燃料電池
【課題】燃料電池のガス供給用流路の下流端部に水が滞留することを抑制する。
【解決手段】発明の燃料電池は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部と、を備える。少なくとも一方のガス流路形成部には、ガス拡散層に接する側に、ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造のガス流路が形成されている。この燃料電池はガス供給用流路の下流端部の温度を、下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とする温度差発生構造を有することを特徴とする。
【解決手段】発明の燃料電池は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部と、を備える。少なくとも一方のガス流路形成部には、ガス拡散層に接する側に、ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造のガス流路が形成されている。この燃料電池はガス供給用流路の下流端部の温度を、下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とする温度差発生構造を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質型の燃料電池に関し、特に、反応ガスの流路が供給用と排出用とに分離された構造を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって発電する装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。この燃料電池は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ触媒電極層を接合し、さらに、それぞれガス拡散層を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を有しており、ガス拡散層に当接する面に反応ガスの流路としての溝が形成されたセパレータにより挟持した燃料電池セル（単に「セル」とも呼ぶ）により構成される。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
【０００３】
上記燃料電池の一例として、セパレータに形成された反応ガスの流路をガス供給用流路とガス排出用流路とに分離し、ガス供給用流路を経て供給される反応ガスが上記したガス拡散層や触媒電極層を介してガス排出用流路から排出される構造の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０７９４５７号公報
【特許文献２】特開２００６−１２７７７０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、上記ガス供給用流路とガス排出用流路とが分離された構造のガス流路では、ガス供給用流路の下流端部が閉塞状態となるため、電気化学反応によって生成された水が排水されずに下流端部（閉塞部）に滞留してしまい、燃料電池セルにフラッディングが発生しやすいという問題がある。なお、通常、電気化学反応により、水が生成されるのはカソード側であるため、カソード側のガス流路が上記分離構造であれば、閉塞部に水が滞留し易くなる。また、カソード側で生成された水は電解質膜を介してアノード側にも移動するため、アノード側のガス流路が、上記分離構造である場合にも、閉塞部に水が滞留し易くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、ガス供給用流路の下流端部（閉塞部）に水が滞留することを抑制す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］
電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部と、を備える燃料電池であって、
少なくとも一方の前記ガス流路形成部には、前記ガス拡散層に接する側に、前記ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造のガス流路が形成されており、
前記燃料電池は前記ガス供給用流路の下流端部の温度を、前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温とする温度差発生構造を有することを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、温度差発生構造を有することにより、ガス流路全体での圧力損失の増加を抑制しつつ、ガス供給用流路の下流端部分に隣接するガス排出用流路部分のガスの圧力に対するガス供給用流路の下流端部分のガスの差圧のみを拡大し、ガス供給用流路の下流端部分に滞留する水が、ガス拡散層および触媒電極層を介してガス排出用流路側に押し出されるようになる。これにより、ガス供給用流路の下流端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度を前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温にする高温化構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、高温化構造により、ガス流路全体での圧力損失の増加を抑制しつつ、ガス供給用流路の下流端部分のガス体積のみを膨張させて、ガス供給用流路の下流端部分に隣接するガス排出用流路部分のガスとの間での差圧のみを拡大させて、ガス供給用流路の下流端部分に滞留する水を、ガス拡散層および触媒電極層を介してガス排出用流路側に押し出すことができる。これにより、ガス供給用流路の下流端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【００１０】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記触媒電極層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の触媒の量を他の領域よりも多くすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部分における電気化学反応が他の部分に比べて活発に起こって反応熱が多く発生することになるので、ガス供給用流路の下流端部の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部の外側の前記ガス供給用流路の下流端部に対応する位置に加熱用ヒーターを備えることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス流路形成部のうち、ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗により発生する熱損失を、他の部分に対応する領域の電気抵抗により発生する熱損失に比べて大きくすることができるので、ガス供給用流路の下流端部分の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１３】
［適用例６］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス拡散層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス拡散層のうち、ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗により発生する熱損失を、他の部分に対応する領域の電気抵抗より発生する熱損失に比べて大きくすることができるので、ガス供給用流路の下流端部の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１４】
［適用例７］
適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度が前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度より低温にならないようにする低温化抑制構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、低温化抑制構造により、ガス流路全体での圧力損失の増加を抑制しつつ、ガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分のガスの体積を小さくすることにより、ガス供給用流路の下流端部のガス体積を大きくして、ガス供給用流路の下流端部分に隣接するガス排出用流路部分のガスに対するガス供給用流路の下流端部のガスの差圧のみを拡大させて、ガス供給用流路の下流端部に滞留する水を、ガス拡散層および触媒電極層を介してガス排出用流路側に押し出すことができる。これにより、ガス供給用流路の下流端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【００１５】
［適用例８］
適用例７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の上流側から下流端部分へ順に流れるように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度をガス供給用流路の下流端部よりも低温にすることが可能である。
【００１６】
［適用例９］
適用例７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の下流端部には流れないように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
【００１７】
［適用例１０］
適用例７記載の燃料電池であって、
前記低温化抑制構造は、前記ガス供給用流路の下流端部に設けられた断熱材により構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部からの放熱を抑制することができるので、ガス供給用流路の下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度をガス供給用流路の下流端部分よりも低温にすることが可能である。
【００１８】
［適用例１１］
適用例１ないし適用例１０のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部は、カーボンと樹脂を含む部材で構成されており、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部において、前記ガス供給用流路の下流端部の樹脂比率を他の部分に比べて樹高くした構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部の熱伝導率が低くなるため、ガス供給用流路の下流端部の温度が下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度よりもより高温となり易くすることが可能である。
【００１９】
［適用例１２］
