(57)【要約】  電解質膜２０１とアノード側触媒２０２とを具備する膜電極接合体２０４と、該膜電極接合体２０４にアノード流体を供給する供給部材２４０と、を具備する燃料電池２００において、供給部材２４０には、前記膜電極接合体２０４に向けてアノード流体を供給するアノード流体流路２４１が設けられており、前記アノード流体流路２４１の前記アノード流体の吐出側の開口を、前記膜電極接合体２０４との間に前記アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する所定の空間２５０を配した状態で、前記膜電極接合体２０４に近接して設ける。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜とアノード側触媒とを具備する膜電極接合体と、
該膜電極接合体にアノード流体を供給する供給部材と、を具備する燃料電池において、
前記供給部材には、前記膜電極接合体に向けて前記アノード流体を供給するアノード流体流路が設けられており、
前記アノード流体流路の前記アノード流体の吐出側の開口が、前記膜電極接合体との間に前記アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する所定の空間を配した状態で、前記膜電極接合体に近接して設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記供給部材には、前記膜電極接合体側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた突出部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記突出部は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード流体流路は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード流体流路が、１つの供給部材に複数設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノード流体流路が、１つの供給部材に複数設けられており、
複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
前記供給部材には、前記膜電極接合体側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた第１の突出部及び第２の突出部を有する突出部が設けられ、
前記第２の突出部は、前記アノード流体導入口からの距離が、前記第１の突出部の前記アノード流体導入口からの距離よりも長く、且つ前記第１の突出部の突出量は、前記第２の突出部の突出量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
前記アノード流体流路の圧力損失が前記アノード流体導入口から各前記アノード流体流路までの圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
複数の前記アノード流体流路は、第１のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第１のアノード流体流路よりも長い第２のアノード流体流路を備え、
前記第１のアノード流体流路の圧力損失は、前記第２のアノード流体流路の圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、
複数の前記アノード流体流路は、第１のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第１のアノード流体流路よりも長い第２のアノード流体流路を備え、
前記アノード流体導入口から前記第１のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第１の誘導路における圧力損失は、前記アノード流体導入口から前記第２のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第２の誘導路における圧力損失よりも大きいことを特徴とする請求項５〜８の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記供給部材の複数の前記アノード流体流路が互いに隣り合う間隔は、前記アノード流体導入口からの距離が短い前記アノード流体流路側から前記アノード流体導入口からの距離が長い前記アノード流体流路側に向かって徐々に漸小することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域から、該気体を除去する除去手段を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記除去手段が、アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域と連通し、該気体をバッファ排出するための導出路であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記導出路には、前記気体が貯留される領域から前記バッファへの気体の流動は許可し、逆方向の気体の流動を制限する逆止弁を有することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記除去手段が、前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域に備えられた吸着剤であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか一項に記載の燃料電池と、前記アノード流体を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられたアノード側触媒及びカソード側触媒とを具備する燃料電池及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両面側に設けられたアノード側触媒及びカソード側触媒とを備えた膜電極接合体（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を具備する。燃料電池は、ＭＥＡのアノード側触媒にガス拡散層を介してアノード流体を供給するアノード流体流路が設けられたアノード部材（アノード）と、ＭＥＡのカソード側触媒にカソード流体を供給するカソード流体流路が設けられたカソード部材（カソード）とを具備する。  【０００３】
