JP2009026476A - Unit cell of fuel cell - Google Patents

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JP2009026476A JP2007185403A JP2007185403A JP2009026476A JP 2009026476 A JP2009026476 A JP 2009026476A JP 2007185403 A JP2007185403 A JP 2007185403A JP 2007185403 A JP2007185403 A JP 2007185403A JP 2009026476 A JP2009026476 A JP 2009026476A
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Masaru Kadokawa
優 角川
Yasuyuki Sato
靖之 佐藤
Takashi Yamamoto
隆士 山本
Kazunari Mogi
一成 茂木
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance power generation performance and reduce unevenness of temperature and power generation performance in the gas flow direction in a unit cell of a fuel cell. <P>SOLUTION: Two or more groove parts 60 are formed in an oxidizing gas side porous body 32 interposed between a separator and a cathode of a membrane-electrode assembly in the gas flow direction. Each groove part 60 is formed in a triangular pyramid shape, and its cross section is gradually decreased from the upstream side toward the downstream side of the oxidizing gas. Thereby, the oxidizing gas side porous body 32 has a shape more reducing pressure loss of gas on the upstream side of the gas than the downstream side of the gas. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、発電体と、セパレータと、発電体及びセパレータの間に配置され、反応ガスを流通させる多孔体と、を備える燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a fuel cell including a power generation body, a separator, and a porous body that is disposed between the power generation body and the separator and allows reaction gas to flow therethrough.

従来から、燃料電池について各種の提案がなされている。燃料電池は、通常複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルは発電体である、膜−電極アセンブリ(MEA)の両側にガス流路を介して配置される一対のセパレータからなる。このような燃料燃料電池セルにおいて、空気等の酸化ガスまたは水素ガスである、反応ガスを膜−電極アセンブリ側に効率よく送り込むようにするためにガス流路を工夫することは重要であり、ガス流路の構成について、例えば特許文献1及び特許文献2の提案がある。   Conventionally, various proposals have been made on fuel cells. A fuel cell is generally configured by laminating a plurality of fuel cells, and each fuel cell is a power generator, and is composed of a pair of separators disposed on both sides of a membrane-electrode assembly (MEA) via gas flow paths. Become. In such a fuel fuel cell, it is important to devise a gas flow path in order to efficiently send the reaction gas, which is an oxidizing gas such as air or hydrogen gas, to the membrane-electrode assembly side. Regarding the configuration of the flow path, for example, there are proposals of Patent Document 1 and Patent Document 2.

特許文献1では、図21に示すように、燃料電池の要部断面図が記載されており、燃料電池は、電解質膜・電極構造体10と、電解質膜・電極構造体10を狭持する2個のセパレータ12とを備える。2個のセパレータ12の間に、電極面の外周を覆って、図示しないシール部材を介装している。電解質膜・電極構造体10は、電解質膜14を狭持するアノード側電極16及びカソード側電極18を備える。各電極16,18は、ガス拡散層20と電極触媒層22とを有する。ガス拡散層20は、金属材料製の発泡体で形成しており、発泡体内に流路壁を形成している。ガス拡散層20にガス流路が形成される。カソード側電極18に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極16に供給される燃料ガスとが、電極触媒層22内で電気化学反応により消費され、発電が行われるとされている。   In Patent Document 1, as shown in FIG. 21, a cross-sectional view of the main part of the fuel cell is described. The fuel cell sandwiches the electrolyte membrane / electrode structure 10 and the electrolyte membrane / electrode structure 10. Individual separators 12. A seal member (not shown) is interposed between the two separators 12 so as to cover the outer periphery of the electrode surface. The electrolyte membrane / electrode structure 10 includes an anode side electrode 16 and a cathode side electrode 18 that sandwich the electrolyte membrane 14. Each electrode 16, 18 has a gas diffusion layer 20 and an electrode catalyst layer 22. The gas diffusion layer 20 is formed of a foam made of a metal material, and a flow path wall is formed in the foam. A gas flow path is formed in the gas diffusion layer 20. The oxidant gas supplied to the cathode side electrode 18 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 16 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer 22 to generate power.

また、特許文献2では、セパレータを用いて構成される燃料電池スタックが記載されている。燃料電池スタックは、2個のセパレータと、セパレータ間に配置されるフレーム及び膜−電極接合体とからなる単セルが複数積層されて構成される。セパレータは、セパレータ本体と、ガスの拡散と発電された電気を集電するコレクタとから構成する。コレクタは、ステンレス板にラス加工を施すことにより、多数の貫通孔を網目状に形成した金属製の薄板から成形している。   Patent Document 2 describes a fuel cell stack configured using a separator. The fuel cell stack is configured by laminating a plurality of single cells including two separators, a frame disposed between the separators, and a membrane-electrode assembly. The separator is composed of a separator body and a collector that collects gas diffusion and generated electricity. The collector is formed from a thin metal plate in which a large number of through holes are formed in a mesh shape by applying a lath process to a stainless steel plate.

特開2004−87318号公報JP 2004-87318 A 特開2007−87768号公報JP 2007-87768 A

特許文献1に記載された燃料電池において、発泡体を有するガス拡散層20と電極触媒層22との間にガス拡散層20よりもガスの流通抵抗が大きい別のガス拡散層を設けると、ガス拡散層20を、ガスの流通方向に関して断面積が一定で、ガス流通方向全長にわたる溝流路を形成した溝流路形成部材とする場合に比べて、多孔体に対応するガス拡散層20のガスの流通抵抗が大きくなる。すなわち、ガス拡散層20のガスに対する圧力損失が高くなる。このため、相対的に電極触媒層22側の別のガス拡散層内に多くのガスが流れるようになる。例えば、ガスを空気とした場合に、別のガス拡散層のガス下流側でも酸素濃度低下の影響を受けにくくなり、また、電解質膜14近傍のフラッディング、すなわち水が溜まることが生じにくくなり、溝流路形成部材を設ける場合よりも燃料電池の発電出力を高くできる可能性がある。   In the fuel cell described in Patent Document 1, when another gas diffusion layer having a larger gas flow resistance than the gas diffusion layer 20 is provided between the gas diffusion layer 20 having a foam and the electrode catalyst layer 22, the gas The gas in the gas diffusion layer 20 corresponding to the porous body is compared with the case where the diffusion layer 20 is a groove flow path forming member having a constant cross-sectional area in the gas flow direction and having a groove flow path extending over the entire length of the gas flow direction. Increased distribution resistance. That is, the pressure loss with respect to the gas of the gas diffusion layer 20 becomes high. For this reason, a large amount of gas flows relatively in another gas diffusion layer on the electrode catalyst layer 22 side. For example, when the gas is air, the gas downstream side of another gas diffusion layer is not easily affected by a decrease in oxygen concentration, and flooding in the vicinity of the electrolyte membrane 14, that is, water is less likely to accumulate. There is a possibility that the power generation output of the fuel cell can be made higher than when the flow path forming member is provided.

図22は、カソード側電極に供給される反応ガスのストイキ比、すなわちカソードストイキ比であるエアストイキ比と、燃料電池セル電圧との関係の1例を示す線図である。図22に示すように、カソードストイキ比がある値よりも小さくなると、燃料電池セル電圧が急激に小さくなる。このことから、カソードストイキ比をある程度以上に大きくすることが発電電圧を大きくする面から好ましいことが分かる。上記のように、ガス拡散層20よりも電極触媒層22側に別のガス拡散層を設ける構成において、ガス拡散層20が発泡体を有する構成である場合には、例えば、反応ガスが空気である場合に、カソード側の電極触媒層22に供給される空気のカソードストイキ比をある程度大きくでき、発電出力をある程度高くできる可能性がある。   FIG. 22 is a diagram showing an example of the relationship between the stoichiometric ratio of the reaction gas supplied to the cathode side electrode, that is, the air stoichiometric ratio, which is the cathode stoichiometric ratio, and the fuel cell voltage. As shown in FIG. 22, when the cathode stoichiometric ratio becomes smaller than a certain value, the fuel cell voltage rapidly decreases. From this, it can be seen that it is preferable to increase the cathode stoichiometric ratio to a certain level or more from the aspect of increasing the generated voltage. As described above, in the configuration in which another gas diffusion layer is provided closer to the electrode catalyst layer 22 than the gas diffusion layer 20, when the gas diffusion layer 20 is configured to have a foam, for example, the reaction gas is air. In some cases, the cathode stoichiometric ratio of the air supplied to the electrode catalyst layer 22 on the cathode side can be increased to some extent, and the power generation output can be increased to some extent.

ただし、このように発泡体を有するガス拡散層20を設けた構成の場合、ガス拡散層20のガスに対する圧力損失が高くなりやすい。例えば、発泡体の仕様によって異なるが、発泡体の代わりに溝流路形成部材を使用する構成の場合よりも5〜30倍程度圧力損失が高くなる可能性がある。圧力損失が高くなると、ガスを供給する供給装置、例えばエアコンプレッサを駆動する動力を大きくする必要がある。また、ガス拡散層20の厚さを大きくすることにより圧力損失を低くすることも考えられるが、その場合には、燃料電池の体格が大きくなってしまう。このような不都合は、特許文献2に記載された燃料電池スタックの、ラス加工を施した網目状の金属製の薄板を設けた構成の場合も同様に生じる可能性がある。このため、燃料電池の体格を大きくすることなく、燃料電池内のガスに対する圧力損失を小さくし、かつ、発電性能を高くする構成の実現が望まれている。   However, in the case of the configuration in which the gas diffusion layer 20 having the foam is provided as described above, the pressure loss with respect to the gas of the gas diffusion layer 20 tends to increase. For example, although it depends on the specification of the foam, the pressure loss may be about 5 to 30 times higher than in the case of using a groove flow path forming member instead of the foam. When the pressure loss increases, it is necessary to increase the power for driving a supply device that supplies gas, for example, an air compressor. Further, it is conceivable to reduce the pressure loss by increasing the thickness of the gas diffusion layer 20, but in this case, the size of the fuel cell becomes large. Such an inconvenience may also occur in the case where the fuel cell stack described in Patent Document 2 is provided with a structure in which a lath-like metal thin plate is provided. Therefore, it is desired to realize a configuration in which the pressure loss with respect to the gas in the fuel cell is reduced and the power generation performance is increased without increasing the size of the fuel cell.

