(57)【要約】【課題】掃気し易い燃料電池および燃料電池の掃気方法を提供すること。【解決手段】ＭＥＡ２と、カソード側セパレータ３と、アノード側セパレータ４とを備える燃料電池１において、カソード側セパレータ３は独立した２つの流路であり、第１ガス入口、第１ガス出口を含む第１ガス流路１０と、第２ガス入口、第２ガス出口を含む第２ガス流路２０とを有する。発電時、酸化ガスは第１ガス入口より第１ガス流路１０内へ供給される。未反応の酸化ガスは第１ガス出口より排出される。かつ、酸化ガスは第２ガス入口より第２ガス流路２０内へ供給される。未反応の酸化ガスは第２ガス出口より排出される。掃気時、第２ガス入口、第１ガス出口を閉塞手段６，５により閉塞する。ガスを第１ガス入口から第１ガス流路１０に供給し、第１ガス流路１０からＭＥＡ２内部を通過させて第２ガス流路２０へ移動させ、第２ガス出口から排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に酸化ガスの反応極であるカソードを有し、他方の面に燃料ガスの反応極であるアノードを有するＭＥＡに、酸化ガスと燃料ガスとを供給し、酸化ガスと燃料ガスとを反応させて発電し、発電停止後、内部の水を除去するためにガスを供給して掃気する燃料電池の掃気方法であって、
掃気時において供給されるガスの流れの道筋を、発電時において供給されるガスの流れの道筋と異ならせることを特徴とする燃料電池の掃気方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の掃気方法であって、
掃気時において、ＭＥＡの内部を通過するガスの流れの道筋を形成することを特徴とする燃料電池の掃気方法。
【請求項３】
一方の面に酸化ガスの反応極であるカソードを有し、他方の面に燃料ガスの反応極であるアノードを有するＭＥＡと、
酸化ガスがＭＥＡのカソード側表面を沿って流れる独立した流路であって、第１ガス入口および第１ガス出口を含む第１ガス流路と、第２ガス入口および第２ガス出口を含む第２ガス流路とを有し、ＭＥＡのカソード側に配置するカソード側セパレータと、
燃料ガスがＭＥＡのアノード側表面を沿って流れる流路を有し、ＭＥＡのアノード側に配置するアノード側セパレータと、
を備え、
発電時において、
第１ガス入口より第１ガス流路内へ供給された酸化ガスの内、未反応の酸化ガスは第１ガス出口より排出され、
第２ガス入口より第２ガス流路内へ供給された酸化ガスの内、未反応の酸化ガスは第２ガス出口より排出される燃料電池であって、
掃気時に第２ガス入口を閉塞するガス入口側閉塞手段と、
掃気時に第１ガス出口を閉塞するガス出口側閉塞手段とを備え、
掃気時において、ガスを、第１ガス入口から第１ガス流路に供給し、第１ガス流路からＭＥＡ内部を通過させて第２ガス流路へ移動させ、第２ガス出口から排出することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、
前記アノード側セパレータは、燃料ガスがＭＥＡのアノード側表面を沿って流れる独立した流路であって、第３ガス入口および第３ガス出口を含む第３ガス流路と、第４ガス入口および第４ガス出口を含む第４ガス流路とを有し、
発電時において、
第３ガス入口より第３ガス流路内へ供給された燃料ガスの内、未反応の燃料ガスは第３ガス出口より排出され、
第４ガス入口より第４ガス流路内へ供給された燃料ガスの内、未反応の燃料ガスは第４ガス出口より排出される燃料電池であって、
掃気時に第４ガス入口を閉塞するガス入口側閉塞手段と、
掃気時に第３ガス出口を閉塞するガス出口側閉塞手段とを備え、
掃気時において、ガスを、第３ガス入口から第３ガス流路に供給し、第３ガス流路からＭＥＡ内部を通過させて第４ガス流路へ移動させ、第４ガス出口から排出することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に発電停止後に燃料電池内に残存する水を外部へ排出する、燃料電池の掃気技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の一方の面にアノードを有し、他方の面にカソードを有する膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly、ＭＥＡ）を、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟持した燃料電池が知られている。この種の燃料電池は、アノードで水素ガスが反応し、カソードで酸化ガス（酸素ガス、通常は空気）が反応して、電気が取り出される。
【０００３】
発電中の燃料電池において、水素ガスは、アノード側セパレータの有する流路であって、ＭＥＡのアノード側表面に沿った流路である水素ガス流路を通ってアノードに供給され、酸化ガスは、カソード側セパレータの有する流路であって、ＭＥＡのカソード側表面に沿った流路である酸化ガス流路を通って供給される。
