CN115989602A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，其具备伴随着MEA(40)中的电极反应而在阴极电极产生的生成水排出到外部的排出结构(F)。排出结构(F)具备：流过作为氧化剂的空气的排出路径(28)、将氧化剂供给流路(21)和排出路径(28)可连通地连接并使在阴极电极产生的生成水向排出路径(28)移动的通路(29)、以及将移动到排出路径(28)的生成水排出到外部的排出部(20c)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
燃料电池，特别是固体高分子型燃料电池通常具备由形成于电解质膜的一面侧的阳极电极和形成于另一面侧的阴极电极构成的电极结构体。而且，在固体高分子型燃料电池中，通过向阳极电极供给燃料并且从外部向阴极电极供给氧化剂，从而在电极结构体中发生电极反应而发电。
近年，作为向阳极电极供给的燃料，开发了直接使用甲醇、甲酸等液体燃料的直接型燃料电池。在使用液体燃料的情况下，与使用氢气作为燃料的情况相比，处理更容易，单位体积的能量密度更高，非常有用。
在燃料电池中，即使在使用氢气、液体燃料的情况下，也伴随着电极反应而在阴极电极侧产生生成水。特别是，在液体状态的生成水覆盖阴极电极的表面的情况下，即在发生溢流现象的情况下，形成阴极电极的催化剂与氧(O2)的接触受损，其结果是存在燃料电池的发电效率降低的风险。
因此，以往，例如在日本特开2008－108573号公报和日本特开2012－38569号公报中公开了将产生的生成水从阴极电极的表面去除的技术。
然而，在上述现有技术中，通过将氧化剂的压力作用于生成水而将存在于阴极电极表面附近的生成水沿着阴极电极的表面去除，而不使其主动地在离开阴极电极的方向上移动。在这种情况下，即使在阴极电极的表面存在液体状态的生成水而可能发生溢流现象的状况下，也存在根据阴极电极的表面形状而不能将生成水连续且高效地排出到燃料电池的外部的风险。在这种情况下，伴随着燃料电池的发电的持续，在阴极电极的表面大量存在液体状态的生成水，其结果是，有可能发生溢流现象而使燃料电池的发电效率降低。因此，在上述现有技术中，在将产生的气体状态和液体状态的生成水高效地排出到外部方面存在改善的余地。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够将伴随着电极反应而产生的生成水高效地排出到外部的燃料电池。
根据本发明的一个方面，燃料电池包括：具有电解质膜、阳极电极和阴极电极的电极结构体；具有向上述阳极电极供给液体燃料的燃料供给流路的阳极侧隔离件；具有向上述阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给流路的阴极侧隔离件；以及在上述阳极侧隔离件和上述阴极侧隔离件之间配置有上述电极结构体的单电池。上述燃料电池通过上述电极结构体中的电极反应而发电。所述阴极侧隔离件包括：设置于与所述电极结构体的所述阴极电极相对应的位置的对置面；设置于所述阴极侧隔离件的板厚方向上与该对置面相反的一侧的背面；构成为使伴随着上述电极反应而在上述阴极电极产生的生成水在上述板厚方向上从上述对置面向上述背面移动的通路；以及介由上述通路将移动到上述背面的上述生成水排出到上述燃料电池的外部的排出结构。
由此，排出结构能够使通过电极结构体中的电极反应而在阴极电极产生的生成水介由设置于阴极侧隔离件的通路，从与阴极电极相对的对置面向阴极侧隔离件的背面移动，排出到外部。即，排出结构能够使在阴极电极产生的生成水介由通路向离开阴极电极的方向移动而连续排出到外部。由此，即使在燃料电池继续发电的状况下，也不会在阴极电极的表面大量积存生成水，其结果是，能够抑制发生溢流现象。因此，能够抑制由在阴极电极产生的生成水引起的燃料电池的发电效率的降低。
附图说明
图1是表示燃料电池的构成的图。
图2是表示由层叠的单电池形成的燃料电池组的构成的图。
图3是表示阳极侧隔离件的构成的图。
图4是表示阴极侧隔离件的对置面侧的构成的图。
图5是表示阴极侧隔离件的背面侧的构成的图。
