JP5648293B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電気自動車に用いられる燃料電池に係り、より詳しくは発電性能を向上することができる燃料電池に関する。
一般に、燃料電池は、図１１に示すように多数枚の発電セル１２を積層することにより電池スタック１１を構成している。図１３に示すように前記発電セル１２を構成する一対のフレーム１３，１４の接合部には電極構造体１５が装着されている。この電極構造体１５は、固体電解質膜１６と、アノード側に位置する電極触媒層１７と、カソード側に位置する電極触媒層１８とを備えている。固体電解質膜１６の外周縁は、前記両フレーム１３，１４により挟着されている。前記電極触媒層１７の表面にはアノード側のガス拡散層１９が積層され、前記電極触媒層１８の表面にはカソード側のガス拡散層２０が積層されている。さらに、ガス拡散層１９の表面にはアノード側の燃料ガス流路Ｔを形成する第１ガス流路形成体２１が積層され、前記ガス拡散層２０の表面には、カソード側の酸化ガス流路Ｆを形成する第２ガス流路形成体２２が積層されている。前記第１ガス流路形成体２１の表面には平板状のセパレータ２３が接合され、第２ガス流路形成体２２の表面には平板状のセパレータ２４が接合されている。
図１１及び図１２に示すように、前記発電セル１２に形成された燃料ガスの導入通路Ｒ１から前記燃料ガス流路Ｔに燃料ガスが供給されるとともに、同じく前記発電セル１２に形成された酸化ガスの導入通路Ｍ１から酸化ガスが前記酸化ガス流路Ｆに供給されると、前記電極構造体１５において燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）が電気化学的に反応して発電が行われる。発電に供された燃料オフガスと酸化オフガスは、発電セル１２に形成された燃料オフガスの導出通路Ｒ２及び酸化オフガスの導出通路Ｍ２を通してそれぞれ外部に排出される。（特許文献１参照）
特開２００７‐２０７７２５号公報 特開２００３‐９２１２１号公報 特開２００１‐２５６９８８号公報 特開２００２‐１７５８２１号公報 特開２００６‐２１０００４号公報
ところが、従来の燃料電池は、図１２及び図１３に示すように、前記ガス流路形成体２１，２２の燃料ガス流路Ｔ及び酸化ガス流路Ｆがそれぞれ同形状に形成され、ガス流路の全長にわたって燃料ガス及び酸化ガスの圧力が図１４に示すようにそれぞれ直線的に降下するようになっていたので、次のような問題があった。
発電セル１２によって発電が行われると、水素と酸素の電気化学反応によって、周知のようにカソード側の電極触媒層１８及びガス拡散層２０に生成水が生成される。発電効率を向上するためには、燃料ガスと酸化ガスを加湿器によりそれぞれ加湿することによりガス流路に加湿水を供給して電極構造体１５の固体電解質膜１６を、発電時に電子が移動し易い湿潤状態にするのが望ましい。しかし、加湿器を用いると、部品点数が多くなり、加湿器を作動させる分、発電効率が低下する。そのため、無加湿方式も採用され、カソード側の生成水を利用するようになっている。図１４に示すように、カソード側の酸化ガスの入口圧力は、アノード側の燃料ガスの入口圧力よりも高く設定され、この圧力差によって生成水の一部は、前記電極構造体１５の固体電解質膜１６を浸透して、アノード側のガス拡散層１９及び第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔに浸透水として浸入する。従って、固体電解質膜１６が湿潤状態にあるため、発電の際にアノード側から電子が電極構造体１５の固体電解質膜１６を透過してカソード側に移動する際に、電気抵抗が低減されて、電子の移動が円滑に行われ、発電効率が向上する。
しかしながら、従来の燃料電池は、図１４に示すように、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の燃料ガス流路Ｔ及び酸化ガス流路Ｆのガスの圧力の下降勾配が直線Ｓａ，Ｓｋで示すようにそれぞれ変化し、途中で交差する。このため、アノード側の燃料ガス流路Ｔの圧力と、カソード側の酸化ガス流路Ｆの圧力との圧力差ΔＰは、図１４の領域Ａ及び領域Ｂに示すようになる。領域Ａではカソード側のガス流路Ｆの圧力がアノード側のガス流路Ｔの圧力よりも高いので、カソード側の生成水が電極構造体１５を通してアノード側に移動される。しかし、カソード側のガス流路の下流側においては、領域Ｂに示すように圧力の高低が逆転するので、生成水がアノード側へ移動されることはない。従って、固体電解質膜１６が湿潤状態とならず、発電時に電子が移動し難くなり、発電効率が低下する。
上述した燃料電池は、図１２及び図１３に示すように、アノード側の燃料ガスの流路方向と、カソード側の酸化ガスの流路方向が逆の所謂カウンターフロータイプのものである。前記アノード側の燃料ガスの流路方向と、カソード側の酸化ガスの流路方向とが同じの所謂コフロータイプの燃料電池の場合には、以下のような問題がある。
図１５に示すように、ガス流路Ｔ，Ｆのほぼ全域に亘ってカソード側の酸化ガス流路Ｆの直線Ｓｋで示す圧力がアノード側の燃料ガス流路Ｔの直線Ｓａで示す圧力よりも高く、圧力の高低が逆転することはないので、生成水のカソード側からアノード側への移動がガス流路Ｔ，Ｆの全域に亘って行われる筈である。しかし、ガス流路の下流側へ行くに従って、前記圧力差ΔＰが漸減するので、ガス流路の中流側及び下流側において、生成水のアノード側のガス流路Ｔへの移動を適正に行うことができないという問題がある。
