(57)【要約】【課題】燃料電池内部のガス流路における排水性能を向上させる。【解決手段】電解質層と、電解質層上に形成された電極とを含む部材を積層して成る燃料電池は、電解質層および電極と共に積層され、電極との間で、電気化学反応に供される反応ガスが通過する空間であるガス流路を形成するガスセパレータ２５を備える。また、電極とガスセパレータ２５との間に配置されると共に、電極との間で水が移動可能に接続され、電極の面の方向に水を連続して導く第１の水誘導部を備える。さらに、ガス流路の端部において、少なくとも一部が第１の水誘導部の端部と重なって開口し、ガス流路を流れる反応ガスをガス流路の外部に導くガス排出口６８であって、ガス流路の内部よりも、反応ガスが流れる際の抵抗が大きくなる形状を有するガス排出口６８を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成された電極と、
前記電解質層および前記電極と共に積層され、前記電極との間で、電気化学反応に供される反応ガスが流れるガス流路を形成するガスセパレータと、
前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されると共に、前記電極との間で水が移動可能に接続され、前記電極の面の方向に水を導く第１の水誘導部と、
前記ガス流路の端部において、少なくとも一部が前記第１の水誘導部の端部と重なって開口し、前記ガス流路を流れる反応ガスを前記ガス流路から排出するためのガス排出口であって、前記ガス流路の内部よりも、前記反応ガスが流れる際の抵抗が大きくなる形状を有するガス排出口と
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１の水誘導部は、前記電極全体を覆って配置されている
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記第１の水誘導部は、前記ガス流路を流れる前記反応ガスが流入可能な細孔であって、少なくとも前記電極の面の方向に連通して拡がる細孔を、内部に有する第１の多孔質体によって形成されている
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記ガス流路における前記ガス排出口側の端部は閉塞されており、
前記ガス排出口は、前記第１の多孔質体の端部である
燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口側の端部において、断面の一部が閉塞されている
燃料電池。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記ガス排出口は、前記第１の多孔質体の端部に加えて、前記ガス流路の断面の一部に対して開口する
燃料電池。
【請求項７】
請求項３ないし６いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも平均細孔径が小さく形成されている
燃料電池。
【請求項８】
請求項３ないし６いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも平均細孔径が大きく形成されている
燃料電池。
【請求項９】
請求項３ないし８いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも親水度が高く形成されている
燃料電池。
【請求項１０】
請求項３ないし８いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも親水度が低く形成されている
燃料電池。
【請求項１１】
請求項３ないし１０いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体に形成された前記細孔は、前記電極の面方向に加えて、前記積層の方向にも連通して拡がり、
前記第１の多孔質体は、前記電極上に接して、前記電極全体を覆って設けられ、
前記ガス流路は、前記第１の多孔質体と前記セパレータとの間に形成されている
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体あるいは前記セパレータは、対向する前記セパレータあるいは前記第１の多孔質体と接する複数の凸部を有し、
前記ガス流路は、前記複数の凸部の間に形成される空間によって形成される
燃料電池。
【請求項１３】
請求項３ないし１０いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、前記セパレータにおける前記ガス流路を形成する面上に配置され、
前記ガス流路は、前記電極と前記多孔質体との間に形成され、
前記燃料電池は、さらに、前記電極と前記第１の多孔質体との間を、水が移動可能に接続する第２の水誘導部を備える
燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、対向する前記電極と接する複数の凸部を有し、
前記ガス流路は、前記複数の凸部の間に形成される空間によって形成され、
前記第２の水誘導部は、前記複数の凸部である
燃料電池。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の燃料電池であって、さらに、
前記電極上に接して、前記電極全体を覆う第２の多孔質体を備え、
前記ガス流路は、前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体との間に形成され、
前記第２の水誘導部は、前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体との間を、水が移動可能に接続する
燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５記載の燃料電池であって、
前記第２の多孔質体は、前記第１の多孔質体よりも薄く形成されている
燃料電池。
【請求項１７】
請求項１５または１６記載の燃料電池であって、
前記第２の多孔質体は、前記第１の多孔質体よりも、平均細孔径が大きい
燃料電池。
【請求項１８】
請求項３ないし１７いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質体は、該第１の多孔質体の基部を構成する材料から成る部材における接触角を金の接触角以下にする表面処理を、前記材料から成る多孔質体に対して施して成る
燃料電池。
【請求項１９】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記第１の水誘導部は、前記セパレータにおける前記ガス流路を形成する面に形成された複数の溝であり、
前記ガス排出口は、前記第１の水誘導部と連続して形成されると共に、前記ガス流路の断面の一部に対して開口し、
前記燃料電池は、さらに、前記電極と前記第１の水誘導部との間を、水が移動可能に接続する第２の水誘導部を備える
燃料電池。
【請求項２０】
請求項６または１９記載の燃料電池であって、
前記ガス排出口は、水を吸収して膨張すると共に水を放出して収縮する水吸収材を、開口する壁面の一部に備える
燃料電池。
【請求項２１】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
前記ガス排出口の一部は、前記第１の水誘導部の端部で開口すると共に、前記ガス排出口の残りの部分は、前記第１の水誘導部との間で水が移動可能に接続された第２の多孔質体に覆われている
燃料電池。
【請求項２２】
請求項２１記載の燃料電池であって、
前記第１の水誘導部は、前記ガス流路を流れる前記反応ガスが流入可能な細孔であって、少なくとも前記電極の面の方向に連通して拡がる細孔を、内部に有する第１の多孔質体によって形成されており、
前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体とは、平均細孔径が異なる
燃料電池。
【請求項２３】
請求項２１または２２記載の燃料電池であって、
前記第２の多孔質体は、平均細孔径の異なる複数の部分によって構成されている
燃料電池。
【請求項２４】
請求項１ないし２３いずれか記載の燃料電池であって、さらに、
前記第１の水誘導部の端部に設けられ、前記第１の水誘導部との間で水が移動可能に接続されると共に、前記ガス流路へと前記反応ガスが流入するガス流入口の少なくとも一部を覆って設けられた第３の多孔質体を備える
燃料電池。
【請求項２５】
請求項１ないし２４いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の水誘導部には、親水処理が施されている燃料電池。
【請求項２６】
請求項２５記載の燃料電池であって、
前記電極はさらに、撥水処理が施されたガス拡散層を備える
燃料電池。
【請求項２７】
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成された電極と、
前記電解質層および前記電極と共に積層され、前記電極との間で、電気化学反応に供される反応ガスが流れるガス流路を形成するガスセパレータと、
前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されると共に、前記電極との間で水が移動可能に接続され、面方向の水の保持量の差により電極の面の方向に水を導く第１の水誘導部と、
前記ガス流路の端部において、ガス流路壁の少なくとも一部が前記第１の水誘導部で形成されており、前記反応ガスを前記第１の水誘導部に導くガス排出口と
を備える燃料電池。
【請求項２８】
燃料電池システムであって、
請求項１ないし２７いずれか記載の燃料電池であって、さらに、前記反応ガスが流れる際の抵抗が前記ガス排出口よりも小さく形成されており、前記ガス流路へと前記反応ガスが流入するガス流入口を備えた燃料電池と、
前記燃料電池に対して前記反応ガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部と前記燃料電池とを接続する第１の配管と、
前記燃料電池に接続されて、前記燃料電池から排出された前記反応ガスが流れる第２の配管と、
前記燃料電池の内部が、水分不足であるか否かを判定するドライ運転状態判定部と、
前記ドライ運転状態判定部が水分不足であると判定したときには、前記ガス供給部を、前記第１の配管に代えて前記第２の配管に接続させて、前記燃料電池の内部における前記反応ガスの流れ方向が反転するように、前記第１の配管および前記第２の配管における接続状態を切り替える流路切り替え部と
を備え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】
燃料電池において電気化学反応が進行する際には、一方の電極において水が生じる。また、特に固体高分子型燃料電池では、電解質膜を湿潤状態に保つ必要があるため、燃料電池に供給するガスを加湿する場合があり、このような構成にすると、ガス中の水分がガス流路において凝縮する可能性がある。このようにガス流路内で液水が生じ得る燃料電池では、電極に対するガスの給排が液水によって妨げられることに起因する電池性能の低下を防止するために、電極に対して給排されるガスの通り道を確保すると共に、生じた液水が排出される通り道を確保することが必要である。ガスおよび水の通り道を確保する構成として、電極に近接して、疎水性を有する細孔および親水性を有する細孔を形成した多孔質の保持層を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここでは、疎水性の細孔によってガスの通り道が確保され、親水性の細孔によって液水の通り道が確保される。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５１３２００号公報
【特許文献２】特開２００６−１００１５５号公報
【特許文献３】特開２００６−４９２０号公報
【特許文献４】特開２００４−３１３２５号公報
【特許文献５】特開２００５−１４１９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このように疎水性の細孔と親水性の細孔とを設けることによってガスおよび液水の通り道を確保しても、多孔質体からの排水効率には限界があり、燃料電池の運転状態によっては、排水性が不十分となる場合があった。例えば、燃料電池の内部温度が低下したときには、飽和蒸気圧が低下するために、電極に供給されるガスが過加湿となる場合があり、このような場合には、親水性の細孔によって液水の通り道を確保するだけでは充分に排水することができない場合があった。燃料電池の内部に水が滞留すると、ガスの供給が部分的に不十分となって、電池性能が次第に低下する可能性がある。そのため、より安定した電池性能を実現するために、燃料電池においては、さらなる排水性の向上が望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池内部のガス流路における排水性能を向上させ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、電解質層と、前記電解質層上に形成された電極と、前記電解質層および前記電極と共に積層され、前記電極との間で、電気化学反応に供される反応ガスが流れるガス流路を形成するガスセパレータと、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されると共に、前記電極との間で水が移動可能に接続され、前記電極の面の方向に水を導く第１の水誘導部と、前記ガス流路の端部において、少なくとも一部が前記第１の水誘導部の端部と重なって開口し、前記ガス流路を流れる反応ガスを前記ガス流路から排出するためのガス排出口であって、前記ガス流路の内部よりも、前記反応ガスが流れる際の抵抗が大きくなる形状を有するガス排出口と、を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、少なくとも一部が第１の水誘導部の端部と重なって開口するガス排出口が、ガス流路の内部よりも反応ガスが流れる際の抵抗が大きくなる形状を有するため、ガス排出口近傍において反応ガスの流速が速くなる。ここで、電極から移動した水は、第１の水誘導部によって電極の面の方向に導かれているため、反応ガスの流れによって、第１の水誘導部から、連続的に排水することができる。これにより、燃料電池内のガス流路に水が滞留することに起因して生じる不都合を抑えることができる。
