JP2005085626A

JP2005085626A - 燃料電池

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Publication number: JP2005085626A
Application number: JP2003317249A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Oma; 敦史大間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP4419483B2

Abstract

【課題】櫛型形状の反応ガス流路を備えた燃料電池の電流密度分布を均一化する。
【解決手段】固体高分子膜の両側に配置した一対の電極を狭持するガス拡散層と、それを狭持する一対のセパレータを備える。セパレータは、ガス拡散層に対峙する表面に、ガス供給マニホールド１０ａから並列に分岐すると共に、下流端が行き止まり１５ａとされ、ガス拡散層に反応ガスを供給する供給側ガス流路５ａを有する。また、排出マニホールド１０ｂから並列に分岐すると共に、上流端が行き止まり１５ｂとされ、ガス拡散層から反応ガスを回収する排出側ガス流路５ｂと、供給側ガス流路５ａと排出側ガス流路５ｂの各間を仕切る隔壁７ａを有する。供給側ガス流路５ａと排出側ガス流路５ｂのうち、少なくとも一方の流路幅を、上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で広くすると共に、隔壁７ａは上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で幅が狭くなるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、燃料電池の反応面についての電流密度分布を均一化するための構造に関する。

従来の燃料電池において、単位セルの面内の電流密度分布を均一にする手段として、燃料ガス流路幅を入口側から出口側にかけて徐々に広げるといった発明がなされている。一方、単位セルの面内の温度分布を均一にするために、酸化剤ガス流路は入口側から出口側にわたって、流路幅を一定にし、流路深さを酸化剤ガスの反応による体積減少率よりも大きな割合で漸次小さくしている（例えば、特許文献１、参照。）。

また、流体通路の上流側において横断面積を小さく、下流側において横断面積を大きく形成することにより、下流でのガス流速を小さくして十分に時間をかけた接触により反応を促進させ、電流密度分布を均一にするといった発明がなされている。これは、基板の一方の表面に設けられた流体通路の溝を、両側壁面と底面とで横断面を矩形状に形成する。流体通路の上流側において開口部の幅または溝の深さを小さくして横断面積を小さく構成し、下流側において開口部の幅または溝の深さを大きくして横断面積を大きく構成する。さらに、流体通路の上流側から下流側に向けて上記横断面積を徐々に変化させる。上流側で高い流速で流れて反応に寄与しなかった未反応のガスは下流側で低い流速で流れて十分に反応が行われることとなるので、基板の反応帯域の全体でほぼ均等な効率のよい反応が行われる（例えば、特許文献２、参照。）。
特公平８−１８０５号公報特開２００１−４３８６８号公報

上記の従来技術においては、流路の入口と出口が連通しているストレートガス流路を採用しているので、反応ガスは、濃度勾配に依存する拡散現象により、セパレータの隔壁と接するガス拡散層内部へ移動する。そのため、上記のような方策により下流側のガス拡散性を向上させても、必ずしも十分な電流密度分布の均一化が図れなかった。

そこで、本発明においては、ガス拡散性に優れた櫛型形状の反応ガス流路を備えた燃料電池において、電流密度分布を均一化できる構成を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に配置した一対のガス拡散電極と、該ガス拡散電極を、さらに外側から狭持する一対のセパレータと、を備える。また、前記一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、前記ガス拡散電極に対峙する表面に、供給側マニホールドから並列に分岐すると共に、下流端が行き止まりとされ、前記ガス拡散電極に反応ガスを供給する複数の供給流路と、排出側マニホールドから並列に分岐すると共に、上流端が行き止まりとされ、前記ガス拡散電極から反応ガスを回収する複数の排出流路と、前記供給流路と前記排出流路の各間を仕切る隔壁と、を有する。前記供給流路と排出流路のうち、少なくとも一方の流路の流路幅を上流側に比べて下流側で広くすると共に、前記一方の流路を仕切る隔壁は、上流側に比べて前記下流側で幅が狭くなるようにした。

