(57)【要約】【課題】アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池性能の低下の抑制、燃料電池の燃費性能の向上を図る。【解決手段】燃料電池システムＦＣＳにおいて、アノード液水排出マニホールド形成部１１２は、中間セパレータ１３に形成されている連通溝１３６ｂおよびアノードセパレータ１１に形成されているアノード液水排出孔１１７を介してＭＥＡ１４のガス拡散層１４２と連通している。連通溝１３６ｂにガス不透過な吸水性部材５０が配置されている。吸水性部材５０は、液水の通過は許容するが、ガスの通過を許容しない材料から形成されている。したがって、アノードセパレータ１１の下流側に滞留する液水は、吸水性部材５０に吸収され、アノード液水排出マニホールド形成部１１２へと排出される。【選択図】図２
2007213928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムに用いられる燃料電池であって、
アノードガス供給マニホールドと、
アノードガス排出マニホールドと、
アノード液水排出マニホールドと、
前記アノードガス供給マニホールド、アノードガス排出マニホールド、およびアノード液水排出マニホールドと連通されている１または複数のアノードガス内部流路部と、
各前記アノードガス内部流路部と前記アノード液水排出マニホールドとの間に配置されているガス不透過性の吸液部材と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、
カソードセパレータと、
前記アノードガス供給マニホールドを形成するアノードガス供給マニホールド形成部と、前記アノードガス供給マニホールド形成部と連通されていると共にアノードガス内部流路部を形成する前記内部ガス流路部と、前記内部ガス流路部と連通されている前記アノード液水排出マニホールドを形成するアノード液水排出マニホールド形成部および前記アノードガス排出マニホールドを形成するアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、
前記アノードガスセパレータにおける前記内部ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置される前記吸液部材と、
前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体とを備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成される燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、
カソードセパレータと、
前記アノードガス供給マニホールドを形成するアノードガス供給マニホールド形成部と、前記内部ガス流路部と連通されている前記アノード液水排出マニホールドを形成するアノード液水排出マニホールド形成部および前記アノードガス排出マニホールドを形成するアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、
前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体であって、前記アノードガス内部流路部を形成するガス流路部を備える膜電極接合体と、
前記アノードガスセパレータにおける前記内部ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置される前記吸液部材とを備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成される燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記アノード液水排出マニホールドをカソードガス供給マニホールドとして備える燃料電池。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池において、
前記カソードセパレータは、前記アノードセパレータが重ね合わされた際に、前記アノード液水排出マニホールド形成部と同位置に位置するカソードガス供給マニホールド形成部を有し、
前記アノード液水排出マニホールド形成部と前記カソードガス供給マニホールド形成部とによって、カソードマニホールドが形成される燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記吸液部材は多孔質体である燃料電池。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記吸液部材は前記膜電極接合体を構成する電解質層と同一の材料によって、前記膜電極接合体と一体に形成される燃料電池。
【請求項８】
アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムであって、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、カソードガス供給部、カソードガス排出部、アノードガス供給部および前記アノード液水排出マニホールドと連通されているアノード液水排出部を備える燃料電池と、
一端が前記燃料電池のアノード液水排出部と接続されているアノード液水排出管と、
前記アノード液水排出部と前記アノード液水排出管との間に配置され、前記アノード液水排出部と前記アノード液水排出管とを連通または非連通状態に切り替える切り替え機構とを備える燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムはさらに、
前記アノードガス供給部に接続されているアノードガス供給管を備え、
前記アノード液水排出管の他端は、前記アノードガス供給管に接続されている燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の燃料電池システムはさらに、
前記カソードガス供給部に接続されているカソードガス供給管を備え、
前記アノード液水排出管の他端は、前記カソードガス供給管に接続されている燃料電池システム。
【請求項１１】
アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムに用いられる燃料電池であって、
カソードセパレータと、
アノードガス供給マニホールド形成部と、前記アノードガス供給マニホールド形成部と連通されている内部ガス流路部と、前記内部ガス流路部と連通されているアノード液水排出マニホールド形成部およびアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、
前記アノードガスセパレータにおける前記内部ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置されるガス不透過性の吸液部材と、
前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体とを備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成される燃料電池。
【請求項１２】
アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムに用いられる燃料電池であって、
カソードセパレータと、
アノードガス供給マニホールド形成部と、アノード液水排出マニホールド形成部およびアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、
前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体であって、ガス流路部を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体におけるアノード側の前記ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置されるガス不透過性の吸液部材と、
を備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成される燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池システムでは、燃料電池の運転時間の経過と共に、燃料電池内に残留する窒素、水分といった不純物によって、電極触媒が被覆される。この結果、電極触媒における起電反応が阻害され、出力電圧が低下するという問題を有していた。
【０００３】
この問題に対して、従来の燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池システムでは、出力電圧が所定の基準電圧以下となった場合には、アノード排ガス排出部に備えられているバルブを開き、燃料電池内（アノード側）の不純物を含むアノード排ガスを燃料電池外に排出し、出力電圧の回復が図られていた。
【０００４】
また、燃料電池外へと不純物を排出するにあたり、不純物と共に排出される水素を有効に利用するために、アノード排ガス排出部の下流に第２の燃料電池を配置する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７７５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、不純物に含まれる液体状体の生成水（液水）は、気体である窒素ガスと比較して流動性、拡散性に劣るためアノード排ガス排出部からの排出が困難である。したがって、アノード排ガス排出部から、十分な量の液水を燃料電池外部に排出させるためには、長い時間にわたりバルブを解放しなければならない。この結果、不純物と共に排出される水素量も増大し、燃料電池システムのエネルギ効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
一方、燃料電池を複数個備える場合には、不純物と共に排出される水素を活用できるものの、燃料電池システムが大型化してしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、アノードガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池外に排出される水素量を抑制しつつ、生成水を燃料電池外部に排出させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムに用いられる燃料電池を提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池は、アノードガス供給マニホールドと、アノードガス排出マニホールドと、アノード液水排出マニホールドと、前記アノードガス供給マニホールド、アノードガス排出マニホールド、およびアノード液水排出マニホールドと連通されている１または複数のアノードガス内部流路部と、各前記アノードガス内部流路部と前記アノード液水排出マニホールドとの間に配置されているガス不透過性の吸液部材とを備える。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、アノードガス内部流路部とアノード液水排出マニホールドとの間にガス不透過性の吸液部材を備えるので、アノードガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池外に排出される水素量を抑制しつつ、生成水を燃料電池外部に排出させることができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、
前記燃料電池は、カソードセパレータと、前記アノードガス供給マニホールドを形成するアノードガス供給マニホールド形成部と、前記アノードガス供給マニホールド形成部と連通されていると共にアノードガス内部流路部を形成する前記内部ガス流路部と、前記内部ガス流路部と連通されている前記アノード液水排出マニホールドを形成するアノード液水排出マニホールド形成部および前記アノードガス排出マニホールドを形成するアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、前記アノードガスセパレータにおける前記内部ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置される前記吸液部材と、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体とを備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成されても良い。この場合には、アノードガスセパレータにおける内部ガス流路部とアノード液水排出マニホールド形成部との間に配置される吸液部材によってアノードにおける液水を吸収し、アノード液水排出マニホールドへと導くことができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、
