JPWO2008056518A1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

この発明は、反応に関与しないガスが内部で局所的に滞留するのを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。電解質膜と電極触媒層が積層された膜電極接合体に、ガス拡散層を積層する。ガス拡散層に接するように、ガス流路を有するセパレータを取り付ける。セパレータに、膜電極接合体に供給するガスが流通するガス分配路を設ける。ガス流路の上流側端部をガス分配路に連通し、ガス流路の下流側端部を実質的に閉塞する。ガス流路の下流側部分と、ガス流路の上流側部分とが隣接するように構成する。

Description

この発明は、燃料電池に関する。

従来、日本特開２００５−１１６２０５号公報に開示されているように、反応ガス供給用のアノードガス供給口を複数有し、アノード内に反応ガスを滞留させながら、必要に応じてアノードガス供給口の開閉状態を切り替える燃料電池が知られている。燃料電池の発電は、アノードに水素リッチな反応ガスが供給され、反応ガス中の水素が電気化学的反応に消費されることにより行われる。上記従来の技術によれば、アノード内に反応ガスを滞留させつつ発電を行うことにより、反応ガスを効率よく利用することができる。

発電を効果的に行うためには、燃料電池内のガス分布がほぼ均一となり、アノード内に水素がバランスよく分布する状態が好ましい。しかしながら、アノードガス供給口の位置を固定した状態で反応ガスの供給を行うと、反応ガスの流通方向が固定的となる。その結果、反応ガスが流れるのに付随して、窒素や水蒸気などの発電反応に関与しないガス（反応非関与ガス）が下流側に押し流され、下流位置で局所的に反応非関与ガスの濃度が上昇（濃縮）してしまうことがある。

このような場合、燃料電池内部のガス分布が不均一となり、好ましくない。そこで、上記従来の燃料電池では、複数のアノードガス供給口の開閉状態をそれぞれ制御し、反応ガスの供給位置を適切に選択することにより、燃料電池内のガス分布をより均一なものに近づけることとしている。

日本特開２００５−１１６２０５号公報 日本特開２００１−１２６７４６号公報

上記述べたように、燃料電池内におけるガスの濃度ムラを抑制し、燃料電池内部のガスの濃度分布の均一化を可能とする技術が求められている。本願発明者は、この課題について更に鋭意研究を重ねた結果、反応非関与ガスの局所的な滞留を抑制することができる新たな手法に想到した。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、反応に関与しないガスが内部で局所的に滞留するのを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体に積層されるガス拡散層と、前記ガス拡散層に接して設けられる１または複数のガス流路と、前記ガス流路に供給するガスが流通するガス供給路とを有し、前記ガス流路の上流側端部が前記ガス供給路に連通し該ガス流路の下流側端部が実質的に閉塞された燃料電池であって、
前記ガス流路の下流側部分と、該ガス流路の上流側部分または該ガス流路と異なる他の前記ガス流路の上流側部分とが隣接していることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス流路の前記下流側端部と、前記ガス流路の前記上流側端部または該ガス流路と異なる前記ガス流路の前記上流側端部とが隣接していることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ガス供給路は、前記膜電極接合体の面方向に沿って前記ガス拡散層を挟むように位置する第１ガス供給路と第２ガス供給路とを含み、
前記ガス流路は、その上流側端部が前記第１ガス供給路に連通しその下流側端部が実質的に閉塞された第１ガス流路と、その上流側端部が前記第２ガス供給路に連通しその下流側端部が実質的に閉塞された第２ガス流路とを含み、
前記第１ガス流路の上流側部分と前記第２ガス流路の下流側部分とが隣接し、該第１ガス流路の下流側部分と該第２ガス流路の上流側部分とが隣接していることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とが交互に配置されてなることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１または第２の発明において、
前記ガス流路は前記上流側部分と前記下流側部分との間に折り返し部を有し、
前記ガス流路の前記下流側部分と該ガス流路の前記上流側部分とが隣接していることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至５の発明において、
前記ガス流路の前記下流側端部が完全に閉塞されていることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至５の発明において、
前記下流側端部に接続されるガス排出路と、
前記ガス排出路に配置され、開閉によりその連通状態を切替可能なパージ弁とを有することを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至５の発明において、
前記下流側端部に接続されるガス排出路と、
前記ガス排出路に配置される絞り弁とを有することを特徴とする。

第１の発明によれば、窒素や水蒸気などの発電反応に関与しないガス（以下、反応非関与ガスとも呼称する）の濃度が相対的に高いガス流路の下流側部分と、当該ガスの濃度が相対的に低いガス流路の上流側部分とを隣接させることにより、ガス拡散層内で当該ガスの濃度勾配が平滑化するようなガス拡散を促進することができる。その結果、燃料電池の内部で反応に関与しないガスが局所的に滞留するのを、抑制することができる。

第２の発明によれば、ガス流路の下流側端部とガス流路の上流側端部とを隣接させることにより、当該ガスの濃度勾配が平滑化するようなガス拡散を更に促進することができる。

第３の発明によれば、第１ガス流路と第２ガス流路とを交互に配置することができ、ガス流路の上流側部分と下流側部分とが隣接する部位を多数設けることが容易となる。

第４の発明によれば、ガス流路の上流側部分と下流側部分とが交互に配置されるので、発電反応に関与しないガスの濃度分布の平滑化を、より効果的に促進することができる。

第５の発明によれば、一つのガス流路の上流側部分と下流側部分とを隣接させることができるので、ガス分配路の数を少なくすることができる。

第６の発明によれば、ガス流路のガスを排出するための特別な構成を必要としない簡易な構成において、燃料電池の内部で反応に関与しないガスが局所的に滞留するのを抑制することができる。

