特に、金属多孔体で流路を形成した場合は、流路内に凝縮水が滞留しやすいため、本発明を適用すると、凝縮水量を容易に低減することができ、好適である。
【００６５】
（５）上記した実施例において、第１のプレート１３０ｃおよび第２のプレート１３０ａは、共に絶縁板１１６とエンドプレート１２０との間に配置されているが、例えば、積層体１００と集電板１１２との間に配置されてもよい。但し、この場合、積層体１００で発電された電力を集電板に集めて出力するために、第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａを導電性の材料で形成することが好ましい。
【００６６】
（６）上記した実施例において、絶縁板１１６を配置せず、第１のプレートおよび第２のプレートを絶縁板として用いるようにしてもよい。また、第１のプレートおよび第２のプレートを、金属プレート等により形成して、燃料電池１０の最外部に配置して、エンドプレートとして用いるようにしてもよい。同様に、金属プレートや、カーボンプレート等により形成して、集電板として用いるようにしてもよい。このようにすることによって、部品点数が減るため、組み付けが容易になる。また、燃料電池全体の大きさを小さくすることができる。
【００６７】
（７）上記した実施例において、第１のプレート１３０ｃおよび第２のプレート１３０ａは、共にエンドプレート１２０側に配置されているが、エンドプレート１２２側に配置されてもよい。また、例えば、第１のプレート１３０ｃをエンドプレート１２０側に、第２のプレート１３０ａをエンドプレート１２２側に、それぞれ配置してもよい。第１のプレート１３０ｃ、第２のプレート１３０ａには、排出管１３８ｃ、１３８ａが配設されるため、配管の複雑化を回避するために、酸素および水素の供給口の形成されていないエンドプレート側に配置するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池１０の概略構成を示す斜視図である。
【図２】積層体１００の構造を示す斜視図である。
【図３】第１のプレート１３０ｃを示す平面図である。
【図４】第２のプレート１３０ａを示す平面図である。
【図５】燃料電池１０の切断面を示す断面図である。
【図６】積層体１００および第１のプレート１３０ｃの温度の経時変化を示すグラフである。
【図７】燃料電池１０内の水蒸気の流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…燃料電池
１００…積層体
１０２…シールガスケット一体型ＭＥＡ
１０２ｓ…シール部
１０２ａｉ…空気供給用貫通孔
１０２ａｏ…空気排出用貫通孔
１０２ｈｉ…水素供給用貫通孔
１０２ｈｏ…水素排出用貫通孔
１０４…セパレータ
１０４ａｉ…空気供給用貫通孔
１０４ａｏ…空気排出用貫通孔
１０４ａｐ…空気流路
１０４ｈｉ…水素供給用貫通孔
１０４ｈｏ…水素排出用貫通孔
１０４ｈｐ…水素流路
１１２…集電板
１１４…集電板
１１６…絶縁板
１１８…絶縁板
１２０…エンドプレート
１２２…エンドプレート
１３０ａ…第２のプレート
１３０ｃ…第１のプレート
１３０ｈｉ…水素供給用貫通孔
１３２ａ…第２の空洞部
１３２ｃ…第１の空洞部
１３４ａ…第２の開口部
１３４ｃ…第１の開口部
１３６ａ…排出管挿入部
１３６ｃ…排出管挿入部
１３８ａ…排出管
１３８ｃ…排出管
１４０…断熱材
２００ａｉ…空気供給マニホールド
２００ａｏ…空気排出マニホールド
２００ｈｉ…水素供給マニホールド
２００ｈｏ…水素排出マニホールド
Ｖ１…バルブ
Ｖ２…バルブ
【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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