WO2012007998A1 - 燃料電池 - Google Patents

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濱田仁
伊藤雅之
井田敦巳
青野晴之
紺野周重
梶原隆
高村智之
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell that generates electricity electrochemically using a reaction gas, and more particularly, to a gas flow path for flowing a reaction gas inside the fuel cell.
  • MEA membrane electrode assemblies
  • electrode layers are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane, and a separator that separates each of these membrane electrode assemblies. It is known that gas layers that are alternately stacked and a reaction gas flow is formed on the electrode surface of the MEA by a separator.
  • the supply flow path that communicates with the reaction gas supply side and the recovery flow path that communicates with the reaction gas recovery side are each comb-like.
  • a fuel cell formed so as to be engaged with each other for example, Patent Document 1.
  • the generated water generated in the supply channel due to power generation moves to and stays in the closed region of the tip of the comb-shaped supply channel. Since the retained generated water hinders the supply of the reaction gas to the MEA, there is a problem that the power generation performance is deteriorated.
  • the present invention aims to provide a technique for improving the power generation performance of a fuel cell based on the above-described problems.
  • the present invention has been made to solve at least a part of the problems described above, and can be realized as the following forms or application examples.
  • the fuel cell of Application Example 1 is a fuel cell, and a membrane electrode assembly in which an electrode layer is bonded to both surfaces of an electrolyte membrane and an array arranged side by side on at least one surface of the membrane electrode assembly
  • a plurality of gas flow paths for flowing the reaction gas to the membrane electrode assembly from the reaction gas supply side toward the recovery side, and the plurality of gas flow paths are provided between the supply side and the recovery side. It includes a first gas channel that is a gas channel that communicates with each other, and a second gas channel that is a gas channel closed on the supply side.
  • the reaction gas is moved from the supply side of the first gas flow path to the second gas flow path while being hidden, and generated on the recovery side of the first gas flow path. Water retention can be suppressed.
  • the gas diffusion performance for diffusing the reaction gas to the membrane electrode assembly can be improved on the supply side in the plurality of gas flow paths, and the gas diffusion due to the retention of the generated water on the recovery side in the plurality of gas flow paths. A decrease in performance can be suppressed. As a result, the power generation performance of the fuel cell can be improved.
  • the plurality of gas flow paths are provided on the anode side of the membrane electrode assembly, and face the direction of the oxidizing gas on the cathode side of the membrane electrode assembly Therefore, it is preferable to flow fuel gas to the anode side.
  • the fuel gas is compared on the anode side on the downstream side of the cathode side by moving the membrane electrode assembly from the supply side of the first gas channel to the second gas channel. It is possible to humidify the fuel gas using a large amount of moisture.
  • the membrane electrode assembly includes a diffusion layer that diffuses the reaction gas flowing through the plurality of gas flow paths into the electrode layer,
  • the air permeability which is the degree to which the reaction gas permeates on the recovery side, is preferably larger than that on the supply side of the diffusion layer. According to the fuel cell of Application Example 3, it is possible to improve the gas diffusion performance on the recovery side in the plurality of gas flow paths.
  • the thickness of the microporous layer on the collection side of the diffusion layer may be smaller than that on the supply side of the diffusion layer. Therefore, it is possible to easily realize a diffusion layer having a larger air permeability on the collection side than on the supply side.
  • the diffusion layer includes a first diffusion layer provided on the supply side, and a second diffusion layer provided on the recovery side and having a larger air permeability than the first diffusion layer. May be included. Thereby, it is possible to easily realize a diffusion layer having a larger air permeability on the collection side than on the supply side.
  • the compressive stress in the thickness direction on the recovery side of the diffusion layer may be smaller than that on the supply side of the diffusion layer. Therefore, it is possible to easily realize a diffusion layer having a larger air permeability on the collection side than on the supply side.
  • the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 3 is further provided with a recovery flow path for recovering a reaction gas from the plurality of gas flow paths, and protruding from the recovery flow path.
  • the pressure on the recovery side of the first gas flow path is increased more than the pressure on the recovery side of the second gas flow path, whereby the reaction gas is recovered on the recovery side of the first gas flow path.
  • the membrane electrode assembly can be submerged and flowed to the second gas flow path. Thereby, the gas diffusion performance on the collection side in the plurality of gas flow paths can be improved.
  • the plurality of gas flow paths may be configured by alternately arranging the first gas flow paths and the second gas flow paths. good. According to the fuel cell of Application Example 5, in a plurality of gas flow paths, it is possible to uniformly achieve improvement in gas diffusion performance on the supply side and suppression of retention of generated water on the recovery side.
  • the plurality of gas flow paths may further include a third gas flow path that is a gas flow path with the recovery side blocked. good.
  • the reaction gas can be moved from the recovery side of the third gas channel to the second gas channel while the membrane electrode assembly is hidden. Thereby, the gas diffusion performance on the collection side in the plurality of gas flow paths can be improved.
  • the plurality of the plurality of gas cells may be arranged repeatedly in the order of the first gas channel, the second gas channel, the third gas channel, and the second gas channel.
  • a gas flow path may be configured. According to the fuel cell of Application Example 7, in a plurality of gas flow paths, improvement in gas diffusion performance on the supply side and recovery side and suppression of retention of generated water on the recovery side can be realized uniformly. .
  • the form of the present invention is not limited to the fuel cell, and may be applied to various forms such as a vehicle that travels using the power of the fuel cell, a power generation system that supplies the power of the fuel cell, and a method for manufacturing the fuel cell. It is also possible to do. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell 10.
  • the fuel cell 10 generates electricity electrochemically using a reaction gas.
  • the fuel cell 10 is a solid polymer type fuel cell, and uses a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen as reaction gases.
  • the fuel gas used in the fuel cell 10 is hydrogen gas stored in a storage tank. However, in other embodiments, it may be hydrogen gas stored in a hydrogen storage alloy or carbonized. Hydrogen gas obtained by reforming a hydrogen fuel may be used.
  • the oxidizing gas used in the fuel cell 10 is air taken from outside air.
  • the fuel cell 10 includes a plurality of cells 15 that perform an electrochemical reaction that directly extracts electricity from a reaction gas, and the plurality of cells 15 are stacked on each other.
  • the cell 15 of the fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 20, an anode separator 30, and a cathode separator 50.
  • MEA 20 is sandwiched between the anode separator 30 and the cathode separator 50.
  • the MEA 20 of the fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 210, an anode electrode 230, and a cathode electrode 250.
  • the anode electrode 230 of the MEA 20 includes an anode catalyst layer 231 and an anode diffusion layer 235
  • the cathode electrode 250 of the MEA 20 includes a cathode catalyst layer 251 and a cathode diffusion layer 255.
  • An anode electrode 230 is bonded to one surface of the electrolyte membrane 210 by laminating an anode catalyst layer 231 and an anode diffusion layer 235 in this order.
  • the cathode electrode 250 is bonded to the other surface of the electrolyte membrane 210 by laminating the cathode catalyst layer 251 and the cathode diffusion layer 255 in this order.
  • the electrolyte membrane 210 of the MEA 20 is a proton conductor having proton conductivity, and is a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane using an ionomer resin in this embodiment.
  • the anode catalyst layer 231 and the cathode catalyst layer 251 of the MEA 20 are formed of a material having gas permeability and conductivity and supporting a catalyst (for example, platinum or platinum alloy) that promotes an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In this embodiment, it is formed of a carbon support carrying a platinum-based catalyst.
