JP2018055790A - 燃料電池、燃料電池のガス流路構造、及び燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】下流側領域におけるガス拡散性の低下を抑制し、燃料電池の発電効率を向上させる。【解決手段】膜電極接合体１０のガス拡散層１５の上に、複数のガス供給流路５２とガス排出流路６２とが互いに間隔をあけて交互に並設された燃料電池１のガス流路構造である。このガス流路構造では、各ガス排出流路６２の上流端６２ａから下流端６２ｂまでの流路抵抗が、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の上流端５２ａから下流端５２ｂまでの流路抵抗より大きい。【選択図】図４

Description

本発明は、定置用（家庭用、産業用）、輸送用または携帯機器用電源として用いられる燃料電池、燃料電池のガス流路構造、及び燃料電池用セパレータに関する。

燃料電池のガス流路構造として、対向櫛形流路（ＩＤＦＦ）が提案されている。対向櫛形流路では、下流端が閉塞されたガス供給流路と、上流端が閉塞されたガス排出流路とが、膜電極接合体のガス拡散層の上に互いに間隔をあけて交互に並設されている。特許文献１は、関連する技術を記載している。

対向櫛形流路のガス供給流路に供給されたガスは、ガス供給流路からガス拡散層内に潜りこみ、その内部を面方向に通過した後、隣接するガス排出流路に流入する（以下、このガス拡散層内を通過するガスの流れを「クロスフロー」と称する）。対向櫛形流路では、ガス拡散層内における電極触媒層により近い領域に強制対流を生じさせることで、電極触媒層近傍のガスの濃度勾配を高め、ガス拡散性を向上させることができる。このため、対向櫛形流路は、平行流路やサーペンタイン流路と比べ、比較的良好な発電効率を得ることができる。

特開２０１２−６４４８３号公報

しかしながら、上記ガス供給流路に供給されたガスは、当該ガス供給流路を流下する間（クロスフローとしてガス拡散層に潜りこむ前）にも電気化学反応に供されるため、ガス供給流路から流れ出すクロスフローのガスの濃度は、下流側領域ほど低くなる。このため、対向櫛形流路の下流側領域では、ガス拡散性が相対的に低くなり、これが燃料電池の発電効率の向上を妨げていた。

本発明の目的は、対向櫛形流路の下流側領域におけるガス拡散性の低下を抑制し、燃料電池の発電効率を向上させることにある。

本発明の一態様は、各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路抵抗が、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路抵抗より大きい、燃料電池のガス流路構造である。

上記ガス流路構造によれば、対向櫛形流路の下流側領域におけるガス拡散性の低下を抑制し、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 図２は、図１の燃料電池スタックの側面図である。 図３は、第１実施形態に係る燃料電池セルの構成を示す断面図である。 図４は、第１実施形態に係るガス流路構造を備えたセパレータの正面図である。 図５は、対向櫛形流路の互いに隣接するガス供給流路及びガス排出流路における流路抵抗の関係が、両流路のガスの圧力分布、流路間差圧の分布、及びクロスフローの流量分布に与える影響を模式的に示すグラフである。 図６は、第１変形例に係るガス供給流路及びガス排出流路の横断面図である。 図７は、第２変形例に係るガス供給流路及びガス排出流路の横断面図である。 図８は、第３変形例に係るガス排出流路の縦断面図である。 図９は、第４変形例に係るガス流路構造を備えたセパレータの正面図である。 図１０は、第２実施形態に係るガス流路構造を備えたセパレータの正面図である。 図１１は、第３実施形態に係るガス流路構造を備えたセパレータの正面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る燃料電池スタックＳは、積層方向Ｘに積層された複数の燃料電池セル１と、一対の集電プレート２と、一対の絶縁プレート３と、一対のエンドプレート４と、４本のテンションロッド５とを備えている。

一対の集電プレート２は、複数の燃料電池セル１の積層方向Ｘ外側にそれぞれ配置されている。各集電プレート２は、例えば緻密質カーボンなど、ガス不透過性の導電性材料から形成されており、その外周縁には、出力端子２ａが形成されている。複数の燃料電池セル１によって発電された電力は、この出力端子２ａから取り出される。

各集電プレート２の積層方向Ｘ外側には、絶縁プレート３がそれぞれ配置されている。絶縁プレート３は、例えばゴムなど、絶縁性の材料から形成されている。各絶縁プレート３の積層方向Ｘ外側には、エンドプレート４がそれぞれ配置されている。エンドプレート４は、例えば鋼など、高剛性の材料から形成されている。

積層方向Ｘ一側（図中右側）のエンドプレート４と絶縁プレート３との間には、積層方向Ｘの内側から順に、サブエンドプレート６と、例えば皿バネなどの弾性部材７とが配置されている。