第７の発明によれば、必要に応じてガス流路のパージを行うことができ、また、燃料電池の内部で反応に関与しないガスが局所的に滞留するのを抑制することができるため、パージの頻度を低下させることができる。

第８の発明によれば、ガス排出路への抑制されたガス排気を行う燃料電池において、燃料電池の内部で反応に関与しないガスが局所的に滞留するのを抑制することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の燃料電池の構成を説明するための図である。 反応非関与ガス溜りが燃料電池の発電に与える影響を説明するための図である。 反応非関与ガス溜りが生じている部分における、水素と窒素の分圧の変化を測定した図である。 反応非関与ガス溜りが燃料電池の発電に与える影響を説明するための図である。 実施の形態１との比較に用いられた燃料電池の構成を説明するための図である。 実施の形態１の燃料電池と同様の構成を有する燃料電池、および比較用の燃料電池の測定結果を説明するための図である。 実施の形態１の燃料電池および比較用の燃料電池の測定結果を示す図である。 実施の形態１の燃料電池の変形例を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の燃料電池の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３の燃料電池の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３の燃料電池の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態４の燃料電池の構成を説明するための図である。

符号の説明

燃料電池 １０、１１０、２１０
セパレータ １２、１１２、２１２、３１２
ガス分配路 １４、１６、１１４、１１６、２１４
ガス流路 ２０、２２、１２０、１２２、２２０、３２０、３２２
電解質膜 ３０
電極触媒層 ３２
ガス拡散層 ３４
ガス排出路 ３２４
パージ弁 ３５４
燃料電池スタック ３５０
水素タンク ３５６
絞り弁 ４５４

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池１０の構成を説明するための図である。燃料電池１０は、その中央に、電解質膜の両面に電極触媒層が積層された膜電極接合体を有している。そして、膜電極接合体を挟み込むようにガス拡散層、セパレータが順次積層され、膜電極接合体の一方の面側がアノード、他方の面側がカソードとして機能する構造となっている。図１は、燃料電池１０をアノード側から見た図に相当しており、アノードのセパレータ１２が示されている。

図１では、セパレータ１２をその平面方向に切断した断面が表されている。その結果、図１では、セパレータ１２に形成されているガス分配路１４、１６とガス流路２０、２２とが目視できるようになっている。ガス分配路１４、１６は、セパレータ１２の両端部に、セパレータ１２の短辺に沿って設けられている。ガス分配路１４、１６は、それぞれ、水素を貯留する燃料タンク（図示せず）に連通している。

セパレータ１２には、複数のガス流路２０、２２が並行に形成されている。ガス流路２０、２２は、セパレータ１２面内に略均等に交互に設けられている。ガス流路２０は、ガス分配路１４からセパレータ１２面内の途中まで延び、その先端部は完全に閉塞されている。ガス流路２２も、ガス流路２０と同様に、ガス分配路１６からセパレータ１２面内の途中まで延び、先端部が完全に閉塞されている。

ガス流路２０、２２は、対向する二つのガス分配路１４、１６から互いに向かい合って伸び、櫛状の二つのガス流路が噛合うように構成されている。そして、ガス流路２０の下流側端部とガス流路２２の上流側端部、および、ガス流路２０の上流側端部とガス流路２２の下流側端部とが隣接するように構成されている。

ガス流路２０、２２の下流側端部が閉塞されているので、ガス分配路１４に供給された水素は、各ガス流路２０へ分配された後、ガス流路２０内に滞留する。ガス流路２２においても同様に、ガス分配路１６から供給された水素が、そのガス流路２２内に滞留することになる。

図２は、図１における燃料電池１０のＡ−Ａ線に沿う断面の一部を拡大して示した図である。図２では、燃料電池１０のアノード側の積層構造を図示している。すなわち、図２には、燃料電池１０内部の電解質膜３０と、アノードの構造である電極触媒層３２、ガス拡散層３４、セパレータ１２がそれぞれ示されている。

図２に示すように、セパレータ１２のガス流路２０、２２は、ガス拡散層３４に接するように設けられている。このため、燃料電池１０では、ガス流路２０、２２を流れるガスが、ガス拡散層３４内に拡散し、更に電極触媒層３２へと至ることとなる。

実施の形態１の燃料電池１０は、図示しないカソードの構造を有している。カソードにも、アノードと同様に、電極触媒層、ガス拡散層、セパレータが設けられている。カソードのセパレータには、空気を流通させるガス流路が形成されている。そして、カソードのガス流路からガス拡散層、電極触媒層へと、空気が供給される構成となっている。具体的なカソードの構造については、既に公知となっている種々の構造を適用することができるため、その詳細な説明は省略する。

［反応非関与ガス溜りが発電に及ぼす影響］
燃料電池の発電は、アノードの水素とカソードの空気中の酸素とが電解質膜を介した電気化学的反応を生ずることにより、行われる。アノード内に水素を滞留させつつ発電を行う燃料電池においては、発電による水素消費に合わせて、継続的に水素供給が行われている。よって、発電時には、水素の供給口から、アノード内部へと、水素が継続的に流れ込んできている。

電解質膜は、ガスを透過する性質を有している。このため、発電中には、カソードの空気中の酸素が発電に消費されるとともに、カソードから電解質膜を透過して、窒素や水蒸気などの発電反応に関与しないガス（以下、反応非関与ガスとも呼称する）がアノードへと移動してきている。

この反応非関与ガスは、水素がアノードに流れ込んでくるのに付随して、その下流側に押し流される。アノード内のガスの流通方向が固定されていると、下流位置で局所的に反応非関与ガスの濃度が上昇（濃縮）する場合がある。その場合には、燃料電池内部において水素および反応非関与ガスの分布に偏りが生じ、ガスの分布が不均一となってしまう。以下、図３乃至５を用いて、このような不均一なガス分布により生ずる発電への影響について説明する。

