(57)【要約】【課題】膜電極接合体とセパレータとが積層された燃料電池において、セパレータにおける拡散層に対向する対向面全体を高い親水性とする構成や、対向面全体を低い親水性とする構成を採用した場合に、燃料電池内部の水分を効率的に排出するのが困難であった。【解決手段】電解質膜を含む発電領域を有する膜電極接合体と、少なくとも発電領域において膜電極接合体と対向するセパレータと、発電領域の周囲の少なくとも一部に形成された発電用ガスのガス流路と、を備えた燃料電池において、セパレータは、膜電極接合体と対向する対向面において、親水性の高い高親水部と、前記高親水部よりも親水性の低い低親水部と、を有し、高親水部の少なくとも一部は、ガス流路に連通しているように構成する。【選択図】図１
2008034299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜を含む発電領域を有する膜電極接合体と、
少なくとも前記発電領域において前記膜電極接合体と対向するセパレータと、
前記発電領域の周囲の少なくとも一部に形成された発電用ガスのガス流路と、
を備え、
前記セパレータは、前記膜電極接合体と対向する対向面において、親水性の高い高親水部と、前記高親水部よりも親水性の低い低親水部と、を有し、
前記高親水部の少なくとも一部は、前記ガス流路に連通してい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、
前記セパレータは、さらに、前記セパレータを厚さ方向に貫通する、前記発電用ガスを排出するためのガス排出孔を有し、
前記ガス流路は、前記ガス排出孔を含む、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体は、さらに、前記膜電極接合体と前記対向面との間のシール性を確保するために、前記発電領域の周囲に沿って形成されたシール部を有し、
前記ガス流路は、前記発電領域と前記シール部と前記対向面とで囲まれた隙間部を含む、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記高親水部と、前記膜電極接合体において前記高親水部に対応する高親水対応部と、のうち、少なくともいずれかにおいて、前記燃料電池内部の水分を前記ガス流路に導くための溝が形成されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記高親水部は、前記発電用ガスの流れ方向に沿って配置されている流れ方向部分と、前記流れ方向部分と交差するように配置されている交差部分と、を有し、前記流れ方向部分と前記交差部分とによって、前記対向面において格子状に形成されている、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内部の水分を排出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質層として固体高分子電解質膜を有する燃料電池では、電気化学反応によって生成された水や、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を加湿するために用いられた水に起因して様々な不都合が発生する。例えば、これらの水分が多量に燃料電池内部に留まり、反応ガスを電解質膜に拡散するための拡散層において凝縮すると、拡散層が目詰まりして反応ガスの拡散が阻害されて出力が低下してしまう。そこで、拡散層に対向するセパレータを、高い親水性を有するセパレータで構成する方法が提案されている（下記特許文献１参照）。これは、セパレータの親水性を高めることで、拡散層内部の水分をセパレータ全体に拡散して蒸発を促すことを目的とするものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９７２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載のセパレータのように、拡散層に対向する対向面全体が高い親水性を有する場合には、拡散層内部の水分は対向面全体に拡散すると共に、その親水性に起因して保水することとなり、水溜りができ易くなる。一方、仮に、対向面全体を低い親水性（高い撥水性）とした場合にも、拡散層内部で水滴（水溜り）ができ易くなる。