上記の問題を解消するため、特許文献２に示すカウンターフロータイプの燃料電池が提案されている。この燃料電池は、図１６（ａ）に示すように、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔを上流から下流へ拡大させるとともに、図１６（ｂ） に示すように、酸化ガス流路Ｆを上流から下流へ減少させている。この燃料電池は、アノード側とカソード側の圧力差ΔＰが有効に作用する領域を、図１４に示す有効領域と比較して、図１７に示すようにある程度長くすることができる。しかし、前記圧力差ΔＰの前述した逆転領域がまだ存在するので、無加湿運転や高温環境下においては、固体電解質膜１６の湿潤状態を適正に保持する観点からは不十分である。
又、燃料電池の無加湿特性を向上するために、特許文献３〜５には、運転状態によって、燃料ガス及び酸化ガスの圧力を調整する背圧調整弁を備えた燃料電池も提案されている。これらの燃料電池においては、酸化ガス流路側の出口弁を絞り、酸化ガスの圧力を高くすることにより、カウンターフロータイノの場合には、図１８（ａ）に示すように、コフロータイプの場合には、図１８（ｂ）に示すように、前記圧力差ΔＰが大きくなるようにしている。しかしながら、上記の燃料電池は、前記圧力差ΔＰを大きくして、固体電解質膜１６の広い領域を湿潤状態に保持することができる反面、酸化ガスの入口側の導入圧力を高くしなければならないので、エアコンプレッサの補機動力損が増大し、燃料電池の発電効率の低下を招くことになる。
上記の補機損失を抑制する対策として、カウンターフロータイプの場合には、図１９（ａ）に示すように、コフロータイプの場合には、図１９（ｂ）に示すように、酸化ガス流路及び燃料ガス流路の圧力損失を大幅に低下させるとともに、酸化ガスの入口側の導入圧力を増大させないようにする構成も考えられる。しかしながら、この燃料電池においては、極めて圧損の低い流路を各発電セル間でバラツキなく製造する高度な技術が必要とされ、実現性に乏しい。
本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、発電効率の低下を抑制することができる燃料電池を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、前記両ガス流路形成体の表面には、セパレータが接触され、前記両ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、ガス流路を形成するための複数の突部とを備え、前記セパレータと、前記平板部との間に水流路が形成され、該水流路と前記ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された開口を連通孔とすることにより連通され、前記水流路の深さは、前記ガス流路の深さよりも浅く設定され、水が前記ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれて、ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出されるように構成され、前記高圧損流路は、前記平板部に対する前記突部の形成数を多くすることにより形成され、前記低圧損流路は、前記平板部に対する前記突部の形成数を少なくすることにより形成されていることを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、前記第２ガス流路形成体の表面には、セパレータが接触され、該第２ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、酸化ガス流路を形成するための複数の突部とを備え、前記セパレータと、前記平板部との間に水流路が形成され、該水流路と前記酸化ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された開口を連通孔とすることにより連通され、前記水流路の深さは、前記酸化ガス流路の深さよりも浅く設定され、水が前記酸化ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれて、酸化ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出されるように構成され、第２ガス流路形成体には、前記酸化ガス流路の下流側の通路面積を減少させて絞り通路を形成することにより高圧損流路を形成するための高圧損流路形成部が設けられ、前記水流路の下流端を前記絞り通路に開口したことを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路は、通路面積が同じ複数条の流路溝によって形成され、高圧損流路は、各流路溝を蛇行溝とすることにより形成され、低圧損流路は、各流路溝をストレート溝とすることにより形成されていることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側の導入通路を、高圧損流路とし、燃料ガス流路の全域を、低圧損流路とし、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の全域を、低圧損流路とし、下流側の導出通路を高圧損流路としたことを要旨とする。
