JPWO2010067453A1 - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

膜電極構造体の乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供する。電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層とを有する膜電極構造体、を少なくとも備える積層体、及び、該積層体を狭持する一対のセパレータを具備し、該一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータの積層体側の面に、積層体へと供給される反応ガスが流通する流入流路、及び、積層体を通過した反応ガスが流通する流出流路が備えられ、流入流路は積層体へと供給される反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、流出流路は積層体を通過した反応ガスの上流端が閉塞され、流入流路及び流出流路は、セパレータにおいて互いに分離して配置され、流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深い、燃料電池とする。

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、流路の入口又は出口が閉塞された閉塞流路を有する、燃料電池に関する。
燃料電池は、電解質層(以下において、「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード触媒層及びカソード触媒層)とを備える膜電極構造体(以下において、「MEA」ということがある。)で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC」という。)は、低温領域で運転することができる。このPEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
PEFCの単セルは、MEAと、当該MEAを含む積層体を狭持する一対の集電体(セパレータ)と、を備え、MEAには、プロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。PEFCの運転時には、アノードに水素含有ガス(以下において、「水素」ということがある。)が、カソードに酸素含有ガス(以下において、「空気」ということがある。)が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノード触媒層に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソード触媒層へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが、カソード触媒層に含まれる触媒の作用下で反応することにより、水が生成される。
MEAに含有されるプロトン伝導性ポリマーを含水状態に保つことにより、プロトン伝導抵抗を低減させることが可能になる。そのため、PEFCの運転時には、加湿された水素及び加湿された空気(以下において、これらをまとめて「反応ガス」ということがある。)を単セルへと供給し、MEAを含水状態に保っている。ところが、単セル内に存在する水は、反応ガスと共に、反応ガスの流通方向へと移動し得る。そのため、MEAでは、水分量の分布が生じることがある。具体的には、反応ガス流通方向の上流側に面するMEAの領域は、反応ガス流通方向の下流側に面するMEAの領域と比較して乾燥しやすい。また、反応ガス流通方向の下流側には液体の水(以下において、「液水」という。)が溜まりやすく、フラッディングと呼ばれる状態になりやすい。MEAが乾燥すると、プロトン伝導抵抗が増大し、PEFCの発電性能が低下する。また、フラッディングが発生すると、反応ガスの拡散が阻害されて電気化学反応の発生頻度が低減するため、PEFCの発電性能が低下する。それゆえ、PEFCの発電性能を向上させるためには、MEAの乾燥やフラッディングの発生を抑制する必要がある。
フラッディングの発生を抑制し得る技術として、これまでに、入口又は出口が閉塞された反応ガス流路(以下において、当該流路を「閉塞流路」ということがある。)を有するPEFCが開発されてきている。閉塞流路を有する形態とすることにより、隣り合う流路の間に位置するセパレータの部位(以下において「凸部」という。)と対向する積層体の領域にも、多くの反応ガスを拡散させることができる。そのため、かかる形態とすることにより、排水性を向上させることが可能になる。
例えば特許文献1には、閉塞流路を有するPEFCに関する技術が開示されている。
特開平11−16591号公報
特許文献1に開示されている技術では、閉塞流路が集電体(セパレータ)に形成されているので、凸部と対向する積層体の領域にも、多くの反応ガスを拡散させることができる。そのため、凸部と対向する積層体の領域に液水が滞留する事態を抑制することが可能になると考えられる。ところが、特許文献1に開示されている技術では、流路の出口が閉塞された閉塞流路(以下において、「流入流路」という。)の入口近傍において、反応ガスが高流速で流通する。そのため、特許文献1に開示されている技術には、流入流路の入口近傍と面するMEAの領域から水が持ち去られやすく、当該領域が乾燥しやすいという問題があった。
そこで本発明は、膜電極構造体の乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層とを有する膜電極構造体を少なくとも備える積層体、及び、該積層体を狭持する一対のセパレータを具備し、該一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータの積層体側の面に、積層体へと供給される反応ガスが流通する流入流路、及び、積層体を通過した反応ガスが流通する流出流路が備えられ、流入流路は積層体へと供給される反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、流出流路は積層体を通過した反応ガスの上流端が閉塞され、流入流路及び流出流路は、セパレータにおいて互いに分離して配置され、流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深いことを特徴とする、燃料電池である。
