(57)【要約】  膜電極構造体の乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供する。電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層とを有する膜電極構造体、を少なくとも備える積層体、及び、該積層体を狭持する一対のセパレータを具備し、該一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータの積層体側の面に、積層体へと供給される反応ガスが流通する流入流路、及び、積層体を通過した反応ガスが流通する流出流路が備えられ、流入流路は積層体へと供給される反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、流出流路は積層体を通過した反応ガスの上流端が閉塞され、流入流路及び流出流路は、セパレータにおいて互いに分離して配置され、流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深い、燃料電池とする。
2010067453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層とを有する膜電極構造体、を少なくとも備える積層体、及び、該積層体を狭持する一対のセパレータを具備し、
前記一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータの前記積層体側の面に、前記積層体へと供給される反応ガスが流通する流入流路、及び、前記積層体を通過した反応ガスが流通する流出流路が備えられ、
前記流入流路は前記積層体へと供給される前記反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、前記流出流路は前記積層体を通過した前記反応ガスの上流端が閉塞され、
前記流入流路及び前記流出流路は、前記セパレータにおいて互いに分離して配置され、
前記流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深いことを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記流入流路及び前記流出流路が備えられる前記セパレータにおける前記流出流路の下流側領域の深さが、該流出流路の上流側領域の深さよりも深いことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記一方のセパレータが前記カソード触媒層側に配置されていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、流路の入口又は出口が閉塞された閉塞流路を有する、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下において、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード触媒層及びカソード触媒層）とを備える膜電極構造体（以下において、「ＭＥＡ」ということがある。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域で運転することができる。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを含む積層体を狭持する一対の集電体（セパレータ）と、を備え、ＭＥＡには、プロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下において、「水素」ということがある。）が、カソードに酸素含有ガス（以下において、「空気」ということがある。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノード触媒層に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソード触媒層へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが、カソード触媒層に含まれる触媒の作用下で反応することにより、水が生成される。【０００４】
ＭＥＡに含有されるプロトン伝導性ポリマーを含水状態に保つことにより、プロトン伝導抵抗を低減させることが可能になる。そのため、ＰＥＦＣの運転時には、加湿された水素及び加湿された空気（以下において、これらをまとめて「反応ガス」ということがある。）を単セルへと供給し、ＭＥＡを含水状態に保っている。ところが、単セル内に存在する水は、反応ガスと共に、反応ガスの流通方向へと移動し得る。そのため、ＭＥＡでは、水分量の分布が生じることがある。具体的には、反応ガス流通方向の上流側に面するＭＥＡの領域は、反応ガス流通方向の下流側に面するＭＥＡの領域と比較して乾燥しやすい。また、反応ガス流通方向の下流側には液体の水（以下において、「液水」という。）が溜まりやすく、フラッディングと呼ばれる状態になりやすい。ＭＥＡが乾燥すると、プロトン伝導抵抗が増大し、ＰＥＦＣの発電性能が低下する。また、フラッディングが発生すると、反応ガスの拡散が阻害されて電気化学反応の発生頻度が低減するため、ＰＥＦＣの発電性能が低下する。それゆえ、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、ＭＥＡの乾燥やフラッディングの発生を抑制する必要がある。【０００５】
