JP2009064647A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、電気化学反応で消費される酸素の量や、生成される水蒸気の量を変化させ、電気化学反応を制御し、入口付近と出口付近における発電の格差を解決するものである。
【解決手段】
本発明の燃料電池は、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持し、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し、前記燃料極に対し電気を誘電する電気誘導部を有する燃料極セパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し、前記酸素極に対し電気を誘電する電気誘導部を有する酸素極セパレータと、を備えたものであって、前記酸素極セパレータの電気誘導部が、酸化剤ガス流路の入口から、酸化剤ガス流路の出口に向かって、電気伝導率の大きくなる部材で構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、定置用電源および移動体用電源として有用である固体高分子型燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させ、発電した電気を供給するものである。燃料電池の重要な構成要素にセパレータがある。

セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を誘電する電気誘導部をもつものである。

セパレータは、黒鉛材料と金属材料のものが開発されている。金属材料のセパレータは、腐食への対策が必要になるが、金属材料をプレス成形にて流路を形成するので、コスト低減化や薄型化・軽量化が可能であり、体積あたりの出力向上が期待できる。

したがって、高密度出力化や低コスト化のニーズに伴い、金属材料セパレータは広い分野で展開が進められている。

燃料電池は、電流を引くことにより電圧が降下する。電圧降下の原因は、触媒活性に起因する活性化損失，電解質膜のイオン伝導抵抗や電池内部の抵抗による抵抗損失、およびガスの拡散に起因する濃度損失である。

電池性能を向上する上で、これらの損失を小さくすることが重要であるが、特に、高電流密度の出力を実現するには、ガスの拡散に起因する濃度損失が問題となる。

すなわち、多くの電流を得るには、燃料ガスや酸化剤ガスをＭＥＡ全体に供給し、反応領域全域に渡り電気化学反応を活性化する必要がある。

燃料ガスや酸化剤ガスをＭＥＡ全体に供給し、反応領域全域に渡り電気化学反応を活性化する技術に、流路同士を連結するスリット状の流路を設け、局所的な濃度損失を低減し、安定した発電特性を得られるようにしたものや、セパレータの端方から中央にかけて流路断面積を大きく取るような流路断面積分布を持たせることで、ガスの質量流量の低下を防止し、電流密度分布の不均一性による性能低下を改善するものがある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開２００６−３５１２２２号公報 特開２００５−１７４６４８号公報

電気化学反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスは、電気化学反応により消費され、燃料ガスに水素ガスを、酸化剤ガスに空気をもちいた場合、電気化学反応は次式のように示される。

アノード側（燃料極）：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ （１）
カソード側（空気極）：４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ → ２Ｈ₂Ｏ （２）
上式より、アノード側では、燃料ガスである水素ガスは、水素イオンと電子になり、空気極で消費される。

一方、カソード側では、酸素が消費される一方で、水蒸気が生成される。空気中には、２０％程度の酸素が含まれるが、入口から出口に向かって酸素の消費が進みに連れ、水蒸気の占める割合が大きくなり、酸素の占める割合（分圧が）小さくなる。

従って、カソード側では、入口から出口に向かって、電気化学反応に必要な空中の酸素の供給が、難しくなってくる。それ故、電気化学反応でボトルネックとなるのは、酸素の供給であるといえる。酸素供給の問題は、高電流密度条件の運転や高酸素利用率条件時において、特に顕著にあらわれると考える。

これは、カソード側流路の入口付近では、酸素が十分供給できるので電気化学反応は活発に行えるが、出口に向うにつれ、酸素濃度は薄くなると共に、電気化学反応で生成される水蒸気により酸素が発電部にいきにくくなるためと考えられる。

この結果、入口付近と出口付近では、電流密度が異なり、出口に近づくほど発電の効率が悪くなる。

つまり、入口付近と出口付近に発電の格差が生じてしまう。これは、高出力密度の電流を得るためにも、また発電部品の寿命の観点からも解決しなければならない問題である。
従来技術における、スリット状に流路同士を連結する手段や、端方から中央にかけて流路断面積を大きくする手段は、ガスの流れを制御し、ガス拡散に起因する濃度損失を解決しようとするものである。

