CN102187505A - 燃料电池以及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池(200)，具备：膜电极接合体(204)，具备电解质膜(201)和阳极侧催化剂(202)；供给部件(240)，向该膜电极接合体(204)供给阳极流体；以及气体扩散层(230)，设在该供给部件(240)和所述膜电极接合体(204)之间，其中，在所述供给部件(240)上设有朝着所述膜电极接合体(204)供给阳极流体的阳极流体流路(241)，所述阳极流体流路(241)的所述阳极流体的吐出侧的开口与所述气体扩散层(230)接触地设置，在所述气体扩散层(230)的所述供给部件(240)侧具有贮藏通过供给所述阳极流体而排挤掉的气体的区域(A)。

Description

燃料电池以及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具备电解质膜、和设在电解质膜的两侧的阳极侧催化剂以及阴极侧催化剂的燃料电池以及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池具备膜电极接合体(以下称作MEA；MembraneElectrode Assembly)，所述膜电极接合体具备：电解质膜、和设在电解质膜的两面侧的阳极侧催化剂以及阴极侧催化剂。燃料电池具备：阳极部件(阳极)，设有经过气体扩散层向MEA的阳极侧催化剂供给阳极流体的阳极流体流路；以及阴极部件(阴极)，设有向MEA的阴极侧催化剂供给阴极流体的阴极流体流路。
在这种燃料电池中，在发电停止时大气中的空气(特别是作为惰性气体的氮气)经过电解质膜作为杂质气体混入到阳极侧。存在如下问题：即使在该状态下开始运行导入为富氢气(hydrogen rich)的阳极流体也不会立刻置换氢气，从而无法得到充足的发电量。特别是，当长时间放置燃料电池时，存在混入到阳极侧的杂质气体的分压上升，从而导致发电量下降这样的问题。
为此，提出了在起动前将蓄积在阳极的杂质气体净化(purge)为富氢的阳极流体的技术(例如参照专利文献1)。
具体地，在专利文献1中，具备净化阀，用于将蓄积在阳极的杂质气体净化为富氢气的阳极流体；以及排出气体处理装置，稀释从净化阀排出的包含氢气的排出气体并向外部排出。
根据该专利文献1的结构，能够将阳极侧的杂质气体置换为富氢气的阳极流体，因此能够防止发电量的下降。
专利文献1：日本特开2004-193107号公报
发明内容
然而，在专利文献1的结构中，需要净化阀以及排出气体处理装置，存在导致装置大型化并导致高成本化这样的问题。
另外，在专利文献1的结构中，通过在起动时进行净化，能够从阳极排出杂质气体，但即使在发电过程中杂质气体也经过电解质膜而通过到阳极，因此在长时间的发电过程中必须监视发电状况来控制净化阀的开闭，存在导致控制变得复杂这样的问题。
本发明是鉴于这种情况，其目的在于提供一种能够防止由杂质气体导致的发电不佳、能够长时间持续发电的小型化的燃料电池以及燃料电池系统。
解决上述课题的本发明的第1方式为一种燃料电池，具备：膜电极接合体，具备电解质膜和阳极侧催化剂；供给部件，向该膜电极接合体供给阳极流体；以及气体扩散层，设在该供给部件和所述膜电极接合体之间，该燃料电池的特征在于，在所述供给部件上设有朝着所述膜电极接合体供给所述阳极流体的阳极流体流路，所述阳极流体流路的所述阳极流体的吐出侧的开口与所述气体扩散层接触地设置，在所述气体扩散层的所述供给部件侧具有贮藏通过供给所述阳极流体而排挤掉的气体的区域。
在该第1方式中，通过阳极流体流路朝向膜电极接合体供给阳极流体，从而通过阳极流体来排挤掉存在于阳极侧催化剂的表面的杂质气体，能够遍及阳极侧催化剂的表面地均匀地供给阳极流体。由此，能够提高发电量，特别是能够提高初始电压，并且能够长时间维持发电。
本发明的第2方式是根据第1方式所述的燃料电池，其特征在于，在所述供给部件上设有突出部，所述突出部向所述气体扩散层侧突出并且在内部设有所述阳极流体流路，所述突出部的前端面与所述气体扩散层接触。
在该第2方式中，通过设置突出部，在气体扩散层和供给部件之间的突出部以外的区域划定空间，因此容易向该空间排挤杂质气体，另外能够将更多的杂质气体贮藏在空间内，因此能够进一步长时间地持续发电。
本发明的第3方式是根据第2方式所述的燃料电池，其特征在于，所述突出部具有朝着所述膜电极接合体侧而前端锐化的锥形状。
在该第3方式中，通过使突出部前端锐化，能够在突出部以外的区域中划定大的空间，因此能够进一步将更多的杂质气体贮藏在空间内。
本发明的第4方式是根据第1～3中任意一个方式所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极流体流路具有朝着所述膜电极接合体侧而前端锐化的锥形状。
在该第4方式中，通过使阳极流体流路前端锐化，加快从阳极流体流路喷射的阳极流体的流速，能够通过阳极流体来进一步有效地排挤掉存在于阳极侧催化剂的表面的杂质气体。
本发明的第5方式是根据第1～4中任意一个方式所述的燃料电池，其特征在于，在一个供给部件上设有多个所述阳极流体流路。
