燃料電池
【課題】ガス流路形成部の反応ガス流路内に滞留する水の排出を促進する。
【解決手段】セパレータは、ガス流路形成部に当接する面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部に反応ガスを供給するための開口を有する複数のガス供給流路部と、前記面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の上端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部から前記反応ガスを排出するための開口を有する複数のガス排出流路部と、を備える。前記複数のガス供給流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が大きく、近くに位置する開口ほど開口面積が小さくなるように形成されている。
【解決手段】セパレータは、ガス流路形成部に当接する面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部に反応ガスを供給するための開口を有する複数のガス供給流路部と、前記面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の上端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部から前記反応ガスを排出するための開口を有する複数のガス排出流路部と、を備える。前記複数のガス供給流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が大きく、近くに位置する開口ほど開口面積が小さくなるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池において、多孔質部材によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出を促進する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素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。このような燃料電池は、一般に、電解質膜と電解質膜上に設けられた電極（酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。）と、を備える単セルを、セパレータにより挟持することにより構成される（特許文献１参照）。
【０００３】
電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の電極に対しての給排は、単セルを挟持するセパレータに設けられた反応ガス流路溝により構成される反応ガス流路を介して行われ、あるいは、ガス拡散性あるいは集電性を確保するために、電極とセパレータとの間に設けられた多孔質な導電性部材から成る層（以下では、ガス流路形成部とも呼ぶ。）により構成される反応ガス流路を介して行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池では、水素と酸素の電気化学反応によって、カソードにおいて水が生成される。この生成水のうち、反応ガス中に水蒸気として含むことができる飽和水蒸気量以下の水は、反応ガスとともに排出され、飽和水蒸気量よりも多い水は、水の排出流路としても機能する反応ガス流路中を反応ガスによって押し出されることにより排出される。従って、反応ガスによって押し出すことができなかった水は、反応ガス流路に溜まって反応ガス流路を閉塞する場合がある。
【０００６】
例えば、上記のように、反応ガス流路が反応ガス流路溝によって構成される場合には、水の排出流路が反応ガス流路溝によって構成される反応ガス流路に制限されるので、反応ガス流路溝に水が溜まりやすく、反応ガス流路を閉塞する場合がある。
【０００７】
また、多孔質な導電性部材から成るガス流路形成部により構成される反応ガス流路の場合には、反応ガス流路溝のような反応ガス流路の制限がないので、反応ガス流路の制限による反応ガス流路の閉塞の可能性は低い。しかしながら、ガス流路形成部は内部に形成される多くの細孔からなる空間に水が滞留しやすいため、反応ガス流路内に滞留する水の量は、反応ガス流路溝による反応ガス流路の場合に比べて非常に多くなり、結果として、反応ガス流路やガス流路形成部に反応ガスを供給するためのガス供給孔を閉塞する場合がある。
【０００８】
特に、ガス流路形成部の下端部から供給された反応ガスが、ガス流路形成部内を上方向に向かって流れ、ガス流路形成部の上端部から排出されるように反応ガス流路が構成された場合には、反応ガス流路内に滞留する水を反応ガスの流れによって押し上げて排出することになるため、押し上げることができない水が反応ガス流路内に滞留する可能性が高くなり、結果として、反応ガス流路や反応ガス供給孔が閉塞される可能性が高くなる。
【０００９】
反応ガス流路や反応ガス供給孔が閉塞すると、反応ガスの給排が妨げられ、結果として、燃料電池の発電能力が低下し、さらには、発電停止となる可能性がある。なお、以下では、反応ガスの流れが妨げられることを、簡単に「ガス閉塞」とも呼ぶ。
【００１０】
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、燃料電池において、多孔質部材によって形成されたガス流路形成部に、ガス流路形成部の下端部から反応ガスを供給して上端部から排出するように、反応ガス流路が構成される場合に、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出を促進する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータが積層して配置される前記ガス流路形成部の面が鉛直方向を含む面となるように配置される燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部よりも下側に配置され、前記ガス流路形成部からの排水を溜める排水ドレインを備え、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部に前記反応ガスを供給するための開口を有する複数のガス供給流路部と、
前記面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の上端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部から前記反応ガスを排出するための開口を有する複数のガス排出流路部と、を備えており、
前記複数のガス供給流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が大きく、近くに位置する開口ほど開口面積が小さくなるように形成されている、
ことを特徴とする。
【００１２】
上記構成の燃料電池によれば、複数のガス供給流路部の開口からガス流路形成部に供給された反応ガスを、ガス流路形成部内を通過して複数のガス排出流路部の開口から排出する場合において、ガス流路形成部内を通過する反応ガスに、鉛直方向の流れだけでなく、水平方向に傾いた流れを発生させ、全体として、排水ドレインが配置されている方向へ傾いた流れを発生させることができる。これにより、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水を、反応ガスの傾いた流れによって排水ドレインの配置されている方向へ導き、排水ドレインへ排出することができるため、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出を促進することが可能となる。
【００１３】
また、上記燃料電池において、さらに、
前記複数のガス排出流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が小さく、近くに位置する開口ほど開口面積が大きくなるように形成されているようにしてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、反応ガスの流れの水平方向への傾きをより大きく発生させることができるので、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水を、排水ドレインの配置されている方向へさらに効果的に導き、排水ドレインへ排出することができる。これにより、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出をさらに促進することが可能となる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の態様で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池や、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える発電装置、その燃料電池システムを備える電気自動車等の態様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】
【００１６】
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
Ａ３．排水動作：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１７】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例に係る燃料電池１０の外観構成を示す説明図である。燃料電池１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、スタック１１と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１と、インシュレータ３３と、ターミナル３４とを備えている。スタック１１は、モジュール２０が、設置面に対して垂直に複数個積層されて構成される。また、スタック１１は、インシュレータ３３およびターミナル３４を挟んで、２枚のエンドプレート３０によって挟持される。そして、燃料電池１０は、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、スタック１１（各モジュール２０）を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、設置面は、鉛直方向に垂直な方向（水平方向）に沿った面（水平面）である。
【００１８】
燃料電池１０には、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１０を冷却する冷却媒体が供給される。簡単に説明すると、燃料電池１０のアノード（図１には図示せず）には、高圧水素を貯蔵した水素タンク４１０から、配管４５０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク４１０の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管４５０には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ４２０および調圧バルブ４３０が配置されている。燃料電池１０のアノードから排出された水素は、配管４６０を介して配管４５０に戻され、再び燃料電池１０に循環される。配管４６０上には、循環のための循環ポンプ４４０が配置されている。なお、配管４５０，４６０は、燃料ガスとしての水素が燃料電池１０のアノードの鉛直方向上端側から供給され、アノードの鉛直方向下端側から排出されるように、配設される。
【００１９】
燃料電池１０のカソード（図１には図示せず）には、エアポンプ５１０から、配管５２０を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池１０のカソードから排出された空気は、配管５３０を介して大気中に放出される。なお、配管５２０，５３０は、酸化ガスとしての空気が燃料電池１０のカソードの鉛直方向下端側から供給され、アノードの鉛直方向上端側から排出されるように、配設される。
【００２０】
燃料電池１０には、ラジエータ５５０から、配管５６０を介して、冷却媒体が供給される。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。燃料電池１０から排出された冷却媒体は、配管５７０を介して、ラジエータ５５０に送られ、再び燃料電池１０に循環される。配管５７０上には、循環のための循環ポンプ５４０が配置されている。
【００２１】
燃料電池１０からは、配管４７０を介して、電気化学反応によって生成され、排水ドレイン（図１には図示せず）に溜められた水（生成水）が排出される。配管４７０には、排水バルブ４８０が配置されている。なお、排水ドレインに溜められた生成水の排出は、例えば、燃料電池の起動時の実行や停止時の実行、定期的な実行、排水ドレインの状態を監視し、所定量を超えた場合における実行等種々の排出が考えられる。
【００２２】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池１０を構成するモジュール２０の概略構成を示す説明図である。モジュール２０は、図２（ａ）に示すように、単セル２６とセパレータ２１とを交互に積層して構成される。なお、以下では、単セル２６とセパレータ２１とを積層する方向（ｘ方向）を積層方向とも呼び、単セル２６のセパレータ２１を積層する面に平行な方向（ｙ方向）を面方向とも呼ぶ。また、図２では、面方向は鉛直方向となっており、面方向下向きが重力方向となっている。
