JP2011210398A

JP2011210398A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2011210398A
Application number: JP2010074401A
Authority: JP
Inventors: Atsumi Ida; 敦巳井田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池において、電池性能を向上する燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池を構成する単セルは、カソードの側のガスセパレーター２６に、エアー供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞されたガス流入流路４８ｉｎと、エアー排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されたガス流出流路４８ｏｕｔとを、流路間リブを挟んで交互に備える。ガス流入流路４８ｉｎに流れ込んだエアーは、流路間リブがリブ幅で当接する範囲のガス拡散層に潜り込んで隣のガス流出流路４８ｏｕｔに入り込み、ガス拡散層において拡散する。リブ幅とガス拡散層のガス透過性は、リブ当接範囲のガス拡散層をエアーが透過する際のバラツキを抑制するように規定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電し、新たなエネルギー源として注目されている。この燃料電池、概ね、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両膜面にアノードとカソードの電極を形成した膜電極接合体（発電体）を、ガス拡散層を介在させた上でセパレーターで挟持して構成される。

このような燃料電池において、ガスの利用率を向上させて電池性能を向上させるための種々の提案がなされてきた。その一つとして、燃料ガスあるいは酸化ガスの流路の形状を、櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞された複数の流路を、閉塞側が互い違いになるように交互に配列する構成が提案されている（例えば、特許文献１）。このような燃料電池は、上記した流路形状を実現する凹凸形状が形成されたセパレーターを、電解質膜上の電極に接合したガス拡散層上に、さらに積層することによって形成される。このような構成とすることにより、燃料電池に供給されたガスは、まず、ガス入口側が開放されて末端が閉塞された流路に流入する。この流路に流入したガスは、流路末端の閉塞により、流路を形成する凸部が当接するガス拡散層を透過して、隣の流路に流入する。この隣の流路は、先の流路とは逆にガス入口側で閉塞されガス出口側で解放されていることから、当該隣の流路に流入したガスは、ガス拡散層の表面に沿って流しつつガス排出を行うので、ガス拡散層全体にガスが行き渡る効率が高まり、電極面全体でガス利用率が向上する。

上記したような流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路ではなく、ガス入口側からガス出口側まで延ばしたガス流路を備えた燃料電池であっても、電池性能向上の上から種々の手法が提案されている（例えば、特許文献２等）。

特開２００６−１２７７７０号公報特開２００４−６２８０号公報特開２００８−５３１７５号公報

上記したような流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池にあっては、ガス利用率の向上により電池性能の向上が期待できるものの、更なる性能向上が要請されている。この場合、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池の電池性能向上に、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路ではない流路構造の上記特許文献２〜３で提案された手法をそのまま適用することはできないのが実情である。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池において、電池性能の向上に寄与する新たな手法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の構成を採用した。

[適用１：燃料電池]
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられた拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されて、前記複数のガス流入流路と流路間リブを挟んで交互に設けられ、前記複数のガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路とを備え、
前記流路間リブが前記ガス拡散層に当接するリブ幅と、前記ガス拡散層を前記反応ガスが透過する際のガス透過性とは、前記流路間リブが前記リブ幅で当接した範囲の前記ガス拡散層における前記反応ガスの透過のバラツキを抑制するように関連付けてそれぞれ規定されている
ことを要旨とする。

上記構成を備える燃料電池では、ガス供給マニホールドから流入した反応ガスを複数のガス流入流路に入り込ませる。当該流路は末端で閉塞されているので、ガス流入流路に入り込んだ反応ガスは、ガス流入流路とガス流出流路を区画する流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を透過して隣のガス流出流路に入り込む。こうしてガス流出流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層の表面に沿って流れつつガス排出マニホールドから流出される。そして、反応ガスは、ガス流入流路を通過する際と、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を透過する際、および、ガス流出流路を通過する際に、ガス拡散層に供給される。