[先発明の説明]
これに対して、本出願の出願人は、発電体と、発電体上に配置され、内部を反応ガスが流れる多孔体と、多孔体上に配置されるセパレータと、多孔体に形成された排水部とを備える燃料電池に関する発明について出願した(特願2007−25402号)。次に、この発明に係る先発明の燃料電池について説明する。先発明の燃料電池は、2個のセパレータの間に膜電極接合体を設け、膜電極接合体とセパレータとの間にカーボン製、または発泡金属製である多孔体を設けている。膜電極接合体は、電解質層と、電極層と、ガス拡散層とを設けている。また、多孔体のセパレータ側に排水部としての溝部を形成している。これにより、膜電極接合体で発生した生成水が溝部を流れて、生成水を速やかにガス下流方向に搬送して、燃料電池外部へ排出することができる。また、このように多孔体に溝部を形成した場合には、燃料電池の体格を大きくすることなく、燃料電池内のガスに対する圧力損失を小さくし、かつ、発電性能を高くできる可能性がある。
[Description of Prior Invention]
On the other hand, the applicant of the present application provides a power generation body, a porous body that is disposed on the power generation body and in which a reaction gas flows, a separator that is disposed on the porous body, and drainage formed in the porous body. An application was filed for an invention relating to a fuel cell comprising a part (Japanese Patent Application No. 2007-25402). Next, the fuel cell according to the invention of the present invention will be described. In the fuel cell of the prior invention, a membrane electrode assembly is provided between two separators, and a porous body made of carbon or foam metal is provided between the membrane electrode assembly and the separator. The membrane / electrode assembly includes an electrolyte layer, an electrode layer, and a gas diffusion layer. Moreover, the groove part as a drainage part is formed in the separator side of the porous body. Thereby, the generated water generated in the membrane electrode assembly flows through the groove, and the generated water can be quickly conveyed in the gas downstream direction and discharged to the outside of the fuel cell. Further, when the groove is formed in the porous body in this way, there is a possibility that the pressure loss with respect to the gas in the fuel cell can be reduced and the power generation performance can be improved without increasing the size of the fuel cell.

ただし、このような先発明の場合、燃料電池のガス上流側はガスのストイキ比が大きく、発電しやすいのに対して、ガス下流側はガスのストイキ比が小さく、発電しにくくなる傾向となる。このため、燃料電池のガスの流れ方向に関して発電性能と温度との不均一が大きくなる可能性がないとはいえない。燃料電池の一部の温度が高い場合、ラジエータ等の燃料電池用冷却装置は、この高い温度に対応して冷却性能を決定する必要があるため、冷却装置が大きくなる可能性がないとはいえない。このため、燃料電池の温度の不均一を小さくすることが求められている。   However, in the case of such a prior invention, the gas upstream side of the fuel cell has a large gas stoichiometric ratio and is easy to generate power, whereas the gas downstream side has a small gas stoichiometric ratio and tends to be difficult to generate power. . For this reason, it cannot be said that there is no possibility that the non-uniformity between the power generation performance and the temperature will increase in the gas flow direction of the fuel cell. When the temperature of a part of the fuel cell is high, a cooling device for a fuel cell such as a radiator needs to determine the cooling performance corresponding to this high temperature, so that there is no possibility that the cooling device will become large. Absent. For this reason, it is required to reduce the nonuniformity of the temperature of the fuel cell.

本発明は、燃料電池セルにおいて、発電性能を高くし、かつ、温度及び発電性能のガスの流通方向に関する不均一を小さくすることを目的とする。   An object of the present invention is to increase power generation performance and reduce nonuniformity of temperature and power generation performance with respect to a gas flow direction in a fuel cell.

本発明に係る燃料電池セルは、発電体と、セパレータと、発電体及びセパレータの間に配置され、反応ガスを流通させる多孔体と、を備える燃料電池セルであって、多孔体は、ガス上流側でガス下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有することを特徴とする燃料電池セルである。   A fuel battery cell according to the present invention is a fuel battery cell including a power generator, a separator, and a porous body that is disposed between the power generator and the separator and allows a reaction gas to flow therethrough. The fuel battery cell is characterized in that the pressure loss to the gas is lower on the side than on the gas downstream side.

また、好ましくは、多孔体の、ガス流通方向に対し直交する仮想平面に関する断面積を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくする。   Preferably, the cross-sectional area of the porous body with respect to a virtual plane orthogonal to the gas flow direction is made smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side.

また、より好ましくは、多孔体に、ガス上流側でガス下流側よりも断面積が大きくなる溝部を形成する。   More preferably, a groove having a cross-sectional area larger on the gas upstream side than on the gas downstream side is formed in the porous body.

また、より好ましくは、多孔体の発電体及びセパレータのうち、セパレータ側に溝部を形成する。   More preferably, the groove is formed on the separator side of the porous power generator and the separator.

また、多孔体に、ガス上流側でガス下流側よりも断面積が大きくなる溝部を形成する構成において、より好ましくは、多孔体に形成した溝部の、発電体の側面と平行な方向の幅を、ガス上流側でガス下流側よりも大きくする。   Further, in the configuration in which the groove portion having a cross-sectional area larger on the gas upstream side than on the gas downstream side is formed in the porous body, more preferably, the width of the groove portion formed in the porous body in a direction parallel to the side surface of the power generation body. The gas upstream side is larger than the gas downstream side.

また、多孔体に、ガス上流側でガス下流側よりも断面積が大きくなる溝部を形成する構成において、より好ましくは、多孔体に形成した溝部の、発電体の側面に対し直交する方向の深さを、ガス上流側でガス下流側よりも大きくする。   Further, in the configuration in which the groove portion having a larger cross-sectional area at the gas upstream side than at the gas downstream side is formed in the porous body, more preferably, the depth of the groove portion formed in the porous body in the direction orthogonal to the side surface of the power generation body. This is made larger on the gas upstream side than on the gas downstream side.

また、多孔体の、ガス流通方向に対し直交する方向の断面積を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくする構成において、より好ましくは、多孔体に複数本の溝部を形成するとともに、溝部の本数をガス上流側でガス下流側よりも多くする。   Further, in the configuration in which the cross-sectional area of the porous body in the direction orthogonal to the gas flow direction is smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side, more preferably, a plurality of groove portions are formed in the porous body, and the groove portions Is increased on the gas upstream side than on the gas downstream side.

また、多孔体の、ガス流通方向に対し直交する方向の断面積を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくする構成において、より好ましくは、多孔体にガス上流側端部から伸びる複数本の溝部を形成するとともに、少なくとも一部の溝部同士の長さを異ならせる。   In the configuration in which the cross-sectional area of the porous body in the direction orthogonal to the gas flow direction is smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side, more preferably, the porous body has a plurality of pieces extending from the gas upstream end. While forming a groove part, the length of at least one part groove part is varied.

また、多孔体の、ガス流通方向に対し直交する仮想平面に関する断面積を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくする構成において、より好ましくは、多孔体の、ガス流通方向に対し直交する方向の断面積を、ガスの流通方向に関して段階的に変化させる。   Further, in the configuration in which the cross-sectional area of the porous body related to the virtual plane orthogonal to the gas flow direction is smaller on the gas upstream side than the gas downstream side, more preferably, the direction of the porous body orthogonal to the gas flow direction The cross-sectional area of the gas is changed stepwise with respect to the gas flow direction.

また、より好ましくは、多孔体の気孔率または気孔の直径等の大きさを、ガスの流通方向に関して変化させる。   More preferably, the size of the porous body such as the porosity or the diameter of the pores is changed with respect to the gas flow direction.

また、より好ましくは、多孔体の気孔の数を、ガス上流側でガス下流側よりも多くする。   More preferably, the number of pores of the porous body is made larger on the gas upstream side than on the gas downstream side.

また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、好ましくは、発電体及び多孔体の間に、多孔体よりもガスの流通抵抗が大きいガス拡散層を設ける。   In the fuel cell stack according to the present invention, preferably, a gas diffusion layer having a larger gas flow resistance than the porous body is provided between the power generation body and the porous body.

また、より好ましくは、ガス拡散層の気孔率または気孔の直径を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくする。   More preferably, the porosity of the gas diffusion layer or the diameter of the pores is made smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side.

また、より好ましくは、多孔体をエキスパンドメタルにより構成する。   More preferably, the porous body is made of expanded metal.

本発明の燃料電池セルによれば、発電体及びセパレータの間に配置された、ガス上流側でガス下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有する多孔体を備えるため、多孔体を、反応ガスの流通方向に関して断面積が一定で、ガス流通方向全長にわたる溝流路を形成した溝流路形成部材とする場合に比べて、多孔体のガス流通抵抗を大きくでき、相対的に発電体側に反応ガスを多く供給できるため、発電性能を高くできる。また、多孔体のガス下流側でガス上流側よりもガスの圧力損失が大きくなるため、発電性能が高くなる傾向となるガス上流側での発電性能を抑えることができる一方、発電性能が低くなる傾向となるガス下流側での発電性能を高くできる。このため、温度及び発電性能のガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。   According to the fuel cell of the present invention, the porous battery is provided between the power generator and the separator, and has a porous body having a shape in which the pressure loss with respect to the gas is lower on the gas upstream side than on the gas downstream side. Compared to the case where the cross-sectional area is constant with respect to the flow direction of the reaction gas and the groove flow path forming member is formed with a groove flow path extending over the entire length of the gas flow direction, the gas flow resistance of the porous body can be increased and the power generator side relatively Since a large amount of reaction gas can be supplied to the battery, power generation performance can be improved. In addition, since the pressure loss of the gas is larger on the gas downstream side of the porous body than on the gas upstream side, the power generation performance on the gas upstream side, which tends to increase the power generation performance, can be suppressed, while the power generation performance decreases. The power generation performance on the downstream side of the gas can be improved. For this reason, the nonuniformity regarding the distribution direction of gas of temperature and power generation performance can be made small.

また、多孔体に、ガス上流側でガス下流側よりも断面積が大きくなる溝部を形成する構成によれば、燃料電池の体格を大きくすることなく、燃料電池内のガスに対する圧力損失を小さくし、かつ、発電性能を高くできる。   In addition, according to the configuration in which the groove portion having a cross-sectional area larger on the gas upstream side than on the gas downstream side is formed in the porous body, the pressure loss with respect to the gas in the fuel cell is reduced without increasing the size of the fuel cell. In addition, the power generation performance can be improved.

また、多孔体の発電体及びセパレータのうち、セパレータ側に溝部を形成する構成によれば、多孔体の発電体側に溝部を形成する場合と異なり、発電体の近傍に発電に伴う生成水が溜まるのを生じにくくできる。これとともに、発電体または発電体側に設けたガス拡散層と多孔体との接触圧が多孔体の面方向または長さ方向に関して大きく不均一になるのを防止できる。このため、多孔体の面方向または長さ方向に関する発電性能の不均一を小さくできる。   Moreover, according to the structure which forms a groove part in the separator side among the power generation bodies and separators of a porous body, unlike the case where a groove part is formed in the power generation body side of a porous body, the generated water accompanying power generation accumulates in the vicinity of a power generation body. Can be made difficult to occur. At the same time, it is possible to prevent the contact pressure between the power generation body or the gas diffusion layer provided on the power generation body side and the porous body from becoming significantly uneven in the surface direction or the length direction of the porous body. For this reason, the nonuniformity of the electric power generation performance regarding the surface direction or length direction of a porous body can be made small.

