(57)【要約】【課題】カソードガス流路の下流側におけるフラッディング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。【解決手段】少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を狭持する一対のセパレータと、を具備し、アノード触媒層と対向するセパレータに、アノードガス流路が備えられ、かつ、カソード触媒層と対向するセパレータに、カソード流入流路及びカソード流出流路が備えられ、カソード流入流路の上流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ１、カソード流出流路の上流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ２、カソード流入流路の下流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ３、及び、カソード流出流路の下流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ４とするとき、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４となるように、カソード流入流路及びカソード流出流路が構成されている、燃料電池とする。【選択図】図５
2010140792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記アノード触媒層と対向する前記セパレータに、前記アノード触媒層へと供給される反応ガス及び／又は前記アノード触媒層を通過した反応ガス、が流通するアノードガス流路が備えられ、かつ、前記カソード触媒層と対向する前記セパレータに、前記カソード触媒層へと供給される反応ガスが流通するカソード流入流路、及び、前記カソード触媒層を通過した反応ガスが流通するカソード流出流路が備えられ、
前記カソード流入流路は前記カソード触媒層へと供給される前記反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、前記カソード流出流路は前記カソード触媒層を通過した前記反応ガスの上流端が閉塞され、
前記カソード流入流路及び前記カソード流出流路は、前記カソード触媒層と対向する前記セパレータにおいて互いに分離して配置され、
前記カソード流入流路の上流側領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ１、前記カソード流出流路の上流側領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ２、前記カソード流入流路の下流側領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ３、及び、前記カソード流出流路の下流側領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ４とするとき、
Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４
となるように、前記カソード流入流路及び前記カソード流出流路が構成されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記アノードガス流路に、前記アノード触媒層へと供給される反応ガスが流通するアノード流入流路、及び、前記アノード触媒層を通過した反応ガスが流通するアノード流出流路が備えられ、
前記アノード流入流路は前記アノード触媒層へと供給される前記反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、前記アノード流出流路は前記アノード触媒層を通過した前記反応ガスの上流端が閉塞され、
前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路は、前記アノード触媒層と対向する前記セパレータにおいて互いに分離して配置され、
前記積層体を挟んで、前記カソード流入流路の前記上流側領域及び前記カソード流出流路の前記上流側領域と対峙する、前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路の領域を第１領域とし、前記積層体を挟んで、前記カソード流入流路の前記下流側領域及び前記カソード流出流路の前記下流側領域と対峙する、前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路の領域を第２領域とするとともに、
前記アノード流入流路の前記第１領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ５、前記アノード流出流路の前記第１領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ６、前記アノード流入流路の前記第２領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ７、及び、前記アノード流出流路の前記第２領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ８とするとき、
Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８
となるように、前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路が構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
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、
前記アノード触媒層と対向する前記セパレータに、前記アノード触媒層へと供給される反応ガスが流通するアノード流入流路、及び、前記アノード触媒層を通過した反応ガスが流通するアノード流出流路が備えられ、かつ、前記カソード触媒層と対向する前記セパレータに、前記カソード触媒層へと供給される反応ガス及び／又は前記カソード触媒層を通過した反応ガス、が流通するカソードガス流路が備えられ、
前記アノード流入流路は前記アノード触媒層へと供給される前記反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、前記アノード流出流路は前記アノード触媒層を通過した前記反応ガスの上流端が閉塞され、
前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路は、前記アノード触媒層と対向する前記セパレータにおいて互いに分離して配置され、
前記積層体を挟んで、前記カソードガス流路の上流側領域と対峙する、前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路の領域を第１領域とし、前記積層体を挟んで、前記カソードガス流路の下流側領域と対峙する、前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路の領域を第２領域とするとともに、
前記アノード流入流路の前記第１領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ５、前記アノード流出流路の前記第１領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ６、前記アノード流入流路の前記第２領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ７、及び、前記アノード流出流路の前記第２領域を流通する前記反応ガスの圧力をＰ８とするとき、
Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８