上記構成を備える燃料電池では、流路間リブのリブ幅とガス拡散層のガス透過性とを規定することで、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を反応ガスが透過する際において、そのガス拡散層における反応ガスの透過のバラツキを抑制するので、ガス拡散層の全面、詳しくは電極と接合した面全体において反応ガス透過を均一化することができる。この結果、上記構成を備える燃料電池によれば、ガスの利用率を電極面全体でより確実に確保できることから、燃料電池の性能を向上させることができる。

上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記リブ幅と前記ガス透過性の規定を通して、前記ガス流入流路の流路長に亘る前記ガス拡散層でのガスの透過流速の均一化を図るようにできる。こうすれば、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層を反応ガスが透過する際において、ガス流入流路の流路に亘って反応ガス透過のバラツキをより高い実効性で抑制でき、電池性能の向上の実効性が高まる。

また、前記リブ幅と前記ガス透過性とを、この両者に依存して定まる前記ガス拡散層のガス透過流速を確保した上で、前記反応ガスの透過のバラツキを抑制することが望ましい。こうすれば、流路間リブがそのリブ幅で当接した範囲のガス拡散層でのガス拡散の実効性が高まり、ガス透過のバラツキ抑制の実効性も高まる。

また、前記ガス流路を前記ガス拡散層に接合されるセパレーターに形成すれば、セパレーターを挟んで積層状の燃料電池を簡便に得ることができる。

この他、本発明は、例えば、燃料電池のガス拡散層における反応ガスの透過のバラツキを抑制してガス透過を均一化する方法などの形態で実現することが可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を表わす断面模式図である。ガスセパレーター２６の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図である。図２における３−３線の概略断面図である。図２における４−４線の概略断面図である。ガス拡散層２４をエアーが透過する際の圧力損失の様子を模式的に説明する説明図である。ガス拡散層における圧力損失比とガス拡散層でのガス流速との関係を示すグラフである。セルモデルＳｍにおけるリブ当接箇所エアー透過の様子をガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘って模式的に示す説明図である。セルモデルＳｍにおいてリブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘ってほぼ均一な様子を模式的に示す説明図である。セルモデルＳｍにおいてリブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路４８ｉｎの入口側と閉塞側で相違する様子を模式的に示す説明図である。モデルＡおよびモデルＢのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を図７に倣って示す説明図である。モデルＡおよびモデルＢのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を流入流出流路を平面視しつつシミュレートして示す説明図である。モデルＡおよびモデルＢのセルモデルＳｍについての電池性能を示す説明図である。モデルＨとモデルＩのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況をモデルＡおよびモデルＢと併記して示す説明図である。モデルＨとモデルＩのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を流入流出流路を平面視しつつシミュレートして示す説明図である。モデルＨとモデルＩのセルモデルＳｍについての電池性能をモデルＡおよびモデルＢと併記して示す説明図である。ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄとガス拡散層２４のガス透過性との関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池１０は、図１に示す構成の単セル１５を複数積層したスタック構造を有している。なお、本実施例の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であるが、異なる種類の燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池においても、同様に適用可能である。

単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するガス拡散層２３，２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター２５は、ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図１には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター２５，２６は、既述したセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。

なお、図１では図示していないが、ガスセパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。

次に、上記したカソード２２の側のガスセパレーター２６におけるセル内酸化ガス流路４８の詳細について説明する。図２はガスセパレーター２６の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図、図３は図２における３−３線の概略断面図、図４は図２における４−４線の概略断面図である。なお、以下の説明では、説明の便宜上、ガスセパレーター２６がなす矩形形状の長辺方向を水平方向とし、矩形短辺方向を垂直方向と称する。

図示するように、ガスセパレーター２６は、垂直方向の２辺に沿って、外周近傍に孔部４０〜４５を備える。孔部４０は、燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、H₂ inと示す）、孔部４１は冷媒供給マニホールドを形成し（図中、CLT inと示す）、孔部４２は酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、O₂ inと示す）、孔部４３は冷媒排出マニホールドを形成し（図中、CLT outと示す）、孔部４４は酸化ガス排出マニホールドを形成し（図中、O₂ outと示す）、孔部４５は燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、H₂ outと示す）。ガスセパレーター２６は、カソード２２の側のものであることから、孔部４２の酸化ガス供給マニホールドからセル内に流入したエアー（酸化ガス）は、このガスセパレーター２６で形成された後述のガス流路を通過して、孔部４４の酸化ガス排出マニホールドから排出される。こうしたガス供給は、積層された単セル１５のそれぞれでなされる。アノード２１の側のガスセパレーター２５では、孔部４０の燃料ガス供給マニホールドからセル内に流入した水素ガス（燃料ガス）は、このガスセパレーター２５で形成されたガス流路を通過して、孔部４５の燃料ガス排出マニホールドから排出される。