ここに、本発明において、「膜電極構造体を少なくとも備える積層体」とは、膜電極構造体からなる積層体と、膜電極構造体及びその他の要素からなる積層体とを含む概念である。積層体に備えられる「その他の要素」としては、PEFCの単セルにおいて一対のセパレータに狭持される要素のうち、MEAを除く公知の構成要素(例えば、MEAとセパレータとの間に配設されるガス拡散層等)を用いることができる。さらに、本発明において、「積層体へと供給される反応ガス」及び「積層体を通過した反応ガス」とは、水素含有ガス、又は、酸素含有ガスをいう。さらに、本発明において、「反応ガスが流通する」とは、少なくとも反応ガスが流通することをいい、反応ガスに加えて、燃料電池の発電によって生成された水等が流通することも許容する概念である。さらに、本発明において、「流入流路及び流出流路は、セパレータにおいて互いに分離して配置され」とは、一対のセパレータを構成する一方のセパレータのみに流入流路及び流出流路が備えられ、他方のセパレータには閉塞流路が備えられない場合(すなわち、入口及び出口が開口している流路のみが備えられる場合)には、当該一方のセパレータに備えられる流入流路及び流出流路が互いに分離して配置されることをいう。これに対し、一対のセパレータを構成する各セパレータに、流入流路及び流出流路を備えられる場合には、各セパレータに備えられる流入流路及び流出流路が、それぞれ互いに分離して配置されることをいう。さらに、本発明において、「流入流路の上流側領域」とは、流入流路の全長(流入流路における反応ガス流通方向の長さ。以下において同じ。)の中間点から流入流路の上流端(入口)までの領域をいう。さらに、本発明において、「流入流路の下流側領域」とは、流入流路の全長の中間点から流入流路の下流端(閉塞部)までの領域をいう。さらに、本発明において、「流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深い」とは、流入流路の全長の中間点から所定の距離x(x>0。以下において同じ。)だけ上流端側の位置における流入流路の深さが、当該中間点から所定の距離xだけ下流端側の位置における流入流路の深さよりも深いことをいう。
また、上記本発明において、さらに、流入流路及び流出流路が備えられるセパレータにおける流出流路の下流側領域の深さが、該流出流路の上流側領域の深さよりも深いことが好ましい。
ここに、本発明において、「流出流路の下流側領域」とは、流出流路の全長(流出流路における反応ガス流通方向の長さ。以下において同じ。)の中間点から流出流路の下流端(出口)までの領域をいう。さらに、本発明において、「流出流路の上流側領域」とは、流出流路の全長の中間点から流出流路の上流端(閉塞部)までの領域をいう。さらに、本発明において、「流出流路の下流側領域の深さが、該流出流路の上流側領域の深さよりも深い」とは、流出流路の全長の中間点から所定の距離xだけ下流端側の位置における流出流路の深さが、当該中間点から所定の距離xだけ上流端側の位置における流出流路の深さよりも深いことをいう。
また、上記本発明において、上記一方のセパレータをカソード触媒層側に配置することができる。
ここに、本発明において、「上記一方のセパレータをカソード触媒層側に配置する」とは、流入流路の深さが上述のように制御されているセパレータ(以下において、当該形態を「第1形態」という。)、又は、流入流路及び流出流路の深さが上述のように制御されているセパレータ(以下において、当該形態を「第2形態」という。)を、少なくともカソード触媒層側に配置することをいう。すなわち、本発明の燃料電池では、第1形態のセパレータ又は第2形態のセパレータが少なくともカソード触媒層側に配置されていれば良い。本発明の燃料電池のアノード触媒層側に配置されるセパレータが採り得る形態としては、上記第1形態や上記第2形態のほか、全長に亘って深さが略一定の流入流路及び流出流路が備えられる形態や、入口及び出口が開口している流路のみが備えられる形態等を例示することができる。
本発明の燃料電池では、流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深い。そのため、流入流路の上流側領域を流通する反応ガスの流速を低減させることができ、MEAから過度の水が持ち去られる事態を抑制してMEAの乾燥を抑制することができる。さらに、流入流路の流路幅ではなく流入流路の上流側領域の深さを深くすることで、セパレータの内部を流通する冷却媒体によって冷却される流入流路側面の面積を増大させることができるため、乾燥抑制効果を容易に得ることができる。さらに、流入流路の下流側領域の深さを、該流入流路の上流側領域の深さよりも浅くすることにより、流入流路の下流側領域を流通する反応ガスの流速を増大させることができる。そのため、流入流路の下流側領域及び当該領域と対峙する積層体におけるフラッディングの発生を抑制することができる。したがって、本発明の燃料電池によれば、MEAの乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することができる。