積層方向Ｘ他側（図中左側）のエンドプレート４の長手方向Ｙの一側端部には、燃料ガス供給ポート４ａと、酸化剤ガス供給ポート４ｂと、冷媒供給ポート４ｃとが設けられている。一方、長手方向Ｙの他側端部には、燃料ガス排出ポート４ｄと、酸化剤ガス排出ポート４ｅと、冷媒排出ポート４ｆとが設けられている。燃料ガス供給ポート４ａには、例えば水素含有ガスなどの燃料ガスが供給される。酸化剤ガス供給ポート４ｂには、例えば空気などの酸化剤ガスが供給される。冷媒供給ポート４ｃには、例えば冷却水が供給される。

エンドプレート４の四隅には、複数の燃料電池セル１を積層方向Ｘに貫通する４つの貫通孔が設けられ、この貫通孔に各テンションロッド５がそれぞれ挿通されている。テンションロッド５のねじ部５ａには、ナット５ｂが螺合して締め付けられており、これにより、エンドプレート４間に配置された複数の燃料電池セル１に対して積層方向Ｘの圧力が付与されている。テンションロッド５及びナット５ｂは、例えば鋼など、高剛性の材料から形成されている。テンションロッド５の表面は、燃料電池セル１同士の間、燃料電池セル１と集電プレート２との間など、電位の異なる要素同士の間の短絡を防止するべく、絶縁処理が施されている。

各燃料電池セル１（燃料電池）は、図３に示すように、膜電極接合体１０と、これを両面から挟持するアノード側のセパレータ１１及びカソード側のセパレータ１２と、を備えている。

膜電極接合体１０は、電解質膜１３と、その両面上に形成されたアノード側の電極触媒層１４及びカソード側の電極触媒層１４と、各電極触媒層１４に隣接して設けられたアノード側のガス拡散層１５及びカソード側のガス拡散層１５とから構成されている。

電解質膜１３は、例えばフッ素系樹脂などからなるイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す。

電極触媒層１４は、例えば、白金（Ｐｔ）、或いはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）をカーボン担体粒子上に担持させた金属触媒、電解質粒子（アイオノマ）及び撥水剤からなる混合層である。電極触媒層１４は、電解質膜１３上にホットプレス又は直接噴霧することで形成される。

ガス拡散層１５は、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、或いは金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体からなる、ガス透過性を有する導電性部材である。ガス拡散層１５は、そのセパレータ１１,１２に接する面の略全域において略均一な通気抵抗（透気度）を有している。

セパレータ１１，１２は、例えば、緻密質カーボンやプレス成形した金属板など、ガス不透過性の導電性部材から形成されている。

図３に示すように、セパレータ１１のガス拡散層１５に接する面には、当該ガス拡散層１５とともに燃料ガスの流路を画成する溝状の燃料ガス流路２０が形成されている。燃料ガス流路２０が形成された面と反対側の面には、冷媒の流路となる溝状の冷媒流路３０が形成されている。また、セパレータ１２のガス拡散層１５に接する面には、当該ガス拡散層１５とともに酸化剤ガスの流路を画成する溝状の酸化剤ガス流路４０が形成されている。なお、冷媒流路３０は、セパレータ１２の酸化剤ガス流路４０が形成された面と反対側の面に形成してもよく、セパレータ１１，１２の互いに直接対向する面の両方に形成してもよい。

図４に示すように、セパレータ１２の長手方向Ｙの一側（図中左側）端部には、燃料ガスのガス供給口Ａ１と、酸化剤ガスのガス供給口Ｂ１と、冷媒供給口Ｃ１とが、セパレータ１２の幅方向Ｚに、この順に並んで設けられている。また、セパレータ１２の長手方向Ｙの他側（図中右側）端部には、燃料ガスのガス排出口Ａ２と、酸化剤ガスのガス排出口Ｂ２と、冷媒排出口Ｃ２とが、セパレータ１２の幅方向Ｚに、この順に並んで設けられている。なお、図示は省略するが、セパレータ１１にも、ガス供給口Ａ１，Ｂ１と、冷媒供給口Ｃ１と、ガス排出口Ａ２，Ｂ２と、冷媒排出口Ｃ２とが、セパレータ１２のそれらと線対称の配置で設けられている。

燃料ガスのガス供給口Ａ１及びガス排出口Ａ２は、それぞれ燃料電池スタックＳ内において積層方向Ｘに延在する燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドを構成している。酸化剤ガスのガス供給口Ｂ１及びガス排出口Ｂ２は、それぞれ燃料電池スタックＳ内において積層方向Ｘに延在する酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドを構成している。冷媒供給口Ｃ１及び冷媒排出口Ｃ２は、それぞれ燃料電池スタックＳ内において積層方向Ｘに延在する冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドを構成している。また、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドは、それぞれ燃料ガス供給ポート４ａ及び燃料ガス排出ポート４ｄに連通している。酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドは、それぞれ酸化剤ガス供給ポート４ｂ及び酸化剤ガス排出ポート４ｅに連通している。冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドは、それぞれ冷媒供給ポート４ｃ及び冷媒排出ポート４ｆに連通している。

