(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池の発電性能を向上させる技術を提供する。【解決手段】燃料電池１０は、発電領域２５に燃料ガスを流すアノード流路４０と、発電領域２５を第１区画２１と第２区画２２とに画定する遮断部３０５とを備え、アノード流路４０は、第１区画２１における分配部４２２に燃料ガスを供給するアノード供給部４１と、第１区画２１における分配部４２２から集約部４２７に燃料ガスを誘導するアノード誘導部４２と、第１区画２１の集約部４２７から第２区画２２に燃料ガスを迂回させる迂回部４６とを含む。【選択図】図２
2012069479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的に発電する燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード面に燃料ガスを流すアノード流路と、
前記アノード面上に延在して前記アノード面を二つの区画に画定し、前記二つの区画の間で前記燃料ガスの流れを遮断する遮断部と
を備え、
前記アノード流路は、
前記二つの区画のうち第１区画における前記遮断部に隣接する第１部分領域に、前記燃料ガスを供給するアノード供給部と、
前記第１区画における前記第１部分領域から、前記第１区画における前記遮断部から離間する第２部分領域に、前記アノード供給部から供給された燃料ガスを誘導するアノード誘導部と、
前記第１区画における第２部分領域から、前記二つの区画のうち前記第１区画とは異なる第２区画に、前記アノード誘導部を経由した燃料ガスを迂回させる迂回部と
を含む、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
更に、前記膜電極接合体のカソード面に酸化ガスを流すカソード流路を備え、
前記カソード流路は、
前記アノード面の前記第２区画に対応する前記カソード面の領域に前記酸化ガスを供給するカソード供給部と、
前記アノード面の前記第１区画に対応する前記カソード面の領域から前記酸化ガスを回収するカソード回収部と、
前記カソード供給部と前記カソード回収部との間に設けられ、前記カソード供給部から前記カソード回収部に前記酸化ガスを誘導するカソード誘導部と
を含み、
前記カソード誘導部は、前記カソード供給部および前記カソード回収部にそれぞれ連通し相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成された閉塞流路を含む、燃料電池。
【請求項３】
前記アノード面の前記第１区画は、前記第２区画よりも広い請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード流路の前記アノード誘導部は、前記アノード供給部および前記迂回部にそれぞれ連通し相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成された閉塞流路を含む、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記アノード流路の前記迂回部は、前記第１区画における第２部分領域から、前記第２区画における前記遮断部から離間する第３部分領域に、前記アノード誘導部を経由した燃料ガスを迂回させ、
前記アノード流路は、更に、前記第２区画における前記第３部分領域から、前記第２区画における前記遮断部に隣接する第４部分領域に、前記迂回部を経由した燃料ガスを誘導する後段アノード誘導部を含む、燃料電池。
【請求項６】
前記アノード流路の前記後段アノード誘導部は、前記第３部分領域と前記第４部分領域との間を連通し相互に平行に配列された複数の溝状に形成された連通流路を含む、請求項５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、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部において反応ガスを流すガス流路に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、電解質膜の両面に電極層を接合した複数の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）と、これら膜電極接合体の各間を隔離するセパレータとを交互に積層し、ＭＥＡの電極面に反応ガスを流すガス流路をセパレータによって形成したものが知られている。
【０００３】
