(57)【要約】 【課題】  燃料電池システムにおいて、燃料電池セル内部における水の量のばらつきを抑制する技術を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池システムである。この燃料電池システムは、電解質と、触媒層を有するとともに触媒層が電解質に接合された第１と第２の電極と、第１の電極に接合されたセパレータとを有する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部とを備える。燃料電池は、反応ガスを電解質に比較的に近い位置で供給可能な電解質側ガス供給路と、反応ガスをセパレータに比較的に近い位置で供給可能なセパレータ側ガス供給路と、を有する。燃料電池システムは、電解質側ガス供給路の入り口に供給する反応ガスの湿度よりも低い湿度を有する反応ガスを、セパレータ側ガス供給路の入り口に供給するように構成されていることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質と、触媒層を有するとともに前記触媒層が前記電解質に接合された第１と第２の電極と、前記第１の電極に接合されたセパレータとを有する燃料電池と、
前記第１の電極に第１種の反応ガスを供給するとともに、前記第２の電極に第２種の反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を備え、
前記第１の電極は、前記第１種の反応ガスを前記電解質に比較的に近い位置で供給可能な電解質側ガス供給路と、前記第１種の反応ガスを前記セパレータに比較的に近い位置で供給可能なセパレータ側ガス供給路と、を有するように構成されており、
前記燃料電池システムは、前記電解質側ガス供給路の入り口に供給される前記第１種の反応ガスの湿度よりも低い湿度を有する第１種の反応ガスを、前記セパレータ側ガス供給路の入り口に供給するように構成されていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記電解質は、イオン交換膜である、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の電極は、酸素極側の電極である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１の電極は、前記電解質に接合される側のガス拡散層と、前記セパレータに接合される側の排水層とを有する多層構造を有し、
前記電解質側ガス供給路は、前記ガス拡散層に接しており、
前記セパレータ側ガス供給路は、前記排水層に接している、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記排水層は、前記ガス拡散層よりも大きな通気抵抗を有する材料で構成されている、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記排水層は、前記ガス拡散層よりも小さい気孔率を有する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記排水層は、前記ガス拡散層よりも小さい気孔径を有する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記排水層は、前記ガス拡散層よりも高い密度を有する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項４ないし８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記排水層は、前記ガス拡散層よりも高い親水性を有する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記排水層は、ナフィオンが充填されている層である、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記排水層は、少なくとも前記セパレータ側ガス供給路に接する表面に前記ガス拡散層よりも高い親水性を有する親水性膜を有する、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池システムであって、
前記親水性膜は、導電性を有する、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電解質側ガス供給路は、前記セパレータ側ガス供給路の下流側に直列に接続されている、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池システムであって、
