(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
該カソード側ガス流路は、
発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されており、
前記酸化剤ガスの流れ方向の上流領域における前記カソード側ガス流路の溝の内壁面は前記カソードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
該カソード側ガス流路は、
発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されているとともに、
前記酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されており、
前記アノード側ガス流路は、
前記外力の方向とほぼ対向する方向に、前記燃料ガスが流れるように形成されており、
前記燃料ガスの流れ方向の上流領域における前記アノード側ガス流路の溝の内壁面は前記アノードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されている、
燃料電池。
【請求項３】
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
前記カソード側ガス流路は、発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されており、前記酸化剤ガスの流れ方向の上流領域における前記カソード側ガス流路の溝の内壁面は前記カソードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されている第１の構成と、
前記アノード側ガス流路は、発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記燃料ガスが流れるように形成されており、前記燃料ガスの流れ方向の上流領域における前記アノード側ガス流路の溝の内壁面は前記アノードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されている第２の構成と
の２つの構成のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記外力の方向は、重力方向である、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。このため、固体高分子型燃料電池では、発電中に、電解質膜の加湿が必要となる。さらに、発電性能を単セルの面内において均一化するため、電解質膜の面内における湿潤状態の分布を均一化することも要求される。
【０００３】
従来、固体高分子型燃料電池の電解質膜を加湿するために、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器が用いられていた。そして、加湿器を用いることは、燃料電池システムの大型化を招いていた。そこで、近年では、燃料電池システムの小型化を図るため、加湿器を用いずに、発電時に、上記電気化学反応によって生成された生成水を、燃料電池内部で再循環させて、酸化剤ガス、および、電解質膜の加湿を行う技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。以下、発電によって生成された生成水を、燃料電池内部で再循環させて、酸化剤ガスや、燃料ガスや、電解質膜の加湿を行うことを、「自己加湿」と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−４２８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載された技術では、酸化剤ガスの自己加湿は可能ではある。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、生成水によって、酸化剤ガスを加湿し、この加湿された酸化剤ガスを用いて電解質膜の加湿を行うので、特に、酸化剤ガスの流れ方向の上流側における電解質膜を十分に加湿することができなかった。このため、電解質膜の面内において、湿潤状態のバラツキが大きかった。また、このような不具合は、酸化剤ガス側に限られず、燃料ガス側についても同様に起こり得た。生成水は、上記電気化学反応によって、カソードで生成され、電解質膜を通して、アノード側にも透過するからである。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池において、電解質膜を自己加湿するとともに、電解質膜の面内における湿潤状態の分布を均一化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の第１の燃料電池は、
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
該カソード側ガス流路は、
発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されているとともに、
前記酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されており、
おり、
前記酸化剤ガスの流れ方向の上流領域における前記カソード側ガス流路の溝の内壁面は前記カソードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されていることを要旨とする。
本発明では、カソード側ガス流路は、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体で生成された生成水は、カソード側ガス流路の、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が高い領域に吸引され、保持される。そして、カソード側ガス流路は、重力等、生成水にかかる外力とほぼ対向する方向に、酸化剤ガスが流れるように形成されているので、この外力によって、生成水は、酸化剤ガスの流れに逆らって、酸化剤ガスの流れ方向の上流側に移動する。そして、カソード側ガス流路は、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、酸化剤ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を撥水して、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体の表面に移動させ、乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。したがって、本発明によって、燃料電池内部で、生成水を液体の状態で再循環させて、電解質膜を自己加湿するとともに、電解質膜の面内における湿潤状態の分布を均一化することができる。また、外力によって酸化剤ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を、上記境界部に吸引し、膜電極接合体に移動させやすくすることができる。また、セパレータの、カソードと当接する側の面に形成された溝に、例えば、親水剤や、疎水剤を塗布することによって、親水性、および、疎水性についての上述した特徴を有するカソード側ガス流路を形成することができる。
本発明の第２の燃料電池は、
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
該カソード側ガス流路は、
発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されているとともに、
前記酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されており、
前記アノード側ガス流路は、
前記外力の方向とほぼ対向する方向に、前記燃料ガスが流れるように形成されており、
前記燃料ガスの流れ方向の上流領域における前記アノード側ガス流路の溝の内壁面は前記アノードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されていることを要旨とする。