そして、このようにして生成された水溜りを蒸発によって排出するには長時間を要するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、燃料電池内部の水分を効率的に排出することを可能と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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質膜を含む発電領域を有する膜電極接合体と、少なくとも前記発電領域において前記膜電極接合体と対向するセパレータと、前記発電領域の周囲の少なくとも一部に形成された発電用ガスのガス流路と、を備え、前記セパレータは、前記膜電極接合体と対向する対向面において、親水性の高い高親水部と、前記高親水部よりも親水性の低い低親水部と、を有し、前記高親水部の少なくとも一部は、前記ガス流路に連通していることを要旨とする。
【０００７】
このように本発明の燃料電池は、対向面において、高親水部と低親水部とを有しているので、膜電極接合体内部の水分を低親水部に対応する部分から高親水部に対応する部分へと排出させて集めることができると共に、高親水部の少なくとも一部はガス流路に連通しているので、高親水部に対応する部分に集めた水分をガス流路から排出させることができ、燃料電池内部の水分を効率的に排出することができる。
【０００８】
上記燃料電池において、前記セパレータは、さらに、前記セパレータを厚さ方向に貫通する、前記発電用ガスを排出するためのガス排出孔を有し、前記ガス流路は、前記ガス排出孔を含むようにしてもよい。
【０００９】
このようにすることで、ガス排出孔から発電用ガスを排出すると共に、高親水部に対応する部分に集めた水分をガス排出孔から排出することができる。
【００１０】
上記燃料電池において、前記膜電極接合体は、さらに、前記膜電極接合体と前記対向面との間のシール性を確保するために、前記発電領域の周囲に沿って形成されたシール部を有し、前記ガス流路は、前記発電領域と前記シール部と前記対向面とで囲まれた隙間部を含むようにしてもよい。
【００１１】
このようにすることで、隙間部に水分を流すことができるので、隙間部を伝って排出されてしまう発電用ガスの量を、隙間部に水分を流さない構成に比べて低減させることができる。この隙間部を伝って排出されてしまう発電用ガスは、発電領域に流入しないので、電気化学反応に供されない無駄なガスである。従って上記構成とすることで、かかる無駄な発電用ガスの消費を抑制することができる。
【００１２】
上記燃料電池において、前記高親水部と、前記膜電極接合体において前記高親水部に対応する高親水対応部と、のうち、少なくともいずれかにおいて、前記燃料電池内部の水分を前記ガス流路に導くための溝が形成されているようにしてもよい。
【００１３】
このようにすることで、低親水部から高親水部に多量の水分が排出された場合でも、この溝を排水溝として、多量の水分を速やかにガス流路に導いて排出することができる。
【００１４】
上記燃料電池において、前記高親水部は、前記発電用ガスの流れ方向に沿って配置されている流れ方向部分と、前記流れ方向部分と交差するように配置されている交差部分と、を有し、前記流れ方向部分と前記交差部分とによって、前記対向面において格子状に形成されているようにしてもよい。
【００１５】
このようにすることで、前記低親水部から交差部分に排出された水分を、発電用ガスの流れによって、流れ方向部分を伝ってガス流路まで移動させて排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．第４の実施例：
Ｅ．第５の実施例：
Ｆ．第６の実施例：
Ｇ．変形例：
【００１７】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１０と、水素タンク３０と、ラジエータ４０と、気液分離器８０と、を備える。燃料電池スタック１０は、積層された複数の燃料電池モジュール２０を備える。
【００１８】
燃料電池システム１０００の運転時において、燃料電池スタック１０には、電池反応に用いられる反応ガス及び冷却媒体が供給される。具体的には、水素タンク３０から、配管３０５，３５０ａを介して燃料ガスとしての水素ガスが供給される。なお、この燃料ガスは、加湿器（図示省略）で加湿されて燃料電池スタック１０に供給される。これは、各燃料電池モジュール２０が有する電解質膜（後述）が、湿潤環境下において高いイオン交換能力を発揮するためである。燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、各燃料電池モジュール２０のアノードにおいて電気化学反応に使用され、オフガスとして配管３５０ｂから排出される。このオフガスには、電気化学反応に使用されずに排出された水素ガスの他に、電気化学反応で生成された水や、加湿で用いられた水を含んでいる。このオフガスは、配管３５０ｂに設けられた気液分離器８０において水分を除去されて、配管３５０ａに戻されて再び燃料電池スタック１０に循環される。配管３５０ｂには、循環のための循環ポンプ３４０が配置されている。