このような燃料電池では、発電停止時に電解質膜を介して大気中の空気（特に不活性ガスである窒素）が不純ガスとしてアノード側に混入する。この状態で運転を開始して水素リッチとなるアノード流体を導入しても水素がすぐには置換されず、十分な発電量を得ることができないという問題があった。特に、燃料電池を長期間放置すると、アノード側に混入した不純ガスの分圧が上昇し、発電量が低下してしまうという問題があった。  【０００４】
このため、起動前にアノードに蓄積された不純ガスを水素リッチのアノード流体にパージする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。  【０００５】
具体的に特許文献１では、アノードに蓄積した不純ガスを水素リッチのアノード流体にパージするためのパージ弁と、パージ弁から排出する水素を含んだ排出ガスを希釈して外部に排出する排出ガス処理装置とを具備する。  【０００６】
この特許文献１の構成によれば、アノード側の不純ガスを水素リッチのアノード流体に置換することができるため、発電量の低下を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１９３１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の構成では、パージ弁及び排出ガス処理装置が必要となり、装置が大型化してしまうと共に高コスト化してしまうという問題がある。  【０００９】
また、特許文献１の構成では、起動時にパージすることで、不純ガスをアノードから排除することができるものの、発電中であっても不純ガスは電解質膜を通してアノードに通過するため、長期間の発電中では発電状況をモニタリングしてパージ弁の開閉を制御しなくてはならず、制御が複雑になってしまうという問題がある。  【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、不純ガスによる発電不良を防止して、発電を長期間に亘って継続して行うことができると共に小型化した燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、電解質膜とアノード側触媒とを具備する膜電極接合体と、該膜電極接合体にアノード流体を供給する供給部材と、を具備する燃料電池において、前記供給部材には、前記膜電極接合体に向けて前記アノード流体を供給するアノード流体流路が設けられており、前記アノード流体流路の前記アノード流体の吐出側の開口が、前記膜電極接合体との間に前記アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する所定の空間を配した状態で、前記膜電極接合体に近接して設けられていることを特徴とする燃料電池にある。  【００１２】
かかる第１の態様では、アノード流体流路によって膜電極接合体に向けてアノード流体を供給することで、アノード側触媒の表面に存在する不純ガスをアノード流体によって押し退けて、アノード側触媒の表面に亘ってアノード流体を均一に供給することができる。これにより発電量、特に初期電圧を高くすることができると共に、発電を長期間に亘って維持することができる。  【００１３】
本発明の第２の態様は、前記供給部材には、前記膜電極接合体側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた突出部が設けられていることを特徴とする第１の態様の燃料電池にある。  【００１４】
かかる第２の態様では、突出部を設けることによって、膜電極接合体と供給部材との間には、突出部以外の領域に空間が画成されるため、この空間に不純ガスを押し退け易く、また多くの不純ガスを空間内で貯留することができるため、発電をさらに長期間継続させることができる。  【００１５】
本発明の第３の態様は、前記突出部は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする第２の態様の燃料電池にある。  【００１６】
かかる第３の態様では、突出部を先鋭化することで、突出部以外の領域で大きな空間を画成することができるため、さらに多くの不純ガスを空間内で貯留することができる。  【００１７】
本発明の第４の態様は、前記アノード流体流路は、前記膜電極接合体側に向かって先鋭化したテーパ形状を有することを特徴とする第１〜３の何れか１つの態様の燃料電池にある。  【００１８】
かかる第４の態様では、アノード流体流路を先鋭化することで、アノード流体流路から噴射するアノード流体の流速を早めて、アノード側触媒の表面に存在する不純ガスをアノード流体によってさらに効率的に押し退けることができる。  【００１９】
本発明の第５の態様は、前記アノード流体流路が、１つの供給部材に複数設けられていることを特徴とする第１〜４の何れか１つの態様の燃料電池にある。  【００２０】
かかる第５の態様では、複数のアノード流体流路によって比較的広い面積を有するアノード側触媒の表面に均一にアノード流体を供給することができる。  【００２１】
本発明の第６の態様は、前記アノード流体流路が、１つの供給部材に複数設けられており、複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、前記供給部材には、前記膜電極接合体側に突出すると共に内部に前記アノード流体流路が設けられた第１の突出部及び第２の突出部を有する突出部が設けられ、前記第２の突出部は、前記アノード流体導入口からの距離が、前記第１の突出部の前記アノード流体導入口からの距離よりも長く、且つ前記第１の突出部の突出量は、前記第２の突出部の突出量よりも大きいことを特徴とする第１〜４の何れか１つの態様の燃料電池にある。  【００２２】
かかる第６の態様では、複数のアノード流体流路から噴射されるアノード流体の圧力を均一化して、アノード側触媒の表面に均一にアノード流体を供給することができる。  【００２３】
