WO2006062242A1 - 燃料電池の配流特性の改善 - Google Patents

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WO2006062242A1
WO2006062242A1 PCT/JP2005/022910 JP2005022910W WO2006062242A1 WO 2006062242 A1 WO2006062242 A1 WO 2006062242A1 JP 2005022910 W JP2005022910 W JP 2005022910W WO 2006062242 A1 WO2006062242 A1 WO 2006062242A1
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gas
oxidizing gas
holes
communication
gas supply
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PCT/JP2005/022910
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Yuichi Yagami
Norihiko Nakamura
Makoto Ueno
Seiji Sano
Takashi Kajiwara
Hiromichi Sato
Fumihiko Inui
Yoshifumi Ota
Sho Usami
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for improving gas distribution characteristics of a fuel cell.
  • a fuel cell is usually configured by stacking a plurality of single cells.
  • a fuel cell having a reaction gas flow path inside the separator has been proposed.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2 0 2 _ 1 5 1 1 0 8 discloses a gas communication hole for supplying a reaction gas to an electrode and discharging the reaction gas from the electrode.
  • a fuel cell provided on the electrode side of the reaction gas channel is disclosed.
  • the flow rate of the reaction gas differs between the downstream side of the gas communication hole and the downstream side of the portion that is not the gas communication hole.
  • the reaction gas flow rate may be non-uniform.
  • the present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to make the reaction gas flow rate uniform within the electrode.
  • a fuel cell of the present invention includes a plurality of single cells each having an electrode, a separator, and a gas manifold holding each of the plurality of single cells.
  • the separator is provided with a plurality of gas communication channels that communicate gas passages existing on the surface of the electrode with the gas manifold, and each of the gas communication channels.
  • the present invention can be realized in various modes.
  • a fuel cell, a fuel cell system using the fuel cell, a power generation device using the fuel cell system, and a fuel cell system therefor It can be realized in the form of an installed electric vehicle or the like.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell stack 100 constituting the fuel cell.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the shapes of the three plates 3 0 0, 4 0 0, 5 0 0 constituting the single cell 2 0 0.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the flow of fuel gas in the first embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing the flow of the oxidizing gas in the first embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the flow of the oxidizing gas in the second embodiment.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the flow of the oxidizing gas in the third embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory view showing the flow of the oxidizing gas in the fourth embodiment.
  • FIG. 1 (a) is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell stack 100 constituting a fuel cell as an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell stack 100 is configured by stacking a plurality of single cells 20 0.
  • the fuel cell stack 1 0 0 includes an oxidizing gas supply manifold 1 1 0, an oxidizing gas exhaust manifold 1 2 0, a fuel gas supply manifold 1 3 0, and a fuel gas exhaust manifold 1 4 0, a cooling water supply manifold 1 5 0, and a cooling water discharge manifold 6 0 are provided.
  • FIG. 1 (b) is an explanatory diagram showing the configuration of the single cell 200.
  • the single cell 2 0 0 includes the anode side plate 3 0 0, the force sword side plate 4 0 0, the intermediate plate 5 0 0, the membrane 'electrode assembly 6 0 0, and the seal member 2 1 0 And.
  • Each of the three plates 3 0 0, 4 0 0, 5 0 0 is a flat plate in which holes of various shapes are formed by press molding. These plates 3 0 0, 4 0 0, 5 0 0 are formed of a material having gas impermeability and conductivity, such as stainless steel.
  • the three plates 3 0 0, 4 0 0, 5 0 0 are stacked to form a separate evening that separates the flow paths of the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water.
  • the membrane-electrode assembly 6 00 includes an electrolyte membrane 6 2 0, an anode 6 4 0, and a force sword 6 6 0.
  • the electrolyte membrane 6 20 is an ion exchange membrane having good conductivity in a wet state formed of a fluorine resin material such as naphthion (trademark of DuPont).
  • the anode 6 40 and the force sword 6 60 are formed of a porous material having gas diffusibility and conductivity such as carbon cloth.
  • platinum or an alloy made of platinum and other metals is supported as a catalyst for the fuel cell reaction.
  • the anode 6 4 0 and the force sword 6 60 are collectively referred to as “electrode j”.
  • the sealing member 2 1 0 has a gas impermeability such as silicone rubber, elasticity and heat resistance. It is formed with the material which has. As shown by a broken line, a hole for arranging the membrane / electrode assembly 600 is provided in the center of the seal member 210.
  • a plurality of through holes are provided in each of the three plate rods 3 0 0, 4 0 0, 5 0 0 and the seal member 2 1 0. These through holes form manifolds 110 to 160 when the unit cells 200 are stacked to form the fuel cell stack 100. Hereinafter, these through holes are also referred to as “male hold holes”. Unused oxidant gas is supplied to the single cell 200 through the oxidant gas supply manifold 1 1 0, and used oxidant gas (power sword age gas) discharged from the single cell 2 0 0 is Oxidized gas exhaust manifold 1 2 0 is exhausted.
  • Unused fuel gas is supplied to the single cell 20 0 through the fuel gas supply manifold 13 0, and used fuel gas (anode off gas) discharged from the single cell 2 0 0 is Fuel gas is discharged through the exhaust manifold 1 4 0.
  • oxidizing gas and fuel gas are gases used for the fuel cell reaction, so these gases are also called “reaction gas”.
  • the cooling water of the fuel cell stack 100 is supplied to the single cell 200 via the cooling water supply manifold 1510. Then, the cooling water flowing through the cooling water passage (not shown) in the separation evening is discharged from the fuel cell stack 100 via the cooling water discharge manifold 160.
  • FIG. 2 (a) shows a state where the force sword side plate 400 is viewed from the membrane / electrode assembly 600 (the left side of FIG. 1 (b)).
  • Six double-hold holes 4 2 2 to 4 3 2 are provided in the periphery of the force sword-side play rod 400.
  • the force sword side plate 400 has a first oxidizing gas supply hole group consisting of a plurality of oxidizing gas supply holes 4 40, and a plurality of A second oxidant gas supply hole group consisting of oxidant gas supply holes 4 42 and an oxidant gas discharge hole group consisting of a plurality of oxidant gas discharge holes 44 4 are provided.
  • the first oxidizing gas supply hole group is smaller in distance to the manifold hold hole 4 2 2 than the second oxidizing gas supply hole group. It has become.
  • FIG. 2 (b) shows a state in which the player-side play 3 00 is viewed from the intermediate play 5 500 side (left side of FIG. 1 (b)).
  • six manifold holes 3 2 2 to 3 3 2 are provided in the periphery of the anode side plate 300. Yes.
  • a plurality of fuel gas supply holes 3 5 0 and a plurality of fuel gas discharge holes 3 5 4 are provided in the anode side plate 3 300. It has been.
  • FIG. 2 (c) shows a state in which the intermediate plate 500 is viewed from the cathode plate 400 side (the left side of FIG. 1 (b)).
  • the intermediate plate ⁇ 5 0 0 has four manifold holes 5 2 2 ⁇ 5 2 8 are provided.
  • Comb for communicating the oxidant gas supply holes 4 4 0, 4 4 2 and the oxidant gas supply manifold 1 1 0 to the manifold hole 5 2 2 corresponding to the oxidant gas supply manifold 1 1 0 Toothed oxidizing gas supply flow path holes 5 4 2 are provided. Therefore, by stacking three pre-K 3 0 0, 4 0 0, 5 0 0, the oxidizing gas supply manifold 1 1 0 and the oxidizing gas supply holes 4 4 0, 4 2 communicate with each other, A plurality of oxidizing gas supply passages are formed.
  • Gas discharge passage holes 5 4 4 are formed.
  • a comb for communicating the fuel gas supply manifold 1 3 0 and the fuel gas supply hole 3 5 0 is connected to the manifold hold hole 5 2 6 forming the fuel gas supply manifold 1 3 0. Toothed fuel gas supply passage holes 5 4 6 are provided.
  • the manifold hole 5 2 8 forming the fuel gas exhaust manifold 1 4 0 has a comb-teeth shape for communicating the fuel gas exhaust hole 3 5 4 and the fuel gas exhaust manifold 1 4.