在该第5方式中，通过多个阳极流体流路能够向具有较宽面积的阳极侧催化剂的表面均匀地供给阳极流体。
本发明的第6方式是根据第1～4中任意一个方式所述的燃料电池，其特征在于，在一个供给部件上设有多个所述阳极流体流路，具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，在所述供给部件上设有突出部，所述突出部具有向所述气体扩散层侧突出并且在内部设有所述阳极流体流路的第1突出部以及第2突出部，所述第2突出部离所述阳极流体导入口的距离比所述第1突出部的所述阳极流体导入口的距离长，且所述第1突出部的突出量比所述第2突出部的突出量大，所述突出部的前端面与所述气体扩散层接触。
在该第6方式中，通过使从多个阳极流体流路喷射的阳极流体的压力均匀化，能够较均匀地向阳极侧催化剂的表面供给阳极流体。
本发明的第7方式是根据第1～6中任意一个方式所述的燃料电池，其特征在于，具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，所述阳极流体流路的压力损失比从所述阳极流体导入口到各所述阳极流体流路为止的压力损失大。
在该第7方式中，通过从阳极流体流路强势地吐出阳极流体，能够吹飞存在于阳极侧催化剂的表面的杂质气体。
本发明的第8方式是根据第5～7中任意一个方式所述的燃料电池，其特征在于，具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，多个所述阳极流体流路具备：第1阳极流体流路、以及离所述阳极流体导入口的距离比所述第1阳极流体流路长的第2阳极流体流路，所述第1阳极流体流路的压力损失比所述第2阳极流体流路的压力损失大。
在该第8方式中，通过使从多个阳极流体流路喷射的阳极流体的压力均匀化，能够向阳极侧催化剂的表面均匀地供给阳极流体。
本发明的第9方式是根据第5～8中任意一个方式所述的燃料电池，其特征在于，具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，多个所述阳极流体流路具备：第1阳极流体流路、以及离所述阳极流体导入口的距离比所述第1阳极流体流路长的第2阳极流体流路，从所述阳极流体导入口到所述第1阳极流体流路为止的所述腔内的第1引导通路中的压力损失，比从所述阳极流体导入口到所述第2阳极流体流路为止的所述腔内的第2引导通路中的压力损失大。
在该第9方式中，通过使从多个阳极流体流路喷射的阳极流体的压力均匀化，能够向阳极侧催化剂的表面均匀地供给阳极流体。
本发明的第10方式是根据第8方式所述的燃料电池，其特征在于，所述供给部件的多个所述阳极流体流路相互相邻的间隔，从离所述阳极流体导入口的距离近的所述阳极流体流路侧开始向离所述阳极流体导入口的距离长的所述阳极流体流路侧逐渐变小。
在该第10方式中，通过变更阳极流体流路的压力损失，在流速中产生偏差，阳极流体扩散的范围根据流速分布而不同，但是通过变更相互相邻的阳极流体流路的间隔，能够降低阳极流体的面内分布的偏差。
本发明的第11方式是根据第1～10中任意一个方式所述的燃料电池，其特征在于，具有除去单元，所述除去单元从贮藏通过所述阳极流体而排挤掉的气体的区域除去该气体。
在该第11方式中，能够通过除去单元从填充阳极流体的空间中除去排挤到填充阳极流体的空间内的杂质气体等气体，因此能够进一步提高发电量并且能够长时间维持发电。
本发明的第12方式是根据第11方式所述的燃料电池，其特征在于，所述除去单元是导出通路，所述导出通路与贮藏通过供给阳极流体而排挤掉的气体的区域连通，用于缓冲器排出该气体。
在该第12方式中，能够经过导出通路来缓冲器排出杂质气体等气体，因此能够进一步提高发电量并且能够长时间维持发电。
本发明的第13方式是根据第12方式所述的燃料电池，其特征在于，在所述导出通路上具有止回阀，所述止回阀允许从贮藏所述气体的区域向所述缓冲器的气体流动，限制反方向的气体流动。
在该第13方式中，排出到缓冲器中的气体不会通过止回阀返回，能够进一步提高发电量并且能够长时间维持发电。
本发明的第14方式是根据第11方式所述的燃料电池，其特征在于，所述除去单元是吸附剂，所述吸附剂设置在贮藏通过所述阳极流体而排挤掉的气体的区域。
在该第14方式中，能够通过使吸附剂选择性地吸附杂质气体等的气体进行除去，因此能够进一步提高发电量并且能够长时间维持发电。
本发明的第15方式是一种燃料电池系统，其特征在于，具备：第1～14方式中任意一项所述的燃料电池；以及燃料供给单元，向所述燃料电池供给所述阳极流体。
在该第15方式中，能够实现一种能够防止杂质气体导致的发电不佳、能够长时间持续发电的小型化的燃料电池系统。
本发明通过阳极流体流路使阳极流体直接经过气体扩散层朝着膜电极接合体流动，从而能够排挤掉阳极侧催化剂的表面的杂质气体，能够遍及阳极侧催化剂的表面地供给阳极流体。因此，不用设置净化阀、气体处理装置等复杂机构，就能防止杂质气体导致的发电不佳、发电量的下降，从而提高发电量，并且能够维持长时间的发电。另外，只设置使阳极流体朝着膜电极接合体流动的阳极流体流路，因此不需要净化阀、净化阀的复杂的开闭控制等，能够实现小型化并且能够降低成本。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的燃料电池系统的概要结构的框图。