【０００８】
なお、本発明の燃料電池において、電解質層上に形成された電極は、例えば電極に供給するガスの拡散性を向上させるための多孔質体から成る層であるガス拡散層を、さらに備えていても良い。また、ガス拡散層には撥水処理が施され、第１の水誘導部には親水処理が施されていても良い。
【０００９】
本発明の燃料電池において、前記第１の水誘導部は、前記電極全体を覆って配置されていることとしても良い。このような構成とすれば、電極全体を覆って配置され、電極から水が移動する第１の水誘導部によって、電極の面方向に水を導いて排水性を高めることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池において、前記第１の水誘導部は、前記ガス流路を流れる前記反応ガスが流入可能な細孔であって、少なくとも前記電極の面の方向に連通して拡がる細孔を、内部に有する第１の多孔質体によって形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、第１の水誘導部である第１の多孔質体へと電極から伝えられた水は、第１の多孔質体に形成された細孔を介して、電極の面方向へと連続して導かれることができる。そして、ガス排出口近傍においては、流路抵抗が大きいことによって、反応ガスの流速が速められると共に、反応ガスの第１の多孔質体内への流入が促進される。そのため、反応ガスのガス流れを利用して、第１の多孔質体から連続的に排水することができる。
【００１１】
このような燃料電池において、前記ガス流路における前記ガス排出口側の端部は閉塞されており、前記ガス排出口は、前記第１の多孔質体の端部であることとしても良い。このような場合には、ガス排出口から排出される反応ガスは、全て、第１の多孔質体端部近傍において第１の多孔質体内へと流入し、第１の多孔質体端部から排出されることになる。そのため、第１の多孔質体からの排水を、反応ガスを利用して効率良く行なうことができる。
【００１２】
このような燃料電池において、前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口側の端部において、断面の一部が閉塞されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス流路のガス排出口におけるガスが流れる際の抵抗がさらに大きくなるため、反応ガスの流速がさらに速くなる。したがって、ガス流れを利用した第１の水誘導部からの排水性をさらに向上させることができる。
【００１３】
あるいは、本発明の燃料電池において、前記ガス排出口は、前記第１の多孔質体の端部に加えて、前記ガス流路の断面の一部に対して開口することとしても良い。このような場合には、ガス排出口から排出される反応ガスは、その一部が、第１の多孔質体端部において第１の多孔質体内へと流入する。そのため、第１の多孔質体内に流入した反応ガスの流れによって、第１の多孔質体から連続して排水させることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも平均細孔径が小さく形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス排出口近傍において、第１の多孔質体内の細孔を反応ガスが通過する際の抵抗がさらに大きくなる。そのため、反応ガスが第１の多孔質体から水を引っ張る力が、より強く働くようになる。そのため、第１の多孔質体からの排水効率を向上させることができる。
【００１５】
あるいは、本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも平均細孔径が大きく形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス排出口近傍において、第１の多孔質体内の細孔を反応ガスが通過する際の抵抗が、より小さくなる。そのため、反応ガスが第１の多孔質体から水を引っ張る力が抑制される。したがって、第１の多孔質体からの排水過多に起因する燃料電池内部の水不足を抑制することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも親水度が高く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス排出口近傍において水を保持する働きが強まり、水が集まりやすくなるため、ガス排出口近傍からの排水が行なわれ易くなり、第１の多孔質体からの排水効率を向上させることができる。
【００１７】
あるいは、本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体は、前記ガス排出口近傍において、他の部位よりも親水度が低く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、第１の多孔質体において、ガス排出口近傍における保水力が相対的に低くなり、第１の多孔質体内部においてガス排出口近傍への水の集まりが抑制される。そのため、ガス排出口からの排水が抑制され、第１の多孔質体からの排水過多に起因する燃料電池内部の水不足を抑制することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体に形成された前記細孔は、前記電極の面方向に加えて、前記積層の方向にも連通して拡がり、前記第１の多孔質体は、前記電極上に接して、前記電極全体を覆って設けられ、前記ガス流路は、前記第１の多孔質体と前記セパレータとの間に形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、第１の多孔質体によって電極全体が覆われているため、電極のいかなる場所で生じた水も、速やかに第１の多孔質体へと移動し、連続的に排水することができる。
【００１９】
このような本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体あるいは前記セパレータは、対向する前記セパレータあるいは前記第１の多孔質体と接する複数の凸部を有し、前記ガス流路は、前記複数の凸部の間に形成される空間によって形成されることとしても良い。
【００２０】
このような構成とすれば、ガス流路全体を、第１の多孔質体と同様の多孔質体内の細孔によって形成する場合に比べて、ガス流路における圧損を低減することができる。このように圧損の上昇を抑えることにより、反応ガスを供給のための補機損（反応ガスを供給するための装置が消費する電力）を抑え、燃料電池システム全体のエネルギ効率の低下を抑えることができる。
【００２１】
あるいは、本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体は、前記セパレータにおける前記ガス流路を形成する面上に配置され、前記ガス流路は、前記電極と前記多孔質体との間に形成され、前記燃料電池は、さらに、前記電極と前記第１の多孔質体との間を、水が移動可能に接続する第２の水誘導部を備えることとしても良い。このような構成とすれば、電極から第１の多孔質体へと、第２の水誘導部を介して水を伝えて、ガス排出口近傍において、第１の多孔質体から連続的に排水することができる。
【００２２】
このような本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体は、対向する前記電極と接する複数の凸部を有し、前記ガス流路は、前記複数の凸部の間に形成される空間によって形成され、前記第２の水誘導部は、前記複数の凸部であることとしても良い。
【００２３】
このような構成とすれば、第２の水誘導部として第１の多孔質体に設けた複数の凸部によって、電極から第１の多孔質体へと水が伝えられ、ガス排出口近傍において、第１の多孔質体から連続的に排水することができる。また、ガス流路全体を、第１の多孔質体と同様の多孔質体内の細孔によって形成する場合に比べて、ガス流路における圧損を低減し、補機損に起因する燃料電池システム全体のエネルギ効率の低下を抑えることができる。
【００２４】
このような本発明の燃料電池において、さらに、前記電極上に接して、前記電極全体を覆う第２の多孔質体を備え、前記ガス流路は、前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体との間に形成され、前記第２の水誘導部は、前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体との間を、水が移動可能に接続することとしても良い。このような構成とすれば、電極で生じた水を、速やかに第２の多孔質体に吸収することができるため、電極への反応ガスの拡散の液水による阻害を抑制して、反応ガスの利用効率を高めることができる。また、第２の多孔質体が吸収した水の一部が第１の多孔質体へと移動するため、第２の多孔質体内の水による反応ガスの電極への拡散の阻害が抑制され、ガスの利用効率を向上させて、電池性能を高めることができる。
【００２５】
このような燃料電池において、前記第２の多孔質体は、前記第１の多孔質体よりも薄く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、第１の多孔質体における保水量が増大して、第２の多孔質体から第１の多孔質体へと移動する水の量がより多くなり、第２の多孔質体内の液水に起因する、電極への反応ガスの流れの阻害を抑制することができる。
【００２６】
また、このような燃料電池において、前記第２の多孔質体は、前記第１の多孔質体よりも、平均細孔径が大きいこととしても良い。このような構成とすれば、より多くの液水が、第２の多孔質体から第１の多孔質体へと移動するようになり、第２の多孔質体内の液水に起因する、電極への反応ガスの流れの阻害を抑制することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池において、前記第１の多孔質体は、該第１の多孔質体の基部を構成する材料から成る部材における接触角を金の接触角以下にする表面処理を、前記材料から成る多孔質体に対して施して成ることとしても良い。
【００２８】
このような構成とすれば、第１の多孔質体の表面の親水性を高めることができる。そのため、電極から伝えられた水は、局所的に滞留することなく第１の多孔質体内の細孔表面に沿ってガス排出口側へと連続して導かれる。また、細孔表面に沿って水が導かれることにより、細孔の水による閉塞が抑えられ、細孔内に形成される空間によって反応ガスの流れが確保されるため、液水の滞留に起因する電池性能の低下を抑制する効果を高めることができる。
【００２９】
本発明の燃料電池において、前記第１の水誘導部は、前記セパレータにおける前記ガス流路を形成する面に形成された複数の溝であり、前記ガス排出口は、前記第１の水誘導部と連続して形成されると共に、前記ガス流路の断面の一部に対して開口し、前記燃料電池は、さらに、前記電極と前記第１の水誘導部との間を、水が移動可能に接続する第２の水誘導部を備えることとしても良い。
【００３０】
このような構成とすれば、第２の水誘導部によって第１の水誘導部である複数の溝へと電極から伝えられた水は、複数の溝を介して、電極の面方向へと連続して導かれることができる。そして、ガス排出口が、ガス流路断面の一部に対して開口するため、ガス排出口においてガスが流れる際の抵抗が大きくなり、反応ガスの流速が速まる。そのため、ガス排出口近傍において流速が速められた反応ガスが複数の溝の表面を流れることによって、複数の溝から連続的に排水することができる。
【００３１】
本発明の燃料電池において、前記ガス排出口は、水を吸収して膨張すると共に水を放出して収縮する水吸収材を、開口する壁面の一部に備えることとしても良い。このような構成とすれば、ガス排出口近傍における水分量が増加するときには、水吸収材が水を吸収して膨潤することによりガス排出口が小さくなる。このように、ガス排出口が小さくなることで、ガス排出口における流路抵抗が大きくなり、反応ガスの流速が速まるため、反応ガスによって第１の水誘導部から排出される水の量を増加させることができる。また、ガス排出口近傍における水分量が減少するときには、水吸収材が水を放出して収縮することによりガス排出口が大きくなる。このように、ガス排出口が大きくなることで、ガス排出口における流路抵抗が小さくなり、反応ガスの流速が遅くなるため、反応ガスによって第１の水誘導部から排出される水の量を減少させることができる。
【００３２】
本発明の燃料電池において、前記ガス排出口の一部は、前記第１の水誘導部の端部で開口すると共に、前記ガス排出口の残りの部分は、前記第１の水誘導部との間で水が移動可能に接続された第２の多孔質体に覆われていることとしても良い。このような構成とすれば、ガス排出口から反応ガスが排出される際に、第１の水誘導部の端部に加えて、反応ガスが内部を通過する第２の多孔質体からも、排水を行なうことができる。
【００３３】
このような本発明の燃料電池において、前記第１の水誘導部は、前記ガス流路を流れる前記反応ガスが流入可能な細孔であって、少なくとも前記電極の面の方向に連通して拡がる細孔を、内部に有する第１の多孔質体によって形成されており、前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体とは、平均細孔径が異なることとしても良い。このような構成とすれば、反応ガスがガス排出口から排出される際には、反応ガスは、抵抗がより小さい箇所、すなわち、平均細孔径がより小さい多孔質体の内部を通過するため、排出される反応ガスの流速を速めることができる。そのため、反応ガスの流れを利用して排水する力を強め、排水効率を向上させることができる。