フラッディングの発生を抑制し得る技術として、これまでに、入口又は出口が閉塞された反応ガス流路（以下において、当該流路を「閉塞流路」ということがある。）を有するＰＥＦＣが開発されてきている。閉塞流路を有する形態とすることにより、隣り合う流路の間に位置するセパレータの部位（以下において「凸部」という。）と対向する積層体の領域にも、多くの反応ガスを拡散させることができる。そのため、かかる形態とすることにより、排水性を向上させることが可能になる。【０００６】
例えば特許文献１には、閉塞流路を有するＰＥＦＣに関する技術が開示されている。【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されている技術では、閉塞流路が集電体（セパレータ）に形成されているので、凸部と対向する積層体の領域にも、多くの反応ガスを拡散させることができる。そのため、凸部と対向する積層体の領域に液水が滞留する事態を抑制することが可能になると考えられる。ところが、特許文献１に開示されている技術では、流路の出口が閉塞された閉塞流路（以下において、「流入流路」という。）の入口近傍において、反応ガスが高流速で流通する。そのため、特許文献１に開示されている技術には、流入流路の入口近傍と面するＭＥＡの領域から水が持ち去られやすく、当該領域が乾燥しやすいという問題があった。【０００９】
そこで本発明は、膜電極構造体の乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層とを有する膜電極構造体を少なくとも備える積層体、及び、該積層体を狭持する一対のセパレータを具備し、該一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータの積層体側の面に、積層体へと供給される反応ガスが流通する流入流路、及び、積層体を通過した反応ガスが流通する流出流路が備えられ、流入流路は積層体へと供給される反応ガスの下流端が閉塞され、かつ、流出流路は積層体を通過した反応ガスの上流端が閉塞され、流入流路及び流出流路は、セパレータにおいて互いに分離して配置され、流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深いことを特徴とする、燃料電池である。【００１１】
ここに、本発明において、「膜電極構造体を少なくとも備える積層体」とは、膜電極構造体からなる積層体と、膜電極構造体及びその他の要素からなる積層体とを含む概念である。積層体に備えられる「その他の要素」としては、ＰＥＦＣの単セルにおいて一対のセパレータに狭持される要素のうち、ＭＥＡを除く公知の構成要素（例えば、ＭＥＡとセパレータとの間に配設されるガス拡散層等）を用いることができる。さらに、本発明において、「積層体へと供給される反応ガス」及び「積層体を通過した反応ガス」とは、水素含有ガス、又は、酸素含有ガスをいう。さらに、本発明において、「反応ガスが流通する」とは、少なくとも反応ガスが流通することをいい、反応ガスに加えて、燃料電池の発電によって生成された水等が流通することも許容する概念である。さらに、本発明において、「流入流路及び流出流路は、セパレータにおいて互いに分離して配置され」とは、一対のセパレータを構成する一方のセパレータのみに流入流路及び流出流路が備えられ、他方のセパレータには閉塞流路が備えられない場合（すなわち、入口及び出口が開口している流路のみが備えられる場合）には、当該一方のセパレータに備えられる流入流路及び流出流路が互いに分離して配置されることをいう。これに対し、一対のセパレータを構成する各セパレータに、流入流路及び流出流路を備えられる場合には、各セパレータに備えられる流入流路及び流出流路が、それぞれ互いに分離して配置されることをいう。さらに、本発明において、「流入流路の上流側領域」とは、流入流路の全長（流入流路における反応ガス流通方向の長さ。以下において同じ。）の中間点から流入流路の上流端（入口）までの領域をいう。さらに、本発明において、「流入流路の下流側領域」とは、流入流路の全長の中間点から流入流路の下流端（閉塞部）までの領域をいう。さらに、本発明において、「流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深い」とは、流入流路の全長の中間点から所定の距離ｘ（ｘ＞０。以下において同じ。）だけ上流端側の位置における流入流路の深さが、当該中間点から所定の距離ｘだけ下流端側の位置における流入流路の深さよりも深いことをいう。【００１２】
また、上記本発明において、さらに、流入流路及び流出流路が備えられるセパレータにおける流出流路の下流側領域の深さが、該流出流路の上流側領域の深さよりも深いことが好ましい。【００１３】
