(57)【要約】  高分子電解質膜ならびに前記高分子電解質膜を挟み、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；前記空気極に酸化ガスを供給する、特定方向に沿った２以上の酸化ガス流路と；前記燃料極に燃料ガスを供給する、前記特定方向に平行な２以上の直線状の燃料ガス流路と；を有する燃料電池であって、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、前記燃料ガス流路は、前記酸化ガス流路のうち、前記燃料ガス流路に平行な部分に重ならない、燃料電池。
2010055607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟み、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；
前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；
前記空気極に酸化ガスを供給する、特定方向に沿った２以上の酸化ガス流路と；
前記燃料極に燃料ガスを供給する、前記特定方向に平行な２以上の直線状の燃料ガス流路と；を有する燃料電池であって、
隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、
前記燃料ガス流路は、前記酸化ガス流路のうち、前記燃料ガス流路に平行な部分に重ならない、燃料電池。
【請求項２】
前記酸化ガス流路は、酸化ガスに対する透過性を有するリブによって規定され、
前記リブは、導電性多孔質体からなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記導電性多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記２以上の酸化ガス流路は、蛇行状であり、
隣接する２つの前記酸化ガス流路同士は、前記特定方向に平行な線に関して線対称である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸化ガス流路は、前記空気極セパレータに形成される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記空気極セパレータは、金属板と、前記金属板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとを有する、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記空気極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層と、前記触媒層上に積層され、前記空気極セパレータに接するガス拡散層と、を有し、
前記酸化ガス流路は、前記ガス拡散層に形成される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料ガス流路は、前記燃料極セパレータに形成され、
前記燃料極セパレータは、前記燃料ガス流路を規定するリブを有し、
前記リブは、前記燃料ガスに対する透過性を有さない、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料極セパレータは、カーボンセパレータまたは金属セパレータである、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、４５℃以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜４５℃であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスは加湿されない、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向は、前記特定方向と同一であり、
前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向は、前記特定方向と逆であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、５５〜７５℃である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；
前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；
前記酸化極に酸化ガスを供給する、特定方向に沿った２以上の酸化ガス流路と；を有する燃料電池であって、
前記酸化ガス流路は、上流領域と、下流領域とからなり、
前記上流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、
前記下流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの大きさは、一定であり、
前記下流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップは、前記上流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの最大値よりも小さい、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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本的に、プロトンを選択的に輸送する高分子電解質膜、ならびに高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極（燃料極および空気極）から構成される。上記構成を有する燃料電池は、燃料極に供給される燃料ガス（水素を含む）、および空気極に供給される酸化ガス（酸素を含む）を用いて、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。【０００３】
高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。また、高分子電解質膜が、イオン輸送機能を有するためには、高分子電解質膜が一定量の水分を含むことが必要である。【０００４】
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば、白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。これら高分子電解質膜および一対の触媒電極（触媒層、カーボンコート層およびガス拡散基材層）を一体化したものは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」という）と呼ばれる。【０００５】
ＭＥＡは、積層されることで電気的に直列に接続されうる。このとき、燃料ガスと酸化ガスとが混ざらないようにするため、および各ＭＥＡを電気的に直列に接続するために、導電性のセパレータが各ＭＥＡの間に配置される。【０００６】
セパレータには、燃料極に接する燃料極セパレータおよび空気極に接する空気極セパレータが含まれる。通常、燃料極セパレータには、ＭＥＡに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成され、空気極セパレータには、ＭＥＡに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路が形成される。【０００７】
従来の燃料電池ではガス流路は、直線状のガス流路が互いに平行である（例えば特許文献１参照）。図１は特許文献１に開示された燃料電池の分解斜視図である。図１に示された燃料電池は、膜電極接合体１、空気極セパレータ２および燃料極セパレータ３を有する。空気極セパレータ２は、互いに平行の複数の直線状の酸化ガス流路８を有する。【０００８】
このような構成を有する燃料電池では、一般的に酸化ガス流路同士のギャップ、すなわちリブの幅が小さい。リブは酸化ガス流路と異なり、酸化ガスの供給に寄与しないことから、リブの幅を小さくすると、より多くの酸化ガスをＭＥＡに供給することができる。そのため、従来の燃料電池では、酸化ガスの供給量を増やすため、リブの幅は小さくされる傾向にあった。【０００９】
また、上述のように高分子電解質膜は、イオンを透過する機能のために一定量の水分を必要とする。したがって、従来の燃料電池では、燃料電池内に充分な水分を確保するために、燃料ガスおよび酸化ガスは予め加湿される。しかし酸化ガスを加湿するための加湿器は、発電には直接寄与せず、スペースを必要とする。したがって、加湿器を必要としない燃料電池コージェネレーションシステムを開発できれば、燃料電池コージェネレーションシステムの小型化が可能となり、システム全体のコストを削減することができる。また、加湿器を必要としない燃料電池コージェネレーションシステムを開発できれば、加湿器によるエネルギーロスが無くなるので、システム全体の効率の向上が可能となる。そのため、酸化ガスが低加湿または無加湿の状態であっても、発電効率が低下しない燃料電池の開発が求められてきた。【００１０】
また、反応ガス流路内に発電時に生成された水が残存することによって起こるフラッディング現象を防止するため、セパレータに２以上の独立した反応ガス流路を形成する技術が知られている（例えば特許文献２、特許文献３および特許文献４参照）。特許文献２、特許文献３および特許文献４に開示された燃料電池では、それぞれの独立した反応ガス流路は、蛇行状に形成されている。【００１１】
また、反応ガス流路を規定するリブの強度を確保するために、２以上の反応ガスを平行に配置する技術が知られている（例えば、特許文献５参照）。特許文献５に開示された燃料電池の反応ガス流路はそれぞれ蛇行状である。また、特許文献５に開示された燃料電池のセパレータは、カーボンセパレータである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２４９２４３号公報
【特許文献２】特開２００４−２４７２８９号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０１５７１０３号明細書
【特許文献４】特開２００２−５０３９２号公報
【特許文献５】特開２００８−６６２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
燃料電池を低加湿または無加湿で運転するためには、発電中に空気極の触媒層で生成される水分を燃料電池内に留めることが課題になる。燃料電池の発電時に空気極の触媒層で生成された水の燃料電池内における移動を図を用いて説明する。【００１４】
図２は、燃料電池のＭＥＡの面方向に垂直な部分断面図である。図２に示された燃料電池は、ＭＥＡ１１０、空気極セパレータ１２０および燃料極セパレータ１３０を有する。ＭＥＡはさらに高分子電解質膜１１１、空気極触媒層１１３、燃料極触媒層１１５、空気極ガス拡散層１１７および燃料極ガス拡散層１１９を有する。
空気極セパレータ１２０は酸化ガス流路１２１およびリブ１２３を有する。また、燃料極セパレータ１３０は燃料ガス流路１３１およびリブ１３３を有する。複数の矢印Ｚは、空気極触媒層１１３で生成された水の移動を示す。リブ１２３および１３３はガス流路間のギャップを形成する。【００１５】
図２に示されるように空気極触媒層１１３で生成された水は、拡散によって一部が酸化ガス流路１２１内に移動し、一部がリブ１２３の下に移動する。酸化ガス流路１２１内に移動した水は、酸化ガス流路１２１を通って燃料電池の外部に排出され、リブ１２３の下に移動した水は、リブ１２３の下に保持される。したがって、酸化ガス流路を通って排出される水の量を減らし、リブの下に保持される水の量を増やすことで、発電時に空気極の触媒層で生成された水を燃料電池内に留めることができる。【００１６】
上述のように特許文献１に開示されたような燃料電池では、酸化ガス流路間のギャップ（リブ幅）が小さいので、発電中に生成された水の多くは、酸化ガス流路内に移動し、酸化ガス流路を通して燃料電池の外部に排出されてしまう。またリブ幅が小さいと、リブの下に保持された水分も拡散によって酸化ガス流路内に移動しやすくなる。そのため、ＭＥＡが乾燥し、出力密度が低下してしまう。またＭＥＡが乾燥すると、出力密度が下がるだけではなく、ＭＥＡが劣化しやすくなり、燃料電池の寿命が縮まる。【００１７】
また、特許文献１に開示されたような燃料電池において、酸化ガス流路間のギャップ（リブ幅）を大きくすることで、リブ下に保持される水の量を増やし、ＭＥＡの湿度を保つことも考えられる。しかし、単純にリブ幅を大きくした場合、ＭＥＡに供給される酸化ガスの量が低下し、出力密度が低下してしまう。【００１８】
本発明の目的は、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内に充分な量の水分を確保することができ、かつＭＥＡに充分な量の酸素ガスを供給することができる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は以下に記載される燃料電池に関する。
［１］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟み、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；前記空気極に酸化ガスを供給する、特定方向に沿った２以上の酸化ガス流路と；前記燃料極に燃料ガスを供給する、前記特定方向に平行な２以上の直線状の燃料ガス流路と；を有する燃料電池であって、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、前記燃料ガス流路は、前記酸化ガス流路のうち、前記燃料ガス流路に平行な部分に重ならない、燃料電池。
［２］前記酸化ガス流路は、酸化ガスに対する透過性を有するリブによって規定され、前記リブは、導電性多孔質体からなる、［１］に記載の燃料電池。
［３］前記導電性多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下である、［２］に記載の燃料電池。
［４］前記２以上の酸化ガス流路は、蛇行状であり、隣接する２つの前記酸化ガス流路同士は、前記特定方向に平行な線に関して線対称である、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［５］前記酸化ガス流路は、前記空気極セパレータに形成される、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［６］前記空気極セパレータは、金属板と、前記金属板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとを有する、［５］に記載の燃料電池。
［７］前記空気極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層と、前記触媒層上に積層され、前記空気極セパレータに接するガス拡散層と、を有し、前記酸化ガス流路は、前記ガス拡散層に形成される、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［８］前記燃料ガス流路は、前記燃料極セパレータに形成され、前記燃料極セパレータは、前記燃料ガス流路を規定するリブを有し、前記リブは、前記燃料ガスに対する透過性を有さない、［１］〜［７］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［９］前記燃料極セパレータは、カーボンセパレータまたは金属セパレータである、［８］に記載の燃料電池。