適用例１ないし適用例１０記載のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部または前記ガス拡散層において、前記ガス供給用流路の下流端部分を覆うように中空部を形成する構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス流路形成部またはガス拡散層に設けられた中空部が放熱を遮断するように働くので、ガス供給用流路の下流端部の温度が下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度よりもより高温となり易くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態の基本概念について示す説明図である。
【図３】第１の手法の第１実施例を示すアノード側の触媒電極層１４Ａをアノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。
【図４】第１の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａのガス流路３０とは反対側を見た概略構造図である。
【図５】第１の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａをアノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。
【図６】第１の手法の第４実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａを外側から見た概略構造図である。
【図７】第２の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａの概略構造図である。
【図８】第２の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａａの概略構造図である。
【図９】第２の手法の第３実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａａのガス流路３０側を見た概略構造図である。
【図１０】第３の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｂのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。
【図１１】第３の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｃのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。
【図１２】第３の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａｃの一部を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
Ａ．燃料電池の構成概要：
図１は、本発明を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池セル１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を両面から挟持するアノード側のセパレータ２０Ａおよびカソード側のセパレータ２０Ｃと、を備えている。膜電極接合体１０は、電解質層１２と、電解質層１２のそれぞれの面上に形成されるアノード側の触媒電極層１４Ａおよびカソード側の触媒電極層１４Ｃと、上記各触媒電極層に隣接して設けられたアノード側のガス拡散層１６Ａおよびカソード側のガス拡散層１６Ｃと、で構成されている。なお、触媒電極層およびガス拡散層を纏めてガス拡散電極あるいはガス拡散電極層とも呼ぶ。
【００２２】
電解質層１２は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。この電解質層１２としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）が利用される。
【００２３】
アノード側の触媒電極層１４Ａおよびカソード側の触媒電極層１４Ｃは、電気化学反応を促進する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質層１２と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いている。上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。触媒金属を担持するためのカーボン粒子（以下、「担持用カーボン粒子」と呼ぶ。）は、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子が用いられる。
【００２４】
ガス拡散層１６Ａ，１６Ｃは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって構成することができる。
【００２５】
セパレータ２０Ａ，２０Ｃは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ２０Ａ，２０Ｃのガス拡散層１６Ａ，１６Ｃ側の表面には、燃料電池セル１００に供給される反応ガスとしての燃料ガスである水素（Ｈ２）あるいは酸化ガスである酸素（より具体的に空気）の流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、ガス拡散層１６Ａ、１６Ｃとセパレータ２０Ａ、２０Ｃとの間には、電気化学反応に供される反応ガスが通過するガス流路３０が形成されている。具体的には、図示しないガス供給マニホールドに連通するガス供給用流路３０ｉと、燃料電池から流出する未反応ガスを排出するガス排出マニホールドに連通するガス排出用流路３０ｏとが形成されている。ガス供給用流路３０ｉとガス排出用流路３０ｏは互いに分離された構造となっている。すなわち、ガス供給用流路３０ｉの下流端部およびガス排出用流路３０ｏの上流端部は閉塞状態となっている。そして、ガス供給用流路３０ｉおよびガス排出用流路３０ｏは、ガス排出用流路３０ｏがガス供給用流路３０ｉの下流端部（閉塞部）を挟んで交互に配列されている。なお、これらのセパレータ２０Ａ，２０Ｃが本発明におけるガス流路形成部に相当する。
【００２６】
燃料電池セル１００の外周部には、反応ガスのガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。なお、通常燃料電池は、燃料電池セル１００を複数積層したスタック構造を有しており、このスタック構造の外周部には、燃料電池セル１００の積層方向と平行であって反応ガス（燃料ガスあるいは酸化ガス）や冷媒が流通する複数のマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各燃料電池セル１００に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの燃料ガス用のガス流路を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各燃料電池セル１００に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの酸化ガス用のガス流路を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
【００２７】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各燃料電池セル間に、冷媒の通過する冷媒流路が形成された冷媒流路形成部が設けられている。冷媒流路形成部は、隣り合う燃料電池セルの間において、一方の燃料電池セルが備えるセパレータ２０Ａ、２０Ｃと、これに隣接して設けられる他方の燃料電池セルのセパレータ２０Ｃ，２０Ａとの間に設ければよい。
【００２８】
上記燃料電池セル１００では、アノード側のセパレータ２０Ａのガス供給用流路３０ｉに供給された燃料ガスとしての水素は、ガス拡散層１６Ａを介して触媒電極層１４Ａに供給されて触媒電極層１４Ａによる電気化学反応に寄与した後、ガス排出用流路３０ｏを介して排出される。同様に、カソード側のセパレータ２０Ｃのガス供給用流路３０ｉに供給された酸化ガスとしての酸素も、ガス拡散層１６Ｃを介して触媒電極層１４Ｃに供給されて触媒電極層１４Ｃによる電気化学反応に寄与した後、ガス排出用流路３０ｏを介して排出される。燃料電池セル１００は、以上のように、アノード側およびカソード側に供給された反応ガスが電気化学反応に供され、その結果として電力を発生するとともに、その副産物として水を生成する。
【００２９】
Ｂ．実施形態の基本概念：
図２は、本発明の実施形態の基本概念について示す説明図である。図は、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分（閉塞部）及びこれに隣接するガス排出用流路３０ｏの部分の概略断面を拡大して示している。
【００３０】
本発明の実施形態の基本的な概念は、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の反応ガスの圧力Ｐ１と、隣接するガス排出用流路３０ｏの反応ガスの圧力Ｐ２とを比較して、Ｐ１＞＞Ｐ２として差圧を発生させることにある。そして、このように差圧を発生させることにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留している水がガス拡散電極層（ガス拡散層１６Ａ（１６Ｃ）および触媒電極層１４Ａ（１４Ｃ））を介してガス排出用流路３０ｏに押し出されて、排水が可能になり、フラッディングの発生を抑制するものである。
【００３１】
上記のように差圧を発生させる手法としては、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分とこれに隣接するガス排出用流路３０ｏとの間に温度差を発生させるために、温度差発生構造を設けることが考えられる。そして、この温度差発生構造の実現手法として、大きく３種類の手法がある。
［１］第１の手法：ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを加熱する構造（高温化構造）を有する手法。
［２］第２の手法：ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを他の流路部分より冷却しない構造（低温化抑制構造）を有する手法。
［３］第３の手法：第１の手法か第２の手法、または、第１の手法かつ第２の手法に加えて、ガス供給用流路の３０ｉの下流端部分の壁面から熱が逃げないように、熱を遮断する構造を有する手法。
以下では、第１の手法の実施形態、第２の手法の実施形態、第３の手法の実施形態の順に説明する。
【００３２】
Ｃ．第１の手法の実施形態：
第１の手法は、上記したように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを加熱する構造（高温化構造）を有することにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を排出するものである。その実施例として以下の４つの実施例について示す。
【００３３】
Ｃ１．第１の手法の第１実施例：
図３は、第１の手法の第１実施例を示すアノード側の触媒電極層１４Ａを、アノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。図のドットハッチングで示した略矩形状の領域が触媒電極層１４Ａの領域を示している。また、破線は、燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００３４】
