(57)【要約】【課題】デットエンド運転型燃料電池において、燃料ガス供給流路におけるリークガスの滞留を抑制する。【解決手段】燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の片面に形成されるアノードと、アノードの外側に設けられ、アノードに燃料ガスを分散させて供給するための燃料ガス供給流路を形成する燃料ガス流路形成部と、を備え、電解質膜、または、アノードの少なくとも一方において、その厚さ方向におけるガス透過性が、燃料ガス供給流路に沿った方向に部分的に異なっている。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の片面に形成されるアノードと、
前記アノードの外側に設けられ、前記アノードに前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路を形成する燃料ガス流路形成部と、
を備え、
前記電解質膜、または、前記アノードの少なくとも一方において、その厚さ方向におけるガス透過性が、前記燃料ガス供給流路に沿った方向に部分的に異なっていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記電解質膜、または、前記アノードの少なくとも一方において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、前記厚さ方向の前記ガス透過性が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記電解質膜は、
前記電解質膜において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分の膜厚が、上流側に対応する部分の膜厚より、薄いことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記電解質膜において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分は、フッ素系樹脂で形成され、上流側に対応する部分は、炭化水素系樹脂で形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードにおいて、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、空隙率が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードと前記燃料ガス流路形成部との間に設けられ、シート状であって、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部を備え、
前記電解質膜は、少なくとも該電解質膜、前記アノード、および、前記導電性シート部から成る積層体を、その積層方向から見た場合において、前記導電性シート部の各貫通孔と重ならない位置に形成される複数の凹部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記電解質膜、または、前記アノードの少なくとも一方において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、前記厚さ方向の前記ガス透過性が低いことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の片面に形成されるアノードと、
前記電解質膜において前記アノードが形成された反対面に形成されるカソードと、
前記カソードの外側に設けられ、前記カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路を形成する酸化ガス流路形成部と、
を備え、
前記カソードにおいて、前記酸化ガス供給流路を流れる前記酸化ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、前記厚さ方向の前記ガス透過性が高い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、燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池としては、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが、他方の面にカソードが形成された膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）を備える。この燃料電池では、アノード上に、燃料ガス供給流路を形成する流路形成部材が配置される。なお、流路形成部材としては、導電性多孔体などが用いられる。また、アノードまたはカソードは、触媒層の他、ガス拡散層を備える場合もある。
【０００３】
ところで、燃料ガスを燃料電池の外部に排出することをできるだけ抑制したいという要望がある。そこで、燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池、いわゆるアノードデッドエンド運転型の燃料電池（以下では、デットエンド運転型燃料電池とも呼ぶ。下記特許文献１参照）の開発がなされている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９０７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、デットエンド運転型燃料電池では、酸化ガスとして、一般的に、空気、または、空気と酸素との混合気体などを用いるが、この場合、空気中の窒素等が、カソード側からアノード側にリークしてくる場合がある。それに伴い、アノードにおいて、リークしてきた窒素等（以下では、リークガスとも呼ぶ）が燃料ガス供給流路に滞留するおそれがあった。このように、燃料ガス供給流路にリークガスが滞留すると、燃料ガスがアノード（アノード面）に対して分散して供給されず、それ故、アノードにおいて局所的に燃料ガスが供給されない部分が生じ、その部分で発電が抑制されるおそれがあった。その結果、燃料電池全体として発電効率が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、デットエンド運転型燃料電池において、燃料ガス供給流路におけるリークガスの滞留を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
[適用例１]  燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池であって、電解質膜と、
前記電解質膜の片面に形成されるアノードと、前記アノードの外側に設けられ、前記アノードに前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路を形成する燃料ガス流路形成部と、を備え、前記電解質膜、または、前記アノードの少なくとも一方において、その厚さ方向におけるガス透過性が、前記燃料ガス供給流路に沿った方向に部分的に異なっていることを要旨とする。