本発明の第７の態様は、複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、前記アノード流体流路の圧力損失が前記アノード流体導入口から各前記アノード流体流路までの圧力損失よりも大きいことを特徴とする第１〜６の何れか１つの態様の燃料電池にある。  【００２４】
かかる第７の態様では、アノード流体流路からアノード流体を勢いよく吐出させて、アノード側触媒の表面に存在する不純ガスを吹き飛ばすことができる。  【００２５】
本発明の第８の態様は、複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、複数の前記アノード流体流路は、第１のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第１のアノード流体流路よりも長い第２のアノード流体流路を備え、前記第１のアノード流体流路の圧力損失は、前記第２のアノード流体流路の圧力損失よりも大きいことを特徴とする第５〜７の何れか１つの態様の燃料電池にある。  【００２６】
かかる第８の態様では、複数のアノード流体流路から噴射されるアノード流体の圧力を均一化して、アノード側触媒の表面に均一にアノード流体を供給することができる。  【００２７】
本発明の第９の態様は、複数の前記アノード流体流路に前記膜電極接合体とは反対側で連通するチャンバと、該チャンバに前記アノード流体を供給するアノード流体導入口と、を具備し、複数の前記アノード流体流路は、第１のアノード流体流路、および、前記アノード流体導入口からの距離が前記第１のアノード流体流路よりも長い第２のアノード流体流路を備え、前記アノード流体導入口から前記第１のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第１の誘導路における圧力損失は、前記アノード流体導入口から前記第２のアノード流体流路までの前記チャンバ内の第２の誘導路における圧力損失よりも大きいことを特徴とする第５〜８の何れか１つの態様の燃料電池にある。【００２８】
かかる第９の態様では、複数のアノード流体流路から噴射されるアノード流体の圧力を均一化して、アノード側触媒の表面に均一にアノード流体を供給することができる。  【００２９】
本発明の第１０の態様は、前記供給部材の複数の前記アノード流体流路が互いに隣り合う間隔は、前記アノード流体導入口からの距離が短い前記アノード流体流路側から前記アノード流体導入口からの距離が長い前記アノード流体流路側に向かって徐々に漸小することを特徴とする第８の態様の燃料電池にある。  【００３０】
かかる第１０の態様では、アノード流体流路の圧力損失を変更することにより、流速にばらつきが生じ、流速分布に応じてアノード流体の広がる範囲が異なるが、互いに隣り合うアノード流体流路の間隔を変更することにより、アノード流体の面内分布の偏りを低減することができる。  【００３１】
本発明の第１１の態様は、前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域から、該気体を除去する除去手段を有することを特徴とする第１〜１０の何れか１つの態様の燃料電池にある。  【００３２】
かかる第１１の態様では、除去手段によって、アノード流体が充填される空間内で押し退けられた不純ガス等の気体を、アノード流体が充填される空間から除去することができるため、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。  【００３３】
本発明の第１２の態様は、前記除去手段が、アノード流体の供給により押し退けられた気体を貯留する領域と連通し、該気体をバッファ排出するための導出路であることを特徴とする第１１の態様の燃料電池にある。  【００３４】
かかる第１２の態様では、不純ガス等の気体を導出路を介してバッファ排出することができるため、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。  【００３５】
本発明の第１３の態様は、前記導出路には、前記気体が貯留される領域から前記バッファへの気体の流動は許可し、逆方向の気体の流動を制限する逆止弁を有することを特徴とする第１２の態様の燃料電池にある。  【００３６】
かかる第１３の態様では、バッファに排出した気体が逆止弁によって戻ることがなく、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。  【００３７】
本発明の第１４の態様は、前記除去手段が、前記アノード流体から押し退けられた気体を貯留する領域に備えられた吸着剤であることを特徴とする第１１の態様の燃料電池にある。  【００３８】
かかる第１４の態様では、吸着剤に不純ガス等の気体を選択的に吸着させることで、除去することができるため、さらに発電量を向上することができると共に発電を長期間に亘って維持することができる。  【００３９】
本発明の第１５の態様は、第１〜１４の何れか１つの態様に記載の燃料電池と、前記アノード流体を前記燃料電池に供給する燃料供給手段と、を具備することを特徴とする燃料電池システムにある。  【００４０】
かかる第１５の態様では、不純ガスによる発電不良を防止して、発電を長期間に亘って継続して行うことができると共に小型化した燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明は、アノード流体流路によってアノード流体を膜電極接合体に向かって流すことで、アノード側触媒の表面の不純ガスを押し退けて、アノード側触媒の表面に亘ってアノード流体を供給することができる。このため、パージ弁やガス処理装置などの複雑な機構を設けることなく、不純ガスによる発電不良や発電量の低下を防止して、発電量を向上すると共に、長期間の発電を維持することができる。また、アノード流体を膜電極接合体に向かって流すアノード流体流路を設けるだけなので、パージ弁やパージ弁の複雑な開閉制御などが不要となって、小型化することができると共にコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る燃料電池を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る燃料電池を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る燃料電池のアノード流体の供給状態を示す要部断面図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る燃料電池の要部断面図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る燃料電池の他の例を示す要部断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部平面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部平面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部平面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。  