  • Fuel gas discharge passage holes 5 4 8 are provided. In the middle play 0 5 0 0, these manifold holes 5 2 2 to 5 2 8 and the gas flow In addition to the passage holes 542, 544, 546, 548, the cooling water discharge manifold 1 60 (male hold holes 332, 432) from the position of the cooling water supply manifold 1 50 (male hold holes 330, 430) A plurality of cooling water passage holes 550 are provided across the position of). These cooling water flow path holes 550 are formed by stacking three plates 300, 400, and 500 to form a cooling water flow path that connects the cooling water supply manifold 1 50 and the cooling water discharge manifold 1 60 to each other. Form.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the flow of fuel gas in the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a view of a separate evening with three plates 400, 500, 300 stacked in this order as seen from the left side of Fig. 1.
  • the right half of Fig. 3 shows the A—A line (dotted line in Fig. 3 (a)) when the membrane electrode assembly 600 (Fig. 1) and the force sword side plate 400 are laminated on the separator. ) Shows a cross section along the line.
  • the left half of (b) shows a cross section along the line B-B (two-dot chain line in Fig. 3 (a)).
  • the fuel gas supply passage hole 546 and the fuel gas supply hole 350 are separated from the fuel gas supply manifold 30.
  • a fuel gas supply channel 830 for supplying fuel gas to the anode 640 is formed.
  • the fuel gas discharge hole 354 and the fuel gas discharge flow path hole 548 form a fuel gas discharge flow path 840 that discharges fuel gas from the anode 640 to the fuel gas discharge manifold 140.
  • the fuel gas supply hole 350 and the fuel gas discharge hole 354 are both fuel gas communication holes opened on the electrode side surface of the separator.
  • the fuel gas is supplied from the fuel gas supply manifold 130 to the anode 640 via the fuel gas supply flow path 830 as indicated by the arrow in FIG.
  • the fuel gas supplied to the anode 640 is used in the fuel cell reaction while flowing through the porous anode 640.
  • the spent fuel gas is discharged from the anode 640 to the fuel gas discharge manifold 140 via the fuel gas discharge flow path 840.
  • Na The anode 6 40 in this case serves as a fuel gas passage for allowing the fuel gas to pass from the surface of the upstream anode 6 40 to the surface of the downstream anode 6 40.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing the flow of the oxidizing gas in the first embodiment.
  • Fig. 4 (a) shows the separator viewed from the left side of Fig. 1 with three plates 4 0 0, 5 0 0, 3 0 0 stacked in this order.
  • Fig. 4 (b) shows the C-C line (Fig. 4 (a)) when the membrane electrode assembly (600) (Fig. 1) and the anode plate (300) are laminated on the separator. A cross section along the chain line is shown.
  • an oxidizing gas supply passage hole 5 4 2 and an oxidizing gas supply hole 4 4 0, 4 2 forms an oxidizing gas supply flow path 8 10 for supplying an oxidizing gas from the oxidizing gas supply manifold 110 to the force sword 6 60.
  • the oxidizing gas discharge hole 4 4 4 and the oxidizing gas discharge flow path hole 5 4 4 are the oxidizing gas discharge flow path for discharging the oxidizing gas from the cathode 6 60 to the oxidizing gas discharge manifold 1 2 0 8 2 Form 0.
  • the oxidizing gas supply holes 4 4 0 and 4 4 2 and the oxidizing gas discharge hole 4 4 4 are both oxidized gas communication holes opened on the electrode side surface of the separator. It becomes.
  • the oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas supply manifold 1 1 0 to the oxidizing gas supply flow path 8.1 0 as shown by the arrow in FIG. 4 (b).
  • the oxidizing gas supplied to the force sword 6 60 is used in the fuel cell reaction while flowing through the porous force sword 6 60.
  • the used oxidizing gas is discharged from the force sword 66 60 to the oxidizing gas discharge manifold 120 via the oxidizing gas discharge flow path 8 20.
  • the force sword 6 60 in this case serves as an oxidizing gas passage for allowing the oxidizing gas to pass from the upstream cathode 6 60 surface to the downstream cathode 6 60 surface.
  • the main flow direction of the oxidizing gas supplied from the upstream oxidizing gas supply hole 44 0 close to the oxidizing gas supply manifold 110 to the force sword 66 60 is C 1 in FIG.
  • the direction is parallel to the C line.
  • Oxide gas supply manifold 1 1 0 At the position of the oxidizing gas supply hole 4 42, the oxidizing gas is supplied in a direction orthogonal to the main flow direction. In this way, the flow of the oxidant gas is disturbed by the collision of the oxidant gas flow in different directions. Therefore, the flow rate of the oxidant gas is averaged, and the uniformity of the gas flow rate within the force sword 660 is high. Become.
  • the oxidizing gas supply flow path 8 10 is formed of the oxidizing gas supply flow path hole 5.
  • the oxidizing gas supply hole 4 4 0 or 4 4 2 is closed by any contaminants mixed in the oxidizing gas. To the cathode 6 60. Therefore, in the first embodiment, it is possible to prevent the oxidizing gas flow rate from becoming uneven in the force sword 660 due to the blocking of the oxidizing gas supply hole.
  • two oxidizing gas supply holes 4 40 and 4 4 2 are provided in one oxidizing gas supply flow path 8 10, thereby causing the oxidizing gas flows in different directions to collide with each other. be able to. For this reason, since the flow of the oxidizing gas is disturbed by the collision of the oxidizing gas flow in the force sword 60 60, the uniformity of the oxidizing gas flow rate in the force sword 66 60 can be improved.
  • the plurality of oxidant gas supply holes constitute the first and second oxidant gas supply hole groups, but the number of oxidant gas supply hole groups is arbitrary two or more.
  • the number of In this case, the distance from each of the oxidizing gas supply hole groups to the oxidizing gas supply manifold 110 (manijo, the grooved hole 4 2 2) is set to be different from each other.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the flow of the oxidizing gas in the second embodiment.
  • oval oxidant gas supply holes 4 4 0 a and 4 4 2 a are provided in the force sword side plate 4 0 0 a.
  • the other points are the same as in the first embodiment.
  • Figure 5 (a) shows a separator with three plates 400a, 500, 300 stacked in this order, as seen from the left side of Figure 1.
  • Fig. 5 (b) is along the C-C line (dotted line in Fig. 5 (a)) when the membrane electrode assembly 600 (Fig. 1) and the anode plate 300 are laminated on the separator. A cross section is shown.
  • the force sword side plate 400a is provided with a plurality of oxidizing gas supply holes 440a and 442a in a staggered arrangement.
  • These oxidizing gas supply holes 440a and 442a are holes connecting the two adjacent oxidizing gas supply holes 440 and 442 (FIG. 4 (a)) of the first embodiment.
  • the oxidizing gas supply holes 440a and 442a are expanded communication holes formed by the connecting flow path connecting the adjacent oxidizing gas supply holes 440 and 442 and the oxidizing gas supply holes 440 and 442.
  • the plurality of oxidizing gas supply holes 440a are formed by communicating two oxidizing gas supply holes 440 belonging to the first oxidizing gas supply hole group, and a plurality of oxidizing gas supply holes are provided.
  • the hole 442a is formed by communicating two oxidation gas supply holes 442 belonging to the second oxidation gas supply hole group. Therefore, it can be said that the two groups of oxidized gas supply holes are provided with expanded communication holes 440a and 442a, respectively.
  • the oxidizing gas supply flow path hole 542 and the oxidizing gas supply holes 440a and 442a are formed from the oxidizing gas supply manifold 1 1 0 to the force sword 660 as shown in FIG. 5 (b).
  • An oxidizing gas supply channel 810a for supplying an oxidizing gas to is formed. The oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply manifold 110 to the force sword 660 through the oxidant gas supply channel 810a as shown by the arrow in FIG.
  • the oxidizing gas flow from the upstream oxidizing gas supply hole 440a and the oxidizing gas flow from the downstream oxidizing gas supply hole 442a are the position of the oxidizing gas supply flow path hole 5 42. It is made to collide with. Therefore, the oxidation gas flow within the force sword 660 Since the flow of the oxidizing gas is disturbed by the bump, the uniformity of the oxidizing gas flow rate within the force sword 660 can be improved.