【０００４】
ところで、上記燃料電池は発電に伴い、ＭＥＡのカソードにおいて水を生成する。生成した水は、反応の進行に伴い新たに生成した水に追いやられて、ＭＥＡのカソード側の表面へ滲出する。滲出した水は、ＭＥＡのカソード側表面上のカソード側セパレータの有する酸化ガス流路内に入る。酸化ガス流路に入った水は、酸化ガスの流れに押されて酸化ガス流路に沿って移動し、燃料電池の外部へ排出される。
【０００５】
発電を停止すると、水は生成されなくなるが、依然として燃料電池内、特にＭＥＡのカソード側に多くの水が残存する。発電停止後、燃料電池内に水が残存したままの状態であると、寒冷地等の氷点下の環境下においては、残存した水が凍り、燃料電池（特にＭＥＡ）が膨張して破損する等の問題を生じる場合がある。その為、発電停止後も発電時と同様に、少なくとも酸化ガス流路に酸化ガス（空気）を流し続けて、燃料電池内の水を外部へ排出すること（掃気）が行われる。
【０００６】
通常、掃気は、上記のように、発電停止後も発電時と同様に酸化ガス流路に酸化ガス（空気）を、同じ向きに流し続けることによって行われる。また特許文献１のように、掃気時において、発電時の酸化ガスの流れの向きに対し、逆向きの酸化ガスを酸化ガス流路に流すことによって行う技術もある。しかし、酸化ガスを流す向きに違いはあるものの、何れの掃気技術においても、酸化ガスは、酸化ガス流路に沿って流れるものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２０９６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
掃気では、酸化ガス流路内に存在する水のみならず、流路の下のＭＥＡ内部に存在する水をある程度、除去する必要がある。ＭＥＡの内部に存在する水は、酸化ガス流路に存在する水と異なり、酸化ガスの流れで押し出すことは出来ない。
【０００９】
上記従来技術においては、ＭＥＡの内部に残存する水の除去は、酸化ガスを酸化ガス流路に沿って流し続け、徐々に気化させることによって行われる。酸化ガスは乾燥している為、酸化ガス流路に沿って酸化ガスを流し続けると、ＭＥＡ内部の水が少しずつ気化する。気化した水は、酸化ガスと混合し、酸化ガスの流れに乗って燃料電池の外部へ排出される。
【００１０】
しかし、上記のように、酸化ガス流路に沿って酸化ガスを流し、ＭＥＡの内部に存在する水を気化させつつ除去する方法は、時間がかかり問題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池の掃気方法は、一方の面に酸化ガスの反応極であるカソードを有し、他方の面に燃料ガスの反応極であるアノードを有するＭＥＡに、酸化ガスと燃料ガスとを供給し、酸化ガスと燃料ガスとを反応させて発電し、発電停止後、内部の水を除去するためにガスを供給して掃気する燃料電池の掃気方法であって、掃気時において供給されるガスの流れの道筋を、発電時において供給されるガスの流れの道筋と異ならせることを特徴とする。
【００１２】
上記燃料電池の掃気方法は、掃気時において、ＭＥＡの内部を通過するガスの流れの道筋を形成することが好ましい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池は、一方の面に酸化ガスの反応極であるカソードを有し、他方の面に燃料ガスの反応極であるアノードを有するＭＥＡと、酸化ガスがＭＥＡのカソード側表面を沿って流れる独立した流路であって、第１ガス入口および第１ガス出口を含む第１ガス流路と、第２ガス入口および第２ガス出口を含む第２ガス流路とを有し、ＭＥＡのカソード側に配置するカソード側セパレータと、燃料ガスがＭＥＡのアノード側表面を沿って流れる流路を有し、ＭＥＡのアノード側に配置するアノード側セパレータと、を備え、発電時において、第１ガス入口より第１ガス流路内へ供給された酸化ガスの内、未反応の酸化ガスは第１ガス出口より排出され、第２ガス入口より第２ガス流路内へ供給された酸化ガスの内、未反応の酸化ガスは第２ガス出口より排出される燃料電池であって、掃気時に第２ガス入口を閉塞するガス入口側閉塞手段と、掃気時に第１ガス出口を閉塞するガス出口側閉塞手段とを備え、掃気時において、ガスを、第１ガス入口から第１ガス流路に供給し、第１ガス流路からＭＥＡ内部を通過させて第２ガス流路へ移動させ、第２ガス出口から排出することを特徴とする。このような燃料電池によれば、掃気時において燃料電池内の水を素早く外部へ排出することができ、素早く乾燥することが出来る。このような構成を有する燃料電池は、掃気し易い。
【００１４】