【００２３】
単セル２６は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２７と、ＭＥＡ２７の外側に配設されたガス流路形成部２８，２９と、シール部２５と、を備える。ここで、ＭＥＡ２７は、図２（ｂ）に示すように、電解質膜２９１と、電解質膜２９１を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２９２およびアノード２９３と、上記触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層２９４，２９５と、を備えている。
【００２４】
電解質膜２９１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により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２９２およびアノード２９３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。ガス拡散層２９４，２９５は、例えばカーボン製の多孔質部材である。なお、ガス拡散層は、触媒電極に対するガス供給効率を向上させるとともに、ガス流路形成部と触媒電極との間の集電性を高め、電解質膜を保護する働きを有するが、ガス流路形成部の構成材料やガス流路形成部の気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしてもよい。
【００２５】
ガス流路形成部２８，２９は、発砲金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン（Ｔｉ）製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部２８，２９は、ＭＥＡ２７とセパレータ２１との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。記述したガス拡散層においても、内部に形成される空間をガスが通過するが、本実施例では、ガス流路形成部２８，２９は、単セル２６に供給されたガスが通過する主たる空間を形成する。この場合、特に、ガス流路形成部２８を酸化ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部２８内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼ぶ。また、ガス流路形成部２９を燃料ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部２９内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。なお、ガス流路形成部２８，２９は、整流壁のようなガス流路形成部内におけるガスの流れを規定するものを備えないものである。
【００２６】
シール部２５は、隣り合うセパレータ２１間であって、ＭＥＡ２７およびガス流路形成部２８，２９の外周部に設けられている。このシール部２５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ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡ２７およびと一体で形成されている。
【００２７】
図３は、ＭＥＡと一体形成されたシール部２５の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部２５は、略四角形状の薄板状部材である。シール部２５は、中央部に設けられた、ＭＥＡ２７が組み込まれている略四角形の穴部２５５と、外側の外周部に設けられた、燃料ガス供給マニホールドを形成するための燃料ガス供給マニホールド形成孔部２５１ａと、燃料ガス排出マニホールドを形成するための燃料ガス排出マニホールド形成孔部２５１ｂと、酸化ガス供給マニホールドを形成するための酸化ガス供給マニホールド形成孔部２５２ａと、酸化ガス排出マニホールドを形成するための酸化ガス排出マニホールド形成孔部２５２ｂと、冷却媒体供給マニホールドを形成するための冷却媒体供給マニホールド形成孔部２５３ａと、冷却媒体排出マニホールドを形成するための冷却媒体排出マニホールド形成孔部２５３ｂと、排水ドレインを形成するための排水ドレイン形成孔部２５４と、を備えている。
【００２８】
シール部２５は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１０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、反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するためのシール構造を構成する。
【００２９】
なお、図３では、シール部２５と一体化されたＭＥＡ２７の部分（以下では、「集電領域ＤＡ」と呼ぶ。）を、ハッチを付して示している。また、図３では図示を省略するが、ガス流路形成部２８，２９は上記集電領域ＤＡと略同一形状に形成されており、集電領域ＤＡにおいてシール部２５に嵌め込まれている。
【００３０】
セパレータ２１（図２）は、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ２１は、図２（ａ）に示すように、ガス流路形成部２８と接するカソード側プレート２２と、ガス流路形成部２９と接するアノード側プレート２３と、カソード側プレート２２およびアノード側プレート２３に挟持される中間プレート２４と、を備えている。これら３枚のプレートは、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り、図２（ａ）に示すように、カソード側プレート２２、中間プレート２４、アノード側プレート２３の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。
【００３１】
図４は、カソード側プレート２２の形状を示す説明図である。図５は、アノード側プレート２３の形状を示す説明図である。図６は、中間プレート２４の形状を示す説明図である。
【００３２】
カソード側プレート２２は、シール部２５と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。カソード側プレート２２は、シール部２５（図３）の外周部と同様の位置に、集電領域ＤＡに対応する領域（図中点線で示す領域）の外側の外周部に、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２２１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２２２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成孔部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成孔部２２３ｂと、排水ドレイン形成孔部２２４と、を備えている。
【００３３】
カソード側プレート２２は、さらに、排水孔２２７と、複数個（本実施例では５個）の酸化ガス供給孔２２５と、複数個（本実施例では６個）の酸化ガス排出孔２２６と、を有している。排水孔２２７は略矩形状の孔であり、集電領域ＤＡの図４における下端部の、排水ドレイン形成孔部２２４に対応する位置に配置されている。複数個の酸化ガス供給孔２２５は、それぞれ大きさが異なる５個の孔２２５ａ〜２２５ｅにより構成されており、集電領域ＤＡの下端部に、集電領域ＤＡの右端から、排水孔２２７の近傍までに亘って、開口の大きい酸化ガス供給孔２２５ａから小さい酸化ガス供給孔２２５ｅまでの順に並んで配置されている。複数個の酸化ガス排出孔２２６は、集電領域ＤＡの酸化ガス供給孔２２５とは反対側の端部、つまり、集電集電領域ＤＡの上端部に、集電領域ＤＡの左端から右端までに亘って、並んで配置されている。また、酸化ガス供給孔や酸化ガス排出孔、排水孔等の形状は、円形、楕円、矩形等いずれの形状でもよいが、本実施例では、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔は楕円形状とし、排水孔は略矩形状とした。
【００３４】
アノード側プレート２３は、カソード側プレート２２と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。アノード側プレート２３は、図５に示すように、カソード側プレート２２と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２３１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２３１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２３２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２３２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成孔部２３３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成孔部２３３ｂと、排水ドレイン形成孔部２３４と、を有している。アノード側プレート２３は、さらに、複数個（本実施例では２個）の燃料ガス供給孔２３７と、複数個（本実施例では２個）の燃料ガス排出孔２３８と、を有している。複数個の燃料ガス供給孔２３７は、集電領域ＤＡの図５における左端部の上部に、並んで配置されている。複数個の燃料ガス排出孔２３８は、集電領域ＤＡの燃料ガス供給孔２３７とは反対側の端部、つまり、集電集電領域ＤＡの右端部の下部に、並んで配置されている。なお、燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔の形状は、円形、楕円、矩形等いずれの形状でもよいが、本実施例では、円形状とした。
【００３５】
中間プレート２４は、カソード側プレート２２およびアノード側プレート２３と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料もカソード側プレート２２およびアノード側プレート２３と同じものを用いることができる。中間プレート２４は、図６に示すように、カソード側プレート２２およびアノード側プレート２３と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２４１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２４１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２４２ｂと、排水ドレイン形成孔部２４４と、を有している。
【００３６】
中間プレート２４には、図６に示すように、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａと一端が連通し、セパレータ形成時にカソード側プレート２２に形成された酸化ガス供給孔２２５と他端が連通する長孔である酸化ガス供給流路形成部２４５が複数個並んで形成されている。酸化ガス供給流路形成部２４５は、酸化ガス供給孔２２５と１対１で対応するように、酸化ガス供給孔２２５と同数形成されている。そして、複数個の酸化ガス供給流路形成部２４５は、それぞれが互いに平行に、集電領域ＤＡの下辺に対して垂直に、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａに対応する範囲に亘って配置されている。なお、複数個の酸化ガス供給流路形成部２４５は、具体的には、それぞれ大きさが異なる酸化ガス供給流路形成部２４５ａ〜２４５ｅで構成されている。
【００３７】
また、中間プレート２４は、酸化ガス供給流路形成部２４５と同様な形状を有する長孔として、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２４２ｂと一端が連通し、セパレータ形成時にカソード側プレート２２に形成された酸化ガス排出孔２２６と他端が連通する酸化ガス排出流路形成部２４６が形成されている。
【００３８】
同様に、中間プレート２４には、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２４１ａと一端が連通し、アノード側プレート２３の燃料ガス供給孔２３７と他端が連通する燃料ガス供給流路形成部２４７と、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２４１ｂと一端が連通し、アノード側プレート２３の燃料ガス排出孔２３８と他端が連通する燃料ガス排出流路形成部２４８とが形成されている。また、中間プレート２４には、排水ドレイン形成孔部２４４と一端が連通し、カソード側プレート２２の排水孔２２７と他端が連通する排水流路形成部２４９が形成されている。
【００３９】
さらに、中間プレート２４は、中間プレート２４の図６における右側端部近傍から左側端部近傍に至る長孔である冷却媒体流路形成部２４３を有している。冷却媒体流路形成部２４３は、図６における上下方向（ｙ方向）に複数個（本実施例では５個）並んで形成されている。
【００４０】
図７ないし図９は、モジュール２０の断面構造を示す説明図である。図７は、図３ないし図６におけるＡ−Ａ断面の位置に対応する断面図を示しており、図８は、図３ないし図６におけるＢ−Ｂ断面の位置に対応する断面図を示しており、図９は、図３ないし図６におけるＣ−Ｃ断面の位置に対応する断面図を示している。
【００４１】