【００１９】
また、燃料電池スタック１０には、配管２５０ａに配置されたエアコンプレッサ２６０によって、エアフィルタ２０５を通した空気が酸化ガスとして供給される。燃料電池スタック１０に供給された酸化ガスは、各燃料電池モジュール２０のカソードにおいて電気化学反応に使用され、オフガスとして配管２５０ｂを介して大気中に放出される。
【００２０】
また、燃料電池スタック１０には、ラジエータ４０から配管４５０ａを介して冷却媒体としての水が供給される。燃料電池スタック１０から排出された冷却水は、配管４５０ｂを介してラジエータ４０に送られて再び燃料電池スタック１０に循環される。配管４５０ｂには、循環のための循環ポンプ４１０が配置されている。
【００２１】
なお、上述した配管３０５には、電磁弁３１０が配置されている。同様にして、配管２５０ａには電磁弁２７０が、配管２５０ｂには電磁弁２８０が、それぞれ配置されている。また、配管３５０ｂの気液分離器８０の下流側には配管３７０が分岐して配置されている。この配管３７０は、配管２５０ｂと接続されており、大気への排出路を形成している。なお、配管３７０には電磁弁３６０が配置されている。上述した電磁弁３１０，２７０，２８０，３６０は、いずれもＣＰＵやメモリ等を搭載した制御ユニット（図示省略）によって開閉が制御される。
【００２２】
図２は、燃料電池モジュール２０の詳細構成を示す断面図である。燃料電池モジュール２０は、セパレータ２５と、シール一体型膜電極接合体（以下、「シール一体型ＭＥＡ」と呼ぶ。）２１と、を交互に積層して構成されている。
【００２３】
シール一体型ＭＥＡ２１は、膜電極接合体部（ＭＥＡ部）６０と、ＭＥＡ部６０を囲むシール部５０と、を備える。ＭＥＡ部６０は、フッ素樹脂系イオン交換膜である電解質膜２１１と、カソード側拡散層２１２と、アノード側拡散層２１３と、を備えている。フッ素樹脂系イオン交換膜としては、Nafion（登録商標）やFlemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。また、各拡散層２１２，２１３は、金属メッシュで構成されているが、発泡金属等の他の金属多孔質体や、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを用いることもできる。シール部５０は、シリコンゴムで構成されているが、ブチルゴムやフッ素ゴム等の他の樹脂材料を用いて構成することもできる。なお、シール部５０において、カソード側プレート２２及びアノード側プレート２３と接する部位をシール線ＳＬと呼ぶ。ＭＥＡ部６０は、他に、図示せざる触媒層を備えている。
【００２４】
セパレータ２５は、シール一体型ＭＥＡ２１のカソード側に対向するカソード側プレート２２と、アノード側に対向するアノード側プレート２３と、これらカソード側プレート２２とアノード側プレート２３とに挟持される中間プレート２４と、を備えている。これらの３枚のプレート２２，２３，２４は重ね合わせて、ホットプレスすることにより接合されている。なお、各プレート２２，２３，２４は、いずれもチタン製の薄板であるが、チタンに限らずチタン合金や、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等、他の金属製の薄板を用いることができる。また、カソード側プレート２２においてシール一体型ＭＥＡ２１に対向する面（以下、「カソード側対向面」と呼ぶ。）は、比較的親水性の高い親水部と、比較的親水性の低い撥水部と、を備える。なお、中間プレート２４には、カソード側プレート２２及びアノード側プレート２３に挟まれた空間として、冷却媒体流路６５が形成されている。
【００２５】
