JP2011216352A - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることができると共に、簡単な構成でフラッディング現象の発生を抑制することのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】発電領域Ｒ１の平面視における外方に配置され、アノードガスあるいはカソードガスを通過させるガス流路２２，３２に沿って閉鎖空間５０を形成する。このような閉鎖空間５０は、セパレータ２０，３０の材料よりも熱伝導率が低い領域をセパレータ２０，３０内に形成する。従って、閉鎖空間５０は、セル２内部のガス流路２２，３２に対する断熱部として機能することができる。閉鎖空間５０で断熱されることにより、ガス流路２２，３２内のガスの飽和蒸気圧が高められ、水分の液化を抑制し、フラッディング現象の発生を抑制することができる。更に、閉鎖空間５０は、セルの外表面よりも内部に形成されているため、燃料電池全体の大きさが小さくなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関する。

一般的に、燃料電池は、電解質膜を電極層で挟むことによって形成された膜電極接合体（MembraneElectrode Assembly（ＭＥＡ））と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとによって構成されるセルを、複数積層する構成となっている。セパレータには、ＭＥＡに対してアノードガスとしての水素含有ガス、あるいはカソードガスとしての酸素含有ガスを供給するためのガス流路が形成されている。このような燃料電池では、発電領域であるガス流路の下流側において、フラッディング現象が発生し易いという問題がある。フラッディング現象とは、ガス流路を通過する水素含有ガスや酸素含有ガスが水分を含みきれなくなることによって液化した水分がガス流路を狭くする（あるいは閉鎖する）という現象である。このようなフラッディング現象の発生を抑制するため、従来の燃料電池においては、ガス流路の構造を工夫してガス流路を通過するガスの流速を上げることによって、ガス流路内で液化した水分を強制的に排出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、他の技術としては、燃料電池を厚い断熱材で覆うことによって断熱性を高め、ガス流路内のガスの飽和蒸気圧を高めることによって水分の液化を抑制することが考えられている。

特開２００４−１０３４５２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の燃料電池においては、ガス通路の連通状態を切り替えるための切替手段を設ける必要があり、燃料電池の構造が複雑化してしまうという問題がある。また、燃料電池を厚い断熱材で覆う場合は、燃料電池全体が大型化してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、比較的簡単な構成でフラッディング現象の発生を抑制しつつ、大型化を抑制することが可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜および電極を含んでなる膜電極接合体と、膜電極接合体の電極にカソードガスあるいはアノードガスを供給するための流路を有するセパレータと、によって発電領域が構成されるセルを備える燃料電池であって、セパレータは、平面視において発電領域の外方で且つ流路に沿って位置する貫通孔あるいは凹部を有しており、貫通孔あるいは凹部は、閉鎖空間を構成することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上述の本発明に係る燃料電池を備えていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池および本発明に係る燃料電池を用いた燃料電池システムでは、セパレータが平面視において発電領域の外方で且つアノードガスあるいはカソードガスの流路に沿って位置する貫通孔あるいは凹部を有しており、この貫通孔あるいは凹部が閉鎖空間を構成している。このような閉鎖空間は、セパレータよりも熱伝導率が低い領域（断熱部）として機能する。そのため、本燃料電池および本燃料電池システムでは、流路内を流通するカソードガス（あるいはアノードガス）の温度低下を抑制する（相対的に高い飽和蒸気圧を保持する）ことができる。したがって、本燃料電池および本燃料電池システムでは、従来のように流路内の各ガスの流速を高めるための付加的な機構を採用することのない比較的簡単な構成で、各ガス中の水分が液化することに起因するフラッディング現象の発生を抑制することができる。更に、閉鎖空間は、セルの内部に形成されているため、該セルの外表面を断熱材で覆うだけで断熱を図る場合に比して、断熱材の使用量を低減する（あるいは無くす）ことができる。したがって、本燃料電池および本燃料電池システムでは、燃料電池全体の大型化を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池において、発電領域に位置する流路は、該発電領域外に位置する流路より流路幅が狭いことが好ましい。このような構成によると、フラッディング現象の発生を抑制しつつ、燃料電池全体の大型化を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池において、発電領域に位置する流路はカソードガスあるいはアノードガスの供給口側から排出口側に向かって延びる複数の溝部を含んでなり、貫通孔あるいは凹部は溝部に沿って位置することが好ましい。このような構成によると、フラッディング現象の発生を抑制しつつ、燃料電池全体の大型化を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池において、貫通孔あるいは凹部は、発電領域における流路を挟むように一対形成されていることが好ましい。このような構成によると、発電領域における流路を挟むように閉鎖空間が一対形成されることになるため、流路において相対的に放熱し易い両側部分からの放熱を抑制することができ、フラッディング現象の発生をより適切に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池において、貫通孔あるいは凹部の平面視幅は、流路における上流から下流に向かって大きくなることが好ましい。このような構成によると、流路の下流側ほど発生し易いフラッディング現象を抑制しつつ、流路の上流側ほど貫通孔あるいは凹部の平面視幅が小さいためセパレータの機械的強度をより高い状態で維持することができる。

