(57)【要約】  フラッディングを抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供する。少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を狭持する一対のセパレータと、を具備し、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、セパレータの積層体側の面における、流入流路及び流出流路の流路幅方向両端に、流入流路が配置されている、燃料電池とする。
2010067452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を狭持する一対のセパレータと、を具備し、
前記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、
前記セパレータの前記積層体側の前記面における、前記流入流路及び前記流出流路の流路幅方向両端に、前記流入流路が配置されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
一の前記セパレータに備えられる前記流入流路の数が、該一の前記セパレータに備えられる前記流出流路の数よりも多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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、流路の入口又は出口が閉塞された閉塞流路を有する、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下において、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード触媒層及びカソード触媒層）とを備える膜電極構造体（以下において、「ＭＥＡ」ということがある。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域で運転することができる。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを含む積層体を狭持する一対の集電体（セパレータ）と、を備え、ＭＥＡには、プロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下において、「水素」ということがある。）が、カソードに酸素含有ガス（以下において、「空気」ということがある。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノード触媒層に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソード触媒層へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが、カソード触媒層に含まれる触媒の作用下で反応することにより、水が生成される。【０００４】
ＭＥＡに含有されるプロトン伝導性ポリマーを含水状態に保つことにより、プロトン伝導抵抗を低減することが可能になる。そのため、ＰＥＦＣの運転時には、ＭＥＡを含水状態に保つ必要がある。ところが、ＰＥＦＣの運転時に、単セルの排水能力を超える量の水が生成されると、ＭＥＡへと供給される水素や空気が流通する流路（以下において、単に「流路」ということがある。）等に液体の水（以下において、「液水」という。）が滞留し、フラッディングと呼ばれる状態になる。フラッディングが発生すると、反応ガスの拡散が阻害されて電気化学反応の発生頻度が低減するため、ＰＥＦＣの発電性能が低下する。それゆえ、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、フラッディングを解消する必要がある。【０００５】
フラッディングを解消し得る技術として、これまでに、流路の入口又は出口が閉塞された閉塞流路を有するＰＥＦＣが開発されてきている。閉塞流路を有する形態とすることにより、隣り合う流路の間に位置するセパレータの部位（以下において「凸部」という。）と対向する積層体の領域にも、多くの反応ガスを拡散させることができる。そのため、かかる形態とすることにより、排水性を向上させることが可能になる。【０００６】
例えば特許文献１には、閉塞流路を有するＰＥＦＣに関する技術が開示されている。そして、特許文献１では、ＭＥＡへと供給されるガスが流通する閉塞流路（以下において、当該閉塞流路を「流入流路」ということがある。）の本数と、ＭＥＡを通過したガスが流通する閉塞流路（以下において、当該閉塞流路を「流出流路」ということがある。）の本数とが等しい形態が開示されている。【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されている技術では、閉塞流路が集電体（セパレータ）に形成されているので、凸部と対向する積層体の領域にも、多くの反応ガスを拡散させることができる。そのため、凸部と対向する積層体の領域に液水が滞留する事態を抑制することが可能になると考えられる。ここで、例えばＰＥＦＣの高出力運転時には、単セルが外気よりも高温になりやすく、高温の単セルは、主に外縁部から多くの熱が放出される。それゆえ、単セルの外縁部は単セルの中央部よりも低温環境に曝されやすい。液水は、低温環境に曝される領域に滞留しやすいので、ＰＥＦＣの高出力運転時に、フラッディングは、単セルの外縁部で発生しやすい。ここで一般に、閉塞流路を有するＰＥＦＣでは、流入流路と流出流路とが交互に配置される。