図３は、第１の実施例におけるシール一体型ＭＥＡ２１の平面図である。シール一体型ＭＥＡ２１においてシール部５０は、燃料ガス供給マニホールド形成部５０１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部５０１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部５０２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部５０２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部５０３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部５０３ｂと、を有する。これらの各マニホールド形成部５０１ａ，５０１ｂ，５０２ａ，５０２ｂ，５０３ａ，５０３ｂは、シール部５０を厚さ（積層方向）方向に貫通する貫通部として形成されている。これらの各マニホールド形成部５０１ａ，５０１ｂ，５０２ａ，５０２ｂ，５０３ａ，５０３ｂの外周縁部には、シール線ＳＬが形成されている。また、ＭＥＡ部６０の外周縁部にもシール線ＳＬが形成されている。なお、ＭＥＡ部６０が配置された領域（図３における網掛け部分）を発電領域ＤＡと呼ぶ。
【００２６】
図４は、セパレータ２５を構成する各プレート２２，２３，２４の詳細構成を示す平面図である。図４（Ａ）に示すアノード側プレート２３は、図３に示すシール一体型ＭＥＡ２１と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２３１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２３２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２３２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２３３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２３３ｂと、を有する。これらの各マニホールド形成部２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ｂ，２３３ａ，２３３ｂは、アノード側プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。また、アノード側プレート２３は、シール一体型ＭＥＡ２１の発電領域ＤＡと対向する領域内に、複数個の燃料ガス供給孔２３７と、複数個の燃料ガス排出孔２３８と、を有する。これら燃料ガス供給孔２３７及び燃料ガス排出孔２３８は、アノード側プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
【００２７】
図４（Ｃ）に示すカソード側プレート２２は、シール一体型ＭＥＡ２１及びアノード側プレート２３と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２２１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２２２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２２３ｂと、を有する。これらの各マニホールド形成部２２１ａ，２２１ｂ，２２２ａ，２２２ｂ，２２３ａ，２２３ｂは、カソード側プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。また、カソード側プレート２２は、複数個の酸化ガス供給孔２２５と、複数個の酸化ガス排出孔２２６と、を有する。これら酸化ガス供給孔２２５及び酸化ガス排出孔２２６は、カソード側プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
【００２８】
ここで、カソード側プレート２２の、カソード側対向面では、シール一体型ＭＥＡ２１の発電領域ＤＡと対向する領域内において、親水部と撥水部とが格子状に混在している。これら親水部及び撥水部は、互いに異なる表面処理方法によって形成されている。具体的には、親水部は、窒化チタンを用いた表面処理によって形成され、撥水部は、金めっきを施して形成されている。そして、酸化ガス排出孔２２６は親水部内に配置されている。なお、親水部が請求項における高親水部に相当し、撥水部が請求項における低親水部に相当する。
【００２９】