【００３４】
あるいは、このような本発明の燃料電池において、前記第２の多孔質体は、平均細孔径の異なる複数の部分によって構成されていることとしても良い。このような構成とすれば、反応ガスのガス排出口からの排出時に、第２の多孔質体内を通過する際には、反応ガスは、抵抗がより小さい箇所、すなわち、平均細孔径がより小さい部分を通過する。そのため、排出される反応ガスの流速を速めることによって、反応ガスの流れを利用して排水する力を強め、排水効率を向上させることができる。
【００３５】
本発明の燃料電池において、さらに、前記第１の水誘導部の端部に設けられ、前記第１の水誘導部との間で水が移動可能に接続されると共に、前記ガス流路へと前記反応ガスが流入するガス流入口の少なくとも一部を覆って設けられた第３の多孔質体を備えることとしても良い。このような構成とすれば、電極からの水が伝えられる第１の水誘導部から、さらに第３の多孔質体へと水が移動するため、反応ガスが第３の多孔質体を介してガス流路に流入する際に、第３の多孔質体に移動した水を用いて、反応ガスの加湿を行なうことができる。
【００３６】
本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層上に形成された電極と、前記電解質層および前記電極と共に積層され、前記電極との間で、電気化学反応に供される反応ガスが流れるガス流路を形成するガスセパレータと、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置されると共に、前記電極との間で水が移動可能に接続され、面方向の水の保持量の差により電極の面の方向に水を導く第１の水誘導部と、前記ガス流路の端部において、ガス流路壁の少なくとも一部が前記第１の水誘導部で形成されており、前記反応ガスを前記第１の水誘導部に導くガス排出口とを備えても良い。
【００３７】
本発明の燃料電池によれば、ガス排出口のガス流路の端部において、ガス流路壁の少なくとも一部が、電極との間で水が移動可能に接続され、面方向の水の保持量の差により電極の面の方向に水を導く第１の水誘導部で形成されているので、燃料電池内部のガス流路における排水性能を向上させることができる。
【００３８】
本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池であって、さらに、前記反応ガスが流れる際の抵抗が前記ガス排出口よりも小さく形成されており、前記ガス流路へと前記反応ガスが流入するガス流入口を備えた燃料電池と、前記燃料電池に対して前記反応ガスを供給するガス供給部と、前記ガス供給部と前記燃料電池とを接続する第１の配管と、前記燃料電池に接続されて、前記燃料電池から排出された前記反応ガスが流れる第２の配管と、前記燃料電池の内部が、水分不足であるか否かを判定するドライ運転状態判定部と、前記ドライ運転状態判定部が水分不足であると判定したときには、前記ガス供給部を、前記第１の配管に代えて前記第２の配管に接続させて、前記燃料電池の内部における前記反応ガスの流れ方向が反転するように、前記第１の配管および前記第２の配管における接続状態を切り替える流路切り替え部と、を備えることを要旨とする。
【００３９】
このような本発明の燃料電池によれば、燃料電池の内部における水分状態に応じて反応ガスの流れ方向を切り替えることにより、燃料電池内部の水分量の適正化を図ることが可能になる。すなわち、燃料電池の内部が水不足と判断されないときには、本発明の燃料電池と同じ向きに反応ガスを流すことによって、ガス流路内からの排水を促し、過剰な液水に起因する電池性能の低下を抑制することができる。また、燃料電池の内部が水不足と判断されたときには、本発明の燃料電池とは逆向きに反応ガスを流すため、本発明の燃料電池がさらに備える抵抗のより小さいガス流入口が、ガス排出口へと切り替わる。このように、ガス流路からガスが排出される際の抵抗が、より小さくなるため、ガス流路内からの排水を促進する働きが弱まり、燃料電池内部における水不足の進行を抑制することができる。
【００４０】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池内ガス流路からの排水方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
Ａ．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例である燃料電池の構成の概略を表わす分解斜視図であり、図２は、図１における２−２断面を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、単セルを複数積層したスタック構造を有しているが、図１および図２では、スタックの構成単位である単セル１０を中心にして、燃料電池の構成を表わしている。
【００４２】
本実施例の燃料電池は、固体高分子型の燃料電池である。単セル１０は、電解質膜と、電解質膜上に形成された電極であるアノードおよびカソードからなる膜−電極接合体２０（以後、ＭＥＡ（Membrane-electrode assembly）２０と呼ぶ）を備える。アノードおよびカソード上には、それぞれ、ガス拡散層２１，２２が配置されている（図２参照）。また、カソード側のガス拡散層２２上には、さらに、流路形成多孔質体２３が配置されている。これらの、ＭＥＡ２０，ガス拡散層２１，２２、流路形成多孔質体２３から成る積層体は、１対のガスセパレータ２５によって挟持されている。
【００４３】
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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００４４】
アノードおよびカソードは、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体上に担持させることによって形成されている。より具体的には、アノードおよびカソードは、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜上、あるいはガス拡散層２１，２２上に塗布し、乾燥・固着させることにより形成することができる。
【００４５】
ガス拡散層２１，２２は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。本実施例のガス拡散層２１，２２は、いずれも、全体として平坦な形状の薄板状部材である。このようなガス拡散層は、電気化学反応に供されるガスの流路を形成しつつ、電気化学反応に供されるガスの拡散性を向上させると共に、集電を行なう。本実施例のガス拡散層２１，２２は、さらに、撥水処理が施されている。具体的には、撥水性物質、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の微粒子が、スプレー等を用いて、上記した導電性部材の表面に塗布されている。なお、本実施例では、カソード側のガス拡散層２２は、アノード側のガス拡散層２１よりも薄く形成されている。
【００４６】
流路形成多孔質体２３は、ガス透過性を有する導電性部材によって形成されており、本実施例では、金メッキを施した発泡チタンによって形成している。この流路形成多孔質体２３は、ガス拡散層を構成する導電性部材よりも平均細孔径が大きく、ガスが透過する際の圧力損失が、より小さい層として形成されている。この流路形成多孔質体２３は、その内部に、面方向および厚み方向に連通する多数の細孔を備えており、これらの細孔によって形成される空間は、カソードに供給される酸化ガスの流路を形成する。
【００４７】
ガスセパレータ２５は、ガス不透過な導電性部材、例えば、金メッキを施したチタン部材や、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、あるいは焼成カーボンにより形成することができる。ガスセパレータ２５は、ＭＥＡ２０との間に反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。具体的には、互いに平行な複数の線状凹部である溝６２あるいは溝６３が形成されている。単セル１０内では、溝６２が形成されたガスセパレータ２５の一方の面と、流路形成多孔質体２３を配置したＭＥＡ２０の一方の面との間に、酸化ガスの流路である単セル内酸化ガス流路が形成される（図２参照）。また、溝６３が形成されたガスセパレータ２５の他方の面と、ＭＥＡ２０の他方の面との間に、燃料ガスの流路である単セル内燃料ガス流路が形成される（図２参照）。なお、本実施例では、溝６２が形成する単セル内酸化ガス流路と、溝６３が形成する単セル内燃料ガス流路とは、互いに直交している。酸化ガス流路と燃料ガス流路は平行であっても良く、酸化ガスと燃料ガスは対向して流れても良い。
【００４８】
ガスセパレータ２５は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部８３〜８６を備えている。ガスセパレータ２５を、ＭＥＡ２０やガス拡散層２１，２２、および流路形成多孔質体２３と共に積層して燃料電池を組み立てると、積層された各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、ガスセパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、単セル内ガス流路に対して反応ガスを供給・排出する給排ガス流路であるガスマニホールドを形成する。具体的には、溝６２と連通する孔部８３は、各単セル内酸化ガス流路に酸化ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部８４は、各単セル内酸化ガス流路から排出されるカソード排ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する。また、溝６３と連通する孔部８５および孔部８６は、それぞれ、燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドを形成する。
【００４９】
ここで、ガスセパレータ２５におけるアノードと対向する側に形成される溝６３は、孔部８５と孔部８６とを連通させるように形成されている。これに対して、カソードと対向する側に形成される溝６２は、孔部８３とは連通するものの、孔部８４と連通することなく、孔部８４の手前で行き止まる形状となっている。ガスセパレータ２５におけるカソードと対向する側において、溝６２の端部と孔部８４との間の領域を、以下、流路閉塞部６５と呼ぶ。
【００５０】
ＭＥＡ２０、ガス拡散層２１，２２、および流路形成多孔質体２３は、溝６２，６３によって形成される単セル内流路全体と、さらに流路閉塞部６５と、を覆うように配置されている（図２参照）。
【００５１】
また、ＭＥＡ２０の周囲は、接着剤によって形成されるシール部６６によって、ガスセパレータ２５との間でシール性が確保されている（図２参照）。すなわち、ＭＥＡ２０の周囲において、単セル内ガス流路とガスマニホールドとの連通部以外の箇所は、シール部６６が形成されている。このようなシール部６６によって、電解質膜の外周部を介した単セル内燃料ガス流路と単セル内酸化ガス流路間のガス漏れ（クロスリーク）や、単セル１０外への燃料ガスや酸化ガスの漏れ出しが防止されている。さらに、ガスセパレータに設けられた孔部８３〜８６の周囲にも、同様のシール部６６が設けられることによって、隣接するガスセパレータ２５との間でシール性が確保されている。シール部６６のようにガスシール性を確保するための構造は、接着剤以外によって形成しても良く、例えば、ガスケットによって形成しても良い。
【００５２】
なお、燃料電池内において、隣り合う単セル１０間、あるいは、単セル１０を所定数積層する毎に、冷媒流路を設けることとしても良い。
【００５３】
Ｂ．ガス流れによる排水の動作：
図３は、単セル内酸化ガス流路の端部における酸化ガスおよび水の流れを表わす断面模式図である。既述したように、孔部８３によって形成される酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、溝６２および流路形成多孔質体２３によって形成される単セル内酸化ガス流路へと分配される。溝６２によって形成される空間と、流路形成多孔質体２３内に形成される空間とでは、溝６２によって形成される空間の方が、ガスが流れる際の抵抗が小さいため、単セル内酸化ガス流路に分配された酸化ガスは、主として、溝６２によって形成される空間を流れる。流路形成多孔質体２３内に形成される細孔は、流路形成多孔質体２３の厚み方向にも連続して形成されているため、単セル内酸化ガス流路内を流れる酸化ガスは、流路形成多孔質体２３を厚み方向に移動して、さらにガス拡散層２２を介して、電解質膜上のカソードに供給される。
【００５４】
ここで、ガスセパレータ２５においては、孔部８４の近傍に流路閉塞部６５が設けられており、溝６２は、孔部８４の近傍で行き止まる形状となっている。そのため、溝６２が形成する空間内を流れる酸化ガスは、溝６２の端部においては、流路形成多孔質体２３内へと流れ込む。そして、単セル内酸化ガス流路内を流れる酸化ガスは全て、流路形成多孔質体２３端部で開口するガス排出口６８から、孔部８４が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。図３では、溝６２が形成する空間内を流れてガス排出口６８から排出される酸化ガスの流れを、白抜きの矢印で示している。
【００５５】