[第1の発明の実施の形態]
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図1から図8は、本発明に係る第1の実施の形態を示している。図1は、本実施の形態の燃料電池セルを複数積層して構成する燃料電池スタックの略斜視図である。図2は、図1の正面図である。図3は、図2のA−A断面の一部を示す図である。図4は、酸化ガス側多孔体をエキスパンドメタルにより構成する場合の1例を示す部分斜視図である。図5は、図3の酸化ガス側多孔体のB−B断面図である。図6は、(a)が図5のC−C断面を、(b)が図5のD−D断面を、(c)が図5のE−E断面を、それぞれ示す図である。図7は、(a)が酸化ガス側多孔体及び酸化ガス拡散層において、ガス上流側とガス下流側との間の各断面部分での、溝部と、多孔体本体部と、酸化ガス拡散層との、酸化ガスの流量比の1例を示す図であり、(b)が酸化ガス側多孔体のガスの流通方向に関する圧力損失の変化を示す図である。図8は、酸化ガス側多孔体及び酸化ガス拡散層全体のガス流通方向に対し直交する各断面での酸素濃度を示す線図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 8 show a first embodiment according to the present invention. FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells according to the present embodiment. FIG. 2 is a front view of FIG. FIG. 3 is a view showing a part of the AA cross section of FIG. FIG. 4 is a partial perspective view showing an example in the case where the oxidizing gas side porous body is made of expanded metal. 5 is a cross-sectional view of the oxidizing gas side porous body of FIG. 3 taken along the line BB. 6A is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 5, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 5, and FIG. 6C is a cross-sectional view taken along the line EE in FIG. FIG. 7A shows a groove portion, a porous body main body, and an oxidizing gas diffusion layer at each cross-sectional portion between the gas upstream side and the gas downstream side in the oxidizing gas side porous body and the oxidizing gas diffusion layer. FIG. 5B is a diagram showing an example of the flow rate ratio of the oxidizing gas, and FIG. 5B is a diagram showing a change in pressure loss with respect to the gas flow direction of the oxidizing gas side porous body. FIG. 8 is a diagram showing the oxygen concentration in each cross section orthogonal to the gas flow direction of the oxidizing gas side porous body and the entire oxidizing gas diffusion layer.

図1、図2に示すように、燃料電池スタック24は、複数の燃料電池セル26を積層し、両側から図示しない一対のエンドプレート等で狭持することにより構成している。各燃料電池セル26は、図3に示すように、発電体である、膜−電極アセンブリ(MEA)28の両側に一対のセパレータ30を設けている。膜−電極アセンブリ28は、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面(図3の下面)にアノード側電極を、他方の面(図3の上面)にカソード側電極を、それぞれ配置している。膜−電極アセンブリ28は、触媒、例えば白金等を含む。また、セパレータ30とカソード側電極との間に、セパレータ30側から順に、反応ガスである酸化ガスを流通させる酸化ガス側多孔体32と、酸化ガス拡散層34とを設けている。また、セパレータ30とアノード側電極との間に、セパレータ30側から順に、反応ガスである燃料ガスを流通させる燃料ガス側多孔体36と、燃料ガス拡散層38とを設けている。このような燃料電池セル26を、中間セパレータ40を介して複数組積層し、さらに図示しない集電板、絶縁板及びエンドプレートで狭持し、図示しないテンションロッドとナットとで締め付けることにより、高電圧を発生する燃料電池スタック24(図1、図2)を構成する。なお、酸化ガスは、例えば空気とする。また、燃料ガスは、水素ガス等の水素含有ガスとする。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 24 is configured by stacking a plurality of fuel cells 26 and sandwiching them by a pair of end plates (not shown) from both sides. As shown in FIG. 3, each fuel cell 26 is provided with a pair of separators 30 on both sides of a membrane-electrode assembly (MEA) 28 that is a power generation body. In the membrane-electrode assembly 28, an anode side electrode is disposed on one surface (lower surface in FIG. 3) of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, and a cathode side electrode is disposed on the other surface (upper surface in FIG. 3). ing. The membrane-electrode assembly 28 includes a catalyst, such as platinum. Further, an oxidizing gas side porous body 32 for allowing an oxidizing gas as a reaction gas to flow therethrough and an oxidizing gas diffusion layer 34 are provided between the separator 30 and the cathode side electrode in order from the separator 30 side. In addition, a fuel gas side porous body 36 for allowing a fuel gas, which is a reactive gas to flow, and a fuel gas diffusion layer 38 are provided between the separator 30 and the anode side electrode in order from the separator 30 side. A plurality of such fuel battery cells 26 are stacked via the intermediate separator 40, and are further sandwiched between current collector plates, insulating plates and end plates (not shown), and tightened with tension rods and nuts (not shown). A fuel cell stack 24 (FIGS. 1 and 2) that generates a voltage is configured. The oxidizing gas is air, for example. The fuel gas is a hydrogen-containing gas such as hydrogen gas.

図1、図2に示すように、各セパレータ30は、平板状の金属により構成し、外周部に燃料ガス供給マニホールド孔42、燃料ガス排出マニホールド孔44、酸化ガス供給マニホールド孔46、酸化ガス排出マニホールド孔48、冷媒供給マニホールド孔50、冷媒排出マニホールド孔52を、それぞれ設けている。複数の燃料電池セル26を積層した状態で、燃料電池セル26の積層方向に対向する複数のマニホールド孔42,44,46,48,50,52同士が連通して、燃料ガス供給マニホールド43、燃料ガス排出マニホールド45、酸化ガス供給マニホールド47、酸化ガス排出マニホールド49、冷媒供給マニホールド51、冷媒排出マニホールド53を、それぞれ構成する。これら各マニホールド43,45,47,49,51,53は、燃料電池スタック24の積層方向一端部の図示しないエンドプレートに設けた、燃料ガス入口、燃料ガス出口、酸化ガス入口、酸化ガス出口、冷媒入口、冷媒出口にそれぞれ通じさせる。各マニホールド43,45,47,49,51,53は、積層される複数の燃料電池セル26の積層方向に設けられる。   As shown in FIGS. 1 and 2, each separator 30 is made of a flat metal, and has a fuel gas supply manifold hole 42, a fuel gas discharge manifold hole 44, an oxidizing gas supply manifold hole 46, and an oxidizing gas discharge at the outer periphery. A manifold hole 48, a refrigerant supply manifold hole 50, and a refrigerant discharge manifold hole 52 are provided. In a state where the plurality of fuel cells 26 are stacked, the plurality of manifold holes 42, 44, 46, 48, 50, 52 facing each other in the stacking direction of the fuel cells 26 communicate with each other, and the fuel gas supply manifold 43, the fuel A gas discharge manifold 45, an oxidizing gas supply manifold 47, an oxidizing gas discharge manifold 49, a refrigerant supply manifold 51, and a refrigerant discharge manifold 53 are configured. These manifolds 43, 45, 47, 49, 51, 53 are each provided with a fuel gas inlet, a fuel gas outlet, an oxidizing gas inlet, an oxidizing gas outlet provided on an end plate (not shown) at one end of the fuel cell stack 24 in the stacking direction. The refrigerant is connected to the refrigerant inlet and the refrigerant outlet, respectively. Each manifold 43, 45, 47, 49, 51, 53 is provided in the stacking direction of the plurality of stacked fuel cells 26.

燃料ガス供給マニホールド43、燃料ガス排出マニホールド45、酸化ガス供給マニホールド47、酸化ガス排出マニホールド49は、それぞれ各燃料電池セル26に対応して、これと異なる方向に分岐した図示しない内部流路を通じて、多孔体32,36(図3)及びガス拡散層34,38(図3)に通じさせている。   The fuel gas supply manifold 43, the fuel gas discharge manifold 45, the oxidant gas supply manifold 47, and the oxidant gas discharge manifold 49 correspond to the fuel cells 26, respectively, through internal channels (not shown) branched in different directions. The porous bodies 32 and 36 (FIG. 3) and the gas diffusion layers 34 and 38 (FIG. 3) are communicated.

また、図2に斜格子で示すように、膜−電極アセンブリ28と、多孔体32,36と、ガス拡散層34,38とは、隣り合うセパレータ30の間の略中央部分に配置している。そして、隣り合うセパレータ30の外周部分の間に配置した樹脂等の絶縁性を有するシール部材55(図3)により、膜−電極アセンブリ28と、多孔体32,36と、ガス拡散層34,38とを、外部からシールしている。また、図3に示すように、隣り合う燃料電池セル26を構成する2枚のセパレータ30の間に中間セパレータ40を配置するとともに、中間セパレータ40に冷媒である冷却液を流すための冷媒流路54を形成している。冷媒流路54は、冷媒供給マニホールド51及び冷媒排出マニホールド53に通じさせている。   2, the membrane-electrode assembly 28, the porous bodies 32 and 36, and the gas diffusion layers 34 and 38 are disposed at a substantially central portion between the adjacent separators 30. . The membrane-electrode assembly 28, the porous bodies 32 and 36, and the gas diffusion layers 34 and 38 are formed by a sealing member 55 (FIG. 3) having insulating properties such as a resin disposed between the outer peripheral portions of the adjacent separators 30. And is sealed from the outside. Further, as shown in FIG. 3, a refrigerant flow path for arranging an intermediate separator 40 between two separators 30 constituting adjacent fuel battery cells 26 and causing a coolant as a refrigerant to flow through the intermediate separator 40. 54 is formed. The refrigerant flow path 54 communicates with the refrigerant supply manifold 51 and the refrigerant discharge manifold 53.

図3に示す各ガス拡散層34,38は、導電性及びガス透過性を有する部材により構成している。ガス拡散層34,38として、例えばカーボンペーパー等のカーボン製多孔体、導電性材料により形成した織物等を使用できる。   Each gas diffusion layer 34 and 38 shown in FIG. 3 is comprised by the member which has electroconductivity and gas permeability. As the gas diffusion layers 34 and 38, for example, a carbon porous body such as carbon paper, a woven fabric formed of a conductive material, or the like can be used.

また、図3に示す各多孔体32,36は、カーボン製多孔体または発泡金属体等の導電性材料により形成し、多数の気孔を設けている。また、各多孔体32,36を、エキスパンドメタルにより構成することもできる。例えば、図4に示すように、ステンレス等の金属薄板に刃型を有する加工装置等を用いて曲げ加工及びせん断加工を施すことにより、階段状で離散的に千鳥状に複数個所に気孔に対応する開口56を形成した、エキスパンドメタル58を構成することができる。開口56は、例えば略六角形、略菱形等、種々の形状とすることができる。   Further, the porous bodies 32 and 36 shown in FIG. 3 are made of a conductive material such as a carbon porous body or a foamed metal body, and are provided with a large number of pores. Moreover, each porous body 32 and 36 can also be comprised with an expanded metal. For example, as shown in FIG. 4, by bending and shearing a thin metal plate such as stainless steel using a processing device having a blade shape, etc., it corresponds to pores in multiple staircases in discrete steps. An expanded metal 58 having an opening 56 to be formed can be formed. The opening 56 can have various shapes such as a substantially hexagonal shape and a substantially diamond shape.

また、各多孔体32,36は、膜−電極アセンブリ28と平行な方向に対し直交する方向、すなわち、ガスの流通方向に対し直交する方向に、反応ガスを膜−電極アセンブリ28側に導く機能を有する。各多孔体32,36のガス流通方向に対し直交する仮想平面に関する断面での気孔率は、ガス流通方向に関してほぼ一定としている。   Each of the porous bodies 32 and 36 has a function of guiding the reaction gas to the membrane-electrode assembly 28 side in a direction orthogonal to the direction parallel to the membrane-electrode assembly 28, that is, a direction orthogonal to the gas flow direction. Have The porosity in the cross section regarding the virtual plane orthogonal to the gas flow direction of each porous body 32, 36 is substantially constant with respect to the gas flow direction.