【０００９】
上記構成の燃料電池によれば、燃料ガス供給流路におけるリークガスの滞留を抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池において、前記電解質膜、または、前記アノードの少なくとも一方において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、前記厚さ方向の前記ガス透過性が高いことを特徴とする燃料電池。
【００１１】
このようにすれば、燃料ガス供給流路において、下流側に滞留したリークガスをカソード側へ戻すことが可能となる。その結果、燃料ガス供給流路において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００１２】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池において、前記電解質膜は、前記電解質膜において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分の膜厚が、上流側に対応する部分の膜厚より、薄いことを特徴とする燃料電池。
【００１３】
このようにすれば、燃料ガス供給流路において、下流側に滞留したリークガスを電解質膜のガス透過性が高い部分を介してカソード側へ戻すことが可能となる。その結果、燃料ガス供給流路において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００１４】
［適用例４］適用例１または適用例２記載の燃料電池において、前記電解質膜において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分は、フッ素系樹脂で形成され、上流側に対応する部分は、炭化水素系樹脂で形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１５】
このようにすれば、燃料ガス供給流路において、下流側に滞留したリークガスを電解質膜のガス透過性が高い部分を介してカソード側へ戻すことが可能となる。その結果、燃料ガス供給流路において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００１６】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、前記アノードにおいて、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、空隙率が高いことを特徴とする燃料電池。
【００１７】
このようにすれば、燃料ガス供給流路の下流側に滞留したリークガスをアノードの空隙率が高い部分を介してカソード側へ戻すことが可能となる。その結果、燃料ガス供給流路において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００１８】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池において、前記アノードと前記燃料ガス流路形成部との間に設けられ、シート状であって、シート面に沿って分散して配置された複数の貫通孔を有する導電性シート部を備え、前記電解質膜は、少なくとも該電解質膜、前記アノード、および、前記導電性シート部から成る積層体を、その積層方向から見た場合において、前記導電性シート部の各貫通孔と重ならない位置に形成される複数の凹部を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１９】
このようにすれば、アノードにおいて、各貫通孔の間に滞留しているリークガスを、電解質膜において、ガス透過性が高い各凹部を介して、カソードへ戻すことが可能となる。その結果、燃料ガス供給流路にリークガスが進入し、滞留することを抑制することができる。
【００２０】
［適用例７］適用例１に記載の燃料電池において、前記電解質膜、または、前記アノードの少なくとも一方において、前記燃料ガス供給流路を流れる前記燃料ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、前記厚さ方向の前記ガス透過性が低いことを特徴とする燃料電池。
【００２１】
このようにすれば、燃料ガス供給流路の下流側において、リークガスが大量に滞留することを抑制することができる。
【００２２】
［適用例８］燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の片面に形成されるアノードと、前記電解質膜において前記アノードが形成された反対面に形成されるカソードと、前記カソードの外側に設けられ、前記カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路を形成する酸化ガス流路形成部と、を備え、前記カソードにおいて、前記酸化ガス供給流路を流れる前記酸化ガスの流れ方向の下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、前記厚さ方向の前記ガス透過性が高いことを要旨とする。
【００２３】
上記構成の燃料電池によれば、燃料ガス供給流路の下流側に滞留したリークガスをカソード側へ戻すことが可能となる。その結果、燃料ガス供給流路において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００２４】
なお、本発明は、上記した装置発明の態様に限ることなく、燃料電池の製造方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