供給流路と排出流路のうち、少なくとも一方の流路の流路幅を上流側に比べて下流側で広くすると共に、一方の流路を仕切る隔壁は、上流側に比べて前記下流側で幅が狭くなるようにすることにより、下流側において供給流路から排出流路へガス拡散電極を介して反応ガスが移動する際の抵抗を抑制することができる。つまり、供給側流路から排出側流路へガス拡散電極内部を通って反応ガスが強制移動する際、移動しやすい領域がガス流路の下流側となる。その結果、高い電流密度を得ることができる燃料電池において、下流側のガス拡散性を向上させて電流密度分布を均一化することができる。

第１の実施形態に用いる固体高分子型燃料電池２０の構成を、図１を用いて説明する。

燃料電池２０を、複数の単位セル１３を積層することにより構成する。また、各々の単位セル１３を、膜電極接合体４とセパレータ８を積層することにより構成する。ここでは、一つのセパレータ８と膜電極接合体４とを交互に積層することにより燃料電池２０を構成するが、二つのセパレータ８により膜電極接合体４を狭持して単位セル１３を構成し、これを積層することにより燃料電池２０を構成してもよい。

また、膜電極接合体４を、高分子電解質膜１、触媒を有する電極２、ガス拡散層３を積層することにより構成する。高分子電解質膜１を、その両面から、電極２である酸化剤極２ａ、燃料極２ｂにより狭持し、さらにその外側からガス拡散層３である酸化剤ガス拡散層３ａ、燃料ガス拡散層３ｂにより狭持する。なお、ここでは電極２とガス拡散層３を別個に構成しているが、ガス拡散層３の高分子電解質膜１に対峙する面に触媒を塗布することにより電極２を構成してもよい。

このような膜電極接合体４の酸化剤ガス拡散層３ａ側に接するセパレータ８の表面に、複数の酸化剤ガス流路５を平行に設ける。図１においては、酸化剤ガス流路５は、紙面に垂直な方向に伸びる流路となる。このとき、隣接する酸化剤ガス流路５間には、流路軸に略並行に伸びる隔壁７ａが構成される。隔壁７ａを導電性材料により構成する。

ここでは、図２に示すように、セパレータ８の膜電極接合体４に接触する表面に、酸化剤ガス流路５を櫛型形状に構成する。供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとを交互に設けることにより酸化剤ガス流路５を構成する。供給側酸化剤ガス流路５ａは、上流端が燃料電池２０の積層方向に貫通した酸化剤ガス供給マニホールド１０ａに対し、互いに並列に連通し、各下流端が行き止まり１５ａとなるように構成する。各供給側酸化剤ガス流路５ａの間に配置される排出側酸化剤ガス流路５ｂは、各上流端が行き止まり１５ｂとなり、各々の下流端が燃料電池２０の積層方向に貫通した酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂに連通するように形成する。つまり、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂは互いに連通せず、供給側酸化剤ガス流路５ａに供給された酸化剤ガスは、図１に示すようにセパレータ８に隣接する酸化剤ガス拡散層３ａを介して排出側酸化剤ガス流路５ｂに移動する。

ここで、酸化剤ガスの流れを簡単に説明する。

酸化剤ガス供給マニホールド１０ａを流れる酸化剤ガスが、各供給側酸化剤ガス流路５ａに分配される。図１において、酸化剤ガスが、供給側酸化剤ガス流路５ａ内を紙面垂直方向に流れる際に、酸化剤ガスの一部が供給側酸化剤ガス流路５ａに対峙する酸化剤ガス拡散層３ａ内に拡散する。酸化剤ガス拡散層３ａに拡散した酸化剤ガスが、酸化剤極２ａに到達して、電気化学反応を生じることにより発電が行われる。反応後の酸化剤ガスは、隣接する排出側酸化剤ガス流路５ｂに回収され、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂを介して燃料電池２０の外部に排出される。