また、図5に示すように、各酸化ガス側多孔体32に複数(図示の例では3本)の溝部(スリット)60を、ガス流通方向に形成している。各溝部60は、三角錐形状を有する。すなわち、図5で示すように、各酸化ガス側多孔体32を膜−電極アセンブリ28(図3)の側面と平行な図3のB−B断面で見た場合の、各溝部60の断面形状を、酸化ガスの上流側端面(図5の左端面)に一端が開口し、酸化ガスの下流側(図5の右側)に他端である頂部(奥部)を有する三角形としている。各溝部60は、各酸化ガス側多孔体32のガス下流側端面(図5の右端面)には達していない。   In addition, as shown in FIG. 5, a plurality (three in the illustrated example) of groove portions (slits) 60 are formed in each oxidizing gas side porous body 32 in the gas flow direction. Each groove part 60 has a triangular pyramid shape. That is, as shown in FIG. 5, the cross-sectional shape of each groove 60 when each oxidizing gas side porous body 32 is viewed in the BB cross section of FIG. 3 parallel to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 (FIG. 3). Is a triangle having one end opened at the upstream end face (left end face in FIG. 5) of the oxidizing gas and the top (back) as the other end at the downstream side (right side in FIG. 5) of the oxidizing gas. Each groove part 60 does not reach the gas downstream side end face (the right end face in FIG. 5) of each oxidizing gas side porous body 32.

また、図6(a)(b)(c)は、図5のC−C断面、D−D断面、E−E断面を、それぞれ示している。図6(a)(b)に示すように、各燃料電池セル26(図3)を膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する図5のC−C断面、D−D断面、E−E断面で見た場合の、各溝部60の断面形状は、セパレータ30(図3)と対向する側(図6(a)(b)の左側)に一端が開口し、膜−電極アセンブリ28側(図6(a)(b)の右側)に他端である頂部(奥部)を有する三角形としている。すなわち、各酸化ガス側多孔体32の膜−電極アセンブリ28及びセパレータ30のうち、セパレータ30側に溝部60を形成している。また、図6(a)(b)(c)で示すように、各溝部60を、膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する仮想平面に関する断面形状を、ガス上流側から下流側に向かうほど小さくしている。すなわち、各酸化ガス側多孔体32に形成した溝部60の、膜−電極アセンブリ28の側面と平行な方向(図6(a)(b)(c)の上下方向)のセパレータ30側開口端の幅W(図6(a))を、ガス上流側でガス下流側よりも大きくするとともに、各溝部60の、膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する方向の深さH(図6(a))を、ガス上流側でガス下流側よりも大きくしている。   FIGS. 6A, 6B, and 6C show the CC cross section, the DD cross section, and the EE cross section of FIG. 5, respectively. As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), each fuel cell 26 (FIG. 3) is crossed perpendicularly to the side surface of the membrane-electrode assembly 28, taken along the lines CC, DD, EE of FIG. When viewed in cross section, the cross-sectional shape of each groove 60 is such that one end opens on the side facing the separator 30 (FIG. 3) (the left side in FIGS. 6A and 6B) and the membrane-electrode assembly 28 side ( It is set as the triangle which has the top part (back part) which is the other end in Fig.6 (a) (right side). That is, the groove part 60 is formed in the separator 30 side among the membrane-electrode assembly 28 and the separator 30 of each oxidizing gas side porous body 32. Further, as shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, the cross-sectional shape of each groove portion 60 with respect to a virtual plane orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 increases from the gas upstream side toward the downstream side. It is small. That is, the groove 30 formed in each oxidant gas side porous body 32 has an opening end on the separator 30 side in a direction parallel to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 (vertical direction in FIGS. 6A, 6B, and 6C). The width W (FIG. 6A) is made larger on the gas upstream side than on the gas downstream side, and the depth H of each groove 60 in the direction orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 (FIG. 6A )) Is larger on the gas upstream side than on the gas downstream side.

このように、各酸化ガス側多孔体32に、ガス上流側でガス下流側よりも断面積が大きくなる溝部60を形成し、各溝部60の断面積を、酸化ガス上流側で大きくし、酸化ガス下流側に向かうほど小さくしている。単位断面積で比較した場合に、ガスの流通抵抗は、溝部60、酸化ガス側多孔体32、酸化ガス拡散層34の順に高くなる。すなわち、酸化ガス拡散層34で最もガスの流通抵抗が高くなり、溝部60で最もガスの流通抵抗が低くなる。このように構成するため、酸化ガス側多孔体32は、ガス上流側でガス下流側よりもガスの圧力損失が低くなる形状を有することとなる。また、酸化ガス側多孔体32の、溝部60を除いた部分である多孔体本体部62の、ガス流通方向に対し直交する仮想平面に関する断面積は、ガス上流側でガス下流側よりも小さくなる。   In this way, the groove portions 60 having a cross-sectional area larger on the upstream side of the gas than on the downstream side of the gas are formed in each oxidizing gas side porous body 32, and the cross-sectional area of each groove portion 60 is increased on the upstream side of the oxidizing gas. The gas is made smaller toward the gas downstream side. When compared in terms of unit cross-sectional areas, the gas flow resistance increases in the order of the groove 60, the oxidizing gas side porous body 32, and the oxidizing gas diffusion layer 34. That is, the gas flow resistance is highest in the oxidizing gas diffusion layer 34, and the gas flow resistance is lowest in the groove 60. Since it comprises in this way, the oxidizing gas side porous body 32 will have a shape where the pressure loss of gas becomes lower on the gas upstream side than on the gas downstream side. Moreover, the cross-sectional area regarding the virtual plane orthogonal to the gas flow direction of the porous body main body 62 that is the portion excluding the groove 60 of the oxidizing gas side porous body 32 is smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side. .

このような燃料電池スタック24(図1)では、例えば図1に矢印αで示す方向に、燃料ガスである水素ガスを燃料ガス供給マニホールド43内に送りこむことにより、アノード側の燃料ガス流路に対応する、燃料ガス側多孔体36(図3)と燃料ガス拡散層38(図3)とに燃料ガスを送り込む。そして、図1に矢印βで示す方向に燃料ガスを、燃料ガス排出マニホールド45を通じて外部に排出する。また、同図に矢印γで示す方向に、酸化ガスである空気を酸化ガス供給マニホールド47に送り込むことにより、カソード側の酸化ガス流路に対応する、酸化ガス側多孔体32(図3)と酸化ガス拡散層34(図3)とに酸化ガスを送り込む。そして、図1に矢印δで示す方向に酸化ガスを、酸化ガス排出マニホールド49を通じて外部に排出する。燃料ガス及び酸化ガスは、膜−電極アセンブリ28(図3)で、電気化学反応に供される。そして、発電電力がカソード側電極とアノード側電極との間で得られ、複数の積層した燃料電池セル26を備える燃料電池スタック24(図1)の両端から電池出力が得られる。   In such a fuel cell stack 24 (FIG. 1), for example, hydrogen gas as a fuel gas is fed into the fuel gas supply manifold 43 in the direction indicated by the arrow α in FIG. Fuel gas is fed into the corresponding fuel gas side porous body 36 (FIG. 3) and fuel gas diffusion layer 38 (FIG. 3). Then, the fuel gas is discharged to the outside through the fuel gas discharge manifold 45 in the direction indicated by the arrow β in FIG. Further, by sending air, which is an oxidizing gas, into the oxidizing gas supply manifold 47 in the direction indicated by an arrow γ in the same figure, the oxidizing gas side porous body 32 (FIG. 3) corresponding to the oxidizing gas flow path on the cathode side and Oxidizing gas is fed into the oxidizing gas diffusion layer 34 (FIG. 3). Then, the oxidizing gas is discharged to the outside through the oxidizing gas discharge manifold 49 in the direction indicated by the arrow δ in FIG. Fuel gas and oxidizing gas are subjected to an electrochemical reaction at membrane-electrode assembly 28 (FIG. 3). Then, the generated power is obtained between the cathode side electrode and the anode side electrode, and the battery output is obtained from both ends of the fuel cell stack 24 (FIG. 1) including a plurality of stacked fuel cell units 26.

このような燃料電池スタック24を構成する燃料電池セル26によれば、膜−電極アセンブリ28及びセパレータ30の間に配置された、ガス上流側でガス下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有する酸化ガス側多孔体32を備えるため、酸化ガス側多孔体32を、酸化ガスの流通方向に関して断面積が一定で、ガス流通方向全長にわたる溝流路を形成した溝流路形成部材とする場合に比べて、酸化ガス側多孔体32のガス流通抵抗を大きくでき、相対的に膜−電極アセンブリ28側に酸化ガスを多く供給できるため、発電性能を高くできる。   According to the fuel cell 26 constituting the fuel cell stack 24 as described above, the pressure loss to the gas is lower on the gas upstream side than on the gas downstream side, which is disposed between the membrane-electrode assembly 28 and the separator 30. Therefore, the oxidizing gas side porous body 32 is a groove channel forming member having a constant cross-sectional area with respect to the flowing direction of the oxidizing gas and having a groove channel extending over the entire length of the gas flowing direction. Compared to the case, the gas flow resistance of the oxidizing gas side porous body 32 can be increased, and a relatively large amount of oxidizing gas can be supplied to the membrane-electrode assembly 28 side, so that the power generation performance can be improved.

また、酸化ガス側多孔体32のガス下流側でガス上流側よりもガスの圧力損失が大きくなるため、発電性能が高くなる傾向となるガス上流側での発電性能を抑えることができる一方、発電性能が低くなる傾向となるガス下流側での発電性能を高くできる。このため、燃料電池セル26及び燃料電池スタック24の温度及び発電性能の、ガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。   In addition, since the pressure loss of the gas is larger on the gas downstream side of the oxidizing gas side porous body 32 than on the gas upstream side, the power generation performance on the gas upstream side that tends to increase the power generation performance can be suppressed, while the power generation The power generation performance on the gas downstream side where the performance tends to be low can be increased. For this reason, the nonuniformity regarding the flow direction of gas of the temperature of the fuel cell 26 and the fuel cell stack 24 and the power generation performance can be reduced.

すなわち、燃料電池スタック24では、通常、酸化ガス拡散層34のガス上流側部分で酸素濃度が高く、また、存在する水分が水蒸気のままとなりやすいため、電解質膜近傍でのフラッディングは生じにくい。このため、酸化ガス拡散層34のガス上流側部分には、多くの酸化ガスを流す必要がない。本実施の形態では、このような事情から、酸化ガス側多孔体32のガス上流側部分を流れる酸化ガスの多くを溝部60に流れるようにして、ガス上流側部分での圧力損失を低減する。このため、ガス上流側での発電性能が抑えられ、発電に伴う発熱量を小さくできる。これに対して、酸化ガス拡散層34のガス上流側部分では酸素濃度が低くなり、かつ、フラッディングが生じやすくなる傾向となるため、酸化ガス側多孔体32に形成した溝部60の断面積をガス下流側に向かうにしたがって徐々に小さくして、酸化ガス側多孔体32のガス下流側部分での圧力損失を増大させ、これにより、酸化ガス拡散層34のガス下流側部分内を流れる酸化ガス量を増加させることができる。したがって、ガス下流側での発電性能を高くでき、発電に伴う発熱量を大きくできる。この結果、燃料電池セル26及び燃料電池スタック24の温度及び発電性能の、ガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。特に、高温状況下での発電運転時において、燃料電池セル26の酸化ガス上流側での温度が過度に高くなるのを有効に抑制できる。   That is, in the fuel cell stack 24, the oxygen concentration is usually high in the gas upstream portion of the oxidizing gas diffusion layer 34, and the existing water tends to remain as water vapor, so that flooding in the vicinity of the electrolyte membrane hardly occurs. For this reason, it is not necessary to flow a large amount of oxidizing gas in the upstream portion of the oxidizing gas diffusion layer 34. In the present embodiment, due to such circumstances, most of the oxidizing gas flowing in the gas upstream side portion of the oxidizing gas side porous body 32 is caused to flow into the groove portion 60 to reduce the pressure loss in the gas upstream side portion. For this reason, the power generation performance on the gas upstream side is suppressed, and the amount of heat generated by power generation can be reduced. On the other hand, since the oxygen concentration is low in the gas upstream portion of the oxidizing gas diffusion layer 34 and flooding tends to occur, the cross-sectional area of the groove 60 formed in the oxidizing gas side porous body 32 is reduced to the gas. The amount of oxidizing gas flowing in the gas downstream portion of the oxidizing gas diffusion layer 34 is increased by decreasing gradually toward the downstream side to increase the pressure loss in the gas downstream portion of the oxidizing gas side porous body 32. Can be increased. Therefore, the power generation performance on the gas downstream side can be improved, and the amount of heat generated by power generation can be increased. As a result, the nonuniformity of the temperature and power generation performance of the fuel cell 26 and the fuel cell stack 24 in the gas flow direction can be reduced. In particular, during power generation operation under high temperature conditions, it is possible to effectively suppress the temperature at the upstream side of the oxidizing gas of the fuel battery cell 26 from becoming excessively high.