また、本発明に係る燃料電池において、貫通孔あるいは凹部は、流路の中央より下流側にのみ位置していることが好ましい。このような構成によると、流路の下流側ほど発生し易いフラッディング現象を抑制しつつ、フラッディング現象の発生し難い流路の上流側においてセパレータの機械的強度を確保することができる。

また、本発明に係る燃料電池において、閉鎖空間の内部圧力は、大気圧より低いことが好ましい。このような構成によると、閉鎖空間における断熱効果をより高めることができる。さらに、閉鎖空間の内部圧力を真空に近づけるほど、断熱効果を一層高めることができる。

また、本発明に係る燃料電池において、閉鎖空間には、セパレータの構成材料よりも熱伝導率が低い材料からなる充填材が充填されていることが好ましい。このような構成によると、閉鎖空間における断熱効果を確保しつつ、閉鎖空間における機械的強度を高めることができる。

本発明によれば、比較的簡単な構成でフラッディング現象の発生を抑制しつつ、大型化を抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 セルを積層方向に切断した断面図である。 本発明の第一実施形態に係るカソード側セパレータを積層方向から見た図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。 本発明の第二実施形態に係るカソード側セパレータを積層方向から見た図である。 本発明の第三実施形態に係るカソード側セパレータを積層方向から見た図である。 本発明の第四実施形態に係るカソード側セパレータを積層方向から見た図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池１の斜視図である。燃料電池１は、アノードガスとしての水素含有ガスおよびカソードガスとしての酸素含有ガスを供給して電力を発生させるものである。水素含有ガスとしては、例えば純水素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）や、炭素および水素を含んでなる化合物を改質して得られる改質ガスが挙げられる。ここで、炭素および水素を含んでなる化合物としては、メタンおよびプロパンなどの炭化水素類、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類などが挙げられるが、中でも入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などが好ましい。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。

図１に示すように、本実施形態における燃料電池１は、複数（本実施形態では９個）のセル２、集電体４、およびエンドプレート６を備えている。なお、本実施形態では、燃料電池１として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いて説明するが、これには限られず、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を採用してもよい。

セル２は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly（以下、ＭＥＡとする））１０、アノード側セパレータ２０、およびカソード側セパレータ３０を備えている。セル２は、ＭＥＡ１０をアノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０とで挟むことによって構成されている。複数のセル２を積層して直列に接続することによって、燃料電池スタック３が形成される。セル２の構成の詳細な説明については、図２を用いて後述する。

集電体４は、燃料電池スタック３を両端側から挟むように一対配置されている。集電体４は、例えば銅製であり、隣接するセル２と電気的に接続されている。また、集電体４には、外方に張り出す接続端子が設けられており、この接続端子を介して、図示されないPower Conditioning System（ＰＣＳ）と電気的に接続されている。そして、一対の集電体４間に配置された複数のセル２によって発電された電力は、ＰＣＳに供給される。

エンドプレート６は、セル２の積層方向の両端部にそれぞれ配置された集電体４の外側に配置されて、複数のセル２、一対の集電体６を挟み、これらを両側から固定する。エンドプレート６には、各セル２に対してアノードガス、カソードガス、及び冷却水を供給及び排出するための管が設けられている。