上記燃料電池において、前記アノード側セパレータは、燃料ガスがＭＥＡのアノード側表面を沿って流れる独立した流路であって、第３ガス入口および第３ガス出口を含む第３ガス流路と、第４ガス入口および第４ガス出口を含む第４ガス流路とを有し、発電時において、第３ガス入口より第３ガス流路内へ供給された燃料ガスの内、未反応の燃料ガスは第３ガス出口より排出され、第４ガス入口より第４ガス流路内へ供給された燃料ガスの内、未反応の燃料ガスは第４ガス出口より排出される燃料電池であって、掃気時に第４ガス入口を閉塞するガス入口側閉塞手段と、掃気時に第３ガス出口を閉塞するガス出口側閉塞手段とを備え、掃気時において、ガスを、第３ガス入口から第３ガス流路に供給し、第３ガス流路からＭＥＡ内部を通過させて第４ガス流路へ移動させ、第４ガス出口から排出してもよい。この燃料電池によれば、更に、アノード側においても素早く水を外部へ排出し、乾燥することが出来る。
【００１５】
本発明の目的は、発電停止後に燃料電池の内部に残存する水を短時間で除去できる燃料電池を提供することである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発電停止後に燃料電池の内部に残存する水を短時間に除去することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、好適な実施形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１の主要部の分解斜視図である。燃料電池１は、所謂、固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１は、ＭＥＡ２と、カソード側セパレータ３と、アノード側セパレータ４とを備える。なお本実施形態においては、説明の便宜上、燃料電池１として、１つのＭＥＡと、カソード側およびアノード側セパレータ３，４からなる１組のセパレータとを有する燃料電池（所謂、単セル）として説明する。通常は、単セルからなる燃料電池１を、複数枚積層して燃料電池スタックとして用いられる。
【００１９】
図２は、図１に示されるＸ−Ｘ鎖線おけるＭＥＡ２の部分断面図を示す。ＭＥＡ２は、電解質膜３１と、触媒層３３および拡散層３４からなる電極３２とを含む膜−電解質アッセンブリである。電解質膜３１の一方の面に形成される電極３２は、空気（酸素）と反応する空気極（カソード）３２Ａである。電解質膜３１の他方の面に形成される電極３２は、水素等の燃料ガスと反応する燃料極（アノード）３２Ｂである。
【００２０】
電解質膜３１は、通常、側鎖にスルホン酸基やカルボキシル基等のイオン交換基を有する高分子膜からなる。電解質膜３１は、特定のイオンと強固に結合し、陽イオンまたは陰イオンを選択的に透過する性質を有する。電解質膜３１としては、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体からなる膜のナフィオン（登録商標、デュポン社製）を用いることが出来る。
【００２１】
触媒層３３は、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒を、カーボンで担持した触媒担持カーボンと、触媒担持カーボンを電解質膜３１と接着等する樹脂とを含む。カーボンとしては、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が使用される。なお触媒層３３で用いられるカーボンは、これらのものに限られるものではない。
【００２２】
触媒層３３で使用される樹脂としては、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）等のフッ素原子を含むポリマー、あるいはこれらの共重合体、これらのモノマー単位とエチレンやスチレン等の他のモノマーとの共重合体、さらには、これらのブレンド等を用いることができる。なお触媒層３３で用いられる樹脂は、これらのものに限られるものではない。拡散層３４は、炭素繊維等の導電性を備える多孔質基材（シート）等の一般にこの種の燃料電池に用いられるものである。
【００２３】
図１に示されるように、カソード側セパレータ３は、ＭＥＡ２のカソード側に配置される。図３は、カソード側セパレータ３の斜視図である。図３において、カソード側セパレータ３の上面が、ＭＥＡ２のカソード３２Ａと接触する。カソード側セパレータ３は、酸化ガス（酸素ガス、通常は、空気）を、ＭＥＡ２のカソード３２Ａへ供給するための第１ガス流路１０および第２ガス流路２０を備える。第１ガス流路１０の一端には、第１ガス流路１０に酸化ガスを供給するための入口である第１ガス入口１１を備え、他端には、第１ガス流路１０から未反応の酸化ガス等を含む排気ガスを排出するための第１ガス出口１２を備える。