图6是表示密封部件的构成的图。
图7是表示MEA的构成的图。
图8是表示沿图7的VIII－VIII的MEA的截面的截面图。
图9是用于说明生成水的排出的截面图。
图10是用于说明第一变形例的构成的截面图。
具体实施方式
(1.燃料电池的概要)
在本例中，例示固体高分子型燃料电池作为燃料电池。即，本例的燃料电池在电解质膜的一面侧形成阳极电极，在电解质膜的另一面侧形成阴极电极。这里，电解质膜、阳极电极和阴极电极形成作为电极结构体的MEA(Membrane-Electrode-Assembly：膜―电极接合体)。
另外，本例的燃料电池设有向阳极电极供给燃料的阳极侧隔离件(包括集电体)和向阴极电极供给氧化剂(氧化剂气体)的阴极侧隔离件(包括集电体)。而且，本例的燃料电池通过形成包含MEA、阳极侧隔离件和阴极侧隔离件的一个电池(以下称为单电池)并层叠多个单电池而形成燃料电池组。
在本例中，作为向燃料电池的阳极电极供给的燃料，可以例示甲酸(HCOOH)、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)等液体燃料。这里，在以下说明的燃料电池中，例示直接使用甲酸来作为供给的液体燃料的情况。即，本例的燃料电池例示作为固体高分子型燃料电池的直接甲酸型燃料电池(DFAFC)。另外，在本例中，作为向燃料电池的阴极电极供给的氧化剂(氧化剂气体)，可以例示氧(O2)气、空气等。这里，在以下说明的燃料电池中，例示使用空气来作为供给的气体的氧化剂即氧化剂气体的情况。
在直接甲酸型燃料电池的情况下，如果向MEA的阳极电极直接供给作为液体燃料的甲酸并向MEA的阴极电极供给作为氧化剂(氧化剂气体)的空气(O2)，则伴随着MEA中的电极反应而在阴极电极侧产生生成水(H2O)。而且，如果产生的生成水伴随着冷却而凝集而成为液体状态，则覆盖阴极电极(更具体而言，构成阴极电极的催化剂层)的表面，阻碍阴极电极与空气的接触。本例的燃料电池为了将生成水排出到外部，具备排出结构，其使在阴极电极产生的生成水以离开阴极电极的表面的方式移动，并将移动的生成水排出到外部。
因此，本例的燃料电池的阴极侧隔离件在与阴极电极相对的对置面形成供给氧化剂(氧化剂气体)的供给路径，同时在阴极侧隔离件的板厚方向上成为对置面的背侧的背面形成排出路径，并且通过沿板厚方向形成的通路连接供给路径和排出路径。由此，在阴极电极侧产生的生成水能够通过通路从阴极侧隔离件的对置面侧向形成于背面侧的排出路径移动，通过排出路径排出到外部。因此，伴随着电极反应而产生的生成水被从阴极电极连续且高效地去除。
另外，由于排出路径形成于阴极侧隔离件，所以通过使作为对流体加压而得的加压流体的例如被加压并供给于阴极电极的氧化剂(氧化剂气体)即空气进行分支，从而能够流入排出路径。由此，通过通路到达排出路径的生成水例如与氧化剂(空气)一起排出到外部。应予说明，对于流体，代替进行加压，例如也可以从外部吸入并流动。
(2.直接甲酸型燃料电池1的构成的详细情况)
以下，对于本例的直接甲酸型燃料电池1(以下简称为“燃料电池1”)的构成，参照附图进行说明。如图1所示，本例的燃料电池1形成燃料电池组S。燃料电池组S为层叠有多个单电池U的状态，层叠的多个单电池U由支架H和螺栓B保持。本例的燃料电池组S为将在垂直方向上配置的多个单电池U沿水平方向层叠而成的横置方式。在燃料电池组S中，对储存于供给罐T1的液体燃料即甲酸进行加压而供给的燃料泵P1介由配管(省略图示)与连接部K1连接。另外，在燃料电池组S中，对作为氧化剂(氧化剂气体)的空气进行加压而提供的鼓风机P2(加压泵)介由配管(省略图示)与连接部K2连接。
如图2所示，单电池U具备阳极侧隔离件10和阴极侧隔离件20。而且，本例的单电池U包含配置于阳极侧隔离件10和阴极侧隔离件20之间而层叠的密封部件30和MEA40而构成。
如图3所示，阳极侧隔离件10形成为板状。而且，本例的阳极侧隔离件10具有对通过MEA40中的电极反应而发电的电进行集电的集电功能(所谓的集电体)，对金属制的坯材、例如SUS316等不锈钢的薄板等实施镀金等导电处理。应予说明，在本例中，使用金属制的坯材形成阳极侧隔离件10，但也可以将具有导电性的非金属材料(例如碳或与碳的复合材料等)作为坯材形成。
