WO2007148761A1 - 燃料電池 - Google Patents

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Masatoshi Teranishi
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a solid polymer fuel cell having a polymer electrolyte membrane.
  • a fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and a pair of catalyst electrodes (a fuel electrode and an air electrode) that sandwich the polymer electrolyte membrane.
  • the fuel cell having the above configuration uses a fuel gas (including hydrogen) supplied to the fuel electrode (anode) and an oxidizing gas (including oxygen) supplied to the air electrode (power sword) to generate electric energy. Can be taken out continuously.
  • the catalyst electrode is located on the polymer electrolyte membrane side and promotes a redox reaction in the catalyst electrode; and a gas diffusion layer located outside the catalyst layer and having air permeability and conductivity. Consists of Furthermore, the gas diffusion layer is located on the catalyst layer side, a carbon coat layer that improves the contact property with the catalyst layer, and a gas diffusion base material for diffusing the gas supplied from the outside and supplying the catalyst layer Composed of layers.
  • An assembly of these polymer electrolyte membrane and a pair of catalyst electrodes (catalyst layer, carbon coat layer and gas diffusion base material layer) is called a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”).
  • the MEAs can be electrically connected in series by being stacked. At this time, in order not to mix the fuel gas and the oxidizing gas and to connect each MEA electrically in series, a conductive separator is disposed between each MEA.
  • a MEA sandwiched between a pair of separators is called a “fuel cell” or simply “cell”, and a stack of multiple fuel cells is called a “fuel cell stack” or simply “stack”.
  • a gas flow path for supplying a reaction gas (fuel gas or oxidizing gas) to the catalyst electrode and discharging excess gas and excess moisture is provided on the surface of the separator in contact with the catalyst electrode. Is formed.
  • the gas flow path in the separator is usually a plurality of straight parallel flow paths, and is connected to a pipe that penetrates the fuel cell stack called manifold. Communicate. The manifold holds all the fuel cells in the fuel cell stack, supplies the reaction gas to the gas channel, and discharges excess gas and excess water from the gas channel.
  • a cell or a stack is sandwiched between a current collector plate, an insulating plate, and an end plate to form a fuel cell of a commonly used form.
  • hydrogen supplied to the fuel electrode diffuses through the gas diffusion layer of the fuel electrode and reaches the catalyst layer.
  • hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons.
  • Hydrogen ions move to the air electrode through the water-retaining polymer electrolyte membrane. Electrons travel to the cathode through an external circuit. At this time, electrons passing through the external circuit can be used as electric energy.
  • hydrogen ions that have moved through the polymer electrolyte membrane, electrons that have moved through the external circuit, and oxygen supplied to the air electrode react to generate water.
  • the fuel cell generates water in accordance with the power generation reaction.
  • power generation efficiency decreases when the inside of the cell becomes excessively wet, so water generated during power generation is discharged to the outside by the gas flowing through the gas flow path of the separator.
  • an external humidification method in which the inside of the cell is humidified from the outside.
  • the external humidifier supplies the reaction gas whose dew point temperature is higher than the temperature inside the fuel cell to the inside of the cell, thereby making the inside of the cell excessively humid.
  • water droplets are generated inside the gas diffusion layer, and the supply of reaction gas to the catalyst layer is hindered.
  • a flooding phenomenon is likely to occur.
  • Another problem is that it is difficult to reduce the cost of the fuel cell system because an external humidifier is required.
  • the temperature inside the fuel cell must be lower than the dew point temperature of the reaction gas that can be achieved with an external humidifier, so that the power generation efficiency is high and the operation at high temperature is not possible. There is also a problem.
  • FIG. 1 is a front view (perspective view) of the fuel battery cell of Patent Document 1.
  • FIG. The structure of the separator on the fuel electrode side is shown by a solid line, and the structure of the separator on the air electrode side is shown by a broken line.
  • a fuel gas supply manifold 10 and a fuel gas discharge manifold 12 are arranged adjacent to each other and communicated with each other by a rectangular fuel gas flow path 14.
  • the oxidizing gas supply manifold 20 and the oxidizing gas discharge manifold 22 are disposed adjacent to each other and communicated with each other by a rectangular oxidizing gas flow path 24.
  • the fuel cell of Patent Document 1 in order to increase the cell area, the cell and And the structure in the stack has to be complicated. That is, the fuel cell of Patent Document 1 has a structure in which the reaction gas supply manifold and the reaction gas discharge manifold are adjacent to each other for each rectangular gas flow path, so that the length of one side of the cell is As it becomes longer, the number of manifolds and associated structures must be increased (see Figure 1). Therefore, increasing the cell area complicates the structure of the cell and the stack and increases its manufacturing cost.
  • the fuel cell of Patent Document 1 has a problem that its ability to transfer moisture in the in-plane direction is low. That is, the moisture transfer between the outlet side and the inlet side of the reaction gas is performed more efficiently as the difference in the amount of water that each has is larger. In order to increase the amount of water in the reaction gas on the outlet side, the length of the reaction gas channel may be increased. However, since the fuel cell of Patent Document 1 has a rectangular gas flow path, the length of the gas flow path is limited by the length of the cell side and the distance between the manifolds (see Fig. 1). . Therefore, the fuel cell of Patent Document 1 has a low ability to transfer moisture in the in-plane direction.
  • Patent Document 2 As a technique for solving the above problems, for example, there is one disclosed in Patent Document 2.
  • FIG. 2 is a front view of the separator on the air electrode side of the fuel cell of Patent Document 2.
  • the oxidizing gas supply manifold la and the oxidizing gas discharge manifold lb are arranged adjacent to each other.
  • the flow path 25 is a meandering reciprocating flow path, and the forward path and the return path are adjacent to each other.
  • the rib that determines the outline of the flow path is porous and includes a capillary that connects the forward path and the return path.
  • a reaction gas flow path is provided.
  • the cross-sectional area is reduced at a predetermined rate from the upstream side toward the downstream side (see, for example, Patent Document 3).
  • the cross-sectional area of the downstream portion is increased by reducing the number of parallel portions of the downstream portion from the number of parallel portions of the upstream portion in a plurality of reaction gas flow paths connected in parallel. It is smaller than the cross-sectional area of the flow part.
  • the gas flow path is meandered to reduce the number of manifolds.
  • Patent Document 1 JP 2002-151105 A
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-109620
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-134473
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell in which the moisture distribution in the in-plane direction of the polymer electrolyte is made uniform and an oxidizing gas can be efficiently supplied to the air electrode catalyst layer.
  • the fuel cell of the present invention comprises a membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane and a pair of catalyst electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and supplying fuel gas or oxidizing gas to the membrane electrode assembly. And a separator having a gas flow path for the gas flow path, wherein the gas flow path is formed in a meandering or swirl shape, and the upstream flow path of the gas flow path is downstream of the gas flow path The wall of the gas flow channel adjacent to the flow channel does not have the gas permeability.