前記燃料電池は、カソードセパレータと、前記アノードガス供給マニホールドを形成するアノードガス供給マニホールド形成部と、前記内部ガス流路部と連通されている前記アノード液水排出マニホールドを形成するアノード液水排出マニホールド形成部および前記アノードガス排出マニホールドを形成するアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体であって、前記アノードガス内部流路部を形成するガス流路部を備える膜電極接合体と、前記アノードガスセパレータにおける前記内部ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置される前記吸液部材とを備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成されても良い。この場合には、アノードガスセパレータにおける内部ガス流路部とアノード液水排出マニホールド形成部との間に配置される吸液部材によってアノードにおける液水を吸収し、アノード液水排出マニホールドへと導くことができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記アノード液水排出マニホールドをカソードガス供給マニホールドとして備えても良い。この場合には、アノードから排出された液水をカソードガスの調湿に用いることができる。
【００１４】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記カソードセパレータは、前記アノードセパレータが重ね合わされた際に、前記アノード液水排出マニホールド形成部と同位置に位置するカソードガス供給マニホールド形成部を有し、前記アノード液水排出マニホールド形成部と前記カソードガス供給マニホールド形成部とによって、カソードマニホールドが形成されても良い。この場合には、アノードから排出された液水をカソードガスの調湿に用いることができる。
【００１５】
本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記吸液部材は多孔質体であっても良く、あるいは、前記膜電極接合体を構成する電解質層と同一の材料によって、前記膜電極接合体と一体に形成されても良い。前者の場合には、所望の位置に吸液部材を配置することができる。後者の場合には、膜電極接合体と一体化することで部品点数を低減することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムを提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、本発明の第１の態様に係る燃料電池であって、カソードガス供給部、カソードガス排出部、アノードガス供給部および前記アノード液水排出マニホールドと連通されているアノード液水排出部を備える燃料電池と、
一端が前記燃料電池のアノード液水排出部と接続されているアノード液水排出管と、前記アノード液水排出部と前記アノード液水排出管との間に配置され、前記アノード液水排出部と前記アノード液水排出管とを連通または非連通状態に切り替える切り替え機構とを備える。
【００１７】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムによれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池を備えるので、アノードガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池外に排出される水素量を抑制しつつ、生成水を燃料電池外部に排出させることができる。
【００１８】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記アノードガス供給部に接続されているアノードガス供給管を備え、前記アノード液水排出管の他端は、前記アノードガス供給管に接続されていても良い。この構成を備えれば、排出されたアノード液水を燃料電池システムの外部に排出するための構成を備える必要がなく、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。
【００１９】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記カソードガス供給部に接続されているカソードガス供給管を備え、前記アノード液水排出管の他端は、前記カソードガス供給管に接続されていても良い。この構成を備えれば、排出されたアノード液水をカソードに供給することができるので、カソードに対して水分を供給するための外部装置を小型化または省略することができるので、燃料電池システムを小型化することができる。
【００２０】
本発明の第３の態様は、アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムに用いられる燃料電池を提供する。本発明の第３の態様に係る燃料電池は、カソードセパレータと、アノードガス供給マニホールド形成部と、前記アノードガス供給マニホールド形成部と連通されている内部ガス流路部と、前記内部ガス流路部と連通されているアノード液水排出マニホールド形成部およびアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、前記アノードガスセパレータにおける前記内部ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置されるガス不透過性の吸液部材と、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体とを備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成される。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る燃料電池によれば、アノードガスセパレータにおける内部ガス流路部とアノード液水排出マニホールド形成部との間にガス不透過性の吸液部材を備えるので、アノードガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池外に排出される水素量を抑制しつつ、生成水を燃料電池外部に排出させることができる。