图2是表与本发明的实施方式1的燃料电池的分解立体图。
图3是表示本发明的实施方式1的燃料电池的剖面图。
图4是表示本发明的实施方式1的燃料电池的阳极流体的供给状态的要部剖面图。
图5是本发明的实施方式2的燃料电池的要部剖面图。
图6是表示本发明的实施方式2的燃料电池的变形例的要部剖面图。
图7是表示与本发明的其它实施方式的燃料电池的要部主视图。
图8是表示本发明的其它实施方式的燃料电池的要部主视图。
图9是表示本发明的其它实施方式的燃料电池的要部剖面图。
图10是表示本发明的其它实施方式的燃料电池的要部主视图。
图11是表示本发明的其它实施方式的燃料电池的要部剖面图。
图12是表示本发明的其它实施方式的燃料电池的要部剖面图。
图13是表示本发明的其它实施方式的燃料电池的要部剖面图。
图14是表示本发明的其它实施方式的燃料电池的要部剖面图。
图15是表示本发明的试验结果的曲线图。
具体实施方式
下面，通过实施方式详细地说明本发明。
(实施方式1)
图1是表示本发明的燃料电池系统的概要结构的图。
如图1所示，本实施方式的燃料电池系统1具备：燃料供给单元100、燃料电池200、以及控制电路300。
燃料供给单元100是向燃料电池200供给作为阳极流体的燃料的单元。作为燃料优选为氢气，作为燃料供给单元100可举出贮氢合金、封入氢气的储气瓶等。另外，燃料供给单元100也可以是产生氢气的单元，例如可举出混合氢气产生物质和氢气产生促进物质来产生氢气的结构。作为氢气产生物质，例如能够使用硼氢化钠(sodiumborohydride)，作为氢气产生促进物质，例如能够使用苹果酸(malicacid)水溶液。另外，作为燃料，也可以提供甲醇(methanol)等溶液。
控制电路300与燃料电池200连接，通过由燃料电池200提供的电压进行驱动。
这里，参照图2～图4来详细地说明燃料电池200。此外，图2是表示燃料电池的概要结构的分解立体图，图3是燃料电池的剖面图，图4是表示燃料电池的阳极流体的供给状态的要部剖面图。
如图2以及图3所示，燃料电池200具备膜电极接合体204(以下称作MEA)，所述膜电极接合体204是由作为电解质膜的固体高分子电解质膜201、和设在固体高分子电解质膜201的两面侧的阳极侧催化剂202以及阴极侧催化剂203所构成。
在MEA 204的各面，设有阳极部件210和阴极部件220。即，MEA 204被夹持在阳极部件210和阴极部件220之间。
阴极部件220由设在MEA 204的阴极侧催化剂203侧的板状部件构成。在阴极部件220中，设有作为阴极流体向阴极侧催化剂203供给氧化剂(包含氧气的空气)的阴极流体流路221。即，阴极部件220作为向阴极侧催化剂203供给阴极流体的供给部件发挥功能。在本实施方式中，该阴极流体流路221具有在阴极部件220的阴极侧催化剂203侧开口的凹形状，在阴极流体流路221的底面设有用于向阴极流体流路221内供给空气的阴极流体导入口222。
阳极部件210由设在MEA 204的阳极侧催化剂202侧的板状部件构成，具备：腔211，具有在阳极侧催化剂202侧开口的凹形状；以及阳极流体导入口212，在腔211的底面在厚度方向贯通而设置。
腔211具有与阳极侧催化剂202的表面积同等的开口面积。而且，在腔211内，经过设在底面的阳极流体导入口212来供给阳极流体。
另外，在阳极部件210和MEA 204之间，设有气体扩散层230、以及向该气体扩散层230供给腔211内的阳极流体的供给部件240。
气体扩散层(GDL)230设在阳极部件210和MEA 204之间的MEA 204侧、即MEA 204的阳极侧催化剂202上，由具有能够透过阳极流体的透过性的部件构成。作为气体扩散层230，例如能够使用金属网(metal mesh)、碳纤维布(carbon cloth)、碳纤维纸(carbonpaper)、碳纤维毡(carbon felt)等具有多孔质结构的以往公知的材料。
供给部件240是由设在气体扩散层230的与MEA 204相反侧的板状部件所构成。该供给部件240被设成一个面与气体扩散层230接触。另外，供给部件240的与和气体扩散层230接触的面相反侧的另一个面，密封腔211的一个面。
在供给部件240上，设有在厚度方向贯通而连通腔211和气体扩散层230的阳极流体流路241。即，阳极流体流路241通过一端在腔211中开口，并且另一端在气体扩散层230中开口来连通两者。而且，如上述那样地通过使供给部件240的一个面接触气体扩散层230，阳极流体流路241的阳极流体的吐出侧的开口(气体扩散层230侧的开口)设置为与气体扩散层230接触。