【００４４】
（実施形態１）
図１は、本発明の燃料電池システムの概略構成を示す図である。  
【００４５】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料供給手段１００と、燃料電池２００と、制御回路３００とを具備する。  
【００４６】
燃料供給手段１００は、アノード流体としての燃料を燃料電池２００に供給するものである。燃料としては水素が最適であり、燃料供給手段１００としては、水素吸蔵合金や、水素を封入したボンベなどが挙げられる。また、燃料供給手段１００は、水素を発生させるものであってもよく、例えば、水素発生物質と水素発生促進物質とを混合して水素を発生させる構成が挙げられる。水素発生物質としては、例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素発生促進物質としては、例えば、リンゴ酸水溶液を用いることができる。また、燃料としてメタノールなどの溶液を供給してもよい。  
【００４７】
制御回路３００は、燃料電池２００に接続されて、燃料電池２００によって供給される電圧によって駆動する。  
【００４８】
ここで、燃料電池２００について図２〜図４を参照して詳細に説明する。なお、図２は、燃料電池の概略構成を示す分解斜視図であり、図３は、燃料電池の断面図であり、図４は、燃料電池のアノード流体の供給状態を示す要部断面図である。  
【００４９】
図２及び図３に示すように、燃料電池２００は、電解質膜として固体高分子電解質膜２０１と、固体高分子電解質膜２０１の両面側に設けられたアノード側触媒２０２及びカソード側触媒２０３とで構成された膜電極接合体２０４（以下、ＭＥＡと言う）を具備する。  
【００５０】
ＭＥＡ２０４の各面には、アノード部材２１０とカソード部材２２０とが設けられている。すなわち、ＭＥＡ２０４は、アノード部材２１０とカソード部材２２０との間に挟持されている。  
【００５１】
カソード部材２２０は、ＭＥＡ２０４のカソード側触媒２０３側に設けられた板状部材からなる。カソード部材２２０には、カソード側触媒２０３にカソード流体として酸化剤（酸素を含む空気）を供給するカソード流体流路２２１が設けられている。すなわち、カソード部材２２０は、カソード流体をカソード側触媒２０３に供給する供給部材として機能する。このカソード流体流路２２１は、本実施形態では、カソード部材２２０のカソード側触媒２０３側に開口する凹形状を有し、カソード流体流路２２１の底面には、カソード流体流路２２１内に空気を供給するためのカソード流体導入口２２２が設けられている。  
【００５２】
アノード部材２１０は、ＭＥＡ２０４のアノード側触媒２０２側に設けられた板状部材からなり、アノード側触媒２０２側に開口する凹形状を有するチャンバ２１１と、チャンバ２１１の底面に厚さ方向に貫通して設けられたアノード流体導入口２１２とを具備する。  
【００５３】
チャンバ２１１は、アノード側触媒２０２の表面積と同等の開口面積を有する。そして、チャンバ２１１内には、底面に設けられたアノード流体導入口２１２を介してアノード流体が供給される。  
【００５４】
また、アノード部材２１０とＭＥＡ２０４との間には、ガス拡散層２３０と、このガス拡散層２３０にチャンバ２１１内のアノード流体を供給する供給部材２４０とが設けられている。  
【００５５】
ガス拡散層（ＧＤＬ）２３０は、アノード部材２１０とＭＥＡ２０４との間のＭＥＡ２０４側、すなわち、ＭＥＡ２０４のアノード側触媒２０２上に設けられており、アノード流体を透過可能な透過性を有する部材からなる。ガス拡散層２３０としては、例えば、金属メッシュや、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどの多孔質構造を有する従来周知のものを用いることができる。  
【００５６】
供給部材２４０は、ガス拡散層２３０のＭＥＡ２０４とは反対側に設けられた板状部材からなる。この供給部材２４０は、ガス拡散層２３０と所定の間隔離反した状態で配置され、供給部材２４０とガス拡散層２３０との間には所定の空間２５０が画成されている。また、供給部材２４０のガス拡散層２３０とは反対側の面は、チャンバ２１１の一方面を封止している。  
【００５７】
供給部材２４０には、厚さ方向に貫通してチャンバ２１１と空間２５０とを連通するアノード流体流路２４１が設けられている。すなわち、アノード流体流路２４１は、一端がチャンバ２１１に開口すると共に、他端が空間２５０に開口することで両者を連通している。そして、上述のように供給部材２４０の一方面をガス拡散層２３０に接触させることなく所定の間隔離して設けることで、アノード流体流路２４１のアノード流体の吐出側の開口（ガス拡散層２３０側の開口）とガス拡散層２３０との間には、空間２５０を配した状態で、アノード側触媒２０２に近接して設けられている。  
【００５８】