となるように、前記アノード流入流路及び前記アノード流出流路が構成されていることを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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することが可能になる。そのため、ＰＥＦＣの運転時には、ＭＥＡを含水状態に保つ必要がある。ところが、ＰＥＦＣの運転時に、単セルの排水能力を超える量の水が生成されると、ＭＥＡへと供給される水素や空気が流通する流路（以下において、単に「流路」ということがある。）等に液体の水（以下において、「液水」という。）が滞留し、フラッディングと呼ばれる状態になる。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、フラッディングを解消する必要がある。
【０００５】
フラッディングを解消し得る技術として、これまでに、流路の入口又は出口が閉塞された閉塞流路を有する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。
【０００６】
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。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。ここで上述のように、ＰＥＦＣの運転時にはカソード触媒層で水が生成される。そのため、フラッディングは、カソード触媒層側で発生しやすく、特に、カソード触媒層側を流通する空気の下流側（以下において、「カソードガス流路の下流側」ということがある。）で発生しやすい。そして、カソードガス流路の下流側で発生しやすいフラッディングを解消するためには、カソードガス流路の下流側から移動する水の量を増大させる対策を施す必要がある。ところが、特許文献１に開示されている技術では、かかる対策が施されていないため、カソードガス流路の下流側におけるフラッディングを抑制できないという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、
第１の本発明は、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、アノード触媒層と対向するセパレータに、アノード触媒層へと供給される反応ガス及び／又はアノード触媒層を通過した反応ガスが流通するアノードガス流路が備えられ、かつ、カソード触媒層と対向するセパレータに、カソード触媒層へと供給される反応ガスが流通するカソード流入流路、及び、カソード触媒層を通過した反応ガスが流通するカソード流出流路が備えられ、カソード流入流路はカソード触媒層へと供給される反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、カソード流出流路はカソード触媒層を通過した反応ガスの上流端が閉塞され、カソード流入流路及びカソード流出流路は、カソード触媒層と対向するセパレータにおいて互いに分離して配置され、カソード流入流路の上流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ１、カソード流出流路の上流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ２、カソード流入流路の下流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ３、及び、カソード流出流路の下流側領域を流通する反応ガスの圧力をＰ４とするとき、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４となるように、カソード流入流路及びカソード流出流路が構成されていることを特徴とする、燃料電池である。
【００１１】
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、「アノード触媒層へと供給される反応ガス」及び「アノード触媒層を通過した反応ガス」とは、例えば、水素含有ガスをいう。さらに、本発明において、「アノード触媒層へと供給される反応ガス及び／又はアノード触媒層を通過した反応ガスが流通するアノードガス流路」とは、アノード触媒層へと供給される反応ガス及びアノード触媒層を通過した反応ガスが流通する、反応ガスの入口及び出口が開口している開口流路、並びに、アノード触媒層へと供給される反応ガスが流通する、当該反応ガスの下流端が閉塞された閉塞流路（以下において「アノード流入流路」という。）、及び、アノード触媒層を通過した反応ガスが流通する、当該反応ガスの上流端が閉塞された閉塞流路（以下において「アノード流出流路」という。）を含む概念である。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、「カソード触媒層へと供給される反応ガス」及び「カソード触媒層を通過した反応ガス」とは、例えば、酸素含有ガスをいう。さらに、本発明において、「カソード流入流路の上流側領域」とは、カソード流入流路の全長（カソード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。）の中間点からカソード流入流路の上流端（入口）までの領域をいう。さらに、本発明において、「カソード流出流路の上流側領域」とは、カソード流出流路の全長（カソード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。）の中間点からカソード流出流路の上流端までの領域をいう。さらに、本発明において、「カソード流入流路の下流側領域」とは、カソード流入流路の全長の中間点からカソード流入流路の下流端までの領域をいう。さらに、本発明において、「カソード流出流路の下流側領域」とは、カソード流出流路の全長の中間点からカソード流出流路の下流端（出口）までの領域をいう。さらに、本発明において、「Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４」とは、より具体的には、カソード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反応ガスの圧力Ｐ１、カソード流出流路の全長の中間点から所定の距離ｘだけ上流端側の位置における反応ガスの圧力Ｐ２、カソード流入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反応ガスの圧力Ｐ３、及び、カソード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反応ガスの圧力Ｐ４の間に、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４が成立することをいう。
【００１２】
また、上記第１の本発明において、さらに、アノードガス流路に、アノード触媒層へと供給される反応ガスが流通するアノード流入流路、及び、アノード触媒層を通過した反応ガスが流通するアノード流出流路が備えられ、アノード流入流路はアノード触媒層へと供給される反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、アノード流出流路はアノード触媒層を通過した反応ガスの上流端が閉塞され、アノード流入流路及びアノード流出流路は、アノード触媒層と対向するセパレータにおいて互いに分離して配置され、積層体を挟んで、カソード流入流路の上流側領域及びカソード流出流路の上流側領域と対峙する、アノード流入流路及びアノード流出流路の領域を第１領域とし、積層体を挟んで、カソード流入流路の下流側領域及びカソード流出流路の下流側領域と対峙する、アノード流入流路及びアノード流出流路の領域を第２領域とするとともに、アノード流入流路の第１領域を流通する反応ガスの圧力をＰ５、アノード流出流路の第１領域を流通する反応ガスの圧力をＰ６、アノード流入流路の第２領域を流通する反応ガスの圧力をＰ７、及び、アノード流出流路の第２領域を流通する反応ガスの圧力をＰ８とするとき、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるように、アノード流入流路及びアノード流出流路が構成されていることが好ましい。
【００１３】