本発明では、発電時に、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体のカソードで生成され、電解質膜を通して、アノードに透過した生成水は、アノード側ガス流路の、燃料ガスの流れ方向の下流側の親水性が高い領域に吸引され、保持される。そして、アノード側ガス流路は、重力等、生成水にかかる外力とほぼ対向する方向に、燃料ガスが流れるように形成されているので、この外力によって、生成水は、燃料ガスの流れに逆らって、燃料ガスの流れ方向の上流側に移動する。そして、アノード側ガス流路は、燃料ガスの流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、燃料ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を撥水して、燃料ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体の表面に移動させ、アノード側から、乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。また、上記外力によって燃料ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を、上記境界部に吸引し、膜電極接合体に移動させやすくすることができる。
本発明の第３の燃料電池は、
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと当接する前記セパレータの面に形成された溝で構成され、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
前記カソード側ガス流路は、発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されており、前記酸化剤ガスの流れ方向の上流領域における前記カソード側ガス流路の溝の内壁面は前記カソードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されている第１の構成と、
前記アノード側ガス流路は、発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記燃料ガスが流れるように形成されており、前記燃料ガスの流れ方向の上流領域における前記アノード側ガス流路の溝の内壁面は前記アノードに接する境界部と他の部分とに区分され、前記他の部分の疎水性が前記上流領域よりも下流側にある前記内壁面の領域の疎水性よりも高く、かつ、前記境界部は親水性となるように形成されている第２の構成と
の２つの構成のうちの少なくとも一方を備えることを要旨とする。
本発明では、上記第１の燃料電池または第２の燃料電池と同様の効果をえることができる。
上記第１ないし第３の燃料電池において、
前記外力の方向は、重力方向であるものとしてもよい。
こうすることによって、生成水に重力が作用し、生成水が重力方向に移動しやすい環境下で、電解質膜を自己加湿するとともに、電解質膜の湿潤状態の面内分布を均一化することができる。
本発明の第４の燃料電池は、
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと前記セパレータとの間に、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと前記セパレータとの間に、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
該カソード側ガス流路は、
発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されているとともに、
前記酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されていることを要旨とする。
【０００８】
一般に、燃料電池では、酸化剤ガスの流れ方向の上流側（酸化剤ガスの入口側）の電解質膜が乾燥しやすい傾向にあるため、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体での発電量、および、生成水の生成量が、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。
【０００９】
本発明では、カソード側ガス流路は、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体で生成された生成水は、カソード側ガス流路の、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の親水性が高い領域に吸引され、保持される。そして、カソード側ガス流路は、重力等、生成水にかかる外力とほぼ対向する方向に、酸化剤ガスが流れるように形成されているので、この外力によって、生成水は、酸化剤ガスの流れに逆らって、酸化剤ガスの流れ方向の上流側に移動する。そして、カソード側ガス流路は、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、酸化剤ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を撥水して、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体の表面に移動させ、乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。したがって、本発明によって、燃料電池内部で、生成水を液体の状態で再循環させて、電解質膜を自己加湿するとともに、電解質膜の面内における湿潤状態の分布を均一化することができる。
【００１０】
上記燃料電池において、
前記カソード側ガス流路は、前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側において、前記カソードとの境界部の親水性が、他の部分の親水性よりも高くなるように形成されているようにすることが好ましい。
【００１１】
こうすることによって、外力によって酸化剤ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を、上記境界部に吸引し、膜電極接合体に移動させやすくすることができる。
【００１２】
なお、上述したいずれかの燃料電池において、
前記カソード側ガス流路は、前記セパレータの、前記カソードと当接する側の面に形成された溝であるものとしてもよい。また、前記カソード側ガス流路は、金属多孔体からなるものとしてもよい。
【００１３】
前者の場合、セパレータの、カソードと当接する側の面に形成された溝に、例えば、親水剤や、疎水剤を塗布することによって、親水性、および、疎水性についての上述した特徴を有するカソード側ガス流路を形成することができる。また、後者の場合、金属多孔体に、例えば、親水剤や、疎水剤を含浸することによって、親水性、および、疎水性についての上述した特徴を有するカソード側ガス流路を形成することができる。
【００１４】
上述したいずれかの燃料電池において、
前記アノード側ガス流路は、前記外力の方向とほぼ同じ方向に、前記燃料ガスが流れるように形成されているものとしてもよい。
【００１５】
この場合、先に説明したように、燃料電池では、酸化剤ガスの流れ方向の上流側（酸化剤ガスの入口側）の電解質膜が乾燥しやすい傾向にあるため、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体での発電量、および、生成水の生成量が、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。また、生成水は、カソードで生成され、電解質膜を通して、アノードにも透過する。したがって、このアノードに透過する生成水の量も、酸化剤ガスの流れ方向の上流側、すなわち、燃料ガスの流れ方向の下流側よりも、酸化剤ガスの流れ方向の下流側、すなわち、燃料ガスの流れ方向の上流側において多くなる傾向にある。