図７に示すＡ−Ａ断面では、以下で説明するように、燃料電池１０（モジュール２０）の内部にける酸化ガスの供給および排出の様子が表されている。
【００４２】
図７に示すように、燃料電池１０の内部において、酸化ガス供給マニホールド４０を流れる酸化ガスは、中間プレート２４の酸化ガス供給流路形成部２４５およびカソード側プレート２２の酸化ガス供給孔２２５により形成される酸化ガス供給流路部を介して、ガス流路形成部２８内に形成される酸化ガス流路へと流入し、面方向（ｙ方向）に流れると共に、積層方向（ｘ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、ガス流路形成部２８からガス拡散層２９４を介してカソード２９２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酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部２８から、カソード側プレート２２の酸化ガス排出孔２２６および中間プレート２４の酸化ガス排出流路形成部２４６により形成される酸化ガス排出流路部を介して、酸化ガス排出マニホールド４１へと排出される。
【００４３】
なお、酸化ガス供給マニホールド４０は、カソード側プレート２２の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２２２ａと、アノード側プレート２３の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２３２ａと、中間プレート２４の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａと、シール部２５の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２５２ａと、によって形成される。また、酸化ガス排出マニホールド４１は、カソード側プレート２２の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２２２ｂと、アノード側プレート２３の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２３２ｂと、中間プレート２４の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２４２ｂと、シール部２５の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２５２ｂと、によって形成される。
【００４４】
図８に示すＢ−Ｂ断面では、以下で説明するように、燃料電池１０（モジュール２０）の内部にける燃料ガスの供給および排出の様子が表されている。
【００４５】
図８に示すように、燃料電池１０の内部において、燃料ガス供給マニホールド５０を流れる燃料ガスは、中間プレート２４の燃料ガス供給流路形成部２４７およびアノード側プレート２３の燃料ガス供給孔２３７により形成される燃料ガス供給流路部を介して、ガス流路形成部２９内に形成される燃料ガス流路へと流入し、面方向（ｙ方向）に流れると共に、積層方向（ｘ方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部２９からガス拡散層２９５を介してアノード２９３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燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部２９から、アノード側プレート２３の燃料ガス排出孔２３８および中間プレート２４の燃料ガス排出流路形成部２４８により形成される燃料ガス排出流路部を介して、燃料ガス排出マニホールド５１へと排出される。
【００４６】
なお、燃料ガス供給マニホールド５０は、カソード側プレート２２の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２２１ａと、アノード側プレート２３の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２３１ａと、中間プレート２４の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２４１ａと、シール部２５の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２５１ａと、によって形成される。また、燃料ガス排出マニホールド５１は、カソード側プレート２２の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２２１ｂと、アノード側プレート２３の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２３１ｂと、中間プレート２４の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２４１ｂと、シール部２５の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２５１ｂと、によって形成される。
【００４７】
図９のＣ−Ｃ断面では、カソード２９２（図２）において、電気化学反応によって生成された水が、ガス流路形成部２８から排出される様子が表されている。
【００４８】
カソード２９２（図２）では、電気化学反応により水が生成される。この生成水は、ガス流路形成部２８の毛管吸引力により酸化ガス流路（ガス流路形成部２８）中に拡散する。このように拡散した生成水のうち、酸化ガスの飽和水蒸気量以下の生成水は、水蒸気として、図７に示したガス流路形成部２８を通過する酸化ガスとともに排出される。また、飽和水蒸気量以上の生成水は、凝縮してガス流路形成部２８内に滞留する。このような生成水は、図９に示すように、ガス流路形成部２８を通過する酸化ガスに押し出されて、ガス流路形成部２８から、カソード側プレート２２の排水孔２２７および中間プレート２４の排水流路形成部２４９により形成される排水流路部を介して、カソード側プレート２２の排水ドレイン形成孔部２２４と、アノード側プレート２３の排水ドレイン形成孔部２３４と、中間プレート２４の排水ドレイン形成孔部２４４と、シール部２５の排水ドレイン形成孔部２５４と、によって形成される排水ドレイン６０へと排出される。この生成水の排水ドレイン６０への排出については、後で詳述する。
【００４９】
なお、図示は省略するが、中間プレート２４（図６）の冷却媒体流路形成部２４３の端部は、セパレータの形成時において、カソード側プレート２２（図４）の冷却媒体供給マニホールド形成孔部２２３ａ、アノード側プレート２３（図５）の冷却媒体供給マニホールド形成孔部２３３ａ、および、シール部２５（図３）の冷却媒体供給マニホールド形成孔部２５３ａによって形成される冷却媒体供給マニホールドと、カソード側プレート２２の冷却媒体排出マニホールド形成孔部２２３ｂ、アノード側プレート２３の冷却媒体排出マニホールド形成孔部２３３ｂ、および、シール部２５の冷却媒体排出マニホールド形成孔部２５３ｂによって形成される冷却媒体排出マニホールドと、重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ２１内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷却媒体流路形成部２４３によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、冷媒排出マニホールドに排出される。
【００５０】
Ａ３．排水動作：
図１０は、電気化学反応による生成水をガス流路形成部から排出する動作について示す説明図である。図１０（ａ）は、ガス流路形成部２８の酸化ガスの流れを示す模式図であり、図１０（ｂ）は、生成水の移動を示す模式図である。なお、図中に破線示した楕円は、５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｆおよび６個の酸化ガス排出孔２２６に対応する領域を示し、破線で示した略矩形は、排水孔２２７、排水流路形成部２４９、および、排水ドレイン６０に対応する領域を示している。また、図１０（ａ）に示す白抜の矢印は、矢印の方向が酸化ガスの流れの方向を示し、矢印の幅がガス流量の大きさを示している。
【００５１】
ここで、複数の酸化ガス供給孔の開口面積の総和Ｓｓｉおよび複数の酸化ガス排出孔の開口面積の総和Ｓｓｏは、最大ガス流量と、酸化ガス流路を通過する際に利用される酸化ガス量等の損失との関係により決定され、通常、Ｓｓｉ≧Ｓｓｏとなるように設定される。また、複数の酸化ガス排出孔として設けられた６個の酸化ガス排出孔２２６の開口は、それぞれ同じ大きさとなるように設定される。なお、１つの酸化ガス排出孔２２６の開口面積をＳｏとする。さらに、複数の酸化ガス供給孔として設けられた５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｅの開口は、５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｅそれぞれの開口面積をＳｉａ〜Ｓｉｅとすると、Ｓｉａ＞Ｓｉｂ＞Ｓｉｃ＞Ｓｉｄ＞Ｓｉｅとなるように設定される。すなわち、５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｅの開口は、排水ドレイン６０から遠いものほど大きく、近いものほど小さくなるように、２２５ａ、２２５ｂ，２２５ｃ，２２５ｄ，２２５ｅの順に小さくなるように設定される。このとき、複数の酸化ガス供給孔の開口面積の総和Ｓｓｉは（Ｓｉａ＋Ｓｉｂ＋Ｓｉｃ＋Ｓｉｄ＋Ｓｉｅ）で表され、複数の酸化ガス排出孔の開口面積の総和Ｓｓｏは（６・Ｓｏ）で表される。従って、複数の酸化ガス供給孔のうち、いずれか一部は、１つの酸化ガス排出孔よりも排水ドレインから遠いほど開口が大きくなるように設定され、残りは、１つの酸化ガス排出孔よりも排水ドレインに近いほど開口が小さく設定されることになる。例えば、本実施例では、右端から３番目の酸化ガス供給孔２２５ｃを酸化ガス排出孔２２６と同じ開口の大きさとし、それより右側の２つの酸化ガス供給孔２２５ｂ，２２５ａは開口が大きく、それより左側の２つの酸化ガス供給孔２２５ｄ，２２５ｅは開口が小さくなるように設定されている。なお、酸化ガス供給孔と酸化ガス供給マニホールドとを連通する酸化ガス供給流路形成部の空間も、酸化ガス供給孔の開口の大きさの変化と同様に、酸化ガス供給孔の開口の大きさの変化に応じて変化するように設定される。
【００５２】
上記のように複数の酸化ガス供給孔および複数の酸化ガス排出孔を配置した場合には、以下で説明するように、酸化ガスの流れが発生する。
【００５３】
図１０（ａ）に示すように、右端の酸化ガス供給孔２２５ａの開口は、対向する右端の酸化ガス排出孔２２６の開口よりも大きいので、この右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスの全てを、右端の酸化ガス排出孔２２６のみから排出することができない。このため、右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスの流れには、右端の酸化ガス排出孔２２６の方向への酸化ガスの流れだけでなく、右端から２番目および３番目の酸化ガス排出孔２２６の方向への流れも発生する。そして、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂから供給された酸化ガスは、１番目の酸化ガス供給孔２２５ａから２番目および３番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れる酸化ガスの流れによって、２番目および３番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れることはできず、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れることになる。
【００５４】
ここで、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２６ｂに対して上方向の対向する位置に配置されている酸化ガス排出孔は、右端から２番目の酸化ガス排出穴２２６であり、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２６ｂから供給された酸化ガスは、通常は、この右から２番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れた排出される。しかしながら、上記したように、この右端から２番目の酸化ガス排出孔２２６には、右端の酸化ガス供給孔２２５ａからの酸化ガスが流れるため、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２６ｂからの酸化ガスが流れて排出されることはできない。また、右端から３番目の酸化ガス排出孔２２６も同様である。
【００５５】
従って、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂの開口から供給された酸化ガスは、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れることになる。さらに、２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂの開口も、酸化ガス排出孔２２６の開口よりも大きいので、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂから供給された酸化ガスの全てを、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６のみから排出することができず、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６の方向への酸化ガスの流れだけでなく、右端から５番目の酸化ガス排出孔２２６の方向への流れも発生する。