ここに、本発明において、アノード触媒層側を流通する反応ガスが水素であり、かつ、カソード触媒層側を流通する反応ガスが空気であって、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場合（以下において「第１の場合」という。）、「第１領域」とは水素の下流側領域をいう。これに対し、アノード触媒層側を流通する反応ガスが水素であり、かつ、カソード触媒層側を流通する反応ガスが空気であって、水素の流通方向と空気の流通方向とが同じ方向である場合（以下において「第２の場合」という。）、「第１領域」とは水素の上流側領域をいう。さらに、本発明において、上記第１の場合、「第２領域」とは水素の上流側領域をいう。これに対し、上記第２の場合、「第２領域」とは水素の下流側領域をいう。さらに、本発明において、「Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８」とは、より具体的には、上記第１の場合、アノード流入流路の全長（アノード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。）の中間点から所定の距離ｘだけ下流端側の位置における反応ガスの圧力Ｐ５、アノード流出流路の全長（アノード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。）の中間点から所定の距離ｘだけ下流端（出口）側の位置における反応ガスの圧力Ｐ６、アノード流入流路の全長の中間点から所定の距離ｘだけ上流端（入口）側の位置における反応ガスの圧力Ｐ７、及び、アノード流出流路の全長の中間点から所定の距離ｘだけ上流端側の位置における反応ガスの圧力Ｐ８の間に、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８が成立することをいう。同様に、「Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８」とは、より具体的には、上記第２の場合、アノード流入流路の全長の中間点から所定の距離ｘだけ上流端（入口）側の位置における反応ガスの圧力Ｐ５、アノード流出流路の全長の中間点から所定の距離ｘだけ上流端側の位置における反応ガスの圧力Ｐ６、アノード流入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反応ガスの圧力Ｐ７、及び、アノード流出流路の全長の中間点から所定の距離ｘだけ下流端（出口）側の位置における反応ガスの圧力Ｐ８の間に、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８が成立することをいう。
【００１４】
第２の本発明は、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、アノード触媒層と対向するセパレータに、アノード触媒層へと供給される反応ガスが流通するアノード流入流路、及び、アノード触媒層を通過した反応ガスが流通するアノード流出流路が備えられ、かつ、カソード触媒層と対向するセパレータに、カソード触媒層へと供給される反応ガス及び／又はカソード触媒層を通過した反応ガス、が流通するカソードガス流路が備えられ、アノード流入流路はアノード触媒層へと供給される反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、アノード流出流路はアノード触媒層を通過した反応ガスの上流端が閉塞され、アノード流入流路及びアノード流出流路は、アノード触媒層と対向するセパレータにおいて互いに分離して配置され、積層体を挟んで、カソードガス流路の上流側領域と対峙する、アノード流入流路及びアノード流出流路の領域を第１領域とし、積層体を挟んで、カソードガス流路の下流側領域と対峙する、アノード流入流路及びアノード流出流路の領域を第２領域とするとともに、アノード流入流路の第１領域を流通する反応ガスの圧力をＰ５、アノード流出流路の第１領域を流通する反応ガスの圧力をＰ６、アノード流入流路の第２領域を流通する反応ガスの圧力をＰ７、及び、アノード流出流路の第２領域を流通する反応ガスの圧力をＰ８とするとき、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるように、アノード流入流路及びアノード流出流路が構成されていることを特徴とする、燃料電池である。
【００１５】
ここに、本発明において、「カソード触媒層へと供給される反応ガス及び／又はカソード触媒層を通過した反応ガス、が流通するカソードガス流路」とは、カソード触媒層へと供給される反応ガス及びカソード触媒層を通過した反応ガスが流通する、反応ガスの入口及び出口が開口している開口流路、並びに、カソード触媒層へと供給される反応ガスが流通する、当該反応ガスの下流端が閉塞された閉塞流路（カソード流入流路）、及び、カソード触媒層を通過した反応ガスが流通する、当該反応ガスの上流端が閉塞された閉塞流路（カソード流出流路）を含む概念である。
【発明の効果】
【００１６】
第１の本発明では、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４となるように、カソード流入流路及びカソード流出流路が構成される。そのため、カソードガス流路の下流側に存在する水に占める、カソード触媒層から電解質膜を通ってアノード触媒層へと移動する水の割合を、増大させることができる。カソード触媒層からアノード触媒層へと移動する水の量を増大させることにより、カソードガス流路の下流側に水が滞留する事態を抑制することができるので、カソードガス流路の下流側におけるフラッディングを抑制することができる。したがって、第１の本発明によれば、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング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。
【００１７】
また、第１の本発明において、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４、かつ、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるように、カソード流入流路及びカソード流出流路、並びに、アノード流入流路及びアノード流出流路が構成されることにより、カソードガス流路の下流側におけるフラッディングを容易に抑制することが可能になる。
【００１８】
第２の本発明では、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるように、アノード流入流路及びアノード流出流路が構成される。そのため、カソードガス流路の下流側に存在する水に占める、カソード触媒層から電解質膜を通ってアノード触媒層へと移動する水の割合を、増大させることができる。したがって、第２の本発明によれば、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
ＰＥＦＣの運転時に、ＭＥＡを含む積層体のアノード触媒層側に含まれる水分量、及び、カソード触媒層側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同一面内においても、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、水分の多い部位が含まれる極（カソード又はアノード）から対極（アノード又はカソード）へと移動する水の量が少ないことや、水分の少ない部位が含まれる極（アノード又はカソード）へ向かって対極（カソード又はアノード）から移動する水の量が少ないこと等に起因している。
【００２０】
かかる観点から、本発明者らは、閉塞流路を有する燃料電池、及び、閉塞流路を有しない燃料電池を用いて、カソード触媒層側を流通する空気の量を一定に保ちながらアノード触媒層側を流通する水素量を変動させることにより、カソード触媒層からアノード触媒層へと移動する水の量と水素量との関係を調査した。結果を図１３に示す。図１３の横軸は、アノード触媒層側に供給した単位時間当たりの水素量を、アノード触媒層で消費される単位時間当たりの水素量で除することによって得られる水素量比、縦軸はカソード触媒層からアノード触媒層へと移動した水の量［ｍｌ］である。
