WO2004079843A1 - 燃料電池、燃料電池用酸化剤配流板 - Google Patents

燃料電池、燃料電池用酸化剤配流板 Download PDF

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WO2004079843A1
WO2004079843A1 PCT/JP2004/002506 JP2004002506W WO2004079843A1 WO 2004079843 A1 WO2004079843 A1 WO 2004079843A1 JP 2004002506 W JP2004002506 W JP 2004002506W WO 2004079843 A1 WO2004079843 A1 WO 2004079843A1
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fuel
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reaction
fuel cell
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Yixin Zeng
Katsuhiro Kajio
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Aisin Seiki Kabushiki Kaisha
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell having a distribution plate, and an oxidant distribution plate for a fuel cell.
  • Patent Document 1 discloses that a fuel distribution plate is formed of a porous body, and an oxidant distribution plate is formed of a porous body.
  • a water passage is formed on the back side of the fuel distribution plate, and water flows on the back side of the oxidant distribution plate.
  • a polymer electrolyte fuel cell having a passage is disclosed. According to Patent Document 1, water in each water passage can be supplied to the MEA side through the pores of the porous fuel distribution plate and the pores of the oxidizing agent distribution plate, and excessive drying of the electrolyte membrane can be prevented. Can be suppressed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-33383838
  • Patent Document 2 Patent No. 2922 21 32 (Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 8-250130)
  • Patent Document 4 U.S. Pat.
  • the fuel cell according to the present invention includes: an electrolyte membrane having ion conductivity; an oxidant electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane; and a fuel electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane.
  • a fuel cell comprising: an oxidant distribution plate provided opposite to an oxidant electrode to supply oxidant gas to the oxidant electrode; and a fuel distribution plate provided opposite to the fuel electrode to supply fuel to the fuel electrode.
  • At least one of the oxidant distribution plate and the fuel distribution plate is provided.
  • the back flow channel formed on the back surface facing the membrane electrode assembly and the back flow channel formed on the facing surface facing the membrane electrode assembly flowed through the back flow channel. And a reaction channel through which the oxidant gas or fuel flows.
  • the oxidizing agent distribution plate according to the present invention is an oxidizing agent distribution plate provided to face an oxidizing electrode of a membrane-electrode assembly of a fuel cell and supplying an oxidizing gas to the oxidizing electrode,
  • O having a reaction channel through which the oxidant gas flowing through the counter flow channel flows.
  • At least one of the oxidant distribution plate and the fuel distribution plate is formed on the back surface facing the membrane-electrode assembly.
  • a reaction channel formed on the surface facing the membrane-electrode assembly, connected to the back channel, and through which the oxidant gas flowing through the back channel flows.
  • the back flow path and the reaction flow path have a front and back relationship in the flow distribution plate. Then, the oxidizing gas or the fuel flows through the back flow path, and then flows through the reaction flow path having the front and back sides.
  • a fuel cell and an oxidizing agent distribution plate adopting a method in which a flow from a back flow passage of a distribution plate to a reaction flow path in a front-to-back relationship is provided.
  • the MEA is backed by effectively utilizing the water inside the fuel cell. It is possible to provide a fuel cell capable of humidifying the acid gas before reaction and / or the fuel before reaction in the fuel cell in the back flow path formed on the opposite back surface. In other words, a “self-humidifying structure inside the cell” can be realized. For this reason, it is possible to reduce or eliminate the humidifying device for humidifying the oxidizing gas and Z or the fuel before being supplied to the fuel cell.
  • the oxidizing agent distribution plate when the oxidizing agent distribution plate is made porous, the water generated at the oxidizing electrode by the power generation reaction is effectively used, that is, the water generated at the oxidizing electrode by the power generating reaction is effectively used.
  • the oxidant distribution plate in the thickness direction of the oxidant distribution plate in the thickness direction of the oxidant distribution plate Through the oxidant distribution plate in the thickness direction of the oxidant distribution plate in the thickness direction of the oxidant distribution plate, the oxidant gas before reaction flowing through the back flow channel of the oxidant distribution plate facing the MEA is humidified in the fuel cell. And a fuel cell that can be used.
  • the fuel distribution plate when the fuel distribution plate is made porous, the water or moisture based on the water generated by the power generation reaction can be effectively used by effectively utilizing the water generated by the power generation reaction.
  • the fuel gas By allowing the fuel gas to permeate in the thickness direction of the distribution plate, it is possible to provide a fuel cell capable of humidifying the fuel gas before reaction flowing in the back flow passage of the fuel distribution plate facing the MEA in the fuel cell.
  • the oxidizing gas or the fuel supplied to the fuel cell when the temperature of the oxidizing gas or the fuel supplied to the fuel cell is low, when the oxidizing gas or the fuel flows through the backward flow path of the distribution plate, the oxidant flowing through the back flow path It can be expected that gas and fuel will be preheated inside the fuel cell. Also, when the temperature of the oxidizing gas or fuel supplied to the fuel cell is too high, the oxidizing gas or fuel flowing through the back flow passage is displaced when the oxidizing gas or fuel flows through the back flow passage of the distribution plate. Pre-cooling can be expected.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the concept of a fuel cell according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the concept of a fuel cell according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the concept of a fuel cell according to the third embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the concept of a fuel cell according to the fourth embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a concept of a fuel cell according to a fifth embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the concept of a fuel cell according to the seventh embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in the pore diameter from the upstream end to the downstream end of the oxidizing agent distribution plate according to the seventh embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the concept of a fuel cell according to the ninth embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing a change in pore diameter from the upstream end to the downstream end of the oxidizing agent distribution plate according to the ninth embodiment.
  • FIG. 10 is a sectional view schematically showing the concept of a fuel cell according to the tenth embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in pore diameter from the upstream end to the downstream end of the oxidizing agent distribution plate according to the tenth embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the concept of the fuel cell according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 13 (A) to FIG. 13 (C) are diagrams showing the oxidizing agent distribution plate of the embodiment 1.
  • FIG. 3 (A) is a plan view of the oxidizing agent distribution plate
  • FIG. 13 (B) is a cross-sectional view of the oxidizing agent distribution plate
  • FIG. 13 (C) is a rear view of the oxidizing agent distribution plate.
  • FIGS. 14 (A) to 14 (C) are diagrams showing the oxidizing agent distribution plate of the form 2, and FIG.
  • FIG. 4 (A) is a plan view of the oxidizing agent distribution plate
  • FIG. 14 (B) is a cross-sectional view of the oxidizing agent distribution plate
  • FIG. 14 (C) is a rear view of the oxidizing agent distribution plate.
  • FIGS. 15 (A) to 15 (C) are diagrams showing the oxidizing agent distribution plate of the form 3, and FIG.
  • FIG. 5 (A) is a plan view of the oxidizing agent distribution plate
  • FIG. 15 (B) is a cross-sectional view of the oxidizing agent distribution plate
  • FIG. 15 (C) is a rear view of the oxidizing agent distribution plate.
  • At least one of the oxidant distribution plate and the fuel distribution plate has a back flow path formed on a back surface facing the membrane / electrode assembly, and faces the membrane / electrode assembly. And a reaction flow path formed on the opposite surface and communicating with the back flow path and through which the oxidizing gas or fuel flowing through the back flow path flows.
  • Back facing means back to back.
  • Opposition means facing each other.
  • the back flow path and the reaction flow path are in front and back of the flow distribution plate, and communicate with each other. The oxidizing gas and fuel gas flow through the reaction flow path after flowing through the back flow path, and generate power. used.
  • the porosity of the oxidizing agent distribution plate can be exemplified by a mode in which the downstream region of the reaction channel is relatively larger than the upstream region of the reaction channel.
  • This is advantageous in that moisture accumulated in the downstream region of the reaction flow path is transmitted in the thickness direction of the oxidizing agent distribution plate, and humidifies the oxidizing gas in the back flow path.
  • the active material of the oxidizing gas in the back flow passage is permeated in the thickness direction of the oxidizing agent distribution plate, which is advantageous in replenishing the downstream region of the reaction flow passage.
  • the downstream area and the upstream area of the reaction channel indicate relative positions in the reaction channel.
  • the downstream region of the reaction channel generally refers to the downstream half of the channel length of the reaction channel.
  • the upstream region of the reaction channel generally refers to the upstream half of the channel length of the reaction channel.
  • the pore diameter downstream of the oxidizing gas flow is adjusted relative to the surface facing the MEA in order to adjust the steam pressure.
  • the diameter of the pores upstream of the flow of the oxidizing gas can be relatively reduced.
  • the pore diameter can be changed stepwise or continuously.
  • the first configuration in which the pore size of the fuel distribution plate is substantially uniform from the downstream region of the reaction channel to the upstream region of the reaction channel, wherein the downstream region of the reaction channel is located upstream of the reaction channel
  • the second configuration which is relatively smaller than the region, is set to one of the third configuration, in which the downstream region of the reaction channel is relatively larger than the upstream region of the reaction channel.
  • a second humidifying element T2 for humidifying gaseous fuel flowing through the second back flow path 41 of the fuel distribution plate 4 in the fuel cell is provided.
  • the second humidifying element T2 is formed by making the wall of the fuel distribution plate 4 facing the reaction surface 1c of the MEA 1 porous. Therefore, the fuel distribution plate 4 has many pores. Due to the pores, the fuel distribution plate 4 has moisture permeability and gas permeability in its thickness direction (the directions of arrows X3 and X4). Forces that can be appropriately selected for the pores and porosity of the fuel distribution plate 4
  • the pore diameter can be 0.1 / im to 10 ⁇ m, and the porosity can be 5% to 40%.
  • the pore diameter and the porosity are not limited to these.
  • a second refrigerant distribution plate 6 is provided on a side of the fuel distribution plate 4 opposite to the fuel electrode 12 of the ME A 1.
  • the second refrigerant distribution plate 6 has a second refrigerant flow channel 60 through which a refrigerant (generally, water) for cooling the polymer electrolyte fuel cell flows.
  • the second refrigerant flow channel 60 is formed at a position of the fuel distribution plate 4 facing the second back flow channel 41.
  • the second refrigerant distribution plate 6 is based on a porous body having a large number of pores having permeability in the thickness direction, and forms a second humidifying element T2 together with the porous fuel distribution plate 4.
  • the oxidant gas transfer source 90 (fan, pump, compressor, etc.) located outside the fuel cell is driven, and the oxidant gas is distributed to the oxidizer. It is supplied from the first flow path inlet 33 of the plate 3 to the first back flow path 31 of the oxidizing agent distribution plate 3.
  • the oxygen gas flows along the first back flow passage 31 of the oxidizing agent distribution plate 3 and flows from the end 31 f of the first back flow passage 31 to the first reaction flow passage 3.
  • the flow reaches the start part 32 s of 2
  • further flows along the first reaction flow path 32 further flows along the first reaction flow path 32, and is discharged from the first flow path outlet 34 of the oxidizing agent distribution plate 3.
  • the generated water accumulates in the first reaction channel 32 of the oxidant distribution plate 3.
  • the produced water flows downstream together with the oxidant gas, and thus the produced water accumulates in the downstream region of the first reaction flow path 32 of the oxidant distribution plate 3.
  • the oxidizing agent distribution plate 3 since the oxidizing agent distribution plate 3 is made porous, water accumulated in the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3 is removed by the pores of the oxidizing agent distribution plate 3. As a result, the oxidizing agent distribution plate 3 penetrates in the thickness direction (the direction of arrow XI) by capillary action and the like, and moves from the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3 to the first backflow channel 3 ⁇ ⁇ . be able to. Therefore, the oxidizing gas flowing through the first back-side flow path 31 on the back surface side of the oxidizing agent distribution plate 3 can be humidified. As a result, the oxidizing gas flowing through the first When the gas reaches the beginning 32 s of the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3, the oxidizing gas has already been humidified to an appropriate amount.
  • the humidified oxidant gas thus flows from the beginning 32 s of the first reaction channel 32 to the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3 and is consumed for the power generation reaction, Excessive drying of the electrolyte membrane 11 is suppressed, and the power generation performance of the fuel cell is sufficiently ensured.
  • the water generated in the cell by the power generation reaction is effectively used in the cell, so that the acid before being supplied to the reaction surface 1 c on the force sword side of the MEA 1 is used. It is possible to efficiently humidify the dashi gas and to achieve a so-called “self-humidifying structure inside the cell”.
  • the humidifying operation of humidifying the oxidizing gas outside the fuel cell before supplying the oxidizing gas to the first flow path inlet 33 of the oxidizing agent distribution plate 3 should be reduced or eliminated. Can be. Therefore, an external humidifier that humidifies the oxidant gas outside the fuel cell before supplying the oxidant gas to the first flow path inlet 33 of the oxidant distribution plate 3 can be reduced or eliminated.
  • the oxidizing agent distribution plate 3 is penetrated in the thickness direction (the direction of arrow XI) by capillary action or the like through the pores of the oxidizing agent distribution plate 3 through the pores of the oxidizing agent distribution plate 3, and the first back of the oxidizing agent distribution plate 3
  • the flow can be shifted to the counter flow path 31. Therefore, it is possible to dehumidify the downstream region of the oxidizing agent distribution plate 3 where the generated water tends to accumulate, thereby suppressing the flooding phenomenon in the downstream region of the oxidizing gas flow. Also in this sense, the power generation unevenness in the downstream region of the flow of the oxidizing gas is reduced, and the power generation performance of the fuel cell is properly secured.
  • the porous oxidizing agent distribution plate 3 having gas permeability allows the fresh oxidizing gas flowing in the upstream area of the first backflow channel 31 to flow in the thickness direction of the oxidizing agent distribution plate 3 (arrow X 2 In the direction of the oxidizing agent distribution plate 3 and directly supply it to the downstream region of the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3, which is advantageous in suppressing uneven power generation. Also in this sense, the power generation performance of the fuel cell is well ensured.
  • the fuel in the second rearward flow path 41 of the fuel distribution plate 4 is also supplied by the water flowing through the second refrigerant flow path 60 of the second refrigerant distribution plate 6, It can be humidified also by the water generated in the second reaction channel 42.
  • the pressure of the refrigerant flowing through the second refrigerant flow channel 60 the humidification amount of the gaseous fuel flowing through the second back flow channel 41 of the fuel distribution plate 4 can be adjusted.
  • the gaseous fuel flowing through the second reaction channel 42 of the fuel distribution plate 4 generates hydrogen as an active material by the power generation reaction as it proceeds downstream of the second reaction channel 42 of the fuel distribution plate 4. Concentration gradually decreases.