【００２２】
本発明の第４の態様は、アノードガスを内部に止めて運転可能な燃料電池システムに用いられる燃料電池を提供する。本発明の第４の態様に係る燃料電池は、カソードセパレータと、アノードガス供給マニホールド形成部と、アノード液水排出マニホールド形成部およびアノードガス排出マニホールド形成部とを備えるアノードセパレータと、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータによって狭持される膜電極接合体であって、ガス流路部を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体におけるアノード側の前記ガス流路部と前記アノード液水排出マニホールド形成部との間に配置されるガス不透過性の吸液部材とを備える単電池によって、またはその単電池が複数積層されることによって構成される。
【００２３】
本発明の第４の態様に係る燃料電池によれば、膜電極接合体におけるアノード側のガス流路部とアノード液水排出マニホールド形成部との間にガス不透過性の吸液部材を備えるので、アノードガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池外に排出される水素量を抑制しつつ、生成水を燃料電池外部に排出させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る燃料電池および燃料電池システムについて図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００２５】
・第１の実施例：
図１を参照して第１の実施例に係る燃料電池を含む燃料システムの概略構成について説明する。図１は第１の実施例に係る燃料電池を含む燃料システムの一構成例を模式的に示す説明図である。
【００２６】
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１００、高圧水素タンク２０、アノードガス供給管３０、カソードガス供給管４０、およびモータを始めとする電気エネルギを消費する負荷６０を備えている。燃料電池１００と高圧水素タンク２０は、アノードガス供給管３０によって接続されている。アノードガス供給管３０には、燃料電池１００に供給するアノードガスのガス圧を所定値に調整するための圧力制御弁２１が配置されている。
【００２７】
燃料電池１００は、例えば、複数の単セル１０がスタック状に積層されてなる積層型の燃料電池である。燃料電池１００は、高圧水素タンク２０からアノードガスとしての水素を燃料電池１００内部へ導入するためのアノードガス供給部３１、燃料電池１００内に滞留している不純物のうち液体状体の生成水である液水を燃料電池１００の外部に排出するためのアノード液水排出部３２、燃料電池１００内に滞留しているガス不純物、例えば、窒素を外部に排出するためのアノードガス排出部３３を備えている。
【００２８】
アノードガス供給部３１に供給されたアノードガスは、アノードガス供給マニホールド３１１を介して、各単セル１０に供給される。一方、単セル１０に滞留している液水はアノード液水排出マニホールド３２１を介してアノード液水排出部３２へと導かれ、単セル１０に滞留しているガス不純物はアノードガス排出マニホールド３３１を介してアノードガス排出部３３へと導かれる。
【００２９】
アノード液水排出部３２には、循環管３２３の一端が接続されている。循環管３２３の他端は、アノードガス供給管３０に接続されており、アノード液水排出部３２から排出される液水は、アノードガス供給管３０へと導かれる。
【００３０】
アノードガス排出部３３には、遮断弁３３２が接続されており、遮断弁３３２には、アノードオフガス排出管３３３が接続されている。なお、本実施例中においては、説明を簡略にするため燃料電池１００から排出されるアノードガスをアノードオフガスと呼ぶ。遮断弁３３２は、アノードガス排出部３３とアノードオフガス排出管３３３とを連通または非連通状態のいずれかに切り替える。遮断弁３３２が連通状態（開弁状態）に切り替えられると、アノードガス排出部３３から排出されるガス不純物は、アノードオフガス排出管３３３へと導かれる。遮断弁３３２は、一定の時間間隔で、あるいは、燃料電池１００の出力値が所定値を下回る場合に連通状態に切り替えられ、燃料電池１００内部に滞留するガス不純物がアノードオフガス排出管３３３を介して燃料電池１００の外部へと排出される。
【００３１】
燃料電池１００はさらに、カソードガス供給管４０が接続されるカソードガス供給部４１、カソードオフガス排出管４３が接続されるカソードオフガス排出部４２が備えられている。カソードガス供給管４０を介して供給されるカソードガス（酸化ガス）は、カソードガス供給部４１を介して燃料電池１００内に導入され、カソードガス供給マニホールド４１１を介して、各単セル１０に供給される。一方、単セル１０に供給されたカソードガスは、カソードガス排出マニホールド４２１を介してカソードオフガス排出部４２へと導かれ、カソードオフガス排出管４３を介して燃料電池１００外部に排出される。
【００３２】
図２〜図９を参照して、第１の実施例に係る燃料電池１００の内部構成について説明する。図２は第１の実施例に係る燃料電池１００を構成する単セル１０を、アノードセパレータの膜電極接合体との対向面から見た平面図である。図３は単セルを構成するアノードセパレータを膜電極接合体との対向面から見た平面図である。図４は単セルを構成するアノードセパレータを膜電極接合体との対向面の反対面から見た平面図である。図５は単セルを構成する中間セパレータの平面図である。図６は単セルを構成するカソードセパレータの平面図である。図７は図２中の７−７線で単セル１０を切断した断面図である。図８は図２中の８−８線で単セル１０を切断した断面図である。図９は図２中の９−９線で単セル１０を切断した断面図である。