図３は、上述した反応非関与ガス溜りが燃料電池の発電状態に与える影響を説明するための図である。図３は、長方形状の燃料電池サンプルについて、発電時における電流密度分布を測定した結果を示している。なお、図中の濃淡が電流密度の大小を示しており、濃い部分では電流密度が大きく、薄い部分では電流密度が小さくなっている。

この燃料電池サンプルは、紙面右上端部からアノードに水素を供給しつつ、アノード内に水素を滞留させつつ発電を行う構成となっている。従って、図３の燃料電池サンプルでは、紙面右上端部がガス流れの上流部分に相当し、水素は面内を紙面右上から左下へと流れることになる（図３の矢印）。

前述したように、アノードには、カソードから電解質膜を介して、窒素や水蒸気などの反応非関与ガスが透過してきている。アノードへの水素供給に伴い、この反応非関与ガスが押し流される。図３の燃料電池サンプルでは、紙面右上から左下へと水素が流れるので、これに付随して、紙面左下側へと反応非関与ガスが押し流される。その結果、紙面左下側では、反応非関与ガスの濃度、換言すれば、アノード内のガスの全圧に対する反応非関与ガスの分圧が、局所的に増加する。

これに起因して、当該位置には水素が行き渡り難くなり、アノード内の水素分布量は、図３の紙面左下側（下流側）に行くほど少なくなる。水素の量によって発電量も左右されるので、下流側においては、発電量が小さくなる。

図４は、アノード中の上述した反応非関与ガス溜りが生じている部分（即ち、ガス流れの下流側端部）における、水素と窒素の分圧の変化を測定した図である。カソードからアノードへの窒素や水蒸気の移動は、両極の間にそれらのガスの分圧差が生じている間、継続的に生じる。よって、アノード内に存在する窒素の量は、時間と共に上昇していく傾向にある。

アノードに移動した窒素は、水素によって下流側へと押し流され局所的に集められる。発電による水素消費に合わせて継続的に水素供給が行われている状態では、アノードに透過した窒素が速やかに下流側へ集められるので、当該位置における窒素分圧が徐々に増加する。

その結果、図４に示すように、アノード内のガス流れの下流側端部では、時間の経過と共に窒素の圧力が大きく上昇し、それに対応して水素分圧が低下する。このように、上述した燃料電池サンプルでは、反応非関与ガスの局所的な滞留が生じ、当該位置に集中する反応非関与ガスの量（濃度）が徐々に増加することとなる。

図５は、図３および図４の測定に用いた燃料電池サンプルにおける、電圧の時間推移の測定結果を示す図である。図４で述べた反応非関与ガスの集中に伴い、当該ガスが集中している位置への水素供給量が低下し、図３で示したような発電量のばらつきが更に大きくなる。これに起因して、燃料電池全体の発電に影響が生じ、図５に示すような時間経過に伴う電圧の低下を招いてしまう。その結果、燃料電池の発電を効率よく行うことが困難となってしまう。

［実施の形態１の特徴および作用］
そこで、実施の形態１では、上述のような事態に対処するために、ガス流路２０の下流側端部とガス流路２２の上流側端部、および、ガス流路２０の上流側端部とガス流路２２の下流側端部とを隣接させることとしている。

前述したように、燃料電池１０の発電中には、ガス分配路１４、１６からガス流路２０、２２へと水素が流れ込んできている。これに伴って、アノード内の反応非関与ガスは、ガス流路２０、２２内を流れる水素に押し流され、ガス流路２０、２２の下流側へと運ばれる。従って、ガス流路２０、２２の下流側は反応非関与ガスの濃度が相対的に高くなる。特に、ガス流路２０、２２の下流側端部は、反応非関与ガスの濃度が、ガス流路内で最も高くなる。

反対に、ガス流路２０、２２の上流側は、反応非関与ガスの濃度が相対的に低くなる（すなわち、水素の濃度がガス流路内で相対的に高くなる）。特に、ガス流路２０、２２の上流側端部は、反応非関与ガスの濃度がガス流路内で最も低くなる（すなわち、水素の濃度がガス流路内で最も高くなる）。

図２に示すように、ガス流路２０、２２はガス拡散層３４に接するように設けられている。このため、ガス流路２０、２２内のガスはガス拡散層３４へと拡散する。よって、ガス拡散層３４のうちガス流路２０、２２の下流側部分と接する部位には、反応非関与ガスが多く（高濃度で）供給される。逆に、ガス拡散層３４のうちガス流路２０、２２の上流側部分と接する部位には、相対的に多くの水素が供給される。

ガス流路２０、２２の上流側部分と下流側部分とが隣接して設けられているので、ガス拡散層３４内では、高濃度の反応非関与ガスが存在する部位と、高濃度の水素が存在する部位が隣接する。これにより、それらの部位の間で、反応非関与ガスおよび水素の濃度勾配が平滑化するようなガス拡散が生ずることになる。

具体的には、図２の矢印に示すように、ガス拡散層３４のうち、水素分圧が高いガス流路２２の上流側部分と接する位置から、反応非関与ガス（図２では窒素と水蒸気のみ記載している）の分圧が高いガス流路２０の下流側部分と接する位置へと、水素の濃度勾配に起因した拡散が生ずることになる。また、図示しないが、反応非関与ガスについても同様に、ガス拡散層３４内で、その濃度差を緩和するような拡散が生ずることになる。

このようなガス拡散が進行することで、ガス拡散層３４内のガス分布が均一化し、燃料電池１０内でほぼ均一に水素が分布することになる。これにより、反応非関与ガスが局所的に滞留することに起因する発電電圧の低下を、抑制することができる。

