(57)【要約】【課題】電解質部材により形成される燃料電池において、酸化ガスの加湿を効率的に且つ安定的に可能とする。【解決手段】セル内に酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路１１ｅと、セル内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路１１ｄと、を備える燃料電池であって、電気化学反応で発電を行う発電部においては、燃料ガス供給通路から燃料ガスが供給される部位において、電気化学反応のためのアノード側触媒層が所定厚さを有している第一発電領域１１ａと、該アノード側触媒層が該所定厚さより薄い厚さを有する第二発電領域１１ｂと、を有し、第二発電領域１１ｂを介して、燃料ガス供給通路１１ｄ中の所定物質が酸化ガス供給通路１１ｅの上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路１１ｄと該酸化ガス供給通路１１ｅとが発電部に対して配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、
前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、
前記発電部は、前記電気化学反応のためのアノード側触媒層が所定厚さを有している第一発電領域と、該アノード側触媒層が該所定厚さより薄い厚さを有する第二発電領域と、を有し、
前記第二発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第二発電領域において、前記アノード側触媒層は設けられていないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第二発電領域においては、更に前記電気化学反応のためのカソード側触媒層も設けられていないことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第二発電領域においては、前記電気化学反応のためのカソード側触媒層が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第一発電領域と前記第二発電領域は、前記発電部において共通の電解質部材からなる共通電解質部を有することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記酸化ガス供給通路と前記燃料ガス供給通路とは、該酸化ガス供給通路を流れる酸化ガスの流れ方向と該燃料ガス供給通路を流れる燃料ガスの流れる方向とが対向状態となるように前記発電部を挟んだ状態で、且つ該酸化ガス供給通路の上流部位と該燃料ガス供給通路の下流部位とが該発電部を挟んで対向した状態で配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料電池。
【請求項７】
セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、
前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、
前記発電部は、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が他の領域に比べて前記酸化ガス供給通路へ移動しやすい所定発電領域を有し、
前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、
前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記セル内において電解質部材および該電解質部材を挟んで設けられたアノード側触媒層とカソード側触媒層とで形成されるとともに、両触媒層の触媒効果により前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとの電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、
前記発電部は、他の領域に比べて前記電気化学反応による発電の程度が低い所定発電領域を有し、