【００５６】
同様にして、右端から３番目ないし５番目の酸化ガス供給孔２２５ｃ〜２２５ｅから供給された酸化ガスも、図１０（ａ）に示すように、斜め方向への流れが発生する。
【００５７】
以上説明したように、ガス流路形成部２８中を流れる酸化ガスには、鉛直上方向（ｙ方向）の流れだけでなく、水平方向（ｚ方向）に傾いた流れが発生し、この結果、全体として、左斜め上方向（排水ドレインが配置されている側に傾いた方向）の流れが発生する。そして、このような酸化ガスの流れが発生すると、ガス流路形成部２８に滞留する生成水には、以下で説明するような流れが発生する。
【００５８】
図１０（ｂ）に示すように、ガス流路形成部２８中に滞留する生成水Ａｒ(図中クロスハッチで示す)には、その位置を流れようとする酸化ガスの流れにより発生する力のベクトルＶｇａｓと、重力により発生するベクトルＶｇｒの合成ベクトルＶｃの方向に力が働くことになる。これにより生成水Ａｒは、破線で示す矢印の方向、すなわち、排水ドレイン６０の方向に移動することになる。そして、最終的には、排水孔２２７および排水流路形成部２４９により形成される排水流路部を介して排水ドレイン６０に排出される。
【００５９】
以上のように、本実施例の燃料電池１０では、図１０（ａ）に示すように、ガス流路形成部２８の下端部に対応する位置に配置された複数の酸化ガス供給孔２２５から酸化ガスが供給され、ガス流路形成部２８の上端部に対応する位置に配置された複数の酸化ガス排出孔２２６から酸化ガスが排出される場合に、ガス流路形成部２８を流れる酸化ガスの流れに、鉛直上方向ではなく、ガス流路形成部２８の下端部の外周部の左端側に配置された排水ドレイン６０の方向に向かう水平方向に傾いた流れが発生し、全体として排水ドレイン６０の側に傾いた流れとなるので、この傾いた酸化ガスの流れによって、ガス流路形成部２８に滞留する生成水を排水ドレイン６０の方向に移動させて、排水ドレイン６０に排出することができる。また、排水ドレイン６０に近い酸化ガス供給孔２２５ほど開口を小さくすることで、排水ドレインから遠い酸化ガス流量の方が多くなるため、生成水が排水ドレインから遠い方へ逆流することも抑制可能である。以上のことから、ガス流路形成部２８の酸化ガス流路内に滞留する生成水の排出を促進することができる。この結果、ガス流路形成部２８の酸化ガス流路内に滞留する生成水が自重によりガス流路形成部２８の下端部に移動し、酸化ガス供給孔を閉塞することを抑制することができる。
【００６０】
また、ガス流路形成部内に滞留する生成水を酸化ガス排出孔から排出するためには、通常、この滞留する生成水を酸化ガス排出孔まで押し上げるために多量の酸化ガスをガス流慮形成部内に供給することが必要となるが、酸化ガス量を抑制することが可能となる。
【００６１】
なお、図１０（ａ）に示したガス流れは一例であり、酸化ガス供給孔や酸化ガス排出孔の数や、開口の大きさ等の種々の設定によって変化するものである。
【００６２】
また、多孔質部材で構成されたガス流路形成部に整流壁等の酸化ガスの流れを規定するものを備えるガス流路形成部もあるが、このようなガス流路形成部の場合には、上記のようなガス流れを発生させることができないので、本発明は、整流壁等の酸化ガスの流れを規定するものを備えないガス流路形成部の場合に有効な構成である。
【００６３】
Ｂ．第２実施例：
図１１は、図１０（ａ）と同様に、第２実施例におけるガス流路形成部の酸化ガスの流れを示す模式図である。第１実施例では、図１０（ａ）に示すように、ガス流路形成部２８の下端部に対応する位置に配置される複数の酸化ガス供給孔２２５を、排水ドレイン６０よりも遠いものほど大きな開口とし、近いものほど小さな開口となるように設定した場合を説明したが、図１１に示すように、更に、ガス流路形成部２８の上端部に対応する位置に配置される複数の酸化ガス排出孔２２６を、酸化ガス供給孔２２５とは逆に、排水ドレイン６０から遠いものほど小さな開口とし、近いものほど大きな開口となるように設定するようにしてもよい。図１１の例では、排水ドレイン６０から最も遠い右端の酸化ガス排出孔を、最も小さな開口を有する酸化ガス排出孔２２６ｆとし、配すドレイン６０に最も近い左端の酸化ガス排出孔を最も大きな開口を有する酸化ガス排出孔２２６ａとして、排水ドレイン６０に近くなる順に大きな開口を有する６つの酸化ガス排出孔２２６ｆ〜２２６ａが設定されている。なお、図示は、省略するが、これら酸化ガス排出孔の開口の変化に対応して、中間プレートの酸化ガス排出流路形成部の大きさも変化するように設定される。
【００６４】
図１１に示すように、酸化ガス排出孔の開口の変化を酸化ガス供給孔の開口の変化とは逆の関係になるように設定した場合には、図１０と図１１を比較すればわかるように、例えば、図１０における右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスが排出される３つの酸化ガス排出孔２２６に対応する図１１における３つの酸化ガス排出孔２２６ｆ〜２２６ｄの開口は、図１０における３つの酸化ガス排出孔２２６の開口よりも更に小さくなっている。このため、右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスの全てが、これら３つの酸化ガス排出孔２２６ｆ〜２２６ｄのみから排出されることができなくなり、さらに、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６ｃおよび５番目の酸化ガス排出孔２２６ｂの方向へも流れることになる。この結果、図１０に示した酸化ガスの流れよりも、さらに、排水ドレイン側に傾いた方向の流れが発生することになる。これにより、ガス流路形成部２８内に滞留する生成水をより鉛直方向に垂直な方向（水平方向）に移動させる力が大きくなるため、排水ドレインの方向に移動させる効果を大きくすることが可能となり、ガス流路形成部２８の酸化ガス流路内に滞留する生成水の排出をより促進することができる。
【００６５】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００６６】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、ガス流路形成部２８に対して排水ドレイン６０を下端部の左端側に配置した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、排水ドレインの配置位置を実施例とは逆の右端側とするようにしてもよい。また、排水ドレインを中心側に配置して、この排水ドレインの位置から右端および左端の両方向に遠い位置に配置された酸化ガス供給孔ほど開口が大きく、排水ドレインに近い位置に配置された酸化ガス供給孔ほど開口が小さくなるように設定するようにしてもよい。さらに、排水ドレインを中心側に配置し、第２実施例のように、酸化ガス排出孔の開口の大きさも変化させる場合には、排水ドレインの位置から右端および左端の両方向に遠い位置に配置された酸化ガス排出孔ほど開口が小さく、排水ドレインに近い位置に配置された酸化ガス排出孔ほど開口が大きくなるように設定するようにしてもよい。
【００６７】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例や変形例では、カソード側のガス流路形成部２８の下端部に配置された複数の酸化ガス供給孔からガス流路形成部２８に対して酸化ガスを供給し、ガス流路形成部２８の上端部に配置された複数の酸化ガス排出孔からガス流路形成部２８の酸化ガス流路を流れた酸化ガスを排出する場合における、複数の酸化ガス供給孔や複数の酸化ガス排出孔の構成を例に説明しているが、アノード側のガス流路形成部の下端部に複数の燃料ガス供給孔が配置されており、上端部に複数の燃料ガス排出孔が配置されている場合においても、適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１実施例に係る燃料電池１０の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１０を構成するモジュール２０の概略構成を示す説明図である。
【図３】ＭＥＡと一体形成されたシール部２５の概略構成を表わす平面図である。
【図４】カソード側プレート２２の形状を示す説明図である。
【図５】アノード側プレート２３の形状を示す説明図である。
【図６】中間プレート２４の形状を示す説明図である。
【図７】モジュール２０の断面構造を示す説明図である。
【図８】モジュール２０の断面構造を示す説明図である。
【図９】モジュール２０の断面構造を示す説明図である。
【図１０】電気化学反応による生成水をガス流路形成部から排出する動作について示す説明図である。
【図１１】第２実施例におけるガス流路形成部の酸化ガスの流れを示す模式図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…燃料電池
１１…スタック
２０…モジュール
２１…セパレータ
２２…カソード
２３…アノード側プレート
２４…中間プレート
２５…シール部
２６…単セル
２７…ＭＥＡ
２８…ガス流路形成部
２９…ガス流路形成部
３０…エンドプレート
３１…テンションプレート
３２…ボルト
３３…インシュレータ
３４…ターミナル
４０…酸化ガス供給マニホールド
４１…酸化ガス排出マニホールド
５０…燃料ガス供給マニホールド
５１…燃料ガス排出マニホールド
６０…排水ドレイン
２２１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２２１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２２２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２２２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２２３ａ…冷却媒体供給マニホールド形成孔部
２２３ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成孔部
２２４…排水ドレイン形成孔部
２２５…酸化ガス供給孔
２２５ａ〜２２５ｅ…酸化ガス供給孔
２２６…酸化ガス排出孔
２２６ａ〜２２６ｆ…酸化ガス排出孔
２２７…排水孔
２３１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２３１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２３２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２３２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２３３ａ…冷却媒体供給マニホールド形成孔部
２３３ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成孔部
２３４…排水ドレイン形成孔部
２３７…燃料ガス供給孔
２３８…燃料ガス排出孔
２４１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２４１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２４２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２４２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２４３…冷却媒体流路形成部
２４４…排水ドレイン形成孔部
２４５…酸化ガス供給流路形成部
２４５ａ〜２４５ｅ…酸化ガス供給流路形成部
２４６…酸化ガス排出流路形成部
２４７…燃料ガス供給流路形成部
２４８…燃料ガス排出流路形成部
２４９…排水流路形成部
２５１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２５１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２５２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２５２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２５３ａ…冷却媒体供給マニホールド形成孔部
２５３ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成孔部
２５４…排水ドレイン形成孔部
２５５…穴部
２９１…電解質膜
２９２…カソード
２９３…アノード
２９４…ガス拡散層
２９５…ガス拡散層
４１０…水素タンク
４２０…シャットバルブ
４３０…調圧バルブ
４４０…循環ポンプ
４５０…配管
４６０…配管
４７０…配管
４８０…排水バルブ
５１０…エアポンプ
５２０…配管
５３０…配管
５４０…循環ポンプ
５５０…ラジエータ
５６０…配管
５７０…配管