在本实施方式中，设有2列以规定间隔配置多个(6个)阳极流体流路241的阳极流体流路241的列，设有共计12个阳极流体流路241。此外，以使得阳极流体流路241的压力损失变得比从阳极流体导入口212到各阳极流体流路241为止的压力损失还大的方式进行设置。具体地说，在本实施方式中，以与多个阳极流体流路241共通地连通的大小(与阳极侧催化剂202的表面同等的开口面积)来设置腔211，通过使阳极流体流路241的开口面积(截面积)大幅地小于腔211的开口面积，使阳极流体流路241的压力损失比从腔211的阳极流体导入口212到各阳极流体流路241为止的压力损失大。虽然详细情况将后述，但是通过这样加大阳极流体流路241的压力损失，能够通过阳极流体流路241以所期望的压力向阳极侧催化剂202的表面喷射供给到腔211内的阳极流体。阳极流体流路241也可以是朝着阳极侧催化剂202前端锐化的形状。当然，阳极流体流路241的大小(开口面积)、数量以及位置等没有特别限定，只要根据腔211内的阳极流体的压力、阳极侧催化剂202的表面侧的杂质气体的分压、用于向阳极侧催化剂202供给阳极流体而排出杂质气体的流速等来适当决定即可。即，通过如上述那样地将阳极流体流路241设为朝着阳极侧催化剂202侧前端锐化的锥状，能够加快从阳极流体流路241喷射的阳极流体的流速，虽然详细情况将后述，但是容易向阳极侧催化剂202的表面供给阳极流体、即容易排挤掉存在于阳极侧催化剂202的表面的杂质气体。
这种供给部件240的阳极流体流路241，通过在厚度方向贯通供给部件240，沿着相对于阳极侧催化剂202的表面交叉的方向设置。由此，能够通过阳极流体流路241使供给到腔211内的阳极流体通过气体扩散层230而朝着阳极侧催化剂202的表面供给。即，供给部件240的阳极流体流路241只要沿着相对于阳极侧催化剂202的表面交叉的方向设置即可，既可以与阳极侧催化剂202的表面垂直，另外也可以倾斜规定角度。
在这种燃料电池200中，阴极流体流路221开放在大气中，因此当长时间放置燃料电池时，导致大气中的空气(特别是作为惰性气体的氮气)通过固体高分子电解质膜201，作为杂质气体混入到设有阳极侧催化剂202的空间、即气体扩散层230内。当该杂质气体(氮气)的分压上升时，阳极侧催化剂202中的阳极流体的分压下降，无法供给足够发电的阳极流体，导致发电量下降。
然而，在本实施方式的燃料电池200中，如图4所示，通过阳极流体流路241向阳极侧催化剂202的表面喷射供给阳极流体，因此能够排挤掉存在于阳极侧催化剂202的表面的杂质气体而向阳极侧催化剂202的表面供给阳极流体。即，通过阳极流体流路241朝着阳极侧催化剂202的表面(从与表面交叉的方向)供给的阳极流体，一边排挤掉作为阳极侧催化剂202的氛围气而填充的气体扩散层230内的杂质气体，一边沿着阳极侧催化剂202的表面扩散。此时，从阳极侧催化剂202的表面侧排挤掉的杂质气体，停留在气体扩散层230的阳极侧催化剂202的相反侧、即供给部件240侧的区域A中。
这样，通过阳极流体流路241朝着阳极侧催化剂202的表面供给阳极流体而从阳极侧催化剂202的表面排挤掉杂质气体(氮气)，从而能够提高阳极侧催化剂202的发电效率。例如，在没有设置阳极流体流路241的情况、即设置成腔211与气体扩散层230直接相邻的情况下，从阳极流体导入口212供给的阳极流体沿着阳极侧催化剂202的表面进行供给。当这样地向阳极侧催化剂202的表面的面方向供给阳极流体时，只有被供给阳极流体的一侧发电，在从供给阳极流体的一侧起长的区域中，杂质气体的分压变大而实际上不发电。即，当沿着阳极侧催化剂202的表面供给阳极流体时，无法有效地使用阳极侧催化剂202的整个面，导致发电量下降。与此相对，通过如本实施方式那样，设置以向阳极侧催化剂202的表面喷射的方式供给阳极流体的阳极流体流路241，能够遍及阳极侧催化剂202的表面的整个面地均匀地供给阳极流体，因此能够利用阳极侧催化剂202的表面的整个面来发电，能够提高发电量、特别是初始电压。
另外，在燃料电池200中，在发电过程中也发生空气中的氮气等杂质气体向阳极侧催化剂202侧(气体扩散层230侧)的混入，因此在没有设置阳极流体流路241的情况下，无法维持长时间的发电。与此相对，在本实施方式中，通过阳极流体流路241朝着阳极侧催化剂202的表面供给阳极流体，从而能够始终一边排挤掉存在于阳极侧催化剂202的表面的杂质气体一边向阳极侧催化剂202的表面持续供给阳极流体，能够维持长时间的发电。
此外，在本实施方式中，通过使阳极流体流路241的开口直接与气体扩散层230的供给部件240侧的表面接触，能够始终向阳极侧催化剂202供给高浓度的阳极流体。即，当在阳极流体流路241的开口和气体扩散层230直接存在空间时，通过阳极流体排挤掉的杂质气体充满该空间，导致与从阳极流体流路241供给的阳极流体一起充满空间的杂质气体被供给给阳极侧催化剂202。与此相对，通过使阳极流体流路241的开口与气体扩散层230直接接触，使阳极流体直接流到气体扩散层230，能够使杂质气体难以供给到阳极侧催化剂202，而向阳极侧催化剂202供给高浓度的阳极流体。这样，通过向阳极侧催化剂202供给较高浓度的阳极流体，起到能够降低发电效率(发电量)的下降这样的效果。
(实施方式2)
图5是本发明的实施方式2的燃料电池的要部剖面图。此外，对于与上述的实施方式1相同的部件标记相同的符号，并省略重复的说明。
如图5所示，实施方式2的燃料电池200A具备：MEA 204、阳极部件210、阴极部件(未图示)、气体扩散层230以及供给部件240A。
