(57)【要約】【課題】、燃料電池において、発電時に生成された生成水を、燃料電池の外部に効果的に排出する。【解決手段】電解質膜４６の一方の面に、カソード側触媒層４７ｃと、カソード側ガス拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒層４７ａと、アノード側ガス拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体を有する燃料電池において、カソード側触媒層４７ｃの内部に、生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブ４５７を埋め込む。この排水チューブ４５７は、配管を通じて排水ポンプに接続されており、この排水ポンプによって、排水チューブ４５７内を減圧し、カソード側触媒層４７ｃから生成水を排水チューブ４５７内に吸引して、膜電極接合体の外部に排出する。【選択図】図３
2007294339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を有し、前記アノードに供給される水素と前記カソードに供給される酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、
前記アノードとして、前記電解質膜の一方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのアノード側触媒層を備え、
前記カソードとして、前記電解質膜の他方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのカソード側触媒層を備え、
前記燃料電池は、
前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方から、前記電気化学反応によって生成された生成水を、前記膜電極接合体の外部に排出するための排水流路と、
該排水流路内を減圧する減圧部と、
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、
前記排水流路は、前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方の側面に接続されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記電解質膜と前記アノード側触媒層との界面、および、前記電解質膜と前記カソード側触媒層との界面の少なくとも一方に配置されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方の内部に配置されている、
燃料電池。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池であって、
前記排水チューブの側壁の内側の表面、および、外側の表面の少なくとも一方は、親水性を有している、
燃料電池。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
所定の冷却媒体が流れる冷却チューブを前記排水チューブの内部に備える、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有しており、
前記膜電極接合体の外部に形成され、前記スタック構造の積層方向に前記酸素を含む酸化剤ガスを流すとともに、該酸化剤ガスを前記複数の膜電極接合体のそれぞれのカソードに分配して供給するための酸化剤ガスマニホールドを備え、
前記排水流路は、前記カソード側触媒層から前記酸素マニホールドに連通するように形成されている、
燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有しており、
前記膜電極接合体の外部に形成され、前記スタック構造の積層方向に前記水素を流すとともに、該水素を前記複数の膜電極接合体のそれぞれのアノードに分配して供給するための水素マニホールドを備え、
前記排水流路は、前記アノード側触媒層から前記水素マニホールドに連通するように形成されている、
燃料電池。
【請求項９】
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を有し、前記アノードに供給される水素と前記カソードに供給される酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記膜電極接合体は、
前記アノードとして、前記電解質膜の一方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのアノード側触媒層を備え、
前記カソードとして、前記電解質膜の他方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのカソード側触媒層を備え、
前記燃料電池は、
前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方から、前記電気化学反応によって生成された生成水を、前記膜電極接合体の外部に排出するための排水流路を備え、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記排水流路内を減圧する減圧ポンプを備える、
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、さらに、
前記減圧ポンプの出力を制御するポンプ制御部を備え、
該ポンプ制御部は、前記生成水の生成量に関連するパラメータに基づいて、前記減圧ポンプの出力を制御する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の燃料電池システムであって、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記電解質膜と前記アノード側触媒層との界面、および、前記電解質膜と前記カソード側触媒層との界面の少なくとも一方に配置されている、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項９または１０記載の燃料電池システムであって、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方の内部に配置されている、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の燃料電池システムであって、
前記排水チューブの側壁の内側の表面、および、外側の表面の少なくとも一方は、親水性を有している、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１ないし１３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
所定の冷却媒体が流れる冷却チューブを前記排水チューブの内部に備える、
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記冷却チューブに接続され、該冷却チューブに前記冷却媒体を循環させるための循環配管と、
該循環配管上に配設され、前記冷却媒体を冷却する冷却装置と、
前記循環配管上に配設され、前記冷却媒体を循環させる循環ポンプと、
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】
本発明は、燃料電池、および、燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）、および、カソード（酸素極）を接合した膜電極接合体を有しており、アノード、および、カソードには、反応ガスとしての水素、および、酸素がそれぞれ供給される。そして、燃料電池のカソードでは、発電時にカソード反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、一般に、カソード反応で消費されずに燃料電池の外部に排出されるカソードオフガスとともに排出される。また、生成水は、カソード側から電解質膜を透過してアノード側に染み出す場合があり、この場合、アノード側に染み出した生成水は、アノード反応で消費されずに燃料電池の外部に排出されるアノードオフガスとともに排出される。
【０００３】