以上説明したように、実施の形態１の燃料電池１０によれば、ガス流路２０、２２の下流側部分と、ガス流路２０、２２の上流側部分とを隣接させることにより、反応非関与ガスの濃度勾配が平滑化するようにガス拡散を促進することができる。その結果、簡易な構成で、燃料電池の内部で反応に関与しないガスが局所的に滞留するのを抑制することができる。

特に、実施の形態１では、ガス流路２０、２２における反応非関与ガスの濃度が最も高い下流側端部と、ガス流路２０、２２における当該ガスの濃度が最も低い上流側端部とを隣接させている。これにより、当該ガスの濃度勾配が平滑化するようなガス拡散が更に効果的に促進されることとなり、当該ガスの濃度勾配の平滑化が、より速やかに実現されることになる。

また、実施の形態１では、水素の供給口であるガス分配路１４、１６が、ガス拡散層３４を挟んで、対向して位置する。そして、対向するガス分配路から、ガス流路２０、２２がそれぞれ伸びるような構成となる。このようにすることで、一つのガス流路の流路長を比較的短くすることができる。ガス流路が長く形成されるほど、その下流側端部に押し流される反応非関与ガスの総量が多くなる傾向がある。この点、実施の形態１では、ガス流路を短くし、下流側端部に押し流される反応非関与ガスの総量を少なくすることができる。

また、ガス分配路１４、１６が対向するような配置とすることにより、ガス流路２０、２２を交互に配置することができるので、ガス流路の上流側部分と下流側部分とが隣接する部位を多数設けることが容易となる。このため、反応非関与ガスの濃度分布の平滑化の促進を、容易に実現することできる。

また、実施の形態１では、ガス流路２０、２２を、略均等に交互に配置している。このような構成によれば、ガス流路２０、２２の上流側端部と下流側端部とがバランスよく交互に配置されるので、反応非関与ガスの濃度分布の平滑化を、より効果的に促進することができる。

また、実施の形態１の燃料電池１０は、ガス流路２０、２２の下流側端部が完全に閉塞されているため、パージを行うことはできない。しかしながら、実施の形態１では、ガス流路の下流側端部と上流側端部とを隣接させることにより、反応非関与ガスの濃度勾配が平滑化するようにガス拡散を促進することとしている。このため、実施の形態１によれば、反応非関与ガスの局所的な滞留が生ずるのを抑制しつつ、パージ用の構造を備えないことのメリット（例えば、構造の複雑化の回避など）も享受することができる。

なお、実施の形態１では、ガス流路２０、２２の下流側端部と、ガス流路２０、２２の上流側端部とを隣接させている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ガス流路の上流側端部と下流側端部とを隣接させるまで至らなくとも、ガス流路２０、２２の下流側部分とガス流路２０、２２の上流側部分とを隣接させることにより、ガスの濃度勾配が平滑化するようにガス拡散を促進することができる。

すなわち、本発明におけるガス流路の下流側部分は、「ガス流路内で反応非関与ガスの濃度が相対的に高い部分」とも言い換えることができ、ガス流路の上流側部分は、「ガス流路内で反応非関与ガスの濃度が相対的に低い部分」とも言い換えることができる。反応非関与ガスの濃度に相対的な差がある部分が隣接していれば、前述したようなガス拡散が生じ、その結果、実施の形態１と同様に、反応非関与ガスの局所的な滞留を抑制することができる。

そして、「反応非関与ガスの濃度が最も高くなる部分」であるガス流路下流側端部と、「当該ガスの濃度が最も低くなる部分」である上流側端部とを隣接させた場合には、ガス拡散がより大きく促進され、反応非関与ガスの局所的な滞留が更に効果的に抑制されることとなる。

例えば、図１のような櫛歯状のガス流路が噛み合うような構成であって、実施の形態１に比して両ガス流路の噛み合う深さが浅いような場合であってもよい。このような場合であっても、簡易な構成で、反応に関与しないガスが局所的に滞留するのを抑制する効果を得ることができる。

なお、上述した実施の形態１で述べた、「ガス流路の上流側端部とガス流路の下流側端部とが隣接するように構成されている」という説明は、「各ガス流路の上流側部分と下流側部分とが、ガス拡散層の面方向に互いに隣接して配置されている」とも言い換えることができる。例えば、本実施の形態の燃料電池が複数枚積層された燃料電池スタックでは、それぞれの燃料電池のガス流路２０、２２が積層方向に隣接する場合がある。しかしながら、本発明におけるガス流路の「隣接」は、このような積層方向の隣接を意味するものではなく、ガス拡散層の面方向への隣接を意味している。

また、実施の形態１では、ガス分配路１４が複数のガス流路２０のそれぞれに対して水素を分配し、ガス分配路１６が複数のガス流路２２のそれぞれに対して水素を分配する構成となっている。しかしながら、ガス分配路１４、１６の主たる役割は、ガス流路２０、２２へ水素を供給することであって、当該位置で水素を分配するという機能は実施の形態１の構成において付随的に生ずるものである。従って、例えば、各ガス分配路がそれぞれ１本のガス流路に連通している場合には、「ガス分配路」ではなく単に「ガス供給路」として機能しているということができる。

尚、上述した実施の形態１では、電解質膜３０、電極触媒層３２の積層構造が、前記第１の発明における「膜電極接合体」に、ガス拡散層３４が、前記第１の発明における「ガス拡散層」に、ガス分配路１４、１６が、前記第１の発明における「ガス供給路」に、ガス流路２０、２２が、前記第１の発明における「ガス流路」に、それぞれ相当している。

また、上述した実施の形態１では、ガス分配路１４、１６が、前記第３の発明における「第１ガス分配路」、「第２ガス分配路」に、ガス流路２０、２２が、前記第３の発明における「第１ガス流路」、「第２ガス流路」にそれぞれ相当している。