本実施例では、図に示すように、アノード側の触媒電極層１４Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１４Ａｓｔｐのみ、触媒を多くするように構成されている。この領域１４ＡＳｔｐは、例えば、この１４ＡＳｔｐの領域のみ、他の領域に塗布する触媒インクとは異なり、触媒濃度を濃くした触媒インクを塗布することにより形成することができる。
【００３５】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１４Ａｓｔｐのみ、触媒を多くするように構成すれば、領域１４Ａｓｔｐにおける触媒反応が他の領域に比べて多くなり、領域１４Ａｓｔｐに対応するガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００３６】
なお、上記実施例は、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００３７】
Ｃ２．第１の手法の第２実施例：
図４は、第１の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａのガス流路３０とは反対側を見た概略構造図である。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００３８】
本実施例では、図に示すように、アノード側のガス供給用流路３０ｉに対応するセパレータ２０Ａの外側の部分にヒーター５０ｈを設ける構造としている。なお、ヒーター５０ｈへの電力の供給線は図示を省略している。
【００３９】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉに対応するセパレータ２０Ａの外側の部分にヒーター５０ｈを設けるようにすれば、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００４０】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００４１】
Ｃ３．第１の手法の第３実施例：
図５は、第１の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａを、アノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。図のドクロスハッチングで示した略矩形状の領域がガス拡散層１６Ａの領域を示している。また、破線は、燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００４２】
本実施例では、図に示すように、アノード側のガス拡散層１６Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１６Ａｓｔｐの電気抵抗が、他の領域に比べて高くなるように構成されている。この領域１６Ａｓｔｐは、例えば、ガス拡散層としてカーボン多孔質体を用いている場合において、他の領域に比べて電気抵抗の高いカーボン多孔質体を用いることにより形成することができる。
【００４３】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１６Ａｓｔｐのみ、電気抵抗を高くするように構成すれば、領域１６Ａｓｔｐにおける熱損失が大きくなって発熱し、領域１６Ａｓｔｐに対応するガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００４４】
なお、上記実施例は、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００４５】
Ｃ４．第１の手法の第４実施例：
図６は、第１の手法の第４実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａを外側から見た概略構造図である。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００４６】
本実施例では、図に示すように、セパレータ２０Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域２０Ａｓｔｐの電気抵抗が、他の領域に比べて高くなるように構成されている。この領域２０Ａｓｔｐは、例えば、セパレータ２０Ａとしてガス拡散層として緻密質カーボンを用いている場合において、他の領域に比べて電気抵抗の高い緻密質カーボンを用いることにより形成することができる。
【００４７】
上記のように、セパレータ２０Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域２０Ａｓｔｐのみ、電気抵抗を高くするように構成すれば、領域２０Ａｓｔｐにおける熱損失が大きくなって発熱し、領域２０Ａｓｔｐに対応するガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００４８】
なお、上記実施例は、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
Ｄ．第２の手法の実施形態：
第２の手法は、上記したように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを他の流路部分より冷却しない構造（低温化抑制構造）を有することにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を排出するものである。その実施例として以下の３つの実施例について示す。
【００４９】
Ｄ１．第２の手法の第１実施例：
図７は、第２の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａの概略構造図である。冷媒流路形成部６０Ａには、セパレータ２０Ａと同様に、例えば、緻密性カーボンや金僕板が用いられる。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００５０】
冷媒流路形成部６０Ａには、セパレータ２０Ａのガス流路３０（ガス供給用流路３０ｉ，ガス排出用流路３０ｏ、連通路３０ｓｉ，３０ｓｏ）や、膜電極接合体１０を覆うように、冷媒流路部８０が形成されている。冷媒流路部８０は、冷媒供給マニホールド７０ｉおよび冷媒排出マニホールド７０ｏに接続されている。
【００５１】
冷媒流路部８０内には、複数の流路壁８０ｗおよび８０ｓｔｐｇが形成されている。流路壁８０ｗは、冷媒供給マニホールド７０ｉから供給される冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏへ向けて直線的にきれいに流れるように、形成されている。一方、複数の流路壁８０ｓｔｐは、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域に冷媒が流れないように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分を覆うように形成されている。
【００５２】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域に冷媒が流れないように、複数の流路壁８０ｓｔｐがガス供給用流路３０ｉの下流端部分を覆うように形成されていることにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度が他の部分に比べて低下することを抑制することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００５３】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００５４】
Ｄ２．第２の手法の第２実施例：
図８は、第２の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａａの概略構造図である。第１実施例と同様に、冷媒流路形成部６０Ａａには、例えば、緻密性カーボンや金僕板が用いられる。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００５５】
冷媒流路形成部６０Ａａには、セパレータ２０Ａのガス流路３０（ガス供給用流路３０ｉ，ガス排出用流路３０ｏ、連通路３０ｓｉ，３０ｓｏ）や、膜電極接合体１０を覆うように、冷媒流路部８０が形成されている。冷媒流路部８０は、冷媒供給マニホールド７０ｉおよび冷媒排出マニホールド７０ｏに接続されている。
【００５６】
冷媒流路部８０内には、複数の流路壁８０ｗが形成されている。流路壁８０ｗは、冷媒供給マニホールド７０ｉから供給される冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏへ向けて直線的に流れるように形成されている。
【００５７】
上記のように、冷媒供給マニホールド７０ｉから供給される冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏへ向けて直線的に流れるように、流路壁８０ｗが形成されているので、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域に冷媒が流れるのは、冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏから排出される直前となる。この場合、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分を通過する冷媒は、上流部を通過する際に発電により発生した反応熱を吸収して暖められることになる。このため、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度が他の部分に比べて低下することを抑制することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００５８】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００５９】
Ｄ３．第２の手法の第３実施例：
図９は、第２の手法の第３実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａａのガス流路３０側を見た概略構造図である。このセパレータ２０Ａａは、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の壁面３０ｉｊに断熱材を設けている。断熱材としては、熱伝導率の低い樹脂材を用いることができる。
【００６０】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の壁面３０ｉｊに断熱材を設ける場合には、この部分の熱の放熱を遮断することができるので、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度が他の部分に比べて低下することを抑制することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６１】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００６２】
Ｅ．第３の手法の実施形態：
第３の手法は、上記したように、第１の手法か第２の手法、または、第１の手法かつ第２の手法に加えて、ガス供給用流路の３０ｉの下流端部分の壁面から熱が逃げないように、熱を遮断する構造を有することにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を排出するものである。その実施例として以下の３つの実施例について示す。