しかしながら、スリット状に流路同士を連結する手段や、端方から中央にかけて流路断面積を大きくする手段は、消費される酸素の量や生成される水蒸気の量を変化させるものではなく、まして、電気化学反応を制御し、入口付近と出口付近における発電の格差を解決するものでもない。

本発明の目的は、電気化学反応で消費される酸素の量や、生成される水蒸気の量を変化させ、電気化学反応を制御し、入口付近と出口付近における発電の格差を解決するものである。

本発明の燃料電池は、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持し、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し、前記燃料極に対し電気を誘電する電気誘導部を有する燃料極セパレータと、前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し、前記酸素極に対し電気を誘電する電気誘導部を有する酸素極セパレータと、を備えたものである。

そして、前記酸素極セパレータの電気誘導部が、酸化剤ガス流路の入口から、酸化剤ガス流路の出口に向かって、電気伝導率の大きくなる部材で構成されていることを特徴とする。

また、前記酸素極セパレータの電気誘導部が、酸化剤ガス流路の入口から、酸化剤ガス流路の出口に向かって、酸素極と接する面積が大きくなることを特徴とする。

つまり、本発明は、セパレータのカソード側の空気の入口付近において、電気化学反応を抑制し、かつ、カソード側の空気の出口付近において、電気化学反応を助長する手段を持たせることで、入口付近と出口付近における発電の格差を解決するものである。

電気化学反応を入口付近で抑制し、かつ、カソード側の空気の出口付近で助長する手段は、発電部分が接続されるセパレータの電気誘導部において、電気伝導率が入口付近で小さく、出口付近で大きい値を持つ材料を適用する。

あるいは、セパレータのカソード側入口付近において、電気化学反応を抑制し、かつ、カソード側の空気の出口付近において、電気化学反応を助長する手段に、セパレータと発電部分が接続される電気誘導部において、接触面積が入口付近で小さく、出口付近で大きい値を持つ構造を適用する。

カソード側発電部における電気化学反応には、式（２）に示すように、電解質膜から通ってくる水素イオンとカソード側セパレータ流路を流れる空気中の酸素、それにカソード側セパレータから供給される電子の３要素が必要である。

セパレータと発電部分が接続される電気誘導部において、電気伝導率が入口付近で小さく、出口付近で大きい値を持つ材料を適用すれば、入口付近で反応に必要な電子の供給が抑制され、消費される酸素量が減少し、出口付近で電子の供給が助長され、入口付近で消費されなかった酸素が、出口付近で消費される。

この結果、入口付近では、電気化学反応が抑制され、出口付近では、電気化学反応が助長されるので、入口付近と出口付近における発電の格差を解消することができる。

同様に、セパレータと発電部分が接続される電気誘導部において、接触面積が入口付近で小さく、出口付近で大きい値を持つ構造を適用することで、入口付近で反応面積が小さくなり、電子の供給が減少し、消費される酸素量が減少する。

また、出口付近では、反応する面積が大きいので、電子の供給が増加し、入口付近で消費されなかった酸素が、出口付近で消費される。

この結果、入口付近では、電気化学反応が抑制され、出口付近では、電気化学反応が助長されるので、入口付近と出口付近における発電の格差を解消することができる。

本発明により、電気化学反応で消費される酸素の量や生成される水蒸気の量を変化させ、電気化学反応を制御することにより入口付近と出口付近における発電の格差を低減することができる。

以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１は本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ１００の概念図である。

セパレータ１００は、ステンレスやチタン，アルミニウムなどの薄い金属材料をプレス加工で形成されたものを基盤としたものであり、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、後で述べる膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を誘電するものである。

セパレータ１００は、ガスが注入される入口１０３と、ガスが流れる流路部１０２，電気誘導部１０１，ガスが排出される出口１０４、およびガスが外に漏れないように設置したシール材１２１とからなる。

ここでは、セパレータ１００の基盤には、長さ１２０mm，幅１８mm，厚さ０.２mmのアルミニウムの金属材料を用いる。

ここで、本発明のセパレータ１００は、電気誘導部１０１に電気伝導率の異なる部材を設置したことを特徴とする。例えば、セパレータ１００のガスが注入される入口１０３からガスが排出される出口１０４に向って４つの領域１０６，１９７，１０８，１０９を設け、その領域ごとに電気誘導部１０１に電気伝導率の異なる部材を適用する。