  • the porous fuel distribution plate 4 having gas permeability allows fresh fuel flowing in the upstream region of the second backflow passage 41 of the fuel distribution plate 4 to flow in the thickness direction of the fuel distribution plate 4 (arrow X). 4 directions). Therefore, from the upstream area (the area with a high hydrogen concentration) of the second backflow channel 41 of the fuel distribution plate 4, hydrogen as the active material is transferred to the downstream region of the second reaction channel 42 of the fuel distribution plate 4 ( It is effective to directly capture water in the region where the hydrogen concentration is low).
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, and basically has the same operation and effect.
  • the oxidizing agent distribution plate 3B is provided with a first back flow passage 31 formed on a back surface facing the reaction surface 1c on the force side of the ME A 1, and a ME A 1 And a first reaction channel 32 formed on a surface facing the one reaction surface 1c. Since the oxidizing agent distribution plate 3B constituting the first humidifying element T1 is made porous and has permeability in the thickness direction, the oxidizing agent distribution plate 3B is generated by the power generation reaction as in the first embodiment.
  • water generated in the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3D is transferred to the oxidizing agent distribution plate 3D by the capillary action or the like in the thickness direction ( (In the direction of arrow XI), and can be transferred to the first backflow channel 31 of the oxidizing agent distribution plate 3D.
  • the oxidizing gas before the reaction flowing through the first back flow passage 31 of the oxidizing agent distribution plate 3 can be humidified, and excessive drying of the electrolyte membrane 11 can be reduced.
  • the fuel distribution plate 4D constituting the second humidifying element T2 is made porous so as to have permeability in the thickness direction, the second reaction of the fuel distribution plate 4D is performed.
  • the water on the side of the flow path 42 can be permeated through the fuel distribution plate 4 in the thickness direction (the direction of the arrow X3) and can be transferred to the second back flow path 41 of the fuel distribution plate 4D. Therefore, it is possible to humidify the gaseous fuel before the reaction flowing through the second backflow channel 41 of the fuel distribution plate 4D.
  • the first refrigerant distribution plate and the second refrigerant distribution plate are not mounted.
  • the fuel distribution plate 4D is made porous, it may be made dense.
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention.
  • the fifth embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, and basically has the same operation and effect.
  • the oxidizing agent distribution plate 3E includes a first backflow channel 31 formed on a back surface facing the reaction surface 1c of the MEA 1 and a reaction surface 1c of the MEA 1 And a first reaction channel 32 formed on an opposing surface opposing the first reaction channel.
  • the oxidizing agent distribution plate 3E is not porous but a dense body.
  • the first refrigerant distribution plate 5E is porous so as to have a permeability in the thickness direction so as to constitute the first humidifying element, and flows through the first refrigerant flow passage 50 of the first refrigerant distribution plate 5E.
  • Coolant generally water
  • Ml direction the thickness direction of the first refrigerant distribution plate 5E to humidify the oxidant gas in the first back flow passage 31 of the oxidant distribution plate 3E.
  • the oxidizing gas flowing through the first back flow passage 31 of the oxidizing agent distribution plate 3E can be humidified in the cell.
  • the direction of the arrow Ml can be adjusted, so that the humidification amount of the oxidizing gas can be adjusted.
  • the fuel distribution plate 4E is opposed to the second backflow channel 41 formed on the back surface facing the anode-side reaction surface 1d of the MEA 1 and the reaction surface 1d of the MEA 1.
  • a second reaction channel 42 is formed on the facing surface.
  • the fuel distribution plate 4E is not porous but dense Have been.
  • FIG. 1 is applied mutatis mutandis to the sixth embodiment.
  • the sixth embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, and basically has the same operation and effect.
  • the oxidizing agent distribution plate 3F constituting the first humidifying element is formed using a porous body having hydrophilicity as a base material. For this reason, the water as the liquid phase accumulated in the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3F is positively moved in the thickness direction (in the direction of arrow X1) by the capillary action or the like. And can be transferred to the first back flow channel 31 of the oxidizing agent distribution plate 3F.
  • the gaseous fuel flowing through the second backflow channel 41 of the fuel distribution plate 4F can be humidified by water as a liquid phase.
  • the hydrophilicity can be formed by the material itself of the fuel distribution plate 4E or by performing a hydrophilic treatment.
  • the pore diameter of the oxidizing agent distribution plate 3F may be substantially uniform.
  • the fuel distribution plate 4F has hydrophilicity. In this case, the pore size of the fuel distribution plate 4F may be substantially uniform.
  • the first reaction channel is located upstream of the first reaction channel 32.
  • the pore size can be reduced toward 32 downstream.
  • the pore diameter can be adjusted within a range of, for example, 0.1 to 10 ⁇ .
  • the porosity of the oxidizing agent distribution plate 3F having hydrophilicity can be increased toward the downstream side on the surface facing the MEA 1, that is, in the first reaction channel 32. This is advantageous in increasing the water permeability in the direction of arrow X1 and the gas permeability in the direction of arrow X2 in the downstream region of the first reaction channel 32.
  • the porosity can be adjusted within a range of, for example, 5 to 40%.
  • the pore size and porosity of the fuel distribution plate 4F can be the same as those of the oxidant distribution plate 3F.
  • the seventh embodiment shown in FIGS. 6 and 7 has basically the same configuration as the first embodiment, and basically has the same operation and effect.
  • the oxidizing agent distribution plate 3G constituting the first humidifying element is formed of a porous body having hydrophilicity, and has permeability in the thickness direction.
  • the pore diameter of the oxidizing agent distribution plate 3 G is relatively reduced to the downstream pore diameter of the first reaction channel 32, It is set so that the pore diameter upstream of the first reaction channel 32 is relatively large. In this case, as shown by a characteristic line S 11 in FIG.
  • the pore diameter is changed so as to continuously decrease the pore diameter from the upstream of the first reaction channel 32 to the downstream of the first reaction channel 32. Can be.
  • the pore diameter gradually changes from upstream of the first reaction channel 32 to downstream of the first reaction channel 32. Can be done.
  • the porosity can be adjusted within a range of, for example, 5 to 40%.
  • the oxidizing agent distribution plate 3G having hydrophilicity is disposed on the surface facing the MEA 1, that is, in the first reaction channel 32, as shown by the characteristic line S14 in FIG.
  • the porosity can be gradually increased toward the downstream of one reaction channel 32. This is advantageous for increasing the water permeability in the direction of arrow X1 and the gas permeability in the direction of arrow X2 in the downstream region of the first reaction channel 32. In this case, the porosity can be adjusted within a range of, for example, 5 to 40%.
  • the water generated in the downstream region of the first 'reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3G permeates in the thickness direction of the oxidizing agent distribution plate 3G (in the direction of arrow XI). This is advantageous for shifting to the first backflow channel 31. For this reason, the dehumidifying function in the downstream region of the oxidizing agent distribution plate 3G is ensured, which is advantageous for suppressing the flooding phenomenon in the downstream region of the oxidizing agent distribution plate 3G.
  • the capillary pressure due to the pores in the fuel distribution plate 4G is relatively larger in the downstream region of the second reaction flow path 42 where the pore diameter is set relatively small.
  • the water accumulated in the downstream region of the second reaction channel 42 penetrates in the thickness direction (arrow X 3 direction) of the fuel distribution plate 4G and penetrates into the second back channel 41. It is advantageous.
  • the porosity of the fuel distribution plate 4G As shown by the characteristic line S14 in FIG.
  • the porosity gradually increases from the upstream of 42 to the downstream of the second reaction channel 42. Can be larger.
  • the porosity can be adjusted within a range of, for example, 0.1 to 10 ⁇ .
  • the hydrophobicity can be formed by the material itself of the oxidizing agent distribution plate 3 ⁇ or by performing a hydrophobic treatment.
  • the fuel distribution plate 4 ⁇ constituting the second humidifying element is formed using a porous body having hydrophobicity (water repellency) as a base material.
  • hydrophobicity water repellency
  • the water (steam) generated in the second reaction channel 42 of the fuel distribution plate 4 ⁇ ⁇ is diffused through the pores in the thickness direction (arrow ⁇ ⁇ 3 direction) of the fuel distribution plate 4 ⁇ , The fuel can be transferred to the second back flow channel 41 of the fuel distribution plate 4. Therefore, it is advantageous to humidify the gaseous fuel flowing through the second back flow passage 41 of the fuel distribution plate 41 with steam.
  • the hydrophobicity can be formed by the material itself of the fuel distribution plate 4 ⁇ or by performing a hydrophobic treatment.
  • the pore diameter of the oxidizing agent distribution plate 3 ⁇ may be substantially uniform.
  • the pore size of the fuel distribution plate 4 may be substantially uniform.
  • the pore diameters of the hydrophobic oxidizing agent distribution plate 3 ⁇ and the fuel distribution plate 4 ⁇ are made substantially uniform has been described.
  • the present invention is not limited to this.
  • the surface facing the MEA 1, that is, the first reaction channel 32 The pore diameter can be made relatively large toward the downstream, and the porosity is reduced downstream of the first reaction channel 32. It can also be relatively large as it goes.
  • the porosity can be adjusted within a range of, for example, 5 to 40%, and the porosity can be adjusted within a range of, for example, 0.1 to 10 ⁇ m.
  • the ninth embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, and basically has the same operation and effect.
  • the oxidizing agent distribution plate 3 K constituting the first humidifying element is made of a hydrophobic porous body as a base material. Then, on the opposing surface facing ME A 1, the pore diameter of the oxidizing agent distribution plate 3 K on the downstream side of the first reaction flow path 32 is relatively increased, and the first reaction flow path 3 2 It is set so that the pore diameter upstream of is relatively small. In this case, as shown by the characteristic line S 21 in FIG. 9, the pore diameter is changed so as to increase continuously from the upstream of the first reaction channel 32 to the downstream of the first reaction channel 32. Can be.
  • the pore diameter is increased stepwise from the upstream of the first reaction channel 32 to the downstream of the first reaction channel 32.
  • Can be changed to The pore diameter can be adjusted within the range of 0.1 to 10 ⁇ .
  • the oxidizing agent distribution plate 3 ⁇ having hydrophobicity has pores on the facing surface facing the MEA 1 as it goes downstream of the first reaction channel 32 as shown by the characteristic line S 24 in FIG.
  • the rate can be increased. This is advantageous in improving the water permeability in the direction of arrow X1 and the gas permeability in the direction of arrow X2 in the downstream region of the first reaction flow path 32.
  • the porosity can be adjusted, for example, within the range of 5 to 40%.
  • the water produced in the liquid phase accumulated in the downstream region of the first reaction channel 32 of the oxidizing agent distribution plate 3K penetrates in the thickness direction of the oxidizing agent distribution plate 3K (the direction of arrow XI). This is advantageous for shifting to one backflow channel 31. This is advantageous for suppressing the flooding phenomenon in the downstream region of the oxidizing agent distribution plate 3K.
  • the first refrigerant distribution plate 5 and the second refrigerant distribution plate The forced cooling function by the flow plate 6 also contributes to the condensation.
  • Kelvin's equation shown in Equation 1 basically indicates the partial pressure of water vapor in the pores.
  • P is the equilibrium vapor pressure of the liquid in the pores
  • P o is the saturated vapor pressure of the liquid at that temperature
  • ⁇ is the surface tension of the liquid
  • ⁇ is the molecular molar mass of the liquid
  • ⁇ is the liquid
  • ⁇ is the density of the liquid
  • R is the gas constant
  • ⁇ is the absolute temperature.
  • the hydrophilicity is ⁇ of 0 to 90 degrees or less
  • the hydrophobicity is ⁇ of more than 90 degrees to 180 degrees.
  • the fuel distribution plate 4K constituting the second humidifying element is formed of a porous body having hydrophobicity.
  • the pore diameter of the fuel distribution plate 4 K downstream pores of the second reaction flow path 42 is relatively increased, and the second reaction flow path 4 2 Can be set so that the pore diameter upstream of the pores is relatively small.
  • the pore diameter should be continuously increased from the upstream of the second reaction channel 42 to the downstream of the second reaction channel 42. Can be.
  • the pore diameter is gradually increased from upstream of the second reaction channel 42 to downstream of the second reaction channel 42. be able to.
  • water as a liquid phase collected in the downstream region of the second reaction flow path 42 of the fuel is transferred to the fuel distribution plate 4K in the thickness direction.
  • the oxidizing agent distribution plate 3 and the fuel distribution plate 4 according to the above-described second to fourth embodiments may be made hydrophobic.
  • FIGS. 10 and 11 show the tenth embodiment.
  • the tenth embodiment has basically the same configuration as the embodiment shown in FIG. 8, and basically has the same operation and effect.
  • the oxidizing agent distribution plate 3R constituting the first humidifying element is formed using a hydrophobic (water-repellent) porous body as a base material.
  • the fuel distribution plate 4R constituting the second humidifying element is formed using a hydrophobic (water-repellent) porous body as a base material. Then, the relationship between the sizes of the pore diameters in the embodiment shown in FIG. 8 is reversed. That is, as shown by the characteristic lines S 11, S 12 ′ and S 13 ′ in FIG.
  • the first reaction flow is determined for the pore diameter of the oxidizing agent distribution plate 3 R.
  • the diameter of the pores downstream of the channel 32 is set to be relatively small, and the diameter of the pores upstream of the first reaction channel 32 is set to be relatively large.
  • FIG. 12 shows the eleventh embodiment.
  • the eleventh embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, and basically has the same operation and effect.
  • the downstream side of the first reaction channel 32 is made porous, and the upstream side of the first reaction channel 32 is made not dense but porous. I have.
  • the use of a dense body is advantageous in increasing the strength, conductivity, and current collecting properties of that part.
  • the fuel distribution plate 4P can have the same structure.
  • the porous oxidizing agent distribution plate 3 and the fuel distribution plate 4 described above can be formed, for example, based on the following manufacturing method. That is, a mixed material obtained by mixing a carbon-based material (natural graphite, artificial graphite, etc.), a piner (a thermosetting resin, for example, a phenol resin), and a disappearable pore-forming material (a cellulose-based organic material) is used. This mixed material is press-formed on the mold surface of the forming die to form a formed body, and the formed body is fired at a firing temperature (for example, 500 to 600 ° C).
  • a firing temperature for example, 500 to 600 ° C
  • the pore-forming material of the molded body is eliminated, whereby the oxidizing agent distribution plate 3 and the fuel distribution plate 4 having a large number of pores can be formed.
  • the pore diameter can be changed from the upstream region to the downstream region by changing the size of the pore former from the upstream region to the downstream region.
  • the pore diameter becomes large.
  • the pore diameter becomes smaller.
  • the pore diameter can be 1 to 100 ⁇ m, 2 to 30 ⁇ , 2 to 15 ⁇ m, particularly 3 to 4 ⁇ m.
  • the porosity can be 10 to 90%, 15 to 60%, especially 20 to 40% by volume.