ここに、本発明において、「流出流路の下流側領域」とは、流出流路の全長（流出流路における反応ガス流通方向の長さ。以下において同じ。）の中間点から流出流路の下流端（出口）までの領域をいう。さらに、本発明において、「流出流路の上流側領域」とは、流出流路の全長の中間点から流出流路の上流端（閉塞部）までの領域をいう。さらに、本発明において、「流出流路の下流側領域の深さが、該流出流路の上流側領域の深さよりも深い」とは、流出流路の全長の中間点から所定の距離ｘだけ下流端側の位置における流出流路の深さが、当該中間点から所定の距離ｘだけ上流端側の位置における流出流路の深さよりも深いことをいう。【００１４】
また、上記本発明において、上記一方のセパレータをカソード触媒層側に配置することができる。【００１５】
ここに、本発明において、「上記一方のセパレータをカソード触媒層側に配置する」とは、流入流路の深さが上述のように制御されているセパレータ（以下において、当該形態を「第１形態」という。）、又は、流入流路及び流出流路の深さが上述のように制御されているセパレータ（以下において、当該形態を「第２形態」という。）を、少なくともカソード触媒層側に配置することをいう。すなわち、本発明の燃料電池では、第１形態のセパレータ又は第２形態のセパレータが少なくともカソード触媒層側に配置されていれば良い。本発明の燃料電池のアノード触媒層側に配置されるセパレータが採り得る形態としては、上記第１形態や上記第２形態のほか、全長に亘って深さが略一定の流入流路及び流出流路が備えられる形態や、入口及び出口が開口している流路のみが備えられる形態等を例示することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池では、流入流路の上流側領域の深さが、該流入流路の下流側領域の深さよりも深い。そのため、流入流路の上流側領域を流通する反応ガスの流速を低減させることができ、ＭＥＡから過度の水が持ち去られる事態を抑制してＭＥＡの乾燥を抑制することができる。さらに、流入流路の流路幅ではなく流入流路の上流側領域の深さを深くすることで、セパレータの内部を流通する冷却媒体によって冷却される流入流路側面の面積を増大させることができるため、乾燥抑制効果を容易に得ることができる。さらに、流入流路の下流側領域の深さを、該流入流路の上流側領域の深さよりも浅くすることにより、流入流路の下流側領域を流通する反応ガスの流速を増大させることができる。そのため、流入流路の下流側領域及び当該領域と対峙する積層体におけるフラッディングの発生を抑制することができる。したがって、本発明の燃料電池によれば、ＭＥＡの乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することができる。【００１７】
また、本発明の燃料電池において、さらに、流出流路の下流側領域の深さを、該流出流路の上流側領域の深さよりも深くすることにより、流出流路の下流側領域を流通する反応ガスの流速を低減させることができる。そのため、流出流路の下流側領域と面するＭＥＡから過度に水が持ち去られる事態を抑制して、ＭＥＡの乾燥を抑制することができる。さらに、流出流路の流路幅ではなく流出流路の下流側領域の深さを深くすることで、セパレータの内部を流通する冷却媒体によって冷却される流出流路側面の面積を増大させることができるため、乾燥抑制効果を容易に得ることができる。加えて、流出流路の上流側領域の深さを、該流出流路の下流側領域の深さよりも浅くすることにより、流出流路の上流側領域を流通する反応ガスの流速を増大させることができる。そのため、流出流路の上流側領域及び当該領域と対峙する積層体におけるフラッディングの発生を抑制することができる。したがって、かかる形態とすることにより、ＭＥＡの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制することが可能になる。【００１８】
また、本発明の燃料電池において、さらに、流入流路、又は、流入流路及び流出流路の深さが制御されているセパレータが少なくともカソード触媒層側に配置されることにより、ＭＥＡの乾燥及びフラッディングが発生しやすいカソード触媒層側における水分量の分布を均一化することができる。したがって、かかる形態とすることにより、ＭＥＡの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の燃料電池１０の形態例を示す断面図である。
【図２】セパレータ８の形態例を概略的に示す平面図である。
【図３】流入流路８ｘの形態例を概略的に示す断面図である。
【図４】流出流路８ｙの形態例を概略的に示す断面図である。
【図５】セパレータ９の形態例を概略的に示す平面図である。
【図６】流入流路９ｘの形態例を概略的に示す断面図である。
【図７】流出流路９ｙの形態例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１…電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４…ＭＥＡ（膜電極構造体）
５…ガス拡散層
６…ガス拡散層
７…積層体
８…セパレータ
８ｘ…流入流路
８ｙ…流出流路
８ｚ…凸部
９…セパレータ
９ｘ…流入流路
９ｙ…流出流路
９ｚ…凸部
１０…燃料電池