前記セパレータ側ガス供給路は、前記電解質側ガス供給路の比較的に上流側の流路よりも比較的に下流側の流路に近い位置に配置されている、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１３記載の燃料電池システムであって、
前記セパレータ側ガス供給路の比較的に上流側の流路は、前記電解質側ガス供給路の比較的に上流側の流路よりも比較的に下流側の流路に近い位置に配置されている、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記セパレータ側ガス供給路は、前記電解質に垂直な方向から見て、前記電解質側ガス供給路に対して重なる領域よりも、前記電解質側ガス供給路に対して重ならない領域の方が広くなるように配置されている、燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記セパレータは、前記燃料電池を冷却するための冷却水流路を備え、
前記冷却水流路は、前記第１の電極に対して圧縮方向の弾性荷重を印加するための弾性体を備える、燃料電池システム。
【請求項１８】
燃料電池であって、
電解質と、
触媒層を有するとともに前記触媒層が前記電解質に接合された第１と第２の電極と、
前記第１の電極に接合されたセパレータと、
を備え
前記第１の電極は、前記電解質に接合される側のガス拡散層と、前記セパレータに接合される側の排水層とを有する多層構造を有し、
前記ガス拡散層は、前記電解質と前記ガス拡散層とに接するように構成された電解質側ガス供給路を有し、
前記排水層と前記セパレータの少なくとも一方は、前記セパレータと前記排水層とに接するように構成されたセパレータ側ガス供給路を有していることを特徴とする、燃料電池。
【請求項１９】
電解質に接合されるための燃料電池用の電極であって、
前記電解質に接合するための層であって、前記電解質に比較的に近い位置で反応ガスを供給可能な第１のガス供給路を形成するガス拡散層と、
前記ガス拡散層に接合するための層であって、前記電解質から比較的に遠い位置で反応ガスを供給可能な第２のガス供給路を形成する排水層と、
を備えるように構成されていることを特徴とする、燃料電池用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換膜を使用する燃料電池システムでは、燃料電池セル全体において適切な水管理が求められる。これは、イオン交換膜中の含水率が過度に小さくなると膜抵抗が大きくなる一方、過度に濡れると反応ガスの供給が困難となって電極反応が阻害されるからである。このような課題に対して、効果的に適切な水管理を行うための技術も開示されている。たとえば、特許文献１に開示されるようなガス拡散層を緻密な内側層と撥水性が高い外側層とで構成することによって排水性を向上させる方法や、特許文献２に開示されるような反応ガスの通路とは別個に水を供給するための流路を設ける方法である。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１８２６２５号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５８５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、これらの方法では、燃料電池の構成が過度に複雑となるという問題や、給水と排水の両立が困難であるという問題があるため、課題の根本的な解決とはならなかった。さらに、このような問題は、イオン交換膜を使用する燃料電池システムに限られず、多孔質材料を用いて反応ガス通路からの排水を行う燃料電池において生じ得る。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池セル内部における水の量のばらつきを抑制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】
本発明は、燃料電池システムであって、
電解質と、触媒層を有するとともに前記触媒層が前記電解質に接合された第１と第２の電極と、前記第１の電極に接合されたセパレータとを有する燃料電池と、
前記第１の電極に第１種の反応ガスを供給するとともに、前記第２の電極に第２種の反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を備え、
前記第１の電極は、前記第１種の反応ガスを前記電解質に比較的に近い位置で供給可能な電解質側ガス供給路と、前記第１種の反応ガスを前記セパレータに比較的に近い位置で供給可能なセパレータ側ガス供給路と、を有するように構成されており、