  • hydrophobic substance to give hydrophobicity to the oxidizing agent distribution plate 3 a fluorine atom, CF 2 group, CF s group, CH 3 group, can be mentioned those having a CH 2 group or the like, fluororesin, fluororesin (PTFF, FEP , PFA, PVDF, etc.), fluorinated graphite, hydrophobic carbon, silane compounds, paraffin and the like.
  • fluorine gas or a gas containing fluorine gas and an inert gas (such as nitrogen) as main components can be used.
  • the hydrophilic treatment can be performed by using a solution in which a hydrophilic substance is dissolved or dispersed in a liquid medium (water, alcohol, or the like), and bringing the solution into contact with the oxidizing agent distribution plate 3.
  • a hydrophilic substance include hydrogen peroxide water, silicon dioxide powder, aluminum oxide powder, and the like, and those containing a large amount of hydrophilic functional groups such as hydroxyl groups and hydroxyl groups on the surface thereof. Examples can be given.
  • a starch-acrylic acid copolymer, a polyacrylate, a polybutyl alcohol, or the like, which is a water-absorbing resin can also be used.
  • hydrophilic substances ion exchange resins and water-absorbing polysaccharides can be exemplified as hydrophilic substances.
  • hydrophilic functional groups such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an aldehyde group, an amino group and a sulfo group in the structure can be exemplified.
  • the oxidizing gas reaches the upstream region U2 in the first reaction channel 32 via the first back channel 31.
  • the oxidizing gas has already been humidified.
  • the downstream region D 1 in the first backflow channel 31 and the upstream region U 2 in the first reaction channel 32 are defined by the relationship between the front and back of the oxidizing agent distribution plate 3. It is preferable to bring them as close as possible. By doing so, the humidity of the upstream region U2 in the first reaction channel 32 can be increased, and the power generation reaction can be satisfactorily secured from the beginning of the first reaction channel 32.
  • FIGS. 13 to 15 each form shown in FIGS. 13 to 15 can be adopted.
  • the arrows indicate the basic flow direction of the oxidizing gas
  • the oxidizing agent distribution plate 3 has sides 3a, 3b, 3c, and 3d.
  • the oxidizing agent distribution plate 3 has a first back flow channel 31 and a first reaction flow channel 32 in a front-to-back relationship.
  • 100 is a guide projection for guiding the oxidant gas flowing through the first back flow path 31 and the first reaction flow path 32.
  • Reference numeral 102 denotes an air introduction manifold for introducing fresh air into the first back flow passage 31 of the oxidant distribution plate 3.
  • Reference numeral 106 denotes an air outlet manifold for flowing out the air off-gas consumed in the power generation through the first reaction channel 32 of the oxidant distribution plate 3.
  • Reference numeral 108 denotes a fuel introduction manifold for introducing fresh gaseous fuel into the second backflow channel 41.
  • Numeral 1 1 and 2 denotes a fuel derivation manifold for deriving fuel off-gas consumed in power generation by flowing through the second reaction channel 42.
  • Reference numeral 500 denotes a refrigerant introduction manifold for supplying a refrigerant to the first refrigerant flow path 50 and the second refrigerant flow path 60
  • 501 denotes a refrigerant flow from the first refrigerant flow path 50 and the second refrigerant flow path 60
  • Fig. 3 shows a refrigerant outlet manifold for discharging the discharged refrigerant.
  • An oxidizing agent distribution plate provided to face the oxidizing electrode and supplying an oxidizing gas to the oxidizing electrode,
  • a fuel distribution plate provided opposite to the fuel electrode and supplying a fuel to the fuel electrode;
  • the back flow channel formed on the back surface facing the membrane electrode assembly and the back flow channel formed on the facing surface facing the membrane electrode assembly flowed through the back flow channel.
  • An oxidizing agent distribution plate provided to face the oxidizing electrode of the membrane electrode assembly of the fuel cell and supplying the oxidizing gas to the oxidizing electrode, facing the membrane electrode assembly.
  • a back surface facing the membrane / electrode assembly is provided in a fuel distribution plate provided to face the oxidizer electrode of the membrane / electrode assembly of the fuel cell and supplying the oxidizer gas to the oxidizer electrode.
  • a back flow channel formed on the opposite surface through which the oxidant gas flows, and an oxidizer gas formed on the opposite surface facing the membrane electrode assembly and communicating with the back flow channel and flowing through the back flow channel.
  • Flow path, at least a part of the back flow path and at least a part of the reaction flow path And a porous portion for allowing the active material contained in the oxidizing gas flowing through the back flow channel to be supplied to the reaction flow channel through the pores of the porous portion.
  • a fuel distribution plate having a configuration. Industrial applications

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Abstract

　燃料電池の内部の水を有効利用することにより、ＭＥＡに背向する背向流路を流れる酸化剤ガス及び／または燃料を燃料電池内において加湿させることができる燃料電池及び燃料電池用酸化剤配流板を提供する。　本発明に係る燃料電池は、ＭＥＡ１と、酸化剤極に対向して設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤配流板３と、燃料極に対向して設けられ燃料極に燃料を供給する燃料配流板４とを具備する。酸化剤配流板３及び燃料配流板４のうちの少なくとも一方は、ＭＥＡ１に背向する背向面に形成された背向流路３１,４１と、ＭＥＡ１に対向する対向面に形成され背向流路３１，４１に連通する反応流路３２，４２とを有する。

Description

明細書
燃料電池、 燃料電池用酸化剤配流板 • 技術分野
本発明は配流板を有する燃料電池、 及び、 燃料電池用酸化剤配流板に関する。 背景技術
近年、 環境保護、 エネルギ等の面から燃料電池が着目されている。 一般に、 燃 料電池は、 酸化剤及ぴ燃料に基づいて発電を行うものである。 燃料電池は、 膜' 電極接合体 （以下、 ME Aともいう） を有する。 膜 ·電極接合体は、 イオン伝導 性をもつ電解質膜と、 電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、 電解 質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極とを有する。 更に燃料電池は、 燃 料極に燃料を供給する燃料流路を形成する燃料配流板と、 酸化剤極に酸化剤ガス を供給する酸化剤ガス流路を形成する酸化剤配流板とを備える。 一般的には、 酸 化剤配流板及び燃料配流板は、 ガスリークが生じないように、 多孔質体ではなく 敏密体で形成されている。
上記した燃料電池によれば、 イオン伝導性をもつ電解質膜が過剰乾燥すると、 電解質膜のィォン伝導性が低下する。 そこで電解質膜の過剰乾燥を抑える必要が ある。 上記した従来の燃料電池によれば、 燃料電池に供給される前の酸化剤ガス あるいは燃料をバブラ一等の外部加湿装置により積極的に加湿させることが行わ れている。
また、 近年、—細孔をもつ多孔質体で酸化剤配流板、 燃料配流板を形成した固体 高分子型燃料電池も開発されている。 このものによれば、 液相としての水を酸化 剤配流板の細孔、 燃料配流板の細孔に浸透させて ME Aに供給すると共に、 水を 酸化剤配流板の細孔、 燃料配流板の細孔に浸透させて細孔を封止し、 細孔からの ガスリークを抑えている。
上記したように細孔をもつ多孔質体を備えた燃料電池として、 特許文献 1には、 燃料配流板を多孔質体で形成すると共に、 酸化剤配流板を多孔質体で形成し、 更 に燃料配流板の裏面側に通水路を形成すると共に、 酸化剤配流板の裏面側に通水 路を形成した固体高分子型燃料電池が開示されている。 この特許文献 1によれば、 各通水路の水を多孔質の燃料配流板の細孔、 酸化剤配流板の細孔を介して ME A 側に供給することができ、 電解質膜の過剰乾燥を抑制することができる。
また特許文献 2には、 多数の細孔をもつ導電性多孔質体で親水性をもつ燃料配 流板を形成すると共に、 燃料配流板の裏面側には、 ME Aと背向する位置に、 疎 水性をもつ導電性多孔質体で形成した加湿水透過体を配置した固体高分子型燃料 電池が開示されている。 この特許文献 2によれば、 加湿水透過体に保持されてい る液相としての水は、 導電性多孔質体で形成された燃料配流板の細孔を経て ME A側に浸透し、 電解質の過剰乾燥を抑える。 このものによれば、 燃料配流板は親 水性をもつので、 燃料配流板の細孔には液相としての水が効率よく浸透し、 細孔 を封止するとされている。
また特許文献 3、 4には、 空気配流板及び燃料配流板を多孔質構造とした固体 高分子型燃料電池が開示されている。 このものによれば、 空気極側で生成した水 を空気配流板にこれの厚み方向に通過させ、 空気配流板の背面側の通水路に供給 する。 そして燃料通路の燃料ガス圧を調整することにより、 当該通水路の水を燃 料配流板にこれの厚み方向に通過させて燃料通路に供給し、 燃料を加湿すること にしている。
(特許文献 1 ) 特開平 6— 3 3 8 3 3 8号
(特許文献 2 ) 特許番号第 2 9 2 2 1 3 2号 (特開平 8— 2 5 0 1 3 0号公 報）
(特許文献 3 ) 米国特許公報 5 8 5 3 9 0 9
(特許文献 4 ) 米国特許公報 5 7 0 0 5 9 5 発明の開示
上記した燃料電池によれば、 酸化剤配流板は、 ME Aに背向する背向流路と、 ME Aに対向するように背向流路に表裏の関係で形成された反応流路との双方に 酸化剤ガスを通す方式のものではない。 同様に、 燃料配流板は、 ME Aに背向す る背向流路と、 ME Aに対向するように背向流路に表裏の関係で形成された反応 流路との双方に燃料ガスを通す方式のものではない。 本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、 配流板の背向流路から、 その表裏の関係にある反応流路に流れる方式を採用した燃料電池及び酸化剤配流 板を提供 1 "ることを課題とする。