燃料ガス供給ポート４ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを通り、各セパレータ１２のガス供給口Ａ１から各燃料ガス流路２０に分岐して流入し、電気化学反応に供される。その後、燃料ガスは、ガス排出口Ａ２を出て、燃料ガス排出マニホールドに集合し、燃料ガス排出ポート４ｄを介して、燃料電池スタックＳから排出される。

また、酸化剤ガス供給ポート４ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールドを通り、各セパレータ１１のガス供給口Ｂ１から各酸化剤ガス流路４０に分岐して流入し、電気化学反応に供される。その後、酸化剤ガスは、ガス排出口Ｂ２を出て、酸化剤ガス排出マニホールドに集合し、酸化剤ガス排出ポート４ｅを介して、燃料電池スタックＳから排出される。

さらに、冷媒供給ポート４ｃに供給された冷媒は、冷媒供給マニホールドを通り、各セパレータ１１，１２の冷媒供給口Ｃ１から各冷媒流路３０に分岐して流入し、燃料電池セル１と熱交換を行う。その後、冷媒は、冷媒排出口Ｃ２を出て、冷媒排出マニホールドに集合し、冷媒排出ポート４ｆを介して、燃料電池スタックＳから排出される。

なお、図示は省略するが、各燃料電池セル１の外周部には、燃料ガスが流れる領域、酸化剤ガスが流れる領域、及び冷媒が流れる領域をそれぞれシールするためのシール材が設けられている。

本実施形態に係るガス流路構造について、セパレータ１２に形成された酸化剤ガス流路４０を例にとって説明する。なお、セパレータ１１に形成された燃料ガス流路２０は、ガス供給口及びガス排出口Ａ１，Ａ２の位置が酸化剤ガス流路４０のガス供給口及びガス排出口Ｂ１，Ｂ２と異なるが、他の構成は同様であるので、ここでは説明を省略する。

図４に示すように、酸化剤ガス流路４０は、略櫛歯形状のガス供給側流路５０と略櫛歯形状のガス排出側流路６０とからなる対向櫛形流路（ＩＤＦＦ）を構成している。ガス供給側流路５０とガス排出側流路６０とは、両流路５０，６０の溝の間に形成されたリブＲによって仕切られて、互いに分離されている。すなわち、セパレータ１２のガス拡散層１５に接する面において、両流路５０，６０の領域は重複しておらず、ガス供給側流路５０の内部空間とガス排出側流路６０の内部空間とは、互いにガス拡散層１５を介してのみ連通している。

ガス供給側流路５０は、ガス供給口Ｂ１と、ヘッダ流路５１と、複数のガス供給流路５２とを備えている。ヘッダ流路５１は、ガス供給口Ｂ１に連通して、セパレータ１２の幅方向Ｚに延在している。複数のガス供給流路５２は、各々、ヘッダ流路５１から分岐して、セパレータ１２の長手方向Ｙに略平行に、略直線状に延在している。

ガス排出側流路６０は、ガス排出口Ｂ２と、ヘッダ流路６１と、複数のガス排出流路６２とを備えている。ヘッダ流路６１は、ガス排出口Ｂ２に連通して、セパレータ１２の幅方向Ｚに延在している。複数のガス排出流路６２は、各々、ヘッダ流路６１から分岐して、セパレータ１２の長手方向Ｙに略平行に、略直線状に延在している。

ガス供給流路５２及びガス排出流路６２は、セパレータ１２の幅方向Ｚに互いに間隔をあけて交互に並設されている。ガス供給流路５２の上流端５２ａは、ヘッダ流路５１を介してガス供給口Ｂ１に連通し、下流端５２ｂは、閉塞されている。一方、ガス排出流路６２の上流端６２ａは、閉塞され、下流端６２ｂは、ヘッダ流路６１を介してガス排出口Ｂ２に連通している。各ガス供給流路５２の上流端５２ａは、当該ガス供給流路５２に隣接するガス排出流路６２の上流端６２ａ近傍に位置している。また、各ガス排出流路６２の下流端６２ｂは、当該ガス排出流路６２に隣接するガス供給流路５２の下流端５２ｂ近傍に位置している。図４に示すように、ガス供給流路５２の上流端５２ａは、そのガス供給流路５２に隣接するガス排出流路６２の上流端６２ａ同士を結ぶ直線上に位置している部位として定義してよい。また、ガス排出流路６２の下流端６２ｂは、そのガス排出流路６２に隣接するガス供給流路５２の下流端５２ｂ同士を結ぶ直線上に位置している部位として定義してよい。或いは、ガス供給流路５２の下流端５２ｂがヘッダ流路６１に近接している場合は、ヘッダ流路６１からの分岐点をガス排出流路６２の下流端６２ｂとしてもよい。また、ガス排出流路６２の上流端６２ａがヘッダ流路５１に近接している場合は、ヘッダ流路５１からの分岐点をガス供給流路５２の上流端５２ａとしてもよい。