前記燃料電池システムは、前記電解質側ガス供給路の入り口に供給される前記第１種の反応ガスの湿度よりも低い湿度を有する第１種の反応ガスを、前記セパレータ側ガス供給路の入り口に供給するように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、電解質に比較的に近い位置に比較的に湿度の高い反応ガスを供給するとともに、セパレータに比較的に近い位置に比較的に湿度の低いガスを供給することができるので、電解質に接する触媒層を湿度の高い反応ガスで適切に加湿するとともに、触媒層で過剰に発生した水を湿度の低い反応ガスで安定して排水することができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、前記電解質は、イオン交換膜であるようにしても良い。電解質としてイオン交換膜を使用する燃料電池は水管理の適否によって大きく性能が変動するため顕著な効果を奏する。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、前記第１の電極は、酸素極側の電極であるように構成しても良い。酸素極において過剰な水が発生し易いため、本発明は、このような構成において顕著な効果を奏することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、前記第１の電極は、前記電解質に接合される側のガス拡散層と、前記セパレータに接合される側の排水層とを有する多層構造を有し、
前記電解質側ガス供給路は、前記ガス拡散層に接しており、
前記セパレータ側ガス供給路は、前記排水層に接するように構成しても良い。
【００１１】
このように電極を多層構造にすれば、電解質側の層をガスと水の供給に適切な材料を使用して構成するとともに、セパレータ側の層を排水に適切な材料を使用して構成することができる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水層は、前記ガス拡散層よりも大きな通気抵抗を有する材料を用いて構成するようにしても良い。こうすれば、ガス拡散層においては反応ガスを電解質側の層に円滑に供給することができるとともに、電解質側からセパレータ側への反応ガスの漏れを抑制することができるので、反応ガスを効率的に電解質に供給することができる。
【００１３】
通気抵抗を大きくする方法には、排水層がガス拡散層よりも小さい気孔率を有するように構成する方法や、排水層がガス拡散層よりも小さい気孔径を有するように構成する方法と、排水層２５５の密度をガス拡散層の密度よりも高くする方法がある。なお、気孔径は、たとえば水銀圧入法で計測することができ、一方、気孔率は、たとえば超音波計測や密度計測によって計測することができる。
【００１４】
なお、燃料電池システムの運転中においては、比較的に密度が高い排水層や、気孔率や気孔径が小さい排水層は、水を含むことによって反応ガスを極めて通過させにくい状態となるので、反応ガスをガス拡散層側に効果的に閉じこめることもできる。
【００１５】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水層が前記ガス拡散層よりも高い親水性を有するようにしても良い。こうすれば、さらに排水層における水移動を促進して、電解質側ガス供給路におけるフラッディングを抑制することができるとともに、露点温度の上昇によって電解質側ガス供給路の入り口部の過乾燥を抑制することもできる。
【００１６】
ここで、排水層がガス拡散層よりも高い親水性を有するようにする方法としては、たとえば前記排水層は、ナフィオンが充填されている層であるように構成する方法や、前記排水層が少なくとも前記セパレータ側ガス供給路に接する表面に前記ガス拡散層よりも高い親水性を有する親水性膜を有するように構成する方法がある。
【００１７】
なお、前記親水性膜が導電性を有するようにしても良い。こうすれば、電極における抵抗損失を小さくすることができる。
【００１８】
上記燃料電池システムにおいて、前記電解質側ガス供給路は、前記セパレータ側ガス供給路の下流側に直列に接続するようにしても良い。
【００１９】
こうすれば、上流側のセパレータ側ガス供給路において、過度に水が生成された領域で排水された水を反応ガスに吸収させるとともに、この吸収された水を下流側の電解質側ガス供給路で電解質に適切に供給することができる。これにより、電解質に比較的に近い位置に比較的に湿度が高い反応ガスを供給するとともに、セパレータに比較的に近い位置に比較的に湿度が低い反応ガスを供給するという構成を簡易に実現することができるという利点がある。
【００２０】