本発明の実施例に係る燃料電池１００の概略構成について説明する。図１は、第１実施例における燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。図２は、燃料電池１００の側面図である。図１または図２に示すように、燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とが交互に積層された構造（いわゆるスタック構造）を有している。燃料電池１００は、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を所定枚数積層し、それらを積層方向に所定の締結力を負荷するように締結することにより、製造される。なお、図２では、各シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００との間に空間が設けられているが、実際には、この空間はなく、それぞれ互いに接している。以下では、シール一体発電アセンブリ２００およびセパレータ６００を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。図２に示されるシール部材７００（リブ７２０）についての詳細は、後述する。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池１００には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド１１０と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド１２０と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド１３０と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド１５０と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド１６０と、が設けられている。なお、本実施例の燃料電池１００は、アノード側に供給された燃料ガスを排出する構造とはなっておらず、すなわち、アノード側に供給された燃料ガスを外部に排出しない閉塞構造となっている（以下では、デットエンド構造とも呼ぶ）。従って、燃料電池１００は、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドは設けられておらず、燃料ガスを排気することなく発電を行う。また、酸化ガスとしては空気が用いられ、燃料ガスとしては水素が用いられる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。酸化ガスとして、空気に加えて高濃度の酸素を混合した混合ガスを用いてもよい。なお、デットエンド構造は、シール一体発電アセンブリ２００に供給した燃料ガスのうち、後述の電解質膜や後述のガスケット等を透過した燃料ガスを除き、基本的に全てを後述のＭＥＡで発電反応に用いる構造であるともいえる。
【００２７】
Ａ２．シール一体発電アセンブリ２００：
図３は、シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２において、シール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。図４は、図３におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。図４には、燃料電池１００において、１つのシール一体発電アセンブリ２００と、そのシール一体発電アセンブリ２００を挟持する２枚のセパレータ６００を図示している。
【００２８】
図２、図３および図４に示すように、シール一体発電アセンブリ２００は、積層部材８００と、シール部材７００とで構成される。積層部材８００は、図４に示すように、ＭＥＡ２４と、アノード側多孔体８４０と、カソード側多孔体８５０とを備えている。
【００２９】
ＭＥＡ２４は、本実施例の特徴部分である電解質膜８１０と、アノード８２０と、カソード８３０とを備えている。電解質膜８１０は、フッ素系樹脂材料（例えば、ナフィオン（登録商標））で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜である。この電解質膜８１０についての詳細は、後述する。アノード８２０は、電解質膜８１０の一方の面に設けられる触媒層８２０Ａと、触媒層８２０Ａの外側に設けられるアノード側拡散層８２０Ｂとから成る。カソード８３０は、電解質膜８１０の他方の面に設けられる触媒層８３０Ａと、触媒層８３０Ａの外側に設けられるカソード側拡散層８３０Ｂとから成る。触媒層８２０Ａおよび触媒層８３０Ａは、例えば、触媒（例えば、白金など）を担持した触媒担持担体（例えば、白金担持カーボンなど）と、電解質とから形成される。アノード側拡散層８２０Ｂおよびカソード側拡散層８３０Ｂは、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。ＭＥＡ２４は、矩形状をしている。
【００３０】
アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成され、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、メッシュ、および、フェルトなどが用いられる。また、アノード側多孔体８４０およびカソード側多孔体８５０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００とを積層して燃料電池１００を構成した際に、それぞれ、後述するセパレータ６００の発電領域ＤＡに接触する。さらに、アノード側多孔体８４０は、後述するように、燃料ガスをアノード８２０に供給するための燃料ガス供給流路として機能し、カソード側多孔体８５０は、後述するように、酸化ガスをカソード８３０に供給するための酸化ガス供給流路として機能する。
【００３１】
シール部材７００は、積層部材８００の面に沿った方向（以下では、面方向とも呼ぶ）の外周に亘って配置されている。シール部材７００は、金型のキャビティに積層部材８００の外周端部を臨ませて、成形材料を射出成形することによって作製され、これによって積層部材８００の外周端に隙間なく気密に一体化されている。シール部材７００は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーによって形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
【００３２】
シール部材７００は、図２〜図４に示すように、支持部７１０と、支持部７１０の両側に配置され、シールラインを形成するリブ７２０とを備えている。支持部７１０には、図３に示すように、各マニホールド１１０〜１５０（図１参照）に対応する貫通孔（マニホールド孔）が形成されている。リブ７２０は、シール一体発電アセンブリ２００とセパレータ６００が積層された際に、隣接するセパレータ６００に密着してセパレータ６００との間をシールし、反応ガスや冷却水の漏洩を防止する。リブ７２０は、図３に示すように、積層部材８００の全周を囲むシールラインと、個々のマニホールド孔の全周を囲むシールラインとを形成する。
【００３３】
Ａ３．セパレータ６００の構成：
図５は、セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。図６は、セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。図７は、セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。図８は、セパレータ６００の正面図である。セパレータ６００は、図５〜図７に示すカソードプレート４００、アノードプレート３００、および、中間プレート５００から構成されている。なお、図５、図６、図７は、各プレート４００、３００、５００を、図８は、セパレータ６００を、それぞれ図２の右側から見た様子を示している。また、図８における黒塗りまたは白抜きの矢印についての説明は、後述する。
