JP4419483B2

JP4419483B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4419483B2
Application number: JP2003317249A
Authority: JP
Inventors: 敦史大間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005085626A

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、燃料電池の反応面についての電流密度分布を均一化するための構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell. In particular, the present invention relates to a structure for making the current density distribution on the reaction surface of the fuel cell uniform.

従来の燃料電池において、単位セルの面内の電流密度分布を均一にする手段として、燃料ガス流路幅を入口側から出口側にかけて徐々に広げるといった発明がなされている。一方、単位セルの面内の温度分布を均一にするために、酸化剤ガス流路は入口側から出口側にわたって、流路幅を一定にし、流路深さを酸化剤ガスの反応による体積減少率よりも大きな割合で漸次小さくしている（例えば、特許文献１、参照。）。 In the conventional fuel cell, as a means for making the current density distribution in the plane of the unit cell uniform, an invention has been made in which the fuel gas channel width is gradually increased from the inlet side to the outlet side. On the other hand, in order to make the temperature distribution in the surface of the unit cell uniform, the oxidant gas flow path has a constant flow path width from the inlet side to the outlet side, and the flow path depth is reduced by the reaction of the oxidant gas. The ratio is gradually decreased at a rate larger than the rate (see, for example, Patent Document 1).

また、流体通路の上流側において横断面積を小さく、下流側において横断面積を大きく形成することにより、下流でのガス流速を小さくして十分に時間をかけた接触により反応を促進させ、電流密度分布を均一にするといった発明がなされている。これは、基板の一方の表面に設けられた流体通路の溝を、両側壁面と底面とで横断面を矩形状に形成する。流体通路の上流側において開口部の幅または溝の深さを小さくして横断面積を小さく構成し、下流側において開口部の幅または溝の深さを大きくして横断面積を大きく構成する。さらに、流体通路の上流側から下流側に向けて上記横断面積を徐々に変化させる。上流側で高い流速で流れて反応に寄与しなかった未反応のガスは下流側で低い流速で流れて十分に反応が行われることとなるので、基板の反応帯域の全体でほぼ均等な効率のよい反応が行われる（例えば、特許文献２、参照。）。
特公平８−１８０５号公報特開２００１−４３８６８号公報 In addition, by forming a small cross-sectional area on the upstream side of the fluid passage and a large cross-sectional area on the downstream side, the gas flow rate on the downstream side is reduced, and the reaction is promoted by sufficient time-consuming contact, resulting in a current density distribution. An invention has been made to make uniform. In this structure, a groove of a fluid passage provided on one surface of the substrate is formed in a rectangular shape in cross section between both side wall surfaces and the bottom surface. The width of the opening or the depth of the groove is reduced on the upstream side of the fluid passage to reduce the cross-sectional area, and the width of the opening or the depth of the groove is increased on the downstream side to increase the cross-sectional area. Further, the cross-sectional area is gradually changed from the upstream side to the downstream side of the fluid passage. The unreacted gas that did not contribute to the reaction by flowing at a high flow rate on the upstream side flows sufficiently at a low flow rate on the downstream side, so that the reaction is sufficiently performed. A good reaction is performed (see, for example, Patent Document 2).
Japanese Patent Publication No.8-1805 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-43868

上記の従来技術においては、流路の入口と出口が連通しているストレートガス流路を採用しているので、反応ガスは、濃度勾配に依存する拡散現象により、セパレータの隔壁と接するガス拡散層内部へ移動する。そのため、上記のような方策により下流側のガス拡散性を向上させても、必ずしも十分な電流密度分布の均一化が図れなかった。 In the above prior art, since the straight gas flow path in which the inlet and the outlet of the flow path communicate with each other, the reaction gas is in contact with the separator partition due to a diffusion phenomenon depending on the concentration gradient. Move inside. Therefore, even if the gas diffusibility on the downstream side is improved by the above-described measures, the current density distribution cannot be sufficiently uniformed.

そこで、本発明においては、ガス拡散性に優れた櫛型形状の反応ガス流路を備えた燃料電池において、電流密度分布を均一化できる構成を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a structure capable of making the current density distribution uniform in a fuel cell including a comb-shaped reaction gas flow channel having excellent gas diffusibility.

本発明は、電解質の両側に配置した一対のガス拡散電極と、該ガス拡散電極を、さらに外側から狭持する一対のセパレータと、を備える。また、前記一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、前記ガス拡散電極に対峙する表面に、供給側マニホールドから並列に分岐すると共に、下流端が行き止まりとされ、前記ガス拡散電極に反応ガスを供給する複数の供給流路と、排出側マニホールドから並列に分岐すると共に、上流端が行き止まりとされ、前記ガス拡散電極から反応ガスを回収する複数の排出流路と、前記供給流路と前記排出流路の各間を仕切る隔壁と、を有する。前記供給流路と排出流路のうち、少なくとも一方の流路の流路幅を上流側に比べて下流側で広くすると共に、前記一方の流路を仕切る隔壁は、上流側に比べて前記下流側で幅が狭くなっており、前記供給流路と前記排出流路は互いに隣り合うようにした。
The present invention includes a pair of gas diffusion electrodes arranged on both sides of the electrolyte, and a pair of separators that sandwich the gas diffusion electrodes from the outside. In addition, at least one of the pair of separators branches in parallel from the supply-side manifold to the surface facing the gas diffusion electrode, the downstream end is dead end, and the reaction gas is supplied to the gas diffusion electrode. A plurality of supply flow paths to be supplied, a plurality of discharge flow paths for branching in parallel from the discharge side manifold, the upstream end being dead end, and collecting the reaction gas from the gas diffusion electrode, the supply flow paths and the discharge And partition walls that partition the flow paths. Of the supply flow channel and the discharge flow channel, the flow channel width of at least one of the flow channels is widened on the downstream side compared to the upstream side, and the partition wall partitioning the one flow channel is formed on the downstream side of the upstream side. The width is narrow on the side, and the supply channel and the discharge channel are adjacent to each other .

供給流路と排出流路のうち、少なくとも一方の流路の流路幅を上流側に比べて下流側で広くすると共に、一方の流路を仕切る隔壁は、上流側に比べて前記下流側で幅が狭くなるようにすることにより、下流側において供給流路から排出流路へガス拡散電極を介して反応ガスが移動する際の抵抗を抑制することができる。つまり、供給側流路から排出側流路へガス拡散電極内部を通って反応ガスが強制移動する際、移動しやすい領域がガス流路の下流側となる。その結果、高い電流密度を得ることができる燃料電池において、下流側のガス拡散性を向上させて電流密度分布を均一化することができる。 Of the supply flow channel and the discharge flow channel, the flow channel width of at least one of the flow channels is widened on the downstream side compared to the upstream side, and the partition wall that divides one flow channel is located on the downstream side compared to the upstream side. By making the width narrow, it is possible to suppress resistance when the reaction gas moves from the supply channel to the discharge channel on the downstream side via the gas diffusion electrode. That is, when the reaction gas is forcibly moved from the supply side flow path to the discharge side flow path through the inside of the gas diffusion electrode, the region that is easy to move is the downstream side of the gas flow path. As a result, in the fuel cell capable of obtaining a high current density, the downstream gas diffusibility can be improved and the current density distribution can be made uniform.