  • the anode diffusion layer 235 and the cathode diffusion layer 255 of the MEA 20 are formed of a material having gas permeability and conductivity.
  • the anode diffusion layer 235 and the cathode diffusion layer 255 can be formed of carbon cloth or carbon paper which is a carbon porous body.
  • the air permeability which is the degree to which the reaction gas permeates through the anode diffusion layer 235 and the cathode diffusion layer 255, is substantially uniform over the entire surface.
  • the anode separator 30 of the fuel cell 10 has a plurality of gas passages 45 through which fuel gas flows on the surface of the anode diffusion layer 235 of the MEA 20, and the cathode separator 50 of the fuel cell 10 is the surface of the cathode diffusion layer 255 of the MEA 20.
  • the anode separator 30 and the cathode separator 50 have sufficient conductivity for collecting electricity generated in the MEA 20, and have sufficient durability, heat resistance, and gas impermeability for flowing a reaction gas through the MEA 20.
  • the anode separator 30 and the cathode separator 50 are made of carbon resin.
  • the anode separator 30 and the cathode separator 50 may be made of stainless steel, titanium, a titanium alloy, or conductive ceramics. In this embodiment, the anode separator 30 and the cathode separator 50 are separately configured. However, in other embodiments, the anode separator 30 and the cathode separator 50 may be integrally configured.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the anode separator 30.
  • FIG. 2 illustrates the shape of the anode separator 30 as viewed from the MEA 20 side.
  • the anode separator 30 includes an outer wall portion 310, holes 311 to 316, a plurality of protrusions 322, a plurality of partition walls 350, a plurality of blocking portions 352, and a plurality of protrusions 382.
  • the outer wall portion 310, the partition wall portion 350, and the blocking portion 352 of the anode separator 30 are portions that contact the anode diffusion layer 235 of the MEA 20.
  • the anode separator 30 forms a supply flow path 42, a plurality of gas flow paths 45, and a recovery flow path 48 as flow paths partitioned by these portions.
  • the shape of the anode separator 30 viewed from the MEA 20 side is a rectangle.
  • the outer wall portion 310, the protruding portion 322, the partition wall portion 350, the closing portion 352, and the protruding portion 382 are hatched in order to facilitate shape recognition of the various flow paths formed by the anode separator 30.
  • the holes 311 to 316 of the anode separator 30 form holes that penetrate the anode separator 30.
  • the hole 311, the hole 312, and the hole 313 are sequentially provided along one short side of the rectangular anode separator 30, and the hole 314, the hole 315, and the hole 316 are the other of the rectangular anode separator 30.
  • the hole 311 constitutes a part of a flow path for flowing fuel gas to be supplied to each of the plurality of cells 15 in the fuel cell 10
  • the hole 316 is a plurality of cells in the fuel cell 10.
  • 15 constitutes a part of the flow path through which the fuel gas recovered from each of the 15 flows.
  • the hole 314 constitutes a part of a flow path for flowing an oxidizing gas to be supplied to each of the plurality of cells 15 in the fuel cell 10, and the hole 313 is a plurality of cells in the fuel cell 10.
  • 15 constitutes a part of the flow path through which the oxidizing gas recovered from each of the 15 flows.
  • the hole 312 constitutes a part of a flow path for flowing cooling water to be supplied to each of the plurality of cells 15 in the fuel cell 10
  • the hole 315 is a plurality of cells in the fuel cell 10.
  • 15 constitutes a part of the flow path through which the cooling water recovered from each of the 15 flows.
  • the anode separator 30 and the cathode separator 50 are the same component, and the portion of the cathode separator 50 corresponding to the hole 316 of the anode separator 30 is supplied to each of the plurality of cells 15 in the fuel cell 10.
  • the part of the cathode separator 50 corresponding to the hole 311 of the anode separator 30 is configured to flow the oxidizing gas recovered from each of the plurality of cells 15 in the fuel cell 10. It forms part of the road.
  • the flow of the fuel gas in the plurality of gas flow paths 45 of the anode separator 30 is in a direction opposite to the flow of the oxidizing gas in the plurality of gas flow paths 65 of the cathode separator 50 with the MEA 20 interposed therebetween.
  • the outer wall 310 of the anode separator 30 surrounds the power generation region 40 corresponding to the portion where power generation is performed in the MEA 20 in a state where the power generation region 40 communicates with the hole 311 and the hole 316.
  • the plurality of partition walls 350 of the anode separator 30 extend to the power generation region 40 as streak-like ridges in a direction parallel to the long side of the rectangular anode separator 30 and are provided at equal intervals apart from each other.
  • a plurality of gas flow paths 45 are formed between the portion 310 and the partition wall portion 350 and between the partition wall portions 350.
  • the power generation region 40 is a rectangular region located at the center of the anode separator 30.
  • a supply channel 42, a plurality of gas channels 45, and a recovery channel 48 are formed in this order from the hole 311 side to the hole 316 side.
  • the supply flow path 42 of the anode separator 30 is formed along one side of the rectangular power generation region 40 on the hole 311 side, and distributes the fuel gas supplied from the hole 311 to each of the plurality of gas flow paths 45.
  • the fuel gas is diffused into the anode diffusion layer 235 of the MEA 20 while being supplied.
  • a plurality of projecting portions 322 are projected from the supply channel 42 toward the MEA 20 while being separated from each other.
  • the recovery flow path 48 of the anode separator 30 is formed along one side of the rectangular power generation region 40 on the hole 316 side, and the fuel gas recovered from the plurality of gas flow paths 45 is discharged to the hole 316 while the MEA 20 The fuel gas is diffused in the anode diffusion layer 235.
  • a plurality of projecting portions 382 project from the recovery channel 48 toward the MEA 20 in a state of being separated from each other in order to adjust the flow of fuel gas.
  • the plurality of gas flow paths 45 of the anode separator 30 are formed between the supply flow path 42 and the recovery flow path 48 in the rectangular power generation region 40, and from the upstream portion Su on the supply flow path 42 side to the recovery flow path 48 side.
  • the fuel gas is diffused in the anode diffusion layer 235 of the MEA 20 while flowing the fuel gas toward the downstream portion Sd.
  • the plurality of gas flow paths 45 includes a gas flow path 45 a that is a first gas flow path that communicates between the supply flow path 42 and the recovery flow path 48, and a second flow path that is closed on the supply flow path 42 side by a closing portion 352. And a gas flow path 45b which is a gas flow path.
  • the gas flow paths 45a and 45b are distinguished from each other, the gas flow paths are indicated by using symbols “45a” and “45b”, and the gas flow paths 45a and 45b are collectively referred to.
  • the reference numeral “45” is used to indicate a gas flow path.
  • the cross-sectional area of the gas flow channel 45 is substantially the same from the upstream portion Su to the downstream portion Sd.
  • the gas flow paths 45a and the gas flow paths 45b are alternately arranged to configure the plurality of gas flow paths 45.
  • at least one of the gas flow paths 45a and the gas flow paths 45b is provided. Two or more may be arranged in succession.
  • the partition wall portion 350 and the closing portion 352 are integrally formed with the outer wall portion 310.
  • at least one of the partition wall portion 350 and the closing portion 352 is formed as a separate member.
  • the blocking portion 352 is provided at the end of the partition wall portion 350 on the supply channel 42 side.