在供给部件240A的气体扩散层230侧的面上设有突出部242，所述突出部242向气体扩散层230侧突出，并且在内部分别设有阳极流体流路241。即，突出部242被设置为具有在内部设有阳极流体流路241的圆筒形状的喷嘴状。此外，突出部242的形状不限于圆筒形状，也可以是棱柱形状、或者朝着气体扩散层230而前端锐化的锥状等。例如，虽然详细情况后述，但是通过以朝着气体扩散层230而前端锐化的锥状来形成突出部242，与圆筒形状的突出部242相比加大了相邻的突出部之间的空间的容积，从而能够增多可贮藏在该空间内的杂质气体的量，能够维持长时间的发电。
该突出部242的突出的前端面与气体扩散层230的表面抵接，在供给部件240A的突出部242以外的区域中，在与气体扩散层230之间划定空间243。
在这种燃料电池200A中，与上述的实施方式1相同，通过阳极流体流路241朝着阳极侧催化剂202的表面供给阳极流体，从而能够通过排挤掉氮气等杂质气体而提高初始发电量并且长时间维持发电。而且，在本实施方式中，通过在气体扩散层230和供给部件240A之间的突出部242以外的区域中划定空间243，能够将从阳极侧催化剂202的表面排出的氮气等杂质气体贮藏在包括该空间243的区域A′中。因而，能够容易地将阳极侧催化剂202的表面侧的杂质气体排挤到区域A′侧，另外因为能够将排挤掉的杂质气体贮藏在较广的区域A′中，因此能够进一步维持长时间的发电。
此外，在本实施方式中，使得突出部242的前端面与气体扩散层230的表面抵接，但是并不特别限定于此，例如也可以将突出部242的前端部嵌入气体扩散层230的内部。图6表示这种例子。此外，图6是表示本发明的实施方式2的燃料电池的变形例的要部剖面图。
如图6所示，在气体扩散层230A的供给部件240A侧的表面，在与供给部件240A的突出部242相对置的位置设置有凹部231。而且，通过使突出部242嵌合到凹部231的内部，突出部242的前端部嵌入气体扩散层230A内。设为这种状态，也能够起到与上述的实施方式2相同的效果。
另外，在将突出部242嵌入气体扩散层230A的情况下，例如即使以在供给部件240A和气体扩散层230A之间的突出部242以外的区域中不划定空间243的方式，即，使供给部件240A的气体扩散层230A侧的表面全部与气体扩散层230A抵接，也能够起到与上述的实施方式1相同的效果。
(其它实施方式)
以上，说明了本发明的各实施方式，但是本发明的基本结构不限于上述结构。
例如，在上述的实施方式1以及2中，在供给部件240、240A上设置成为相同开口面积的多个阳极流体流路241，但是并不特别限定于此，例如也可以根据离阳极流体导入口212的距离来变更阳极流体流路241的压力损失。这里，在图7中表示出具体的例子。此外，虽然图7是上述的实施方式1的变形例，但是在上述的实施方式2中也能够适用图7的结构。如图7所示，在多个阳极流体流路241内，越是离阳极流体导入口212(投影了阳极流体导入口212的投影部212A)距离近的阳极流体流路241(距离L1侧)，越减小其截面积而提高压力损失，越是离阳极流体导入口212的距离长的阳极流体流路241(距离L6侧)，越增大其截面积而降低压力损失。即，当将离阳极流体导入口212的距离近的阳极流体流路241设为第1阳极流体流路、离阳极流体导入口212的距离长的阳极流体流路241设为第2阳极流体流路时，只要使第1阳极流体流路的压力损失比第2阳极流体流路的压力损失大即可。
此外，在本实施方式中，阳极流体导入口212在腔211的底面中设置在排列设置阳极流体流路241的列的外侧，但是也可以在排列设置阳极流体流路241的列的中途设置阳极流体导入口212。另外，从阳极流体到入口212到阳极流体流路241为止的距离，实际上只要将阳极流体导入口212的位置设为投影在供给部件240的投影部212A的位置即可。
这样，通过根据离阳极流体导入口212的距离来变更阳极流体流路241的开口面积(截面积)，能够根据离阳极流体导入口212的距离来变更阳极流体流路241的压力损失。即，阳极流体流路241的开口面积小是指阳极流体流路241的压力损失变大，相反地阳极流体流路241的开口面积大是指阳极流体流路241的压力损失变小。而且，从阳极流体导入口212到距离近的阳极流体流路241为止的腔211内的路径短，因此通过腔211的阳极流体的压力损失小，离阳极流体导入口212距离越远，供给到阳极流体流路241的通过腔211的阳极流体的压力损失越大。因而，通过变更阳极流体流路241的压力损失来平衡通过腔211内的阳极流体的压力损失，能够使从各阳极流体流路241供给的阳极流体的压力均匀化。由此，能够向阳极侧催化剂202的表面均匀地供给阳极流体，能够使阳极侧催化剂202的面内的发电量均匀化而提高发电效率。