【００３４】
図５〜図８において、各プレート３００、４００、５００またはセパレータ６００の中央部に破線で示す領域ＤＡは、セパレータ６００がシール一体発電アセンブリ２００と共に積層され燃料電池１００を構成する際に、シール一体発電アセンブリ２００の積層部材８００に含まれるＭＥＡ２４に対向する領域である。ＭＥＡ２４は、実際に発電が行われる領域であるので、この領域を以下では、発電領域ＤＡと呼ぶ。発電領域ＤＡは、ＭＥＡ２４が矩形であるため、当然に矩形である。各プレート３００、４００、５００は、それぞれステンレス鋼で形成されている。
【００３５】
カソードプレート４００（図５）は、５個のマニホールド形成部４２２〜４３２と、酸化ガス供給スリット４４０と、酸化ガス排出スリット４４４と、を備えている。マニホールド形成部４２２〜４３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット４４０および酸化ガス排出スリット４４４は、略長方形の長孔であり、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの上方および下方の辺に沿ってそれぞれ配置されている。
【００３６】
アノードプレート３００（図６）は、カソードプレート４００同様、５個のマニホールド形成部３２２〜３３２と、燃料ガス供給スリット３５０を備えている。マニホールド形成部３２２〜３３２は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット３５０は、発電領域ＤＡの内側であって発電領域ＤＡの右方の辺に沿って、セパレータ６００を構成した際にカソードプレート４００における上述した酸化ガス排出スリット４４４と重ならない位置に配置されている。
【００３７】
中間プレート５００（図７）は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給／排出のための３つのマニホールド形成部５２２〜５２６と、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２と、複数の酸化ガス排出流路形成部５４４と、一つの燃料ガス導入流路形成部５４６とを備えている。中間プレート５００は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部５５０を備えている。マニホールド形成部５２２〜５２６は、燃料電池１００を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート４００、アノードプレート３００と同様に、発電領域ＤＡの外側にそれぞれ設けられている。各冷却媒体流路形成部５５０は、発電領域ＤＡを図７における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電領域ＤＡの外側に至っている。
【００３８】
中間プレート５００（図７）において、複数の酸化ガス導入流路形成部５４２および酸化ガス排出流路形成部５４４の一端は、それぞれ、マニホールド形成部５２２，５２４と連通している。複数の酸化ガス導入流路形成部５４２，５４４の他端は、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、それぞれ、酸化ガス供給スリット４４０および酸化ガス排出スリット４４４と連通する。
【００３９】
中間プレート５００（図７）において、燃料ガス導入流路形成部５４６の一端は、マニホールド形成部５２６と連通している。燃料ガス導入流路形成部５４６は、上述した酸化ガス排出流路形成部５４４と重ならない位置に、発電領域ＤＡの下方の辺に沿って延び、その他端は発電領域ＤＡの左方の辺近くにまで達している。燃料ガス導入流路形成部５４６のうち、発電領域ＤＡの内側の部分は、３つのプレートを接合してセパレータ６００を構成した際に、上述したアノードプレート３００における燃料ガス供給スリット３５０と連通する。
【００４０】
セパレータ６００（図８）は、中間プレート５００をアノードプレート３００およびカソードプレート４００で挟持するようにそれぞれ接合し、中間プレート５００における冷却媒体供給マニホールド１５０および冷却媒体排出マニホールド１６０に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。この結果、図８において貫通部である５つのマニホールド１１０〜１６０と、複数の酸化ガス導入流路６５０と、複数の酸化ガス排出流路６６０と、燃料ガス導入流路６３０と、複数の冷却媒体流路６７０とを備えたセパレータ６００が得られる。
【００４１】
図８に示すように、複数の酸化ガス導入流路６５０は、それぞれ、上述したカソードプレート４００の酸化ガス供給スリット４４０と、中間プレート５００の酸化ガス導入流路形成部５４２とによって形成される。各酸化ガス導入流路６５０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス供給マニホールド１１０と連通し、他端がカソードプレート４００側の表面（カソード側表面）に至り、カソード側表面に開口する流路である。また、図８に示すように、複数の酸化ガス排出流路６６０は、上述したカソードプレート４００の酸化ガス排出スリット４４４と、中間プレート５００の酸化ガス排出流路形成部５４４とによって形成される。各酸化ガス排出流路６６０は、セパレータ６００の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス排出マニホールド１２０と連通し、他端がカソードプレート４００側のカソード側表面に至り、カソード側表面に開口する流路である。
【００４２】
図８に示すように、燃料ガス導入流路６３０は、上述したアノードプレート３００の燃料ガス供給スリット３５０と、中間プレート５００の燃料ガス導入流路形成部５４６とによって形成される。燃料ガス導入流路６３０は、一端が燃料ガス供給マニホールド１３０と連通し、他端がアノード側表面に開口する内部流路である。また、複数の冷却媒体流路６７０は、上述した中間プレート５００に形成された冷却媒体流路形成部５５０（図７）によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド１５０に、他端が冷却媒体排出マニホールド１６０に連通している。
【００４３】
Ａ４．燃料電池１００の動作：