本明細書では、ガス供給流路５２の上流端５２ａから下流端５２ｂに向かう方向、或いはガス排出流路６２の上流端６２ａから下流端６２ｂに向かう方向を「主流れ方向ＦＤ」と称する。本実施形態の対向櫛形流路では、主流れ方向ＦＤは、セパレータ１２の長手方向Ｙに略平行であり、各上流端５２ａ，６２ａの主流れ方向ＦＤにおける位置は揃っており、各下流端５２ｂ，６２ｂの主流れ方向ＦＤにおける位置も揃っている。ガス供給流路５２及びガス排出流路６２は、各々、主流れ方向ＦＤに沿って直線状に延びているので、各流路５２，６２の主流れ方向ＦＤにおける流路長さも等しい。

酸化剤ガス流路４０に流入した酸化剤ガスは、ヘッダ流路５１を介して、各ガス供給流路５２に分配される。各ガス供給流路５２に供給されたガスは、図３に矢印で示すように、ガス供給流路５２におけるガスの圧力とガス排出流路６２におけるガスの圧力との差（以下、「流路間差圧」と称する）により、ガス拡散層１５内に導かれる。ガス拡散層１５内に入った酸化剤ガスの一部は、リブＲ下のガス拡散層１５を通過する際に、電極触媒層１４に供給され、電気化学反応に寄与する。電気化学反応に寄与した酸化剤ガスは、流路間差圧により強制的にガス排出流路６２に押し出され、ヘッダ流路６１を介して、ガス排出口Ｂ２から排出される。なお、燃料ガス流路２０に流入した燃料ガスも、酸化剤ガスと同様に、ガス拡散層１５内を強制対流し（図３の矢印参照）、電気化学反応に寄与した後、ガス排出口Ａ２から排出される。

本実施形態では、各ガス排出流路６２の上流端６２ａから下流端６２ｂまでの流路抵抗は、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の上流端５２ａから下流端５２ｂまでの流路抵抗より大きい。ここで、流路抵抗とは、その流路内を流体が流れるときの流れにくさを表す指標である。所定の流体を所定の条件（温度、圧力、流量など）で流したときに、入口と出口における圧力の差（圧力損失）が大きい流路ほど、流路抵抗は大きい。流路抵抗は、流路の摩擦係数（摩擦損失係数）や損失係数（形状損失係数）などの合計値から評価することができ、また、数値計算や実験を通じて求めることもできる。

具体的には、図４に示すように、各ガス排出流路６２の上流端６２ａから下流端６２ｂまでの範囲の流路幅Ｗ１は、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の上流端５２ａから下流端５２ｂまでの範囲の流路幅Ｗ２より小さい。一方、流路（溝）の深さは、図３に示すように、ガス供給流路５２とガス排出流路６２とで等しい。これにより、各ガス排出流路６２の流路断面積が、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の流路断面積より小さくなっている。

対向櫛形流路におけるクロスフローの流量は、流路間差圧の大きさに応じて変化する。特に、ガス供給流路とガス排出流路とを連通するガス拡散層の通気抵抗が、対向櫛形流路の上流側領域から下流側領域に亘って略均一である場合、主流れ方向ＦＤにおけるクロスフローの流量分布は、主流れ方向ＦＤにおける流路間差圧と同様の分布となる。

図５は、対向櫛形流路の互いに隣接するガス供給流路及びガス排出流路における流路抵抗の関係が、流路間差圧の分布、すなわち、クロスフローの流量分布に与える影響を模式的に示している。（ａ）のグラフは、互いに隣接するガス供給流路及びガス排出流路の各々の主流れ方向ＦＤにおける圧力分布を示し、（ｂ）のグラフは、両流路間のクロスフローの主流れ方向ＦＤにおける流量分布を示す。これらのグラフにおいて、破曲線は、ガス排出流路の流路抵抗とこれに隣接するガス供給流路の流路抵抗とが等しい場合を示し、実曲線は、ガス排出流路の流路抵抗がこれに隣接するガス供給流路の流路抵抗より大きい場合を示す。なお、（ａ）のグラフでは、両流路の流路抵抗が等しい場合（破曲線）と異なる場合（実曲線）との比較を容易にするため、ガス供給流路の上流端における圧力を揃えて表示している。また、（ａ）において、流路間差圧の大きさは、破曲線同士の縦軸方向の間隔、或いは実曲線同士の縦軸方向の間隔として表示されている。