図7(a)は、酸化ガス側多孔体32及び酸化ガス拡散層34において、ガス上流側とガス下流側との間の各断面部分での、溝部60(同図のPで示す範囲)と、酸化ガス側多孔体32の溝部60以外の多孔体本体部62(同図のQで示す範囲)と、酸化ガス拡散層34(同図のRで示す範囲)との、酸化ガスの流量比の1例を示す図である。なお、図7、図8の説明では、図1から図6で用いた符号を用いる。図7(a)でC−C、D−D、E−Eは、それぞれ図5のC−C断面、D−D断面、E−E断面に対応する。図7(a)に示すように、酸化ガスの流通経路に関して溝部60が形成されているガス上流側では、酸化ガスは溝部60内に多く流れる。   FIG. 7A shows a groove 60 (range indicated by P in the figure) at each cross-sectional portion between the gas upstream side and the gas downstream side in the oxidizing gas side porous body 32 and the oxidizing gas diffusion layer 34. The flow rate ratio of the oxidizing gas between the porous body main body 62 (the range indicated by Q in the figure) other than the groove 60 of the oxidizing gas side porous body 32 and the oxidizing gas diffusion layer 34 (the range indicated by R in the figure). It is a figure which shows one example of. In the description of FIGS. 7 and 8, the symbols used in FIGS. 1 to 6 are used. In FIG. 7A, CC, DD, and EE correspond to the CC, DD, and EE sections of FIG. 5, respectively. As shown in FIG. 7A, a large amount of oxidizing gas flows in the groove 60 on the gas upstream side where the groove 60 is formed with respect to the flow path of the oxidizing gas.

図7(b)は、図7(a)に対応する、ガス上流側とガス下流側との間の各断面部分での、酸化ガス側多孔体32のガスの流通方向に関する圧力損失の変化を示している。図7(b)で、実線Sは、本実施の形態の場合を、破線Tは、本実施の形態と同様の構成において、酸化ガス側多孔体32から溝部60を省略した比較例の場合を、それぞれ表している。図7(b)に示すように、本実施の形態で、溝部60を形成したことにより、溝部60を形成しない比較例の場合に比べて、同図の斜格子で示す分だけ燃料電池セル26及び燃料電池スタック24のガスに対する圧力損失を低減できる。   FIG. 7B shows the change in pressure loss related to the gas flow direction of the oxidizing gas side porous body 32 at each cross-section between the gas upstream side and the gas downstream side, corresponding to FIG. Show. In FIG. 7B, the solid line S represents the case of the present embodiment, and the broken line T represents the case of the comparative example in which the groove 60 is omitted from the oxidizing gas side porous body 32 in the same configuration as the present embodiment. , Respectively. As shown in FIG. 7B, in the present embodiment, since the groove portion 60 is formed, the fuel battery cell 26 is shown by the oblique lattice shown in FIG. 7 in comparison with the comparative example in which the groove portion 60 is not formed. And the pressure loss with respect to the gas of the fuel cell stack 24 can be reduced.

図8は、本実施の形態により、燃料電池セル26の酸化ガス上流側と酸化ガス下流側との間において、酸化ガス側多孔体32及び酸化ガス拡散層34全体のガス流通方向に対し直交する各断面での酸素濃度を示す線図である。同図において、実線Laは本実施の形態の場合を、破線Lbは本実施の形態と同様の構成において、酸化ガス側多孔体32に溝部60を形成しない比較例の場合を、それぞれ表している。図8に示すように、いずれの場合も、ガス上流側からガス下流側に向かうにしたがって、発電により酸素濃度は低くなるが、本実施の形態では、ガス上流側で溝部60により酸化ガス側多孔体32の圧力損失が低くなるので、発電しにくくなることで酸素濃度の減少の程度が比較例に比べて小さくなる。一方、ガス下流側では溝部60がなくなり、または溝部60断面が小さくなることにより、酸化ガス側多孔体32の圧力損失が高くなるので、膜−電極アセンブリ28側に酸素が多く供給され、発電に供される。このため、ガス下流側で、酸素濃度の減少の程度が比較例の場合よりも大きくなる。この結果、溝部60を形成しない比較例に比べて、酸化ガス流通方向に関する酸素濃度勾配を緩やかにできる。したがって、燃料電池セル26及び燃料電池スタック24の温度及び発電性能の、ガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。   FIG. 8 shows that the present embodiment is orthogonal to the gas flow direction of the entire oxidizing gas side porous body 32 and the oxidizing gas diffusion layer 34 between the oxidizing gas upstream side and the oxidizing gas downstream side of the fuel cell 26. It is a diagram which shows the oxygen concentration in each cross section. In the figure, the solid line La represents the case of the present embodiment, and the broken line Lb represents the case of a comparative example in which the groove portion 60 is not formed in the oxidizing gas side porous body 32 in the same configuration as the present embodiment. . As shown in FIG. 8, in any case, the oxygen concentration decreases as a result of power generation from the gas upstream side toward the gas downstream side. However, in the present embodiment, the oxidizing gas side porosity is provided by the groove 60 on the gas upstream side. Since the pressure loss of the body 32 is reduced, the degree of decrease in oxygen concentration is reduced compared to the comparative example because it is difficult to generate power. On the other hand, since the groove portion 60 is eliminated or the cross section of the groove portion 60 is reduced on the gas downstream side, the pressure loss of the oxidizing gas side porous body 32 is increased, so that a large amount of oxygen is supplied to the membrane-electrode assembly 28 side. Provided. For this reason, on the gas downstream side, the degree of decrease in oxygen concentration is greater than in the comparative example. As a result, compared with the comparative example in which the groove portion 60 is not formed, the oxygen concentration gradient with respect to the oxidizing gas flow direction can be moderated. Therefore, the nonuniformity of the temperature and power generation performance of the fuel cell 26 and the fuel cell stack 24 with respect to the gas flow direction can be reduced.

また、本実施の形態では、酸化ガス側多孔体32に、ガス上流側でガス下流側よりも断面積が大きくなる溝部60を形成するため、燃料電池スタック24の体格を大きくすることなく、燃料電池スタック24内のガスに対する圧力損失を小さくし、かつ、発電性能を高くできる。   Further, in the present embodiment, the groove portion 60 having a larger cross-sectional area at the gas upstream side than at the gas downstream side is formed in the oxidizing gas side porous body 32, so that the fuel cell stack 24 is not enlarged and the fuel cell stack 24 is not enlarged. The pressure loss with respect to the gas in the battery stack 24 can be reduced, and the power generation performance can be improved.

また、酸化ガス側多孔体32の膜−電極アセンブリ28及びセパレータ30のうち、セパレータ30側に溝部60を形成するため、酸化ガス側多孔体32の膜−電極アセンブリ28側に溝部60を形成する場合と異なり、膜−電極アセンブリ28の近傍に発電に伴う生成水が溜まる、いわゆるフラッディングを生じにくくできる。これとともに、膜−電極アセンブリ28側に設けた酸化ガス拡散層34と酸化ガス側多孔体32との接触圧が、酸化ガス側多孔体32の側面の面方向または長さ方向に関して大きく不均一になるのを防止できる。このため、酸化ガス側多孔体32の側面の面方向または長さ方向に関する発電性能の不均一を小さくできる。   Moreover, in order to form the groove part 60 on the separator 30 side among the membrane-electrode assembly 28 and the separator 30 of the oxidizing gas side porous body 32, the groove part 60 is formed on the membrane-electrode assembly 28 side of the oxidizing gas side porous body 32. Unlike the case, so-called flooding, in which generated water associated with power generation accumulates in the vicinity of the membrane-electrode assembly 28, can be made difficult to occur. At the same time, the contact pressure between the oxidizing gas diffusion layer 34 provided on the membrane-electrode assembly 28 side and the oxidizing gas side porous body 32 is greatly non-uniform in the surface direction or length direction of the side surface of the oxidizing gas side porous body 32. Can be prevented. For this reason, the nonuniformity of the electric power generation performance regarding the surface direction or length direction of the side surface of the oxidizing gas side porous body 32 can be reduced.

なお、酸化ガス側多孔体32に溝部60を形成する方法として、例えば、酸化ガス側多孔体32を金属粒子の集合、すなわち金属の粉末を焼結することにより構成する場合には、成形型の一部の溝部60に対応する位置に入子型を配置する等が考えられる。また、酸化ガス側多孔体32をエキスパンドメタルにより構成する場合には、溝部60を形成する場合にエキスパンドメタルにスリット等の切れ込みを入れ、切れ込みを押し広げたり、または、溝部60に対応する部分をくりぬく等により、溝部60を形成することができる。また、エキスパンドメタルにプレス加工を施し、溝部60部分を押しつぶすことにより溝部60を形成することもできる。なお、酸化ガス側多孔体32をエキスパンドメタルにより構成する場合に、複数枚のエキスパンドメタルを積層することにより酸化ガス側多孔体32を構成することもできる。この場合、例えば、一部のエキスパンドメタルに溝部60を形成して、残部のエキスパンドメタルに溝部60を形成しないものを積層することにより、酸化ガス側多孔体32を構成することもできる。   In addition, as a method of forming the groove portion 60 in the oxidizing gas side porous body 32, for example, when the oxidizing gas side porous body 32 is configured by sintering a set of metal particles, that is, a metal powder, For example, a nested mold may be arranged at a position corresponding to a part of the groove portions 60. In the case where the oxidizing gas side porous body 32 is made of expanded metal, when the groove portion 60 is formed, a slit or the like is cut into the expanded metal to widen the cut or a portion corresponding to the groove portion 60 is formed. The groove 60 can be formed by drilling or the like. Moreover, the groove part 60 can also be formed by giving a press process to an expanded metal and crushing the groove part 60 part. In the case where the oxidizing gas side porous body 32 is made of expanded metal, the oxidizing gas side porous body 32 can also be formed by stacking a plurality of expanded metals. In this case, for example, the oxidizing gas side porous body 32 can be configured by forming the groove portion 60 in a part of the expanded metal and laminating the remaining expanded metal that does not form the groove portion 60.