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ＰＥＦＣの運転時に、ＭＥＡを含む積層体に含まれる水分量は、積層体の形態、アノード触媒層側を流通する水素の流路構成、カソード触媒層側を流通する空気の流路構成、及び、運転条件等によって異なり、アノード触媒層やカソード触媒層の面内においても、水分量の分布が生じ得る。このため、面内のある部位では水分過多によるフラッディングが発生し、当該面内の他の部位では水分不足による乾燥が生じることがある。これは、反応ガスによって持ち去られる水分量が、アノード触媒層やカソード触媒層の部位に応じて異なること等に起因している。【００２２】
本発明者らは、反応ガスによって持ち去られる水分量と、反応ガスの流速との間には、相関があることを知見した。そのため、反応ガスの流速を増大させることで、反応ガスにより持ち去られる水分量を増大させることができ、反応ガスの流速を低減させることで、反応ガスにより持ち去られる水分量を低減させることができると考えられる。【００２３】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、流入流路や流出流路の深さを制御することによって、ＭＥＡの乾燥及びフラッディングの発生を抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することを主な要旨とする。【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。【００２５】
図１は、本発明の燃料電池１０の形態例を概略的に示す断面図である。図１の紙面上下方向が、流入流路８ｘ、８ｘ、…、流出流路８ｙ、８ｙ、…、流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さ方向である。また、図１の紙面奥／手前方向又は図１の紙面手前／奥方向が、膜電極構造体４へと供給される反応ガスの流通方向である。【００２６】
図１に示すように、本発明の燃料電池１０は、電解質膜１、該電解質膜１の一方の面に形成されたアノード触媒層２、及び、該アノード触媒層２が形成された電解質膜１の面とは反対側の面に形成されたカソード触媒層３、を備えるＭＥＡ４、アノード触媒層２側に配設されたガス拡散層５、並びに、カソード触媒層３側に配設されたガス拡散層６、を備える積層体７と、ガス拡散層５側に配設されたセパレータ８と、ガス拡散層６側に配設されたセパレータ９と、を有している。セパレータ８のガス拡散層５側の面には、水素が流通する、流入流路８ｘ、８ｘ、…、及び、流出流路８ｙ、８ｙ、…が備えられ、セパレータ８には、冷却媒体が流通する空間（不図示）が備えられている。また、セパレータ９のガス拡散層６側の面には、空気が流通する、流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、流出流路９ｙ、９ｙ、…が備えられ、セパレータ９には、冷却媒体が流通する空間（不図示）が備えられている。【００２７】
図２は、セパレータ８の形態例を概略的に示す平面図である。図２の紙面手前／奥方向が、流入流路８ｘ、８ｘ、…及び流出流路８ｙ、８ｙ、…の深さ方向である。図２の矢印は水素の流通方向を示しており、図２の紙面左側は図１の紙面手前側と対応している。【００２８】
図２に示すように、流入流路８ｘ、８ｘ、…は、水素の下流端が閉塞されており、流出流路８ｙ、８ｙ、…は、水素の上流端が閉塞されている。図２に示すように、セパレータ８に備えられている流入流路８ｘ、８ｘ、…、及び、流出流路８ｙ、８ｙ、…は、交互に分離して配置されており、互いに接続されていない。それゆえ、燃料電池１０において、流入流路８ｘ、８ｘ、…を介して供給された水素は、ガス拡散層５やアノード触媒層２へと拡散し、その後、ガス拡散層５やアノード触媒層２を通過した水素が、流出流路８ｙ、８ｙ、…へと達する。したがって、燃料電池１０によれば、隣接する流入流路８ｘ、８ｘ、…と流出流路８ｙ、８ｙ、…との間の凸部８ｚと対向するガス拡散層５及びアノード触媒層２の領域（以下において、「凸部８ｚ対向領域」という。）にも、水素を容易に拡散させることができる。そのため、燃料電池１０によれば、凸部８ｚ対向領域に液水が滞留する事態を抑制でき、フラッディングの発生を抑制することが可能になる。【００２９】
図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図３の紙面上側が図２の紙面手前側と対応しており、図３の紙面上下方向が、流入流路８ｘの深さ方向である。【００３０】
図２及び図３に示すように、流入流路８ｘ、８ｘ、…は、上流側領域（図３にＸ１で示す領域。以下において同じ。）の深さが、下流側領域（図３にＹ１で示す領域。以下において同じ。）の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流入流路８ｘ、８ｘ、…の上流側領域を流通する水素の流速を低減させることができ、流入流路８ｘ、８ｘ、…の上流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流入流路８ｘ、８ｘ、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流入流路８ｘ、８ｘ、…の上流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流入流路８ｘ、８ｘ、…の上流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、ＭＥＡ４の当該領域から過度の水が蒸発する事態（過度の水が持ち去られる事態）を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流入流路８ｘ、８ｘ、…の上流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、ＭＥＡ４の乾燥を抑制することができる。【００３１】