前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対向して配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電解質型燃料電池においては、プロトン導電性の電解質部材が使用されているが、当該部材は一般に、水分を含んだ状態でプロトン導電性を示すため、燃料電池の発電性能を維持するためには、電解質部材は常に水を含んだ状態でなければならない。しかし、燃料電池には多量の酸化ガス（空気）が供給されるため、特にカソード側において電解質部材の乾燥が顕著となり、燃料電池の発電性能が低下する一要因となる。
【０００３】
そこで、燃料電池における電気化学反応で生じた水蒸気を含むカソードオフガスと酸化ガスとの間で水蒸気交換を行い、酸化ガスを加湿するとともに、この水蒸気交換を行う装置を燃料電池に隣接して設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。この技術においては、燃料電池で生じた水分を比較的高温の状態で酸化ガスに加えることができる。
【０００４】
また、酸化ガスを加湿する方法として、燃料電池での電気化学反応に供されず残留水素として排出された、アノードオフガス中の水素を酸化ガスに再循環させて、燃料電池のカソードにおけるＰｔ触媒を利用して該水素を燃焼することで、酸化ガスを加湿する技術が開示されている（例えば、特許文献２を参照。）。この技術においては、残留水素を燃料電池外に放出させる必要性がなくなるため、環境上好ましい。
【特許文献１】特開２０００−３７２０号公報
【特許文献２】特開平１１−１８５７８２号公報
【特許文献３】特開２００６−４０５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電解質部材により形成される燃料電池においては、該電解質部材が乾燥すると燃料電池としての発電性能が低下する。そして、この電解質部材が水分を含んだ状態で電解質として機能するため、燃料電池による発電を行うためには、その燃料電池の動作温度程度の温度の水分によって電解質部材を加湿する必要がある。
【０００６】
しかし、燃料電池と別に酸化ガスに水分を供給する加湿装置を設ける場合、配管等にスペースが必要となるとともに、その配管においては、高温の水分が冷却されて凝縮し液水となり、効率的な酸化ガスの加湿が難しい。また、アノードオフガス中の水素を利用した酸化ガスの加湿においては、その残留水素量は燃料電池の運転状態によって変動するためその量を正確に制御することは困難である。従って、酸化ガスの加湿を安定的に行うのは困難である。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電解質部材により形成される燃料電池において、酸化ガスの加湿を効率的に且つ安定的に可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては、上記課題を解決するために、燃料電池のセル内において酸化ガスの加湿を行うこととした。即ち、燃料電池での電気化学反応によって生じた水分であって燃料ガスに浸透した水分や燃料ガス中の水素を、効率的に酸化ガスに移動させることで、特
に該電気化学反応によって直接生成された水分が存在しにくい酸化ガスの上流側に移動させることで、セル内の電解質部材を全体的に効率的に加湿することが可能となる。
【０００９】
そこで、より具体的には、本発明は、セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、前記発電部は、前記電気化学反応のためのアノード側触媒層が所定厚さを有している第一発電領域と、該アノード側触媒層が該所定厚さより薄い厚さを有する第二発電領域と、を有し、前記第二発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている。
【００１０】
本発明に係る燃料電池においては、セル内の電解質部材で形成される発電部に対して、酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとが電気化学反応に供されることで、発電が行われる。ここで、本発明に係る燃料電池の特徴点は、この発電部において、燃料ガス供給通路から燃料ガスが供給されるアノード側の触媒層の厚さが異なる二つの発電領域、第一発電領域と第二発電領域が設けられている点である。この第一発電領域におけるアノード側触媒層の所定厚さとは、発電部における酸素と水素の電気化学反応に必要な水素のプロトン化に通常必要とする厚さである。一方で、第二発電領域におけるアノード側触媒層の厚さは、この所定厚さより薄い。