  • the closing portion 352 is not limited to this, and may be at least on the supply channel 42 side from the center of the partition wall portion 350. .
  • the flow of fuel gas flowing through the power generation region 40 is illustrated using white arrows, and the flow of fuel gas that passes through the partition wall 350 and flows into the gas flow path 45 b is illustrated using black arrows. Illustrated. Since the gas flow path 45a communicates from the supply flow path 42 to the recovery flow path 48, the generated water generated in the gas flow path 45a due to power generation does not stay in the gas flow path 45a, and the recovery flow It is discharged to the path 48. On the supply flow path 42 side of the gas flow path 45b, the flow of the fuel gas is blocked by the closing portion 352, so that the partition wall 350 is dived into the gas flow path 45b through the anode diffusion layer 235 of the MEA 20 from the gas flow path 45a. Fuel gas flows in through.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the characteristics of the gas flow path 45 in the first embodiment.
  • the position from the upstream portion Su to the downstream portion Sd in the gas flow path 45 is set on the horizontal axis, the pressure and flow rate of the fuel gas are set on the vertical axis, and the pressure distribution and flow in the gas flow path 45 are set.
  • the flow distribution between roads is illustrated.
  • the pressure distribution (communication) in FIG. 3 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45a.
  • the pressure distribution (upstream blockage) in FIG. 3 shows the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45b.
  • the flow rate distribution between the flow channels in FIG. 3 indicates the flow rate of the fuel gas that moves through the gas flow channel 45a from the gas flow channel 45a.
  • the pressure of the gas flow path 45a is larger than the pressure of the gas flow path 45b in which the upstream portion Su is closed.
  • the pressures in the gas flow path 45a and the gas flow path 45b decrease while narrowing the pressure difference between the two toward the downstream portion Sd, and become the same pressure in the downstream portion Sd.
  • the flow rate distribution between the flow paths from the gas flow path 45a to the gas flow path 45b gradually decreases from the upstream section Su toward the downstream section Sd according to the pressure difference between the gas flow path 45a and the gas flow path 45b. To do.
  • the reaction gas is moved from the supply flow path 42 side of the gas flow path 45a to the MEA 20 while moving to the gas flow path 45b, and the recovery flow of the gas flow path 45a is recovered.
  • the retention of the produced water on the side of the path 48 can be suppressed.
  • the gas diffusion performance of diffusing the reaction gas to the MEA 20 can be improved on the supply flow path 42 side in the plurality of gas flow paths 45, and the generated water is generated on the recovery flow path 48 side in the plurality of gas flow paths 45. It is possible to suppress a decrease in gas diffusion performance due to stagnation. As a result, the power generation performance of the fuel cell 10 can be improved.
  • the plurality of gas flow paths 45 are configured by alternately arranging the gas flow paths 45a and the gas flow paths 45b, the gas diffusion performance on the supply flow path 42 side is improved and recovered in the plurality of gas flow paths 45. It is possible to uniformly realize the retention of generated water on the flow channel 48 side.
  • the plurality of gas flow paths 45 flow the fuel gas to the anode side of the MEA 20 in a direction opposite to the flow of the oxidizing gas on the cathode side of the MEA 20, the fuel gas is supplied to the gas flow path 45a on the anode side.
  • the fuel gas can be humidified using a relatively large amount of water downstream of the cathode side.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the anode separator 30 in the second embodiment.
  • FIG. 4 shows the shape of the anode separator 30 as viewed from the MEA 20 side, as in FIG.
  • the anode separator 30 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the anode separator 30 includes a closing portion 354 that partitions a part of the plurality of gas flow paths 45.
  • the closed portion 354 of the anode separator 30 is a portion that contacts the anode diffusion layer 235 of the MEA 20, similarly to the closed portion 352.
  • a gas flow channel 45 a that is a first gas flow channel that communicates between the supply flow channel 42 and the recovery flow channel 48, and the supply flow channel 42 side is closed by a closing portion 352.
  • a gas flow path 45c that is the third gas flow path with the recovery flow path 48 side closed by the closing portion 354 is provided.
  • the reference numerals “45a”, “45b”, and “45c” are used to indicate the gas flow paths.
  • the reference numeral “45” is used to indicate the gas flow paths.
  • the cross-sectional area of the gas flow channel 45 is substantially the same from the upstream portion Su to the downstream portion Sd.
  • the gas flow path 45a, the gas flow path 45b, the gas flow path 45c, and the gas flow path 45b are repeatedly arranged in this order to configure the plurality of gas flow paths 45.
  • At least one of the channel 45a, the gas flow channel 45b, and the gas flow channel 45c may be continuously arranged, or the order may be changed.
  • the partition wall 350, the blocking portion 352, and the blocking portion 354 are integrally formed with the outer wall portion 310.
  • at least the partition wall 350, the blocking portion 352, and the blocking portion 354 are formed.
  • One may be formed as a separate member.
  • the blocking portion 354 is provided at the end of the partition wall 350 on the side of the recovery channel 48, but the present invention is not limited to this.
  • the flow of the fuel gas flowing through the power generation region 40 is illustrated using white arrows, and the flow of the fuel gas that passes through the partition wall 350 and flows into the gas flow path 45b and the gas flow path 45c is shown in black. This is illustrated using the arrows. Since the gas flow path 45a communicates from the supply flow path 42 to the recovery flow path 48, the generated water generated in the gas flow path 45a due to power generation does not stay in the gas flow path 45a, and the recovery flow It is discharged to the path 48.
  • the flow of the fuel gas is blocked by the closing portion 352, so that the partition wall 350 is dived into the gas flow path 45b through the anode diffusion layer 235 of the MEA 20 from the gas flow path 45a.
  • Fuel gas flows in through. Since the flow of the fuel gas is blocked by the closing portion 354 on the recovery channel 48 side of the gas channel 45c, the recovery channel 48 side of the gas channel 45c is more than the recovery channel 48 side of the gas channel 45a. A lot of fuel gas passes through the partition wall 350 and flows into the gas flow path 45b.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the characteristics of the gas flow path 45 in the second embodiment.
  • the position from the upstream portion Su to the downstream portion Sd in the gas flow path 45 is set on the horizontal axis, the pressure and flow rate of the fuel gas are set on the vertical axis, and the pressure distribution and flow in the gas flow path 45 are set.
  • the flow distribution between roads is illustrated.
  • the pressure distribution (communication) in FIG. 5 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45a.
  • the pressure distribution (upstream blockage) in FIG. 5 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45b.
  • the pressure distribution (downstream blockage) in FIG. 5 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45c.
  • the flow rate distribution between the flow channels in FIG. 5 shows the flow rate of the fuel gas that moves through the gas flow channel 45a and the gas flow channel 45c from the gas flow channel 45a.
  • the pressure of the gas flow path 45a is larger in the upstream portion Su than the pressure of the gas flow path 45b in which the upstream portion Su is closed.
  • the pressures in the gas flow path 45a and the gas flow path 45b decrease while narrowing the pressure difference between the two toward the downstream portion Sd, and become the same pressure in the downstream portion Sd.
  • the pressure of the gas flow path 45c in which the downstream portion Sd is blocked is the same pressure as that of the gas flow path 45a in the upstream portion Su, but decreases while widening the pressure difference with the gas flow path 45a toward the downstream portion Sd. In the downstream portion Sd, the pressure is higher than that of the gas flow path 45a and the gas flow path 45b.