ところで、生成水が燃料電池の電解質膜近傍で過剰になると、いわゆるフラッディングが発生し、反応ガスの拡散、および、供給が、過剰な生成水によって阻害され、燃料電池の発電性能が低下する。そこで、フラッディングを抑制するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、電解質膜の両面に少なくとも触媒層、ガス拡散層、および、導電性ガスセパレータを備える燃料電池において、電解質膜と触媒層間の少なくとも一部に、空隙を有するプロトン導電性の中間介在層を備えるようにし、この中間介在層の外周に形成される外周間隙部へ水分を排出する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献に記載された技術では、中間介在層によって生成水の流路を確保することはできる。しかし、生成水の排出は、依然として、カソードオフガス、または、アノードオフガスの流れによって行われており、生成水を効率的に排出することはできなかった。つまり、生成水の排出について改善の余地があった。
【０００６】
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、および、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、発電時に生成された生成水を、燃料電池の外部に効果的に排出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を有し、前記アノードに供給される水素と前記カソードに供給される酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、
前記アノードとして、前記電解質膜の一方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのアノード側触媒層を備え、
前記カソードとして、前記電解質膜の他方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのカソード側触媒層を備え、
前記燃料電池は、
前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方から、前記電気化学反応によって生成された生成水を、前記膜電極接合体の外部に排出するための排水流路と、
該排水流路内を減圧する減圧部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
生成水は、電解質膜とカソード側触媒層との界面で生成される。そして、この生成水は、カソード側触媒層から電解質膜を透過してアノード側触媒層に染み出す場合もある。本発明では、減圧部によって排水流路を減圧することができるので、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層の少なくとも一方に存在する生成水を、排水流路を介して吸引し、効果的に燃料電池の外部に排出することができる。この結果、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。さらに、本発明では、排水流路を減圧することによって、対応する触媒層内も減圧されるため、触媒層への反応ガスの供給が促進され、反応ガスを触媒層に効率よく供給することもできる。この結果、燃料電池を備える燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
【０００９】
上記燃料電池において、
前記排水流路は、前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方の側面に接続されているようにしてもよい。
【００１０】
こうすることによって、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層の少なくとも一方の側面から、生成水を排出することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池において、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記電解質膜と前記アノード側触媒層との界面、および、前記電解質膜と前記カソード側触媒層との界面の少なくとも一方に配置されているようにしてもよい。
【００１２】
こうすることによって、電解質膜とカソード側触媒層との界面で生成された生成水、および、カソード側触媒層から電解質膜を透過してアノード側触媒層に染み出した生成水の少なくとも一方を、燃料電池の外部に速やかに排出することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池において、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方の内部に配置されているようにしてもよい。
【００１４】
こうすることによって、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層の少なくとも一方の厚さ方向の全体から、生成水を燃料電池の外部に速やかに排出することができる。
【００１５】
上述した排水流路として排水チューブを備える燃料電池において、
前記排水チューブの側壁の内側の表面、および、外側の表面の少なくとも一方は、親水性を有しているようにすることが好ましい。
【００１６】
こうすることによって、排水チューブ内における生成水の滞留を抑制し、生成水を速やかに排出することができる。なお、本発明において、排水チューブは、親水性を有する部材を用いて形成するようにしてもよいし、親水性を有していない部材を用いて排水チューブを形成し、その表面に親水処理を施すようにしてもよい。
【００１７】
上述した排水流路として排水チューブを備えるいずれかの燃料電池において、
所定の冷却媒体が流れる冷却チューブを前記排水チューブの内部に備えるようにしてもよい。
【００１８】
本発明では、冷却チューブの内部に冷却媒体を流すことによって、冷却チューブの側壁が冷却されるので、水蒸気の状態で排水チューブ内に透過した生成水を、冷却チューブの表面で結露させ、液滴の状態で速やかに排出することができる。
【００１９】
上述したいずれかの燃料電池が、
前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有しており、
前記膜電極接合体の外部に形成され、前記スタック構造の積層方向に前記酸素を含む酸化剤ガスを流すとともに、該酸化剤ガスを前記複数の膜電極接合体のそれぞれのカソードに分配して供給するための酸化剤ガスマニホールドを備える場合、
前記排水流路は、前記カソード側触媒層から前記酸素マニホールドに連通するように形成されているようにしてもよい。
【００２０】
本発明では、酸化剤ガスマニホールドに酸化剤ガスが流れるときに生じるベンチュリー効果によって、排水流路内を減圧することができる。つまり、酸化剤ガスマニホールドが減圧部として機能する。
【００２１】
また、上述したいずれかの燃料電池が、
前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有しており、
前記膜電極接合体の外部に形成され、前記スタック構造の積層方向に前記水素を流すとともに、該水素を前記複数の膜電極接合体のそれぞれのアノードに分配して供給するための水素マニホールドを備える場合、
前記排水流路は、前記アノード側触媒層から前記水素マニホールドに連通するように形成されているようにしてもよい。
【００２２】
本発明では、水素マニホールドに水素が流れるときに生じるベンチュリー効果によって、排水流路内を減圧することができる。つまり、水素マニホールドが減圧部として機能する。
【００２３】
本発明は、上述した燃料電池としての構成の他、燃料電池システムの発明として構成することもできる。すなわち、
本発明の燃料電池システムは、
所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を有し、前記アノードに供給される水素と前記カソードに供給される酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記膜電極接合体は、
前記アノードとして、前記電解質膜の一方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのアノード側触媒層を備え、
前記カソードとして、前記電解質膜の他方の面に接合され、前記電気化学反応を促進するためのカソード側触媒層を備え、
前記燃料電池は、
前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方から、前記電気化学反応によって生成された生成水を、前記膜電極接合体の外部に排出するための排水流路を備え、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記排水流路内を減圧する減圧ポンプを備えることを要旨とする。