本実施形態では、アノード流体流路２４１を所定の間隔で複数（６個）配置したアノード流体流路２４１の列を２列設け、合計１２個のアノード流体流路２４１を設けるようにした。なお、アノード流体流路２４１の圧力損失は、アノード流体導入口２１２から各アノード流体流路２４１までの圧力損失よりも大きくなるように設けられている。具体的には、本実施形態では、チャンバ２１１を複数のアノード流体流路２４１に共通して連通する大きさ（アノード側触媒２０２の表面と同等の開口面積）で設け、アノード流体流路２４１の開口面積（断面積）をチャンバ２１１の開口面積よりも大幅に小さくすることで、アノード流体流路２４１の圧力損失をチャンバ２１１のアノード流体導入口２１２から各アノード流体流路２４１までの圧力損失よりも大きくしている。このようにアノード流体流路２４１の圧力損失を大きくすることで、詳しくは後述するが、チャンバ２１１内に供給されたアノード流体をアノード流体流路２４１によって、アノード側触媒２０２の表面に向かって所望の圧力で噴射するように供給することができる。アノード流体流路２４１は、アノード側触媒２０２に向かって先鋭化した形状であってもよい。もちろん、アノード流体流路２４１の大きさ（開口面積）や、数並びに位置などは特に限定されるものではなく、チャンバ２１１内のアノード流体の圧力と、アノード側触媒２０２の表面側の不純ガスの分圧、アノード流体をアノード側触媒２０２に供給して不純ガスを押し退けるための流速などに基づいて適宜決定すればよい。ちなみに、上述のようにアノード流体流路２４１を、アノード側触媒２０２側に向かって先鋭化したテーパ形状とすることで、アノード流体流路２４１から噴射されるアノード流体の流速を速めて、詳しくは後述するが、アノード側触媒２０２の表面にアノード流体を供給し易く、すなわち、アノード側触媒２０２の表面に存在する不純ガスを押し退け易くすることができる。  
【００５９】
このような供給部材２４０のアノード流体流路２４１は、供給部材２４０を厚さ方向に貫通することで、アノード側触媒２０２の表面に対して交差する方向に沿って設けられている。これにより、チャンバ２１１内に供給されたアノード流体をアノード流体流路２４１によって、ガス拡散層２３０を通過させてアノード側触媒２０２の表面に向かって噴射状態で供給することができる。すなわち、供給部材２４０のアノード流体流路２４１は、アノード側触媒２０２の表面に対して交差する方向に沿って設けられていればよく、アノード側触媒２０２の表面に直交していても、また、所定角度傾斜していてもよい。  
【００６０】
このような燃料電池２００では、カソード流体流路２２１が大気開放しているため、燃料電池を長期間放置すると、固体高分子電解質膜２０１を通して大気中の空気（特に不活性ガスである窒素）がアノード側触媒２０２が設けられた空間、すなわち、ガス拡散層２３０や空間２５０内に不純ガスとして混入してしまう。この不純ガス（窒素）の分圧が上昇すると、アノード側触媒２０２におけるアノード流体の分圧が低下し、発電するのに十分なアノード流体を供給することができず発電量が低下してしまう。  
【００６１】
しかしながら、本実施形態の燃料電池２００では、図４に示すように、アノード流体流路２４１によってアノード流体をアノード側触媒２０２の表面に向かって吹き付けるように供給するため、アノード側触媒２０２の表面に存在する不純ガスを押し退けてアノード流体をアノード側触媒２０２の表面に供給することができる。すなわち、アノード流体流路２４１によってアノード側触媒２０２の表面に向かって（表面に交差する方向から）供給されたアノード流体は、アノード側触媒２０２の雰囲気として充填されたガス拡散層２３０内の不純ガスを押し退けながらアノード側触媒２０２の表面に沿って広がる。このとき、アノード側触媒２０２の表面側から押し退けられた不純ガスは、ガス拡散層２３０のアノード側触媒２０２とは反対側の領域と空間２５０内とに、すなわち図４に示す領域Ａに留まる。空間２５０を有することで、不純ガスはアノード側触媒２０２の表面から押し退けられ易くなる。  
【００６２】
このように、アノード流体流路２４１によって、アノード流体をアノード側触媒２０２の表面に向かって供給して、不純ガス（窒素）をアノード側触媒２０２の表面から押し退けることで、アノード側触媒２０２の発電効率を向上することができる。例えば、アノード流体流路２４１を設けていない場合、すなわち、チャンバ２１１が直接ガス拡散層２３０に臨むように設けられている場合には、アノード流体導入口２１２から供給されたアノード流体はアノード側触媒２０２の表面に沿って供給されることになる。このようにアノード側触媒２０２の表面の面方向にアノード流体が供給されると、アノード流体が供給される側のみ発電し、アノード流体が供給される側から長い領域では、不純ガスの分圧が大きくなって実質的に発電しなくなる。すなわち、アノード流体をアノード側触媒２０２の表面に沿って供給すると、アノード側触媒２０２の全面を効率よく使用することができなくなり、発電量が低下してしまう。これに対して、本実施形態のようにアノード側触媒２０２の表面にアノード流体を吹きつけるように供給するアノード流体流路２４１を設けることで、アノード流体をアノード側触媒２０２の表面の全面に亘って均一に供給することができるため、アノード側触媒２０２の表面の全面を利用して発電させることができ、発電量、特に初期電圧を高くすることができる。  
【００６３】
また、燃料電池２００では、アノード側触媒２０２側（ガス拡散層２３０側）への空気中の窒素等の不純ガスの混入は、発電中にも発生するため、アノード流体流路２４１を設けていない場合には、長期間の発電を維持することができない。これに対して、本実施形態では、アノード流体流路２４１によってアノード流体をアノード側触媒２０２の表面に向かって供給することで、アノード側触媒２０２の表面に存在する不純ガスを常に押し退けながらアノード流体をアノード側触媒２０２の表面に供給し続けることができ、長期間の発電を維持することができる。  
【００６４】
また、本実施形態では、アノード流体流路２４１によってアノード流体をアノード側触媒２０２の表面に吹き付けているため、ガス拡散層２３０の厚さを比較的薄くすることができる。また、ガス拡散層２３０を設けないようにしても、アノード流体をアノード側触媒２０２の表面に亘って均一に供給することができる。  
【００６５】
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の要部断面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。  
【００６６】
図５に示すように、実施形態２の燃料電池２００Ａは、ＭＥＡ２０４と、アノード部材２１０と、カソード部材２２０（図示なし）と、ガス拡散層２３０と、供給部材２４０Ａとを具備する。  
【００６７】