在阳极侧隔离件10的中央部分、即与MEA40(更具体而言，后述的阳极电极即阳极电极层AE)对置的位置，形成用于将作为液体燃料的甲酸供给到阳极电极层AE的燃料供给流路11。如图3所示，本例的燃料供给流路11例示以曲折的方式形成的情况。另外，在阳极侧隔离件10的周边部分设有用于向燃料供给流路11供给甲酸的燃料供给口12和用于将通过燃料供给流路11的甲酸排出的燃料排出口13。
燃料供给口12供给由设置于燃料电池组S外部的燃料泵P1(参照图1)加压的甲酸。燃料泵P1对储存于供给罐T1(参照图1)的甲酸进行加压而供给。燃料排出口13与设置于燃料电池组S外部的回收罐T2(参照图1)连接，将排出的甲酸排出到回收罐T2。应予说明，本例的阳极侧隔离件例示在设有燃料电池组S的状态下，在垂直方向下方侧设置燃料供给口12，在垂直方向上方侧设置燃料排出口13的情况。但是，根据需要，也可以在垂直方向上方侧设置燃料供给口12，在垂直方向下方侧设置燃料排出口13。
由此，在本例的单电池U中，从供给罐T1由燃料泵P1加压的甲酸从燃料供给口12供给到燃料供给流路11，流过燃料供给流路11的甲酸在与阳极电极层AE接触的同时到达燃料排出口13。即，在本例中，从燃料供给口12供给的甲酸在垂直方向从下方侧向上方侧流过燃料供给流路11，到达燃料排出口13。然后，到达燃料排出口13的、即未反应的甲酸被回收到回收罐T2。
另外，在阳极侧隔离件10的周边部分设有用于向构成单电池U的阴极侧隔离件20供给空气并排出未反应的空气的贯通孔14和贯通孔15。应予说明，贯通孔14、15设置在相对于燃料供给口12和燃料排出口13例如错开90度的位置。进而，在阳极侧隔离件10的周边部分设有多个(在图3中为8处)用于插入支架H的螺栓B的大直径的插入孔16，并且设有用于向外部取出电的电极部17。应予说明，对于电极部17，在形成燃料电池组S时，例如也可以仅设置在构成位于端部的单电池U的阳极侧隔离件10。
如图4和图5所示，阴极侧隔离件20形成为板状。而且，本例的阴极侧隔离件20也具有对通过MEA40中的电极反应而发电的电进行集电的集电功能(所谓的集电体)，对金属制的坯材、例如SUS316等不锈钢的薄板等实施镀金等导电处理。应予说明，在本例中，阴极侧隔离件20也与阳极侧隔离件10同样地使用金属制的坯材形成，但也可以将具有导电性的非金属材料(例如碳或与碳的复合材料等)作为坯材形成。
在阴极侧隔离件20的中央部分，在与MEA40(更具体而言，后述的阴极电极即阴极电极层CE)对置的对置面20a侧，如图4所示，形成用于将作为氧化剂(氧化剂气体)的空气供给到阴极电极层CE的氧化剂供给流路21。如图4所示，本例的氧化剂供给流路21例示形成为曲折形状的凹凸(槽)的情况。
另外，在阴极侧隔离件20的周边部分设有用于向氧化剂供给流路21供给空气即氧(O2)的氧化剂供给口22和用于将通过氧化剂供给流路21的空气排出的氧化剂排出口23。氧化剂供给口22供给由设置于燃料电池组S外部的鼓风机P2(参照图1)加压的空气。应予说明，在本例中，燃料电池1具备鼓风机P2，将空气通过鼓风机P2加压而供给。但是，根据需要，也可以省略鼓风机P2。
氧化剂排出口23将排出的空气排出到燃料电池组S的外部。由此，在本例的单电池U中，由鼓风机P2加压的空气即氧(O2)从氧化剂供给口22供给到氧化剂供给流路21，流过氧化剂供给流路21的空气即氧(O2)在与阴极电极层CE接触的同时到达氧化剂排出口23。然后，到达氧化剂排出口23的、即未反应的空气(氧(O2))被排出到燃料电池组S的外部。
另外，在阴极侧隔离件20的周边部分设有用于向构成单电池U的阳极侧隔离件10供给甲酸并排出未反应的甲酸的贯通孔24和贯通孔25。应予说明，贯通孔24、25设置在相对于氧化剂供给口22和氧化剂排出口23例如错开90度的位置。
进而，在阴极侧隔离件20的周边部分也设有多个(在图4和图5中为8处)用于插入支架H的螺栓B的大直径的插入孔26，并且设有用于向外部取出电的电极部27。应予说明，对于电极部27，在形成燃料电池组S时，例如也可以仅设置在构成位于端部的单电池U的阴极侧隔离件20。