ＤＡ…集電領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池において、多孔質部材によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出を促進する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素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。このような燃料電池は、一般に、電解質膜と電解質膜上に設けられた電極（酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。）と、を備える単セルを、セパレータにより挟持することにより構成される（特許文献１参照）。
【０００３】
電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の電極に対しての給排は、単セルを挟持するセパレータに設けられた反応ガス流路溝により構成される反応ガス流路を介して行われ、あるいは、ガス拡散性あるいは集電性を確保するために、電極とセパレータとの間に設けられた多孔質な導電性部材から成る層（以下では、ガス流路形成部とも呼ぶ。）により構成される反応ガス流路を介して行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池では、水素と酸素の電気化学反応によって、カソードにおいて水が生成される。この生成水のうち、反応ガス中に水蒸気として含むことができる飽和水蒸気量以下の水は、反応ガスとともに排出され、飽和水蒸気量よりも多い水は、水の排出流路としても機能する反応ガス流路中を反応ガスによって押し出されることにより排出される。従って、反応ガスによって押し出すことができなかった水は、反応ガス流路に溜まって反応ガス流路を閉塞する場合がある。
【０００６】
例えば、上記のように、反応ガス流路が反応ガス流路溝によって構成される場合には、水の排出流路が反応ガス流路溝によって構成される反応ガス流路に制限されるので、反応ガス流路溝に水が溜まりやすく、反応ガス流路を閉塞する場合がある。
【０００７】
また、多孔質な導電性部材から成るガス流路形成部により構成される反応ガス流路の場合には、反応ガス流路溝のような反応ガス流路の制限がないので、反応ガス流路の制限による反応ガス流路の閉塞の可能性は低い。しかしながら、ガス流路形成部は内部に形成される多くの細孔からなる空間に水が滞留しやすいため、反応ガス流路内に滞留する水の量は、反応ガス流路溝による反応ガス流路の場合に比べて非常に多くなり、結果として、反応ガス流路やガス流路形成部に反応ガスを供給するためのガス供給孔を閉塞する場合がある。
【０００８】
特に、ガス流路形成部の下端部から供給された反応ガスが、ガス流路形成部内を上方向に向かって流れ、ガス流路形成部の上端部から排出されるように反応ガス流路が構成された場合には、反応ガス流路内に滞留する水を反応ガスの流れによって押し上げて排出することになるため、押し上げることができない水が反応ガス流路内に滞留する可能性が高くなり、結果として、反応ガス流路や反応ガス供給孔が閉塞される可能性が高くなる。
【０００９】
反応ガス流路や反応ガス供給孔が閉塞すると、反応ガスの給排が妨げられ、結果として、燃料電池の発電能力が低下し、さらには、発電停止となる可能性がある。なお、以下では、反応ガスの流れが妨げられることを、簡単に「ガス閉塞」とも呼ぶ。
【００１０】
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、燃料電池において、多孔質部材によって形成されたガス流路形成部に、ガス流路形成部の下端部から反応ガスを供給して上端部から排出するように、反応ガス流路が構成される場合に、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出を促進する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータが積層して配置される前記ガス流路形成部の面が鉛直方向を含む面となるように配置される燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部よりも下側に配置され、前記ガス流路形成部からの排水を溜める排水ドレインを備え、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部に前記反応ガスを供給するための開口を有する複数のガス供給流路部と、
前記面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の上端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部から前記反応ガスを排出するための開口を有する複数のガス排出流路部と、を備えており、
前記複数のガス供給流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が大きく、近くに位置する開口ほど開口面積が小さくなるように形成されている、
ことを特徴とする。
【００１２】
上記構成の燃料電池によれば、複数のガス供給流路部の開口からガス流路形成部に供給された反応ガスを、ガス流路形成部内を通過して複数のガス排出流路部の開口から排出する場合において、ガス流路形成部内を通過する反応ガスに、鉛直方向の流れだけでなく、水平方向に傾いた流れを発生させ、全体として、排水ドレインが配置されている方向へ傾いた流れを発生させることができる。これにより、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水を、反応ガスの傾いた流れによって排水ドレインの配置されている方向へ導き、排水ドレインへ排出することができるため、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出を促進することが可能となる。
【００１３】
また、上記燃料電池において、さらに、
前記複数のガス排出流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が小さく、近くに位置する開口ほど開口面積が大きくなるように形成されているようにしてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、反応ガスの流れの水平方向への傾きをより大きく発生させることができるので、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水を、排水ドレインの配置されている方向へさらに効果的に導き、排水ドレインへ排出することができる。これにより、ガス流路形成部によって構成される反応ガス流路内に滞留する水の排出をさらに促進することが可能となる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の態様で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池や、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える発電装置、その燃料電池システムを備える電気自動車等の態様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】
【００１６】
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
Ａ３．排水動作：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００１７】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例に係る燃料電池１０の外観構成を示す説明図である。燃料電池１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、スタック１１と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１と、インシュレータ３３と、ターミナル３４とを備えている。スタック１１は、モジュール２０が、設置面に対して垂直に複数個積層されて構成される。また、スタック１１は、インシュレータ３３およびターミナル３４を挟んで、２枚のエンドプレート３０によって挟持される。そして、燃料電池１０は、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、スタック１１（各モジュール２０）を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、設置面は、鉛直方向に垂直な方向（水平方向）に沿った面（水平面）である。
【００１８】
燃料電池１０には、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１０を冷却する冷却媒体が供給される。簡単に説明すると、燃料電池１０のアノード（図１には図示せず）には、高圧水素を貯蔵した水素タンク４１０から、配管４５０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク４１０の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管４５０には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ４２０および調圧バルブ４３０が配置されている。燃料電池１０のアノードから排出された水素は、配管４６０を介して配管４５０に戻され、再び燃料電池１０に循環される。配管４６０上には、循環のための循環ポンプ４４０が配置されている。なお、配管４５０，４６０は、燃料ガスとしての水素が燃料電池１０のアノードの鉛直方向上端側から供給され、アノードの鉛直方向下端側から排出されるように、配設される。
【００１９】
燃料電池１０のカソード（図１には図示せず）には、エアポンプ５１０から、配管５２０を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池１０のカソードから排出された空気は、配管５３０を介して大気中に放出される。なお、配管５２０，５３０は、酸化ガスとしての空気が燃料電池１０のカソードの鉛直方向下端側から供給され、アノードの鉛直方向上端側から排出されるように、配設される。
【００２０】
燃料電池１０には、ラジエータ５５０から、配管５６０を介して、冷却媒体が供給される。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。燃料電池１０から排出された冷却媒体は、配管５７０を介して、ラジエータ５５０に送られ、再び燃料電池１０に循環される。配管５７０上には、循環のための循環ポンプ５４０が配置されている。
【００２１】
燃料電池１０からは、配管４７０を介して、電気化学反応によって生成され、排水ドレイン（図１には図示せず）に溜められた水（生成水）が排出される。配管４７０には、排水バルブ４８０が配置されている。なお、排水ドレインに溜められた生成水の排出は、例えば、燃料電池の起動時の実行や停止時の実行、定期的な実行、排水ドレインの状態を監視し、所定量を超えた場合における実行等種々の排出が考えられる。
【００２２】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池１０を構成するモジュール２０の概略構成を示す説明図である。モジュール２０は、図２（ａ）に示すように、単セル２６とセパレータ２１とを交互に積層して構成される。なお、以下では、単セル２６とセパレータ２１とを積層する方向（ｘ方向）を積層方向とも呼び、単セル２６のセパレータ２１を積層する面に平行な方向（ｙ方向）を面方向とも呼ぶ。また、図２では、面方向は鉛直方向となっており、面方向下向きが重力方向となっている。
【００２３】
単セル２６は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２７と、ＭＥＡ２７の外側に配設されたガス流路形成部２８，２９と、シール部２５と、を備える。ここで、ＭＥＡ２７は、図２（ｂ）に示すように、電解質膜２９１と、電解質膜２９１を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２９２およびアノード２９３と、上記触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層２９４，２９５と、を備えている。
【００２４】
電解質膜２９１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により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２９２およびアノード２９３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。ガス拡散層２９４，２９５は、例えばカーボン製の多孔質部材である。なお、ガス拡散層は、触媒電極に対するガス供給効率を向上させるとともに、ガス流路形成部と触媒電極との間の集電性を高め、電解質膜を保護する働きを有するが、ガス流路形成部の構成材料やガス流路形成部の気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしてもよい。
【００２５】