図２は、セル２を積層方向に切断した断面図である。図２に示すように、セル２は、ＭＥＡ１０、アノード側セパレータ２０、およびカソード側セパレータ３０を備えている。ＭＥＡ１０は、アノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０とで挟まれている。ＭＥＡ１０は、電解質膜１１、アノード１２、及びカソード１３を備えた膜電極接合体である。

電解質膜１１は、一対の電極（アノード１２およびカソード１３）によって挟まれＭＥＡ１０を構成する。電解質膜１１は、水素イオンを選択的に透過させる高分子電解質膜によって形成されている。高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を使用することができる。

アノード１２は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極層であり、カソード１３は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極層である。これらのアノード１２およびカソード１３は、電界質膜１１の表面側に形成された触媒層、およびこの触媒層の外面に配置されたガス拡散層を備えている。触媒層は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするものである。ガス拡散層は、通気性および電気導電性を有するものである。

アノード側セパレータ２０は、導電性を有するカーボン板によって形成されており、複数の溝部２１によって、アノードガスが通過するガス流路２２が形成されている。溝部２１は、ＭＥＡ１０のアノード１２との接触面２０ｂに形成されている。従って、ガス流路２２は、通過するアノードガスをアノード１２に供給することができる。
カソード側セパレータ３０は、導電性を有するカーボン板によって形成されており、複数の溝部３１によって、カソードガスが通過するガス流路３２が形成されている。溝部３１は、ＭＥＡ１０のカソード１３との接触面３０ｂに形成されている。従って、ガス流路３２は、通過するカソードガスをカソード１３に供給することができる。

以上のような構成により、セル２は、発電領域Ｒ１と非発電領域Ｒ２を有する構成となる。発電領域Ｒ１は、ＭＥＡ１０にアノードガス及びカソードガスが供給されることによって電気化学反応が起きることによって発電を行うことができる領域である。非発電領域Ｒ２は、ＭＥＡ１０にアノードガス及びカソードガスが供給されないことによって電気化学反応が起きない領域である。なお、非発電領域Ｒ２に該当する部分には電極を設けることなく、ガスケット部としてもよい。

図３を参照して、本発明の第一実施形態に係るセパレータの構成について、詳細に説明する。図３は、本発明の第一実施形態に係るカソード側セパレータ３０を積層方向から見た図である。本実施形態におけるカソード側セパレータ３０は、長方形板状部材である。従って、カソード側セパレータ３０の長手方向を「長さ方向」とし、短手方向を「幅方向」として以下の説明を行う。カソード側セパレータ３０は、カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６、冷却水出口３７、アノードガス出口３８、カソードガス出口３９、溝部３１、貫通孔４３を備えている。

カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６は、カソード側セパレータ３０の長さ方向における上端側に三つの貫通孔を形成することによって構成されている。カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６は、図３の紙面左側から右側へ向かってこの順番で形成されている。カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６は、燃料電池スタック３の積層方向全長に渡って連通されており、エンドプレート６に設けられている管と連通されている。

冷却水出口３７、アノードガス出口３８、カソードガス出口３９は、カソード側セパレータ３０の長さ方向における下端側に三つの貫通孔が形成されることによって構成されている。アノードガス出口３８、カソードガス出口３９は、図３の紙面左側から右側へ向かってこの順番で形成されている。冷却水出口３７、アノードガス出口３８、カソードガス出口３９は、燃料電池スタック３の積層方向全長に渡って連通されており、エンドプレート６に設けられている管と連通されている。

溝部３１は、カソードガス入口３３、冷却水入口３４、アノードガス入口３６と、冷却水出口３７、アノードガス出口３８、カソードガス出口３９との間に複数形成される。溝部３１は、長さ方向に沿って延びると共に、幅方向に複数並設されている。また、各溝部３１の上端部とカソードガス入口３３との間には、カソードガス入口３３から供給されたカソードガスを各溝部３１へ導くための連通用溝部４１が形成されている。各溝部３１の下端部とカソードガス出口３９との間には、各溝部３１を通過したカソードガスをカソードガス出口３９へ導くための連通用溝部４２が形成されている。以上によって、カソードガス入口３３から供給されたカソードガスは、連通用溝部４１を介して各溝部３１を通過し、連通用溝部４２を介してカソードガス出口３９へ排出される。これによって、各溝部３１は、カソードガスを所定の方向へ通過させてカソード１３に供給するガス流路３２として機能する。ガス流路３２は、カソードガス入口３３側が「上流側」となり、カソードガス出口３９側が「下流側」となる。