  • the oxidizing gas supplied to the force sword 6 60 flows from the entire oval oxidizing gas supply holes 4 40 a, 4 4 2 a toward the downstream. Since the oxidizing gas supply holes 4 4 0 a and 4 4 2 a are formed over the entire width of the force sword 6 60, the uniformity of the oxidizing gas flow rate in the force sword 6 60 can be further increased. .
  • Adjacent oxidizing gas supply passage holes 5 4 2 are communicated with each other by oval oxidizing gas supply holes 4 40 a, 4 4 2 a. Since the adjacent oxidizing gas supply flow path holes 5 4 2 communicate with each other, even if any of the oxidizing gas supply flow path holes 5 4 2 is blocked by contaminants mixed in the oxidizing gas, the oxidizing gas is blocked. It is supplied to the force sword 6 60 through the non-oxidizing gas supply passage hole 5 4 2. Therefore, in the second embodiment, it is possible to prevent the oxidizing gas flow rate from becoming nonuniform in the re-cathode 660 due to the blocking of the oxidizing gas supply passage hole 5 42.
  • the flow of the oxidizing gas is disturbed by the collision of the oxidizing gas flow in the force sword 6 60.
  • the uniformity of the oxidizing gas flow rate can be improved.
  • the second embodiment is preferable to the first embodiment in that disproportionation of the oxidizing gas flow rate in the force sword 660 due to the blocking of the oxidizing gas supply passage hole 5 42 can be suppressed.
  • the first embodiment is preferable to the second embodiment in that the opening area of the oxidizing gas supply hole provided in the force sword side plate is small and the reduction in rigidity of the force sword side plate can be suppressed. .
  • the expanded communication hole is formed by communicating two oxidizing gas supply holes belonging to the same oxidizing gas supply hole group.
  • the expanded communication hole is an adjacent oxidizing gas. What is necessary is just to connect the L oxidation gas supply holes (L is an arbitrary integer of 2 or more) provided in the supply flow path.
  • L is an arbitrary integer of 2 or more
  • an oxidizing gas supply hole 44 0 provided in a certain oxidizing gas supply channel and an oxidizing gas supply channel adjacent to the channel are provided.
  • the oxidant gas supply holes 4 4 2 may be communicated with each other. In this case, the arrangement of the enlarged communication holes is not a staggered pattern but a straight line.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the flow of the oxidizing gas in the third embodiment.
  • an oxidizing gas discharge hole 4 4 6 is further provided in the force sword side plate 4 0 0 b, and an oxidizing gas discharge passage hole 5 4 4 b is held in the oxidizing gas discharge manifold 1
  • This is different from the first embodiment in that it is formed so as to communicate 20 and the oxidizing gas discharge holes 4 4 4, 4 4 6.
  • the other points are the same as in the first embodiment.
  • Fig. 6 (a) shows a state in which a separator in which three plates 4 0 0 b, 5 0 0 b and 3 0 0 are stacked in this order is viewed from the left side of Fig. 1.
  • Fig. 6 (b) shows the C-C line (Fig. 6 (a)) in a state in which a membrane electrode assembly (600) (Fig. 1) and an anode plate (300) are laminated on a separator. A cross section along the chain line is shown.
  • the force sword side plate 4 0 0 b is configured by providing a plurality of oxidizing gas discharge holes 4 4 6 on the cathode side plate 4 400 of the first embodiment. It is.
  • the distance from the oxidizing gas exhaust manifold 1 2 0 of the second oxidizing gas exhaust hole group consisting of the plurality of oxidizing gas exhaust holes 4 4 6 is the first distance consisting of the plurality of oxidizing gas exhaust holes 4 4 4. It is larger than the oxidant gas discharge hole group.
  • the oxidizing gas discharge channel 8 2 2 is formed by the oxidizing gas discharge channel hole 5 4 4 b and the oxidizing gas discharge holes 4 4 4 and 4 4 6. This is a flow path branched at the end of the intermediate plate 5 0 0 of the gas discharge hole 4 4 6. Since the oxidizing gas discharge flow path 8 2 2 is branched, even if one of the oxidizing gas discharge holes 4 4 4 and 4 4 6 is blocked by water generated by the force sword 6 60 The gas is discharged from the force sword 6 60 through the oxidant gas discharge hole which is not closed.
  • the third embodiment it is possible to suppress the oxidant gas flow rate from becoming non-uniform in the downstream portion of the re-cathode 660 due to the blocking of the oxidant gas discharge hole.
  • two oxidizing gas supply holes 4 4 0 and 4 4 2 are provided in one oxidizing gas supply channel 8 10. For this reason, the oxidizing gas flow is collided in the force sword 66 60, and the uniformity of the oxidizing gas flow rate in the force sword 66 60 is increased. Further, since the oxidizing gas supply channel 8 10 is branched, it is possible to prevent the oxidizing gas flow rate from becoming uneven in the cathode 6 60 due to the blocking of the oxidizing gas supply hole.
  • the third embodiment is preferable to the first embodiment in that disproportionation of the oxidizing gas flow rate in the downstream portion of the force sword 660 due to the blocking of the oxidizing gas discharge hole can be suppressed.
  • the first embodiment is more preferable than the third embodiment in that the number of oxidizing gas discharge holes provided in the force sword side plate rod is small and the decrease in rigidity of the force sword side plate rod can be suppressed.
  • the force sword side plate 400 0 b has two oxidant gas supply hole groups and two oxidant gas discharge hole groups, but M (M is 1 or more). It may have an arbitrary number of oxidizing gas supply hole groups and N (N is an arbitrary integer of 2 or more) oxidizing gas discharge hole group. Even if the number of oxidant gas supply hole groups is 1, disproportionation of the oxidant gas flow rate in the downstream portion of the cathode 660 due to blockage of the oxidant gas discharge holes can be suppressed.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the flow of the oxidizing gas in the fourth embodiment.
  • one oxidizing gas supply hole 4 4 0 c, 4 4 2 c is provided for one oxidizing gas supply flow path hole 5 4 2 c, and the oxidizing gas supply hole 4 4 2 c differs from the first embodiment in that it is a horizontally long ellipse. The other points are the same as in the first embodiment.
  • Fig. 7 (a) shows the separator as viewed from the left side of Fig. 1, with the three plates 4 0 0 c, 5 0 0 c and 3 0 0 stacked in this order.
  • Fig. 7 (b) shows the C-C line (Fig. 7 (a)) in a state in which a membrane electrode assembly (600) (Fig. 1) and an anode side plate (300) are laminated on a separator. A cross section along the chain line is shown.
  • figure 7 (c) shows a cross section along the line D—D (two-dot chain line in FIG. 7 (a)). As shown in FIG.
  • the oxidizing gas supply holes 4 4 0 c and 4 4 2 c corresponding to the adjacent oxidizing gas supply flow path holes 5 4 2 c The distances from the two hold 110 are provided on different straight lines.
  • the oxidizing gas supply holes 4 4 0 c and 4 4 2 c having a large opening area are not close to each other. The decrease can be suppressed.
  • the oxidizing gas supply flow path hole 5 42 c and the oxidizing gas supply hole 4 40 c form an oxidizing gas supply flow path 8 12.
  • the oxidizing gas supply flow path hole 5 42 2 c and the oxidizing gas supply hole 4 4 2 c form an oxidizing gas supply flow path 8 14.
  • the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply manifold 110 to the force sword 66 60 through the oxidant gas supply channels 8 1 2 and 8 14.
  • the oxidizing gas flow from the upstream oxidizing gas supply hole 4 0 40 c and the oxidizing gas flow from the downstream oxidizing gas supply hole 4 4 2 c are the oxidizing gas supply hole 4 4 Can be collided at 2 c. For this reason, the flow of the oxidizing gas is disturbed by the collision of the oxidizing gas flow in the force sword 66 60, so that the uniformity of the oxidizing gas flow rate in the force sword 66 60 can be improved.