这里，阳极侧隔离件10的燃料供给口12可与阴极侧隔离件20的贯通孔24连通，阳极侧隔离件10的燃料排出口13可与阴极侧隔离件20的贯通孔25连通。另外，阴极侧隔离件20的氧化剂供给口22可与阳极侧隔离件10的贯通孔14连通，阴极侧隔离件20的氧化剂排出口23可与阳极侧隔离件10的贯通孔15连通。即，阳极侧隔离件10的贯通孔14、15与阴极侧隔离件20的氧化剂供给口22和氧化剂排出口23对应地形成，阴极侧隔离件20的贯通孔24、25与阳极侧隔离件10的燃料供给口12和燃料排出口13对应地形成。
进而，如图5所示，在阴极侧隔离件20的板厚方向上成为对置面20a的背侧的背面20b的中央部分形成将通过MEA40(阴极电极层CE)中的电极反应而产生的生成水(H2O)向燃料电池组S(单电池U)的外部排出的排出结构F。如图5所示，排出结构F具备排出部20c、排出路径28和通路29。
本例的排出路径28例示由多个直线形状的凹凸、具体而言在图5中为6根直线形状的槽28a形成的情况。本例的排出路径28相对于形成于对置面20a的氧化剂供给流路21的直线部分例如旋转90度而形成。而且，排出路径28的槽28a的一端侧即上游侧与氧化剂供给口22连接，排出路径28的槽28a的另一端侧即下游侧以在构成燃料电池组S的状态下与外部连通的方式与形成于阴极侧隔离件20的排出部20c连接。
应予说明，在本例中，排出结构F具备排出部20c和排出路径28，排出路径28构成为与排出部20c连接。但是，也可以构成为：代替排出部20c(省略排出部20c)而将排出路径28(槽28a)延伸设置到阴极侧隔离件20的端部，将生成水(H2O)排出到燃料电池组S(单电池U)的外部。
这里，本例的阴极侧隔离件20在设置有燃料电池组S的状态下，在垂直方向上方侧配置氧化剂供给口22，在垂直方向下方侧配置排出部20c。即，对于本例的排出路径28，与氧化剂供给口22连接的上游侧为垂直方向上方侧，与排出部20c连接的下游侧为垂直方向下方侧。
由此，在层叠单电池U而形成燃料电池组S的状态下，由鼓风机P2加压而供给到氧化剂供给口22的空气的一部分作为氧化剂(氧化剂气体)流过氧化剂供给流路21，并且另一部分作为加压流体流过排出路径28(槽28a)。即，供给到氧化剂供给口22的空气通过分支而流过氧化剂供给流路21和排出路径28(槽28a)。
通路29将形成于阴极侧隔离件20的对置面20a的氧化剂供给流路21(更具体而言，形成氧化剂供给流路21的槽)和形成于阴极侧隔离件20的背面20b的排出路径28(更具体而言，槽28a)以能够在阴极侧隔离件20的板厚方向上连通的方式连接。如图4和图5中由虚线包围所示，对于本例的通路29，对置面20a和背面20b的开口设置为狭缝状，并且与轴向(即通路29延伸的方向)正交的截面形状为四边形的贯通孔，设有多个(例如90个)。
这里，在本例中，例如以成为阴极侧隔离件20的板厚的一半的深度的方式在对置面20a形成氧化剂供给流路21的槽，以沿着相对于氧化剂供给流路21旋转90度的方向、成为阴极侧隔离件20的板厚的一半的深度的方式在背面20b形成排出路径28的槽28a。即，在本例中，如图4和图5所示，通路29的形成位置处的氧化剂供给流路21的槽的形成方向与通路29的形成位置处的排出路径28的槽28a的形成方向交叉。由此，在本例中，通过形成氧化剂供给流路21和排出路径28，形成截面形状为四边形的通路29。
由此，如后所述，通过MEA40中的电极反应而在阴极电极层CE产生的生成水(H2O)介由通路29从阴极侧隔离件20的对置面20a向背面20b、即从氧化剂供给流路21向排出路径28移动。然后，通过通路29到达排出路径28的生成水(H2O)与流过排出路径28的空气一起从阴极侧隔离件20的排出部20c排出到外部。即，具有排出部20c、排出路径28和通路29的排出结构F能够使通过MEA40中的电极反应而在阴极电极层CE产生的生成水(H2O)向离开阴极电极层CE的方向移动并排出到外部。