図５に示すガスセパレーター２６は、その中ほどに、セル内燃料ガス流路が形成されてカソード２２と重なって孔部４２および孔部４４と連通する略四角形状の領域を、発電領域５０とする。ガスセパレーター２６は、この発電領域５０に、水平方向に筋状の凸条として延在する複数の流路間リブ３０と溝部３２とを交互に備え、それぞれの流路間リブ３０は、ガスセパレーター２６内における水平方向の相対的位置が互いに揃った略同一の長さに形成されている。このような複数の流路間リブ３０の間に形成される溝部３２では、入口側閉塞部３４と出口側閉塞部３５とが交互に設けられている。

これら両閉塞部は、その設置箇所、即ち流路末端或いは端部において溝部３２を閉塞する。このため、ガスセパレーター２６は、孔部４２の側に入口側閉塞部３４を備えず孔部４４の側に出口側閉塞部３５を有する溝部３２を複数備えることになり、この複数の溝部３２を、ガス供給マニホールド（孔部４０）の側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、流入したエアーをカソード２２のガス拡散層２４の表面に沿って流すガス流入流路４８ｉｎとする。その一方、ガスセパレーター２６は、孔部４２の側に入口側閉塞部３４を備えて孔部４４の側に出口側閉塞部３５を有しない溝部３２にあっても、これを複数備えることになり、この複数の溝部３２を、ガス排出マニホールド（孔部４４）の側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞され、流路間リブ３０を挟んでガス流入流路４８ｉｎと交互に並んだガス流出流路４８ｏｕｔとなる。つまり、単セル１５は、櫛歯状に分岐したガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔとを流路間リブ３０を挟んで交互に有することになる。両流路におけるガス透過の様子は後述する。入口側閉塞部３４と出口側閉塞部３５は、流路間リブ３０および溝部３２の加工の際に流路間リブ３０と一体で形成できるほか、流路間リブ３０とは別部材（例えば、セラミックス、カーボン、金属、あるいは、樹脂やゴムで形成の別部材）を溝部３２に嵌合、接着、圧着等の固定手法で形成することもできる。なお、ガスセパレーター２６とガス拡散層２４との接触抵抗を低減するためには、入口側閉塞部３４，３５を、導電性を有する材料により構成することが望ましい。

また、ガスセパレーター２６は、発電領域５０において、複数の流路間リブ３０の端部と孔部４０〜４２との間の領域、および、複数の流路間リブ３０の端部と孔部４３〜４５との間の領域に、互いに離間して形成された複数の凸部３６を備える。これら複数の凸部３６は、燃料電池１０内では、ガス拡散層２４に当接して、セル内ガス流路の壁面の一部を構成する。孔部４２が形成するガス供給マニホールドからセル内燃料ガス流路に流入したエアーは、上流側の凸部３６の間に形成される空間を導かれて、複数のガス流入流路４８ｉｎに分配される。

このガス流入流路４８ｉｎに流れ込んだエアーは、当該流路が出口側閉塞部３５でその末端において閉塞されていることから、図３に示すように、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０がそのリブ幅Ｈｄで当接した範囲のガス拡散層２４を透過して隣のガス流出流路４８ｏｕｔに入り込む。こうしてガス流出流路４８ｏｕｔに入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層２４の表面に沿って流れつつガス排出マニホールド（孔部４４）から流出される。そして、エアーは、ガス流入流路４８ｉｎを通過する際と、流路間リブ３０がそのリブ幅Ｈｄで当接した範囲のガス拡散層２４を透過する際（以下、この際のエアー透過をリブ当接箇所エアー透過と称する）、および、ガス流出流路４８ｏｕｔを通過する際に、ガス拡散層２４に供給される。アノード２１の側においても、ガスセパレーター２５において上記した流路構成とできる。