（作用）
本発明においては、燃料ガス流路の上流側が高圧損流路となっている場合には、該上流側において圧力損失が大きく、圧力の低下が急激となり、中流側及び下流側において圧力損失が小さく、圧力の低下が緩やかとなる。又、酸化ガス流路の下流側が高圧損流路となっている場合には、上流側及び中流側において圧力損失が小さく、圧力の低下が緩やとなり、下流側において圧力損失が大きく、圧力の低下が急激となる。このため、酸化ガス流路の酸化ガスの圧力と、燃料ガス流路の燃料ガスの圧力との圧力差がガス流路の長い領域にわたって大きくなり、前記圧力差によりカソード側の酸化ガス流路の生成水が電極構造体の固体電解質膜を通してアノード側に流れ、固体電解質膜が湿潤状態に保たれる。この結果、発電の際に電子がカソード側からアノード側に円滑に移動され、発電効率が向上する。
本発明によれば、カソード側の酸化ガスの圧力と、アノード側の燃料ガスの圧力との圧力差を、ガス流路の長い領域にわたって適正に保持することができ、カソード側の酸化ガス流路に生成された生成水が電極構造体の固体電解質膜を通してアノード側の燃料ガス流路に適正に移動され、固体電解質膜を湿潤状態に保持して、発電の際のカソード側からアノード側への電子の移動を円滑に行い、発電効率を向上することができる。
この発明の燃料電池を具体化した第１実施形態を示す図１１の１−１線における断面図。 第１，第２ガス流路形成体の部分斜視図。 第１，第２ガス流路形成体の部分平面図。 ガス流路の流路長さとガスの圧力との関係を示すグラフ。 この発明の第２実施形態の発電セルの断面図。 第２実施形態の燃料電池のガス流路の流路長さとガスの圧力との関係を示すグラフ。 この発明の第３実施形態の燃料電池の発電セルの断面図。 第３実施形態の第２ガス流路形成体の部分斜視図。 （ａ）〜（ｃ）は、この発明の別の実施形態を示す第１及び第２ガス流路形成体の略体平面図。 この発明の別の実施形態を示す発電セルの略体分解斜視図。 燃料電池スタックを示す略体斜視図。 従来の発電セルの略体分解斜視図。 従来の発電セルの図１１の１−１線における断面図。 従来のカウンターフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との関係を示すグラフ。 従来のコフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は、従来の発電セルの燃料ガス及び酸化ガスの流路とガスの流路方向を説明する正面図。 従来の発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は、従来のカウンターフロータイプ及びコフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は、従来のカウンターフロータイプ及びコフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との関係を示すグラフ。
（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料電池をカウンターフロータイプのものに具体化した第１実施形態を図１〜図４及び図１１に従って説明する。
図１１に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック１１は、固体高分子型の燃料電池であり、積層された多数の発電セル１２によって構成されている。
図１に示すように、発電セル１２は、四角枠状をなす合成ゴム等の合成樹脂製の第１，第２フレーム１３，１４内に、電極構造体としてのＭＥＡ１５（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ: 膜電極接合体）を備えている。第１フレーム１３は、その内側に燃料ガスの流路空間１３ａを区画しており、第２フレーム１４は、その内側に酸化ガスの流路空間１４ａを区画している。前記ＭＥＡ１５は、両フレーム１３，１４間に配設されている。前記発電セル１２は、前記燃料ガスの流路空間１３ａに収容されたフェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金或いはカーボンよりなる第１ガス流路形成体２１と、前記酸化ガスの流路空間１４ａに収容されたフェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、カーボン、金鍍金を施したチタン合金、或いは金合金よりなる第２ガス流路形成体２２とを備えている。さらに、前記発電セル１２は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金或いはカーボンよりなるそれぞれ平板状の第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４を備えている。第１セパレータ２３は、第１フレーム１３及び第１ガス流路形成体２１の図示上面に図示しないシールリングを介して接合されている。第２セパレータ２４は、フレーム１４及び第２ガス流路形成体２２の図示下面に図示しないシールリングを介して接合されている。