図２は、４つの領域１０６，１９７，１０８，１０９毎の電気誘導部１０１の材質および電気伝導率を示したものである。

図２において、領域１０６には、カーボンペーパからなる部材を適用し、領域１０７には、グラファイトからなる部材を、領域１０８には、チタンからなる部材を、領域１０９には、アルミニウムからなる部材を、それぞれ適用する。

電気誘導部１０１は、４つの領域１０６，１９７，１０８，１０９毎に、長さ２０mm，幅２mm，厚さ０.５mmの電気伝導率の異なる部材を用意する。

ただし、領域１０６，１０９の両端に位置する部材の長さは３０mmとする。

図１において、断面図１０５は、セパレータ１００を線ａｂで切断した時の断面を表すものである。セパレータ１００は、断面図１０５から分るように、アルミニウムの金属材料をプレス加工して幅２mm，高さ０.１mmの溝を形成し、形成された薄板１１１に、電気誘導部１０１を構成する電気伝導率の異なる部材１１２を、はめ込んで作成されている。

こうすることで、セパレータと発電部分が接続される電気誘導部１０１において、電気伝導率が入口付近で小さく、出口付近で大きくなり、入口付近で電子の供給が抑制され、消費される酸素量が減少し、入口付近で消費されなかった酸素が、出口付近で消費される。この結果、入口付近では、電気化学反応が抑制され、出口付近では、電気化学反応が助長されるので、入口付近と出口付近における発電の格差を解消することができる。

一方、電気誘導部１０１の厚さをＬ［ｍ］、ＭＥＡと平行な断面積をＡ［ｍ²］とすると、電気抵抗Ｒ［Ω］は以下の式より計算される。ここでρは、電気誘導部１０１の電気抵抗率［Ωｍ］であり、電気伝導率［１／Ωｍ］の逆数をとる。

Ｒ＝ρ・Ｌ／Ａ （３）
（３）式から入口から出口にかけて電気誘導部１０１の形状を変えることでも、電子の供給を制御し電気化学反応の量を変えることができる。

たとえば、電気誘導部１０１の形状を入口から出口にかけて、膜・電極接合体（ＭＥＡ）との接触面を徐々に大きくすることや厚みを薄くすることで、入口から出口にかけて電気伝導を良くし、入口付近と出口付近における発電の格差を解消することができる。

以下に、第２の実施例を説明する。
図３は、本発明に関する第２の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ３００の概念図である。

セパレータ３００は、ステンレスやチタン，アルミニウムなどの、厚さ０.２mmの薄い金属の材料をプレス加工したものであり、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に拡散層に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、後で述べる膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を誘電するものである。

セパレータ３００は、ガスが注入される入口３０３と、ガスが流れる流路部３０２，電気誘導部３０１，ガスが排出される出口３０４、およびガスが外に漏れないように設置したシール材３０６とからなる。

ここでは、セパレータ３００の基盤には、長さ１２０mm，幅１８mm，厚さ０.２mmのアルミニウムの金属材料を用い、プレス加工によって形成された電気誘導部３０１は、セパレータ３００の入口３０３近くでは幅が１mm、出口３０４近くでは３mmと、入口から出口に向かって、膜・電極接合体（ＭＥＡ）との接触面が大きくなるように設定されている。
こうすることで、セパレータと発電部分が接続される電気誘導部３０１において、電気抵抗の違いにより、電気化学反応の強さが入口付近で小さく、出口付近で大きくなる。

この結果、入口付近で電気化学反応が抑制され、出口付近で電気化学反応が助長されるので、入口付近と出口付近における発電の格差を解消することができる。

図４は、本発明のセパレータを用いて作成する燃料電池セル４００を説明する図である。

燃料電池セル４００は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４０２を、アノード側セパレータ４０１と、カソード側セパレータ４０３とで両側から挟むようにして構成され、締付け用の板４０７とボルト４０８を用いて１メガパスカルの締め圧になるようにトルクレンチ締めて作成される。