このように単セル内酸化ガス流路を酸化ガスが流れ、燃料電池が発電する際には、カソードにおいては、電気化学反応の進行に伴って水が生じる。ここで、ガス拡散層２２は、既述したように撥水処理が施されているため、ガス拡散層２２によって、カソードで生じた生成水の一部は電解質膜側へと押し戻されて電解質膜の湿潤状態の維持に寄与し、他の一部は流路形成多孔質体２３側へと弾かれる。流路形成多孔質体２３は、既述したように金メッキを施した発泡チタンによって形成されており、金メッキによって、表面の親水性が高められている。そのため、流路形成多孔質体２３側へと弾かれた生成水は、流路形成多孔質体２３の表面と馴染んで、流路形成多孔質体２３内に広がる。そして、燃料電池が発電して、流路形成多孔質体２３への生成水の供給が継続して行なわれることにより、流路形成多孔質体２３の内部では、細孔の表面全体が生成水の膜で覆われた状態となる。流路形成多孔質体２３内の細孔は、その厚み方向に加えて、その面方向にも連続して形成されているため、流路形成多孔質体２３内では、生成水が、厚み方向および面方向に連続して存在することになる。なお、流路形成多孔質体２３内において、生成水は上記のように細孔の表面に沿って広がるため、細孔の表面よりも中程は空間として残存し、流路形成多孔質体２３内における酸化ガスの通り道は確保される。
【００５６】
既述したように、単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスは、ガス排出口６８近傍において、流路形成多孔質体２３内に潜り込んで、流路形成多孔質体２３端部で開口するガス排出口６８から排出される。すなわち、溝６２と流路形成多孔質体２３とから成る単セル内酸化ガス流路は、その出口部は、流路形成多孔質体２３の端部においてのみ開口しており、単セル内酸化ガス流路は、その出口部近傍において、他の領域に比べて流路抵抗が高まる構成となっている。このように、出口部近傍において流路抵抗が高まる、すなわち圧損が高まる形状を有しており、単セル内酸化ガス流路に供給される酸化ガス流量が確保されていると、上記出口部近傍領域では、他の領域に比べて酸化ガスの流速が速まることになる。このように、出口部において流速が高まることで、酸化ガスが単セル内酸化ガス流路から排出される際には、酸化ガスは、流路形成多孔質体２３内部の細孔表面の生成水の一部を引っ張り、ガス流れと共に酸化ガス排出マニホールド側へと導く。このように、流路形成多孔質体２３の端部において生成水の一部が引っ張られると、生成水は、流路形成多孔質体２３内の細孔表面において連続して存在するため、流路形成多孔質体２３内の生成水は、全体としてガス排出口６８側へと引き寄せられる。したがって、燃料電池が発電して、カソードにおける水生成が継続して行なわれても、酸化ガスの流速によって、ガス排出口６８から流路形成多孔質体２３端部の生成水が引っ張られることによって、流路形成多孔質体２３内からは、連続的に排水が行なわれる。図３では、流路形成多孔質体２３における水の流れを、矢印で示している。
【００５７】
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、流路形成多孔質体２３によってカソードで生じる水を面方向に導くと共に、単セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガスを、流路形成多孔質体２３内に潜り込ませて排出させることによって、酸化ガスの流速を利用して、単セル内酸化ガス流路から連続的に排水することができる。したがって、単セル内酸化ガス流路に生成水が滞留することに起因して生じる不都合を抑えることができる。
【００５８】
また、このような本実施例の燃料電池によれば、単セル内酸化ガス流路を、溝６２が形成する空間と、流路形成多孔質体２３内の細孔により形成される空間とにより形成しているため、単セル内ガス流路全体を多孔質体内の細孔により形成する場合に比べて、流路内の圧損を低減することができる。このように圧損の上昇を抑えることにより、酸化ガス供給のための補機損（例えば、酸化ガスである空気を供給するためのブロワにおける消費電力）を抑え、燃料電池システム全体のエネルギ効率の低下を抑えることができる。
【００５９】
さらに、本実施例の燃料電池によれば、ガス拡散層２２上に配置した流路形成多孔質体２３を金メッキすることで、流路形成多孔質体２３表面の親水性を高めているため、生成水は、流路形成多孔質体２３内の細孔表面に沿って、流路形成多孔質体２３全体に広がることができる。そのため、流路形成多孔質体２３において、局所的に生成水が滞留してガス流れを妨げることが無く、滞留した生成水に起因する電池性能の低下を抑制することができる。
【００６０】
本実施例の燃料電池の効果を確認するために、流路閉塞部６５を有するガスセパレータ２５を備えた実施例の単セルと、流路閉塞部６５を有しないガスセパレータを備えた比較例の単セルとを作製し、両者の性能を比較した。比較例の単セルにおける単セル内酸化ガス流路と酸化ガス排出マニホールドとの接続部近傍の様子を、図３と同様に示した断面模式図を、図４に示す。比較例の単セルでは、ガスセパレータ２５に代えて、ガスセパレータ１２５を備えている。このガスセパレータ１２５では、複数の溝６２に代えて、複数の溝１６２が形成されている。複数の溝１６２は、複数の溝６２と同様に、互いに略平行に形成された複数の線状の溝であるが、ガスセパレータ１２５には流路閉塞部６５が形成されていないため、溝１６２は、実施例の溝６３と同様に、ガスマニホールドを形成する孔部８３と孔部８４とを連通させる形状となっている。また、比較例の単セルでは、単セル内酸化ガス流路から酸化ガスが排出される排出口として、ガス排出口６８に代えてガス排出口１６８が形成されている。なお、図４では、図３に示した実施例の燃料電池と共通する部分には、同じ参照番号を付した。また、上記実施例の単セルおよび比較例の単セルは、さらに、図示しない冷媒流路を備えており、冷媒水流路内を流れる冷媒の温度を調節することにより、各単セル内温度を所望の温度に保つことが可能となっている。
【００６１】
比較例の単セルでは、図４に示すように、ガスセパレータ１２５に流路閉塞部６５が形成されていないため、溝１６２が形成する空間から成る単セル内酸化ガス流路を流れた酸化ガスは、ガス排出口１６８の近傍において、特に流路形成多孔質体２３内へと潜り込むことはない。そのため、酸化ガスは、溝１６２の端部に形成されるガス排出口１６８から、酸化ガス排出マニホールドへとそのまま排出される。このとき、表面の親水度が高められた流路形成多孔質体２３では、実施例の単セルと同様に、生成水が、細孔表面に沿って流路形成多孔質体２３全体に広がる。しかしながら、酸化ガスは、ガス排出口１６８の近傍で流路形成多孔質体２３内に積極的に潜り込むことがないため、流路形成多孔質体２３内の生成水においては、実施例の単セルのように酸化ガスのガス流れによって引っ張る力が加わることがない。
【００６２】
上記のような実施例の単セルと比較例の単セルとを作製し、まず、第１の条件で発電を行なわせた。第１の条件とは、冷媒の出口温度を８０℃に保ち、燃料ガス（水素）および酸化ガス（空気）を、８０℃で飽和蒸気圧となるように加湿する条件である。燃料ガスおよび酸化ガスの加湿は、具体的には、加湿器としてバブラを用い、バブラ温度を８０℃に設定することによって行ない、燃料ガスおよび酸化ガスの露点温度を８０℃にした。このような第１の条件下では、実施例の単セルおよび比較例の単セルのいずれも、同等の高い性能を示した。すなわち、供給する水素量および酸素量を大過剰（発電量に対して理論的に必要とされる量の４倍）にして、発電の際の電流密度を次第に変化させると、いずれの単セルも、電流密度の広い範囲にわたって、同様の高い電圧を維持することができた。これは、いずれの単セルも、流路形成多孔質体２３として、表面の親水性が高い多孔質体を用いることで、生成水が面全体に広がって局所的に滞留することがないため、カソードへのガス拡散性が電極面全体で充分に確保された結果であると考えられる。また、８０℃という温度条件下では、実施例および比較例の単セル共に、流路形成多孔質体２３からの排水がある程度良好に行なわれるものと考えられる。ただし、実施例の単セルの方が、比較例の単セルよりも、電流密度をより高くした場合にも、より高い出力電圧を維持することができた。上記第１の条件で、電流密度を変化させたときの、実施例及び比較例の出力電圧および抵抗を調べた結果を、図５に示す。
【００６３】
その後、第１の条件から第２の条件へと変更して、発電を行なわせた。第２の条件とは、冷媒の出口温度を６０℃に保ち、燃料ガスの露点温度が６０℃、酸化ガスの露点温度が８０℃となるように、バブラを用いて燃料ガスおよび酸化ガスの加湿を行う条件である。すなわち、燃料電池の運転温度をより低く設定すると共に、酸化ガスが水分過剰となる条件を設定した。このような第２の条件下で、供給する水素量は大過剰にしつつ、供給する酸素量を、大過剰である状態から次第に減少させて、一定の電流密度で発電を行なわせた。この場合には、実施例の単セルでは、供給する酸素量が理論的な必要量を超える充分量である限り、安定した電圧で発電を行なうことができた。一方、比較例の単セルでは、発電を開始した直後に電圧が急降下し、発電を行なうことができなかった。この結果から、実施例の単セルでは、ガス流速を利用した流路形成多孔質体２３からの強制的な排水を行なうことにより、流路形成多孔質体２３からの水分の気化等を利用した自然な排水が行なわれ難い低温で水分過剰な条件下であっても、良好に発電できることが確かめられた。
【００６４】
なお、比較例の単セルについては、その後単セル内を乾燥させ、改めて第１の条件で発電を行なわせたところ、当初と同等の発電性能を回復した。したがって、比較例の単セルが第２の条件下で発電を行なうことができなかったのは、流路形成多孔質体２３内に生成水が投入水が滞留してガス流れが阻害されたことが原因であると考えられる。
【００６５】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、流路形成多孔質体２３を平板状に形成して、ガスセパレータ２５の表面に、単セル内酸化ガス流路を形成するための溝６２を設けたが、異なる構成としても良い。図６は、ガスセパレータと流路形成多孔質体との凹凸関係を逆にした第２実施例の燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。第２実施例の燃料電池は、ガスセパレータ２５に代えてガスセパレータ２２５を備え、流路形成多孔質体２３に代えて流路形成多孔質体２２３を備えている。なお、図６では、第１実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【００６６】
ガスセパレータ２２５は、カソードと対向する側の面に、底面が平坦面である略四角形状の凹部２６１を有している。凹部２６１は、その一辺において、酸化ガス供給マニホールドを形成する孔部８３と連通すると共に、上記一辺と対向する辺は、酸化ガス排出マニホールドを形成する孔部８４と離隔している。上記対向する辺と孔部８４との間のには、線状の凸部である流路閉塞部２６５が形成されている。
【００６７】
流路形成多孔質体２２３は、流路形成多孔質体２３と同様に、金メッキを施した発泡チタンによって形成された、外形が略四角形状の薄板状部材である。この流路形成多孔質体２２３には、凹部２６１に対向する側の面に、互いに略平行であって、凹部２６１の深さと略同一の高さを有する複数の線状凸部である凸条２６４が形成されている。複数の凸条２６４の間に形成される複数の溝２６２は、ガスセパレータ２２５との間に、溝６２と同様に単セル内酸化ガス流路として機能する空間を形成する。図７は、流路形成多孔質体２２３における凸条２６４が形成された側の面の様子を表わす平面図である。凸条２６４は、ガスセパレータ２２５の孔部８３に対応する側の辺から、同じく孔部８４に対応する側の辺に向かう方向を、長手方向とする。このような流路形成多孔質体２２３における孔部８４に対応する側の辺の近傍には、凸条２６４が形成されていない領域である平坦領域２６６が存在する。この平坦領域２６６は、既述した流路閉塞部２６５と略同一の幅に形成されている。また、各々の凸条２６４の長さは、ガスセパレータ２２５が有する凹部２６１における、孔部８３から流路閉塞部２６５までの長さと略同一となっている。燃料電池を組み立てる際には、流路形成多孔質体２２３を、凸条２６４の端部がガスセパレータ２２５の凹部２６１の底面に当接するように嵌め込むと共に、流路形成多孔質体２２３の平坦領域２６６を、ガスセパレータ２２５の流路閉塞部２６５へと当接させる。なお、ガスセパレータ２２５において、アノードと対向する側の面は、第１実施例のガスセパレータ２５と同様の形状を有している。
【００６８】
このような第２実施例の燃料電池では、流路形成多孔質体２２３に設けられた溝２６２に形成される空間、および、流路形成多孔質体２２３内の細孔に形成される空間から成る単セル内酸化ガス流路を、酸化ガスが流れる。そして、単セル内酸化ガス流路の端部では、酸化ガスの流れは、流路形成多孔質体２２３の平坦領域２６６に当接する流路閉塞部２６５に阻まれて、酸化ガスは流路形成多孔質体２２３の平坦領域２６６内へと潜り込み、酸化ガス排出マニホールドへと排出される。したがって、第２実施例の燃料電池によれば、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
Ｄ．第３実施例：
第１実施例および第２実施例では、酸化ガスは、単セル内酸化ガス流路の端部において、全て流路形成多孔質体内に潜り込むこととしたが、異なる構成としても良い。図８は、第３実施例の燃料電池の構成を、図３と同様に示す断面模式図である。第３実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池と類似する構成を有しているが、ガスセパレータ２５に代えてガスセパレータ３２５を備えている。なお、図８では、第１実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００７０】
第３実施例の燃料電池が備えるガスセパレータ３２５は、ガスセパレータ２５が備える流路閉塞部６５と同様の位置に、流路閉塞部３６５を備えている。この流路閉塞部３６５は、流路閉塞部６５よりも低く形成されており、流路形成多孔質体２３に当接しない。そのため、単セル内酸化ガス流路から酸化ガスが排出されるガス排出口３６８は、流路形成多孔質体２３の端部に加えて、溝６２が形成する流路の断面の一部に対して開口するように形成されている。
【００７１】
