(57)【要約】      （修正有）【課題】単セル内ガス流路を多孔質体によって形成する燃料電池において、多孔質体内に滞留する水に起因する電池性能の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池は、所定方向を重力方向下向きに配置する燃料電池であって、電解質層と、電解質層上に形成された触媒電極と、触媒電極との間に空間を形成するように配置されるガスセパレータ３０と、を備える。また、上記空間を占めるように触媒電極とガスセパレータ３０との間に配置された導電性多孔質体によって形成され、導電性多孔質体内に形成される空隙によって、触媒電極に対してガスを給排するための流路を形成するガス流路形成部２４を備える。さらに、ガス流路形成部に対して、ガス流路形成部と電解質層と前記触媒電極とが重なる発電領域から上記所定方向へと延出して設けられ、ガス流路形成部から、ガス流路形成部が有する液水を授受可能に配置された多孔質体から成る第１の排水導出部２３を備える。【選択図】図５
2007165173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向を重力方向下向きに配置する燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成された触媒電極と、
前記触媒電極との間に空間を形成するように、前記触媒電極と所定の距離をおいて配置されるガスセパレータと、
前記空間を占めるように前記触媒電極と前記ガスセパレータとの間に配置された導電性多孔質体によって形成され、前記導電性多孔質体内に形成される空隙によって、前記触媒電極に対してガスを給排するための流路を形成するガス流路形成部と、
前記ガス流路形成部に対して、前記ガス流路形成部と前記電解質層と前記触媒電極とが重なる発電領域から前記所定方向へと延出して設けられ、前記ガス流路形成部から、前記ガス流路形成部が有する液水を授受可能に配置された多孔質体から成る第１の排水導出部と
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、さらに、
前記発電領域における前記所定方向側の外周領域において、前記ガス流路形成部に接する前記ガスセパレータ表面に開口部を有し、前記ガス流路形成部から前記ガスを排出するためのガス排出路と、
前記発電領域よりも前記所定方向よりの位置で、前記第１の排水導出部に隣接して配置される部材の表面に開口部を有し、前記ガス流路形成部内の液水を、前記第１の排出導出路を介して排出するための凝縮水排出路と
を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
前記発電領域よりも前記所定方向よりの位置において、前記電解質層、前記触媒電極、前記ガスセパレータおよび前記ガス流路形成部の積層方向に平行に設けられ、前記ガス排出路に連通して、前記ガス流路形成部から排出された前記ガスを前記燃料電池外部へと導くガス排出マニホールドを備え、
前記凝縮水排出路は、前記ガス排出マニホールドに接続している
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、さらに、
前記凝縮水排出路が前記第１の排水導出部に隣接して配置される部材の表面で開口する前記開口部の近傍から前記ガス排出マニホールド側へと、前記凝縮水排出路の少なくとも一部の領域にわたって配置された多孔質体から成る第２の排水導出部を備える
燃料電池。
【請求項５】
請求項２ないし４記載の燃料電池であって、
前記凝縮水排出路として、前記発電領域における前記所定方向側の両端部近傍においてそれぞれ開口部を有する２つの凝縮水排出路を備える
燃料電池。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
前記電解質層、前記触媒電極、前記ガスセパレータおよび前記ガス流路形成部の積層方向に平行に設けられ、前記ガス排出路に連通して、前記ガス流路形成部によって形成される前記ガスの流路から排出されたガスを前記燃料電池外部へと導くガス排出マニホールドと、
前記発電領域よりも前記所定方向よりの位置において前記積層方向に平行に設けられ、前記凝縮水排出路に連通して、前記排出導出路を介して排出された液水を前記燃料電池外部へと導く掃気用マニホールドと、
前記掃気用マニホールドに対して掃気用ガスを供給する掃気用ガス供給部と
を備える燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、さらに、
前記凝縮水排出路が前記第１の排水導出部に隣接して配置される部材の表面で開口する前記開口部の近傍から前記ガス掃気用マニホールド側へと、前記凝縮水排出路の少なくとも一部の領域にわたって配置された多孔質体から成る第２の排水導出部を備える
燃料電池。
【請求項８】
請求項６または７記載の燃料電池であって、さらに、
前記燃料電池の運転を停止する際に、前記掃気用ガス供給部を駆動して、前記掃気用マニホールドに対して掃気ガスを供給させる掃気用ガス制御部を備える
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、多孔質体によってガス流路が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、一般に、発電に伴って水が生じる。例えば、固体高分子型燃料電池では、電気化学反応の進行に伴って、カソードにおいて水が生じる。このような水が燃料電池内に滞留すると、電極へのガスの供給が阻害される可能性がある。そのため、従来から、燃料電池内部のガス流路からの排水を促進して、ガス流路におけるガス流れの確保が図られていた。例えば、単セル内のガス流路の下端部において、排水のためのドレン管を設ける構成が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−７７４９５号公報
【特許文献２】特開平６−８９７３０号公報
【特許文献３】特開２０００−１４９９６６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、上記のように単セル内のガス流路の下端部にドレン管を設けた場合であっても、単セル内のガス流路に多孔質体が配置されている場合には、多孔質体の毛管作用によって水は多孔質体内に保持されやすくなるため、排水が困難になる場合があった。特に、単セル内のガス流路全体が多孔質体によって形成されている場合には、多孔質体内に保持される水によって、ガスの供給を受け得る電極面積が削減される場合があった。
【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、単セル内ガス流路を多孔質体によって形成する燃料電池において、多孔質体内に滞留する水に起因する電池性能の低下を抑制す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、所定方向を重力方向下向きに配置する燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成された触媒電極と、
前記触媒電極との間に空間を形成するように、前記触媒電極と所定の距離をおいて配置されるガスセパレータと、
前記空間を占めるように前記触媒電極と前記ガスセパレータとの間に配置された導電性多孔質体によって形成され、前記導電性多孔質体内に形成される空隙によって、前記触媒電極に対してガスを給排するための流路を形成するガス流路形成部と、
前記ガス流路形成部に対して、前記ガス流路形成部と前記電解質層と前記触媒電極とが重なる発電領域から前記所定方向へと延出して設けられ、前記ガス流路形成部から、前記ガス流路形成部が有する液水を授受可能に配置された多孔質体から成る第１の排水導出部と