［１０］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、４５℃以下である、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［１１］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜４５℃であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスは加湿されない、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［１２］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向は、前記特定方向と同一であり、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向は、前記特定方向と逆であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、５５〜７５℃である、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［１３］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；前記酸化極に酸化ガスを供給する、特定方向に沿った２以上の酸化ガス流路と；を有する燃料電池であって、前記酸化ガス流路は、上流領域と、下流領域とからなり、前記上流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、前記下流領域では、隣接する２つの前記下流流酸化ガス流路間のギャップの大きさは、一定であり、前記下流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップは、前記上流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの最大値よりも小さい、燃料電池。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池によれば、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内に充分な量の水分を確保することができ、ＭＥＡに充分な量の酸素ガスを供給することができる。また、本発明によれば高分子電解質膜の膜抵抗が低く、酸化ガスの濃度が高い領域に、燃料ガスを選択的に供給することができる。そのため本発明の燃料電池は、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の燃料電池の分解斜視図
【図２】従来の燃料電池内の水の動きを示す図
【図３】本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンを示す図
【図４】本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンを示す図
【図５】本発明の燃料電池の断面の斜視図
【図６】本発明の燃料電池における酸化ガス流路と燃料ガス流路との位置関係を示す図
【図７】本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンを示す図
【図８】本発明の燃料電池内の水の挙動を示す図
【図９】実施の形態１の燃料電池の斜視図
【図１０】実施の形態１の燃料電池の分解斜視図
【図１１】実施の形態１の燃料電池の空気極セパレータの平面図
【図１２】実施の形態１の燃料電池の燃料極セパレータの平面図
【図１３】実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータの平面図
【図１４】実施の形態３の燃料電池の分解斜視図
【図１５】本発明の燃料電池の中温無加湿条件下での発電電圧および膜抵抗を示すグラフ
【図１６】本発明の燃料電池の中温無加湿条件下でのガス流路内の相対湿度を示すグラフ
【図１７】本発明の燃料電池の高温低加湿条件下での発電電圧および膜抵抗を示すグラフ
【図１８】本発明の燃料電池の高温低加湿条件下でのガス流路内の相対湿度を示すグラフ
【図１９】実験例３の結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の燃料電池は、１）ＭＥＡと、２）空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと、４）複数の酸化ガス流路と、５）複数の燃料ガス流路とを有する。また本発明の燃料電池は、低加湿または無加湿の酸化ガスが供給される燃料電池に関する。
【００２３】
（１）膜電極接合体（ＭＥＡ）について
ＭＥＡは、高分子電解質膜ならびに高分子電解質膜を挟む空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する。空気極は、高分子電解質膜に接する空気極触媒層と、空気極触媒層に積層される空気極ガス拡散層とを有することが好ましい。同様に、燃料極は、高分子電解質膜に接する燃料極触媒層と、燃料極触媒層に積層される燃料極ガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２４】
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、プロトンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）膜などが含まれる。
【００２５】
空気極触媒層は、水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。空気極触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。
【００２６】
燃料極触媒層は、水素の酸化反応を促進する触媒を含む層である。燃料極触媒層は、導電性を有し、かつ水素の酸化反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。燃料極触媒層は、例えば、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２７】
空気極触媒層および燃料極触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene,  ＰＴＦＥ）などの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２８】
ガス拡散層（空気極ガス拡散層および燃料極ガス拡散層）は、膜電極接合体の最も外側に配置され、後述するセパレータに接する導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
【００２９】
ガス拡散層は、例えば、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を含浸させた炭素繊維や、糸状のカーボンを織って作製したカーボンクロス、紙状のカーボンペーパーなどを触媒層表面に熱圧着して、作製されてもよい。
【００３０】
（２）セパレータについて
セパレータは、ＭＥＡを機械的に固定し、かつＭＥＡに供給される酸化ガスと燃料ガスとを混ざらないようにするための導電性の板である。空気極セパレータは、空気極に接し、燃料極セパレータは、燃料極に接する。
【００３１】
（３）酸化ガス流路について
酸化ガス流路は、酸化ガスを空気極に供給するための流路である。酸化ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍ程度であることが好ましく、酸化ガス流路の深さは、０．３〜０．８ｍｍであることが好ましい。酸化ガス流路はリブによって規定される。
【００３２】
酸化ガスを規定するリブは、導電性を有し、酸化ガスに対する透過性を有することが好ましい。リブが酸化ガスに対する透過性を有することで、酸化ガスは酸化ガス流路だけでなく、リブ内にも拡散することができる。このため、酸化ガスは、酸化ガス流路からだけでなく、酸化ガス流路を規定するリブからも、空気極に供給されることができる。このため、空気極の表面全体に酸化ガスを供給することができ、空気極の発電面積を拡大させることができる。
【００３３】
このようなリブの材料は特に限定されないが、導電性の多孔質体であることが好ましい。導電性の多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。導電性多孔質体における平均孔径は、多孔質体の断面図のＳＥＭ写真から測定された孔の面積から、面積相当径の平均を算出することで得られる。または、導電性多孔質体における平均孔径は、水銀ポロシメータを用いた細孔分布計測によって求めることもできる。
【００３４】
このような導電性の多孔質体の例には、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を付帯させた炭素繊維や、糸状のカーボンを織って作製したカーボンクロス、紙状のカーボンペーパー、炭素繊維とＰＴＦＥとを混練してシート状にしたカーボンシートなどが含まれる。
【００３５】
また、多孔質体は、表面積が大きい。このため、酸化ガス流路を規定するリブが多孔質であると、空気極セパレータと空気極との接触面積が増加して、空気極セパレータと空気極との接触抵抗が低下する。これにより、発電された電力を効率的に取り出すことが可能となる。
【００３６】
本発明では、酸化ガス流路は、空気極セパレータに形成されてもよいし（図１０参照）、空気極ガス拡散層に形成されてもよい（図１４参照）。空気極セパレータに酸化ガス流路を形成する場合、空気極セパレータは、導電性の平板と、平板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとから構成されてもよい。平板は、例えば金属板である。
【００３７】
本発明の燃料電池は、酸化ガス流路の形状に特徴を有する。以下、図を参照しながら酸化ガス流路の形状について、詳細に説明する。
【００３８】
図３は、本発明の酸化ガス流路のパターンの一例を示す図である。図３では、酸化ガス流路１２１が空気極セパレータ１２０に形成された例を示す。図３に示されるように空気極セパレータ１２０は、特定方向Ｘに沿った、複数の酸化ガス流路１２１と、酸化ガス流路１２１を規定するリブ１２３とを有する。「特定方向Ｘ」は、酸化ガスの流れる方向を示す。リブ１２３は隣接する酸化ガス流路１２１間のギャップを形成する。
【００３９】
図３に示されるように、隣接する二つの酸化ガス流路の間には、酸化ガス流路間のギャップ（リブ幅）が大きい箇所１２５（以下「保水領域１２５」と称する）と、酸化ガス流路同士のギャップ（リブ幅）が小さい箇所１２７（以下「酸化ガス供給領域」という）とが、特定方向Ｘに沿って交互に配置されている。ここで「保水領域」とは、燃料電池の運転時に水分が保持される領域を意味し、「酸化ガス供給領域」とは、燃料電池の運転時に酸化ガスが集中的に供給される領域を意味する（後述）。
【００４０】
隣接する二つの酸化ガス流路の間のギャップの最大値１２５ｗ（以下単に「保水領域の幅」とも称する）は、隣接する二つの酸化ガス流路の間のギャップの最小値１２７ｗ（以下単に「酸化ガス供給領域の幅」とも称する）の２〜４倍であることが好ましい。より具体的には、保水領域の幅１２５ｗは、３〜６ｍｍであることが好ましく、酸化ガス供給領域の幅１２７ｗは、１．４〜３．１ｍｍであることが好ましい。
【００４１】
特定方向に沿って保水領域と酸化ガス供給領域とを交互に形成するには、例えば隣接する２つの酸化ガス流路を蛇行状とし、かつ当該隣接する２つの酸化ガス流路を特定方向に平行な線に関して線対称とすればよい。また、隣接する２つの酸化ガス流路の一方を蛇行状とし、もう一方を直線状とすればよい。隣接する２つの酸化ガス流路を蛇行状とした例が図４に示される。
【００４２】
図４は、本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンの例を示す。図４に示されるように酸化ガス流路１２１および酸化ガス流路１２１に隣接する酸化ガス流路１２１’は、蛇行状である。また、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とは特定方向Ｘに平行な線Ｙに関して線対称である。
【００４３】
酸化ガス流路１２１および酸化ガス流路１２１’が蛇行状であり、かつ酸化ガス流路１２１と、酸化ガス流路１２１’とが線Ｙに関して線対称であることで、保水領域１２５および酸化ガス供給領域１２７が特定方向Ｘに沿って交互に配置される。
【００４４】
酸化ガス流路は、直角に蛇行していてもよいし（図４Ａ）、湾曲して蛇行していてもよいし（図４Ｂ）、ジグザグに蛇行していてもよい（図４Ｃ）。
【００４５】
（４）燃料ガス流路について
燃料ガス流路は、燃料極に燃料ガスを供給するための流路である。燃料ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍであることが好ましく、燃料ガス流路の深さは、０．３〜０．７ｍｍであることが好ましい。燃料ガス流路の形状は、酸化ガス流路のように蛇行状ではなく、直線状であることが好ましい。燃料ガス流路は上述した特定方向Ｘに平行であることが好ましい。また燃料ガスの圧力損失を調節するために、燃料ガス流路内に突起を設けてもよい。さらに、燃料ガス流路を規定するリブは、基本的に燃料ガスに対する透過性を有さないことが好ましい。燃料ガス流路を規定するリブを燃料ガスに対して非透過性とすることで、燃料ガスを所望の領域に集中的に供給することができる。
【００４６】
本発明では、燃料ガス流路は、燃料極セパレータに形成される。燃料極セパレータは、カーボンセパレータであってもよく、金属セパレータであってもよい。
【００４７】
（５）酸化ガス流路と燃料ガス流路との位置関係について
本発明は、酸化ガス流路と燃料ガス流路との位置関係にさらに特徴を有する。具体的には、本発明の燃料電池では、燃料ガス流路は、保水領域および酸化ガス供給領域に選択的に重なる。また、燃料ガス流路は、酸化ガス流路のうち、燃料ガス流路に平行な部分に重ならない。ここで「重なる」とは、燃料電池をＭＥＡの面方向に対して垂直な方向から見たときに、重なりあう関係を意味する。
【００４８】
図５は本発明の燃料電池の断面の斜視図であり、燃料ガス流路と酸化ガス流路との位置関係を示す図である。図５に示された燃料電池は、ＭＥＡ１１０、空気極セパレータ１２０、燃料極セパレータ１３０、酸化ガス流路１２１、燃料ガス流路１３１を有する。ＭＥＡ１１０は、高分子電解質膜１１１、空気極触媒層１１３、燃料極触媒層１１５、空気極ガス拡散層１１７、および燃料極ガス拡散層１１９を有する。
【００４９】
また、図６Ａは、ＭＥＡ１１０の面方向に対して垂直な方向から見たときの、図５に示された酸化ガス流路１２１と燃料ガス流路１３１との位置関係を示した図である。
【００５０】
図５および図６Ａに示された燃料ガス流路１３１’のように、燃料ガス流路は、保水領域１２５および酸化ガス供給領域１２７に選択的に重なる。また、図５および図６Ａに示された燃料ガス流路１３１のように、燃料ガス流路は、保水領域１２５のみに重なるように配置されていてもよい。
一方で、燃料ガス流路１３１は、図６Ｂで示されるように酸化ガス流路１２１のうち燃料ガス流路１３１に平行な部分に重なるように配置されることは好ましくない。後述するように空気極で生成された水は、酸化ガス流路を通って、燃料電池の外部に排出されるため、酸化ガス流路が位置する領域ではＭＥＡの湿度が低下し、高分子電解質膜の膜抵抗が上昇するからである。
【００５１】
このように、燃料ガス流路を保水領域に重なるように配置することで水分含有率が高い（ＭＥＡの膜抵抗が低い）領域に燃料ガスを供給することができ、プロトンが効率的に空気極側に輸送されることができる。また、燃料ガス流路を保水領域および酸化ガス供給領域に重なるように配置することで、水分含有率および酸化ガス含有率が高い領域に燃料ガスを供給することができ、より効率的に発電エネルギを得ることができる。
【００５２】
酸化ガス流路に流れる酸化ガスの流れる方向と燃料ガス流路に流れる燃料ガスの流れる方向とは、燃料電池の運転条件によって異なる。
例えば、燃料電池が中温無加湿条件下で運転される場合は、酸化ガスおよび燃料ガスの流れる方向は同一であることが好ましい。したがって、燃料電池が中温無加湿条件下で運転される場合は、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向とは、特定方向Ｘと同じである。
【００５３】
ここで「中温無加湿条件」とは、燃料電池に供給される酸化ガスが加湿されない運転条件を意味する。具体的には、中温無加湿条件とは、燃料電池の発電時の温度が５５〜７５℃であり；燃料電池に供給される酸化ガスの露点が４５℃以下、好ましくは−１０〜４５℃であり；燃料電池に供給される燃料ガスの露点が５０〜７０℃である条件を意味する。露点は、ガスに含まれる水分が多いと高くなり、ガスに含まれる水分が少ないと低くなる。このような中温無加湿条件では、酸化ガスの露点は、燃料ガスの露点よりも通常２０℃以上低い。