このような構成とすれば、ガス排出口３６８が、溝６２の断面の一部に対しても開口しているため、酸化ガスの一部は流路形成多孔質体２３内に潜り込むことなく排出される。しかしながら、溝６２が形成する空間に対して開口する部分は、溝６２が形成する空間の断面よりも小さい面積となっているため、酸化ガスが開口部から排出される際には、溝６２が形成する空間内を流れるときに比べて、流路抵抗が大きくなる。したがって、ガス排出口３６８近傍では、流路形成多孔質体２３内への酸化ガスの潜り込みが促進されて、流路形成多孔質体２３の端部において細孔の表面から水を引っ張る力が強められ、ガス流れを利用した連続的な排水を効率良く行なうことが可能になる。すなわち、第１実施例と同様の効果を得ることができる。このように、ガス排出口の少なくとも一部が、単セル内酸化ガス流路の端部において流路形成多孔質体２３の端部と重なって開口し、ガス排出口の近傍において、単セル内酸化ガス流路の他の領域よりも酸化ガスが流れる際の抵抗が高まる形状であるならば、同様の効果を奏することができる。
【００７２】
第３実施例の燃料電池において、ガス排出口に、吸水性高分子材料を配置しても良い。図９は、第３実施例の変形例の燃料電池の構成を、図３と同様に示す断面模式図である。第３実施例の変形例としての燃料電池は、第３実施例の燃料電池と類似する構成を有しているが、ガスセパレータ３２５に代えてガスセパレータ４２５を備えており、ガス排出口３６８に代えてガス排出口側４６８が設けられている。なお、図９では、第３実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００７３】
第３実施例の変形例の燃料電池が備えるガスセパレータ４２５は、ガスセパレータ３２５と同様に、流路形成多孔質体２３とは当接しない、流路閉塞部６５よりも低く形成された流路閉塞部３６５を備えている。すなわち、単セル内酸化ガス流路から酸化ガスが排出されるガス排出口４６８は、流路形成多孔質体２３の端部に加えて、溝６２が形成する流路の断面の一部に対して開口するように形成されている。ここで、流路閉塞部３６５上には、流路形成多孔質体２３に対向する端部において、水吸収材から成る開口調節部４６７が、さらに設けられている。すなわち、ガス排出口４６８の壁面の一部は、開口調節部４６７によって形成されている。ここで、水吸収材とは、周囲の水分量が多いときには水分を吸収して膨潤すると共に、周囲の水分量が低下したときには水分を放出して収縮する材料である。このような水吸収材としては、具体的には、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドンといった吸水性高分子材料を挙げることができる。
【００７４】
このような開口調節部４６７を備えることで、開口調節部４６７近傍における水分量が増加するときには、開口調節部４６７が水を吸収して膨潤することによりガス排出口４６８が小さくなる。また、開口調節部４６７近傍における水分量が減少するときには、開口調節部４６７が水を放出して収縮することによりガス排出口４６８が大きくなる。したがって、第３実施例の変形例の燃料電池では、酸化ガス中の水分量が多いときには、ガス排出口４６８が小さくなることで、より多くの酸化ガスが流路形成多孔質体２３内に潜り込むことになる。そのため、酸化ガス中の水分量が多いときには、流路形成多孔質体２３の端部から水を引っ張る力を強めて、排水効率を高めることができる。また、酸化ガス中の水分量が少ないときには、ガス排出口４６８が大きくなることで、流路形成多孔質体２３内に潜り込む酸化ガス量が少なくなる。そのため、酸化ガス中の水分量が少ないときには、流路形成多孔質体２３の端部から水を引っ張る力が弱まり、排水が抑制される。
【００７５】
Ｅ．第４実施例：
第１実施例ないし第３実施例では、ガス拡散層２２上に重ね合わせて流路形成多孔質体２３を配置したが、異なる構成としても良い。すなわち、電極で生じた水が伝えられて、この水を電極の面方向に連続して導く第１の水誘導部を、面全体で電極と接触するように設けるのではなく、電極と離隔させて配置することとしても良い。図１０は、第４実施例の燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。第４実施例の燃料電池は、ガスセパレータ２５に代えてガスセパレータ５２５を備え、流路形成多孔質体２３に代えて水誘導多孔質体５２３を備えている。また、図１１は、第４実施例の燃料電池における単セル内酸化ガス流路端部の様子を、図３と同様に示す断面模式図である。図１０および図１１では、第１実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【００７６】
ガスセパレータ５２５は、カソードと対向する側の面に、底面が平坦面である略四角形状の凹部５６１を有している。凹部５６１は、酸化ガス供給マニホールドを形成する孔部８３および酸化ガス排出マニホールドを形成する孔部８４と、連通している。なお、凹部５６１における孔部８４との接続部近傍においては、孔部８４に沿う細長い形状であり、凹部５６１の深さよりも薄く形成された薄板状部材である流路閉塞部５６５が、凹部５６１の周囲と略同一の高さになるように嵌め込まれる。これによって、凹部５６１と流路閉塞部５６５との間には、ガス排出口５６８となる空間が形成される（図１１参照）。
【００７７】
水誘導多孔質体５２３は、流路形成多孔質体２３と同様に、金メッキを施した発泡チタンによって形成された、外形が略四角形状の薄板状部材である。この水誘導多孔質体５２３は、一方の面は平坦に形成されており、他方の面には、互いに略平行な複数の線状凸部である凸条５６４が形成されている。水誘導多孔質体５２３の外形は、ガスセパレータ５２５の凹部５６１と略同一形状に形成されており、平坦に形成された上記一方の面が凹部５６１の底面に接触するように、凹部５６１に嵌め込まれる。このようにして燃料電池を組み立てると、カソードに対向する上記他方の面に形成された凸条５６４の端部は、ガス拡散層２２に当接すると共に、複数の凸条５６４の間に形成される複数の溝５６２は、ガス拡散層２２との間に、単セル内酸化ガス流路として機能する空間を形成する。凸条５６４は、ガスセパレータ５２５の孔部８３から孔部８４に向かう方向に対応する方向を長手方向とするが、水誘導多孔質体５２３における孔部８４に対応する側の辺の近傍には、凸条５６４が形成されていない平坦な領域が存在する。すなわち、水誘導多孔質体５２３は、図７に示した第２実施例の流路形成多孔質体２２３に形成された平坦領域２６６と同様の平坦領域５６６を有している（図１０参照）。この平坦領域５６６の厚みは、本実施例では、凹部５６１の底面と、ガスセパレータ５２５に嵌め込まれた流路閉塞部５６５との間の距離よりも薄く形成されている。そのため、本実施例のガス排出口５６８は、水誘導多孔質体５２３の端部に加えて、溝５６２が形成する空間の一部に対して開口することになる（図１１参照）。なお、図１１に示す断面は、溝５６２が形成する空間に対応する断面を表わしており、図１１では、凸条５６４は表われていない。
【００７８】
このような第４実施例の燃料電池では、カソードで生じた水は、凸条５６４を伝って、ガスセパレータ５２５表面に配置された水誘導多孔質体５２３の平坦部へと伝えられ、この水誘導多孔質体５２３の平坦部において、電極の面方向へと連続して導かれる。すなわち、凸条５６４は、電極の面方向に水を連続して導く第１の水誘導部である上記平坦部へと、電極から水を伝える第２の水誘導部として機能する。このとき、溝５６２が形成する単セル内酸化ガス流路を酸化ガスが流れる際には、流路閉塞部５６５によって、ガス排出口５６８近傍において酸化ガスが流れる際の抵抗が高められる。そのため、第１ないし第３実施例と同様に、ガス排出口５６８近傍では、酸化ガスの水誘導多孔質体５２３内への潜り込みが促進される。そして、酸化ガス流れによって、水誘導多孔質体５２３内の細孔表面に連続して存在する水が引っ張られ、単セル内酸化ガス流路からの連続的な排水が行なわれる。
【００７９】
なお、第４実施例では、水誘導多孔質体５２３端部の平坦領域５６６と流路閉塞部５６５との間に空隙を設けているが、上記平坦領域５６６と流路閉塞部５６５とを当接させ、第１実施例と同様に、酸化ガスを全て水誘導多孔質体５２３内に潜り込ませることとしても良い。また、第４実施例では、水を面方向に導く第１の水誘導部と、この第１の水誘導部へと電極から水を導く第２の水誘導部とを、水誘導多孔質体５２３として一体で形成したが、両者を別体で形成しても良い。
【００８０】
Ｆ．第５実施例：
第１ないし第４実施例の燃料電池では、第１の水誘導部として機能する多孔質体あるいはガスセパレータ表面に設けた溝が形成する空間を流れる酸化ガスの流れを、ガス排出口近傍において流路閉塞部によって妨げて、酸化ガスを上記多孔質体内へと潜り込ませたが、異なる構成としても良い。例えば、上記溝が形成する空間の端部を、第１の水誘導部と連続して設けられた多孔質体によって塞いで、ガス排出口を形成しても良い。このような構成を、第５実施例として以下に説明する。
【００８１】
図１２は、第５実施例の燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。第５実施例の燃料電池は、ガスセパレータ２５に代えてガスセパレータ６２５を備え、流路形成多孔質体２３に代えて流路形成多孔質体６２３を備えている。また、図１３は、第５実施例の燃料電池における単セル内酸化ガス流路端部の様子を、図３と同様に示す断面模式図である。図１２および図１３では、第１実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【００８２】
ガスセパレータ６２５は、カソードと対向する側の面に、略平行な複数の線状凸部である凸条６６４と、凸条６６４の間に形成された溝６６２と、から成る凹凸形状が形成されている。溝６６２は、孔部８３および孔部８４と連通しており、第１実施例の溝６２と同様に、流路形成多孔質体６２３との間に、単セル内酸化ガス流路となる空間を形成する。ここで、各々の凸条５６４は、一方の端部は、孔部８３と接する位置にまで形成されているものの、他方の端部は、孔部８４と離間している。すなわち、孔部８４の近傍には、孔部８４に沿って、凸条５６４が形成されておらず溝６２と連続して形成され、底面が平坦な凹部６６６が形成されている（図１２参照）。
【００８３】
流路形成多孔質体６２３は、流路形成多孔質体２３と同様に、金メッキを施した発泡チタンによって形成され、ガスセパレータ６２５における孔部８３と孔部８４の間の領域を覆うように配置される、外形が略四角形状の薄板状部材である。この流路形成多孔質体６２３の一方の面は平坦に形成されており、ガス拡散層２２に重ね合わせて配置される。また、流路形成多孔質体６２３の他方の面には、孔部８４に近接する一辺に沿って、線状の凸部６６５が形成されている。この線状凸部６６５は、ガスセパレータ６２５における凸条６６４と略同一の高さに形成されている。流路形成多孔質体６２３とガスセパレータ６２５とを重ね合わせる際には、線状凸部６６５は、ガスセパレータ６２５表面の凹部６６６へと嵌め込まれる。これにより、ガスセパレータ６２５に設けた凸条６６４の端部は、流路形成多孔質体６２３の表面に当接し、流路形成多孔質体６２３に設けた線状凸部６６５の端部は、ガスセパレータ６２５表面の凹部６６６の底面に当接する（図１３参照）。なお、図１３に示す断面は、溝６６２が形成する空間に対応する断面を表わしており、図１３では、凸条６６４は表われていない。
【００８４】
このような第５実施例の燃料電池では、カソードで生じた水は、親水性を有する流路形成多孔質体６２３内の細孔表面を伝って、電極の面方向へと連続して伝えられる。ここで、溝６６２が形成する空間の端部は、流路形成多孔質体６２３に設けられた線状凸部６６５によって塞がれている。そのため、溝６６２が形成する空間を流れた酸化ガスは、多孔質体によって形成される線状凸部６６５内部の細孔が形成する空間を介して、孔部８４が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。このような、多孔質体から成る線状凸部６６５内の空間は、ガスが流れる際の抵抗が大きく、溝６６２を流れる酸化ガスが多孔質体内の細孔を通過する際には、圧損が高くなる。また、線状凸部６６５は、流路形成多孔質体６２３において一体で形成されているため、流路形成多孔質体６２３内の水は、線状凸部６６５内の細孔表面にまで連続している。そのため、線状凸部６６５内を通過して酸化ガスが排出される際には、酸化ガスの流速が速められ、酸化ガス流れによって、線状凸部６６５内の細孔表面に連続して存在する水が引っ張られて、単セル内酸化ガス流路からの連続的な排水が行なわれる。
【００８５】
第５実施例の燃料電池は、第１実施例と同様に、ガスセパレータ６２５の表面に、単セル内酸化ガス流路を形成するための溝６６２を設けたが、第２実施例と同様に、ガスセパレータと流路形成多孔質体との凹凸関係を逆にしても良い。この場合には、流路形成多孔質体６２３において、線状凸部６６５に加えて、第２実施例の凸条２６４と同様の複数の凸条を設ければ良い。
【００８６】
また、第５実施例では、線状凸部６６５をガスセパレータ６２５の凹部６６６の底面に当接させたが、両者の間に空隙を設け、酸化ガスの一部は、線状凸部６６５内を通過しない構成としても良い。この場合にも、ガス排出口６６８の近傍で酸化ガスが流れる際の抵抗が高まることにより、同様の効果が得られる。
【００８７】