另外，在图7所示的例子中，虽然能够使从各阳极流体流路241供给的阳极流体的流量均匀化，但是随着阳极流体流路241离阳极流体导入口212(投影了阳极流体导入口212的投影部212A)的距离变长，阳极流体流路241的口径(bore)不同，因此从阳极流体流路241流出的阳极流体的流速改变。当像这样地从阳极流体流路241流出的阳极流体的流速改变时，阳极流体扩散的范围根据流速分布而不同，因此在阳极流体的面内分布中产生偏差，从而可能导致发电效率下降。因此，在多个阳极流体流路241中，通过设为随着离阳极流体导入口212的距离变长而使相互相邻的阳极流体流路241的间距逐渐变小，从而能够降低阳极流体的面内分布的偏差。这里，在图8以及图9中表示出该例子。此外，图8是本发明的其它实施方式的燃料电池的要部主视图，图9是图8的要部剖面图。
如图8以及与9所示，在成为与图7相同的结构的开口面积的多个阳极流体流路241中，与离阳极流体导入口212(投影部212A)距离近的阳极流体流路241相互相邻的间隔(间隔d1侧)相比，离阳极流体导入口212(投影部212A)距离长的阳极流体流路241相互相邻的间隔(间隔d5侧)逐渐变小。由此，即使流速从相互相邻的阳极流体流路241的间隔宽的一侧(间隔d1侧)向窄的一侧(间隔d5侧)变慢，流出的阳极流体扩散的范围逐渐变窄，也能够降低阳极流体的面内分布的偏差。因而，能够使从多个阳极流体流路241流出的阳极流体的流量以及流速均匀化，能够从阳极侧催化剂202的表面均匀地排挤掉存在于阳极侧催化剂202的表面的杂质气体(氮气)，并且能够以高效率进行发电。即，如果将相邻的阳极流体流路的间隔全部设为相同，则当将离阳极流体导入口212的距离近的阳极流体流路241设为第1阳极流体流路，将离阳极流体导入口212的距离长的阳极流体流路241设为第2阳极流体流路时，从第2阳极流体流路流出的阳极流体的流速变得比从第1阳极流体流路流出的阳极流体的流速慢。于是，从流速慢的第2阳极流体流路流出的阳极流体排挤掉气体而在阳极侧催化剂202表面扩散的范围，变得比从流速快的第1阳极流体流路流出的阳极流体扩散的范围窄，在阳极侧催化剂202的表面的面内供给阳极流体的浓度分布中产生偏差，从而有可能导致产生杂质的排挤不佳、发电效率的下降等问题。
在图8以及图9所示的例子中，能够降低从多个阳极流体流路241流出的阳极流体的面内分布的偏差，因此能够使在阳极侧催化剂202的表面的面内供给阳极流体的浓度分布均匀化，能够提高阳极侧催化剂202的发电效率，并且能够长时间维持发电量。此外，在图8以及图9所示的例子中，将相互相邻的阳极流体流路241的中心的间隔设为阳极流体流路的间隔d1～d5，但是并不特别限定于此，也可以将阳极流体流路的开口缘部彼此之间的间隔设为阳极流体流路的间隔。
并且，也可以不变更阳极流体流路241的压力损失，而在腔211内形成连通从阳极流体导入口212到阳极流体流路241为止的引导通路，并变更该引导通路的压力损失。在图10中表示这种例子。
如图10所示，在腔211内设有从阳极流体到入口212连通到各阳极流体流路241的引导通路213。在引导通路213中，越是连通离阳极流体导入口212的距离近的阳极流体流路241的引导通路213，越缩短(减小)宽度(截面积)而加大压力损失，越是连通离阳极流体导入口212距离长的阳极流体流路241的引导通路213，越加宽(增大)宽度(截面积)而减小压力损失。即，当将离阳极流体导入口212的距离近的阳极流体流路241设为第1阳极流体流路、离阳极流体导入口212的距离长的阳极流体流路241设为第2阳极流体流路时，只要使从阳极流体导入口212到第1阳极流体流路为止的第1引导通路中的压力损失，比从阳极流体导入口212到第2阳极流体流路为止的第2引导通路的压力损失大即可。由此，也能够使从各阳极流体流路241供给的阳极流体的压力均匀化。由此，能够向阳极侧催化剂202的表面均匀地供给阳极流体，能够使阳极侧催化剂202的面内的发电量均匀化而提高发电效率。
另外，例如在设有具有上述实施方式2的突出部242的供给部件240A的情况下，例如图11所示，也可以在多个阳极流体流路241内，越是离阳极流体导入口212的距离近的阳极流体流路241越加大突出部242的突出量，越是离阳极流体导入口212的距离长的阳极流体流路241越减小突出部242的突出量。即，当将离阳极流体导入口212的距离近的突出部242设为第1突出部、离阳极流体导入口212的距离长的突出部设为第2突出部时，只要使第1突出部的突出量比第2突出部的突出量大即可。此时，只要以设在各突出部242的阳极流体流路241的开口与气体扩散层230A接触的方式将突出部242的前端嵌入气体扩散层230A即可。这样，通过变更突出部242的突出量，加大离阳极流体导入口212近的阳极流体流路241的压力损失，减小离阳极流体导入口212远的阳极流体流路241的压力损失，能够与离阳极流体导入口212的距离无关地使从各阳极流体流路241供给的阳极流体的压力均匀化。由此，能够使阳极侧催化剂202的面内的发电量均匀化而提高发电效率。
另外，也可以在贮藏通过从阳极流体流路241流出的阳极流体而排挤掉的气体的区域中设置用于将该区域的气体向外部排出的除去单元。在图12中表示这种例子。此外，图12是表示上述的实施方式2的变形例的燃料电池的要部剖面图。