従来、ガス流路の形状によって燃料電池の発電効率を高めるために、反応ガスの供給側に連通する供給流路と、反応ガスの回収側に連通する回収流路とを、それぞれ櫛歯状とし相互に噛み合うように分離して形成した燃料電池が提案されていた（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１４３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、相互に分離して噛み合う櫛歯状流路の場合、ＭＥＡの内部で流動する反応ガスのガス流速が、流路の中間域で上流域や下流域と比較して遅くなるため、流路の中間域ではＭＥＡの内部から水分が排出され難く、過剰な水分によって反応ガスの供給が阻害され、発電性能が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の発電性能を向上させる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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］  適用例１の燃料電池は、電気化学的に発電する燃料電池であって、電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード面に燃料ガスを流すアノード流路と、前記アノード面上に延在して前記アノード面を二つの区画に画定し、前記二つの区画の間で前記燃料ガスの流れを遮断する遮断部とを備え、前記アノード流路は、前記二つの区画のうち第１区画における前記遮断部に隣接する第１部分領域に、前記燃料ガスを供給するアノード供給部と、前記第１区画における前記第１部分領域から、前記第１区画における前記遮断部から離間する第２部分領域に、前記アノード供給部から供給された燃料ガスを誘導するアノード誘導部と、前記第１区画における第２部分領域から、前記二つの区画のうち前記第１区画とは異なる第２区画に、前記アノード誘導部を経由した燃料ガスを迂回させる迂回部とを含むことを特徴とする。適用例１の燃料電池によれば、膜電極接合体の中間域に相当する第１区画の領域から燃料ガスによって排出される水分量を増加させることができる。その結果、燃料電池の構成上、第１区画で水分が過剰に滞留し易い場合に、燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、第１区画における水分の排出に伴って加湿された燃料ガスによって、アノード面の第２区画を加湿することができる。その結果、燃料電池の構成上、第２区画で乾燥し易い場合に、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］  適用例１の燃料電池であって、更に、前記膜電極接合体のカソード面に酸化ガスを流すカソード流路を備え、前記カソード流路は、前記アノード面の前記第２区画に対応する前記カソード面の領域に前記酸化ガスを供給するカソード供給部と、前記アノード面の前記第１区画に対応する前記カソード面の領域から前記酸化ガスを回収するカソード回収部と、前記カソード供給部と前記カソード回収部との間に設けられ、前記カソード供給部から前記カソード回収部に前記酸化ガスを誘導するカソード誘導部とを含み、前記カソード誘導部は、前記カソード供給部および前記カソード回収部にそれぞれ連通し相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成された閉塞流路を含むとしても良い。適用例２の燃料電池によれば、カソード流路に櫛歯状の流路を適用した燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］  適用例１または適用例２の燃料電池であって、前記アノード面の前記第１区画は、前記第２区画よりも広いと良い。適用例３の燃料電池によれば、膜電極接合体の中間域に対して、燃料ガスによる水分排出をより効果的に実施することができる。
【００１１】
［適用例４］  適用例１ないし適用例３のいずれかの燃料電池であって、前記アノード流路の前記アノード誘導部は、前記アノード供給部および前記迂回部にそれぞれ連通し相互に分離して噛み合う櫛歯状に形成された閉塞流路を含むとしても良い。適用例４の燃料電池によれば、第１区画の遮断部側において、膜電極接合体の内部を流動する燃料ガスのガス流速が比較的に速くなるため、燃料ガスによる水分排出をより効果的に実施することができる。
【００１２】
［適用例５］  適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池であって、前記アノード流路の前記迂回部は、前記第１区画における第２部分領域から、前記第２区画における前記遮断部から離間する第３部分領域に、前記アノード誘導部を経由した燃料ガスを迂回させ、前記アノード流路は、更に、前記第２区画における前記第３部分領域から、前記第２区画における前記遮断部に隣接する第４部分領域に、前記迂回部を経由した燃料ガスを誘導する後段アノード誘導部を含むとしても良い。適用例５の燃料電池によれば、第２区画をより効果的に加湿することができる。
【００１３】
［適用例６］  適用例５の燃料電池であって、前記アノード流路の前記後段アノード誘導部は、前記第３部分領域と前記第４部分領域との間を連通し相互に平行に配列された複数の溝状に形成された連通流路を含むとしても良い。適用例６の燃料電池によれば、第２区画に対して燃料ガスを円滑に流すことができる。
【００１４】
本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の構成部材、燃料電池を備える車両、燃料電池を運転する燃料電池システムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池の構成を示す説明図である。
【図２】アノードセパレータの詳細構成を示す説明図である。
【図３】カソードセパレータの詳細構造を示す説明図である。
【図４】燃料ガスおよび酸化ガスの水蒸気分圧を示す説明図である。