  • the moisture distribution in the in-plane direction of the polymer electrolyte membrane can be made uniform.
  • the in-plane water distribution of the polymer electrolyte membrane can be made uniform, so that a fuel cell for high temperature and low humidity or high temperature and non-humidity operation is provided. be able to.
  • the reaction gas can be efficiently supplied to the air electrode catalyst layer.
  • FIG. 1 Front view of a conventional fuel cell separator
  • FIG.2 Front view of another conventional fuel cell separator
  • FIG. 3 is a front view of a separator for illustrating an example of a flow channel structure of a reaction gas flow channel according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a fuel cell according to Embodiments 1 to 8 of the present invention.
  • FIG. 5 is a front view of a fuel electrode separator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a front view of an air electrode separator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is a front view of an air electrode separator according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 10 is a front view of an air electrode separator according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 11 is a front view of an air electrode separator according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a fuel cell according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 13 is a front view of an air electrode separator according to Embodiment 8 of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph showing the results of Experimental Example 1
  • FIG. 15 is a graph showing the results of Experimental Example 2
  • the fuel cell of the present invention includes at least one fuel cell. That is, the fuel cell of the present invention may be a fuel cell stack having a plurality of cells or a single fuel cell. Usually, a fuel cell or stack is sandwiched between a current collector plate, an insulating plate and an end plate, and further fixed by a fastening rod.
  • a fuel cell sandwiches a polymer electrolyte membrane, a pair of catalyst electrodes (fuel electrode and air electrode) that sandwich the polymer electrolyte membrane, and a MEA (aggregate of polymer electrolyte membrane and catalyst electrode) A separator.
  • the catalyst electrode is composed of a catalyst layer located on the polymer electrolyte membrane side and a gas diffusion layer located on the separator side.
  • the polymer electrolyte membrane is a polymer membrane having hydrogen ion conductivity.
  • the material of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it selectively moves hydrogen ions.
  • the catalyst layer is a layer containing a catalyst for a redox reaction of hydrogen or oxygen.
  • Catalyst layer Is not particularly limited as long as it has electrical conductivity and has catalytic ability for a redox reaction of hydrogen and oxygen.
  • the gas diffusion layer is a porous layer having conductivity.
  • the material of the gas diffusion layer is not particularly limited as long as it has conductivity and can diffuse the reaction gas.
  • the gas diffusion layer is composed of a gas diffusion base layer that diffuses the gas supplied from the separator side into the catalyst layer, and a carbon coat layer that improves the contact between the gas diffusion base layer and the catalyst layer. Also good.
  • the separator is a conductive plate having a fuel gas channel on the surface in contact with the fuel electrode and an oxidizing gas channel on the surface in contact with the air electrode.
  • separator materials include carbon and metal.
  • the surface on which the separator has the gas flow path has a concave part and a convex part, and the concave part forms the gas flow path.
  • the separator is formed by supplying raw powder mixed with carbon powder and resin binder to a mold and applying pressure and heat to the raw powder supplied to the mold (hereinafter referred to as "carbon separator"). But)
  • the carbon separator is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-243409.
  • the separator may be a metal plate (hereinafter referred to as "metal separator”). Metal separators are described, for example, in JP-A-2003-203644 and JP-A-2005-276637.
  • the metal plate constituting the metal separator has a front surface and a back surface.
  • the concave portion on the front surface may correspond to the convex portion on the back surface of the location
  • the convex portion on the front surface may correspond to the concave portion on the back surface of the location.
  • the method for forming the reaction gas flow path in the metal plate is not particularly limited.
  • the method of forming the reaction gas channel on the metal plate is press working.
  • the material of the metal plate is not particularly limited as long as it has excellent conductivity and corrosion resistance.
  • Examples of the material of the metal plate include stainless steel.
  • the thickness of the metal plate is not particularly limited as long as it has strength to form a separator.
  • the thickness of the metal plate is 0.01 mm to: 1 mm.
  • the size of the metal separator is not particularly limited as long as the MEA can be sandwiched, and may be set as appropriate.
  • the reaction gas flow path in the separator is divided into a flow path near the inlet of the gas flow path (hereinafter referred to as "upstream flow path”) and a flow path near the outlet of the gas flow path (hereinafter referred to as “downstream flow path”).
  • upstream flow path a flow path near the inlet of the gas flow path
  • downstream flow path a flow path near the outlet of the gas flow path
  • the walls of the reaction gas channel are formed so as not to have a reaction gas permeability.
  • the “reactive gas channel wall” means the convex portion of the separator located between two adjacent reactive gas channels.
  • the reaction gas channel may be formed in a meandering shape or a spiral shape.
  • the upstream flow path and the downstream flow path of the same gas flow path be adjacent to each other, so that the upstream flow path of the first gas flow path and the downstream flow path of the second gas flow path are adjacent to each other. Also good. If the thickness of the gas diffusion phase is 200 xm to 300 / im, the channel width is 1. lmm, and the channel depth is 1.1 mm, the distance between the upstream channel and the downstream channel is 2. When it is 2 mm to 3.3 mm, the power generation efficiency of the fuel cell is the highest.
  • the thickness of the gas diffusion phase is 200-300 ⁇
  • the width of the flow path is 1.1 mm
  • the depth of the flow path is 1.1 mm
  • the distance between the upstream flow path and the downstream flow path is 2 It is preferable that it is 2 mm to 3.3 mm.
  • the reaction gas flow path 102 formed in the separator 100 has a reaction gas forward path 104 on the flow path inlet 108 side and a reaction gas return path on the flow path outlet 110 side from the reciprocating path turn-back portion 112.
  • 106 is a reciprocating flow path formed so as to face the entire flow path, and the forward path 104 and the return path 106 are made to meander while maintaining the adjacent state.
  • “facing” means that the two flow paths are adjacent to each other, and the direction of reaction gas flow in the two flow paths is opposite.
  • the reaction gas channel is preferably formed so as to be opposed across the entire channel formed only by the channel (upstream channel and downstream channel) in the vicinity of the reaction gas channel inlet / outlet. Further, the channel inlet 108 and the channel outlet 110 are preferably adjacent to each other.
  • the reaction gas channel 102 is a reciprocating flow channel similar to the example shown in FIG. 3A, and the reaction gas forward channel 104 and the reaction gas return channel 106 are adjacent to each other. Don't keep Force S and others are swirled.
  • FIG. 3C is an example in which two reaction gas channels 102 a and 102 b are formed in the separator 100.
  • the reactive gas flow channel 102a and the reactive gas flow channel 102b are opposed to each other over the entire flow channel, and meandering while maintaining the state where the reactive gas flow channel 102a and the reactive gas flow channel 102b are adjacent to each other. It has been done.
  • the hydrogen molecules supplied to the fuel electrode diffuse through the gas diffusion layer of the fuel electrode and reach the catalyst layer.
