CN102576885A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，具备：发电体层，包括电解质膜和配置在电解质膜的两侧的阳极及阴极；燃料气体流路层，配置在发电体层的阳极侧，使燃料气体沿着与层叠燃料电池的各层的层叠方向大致正交的燃料气体流动方向流动并向阳极供给燃料气体；及氧化气体流路层，配置在发电体层的阴极侧，使氧化气体沿着与燃料气体流动方向相对的氧化气体流动方向流动并向阴极供给氧化气体。与在燃料电池中进行发电的区域即发电区域的包括沿着燃料气体流动方向的最上游位置的上游区域及发电区域的包括沿着燃料气体流动方向的最下游位置的下游区域相比，作为发电区域的剩余的区域的中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力较大。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其是涉及燃料气体流动方向与氧化气体流动方向相对的燃料电池。
背景技术
燃料电池、例如固体高分子型燃料电池是通过向隔着电解质膜配置的一对电极(阳极及阴极)分别供给反应气体(燃料气体及氧化气体)而引起电化学反应，由此将物质具有的化学能量直接转换成电能。
燃料电池在干燥时电解质膜的离子传导性下降，由此，发电性能下降。为了抑制燃料电池的发电性能下降，有时利用加湿器对反应气体进行加湿后向燃料电池供给。
另外，作为即便不使用加湿器也能够抑制干燥引起的发电性能下降的燃料电池，已知有燃料气体流动方向与氧化气体流动方向相对的燃料电池(所谓逆流型燃料电池)(例如参照专利文献1)。在燃料气体流动方向与氧化气体流动方向相对的燃料电池中，从层叠方向观察时，阴极侧的沿着氧化气体流动方向的下游的区域和阳极侧的沿着燃料气体流动方向的上游的区域相对，因此由于阴极侧的电化学反应而生成的水(水蒸气)从阴极侧的沿着氧化气体流动方向的下游区域向阳极侧的沿着燃料气体流动方向的上游区域移动，进而水蒸气因燃料气体流动而在阳极侧移动，由此，抑制燃料电池整体的干燥，进而抑制发电性能的下降。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-98181号公报
专利文献2：日本特开2009-4230号公报
专利文献3：日本特开2005-251699号公报
专利文献4：国际公开第2006/43394号
发明内容
然而，在上述现有的燃料电池中，移动到阳极侧的沿着燃料气体流动方向的上游区域的水蒸气立即返回阴极侧或向燃料电池的系统外排出，尤其是在阳极侧的沿着燃料气体流动方向的下游区域(阴极侧的沿着氧化气体流动方向的上游区域)，可能无法充分抑制干燥，从而无法充分地抑制发电性能的下降。
本发明为了解决上述的课题而作出，其目的在于在燃料气体流动方向与氧化气体流动方向相对的燃料电池中充分地抑制干燥引起的发电性能的下降。
为了解决上述课题的至少一部分，本发明能够作为以下的方式或适用例来实现。
[适用例1]一种燃料电池，具备：
发电体层，包括电解质膜和配置在所述电解质膜的两侧的阳极及阴极；
燃料气体流路层，配置在所述发电体层的所述阳极侧，使燃料气体沿着与层叠所述燃料电池的各层的层叠方向大致正交的燃料气体流动方向流动并向所述阳极供给燃料气体；及
氧化气体流路层，配置在所述发电体层的所述阴极侧，使氧化气体沿着与所述燃料气体流动方向相对的氧化气体流动方向流动并向所述阴极供给氧化气体，
与在所述燃料电池中进行发电的区域即发电区域的包括沿着所述燃料气体流动方向的最上游位置的上游区域及所述发电区域的包括沿着所述燃料气体流动方向的最下游位置的下游区域相比，作为所述发电区域的剩余的区域的中游区域的所述阳极侧与所述阴极侧之间的水蒸气移动阻力较大。
在该燃料电池中，燃料气体流路层中的燃料气体流动方向与氧化气体流路层中的氧化气体流动方向处于相对的关系，另外，发电区域的中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于发电区域的沿着燃料气体流动方向的上游区域及下游区域。因此，在该燃料电池中，比较多的水蒸气在上游区域中从阴极侧向阳极侧移动，并且抑制中游区域中的从阳极侧向阴极侧的水蒸气的移动，比较多的水蒸气到达阳极侧的下游区域且向阴极侧移动。因此，在该燃料电池中，在包含下游区域的发电区域的整体上能够充分地抑制干燥，从而能够充分地抑制干燥引起的发电性能的下降。
[适用例2]在适用例1所记载的燃料电池中，
还具备配置在所述阳极与所述燃料气体流路层之间的阳极侧扩散层，
所述燃料气体流路层构成为，所述上游区域及所述下游区域的气体流动阻力大于所述中游区域的气体流动阻力。
在该燃料电池中，由于上游区域及下游区域中的燃料气体流路层的气体流动阻力大于中游区域的气体流动阻力，因此在中游区域中，燃料气体在燃料气体流路层内沿着燃料气体流动方向流动，相对于此，在上游区域及下游区域中，至少一部分的燃料气体在阳极侧扩散层中沿着燃料气体流动方向流动。因此，在该燃料电池中，能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力。
[适用例3]在适用例2所记载的燃料电池中，
在所述上游区域及所述下游区域的所述燃料气体流路层形成阻塞气体流路的阻塞部。
在该燃料电池中，由于在上游区域及下游区域的燃料气体流路层形成有阻塞气体流路的阻塞部，因此能够使燃料气体流路层的上游区域及下游区域的气体流动阻力大于中游区域的气体流动阻力。
[适用例4]在适用例1所记载的燃料电池中，
还具备配置在所述阳极与所述燃料气体流路层之间的阳极侧扩散层，
所述阳极侧扩散层构成为，所述中游区域的扩散阻力大于所述上游区域及所述下游区域的扩散阻力。
在该燃料电池中，由于阳极侧扩散层的中游区域的扩散阻力大于上游区域及下游区域的扩散阻力，因此能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力。
[适用例5]在适用例4所记载的燃料电池中，
所述阳极侧扩散层中，所述中游区域的致密度大于所述上游区域及所述下游区域的致密度。
在该燃料电池中，由于阳极侧扩散层的中游区域的致密度大于上游区域及下游区域的致密度，因此能够使阳极侧扩散层的中游区域的扩散阻力大于上游区域及下游区域的扩散阻力。
[适用例6]在适用例4所记载的燃料电池中，
所述阳极侧扩散层中，所述中游区域的厚度大于所述上游区域及所述下游区域的厚度。
在该燃料电池中，由于阳极侧扩散层的中游区域的厚度比上游区域及下游区域的厚度厚，因此能够使阳极侧扩散层的中游区域的扩散阻力大于上游区域及下游区域的扩散阻力。
[适用例7]在适用例1所记载的燃料电池中，
所述阳极中，所述中游区域的离聚物量相对于催化剂担载碳量之比的值大于所述上游区域及所述下游区域的所述比的值。
在该燃料电池中，阳极的中游区域的离聚物量相对于催化剂担载碳量之比的值大于上游区域及下游区域的比的值，因此能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力。
[适用例8]在适用例1所记载的燃料电池中，
所述阳极中，所述中游区域的厚度大于所述上游区域及所述下游区域的厚度。
在该燃料电池中，由于阳极的中游区域的厚度比上游区域及下游区域的厚度厚，因此能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力。
[适用例9]在适用例1所记载的燃料电池中，
所述电解质膜中，所述中游区域的离子交换容量小于所述上游区域及所述下游区域的离子交换容量。
在该燃料电池中，由于电解质膜的中游区域的离子交换容量小于上游区域及下游区域的离子交换容量，因此能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力。
[适用例10]在适用例1所记载的燃料电池中，
还具备配置在所述阳极与所述燃料气体流路层之间的阳极侧扩散层，
所述阳极侧扩散层中，由于在所述中游区域被压缩，因而所述中游区域的厚度比所述上游区域及所述下游区域的厚度薄，
所述阳极中，所述中游区域的厚度比所述上游区域及所述下游区域的厚度厚。