前記ＭＥＡ１５は、固体電解質膜１６と、第１電極触媒層１７及び第２電極触媒層１８と、導電性を有する第１ガス拡散層１９及び第２ガス拡散層２０とにより構成されている。第１電極触媒層１７は、電解質膜１６のアノード側の面、即ち図示上面に積層された触媒により形成されており、第２電極触媒層１８は、電解質膜１６のカソード側の面、即ち図示下面に積層された触媒によって形成されている。ガス拡散層１９，２０は、電極触媒層１７，１８の表面にそれぞれ接触されている。
前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。前記電極触媒層１７，１８は、図示しないが炭素粒子を備えており、炭素粒子の表面には、多数の白金（Ｐｔ）からなる触媒粒子が付着している。前記触媒粒子による触媒作用により、燃料電池の発電が行われる際にその発電効率を高めることができる。前記ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーにより構成されている。
次に、前記第１及び第２ガス流路形成体２１，２２について説明する。アノード側に位置する第１ガス流路形成体２１と、カソード側に位置する第２ガス流路形成体２２とは、同一構成となっているので、第１ガス流路形成体２１について説明する。
図２において、矢印Ｐを燃料ガス流方向Ｐとする。前記第１ガス流路形成体２１は、前記セパレータ２３に近接配置される平板部２５と、該平板部２５に前記ガス拡散層１９に接触するように一体に切り起こし成形され、かつ前記燃料ガス流方向Ｐと直交するＱ方向から見て偏平台形状をなす第１突部２６と、平板部２５に同じくガス拡散層１９に接触するように切り起こし成形され、かつ前記Ｑ方向から見て山形状をなす第２突部２７とを備えている。又、第１ガス流路形成体２１は、平板部２５に同じくガス拡散層１９に接触するように一体に切り起こし成形され、かつＱ矢印方向から見て横Ｌ字状をなす第３突部２８とを備えている。
図２及び図３に示すように、前記平板部２５は、前記第１〜第３突部２６〜２８の切り起こし成形によって、燃料ガス流方向Ｐに延びる帯状をなす多数の帯板部２５ａによって構成されている。各帯板部２５ａの燃料ガス流方向Ｐの長さは、本実施形態では長・中・短の三段階に異なるように設定されている。図１に示すように前記ガス拡散層１９と各帯板部２５ａとの間には、多数箇所に散在する前記第１〜第３突部２６〜２８によって燃料ガスの拡散性に優れた複雑に蛇行する燃料ガス流路Ｔが形成されている。
図２に示すように、前記各帯板部２５ａのうち最も短い帯板部２５ａには、前記セパレータ２３に接触するように、かつＱ矢印方向から見て小さい半円弧状をなす水流路形成突部２９が押し出し成形されている。図１及び図２に示すように、前記水流路形成突部２９によってセパレータ２３と各帯板部２５ａとの間に所定の隙間が形成され、この隙間が生成水を燃料ガス流方向Ｐの上流側から下流側に導くための水流路３０となっている。
前記第１〜第３突部２６〜２８の切り起こしによって各突部２６〜２８の燃料ガス流方向Ｐから見て左右両側に成形された開口が前記燃料ガス流路Ｔと水流路３０を連通する連通路３１となっている。前記燃料ガス流路Ｔの深さ（例えば１００μｍ〜５００μｍ）は、水流路３０の深さ（５μｍ〜２０μｍ）よりも深く形成され、水流路３０の毛管作用によって、燃料ガス流路Ｔ側の生成水が連通路３１を通して水流路３０に吸い込まれるようにしている。
次に、本実施形態の要部構成について説明する。
図２及び図３に示すように、前記第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流方向Ｐの上流側（図示右側）の第１〜第３突部２６〜２８は、燃料ガス流路Ｔの燃料ガスの流動抵抗が大きくなって圧力損失が大きく、圧力が急激に降下するように多数箇所に高い密度で配設されている。この第１ガス流路形成体２１の上流側の圧力損失が大きい燃料ガス流路Ｔを、高圧損流路Ｔｈという。一方、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流方向Ｐの中流側及び下流側（図示左側）の第１〜第３突部２６〜２８は、燃料ガス流路Ｔの燃料ガスの流動抵抗が弱くなって圧力損失が小さく、圧力が緩やかに低くなるように低い密度で配設されている。この第１ガス流路形成体２１の中流側及び下流側の燃料ガス流路Ｔを、低圧損流路Ｔｌという。
図１に示すカソード側に配設された第２ガス流路形成体２２は、前述したように、図２に示す前記第１ガス流路形成体２１と同様に構成されている。又、図１において、矢印Ｕは、酸化ガス流方向Ｕを示す。この酸化ガス流方向Ｕは前記燃料ガス流方向Ｐ（図示左）と逆（図示右）方向となるようにしている。第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流方向Ｕの上流側（図示左側）及び中流側において、酸化ガス流路Ｆの酸化ガスの流動抵抗が小さくなって圧力が緩やかに低くなるように前記第１〜第３突部２６〜２８が低い密度で配設されている。この上流側及び中流側の酸化ガス流路Ｆを低圧損流路Ｆｌという。反対に、酸化ガス流路Ｆの下流側（図示右側）において、酸化ガスの流動抵抗が大きくなって圧力損失が急激に高くなり、圧力の降下が急激になるように第１〜第３突部２６〜２８が高い密度で配設されている。この酸化ガス流路Ｆの下流側を高圧損流路Ｆｈという。