上記したように流路間リブ３０を挟んで隣り合ったガス流入流路４８ｉｎからガス流出流路４８ｏｕｔに至るまでのガス拡散層２４でのエアー透過、即ちリブ当接箇所エアー透過は、ガス拡散層２４へのエアー供給の機会を与えることになり、電池性能に影響を与える。そして、このリブ当接箇所エアー透過は、カソード２２の側のガス拡散層２４自体の性質と、流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄとの影響を受けることから、本実施例では、次のようにした。図５はガス拡散層２４をエアーが透過する際の圧力損失の様子を模式的に説明する説明図である。

図３に示すように、リブ当接箇所エアー透過は、流路間リブ３０がそのリブ幅Ｈｄで当接した範囲のガス拡散層２４にエアーが潜り込むようにして起きることになるが、この際の圧力損失は、ガス拡散層２４それ自体の性質で定まると想定される。よって、隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔとを、図５に示したようにあたかもガス拡散層２４を挟んでその有効流路長に亘って対向させた場合の、圧力損失の発生状況をシミュレーションもしくは測定装置にて測定した。ガス流入流路４８ｉｎに流入したエアーが上記のリブ当接箇所エアー透過を起こしてガス流出流路４８ｏｕｔに入り込む場合、圧力損失は、ガス流入流路４８ｉｎでのエアー通過に伴うガスｉｎ側流路圧損と、ガス拡散層２４を通過する際のガス拡散層流路圧損と、ガス流出流路４８ｏｕｔでのエアー通過に伴うガスｏｕｔ側圧損が起きる。そして、この状況を指数化するため、以下の数式により圧損比を定めた。

圧損比＝（ガスｉｎ側流路圧損＋ガスｏｕｔ側圧損）／ガス拡散層流路圧損

この圧損比は、ガス拡散層流路圧損が大きくなれば小さな値となり、同じ流速でガス拡散層２４にエアーを供給した場合、小さな値の圧損比ほどガス拡散層２４でのガス拡散（エアー拡散）は起きにくくなる。このため、圧損比は、ガス拡散層２４でのガス拡散（エアー拡散）に必要なガス拡散層２４におけるエアーの最低流速を規定する。図６はガス拡散層における圧力損失比とガス拡散層でのガス流速との関係を示すグラフである。今、ガス流入流路４８ｉｎの側のガスｉｎ側流路圧損を考えると、図３〜図４に示した単位流路幅Ｒｄに占める流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄは、このガスｉｎ側流路圧損に影響を及ぼす。よって、ガス拡散層２４でのガス拡散層流路圧損に関与するガス拡散層２４のガス透過性と流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄで、ガス流出流路４８ｏｕｔでのガスｏｕｔ側圧損が同じという条件下において、ガス拡散層２４におけるエアーの流速が図６のグラフから定まる。この場合、ガス拡散層２４のガス透過性は、ガス拡散性にも影響を及ぼすものであり、ガス拡散層２４の嵩（体積）をガス圧（Ｐａ）と単位時間（ｓ）で除算した単位次元の数値として得られ、種々の測定装置にて測定可能である。

次に、流路間リブ３０がそのリブ幅Ｈｄで当接した範囲のガス拡散層２４にエアーが潜り込むリブ当接箇所エアー透過について、他の観点から説明する。図７はセルモデルＳｍにおけるリブ当接箇所エアー透過の様子をガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘って模式的に示す説明図、図８はセルモデルＳｍにおいてリブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘ってほぼ均一な様子を模式的に示す説明図、図９はセルモデルＳｍにおいてリブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路４８ｉｎの入口側と閉塞側で相違する様子を模式的に示す説明図である。セルモデルＳｍは、図３に示すように、ガス流入流路４８ｉｎの両側にガス流出流路４８ｏｕｔが並んだ単セルを想定したものであり、単位流路幅Ｒｄを同じとした上で、流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄが種々の物が用意されている。なお、セルモデルＳｍにおいてガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔとは本来はガス拡散層２４に対して同じ側に並んでいるが、図示の都合上、図７〜図９では、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔをガス拡散層２４を挟んで上下に示している。