这里，通过使空气流过直线形状的排出路径28(槽28a)，排出路径28中的压力与曲折形状的氧化剂供给流路21中的压力相比，由于空气的流速的差异(或压力损失的差异)而相对降低，气体状态(水蒸气)的生成水(H2O)容易通过通路29向排出路径28移动。另外，在产生的生成水(H2O)凝结而液化的情况下，产生由液体状态的生成水(H2O)的表面张力引起的毛细管现象，生成水(H2O)容易通过通路29向排出路径28移动。因此，排出结构F能够将产生的生成水(H2O)高效地排出到燃料电池组S(单电池U)的外部。
如图6所示，密封部件30形成为板状。这里，密封部件30由弹性材料例如EPDM等橡胶材料、弹性体材料等形成。密封部件30以两张为一对而使用，各密封部件30夹持MEA40，并且被阳极侧隔离件10和阴极侧隔离件20夹持。
密封部件30在中央部分具有以收纳MEA40的阳极电极层AE和阴极电极层CE的方式贯通的收纳部31。由此，在密封部件30夹持MEA40的状态下，介由阳极侧隔离件10的燃料供给流路11供给的甲酸通过流过收纳部31的内部而供给到阳极电极层AE。另外，在密封部件30夹持MEA40的状态下，介由阴极侧隔离件20的氧化剂供给流路21供给的空气通过流过收纳部31的内部而供给到阴极电极层CE。
另外，在密封部件30的周边部分，在形成单电池U的状态下，在与设置于阳极侧隔离件10的燃料供给口12(对应于阴极侧隔离件20的贯通孔24)和燃料排出口13(对应于阴极侧隔离件20的贯通孔25)对应的位置形成贯通孔32、33。由此，在形成单电池U的状态下，燃料供给口12(贯通孔24)与贯通孔32连通，燃料排出口13(贯通孔25)与贯通孔33连通。
另外，在密封部件30的周边部分，在形成单电池U的状态下，在与设置于阴极侧隔离件20的氧化剂供给口22(对应于阳极侧隔离件10的贯通孔14)和氧化剂排出口23(对应于阳极侧隔离件10的贯通孔15)对应的位置形成贯通孔34、35。由此，在形成单电池U的状态下，氧化剂供给口22(贯通孔14)与贯通孔34连通，氧化剂排出口23(贯通孔15)与贯通孔35连通。进而，在密封部件30的周边部分形成以插入支架H的螺栓B的方式形成的插入孔36。
如图7和图8所示，作为电极结构体的MEA40以电解质膜EF、通过在电解质膜EF上将规定的催化剂层叠为层状而形成的作为供给甲酸的阳极电极的阳极电极层AE、以及作为供给空气的阴极电极的阴极电极层CE为主要构成部件。应予说明，由于这些电解质膜EF、阳极电极层AE和阴极电极层CE的电极反应广为人知，所以在以下的记载中省略其详细说明。
本例的电解质膜EF由选择性地透过阳离子(更具体而言，氢离子(H+))的离子交换膜(例如杜邦公司制Nafion(注册商标)等)形成。而且，如图7所示，在电解质膜EF的周边部分，在形成单电池U的状态下，在与设置于阳极侧隔离件10的燃料供给口12(对应于阴极侧隔离件20的贯通孔24)、燃料排出口13(对应于阴极侧隔离件20的贯通孔25)以及密封部件30的贯通孔32、33对应的位置形成贯通孔41、42。由此，在形成单电池U的状态下，燃料供给口12(贯通孔24、32)与贯通孔41连通，燃料排出口13(贯通孔25、33)与贯通孔42连通。
另外，在电解质膜EF的周边部分，在形成单电池U的状态下，在与设置于阴极侧隔离件20的氧化剂供给口22(对应于阳极侧隔离件10的贯通孔14)、氧化剂排出口23(对应于阳极侧隔离件10的贯通孔15)以及密封部件30的贯通孔34、35对应的位置形成贯通孔43、44。由此，在形成单电池U的状态下，氧化剂供给口22(贯通孔14、34)与贯通孔43连通，氧化剂排出口23(贯通孔15、35)与贯通孔44连通。进而，在电解质膜EF的周边部分形成以插入支架H的螺栓B的方式形成的插入孔45。
作为电极层的阳极电极层AE和阴极电极层CE以担载贵金属催化剂(例如钯(Pd)、铂(Pt)等)的碳(担载碳)为主要成分，如图8所示，相对于电解质膜EF的中央部分的表面形成为层状。这里，形成为层状的阳极电极层AE和阴极电极层CE以厚度比密封部件30的厚度稍大的方式形成。另外，形成为层状的阳极电极层AE和阴极电极层CE为比密封部件30的收纳部31的大小稍小的外形尺寸。