一方、第２ガス流路２０の一端には、第２ガス流路２０に酸化ガスを供給するための入口である第２ガス入口２１を備え、他端には、第２ガス流路２０から未反応の酸化ガス等を含む排気ガスを排出するための第２ガス出口２２を備える。なお第１ガス入口１１および第２ガス入口２１は、燃料電池１のそれぞれ供給側第１酸化ガスマニホールド１８および供給側第２酸化ガスマニホールド２８と連絡する。外部より供給される酸化ガスは、それぞれ供給側第１酸化ガスマニホールド１８、供給側第２酸化ガスマニホールド２８を通って、第１ガス入口１１、第２ガス入口２１より第１ガス流路１０、第２ガス流路２０へ入る。第１ガス出口１２および第２ガス出口２２は、それぞれ排出側第１酸化ガスマニホールド１９および排出側第２ガスマニホールド２９と連絡する。第１ガス出口１２から排出されたガスは、排出側第１酸化ガスマニホールド１９を通って燃料電池１の外部へ排出され、第２ガス出口２２から排出されたガスは、排出側第２酸化ガスマニホールド２９を通って燃料電池１の外部へ排出される。
【００２４】
第１ガス流路１０は、カソード側セパレータ３上に形成され、複数本の条溝からなる第１平行ガス流路部１３を含む。第１平行ガス流路部１３の断面は、凹部形状である。これらの第１平行ガス流路部１３は、入口側および出口側において相互に連絡している。第１平行ガス流路部１３の入口側には、第１ガス流路１０の一部であって、カソード側セパレータ３の内部に形成された第１入口側内部ガス流路部１４が備えられる。これに対し、第１平行ガス流路部１３の出口側には、第１ガス流路１０の一部であって、カソード側セパレータ３の内部に形成された第１出口側内部ガス流路部１５が備えられる。なお第１入口側内部ガス流路部１４の一端は、第１ガス入口１１と接続し、第１出口側内部ガス流路部１５の一端は、第１ガス出口１２と接続する。
【００２５】
第２ガス流路２０は、カソード側セパレータ３上に形成され、複数本の条溝からなる第２平行ガス流路部２３を含む。本実施形態において、第２平行ガス流路部２３は、カソード側セパレータ３上において、第１平行ガス流路部１３と交互に、平行に配置される。なお第２平行ガス流路部２３の断面は、凹部形状である。これらの第２平行ガス流路部２３は、入口側および出口側において相互に連絡している。第２平行ガス流路部２３の入口側には、第２ガス流路２０の一部であって、カソード側セパレータ３の内部に形成された第２入口側内部ガス流路部２４が備えられる。これに対し、第２平行ガス流路部２３の出口側には、第２ガス流路２０の一部であって、カソード側セパレータ３の内部に形成された第２出口側内部ガス流路部２５が備えられる。なお第２入口側内部ガス流路部２４の一端は、第２ガス入口２１と接続し、第２出口側内部ガス流路部２５の一端は、第２ガス出口２２と接続する。なお本実施形態において、第１ガス流路１０および第２ガス流路２０とは、相互に独立した流路であって、流路同士連絡しない。
【００２６】
第１ガス流路１０の第１平行ガス流路部１３内および第２ガス流路２０の第２平行ガス流路部２３内を酸化ガスが流れる際、酸化ガスはそれぞれの流路１３，２３に沿い、かつＭＥＡ２のカソード側表面を沿って流れる。ＭＥＡ２のカソード側表面を沿って流れる際、酸化ガスは、ＭＥＡ２のカソード３２Ａの拡散層３４Ａ内へ拡散し、その後、触媒層３３Ａまで至る。発電時においては、触媒層３３Ａで酸化ガスは所定の化学反応に供される。
【００２７】
本実施形態において、燃料電池１は、カソード側セパレータ３の有する第１ガス出口１２を少なくとも掃気時において閉塞するガス出口側閉塞手段５を備える。このガス出口側閉塞手段５は、発電時においては第１ガス出口１２を閉塞せず、開放した状態にする。掃気時においては、ガス出口側閉塞手段５は、第１ガス出口１２を閉塞する。また本実施形態において、燃料電池１は、カソード側セパレータ３の有する第２ガス入口２１を少なくとも掃気時において閉塞するガス入口側閉塞手段６を備える。このガス入口側閉塞手段６は、発電時においては第２ガス入口２１を閉塞せず、開放した状態にする。掃気においては、ガス入口側閉塞手段６は、第２ガス入口２１を閉塞する。
【００２８】
ガス入口側閉塞手段６およびガス出口側閉塞手段５としては、電磁弁等の公知の弁装置を用いることができる。これらのガス入口側閉塞手段６およびガス出口側閉塞手段５の制御は、例えば、所定の制御部（図示せず）により行われる。なお制御部は、ＣＰＵを中心とし、所定の処理プログラムを記憶したＲＯＭや、一時的にデータを記憶するＲＡＭ等を有するワンチップマイクロプロセッサにより構成される。制御部は、燃料電池１の発電時において、ガス入口側閉塞手段６に対して第２ガス入口２１を開放する指令を出し、かつガス出口側閉塞手段５に対して第１ガス出口１２を開放する指令を出す。これに対し、燃料電池１の掃気時においては、ガス入口側閉塞手段６に対して第２ガス入口２１を閉塞する指令を出し、かつガス出口側閉塞手段５に対して第１ガス出口１２を閉塞する指令を出す。ガス入口側閉塞手段６およびガス出口側閉塞手段５は、制御部からの指令に応答して、発電時および掃気時において所定の動作を行う。