図９は、本実施例の燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図９においては、２つのシール一体発電アセンブリ２００と２つのセパレータ６００が積層された様子のみを図示している。図９（ａ）は、図８におけるＢ−Ｂ断面に対応する断面図を示している。図９（ｂ）は、右側の半分が図８におけるＤ−Ｄ断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図８におけるＣ−Ｃ断面に対応する断面図を示している。また、図９では、反応ガスの流れを矢印で示している。
【００４４】
燃料電池１００は、酸化ガス供給マニホールド１１０に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド１３０に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池１００には、発電に伴う発熱による燃料電池１００の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド１５０に冷却媒体が供給され、その後、冷却媒体流路６７０に導入される。冷却媒体流路６７０に導入された冷却媒体は、冷却媒体流路６７０の一端から他端まで流動しつつ熱交換を行い、冷却媒体排出マニホールド１６０に排出される。
【００４５】
酸化ガス供給マニホールド１１０に供給された酸化ガスは、図９（ａ）において矢印で示すように、酸化ガス導入流路６５０を通って、酸化ガス供給スリット４４０（図５）からカソード側多孔体８５０に流入する。カソード側多孔体８５０に流入した酸化ガスは、酸化ガス供給流路として機能するカソード側多孔体８５０の内部を図８において白抜きの矢印で示すように上方から下方に流動する。すなわち、酸化ガスの流れにおいて、図８の上方が上流であり、図８の下方が下流となる。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出スリット４４４（図５）から酸化ガス排出流路６６０に流入し、酸化ガス排出マニホールド１２０へ排出される。カソード側多孔体８５０を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８５０に当接しているカソード側拡散層８３０Ｂ全体に亘って拡散し、触媒層８３０Ａでカソード反応（例えば、２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ）に供される。
【００４６】
燃料ガス供給マニホールド１３０に供給された燃料ガスは、図９（ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス導入流路６３０を通って、燃料ガス供給スリット３５０（図６）からアノード側多孔体８４０に流入する。アノード側多孔体８４０に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給流路として機能するアノード側多孔体８４０の内部を図８において黒塗りの矢印で示すように下方から上方に流動する。すなわち、燃料ガスの流れにおいて、図８の下方が上流であり、図８の上方が下流となる。アノード側多孔体８４０を流動する燃料ガスは、アノード側多孔体８４０に当接しているアノード側拡散層８２０Ｂ全体に亘って拡散し、触媒層８２０Ａでアノード反応（例えば、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）に供される。以下では、単に、「上流」、「下流」と記した場合には、それぞれ、燃料ガスの流れ方向の上流（方向）、下流（方向）を示すものとする。本実施例の燃料電池１００は、上述のように、デットエンド構造となっており、アノード側多孔体８４０に供給された燃料ガスは、基本的に、アノード８２０で消費される。
【００４７】
ところで、燃料電池１００のアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、燃料ガスは、上流側から下流側へ流れるが、カソード８３０からリークしてきたリークガスは、その燃料ガスの流れによって上流側へ拡散することが抑制され、結果、下流側に多く滞留することとなる。
【００４８】
図１０は、図９のＸ領域の拡大図である。図１０において、燃料ガスは右から左に流れ、右側が上流となり、左側が下流となり、また、燃料ガスの流れを矢印で示している。本実施例の燃料電池１００の電解質膜８１０は、図１０に示すように、下流側から上流側に向かって次第に膜厚が厚くなるように、言い換えれば、上流側から下流側に向かって次第に膜厚が薄くなるように形成されている。このようにすれば、電解質膜８１０において、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、電解質膜８１０の厚さ方向（以下では単に厚さ方向とも呼ぶ）のガスを通しやすくなり、すなわち、厚さ方向のガス透過性を高くすることができる。そうすると、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、下流側に滞留したリークガスを電解質膜８１０（下流側に対応する部分）を介してカソード８３０へ戻すことが可能となる。その結果、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００４９】
なお、電解質膜８１０は、請求項における電解質膜に該当し、アノード８２０は、請求項のおけるアノードに該当し、アノード側多孔体８４０は、請求項における燃料ガス流路形成部に該当する。
【００５０】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池１００Ａの構成：
本実施例の燃料電池１００Ａは、基本的に第１実施例の燃料電池１００と同様の構成である。しかしながら、燃料電池１００Ａは、電解質膜８１０Ａが、第１実施例の燃料電池１００の電解質膜８１０と相違する。
【００５１】
図１１は、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける電解質膜８１０Ａの正面図である。図１２は、電解質膜８１０Ａの断面図である。この図１２は、第１実施例の燃料電池１００の図１０に対応する。燃料電池１００Ａにおいて、燃料電池１００と同様の構成には、同じ番号を記しており、その詳細については省略する。図１２に示すように、電解質膜８１０Ａは、膜厚は均一である。また、図１１、図１２に示すように、電解質膜８１０Ａは、上流側と下流側で異なる材質から形成されている。具体的には、電解質膜８１０Ａは、上流側が炭化水素系樹脂から成る炭化水素系電解質膜８１０Ａ１で形成され、下流側がフッ素系樹脂から成るフッ素系電解質膜８１０Ａ２で形成されている。なお、一般的に、炭化水素系樹脂よりフッ素系樹脂の方が、ガス透過性が高い。
【００５２】