また、本発明の燃料電池において、さらに、流出流路の下流側領域の深さを、該流出流路の上流側領域の深さよりも深くすることにより、流出流路の下流側領域を流通する反応ガスの流速を低減させることができる。そのため、流出流路の下流側領域と面するMEAから過度に水が持ち去られる事態を抑制して、MEAの乾燥を抑制することができる。さらに、流出流路の流路幅ではなく流出流路の下流側領域の深さを深くすることで、セパレータの内部を流通する冷却媒体によって冷却される流出流路側面の面積を増大させることができるため、乾燥抑制効果を容易に得ることができる。加えて、流出流路の上流側領域の深さを、該流出流路の下流側領域の深さよりも浅くすることにより、流出流路の上流側領域を流通する反応ガスの流速を増大させることができる。そのため、流出流路の上流側領域及び当該領域と対峙する積層体におけるフラッディングの発生を抑制することができる。したがって、かかる形態とすることにより、MEAの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制することが可能になる。
また、本発明の燃料電池において、さらに、流入流路、又は、流入流路及び流出流路の深さが制御されているセパレータが少なくともカソード触媒層側に配置されることにより、MEAの乾燥及びフラッディングが発生しやすいカソード触媒層側における水分量の分布を均一化することができる。したがって、かかる形態とすることにより、MEAの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制することが可能になる。
本発明の燃料電池10の形態例を示す断面図である。 セパレータ8の形態例を概略的に示す平面図である。 流入流路8xの形態例を概略的に示す断面図である。 流出流路8yの形態例を概略的に示す断面図である。 セパレータ9の形態例を概略的に示す平面図である。 流入流路9xの形態例を概略的に示す断面図である。 流出流路9yの形態例を概略的に示す断面図である。
符号の説明
1…電解質膜
2…アノード触媒層
3…カソード触媒層
4…MEA(膜電極構造体)
5…ガス拡散層
6…ガス拡散層
7…積層体
8…セパレータ
8x…流入流路
8y…流出流路
8z…凸部
9…セパレータ
9x…流入流路
9y…流出流路
9z…凸部
10…燃料電池
PEFCの運転時に、MEAを含む積層体に含まれる水分量は、積層体の形態、アノード触媒層側を流通する水素の流路構成、カソード触媒層側を流通する空気の流路構成、及び、運転条件等によって異なり、アノード触媒層やカソード触媒層の面内においても、水分量の分布が生じ得る。このため、面内のある部位では水分過多によるフラッディングが発生し、当該面内の他の部位では水分不足による乾燥が生じることがある。これは、反応ガスによって持ち去られる水分量が、アノード触媒層やカソード触媒層の部位に応じて異なること等に起因している。
本発明者らは、反応ガスによって持ち去られる水分量と、反応ガスの流速との間には、相関があることを知見した。そのため、反応ガスの流速を増大させることで、反応ガスにより持ち去られる水分量を増大させることができ、反応ガスの流速を低減させることで、反応ガスにより持ち去られる水分量を低減させることができると考えられる。
本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、流入流路や流出流路の深さを制御することによって、MEAの乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することを主な要旨とする。
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
図1は、本発明の燃料電池10の形態例を概略的に示す断面図である。図1の紙面上下方向が、流入流路8x、8x、…、流出流路8y、8y、…、流入流路9x、9x、…、及び、流出流路9y、9y、…の深さ方向である。また、図1の紙面奥/手前方向又は図1の紙面手前/奥方向が、膜電極構造体4へと供給される反応ガスの流通方向である。
図1に示すように、本発明の燃料電池10は、電解質膜1、該電解質膜1の一方の面に形成されたアノード触媒層2、及び、該アノード触媒層2が形成された電解質膜1の面とは反対側の面に形成されたカソード触媒層3、を備えるMEA4、アノード触媒層2側に配設されたガス拡散層5、並びに、カソード触媒層3側に配設されたガス拡散層6、を備える積層体7と、ガス拡散層5側に配設されたセパレータ8と、ガス拡散層6側に配設されたセパレータ9と、を有している。セパレータ8のガス拡散層5側の面には、水素が流通する、流入流路8x、8x、…、及び、流出流路8y、8y、…が備えられ、セパレータ8には、冷却媒体が流通する空間(不図示)が備えられている。また、セパレータ9のガス拡散層6側の面には、空気が流通する、流入流路9x、9x、…、及び、流出流路9y、9y、…が備えられ、セパレータ9には、冷却媒体が流通する空間(不図示)が備えられている。
図2は、セパレータ8の形態例を概略的に示す平面図である。図2の紙面手前/奥方向が、流入流路8x、8x、…及び流出流路8y、8y、…の深さ方向である。図2の矢印は水素の流通方向を示しており、図2の紙面左側は図1の紙面手前側と対応している。
図2に示すように、流入流路8x、8x、…は、水素の下流端が閉塞されており、流出流路8y、8y、…は、水素の上流端が閉塞されている。図2に示すように、セパレータ8に備えられている流入流路8x、8x、…、及び、流出流路8y、8y、…は、交互に分離して配置されており、互いに接続されていない。それゆえ、燃料電池10において、流入流路8x、8x、…を介して供給された水素は、ガス拡散層5やアノード触媒層2へと拡散し、その後、ガス拡散層5やアノード触媒層2を通過した水素が、流出流路8y、8y、…へと達する。したがって、燃料電池10によれば、隣接する流入流路8x、8x、…と流出流路8y、8y、…との間の凸部8zと対向するガス拡散層5及びアノード触媒層2の領域(以下において、「凸部8z対向領域」という。)にも、水素を容易に拡散させることができる。そのため、燃料電池10によれば、凸部8z対向領域に液水が滞留する事態を抑制でき、フラッディングの発生を抑制することが可能になる。
図3は、図2のA−A断面図である。図3の紙面上側が図2の紙面手前側と対応しており、図3の紙面上下方向が、流入流路8xの深さ方向である。