【００２４】
こうすることによって、先に説明した燃料電池の発明と同様に、減圧ポンプによって排水流路を減圧することができるので、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層の少なくとも一方に存在する生成水を、排水流路を介して吸引し、効果的に燃料電池の外部に排出することができる。この結果、燃料電池におけるフラッディングを抑制することができる。さらに、本発明では、排水流路を減圧することによって、対応する触媒層内も減圧されるため、触媒層への反応ガスの供給が促進され、反応ガスを触媒層に効率よく供給することもできる。この結果、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
【００２５】
上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記減圧ポンプの出力を制御するポンプ制御部を備え、
該ポンプ制御部は、前記生成水の生成量に関連するパラメータに基づいて、前記減圧ポンプの出力を制御するようにしてもよい。
【００２６】
上記生成水の生成量に関連するパラメータとしては、例えば、アノード、および、カソードに供給される反応ガスの供給量や、燃料電池の発電量等が挙げられる。また、一般に、生成水の生成量が多いほど、燃料電池から排出すべき生成水の量も多くなる。本発明によって、生成水の生成量に応じて、排水流路内を適切に減圧し、生成水を燃料電池の外部に排出することができる。
【００２７】
上述したいずれかの燃料電池システムにおいて、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記電解質膜と前記アノード側触媒層との界面、および、前記電解質膜と前記カソード側触媒層との界面の少なくとも一方に配置されているようにしてもよい。
【００２８】
こうすることによって、電解質膜とカソード側触媒層との界面で生成された生成水、および、カソード側触媒層から電解質膜を透過してアノード側触媒層に染み出した生成水の少なくとも一方を、燃料電池の外部に速やかに排出することができる。
【００２９】
また、上述したいずれかの燃料電池システムにおいて、
前記排水流路は、前記生成水が透過する貫通孔を側壁に有する排水チューブであり、
該排水チューブは、前記アノード側触媒層、および、前記カソード側触媒層の少なくとも一方の内部に配置されているようにしてもよい。
【００３０】
こうすることによって、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層の少なくとも一方の厚さ方向の全体から、生成水を燃料電池の外部に速やかに排出することができる。
【００３１】
上述した排水流路として排水チューブを備える燃料電池システムにおいて、
前記排水チューブの側壁の内側の表面、および、外側の表面の少なくとも一方は、親水性を有しているようにすることが好ましい。
【００３２】
こうすることによって、排水チューブ内における生成水の滞留を抑制し、生成水を速やかに排出することができる。なお、本発明において、排水チューブは、親水性を有する部材を用いて形成するようにしてもよいし、親水性を有していない部材を用いて排水チューブを形成し、その表面に親水処理を施すようにしてもよい。
【００３３】
上述した排水流路として排水チューブを備えるいずれかの燃料電池システムにおいて、
所定の冷却媒体が流れる冷却チューブを前記排水チューブの内部に備えるようにしてもよい。
【００３４】
本発明では、冷却チューブの内部に冷却媒体を流すことによって、冷却チューブの側壁が冷却されるので、水蒸気の状態で排水チューブ内に透過した生成水を、冷却チューブの表面で結露させ、液滴の状態で速やかに排出することができる。
【００３５】
上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記冷却チューブに接続され、該冷却チューブに前記冷却媒体を循環させるための循環配管と、
該循環配管上に配設され、前記冷却媒体を冷却する冷却装置と、
前記循環配管上に配設され、前記冷却媒体を循環させる循環ポンプと、
を備えるようにしてもよい。
【００３６】
こうすることによって、冷却媒体を冷却装置によって冷却しつつ、冷却チューブに循環させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
Ａ２．燃料電池モジュール：
Ａ２．１．セパレータ：
Ａ２．２．ＭＥＡユニット：
Ａ２．３．排水チューブ：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
Ｂ２．燃料電池モジュール：
Ｂ２．１．セパレータ：
Ｂ２．２．ＭＥＡユニット：
Ｃ．変形例：
【００３８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池を適用した燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００３９】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。各セルは、本発明における燃料電池に相当する。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、本実施例では、セパレータは、後述するように、３枚の金属製の平板に、それぞれ複数の貫通孔を設け、これらを重ね合わせて接合することによって、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００４０】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０、絶縁板２０、エンドプレート１０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。そして、燃料電池モジュール４０は、後述するように、セパレータ４１と、電解質膜等を備えるＭＥＡユニット４５とを重ね合わせることによって構成されている。この燃料電池モジュール４０、および、ＭＥＡユニット４５については、後に詳述する。
【００４１】
エンドプレート１０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２０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００４２】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
【００４３】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００４４】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、配管５３を介して、アノードに供給される。アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、排出配管５６を介して、外部に排出される。また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。なお、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００４５】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管６２を介して、外部に排出される。
【００４６】
燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却して、発電に適した所定の温度範囲に維持するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００４７】
燃料電池スタック１００の各燃料電池モジュール４０では、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって生成水が生成される。そして、本実施例の燃料電池スタック１００は、後述するように、各燃料電池モジュール４０内に、生成水を外部に排水するための排水チューブを備えている。さらに、この排水チューブの内部には、後述するように、水蒸気の状態で排水チューブの内部に透過した生成水を冷却して結露させるための冷却チューブが備えられている。冷却チューブ内には、冷却水が流れる。
【００４８】