【００１１】
更に、本発明に係る燃料電池においては、この第二発電領域を介した酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路との相対的な配置に特徴がある。即ち、上述のように、燃料ガス供給通路中の所定物質が酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、両通路の配置が為されている。ここで、所定物質とは、燃料ガス供給通路に含まれている物質であって、当該物質が酸化ガス供給通路に移動することで、そこを流れる酸化ガスの加湿に寄与する物質であり、例えば、燃料ガス中の水分（水）や水素である。
【００１２】
第二発電領域においては、上述の通りアノード側触媒層の厚さが他の領域（第一発電領域）よりも薄い。そのため、燃料ガス中の所定物質が発電部の電解質部材を透過して、乾燥の度合いが高い、酸化ガス供給通路の上流部位にある酸化ガス中に移動しやすい。従って、この所定物質が水分である場合には、直接酸化ガスの加湿が行われることになる。また、所定物質が水素である場合には、第二発電領域におけるアノード側触媒層の厚さは所定厚さより薄いため、水素からプロトンに変換される量が減り、以て燃料ガス供給通路と酸化ガス供給通路との間の水素の濃度勾配が生じる。その結果、酸化ガス供給通路へ水素が移動し、その移動した水素が、発電部のカソード側に電気化学反応のためのカソード側触媒層が存在する場合、その触媒層によって酸化燃焼されることで水が発生し、それにより酸化ガスの加湿が行われる。
【００１３】
このように、燃料電池のセルにおいてアノード側触媒層の厚さを、第一発電領域と第二発電領域とで区別するとともに、その第二発電領域を介した酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路との相対配置を工夫することで、酸化ガスのうち最も乾燥し得る上流部位を流れる酸化ガスの加湿を、燃料電池のセル内で、効率的に且つ安定的に行うことができる。尚、本発明に係る燃料電池において、第二発電領域でのカソード側触媒層については、その存在は必ずしも必要ではない。即ち、カソード側触媒層が存在しない場合には、所定物質が水分であるときその水分による加湿が可能であり、カソード側触媒層が存在する場合には水分に加えて、水素の酸化燃焼による加湿が実行されるからである。
【００１４】
ここで、上記燃料電池で、前記第二発電領域において、前記アノード側触媒層は設けられていないようにしてもよい。即ち、第二発電領域においては、アノード側触媒層の厚さを零とするものである。このようにすることで、燃料ガス中の水分が酸化ガス供給通路の上流部位に移動しやすくなるとともに、第二発電領域においては水素のプロトン化より、燃料ガス供給通路と酸化ガス供給通路との間の水素の濃度勾配の急峻化を優先して、水素の移動性を高めることができる。
【００１５】
また、上記第二発電領域においてアノード側触媒層が設けられていない状態において、更に前記第二発電領域では、前記電気化学反応のためのカソード側触媒層も設けられていないようにしてもよい。このようにすることで、燃料ガス中の水分が酸化ガス供給通路の上流部位により移動しやすくなる。
【００１６】
ここで、上述までの燃料電池において、前記第一発電領域と前記第二発電領域は、前記発電部において共通の電解質部材からなる共通電解質部を有するようにしてもよい。即ち、この共通電解質部上に、これら二つの発電領域が形成されるものである。このようにすることで、本発明に係る燃料電池のセルをよりコンパクトに形成することが可能となる。
【００１７】
また、上述までの燃料電池における酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路の具体的な配置について、以下に例示する。例えば、上述までの燃料電池において、前記酸化ガス供給通路と前記燃料ガス供給通路とは、該酸化ガス供給通路を流れる酸化ガスの流れ方向と該燃料ガス供給通路を流れる燃料ガスの流れる方向とが対向状態となるように前記発電部を挟んだ状態で、且つ該酸化ガス供給通路の上流部位と該燃料ガス供給通路の下流部位とが該発電部を挟んで対向した状態で配置されているようにしともよい。即ち、酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路とが、いわゆるカウンターフロー型になるように発電部を挟んで配置される。このように配置すると、最も乾燥が懸念される酸化ガス供給通路の上流部位に対して、燃料ガス供給通路の下流部位が対向する。この燃料ガス供給通路の下流部位を流れる燃料ガス中には、酸化ガス供給通路から浸透してきた水分が比較的多量に含まれている。従って、このようなカウンターフロー型に両通路を配置させることで、上述したような水分の移動が、より効果的に行われる。