【００２１】
図１３より、閉塞流路を有する燃料電池、及び、閉塞流路を有しない燃料電池の何れにおいても、水素量が増大するにつれて、カソード触媒層からアノード触媒層へと移動する水の量が増大した。そして、この傾向は、閉塞流路を有する燃料電池において、顕著であった。この結果から、本発明者らは、単セルの面内でフラッディングが発生している箇所（例えば、カソード。以下において「当該極」ということがある。）の対極（アノード）に閉塞流路を適用し、閉塞流路を流通する水素の量を増大させることで、当該極から対極へと移動する水の量を増大させることができ、これによって、当該極のフラッディングを解消可能であることを知見した。
また、単セルの一方の極（当該極）に存在する水の移動経路としては、当該極を流通する反応ガスに持ち去られることによって移動する経路と、当該極から対極へと移動する経路とが考えられる。そのため、上記知見と水の移動経路とから、本発明者らは、さらに、フラッディングが発生している当該極を流通する反応ガスの量を低減し、当該極から移動する水の量に占める、当該極を流通する反応ガスによって持ち去られる水の量の割合、を低減することによっても、対極へと移動する水の量を増大可能であることを知見した。
【００２２】
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、カソードガス流路の下流側を流通する反応ガス量（又は反応ガスの流速）を低減させる、及び／又は、カソードガス流路の下流側と対峙する対極を流通する反応ガス量（又は反応ガスの流速）を増大させることによって、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、膜電極構造体４の厚さ方向であり、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。
【００２５】
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、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…、及び、アノード流出流路８ｙ、８ｙ、…が備えられている。そして、セパレータ９のガス拡散層６側の面には、水素の流通方向と向かい合う方向へと進む空気が流通する、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、カソード流出流路９ｙ、９ｙ、…が備えられている。
【００２６】
図２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２の紙面奥／手前方向が、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…及びカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さ方向である。図２の矢印は空気の流通方向を示しており、図２の紙面手前／奥方向が図１の紙面上下方向と対応している。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、カソード流入流路９ｘの深さ方向である。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、カソード流出流路９ｙの深さ方向である。以下、図１乃至図４を参照しつつ、燃料電池１０について説明を続ける。
【００２７】
図２に示すように、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…は、空気の下流端が閉塞されており、カソード流出流路９ｙ、９ｙ、…は、空気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９に備えられているカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、カソード流出流路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、カソード流入流路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、カソード流出流路９ｙ、９ｙ、…へと達する。したがって、燃料電池１０によれば、隣接するカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…とカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…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解消することが可能になる。
【００２８】
図２及び図３に示すように、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…は、図２及び図３にＹ１で示すカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の下流側領域（以下において、「領域Ｙ１」という。）における深さが、図２及び図３にＸ１で示すカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の上流側領域（以下において、「領域Ｘ１」という。）における深さよりも浅くなるように構成されている。かかる構成とすることにより、領域Ｙ１におけるカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の深さを領域Ｘ１におけるカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の深さと同一にした場合と比較して、領域Ｙ１におけるカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…を流通する空気の圧力Ｐ３を低減させることができる。
【００２９】
さらに、図２及び図４に示すように、カソード流出流路９ｙ、９ｙ、…は、図２及び図４にＹ１で示すカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の下流側領域（以下において、「領域Ｙ１」という。）における深さが、図２及び図４にＸ１で示すカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の上流側領域（以下において、「領域Ｘ１」という。）における深さよりも深くなるように構成されている。かかる構成とすることにより、領域Ｙ１におけるカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さを領域Ｘ１におけるカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さと同一にした場合と比較して、領域Ｙ１におけるカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…を流通する空気の圧力Ｐ４を増大させることができる。
【００３０】
図５は、カソード流入流路及びカソード流出流路の空気流通方向の位置と流路内圧力との関係を示す概念図である。図５の横軸は空気流通方向の位置（左側が上流側、右側が下流側）であり、縦軸は流路内圧力［Ｐａ］である。図５の点線Ｆ１は、空気流通方向の全長に亘って深さを一定にしたカソード流入流路の位置と流路内圧力との関係を示しており、図５の点線Ｆ２は、空気流通方向の全長に亘って深さを一定にしたカソード流出流路の位置と流路内圧力との関係を示している。図５の点線Ｆ１及び点線Ｆ２は、カソード流入流路の上流端における空気の圧力Ｐ１と、カソード流出流路の上流端における空気の圧力Ｐ２と、カソード流入流路の下流端における空気の圧力Ｐ３と、カソード流出流路の下流端における空気の圧力Ｐ４との間に、Ｐ１−Ｐ２＝Ｐ３−Ｐ４が成立する様子を示している。これに対し、図５の実線Ｆ３は、カソード流入流路９ｘの位置と流路内圧力との関係を示しており、図５の実線Ｆ４は、カソード流出流路９ｙの位置と流路内圧力との関係を示している。