【００３３】
第１の実施例において用いられるガスセパレータは、プレス加工等によって打ち抜かれた開口部を有する３種類の金属製プレート、アノード側プレート、カソード側プレートおよび中間プレートが組み合わされて形成される。すなわち、３種類の金属製プレートが組み合わされることによって、従来のアノードセパレータおよびカソードセパレータの機能が提供される。なお、組み合わされた後のアノード側プレートおよびカソード側プレートは、それぞれ従来のアノードセパレータおよびカソードセパレータと同様に機能するので、以下の実施例では、説明の便宜上、アノード側プレートをアノードセパレータと、カソード側プレートをカソードセパレータと、中間プレートを冷却液流路形成パネルと呼ぶ。
【００３４】
図２はアノードセパレータ１１、カソードセパレータ１２および中間セパレータ１３が組み合わされたガスセパレータをアノードセパレータ１１側から見た平面図である。より詳細には、アノードセパレータ１１における、拡散層を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１４との接触面側から見た平面図である。
【００３５】
本実施例における単セル１０は、アノードセパレータ１１、カソードセパレータ１２、中間セパレータ１３、拡散層を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１４を備えている。本実施例において用いられる各アノードセパレータ１１、およびカソードセパレータ１２は、各セパレータ上に、ガス流路、冷却液流路が切削形成されていない表面が平滑なフラットセパレータである。一方、ＭＥＡ１４にはいわゆる電解質層に加えて、導電性多孔質体からなるガス拡散層が備えられており、このガス拡散層が単セル内のアノードガス内部流路部として機能する。
【００３６】
ＭＥＡ１４は、電解質層１４１、電解質層の両面に形成された触媒電極を含むガス拡散層１４２を備えている。本実施例の燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、電解質層１４１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。触媒電極は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属からなる合金を備えている。なお、触媒電極は電解質層１４１の表面に備えられていても良い。
【００３７】
ガス拡散層１４２は、多孔質層であり、導電性及びガス透過性を有する部材によって構成されている。ガス拡散層１４２としては、例えば、カーボン製多孔質体を用いることができ、本実施例ではカーボンペーパを用いている。ガス拡散層１４２における、ＭＥＡ１４との接触面には、撥水化処理が施されていても良い。撥水化処理は、撥水性物質であるフッ素樹脂の分散液とカーボン粉末と溶媒とを混合して得た混合液を、カーボンペーパ上に塗布し、その後熱処理することにより行なうことができる。このようにガス拡散層１４２の表面を撥水化処理することにより、触媒電極に対するガス供給を確保すると共に、ガス拡散層側から触媒電極への水の移動を抑制することができる。
【００３８】
アノードセパレータ１１、カソードセパレータ１２および中間セパレータ１３の構成について以下説明する。図２〜図６に示されるように、各セパレータ１１、１２および１３は、アノードガス供給マニホールド形成部１１１、１２１、１３１、アノード液水排出マニホールド形成部１１２、１２２、１３２、アノードオフガス排出マニホールド形成部１１３、１２３、１３３を有している。各セパレータ１１、１２および１３はまた、カソードガス供給マニホールド形成部１１４ａ、１２４ａ、１３４ａ、カソードオフガス排出マニホールド形成部１１４ｂ、１２４ｂ、１３４ｂを備えている。各セパレータ１１、１２および１３はさらに、冷却液供給マニホールド形成部１１５ａ、１２５ａ、１３５ａ、冷却液排出マニホールド形成部１１５ｂ、１２５ｂ、１３５ｂを備えている。
【００３９】
各セパレータ１１、１２および１３に備えられているアノードガス供給マニホールド形成部１１１、１２１、１３１、アノード液水排出マニホールド形成部１１２、１２２、１３２、およびアノードオフガス排出マニホールド形成部１１３、１２３、１３３は、積層時に、それぞれ、アノードガス供給マニホールド３３１、アノード液水排出マニホールド３２１およびアノードオフガス排出マニホールド３３１を形成する。
【００４０】
各セパレータ１１、１２および１３に備えられているカソードガス供給マニホールド形成部１１４ａ、１２４ａ、１３４ａ、カソードオフガス排出マニホールド形成部１１４ｂ、１２４ｂ、１３４ｂは、積層時に、それぞれ、カソードガス供給マニホールド４１１、カソードオフガス排出マニホールド４２１を形成する。
【００４１】
本実施例におけるアノードセパレータ１１およびカソードセパレータ１２は、フラットセパレータであるため、アノードセパレータ１１およびカソードセパレータ１２には、各マニホールド形成部１１１〜１１４、１２１〜１２４とＭＥＡ１４とを連通する連通路が備えられていない。代わりに、図３に示すように、アノードセパレータ１１は、アノードガス供給孔１１６、アノード液水排出孔１１７、アノードオフガス排出孔１１８を有している。また、中間セパレータ１３は、図５に示すように、アノードセパレータ１１における各マニホールド形成部１１１〜１１４と各孔１１６〜１１８を連通するアノードガス供給連通溝１３６ａ、アノード液水排出連通溝１３６ｂ、およびアノードオフガス排出連通溝１３６ｃを有している。
【００４２】
これら孔１１６〜１１８および連通溝１３６、１３７によって、アノード側の各マニホールド形成部１１１〜１１４とＭＥＡ１４とが連通される。
【００４３】