供給部材２４０Ａのガス拡散層２３０側の面には、ガス拡散層２３０側に突出すると共に、内部にそれぞれアノード流体流路２４１が設けられた突出部２４２が設けられている。すなわち、突出部２４２は、内部にアノード流体流路２４１が設けられた円筒形状を有するノズル状に設けられている。なお、突出部２４２の形状は、円筒形状に限られるものではなく、角柱形状、あるいは、ＭＥＡ２０４に向かって先鋭化したテーパ形状等であってもよい。例えば、突出部２４２をＭＥＡ２０４に向かって先鋭化したテーパ形状で形成することで、詳しくは後述するが、隣り合う突出部２４２の間の空間の容積を円筒形状の突出部２４２に比べて大きくして、さらにこの空間に貯留可能な不純ガスの量を多くして、長期間の発電を維持することができる。  
【００６８】
この突出部２４２の突出した先端面は、ガス拡散層２３０と所定の間隔離反した状態、すなわち、間に空間２５０が配された状態で設けられている。そして、供給部材２４０Ａの突出部２４２以外の領域ではガス拡散層２３０との間に空間２５０よりもさらに広い空間２５１が設けられている。  
【００６９】
このような燃料電池２００Ａでは、上述した実施形態１と同様に、アノード流体流路２４１によってアノード流体がアノード側触媒２０２の表面に向かって供給されることで、窒素等の不純ガスを押し退けて初期発電量を向上すると共に発電を長期間維持させることができる。そして、本実施形態では、ガス拡散層２３０と供給部材２４０Ａとの間の突出部２４２以外の領域にさらに広い空間２５１を画成することで、アノード側触媒２０２の表面から立ち退かせた窒素等の不純ガスをこの空間２５１を含む領域Ａ´に貯留することができる。したがって、アノード側触媒２０２の表面側の不純ガスを領域Ａ´側に押し退けやすく、また、押し退けた不純ガスを比較的広い領域Ａ´に貯留することができるため、さらに長期間の発電を維持することができる。  
【００７０】
なお、本実施形態では、同じ突出量の複数の突出部２４２を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、アノード流体導入口２１２から各アノード流体流路２４１までのチャンバ２１１内の距離に基づいて、突出部２４２の突出量を変更するようにしてもよい。このような例を図６に示す。なお、図６は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の変形例を示す要部断面図である。  
【００７１】
図６に示すように、燃料電池２００Ａは、チャンバ２１１におけるアノード流体導入口２１２からの距離が短いアノード流体流路２４１ほど突出部２４２の突出量を大きくし、アノード流体導入口２１２からの距離が長いアノード流体流路２４１ほど突出部２４２の突出量を小さくしている。このとき、各突出部２４２に設けられたアノード流体流路２４１の開口はガス拡散層２３０Ａとは接触しないように設けられている。  
【００７２】
このように、突出部２４２の突出量を変更することで、アノード流体導入口２１２に短いアノード流体流路２４１の圧力損失を大きく、アノード流体導入口２１２からの距離が長いアノード流体流路２４１の圧力損失を小さくして、アノード流体導入口２１２からの距離に関わらず各アノード流体流路２４１から供給されるアノード流体の圧力を均一化することができる。これにより、アノード側触媒２０２の面内における発電量を均一化して発電効率を向上することができる。  
【００７３】
なお、本実施形態においても、ガス拡散層２３０Ａを比較的薄くすることができると共に、ガス拡散層２３０Ａを設けないようにしても、アノード流体をアノード側触媒２０２の表面に亘って均一に供給することができるものである。  
【００７４】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。  
【００７５】
例えば、上述した実施形態１及び２では、供給部材２４０、２４０Ａに同じ開口面積となる複数のアノード流体流路２４１を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、アノード流体導入口２１２からの距離に応じて、アノード流体流路２４１の圧力損失を変更するようにしてもよい。ここで、具体的な例を図７に示す。なお、図７は、上述した実施形態１の変形例であるが、上述した実施形態２にも図７の構成を適用することができるものである。図７に示すように、複数のアノード流体流路２４１の内、アノード流体導入口２１２（アノード流体導入口２１２を投影した投影部２１２Ａ）から距離が短いアノード流体流路２４１（距離Ｌ１側）ほどその断面積を小さくして圧力損失を高くし、アノード流体導入口２１２からの距離が長いアノード流体流路２４１（距離Ｌ６側）ほどその断面積を大きくして圧力損失を低くしている。すなわち、アノード流体導入口２１２からの距離が短いアノード流体流路２４１を第１のアノード流体流路とし、アノード流体導入口２１２からの距離が長いアノード流体流路２４１を第２のアノード流体流路としたとき、第１のアノード流体流路の圧力損失を、第２のアノード流体流路の圧力損失よりも大きくすればよい。  
【００７６】
なお、本実施形態では、アノード流体導入口２１２は、チャンバ２１１の底面に、アノード流体流路２４１の並設された列の外側に設けられているが、アノード流体流路２４１の並設された列の途中にアノード流体導入口２１２を設けるようにしてもよい。また、アノード流体導入口２１２からアノード流体流路２４１までの距離とは、実際には、アノード流体導入口２１２の位置を、供給部材２４０に投影した投影部２１２Ａの位置とすればよい。  
【００７７】
このように、アノード流体流路２４１の開口面積（断面積）をアノード流体導入口２１２からの距離に基づいて変更することで、アノード流体流路２４１の圧力損失をアノード流体導入口２１２からの距離に基づいて変更することができる。すなわち、アノード流体流路２４１の開口面積が小さいということは、アノード流体流路２４１の圧力損失が大きく、逆にアノード流体流路２４１の開口面積が大きいということは、アノード流体流路２４１の圧力損失が小さくなる。そして、アノード流体導入口２１２から距離が短いアノード流体流路２４１までのチャンバ２１１内を経路は短いため、チャンバ２１１を通過するアノード流体の圧力損失は小さく、アノード流体導入口２１２から距離が遠くなるほどアノード流体流路２４１に供給されるチャンバ２１１を通過するアノード流体の圧力損失は大きくなる。したがって、チャンバ２１１内を通過するアノード流体の圧力損失のばらつきを、アノード流体流路２４１の圧力損失を変更することで、各アノード流体流路２４１から供給されるアノード流体の圧力を均一化することができる。これにより、アノード側触媒２０２の表面にアノード流体を均一に供給することができ、アノード側触媒２０２の面内での発電量を均一化して発電効率を向上することができる。  