図４では、便宜上、締付けは、燃料電池セル４００の中央の一箇所で行われているように示してあるが、複数の締付け用の板４０７とボルト４０８を用いて締め付けを行い、締め付け圧が均等になるようにする。

アノード側セパレータ４０１とカソード側セパレータ４０３には同じ形式のセパレータを２枚用意し、使用するが、ここでは、図１で説明したセパレータ１００を用いる。

また、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４０２は、アノード側のガスがカソード側に漏れないようにセパレータ１００の流路よび誘電領域をカバーする広さを持つ必要がある。

ここでは、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４０２の面積をセパレータ１００より若干大きめの面積で、長さ１０.５mm，幅１８.５mmのものを使用し、シール材に０.２５mmかませるようにし、アノード側のガスがカソード側に漏れないようにする。

図５は、燃料電池セル４００を中央で切断したときの断面図で、厚さ方向を拡大して示したものである。

図５の断面図において、アノード側セパレータ５０１と、カソード側セパレータ５０３とで膜・電極接合体（ＭＥＡ）５０２を両側から挟むようにして、締付け用の板５１０とボルト５１１，５１２を用いて締め、膜・電極接合体（ＭＥＡ）５０２は、アノード側のガスがカソード側に漏れないようにセパレータ１００より若干大きめのサイズで、シール材５０８，５０９に０.２５mmかませるようにしてある。

ここで、アノード側セパレータ５０１と、カソード側セパレータ５０３に図１で説明したセパレータ１００を使用したが、図３で説明したセパレータ３００を使用する場合も同様にして、燃料電池セル４００を構築することができる。

次に、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４０２について説明する。

ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両側にカソード側電極およびアノード側電極が挟み込む形で構成される。固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン１１７（Nafion１１７、１７５μｍ、Du pont社製）等を用いた厚さ０.０３mmのフッ素系イオン交換膜が用いる。

カソード側電極およびアノード側電極には、それぞれ触媒反応層と拡散層とで形成され、カソード側拡散層およびアノード側拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの拡散性を高め、発電により発生した反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ，カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。

ここでは、導電性多孔質材料に厚さ０.２mmのカーボン不織布（東レ社製ＴＧＰ−Ｈ０６０）を用い、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液（ダイキン製Ｄ１）に浸し、乾燥後３５０℃で１０分間熱処理し、拡散層を形成した。

触媒反応層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ０.０１mm程度の薄膜である。

アノードおよびカソード触媒反応層には、平均一次粒子径３０ｎｍを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック（AKZOChemie社製）に、白金を５０重量％担持させた触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばナフィオン１１７をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を１：１になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりスラリーを作製し、先に作成したカソード側拡散層およびアノード側拡散層にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で６時間乾燥させることで形成させた。

このようにして、それぞれの拡散層上にカソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層を形成させることで、カソード側電極とアノード側電極を作成した。

最後に、カソード用電極とアノード用電極をそれぞれ用意し、高分子電解質膜（デュポン社製、Nafion１１７、１７５μｍ）の両面に、中心を合わせて、ホットプレス（１２５℃，４ＭＰａ，１０分間）により一体化し、ＭＥＡを作成する。

次に、本発明に関する実施の形態を示した燃料電池セル４００について電気誘導部の効果を、シミュレーションを用いて検証する。

ここでは、セパレータに、図１にある、本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ１００を用いた場合を検証する。

図６は、燃料電池セル４００における解析対象をモデル化した形状を説明する図である。正面図６００は、燃料電池セル４００の発電部分を抜き出してモデル化したものであり長さ１００mm，幅１８mmとし、電気伝導部６０５と流路６０６が２mm幅で交互に構成されている。

電気伝導部６０５は、図１で説明したように、長さ方向に４つの領域が設定され、図２にあるようにそれぞれに電気伝導率の異なる材料が適用される。

また、発電部分を正面図６００で見えているこちら側の面は、アノード側セパレータで、６０１および６０３で示されている面が、それぞれ、燃料ガスの入口面と出口面である。

正面図６００で見えていない向こう側の面が、カソード側セパレータで、６０４および６０２で示されている面が、それぞれ、空気（酸化剤ガス）の入口面と出口面である。

ここで、燃料ガスと空気の流れが対交流であることに注意する。すなわち、正面図６００の右側が、燃料ガスの出口面６０３および、空気の入口面６０４にあたる。

図７は、図６の正面図６００で、中央のａ−ｂを結ぶ線で切断したときの断面図である。

図４の燃料電池セル４００における解析モデル化の形状で、図７は厚み方向の構造を、図８は各部材の厚さおよび材質を説明する。図７の断面図において、アノード側セパレータは基盤７０１に０.２mmのアルミニウム材料を、電気伝導部７０５に０.５mmのアルミニウム材料を用い、燃料ガスの通る０.５mmの流路７０３を形成している。