【００５４】
一方で、燃料電池が高温低加湿条件下で運転される場合、酸化ガスの流れる方向と、燃料ガスの流れる方向とは、逆であることが好ましい。したがって、燃料電池が高温低加湿条件下で運転される場合は、燃料ガスの流れる方向は、特定方向Ｘと逆である。
【００５５】
ここで「高温低加湿条件」とは、燃料電池の発電時の温度が８０〜１００℃であり；酸化ガスの露点が５５〜７５℃であり；燃料ガスの露点が５０〜７０℃である条件を意味する。このような高温低加湿条件では、酸化ガスの露点と、燃料ガスの露点との差は通常１０℃以下である。
【００５６】
燃料電池コージェネレーションシステムに供給される燃料ガスは、通常、燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成される。燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成された燃料ガスの露点は、５０℃〜７０℃になる。上述のように中温無加湿条件および高温低加湿条件における燃料ガスの露点が、ともに５０℃〜７０℃と比較的高かったのは、燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成された燃料ガスを用いることを想定したからである。
【００５７】
これまでは、全ての酸化ガス流路に流れる酸化ガスの流れる方向が全て同一である例について説明してきた（図３参照）。しかし本発明では、酸化ガスの流れる方向が同一である必要はない。例えば本発明の燃料電池は、図７に示されるような、酸化ガス流路を有することもある。
【００５８】
図７に示された酸化ガス流路１２１は、直線領域１２１ａおよび直線領域１２１ｃならびにターン領域１２１ｂを有する。ターン領域１２１ｂは、直線領域１２１ａと直線領域１２１ｃとを接続する。酸化ガス流路の入口から最初のターン領域１２１ｂまでの直線領域１２１ａでは酸化ガス流路１２１は特定方向Ｘに沿っている。すなわち直線領域１２１ａでは、酸化ガスは特定方向Ｘに流れる。一方で、ターン領域１２１ｂ後の直線領域１２１ｃでは酸化ガス流路１２１は特定方向Ｘとは逆の方向Ｘ’に沿っている。すなわち直線領域１２１ｃでは、酸化ガスは特定方向Ｘ’に流れる。
【００５９】
また、上述のように酸化ガス流路がターン領域を有する場合は、燃料ガス流路もターン領域を有することが好ましい。
【００６０】
このように構成された燃料電池を積層し、燃料電池スタックを製造してもよい。通常、燃料電池スタックは、集電板、絶縁板および端板によって挟持され、さらにスタッドボルトとナットとで固定される。
【００６１】
次に本発明の燃料電池の運転時における燃料電池内の水分の挙動について説明する。
本発明の燃料電池の運転時には、酸化ガス流路に、無加湿または低加湿の酸化ガスを供給し、燃料ガス流路に水素ガスを含む燃料ガスを供給して、電気エネルギを得る。電気エネルギは以下の反応で得られる。
【００６２】
まず、燃料極に供給された水素分子は、燃料極ガス拡散層を拡散し燃料極触媒層に達する。燃料極触媒層において、水素分子は、プロトンと電子に分けられる。プロトンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。電子は、外部回路を通して空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきたプロトンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。
【００６３】
上述のように本発明の燃料電池では、無加湿または低加湿の酸化ガスを酸化ガス流路に供給する。従来の燃料電池では、無加湿または低加湿の酸化ガスを酸化ガス流路に供給すると、酸化ガス流路の入口付近で高分子電解質膜が乾燥し、膜抵抗が上昇し、出力密度が下がることがあった。しかし、本発明の燃料電池では、隣接する酸化ガス流路間には、保水領域が配置されていることから、酸化ガス流路の入口付近であっても、生成された水分を保持することができる。また、隣接する酸化ガス流路間には、酸化ガス供給領域が配置されていることから、充分な量の酸化ガスをＭＥＡに供給することができる。以下図面を用いて、本発明の燃料電池における水分の動きについて説明する。
【００６４】
図８Ａは、図５に示した本発明の燃料電池１００の一点鎖線Ａにおける断面図であり、保水領域１２５の断面図である。図８Ａにおける複数の矢印Ｚは水の動きを示す。図８Ａに示されるように保水領域では酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップが大きい（リブ幅が大きい）ことから、空気極触媒層１１３で生成された水のほとんどはリブ１２３の下に拡散し、保持される。また、保水領域では、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップが大きいことから、リブ１２３の下に保持されている水は、酸化ガス流路１２１に拡散しにくい。このため、保水領域１２５には、発電によって生成された水分が保持される。
【００６５】
図８Ｂは、図５に示した本発明の燃料電池１００の二点鎖線Ｂにおける断面図であり、酸化ガス供給領域１２７の断面図である。図８Ｂにおける複数の矢印Ｚ’は酸化ガスの動きを示す。図８Ｂに示されるように、酸化ガス供給領域では、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップ（リブ幅が小さい）が小さい。また上述したようにリブ１２３は、酸化ガスを透過する多孔質体である。このため、酸化ガス供給領域には、酸化ガス流路１２１および酸化ガス流路１２１’から酸化ガス流入し、酸化ガスが集中的に供給される。
一方で酸化ガス供給領域では、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップが小さい（リブ幅が小さい）ことから、リブ１２３の下に保持されている水は、酸化ガス流路に拡散しやすく、水分が保持されない。
【００６６】
このように、本発明の燃料電池では、保水領域と酸化ガス供給領域とを特定方向に沿って交互に配置することで、水分が多い領域と酸素濃度が高い領域とを特定方向に沿って交互に形成することができる。これにより、燃料電池内に水分を保持しつつも、空気極に充分な量の酸素を供給することができる。
【００６７】
さらに、燃料ガス流路を、保水領域および酸化ガス供給領域に選択的に重ねることで、高分子電解質膜の膜抵抗が低く、酸化ガスの濃度が高い領域に、燃料ガスを供給することができる。これにより、より効率的に発電エネルギを得ることができる。
【００６８】
そのため本発明によれば、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。
【００６９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００７０】
（実施の形態１）
実施の形態１では、酸化ガス流路が空気極セパレータに形成され、燃料極セパレータが金属セパレータである燃料電池について説明する。
【００７１】
図９は、実施の形態１の燃料電池の斜視図である。図１０は、実施の形態１の燃料電池１００の分解斜視図の一部である。
【００７２】
図９および図１０に示されるように燃料電池１００は、ＭＥＡ１１０、空気極セパレータ１２０および燃料極セパレータ１３０を有する。ＭＥＡ１１０は、高分子電解質膜１１１、空気極触媒層１１３、燃料極触媒層１１５、空気極ガス拡散層１１７、および燃料極ガス拡散層１１９を有する。
【００７３】
図１０に示されるように、酸化ガス流路１２１は、空気極セパレータ１２０に形成されている。また、燃料極セパレータ１３０は、波形形状の断面を有する金属セパレータである。燃料極セパレータ１３０は、ＭＥＡ１１０と接する面に燃料ガス流路１３１を有し、ＭＥＡ１１０と接する面の裏面に冷媒流路１５３を有する。燃料ガス流路１３１’は保水領域１２５および酸化ガス供給領域１２７に選択的に重なり、かつ、酸化ガス流路１２１のうち、燃料ガス流路１３１と平行な部分に重ならない。
【００７４】
図１１は、図９および図１０で示された空気極セパレータ１２０の平面図である。
【００７５】
図１１に示されたように、実施の形態１の空気極セパレータ１２０は、酸化ガス供給マニホールド孔１４０および酸化ガス排出マニホールド孔１４１、燃料ガス供給マニホールド孔１６０および燃料ガス排出マニホールド孔１６１ならびに冷媒供給マニホールド孔１５０および冷媒排出マニホールド孔１５１を有する。
【００７６】
酸化ガス供給マニホールド孔１４０は、酸化ガス流路１２１に酸化ガスを供給するための孔である。酸化ガス排出マニホールド孔１４１は、酸化ガス流路１２１から酸化ガスを排出するための孔である。
【００７７】
上述のように本実施の形態では酸化ガス流路１２１は、空気極セパレータ１２０に形成されている。このため空気極セパレータ１２０は、特定方向Ｘに沿った２以上の酸化ガス流路１２１を有する。２以上の酸化ガス流路１２１は蛇行状に形成され、特定方向Ｘと平行な線に関して線対称である。このため空気極セパレータ１２０は、特定方向Ｘに沿って保水領域１２５と酸化ガス供給領域１２７とを交互に有する。
【００７８】
図１２は、図９および図１０に示された燃料極セパレータ１３０の平面図である。図１２Ａは燃料極セパレータ１３０の燃料ガス流路１３１が形成された面の平面図であり、図１２Ｂは図１１Ａに示された燃料極セパレータ１３０の裏面１３０’の平面図である。裏面１３０’には互いに平行な２以上の冷媒流路１５３が形成されている。
【００７９】
図１２ＡおよびＢに示されたように、実施の形態１の燃料極セパレータ１３０は、酸化ガス供給マニホールド孔１４０および酸化ガス排出マニホールド孔１４１、燃料ガス供給マニホールド孔１６０および燃料ガス排出マニホールド孔１６１ならびに冷媒供給マニホールド孔１５０および冷媒排出マニホールド孔１５１を有する。また、燃料極セパレータ１３０には、互いに平行な２以上の燃料ガス流路１３１が形成されている。
【００８０】
燃料ガス供給マニホールド孔１６０は、燃料ガス流路１３１に燃料ガスを供給するための孔である。燃料ガス排出マニホールド孔１６１は、燃料ガス流路１３１から燃料ガスを排出するための孔である。
【００８１】
冷媒供給マニホールド孔１５０は、冷媒流路１５３に冷媒を供給するための孔である。冷媒排出マニホールド孔１５１は、冷媒流路１５３から冷媒を排出するための孔である。
【００８２】
上述したように燃料極セパレータ１３０は金属セパレータなので、燃料ガス流路１３１と、冷媒流路１５３とはそれぞれ表裏一体の関係にある。すなわち燃料極セパレータ１３０に形成されたリブ１３３は、裏面１３０’における冷媒流路１５３に対応し、裏面１３０’に形成されたリブ１５５は燃料極セパレータ１３０における燃料ガス流路１３１に対応する（図１０参照）。
【００８３】
このように実施の形態１の燃料電池の隣接する酸化ガス流路間に保水領域と酸化ガス供給領域とを特定方向に沿って交互に配置することで、酸化ガス流路に無加湿または低加湿の酸化ガスを供給する場合であっても、燃料電池内に充分に水分を保持することができ、かつ燃料電池に充分な量の酸化ガスを供給することができる。
【００８４】
さらに、燃料ガス流路を、保水領域および酸化ガス供給領域に選択的に重ねることで、高分子電解質膜の膜抵抗が低く、酸化ガスの濃度が高い領域に、燃料ガスを供給することができ、より効率的に発電エネルギを得ることができる。そのため、本実施の形態によれば、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。
【００８５】
（実施の形態２）
実施の形態１では、上流側の酸化ガス流路および下流側の酸化ガス流路の両方が蛇行状である例について説明した。実施の形態２では上流側の酸化ガス流路のみが蛇行状であり、下流側の酸化ガス流路は直線状である燃料電池について説明する。
【００８６】
実施の形態２の燃料電池は、酸化ガス流路の下流の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料電池１００と同じである。したがって、本実施の形態では、酸化ガス流路の形状についてのみ説明する。
【００８７】
図１３は実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータ２２０の平面図である。実施の形態１の空気極セパレータ１２０と同じ構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８８】
図１３に示された空気極セパレータ２２０は、特定方向Ｘに沿った２以上の酸化ガス流路２２１を有する。酸化ガス流路２２１は、上流領域２２１ａと下流領域２２１ｂとからなる。ここで「上流領域」とは、酸化ガス流路のうち酸化ガス供給マニホールド孔１４０側の領域を意味し、「下流領域」とは、酸化ガス流路のうち酸化ガス排出マニホールド孔１４１側の領域を意味する。
【００８９】
上流領域２２１ａでは、酸化ガス流路２２１は蛇行状である。また、上流領域２２１ａでは、隣接する酸化ガス流路２２１同士は特定方向Ｘと平行な線に関して線対称である。このため、上流領域２２１ａでは、隣接する酸化ガス流路２２１間には、特定方向Ｘに沿って保水領域１２５と酸化ガス供給領域１２７とが交互に配置される。
【００９０】
一方、下流領域２２１ｂでは、酸化ガス流路２２１は、直線状である。したがって、下流領域２２１ｂでは、隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップ（リブ１２３の幅）は一定である。また、下流領域２２１ｂにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップは、上流領域２２１ａにおける隣接する酸化ガス流路２２１間にギャップの最大値（保水領域１２５の幅）よりも小さい。下流領域２２１ｂにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップは、上流領域２２１ａにおける隣接する酸化ガス流路２２１間に配置された酸化ガス供給領域１２７の幅と同程度であることが好ましい。このように、下流領域２２１ｂにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップは、上流領域２２１ａにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップよりも小さいので、下流領域２２１ｂでは、上流領域２２１ａよりも酸化ガス流路２２１の数が多くなる。
【００９１】
このように隣接する上流領域にのみに保水領域を形成することで、燃料電池のうち特に乾燥しやすい酸化ガス供給マニホールド孔付近（上流領域）のみを選択的に保水させることができる。また、酸化ガスが枯渇し易い下流領域では、酸化ガス流路同士を直線状にし、酸化ガス流路のギャップを小さくすることで、酸化ガスの供給量を増やすことができる。
【００９２】
（実施の形態３）
実施の形態１および２では、酸化ガス流路が空気極セパレータに形成された形態について説明した。実施の形態３では、酸化ガス流路が空気極ガス拡散層に形成された形態について説明する。
【００９３】
図１４は、実施の形態３の燃料電池３００の分解斜視図である。実施の形態１の燃料電池１００と同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。
【００９４】
図１４に示されるように、燃料電池３００は、空気極ガス拡散層３１７および空気極セパレータ３２０を有する。空気極ガス拡散層３１７には、酸化ガス流路１２１が形成されている。また、空気極セパレータ３２０は平板である。
【００９５】
［実験例１］
実験例１では、本発明の実施の形態１および実施の形態２の燃料電池を、中温無加湿条件下で運転したときの発電電圧、膜抵抗および反応ガスの相対湿度を、コンピューターシミュレーションで解析した。
【００９６】
図１５は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を中温無加湿条件下（燃料電池の発電時の温度：６５℃  酸化ガスの露点：３５℃  燃料ガスの露点：６５℃）で運転した場合の、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池（保水領域および酸化ガス供給領域を有さない燃料電池）を、中温フル加湿条件下（燃料電池の発電時の温度：６５℃  酸化ガスの露点：６５℃  燃料ガスの露点：６５℃）で運転した場合と（従来例１）、従来の燃料電池を、中温無加湿条件下で運転した場合（従来例２）の、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果も示す。