  • the oxidizing gas supplied to the force sword 6 60 flows from the whole of the circular oxidizing gas supply hole 4 40 c and the elliptical oxidizing gas supply hole 4 4 2 c toward the downstream. Since these oxidizing gas supply holes 4 4 0 c and 4 4 2 c are formed over the entire width of the force sword 6 60, the uniformity of the oxidizing gas flow rate in the force sword 6 60 is further increased. Can be raised.
  • the flow of the oxidizing gas is disturbed by the collision of the oxidizing gas flow in the force sword 6 60.
  • the uniformity of the oxidizing gas flow rate can be improved.
  • the downstream side oxidant gas supply hole 4 42 c has a horizontally long oval shape
  • the upstream side oxidant gas supply hole 44 0 c has a circular shape. If the total opening area is equal to or larger than the total opening area of the upstream oxidizing gas supply hole, the upstream oxidizing gas supply hole and the downstream oxidizing gas supply hole may be formed in different shapes. In this way, by forming the upstream and downstream oxidizing gas supply holes, the oxidizing gas flow from the upstream oxidizing gas supply hole is prevented from colliding with the oxidizing gas from the downstream oxidizing gas supply hole. Can disturb the flow.
  • the oxidizing gas supply holes corresponding to the adjacent oxidizing gas supply flow path holes are provided on the straight lines whose distances from the oxidizing gas supply manifold are different from each other.
  • the oxidizing gas discharge holes corresponding to the passage holes may be provided on different straight lines with different distances from the oxidizing gas discharge manifold. In this case, since the distance of the oxidizing gas discharge hole becomes larger than that in the case where the oxidizing gas discharge hole is provided on a single straight line, the possibility that the adjacent oxidizing gas discharge hole is simultaneously blocked by the generated water is reduced. Therefore, gas disproportionation in the downstream portion of the cathode due to the blocking of the oxidizing gas discharge hole can be suppressed.
  • the oxidizing gas discharge hole is formed over the entire width of the cathode 660 and the uniformity of the oxidizing gas flow rate is further improved, so that the upstream oxidizing gas discharge hole and the upstream oxidation gas are It is preferable to increase the total opening area of one of the gas discharge holes. In this case, since the decrease in rigidity of the force sword side plate can be suppressed, the total opening area of the oxidant gas exhaust hole far from the oxidant gas exhaust manifold is set to the oxidant gas exhaust hole close to the oxidant gas exhaust manifold. It is preferable to make it larger than the total opening area.
  • the positions of the holes provided in the anode side plate 300 and the force sword side plate 400 are changed, but in general, oxidizing gas and fuel gas It is only necessary that each flow path with the cooling water is not communicated.
  • the anode side plate 3 0 0 is provided at the position of the oxidizing gas supply flow path hole 5 4 2 and the oxidizing gas discharge flow path hole 5 4 4.
  • a gas-impermeable member is provided on the cathode side plate at the position of the fuel gas supply passage hole 5 46 and the fuel gas discharge passage hole 5 48 and a gas impervious member is provided on the cathode plate 400. That's fine.
  • a gas communication channel (oxidation gas supply channel, oxidant gas discharge channel, fuel gas supply channel, fuel gas discharge channel) that communicates the manifold and the electrode.
  • a separate evening is made up of three plates, but a separate evening can be formed in other configurations.
  • a plurality of members including a member provided with a flow channel groove and a gas communication hole for forming a gas communication channel, and a member that separates each flow channel of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water are provided. It is good also as what forms a separate evening by laminating
  • the electrode is formed of a single porous material, and the electrode is used as a gas passage for passing the reaction gas.