【００１８】
ここで、本発明に係る燃料電池を、別の側面から捉えると、以下に示す燃料電池となる。つまり、本発明に係る燃料電池は、セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、前記発電部は、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が他の領域に比べて前記酸化ガス供給通路へ移動しやすい所定発電領域を有し、前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対向して配置されている。
【００１９】
ここでいう所定物質は、上述までの所定物質と同義である。従って、上記燃料電池においては、セル内の発電部において明示的に所定発電領域が形成され、その所定発電領域を介して所定物質の燃料ガス供給通路から酸化ガス供給通路の上流部位への移動が可能となる。その結果、酸化ガスのうち最も乾燥し得る上流部位を流れる酸化ガスの加湿を、燃料電池のセル内で、効率的に且つ安定的に行うことができる。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池を、更に別の側面から捉えると、以下に示す燃料電池となる。つまり、本発明に係る燃料電池は、セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃
料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記セル内において電解質部材および該電解質部材を挟んで設けられたアノード側触媒層とカソード側触媒層とで形成されるとともに、両触媒層の触媒効果により前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとの電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、前記発電部は、他の領域に比べて前記電気化学反応による発電の程度が低い所定発電領域を有し、前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている。
【００２１】
ここでいう所定物質は、上述までの所定物質と同義である。ここで、上記発電部による電気化学反応での発電は、電解質部材を挟んで設けられたアノード側触媒層とカソード側触媒層との触媒効果によるものであり、その上で発電部において発電の程度が他の領域より低い所定発電領域が明示的に形成されるとともに、その所定発電領域を挟んで燃料ガス供給通路と酸化ガス供給通路とが前記発電部に対向して配置されている。この所定発電領域においては、触媒層による発電への関与が低くなっているため、燃料ガス供給通路中の所定物質が、上述したような酸化ガス供給通路への移動をしやすい状況が形成されていることになる。その結果、その所定発電領域を介して所定物質の燃料ガス供給通路から酸化ガス供給通路の上流部位への移動が可能となり、以て酸化ガスのうち最も乾燥し得る上流部位を流れる酸化ガスの加湿を、燃料電池のセル内で、効率的に且つ安定的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る燃料電池によれば、電解質部材により形成される燃料電池において、酸化ガスの加湿を効率的に且つ安定的とすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係る燃料電池の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池１の概略構成を示す図である。燃料電池１は、複数のセル１０がその両端をエンドプレート４、５によって挟まれ積層された状態で形成されることになる。尚、図１は、燃料電池１を上側から見たときの構成図であるので、図１においては後述する水素供給管２１と空気排出管２２とが、水素排出管２３と空気供給管２４とが、水素入口マニホールド２ａと空気出口マニホールド３ｂとが、水素出口マニホールド２ｂと空気入口マニホールド３ａとが、それぞれ重なった状態で記載されている。しかし、これらのそれぞれは独立した構成要素であることが、後記説明及び他の図面からも理解できる。また、図１においては、実線矢印が燃料ガスとしての水素の流れを示し、破線矢印が酸化ガスとしての空気の流れを示すとともに、本発明に係る燃料ガスを単に水素と称し、本発明に係る酸化ガスを単に空気と称する。