そのため、流入流路の本数と流出流路の本数とが等しい、特許文献１に開示されている技術では、必ず、一の流入流路、及び、一の流出流路が、閉塞流路の両端に配置される。一の流入流路が最外側に配置されている領域では、当該一の流入流路から、これと隣接する流出流路へと向かうガスの流れが存在する。そのため、当該一の流入流路と対向する積層体の領域には、液水が滞留し難い。これに対し、一の流出流路が最外側に配置されている領域では、当該一の流出流路よりもさらに外側の部位から当該一の流出流路へと向かうガスの流れが存在しない。そのため、当該一の流出流路と対向する積層体の領域には、液水が滞留しやすい（フラッディングが発生しやすい）。すなわち、特許文献１に開示されている技術には、特に単セルの外縁部で、フラッディングが発生しやすいという問題があった。【０００９】
そこで本発明は、フラッディングを抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を狭持する一対のセパレータと、を具備し、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、セパレータの積層体側の面における、流入流路及び流出流路の流路幅方向両端に、流入流路が配置されていることを特徴とする、燃料電池である。【００１１】
ここに、本発明において、「少なくとも膜電極構造体を備える積層体」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。【００１２】
また、上記本発明において、一のセパレータに備えられる流入流路の数が、該一のセパレータに備えられる流出流路の数よりも多いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池では、セパレータの積層体側の面における、流入流路及び流出流路の流路幅方向両端に、流入流路が配置されている。そのため、本発明の燃料電池によれば、外縁部を含む単セルの全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。【００１４】
また、本発明の燃料電池において、一のセパレータに備えられる流入流路の数が、該一のセパレータに備えられる流出流路の数よりも多いことにより、フラッディングの発生を容易に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】閉塞流路を有する燃料電池に備えられていた従来のセパレータ９８の形態例を概略的に示す平面図である。
【図４】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】閉塞流路を有する燃料電池に備えられていた従来のセパレータ９９の形態例を概略的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００１６】
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
８ｘａ…流入流路
８ｘｂ…流入流路
８ｘｃ…流入流路
８ｘｄ…流入流路
８ｘｅ…流入流路
８ｘｆ…流入流路
８ｙ…流出流路
８ｙａ…流出流路
８ｙｂ…流出流路
８ｙｃ…流出流路
８ｙｄ…流出流路
８ｙｅ…流出流路
８ｚ…凸部
９…セパレータ
９ｘ…流入流路
９ｘａ…流入流路
９ｘｂ…流入流路
９ｘｃ…流入流路
９ｘｄ…流入流路
９ｘｅ…流入流路
９ｘｆ…流入流路
９ｙ…流出流路
９ｙａ…流出流路
９ｙｂ…流出流路
９ｙｃ…流出流路
９ｙｄ…流出流路
９ｙｅ…流出流路
９ｚ…凸部
１０…燃料電池
９８…セパレータ
９８ｘ…流入流路
９８ｙ…流出流路
９９…セパレータ
９９ｘ…流入流路
９９ｙ…流出流路
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。【００１８】
図１は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。図１の紙面上下方向が、膜電極構造体の厚さ方向であり、図１の紙面奥／手前方向又は図１の紙面手前／奥方向が、膜電極構造体へと供給される反応ガスの流通方向である。【００１９】
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、…が備えられている。【００２０】
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の紙面上下方向が、流入流路８ｘ、８ｘ、…及び流出流路８ｙ、８ｙ、…の流路幅方向（以下において、単に「流路幅方向」という。）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。以下の説明において、図２に示されている流入流路８ｘ、８ｘ、…を、図２の紙面上方から下方へ向かって、順に、流入流路８ｘａ、８ｘｂ、…、８ｘｆということがある。同様に、図２に示されている流出流路８ｙ、８ｙ、…を、図２の紙面上方から下方へ向かって、順に、流出流路８ｙａ、８ｙｂ、…８ｙｅということがある。また、図３は、閉塞流路を有する燃料電池のアノード触媒層側に備えられていた従来のセパレータ９８の形態例を概略的に示す平面図である。図３の矢印は水素の流通方向を示している。以下、図１乃至図３を参照しつつ、燃料電池１０について説明を続ける。【００２１】
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解消することが可能になる。【００２２】