【図５】燃料ガスおよび酸化ガスの各拡散層内の流速を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。
【００１７】
Ａ．実施例：
図１は、燃料電池１０の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池１０で用いられる燃料ガスは、貯蔵タンクに貯蔵された水素ガスであるが、他の実施形態において、水素吸蔵合金に貯蔵された水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。本実施例では、燃料電池１０で用いられる酸化ガスは、外気から取り込まれた空気である。
【００１８】
燃料電池１０は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う複数のセル１５を備え、これら複数のセル１５は相互に積層されている。燃料電池１０のセル１５は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と、アノードセパレータ３０と、カソードセパレータ５０とを備える。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ５０は、ＭＥＡ２０に積層された積層部材であり、ＭＥＡ２０は、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０との間に挟持されている。
【００１９】
燃料電池１０のＭＥＡ２０は、電解質膜２１０と、アノード電極２３０と、カソード電極２５０とを備える。ＭＥＡ２０のアノード電極２３０は、アノード触媒層２３１と、アノード拡散層２３５とを含み、ＭＥＡ２０のカソード電極２５０は、カソード触媒層２５１と、カソード拡散層２５５とを含む。電解質膜２１０の一方の面には、アノード触媒層２３１、アノード拡散層２３５の順に積層してアノード電極２３０が接合されている。電解質膜２１０における他方の面には、カソード触媒層２５１、カソード拡散層２５５の順に積層してカソード電極２５０が接合されている。
【００２０】
ＭＥＡ２０の電解質膜２１０は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体であり、本実施例では、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。ＭＥＡ２０のアノード触媒層２３１およびカソード触媒層２５１は、ガス透過性，導電性を有し、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒（例えば、白金、白金合金）を担持した材料で形成され、本実施例では、白金系触媒を担持した炭素担体で形成されている。ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５およびカソード拡散層２５５は、ガス透過性，導電性を有する材料で形成され、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパで形成することができる。
【００２１】
燃料電池１０のアノードセパレータ３０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５側の面であるアノード面に燃料ガスを流すアノード流路４０を形成し、燃料電池１０のカソードセパレータ５０は、ＭＥＡ２０のカソード拡散層２５５側の面であるカソード面に酸化ガスを流すカソード流路６０を形成する。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ５０は、ＭＥＡ２０で生じた電気の集電に十分な導電性を有すると共に、ＭＥＡ２０に反応ガスを流すのに十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する。本実施例では、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ５０は、カーボン樹脂で形成されているが、他の実施形態において、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスで形成しても良い。本実施例では、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とを別々に構成したが、他の実施形態において、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とを一体的に構成しても良い。
【００２２】
図２は、アノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図２には、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。図２には、燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示した。本実施例では、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状は、長方形である。
【００２３】