【００２４】
燃料電池１は、空気中の酸素と水素との電気化学反応により発電を行うものであり、該燃料電池１の外部からそれぞれ空気と水素とが供給される。具体的には、水素は、燃料電池１の外部に設けられた水素貯蔵タンクから、水素供給管２１を介して燃料電池１に供給される。また空気は、燃料電池１の外部に設けられたブロアによって圧縮空気として、空気供給管２３を介して燃料電池１に供給される。水素供給管２１を介して送られた水素は、水素入口マニホールド２ａを介して、且つ空気供給管２４を介して送られた空気は、空気入口マニホールド３ａを介して、積層された各セル１０に供給され、以てセル１０内で電気化学反応に供されることで発電が行われる。
【００２５】
ここで、図２および図３に基づいてセル１０の構成を説明する。図２は、セル１０の概
略構成を示す図であり、図３はセル１０内における酸化ガス（空気）と燃料ガス（水素）の流れを示す図である。セル１０は、その中央部に実質的な発電を担う電極接合体（以下、「ＭＥＡ部」という。）１１が備えられ、その両側に上述した水素入口マニホールド２ａ、水素出口マニホールド２ｂ、空気入口マニホールド３ａ、空気出口マニホールド３ｂが設けられている。水素入口マニホールド２ａと水素出口マニホールド２ｂは連通して、後述する水素供給通路１１ｄを形成しており、空気入口マニホールド３ａと空気出口マニホールド３ｂは連通して、後述する空気供給通路１１ｅを形成している。
【００２６】
図３の上段には、ＭＥＡ部１１を上側から見たときの該ＭＥＡ部１１の概略構成が示されている。ＭＥＡ部１１は、電解質部材で形成されるＭＥＡ本体部１１ｃを挟んでその両側に水素供給通路１１ｄと空気供給通路１１ｅが設けられた構成を有しており、水素入口マニホールド２ａを介してこの水素供給通路１１ｄへ水素が送られ、空気入口マニホールド３ａを介してこの空気供給通路１１ｅへ空気が送られる。そして、それぞれの供給通路から送られた水素及び空気は、ＭＥＡ本体部１１ｃでの電気化学反応に供されて発電が行われることになる。その後、水素供給通路１１ｄおよび空気供給通路１１ｅを流れる水素及び空気のうち上記電気化学反応に供されなかった一部、更には上記電気化学反応で発生した水分等は、それぞれの通路の下流部位に流れつき、水素出口マニホールド２ｂおよび空気出口マニホールド３ｂへと至る。
【００２７】
ここで、図３の中段及び下段には、それぞれ空気供給通路１１ｅおよび水素供給通路１１ｄの流路の概略が、ＭＥＡ本体部１１ｃの側面側からの視点（即ち、図２に示すセル１０に対する視点と同じ）で示されている。即ち、図２に示すセル１０においては、電気化学反応に供される水素は、ＭＥＡ本体部１１ｃの一方の面側を、図２中左上から右下に至るように且つ途中で複数の枝に分かれた状態で流れる。一方で、当該電気化学反応に供される空気はＭＥＡ本体部１１ｃの他方の面側を、図２中右上から左下に至るように且つ途中で複数の枝に分かれた状態で流れる。即ち、セル１０内においては、水素と空気の流れが対向するカウンターフローの形態が採られている。従って、セル１０内においては、空気の流れの上流部位が水素の流れの下流部位と、また空気の流れの下流部位が水素の流れの上流部位と、ＭＥＡ本体部１１ｃを挟んで対向した状態となるように、水素供給通路１１ｄと空気供給通路１１ｅが配設されている。
【００２８】
以上のように構成される燃料電池１のセル１０において、ＭＥＡ部１１は第一発電領域１１ａと第二発電領域１１ｂの二つの領域に区別されている。そして、この第一発電領域１１ａと第二発電領域１１ｂは、図２に明示されるように、ＭＥＡ部１１の右側の一部分が第二発電領域１１ｂとして、ＭＥＡ部１１の左側の大部分が第一発電領域１１ａとされている。換言すると、ＭＥＡ部１１においては、図３に明示されるように、水素供給通路１１ｄの下流部位が空気供給通路１１ｅの上流部位とＭＥＡ本体部１１ｃを挟んで対向している部分で、第二発電領域１１ｂが形成されており、それ以外の部分は第一発電領域１１ａとされる。