【００１６】
本発明では、アノード側ガス流路が、上記外力の方向とほぼ同じ方向に、燃料ガスが流れるように形成されているので、発電時に、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体のカソードで生成され、電解質膜を通して、アノードに透過した生成水を、上記外力と燃料ガスの流れとの双方によって、燃料ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体の表面から、燃料ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体の表面に移動させ、アノード側から、乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。
【００１７】
また、前記アノード側ガス流路は、
前記外力の方向とほぼ対向する方向に、前記燃料ガスが流れるように形成されているとともに、
前記燃料ガスの流れ方向の下流側の親水性が下流側の親水性よりもが高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されているようにしてもよい。
【００１８】
こうすることによって、発電時に、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体のカソードで生成され、電解質膜を通して、アノードに透過した生成水は、アノード側ガス流路の、燃料ガスの流れ方向の下流側の親水性が高い領域に吸引され、保持される。そして、アノード側ガス流路は、重力等、生成水にかかる外力とほぼ対向する方向に、燃料ガスが流れるように形成されているので、この外力によって、生成水は、燃料ガスの流れに逆らって、燃料ガスの流れ方向の上流側に移動する。そして、アノード側ガス流路は、燃料ガスの流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、燃料ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を撥水して、燃料ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体の表面に移動させ、アノード側から、乾燥しやすい酸化剤ガスの流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。
【００１９】
上記燃料電池において、
前記アノード側ガス流路は、前記燃料ガスの流れ方向の上流側において、前記アノードとの境界部の親水性が、他の部分の親水性よりも高くなるように形成されているようにすることが好ましい。
【００２０】
こうすることによって、上記外力によって燃料ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を、上記境界部に吸引し、膜電極接合体に移動させやすくすることができる。
【００２１】
上記燃料電池において、
前記アノード側ガス流路は、前記セパレータの、前記アノードと当接する側の面に形成された溝であるものとしてもよい。また、前記アノード側ガス流路は、金属多孔体からなるものとしてもよい。
【００２２】
前者の場合、セパレータの、アノードと当接する側の面に形成された溝に、例えば、親水剤や、疎水剤を塗布することによって、親水性、および、疎水性についての上述した特徴を有するアノード側ガス流路を形成することができる。また、後者の場合、金属多孔体に、例えば、親水剤や、疎水剤を含浸することによって、親水性、および、疎水性についての上述した特徴を有するアノード側ガス流路を形成することができる。
【００２３】
本発明の第５の燃料電池は、
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記アノードと前記セパレータとの間に、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するためのアノード側ガス流路と、
前記カソードと前記セパレータとの間に、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス流路と、を備え、
前記アノード側ガス流路は、
発電時に、前記カソードで、前記燃料ガスに含まれる水素と前記酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応によって生成された生成水にかかる外力の方向とほぼ対向する方向に、前記燃料ガスが流れるように形成されているとともに、
前記燃料ガスの流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されていることを要旨とする。
【００２４】
先に説明したように、生成水は、カソードで生成され、電解質膜を通して、アノードにも透過する。
【００２５】
本発明では、アノード側ガス流路は、燃料ガスの流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、燃料ガスの流れ方向の下流側の膜電極接合体のカソードで生成され、電解質膜を通して、アノードに透過した生成水は、アノード側ガス流路の、燃料ガスの流れ方向の下流側の親水性が高い領域に吸引され、保持される。そして、アノード側ガス流路は、重力等、生成水にかかる外力とほぼ対向する方向に、燃料ガスが流れるように形成されているので、この外力によって、生成水は、燃料ガスの流れに逆らって、燃料ガスの流れ方向の上流側に移動する。そして、アノード側ガス流路は、燃料ガスの流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、燃料ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を撥水して、燃料ガスの流れ方向の上流側の膜電極接合体の表面に移動させ、アノード側から、燃料ガスの流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。したがって、本発明によって、燃料電池内部で、生成水を液体の状態で再循環させて、電解質膜を自己加湿するとともに、電解質膜の面内における湿潤状態の分布を均一化することができる。
【００２６】
上記燃料電池において、
前記アノード側ガス流路は、前記燃料ガスの流れ方向の上流側において、前記アノードとの境界部の親水性が、他の部分の親水性よりも高くなるように形成されているようにすることが好ましい。
【００２７】
こうすることによって、上記外力によって燃料ガスの流れ方向の上流側に移動した生成水を、上記境界部に吸引し、膜電極接合体に移動させやすくすることができる。
【００２８】
本発明の第５の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路は、前記セパレータの、前記アノードと当接する側の面に形成された溝であるものとしてもよい。また、前記アノード側ガス流路は、金属多孔体からなるものとしてもよい。
【００２９】
前者の場合、セパレータの、アノードと当接する側の面に形成された溝に、例えば、親水剤や、疎水剤を塗布することによって、親水性、および、疎水性についての上述した特徴を有するアノード側ガス流路を形成することができる。また、後者の場合、金属多孔体に、例えば、親水剤や、疎水剤を含浸することによって、親水性、および、疎水性についての上述した特徴を有するアノード側ガス流路を形成することができる。
【００３０】
なお、本発明の第５の燃料電池において、
前記カソード側ガス流路は、前記外力の方向とほぼ対向する方向に、前記酸化剤ガスが流れるように形成されているようにすることが好ましい。
【００３１】
こうすることによって、カソードで生成された生成水には、酸化剤ガスの流れによって、上記外力の方向とほぼ対向する方向に力が作用する。したがって、上記外力によって、生成水を上記外力の方向に移動させて電解質膜の加湿に利用するとともに、酸化剤ガスの流れによって、上記外力の方向への生成水の移動速度を遅らせ、生成水が電解質膜の加湿に利用されることなく、膜電極接合体のカソード表面から排出されることを抑制することができる。