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、導電性多孔質体から成るガス流路形成部内に滞留する凝縮水が、ガス流路形成部内で、重力方向下方側へと集まるとき、凝縮水はさらに第１の排水導出部へと移動するため、ガス流路形成部における水面を、より低くすることができる。このようにガス流路形成部における水面が低下することにより、多孔質体内に滞留する液水によってガス流れが妨げられることなく発電に寄与することができる発電領域をより広く確保して、電池性能を確保することができる。
【０００８】
本発明の燃料電池において、さらに、
前記発電領域における前記所定方向側の外周領域において、前記ガス流路形成部に接する前記ガスセパレータ表面に開口部を有し、前記ガス流路形成部から前記ガスを排出するためのガス排出路と、
前記発電領域よりも前記所定方向よりの位置で、前記第１の排水導出部に隣接して配置される部材の表面に開口部を有し、前記ガス流路形成部内の液水を、前記第１の排出導出路を介して排出するための凝縮水排出路と
を備えることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、ガス流路形成部内に所定量以上の凝縮水が滞留すると、発電領域よりも重力方向下方に開口する凝縮水排出路から凝縮水が排出されるため、ガス流路形成部において水面が低い状態を維持することができる。また、このようにガス流路形成部における水面を低下させることにより、水面を、ガス排出路が開口する位置よりも低くすることができれば、ガス排出路からのガス排出が凝縮水によって妨げられることを抑制できる。
【００１０】
このような本発明の燃料電池において、さらに、
前記発電領域よりも前記所定方向よりの位置において、前記電解質層、前記触媒電極、前記ガスセパレータおよび前記ガス流路形成部の積層方向に平行に設けられ、前記ガス排出路に連通して、前記ガス流路形成部から排出された前記ガスを前記燃料電池外部へと導くガス排出マニホールドを備え、
前記凝縮水排出路は、前記ガス排出マニホールドに接続していることとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、凝縮水排出路がガス排出マニホールドに接続しているため、ガス流路形成部から第１の排水導出部を介して排出された凝縮水を、ガス排出マニホールド内を流れるガスの流れを利用して燃料電池外部に導くことができる。
【００１２】
上記した本発明の燃料電池において、さらに、
前記凝縮水排出路が前記第１の排水導出部に隣接して配置される部材の表面で開口する前記開口部の近傍から前記ガス排出マニホールド側へと、前記凝縮水排出路の少なくとも一部の領域にわたって配置された多孔質体から成る第２の排水導出部を備えることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、第１の排水導出部から凝縮水排出路に導かれた凝縮水が、第２の排水導出部を構成する多孔質体の毛管作用により、さらにガス排出マニホールド側へと導かれる。したがって、ガス流路形成部における水面を低下させる効果を、より高めることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池において、
前記凝縮水排出路として、前記発電領域における前記所定方向側の両端部近傍においてそれぞれ開口部を有する２つの凝縮水排出路を備えることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、燃料電池が傾いたときにも、発電領域の重力方向下方の両端部のいずれかの近傍において開口するいずれかの凝縮水排出路から凝縮水の排出を行なうことができる。
【００１６】
あるいは、本発明の燃料電池において、さらに、
前記電解質層、前記触媒電極、前記ガスセパレータおよび前記ガス流路形成部の積層方向に平行に設けられ、前記ガス排出路に連通して、前記ガス流路形成部によって形成される前記ガスの流路から排出されたガスを前記燃料電池外部へと導くガス排出マニホールドと、
前記発電領域よりも前記所定方向よりの位置において前記積層方向に平行に設けられ、前記凝縮水排出路に連通して、前記排出導出路を介して排出された液水を前記燃料電池外部へと導く掃気用マニホールドと、
前記掃気用マニホールドに対して掃気用ガスを供給する掃気用ガス供給部と
を備えることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、掃気ガスは、燃料電池から排出されるガスのように発電に伴って生じる生成水により加湿されることがないため、凝縮水排出路から掃気用マニホールドへと排出されたガスは、効率良く掃気ガス中に気化することが可能となる。したがって、第１の排水導出部および凝縮水排出路を介したガス流路形成部からの連続的な排水の効率を高めることができる。また、掃気ガスを用いて排水を行なう場合には、燃料電池における発電状態の影響を受けることなく、掃気ガスの流量を設定することができる。
【００１８】
このような本発明の燃料電池において、さらに、
前記凝縮水排出路が前記第１の排水導出部に隣接して配置される部材の表面で開口する前記開口部の近傍から前記ガス掃気用マニホールド側へと、前記凝縮水排出路の少なくとも一部の領域にわたって配置された多孔質体から成る第２の排水導出部を備えることとしても良い。
【００１９】
このような構成とすれば、第１の排水導出部から凝縮水排出路に導かれた凝縮水が、第２の排水導出部を構成する多孔質体の毛管作用により、さらに掃気用マニホールド側へと導かれる。したがって、ガス流路形成部における水面を低下させる効果を、より高めることができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池において、さらに、
前記燃料電池の運転を停止する際に、前記掃気用ガス供給部を駆動して、前記掃気用マニホールドに対して掃気ガスを供給させる掃気用ガス制御部を備えることとしても良い。
【００２１】
このような構成とすれば、燃料電池の運転停止時に、ガス流路形成部からの排水を促進することができる。したがって、燃料電池を次回起動する際に、ガス流路形成部に滞留する液水によってガス流れが妨げられることなく、発電に寄与することができる発電領域をより広く確保して、電池性能を確保することができる。また、ガス流路形成部からの排水を促進することで、燃料電池の停止中に周囲の環境が０℃以下の低温条件となった場合であっても、次回起動時に、発電開始を妨げるような液水の凍結を抑えることができる。
【００２２】
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、燃料電池における液水の排出方法や、低温起動時における燃料電池の凍結防止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】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の全体構成：
Ｂ．単セル内ガス流路からの排水：
Ｃ．第１実施例の変形例：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．第２実施例の変形例：
Ｆ．第３実施例：
Ｇ．第３実施例の変形例：
Ｈ．変形例：
【００２４】
Ａ．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１０の概略構成を表わす断面図である。本実施例の燃料電池１０は、単セルを複数積層したスタック構造を有している。すなわち、本実施例の燃料電池は、図１に示すように、複数の単セル２０を備えると共に、各々の単セル２０間にガスセパレータ３０を介在させつつ単セル２０を積層させた構造を有している。
【００２５】