【００７８】
また、図７に示す例では、各アノード流体流路２４１から供給されるアノード流体の流量を均一化することができるものの、アノード流体導入口２１２（アノード流体導入口２１２を投影した投影部２１２Ａ）からのアノード流体流路２４１の距離が長くなるに従ってアノード流体流路２４１の径口が異なるので、アノード流体流路２４１から流出されるアノード流体の流速が変わってしまう。このようにアノード流体流路２４１から流出されるアノード流体の流速が変わってしまうと、流速分布に応じてアノード流体の広がる範囲が異なるため、アノード流体の面内分布に偏りが生じ、発電効率が低下してしまう虞がある。このため、複数のアノード流体流路２４１において、互いに隣り合うアノード流体流路２４１の間隔を、アノード流体導入口２１２からの距離が長くなるに応じて徐々に漸小させるようにすることで、アノード流体の面内分布の偏りを低減することができる。ここで、このような例を図８及び図９に示す。なお、図８は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の要部平面図であり、図９は、図８の要部断面図である。  
【００７９】
図８及び図９に示すように、図７と同じ構成の開口面積となる複数のアノード流体流路２４１において、アノード流体導入口２１２（投影部２１２Ａ）から距離が短いアノード流体流路２４１が互いに隣り合う間隔（間隔ｄ１側）に比べて、アノード流体導入口２１２（投影部２１２Ａ）から距離が長いアノード流体流路２４１が互いに隣り合う間隔（間隔ｄ５側）ほど、漸小させている。これにより、互いに隣り合うアノード流体流路２４１の間隔が広い側（間隔ｄ１側）から狭い側（間隔ｄ５側）に向かって流速が遅くなり、流出されるアノード流体の広がる範囲が徐々に狭くなったとしても、アノード流体の面内分布の偏りを低減することができる。したがって、アノード側触媒２０２の表面に存在する不純ガス（窒素）をアノード側触媒２０２の表面から均一に押し退けることができると共に高効率で発電を行うことができる。ちなみに、隣り合うアノード流体流路の間隔を全て同じにすると、アノード流体導入口２１２からの距離が短いアノード流体流路２４１を第１のアノード流体流路とし、アノード流体導入口２１２からの距離が長いアノード流体流路２４１を第２のアノード流体流路としたとき、第２のアノード流体流路から流出するアノード流体の流速は、第１のアノード流体流路から流出するアノード流体の流速よりも遅くなる。すると、流速の遅い第２のアノード流体流路から流出したアノード流体が気体を押し退けてアノード側触媒２０２表面上に広がる範囲は、流速の速い第１のアノード流体流路から流出したアノード流体が広がる範囲よりも狭くなり、アノード側触媒２０２の表面の面内でアノード流体が供給される濃度分布に偏りが生じ、不純ガスの押し退け不良や発電効率の低下などの不具合が生じてしまう虞がある。  
【００８０】
図８及び図９に示す例では、複数のアノード流体流路２４１から流出されたアノード流体の面内分布の偏りを低減することができるため、アノード側触媒２０２の表面の面内でアノード流体が供給される濃度分布が均一化してアノード側触媒２０２の発電効率を向上することができると共に長期間に亘って発電量を維持することができる。なお、図８及び図９に示す例では、互いに隣り合うアノード流体流路２４１の中心の間隔を、アノード流体流路の間隔ｄ１〜ｄ５としているが、特にこれに限定されず、アノード流体流路の開口縁部同士の間隔をアノード流体流路の間隔としてもよい。  
【００８１】
さらに、アノード流体流路２４１の圧力損失を変更することなく、チャンバ２１１内にアノード流体導入口２１２からアノード流体流路２４１までを連通する誘導路を形成し、この誘導路の圧力損失を変更するようにしてもよい。このような例を図１０に示す。  
【００８２】
図１０に示すように、チャンバ２１１内には、アノード流体導入口２１２から各アノード流体流路２４１に連通する誘導路２１３が設けられている。誘導路２１３は、アノード流体導入口２１２から距離が短いアノード流体流路２４１を連通する誘導路２１３ほど幅（断面積）を狭く（小さく）して圧力損失を大きくし、アノード流体導入口２１２から距離が長いアノード流体流路２４１を連通する誘導路２１３ほど幅（断面積）を広く（大きく）して圧力損失を小さくしている。すなわち、アノード流体導入口２１２からの距離が短いアノード流体流路２４１を第１のアノード流体流路とし、アノード流体導入口２１２からの距離が長いアノード流体流路２４１を第２のアノード流体流路としたとき、アノード流体導入口２１２から第１のアノード流体流路までの第１の誘導路における圧力損失を、アノード流体導入口２１２から第２のアノード流体流路までの第２の誘導路の圧力損失に比べて大きくすればよい。これによっても、各アノード流体流路２４１から供給されるアノード流体の圧力を均一化することができる。これにより、アノード側触媒２０２の表面にアノード流体を均一に供給することができ、アノード側触媒２０２の面内での発電量を均一化して発電効率を向上することができる。  
【００８３】
また、アノード流体流路２４１から流出されたアノード流体によって押し退けられた気体が貯留する領域に、この領域の気体を外部に排出するための除去手段を設けるようにしてもよい。このような例を図１１に示す。なお、図１１は、上述した実施形態２の変形例を示す燃料電池の要部断面図である。  
【００８４】
図１１に示すように、供給部材２４０Ａには、アノード流体によって押し退けられた気体を貯留する領域である空間２５１に連通する導出路２６０の一端が接続されており、導出路２６０の他端は、貯留手段２６１に接続されている。貯留手段２６１は、空間２５１からの窒素等の不純ガスを貯留する空間を有し、導出路２６０を介して接続された空間２５１の気体を外部にバッファ排出させるためのものである。このような貯留手段２６１としては、例えば、封止された空間を有する中空部材が挙げられる。中空部材からなる貯留手段２６１を設けることで、燃料電池の動作が停止している間は、貯留手段２６１の内部の圧力は燃料電池（チャンバ２１１）の内部の圧力と同等となる。そして、アノード流体流路２４１からアノード流体を流出させると、流出されたアノード流体によって空間２５１に押し退けられた不純ガスは、アノード流体の導入圧力によって導出路２６０を介して貯留手段２６１にバッファ排出される。そして、空間２５１の不純ガスが貯留手段２６１にバッファ排出されると、空間２５１の内部の圧力と貯留手段２６１の内部の圧力とが同じとなる。そして、燃料電池の動作を停止すると、空間２５１の内部と貯留手段２６１の内部とで圧力の均衡が崩れ、貯留手段２６１内の不純ガスが空間２５１側に戻る。このように、燃料電池の動作時に空間２５１の不純ガスを燃料電池の外部にバッファ排出させることで、発電量（特に初期電圧）の向上及び発電を長期間維持することができる。  