  • the flow rate distribution between the flow paths to the gas flow path 45b is compared with the flow volume distribution between the flow paths of the first embodiment because there is a pressure difference between the gas flow path 45b and the gas flow path 45c on the downstream portion Sd side. And increases on the downstream portion Sd side.
  • the gas diffusion performance for diffusing the reaction gas into the MEA 20 is improved on the supply flow path 42 side in the plurality of gas flow paths 45 as in the first embodiment.
  • the recovery flow path 48 side of the plurality of gas flow paths 45 it is possible to suppress a decrease in gas diffusion performance due to retention of generated water.
  • the gas diffusion performance on the recovery flow channel 48 side in the plurality of gas flow channels 45 can be improved.
  • the plurality of gas passages 45 are configured by repeatedly arranging the gas passage 45a, the gas passage 45b, the gas passage 45c, and the gas passage 45b in this order, the supply passage 42 in the plurality of gas passages 45 is provided.
  • the gas diffusion performance on the side and the recovery channel 48 side can be improved, and the retention of the generated water on the recovery channel 48 side can be uniformly achieved.
  • the fuel cell 10 of the third embodiment is the same as that of the first embodiment, except that the air permeability characteristics of the anode diffusion layer 235 of the MEA 20 are different.
  • the air permeability of the anode diffusion layer 235 is substantially uniform over the entire surface.
  • the recovery flow path 48 is more than the side corresponding to the supply flow path 42 of the anode separator 30. On the side corresponding to
  • the thickness of the microporous layer mainly composed of a water repellent resin and a conductive material formed on the anode diffusion layer 235 is made smaller on the recovery flow channel 48 side than on the supply flow channel 42 side, An anode diffusion layer 235 having a larger air permeability on the recovery flow channel 48 side than on the supply flow channel 42 side is realized.
  • a plurality of diffusion layer members having different air permeability are arranged from the supply channel 42 side to the recovery channel 48 side in ascending order of the air permeability to configure the anode diffusion layer 235, thereby supplying the supply flow. You may implement
  • the thickness of at least one of the anode diffusion layer 235 and the anode separator 30 is made smaller on the recovery channel 48 side than on the supply channel 42 side, so that the anode diffusion layer 235 on the recovery channel 48 side.
  • the anode diffusion layer 235 having a larger air permeability on the recovery channel 48 side than on the supply channel 42 side may be realized by reducing the compressive stress in the thickness direction on the supply channel 42 side.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the characteristics of the gas flow path 45 and the anode diffusion layer 235 in the third embodiment.
  • the position from the upstream portion Su to the downstream portion Sd in the gas flow path 45 is set on the horizontal axis, the pressure and flow rate of the fuel gas, and the air permeability are set on the vertical axis.
  • the pressure distribution and the flow rate distribution between the channels, and the diffusion layer air permeability distribution are illustrated.
  • the pressure distribution (communication) in FIG. 6 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45a.
  • the pressure distribution (upstream blockage) in FIG. 6 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45b.
  • FIG. 6 shows the air permeability distribution of the anode diffusion layer 235.
  • the flow rate distribution between the flow channels in FIG. 6 indicates the flow rate of the fuel gas that moves through the gas flow channel 45a from the gas flow channel 45a.
  • the tendency of the pressure distribution in the gas channel 45a and the gas channel 45b is the same as that in the first embodiment, but the air permeability of the anode diffusion layer 235 increases from the upstream portion Su to the downstream portion Sd. Since the flow rate distribution increases toward the gas flow channel 45b, the flow channel flow distribution to the gas flow channel 45b increases on the downstream portion Sd side as compared with the flow channel flow distribution in the first embodiment.
  • the gas diffusion performance for diffusing the reaction gas into the MEA 20 is improved on the supply flow path 42 side in the plurality of gas flow paths 45 as in the first embodiment.
  • the recovery flow path 48 side of the plurality of gas flow paths 45 it is possible to suppress a decrease in gas diffusion performance due to retention of generated water.
  • the gas diffusion performance on the recovery flow channel 48 side in the plurality of gas flow channels 45 can be improved.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the anode separator 30 in the fourth embodiment.
  • FIG. 7 shows the shape of the anode separator 30 as viewed from the MEA 20 side, as in FIG.
  • the anode separator 30 of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment except that the anode separator 30 includes a protruding portion 384 that protrudes from the recovery channel 48.
  • the protrusion 384 of the anode separator 30 generates a larger pressure loss with respect to the fuel gas flowing out from the gas flow path 45a than the fuel gas flowing out from the gas flow path 45b.
  • the protruding portion 384 is disposed on an extension line of the gas flow path 45a in the recovery flow path 48, has a larger elliptical column shape than the protruding portion 382, and the major axis direction thereof is the flow direction of the gas flow path 45a. They are orthogonal and the size in the major axis direction is larger than the width of the gas flow path 45a.
  • the flow of the fuel gas flowing through the power generation region 40 is illustrated using white arrows, and the flow of the fuel gas that passes through the partition wall portion 350 and flows into the gas flow path 45 b and the gas flow path 45 c is illustrated in black. This is illustrated using the arrows. Since the gas flow path 45a communicates from the supply flow path 42 to the recovery flow path 48, the generated water generated in the gas flow path 45a due to power generation does not stay in the gas flow path 45a, and the recovery flow It is discharged to the path 48.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the characteristics of the gas flow path 45 in the fourth embodiment.
  • the position from the upstream portion Su to the downstream portion Sd in the gas flow path 45 is set on the horizontal axis, the pressure and flow rate of the fuel gas are set on the vertical axis, and the pressure distribution and flow in the gas flow path 45 are set.
  • the flow distribution between roads is illustrated.
  • the pressure distribution (communication) in FIG. 8 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45a.
  • the pressure distribution (upstream blockage) in FIG. 8 indicates the pressure distribution of the fuel gas flowing through the gas flow path 45b.
  • the flow rate distribution between the flow channels in FIG. 8 indicates the flow rate of the fuel gas that moves through the gas flow channel 45a from the gas flow channel 45a.
  • the pressure of the gas flow path 45a is higher in the upstream portion Su than in the gas flow path 45b in which the upstream portion Su is closed.
  • the pressures in the gas flow channel 45a and the gas flow channel 45b decrease while narrowing the pressure difference between the two as it goes toward the downstream portion Sd.
  • the pressure on the recovery flow path 48 side of the gas flow path 45a is larger than the pressure of the gas flow path 45b by the protruding portion 384 protruding from the recovery flow path 48.
  • the inter-channel flow rate distribution to the gas channel 45b increases on the downstream portion Sd side as compared with the inter-channel flow rate distribution of the first embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the anode separator 30 in the first modification of the fourth embodiment.
  • the anode separator 30 of the first modification is the same as the anode separator 30 of FIG. 7 except that the shape of the protruding portion 384 is different.
  • the protrusions 384 of the first modification are arranged on the extended line of the gas flow path 45a in the recovery flow path 48, and both ends of the wall surface orthogonal to the flow direction of the gas flow path 45a are bent toward the gas flow path 45b. In the same manner as the protruding portion 384 of FIG. 7, the fuel gas flowing out from the gas flow path 45a causes a larger pressure loss than the fuel gas flowing out from the gas flow path 45b.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the anode separator 30 in the second modification of the fourth embodiment.