（ａ）に破曲線で示すように、ガス排出流路の流路抵抗が隣接するガス供給流路の流路抵抗と等しい場合、流路間差圧の大きさは、上流側領域と下流側領域とで略等しくなる。このため、上流側領域におけるクロスフローの流量は、（ｂ）に破曲線で示すように、下流側領域におけるクロスフローの流量と略等しくなる。

一方、ガス排出流路の流路抵抗が隣接するガス供給流路の流路抵抗より大きい場合、（ａ）に実曲線で示すように、上流側領域の流路間差圧は、下流側領域の流路間差圧よりも小さくなる。このため、クロスフローの流量は、（ｂ）に実曲線で示すように、上流側領域より下流側領域で大きくなる。

本実施形態では、上述の通り、ガス排出流路６２の流路抵抗が、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の流路抵抗より大きいので、前者が後者以下である場合と比較して、流路間差圧が、上流側領域でより小さく、下流側領域でより大きくなる。従って、本実施形態によれば、クロスフローの流量を上流側領域で減少させつつ、下流側領域で増大させることができ、これにより下流側領域におけるガス拡散性の低下を抑制して、燃料電池の発電効率を向上させることができる。なお、図４では、クロスフローの流量の大きさを、矢印の大きさで示している。

また、燃料電池セル１のような固体高分子型燃料電池は、低加湿条件下で運転すると、対向櫛形流路の上流側領域で膜電極接合体が乾燥し、電解質膜のプロトン伝導性が低下して、発電性能が低下する傾向がある。一方、高加湿条件下や高電流密度条件下で運転すると、下流側領域で、生成水または加湿蒸気の凝縮水等の液水がガス拡散層内に滞留し、ガスの拡散が阻害されて、発電性能が低下する傾向がある。

本実施形態によれば、上述の通り、クロスフローの流量を上流側領域で減少させつつ、下流側領域で増大させることができる。このため、上流側領域における膜電極接合体１０の乾燥を抑えるとともに、下流側領域におけるガス拡散層１５内の液水の滞留を防止してガスの拡散性を確保することができる。これにより、燃料電池セル１の発電性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、ガス排出流路６２の流路断面積をガス供給流路５２の流路断面積より小さくした。これにより、簡易な構造で、ガス排出流路６２の流路抵抗を隣接する各ガス供給流路５２の流路抵抗より大きくすることができる。

＜第１変形例＞
上記実施形態では、ガス排出流路６２の流路幅Ｗ１をガス供給流路５２の流路幅Ｗ２より小さくすることで、ガス排出流路６２の流路断面積をガス供給流路５２の流路断面積より小さくしたが、流路断面積の設定方法はこれに限定されない。流路の幅以外の寸法や断面形状をガス排出流路６２とガス供給流路５２とで異ならせることで、両流路の流路断面積を異ならせてもよい。例えば、図６に示すように、流路（溝）の幅をガス排出流路６２とガス供給流路５２とで同じ幅Ｗに統一しつつ、ガス排出流路６２の流路（溝）の深さＤ１をガス供給流路５２流路（溝）の深さＤ２より小さくなるように設定してもよい。

＜第２変形例＞
また、図７に示すように、ガス排出流路６２の断面形状を、ガス供給流路５２の矩形断面と同じ最大幅Ｗ及び最大深さＤを有する台形としてもよい。なお、両流路の断面形状は、特に限定されず、図示は省略するが、矩形及び台形以外の多角形状、半円状、半楕円状、半長円状等であってもよい。

＜第３変形例＞
上記実施形態及び変形例では、ガス排出流路６２の流路断面積をガス供給流路５２の流路断面積より小さくすることで、ガス排出流路６２の流路抵抗をガス供給流路５２の流路抵抗より小さくしたが、流路抵抗の設定方法はこれに限定されない。流路の内壁面の形状や表面粗さをガス排出流路６２とガス供給流路５２とで異ならせることで、両流路の流路抵抗を異ならせてもよい。例えば、ガス供給流路５２の内壁を滑らかな表面（不図示）にしつつ、図８に示すように、ガス排出流路６２の内壁に凹凸を設けることで、両流路の流路抵抗を異ならせてもよい。

＜第４変形例＞
さらに、各流路の上流端５２ａ，６２ａから下流端５２ｂ，６２ｂまでの流路長さを異ならせることで、両流路の流路抵抗を異ならせてもよい。具体的には、例えば、図９に示すように、ガス供給流路５２を上流端５２ａから下流端５２ｂまで主流れ方向ＦＤに沿って直線状に延在させる一方で、ガス排出流路６２を上流端６２ａと下流端６２ｂとの間で蛇行させてもよい。これにより、各ガス排出流路６２の上流端６２ａから下流端６２ｂまでの流路長さが、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の上流端５２ａから下流端５２ｂまでの流路長さより長くなる。