本発明に係る燃料電池は、 イオン伝導性を有する電解質膜と、 電解質膜の厚み 方向の一方の片側に設けられた酸化剤極と、 電解質膜の厚み方向の他方の片側に 設けられた燃料極とをもつ膜 ·電極接合体と、
酸化剤極に対向して設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤配流板と、 燃料極に対向して設けられ燃料極に燃料を供給する燃料配流板とを具備する燃 料電池において、
酸化剤配流板及び燃料配流板のうちの少なくとも一方は、
膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成された背向流路と、 膜 ·電極接合体に 対向する対向面に形成され背向流路に連通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガ スまたは燃料が流れる反応流路とを有することを特徴とするものである。
本発明に係る酸化剤配流板は、 燃料電池の膜 ·電極接合体の酸化剤極に対向し て設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤配流板において、
膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成されると共に酸化剤ガスが流れる背向 流路と、 膜 ·電極接合体に対向する対向面に形成され背向流路に連通すると共に 背向流路を流れた酸化剤ガスが流れる反応流路とを有することを特徴とするもの であ O。
本発明に係る燃料電池、 本発明に係る酸化剤配流板によれば、 酸化剤配流板及 ぴ燃料配流板のうちの少なくとも一方は、 膜 ·電極接合体に背向する背向面に形 成された背向流路と、 膜 ·電極接合体に対向する対向面に形成され背向流路に連 通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガスが流れる反応流路とを有する。
背向流路と反応流路は配流板において表裏の関係にある。 そして、 酸化剤ガス または燃料は、 背向流路を流れた後に、 その表裏の関係にある反応流路を流れる。 以上説明したように本発明によれば、 配流板の背向流路から、 その表裏の関係 にある反応流路に流れる方式を採用した燃料電池及び酸化剤配流板を提供するこ とができる。
本発明によれば、 燃料電池の内部の水を有効利用することにより、 ME Aに背 向する背向面に形成された背向流路において反応前の酸ィヒ剤ガス及び/または反 応前の燃料を燃料電池内において加湿することができる燃料電池を提供できる。 いわば、 『セル内部自己加湿構造』 を実現できる。 このため、 燃料電池に供給さ れる前の酸化剤ガス及び Zまたは燃料を加湿させる加湿装置の低減または廃止を 図ることができる。
殊に、 酸化剤配流板が多孔質化されている場合には、 発電反応により酸化剤極 において生成した生成水を有効利用することにより、 つまり、 発電反応により酸 化剤極において生成した生成水に基づく水分または湿分を酸化剤配流板の厚み方 向に透過させることにより、 ME Aに背向する酸化剤配流板の背向流路を流れる 反応前の酸化剤ガスを燃料電池内において加湿することができる燃料電池を提供 できる。
また、 燃料配流板が多孔質化されている場合には、 発電反応により生成した生 成水を有効利用することにより、 つまり、 発電反応により生成した生成水に基づ く水分または湿分を燃料配流板の厚み方向に透過させることにより、 ME Aに背 向する燃料配流板の背向流路を流れる反応前の燃料ガスを燃料電池内において加 湿することができる燃料電池を提供できる。
本発明によれば、 燃料電池に供給される酸化剤ガスや燃料の温度が低いときに は、 酸化剤ガスや燃料が配流板の背向流路を流れるとき、 背向流路を流れる酸化 剤ガスや燃料を燃料電池の内部で予熱することを期待できる。 また燃料電池に供 給される酸化剤ガスや燃料の温度が高過ぎるときには、 配流板の背向流路を酸化 剤ガスや燃料が流れるときに、 背向流路を流れる酸化剤ガスや燃料を予冷するこ とを期待できる。 図面の簡単な説明
図 1は、 第 1実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 2は、 第 2実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 3は、 第 3実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 4は、 第 4実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 5は、 第 5実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 6は、 第 7実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 · 図 7は、 第 7実施例に係り、 酸化剤配流板の上流端から下流端にかけて細孔径 の変化を示すグラフである。
図 8は、 第 9実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 9は、 第 9実施例に係り、 酸化剤配流板の上流端から下流端にかけて細孔径 の変化を示すグラフである。
図 1 0は、 第 1 0実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 1 1は、 第 1 0実施例に係り、 酸化剤配流板の上流端から下流端にかけて細 孔径の変化を示すグラフである。
図 1 2は、 第 1 1実施例に係り、 燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 図 1 3 (A) 〜図 1 3 ( C ) は、 形態 1の酸化剤配流板を示す図であり、 図 1
3 (A) はその酸化剤配流板の平面図，図 1 3 ( B ) はその酸化剤配流板の断面 図であり、 図 1 3 ( C ) はその酸化剤配流板の裏面図である。
図 1 4 (A) 〜図 1 4 ( C ) は、 形態 2の酸化剤配流板を示す図であり、 図 1
4 (A) はその酸化剤配流板の平面図，図 1 4 ( B ) はその酸化剤配流板の断面 図であり、 図 1 4 ( C ) はその酸化剤配流板の裏面図である。
図 1 5 (A) 〜図 1 5 ( C ) は、 形態 3の酸化剤配流板を示す図であり、 図 1
5 (A) はその酸化剤配流板の平面図，図 1 5 ( B ) はその酸化剤配流板の断面 図であり、 図 1 5 ( C ) はその酸化剤配流板の裏面図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明によれば、 酸化剤配流板及び燃料配流板のうちの少なくとも一方は、 膜 •電極接合体に背向する背向面に形成された背向流路と、 膜 ·電極接合体に対向 する対向面に形成され背向流路に連通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガスま たは燃料が流れる反応流路とを有する。 背向とは背中合わせという意味である。 対向とは向き合うという意味である。 背向流路及ぴ反応流路は配流板において表 裏の関係にあり、 互いに連通しており、 酸化剤ガスや燃料ガスは背向流路を流れ た後に反応流路を流れ、 発電反応に使用される。
従って、 酸化剤配流板は、 膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成され酸化剤 ガスの流路入口側に繋がる背向流路と、 膜 ·電極接合体に対向する対向面に形成 され背向流路に連通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガスが流れる反応流路と を有する形態を採用できる。 酸化剤ガスとしては空気などの酸素含有ガスを例示 できる。
また、 燃料配流板は、 膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成され燃料の流路 入口側に繋がる背向流路と、 膜 ·電極接合体に対向する対向面に形成され背向流 路に連通すると共に背向流路を流れ 燃料が流れる反応流路とを有する形態を採 用できる。 燃料としては水素ガス等の水素含有ガスを例示できる。
本発明によれば、 背向流路を流れる酸化剤ガスまたは燃料を燃料電池内におい て加湿する加湿要素を設けることができる。 この場合、 加湿要素によって、 酸化 剤配流板及び燃料配流板のうちの少なくとも一方の背向流路を流れる酸化剤ガス または燃料は、 燃料電池内において加湿される。 これにより反応面で発電反応を 行う酸化剤ガスまたは燃料の水分が確保される。 ひいては電解質の過剰乾燥が抑 制される。 このため、 電解質のイオン伝導性が確保され、 燃料電池の発電性能が 良好に確保される。 前記した加湿要素は燃料電池の内部で加湿するものである。 加湿要素は、 酸化剤配流板のうち少なくとも一部を多孔質化することにより構成 されている形態を例示できる。 前記一部は、 酸化剤配流板の反応流路の下流領域 とすることができる。 また、 酸化剤配流板の全体が多孔質化されて加湿要素を構 成していても良い。 場合によっては、 酸化剤配流板の反応流路のうち上流領域を 緻密化させることもできる。
また本発明によれば、 加湿要素は、 燃料配流板のうち少なくとも一部を多孔質 化することにより構成されている形態を例示できる。 前記一部は、 燃料配流板の 反応流路の下流領域とすることができる。 また燃料配流板の全体が多孔質化され て加湿要素を構成していても良い。 場合によっては、 燃料配流板の反応流路のう ち上流領域を緻密化させることもできる。
本発明によれば、 発電反応により燃料電池内で生成した生成水を燃料電池内で 有効利用することにより、 つまり、 発電反応により酸化剤極において生成した生 成水に基づく水分または湿分を酸化剤配流板及び/または燃料配流板の厚み方向 に透過させることにより、 ME Aの反応面に供給される前の反応前の酸化剤ガス 及び/または反応前の燃料を、 燃料電池内において加湿することができる。 従つ て、 いわば『セル内部自己加湿構造』 を採用することができる。
本発明によれば、 酸化剤配流板の気孔率については、 反応流路の下流領域が反 応流路の上流領域よりも相対的に大きくされている形態を例示できる。 これによ り反応流路の下流領域に溜まっている水分を酸化剤配流板の厚み方向に透過させ、 背向流路の酸化剤ガスを加湿させるのに有利となる。 また、 背向流路の酸化剤ガ スの活物質を酸化剤配流板の厚み方向に透過させ、 反応流路の下流領域に補給す るのに有利となる。 なお、 反応流路の下流領域及び上流領域は、 反応流路におけ る相対的な位置を示すものである。 反応流路の下流領域は、 一般的には、 反応流 路の流路長のうち下流側半分をいう。 反応流路の上流領域は、 一般的には、 反応 流路の流路長のうち上流側半分をいう。
本発明によれば、 燃料配流板の気孔率については、 反応流路の下流領域が反応 流路の上流領域よりも相対的に大きくされている形態を例示できる。 これにより 反応流路の下流領域に溜まっている水分を燃料配流板の厚み方向に透過させ、 背 向流路の燃料を加湿させるのに有利となる。 また、 背向流路の燃料の活物質を燃 料配流板の厚み方向に透過させ、 反応流路の下流領域に補給するのに有利となる。 本発明によれば、 酸化剤配流板のうち膜 ·電極接合体に背向する側に設けら冷 媒を流す冷媒配流板を有する形態を例示できる。 この場合、 加湿要素は、 冷媒配 流板のうち少なくとも一部を多孔質化することにより構成されている形態を例示 できる。 冷媒配流板の全体が多孔質化されて加湿要素を構成していても良い。 冷 媒としては冷却水または冷却ガスを例示できる。
本発明によれば、 上記したように酸化剤配流板は細孔を有することができる。 細孔径としては適宜選択でき、 0. 1〜200 、 0. 1〜 100 m、 殊に 0. 1〜30 μΐη、 2〜1 5 μηι、 更に 3〜4 μιηを例示できるが、 これらに限 定されるものではない。 酸化剤配流板の気孔率としては適宜選択できるが、 体積 比で 10〜90%、 15〜60%、 殊に 20〜40%とすることができる。 但し 細孔径、 気孔率は上記した範囲に限定されるものではない。 また上記したように 燃料配流板は細孔を有することができる。 細孔径としては適宜選択でき、 0. 1 〜200 ^ιη、 0. 1〜： 1 00 ^πι、 殊に 0. l〜30 ^m、 2〜： 15 ^πι、 更 に 3〜4 μ ΐηを例示できるが、 これらに限定されるものではない。 燃料配流板の 気孔率としては適宜選択できるが、 体積比で 1 0〜 9 0 %、 1 5〜 6 0 %、 殊に 2 0〜4 0 %とすることができる。 但し細孔径、 気孔率は上記した範囲に限定さ れるものではない。
本発明によれば、 上記したように酸化剤配流板及び/または燃料配流板は、 細 孔を有することができる。 酸化剤配流板及び Ζまたは燃料配流板は、 親水性を有 していても良いし、 疎水性を有していても良い。 親水性を有する場合には、 M E Aに対向する対向面において、 毛細管現象を利用すべく、 酸化剤ガスの流れの下 流の細孔径を相対的に小さくすると共に、 酸化剤ガスの流れの上流の細孔径を相 対的に大きくする形態を例示できる。 この場合、 細孔径を段階的にまたは連続的 に変化させることができる。
また、 酸化剤配流板及び/または燃料配流板が疎水性を有する場合には、 ME Aに対向する対向面において、 水蒸気圧を調整すべく、 酸化剤ガスの流れの下流 の細孔径を相対的に大きくすると共に、 酸化剤ガスの流れの上流の細孔径を相対 的に小さくする形態を例示できる。 この場合においても、 細孔径を段階的にまた は連続的に変化させることができる。
本発明によれば、 酸化剤配流板の細孔径は、 反応流路の下流領域から反応流路 の上流領域にかけて実質的に均一である第 1構成、 反応流路の下流領域が反応流 路の上流領域よりも相対的に小さくされている第 2構成、 反応流路の下流領域が 反応流路の上流領域よりも相対的に大きくされている第 3構成のうちのいずれか に設定されている形態を例示できる。
本発明によれば、 燃料配流板の細孔径は、 反応流路の下流領域から反応流路の 上流領域にかけて実質的に均一である第 1構成、 反応流路の下流領域が反応流路 の上流領域よりも相対的に小さくされている第 2構成、 反応流路の下流領域が反 応流路の上流領域よりも相対的に大きくされている第 3構成のうちのいずれかに 設定されている形態を例示できる。
本発明によれば、 燃料電池としては、 車載用、 定置用、 ポータブル用、 家庭用、 業務用等を問わない。 以下、 本発明を具体化した実施例について説明する。
(第 1実施例）
以下、 本発明の第 1実施例について図 1を参照して説明する。 図 1は本実施例 に係る固体高分子型燃料電池の概念図であり、 電解質膜 1 1の厚み方向に沿った 断面を模式的に示す。 図 1に示すように、 本実施例に係る固体高分子型燃料電池 の ME A 1は、 プロトン伝導性を有する高分子材料で形成された電解質膜 1 1と、 電解質膜 1 1の厚み方向の一方側に設けられ酸化反応を行うアノードとも呼ばれ る燃料極 1 2と、 電解質膜 1 1の厚み方向の他方側に設けられ還元反応を行う力 ソードとも呼ばれる酸化剤極 1 5 (空気極ともいう） とを有する。
更に、 固体高分子型燃料電池は、 図 1に示すように、 ME A 1の燃料極 1 2の 対向するように外側に設けられ燃料極 1 2にガス状の燃料 (一般的には水素ガス 等の水素含有ガス) を流す燃料配流板 4と、 ME A 1の酸化剤極 1 5に対向する ように酸化剤極 1 5の外側に配置され酸化剤極 1 5に酸化剤ガス （一般的には空 気等の酸素含有ガス) を流す酸化剤配流板 3とを有する。
図 1に示すセル構造が厚み方向に多数積層されて固体高分子型燃料電池が形成 される。 図 1では ME A 1、 燃料配流板 4、 酸化剤配流板 3等は縦方向に沿って 図示されているが、 図 1は概念図であり、 水平方向に沿って配置されていても良 い。
図 1において、 M E A 1の酸化剤極 1 5は、 酸化剤配流板 3に対面すると共に 多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第 1ガス拡散層 1 6と、 電解質膜 1 1に 対面すると共に触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第 1触媒層 1 7 とを有する。 ME A 1の燃料極 1 2は、 燃料配流板 4に対面すると共に多孔質性 及ぴ導電性をもつカーボン系の第 2ガス拡散層 1 3と、 電解質膜 1 1に対面する と共に触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第 2触媒層 1 4とを有す る。 触媒としては、 白金、 パラジウム、 ルテニウム、 ロジウム、 金、 銀等のうち の少なくとも 1種を例示できる。
酸化剤配流板 3は、 酸化剤/酸化剤 ·配流板、 または、 空気ノ空気 ·配流板と も呼ばれるものである。 酸化剤配流板 3は、 これの厚み方向に透過性を有するよ うに連通する連通孔となりうる多数の細孔をもつ多孔質体で形成されており、 多 孔質性及び導電性を有し、 一般的にはカーボン系材料または耐食性を有する金属 材料を基材とする。