【００３１】
図５に示すように、領域Ｙ１におけるカソード流入流路９ｘの深さを領域Ｘ１におけるカソード流入流路９ｘの深さと同一にした場合（点線Ｆ１）と比較して、カソード流入流路９ｘ（実線Ｆ３）によれば、カソード流入流路９ｘの下流側領域（領域Ｙ１）を流通する空気の圧力を低減させることができる。さらに、図５に示すように、領域Ｙ１におけるカソード流出流路９ｙの深さを領域Ｘ１におけるカソード流出流路９ｙの深さと同一にした場合（点線Ｆ２）と比較して、カソード流出流路９ｙ（実線Ｆ４）によれば、カソード流出流路９ｙの下流側領域（領域Ｙ１）を流通する空気の圧力を増大させることができる。そのため、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、カソード流出流路９ｙ、９ｙ、…が備えられる形態とすることにより、上流側領域（領域Ｘ１）における、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の空気の圧力Ｐ１とカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の空気の圧力Ｐ２との差よりも、圧力Ｐ３と圧力Ｐ４との差を小さくすること（Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４）が可能になる。
【００３２】
圧力Ｐ３と圧力Ｐ４との差を小さくすると、ガス拡散層６やカソード触媒層３を通ってカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…からカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…へと向かう空気の流量を低減させることができる。ここで上述のように、カソードガス流路の下流側を流通する空気の量を低減させることにより、カソードガス流路の下流側から、積層体を介してカソードガス流路の下流側と対峙するアノード側へと移動する水の量を増大させることができる。加えて、燃料電池１０は、水素の流通方向と空気の流通方向とが向かい合う方向とされている。すなわち、積層体７を挟んで、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…及びカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の下流側領域（以下において、「カソードガス流路の下流側」という。）と、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…及びアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の上流側領域（以下において、「アノードガス流路の上流側」という。）とが対峙している。そのため、燃料電池１０によれば、カソードガス流路の下流側から、アノードガス流路の下流側と比較して乾燥しやすいアノードガス流路の上流側へと移動する水の量を、増大させることができる。したがって、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４となるようにカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…及びカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…を構成することにより、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング、及び、アノードガス流路の上流側における乾燥を抑制することが可能な、燃料電池１０を提供することができる。
【００３３】
図６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６の紙面奥／手前方向が、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…及びアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の深さ方向である。図６の矢印は水素の流通方向を示しており、図６の紙面奥／手前方向が図１の紙面上下方向と対応している。図７は、図６のＣ−Ｃ断面図である。図７の紙面上側が図６の紙面手前側と対応しており、図７の紙面上下方向が、アノード流入流路８ｘの深さ方向である。図８は、図６のＤ−Ｄ断面図である。図８の紙面上側が図６の紙面手前側と対応しており、図８の紙面上下方向が、アノード流出流路８ｙの深さ方向である。以下、図１、及び、図６乃至図８を参照しつつ、燃料電池１０について説明を続ける。
【００３４】
図６に示すように、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…は、水素の下流端が閉塞されており、アノード流出流路８ｙ、８ｙ、…は、水素の上流端が閉塞されている。図６に示すように、セパレータ８に備えられているアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…、及び、アノード流出流路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、アノード流入流路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、アノード流出流路８ｙ、８ｙ、…へと達する。したがって、燃料電池１０によれば、隣接するアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…とアノード流出流路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解消することが可能になる。
【００３５】
図６及び図７に示すように、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…は、図６及び図７にＸ２で示すアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の上流側領域（以下において、「領域Ｘ２」という。）における深さが、図６及び図７にＹ２で示すアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の下流側領域（以下において、「領域Ｙ２」という。）における深さよりも浅くなるように構成されている。かかる構成とすることにより、領域Ｘ２におけるアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の深さを領域Ｙ２におけるアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の深さと同一にした場合と比較して、領域Ｘ２におけるアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…を流通する水素の圧力Ｐ７を増大させることができる。
【００３６】
さらに、図６及び図８に示すように、アノード流出流路８ｙ、８ｙ、…は、図６及び図８にＸ２で示すアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の上流側領域（以下において、「領域Ｘ２」という。）における深さが、図６及び図８にＹ２で示すアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の下流側領域（以下において、「領域Ｙ２」という。）における深さよりも深くなるように構成されている。かかる構成とすることにより、領域Ｘ２におけるアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の深さを領域Ｙ２におけるアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の深さと同一にした場合と比較して、領域Ｘ２におけるアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…を流通する水素の圧力Ｐ８を低減させることができる。