【００９７】
図１５に示された「同一方向」とは酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が同一である場合を示し、「逆方向」とは、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が逆である場合を示す。
【００９８】
図１５に示されるように、従来例２および実施の形態１の燃料電池を中温無加湿条件下運転する場合、酸化ガスと燃料ガスの流れる方向が同一である場合の方が、発電電圧は高い。この結果は、中温無加湿条件下では、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向とは同じであるほうが発電性能は高いことを示唆する。
【００９９】
また、従来例２、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池は、従来の酸化ガスの中温フル加湿条件下で運転した燃料電池（従来例１）と同等の発電電圧を有することが明らかとなった。しかし、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池は、従来例２の燃料電池よりも膜抵抗が低い。この結果は、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池では、従来例２の燃料電池よりもＭＥＡの水分含有率が高いことを示唆する。
【０１００】
図１６は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を中温無加湿条件下で運転した場合の、酸化ガス流路内の相対湿度（図１６Ａ）および燃料ガス流路内の相対湿度（図１６Ｂ）のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池を中温フル加湿条件下で運転した場合と（従来例１）、従来の燃料電池を、中温無加湿条件下で運転した場合（従来例２）とのガス流路内の相対湿度のシミュレーション結果も示す。
また、本シミュレーションでは、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向とは同一とした。
【０１０１】
図１６Ａおよび図１６Ｂにおける一点鎖線Ａ１は、実施の形態１の相対湿度を示し；実線Ａ２は、実施の形態２の相対湿度を示し；二点鎖線Ｂ１は、従来例１の相対湿度を示し；点線Ｂ２は、従来例２の相対湿度を示す。
【０１０２】
図１６Ａに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、最も乾燥しやすい酸化ガス流路入口付近でも概ね７０％以上を維持している。一方で、従来例２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、酸化ガス流路入口付近で３０％以下となった。
また、実施の形態１の燃料電池では、酸化ガス流路の出口付近で、相対湿度が１００％を超えるが、実施の形態２の燃料電池では、酸化ガス流路の出口付近でも、相対湿度が１００％を超えることがない。これは、実施の形態２の燃料電池では、酸化ガス流路の出口付近でフラッディングが起こりにくいことを示唆する。
【０１０３】
図１６Ｂに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の燃料ガス流路内の相対湿度は、概ね８０％以上を維持した。一方で、従来例２の燃料電池の燃料ガス流路内の相対湿度は、燃料ガス流路入口付近で７０％以下となった。
【０１０４】
このように中温無加湿条件下では、本発明の燃料電池のほうが、従来の燃料電池よりも、相対湿度が高く、膜抵抗が低い。したがって中温無加湿条件下では、本発明の燃料電池の方が、従来の燃料電池よりもＭＥＡの耐久性が高いことが予想される。
【０１０５】
［実験例２］
実験例２では、本発明の実施の形態１および実施の形態２の燃料電池を、高温低加湿条件下で運転したときの発電電圧、膜抵抗および反応ガスの相対湿度を、コンピューターシミュレーションで解析した。
【０１０６】
図１７は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を、高温低加湿条件下（燃料電池の発電時の温度：９０℃  酸化ガスの露点：６５℃  燃料ガスの露点：６５℃）で運転した場合の、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池を、中温フル加湿条件下で運転した場合と（従来例１）、従来の燃料電池を、高温低加湿条件下で運転した場合（従来例２）との、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果も示す。
【０１０７】
図１７に示された「同一方向」とは酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が同一である場合を示し、「逆方向」とは、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が逆である場合を示す。
【０１０８】
図１７に示されるように、従来例２および実施の形態１の燃料電池では、酸化ガスと燃料ガスの流れる方向が逆である場合の方が、発電電圧は高い。この結果は、高温低加湿条件下では、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向とが逆である方が発電性能は高いことを示唆する。
また、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池は、従来例２の燃料電池よりも膜抵抗が低い。この結果は、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の水分含有率が、従来例２のそれよりも高いことを示唆する。さらに、実施の形態２の燃料電池は、従来例２および実施の形態１の燃料電池よりも、発電電圧が高かった。
【０１０９】
図１８は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を高温低加湿条件下で運転した場合の、酸化ガス流路内の相対湿度（図１８Ａ）および燃料ガス流路内の相対湿度（図１８Ｂ）のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池を、中温フル加湿条件下で運転した場合（従来例１）と、従来の燃料電池を、高温低加湿条件下で運転した場合（従来例２）との、ガス流路内における相対湿度のシミュレーション結果も示す。
また、シミュレーションでは、酸化ガスの流れる方向は燃料ガスの流れる方向と逆にした。
【０１１０】
図１８Ａおよび図１８Ｂにおける一点鎖線Ａ１は、実施の形態１の相対湿度を示し；実線Ａ２は、実施の形態２の相対湿度を示し；二点鎖線Ｂ１は、従来例１の相対湿度を示し；点線Ｂ２は、従来例２の相対湿度を示す。
【０１１１】
図１８Ａに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、最も乾燥しやすい酸化ガス流路入口付近でも概ね４０％以上を維持している。一方で、従来例２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、酸化ガス流路入口付近で４０％以下となった。
【０１１２】
図１８Ｂに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の燃料ガス流路内の相対湿度は、燃料ガス流路の入口付近で概ね６０％であったのに対し、従来例２では、相対湿度６０％を上回ることが無かった。
【０１１３】
このように高温低加湿条件下では、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池よりも発電電圧が高く、膜抵抗が低い。したがって高温低加湿条件下では本発明の燃料電池の方が、従来の燃料電池よりも出力密度が高く、かつＭＥＡの耐久性が高いことが予想される。
【０１１４】
［実験例３］
本実験例では、保水領域および酸化ガス供給領域の幅によって燃料電池の出力が変化することを示すシミュレーション実験について説明する。
【０１１５】
シミュレーション用のプログラムとしてＡＮＳＹＳ社のＦＬＵＥＮＴ１２を用いた。
【０１１６】
次にシミュレーションにおける各種パラメータについて説明する。
触媒電極のサイズは縦２００ｍｍとした。
酸化ガス流路の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．３ｍｍとした。燃料ガス流路の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。高分子電解質膜の厚さを３０μｍとし；空気極触媒層の厚さを１０μｍとし；空気極ガス拡散層の厚さを２００μｍとし；燃料極触媒層の厚さを１０μｍとし；燃料極ガス拡散層の厚さを４００μｍとした。ガス拡散層の拡散性は、ペーパタイプ、クロスタイプと同程度とした。
【０１１７】
酸化ガスの露点を６５℃とし、燃料ガスの露点を６５℃とし、セル温度を８０℃とした。酸化ガス（空気）の利用率を５５％とし、燃料ガス（水素７５％、二酸化炭素２５％）の利用率を７５％とした。
【０１１８】
酸化ガス供給領域の幅を変数として、０〜６ｍｍとした。また保水領域の幅は、酸化ガス供給領域の幅の値に流路２本分の幅の値（２ｍｍ）を足した値として、２〜８ｍｍとした。
【０１１９】
図１９は、実験例３の解析結果を示すグラフである。図１９に示されたグラフの横軸は、酸化ガス供給領域の幅を示し、縦軸は発電電圧を示す。図１９に示されるように発電電圧は、酸化ガス供給領域の幅が０〜２ｍｍの範囲では増加し、酸化ガス供給領域の幅が２ｍｍ以上の範囲では減少する。また、酸化ガス供給領域の幅が１．４〜３．１ｍｍの範囲である場合に、発電電圧が高く（６．９ｍＶ以上）なる。
【０１２０】
この結果は、酸化ガス供給領域の幅が１．４ｍｍ〜３．１ｍｍであり、保水領域の幅が、３．４〜５．１ｍｍである場合に、発電電圧が高くなることを示唆する。
【０１２１】
本出願は、２００８年１１月１２日出願の特願２００８−２９００１０に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明に係る燃料電池は、高温低加湿または中温無加湿運転の固体高分子形燃料電池などに有用である。
【符号の説明】
【０１２３】
１００、３００  燃料電池
１１０  ＭＥＡ
１１１  高分子電解質膜
１１３  空気極触媒層
１１５  燃料極触媒層
１１７，３１７  空気極ガス拡散層
１１９  燃料極ガス拡散層
１２０、２２０、３２０  空気極セパレータ
１２１、２２１  酸化ガス流路
１２３、１３３、１５５  リブ
１２５  保水領域
１２７  酸化ガス供給領域
１３０  燃料極セパレータ
１３１  燃料ガス流路
１４０  酸化ガス供給マニホールド孔
１４１  酸化ガス排出マニホールド孔
１５０  冷媒供給マニホールド孔
１５１  冷媒排出マニホールド孔
１５３  冷媒流路
１６０  燃料ガス供給マニホールド孔
１６１  燃料ガス排出マニホールド孔
【図１】
2010055607.tif 000003
【図２】
2010055607.tif 000004
【図３】
2010055607.tif 000005
【図４】
2010055607.tif 000006
【図５】
2010055607.tif 000007
【図６】
2010055607.tif 000008
【図７】
2010055607.tif 000009
【図８】
2010055607.tif 000010
【図９】
2010055607.tif 000011
【図１０】
2010055607.tif 000012
【図１１】
2010055607.tif 000013
【図１２】
2010055607.tif 000014
【図１３】
2010055607.tif 000015
【図１４】
2010055607.tif 000016
【図１５】
2010055607.tif 000017
【図１６】
2010055607.tif 000018
【図１７】
2010055607.tif 000019
【図１８】
2010055607.tif 000020
【図１９】
2010055607.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月24日(2010.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本的に、プロトンを選択的に輸送する高分子電解質膜、ならびに高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極（燃料極および空気極）から構成される。上記構成を有する燃料電池は、燃料極に供給される燃料ガス（水素を含む）、および空気極に供給される酸化ガス（酸素を含む）を用いて、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。
【０００３】
高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。また、高分子電解質膜が、イオン輸送機能を有するためには、高分子電解質膜が一定量の水分を含むことが必要である。
【０００４】
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば、白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。これら高分子電解質膜および一対の触媒電極（触媒層、カーボンコート層およびガス拡散基材層）を一体化したものは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」という）と呼ばれる。
【０００５】
ＭＥＡは、積層されることで電気的に直列に接続されうる。このとき、燃料ガスと酸化ガスとが混ざらないようにするため、および各ＭＥＡを電気的に直列に接続するために、導電性のセパレータが各ＭＥＡの間に配置される。
【０００６】
セパレータには、燃料極に接する燃料極セパレータおよび空気極に接する空気極セパレータが含まれる。通常、燃料極セパレータには、ＭＥＡに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成され、空気極セパレータには、ＭＥＡに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路が形成される。
【０００７】
従来の燃料電池ではガス流路は、直線状のガス流路が互いに平行である（例えば特許文献１参照）。図１は特許文献１に開示された燃料電池の分解斜視図である。図１に示された燃料電池は、膜電極接合体１、空気極セパレータ２および燃料極セパレータ３を有する。空気極セパレータ２は、互いに平行の複数の直線状の酸化ガス流路８を有する。
【０００８】
このような構成を有する燃料電池では、一般的に酸化ガス流路同士のギャップ、すなわちリブの幅が小さい。リブは酸化ガス流路と異なり、酸化ガスの供給に寄与しないことから、リブの幅を小さくすると、より多くの酸化ガスをＭＥＡに供給することができる。そのため、従来の燃料電池では、酸化ガスの供給量を増やすため、リブの幅は小さくされる傾向にあった。
【０００９】
また、上述のように高分子電解質膜は、イオンを透過する機能のために一定量の水分を必要とする。したがって、従来の燃料電池では、燃料電池内に充分な水分を確保するために、燃料ガスおよび酸化ガスは予め加湿される。しかし酸化ガスを加湿するための加湿器は、発電には直接寄与せず、スペースを必要とする。したがって、加湿器を必要としない燃料電池コージェネレーションシステムを開発できれば、燃料電池コージェネレーションシステムの小型化が可能となり、システム全体のコストを削減することができる。また、加湿器を必要としない燃料電池コージェネレーションシステムを開発できれば、加湿器によるエネルギーロスが無くなるので、システム全体の効率の向上が可能となる。そのため、酸化ガスが低加湿または無加湿の状態であっても、発電効率が低下しない燃料電池の開発が求められてきた。