各燃料電池モジュール４０において、排水チューブの両端部には、それぞれ配管９１，９３が接続されている。そして、各配管９１，９３は、図示するように、それぞれ配管９２，９４に接続されている。また、配管９２は、配管９４に接続されており、配管９４は、排水ポンプ９０に接続されているので、この排水ポンプ９０によって、配管９２，９１、および、各配管９４，９３を介して、各排水チューブ内を減圧して生成水を吸引し、排水することができる。排水ポンプ９０は、本発明における減圧ポンプに相当する。
【００４９】
また、各燃料電池モジュール４０において、冷却チューブの両端部には、それぞれ配管８２，８３が接続されている。そして、各配管８２，８３は、図示するように、それぞれ配管８１，８４に接続されている。冷却チューブ内の冷却水は、循環ポンプ８０によって、各配管８３、および、配管８４を流れ、ラジエータ７１によって冷却され、配管８１、および、各配管８２を流れて各冷却チューブに循環する。ラジエータ７１は、本発明における冷却装置に相当する。また、配管８１，８２，８３，８４は、本発明における循環配管に相当する。
【００５０】
なお、燃料電池システム１０００の運転は、図示しない制御ユニットによって制御される。制御ユニットは、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。制御ユニットに入力される入力信号としては、例えば、図示しない圧力センサや、温度センサや、流量センサの検出信号や、燃料電池スタック１００の発電負荷等の生成水の生成量に関連するパラメータなどが挙げられる。制御ユニットから出力される出力信号としては、例えば、各種バルブや、ポンプの制御信号などが挙げられる。制御ユニットは、本発明におけるポンプ制御部に相当する。
【００５１】
Ａ２．燃料電池モジュール：
先に説明したように、燃料電池モジュール４０は、セパレータ４１と、ＭＥＡユニット４５とを重ね合わせることによって構成されている。以下、セパレータ４１、および、ＭＥＡユニット４５について説明する。
【００５２】
Ａ２．１．セパレータ：
図２は、セパレータ４１の構成部品、および、セパレータ４１の平面図である。本実施例におけるセパレータ４１は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とから構成されている。そして、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。また、中間プレート４３として、樹脂製のプレートを用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い部材を用いることが好ましい。
【００５３】
図２（ａ）は、ＭＥＡユニット４５のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４２の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４２は、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４２２ａと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００５４】
図２（ｂ）は、ＭＥＡユニット４５のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４４の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４４は、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏとは、直径が同一の円形であるものとした。
【００５５】
図２（ｃ）は、中間プレート４３の平面図である。図示するように、中間プレート４３は、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６とを備えている。そして、空気供給用貫通孔４３２ａには、空気供給用貫通孔４３２ａからカソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２ｃが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３２ｂには、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４３２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４３２ｄが設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ａには、水素供給用貫通孔４３４ａからアノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２ｅが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３４ｂには、アノード対向プレート４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４３４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４３２ｆが設けられている。
【００５６】
図２（ｄ）は、セパレータ４１の平面図である。ここでは、アノード対向プレート４４側から見た平面図を示した。
【００５７】
図から分かるように、アノード対向プレート４４と、中間プレート４３と、カソード対向プレート４２において、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００５８】
また、アノード対向プレート４４と、カソード対向プレート４２において、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００５９】
また、中間プレート４３において、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６は、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、および、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４４の冷却水排出用貫通孔４４６ｂ、および、カソード対向プレート４２の冷却水排出用貫通孔４２６ｂと重なるように形成されている。
【００６０】
なお、中間プレート４３における空気供給用流路形成部４３２ｃ、空気排出用流路形成部４３２ｄ、水素供給用流路形成部４３２ｅ、水素排出用流路形成部４３２ｆの幅は、それぞれ、カソード対向プレート４２の空気供給口４２２ｉ、空気排出口４２２ｏ、アノード対向プレート４４の水素供給口４４４ｉ、水素排出口４４４ｏの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを重ね合わせて接合したときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気や水素を流すことができる。
【００６１】
このセパレータ４１において、水素と、空気と、冷却水の流れは、以下の通りである。すなわち、カソード対向プレート４２の水素供給用貫通孔４２４ａ、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａ、アノード対向プレート４４の水素供給用貫通孔４４４ａを流れる水素は、中間プレート４３の水素供給用貫通孔４３４ａから分岐して、複数の水素供給用流路形成部４３２ｅを通り、アノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉから、後述するＭＥＡユニット４５のＭＥＡ部４５１のアノードに対して垂直な方向に供給される。そして、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノード対向プレート４４の複数の４４４ｏ、および、中間プレート４３の水素排出用流路形成部４３２ｆを通って、排出される。
【００６２】
また、アノード対向プレート４４の空気供給用貫通孔４４２ａ、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａ、カソード対向プレート４２の空気供給用貫通孔４２２ａを流れる空気は、中間プレート４３の空気供給用貫通孔４３２ａから分岐して、空気供給用流路形成部４３２ｃを通り、カソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉから、後述するＭＥＡユニット４５のＭＥＡ部４５１のカソードに対して垂直な方向に供給される。そして、カソードから排出されるカソードオフガスは、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏ、および、中間プレート４３の４３２ｄを通って、排出される。