  • the gas passage can be configured by other methods. is there. For example, by providing a gas diffusion layer formed of a porous material having a higher porosity than the porous material on the electrolyte side on the electrode, the gas diffusion layer having a high porosity can pass through the reaction gas. It becomes a gas passageway.
  • a channel groove can be formed on the surface in contact with the electrode of the separator and the channel formed by the channel groove and the electrode can be used as a gas passage.

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Abstract

　燃料電池は、複数の単セルと、複数の単セルのそれぞれを連通するガスマニホールドとを備えている。この複数の単セルは、それぞれ、電極とセパレータとを有している。また、セパレータは、その内部に、電極の表面に存在するガス通過路とガスマニホールドとを連通する複数のガス連通流路を備えている。これらのガス連通流路は、そのセパレータの電極に面した表面側に開口したガス連通孔を少なくとも１つ有している。複数のガス連通流路ごとに設けられたガス連通孔は、ガスマニホールドからの距離が小さい位置に設けられた第１の連通孔群と、第１の連通孔群よりもガスマニホールドからの距離が大きい位置に設けられた第２の連通孔群とを含んでいる。

Description

明細書
燃料電池の配流特性の改善 技術分野
この発明は、 燃料電池のガス配流特性を改善する技術に関する。
背景技術
燃料電池は、 通常、 複数の単セルを積層することにより構成される。 この単セ ルを積層する際の単セルを構成する各部材の位置合わせを容易にし、 燃料電池の 組み立てを容易にするため、 セパレー夕内部に反応ガス流路を設けた燃料電池が 提案されている。 例えば、 日本の公開特許公報である特開 2 0 0 2 _ 1 5 1 1 0 8号公報には、 電極に反応ガスを供給し、 電極から反応ガスを排出するためのガ ス連通孔が、反応ガス流路の電極側に設けられている燃料電池が開示されている。 しかしながら、このようなガス連通孔を介して電極に反応ガスを供給した場合、 ガス連通孔の下流側と、 ガス連通孔でない部分の下流側とで反応ガスの流量が異 なり、 電極内での反応ガス流量が不均一となる可能性がある。
本発明は、 上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、 電極内 での反応ガス流量を均一化することを目的とする。
発明の開示
上記目的の少なくとも一部を達成するために、 本発明の燃料電池は、 電極と、 セパレー夕と、 をそれぞれ有する複数の単セルと、 前記複数の単セルのそれぞれ を連通するガスマ二ホールドと、 を備え、 前記セパレー夕は、 その内部に、 前記 電極の表面に存在するガス通過路と前記ガスマ二ホールドとを連通する複数のガ ス連通流路を備え、 前記複数のガス連通流路のそれぞれは、 前記セパレー夕の前 記電極に面した表面側に開口したガス連通孔を少なくとも 1つ有し、 前記複数の ガス連通流路の複数のガス連通孔は、 前記ガスマ二ホールドからの第 1の距離に 設けられた第 1の連通孔群と、 前記第 1の距離よりも大きな第 2の距離に設けら れた第 2の連通孔群と、 を含むことを特徴とする。
この構成によれば、 電極の表面で反応ガスが衝突することによリ反応ガスの流 れが乱されるので、 電極内での反応ガス流量の均一性を高めることができる。 なお、 本発明は、 種々の態様で実現することが可能であり、 例えば、 燃料電池 およびその燃料電池を利用した燃料電池システム、 また、 その燃料電池システム を利用した発電装置およびその燃料電池システムを搭載した電気自動車等の態様 で実現することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 燃料電池を構成する燃料電池スタック 1 0 0の構成を示す説明図であ る。
図 2は、 単セル 2 0 0を構成する 3つのプレー卜 3 0 0， 4 0 0， 5 0 0の形 状を示す模式図である。
図 3は、 第 1実施例における燃料ガスの流れの様子を示す説明図である。
図 4は、 第 1実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。
図 5は、 第 2実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。
図 6は、 第 3実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。
図 7は、 第 4実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A . 第〗実施例：
B . 第 2実施例：
C . 第 3実施例：
D . 第 4実施例： E . 変形例：
A . 第 1実施例：
図 1 ( a ) は、 本発明の実施例としての燃料電池を構成する燃料電池スタック 1 0 0の構成を示す説明図である。 燃料電池スタック 1 0 0は、 複数の単セル 2 0 0を積層することにより構成されている。 燃料電池スタック 1 0 0には、 酸化 ガス供給マ二ホールド 1 1 0と、 酸化ガス排出マ二ホールド 1 2 0と、 燃料ガス 供給マ二ホールド 1 3 0と、 燃料ガス排出マ二ホールド 1 4 0と、 冷却水供給マ 二ホールド 1 5 0と、 冷却水排出マ二ホールド〗 6 0と、 が設けられている。 図 1 ( b ) は、 単セル 2 0 0の構成を示す説明図である。 単セル 2 0 0は、 ァ ノード側プレー卜 3 0 0と、 力ソード側プレー卜 4 0 0と、 中間プレー卜 5 0 0 と、 膜 '電極接合体 6 0 0と、 シール部材 2 1 0とを備えている。
3つのプレー卜 3 0 0， 4 0 0 , 5 0 0は、 それぞれ、 種々の形状の穴がプレ ス成形により形成された平板である。 これらのプレー卜 3 0 0， 4 0 0， 5 0 0 は、 ステンレス鋼などのガス不透性と導電性とを有する材料で形成されている。
3つのプレー卜 3 0 0， 4 0 0， 5 0 0は、 積層されることにより、 燃料ガスと 酸化ガスと冷却水とのそれぞれの流路を分離するセパレ一夕を構成する。
膜 -電極接合体 6 0 0は、 電解質膜 6 2 0と、 アノード 6 4 0と、 力ソード 6 6 0と、 を備えている。 電解質膜 6 2 0は、 ナフイオン （デュポン社の商標） な どのフッ素系樹脂材料で形成された湿潤状態において良好な導電性を有するィ才 ン交換膜である。 アノード 6 4 0と力ソード 6 6 0は、 カーボンクロスなどのガ ス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。 このアノード 6 4 0と力ソード 6 6 0には、 白金や白金と他の金属からなる合金などが燃料電池 反応の触媒として担持されている。 なお、 以下では、 アノード 6 4 0と力ソード 6 6 0とを併せて 「電極 j とも呼ぶ。
シール部材 2 1 0は、 シリコーンゴムなどのガス不透性と弾力性と耐熱性とを 有する材料で形成されている。 シール部材 2 1 0の中心部には、 破線で示すよう に、 膜■電極接合体 6 0 0を配置するための穴が設けられている。
3つのプレー卜 3 0 0， 4 0 0， 5 0 0とシール部材 2 1 0とのそれぞれには、 複数の貫通穴 （図示しない） が設けられている。 これらの貫通穴は、 単セル 2 0 0を積層し燃料電池スタック 1 0 0を構成したときにマ二ホールド 1 1 0〜1 6 0を形成する。なお、以下では、 これらの貫通穴を「マ二ホールド穴」とも呼ぶ。 未使用の酸化ガスは、 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0を介して単セル 2 0 0 に供給され、 単セル 2 0 0から排出される使用済みの酸化ガス （力ソード才フガ ス） は、 酸化ガス排出マ二ホールド 1 2 0を介して排出される。 未使用の燃料ガ スは、 燃料ガス供給マ二ホールド 1 3 0を介して単セル 2 0 0に供給され、 単セ ル 2 0 0から排出される使用済みの燃料ガス （アノードオフガス） は、 燃料ガス 排出マ二ホールド 1 4 0を介して排出される。 なお、 一般に、 酸化ガスと燃料ガ スとは燃料電池反応に用いられるガスであるので、 これらのガスは併せて 「反応 ガス」 とも呼ばれる。
燃料電池スタック 1 0 0の冷却水は、 冷却水供給マ二ホールド 1 5 0を介して 単セル 2 0 0に供給される。 そして、 セパレー夕中の冷却水流路 （図示しない） を流れた冷却水は、 冷却水排出マ二ホールド 1 6 0を介して燃料電池スタック 1 0 0から排出される。
図 2 ( a )は、力ソード側プレー卜 4 0 0を膜'電極接合体 6 0 0側（図 1 ( b ) の左側） から見た様子を示している。 力ソード側プレー卜 4 0 0の周辺部には、 6個のマ二ホールド穴 4 2 2〜4 3 2が設けられている。 力ソード側プレート 4 0 0には、 これらのマ二ホールド穴 4 2 2〜4 3 2の他に、 複数の酸化ガス供給 孔 4 4 0からなる第 1の酸化ガス供給孔群と、 複数の酸化ガス供給孔 4 4 2から なる第 2の酸化ガス供給孔群と、 複数の酸化ガス排出孔 4 4 4からなる酸化ガス 排出孔群と、 が設けられている。 図 2 ( a ) に示すように、 第 1の酸化ガス供給 孔群は、 マ二ホールド穴 4 2 2との距離が第 2の酸化ガス供給孔群よリも小さく なっている。