  • the anode separator 30 of the second modification is the same as the anode separator 30 of FIG. 7 except that the shape of the protruding portion 384 is different.
  • the projecting portion 384 of the second modified example is disposed on the extended line of the gas flow path 45a in the recovery flow path 48, and has a shape in which the apex of the “L” -shaped wall faces the gas flow path 45a. Similar to the protruding portion 384, the fuel gas flowing out from the gas flow path 45a causes a larger pressure loss than the fuel gas flowing out from the gas flow path 45b.
  • the gas diffusion performance for diffusing the reaction gas into the MEA 20 is improved on the supply flow path 42 side in the plurality of gas flow paths 45 as in the first embodiment.
  • the recovery flow path 48 side of the plurality of gas flow paths 45 it is possible to suppress a decrease in gas diffusion performance due to retention of generated water.
  • the gas diffusion performance on the recovery flow channel 48 side in the plurality of gas flow channels 45 can be improved.
  • anode diffusion layer 235 of the third embodiment may be applied to the fuel cell 10 of the second embodiment including the gas passage 45c closed on the recovery passage 48 side, or the protruding portion of the fourth embodiment. 384 may be applied.
  • the cathode separator 50 is the same component as the anode separator 30 and the flow path configuration of both is the same.
  • the flow path structure of the cathode separator 50 is mutually It may be a comb-shaped flow channel configuration that meshes with each other, may be a flow channel configuration formed of a porous body, or may be a flow channel configuration arranged in parallel to each other without being blocked. .

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Abstract

　燃料電池１０のアノードセパレータ３０は、相互に平行に配列されＭＥＡ２０に燃料ガスを流す複数のガス流路４５と、複数のガス流路４５に燃料ガスを供給する供給流路４２と、複数のガス流路４５から燃料ガスを回収する回収流路４８とを形成し、複数のガス流路４５は、供給流路４２と回収流路４８との間を連通するガス流路４５ａと、供給流路４２側が閉塞されたガス流路４５ｂとを含む。

Description

燃料電池
　本発明は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部において反応ガスを流すガス流路に関する。
　燃料電池としては、電解質膜の両面に電極層を接合した複数の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）と、これら膜電極接合体の各間を隔離するセパレータとを交互に積層し、ＭＥＡの電極面に反応ガスを流すガス流路をセパレータによって形成したものが知られている。
　従来、ガス流路の形状によって燃料電池の発電効率を高めるために、反応ガスの供給側に連通する供給流路と、反応ガスの回収側に連通する回収流路とを、それぞれ櫛歯状とし相互に噛み合うように分離して形成した燃料電池が提案されていた（例えば、特許文献１）。
特開２００５－８５６２６号公報
　しかしながら、相互に噛み合う櫛歯状の流路構造では、発電に伴って供給流路内に発生した生成水が、櫛歯状の供給流路における先端の閉塞した領域に移動して滞留し、その滞留した生成水がＭＥＡに対する反応ガスの供給を阻害するため、発電性能が低下してしまうという問題があった。
　本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の発電性能を向上させる技術を提供することを目的とする。
　本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
　（適用例１）　適用例１の燃料電池は、燃料電池であって、電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に相互に並べて配列され、反応ガスの供給側から回収側に向けて前記膜電極接合体に前記反応ガスを流す複数のガス流路とを備え、前記複数のガス流路は、前記供給側と前記回収側との間を連通するガス流路である第１ガス流路と、前記供給側が閉塞されたガス流路である第２ガス流路とを含むことを特徴とする。適用例１の燃料電池によれば、反応ガスを第１ガス流路の供給側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと移動させると共に、第１ガス流路の回収側における生成水の滞留を抑制することができる。これによって、複数のガス流路における供給側では、膜電極接合体に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路における回収側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
　（適用例２）　適用例１の燃料電池において、前記複数のガス流路は、前記膜電極接合体のアノード側に設けられ、前記膜電極接合体のカソード側における酸化ガスの流れに対向する方向で、前記アノード側に燃料ガスを流すと良い。適用例２の燃料電池によれば、アノード側で燃料ガスを第１ガス流路の供給側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと移動させることによって、カソード側の下流で比較的に多い水分を用いて燃料ガスを加湿することができる。
　（適用例３）　適用例１または適用例２の燃料電池において、前記膜電極接合体は、前記複数のガス流路を流れる反応ガスを前記電極層に拡散させる拡散層を含み、前記拡散層の前記回収側における反応ガスが透過する度合である透気度は、前記拡散層の前記供給側よりも大きいと良い。適用例３の燃料電池によれば、複数のガス流路における回収側におけるガス拡散性能を向上させることができる。
　適用例３の燃料電池において、前記拡散層の前記回収側におけるマイクロポーラス層の厚さは、前記拡散層の前記供給側よりも小さくても良い。これによって、供給側よりも回収側で透気度が大きい拡散層を容易に実現することができる。
　適用例３の燃料電池において、前記拡散層は、前記供給側に設けられた第１拡散層と、前記回収側に設けられ、前記第１拡散層よりも透気度が大きい第２拡散層とを含むとしても良い。これによって、供給側よりも回収側で透気度が大きい拡散層を容易に実現することができる。
　適用例３の燃料電池において、前記拡散層の前記回収側における厚さ方向の圧縮応力は、前記拡散層の前記供給側よりも小さくても良い。これによって、供給側よりも回収側で透気度が大きい拡散層を容易に実現することができる。
　（適用例４）　適用例１ないし適用例３のいずれかの燃料電池は、更に、前記複数のガス流路から反応ガスを回収する回収流路と、前記回収流路に突設され、前記第１ガス流路から流出する反応ガスに対して、前記第２ガス流路から流出する反応ガスよりも大きな圧力損失を発生させる突出部とを備えても良い。適用例４の燃料電池によれば、第１ガス流路の回収側の圧力を、第２ガス流路の回収側の圧力よりも増大させることによって、反応ガスを第１ガス流路の回収側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと流動させることができる。これによって、複数のガス流路における回収側でのガス拡散性能を向上させることができる。
　（適用例５）　適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池において、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路を交互に配列して前記複数のガス流路を構成しても良い。適用例５の燃料電池によれば、複数のガス流路において、供給側でのガス拡散性能の向上と、回収側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
　（適用例６）　適用例１ないし適用例５のいずれかの燃料電池において、前記複数のガス流路は、更に、前記回収側が閉塞されたガス流路である第３ガス流路を含むとしても良い。適用例６の燃料電池によれば、反応ガスを第３ガス流路の回収側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと移動させることができる。これによって、複数のガス流路における回収側でのガス拡散性能を向上させることができる。
　（適用例７）　適用例６の燃料電池において、前記第１ガス流路、前記第２ガス流路、前記第３ガス流路、前記第２ガス流路の順で繰り返し配列して前記複数のガス流路を構成しても良い。適用例７の燃料電池によれば、複数のガス流路において、供給側および回収側でのガス拡散性能の向上と、回収側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