また、ガス拡散層２２と面全体で接触する流路形成多孔質体６２３に代えて、第４実施例と同様に、ガスセパレータの表面に接して配設され、ガスセパレータ上で水を電極面の方向に導く水誘導多孔質体を設けることとしても良い。このような構成を、第５実施例の変形例として以下に説明する。図１４は、第５実施例の変形例としての燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。また、図１５は、第５実施例の変形例としての燃料電池における単セル内酸化ガス流路端部の様子を、図３と同様に示す断面模式図である。図１４および図１５では、第４実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。第５実施例の変形例の燃料電池は、水誘導多孔質体５２３に代えて、水誘導多孔質体６３３を備えている。水誘導多孔質体６３３は、水誘導多孔質体５２３と同様に、カソードと対向する面側に、互いに略平行であって、間に溝５６２が形成された複数の凸条５６４を備える。そして、孔部８４に近接する一辺に沿って、凸条５６４と略同一の高さに形成された線状凸部６３５を備える。このような水誘導多孔質体６３３を、ガスセパレータ５２５の凹部５６１に嵌め込んで各部材を積層すると、線状凸部６３５は、カソード２２の表面に当接する。第５実施例の変形例の燃料電池は、流路閉塞部５６５は有しておらず、線状凸部６３５が形成された水誘導多孔質体６３３の端部において、孔部８４が形成する酸化ガス排出マニホールドへのガス排出口５６８を形成している。この場合にも、ガス排出口を、水誘導多孔質体との間で水が移動可能に接続する多孔質体で覆うことにより、同様の効果が得られる。
【００８８】
さらに、第５実施例では、水を面方向に導く第１の水誘導部と、ガス排出口を塞ぐ多孔質体から成る線状凸部６６５とを、流路形成多孔質体６２３として一体で形成したが、両者を別体で形成しても良い。ガス排出口の少なくとも一部を塞ぐ多孔質体が、水を面方向に導く流路形成多孔質体等の第１の水誘導部との間で、水が移動可能に接続されていれば、同様の効果を奏することができる。
【００８９】
また、水を面方向に導く第１の水誘導部と、ガス排出口を塞ぐ多孔質体である線状凸部との間で、平均細孔径を異ならせることとしても良い。第１の水誘導部と線状凸部の平均細孔径を異ならせると、酸化ガスがガス排出口から排出される際に、平均細孔径がより大きく流路抵抗が小さい部分を通過するようになる。したがって、酸化ガスが排出される際の流速がさらに速まり、多孔質体表面の液水を引っ張る力が強まって、単セル内酸化ガス流路からの排水性がさらに向上する。このような効果は、第１の水誘導部と線状凸部の平均細孔径を異ならせることにより得られる効果であるが、平均細孔径を異ならせる際に、第１の水誘導部の平均細孔径をより小さくするならば、第１の水誘導部における保水性を向上させることができるため、第１の水誘導部による水の誘導を利用した排水性を高めることができて望ましい。また、第５実施例のように、溝が形成する空間から成る単セル内酸化ガス流路の排出側端部を多孔質体で塞ぐ場合には、線状凸部の平均細孔径をより大きくする方が、酸化ガスがガス排出口から排出される際の圧損を抑えることができる。そのため、燃料電池への酸化ガス供給のために消費するエネルギを削減し、エネルギ効率を向上させることができる。
【００９０】
また、ガス排出口を塞ぐ多孔質体である線状凸部を、平均細孔径の異なる複数の部分から成ることとしても良い。このような構成とすることで、ガス排出口から排出される酸化ガスは、平均細孔径がより大きく流路抵抗が小さい部分を主として通過するようになり、酸化ガスが排出される際の流速がさらに速まり、ガス流れを利用した単セル内酸化ガス流路からの排水性がさらに向上する。このような構成の一例を図１６に示す。図１６は、図１４に示した第５実施例の変形例としての燃料電池が備える水誘導多孔質体６３３を表わす平面図である。図１６では、水誘導体６３３の線状凸部６３５において、凸条５６４との接続箇所の近傍領域であるＡ領域と、溝５６２のガス排出口側端部の近傍領域であるＢ領域とを、それぞれ波線で囲んで示している。線状凸部６３５において、上記Ａ領域とＢ領域とで、平均細孔径を異ならせることができる。例えば、Ａ領域の方がＢ領域よりも平均細孔径を大きくすることができる。
【００９１】
上記のように、第１の水誘導部と線状凸部とで平均細孔径を異ならせる場合、あるいは、線状凸部を、平均細孔径の異なる複数の部分によって構成する場合には、例えば、平均細孔径を異ならせて別々に作製した多孔質体を組み合わせることによって、上記部材を作製することができる。あるいは、上記部材を構成する発泡金属を作製する際に、材料中に発泡剤を混ぜ込む場合には、用いる発泡剤の種類を部位によって異ならせることによって、細孔径を部位によって異ならせても良い。あるいは、材料中に、後の焼成工程で焼失するビーズを混ぜ込む場合には、用いるビーズの粒径を部位によって異ならせることによって、細孔径を部位によって異ならせても良い。
【００９２】
Ｇ．第６実施例：
第１ないし第５実施例では、水を電極の面方向に導く多孔質体として、面全体で電極と接触する多孔質体、あるいは、電極と離隔して、ガスセパレータ面に接触して設けられた多孔質体を用いたが、両方の多孔質体を備えることとしても良い。このような構成の一例を、第６実施例として以下に説明する。第６実施例の燃料電池は、図１４に示した第５実施例の変形例の燃料電池において、水誘導多孔質体６３３に加えて、さらに、電極面（実際にはガス拡散層２２）に接して配置される第１実施例の流路形成多孔質体２３と同様の流路形成多孔質体６３７を備えている。図１７は、第６実施例の燃料電池における単セル内酸化ガス流路端部の様子を、図３と同様に示す断面模式図である。第６実施例の燃料電池では、水誘導多孔質体６３３の線状凸部６３５と凸条５６４（図示せず）は、流路形成多孔質体６３７と接している。
【００９３】
このような燃料電池では、カソードで生じた生成水の一部は、流路形成多孔質体６３７内に広がると共に、凸条５６４を介して、水誘導多孔質体６３３へと移動する。そして、流路形成多孔質体６３７および水誘導多孔質体６３３によって、水が面方向に導かれる。ガス排出口においては、多孔質体、すなわち、線状凸部６３５を備える水誘導多孔質体６３３および流路形成多孔質体６３７の端部によって、単セル内酸化ガス流路が覆われて、流路抵抗が高められているため、既述した実施例と同様に、酸化ガス流れによって多孔質体内からの排水が促進される効果が得られる。
【００９４】
さらに、第６実施例の燃料電池によれば、流路形成多孔質体６３７内の水が水誘導多孔質体６３３へと移動するため、第１実施例のように電極上に配置した流路形成多孔質体２３だけを有する場合に比べて、電極と単セル内酸化ガス流路との間に存在する液水の量を減らすことができる。そのため、酸化ガスが、液水に阻害されることなく電極へと拡散し易くなり、酸化ガスの利用効率を高めることができる。また、電極上に流路形成多孔質体６３７を設けることで、カソードで生じた水を速やかに流路形成多孔質体６３７に吸収することができるため、第５実施例のように水誘導多孔質体６３３だけを有する場合に比べて、酸化ガスが水に阻害されることなくカソードへと到達しやすくなり、酸化ガスの利用効率を高めることができる。
【００９５】
第６実施例の燃料電池では、流路形成多孔質体６３７の厚みは、水誘導多孔質体６３３のガスセパレータ面に沿った部分の厚みよりも、薄くすることが望ましい。これにより、カソードから移動した水が、水誘導多孔質体６３３において、より多く保持されるようになり、流路形成多孔質体６３７内の液水に起因する、カソードに対する酸化ガス流れの阻害を抑制することができる。図１８は、流路形成多孔質体および水誘導多孔質体に係る構成が異なる３種類の燃料電池について、発電性能を調べた結果の一例を示す説明図である。図１８のグラフ（１）は、図１４、１５に示した第５実施例の変形例の燃料電池（水誘導多孔質体６３３の平面部分の厚みは０．６ｍｍ）の結果を示す。図１８のグラフ（２）は、第６実施例の燃料電池であって、水誘導多孔質体６３３の平面部分を流路形成多孔質体６３７よりも厚く形成した燃料電池（水誘導多孔質体６３３の平面部分の厚みは０．６ｍｍ、流路形成多孔質体６３７の厚みは０．３ｍｍ）の結果を示す。図１８のグラフ（３）は、第６実施例の燃料電池であって、水誘導多孔質体６３３の平面部分と流路形成多孔質体６３７とを同じ厚みに形成した燃料電池（水誘導多孔質体６３３の平面部分および流路形成多孔質体６３７の厚みは０．５ｍｍ）の結果を示す。
【００９６】
発電性能を調べる際には、上記した３種類の単セルを作製し、冷媒の出口温度を８０℃に保ち、燃料ガス（水素）および酸化ガス（空気）を、８０℃で飽和蒸気圧となるように加湿しつつ、大過剰の一定量を供給し、出力電流を次第に変化させて、出力電圧および抵抗を測定した。その結果、図１８に示すように、グラフ（１）よりもグラフ（２）および（３）の方が、出力電流値が大きくなっても、より高い電圧値を維持することができた。すなわち、水誘導多孔質体６３３に加えてさらに流路形成多孔質体６３７を備えることで、カソード上のガス拡散層２２から速やかに水を移動させて、カソードへのガス流れを確保することができ、電池性能が向上することが確認された。また、図１８に示すように、グラフ（３）よりもグラフ（２）の方が、出力電流値が大きくなっても、より高い電圧値を維持することができた。すなわち、水誘導多孔質体６３３を流路形成多孔質体６３７よりも厚く形成することで、ガス拡散層２２上の流路形成多孔質体６３７内に保持される水の量が削減され、カソードに対する酸化ガスの拡散性が向上して電池性能が向上することが確認された。
【００９７】
また、第６実施例の燃料電池において、流路形成多孔質体６３７を構成する多孔質体の平均細孔径は、水誘導多孔質体６３３を構成する多孔質体の平均細孔径よりも、大きくすることが望ましい。流路形成多孔質体６３７の細孔径を大きくすることにより、流路形成多孔質体６３７を介した、単セル内酸化ガス流路からカソードへの酸化ガスの拡散性が、より確保し易くなる。また、液水は、細孔径がより小さい多孔質体の内部へと移動するため、上記のように水誘導多孔質体６３３の平均細孔径を小さくすることにより、流路形成多孔質体６３７から水誘導多孔質体６３３への液水の移動を促進することができる。そのため、単セル内酸化ガス流路からカソードへの酸化ガスの拡散性がさらに高まり、電池性能を向上させることができる。
【００９８】
さらに、上記のように流路形成多孔質体６３７と水誘導多孔質体６３３との平均細孔径を異ならせる場合には、ガス排出口においては、排出される酸化ガスは、細孔径が大きく流路抵抗が小さい部分を通過するため、細孔径が大きな部分におけるガス流速が速まることにより、ガス流れを利用した排水の効率をさらに向上させることができる。なお、排水性向上の効果を得るためであれば、多孔質体の平均細孔径を異ならせる組み合わせは、上記した組み合わせに限られない。水誘導多孔質体６３３の平面部分におけるガス排出口側の端部と、線状凸部６３５と、流路形成多孔質体６３７におけるガス排出口側の端部と、の平均細孔径が異なっていればよい。すなわち、ガス排出口を覆う多孔質体において、平均細孔径の分布が不均一であれば、細孔径の大きな部分を通過する酸化ガスの流速を速めて、排水性を向上させることができる。
【００９９】
Ｈ．第７実施例；
第１ないし第６実施例のように、単セル内酸化ガス流路において水を電極面方向に導く第１の水誘導部と、流路抵抗が高められたガス排出口を備える燃料電池を用いて、酸化ガスの流れ方向を切り替えることにより、燃料電池内部の水分量の適正化を図ることが可能になる。このような燃料電池システムを、第７実施例として以下に説明する。
【０１００】
図１９は、第７実施例の燃料電池システム４０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム４０は、燃料電池４２と、水素タンク４１と、ブロワ４３と、制御部４７と、を備える。燃料電池４２は、第１ないし第６実施例で説明したいずれかの燃料電池とすることができる。水素タンク４１は、水素ガスが貯蔵されると共に、燃料電池４２における既述した燃料ガス供給マニホールドへと配管で接続されており、燃料電池に対して燃料ガスである水素を供給する。なお、本実施例は、酸化ガス流路の切り替えに特徴があるため、燃料ガス流路についての詳しい説明は省略する。ブロワ４３は、空気を取り込んで、取り込んだ空気を酸化ガスとして燃料電池４２に供給する。ブロワ４３には、酸化ガス流路５０が接続されている。酸化ガス流路５０は、三方弁であるバルブ４４を介して、酸化ガス流路５１、５２に分岐している。酸化ガス流路５１は、バルブ４５を介して、酸化ガス流路５３、５６に分岐している。酸化ガス流路５２は、バルブ４６を介して、酸化ガス流路５４、５５に分岐している。酸化ガス流路５３は、燃料電池４２における既述した酸化ガス供給マニホールドに接続しており、酸化ガス流路５４は、燃料電池４２における既述した酸化ガス排出マニホールドに接続している。また、酸化ガス流路５５、５６は、大気中に解放されている。
【０１０１】
制御部４７は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部４７は、燃料電池４２に対する負荷要求に係る信号や、後述するドライ運転情報に係る信号を取得すると共に、これらに基づいて、既述したブロワ４３やバルブ４４〜４６等に対して駆動信号を出力する。
【０１０２】
ここで、制御部４７が取得するドライ運転情報とは、燃料電池４２の内部が、水分過剰となり易い状態であるか、水分不足となり易い状態であるかを判定するための情報である。このようなドライ運転情報としては、例えば、燃料電池４２の内部温度や、燃料電池４２における抵抗値（内部抵抗）、あるいは燃料電池４２からの出力電圧を挙げることができる。燃料電池４２の内部温度は、燃料電池４２の内部、あるいは、燃料電池４２の内部温度を反映する箇所、例えば燃料電池４２から酸化ガスが排出される流路に温度センサを設けることにより検出できる。燃料電池４２の内部抵抗や出力電圧は、燃料電池４２が接続される配線に、電流計や電圧計を配置することで検出可能になる。内部抵抗は、具体的には、例えば交流インピーダンス法により求めることができる。
【０１０３】
制御部４７のＣＰＵは、上記ドライ運転情報を取得して、例えば、燃料電池４２の内部温度や内部抵抗が基準値以下のとき、あるいは、燃料電池４２の出力電圧が基準値を上回るときには、燃料電池４２の内部が、水分過剰となり易い状態（ウエット運転状態）であると判定する。また、燃料電池４２の内部温度や内部抵抗が基準値を上回るとき、あるいは、燃料電池４２の出力電圧が基準値以下のときには、燃料電池４２の内部が、水分不足となり易い状態（ドライ運転状態）であると判定する。