在该燃料电池中，阳极侧扩散层在中游区域被压缩，因此中游区域的阳极侧扩散层的扩散阻力大于上游区域及下游区域的阳极侧扩散层的扩散阻力，能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力。另外，在该燃料电池中，由于阳极的中游区域的厚度比上游区域及下游区域的厚度厚，因此能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力。因此，在该燃料电池中，在包含下游区域的发电区域的整体上能够充分地抑制干燥，从而能够充分地抑制干燥引起的发电性能的下降。另外，在该燃料电池中，中游区域的阳极的厚度比上游区域及下游区域的阳极的厚度厚，并且中游区域的阳极侧扩散层的厚度比上游区域及下游区域的阳极侧扩散层的厚度薄，因此能够抑制燃料电池的电气的特性、排水特性的恶化、制造工序的烦杂化。
[适用例11]在适用例3所记载的燃料电池中，
所述氧化气体流路层具有配置在所述燃料电池的所述上游区域且促进水的滞留的水滞留部。
在该燃料电池中，由于氧化气体流路层配置在燃料电池的上游区域且具有促进水的滞留的水滞留部，因此在上游区域中会抑制水在阴极侧产生不足的情况，高效地进行从阴极侧向阳极侧的水移动。因此，在该燃料电池中，在包含下游区域的发电区域的整体上能够充分地抑制干燥，从而能够充分地抑制干燥引起的发电性能的下降。
[适用例12]在适用例1所记载的燃料电池中，
所述燃料气体流路层中，在所述燃料电池的所述上游区域及所述下游区域形成有具有阻塞沿着所述燃料气体流动方向的燃料气体的流动的部分的阻塞流路，且在所述燃料电池的所述中游区域形成有不具有阻塞沿着所述燃料气体流动方向的燃料气体的流动的部分的直线状的流路。
在该燃料电池中，在燃料电池的上游区域及下游区域形成有阻塞流路，该阻塞流路在燃料气体流路层具有将沿着燃料气体流动方向的燃料气体的流动阻塞的部分，因此促进从燃料气体流路层向发电体层侧的燃料气体的流动。另外，在燃料电池的中游区域形成有在燃料气体流路层不具有将沿着燃料气体流动方向的燃料气体的流动阻塞的部分的直线状的流路，因此不会促进从燃料气体流路层向发电体层侧的燃料气体的流动。因此，在该燃料电池中，能够使中游区域的阳极侧与阴极侧之间的水蒸气移动阻力大于上游区域及下游区域的水蒸气移动阻力，能够在包含下游区域的发电区域的整体上充分地抑制干燥，从而能够充分地抑制干燥引起的发电性能的下降。
[适用例13]在适用例1至适用例12中的任一适用例所记载的燃料电池中，
所述中游区域是所述发电区域的包含沿着所述燃料气体流动方向的中央位置的区域。
需要说明的是，本发明能够以各种方式来实现，例如，能够以燃料电池、燃料电池系统等方式来实现。
附图说明
图1是简要表示第一实施例的燃料电池的结构的说明图。
图2是简要表示第一实施例的燃料电池的结构的说明图。
图3是发电模块200的主视图。
图4是表示图3的A-A剖面的剖视图。
图5是表示阴极板400的形状的说明图。
图6是表示阳极板300的形状的说明图。
图7是表示中间板500的形状的说明图。
图8是隔板600的主视图。
图9是表示燃料电池100的反应气体的流动的说明图。
图10是燃料电池100的剖视图。
图11是燃料电池100的剖视图。
图12是表示研究了燃料气体流的位置与来自对极的水移动量的关系的实验结果的一例的说明图。
图13是表示燃料电池的各区域的两极间的水蒸气移动阻力的一例的说明图。
图14是表示燃料电池的各区域的两极间的水移动量的计算结果的一例的说明图。
图15是表示燃料电池的各区域的相对湿度的计算结果的一例的说明图。
图16是概念性地表示燃料电池的水移动的情况的说明图。
图17是表示研究第一实施例的燃料电池的发电性能的实验结果的一例的说明图。
图18是表示第二实施例的燃料电池的结构的说明图。
图19是表示第二实施例的燃料电池的结构的说明图。
图20是表示阳极侧扩散层的PTFE含有率与相对有效扩散系数的关系的说明图。
图21是表示研究第二实施例的燃料电池的发电性能的实验结果的一例的说明图。
图22是表示第三实施例的燃料电池的结构的说明图。
图23是表示第三实施例的燃料电池的制造方法的一部分的说明图。
图24是表示研究第三实施例的燃料电池的发电性能的实验结果的一例的说明图。
图25是表示构成第四实施例的燃料电池的阳极侧流路层860的平面结构的说明图。
图26是表示构成第四实施例的燃料电池的阴极侧流路层870的平面结构的说明图。
图27是表示构成第五实施例的燃料电池的阳极侧流路层880的平面结构的说明图。
图28是表示第五实施例的燃料电池的剖面结构的说明图。
图29是表示第五实施例的燃料电池的剖面结构的说明图。
图30是表示第五实施例的燃料电池的剖面结构的说明图。
图31是表示催化剂层的I/C值与两极间的水移动量的关系的说明图。
图32是表示电解质膜的IEC的值与两极间的水移动量的关系的说明图。
图33是表示对阳极上游区域及阳极下游区域的宽度进行各种变更时的燃料电池的性能试验结果的一例的说明图。
图34是表示变形例的燃料电池100的平面的说明图。
具体实施方式
接下来，基于实施例，说明本发明的实施方式。
A.第一实施例：
图1及图2是简要表示第一实施例的燃料电池的结构的说明图。如图1及图2所示，本实施例的燃料电池100具有将发电模块200与隔板600交替层叠而成的堆叠结构。需要说明的是，为了便于理解堆叠结构，而图2仅将燃料电池100中含有的多个发电模块200及隔板600内的一部分抽出表示。
如图1所示，燃料电池100具有：供给氧化气体的氧化气体供给岐管110；排出氧化气体的氧化气体排出岐管120；供给燃料气体的燃料气体供给岐管130；排出燃料气体的燃料气体排出岐管140；供给冷却介质的冷却介质供给岐管150；及排出冷却介质的冷却介质排出岐管160。作为氧化气体，例如使用空气，作为燃料气体，例如使用氢气。氧化气体及燃料气体也被称为反应气体。作为冷却介质，例如使用水、乙二醇等不冻水、空气等。
图3是发电模块200的主视图(从图2的右侧观察到的图)。图4是表示图3的A-A剖面的剖视图。图4也示出发电模块200和夹持发电模块200的一对隔板600。
发电模块200由层叠部800和密封构件700构成。如图4所示，层叠部800具有将发电体层810、阳极侧扩散层820、阴极侧扩散层830、阳极侧多孔体流路层840、阴极侧多孔体流路层850层叠而成的结构。构成层叠部800的各层810～850是大致矩形形状的板状构件。
发电体层810是在一个面配置有作为阴极的催化剂层且在另一个面配置有作为阳极的催化剂层的离子交换膜(催化剂层的图示省略)。发电体层810也被称为膜/电极接合体或MEA。离子交换膜由氟系树脂材料或烃系树脂材料形成，在湿润状态下具有良好的离子导电性。催化剂层包含例如作为催化剂的铂或由铂和其他的金属构成的合金。
阳极侧扩散层820与发电体层810的阳极侧的面相接配置，阴极侧扩散层830与发电体层810的阴极侧的面相接配置。阳极侧扩散层820及阴极侧扩散层830例如由碳纤维构成的线织成的碳布、或碳纸或碳毡形成。
阳极侧多孔体流路层840隔着阳极侧扩散层820配置在发电体层810的阳极侧，阴极侧多孔体流路层850隔着阴极侧扩散层830配置在发电体层810的阴极侧。阴极侧多孔体流路层850与配置在阴极侧的隔板600的表面接触，阳极侧多孔体流路层840与配置在阳极侧的另一隔板600的表面接触。阳极侧多孔体流路层840及阴极侧多孔体流路层850由金属多孔体等具有气体扩散性及导电性的多孔质的材料形成。阳极侧多孔体流路层840及阴极侧多孔体流路层850比上述的阳极侧扩散层820及阴极侧扩散层830的孔隙率高，内部的气体的流动阻力比阳极侧扩散层820及阴极侧扩散层830低，如后所述作为反应气体流动的流路发挥作用。阳极侧多孔体流路层840相当于本发明的燃料气体流路层，阴极侧多孔体流路层850相当于本发明的氧化气体流路层。
如图3所示，密封构件700在层叠部800的面方向的外周整周配置。密封构件700使层叠部800的外周端部面向模具的型腔，对成形材料进行注塑成形从而制作，由此与层叠部800的外周端无间隙且气密地一体化。密封构件700由具有气体不透过性、弹力性、燃料电池的运转温度区域中的耐热性的材料、例如橡胶、弹性体形成。具体而言，使用硅系橡胶、丁基橡胶、丙烯酸橡胶、天然橡胶、氟系橡胶、乙烯·丙烯系橡胶、苯乙烯系弹性体、氟系弹性体等。
密封构件700具备支承部710和配置在支承部710的两面且形成密封线的肋720。如图3及图4所示，在支承部710形成有与图1的各岐管110～160对应的贯通孔(岐管孔)。如图4所示，肋720与相邻的隔板600密接而将与隔板600之间密封，防止反应气体(在本实施例中为氢及空气)、冷却水的泄漏。如图3所示，肋720形成包围层叠部800的整周的密封线和包围各个岐管孔的整周的密封线。