単セル２０は、電解質膜を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２２と、ＭＥＡ２２の外側に配設された多孔質層であるガス流路形成部２４，２５とを備えている。
【００２６】
ＭＥＡ２２は、電解質層と、電解質層の両面に形成された触媒電極（アノードおよびカソード）とを備えている。本実施例の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、電解質層は、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成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成る合金を備えている。なお、本実施例の燃料電池１０では、ＭＥＡ２２は、さらにその表面に、カーボン多孔質体から成る層を備えている（図示せず）。
【００２７】
ガス流路形成部２４，２５は、多孔質層であり、導電性及びガス透過性を有する板状部材によって構成されている。このガス流路形成部２４，２５の内部に形成される空隙は、電気化学反応に供されるガスの流路を形成する。すなわち、ガス流路形成部２４は、酸素を含有する酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路を形成し、ガス流路形成部２５は、水素を含有する燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路を形成する。このようなガス流路形成部２４，２５は、例えばチタンなどの金属から成る多孔質体によって形成することができる。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属を焼結させた焼結体を用いることができる。
【００２８】
また、ＭＥＡ２２およびガス流路形成部２４，２５の外周部には、シール部２７が設けられている。シール部２７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、ＭＥＡ２２と一体で形成されている。このようなシール部２７は、例えば、シール部２７に対応する形状の金型のキャビティ内にＭＥＡ２２の外周部が収まるようにＭＥＡ２２を配設し、上記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、ＭＥＡ２２とシール部２７とが隙間なく接合される。あるいは、シール部２７は、ＭＥＡ２２と一体形成するだけでなく、予めＭＥＡ２２とガス流路形成部２４，２５とを接合しておき、ＭＥＡ２２およびガス流路形成部２４，２５と一体形成しても良い。
【００２９】
図２は、ＭＥＡ２２と一体形成されたシール部２７の概略構成を表わす平面図である。図２に示すように、シール部２７は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部において辺に沿って細長く形成される複数の穴部（穴部４０〜４５）と、中央部に設けられてＭＥＡ２２が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。上記辺に沿って設けられた複数の穴部は、ガスセパレータ３０および単セル２０を積層して燃料電池を組み立てたときに、燃料電池内部を積層方向に貫通し、内部を所定の流体が流れるマニホールドを形成する。
【００３０】
なお、シール部２７は、図１の断面図に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記複数の穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するガスセパレータ３０と接触する。上記凸部によるシール部２７とガスセパレータ３０との接触位置（図１において一点鎖線でシール線ＳＬと示す）を、図２の平面図においてシール線ＳＬとして示している。シール部２７は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シール線ＳＬの位置においてガスセパレータ３０との間でガスシール性を実現可能となる。
【００３１】
また、図２では、シール部２７と一体化されたＭＥＡ２２における露出している部分を、ハッチを付して示している。この、ＭＥＡ２２における露出している部分は、酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて、ＭＥＡ２２が備える触媒電極で電気化学反応が進行する領域であるということができる。そこで、燃料電池内部において、上記ＭＥＡ２２における露出している部分に重なる領域を、以下、発電領域と呼ぶ。ガス流路形成部２５は、発電領域と略同一形状に形成されており、この領域と重なるようにＭＥＡ２２上に配設されている。また、ガス流路形成部２４は、発電領域と重なる部分と共に、さらに、この発電領域から、燃料電池が設置されたときに重力方向下方となる方向に突出して設けられた部分とを備えている。図３は、ＭＥＡ２２と一体形成されたシール部２７上において、発電領域の周囲に設けられたシール線ＳＬ内に、ガス流路形成部２４を配置した様子を表わす平面図である。図３に示すように、ガス流路形成部２４は、略四角形状である発電領域外周の下辺の両端部において、上記重力方向下方に突出して設けられた部分である第１の排水導出部２３を備えている。この第１の排水導出部２３は、燃料電池１０内に形成される酸化ガスの流路からの排水に係る構造であり、排水の動作については後に詳述する。
【００３２】
ガスセパレータ３０は、外周の大きさがシール部２７とほぼ等しい板状部材であり、図１に示すように、内部には、冷媒流路３４が形成されている。このガスセパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部２４に接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部２５に接するアノード側プレート３３と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３３に挟持される中間プレート３２と、を備えている。図４は、ガスセパレータ３０を構成する各プレートの概略構成を表わす説明図である。図４（Ａ）は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、中間プレート３２の形状を示す平面図であり、図４（Ｃ）は、アノード側プレート３３の形状を示す平面図である。
【００３３】
各プレートの対応する所定の１辺である辺７０（重力方向上方の辺であり、重力方向は、図４（Ａ）において矢印Ａで示す）の近傍には、この辺７０に沿って、複数の穴部４０が設けられている。本実施例では、３個の穴部４０が設けられており、これらの穴部を、端から順に穴部４０ａ，４０ｂ，４０ｃと呼ぶ。燃料電池において穴部４０は、電気化学反応に供するための酸化ガスが流れる酸化ガス供給マニホールドを形成する（図中、Ｏ2 inと表わす）。また、各プレートの上記辺７０に対向する辺７２（重力方向下方の辺）の近傍には、この辺７２に沿って、複数の穴部４１が設けられている。本実施例では、３個の穴部４１が設けられており、これらの穴部を、対応する穴部４０に合わせて、端から順に穴部４１ａ，４１ｂ，４１ｃと呼ぶ。燃料電池において穴部４１は、電気化学反応に供された後の酸化ガスが流入する酸化ガス排出マニホールド（図中、Ｏ2 outと表わす）を形成する。
【００３４】
また、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３３のさらに他の１辺である辺７４の近傍には、この辺７４に沿って２つの穴部が設けられている。すなわち、辺７０側には穴部４２が設けられ、辺７２側には穴部４３が設けられている。燃料電池において、穴部４２は、ガスセパレータ３０内の冷媒流路３４へと分配される冷媒が流れる冷媒供給マニホールドを形成する（図中、水 inと表わす）。また、穴部４３は、電気化学反応に供された後の燃料ガスが流入する燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ2 outと表わす）。