また、上述した実施の形態１では、ガス流路２０、２２が紙面の上下に略均等に交互に配列された状態が、前記第４の発明の「前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とが略均等に交互に配置され」に相当している。

また、上述した実施の形態１では、ガス流路２０がガス分配路１４から延びてセパレータ１２面内の途中まで形成され、その下流側端部が完全に閉塞されている点が、前記第６の発明の「完全に閉塞されている」に対応している。

［実施の形態１の燃料電池に関する実験結果］
以下、図６乃至８を用いて、実施の形態１の燃料電池１０における、反応非関与ガス溜り抑制効果に関する実験結果を説明する。この実験では、実施の形態１と同様の構成の燃料電池と、比較のために更に他の構成の燃料電池について、時間の経過に伴う電圧の変化を調べている。測定の際には、各種の構造を有する燃料電池サンプルに対し、アノードに水素を滞留させた状態での発電を行いながら、それぞれの燃料電池について電圧を測定している。

図６は、実施の形態１との比較のために用意された燃料電池の構成を示している。図６は、燃料電池５０のアノード側を見た図であり、実施の形態１と同様にアノードのセパレータをその平面方向に切断した場合の切断面が示されている。

セパレータ５２は、実施の形態１のガス分配路１４、１６に相当するガス分配路５４、５６を有している。そして、セパレータ５２の中央部分には、紙面横方向にガス流路６０が形成されている。このガス流路６０は、セパレータ５２にプレス加工により形成されており、実施の形態１のガス流路２０、２２とは異なり、ガス分配路５４、５６の双方に連通している。なお、本実験では、ガス流路６０の深さの異なる３種類の燃料電池５０（ガス流路６０の深さが０．２ｍｍのサンプル、０．５ｍｍのサンプル、その中間のサンプル）を用意した。

燃料電池５０の電圧を測定する際には、ガス分配路５４、５６に外部から水素を供給する。その結果、図６の矢印方向へと水素が流れ、アノード内の反応非関与ガスが水素によって押し流されて紙面中央部分へと運ばれる。燃料電池５０は、実施の形態１で述べたような反応非関与ガス溜り抑制用の構成を有していない。従って、発電に伴い、燃料電池５０の紙面中央部分に、反応非関与ガスが局所的に滞留することになる。

図７は、実施の形態１の燃料電池１０と同様の構成を有する燃料電池、および燃料電池５０（ガス流路の深さが０．２ｍｍのもの）について、電圧の時間変化の測定を行った結果を示している。図７の実線が燃料電池１０と同様の構成を有する燃料電池、点線が燃料電池５０についての測定結果である。点線に比して実線のほうが発電電圧の低下が緩やかになっており、燃料電池１０の構成によって反応非関与ガスの局所的な滞留が抑制され、発電への影響が緩和されていると判断することができる。

図８は、図７に示した測定結果をまとめたものである。なお、図６の燃料電池５０については、ガス流路６０の深さの異なる３種類のサンプルのそれぞれについて、それぞれ測定した結果をまとめている。図８のグラフは、横軸が、燃料電池の単位反応面積当たりの流路体積、縦軸が、見かけ反応面積が１０％減少するまでの時間である。

このようにして、各サンプルについて、燃料電池の単位反応面積当たりのガス流路の体積、すなわち、反応非関与ガスの濃度の上昇のしやすさについて基準を合わせるとともに、燃料電池の電圧低下量を発電面積の減少に換算した上で比較を行っている。

その結果、図８に示すように、流路体積が同程度のものについて、実施の形態１の燃料電池の構成のほうが、見かけの発電面積が１０％減少するまでの時間が長くなっている。このことから、実施の形態１の燃料電池の構成により、反応非関与ガスの濃度勾配が平滑化するようなガス拡散が促進され、反応非関与ガスの局所的な集中が抑制されていると判断することができる。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ガス流路２０、２２を、１つの流路おきに、略均等に交互に配置することとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ガス流路２０、２２が、１つの流路おきではなく、２つの流路おきに、交互に配置されるような構成としても良い。

具体的には、図９に示す燃料電池１１０のように構成されていてもよい。燃料電池１１０のセパレータ１１２は、ガス分配路１１４、１１６と、ガス分配路１１４に連通するガス流路１２０と、ガス分配路１１６に連通するガス流路１２２を備えている。そして、２本のガス流路１２０と、同じく２本のガス流路１２２とが、略均等に交互に配置される構成となっている。

このような構成とした場合であっても、ガス流路１２０の下流側部分とガス流路１２２の上流側部分とが隣接するため、実施の形態１と同様に、反応非関与ガスの局所的な滞留を抑制することができる。なお、図９に示したような燃料電池の場合には、「複数のガス流路からなるガス流路群が、略均等に交互に配置されている」ということもできる。

また、実施の形態１の燃料電池１０および図９の燃料電池１１０のいずれとも異なり、ガス流路２０、２２が交互に配置されるものの、その配置が略均等となっていない構成であっても良い。具体的には、例えば、ガス流路２０が２本設けられた後、ガス流路２２が１本設けられ、更にガス流路２０が２本、ガス流路２２が１本、といったように、ガス流路２０、２２の本数の割合が均等になっていなくともよい。

また、上述したいずれの構成とも異なり、ガス流路２０、２２が交互に配置さているものの、その配置が規則的なものとなっていなくとも良い。具体的には、例えば、ガス流路２０が３本設けられた後、ガス流路２２が１本設けられ、更にガス流路２０が２本、ガス流路２２が３本、といったように、ガス流路２０、２２の割合が不規則になる構成であってもよい。これらのように、ガス流路の配置が略均等となっていない場合であっても、ガス流路を交互に配置することで、一方のガス流路と他方のガス流路の上流側部分と下流側部分とを相互に隣接させることができ、発電反応に関与しないガスの濃度分布の平滑化をより効果的に促進することができる。