第１の実施形態に用いる固体高分子型燃料電池２０の構成を、図１を用いて説明する。 The configuration of the polymer electrolyte fuel cell 20 used in the first embodiment will be described with reference to FIG.

燃料電池２０を、複数の単位セル１３を積層することにより構成する。また、各々の単位セル１３を、膜電極接合体４とセパレータ８を積層することにより構成する。ここでは、一つのセパレータ８と膜電極接合体４とを交互に積層することにより燃料電池２０を構成するが、二つのセパレータ８により膜電極接合体４を狭持して単位セル１３を構成し、これを積層することにより燃料電池２０を構成してもよい。 The fuel cell 20 is configured by stacking a plurality of unit cells 13. Each unit cell 13 is configured by laminating the membrane electrode assembly 4 and the separator 8. Here, the fuel cell 20 is configured by alternately laminating one separator 8 and the membrane electrode assembly 4, but the unit cell 13 is configured by sandwiching the membrane electrode assembly 4 by the two separators 8. Alternatively, the fuel cell 20 may be configured by stacking these layers.

また、膜電極接合体４を、高分子電解質膜１、触媒を有する電極２、ガス拡散層３を積層することにより構成する。高分子電解質膜１を、その両面から、電極２である酸化剤極２ａ、燃料極２ｂにより狭持し、さらにその外側からガス拡散層３である酸化剤ガス拡散層３ａ、燃料ガス拡散層３ｂにより狭持する。なお、ここでは電極２とガス拡散層３を別個に構成しているが、ガス拡散層３の高分子電解質膜１に対峙する面に触媒を塗布することにより電極２を構成してもよい。 The membrane electrode assembly 4 is constituted by laminating the polymer electrolyte membrane 1, the electrode 2 having a catalyst, and the gas diffusion layer 3. The polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched by the oxidant electrode 2a and the fuel electrode 2b as the electrodes 2 from both sides, and the oxidant gas diffusion layer 3a and the fuel gas diffusion layer 3b as the gas diffusion layer 3 from the outside. Hold by. Here, the electrode 2 and the gas diffusion layer 3 are configured separately, but the electrode 2 may be configured by applying a catalyst to the surface of the gas diffusion layer 3 facing the polymer electrolyte membrane 1.

このような膜電極接合体４の酸化剤ガス拡散層３ａ側に接するセパレータ８の表面に、複数の酸化剤ガス流路５を平行に設ける。図１においては、酸化剤ガス流路５は、紙面に垂直な方向に伸びる流路となる。このとき、隣接する酸化剤ガス流路５間には、流路軸に略並行に伸びる隔壁７ａが構成される。隔壁７ａを導電性材料により構成する。 A plurality of oxidant gas flow paths 5 are provided in parallel on the surface of the separator 8 in contact with the oxidant gas diffusion layer 3a side of the membrane electrode assembly 4 as described above. In FIG. 1, the oxidizing gas channel 5 is a channel extending in a direction perpendicular to the paper surface. At this time, between the adjacent oxidant gas flow paths 5, a partition wall 7a extending substantially parallel to the flow path axis is formed. The partition wall 7a is made of a conductive material.

ここでは、図２に示すように、セパレータ８の膜電極接合体４に接触する表面に、酸化剤ガス流路５を櫛型形状に構成する。供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとを交互に設けることにより酸化剤ガス流路５を構成する。供給側酸化剤ガス流路５ａは、上流端が燃料電池２０の積層方向に貫通した酸化剤ガス供給マニホールド１０ａに対し、互いに並列に連通し、各下流端が行き止まり１５ａとなるように構成する。各供給側酸化剤ガス流路５ａの間に配置される排出側酸化剤ガス流路５ｂは、各上流端が行き止まり１５ｂとなり、各々の下流端が燃料電池２０の積層方向に貫通した酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂに連通するように形成する。つまり、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂは互いに連通せず、供給側酸化剤ガス流路５ａに供給された酸化剤ガスは、図１に示すようにセパレータ８に隣接する酸化剤ガス拡散層３ａを介して排出側酸化剤ガス流路５ｂに移動する。 Here, as shown in FIG. 2, the oxidant gas flow path 5 is formed in a comb shape on the surface of the separator 8 that contacts the membrane electrode assembly 4. The oxidant gas flow path 5 is configured by alternately providing the supply side oxidant gas flow path 5a and the discharge side oxidant gas flow path 5b. The supply-side oxidant gas flow path 5a is configured such that the upstream end communicates in parallel with the oxidant gas supply manifold 10a penetrating in the stacking direction of the fuel cell 20, and each downstream end becomes a dead end 15a. The discharge-side oxidant gas flow paths 5b disposed between the supply-side oxidant gas flow paths 5a have dead ends 15b at the respective upstream ends, and the oxidant gases having the respective downstream ends penetrating in the stacking direction of the fuel cells 20. It forms so that it may communicate with the discharge manifold 10b. That is, the supply side oxidant gas flow path 5a and the discharge side oxidant gas flow path 5b do not communicate with each other, and the oxidant gas supplied to the supply side oxidant gas flow path 5a is separated from the separator 8 as shown in FIG. It moves to the discharge side oxidant gas flow path 5b through the oxidant gas diffusion layer 3a adjacent to the gas.

ここで、酸化剤ガスの流れを簡単に説明する。 Here, the flow of the oxidant gas will be briefly described.

酸化剤ガス供給マニホールド１０ａを流れる酸化剤ガスが、各供給側酸化剤ガス流路５ａに分配される。図１において、酸化剤ガスが、供給側酸化剤ガス流路５ａ内を紙面垂直方向に流れる際に、酸化剤ガスの一部が供給側酸化剤ガス流路５ａに対峙する酸化剤ガス拡散層３ａ内に拡散する。酸化剤ガス拡散層３ａに拡散した酸化剤ガスが、酸化剤極２ａに到達して、電気化学反応を生じることにより発電が行われる。反応後の酸化剤ガスは、隣接する排出側酸化剤ガス流路５ｂに回収され、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂを介して燃料電池２０の外部に排出される。 The oxidant gas flowing through the oxidant gas supply manifold 10a is distributed to each supply side oxidant gas flow path 5a. In FIG. 1, when the oxidant gas flows in the supply side oxidant gas flow path 5a in the direction perpendicular to the paper surface, a part of the oxidant gas faces the supply side oxidant gas flow path 5a. It diffuses in 3a. The oxidant gas diffused in the oxidant gas diffusion layer 3a reaches the oxidant electrode 2a and causes an electrochemical reaction to generate electric power. The oxidant gas after the reaction is collected in the adjacent discharge side oxidant gas flow path 5b and discharged to the outside of the fuel cell 20 through the oxidant gas discharge manifold 10b.