さらに、図２に示すように、燃料電池１０のセパレータ８では、流入流路８ｘ、８ｘ、…の数が流出流路８ｙ、８ｙ、…の数よりも多く、流路幅方向両端に、流入流路８ｘａ及び流入流路８ｘｆがそれぞれ配置されている。かかる構成の燃料電池１０では、流入流路８ｘａから流出流路８ｙａへと向かう水素の流れが存在し、かつ、流入流路８ｘｆから流出流路８ｙｅへと向かう水素の流れが存在する。これに対し、図３に示すように、セパレータ９８は、流入流路９８ｘ、９８ｘ、…、及び、流出流路９８ｙ、９８ｙ、…を有しており、従来の燃料電池では、流出流路９８ｙ、９８ｙ、…と同数の流入流路９８ｘ、９８ｘ、…が備えられている。そのため、図３の紙面上方の端部に流入流路９８ｘを配置すると、図３の紙面下方の端部に流出流路９８ｙが配置される。このような構成にすると、図３の紙面下方の端部に位置する流出流路９８ｙよりも下方の領域から当該流出流路９８ｙへと向かう水素の流れが存在しない。そのため、従来の燃料電池では、図３にＸで示す領域（領域Ｘ）と対向するガス拡散層やアノード触媒層等（すなわち、単セルの外縁部）に、液水が滞留しやすく、フラッディングが発生しやすかった。ところが、燃料電池１０では、流路幅方向両端に、流入流路８ｘａ及び流入流路８ｘｆをそれぞれ配置している。ここで、各流入流路８ｘ、８ｘ、…を流通する水素の量をＧ１とすると、流入流路８ｘａを流通した水素は、当該流入流路８ｘａと隣接している唯一の流出流路８ｙａへと向かって拡散すると考えられる。そのため、一の流入流路８ｘから当該一の流入流路８ｘと隣接している流出流路８ｙへと到達するまでの間にアノード触媒層２で消費される水素の量をＧ２とすると、流入流路８ｘａから流出流路８ｙａへと向かう水素の量は「Ｇ１−Ｇ２」で表すことができる。同様に、流入流路８ｘｆから流出流路８ｙｅへと向かう水素の量も、「Ｇ１−Ｇ２」で表すことができる。これに対し、流入流路８ｘａ及び流入流路８ｘｆを除く、流入流路８ｘｂ、８ｘｃ、８ｘｄ、８ｘｅは、その両側に、流出流路８ｙａ、８ｙｂ、…、８ｙｅがそれぞれ配置されている。そのため、流入流路８ｘｂ、８ｘｃ、８ｘｄ、８ｘｅのそれぞれから、これと隣接している流出流路８ｙａ、８ｙｂ、…、８ｙｅのそれぞれへと向かう水素の量は、「（Ｇ１−Ｇ２）／２」で表すことができる。すなわち、燃料電池１０では、流入流路８ｘａから流出流路８ｙａへと向かう水素の量、及び、流入流路８ｘｆから流出流路８ｙｅへと向かう水素の量を、その他の流入流路８ｘｂ、８ｘｃ、８ｘｄ、８ｘｅのそれぞれから流出流路８ｙａ、８ｙｂ、…、８ｙｅのそれぞれへと向かう水素の量の２倍とすることができる。このように、燃料電池１０によれば、単セルの外縁部を流通する水素の量を増大させることができ、これによって、単セルの外縁部から持ち去られる液水の量を増大させることができる。したがって、燃料電池１０によれば、外縁部を含む単セルの全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。【００２３】
図４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４の紙面上下方向が、流入流路９ｘ、９ｘ、…及び流出流路９ｙ、９ｙ、…の流路幅方向（以下において、単に「流路幅方向」という。）である。図４の矢印は空気の流通方向を示しており、図４の紙面左側は図１の紙面手前側と対応している。以下の説明において、図４に示されている流入流路９ｘ、９ｘ、…を、図４の紙面上方から下方へ向かって、順に、流入流路９ｘａ、９ｘｂ、…、９ｘｆということがある。同様に、図４に示されている流出流路９ｙ、９ｙ、…を、図４の紙面上方から下方へ向かって、順に、流出流路９ｙａ、９ｙｂ、…、９ｙｅという事がある。また、図５は、閉塞流路を有する燃料電池のカソード触媒層側に備えられていた従来のセパレータ９９の形態例を概略的に示す平面図であり、図５の矢印は空気の流通方向を示している。以下、図１、図４、及び、図５を参照しつつ、燃料電池１０について説明を続ける。【００２４】
図４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４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９ｙ、９ｙ、…との間の凸部９ｚと対向するガス拡散層６及びカソード触媒層３の領域（以下において、「凸部９ｚ対向領域」という。）にも、空気を容易に拡散させることができる。そのため、燃料電池１０によれば、凸部９ｚ対向領域に液水が滞留する事態を抑制でき、フラッディングの発生を解消することが可能になる。【００２５】
さらに、図４に示すように、燃料電池１０のセパレータ９では、流入流路９ｘ、９ｘ、…の数が流出流路９ｙ、９ｙ、…の数よりも多く、流路幅方向両端に、流入流路９ｘａ及び流入流路９ｘｆがそれぞれ配置されている。かかる構成の燃料電池１０では、流入流路９ｘａから流出流路９ｙａへと向かう空気の流れが存在し、かつ、流入流路９ｘｆから流出流路９ｙｅへと向かう空気の流れが存在する。これに対し、図５に示すように、セパレータ９９は、流入流路９９ｘ、９９ｘ、…、及び、流出流路９９ｙ、９９ｙ、…を有しており、従来の燃料電池では、流出流路９９ｙ、９９ｙ、…と同数の流入流路９９ｘ、９９ｘ、…が備えられている。そのため、図５の紙面上方の端部に流入流路９９ｘを配置すると、図５の紙面下方の端部に流出流路９９ｙが配置される。このような構成にすると、図５の紙面下方の端部に位置する流出流路９９ｙよりも下方の領域から当該流出流路９９ｙへと向かう空気の流れが存在しない。