【００３５】
さらに、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３３において、上記辺７４に対向する辺７６の近傍には、この辺７６に沿って２つの穴部が設けられている。すなわち、辺７０側には穴部４４が設けられ、辺７２側には穴部４５が設けられている。穴部４４は、電気化学反応に供するための燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールドを形成する（図中、Ｈ2 inと表わす）。また、穴部４５は、ガスセパレータ３０内の冷媒流路３４から排出された冷媒が流入する冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。
【００３６】
カソード側プレート３１には、穴部４０ａ〜４０ｃの近傍であって穴部４０ａ〜４０ｃよりもプレート中央部寄りに、各穴部４０よりも小さく、細長い穴部４０に平行に配列された複数の穴部である連通孔５０が形成されている。また、穴部４１ａ〜４１ｃのプレート中央部寄り近傍には、同様に、細長い穴部４１に平行に配列された複数の連通孔５１が形成されている。さらに、カソード側プレート３１には、重力方向下側の辺の両端部近傍であって、穴部４０ａおよび穴部４１ｃの近傍に、穴部４０，４１よりも小さな一対の穴部６０が形成されている（図４（Ａ）参照）。
【００３７】
アノード側プレート３３には、穴部４３の近傍であって穴部４３よりもプレート中央部寄りに、穴部４３よりも小さく、細長い穴部４３に平行に配列する複数の穴部である連通孔５３が形成されている。また、穴部４４のプレート中央部寄り近傍には、同様に、細長い穴部４４に平行に配列された複数の連通孔５４が形成されている（図４（Ｃ）参照）。
【００３８】
中間プレート３２においては、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３２の穴部４０は、この穴部４０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５５と呼ぶ。この連通部５５は、中間プレート３２とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とを連通させるように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３２では、他の穴部４１，４３，４４においても同様に、これらの穴部におけるプレート中央部側の辺からプレート中央部方向へと突出して、連通孔５１，５３，５４のそれぞれに対応して設けられた複数の連通部５６，５７，５８が形成されている。さらに中間プレート３２の穴部４１ａ，４１ｂにおいては、その辺の一部が、中間プレート３２とカソード側プレート３１とを重ね合わせたときに穴部６０と重なる位置にまで突出して設けられた突出部である連通部６２を備える形状となっている（図４（Ｂ）参照）。
【００３９】
また、中間プレート３２には、さらに、ガス流路形成部２４，２５と重なる領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５９が形成されている。冷媒孔５９の端部は、中間プレート３２を他のプレートと重ね合わせたときに、穴部４２，４５と重なるように形成されており、冷媒孔５９は、カソード側プレート３１とアノード側プレート３３との間で、冷媒が流れるための冷媒流路３４を形成する。
【００４０】
図３において、カソード側プレート３１が備える連通孔５０，５１と穴部６０、およびアノード側プレート３３が備える連通孔５３，５４の位置を、ガス流路形成部２４の位置に重ねて示す。また、図４（Ｂ）において、ガス流路形成部２４が配置される位置を、中間プレート３２上に重ねて示す。連通孔５０，５１，５３，５４および穴部６０は、ガス流路形成部２４の外周部近傍であって、ガス流路形成部２４と重なる位置に設けられている。特に、穴部６０は、ガス流路形成部２４において重力方向下方に突出して設けられた部分である第１の排水導出部２３に重なる位置に、形成されている。
【００４１】
ガスセパレータ３０を構成する上記３種のプレートは、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薄板状部材である。そして、穴部４０〜４５、連通孔５０，５１，５３，５４および冷媒孔５９は、打ち抜き加工によって形成されている。ガスセパレータ３０を形成する際には、カソード側プレート３１、中間プレート３２、アノード側プレート３３の順に、各穴部を位置合わせしつつ重ね合わせて、例えば拡散接合により接合させている。あるいは、中間プレート３２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しても良い。この場合には、加熱接着により各プレート間をシール接合することができる。
【００４２】
図１に示した断面図は、図４（Ａ）に示した１−１断面の断面図に相当する。図１では、酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールド近傍における酸化ガスの流出入の様子を、矢印で示している。図１に示すように、燃料電池１０が発電する際には、燃料電池１０の内部において、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３２の連通部５５が形成する空間と、カソード側プレート３１の連通孔５０とを介して、ガス流路形成部２４内に形成される単セル内酸化ガス流路へと流入する。単セル内酸化ガス流路において酸化ガスは、ガス流路形成部２４の面方向に平行に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、触媒電極（カソード）に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガス（カソード排ガス）は、電気化学反応により生じた生成水と共に、ガス流路形成部２４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３２の連通部５６が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。すなわち、連通孔５１および連通部５６が形成する空間は、単セル内酸化ガス流路を流れたガスをガス流路形成部２４から排出するためのガス排出路として働く。
【００４３】
同様に、燃料電池が発電する際には、穴部４４が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３２の連通部５８が形成する空間と、アノード側プレート３３の連通孔５４とを介して、ガス流路形成部２５内に形成される単セル内燃料ガス流路へと流入する。また、電気化学反応に供された後の燃料ガスは、ガス流路形成部２５内から、アノード側プレート３３の連通孔５３および中間プレート３２の連通部５７が形成する空間とを介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
【００４４】
また、燃料電池１０の内部において、穴部４２が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、冷媒孔５９によって形成される冷媒流路に分配され、冷媒流路を流れた冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００４５】