一方、図１に示すように、膜電極接合体４の燃料ガス拡散層３ｂ側に接するセパレータ８の表面には、燃料ガス流路６を設ける。ここでは、燃料ガス流路６を、酸化剤ガス流路５に略直交するように構成する。また、燃料ガス流路６を、酸化剤ガス流路５と同様に、櫛型流路とする。つまり、燃料ガス流路６を、供給側燃料ガス流路６ａと図示しない排出側燃料ガス流路６ｂとを交互に配置することにより構成する。隣接する燃料ガス流路６間には、流路軸に平行に伸びる図示しない隔壁７ｂが構成される。隔壁７ｂを導電性材料により構成する。 On the other hand, as shown in FIG. 1, a fuel gas flow path 6 is provided on the surface of the separator 8 in contact with the fuel gas diffusion layer 3 b side of the membrane electrode assembly 4. Here, the fuel gas channel 6 is configured to be substantially orthogonal to the oxidant gas channel 5. Further, the fuel gas channel 6 is a comb-shaped channel, like the oxidant gas channel 5. That is, the fuel gas channel 6 is configured by alternately arranging the supply side fuel gas channel 6a and the exhaust side fuel gas channel 6b (not shown). A partition wall 7b (not shown) extending in parallel with the flow path axis is formed between the adjacent fuel gas flow paths 6. The partition wall 7b is made of a conductive material.

ここでは、燃料電池２０を積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド１１ａから各供給側燃料ガス流路６ａに燃料ガスが供給される。供給側燃料ガス流路６ａ内を流れる際に、燃料ガスの一部が、流路に隣接する燃料ガス拡散層３ｂ内に拡散して燃料極２ｂに到達する。ここで電気化学反応を生じることにより発電を行う。反応後の燃料ガスは、排出側燃料ガス流路６ｂに回収され、図示しない燃料ガス排出マニホールド１１ｂを介して燃料電池２０の外部に排出される。 Here, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply manifold 11a penetrating the fuel cell 20 in the stacking direction to each supply-side fuel gas channel 6a. When flowing in the supply-side fuel gas flow path 6a, part of the fuel gas diffuses into the fuel gas diffusion layer 3b adjacent to the flow path and reaches the fuel electrode 2b. Here, power is generated by causing an electrochemical reaction. The reacted fuel gas is collected in the discharge-side fuel gas flow path 6b and discharged outside the fuel cell 20 through a fuel gas discharge manifold 11b (not shown).

さらに、燃料電池２０には、燃料電池２０を積層方向に貫通する図示しない冷却マニホールド１２を備え、単位セル１３所定枚数毎に構成する図示しない冷却水流路に冷却水を分配・回収する。 Furthermore, the fuel cell 20 includes a cooling manifold 12 (not shown) that penetrates the fuel cell 20 in the stacking direction, and distributes and collects cooling water in a cooling water passage (not shown) that is configured for each predetermined number of unit cells 13.

また、酸化剤ガスと燃料ガスが混ざると、各電極２における電気化学反応が阻害される。これを防ぐために、酸化剤ガス、燃料ガスそれぞれをシールするガスケット９を備える。ここでは、高分子電解質膜１とセパレータ８の間に、電極２およびガス拡散層３の外周に沿ってガスケット９を備える。 Moreover, when oxidant gas and fuel gas are mixed, the electrochemical reaction in each electrode 2 will be inhibited. In order to prevent this, a gasket 9 for sealing each of the oxidant gas and the fuel gas is provided. Here, a gasket 9 is provided between the polymer electrolyte membrane 1 and the separator 8 along the outer periphery of the electrode 2 and the gas diffusion layer 3.

このような燃料電池２０において、反応面内の電流密度分布を均一化するための構成について説明する。ここでは、膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面を、図２に示すように構成することにより電流密度分布のバラツキを抑制する。 In such a fuel cell 20, a configuration for making the current density distribution in the reaction surface uniform will be described. Here, the surface of the separator 8 in contact with the oxidant electrode 2a side of the membrane electrode assembly 4 is configured as shown in FIG. 2, thereby suppressing variations in current density distribution.

前述したように、膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面には、溝状の酸化剤ガス流路５を構成する。酸化剤ガス流路５を、互いに連通しない供給側酸化剤ガス流路５ａと、排出側酸化剤ガス流路５ｂを交互に配置することにより構成する。供給側酸化剤ガス流路５ａは、上流端を積層方向の貫通孔である酸化剤ガス供給マニホールド１０ａに連通させ、下流端を行き止まり１５ａとする。排出側酸化剤ガス流路５ｂは、上流端を行き止まり１５ｂとし、下流端を積層方向の貫通孔である酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂに連通させる。全体としては、供給側酸化剤ガス流路５ａにより構成される櫛型流路と、排出側酸化剤ガス流路５ｂにより構成される櫛型流路と、が噛み合うように構成する。 As described above, the groove-like oxidant gas flow path 5 is formed on the surface of the separator 8 in contact with the oxidant electrode 2 a side of the membrane electrode assembly 4. The oxidant gas flow path 5 is configured by alternately arranging supply-side oxidant gas flow paths 5a and discharge-side oxidant gas flow paths 5b that do not communicate with each other. The supply-side oxidant gas flow path 5a communicates the upstream end with the oxidant gas supply manifold 10a which is a through hole in the stacking direction, and the downstream end is a dead end 15a. The discharge-side oxidant gas flow path 5b has a dead end 15b at the upstream end and communicates with the oxidant gas discharge manifold 10b, which is a through hole in the stacking direction, at the downstream end. As a whole, the comb-shaped flow path configured by the supply-side oxidant gas flow path 5a and the comb-shaped flow path configured by the discharge-side oxidant gas flow path 5b are configured to mesh with each other.

ここで、酸化剤ガス流路５の上流側を上流領域Ａ₁、下流側を下流領域Ｂ₁とする。上流領域Ａ₁には、供給側酸化剤ガス流路５ａの酸化剤ガス供給マニホールド１０ａとの接続部分や、排出側酸化剤ガス流路５ｂの上流端である行き止まり１５ｂを含む。また、下流領域Ｂ₁には、供給側酸化剤ガス流路５ａの下流端である行き止まり１５ａや、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分を含む。 Here, the upstream side of the oxidant gas flow path 5 is defined as an upstream region A ₁ , and the downstream side is defined as a downstream region B ₁ . The upstream region A _1, comprising a dead end 15b which is the upstream end of the connecting portion and the discharge-side oxidizing gas passage 5b of the oxidant gas supply manifold 10a of the supply-side oxidizing gas passage 5a. Further, the downstream region B ₁ includes a connection portion with the dead end 15a which is the downstream end of the supply side oxidant gas flow path 5a and the oxidant gas discharge manifold 10b of the discharge side oxidant gas flow path 5b.