図１に示すように、前記各発電セル１２のフレーム１３，１４及びセパレータ２３，２４には、図示しない燃料ガス供給源（例えば水素ボンベ）から燃料ガス（水素ガス）を前記燃料ガス流路Ｔへ供給するための導入通路Ｒ１が形成されるとともに、発電に供された燃料オフガスを外部に導出するための導出通路Ｒ２が形成されている。前記発電セル１２のフレーム１３，１４及びセパレータ２３，２４には、図示しない酸化ガス供給源（例えばコンプレッサ）から酸化ガス（空気）を前記酸化ガス流路Ｆへ導入するための導入通路Ｍ１が形成されるとともに、発電に供された酸化オフガスを外部に導出するための導出通路Ｍ２が形成されている。
次に、前記のように構成した燃料電池の作用について説明する。
図１において、燃料（水素）ガスは、前記導入通路Ｒ１から前記第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔ内に供給され、燃料ガス流方向Ｐ（図示左方）に流れる。燃料ガスは、ガス流路Ｔ内において第１ガス拡散層１９を通過することによって拡散されて、第１電極触媒層１７に均一に供給される。図１において、コンプレッサによって供給された酸化（酸素）ガスは、前記導入通路Ｍ１を通して、前記第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆに供給され、酸化ガス流方向Ｕ（図示右方）に流れる。酸化ガスは、酸化ガス流路Ｆ内において第２ガス拡散層２０を通過することによって拡散されて、電極触媒層１８に均一に供給される。燃料（水素）ガスと酸化（酸素）ガスとの供給により、ＭＥＡ１５において電極反応が発生し、発電が行われる。その結果、積層された複数の発電セル１２によって構成された燃料電池スタック１１から、所望の電力が出力される。
発電の際に用いられなかった一部の燃料ガスは、燃料オフガスとして第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔから導出通路Ｒ２を通って外部に排出される。発電の際に用いられなかった酸化ガスは、酸化ガス流路Ｆから酸化オフガスとして導出通路Ｍ２を通って外部に排出される。
前述したＭＥＡ１５における電極反応によって、カソード側の第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆに生成水が生成される。この生成水の一部は、酸化ガス流路Ｆ内を流れる酸化ガスの流動圧力によって導出通路Ｒ２に排出される。前記生成水の一部は、酸化ガス流路Ｆ内の酸化ガスの圧力が燃料ガス流路Ｔ内の燃料ガスの圧力よりも高いので、その圧力差により、カソード側の前記第２電極触媒層１８、固体電解質膜１６、第１電極触媒層１７及び第１ガス拡散層１９を浸透して、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔへ浸透水として流入する。この浸透水はガス流路Ｔ内を流れる燃料ガスの流動圧力によって導出通路Ｍ２へ排出される。
第１実施形態の燃料電池によれば、以下のような利点を得ることができる。
（１）第１実施形態では、前記アノード側及びカソード側のガス流路形成体２１，２２の燃料ガス流方向Ｐ及び酸化ガス流方向Ｕを逆方向に設定し、アノード側の燃料ガス流路Ｔの上流側を高圧損流路Ｔｈとし、ガス流路Ｔの中流側及び下流側を、低圧損流路Ｔｌとし、カソード側の酸化ガス流路Ｆの上流側及び中流側を、低圧損流路Ｆｌとし、下流側を高圧損流路Ｆｈとした。このため、図４に示すように、燃料ガス流路Ｔの上流側において圧力損失が大きく、圧力曲線Ｌａで示すように圧力が急激に降下し、中流側及び下流側において圧力損失が低く、圧力の低下が緩やかとなる。一方、酸化ガス流路Ｆの上流側及び中流側において圧力損失が低く、圧力曲線Ｌｋで示すように、圧力の低下が緩やかとなり、下流側において圧力損失が大きく、圧力の低下が急激となる。このため、酸化ガス流路Ｆの圧力と燃料ガス流路Ｔの圧力との圧力差ΔＰがガス流路Ｔ，Ｆのほぼ全域にわたって大きくなり、カソード側の酸化ガス流路Ｆの生成水が電極構造体１５の固体電解質膜１６を通してアノード側の燃料ガス流路Ｔに適正に流れ、固体電解質膜１６が湿潤状態に保たれる。従って、発電の際に電子がカソード側から固体電解質膜１６を通してアノード側に円滑に移動され、発電効率を向上することができる。
（２）第１実施形態では、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の平板部２５とセパレータ２３，２４との間に水流路３０を形成し、燃料ガス流路Ｔ、酸化ガス流路Ｆと水流路３０とを連通路３１によって連通した。このため、燃料ガス流路Ｔ、酸化ガス流路Ｆ内の水を毛細管作用により連通路３１を通して水流路３０に取り込むことができる。従って、前記ガス拡散層１９，２０の表面に水滴が多量に付着して、燃料ガス及び酸化ガスガスの供給が阻害されることはなく、電極構造体１５への燃料ガス及び酸化ガスの供給不足を解消し、発電効率を向上することができる。