【００２９】
ここで、第一発電領域１１ａと第二発電領域１１ｂにおけるＭＥＡ本体部１１ｃの詳細な構成について、図４に基づいて説明する。図４は、ＭＥＡ本体部１１ｃの詳細な構成を示す図である。該ＭＥＡ本体部１１ｃは、電解質部材１２と、水素が供給される側（即ち、アノード側）の触媒層であるアノード側触媒層１３と、酸素を含む空気が供給される側（即ち、カソード側）の触媒層であるカソード側触媒層１４とから構成される。このアノード側触媒層１３により、燃料ガスとしての水素がプロトンに変換され、またカソード側触媒層１４によりプロトンの酸化が促進されることで、燃料電池１における電気化学反応による発電が行われる。
【００３０】
そして、第一発電領域１１ａにおいては、アノード側触媒層１３ａとカソード側触媒層
１４ａが、上記電気化学反応に必要な厚さを有する触媒層として設けられているが、第二発電領域１１ｂにおいては、カソード側触媒層１４ｂはカソード側触媒層１４ａと同じように設けられているが、アノード側触媒層１３ｂについては設けられていない。即ち、アノード側触媒層１３ｂの厚さは零である。このように構成されるＭＥＡ本体部１１ｃでは、第一発電領域１１ａと第二発電領域１１ｂとで異なる機能を発揮することになり、それについて図５に基づいて以下に説明する。
【００３１】
図５は、図３上段の図と同様に、ＭＥＡ部１１を上側から見たときの該ＭＥＡ部１１における所定物質の流れが模式的に示されている。この所定物質とは、酸化ガスである空気に対して加湿を行うことを可能とする、燃料ガスである水素中の物質であり、本実施例では水素中の水分およびその水素が該当する。
【００３２】
先ず、所定物質としての水分の流れについて説明する。セル１０での電気化学反応によりＭＥＡ本体部１１ｃを介してカソード側に至ったプロトンは、カソード側触媒により酸化されることで水が生成される。従って、その生成水により空気供給通路１１ｅを流れる空気中の水分量は、下流部位に進むに従い多くなる。この状態を、図５中の空気供給通路１１ｅ内に矢印の太さで示している。即ち、矢印がより太く示される空気供給通路１１ｅの下流部位は、上流部位よりも多くの水分を空気中に含むことになる。
【００３３】
そして、この空気供給通路１１ｅ中の水分量と水素供給通路１１ｄ中の水分量との差により、空気供給通路１１ｅ中の水分がＭＥＡ本体部１１ｃを介して水素供給通路１１ｄ側に浸透していく。尚、この水分の浸透は、空気供給通路１１ｅ中の水分が比較的多くなる中流部位から下流部位にかけて、換言すると第一発電領域１１ａに係る部位において顕著に行われる。これは、空気供給通路１１ｅの上流部位では、上記電気化学反応により生成される水分量は少なく、また多量の空気が早い流速で流れるため、該上流部位を流れる空気に含まれる水分量は極めて少ないからである。
【００３４】
すると、空気供給通路１１ｅから水素供給通路１１ｃに浸透した水分は、水素供給通路１１ｄを流れるため、その下流部位に進むに従い多くなる。この状態を、図５中の水素供給通路１１ｄ内に矢印の太さで示している。即ち、矢印がより太く示される水素供給通路１１ｄの下流部位は、上流部位よりも多くの水分を空気中に含むことになる。
【００３５】
ここで、ＭＥＡ部１１の第二発電領域１１ｂでは、水素供給通路１１ｄの下流部位と空気供給通路１１ｅの上流部位とが、ＭＥＡ本体部１１ｃを挟んで対向されて配設されている。そして、図４に示したように、この第二発電領域１１ｂにおいては、ＭＥＡ本体部１１ｃのうちアノード側触媒層１３ｂが設けられていない。その結果、上記のように水分を多く含む水素供給通路１１ｄの下流部位を流れる水素から、含水量が極めて少ない空気供給通路１１ｅの上流部位を流れる空気へと、水分が移動しやすくなる。その結果、セル１０内に水分移動のサイクルが形成され、空気供給通路１１ｅを流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となる。この水分のサイクルは、セル１０の外部に出ない状態で行われるため、水分の温度低下が可及的に抑制されその液化を回避することができる。以上より、空気供給通路１１ｅを流れる空気全体を加湿することが可能となり、以てＭＥＡ部１１を電気化学反応に適した湿度状態に効率的に且つ安定的に維持することが可能となる。
【００３６】