另外，如图8所示，阳极电极层AE和阴极电极层CE的各表面侧被由具有导电性的纤维形成的作为扩散层的碳布(或碳纸)CC覆盖。碳布CC使供给到阳极电极层AE的甲酸和供给到阴极电极层CE的空气扩散，并且将通过电极反应而发电的电高效地供给到阳极侧隔离件10和阴极侧隔离件20。
即，由于碳布CC为纤维状，所以通过在纤维间导通，从而供给的甲酸和空气均匀地扩散。另外，由于碳布CC具有导电性，所以能够使发电的电高效地流向阳极侧隔离件10和阴极侧隔离件20。
而且，如图2所示，单电池U通过在水平方向依次层叠阳极侧隔离件10、密封部件30、MEA40、密封部件30和阴极侧隔离件20而形成。这里，在形成单电池U的情况下，根据需要，可以将各部件彼此例如使用导电性粘接剂等气密地粘接。
形成的单电池U根据要求的输出而层叠多个，由此构成燃料电池组S。在这样构成的燃料电池组S中，成为在层叠的单电池U之间各阳极侧隔离件10的燃料供给口12和燃料排出口13介由阴极侧隔离件20的贯通孔24、25等连通的状态。另外，在燃料电池组S中，成为在层叠的单电池U之间各阴极侧隔离件20的氧化剂供给口22和氧化剂排出口23介由阳极侧隔离件10的贯通孔14、15等连通的状态。
应予说明，在以下的说明中，将由阳极侧隔离件10的燃料供给口12和阴极侧隔离件20的贯通孔24等形成且流过甲酸的连通路径称为“燃料侧歧管”。另外，将由阴极侧隔离件20的氧化剂供给口22和阳极侧隔离件10的贯通孔14等形成且流过空气的连通路径称为“氧化剂侧歧管”。
(3.燃料电池1的运行)
接下来，对如上所述构成燃料电池组S的燃料电池1的运行进行说明。在燃料电池1中，由燃料泵P1加压的甲酸介由燃料侧歧管供给到各单电池U的阳极电极层AE。另外，在燃料电池1中，来自鼓风机P2的空气介由氧化剂侧歧管供给到各单电池U的阴极电极层CE。
即，在各单电池U中，如图9所示，介由阳极侧隔离件10的燃料供给口12供给的甲酸经过燃料供给流路11向燃料排出口13流动。由此，作为液体燃料的甲酸被供给到MEA40的阳极电极层AE。另外，在各单电池U中，介由阴极侧隔离件20的氧化剂供给口22供给的空气通过分支，从而一部分经过氧化剂供给流路21向氧化剂排出口23流动，并且另一部分经过排出路径28向排出部20c流动。由此，流过氧化剂供给流路21的作为氧化剂(氧化剂气体)的空气被供给到MEA40的阴极电极层CE。
然而，在各单电池U的MEA40中，众所周知，通过使用甲酸(HCOOH)和空气(氧(O2))的电极反应，在阴极电极层CE产生生成水(H2O)。具体而言，在本例中，MEA40的电解质膜EF由选择性地透过阳离子的离子交换膜形成。因此，在MEA40中，根据下述化学反应式1、2，在阴极电极层CE产生生成水(H2O)。
阳极电极层AE：HCOOH→2H++2e－+CO2…化学反应式1
阴极电极层CE：2H++2e－+(1/2)O2→H2O…化学反应式2
这里，在本例的燃料电池1中，各单电池U在水平方向层叠而形成燃料电池组S。另外，在本例的燃料电池1中，沿垂直方向设有排出结构F。由此，如图9中虚线所示，通过阴极电极层CE中的电极反应而产生的气体状态(水蒸气)或液体状态的生成水(H2O)通过排出结构F的通路29从阴极侧隔离件20的对置面20a(即阴极电极层CE侧)移动到背面20b(即排出路径28侧)。
在排出路径28(槽28a)中，在氧化剂供给口22分支的空气向排出部20c流动。因此，通过通路29移动的生成水(H2O)与流过排出路径28的空气一起从排出部20c排出到燃料电池组S的外部。应予说明，排出结构F沿垂直方向形成，即，排出部20c配置在垂直方向下方侧。因此，在通过MEA40的电极反应伴随的热而以气体状态(水蒸气)产生的生成水(H2O)通过通路29而被冷却并液化的情况下，通过流过排出路径28的空气的压力和液体状态的生成水(H2O)的自重而向排出部20c移动，排出到燃料电池组S的外部。