本实施例的隔板600构成包括阳极板300、阴极板400、及中间板500。图5是表示阴极板400的形状的说明图。图6是表示阳极板300的形状的说明图。图7是表示中间板500的形状的说明图。图5～图7表示从图2的右侧观察各板400、300、500的情况。另外，图8是隔板600的主视图。在图5～图8中，在各板300、400、500及隔板600的中央部的单点划线所示的区域是在燃料电池100中实际进行发电的区域(以下，称为发电区域DA)。在本实施例的燃料电池100中，发电区域DA是配置有层叠部800的发电体层810的区域。由于发电体层810为大致矩形形状，因此发电区域DA同样为大致矩形形状。
需要说明的是，在以下的说明中，将发电区域DA的图5～图8中的上方的边(接近氧化气体供给岐管110的边)称为第一边S1，同样地，将右方的边(接近冷却介质排出岐管160的边)称为第二边S2，将下方的边(接近氧化气体排出岐管120的边)称为第三边S3，将左方的边(接近冷却介质供给岐管150的边)称为第四边S4。
阴极板400(图5)例如由不锈钢形成。阴极板400具有作为沿厚度方向贯通阴极板400的贯通孔的6个岐管形成部422、424、426、428、430、432、氧化气体供给狭缝440、及氧化气体排出狭缝444。岐管形成部422～432是用于形成上述的各种岐管110～160的贯通部，设置在比发电区域DA靠外侧。氧化气体供给狭缝440是大致长方形的长孔，在发电区域DA的内侧沿着第一边S1的大致全长配置。氧化气体排出狭缝444与氧化气体供给狭缝440同样地为大致长方形的长孔，在发电区域DA的内侧沿着第三边S3的大致全长配置。
阳极板300(图6)与阴极板400同样地，例如由不锈钢形成。阳极板300具有作为沿着厚度方向贯通阳极板300的贯通孔的6个岐管形成部322、324、326、328、330、332、燃料气体供给狭缝350、及燃料气体排出狭缝354。岐管形成部322～332是用于形成上述的各种岐管110～160的贯通部，设置在比发电区域DA靠外侧。燃料气体供给狭缝350在发电区域DA的内侧，沿着第三边S3以从层叠方向观察到的位置与上述的阴极板400的氧化气体排出狭缝444不重合的方式配置。燃料气体排出狭缝354在发电区域DA的内侧，沿着第一边S1，以从层叠方向观察的位置与上述的阴极板400的氧化气体供给狭缝440不重合的方式配置。
中间板500(图7)与上述的各板300、400同样地，例如由不锈钢形成。中间板500具有作为沿厚度方向贯通中间板500的贯通孔的用于供给/排出反应气体(氧化气体或燃料气体)的4个岐管形成部522、524、526、528、多个氧化气体供给流路形成部542、多个氧化气体排出流路形成部544、一个燃料气体供给流路形成部546、一个燃料气体排出流路形成部548、及多个冷却介质流路形成部550。岐管形成部522～528是用于形成上述的各种岐管110～140的贯通部，设置在比发电区域DA靠外侧。冷却介质流路形成部550具有沿图7的左右方向(与第一边S1平行的方向)横剖发电区域DA的长孔形状，其两端到达发电区域DA的外侧。即，冷却介质流路形成部550以横剖发电区域DA的第二边S2及第四边S4的方式形成。各冷却介质流路形成部550沿着图8的上下方向(与第二边S2平行的方向)，隔开规定间隔并列设置。
中间板500的多个氧化气体供给流路形成部542的一端与岐管形成部522连通，多个氧化气体供给流路形成部542和岐管形成部522作为整体而形成梳齿形状的贯通孔。多个氧化气体供给流路形成部542的另一端延伸到从层叠方向观察与上述的阴极板400的氧化气体供给狭缝440重合的位置。因此，构成隔板600时，各氧化气体供给流路形成部542与氧化气体供给狭缝440连通。
中间板500的多个氧化气体排出流路形成部544的一端与岐管形成部524连通，多个氧化气体排出流路形成部544和岐管形成部524作为整体而形成梳齿形状的贯通孔。多个氧化气体排出流路形成部544的另一端延伸到从层叠方向观察与上述的阴极板400的氧化气体排出狭缝444重合的位置。因此，构成隔板600时，各氧化气体排出流路形成部544与氧化气体排出狭缝444连通。
中间板500的燃料气体供给流路形成部546的一端与岐管形成部526连通。燃料气体供给流路形成部546横剖第二边S2，以与上述的氧化气体排出流路形成部544不重合的方式沿着第三边S3延伸，其另一端到达发电区域DA的第四边S4附近。即，燃料气体供给流路形成部546大致在第三边S3的全长上延伸。燃料气体供给流路形成部546中的发电区域DA的内侧的部分从层叠方向观察与上述的阳极板300的燃料气体供给狭缝350重合。因此，构成隔板600时，燃料气体供给流路形成部546与燃料气体供给狭缝350连通。
中间板500的燃料气体排出流路形成部548的一端与岐管形成部528连通。燃料气体排出流路形成部548横剖第四边S4，以与上述的氧化气体供给流路形成部542不重合的方式沿着第一边S1延伸，其另一端到达发电区域DA的第二边S2附近。即，燃料气体排出流路形成部548大致在第一边S1的全长上延伸。燃料气体排出流路形成部548中的发电区域DA的内侧的部分从层叠方向观察与上述的阳极板300的燃料气体排出狭缝354重合。因此，构成隔板600时，燃料气体排出流路形成部548与燃料气体排出狭缝354连通。
图8表示使用上述的各板300、400、500制作的隔板600的主视图。隔板600利用阳极板300及阴极板400夹持中间板500地与中间板500的两面分别接合，对中间板500的向与冷却介质供给岐管150及冷却介质排出岐管160对应的区域露出的部分冲孔来制作。3张板的接合方法例如使用热压接、钎焊、焊接等。其结果是，能得到如下隔板600，所述隔板600具备图8中由剖面线所示的贯通部即6个岐管110～160、多个氧化气体供给流路650、多个氧化气体排出流路660、燃料气体供给流路630、燃料气体排出流路640、及多个冷却介质流路670。
如图8所示，氧化气体供给岐管110在发电区域DA的外侧沿着第一边S1在第一边S1的全长上形成。氧化气体排出岐管120在发电区域DA的外侧，沿着第三边S3，在第三边S3的全长上形成。燃料气体供给岐管130沿着第二边S2中的接近第三边S3的位置的一部分形成，且沿着第二边S2中的剩余的部分形成有冷却介质排出岐管160。燃料气体排出岐管140沿着第四边S4中的接近第一边S1的位置的一部分形成，且沿着第四边S4中的剩余的部分形成有冷却介质供给岐管150。
如图8所示，多个氧化气体供给流路650由上述的阴极板400的氧化气体供给狭缝440和中间板500的氧化气体供给流路形成部542的一个形成。各氧化气体供给流路650是通过隔板600的内部的内部流路，是一端与氧化气体供给岐管110连通且另一端到达隔板600的阴极板400侧的表面(阴极侧表面)开口的流路。该开口对应于氧化气体供给狭缝440。
另外，如图8所示，多个氧化气体排出流路660由上述的阴极板400的氧化气体排出狭缝444和中间板500的氧化气体排出流路形成部544的一个形成。各氧化气体排出流路660是通过隔板600的内部的内部流路，是一端与氧化气体排出岐管120连通且另一端到达隔板600的阴极侧表面开口的流路。该开口对应于氧化气体排出狭缝444。
另外，如图8所示，燃料气体排出流路640由上述的阳极板300的燃料气体排出狭缝354和中间板500的燃料气体排出流路形成部548形成。燃料气体排出流路640是一端与燃料气体排出岐管140连通且另一端到达隔板600的阳极板300侧的表面(阳极侧表面)开口的内部流路。该开口对应于燃料气体排出狭缝354。
另外，如图8所示，燃料气体供给流路630由上述的阳极板300的燃料气体供给狭缝350和中间板500的燃料气体供给流路形成部546形成。燃料气体供给流路630是一端与燃料气体供给岐管130连通且另一端到达隔板600的阳极侧表面而开口的内部流路。该开口对应于燃料气体供给狭缝350。
另外，如图8所示，多个冷却介质流路670由形成在上述的中间板500上的冷却介质流路形成部550形成，一端与冷却介质供给岐管150连通且另一端与冷却介质排出岐管160连通。
在燃料电池100的发电中，为了抑制因伴随发电的发热引起的燃料电池100的温度上升，而向冷却介质供给岐管150供给冷却介质。向冷却介质供给岐管150供给的冷却介质从冷却介质供给岐管150向冷却介质流路670供给。向冷却介质流路670供给的冷却介质从冷却介质流路670的一端流动到另一端，向冷却介质排出岐管160排出。