【００６３】
Ｅ１．第３の手法の第１実施例：
図１０は、第３の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｂのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。このセパレータ２０Ａｂは、緻密性カーボンと樹脂の合成部材を用いることとする。そして、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分３０ｉｒについて、他の部分と比べて樹脂の比率が高い合成部材を用いて構成している。
【００６４】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの他流端部分３０ｉｒについて、他の部分と比べて樹脂の比率とすることにより、この部分の熱伝導率を低下させることができる。そして、第１の手法と組み合わせる場合には、第１の手法によって加熱した温度が低下することを抑制して、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６５】
また、第２の手法と組み合わせる場合には、第２の手法により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度低下の抑制をより効果的に実行することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、より効果的に差圧を発生させることが可能になる。この結果、より効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６６】
さらにまた、第１〜第３の手法を組み合わせる場合には、上記第１の手法との組み合わせによる効果と第２の手法との組み合わせによる効果の両方の効果により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のガスの圧力と、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力との差圧を、より一層効果的に発生させることが可能になる。この結果、より一層効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６７】
Ｅ２．第３の手法の第２実施例：
図１１は、第３の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｃのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。このセパレータ２０Ａｃは、ガス供給用流路３０ｉの下流端の周囲部分に中空部３０ｍを設けた構成を有している。
【００６８】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端の周囲部分に中空部３０ｍを設けることにより、この部分の熱伝導率を低下させることができる。そして、第１の手法と組み合わせる場合には、第１の手法によって加熱した温度が低下することを抑制して、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６９】
また、第２の手法と組み合わせる場合には、第２の手法により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度低下の抑制をより効果的に実行することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、より効果的に差圧を発生させることが可能になる。この結果、より効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７０】
さらにまた、第１〜第３の手法を組み合わせる場合には、上記第１の手法との組み合わせによる効果と第２の手法との組み合わせによる効果の両方の効果により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のガスの圧力と、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力との差圧を、より一層効果的に発生させることが可能になる。この結果、より一層効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７１】
Ｅ３．第３の手法の第３実施例：
図１２は、第３の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａｃの一部を示す概略構成図である。図中破線は、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されているガス供給用流路３０ｉおよびガス排出用流路３０ｏの一部を示している。このガス拡散層１６Ａｃは、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域の周囲部分に中空部１６Ａｃｍを設けた構成を有している。
【００７２】
上記のように、ガス拡散層１６Ａｃのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域の周囲部分に中空部１６Ａｃｍを設けることにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の熱伝導率を低下させることができる。そして、第１の手法と組み合わせる場合には、第１の手法によって加熱した温度が低下することを抑制して、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７３】
また、第２の手法と組み合わせる場合には、第２の手法により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度低下の抑制をより効果的に実行することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、より効果的に差圧を発生させることが可能になる。この結果、より効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７４】
さらにまた、第１〜第３の手法を組み合わせる場合には、上記第１の手法との組み合わせによる効果と第２の手法との組み合わせによる効果の両方の効果により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のガスの圧力と、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力との差圧を、より一層効果的に発生させることが可能になる。この結果、より一層効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７５】
Ｆ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能である。
【００７６】
例えば、上記各実施例では、アノード側の燃料ガス流路およびカソード側のガス流路がガス供給用流路とガス排出用流路とに分離された構造の場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、いずれか一方のガス流路が、従来と同じで、ガス供給用流路とガス排出用流路とが共通である構造としてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０…膜電極接合体
１２…電解質層
１４Ａｓｔｐ…領域
１４ＡＳｔｐ…領域
１４Ａ…触媒電極層
１４Ｃ…触媒電極層
１６Ａｓｔｐ…領域
１６Ａｃｍ…中空部
１６Ａ…ガス拡散層
１６Ｃ…ガス拡散層
１６Ａｃ…ガス拡散層
２０…セパレータ
２０Ａｓｔｐ…領域
２０Ａ…セパレータ
２０Ｃ…セパレータ
２０Ａａ…セパレータ
２０Ａｂ…セパレータ
２０Ａｃ…セパレータ
３０…ガス流路
３０ｉ…ガス供給用流路
３０ｍ…中空部
３０ｏ…ガス排出用流路
３０ｉｊ…壁面
３０ｉｒ…他流端部分
３０ｓｉ…連通路
３０ｓｏ…連通路
４０ｉ…ガス供給マニホールド
４０ｏ…ガス排出マニホールド
５０ｈ…ヒーター
６０Ａ…冷媒流路形成部
６０Ａａ…冷媒流路形成部
７０ｉ…冷媒供給マニホールド
７０ｏ…冷媒排出マニホールド
８０…冷媒流路部
８０ｓｔｐ…流路壁
８０ｗ…流路壁
１００…燃料電池セル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質型の燃料電池に関し、特に、反応ガスの流路が供給用と排出用とに分離された構造を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって発電する装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。この燃料電池は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ触媒電極層を接合し、さらに、それぞれガス拡散層を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を有しており、ガス拡散層に当接する面に反応ガスの流路としての溝が形成されたセパレータにより挟持した燃料電池セル（単に「セル」とも呼ぶ）により構成される。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
【０００３】
上記燃料電池の一例として、セパレータに形成された反応ガスの流路をガス供給用流路とガス排出用流路とに分離し、ガス供給用流路を経て供給される反応ガスが上記したガス拡散層や触媒電極層を介してガス排出用流路から排出される構造の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０７９４５７号公報
【特許文献２】特開２００６−１２７７７０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、上記ガス供給用流路とガス排出用流路とが分離された構造のガス流路では、ガス供給用流路の下流端部が閉塞状態となるため、電気化学反応によって生成された水が排水されずに下流端部（閉塞部）に滞留してしまい、燃料電池セルにフラッディングが発生しやすいという問題がある。なお、通常、電気化学反応により、水が生成されるのはカソード側であるため、カソード側のガス流路が上記分離構造であれば、閉塞部に水が滞留し易くなる。また、カソード側で生成された水は電解質膜を介してアノード側にも移動するため、アノード側のガス流路が、上記分離構造である場合にも、閉塞部に水が滞留し易くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、ガス供給用流路の下流端部（閉塞部）に水が滞留することを抑制す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］
電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部と、を備える燃料電池であって、
少なくとも一方の前記ガス流路形成部には、前記ガス拡散層に接する側に、前記ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造のガス流路が形成されており、