アノードセパレータ３０は、遮断部３０５と、外壁部３１０と、孔部３１１〜３１６と、隔壁部３２１，３２６，３２８と、流路壁部３３０，３４０とを備える。アノードセパレータ３０の遮断部３０５、外壁部３１０、隔壁部３２１，３２６，３２８、および流路壁部３３０，３４０は、ＭＥＡ２０のアノード電極２３０側に当接する部位である。
【００２４】
アノードセパレータ３０は、アノードセパレータ３０の各部とＭＥＡ２０との間に区画された流路としてアノード流路４０を形成する。アノード流路４０は、アノード供給部４１と、アノード誘導部４２と、迂回部４６と、後段アノード誘導部４７と、アノード回収部４８とを備える。図２では、アノードセパレータ３０によって形成されるアノード流路４０の形状認識を容易にするために、遮断部３０５、外壁部３１０、隔壁部３２１，３２６，３２８、および流路壁部３３０，３４０にハッチングを施した。
【００２５】
アノードセパレータ３０の孔部３１１〜３１６は、アノードセパレータ３０を貫通する孔を形成する。孔部３１１、孔部３１２、孔部３１３は、長方形のアノードセパレータ３０における一方の短辺に沿って順に設けられ、孔部３１４、孔部３１５、孔部３１６は、長方形のアノードセパレータ３０における他方の短辺に沿って順に設けられている。本実施例では、孔部３１４は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための燃料ガスを流す流路の一部を構成し、孔部３１１は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された燃料ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部３１２は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、孔部３１５は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部３１３は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための冷却水を流す流路の一部を構成し、孔部３１６は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された冷却水を流す流路の一部を構成する。
【００２６】
アノードセパレータ３０の外壁部３１０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接した状態で、ＭＥＡ２０において発電が行われる部位に対応する発電領域２５を囲繞する。アノードセパレータ３０では、発電領域２５は、燃料ガスの供給側である孔部３１４と、燃料ガスの回収側である孔部３１１とに連通され、酸化ガスのための孔部３１２，３１５、および冷却水のための孔部３１３，３１６から隔離される。
【００２７】
アノードセパレータ３０の遮断部３０５は、ＭＥＡ２０のアノード電極２３０側の面上に延在して発電領域２５を二つの区画に画定し、これら二つの区画の間で燃料ガスの流れを遮断する。本実施例では、遮断部３０５は、長方形のアノードセパレータ３０における短辺に沿って延在し、発電領域２５の二つの区画のうち燃料ガスの供給側である孔部３１４側の第１区画２１は、燃料ガスの回収側である孔部３１１側の第２区画２２よりも広い。本実施例では、図１に示すように、アノード拡散層２３５を貫通してアノード触媒層２３１に至る状態で、遮断部３０５をＭＥＡ２０に当接させるが、他の実施形態において、アノード拡散層２３５の一部分に樹脂を含浸させて燃料ガスの透過を遮断し、このアノード拡散層２３５の部分に遮断部３０５を当接させても良い。
【００２８】
アノードセパレータ３０の隔壁部３２１は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接した状態で、長方形のアノードセパレータ３０における長辺に沿って、外壁部３１０と第１区画２１との間で、孔部３１４から遮断部３０５の手前まで延在する。外壁部３１０と隔壁部３２１との間には、アノード流路４０の一部であるアノード供給部４１が形成される。アノード供給部４１は、孔部３１４と第１区画２１との間を連通する流路であり、第１区画２１における遮断部３０５に隣接する第１部分領域に燃料ガスを供給する。
【００２９】
アノードセパレータ３０の流路壁部３３０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接した状態で第１区画２１に延在し、第１区画２１で燃料ガスを誘導するアノード誘導部４２を形成する。アノード誘導部４２は、燃料ガスの供給側の櫛歯状流路である一次閉塞流路４２１と、燃料ガスの回収側の櫛歯状流路である二次閉塞流路４２５とを備え、一次閉塞流路４２１は遮断部３０５側に形成され、二次閉塞流路４２５は孔部３１４側に形成される。アノード誘導部４２の一次閉塞流路４２１は、分配部４２２および閉塞部４２３を含み、アノード誘導部４２の二次閉塞流路４２５は、閉塞部４２６および集約部４２７を含む。本実施例では、一次閉塞流路４２１の閉塞部４２３、および二次閉塞流路４２５の閉塞部４２６の各々は、長方形のアノードセパレータ３０における長辺に沿った複数の閉塞流路を含む。
【００３０】