【００３２】
本発明の第４または第５の燃料電池において、
前記外力の方向は、重力方向であるものとしてもよい。
【００３３】
こうすることによって、生成水に重力が作用し、生成水が重力方向に移動しやすい環境下で、電解質膜を自己加湿するとともに、電解質膜の湿潤状態の面内分布を均一化することができる。
【００３４】
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、この燃料電池を備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の第２実施例としての燃料電池の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明の第３実施例としての燃料電池の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明の第４実施例としての燃料電池の断面構造を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：
【００３７】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の断面構造を模式的に示す説明図である。図１（ａ）に、燃料電池１００におけるガスの流れ方向と平行な方向から見た断面図を示し、図１（ｂ）に、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００３８】
燃料電池１００は、膜電極接合体１１０の両面に、それぞれカソード側ガス拡散層１２０、および、アノード側ガス拡散層１３０を接合し、これらをカソード側セパレータ１４０、および、アノード側セパレータ１５０で挟持することによって構成されている。
【００３９】
膜電極接合体１１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１１２の両面に、それぞれカソード側触媒層１１４、および、アノード側触媒層１１６を接合したものである。本実施例では、電解質膜１１２として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。カソード側触媒層１１４、および、アノード側触媒層１１６は、それぞれ水素と酸素との電気化学反応を促進するための触媒を担持した層である。そして、カソード側触媒層１１４の表面、および、アノード側触媒層１１６の表面には、それぞれカソード側ガス拡散層１２０、および、アノード側ガス拡散層１３０が接合されている。カソード側ガス拡散層１２０は、供給された空気を拡散させつつ、カソード側触媒層１１４に供給するための層である。また、アノード側ガス拡散層１３０は、供給された水素を拡散させつつ、アノード側触媒層１１６に供給するための層である。カソード側触媒層１１４、および、カソード側ガス拡散層１２０は、カソードとして機能し、アノード側触媒層１１６、および、アノード側ガス拡散層１３０は、アノードとして機能する。
【００４０】
膜電極接合体１１０のアノード、および、カソードには、それぞれ燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、水素と酸素との電気化学反応によって、発電が行われる。このとき、カソード側触媒層１１４では、カソード反応によって、生成水が生成される。なお、この生成水は、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６にも透過する。
【００４１】
ところで、本実施例の燃料電池１００は、電解質膜１１２として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池であるので、所望の発電性能を得るために、電解質膜１１２を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜１１２のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。そこで、本実施例の燃料電池１００では、生成水を液体の状態で、燃料電池１００内部で再循環させて、電解質膜１１２を自己加湿する機能を有している。以下、この自己加湿を実現するための構成について説明する。
【００４２】
図１（ａ）に示したように、膜電極接合体１１０のカソード側に配置されるカソード側セパレータ１４０は、カソード側ガス拡散層１２０と当接する側の面に溝部１４２を備えており、この溝部１４２は、空気が流れるガス流路を形成する。溝部１４２は、本発明におけるカソード側ガス流路に相当する。また、膜電極接合体１１０のアノード側に配置されるアノード側セパレータ１５０は、アノード側ガス拡散層１３０と当接する側の面に溝部１５２を備えており、この溝部１５２は、水素が流れるガス流路を形成する。溝部１５２は、本発明におけるアノード側ガス流路に相当する。
【００４３】
図１（ｂ）に示したように、カソード側セパレータ１４０における溝部１４２は、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、空気が流れるように形成されている。そして、溝部１４２の表面には、表面処理が施されている。具体的には、溝部１４２における空気の流れ方向の下流領域１４２Ｌには、表面処理として、親水処理が施されており、溝部１４２における空気の流れ方向の上流領域１４２Ｕには、疎水処理が施されている。また、本実施例では、溝部１４２における空気の流れ方向の中流領域１４２Ｍには、表面処理は施されていない。つまり、溝部１４２は、空気の流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されている。また、溝部１４２の空気の流れ方向の上流領域において、カソード側ガス拡散層１２０との境界領域１４２ＵＢには、表面処理として、親水処理が施されている。なお、本実施例では、上述した親水処理、および、疎水処理は、それぞれ、溝部１４２の表面に、親水剤や、疎水剤を塗布することによって施されている。また、溝部１４２において、上述した表面処理を施す領域の面積や、親水性、および、疎水性の度合いは、燃料電池１００の発電性能等に応じて、任意に設定可能である。
【００４４】
カソード側セパレータ１４０において、溝部１４２を上述したように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成された生成水は、以下に説明するように移動する（図１（ｂ）における白抜き矢印を参照）。なお、一般に、燃料電池１００では、空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２が乾燥しやすい傾向にあるため、空気の流れ方向の下流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量が、空気の流れ方向の上流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。
【００４５】
本実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータ１４０における溝部１４２は、空気の流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、空気の流れ方向の下流側の膜電極接合体１１０で生成された生成水は、溝部１４２の親水性が高い下流領域１４２Ｌに吸引され、保持される。そして、溝部１４２は、重力方向と対向する方向に、空気が流れるように形成されているので、重力によって、生成水は、空気の流れに逆らって、下流領域１４２Ｌから中流領域１４２Ｍを通り、上流領域１４２Ｕに移動する。そして、溝部１４２は、空気の流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、上流領域１４２Ｕに移動した生成水を撥水して、親水性が高い境界領域１４２ＵＢに吸引させ、さらに、カソード側ガス拡散層１２０、カソード側触媒層１１４を介して、上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させて、乾燥しやすい空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２を加湿することができる。