ガス流路形成部２８，２９は、発砲金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン（Ｔｉ）製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部２８，２９は、ＭＥＡ２７とセパレータ２１との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。記述したガス拡散層においても、内部に形成される空間をガスが通過するが、本実施例では、ガス流路形成部２８，２９は、単セル２６に供給されたガスが通過する主たる空間を形成する。この場合、特に、ガス流路形成部２８を酸化ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部２８内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼ぶ。また、ガス流路形成部２９を燃料ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部２９内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。なお、ガス流路形成部２８，２９は、整流壁のようなガス流路形成部内におけるガスの流れを規定するものを備えないものである。
【００２６】
シール部２５は、隣り合うセパレータ２１間であって、ＭＥＡ２７およびガス流路形成部２８，２９の外周部に設けられている。このシール部２５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ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡ２７およびと一体で形成されている。
【００２７】
図３は、ＭＥＡと一体形成されたシール部２５の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部２５は、略四角形状の薄板状部材である。シール部２５は、中央部に設けられた、ＭＥＡ２７が組み込まれている略四角形の穴部２５５と、外側の外周部に設けられた、燃料ガス供給マニホールドを形成するための燃料ガス供給マニホールド形成孔部２５１ａと、燃料ガス排出マニホールドを形成するための燃料ガス排出マニホールド形成孔部２５１ｂと、酸化ガス供給マニホールドを形成するための酸化ガス供給マニホールド形成孔部２５２ａと、酸化ガス排出マニホールドを形成するための酸化ガス排出マニホールド形成孔部２５２ｂと、冷却媒体供給マニホールドを形成するための冷却媒体供給マニホールド形成孔部２５３ａと、冷却媒体排出マニホールドを形成するための冷却媒体排出マニホールド形成孔部２５３ｂと、排水ドレインを形成するための排水ドレイン形成孔部２５４と、を備えている。
【００２８】
シール部２５は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１０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、反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するためのシール構造を構成する。
【００２９】
なお、図３では、シール部２５と一体化されたＭＥＡ２７の部分（以下では、「集電領域ＤＡ」と呼ぶ。）を、ハッチを付して示している。また、図３では図示を省略するが、ガス流路形成部２８，２９は上記集電領域ＤＡと略同一形状に形成されており、集電領域ＤＡにおいてシール部２５に嵌め込まれている。
【００３０】
セパレータ２１（図２）は、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ２１は、図２（ａ）に示すように、ガス流路形成部２８と接するカソード側プレート２２と、ガス流路形成部２９と接するアノード側プレート２３と、カソード側プレート２２およびアノード側プレート２３に挟持される中間プレート２４と、を備えている。これら３枚のプレートは、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り、図２（ａ）に示すように、カソード側プレート２２、中間プレート２４、アノード側プレート２３の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。
【００３１】
図４は、カソード側プレート２２の形状を示す説明図である。図５は、アノード側プレート２３の形状を示す説明図である。図６は、中間プレート２４の形状を示す説明図である。
【００３２】
カソード側プレート２２は、シール部２５と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。カソード側プレート２２は、シール部２５（図３）の外周部と同様の位置に、集電領域ＤＡに対応する領域（図中点線で示す領域）の外側の外周部に、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２２１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２２２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成孔部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成孔部２２３ｂと、排水ドレイン形成孔部２２４と、を備えている。
【００３３】
カソード側プレート２２は、さらに、排水孔２２７と、複数個（本実施例では５個）の酸化ガス供給孔２２５と、複数個（本実施例では６個）の酸化ガス排出孔２２６と、を有している。排水孔２２７は略矩形状の孔であり、集電領域ＤＡの図４における下端部の、排水ドレイン形成孔部２２４に対応する位置に配置されている。複数個の酸化ガス供給孔２２５は、それぞれ大きさが異なる５個の孔２２５ａ〜２２５ｅにより構成されており、集電領域ＤＡの下端部に、集電領域ＤＡの右端から、排水孔２２７の近傍までに亘って、開口の大きい酸化ガス供給孔２２５ａから小さい酸化ガス供給孔２２５ｅまでの順に並んで配置されている。複数個の酸化ガス排出孔２２６は、集電領域ＤＡの酸化ガス供給孔２２５とは反対側の端部、つまり、集電集電領域ＤＡの上端部に、集電領域ＤＡの左端から右端までに亘って、並んで配置されている。また、酸化ガス供給孔や酸化ガス排出孔、排水孔等の形状は、円形、楕円、矩形等いずれの形状でもよいが、本実施例では、酸化ガス供給孔および酸化ガス排出孔は楕円形状とし、排水孔は略矩形状とした。
【００３４】
アノード側プレート２３は、カソード側プレート２２と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。アノード側プレート２３は、図５に示すように、カソード側プレート２２と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２３１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２３１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２３２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２３２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成孔部２３３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成孔部２３３ｂと、排水ドレイン形成孔部２３４と、を有している。アノード側プレート２３は、さらに、複数個（本実施例では２個）の燃料ガス供給孔２３７と、複数個（本実施例では２個）の燃料ガス排出孔２３８と、を有している。複数個の燃料ガス供給孔２３７は、集電領域ＤＡの図５における左端部の上部に、並んで配置されている。複数個の燃料ガス排出孔２３８は、集電領域ＤＡの燃料ガス供給孔２３７とは反対側の端部、つまり、集電集電領域ＤＡの右端部の下部に、並んで配置されている。なお、燃料ガス供給孔および燃料ガス排出孔の形状は、円形、楕円、矩形等いずれの形状でもよいが、本実施例では、円形状とした。
【００３５】
中間プレート２４は、カソード側プレート２２およびアノード側プレート２３と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料もカソード側プレート２２およびアノード側プレート２３と同じものを用いることができる。中間プレート２４は、図６に示すように、カソード側プレート２２およびアノード側プレート２３と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２４１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２４１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２４２ｂと、排水ドレイン形成孔部２４４と、を有している。
【００３６】
中間プレート２４には、図６に示すように、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａと一端が連通し、セパレータ形成時にカソード側プレート２２に形成された酸化ガス供給孔２２５と他端が連通する長孔である酸化ガス供給流路形成部２４５が複数個並んで形成されている。酸化ガス供給流路形成部２４５は、酸化ガス供給孔２２５と１対１で対応するように、酸化ガス供給孔２２５と同数形成されている。そして、複数個の酸化ガス供給流路形成部２４５は、それぞれが互いに平行に、集電領域ＤＡの下辺に対して垂直に、酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａに対応する範囲に亘って配置されている。なお、複数個の酸化ガス供給流路形成部２４５は、具体的には、それぞれ大きさが異なる酸化ガス供給流路形成部２４５ａ〜２４５ｅで構成されている。
【００３７】
また、中間プレート２４は、酸化ガス供給流路形成部２４５と同様な形状を有する長孔として、酸化ガス排出マニホールド形成孔部２４２ｂと一端が連通し、セパレータ形成時にカソード側プレート２２に形成された酸化ガス排出孔２２６と他端が連通する酸化ガス排出流路形成部２４６が形成されている。
【００３８】
同様に、中間プレート２４には、燃料ガス供給マニホールド形成孔部２４１ａと一端が連通し、アノード側プレート２３の燃料ガス供給孔２３７と他端が連通する燃料ガス供給流路形成部２４７と、燃料ガス排出マニホールド形成孔部２４１ｂと一端が連通し、アノード側プレート２３の燃料ガス排出孔２３８と他端が連通する燃料ガス排出流路形成部２４８とが形成されている。また、中間プレート２４には、排水ドレイン形成孔部２４４と一端が連通し、カソード側プレート２２の排水孔２２７と他端が連通する排水流路形成部２４９が形成されている。
【００３９】
さらに、中間プレート２４は、中間プレート２４の図６における右側端部近傍から左側端部近傍に至る長孔である冷却媒体流路形成部２４３を有している。冷却媒体流路形成部２４３は、図６における上下方向（ｙ方向）に複数個（本実施例では５個）並んで形成されている。
【００４０】
図７ないし図９は、モジュール２０の断面構造を示す説明図である。図７は、図３ないし図６におけるＡ−Ａ断面の位置に対応する断面図を示しており、図８は、図３ないし図６におけるＢ−Ｂ断面の位置に対応する断面図を示しており、図９は、図３ないし図６におけるＣ−Ｃ断面の位置に対応する断面図を示している。
【００４１】
図７に示すＡ−Ａ断面では、以下で説明するように、燃料電池１０（モジュール２０）の内部にける酸化ガスの供給および排出の様子が表されている。
【００４２】
図７に示すように、燃料電池１０の内部において、酸化ガス供給マニホールド４０を流れる酸化ガスは、中間プレート２４の酸化ガス供給流路形成部２４５およびカソード側プレート２２の酸化ガス供給孔２２５により形成される酸化ガス供給流路部を介して、ガス流路形成部２８内に形成される酸化ガス流路へと流入し、面方向（ｙ方向）に流れると共に、積層方向（ｘ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、ガス流路形成部２８からガス拡散層２９４を介してカソード２９２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酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部２８から、カソード側プレート２２の酸化ガス排出孔２２６および中間プレート２４の酸化ガス排出流路形成部２４６により形成される酸化ガス排出流路部を介して、酸化ガス排出マニホールド４１へと排出される。
【００４３】
なお、酸化ガス供給マニホールド４０は、カソード側プレート２２の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２２２ａと、アノード側プレート２３の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２３２ａと、中間プレート２４の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２４２ａと、シール部２５の酸化ガス供給マニホールド形成孔部２５２ａと、によって形成される。また、酸化ガス排出マニホールド４１は、カソード側プレート２２の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２２２ｂと、アノード側プレート２３の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２３２ｂと、中間プレート２４の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２４２ｂと、シール部２５の酸化ガス排出マニホールド形成孔部２５２ｂと、によって形成される。
【００４４】
図８に示すＢ−Ｂ断面では、以下で説明するように、燃料電池１０（モジュール２０）の内部にける燃料ガスの供給および排出の様子が表されている。
【００４５】