　本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池の製造方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
燃料電池の構成を示す説明図である。 アノードセパレータの詳細構成を示す説明図である。 第１実施例におけるガス流路の特性を示す説明図である。 第２実施例におけるアノードセパレータの詳細構成を示す説明図である。 第２実施例におけるガス流路の特性を示す説明図である。 第３実施例におけるガス流路およびアノード拡散層の特性を示す説明図である。 第４実施例におけるアノードセパレータの詳細構成を示す説明図である。 第４実施例におけるガス流路の特性を示す説明図である。 第４実施例の第１変形例におけるアノードセパレータの詳細構成を示す説明図である。 第４実施例の第２変形例におけるアノードセパレータの詳細構成を示す説明図である。
　以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。
Ａ．第１実施例：
　図１は、燃料電池１０の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池１０で用いられる燃料ガスは、貯蔵タンクに貯蔵された水素ガスであるが、他の実施形態において、水素吸蔵合金に貯蔵された水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。本実施例では、燃料電池１０で用いられる酸化ガスは、外気から取り込まれた空気である。
　燃料電池１０は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う複数のセル１５を備え、これら複数のセル１５は相互に積層されている。燃料電池１０のセル１５は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と、アノードセパレータ３０と、カソードセパレータ５０とを備える。ＭＥＡ２０は、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０との間に挟持されている。
　燃料電池１０のＭＥＡ２０は、電解質膜２１０と、アノード電極２３０と、カソード電極２５０とを備える。ＭＥＡ２０のアノード電極２３０は、アノード触媒層２３１と、アノード拡散層２３５とを含み、ＭＥＡ２０のカソード電極２５０は、カソード触媒層２５１と、カソード拡散層２５５とを含む。電解質膜２１０の一方の面には、アノード触媒層２３１、アノード拡散層２３５の順に積層してアノード電極２３０が接合されている。電解質膜２１０における他方の面には、カソード触媒層２５１、カソード拡散層２５５の順に積層してカソード電極２５０が接合されている。
　ＭＥＡ２０の電解質膜２１０は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体であり、本実施例では、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。ＭＥＡ２０のアノード触媒層２３１およびカソード触媒層２５１は、ガス透過性，導電性を有し、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒（例えば、白金、白金合金）を担持した材料で形成され、本実施例では、白金系触媒を担持した炭素担体で形成されている。ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５およびカソード拡散層２５５は、ガス透過性，導電性を有する材料で形成され、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパで形成することができる。本実施例では、アノード拡散層２３５およびカソード拡散層２５５における反応ガスが透過する度合である透気度は、全面にわたって略均一である。
　燃料電池１０のアノードセパレータ３０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５の面上に燃料ガスを流す複数のガス流路４５を有し、燃料電池１０のカソードセパレータ５０は、ＭＥＡ２０のカソード拡散層２５５の面上に酸化ガスを流す複数のガス流路６５を有する。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ５０は、ＭＥＡ２０で生じた電気の集電に十分な導電性を有すると共に、ＭＥＡ２０に反応ガスを流すのに十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する。本実施例では、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ５０は、カーボン樹脂で形成されているが、他の実施形態において、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスで形成しても良い。本実施例では、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とを別々に構成したが、他の実施形態において、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とを一体的に構成しても良い。
　図２は、アノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図２には、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。アノードセパレータ３０は、外壁部３１０と、孔部３１１～３１６と、複数の突出部３２２と、複数の隔壁部３５０と、複数の閉塞部３５２と、複数の突出部３８２とを備える。アノードセパレータ３０の外壁部３１０、隔壁部３５０、閉塞部３５２は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接する部位である。アノードセパレータ３０は、これらの部位によって区画された流路として、供給流路４２と、複数のガス流路４５と、回収流路４８とを形成する。本実施例では、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状は、長方形である。図２では、アノードセパレータ３０によって形成される各種流路の形状認識を容易にするために、外壁部３１０、突出部３２２、隔壁部３５０、閉塞部３５２および突出部３８２にハッチングを施した。
　アノードセパレータ３０の孔部３１１～３１６は、アノードセパレータ３０を貫通する孔を形成する。孔部３１１、孔部３１２、孔部３１３は、長方形のアノードセパレータ３０における一方の短辺に沿って順に設けられ、孔部３１４、孔部３１５、孔部３１６は、長方形のアノードセパレータ３０における他方の短辺に沿って順に設けられている。本実施例では、孔部３１１は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための燃料ガスを流す流路の一部を構成し、孔部３１６は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された燃料ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部３１４は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、孔部３１３は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部３１２は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための冷却水を流す流路の一部を構成し、孔部３１５は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された冷却水を流す流路の一部を構成する。
　本実施例では、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とは同じ部品であり、アノードセパレータ３０の孔部３１６に対応するカソードセパレータ５０の部位は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、アノードセパレータ３０の孔部３１１に対応するカソードセパレータ５０の部位は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、アノードセパレータ３０の複数のガス流路４５における燃料ガスの流れは、ＭＥＡ２０を挟んで、カソードセパレータ５０の複数のガス流路６５における酸化ガスの流れに対向する方向となる。
　アノードセパレータ３０の外壁部３１０は、ＭＥＡ２０において発電が行われる部位に対応する発電領域４０を、孔部３１１および孔部３１６に連通させた状態で囲繞する。アノードセパレータ３０の複数の隔壁部３５０は、長方形のアノードセパレータ３０における長辺と平行な方向に筋状の凸条として発電領域４０に延在し、相互に離間して等間隔で設けられ、外壁部３１０と隔壁部３５０との間、および隔壁部３５０同士の間には、複数のガス流路４５が形成されている。本実施例では、発電領域４０は、アノードセパレータ３０の中央に位置する矩形状の領域である。発電領域４０には、孔部３１１側から孔部３１６側へ順に、供給流路４２、複数のガス流路４５、回収流路４８が形成されている。
　アノードセパレータ３０の供給流路４２は、矩形状の発電領域４０における孔部３１１側の一辺に沿って形成され、孔部３１１から供給された燃料ガスを複数のガス流路４５の各々に分配して供給しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを拡散させる。本実施例では、供給流路４２には、燃料ガスの流れを調整するために、複数の突出部３２２が相互に離間した状態でＭＥＡ２０に向けて突設されている。
　アノードセパレータ３０の回収流路４８は、矩形状の発電領域４０における孔部３１６側の一辺に沿って形成され、複数のガス流路４５から回収した燃料ガスを孔部３１６へ排出しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを拡散させる。本実施例では、回収流路４８には、燃料ガスの流れを調整するために、複数の突出部３８２が相互に離間した状態でＭＥＡ２０に向けて突設されている。
　アノードセパレータ３０の複数のガス流路４５は、矩形状の発電領域４０における供給流路４２と回収流路４８との間に形成され、供給流路４２側の上流部Ｓｕから回収流路４８側の下流部Ｓｄに向けて燃料ガスを流しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを拡散させる。複数のガス流路４５は、供給流路４２と回収流路４８との間を連通する第１ガス流路であるガス流路４５ａと、供給流路４２側が閉塞部３５２によって閉塞された第２ガス流路であるガス流路４５ｂとを含む。なお、本実施例の説明では、ガス流路４５ａとガス流路４５ｂとを区別する場合、符号「４５ａ」，「４５ｂ」を用いてガス流路を示し、ガス流路４５ａ，４５ｂを総称する場合、符号「４５」を用いてガス流路を示す。