上記燃料電池システムにおいて、前記セパレータ側ガス供給路は、前記電解質側ガス供給路の比較的に上流側の流路よりも比較的に下流側の流路に近い位置に配置されるように構成しても良い。
【００２１】
電解質側ガス供給路の上流側では水が不足するとともに下流側の流路において過剰な水が発生しやすいという傾向があるので、このような構成とすれば過剰な水が発生しやすい領域で比較的に強力に排水することができる。このような効率的な給排水を実現する他の構成としては、たとえばセパレータ側ガス供給路の比較的に上流側の流路を、電解質側ガス供給路の比較的に上流側の流路よりも比較的に下流側の流路に近い位置に配置されるような構成がある。
【００２２】
具体的には、たとえば対向流となるような構成がこれに含まれる。対向流となるような構成としては、セパレータ側ガス供給路と電解質側ガス供給路とを平行に配列するとともに反応ガスの流れる方向を逆にするような構成がある。
【００２３】
上記燃料電池システムにおいて、前記セパレータ側ガス供給路は、前記電解質に垂直な方向から見て、前記電解質側ガス供給路に対して重なる領域よりも、前記電解質側ガス供給路に対して重ならない領域の方が広くなるように配置するようにしても良い。
【００２４】
こうすれば、セパレータ側ガス供給路が電解質側ガス供給路に対して重なる領域が少なくなるので、電解質で過剰に発生した水を双方のガス供給路を用いて効率的に排水することができる。
【００２５】
上記燃料電池システムにおいて、前記セパレータは、前記燃料電池を冷却するための冷却水流路を備え、
前記冷却水流路は、前記第１の電極に対して圧縮方向の弾性荷重を印加するための弾性体を備えるようにしても良い。
【００２６】
こうすれば、電解質や電極、セパレータといった燃料電池の構成部品の形状における製造誤差を吸収して電極を電解質の両側に均等に圧力をかけて接合させることができる。
【００２７】
本発明は、上述の燃料電池システムの他、燃料電池や燃料電池用電極の発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．変形例：
【００２９】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給系統３０と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを循環させる水素ガス循環系統２０と、水素ガス循環系統２０に水素ガスを供給する水素ガス供給系統４０と、制御部５０とを備えている。制御部５０は、空気供給系統３０、水素ガス供給系統４０、および水素ガス循環系統２０を制御する。
【００３０】
燃料電池１０は、燃料電池セル２００を複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池セル２００の各々は、燃料電池内空気流路３５と燃料電池内水素流路２５とを内部に備える。
【００３１】
空気供給系統３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統３０は、外気を吸入するブロワ３１と、吸入された空気を加湿する加湿器３９と、この加湿された空気を燃料電池内空気流路３５に供給する加湿空気供給配管３４と、燃料電池内空気流路３５から排気するための排気管３６とを備える。
【００３２】
水素ガス循環系統２０は、水素ガス循環系統２０の内部に水素ガスを循環させるための循環ポンプ２８と、循環ポンプ２８から吐出された水素ガスを燃料電池内水素流路２５に供給する水素ガス供給配管２４と、燃料電池内水素流路２５から水を含んだ水素ガスを気液分離部２９に供給する排ガス配管２６と、水と水素ガスを分離して循環ポンプ２８に水素ガスを供給する気液分離部２９とを備える。
【００３３】
水素ガス供給系統４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク４２と、水素ガス循環系統２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ４１とを備える。なお、空気と水素ガスは、それぞれ特許請求の範囲における「第１種の反応ガス」と「第２種の反応ガス」に相当する。
【００３４】
図２は、燃料電池セル２００の内部構造を示す斜視図である。燃料電池セル２００は、イオン交換膜と触媒層とから構成されたＭＥＡ（メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ）２３０と、ＭＥＡ２３０を挟むように配置された水素極２４０および酸素極２５０と、水素極２４０の外側に配置された平板セパレータ２６０と、酸素極２５０の外側に配置された冷媒流路部２７０とを備えている。
【００３５】