なお、上述した実施の形態１の構成では、ガス流路の形状が紙面上で左右対称の構造となっている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ガス流路の形状が必ずしも対称性をもたなくともよく、ガス流路の上流側部分と下流側部分とが隣接して配置されていればよい。

実施の形態２．
［実施の形態２の構成、特徴および作用］
図１０は、本発明の実施の形態２の燃料電池２１０の構成を説明するための図であり、実施の形態１の図１に相当する図である。図１０は、燃料電池２１０をアノード側から見た図に相当し、アノードのセパレータ２１２が示されている。実施の形態２は、実施の形態１と同様に、電解質膜、電極触媒層、ガス拡散層を有している。

実施の形態１では、二つのガス分配路、すなわち、ガス分配路１４、１６をそれぞれセパレータ１２の一方の端部側と他方の端部側とに設ける構成としている。これに対し、実施の形態２は、図１０に示すように、セパレータ２１２にガス分配路を一つのみ有するような構成となっている。

実施の形態２の燃料電池２１０では、一つのガス分配路２１４に対して、３本のガス流路２２０が連通している。ガス流路２２０は、ガス分配路２１４から一方向に延び、途中で折り返している。そして、ガス流路２２０は、当該折り返し部分から更に延び、その下流側端部がガス分配路２１４の近く、即ち上流側端部の近くに位置するように形成されている。

そして、ガス分配路２１４から流入したガスが折り返し部を通過して閉塞された下流側端部へと流れ、ガス流路２２０内に水素が滞留する構成となっている。このような構成でも、ガス流路２２０の下流側部分と上流側部分とが隣接するため、実施の形態１と同様に、反応非関与ガスの局所的な滞留を抑制することができる。

また、実施の形態２によれば、一つのガス流路の上流側部分と下流側部分とを隣接させることができる。このため、実施の形態１のように二つの対向するガス分配路を設けてガス流路を交互に配置する場合に比して、ガス分配路の数を少なくすることができる。その結果、例えば、セパレータ２１２のスペースを有効に活用できる。また、セパレータ２１２に多くの貫通孔を設ける必要がなくなり、その強度が低下するような弊害を回避することができる。

なお、ガス流路の折り返し部は、図１０に示したＵ字形状に限られるものではなく、Ｗ字形状やその他の種々の形状とすることができる。なお、上述した実施の形態２では、ガス流路２２０が有する折り返し部が、前記第５の発明の「折り返し部」に相当している。

実施の形態３．
［実施の形態３の燃料電池の構成］
図１１は、本発明の実施の形態３の燃料電池３１０を説明するための図である。図１１は、実施の形態１の燃料電池１０の図２で示した位置（図１のＡ−Ａ線の位置）を、燃料電池３１０についても同様に切断し、当該断面の一部を拡大して示した図である。燃料電池３１０は燃料電池１０とほぼ同様の構成を有しているが、ガス拡散層３４上に取り付けられるセパレータ３１２の構造が、燃料電池１０のセパレータ１２の構造と相違している。

セパレータ３１２のガス流路３２０、３２２は、実施の形態１のガス流路２０、２２と同様の構造となっている。具体的には、ガス流路３２０、３２２は、図１で説明したガス流路２０、２２と同様に、セパレータ３１２の面内に櫛歯状に互い違いに延びるように構成されている。そして、ガス流路３２０の下流側端部とガス流路３２２の上流側端部、および、ガス流路３２０の上流側端部とガス流路３２２の下流側端部とが隣接するように構成されている（図１参照）。

図１１に示される部分は、実施の形態１の燃料電池１０の図２に示される部分に相当している。すなわち、図２がガス流路２０の下流部分とガス流路２２の上流部分とが隣接する部分を示すのと同様に、図１１は、ガス流路３２０の下流部分とガス流路３２２の上流部分とが隣接する部分を示している。

セパレータ３１２は、実施の形態１のセパレータ１２と異なり、内部にガス排出路３２４を有している。ガス排出路３２４は、各ガス流路３２０の下流側端部に局所的に連通するように構成されている。そして、ガス流路３２２には連通しない構成となっている。このような構成によれば、ガス流路３２０内のガスが、下流側へと流れた後、下流側部分からガス排出路３２４へと流れ出ることになる。

また、図示しないが、セパレータ３１２には、ガス流路３２２の下流側部分に局所的に連通する第２のガス排出路も設けられている。第２のガス排出路は、ガス排出路３２４と干渉しないようにセパレータ３１２内に形成されている。そして、ガス排出路３２４と同様に、ガス流路３２２内の下流側部分から当該第２のガス排出路へと、ガスが流れ出ることになる。

図１２には、実施の形態３の燃料電池を含む燃料電池システムが示されている。図１１には、実施の形態３の燃料電池が複数積層されてなる燃料電池スタック３５０が示されている。燃料電池スタック３５０内における各燃料電池３１０のガス排出路（ガス排出路３２４および図示しない第２ガス排出路を含む）は、ひとまとめにされて、スタックの外部の管路３５２へと接続される。

管路３５２は、パージ弁３５４に連通している。パージ弁３５４を開くことで、管路３５２が更に下流側の図示しないガス排出系に連通する。パージ弁３５４を閉じることで、当該位置でガスが塞き止められ、燃料電池３１０内にガスが滞留する状態となる。

燃料電池スタック３５０には、水素タンク３５６が連通している。水素タンク３５６は、図示しない水素供給弁を介して、燃料電池スタック３５０内における各燃料電池３１０のガス分配路（図示せず）に連通している。このような構成によれば、水素タンク３５６の水素が、適宜、燃料電池３１０のガス分配路へと供給され、ガス流路３２０、３２２へと流入することになる。