図８に示すように、燃料電池１０の内部において、燃料ガス供給マニホールド５０を流れる燃料ガスは、中間プレート２４の燃料ガス供給流路形成部２４７およびアノード側プレート２３の燃料ガス供給孔２３７により形成される燃料ガス供給流路部を介して、ガス流路形成部２９内に形成される燃料ガス流路へと流入し、面方向（ｙ方向）に流れると共に、積層方向（ｘ方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部２９からガス拡散層２９５を介してアノード２９３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燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部２９から、アノード側プレート２３の燃料ガス排出孔２３８および中間プレート２４の燃料ガス排出流路形成部２４８により形成される燃料ガス排出流路部を介して、燃料ガス排出マニホールド５１へと排出される。
【００４６】
なお、燃料ガス供給マニホールド５０は、カソード側プレート２２の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２２１ａと、アノード側プレート２３の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２３１ａと、中間プレート２４の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２４１ａと、シール部２５の燃料ガス供給マニホールド形成孔部２５１ａと、によって形成される。また、燃料ガス排出マニホールド５１は、カソード側プレート２２の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２２１ｂと、アノード側プレート２３の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２３１ｂと、中間プレート２４の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２４１ｂと、シール部２５の燃料ガス排出マニホールド形成孔部２５１ｂと、によって形成される。
【００４７】
図９のＣ−Ｃ断面では、カソード２９２（図２）において、電気化学反応によって生成された水が、ガス流路形成部２８から排出される様子が表されている。
【００４８】
カソード２９２（図２）では、電気化学反応により水が生成される。この生成水は、ガス流路形成部２８の毛管吸引力により酸化ガス流路（ガス流路形成部２８）中に拡散する。このように拡散した生成水のうち、酸化ガスの飽和水蒸気量以下の生成水は、水蒸気として、図７に示したガス流路形成部２８を通過する酸化ガスとともに排出される。また、飽和水蒸気量以上の生成水は、凝縮してガス流路形成部２８内に滞留する。このような生成水は、図９に示すように、ガス流路形成部２８を通過する酸化ガスに押し出されて、ガス流路形成部２８から、カソード側プレート２２の排水孔２２７および中間プレート２４の排水流路形成部２４９により形成される排水流路部を介して、カソード側プレート２２の排水ドレイン形成孔部２２４と、アノード側プレート２３の排水ドレイン形成孔部２３４と、中間プレート２４の排水ドレイン形成孔部２４４と、シール部２５の排水ドレイン形成孔部２５４と、によって形成される排水ドレイン６０へと排出される。この生成水の排水ドレイン６０への排出については、後で詳述する。
【００４９】
なお、図示は省略するが、中間プレート２４（図６）の冷却媒体流路形成部２４３の端部は、セパレータの形成時において、カソード側プレート２２（図４）の冷却媒体供給マニホールド形成孔部２２３ａ、アノード側プレート２３（図５）の冷却媒体供給マニホールド形成孔部２３３ａ、および、シール部２５（図３）の冷却媒体供給マニホールド形成孔部２５３ａによって形成される冷却媒体供給マニホールドと、カソード側プレート２２の冷却媒体排出マニホールド形成孔部２２３ｂ、アノード側プレート２３の冷却媒体排出マニホールド形成孔部２３３ｂ、および、シール部２５の冷却媒体排出マニホールド形成孔部２５３ｂによって形成される冷却媒体排出マニホールドと、重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ２１内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷却媒体流路形成部２４３によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、冷媒排出マニホールドに排出される。
【００５０】
Ａ３．排水動作：
図１０は、電気化学反応による生成水をガス流路形成部から排出する動作について示す説明図である。図１０（ａ）は、ガス流路形成部２８の酸化ガスの流れを示す模式図であり、図１０（ｂ）は、生成水の移動を示す模式図である。なお、図中に破線示した楕円は、５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｆおよび６個の酸化ガス排出孔２２６に対応する領域を示し、破線で示した略矩形は、排水孔２２７、排水流路形成部２４９、および、排水ドレイン６０に対応する領域を示している。また、図１０（ａ）に示す白抜の矢印は、矢印の方向が酸化ガスの流れの方向を示し、矢印の幅がガス流量の大きさを示している。
【００５１】
ここで、複数の酸化ガス供給孔の開口面積の総和Ｓｓｉおよび複数の酸化ガス排出孔の開口面積の総和Ｓｓｏは、最大ガス流量と、酸化ガス流路を通過する際に利用される酸化ガス量等の損失との関係により決定され、通常、Ｓｓｉ≧Ｓｓｏとなるように設定される。また、複数の酸化ガス排出孔として設けられた６個の酸化ガス排出孔２２６の開口は、それぞれ同じ大きさとなるように設定される。なお、１つの酸化ガス排出孔２２６の開口面積をＳｏとする。さらに、複数の酸化ガス供給孔として設けられた５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｅの開口は、５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｅそれぞれの開口面積をＳｉａ〜Ｓｉｅとすると、Ｓｉａ＞Ｓｉｂ＞Ｓｉｃ＞Ｓｉｄ＞Ｓｉｅとなるように設定される。すなわち、５個の酸化ガス供給孔２２５ａ〜２２５ｅの開口は、排水ドレイン６０から遠いものほど大きく、近いものほど小さくなるように、２２５ａ、２２５ｂ，２２５ｃ，２２５ｄ，２２５ｅの順に小さくなるように設定される。このとき、複数の酸化ガス供給孔の開口面積の総和Ｓｓｉは（Ｓｉａ＋Ｓｉｂ＋Ｓｉｃ＋Ｓｉｄ＋Ｓｉｅ）で表され、複数の酸化ガス排出孔の開口面積の総和Ｓｓｏは（６・Ｓｏ）で表される。従って、複数の酸化ガス供給孔のうち、いずれか一部は、１つの酸化ガス排出孔よりも排水ドレインから遠いほど開口が大きくなるように設定され、残りは、１つの酸化ガス排出孔よりも排水ドレインに近いほど開口が小さく設定されることになる。例えば、本実施例では、右端から３番目の酸化ガス供給孔２２５ｃを酸化ガス排出孔２２６と同じ開口の大きさとし、それより右側の２つの酸化ガス供給孔２２５ｂ，２２５ａは開口が大きく、それより左側の２つの酸化ガス供給孔２２５ｄ，２２５ｅは開口が小さくなるように設定されている。なお、酸化ガス供給孔と酸化ガス供給マニホールドとを連通する酸化ガス供給流路形成部の空間も、酸化ガス供給孔の開口の大きさの変化と同様に、酸化ガス供給孔の開口の大きさの変化に応じて変化するように設定される。
【００５２】
上記のように複数の酸化ガス供給孔および複数の酸化ガス排出孔を配置した場合には、以下で説明するように、酸化ガスの流れが発生する。
【００５３】
図１０（ａ）に示すように、右端の酸化ガス供給孔２２５ａの開口は、対向する右端の酸化ガス排出孔２２６の開口よりも大きいので、この右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスの全てを、右端の酸化ガス排出孔２２６のみから排出することができない。このため、右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスの流れには、右端の酸化ガス排出孔２２６の方向への酸化ガスの流れだけでなく、右端から２番目および３番目の酸化ガス排出孔２２６の方向への流れも発生する。そして、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂから供給された酸化ガスは、１番目の酸化ガス供給孔２２５ａから２番目および３番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れる酸化ガスの流れによって、２番目および３番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れることはできず、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れることになる。
【００５４】
ここで、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２６ｂに対して上方向の対向する位置に配置されている酸化ガス排出孔は、右端から２番目の酸化ガス排出穴２２６であり、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２６ｂから供給された酸化ガスは、通常は、この右から２番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れた排出される。しかしながら、上記したように、この右端から２番目の酸化ガス排出孔２２６には、右端の酸化ガス供給孔２２５ａからの酸化ガスが流れるため、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２６ｂからの酸化ガスが流れて排出されることはできない。また、右端から３番目の酸化ガス排出孔２２６も同様である。
【００５５】
従って、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂの開口から供給された酸化ガスは、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６の方向へ流れることになる。さらに、２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂの開口も、酸化ガス排出孔２２６の開口よりも大きいので、右端から２番目の酸化ガス供給孔２２５ｂから供給された酸化ガスの全てを、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６のみから排出することができず、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６の方向への酸化ガスの流れだけでなく、右端から５番目の酸化ガス排出孔２２６の方向への流れも発生する。
【００５６】
同様にして、右端から３番目ないし５番目の酸化ガス供給孔２２５ｃ〜２２５ｅから供給された酸化ガスも、図１０（ａ）に示すように、斜め方向への流れが発生する。
【００５７】
以上説明したように、ガス流路形成部２８中を流れる酸化ガスには、鉛直上方向（ｙ方向）の流れだけでなく、水平方向（ｚ方向）に傾いた流れが発生し、この結果、全体として、左斜め上方向（排水ドレインが配置されている側に傾いた方向）の流れが発生する。そして、このような酸化ガスの流れが発生すると、ガス流路形成部２８に滞留する生成水には、以下で説明するような流れが発生する。
【００５８】
図１０（ｂ）に示すように、ガス流路形成部２８中に滞留する生成水Ａｒ(図中クロスハッチで示す)には、その位置を流れようとする酸化ガスの流れにより発生する力のベクトルＶｇａｓと、重力により発生するベクトルＶｇｒの合成ベクトルＶｃの方向に力が働くことになる。これにより生成水Ａｒは、破線で示す矢印の方向、すなわち、排水ドレイン６０の方向に移動することになる。そして、最終的には、排水孔２２７および排水流路形成部２４９により形成される排水流路部を介して排水ドレイン６０に排出される。
【００５９】
以上のように、本実施例の燃料電池１０では、図１０（ａ）に示すように、ガス流路形成部２８の下端部に対応する位置に配置された複数の酸化ガス供給孔２２５から酸化ガスが供給され、ガス流路形成部２８の上端部に対応する位置に配置された複数の酸化ガス排出孔２２６から酸化ガスが排出される場合に、ガス流路形成部２８を流れる酸化ガスの流れに、鉛直上方向ではなく、ガス流路形成部２８の下端部の外周部の左端側に配置された排水ドレイン６０の方向に向かう水平方向に傾いた流れが発生し、全体として排水ドレイン６０の側に傾いた流れとなるので、この傾いた酸化ガスの流れによって、ガス流路形成部２８に滞留する生成水を排水ドレイン６０の方向に移動させて、排水ドレイン６０に排出することができる。また、排水ドレイン６０に近い酸化ガス供給孔２２５ほど開口を小さくすることで、排水ドレインから遠い酸化ガス流量の方が多くなるため、生成水が排水ドレインから遠い方へ逆流することも抑制可能である。以上のことから、ガス流路形成部２８の酸化ガス流路内に滞留する生成水の排出を促進することができる。この結果、ガス流路形成部２８の酸化ガス流路内に滞留する生成水が自重によりガス流路形成部２８の下端部に移動し、酸化ガス供給孔を閉塞することを抑制することができる。
【００６０】
また、ガス流路形成部内に滞留する生成水を酸化ガス排出孔から排出するためには、通常、この滞留する生成水を酸化ガス排出孔まで押し上げるために多量の酸化ガスをガス流慮形成部内に供給することが必要となるが、酸化ガス量を抑制することが可能となる。