【００４６】
一方、アノード側セパレータ１５０における溝部１５２は、図１（ｂ）に示したように、重力方向と同じ方向、すなわち、上から下に、水素が流れるように形成されている。なお、本実施例では、アノード側セパレータ１５０における溝部１５２の表面には、カソード側セパレータ１４０における溝部１４２の表面に施されたような表面処理、すなわち、親水処理、および、疎水処理は施されていない。
【００４７】
アノード側セパレータ１５０において、溝部１５２を上述したように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水を、重力と水素の流れとの双方によって、水素の流れ方向の下流側、すなわち、空気の流れ方向の上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させ、アノード側から、乾燥しやすい空気の流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。
【００４８】
以上説明した第１実施例の燃料電池１００によれば、燃料電池１００の内部で、生成水を液体の状態で再循環させて、電解質膜１１２を自己加湿するとともに、電解質膜１１２の面内における湿潤状態の分布を均一化することができる。
【００４９】
Ｂ．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの断面構造を模式的に示す説明図である。図２（ａ）に、燃料電池１００Ａにおけるガスの流れ方向と平行な方向から見た断面図を示し、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００５０】
燃料電池１００Ａは、第１実施例における燃料電池１００と同様に、膜電極接合体１１０の両面に、それぞれカソード側ガス拡散層１２０、および、アノード側ガス拡散層１３０を接合し、これらをカソード側セパレータ１４０Ａ、および、アノード側セパレータ１５０Ａで挟持することによって構成されている。
【００５１】
なお、膜電極接合体１１０、カソード側ガス拡散層１２０、アノード側ガス拡散層１３０は、それぞれ第１実施例における膜電極接合体１１０、カソード側ガス拡散層１２０、アノード側ガス拡散層１３０と同じであるため、説明を省略する。
【００５２】
以下、燃料電池１００Ａにおける電解質膜１１２の自己加湿を実現するための構成について説明する。
【００５３】
図２（ａ）に示したように、膜電極接合体１１０のカソード側に配置されるカソード側セパレータ１４０Ａは、カソード側ガス拡散層１２０と当接する側の面に溝部１４２を備えており、この溝部１４２は、空気が流れるガス流路を形成する。溝部１４２は、本発明におけるカソード側ガス流路に相当する。また、膜電極接合体１１０のアノード側に配置されるアノード側セパレータ１５０Ａは、アノード側ガス拡散層１３０と当接する側の面に溝部１５２を備えており、この溝部１５２は、水素が流れるガス流路を形成する。溝部１５２は、本発明におけるアノード側ガス流路に相当する。
【００５４】
図２（ｂ）に示したように、カソード側セパレータ１４０Ａにおける溝部１４２は、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、空気が流れるように形成されている。なお、溝部１４２の表面には、第１実施例におけるカソード側セパレータ１４０とは異なり、表面処理、すなわち、親水処理、および、疎水処理は施されていない。
【００５５】
また、燃料電池１００Ａでは、空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２が乾燥しやすい傾向にあるため、下流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量が、上流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。
【００５６】
燃料電池１００Ａでは、カソード側セパレータ１４０Ａにおいて、溝部１４２は、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、空気が流れるように形成されているので、カソード側触媒層１１４で生成された生成水には、空気の流れによって、重力方向とほぼ対向する方向に力が作用するとともに、重力が作用する。したがって、重力によって、生成水を上から下に移動させて電解質膜１１２の加湿に利用するとともに、空気の流れによって、重力方向への生成水の移動速度を遅らせ、生成水が電解質膜１１２の加湿に利用されることなく、膜電極接合体１１０のカソード表面から排出されることを抑制することができる。
【００５７】
一方、アノード側セパレータ１５０Ａにおける溝部１５２も、図２（ｂ）に示したように、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、水素が流れるように形成されている。そして、溝部１５２の表面には、表面処理が施されている。具体的には、溝部１５２における水素の流れ方向の下流領域１５２Ｌには、表面処理として、親水処理が施されており、溝部１５２における水素の流れ方向の上流領域１５２Ｕには、疎水処理が施されている。また、本実施例では、溝部１５２における水素の流れの中流領域１５２Ｍには、表面処理は施されていない。つまり、溝部１５２は、水素の流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されている。また、溝部１５２の水素の流れ方向の上流領域において、アノード側ガス拡散層１３０との境界領域１５２ＵＢには、親水処理が施されている。なお、上述した親水処理、および、疎水処理は、それぞれ、溝部１５２の表面に、親水剤や、疎水剤を塗布することによって施されている。また、溝部１５２において、上述した表面処理を施す領域の面積や、親水性、および、疎水性の度合いは、燃料電池１００Ａの発電性能等に応じて、任意に設定可能である。
【００５８】
アノード側セパレータ１５０において、溝部１５２を上述したように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水は、以下に説明するように移動する（図２（ｂ）における白抜き矢印を参照）。なお、先に説明したように、燃料電池１００Ａでは、空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２が乾燥しやすい傾向にあるため、下流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量が、上流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。したがって、アノード側触媒層１１６に透過する生成水の量も、空気の流れ方向、すなわち、水素の流れ方向の上流側よりも下流側において多くなる傾向にある。
【００５９】
本実施例の燃料電池１００Ａでは、アノード側セパレータ１５０Ａにおける溝部１５２は、水素の流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、空気の流れ方向の下流側の膜電極接合体１１０のカソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水は、溝部１５２の親水性が高い下流領域１５２Ｌに吸引され、保持される。そして、溝部１５２は、重力方向と対向する方向に、水素が流れるように形成されているので、重力によって、生成水は、水素の流れに逆らって、下流領域１５２Ｌから中流領域１５２Ｍを通り、上流領域１５２Ｕに移動する。そして、溝部１５２は、水素の流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、上流領域１５２Ｕに移動した生成水を撥水して、親水性が高い境界領域１５２ＵＢに吸引させ、さらに、アノード側ガス拡散層１３０、および、アノード側触媒層１１６を介して、上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させて、アノード側から、乾燥しやすい上流側の電解質膜１１２を加湿することができる。