図 2 ( b ) は、 ァノード側プレー卜 3 0 0を中間プレー卜 5 0 0側 （図 1 ( b ) の左側） から見た様子を示している。 アノード側プレー卜 3 0 0の周辺部には、 図 2 ( a ) に示す力ソード側プレー卜 4 0 0と同様に、 6個のマ二ホールド穴 3 2 2〜 3 3 2が設けられている。 アノード側プレー卜 3 0 0には、 これらのマ二 ホールド穴 3 2 2〜3 3 2の他に、 複数の燃料ガス供給孔 3 5 0と、 複数の燃料 ガス排出孔 3 5 4とが設けられている。
図 2 ( c ) は、 中間プレー卜 5 0 0をカソード側プレー卜 4 0 0側 （図 1 ( b ) の左側） から見た様子を示している。 図 2 ( a ) , ( b ) に示す力ソード側プレー 卜 4 0 0やアノード側プレー卜 3 0 0と同様に、 中間プレー卜 5 0 0には、 4個 のマ二ホールド穴 5 2 2〜5 2 8が設けられている。
酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0に対応するマ二ホールド穴 5 2 2には、 酸化 ガス供給孔 4 4 0， 4 4 2と酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0とを連通するため の櫛歯状の酸化ガス供給流路穴 5 4 2が設けられている。 そのため、 3つのプレ - K 3 0 0 , 4 0 0 , 5 0 0を積層することにより、 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0と酸化ガス供給孔 4 4 0， 4 4 2とが連通し、 複数の酸化ガス 給流路が 形成される。
酸化ガス排出マ二ホールド 1 2 0を形成するマ二ホールド穴 5 2 4には、 酸化 ガス排出孔 4 4 4と酸化ガス排出マ二ホールド 1 2 0とを連通するための櫛歯状 の酸化ガス排出流路穴 5 4 4が形成されている。 同様に、 燃料ガス供給マ二ホー ルド 1 3 0を形成するマ二ホールド穴 5 2 6には、 燃料ガス供給マ二ホールド 1 3 0と燃料ガス供給孔 3 5 0とを連通するための櫛歯状の燃料ガス供給流路穴 5 4 6が設けられている。 また、 燃料ガス排出マ二ホールド 1 4 0を形成するマ二 ホールド穴 5 2 8には、 燃料ガス排出孔 3 5 4と燃料ガス排出マ二ホールド 1 4 0を連通するための櫛歯状の燃料ガス排出流路穴 5 4 8とが設けられている。 中間プレー卜 5 0 0には、 これらのマ二ホールド穴 5 2 2〜5 2 8と、 ガス流 路穴 542， 544, 546, 548との他に、 冷却水供給マ二ホールド 1 50 (マ二ホールド穴 330, 430)の位置から冷却水排出マ二ホールド 1 60 (マ 二ホールド穴 332， 432) の位置とにわたつて複数の冷却水流路穴 550が 設けられている。 これらの冷却水流路穴 550は、 3つのプレー卜 300， 40 0, 500を積層することにより、 冷却水供給マ二ホールド 1 50と冷却水排出 マ二ホールド 1 60とを連通する冷却水流路を形成する。
図 3は、 第 1実施例における燃料ガスの流れの様子を示す説明図である。 図 3
(a) は、 3つのプレー卜 400， 500, 300をこの順に積層したセパレー 夕を図 1の左側から見た様子を示している。 図 3 (b) の右半分は、 セパレー夕 に膜 '電極接合体 600 (図 1 ) と力ソード側プレー卜 400とを積層した状態 での A— A線 （図 3 (a) の一点鎖線） に沿った断面を示している。 また、 図 3
(b) の左半分は、 B— B線 （図 3 (a) の二点鎖線） に沿った断面を示してい る。
図 3 (b) に示すように、 3つのプレー卜 400， 500， 300を積層する ことにより、 燃料ガス供給流路穴 546と燃料ガス供給孔 350とは、 燃料ガス 供給マ二ホールド〗 30からアノード 640に燃料ガスを供給する燃料ガス供給 流路 830を形成する。 同様に、 燃料ガス排出孔 354と燃料ガス排出流路穴 5 48とは、 アノード 640から燃料ガス排出マ二ホールド 1 40に燃料ガスを排 出する燃料ガス排出流路 840を形成する。 なお、 図 3 (b) に示すように、 燃 料ガス供給孔 350と燃料ガス排出孔 354とは、 いずれもセパレ一夕の電極側 表面に開口した燃料ガス連通孔となる。
燃料ガスは、 図 3 (b) の矢印で示すように、 燃料ガス供給マ二ホールド 1 3 0から燃料ガス供給流路 830を介してアノード 640に供給される。 アノード 640に供給された燃料ガスは、 多孔質のアノード 640中を流れる間に燃料電 池反応で使用される。 そして、 使用済みの燃料ガスは、 アノード 640から燃料 ガス排出流路 840を介して燃料ガス排出マ二ホールド 1 40に排出される。 な お、 この場合のアノード 6 4 0は、 上流側のアノード 6 4 0表面から下流側のァ ノード 6 4 0表面に燃料ガスを通過させる燃料ガス通過路となる。
図 4は、 第 1実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。 図 4 ( a ) は、 3つのプレー卜 4 0 0， 5 0 0， 3 0 0をこの順に積層したセパレー タを図 1の左側から見た様子を示している。 図 4 ( b ) は、 セパレー夕に膜 '電 極接合体 6 0 0 (図 1 ) とアノード側プレー卜 3 0 0とを積層した状態での C一 C線 （図 4 ( a ) の一点鎖線） に沿った断面を示している。
図 4 ( b ) に示すように、 3つのプレー卜 4 0 0， 5 0 0 , 3 0 0を積層する ことにより、 酸化ガス供給流路穴 5 4 2と酸化ガス供給孔 4 4 0， 4 4 2とは、 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0から力ソード 6 6 0に酸化ガスを供給する酸化 ガス供給流路 8 1 0を形成する。 同様に、 酸化ガス排出孔 4 4 4と酸化ガス排出 流路穴 5 4 4とは、 カソード 6 6 0から酸化ガス排出マ二ホールド 1 2 0に酸化 ガスを排出する酸化ガス排出流路 8 2 0を形成する。 なお、 図 4 ( b ) に示すよ うに、 酸化ガス供給孔 4 4 0， 4 4 2と酸化ガス排出孔 4 4 4とは、 いずれもセ パレー夕の電極側表面に開口した酸化ガス連通孔となる。
このように単セル 2 0 0を構成することにより、 酸化ガスは、 図 4 ( b ) の矢 印で示すように、 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0から、 酸化ガス供給流路 8.1 0を介して力ソード 6 6 0に供給される。 力ソード 6 6 0に供給された酸化ガス は、多孔質の力ソード 6 6 0中を流れる間に燃料電池反応で使用される。そして、 使用済みの酸化ガスは、 力ソード 6 6 0から酸化ガス排出流路 8 2 0を介して酸 化ガス排出マ二ホールド 1 2 0に排出される。 なお、 この場合の力ソード 6 6 0 は、 上流側のカソード 6 6 0表面から下流側のカソード 6 6 0表面に酸化ガスを 通過させる酸化ガス通過路となる。
このとき、 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0に近い上流側の酸化ガス供給孔 4 4 0から力ソード 6 6 0に供給された酸化ガスは、 その主流方向が図 4 ( a ) の C一 C線と平行な方向となる。 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0から遠い下流側 の酸化ガス供給孔 4 4 2の位置では、 主流方向と直交する方向に酸化ガスが供給 される。 このように、 異なる方向の酸化ガス流が衝突することにより酸化ガスの 流れが乱されるので、 酸化ガスの流量が平均化し、 力ソード 6 6 0内での酸化ガ ス流量の均一性が高くなる。
図 4 ( b ) に示すように、 酸化ガス供給流路 8 1 0は、 酸化ガス供給流路穴 5
4 2と酸化ガス供給孔 4 4 0， 4 4 2によって形成されるので、 酸化ガス供給孔
4 4 0の中間プレー卜 5 0 0側端で分岐した流路となる。 酸化ガス供給流路 8 1
0が分岐しているので、 酸化ガス供給孔 4 4 0， 4 4 2とのいずれか一方が酸化 ガスに混入した夾雑物等により閉塞しても、 酸化ガスは閉塞していない酸化ガス 供給孔を通してカソード 6 6 0に供給される。 そのため、 第 1実施例では、 酸化 ガス供給孔の閉塞によって力ソード 6 6 0内で酸化ガス流量が不均一になること を抑制することができる。
このように、 第 1実施例では、 1つの酸化ガス供給流路 8 1 0に 2つの酸化ガ ス供給孔 4 4 0， 4 4 2を設けることにより、 異なる方向の酸化ガス流を衝突さ せることができる。 そのため、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流の衝突により酸 化ガスの流れが乱されるので、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流量の均一性を高 められる。