一次閉塞流路４２１の分配部４２２は、第１区画２１における遮断部３０５に隣接する第１部分領域であり、アノード供給部４１から供給された燃料ガスを閉塞部４２３における複数の閉塞流路に分配する。一次閉塞流路４２１の閉塞部４２３に分配された燃料ガスは、アノード拡散層２３５を通じて流路壁部３３０の下を潜り抜け、二次閉塞流路４２５の閉塞部４２６における複数の閉塞流路に移動する。二次閉塞流路４２５の集約部４２７は、第１区画２１における遮断部３０５から離間する第２部分領域であり、閉塞部４２６における複数の閉塞流路から排出される燃料ガスを集約する。これによって、アノード誘導部４２は、アノード供給部４１から供給された燃料ガスを、第１区画２１の第１部分領域から第２部分領域に誘導しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを流動させる。
【００３１】
アノードセパレータ３０の隔壁部３２６は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接した状態で、長方形のアノードセパレータ３０における隔壁部３２１側の長辺に対向する長辺側で、第１区画２１および第２区画２２に沿って延在する。外壁部３１０と隔壁部３２６との間には、アノード流路４０の一部である迂回部４６が形成される。迂回部４６は、第１区画２１と第２区画２２との間を連通する流路であり、アノード誘導部４２を経由した燃料ガスを、第１区画２１の第２部分領域である集約部４２７から、第２区画２２における遮断部３０５から離間する第３部分領域に迂回させる。
【００３２】
アノードセパレータ３０の流路壁部３４０は、長方形のアノードセパレータ３０における長辺と平行な方向に筋状の凸条として第２区画２２に延在し、相互に離間して等間隔で設けられ、第２区画２２で燃料ガスを誘導する後段アノード誘導部４７を形成する。後段アノード誘導部４７は、分配部４７１と、連通部４７４と、集約部４７７とを備え、分配部４７１は孔部３１１側に形成され、集約部４７７は遮断部３０５側に形成される。後段アノード誘導部４７の連通部４７４は、分配部４７１と集約部４７７との間を連通し相互に平行に配列された複数の連通流路を含む。
【００３３】
後段アノード誘導部４７の分配部４７１は、第２区画２２における遮断部３０５から離間する第３部分領域であり、迂回部４６から供給された燃料ガスを連通部４７４における複数の溝状流路に分配する。後段アノード誘導部４７の連通部４７４は、分配部４７１から集約部４７７に向けて燃料ガスを流す。後段アノード誘導部４７の集約部４７７は、第２区画２２における遮断部３０５に隣接する第４部分領域であり、連通部４７４における複数の連通流路から排出される燃料ガスを集約する。これによって、後段アノード誘導部４７は、迂回部４６から供給された燃料ガスを、第２区画２２の第３部分領域から第４部分領域に誘導しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを流動させる。
【００３４】
アノードセパレータ３０の隔壁部３２８は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接した状態で、長方形のアノードセパレータ３０における隔壁部３２１側の長辺に沿って、外壁部３１０と第２区画２２との間で、孔部３１１から遮断部３０５の手前まで延在する。外壁部３１０と隔壁部３２８との間には、アノード流路４０の一部であるアノード回収部４８が形成される。アノード回収部４８は、第２区画２２と孔部３１１との間を連通する流路であり、第２区画２２の第４部分領域である集約部４７７から燃料ガスを回収する。
【００３５】
図３は、カソードセパレータ５０の詳細構造を示す説明図である。図３には、ＭＥＡ２０側から見たカソードセパレータ５０の形状を図示した。図３には、酸化ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示した。本実施例では、ＭＥＡ２０側から見たカソードセパレータ５０の形状は、アノードセパレータ３０と同様に長方形である。
【００３６】
カソードセパレータ５０は、外壁部５１０と、孔部５１１〜５１６と、流路壁部５３０とを備える。カソードセパレータ５０の外壁部５１０および流路壁部５３０は、ＭＥＡ２０のカソード電極２５０側に当接する部位である。
【００３７】
カソードセパレータ５０は、カソードセパレータ５０の各部とＭＥＡ２０との間に区画された流路としてカソード流路６０を形成する。カソード流路６０は、カソード供給部６１と、カソード誘導部６２と、カソード回収部６８とを備える。図３では、カソードセパレータ５０によって形成されるカソード流路６０の形状認識を容易にするために、外壁部５１０および流路壁部５３０にハッチングを施した。
【００３８】