（３）第１実施形態では、平板部２５に第１〜第３突部２６，２７，２８を成形するとともに、水流路形成突部２９を成形したので、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の製造を容易に行い、製造コストを低減することができる。
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を図５及び図６に基づいて説明する。以下に示す各実施形態において、前述した第１実施形態と同様の機能を有する部材については、同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態との異なる構成、作用及び効果を中心に説明する。
この第２実施形態においては、図５に示すように、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆの酸化ガス流方向Ｕ（図示左方）が前記第１ガス流路形成体２１側の燃料ガス流方向Ｐ（図示左方）と同じのコフロータイプの燃料電池に具体化されている。図５において、フレーム１３，１４の流路空間１３ａ，１４ａには、図２に示す第１及び第２ガス流路形成体２１，２２が反転して収容されている。そして、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆの上流側（図示右側）及び中流側の領域を低圧損流路Ｆｌとし、下流側（図示左側）の領域を高圧損流路Ｆｈとしている。前記導入通路Ｍ１はフレーム１３，１４及びセパレータ２３，２４の右側に、導出通路Ｍ２は左側に形成されている。
次に、第２実施形態の燃料電池の作用について説明する。
第２実施形態の燃料電池においては、発電が行われると、図６に示すように、第１ガス流路形成体２１の上流側の高圧損流路Ｔｈによって燃料ガスの圧力が圧力曲線Ｌａで示すように急激に降下し、中流側及び下流側の低圧損流路Ｔｌによって燃料ガスの圧力が緩やかに降下する。一方、第２ガス流路形成体２２の上流側及び中流側の低圧損流路Ｆｌによって、酸化ガスの圧力が圧力曲線Ｌｋで示すように緩やかに降下し、高圧損流路Ｆｈによって、酸化ガスの圧力が急激に降下する。このため、酸化ガスの圧力と燃料ガスの圧力との圧力差ΔＰがガス流路の全長にわたって大きい状態に保持され、カソード側から電極構造体１５の固体電解質膜１６を通してアノード側への生成水の移動を適正に行い、固体電解質膜１６を湿潤状態に保持して、発電の際に電子の移動を促進し、発電効率を向上することができる。
（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態を図７及び図８に基づいて説明する。
この第３実施形態においては、前記第２ガス流路形成体２２が図８に示すように構成されている。前記第２ガス流路形成体２２の平板部２５には、前記第１突部２６の形成長さを短くした多数の突部２６及び水流路形成突部２９がそれぞれ点在するように成形されている。突部２６を半円弧状にしてもよい。
図８に示すように、対を成す２つの突部２６は、酸化ガス流方向Ｕと直交する方向Ｑにおいて隣接している。さらに、一対の突部２６のうち、酸化ガス流方向Ｕの上流側に位置する突部２６の下流端部は、酸化ガス流方向Ｕの下流側に位置する突部２６の上流端部に隣接している。前記水流路形成突部２９は、酸化ガス流方向Ｕの上流側から前記突部２６の上流端部に隣接するように成形されている。
各突部２６は、酸化ガス流方向Ｕにおいて所定の間隔を隔てて列状に配設されている。列状をなす突部２６の複数の群は、酸化ガス流方向Ｕと直交する方向Ｑにおいて、所定の幅Ｄだけ離隔されて配置されている。平板部２５には、互いに平行な複数の帯板部２５ａが形成されている。帯板部２５ａとセパレータ２３との間には、前記水流路３０の一部である帯状水流路３０ａが形成されている。各帯状水流路３０ａは、酸化ガス流方向Ｕにおいて平板部２５とセパレータ２３との全長にわたって延びている。各一対の突部２６は、酸化ガス流方向Ｕにおいて所定の間隔Ｅだけ離隔されており、平板部２５には、前記帯板部２５ａと交差する平板部２５ｂが形成されている。前記平板部２５ｂとセパレータ２３との間には、前記水流路３０の一部であるバイパス水流路３０ｂが形成されている。
図７及び図８に示すように、前記第２ガス流路形成体２２の下流側（図示左側）端部には、高圧損流路Ｆｈを形成するための高圧損流路形成部としての高圧損流路形成板３５が前記突部２６の高さの約半分くらいの高さに隆起するように成形されている。この高圧損流路形成板３５の先端部には、セパレータ２４に接触する屈曲板部３６が成形されている。前記セパレータ２４と高圧損流路形成板３５との間には水流路３０から流出された水を一時的に貯留するための貯留室３７が形成されている。前記高圧損流路形成板３５には貯留室３７内の水を流出するためのスリット状の開口３８が複数箇所に形成されている。図７に示すように、前記高圧損流路形成板３５とガス拡散層２０との間には、酸化ガス流路Ｆの通路面積が狭くなる絞り通路３９が形成されている。
アノード側の第１ガス流路形成体２１は、第１実施形態の第１ガス流路形成体２１を用いてもよいが、この第３実施形態では、図８に示す第２ガス流路形成体２２の前記高圧損流路形成板３５〜開口３８を省略するとともに、前記突部２６の形成個数を高圧損流路Ｔｈと低圧損流路Ｔｌで相違させたものを用いている。
次に、第３実施形態の燃料電池の作用及び効果について説明する。