如图12所示，在供给部件240A中，连通的导出通路250的一端连接与空间243连通，导出通路250的另一端与贮藏单元251连接，所述空间243是贮藏通过阳极流体而排挤掉的气体的区域。贮藏单元251具有贮藏来自空间243的氮气等杂质气体的空间，用于将经过导出通路250而连接的空间243的气体向外部缓冲器排出。作为这种贮藏单元251，例如可举出具有密封了空间的中空部件。通过设置由中空部件构成的贮藏单元251，在燃料电池的动作停止的期间，贮藏单元251的内部的压力变得与燃料电池(腔211)的内部的压力同等。而且，当从阳极流体流路241流出阳极流体时，通过流出的阳极流体向空间243排挤的杂质气体，通过阳极流体的导入压力而经过导出通路250缓冲器排出到贮藏单元251。而且，当空间243的杂质气体缓冲器排出到贮藏单元251时，空间243的内部的压力和贮藏单元251的内部的压力变得同等。而且，当燃料电池的动作停止时，在空间243的内部和贮藏单元251的内部中压力均衡被打破，贮藏单元251内的杂质气体返回到空间243侧。这样，通过在燃料电池动作时使空间243的杂质气体缓冲器排出到燃料电池的外部，能够实现发电量(特别是初始电压)的提高以及长时间维持发电。
此外，作为贮藏单元251示例出中空部件，但是并不特别限定于此。例如，也可以在贮藏单元251的内部设置吸附气体的吸附剂。例如，作为吸附剂，在作为气体要吸附氮气的情况下，能够使用活性炭、沸石等。
另外，也可以在上述的图12所示的导出通路250上设置止回阀。在图13中表示这种例子。如图13所示，在导出通路250的中途、即在供给部件240和贮藏单元251之间设有止回阀252。止回阀252被安装成为如下朝向：允许从贮藏气体的空间243向贮藏单元251(缓冲器)的气体流动，限制反方向的气体流动。通过这样在导出通路250上设置止回阀252，贮藏在贮藏单元251中的气体不会逆流到空间243，另外在停止了燃料电池的动作时，贮藏在贮藏单元251中的气体也不会返回到空间243中。此外，在图13中表示了上述的实施方式2的变形例，但是并不特别限定于此，例如即使是上述的实施例1的不存在空间243的结构、图7～图11等所示的结构，通过设置除去贮藏气体的区域的气体的除去单元也能够起到相同的效果。
并且，也可以在贮藏通过阳极流体的供给而排挤掉的气体的区域中设置吸附剂。在图14中表示这种例子。此外，图14是表示上述的实施方式2的变形例的要部剖面图。
如图14所示，在供给部件240A中，在作为贮藏通过阳极流体而排挤掉的气体的区域的空间243内设置有吸附剂260。作为吸附剂260，例如作为气体要吸附氮气的情况下，能够使用活性炭、沸石等。当然，吸附剂不限于此，只要根据要吸附的气体来适当决定其材料即可。
在这种结构下，使吸附剂260吸附排挤到空间243内的气体，也能够除去燃料电池内的多余气体，能够实现发电量(特别是初始电压)的提高以及长时间维持发电。当然，吸附剂260也可以设在上述的实施方式1中。
另外，也可以对上述的图7～图14的结构任意组合两个以上。
并且，在上述的例子中，作为区别于阳极部件210的其它部件而设置了供给部件240、240A，但是也可以是将这些设为一体的部件。另外，供给部件240、240A也可以只将设有阳极流体流路241的区域设为供给部件。即，作为与上述的实施方式1以及2的供给部件240、240A相当的部件，也可以由如下部件所构成：基础部件，由板状部件所构成；以及多个供给部件，固定在基础部件上而单独地设有阳极流体流路。
另外，例如在上述的例子中，只在阳极侧催化剂202侧设有气体扩散层230，但是并不特别限定于此，例如也可以在阴极侧催化剂203侧设有与阳极侧催化剂202侧同等的气体扩散层230。
另外，例如上述的燃料电池200、200A能够利用为构成电池组(cell stack)的电池单元。即，也可以通过层叠多个上述的燃料电池200、200A来形成电池组。
(实施例)
将上述的实施方式2的图5所示的燃料电池设为实施例的燃料电池。
(比较例)
将不设置供给部件240、240A等而在腔211内直接设置气体扩散层230的燃料电池设为比较例的燃料电池。
(试验例)
作为初始状态，向实施例以及比较例的燃料电池的阳极封入氮而达到100kPa(与大气压相当)。另外，设为通过将阴极流体导入口222开放在大气中，向阴极流体流路221内自然供给空气。
而且，从实施例以及比较例的阳极流体导入口212供给分压30kPa的纯氢气，使电流恒定而测量实施例和比较例的发电特性。在图15中表示该结果。此外，在试验例中，测量了电压(V)和发电时间(h)。
如图15所示，实施例的燃料电池与比较例的燃料电池相比，初始电压增大到约1.5倍左右。
另外，实施例的燃料电池至少能够稳定地连续发电45分钟以上，与此相对，在比较例的燃料电池中，在约4秒左右发电就停止了。
由此确认：实施例的燃料电池与比较例的燃料电池相比，发电量(Wh)性能得以提高约为920倍以上。
产业上的可利用性
本发明能够用于使阳极侧催化剂的表面的面内的阳极流体的浓度分布均匀而提高发电量并且长时间持续发电的燃料电池的工业领域中。
附图标记说明
A、A′：区域；1：燃料电池系统；100：燃料供给单元；200：燃料电池；201：固体高分子电解质膜(电解质膜)；202：阳极侧催化剂；203：阴极侧催化剂；210：阳极部件；220：阴极部件；230、230A：气体扩散层；240、240A：供给部件；241：阳极流体流路；242：突出部；250：导出通路；251：贮藏单元；252：止回阀；260：吸附剂；300：控制电路