図 1に示すように、 酸化剤配流板 3は、 ME A 1の力ソード側の反応面 1 cに 背向する背向面に形成された第 1背向流路 3 1と、 ME A 1の力ソード側の反応 面 1 cに直接対向する対向面に形成された第 1反応流路 3 2とを有する。 第 1背 向流路 3 1は酸化剤ガスの入口である第 1流路入口 3 3に連通すると共に、 第 1 冷媒流路 5 0に対面している。 第 1反応流路 3 2は酸化剤ガスの出口である第 1 流路出口 3 4に連通する。
図 1に示すように、 第 1背向流路 3 1の終部 3 1 f は、 第 1反応流路 3 2の始 部 3 2 sに連通するため、 第 1背向流路 3 1を流れた酸化剤ガスは、 終部 3 1 f 、 始部 3 2 sを経て第 1反応流路 3 2に流れる。
本実施例によれば、 図 1に示すように、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1を 流れる酸化剤ガスを加湿する第 1加湿要素 T 1が設けられている。 第 1加湿要素 T 1は、 酸化剤配流板 3のうち ME A 1の反応面 1 cに対向する壁部分を多孔質 化することにより構成されている。 従って酸化剤配流板 3には透過性を有する多 数の細孔が形成されている。 細孔により、 酸化剤配流板 3はその厚み方向 （矢印 X I、 X 2方向) に水分透過性及びガス透過性を有する。 酸化剤配流板 3の細孔 及ぴ気孔率については、 適宜選択できるが、 例えば、 0 . 1 111〜1 0；11 111、 気 孔率は 5 %〜4 0 %とすることができる。 ただし細孔径及び気孔率はこれらに限 定されるものではない。
燃料配流板 4は燃料/燃料 ·配流板とも呼ばれるものである。 燃料配流板 4は 導電性をもつ材料 (カーボン系材料または耐食性を有する金属材料) を基材とす る。 燃料配流板 4は、 M E A 1のアノード側の反応面 1 dに背向する背向面に形 成された第 2背向流路 4 1と、 ME A 1の反応面 1 cに対向する対向面に形成さ れた第 2反応流路 4 2とを有する。 第 2背向流路 4 1は、 ガス状の燃料の入口で ある第 2流路入口 4 3に連通すると共に、 第 2冷媒流路 6 0に対面している。 第 2反応流路 4 2は、 ガス状の燃料の出口である第 2流路出口 4 4を有する。 図 1 に示すように、 第 2背向流路 4 1の終部 4 1 f は、 第 2反応流路 4 2の始部 4 2 sに連通するため、 第 2背向流路 4 1を流れた燃料は、 終部 4 1 f 、 始部 4 2 s を経て第 2反応流路 4 2に流れる。
燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1を流れるガス状の燃料を燃料電池内において 加湿する第 2加湿要素 T 2が設けられている。 第 2加湿要素 T 2は、 燃料配流板 4のうち M E A 1の反応面 1 cに対向する壁部分を多孔質化することにより構成 されている。 従って燃料配流板 4には多数の細孔が形成されている。 細孔により、 燃料配流板 4はその厚み方向 （矢印 X 3、 X 4方向） に水分透過性及びガス透過 性を有する。 燃料配流板 4の細孔及び気孔率については適宜選択できる力 例え ば、 細孔径は 0 . 1 /i m〜 1 0 μ m、 気孔率は 5 %〜 4 0 %とすることができる。 ただし細孔径及ぴ気孔率はこれらに限定されるものではなレ、。
更に図 1に示すように、 酸化剤配流板 3のうち M E A 1の酸化剤極 1 5に背向 する側には、 第 1冷媒配流板 5が設けられている。 第 1冷媒配流板 5は、 固体高 分子型燃料電池を冷却する冷媒 (一般的に液相としての水) を流す第 1冷媒流路 5 0を有する。 第 1冷媒流路 5 0は、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1に背向 する位置に形成されている。 第 1冷媒配流板 5は、 厚み方向に透過性をもつ多数 の細孔を有する多孔質体を基材としており、 多孔質の酸化剤配流板 3と共に第 1 加湿要素 T 1を構成する。
燃料配流板 4のうち ME A 1の燃料極 1 2に背向する側には、 第 2冷媒配流板 6が設けられている。 第 2冷媒配流板 6は、 固体高分子型燃料電池を冷却する冷 媒 (一般的には水) を流す第 2冷媒流路 6 0を有する。 第 2冷媒流路 6 0は、 燃 料配流板 4の第 2背向流路 4 1に背向する位置に形成されている。 第 2冷媒配流 板 6は、 厚み方向に透過性をもつ多数の細孔を有する多孔質体を基材としており、 多孔質の燃料配流板 4と共に第 2加湿要素 T 2を構成する。
固体高分子型燃料電池を運転する際には、 燃料電池の外方に配置された酸化剤 ガス搬送源 9 0 (ファン、 ポンプ、 コンプレッサ等) が駆動し、 酸化剤ガスが酸 ィ匕剤配流板 3の第 1流路入口 3 3から酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1に供給 される。 この酸ィヒ剤ガスは、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1に沿って流れて、 第 1背向流路 3 1の終部 3 1 f 力 ら第 1反応流路 3 2の始部 3 2 sに至り、 更に 第 1反応流路 3 2に沿って流れて酸化剤配流板 3の第 1流路出口 3 4から排出さ れる。 このように酸化剤ガスが酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2を流れると、 酸化剤ガスは酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2から ME A 1の酸化剤極 1 5の 第 1ガス拡散層 1 6、 第 1触媒層 1 7に向けて矢印 E 1方向 （図 1参照） に流入 し、 酸化剤ガスは発電反応に使用される。
更に、 ガス状の燃料は、 燃料搬送源 9 2 (ファン、 ポンプ、 コンプレッサ等） により、 燃料配流板 4の第 2流路入口 4 3から燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1 に供給される。 ガス状の燃料は、 燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1に沿って流れ、 第 2背向流路 4 1の終部 4 1 f から第 2反応流路 4 2の始部 4 2 sに至り、 燃料 配流板 4の第 2反応流路 4 2に沿って流れ、 燃料配流板 4の第 2流路出口 4 4か ら排出される。 このように燃料が燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2を流れると、 燃料は燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2から燃料極 1 2の第 2ガス拡散層 1 3及 び第 2触媒層 1 4に向けて矢印 E 2方向 （図 1参照） に流入し、 燃料は発電反応 に使用される。
発電反応によれば、 燃料極 1 2の第 2触媒層 1 4の触媒作用により、 燃料に含 まれている水素からプロトン (水素イオン) と電子 （e一） とが生成される。 生 成されたプロトンは、 ME A 1の電解質膜 1 1を厚み方向に透過して酸化剤極 1 5に至る。 電子は外部導電経路を流れ、 外部導電経路に装備されている負荷で電 気的仕事を行った後に、 酸化剤極 1 5に至る。 酸化剤極 1 5では、 酸化剤極 1 5 の第 1触媒層 1 7の触媒作用により、 酸化剤極 1 5の酸化剤ガス （一般的に空 気） とプロトンと電子とが反応して水が生成される。 上記した発電反応に基づい て ME A 1の酸化剤極 1 5側では水が生成される。
生成水は酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2において溜まる。 殊に、 酸化剤ガ スと共に生成水は下流に向けて流れるため、 生成水は酸化剤配流板 3の第 1反応 流路 3 2の下流領域に溜まる。
この点本実施例によれば、 酸化剤配流板 3は多孔質化されているため、 酸化剤 配流板 3の第 1反応流路 3 2において溜まった水を、 酸化剤配流板 3の細孔によ り、 酸化剤配流板 3を厚み方向 （矢 X I方向） に毛細管現象等により浸透させ て酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2から第 1背向流路 3 Γに移行させることが できる。 このため酸化剤配流板 3の裏面側の第 1背向流路 3 1を流れる酸化剤ガ スを加湿させることができる。 この結果、 第 1背向流路 3 1を流れる酸化剤ガス が酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2の始部 3 2 sに到達したときには、 その酸 化剤ガスは既に適量に加湿されている。
このように加湿されている酸化剤ガスが第 1反応流路 3 2の始部 3 2 sから酸 化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2を流れて発電反応に消費されるため、 電解質膜 1 1の過剰乾燥が抑制され、 燃料電池の発電性能が良好に確保される。 このよう に本実施例によれば、 発電反応によりセル内で生成した生成水をセル内で有効利 用することにより、 M E A 1の力ソード側の反応面 1 cに供給される前の酸ィ匕剤 ガスを効率よく加湿することができ、 いわば『セル内部自己加湿構造』 を実現で きる。
従って本実施例によれば、 酸化剤ガスを酸化剤配流板 3の第 1流路入口 3 3に 供給する前に酸化剤ガスを燃料電池の外部で加湿させる加湿操作を、 低減または 廃止させることができる。 よって、 酸化剤配流板 3の第 1流路入口 3 3に供給す る前に酸化剤ガスを燃料電池の外部で加湿させる外部加湿装置を、 低減または廃 止させることができる。
殊に、 発電反応で生成された水は、 酸化剤ガスの流れの影響等により、 酸化剤 配流板 3の第 1反応流路 3 2のうち下流領域に集まり易い。 このため酸化剤ガス の流れの下流領域ではフラッディング現象が生じるおそれがある。 フラッディン グ現象とは、 水がガス流路を塞いで、 ME A 1に対してガスの供給が制約される ことをいう。 このため本実施例のように酸化剤配流板 3のうち第 1反応流路 3 2 の少なくとも下流領域を多孔質化させれば、 酸化剤ガスの流れの下流領域にぉレ、 て過剰に溜まりがちの水を、 酸化剤配流板 3の細孔を介して、 毛細管現象等によ り、 酸化剤配流板 3を厚み方向 (矢印 X I方向） に浸透させて酸化剤配流板 3の 第 1背向流路 3 1に移行させることができる。 故に、 生成水が溜まりがちの酸化 剤配流板 3の下流領域の除湿を行うことができ、 これにより酸化剤ガスの流れの 下流領域におけるフラッディング現象を抑えることができる。 この意味において も、 酸化剤ガスの流れの下流領域における発電ムラが低減され、 燃料電池の発電 性能が良好に確保される。
本実施例によれば、 図 1に示すように、 第 1冷媒配流板 5も厚み方向に透過性 を有するように多孔質とされており、 第 1冷媒配流板 5の第 1冷媒流路 5 0を流 れる冷媒 （一般的には水） を、 毛細管現象等により、 第 1冷媒配流板 5の厚み方 向 （矢印 M l方向） に浸透させ、 第 1冷媒流路 5 0に対面する酸化剤配流板 3の 第 1背向流路 3 1の酸化剤ガスを加湿させることもできる。
即ち、 本実施例によれば、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1の酸化剤ガスを、 第 1冷媒配流板 5の第 1冷媒流路 5 0を流れる冷媒によっても、 また、 発電反応 で生成され酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2に溜まつた生成水によっても加湿 させることができ、 加湿能力を高めることができる。
なお、 第 1冷媒流路 5 0を流れる冷媒の圧力を調整すれば、 第 1冷媒流路 5 0 から酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1に矢印 M 1方向に向かう水量を調整でき るため、 冷媒により第 1背向流路 3 1の酸化剤ガスを加湿する加湿量を調整する ことができる。
ところで、 酸ィヒ剤配流板 3の第 1反応流路 3 2を流れる酸化剤ガスでは、 酸化 剤配流板 3の第 1反応流路 3 2を下流に向けて進むにつれて、 発電反応により活 物質である酸素の濃度が次第に低下するため、 発電ムラの要因となり得る。 この 点本実施例によれば、 厚み方向にガス透過性を有する酸化剤配流板 3により、 酸 化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1を流れる酸素濃度が高い新鮮な酸化剤ガス （反 応前の酸化剤ガス) を、 酸化剤配流板 3の厚み方向 (矢印 X 2方向) に浸透させ、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1から第 1反応流路 3 2に補給させることも期 待できる。 このため、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1から第 1反応流路 3 2 へ活物質である酸素を積極的に補給させるのに有効である。
ここで、 酸化剤配流板 3の下流側である第 1反応流路 3 2の圧力 P 2は、 圧損 により、 酸化剤配流板 3の上流側である第 1背向流路 3 1の圧力 P 1よりも低い のが一般的である ( P 2 < P 1 ) 。 このため P 2と P 1との差圧、 第 1背向流路 3 1と第 1反応流路 3 2との間における酸素濃度の差による拡散等に基づいて、 第 1背向流路 3 1を流れる新鮮な酸化剤ガス （反応前の酸化剤ガス） の酸素を、 酸化剤配流板 3の厚み方向 (矢印 X 2方向) に浸透させて第 1反応流路 3 2に補 給させることを期待できる。
殊に、 酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2の最下流領域の圧力 P 2 aは、 圧損 により、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1の最上流領域の圧力 P 1 aよりも低 いのが一般的である。 このため上記した差圧、 酸素濃度差による拡散等に基づい て、 第 1背向流路 3 1の最上流領域を流れる新鮮な酸化剤ガスの酸素を、 酸化剤 配流板 3の厚み方向 （矢印 X 2方向） に浸透させて第 1反応流路 3 2の最下流領 域 （酸素濃度が最も低い領域） に補給させることを期待できる。
換言すると、 前記したように酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2における下流 領域は、 発電反応により活物質である酸素の濃度が低下しており、 発電反応が制 約を受けるおそれがある。 これを避けるため本実施例の酸化剤配流板 3によれば、 第 1反応流路 3 2における下流領域 （酸素濃度が低い領域） は、 酸化剤配流板 3 の断面において、 第 1背向流路 3 1の上流領域 （酸素濃度が高い領域） となるベ く近くなるように配置されている。 この結果、 多孔質でガス透過性を有する酸化 剤配流板 3により、 第 1背向流路 3 1の上流領域を流れる新鮮な酸化剤ガスを酸 化剤配流板 3の厚み方向 （矢印 X 2方向） に浸透させ、 酸化剤配流板 3の第 1反 応流路 3 2の下流領域に直接的に補給させることが効果的に行われ、 発電ムラを 抑えるのに有利となる。 この意味においても、 燃料電池の発電性能が良好に確保 される。
燃料側についても同様である。 即ち、 本実施例によれば、 燃料配流板 4は厚み 方向に透過性を有するように多孔質化されているため、 燃料配流板 4の第 2反応 流路 4 2側の水を、 毛細管現象等により、 燃料配流板 4を厚み方向 (矢印 X 3方 向） に浸透させて、 第 2反応流路 4 2から第 2背向流路 4 1に移行させることが できる。 このため燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1を流れるガス状の燃料を加湿 させることができ、 電解質膜 1 1の過剰乾燥を低減できる。 従ってガス状の燃料 を第 2流路入口 4 3に供給する前に燃料を燃料電池の外部において加湿させるカ卩 湿操作を、 低減または廃止することができる。 よって、 ガス状の燃料を第 2流路 入口 4 3に供給する前に燃料電池の外部において燃料を加湿させる外部加湿装置 を、 低減または廃止することができる。