また、カソード側セパレータは厚さ０.２mmのアルミニウム材料の基盤７０２に、図１で説明したように、２０mmまたは３０mm間隔の領域ごとに厚さ０.５mmのカーボンペーパ，グラファイト，チタン，アルミニウムの電気伝導部７０６を配置し、空気の通る流路７０４を形成している。

ここでの解析は、カソード側電気伝導部７０６の効果を明らかにするため、領域ごとに異なる電気伝率の部材を配置するのはカソード側電気伝導部７０６のみにし、アノード側電気伝導部７０５は、アルミニウム単体の材料を用いた。

膜・電極接合体（ＭＥＡ）は、厚さ０.０３mmのナフィオン製電解質膜７１１を両側から挟むようようにアノード側触媒層７０９，カソード側触媒層７１０と、それらを挟むようにアノード側拡散層７０７，カソード側拡散層７０８とで構成されている。

ここで、触媒層７０９，７１０は白金５０重量％担持の導電性炭素粒子層からなり、拡散層７０７，７０８は厚さ０.２mmのカーボンペーパで構成されている。

図６，図７，図８に示した形状および材質データをもとに、シミュレーションによる解析を行った。

シミュレーションにはFluent社製燃料電池シミュレータを用いた。Fluent社製燃料電池シミュレータに図６，図７，図８に示した形状および材質データを入力し、図９に示すようなシミュレーションの解析条件を設定し、シミュレーションによる解析を行った。

次に、異なる電気伝導率の部材を用いた電気誘導部をもつセパレータを使用した燃料電池セル４００について、シミュレーションを用いた解析結果を示す。

ここで、異なる電気伝導率の部材を用いた電気誘導部の効果を明らかにするために、電気誘導部に同じ電気伝導率の部材を用いた燃料電池セルについてもシミュレーションによる解析を行う。

すなわち、図６，図７，図８，図９で説明した内容について、図８のカソード側電気伝導部に、アルミニウム単体を用いた場合を、従来型燃料電池セルとしてシミュレーションを行い、解析結果を比較する。

図１０は、図９の解析条件でシミュレーションを行った結果で、得られた電流密度分布を示したものである。電流密度分布１００１は、セパレータの電気誘導部に同一のアルミニウム部材を使用した燃料電池セルについてもので、電流密度分布１００２は、セパレータの電気誘導部に異なる電気伝導率の部材を使用した燃料電池セル４００のものである。

電流密度分布１００１は、電流密度分布１００２に比べ、向って右側、すなわち空気の入口付近で、電流密度が大きく、電気化学反応が強く起きていることが分る。

グラフ１００３は、セパレータの電気誘導部に同一のアルミニウム部材を使用した燃料電池セルについて、横軸に燃料電池セルの長さ方向の位置を、縦軸に電流密度を取ったものである。グラフ１００４は、セパレータの電気誘導部に異なる電気伝導率の部材を使用した燃料電池セル４００について、横軸に燃料電池セルの長さ方向の位置を、縦軸に電流密度を取ったものである。

それぞれのグラフ上に線が２本あるのは、上側の線が流路下のカソード触媒層中の電流密度の値を示しており、下側の線が電気誘導部下のカソード触媒層中の電流密度の値を示している。

グラフ１００３とグラフ１００４の電流密度の値を比較すると、グラフ１００３は、グラフ１００４よりも、空気の入口付近の位置で値が大きく、空気の出口付近の位置で値が小さくなっており、線の傾きが大きいことが分る。