貫通孔４３は、カソード側セパレータ３０の平面視において発電領域Ｒ１の外方の非発電領域Ｒ２に、ガス流路３２（すなわち溝部３１）に沿って延びるように長方形状に一対形成されている。貫通孔４３は、カソード側セパレータ３０の厚み方向（すなわち、セル２の積層方向）に貫通している。貫通孔４３は、長さ方向における大きさ及び位置がガス流路３２と同一である。これによって、貫通孔４３は、幅方向（複数の溝部３１の並設方向）における外側において、ガス流路３２を挟むように一対形成される構成となる。貫通孔４３の幅方向の大きさは、溝部３１の幅方向の大きさ（すなわちガス流路３２の流路幅）よりも大きい。カソード側セパレータ３０をセル２として積層したとき、この貫通孔４３は、セル２の閉鎖空間５０を構成する。すなわち、幅方向の両側におけるセル２の外表面２ａとガス流路３２との間には、ガス流路３２に沿って延びる閉鎖空間５０がそれぞれ形成される。閉鎖空間５０は、長さ方向における大きさ及び位置がガス流路３２と同一である。これによって、閉鎖空間５０は、幅方向（複数の溝部３１の並設方向）における外側において、ガス流路３２を挟むように一対形成される構成となる。なお、カソード側セパレータ３０の貫通孔４３に対応する位置には、ＭＥＡ１０及びアノード側セパレータ２０にも貫通孔が形成され、互いに連通した各貫通孔がセル２の閉鎖空間５０を構成する（図２参照）。

閉鎖空間５０は、他の複数のセル２の閉鎖空間５０と連通され、積層方向の端部におけるセル２の閉鎖空間５０がエンドプレート６で塞がれる。これによって、閉鎖空間５０は、密閉された閉鎖空間となる。閉鎖空間５０は、燃料電池１の外部とガス流路３２との間に配置された断熱部として機能する。閉鎖空間５０内には空気が入っていてもよいが、閉鎖空間５０の内部圧力は、真空引きされることで大気圧よりも低いことが好ましく、真空となっていることがより好ましい。閉鎖空間５０が真空に近いほど、断熱効果が向上する。なお、アノード側セパレータ２０の溝部２１、ガス流路２２、閉鎖空間５０の構成は、カソード側セパレータ３０における構成と同様である。

次に、上述のような燃料電池１を利用した本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ１について説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＳ１は、燃料電池１、原料供給装置６０、Fuel Processor System（ＦＰＳ）７０、システム制御機構８０、Power Conditioning System（ＰＣＳ）９０、カソードガス供給装置１００を備えている。なお、図４に示す燃料電池システムは、一例に過ぎず、システム構成は特に限定されず種々の燃料電池システムに適用可能である。

原料供給装置６０は、ＦＰＳ７０において処理される原料を供給するためのものである。原料としては、炭素および水素を含んでなる化合物（例えば、メタンおよびプロパンなどの炭化水素類、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類など）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などが好ましく、特に、取扱い性にも優れた灯油はより好ましい。

ＦＰＳ７０は、原料供給装置６０から供給される原料を処理して水素含有ガスを生成するものであり、本実施形態においては改質部７１、シフト部７２、および選択酸化部７３を含んで構成されている。

改質部７１は、改質触媒を用いて原料供給装置６０から供給される原料を改質し、水素含有ガスである改質ガスを生成する部位である。改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、およびコバルトが挙げられる。なお、改質手法としては、水蒸気改質および自己熱交換改質などが挙げられるが、本実施形態では水蒸気改質を採用して説明する。