  • hydrogen molecules are divided into hydrogen ions and electrons.
  • Hydrogen ions move to the air electrode through the humidified polymer electrolyte membrane. Electrons travel to the cathode through an external circuit. At this time, the electrons passing through the external circuit can be used as electric energy.
  • hydrogen ions that have moved through the polymer electrolyte membrane, electrons that have moved through the external circuit, and oxygen supplied to the air electrode react to generate water.
  • the upstream and downstream channels of the reaction gas channel are formed so as to be adjacent to each other, whereby moisture transfer in the in-plane direction is performed inside the fuel cell.
  • moisture transfer in the in-plane direction on the air electrode side will be described.
  • the water generated in the catalyst layer of the air electrode at the time of power generation becomes water vapor.
  • This water vapor diffuses and moves in the gas diffusion layer of the air electrode, and humidifies the oxidizing gas in the oxidizing gas flow path.
  • the oxidant gas flowing through the oxidant gas channel advances toward the inlet force and the outlet, its water vapor partial pressure is increased. That is, the water vapor partial pressure of the oxidizing gas flowing in the downstream flow path of the oxidizing gas flow path is higher than the water vapor partial pressure of the oxidizing gas flowing in the upstream flow path in contact with P.
  • the fuel cell of the present invention by adjoining the upstream flow path and the downstream flow path, the water content in the reaction gas flowing through the upstream flow path and the water content of the reaction gas flowing through the downstream flow path With The difference can be reduced. As a result, it is possible to suppress excessive wetting of the polymer electrolyte membrane in a portion close to the downstream flow path, and to suppress drying of the polymer electrolyte membrane in a portion close to the upstream flow path. That is, even when the fuel cell of the present invention is used without humidification (internal humidification method), the moisture distribution in the in-plane direction inside the cell can be made uniform.
  • the reaction gas channel is formed in a meandering shape or a spiral shape while maintaining the state where the upstream channel and the downstream channel are adjacent to each other.
  • the number of manifolds and structures associated therewith can be reduced, so that the structure of the fuel cell and the fuel cell stack can be simplified.
  • the gas flow path can be lengthened by making the gas flow path meandering or swirling, the difference in the water vapor partial pressure between the upstream flow path and the downstream flow path is increased, and moisture in the in-plane direction is increased. Migration is more efficient compared to the prior art.
  • the reaction gas flow path between the flow paths can be suppressed by making the walls of the reaction gas flow paths have no reaction gas permeability. . Thereby, the reaction gas can be efficiently supplied to the catalyst layer.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel battery cell according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell includes a polymer electrolyte membrane 200, a pair of catalyst electrodes (fuel electrode 300 and air electrode 400) sandwiching the polymer electrolyte membrane 200, and MEA500 (polymer electrolyte membrane 200). And a pair of separators (a fuel electrode separator 600 and an air electrode separator 700) sandwiching the catalyst electrodes 300 and 400).
  • the material of the separators 600 and 700 is, for example, carbon.
  • the fuel electrode separator 600 includes a fuel gas flow path 614.
  • the air electrode separator 700 includes an oxidizing gas channel 714.
  • the fuel electrode 300 includes a fuel electrode catalyst layer 310 located on the polymer electrolyte membrane side and a fuel electrode gas diffusion layer 320 located on the fuel electrode separator side.
  • the air electrode 400 includes an air electrode catalyst layer 410 located on the polymer electrolyte membrane side and an air electrode gas diffusion layer 420 located on the air electrode separator side.
  • the anode gas diffusion layer 320 is positioned on the anode catalyst layer side.
  • the air electrode gas diffusion layer 420 includes an air electrode carbon coat layer 430 located on the air electrode catalyst layer side and an air electrode gas diffusion base material layer 440 located on the air electrode separator side.
  • FIG. 5 is a front view of the fuel electrode side surface of the fuel electrode separator 600 shown in FIG.
  • a fuel electrode separator 600 includes a fuel gas supply manifold 610, a fuel gas discharge manifold 612, a fuel gas flow path 614, an oxidizing gas supply manifold 630, and an oxidizing gas discharge manifold hold. 632, cooling water supply manifold 640, and cooling water discharge manifold Honored 642.
  • the fuel gas flow path 614 is composed of a fuel gas forward path 618 from the fuel gas supply manifold 610 to the forward and backward return section 616, and a fuel gas return path 620 from the reciprocating path return section 616 to the fuel gas discharge manifold 612. .
  • the fuel gas supply manifold 610 is a hole for supplying fuel gas to each fuel cell in the fuel cell stack, and supplies the fuel gas to the fuel gas channel 614.
  • the fuel gas discharge manifold 612 is a hole for discharging each fuel cell power fuel gas in the fuel cell stack, and discharges the fuel gas from the fuel gas channel 614.
  • the fuel gas channel 614 is a channel that supplies the fuel gas supplied from the fuel gas supply manifold 610 to the entire surface of the fuel electrode 300, and is formed in a meandering shape.
  • the fuel gas forward path 618 and the fuel gas return path 620 are formed so as to face each other.
  • the wall of the fuel gas channel 614 is formed so as not to have fuel gas permeability.
  • the oxidizing gas supply manifold 630 is a hole for supplying oxidizing gas to each fuel cell in the fuel cell stack.
  • the oxidizing gas discharge manifold 632 is a hole for discharging oxidizing gas from each fuel cell in the fuel cell stack.
  • the cooling water supply manifold 640 is a hole for supplying cooling water into the fuel cell stack.
  • the cooling water discharge manifold 642 is a hole for discharging cooling water from the fuel cell stack.
  • the cooling water flow path not shown is a cooling water supply manifold 640 And a cooling water discharge manifold 642, which are formed in the fuel electrode separator 600 or the air electrode separator 700, for example.
  • the reaction gas flow path of the fuel electrode separator 600 or the air electrode separator 700 is formed so that the cooling water flow path is positioned between the fuel electrode separator 600 and the air electrode separator 700 in the fuel cell stack. It should be formed on the surface that is not.
  • a cooling water flow path may be formed for each cell, or a cooling water flow path may be formed for every several cells.
  • the flow path structure of the cooling water is not particularly limited, and may be a plurality of linear parallel flow paths, or may be meandering or swirling.
  • FIG. 6 is a front view of the air electrode side surface of the air electrode separator 700 shown in FIG.
  • the air electrode separator 700 includes an oxidizing gas supply manifold 710, an oxidizing gas discharge manifold 712, an oxidizing gas flow path 714, a fuel gas supply manifold 730, and a fuel gas discharge manifold hold. 732, a cooling water supply manifold 740, and a cooling water discharge manifold Honored 742.
  • the oxidant gas flow path 714 includes an oxidant gas forward path 718 from the oxidant gas supply manifold 710 to the return path folding part 716, and an oxidant gas return path 720 from the reciprocal path folding part 716 to the oxidant gas discharge manifold 712. .