図４（Ｂ）に示す中間プレート２４は、カソード側プレート２２及びアノード側プレート２３と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２４２ｂと、を有している。これらの各マニホールド形成部２４１ａ，２４１ｂ，２４２ａ，２４２ｂは、中間プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。さらに、中間プレート２４は、複数の長孔である、燃料ガス供給流路形成部２４７と、燃料ガス排出流路形成部２４８と、酸化ガス供給流路形成部２４５と、酸化ガス排出流路形成部２４６と、を備えている。これらの各流路形成部２４５〜２４８の一端は、それぞれ各マニホールド形成部２４１ａ，２４１ｂ，２４２ａ，２４２ｂと連通している。また、燃料ガス供給流路形成部２４７及び燃料ガス排出流路形成部２４８の他端は、それぞれ、積層状態においてアノード側プレート２３に形成された燃料ガス供給孔２３７及び燃料ガス排出孔２３８と連通している。同様にして、酸化ガス供給流路形成部２４５及び酸化ガス排出流路形成部２４６の他端は、それぞれ、積層状態においてカソード側プレート２２に形成された酸化ガス供給孔２２５及び酸化ガス排出孔２２６に連通している。さらに、中間プレート２４は、水平方向に横断する長孔の冷却媒体流路形成部２４４を複数個有している。そして、上述した中間プレート２４における各流路形成部２４４〜２４８は、中間プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
【００３０】
図５は、カソード側プレート２２と中間プレート２４とアノード側プレート２３とが組み合わされたセパレータ２５を、カソード側対向面からみた平面透視図である。このセパレータ２５には、厚さ方向に貫通する各種マニホールドが形成されている。具体的には、例えば、セパレータ２５上部には、上述した酸化ガス供給マニホールド形成部２２２ａ，２４２ａ，２３２ａによって酸化ガス供給マニホールドが生成され、下部には、酸化ガス排出マニホールド形成部２２２ｂ，２４２ｂ，２３２ｂによって酸化ガス排出マニホールドが形成されている。同様にして、燃料ガス供給マニホールド，燃料ガス排出マニホールド，冷却媒体供給マニホールド，冷却媒体排出マニホールドが、それぞれ形成されている。また、セパレータ２５には、燃料ガス供給流路６１，燃料ガス排出流路６２，酸化ガス供給流路６３，酸化ガス排出流路６４が形成されている。また、セパレータ２５には、図２に示す冷却媒体流路６５も形成されている。
【００３１】
Ａ２．発電時におけるカソード側のガスの流れ：
図６は、図５におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。なお、図６では、図５に示すセパレータ２５と、シール一体型ＭＥＡ２１と、が積層された状態での断面を示す。中間プレート２４において、酸化ガス供給流路形成部２４５とカソード側プレート２２とアノード側プレート２３とで囲まれた空間として前述の酸化ガス供給流路６３が形成されている。同様にして、酸化ガス排出流路形成部２４６とカソード側プレート２２とアノード側プレート２３とで囲まれた空間として酸化ガス排出流路６４が形成されている。また、シール線ＳＬと発電領域ＤＡとで囲まれた部分に隙間部１００が形成されている。
【００３２】
燃料電池スタック１０に供給された酸化ガス（空気）は、酸化ガス供給マニホールドを通じて各燃料電池モジュール２０に供給される。そして、この酸化ガスは、中間プレート２４の酸化ガス供給流路６３に流入し、酸化ガス供給孔２２５を通ってシール一体型ＭＥＡ２１のカソード側拡散層２１２に供給される。カソード側拡散層２１２に供給された酸化ガスは、発電領域ＤＡ全体に亘って拡散して電気化学反応に供される。電気化学反応の後、余剰酸化ガスは、カソード側プレート２２の酸化ガス排出孔２２６を通って酸化ガス排出流路６４に排出される。そして、酸化ガス排出流路６４に排出された余剰酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールドに流出して、燃料電池スタック１０外部に排出されることとなる。
【００３３】
Ａ３．発電時におけるカソード側の水分の流れ：
図７は、第１の実施例におけるカソード側プレート２２をカソード側対向面からみた平面図である。図７では、説明の便宜上、カソード側プレート２２のカソード側対向面に矢印を付すことによって、カソード側拡散層２１２内部の水分の流れを示している。なお、カソード側対向面で接するシール一体型ＭＥＡ２１のシール線ＳＬの一部と、発電領域ＤＡと、をそれぞれ点線及び破線で示している。
【００３４】
カソード側プレート２２の撥水部では水をはじき、また、親水部では水を吸収しようとするため、カソード側拡散層２１２における撥水部に対応する部分（以下、「撥水対応部」と呼ぶ。）の水分は、親水部に対応する部分（以下、「親水対応部」と呼ぶ。）に排出されることとなる。ここで、親水部は、カソード側プレート２２の中央において、酸化ガスのガス流れ方向及び重力方向に伸びた部分（以下、「中央流路部」と呼ぶ。）２３０を有する。従って、撥水対応部から親水対応部に排出された水分は、酸化ガスの流れに従って、親水部を伝って中央流路部２３０に集まってくる。そして、中央流路部２３０に集まった水分は、酸化ガスの流れ及び重力に従って、上部から下部に流れ落ちて酸化ガス排出孔２２６から排出される。なお、前述の親水対応部は請求項における高親水対応部に相当する。