また、図２及び図３に示すように、流入流路８ｘ、８ｘ、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流入流路８ｘ、８ｘ、…の下流側領域を流通する水素の流速を増大させることができ、流入流路８ｘ、８ｘ、…の下流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体７の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流入流路８ｘ、８ｘ、…の下流側領域及び当該領域と対峙する積層体７の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。【００３２】
図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。図４の紙面上側が図２の紙面手前側と対応しており、図４の紙面上下方向が、流出流路８ｙの深さ方向である。【００３３】
図２及び図４に示すように、流出流路８ｙ、８ｙ、…は、下流側領域（図４にＹ２で示す領域。以下において同じ。）の深さが、上流側領域（図４にＸ２で示す領域。以下において同じ。）の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流出流路８ｙ、８ｙ、…の下流側領域を流通する水素の流速を低減させることができ、流出流路８ｙ、８ｙ、…の下流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流出流路８ｙ、８ｙ、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流出流路８ｙ、８ｙ、…の下流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流出流路８ｙ、８ｙ、…の下流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、ＭＥＡ４の当該領域から過度の水が蒸発する事態（過度の水が持ち去られる事態）を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流出流路８ｙ、８ｙ、…の下流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、ＭＥＡ４の乾燥を抑制することができる。【００３４】
また、図２及び図４に示すように、流出流路８ｙ、８ｙ、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流出流路８ｙ、８ｙ、…の上流側領域を流通する水素の流速を増大させることができ、流出流路８ｙ、８ｙ、…の上流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体７の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流出流路８ｙ、８ｙ、…の上流側領域及び当該領域と対峙する積層体７の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。【００３５】
図５は、セパレータ９の形態例を概略的に示す平面図である。図５の紙面手前／奥方向が、流入流路９ｘ、９ｘ、…及び流出流路９ｙ、９ｙ、…の深さ方向である。図５の矢印は空気の流通方向を示しており、図５の紙面左側は図１の紙面手前側と対応している。【００３６】
図５に示すように、流入流路９ｘ、９ｘ、…は、空気の下流端が閉塞されており、流出流路９ｙ、９ｙ、…は、空気の上流端が閉塞されている。図５に示すように、セパレータ９に備えられている流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、流出流路９ｙ、９ｙ、…は、交互に分離して配置されており、互いに接続されていない。それゆえ、燃料電池１０において、流入流路９ｘ、９ｘ、…を介して供給された空気は、ガス拡散層６やカソード触媒層３へと拡散し、その後、ガス拡散層６やカソード触媒層３を通過した空気が、流出流路９ｙ、９ｙ、…へと達する。したがって、燃料電池１０によれば、隣接する流入流路９ｘ、９ｘ、…と流出流路８ｙ、８ｙ、…との間の凸部９ｚと対向するガス拡散層６及びカソード触媒層３の領域（以下において、「凸部９ｚ対向領域」という。）にも、空気を容易に拡散させることができる。そのため、燃料電池１０によれば、凸部９ｚ対向領域に液水が滞留する事態を抑制でき、フラッディングの発生を抑制することが可能になる。【００３７】
図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。図６の紙面上側が図５の紙面手前側と対応しており、図６の紙面上下方向が、流入流路９ｘの深さ方向である。【００３８】