一方、図１に示すように、膜電極接合体４の燃料ガス拡散層３ｂ側に接するセパレータ８の表面には、燃料ガス流路６を設ける。ここでは、燃料ガス流路６を、酸化剤ガス流路５に略直交するように構成する。また、燃料ガス流路６を、酸化剤ガス流路５と同様に、櫛型流路とする。つまり、燃料ガス流路６を、供給側燃料ガス流路６ａと図示しない排出側燃料ガス流路６ｂとを交互に配置することにより構成する。隣接する燃料ガス流路６間には、流路軸に平行に伸びる図示しない隔壁７ｂが構成される。隔壁７ｂを導電性材料により構成する。

ここでは、燃料電池２０を積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド１１ａから各供給側燃料ガス流路６ａに燃料ガスが供給される。供給側燃料ガス流路６ａ内を流れる際に、燃料ガスの一部が、流路に隣接する燃料ガス拡散層３ｂ内に拡散して燃料極２ｂに到達する。ここで電気化学反応を生じることにより発電を行う。反応後の燃料ガスは、排出側燃料ガス流路６ｂに回収され、図示しない燃料ガス排出マニホールド１１ｂを介して燃料電池２０の外部に排出される。

さらに、燃料電池２０には、燃料電池２０を積層方向に貫通する図示しない冷却マニホールド１２を備え、単位セル１３所定枚数毎に構成する図示しない冷却水流路に冷却水を分配・回収する。

また、酸化剤ガスと燃料ガスが混ざると、各電極２における電気化学反応が阻害される。これを防ぐために、酸化剤ガス、燃料ガスそれぞれをシールするガスケット９を備える。ここでは、高分子電解質膜１とセパレータ８の間に、電極２およびガス拡散層３の外周に沿ってガスケット９を備える。

このような燃料電池２０において、反応面内の電流密度分布を均一化するための構成について説明する。ここでは、膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面を、図２に示すように構成することにより電流密度分布のバラツキを抑制する。

前述したように、膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面には、溝状の酸化剤ガス流路５を構成する。酸化剤ガス流路５を、互いに連通しない供給側酸化剤ガス流路５ａと、排出側酸化剤ガス流路５ｂを交互に配置することにより構成する。供給側酸化剤ガス流路５ａは、上流端を積層方向の貫通孔である酸化剤ガス供給マニホールド１０ａに連通させ、下流端を行き止まり１５ａとする。排出側酸化剤ガス流路５ｂは、上流端を行き止まり１５ｂとし、下流端を積層方向の貫通孔である酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂに連通させる。全体としては、供給側酸化剤ガス流路５ａにより構成される櫛型流路と、排出側酸化剤ガス流路５ｂにより構成される櫛型流路と、が噛み合うように構成する。

ここで、酸化剤ガス流路５の上流側を上流領域Ａ₁、下流側を下流領域Ｂ₁とする。上流領域Ａ₁には、供給側酸化剤ガス流路５ａの酸化剤ガス供給マニホールド１０ａとの接続部分や、排出側酸化剤ガス流路５ｂの上流端である行き止まり１５ｂを含む。また、下流領域Ｂ₁には、供給側酸化剤ガス流路５ａの下流端である行き止まり１５ａや、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分を含む。

本実施形態においては、排出側酸化剤ガス流路５ｂについて、流路の深さは一定であるが、上流領域Ａ₁における流路幅ｄ₁に比較して、下流領域Ｂ₁における流路幅ｄ₂が広くなるように構成する。ここでは、流路軸方向について段階的に流路幅が変化するように構成する。なお、図２には、流路幅が一段階変化する流路について示したが、この限りではなく、多段階に変化させ、下流にいくに従って流路幅が広くなるように構成しても良い。一方、供給側酸化剤ガス流路５ａについては、その流路幅、並びに深さを一定とする。

このように酸化剤ガス流路５を構成すると、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａは、上流領域Ａ₁での幅ｌ₁よりも、下流領域Ｂ₁での幅ｌ₂の方が狭く構成される。