然而，如上所述，通过燃料电池1(更具体而言，燃料电池组S)具有排出结构F，伴随着电极反应而产生的过量的生成水(H2O)从阴极电极层CE连续且高效地排出。由此，在阴极电极层CE的附近难以积存生成水(H2O)，其结果，能够抑制由于生成水(H2O)凝结(液化)而覆盖阴极电极层CE的表面的溢流现象发生。因此，防止介由氧化剂供给流路21供给的空气(O2)与阴极电极层CE接触的接触面积降低。由此，例如即使在燃料电池1的发电继续的情况下，阴极电极层CE中的电极反应效率也不降低，其结果是，能够防止燃料电池1的发电效率降低。
从以上说明也可以理解，根据本例的燃料电池1，通过作为电极结构体的MEA40中的电极反应而在阴极电极层CE(阴极电极)产生的生成水(H2O)通过具有排出部20c、排出路径28和通路29的排出结构F，以离开阴极电极层CE的附近的方式移动，与空气一起排出到燃料电池1的外部。由此，即使在燃料电池1继续发电的状况下，也能够将通过电极反应而产生的过量的(大量的)生成水(H2O)连续地排出到外部，能够抑制由过量的(大量的)生成水(H2O)引起的溢流现象导致的燃料电池1的发电效率的降低。
(4.第一变形例)
在上述的本例中，将在阴极电极层CE产生的生成水与流过排出结构F的排出路径28的空气一起排出到燃料电池组S(单电池U)的外部。然而，在燃料电池1中，在继续发电的情况下，例如有时发生阳极电极层AE的贵金属催化剂、作为扩散层的碳布CC的污染等、发电效率降低。因此，在燃料电池1中，进行每隔一定期间清洗阳极电极层AE侧的再生操作。该再生操作例如是代替作为液体燃料的甲酸而使清洗水在阳极电极层AE侧循环的操作。通过使清洗水循环，能够清洗阳极电极层AE侧，再次提高发电效率。
因此，在第一变形例中，可以将在阴极电极层CE产生的生成水作为清洗水利用。具体而言，在第一变形例中，如图10所示，将从排出结构F排出的生成水(气体状态或液体状态)例如介由管(省略图示)回收并储存至储水箱R中。应予说明，以气体状态排出的生成水在被回收到储水箱R之前被冷却，由此作为液体状态的生成水被回收并储存在储水箱R。
然后，储存在储水箱R中的生成水例如被添加到为了再生操作而另外准备的清洗水中，在阳极电极层AE侧循环，清洗阳极电极层AE。由此，能够将生成水有效地用于再生操作，并且能够使因再生操作而降低的燃料电池1的发电效率恢复到通常的发电效率。
(5.其他变形例)
在上述的本例和第一变形例中，在阴极侧隔离件20的背面20b形成具有多个直线形状的多个槽28a的排出路径28。也可以取而代之，不形成多个槽28a，而将在背面20b的中央部分以一端侧(上游侧)与氧化剂供给口22连接且另一端侧(下游侧)与排出部20c连接的方式形成的宽广的凹部作为排出路径28。在这种情况下，通路29例如通过开孔加工等形成，将氧化剂供给流路21和如上所述形成的排出路径28以能够在阴极侧隔离件20的板厚方向连通的方式连接。在这种情况下，也能够得到与上述的本例和第一变形例同样的效果。
另外，在上述的本例和第一变形例中，将通路29的与轴线正交的截面形状设为四边形。但是，通路29的截面形状不限于四边形，例如也可以是圆形、除四边形以外的多边形。即使通路29的截面形状为除四边形以外的形状，通过通路29将氧化剂供给流路21和排出路径28可连通地连接，也能够得到与上述的本例和第一变形例同样的效果。
另外，在上述的本例和第一变形例中，将排出路径28和通路29的形成位置根据氧化剂供给流路21的形成位置设为阴极侧隔离件20的中央部分。但是，对于排出路径28和通路29的形成位置和排出路径28的大小，不限于根据氧化剂供给流路21的形成位置和大小而形成于阴极侧隔离件20的中央部分。例如，只要在不影响氧化剂供给口22、氧化剂排出口23和贯通孔24、25的形成的范围内，也可以将排出路径28和通路29设置在阴极侧隔离件20的周边部分。
另外，在上述的本例和第一变形例中，通过将沿垂直方向配置的多个单电池U沿水平方向层叠，形成燃料电池组S。但是，如果在阴极电极层CE产生的生成水(H2O)通过通路29、排出路径28和排出部20c，由此能够将生成水排出到外部，则不限于此。即，在这种情况下，代替如上述的本例那样将燃料电池组S横置，能够将沿水平方向配置的多个单电池U沿垂直方向层叠而形成燃料电池组，即将燃料电池组S纵置。