水素極２４０は、ＭＥＡ２３０に水素ガスを供給可能なガス拡散層として構成されている。水素極２４０には、溝部２４２が形成されている。溝部２４２は、平板セパレータ２６０に接合されることによって燃料電池内水素流路２５を形成する。
【００３６】
燃料電池内水素流路２５は、孔部２５Ｈｉｎを経由して水素ガス供給配管２４（図１）に接続されているとともに、孔部２５Ｈｏｕｔを経由して排ガス配管２６に接続されている。このような接続によって、燃料電池内水素流路２５は、水素ガス供給配管２４から供給された水素ガスを吸入するとともに排ガス配管２６から排出することができる。
【００３７】
酸素極２５０は、ＭＥＡ２３０に空気中に含まれる酸素ガスを供給可能なガス拡散層２５１と、ＭＥＡ２３０で過剰に発生した水を排水するための排水層２５５とを備えている。ガス拡散層２５１には、溝部２５２が形成されている。溝部２５２は、排水層２５５に接合されることによってＭＥＡ側ガス供給路２５３を構成している。一方、排水層２５５には、溝部２５６が形成されている。溝部２５６は、冷媒流路部２７０に接合されることによってセパレータ側ガス供給路２５７を構成している。なお、本実施例では、ＭＥＡ側ガス供給路は、特許請求の範囲における「電解質側ガス供給路」に相当する。
【００３８】
セパレータ側ガス供給路２５７は、孔部２５７Ａｉｎを経由して加湿空気供給配管３４に接続されているとともに、孔部２５７Ａｏｕｔと孔部２５２Ａｉｎとを経由してＭＥＡ側ガス供給路２５３に接続されている。このような接続によって、セパレータ側ガス供給路２５７は、加湿空気供給配管３４から供給された加湿空気をＭＥＡ側ガス供給路２５３に供給することができる。
【００３９】
ＭＥＡ側ガス供給路２５３は、前述のように、孔部２５７Ａｏｕｔと孔部２５２Ａｉｎとを経由してセパレータ側ガス供給路２５７に接続されているとともに、孔部２５２Ａｏｕｔを経由して排気管３６に接続されている。このような接続によって、ＭＥＡ側ガス供給路２５３は、セパレータ側ガス供給路２５７から供給された加湿空気を排気管３６から排出することができる。
【００４０】
このように、本実施例では、ＭＥＡ側ガス供給路２５３は、セパレータ側ガス供給路２５７の下流側に直列に接続して燃料電池内空気流路３５（図１）を構成している。このように直列に接続されているのは、上流側のセパレータ側ガス供給路２５７において、過度に水が生成された領域で排水された水を反応ガスに吸収させるとともに、この吸収した水を下流側のＭＥＡ側ガス供給路２５３でＭＥＡに効率的に供給することができるからである。
【００４１】
冷媒流路部２７０は、２枚の平板セパレータ２７１、２７２と、２枚の平板セパレータ２７１、２７２に挟まれた予圧プレート２７３とを備えている。冷媒流路部２７０は、２枚の平板セパレータ２７１、２７２の間に挟まれた空間に冷却水を流すことによって燃料電池セル２００を冷却することができる。予圧プレート２７３は、ＭＥＡ２３０や水素極２４０、酸素極２５０、冷媒流路部２７０といった燃料電池セル２００の構成部品の形状誤差によって局所的に生じた荷重を分散することによって、これらの構成部品に均等な荷重を印加して各構成部品を接合するために装備されたものである。
【００４２】
なお、酸素極２５０と水素極２４０は、それぞれ特許請求の範囲における「第１の電極のガス拡散層と排水層」と「第２の電極のガス拡散層」とに相当する。また、冷媒流路部２７０と予圧プレート２７３は、特許請求の範囲における「セパレータ」と「弾性体」とに相当する。
【００４３】
図３は、燃料電池セル２００内部における空気の流れを示す説明図である。図３（ａ）は、燃料電池セル２００を所定の方向（Ａ視）（図２）から見た図であり、反応ガスとしての空気の流れを概念的に示している。図３（ｂ）は、燃料電池セル２００を所定の方向（Ｂ視）（図２）から見た断面図である。
【００４４】
図３（ａ）（ｂ）から分かるように、セパレータ側ガス供給路２５７は、ＭＥＡ側ガス供給路２５３の比較的に下流側の流路に近い位置に配置されている。このような接続とされているのは、ＭＥＡ側ガス供給路の上流側では水が不足するとともに下流側の流路において過剰な水が発生しやすいという傾向があるので、この過剰に発生した水を効率的に排出するためである。
【００４５】
このように、本実施例では、ＭＥＡ側ガス供給路２５３がセパレータ側ガス供給路２５７の下流側に直列に接続されているとともに、セパレータ側ガス供給路２５７がＭＥＡ側ガス供給路２５３の比較的に下流側の流路に近い位置に配置されているので、ＭＥＡを適切に加湿することができるとともに、過剰に発生した水を安定して排水することができる。
【００４６】