図５及び図６に示すように、流入流路９ｘ、９ｘ、…は、上流側領域（図６にＸ３で示す領域。以下において同じ。）の深さが、下流側領域（図６にＹ３で示す領域。以下において同じ。）の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流入流路９ｘ、９ｘ、…の上流側領域を流通する空気の流速を低減させることができ、流入流路９ｘ、９ｘ、…の上流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流入流路９ｘ、９ｘ、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流入流路９ｘ、９ｘ、…の上流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流入流路９ｘ、９ｘ、…の上流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、ＭＥＡ４の当該領域から過度の水が蒸発する事態（過度の水が持ち去られる事態）を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流入流路９ｘ、９ｘ、…の上流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、ＭＥＡ４の乾燥を抑制することができる。【００３９】
また、図５及び図６に示すように、流入流路９ｘ、９ｘ、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流入流路９ｘ、９ｘ、…の下流側領域を流通する空気の流速を増大させることができ、流入流路９ｘ、９ｘ、…の下流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体７の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流入流路９ｘ、９ｘ、…の下流側領域及び当該領域と対峙する積層体７の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。【００４０】
図７は、図５のＤ−Ｄ断面図である。図７の紙面上側が図５の紙面手前側と対応しており、図７の紙面上下方向が、流出流路９ｙの深さ方向である。【００４１】
図５及び図７に示すように、流出流路９ｙ、９ｙ、…は、下流側領域（図７にＹ４で示す領域。以下において同じ。）の深さが、上流側領域（図７にＸ４で示す領域。以下において同じ。）の深さよりも深くなるように構成されている。そのため、流出流路９ｙ、９ｙ、…の下流側領域を流通する空気の流速を低減させることができ、流出流路９ｙ、９ｙ、…の下流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域から過度の水が持ち去られる事態を抑制することができる。加えて、流出流路９ｙ、９ｙ、…は、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように構成されているので、冷却媒体によって冷却される、流出流路９ｙ、９ｙ、…の下流側領域の流路側面の面積を増大させることができる。このような構成とすることにより、流出流路９ｙ、９ｙ、…の下流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域における過度の温度上昇を抑制することができるので、ＭＥＡ４の当該領域から過度の水が蒸発する事態（過度の水が持ち去られる事態）を抑制することができる。過度の水が持ち去られる事態を抑制することにより、流出流路９ｙ、９ｙ、…の下流側領域と対峙するＭＥＡ４の一部領域の乾燥を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、ＭＥＡ４の乾燥を抑制することができる。【００４２】
また、図５及び図７に示すように、流出流路９ｙ、９ｙ、…は、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも浅くなるように構成されている。そのため、流出流路９ｙ、９ｙ、…の上流側領域を流通する空気の流速を増大させることができ、流出流路９ｙ、９ｙ、…の上流側領域、及び、当該領域と対峙する積層体７の一部領域から持ち去られる水の量を増大させることができる。持ち去られる水の量を増大させることにより、流出流路９ｙ、９ｙ、…の上流側領域及び当該領域と対峙する積層体７の一部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができるので、燃料電池１０によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。【００４３】