  • the oxidizing gas supply manifold 710 is a hole for supplying an oxidizing gas to each fuel cell in the fuel cell stack, and supplies the oxidizing gas to the oxidizing gas channel 714.
  • the oxidizing gas supply manifold 710 is in communication with the oxidizing gas supply manifold 630 shown in FIG.
  • the oxidizing gas discharge manifold 712 is a hole for discharging the oxidizing gas from each fuel cell in the fuel cell stack, and discharges the oxidizing gas from the oxidizing gas channel 714.
  • the oxidizing gas exhaust manifold 712 is in communication with the oxidizing gas exhaust manifold 632 shown in FIG.
  • the oxidizing gas channel 714 is a channel that supplies the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply manifold 710 to the entire surface of the air electrode 400, and has a meandering shape.
  • the oxidizing gas forward path 718 and the oxidizing gas return path 720 are formed so as to face each other.
  • the walls of the oxidized gas flow path 714 are formed so as not to be permeable to oxidizing gas.
  • the width of the oxidizing gas flow path is preferably 1.1 mm and the depth is 1.1 mm.
  • the downstream flow path (oxidation gas
  • the distance between the oxidizing gas flow path 714 near the exhaust discharge manifold 712 and the upstream flow path (oxidizing gas flow path 714 near the oxidizing gas supply manifold 710) is preferably 2.2 mm to 3.3 mm. Masle. That is, the distance between the upstream channel and the downstream channel is preferably 2 to 3 times the width of the oxidizing gas channel 714.
  • the fuel gas supply manifold 730 is a hole for supplying fuel gas to each fuel cell in the fuel cell stack.
  • the fuel gas supply manifold 730 is in communication with the fuel gas supply manifold 610 shown in FIG.
  • the fuel gas discharge manifold 732 is a hole for discharging each fuel cell power fuel gas in the fuel cell stack.
  • the fuel gas exhaust manifold 732 is in communication with the fuel gas exhaust manifold 612 shown in FIG.
  • the cooling water supply manifold 740 is a hole for supplying cooling water into the fuel cell stack.
  • the cooling water supply manifold 740 is in communication with the cooling water supply manifold 640 shown in FIG.
  • the cooling water discharge manifold 742 is a hole for discharging cooling water from the fuel cell stack.
  • the cooling P7 discharge manifold 742 communicates with the cooling water discharge manifold 642 shown in FIG.
  • the fuel gas supplied to the fuel gas supply manifolds 610 and 730 of the fuel battery cell is supplied to the fuel gas channel 614 inside the fuel electrode separator 600.
  • the oxidizing gas in the fuel gas channel 614 diffuses and moves to the fuel electrode catalyst layer 310 through the fuel electrode gas diffusion layer 320.
  • the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply manifolds 630 and 710 of the fuel cell is supplied to the oxidizing gas channel 714 inside the air electrode separator 700.
  • the oxidizing gas in the oxidizing gas channel 7 14 diffuses and moves to the air electrode catalyst layer 410 through the air electrode diffusion layer 420.
  • hydrogen molecules contained in the fuel gas that has moved from the fuel gas channel 614 are divided into hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions diffuse and move through the retained polymer electrolyte membrane 200 to the air electrode catalyst layer 410. On the other hand, the electrons move to the air electrode catalyst layer 410 through an external circuit (not shown). [0071] In the air electrode catalyst layer 410, hydrogen ions that have moved through the polymer electrolyte membrane 200, electrons that have moved through the external circuit, and oxygen that has moved from the oxidizing gas flow path 714 react with each other. Water is produced.
  • the generated water becomes water vapor, diffuses and moves through the cathode gas diffusion layer 420 to the oxidizing gas channel 714, and oxidizes in the oxidizing gas channel 714. Humidify the gas.
  • the amount of humidification of the oxidizing gas increases as it travels through the oxidizing gas channel 714. Therefore, the partial pressure of water vapor in the oxidizing gas flowing in the oxidizing gas return path 720 is higher than the partial pressure of water vapor in the oxidizing gas flowing in the opposing oxidizing gas forward path 718. This water vapor partial pressure difference becomes particularly significant between the downstream flow path and the upstream flow path.
  • the water vapor in the oxidizing gas return path 720 moves in the in-plane direction through the air electrode gas diffusion layer 420 and into the opposing oxidizing gas forward path 718. As a result, the partial pressure distribution of the water vapor in the oxidizing gas channel 714 becomes uniform.
  • the water vapor in the fuel gas return path 620 moves in the in-plane direction through the fuel electrode gas diffusion layer 320 and into the opposing fuel gas outbound path 618.
  • the forward path and the return path of the reaction gas flow path are formed so as to face each other over the entire flow path.
  • the partial pressure distribution can be made uniform. Therefore, according to the present embodiment, the entire surface of the fuel cell can be efficiently used, and high power generation performance and power generation stability can be obtained.
  • the circulation of the reaction gas between the channels can be suppressed.
  • the reaction gas can be efficiently supplied to the catalyst layer.
  • the reaction gas flow path is formed in a meandering shape, even if the number of reaction gas flow paths and various manifolds is small, the entire surface of the fuel cell unit A reactive gas can be supplied. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to obtain high power generation performance and power generation stability without complicating the cell and stack structures even when the cell area is increased.
  • the forward path and the return path of the reaction gas channel are opposed to each other in the same plane.
  • the separator formed in (1) may be applied only to the air electrode side where steam generated by the force applied to both the fuel electrode side and the air electrode side.
  • the number of gas flow paths communicating between a pair of manifolds is two, but the number of gas flow paths may be one or three or more.
  • Embodiment 2 shows an example in which a metal is used as a material for a separator.
  • the air electrode separator 700 in the fuel cell of Embodiment 1 shown in Fig. 4 is replaced with the air electrode separator 900, and the fuel electrode separator 600 is replaced with the fuel electrode separator 800. It is a thing. Accordingly, the same constituent elements other than the air electrode separator 900 and the fuel electrode separator 800 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the same components as those of the air electrode separator 700 and the fuel electrode separator 600 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description of overlapping portions is omitted.
  • the metal separator is composed of a metal plate.
  • the fuel electrode separator includes a fuel gas flow path 814.
  • the air electrode separator 900 includes an oxidizing gas channel 914.
  • the shapes of the oxidizing gas channel 914 and the fuel gas channel 814 may be the same as the oxidizing gas channel 714. That is, the oxidizing gas channel 914 is a channel for supplying the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply manifold to the entire surface of the air electrode 400, and is formed in a meandering shape. The oxidizing gas forward path and the oxidizing gas return path are formed so as to face each other.
  • the fuel gas channel 814 is a channel for supplying the gas supplied from the fuel gas supply manifold to the entire surface of the fuel electrode 300, and is formed in a meandering shape. The fuel gas forward path and the fuel gas return path are formed so as to face each other.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a fuel cell stack configured by stacking the fuel cells of FIG.