なお、排水層２５５は、ガス拡散層２５１よりも大きな通気抵抗を有するように構成することが好ましい。こうすれば、ガス拡散層においては反応ガスをＭＥＡ側の層に円滑に供給することができるとともに、ＭＥＡ側からセパレータ側への反応ガスの漏れを抑制することができるので、反応ガスを効率的にＭＥＡに供給することができるという利点があるからである。
【００４７】
通気抵抗を大きくする方法には、排水層２５５がガス拡散層２５１よりも小さい気孔率を有するように構成する方法や、排水層２５５がガス拡散層２５１よりも小さい気孔径を有するように構成する方法、排水層２５５の密度をガス拡散層２５１の密度よりも高くするといった種々の方法がある。なお、気孔径は、たとえば水銀圧入法で計測することができ、一方、気孔率は、たとえば超音波計測や密度計測によって計測することができる。
【００４８】
また、燃料電池システムの運転中においては、比較的に密度の高い排水層は、水を含むことによって反応ガスを極めて通過させにくい状態となるので、反応ガスをガス拡散層側に効果的に閉じこめることもできる。
【００４９】
Ｂ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００５０】
Ｂ−１．上記実施例では、セパレータ側ガス供給路２５７は、ＭＥＡ側ガス供給路２５３の比較的に下流側の流路に近い位置に配置されているが、適切な給水と排水を実現することができるような効率的な給排水を実現する他の構成としては、たとえばセパレータ側ガス供給路２５７の比較的に上流側の流路を、ＭＥＡ側ガス供給路２５３の比較的に上流側の流路よりも比較的に下流側の流路に近い位置に配置されるような構成がある。具体的には、たとえば対向流となるような構成がこれに含まれる。対向流となるような構成としては、セパレータ側ガス供給路２５７とＭＥＡ側ガス供給路２５３とを平行に配列するとともに反応ガスの流れる方向を逆にするような構成がある。
【００５１】
Ｂ−２．上記実施例では、セパレータ側ガス供給路２５７がＭＥＡ側ガス供給路２５３の下流部にのみ配置されているが、第１変形例（図４（ａ））に示されるように、ＭＥＡ側ガス供給路２５３の全面にセパレータ側ガス供給路２５７ａが配置されるように構成しても良い。
【００５２】
Ｂ−３．上記実施例では、セパレータ側ガス供給路２５７は、ＭＥＡ側ガス供給路２５３に対してＭＥＡに垂直な方向から見て垂直な方向に配置されているが、たとえば両者を平行に配置するように構成しても良い。
【００５３】
ただし、この場合には、第２変形例（図４（ｂ））に示されるように、ＭＥＡ２３０に垂直な方向から見て、排水層２５５の溝部をガス拡散層２５１の山部に近づけるように構成することが好ましい。一般に、セパレータ側ガス供給路２５７を、ＭＥＡ側ガス供給路２５３ａに対して重なる領域よりも、ＭＥＡ側ガス供給路２５３ａに対して重ならない領域の方が広くなるように配置するようにすることが好ましい。こうすれば、セパレータ側ガス供給路２５７がＭＥＡ側ガス供給路２５３ａに対して重なる領域が少なくなるので、ＭＥＡ２３０で過剰に発生した水を双方のガス供給路を用いて効率的に排水することができるからである。なお、所定の方向（Ａ視）は、特許請求の範囲における「ＭＥＡに垂直な方向」に相当する。
【００５４】
Ｂ−４．排水層は、ガス拡散層よりも高い親水性を有するように構成するようにしても良い。こうすれば、さらに排水層における水移動を促進して、ＭＥＡ側ガス供給路におけるフラッディングを抑制することができるとともに、露点温度の上昇によってＭＥＡ側ガス供給路の入り口部の過乾燥を抑制することもできるからである。
【００５５】
ここで、排水層がガス拡散層よりも高い親水性を有するように構成する方法としては、たとえば排水層にナフィオンを充填する方法と、第３変形例（図５）に示されるように、排水層のＭＥＡ側ガス供給路側の表面にガス拡散層よりも高い親水性を有する親水性フィルム２５５ｆを装備する方法とがある。親水性フィルムを装備する方法は、さらにセパレータ側ガス供給路からＭＥＡ側ガス供給路側への反応ガスの短絡を抑制することができるという利点をも有する。
【００５６】
Ｂ−５．上記実施例では、酸素極は、ガス拡散層と排水層とを有する多層構造として構成されているが、たとえば単層構造として構成しても良いし、３層以上の構造として構成しても良い。ただし、酸素極を多層構造にすれば、ＭＥＡ側の層をガスと水の供給に適切な材料を使用して構成するとともに、セパレータ側の層を排水に適切な材料を使用して構成することができるという利点がある。
【００５７】