【００６０】
以上説明した第１実施例の燃料電池１００Ａによっても、燃料電池１００Ａの内部で、生成水を液体の状態で再循環させて、電解質膜１１２を自己加湿するとともに、電解質膜１１２の面内における湿潤状態の分布を均一化することができる。
【００６１】
Ｃ．第３実施例：
図３は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの断面構造を模式的に示す説明図である。図３（ａ）に、燃料電池１００Ｂにおけるガスの流れ方向と平行な方向から見た断面図を示し、図３（ｂ）に、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００６２】
燃料電池１００Ｂは、第１実施例における燃料電池１００と同様に、膜電極接合体１１０の両面に、それぞれカソード側ガス拡散層１２０、および、アノード側ガス拡散層１３０を接合し、これらをカソード側セパレータ１４０Ｂ、および、アノード側セパレータ１５０Ｂで挟持することによって構成されている。
【００６３】
なお、膜電極接合体１１０、カソード側ガス拡散層１２０、アノード側ガス拡散層１３０は、それぞれ第１実施例における膜電極接合体１１０、カソード側ガス拡散層１２０、アノード側ガス拡散層１３０と同じであるため、説明を省略する。
【００６４】
以下、燃料電池１００Ｂにおける電解質膜１１２の自己加湿を実現するための構成について説明する。
【００６５】
図３（ａ）に示したように、膜電極接合体１１０のカソード側に配置されるカソード側セパレータ１４０は、カソード側ガス拡散層１２０と当接する側の面に溝部１４２を備えており、この溝部１４２は、空気が流れるガス流路を形成する。溝部１４２は、本発明におけるカソード側ガス流路に相当する。また、膜電極接合体１１０のアノード側に配置されるアノード側セパレータ１５０は、アノード側ガス拡散層１３０と当接する側の面に溝部１５２を備えており、この溝部１５２は、水素が流れるガス流路を形成する。溝部１５２は、本発明におけるアノード側ガス流路に相当する。
【００６６】
図３（ｂ）に示したように、カソード側セパレータ１４０Ｂにおける溝部１４２は、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、空気が流れるように形成されている。そして、溝部１４２の表面には、第１実施例おけるカソード側セパレータ１４０と同様の表面処理が施されている。具体的には、溝部１４２における空気の流れ方向の下流領域１４２Ｌには、表面処理として、親水処理が施されており、溝部１４２における空気の流れ方向の上流領域１４２Ｕには、疎水処理が施されている。また、本実施例では、溝部１４２における空気の流れ方向の中流領域１４２Ｍには、表面処理は施されていない。つまり、溝部１４２は、空気の流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されている。また、溝部１４２の空気の流れ方向の上流領域において、カソード側ガス拡散層１２０との境界領域１４２ＵＢには、表面処理として、親水処理が施されている。
【００６７】
カソード側セパレータ１４０Ｂにおいて、溝部１４２を上述したように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成された生成水は、以下に説明するように移動する（図３（ｂ）における左側の白抜き矢印を参照）。なお、一般に、燃料電池１００Ｂでは、空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２が乾燥しやすい傾向にあるため、下流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量が、上流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。
【００６８】
本実施例の燃料電池１００Ｂでは、第１実施例におけるカソード側セパレータ１４０と同様に、カソード側セパレータ１４０Ｂにおける溝部１４２は、空気の流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、空気の流れ方向の下流側の膜電極接合体１１０で生成された生成水は、溝部１４２の親水性が高い下流領域１４２Ｌに吸引され、保持される。そして、溝部１４２は、重力方向と対向する方向に、空気が流れるように形成されているので、重力によって、生成水は、空気の流れに逆らって、下流領域１４２Ｌから中流領域１４２Ｍを通り、上流領域１４２Ｕに移動する。そして、溝部１４２は、空気の流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、上流領域１４２Ｕに移動した生成水を撥水して、親水性が高い境界領域１４２ＵＢに吸引させ、さらに、カソード側ガス拡散層１２０、カソード側触媒層１１４を介して、上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させて、乾燥しやすい上流側の電解質膜１１２を加湿することができる。
【００６９】
一方、アノード側セパレータ１５０Ｂにおける溝部１５２も、図３（ｂ）に示したように、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、水素が流れるように形成されている。そして、溝部１５２の表面には、第２実施例におけるアノード側セパレータ１５０Ａにおける溝部１５２と同様の表面処理が施されている。具体的には、溝部１５２における水素の流れ方向の下流領域１５２Ｌには、表面処理として、親水処理が施されており、溝部１５２における水素の流れ方向の上流領域１５２Ｕには、疎水処理が施されている。また、本実施例では、溝部１５２における水素の流れの中流領域１５２Ｍには、表面処理は施されていない。つまり、溝部１５２は、水素の流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されている。また、溝部１５２の水素の流れ方向の上流領域において、アノード側ガス拡散層１３０との境界領域１５２ＵＢには、親水処理が施されている。
【００７０】
アノード側セパレータ１５０Ｂにおいて、溝部１５２を上述したように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水は、以下に説明するように移動する（図３（ｂ）における右側の白抜き矢印を参照）。なお、先に説明したように、燃料電池１００Ｂでは、空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２が乾燥しやすい傾向にあるため、下流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量が、上流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。したがって、アノード側触媒層１１６に透過する生成水の量も、空気の流れ方向、すなわち、水素の流れ方向の上流側よりも下流側において多くなる傾向にある。
【００７１】
本実施例の燃料電池１００Ｂでは、第２実施例におけるアノード側セパレータ１５０Ａと同様に、アノード側セパレータ１５０Ｂにおける溝部１５２は、水素の流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、空気の流れ方向の下流側の膜電極接合体１１０のカソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水は、溝部１５２の親水性が高い下流領域１５２Ｌに吸引され、保持される。そして、溝部１５２は、重力方向と対向する方向に、水素が流れるように形成されているので、重力によって、生成水は、水素の流れに逆らって、下流領域１５２Ｌから中流領域１５２Ｍを通り、上流領域１５２Ｕに移動する。そして、溝部１５２は、水素の流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、上流領域１５２Ｕに移動した生成水を撥水して、親水性が高い境界領域１５２ＵＢに吸引させ、さらに、アノード側ガス拡散層１３０、および、アノード側触媒層１１６を介して、上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させて、アノード側から、乾燥しやすい上流側の電解質膜１１２を加湿することができる。