【００３５】
以上のように、カソード側プレート２２は、カソード側対向面において、親水部と撥水部とが混在しているので、カソード側拡散層２１２内部の水分を親水対応部に集めることができる。そして、親水部の一部は、ガスの排出流路の一部となる酸化ガス排出孔２２６と接しているので、親水対応部に集めた水分を、酸化ガス排出孔２２６を介して酸化ガス排出マニホールドに排出することができる。このようにして、燃料電池スタック１０では、カソード側拡散層２１２内部の水分を燃料電池スタック１０外部に効率的に排出することができる。
【００３６】
Ｂ．第２の実施例：
図８は、第２の実施例におけるシール一体型ＭＥＡを示す説明図である。なお、図８（Ａ）はシール一体型ＭＥＡ２１’のカソード面からみた平面図を示し、図８（Ｂ）は、シール一体型ＭＥＡ２１’の発電領域ＤＡ（一部）の斜視図を示す。なお、第２の実施例における燃料電池システムは、このシール一体型ＭＥＡ２１’が異なるだけで、他の構成については、第１の実施例の燃料電池システム１０００と同じである。
【００３７】
シール一体型ＭＥＡ２１’では、カソード側拡散層２１２において、親水対応部が浅い溝として形成されており、シール一体型ＭＥＡ２１’とカソード側プレート２２とが重ねられたときに、カソード側プレート２２とこの溝との間に空間が生まれる。それゆえ、撥水対応部から多量の水分が排出されたとしても、かかる空間を排水流路（排水溝）として速やかに排出することができる。従って、カソード側拡散層２１２内部の水分を効率的に排出することができる。
【００３８】
Ｃ．第３の実施例：
図９（Ａ）は、第３の実施例におけるカソード側プレート２２ａをカソード側対向面からみた平面図であり、図９（Ｂ）は、第３の実施例における燃料電池モジュールの積層状態における断面図である。上述した第２の実施例では、シール一体型ＭＥＡ２１’側において親水対応部を溝とする構成であったが、本実施例では、カソード側プレート２２ａにおいて親水部を溝（凹部）とする構成である。
【００３９】
カソード側対向面からみた場合のカソード側プレート２２ａの構成は、図７に示すカソード側プレート２２と同じである。しかしながら、カソード側プレート２２ａの厚さ方向の構成は、カソード側プレート２２の厚さ方向の構成と異なる。具体的には、図９（Ａ）のＢ−Ｂ断面図に示すように、撥水部が凸部となり、親水部が凹部となるいわゆるリブ状の構造となっている。
【００４０】
カソード側プレート２２ａがこのようなリブ状の構成であることにより、カソード側プレート２２ａとシール一体型ＭＥＡ２１とが重ねられたときに、図９（Ｂ）に示すように、親水部において排水流路（排水溝）が構成される。従って、第２の実施例と同様に、かかる排水流路を使って、多量の水分を速やかに燃料電池モジュール外部に排出することができる。また、燃料電池モジュールにおいて、カソード側プレート２２ａとアノード側プレート２３とが当接する構成であれば、このようなリブ状の構造によって、カソード側プレート２２ａとアノード側プレート２３との間に、前述の排水流路と同様な空間が生まれる。従って、かかる空間を冷却媒体流路として利用することもできる。なお、カソード側プレート２２ａがアノード側プレート２３と当接する構成とする場合、中間プレート２４’は、図４（Ｂ）に示すマニホールド形成部を全て囲む領域を打ち抜いて貫通部とし、枠だけのプレートとして構成することもできる。
【００４１】
Ｄ．第４の実施例：
図１０は、第４の実施例におけるカソード側プレート２２ｂをカソード側対向面からみた平面図である。カソード側プレート２２ｂは、図７に示すカソード側プレート２２と異なり、中央流路部２３０と交わる親水部が、中央流路部２３０に向かって下るような傾斜を付けて形成されている。なお、第４の実施例における燃料電池システムは、この親水部の形状が異なるだけで、他の構成については、第１の実施例の燃料電池システム１０００と同じである。
【００４２】
親水部をこのような形状とすることで、撥水対応部から親水対応部に排出された水分を、ガスの流れや重力を活かしてより効率的に中央流路部２３０に集めることができる。その結果、カソード側拡散層２１２内部の水分をより効率的に燃料電池スタック１０外部に排出することができる。
【００４３】
Ｅ．第５の実施例：