【００２９】
なおカソード側セパレータ３は、冷却水を流す為の公知の冷却水用流路を備えるが、説明の便宜上、図１および図３において冷却用流路を省略した。またカソード側セパレータ３は、供給側および排出側の燃料ガスマニホールド４１，４２、冷却水用マニホールド５１，５２を備える。
【００３０】
アノード側セパレータ４は、ＭＥＡ２のアノード側に配置される。アノード側セパレータ４は、水素ガス等の燃料ガスをＭＥＡ２のアノード側表面上を沿わせて流すための流路である燃料ガス流路（図示せず）を備える。なお図１では説明の便宜上、図示されないが、燃料ガス流路の基本的な構造は、カソード側セパレータ３の備える第１ガス流路１０および第２ガス流路２０と同様である。但し、本実施形態においては、アノード側セパレータ４の燃料ガス流路は、独立した２つのガス流路からなるものではなく、単独のガス入口およびガス出口を有する流路とする。なおカソード側セパレータ３の第２ガス入口２１および第１ガス出口１２の備えるような閉塞手段６，５は本実施形態においては特に備える必要はない。アノード側セパレータ４のＭＥＡ２との接触面に設けられる燃料ガス流路（図示せず）において、その燃料ガス流路に沿って燃料ガスが流れる際、燃料ガスはＭＥＡ２のアノード側表面を沿って流れる。ＭＥＡ２のアノード側表面を沿って流れる際、燃料ガスは、ＭＥＡ２のアノード３２Ｂの拡散層３４Ｂ内へ拡散し、その後、触媒層３３Ｂまで至る。発電時においては、触媒層３３Ｂで燃料ガスは所定の化学反応に供される。
【００３１】
なおアノード側セパレータ４は、冷却水を流す為の公知の冷却水用流路（図示せず）や、供給側および排出側酸化ガスマニホールド、供給側および排出側燃料ガスマニホールド、冷却水用マニホールドを備える。
【００３２】
上記カソード側セパレータ３およびアノード側セパレータ４は、ＭＥＡ２において発生した電気を集電する集電部の機能を備える。その為、カソード側セパレータ３およびアノード側セパレータ４は、導電性部材からなる。またこれらのセパレータ３，４にはガス流路が形成される為、ガスを透過しない部材である必要がある。例えば、カーボンを圧縮してガス不透過性を付与した成形カーボンを、カソード側セパレータ３およびアノード側セパレータ４の素材として用いることが出来る。
【００３３】
ここで、発電中の燃料電池１の動作等について説明する。発電時において、外部より所定のコンプレッサ（図示せず）により燃料電池１のアノード側セパレータ４の燃料ガス流路（図示せず）に、水素ガス等の燃料ガス（以下、水素ガス）が供給される。供給される水素ガスは、通常、適度に加湿される。供給された水素ガスは、燃料ガス流路（図示せず）に沿って流れる。ＭＥＡ２上に配置する燃料ガス流路（図示せず）を流れる際、ＭＥＡ２のアノード３２Ｂ内部に水素ガスが供給される。水素ガスはＭＥＡ２のアノード側の拡散層３４Ｂ内へ拡散し、その後、拡散層３４Ｂの内側の触媒層３３Ｂへ至る。この触媒層３３Ｂにおいて、水素ガスが反応して、プロトンと電子とを生成する。生成したプロトンは、水素ガスに含まれる水等に由来する水分子を伴いカソード側セパレータ３の方へ電解質膜３１中を移動する。その後、プロトンはカソード３２Ａに到達する。一方、生成した電子は、導電性を有するアノード側セパレータ４の中を通り、その後、燃料電池１（単セル）のアノード側に隣接する他の燃料電池内（図示せず）へ移動する。
【００３４】
これに対し、発電時において、外部より所定のコンプレッサ（図示せず）により燃料電池１のカソード側セパレータ４の第１ガス流路１０および第２ガス流路２０に、それぞれ酸化ガス（空気）が供給される。第１ガス流路１０には第１ガス入口１１より空気が供給され、第２ガス流路２０には第２ガス入口２１より空気が供給される。なお第１ガス入口１１および第２ガス入口２１へ空気を供給する際、それぞれ別個のコンプレッサにより空気を供給しても良いが、本実施形態においては、１つのコンプレッサより空気を二股に分岐して第１ガス入口１１および第２ガス入口２１へガスを供給する。第１ガス入口１１より供給された空気は、先ず第１ガス流路１０の第１入口側内部ガス流路部１４へ至る。第２ガス入口２１より供給された空気は、先ず第２ガス流路２０の第２入口側内部ガス流路部２４へ至る。それぞれ第１入口側内部ガス流路部１４、第２入口側内部ガス流路部２４へ至った酸化ガスは、更にそれぞれの第１平行ガス流路部１３内、第２ガス平行流路部内２３へ至る。
【００３５】