本実施形態においては、排出側酸化剤ガス流路５ｂについて、流路の深さは一定であるが、上流領域Ａ₁における流路幅ｄ₁に比較して、下流領域Ｂ₁における流路幅ｄ₂が広くなるように構成する。ここでは、流路軸方向について段階的に流路幅が変化するように構成する。なお、図２には、流路幅が一段階変化する流路について示したが、この限りではなく、多段階に変化させ、下流にいくに従って流路幅が広くなるように構成しても良い。一方、供給側酸化剤ガス流路５ａについては、その流路幅、並びに深さを一定とする。 In the present embodiment, the depth of the flow path of the discharge-side oxidant gas flow path 5b is constant, but the flow path width in the downstream area B ₁ compared to the flow path width d ₁ in the upstream area A ₁ . d ₂ is configured to be wide. Here, the channel width is configured to change stepwise in the channel axis direction. Although FIG. 2 shows the flow path whose flow path width changes by one step, the flow width is not limited to this, and the flow path width may be widened as it goes downstream. . On the other hand, the supply side oxidant gas flow path 5a has a constant width and depth.

このように酸化剤ガス流路５を構成すると、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａは、上流領域Ａ₁での幅ｌ₁よりも、下流領域Ｂ₁での幅ｌ₂の方が狭く構成される。 When the oxidant gas flow path 5 is configured in this way, the partition wall 7a between the supply side oxidant gas flow path 5a and the discharge side oxidant gas flow path 5b is larger than the width l ₁ in the upstream region A ₁ . The width l ₂ in the downstream region B ₁ is narrower.

次に、このような酸化剤ガス流路５における、酸化剤ガスの流通状態について説明する。 Next, the flow state of the oxidant gas in the oxidant gas flow path 5 will be described.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド１０ａから各供給側酸化剤ガス流路５ａに分配される。分配された酸化剤ガスは、供給側酸化剤ガス流路５ａを流通する際に、図１に示した酸化剤ガス拡散層３ａ内に拡散する。酸化剤ガス拡散層３ａからさらに酸化剤極２ａに到達して発電に用いられたあと、酸化剤ガス拡散層３ａから、図２に示す排出側酸化剤ガス流路５ｂ側に透過する。供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとは連通していないので、供給側酸化剤ガス流路５ａ内のほぼ全ての酸化剤ガスが酸化剤ガス拡散層３ａに拡散し、隣接する排出側酸化剤ガス流路５ｂへ透過する。なお、酸化剤ガスの供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへの透過は、流路軸全体に渡って行われる。 The oxidant gas is distributed from the oxidant gas supply manifold 10a to each supply side oxidant gas flow path 5a. The distributed oxidant gas diffuses into the oxidant gas diffusion layer 3a shown in FIG. 1 when flowing through the supply-side oxidant gas flow path 5a. After reaching the oxidant electrode 2a from the oxidant gas diffusion layer 3a and being used for power generation, it passes through the oxidant gas diffusion layer 3a to the discharge side oxidant gas flow path 5b shown in FIG. Since the supply-side oxidant gas flow path 5a and the discharge-side oxidant gas flow path 5b are not in communication, almost all of the oxidant gas in the supply-side oxidant gas flow path 5a diffuses into the oxidant gas diffusion layer 3a. Then, it permeates to the adjacent discharge side oxidant gas flow path 5b. The permeation of the oxidant gas from the supply side oxidant gas flow path 5a to the discharge side oxidant gas flow path 5b is performed over the entire flow path axis.

ここで、上述したように供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａの幅が、上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で狭くなるように構成する。これにより、供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへ透過する際の、酸化剤ガス拡散層３ａ内における抵抗が、上流領域Ａ₁側に比べて下流領域Ｂ₁側で小さくなる。その結果、通常は、酸化剤ガス濃度が低下することによりガス拡散性が低減される下流領域Ｂ₁において、酸化剤ガスの拡散性を向上することができる。よって、上流領域Ａ₁における電流密度と下流領域Ｂ₁における電流密度の差を低減することができる。 Here, as the width of the partition wall 7a between the supply-side oxidizing gas passage 5a and the discharge-side oxidizing gas passage 5b as described above, it becomes narrower in the downstream region B ₁ in comparison with the upstream region A ₁ Constitute. Thus, when transmitted from the supply-side oxidizing gas passage 5a to the discharge-side oxidizing gas passage 5b, the resistance of the oxidant gas diffusion layer 3a, the downstream region B ₁ side than the upstream region A ₁ side Becomes smaller. As a result, normally, the diffusibility of the oxidant gas can be improved in the downstream region B ₁ where the gas diffusibility is reduced by reducing the oxidant gas concentration. Therefore, the difference between the current density in the upstream region A _{1 and} the current density in the downstream region B ₁ can be reduced.

このように排出側酸化剤ガス流路５ｂに透過した酸化剤ガスは、排出側酸化剤ガス流路５ｂ内を上流領域Ａ₁から下流領域Ｂ₁に向かって流れ、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂを介して、燃料電池２０の外部に排出される。この際、酸化剤ガスは、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分近傍で、生成水や凝縮水が生じ易い状態となる。そこで、排出側酸化剤ガス流路５ｂの下流側の幅ｄ₂を広くすることにより、下流領域Ｂ₁において水詰まりが生じるのを抑制することができる。その結果、局所的に発電効率が低下して電流密度の分布に偏りが生じるのを抑制することができる。 Permeated oxidizer gas is thus discharged side oxidizing gas passage 5b, flows through the discharge-side oxidizing gas passage 5b from the upstream region A ₁ towards the downstream region B _1, the oxidizing gas discharge manifold 10b To the outside of the fuel cell 20. At this time, the oxidant gas is in a state where product water and condensed water are likely to be generated in the vicinity of the connection portion of the discharge side oxidant gas flow path 5b with the oxidant gas discharge manifold 10b. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of water clogging in the downstream region B ₁ by increasing the downstream width d ₂ of the discharge-side oxidant gas flow path 5b. As a result, it is possible to suppress the local decrease in power generation efficiency and the occurrence of bias in the current density distribution.

なお、ここでは排出側酸化剤ガス流路５ｂの幅を段階的に変化させたが、後述する第２実施形態のように、連続的に変化させてもよい。 Here, the width of the discharge-side oxidant gas flow path 5b is changed stepwise, but may be changed continuously as in the second embodiment described later.

また、前述したように燃料ガス流路６についても、供給側燃料ガス流路６ａと排出側燃料ガス流路６ｂとからなる櫛型形状に構成するが、その流路幅については略一定とする。ここで、燃料ガスとして用いられる水素は、空気に比べて拡散性に優れており、燃料ガス流路６の下流側についても燃料ガス拡散層３ｂへの拡散性が期待できる。そのため、本実施形態では、燃料ガス流路６、ひいては、燃料ガス流路６を形成する隔壁７ｂの幅を一定とすることにより、セパレータ８の接触抵抗による発電効率の低下を抑制する。 Further, as described above, the fuel gas channel 6 is also formed in a comb shape composed of the supply side fuel gas channel 6a and the discharge side fuel gas channel 6b, but the channel width is substantially constant. . Here, hydrogen used as the fuel gas is more diffusible than air, and diffusibility to the fuel gas diffusion layer 3b can be expected also on the downstream side of the fuel gas flow path 6. For this reason, in this embodiment, the width of the fuel gas flow path 6, and hence the partition wall 7 b forming the fuel gas flow path 6, is kept constant, thereby suppressing a decrease in power generation efficiency due to the contact resistance of the separator 8.