  • the fuel cell stack is configured by alternately laminating MEA 500 and composite metal separator 1000 composed of metal separator 800 and metal separator 900.
  • the metal plate does not have a permeability to the reaction gas, the circulation of the reaction gas between the flow paths can be further suppressed by using a metal separator. As a result, the reaction gas can be efficiently supplied to the air electrode catalyst layer.
  • the metal separator exhibits sufficient strength even when the thickness is 1 mm or less. This makes it possible to reduce the size and weight of the cell and stack. In addition, since the metal separator can be easily manufactured by pressing or the like, cost reduction and mass production are possible.
  • FIG 3 shows an example in which two different flow paths are opposed to each other.
  • the fuel cell of Embodiment 3 is obtained by replacing the air electrode separator 700 in the fuel cell of Embodiment 1 shown in FIG. Therefore, the same constituent elements other than the air electrode separator 702 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 9 is a front view of the air electrode side surface of the air electrode separator of the fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the same components as those of the air electrode separator 700 of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and description of overlapping portions is omitted.
  • the air electrode separator 702 includes a first oxidizing gas supply manifold 710a, a second oxidizing gas supply manifold 710b, a first oxidizing gas discharge manifold 712a, and a second oxidation gas.
  • Gas discharge manifold 712b, first oxidizing gas flow path 714a, second oxidation gas flow path 714b, first fuel gas supply manifold 730a, second fuel gas supply manifold Monore 730b, first The fuel gas discharge manifold 732a, the second fuel gas discharge manifold 732b, the cooling water supply manifold 740, and the cooling water discharge manifold 742 are provided.
  • the first oxidizing gas supply manifold 710a and the second oxidizing gas supply manifold 710b are holes for supplying an oxidizing gas to each fuel cell in the fuel cell stack.
  • the first oxidizing gas supply manifold 710a provides the oxidizing gas to the first oxidizing gas channel 714a.
  • the second oxidizing gas supply manifold 710b supplies the oxidizing gas to the second oxidizing gas channel 714b.
  • the first oxidizing gas exhaust manifold 712a and the second oxidizing gas exhaust manifold 712b are holes for exhausting the oxidizing gas from each fuel cell in the fuel cell stack.
  • the first oxidizing gas discharge manifold 712a discharges the oxidizing gas from the first oxidizing gas flow path 714a.
  • the second oxygen gas discharge manifold 712b discharges the oxidizing gas from the second oxidizing gas flow path 714b.
  • the first oxidizing gas channel 714a and the second oxidizing gas channel 714b receive the oxidizing gas supplied from the first oxidizing gas supply manifold 710a or the second oxidizing gas supply manifold 710b. This is a flow path for supplying the entire surface of the air electrode 400.
  • the first oxidizing gas flow path 714a is in communication with the first oxidizing gas supply manifold 710a and the first oxidizing gas discharge manifold 712a.
  • the second oxidizing gas flow path 714b communicates with the second oxidizing gas supply manifold 710b and the second oxidizing gas discharge manifold 712b.
  • the first oxidizing gas channel 714a and the second oxidizing gas channel 714b are opposed to each other, and the first oxidizing gas channel 714a and the second oxidizing gas channel 714b are adjacent to each other. It is made to meander while maintaining the state.
  • the walls of the oxidizing gas channel (714a, 714b) are formed so as not to be permeable to oxidizing gas.
  • the distance between the upstream channel of the first oxidizing gas channel 714a and the downstream channel of the second oxidizing gas channel 714b or the downstream channel of the first oxidizing gas channel 714a and the second oxidizing gas channel 714b The distance from the upstream flow path is preferably 2.2 mm to 3.3 mm.
  • the first fuel gas supply manifold 730a and the second fuel gas supply manifold 730b are holes for supplying fuel gas to each fuel cell in the fuel cell stack.
  • the first fuel gas discharge manifold 732a and the second fuel gas supply manifold 732b are holes for discharging each fuel cell power fuel gas in the fuel cell stack.
  • the partial pressure distribution of water vapor in the oxidizing gas flow path becomes uniform, as in the fuel cell sensor of the first embodiment. That is, the water vapor in the downstream channel of the first oxidizing gas channel 714a moves in the in-plane direction into the upstream channel of the opposing second oxidizing gas channel 714b. Similarly, the water vapor in the downstream channel of the second oxidizing gas channel 714b moves in the in-plane direction into the upstream channel of the opposing first oxidizing gas channel 714a.
  • the oxidizing gas flow channel can be formed in the fuel cell plane in contrast, so that the oxidizing gas flow channel can be formed.
  • the partial pressure distribution of water vapor in the inside can be made more uniform. Therefore, the entire surface of the fuel cell can be used more efficiently, and higher power generation performance and power generation stability can be obtained.
  • the length of the oxidizing gas flow path can be shortened, so that the pressure of the reactive gas in the oxidizing gas supply manifold can be reduced. Lowering power S Therefore, the load on the blower supplying the oxidizing gas can be reduced, and the power generation efficiency of the entire power generation system can be further improved.
  • the force fuel electrode side flow path structure described only for the air electrode side flow path structure may be the same as the air electrode side flow path structure.
  • the partial pressure distribution of the moisture distribution in the in-plane direction can be made more uniform also on the fuel electrode side.
  • Embodiments 1 to 3 the example in which the cross-sectional area of the reaction gas channel is the same for the upstream channel and the downstream channel is shown.
  • Embodiment 4 shows an example in which the cross-sectional area of the reaction gas channel is different between the upstream channel and the downstream channel.
  • the fuel cell of Embodiment 4 is obtained by replacing the air electrode separator 700 in the fuel cell of Embodiment 1 shown in Fig. 4 with an air electrode separator 704. Accordingly, the same constituent elements other than the air electrode separator 704 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 10 is a front view of the air electrode side surface of the air electrode separator of the fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the same components as the air electrode separator 702 of the third embodiment About the same code
  • the air electrode separator 704 includes a first oxidizing gas supply manifold 710a, a second oxidizing gas supply manifold 710b, a first oxidizing gas discharge manifold 712a, and a second oxidation gas.
  • Gas exhaust manifold 712b, first oxidant gas channel 714a, second oxidant gas channel 714b, first fuel gas supply manifold 730a, second fuel gas supply manifold Honored 730b, first A fuel gas discharge manifold 732a, a second fuel gas discharge manifold 732b, a cooling water supply manifold 740, and a cooling water discharge manifold 742 are provided.