进而，在上述的本例和第一变形例中，使向阴极电极层CE供给的作为氧化剂的空气在氧化剂供给口22分支，分支的空气即加压流体流过排出路径28。然而，也可以在排出路径28中不使空气分支，即，使作为另外供给的流体的空气作为加压流体流动。在这种情况下，也能够得到与上述的本例和第一变形例同样的效果。应予说明，在另外供给流体的情况下，例如也可以从排出部20c侧吸入作为流体的空气，使吸入的空气流过排出路径28。
本申请基于2020年9月4日提交的日本专利申请特愿2020-148972，其内容作为参考并入本文。

Claims (12)

1.一种燃料电池，具备：
电极结构体，具有电解质膜、阳极电极和阴极电极；
阳极侧隔离件，具有向所述阳极电极供给液体燃料的燃料供给流路；
阴极侧隔离件，具有向所述阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给流路；以及
单电池，在所述阳极侧隔离件和所述阴极侧隔离件之间配置有所述电极结构体；
其中，所述燃料电池通过所述电极结构体中的电极反应进行发电，
所述阴极侧隔离件包括：
对置面，设置于与所述电极结构体的所述阴极电极相对应的位置；
背面，设置于所述阴极侧隔离件的板厚方向上与该对置面相反的一侧；
通路，构成为使伴随着所述电极反应而在所述阴极电极产生的生成水在所述板厚方向上从所述对置面向所述背面移动；以及
排出结构，将介由所述通路而移动到所述背面的所述生成水排出到所述燃料电池的外部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述排出结构具有设置于所述背面且与所述通路连通的排出路径，
所述通路将所述氧化剂供给流路和所述排出路径可连通地连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，在所述电极结构体中发生所述电极反应的状态下使流体流动时，所述排出路径将介由所述通路而移动到所述背面的所述生成水排出到所述燃料电池的外部。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，供给到所述氧化剂供给流路的所述氧化剂在所述排出结构中分支，
所述排出路径中流过所分支的所述氧化剂作为所述流体。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其中，所述氧化剂供给流路形成为曲折形状，并且所述排出路径形成为直线形状，
当所述流体流动时，所述排出路径内部的压力比所述燃料供给流路的内部的压力小。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的燃料电池，其中，在形成所述通路的位置，所述氧化剂供给流路延伸的方向与所述排出路径延伸的方向交叉。
7.根据权利要求2～6中任一项所述的燃料电池，其中，所述排出路径沿垂直方向配置。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池，其中，所述对置面和所述背面具有开口，
在所述通路，所述开口设置为狭缝状。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的燃料电池，其中，与所述通路延伸的方向正交的该通路的截面形状为圆形和多边形中的一种。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的燃料电池，其中，进一步具备将由所述排出结构排出的所述生成水回收并储存的储水箱。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，储存于所述储水箱的所述生成水作为清洗所述阳极电极的清洗水使用。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的燃料电池，其中，供给到所述阳极电极的所述液体燃料为甲酸。
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