ここで、図４は、発電時のカソード側セパレータ３において、第１平行ガス流路部１３内および第２平行ガス流路部２３内を沿い、酸化ガスが流れる様子を示す説明図である。図４において示される矢印の向きは、酸化ガス（空気）の流れる向きを表す。また図５は、図４のａ−ａ鎖線における発電時のカソード側セパレータ３において、第１平行ガス流路部１３内および第２平行ガス流路部２３内を通り、ＭＥＡ２のカソード表面上に沿って流れる酸化ガス（空気）の様子を示す説明図である。図５において、第１平行ガス流路部１３内および第２平行ガス流路部２３内に示される符号は、酸化ガス（空気）が紙面に対して奥側から手前側に向かって流れることを表す。第１平行ガス流路部１３内、第２平行ガス流路部２３内へ入った空気は、図４および図５において示されるように、それぞれの流路部１３，２３内に沿いつつ、かつＭＥＡ２のカソード表面に沿って流れる。その後、それぞれの流路部１３，２３内を沿って流れた空気は、それぞれ第１出口側内部ガス流路部１５内および第２出口側内部ガス流路部２５内へ至る。更にその後、空気は、それぞれ第１ガス出口１２および第２ガス出口２２より排気ガスとして排出される。
【００３６】
なお、第１平行ガス流路部１３内、第２ガス平行流路部２３内をＭＥＡ２のカソード表面に沿って流れる際、空気は、ＭＥＡ２の内部へ供給される。空気はＭＥＡ２のカソード３２Ａの拡散層３４Ａへ拡散し、その後、拡散層３４Ａの内側の触媒層３３Ａまで至る。この触媒層３３Ａにおいて、空気に含まれる酸素ガスは、電解質膜３１中を移動してきたプロトンと、電子と反応して水を生成する。なおこの反応に用いられる電子は、燃料電池１（単セル）のカソード側に隣接する他の燃料電池（図示せず）より供給される。
【００３７】
上記のようにカソード３２Ａの触媒層３３Ａで生成した水は、反応の進行により新たに生成した水に追いやられて、触媒層３３Ａの外側のカソード３２Ａの拡散層３４Ａ内へ浸入する。拡散層３４Ａ内へ浸入した水は、更に追いやられてＭＥＡ２の表面上へ滲出し、カソード側セパレータ３の有する第１ガス流路１０の第１平行ガス流路部１３内および第２ガス流路２０の第２平行ガス流路部２３内へ浸入する。それぞれの流路部１３，２３内へ浸入した水は、主として、流路を流れる空気に押され、第１ガス流路１０および第２ガス流路２０に沿って移動して、第１ガス出口１２および第２ガス出口２２より排気ガスと共に排出される。
【００３８】
以上のようにして、本実施形態に係る燃料電池１は、外部より燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受け、カソードにおいて水を生成しつつ発電を行う。
【００３９】
続いて、発電を停止した後の燃料電池１の動作等につて説明する。先ず、上記のように発電する燃料電池１の発電を停止させる為に、燃料電池１の出力を取り出す所定の回路（図示せず）を遮断する。発電停止後、燃料電池１内には、発電にともない生成した水が残留する。残留した水を燃料電池１の外部へ排出し、燃料電池１内部を適度に乾燥するために掃気を行う。掃気は、燃料電池１内にガスを流すことにより行われる。水は、主として燃料電池１のカソード側において多く残存している。その為、掃気は、少なくとも燃料電池１のカソード側において行う必要がある。
【００４０】
その為、本実施形態では、発電停止後も燃料電池１のカソード側に、掃気の為に外部より空気を供給し続ける。掃気に用いられる空気は、発電時において酸化ガスとして用いた空気をそのまま利用することが出来る。なお本実施形態では、発電時と掃気時とでは、空気の流し方を変更する。掃気時において、発電時とは異なる空気の流れを形成するためにガス入口側閉塞手段６およびガス出口側閉塞手段５を作動させる。
【００４１】
ガス入口側閉塞手段６は、発電停止後、所定の制御部（図示せず）より、第２ガス入口２１を閉塞するための指令を受け取る。またガス出口側閉塞手段５は、発電停止後、所定の制御部（図示せず）より、第１ガス出口１２を閉塞するための指令を受け取る。ガス入口側閉塞手段６は、指令に応じて作動し、第２ガス入口２１を閉塞し、ガス出口側閉塞手段５は、指令に応じて作動し、第１ガス出口１２を閉塞する。第２ガス入口２１が閉塞されると、発電時において、外部より第２ガス入口２１を通り、第２ガス流路２０内へ供給されていた空気は、掃気時においては第２ガス入口において遮断されることになる。即ち、掃気時は、第２ガス入口２１から第２ガス流路２０内へ空気を供給することを禁止する。一方、第１ガス出口１２が閉塞されると、発電時において、第１ガス流路１０を通過し、第１ガス出口１２より排出されていた空気が、掃気時においては第１ガス出口１２において遮断されることになる。即ち、掃気時は、第１ガス流路１０内の空気を第１ガス出口１２から排出することを禁止する。したがって、掃気時は、第１ガス入口１１のみから燃料電池１内へ空気が供給され、かつ第２ガス出口２２のみから空気が燃料電池１の外部へ排出されることになる。
【００４２】