【００６１】
なお、図１０（ａ）に示したガス流れは一例であり、酸化ガス供給孔や酸化ガス排出孔の数や、開口の大きさ等の種々の設定によって変化するものである。
【００６２】
また、多孔質部材で構成されたガス流路形成部に整流壁等の酸化ガスの流れを規定するものを備えるガス流路形成部もあるが、このようなガス流路形成部の場合には、上記のようなガス流れを発生させることができないので、本発明は、整流壁等の酸化ガスの流れを規定するものを備えないガス流路形成部の場合に有効な構成である。
【００６３】
Ｂ．第２実施例：
図１１は、図１０（ａ）と同様に、第２実施例におけるガス流路形成部の酸化ガスの流れを示す模式図である。第１実施例では、図１０（ａ）に示すように、ガス流路形成部２８の下端部に対応する位置に配置される複数の酸化ガス供給孔２２５を、排水ドレイン６０よりも遠いものほど大きな開口とし、近いものほど小さな開口となるように設定した場合を説明したが、図１１に示すように、更に、ガス流路形成部２８の上端部に対応する位置に配置される複数の酸化ガス排出孔２２６を、酸化ガス供給孔２２５とは逆に、排水ドレイン６０から遠いものほど小さな開口とし、近いものほど大きな開口となるように設定するようにしてもよい。図１１の例では、排水ドレイン６０から最も遠い右端の酸化ガス排出孔を、最も小さな開口を有する酸化ガス排出孔２２６ｆとし、配すドレイン６０に最も近い左端の酸化ガス排出孔を最も大きな開口を有する酸化ガス排出孔２２６ａとして、排水ドレイン６０に近くなる順に大きな開口を有する６つの酸化ガス排出孔２２６ｆ〜２２６ａが設定されている。なお、図示は、省略するが、これら酸化ガス排出孔の開口の変化に対応して、中間プレートの酸化ガス排出流路形成部の大きさも変化するように設定される。
【００６４】
図１１に示すように、酸化ガス排出孔の開口の変化を酸化ガス供給孔の開口の変化とは逆の関係になるように設定した場合には、図１０と図１１を比較すればわかるように、例えば、図１０における右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスが排出される３つの酸化ガス排出孔２２６に対応する図１１における３つの酸化ガス排出孔２２６ｆ〜２２６ｄの開口は、図１０における３つの酸化ガス排出孔２２６の開口よりも更に小さくなっている。このため、右端の酸化ガス供給孔２２５ａから供給された酸化ガスの全てが、これら３つの酸化ガス排出孔２２６ｆ〜２２６ｄのみから排出されることができなくなり、さらに、右端から４番目の酸化ガス排出孔２２６ｃおよび５番目の酸化ガス排出孔２２６ｂの方向へも流れることになる。この結果、図１０に示した酸化ガスの流れよりも、さらに、排水ドレイン側に傾いた方向の流れが発生することになる。これにより、ガス流路形成部２８内に滞留する生成水をより鉛直方向に垂直な方向（水平方向）に移動させる力が大きくなるため、排水ドレインの方向に移動させる効果を大きくすることが可能となり、ガス流路形成部２８の酸化ガス流路内に滞留する生成水の排出をより促進することができる。
【００６５】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００６６】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、ガス流路形成部２８に対して排水ドレイン６０を下端部の左端側に配置した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、排水ドレインの配置位置を実施例とは逆の右端側とするようにしてもよい。また、排水ドレインを中心側に配置して、この排水ドレインの位置から右端および左端の両方向に遠い位置に配置された酸化ガス供給孔ほど開口が大きく、排水ドレインに近い位置に配置された酸化ガス供給孔ほど開口が小さくなるように設定するようにしてもよい。さらに、排水ドレインを中心側に配置し、第２実施例のように、酸化ガス排出孔の開口の大きさも変化させる場合には、排水ドレインの位置から右端および左端の両方向に遠い位置に配置された酸化ガス排出孔ほど開口が小さく、排水ドレインに近い位置に配置された酸化ガス排出孔ほど開口が大きくなるように設定するようにしてもよい。
【００６７】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例や変形例では、カソード側のガス流路形成部２８の下端部に配置された複数の酸化ガス供給孔からガス流路形成部２８に対して酸化ガスを供給し、ガス流路形成部２８の上端部に配置された複数の酸化ガス排出孔からガス流路形成部２８の酸化ガス流路を流れた酸化ガスを排出する場合における、複数の酸化ガス供給孔や複数の酸化ガス排出孔の構成を例に説明しているが、アノード側のガス流路形成部の下端部に複数の燃料ガス供給孔が配置されており、上端部に複数の燃料ガス排出孔が配置されている場合においても、適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１実施例に係る燃料電池１０の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１０を構成するモジュール２０の概略構成を示す説明図である。
【図３】ＭＥＡと一体形成されたシール部２５の概略構成を表わす平面図である。
【図４】カソード側プレート２２の形状を示す説明図である。
【図５】アノード側プレート２３の形状を示す説明図である。
【図６】中間プレート２４の形状を示す説明図である。
【図７】モジュール２０の断面構造を示す説明図である。
【図８】モジュール２０の断面構造を示す説明図である。
【図９】モジュール２０の断面構造を示す説明図である。
【図１０】電気化学反応による生成水をガス流路形成部から排出する動作について示す説明図である。
【図１１】第２実施例におけるガス流路形成部の酸化ガスの流れを示す模式図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…燃料電池
１１…スタック
２０…モジュール
２１…セパレータ
２２…カソード
２３…アノード側プレート
２４…中間プレート
２５…シール部
２６…単セル
２７…ＭＥＡ
２８…ガス流路形成部
２９…ガス流路形成部
３０…エンドプレート
３１…テンションプレート
３２…ボルト
３３…インシュレータ
３４…ターミナル
４０…酸化ガス供給マニホールド
４１…酸化ガス排出マニホールド
５０…燃料ガス供給マニホールド
５１…燃料ガス排出マニホールド
６０…排水ドレイン
２２１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２２１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２２２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２２２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２２３ａ…冷却媒体供給マニホールド形成孔部
２２３ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成孔部
２２４…排水ドレイン形成孔部
２２５…酸化ガス供給孔
２２５ａ〜２２５ｅ…酸化ガス供給孔
２２６…酸化ガス排出孔
２２６ａ〜２２６ｆ…酸化ガス排出孔
２２７…排水孔
２３１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２３１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２３２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２３２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２３３ａ…冷却媒体供給マニホールド形成孔部
２３３ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成孔部
２３４…排水ドレイン形成孔部
２３７…燃料ガス供給孔
２３８…燃料ガス排出孔
２４１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２４１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２４２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２４２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２４３…冷却媒体流路形成部
２４４…排水ドレイン形成孔部
２４５…酸化ガス供給流路形成部
２４５ａ〜２４５ｅ…酸化ガス供給流路形成部
２４６…酸化ガス排出流路形成部
２４７…燃料ガス供給流路形成部
２４８…燃料ガス排出流路形成部
２４９…排水流路形成部
２５１ａ…燃料ガス供給マニホールド形成孔部
２５１ｂ…燃料ガス排出マニホールド形成孔部
２５２ａ…酸化ガス供給マニホールド形成孔部
２５２ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成孔部
２５３ａ…冷却媒体供給マニホールド形成孔部
２５３ｂ…冷却媒体排出マニホールド形成孔部
２５４…排水ドレイン形成孔部
２５５…穴部
２９１…電解質膜
２９２…カソード
２９３…アノード
２９４…ガス拡散層
２９５…ガス拡散層
４１０…水素タンク
４２０…シャットバルブ
４３０…調圧バルブ
４４０…循環ポンプ
４５０…配管
４６０…配管
４７０…配管
４８０…排水バルブ
５１０…エアポンプ
５２０…配管
５３０…配管
５４０…循環ポンプ
５５０…ラジエータ
５６０…配管
５７０…配管
ＤＡ…集電領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータが積層して配置される前記ガス流路形成部の面が鉛直方向を含む面となるように配置される燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部よりも下側に配置され、前記ガス流路形成部からの排水を溜める排水ドレインを備え、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部に前記反応ガスを供給するための開口を有する複数のガス供給流路部と、
前記面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の上端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部から前記反応ガスを排出するための開口を有する複数のガス排出流路部と、を備えており、
前記複数のガス供給流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が大きく、近くに位置する開口ほど開口面積が小さくなるように形成されている、
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、
前記複数のガス排出流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が小さく、近くに位置する開口ほど開口面積が大きくなるように形成されている、
燃料電池。
【請求項１】
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータが積層して配置される前記ガス流路形成部の面が鉛直方向を含む面となるように配置される燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部よりも下側に配置され、前記ガス流路形成部からの排水を溜める排水ドレインを備え、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の下端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部に前記反応ガスを供給するための開口を有する複数のガス供給流路部と、
前記面内において、前記ガス流路形成部の鉛直方向の上端部に対応する位置に、鉛直方向に垂直な方向に沿って配置され、前記ガス流路形成部から前記反応ガスを排出するための開口を有する複数のガス排出流路部と、を備えており、
前記複数のガス供給流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が大きく、近くに位置する開口ほど開口面積が小さくなるように形成されている、
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、
前記複数のガス排出流路部の開口は、前記排水ドレインの配置位置から遠くに位置する開口ほど開口面積が小さく、近くに位置する開口ほど開口面積が大きくなるように形成されている、
燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２７８０４（Ｐ２００８−２７８０４Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２００９１２（Ｐ２００６−２００９１２）
【出願日】平成１８年７月２４日（２００６．７．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２４日（２００６．７．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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