そのため、従来の燃料電池では、図５にＹで示す領域（領域Ｙ）と対向するガス拡散層やカソード触媒層等（すなわち、単セルの外縁部）に、液水が滞留しやすく、フラッディングが発生しやすかった。ところが、燃料電池１０では、流路幅方向両端に流入流路９ｘａ及び流入流路９ｘｆをそれぞれ配置している。ここで、各流入流路９ｘ、９ｘ、…を流通する空気の量をＧ３とすると、流入流路９ｘａを流通した空気は、当該流入流路９ｘａと隣接している唯一の流出流路９ｙａへと向かって拡散すると考えられる。そのため、一の流入流路９ｘから当該一の流入流路９ｘと隣接している流出流路９ｙへと到達するまでの間にカソード触媒層３で消費される空気の量をＧ４とすると、流入流路９ｘａから流出流路９ｙａへと向かう空気の量は「Ｇ３−Ｇ４」で表すことができる。同様に、流入流路９ｘｆから流出流路９ｙｅへと向かう空気の量も、「Ｇ３−Ｇ４」で表すことができる。これに対し、流入流路９ｘａ及び流入流路９ｘｆを除く、流入流路９ｘｂ、９ｘｃ、９ｘｄ、９ｘｅは、その両側に、流出流路９ｙａ、９ｙｂ、…、９ｙｅがそれぞれ配置されている。そのため、流入流路９ｘｂ、９ｘｃ、９ｘｄ、９ｘｅのそれぞれから、これと隣接している流出流路９ｙａ、９ｙｂ、…、９ｙｅのそれぞれへと向かう空気の量は、「（Ｇ３−Ｇ４）／２」で表すことができる。すなわち、燃料電池１０では、流入流路９ｘａから流出流路９ｙａへと向かう空気の量、及び、流入流路９ｘｆから流出流路９ｙｅへと向かう空気の量を、その他の流入流路９ｘｂ、９ｘｃ、９ｘｄ、９ｘｅのそれぞれから流出流路９ｙａ、９ｙｂ、…、９ｙｅのそれぞれへと向かう空気の量の２倍とすることができる。このように、燃料電池１０によれば、単セルの外縁部を流通する空気の量を増大させることができ、これによって、単セルの外縁部から持ち去られる液水の量を増大させることができる。したがって、燃料電池１０によれば、外縁部を含む単セルの全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。【００２６】
燃料電池１０に関する上記説明では、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータが、両極側、すなわち、アノード触媒層２と対向するように配置されたセパレータ８、及び、カソード触媒層３と対向するように配置されたセパレータ９に備えられてい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。流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータは、一方の極側、すなわち、アノード触媒層と対向する側、又は、カソード触媒層と対向する側にのみ備えられていても良い。燃料電池の発電時には、カソード触媒層で水が生成されるため、フラッディングはカソード触媒層側で発生しやすいと考えられる。ところが、カソード触媒層側に存在する液水が電解質膜を通ってアノード触媒層側へ拡散（逆拡散）することにより、アノード触媒層側においてフラッディングが発生することもあると考えられる。それゆえ、本発明において、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータは、少なくともカソード触媒層と対向する側に配置することができ、両極側に配置されることが好ましい。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
また、本発明の燃料電池において、流路幅方向両端に流入流路が配置されていれば、セパレータに備えられる流入流路及び流出流路の数は、特に限定されるものではない。流入流路及び流出流路の数は、アノード触媒層の大きさ、流入流路の流路幅、流出流路の流路幅、及び、凸部の幅等に応じて適宜決定することができる。本発明の燃料電池において、流入流路の数は、例えば６本とすることができ、流出流路の数は、例えば５本とすることができる。【００３０】
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、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータを有する単セルのみによってセル積層体を構成しても良く、当該単セルをセル積層体の一部に配置しても良い。当該単セルをセル積層体の一部に配置する場合、その配置箇所は特に限定されるものではないが、セル積層体の中央に位置する単セルと比較して低温環境に曝されやすいセル積層体の端部に、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータを有する単セルを配置することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
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】
2010067452.tif 000003
【図２】
2010067452.tif 000004
【図３】
2010067452.tif 000005
【図４】
2010067452.tif 000006
【図５】
2010067452.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月7日(2010.10.7)
【手続補正１】
【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】
少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を挟持する一対のセパレータと、を具備し、