次に、所定物質としての水素の流れについて説明する。ＭＥＡ部１１の第二発電領域１１ｂでは、上述したようにアノード側触媒層１３ｂが設けられていない状態である。従って、この領域では水素供給通路１１ｄを流れている水素はプロトンに変換されない。そのため、水素供給通路１１ｄと空気供給通路１１ｅとの間の水素濃度勾配、即ち水素濃度の高い水素供給通路１１ｄと水素濃度の極めて低い空気供給通路１１ｅとの間の水素濃度勾
配により、水素供給通路１１ｄから空気供給通路１１ｅへ水素が移動しやすくなる。そして、移動してきた水素は、第二発電領域１１ｂにおけるカソード側触媒層１４ｂによって酸化されて、そこで水が生成される。この水の生成もセル１０内で行われるため、生成水が冷却されて液化するのを回避することができる。その結果、空気供給通路１１ｅを流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となり、以てＭＥＡ部１１を電気化学反応に適した湿度状態に効率的に且つ安定的に維持することが可能となる。
【００３７】
また、上記実施例における第二発電領域１１ｂの形成については、図４に示すとおりであるが、第二発電領域１１ｂのその他の態様について、図６Ａ及び図６Ｂに基づいて説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、図４と同様に、ＭＥＡ本体部１１ｃの詳細な構成を示す図である。図６Ａに示すＭＥＡ本体部１１ｃにおいては、第一発電領域１１ａ側のアノード側触媒層１３ａの厚さは、図４に示す場合と同じであるが、第二発電領域１１ｂ側のアノード側触媒層１３ｂについては、アノード側触媒層１３ａより薄い厚さを有する状態で、電解質部材１２上に設けられている。尚、カソード側触媒層１４については、図４に示す状態と同じである。
【００３８】
このように形成されるＭＥＡ本体部１１ｃでは、第二発電領域１１ｂにアノード側触媒層１３ｂが若干残っているため、図４に示すＭＥＡ本体部１１ｃと比べて、第二発電領域１１ｂを介して行われる水分および水素の、空気供給通路１１ｅの上流部位への移動の度合いが若干低くなるものの、該上流部位を流れる空気の加湿は行われ得る。一方で、第二発電領域１１ｂにアノード側触媒層１３ｂが若干残っているため、第二発電領域１１ｂのアノード側でもある程度プロトンが生成されるため、第一発電領域１１ａと比べると発電効率は低いが第二発電領域１１ｂでも発電を行うことが可能となり、以て燃料電池１全体での発電量を向上させることが可能である。
【００３９】
従って、第二発電領域１１ｂに若干のアノード側触媒層１３ｂを残しても、ＭＥＡ部１１を電気化学反応に適した湿度状態に維持することが可能であれば、図６Ａに示すようなＭＥＡ本体部１１ｃの構造を採用することで、燃料電池１の発電量を向上させることが可能となる。
【００４０】
次に、図６Ｂに示すＭＥＡ本体部１１ｃにおいては、図４に示す状態から更に第二発電領域１１ｂ側のカソード側触媒層１４ｂを除いた状態が示されている。即ち、第二発電領域１１ｂにおいては、電解質部材１２上には触媒層が何ら設けられていない。このようにＭＥＡ本体部１１ｃを形成することで、水素供給通路１１ｄを流れる水素に含まれる水分が、空気供給通路１１ｅにより移動しやすくなる。尚、水素供給通路１１ｄから空気供給通路１１ｅに移動した水素は、第二発電領域１１ｂでは酸化されないが、空気供給通路１１ｅを下流側に流れて、そこに存在するカソード側触媒層１４ａによって酸化されることで水が生成されることで、酸化ガスとしての空気の加湿に寄与する。
【００４１】
ここで、上述までのＭＥＡ本体部１１ｃの製造方法について、図７に基づいて説明する。先ず、Ｓ１０１では、カソード側とアノード側のそれぞれの触媒層となる触媒の原材料となる貴金属等を溶液の形態で調合し、攪拌する。これにより、触媒中の貴金属がより均一に拡散される。次に、Ｓ１０２の処理により、この調合された触媒がテフロン（登録商標）シート上に塗布される。このとき、図４や図６Ａ、図６Ｂに示す厚さを各触媒層が有するように、テフロン（登録商標）シートへの塗布量が調整される。その後、Ｓ１０３の処理により、塗布された触媒を乾燥させて「触媒シート」を作成する。
【００４２】
その後、図４や図６Ａ、図６Ｂに示すような各発電領域の大きさに合わせて、上記の触媒シートを裁断する。例えば、図４に示すＭＥＡ本体部１１ｃを作成する場合には、アノ