図７に示すように、リブ当接箇所エアー透過は、ガス流入流路４８ｉｎにおける有効流路の各箇所において起きている。セルモデルＳｍで説明すると、図３に示すガス流入流路４８ｉｎから、図中点線で示すようにエアーが流路間リブ３０がそのリブ幅Ｈｄで当接した範囲のガス拡散層２４に潜り込んで両隣のガス流出流路４８ｏｕｔに流れ込むことになり、こうしたエアーの流れ込み（リブ当接箇所エアー透過）がガス流入流路４８ｉｎにおける有効流路の各箇所において起きている。よって、このリブ当接箇所エアー透過が、図７や図８に示すようにガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘って同じように起きていれば、ガス拡散層２４における均一なガス拡散、延いてはカソード２２へのガス供給の電極面での均一化および電池性能の向上が可能となる。その反面、図９に示すように、リブ当接箇所エアー透過の様子がガス流入流路４８ｉｎの有効流路長において相違すると、この相違に基づいて、ガス拡散層２４におけるガス拡散の様子が異なり、ガス供給の電極面での均一化が阻害されるので、電池性能の向上が大きく望めないことになる。

今、セルモデルＳｍを、現実的な単セル１５におけるガスセパレーター２６と同程度のサイズとすると、ガス流入流路４８ｉｎの有効流路長は、ほほセル長手方向サイズと同じとなる。便宜上、ガス流入流路４８ｉｎの有効流路長をＳＬ（ｍｍ）とする。単位流路幅Ｒｄと流路深さについても、現実的な単セル１５を想定し場合のそれぞれの寸法であるαｍｍ、βｍｍとした。そして、セルモデルＳｍを構成するガス拡散層２４についても、現実的な単セル１５を想定して、そのガス透過性を７．８２ｍ^３／Ｐａ／ｓとした。なお、このガス透過性は、ガス拡散層２４を１０ｘ１０ｃｍ^２（電極面積）で１２ｍｍの厚みの単位体積拡散層として測定した数値である。その上で、流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄとガス透過性が電池性能に及ぼす影響を把握すべく、リブ幅Ｈｄを、単位流路幅Ｒｄ（αｍｍ）の４６％程度のα１ｍｍ、流路幅を（α−α１）ｍｍとしたセルモデルＳｍをモデルＡとし、これと対比するセルモデルＳｍとしてのモデルＢでは、リブ幅Ｈｄを、単位流路幅Ｒｄ（αｍｍ）の８６％程度のα２ｍｍと広くして、流路幅を（α−α２）ｍｍと狭くした。このモデルＡでは、図６に説明したガス拡散層２４に対する圧損比から約５０ｍｍ／ｓ程度のガス流速でガス拡散層２４をエアーが透過し、対比されるモデルＢでは、約１０ｍｍ／ｓ程度のガス流速でエアーが透過することになる。

そして、上記のモデルＡ、ＢのセルモデルＳｍにおいて、そのガス拡散層２４で上記した程度のエアー流速でエアー透過を起こすに必要なガス流速（必要エアー透過流速）は、流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄと、所望される電流密度、単位流路幅Ｒｄ、ガス拡散層２４の厚み、流入エアーの酸素濃度、ストイキで、次のように定まる。

必要エアー透過流速＝（リブ幅Ｈｄｘ単位流路幅Ｒｄｘ電流密度／α）／（ガス拡散層２４の厚みｘ単位流路幅Ｒｄｘ流入エアー酸素濃度ｘストイキ）
＝（リブ幅Ｈｄｘ電流密度／α）／（ガス拡散層２４の厚みｘ流入エアー酸素濃度ｘストイキ）；
ここで、αは定数（＝４／９６４８５）である。