【０１０４】
ウエット運転状態であると判定すると、制御部４７のＣＰＵは、バルブ４４〜４６に駆動信号を出力して、燃料電池４２における酸化ガスの流れの向きを、第１ないし第６実施例で説明した向きにする。すなわち、バルブ４４〜４６が制御されることで、酸化ガス流路５２、５６への酸化ガスの流入が遮断されて、酸化ガスは、酸化ガス流路５０、５１、５３を介して、燃料電池４２の酸化ガス供給マニホールドへと導かれる。そして、燃料電池４２の酸化ガス排出マニホールドから排出された酸化ガスは、酸化ガス流路５４、５５を介して、大気中へと放出される。
【０１０５】
これに対して、ドライ運転状態であると判定すると、制御部４７のＣＰＵは、バルブ４４〜４６に駆動信号を出力して、燃料電池４２における酸化ガスの流れの向きを、第１ないし第６実施例で説明した向きと逆向きにする。すなわち、バルブ４４〜４６が制御されることで、酸化ガス流路５１、５５への酸化ガスの流入が遮断されて、酸化ガスは、酸化ガス流路５０、５２、５４を介して、燃料電池４２の、実施例で説明した酸化ガス排出マニホールドへと導かれる。この場合には、燃料電池４２からは、実施例で説明した酸化ガス供給マニホールドから酸化ガスが排出され、排出された酸化ガスは、酸化ガス流路５３、５６を介して、大気中に放出される。
【０１０６】
以上のように構成された第７実施例の燃料電池システム４０によれば、第１ないし第６実施例の燃料電池を備えて、燃料電池内における酸化ガスの流れの向きを切り替えることによって、燃料電池内における水分量の適正化を容易に図ることが可能になる。すなわち、ウエット運転状態と判定されるときには、実施例と同様の向きに酸化ガスを流すことによって、既述したように単セル内酸化ガス流路からの連続排水を促進し、水分過剰に起因する問題の発生を抑制することができる。また、ドライ運転状態と判定されるときには、燃料電池の内部で、実施例とは逆向きに酸化ガスを流すことによって、単セル内酸化ガス流路からの排水を抑制することができる。すなわち、単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れ方向を逆にする場合には、単セル内酸化ガス流路から酸化ガスが排出される際に流路抵抗が増大することがなく、ガス流れを利用した多孔質体内からの排水が行なわれ難くなり、燃料電池内におけるドライ状態の進行を抑制することができる。さらに、実施例で説明したガス排出口が酸化ガスの流入口になり、酸化ガスが単セル内酸化ガス流路に流入する際には、ガス排出口を覆う多孔質体内を通過するため、多孔質体内の水によって、流入する酸化ガスを加湿することができる。これにより、燃料電池内におけるドライ状態の進行を抑える効果をさらに高めることができる。
【０１０７】
Ｉ．変形例：
なお、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。
【０１０８】
Ｉ１．変形例１：
第１ないし第５実施例では、単セル内酸化ガス流路において水を面方向に導く第１の水誘導部を構成する親水性多孔質体として、金メッキを施した発泡チタンを用いたが、異なる多孔質体を用いても良い。燃料電池内部の環境で充分な耐食性を示し、多孔質基材（実施例ではチタン）よりも親水性が高い（接触角が小さい）材料によって表面を被覆することで、親水性の高い第１の水誘導部を得ることができる。あるいは、多孔質基材として、金属多孔質体に代えてカーボン多孔質体を用い、このカーボン多孔質体を酸処理して表面を粗げると共に親水基である水酸基を導入して、第１の水誘導部となる親水性多孔質体を作製しても良い。このとき、カーボン多孔質体に対して、さらにプラズマ処理を行なっても良い。第１の水誘導部を構成する多孔質体は、例えば、この第１の多孔質体の基部を構成する材料から成る部材における接触角を、金の接触角以下にする表面処理を、上記した材料から成る多孔質体に対して施して形成することで、充分な親水性を有する多孔質体とすることができる。
【０１０９】
なお、第１の水誘導部となる親水性多孔質体の性質は、内部の細孔表面に連続した水の層を形成可能であって、多孔質体の表面に水を垂らすと、直ちに、あるいは１０秒以内程度のうちに水を吸収する性質ということができる。あるいは、第１の水誘導部となる多孔質体の含水量が飽和状態である場合に、多孔質体の一端に吸水性物質（例えば、吸水性の不織布）を接触させると、多孔質体の他端に滴下した水滴が連続的に吸収される性質ということができる。このような親水性多孔質体は、平均細孔径が０．１〜２００μｍであれば良く、好ましくは１〜８０μｍであればよい。
【０１１０】
Ｉ２．変形例２：
水を面方向に導く第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体は、その細孔径を、多孔質体全体で均一に形成するのではなく、ガス排出口近傍において、他の領域よりも細孔径を小さくしても良い。このような構成とすることで、ガス排出口近傍において、酸化ガスが通過する際の抵抗がさらに大きくなるため、細孔表面に連続して存在する水をガスが引っ張る力が、より強く働くようになる。また、上記構成とすることで、第１の水誘導部において、ガス排出口近傍領域における保水力を、他の領域よりも高めることができるため、単セル内酸化ガス流路内の水が、ガス排出口近傍へと集まりやすくなる。そのため、ガス排出口を介した第１の水誘導部からの排水効率を向上させることができる。また、第１の水誘導部を構成する多孔質体において、ガス排出口近傍の平均細孔径のみをより小さくするため、第１の水誘導部全体の平均細孔径を小さくする場合に比べて、ガス流路全体の圧損の上昇を抑えることができる。したがって、酸化ガスを供給するための補機損を抑え、システム効率の低下を抑制することができる。このような構成は、特に、燃料電池の内部が水分過剰となり易い運転状態（ウエット運転状態）で燃料電池を運転する場合に、過剰な液水に起因する問題の発生を抑制できて望ましい。なお、既述した第７実施例では、燃料電池の発電中に、ウエット運転状態とドライ運転状態とに状態が変動する場合を問題にしていたが、ここでいうウエット運転状態は、燃料電池が発電中に、常に水分過剰となり易いような場合を指している。例えば、比較的低い状態（例えば６０℃）で燃料電池の発電を行なう場合を挙げることができる。
【０１１１】
上記構成とは逆に、燃料電池の内部が水分不足となり易い運転状態（ドライ運転状態）で燃料電池を運転する場合には、第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体における細孔径を、ガス排出口近傍において、他の領域よりも大きくしても良い。このような構成とすれば、第１の水誘導部のガス排出口近傍領域において、他の領域に比べて保水力が低下して、ガス排出口近傍へと液水が集まりにくくなる。また、ガス排出口近傍において、酸化ガスが通過する際の抵抗の上昇が抑制されるため、ガス流れを利用して単セル内酸化ガス流路から排水する力が弱まる。そのため、単セル内酸化ガス流路からの排水を抑制することができる。上記ドライ運転状態としては、例えば、燃料電池に供給するガス（燃料ガスおよび／または酸化ガス）を加湿しない運転状態を採用する場合を挙げることができる。
【０１１２】
上記のように、第１の水誘導部を親水性多孔質体によって形成する場合には、ガス排出口近傍領域と他の領域との間で平均細孔径を異ならせることによって、酸化ガス流れを利用して単セル内酸化ガス流路から連続排水する際の排水効率を調節し、単セル内の水分量を適正化することが可能になる。
【０１１３】
Ｉ３．変形例３：
第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体において、ガス排出口近傍において、他の領域よりも、表面の親水度を高めることとしても良い。このような構成とすることで、ガス排出口近傍において水を保持する働きを強めることができるため、ガス排出口近傍からの排水が行なわれ易くなり、第１の水誘導部からの排水効率を向上させることができる。このような構成は、特に、上記変形例２で説明したウエット運転状態で燃料電池を運転する場合に、過剰な液水に起因する問題の発生を抑制できて望ましい。
【０１１４】
例えば、カーボンは、親水化の際の親水化時間を変える（ＯＨ−基の数を変える）ことで親水度、すなわち部材表面のぬれ性を変更することができる。そのため、第１の水誘導部をカーボン多孔質体によって形成する場合には、領域によって親水化時間を変更して他の領域よりもガス排出口近傍の親水度を高めることによって、すなわち、他の領域からガス排出口近傍にかけての親水度を傾斜させて高めることによって、第１の水誘導部からの排出効率を向上させることができる。
【０１１５】
あるいは、第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体において、ガス排出口近傍と他の領域とで、表面粗さを異ならせることによって、ガス排出口近傍の親水度を高めても良い。表面粗さとは、第１の水誘導部表面の微細な凹凸状態を指しており、表面粗さが粗いほど、表面における親水性が向上し、多孔質体における保水力が増す。例えば、第１ないし第６実施例のように、第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体を、金メッキを施した発泡チタンによって構成する場合には、金メッキを施す際の条件や方法を異ならせることにより、メッキした表面における微細な凹凸の状態を、領域によって異ならせることができる。あるいは、第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体を、カーボン製の多孔質体によって構成する場合には、カーボン多孔質体に対して変形例１で説明した酸処理を施す際に、酸処理の強度、例えば酸処理の時間を異ならせることにより、多孔質体表面における微細な凹凸状態を、領域によって異ならせることができる。また、第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体の表面に対して、物理的に微細な傷を付けるための機械的な処理を施すことによって、表面における微細な凹凸状態を変更させても良い。この場合には、傷を付る量を異ならせることによって、多孔質体表面における微細な凹凸状態を、領域によって異ならせることができる。上記のような方法により、第１の水誘導部を形成する多孔質体において、ガス排出口近傍の表面粗さを、他の領域よりも粗くすれば良い。
【０１１６】
上記構成とは逆に、上記変形例２で説明したドライ運転状態で燃料電池を運転する場合には、第１の水誘導部を形成する親水性多孔質体において、ガス排出口近傍において、他の領域よりも表面の親水度を低くすることとすれば良い。第１の水誘導部のガス排出口近傍の親水度を相対的に低くするには、既述したように、第１の水誘導部をカーボン多孔質体により構成する場合には、親水化の処理時間を変更すればよい。あるいは、ガス排出口近傍の表面粗さを、他の領域よりも滑らかにしても良く、第１の水誘導部をカーボン多孔質体によって構成する場合には、例えば、酸処理の条件を領域によって異ならせればよい。また、第１の水誘導部を、金メッキを施した発砲チタンにより形成する場合には、メッキ処理を施す際の条件や方法を異ならせればよい。あるいは、第１の水誘導部を構成する多孔質体に対して、物理的に微細な傷を付ける際の付ける傷の量を異ならせることによって、表面粗さを滑らかにすれば良い。このような構成とすれば、第１の水誘導部のガス排出口近傍領域において、他の領域に比べて保水力が低下して、ガス排出口近傍へと液水が集まりにくくなり、単セル内酸化ガス流路からの排水を抑制することができる。そのため、特に、上記変形例２で説明したドライ運転状態で燃料電池を運転する場合には、燃料電池内の水分不足に起因する問題の発生を抑制することができる。
【０１１７】
Ｉ４．変形例４：
第１および第２実施例のように、単セル内酸化ガス流路となる空間の端部を流路閉塞部によって塞ぎ、ガス排出口近傍における酸化ガスの流れを、第１の水誘導部である多孔質体の内部に導く場合に、上記多孔質体のガス排出口側の端部の一部を、さらに閉塞させることとしても良い。図２０は、このような変形例５の燃料電池における単セル内酸化ガス流路端部の様子を、図３と同様に示す断面模式図である。図２０では、第１実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【０１１８】
図２０に示す燃料電池は、ガス排出口６８を構成する流路形成多孔質体２３の端部において、さらに、上記流路形成多孔質体２３端部の一部に、排出口狭窄部７６５を備えている。排出口狭窄部７６５は、流路形成多孔質体２３の端部の一部において、例えば、多孔質体内に形成される細孔にポリマを充填することによって形成することができる。充填するポリマとしては、例えばポリエチレンを用いることができ、１２０℃以上に加熱して溶解させたポリエチレンを、多孔質体表面から塗り込めば良い。あるいは、酸化ガス排出マニホールドを形成する孔部８４に沿って配置するシール部材で、流路形成多孔質体２３の端部の一部を覆うことによって、排出口狭窄部７６５を形成しても良い。このように、第１の水誘導部である多孔質体におけるガス排出口側の端部の断面の一部を塞ぐことで、酸化ガスが単セル内酸化ガス流路から排水される際の流路抵抗を、さらに高めることができる。したがって、多孔質体内の水をガス流れによって引っ張る力を強め、ガス流れを利用した排水性を、さらに高めることができる。
【０１１９】
Ｉ５．変形例５：