また、図６に示すように、カソードセパレータ１２は、カソードガス供給孔１２６、カソードオフガス排出孔１２７を有している。また、中間セパレータ１３は、図５に示すように、カソードセパレータ１２における各マニホールド形成部１２１〜１２４と各孔１２６、１２７を連通するカソードガス供給連通溝１３７ａ、およびカソードオフガス排出連通溝１３７ｂを有している。
【００４４】
これら孔１２６、１２７および連通溝１３７ａ、１３７ｂによって、カソード側の各マニホールド形成部１２１〜１２４とＭＥＡ１４とが連通される。
【００４５】
中間セパレータ１３のアノード液水排出連通溝１３６ｃには、後に詳述する吸水性部材５０が配置されている。なお、中間セパレータ１３以外のセパレータ１１、１２を示す図においても、吸水性部材５０の配置位置を示すために、吸水性部材５０が仮想的に配置されている。中間セパレータ１３はさらに、組み合わされた際に、冷却液流路を形成する複数の冷却液流路形成部１３８を備えている。
【００４６】
各セパレータ１１、１２、１３は、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される。各マニホールド形成部、孔、連通溝、冷却液流路形成部は、打ち抜き加工によって形成される。各セパレータ１１、１２、１３は、例えば、拡散接合により接合される。あるいは、中間セパレータ１３を、シール層と耐熱性樹脂層とを備えるラミネート樹脂によって形成する場合には、加熱接着により各セパレータ間をシール接合しても良い。
【００４７】
アノードセパレータ１１およびカソードセパレータ１２には、シール材ＳＥが配置されている。アノードセパレータ１１の例をとって説明する。図２に示すように、シール材ＳＥは、各マニホールド形成部１１１〜１１５、ＭＥＡ１４の周縁部に配置されている。シール材ＳＥは、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成されると共に、ＭＥＡ１４と一体で形成されている。シール材ＳＥは、例えば、シール材ＳＥに対応する形状の金型のキャビティ内にＭＥＡ１４の周縁部が収まるようにＭＥＡ１４を配置し、樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、ＭＥＡ１４とシール材ＳＥとが隙間なく接合される。
【００４８】
図７〜図９を参照して本実施例における特徴的な構成について説明する。本実施例におけるアノードセパレータ１１は、１つのアノードガス供給マニホールド形成部１１１に対して、２つの排出マニホールド形成部１１２、１１３を備えている。一方の排出マニホールド形成部、アノードオフガス排出マニホールド１１２は、従来より用いられている、アノードオフガスを排出するためのマニホールド形成部である。他方のマニホールド形成部、アノード液水排出マニホールド形成部１１３は、従来備えられていない、生成水を排出するためのマニホールド形成部である。
【００４９】
図７に示すように、アノード液水排出マニホールド形成部１１２は、既述の通り、中間セパレータ１３に形成されている連通溝１３６ｂおよびアノードセパレータ１１に形成されているアノード液水排出孔１１７を介してＭＥＡ１４のガス拡散層１４２（アノードガス内部流路部）と連通している。ただし、本実施例では、図４および図７に示すとおり、例えば、連通溝１３６ｂにガス不透過な吸水性部材５０が配置されている。
【００５０】
吸水性部材５０は、液体、本実施例では液水の通過（移動）は許容するが、ガスの通過を許容しない材料から形成されている。したがって、アノードセパレータ１１の下流側に滞留する液水は、吸水性部材５０に吸収され、アノード液水排出マニホールド形成部１１２（アノード液水排出マニホールド３２１）へと排出される。吸水性部材５０としては、例えば、フッ素系樹脂、炭化水素系樹脂が用いられる。また、吸水性部材５０には、イオン伝導性は必ずしも要求されない。
【００５１】
図８に示すように、アノードオフガス排出マニホールド形成部１１３は、既述の通り、中間セパレータ１３に形成されている連通溝１３６ｃおよびアノードセパレータ１１に形成されているアノードオフガス排出孔１１８を介してＭＥＡ１４のガス拡散層１４２と連通している。しかしながら、各連通溝１３６ｃには何も配置されておらず、一般的なアノードオフガス排出構造を備えている。
【００５２】
アノード液水排出マニホールド形成部１１２は、不純物のうち、液水の排出は許容するものの、ガス不純物の透過は許容しない。したがって、アノードセパレータ１１の下流側に滞留するガス不純物は、アノードオフガス排出マニホールド形成部１１３（アノード液水排出マニホールド３３１）へと排出される。なお、アノードオフガス排出マニホールド形成部１１３へは、主として窒素等のガス不純物が排出されるが、液水、あるいは、気体状態の水分の排出が妨げられるものではない。
【００５３】
アノードガス供給マニホールド形成部１１１は、図９に示すようにして、ＭＥＡ１４のガス拡散層１４２と連通されている。すなわち、中間セパレータ１３に形成されている連通溝１３６ａおよびアノードセパレータ１１に形成されているアノードガス供給孔１１６を介してＭＥＡ１４のガス拡散層１４２と連通している。
【００５４】
以上説明したように、第１の実施例に係る燃料電池１００によれば、アノードに滞留する液水を排出するためのアノード液水排出マニホールド３２１と、専らガス不純物を排出するためのアノードオフガス排出マニホール３３１とが備えられている。また、アノードセパレータ１１におけるアノードガス内部流路部とアノード液水排出マニホールド形成部１１２の間には、ガス不透過な吸水性部材５０が配置されている。この構成を備えることによって、アノード下流に滞留する液水は吸水性部材に５０に吸収され、液水のみをアノード液水排出マニホールド３２１へと導くことができる。また、ガス不純物はアノードオフガス排出マニホールド形成部１１３を介して外部に排出することができる。したがって、不純物の排出処理において、一般的に排出に時間を要する液水の排出時間を考慮することなく、ガス不純物の排出に必要な時間だけ制御弁３３２を開弁すれば良く、制御弁３３２の開弁時間を短くすることができる。この結果、不純物の排出処理における、水素の不要な放出を抑制または防止することが可能となり、燃料電池システムＦＣＳにおけるエネルギ効率を向上させることができる。
【００５５】