ここで図６および図７を用いて、燃料電池１のカソード側における空気の流れについて説明する。図６は、掃気時におけるカソード側セパレータ３内を空気が流れる様子を示す説明図である。なお図６において示される矢印は、空気の流れる向きを表す。図７は、図６中のｂ−ｂ鎖線における掃気時のカソード側セパレータ３において、ＭＥＡ２の内部を空気が流れる様子を示す説明図である。なお図７において示される矢印は空気の流れる向きを表し、また各流路１３，２３内に示される符号は、空気が紙面に対して奥側から手前側に向かって流れることを表す。図６に示されるように、空気（酸化ガス）は第１ガス入口１１からのみ供給される。空気は第２ガス入口２１からは供給されない。第１ガス入口１１へ供給された空気は、先ず第１入口側内部ガス流路部１４へ入り、その後、第１平行ガス流路部１３へ入る。第１平行ガス流路部１３へ入った空気は、発電時ならば、そのまま流路１０に沿って流れ第１ガス出口１２より燃料電池１の外部へ排出されるが、第１ガス出口１２は閉塞されている為、第１ガス出口１２からは排出されない。この場合、第１ガス出口１２が閉塞されている為、第１ガス流路１０内へ空気が供給されると第１ガス流路１０内に空気が閉じこめられ、第１ガス流路１０内の圧力が上昇する。第１ガス流路１０内の圧力が上昇すると、図７に示されるように、第１平行ガス流路部１３内の空気は、ＭＥＡ２の内部（主として、カソード３２Ａの拡散層３４Ａ）を通過して隣接する第２平行ガス流路部２３内へ入る。第２平行ガス流路部２３内へ入った空気は、そのまま第２ガス流路２０に沿って流れ、第２ガス出口２２より外部へ排出される。
【００４３】
なお、上記のように空気がＭＥＡ２の内部を通過する際に、ＭＥＡ２の内部に留まっていた水は、ＭＥＡ２の表面へ押し出される。押し出された水は、第２平行ガス流路部２３へ入り、空気と共に第２ガス出口２２より燃料電池１の外部へ排出される。したがって、掃気時において上記のような空気の流れを形成することにより、ガス流路１０，２０内に残留した水のみならず、ＭＥＡ２の内部に残留した水をも燃料電池１の外部へ排出することが出来る。
【００４４】
以上のようにして燃料電池１内の水が排出され、適度に乾燥される。その後、カソード側セパレータへの空気（掃気ガス）の供給が停止される。
【００４５】
ところで、燃料電池１の発電に伴い生成する水は、一般的に、ＭＥＡ２の内部であって、ＭＥＡ２とカソード側セパレータ３との接触個所の周囲に、集中し易いことが知られている。これは、カソード側セパレータ３のＭＥＡとの接触個所が、電気（電子）を集める集電部として機能するためと推測される。カソード側セパレータ３の集電部は、その近辺のＭＥＡ２のカソード３２Ａに電子を渡し、カソード２３Ａが電子を受け取ると、その近辺で水が生成するためと推測される。
【００４６】
本実施形態においては、主として、第１ガス流路１０と第２ガス流路２０との間の個所が集電部６０として機能するため、その集電部６０と接触するＭＥＡ２の周辺に水が残留し易くなる（図５参照）。しかし、本実施形態に係る燃料電池１は、掃気時において、集電部６０の真下およびその近辺のＭＥＡ２内部に空気を通し、ＭＥＡ２内部に残留する水をＭＥＡ２の表面へ押し出すことが出来るので、効率良く燃料電池１の内部、特にＭＥＡ２の内部に残留する水を外部へ排出し、燃料電池１内部を適度に乾燥することが出来る（図７参照）。
【００４７】
本実施形態に係る燃料電池１は、例えば、発電時と同じくＭＥＡ２の表面に沿った空気の流れにより掃気を行う場合と比較して、短時間の間に掃気を行うことが出来る。その為、発電停止後、直ちに掃気を行えば、燃料電池１の余熱をも利用して掃気を行うことができる。余熱（例えば、燃料電池１内の温度が７５℃程度）を利用して掃気を行えば、燃料電池１内部は余熱により水が気化しやすい状態にあり、その為、更に短時間で燃料電池２内の水を排出し、燃料電池１内を適度に乾燥することが出来る。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池１は、掃気時において、供給されるガスの流れの道筋を、発電時における供給されるガスの流れの道筋と異ならせ、特に、ＭＥＡ２の内部を通過するガスの流れの道筋を形成することにより、燃料電池１の内部の水（ＭＥＡ２内部の水）を除去し、燃料電池１の内部（ＭＥＡ２内部）を適度に乾燥することが出来る。
【００４９】