【００１０】
また、反応ガス流路内に発電時に生成された水が残存することによって起こるフラッディング現象を防止するため、セパレータに２以上の独立した反応ガス流路を形成する技術が知られている（例えば特許文献２、特許文献３および特許文献４参照）。特許文献２、特許文献３および特許文献４に開示された燃料電池では、それぞれの独立した反応ガス流路は、蛇行状に形成されている。
【００１１】
また、反応ガス流路を規定するリブの強度を確保するために、２以上の反応ガスを平行に配置する技術が知られている（例えば、特許文献５参照）。特許文献５に開示された燃料電池の反応ガス流路はそれぞれ蛇行状である。また、特許文献５に開示された燃料電池のセパレータは、カーボンセパレータである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２４９２４３号公報
【特許文献２】特開２００４−２４７２８９号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０１５７１０３号明細書
【特許文献４】特開２００２−５０３９２号公報
【特許文献５】特開２００８−６６２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
燃料電池を低加湿または無加湿で運転するためには、発電中に空気極の触媒層で生成される水分を燃料電池内に留めることが課題になる。燃料電池の発電時に空気極の触媒層で生成された水の燃料電池内における移動を図を用いて説明する。
【００１４】
図２は、燃料電池のＭＥＡの面方向に垂直な部分断面図である。図２に示された燃料電池は、ＭＥＡ１１０、空気極セパレータ１２０および燃料極セパレータ１３０を有する。ＭＥＡはさらに高分子電解質膜１１１、空気極触媒層１１３、燃料極触媒層１１５、空気極ガス拡散層１１７および燃料極ガス拡散層１１９を有する。
空気極セパレータ１２０は酸化ガス流路１２１およびリブ１２３を有する。また、燃料極セパレータ１３０は燃料ガス流路１３１およびリブ１３３を有する。複数の矢印Ｚは、空気極触媒層１１３で生成された水の移動を示す。リブ１２３および１３３はガス流路間のギャップを形成する。
【００１５】
図２に示されるように空気極触媒層１１３で生成された水は、拡散によって一部が酸化ガス流路１２１内に移動し、一部がリブ１２３の下に移動する。酸化ガス流路１２１内に移動した水は、酸化ガス流路１２１を通って燃料電池の外部に排出され、リブ１２３の下に移動した水は、リブ１２３の下に保持される。したがって、酸化ガス流路を通って排出される水の量を減らし、リブの下に保持される水の量を増やすことで、発電時に空気極の触媒層で生成された水を燃料電池内に留めることができる。
【００１６】
上述のように特許文献１に開示されたような燃料電池では、酸化ガス流路間のギャップ（リブ幅）が小さいので、発電中に生成された水の多くは、酸化ガス流路内に移動し、酸化ガス流路を通して燃料電池の外部に排出されてしまう。またリブ幅が小さいと、リブの下に保持された水分も拡散によって酸化ガス流路内に移動しやすくなる。そのため、ＭＥＡが乾燥し、出力密度が低下してしまう。またＭＥＡが乾燥すると、出力密度が下がるだけではなく、ＭＥＡが劣化しやすくなり、燃料電池の寿命が縮まる。
【００１７】
また、特許文献１に開示されたような燃料電池において、酸化ガス流路間のギャップ（リブ幅）を大きくすることで、リブ下に保持される水の量を増やし、ＭＥＡの湿度を保つことも考えられる。しかし、単純にリブ幅を大きくした場合、ＭＥＡに供給される酸化ガスの量が低下し、出力密度が低下してしまう。
【００１８】
本発明の目的は、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内に充分な量の水分を確保することができ、かつＭＥＡに充分な量の酸素ガスを供給することができる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は以下に記載される燃料電池に関する。
［１］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟み、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；前記空気極に酸化ガスを供給する、特定方向に沿った２以上の酸化ガス流路と；前記燃料極に燃料ガスを供給する、前記特定方向に平行な２以上の直線状の燃料ガス流路と；を有する燃料電池であって、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間の少なくとも一部には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、前記少なくとも一部を形成する、隣接する２つの前記酸化ガス流路の一方または両方は、蛇行状であり、前記燃料ガス流路は、前記酸化ガス流路のうち、前記燃料ガス流路に平行な部分に重ならない、燃料電池。
［２］前記酸化ガス流路は、酸化ガスに対する透過性を有するリブによって規定され、前記リブは、導電性多孔質体からなる、［１］に記載の燃料電池。
［３］前記導電性多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下である、［２］に記載の燃料電池。
［４］前記２以上の酸化ガス流路は、蛇行状であり、隣接する２つの前記酸化ガス流路同士は、前記特定方向に平行な線に関して線対称である、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［５］前記酸化ガス流路は、前記空気極セパレータに形成される、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［６］前記空気極セパレータは、金属板と、前記金属板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとを有する、［５］に記載の燃料電池。
［７］前記空気極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層と、前記触媒層上に積層され、前記空気極セパレータに接するガス拡散層と、を有し、前記酸化ガス流路は、前記ガス拡散層に形成される、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［８］前記燃料ガス流路は、前記燃料極セパレータに形成され、前記燃料極セパレータは、前記燃料ガス流路を規定するリブを有し、前記リブは、前記燃料ガスに対する透過性を有さない、［１］〜［７］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［９］前記燃料極セパレータは、カーボンセパレータまたは金属セパレータである、［８］に記載の燃料電池。
［１０］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、４５℃以下である、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［１１］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜４５℃であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスは加湿されない、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［１２］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向は、前記特定方向と同一であり、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向は、前記特定方向と逆であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、５５〜７５℃である、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［１３］前記酸化ガス流路は、上流領域と、下流領域とからなり、前記上流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、前記下流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの大きさは、一定であり、前記下流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップは、前記上流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの最大値よりも小さい、［１］〜［１２］のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池によれば、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内に充分な量の水分を確保することができ、ＭＥＡに充分な量の酸素ガスを供給することができる。また、本発明によれば高分子電解質膜の膜抵抗が低く、酸化ガスの濃度が高い領域に、燃料ガスを選択的に供給することができる。そのため本発明の燃料電池は、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の燃料電池の分解斜視図
【図２】従来の燃料電池内の水の動きを示す図
【図３】本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンを示す図
【図４】本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンを示す図
【図５】本発明の燃料電池の断面の斜視図
【図６】本発明の燃料電池における酸化ガス流路と燃料ガス流路との位置関係を示す図
【図７】本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンを示す図
【図８】本発明の燃料電池内の水の挙動を示す図
【図９】実施の形態１の燃料電池の斜視図
【図１０】実施の形態１の燃料電池の分解斜視図
【図１１】実施の形態１の燃料電池の空気極セパレータの平面図
【図１２】実施の形態１の燃料電池の燃料極セパレータの平面図
【図１３】実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータの平面図
【図１４】実施の形態３の燃料電池の分解斜視図
【図１５】本発明の燃料電池の中温無加湿条件下での発電電圧および膜抵抗を示すグラフ
【図１６】本発明の燃料電池の中温無加湿条件下でのガス流路内の相対湿度を示すグラフ
【図１７】本発明の燃料電池の高温低加湿条件下での発電電圧および膜抵抗を示すグラフ
【図１８】本発明の燃料電池の高温低加湿条件下でのガス流路内の相対湿度を示すグラフ
【図１９】実験例３の結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の燃料電池は、１）ＭＥＡと、２）空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと、４）複数の酸化ガス流路と、５）複数の燃料ガス流路とを有する。また本発明の燃料電池は、低加湿または無加湿の酸化ガスが供給される燃料電池に関する。
【００２３】
（１）膜電極接合体（ＭＥＡ）について
ＭＥＡは、高分子電解質膜ならびに高分子電解質膜を挟む空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する。空気極は、高分子電解質膜に接する空気極触媒層と、空気極触媒層に積層される空気極ガス拡散層とを有することが好ましい。同様に、燃料極は、高分子電解質膜に接する燃料極触媒層と、燃料極触媒層に積層される燃料極ガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２４】
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、プロトンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）膜などが含まれる。
【００２５】
空気極触媒層は、水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。空気極触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。
【００２６】
燃料極触媒層は、水素の酸化反応を促進する触媒を含む層である。燃料極触媒層は、導電性を有し、かつ水素の酸化反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。燃料極触媒層は、例えば、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２７】
空気極触媒層および燃料極触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene,  ＰＴＦＥ）などの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２８】
ガス拡散層（空気極ガス拡散層および燃料極ガス拡散層）は、膜電極接合体の最も外側に配置され、後述するセパレータに接する導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
【００２９】
ガス拡散層は、例えば、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を含浸させた炭素繊維や、糸状のカーボンを織って作製したカーボンクロス、紙状のカーボンペーパーなどを触媒層表面に熱圧着して、作製されてもよい。
【００３０】
（２）セパレータについて
セパレータは、ＭＥＡを機械的に固定し、かつＭＥＡに供給される酸化ガスと燃料ガスとを混ざらないようにするための導電性の板である。空気極セパレータは、空気極に接し、燃料極セパレータは、燃料極に接する。
【００３１】
（３）酸化ガス流路について
酸化ガス流路は、酸化ガスを空気極に供給するための流路である。酸化ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍ程度であることが好ましく、酸化ガス流路の深さは、０．３〜０．８ｍｍであることが好ましい。酸化ガス流路はリブによって規定される。
【００３２】
酸化ガスを規定するリブは、導電性を有し、酸化ガスに対する透過性を有することが好ましい。リブが酸化ガスに対する透過性を有することで、酸化ガスは酸化ガス流路だけでなく、リブ内にも拡散することができる。このため、酸化ガスは、酸化ガス流路からだけでなく、酸化ガス流路を規定するリブからも、空気極に供給されることができる。このため、空気極の表面全体に酸化ガスを供給することができ、空気極の発電面積を拡大させることができる。
【００３３】
このようなリブの材料は特に限定されないが、導電性の多孔質体であることが好ましい。導電性の多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。導電性多孔質体における平均孔径は、多孔質体の断面図のＳＥＭ写真から測定された孔の面積から、面積相当径の平均を算出することで得られる。または、導電性多孔質体における平均孔径は、水銀ポロシメータを用いた細孔分布計測によって求めることもできる。
【００３４】
このような導電性の多孔質体の例には、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を付帯させた炭素繊維や、糸状のカーボンを織って作製したカーボンクロス、紙状のカーボンペーパー、炭素繊維とＰＴＦＥとを混練してシート状にしたカーボンシートなどが含まれる。
【００３５】
また、多孔質体は、表面積が大きい。このため、酸化ガス流路を規定するリブが多孔質であると、空気極セパレータと空気極との接触面積が増加して、空気極セパレータと空気極との接触抵抗が低下する。これにより、発電された電力を効率的に取り出すことが可能となる。
【００３６】