以上のように、本実施例の燃料電池１００Ａでは、電解質膜８１０Ａが、上流側が炭化水素系電解質膜８１０Ａ１で形成され、下流側がフッ素系電解質膜８１０Ａ２で形成されている。このようにすれば、電解質膜８１０Ａにおいて、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、電解質膜８１０Ａの厚さ方向のガス透過性を高くすることができる。そうすると、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、下流側に滞留したリークガスを電解質膜８１０Ａ（下流側に対応する部分）を介してカソード８３０へ戻すことが可能となる。その結果、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００５３】
なお、電解質膜８１０Ａは、請求項における電解質膜に該当し、炭化水素系電解質膜８１０Ａ１は、請求項における炭化水素系電解質膜に該当し、フッ素系電解質膜８１０Ａ２は、フッ素系電解質膜に該当する。
【００５４】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池１００Ｂの構成：
本実施例の燃料電池１００Ｂは、基本的に第１実施例の燃料電池１００と同様の構成である。しかしながら、燃料電池１００Ｂは、電解質膜８１０Ｂおよびアノード８２０αが、第１実施例の燃料電池１００の電解質膜８１０およびアノード８２０と相違する。
【００５５】
図１３は、第３実施例の燃料電池１００Ｂの電解質膜８１０Ｂおよびアノード８２０αの断面図である。この図１３は、第１実施例の燃料電池１００の図１０に対応する。燃料電池１００Ｂにおいて、燃料電池１００と同様の構成には、同じ番号を記しており、その詳細については省略する。図１３に示すように、本実施例の燃料電池１００Ｂの電解質膜８１０Ｂは、第１実施例の燃料電池１００の電解質膜８１０とは異なり、膜厚が均一になっている。また、図１３に示すように、アノード８２０α（アノード側拡散層８２０Ｂ１および触媒層８２０Ａ１）において、下流側から上流側に向かって次第に空隙率が低くなるように、言い換えれば、上流側から下流側に向かって次第に空隙率が高くなるように形成されている。
【００５６】
以上のように、本実施例の燃料電池１００Ｂでは、アノード８２０αにおいて、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より空隙率が高くなるように形成されている。このようにすれば、アノード８２０αにおいて、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、アノード８２０αの厚さ方向のガス透過性を高くすることができる。そうすると、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、下流側に滞留したリークガスをアノード８２０α（下流側に対応する部分）を介してカソード８３０へ戻すことが可能となる。その結果、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００５７】
なお、電解質膜８１０Ｂは、請求項における電解質膜に該当し、アノード８２０αは、請求項におけるアノードに該当する。
【００５８】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池１００Ｃの構成：
本実施例の燃料電池１００Ｃは、基本的に第１実施例の燃料電池１００と同様の構成である。しかしながら、燃料電池１００Ｃは、電解質膜８１０Ｃが、第１実施例の燃料電池１００の電解質膜８１０と相違し、また、導電性シート８６０を備える点で、第１実施例の燃料電池１００と相違する。
【００５９】
図１４は、燃料電池１００Ｃの概略断面図である。この図１４は、第１実施例の燃料電池１００の図９に対応する図である。燃料電池１００Ｃにおいて、燃料電池１００と同様の構成には、同じ番号を記しており、その詳細については省略する。導電性シート８６０は、図１４に示すように、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）との間に設けられる。
【００６０】
図１５は、導電性シート８６０の正面図（図１４において、導電性シート８６０を上側から見た図）である。導電性シート８６０は、図１５に示すように、シート状（薄膜状）に形成されてなり、その表面に分散して設けられた多数の貫通孔８６５を有している。各貫通孔８６５は、略円形で共に口径が等しく（すなわち、同形状であり）、また、導電性シート８６０の表面に、千鳥状に設けられる。この導電性シート８６０は、金で形成されており、アノード側多孔体８４０の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合される。なお、導電性シート８６０において、貫通孔８６５は、格子状に設けられていてもよい。
【００６１】
図１６は、図１４のＺ領域の拡大図である。図１７は、電解質膜８１０Ｃの正面図（図１４において、電解質膜８１０Ｃを上側から見た図）である。図１７には、導電性シート８６０の貫通孔８６５の対応する位置が示されている。本実施例の燃料電池１００Ｃの電解質膜８１０Ｃは、図１６および図１７に示すように、その表面に分散して設けられた多数の凹部８１２を有している。また、図１６に示すように、電解質膜８１０Ｃは、凹部８１２以外の部分においては膜厚が均一である。各凹部８１２は、略円形で共に口径が等しく（すなわち、同形状であり）、電解質膜８１０Ｃの表面に、千鳥状に設けられる。電解質膜８１０Ｃにおいて、凹部８１２が配置された部分は、他の部分と比べて、膜厚が薄く、すなわち、膜厚方向のガス透過性が高い。
【００６２】
また、導電性シート８６０の各貫通孔８６５と、電解質膜８１０Ｃの各凹部８１２は、積層部材８００をその積層方向（厚さ方向）から見た場合において、図１６および図１７に示すように、それぞれ重ならないように配置され、言い換えれば、貫通孔８６５の間に、凹部８１２が位置するように配置されている。
【００６３】
図１６に示すように、アノード側多孔体８４０に導入された燃料ガスは、導電性シート８６０の各貫通孔８６５を介して、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）の厚さ方向（積層方向）からアノード側拡散層８２０Ｂに流入し、アノード側拡散層８２０Ｂ全体に亘って拡散しつつ、触媒層８２０Ａに供給される。すなわち、アノード側多孔体８４０に導入された燃料ガスは、アノード８２０に分散して供給され、アノード８２０（触媒層８２０Ａ）全体において発電を行うことができる。
【００６４】
以上のように、本実施例の燃料電池１００Ｃでは、積層部材８００において、アノード８２０（アノード側拡散層８２０Ｂ）とアノード側多孔体８４０との間に導電性シート８６０を設けているので、リークガスがアノード側拡散層８２０Ｂからアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）に進入することを抑制し、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）にリークガスが滞留することを抑制している。