次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.

固体高分子膜１の両側に配置した一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極を、さらに外側から狭持する一対のセパレータ８を備える。ここでは、ガス拡散電極を、電極２とガス拡散層３とから構成する。また、一対のセパレータのうち、少なくとも一方のセパレータ８は、ガス拡散層３、ここではガス拡散層３ａに対峙する表面に、酸化剤ガス供給マニホールド１０ａから並列に分岐すると共に、下流端が行き止まり１５ａとされ、酸化剤ガス拡散層３ａに酸化剤ガスを供給する複数の供給側酸化剤ガス流路５ａと、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂから並列に分岐すると共に、上流端が行き止まり１５ｂとされ、酸化剤ガス拡散層３ａから酸化剤ガスを回収する複数の排出側酸化剤ガス流路５ｂと、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂの各間を仕切る隔壁７ａと、を有する。供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂのうち、少なくとも一方の流路の流路幅を、上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で広くすると共に、一方の流路を仕切る隔壁７ａは、上流領域Ａ₁に比べて下流領域Ｂ₁で幅が狭くなるようにした。これにより、下流領域Ｂ₁で酸化剤ガスが供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂに移動する際の抵抗を抑制することができる。その結果、反応ガス濃度の低い下流領域Ｂ₁におけるガス拡散性を向上することができるので、電流密度の均一化を図ることができる。 A pair of gas diffusion electrodes disposed on both sides of the solid polymer film 1 and a pair of separators 8 that sandwich the gas diffusion electrode from the outside are provided. Here, the gas diffusion electrode is composed of the electrode 2 and the gas diffusion layer 3. Of the pair of separators, at least one of the separators 8 branches in parallel from the oxidant gas supply manifold 10a to the surface facing the gas diffusion layer 3, here the gas diffusion layer 3a, and the downstream end stops 15a. A plurality of supply side oxidant gas flow paths 5a for supplying an oxidant gas to the oxidant gas diffusion layer 3a and the oxidant gas discharge manifold 10b branch in parallel, and the upstream end is made a dead end 15b. A plurality of discharge side oxidant gas flow paths 5b for collecting the oxidant gas from the oxidant gas diffusion layer 3a, a partition wall 7a partitioning each of the supply side oxidant gas flow path 5a and the discharge side oxidant gas flow path 5b, Have Of the supply side oxidant gas flow path 5a and the discharge side oxidant gas flow path 5b, the flow width of at least one of the flow paths is made wider in the downstream area B ₁ than in the upstream area A _1, and The partition wall 7a partitioning the path was made narrower in the downstream region B ₁ than in the upstream region A ₁ . Thus, it is possible to suppress the resistance generated when the oxidizing agent gas in the downstream region B ₁ moves from the supply-side oxidizing gas passage 5a to the discharge-side oxidizing gas passage 5b. As a result, the gas diffusibility in the downstream region B _{1 where} the reaction gas concentration is low can be improved, so that the current density can be made uniform.

供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂは、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド１０ａと酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂから並列に分岐した櫛型に構成され、かつ、各流路が互いに隣り合うように組み合わされて形成される。そのため、ほぼ全ての酸化剤ガスが、酸化剤ガス拡散層３ａに拡散される。このとき流路軸上全体で、酸化剤ガスの拡散が生じるので、大きな電流密度を生じる燃料電池２０について、電流密度の均一化を図ることができる。 The supply-side oxidant gas flow path 5a and the discharge-side oxidant gas flow path 5b are each configured in a comb shape branched in parallel from the oxidant gas supply manifold 10a and the oxidant gas discharge manifold 10b. They are formed so as to be adjacent to each other. Therefore, almost all the oxidant gas is diffused into the oxidant gas diffusion layer 3a. At this time, since the oxidant gas is diffused over the entire channel axis, the current density can be made uniform for the fuel cell 20 that generates a large current density.

ここでは、排出側酸化剤ガス流路５ｂの流路幅を、上流側に比べて下流側で広くすることにより、隔壁７ａを上流側に比べて下流側で狭くなるように構成する。これにより、排出側酸化剤ガス流路５ｂの下流側に生じ易い水詰まりを抑制することができる。よって、水詰まりによる局所的な電流密度の低下を抑制することができるので、反応面内の電流密度の分布に偏りが生じるのを抑制することができる。 Here, the flow path width of the discharge-side oxidant gas flow path 5b is made wider on the downstream side than on the upstream side, so that the partition wall 7a becomes narrower on the downstream side than on the upstream side. As a result, water clogging that tends to occur on the downstream side of the discharge-side oxidant gas flow path 5b can be suppressed. Therefore, since the local decrease in current density due to water clogging can be suppressed, it is possible to suppress the occurrence of bias in the current density distribution in the reaction surface.

また、隔壁７ａの幅が、上流側から下流側にかけて段階的に狭くなるように構成する。これにより、所定流路長毎に、酸化剤ガスの拡散性を向上させることができ、電流密度の均一化を図ることができる。 Further, the width of the partition wall 7a is configured to be gradually reduced from the upstream side to the downstream side. Thereby, the diffusibility of oxidant gas can be improved for every predetermined flow path length, and the current density can be made uniform.

また、上流側よりも下流側の幅が狭い隔壁７ａを構成するセパレータ８表面を、酸化剤極２ａ側の酸化剤ガス拡散層３ａの表面に対峙する面とする。ガス拡散性の悪い酸化剤極２ａ側に対峙するセパレータ８の表面に、隔壁７ａの幅を変化させた酸化剤ガス流路５を設けることで、上述した効果が著しくなる。燃料極２ｂに対峙するセパレータ８の表面には、隔壁７ｂの幅が一定となるように燃料ガス流路６を設けることで、隔壁７ｂと燃料ガス拡散層３ｂとの接触抵抗が上流側と下流側でほぼ一定に保つことができる。特に純水素を用いる燃料電池２０においては、燃料極２ｂ側に起因する電圧低下として、ガス拡散性による低下よりも隔壁７ｂを低減したこのとよる低下の方が支配的になる場合がある。そこで、本実施形態では、酸化剤極２ａ側のみに適用することで、高い電流密度を均一に得ることができる。 In addition, the surface of the separator 8 constituting the partition wall 7a having a narrower width on the downstream side than the upstream side is a surface facing the surface of the oxidant gas diffusion layer 3a on the oxidant electrode 2a side. By providing the oxidant gas flow path 5 in which the width of the partition wall 7a is changed on the surface of the separator 8 facing the oxidant electrode 2a having poor gas diffusibility, the above-described effect becomes remarkable. By providing the fuel gas channel 6 on the surface of the separator 8 facing the fuel electrode 2b so that the width of the partition wall 7b is constant, the contact resistance between the partition wall 7b and the fuel gas diffusion layer 3b is increased between the upstream side and the downstream side. Can be kept almost constant on the side. In particular, in the fuel cell 20 using pure hydrogen, as a voltage drop caused by the fuel electrode 2b side, the drop due to the reduction of the partition wall 7b may be more dominant than the drop due to gas diffusibility. Therefore, in this embodiment, a high current density can be obtained uniformly by applying only to the oxidant electrode 2a side.