Claims (15)

1.一种燃料电池，具备：
膜电极接合体，具备电解质膜和阳极侧催化剂；
供给部件，向该膜电极接合体供给阳极流体；以及
气体扩散层，设在该供给部件和所述膜电极接合体之间，
该燃料电池的特征在于，
在所述供给部件上设有朝着所述膜电极接合体供给所述阳极流体的阳极流体流路，所述阳极流体流路的所述阳极流体的吐出侧的开口与所述气体扩散层接触地设置，在所述气体扩散层的所述供给部件侧具有贮藏通过供给所述阳极流体而排挤掉的气体的区域。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
在所述供给部件上设有突出部，所述突出部向所述气体扩散层侧突出并且在内部设有所述阳极流体流路，所述突出部的前端面与所述气体扩散层接触。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，
所述突出部具有朝着所述膜电极接合体侧而前端锐化的锥状。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极流体流路具有朝着所述膜电极接合体侧而前端锐化的锥状。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的燃料电池，其特征在于，
在一个供给部件上设有多个所述阳极流体流路。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的燃料电池，其特征在于，
在一个供给部件上设有多个所述阳极流体流路，
具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，
在所述供给部件上设有突出部，所述突出部具有向所述气体扩散层侧突出并且在内部设有所述阳极流体流路的第1突出部以及第2突出部，
所述第2突出部离所述阳极流体导入口的距离比所述第1突出部离所述阳极流体导入口的距离长，且所述第1突出部的突出量比所述第2突出部的突出量大，
所述突出部的前端面与所述气体扩散层接触。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的燃料电池，其特征在于，
具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，
所述阳极流体流路的压力损失比从所述阳极流体导入口到各所述阳极流体流路为止的压力损失大。
8.根据权利要求5～7中任意一项所述的燃料电池，其特征在于，
具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，
多个所述阳极流体流路具备：第1阳极流体流路、以及离所述阳极流体导入口的距离比所述第1阳极流体流路长的第2阳极流体流路，
所述第1阳极流体流路的压力损失比所述第2阳极流体流路的压力损失大。
9.根据权利要求5～8中任意一项所述的燃料电池，其特征在于，
具备在与所述气体扩散层相反的一侧与多个所述阳极流体流路连通的腔、以及向该腔供给所述阳极流体的阳极流体导入口，
多个所述阳极流体流路具备：第1阳极流体流路、以及离所述阳极流体导入口的距离比所述第1阳极流体流路长的第2阳极流体流路，
从所述阳极流体导入口到所述第1阳极流体流路为止的所述腔内的第1引导通路中的压力损失，比从所述阳极流体导入口到所述第2阳极流体流路为止的所述腔内的第2引导通路中的压力损失大。
10.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，
所述供给部件的多个所述阳极流体流路相互相邻的间隔，从离所述阳极流体导入口的距离近的所述阳极流体流路侧开始向离所述阳极流体导入口的距离长的所述阳极流体流路侧逐渐变小。
11.根据权利要求1～10中任意一项所述的燃料电池，其特征在于，
具有除去单元，所述除去单元从贮藏通过所述阳极流体而排挤掉的气体的区域除去该气体。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，
所述除去单元是导出通路，所述导出通路与贮藏通过供给阳极流体而排挤掉的气体的区域连通，用于缓冲器排出该气体。
13.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，
在所述导出通路上具有止回阀，所述止回阀允许从贮藏所述气体的区域向所述缓冲器的气体流动，限制反方向的气体流动。
14.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，
所述除去单元是吸附剂，所述吸附剂设置在贮藏通过所述阳极流体而排挤掉的气体的区域。
15.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
权利要求1～14中任意一项所述的燃料电池；以及
燃料供给单元，向所述燃料电池供给所述阳极流体。
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