图9是表示燃料电池100中的反应气体的流动的说明图。图9(a)表示图8中的B-B截面。图9(b)中，右侧一半部分表示图8中的D-D截面，左侧一半部分表示图8中的C-C截面。图9抽出表示燃料电池100中的2个发电模块200和2个隔板600。
如图9(a)所示，向氧化气体供给岐管110供给氧化气体(空气)。如图9(a)中的箭头所示，向氧化气体供给岐管110供给的氧化气体通过氧化气体供给流路650而从氧化气体供给流路650的阴极侧表面的开口进入阴极侧多孔体流路层850。进入到阴极侧多孔体流路层850的氧化气体在形成氧化气体流路的阴极侧多孔体流路层850的内部，沿着从氧化气体供给岐管110朝向氧化气体排出岐管120的方向流动。该流动方向是图8中的空心的箭头所示的方向，相当于本发明的氧化气体流动方向。在阴极侧多孔体流路层850内流动的氧化气体从氧化气体排出流路660的阴极侧表面的开口流入氧化气体排出流路660，并向氧化气体排出岐管120排出。在阴极侧多孔体流路层850中流动的氧化气体的一部分向与阴极侧多孔体流路层850抵接的阴极侧扩散层830的整体扩散，向发电体层810的阴极供给，供于阴极反应(例如，2H++2e-+(1/2)O2→H2O)。
如图9(b)所示，向燃料气体供给岐管130供给燃料气体(氢气)。如图9(b)中的箭头所示，向燃料气体供给岐管130供给的燃料气体通过燃料气体供给流路630，从燃料气体供给流路630的阳极侧表面的开口进入阳极侧多孔体流路层840。进入阳极侧多孔体流路层840的燃料气体在形成燃料气体流路的阳极侧多孔体流路层840的内部，沿着从氧化气体排出岐管120朝向氧化气体供给岐管110的方向流动。该流动方向是图8中的涂黑的箭头所示的方向，相当于本发明中的燃料气体流动方向。在阳极侧多孔体流路层840内流动的燃料气体从燃料气体排出流路640的阳极侧表面的开口流入燃料气体排出流路640，并向燃料气体排出岐管140排出。在阳极侧多孔体流路层840中流动的燃料气体的一部分在与阳极侧多孔体流路层840抵接的阳极侧扩散层820的整体扩散，向发电体层810的阳极供给，供于阳极反应(例如，H2→2H++2e-)。
如此，在本实施例的燃料电池100中，在发电区域DA，氧化气体沿着面方向(与层叠方向大致正交的方向)流动的方向(图8的空心箭头所示的方向)和燃料气体沿着面方向流动的方向(图8的涂黑箭头所示的方向)成为相对的方向。即，本实施例的燃料电池100是逆流型的燃料电池。
在逆流型的燃料电池中，阴极侧的沿着氧化气体流动方向的下游的区域和阳极侧的沿着燃料气体流动方向的上游的区域沿着层叠方向相对，因此由阴极侧的电化学反应而生成的水(水蒸气)从阴极侧的沿着氧化气体流动方向的下游区域向阳极侧的沿着燃料气体流动方向的上游区域移动，进而水蒸气随着燃料气体流动而在阳极侧移动，由此来抑制燃料电池整体的干燥，进而抑制发电性能的下降。因此，能够进行不使用加湿器的无加湿运转。
以下，参照图10及图11，更详细地说明燃料电池100的阳极侧的结构及燃料气体的流动。图10及图11是燃料电池100的剖视图。图10放大表示图9(a)的X1部的截面，图11放大表示图9(a)的X2部的截面。如图10及图11所示，在本实施例的燃料电池100的发电区域DA设定有图8所示的沿着燃料气体流动方向排列的3个区域、即阳极上游区域、阳极中游区域、阳极下游区域。阳极上游区域是发电区域DA内的包含沿着燃料气体流动方向的最上游位置的区域，阳极下游区域是发电区域DA内的包含沿着燃料气体流动方向的最下游位置的区域，阳极中游区域是发电区域DA内的剩余的区域。在本实施例中，阳极上游区域具有发电区域DA的沿着燃料气体流动方向的整个宽度的4分之1的宽度，阳极下游区域具有该整个宽度的8分之1的宽度，阳极中游区域是剩余的宽度(即整个宽度的8分之5的宽度)。因此，阳极中游区域是发电区域DA的包含沿着燃料气体流动方向的中央位置的区域。需要说明的是，由于本实施例的燃料电池100是逆流型的燃料电池，因此阳极上游区域是发电区域DA内的沿着氧化气体流动方向的位于下游的区域，阳极下游区域是发电区域DA内的沿着氧化气体流动方向的位于上游的区域。
如图10及图11所示，在本实施例的燃料电池100中，在阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧多孔体流路层840形成有气体流路被阻塞且气体流动阻力大的阻塞部842。阻塞部842不是通过配置多孔质材料而是通过配置致密质材料来设置在阳极侧多孔体流路层840的阳极上游区域及阳极下游区域的位置。或者，阻塞部842也可以通过对于多孔质材料进行用于阻塞内部流路的加工(压缩加工等)来设置在阳极侧多孔体流路层840的阳极上游区域及阳极下游区域的位置。
在阳极上游区域的阳极侧多孔体流路层840形成有阻塞部842，因此如图10中的箭头所示，经由燃料气体供给流路630而向阳极侧供给的燃料气体中的至少一部分不在气体流动阻力大的阻塞部842，而在气体流动阻力更低的阳极侧扩散层820内沿着燃料气体流动方向流动。当燃料气体到达阳极中游区域时，燃料气体从阳极侧扩散层820向气体流动阻力更低的阳极侧多孔体流路层840内移动，沿着燃料气体流动方向流动。在阳极下游区域的阳极侧多孔体流路层840形成有阻塞部842，因此如图11中的箭头所示，当燃料气体到达阳极下游区域时，至少一部分的燃料气体不在气体流动阻力大的阻塞部842，而在气体流动阻力更低的阳极侧扩散层820内沿着燃料气体流动方向流动。
如此，在本实施例的燃料电池100中，在阳极中游区域，燃料气体在阳极侧多孔体流路层840内沿着燃料气体流动方向流动，相对于此，在阳极上游区域及阳极下游区域中，至少一部分的燃料气体在阳极侧扩散层820内沿着燃料气体流动方向流动。因此，在阳极中游区域的阳极侧的燃料气体流与阴极侧的氧化气体流之间存在阳极侧扩散层820，相对于此，在阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧的燃料气体流与阴极侧的氧化气体流之间(由于燃料气体在阳极侧扩散层820内流动)不存在阳极侧扩散层820。因此，在本实施例的燃料电池100中，若对各区域的阳极侧与阴极侧之间的(即两极间的)水蒸气移动阻力进行比较，则阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力。
图12是表示研究了燃料气体流的位置与来自对极的水移动量的关系的实验结果的一例的说明图。横轴是作为燃料气体流的位置的燃料气体流的内侧的扩散层厚度。点P1是燃料气体在阳极侧扩散层820内流动的情况，点P2-1、P2-2、P2-3是燃料气体在阳极侧多孔体流路层840内流动的情况。需要说明的是，在哪一种情况下，氧化气体都在阴极侧多孔体流路层850内流动。从图12可知，燃料气体在阳极侧扩散层820内流动时(点P1)，与燃料气体在阳极侧多孔体流路层840内流动时(点P2-1、P2-2、P2-3)相比，来自对极的水(水蒸气)移动量大(即，两极间的水蒸气移动阻力小)。
图13是表示燃料电池的各区域的两极间的水蒸气移动阻力的一例的说明图。图13(a)表示本实施例的燃料电池100的各区域的两极间的水蒸气移动阻力，图13(b)表示比较例的燃料电池的各区域的两极间的水蒸气移动阻力。在本实施例的燃料电池100中，如上所述，阳极中游区域中的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域中的水蒸气移动阻力。另一方面，比较例的燃料电池未设置阻塞部842，而水蒸气移动阻力在全部的区域中成为一定的值。
图14是表示燃料电池的各区域中的两极间的水移动量的计算结果的一例的说明图。图15是表示燃料电池的各区域中的相对湿度的计算结果的一例的说明图。这些是高温(例如105℃)低加湿下运转时的计算结果。另外，图16是概念性地表示燃料电池中的水移动的情况的说明图。图14(a)表示本实施例的燃料电池100的各区域中的两极间的水(水蒸气)移动量，图14(b)表示上述的比较例的燃料电池的各区域中的两极间的水移动量。图14的纵轴表示从阳极侧向阴极侧的水移动量，值为负的情况表示水从阴极侧向阳极侧移动的情况。图15(a)表示本实施例的燃料电池100的各区域中的相对湿度，图15(b)表示上述的比较例的燃料电池的各区域中的相对湿度。图16(a)表示本实施例的燃料电池100中的水移动的情况，图16(b)表示上述的比较例的燃料电池中的水移动的情况。