更に本実施例によれば、 第 2冷媒配流板 6も厚み方向に透過性を有するように 多孔質とされており、 第 2冷媒配流板 6の第 2冷媒流路 6 0を流れる冷媒 （一般 的には水） を、 毛細管現象等により、 第 2冷媒配流板 6の厚み方向 （矢印 M 2方 向） に浸透させ、 燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1のガス状の燃料を加湿させる こともできる。 即ち本実施例によれば、 燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1の燃料 を、 第 2冷媒配流板 6の第 2冷媒流路 6 0を流れる水によっても、 燃料配流板 4 の第 2反応流路 4 2において生成された水によっても加湿させることができる。 なお、 第 2冷媒流路 6 0を流れる冷媒の圧力を調整すれば、 燃料配流板 4の第 2 背向流路 4 1を流れるガス状の燃料を加湿する加湿量を調整することができる。 また燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2を流れるガス状の燃料は、 燃料配流板 4 の第 2反応流路 4 2をこれの下流に向けて進むにつれて発電反応により活物質で ある水素の濃度が次第に低下する。 燃料配流板 4の下流側である第 2反応流路 4 2の圧力 P 4は、 圧損により、 燃料配流板 4の上流側である第 2背向流路 4 1の 圧力 P 3よりも低いのが一般的である （P 4 < P 3 ) 。 このため、 第 2背向流路 4 1及び第 2背向流路 4 1間における差圧、 水素濃度差による拡散等に基づいて、 厚み方向にガス透過性を有する燃料配流板 4により、 第 2背向流路 4 1を流れる 新鮮なガス状の燃料の水素を、 燃料配流板 4の厚み方向 (矢印 X 4方向) に浸透 させて第 2背向流路 4 1から第 2反応流路 4 2に直接的に補給させることも期待 できる。 このため燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2への活物質である水素の捕給 に有効である。
ここで、 燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2における下流領域は、 発電反応によ り活物質である水素がかなり低下しており、 燃料の下流領域では発電反応が制約 を受けるおそれがある。 これを避けるため本実施例に係る燃料配流板 4によれば、 燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2における下流領域 (水素濃度が低い領域） は、 燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1の上流領域 (水素濃度が高い領域) となるべく 近くなるように配置されている。 この場合、 多孔質でガス透過性を有する燃料配 流板 4により、 燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1の上流領域を流れる新鮮な燃料 を燃料配流板 4の厚み方向 (矢印 X 4方向) に浸透させることができる。 よって、 燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1の上流領域 （水素濃度が高い領域） から、 活物 質である水素を燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2の下流領域 （水素濃度が低い領 域） に直接的に捕給させることが効果的に行われる。
また本実施例によれば、 図 1に示すように、 第 1冷媒流路 5 0の冷媒の基本流 れ方向は、 酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2の酸化剤ガスの基本流れ方向と同 じ、 または、 ほぼ同じとなるような関係に設定されている配置構造が採用されて いる。 この結果、 第 1冷媒流路 5 0の冷媒の流れの下流領域は、 酸化剤配流板 3 の第 1反応流路 3 2の下流領域と対応する位置となる。 ここで、 第 1冷媒流路 5 0の冷媒の流れの下流の温度は、 受熱のため、 冷媒の流れの上流の温度よりも高 い。 このため上記した配置構造を採用すると、 酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2の下流領域の温度は、 第 1反応流路 3 2の上流領域の温度に比較して高くなる 傾向がある。 このため、 第 1反応流路 3 2の下流領域に保持できる蒸気量を大き くできる。 故に、 第 1反応流路 3 2の下流領域におけるフラッデイングの抑制に 有利となる。
なお、 上記した配置構造に必ずしも限定されるものではなく、 第 1冷媒流路 5 0の冷媒の基本流れ方向は、 酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2の酸化剤ガスの 基本流れ方向と逆、 または、 ほぼ逆の関係となる配置構造としても良い。
本実施例によれば、 燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が低いときには、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1を酸化剤ガスが流れるときに、 第 1背向流路 3 1を流れる酸化剤ガスを燃料電池の内部において予熱することを期待できる。 また燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が高過ぎるときには、 酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1を酸化剤ガスが流れるときに、 第 1背向流路 3 1を流れる 酸化剤ガスを予冷することを期待できる。 これにより酸化剤配流板 3の第 1反応 流路 3 2に供給される酸化剤ガスの適温化に有利である。
同様に、 燃料電池に供給される燃料ガスの温度が低いときには、 燃料配流板 4 の第 2背向流路 4 1を燃料ガスが流れるときに、 第 2背向流路 4 1を流れる燃料 ガスを燃料電池の内部で予熱することを期待できる。 また燃料電池に供給される 燃料ガスの温度が高過ぎるときには、 燃料配流板 4の第 2背向流路 4 1を燃料ガ スが流れるときに、 第 2背向流路 4 1を流れる燃料ガスを予冷することを期待で きる。 これにより燃料配流板 4の第 2反応流路 4 2に供給される燃料ガスの適温 化に有利である。
上記した本実施例によれば、 燃料配流板 4、 第 1冷媒配流板 5、 第 2冷媒配流 板 6は多孔質化とされているが、 緻密体で形成することもできる。 但し酸化剤配 流板 3は多孔質化する。 (第 2実施例）
図 2は本発明の第 2実施例を示す。 第 2実施例は第 1実施例と基本的には同様 の構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 本実施例においても、 酸化 剤配流板 3 Bは、 ME A 1の力ソード側の反応面 1 cに背向する背向面に形成さ れた第 1背向流路 3 1と、 ME A 1の反応面 1 cに対向する対向面に形成された 第 1反応流路 3 2とを有する。 第 1加湿要素 T 1を構成する酸化剤配流板 3 Bは、 多孔質化されて厚み方向に透過性を有するため、 第 1実施例と同様に、 発電反応 により生成されて酸化剤配流板 3 Bの第 1反応流路 3 2に溜まつた水を、 酸化剤 配流板 3 Bの細孔の毛細管現象等により、 酸化剤配流板 3 Bを厚み方向 （矢印 X 1方向） に浸透させ、 酸化剤配流板 3 Bの第 1背向流路 3 1に移行させることが できる。 このため酸化剤配流板 3 Bの第 1背向流路 3 1を流れる酸化剤ガスを加 湿させることができる。 この結果、 第 1背向流路 3 1を流れる酸化剤ガスが酸化 剤配流板 3の第 1反応流路 3 2の始部 3 2 sに到達したときには、 その酸化剤ガ スは既に適量に加湿されている。 このように本実施例によれば、 発電反応により 生成された生成水で酸化剤ガスを加湿する、 いわば『セル内部自己加湿構造』 を 実現できる。
また本実施例においても、 図 2に示すように、 第 2加湿要素 T 2を構成する燃 料配流板 4 Bは、 厚み方向に透過性を有するように多孔質化されているため、 燃 料配流板 4 Bの第 2反応流路 4 2側の水を、 燃料配流板 4 Bの細孔の毛細管現象 等により、 燃料配流板 4 Bにこれの厚み方向 （矢印 X 3方向） に浸透させて燃料 配流板 4 Bの第 2背向流路 4 1に移行させることができる。 このため燃料配流板 4 Bの第 2背向流路 4 1を流れるガス状の燃料を加湿させることができる。
本実施例よれば、 図 2に示すように、 第 1冷媒配流板 5 B及び第 2冷媒配流板 6 Bは多孔質体ではなく、 緻密体とされている。 従って第 1冷媒配流板 5 Bの第 1冷媒流路 5 0を流れる冷媒 （一般的には水） 、 第 2冷媒配流板 6 Bの第 2冷媒 流路 6 0を流れる冷媒 （一般的には水） より、 固体高分子型燃料電池の冷却を図 る。 なお上記した本実施例によれば、 燃料配流板 4は多孔質化とされているが、 緻密体で形成することもできる。 伹し酸化剤配流板 3は多孔質化する。 (第 3実施例）
図 3は本発明の第 3実施例を示す。 第 3実施例は第 1実施例と基本的には同様 の構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 本実施例においても、 第 1 加湿要素を構成する酸化剤配流板 3 Cは多孔質性を有しており、 ME A 1のカソ ード側の反応面 1 cに背向する背向面に形成された第 1背向流路 3 1と、 ME A 1の反応面 1 cに対向する対向面に形成され第 1反応流路 3 2とを有する。 図 3 に示すように、 燃料配流板 4 Cは緻密体で形成されており、 ME A 1のアノード 側の反応面 1 dに背向する背向面に形成された第 2背向流路 4 1と、 ME A 1の 反応面 1 dに対向する対向面に形成され第 2反応流路 4 2とを有する。 本実施例 においても、 発電反応により生成された生成水で酸化剤ガスを加湿する、 いわば 『セル内部自己加湿構造』 を実現できる。 なお燃料配流板 4 C、 第 1冷媒配流板 5 C , 第 2冷媒配流板 6 Cは緻密体で形成されているが、 多孔質化させても良い。
(第 4実施例）
図 4は本発明の第 4実施例を示す。 第 4実施例は第 1実施例と基本的には同様 の構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 本実施例においても、 第 1 加湿要素 T 1を構成する酸化剤配流板 3 Dは、 ME A 1の反応面 1 cに背向する 背向面に形成された第 1背向流路 3 1と、 M E A 1の反応面 1 cに対向する対向 面に形成され第 1反応流路 3 2とを有する。 酸化剤配流板 3 Dは厚み方向に透過 性を有するように多孔質化されている。 このため第 1実施例と同様に、 酸化剤配 流板 3 Dの第 1反応流路 3 2において生成された水を、 毛細管現象等により、 酸 化剤配流板 3 Dにこれの厚み方向 （矢印 X I方向） に浸透させて酸化剤配流板 3 Dの第 1背向流路 3 1に移行させることができる。 このため酸化剤配流板 3の第 1背向流路 3 1を流れる反応前の酸化剤ガスを加湿させることができ、 電解質膜 1 1の過剰乾燥を低減できる。 このように本実施例においても、 発電反応により 生成された生成水で、 反応前の酸化剤ガスを加湿する、 いわば'『セル内部自己加 湿構造』 を実現できる。 従って酸化剤ガスを固体高分子型燃料電池の第 1流路入 口 3 3に供給する前に酸化剤ガスを加湿させる加湿操作を、 低減または廃止する ことができる。
また本実施例においても、 第 2加湿要素 T 2を構成する燃料配流板 4 Dは、 厚 み方向に透過性を有するように多孔質化されているため、 燃料配流板 4 Dの第 2 反応流路 4 2側の水を燃料配流板 4を厚み方向 （矢印 X 3方向） に浸透させて燃 料配流板 4 Dの第 2背向流路 4 1に移行させることができる。 このため燃料配流 板 4 Dの第 2背向流路 4 1を流れる反応前のガス状の燃料を加湿させることがで きる。 図 4に示すように、 第 1冷媒配流板及び第 2冷媒配流板は搭載されていな い。 なお、 燃料配流板 4 Dは多孔質化されているが、 緻密化させても良い。
(第 5実施例）
図 5は本発明の第 5実施例を示す。 第 5実施例は第 1実施例と基本的には同様 の構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 図 5に示すように、 酸化剤 配流板 3 Eは、 M E A 1の反応面 1 cに背向する背向面に形成された第 1背向流 路 3 1と、 M E A 1の反応面 1 cに対向する対向面に形成され第 1反応流路 3 2 とを有する。 酸化剤配流板 3 Eは多孔質ではなく、 緻密体とされている。
第 1冷媒配流板 5 Eは第 1加湿要素を構成すべく、 厚み方向に透過性を有する ように多孔質とされており、 第 1冷媒配流板 5 Eの第 1冷媒流路 5 0を流れる冷 媒 （一般的に水） を第 1冷媒配流板 5 Eの厚み方向 （矢印 M l方向） に浸透させ、 酸化剤配流板 3 Eの第 1背向流路 3 1の酸化剤ガスを加湿させることができる。 このように酸化剤配流板 3 Eの第 1背向流路 3 1を流れる酸化剤ガスをセル内に おいて加湿させることができる。 従って酸化剤ガスを第 1流路入口 3 3に供給す る前に酸化剤ガスを燃料電池の外部において加湿させる加湿操作や外部加湿装置 を、 低減または廃止することができる。 ここで、 第 1冷媒流路 5 0を流れる冷媒 の圧力を調整すれば、 第 1冷媒流路 5 0の冷媒を第 1冷媒配流板 5 Eの厚み方向
(矢印 M l方向） に浸透させる程度を調整できるため、 酸化剤ガスの加湿量を調 整することができる。
燃料配流板 4 Eは、 ME A 1のアノード側の反応面 1 dに背向する背向面に形 成された第 2背向流路 4 1と、 M E A 1の反応面 1 dに対向する対向面に形成さ れ第 2反応流路 4 2とを有する。 燃料配流板 4 Eは多孔質ではなく、 緻密体とさ れている。
第 2冷媒配流板 6 Eは第 2加湿要素を構成すべく、 厚み方向に透過性を有する ように多孔質とされており、 第 2冷媒配流板 6 Eの第 2冷媒流路 6 0を流れる冷 媒 （一般的には水） を第 2冷媒配流板 6 Eの厚み方向 （矢印 M 2方向） に浸透さ せ、 燃料配流板 4 Eの第 2背向流路 4 1のガス状の燃料を加湿させることもでき る。 このように燃料配流板 4 Eの第 2背向流路 4 1を流れるガス状の燃料を加湿 させることができる。
(第 6実施例）
第 6実施例は図 1を準用する。 第 6実施例は第 1実施例と基本的には同様の構 成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 本実施例によれば、 第 1加湿要 素を構成する酸化剤配流板 3 Fは、 親水性を有する多孔質体を基材として形成さ れている。 このため酸化剤配流板 3 Fの第 1反応流路 3 2において溜まった液相 としての水を、 毛細管現象等により、 酸化剤配流板 3 Fを厚み方向 (矢印 X 1方 向） に積極的に浸透させ、 酸化剤配流板 3 Fの第 1背向流路 3 1に移行させるこ とができる。 このため、 酸化剤配流板 3 Fの第 1背向流路 3 1を流れる酸化剤ガ スを液相としての水により効果的に加湿させることができる。 なお親水性は、 酸 化剤配流板 3 Fの材質自体により、 あるいは、 酸化剤配流板 3 Fに親水性処理を 施すことにより形成できる。 ' , また、 第 2加湿要素を構成する燃料配流板 4 Fは、 親水性を有する多孔質体を 基材として形成されている。 このため燃料配流板 4 Fの第 2反応流路 4 2におい て生成された水分を液相の水として、 細孔による毛細管現象等により、 燃料配流 板 4 Fを厚み方向 (矢印 X 3方向) に浸透させ、 燃料配流板 4 Fの第 2背向流路 4 1に移行させることができる。 このため燃料配流板 4 Fの第 2背向流路 4 1を 流れるガス状の燃料を液相としての水により加湿させることができる。 なお親水 性は、 燃料配流板 4 Eの材質自体により、 あるいは、 親水性処理を施すことによ り形成できる。
上記したように酸化剤配流板 3 Fが親水性を有するときには、 酸化剤配流板 3 Fの細孔径について、 ほぼ均一としても良い。 また燃料配流板 4 Fが親水性を有 するときには、 燃料配流板 4 Fの細孔径について、 ほぼ均一としても良い。
また、 親水性を有する酸化剤配流板 3 Fのうち M E A 1に対向する対向面にお いて、 つまり第 1反応流路 3 2において、 第 1反応流路 3 2の上流から第 1反応 流路 3 2の下流に向かうにつれて細孔径を小さくできる。 この場合、 細孔径は例 えば 0 . 1〜1 0 μ πιの範囲内で調整できる。 細孔径が小さいと、 毛細管圧を大 きくでき、 毛細管圧で水を酸化剤配流板 3 Fの厚み方向に透過させるのに有利で める。