本発明では、酸化ガス流路は、空気極セパレータに形成されてもよいし（図１０参照）、空気極ガス拡散層に形成されてもよい（図１４参照）。空気極セパレータに酸化ガス流路を形成する場合、空気極セパレータは、導電性の平板と、平板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとから構成されてもよい。平板は、例えば金属板である。
【００３７】
本発明の燃料電池は、酸化ガス流路の形状に特徴を有する。以下、図を参照しながら酸化ガス流路の形状について、詳細に説明する。
【００３８】
図３は、本発明の酸化ガス流路のパターンの一例を示す図である。図３では、酸化ガス流路１２１が空気極セパレータ１２０に形成された例を示す。図３に示されるように空気極セパレータ１２０は、特定方向Ｘに沿った、複数の酸化ガス流路１２１と、酸化ガス流路１２１を規定するリブ１２３とを有する。「特定方向Ｘ」は、酸化ガスの流れる方向を示す。リブ１２３は隣接する酸化ガス流路１２１間のギャップを形成する。
【００３９】
図３に示されるように、隣接する二つの酸化ガス流路の間には、酸化ガス流路間のギャップ（リブ幅）が大きい箇所１２５（以下「保水領域１２５」と称する）と、酸化ガス流路同士のギャップ（リブ幅）が小さい箇所１２７（以下「酸化ガス供給領域」という）とが、特定方向Ｘに沿って交互に配置されている。ここで「保水領域」とは、燃料電池の運転時に水分が保持される領域を意味し、「酸化ガス供給領域」とは、燃料電池の運転時に酸化ガスが集中的に供給される領域を意味する（後述）。
【００４０】
隣接する二つの酸化ガス流路の間のギャップの最大値１２５ｗ（以下単に「保水領域の幅」とも称する）は、隣接する二つの酸化ガス流路の間のギャップの最小値１２７ｗ（以下単に「酸化ガス供給領域の幅」とも称する）の２〜４倍であることが好ましい。より具体的には、保水領域の幅１２５ｗは、３〜６ｍｍであることが好ましく、酸化ガス供給領域の幅１２７ｗは、１．４〜３．１ｍｍであることが好ましい。
【００４１】
特定方向に沿って保水領域と酸化ガス供給領域とを交互に形成するには、例えば隣接する２つの酸化ガス流路を蛇行状とし、かつ当該隣接する２つの酸化ガス流路を特定方向に平行な線に関して線対称とすればよい。また、隣接する２つの酸化ガス流路の一方を蛇行状とし、もう一方を直線状とすればよい。隣接する２つの酸化ガス流路を蛇行状とした例が図４に示される。
【００４２】
図４は、本発明の燃料電池の酸化ガス流路のパターンの例を示す。図４に示されるように酸化ガス流路１２１および酸化ガス流路１２１に隣接する酸化ガス流路１２１’は、蛇行状である。また、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とは特定方向Ｘに平行な線Ｙに関して線対称である。
【００４３】
酸化ガス流路１２１および酸化ガス流路１２１’が蛇行状であり、かつ酸化ガス流路１２１と、酸化ガス流路１２１’とが線Ｙに関して線対称であることで、保水領域１２５および酸化ガス供給領域１２７が特定方向Ｘに沿って交互に配置される。
【００４４】
酸化ガス流路は、直角に蛇行していてもよいし（図４Ａ）、湾曲して蛇行していてもよいし（図４Ｂ）、ジグザグに蛇行していてもよい（図４Ｃ）。
【００４５】
（４）燃料ガス流路について
燃料ガス流路は、燃料極に燃料ガスを供給するための流路である。燃料ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍであることが好ましく、燃料ガス流路の深さは、０．３〜０．７ｍｍであることが好ましい。燃料ガス流路の形状は、酸化ガス流路のように蛇行状ではなく、直線状であることが好ましい。燃料ガス流路は上述した特定方向Ｘに平行であることが好ましい。また燃料ガスの圧力損失を調節するために、燃料ガス流路内に突起を設けてもよい。さらに、燃料ガス流路を規定するリブは、基本的に燃料ガスに対する透過性を有さないことが好ましい。燃料ガス流路を規定するリブを燃料ガスに対して非透過性とすることで、燃料ガスを所望の領域に集中的に供給することができる。
【００４６】
本発明では、燃料ガス流路は、燃料極セパレータに形成される。燃料極セパレータは、カーボンセパレータであってもよく、金属セパレータであってもよい。
【００４７】
（５）酸化ガス流路と燃料ガス流路との位置関係について
本発明は、酸化ガス流路と燃料ガス流路との位置関係にさらに特徴を有する。具体的には、本発明の燃料電池では、燃料ガス流路は、保水領域および酸化ガス供給領域に選択的に重なる。また、燃料ガス流路は、酸化ガス流路のうち、燃料ガス流路に平行な部分に重ならない。ここで「重なる」とは、燃料電池をＭＥＡの面方向に対して垂直な方向から見たときに、重なりあう関係を意味する。
【００４８】
図５は本発明の燃料電池の断面の斜視図であり、燃料ガス流路と酸化ガス流路との位置関係を示す図である。図５に示された燃料電池は、ＭＥＡ１１０、空気極セパレータ１２０、燃料極セパレータ１３０、酸化ガス流路１２１、燃料ガス流路１３１を有する。ＭＥＡ１１０は、高分子電解質膜１１１、空気極触媒層１１３、燃料極触媒層１１５、空気極ガス拡散層１１７、および燃料極ガス拡散層１１９を有する。
【００４９】
また、図６Ａは、ＭＥＡ１１０の面方向に対して垂直な方向から見たときの、図５に示された酸化ガス流路１２１と燃料ガス流路１３１との位置関係を示した図である。
【００５０】
図５および図６Ａに示された燃料ガス流路１３１’のように、燃料ガス流路は、保水領域１２５および酸化ガス供給領域１２７に選択的に重なる。また、図５および図６Ａに示された燃料ガス流路１３１のように、燃料ガス流路は、保水領域１２５のみに重なるように配置されていてもよい。
一方で、燃料ガス流路１３１は、図６Ｂで示されるように酸化ガス流路１２１のうち燃料ガス流路１３１に平行な部分に重なるように配置されることは好ましくない。後述するように空気極で生成された水は、酸化ガス流路を通って、燃料電池の外部に排出されるため、酸化ガス流路が位置する領域ではＭＥＡの湿度が低下し、高分子電解質膜の膜抵抗が上昇するからである。
【００５１】
このように、燃料ガス流路を保水領域に重なるように配置することで水分含有率が高い（ＭＥＡの膜抵抗が低い）領域に燃料ガスを供給することができ、プロトンが効率的に空気極側に輸送されることができる。また、燃料ガス流路を保水領域および酸化ガス供給領域に重なるように配置することで、水分含有率および酸化ガス含有率が高い領域に燃料ガスを供給することができ、より効率的に発電エネルギを得ることができる。
【００５２】
酸化ガス流路に流れる酸化ガスの流れる方向と燃料ガス流路に流れる燃料ガスの流れる方向とは、燃料電池の運転条件によって異なる。
例えば、燃料電池が中温無加湿条件下で運転される場合は、酸化ガスおよび燃料ガスの流れる方向は同一であることが好ましい。したがって、燃料電池が中温無加湿条件下で運転される場合は、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向とは、特定方向Ｘと同じである。
【００５３】
ここで「中温無加湿条件」とは、燃料電池に供給される酸化ガスが加湿されない運転条件を意味する。具体的には、中温無加湿条件とは、燃料電池の発電時の温度が５５〜７５℃であり；燃料電池に供給される酸化ガスの露点が４５℃以下、好ましくは−１０〜４５℃であり；燃料電池に供給される燃料ガスの露点が５０〜７０℃である条件を意味する。露点は、ガスに含まれる水分が多いと高くなり、ガスに含まれる水分が少ないと低くなる。このような中温無加湿条件では、酸化ガスの露点は、燃料ガスの露点よりも通常２０℃以上低い。
【００５４】
一方で、燃料電池が高温低加湿条件下で運転される場合、酸化ガスの流れる方向と、燃料ガスの流れる方向とは、逆であることが好ましい。したがって、燃料電池が高温低加湿条件下で運転される場合は、燃料ガスの流れる方向は、特定方向Ｘと逆である。
【００５５】
ここで「高温低加湿条件」とは、燃料電池の発電時の温度が８０〜１００℃であり；酸化ガスの露点が５５〜７５℃であり；燃料ガスの露点が５０〜７０℃である条件を意味する。このような高温低加湿条件では、酸化ガスの露点と、燃料ガスの露点との差は通常１０℃以下である。
【００５６】
燃料電池コージェネレーションシステムに供給される燃料ガスは、通常、燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成される。燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成された燃料ガスの露点は、５０℃〜７０℃になる。上述のように中温無加湿条件および高温低加湿条件における燃料ガスの露点が、ともに５０℃〜７０℃と比較的高かったのは、燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成された燃料ガスを用いることを想定したからである。
【００５７】
これまでは、全ての酸化ガス流路に流れる酸化ガスの流れる方向が全て同一である例について説明してきた（図３参照）。しかし本発明では、酸化ガスの流れる方向が同一である必要はない。例えば本発明の燃料電池は、図７に示されるような、酸化ガス流路を有することもある。
【００５８】
図７に示された酸化ガス流路１２１は、直線領域１２１ａおよび直線領域１２１ｃならびにターン領域１２１ｂを有する。ターン領域１２１ｂは、直線領域１２１ａと直線領域１２１ｃとを接続する。酸化ガス流路の入口から最初のターン領域１２１ｂまでの直線領域１２１ａでは酸化ガス流路１２１は特定方向Ｘに沿っている。すなわち直線領域１２１ａでは、酸化ガスは特定方向Ｘに流れる。一方で、ターン領域１２１ｂ後の直線領域１２１ｃでは酸化ガス流路１２１は特定方向Ｘとは逆の方向Ｘ’に沿っている。すなわち直線領域１２１ｃでは、酸化ガスは特定方向Ｘ’に流れる。
【００５９】
また、上述のように酸化ガス流路がターン領域を有する場合は、燃料ガス流路もターン領域を有することが好ましい。
【００６０】
このように構成された燃料電池を積層し、燃料電池スタックを製造してもよい。通常、燃料電池スタックは、集電板、絶縁板および端板によって挟持され、さらにスタッドボルトとナットとで固定される。
【００６１】
次に本発明の燃料電池の運転時における燃料電池内の水分の挙動について説明する。
本発明の燃料電池の運転時には、酸化ガス流路に、無加湿または低加湿の酸化ガスを供給し、燃料ガス流路に水素ガスを含む燃料ガスを供給して、電気エネルギを得る。電気エネルギは以下の反応で得られる。
【００６２】
まず、燃料極に供給された水素分子は、燃料極ガス拡散層を拡散し燃料極触媒層に達する。燃料極触媒層において、水素分子は、プロトンと電子に分けられる。プロトンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。電子は、外部回路を通して空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきたプロトンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。
【００６３】
上述のように本発明の燃料電池では、無加湿または低加湿の酸化ガスを酸化ガス流路に供給する。従来の燃料電池では、無加湿または低加湿の酸化ガスを酸化ガス流路に供給すると、酸化ガス流路の入口付近で高分子電解質膜が乾燥し、膜抵抗が上昇し、出力密度が下がることがあった。しかし、本発明の燃料電池では、隣接する酸化ガス流路間には、保水領域が配置されていることから、酸化ガス流路の入口付近であっても、生成された水分を保持することができる。また、隣接する酸化ガス流路間には、酸化ガス供給領域が配置されていることから、充分な量の酸化ガスをＭＥＡに供給することができる。以下図面を用いて、本発明の燃料電池における水分の動きについて説明する。
【００６４】
図８Ａは、図５に示した本発明の燃料電池１００の一点鎖線Ａにおける断面図であり、保水領域１２５の断面図である。図８Ａにおける複数の矢印Ｚは水の動きを示す。図８Ａに示されるように保水領域では酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップが大きい（リブ幅が大きい）ことから、空気極触媒層１１３で生成された水のほとんどはリブ１２３の下に拡散し、保持される。また、保水領域では、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップが大きいことから、リブ１２３の下に保持されている水は、酸化ガス流路１２１に拡散しにくい。このため、保水領域１２５には、発電によって生成された水分が保持される。
【００６５】
図８Ｂは、図５に示した本発明の燃料電池１００の二点鎖線Ｂにおける断面図であり、酸化ガス供給領域１２７の断面図である。図８Ｂにおける複数の矢印Ｚ’は酸化ガスの動きを示す。図８Ｂに示されるように、酸化ガス供給領域では、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップ（リブ幅が小さい）が小さい。また上述したようにリブ１２３は、酸化ガスを透過する多孔質体である。このため、酸化ガス供給領域には、酸化ガス流路１２１および酸化ガス流路１２１’から酸化ガス流入し、酸化ガスが集中的に供給される。
一方で酸化ガス供給領域では、酸化ガス流路１２１と酸化ガス流路１２１’とのギャップが小さい（リブ幅が小さい）ことから、リブ１２３の下に保持されている水は、酸化ガス流路に拡散しやすく、水分が保持されない。
【００６６】
このように、本発明の燃料電池では、保水領域と酸化ガス供給領域とを特定方向に沿って交互に配置することで、水分が多い領域と酸素濃度が高い領域とを特定方向に沿って交互に形成することができる。これにより、燃料電池内に水分を保持しつつも、空気極に充分な量の酸素を供給することができる。
【００６７】
さらに、燃料ガス流路を、保水領域および酸化ガス供給領域に選択的に重ねることで、高分子電解質膜の膜抵抗が低く、酸化ガスの濃度が高い領域に、燃料ガスを供給することができる。これにより、より効率的に発電エネルギを得ることができる。
【００６８】
そのため本発明によれば、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。
【００６９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００７０】
（実施の形態１）
実施の形態１では、酸化ガス流路が空気極セパレータに形成され、燃料極セパレータが金属セパレータである燃料電池について説明する。
【００７１】
図９は、実施の形態１の燃料電池の斜視図である。図１０は、実施の形態１の燃料電池１００の分解斜視図の一部である。
【００７２】
図９および図１０に示されるように燃料電池１００は、ＭＥＡ１１０、空気極セパレータ１２０および燃料極セパレータ１３０を有する。ＭＥＡ１１０は、高分子電解質膜１１１、空気極触媒層１１３、燃料極触媒層１１５、空気極ガス拡散層１１７、および燃料極ガス拡散層１１９を有する。
【００７３】
図１０に示されるように、酸化ガス流路１２１は、空気極セパレータ１２０に形成されている。また、燃料極セパレータ１３０は、波形形状の断面を有する金属セパレータである。燃料極セパレータ１３０は、ＭＥＡ１１０と接する面に燃料ガス流路１３１を有し、ＭＥＡ１１０と接する面の裏面に冷媒流路１５３を有する。燃料ガス流路１３１’は保水領域１２５および酸化ガス供給領域１２７に選択的に重なり、かつ、酸化ガス流路１２１のうち、燃料ガス流路１３１と平行な部分に重ならない。
【００７４】
図１１は、図９および図１０で示された空気極セパレータ１２０の平面図である。
【００７５】
図１１に示されたように、実施の形態１の空気極セパレータ１２０は、酸化ガス供給マニホールド孔１４０および酸化ガス排出マニホールド孔１４１、燃料ガス供給マニホールド孔１６０および燃料ガス排出マニホールド孔１６１ならびに冷媒供給マニホールド孔１５０および冷媒排出マニホールド孔１５１を有する。
【００７６】
酸化ガス供給マニホールド孔１４０は、酸化ガス流路１２１に酸化ガスを供給するための孔である。酸化ガス排出マニホールド孔１４１は、酸化ガス流路１２１から酸化ガスを排出するための孔である。
【００７７】
上述のように本実施の形態では酸化ガス流路１２１は、空気極セパレータ１２０に形成されている。このため空気極セパレータ１２０は、特定方向Ｘに沿った２以上の酸化ガス流路１２１を有する。２以上の酸化ガス流路１２１は蛇行状に形成され、特定方向Ｘと平行な線に関して線対称である。このため空気極セパレータ１２０は、特定方向Ｘに沿って保水領域１２５と酸化ガス供給領域１２７とを交互に有する。