如图13(b)所示，在比较例的燃料电池中，两极间的水蒸气移动阻力在各区域中是一定的值。因此，如图14(b)及图16(b)所示，在比较例的燃料电池中，在阴极侧生成的水(水蒸气)在阳极上游区域从阴极侧向阳极侧移动，但向阳极侧移动的水蒸气随着燃料气体流而向阳极下游区域方向移动时，在阳极中游区域向阴极侧移动，几乎未到达阳极侧的阳极下游区域。另外，到达阳极侧的阳极下游区域的水蒸气也不向阴极侧移动而向系统外排出。因此，如图15(b)及图16(b)所示，在比较例的燃料电池中，尤其在位于阳极下游区域的MEA的部分(图16(b)的区域A)，未充分地抑制干燥，其结果是，未充分地抑制发电性能的下降。
另一方面，如图13(a)所示，在本实施例的燃料电池100中，在阳极上游区域及阳极下游区域，在阳极侧多孔体流路层840形成有阻塞部842，因此阳极上游区域及阳极下游区域的两极间的水蒸气移动阻力小于阳极中游区域的水蒸气移动阻力。因此，如图14(a)及图16(a)所示，在本实施例的燃料电池100中，更多的水蒸气在阳极上游区域中从阴极侧向阳极侧移动，移动到阳极侧的水蒸气随着燃料气体流而向阳极下游区域方向移动时，虽然在阳极中游区域向阴极侧移动，但比较多的水蒸气到达阳极侧的阳极下游区域。另外，到达阳极侧的阳极下游区域的水蒸气的大部分不向系统外排出，而向阴极侧(的沿着氧化气体流的位于上游的区域)移动。因此，如图15(a)及图16(a)所示，在本实施例的燃料电池100中，在包含位于阳极下游区域的MEA的部分(图16(a)的区域A)的发电区域DA的整体上会充分地抑制干燥，其结果是，会充分地抑制发电性能的下降。
图17是表示研究了第一实施例的燃料电池的发电性能的实验结果的一例的说明图。如图17所示，在本实施例的燃料电池100中，与比较例的燃料电池相比，尤其是在电池温度为约80度以上的高温运转时，会抑制电池电压的下降，且与运转温度无关地抑制电池电阻的增大。
如以上说明所示，在本实施例的燃料电池100中，在阳极上游区域及阳极下游区域，在阳极侧多孔体流路层840形成有阻塞部842，因此燃料气体不在阳极侧多孔体流路层840而在阳极侧扩散层820内流动。因此，阳极中游区域中的阳极侧与阴极侧之间的(即，两极间的)水蒸气移动阻力的值大于阳极上游区域及阳极下游区域中的水蒸气移动阻力的值。因此，在本实施例的燃料电池100中，比较多的生成水(水蒸气)在阳极上游区域从阴极侧向阳极侧移动，在阳极中游区域中虽然引起从阳极侧向阴极侧的水蒸气的移动，但比较多的水蒸气到达阳极侧的阳极下游区域且向阴极侧移动。因此，在本实施例的燃料电池100中，在包含阳极下游区域的发电区域的整体上充分地抑制干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。
燃料电池的干燥尤其在高温运转时(例如在电池温度为约80度以上进行运转时)容易发生，但在本实施例的燃料电池100中，即使在高温运转时也会有效地抑制阳极下游区域的干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。因此，适用了本实施例的燃料电池100的燃料电池系统可以省略加湿器，并且能够提高冷却效率，因此能够实现冷却系统装置的小型化/简单化，从而能够实现燃料电池系统的小型化、简单化。
需要说明的是，在本实施例的燃料电池100中，阴极侧的结构与以往的结构相同。另外，在阳极侧，虽然由于在阳极侧多孔体流路层840形成有阻塞部842而燃料气体的压力损失稍微增加，但对发电性能的影响小。尤其是从高压罐供给燃料气体时，能够进行比较高压下的燃料气体的供给，因此几乎不存在由于形成阻塞部842而对发电性能造成影响。
B.第二实施例：
图18及图19是表示第二实施例的燃料电池的结构的说明图。图18是与图9(a)的X1部相当的部分的放大剖视图，图19是与图9(a)的X2部相当的部分的放大剖视图。在第二实施例的燃料电池中，阳极侧扩散层820的结构在各区域间不同。具体而言，由于阳极中游区域的阳极侧扩散层820的PTFE含有率大于阳极上游区域及阳极下游区域的PTFE含有率，因此阳极中游区域的阳极侧扩散层820的致密度大于阳极上游区域及阳极下游区域的致密度。因此，在本实施例中，阳极中游区域的阳极侧扩散层820的扩散阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧扩散层820的扩散阻力。图20是表示阳极侧扩散层的PTFE含有率与相对有效扩散系数的关系的说明图。如图20所示，阳极侧扩散层820的PTFE含有率越大(即致密度越大)，阳极侧扩散层820的扩散系数越小(即扩散阻力越大)。需要说明的是，致密度与“1.0-空隙率”相等。
当阳极侧扩散层820的扩散阻力大时，阳极侧与阴极侧之间的(即两极间的)水蒸气移动阻力也大。因此，在第二实施例的燃料电池中，阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力。因此，在第二实施例的燃料电池中，与第一实施例同样地，比较多的生成水(水蒸气)在阳极上游区域从阴极侧向阳极侧移动，阳极中游区域的从阳极侧向阴极侧的水蒸气的移动受到抑制，比较多的水蒸气到达阳极侧的阳极下游区域且向阴极侧移动。因此，在第二实施例的燃料电池中，在包含阳极下游区域的发电区域的整体上会充分地抑制干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。
图21是表示研究了第二实施例的燃料电池的发电性能的实验结果的一例的说明图。如图21所示，在第二实施例的燃料电池中，与比较例的燃料电池相比，尤其是在电池温度为约80度以上的高温运转时，会抑制电池电压的下降并抑制电池电阻的增大。
需要说明的是，在第二实施例的燃料电池中，也与第一实施例同样地，阴极侧的结构与现有的结构相同。另外，在阳极侧，虽然由于增大阳极侧扩散层820的扩散阻力而燃料气体的压力损失稍微增加，但对发电性能的影响小。尤其是在从高压罐供给燃料气体时，能够进行比较高压下的燃料气体的供给，因此阳极侧扩散层820的扩散阻力的变化几乎不会影响发电性能。
C.第三实施例：
图22是表示第三实施例中的燃料电池的结构的说明图。图22放大表示第三实施例的燃料电池100的层叠部800的剖面结构。如图22所示，在第三实施例中，配置在阳极中游区域的部分采用冲压压缩加工的阳极侧扩散层820，阳极中游区域的阳极侧扩散层820的致密度大于阳极上游区域及阳极下游区域的致密度(即，更致密)。因此，在第三实施例中，阳极中游区域的阳极侧扩散层820的扩散阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧扩散层820的扩散阻力。需要说明的是，通过冲压压缩加工，阳极中游区域的阳极侧扩散层820的厚度TGm比阳极上游区域的阳极侧扩散层820的厚度TGu及阳极下游区域的阳极侧扩散层820的厚度TGl薄。
另外，在第三实施例中，构成发电体层810的各层(电解质膜802、阳极侧催化剂层804、阴极侧催化剂层806)内的阳极侧催化剂层804的厚度TC在各区域中不同。具体而言，阳极中游区域的阳极侧催化剂层804的厚度TCm比阳极上游区域的阳极侧催化剂层804的厚度TCu及阳极下游区域的阳极侧催化剂层804的厚度TCl厚。需要说明的是，如图22所示，在燃料电池中，使将阳极侧扩散层820和阳极侧催化剂层804对合而成的厚度在各区域(阳极中游区域、阳极上游区域、阳极下游区域)中大致相同。
图23是表示第三实施例的燃料电池的制造方法的一部分的说明图。如图23所示，在第三实施例中，相对于用于形成阳极侧扩散层820的材料，以压扁配置在阳极中游区域的部分的方式实施冲压压缩加工。由此，阳极侧扩散层820的表面成为配置在阳极中游区域的部分比其他的部分凹陷的形状。然后，在形成有凹陷的阳极侧扩散层820的表面上形成有阳极侧催化剂层804。阳极侧催化剂层804的形成例如通过使用刮墨刀在阳极侧扩散层820的表面上涂敷催化剂墨液来实现。通过如此形成阳极侧催化剂层804，阳极中游区域的阳极侧催化剂层804的厚度TCm比阳极上游区域的阳极侧催化剂层804的厚度TCu及阳极下游区域的阳极侧催化剂层804的厚度TCl厚，并且使将阳极侧扩散层820与阳极侧催化剂层804对合而成的厚度在各区域中大致相同。