前記燃料電池は前記ガス供給用流路の下流端部の温度を、前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温とする温度差発生構造を有することを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、温度差発生構造を有することにより、ガス流路全体での圧力損失の増加を抑制しつつ、ガス供給用流路の下流端部分に隣接するガス排出用流路部分のガスの圧力に対するガス供給用流路の下流端部分のガスの差圧のみを拡大し、ガス供給用流路の下流端部分に滞留する水が、ガス拡散層および触媒電極層を介してガス排出用流路側に押し出されるようになる。これにより、ガス供給用流路の下流端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度を前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温にする高温化構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、高温化構造により、ガス流路全体での圧力損失の増加を抑制しつつ、ガス供給用流路の下流端部分のガス体積のみを膨張させて、ガス供給用流路の下流端部分に隣接するガス排出用流路部分のガスとの間での差圧のみを拡大させて、ガス供給用流路の下流端部分に滞留する水を、ガス拡散層および触媒電極層を介してガス排出用流路側に押し出すことができる。これにより、ガス供給用流路の下流端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【００１０】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記触媒電極層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の触媒の量を他の領域よりも多くすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部分における電気化学反応が他の部分に比べて活発に起こって反応熱が多く発生することになるので、ガス供給用流路の下流端部の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部の外側の前記ガス供給用流路の下流端部に対応する位置に加熱用ヒーターを備えることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス流路形成部のうち、ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗により発生する熱損失を、他の部分に対応する領域の電気抵抗により発生する熱損失に比べて大きくすることができるので、ガス供給用流路の下流端部分の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１３】
［適用例６］
適用例２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス拡散層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス拡散層のうち、ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗により発生する熱損失を、他の部分に対応する領域の電気抵抗より発生する熱損失に比べて大きくすることができるので、ガス供給用流路の下流端部の温度を下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接する排出流路部分の温度よりも高温とすることができる。
【００１４】
［適用例７］
適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度が前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度より低温にならないようにする低温化抑制構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、低温化抑制構造により、ガス流路全体での圧力損失の増加を抑制しつつ、ガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分のガスの体積を小さくすることにより、ガス供給用流路の下流端部のガス体積を大きくして、ガス供給用流路の下流端部分に隣接するガス排出用流路部分のガスに対するガス供給用流路の下流端部のガスの差圧のみを拡大させて、ガス供給用流路の下流端部に滞留する水を、ガス拡散層および触媒電極層を介してガス排出用流路側に押し出すことができる。これにより、ガス供給用流路の下流端部に溜まった水を排出することが可能となる。
【００１５】
［適用例８］
適用例７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の上流側から下流端部分へ順に流れるように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度をガス供給用流路の下流端部よりも低温にすることが可能である。
【００１６】
［適用例９］
適用例７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の下流端部には流れないように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
【００１７】
［適用例１０］
適用例７記載の燃料電池であって、
前記低温化抑制構造は、前記ガス供給用流路の下流端部に設けられた断熱材により構成されることを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部からの放熱を抑制することができるので、ガス供給用流路の下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度をガス供給用流路の下流端部分よりも低温にすることが可能である。
【００１８】
［適用例１１］
適用例１ないし適用例１０のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部は、カーボンと樹脂を含む部材で構成されており、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部において、前記ガス供給用流路の下流端部の樹脂比率を他の部分に比べて樹高くした構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス供給用流路の下流端部の熱伝導率が低くなるため、ガス供給用流路の下流端部の温度が下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度よりもより高温となり易くすることが可能である。
【００１９】
［適用例１２］
適用例１ないし適用例１０記載のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部または前記ガス拡散層において、前記ガス供給用流路の下流端部分を覆うように中空部を形成する構造を含むことを特徴とする燃料電池。
このようにすれば、ガス流路形成部またはガス拡散層に設けられた中空部が放熱を遮断するように働くので、ガス供給用流路の下流端部の温度が下流端部より上流のガス供給用流路部分およびガス供給用流路の下流端部に隣接するガス排出用流路部分の温度よりもより高温となり易くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態の基本概念について示す説明図である。
【図３】第１の手法の第１実施例を示すアノード側の触媒電極層１４Ａをアノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。
【図４】第１の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａのガス流路３０とは反対側を見た概略構造図である。
【図５】第１の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａをアノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。
【図６】第１の手法の第４実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａを外側から見た概略構造図である。
【図７】第２の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａの概略構造図である。
【図８】第２の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａａの概略構造図である。
【図９】第２の手法の第３実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａａのガス流路３０側を見た概略構造図である。
【図１０】第３の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｂのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。
【図１１】第３の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｃのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。
【図１２】第３の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａｃの一部を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
Ａ．燃料電池の構成概要：
図１は、本発明を適用した燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池セル１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を両面から挟持するアノード側のセパレータ２０Ａおよびカソード側のセパレータ２０Ｃと、を備えている。膜電極接合体１０は、電解質層１２と、電解質層１２のそれぞれの面上に形成されるアノード側の触媒電極層１４Ａおよびカソード側の触媒電極層１４Ｃと、上記各触媒電極層に隣接して設けられたアノード側のガス拡散層１６Ａおよびカソード側のガス拡散層１６Ｃと、で構成されている。なお、触媒電極層およびガス拡散層を纏めてガス拡散電極あるいはガス拡散電極層とも呼ぶ。
【００２２】
電解質層１２は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。この電解質層１２としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）が利用される。
【００２３】
アノード側の触媒電極層１４Ａおよびカソード側の触媒電極層１４Ｃは、電気化学反応を促進する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質層１２と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いている。上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。触媒金属を担持するためのカーボン粒子（以下、「担持用カーボン粒子」と呼ぶ。）は、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子が用いられる。