燃料電池１０に関する上記説明では、アノード触媒層２側に、深さが制御された流入流路８ｘ、８ｘ、…及び流出流路８ｙ、８ｙ、…を備えるセパレータ８が配置され、かつ、カソード触媒層３側に、深さが制御された流入流路９ｘ、９ｘ、…及び流出流路９ｙ、９ｙ、…を備えるセパレータ９が配置される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、少なくともカソード触媒層側に、深さが制御された流入流路、又は、深さが制御された流入流路及び流出流路、を備えるセパレータが配置されていれば良い。ただし、ＭＥＡの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制し得る形態の燃料電池を提供する等の観点からは、アノード触媒層側及びカソード触媒層側に、深さが制御された流入流路、又は、深さが制御された流入流路及び流出流路、を備えるセパレータが配置されることが好ましい。【００４４】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、深さが制御された流入流路９ｘ、９ｘ、…及び流出流路９ｙ、９ｙ、…を備えるセパレータ９を例示したが、本発明の燃料電池のカソード触媒層側に配置されるセパレータは、当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池のカソード触媒層側に配置されるセパレータは、少なくとも流入流路の上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように、深さが制御されていれば良い。ただし、ＭＥＡの乾燥及びフラッディングの発生を容易に抑制し得る形態の燃料電池を提供する等の観点からは、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流入流路、及び、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流出流路を備えるセパレータが、カソード触媒層側に配置されることが好ましい。【００４５】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、深さが制御された流入流路８ｘ、８ｘ、…及び流出流路８ｙ、８ｙ、…を備えるセパレータ８を例示したが、本発明の燃料電池のアノード触媒層側に配置されるセパレータは、当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池のアノード触媒層側に配置されるセパレータは、水素が流通する流路として、水素の入口及び出口が開口している流路のみが備えられる形態であっても良く、水素流通方向の全長に亘って深さが一定とされた流入流路及び流出流路が備えられる形態であっても良い。このほか、水素が流通する流路として、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流入流路と水素流通方向の全長に亘って深さが一定とされた流出流路とが備えられる形態であっても良い。ただし、ＭＥＡのアノード触媒層側における乾燥、及び、積層体のアノード触媒層側におけるフラッディングの発生を容易に抑制し得る形態の燃料電池を提供する等の観点からは、上流側領域の深さが下流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流入流路、及び、下流側領域の深さが上流側領域の深さよりも深くなるように深さが制御された流出流路を備えるセパレータが、アノード触媒層側に配置されることが好ましい。【００４６】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、水素の流通方向と空気の流通方向とが互いに向かい合う方向である形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池における水素の流通方向及び空気の流通方向は、同一の方向とすることも可能である。【００４７】
また、燃料電池１０に関する上記説明では、略直線状の流入流路８ｘ、８ｘ、…、及び、略直線状の流出流路８ｙ、８ｙ、…が備えられるセパレータ８、並びに、略直線状の流入流路９ｘ、９ｘ、…、及び、略直線状の流出流路９ｙ、９ｙ、…が備えられるセパレータ９を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池に備えられる流入流路及び流出流路、又は、水素の入口及び出口が開口している流路は、何れも、湾曲した形状（例えば、いわゆるサーペンタイン形状等）とすることができる。【００４８】
また、本発明を、複数の単セルが積層されたセル積層体を備える燃料電池へ適用する際、少なくとも流入流路の深さが制御されている、流入流路及び流出流路を備えたセパレータが、少なくともカソード触媒層側に配置されている単セルのみによってセル積層体を構成しても良く、当該単セルをセル積層体の一部に配置しても良い。当該単セルをセル積層体の一部に配置する場合、その配置箇所は特に限定されるものではないが、セル積層体の中央に位置する単セルと比較して低温環境に曝されやすいセル積層体の端部に配置することが好ましい。かかる形態とすることにより、フラッディングの発生を容易に抑制することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の燃料電池は、電気自動車の動力源や携帯用電源等として利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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