今、電流密度、および水素と酸素のストイキを単セル１５に現実的に求められる数値と仮定して上記のモデルＡ、ＢのセルモデルＳｍについての必要エアー透過流速をシミュレート演算すると、モデルＡのセルモデルＳｍの必要エアー透過流速は０．０１４ｍ／ｓ、モデルＢでは０．０２７ｍ／ｓとなった。なお、シミュレート演算に際しては、他の演算条件として、セルモデルＳｍのセル温度を現実的に単セル１５の発電状態に相当する６０℃とし、水素ガス・エアーの露点とその背圧についても単セル１５に現実的に求められる数値とした。そして、上記の電流密度での発電に必要なエアーをガス流入流路４８ｉｎに流し込んで図７〜図９のようにリブ当接箇所エアー透過の様子をモデルＡ、ＢのセルモデルＳｍについて調べた。図１０はモデルＡおよびモデルＢのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を図７に倣って示す説明図である。

この図１０に示すように、流路幅の広いモデルＡ（リブ幅Ｈｄ：α１ｍｍ、流路幅：（α−α１）ｍｍ）では、ガス流入流路４８ｉｎにおけるエアー入口から出口側閉塞部３５（図２参照）で流路が閉塞された流路エンドまでのガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘って、エアー透過の様子（既述したリブ当接箇所エアー透過の様子）がほぼ均一であり、上記した必要エアー透過流速以上の流速でエアーがガス拡散層２４を透過することが確認できた。その一方、流路幅の狭いモデルＢ（リブ幅Ｈｄ：α２（＞α１）ｍｍ、流路幅：（α−α２）ｍｍ）では、リブ当接箇所エアー透過の様子は、ガス流入流路４８ｉｎと流路エンドでガス透過速度が顕著に高まるものの、流路中央では上記した必要エアー透過流速がようやく確保できているに過ぎないことが確認できた。つまり、同じガス透過性（７．８２ｍ^３／Ｐａ／ｓ）のガス拡散層２４でありながら、モデルＡとモデルＢとでは、リブ幅Ｈｄの相違に基づいてリブ当接箇所エアー透過の様子が相違し、モデルＡでは、ガス拡散層２４における均一なガス拡散により、カソード２２への電極面でのエアー供給の均一化および電池性能の向上が可能と予想される。その反面、モデルＢでは、ガス拡散層２４におけるガス拡散が不均一となって異なり、電極面でのエアー供給の均一化が阻害され、電池性能の向上が大きく望めないことが予想される。図１１はモデルＡおよびモデルＢのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を流入流出流路を平面視しつつシミュレートして示す説明図である。

この図１１に示すように、モデルＡでは、ガス流入流路４８ｉｎにおいて、その入口側から流路閉塞側まで入口側ほど高い酸素濃度であり、流路間リブ３０が当接した範囲のガス拡散層２４では、エアー入口側で酸素濃度が高いものの、リブ当接範囲のガス拡散層２４においては、ガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘って、大きな酸素濃度ムラがないことが確認された。その一方、モデルＢでは、ガス流入流路４８ｉｎの流路幅が狭くて流速が高まることもあって流路入口側から流路閉塞側まで大きな酸素濃度の変化は見られないものの、流路間リブ３０が当接した範囲のガス拡散層２４では、流路中央からその下流にかけての領域において、顕著な酸素濃度低下が起きていることが確認された。この様子は、図において、色の濃淡として現れている。

次に、このモデルＡとモデルＢのセルモデルＳｍにおいて、上記したストイキとなるよう水素ガスおよびエアーをセルモデルＳｍに供給し、各モデルについての電池性能を調べた。この場合、セル押圧力（セル締結力）は、単セル１５を積層締結して燃料電池１０（図１参照）とする際の現実的な締結力を採用した。図１２はモデルＡおよびモデルＢのセルモデルＳｍについての電池性能を示す説明図である。