カソードセパレータ５０の孔部５１１〜５１６は、カソードセパレータ５０を貫通する孔を形成する。孔部５１１、孔部５１２、孔部５１３は、長方形のカソードセパレータ５０における一方の短辺に沿って順に設けられ、孔部５１４、孔部５１５、孔部５１６は、長方形のカソードセパレータ５０における他方の短辺に沿って順に設けられている。本実施例では、孔部５１４は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための燃料ガスを流す流路の一部を構成し、孔部５１１は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された燃料ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部５１２は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、孔部５１５は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部５１３は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための冷却水を流す流路の一部を構成し、孔部５１６は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された冷却水を流す流路の一部を構成する。
【００３９】
カソードセパレータ５０の外壁部５１０は、ＭＥＡ２０のカソード拡散層２５５に当接した状態で発電領域２５を囲繞する。カソードセパレータ５０では、発電領域２５は、酸化ガスの供給側である孔部５１２と、酸化ガスの回収側である孔部５１５とに連通され、燃料ガスのための孔部５１１，５１４、および冷却水のための孔部５１３，５１６から離隔される。孔部５１２と発電領域２５との間にはカソード供給部６１が形成され、発電領域２５と孔部５１５との間にはカソード回収部６８が形成される。カソード供給部６１は、孔部５１２と発電領域２５との間を連通する流路であり、発電領域２５に酸化ガスを供給する。カソード回収部６８は、発電領域２５と孔部５１５との間を連通する流路であり、発電領域２５から酸化ガスを回収する。
【００４０】
カソードセパレータ５０の流路壁部５３０は、ＭＥＡ２０のカソード拡散層２５５に当接した状態で発電領域２５に延在し、発電領域２５に酸化ガスを誘導するカソード誘導部６２を形成する。カソード誘導部６２は、酸化ガスの供給側の櫛歯状流路である一次閉塞流路６２１と、酸化ガスの回収側の櫛歯状流路である二次閉塞流路６２５とを備え、一次閉塞流路６２１は発電領域２５の第１区画２１側に形成され、二次閉塞流路６２５は発電領域２５の第２区画２２側に形成される。カソード誘導部６２の一次閉塞流路６２１は、分配部６２２および閉塞部６２３を含み、カソード誘導部６２の二次閉塞流路６２５は、閉塞部６２６および集約部６２７を含む。一次閉塞流路６２１の閉塞部６２３、および二次閉塞流路６２５の閉塞部６２６の各々は、長方形のカソードセパレータ５０における長辺に沿った複数の閉塞流路を含む。
【００４１】
一次閉塞流路６２１の分配部６２２は、カソード供給部６１から供給された酸化ガスを閉塞部６２３における複数の閉塞流路に分配する。一次閉塞流路６２１の閉塞部６２３に分配された酸化ガスは、カソード拡散層２５５を通じて流路壁部５３０の下を潜り抜け、二次閉塞流路６２５の閉塞部６２６における複数の閉塞流路に移動する。二次閉塞流路６２５の集約部６２７は、閉塞部６２６における複数の閉塞流路から排出される燃料ガスを集約する。これによって、カソード誘導部６２は、カソード供給部６１から供給された酸化ガスをカソード回収部６８に誘導しつつ、ＭＥＡ２０のカソード拡散層２５５に酸化ガスを流動させる。
【００４２】
図４は、燃料ガスおよび酸化ガスの水蒸気分圧を示す説明図である。図４のデータは、カソード流路６０については、図３に示した櫛歯状流路を適用し、アノード流路４０については、図２と異なり、アノード流路４０のアノード誘導部４２および後段アノード誘導部４７の両方に櫛歯状流路を適用した実施形態のものである。図４には、アノード流路４０およびカソード流路６０の位置を横軸に設定し、水蒸気分圧を縦軸に設定することによって、燃料ガスおよび酸化ガスの水蒸気分圧の変化を図示した。図４の横軸に設定した位置Ｓ１は、発電領域２５における第２区画２２側の端部に対応する位置であり、位置Ｓ２は、発電領域２５における第１区画２１と第２区画２２との境界に対応する位置であり、位置Ｓ３は、発電領域２５における第１区画２１側の端部に対応する位置である。
【００４３】
酸化ガスは、位置Ｓ１、位置Ｓ２、位置Ｓ３の順に流れつつ、発電に伴う生成水によって加湿される。図４に示すように、カソード流路６０の中間部に相当する位置Ｓ２の付近では、排水の駆動力が不足するため、湿度（カソード拡散層２５５の水分量）が最も高くなる。燃料ガスは、第１区画２１における位置Ｓ２から位置Ｓ３に流れた後、アノード流路４０の迂回部４６を経由して位置Ｓ１に迂回して、第２区画２２における位置Ｓ１から位置Ｓ２に流れる。図４に示すように、第１区画２１における位置Ｓ２から位置Ｓ３の間では、燃料ガスは、生成水で加湿された酸化ガスと同じ方向に流れ、酸化ガスと同等の水蒸気分圧まで加湿される。その後、第２区画２２における位置Ｓ１から位置Ｓ２の間では、第１区画２１で加湿された燃料ガスは、比較的に乾燥した酸化ガスと同じ方向に流れ、燃料ガスの水分が酸化ガスに移動して酸化ガスが加湿されるに伴って、燃料ガスの水蒸気分圧は低下する。位置Ｓ２では、燃料ガスおよび酸化ガスは同等の水蒸気分圧になる。
【００４４】