なお、 第 1実施例では、 複数の酸化ガス供給孔は、 第 1と第 2の 2つの酸化ガ ス供給孔群を構成しているが、 酸化ガス供給孔群の数は、 2以上の任意の数とす ることができる。 この場合、 各酸化ガス供給孔群の酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0 (マニホ，ルド穴 4 2 2 ) からの距離は、 互いに異なるように設定される。
B . 第 2実施例：
図 5は、 第 2実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。 第 2 実施例は、 円形の酸化ガス供給孔 4 4 0， 4 4 2に替えて長円形の酸化ガス供給 孔 4 4 0 a， 4 4 2 aが力ソード側プレー卜 4 0 0 aに設けられている点で、 第 1実施例と異なっている。 他の点は、 第 1実施例と同様である。
図 5 (a) は、 3つのプレー卜 400 a， 500， 300をこの順に積層した セパレータを図 1の左側から見た様子を示している。 図 5 (b) は、 セパレー夕 に膜 '電極接合体 600 (図 1 ) とアノード側プレー卜 300とを積層した状態 での C— C線 （図 5 (a) の一点鎖線） に沿った断面を示している。
図 5 (a) に示すように、 力ソード側プレート 400 aには、 複数の酸化ガス 供給孔 440 a， 442 aが千鳥状の配列となるように設けられている。 これら の酸化ガス供給孔 440 a， 442 aは、 2つの隣接する第 1実施例の酸化ガス 供給孔 440， 442 (図 4 (a)) を連結した孔となっている。 すなわち、 酸化 ガス供給孔 440 a， 442 aは、 隣接した酸化ガス供給孔 440， 442を連 通する連結流路と、 酸化ガス供給孔 440， 442とで形成される拡大連通孔で ある。
なお、 第 2実施例では、 複数の酸化ガス供給孔 440 aは、 第 1の酸化ガス供 給孔群に属する 2つの酸化ガス供給孔 440を連通することにより形成され、 複 数の酸化ガス供給孔 442 aは、 第 2の酸化ガス供給孔群に属する 2つの酸化ガ ス供給孔 442を連通することにより形成されている。 そのため、 2つの酸化ガ ス供給孔群は、 それぞれ拡大連通孔 440 a， 442 aを備えていると言うこと ができる。
第 2実施例においても、酸化ガス供給流路穴 542と酸化ガス供給孔 440 a, 442 aとは、 図 5 (b) に示すように、 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0から 力ソード 660に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路 81 0 aを形成する。 酸 化ガスは、 図 5 (b) の矢印で示すように、 酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0か ら、 酸化ガス供給流路 81 0 aを介して力ソード 660に供給される。
第 2実施例においても、上流側の酸化ガス供給孔 440 aからの酸化ガス流と、 下流側の酸化ガス供給孔 442 aからの酸化ガス流とは、 酸化ガス供給流路穴 5 42の位置で衝突させられる。 そのため、 力ソード 660内での酸化ガス流の衝 突によリ酸化ガスの流れが乱されるので、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流量の 均一性を高めることができる。
また、 力ソード 6 6 0に供給された酸化ガスは、 長円形の酸化ガス供給孔 4 4 0 a , 4 4 2 aの全体から下流に向かって流れる。 酸化ガス供給孔 4 4 0 a , 4 4 2 aは、 力ソード 6 6 0の幅全体にわたって形成されているので、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流量の均一性をより高めることができる。
隣接する酸化ガス供給流路穴 5 4 2が長円形の酸化ガス供給孔 4 4 0 a , 4 4 2 aによって連通されている。 隣接する酸化ガス供給流路穴 5 4 2が連通されて いるので、 酸化ガス供給流路穴 5 4 2のいずれかが酸化ガスに混入した夾雑物等 により閉塞しても、 酸化ガスは閉塞していない酸化ガス供給流路穴 5 4 2を通し て力ソード 6 6 0に供給される。 そのため、 第 2実施例では、 酸化ガス供給流路 穴 5 4 2の閉塞によリカソード 6 6 0内で酸化ガス流量が不均一になることを抑 制することができる。
このように、 第 2実施例においても、 第 1実施例と同様に、 力ソード 6 6 0内 での酸化ガス流の衝突により酸化ガスの流れが乱されるので、 力ソード 6 6 0内 での酸化ガス流量の均一性を高めることができる。
第 2実施例は、 酸化ガス供給流路穴 5 4 2の閉塞による力ソード 6 6 0内での 酸化ガス流量の不均化を抑制できる点で、 第 1実施例よりも好ましい。 一方、 第 1実施例は、 力ソード側プレー卜に設けられる酸化ガス供給孔の開口面積が小さ く、 力ソード側プレー卜の剛性の低下を抑制できる点で、 第 2実施例よりも好ま しい。
なお、 第 2実施例では、 拡大連通孔は、 同一の酸化ガス供給孔群に属する 2つ の酸化ガス供給孔を連通することにより形成されているが、 一般に、 拡大連通孔 は隣接する酸化ガス供給流路に設けられた L個 （Lは 2以上の任意の整数） の酸 化ガス供給孔を連通するものであればよい。 例えば、 ある酸化ガス供給流路に設 けられた酸化ガス供給孔 4 4 0と、 その流路に隣接する酸化ガス供給流路に設け られた酸化ガス供給孔 4 4 2とを連通するものとしてもよい。 この場合、 拡大連 通孔の配列は、 千鳥状でなく直線状となる。
C . 第 3実施例：
図 6は、 第 3実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。 第 3 実施例は、 力ソード側プレー卜 4 0 0 bに酸化ガス排出孔 4 4 6が更に設けられ ている点と、 酸化ガス排出流路穴 5 4 4 bが酸化ガス排出マ二ホールド 1 2 0と 酸化ガス排出孔 4 4 4 , 4 4 6とを連通するように形成されている点とで、 第 1 実施例と異なっている。 他の点は、 第 1実施例と同様である。
図 6 ( a ) は、 3つのプレー卜 4 0 0 b， 5 0 0 b , 3 0 0をこの順に積層し たセパレータを図 1の左側から見た様子を示している。 図 6 ( b ) は、 セパレー 夕に膜 '電極接合体 6 0 0 (図 1 ) とアノード側プレー卜 3 0 0とを積層した状 態での C一 C線 （図 6 ( a ) の一点鎖線） に沿った断面を示している。
図 6 ( a ) に示すように、 力ソード側プレー卜 4 0 0 bは、 第 1実施例のカソ 一ド側プレー卜 4 0 0に、 複数の酸化ガス排出孔 4 4 6を設けた構成となってい る。 この複数の酸化ガス排出孔 4 4 6からなる第 2の酸化ガス排出孔群の酸化ガ ス排出マ二ホールド 1 2 0からの距離は、 複数の酸化ガス排出孔 4 4 4からなる 第 1の酸化ガス排出孔群よりも大きくなつている。
図 6 ( b ) に示すように、 酸化ガス排出流路 8 2 2は、 酸化ガス排出流路穴 5 4 4 bと酸化ガス排出孔 4 4 4， 4 4 6とによって形成されるので、 酸化ガス排 出孔 4 4 6の中間プレー卜 5 0 0側端で分岐した流路となる。 酸化ガス排出流路 8 2 2が分岐しているので、 酸化ガス排出孔 4 4 4， 4 4 6とのいずれか一方が 力ソード 6 6 0で生成された水等により閉塞しても、 酸化ガスは、 閉塞していな い酸化ガス排出孔を通して力ソード 6 6 0から排出される。 そのため、 第 3実施 例では、 酸化ガス排出孔の閉塞によリカソード 6 6 0下流部で酸化ガス流量が不 均一になることを抑制することができる。 なお、 第 3実施例においても、 第 1実施例と同様に、 1つの酸化ガス供給流路 8 1 0に 2つの酸化ガス供給孔 4 4 0 , 4 4 2が設けられている。 そのため、 力 ソード 6 6 0内で酸化ガス流が衝突させられ、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流 量の均一性が高くなる。 また、 酸化ガス供給流路 8 1 0が分岐しているので、 酸 化ガス供給孔の閉塞によってカソード 6 6 0内で酸化ガス流量が不均一になるこ とを抑制することができる。
第 3実施例は、 酸化ガス排出孔の閉塞による力ソード 6 6 0下流部の酸化ガス 流量の不均化を抑制できる点で、 第 1実施例よりも好ましい。 一方、 第 1実施例 は、 力ソード側プレー卜に設けられる酸化ガス排出孔の数が少なく、 力ソード側 プレー卜の剛性の低下を抑制できる点で、 第 3実施例よりも好ましい。
なお、 第 3実施例では、 力ソード側プレー卜 4 0 0 bは、 2つの酸化ガス供給 孔群と 2つの酸化ガス排出孔群とを有しているが、 M個 （Mは 1以上の任意の整 数） の酸化ガス供給孔群と、 N個 （Nは 2以上の任意の整数） の酸化ガス排出孔 群とを有するものとしてもよい。 酸化ガス供給孔群の数を 1 としても、 酸化ガス 排出孔の閉塞によるカソード 6 6 0下流部の酸化ガス流量の不均化を抑制できる。
D . 第 4実施例：
図 7は、 第 4実施例における酸化ガスの流れの様子を示す説明図である。 第 4 実施例は、 1つの酸化ガス供給流路穴 5 4 2 cに対して 1つの酸化ガス供給孔 4 4 0 c , 4 4 2 cが設けられている点と、 酸化ガス供給孔 4 4 2 cが横長の楕円 形になっている点とで、 第 1実施例と異なっている。 他の点は、 第 1実施例と同 様である。