前記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、
前記セパレータの前記積層体側の前記面における、前記流入流路及び前記流出流路の流路幅方向両端に、前記流入流路が配置され、
一の前記セパレータに備えられる前記流入流路の数が、該一の前記セパレータに備えられる前記流出流路の数よりも多く、
前記流入流路及び前記流出流路は、直線状であり、
前記積層体のアノード側を流通する反応ガスの流通方向と、前記積層体のカソード側を流通する反応ガスの流通方向とが、互いに向かい合う方向であることを特徴とする、燃料電池。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
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を含む積層体を挟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
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
、フラッディングは、単セルの外縁部で発生しやすい。ここで一般に、閉塞流路を有するＰＥＦＣでは、流入流路と流出流路とが交互に配置される。そのため、流入流路の本数と流出流路の本数とが等しい、特許文献１に開示されている技術では、必ず、一の流入流路、及び、一の流出流路が、閉塞流路の両端に配置される。一の流入流路が最外側に配置されている領域では、当該一の流入流路から、これと隣接する流出流路へと向かうガスの流れが存在する。そのため、当該一の流入流路と対向する積層体の領域には、液水が滞留し難い。これに対し、一の流出流路が最外側に配置されている領域では、当該一の流出流路よりもさらに外側の部位から当該一の流出流路へと向かうガスの流れが存在しない。そのため、当該一の流出流路と対向する積層体の領域には、液水が滞留しやすい（フラッディングが発生しやすい）。すなわち、特許文献１に開示されている技術には、特に単セルの外縁部で、フラッディングが発生しやすいという問題があった。
［０００９］
そこで本発明は、フラッディングを抑制することが可能な、閉塞流路を有する燃料電池を提供することを課題とする。
課題を解決するための手段
［００１０］
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を挟持する一対のセパレータと、を具備し、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、セパレータの積層体側の面における、流入流路及び流出流路の流路幅方向両端に、流入流路が配置され、一のセパレータに備えられる流入流路の数が、該一のセパレータに備えられる流出流路の数よりも多く、流入流路及び流出流路は、直線状であり、積層体のアノード側を流通する反応ガスの流通方向と、積層体のカソード側を流通する反応ガスの流通方向とが、互いに向かい合う方向であることを特徴とする、燃料電池である。
［００１１］
ここに、本発明において、「少なくとも膜電極構造体を備える積層体」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挟持される要素のうち、ＭＥＡを除く公知の構成要素（例えば
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
、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。
［００１２］
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。
発明の効果
［００１３］
本発明の燃料電池では、セパレータの積層体側の面における、流入流路及び流出流路の流路幅方向両端に、流入流路が配置されている。そのため、本発明の燃料電池によれば、外縁部を含む単セルの全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。
［００１４］
また、本発明の燃料電池において、一のセパレータに備えられる流入流路の数が、該一のセパレータに備えられる流出流路の数よりも多いことにより、フラッディングの発生を容易に抑制することができる。
図面の簡単な説明
［００１５］
［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］閉塞流路を有する燃料電池に備えられていた従来のセパレータ９８の形態例を概略的に示す平面図である。
［図４］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］閉塞流路を有する燃料電池に備えられていた従来のセパレータ９９の形態例を概略的に示す平面図である。
符号の説明
［００１６］
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）
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
アノード触媒層と対向する側、又は、カソード触媒層と対向する側にのみ備えられていても良い。
［００２７］
燃料電池の発電時には、カソード触媒層で水が生成されるため、フラッディングはカソード触媒層側で発生しやすいと考えられる。ところが、カソード触媒層側に存在する液水が電解質膜を通ってアノード触媒層側へ拡散（逆拡散）することにより、アノード触媒層側においてフラッディングが発生することもあると考えられる。それゆえ、本発明において、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータは、少なくともカソード触媒層と対向する側に配置することができ、両極側に配置されることが好ましい。