図2及び図3に示すように、流入流路8x、8x、…は、上流側領域(図3にX1で示す領域。以下において同じ。)の深さが、下流側領域(図3にY1で示す領域。以下において同じ。)の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流入流路8x、8x、…の上流側領域を流通する水素の流速を低減させることができ、流入流路8x、8x、…の上流側領域と対峙するMEA4の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流入流路8x、8x、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流入流路8x、8x、…の上流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流入流路8x、8x、…の上流側領域と対峙するMEA4の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、MEA4の当該領域から過度の水が蒸発する事態(過度の水が持ち去られる事態)を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流入流路8x、8x、…の上流側領域と対峙するMEA4の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池10によれば、MEA4の乾燥を抑制することができる。
また、図2及び図3に示すように、流入流路8x、8x、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流入流路8x、8x、…の下流側領域を流通する水素の流速を増大させることができ、流入流路8x、8x、…の下流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体7の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流入流路8x、8x、…の下流側領域及び当該領域と対峙する積層体7の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池10によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
図4は、図2のB−B断面図である。図4の紙面上側が図2の紙面手前側と対応しており、図4の紙面上下方向が、流出流路8yの深さ方向である。
図2及び図4に示すように、流出流路8y、8y、…は、下流側領域(図4にY2で示す領域。以下において同じ。)の深さが、上流側領域(図4にX2で示す領域。以下において同じ。)の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流出流路8y、8y、…の下流側領域を流通する水素の流速を低減させることができ、流出流路8y、8y、…の下流側領域と対峙するMEA4の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流出流路8y、8y、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流出流路8y、8y、…の下流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流出流路8y、8y、…の下流側領域と対峙するMEA4の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、MEA4の当該領域から過度の水が蒸発する事態(過度の水が持ち去られる事態)を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流出流路8y、8y、…の下流側領域と対峙するMEA4の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池10によれば、MEA4の乾燥を抑制することができる。
また、図2及び図4に示すように、流出流路8y、8y、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流出流路8y、8y、…の上流側領域を流通する水素の流速を増大させることができ、流出流路8y、8y、…の上流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体7の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流出流路8y、8y、…の上流側領域及び当該領域と対峙する積層体7の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池10によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
図5は、セパレータ9の形態例を概略的に示す平面図である。図5の紙面手前/奥方向が、流入流路9x、9x、…及び流出流路9y、9y、…の深さ方向である。図5の矢印は空気の流通方向を示しており、図5の紙面左側は図1の紙面手前側と対応している。
図5に示すように、流入流路9x、9x、…は、空気の下流端が閉塞されており、流出流路9y、9y、…は、空気の上流端が閉塞されている。図5に示すように、セパレータ9に備えられている流入流路9x、9x、…、及び、流出流路9y、9y、…は、交互に分離して配置されており、互いに接続されていない。それゆえ、燃料電池10において、流入流路9x、9x、…を介して供給された空気は、ガス拡散層6やカソード触媒層3へと拡散し、その後、ガス拡散層6やカソード触媒層3を通過した空気が、流出流路9y、9y、…へと達する。したがって、燃料電池10によれば、隣接する流入流路9x、9x、…と流出流路8y、8y、…との間の凸部9zと対向するガス拡散層6及びカソード触媒層3の領域(以下において、「凸部9z対向領域」という。)にも、空気を容易に拡散させることができる。そのため、燃料電池10によれば、凸部9z対向領域に液水が滞留する事態を抑制でき、フラッディングの発生を抑制することが可能になる。