【００７８】
図１２は、図９および図１０に示された燃料極セパレータ１３０の平面図である。図１２Ａは燃料極セパレータ１３０の燃料ガス流路１３１が形成された面の平面図であり、図１２Ｂは図１１Ａに示された燃料極セパレータ１３０の裏面１３０’の平面図である。裏面１３０’には互いに平行な２以上の冷媒流路１５３が形成されている。
【００７９】
図１２ＡおよびＢに示されたように、実施の形態１の燃料極セパレータ１３０は、酸化ガス供給マニホールド孔１４０および酸化ガス排出マニホールド孔１４１、燃料ガス供給マニホールド孔１６０および燃料ガス排出マニホールド孔１６１ならびに冷媒供給マニホールド孔１５０および冷媒排出マニホールド孔１５１を有する。また、燃料極セパレータ１３０には、互いに平行な２以上の燃料ガス流路１３１が形成されている。
【００８０】
燃料ガス供給マニホールド孔１６０は、燃料ガス流路１３１に燃料ガスを供給するための孔である。燃料ガス排出マニホールド孔１６１は、燃料ガス流路１３１から燃料ガスを排出するための孔である。
【００８１】
冷媒供給マニホールド孔１５０は、冷媒流路１５３に冷媒を供給するための孔である。冷媒排出マニホールド孔１５１は、冷媒流路１５３から冷媒を排出するための孔である。
【００８２】
上述したように燃料極セパレータ１３０は金属セパレータなので、燃料ガス流路１３１と、冷媒流路１５３とはそれぞれ表裏一体の関係にある。すなわち燃料極セパレータ１３０に形成されたリブ１３３は、裏面１３０’における冷媒流路１５３に対応し、裏面１３０’に形成されたリブ１５５は燃料極セパレータ１３０における燃料ガス流路１３１に対応する（図１０参照）。
【００８３】
このように実施の形態１の燃料電池の隣接する酸化ガス流路間に保水領域と酸化ガス供給領域とを特定方向に沿って交互に配置することで、酸化ガス流路に無加湿または低加湿の酸化ガスを供給する場合であっても、燃料電池内に充分に水分を保持することができ、かつ燃料電池に充分な量の酸化ガスを供給することができる。
【００８４】
さらに、燃料ガス流路を、保水領域および酸化ガス供給領域に選択的に重ねることで、高分子電解質膜の膜抵抗が低く、酸化ガスの濃度が高い領域に、燃料ガスを供給することができ、より効率的に発電エネルギを得ることができる。そのため、本実施の形態によれば、酸素ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。
【００８５】
（実施の形態２）
実施の形態１では、上流側の酸化ガス流路および下流側の酸化ガス流路の両方が蛇行状である例について説明した。実施の形態２では上流側の酸化ガス流路のみが蛇行状であり、下流側の酸化ガス流路は直線状である燃料電池について説明する。
【００８６】
実施の形態２の燃料電池は、酸化ガス流路の下流の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料電池１００と同じである。したがって、本実施の形態では、酸化ガス流路の形状についてのみ説明する。
【００８７】
図１３は実施の形態２の燃料電池の空気極セパレータ２２０の平面図である。実施の形態１の空気極セパレータ１２０と同じ構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８８】
図１３に示された空気極セパレータ２２０は、特定方向Ｘに沿った２以上の酸化ガス流路２２１を有する。酸化ガス流路２２１は、上流領域２２１ａと下流領域２２１ｂとからなる。ここで「上流領域」とは、酸化ガス流路のうち酸化ガス供給マニホールド孔１４０側の領域を意味し、「下流領域」とは、酸化ガス流路のうち酸化ガス排出マニホールド孔１４１側の領域を意味する。
【００８９】
上流領域２２１ａでは、酸化ガス流路２２１は蛇行状である。また、上流領域２２１ａでは、隣接する酸化ガス流路２２１同士は特定方向Ｘと平行な線に関して線対称である。このため、上流領域２２１ａでは、隣接する酸化ガス流路２２１間には、特定方向Ｘに沿って保水領域１２５と酸化ガス供給領域１２７とが交互に配置される。
【００９０】
一方、下流領域２２１ｂでは、酸化ガス流路２２１は、直線状である。したがって、下流領域２２１ｂでは、隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップ（リブ１２３の幅）は一定である。また、下流領域２２１ｂにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップは、上流領域２２１ａにおける隣接する酸化ガス流路２２１間にギャップの最大値（保水領域１２５の幅）よりも小さい。下流領域２２１ｂにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップは、上流領域２２１ａにおける隣接する酸化ガス流路２２１間に配置された酸化ガス供給領域１２７の幅と同程度であることが好ましい。このように、下流領域２２１ｂにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップは、上流領域２２１ａにおける隣接する酸化ガス流路２２１間のギャップよりも小さいので、下流領域２２１ｂでは、上流領域２２１ａよりも酸化ガス流路２２１の数が多くなる。
【００９１】
このように隣接する上流領域にのみに保水領域を形成することで、燃料電池のうち特に乾燥しやすい酸化ガス供給マニホールド孔付近（上流領域）のみを選択的に保水させることができる。また、酸化ガスが枯渇し易い下流領域では、酸化ガス流路同士を直線状にし、酸化ガス流路のギャップを小さくすることで、酸化ガスの供給量を増やすことができる。
【００９２】
（実施の形態３）
実施の形態１および２では、酸化ガス流路が空気極セパレータに形成された形態について説明した。実施の形態３では、酸化ガス流路が空気極ガス拡散層に形成された形態について説明する。
【００９３】
図１４は、実施の形態３の燃料電池３００の分解斜視図である。実施の形態１の燃料電池１００と同一の構成部材については同一の符号を付し説明を省略する。
【００９４】
図１４に示されるように、燃料電池３００は、空気極ガス拡散層３１７および空気極セパレータ３２０を有する。空気極ガス拡散層３１７には、酸化ガス流路１２１が形成されている。また、空気極セパレータ３２０は平板である。
【００９５】
［実験例１］
実験例１では、本発明の実施の形態１および実施の形態２の燃料電池を、中温無加湿条件下で運転したときの発電電圧、膜抵抗および反応ガスの相対湿度を、コンピューターシミュレーションで解析した。
【００９６】
図１５は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を中温無加湿条件下（燃料電池の発電時の温度：６５℃  酸化ガスの露点：３５℃  燃料ガスの露点：６５℃）で運転した場合の、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池（保水領域および酸化ガス供給領域を有さない燃料電池）を、中温フル加湿条件下（燃料電池の発電時の温度：６５℃  酸化ガスの露点：６５℃  燃料ガスの露点：６５℃）で運転した場合と（従来例１）、従来の燃料電池を、中温無加湿条件下で運転した場合（従来例２）の、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果も示す。
【００９７】
図１５に示された「同一方向」とは酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が同一である場合を示し、「逆方向」とは、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が逆である場合を示す。
【００９８】
図１５に示されるように、従来例２および実施の形態１の燃料電池を中温無加湿条件下運転する場合、酸化ガスと燃料ガスの流れる方向が同一である場合の方が、発電電圧は高い。この結果は、中温無加湿条件下では、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向とは同じであるほうが発電性能は高いことを示唆する。
【００９９】
また、従来例２、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池は、従来の酸化ガスの中温フル加湿条件下で運転した燃料電池（従来例１）と同等の発電電圧を有することが明らかとなった。しかし、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池は、従来例２の燃料電池よりも膜抵抗が低い。この結果は、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池では、従来例２の燃料電池よりもＭＥＡの水分含有率が高いことを示唆する。
【０１００】
図１６は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を中温無加湿条件下で運転した場合の、酸化ガス流路内の相対湿度（図１６Ａ）および燃料ガス流路内の相対湿度（図１６Ｂ）のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池を中温フル加湿条件下で運転した場合と（従来例１）、従来の燃料電池を、中温無加湿条件下で運転した場合（従来例２）とのガス流路内の相対湿度のシミュレーション結果も示す。
また、本シミュレーションでは、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向とは同一とした。
【０１０１】
図１６Ａおよび図１６Ｂにおける一点鎖線Ａ１は、実施の形態１の相対湿度を示し；実線Ａ２は、実施の形態２の相対湿度を示し；二点鎖線Ｂ１は、従来例１の相対湿度を示し；点線Ｂ２は、従来例２の相対湿度を示す。
【０１０２】
図１６Ａに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、最も乾燥しやすい酸化ガス流路入口付近でも概ね７０％以上を維持している。一方で、従来例２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、酸化ガス流路入口付近で３０％以下となった。
また、実施の形態１の燃料電池では、酸化ガス流路の出口付近で、相対湿度が１００％を超えるが、実施の形態２の燃料電池では、酸化ガス流路の出口付近でも、相対湿度が１００％を超えることがない。これは、実施の形態２の燃料電池では、酸化ガス流路の出口付近でフラッディングが起こりにくいことを示唆する。
【０１０３】
図１６Ｂに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の燃料ガス流路内の相対湿度は、概ね８０％以上を維持した。一方で、従来例２の燃料電池の燃料ガス流路内の相対湿度は、燃料ガス流路入口付近で７０％以下となった。
【０１０４】
このように中温無加湿条件下では、本発明の燃料電池のほうが、従来の燃料電池よりも、相対湿度が高く、膜抵抗が低い。したがって中温無加湿条件下では、本発明の燃料電池の方が、従来の燃料電池よりもＭＥＡの耐久性が高いことが予想される。
【０１０５】
［実験例２］
実験例２では、本発明の実施の形態１および実施の形態２の燃料電池を、高温低加湿条件下で運転したときの発電電圧、膜抵抗および反応ガスの相対湿度を、コンピューターシミュレーションで解析した。
【０１０６】
図１７は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を、高温低加湿条件下（燃料電池の発電時の温度：９０℃  酸化ガスの露点：６５℃  燃料ガスの露点：６５℃）で運転した場合の、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池を、中温フル加湿条件下で運転した場合と（従来例１）、従来の燃料電池を、高温低加湿条件下で運転した場合（従来例２）との、発電電圧および膜抵抗のシミュレーション結果も示す。
【０１０７】
図１７に示された「同一方向」とは酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が同一である場合を示し、「逆方向」とは、酸化ガスの流れる方向と燃料ガスの流れる方向が逆である場合を示す。
【０１０８】
図１７に示されるように、従来例２および実施の形態１の燃料電池では、酸化ガスと燃料ガスの流れる方向が逆である場合の方が、発電電圧は高い。この結果は、高温低加湿条件下では、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向とが逆である方が発電性能は高いことを示唆する。
また、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池は、従来例２の燃料電池よりも膜抵抗が低い。この結果は、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の水分含有率が、従来例２のそれよりも高いことを示唆する。さらに、実施の形態２の燃料電池は、従来例２および実施の形態１の燃料電池よりも、発電電圧が高かった。
【０１０９】
図１８は、実施の形態１の燃料電池および実施の形態２の燃料電池を高温低加湿条件下で運転した場合の、酸化ガス流路内の相対湿度（図１８Ａ）および燃料ガス流路内の相対湿度（図１８Ｂ）のシミュレーション結果を示す。
さらに比較例として、従来の燃料電池を、中温フル加湿条件下で運転した場合（従来例１）と、従来の燃料電池を、高温低加湿条件下で運転した場合（従来例２）との、ガス流路内における相対湿度のシミュレーション結果も示す。
また、シミュレーションでは、酸化ガスの流れる方向は燃料ガスの流れる方向と逆にした。
【０１１０】
図１８Ａおよび図１８Ｂにおける一点鎖線Ａ１は、実施の形態１の相対湿度を示し；実線Ａ２は、実施の形態２の相対湿度を示し；二点鎖線Ｂ１は、従来例１の相対湿度を示し；点線Ｂ２は、従来例２の相対湿度を示す。
【０１１１】
図１８Ａに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、最も乾燥しやすい酸化ガス流路入口付近でも概ね４０％以上を維持している。一方で、従来例２の燃料電池の酸化ガス流路内の相対湿度は、酸化ガス流路入口付近で４０％以下となった。
【０１１２】
図１８Ｂに示されるように、実施の形態１および実施の形態２の燃料電池の燃料ガス流路内の相対湿度は、燃料ガス流路の入口付近で概ね６０％であったのに対し、従来例２では、相対湿度６０％を上回ることが無かった。
【０１１３】
このように高温低加湿条件下では、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池よりも発電電圧が高く、膜抵抗が低い。したがって高温低加湿条件下では本発明の燃料電池の方が、従来の燃料電池よりも出力密度が高く、かつＭＥＡの耐久性が高いことが予想される。
【０１１４】
［実験例３］
本実験例では、保水領域および酸化ガス供給領域の幅によって燃料電池の出力が変化することを示すシミュレーション実験について説明する。
【０１１５】
シミュレーション用のプログラムとしてＡＮＳＹＳ社のＦＬＵＥＮＴ１２を用いた。
【０１１６】
次にシミュレーションにおける各種パラメータについて説明する。
触媒電極のサイズは縦２００ｍｍとした。
酸化ガス流路の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．３ｍｍとした。燃料ガス流路の幅を１．０ｍｍとし、深さを０．５ｍｍとした。高分子電解質膜の厚さを３０μｍとし；空気極触媒層の厚さを１０μｍとし；空気極ガス拡散層の厚さを２００μｍとし；燃料極触媒層の厚さを１０μｍとし；燃料極ガス拡散層の厚さを４００μｍとした。ガス拡散層の拡散性は、ペーパタイプ、クロスタイプと同程度とした。
【０１１７】
酸化ガスの露点を６５℃とし、燃料ガスの露点を６５℃とし、セル温度を８０℃とした。酸化ガス（空気）の利用率を５５％とし、燃料ガス（水素７５％、二酸化炭素２５％）の利用率を７５％とした。
【０１１８】
酸化ガス供給領域の幅を変数として、０〜６ｍｍとした。また保水領域の幅は、酸化ガス供給領域の幅の値に流路２本分の幅の値（２ｍｍ）を足した値として、２〜８ｍｍとした。
【０１１９】