如以上说明所示，在第三实施例的燃料电池中，由于阳极中游区域的阳极侧扩散层820的扩散阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧扩散层820的扩散阻力，因此与第二实施例同样地，阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力。此外，在第三实施例的燃料电池中，由于阳极中游区域的阳极侧催化剂层804的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧催化剂层804的厚度厚，因此阳极中游区域的水蒸气移动阻力比阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力进一步增大。因此，在第三实施例的燃料电池中，比较多的生成水(水蒸气)在阳极上游区域从阴极侧向阳极侧移动，并抑制阳极中游区域的从阳极侧向阴极侧的水蒸气的移动，比较多的水蒸气到达阳极侧的阳极下游区域且向阴极侧移动，因此在包含阳极下游区域的发电区域的整体上会充分地抑制干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。
图24是表示研究了第三实施例的燃料电池的发电性能的实验结果的一例的说明图。图24表示以阳极侧扩散层820的厚度在各区域相同且阳极侧催化剂层804的厚度在各区域也相同的比较例的燃料电池、及第三实施例的燃料电池为对象，而研究了冷却水温度与总输出的关系的实验结果。如图24所示，在第三实施例的燃料电池中，与比较例的燃料电池相比，尤其是在高温运转时会抑制输出下降。
另外，在燃料电池中，仅仅是使阳极中游区域的阳极侧催化剂层804的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧催化剂层804的厚度厚时，在阳极上游区域及阳极下游区域，阳极侧催化剂层804与阳极侧扩散层820的接触性恶化，燃料电池的电气的特性、排水特性可能会变差，除此之外由于需要根据区域而区分涂敷阳极侧催化剂层804的厚度，因此制造工序烦杂。在第三实施例的燃料电池中，阳极中游区域的阳极侧催化剂层804的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧催化剂层804的厚度厚，且阳极中游区域的阳极侧扩散层820的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧扩散层820的厚度薄，因此会抑制燃料电池的电气特性、排水特性的恶化、制造工序的烦杂化，且在包含阳极下游区域的发电区域的整体上会充分地抑制干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。
D.第四实施例：
图25是表示构成第四实施例的燃料电池的阳极侧流路层860的平面结构的说明图。第四实施例的阳极侧流路层860与第一实施例的阳极侧多孔体流路层840同样地，作为燃料气体流路层发挥作用。即，在第四实施例的燃料电池中，如图25中的箭头所示，向燃料气体供给岐管130供给的燃料气体也在阳极侧流路层860的内部沿着朝向燃料气体排出岐管140的方向流动，并向燃料气体排出岐管140排出。在阳极侧流路层860中流动的燃料气体在与阳极侧流路层860抵接的阳极侧扩散层820的整体上扩散，向发电体层810的阳极供给，供于阳极反应。
另外，阳极侧流路层860与第一实施例的阳极侧多孔体流路层840同样地，在阳极上游区域及阳极下游区域具有阻塞气体流路且气体流动阻力大的阻塞部(未图示)。因此，在第四实施例的燃料电池中，阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力。
图26是表示构成第四实施例的燃料电池的阴极侧流路层870的平面结构的说明图。第四实施例中的阴极侧流路层870与第一实施例的阴极侧多孔体流路层850同样地，作为氧化气体流路层发挥作用。即，在第四实施例的燃料电池中，如图26中的箭头所示，向氧化气体供给岐管110供给的氧化气体也在阴极侧流路层870的内部沿着朝向氧化气体排出岐管120的方向流动，向氧化气体排出岐管120排出。在阴极侧流路层870中流动的氧化气体在与阴极侧流路层870抵接的阴极侧扩散层830的整体上扩散，并向发电体层810的阴极供给，供于阴极反应。
如图26所示，阴极侧流路层870具有：形成了多个突起的压花部EP；及通过与氧化气体流动方向大致平行的多个肋R形成多个槽的槽部GP。在阴极侧流路层870中，压花部EP配置在阳极上游区域(即阴极下游区域)和阳极下游区域(即阴极上游区域)，槽部GP配置在阳极中游区域(即阴极中游区域)。压花部EP由于具有多个突起，因而无突起的部分具有呈网眼状连续的空间，起到将氧化气体沿着面方向均匀地分配的功能。槽部GP起到使氧化气体从氧化气体供给岐管110向朝着氧化气体排出岐管120的方向有效地流动的功能。
需要说明的是，阳极侧流路层860及阴极侧流路层870例如通过对不锈钢、钛的平板进行冲压加工来制造。或者阳极侧流路层860及阴极侧流路层870也可以使用碳这样其他的导电性材料来制造。
另外，如图25及图26所示，第四实施例的燃料电池中，外形、各岐管(氧化气体供给岐管110、氧化气体排出岐管120、燃料气体供给岐管130、燃料气体排出岐管140、冷却介质供给岐管150、冷却介质排出岐管160)的位置与第一实施例稍有不同，但除了本实施例中记载的事项之外，其结构、作用效果与第一实施例的燃料电池相同。
在第四实施例的阴极侧流路层870中，在阳极上游区域侧(阴极下游区域侧)配置压花部EP，在该压花部EP中氧化气体的流速下降，因此液体水容易滞留于该压花部EP。因此，在第四实施例的燃料电池中，在阳极上游区域(阴极下游区域)中，抑制水在阴极侧不足的情况，从而高效率地进行从阴极侧向阳极侧的水移动。因此，在第四实施例的燃料电池中，在阳极上游区域中，水高效率地从阴极侧向阳极侧移动，且抑制阳极中游区域中的从阳极侧向阴极侧的水的移动，比较多的水到达阳极侧的阳极下游区域且向阴极侧移动，因此在包含阳极下游区域的发电区域的整体上充分地抑制干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。
E.第五实施例：
图27是表示构成第五实施例的燃料电池的阳极侧流路层880的平面结构的说明图。第五实施例中的阳极侧流路层880与第一实施例的阳极侧多孔体流路层840同样地，作为燃料气体流路层发挥作用。即，在第五实施例的燃料电池中，向燃料气体供给岐管130供给的燃料气体也在阳极侧流路层880的内部沿着朝向燃料气体排出岐管140的方向流动，并向燃料气体排出岐管140排出。在阳极侧流路层880中流动的燃料气体在与阳极侧流路层880抵接的阳极侧扩散层820的整体上扩散，向发电体层810的阳极供给，供于阳极反应。
如图27所示，阳极侧流路层880具有：形成了多个突起的压花部EP；及通过与燃料气体流动方向大致平行的多个肋R而形成多个槽的槽部GP。在阳极侧流路层880中，压花部EP配置在阳极上游区域和阳极下游区域，槽部GP配置在阳极中游区域。压花部EP由于具有多个突起，因而无突起的部分具有呈网眼状连续的空间，起到将燃料气体沿着面方向均匀地分配的作用。槽部GP起到使燃料气体从燃料气体供给岐管130向朝着燃料气体排出岐管140的方向高效率地流动的作用。
图28至图30是表示第五实施例的燃料电池的剖面结构的说明图。图28表示图27的A1-A1的位置处的燃料电池的截面，图29表示图27的B1-B1的位置处的截面，图30表示图27的C1-C1的位置处的截面。如图28至图30所示，在第五实施例的燃料电池中，阴极侧流路层852也与阳极侧流路层880同样地，成为具有压花部EP和槽部GP的结构。另外，在某电池的阳极侧流路层880与相邻电池的阴极侧流路层852之间形成有冷却介质流路890。
需要说明的是，阳极侧流路层880及阴极侧流路层852例如通过对不锈钢、钛的平板进行冲压加工来制造。或者阳极侧流路层880及阴极侧流路层852也可以使用碳这样的其他的导电性材料来制造。另外，阴极侧流路层852未必一定需要具有压花部EP和槽部GP的结构。
如图27所示，在阳极侧流路层880的槽部GP中，阳极上游区域的接近压花部EP的部分(以下，称为“阳极上游侧槽部”)882和阳极下游区域的接近压花部EP的部分(以下，称为“阳极下游侧槽部”)886成为由肋R形成的槽状的流路在燃料气体流动方向的中途被阻塞的结构。即，在阳极上游侧槽部882及阳极下游侧槽部886形成的流路成为具有将沿着燃料气体流动方向的燃料气体的流动阻塞的部分的阻塞流路。另一方面，阳极侧流路层880的槽部GP的其他的部分(即，相当于阳极中游区域的部分，以下，称为“阳极中游槽部”)884成为由肋R形成的槽状的流路沿着燃料气体流动方向未被阻塞的结构。即，在阳极中游槽部884形成的流路成为没有对沿着燃料气体流动方向的燃料气体的流动进行阻塞的部分的直线状的流路。