次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池２０の概略図を第１の実施形態と同様に図１に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a second embodiment will be described. A schematic diagram of the fuel cell 20 is shown in FIG. 1 as in the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

本実施形態における膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面の形状を図３に示す。 The shape of the surface of the separator 8 which contacts the oxidant electrode 2a side of the membrane electrode assembly 4 in this embodiment is shown in FIG.

第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路５を、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとから成る櫛型形状に構成する。酸化剤ガス流路５の上流側を上流領域Ａ₂、下流側を下流領域Ｂ₂とする。上流領域Ａ₂には、供給側酸化剤ガス流路５ａの酸化剤ガス供給マニホールド１０ａとの接続部分や、排出側酸化剤ガス流路５ｂの上流端である行き止まり１５ｂを含む。また、下流領域Ｂ₂には、供給側酸化剤ガス流路５ａの下流端である行き止まり１５ａや、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分を含む。 Similar to the first embodiment, the oxidant gas flow path 5 is configured in a comb shape including a supply side oxidant gas flow path 5a and a discharge side oxidant gas flow path 5b. The upstream side of the oxidant gas flow path 5 is defined as an upstream region A ₂ , and the downstream side is defined as a downstream region B ₂ . The upstream region A ₂ includes a connection portion of the supply side oxidant gas flow path 5a with the oxidant gas supply manifold 10a and a dead end 15b that is an upstream end of the discharge side oxidant gas flow path 5b. Further, the downstream region B ₂ includes a connection portion with the dead end 15a which is the downstream end of the supply side oxidant gas flow path 5a and the oxidant gas discharge manifold 10b of the discharge side oxidant gas flow path 5b.

本実施形態においては、供給側酸化剤ガス流路５ａについて、一定の深さを持つが、上流領域Ａ₂における流路幅ｄ₃に比較して、下流領域Ｂ₂における流路幅ｄ₄が広くなるように構成する。ここでは、流路軸方向に沿って連続的に流路幅が変化するように構成する。一方、排出側酸化剤ガス流路５ｂについては、その流路幅並びに深さを一定とする。 In the present embodiment, the supply-side oxidizing gas passage 5a, but with a constant depth, as compared to the channel width d ₃ in the upstream region A _2, the flow path width d ₄ in the downstream region B ₂ Configure to widen. Here, the flow path width is configured to continuously change along the flow path axis direction. On the other hand, the discharge-side oxidant gas flow path 5b has a constant width and depth.

このように酸化剤ガス流路５を構成すると、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａは、上流領域Ａ₂での幅ｌ₃よりも、下流領域Ｂ₂での幅ｌ₄の方が狭く構成される。 When the oxidant gas flow path 5 is configured in this way, the partition wall 7a between the supply side oxidant gas flow path 5a and the discharge side oxidant gas flow path 5b is larger than the width l ₃ in the upstream region A ₂ . The width l ₄ in the downstream region B ₂ is narrower.

第１の実施形態と同様に、酸化剤ガス供給マニホールド１０ａから供給側酸化剤ガス流路５ａに分配された酸化剤ガスは、図１に示す酸化剤ガス拡散層３ａ内に拡散して発電に用いられた後、排出側酸化剤ガス流路５ｂ側に透過する。この透過は、流路軸について全体で生じるので、供給側酸化剤ガス流路５ａ内の酸素濃度は、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で小さくなる。このとき、供給側酸化剤ガス流路５ａの幅を、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で広く構成しているので、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａの幅が下流領域Ｂ₂で狭くなるために酸化剤ガスの拡散を促進することができる。さらに、下流領域Ｂ₂において、供給側酸化剤ガス流路５ａと酸化剤ガス拡散層３ａとの対峙面積が増大するので、酸化剤ガスの酸化剤ガス拡散層３ａへの拡散を促進することができる。 As in the first embodiment, the oxidant gas distributed from the oxidant gas supply manifold 10a to the supply side oxidant gas flow path 5a is diffused into the oxidant gas diffusion layer 3a shown in FIG. After being used, it permeates to the discharge side oxidant gas flow path 5b side. Since this permeation occurs as a whole with respect to the flow path axis, the oxygen concentration in the supply-side oxidant gas flow path 5a is smaller in the downstream area B ₂ than in the upstream area A ₂ . In this case, the width of the supply-side oxidizing gas passage 5a, since the wide configuration downstream region B ₂ than the upstream region A _2, the discharge-side oxidizing gas passage and the supply-side oxidizing gas passage 5a Since the width of the partition wall 7 a between 5 b becomes narrow in the downstream region B ₂ , the diffusion of the oxidant gas can be promoted. Furthermore, in the downstream region B ₂ , the facing area between the supply-side oxidant gas flow path 5a and the oxidant gas diffusion layer 3a increases, so that the diffusion of the oxidant gas to the oxidant gas diffusion layer 3a can be promoted. it can.

また、上述したように供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとの間の隔壁７ａの幅が、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で狭くなる。つまり、供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへ透過する際の、酸化剤ガス拡散層３ａ内における抵抗が、上流側に比べて下流側で小さくなる。これにより、通常は、酸化剤ガス濃度が低下することによりガス拡散性が低減される下流領域Ｂ₂において、酸化剤ガスの拡散性を向上することができる。よって、上流領域Ａ₂における電流密度と下流領域Ｂ₂における電流密度の差を低減することができる。 The width of the partition wall 7a between the supply-side oxidizing gas passage 5a as described above and the discharge-side oxidizing gas passage 5b is narrower in the downstream region B ₂ than the upstream region A _2. That is, the resistance in the oxidant gas diffusion layer 3a when passing from the supply side oxidant gas flow path 5a to the discharge side oxidant gas flow path 5b is smaller on the downstream side than on the upstream side. Thereby, normally, the diffusibility of the oxidant gas can be improved in the downstream region B ₂ where the gas diffusibility is reduced by the decrease in the oxidant gas concentration. Therefore, the difference between the current density in the upstream region A _{2 and} the current density in the downstream region B ₂ can be reduced.