【００３７】
図９は、アノード流入流路及びアノード流出流路の水素流通方向の位置と流路内圧力との関係を示す概念図である。図９の横軸は水素流通方向の位置（左側が上流側、右側が下流側）であり、縦軸は流路内圧力［Ｐａ］である。図９の点線Ｆ５は、水素流通方向の全長に亘って深さを一定にしたアノード流入流路の位置と流路内圧力との関係を示しており、図９の点線Ｆ６は、水素流通方向の全長に亘って深さを一定にしたアノード流出流路の位置と流路内圧力との関係を示している。図９の点線Ｆ５及び点線Ｆ６は、アノード流入流路の下流端における水素の圧力Ｐ５と、アノード流出流路の下流端における水素の圧力Ｐ６と、アノード流入流路の上流端における水素の圧力Ｐ７と、アノード流出流路の上流端における水素の圧力Ｐ８との間に、Ｐ５−Ｐ６＝Ｐ７−Ｐ８が成立する様子を示している。これに対し、図９の実線Ｆ７は、アノード流入流路８ｘの位置と流路内圧力との関係を示しており、図９の実線Ｆ８は、アノード流出流路８ｙの位置と流路内圧力との関係を示している。
【００３８】
図９に示すように、領域Ｘ２におけるアノード流入流路８ｘの深さを領域Ｙ２におけるアノード流入流路８ｘの深さと同一にした場合（点線Ｆ５）と比較して、アノード流入流路８ｘ（実線Ｆ７）によれば、アノード流入流路８ｘの上流側領域（領域Ｘ２）を流通する水素の圧力を増大させることができる。さらに、図９に示すように、領域Ｘ２におけるアノード流出流路８ｙの深さを領域Ｙ２におけるアノード流出流路８ｙの深さと同一にした場合（点線Ｆ６）と比較して、アノード流出流路８ｙ（実線Ｆ８）によれば、アノード流出流路８ｙの上流側領域（領域Ｘ２）を流通する水素の圧力を低減させることができる。そのため、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…、及び、アノード流出流路８ｙ、８ｙ、…が備えられる形態とすることにより、領域Ｙ２における、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の水素の圧力Ｐ５とアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の水素の圧力Ｐ６との差よりも、圧力Ｐ７と圧力Ｐ８との差を大きくすること（Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８）が可能になる。
【００３９】
圧力Ｐ７と圧力Ｐ８との差を大きくすると、ガス拡散層５やアノード触媒層２を通ってアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…からアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…へと向かう水素の流量を増大させることができる。ここで上述のように、アノードに適用した閉塞流路を流通する水素の量を増大させることにより、カソードからアノードへと移動する水の量を増大させることができる。加えて、燃料電池１０は、水素の流通方向と空気の流通方向とが向かい合う方向とされている。そのため、燃料電池１０によれば、カソードガス流路の下流側から、アノードガス流路の下流側と比較して乾燥しやすいアノードガス流路の上流側へと移動する水の量を増大させることができる。したがって、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるようにアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…及びアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…を構成することにより、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング及びアノードガス流路の上流側における乾燥を抑制することが可能な、燃料電池１０を提供することができる。
【００４０】
燃料電池１０に関する上記説明では、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４、及び、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるように、カソード流入流路９ｘ、９ｘ、…及びカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…、並びに、アノード流入流路８ｘ、８ｘ、…及びアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…が構成されてい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。上述のように、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４となるようにカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…及びカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…を構成することのみによっても、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング及びアノードガス流路の上流側における乾燥を抑制することが可能な、燃料電池を提供することができる。そのため、本発明の燃料電池は、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４となるようにカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…及びカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…を構成することのみにより、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング及びアノードガス流路の上流側における乾燥を抑制する形態とすることも可能である。同様に、上述のように、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるようにアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…及びアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…を構成することのみによっても、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング及びアノードガス流路の上流側における乾燥を抑制することが可能な、燃料電池を提供することができる。そのため、本発明の燃料電池は、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８となるようにアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…及びアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…を構成することのみにより、カソードガス流路の下流側におけるフラッディング及びアノードガス流路の上流側における乾燥を抑制する形態とすることも可能である。