[第2の発明の実施の形態]
図9、図10は、本発明の第2の実施の形態において、上記の第1の実施の形態の図5、図6にそれぞれ対応する図である。本実施の形態では、図10(a)(b)(c)に示すように、各酸化ガス側多孔体32を膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する仮想平面に関する断面で見た場合の、各溝部60aの断面形状を矩形としている。各酸化ガス側多孔体32において、溝部60aのセパレータ30側(図10(a)(b)(c))端部は、各酸化ガス側多孔体32の側面に開口させている。
[Second Embodiment]
FIG. 9 and FIG. 10 are diagrams corresponding to FIG. 5 and FIG. 6 of the first embodiment, respectively, in the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIGS. 10A, 10 </ b> B, and 10 </ b> C, each oxidizing gas side porous body 32 is viewed in a cross section regarding a virtual plane orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28. The cross-sectional shape of each groove 60a is rectangular. In each oxidizing gas side porous body 32, the end portion of the groove 60a on the separator 30 side (FIGS. 10A, 10B, and 10C) is opened on the side surface of each oxidizing gas side porous body 32.

また、燃料電池セル26(図3参照)を膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する仮想平面に関する断面で見た場合の、各溝部60aの深さH(図10(a))をガス上流側から下流側に向かうに従って徐々に小さくしている。その他の構成及び作用は、上記の第1の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。なお、各酸化ガス側多孔体32を膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する仮想平面に関する断面で見た場合の、各溝部60aの断面形状は、矩形、三角形以外の形状とすることもできる。   Further, the depth H (FIG. 10A) of each groove 60a when the fuel battery cell 26 (see FIG. 3) is viewed in a cross-section with respect to a virtual plane orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 is shown in FIG. It gradually decreases from the side toward the downstream side. Since other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, the same reference numerals are given to the equivalent parts, and overlapping illustrations and descriptions are omitted. In addition, when each oxidizing gas side porous body 32 is viewed in a section related to a virtual plane orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28, the cross-sectional shape of each groove 60a can be a shape other than a rectangle or a triangle. .

[第3の発明の実施の形態]
図11は、本発明の第3の実施の形態において、上記の図9、図10に示した第2の実施の形態の図10に対応する図である。本実施の形態では、燃料電池セル26(図3参照)を膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する仮想平面に関する断面で見た場合の、各溝部60bの断面形状を矩形とするとともに、各溝部60bの深さHをガス流通方向に関して一定としている。その他の構成及び作用は、上記の図9、図10に示した第2の実施の形態と同様であるため、重複する図示及び説明を省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 11 is a diagram corresponding to FIG. 10 of the second embodiment shown in FIGS. 9 and 10 in the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the cross-sectional shape of each groove portion 60b when the fuel battery cell 26 (see FIG. 3) is viewed in a cross section related to a virtual plane orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 is rectangular, The depth H of the groove 60b is constant with respect to the gas flow direction. Other configurations and operations are the same as those of the second embodiment shown in FIG. 9 and FIG.

[第4の発明の実施の形態]
図12、図13は、本発明の第4の実施の形態において、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態の図5、図6にそれぞれ対応する図である。本実施の形態では、図12に示すように、各酸化ガス側多孔体32を、膜−電極アセンブリ28の側面と平行な仮想平面に関する断面で見た場合の溝部60cの断面形状を、一端(図12の左端)が酸化ガス側多孔体32のガス上流側端面に開口して、他端(図12の右端)が酸化ガス側多孔体32のガス下流側端面に開口しない矩形である、長方形としている。
[Fourth Embodiment]
FIGS. 12 and 13 are diagrams corresponding to FIGS. 5 and 6 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8, respectively, in the fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 12, the cross-sectional shape of the groove 60 c when each oxidizing gas side porous body 32 is viewed in a cross section related to a virtual plane parallel to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 is A rectangle in which the left end in FIG. 12 is open at the gas upstream end face of the oxidizing gas side porous body 32 and the other end (right end in FIG. 12) is not open at the gas downstream end face of the oxidizing gas side porous body 32. It is said.

また、図13に示すように、燃料電池セル26(図3参照)を膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する仮想平面に関する断面で見た場合の、各溝部60cの断面形状を矩形としている。本実施の形態では、燃料電池セル26を膜−電極アセンブリ28の側面に対し直交する仮想平面に関する断面で見た場合の、各溝部60cの深さHを、溝部60cの底面を傾斜面とする等により、ガス上流側から下流側に向かうにしたがって徐々に小さくすることで、溝部60cの断面積をガス上流側から下流側に向かうにしたがって徐々に小さくしている。本実施の形態では、溝部60cの幅Wは、ガスの流通方向に関して変化させていない。その他の構成及び作用は、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。   Further, as shown in FIG. 13, when the fuel cell 26 (see FIG. 3) is seen in a cross section regarding a virtual plane orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28, the cross-sectional shape of each groove 60 c is rectangular. . In the present embodiment, the depth H of each groove 60c when the fuel battery cell 26 is viewed in a cross-section with respect to a virtual plane orthogonal to the side surface of the membrane-electrode assembly 28, and the bottom surface of the groove 60c as an inclined surface. For example, the sectional area of the groove 60c is gradually reduced from the gas upstream side to the downstream side by gradually reducing the gas upstream side toward the downstream side. In the present embodiment, the width W of the groove 60c is not changed with respect to the gas flow direction. Since other configurations and operations are the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 described above, the same parts are denoted by the same reference numerals, and overlapping illustrations and descriptions are omitted.

[第5の発明の実施の形態]
図14、図15は、本発明の第5の実施の形態において、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態の図5、図6にそれぞれ対応する図である。本実施の形態では、図14に示すように、各酸化ガス側多孔体32に、ガスの流通方向に複数本の溝部60dを形成するとともに、溝部60dの本数をガス上流側で最も多くし、ガス流通方向中央部で中間の本数とし、ガス下流側で最も少なくしている。このために、複数本の溝部60dのすべての一端を、各酸化ガス側多孔体32のガス上流側端面(図14の左端面)に開口させるとともに、一部の溝部60dを酸化ガス側多孔体32の長さ方向中央部に達しない最短の長さとしている。また、残部の溝部60dのうち、一部を酸化ガス側多孔体32のガス下流側端寄り部分に達する最長の長さとし、残部の溝部60dのうち、残部を中間の長さとしている。このように、酸化ガス側多孔体32に、ガス上流側端部から伸びる複数本の溝部60dを形成するとともに、一部の溝部60d同士の長さを異ならせ、かつ、溝部60dの本数をガス上流側でガス下流側よりも多くすることもできる。
[Fifth Embodiment]
FIGS. 14 and 15 are diagrams corresponding to FIGS. 5 and 6 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8, respectively, in the fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 14, in each oxidizing gas side porous body 32, a plurality of groove portions 60d are formed in the gas flow direction, and the number of groove portions 60d is maximized on the gas upstream side, The number is intermediate in the center of the gas flow direction, and the number is the smallest on the gas downstream side. For this purpose, all the one ends of the plurality of groove portions 60d are opened at the gas upstream end surface (left end surface in FIG. 14) of each oxidizing gas side porous body 32, and some of the groove portions 60d are formed on the oxidizing gas side porous body. 32 is the shortest length that does not reach the center in the length direction. Further, a part of the remaining groove part 60d has the longest length reaching the gas downstream end portion of the oxidizing gas side porous body 32, and the remaining part of the remaining groove part 60d has an intermediate length. As described above, a plurality of groove portions 60d extending from the gas upstream end are formed in the oxidizing gas side porous body 32, the lengths of some of the groove portions 60d are made different from each other, and the number of the groove portions 60d is changed to gas. It is also possible to increase the amount on the upstream side than on the gas downstream side.

このような本実施の形態の場合も、酸化ガス側多孔体32の多孔体本体部62の、ガス流通方向に対し直交する仮想平面に関する断面積、すなわちガス流通方向に対し直交する断面で見た場合の断面積は、ガス上流側でガス下流側よりも小さくなる。その他の構成及び作用は、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。   In the case of this embodiment as well, the cross section of the porous body main body 62 of the oxidizing gas side porous body 32 with respect to the virtual plane orthogonal to the gas flow direction, that is, the cross section orthogonal to the gas flow direction is seen. The cross-sectional area in this case is smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side. Since other configurations and operations are the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 described above, the same parts are denoted by the same reference numerals, and overlapping illustrations and descriptions are omitted.

[第6の発明の実施の形態]
図16は、本発明の第6の実施の形態において、上記の図11に示した第3の実施の形態に対応する図である。本実施の形態では、酸化ガス側多孔体32に形成した溝部60eの膜−電極アセンブリ28側(図16(a)(b)(c)の右側)端部が、酸化ガス側多孔体32の膜−電極アセンブリ28側端面に達している。このような本実施の形態によれば、各酸化ガス側多孔体32の加工及び製造作業を容易に行える。その他の構成及び作用は、上記の図11に示した第3の実施の形態と同様であるため、重複する説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
FIG. 16 is a diagram corresponding to the third embodiment shown in FIG. 11 in the sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the end of the groove 60 e formed in the oxidizing gas side porous body 32 on the membrane-electrode assembly 28 side (the right side of FIGS. 16A, 16 B, and 16 C) is the oxidation gas side porous body 32. The end surface of the membrane-electrode assembly 28 is reached. According to this embodiment, the processing and manufacturing work of each oxidizing gas side porous body 32 can be easily performed. Other configurations and operations are the same as those of the third embodiment shown in FIG.

[第7の発明の実施の形態]
図17(a)は、本発明の第7の実施の形態において、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態の図5に対応する図であり、図17(b)は図17(a)のF−F断面図である。本実施の形態では、上記の図12から図13に示した第4の実施の形態において、各酸化ガス側多孔体32に形成した溝部60fの深さを、溝部60fの底面を階段状とすることにより、ガス上流側からガス下流側に向かうにしたがって、段階的に変化させ、段階的に小さくしている。その他の構成及び作用は、上記の図12から図13に示した第4の実施の形態と同様であるため、重複する説明を省略する。
[Seventh Embodiment of the Invention]
FIG. 17A is a diagram corresponding to FIG. 5 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 in the seventh embodiment of the present invention, and FIG. It is FF sectional drawing of Fig.17 (a). In the present embodiment, in the fourth embodiment shown in FIGS. 12 to 13, the depth of the groove 60f formed in each oxidizing gas side porous body 32 is set to be a stepped shape on the bottom surface of the groove 60f. Thus, the gas is gradually changed from the gas upstream side to the gas downstream side, and is reduced in stages. Other configurations and operations are the same as those in the fourth embodiment shown in FIGS. 12 to 13 described above, and thus redundant description is omitted.