  • the first oxidizing gas flow path 714a and the second oxidizing gas flow path 714b are opposed to each other as in the third embodiment, and the first oxidizing gas flow path 714a and The second oxidizing gas channel 714b is meandered while maintaining the adjacent state. Further, the first oxidizing gas channel 714a and the second oxidizing gas channel 714b are formed so that the width of the downstream channel is narrower than the width of the upstream channel. The width may be reduced stepwise or gradually from the upstream flow path to the downstream flow path. Further, the walls of the oxidizing gas flow paths (714a, 714b) are formed so as not to have the permeability of oxidizing gas.
  • the partial pressure distribution of the water vapor in the oxidizing gas flow paths 714a and 714b becomes uniform as in the fuel cell of the third embodiment.
  • the cross-sectional area of the downstream flow path of the oxidizing gas flow paths 714a and 714b is smaller than the cross-sectional area of the upstream flow path, the reduction of the oxidizing gas partial pressure accompanying the consumption of the oxidizing gas is suppressed.
  • the partial pressure distribution of the oxidizing gas in the oxidizing gas flow paths 714a and 714b, in which the oxidizing gas moves in the in-plane direction becomes uniform.
  • the oxidizing gas partial pressure of the oxidizing gas channel upstream channel is compared with the oxidizing gas partial pressure of the downstream channel. Therefore, it is possible to prevent the oxidizing gas in the upstream flow path from moving to the downstream flow path through the air electrode gas diffusion layer. As a result, the power S for efficiently supplying the reaction gas to the air electrode catalyst layer S can be obtained, so that the power generation efficiency can be further improved.
  • the cross-sectional area of the reaction gas channel is adjusted by changing the width of the reaction gas channel, but the cross-sectional area of the gas channel changes the depth of the channel. Adjusted by May be.
  • the force fuel electrode side flow path structure described only for the air electrode side flow path structure may be the same as the air electrode side flow path structure. In this case, even on the fuel electrode side, the water distribution in the in-plane direction and the partial pressure distribution of the fuel gas can be made more uniform.
  • Embodiments 1 to 4 the number of reaction gas flow paths communicating with a pair of manifolds is the same for the upstream flow path and the downstream flow path.
  • the fifth embodiment shows an example in which the number of reaction gas flow paths communicating with a pair of manifolds is different between the upstream flow path and the downstream flow path.
  • the fuel cell of Embodiment 5 is obtained by replacing the air electrode separator 700 in the fuel cell of Embodiment 1 shown in FIG. Therefore, the same constituent elements other than the air electrode separator 706 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 11 is a front view of the air electrode side surface of the air electrode separator of the fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the same constituent elements as those of the air electrode separator 702 of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and description of overlapping portions is omitted.
  • the air electrode separator 706 includes a first oxidizing gas supply manifold 710a, a second oxidizing gas supply manifold 710b, a first oxidizing gas discharge manifold 712a, and a second oxidation gas.
  • Gas exhaust manifold 712b, first oxidant gas channel 714a, second oxidant gas channel 714b, first fuel gas supply manifold 730a, second fuel gas supply manifold Honored 730b, first A fuel gas discharge manifold 732a, a second fuel gas discharge manifold 732b, a cooling water supply manifold 740, and a cooling water discharge manifold 742 are provided.
  • the first oxidizing gas flow path 714a and the second oxidizing gas flow path 714b face each other over the entire flow path, as in the third embodiment, and the first oxidizing gas flow path 714a and the second oxidant gas flow path 714b are meandered while maintaining an adjacent state. Furthermore, the first oxidizing gas channel 714a and the second oxidizing gas channel 714b are formed so that the number of downstream channels is smaller than the number of upstream channels. Furthermore, the oxidizing gas flow path ( The walls of 714a and 714b) are formed so as not to be permeable to oxidizing gas.
  • the partial pressure distribution of the water vapor and the oxidizing gas in the oxidizing gas passages 714a and 714b is equalized as in the fuel cell of the fourth embodiment. Become one.
  • the width and depth of the flow path are constant throughout the flow path, the contact resistance between the separator and the MEA is uniform throughout the flow path as compared to the fuel battery cell of Embodiment 4.
  • the oxidizing gas partial pressure in the upstream flow path is made uniform while making the contact between the air electrode separator and the MEA uniform. Can be made lower than the oxidizing gas partial pressure in the downstream flow path. As a result, variations in the heat generation distribution due to contact resistance can be suppressed, so that the power generation reaction distribution can be made more uniform and the power generation efficiency can be further improved.
  • the number of oxidant gas channels is reduced at the turn part of the oxidant gas channel, but the number of oxidant gas channels is reduced at the straight part of the oxidant gas channel. May be allowed.
  • the force fuel electrode side flow path structure described only for the air electrode side flow path structure may be the same as the air electrode side flow path structure. In this case, even on the fuel electrode side, the water distribution in the in-plane direction and the partial pressure distribution of the fuel gas can be made more uniform.
  • Embodiment 6 is an example in which the water vapor permeability and reaction gas permeability (hereinafter referred to as “water vapor permeability”) of the air electrode gas diffusion base material layer are made lower than the water vapor permeability of the air electrode carbon coat layer. Show.
  • the fuel cell of Embodiment 6 is the same as the fuel cell of Embodiment 1 shown in FIG. 4, except that the water vapor permeability of the air electrode gas diffusion base material layer 440 is changed to the air electrode carbon coat layer. This is lower than the water vapor permeability of 430. Therefore, the description of overlapping components other than the air electrode gas diffusion base material layer 440 and the air electrode carbon coat layer 430 is omitted.
  • the air electrode gas diffusion base material layer 440 has a water vapor permeability such as air electrode carbon.
  • Ncoat layer 430 is formed so as to be lower than the water vapor permeability. For this purpose, the power to lower the water vapor permeability of the air electrode gas diffusion base material layer 440 or the water vapor permeability of the air electrode carbon coat layer 430 may be increased.
  • the method of reducing the permeability of water vapor and the like of the air electrode gas diffusion base material layer 440 is not particularly limited.
  • the air electrode gas diffusion base material for reducing the pore diameter formed by carbon fibers is used.
  • the layer 440 can be thickened, or the air electrode gas diffusion base material layer 440 can be subjected to water repellent treatment.
  • the air electrode carbon coat layer 430 may be thinned, or the air electrode carbon coat layer 430 may be subjected to a hydrophilic treatment.
  • the fuel cell according to the present embodiment is particularly preferable for a fuel cell in a high-temperature non-humidified operation because appropriate moisture can be uniformly retained in the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane even when operated without high-temperature humidification. It is.
  • the adjustment example on the air electrode side has been described. However, the same adjustment may be performed on the fuel electrode side. In this case, on the fuel electrode side, appropriate moisture can be held in the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, and the moisture distribution in the in-plane direction can be made more uniform.
  • Embodiment 7 In Embodiment 6, an example in which the gas diffusion base material layer is composed of a single layer has been described.
  • Embodiment 7 shows an example in which the gas diffusion base material layer is composed of a plurality of layers, and the outer layer has lower water vapor permeability and reactive gas permeability (water vapor permeability).