［実施の形態３の特徴および作用］
実施の形態３の燃料電池が発電を行う際には、パージ弁３５４を閉じた状態で、水素タンク３５６から水素の供給が行われる。これにより、実施の形態１と同様に、燃料電池３１０のガス流路３２０、３２２内に水素を滞留させた状態で、発電が行われる。燃料電池３１０は、実施の形態１の燃料電池１０と同様に、ガス流路３２０の上流側端部とガス流路３２２の下流側端部とが隣接するように構成されている。従って、燃料電池３１０においても、反応非関与ガスの局所的な滞留が抑制される。

その後、実施の形態３では、発電が継続的に行われることで燃料電池３１０内の反応非関与ガスの濃度が所定量に達したら、パージ弁３５４が開かれる。これにより、ガス流路３２０内のガスが、ガス排出路３２４を通って、ガス排出系へと排出される。このような構成によれば、パージ弁３５４を適宜開放することで、必要に応じてガス流路３２０、３２２のパージを行うことができる。

以上説明したように、実施の形態３によれば、必要に応じてガス流路のパージを行うことができる。そして、燃料電池３１０の内部で反応に関与しないガスが局所的に滞留するのを抑制することができるため、パージの頻度を低下させることができる。

なお、実施の形態３では、複数の燃料電池３１０を積層してなる燃料電池スタック３５０について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、１枚の燃料電池３１０について、ガス排出路３２４がパージ弁３５４に連通するような構成であってもよい。ガス排出路がパージ弁に連通し、適宜パージを行うタイプの燃料電池であれば、本発明の思想を適用することができる。また、パージ弁３５４以外の構成を用いて、ガス排出路３２４と外部との連通、遮断を行い、適宜パージを行う構成としてもよい。

なお、上述した実施の形態３では、ガス排出路３２４が、前記第７の発明の「ガス排出路」に、パージ弁３５４が、前記第７の発明の「パージ弁」に、ガス流路３２０、３２２が、前記第７の発明の「ガス流路」に、それぞれ相当している。

実施の形態４．
［実施の形態４の構成］
図１３は、本発明の実施の形態４を説明するための図である。実施の形態４は、実施の形態３とほぼ同様の構成であるものの、ガス排出路３２４とガス排出系とが、パージ弁３５４のかわりに絞り弁４５４を介して連通する点で、実施の形態３に相違している。その他、実施の形態３と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

［実施の形態４の特徴および作用］
実施の形態４の燃料電池が発電を行う際には、実施の形態３と同様に、水素タンク３５６から適宜水素が供給される。また、絞り弁４５４の開度が調節され、当該位置でのガス流通量が抑制された状態で、図示しないガス排出系へと排気が行われる（このような排気は、少量排気とも呼称される）。少量排気を行う場合、反応非関与ガスがガス排出系へと継続的に排出され、燃料電池３１０内部の反応非関与ガスの増加を抑制できる。

しかしながら、カソードからアノードへの反応非関与ガス移動量が大きい場合などには、アノード内の反応非関与ガスの濃度が徐々に上昇することもありうる。その場合には、ガス流路内に反応非関与ガスが残し、ガス流路の下流側において反応非関与ガスの局所的な滞留が生ずるおそれが生ずる。

これに対し、実施の形態４では、燃料電池スタック３５０内の燃料電池３１０が、反応非関与ガスの局所的な滞留が抑制されうるように構成されている。そのため、ガス流路内で反応非関与ガスが増加しても、当該ガスが燃料電池内で局所的に滞留するのを抑制できる。すなわち、実施の形態４により、少量排気のみの構成の不足な点を補うことができるということもできる。

以上説明したように、実施の形態４の構成によれば、少量排気によるアノード内の反応非関与ガス量の増加の抑制と、反応非関与ガスの濃度勾配が平滑化するようなガス拡散の促進とを併用することができる。その結果、燃料電池３１０内の反応非関与ガスの濃度（量）上昇を抑制することができるとともに、内部で反応非関与ガスが局所的に滞留するのを抑制することができる。

なお、実施の形態４では、絞り弁４５４を用いて少量排気を実現した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。絞り弁４５４以外の種々のガス流量調整機構を用いて、少量排気を実現することとしてもよい。また、ガス流量の調節を行うことなく、単に、ガスの流出口の径を適宜所定の寸法とすることで、少量排気を実現することとしてもよい。

なお、上述した実施の形態４では、図示しないガス排出路が、前記第８の発明の「ガス排出路」に、絞り弁４５４が、前記第８の発明の「絞り弁」に相当している。

尚、上述したように、本発明は、ガス流路の下流側端部が実質的に閉塞された状態にある燃料電池に対して利用することができる。ここで、「実質的に閉塞された」構造とは、ガス流通が完全に生じない状態のみを意味するものではない。具体的には、「実質的に閉塞された構造」とは、「反応非関与ガスの濃度（分圧）がガス流路の下流側において相対的に高くなるようにされた構造」とも言い換えることができる。

従って、本発明における「実質的に閉塞された構造」とは、実施の形態１乃至４で示したような構造を含んでいる。なお、実施の形態１乃至４で述べた、ガス流路の下流側端部が閉塞された状態にある燃料電池を、デッドエンド型燃料電池や、非循環型の燃料電池と呼称する場合もある。

なお、上述した実施の形態１乃至４およびその変形例では、ガス流路を複数有する燃料電池について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ガス流路を１つのみ有するような燃料電池についても、当該ガス流路の上流側部分と下流側部分とが隣接する構成とすることにより、実施の形態１と同様に、ガスの濃度勾配が平滑化するように、ガス拡散層３４内のガス拡散を促進することができる。その結果、反応非関与ガスが局所的に滞留するのを抑制することができる。