［００２８］
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。
［００２９］
また、本発明の燃料電池において、流路幅方向両端に流入流路が配置されていれば、セパレータに備えられる流入流路及び流出流路の数は、特に限定されるものではない。流入流路及び流出流路の数は、アノード触媒層の大きさ、流入流路の流路幅、流出流路の流路幅、及び、凸部の幅等に応じて適宜決定することができる。本発明の燃料電池において、流入流路の数は、例えば６本とすることができ、流出流路の数は、例えば５本とすることができる。
［００３０］
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、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータを有する単セルのみによってセル積層体を構成しても良く、当該単セルをセル積層体の一部に配置しても良い。当該単セルをセル積層体の一部に配置する場合、その配置箇所は特に
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月5日(2011.4.5)
【手続補正１】
【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】
少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を挟持する一対のセパレータと、を具備し、
前記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、
前記セパレータの前記積層体側の前記面における、前記流入流路及び前記流出流路の流路幅方向両端に、前記流入流路が配置され、
一の前記セパレータに備えられる前記流入流路の数が、該一の前記セパレータに備えられる前記流出流路の数よりも多く、
前記流入流路及び前記流出流路は、直線状であり、
前記積層体のアノード側を流通する反応ガスの流通方向と、前記積層体のカソード側を流通する反応ガスの流通方向とが、互いに向かい合う方向であることを特徴とする、燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを含む積層体を挟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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を挟持する一対のセパレータと、を具備し、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、セパレータの積層体側の面における、流入流路及び流出流路の流路幅方向両端に、流入流路が配置され、一のセパレータに備えられる流入流路の数が、該一のセパレータに備えられる流出流路の数よりも多く、流入流路及び流出流路は、直線状であり、積層体のアノード側を流通する反応ガスの流通方向と、積層体のカソード側を流通する反応ガスの流通方向とが、互いに向かい合う方向であることを特徴とする、燃料電池である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
ここに、本発明において、「少なくとも膜電極構造体を備える積層体」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挟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。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
燃料電池１０に関する上記説明では、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータが、両極側、すなわち、アノード触媒層２と対向するように配置されたセパレータ８、及び、カソード触媒層３と対向するように配置されたセパレータ９に備えられてい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。流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータは、一方の極側、すなわち、アノード触媒層と対向する側、又は、カソード触媒層と対向する側にのみ備えられていても良い。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
燃料電池の発電時には、カソード触媒層で水が生成されるため、フラッディングはカソード触媒層側で発生しやすいと考えられる。ところが、カソード触媒層側に存在する液水が電解質膜を通ってアノード触媒層側へ拡散（逆拡散）することにより、アノード触媒層側においてフラッディングが発生することもあると考えられる。それゆえ、本発明において、流路幅方向の両端に流入流路が配置されているセパレータは、少なくともカソード触媒層と対向する側に配置することができ、両極側に配置されることが好ましい。
【国際調査報告】
2010067452.tif 000008
2010067452.tif 000009
2010067452.tif 000010
2010067452.tif 000011