改質部７１は、熱供給装置７１ａを有している。熱供給装置７１ａは、改質部７１における改質反応に要する熱を供給するためのものである。本実施形態では、燃料電池１から排出される水素含有ガス（いわゆるオフガス）を有効利用する観点から、熱供給装置７１ａとして供給された燃料を燃焼して熱を発生するバーナを採用しているが、バーナに代えて電力供給により熱を発生するヒータを採用してもよい。また、本実施形態では、特に燃料電池システムＦＳ１の起動時における安定性を考慮して、熱供給装置７１ａへの燃料供給を燃料供給装置Ｆによって行う構成を採用しているが、燃料電池システムＦＳ１の駆動時におけるオフガスの有効利用を考慮して、熱供給装置７１ａへの燃料供給を燃料電池１から排出されるオフガスの供給によって行う構成を採用してもよい。

シフト部７２は、シフト触媒を用いて改質部７１から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。シフト触媒は、Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒で構成される。なお、シフト部７２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００００ｐｐｍ以下である。

選択酸化部７３は、選択酸化触媒を用いてシフト部７２から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。選択酸化触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えば白金およびルテニウムが挙げられる。なお、選択酸化部７３を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下である。選択酸化部７３で一酸化炭素除去が行われた改質ガスは、アノードガスとして燃料電池１のアノード１２へ供給される。

システム制御機構８０は、燃料電池システムＦＳ１などの駆動を制御する駆動制御機構としての機能を有するものである。システム制御機構８０としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。システム制御機構８０は、原料供給装置６０、燃料供給装置Ｆ、カソードガス供給装置１００と電気的に接続されており、各装置に制御信号を出力する。また、システム制御機構８０は、燃料電池システムＦＳ１における図示されない各種センサや各種装置に対しても必要に応じて電気的に接続されている。

ＰＣＳ９０は、燃料電池１で発生した電力の調整を行う電力調整機構としての役割をになうものであり、電圧変換器９１、直交変換器９２を有して言いる（また、図示されない制御部を有してもよい）。電圧変換器９１は、燃料電池１から出力された直流電力の電圧を変換するものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられる。直交変換器９２は、電圧変換器９１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものであり、例えばＤＣ／ＡＣインバータが挙げられる。外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システムＦＳ１から供給される電力を消費するものであり、該燃料電池システムＦＳ１および外部電力系統ＣＥに対して電気的に接続されている。

カソードガス供給装置１００は、燃料電池１のカソード１３にカソードガスを供給するためのものである。カソードガス供給装置１００は、投入される電力に応じてカソードガスの供給量を変化させることができ、例えば流量可変式電動ポンプを備えている。