ード側触媒層１３用の触媒シートを、カソード側触媒層１４用の触媒シートよりも第二発電領域１１ｂに対応する面積だけ小さく裁断すればよい。また、図６Ａに示すＭＥＡ本体部１１ｃを作成する場合には、厚さの異なる二種類のアノード側触媒層用の触媒シートを作成した上で、各触媒シートを第一発電領域１１ａと第二発電領域１１ｂの面積に対応させて裁断する。
【００４３】
その後、Ｓ１０５では、Ｓ１０４で裁断された触媒シートから電解質部材１２上に、各触媒シート上に形成された触媒層を転写させることで、ＭＥＡ本体部１１ｃが作成される。
【００４４】
＜その他の実施例＞
上述までの実施例においては、ＭＥＡ部１１内の水素供給通路１１ｄと空気供給通路１１ｅの配設態様は、図３に示すように、水素と空気の流れる方向がカウンターフロー型になるように、両通路が配設される。このように配設されることで、水素供給通路１１ｄの下流部位と空気供給通路１１ｅの上流部位とが対向する状態となる。ここで、この配設態様以外の態様であって、本発明が適用可能な配設態様について図８及び図９に基づいて説明する。
【００４５】
図８及び図９は、図３と同様に、セル１０内における酸化ガス（空気）と燃料ガス（水素）の流れを示す図である。図８に示すＭＥＡ部１１おいては、水素の流れは図３に示す場合と同じである。一方で空気の流れは、図８の中段に示すように、図中上側から下側に向かって、即ち水素の流れに直交する方向である。このような水素供給通路と空気供給通路の配設形態では、図８中の中下段に点線で囲われた部分Ｒｈ１、即ち水素供給通路の下流部位と空気供給通路の上流部位とがＭＥＡ本体部を挟んで対向する部分Ｒｈ１を、上記までの実施例における第二発電領域とすることで、空気供給通路を流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となる。
【００４６】
次に、図９に示すＭＥＡ部１１おいては、水素の流れおよび酸素の流れは一筆書き上に形成される。即ち、水素供給通路１１ｄは、図９中の下段に示すように、図中左下から右上に至るように蛇行しながら進み、空気供給通路１１ｅは、図９中の中段に示すように、図中左上から右下に至るように蛇行しながら進む。その結果、水素の流れと空気の流れは、図３に示すカウンターフロー型と異なり概ね同一の方向となる。このような水素供給通路と空気供給通路の配設形態では、図９中の中下段に点線で囲われた部分Ｒｈ２、即ち水素供給通路の下流部位と空気供給通路の上流部位とがＭＥＡ本体部を挟んで対向する部分Ｒｈ２を、上記までの実施例における第二発電領域とすることで、空気供給通路を流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る燃料電池の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池に含まれるセルの概略構成を示す図である。
【図３】図２に示すセル内における酸化ガス（空気）と燃料ガス（水素）の流れを示す第一の図である。
【図４】図２に示すセルに含まれるＭＥＡ本体部の詳細な構成を示す第一の図である。
【図５】図２に示すＭＥＡ部を上側から見たときの該ＭＥＡ部における所定物質の流れを模式的に示す図である。
【図６Ａ】図２に示すセルに含まれるＭＥＡ本体部の詳細な構成を示す第二の図である。
【図６Ｂ】図２に示すセルに含まれるＭＥＡ本体部の詳細な構成を示す第三の図である。
【図７】図２に示すセルに含まれるＭＥＡ本体部の製造工程を示すフロー図である。
【図８】図２に示すセル内における酸化ガス（空気）と燃料ガス（水素）の流れを示す第二の図である。
【図９】図２に示すセル内における酸化ガス（空気）と燃料ガス（水素）の流れを示す第三の図である。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・・燃料電池
２ａ・・・・水素入口マニホールド
２ｂ・・・・水素出口マニホールド
３ａ・・・・空気入口マニホールド
３ｂ・・・・空気出口マニホールド
１０・・・・セル
１１・・・・ＭＥＡ部
１１ａ・・・・第一発電領域
１１ｂ・・・・第二発電領域
１１ｃ・・・・ＭＥＡ本体部
１１ｄ・・・・水素供給通路
１１ｅ・・・・空気供給通路
１２・・・・電解質部材
１３・・・・アノード側触媒層
１４・・・・カソード側触媒層
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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