Ｂ．単セル内ガス流路からの排水：
図５は、燃料電池１０の断面であって、ガス流路形成部２４における第１の排水導出部２３を含む断面の様子を表わす説明図である。図５が表わす断面の位置を、図４（Ｂ）において５−５断面と示す。
【００４６】
燃料電池１０で電気化学反応が進行する際には、カソードにおいて水が生じ、生じた水は、単セル内酸化ガス流路を形成するガス流路形成部２４の内部を、酸化ガスの流れと重力によって、重力方向下方へと移動する。そして、ガス流路形成部２４内部の重力方向下方の領域に滞留しつつ、カソード側プレート３１の連通孔５１および穴部６０を介して、単セル内酸化ガス流路から徐々に排出される。特に、ガス流路形成部２４の内部を重力方向下方へと移動する水は、より低い第１の排水導出部２３内へと移動し、カソード側プレート３１の穴部６０および中間プレート３２の連通部６２が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。すなわち、穴部６０および連通部６２が形成する空間は、ガス流路形成部２４内の凝縮水を排出するための凝縮水排出路として働く。
【００４７】
図５において領域６Ａと示す領域を拡大した様子を、図６（Ａ）に示す。ガス流路形成部２４から第１の排水導出部２３を介して穴部６０に達した水は、穴部６０の表面において、水の表面張力によって水滴を形成する。そして、ガス流路形成部２４内に滞留する水の重みによって上記水滴に加えられる力が、表面張力によって上記水滴を保持する力を超えると、ガス流路形成部２４内の水の一部は、連通部６２が形成する空間を介して、穴部４１ｃ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６では、第１の排水導出部２３内を水が下方へ移動する様子を矢印で示すと共に、穴部６０から連通部６２へと水滴が形成される様子を示している。
【００４８】
このように、ガス流路形成部２４の一部を、発電領域よりも重力方向下方に延出させて形成することで、ガス流路形成部２４内に滞留する水の高さ（以下、水面の高さと呼ぶ）が、より低下する。図７は、第１の排水導出部２３および穴部６０を設けることによる水面の低下を模式的に表わす説明図である。第１の排水導出部２３および穴部６０が設けられておらず、連通孔５１からのみ排水が行なわれる場合のガス流路形成部２４における水面の位置を、「水面ａ」としている。また、第１の排水導出部２３を設けると共に、さらに穴部６０を設けて排水を行なう場合のガス流路形成部２４における水面の位置を、「水面ｂ」としている。このように、第１の排水導出部２３および穴部６０を介して排水させると、ガス流路形成部２４における水面高さが、水面ａから水面ｂへと低下する。
【００４９】
以上のように構成された本実施例の燃料電池１０によれば、ガス流路形成部２４が、発電領域よりも重力方向下方へと延出して設けられた第１の排水導出部２３を備えているため、ガス流路形成部２４内の液水は、より低い第１の排水導出部２３へと移動して、ガス流路形成部２４内における水面の高さをより低くすることができる。このように、ガス流路形成部２４における水面の高さを低くすることにより、発電領域において、ガス流路形成部２４内に滞留する水に起因してカソードへの酸化ガスの供給が妨げられる領域を、より小さくすることができる。したがって、ガス流路形成部２４内に滞留する水に起因した発電効率の低下を抑制することができる。
【００５０】
さらに、単セル内酸化ガス流路から酸化ガスを排出するために設けられた連通孔５１よりも、重力方向下方に設けられた穴部６０を介して、第１の排水導出部２３内の水を排出可能となっているため、ガス流路形成部２４からの排水効果を、より高めることができる。また、穴部６０を介してガス流路形成部２４から排水して水面高さを低下させることにより、水面高さが連通孔５１の高さに達することを抑え、連通孔５１における図６（Ａ）に示すような水滴の形成を抑制することができる。連通孔５１における水滴形成を抑制することにより、単セル内酸化ガス流路からからの連通孔５１を介した酸化ガスの流出を確保することができ、水滴が酸化ガスの流れを妨げることに起因する発電効率の低下を抑制することができる。
【００５１】
また、本実施例の燃料電池１０によれば、カソード側プレート３１において、重力方向下方の辺の両端部近傍に、それぞれ穴部６０を設けているため、発電中の燃料電池１０が傾く場合であっても、ガス流路形成部２４からの排水を良好に続行させることが可能になる。図８は、燃料電池１０が異なる方向に傾いた場合の、ガス流路形成部２４内における水の滞留の様子を模式的に表わす説明図である。図８（Ａ）と図８（Ｂ）は、それぞれ、２つの穴部６０のうちのいずれか一方の穴部が、他方の穴部よりも重力方向下方に位置するように、燃料電池１０が傾いている様子を示している。このように、燃料電池１０が、異なる向きに傾いても、いずれか一方の穴部６０を介して、ガス流路形成部２４からの排水を続行可能となる。
【００５２】
Ｃ．第１実施例の変形例：
Ｃ１．変形例１：
カソード側プレート３１の穴部６０内、あるいは、中間プレート３２の穴部４１ａ，４１ｃに形成された連通部６２内に、さらに多孔質体を配置しても良い。穴部４１ｃに形成された連通部６２内に、多孔質体である第２の排水導出部６３を配置する様子を、図６（Ｂ）に平面的に示す。第２の排水導出部６３は、中間プレート３２と略同一の厚みに形成されており、連通部６２に嵌め込まれている。このように、穴部６０内や連通部６２内に、多孔質体から成る第２の排水導出部を配置することにより、図６（Ａ）のように連通部６２において水滴を形成する液水が、さらに第２の排水導出部内に吸収されて、水滴は第２の排水導出部の端部、すなわち、より酸化ガスマニホールド寄りの位置に形成されることになる。このように、第１の排水導出部２３から、さらに酸化ガス排出マニホールド寄りの位置まで、第２の排水導出部を介して連続して水が保持されるため、ガス流路形成部２４における水面を低下させる効果を高めることができる。
【００５３】
Ｃ２．変形例２：
第１実施例の燃料電池１０では、カソード側プレート３１において、重力方向下方側の辺の両端部近傍へと、第１の排水導出部２３を延出させて設けると共に、両端部近傍に穴部６０を設けたが、異なる構成としても良い。すなわち、両端部に加えて、または、両端部に代えて、より中央部寄りの位置に、第１の排水導出部２３を延出させると共に、穴部６０を設けても良い。両端部に加えて、穴部４１ａと穴部４１ｂの間、および、穴部４１ｂと穴部４１ｃの間に、第１の排水導出部２３が延出するようにガス流路形成部１２４を形成すると共に穴部６０を設けた構成を、図９および図１０に示す。
【００５４】
図９（Ａ）は、変形例の燃料電池が備えるカソード側プレート１３１、図９（Ｂ）は、同じく中間プレート１３２，図９（Ｃ）は、同じくアノード側プレート１３３の構成を表わす平面図である。また、図１０は、変形例の燃料電池におけるガス流路形成部１２４が配置される位置を、図３と同様に平面的に表わす説明図である。なお、図９および図１０において、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している。図１０に示すように、ガス流路形成部１２４は、重力方向下方へと延出して設けられた４つの第１の排水導出部２３を備えている。カソード側プレート１３１においては、各々の第１の排水導出部２３に対応して、４つの穴部６０が形成されている。また、中間プレート１３２において、穴部４１ａおよび穴部４１ｃには、第１実施例と同様に連通部６２が形成されると共に、穴部４１ｂには、中央よりの２つの穴部６０と重なる位置にまで突出して、２つの連通部１６２が形成されている。
【００５５】