【００６３】
また、アノード対向プレート４４の冷却水供給用貫通孔４４６ａ、中間プレート４３の複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６の一端、カソード対向プレート４２の冷却水供給用貫通孔４２６ａを流れる冷却水は、中間プレート４３の冷却水流路形成用貫通孔４３６から分岐して、中間プレート４３内を通り、冷却水流路形成用貫通孔４３６の他端から排出される。
【００６４】
Ａ２．２．ＭＥＡユニット：
図３は、ＭＥＡユニット４５を示す説明図である。図３（ａ）に、ＭＥＡユニット４５のカソード側から見た平面図を示した。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を模式的に示した。ＭＥＡユニット４５の外形形状は、セパレータ４１の外形形状と同じである。
【００６５】
図３（ａ）に示したように、ＭＥＡユニット４５は、後述するＭＥＡ部４５１の周囲を、ガス不透過性、および、耐熱性を有する樹脂製のフレーム４５０によって支持したものである。本実施例では、フレーム４５０として、樹脂を用いるものとしたが、これに限られず、シリコーンゴム等、ガス不透過性、および、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。シリコーンゴム等のフレームを適用する場合、フレームには、セパレータ４１との積層時に、ガスや、冷却水の漏れを防止するためのシール構造が一体的に形成される。
【００６６】
ＭＥＡユニット４５の中央に配置されているＭＥＡ部４５１は、図３（ｂ）に示したように、電解質膜４６の一方（カソード側）の面に、カソード側触媒層４７ｃと、カソード側ガス拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード側触媒層４７ａと、アノード側ガス拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。カソード側ガス拡散層４８ｃ、および、アノード側ガス拡散層４８ａとしては、例えば、カーボン多孔体が用いられる。さらに、本実施例では、ＭＥＡ部４５１の両面に、セパレータ４１と積層させたときに水素および空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層４９ａ，４９ｃがそれぞれ配置されている。金属多孔体層４９ｃ，４９ａとしては、例えば、チタン多孔体が用いられる。カソード側ガス拡散層４８ｃ、および、アノード側ガス拡散層４８ａと、金属多孔体層４９ｃ，４９ａとを用いることによって、アノード、および、カソードの全面に、ガスを効率よく拡散させて供給することができる。ガス流路層として、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【００６７】
フレーム４５０には、図３（ａ）に示したように、セパレータ４１と同様に、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとが形成されている。そして、これらは、セパレータ４１における各貫通孔に対応する位置に配置されている。
【００６８】
なお、本実施例では、図３（ａ）中に破線で示したように、ＭＥＡ部４５１、および、フレーム４５０の内部に、排水チューブ４５７が埋め込まれている。この排水チューブ４５７は、後述するように、その側壁に多数の貫通孔を有する樹脂多孔体からなり、この貫通孔から、ＭＥＡ部４５１において発電時に生成された生成水を内部に透過させて、ＭＥＡユニット４５の外部に排出するためのものである。排水チューブ４５７の詳細な構造については、後述する。
【００６９】
排水チューブ４５７は、ＭＥＡ部４５１においては、全面にメッシュ状に配設されている。そして、図３（ｂ）に示したように、排水チューブ４５７は、カソード側触媒層４７ｃの内部に埋め込まれている。また、図３（ａ）に示したように、排水チューブ４５７は、フレーム４５０においては、ＭＥＡ部４５１の２箇所の対角部４５１ａ，４５１ｂからフレーム４５０の外部に連通するように配設されている。排水チューブ４５７の両端部４５７ｅ１，４５７ｅ２は、それぞれ図１に示した配管９１，９３に接続されている。そして、この配管９１，９３は、それぞれ図１に示した配管９２，９４に接続されており、排水ポンプ９０によって、排水チューブ４５７内を減圧することができる。
【００７０】
こうすることによって、電解質膜４６とカソード側触媒層４７ｃとの界面で生成され、カソード側触媒層４７ｃ内に存在する生成水を、排水ポンプ９０によって吸引し、ＭＥＡユニット４５の外部に効率的に排出することができる。なお、ＭＥＡ部４５１、および、フレーム４５０の面内における排水チューブ４５７の配設態様は、図示した例に限られず、任意に設定可能である。
【００７１】
上述したＭＥＡ部４５１は以下の工程を経て作製される。まず、電解質膜４６の一方の面に、アノード反応を促進する触媒を担持した粒子を含む触媒ペーストを塗布して乾燥させ、アノード側触媒層４７ａを形成する。次に、電解質膜４６の他方の面に、排水チューブ４５７を配置し、その上からカソード反応を促進する触媒を担持した粒子を含む触媒ペーストを塗布して乾燥させることによって、排水チューブ４５７が内部に埋め込まれたカソード側触媒層４７ｃを形成する。そして、アノード側触媒層４７ａ上、および、カソード側触媒層４７ｃ上に、それぞれアノード側ガス拡散層４８ａ、および、カソード側ガス拡散層４８ｃを重ね合わせて、ホットプレス接合する。以上の工程を経て、ＭＥＡ部４５１を作製することができる。
【００７２】
Ａ２．３．排水チューブ：
図４は、排水チューブ４５７の構造を模式的に示す説明図である。排水チューブ４５７は、樹脂多孔体からなり、図示するように、排水チューブ４５７の側壁に、生成水が透過可能な多数の貫通孔を有している。樹脂多孔体としては、例えば、ポリウレタン樹脂や、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂や、アクリル樹脂や、シリコン樹脂等を用いることができる。本実施例では、排水チューブ４５７として、樹脂多孔体を用いるものとしたが、これに限られず、側壁に生成水が透過する貫通孔を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
【００７３】
本実施例では、さらに、排水チューブ４５７の内部に、冷却チューブ４５８が配設されており、冷却チューブ４５８の内部には、冷却水が流れる。冷却チューブ４５８の内部に冷却水を流すことによって、冷却チューブ４５８の側壁が冷却されるので、水蒸気の状態で排水チューブ４５７内に透過した生成水を、冷却チューブ４５８の表面で結露させ、液滴の状態で速やかに排出することができる。
【００７４】
なお、本実施例では、排水チューブ４５７の側壁の内側の表面、および、外側の表面には、親水処理が施されている。こうすることによって、排水チューブ４５７内における生成水の滞留を抑制し、生成水を速やかに排出することができる。
【００７５】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、排水ポンプ９０によって排水チューブ４５７内を減圧することができるので、カソード側触媒層４７ｃ内に存在する生成水を、排水チューブ４５７を介して吸引し、効果的に燃料電池モジュール４０の外部に排出することができる。この結果、燃料電池モジュール４０におけるフラッディングを抑制することができる。さらに、本実施例では、排水チューブ４５７内を減圧することによって、カソード側触媒層４７ｃ内も減圧されるため、カソード側ガス拡散層４８ｃからカソード側触媒層４７ｃへの空気の供給が促進され、酸素をカソード側触媒層４７ｃに効率よく供給することもできる。この結果、燃料電池システム１０００の発電効率を向上させることができる。
【００７６】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図５は、本発明の第２実施例としての燃料電池を適用した燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、生成水の排出の仕方が、第１実施例の燃料電池システム１０００と異なる。このため、燃料電池システム１０００Ａは、図１に示した燃料電池システム１０００における循環ポンプ８０、および、配管８１，８２，８３，８４や、排水ポンプ９０、および、配管９１，９２，９３，９４を備えておらず、また、燃料電池システム１０００Ａは、燃料電池スタック１００の代わりに、燃料電池スタック１００Ａを備えている。なお、燃料電池スタック１００Ａは、第１実施例における燃料電池モジュール４０の代わりに、後述する燃料電池モジュール４０Ａを備えている。これ以外は、第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。