【００６５】
ところで、リークガスの多くは、導電性シート８６０に阻まれて、アノード８２０に滞留することとなる。しかし、アノード８２０において、リークガスの滞留量が多くなると、濃度拡散によって、貫通孔８６５を通る燃料ガスの流れに逆らって、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）にリークガスが進入し、滞留するおそれがあった。なお、この場合、図１６に示すように、アノード８２０において、リークガスは、導電性シート８６０の各貫通孔８６５から供給される燃料ガスの流れに押し込まれるようにして、各貫通孔８６５の間に滞留し易い。
【００６６】
一方、本実施例の燃料電池１００Ｃでは、積層部材８００を積層方向から見た場合において、電解質膜８１０Ｃの各凹部８１２が、導電性シート８６０の各貫通孔８６５の間に位置するように配置されている（図１６、１７参照）。このようにすれば、アノード８２０において、各貫通孔８６５の間に滞留しているリークガスを、電解質膜８１０Ｃにおいて、ガス透過性が高い各凹部８１２部分を介して、カソード８３０へ戻すことが可能となる。その結果、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）にリークガスが進入し、滞留することを抑制することができる。
【００６７】
なお、本実施例の燃料電池１００では、燃料ガス供給流路に供給する燃料ガスの供給圧力（以下では、燃料ガス供給圧とも呼ぶ）、および、酸化ガス供給流路に供給する酸化ガスの供給圧力（酸化ガス供給圧とも呼ぶ）は、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの圧力の最小値が、アノード８２０において、カソード８３０側から電解質膜８１０を介してリークしてくるリークガスの分圧の最大値より高くなるように、設定されていることが好ましい。この場合、燃料ガス供給圧、または、酸化ガス供給圧のどちらか一方のみを調整して上記のように設定してもよいし、燃料ガス供給圧、および、酸化ガス供給圧の両方を調整して上記のように設定してもよい。なお、燃料ガス供給圧、または、酸化ガス供給圧の設定値は、例えば、実験的に定められる実験データに基づいて、決定される。
【００６８】
電解質膜８１０Ｃは、請求項における電解質膜に該当し、導電性シート８６０は、請求項における導電性シート部に該当し、貫通孔８６５は、請求項における貫通孔に該当する。
【００６９】
Ｅ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００７０】
Ｅ１．変形例１：
図１８は、変形例１の燃料電池における概略断面図である。この図１８は、第１実施例の燃料電池１００における図１０に対応する。上記第１実施例の燃料電池１００では、電解質膜８１０が、上流側から下流側に向かって次第に膜厚が薄くなるように形成されているが、本発明は、これに限られるものではない。本変形例１の燃料電池は、図８に示すように、電解質膜８１０が、上流側から下流側に向かって次第に膜厚が厚くなるように形成されている。このようにすれば、電解質膜８１０において、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、電解質膜８１０の厚さ方向（以下では単に厚さ方向とも呼ぶ）のガス透過性を低くすることができる。それに伴い、例えば、燃料電池の起動停止時などにおいて、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）の下流側にリークガスが進入し、滞留することを抑制することができる。そうすると、燃料電池の発電が開始され、アノード側多孔体８４０に燃料ガスが流れることにより、アノード側多孔体８４０の上流側のリークガスが下流側に流されても、下流側において、リークガスの滞留が抑制されていたので、下流側にリークガスが大量に滞留することを抑制することができる。
【００７１】
Ｅ２．変形例２：
図１９は、変形例２の燃料電池における概略断面図である。この図１８は、第２実施例の燃料電池１００Ａにおける図１２に対応する。上記第２実施例の燃料電池１００Ａでは、電解質膜８１０Ａが、上流側が炭化水素系電解質膜８１０Ａ１で形成され、下流側がフッ素系電解質膜８１０Ａ２で形成されているが、本発明はこれに限られるものではない。本変形例２の燃料電池は、図１９に示すように、上流側がフッ素系電解質膜８１０Ａ２で形成され、下流側が炭化水素系電解質膜８１０Ａ１で形成されている。このようにすれば、電解質膜８１０Ａにおいて、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、電解質膜８１０Ａの厚さ方向（以下では単に厚さ方向とも呼ぶ）のガス透過性を低くすることができる。それに伴い、例えば、燃料電池の起動停止時などにおいて、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）の下流側にリークガスが進入し、滞留することを抑制することができる。そうすると、燃料電池の発電が開始され、アノード側多孔体８４０に燃料ガスが流れることにより、アノード側多孔体８４０の上流側のリークガスが下流側に流されても、下流側において、リークガスの滞留が抑制されていたので、下流側にリークガスが大量に滞留することを抑制することができる。
【００７２】
Ｅ３．変形例３：
図２０は、変形例３の燃料電池における概略断面図である。この図２０は、第３実施例の燃料電池１００Ｂにおける図１３に対応する。上記第３実施例の燃料電池１００Ｂでは、アノード８２０αにおいて、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より空隙率が高くなるように形成されているが、本発明はこれに限られるものではない。本変形例３の燃料電池は、図２０に示すように、アノード８２０αにおいて、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より空隙率が低くなるように形成されている。このようにすれば、アノード８２０αにおいて、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、アノード８２０αの厚さ方向のガス透過性を低くすることができる。それに伴い、例えば、燃料電池の起動停止時などにおいて、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）の下流側にリークガスが進入し、滞留することを抑制することができる。そうすると、燃料電池の発電が開始され、アノード側多孔体８４０に燃料ガスが流れることにより、アノード側多孔体８４０の上流側のリークガスが下流側に流されても、下流側において、リークガスの滞留が抑制されていたので、下流側にリークガスが大量に滞留することを抑制することができる。