【００４１】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、領域Ｙ１におけるカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の深さが領域Ｘ１における深さよりも浅くなるように構成し、かつ、領域Ｙ１におけるカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さが領域Ｘ１における深さよりも深くなるように構成することによって、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４とす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。本発明の燃料電池は、領域Ｙ１におけるカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の深さが領域Ｘ１における深さよりも浅くなるように構成することのみによって、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４とする形態であっても良い。また、本発明の燃料電池は、領域Ｙ１におけるカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さが領域Ｘ１における深さよりも深くなるように構成することのみによって、Ｐ１−Ｐ２＞Ｐ３−Ｐ４とする形態であっても良い。ただし、カソードガス流路の下流側を流通する空気の流量を容易に低減可能な形態にする等の観点からは、領域Ｙ１におけるカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…の深さが領域Ｘ１における深さよりも浅くなるように構成し、かつ、領域Ｙ１におけるカソード流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さが領域Ｘ１における深さよりも深くなるように構成することが好ましい。
【００４２】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、領域Ｘ２におけるアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の深さが領域Ｙ２における深さよりも浅くなるように構成し、かつ、領域Ｘ２におけるアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の深さが領域Ｙ２における深さよりも深くなるように構成することによって、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８とす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。本発明の燃料電池は、領域Ｘ２におけるアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の深さが領域Ｙ２における深さよりも浅くなるように構成することのみによって、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８とする形態であっても良い。また、本発明の燃料電池は、領域Ｘ２におけるアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の深さが領域Ｙ２における深さよりも深くなるように構成することのみによって、Ｐ５−Ｐ６＜Ｐ７−Ｐ８とする形態であっても良い。ただし、積層体を挟んで、カソードガス流路の下流側と対峙するアノード側を流通する水素の流量を容易に増大可能な形態とする等の観点からは、領域Ｘ２におけるアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…の深さが領域Ｙ２における深さよりも浅くなるように構成し、かつ、領域Ｘ２におけるアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…の深さが領域Ｙ２における深さよりも深くなるように構成することが好ましい。
【００４３】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、閉塞流路の全長の中間点を境に、閉塞流路の上流側全域又は下流側全域の深さが徐々に変化す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。本発明の燃料電池は、閉塞流路の上流側全域又は下流側全域の深さを、閉塞流路の全長の中間点を境に、階段状に変化させた形態とすることも可能である。さらに、燃料電池１０に関する上記説明では、閉塞流路の全長の中間点を境に、上流側の全領域又は下流側の全領域における流路の深さを変更す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いて、閉塞流路の下流側領域の深さを変更する場合には、閉塞流路の下流端を含む当該閉塞流路における下流側領域の一部領域の深さのみを変更することができる。さらに、本発明の燃料電池において、閉塞流路の上流側領域の深さを変更する場合には、閉塞流路の上流端を含む当該閉塞流路における上流側領域の一部領域の深さのみを変更することができる。
【００４４】
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。ただし、水素の下流側と比較して乾燥しやすい水素の上流側へ、空気の下流側から水を移動させることによって、カソードガス流路の下流側におけるフラッディングを抑制するとともに、アノードガス流路の上流側における電解質膜やアノード触媒層の乾燥を抑制可能な形態にする等の観点からは、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とすることが好ましい。
【００４５】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、略直線状のアノード流入流路８ｘ、８ｘ、…、及び、略直線状のアノード流出流路８ｙ、８ｙ、…が備えられるセパレータ８、並びに、略直線状のカソード流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、略直線状のカソード流出流路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アノード流入流路及びアノード流出流路並びにカソード流入流路及びカソード流出流路は、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。
【００４６】
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、上述のセパレータを有す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、上述のセパレータを有する単セルを配置することが好ましい。
【実施例】
【００４７】
上流側領域の一部領域の深さを下流側領域の深さよりも浅くした閉塞流路であるアノード流入流路、全長に亘って深さが一定の閉塞流路であるアノード流出流路、カソード流入流路、及び、カソード流出流路を備えた燃料電池（本発明の燃料電池。以下において、「実施例の燃料電池」という。）、並びに、全長に亘って深さが一定の閉塞流路であるアノード流入流路、アノード流出流路、カソード流入流路、及び、カソード流出流路を備えた燃料電池（従来の燃料電池。以下において、「比較例の燃料電池」という。）を仮定し、シミュレーションを実施した。なお、実施例の燃料電池、並びに、比較例の燃料電池は、何れも、アノード触媒層とセパレータとの間、及び、カソード触媒層とセパレータとの間にガス拡散層が配置された構成とした。また、実施例の燃料電池と比較例の燃料電池とは、アノード流入流路の構成を除くその他の構成及び運転条件は全て同一とした。実施例の燃料電池、並びに、比較例の燃料電池に共通する構成、及び、計算条件を以下に示す。以下の構成において、アノード流入流路、アノード流出流路、カソード流入流路、及び、カソード流出流路をまとめて、単に「閉塞流路」と記載する。
【００４８】
＜閉塞流路の構成＞
閉塞流路の長さ        ；０．２ｍ
閉塞流路の幅          ；０．０００８ｍ
カソード流入流路の深さ；０．０００３５ｍ
カソード流出流路の深さ；０．０００３５ｍ
凸部の幅              ；０．０００８ｍ
閉塞流路の上流端又は下流端とセパレータの端面との距離；５ｍｍ
【００４９】