図１９は、実験例３の解析結果を示すグラフである。図１９に示されたグラフの横軸は、酸化ガス供給領域の幅を示し、縦軸は発電電圧を示す。図１９に示されるように発電電圧は、酸化ガス供給領域の幅が０〜２ｍｍの範囲では増加し、酸化ガス供給領域の幅が２ｍｍ以上の範囲では減少する。また、酸化ガス供給領域の幅が１．４〜３．１ｍｍの範囲である場合に、発電電圧が高く（６．９ｍＶ以上）なる。
【０１２０】
この結果は、酸化ガス供給領域の幅が１．４ｍｍ〜３．１ｍｍであり、保水領域の幅が、３．４〜５．１ｍｍである場合に、発電電圧が高くなることを示唆する。
【０１２１】
本出願は、２００８年１１月１２日出願の特願２００８−２９００１０に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明に係る燃料電池は、高温低加湿または中温無加湿運転の固体高分子形燃料電池などに有用である。
【符号の説明】
【０１２３】
１００、３００  燃料電池
１１０  ＭＥＡ
１１１  高分子電解質膜
１１３  空気極触媒層
１１５  燃料極触媒層
１１７，３１７  空気極ガス拡散層
１１９  燃料極ガス拡散層
１２０、２２０、３２０  空気極セパレータ
１２１、２２１  酸化ガス流路
１２３、１３３、１５５  リブ
１２５  保水領域
１２７  酸化ガス供給領域
１３０  燃料極セパレータ
１３１  燃料ガス流路
１４０  酸化ガス供給マニホールド孔
１４１  酸化ガス排出マニホールド孔
１５０  冷媒供給マニホールド孔
１５１  冷媒排出マニホールド孔
１５３  冷媒流路
１６０  燃料ガス供給マニホールド孔
１６１  燃料ガス排出マニホールド孔
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟み、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；
前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；
前記空気極に酸化ガスを供給する、特定方向に沿った２以上の酸化ガス流路と；
前記燃料極に燃料ガスを供給する、前記特定方向に平行な２以上の直線状の燃料ガス流路と；を有する燃料電池であって、
隣接する２つの前記酸化ガス流路の間の少なくとも一部には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、
前記少なくとも一部を形成する、隣接する２つの前記酸化ガス流路の一方または両方は、蛇行状であり、
前記燃料ガス流路は、前記酸化ガス流路のうち、前記燃料ガス流路に平行な部分に重ならない、燃料電池。
【請求項２】
前記酸化ガス流路は、酸化ガスに対する透過性を有するリブによって規定され、
前記リブは、導電性多孔質体からなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記導電性多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記２以上の酸化ガス流路は、蛇行状であり、
隣接する２つの前記酸化ガス流路同士は、前記特定方向に平行な線に関して線対称である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸化ガス流路は、前記空気極セパレータに形成される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記空気極セパレータは、金属板と、前記金属板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとを有する、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記空気極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層と、前記触媒層上に積層され、前記空気極セパレータに接するガス拡散層と、を有し、
前記酸化ガス流路は、前記ガス拡散層に形成される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料ガス流路は、前記燃料極セパレータに形成され、
前記燃料極セパレータは、前記燃料ガス流路を規定するリブを有し、
前記リブは、前記燃料ガスに対する透過性を有さない、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料極セパレータは、カーボンセパレータまたは金属セパレータである、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、４５℃以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜４５℃であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスは加湿されない、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向は、前記特定方向と同一であり、
前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向は、前記特定方向と逆であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、５５〜７５℃である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記酸化ガス流路は、上流領域と、下流領域とからなり、
前記上流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、
前記下流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの大きさは、一定であり、
前記下流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップは、前記上流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの最大値よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010055607.tif 000022
【図２】
2010055607.tif 000023
【図３】
2010055607.tif 000024
【図４】
2010055607.tif 000025
【図５】
2010055607.tif 000026
【図６】
2010055607.tif 000027
【図７】
2010055607.tif 000028
【図８】
2010055607.tif 000029
【図９】
2010055607.tif 000030
【図１０】
2010055607.tif 000031
【図１１】
2010055607.tif 000032
【図１２】
2010055607.tif 000033
【図１３】
2010055607.tif 000034
【図１４】
2010055607.tif 000035
【図１５】
2010055607.tif 000036
【図１６】
2010055607.tif 000037
【図１７】
2010055607.tif 000038
【図１８】
2010055607.tif 000039
【図１９】
2010055607.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月22日(2010.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明は以下に記載される燃料電池に関する。
［１］  高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟み、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟み、２以上の酸化ガス流路が形成された空気極セパレータおよび２以上の燃料ガス流路が形成された燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；を有し、前記酸化ガス流路は、前記空気極に酸化ガスを供給し、前記燃料ガス流路は、前記燃料極に燃料ガスを供給する、燃料電池であって、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間の少なくとも一部には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、特定方向に沿って交互に配置され、前記少なくとも一部を形成する、隣接する２つの前記酸化ガス流路は、それぞれ蛇行状であり、かつ前記特定方向に平行な線に関して線対称であり、前記燃料ガス流路は、前記酸化ガス流路のうち、前記燃料ガス流路に平行な部分に重ならない、燃料電池。
［２］前記酸化ガス流路は、酸化ガスに対する透過性を有するリブによって規定され、前記リブは、導電性多孔質体からなる、［１］に記載の燃料電池。
［３］前記導電性多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下である、［２］に記載の燃料電池。
［４］前記空気極セパレータは、金属板と、前記金属板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとを有する、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［５］前記燃料極セパレータは、前記燃料ガス流路を規定するリブを有し、前記リブは、前記燃料ガスに対する透過性を有さない、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［６］前記燃料極セパレータは、カーボンセパレータまたは金属セパレータである、［５］に記載の燃料電池。
［７］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、４５℃以下である、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［８］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜４５℃であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスは加湿されない、［１］〜［７］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［９］前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向は、前記特定方向と同一であり、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向は、前記特定方向と逆であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、５５〜７５℃である、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［１０］前記酸化ガス流路は、上流領域と、下流領域とからなり、前記上流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、前記下流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの大きさは、一定であり、前記下流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップは、前記上流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの最大値よりも小さい、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟み、空気極および燃料極からなる一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；
前記膜電極接合体を挟み、２以上の酸化ガス流路が形成された空気極セパレータおよび２以上の燃料ガス流路が形成された燃料極セパレータからなる一対のセパレータと；を有し、
前記酸化ガス流路は、前記空気極に酸化ガスを供給し、
前記燃料ガス流路は、前記燃料極に燃料ガスを供給する、燃料電池であって、
隣接する２つの前記酸化ガス流路の間の少なくとも一部には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、特定方向に沿って交互に配置され、
前記少なくとも一部を形成する、隣接する２つの前記酸化ガス流路は、それぞれ蛇行状であり、かつ前記特定方向に平行な線に関して線対称であり、
前記燃料ガス流路は、前記酸化ガス流路のうち、前記燃料ガス流路に平行な部分に重ならない、燃料電池。
【請求項２】
前記酸化ガス流路は、酸化ガスに対する透過性を有するリブによって規定され、
前記リブは、導電性多孔質体からなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記導電性多孔質体における平均孔径は、１０μｍ以下である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記空気極セパレータは、金属板と、前記金属板上に配置され、導電性多孔質体からなるリブとを有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極セパレータは、前記燃料ガス流路を規定するリブを有し、
前記リブは、前記燃料ガスに対する透過性を有さない、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極セパレータは、カーボンセパレータまたは金属セパレータである、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、４５℃以下である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向と、前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向とは、前記特定方向と同一であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜４５℃であり、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスは加湿されない、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記酸化ガス流路に流れる前記酸化ガスの流れる方向は、前記特定方向と同一であり、
前記燃料ガス流路に流れる前記燃料ガスの流れる方向は、前記特定方向と逆であり、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、５５〜７５℃である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記酸化ガス流路は、上流領域と、下流領域とからなり、
前記上流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路の間には、前記酸化ガス流路間のギャップが大きい箇所と前記ギャップが小さい箇所とが、前記特定方向に沿って交互に配置され、
前記下流領域では、隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの大きさは、一定であり、
前記下流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップは、前記上流領域における隣接する２つの前記酸化ガス流路間のギャップの最大値よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池。
【国際調査報告】
2010055607.tif 000041
2010055607.tif 000042
2010055607.tif 000043
2010055607.tif 000044
2010055607.tif 000045
2010055607.tif 000046
2010055607.tif 000047
2010055607.tif 000048