【００２４】
ガス拡散層１６Ａ，１６Ｃは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって構成することができる。
【００２５】
セパレータ２０Ａ，２０Ｃは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ２０Ａ，２０Ｃのガス拡散層１６Ａ，１６Ｃ側の表面には、燃料電池セル１００に供給される反応ガスとしての燃料ガスである水素（Ｈ２）あるいは酸化ガスである酸素（より具体的に空気）の流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、ガス拡散層１６Ａ、１６Ｃとセパレータ２０Ａ、２０Ｃとの間には、電気化学反応に供される反応ガスが通過するガス流路３０が形成されている。具体的には、図示しないガス供給マニホールドに連通するガス供給用流路３０ｉと、燃料電池から流出する未反応ガスを排出するガス排出マニホールドに連通するガス排出用流路３０ｏとが形成されている。ガス供給用流路３０ｉとガス排出用流路３０ｏは互いに分離された構造となっている。すなわち、ガス供給用流路３０ｉの下流端部およびガス排出用流路３０ｏの上流端部は閉塞状態となっている。そして、ガス供給用流路３０ｉおよびガス排出用流路３０ｏは、ガス排出用流路３０ｏがガス供給用流路３０ｉの下流端部（閉塞部）を挟んで交互に配列されている。なお、これらのセパレータ２０Ａ，２０Ｃが本発明におけるガス流路形成部に相当する。
【００２６】
燃料電池セル１００の外周部には、反応ガスのガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。なお、通常燃料電池は、燃料電池セル１００を複数積層したスタック構造を有しており、このスタック構造の外周部には、燃料電池セル１００の積層方向と平行であって反応ガス（燃料ガスあるいは酸化ガス）や冷媒が流通する複数のマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各燃料電池セル１００に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの燃料ガス用のガス流路を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各燃料電池セル１００に分配され、電気化学反応に供されつつ各燃料電池セルの酸化ガス用のガス流路を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
【００２７】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各燃料電池セル間に、冷媒の通過する冷媒流路が形成された冷媒流路形成部が設けられている。冷媒流路形成部は、隣り合う燃料電池セルの間において、一方の燃料電池セルが備えるセパレータ２０Ａ、２０Ｃと、これに隣接して設けられる他方の燃料電池セルのセパレータ２０Ｃ，２０Ａとの間に設ければよい。
【００２８】
上記燃料電池セル１００では、アノード側のセパレータ２０Ａのガス供給用流路３０ｉに供給された燃料ガスとしての水素は、ガス拡散層１６Ａを介して触媒電極層１４Ａに供給されて触媒電極層１４Ａによる電気化学反応に寄与した後、ガス排出用流路３０ｏを介して排出される。同様に、カソード側のセパレータ２０Ｃのガス供給用流路３０ｉに供給された酸化ガスとしての酸素も、ガス拡散層１６Ｃを介して触媒電極層１４Ｃに供給されて触媒電極層１４Ｃによる電気化学反応に寄与した後、ガス排出用流路３０ｏを介して排出される。燃料電池セル１００は、以上のように、アノード側およびカソード側に供給された反応ガスが電気化学反応に供され、その結果として電力を発生するとともに、その副産物として水を生成する。
【００２９】
Ｂ．実施形態の基本概念：
図２は、本発明の実施形態の基本概念について示す説明図である。図は、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分（閉塞部）及びこれに隣接するガス排出用流路３０ｏの部分の概略断面を拡大して示している。
【００３０】
本発明の実施形態の基本的な概念は、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の反応ガスの圧力Ｐ１と、隣接するガス排出用流路３０ｏの反応ガスの圧力Ｐ２とを比較して、Ｐ１＞＞Ｐ２として差圧を発生させることにある。そして、このように差圧を発生させることにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留している水がガス拡散電極層（ガス拡散層１６Ａ（１６Ｃ）および触媒電極層１４Ａ（１４Ｃ））を介してガス排出用流路３０ｏに押し出されて、排水が可能になり、フラッディングの発生を抑制するものである。
【００３１】
上記のように差圧を発生させる手法としては、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分とこれに隣接するガス排出用流路３０ｏとの間に温度差を発生させるために、温度差発生構造を設けることが考えられる。そして、この温度差発生構造の実現手法として、大きく３種類の手法がある。
［１］第１の手法：ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを加熱する構造（高温化構造）を有する手法。
［２］第２の手法：ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを他の流路部分より冷却しない構造（低温化抑制構造）を有する手法。
［３］第３の手法：第１の手法か第２の手法、または、第１の手法かつ第２の手法に加えて、ガス供給用流路の３０ｉの下流端部分の壁面から熱が逃げないように、熱を遮断する構造を有する手法。
以下では、第１の手法の実施形態、第２の手法の実施形態、第３の手法の実施形態の順に説明する。
【００３２】
Ｃ．第１の手法の実施形態：
第１の手法は、上記したように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを加熱する構造（高温化構造）を有することにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を排出するものである。その実施例として以下の４つの実施例について示す。
【００３３】
Ｃ１．第１の手法の第１実施例：
図３は、第１の手法の第１実施例を示すアノード側の触媒電極層１４Ａを、アノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。図のドットハッチングで示した略矩形状の領域が触媒電極層１４Ａの領域を示している。また、破線は、燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００３４】
本実施例では、図に示すように、アノード側の触媒電極層１４Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１４Ａｓｔｐのみ、触媒を多くするように構成されている。この領域１４ＡＳｔｐは、例えば、この１４ＡＳｔｐの領域のみ、他の領域に塗布する触媒インクとは異なり、触媒濃度を濃くした触媒インクを塗布することにより形成することができる。
【００３５】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１４Ａｓｔｐのみ、触媒を多くするように構成すれば、領域１４Ａｓｔｐにおける触媒反応が他の領域に比べて多くなり、領域１４Ａｓｔｐに対応するガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００３６】
なお、上記実施例は、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００３７】
Ｃ２．第１の手法の第２実施例：
図４は、第１の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａのガス流路３０とは反対側を見た概略構造図である。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００３８】
本実施例では、図に示すように、アノード側のガス供給用流路３０ｉに対応するセパレータ２０Ａの外側の部分にヒーター５０ｈを設ける構造としている。なお、ヒーター５０ｈへの電力の供給線は図示を省略している。
【００３９】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉに対応するセパレータ２０Ａの外側の部分にヒーター５０ｈを設けるようにすれば、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００４０】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００４１】
Ｃ３．第１の手法の第３実施例：
図５は、第１の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａを、アノード側のセパレータ２０Ａの側から見た概略構造図である。図のドクロスハッチングで示した略矩形状の領域がガス拡散層１６Ａの領域を示している。また、破線は、燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００４２】
本実施例では、図に示すように、アノード側のガス拡散層１６Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１６Ａｓｔｐの電気抵抗が、他の領域に比べて高くなるように構成されている。この領域１６Ａｓｔｐは、例えば、ガス拡散層としてカーボン多孔質体を用いている場合において、他の領域に比べて電気抵抗の高いカーボン多孔質体を用いることにより形成することができる。
【００４３】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域１６Ａｓｔｐのみ、電気抵抗を高くするように構成すれば、領域１６Ａｓｔｐにおける熱損失が大きくなって発熱し、領域１６Ａｓｔｐに対応するガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００４４】
なお、上記実施例は、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００４５】
Ｃ４．第１の手法の第４実施例：
図６は、第１の手法の第４実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａを外側から見た概略構造図である。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００４６】
本実施例では、図に示すように、セパレータ２０Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域２０Ａｓｔｐの電気抵抗が、他の領域に比べて高くなるように構成されている。この領域２０Ａｓｔｐは、例えば、セパレータ２０Ａとしてガス拡散層として緻密質カーボンを用いている場合において、他の領域に比べて電気抵抗の高い緻密質カーボンを用いることにより形成することができる。
【００４７】