これら第１乃至第４変形例によれば、簡易な構造で、ガス排出流路６２の流路抵抗を隣接する各ガス供給流路５２の流路抵抗より大きくすることができる。

＜第２実施形態＞
上記実施形態及び変形例に係るガス流路構造では、ガス供給流路５２及びガス排出流路６２の流路抵抗は、それぞれの上流端５２ａ，６２ａから下流端５２ｂ，６２ｂまで均等に設定されていた。すなわち、主流れ方向ＦＤの単位長さあたりの各流路の流路抵抗は、主流れ方向ＦＤにおいて一様に分布していた。しかしながら、流路抵抗の主流れ方向ＦＤにおける分布は、これに限定されない。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。ここでは重複を避けるため、第１実施形態と共通する構成についてはその説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。また、ガス流路構造は、第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路４０を例にとって説明する。燃料ガス流路２０については、ガス供給口及びガス排出口の位置が酸化剤ガス流路４０のそれと異なるが、他の構成は同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施形態のガス流路構造では、図１０に示すように、ガス供給流路５２が、各々、上流部５２Ａと下流部５２Ｂとに区分けされる。また、ガス排出流路６２は、各々、上流部６２Ａと下流部６２Ｂとに区分けされる。上流部５２Ａ及び下流部５２Ｂは、それぞれガス供給流路５２の上流端５２ａから下流端５２ｂまでの流路長さの１／２の流路長さを有している。また、上流部６２Ａ及び下流部６２Ｂは、それぞれガス排出流路６２の上流端６２ａから下流端６２ｂまでの流路長さの１／２の流路長さを有している。

また、ガス排出流路６２の最小流路断面積は、そのガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の最小流路断面積より小さくなっている。ここで、ガス排出流路６２の最小流路断面積は、上流部６２Ａの流路断面積と下流部６２Ｂの流路断面積とのうちの最小値であり、ガス供給流路５２の最小流路断面積は、上流部５２Ａの流路断面積と下流部５２Ｂの流路断面積とのうちの最小値である。より具体的には、各上流部６２Ａの流路幅Ｗ１１は、当該上流部６２Ａに隣接する各上流部５２Ａの流路幅Ｗ２１より小さく、また、各下流部６２Ｂの流路幅Ｗ１２は、当該下流部６２Ｂに隣接する各下流部５２Ｂの流路幅Ｗ２２より小さい。一方、流路（溝）の深さは、上流部５２Ａと上流部６２Ａとで等しく、下流部５２Ｂと下流部６２Ｂとで等しい。このように、本実施形態では、各上流部６２Ａの流路断面積が、当該上流部６２Ａに隣接する各上流部５２Ａの流路断面積より小さく、各下流部６２Ｂの流路断面積が、当該下流部６２Ｂに隣接する各下流部５２Ｂの流路断面積より小さくなっている。

従って、ガス排出流路６２の上流部６２Ａの流路抵抗は、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の上流部５２Ａの流路抵抗より大きい。また、ガス排出流路６２の下流部６２Ｂの流路抵抗は、当該ガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の下流部５２Ｂの流路抵抗より大きい。

本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果に加え、次の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、上流部（５２Ａ，６２Ａ）及び下流部（５２Ｂ，６２Ｂ）の両方において、ガス排出流路６２側の流路抵抗がガス供給流路５２側の流路抵抗より大きいので、上流部及び下流部のいずれか一方または両方において、前者が後者以下である場合と比較して、下流側領域における流路間差圧をより確実に大きくすることができる。従って、クロスフローの流量をより確実に上流側領域で減らし、下流側領域で増やすことができる。

なお、本実施形態によれば、同じガス供給流路５２における上流部５２Ａと下流部５２Ｂの流路抵抗の関係は、特に制限されず、また、同じガス排出流路６２における上流部６２Ａと下流部６２Ｂの流路抵抗の関係も、特に制限されない。さらに、各上流部（５２Ａ，６２Ａ）及び下流部（５２Ｂ，６２Ｂ）における主流れ方向ＦＤの単位長さあたりの流路抵抗は、主流れ方向ＦＤに沿って段階的に或いは滑らかに変化するように設定してもよい。