図７において、第２ガス流路形成体２２によって形成されるガス流路Ｆ内を流れる酸化ガスは、酸化ガス流方向Ｕの下流側において、前記高圧損流路形成板３５によって高圧損流路Ｆｈが形成されている。このため、前述した酸化ガス流路Ｆと燃料ガス流路Ｔのガスの圧力差ΔＰが大きくなって、生成水の一部がカソード側から電極構造体１５を通してアノード側に適正に移動し、固体電解質膜１６が湿潤状態となり、発電時に電子の移動を円滑に行い、発電効率を向上することができる。
前記高圧損流路形成板３５とガス拡散層２０との間に形成された絞り通路３９を流れる酸化ガスの流速が速くなるので、ベンチュリー効果により前記貯留室３７内の水が絞り通路３９内に吸い出される。このため、水流路３０内の水の排出が適正に行われ、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆの壁面に付着する水滴の量を低減して、酸化ガスの電極構造体１５への供給を適正に行い、発電効率を向上することができる。
又、第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆの生成水の排水性能が向上するので、発電停止後に、酸化ガス流路Ｆ内に残留する水を低減し、残留水による電極触媒層１８の局部的な劣化を抑制することができ、耐久性を向上することができる。さらに、発電時に、電極触媒層１８に酸化ガスを適正に供給できるので、各発電セル１２の酸化ガス流路Ｆの酸化ガスの供給量のバラツキが抑制され、電池スタック１１の出力を向上することができる。
（変形例）
なお、本発明は以下のような実施形態に変更してもよい。
・図９（ａ）に示すように、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の平板部４１に、高圧損流路を形成するため複数条の通路面積が小さいガス流路４１ａを形成するとともに、各ガス流路４１ａの下流側に、低圧損流路を形成するため通路面積の大きいガス流路４１ｂを形成するようにしてもよい。図９（ｂ）に示すように、前記ガス流路４１ａとガス流路４１ｂとを同じ通路面積とし、前記ガス流路４１ａの内側面に凹部４１ｃを形成して、圧力損失が大きくなるようにしてもよい。図９（ｃ）に示すように、平板部４１に対し、高圧損流路を形成するため複数条の蛇行ガス流路４１ｄを形成し、低圧損流路を形成するためのストレートガス流路４１ｅを形成してもよい。
上記各実施形態では、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２と、セパレータ２３，２４とを一体にすることができ、部品点数を低減して、製造を容易に行い、コストを低減することができる。
・図１０に示すように、カウンターフロータイプの燃料電池において、燃料ガスの導入通路Ｒ１に高圧損流路Ｔｈを設けるとともに、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔの全域を低圧損流路Ｔｌとする。一方、酸化オフガスの導出通路Ｍ２に高圧損流路Ｆｈを設け、第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆの全域を低圧損流路Ｆｌとしてもよい。又、コフロータイプの燃料電池において、図示しないが、導入通路Ｒ１に高圧損流路Ｔｈを設けるとともに、燃料ガス流路Ｔの全域を低圧損流路Ｔｌとする。一方、酸化オフガスの導出通路Ｍ２に高圧損流路Ｆｈを設けるとともに、第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆの全域を低圧損流路Ｆｌとしてもよい。これらの実施形態では、ガス流路Ｔ，Ｆの全域において、前記圧力差ΔＰを有効圧力差に保持することができ、さらに、固体電解質膜１６の全域を湿潤状態にして、発電効率を一層向上することができる。
・図示しないが、第１ガス流路形成体２１側のみに高圧損流路Ｔｈ及び低圧損流路Ｔｌを設け、第２ガス流路形成体２２側を、圧力損失が直線的に変化する通常のガス流路としてもよい。又、第２ガス流路形成体２２側のみに高圧損流路Ｆｈ及び低圧損流路Ｆｌを設け、第１ガス流路形成体２１側を、圧力損失が直線的に変化する通常のガス流路としてもよい。
・図示しないが、ラスカットメタルによって、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２を成形し、ラスカットメタルの多数の貫通孔の径を相違させることにより、高圧損流路と、低圧損流路とを成形するようにしてもよい。
・図示しないが、前記水流路形成突部２９に相当する機能を有する突起を前記セパレータ２３，２４に形成してもよい。
・前記第２ガス流路形成体２２と別体に、高圧損流路形成板３５と同様の機能を有する部材を配設してもよい。
Ｆ…酸化ガス流路、Ｆ，Ｔ，４１ａ，４１ｂ…ガス流路、Ｑ…方向、Ｔ…燃料ガス流路、Ｆｈ，Ｔｈ…高圧損流路、Ｆｌ，Ｔｌ…低圧損流路、Ｍ１，Ｒ１…導入通路、Ｍ２，Ｒ２…導出通路、１７，１８…電極触媒層、２１…第１ガス流路形成体、２２…第２ガス流路形成体、２３，２４…セパレータ、２５，２５ｂ，４１…平板部、２６〜２８…第１〜第３突部、３０…水流路、３８…開口、３９…絞り通路。

Claims (4)

  1. 電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、