また、 親水性を有する酸化剤配流板 3 Fのうち ME A 1に対向する対向面にお いて、 つまり第 1反応流路 3 2において、 気孔率を下流に向かうにつれて大きく なるようにできる。 これにより第 1反応流路 3 2の下流領域において矢印 X 1方 向の水通過性、 矢印 X 2方向のガス透過性を高めるのに有利となる。 この場合、 気孔率は例えば 5〜4 0 %の範囲内で調整できる。 なお燃料配流板 4 Fの細孔径、 気孔率についても、 酸化剤配流板 3 Fと同様にすることができる。
(第 7実施例）
図 6及ぴ図 7に示す第 7実施例は第 1実施例と基本的には同様の構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 本実施例によれば、 第 1加湿要素を構成す る酸化剤配流板 3 Gは、 親水性を有する多孔質体で形成されており、 厚み方向に 透過性を有する。 ME A 1に対向する対向面において、 つまり第 1反応流路 3 2 において、 酸化剤配流板 3 Gの細孔径を第 1反応流路 3 2の下流の細孔径を相対 的に小さくすると共に、 第 1反応流路 3 2の上流の細孔径を相対的に大きくする ように設定されている。 この場合、 図 7の特性線 S 1 1に示すように、 第 1反応 流路 3 2の上流から第 1反応流路 3 2の下流にかけて連続的に細孔径を小さくす るように変化させることができる。 また図 7の特性線 S 1 2、 S 1 3に示すよう に、 第 1反応流路 3 2の上流から第 1反応流路 3 2の下流にかけて段階的に細孔 径を小さくするように変化させることができる。 この場合、 気孔率は例えば 5〜 4 0 %の範囲内で調整できる。
この場合、 細孔径が小さい方が毛細管圧を大きくでき、 水を酸化剤配流板 3 G の厚み方向の奥部まで浸透させるのに有利となる。 よって、 酸化剤配流板 3にお ける細孔による毛細管圧については、 細孔径を相対的に小さく設定している第 1 反応流路 3 2の下流領域の方が、 細孔径を相対的に大きく設定している第 1反応 流路 3 2の上流領域よりも、 相対的に大きくなる。
また親水性をもつ酸化剤配流板 3 Gについては、 ME A 1に対向する対向面に おいて、 つまり第 1反応流路 3 2において、 図 7の特性線 S 1 4に示すように、 第 1反応流路 3 2の下流に向かうにつれて気孔率を次第に大きくすることができ る。 これにより第 1反応流路 3 2の下流領域における矢印 X 1方向の水通過性、 矢印 X 2方向のガス透過性を高めるのに有利となる。 この場合、 気孔率は例えば 5〜 4 0 %の範囲内で調整できる。
上記した本実施例によれば、 酸化剤配流板 3 Gの第 1'反応流路 3 2の下流領域 に溜まった生成水を、 酸化剤配流板 3 Gの厚み方向 （矢印 X I方向） に浸透させ て第 1背向流路 3 1に移行させるのに有利となる。 このため酸化剤配流板 3 Gの 下流領域における除湿機能が確保され、 酸化剤配流板 3 Gの下流領域におけるフ ラッディング現象を抑えるのに有利となる。
また、 第 2加湿要素を構成する燃料配流板 4 Gが親水性を有する。 この場合、 ME A 1に対向する対向面において、 第 2反応流路 4 2の下流の細孔径を相対的 に小さくすると共に、 第 2反応流路 4 2の'上流の細孔径を相対的に大きくするよ うに設定されている。 この場合、 図 7の特性線 S I 1に示すように、 第 2反応流 路 4 2の上流から第 2反応流路 4 2の下流にかけて連続的に細孔径を小さくなる ように変化させることができる。 また図 7の特性線 S 1 2、 S 1 3に示すように、 第 2反応流路 4 2の上流から第 2反応流路 4 2の下流にかけて段階的に細孔径を 小さくなるように変化させることができる。 よって、 燃料配流板 4 Gにおける細 孔による毛細管圧は、 細孔径を相対的に小さく設定している第 2反応流路 4 2の 下流領域の方が相対的に大きくなる。 この結果、 第 2反応流路 4 2の下流領域に 溜まった水を、 燃料配流板 4 Gの厚み方向 （矢印 X 3方向） に浸透させて第 2背 向流路 4 1に浸透させるのに有利となる。
また燃料配流板 4 Gの気孔率については、 ME A 1に対向する対向面において、 つまり第 2反応流路 4 2において、 図 7の特性線 S 1 4に示すように、 第 2反応 流路 4 2の上流から第 2反応流路 4 2の下流に向かうにつれて、 気孔率を次第に 大きくすることができる。 この場合、 気孔率は例えば 0 . 1〜1 0 μ πιの範囲内 で調整できる。
(第 8実施例）
第 8実施例は図 1を準用する。 第 8実施例は第 1実施例と基本的には同様の構 成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 図 1に準用するように、 第 1加 湿要素を構成する酸化剤配流板 3 Ηは、 疎水性 （撥水性） を有する多孔質体を基 材として形成されており、 厚み方向に透過性を有する。 このため酸化剤配流板 3 Ηの第 1反応流路 3 2において溜まった水分 （水蒸気） を、 酸化剤配流板 3 Ηを 厚み方向 （矢印 X I方向） に拡散させ、 酸化剤配流板 3 Ηの第 1背向流路 3 1に 移行させることができる。 このため酸化剤配流板 3 Ηの第 1背向流路 3 1を流れ る酸化剤ガスを水蒸気により加湿させるのに有利となる。 なお疎水性は、 酸化剤 配流板 3 Ηの材質自体により、 あるいは、 疎水性処理を施すことにより形成でき る。
また、 第 2加湿要素を構成する燃料配流板 4 Ηは、 疎水性 (撥水性) を有する 多孔質体を基材として形成されている。 このため、 燃料配流板 4 Ηの第 2反応流 路 4 2において生成された水分 (水蒸気) を、 細孔を経て、 燃料配流板 4 Ηの厚 み方向 （矢印 Χ 3方向） に拡散させ、 燃料配流板 4 Ηの第 2背向流路 4 1に移行 させることができる。 このため燃料配流板 4 Ηの第 2背向流路 4 1を流れるガス 状の燃料を水蒸気により加湿させるのに有利となる。 なお疎水性は、 燃料配流板 4 Ηの材質自体により、 あるいは、 疎水性処理を施すことにより形成できる。 上 記したように酸化剤配流板 3 Ηが疎水性を有するときには、 酸化剤配流板 3 Ηの 細孔径について、 ほぼ均一としても良い。 また燃料配流板 4 Ηが疎水性を有する ときには、 燃料配流板 4 Ηの細孔径について、 ほぼ均一としても良い。
上記した説明では、 疎水性にした酸化剤配流板 3 Η、 燃料配流板 4 Ηについて 細孔径をほぼ均一とした場合について説明した。 しかしこれに限らず、 疎水性に した酸化剤配流板 3 Η、 疎水性にした燃料配流板 4 Ηについては、 ME A 1に対 向する対向面において、 つまり、 第 1反応流路 3 2の下流に向かうにつれて細孔 径を相対的に大きくなるようにでき、 また、 気孔率を第 1反応流路 3 2の下流に 向かうにつれて相対的に大きくなるようにすることもできる。 この場合、 気孔率 は例えば 5〜 4 0 %の範囲内で調整でき、 気孔率は例えば 0 . 1〜 1 0 μ mの範 囲内で調整できる。
(第 9実施例）
図 8、 図 9は第 9実施例を示す。 第 9実施例は第 1実施例と基本的には同様の 構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 第 1加湿要素を構成する酸化 剤配流板 3 Kは、 疎水性を有する多孔質体を基材とする。 そして、 ME A 1に対 向する対向面において、 酸化剤配流板 3 Kの細孔径について第 1反応流路 3 2の 下流の細孔径を相対的に大きくすると共に、 第 1反応流路 3 2の上流の細孔径を 相対的に小さくするように設定されている。 この場合、 図 9の特性線 S 2 1に示 すように、 第 1反応流路 3 2の上流から第 1反応流路 3 2の下流にかけて連続的 に細孔径を大きくするように変化させることができる。 また図 9の特性線 S 2 2、 S 2 3に示すように、 第 1反応流路 3 2の上流から第 1反応流路 3 2の下流にか けて段階的に細孔径を大きくなるように変化させることができる。 なお細孔径は 0 . 1〜1 0 μ πιの範囲内で調整できる。
また疎水性をもつ酸化剤配流板 3 Κについて、 M E A 1に対向する対向面にお いて、 図 9の特性線 S 2 4に示すように第 1反応流路 3 2の下流に向かうにつれ て気孔率を増加させることができる。 これにより第 1反応流路 3 2の下流領域に おける矢印 X 1方向の水通過性、 矢印 X 2方向のガス透過性を高めるのに有利と なる。 なお気孔率は例えば 5〜4 0 %の範囲内で調整できる。
この場合、 下記に示す Kelvinの式によれば、 疎水性の場合には、 細孔径が大き い方が水蒸気圧を小さくでき、 水蒸気を凝縮させて液相としての水を生成し易く なる。 従って、 液相としての水を酸化剤配流板 3 Kにこれの厚み方向 (矢印 X 1 方向） に透過させて第 1背向流路 3 1に浸透させるのに有利となる。 この結果、 酸化剤配流板 3 Kの第 1反応流路 3 2の下流領域に溜まった液相状の生成水を、 酸化剤配流板 3 Kの厚み方向 （矢印 X I方向） に浸透させて第 1背向流路 3 1に 移行させるのに有利となる。 このため酸化剤配流板 3 Kの下流領域におけるフラ ッデイング現象を抑えるのに有利となる。 なお、 第 1冷媒配流板 5、 第 2冷媒配 流板 6による強制冷却機能も上記凝縮に寄与する。
なお、 数式 1で示される Kelvinの式は、 基本的には、 細孔における水蒸気分圧 を示す。 ここで、 Pは細孔内における液体の平衡蒸気圧、 P oはその温度におけ る液体の飽和蒸気圧、 σはその液体の表面張力、 Μはその液体の分子モル質量、 Θはその液体の接触角、 ρはその液体の密度、 Rは気体定数、 Τは絶対温度を示 す。 一般的には、 親水性は Θが 0〜 9 0度以下とされ、 疎水性は Θが 9 0度越え 〜1 8 0度とされる。
数式 1〜Ρ = Ρ ο · e X ρ [― { ( 2 a M c o s θ ) / ( r R T) } ]
Kelvinの式によれば、 細孔の内壁面が疎水性である場合には、 0が 9 0度越え 〜1 8 0度とされるため、 cos 0は負の値となり （cos 0く 0 ) 、 Pは P oよりも 大きくなる ( P > P o ) 。 Kelvinの式によれば、 細孔の内壁面が疎水性である場 合には、 細孔径 rが大ければ大きいほど、 細孔の水蒸気分圧 Pは小さくなる。 ま た、 細孔径 rが小さければ小さいほど、 細孔の水蒸気分圧 Pは大きくなる。 また、 図 8に示すように、 第 2加湿要素を構成する燃料配流板 4 Kは、 疎水性 を有す多孔質体で形成されている。 この場合、 ME A 1に対向する対向面におい て、 燃料配流板 4 Kの細孔径について第 2反応流路 4 2の下流の細孔径を相対的 に大きくすると共に、 第 2反応流路 4 2の上流の細孔径を相対的に小さくするよ うに設定することができる。 この場合、 図 9の特性線 S 2 1に示すように、 第 2 反応流路 4 2の上流から第 2反応流路 4 2の下流にかけて連続的に細孔径を大き くなるように変化させることができる。 また図 9の特性線 S 2 2、 S 2 3に示す ように、 第 2反応流路 4 2の上流から第 2反応流路 4 2の下流にかけて段階的に 細孔径を大きくなるように変化させることができる。 この結果、 燃料の第 2反応 流路 4 2の下流領域に溜まつた液相としての水を、 燃料配流板 4 Kの厚み方向
(矢印 X 3方向) に浸透させて第 2背向流路 4 1に移行させるのに有利となる。 このため燃料配流板 4 Kの下流領域におけるフラッディング現象を抑えるのに有 利となる。 なお前記した第 2実施例〜第 4実施例に係る酸化剤配流板 3、 燃料配 流板 4についても、 疎水性を施す形態としても良い。
(第 1 0実施例） 図 1 0及び図 1 1は第 1 0実施例を示す。 第 1 0実施例は図 8に示す実施例と 基本的には同様の構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 第 1加湿要 素を構成する酸化剤配流板 3 Rは疎水性 （撥水性） を有する多孔質体を基材とし て形成されている。 第 2加湿要素を構成する燃料配流板 4 Rは、 疎水性 （撥水 性） を有する多孔質体を基材として形成されている。 そして図 8に示す実施例に 対して細孔径の大小関係を逆の関係にしている。 即ち、 図 1 1の特性線 S 1 1， ， S 1 2 ' , S 1 3 ' に示すように、 M E A 1に対向する対向面において、 酸化剤 配流板 3 Rの細孔径について第 1反応流路 3 2の下流の細孔径を相対的に小さく すると共に、 第 1反応流路 3 2の上流の細孔径を相対的に大きくするように設定 している。
上記した Kelvinの式によれば、 細孔が小さい方が細孔内の水蒸気分圧を大きく できる。 このため、 酸化剤配流板 3 Rの第 1反応流路 3 2において生成された水 分が蒸気化した水蒸気の拡散を利用して、 酸化剤配流板 3 Rの第 1背向流路 3 1 の酸化剤ガスを加湿させることができる。 燃料配流板 4 Rについても同様とされ ている。
(第 1 1実施例)
図 1 2は第 1 1実施例を示す。 第 1 1実施例は第 1実施例と基本的には同様の 構成を有し、 基本的には同様の作用効果を奏する。 但し、 酸化剤配流板 3 Pにお いて第 1反応流路 3 2の下流側は多孔質とされているもの、 第 1反応流路 3 2の 上流側は多孔質ではなく緻密体とされている。 緻密体とすれば、 その部分の強度、 導電性、 集電性を高めるのに有利となる。 燃料配流板 4 Pも同様の構造にできる。
(製造例）
上記した多孔質な酸化剤配流板.3、 燃料配流板 4は例えば次の製法に基づいて 形成できる。 即ち、 カーボン系材料 （天然黒鉛、 人造黒鉛等） とパインダ （熱硬 化性樹脂、 例えばフ ノール樹脂） と消失可能な造孔材 （セルロース系有機質 材） とを混合した混合材料を用いる。 この混合材料を成形型のキヤビティ型面で プレス成形して成形体とし、 その成形体を焼成温度 （例えば 5 0 0〜6 0 0 °C) において焼成し、 成形体の造孔材を消失させることにより、 多数の細孔をもつ酸 化剤配流板 3、 燃料配流板 4を形成することができる。 細孔径を上流領域から下 流領域にかけて変化させるには、 造孔材のサイズを上流領域から下流領域にかけ て変化させることにより行い得る。 造孔材のサイズが大きいと、 細孔径が大きく なる。 造孔材のサイズが小さいと、 細孔径が小さくなる。 細孔径としては 1〜1 0 0 ί Πΐ、 2〜3 0 πι、 2〜 1 5 μ m、 殊に 3〜 4 μ mとすることができる。 気孔率としては体積比で 1 0〜 9 0 %、 1 5〜 6 0 %、 殊に 2 0〜 4 0 %とする ことができる。
酸化剤配流板 3に疎水性を与える疎水性物質としては、 フッ素原子、 C F 2基、 C F s基、 C H 3基、 C H 2基等を有するものが挙げられ、 フッ素、 フッ素樹脂 ( P T F F、 F E P、 P F A、 P V D F等） 、 フッ化黒鉛、 疎水性カーボン、 シ ラン化合物、 パラフィン等を例示できる。 疎水処理を行う改質ガスとしては、 フ ッ素ガス、 あるいは、 フッ素ガスと不活性ガス (窒素等) とを主要成分とするガ スを用いることができる。 親水処理としては、 親水性物質を液状媒体 (水、 アル コール等) に溶解または分散させた溶液を用い、 その溶液と酸化剤配流板 3とを 接触させることにより行い得る。 親水性物質としては、 過酸化水素水、 二酸化珪 素の粉末、 酸化アルミニゥムの粉末等を例示することができ、 その表面に水酸基 や力ルポキシル基等の親水性の官能基を多量に含むものを例示することができる。 更に、 吸水性の樹脂である、 デンプン ·ァクリル酸共重合体、 ポリアクリル酸塩、 ポリビュルアルコール等を用いることもできる。 また、 イオン交換樹脂、 吸水性 多糖類を親水性物質として例示できる。 いずれもその構造内に、 水酸基、 カルボ キシル基、 アルデヒド基、 アミノ基、 スルホ基等の親水性の官能基のうちの少な くとも 1種を有するものを例示することができる。
(酸化剤配流板 3の形態例）
上記した第 1実施例に係る酸化剤配流板 3について加湿の観点からみると、 反 応前の酸化剤ガスが第 1背向流路 3 1に流れるにつれて、 第 1背向流路 3 1の流 路の全領域またはほぼ全領域において加湿が行われる。 従って、 第 1背向流路 3 1における加湿があまり進行していない上流領域 U 1 (UP) の湿度と、 加湿が進 行した第 1背向流路 3 1における下流領域 D 1 (DOWN) の湿度とを比較すると、 第 1背向流路 3 1における下流領域 D 1の湿度は、第 1背向流路 3 1における上 流領域 U 1の湿度よりも高いという特性がある。