次に、このような酸化剤ガス流路５における、酸化剤ガスの流通状態について説明する。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド１０ａから各供給側酸化剤ガス流路５ａに分配される。分配された酸化剤ガスは、供給側酸化剤ガス流路５ａを流通する際に、図１に示した酸化剤ガス拡散層３ａ内に拡散する。酸化剤ガス拡散層３ａからさらに酸化剤極２ａに到達して発電に用いられたあと、酸化剤ガス拡散層３ａから、図２に示す排出側酸化剤ガス流路５ｂ側に透過する。供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとは連通していないので、供給側酸化剤ガス流路５ａ内のほぼ全ての酸化剤ガスが酸化剤ガス拡散層３ａに拡散し、隣接する排出側酸化剤ガス流路５ｂへ透過する。なお、酸化剤ガスの供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへの透過は、流路軸全体に渡って行われる。

ここで、上述したように供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａの幅が、上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で狭くなるように構成する。これにより、供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへ透過する際の、酸化剤ガス拡散層３ａ内における抵抗が、上流領域Ａ₁側に比べて下流領域Ｂ₁側で小さくなる。その結果、通常は、酸化剤ガス濃度が低下することによりガス拡散性が低減される下流領域Ｂ₁において、酸化剤ガスの拡散性を向上することができる。よって、上流領域Ａ₁における電流密度と下流領域Ｂ₁における電流密度の差を低減することができる。

このように排出側酸化剤ガス流路５ｂに透過した酸化剤ガスは、排出側酸化剤ガス流路５ｂ内を上流領域Ａ₁から下流領域Ｂ₁に向かって流れ、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂを介して、燃料電池２０の外部に排出される。この際、酸化剤ガスは、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分近傍で、生成水や凝縮水が生じ易い状態となる。そこで、排出側酸化剤ガス流路５ｂの下流側の幅ｄ₂を広くすることにより、下流領域Ｂ₁において水詰まりが生じるのを抑制することができる。その結果、局所的に発電効率が低下して電流密度の分布に偏りが生じるのを抑制することができる。

なお、ここでは排出側酸化剤ガス流路５ｂの幅を段階的に変化させたが、後述する第２実施形態のように、連続的に変化させてもよい。

また、前述したように燃料ガス流路６についても、供給側燃料ガス流路６ａと排出側燃料ガス流路６ｂとからなる櫛型形状に構成するが、その流路幅については略一定とする。ここで、燃料ガスとして用いられる水素は、空気に比べて拡散性に優れており、燃料ガス流路６の下流側についても燃料ガス拡散層３ｂへの拡散性が期待できる。そのため、本実施形態では、燃料ガス流路６、ひいては、燃料ガス流路６を形成する隔壁７ｂの幅を一定とすることにより、セパレータ８の接触抵抗による発電効率の低下を抑制する。

次に、本実施形態の効果について説明する。

固体高分子膜１の両側に配置した一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極を、さらに外側から狭持する一対のセパレータ８を備える。ここでは、ガス拡散電極を、電極２とガス拡散層３とから構成する。また、一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータ８は、ガス拡散層３、ここではガス拡散層３ａに対峙する表面に、酸化剤ガス供給マニホールド１０ａから並列に分岐すると共に、下流端が行き止まり１５ａとされ、酸化剤ガス拡散層３ａに酸化剤ガスを供給する複数の供給側酸化剤ガス流路５ａと、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂから並列に分岐すると共に、上流端が行き止まり１５ｂとされ、酸化剤ガス拡散層３ａから酸化剤ガスを回収する複数の排出側酸化剤ガス流路５ｂと、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂの各間を仕切る隔壁７ａと、を有する。供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂのうち、少なくとも一方の流路の流路幅を、上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で広くすると共に、一方の流路を仕切る隔壁７ａは、上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で幅が狭くなるようにした。これにより、下流領域Ｂ₁で酸化剤ガスが供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂに移動する際の抵抗を抑制することができる。その結果、反応ガス濃度の低い下流領域Ｂ₁におけるガス拡散性を向上することができるので、電流密度の均一化を図ることができる。

供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂは、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド１０ａと酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂから並列に分岐した櫛型に構成され、かつ、各流路が互いに隣り合うように組み合わされて形成される。そのため、ほぼ全ての酸化剤ガスが、酸化剤ガス拡散層３ａに拡散される。このとき流路軸上全体で、酸化剤ガスの拡散が生じるので、大きな電流密度を生じる燃料電池２０について、電流密度の均一化を図ることができる。