    前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、
    前記両ガス流路形成体の表面には、セパレータが接触され、前記両ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、ガス流路を形成するための複数の突部とを備え、前記セパレータと、前記平板部との間に水流路が形成され、該水流路と前記ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された開口を連通孔とすることにより連通され、前記水流路の深さは、前記ガス流路の深さよりも浅く設定され、水が前記ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれて、ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出されるように構成され、前記高圧損流路は、前記平板部に対する前記突部の形成数を多くすることにより形成され、前記低圧損流路は、前記平板部に対する前記突部の形成数を少なくすることにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
  2. 電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、
    前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、
    前記第２ガス流路形成体の表面には、セパレータが接触され、該第２ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、酸化ガス流路を形成するための複数の突部とを備え、前記セパレータと、前記平板部との間に水流路が形成され、該水流路と前記酸化ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された開口を連通孔とすることにより連通され、前記水流路の深さは、前記酸化ガス流路の深さよりも浅く設定され、水が前記酸化ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれて、酸化ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出されるように構成され、第２ガス流路形成体には、前記酸化ガス流路の下流側の通路面積を減少させて絞り通路を形成することにより高圧損流路を形成するための高圧損流路形成部が設けられ、前記水流路の下流端を前記絞り通路に開口したことを特徴とする燃料電池。
  3. 電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、
    前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、
    前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路は、通路面積が同じ複数条の流路溝によって形成され、高圧損流路は、各流路溝を蛇行溝とすることにより形成され、低圧損流路は、各流路溝をストレート溝とすることにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
  4. 電解質膜のアノード側の面及びカソード側の面に積層された電極触媒層と、前記両電極触媒層にそれぞれ積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記両ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられたセパレータとを備えるとともに、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路にガスを導入する導入通路及び燃料オフガス及び酸化オフガスを導出する導出通路とを備えた燃料電池において、
    前記第１及び第２ガス流路形成体の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向を同方向又は逆方向に設定し、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の下流側との少なくとも一方を高圧損流路とし、第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の中流側及び下流側と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流側及び中流側との少なくとも一方を低圧損流路とし、
    第１ガス流路形成体の燃料ガス流路の上流側の導入通路を、高圧損流路とし、燃料ガス流路の全域を、低圧損流路とし、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の全域を、低圧損流路とし、下流側の導出通路を高圧損流路としたことを特徴とする燃料電池。
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