[第8の発明の実施の形態]
図18(a)は、本発明の第8の実施の形態において、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態の図5に対応する図であり、図18(b)は、酸化ガス側多孔体32の、ガス流通方向に関する気孔率の変化を示す図であり、図18(c)は、酸化ガス側多孔体32の、ガス流通方向に関する圧力損失の変化を示す図である。本実施の形態では、上記の各実施の形態の場合と異なり、各酸化ガス側多孔体32に溝部を形成していない。その代わりに、各酸化ガス側多孔体32の気孔率、すなわち単位面積当たりの気孔の数を、ガスの流通方向に関して変化させている。すなわち、図18(b)で示すように、各酸化ガス側多孔体32の気孔率を、ガス上流側から下流側に向かうにしたがって、徐々に一定の割合で小さくしている。すなわち、各酸化ガス側多孔体32の気孔の数を、ガス上流側でガス下流側よりも多くしている。これにより、図18(c)に示すように、各酸化ガス側多孔体32の圧力損失が、ガス上流側から下流側に向かうにしたがって徐々に一定の割合で大きくなる。すなわち各酸化ガス側多孔体32は、ガス上流側で下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有する。
[Eighth Embodiment]
FIG. 18A is a diagram corresponding to FIG. 5 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 in the eighth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 18C is a diagram showing a change in porosity of the oxidizing gas side porous body 32 in the gas flow direction, and FIG. 18C is a diagram showing a change in pressure loss of the oxidizing gas side porous body 32 in the gas flow direction. is there. In the present embodiment, unlike each of the above embodiments, no groove is formed in each oxidizing gas side porous body 32. Instead, the porosity of each oxidizing gas side porous body 32, that is, the number of pores per unit area, is changed with respect to the gas flow direction. That is, as shown in FIG. 18B, the porosity of each oxidizing gas side porous body 32 is gradually reduced at a constant rate from the gas upstream side toward the downstream side. That is, the number of pores of each oxidizing gas side porous body 32 is made larger on the gas upstream side than on the gas downstream side. Accordingly, as shown in FIG. 18C, the pressure loss of each oxidizing gas side porous body 32 gradually increases at a constant rate from the gas upstream side toward the downstream side. That is, each oxidizing gas side porous body 32 has a shape in which the pressure loss to the gas is lower on the gas upstream side than on the downstream side.

このような本実施の形態の場合によれば、ガス上流側で下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有する酸化ガス側多孔体32を備えるため、酸化ガス側多孔体32を、酸化ガスの流通方向に関して断面積が一定で、ガス流通方向全長にわたる溝流路を形成した溝流路形成部材とした場合に比べて、酸化ガス側多孔体32のガス流通抵抗を大きくでき、相対的に膜−電極アセンブリ28(図3参照)側に酸化ガスを多く供給できるため、発電性能を高くできる。また、酸化ガス側多孔体32のガス下流側で上流側よりもガスに対する圧力損失が大きくなるため、発電性能が高くなる傾向となるガス上流側での発電性能を抑えることができる一方、発電性能が低くなる傾向となるガス下流側での発電性能を高くできる。このため、燃料電池セル26(図3参照)及び燃料電池スタック24(図1参照)の温度及び発電性能のガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。その他の構成及び作用は、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態と同様であるため、重複する図示及び説明を省略する。   According to such a case of the present embodiment, since the oxidizing gas side porous body 32 having a shape in which the pressure loss to the gas is lower on the gas upstream side than on the downstream side is provided, the oxidizing gas side porous body 32 is oxidized. Compared to the case where the groove flow passage forming member has a constant cross-sectional area with respect to the gas flow direction and has a groove flow passage extending over the entire length of the gas flow direction, the gas flow resistance of the oxidizing gas side porous body 32 can be increased. In addition, since a large amount of oxidizing gas can be supplied to the membrane-electrode assembly 28 (see FIG. 3) side, power generation performance can be improved. Moreover, since the pressure loss with respect to the gas is larger on the gas downstream side of the oxidizing gas side porous body 32 than on the upstream side, the power generation performance on the gas upstream side where the power generation performance tends to be high can be suppressed. The power generation performance on the downstream side of the gas, which tends to be low, can be improved. For this reason, the nonuniformity regarding the flow direction of the gas of the temperature of the fuel cell 26 (refer FIG. 3) and the fuel cell stack 24 (refer FIG. 1) and power generation performance can be made small. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 described above, and thus redundant illustration and description are omitted.

なお、本実施の形態の図18(b)において、酸化ガス側多孔体32の気孔率を、酸化ガス側多孔体32の気孔の大きさである、気孔の直径(気孔径)と置き換えることもできる。この場合は、酸化ガス側多孔体32において、ガスの流通方向に関する気孔率は一定でも、気孔の大きさがガス上流側で下流側よりも大きくなる。このため、本実施の形態と同様、ガスに対する圧力損失がガス上流側で下流側よりも小さくなる。また、酸化ガス側多孔体32において、気孔率または気孔径をガスの上流側から下流側に向かうにしたがって、段階的に変化させる、すなわち、段階的に小さくすることもできる。例えば、それぞれで気孔率及び気孔径がガスの流通方向に関してほぼ一定で、気孔率または気孔径が互いに異なる複数の多孔体要素をガス流通方向に関して突き当てるように組み合わせることにより、酸化ガス側多孔体32を構成することもできる。   In FIG. 18B of the present embodiment, the porosity of the oxidizing gas side porous body 32 may be replaced with the pore diameter (pore diameter) that is the size of the pores of the oxidizing gas side porous body 32. it can. In this case, in the oxidizing gas side porous body 32, even if the porosity in the gas flow direction is constant, the size of the pores is larger on the gas upstream side than on the downstream side. For this reason, as in the present embodiment, the pressure loss for the gas is smaller on the gas upstream side than on the downstream side. Further, in the oxidizing gas side porous body 32, the porosity or the pore diameter can be changed stepwise as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas, that is, it can be reduced stepwise. For example, by combining a plurality of porous elements having a porosity and a pore diameter that are substantially constant with respect to the gas flow direction, and a plurality of porous elements having different porosity or pore diameters with respect to the gas flow direction. 32 can also be configured.

また、本実施の形態で、各酸化ガス側多孔体32をエキスパンドメタルにより構成する場合に、酸化ガス側多孔体32の気孔率または気孔径を変えるために、気孔、すなわち開口56(図4参照)形成に使用する刃型の形状または刃型を移動させるピッチを途中で段階的に変えることもできる。   Further, in the present embodiment, when each oxidizing gas side porous body 32 is made of an expanded metal, in order to change the porosity or the pore diameter of the oxidizing gas side porous body 32, pores, that is, openings 56 (see FIG. 4). ) The shape of the blade mold used for forming or the pitch for moving the blade mold can be changed stepwise in the middle.

[第9の発明の実施の形態]
図19、図20は、本発明の第9の実施の形態において、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態の図5、図6にそれぞれ対応する図である。本実施の形態では、気孔に関してほぼ均質な各酸化ガス側多孔体32に、膜−電極アセンブリ28(図3参照)の側面に対し直交する方向に貫通する複数の通孔64を形成している。通孔64の数は、酸化ガスの上流側から下流側に向かうにしたがって徐々に少なくしている。これにより、各酸化ガス側多孔体32を、ガス上流側で下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有するものとしている。
[Ninth Embodiment]
FIGS. 19 and 20 are diagrams corresponding to FIGS. 5 and 6 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8, respectively, in the ninth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a plurality of through holes 64 penetrating in a direction perpendicular to the side surface of the membrane-electrode assembly 28 (see FIG. 3) are formed in each of the oxidizing gas side porous bodies 32 that are substantially homogeneous with respect to the pores. . The number of through holes 64 is gradually reduced from the upstream side to the downstream side of the oxidizing gas. Thereby, each oxidizing gas side porous body 32 is assumed to have a shape in which the pressure loss to the gas is lower on the gas upstream side than on the downstream side.

このような本実施の形態の場合も、ガス上流側で下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有する酸化ガス側多孔体32を備えるため、燃料電池セル26(図3参照)において、発電性能を高くし、かつ、温度及び発電性能のガスの流通方向に関する不均一を小さくすることができる。その他の構成及び作用は、上記の図1から図8に示した第1の実施の形態と同様であるため、重複する図示及び説明を省略する。   In the case of this embodiment as well, since the oxidizing gas side porous body 32 having a shape in which the pressure loss with respect to the gas is lower on the gas upstream side than on the downstream side, the fuel cell 26 (see FIG. 3) The power generation performance can be increased, and the non-uniformity of the temperature and the power generation performance with respect to the gas flow direction can be reduced. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 described above, and thus redundant illustration and description are omitted.

なお、上記の図18から図20に示した第8の実施の形態から第9の実施の形態において、酸化ガス側多孔体32のガス流通抵抗に異方性がある場合には、ガス上流側部分で酸化ガス側多孔体32のガス流通抵抗がより小さくなる一方、ガス下流側部分で酸化ガス側多孔体32のガス流通抵抗がより大きくなるように方向を規制して、燃料電池セル26(図3参照)に組み付けるのが好ましい。   In addition, in the eighth to ninth embodiments shown in FIGS. 18 to 20, the gas upstream side when the gas flow resistance of the oxidizing gas side porous body 32 is anisotropic. The direction is regulated so that the gas flow resistance of the oxidant gas side porous body 32 becomes smaller at the portion while the gas flow resistance of the oxidant gas side porous body 32 becomes larger at the gas downstream side portion, and the fuel cell 26 ( (See FIG. 3).

なお、上記の各実施の形態において、酸化ガス拡散層34(図3、図6参照)の気孔率または気孔径を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくして、酸化ガス拡散層34のガス下流側での圧力損失を低減することもできる。また、上記の各実施の形態において、酸化ガス拡散層34のガス流通抵抗に異方性がある場合には、ガス上流側部分でガス拡散層34のガス流通抵抗がより大きくなる一方、ガス下流側部分でガス拡散層のガス流通抵抗がより小さくなるように方向を規制して、燃料電池セル26(図3参照)に組み付けることもできる。   In each of the embodiments described above, the porosity or pore diameter of the oxidizing gas diffusion layer 34 (see FIGS. 3 and 6) is made smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side, so that the oxidizing gas diffusion layer 34 It is also possible to reduce the pressure loss on the gas downstream side. In each of the above embodiments, when the gas flow resistance of the oxidizing gas diffusion layer 34 has anisotropy, the gas flow resistance of the gas diffusion layer 34 becomes larger at the gas upstream side portion, while the gas downstream resistance. The direction can be regulated so that the gas flow resistance of the gas diffusion layer becomes smaller at the side portion, and the gas diffusion layer can be assembled to the fuel cell 26 (see FIG. 3).