このような構成としても、ガス流路形成部１２４において、発電領域よりも重力方向下方にまで延出する第１の排水導出部２３を有すること、および、発電領域よりも重力方向下方に設けられた穴部６０を介して排水可能とすることによる同様の効果が得られる。
【００５６】
Ｃ３．変形例３：
第１実施例では、ガス流路形成部２４の一部として第１の排水導出部２３を形成したが、発電領域を覆うように配置されるガス流路形成部２４とは別体で、ガス流路形成部２４よりも重力方向下方に配置される第１の排水導出部２３を設けても良い。このように、ガス流路形成部２４と第１の排水導出部２３とを別体で形成する場合には、ガス流路形成部２４と第１の排水導出部２３との間は接触していても良いし、両者の間に所定の間隙を設けることとしても良い。間隙を設ける場合であっても、両者の間を液水が伝わることができれば、ガス流路形成部２４からの排水性を高める同様の効果が得られる。また、ガス流路形成部２４と第１の排水導出部２３とを別体で設ける場合には、ガス拡散性および排水性を考慮して気孔率を設定することにより、電池性能のさらなる向上を図ることが可能になる。例えば、ガス流路形成部２４は、電池性能に基づいてガス拡散性が確保されるように比較的気孔率を低く抑え、第１の排水導出部２３は、排水性がより向上するように、比較的気孔率を高くすれば良い。
【００５７】
Ｄ．第２実施例：
第１の排水導出部２３の端部に接して開口する穴部６０を、酸化ガス排出マニホールドを形成する穴部４１と、発電領域との間に設けても良い。このような構成を、第２実施例として以下に説明する。第２実施例の燃料電池は、第１の排水導出部に接して開口する穴部の配置以外は、第１実施例の燃料電池とほぼ同様の構成を有しており、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。
【００５８】
図１１は、第２実施例の燃料電池の概略構成を表わす平面図である。図１１（Ａ）は、カソード側プレート２３１を表わし、図１１（Ｂ）は、中間プレート２３２を表わす。また、図１１（Ｃ）は、第２実施例の燃料電池におけるガス流路形成部２２４が配置される位置を、図３と同様に平面的に表わす説明図である。
【００５９】
カソード側プレート２３１は、穴部４１ａと発電領域との間、および、穴部４１ｃと発電領域との間に、合計４つの穴部２６０を備えている（図１１（Ａ）参照）。すなわち、複数の連通孔５１が設けられた位置よりも重力方向下方であって、穴部４１ａのプレート中央部側の辺の両端部の近傍と、穴部４１ｃのプレート中央部側の辺の両端部の近傍とに、穴部２６０が形成されている。また、中間プレート２３２の穴部４１ａおよび穴部４１ｃには、そのプレート中央部側の辺から、上記それぞれの穴部２６０と重なる位置にまで突出して、連通部２５６が形成されている（図１１（Ｂ）参照）。なお、アノード側プレートは、第１実施例のアノード側プレート３３と同様の構成を有しており、穴部４０〜４５と共に、連通孔５３が形成されている。ガス流路形成部２２４は、発電領域から重力方向下方へと、各々の穴部２６０と重なる位置にまで延出して設けられた４つの第１の排水導出部２２３を備えている（図１１（Ｃ）参照）。
【００６０】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池によれば、ガス流路形成部２２４において、発電領域よりも重力方向下方へと延出して設けられた第１の排水導出部２２３が設けられていること、および、連通孔５１よりも重力方向下方に設けられた穴部２６０を介して、第１の排水導出部２２３へと移動した水が排出可能であることにより、第１実施例と同様の効果が得られる。なお、第１の排水導出部２２３および穴部２６０について、設ける位置あるいは数を異なる構成としても、同様の効果が得られる。
【００６１】
Ｅ．第２実施例の変形例：
第２実施例の燃料電池において、穴部２６０から酸化ガス排出マニホールドへと至る空間に多孔質体を配置し、多孔質体によって、穴部２６０から排出される水を酸化ガス排出マニホールドへと導いても良い。図１２は、第２実施例の燃料電池の中間プレート２３２における穴部４１ａに形成された連通部２５６において、多孔質体から成る第２の排水導出部２６３を配置した様子を拡大して平面的に表わす説明図である。この第２の排水導出部２６３は、中間プレート２３２と略同一の厚みに形成されており、連通部２５６に嵌め込まれると共に、一方の端部が連通部２５６から穴部４１ａ内へと突出するように配置されている。また、図１３（Ａ）は、このような第２実施例の変形例の燃料電池の様子を模式的に表わす断面図である。図１３（Ａ）の断面図は、図１１（Ａ）に示す１３−１３断面であって、穴部４１ｃが形成する酸化ガス排出マニホールドの近傍の様子を表わしている。
【００６２】
図１３（Ａ）に示すように、穴部２６０から酸化ガス排出マニホールドへと至る空間に第２の排水導出部２６３を配置することで、ガス流路形成部２２４から酸化ガス排出マニホールドへと、多孔質体内を連続する状態で液水を導くことができる。すなわち、ガス流路形成部２２４が形成する単セル内酸化ガス流路から排出された液水は、穴部２６０の近傍で水滴を形成することなく、第２の排水導出部２６３によって導かれ、酸化ガス排出マニホールド内で水滴を形成する。図１３では、このような液水の移動の様子を矢印で表わすと共に、第２の排水導出部２６３の端部で水滴が形成される様子を表わしている。このように第２の排水導出部２６３を設けることで、第２実施例の燃料電池に比べて、ガス流路形成部２２４からの排水性、および、ガス流路形成部２２４内の水面を低下させる効果を高めることができる。
【００６３】
なお、図１３（Ａ）に示した燃料電池では、多孔質体から成る第２の排水導出部２６３を、中間プレート２３２の穴部４１ａ，４１ｃの、連通部２５６内に配置したが、連通部２５６内と共に、カソード側プレート２３１の穴部２６０内にも配置することとしても良い。図１３（Ｂ）は、第２実施例と同様の燃料電池において、穴部２６０および連通部２５６が形成する空間内に、一体で形成された多孔質体から成る第２の排水導出部３６３を配置した様子を表わす断面図である。このように、ガス流路形成部２２４から酸化ガス排出マニホールドまで、液水が連続して伝わることが可能であれば、穴部２６０の近傍から酸化ガス排出マニホールド側へと、穴部２６０から酸化ガス排出マニホールドへと至る空間の少なくとも一部の領域にわたって多孔質体を配置することで、排水性を高める同様の効果を得ることができる。また、ガス流路形成部２２４から酸化ガス排出マニホールドまで、液水を連続して伝えることが可能であれば、第２の排水導出部は、多孔質体以外の部材により形成しても良い。例えば、連通部２５６内に、第２の排水導出部として棒状体を配置して、この棒状体を伝わらせることによって、穴部２６０から酸化ガス排出マニホールドへと、重力方向下方に液水を導くこととしても良い。
【００６４】
また、第２実施例では、ガス流路形成部２２４の一部として第１の排水導出部２２３を形成したが、発電領域を覆うように配置されるガス流路形成部２２４とは別体で、ガス流路形成部２２４よりも重力方向下方に配置される第１の排水導出部２２３を設けても良い。別体で形成する場合には、ガス流路形成部２２４と第１の排水導出部２２３とは、必ずしも接触している必要はなく、両者の間を液水が伝わることができればよい。また、ガス流路形成部２２４と第１の排水導出部２２３とを別体で設ける場合には、第１実施例の変形例３と同様に、ガス拡散性および排水性を考慮して気孔率を設定することにより、電池性能のさらなる向上を図ることが可能になる。
【００６５】
Ｆ．第３実施例：
第１および第２実施例では、単セル内酸化ガス流路を形成するガス流路形成部内の水を、最終的には酸化ガス排出マニホールドへと導いているが、酸化ガス排出マニホールドとは別に、単セル内酸化ガス流路から排出された水を導くためのマニホールドを設けても良い。このような構成を、第３実施例として以下に説明する。第３実施例の燃料電池は、単セル内酸化ガス流路からの排水に係る構成以外は、第１実施例の燃料電池とほぼ同様の構成を有しており、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。