＜変形例＞
上記第２実施形態では、ガス供給流路５２及びガス排出流路６２を、それぞれ上流部と下流部とに区分したが、区分数はこれに限定されない。例えば、ガス供給流路５２及びガス排出流路６２のそれぞれを、均等な流路長さを有するＮ個の要素に区分し、ガス排出流路６２のｎ番目の要素の流路抵抗が、ガス供給流路５２のｎ番目の要素の流路抵抗より大きくなるように設定してもよい。具体的には、例えば、ガス排出流路６２のｎ番目の要素の流路断面積が、ガス供給流路５２のｎ番目の要素の流路断面積より大きくなるようにすればよい。ここで、Ｎは、３以上の整数である。ｎは、各要素を上流側から数えたときの順番であり、１以上Ｎ以下の整数である。この場合においても、各ガス排出流路６２の最小流路断面積（Ｎ個の各要素の流路断面積のうち最小値）は、そのガス排出流路６２に隣接する各ガス供給流路５２の最小流路断面積（Ｎ個の各要素の流路断面積のうち最小値）より小さくなっている。

本変形例によれば、上記第２実施形態の効果に加え、次の効果を得ることができる。すなわち、本変形例では、互いに隣接する要素同士のＮ個の組み合わせすべてにおいて、ガス排出流路６２側の流路抵抗がガス供給流路５２側の流路抵抗より大きいので、上記組み合わせのいずれかにおいてガス排出流路６２側の流路抵抗がガス供給流路５２側の流路抵抗以下である場合と比較して、下流側領域における流路間差圧をより確実に大きくすることができる。従って、クロスフローの流量をさらに確実に上流側領域で減らし、下流側領域で増やすことができる。

なお、本変形例では、同じガス供給流路５２（またはガス排出流路６２）のなかのＮ個の要素同士の間での流路抵抗の関係は、特に制限されない。また、各要素における主流れ方向ＦＤの単位長さあたりの流路抵抗は、主流れ方向ＦＤに沿って段階的に或いは滑らかに変化するように設定してもよい。

また、上記第２実施形態における上流部５２Ａ，６２Ａ、下流部５２Ｂ，６２Ｂ、及びその変形例におけるガス供給流路５２及びガス排出流路６２の各要素に、上述の第１乃至第４変形例のいずれか一つ又はそれらの組合せに係る構造を適用してもよい。

＜第３実施形態＞
上記実施形態及び変形例に係るガス流路構造では、セパレータ１１，１２のガス拡散層１５に接触する面の略全域に対向櫛形流路が形成されていた。しかしながら、上記対向櫛形流路は、平行流路やサーペンタイン流路など他形式の流路と組み合わせるなどして、セパレータ１１，１２のガス拡散層１５に接触する面の一部の領域に設けてもよい。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。ここでは重複を避けるため、第１実施形態と共通する構成についてはその説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。また、ガス流路構造は、第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路４０を例にとって説明する。なお、燃料ガス流路２０については、ガス供給口及びガス排出口の位置が酸化剤ガス流路４０のそれと異なるが、他の構成は同様であるので、ここでは説明を省略する。

本実施形態のガス流路構造では、図１１に示すように、上流側に平行流路７０が設けられ、下流側に対向櫛形流路が設けられている。平行流路７０は、ガス供給口Ｂ１と、上流側ヘッダ流路７１と、下流側ヘッダ流路７２と、複数の分岐流路７３とを備えている。上流側ヘッダ流路７１は、ガス供給口Ｂ１に連通して、セパレータ１２の幅方向Ｚに延在している。下流側ヘッダ流路７２は、上流側ヘッダ流路７１からセパレータ１２の長手方向Ｙに離間して位置し、セパレータ１２の幅方向Ｚに延在している。複数の分岐流路７３は、各々、上流側ヘッダ流路７１から分岐して、セパレータ１２の長手方向Ｙに略平行に直線状に延在し、各下流端において下流側ヘッダ流路７２に接続されている。下流側ヘッダ流路７２は、対向櫛形流路のヘッダ流路５１を兼ねており、複数のガス供給流路５２が、各々、この下流側ヘッダ流路７２から分岐して、セパレータ１２長手方向Ｙに延在している。下流側の対向櫛形流路の構成は、上述の第１、第２実施形態またはそれらの変形例にかかる対向櫛形流路と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果に加え、次の効果を得ることができる。すなわち、平行流路７０は、ガス拡散層１５内に強制対流を生じさせないので、低加湿条件下でも、上流側領域の膜電極接合体１０を過度に乾燥させることがなく、上流側領域における電解質膜１３のプロトン伝導性の低下を抑制することができる。一方、対向櫛形流路は、ガス拡散層１５内における電極触媒層１４により近い領域に強制対流を生じさせることで、当該領域における濃度勾配を高め、ガスの拡散性を向上させることができる。本実施形態では、ガスの濃度が比較的高い上流側領域に平行流路７０を配置し、ガスの濃度が比較的低い下流側領域に対向櫛形流路を配置しているため、上流側領域における膜電極接合体１０の乾燥を抑えるとともに、下流側領域においてガスの拡散性を確保することができる。これにより、燃料電池セル１の発電性能を向上させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態及び変形例について説明したが、これら実施形態等は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態等に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態等で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、上記実施形態等のガス流路構造は、膜電極接合体１０の両側のガス拡散層１５上に設けられていたが、片側のガス拡散層１５上にのみ設けてもよく、また、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方にのみ採用してもよい。