【００７２】
以上説明した第１実施例の燃料電池１００Ｂによっても、燃料電池１００Ｂの内部で、生成水を液体の状態で再循環させて、電解質膜１１２を自己加湿するとともに、電解質膜１１２の面内における湿潤状態の分布を均一化することができる。
【００７３】
Ｄ．第４実施例：
図４は、本発明の第４実施例としての燃料電池１００Ｃの断面構造を模式的に示す説明図である。燃料電池１００Ｃにおけるガスの流れ方向に対して垂直方向から見た断面図を示した。
【００７４】
燃料電池１００Ｃは、膜電極接合体１１０の両面に、それぞれカソード側ガス拡散層１２０、および、アノード側ガス拡散層１３０を接合し、さらに、これらの両面に、それぞれカソード側金属多孔体１２２、および、アノード側金属多孔体１３２を配置して、これらをカソード側セパレータ１４０Ｃ，１５０Ｃで挟持することによって構成されている。
【００７５】
膜電極接合体１１０と、カソード側ガス拡散層１２０と、アノード側ガス拡散層１３０とは、上述した各実施例と同じである。カソード側金属多孔体１２２は、空気が流れる流路を構成する。カソード側金属多孔体１２２は、本発明におけるカソード側ガス流路に相当する。また、アノード側金属多孔体１３２は、水素が流れる流路を構成する。アノード側金属多孔体１３２は、本発明におけるアノード側ガス流路に相当する。なお、カソード側セパレータ１４０Ｃ、および、アノード側セパレータ１５０Ａは、上述した各実施例におけるセパレータとは異なり、平坦な形状を有している。
【００７６】
図示するように、カソード側金属多孔体１２２は、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、空気が流れるように形成されている。そして、カソード側金属多孔体１２２の外表面、および、細孔内表面には、表面処理が施されている。具体的には、カソード側金属多孔体１２２における空気の流れ方向の下流部１２２Ｌには、表面処理として、親水処理が施されており、カソード側金属多孔体１２２における空気の流れ方向の上流部１２２Ｕには、疎水処理が施されている。また、本実施例では、カソード側金属多孔体１２２における空気の流れ方向の中流部１２２Ｍには、表面処理は施されていない。つまり、カソード側金属多孔体１２２は、空気の流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されている。また、カソード側金属多孔体１２２の空気の流れ方向の上流領域において、カソード側ガス拡散層１２０との境界部１２２ＵＢには、親水処理が施されている。なお、本実施例では、上述した親水処理、および、疎水処理は、それぞれ、カソード側金属多孔体１２２に、親水剤や、疎水剤を含浸させることによって施されている。また、カソード側金属多孔体１２２において、上述した表面処理を施す領域や、親水性、および、疎水性の度合いは、燃料電池１００Ｃの発電性能等に応じて、任意に設定可能である。
【００７７】
カソード側金属多孔体１２２を上述したように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成された生成水は、以下に説明するように移動する（図４における左側の白抜き矢印を参照）。なお、燃料電池１００Ｃでは、空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２が乾燥しやすい傾向にあるため、下流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量が、上流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。
【００７８】
本実施例の燃料電池１００Ｃでは、カソード側金属多孔体１２２は、空気の流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、空気の流れ方向の下流側の膜電極接合体１１０で生成された生成水は、カソード側金属多孔体１２２の親水性が高い下流部１２２Ｌに吸引され、保持される。そして、カソード側金属多孔体１２２は、重力方向と対向する方向に、空気が流れるように形成されているので、重力によって、生成水は、空気の流れに逆らって、下流部１２２Ｌから中流部１２２Ｍを通り、上流部１２２Ｕに移動する。そして、カソード側金属多孔体１２２は、空気の流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、上流部１２２Ｕに移動した生成水を撥水して、親水性が高い境界部１２２ＵＢに吸引させ、さらに、カソード側ガス拡散層１２０、カソード側触媒層１１４を介して、上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させて、乾燥しやすい上流側の電解質膜１１２を加湿することができる。
【００７９】
一方、アノード側金属多孔体１３２も、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に、水素が流れるように形成されている。そして、アノード側金属多孔体１３２の外表面、および、細孔内表面にも、カソード側金属多孔体１２２と同様に、表面処理が施されている。具体的には、アノード側金属多孔体１３２における水素の流れ方向の下流部１３２Ｌには、表面処理として、親水処理が施されており、アノード側金属多孔体１３２における水素の流れ方向の上流部１３２Ｕには、疎水処理が施されている。また、本実施例では、アノード側金属多孔体１３２における水素の流れの中流部１３２Ｍには、表面処理は施されていない。つまり、アノード側金属多孔体１３２は、水素の流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されている。また、アノード側金属多孔体１３２の水素の流れ方向の上流領域において、アノード側ガス拡散層１３０との境界部１３２ＵＢには、親水処理が施されている。なお、本実施例では、上述した親水処理、および、疎水処理は、それぞれ、アノード側金属多孔体１３２に、親水剤や、疎水剤を含浸させることによって施されている。また、アノード側金属多孔体１３２において、上述した表面処理を施す領域や、親水性、および、疎水性の度合いは、燃料電池１００Ｃの発電性能等に応じて、任意に設定可能である。
【００８０】
アノード側金属多孔体１３２を上述したように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水は、以下に説明するように移動する（図４における右側の白抜き矢印を参照）。なお、先に説明したように、燃料電池１００Ｃでは、空気の流れ方向の上流側の電解質膜１１２が乾燥しやすい傾向にあるため、下流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量が、上流側の膜電極接合体１１０での発電量、および、生成水の生成量よりも多くなる傾向にある。したがって、アノード側触媒層１１６に透過する生成水の量も、空気の流れ方向、すなわち、水素の流れ方向の上流側よりも下流側において多くなる傾向にある。
【００８１】