以上によって、本実施形態に係る燃料電池１および本実施形態に係る燃料電池システムＦＳ１では、セパレータ２０，３０が平面視において発電領域Ｒ１の外方で、且つアノードガスあるいはカソードガスの流路２２，３２に沿って位置する貫通孔４３を有しており、この貫通孔４３が閉鎖空間５０を構成している。このような閉鎖空間５０は、セパレータ２０，３０よりも熱伝導率が低い領域（断熱部）として機能する。そのため、本燃料電池１および本燃料電池システムＦＳ１では、流路２２，３２内を流通するカソードガス（あるいはアノードガス）の温度低下を抑制する（相対的に高い飽和蒸気圧を保持する）ことができる。したがって、本燃料電池１および本燃料電池システムＦＳ１では、従来のように流路内の各ガスの流速を高めるための付加的な機構を採用することのない比較的簡単な構成で、各ガス中の水分が液化することに起因するフラッディング現象の発生を抑制することができる。更に、閉鎖空間５０は、セル２の内部に形成されているため、該セル２の外表面を断熱材で覆うだけで断熱を図る場合に比して、断熱材の使用量を低減する（あるいは無くす）ことができる。したがって、本燃料電池１および本燃料電池システムＦＳ１では、燃料電池全体の大型化を抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池１において、発電領域Ｒ１に位置するガス流路２２，３２はカソードガスあるいはアノードガスの供給口側から排出口側に向かって延びる複数の溝部２１，３１を含んでなり、貫通孔４３は溝部２１，３１に沿って位置する。このような構成によると、フラッディング現象の発生を抑制しつつ、燃料電池全体の大型化を抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池１において、貫通孔４３は、発電領域Ｒ１におけるガス流路２２，３２を挟むように一対形成されている。このような構成によると、発電領域Ｒ１におけるガス流路２２，３２を挟むように閉鎖空間５０が一対形成されることになるため、ガス流路２２，３２において相対的に放熱し易い両側部分からの放熱を抑制することができ、フラッディング現象の発生をより適切に抑制することができる。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る燃料電池及びセパレータは、ガス流路に沿って形成される閉鎖空間が、ガス流路の中央より下流側にのみ形成されている点で、第一実施形態に係る燃料電池及びセパレータと主に相違している。図５は、第二実施形態に係るカソード側セパレータ１３０を積層方向から見た図である。図５に示すように、第二実施形態に係るカソード側セパレータ１３０の貫通孔１４３は、両側面３０ａとガス流路３２との間（すなわち非発電領域Ｒ２）において、長さ方向における中央位置よりも下端側、すなわちガス流路３２の下流側にのみ形成されている。このようなカソード側セパレータ１３０をセルとして積層したとき、この貫通孔１４３は、セルの閉鎖空間１５０を構成する。すなわち、閉鎖空間１５０は、ガス流路３２の中央より下流側にのみ形成され、ガス流路上流側には閉鎖空間が形成されない。ガス流路３２の下流側ほどガスの飽和蒸気圧が低下してフラッディング現象が発生し易くなるが、第二実施形態に係る燃料電池及びセパレータによれば、ガス流路３２の下流側では閉鎖空間１５０を形成することによって、フラッディング現象の発生を確実に抑制することができる。一方、フラッディング現象の発生が比較的少ない上流側では、閉鎖空間を形成しないことによって、セパレータの機械的強度を確保することができる。

［第三実施形態］
本発明の第三実施形態に係る燃料電池及びセパレータは、閉鎖空間の平面視における幅がガス流路の上流側から下流側へ向かうほど大きくなる点で、第一実施形態に係る燃料電池及びセパレータと主に相違している。図６は、第三実施形態に係る燃料電池のカソード側セパレータ２３０を積層方向から見た図である。図６に示すように、第三実施形態に係るカソード側セパレータ２３０の貫通孔２４３は、両側面３０ａとガス流路３２との間（すなわち非発電領域Ｒ２）において、ガス流路３２に沿って形成されている。貫通孔２４３の長さ方向の大きさは、ガス流路３２と同一である。この貫通孔２４３は、上端側の上辺が下端側の下辺よりも小さくなるような台形状をなしている。従って、幅方向における貫通孔２４３の幅は、ガス流路３２の上流側から下流側へ向かうほど大きくなる。このようなカソード側セパレータ１３０をセルとして積層したとき、この貫通孔２４３は、セルの閉鎖空間２５０を構成する。すなわち、幅方向における閉鎖空間２５０の大きさは、ガス流路３２の上流側から下流側へ向かうほど大きくなる。以上によって、第三実施形態に係る燃料電池及びセパレータによれば、ガス流路３２の下流側では閉鎖空間２５０の幅を大きくすることによって、フラッディング現象の発生を確実に抑制することができる。一方、フラッディング現象の発生が比較的少ない上流側では、閉鎖空間２５０の幅を狭くすることで、セパレータの機械的強度をより高い状態で維持することができる。