図6は、図5のC−C断面図である。図6の紙面上側が図5の紙面手前側と対応しており、図6の紙面上下方向が、流入流路9xの深さ方向である。
図5及び図6に示すように、流入流路9x、9x、…は、上流側領域(図6にX3で示す領域。以下において同じ。)の深さが、下流側領域(図6にY3で示す領域。以下において同じ。)の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流入流路9x、9x、…の上流側領域を流通する空気の流速を低減させることができ、流入流路9x、9x、…の上流側領域と対峙するMEA4の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流入流路9x、9x、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流入流路9x、9x、…の上流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流入流路9x、9x、…の上流側領域と対峙するMEA4の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、MEA4の当該領域から過度の水が蒸発する事態(過度の水が持ち去られる事態)を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流入流路9x、9x、…の上流側領域と対峙するMEA4の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池10によれば、MEA4の乾燥を抑制することができる。
また、図5及び図6に示すように、流入流路9x、9x、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流入流路9x、9x、…の下流側領域を流通する空気の流速を増大させることができ、流入流路9x、9x、…の下流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体7の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流入流路9x、9x、…の下流側領域及び当該領域と対峙する積層体7の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池10によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
図7は、図5のD−D断面図である。図7の紙面上側が図5の紙面手前側と対応しており、図7の紙面上下方向が、流出流路9yの深さ方向である。
図5及び図7に示すように、流出流路9y、9y、…は、下流側領域(図7にY4で示す領域。以下において同じ。)の深さが、上流側領域(図7にX4で示す領域。以下において同じ。)の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流出流路9y、9y、…の下流側領域を流通する空気の流速を低減させることができ、流出流路9y、9y、…の下流側領域と対峙するMEA4の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流出流路9y、9y、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流出流路9y、9y、…の下流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流出流路9y、9y、…の下流側領域と対峙するMEA4の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、MEA4の当該領域から過度の水が蒸発する事態(過度の水が持ち去られる事態)を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流出流路9y、9y、…の下流側領域と対峙するMEA4の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池10によれば、MEA4の乾燥を抑制することができる。
また、図5及び図7に示すように、流出流路9y、9y、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流出流路9y、9y、…の上流側領域を流通する空気の流速を増大させることができ、流出流路9y、9y、…の上流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体7の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流出流路9y、9y、…の上流側領域及び当該領域と対峙する積層体7の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池10によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
燃料電池10に関する上記説明では、アノード触媒層2側に、深さが制御された流入流路8x、8x、…及び流出流路8y、8y、…を備えるセパレータ8が配置され、かつ、カソード触媒層3側に、深さが制御された流入流路9x、9x、…及び流出流路9y、9y、…を備えるセパレータ9が配置される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、少なくともカソード触媒層側に、深さが制御された流入流路、又は、深さが制御された流入流路及び流出流路、を備えるセパレータが配置されていれば良い。ただし、MEAの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制し得る形態の燃料電池を提供する等の観点からは、アノード触媒層側及びカソード触媒層側に、深さが制御された流入流路、又は、深さが制御された流入流路及び流出流路、を備えるセパレータが配置されることが好ましい。