【００６６】
図１４は、第３実施例の燃料電池４１０の概略構成を表わす平面図である。図１４（Ａ）は、カソード側プレート４３１を表わし、図１４（Ｂ）は、中間プレート４３２を表わし、図１４（Ｃ）は、アノード側プレート４３３を表わす。
【００６７】
第３実施例では、カソード側プレート４３１，中間プレート４３２，アノード側プレート４３３から成るセパレータと、ＭＥＡ２２およびガス流路形成部の外周に設けられる図示しないシール部には、穴部４０〜４５に加えて、穴部４４６，４４７が形成されている。穴部４４６，４４７は、穴部４０ａ〜４０ｃと共に一列に並んで、セパレータおよびシール部における重力方向下方の辺の両端近傍に設けられている。そして、穴部４０ａ〜４０ｃの並びに対して、穴部４４６は、穴部４１ａの外側に設けられ、穴部４４７は、穴部４１ｃの外側に設けられている。このように、穴部４４６，４４７は、発電領域よりも重力方向下方に設けられている。これらの穴部４４６，４４７は、燃料電池内部を積層方向に貫通して、掃気ガスが流れる流路である掃気用マニホールドを形成する。
【００６８】
また、図１４（Ｂ）には、燃料電池４１０内で単セル内酸化ガス流路流路形成部を形成する多孔質体であるガス流路形成部４２４が配置される位置を、破線で示している。第３実施例のガス流路形成部４２４は、第１実施例のガス流路形成部２４と同様に、発電領域を覆う略四角形の領域を有すると共に、この領域の重力方向下方の辺の両端部から重力方向下方に向かって延出して設けられた第１の排水導出部４２３を備えている。この第１の排水導出部４２３は、穴部４４６，４４７が設けられる位置を超えて下方にまで形成されている。
【００６９】
図１４（Ａ）に示す１５−１５断面における第３実施例の燃料電池４１０の断面の様子を、図１５に模式的に示す。図１５に示す断面では、特に、穴部４４７によって形成される掃気用マニホールドの近傍の様子を表わしている。図１５に示すように、ガス流路形成部４２４において重力方向へと突出するように設けられた第１の排水導出部４２３を、掃気用マニホールドにまで延出させることで、ガス流路形成部４２４から掃気用マニホールドへと、多孔質体内を連続する状態で液水を導くことができる。このような液水の移動の様子を、図１５中に矢印で示す。第１の排水導出部４２３内を掃気用マニホールドまで導かれた液水は、掃気用マニホールド内を流れる掃気ガスの流れによって、少なくとも一部は気化しつつ、ガス流れの下流側へと運ばれる。
【００７０】
図１６は、第３実施例の燃料電池４１０を備える燃料電池システムの要部の概要を表わすブロック図である。燃料電池システムは、燃料電池４１０に対して酸化ガスである空気を供給するブロワ４７２と、燃料電池４１０に対して掃気ガスである空気を供給するブロワ４７４と、上記各ブロワの制御を行なう制御部４７０と、を備えている。ブロワ４７２から供給される空気は、セパレータおよびシール部に設けられた穴部４０によって形成される酸化ガス供給マニホールドを介して、各単セルが備えるガス流路形成部４２４が形成する単セル内酸化ガス流路へと分配される。そして、単セル内酸化ガス流路から、穴部４１によって形成される酸化ガス排出マニホールドへと集合して、燃料電池４１０外に排出される。また、ブロワ４７４から供給される空気は、セパレータおよびシール部に設けられた穴部４４６，４４７によって形成される掃気用マニホールド内を流れた後に、燃料電池４１０外へと排出される。このようにブロワ４７４から供給された空気が掃気用マニホールドを通過することにより、第１の排水導出部４２３へと導かれた液水が、掃気ガスの流れの下流側へと運ばれる。制御部４７０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、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート等を備えている。この制御部４７０は、燃料電池システムの運転状態に係る各種情報を取得し、取得した情報に基づいて、ブロワ４７２，４７４に対して駆動信号を出力する。なお、本実施例の制御部４７０は、ブロワ４７２，４７４以外にも、燃料電池に燃料ガスを供給する図示しない燃料ガス供給部や、燃料電池内に冷却液を循環させるための図示しない冷却液循環部など、燃料電池が発電する際に駆動される各部の制御も行なっている。
【００７１】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池によれば、第１の排水導出部４２３を設けることで、単セル内酸化ガス流路を形成するガス流路形成部４２４から掃気用マニホールドへと、多孔質体内を介して液水を導くことができる。したがって、掃気用マニホールドを形成する穴部４４６，４４７の位置に応じてガス流路形成部４２４における水面を低下させることができ、水面を低下させることによる既述した効果を得ることができる。また、第１の排水導出部４２３が掃気用マニホールドまで延出して設けられているため、液水が導かれた第１の排水導出部４２３内を掃気ガスが通過することによって、多孔質体である第１の排水導出部４２３から掃気ガスへの液水の気化が促され、排水効率を高めることができる。
【００７２】
また、第３実施例では、ブロワ４７４によって供給される掃気ガスを用いて、第１の排水導出部４２３からの液水の排出を行なっているため、酸化ガス排出マニホールドを流れるガスを用いて排水を行なう第１および第２実施例に比べて、ガス流路形成部からの排水効率を、より高めることができる。すなわち、外部から直接取り込まれた空気である掃気ガスは、電気化学反応に伴って生じた生成水を含有するカソード排ガスに比べて水蒸気圧が低いため、第１の排水導出部４２３から、より高い効率で液水を気化させることができ、ガス流路形成部からの連続的な排水の効率を、より高めることができる。
【００７３】
さらに、排水のために掃気ガスを用いる場合には、酸化ガス排出マニホールドを流れるカソード排ガスを用いる場合とは異なり、用いるガスの流量が、燃料電池における発電の状態によって影響されることがない。したがって、燃料電池における発電状態などによる制限を受けることなく掃気ガスの流量を設定することができ、燃料電池からの排水効率を高めることができる。
【００７４】
また、第３実施例では、掃気用マニホールドを形成する穴部４４６，４４７を、セパレータおよびシール部における重力方向下方の辺の両端部近傍に設けているため、第１実施例の燃料電池と同様に、発電中の燃料電池が傾く場合であっても、ガス流路形成部４２４からの排水を良好に続行させることが可能になる。
【００７５】
なお、掃気ガスを供給するブロワ４７４は、燃料電池の発電中に常に駆動する必要はない。第１の排水導出部４２３を介したガス流路形成部４２４からの排水が確保されれば良く、例えば、制御部４７０によって、一定の時間間隔で所定時間だけブロワ４７４を駆動することとしても良い。あるいは、電気化学反応に伴って生じる生成水の生成量は、発電量と相関があるため、累積発電量が所定値に達するごとに、制御部４７０によって所定時間だけブロワ４７４を駆動しても良い。
【００７６】