つまり、セパレータと発電部分が接続される電気誘導部において、電気伝導率が入口付近で小さく、出口付近で大きい値を持つ材料を適用すれば、入口付近で反応に必要な電子の供給が抑制され、消費される酸素量が減少し、出口付近で電子の供給が助長され、入口付近で消費されなかった酸素が、出口付近で消費される。

この結果、入口付近では、電気化学反応が抑制され、出口付近では、電気化学反応が助長されるので、入口付近と出口付近における発電の格差を解消できたことが分る。

図１１は、電流密度分布１００１，１００２の領域を１１０１のように、それぞれ１５分割し、領域ごとに電流密度の代表値を算出し、これらの分割した１５領域に対して、平均値，最大値，最小値、および平均値からのズレの大きさを示す標準偏差を求め、１１０２の表にまとめたものである。

表１１０２から、セパレータの電気誘導部に異なる電気伝導率の部材を使用した燃料電池セル４００の電流密度は、セパレータの電気誘導部に同一のアルミニウム部材を使用した燃料電池セルの電流密度に比べ、平均値では大差ないが、最大値と最小値とからなる、電流密度の値が取りうる範囲が、０.３４に対し０.２９と狭く、また平均値からのズレの大きさを示す標準偏差も０.０９５に対し０.０８３と１割ほど小さくなり、電流密度の値に対する斑が小さくなっていることが分る。

従って、セパレータと発電部分が接続される電気誘導部において、電気伝導率が入口付近で小さく、出口付近で大きい値を持つ材料を適用すれば、入口付近で電気化学反応が抑制され、出口付近で電気化学反応が助長されるので、発電領域全体で発電斑が解消され、ＭＥＡの高寿命化に貢献できる。

以上、本発明に関する実施の形態を示した燃料電池セル４００について電気誘導部の効果を、シミュレーションを用いて検証した。

ここでは、セパレータに、図１にある、本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ１００を用いた場合について検証したが、同様に、図３にある、本発明に関する第２の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ３００を用いた場合においても、セパレータと発電部分が接続される電気誘導部において、入口付近で接触面積を小さくしたことで電気伝導が小さく、出口付近で接触面積を大きくしたことで電気伝導が大きい値を持つので、入口付近で反応に必要な電子の供給が抑制され、消費される酸素量が減少し、出口付近で電子の供給が助長され、入口付近で消費されなかった酸素が、出口付近で消費される。

この結果、入口付近では、電気化学反応が抑制され、出口付近では、電気化学反応が助長されるので、入口付近と出口付近における発電の格差を解消できると考えられ、その結果、発電領域全体で発電斑が解消され、ＭＥＡの高寿命化に貢献できる。

本発明により、ＭＥＡの高寿命化が可能となり、より一層、定置用電源および移動体用電源としての燃料電池に利用可能である。

本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータを示した図。 電気誘導部の領域ごとに材質および電気伝導率を示した表。 本発明に関する第２の実施の形態を示した燃料電池用セパレータを示した図。 本発明の実施形態の燃料電池用セパレータを用いて作成される燃料電池セルを示した図。 燃料電池セルを中央で切断したときの断面図。 解析用に燃料電池セルをモデル化した形状データを説明する図。 モデル化した燃料電池セルの形状データを説明する図。 モデル化した燃料電池セルの形状データおよび材質を説明する表。 シミュレーションの解析条件を説明する表。 シミュレーションの解析結果で電流密度分布を説明する図。 シミュレーションの解析結果で電流密度分布を説明する表。

符号の説明

１００ セパレータ
１０１ 電気誘導部
１０２ ガスが流れる流路部
１０３ ガスが注入される入口
１０４ ガスが排出される出口
１２１ シール材

Claims (2)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持し、
   前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成し、前記燃料極に対し電気を誘電する電気誘導部を有する燃料極セパレータと、
   前記酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成し、前記酸素極に対し電気を誘電する電気誘導部を有する酸素極セパレータと、を備えた燃料電池において、
   前記酸素極セパレータの電気誘導部が、酸化剤ガス流路の入口から、酸化剤ガス流路の出口に向かって、電気伝導率の大きくなる部材で構成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記酸素極セパレータの電気誘導部が、酸化剤ガス流路の入口から、酸化剤ガス流路の出口に向かって、酸素極と接する面積が大きくなることを特徴とする燃料電池。

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