さらに、アノードガスが垂直方向（重力の荷重方向）に流れるので、吸水性部材５０を介してアノードから排出される液水の排出を促すことができる。
【００５６】
第１の実施例の変形例：
上記第１の実施例では、矩形形状の連通溝１３６ｂが用いられ、対応する形状を有する吸水性部材５０が連通溝１３６ｂに配置されている。しかしながら、例えば、連通孔１３６ｃのようにくし状の複数の連通溝を用いて、各連通溝に吸水性部材５０を配置しても良い。
【００５７】
・第２の実施例：
図１０〜図１２を参照して第２の実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。図１０は第２の実施例に係る燃料電池１００ｂを構成する単セルを、アノードセパレータの膜電極接合体との対向面から見た平面図である。図１１は図１０中のＸ−Ｘ線で単セルを切断した断面図である。図１２は図１０中のＹ−Ｙ線で単セルを切断した断面図である。第２の実施例に係る燃料電池１００ｂは、吸水性部材５０として、延伸された電解質層１４１が用いられる。なお、フラットセパレータである点において、主な構成についても、第１の実施例における燃料電池１００と同様であるから、同等の構成については第１の実施例において用いた符号にｂを付すことで各セパレータの詳細な説明は省略する。
【００５８】
第２の実施例におけるガスセパレータは、アノードセパレータ１１ｂ、カソードセパレータ１２ｂ、中間セパレータ１３ｂを組み合わせることによって構成される。本実施例では、中間セパレータ１３ｂは多孔質体から構成されており、連通溝、冷却液流路形成部を有しない。
【００５９】
図１０に示すとおり、ＭＥＡ１４の電解質層１４１の一端は、アノード液水排出マニホールド形成部１１２を覆うように延伸されている。延伸された電解質層１４１の延伸部１４１ａには、液水の流動を許容するための開口部１４１ｂが形成されている。図１１を参照すると、開口部１４１ｂ周辺の電解質層１４１の延伸部１４１ａは、アノード液水排出マニホールド３２１に露出されており、電解質層を透過した液水Ｌはアノード液水排出マニホールド３２１へと導かれる。なお、ガス拡散層１４２はシール材ＳＥによってアノード液水排出マニホールド３２１（アノード液水排出マニホールド形成部１１２ｂ）から分離されており、また、アノードガスは電解質層１４１を透過できないので、ガス拡散層１４２を流れるアノードオフがアノード液水排出マニホールド３２１へと排出されることはない。
【００６０】
一方、アノードオフガス排出マニホールド形成部１１３ｂには、電解質層１４１は延伸されていない。したがって、図１２に示すように、ガス拡散層１４２を流れ、起電反応に用いられたアノードオフガスＧは、アノードオフガス排出マニホールド形成部１１３ｂ（アノードオフガス排出マニホールド３３１）へと排出される。
【００６１】
以上説明したように、第２の実施例に係る燃料電池１００ｂによれば、第１の実施例に係る燃料電池１００によって得られる利点に加えて、電解質層１４１をガス不透過の吸水性部材として利用して液水とガス不純物を分離して排出処理することができる。したがって、新たに吸水性部材を備える必要がなく、部品点数を削減することができる。
【００６２】
第２の実施例の変形例：
第２の実施例では、アノード液水は、アノード液水排出マニホールド３２１に排出されるが、アノード液水をカソードガス供給マニホールド４１１に排出しても良い。この態様は、例えば、図１３に示す構成とすることによって実現することができる。図１３はアノード液水をカソードガス供給マニホールド４１１に排出する構成を備える単セルを図１０のＸ−Ｘ線に相当する切断線で切断した断面図である。
【００６３】
図１３に示す例では、電解質層１４１の延伸部１４１ａから排出される液水Ｌは、カソードガス供給マニホールド４１１に導かれ、カソードガスと共にカソードのガス拡散層１４２に供給される。一般的に、カソードガスには所定の湿度が要求されるので、アノードから排出される液水Ｌを利用することにより、外部から供給すべき水量を低減させることができる。また、アノードから排出される液水をアノードに再循環、または燃料電池外に排出させる必要がなくなり、燃料電池１００ｂにおいて処理系を完結することができる。したがって、燃料電池１００ｂの小型化を図ることができる。
【００６４】
・第３の実施例：
第１および第２の実施例では、フラットセパレータを有する燃料電池１００，１００ｂを例にとって説明したが、第３の実施例では、非フラットセパレータ、ガス流路形成部を備えるセパレータを有する燃料電池１００ｃに対する適用例について図１４および図１５を参照して説明する。図１４は第３の実施例に係る燃料電池のアノード液水排出マニホールド形成部を含む断面図である。図１５は第３の実施例に係る燃料電池のアノードオフガス排出マニホールド形成部を含む断面図である。
【００６５】
第３の実施例に係るガスセパレータは、中間セパレータを要さず、別体のアノードセパレータ１１ｃおよびカソードセパレータ１２ｃによって実現される。各セパレータ１１ｃおよび１２ｃには、アノードガスおよびカソードガスが流れるアノードガス内部流路部７０およびカソードガス内部流路部７１が形成されている。また、ＭＥＡ１４ｃはガス拡散層を有しない膜電極接合体である。
【００６６】
アノードガスは、アノードガス供給マニホールド３１１を介して、アノードガス内部流路部７０に供給される。図１４に示すように、アノード液水排出マニホールド３２１（アノード液水排出マニホールド形成部１１２ｃ）とアノードガス内部流路部７０の間には、吸水性部材５０が配置されている。一方、図１５に示すように、アノードオフガス排出マニホールド３３１（アノードオフガス排出マニホールド形成部１１３ｃ）とアノードガス内部流路部７０の間には、吸水性部材５０は配置されていない。
【００６７】
したがって、アノードガス内部流路部７０の下流に滞留する液水Ｌは、吸水性部材５０を透過し、アノード液水排出マニホールド３２１へと導かれる。一方、アノードガス内部流路部７０の下流に滞留するガス不純物Ｇは、吸水性部材５０を透過できないので、アノードオフガス排出マニホールド３３１へと導かれる。
【００６８】
この結果、非フラットセパレータを有する燃料電池１００ｃにおいても、第１および第２の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