如图27所示，阳极中游槽部884以阳极中游槽部884的各槽流路配置在阳极上游侧槽部882的肋R的延长线上的方式构成。另外，阳极中游槽部884的各肋R中的接近阳极上游侧槽部882的一侧(上游侧)的前端部分比各肋R的中央部的直径(宽度)细。
同样地，阳极下游侧槽部886以阳极下游侧槽部886的各槽流路配置在阳极中游槽部884的肋R的延长线上的方式构成。另外，阳极中游槽部884的各肋R中的接近阳极下游侧槽部886的一侧(下游侧)的前端部分比各肋R的中央部的直径(宽度)细。
需要说明的是，如图27所示，第五实施例的燃料电池中，外形、各岐管的位置与第一实施例稍有不同，但除了本实施例中记载的事项之外，其结构、作用效果与第一实施例的燃料电池相同。
在第五实施例的阳极侧流路层880中，就槽部GP的阳极上游侧槽部882及阳极下游侧槽部886而言，成为由肋R形成的槽状的流路在燃料气体流动方向的中途被阻塞的结构，因此在阳极上游区域及阳极下游区域，会促进从阳极侧流路层880向阳极侧扩散层820的燃料气体的流动。另一方面，就槽部GP的阳极中游槽部884而言，成为由肋R形成的槽状的流路在燃料气体流动方向的中途未被阻塞的结构，因此在阳极中游区域中，没有促进从阳极侧流路层880向阳极侧扩散层820的燃料气体的流动。因此，在第五实施例的燃料电池中，与第一实施例同样地，阳极中游区域的从阳极侧向阴极侧的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力。因此，在第五实施例的燃料电池中，比较多的生成水(水蒸气)在阳极上游区域从阴极侧向阳极侧移动，抑制阳极中游区域的从阳极侧向阴极侧的水蒸气的移动，比较多的水蒸气到达阳极侧的阳极下游区域且向阴极侧移动，因此在包含阳极下游区域的发电区域的整体上充分地抑制干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。
另外，在第五实施例的燃料电池中，槽部GP的结构被分割为阳极上游侧槽部882、阳极中游槽部884、阳极下游侧槽部886这3个，因此在阳极上游区域及阳极下游区域中，从阳极侧流路层880向阳极侧扩散层820的燃料气体的流动的流速增加，从而促进如下效果，即在上述的发电区域的整体上充分地抑制干燥且充分地抑制发电性能的下降。另外，在阳极上游区域及阳极下游区域中，从阳极侧流路层880向阳极侧扩散层820的燃料气体的流动的流速增加，因此能够抑制阳极上游侧槽部882及阳极下游侧槽部886的阻塞部(阻挡部)中的水的滞留。
另外，在第五实施例的燃料电池中，阳极中游槽部884的各槽流路配置在阳极上游侧槽部882的肋R的延长线上，阳极中游槽部884的各肋R的接近阳极上游侧槽部882的一侧的前端部分的直径变细，因此促进向阳极中游槽部884的各槽状流路流动的燃料气体的均等化，促进面方向上的发电的均等化。
另外，在第五实施例的燃料电池中，阳极下游侧槽部886的各槽流路配置在阳极中游槽部884的肋R的延长线上，阳极中游槽部884的各肋R中的接近阳极下游侧槽部886的一侧的前端部分的直径变细，因此容易从阳极中游槽部884的全部的槽状流路向阳极下游侧槽部886的各槽状流路的供给侧供给燃料气体，从而促进面方向上的发电的均等化。
F.变形例：
需要说明的是，本发明并不局限于上述的实施例、实施方式，在不脱离其宗旨的范围内能够以各种方式来实施，例如也能够进行如下的变形。
F1.变形例1：
在上述各实施例中，在阳极上游区域及阳极下游区域中，在阳极侧多孔体流路层840形成阻塞部842，或在阳极中游区域中增大阳极侧扩散层820的扩散阻力，而使阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，但即使由其他的结构而阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，也与上述各实施例同样地，能够得到在燃料电池的发电区域的整体上可充分地抑制干燥且可充分地抑制发电性能的下降这样的效果。例如，也可以采用以阳极中游区域的阳极(阳极催化剂层)的离聚物量相对于催化剂担载碳量的比(以下，称为I/C值)大于阳极上游区域及阳极下游区域的I/C值的方式设定各区域中的催化剂担载碳量、离聚物量的结构。图31是表示催化剂层的I/C值与两极间的水移动量的关系的说明图。如图31所示，I/C值越大而两极间的水(水蒸气)移动量越少(即，两极间的水蒸气移动阻力越大)。这是因为，I/C值越大，催化剂层中的空隙率越小(即，催化剂层内的表面积越小)，水分蒸发量减少。因此，若阳极中游区域的I/C值大于阳极上游区域及阳极下游区域的I/C值，则能够使阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，其结果是，能够得到在燃料电池的发电区域的整体上可充分地抑制干燥且可充分地抑制发电性能的下降这样的效果。
另外，也可以采用使用了阳极中游区域的电解质膜的离子交换容量(IEC)的值小于阳极上游区域及阳极下游区域的IEC的值的电解质膜的结构。图32是表示电解质膜的IEC的值与两极间的水移动量的关系的说明图。如图32所示，IEC的值越小，两极间的水(水蒸气)移动量越少(即，两极间的水蒸气移动阻力越大)。因此，若使阳极中游区域的电解质膜的IEC的值大于阳极上游区域及阳极下游区域的IEC的值，则能够使阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，能够得到在燃料电池的发电区域的整体上可充分地抑制干燥且可充分地抑制发电性能的下降这样的效果。
另外，也可以采用使阳极中游区域的阳极侧扩散层820的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧扩散层820的厚度厚的结构。若使阳极中游区域的阳极侧扩散层820的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极侧扩散层820的厚度厚，则能够使阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，能够得到在燃料电池的发电区域的整体上可充分地抑制干燥且可充分地抑制发电性能的下降这样的效果。
另外，也可以采用使阳极中游区域的阳极(阳极催化剂层)的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极的厚度厚的结构。若使阳极中游区域的阳极的厚度比阳极上游区域及阳极下游区域的阳极的厚度厚，则能够使阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，从而能够得到在燃料电池的发电区域的整体上可充分地抑制干燥且可充分地抑制发电性能的下降这样的效果。
F2.变形例2：
在上述第二实施例中，通过使阳极中游区域的阳极侧扩散层820的PTFE含有率大于阳极上游区域及阳极下游区域的PTFE含有率，从而使阳极中游区域的阳极侧扩散层820的致密度大于阳极上游区域及阳极下游区域的致密度，但在阳极中游区域中，也可以通过对阳极侧扩散层820进行冲压压缩加工或使用基材纤维密度更大的阳极侧扩散层820，而使阳极中游区域的阳极侧扩散层820的致密度比阳极上游区域及阳极下游区域的值大。即便如此，也与第二实施例同样地，能够使阳极中游区域的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，从而能够得到在燃料电池的发电区域的整体上可充分地抑制干燥且可充分地抑制发电性能的下降这样的效果。
F3.变形例3：
在上述各实施例中，阳极上游区域具有发电区域DA的沿着燃料气体流动方向的整个宽度的4分之1的宽度，阳极下游区域具有该整个宽度的8分之1的宽度，阳极中游区域具有剩余的宽度(即整个宽度的8分之5的宽度)，但各区域的宽度并不局限于此。阳极上游区域只要是包含发电区域DA内的沿着燃料气体流动方向的最上游位置的区域即可，阳极下游区域只要是包含发电区域DA内的沿着燃料气体流动方向的最下游位置的区域。图33是表示对阳极上游区域及阳极下游区域的宽度进行各种变更时的燃料电池的性能试验结果的一例的说明图。若基于图33所示的结果，则阳极上游区域优选为发电区域DA的沿着燃料气体流动方向的整个宽度的3分之1的宽度以下，阳极下游区域优选为发电区域DA的沿着燃料气体流动方向的整个宽度的6分之1的宽度以下。另外，阳极中游区域优选为包含发电区域DA的沿着燃料气体流动方向的中央位置的区域。