また、上記の各実施の形態で、アノード側の燃料ガス側多孔体36(図3、図6参照)及び燃料ガス拡散層38(図3、図6参照)を、カソード側の酸化ガス側多孔体32及び酸化ガス拡散層34と、それぞれ同様な構造とすることもでき、酸化ガス側多孔体32及び酸化ガス拡散層34をガスの流通方向に関して圧力損失が変化しない形状とするとともに、燃料ガス側多孔体36及び燃料ガス拡散層38を、ガスの流通方向に関して圧力損失が変化する形状とすることもできる。例えば、燃料ガス側多孔体36に、酸化ガス側多孔体32に形成したのと同様の、燃料ガスの上流側から下流側に向かうにしたがって断面積が小さくなる溝部を形成することもできる。また、上記の各実施の形態では、多孔体と膜−電極アセンブリとの間にガス拡散層を設けていたが、ガス拡散層を省略し、多孔体にガス拡散層の機能を持たせることもできる。なお、上記の各実施の形態において、ガス拡散層を、板状のセパレータ本体とともにセパレータを構成するコレクタとすることもできる。   Further, in each of the above embodiments, the anode side fuel gas side porous body 36 (see FIGS. 3 and 6) and the fuel gas diffusion layer 38 (see FIGS. 3 and 6) are combined with the cathode side oxidizing gas side porous body. The body 32 and the oxidizing gas diffusion layer 34 can also have the same structure. The oxidizing gas side porous body 32 and the oxidizing gas diffusion layer 34 are shaped so that the pressure loss does not change in the gas flow direction, and the fuel gas The side porous body 36 and the fuel gas diffusion layer 38 may be shaped so that the pressure loss changes with respect to the gas flow direction. For example, the fuel gas side porous body 36 may be formed with a groove portion having a cross-sectional area that decreases in the direction from the upstream side to the downstream side of the fuel gas, similar to that formed in the oxidizing gas side porous body 32. In each of the above embodiments, the gas diffusion layer is provided between the porous body and the membrane-electrode assembly. However, the gas diffusion layer may be omitted and the porous body may have the function of the gas diffusion layer. it can. In each of the above embodiments, the gas diffusion layer may be a collector that constitutes a separator together with a plate-like separator body.

本発明の第1の実施の形態の燃料電池セルを複数積層して構成する燃料電池スタックの略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells according to a first embodiment of the present invention. 図1の正面図である。It is a front view of FIG. 図2のA−A断面の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of AA cross section of FIG. 酸化ガス側多孔体をエキスパンドメタルにより構成する場合の1例を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows an example in the case of comprising an oxidizing gas side porous body with an expanded metal. 図3の酸化ガス側多孔体のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of the oxidizing gas side porous body of FIG. (a)が図5のC−C断面を、(b)が図5のD−D断面を、(c)が図5のE−E断面を、それぞれ示す図である。(A) is a CC cross section of FIG. 5, (b) is a DD cross section of FIG. 5, (c) is a figure which shows the EE cross section of FIG. (a)が酸化ガス側多孔体及び酸化ガス拡散層において、ガス上流側とガス下流側との間の各断面部分での、溝部と、多孔体本体部と、酸化ガス拡散層との、酸化ガスの流量比の1例を示す図であり、(b)が酸化ガス側多孔体のガスの流通方向に関する圧力損失の変化を示す図である。(A) In the oxidizing gas side porous body and the oxidizing gas diffusion layer, the oxidation of the groove, the porous body main body, and the oxidizing gas diffusion layer at each cross-sectional portion between the gas upstream side and the gas downstream side It is a figure which shows one example of the flow ratio of gas, (b) is a figure which shows the change of the pressure loss regarding the distribution direction of the gas of an oxidizing gas side porous body. 酸化ガス側多孔体及び酸化ガス拡散層全体のガス流通方向に対し直交する各断面での酸素濃度を示す線図である。It is a diagram which shows the oxygen concentration in each cross section orthogonal to the gas distribution direction of the oxidizing gas side porous body and the entire oxidizing gas diffusion layer. 本発明の第2の実施の形態において、図5に対応する図である。In the 2nd Embodiment of this invention, it is a figure corresponding to FIG. 同じく図6に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 6 similarly. 本発明の第3の実施の形態において、図6に対応する図である。In the 3rd Embodiment of this invention, it is a figure corresponding to FIG. 本発明の第4の実施の形態において、図5に対応する図である。In the 4th Embodiment of this invention, it is a figure corresponding to FIG. 同じく図6に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 6 similarly. 本発明の第5の実施の形態において、図5に対応する図である。In the 5th Embodiment of this invention, it is a figure corresponding to FIG. 同じく図6に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 6 similarly. 本発明の第6の実施の形態において、図6に対応する図である。In the 6th Embodiment of this invention, it is a figure corresponding to FIG. (a)は、本発明の第7の実施の形態において、図5に対応する図であり、(b)は(a)のF−F断面図である。(A) is a figure corresponding to Drawing 5 in a 7th embodiment of the present invention, and (b) is an FF sectional view of (a). (a)は、本発明の第8の実施の形態において、図5に対応する図であり、(b)は、酸化ガス側多孔体の、ガス流通方向に関する気孔率の変化を示す図であり、(c)は、酸化ガス側多孔体の、ガス流通方向に関する圧力損失の変化を示す図である。(A) is a figure corresponding to Drawing 5 in an 8th embodiment of the present invention, and (b) is a figure showing change of the porosity about the gas distribution direction of an oxidizing gas side porous body. (C) is a figure which shows the change of the pressure loss regarding the gas distribution direction of an oxidizing gas side porous body. 本発明の第9の実施の形態において、図5に対応する図である。FIG. 10 is a diagram corresponding to FIG. 5 in the ninth embodiment of the present invention. 同じく図6に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 6 similarly. 従来から知られている燃料電池の1例の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of one example of the fuel cell known conventionally. カソード側電極に供給される反応ガスのストイキ比と、燃料電池セル電圧との関係の1例を示す線図である。It is a diagram which shows one example of the relationship between the stoichiometric ratio of the reactive gas supplied to a cathode side electrode, and a fuel cell voltage.

符号の説明Explanation of symbols

10 電解質膜・電極構造体、12 セパレータ、14 電解質膜、16 アノード側電極、18 カソード側電極、20 ガス拡散層、22 電極触媒層、24 燃料電池スタック、26 燃料電池セル、28 膜−電極アセンブリ(MEA),30 セパレータ、32 酸化ガス側多孔体、34 酸化ガス拡散層、36 燃料ガス側多孔体、38 燃料ガス拡散層、40 中間セパレータ、42 燃料ガス供給マニホールド孔、43 燃料ガス供給マニホールド、44 燃料ガス排出マニホールド孔、45 燃料ガス排出マニホールド、46 酸化ガス供給マニホールド孔、47 酸化ガス供給マニホールド、48 酸化ガス排出マニホールド孔、49 酸化ガス排出マニホールド、50 冷媒供給マニホールド孔、51 冷媒供給マニホールド、52 冷媒排出マニホールド孔、53 冷媒排出マニホールド、54 冷媒流路、55 シール部材、56 開口、58 エキスパンドメタル、60,60a,60b,60c,60d,60e,60f 溝部、62 多孔体本体部、64 通孔。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrolyte membrane / electrode structure, 12 Separator, 14 Electrolyte membrane, 16 Anode side electrode, 18 Cathode side electrode, 20 Gas diffusion layer, 22 Electrode catalyst layer, 24 Fuel cell stack, 26 Fuel cell, 28 Membrane-electrode assembly (MEA), 30 separator, 32 oxidizing gas side porous body, 34 oxidizing gas diffusion layer, 36 fuel gas side porous body, 38 fuel gas diffusion layer, 40 intermediate separator, 42 fuel gas supply manifold hole, 43 fuel gas supply manifold, 44 Fuel gas discharge manifold hole, 45 Fuel gas discharge manifold, 46 Oxidation gas supply manifold hole, 47 Oxidation gas supply manifold, 48 Oxidation gas discharge manifold hole, 49 Oxidation gas discharge manifold, 50 Refrigerant supply manifold hole, 51 Refrigerant supply manifold, 52 cold Discharge manifold hole, 53 the coolant discharge manifold, 54 a refrigerant flow passage, 55 seal member, 56 opening, 58 expanded metal, 60,60a, 60b, 60c, 60d, 60e, 60f groove 62 porous body portion 64 through hole.

Claims (14)

発電体と、
セパレータと、
発電体及びセパレータの間に配置され、反応ガスを流通させる多孔体と、を備える燃料電池セルであって、
多孔体は、ガス上流側でガス下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有することを特徴とする燃料電池セル。
A power generator,
A separator;
A porous body disposed between a power generation body and a separator and allowing a reaction gas to flow therethrough,
The porous battery has a shape in which the pressure loss with respect to the gas is lower on the gas upstream side than on the gas downstream side.
請求項1に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体の、ガス流通方向に対し直交する仮想平面に関する断面積を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくしていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 1,
A fuel cell, wherein a cross-sectional area of a porous body related to a virtual plane orthogonal to a gas flow direction is smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体に、ガス上流側でガス下流側よりも断面積が大きくなる溝部を形成していることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
A fuel cell, wherein a groove portion having a cross-sectional area larger on the gas upstream side than on the gas downstream side is formed in the porous body.
請求項3に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体の発電体及びセパレータのうち、セパレータ側に溝部を形成していることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 3, wherein
A fuel cell comprising a porous power generation body and a separator, wherein a groove is formed on the separator side.
請求項3に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体に形成した溝部の、発電体の側面と平行な方向の幅を、ガス上流側でガス下流側よりも大きくしていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 3, wherein
A fuel cell, wherein a width of a groove formed in a porous body in a direction parallel to a side surface of a power generation body is larger on a gas upstream side than on a gas downstream side.
請求項3に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体に形成した溝部の、発電体の側面に対し直交する方向の深さを、ガス上流側でガス下流側よりも大きくしていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 3, wherein
A fuel cell, wherein a depth of a groove formed in a porous body in a direction orthogonal to a side surface of a power generation body is made larger on a gas upstream side than on a gas downstream side.
請求項2に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体に複数本の溝部を形成するとともに、溝部の本数をガス上流側でガス下流側よりも多くしていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 2,
A fuel cell, wherein a plurality of groove portions are formed in a porous body, and the number of groove portions is greater on the gas upstream side than on the gas downstream side.
請求項2に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体にガス上流側端部から伸びる複数本の溝部を形成するとともに、少なくとも一部の溝部同士の長さを異ならせていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 2,
A fuel cell, wherein a plurality of grooves extending from a gas upstream end are formed in a porous body, and at least some of the grooves are different in length.
請求項2から請求項8のいずれか1に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体の、ガス流通方向に対し直交する仮想平面に関する断面積を、ガスの流通方向に関して段階的に変化させていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to any one of claims 2 to 8,
A fuel cell, wherein a cross-sectional area of a porous body with respect to a virtual plane orthogonal to a gas flow direction is changed stepwise with respect to a gas flow direction.
請求項1に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体の気孔率または気孔の大きさを、ガスの流通方向に関して変化させていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 1,
A fuel cell, wherein a porosity or a pore size of a porous body is changed with respect to a gas flow direction.
請求項10に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体の気孔の数を、ガス上流側でガス下流側よりも多くしていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 10, wherein
A fuel cell, wherein the number of pores in the porous body is greater on the gas upstream side than on the gas downstream side.
請求項1から請求項11のいずれか1に記載の燃料電池セルにおいて、
発電体及び多孔体の間に、多孔体よりもガスの流通抵抗が大きいガス拡散層を設けていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein
A fuel battery cell, wherein a gas diffusion layer having a greater gas flow resistance than a porous body is provided between the power generation body and the porous body.
請求項12に記載の燃料電池セルにおいて、
ガス拡散層の気孔率または気孔の直径を、ガス上流側でガス下流側よりも小さくしていることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 12, wherein
A fuel cell comprising a gas diffusion layer having a porosity or a pore diameter smaller on the gas upstream side than on the gas downstream side.
請求項1から請求項13のいずれか1に記載の燃料電池セルにおいて、
多孔体をエキスパンドメタルにより構成していることを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 13,
A fuel cell comprising a porous body made of expanded metal.
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