その他の実施例：
（１）第１の実施例では、アノード液水排出部３２から排出される液水は、アノードガス供給管３０に戻されているが、図１６に示すようにカソードガス供給管４０に供給されても良い。図１６はその他の実施例に係る燃料電池を含む燃料システムの一構成例を模式的に示す説明図である。
【００７０】
一般的に、カソードガスには所定の湿度が要求される。図１６に示す構成とすることにより、アノードから排出された液水を利用してカソードガスに所定の湿度を与えることができる。あるいは、アノードから排出される液水を利用することにより、外部から供給すべき水量を低減させることができる。したがって、カソードガスに湿度を与えるための外部装置を小型化することが可能となり、燃料電池の小型化を図ることができる。
【００７１】
（２）第１の実施例では、アノードから排出された液水をアノードガス供給管３０に戻しているが、アノードガス供給管３０に制御弁を設け、また、排出された液水を貯留するタンクを備えて、貯まった液水を定期的に外部に排出させても良い。
【００７２】
（３）上記実施例では、アノードガスが垂直方向に流れ、カソードガスが水平方向に流れる構成を例にとって説明したが、アノードガスが水平方向に流れ、カソードガスが垂直方向に流れる構成であっても良いことは言うまでもない。
【００７３】
以上、実施例に基づき本発明を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】第１の実施例に係る燃料電池を含む燃料システムの一構成例を模式的に示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る燃料電池を構成する単セルを、アノードセパレータの膜電極接合体との対向面から見た平面図である。
【図３】第１の実施例における単セルを構成するアノードセパレータを膜電極接合体との対向面から見た平面図である。
【図４】第１の実施例における単セルを構成するアノードセパレータを膜電極接合体との対向面の反対面から見た平面図である。
【図５】第１の実施例における単セルを構成する中間セパレータの平面図である。
【図６】第１の実施例における単セルを構成するカソードセパレータの平面図である。
【図７】図２中の７−７線で単セル１０を切断した断面図である。
【図８】図２中の８−８線で単セル１０を切断した断面図である。
【図９】図２中の９−９線で単セル１０を切断した断面図である。
【図１０】第２の実施例に係る燃料電池１００ｂを構成する単セルを、アノードセパレータの膜電極接合体との対向面から見た平面図である。
【図１１】図１０中のＸ−Ｘ線で単セルを切断した断面図である。
【図１２】図１０中のＹ−Ｙ線で単セルを切断した断面図である。
【図１３】アノード液水をカソードガス供給マニホールド４１１に排出する構成を備える単セルを図１０のＸ−Ｘ線に相当する切断線で切断した断面図である。
【図１４】第３の実施例に係る燃料電池のアノード液水排出マニホールド形成部を含む断面図である。
【図１５】第３の実施例に係る燃料電池のアノードオフガス排出マニホールド形成部を含む断面図である。
【図１６】その他の実施例に係る燃料電池を含む燃料システムの一構成例を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
ＦＣＳ…燃料電池システム
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ…燃料電池
１０…単セル
１１、１１ｂ、１１ｃ…アノードセパレータ
１２、１２ｂ、１２ｃ…カソードセパレータ
１３、１３ｂ…中間セパレータ
１１１、１１１ｂ、１１１ｃ…アノードガス供給マニホールド形成部
１１２、１１２ｂ、１１２ｃ…アノード液水排出マニホールド形成部
１１３、１１３ｂ、１１３ｃ…アノードオフガス排出マニホールド形成部
１１４ａ、１２４ａ、１３４ａ…カソードガス供給マニホールド形成部
１１４ｂ、１２４ｂ、１３４ｂ…カソードオフガス排出マニホールド形成部
１１５ａ、１２５ａ、１３５ａ…冷却液供給マニホールド形成部
１１５ｂ、１２５ｂ、１３５ｂ…冷却液排出マニホールド形成部
１１６…アノードガス供給孔
１１７…アノード液水排出孔
１１８…アノードオフガス排出孔
１２６…カソードガス供給孔
１２７…カソードオフガス排出孔
１３６ａ…アノードガス供給連通溝
１３６ｂ…アノード液水排出連通溝
１３６ｃ…アノードオフガス排出連通溝
１３７ａ…カソードガス供給連通溝
１３７ｂ…カソードオフガス排出連通溝
１３８…冷却液流路形成部
２０…高圧水素タンク
２１…圧力制御弁
３０…アノードガス供給管
３１…アノードガス供給部
３１１…アノードガス供給マニホールド
３２…アノード液水排出部
３２１…アノード液水排出マニホールド
３２３…循環管
３３…アノードオフガス排出部
３３１…アノードオフガス排出マニホールド
３３２…制御弁
３３３…アノードオフガス排出管
４０…カソードガス供給管
４１…カソードガス供給部
４１１…カソードガス供給マニホールド
４２…カソードオフガス排出部
４２１…カソードオフガス排出マニホールド
４３…カソードオフガス排出管
５０…給水性部材
６０…負荷
【図１】
2007213928.tif 000003
【図２】
2007213928.tif 000004
【図３】
2007213928.tif 000005
【図４】
2007213928.tif 000006
【図５】
2007213928.tif 000007
【図６】
2007213928.tif 000008
【図７】
2007213928.tif 000009
【図８】
2007213928.tif 000010
【図９】
2007213928.tif 000011
【図１０】
2007213928.tif 000012
【図１１】
2007213928.tif 000013
【図１２】
2007213928.tif 000014
【図１３】
2007213928.tif 000015
【図１４】
2007213928.tif 000016
【図１５】
2007213928.tif 000017
【図１６】
2007213928.tif 000018