ここでは、排出側酸化剤ガス流路５ｂの流路幅を、上流側に比べて下流側で広くすることにより、隔壁７ａを上流側に比べて下流側で狭くなるように構成する。これにより、排出側酸化剤ガス流路５ｂの下流側に生じ易い水詰まりを抑制することができる。よって、水詰まりによる局所的な電流密度の低下を抑制することができるので、反応面内の電流密度の分布に偏りが生じるのを抑制することができる。

また、隔壁７ａの幅が、上流側から下流側にかけて段階的に狭くなるように構成する。これにより、所定流路長毎に、酸化剤ガスの拡散性を向上させることができ、電流密度の均一化を図ることができる。

また、上流側よりも下流側の幅が狭い隔壁７ａを構成するセパレータ８表面を、酸化剤極２ａ側の酸化剤ガス拡散層３ａの表面に対峙する面とする。ガス拡散性の悪い酸化剤極２ａ側に対峙するセパレータ８の表面に、隔壁７ａの幅を変化させた酸化剤ガス流路５を設けることで、上述した効果が著しくなる。燃料極２ｂに対峙するセパレータ８の表面には、隔壁７ｂの幅が一定となるように燃料ガス流路６を設けることで、隔壁７ｂと燃料ガス拡散層３ｂとの接触抵抗が上流側と下流側でほぼ一定に保つことができる。特に純水素を用いる燃料電池２０においては、燃料極２ｂ側に起因する電圧低下として、ガス拡散性による低下よりも隔壁７ｂを低減したこのとよる低下の方が支配的になる場合がある。そこで、本実施形態では、酸化剤極２ａ側のみに適用することで、高い電流密度を均一に得ることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池２０の概略図を第１の実施形態と同様に図１に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態における膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面の形状を図３に示す。

第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路５を、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとから成る櫛型形状に構成する。酸化剤ガス流路５の上流側を上流領域Ａ₂、下流側を下流領域Ｂ₂とする。上流領域Ａ₂には、供給側酸化剤ガス流路５ａの酸化剤ガス供給マニホールド１０ａとの接続部分や、排出側酸化剤ガス流路５ｂの上流端である行き止まり１５ｂを含む。また、下流領域Ｂ₂には、供給側酸化剤ガス流路５ａの下流端である行き止まり１５ａや、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分を含む。

本実施形態においては、供給側酸化剤ガス流路５ａについて、一定の深さを持つが、上流領域Ａ₂における流路幅ｄ₃に比較して、下流領域Ｂ₂における流路幅ｄ₄が広くなるように構成する。ここでは、流路軸方向に沿って連続的に流路幅が変化するように構成する。一方、排出側酸化剤ガス流路５ｂについては、その流路幅並びに深さを一定とする。

このように酸化剤ガス流路５を構成すると、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａは、上流領域Ａ₂での幅ｌ₃よりも、下流領域Ｂ₂での幅ｌ₄の方が狭く構成される。

第１の実施形態と同様に、酸化剤ガス供給マニホールド１０ａから供給側酸化剤ガス流路５ａに分配された酸化剤ガスは、図１に示す酸化剤ガス拡散層３ａ内に拡散して発電に用いられた後、排出側酸化剤ガス流路５ｂ側に透過する。この透過は、流路軸について全体で生じるので、供給側酸化剤ガス流路５ａ内の酸素濃度は、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で小さくなる。このとき、供給側酸化剤ガス流路５ａの幅を、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で広く構成しているので、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａの幅が下流領域Ｂ₂で狭くなるために酸化剤ガスの拡散を促進することができる。さらに、下流領域Ｂ₂において、供給側酸化剤ガス流路５ａと酸化剤ガス拡散層３ａとの対峙面積が増大するので、酸化剤ガスの酸化剤ガス拡散層３ａへの拡散を促進することができる。