この図１２に示すように、モデルＡでは、既述した必要エアー透過流速をガス流入流路４８ｉｎの経路中央領域において確保した上で、高い電池性能を得ることができた。その一方、モデルＢでは、既述したような顕著な酸素濃度低下が起きていることに対応して、ガス流入流路４８ｉｎの経路中央領域で必要エアー透過流速を確保することができず、電池性能についてもモデルＡに劣っていた。これらの結果、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄとガス拡散層２４のガス透過性を、ガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘ってガス透過流速が均一となるように規定することで（図１０参照）、ガス拡散層２４におけるガス拡散の均一化によるカソード電極面でのエアー供給の均一化（図１１参照）をもたらし、エアー利用率のカソード電極面全体での確実な確保を通して、電池性能を向上させることができた（図１２参照）。

この場合、モデルＡのリブ幅Ｈｄ（＝α１ｍｍ）は、現実的な単セル１５において採用される単位流路幅Ｒｄの約４６％程度からのリブ幅とすればよいと判明した。また、リブ幅Ｈｄを単位流路幅Ｒｄの約８６％程度を超えるまで広くし過ぎないようにすることは、電池性能確保の上から望ましいことも判明した。

次に、ガス拡散層２４のガス透過性の影響について説明する。リブ幅ＨｄをモデルＡにおけるリブ幅Ｈｄと同じにして、ガス拡散層２４のガス透過性（７．８２ｍ^３／Ｐａ／ｓ）を１／５程度と５倍にしたモデルＨとモデルＩをセルモデルＳｍとし、このモデルＨとモデルＩとについて、ガス流入流路４８ｉｎに流路長に亘るリブ当接箇所エアー透過の状況と、平面視した場合のリブ当接箇所エアー透過の状況と、電池性能とについて調べた。図１３はモデルＨとモデルＩのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況をモデルＡおよびモデルＢと併記して示す説明図、図１４はモデルＨとモデルＩのセルモデルＳｍについてのリブ当接箇所エアー透過の状況を流入流出流路を平面視しつつシミュレートして示す説明図、図１５はモデルＨとモデルＩのセルモデルＳｍについての電池性能をモデルＡおよびモデルＢと併記して示す説明図である。

図１３に示すように、モデルＡに比べてガス拡散層２４のガス透過性（７．８２ｍ^３／Ｐａ／ｓ）が１／５程度のモデルＨでは、モデルＡの場合よりも、エアー透過の様子（既述したリブ当接箇所エアー透過の様子）がより均一となり、上記した必要エアー透過流速以上の流速でエアーがガス拡散層２４を透過することが確認できた。つまり、ガス透過性が小さくなってガス透過が起き難いとはいえ、リブ幅Ｈｄとの関係でガス流入流路４８ｉｎの流路長に亘るガス透過流速の均一化が図られたと想定され、このモデルＨでは、流速均一化を通して、ガス拡散層２４においてより良好なエアー拡散が起きると言える。

その一方、モデルＡに比べてガス拡散層２４のガス透過性（７．８２ｍ^３／Ｐａ／ｓ）が５倍のモデルＩでは、モデルＡ或いはモデルＨよりもエアー透過は流路長において不均一となり、モデルＢよりもリブ幅Ｈｄが狭くてその分だけ流路幅が広いにも拘わらず、このモデルＢと同程度のガス透過状況が見られた。これは、流路末端が閉塞されたガス流入流路４８ｉｎへのエアー流入であること、および、モデルＩのガス拡散層２４のガス透過性が５倍と極めてガス透過が起きやすいことから、流路入口および閉塞端側で流速が高まったと想定される。これによる、電池性能への影響については後述する。