【００７７】
Ｂ２．燃料電池モジュール：
第２実施例における燃料電池モジュール４０Ａも、第１実施例における燃料電池モジュール４０と同様に、セパレータ４１Ａと、ＭＥＡユニット４５Ａとを重ね合わせることによって構成されている。
【００７８】
Ｂ２．１．セパレータ：
図６は、第２実施例におけるセパレータ４１Ａの構成部品、および、セパレータ４１Ａの平面図である。本実施例におけるセパレータ４１Ａも、第１実施例におけるセパレータ４１と同様に、カソード対向プレート４２Ａと、中間プレート４３Ａと、アノード対向プレート４４Ａとから構成されている。
【００７９】
図６（ａ）は、カソード対向プレート４２Ａの平面図である。図示するように、カソード対向プレート４２Ａは、第１実施例におけるカソード対向プレート４２と同様に、空気供給用貫通孔４２２ａと、複数の空気供給口４２２ｉと、複数の空気排出口４２２ｏと、空気排出用貫通孔４２２ｂと、水素供給用貫通孔４２４ａと、水素排出用貫通孔４２４ｂと、冷却水供給用貫通孔４２６ａと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂとを備えている。ただし、これらの形状、および、配置位置は、第１実施例におけるカソード対向プレート４２と異なっている。
【００８０】
図６（ｂ）は、アノード対向プレート４４Ａの平面図である。図示するように、アノード対向プレート４４Ａは、第１実施例におけるアノード対向プレート４４と同様に、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気排出用貫通孔４４２ｂと、水素供給用貫通孔４４４ａと、複数の水素供給口４４４ｉと、複数の水素排出口４４４ｏと、水素排出用貫通孔４４４ｂと、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水排出用貫通孔４４６ｂとを備えている。ただし、これらの形状、および、配置位置は、第１実施例におけるアノード対向プレート４４と異なっている。
【００８１】
図６（ｃ）は、中間プレート４３Ａの平面図である。図示するように、中間プレート４３Ａは、第１実施例における中間プレート４３と同様に、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６とを備えている。そして、空気供給用貫通孔４３２ａには、空気供給用貫通孔４３２ａからカソード対向プレート４２の複数の空気供給口４２２ｉに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部４３２ｃが設けられている。また、空気排出用貫通孔４３２ｂには、カソード対向プレート４２の複数の空気排出口４２２ｏから空気排出用貫通孔４３２ｂに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部４３２ｄが設けられている。また、水素供給用貫通孔４３４ａには、水素供給用貫通孔４３４ａからアノード対向プレート４４の複数の水素供給口４４４ｉに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部４３２ｅが設けられている。また、水素排出用貫通孔４３４ｂには、アノード対向プレート４４の複数の水素排出口４４４ｏから水素排出用貫通孔４３４ｂに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部４３２ｆが設けられている。ただし、これらの形状、および、配置位置は、第１実施例における中間プレート４３と異なっている。
【００８２】
図６（ｄ）は、セパレータ４１Ａの平面図である。アノード対向プレート４４Ａ側から見た平面図を示した。
【００８３】
図から分かるように、アノード対向プレート４４Ａと、中間プレート４３Ａと、カソード対向プレート４２Ａにおいて、空気供給用貫通孔４４２ａと、空気供給用貫通孔４３２ａと、空気供給用貫通孔４２２ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔４４２ｂと、空気排出用貫通孔４３２ｂと、空気排出用貫通孔４２２ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔４４４ａと、水素供給用貫通孔４３４ａと、水素供給用貫通孔４２４ａも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔４４４ｂと、水素排出用貫通孔４３４ｂと、水素排出用貫通孔４２４ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００８４】
また、アノード対向プレート４４Ａと、カソード対向プレート４２Ａにおいて、冷却水供給用貫通孔４４６ａと、冷却水供給用貫通孔４２６ａとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔４４６ｂと、冷却水排出用貫通孔４２６ｂも、それぞれ同じ位置に形成されている。
【００８５】
また、中間プレート４３Ａにおいて、複数の冷却水流路形成用貫通孔４３６は、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４４Ａの冷却水供給用貫通孔４４６ａ、および、カソード対向プレート４２Ａの冷却水供給用貫通孔４２６ａと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４４Ａの冷却水排出用貫通孔４４６ｂ、および、カソード対向プレート４２Ａの冷却水排出用貫通孔４２６ｂと重なるように形成されている。
【００８６】
このセパレータ４１Ａにおいて、水素と、空気と、冷却水の流れは、第１実施例におけるセパレータ４１と同様である。
【００８７】
Ｂ２．２．ＭＥＡユニット：
図７は、第２実施例におけるＭＥＡユニット４５Ａの平面図である。また、図８は、図７におけるＢ−Ｂ断面図である。図７に示したように、ＭＥＡユニット４５Ａは、後述するＭＥＡ部４５１Ａの周囲を、ガス不透過性、および、耐熱性を有する樹脂製のフレーム４５０Ａによって支持したものである。本実施例においても、フレーム４５０Ａとして、樹脂を用いるものとした。
【００８８】
ＭＥＡユニット４５Ａの中央に配置されているＭＥＡ部４５１Ａは、第１実施例におけるＭＥＡユニット４５と同様に、電解質膜４６の一方（カソード側）の面に、カソード側触媒層４７ｃと、カソード側ガス拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード側触媒層４７ａと、アノード側ガス拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である（図８参照）。さらに、ＭＥＡ部４５１Ａの両面には、セパレータ４１Ａと積層させたときに水素および空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層４９ａ，４９ｃがそれぞれ配置されている（図８参照）。ただし、本実施例におけるＭＥＡユニット４５ＡのＭＥＡ部４５１Ａ、および、フレーム４５０Ａには、第１実施例におけるＭＥＡユニット４５と異なり、排水チューブ４５７は埋め込まれていない。
【００８９】
フレーム４５０Ａには、図７に示したように、セパレータ４１Ａと同様に、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとが形成されている。そして、これらは、セパレータ４１Ａにおける各貫通孔に対応する位置に配置されている。
【００９０】