【００８５】
なお、貯留手段２６１として、中空部材を例示したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、貯留手段２６１の内部に気体を吸着する吸着剤を設けるようにしてもよい。例えば、吸着剤としては、気体として窒素を吸着させたい場合には、活性炭やゼオライト等を用いることができる。  
【００８６】
また、上述した図１１に示す導出路２６０に逆止弁を設けるようにしてもよい。このような例を図１２に示す。図１２に示すように、導出路２６０の途中、すなわち、供給部材２４０と貯留手段２６１との間には、逆止弁２６２が設けられている。逆止弁２６２は、気体が貯留される空間２５１から貯留手段２６１（バッファ）への気体の流動を許可し、逆方向の気体の流動を制限する向きとなるように取り付けられている。このように導出路２６０に逆止弁２６２を設けることにより、貯留手段２６１に貯留された気体が、空間２５１に逆流することがなく、また、燃料電池の動作を停止した際にも、貯留手段２６１に貯留された気体が空間２５１に戻ることがない。なお、図１２では、上述した実施形態２の変形例を示したが、特にこれに限定されず、例えば、上述した実施形態１の空間２５１が存在しない構成や、図７〜図１０等に示す構成であっても、気体が貯留される領域の気体を除去する除去手段を設けることで同様の効果を奏することができる。  
【００８７】
さらに、アノード流体の供給によって押し退けられた気体が貯留される領域に吸着剤を設けるようにしてもよい。このような例を図１３に示す。なお、図１３は、上述した実施形態２の変形例を示す要部断面図である。  
【００８８】
図１３に示すように、供給部材２４０Ａには、アノード流体によって押し退けられた気体を貯留する領域である空間２５１内に吸着剤２７０が設けられている。吸着剤２７０としては、例えば、気体として窒素を吸着させたい場合には、活性炭やゼオライト等を用いることができる。勿論、吸着剤は、これに限定されず、吸着させたい気体によってその材料を適宜決定すればよい。  
【００８９】
このような構成であっても、空間２５１に押し退けられた気体を吸着剤２７０に吸着させて、燃料電池内の余分な気体を除去することができ、発電量（特に初期電圧）の向上及び発電を長期間維持することができる。もちろん、吸着剤２７０は、上述した実施形態１に設けるようにしてもよい。  
【００９０】
また、上述した図７〜図１３の構成は、何れか２つ以上を組み合わせてもよい。  
【００９１】
さらに、上述した例では、アノード部材２１０とは別部材として供給部材２４０、２４０Ａを設けるようにしたが、これらが一体的に設けられた部材としてもよい。また、供給部材２４０、２４０Ａは、アノード流体流路２４１が設けられた領域のみを供給部材としてもよい。すなわち、上述した実施形態１及び２の供給部材２４０、２４０Ａに相当する部材として、板状部材からなるベース部材と、ベース部材に固定されてアノード流体流路２４１が個別に設けられた複数の供給部材とで構成してもよい。  
【００９２】
また、例えば、上述した例では、アノード側触媒２０２側のみにガス拡散層２３０を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、カソード側触媒２０３側にもアノード側触媒２０２側と同等のガス拡散層２３０を設けるようにしてもよい。  
【００９３】
また、例えば、上述した燃料電池２００、２００Ａは、電池スタックを構成する電池セルとして利用することもできる。すなわち、上述した燃料電池２００、２００Ａを複数積層することで電池スタックを形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、アノード側触媒の表面の面内でのアノード流体の濃度分布を均一にして発電量を向上すると共に発電を長期間継続する燃料電池の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００９５】
Ａ、Ａ´  領域
１  燃料電池システム
１００  燃料供給手段
２００  燃料電池
２０１  固体高分子電解質膜（電解質膜）
２０２  アノード側触媒
２０３  カソード側触媒
２１０  アノード部材
２１２  アノード流体導入口
２２０  カソード部材
２３０、２３０Ａ  ガス拡散層
２４０、２４０Ａ  供給部材
２４１  アノード流体流路
２４２  突出部
２５０  空間
２５１  空間
２６０  導出路
２６１  貯留手段
２６２  逆止弁
２７０  吸着剤
３００  制御回路
【図１】
2010050378.tif 000003
【図２】
2010050378.tif 000004
【図３】
2010050378.tif 000005
【図４】
2010050378.tif 000006
【図５】
2010050378.tif 000007
【図６】
2010050378.tif 000008
【図７】
2010050378.tif 000009
【図８】
2010050378.tif 000010
【図９】
2010050378.tif 000011
【図１０】
2010050378.tif 000012
【図１１】
2010050378.tif 000013
【図１２】
2010050378.tif 000014
【図１３】
2010050378.tif 000015
【国際調査報告】
2010050378.tif 000016
2010050378.tif 000017
2010050378.tif 000018
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