Ｂ−６．上記実施例では、ＭＥＡ側ガス供給路とセパレータ側ガス供給路とを酸素極側に有するように燃料電池が構成されているが、水素極側に有するように燃料電池を構成するようにしても良い。ただし、酸素極において過剰な水が発生し易いため、本発明は、ＭＥＡ側ガス供給路とセパレータ側ガス供給路とを酸素極側に有するような構成において顕著な効果を奏することができる。
【００５８】
Ｂ−７．上記実施例では、電極が溝を有することによってＭＥＡ側ガス供給路とセパレータ側ガス供給路とが形成されているが、たとえばセパレータ側に溝を設けてセパレータ側ガス供給路を形成するように構成しても良い。本発明では、電極に限られず、燃料電池がＭＥＡに比較的に近い位置で反応ガスを供給可能なＭＥＡ側ガス供給路と、セパレータに比較的に近い位置で反応ガスを供給可能なセパレータ側ガス供給路とを有するように構成されていれば良い。
【００５９】
Ｂ−８．上記実施例では、ＭＥＡ側ガス供給路２５３がセパレータ側ガス供給路２５７の下流側に直列に接続されているが、ＭＥＡ側ガス供給路２５３とセパレータ側ガス供給路２５７とを接続せずに独立して加湿空気が供給されるように構成しても良い。
【００６０】
具体的には、たとえば加湿器３９が湿度の独立した２つの系統で加湿空気を供給するとともに、それぞれを加湿空気供給配管３４と追加の加湿空気供給配管（図示せず）とを用いてセパレータ側ガス供給路２５７とＭＥＡ側ガス供給路２５３とに供給するように構成しても良い。この場合には、加湿器３９、加湿空気供給配管３４、および追加の加湿空気供給配管（図示せず）が特許請求の範囲における「反応ガス供給部」に相当する。
【００６１】
このように、ＭＥＡ側ガス供給路２５３とセパレータ側ガス供給路２５７とを接続せずに独立して加湿空気を供給する構成には、きめ細かな制御を実現することができるという利点がある。ＭＥＡ側ガス供給路２５３とセパレータ側ガス供給路２５７に供給される加湿空気の湿度と流量を独立して制御することができるからである。
【００６２】
一方、上記実施例のように直列に接続する構成は、ＭＥＡ２３０に比較的に近い位置に比較的に湿度が高い反応ガスを供給するとともに、セパレータに比較的に近い位置に比較的に湿度が低い反応ガスを供給するという構成を簡易に実現することができるという利点がある。この構成は、上流側のセパレータ側ガス供給路２５７において、過度に水が生成された領域で排水された水を反応ガスが吸収させるとともに、この吸収した水を下流側のＭＥＡ側ガス供給路２５３でＭＥＡに適切に供給することができるからである。なお、この場合には、加湿器３９、加湿空気供給配管３４、およびセパレータ側ガス供給路２５７が特許請求の範囲における「反応ガス供給部」に相当する。
【００６３】
Ｂ−９．上記実施例では、ＭＥＡはイオン交換膜として陽イオン交換膜（プロトン交換膜）を使用しているが、本発明は、イオン交換膜を使用する燃料電池に広く適用可能であり、顕著な効果を奏する。イオン交換膜には、たとえば炭化水素系イオン交換膜やフッ素系イオン交換膜がある。また、本発明は、イオン交換膜を使用する燃料電池に限られず、他の電解質を使用する燃料電離に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例における燃料電池セル２００の内部構造を示す斜視図。
【図３】本発明の実施例の燃料電池セル２００内部における空気の流れを示す説明図。
【図４】本発明の変形例における燃料電池セル２００ａ、２００ｂの内部構造を示す斜視図。
【図５】本発明の変形例における燃料電池セル２００ｃの内部構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００６５】
１０…燃料電池
２０…水素ガス循環系統
２４…水素ガス供給配管
２５…燃料電池内水素流路
２６…排ガス配管
２８…循環ポンプ
２９…気液分離部
３０…空気供給系統
３１…ブロワ
３４…加湿空気供給配管
３５…燃料電池内空気流路
３６…排気管
３９…加湿器
４０…水素ガス供給系統
４１…水素バルブ
４２…水素タンク
５０…制御部
１００…燃料電池システム
２００、２００ａ、２００ｂ…燃料電池セル
２３０…ＭＥＡ
２４０…水素極
２４２、２５２、２５６…溝部
２５０…酸素極
２５１…ガス拡散層
２５Ｈｉｎ、２５２Ａｉｎ、２５Ｈｏｕｔ、２５２Ａｏｕｔ…孔部
２５３、２５３ａ…ＭＥＡ側ガス供給路
２５５…排水層
２５７、２５７ａ…セパレータ側ガス供給路
２５７Ａｉｎ…孔部
２５７Ａｏｕｔ…孔部
２６０…平板セパレータ
２７０…冷媒流路部
２７１、２７２…平板セパレータ
２７３…予圧プレート
【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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