上記のように、セパレータ２０Ａのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域２０Ａｓｔｐのみ、電気抵抗を高くするように構成すれば、領域２０Ａｓｔｐにおける熱損失が大きくなって発熱し、領域２０Ａｓｔｐに対応するガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００４８】
なお、上記実施例は、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
Ｄ．第２の手法の実施形態：
第２の手法は、上記したように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のみを他の流路部分より冷却しない構造（低温化抑制構造）を有することにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を排出するものである。その実施例として以下の３つの実施例について示す。
【００４９】
Ｄ１．第２の手法の第１実施例：
図７は、第２の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａの概略構造図である。冷媒流路形成部６０Ａには、セパレータ２０Ａと同様に、例えば、緻密性カーボンや金僕板が用いられる。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００５０】
冷媒流路形成部６０Ａには、セパレータ２０Ａのガス流路３０（ガス供給用流路３０ｉ，ガス排出用流路３０ｏ、連通路３０ｓｉ，３０ｓｏ）や、膜電極接合体１０を覆うように、冷媒流路部８０が形成されている。冷媒流路部８０は、冷媒供給マニホールド７０ｉおよび冷媒排出マニホールド７０ｏに接続されている。
【００５１】
冷媒流路部８０内には、複数の流路壁８０ｗおよび８０ｓｔｐｇが形成されている。流路壁８０ｗは、冷媒供給マニホールド７０ｉから供給される冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏへ向けて直線的にきれいに流れるように、形成されている。一方、複数の流路壁８０ｓｔｐは、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域に冷媒が流れないように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分を覆うように形成されている。
【００５２】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域に冷媒が流れないように、複数の流路壁８０ｓｔｐがガス供給用流路３０ｉの下流端部分を覆うように形成されていることにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度が他の部分に比べて低下することを抑制することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００５３】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００５４】
Ｄ２．第２の手法の第２実施例：
図８は、第２の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａの外側に設けられた冷媒流路形成部６０Ａａの概略構造図である。第１実施例と同様に、冷媒流路形成部６０Ａａには、例えば、緻密性カーボンや金僕板が用いられる。図中破線は、図３で説明したのと同様に、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されている燃料ガスのガス供給マニホールド４０ｉに接続されている連通路３０ｓｉおよび連通路３０ｓｉに接続されているガス供給用流路３０ｉと、ガス排出マニホールド４０ｏに接続されている連通路３０ｓｏおよび連通路３０ｓｏに接続されているガス排出用流路３０ｏと、を示している。
【００５５】
冷媒流路形成部６０Ａａには、セパレータ２０Ａのガス流路３０（ガス供給用流路３０ｉ，ガス排出用流路３０ｏ、連通路３０ｓｉ，３０ｓｏ）や、膜電極接合体１０を覆うように、冷媒流路部８０が形成されている。冷媒流路部８０は、冷媒供給マニホールド７０ｉおよび冷媒排出マニホールド７０ｏに接続されている。
【００５６】
冷媒流路部８０内には、複数の流路壁８０ｗが形成されている。流路壁８０ｗは、冷媒供給マニホールド７０ｉから供給される冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏへ向けて直線的に流れるように形成されている。
【００５７】
上記のように、冷媒供給マニホールド７０ｉから供給される冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏへ向けて直線的に流れるように、流路壁８０ｗが形成されているので、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域に冷媒が流れるのは、冷媒が冷媒排出マニホールド７０ｏから排出される直前となる。この場合、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分を通過する冷媒は、上流部を通過する際に発電により発生した反応熱を吸収して暖められることになる。このため、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度が他の部分に比べて低下することを抑制することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００５８】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００５９】
Ｄ３．第２の手法の第３実施例：
図９は、第２の手法の第３実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａａのガス流路３０側を見た概略構造図である。このセパレータ２０Ａａは、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の壁面３０ｉｊに断熱材を設けている。断熱材としては、熱伝導率の低い樹脂材を用いることができる。
【００６０】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の壁面３０ｉｊに断熱材を設ける場合には、この部分の熱の放熱を遮断することができるので、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度が他の部分に比べて低下することを抑制することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６１】
なお、上記実施例も、アノード側を例に説明したがカソード側も同様である。
【００６２】
Ｅ．第３の手法の実施形態：
第３の手法は、上記したように、第１の手法か第２の手法、または、第１の手法かつ第２の手法に加えて、ガス供給用流路の３０ｉの下流端部分の壁面から熱が逃げないように、熱を遮断する構造を有することにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を排出するものである。その実施例として以下の３つの実施例について示す。
【００６３】
Ｅ１．第３の手法の第１実施例：
図１０は、第３の手法の第１実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｂのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。このセパレータ２０Ａｂは、緻密性カーボンと樹脂の合成部材を用いることとする。そして、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分３０ｉｒについて、他の部分と比べて樹脂の比率が高い合成部材を用いて構成している。
【００６４】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの他流端部分３０ｉｒについて、他の部分と比べて樹脂の比率とすることにより、この部分の熱伝導率を低下させることができる。そして、第１の手法と組み合わせる場合には、第１の手法によって加熱した温度が低下することを抑制して、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６５】
また、第２の手法と組み合わせる場合には、第２の手法により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度低下の抑制をより効果的に実行することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、より効果的に差圧を発生させることが可能になる。この結果、より効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６６】
さらにまた、第１〜第３の手法を組み合わせる場合には、上記第１の手法との組み合わせによる効果と第２の手法との組み合わせによる効果の両方の効果により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のガスの圧力と、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力との差圧を、より一層効果的に発生させることが可能になる。この結果、より一層効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６７】
Ｅ２．第３の手法の第２実施例：
図１１は、第３の手法の第２実施例を示すアノード側のセパレータ２０Ａｃのガス流路３０側の一部を示す概略構成図である。このセパレータ２０Ａｃは、ガス供給用流路３０ｉの下流端の周囲部分に中空部３０ｍを設けた構成を有している。
【００６８】
上記のように、ガス供給用流路３０ｉの下流端の周囲部分に中空部３０ｍを設けることにより、この部分の熱伝導率を低下させることができる。そして、第１の手法と組み合わせる場合には、第１の手法によって加熱した温度が低下することを抑制して、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００６９】
また、第２の手法と組み合わせる場合には、第２の手法により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度低下の抑制をより効果的に実行することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、より効果的に差圧を発生させることが可能になる。この結果、より効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７０】
さらにまた、第１〜第３の手法を組み合わせる場合には、上記第１の手法との組み合わせによる効果と第２の手法との組み合わせによる効果の両方の効果により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のガスの圧力と、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力との差圧を、より一層効果的に発生させることが可能になる。この結果、より一層効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７１】
Ｅ３．第３の手法の第３実施例：