このように排出側酸化剤ガス流路５ｂに透過した酸化剤ガスは、排出側酸化剤ガス流路５ｂ内を上流領域Ａ₂から下流領域Ｂ₂に向かって流れ、酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂを介して、燃料電池２０の外部に排出される。 Permeated oxidizer gas is thus discharged side oxidizing gas passage 5b, flows through the discharge-side oxidizing gas passage 5b from the upstream region A ₂ towards the downstream region B _2, the oxidizing gas discharge manifold 10b To the outside of the fuel cell 20.

なお、ここでは供給側酸化剤ガス流路５ａの幅を連続的に変化させたが、前述した第１実施形態と同様に、段階的に変化させてもよい。 Although the width of the supply-side oxidant gas flow path 5a is continuously changed here, it may be changed stepwise as in the first embodiment.

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, explanation is directed only to points different effects as the first embodiment.

供給側酸化剤ガス流路５ａの流路幅を、上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で広くすることにより、隔壁７ａを上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で狭くなるようにした。これにより、対流を生じ易くすることができるので、供給側酸化剤ガス５ａの下流領域Ｂ₂における酸化剤ガスの拡散性を向上させることができる。また、隔壁７ａの幅を上流領域Ａ₂に比べて下流領域Ｂ₂で狭くすることにより、供給側酸化剤ガス流路５ａから排出側酸化剤ガス流路５ｂへ酸化剤ガス拡散層３ａ内部を通って反応ガスが強制移動する際、移動しやすい領域が下流領域Ｂ₂側となる。その結果、反応ガス濃度の低い下流領域Ｂ₂におけるガス拡散性を向上することができるので、電流密度の均一化を図ることができる。 The channel width of the supply-side oxidizing gas passage 5a, by widening downstream region B ₂ than the upstream region A _2, to be narrower in the downstream region B ₂ than the partition wall 7a in the upstream region A ₂ did. Thus, it is possible to easily cause convection, it is possible to improve the diffusibility of the oxidizing gas in the downstream region B ₂ of the supply-side oxidizing gas 5a. Further, by narrowing in the downstream region B ₂ than the width of the partition wall 7a in the upstream region A _2, the internal oxidant gas diffusion layer 3a to the discharge side oxidizing gas passage 5b from the feed-side oxidizing gas passage 5a When the reactive gas is forced to move through, the region where the reaction gas easily moves is the downstream region B ₂ side. As a result, the gas diffusibility in the downstream region B _{2 where} the reaction gas concentration is low can be improved, so that the current density can be made uniform.

また、隔壁７ａの幅が、上流側から下流側にかけて連続的に狭くなるように構成した。酸化剤ガス濃度は、下流にいくに従って徐々に低減するので、酸化剤ガス流路５の幅、または、隔壁７ａの幅を連続的に変化させることで、ガス拡散性を酸化剤ガス濃度に合わせて徐々に向上させることができる。そのため、反応ガス面内での電流密度分布を適切に均一化することができる。 Further, the width of the partition wall 7a is configured to be continuously narrowed from the upstream side to the downstream side. Since the oxidant gas concentration gradually decreases as it goes downstream, the gas diffusivity is matched to the oxidant gas concentration by continuously changing the width of the oxidant gas flow path 5 or the width of the partition wall 7a. Can be gradually improved. Therefore, the current density distribution in the reaction gas plane can be appropriately uniformized.

次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池２０の概略図を第１の実施形態と同様に図１に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a third embodiment will be described. A schematic diagram of the fuel cell 20 is shown in FIG. 1 as in the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

膜電極接合体４の酸化剤極２ａ側に接触するセパレータ８の表面の形状を図４に示す。 The shape of the surface of the separator 8 in contact with the oxidant electrode 2a side of the membrane electrode assembly 4 is shown in FIG.

第１実施形態と同様に、酸化剤ガス流路５を、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂとから成る櫛型形状に構成する。酸化剤ガス流路５の上流側を上流領域Ａ₃、下流側を下流領域Ｂ₃とする。上流領域Ａ₃には、供給側酸化剤ガス流路５ａの酸化剤ガス供給マニホールド１０ａとの接続部分や、排出側酸化剤ガス流路５ｂの上流端である行き止まり１５ｂを含む。また、下流領域Ｂ₃には、供給側酸化剤ガス流路５ａの下流端である行き止まり１５ａや、排出側酸化剤ガス流路５ｂの酸化剤ガス排出マニホールド１０ｂとの接続部分を含む。 Similar to the first embodiment, the oxidant gas flow path 5 is configured in a comb shape including a supply side oxidant gas flow path 5a and a discharge side oxidant gas flow path 5b. The upstream side of the oxidant gas flow path 5 is defined as an upstream region A ₃ , and the downstream side is defined as a downstream region B ₃ . The upstream region A ₃ includes a connection portion of the supply side oxidant gas flow path 5a with the oxidant gas supply manifold 10a and a dead end 15b that is an upstream end of the discharge side oxidant gas flow path 5b. Further, the downstream region B ₃ includes a connection portion with the dead end 15a which is the downstream end of the supply side oxidant gas flow path 5a and the oxidant gas discharge manifold 10b of the discharge side oxidant gas flow path 5b.

本実施形態においては、供給側酸化剤ガス流路５ａについて、上流領域Ａ₃における流路幅ｄ₅に比較して、下流領域Ｂ₃における流路幅ｄ₆が広くなるように構成する。また、排出側酸化剤ガス流路５ｂについて、上流領域Ａ₃における流路幅ｄ₇に比較して下流領域Ｂ₃における流路幅ｄ₈が広くなるように構成する。ここでは、共に流路軸方向に沿って連続的に流路幅が変化するように構成する。また、排出側酸化剤ガス流路５ｂにおける流路幅の変化割合を、供給側酸化剤ガス流路５ａにおける流路幅の変化割合よりも大きく設定する。このように構成すると、隔壁７ａについて、上流領域Ａ₃における幅ｌ₅と下流領域Ｂ₃における幅ｌ₆を比較すると、下流領域Ｂ₃における幅ｌ₆の方が小さくなる。 In the present embodiment, the supply-side oxidizing gas passage 5a, as compared to the channel width d ₅ in the upstream region A _3, configured to channel width d ₆ of the downstream region B ₃ becomes wider. Further, the discharge-side oxidizing gas passage 5b, configured to channel width d ₈ of the downstream region B ₃ as compared to the channel width d ₇ in the upstream region A ₃ is widened. Here, both are configured such that the channel width continuously changes along the channel axis direction. Further, the change rate of the channel width in the discharge-side oxidant gas channel 5b is set larger than the change rate of the channel width in the supply-side oxidant gas channel 5a. With this configuration, the partition wall 7a, a comparison of the width l ₆ in the width l ₅ and a downstream region B ₃ in the upstream region A _3, towards the width l ₆ in the downstream region B ₃ is reduced.

なお、ここでは、酸化剤ガス流路５の幅を連続的に変化させているが、第１の実施形態と同様に、段階的に変化させても良い。 Although the width of the oxidant gas flow path 5 is continuously changed here, it may be changed stepwise as in the first embodiment.