［第四実施形態］
本発明の第四実施形態に係る燃料電池及びセパレータは、閉鎖空間に充填材が充填されている点で、第一実施形態に係る燃料電池及びセパレータと主に相違している。図７は、第四実施形態に係る燃料電池のカソード側セパレータ３３０を積層方向から見た図である。図７に示すように、第四実施形態に係るカソード側セパレータ３３０の貫通孔３４３は、第一実施形態に係るカソード側セパレータ３０の貫通孔４３と同様な形状を有している。貫通孔３４３の内部には、セパレータの構成材料であるカーボンよりも熱伝導率が低い材料からなる充填材３６０が充填されている。充填材３６０としては、例えばグラスウールや発泡プラスチック系の断熱材等を用いることができる。このようなカソード側セパレータ３３０をセルとして積層したとき、セルの閉鎖空間には充填材が充填される構成となる。なお、貫通孔に充填材を充填させたセパレータを積層することで燃料電池スタックを形成してもよく、あるいはセパレータを積層させて燃料電池スタックを形成した後に、閉鎖空間に対して充填材を充填してもよい。以上によって、第四実施形態に係る燃料電池及びセパレータによれば、閉鎖空間における断熱効果を確保しつつ、閉鎖空間における機械的強度を高めることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、カソード側セパレータ、ＭＥＡ、アノード側セパレータに対して貫通孔が形成され、各貫通孔が連通することで閉鎖空間が形成されていた。しかし、ＭＥＡには貫通孔が形成されてなくともよく、また、カソード側セパレータ及びアノード側セパレータのうち、いずれか一方にのみ貫通孔が形成されているものであってもよい。また、燃料電池スタックを構成するセル全てに対して閉鎖空間が形成されていてもよく、あるいは、一部のセルにのみ貫通孔が形成されていてもよい。上述の実施形態では、ガス流路の両側に閉鎖空間が一対形成されていたが、一方にのみ形成されていてもよい。

また、上述の実施形態では、セパレータに貫通孔を形成することによって閉鎖空間が形成されていた。しかし、セルの外表面とガス流路との間に断熱効果を発揮する閉鎖空間を形成することができれば貫通孔に限定されず、例えば、セパレータのＭＥＡとの接触面（あるいは接触面の裏面）に凹部を形成することによって、閉鎖空間を形成してもよい。

また、第二実施形態と第三実施形態を組み合わせることによって、ガス流路の下流側にのみ閉鎖空間が形成され、更に、その閉鎖空間の幅方向の大きさが上流側から下流側へ向かって大きくなっていてもよい。更に、第二実施形態や第三実施形態、その組み合わせにおける閉鎖空間に対して充填材を充填してもよい。

また、本実施形態に係る燃料電池１において、発電領域Ｒ１に位置する流路は、該発電領域Ｒ１外に位置する流路より流路幅が狭くてもよい。このような構成によると、フラッディング現象の発生を抑制しつつ、燃料電池全体の大型化を抑制することができる。

１…燃料電池、２…セル、２ａ…外表面（セルの外表面）、３…燃料電池スタック、４…集電体、６…エンドプレート、１０…ＭＥＡ（膜電極接合体）、１１…電解質膜、１２…アノード、１３…カソード、２０…アノード側セパレータ、２１，３１…溝部、２２，３２…ガス流路（流路）、３０，１３０，２３０，３３０…カソード側セパレータ、３０ａ…側面、４３，１４３，２４３，３４３…貫通孔、３６０…充填材、Ｒ１…発電領域、Ｒ２…非発電領域。

Claims (9)

1. 電解質膜および電極を含んでなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記電極にカソードガスあるいはアノードガスを供給するための流路を有するセパレータと、によって発電領域が構成されるセルを備える燃料電池であって、
   前記セパレータは、平面視において前記発電領域の外方で且つ前記流路に沿って位置する貫通孔あるいは凹部を有しており、
   前記貫通孔あるいは前記凹部は、閉鎖空間を構成することを特徴とする、燃料電池。
2. 前記発電領域に位置する前記流路は、該発電領域外に位置する前記流路より流路幅が狭いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記発電領域に位置する前記流路は、前記カソードガスあるいは前記アノードガスの供給口側から排出口側に向かって延びる複数の溝部を含んでなり、
   前記貫通孔あるいは前記凹部は、前記溝部に沿って位置することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記貫通孔あるいは前記凹部は、前記発電領域における前記流路を挟むように一対形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項記載の燃料電池。
5. 前記貫通孔あるいは前記凹部の平面視幅は、前記流路における上流から下流に向かって大きくなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池。
6. 前記貫通孔あるいは前記凹部は、前記流路の中央より下流側にのみ位置していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項記載の燃料電池。
7. 前記閉鎖空間の内部圧力は、大気圧より低いことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項記載の燃料電池。
8. 前記閉鎖空間には、前記セパレータの構成材料よりも熱伝導率が低い材料を含む充填材が充填されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の燃料電池。
9. 請求項１から８のいずれか一項記載の燃料電池を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
   

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