　本実施例では、ガス流路４５の流路断面積は、上流部Ｓｕから下流部Ｓｄにわたって略同じである。本実施例では、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂを交互に配列して複数のガス流路４５を構成したが、他の実施形態において、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの少なくとも一方を二個以上連続して配列しても良い。本実施例では、隔壁部３５０および閉塞部３５２は、外壁部３１０と共に一体的に形成されているが、他の実施形態において、隔壁部３５０および閉塞部３５２の少なくとも一方を別部材として形成しても良い。本実施例では、隔壁部３５０における供給流路４２側の端部に閉塞部３５２を設けたが、これに限るものではなく、少なくとも隔壁部３５０における中央よりも供給流路４２側であれば良い。
　図２には、発電領域４０を流れる燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示し、隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂに流入する燃料ガスの流れを黒色の矢印を用いて図示した。ガス流路４５ａは、供給流路４２から回収流路４８へと連通するため、発電に伴ってガス流路４５ａ内に発生した生成水は、ガス流路４５ａ内に滞留することなく、回収流路４８へと排出される。ガス流路４５ｂの供給流路４２側では、閉塞部３５２によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｂには、ガス流路４５ａからＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５を通じて隔壁部３５０を潜り抜けて燃料ガスが流入する。
　図３は、第１実施例におけるガス流路４５の特性を示す説明図である。図３には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布を図示した。図３の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図３の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図３の流路間流量分布は、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。
　図３に示すように、上流部Ｓｕでは、ガス流路４５ａの圧力は、上流部Ｓｕが閉塞されたガス流路４５ｂの圧力よりも大きい。ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力は、下流部Ｓｄに向かうに従って、双方の圧力差を狭めつつ低下し、下流部Ｓｄでは同じ圧力となる。ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、ガス流路４５ａとガス流路４５ｂとの間の圧力差に応じて、上流部Ｓｕから下流部Ｓｄに向けて徐々に低下する。
　以上説明した第１実施例の燃料電池１０によれば、反応ガスをガス流路４５ａの供給流路４２側からＭＥＡ２０を潜らせガス流路４５ｂへと移動させると共に、ガス流路４５ａの回収流路４８側における生成水の滞留を抑制することができる。これによって、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の発電性能を向上させることができる。
　また、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂを交互に配列して複数のガス流路４５を構成したため、複数のガス流路４５において、供給流路４２側でのガス拡散性能の向上と、回収流路４８側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
　また、複数のガス流路４５は、ＭＥＡ２０のカソード側における酸化ガスの流れに対向する方向で、ＭＥＡ２０のアノード側に燃料ガスを流すため、アノード側で燃料ガスをガス流路４５ａの供給流路４２側からアノード拡散層２３５を経由してガス流路４５ｂへと移動させることによって、カソード側の下流で比較的に多い水分を用いて燃料ガスを加湿することができる。
Ｂ．第２実施例：
　第２実施例の燃料電池１０は、アノードセパレータ３０における複数のガス流路４５の構成が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図４は、第２実施例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図４には、図２と同様に、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。第２実施例のアノードセパレータ３０は、複数のガス流路４５の一部を区画する閉塞部３５４を備える点を除き、第１実施例と同様である。アノードセパレータ３０の閉塞部３５４は、閉塞部３５２と同様に、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接する部位である。
　第２実施例のガス流路４５は、供給流路４２と回収流路４８との間を連通する第１ガス流路であるガス流路４５ａと、供給流路４２側が閉塞部３５２によって閉塞された第２ガス流路であるガス流路４５ｂとに加え、回収流路４８側が閉塞部３５４によって閉塞された第３ガス流路であるガス流路４５ｃを備える。なお、本実施例の説明では、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃの各々を区別する場合、符号「４５ａ」，「４５ｂ」，「４５ｃ」を用いてガス流路を示し、ガス流路４５ａ，４５ｂ，４５ｃを総称する場合、符号「４５」を用いてガス流路を示す。
　本実施例では、ガス流路４５の流路断面積は、上流部Ｓｕから下流部Ｓｄにわたって略同じである。本実施例では、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂ、ガス流路４５ｃ、ガス流路４５ｂの順で繰り返し配列して複数のガス流路４５を構成したが、他の実施形態において、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃの少なくとも一つを二個以上連続して配列しても良いし、順序を入れ替えても良い。本実施例では、隔壁部３５０、閉塞部３５２、閉塞部３５４は、外壁部３１０と共に一体的に形成されているが、他の実施形態において、隔壁部３５０、閉塞部３５２および閉塞部３５４の少なくとも一つを別部材として形成しても良い。本実施例では、隔壁部３５０における回収流路４８側の端部に閉塞部３５４を設けたが、これに限るものではなく、少なくとも隔壁部３５０における中央から回収流路４８側であれば良い。
　図４には、発電領域４０を流れる燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示し、隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃに流入する燃料ガスの流れを黒色の矢印を用いて図示した。ガス流路４５ａは、供給流路４２から回収流路４８へと連通するため、発電に伴ってガス流路４５ａ内に発生した生成水は、ガス流路４５ａ内に滞留することなく、回収流路４８へと排出される。ガス流路４５ｂの供給流路４２側では、閉塞部３５２によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｂには、ガス流路４５ａからＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５を通じて隔壁部３５０を潜り抜けて燃料ガスが流入する。ガス流路４５ｃの回収流路４８側では、閉塞部３５４によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｃの回収流路４８側では、ガス流路４５ａの回収流路４８側よりも多くの燃料ガスが隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂへと流入する。
　図５は、第２実施例におけるガス流路４５の特性を示す説明図である。図５には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布を図示した。図５の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図５の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図５の圧力分布（下流閉塞）は、ガス流路４５ｃを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図５の流路間流量分布は、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｃからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。
　図５に示すように、ガス流路４５ａの圧力は、上流部Ｓｕでは、上流部Ｓｕが閉塞されたガス流路４５ｂの圧力よりも大きい。ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力は、下流部Ｓｄに向かうに従って、双方の圧力差を狭めつつ低下し、下流部Ｓｄでは同じ圧力となる。下流部Ｓｄが閉塞されたガス流路４５ｃの圧力は、上流部Ｓｕではガス流路４５ａと同じ圧力であるが、下流部Ｓｄに向かうに従って、ガス流路４５ａとの圧力差を拡げつつ低下し、下流部Ｓｄではガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂよりも大きな圧力となる。ガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、下流部Ｓｄ側でガス流路４５ｂとガス流路４５ｃとの間に圧力差が存在するため、第１実施例の流路間流量分布と比較して下流部Ｓｄ側で増加する。
　以上説明した第２実施例の燃料電池１０によれば、第１実施例と同様に、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例と比較して、複数のガス流路４５における回収流路４８側でのガス拡散性能を向上させることができる。
　また、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂ、ガス流路４５ｃ、ガス流路４５ｂの順で繰り返し配列して複数のガス流路４５を構成したため、複数のガス流路４５において、供給流路４２側および回収流路４８側でのガス拡散性能の向上と、回収流路４８側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
Ｃ．第３実施例：