図１１は、第５の実施例におけるカソード側プレート２２ｃをカソード側対向面からみた平面図である。カソード側プレート２２ｃは、図７に示すカソード側プレート２２と異なり、垂直方向に伸びた親水部分として、中央流路部２３０の他に、さらに、両端部分に脇流路部２４０ａ，２４０ｂを備える。なお、第５の実施例における燃料電池システムは、この親水部の形状が異なるだけで、他の構成については、第１の実施例の燃料電池システム１０００と同じである。
【００４４】
この脇流路部２４０ａ，２４０ｂは、中央流路部２３０と同様に、垂直方向に伸びた形状をしている。それゆえ、撥水対応部から親水対応部に排出された水分は、中央流路部２３０の他に、これら脇流路部２４０ａ，２４０ｂを通って流れ落ちて酸化ガス排出孔２２６から排出されることとなる。ここで、脇流路部２４０ａ，２４０ｂは、カソード側プレート２２がシール一体型ＭＥＡ２１に重ねられたときに、シール一体型ＭＥＡ２１における発電領域ＤＡ（図１１点線部分）とシール線ＳＬ（図１１破線部分）とで囲まれた隙間部１００に対応している。
【００４５】
酸化ガス供給孔２２５から流入してきた酸化ガスは、カソード側拡散層２１２において拡散すると共に、一部のガスは隙間部１００にも流入される。ここで、隙間部１００はカソード側拡散層２１２（障害物）がないのでガスが流れ易くなっている。それゆえ、電気化学反応に供されない無駄なガスが多量に隙間部１００を伝って排出されるおそれがある。しかしながら、カソード側プレート２２では、かかる隙間部１００に対応する部分（脇流路部２４０ａ，２４０ｂ）を親水部としているので、シール一体型ＭＥＡ２１において隙間部１００が親水対応部となり水分の流路となる。従って、隙間部１００に水分が流れるので、隙間部１００を通る無駄なガスの量を減らすことができる。
【００４６】
Ｆ．第６の実施例：
図１２は、第６の実施例におけるカソード側プレート２２ｄをカソード側対向面からみた平面図を示す。カソード側プレート２２ｄは、図７に示すカソード側プレート２２と異なり、酸化ガス排出孔２２６が撥水部内に配置されている。また、カソード側プレート２２ｄは、カソード側プレート２２と異なり、中央流路部２３０を備えていない。一方、カソード側プレート２２ｄは、上述した第５の実施例におけるカソード側プレート２２ｃ（図１１）と同様に、脇流路部２４０ａ，２４０ｂを備えている。なお、第６の実施例における燃料電池システムは、この親水部の形状が異なるだけで、他の構成については、第１の実施例の燃料電池システム１０００と同じである。
【００４７】
上述した第５の実施例と同様に、撥水対応部から親水対応部に流出した水分は、脇流路部２４０ａ，２４０ｂを伝って酸化ガス排出孔２２６があるカソード側プレート２２の下部へと流れ落ちることとなる。従って、第５の実施例と同様に、電気化学反応に供されずに隙間部１００を通る無駄なガスの量を減らすことができる。
【００４８】
Ｇ．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り、例えば次のような変形も可能である。
【００４９】
Ｇ１．変形例１：
上述した各実施例では、カソード側プレート２２のみを撥水部及び親水部を混在させる構成としたが、カソード側プレート２２に代えて、または、カソード側プレート２２と共に、アノード側プレート２３においても、シール一体型ＭＥＡ２１との対向面（アノード側対向面）を、撥水部及び親水部を混在させる構成としてもよい。アノード側対向面と対向するアノード側拡散層２１３内部においても、燃料ガスを加湿するための水分等を含むので、このような構成とすることで、アノード側拡散層２１３内部の水分を効率的に排出することができる。
【００５０】
Ｇ２．変形例２：
上述した各実施例では、親水部と撥水部とは、窒化チタンと金めっきとを用いた表面処理によって形成されていたが、本発明は、かかる表面処理に限定されるものではなく、任意の表面処理によって親水部と撥水部とを形成することもできる。例えば、親水部を平坦となるように金めっきを施し、撥水部を凸凹な形状となるように金めっきを施して形成してもよい。または、親水部を何も処理を施さず放置することで酸化チタンとして形成し、撥水部を銅めっきによって形成してもよい。なお、親水部を酸化チタンとする構成では、親水部の絶縁性が高くなることから、できるだけ親水部の面積を小さくして、セパレータの導電性を保つようにすることが好ましい。
【００５１】
Ｇ３．変形例３：