また、フレーム４５０Ａには、図７、および、図８に示したように、カソード側触媒層４７ｃの側面から、空気供給用貫通孔４５２ａ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂに連通する複数の連通孔４５９がそれぞれ形成されている。この連通孔４５９の流路断面積は、空気供給用貫通孔４５２ａ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂと比較して、十分に小さい。こうすることによって、空気供給用貫通孔４５２ａ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂに、大量の空気が流れるときに生じるベンチュリー効果によって、複数の連通孔４５９内を減圧することができる。したがって、電解質膜４６とカソード側触媒層４７ｃとの界面で生成され、カソード側触媒層４７ｃ内に存在する生成水を、連通孔４５９を介して、空気供給用貫通孔４５２ａ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂに吸引し、ＭＥＡユニット４５Ａの外部に効率的に排出することができる。
【００９１】
以上説明した第２実施例の１０００Ａによれば、空気供給用貫通孔４５２ａ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂに空気が流れるときに生じるベンチュリー効果によって、連通孔４５９内を減圧することができるので、カソード側触媒層４７ｃ内に存在する生成水を、連通孔４５９を介して吸引し、効果的に燃料電池モジュール４０Ａの外部に排出することができる。この結果、燃料電池モジュール４０Ａにおけるフラッディングを抑制することができる。さらに、本実施例では、連通孔４５９内を減圧することによって、カソード側触媒層４７ｃ内も減圧されるため、カソード側ガス拡散層４８ｃからカソード側触媒層４７ｃへの空気の供給が促進され、酸素をカソード側触媒層４７ｃに効率よく供給することもできる。この結果、燃料電池システム１０００Ａの発電効率を向上させることができる。
【００９２】
Ｃ．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。
【００９３】
Ｃ１．変形例１：
図９は、第１変形例のＭＥＡユニット４５Ｂの平面図である。また、図１０は、図９におけるＢ−Ｂ断面図である。図９に示したように、ＭＥＡユニット４５Ｂは、後述するＭＥＡ部４５１Ｂの周囲を、ガス不透過性、および、耐熱性を有する樹脂製のフレーム４５０Ｂによって支持したものである。本変形例においても、フレーム４５０Ｂとして、樹脂を用いるものとした。
【００９４】
ＭＥＡユニット４５Ｂの中央に配置されているＭＥＡ部４５１Ｂは、第１実施例におけるＭＥＡユニット４５と同様に、電解質膜４６の一方（カソード側）の面に、カソード側触媒層４７ｃと、カソード側ガス拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード側触媒層４７ａと、アノード側ガス拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である（図１０参照）。さらに、ＭＥＡ部４５１Ｂの両面には、セパレータと積層させたときに水素および空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層４９ａ，４９ｃがそれぞれ配置されている（図１０参照）。
【００９５】
フレーム４５０Ｂには、図９に示したように、空気供給用貫通孔４５２ａと、水素供給用貫通孔４５４ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂと、水素排出用貫通孔４５４ｂと、冷却水供給用貫通孔４５６ａと、冷却水排出用貫通孔４５６ｂとが形成されている。そして、これらは、セパレータにおける各貫通孔に対応する位置に配置されている。
【００９６】
そして、本変形例のＭＥＡユニット４５Ｂでは、図９、および、図１０に示したように、ＭＥＡ部４５１Ｂの電解質膜４６とカソード側触媒層４７ｃとの界面、および、フレーム４５０Ｂの内部に、複数の排水チューブ４５７Ｂが埋め込まれている。ただし、排水チューブ４５７Ｂは、第１実施例における排水チューブ４５７と異なり、内部に冷却チューブ４５８を備えていない。この他は、第１実施例における排水チューブ４５７と同じである。また、排水チューブ４５７Ｂの両端部は、空気供給用貫通孔４５２ａと、空気排出用貫通孔４５２ｂとを連通するように配設されている。
【００９７】
こうすることによって、空気供給用貫通孔４５２ａ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂに空気が流れるときに生じるベンチュリー効果によって、各排水チューブ４５７Ｂ内を減圧することができるので、カソード側触媒層４７ｃ内に存在する生成水を、複数の排水チューブ４５７Ｂを介して吸引し、効果的に燃料電池モジュールの外部に排出することができる。
【００９８】
なお、このＭＥＡユニット４５Ｂとともに燃料電池モジュールを構成するセパレータは、第２実施例におけるセパレータ４１Ａと同じであり、燃料電池スタック、および、燃料電池システムの構成も第２実施例と同じである。
【００９９】
Ｃ２．変形例２：
図１１は、第２変形例のＭＥＡユニット４５Ｃの平面図である。図示するように、ＭＥＡユニット４５Ｃは、４つのＭＥＡ部４５１Ｃ１，４５１Ｃ２，４５１Ｃ３，４５１Ｃ４を備えており、これらは、樹脂製のフレーム４５０Ｃによって支持されている。
【０１００】
図示するように、フレーム４５０Ｃにおいて、ＭＥＡ部４５１Ｃ１の周囲には、空気供給用貫通孔４５２ａ１と、水素供給用貫通孔４５４ａ１と、空気排出用貫通孔４５２ｂ１と、水素排出用貫通孔４５４ｂ１と、冷却水供給用貫通孔４５６ａ１と、冷却水排出用貫通孔４５６ｂ１とが形成されている。また、ＭＥＡ部４５１Ｃ２の周囲には、空気供給用貫通孔４５２ａ２と、水素供給用貫通孔４５４ａ２と、空気排出用貫通孔４５２ｂ２と、水素排出用貫通孔４５４ｂ２と、冷却水供給用貫通孔４５６ａ２と、冷却水排出用貫通孔４５６ｂ２とが形成されている。また、ＭＥＡ部４５１Ｃ３の周囲には、空気供給用貫通孔４５２ａ３と、水素供給用貫通孔４５４ａ３と、空気排出用貫通孔４５２ｂ３と、水素排出用貫通孔４５４ｂ３と、冷却水供給用貫通孔４５６ａ３と、冷却水排出用貫通孔４５６ｂ３とが形成されている。また、ＭＥＡ部４５１Ｃ４の周囲には、空気供給用貫通孔４５２ａ４と、水素供給用貫通孔４５４ａ４と、空気排出用貫通孔４５２ｂ４と、水素排出用貫通孔４５４ｂ４と、冷却水供給用貫通孔４５６ａ４と、冷却水排出用貫通孔４５６ｂ４とが形成されている。
【０１０１】
また、各ＭＥＡ部４５１Ｃ１，４５１Ｃ２，４５１Ｃ３，４５１Ｃ４は、図示は省略するが、第１変形例のＭＥＡユニット４５Ｂと同様に、それぞれ電解質膜４６の一方（カソード側）の面に、カソード側触媒層４７ｃと、カソード側ガス拡散層４８ｃとをこの順に積層させ、他方（アノード側）の面に、アノード側触媒層４７ａと、アノード側ガス拡散層４８ａとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体であり、ＭＥＡ部４５１Ｂの両面には、セパレータと積層させたときに水素および空気を流すためのガス流路層として機能する金属多孔体層４９ａ，４９ｃがそれぞれ配置されている。
【０１０２】
また、本変形例のＭＥＡユニット４５Ｃにおいても、変形例１のＭＥＡユニット４５Ｂと同様に、各ＭＥＡ部４５１Ｃ１，４５１Ｃ２，４５１Ｃ３，４５１Ｃ４の電解質膜４６とカソード側触媒層４７ｃとの界面、および、フレーム４５０Ｃの内部に、それぞれ複数の排水チューブ４５７Ｂが埋め込まれている。そして、排水チューブ４５７Ｂの両端部は、空気供給用貫通孔４５２ａ１と、空気排出用貫通孔４５２ｂ１とを連通するように、また、空気供給用貫通孔４５２ａ２と、空気排出用貫通孔４５２ｂ２とを連通するように、また、空気供給用貫通孔４５２ａ３と、空気排出用貫通孔４５２ｂ３とを連通するように、また、空気供給用貫通孔４５２ａ４と、空気排出用貫通孔４５２ｂ４とを連通するように配設されている。
【０１０３】
したがって、第１変形例のＭＥＡユニット４５Ｂと同様に、ＭＥＡ部４５１Ｃ１で生成された生成水は、空気供給用貫通孔４５２ａ１、および、空気排出用貫通孔４５２ｂ１に空気が流れるときに生じるベンチュリー効果によって、各排水チューブ４５７Ｂ内を減圧することができるので、各カソード側触媒層４７ｃ内に存在する生成水を、排水チューブ４５７Ｂを介して吸引し、効果的に燃料電池モジュールの外部に排出することができる。他のＭＥＡ部４５１Ｃ２，４５１Ｃ３，４５１Ｃ４についても同様である。
【０１０４】