本実施例の燃料電池１００Ｃでは、アノード側金属多孔体１３２は、水素の流れ方向の下流側の親水性が高くなるように形成されているので、発電時に、空気の流れ方向の下流側の膜電極接合体１１０のカソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水は、アノード側金属多孔体１３２の親水性が高い下流部１３２Ｌに吸引され、保持される。そして、アノード側金属多孔体１３２は、重力方向と対向する方向に、水素が流れるように形成されているので、重力によって、生成水は、水素の流れに逆らって、下流部１３２Ｌから中流部１３２Ｍを通り、上流部１３２Ｕに移動する。そして、アノード側金属多孔体１３２は、水素の流れ方向の上流側の疎水性が高くなるように形成されているので、上流部１３２Ｕに移動した生成水を撥水して、親水性が高い境界部１３２ＵＢに吸引させ、さらに、アノード側ガス拡散層１３０、および、アノード側触媒層１１６を介して、上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させて、アノード側から、乾燥しやすい上流側の電解質膜１１２を加湿することができる。
【００８２】
以上説明した第４実施例の燃料電池１００Ｃによっても、先に説明した第３実施例の燃料電池１００Ｂと同様に、燃料電池１００Ｃの内部で、生成水を液体の状態で再循環させて、電解質膜１１２を自己加湿するとともに、電解質膜１１２の面内における湿潤状態の分布を均一化することができる。
【００８３】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００８４】
Ｅ１．変形例１：
上記第１実施例では、アノード側セパレータ１５０における溝部１５２は、重力と同じ方向に水素が流れるように形成されているものとしたが、本発明は、これに限られず、任意に設定可能である。ただし、上記第１実施例のように、アノード側セパレータ１５０における溝部１５２を、重力と同じ方向に水素が流れるように形成することによって、カソード側触媒層１１４で生成され、電解質膜１１２を通して、アノード側触媒層１１６に透過した生成水を、重力と水素の流れとの双方によって、水素の流れ方向の下流側、すなわち、空気の流れ方向の上流側の膜電極接合体１１０の表面に移動させ、アノード側から、乾燥しやすい空気の流れ方向の上流側の電解質膜を加湿することができる。
【００８５】
Ｅ２．変形例２：
上記第２実施例では、カソード側セパレータ１４０Ａにおける溝部１４２は、重力方向と対向する方向に、空気が流れるように形成されているものとしたが、本発明は、これに限られず、任意に設定可能である。ただし、上記第２実施例のように、カソード側セパレータ１４０Ａにおける溝部１４２を、重力方向と対向する方向に、空気が流れるように形成することによって、重力によって、生成水を上から下に移動させて電解質膜１１２の加湿に利用するとともに、空気の流れによって、重力方向への生成水の移動速度を遅らせ、生成水が電解質膜１１２の加湿に利用されることなく、膜電極接合体１１０のカソード表面から排出されることを抑制することができる。
【００８６】
Ｅ３．変形例３：
上記第１実施例、および、第３実施例では、カソード側セパレータ１４０，１４０Ｂにおける溝部１４２の空気の流れ方向の上流領域において、カソード側ガス拡散層１２０との境界領域１４２ＵＢには、親水処理が施されているものとしたが、これを施さないものとしてもよい。ただし、境界領域１４２ＵＢに親水処理を施すことによって、上流領域１４２Ｕからカソード側ガス拡散層１２０に生成水を移動させやすくすることができる。
【００８７】
また、上記第２実施例、および、第３実施例では、アノード側セパレータ１５０Ａ，１５０Ｂにおける溝部１５２の水素の流れ方向の上流領域において、アノード側ガス拡散層１３０との境界領域１５２ＵＢに、親水処理が施されているものとしたが、これを施さないものとしてもよい。ただし、境界領域１５２ＵＢに親水処理を施すことによって、上流領域１５２Ｕからアノード側ガス拡散層１３０に生成水を移動させやすくすることができる。
【００８８】
また、上記第４実施例では、カソード側金属多孔体１２２の空気の流れ方向の上流領域において、カソード側ガス拡散層１２０との境界部１２２ＵＢには、親水処理が施されているものとしたが、これを施さないものとしてもよい。ただし、境界部１２２ＵＢに親水処理を施すことによって、上流部１２２Ｕからカソード側ガス拡散層１２０に生成水を移動させやすくすることができる。また、アノード側金属多孔体１３２の水素の流れ方向の上流領域において、アノード側ガス拡散層１３０との境界部１３２ＵＢにも、親水処理が施されているものとしたが、これを施さないものとしてもよい。ただし、境界部１３２ＵＢに親水処理を施すことによって、上流部１３２Ｕからアノード側ガス拡散層１３０に生成水を移動させやすくすることができる。
【００８９】
Ｅ４．変形例４：
上記第１実施例、および、第３実施例では、カソード側セパレータ１４０，１０４Ｂにおける溝部１４２の空気の流れ方向の下流領域１４２Ｌに、疎水処理を施し、溝部１４２の空気の流れ方向の上流領域１４２Ｕに、疎水処理を施すものとしたが、本発明は、これに限られない。溝部１４２は、空気ガスの流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されていればよく、空気の流れ方向の上流側から下流側にかけて、疎水性、および、親水性の度合いが、連続的に変化するようにしてもよいし、段階的に変化するようにしてもよい。上記第４実施例におけるカソード側金属多孔体１２２についても同様である。
【００９０】
また、上記第２実施例、および、第３実施例では、アノード側セパレータ１５０Ａ，１５０Ｂにおける溝部１５２の水素の流れ方向の下流領域１５２Ｌに、疎水処理を施し、溝部１５２の水素の流れ方向の上流領域１５２Ｕに、疎水処理を施すものとしたが、本発明は、これに限られない。溝部１５２は、水素の流れ方向の下流側の親水性が上流側の親水性よりも高く、上流側の疎水性が下流側の疎水性よりも高くなるように形成されていればよく、水素の流れ方向の上流側から下流側にかけて、疎水性、および、親水性の度合いが、連続的に変化するようにしてもよいし、段階的に変化するようにしてもよい。上記第４実施例におけるアノード側金属多孔体１３２についても同様である。
【００９１】
Ｅ５．変形例５：
上記第１実施例では、カソード側セパレータ１４０における溝部１４２が、重力に対向する方向に空気が流れるように形成され、また、上記第２実施例では、アノード側セパレータ１５０Ａにおける溝部１５２が、重力に対向する方向に水素が流れるように形成され、また、上記第３実施例では、カソード側セパレータ１４０における溝部１４２、および、アノード側セパレータ１５０における溝部１５２が、重力方向に対向する方向に、空気、および、水素が流れるように形成され、それぞれ先に説明した親水処理、および、疎水処理を施すものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池を、遠心力等、重力以外の外力が、常に生成水にかかる環境下で使用する場合には、生成水にかかる外力の方向に対向する方向にガスが流れるように形成するようにすることが好ましい。上記第３実施例におけるカソード側金属多孔体１２２、および、アノード側金属多孔体１３２についても同様である。
【符号の説明】
【００９２】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…燃料電池
１１０…膜電極接合体
１１２…電解質膜
１１４…カソード側触媒層
１１６…アノード側触媒層
１２０…カソード側ガス拡散層
１２２…カソード側金属多孔体
１２２Ｌ…下流部
１２２Ｍ…中流部
１２２Ｕ…上流部
１２２ＵＢ…境界部
１３０…アノード側ガス拡散層
１３２…アノード側金属多孔体
１３２Ｌ…下流部
１３２Ｍ…中流部
１３２Ｕ…上流部
１３２ＵＢ…境界部
１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃ…カソード側セパレータ
１４２…溝部
１４２Ｌ…下流領域
１４２Ｍ…中流領域
１４２Ｕ…上流領域
１４２ＵＢ…境界領域
１５０，１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ…アノード側セパレータ
１５２…溝部
１５２Ｌ…下流領域
１５２Ｍ…中流領域
１５２Ｕ…上流領域
１５２ＵＢ…境界領域
【図１】
0005617959.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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