また、図４に示したセパレータ８の表面に接触し、酸化剤ガス流路５からの酸化剤ガスを反応面に拡散する酸化剤ガス拡散層３ａの概略構成を図５に示す。 FIG. 5 shows a schematic configuration of the oxidant gas diffusion layer 3a that contacts the surface of the separator 8 shown in FIG. 4 and diffuses the oxidant gas from the oxidant gas flow path 5 to the reaction surface.

酸化剤ガス拡散層３ａを多孔質部材により構成する。酸化剤ガス拡散層３ａの、図４における少なくとも上流領域Ａ₃に重なる領域である上流領域Ｃに比較して、少なくとも下流領域Ｂ₃に重なる領域である下流領域Ｄにおいて、平均気孔率を大きく構成する。つまり、ガス拡散の生じ難い下流側において、酸化剤ガス拡散層３ａ内の抵抗を抑制することにより、ガス拡散性を向上する。 The oxidant gas diffusion layer 3a is composed of a porous member. The oxidant gas diffusion layer 3a has a larger average porosity in the downstream region D that is at least the region overlapping the downstream region B ₃ than the upstream region C that is the region that overlaps at least the upstream region A ₃ in FIG. To do. That is, the gas diffusibility is improved by suppressing the resistance in the oxidant gas diffusion layer 3a on the downstream side where the gas diffusion hardly occurs.

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１、第２実施形態の効果とは異なる効果を中心に説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, the effects different from the effects of the first and second embodiments will be mainly described.

セパレータ８表面に対峙する酸化剤ガス拡散層３ａの気孔率を、反応ガスの流通方向上流領域Ａ₃に重なり合う上流領域Ｃに比べて、下流領域Ｂ₃に重なり合う下流領域Ｄで大きくなるように構成した。これにより、酸化剤ガス濃度の低減する下流領域Ｂ₃において、酸化剤ガス拡散層３内へのガスの拡散性を向上することができる。その結果、電流密度を上流領域Ａ₃と下流領域Ｂ₃とで均一化することができる。 The porosity of the oxidant gas diffusion layer 3a which faces the separator 8 surface, in comparison with the upstream area C overlapping the flow direction upstream region A ₃ of the reaction gas, configured to be larger in the downstream region D overlapping the downstream region B ₃ did. Thus, in the downstream region B ₃ to reduce the oxidant gas concentration, it is possible to improve the diffusivity of the gas into the oxidant gas diffusion layer 3. As a result, the current density can be made uniform in the upstream region A ₃ and the downstream region B ₃ .

また、ここでは、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂについて、下流領域Ｂ₃でその流路幅を広くする。このように、供給側酸化剤ガス流路５ａと排出側酸化剤ガス流路５ｂの両方の流路幅を変化させることで、隔壁７ａの幅を、上流領域Ａ₃と下流領域Ｂ₃とで大きく変化させることができる。これにより、ガス拡散性を適切に設定することができ、電流密度分布を低減することができる。 In addition, here, for the supply-side oxidizing gas passage 5a discharge side oxidizing gas passage 5b, widening the passage width in the downstream region B _3. In this manner, by changing both the channel width of the supply-side oxidizing gas passage 5a and the discharge-side oxidizing gas passage 5b, the width of the partition wall 7a, the upstream region A ₃ and the downstream region B ₃ It can be changed greatly. Thereby, gas diffusivity can be set appropriately and current density distribution can be reduced.

なお、上記発明を実施するための最良の形態においては、セパレータ８の一方の面に酸化剤ガス流路５を、もう一方の面に燃料ガス流路６を形成したが、この限りではなく、酸化剤ガス流路５を設けたセパレータと燃料ガス流路６を設けたセパレータを別々に設けても良い。 In the best mode for carrying out the invention, the oxidant gas passage 5 is formed on one surface of the separator 8 and the fuel gas passage 6 is formed on the other surface. A separator provided with the oxidant gas flow path 5 and a separator provided with the fuel gas flow path 6 may be provided separately.

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることは言うまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. Yes.

本発明は、固体高分子型の燃料電池に適用することができる。 The present invention can be applied to a polymer electrolyte fuel cell.

第１の実施形態における燃料電池スタックの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell stack in 1st Embodiment. 第１の実施形態におけるセパレータの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the separator in 1st Embodiment. 第２の実施形態におけるセパレータの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the separator in 2nd Embodiment. 第３の実施形態におけるセパレータの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the separator in 3rd Embodiment. 第３の実施形態におけるガス拡散層の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the gas diffusion layer in 3rd Embodiment.

Explanation of symbols

１高分子電解質膜（電解質）
２電極（ガス拡散電極）
３ガス拡散層（ガス拡散電極）
３ａ酸化剤ガス拡散層
４膜電極接合体
５酸化剤ガス流路
５ａ供給側酸化剤ガス流路（供給流路）
５ｂ排出側酸化剤ガス流路（排出流路）
７隔壁
８セパレータ
１５行き止まり
２０燃料電池 1 Polymer electrolyte membrane (electrolyte)
2 electrodes (gas diffusion electrodes)
3 Gas diffusion layer (gas diffusion electrode)
3a Oxidant gas diffusion layer 4 Membrane electrode assembly 5 Oxidant gas channel 5a Supply side oxidizing gas channel (supply channel)
5b Discharge-side oxidant gas flow path (discharge flow path)
7 Bulkhead 8 Separator 15 Dead end 20 Fuel cell

Claims

A pair of gas diffusion electrodes disposed on both sides of the electrolyte;
A pair of separators sandwiching the gas diffusion electrode from the outside; and
Of the pair of separators, at least one separator is:
On the surface facing the gas diffusion electrode,
A plurality of supply flow paths for branching in parallel from the supply side manifold and having a downstream end dead end, and supplying a reaction gas to the gas diffusion electrode;
A plurality of discharge flow paths for branching in parallel from the discharge side manifold and having the upstream end dead end, and collecting the reaction gas from the gas diffusion electrode;
A partition partitioning each of the supply flow path and the discharge flow path,
Among the supply flow channel and the discharge flow channel, the flow channel width of at least one of the flow channels is wider on the downstream side than the upstream side, and
The partition wall partitioning the one flow path is narrower on the downstream side than the upstream side, and the supply flow path and the discharge flow path are adjacent to each other .

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the supply flow path and the discharge flow path are each configured in a comb shape branched in parallel from the supply side manifold and the discharge side manifold.

The width of the partition wall is configured to be narrowed stepwise from the upstream side to the downstream side.
Or the fuel cell of 2.

The width of the partition is configured to be continuously narrowed from the upstream side to the downstream side.
Or the fuel cell of 2.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the separator surface is a surface facing the surface of the gas diffusion electrode on the oxidant electrode side.

Any one of the porosity of the gas diffusion electrode, as compared with the upstream portion overlapping the flow direction upstream side of the reaction gas, according to claim 1 to 5 were significantly constituted by a downstream portion overlapping downstream facing the said separator surface A fuel cell according to claim 1.