なお、このＭＥＡユニット４５Ｃの外形寸法は、上述した第１変形例のＭＥＡユニット４５Ｂの外形寸法とほぼ同じである。つまり、図９、および、図１１から理解できるように、第２変形例のＭＥＡユニット４５Ｃは、第１変形例のＭＥＡユニット４５Ｂの外形寸法を縮小して、４枚並べたものと同等である。したがって、第２変形例のＭＥＡユニット４５Ｃによれば、排水チューブ４５７Ｂの長さ、すなわち、各ＭＥＡ部４５１Ｃ１，４５１Ｃ２，４５１Ｃ３，４５１Ｃ４から各空気供給用貫通孔４５２ａ１，４５２ａ２，４５２ａ３，４５２ａ４、および、各空気排出用貫通孔４５２ｂ１，４５２ｂ２，４５２ｂ３，４５２ｂ４への生成水の排出経路の長さを短くすることができる。この結果、各ＭＥＡ部４５１Ｃ１，４５１Ｃ２，４５１Ｃ３，４５１Ｃ４からの生成水の排出を、第１変形例のＭＥＡユニット４５Ｂよりも速やかに行うことができる。
【０１０５】
Ｃ３．変形例３：
上記第１実施例では、ＭＥＡユニット４５において、排水チューブ４５７を埋め込む厚さ方向の位置を、カソード側触媒層４７ｃの内部としたが、これに限られない。上記第１変形例や第２変形例の４５７Ｂと同様に、排水チューブ４５７を電解質膜４６とカソード側触媒層４７ｃとの界面に埋め込むものとしてもよい。
【０１０６】
また、上記第１変形例、および、第２変形例では、ＭＥＡユニット４５Ｂ、および、ＭＥＡユニット４５Ｃにおいて、排水チューブ４５７Ｂを埋め込む厚さ方向の位置を、電解質膜４６とカソード側触媒層４７ｃとの界面に埋め込むものとしたが、これに限られない。上記第１実施例の排水チューブ４５７と同様に、排水チューブ４５７Ｂをカソード側触媒層４７ｃの内部に埋め込むものとしてもよい。
【０１０７】
Ｃ４．変形例４：
上記第１実施例では、ＭＥＡユニット４５において、排水チューブ４５７をカソード側触媒層４７ｃの内部に埋め込むものとしたが、これに限られない。排水チューブ４５７をアノード側触媒層４７ａの内部に埋め込むようにしてもよい。この場合、アノード側触媒層４７ａに埋め込まれた排水チューブ４５７に対応する排水系を設けるようにすればよい。また、上記第２実施例では、ＭＥＡユニット４５Ａにおいて、連通孔４５９をカソード側触媒層４７ｃの側面から空気供給用貫通孔４５２ａ、および、空気排出用貫通孔４５２ｂに連通するように設けるものとしたが、これに限られない。連通孔４５９をアノード側触媒層４７ａの側面から水素供給用貫通孔４５４ａ、および、水素排出用貫通孔４５４ｂに連通するように設けるものとしてもよい。こうすることによって、カソード側触媒層４７ｃから電解質膜４６を透過してアノード側触媒層４７ａに染み出した生成水を効果的に排出することができる。
【０１０８】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例では、ＭＥＡユニット４５において、排水チューブ４５７の内部に冷却チューブ４５８を備えるものとしたが、冷却チューブ４５８を備えないようにしてもよい。
【０１０９】
また、上記第１実施例では、排水チューブ４５７の内側の表面、および、外側の表面に親水処理が施されているものとしたが、親水処理を施さなくてもよい。また、排水チューブ４５７の内側の表面、および、外側の表面のいずれか一方に親水処理を施すようにしてもよい。
【０１１０】
Ｃ６．変形例６：
上記第１実施例では、制御ユニットが、燃料電池スタック１００における生成水の生成量に関連するパラメータに基づいて、排水ポンプ９０の出力を制御するものとしたが、生成水の生成量に関連するパラメータに基づく制御を行わないようにしてもよい。
【０１１１】
Ｃ７．変形例７：
上記第１実施例では、セパレータ４１は、カソード対向プレート４２と、中間プレート４３と、アノード対向プレート４４とを重ね合わせて接合した平板状のものとしたが、これに限られない。例えば、１つのブロックに凹凸を設け、水素や、空気が流れる溝型の流路を形成したセパレータを用いるようにしてもよい。第２実施例や、変形例におけるセパレータについても同様である。
【０１１２】
Ｃ８．変形例８：
上記実施例、および、変形例では、ＭＥＡユニットは、アノード側ガス拡散層４８ａ、および、カソード側ガス拡散層４８ｃを備えるものとしたが、これらのうちの少なくとも一方を省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の第１実施例としの燃料電池を適用した燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】セパレータ４１の構成部品、および、セパレータ４１の平面図である。
【図３】ＭＥＡユニット４５を示す説明図である。
【図４】排水チューブ４５７の構造を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施例としての燃料電池を適用した燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例におけるセパレータ４１Ａの構成部品、および、セパレータ４１Ａの平面図である。
【図７】第２実施例におけるＭＥＡユニット４５Ａの平面図である。
【図８】図７におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図９】第１変形例のＭＥＡユニット４５Ｂの平面図である。
【図１０】図９におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】第２変形例のＭＥＡユニット４５Ｃの平面図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０００，１０００Ａ…燃料電池システム
１００，１００Ａ…燃料電池スタック
１０…エンドプレート
２０…絶縁板
３０…集電板
４０，４０Ａ…燃料電池モジュール
４１，４１Ａ…セパレータ
４２，４２Ａ…カソード対向プレート
４２２ａ…空気供給用貫通孔
４２２ｂ…空気排出用貫通孔
４２２ｉ…空気供給口
４２２ｏ…空気排出口
４２４ａ…水素供給用貫通孔
４２４ｂ…水素排出用貫通孔
４２６ａ…冷却水供給用貫通孔
４２６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４３，４３Ａ…中間プレート
４３２ａ…空気供給用貫通孔
４３２ｂ…空気排出用貫通孔
４３２ｃ…空気供給用流路形成部
４３２ｄ…空気排出用流路形成部
４３２ｅ…水素供給用流路形成部
４３２ｆ…水素排出用流路形成部
４３４ａ…水素供給用貫通孔
４３４ｂ…水素排出用貫通孔
４３６…冷却水流路形成用貫通孔
４４，４４Ａ…アノード対向プレート
４４２ａ…空気供給用貫通孔
４４２ｂ…空気排出用貫通孔
４４４ａ…水素供給用貫通孔
４４４ｂ…水素排出用貫通孔
４４４ｉ…水素供給口
４４４ｏ…水素排出口
４４６ａ…冷却水供給用貫通孔
４４６ｂ…冷却水排出用貫通孔
４５，４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ…ＭＥＡユニット
４５０，４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃ…フレーム
４５１，４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃ１，４５１Ｃ２，４５１Ｃ３，４５１Ｃ４…ＭＥＡ部
４５１ａ，４５１ｂ…対角部
４５２ａ，４５２ａ１，４５２ａ２，４５２ａ３，４５２ａ４…空気供給用貫通孔
４５２ｂ，４５２ｂ１，４５２ｂ２，４５２ｂ３，４５２ｂ４…空気排出用貫通孔
４５４ａ，４５４ａ１，４５４ａ２，４５４ａ３，４５４ａ４…水素供給用貫通孔
４５４ｂ，４５４ｂ１，４５４ｂ２，４５４ｂ３，４５４ｂ４…水素排出用貫通孔
４５６ａ，４５６ａ１，４５６ａ２，４５６ａ３，４５６ａ４…冷却水供給用貫通孔
４５６ｂ，４５６ｂ１，４５６ｂ２，４５６ｂ３，４５６ｂ４…冷却水排出用貫通孔
４５７，４５７Ｂ…排水チューブ
４５８…冷却チューブ
４５９…連通孔
４５７ｅ１，４５７ｅ２…端部
４６…電解質膜
４７ａ…アノード側触媒層
４７ｃ…カソード側触媒層
４８ａ…アノード側ガス拡散層
４８ｃ…カソード側ガス拡散層
４９ａ，４９ｃ…金属多孔体層
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…コンプレッサ
６１，６２…配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０…循環ポンプ
８１，８２，８３，８４…配管
９０…排水ポンプ
９１，９２，９３，９４…配管
【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】
2007294339.tif 000009
【図８】
2007294339.tif 000010
【図９】
2007294339.tif 000011
【図１０】
2007294339.tif 000012
【図１１】
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