また、上述したように供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａの幅が、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で狭くなる。つまり、供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへ透過する際の、酸化剤ガス拡散層３ａ内における抵抗が、上流側に比べて下流側で小さくなる。これにより、通常は、酸化剤ガス濃度が低下することによりガス拡散性が低減される下流領域Ｂ₂において、酸化剤ガスの拡散性を向上することができる。よって、上流領域Ａ₂における電流密度と下流領域Ｂ₂における電流密度の差を低減することができる。

このように排出側酸化剤ガス流路５ｂに透過した酸化剤ガスは、排出側酸化剤ガス流路５ｂ内を上流領域Ａ₂から下流領域Ｂ₂に向かって流れ、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂを介して、燃料電池２０の外部に排出される。

なお、ここでは供給側酸化剤ガス流路５ａの幅を連続的に変化させたが、前述した第１実施形態と同様に、段階的に変化させてもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施液体と異なる効果のみを説明する。

供給側酸化剤ガス流路５ａの流路幅を、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で広くすることにより、隔壁７ａを上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で狭くなるようにした。これにより、対流を生じ易くすることができるので、供給側酸化剤ガス５ａの下流領域Ｂ₂における酸化剤ガスの拡散性を向上させることができる。また、隔壁７ａの幅を上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で狭くすることにより、供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへ酸化剤ガス拡散層３ａ内部を通って反応ガスが強制移動する際、移動しやすい領域が下流領域Ｂ₂側となる。その結果、反応ガス濃度の低い下流領域Ｂ₂におけるガス拡散性を向上することができるので、電流密度の均一化を図ることができる。

また、隔壁７ａの幅が、上流側から下流側にかけて連続的に狭くなるように構成した。酸化剤ガス濃度は、下流にいくに従って徐々に低減するので、酸化剤ガス流路５の幅、または、隔壁７ａの幅を連続的に変化させることで、ガス拡散性を酸化剤ガス濃度に合わせて徐々に向上させることができる。そのため、反応ガス面内での電流密度分布を適切に均一化することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池２０の概略図を第１の実施形態と同様に図１に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面の形状を図４に示す。

第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路５を、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとから成る櫛型形状に構成する。酸化剤ガス流路５の上流側を上流領域Ａ₃、下流側を下流領域Ｂ₃とする。上流領域Ａ₃には、供給側酸化剤ガス流路５ａの酸化剤ガス供給マニホールド１０ａとの接続部分や、排出側酸化剤ガス流路５ｂの上流端である行き止まり１５ｂを含む。また、下流領域Ｂ₃には、供給側酸化剤ガス流路５ａの下流端である行き止まり１５ａや、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分を含む。

本実施形態においては、供給側酸化剤ガス流路５ａについて、上流領域Ａ₃における流路幅ｄ₅に比較して、下流領域Ｂ₃における流路幅ｄ₆が広くなるように構成する。また、排出側酸化剤ガス流路５ｂについて、上流領域Ａ₃における流路幅ｄ₇に比較して下流領域Ｂ₃における流路幅ｄ₈が広くなるように構成する。ここでは、共に流路軸方向に沿って連続的に流路幅が変化するように構成する。また、排出側酸化剤ガス流路５ｂにおける流路幅の変化割合を、供給側酸化剤ガス流路５ａにおける流路幅の変化割合よりも大きく設定する。このように構成すると、隔壁７ａについて、上流領域Ａ₃における幅ｌ₅と下流領域Ｂ₃における幅ｌ₆を比較すると、下流領域Ｂ₃における幅ｌ₆の方が小さくなる。

なお、ここでは、酸化剤ガス流路５の幅を連続的に変化させているが、第１の実施形態と同様に、段階的に変化させても良い。

また、図４に示したセパレータ８の表面に接触し、酸化剤ガス流路５からの酸化剤ガスを反応面に拡散する酸化剤ガス拡散層３ａの概略構成を図５に示す。

酸化剤ガス拡散層３ａを多孔質部材により構成する。酸化剤ガス拡散層３ａの、図４における少なくとも上流領域Ａ₃に重なる領域である上流領域Ｃに比較して、少なくとも下流領域Ｂ₃に重なる領域である下流領域Ｄにおいて、平均気孔率を大きく構成する。つまり、ガス拡散の生じ難い下流側において、酸化剤ガス拡散層３ａ内の抵抗を抑制することにより、ガス拡散性を向上する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１、第２実施形態の効果とは異なる効果を中心に説明する。