なお上記実施形態に係る燃料電池１おいては、第１ガス流路１０の出口である第１ガス出口１２と、第２ガス流路２０の入口である第２ガス入口２１とを所定の閉塞手段５，６より閉塞したが、他の実施形態においては、他の個所を閉塞してもよい。例えば、第１ガス流路１０の入口である第１ガス入口１１と、第２ガス流路２０の出口である第２ガス出口２２とを所定の閉塞手段により閉塞してもよい。また、上記実施形態においては、独立した２つのガス流路である第１ガス流路１０と第２ガス流路２０とを備える構成としたが、他の実施形態においては、例えば、独立した３つのガス流路を備え、発電時と掃気時とにおいて所定の流路に切り換える構成としても良い。例えば、発電時は、３つの独立したガス流路のガス入口から空気を供給し、対応した３つ独立したガス出口から空気を排出する。これに対して、掃気時においては、１つのガス入口を残して残りの２つのガス入口を所定の閉塞手段で閉塞し、前記１つのガス入口より空気を供給する。また前記１つのガス入口と直接連絡するガス出口は所定の閉塞手段により閉塞し、残りの前記２つの閉塞されたガス入口と直接連絡するガス出口は発電時と同じく開放する。
【００５０】
上記実施形態においては、燃料電池１のカソード側における掃気を示したが、アノード側においも、同様の手法により発電時と掃気時とにおいて流路の切り換えを行って掃気を行っても良いし、また従来通り、発電時と同様の流路においてガスを流して掃気を行ってもよい。なお燃料電池１のアノード側は、加湿された状態で燃料ガスが供給され、また条件によってはカソード側からアノード側へ水が拡散してくる場合もある。その為、アノード側セパレータの有する流路においても水が残留する場合があり、カソード側と同様に、発電時と掃気時とにおいて流路を切り換えて掃気を行うことが望ましい場合もある。なおアノード側において掃気を行う場合、発電時と同様、掃気ガスとして燃料ガスを用いてもよいが、空気、窒素ガス等の他の掃気ガスを用いることが望ましい。
【００５１】
なおアノード側において、本実施形態に係る燃料電池１のカソード側と同様の手法により、掃気を行う場合は、上記燃料電池１の構成以外に、例えば、前記アノード側セパレータは、燃料ガスがＭＥＡのアノード側表面を沿って流れる独立した流路であって、第３ガス入口および第３ガス出口を含む第３ガス流路と、第４ガス入口および第４ガス出口を含む第４ガス流路とを有する必要がある。この場合の燃料電池は、発電時において、第３ガス入口より第３ガス流路内へ供給された燃料ガスの内、未反応の燃料ガスは第３ガス出口より排出され、第４ガス入口より第４ガス流路内へ供給された燃料ガスの内、未反応の燃料ガスは第４ガス出口より排出される。このような場合の燃料電池は、掃気時に第４ガス入口を閉塞するガス入口側閉塞手段と、掃気時に第３ガス出口を閉塞するガス出口側閉塞手段とを備え、掃気時において、ガスを、第３ガス入口から第３ガス流路に供給し、第３ガス流路からＭＥＡ内部を通過させて第４ガス流路へ移動させ、第４ガス出口から排出する構成を備えることになる。このような構成によれば、素早く燃料電池のアノード側から水を排出し、乾燥することが出来る。
【００５２】
本発明に係る燃料電池は、例えば、車両搭載用燃料電池、定置用燃料電池として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２】ＭＥＡの部分断面図である。
【図３】カソード側セパレータの斜視図である。
【図４】発電時、カソード側セパレータにおいて、第１平行ガス流路部および第２平行ガス流路部を沿って酸化ガスが流れる様子を示す説明図である。
【図５】発電時、カソード側セパレータにおいて、第１平行ガス流路部および第２平行ガス流路部に沿い、かつＭＥＡのカソード表面上に沿って酸化ガスが流れる様子を示す説明図である。
【図６】掃気時、カソード側セパレータにおいて、空気が流れる様子を示す説明図である。
【図７】掃気時、ＭＥＡの内部を空気が流れる様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  燃料電池、２  ＭＥＡ、３  カソード側セパレータ、４  アノード側セパレータ、５  ガス出口側閉塞手段、６  ガス入口側閉塞手段、１０  第１ガス流路、１１  第１ガス入口、１２  第１ガス出口、１３  第１平行ガス流路部、１４  第１入口側内部ガス流路部、１５  第１出口側内部ガス流路部、１８  供給側第１酸化ガスマニホールド、１９  排出側第１酸化ガスマニホールド、２０  第２ガス流路、２１  第２ガス入口、２２  第２ガス出口、２３  第２平行ガス流路部、２４  第２入口側内部ガス流路部、２５  第２出口側内部ガス流路部、２８  供給側第２酸化ガスマニホールド、２９  排出側第２酸化ガスマニホールド、３１  電解質膜、３２  電極、３２Ａ  カソード、３２Ｂ  アノード、３３  触媒層、３３Ａ  カソード側の触媒層、３３Ｂ  アノード側の触媒層、３４  拡散層、３４Ａ  カソード側の拡散層、３４Ｂ  アノード側の拡散層。
【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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