図１４に示すように、モデルＡに比べてガス拡散層２４のガス透過性（７．８２ｍ^３／Ｐａ／ｓ）が１／５程度のモデルＨと５倍のモデルＩの両モデルとも、モデルＡと同様に、ガス流入流路４８ｉｎにおいて、その入口側から流路閉塞側まで入口側ほど高い酸素濃度であり、流路間リブ３０が当接した範囲のガス拡散層２４では、エアー入口側で酸素濃度が高いものの、リブ当接範囲のガス拡散層２４においては、ガス流入流路４８ｉｎの有効流路長に亘って、大きな酸素濃度ムラがないことが確認された。しかも、図１５に示すように、モデルＨとモデルＩの両モデルとも、既述した必要エアー透過流速をガス流入流路４８ｉｎの経路中央領域において確保した上で、高い電池性能を得ることができた。こうした結果により、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄとガス拡散層２４のガス透過性を、流路間リブ３０がそのリブ幅Ｈｄで当接した範囲のガス拡散層２４にエアーが潜り込んでそのガス拡散層におけるエアー透過のバラツキを抑制するように規定することで（図１１、図１４参照）、電池性能を高めることができる（図１２、図１５参照）。この場合、モデルＩでは、ガス流入流路４８ｉｎの入口側と閉塞端側でのエアー透過速度が高まるものの（図１３参照）、図１４に示すように大きな酸素濃度ムラがない。これは、リブ幅Ｈｄとの関係でガス拡散層２４のガス透過性を高めたことにより、流路間リブ３０がそのリブ幅Ｈｄで当接した範囲のガス拡散層２４にエアーが潜り込む際の抵抗が少なくなって、濃度ムラが見られないと考えられる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池１０によれば、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄとガス拡散層２４のガス透過性を、この流入流出の両流路が閉塞されているという特有の燃料電池構成において、ガス拡散層２４におけるエアー透過のバラツキを抑制するよう規定して、電池性能の向上を図ることができる。図１６はガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄとガス拡散層２４のガス透過性との関係を示す説明図である。

この図１６に示すように、流路間リブ３０のリブ幅Ｈｄについては、現実的な単セル１５を想定し場合の単位流路幅Ｒｄに対して約４６〜８６％の範囲（例えば、０．２〜１．６ｍｍ）とした上で、このリブ幅Ｈｄとの関係において、ガス拡散層２４のガス透過性をモデルＩに相当する１．５ｍ^３／Ｐａ／ｓ（単位体積拡散層換算）を確保する。そして、リブ幅Ｈｄを広くするに従って、ガス透過性を低減させたガス拡散層２４を用いることで、ガス拡散層２４におけるエアー透過のバラツキを抑制して、電池性能の向上を図ることができる。この場合、ガス拡散層２４のガス透過性については、カーボンペーパやカーボンクロスにおける短繊維或いは長繊維の繊維疎密程度、繊維絡まり程度、拡散層形成の際のペースト含浸の程度、ホットプレス圧等を調整することで種々のガス透過性とできる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、本実施例では、カソード２２の側のエアー流路を流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとしたが、アノード２１の水素ガス流路についても櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとできる。

１０…燃料電池
１５…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…ガス拡散層
２４…ガス拡散層
２５…ガスセパレーター
２６…ガスセパレーター
３０…流路間リブ
３２…溝部
３４…入口側閉塞部
３５…出口側閉塞部
３６…凸部
４０〜４５…孔部
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
４８ｏｕｔ…ガス流出流路
４８ｉｎ…ガス流入流路
５０…発電領域
Ｈｄ…リブ幅
Ｒｄ…単位流路幅
Ｓｍ…セルモデル

Claims

電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられた拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞されて、前記複数のガス流入流路と流路間リブを挟んで交互に設けられ、前記複数のガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路とを備え、
前記流路間リブが前記ガス拡散層に当接するリブ幅と、前記ガス拡散層を前記反応ガスが透過する際のガス透過性とは、前記流路間リブが前記リブ幅で当接した範囲の前記ガス拡散層における前記反応ガスの透過のバラツキを抑制するように関連付けてそれぞれ規定されている
燃料電池。
前記リブ幅と前記ガス透過性とは、前記ガス流入流路の流路長に亘る前記ガス拡散層でのガスの透過流速の均一化を図ることで、前記反応ガスの透過のバラツキを抑制する請求項１に記載の燃料電池。
前記リブ幅と前記ガス透過性とは、前記リブ幅と前記ガス透過性とに依存して定まる前記ガス拡散層のガス透過流速を確保した上で、前記反応ガスの透過のバラツキを抑制する請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
前記ガス流路は、前記ガス拡散層に接合されるセパレーターに形成されている請求項１ないし請求項３いずれかに記載の燃料電池。