　第３実施例の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５の透気度特性が異なる点を除き、第１実施例と同様である。第１実施例では、アノード拡散層２３５の透気度は、全面にわたって略均一であるとしたが、第３実施例では、アノードセパレータ３０の供給流路４２に対応する側よりも回収流路４８に対応する側で大きくなる。
　本実施例では、撥水性樹脂および導電性材料を主成分とするマイクロポーラス層をアノード拡散層２３５に形成する厚さを、供給流路４２側よりも回収流路４８側で小さくすることによって、供給流路４２側よりも回収流路４８側で透気度が大きいアノード拡散層２３５を実現する。他の実施形態において、透気度の異なる複数の拡散層部材を透気度が小さい順に供給流路４２側から回収流路４８側へ配置してアノード拡散層２３５を構成することによって、供給流路４２側よりも回収流路４８側で透気度が大きいアノード拡散層２３５を実現しても良い。また、他の実施形態において、アノード拡散層２３５およびアノードセパレータ３０の少なくとも一方の厚さを供給流路４２側よりも回収流路４８側で小さくして、アノード拡散層２３５の回収流路４８側における厚さ方向の圧縮応力を供給流路４２側よりも小さくすることによって、供給流路４２側よりも回収流路４８側で透気度が大きいアノード拡散層２３５を実現しても良い。
　図６は、第３実施例におけるガス流路４５およびアノード拡散層２３５の特性を示す説明図である。図６には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量、ならびに透気度を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布、ならびに拡散層透気度分布を図示した。図６の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図６の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図６の拡散層透気度分布は、アノード拡散層２３５の透気度分布を示す。図６の流路間流量分布は、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。図６に示すように、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力分布の傾向は、第１実施例と同様であるが、アノード拡散層２３５の透気度が上流部Ｓｕから下流部Ｓｄに向かうに従って大きくなるため、ガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、第１実施例の流路間流量分布と比較して下流部Ｓｄ側で増加する。
　以上説明した第３実施例の燃料電池１０によれば、第１実施例と同様に、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例と比較して、複数のガス流路４５における回収流路４８側でのガス拡散性能を向上させることができる。
Ｄ．第４実施例：
　第４実施例の燃料電池１０は、アノードセパレータ３０における回収流路４８の構成が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図７は、第４実施例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図７には、図２と同様に、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。第４実施例のアノードセパレータ３０は、回収流路４８に突設された突出部３８４を備える点を除き、第１実施例と同様である。アノードセパレータ３０の突出部３８４は、ガス流路４５ａから流出す燃料ガスに対して、ガス流路４５ｂから流出する燃料ガスよりも大きな圧力損失を発生させる。本実施例では、突出部３８４は、回収流路４８におけるガス流路４５ａの延長線上に配置され、突出部３８２よりも大きな楕円柱状であり、その長軸方向はガス流路４５ａの流れ方向に直交し、長軸方向の大きさはガス流路４５ａの幅よりも大きい。
　図７には、発電領域４０を流れる燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示し、隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃに流入する燃料ガスの流れを黒色の矢印を用いて図示した。ガス流路４５ａは、供給流路４２から回収流路４８へと連通するため、発電に伴ってガス流路４５ａ内に発生した生成水は、ガス流路４５ａ内に滞留することなく、回収流路４８へと排出される。ガス流路４５ｂの供給流路４２側では、閉塞部３５２によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｂには、ガス流路４５ａからＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５を通じて隔壁部３５０を潜り抜けて燃料ガスが流入する。
　図８は、第４実施例におけるガス流路４５の特性を示す説明図である。図８には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布を図示した。図８の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図８の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図８の流路間流量分布は、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。
　図８に示すように、ガス流路４５ａの圧力は、上流部Ｓｕでは、上流部Ｓｕが閉塞されたガス流路４５ｂの圧力よりも大きい。ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力は、下流部Ｓｄに向かうに従って、双方の圧力差を狭めつつ低下する。第３実施例では、回収流路４８に突設された突出部３８４によって、ガス流路４５ａの回収流路４８側の圧力はガス流路４５ｂの圧力よりも大きくなるため、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、第１実施例の流路間流量分布と比較して下流部Ｓｄ側で増加する。
　図９は、第４実施例の第１変形例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。第１変形例のアノードセパレータ３０は、突出部３８４の形状が異なる点を除き、図７のアノードセパレータ３０と同様である。第１変形例の突出部３８４は、回収流路４８におけるガス流路４５ａの延長線上に配置され、ガス流路４５ａの流れ方向に直交する壁面の両端をガス流路４５ｂに向けてそれぞれ折り曲げた形状であり、図７の突出部３８４と同様に、ガス流路４５ａから流出す燃料ガスに対して、ガス流路４５ｂから流出する燃料ガスよりも大きな圧力損失を発生させる。
　図１０は、第４実施例の第２変形例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。第２変形例のアノードセパレータ３０は、突出部３８４の形状が異なる点を除き、図７のアノードセパレータ３０と同様である。第２変形例の突出部３８４は、回収流路４８におけるガス流路４５ａの延長線上に配置され、「Ｌ」字状の壁面の頂点をガス流路４５ａに向けた形状であり、図７の突出部３８４と同様に、ガス流路４５ａから流出す燃料ガスに対して、ガス流路４５ｂから流出する燃料ガスよりも大きな圧力損失を発生させる。
　以上説明した第４実施例の燃料電池１０によれば、第１実施例と同様に、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例と比較して、複数のガス流路４５における回収流路４８側でのガス拡散性能を向上させることができる。
Ｅ．他の実施形態：
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、回収流路４８側が閉塞されたガス流路４５ｃを備える第２実施例の燃料電池１０に、第３実施例のアノード拡散層２３５を適用しても良いし、第４実施例の突出部３８４を適用しても良い。
　また、上述の実施例では、カソードセパレータ５０は、アノードセパレータ３０と同じ部品であり、双方の流路構成が同様であったが、他の実施形態において、カソードセパレータ５０の流路構造は、相互に噛み合う櫛歯状の流路構成であっても良いし、多孔体で形成された流路構成であっても良いし、閉塞させることなく相互に平行に配列した流路構成であっても良い。また、上述の実施例における複数のガス流路４５と供給流路４２との間に、相互に噛み合う櫛歯状のガス流路を設けても良い。

Claims (7)

  1. 　燃料電池であって、
    　電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、
    　前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に相互に並べて配列され、反応ガスの供給側から回収側に向けて前記膜電極接合体に前記反応ガスを流す複数のガス流路と
    　を備え、
    　前記複数のガス流路は、
    　　前記供給側と前記回収側との間を連通するガス流路である第１ガス流路と、
    　　前記供給側が閉塞されたガス流路である第２ガス流路と
    　を含む、燃料電池。
  2. 　前記複数のガス流路は、前記膜電極接合体のアノード側に設けられ、前記膜電極接合体のカソード側における酸化ガスの流れに対向する方向で、前記アノード側に燃料ガスを流す請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
    　前記膜電極接合体は、前記複数のガス流路を流れる反応ガスを前記電極層に拡散させる拡散層を含み、
    　前記拡散層の前記回収側における反応ガスが透過する度合である透気度は、前記拡散層の前記供給側よりも大きい、燃料電池。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、更に、
    　前記複数のガス流路から反応ガスを回収する回収流路と、
    　前記回収流路に突設され、前記第１ガス流路から流出する反応ガスに対して、前記第２ガス流路から流出する反応ガスよりも大きな圧力損失を発生させる突出部と
    　を備える燃料電池。
  5. 　前記第１ガス流路および前記第２ガス流路を交互に配列して前記複数のガス流路を構成した請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
  6. 　前記複数のガス流路は、更に、前記回収側が閉塞されたガス流路である第３ガス流路を含む、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
  7. 　前記第１ガス流路、前記第２ガス流路、前記第３ガス流路、前記第２ガス流路の順で繰り返し配列して前記複数のガス流路を構成した請求項６に記載の燃料電池。
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