＜ガス拡散層の構成＞
ガス拡散層の厚さ      ；０．０００２ｍ
ガス拡散層の透気度    ；８×１０−１２［Ｐａ・ｓ］
【００５０】
＜計算条件＞
電流密度              ；２［Ａ／ｃｍ２］
アノード流入流路へと供給した水素の量；電流密度２［Ａ／ｃｍ２］でＰＥＦＣを運転した場合にアノード触媒層で消費される水素量の２倍
カソード流入流路へと供給した空気の量；電流密度２［Ａ／ｃｍ２］でＰＥＦＣを運転した場合にカソード触媒層で消費される酸素量の２倍の酸素を含む空気
【００５１】
上記のように構成した実施例の燃料電池及び比較例の燃料電池を、上記条件で運転させた場合を想定し、アノード流入流路における水素の圧力及びアノード流出流路における水素の圧力、並びに、アノード触媒層側に配置されたガス拡散層内を流通する水素の流速を計算した。実施例の燃料電池並びに比較例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路の深さと流路位置との関係を図１０に示す。図１０（ａ）は、実施例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路の深さと流路位置との関係を示す図であり、図１０（ｂ）は、比較例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路の深さと流路位置との関係を示す図である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）の縦軸は流路深さ［ｍ］、横軸は流路位置［ｍ］であり、紙面左側が上流側、同右側が下流側である。また、実施例の燃料電池並びに比較例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路における水素の圧力と流路位置との関係を図１１に示す。図１１（ａ）は、実施例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路における水素の圧力と流路位置との関係を示す図であり、図１１（ｂ）は、比較例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路における水素の圧力と流路位置との関係を示す図である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の縦軸は流路内における水素の絶対圧力［Ｐａ］、横軸は流路位置［ｍ］であり、紙面左側が上流側、同右側が下流側である。また、実施例の燃料電池並びに比較例の燃料電池のアノード触媒層側に配置されたガス拡散層内を流通する水素の流速と流路位置との関係を図１２に示す。図１２（ａ）は、実施例の燃料電池のアノード触媒層側に配置されたガス拡散層内を流通する水素の流速と流路位置との関係を示す図であり、図１２（ｂ）は、比較例の燃料電池のアノード触媒層側に配置されたガス拡散層内を流通する水素の流速と流路位置との関係を示す図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）の縦軸はガス拡散層内を流通する水素の流速［ｍ／ｓ］、横軸は流路位置［ｍ］であり、紙面左側が上流側、同右側が下流側である。
【００５２】
図１０（ａ）に示すように、実施例の燃料電池では、アノード流入流路の上流端を含む上流側の一部領域の深さのみを０．０００３５ｍから０．０００２ｍに変更し、アノード流出流路の深さは、その全長に亘って０．０００３５ｍとした。これに対し、図１０（ｂ）に示すように、比較例の燃料電池では、アノード流入流路及びアノード流出流路の深さを、これらの全長に亘って０．０００３５ｍとした。このようにして構成上の差異を設けた結果、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、実施例の燃料電池におけるアノード流入流路の入口における圧力（＞１４２５００［Ｐａ］）を、比較例の燃料電池におけるアノード流入流路の入口における圧力（＜１４２５００［Ｐａ］）よりも増大させることができた。さらに、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、実施例の燃料電池のアノード触媒層側に配置された、アノード流入流路の入口と面するガス拡散層の領域を流通する水素の流速（＞０．３［ｍ／ｓ］）を、比較例の燃料電池のアノード触媒層側に配置された、アノード流入流路の入口と面するガス拡散層を流通する水素の流速（＜０．３［ｍ／ｓ］）よりも増大させることができた。すなわち、アノード流入流路の上流側領域における水素の流速を増大させることによって、アノード流入流路の上流側領域における圧力を増大させることができた。以上より、本発明の燃料電池によれば、アノード流入流路の上流端を含む上流側の一部領域の深さのみを、当該アノード流入流路の下流側領域の深さよりも浅くすることのみによって、水素の上流側を流通する水素量を増大させることができた。したがって、当該結果及び図１３に示される結果から、本発明の燃料電池によれば、カソードガス流路の下流側に存在する水を水素の上流側へと移動させることができ、これによって、カソードガス流路の下流側におけるフラッディングを抑制可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の燃料電池１０の形態例を示す断面図である。
【図２】セパレータ９の形態例を概略的に示す平面図である。
【図３】カソード流入流路９ｘの形態例を概略的に示す断面図である。
【図４】カソード流出流路９ｙの形態例を概略的に示す断面図である。
【図５】カソード流入流路及びカソード流出流路の空気流通方向の位置と流路内圧力との関係を示す図である。
【図６】セパレータ８の形態例を概略的に示す平面図である。
【図７】アノード流入流路８ｘの形態例を概略的に示す断面図である。
【図８】アノード流出流路８ｙの形態例を概略的に示す断面図である。
【図９】アノード流入流路及びアノード流出流路の水素流通方向の位置と流路内圧力との関係を示す図である。
【図１０】アノード流入流路及びアノード流出流路の深さと流路位置との関係を示す図である。図１０（ａ）は、実施例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路の深さと流路位置との関係を示す図であり、図１０（ｂ）は、比較例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路の深さと流路位置との関係を示す図である。
【図１１】アノード流入流路及びアノード流出流路における水素の圧力と流路位置との関係を示す図である。図１１（ａ）は、実施例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路における水素の圧力と流路位置との関係を示す図であり、図１１（ｂ）は、比較例の燃料電池のアノード流入流路及びアノード流出流路における水素の圧力と流路位置との関係を示す図である。
【図１２】アノード触媒層側に配置されたガス拡散層内を流通する水素の流速と流路位置との関係を示す図である。図１２（ａ）は、実施例の燃料電池のアノード触媒層側に配置されたガス拡散層内を流通する水素の流速と流路位置との関係を示す図であり、図１２（ｂ）は、比較例の燃料電池のアノード触媒層側に配置されたガス拡散層内を流通する水素の流速と流路位置との関係を示す図である。
【図１３】カソード触媒層からアノード触媒層へと移動する水の量と水素量比との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
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…アノード流入流路
８ｙ…アノード流出流路
８ｚ…凸部
９…セパレータ
９ｘ…カソード流入流路
９ｙ…カソード流出流路
９ｚ…凸部
１０…燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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