また、燃料電池10に関する上記説明では、深さが制御された流入流路9x、9x、…及び流出流路9y、9y、…を備えるセパレータ9を例示したが、本発明の燃料電池のカソード触媒層側に配置されるセパレータは、当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池のカソード触媒層側に配置されるセパレータは、少なくとも流入流路の上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように、深さが制御されていれば良い。ただし、MEAの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制し得る形態の燃料電池を提供する等の観点からは、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流入流路、及び、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流出流路を備えるセパレータが、カソード触媒層側に配置されることが好ましい。
また、燃料電池10に関する上記説明では、深さが制御された流入流路8x、8x、…及び流出流路8y、8y、…を備えるセパレータ8を例示したが、本発明の燃料電池のアノード触媒層側に配置されるセパレータは、当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池のアノード触媒層側に配置されるセパレータは、水素が流通する流路として、水素の入口及び出口が開口している流路のみが備えられる形態であっても良く、水素流通方向の全長に亘って深さが一定とされた流入流路及び流出流路が備えられる形態であっても良い。このほか、水素が流通する流路として、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流入流路と水素流通方向の全長に亘って深さが一定とされた流出流路とが備えられる形態であっても良い。ただし、MEAのアノード触媒層側における乾燥、及び、積層体のアノード触媒層側におけるフラッディングの発生を容易に抑制し得る形態の燃料電池を提供する等の観点からは、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流入流路、及び、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流出流路を備えるセパレータが、アノード触媒層側に配置されることが好ましい。
また、燃料電池10に関する上記説明では、水素の流通方向と空気の流通方向とが互いに向かい合う方向である形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池における水素の流通方向及び空気の流通方向は、同一の方向とすることも可能である。
また、燃料電池10に関する上記説明では、略直線状の流入流路8x、8x、…、及び、略直線状の流出流路8y、8y、…が備えられるセパレータ8、並びに、略直線状の流入流路9x、9x、…、及び、略直線状の流出流路9y、9y、…が備えられるセパレータ9を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池に備えられる流入流路及び流出流路、又は、水素の入口及び出口が開口している流路は、何れも、湾曲した形状(例えば、いわゆるサーペンタイン形状等)とすることができる。
また、本発明を、複数の単セルが積層されたセル積層体を備える燃料電池へ適用する際、少なくとも流入流路の深さが制御されている、流入流路及び流出流路を備えたセパレータが、少なくともカソード触媒層側に配置されている単セルのみによってセル積層体を構成しても良く、当該単セルをセル積層体の一部に配置しても良い。当該単セルをセル積層体の一部に配置する場合、その配置箇所は特に限定されるものではないが、セル積層体の中央に位置する単セルと比較して低温環境に曝されやすいセル積層体の端部に配置することが好ましい。かかる形態とすることにより、フラッディングの発生を容易に抑制することが可能になる。
本発明の燃料電池は、電気自動車の動力源や携帯用電源等として利用することができる。

Claims (3)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層とを有する膜電極構造体、を少なくとも備える積層体、及び、該積層体を狭持する一対のセパレータを具備し、
    前記一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータの前記積層体側の面に、前記積層体へと供給される反応ガスが流通する流入流路、及び、前記積層体を通過した反応ガスが流通する流出流路が備えられ、
    前記流入流路は前記積層体へと供給される前記反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、前記流出流路は前記積層体を通過した前記反応ガスの上流端が閉塞され、
    前記流入流路及び前記流出流路は、前記セパレータにおいて互いに分離して配置され、
    前記流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深いことを特徴とする、燃料電池。
  2. さらに、前記流入流路及び前記流出流路が備えられる前記セパレータにおける前記流出流路の下流側領域の深さが、該流出流路の上流側領域の深さよりも深いことを特徴とする、請求の範囲第1項に記載の燃料電池。
  3. 前記一方のセパレータが前記カソード触媒層側に配置されていることを特徴とする、請求の範囲第1項又は第2項に記載の燃料電池。
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