また酸化剤配流板 3の第 1反応流路 3 2についてみると、 酸化剤ガスが第 1背 向流路 3 1を経て第 1反応流路 3 2における上流領域 U 2に到達した時点におい て、 酸化剤ガスは既に加湿が完了していることが好ましい。 このため上記した事 情を勘案すると、 第 1背向流路 3 1における下流領域 D 1と、 第 1反応流路 3 2 における上流領域 U 2とを、 酸化剤配流板 3の表裏の関係においてできるだけ接 近させることが好ましい。 このようにすれば、 第 1反応流路 3 2における上流領 域 U 2の湿度を高めることができ、 第 1反応流路 3 2の始端から発電反応を良好 に確保できる。
このため図 1 3〜図 1 5に示す各形態を採用できる。 図 1 3〜図 1 5に示すよ うに、 矢印は酸化剤ガスの基本的流れ方向を示し、 酸化剤配流板 3は辺 3 a、 3 b、 3 c、 3 dを有する。 酸化剤配流板 3は第 1背向流路 3 1及ぴ第 1反応流路 3 2を表裏の関係で有する。 1 0 0は第 1背向流路 3 1及び第 1反応流路 3 2を 流れる酸化剤ガスを案内させる案内突起である。 1 0 2は新鮮な空気を酸化剤配 流板 3の第 1背向流路 3 1に導入する空気導入マニホルドである。 1 0 6は酸化 剤配流板 3の第 1反応流路 3 2を流れて発電に消費された空気オフガスを導出さ せる空気導出マニホルドである。 1 0 8は新鮮なガス状の燃料を第 2背向流路 4 1に導入する燃料導入マ二ホルドである。 1 1 2は第 2反応流路 4 2を流れて発 電に消費された燃料オフガスを導出させる燃料導出マニホルドである。 5 0 0は 第 1冷媒流路 5 0、 第 2冷媒流路 6 0に冷媒を供給する冷媒導入マ-ホルド、 5 0 1は第 1冷媒流路 5 0、 第 2冷媒流路 6 0から吐出された冷媒を導出させる冷 媒導出マニホルドを示す。
図 1 3〜図 1 5に示す各形態によれば、 第 1背向流路 3 1における加湿が進行 した下流領域 D 1と、 第 1反応流路 3 2における上流領域 U 2とを、 酸化剤配流 板 3の表裏の関係となるように設定している。 あるいは、 それに近い関係となる ように接近させている。 この結果、 反応前の酸化剤ガスの加湿についてみると、 酸化剤ガスが第 1背向流路 3 1を経て、 第 1反応流路 3 2における上流領域 U 2 に到達した時点において、 酸化剤ガスは既に加湿が完了している。 '
(その他）
その他、 本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、 要旨を逸脱 しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。 上記した記載から次の技術 的思想を把握できる。
(付記項 1 ) 燃料電池の膜 ·電極接合体の燃料極に対向して設けられ燃料極に燃 料を供給する燃料配流板において、 膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成され た背向流路と、 膜，電極接合体に対向する対向面に形成され背向流路に連通する と共に背向流路が流れた燃料が流れる反応流路とを有することを特徴とする燃料 配流板。
(付記項 2 ) 付記項 1において、 燃料配流板の反応流路のうちの少なくとも下流 領域が多孔質化されていることを特徴とする燃料配流板。
(付記項 3 ) 酸化剤配流板の第 1背向流路における下流領域と、 酸化剤配流板の 第 1反応流路における上流領域とは、 酸化剤配流板の表裏の関係に設定されてい ることを特徴とする酸化剤配流板。
(付記項 4 ) 燃料配流板の第 2背向流路における下流領域と、 燃料配流板の第 2 反応流路における上流領域とは、 燃料配流板の表裏の関係に設定されていること を特徴とする燃料配流板。
(付記項 5 ) 膜 ·電極接合体の酸化剤極に対向して設けられ酸化剤極に酸化剤ガ スを供給する酸化剤配流板において、 膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成さ れ酸化剤ガスが流れる背向流路と、 膜 ·電極接合体に対向する対向面に形成され 前記背向流路に連通すると共に前記背向流路を流れた酸化剤ガスが流れる反応流 路とを有し、 対向面において平均細孔径は、 酸化剤ガスの流れの上流と下流とで 異なるように設定されていることを特徴とする酸化剤配流板。
(付記項 6 ) イオン伝導性を有する電解質膜と、 電解質膜の厚み方向の一方の片 側に設けられた酸化剤極と、 電解質膜の厚み方向の他方の片側に設けられた燃料 極とをもつ膜 ·電極接合体と、
酸化剤極に対向して設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤配流板と、 燃料極に対向して設けられ燃料極に燃料を供給する燃料配流板とを具備する燃 料電池において、
酸化剤配流板及び燃料配流板のうちの少なくとも一方は、
膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成された背向流路と、 膜 ·電極接合体に 対向する対向面に形成され背向流路に連通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガ スまたは燃料が流れる反応流路と、 背向流路の少なくとも一部と反応流路の少な くとも一部とを連通させる多孔質部分とを有しており、 更に、
前記背向流路を流れる酸化剤ガスに含まれている活物質、 または、 燃料に含ま れている活物質を、 多孔質部分の細孔を介して反応流路に補給するような構成と されていることを特徴とする燃料電池。 この場合、 背向流路を流れる新鮮な酸化 剤ガスに含まれている活物質、 または、 新鮮な燃料に含まれている活物質を、 酸 化剤配流板の厚み方向に透過させ、 多孔質部分の細孔を介して、 反応流路に補給 することができる。
(付記項 7 ) 付記項 6において、 多孔質部分は、 反応流路の少なくとも下流領 域に設けられていることを特徴とする燃料電池。
(付記項 8 ) 燃料電池の膜 ·電極接合体の酸化剤極に対向して設けられ前記酸 化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤配流板において、 膜 ·電極接合体に背向す る背向面に形成され酸化剤ガスが流れる背向流路と、 膜》電極接合体に対向する 対向面に形成されると共に背向流路に連通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガ スが流れる反応流路と、 背向流路の少なくとも一部と反応流路の少なくとも一部 とを連通させる多孔質部分とを有しており、 更に、
前記背向流路を流れる酸化剤ガスに含まれている活物質を、 多孔質部分の細孔 を介して反応流路に補給するような構成とされていることを特徴とする酸化剤配 流板。
(付記項 9 ) 燃料電池の膜 ·電極接合体の酸化剤極に対向して設けられ前記酸 化剤極に酸化剤ガスを供給する燃料配流板において、 膜，電極接合体に背向する 背向面に形成され酸化剤ガスが流れる背向流路と、 膜 ·電極接合体に対向する対 向面に形成されると共に背向流路に連通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガス が流れる反応流路と、 背向流路の少なくとも一部と反応流路の少なくとも一部と を連通させる多孔質部分とを有しており、 更に、 背向流路を流れる酸化剤ガスに 含まれている活物質を、 多孔質部分の細孔を介して反応流路に補給するような構 成とされていることを特徴とする燃料配流板。 産業上の利用分野
本発明は車両用、 定置用、 携帯用、 電気機器用、 電子機器用等の用途に使用さ れる燃料電池に利用することができる。

Claims

請求の範囲
1 . イオン伝導性を有する電解質膜と、 前記電解質膜の厚み方向の一方の片側 に設けられた酸化剤極と、 前記電解質膜の厚み方向の他方の片側に設けられた燃 料極とをもつ膜 ·電極接合体と、
前記酸化剤極に対向して設けられ前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸ィ匕剤 配流板と、
前記燃料極に対向して設けられ前記燃料極に燃料を供給する燃料配流板とを具 備する燃料電池において、
前記酸化剤配流板及ぴ前記燃料配流板のうちの少なくとも一方は、
前記膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成された背向流路と、 前記膜 ·電極 接合体に対向する対向面に形成され前記背向流路に連通すると共に前記背向流路 を流れた酸化剤ガスまたは燃料が流れる反応流路とを有することを特徴とする燃 料電池。
2 . 請求項 1において、 前記酸化剤配流板及び前記燃料配流板のうちの少なく とも一方について、 前記背向流路を流れる酸化剤ガスまたは燃料を燃料電池内に おいて加湿する加湿要素が設けられていることを特徴とする燃料電池。
3 . 請求項 3において、 前記加湿要素は、 前記酸化剤配流板及び/または燃料 配流板のうち少なくとも一部をこれの厚み方向に透過性を有するように多孔質化 することにより構成されていることを特徴とする燃料電池。
4 . イオン伝導性を有する電解質膜と、 電解質膜の厚み方向の一方の片側に設 けられた酸化剤極と、 電解質膜の厚み方向の他方の片側に設けられた燃料極とを もつ膜 ·電極接合体と、
酸化剤極に対向して設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤配流板と、 燃料極に対向して設けられ燃料極に燃料を供給する燃料配流板とを具備する燃 料電池において、 酸化剤配流板及び燃料配流板のうちの少なくとも一方は、
膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成された背向流路と、 膜 ·電極接合体に 対向する対向面に形成され背向流路に連通すると共に背向流路を流れた酸化剤ガ スまたは燃料が流れる反応流路と、 背向流路の少なくとも一部と反応流路の少な くとも一部とを連通させる多孔質部分とを有しており、 更に、
前記背向流路を流れる酸化剤ガスに含まれている活物質、 または、 燃料に含ま れている活物質を、 多孔質部分の細孔を介して反応流路に補給するような構成と されていることを特徴とする燃料電池。
5 . 請求項 4において、 前記一部は、 前記酸化剤配流板及び Zまたは燃料配流 板の反応流路の下流領域であることを特徴とする燃料電池。
6 . 請求項 1〜請求項 5のうちのいずれか一項において、 更に、 前記酸化剤配 流板及び/または燃料配流板に対して、 前記膜 ·電極接合体に背向する側に設け られ冷媒を流す冷媒配流板を具備しており、
前記加湿要素は、 前記冷媒配流板をこれの厚み方向に透過性を有するように多 孔質化して形成されており、 前記冷媒配流板を流れる冷媒を、 前記酸化剤配流板 及び/または燃料配流板の前記背向流路に供給することにより構成されているこ とを特徴とする燃料電池。
7 . 請求項 1〜請求項 6のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流板の 前記背向流路における下流領域と、 前記酸化剤配流板の前記反応流路における上 流領域とは、 前記酸化剤配流板の表裏の関係に設定されていることを特徴とする 燃料電池。
8 . 請求項 1〜請求項 7のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流板及 び/または燃料配流板は、 親水性を有することを特徴とする燃料電池。
9 . 請求項 1〜請求項 7のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流板及 び/または燃料配流板は、 疎水性を有することを特徴とする燃料電池。
1 0 . 請求項 1〜請求項 9のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流板 の気孔率は、 前記反応流路の下流領域が前記反応流路の上流領域よりも相対的に 大きくされていることを特徴とする燃料電池。
1 1 . 請求項 1〜請求項 1 0のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流 板の細孔径は、 前記反応流路の下流領域から前記反応流路の上流領域にかけて実 質的に均一である構成に設定されていることを特徴とする燃料電池。
1 2 . 請求項 1〜請求項 1 0のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流 板の細孔径は、 前記反応流路の下流領域が前記反応流路の上流領域よりも相対的 に小さくされている構成に設定されていることを特徴とする燃料電池。
1 3 . 請求項 1〜請求項 1 0のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流 板は親水性を有しており、 前記酸化剤配流板の細孔径は、 前記反応流路の下流領 域が前記反応流路の上流領域よりも相対的に小さくされている構成に設定されて いることを特徴とする燃料電池。
1 4 . 請求項 1〜請求項 1 0のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流 板は疎水性を有しており、 前記酸化剤配流板の細孔径は、 前記反応流路の下流領 域が前記反応流路の上流領域よりも相対的に小さくされている構成に設定されて いることを特徴とする燃料電池。
1 5 . 請求項 1〜請求項 1 0のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流 板の細孔径は、 前記反応流路の下流領域が前記反応流路の上流領域よりも相対的 に大きくされている構成に設定されていることを特徴とする燃料電池。
1 6 . 請求項 1〜請求項 1 0のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配流 板は疎水性を有しており、 前記酸化剤配流板の細孔径は、 前記反応流路の下流領 域が前記反応流路の上流領域よりも相対的に大きくされている構成に設定されて いることを特徴とする燃料電池。
1 7 . 燃料電池の膜 ·電極接合体の酸化剤極に対向して設けられ前記酸化剤極 に酸化剤ガスを供給する酸化剤配流板において、
前記膜 ·電極接合体に背向する背向面に形成され酸化剤ガスが流れる背向流路 と、 前記膜 ·電極接合体に対向する対向面に形成されると共に前記背向流路に連 通すると共に前記背向流路を流れた酸化剤ガスが流れる反応流路とを有すること を特徴とする燃料電池用酸化剤配流板。
1 8 . 請求項 1 7において、 前記酸化剤配流板のうち前記反応流路の少なくと も下流領域が多孔質化されていることを特徴とする燃料電池用酸化剤配流板。
1 9 . 請求項 1 7または請求項 1 8のうちのいずれか一項において、 前記酸化 剤配流板の気孔率は、 前記反応流路の下流領域が前記反応流路の上流領域よりも 相対的に大きくされていることを特徴とする燃料電池用酸化剤配流板。
2 0 . 請求項 1 7〜請求項 1 9のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配 流板の細孔径は、 前記反応流路の下流領域から前記反応流路の上流領域にかけて 実質的に均一である構成に設定されていることを特徴とする燃料電池用酸化剤配 流板。
2 1 . 請求項 1 7〜請求項 1 9のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配 流板の細孔径は、 前記反応流路の下流領域が前記反応流路の上流領域よりも相対 的に小さくされている構成に設定されていることを特徴とする燃料電池用酸化剤 配流板。
2 2 . 請求項 1 7〜請求項 1 9のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配 流板は親水性を有しており、 前記酸化剤配流板の細孔径は、 前記反応流路の下流 領域が前記反応流路の上流領域よりも相対的に小さくされている構成に設定され ていることを特徴とする燃料電池用酸化剤配流板。
2 3 . 請求項 1 7〜請求項 1 9のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配 流板は疎水性を有しており、 前記酸化剤配流板の細孔径は、 前記反応流路の下流 領域が前記反応流路の上流領域よりも相対的に小さくされている構成に設定され ていることを特徴とする燃料電池用酸化剤配流板。
2 4 . 請求項 1 7〜請求項 1 9のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配 流板の細孔径は、 前記反応流路の下流領域が前記反応流路の上流領域よりも相対 的に大きくされている構成に設定されていることを特徴とする燃料電池用酸化剤 配流板。
2 5 . 請求項 1 7〜請求項 1 9のうちのいずれか一項において、 前記酸化剤配 流板は疎水性を有しており、 前記酸化剤配流板の細孔径は、 前記反応流路の下流 領域が前記反応流路の上流領域よりも相対的に大きくされている構成に設定され ていることを特徴とする燃料電池用酸化剤配流板。 '
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