F4.变形例4：
在上述各实施例中，燃料电池100是逆流型，如图8所示，燃料气体流动方向与氧化气体流动方向相反(2个方向所成的角为180度)，但燃料气体流动方向与氧化气体流动方向的关系只要为相对的关系即可，无需为完全反向的关系。燃料气体流动方向与氧化气体流动方向相对的关系是指燃料气体流动方向与氧化气体流动方向不相同(即，不平行)。燃料气体流动方向与氧化气体流动方向的关系优选发电区域DA的沿着燃料气体流动方向的上游侧一半的区域与沿着氧化气体流动方向的下游侧一半的区域从层叠方向观察的重合超过各区域的一半的关系。燃料气体流动方向与氧化气体流动方向所成的角优选处于180度±60度的范围，更优选处于180度±30度的范围。
图34是表示变形例中的燃料电池100的平面的说明图。在图34所示的燃料电池100中，燃料气体流动方向与氧化气体流动方向所成的角为约130度。即使是此种燃料电池100，由于阳极侧的阳极上游区域的大部分与阴极侧的阴极下游区域的大部分沿着层叠方向相对，因此通过使阳极中游区域的两极间的水蒸气移动阻力大于阳极上游区域及阳极下游区域的水蒸气移动阻力，从而在燃料电池的发电区域的整体上充分地抑制干燥，从而充分地抑制发电性能的下降。
F5.变形例5：
在上述各实施例中，特定了层叠部800的各构件、隔板600的各构件的材料，但并未限定为这些材料，而可以使用适当的各种材料。例如，虽然使用金属多孔体来形成阳极侧多孔体流路层840及阴极侧多孔体流路层850，但也可以使用例如碳多孔体这样的其他的材料来形成。另外，虽然隔板600使用金属形成，但也可以使用例如碳这样的其他的材料。
另外，在上述各实施例中，隔板600是将3层的金属板层叠而成的结构，与该发电区域DA对应的部分为平坦的形状，但也可以取而代之而形成为其他的任意的形状。具体而言，也可以采用在与发电区域对应的表面形成了槽状的反应气体流路的隔板(例如，由碳制作)，也可以采用在与发电区域对应的部分具有作为反应气体流路发挥作用的波板形状的隔板(例如，对金属板进行冲压成形来制作)。
另外，在上述各实施例中，层叠部800构成包括发电体层810、阳极侧扩散层820及阴极侧扩散层830、阳极侧多孔体流路层840及阴极侧多孔体流路层850，但并不局限于此。例如，在使用形成有反应气体流路的隔板、具有作为反应气体流路发挥作用的波板形状的隔板时，也可以没有阳极侧及阴极侧多孔体。
标号说明：
100...燃料电池
110...氧化气体供给岐管
120...氧化气体排出岐管
130...燃料气体供给岐管
140...燃料气体排出岐管
150...冷却介质供给岐管
160...冷却介质排出岐管
200...发电模块
300...阳极板
322...岐管形成部
350...燃料气体供给狭缝
354...燃料气体排出狭缝
400...阴极板
422...岐管形成部
440...氧化气体供给狭缝
444...氧化气体排出狭缝
500...中间板
522...岐管形成部
524...岐管形成部
526...岐管形成部
528...岐管形成部
542...氧化气体供给流路形成部
544...氧化气体排出流路形成部
546...燃料气体供给流路形成部
548...燃料气体排出流路形成部
550...冷却介质流路形成部
600...隔板
630...燃料气体供给流路
640...燃料气体排出流路
650...氧化气体供给流路
660...氧化气体排出流路
670...冷却介质流路
700...密封构件
710...支承部
720...肋
800...层叠部
802...电解质膜
804...阳极侧催化剂层
806...阴极侧催化剂层
810...发电体层
820...阳极侧扩散层
830...阴极侧扩散层
840...阳极侧多孔体流路层
842...阻塞部
850...阴极侧多孔体流路层
852...阴极侧流路层
860...阳极侧流路层
870...阴极侧流路层
880...阳极侧流路层
890...冷却介质流路

Claims (13)

1.一种燃料电池，具备：
发电体层，包括电解质膜和配置在所述电解质膜的两侧的阳极及阴极；
燃料气体流路层，配置在所述发电体层的所述阳极侧，使燃料气体沿着与层叠所述燃料电池的各层的层叠方向大致正交的燃料气体流动方向流动并向所述阳极供给燃料气体；及
氧化气体流路层，配置在所述发电体层的所述阴极侧，使氧化气体沿着与所述燃料气体流动方向相对的氧化气体流动方向流动并向所述阴极供给氧化气体，
与在所述燃料电池中进行发电的区域即发电区域的包括沿着所述燃料气体流动方向的最上游位置的上游区域及所述发电区域的包括沿着所述燃料气体流动方向的最下游位置的下游区域相比，作为所述发电区域的剩余的区域的中游区域的所述阳极侧与所述阴极侧之间的水蒸气移动阻力较大。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
还具备配置在所述阳极与所述燃料气体流路层之间的阳极侧扩散层，
所述燃料气体流路层构成为，所述上游区域及所述下游区域的气体流动阻力大于所述中游区域的气体流动阻力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，
在所述上游区域及所述下游区域的所述燃料气体流路层形成阻塞气体流路的阻塞部。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
还具备配置在所述阳极与所述燃料气体流路层之间的阳极侧扩散层，
所述阳极侧扩散层构成为，所述中游区域的扩散阻力大于所述上游区域及所述下游区域的扩散阻力。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，
所述阳极侧扩散层中，所述中游区域的致密度大于所述上游区域及所述下游区域的致密度。
6.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，
所述阳极侧扩散层中，所述中游区域的厚度大于所述上游区域及所述下游区域的厚度。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述阳极中，所述中游区域的离聚物量相对于催化剂担载碳量之比的值大于所述上游区域及所述下游区域的所述比的值。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述阳极中，所述中游区域的厚度大于所述上游区域及所述下游区域的厚度。
9.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述电解质膜中，所述中游区域的离子交换容量小于所述上游区域及所述下游区域的离子交换容量。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
还具备配置在所述阳极与所述燃料气体流路层之间的阳极侧扩散层，
所述阳极侧扩散层中，由于在所述中游区域被压缩，因而所述中游区域的厚度比所述上游区域及所述下游区域的厚度薄，
所述阳极中，所述中游区域的厚度比所述上游区域及所述下游区域的厚度厚。
11.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，
所述氧化气体流路层具有配置在所述燃料电池的所述上游区域且促进水的滞留的水滞留部。
12.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述燃料气体流路层中，在所述燃料电池的所述上游区域及所述下游区域形成有具有阻塞沿着所述燃料气体流动方向的燃料气体的流动的部分的阻塞流路，且在所述燃料电池的所述中游区域形成有不具有阻塞沿着所述燃料气体流动方向的燃料气体的流动的部分的直线状的流路。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池，其中，
所述中游区域是所述发电区域的包含沿着所述燃料气体流动方向的中央位置的区域。
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