上述した各実施例では、燃料電池システム１０００の運転時におけるカソード側拡散層２１２内部の水分の排出について説明したが、運転時に限らず、運転停止時における水分排出についても本発明を適用することができる。すなわち、燃料電池システム１０００の運転停止時において反応ガスの供給が止まったとしても、本発明を適用して、燃料電池スタック１０内部の水分を効率的に排出することができる。これは以下の理由による。例えば、カソード側プレートが図７に示す構成であれば、撥水対応部から親水対応部に排出された水分は、酸化ガスの供給がなくとも、重力によって中央流路部２３０を伝って流れ落ちることとなるからである。
【００５２】
Ｇ４．変形例４：
上述した各実施例では、燃料電池システム１０００は、複数の燃料電池モジュール２０が積層した燃料電池スタック１０を備えるものとしたが、１つの燃料電池モジュール２０のみで構成されるものであってもよい。このような構成であっても、かかる燃料電池モジュール２０内部の水分を効率的に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池モジュール２０の詳細構成を示す断面図である。
【図３】第１の実施例におけるシール一体型ＭＥＡ２１の平面図である。
【図４】セパレータ２５を構成する各プレートの詳細構成を示す平面図である。
【図５】カソード側プレート２２と中間プレート２４とアノード側プレート２３とが組み合わされたセパレータ２５をカソード側対向面からみた平面透視図である。
【図６】図５におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図７】第１の実施例におけるカソード側プレート２２をカソード側対向面からみた平面図である。
【図８】第２の実施例におけるシール一体型ＭＥＡを示す説明図である。
【図９】第３の実施例におけるカソード側プレート２２ａをカソード側対向面から見た平面図及び燃料電池モジュールの断面図である。
【図１０】第４の実施例におけるカソード側プレート２２ｂをカソード側対向面からみた平面図である。
【図１１】第５の実施例におけるカソード側プレート２２ｃをカソード側対向面からみた平面図である。
【図１２】第６の実施例におけるカソード側プレート２２ｄをカソード側対向面からみた平面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料電池モジュール
３０…水素タンク
４０…ラジエータ
８０…気液分離器
２０５…エアフィルタ
２６０…エアコンプレッサ
３４０，４１０…循環ポンプ
２５０ａ，２５０ｂ，３５０ａ，３０５，３５０ｂ，３７０，４５０ａ，４５０ｂ，…配管
２７０，２８０，３１０，３６０…電磁弁
５０…シール部
６０…ＭＥＡ部
２１…シール一体型ＭＥＡ
２１１…電解質膜
２１２…カソード側拡散層
２１３…アノード側拡散層
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…カソード側プレート
２３…アノード側プレート
２４…中間プレート
２５…セパレータ
ＤＡ…発電領域
ＳＬ…シール線
２２１ａ，２３１ａ，２４１ａ，５０１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
２２１ｂ，２３１ｂ，２４１ｂ，５０１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成部
２２２ａ，２３２ａ，２４２ａ，５０２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
２２２ｂ，２３２ｂ，２４２ｂ，５０２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成部
２２３ａ，２３３ａ，５０３ａ…冷却媒体供給マニホールド形成部
２２３ｂ，２３３ｂ，５０３ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成部
２２５…酸化ガス供給孔
２２６…酸化ガス排出孔
２３７…燃料ガス供給孔
２３８…燃料ガス排出孔
２４４…冷却媒体流路形成部
２４５…酸化ガス供給流路形成部
２４６…酸化ガス排出流路形成部
２４７…燃料ガス供給流路形成部
２４８…燃料ガス排出流路形成部
６１…燃料ガス供給流路
６２…燃料ガス排出流路
６３…酸化ガス供給流路
６４…酸化ガス排出流路
６５…冷却媒体流路
１００…隙間部
２３０…中央流路部
２４０ａ，２４０ｂ…脇流路部
【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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