  • Fig. 12 is a cross-sectional view of a fuel cell according to Embodiment 7 of the present invention.
  • the same components as those of the fuel battery cell of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and description of overlapping portions is omitted.
  • the fuel cell includes a polymer electrolyte membrane 200, a pair of catalyst electrodes (fuel electrode 300 and air electrode 400), and a pair of separators (fuel electrode separator 600 and air electrode separator 700).
  • the fuel electrode 300 includes a fuel electrode catalyst layer 310 located on the polymer electrolyte membrane 200 side and a fuel electrode gas diffusion layer 320 located on the fuel electrode separator 600 side.
  • the air electrode 400 includes an air electrode catalyst layer 410 located on the polymer electrolyte membrane 200 side and an air electrode gas diffusion layer 420 located on the air electrode separator 700 side.
  • the anode gas diffusion layer 320 is formed from the anode electrode catalyst layer 310 side by the anode coating layer 330, the first anode electrode diffusion substrate layer 342, the second anode electrode diffusion substrate layer 344, and the first electrode layer.
  • Three fuel electrode gas diffusion base layers 346 are laminated in this order.
  • the air electrode gas diffusion layer 420 includes, from the air electrode catalyst layer 410 side, the air electrode carbon coat layer 430, the first air electrode gas diffusion substrate layer 442, and the second air electrode gas diffusion substrate layer 444.
  • the third air electrode gas diffusion base material layer 446 is laminated in this order.
  • the diffusion base material layers 346 have different permeability such as water vapor.
  • the fuel electrode carbon coat layer 330 closest to the fuel electrode catalyst layer 310 has the highest permeability such as water vapor. Thereafter, as the fuel electrode separator 600 is approached, the permeability such as water vapor becomes lower. That is, the third fuel electrode gas diffusion base material layer 346 closest to the fuel electrode separator 600 has the lowest water vapor permeability.
  • the air electrode carbon diffusion layer 420, the air electrode carbon coating layer 430, the first air electrode gas diffusion base material layer 442, the second air electrode gas diffusion base material layer 444, and the third The cathode gas diffusion base material layer 446 has different water vapor permeability.
  • Air electrode catalyst The cathode carbon coat layer 430 closest to the layer 410 has the highest water vapor permeability. Thereafter, as the air electrode separator 700 is approached, the permeability such as water vapor becomes lower. That is, the third air electrode gas diffusion base material layer 446 closest to the air electrode separator 700 has the lowest level and water vapor permeability.
  • water generated in the air electrode catalyst layer is prevented from being discharged into the oxidizing gas flow path as water vapor. Therefore, appropriate moisture can be retained in the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane. In addition, it is possible to facilitate movement of water vapor staying in the carbon coat layer in the in-plane direction. As a result, the amount of water in the fuel cells can be made more uniform, so that the power generation reaction distribution can be made more uniform and the power generation efficiency can be further improved.
  • the fuel cell according to the present embodiment is particularly preferable for a fuel cell in a high-temperature non-humidified operation because appropriate moisture can be uniformly retained in the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane even when operated without high-temperature humidification. It is.
  • a single gas diffusion base material layer is provided with a gradient of water vapor permeability and gas permeability. It may be.
  • Embodiments 1 to 7 show examples in which the distance between the forward path and the return path of the reactive gas flow path is constant.
  • Embodiment 8 shows an example in which the distance between the forward path and the return path of the reaction gas flow path changes.
  • the fuel cell of the eighth embodiment is obtained by replacing the air electrode separator 700 in the fuel cell of the first embodiment shown in FIG. Therefore, the same reference numerals are assigned to overlapping components other than the air electrode separator 902.
  • FIG. 13 is a front view of the air electrode side surface of the air electrode separator of the fuel cell according to Embodiment 8 of the present invention.
  • the same components as those of the air electrode separator 700 of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and description of overlapping portions is omitted.
  • the air electrode separator 902 is an oxidizing gas supply manifold 910, an oxidizing gas discharge manifold 912, an oxidizing gas flow path 914, a fuel gas supply manifold 930, and a fuel gas discharge manifold 932. And a cooling water supply manifold 740 and a cooling water discharge manifold 742.
  • the oxidizing gas channel 914 is a channel for supplying the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply manifold 910 to the entire air electrode 400, and has a meandering shape.
  • the oxidizing gas forward path 918 and the oxidizing gas return path 920 are formed so as to face each other. Further, the distance between the forward path 918 and the return path 920 is large in the part A (near the oxidizing gas supply manifold 910 and the oxidizing gas discharge manifold 912) and is small in the part B (near the round-trip turning part 916). Yes.
  • the interval should be reduced stepwise or gradually as you go from Part A to Part B.
  • the interval in part A is preferably 2.2 mm to 3.3 mm.
  • the walls of the oxidizing gas flow path 914 are formed so as not to be permeable to oxidizing gas.
  • the partial pressure distribution of the water vapor in the oxidizing gas channel 914 becomes uniform, as in the fuel cell of the first embodiment. Further, since the distance between the upstream flow path and the downstream flow path is larger than the distance between the forward path 918 and the return path 920 of the round trip part 916, the oxidizing gas in the upstream flow path passes through the air electrode gas diffusion layer to the downstream flow path. The movement to is suppressed.
  • the reaction gas can be efficiently supplied to the air electrode catalyst layer, so that the power generation efficiency can be further improved.
  • the fuel electrode side channel structure may be the same as the air electrode side channel structure.
  • the partial pressure distribution of the moisture distribution in the in-plane direction can be made more uniform also on the fuel electrode side.
  • the program used in this experiment is FLUENT HYPERLINK "http://www.fluent.co.jp/contents/service/service#12.html” (Polymer Polymer Fuel Cell (PEM) module) Electrochemical submodel. This program is for predicting the generated voltage when the fuel cell is operated by setting each parameter.
  • the simulation was performed under the conditions of the following parameters.
  • GDL (gas diffusion layer) thickness 300 ⁇ m
  • Anode channel width 1. lmm
  • Anode dew point temperature 65 ° C
  • Oxygen utilization rate 50-90%
  • Table 1 shows the relationship between the channel-to-channel spacing (hereinafter referred to as “rib width”), the oxygen utilization factor, and the voltage (mV) under the above conditions.
  • Table 2 shows the relationship between the rib width, contact resistance, and resistance loss (voltage drop amount). From Table 2, it can be seen that as the rib width increases, the contact resistance and resistance loss also increase. The reason for this is as follows. As the rib width increases, the contact area between the separator and GDL increases. When the contact area between the separator and GDL increases, the load per unit area decreases if the same clamping force is applied to the cell. The contact resistance increases exponentially as the load per unit area decreases. For this reason, when the rib width increases, the contact resistance increases and the resistance loss increases.
  • Table 3 shows the result of subtracting the resistance loss of Table 2 from the result of Table 1.