第１ないし第５実施例では、単セル内酸化ガス流路となる空間を形成するために、ガスセパレータや流路形成多孔質体、あるいは水誘導多孔質体の表面に、互いに略平行な複数の溝を設けたが、異なる形状の凹凸構造を設けても良い。ガス流路を形成する凹凸構造は、酸化ガス供給マニホールドと酸化ガス排出マニホールドとを連通させることができる形状であればよい。例えば、酸化ガスを直進させるのではなく、途中でガスの流れ方向を変更させる折れ曲がり部を有するガス流路を形成する形状としても良い。あるいは、ガスセパレータや流路形成多孔質体、あるいは水誘導多孔質体の表面に、所定の間隔を置いて配置する複数の突起を設け、突起の間に形成される空間によって、単セル内酸化ガス流路を形成しても良い。異なる形状であっても、単セル内酸化ガス流路の出口部において、第１の水誘導部と重なる形状であって流路抵抗が高くなる形状のガス排出口が形成されていれば、実施例と同様の効果が得られる。
【０１２０】
Ｉ６．変形例６：
第１ないし第５実施例では、ガスセパレータや流路形成多孔質体、あるいは水誘導多孔質体の表面に、複数の凸条および溝から成る凹凸形状を形成して、親水性多孔質体内の細孔以外に酸化ガスが流れる空間を確保している。このように、酸化ガスを導く空間を形成すると共に、ＭＥＡ２０とガスセパレータとの間の集電を確保するために、上記した凹凸形状の形成に代えて、エキスパンドメタルなどのスペーサを用いても良い。
【０１２１】
例えば第１実施例の流路形成多孔質体２３と同様に平坦な流路形成多孔質体と、第２実施例のガスセパレータ２２５と同様に底面が平坦な凹部を有するガスセパレータとを組み合わせ、これらの間に、１枚または複数枚のエキスパンドメタルなどのスペーサを配置することができる。このような構成とすれば、エキスパンドメタルのメッシュの形状や細かさ、あるいは配置するエキスパンドメタルの枚数などを適宜設定することにより、第１実施例と同様に、酸化ガス流路全体の圧損を抑える効果を得ることが可能になる。また、エキスパンドメタルなどのスペーサによって、ガスセパレータと電極との間の集電性を確保することができる。
【０１２２】
あるいは、第４実施例において、ガスセパレータ５２５の凹部５６１に嵌め込む水誘導多孔質体５２３に代えて、凸条５６４を有しない平板状の水誘導多孔質体を用い、この水誘導多孔質体とガス拡散層２２との間に、上記したエキスパンドメタルなどのスペーサを配置しても良い。この場合には、用いるエキスパンドメタルには、親水性を高める処理を施せば良く、例えば、金メッキを施したチタンによってエキスパンドメタルを形成すればよい。また、エキスパンドメタルのメッシュの細かさは、電極面全体から均等に水を伝えることができるように、充分に細かく設定することが望ましい。このような構成では、エキスパンドメタルなどのスペーサは、水を面方向に導く第１の水誘導部へと、電極から水を伝える第２の水誘導部として機能する。
【０１２３】
Ｉ７．変形例７：
第１ないし第５実施例では、水を面方向に連続して導く第１の水誘導部として、親水性多孔質体を用いたが、異なる構成としても良い。図２１は、親水性多孔質体とは異なる第１の水誘導部を備える燃料電池の構成の一例を示す分解斜視図である。図２１において、実施例の燃料電池と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
【０１２４】
図２１の燃料電池は、ガスセパレータ７２５を備えている。このガスセパレータ７２５は、図１０に示す第４実施例のガスセパレータ５２５と類似する構成を有しているが、底面が平坦な凹部５６１に代えて、底面全体に、孔部８３と孔部８４とを結ぶ互いに略平行な複数の溝７２３が形成された凹部７６１を備えている。また、この凹部７６１の底面と、ガス拡散層２２との間には、上記底面およびガス拡散層２２と接するように、既述した変形例５と同様の１枚または複数枚のエキスパンドメタル７６７が配置される。なお、図２１では、１枚のエキスパンドメタル７６７を配置する様子を示している。
【０１２５】
ここで、ガスセパレータ７２５は、その表面に対して、親水性を高める処理が施されている。例えば、ガスセパレータ７２５をチタンによって形成し、その表面を金メッキすればよい。ガスセパレータ７２５表面に形成された溝７２３は、水が存在する場合に、表面張力によって、溝に沿って連続的に水を保持可能な幅に形成されている。なお、ガスセパレータ７２５の表面に対する親水化処理は、溝７２３の表面に対してのみ行なっても良い。ただし、溝７２３以外の領域においては、導電性を損なうことなく耐食性を確保する必要がある。そのため、本実施例では、溝７２３においては親水性を高め、それ以外の領域においては導電性を損なうことなく耐食性を高めるために、ガスセパレータ７２５の表面全体に対して金メッキを施している。また、エキスパンドメタル７６７も、その表面に対して親水性を高める処理が施されており、例えば、エキスパンドメタル７６７をチタンによって形成し、その表面を金メッキすればよい。
【０１２６】
図２２は、このような変形例の燃料電池の単セル内酸化ガス流路の端部における酸化ガスおよび水の流れを、図３と同様に表わす断面模式図である。なお、図２２では、ガス拡散層２２とガスセパレータ７２５の間に配置されるエキスパンドメタル７６７の記載は省略している。このような燃料電池が発電する際には、カソードで生じた水は、エキスパンドメタル７６７の表面を伝って、ガスセパレータ７２５の凹部７６１側へと導かれる。そして、凹部７６１の底面に形成された溝７２３へと導かれ、溝７２３内に沿って広がる。単セル内酸化ガス流路の端部は、流路閉塞部５６５が配置されることによって、流路断面積が狭められ、ガスが流れる際の抵抗が大きくなる形状となっており、ガス排出口７６８として開口している。このガス排出口７６８は、溝７２３の端部と重なって開口しているため、溝７２３の端部近傍の表面において、流速が速められた酸化ガスの流れによって水が引っ張られて、酸化ガス流れと共にガス排出口７６８から水が排出される。
【０１２７】
このような燃料電池においては、ガスセパレータ７２５の表面に形成した複数の溝７２３は、水を面方向へと連続して導く第１の水誘導部として働く。また、エキスパンドメタル７６７は、電極で生じた水を、第１の水誘導部である溝７２３へと導く第２の水誘導部として働く。これにより、実施例と同様に、酸化ガスの流速を利用して単セル内酸化ガス流路から連続的に排水する同様の効果が得られる。
【０１２８】
なお、このような変形例６の構成に、第３実施例の変形例の構成を組み合わせても良い。すなわち、図２２の流路閉塞部５６５において、図９の流路閉塞部３６５に設けた水吸収材から成る開口調節部４６７を設け、ガス流路中の水分量に応じて、ガス排出口７６８の大きさを変更可能にしても良い。
【０１２９】
Ｉ８．変形例８：
電極の面方向に連続して水を導く第１の水誘導部を備える本発明の燃料電池において、単セル内酸化ガス流路へと酸化ガスが流入するガス流入口の少なくとも一部を覆う多孔質体をさらに設けることとしても良い。このような多孔質体を、第１の水誘導部との間で水が移動可能になるように配置すれば、この多孔質体内に酸化ガスを通過させることによって、単セル内酸化ガス流路へと流入する酸化ガスの加湿を行なうことが可能になる。
【０１３０】
このような燃料電池とする場合には、例えば、図１２に示した第５実施例の燃料電池が備える流路形成多孔質体６２３に設けた線状の凸部６６５と同様の線状の凸部を、流路形成多孔質体において、ガス供給側である孔部８３に近接する一辺に沿って設ければ良い。この場合には、ガスセパレータにおいては、図１２に示した第５実施例のガスセパレータ６２５の孔部８４に沿って設けた凹部６６６と同様の凹部を、孔部８３に沿って設ければ良い。
【０１３１】
図２３は、このような変形例の燃料電池の単セル内酸化ガス流路のガス流入側端部における酸化ガスおよび水の流れを、図３と同様に表わす断面模式図である。なお、図２３では、実施例と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。このような燃料電池が発電する際には、カソードで生じた水は、金メッキによって親水性が高められた発泡金属等から成る流路形成多孔質体８２３内の細孔表面に沿って電極の面方向に広がる。このように流路形成多孔質体８２３内で水が広がると、広がった水は、流路形成多孔質体８２３と一体で設けられ、孔部８３に近接する一辺に沿って設けた親水性を有する線状の凸部８６５にも導かれる。そのため、孔部８３が形成する酸化ガス供給マニホールドから単セル内酸化ガス流路へと酸化ガスが流入する際に、酸化ガスが凸部８６５内を通過する際には、凸部８６５内へと導かれた水によって酸化ガスを加湿することができる。
【０１３２】
図２３では、凸部８６５は、単セル内酸化ガス流路へと酸化ガスが流入するガス流入口全体を覆うこととしたが、溝６２によって形成される単セル内酸化ガス流路の端部の一部は、酸化ガス供給マニホールドに開放されていても良い。また、凸部８６５は、第１の水誘導部である流路形成多孔質体８２３と一体で形成することとしたが、別体で形成しても良く、第１の水誘導部との間で水が移動可能に接続されていればよい。なお、図２３では、図１２に示した第５実施例と同様の燃料電池が備える流路形成多孔質体に凸部８６５を設けたが、他の実施例において、第１の水誘導部から水を伝えられて、単セル内酸化ガス流路に流入する酸化ガスを加湿する同様の多孔質体を設けることとしても良い。
【０１３３】
Ｉ９．変形例９：
第１ないし第７実施例、および上記変形例１ないし９では、カソードとガスセパレータとの間で電極の面方向に水を導く第１の水誘導部を、電極全体を覆うように配置しているが、電極上の一部の領域だけを覆うように配置しても良い。例えば、図２１に示した変形例８の燃料電池において、第１の水誘導部としてガスセパレータ表面に形成した溝７２３を、電極が重なる範囲全体にわたって形成するのではなく、例えば、酸化ガス排出マニホールドを形成する孔部８４に近い半分の領域だけに形成することとしても良い。電極と重なる領域の少なくとも一部において、ガス排出口へと面方向に水を導く第１の水誘導部を設けるならば、電極から第１の水誘導部へと移動した水をガス流れを利用して排水することによる同様の効果を得ることができる。
【０１３４】
Ｉ１０．変形例１０：
実施例では、単セル内酸化ガス流路側において、電極で生じた水を面方向に導く第１の水誘導部を設けると共に、少なくとも一部が第１の水誘導部と重なって開口するガス排出口において、酸化ガスが流れる際の抵抗が大きくなる形状にして、第１の水誘導部からの連続的な排水を可能にしている。カソードは、電気化学反応に伴って水が生じるため、排水性を向上させることによる効果が大きいが、同様の構成を、単セル内酸化ガス流路側に代えて単セル内燃料ガス流路側に設けても良く、双方に設けても良い。少なくともいずれか一方の単セル内ガス流路において、このような構成を設けることで、設けた側のガス流路における排水性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす分解斜視図である。
【図２】図１における２−２断面を表わす断面模式図である。
【図３】酸化ガスおよび水の流れを表わす断面模式図である。
【図４】比較例の単セルを表わす断面模式図である。
【図５】燃料電池の発電性能を調べた結果を示す説明図である。
【図６】第２実施例の燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。
【図７】流路形成多孔質体２２３を表わす平面図である。
【図８】第３実施例の燃料電池を表わす断面模式図である。
【図９】第３実施例の変形例の燃料電池を表わす断面模式図である。
【図１０】第４実施例の燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。
【図１１】第４実施例の燃料電池を表わす断面模式図である。
【図１２】第５実施例の燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。
【図１３】第５実施例の燃料電池の構成を表わす断面模式図である。
【図１４】第５実施例の変形例の構成を表わす分解斜視図である。
【図１５】第５実施例の変形例の構成を表わす断面模式図である。
【図１６】水誘導多孔質体６３３を表わす平面図である。
【図１７】第６実施例の燃料電池の構成を表わす断面模式図である。
【図１８】燃料電池の発電性能を調べた結果を示す説明図である。
【図１９】燃料電池システム４０の概略構成を表わすブロック図である。
【図２０】変形例５の燃料電池の構成を表わす断面模式図である。
【図２１】変形例の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図２２】変形例の燃料電池を表わす断面模式図である。
【図２３】変形例の燃料電池を表わす断面模式図である。
【符号の説明】
【０１３６】
１０…単セル
２０…ＭＥＡ
２１，２２…ガス拡散層
２３，２２３，６２３…流路形成多孔質体
２５，１２５，２２５，３２５，４２５，５２５，６２５，７２５…ガスセパレータ
４０…燃料電池システム
４１…
４２…燃料電池
４３…ブロワ
４４〜４６…バルブ
４７…制御部
５０〜５６…酸化ガス流路
６２，６３，１６２，２６２，５６２，６６２…溝
６５，２６５，３６５，５６５…流路閉塞部
６６…シール部
６８，１６８，３６８，４６８，５６８，６６８，７６８…ガス排出口
８３〜８６…孔部
２６１，５６１，７６１…凹部
２６４，５６４，６６４…凸条
２６６…平坦領域
４６７…開口調節部
５２３，６３３…水誘導多孔質体
５６６…平坦領域
６６５，６３５…線状凸部
６６６…凹部
７２３…溝
７６５…排出口狭窄部
７６７…エキスパンドメタル
８２３…流路形成多孔質体
８６５…凸部
【図１】
2008166260.tif 000003
【図２】
2008166260.tif 000004
【図３】
2008166260.tif 000005
【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】
2008166260.tif 000010
【図９】
2008166260.tif 000011
【図１０】
2008166260.tif 000012
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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