【００７３】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池において、カソード８３０において、下流側に対応する部分が上流側に対応する部分より空隙率が高くなるように形成されていてもよい。このようにすれば、カソード８３０において、下流側に対応する部分が、上流側に対応する部分より、カソード８３０の厚さ方向のガス透過性を高くすることができる。そうすると、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、下流側に滞留したリークガスをカソード８３０へ戻すことが可能となる。その結果、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）において、リークガスの滞留を抑制することができる。
【００７４】
Ｅ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池において、アノード側多孔体８４０内にエジェクタを設け、燃料ガスを、エジェクタのジェットポンプ効果によりアノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）内を循環させるようにしてもよい。この場合、アノード側多孔体８４０において、燃料ガスが、エジェクタに流入する方向が、下流（方向）となり、その反対方向が上流（方向）となる。
【００７５】
Ｅ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池は、デットエンド構造となっているが、本発明はこれに限られるものではなく、燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池であればよい。この場合、「燃料ガスを排気することなく発電を行う燃料電池」とは、例えば、以下のような燃料電池を含む概念である。すなわち、燃料ガス排出マニホールドと、該燃料ガス排出マニホールドと連通し、アノード側多孔体８４０（燃料ガス供給流路）から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出流路と、燃料ガス排出マニホールドから、燃料ガスを燃料電池の外部に排出することを遮断可能なパージ弁と、を備えた燃料電池であって、燃料ガスおよび酸化ガスの供給量、発電量など発電に係るパラメータが、所定帯域内にあり、アノードおよびカソードの窒素分圧が、略均衡状態である場合において、パージ弁を開弁せずに、言い換えれば、燃料ガスを燃料電池の外部に排出せずに発電を行うような燃料電池を含む概念である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】第１実施例における燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の側面図である。
【図３】シール一体発電アセンブリ２００の正面図（図２においてシール一体発電アセンブリ２００を右側から見た図）である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図５】セパレータ６００のうちカソードプレート４００の形状を示す説明図である。
【図６】セパレータ６００のうちアノードプレート３００の形状を示す説明図である。
【図７】セパレータ６００のうち中間プレート５００の形状を示す説明図である。
【図８】セパレータ６００の正面図である。
【図９】第１実施例の燃料電池１００内における反応ガスの流れを示す説明図である。
【図１０】図９のＸ領域の拡大図である。
【図１１】第２実施例の燃料電池１００Ａにおける電解質膜８１０Ａの正面図である。
【図１２】電解質膜８１０Ａの断面図である。
【図１３】第３実施例の燃料電池１００Ｂの電解質膜８１０Ｂおよびアノード８２０αの断面図である。
【図１４】燃料電池１００Ｃの概略断面図である。
【図１５】導電性シート８６０の正面図（図１４において導電性シート８６０を上側から見た図）である。
【図１６】図１４のＺ領域の拡大図である。
【図１７】電解質膜８１０Ｃの正面図（図１４において電解質膜８１０Ｃを上側から見た図）である。
【図１８】変形例１の燃料電池における概略断面図である。
【図１９】変形例２の燃料電池における概略断面図である。
【図２０】変形例３の燃料電池における概略断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
２４…ＭＥＡ
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…燃料電池
２００…シール一体発電アセンブリ
３００…アノードプレート
３５０…燃料ガス供給スリット
４００…カソードプレート
４４０…酸化ガス供給スリット
４４４…酸化ガス排出スリット
５００…中間プレート
５４２…酸化ガス導入流路形成部
５４４…酸化ガス排出流路形成部
５４６…燃料ガス導入流路形成部
６００…セパレータ
６３０…燃料ガス導入流路
６５０…酸化ガス導入流路
６６０…酸化ガス排出流路
７００…シール部材
８００…積層部材
８１０，８１０Ａ，８１０Ｂ，８１０Ｃ…電解質膜
８１０Ａ１…炭化水素系電解質膜
８１０Ａ２…フッ素系電解質膜
８１２…凹部
８２０…アノード
８３０…カソード
８４０…アノード側多孔体
８５０…カソード側多孔体
８６０…導電性シート
８６５…貫通孔
【図１】
2008311047.tif 000003
【図２】
2008311047.tif 000004
【図３】
2008311047.tif 000005
【図４】
2008311047.tif 000006
【図５】
2008311047.tif 000007
【図６】
2008311047.tif 000008
【図７】
2008311047.tif 000009
【図８】
2008311047.tif 000010
【図９】
2008311047.tif 000011
【図１０】
2008311047.tif 000012
【図１１】
2008311047.tif 000013
【図１２】
2008311047.tif 000014
【図１３】
2008311047.tif 000015
【図１４】
2008311047.tif 000016
【図１５】
2008311047.tif 000017
【図１６】
2008311047.tif 000018
【図１７】
2008311047.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2008311047.tif 000021
【図２０】
2008311047.tif 000022