図１２は、第３の手法の第３実施例を示すアノード側のガス拡散層１６Ａｃの一部を示す概略構成図である。図中破線は、セパレータ２０Ａのガス拡散層１６Ａと接する側に形成されているガス供給用流路３０ｉおよびガス排出用流路３０ｏの一部を示している。このガス拡散層１６Ａｃは、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域の周囲部分に中空部１６Ａｃｍを設けた構成を有している。
【００７２】
上記のように、ガス拡散層１６Ａｃのガス供給用流路３０ｉの下流端部分に対応する領域の周囲部分に中空部１６Ａｃｍを設けることにより、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の熱伝導率を低下させることができる。そして、第１の手法と組み合わせる場合には、第１の手法によって加熱した温度が低下することを抑制して、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度を他の部分に比べて上昇させることが可能となる。これにより、その部分のガス体積を膨張させてガスの圧力を高めることができ、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して差圧を発生させることが可能になる。この結果、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７３】
また、第２の手法と組み合わせる場合には、第２の手法により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分の温度低下の抑制をより効果的に実行することが可能となる。これにより、その部分のガスの圧力を、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力に対して高くして、より効果的に差圧を発生させることが可能になる。この結果、より効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７４】
さらにまた、第１〜第３の手法を組み合わせる場合には、上記第１の手法との組み合わせによる効果と第２の手法との組み合わせによる効果の両方の効果により、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分のガスの圧力と、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に隣接するガス排出用流路３０ｏのガスの圧力との差圧を、より一層効果的に発生させることが可能になる。この結果、より一層効果的に、ガス供給用流路３０ｉの下流端部分に滞留する水を、ガス拡散電極層を介してガス排出用流路３０ｏへ押し出して排出することが可能となる。
【００７５】
Ｆ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能である。
【００７６】
例えば、上記各実施例では、アノード側の燃料ガス流路およびカソード側のガス流路がガス供給用流路とガス排出用流路とに分離された構造の場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、いずれか一方のガス流路が、従来と同じで、ガス供給用流路とガス排出用流路とが共通である構造としてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０…膜電極接合体
１２…電解質層
１４Ａｓｔｐ…領域
１４ＡＳｔｐ…領域
１４Ａ…触媒電極層
１４Ｃ…触媒電極層
１６Ａｓｔｐ…領域
１６Ａｃｍ…中空部
１６Ａ…ガス拡散層
１６Ｃ…ガス拡散層
１６Ａｃ…ガス拡散層
２０…セパレータ
２０Ａｓｔｐ…領域
２０Ａ…セパレータ
２０Ｃ…セパレータ
２０Ａａ…セパレータ
２０Ａｂ…セパレータ
２０Ａｃ…セパレータ
３０…ガス流路
３０ｉ…ガス供給用流路
３０ｍ…中空部
３０ｏ…ガス排出用流路
３０ｉｊ…壁面
３０ｉｒ…他流端部分
３０ｓｉ…連通路
３０ｓｏ…連通路
４０ｉ…ガス供給マニホールド
４０ｏ…ガス排出マニホールド
５０ｈ…ヒーター
６０Ａ…冷媒流路形成部
６０Ａａ…冷媒流路形成部
７０ｉ…冷媒供給マニホールド
７０ｏ…冷媒排出マニホールド
８０…冷媒流路部
８０ｓｔｐ…流路壁
８０ｗ…流路壁
１００…燃料電池セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部と、を備える燃料電池であって、
少なくとも一方の前記ガス流路形成部には、前記ガス拡散層に接する側に、前記ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造のガス流路が形成されており、
前記燃料電池は前記ガス供給用流路の下流端部の温度を、前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温とする温度差発生構造を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度を前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温にする高温化構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記触媒電極層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の触媒の量を他の領域よりも多くすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部の外側の前記ガス供給用流路の下流端部に対応する位置に加熱用ヒーターを備えることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス拡散層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度が前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度より低温にならないようにする低温化抑制構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の上流側から下流端部分へ順に流れるように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の下流端部には流れないように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記低温化抑制構造は、前記ガス供給用流路の下流端部に設けられた断熱材により構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部は、カーボンと樹脂を含む部材で構成されており、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部において、前記ガス供給用流路の下流端部の樹脂比率を他の部分に比べて樹高くした構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部または前記ガス拡散層において、前記ガス供給用流路の下流端部分を覆うように中空部を形成する構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質膜の両面にそれぞれ触媒電極層とガス拡散層とガス流路形成部と、を備える燃料電池であって、
少なくとも一方の前記ガス流路形成部には、前記ガス拡散層に接する側に、前記ガス拡散層の面に沿って、その下流端が閉塞されたガス供給用流路およびその上流端が閉塞されたガス排出用流路が閉塞部を挟んで交互に配列された分離構造のガス流路が形成されており、
前記燃料電池は前記ガス供給用流路の下流端部の温度を、前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温とする温度差発生構造を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度を前記下流端部より上流の前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度よりも高温にする高温化構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記触媒電極層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の触媒の量を他の領域よりも多くすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部の外側の前記ガス供給用流路の下流端部に対応する位置に加熱用ヒーターを備えることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス流路形成部のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記高温化構造は、前記ガス拡散層のうち、前記ガス供給用流路の下流端部に対応する領域の電気抵抗が他の部分に対応する領域の電気抵抗よりも大きくすることにより構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス供給用流路の下流端部の温度が前記ガス供給用流路部分および前記ガス供給用流路の下流端部に隣接する前記排出流路部分の温度より低温にならないようにする低温化抑制構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の上流側から下流端部分へ順に流れるように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部の前記ガス流路が形成される側とは反対側に冷媒流路が形成される冷媒流路形成部を備えており、
前記低温化抑制構造は、冷媒が前記ガス供給用流路の下流端部には流れないように形成されている前記冷媒流路により構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記低温化抑制構造は、前記ガス供給用流路の下流端部に設けられた断熱材により構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部は、カーボンと樹脂を含む部材で構成されており、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部において、前記ガス供給用流路の下流端部の樹脂比率を他の部分に比べて樹高くした構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記温度差発生構造は、前記ガス流路形成部または前記ガス拡散層において、前記ガス供給用流路の下流端部分を覆うように中空部を形成する構造を含むことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１７１０２７（Ｐ２０１１−１７１０２７Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３２０１４（Ｐ２０１０−３２０１４）
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１７日（２０１０．２．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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