セパレータ８表面に対峙する酸化剤ガス拡散層３ａの気孔率を、反応ガスの流通方向上流領域Ａ₃に重なり合う上流領域Ｃに比べて、下流領域Ｂ₃に重なり合う下流領域Ｄで大きくなるように構成した。これにより、酸化剤ガス濃度の低減する下流領域Ｂ₃において、酸化剤ガス拡散層３内へのガスの拡散性を向上することができる。その結果、電流密度を上流領域Ａ₃と下流領域Ｂ₃とで均一化することができる。

また、ここでは、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂについて、下流領域Ｂ₃でその流路幅を広くする。このように、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂの両方の流路幅を変化させることで、隔壁７ａの幅を、上流領域Ａ₃と下流領域Ｂ₃とで大きく変化させることができる。これにより、ガス拡散性を適切に設定することができ、電流密度分布を低減することができる。

なお、上記発明を実施するための最良の形態においては、セパレータ８の一方の面に酸化剤ガス流路５を、もう一方の面に燃料ガス流路６を形成したが、この限りではなく、酸化剤ガス流路５を設けたセパレータと燃料ガス流路６を設けたセパレータを別々に設けても良い。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることは言うまでもない。

本発明は、固体高分子型の燃料電池に適用することができる。

第１の実施形態における燃料電池スタックの概略構成図である。第１の実施形態におけるセパレータの概略構成図である。第２の実施形態におけるセパレータの概略構成図である。第３の実施形態におけるセパレータの概略構成図である。第３の実施形態におけるガス拡散層の概略構成図である。

符号の説明

１高分子電解質膜（電解質）
２電極（ガス拡散電極）
３ガス拡散層（ガス拡散電極）
３ａ酸化剤ガス拡散層
４膜電極接合体
５酸化剤ガス流路
５ａ供給側酸化剤ガス流路（供給流路）
５ｂ排出側酸化剤ガス流路（排出流路）
７隔壁
８セパレータ
１５行き止まり
２０燃料電池

Claims

電解質の両側に配置した一対のガス拡散電極と、
該ガス拡散電極を、さらに外側から狭持する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、
前記ガス拡散電極に対峙する表面に、
供給側マニホールドから並列に分岐すると共に、下流端が行き止まりとされ、前記ガス拡散電極に反応ガスを供給する複数の供給流路と、
排出側マニホールドから並列に分岐すると共に、上流端が行き止まりとされ、前記ガス拡散電極から反応ガスを回収する複数の排出流路と、
前記供給流路と前記排出流路の各間を仕切る隔壁と、を有し、
前記供給流路と排出流路のうち、少なくとも一方の流路の流路幅を上流側に比べて下流側で広くすると共に、
前記一方の流路を仕切る隔壁は、上流側に比べて前記下流側で幅が狭くなるようにしたことを特徴とする燃料電池。
前記供給流路と前記排出流路とは、それぞれ供給側マニホールドと排出側マニホールドから並列に分岐した櫛型に構成され、かつ、各流路が互いに隣り合うように組み合わされて形成される請求項１に記載の燃料電池。
前記隔壁の幅が、上流側から下流側にかけて段階的に狭くなるように構成した請求項１または２に記載の燃料電池。
前記隔壁の幅が、上流側から下流側にかけて連続的に狭くなるように構成した請求項１または２に記載の燃料電池。
前記セパレータ表面を、酸化剤極側の前記ガス拡散電極の表面に対峙する面とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記セパレータ表面に対峙する前記ガス拡散電極の気孔率を、反応ガスの流通方向上流側に重なり合う上流部分に比べて、下流側に重なり合う下流部分で大きく構成した請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。