なお、上記の各実施の形態中で述べた燃料電池を、前述した日本特開２００５−１１６２０５号公報に係る技術と比較した場合、次のような利点がある。前述した日本特開２００５−１１６２０５号公報に係る燃料電池のように、複数のガス供給口とそれらにそれぞれ接続する複数のバルブとを備え、各バルブの開閉状態を切り替えることで燃料電池内部のガスを均一化する手法では、装置構成が複雑化するおそれもある。

これに対し、上述した実施形態にかかる燃料電池は、セパレータに形成したガス流路構造の工夫により、比較的簡素な構成によって反応非関与ガスの局所的滞留を抑制することができる。又、上述した実施形態によれば、燃料電池内の面方向におけるガスの濃度ムラを、効果的に抑制することができる。

なお、下記（i）〜（iii）の少なくとも１の様態で発電する燃料電池は、デッドエンド型燃料電池に含まれるものとする。

（i）アノード極（アノード側のガス流路）からガスを排気させることなく、発電を継続的に行う燃料電池。

（ii）アノード極内における不純物ガス（上記実施の形態では、電解質膜を介してカソードから透過してきた窒素などの反応非関与ガス）の分圧と、カソード極における不純物ガスとが、略つりあった状態（あるいは略等しくなった状態）で、発電を継続的に行う燃料電池。換言すれば、アノードの不純物ガスの分圧を、カソードの不純物ガスの分圧まで上げた状態で発電する燃料電池。
実施の形態１で述べたように、電解質膜はガスを透過する性質を有している。カソードとアノードとの間にガスの分圧差があると、この分圧差が縮小されるように電解質膜を介してガスが移動する。その結果、アノードとカソードにおける不純物ガスの分圧は、やがて略つりあった状態となる。（ii）の態様は、このような状態で発電を行う燃料電池である。

（iii）アノードに供給された燃料（上記の実施の形態では、既述したように、水素を含む反応ガス）を、略全て、発電反応で消費する燃料電池。
ここで、略全てとは、シール構造や電解質膜を介してアノード極の外へとリークしていった分の燃料を除き、供給された全ての燃料であることが好ましい。

なお、本発明にかかる燃料電池の構成を、常にではなく特定の状況下（例えば、小負荷時のみなど）に限ってデッドエンド型の運転（デッドエンド運転）を行う燃料電池に対して、採用することもできる。つまり、本発明の対象となる燃料電池は、必ずしも全ての発電帯域でデッドエンド運転を行う燃料電池に限られるものではない。少なくとも一部の発電帯域（例えば、小負荷時のみなど）でデッドエンド運転を行う燃料電池に、本発明の思想を適用することができる。

なお、本発明にかかる燃料電池においてカソード側のガス流路をアノード側のガス流路と同様の構成にしてもよいが、例えば圧損を減らす観点などからカソード側のガス流路の構成をアノード側のガス流路の構成とは異なるものとしてもよい。

例えば、圧損を減らす観点からは、カソード側のガス流路を、カソードガス（上記の実施の形態では、既述したように、空気）の供給口と排出口の両方に連通する流路とすることが好ましい。つまり、本発明にかかる燃料電池を用いて燃料電池スタックを構成した場合には、各燃料電池のカソード側のガス流路を、カソード側のガス供給マニホールドとガス排出マニホールドの両方に連通させることが好ましいということになる。

このカソード側のガス流路は、例えば、溝流路やディンプル流路、孔体流路（多孔質体をガス流通用の部材として用いる構造）とすることが好ましい。カソード側のガス流路を、アノード側のガス流路に比べて圧損の低い構成にしたり、圧損が一定となるような流路構造としたりすることにより、カソード側ガス流路におけるガスの供給、排出をスムーズに行うことができる。

Claims (8)

1. 膜電極接合体と、前記膜電極接合体に積層されるガス拡散層と、前記ガス拡散層に接して設けられる１または複数のガス流路と、前記ガス流路に供給するガスが流通するガス供給路とを有し、前記ガス流路の上流側端部が前記ガス供給路に連通し該ガス流路の下流側端部が実質的に閉塞された燃料電池であって、
   前記ガス流路の下流側部分と、該ガス流路の上流側部分または該ガス流路と異なる他の前記ガス流路の上流側部分とが隣接していることを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガス流路の前記下流側端部と、前記ガス流路の前記上流側端部または該ガス流路と異なる前記ガス流路の前記上流側端部とが隣接していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記ガス供給路は、前記膜電極接合体の面方向に沿って前記ガス拡散層を挟むように位置する第１ガス供給路と第２ガス供給路とを含み、
   前記ガス流路は、その上流側端部が前記第１ガス供給路に連通しその下流側端部が実質的に閉塞された第１ガス流路と、その上流側端部が前記第２ガス供給路に連通しその下流側端部が実質的に閉塞された第２ガス流路とを含み、
   前記第１ガス流路の上流側部分と前記第２ガス流路の下流側部分とが隣接し、該第１ガス流路の下流側部分と該第２ガス流路の上流側部分とが隣接していることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とが交互に配置されてなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記ガス流路は前記上流側部分と前記下流側部分との間に折り返し部を有し、
   前記ガス流路の前記下流側部分と該ガス流路の前記上流側部分とが隣接していることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
6. 前記ガス流路の前記下流側端部が完全に閉塞されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の燃料電池。
7. 前記下流側端部に接続されるガス排出路と、
   前記ガス排出路に配置され、開閉によりその連通状態を切替可能なパージ弁とを有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の燃料電池。
8. 前記下流側端部に接続されるガス排出路と、
   前記ガス排出路に配置される絞り弁とを有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の燃料電池。

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