また、上記実施形態等におけるガス拡散層１５の透気度は、セパレータ１１,１２に接する面の略全域において略均一であったが、ガス拡散層の透気度は、場所に応じて変化させてもよい。例えば上流側領域と下流側領域の間の中間領域など、局所領域でクロスフローの流量を増やしたい場合などは、その局所領域におけるガス拡散層の透気度を他の領域のそれより低く設定してもよい。

上記第３実施形態では、上流側に平行流路を設け、下流側に対向櫛形流路を設けていたが、両者の配置は、燃料電池スタックに要求される環境条件、仕様等に応じて、適宜変更することが可能である。また、対向櫛形流路には、平行流路に替えて、或いは加えてサーペンタイン流路を組み合わせることも可能である。このサーペンタイン流路と、他の対向櫛形流路、平行流路との配置関係も、燃料電池スタックに要求される環境条件、仕様等に応じて、適宜設定することが可能である。

１ 燃料電池セル（燃料電池）
１０ 膜電極接合体
１１，１２ セパレータ
１５ ガス拡散層
５２ ガス供給流路
５２ａ ガス供給流路の上流端
５２ｂ ガス供給流路の下流端
５２Ａ ガス供給流路の上流部
５２Ｂ ガス供給流路の下流部
Ａ１，Ｂ１ ガス供給口
６２ ガス排出流路
６２ａ ガス排出流路の上流端
６２ｂ ガス排出流路の下流端
６２Ａ ガス排出流路の上流部
６２Ｂ ガス排出流路の下流部
Ａ２，Ｂ２ ガス排出口

Claims (7)

1. 膜電極接合体の少なくとも片側のガス拡散層の上に、
   上流端がガス供給口に連通し、下流端が閉塞された複数のガス供給流路と、
   上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に連通した複数のガス排出流路とが互いに間隔をあけて交互に並設され、
   各ガス供給流路の上流端は、当該ガス供給流路に隣接するガス排出流路の上流端近傍に位置し、
   各ガス排出流路の下流端は、当該ガス排出流路に隣接するガス供給流路の下流端近傍に位置し、
   各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路抵抗より大きいことを特徴とする燃料電池のガス流路構造。
2. 前記ガス供給流路を、当該ガス供給流路の上流端から下流端までの流路長さの１／２の流路長さを有する上流部と下流部とに区分けし、前記ガス排出流路を、当該ガス排出流路の上流端から下流端までの流路長さの１／２の流路長さを有する上流部と下流部とに区分けしたとき、
   前記ガス排出流路の上流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流部の流路抵抗より大きく、
   前記ガス排出流路の下流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の下流部の流路抵抗より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス流路構造。
3. 前記ガス供給流路を、当該ガス供給流路の上流端から下流端までの流路長さの１／３の流路長さを有する上流部と中流部と下流部とに区分けし、前記ガス排出流路を、当該ガス排出流路の上流端から下流端までの流路長さの１／３の流路長さを有する上流部と中流部と下流部とに区分けしたとき、
   前記ガス排出流路の上流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流部の流路抵抗より大きく、
   前記ガス排出流路の中流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の中流部の流路抵抗より大きく、
   前記ガス排出流路の下流部の流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の下流部の流路抵抗より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス流路構造。
4. 各ガス排出流路の最小流路断面積は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の最小流路断面積より小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池のガス流路構造。
5. 各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路長さは、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路長さより長いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池のガス流路構造。
6. 前記膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持するセパレータと、を備え、
   前記膜電極接合体のガス拡散層と前記セパレータの前記ガス拡散層に接する面に形成された流路溝との間に画成されるガス流路の少なくとも一部に、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス流路構造を備えたことを特徴とする燃料電池。
7. 膜電極接合体のガス拡散層に接する面に、
   上流端がガス供給口に連通し、下流端が閉塞された複数のガス供給流路と、
   上流端が閉塞され、下流端がガス排出口に連通した複数のガス排出流路とが互いに間隔をあけて交互に並設され、
   各ガス供給流路の上流端は、当該ガス供給流路に隣接するガス排出流路の上流端近傍に位置し、
   各ガス排出流路の下流端は、当該ガス排出流路に隣接するガス供給流路の下流端近傍に位置し、
   各ガス排出流路の上流端から下流端までの流路抵抗は、当該ガス排出流路に隣接する各ガス供給流路の上流端から下流端までの流路抵抗より大きいことを特徴とするセパレータ。
   
   

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