図５は、燃料ガスおよび酸化ガスの各拡散層内の流速を示す説明図である。図５のデータは、カソード流路６０については、図３に示した櫛歯状流路を適用し、アノード流路４０については、図２と異なり、アノード流路４０のアノード誘導部４２および後段アノード誘導部４７の両方に櫛歯状流路を適用した実施形態のものである。図５の上段および下段共に、図４と同様に位置を横軸に設定し、速度を縦軸に設定して、図５の上段には、酸化ガスがカソード拡散層２５５内を流動する速度である酸化ガス流動速度を図示し、図５の下段には、燃料ガスがアノード拡散層２３５内を流動する速度である燃料ガス流動速度を図示した。図５の下段には、図２に示したアノード流路４０による燃料ガス流動速度を実線で図示し、カソード流路６０と同様の櫛歯状流路としたアノード流路による燃料ガス流動速度を一点鎖線で図示した。
【００４５】
図５の上段に示すように、酸化ガス流動速度は、位置Ｓ１から位置Ｓ２に進むに従って低下し、位置Ｓ１と位置Ｓ３との中間である発電領域２５の中間域Ｓｍで最も低下し、その後、位置Ｓ３に進むに従って上昇する。第１区画２１の中間域Ｓｍで酸化ガス流動速度が最も遅くなるため、カソード拡散層２５５における第１区画２１の中間域Ｓｍでは水分が滞留し易い傾向にある。
【００４６】
図５の下段に示すように、アノード流路４０による燃料ガス流動速度は、第１区画２１における位置Ｓ２から次第に低下し、中間域Ｓｍよりも位置Ｓ３側で最も低下した後、位置Ｓ３に進むに従って上昇する。その後、アノード流路４０による燃料ガス流動速度は、第２区画２２における位置Ｓ１から位置Ｓ２に進むに従って低下する。発電領域２５の中間域Ｓｍにおいて、アノード流路４０による燃料ガス流動速度は、一点鎖線で示した櫛歯状流路による燃料ガス流動速度よりも速くなる。
【００４７】
以上説明した燃料電池１０によれば、比較的に乾燥した燃料ガスを比較的に速い流動速度で位置Ｓ２に供給することができるため、発電領域２５の中間域Ｓｍに対応する第１区画２１の領域から燃料ガスによって排出される水分量を増加させることができる。また、第１区画２１における水分の排出に伴って加湿された燃料ガスによって、発電領域２５の第２区画２２を加湿することができる。これらの結果、第１区画２１で水分が過剰に滞留し易く第２区画２２で乾燥し易い櫛歯状流路をカソード流路６０に適用した燃料電池１０の発電性能を向上させることができる。
【００４８】
また、発電領域２５の第１区画２１は、第２区画２２よりも広いため、発電領域２５の中間域Ｓｍに対して、燃料ガスによる水分排出をより効果的に実施することができる。
【００４９】
また、アノード流路４０のアノード誘導部４２は櫛歯状流路を含むことから、第１区画２１の遮断部３０５側において、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５を潜り抜ける燃料ガスのガス流速が比較的に速くなるため、燃料ガスによる水分排出をより効果的に実施することができる。
【００５０】
また、アノード流路４０の後段アノード誘導部４７は、遮断部３０５に向けて燃料ガスを誘導するため、発電領域２５の第２区画２２をより効果的に加湿することができる。また、後段アノード誘導部４７は連通流路を含むことから、発電領域２５の第２区画２２に対して燃料ガスを円滑に流すことができる。
【００５１】
Ｂ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、アノード流路４０のアノード誘導部４２は、櫛歯状流路に限るものではなく、他の閉塞流路や貫通流路であっても良い。また、アノード流路４０の後段アノード誘導部４７は、貫通流路に限るものではなく、櫛歯状流路や他の閉塞流路であっても良く、燃料ガスの流量を調整する複数の突起を設けても良い。カソード流路６０は、櫛歯状流路に限るものではなく、他の閉塞流路や貫通流路であっても良い。また、本実施例では、アノード流路４０の遮断部３０５は、発電領域２５を二つの区画に画定するが、他の実施形態において、三つ以上の区画に画定しても良い。
【符号の説明】
【００５２】
１０…燃料電池
１５…セル
２０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１…第１区画
２２…第２区画
２５…発電領域
３０…アノードセパレータ
４０…アノード流路
４１…アノード供給部
４２…アノード誘導部
４６…迂回部
４７…後段アノード誘導部
４８…アノード回収部
５０…カソードセパレータ
６０…カソード流路
６１…カソード供給部
６２…カソード誘導部
６８…カソード回収部
２１０…電解質膜
２３０…アノード電極
２３１…アノード触媒層
２３５…アノード拡散層
２５０…カソード電極
２５１…カソード触媒層
２５５…カソード拡散層
３０５…遮断部
３１０…外壁部
３１１〜３１６…孔部
３２１，３２６，３２８…隔壁部
３３０，３４０…流路壁部
４２１…一次閉塞流路
４２２…分配部
４２３…閉塞部
４２５…二次閉塞流路
４２６…閉塞部
４２７…集約部
４７１…分配部
４７４…連通部
４７７…集約部
５１０…外壁部
５１１〜５１６…孔部
５３０…流路壁部
６２１…一次閉塞流路
６２２…分配部
６２３…閉塞部
６２５…二次閉塞流路
６２６…閉塞部
６２７…集約部
【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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