図 7 ( a ) は、 3つのプレー卜 4 0 0 c， 5 0 0 c , 3 0 0をこの順に積層し たセパレ一タを図 1の左側から見た様子を示している。 図 7 ( b ) は、 セパレー 夕に膜 '電極接合体 6 0 0 (図 1 ) とアノード側プレー卜 3 0 0とを積層した状 態での C一 C線 （図 7 ( a ) の一点鎖線） に沿った断面を示している。 また、 図 7 ( c ) は、 D— D線 （図 7 ( a ) の二点鎖線） に沿った断面を示している。 図 7 ( a ) に示すように、 第 4実施例では、 隣接した酸化ガス供給流路穴 5 4 2 cに対応する酸化ガス供給孔 4 4 0 c， 4 4 2 cは、 酸化ガス供給マ二ホール ド 1 1 0からの距離が互いに異なる直線上に設けられている。 このように、 酸化 ガス供給孔 4 4 0 c， 4 4 2 cを設けることにより、 開口面積が大きい酸化ガス 供給孔 4 4 2 cが近接しないので、 力ソード側プレート 4 0 0 cの剛性の低下を 抑制することができる。
第 4実施例では、 図 7 ( b ) に示すように、 酸化ガス供給流路穴 5 4 2 cと酸 化ガス供給孔 4 4 0 cとは、酸化ガス供給流路 8 1 2を形成する。また、図 7 ( c ) に示すように、 酸化ガス供給流路穴 5 4 2 cと酸化ガス供給孔 4 4 2 cとは、 酸 化ガス供給流路 8 1 4を形成する。 酸化ガスは、 これらの酸化ガス供給流路 8 1 2 , 8 1 4を介して酸化ガス供給マ二ホールド 1 1 0から力ソード 6 6 0に供給 される。
第 4実施例においても、上流側の酸化ガス供給孔 4 4 0 cからの酸化ガス流と、 下流側の酸化ガス供給孔 4 4 2 cからの酸化ガス流とは、 酸化ガス供給孔 4 4 2 cの位置で衝突させられる。 そのため、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流の衝突 により酸化ガスの流れが乱されるので、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流量の均 一性を高めることができる。
また、 力ソード 6 6 0に供給された酸化ガスは、 円形の酸化ガス供給孔 4 4 0 cと楕円形の酸化ガス供給孔 4 4 2 cのそれぞれ全体から下流に向かって流れる。 これらの酸化ガス供給孔 4 4 0 c , 4 4 2 cは、 力ソード 6 6 0の幅全体にわた つて形成されているので、 力ソード 6 6 0内での酸化ガス流量の均一性をより高 めることができる。
このように、 第 4実施例においても、 第 1実施例と同様に、 力ソード 6 6 0内 での酸化ガス流の衝突により酸化ガスの流れが乱されるので、 力ソード 6 6 0内 での酸化ガス流量の均一性を高めることができる。 なお、第 4実施例では、下流側の酸化ガス供給孔 4 4 2 cを横長の楕円形とし、 上流側の酸化ガス供給孔 4 4 0 cを円形としているが、 下流側の酸化ガス供給孔 の総開口面積が上流側の酸化ガス供給孔の総開口面積以上であれば、 上流側の酸 化ガス供給孔と下流側の酸化ガス供給孔とを異なる形状で形成しても良い。 この ように、 上流側および下流側の酸化ガス供給孔を形成することにより、 上流側の 酸化ガス供給孔からの酸化ガス流は、 下流側の酸化ガス供給孔からの酸化ガスと の衝突によってその流れを乱すことができる。
また、 第 4実施例では、 隣接した酸化ガス供給流路穴に対応する酸化ガス供給 孔を酸化ガス供給マ二ホールドからの距離が互いに異なる直線上に設けているが、 隣接した酸化ガス排出流路穴に対応する酸化ガス排出孔を酸化ガス排出マ二ホー ルドからの距離が互いに異なる直線上に設けるものとしてもよい。 この場合、 酸 化ガス排出孔を単一の直線上に設けるよりも酸化ガス排出孔の距離が大きくなる ので、隣接した酸化ガス排出孔が生成水によリ同時に閉塞する可能性が低下する。 そのため、 酸化ガス排出孔の閉塞によるカソードの下流部でのガス不均化を抑制 することができる。
このとき、 酸化ガス排出孔は、 酸化ガス排出孔がカソード 6 6 0の幅全体にわ たって形成され酸化ガス流量の均一性をより高められるので、 上流側の酸化ガス 排出孔と上流側の酸化ガス排出孔のいずれか一方の総開口面積を大きくすること が好ましい。 この場合、 力ソード側プレー卜の剛性の低下を抑制することができ るので、 酸化ガス排出マ二ホールドから遠い酸化ガス排出孔の総開口面積を酸化 ガス排出マ二ホールドに近い酸化ガス排出孔の総開口面積よりも大きくすること が好ましい。
E . 変形例：
なお、 この発明は上記実施例や実施形態に限られるものではなく、 その要旨を 逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、 例えば 次のような変形も可能である。
E 1 . 変形例 1 ：
上記各実施例では、 図 2に示すように、 アノード側プレー卜 3 0 0と力ソード 側プレー卜 4 0 0とに設ける穴の位置を変えているが、 一般には、 酸化ガスと、 燃料ガスと、 冷却水との各流路が連通しないようにできればよい。 これらの反応 ガス流路と冷却水流路とが連通しないようにするためには、 酸化ガス供給流路穴 5 4 2と酸化ガス排出流路穴 5 4 4の位置でアノード側プレー卜 3 0 0にガス不 透性の部材を設け、 燃料ガス供給流路穴 5 4 6と燃料ガス排出流路穴 5 4 8の位 置でカソード側プレー卜 4 0 0にガス不透性の部材を設ければよい。
E 2 . 変形例 2 ：
上記各実施例では、 マ二ホールドと電極とを連通する、 ガス連通流路 （酸化ガ ス供給流路、 酸化ガス排出流路、 燃料ガス供給流路、 燃料ガス排出流路） を有す るセパレー夕を 3つのプレー卜により形成しているが、 セパレー夕は他の構成に より形成することもできる。 例えば、 ガス連通流路を形成するための流路溝とガ ス連通孔とを設けた部材と、 燃料ガスと酸化ガスと冷却水との各流路を分離する 部材とを含む複数の部材を積層することによりセパレー夕を形成するものとして もよい。
E 3 . 変形例 3 ：
上記各実施例では、 単一の多孔質材で電極を形成することにより、 電極を反応 ガスを通過させるためのガス通過路としているが、 ガス通過路は他の方法により 構成することも可能である。 例えば、 電極に電解質側の多孔質材の空孔率よりも 空孔率が高い多孔質材で形成されたガス拡散層を設けることにより、 空孔率の高 いガス拡散層が反応ガスの通過するガス通過路となる。 また、 セパレー夕の電極 に接する面に流路溝を形成し、 その流路溝と電極とで形成される流路をガス通過 路とすることもできる。
E 4 . 変形例 4 ： 上記各実施例では、 本発明の適用によるカソード内での酸化ガス流量の均一性 向上について説明してきたが、本発明を燃料ガスの流路側に適用することにより、 アノード内での燃料ガス流量の均一性向上を図ることもできる。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料電池であって、
電極と、 セパレー夕と、 をそれぞれ有する複数の単セルと、
前記複数の単セルのそれぞれを連通するガスマ二ホールドと、
を備え、
前記セパレー夕は、 その内部に、 前記電極の表面に存在するガス通過路と前記 ガスマ二ホールドとを連通する複数のガス連通流路を備え、
前記複数のガス連通流路のそれぞれは、 前記セパレー夕の前記電極に面した表 面側に開口したガス連通孔を少なくとも 1つ有し、
前記複数のガス連通流路の複数のガス連通孔は、 前記ガスマ二ホールドからの 第 1の距離に設けられた第 1の連通孔群と、 前記第 1の距離よりも大きな第 2の 距離に設けられた第 2の連通孔群と、 を含む、 燃料電池。
2 . 請求項 1記載の燃料電池であつて、
前記複数のガス連通流路は、 前記第 1の連通孔群に属するガス連通孔と、 前記 第 2の連通孔群に属するガス連通孔と、 をそれぞれ備える、 燃料電池。
3 . 請求項 2記載の燃料電池であって、
前記セパレ一夕は、 隣接するガス連通流路に設けられたガス連通孔を連通して 拡大連通孔を形成する連結流路を備える、 燃料電池。
4 . 請求項 3記載の燃料電池であって、
前記第 1の連通孔群と前記第 2の連通孔群は、 それぞれ複数の拡大連通孔を備 え、
前記第 1の連通孔群の前記複数の拡大連通孔と、 前記第 2の連通孔群の前記複 数の拡大連通孔とは、 千鳥状の配列となるように配置された、 燃料電池。
5 . 請求項 1ないし 4のいずれか記載の燃料電池であって、
前記セパレー夕は、 第 1の板と第 2の板と第 3の板とをこの順に積層すること により形成され、
前記第 1の板と前記第 2の板と前記第 3の板は、 それぞれ積層した際に前記ガ スマニホールドを形成するマ二ホールド穴を有し、
前記第 1の板は、 前記ガス連通孔を有し、
前記第 2の板は、 前記ガス連通孔と前記マ二ホールド穴とを連通させることに よリ前記複数のガス連通流路を形成するガス流路穴を有し、
前記第 3の板は、前記ガス流路穴に接する位置に、ガス不透性の部材を有する、 燃料電池。
6 . 請求項 5記載の燃料電池であって、
前記電極は、 前記ガス通過路を構成するガス拡散層を有する、 燃料電池。
7 . 請求項 1ないし 6記載の燃料電池であって、
前記第 2の連通孔群の総開口面積は、 前記第 1の連通孔群の総開口面積よリも 大きい、 燃料電池。
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