さらに、燃料電池における発電の停止時に、発電停止後の所定時間だけブロワ４７４を駆動しても良い。すなわち、燃料電池４１０を備える燃料電池システムにおいて、運転停止の指示が入力されて、燃料電池４１０に対する燃料ガスおよび酸化ガスの供給が停止された後、所定の時間だけ、ブロワ４７４を駆動しても良い。このような構成とすれば、燃料電池４１０による発電を停止した後に、ガス流路形成部４２４内に残留する液水の排水を促すことができる。ガス流路形成部４２４および第１の排水導出部４２３内では液水が連続して存在するため、掃気ガスの働きで第１の排水導出部４２３から排水されるにしたがって、ガス流路形成部４２４から第１の排水導出部４２３へと重力方向に水が移動して、ガス流路形成部４２４における水面を低下させることができる。そのため、発電停止後にブロワ４７４を駆動させる時間を適宜設定しておくことにより、システム停止後におけるガス流路形成部４２４内の水面を、より低くすることができる。システム停止時にこのような排水の動作を行なって、ガス流路形成部４２４における水面を、連通孔５１が設けられている高さよりも低くしておくならば、次回に燃料電池の発電を開始する際に、連通孔５１が液水に塞がれて、単セル内酸化ガス流路からの酸化ガスの排出が妨げられることがない。また、次回に燃料電池の発電を開始する際に、周囲の環境が０℃未満の低温状態となっていた場合であっても、液水が凍結することによって連通孔５１が塞がれて、単セル内酸化ガス流路からの酸化ガスの排出が妨げられることがない。なお、システム停止時にブロワ４７４を駆動しても、第１の排水導出部４２３内に液水が残留する場合が考えられるが、水面が連通孔５１よりも重力方向下方にあれば、酸化ガスの流れが妨げられることがないため、支障なく発電を開始することができる。このように発電領域よりも低い位置で液水が凍結したとしても、燃料電池が発電を開始して燃料電池内部の温度が上昇すれば、凍結で生じた氷は次第に溶解し、発電によって新たに生じた液水と共に掃気用マニホールドへと排出されることができる。
【００７７】
Ｇ．第３実施例の変形例：
第３実施例では、ガス流路形成部４２４の一部として第１の排水導出部４２３を形成したが、発電領域を覆うように配置されるガス流路形成部４２４とは別体で、ガス流路形成部４２４よりも重力方向下方に配置される第１の排水導出部４２３を設けても良い。別体で形成する場合には、ガス流路形成部４２４と第１の排水導出部４２３とは、必ずしも接触している必要はなく、両者の間を液水が伝わることができればよい。また、ガス流路形成部４２４と第１の排水導出部４２３とを別体で設ける場合には、第１実施例の変形例３と同様に、ガス拡散性および排水性を考慮して気孔率を設定することにより、電池性能のさらなる向上を図ることが可能になる。
【００７８】
第３実施例では、掃気用マニホールドを形成する穴部４４６，４４７は、穴部４０ａ〜４０ｃと共に一列に並んで、穴部４１ａの外側および穴部４１ｃの外側に設けられているが、異なる位置に設けても良い。例えば、穴部４４６，４４７と同様に掃気用マニホールドを形成する穴部を、穴部４４６，４４７に代えて、あるいは穴部４４６，４４７に加えて、穴部４０ａと穴部４０ｂの間、および／または穴部４０ｂと穴部４０ｃの間に設けても良い。
【００７９】
Ｈ．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。
【００８０】
Ｈ１．変形例１：
第１ないし第３実施例では、単セル内酸化ガス流路を形成する流路形成部に接続するように第１の排水導出部を設けたが、単セル内燃料ガス流路を形成する流路形成部に接続するように第１の排水導出部を設けても良い。カソード側では、発電に伴って水が生じるため、第１の排水導出部によって単セル内酸化ガス流路からの排水を促すことは、燃料電池の発電性能を維持する上で効果的であるが、単セル内燃料ガス流路においても水の凝縮あるいは凍結の問題は生じ得るからである。アノード側においても、発電領域を覆うと共に単セル内燃料ガス流路を形成するガス流路形成部に接続するように、発電領域から重力方向下方へと延出して設けられた多孔質体からなる第１の排水導出部を配置するならば、多孔質体からなるガス流路形成部における水面を低下させる同様の効果が得られる。
【００８１】
Ｈ２．変形例２：
また、本発明は、第１ないし第３実施例に示した燃料電池とは異なる形状の燃料電池に適用することもできる。例えば、実施例では、ＭＥＡ２２を、ＭＥＡ２２と一体形成されたシール部２７によって保持しているが、異なる構成としても良い。具体的には、保持すべきＭＥＡ２２の形状に合わせて所定形状の複数のシール部材を用意して、ＭＥＡ２２と共に複数のシール部材を適宜組み合わせて接着剤を用いて互いに接着させることによって、シール部２７と同様の構造を形成することができる。あるいは、燃料電池が有するセパレータとしては、３枚のプレートを積層して成り、内部にガスマニホールドと単セル内ガス流路とを接続する流路を形成した三層構造セパレータ以外の構造を有するセパレータを備えることとしても良い。
【００８２】
Ｈ３．変形例３：
あるいは、本発明は、第１ないし第３実施例に示した燃料電池とは異なる種類の燃料電池に適用することもできる。すなわち、本発明を適用する燃料電池は、固体高分子型燃料電池以外の種類の燃料電池であっても良い。単セル内ガス流路が多孔質体によって形成され、発電に伴って水が生成すると共に、１００℃未満で運転する燃料電池であれば、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面図である。
【図２】シール部２７の概略構成を表わす平面図である。
【図３】ＭＥＡ２２と一体形成されたシール部２７上にガス流路形成部２４を配置した様子を表わす平面図である。
【図４】ガスセパレータ３０を構成する各プレートの概略構成を表わす説明図である。
【図５】第１の排水導出部２３を含む断面の様子を表わす説明図である。
【図６】図６（Ａ）は、図５における領域６Ａを拡大した様子示す説明図であり、図６（Ｂ）は、連通部６２内に第２の排水導出部６３を配置する様子を示す説明図である。
【図７】第１の排水導出部２３および穴部６０を設けることによる水面の低下を模式的に表わす説明図である。
【図８】ガス流路形成部２４内における水の滞留の様子を模式的に表わす説明図である。
【図９】第１実施例の変形例を表わす説明図である。
【図１０】第１実施例の変形例を表わす説明図である。
【図１１】第２実施例の燃料電池の概略構成を表わす平面図である。
【図１２】連通部２５６内に第２の排水導出部２６３を配置した様子を表わす説明図である。
【図１３】第２実施例の変形例を表わす断面図である。
【図１４】第３実施例の燃料電池の概略構成を表わす平面図である。
【図１５】第３実施例の燃料電池断面の様子を表わす断面図である。
【図１６】第３実施例の燃料電池システムの要部の概要を表わすブロック図である。
【符号の説明】
【００８４】
１０…燃料電池
２０…単セル
２２…ＭＥＡ
２３…第１の排水導出部
２４，２５…ガス流路形成部
２７…シール部
３０…ガスセパレータ
３１…カソード側プレート
３２…中間プレート
３３…アノード側プレート
３４…冷媒流路
４０〜４５…穴部
４０ａ〜４０ｃ…穴部
４１ａ〜４１ｃ…穴部
５０，５１，５３，５４…連通孔
５５〜５８…連通部
５９…冷媒孔
６０…穴部
６２…連通部
６３…第２の排水導出部
７０，７２，７４，７６…辺
１２４…ガス流路形成部
１３１…カソード側プレート
１３２…中間プレート
１３３…アノード側プレート
１６２…連通部
２２３…第１の排水導出部
２２４…ガス流路形成部
２３１…カソード側プレート
２３２…中間プレート
２５６…連通部
２６０…穴部
２６３…第２の排水導出部
３６３…第２の排水導出部
４１０…燃料電池
４２３…第１の排水導出部
４２４…ガス流路形成部
４３１…カソード側プレート
４３２…中間プレート
４３３…アノード側プレート
４４６，４４７…穴部
４７０…制御部
４７２，４７４…ブロワ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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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