  • Table 3 shows values closer to the actual values compared to Table 1 because of the expected resistance loss.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the rib width and the voltage at an oxygen utilization rate of 80% in Table 3.
  • the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents rib width.
  • the voltage increases as the rib width increases.
  • the voltage has a peak when the rib width is 3.3 mm.
  • the voltage when the rib width is 4.4 mm is smaller than the voltage when the rib width is 3.3 mm and the voltage when the rib width is 2.2 mm.
  • Table 4 shows the relationship between the rib width, oxygen utilization, and voltage (mV) under the above conditions.
  • Table 5 shows the result of subtracting the resistance loss of Table 2 from the result of Table 4.
  • Table 5 shows a value closer to the actual value compared to Table 4 because the assumed resistance loss was taken into account.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the rib width and the voltage at the oxygen utilization rate of 80% in Table 5.
  • the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents rib width.
  • the voltage increases as the rib width increases.
  • the voltage has a peak when the rib width is 2.2 mm.
  • the voltage decreases as the rib width increases.
  • the voltage when the rib width is 4.4 mm is significantly smaller than the voltage when the rib width is 2.2 mm and the voltage when the rib width is 3.3 mm.
  • the fuel cell and the fuel cell stack according to the present invention are useful in a polymer electrolyte fuel cell which is operated at high temperature and low humidity or high temperature and non-humidification.

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Abstract

　本発明は、高分子電解質の面内方向の水分分布を均一にし、かつ空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給することができる燃料電池を提供する。本発明の燃料電池は、高分子電解質膜、一対の触媒電極、および一対の金属セパレータを備える。空気極セパレータ７００は、触媒電極に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１４を有する。酸化ガス流路７１４は、酸化ガス供給マニホールド７１０近傍の流路と酸化ガス排出マニホールド７１２近傍の流路とが同一面内で隣接するように形成されており、かつ蛇行状または渦巻状に形成されている。

Description

明 細 書
燃料電池
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池に関し、特に、高分子電解質膜を有する固体高分子形燃料電 池に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、なら びに高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極 (燃料極および空気極)から構成さ れる。上記構成を有する燃料電池は、燃料極 (アノード）に供給される燃料ガス (水素 を含む）、および空気極 (力ソード）に供給される酸化ガス (酸素を含む）を用いて、電 気エネルギーを継続的に取り出すことができる。
[0003] 触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を 促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡 散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触 性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に 供給するためのガス拡散基材層とから構成される。これら高分子電解質膜および一 対の触媒電極 (触媒層、カーボンコート層およびガス拡散基材層）を一体化したもの は、膜電極接合体（membrane electrode assembly ;以下「MEA」という）と呼ばれる。
[0004] MEAは、積層されることで電気的に直列に接続されうる。このとき、燃料ガスと酸化 ガスとを混ざらないようにするため、および各 MEAを電気的に直列に接続するため に、導電性を有するセパレータが各 MEAの間に配置される。 MEAを一対のセパレ 一タで挟持したものは「燃料電池セル」または単に「セル」と呼ばれ、複数の燃料電池 セルの積層体は「燃料電池スタック」または単に「スタック」と呼ばれる。
[0005] 燃料電池セルにおいて、セパレータの触媒電極と接する面には、触媒電極に反応 ガス (燃料ガスまたは酸化ガス）を提供するため、ならびに余剰ガスおよび余剰水分 を排出するためのガス流路が形成されている。セパレータ内のガス流路は、通常、直 線状の複数の並行流路であり、マ二ホールドと呼ばれる燃料電池スタックを貫く管に 連通している。マ二ホールドは、燃料電池スタック内のすべての燃料電池セルについ て、ガス流路への反応ガスの供給、ならびにガス流路からの余剰ガスおよび余剰水 分の排出を行う。
[0006] 通常、セルまたはスタックは、集電板、絶縁板、および端板によって挟持され、一般 的に用いられる形の燃料電池となる。
[0007] 上記構成を有する燃料電池において、燃料極に水素を含む燃料ガスを、空気極に 酸素を含む酸化ガスを供給すると、以下の反応により電気エネルギーを得ることがで きる。
[0008] まず、燃料極に供給された水素は、燃料極のガス拡散層を拡散し触媒層に達する 。触媒層において、水素は、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、保水状 態の高分子電解質膜を通して空気極に移動する。電子は、外部回路を通して空気 極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギーとして利用されうる 。空気極の触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部 回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成さ れる。
[0009] 燃料電池は、上記の通り、発電反応に伴い水を生成する。燃料電池は、セル内部 が湿潤過多になると発電効率が落ちてしまうため、発電時に生成された水は、セパレ ータのガス流路を流れるガスにより外部に排出される。
[0010] 水素イオンが移動する高分子電解質膜は、パーフルォロスルホン酸系の材料が用 レ、られることが多い。この高分子電解質膜は、十分に保水しているとイオン伝導性を 有するが、乾燥してしまうとイオン伝導性を失ってしまう。したがって、燃料電池セル の全面において発電反応を効率的に生じさせるためには、セル内部の乾燥を防ぎ、 かつセル内部の面内方向の水分分布を均一にすることが必要である。
[0011] 従来、セル内部の乾燥を防ぎ、かつセル内部の面内方向の水分分布を均一にする ために、外部からセル内部を加湿する外部加湿方式がとられてきた。外部加湿方式 では、外部加湿器は、露点温度が燃料電池セル内部の温度よりも高い反応ガスをセ ル内部に供給することで、セル内部を過湿状態にする。しかし、この方式では、ガス 拡散層内部に水滴が生じてしまレ、、触媒層への反応ガスの供給が阻害されてしまう フラッデイング現象が生じやすいという問題がある。また、外部加湿器が必要であるた め、燃料電池システムの低コスト化が困難であるという問題もある。さらに、燃料電池 セル内部の温度を外部加湿器で実現できる反応ガスの露点温度よりも低くしなけれ ばならなレ、ため、発電効率の高レ、高温での運転ができなレ、とレ、う問題もある。
[0012] 上記外部加湿方式の問題点を解決する方式として、発電反応によって生じる水を セル内部に拡散させることでセル内部を加湿する内部加湿方式がある。しかし、内部 加湿方式では、外部から供給される反応ガスは乾燥しているため、反応ガスの入口 側の高分子電解質膜は乾燥しやすい。一方、ガス流路を通過した反応ガスは発電 反応により生成された水分を含むため、反応ガスの出口側の高分子電解質膜は湿 潤過多になることが多レ、。このように、内部加湿方式では、セル内部の面内方向の水 分分布に偏りが生じるため、発電反応は主に反応ガス出口側で生じるようになり、全 体としての発電効率が低下してしまうという問題がある。
[0013] 上記内部加湿方式の問題点を解決する方式として、反応ガス供給マ二ホールドと 反応ガス排出マ二ホールドとを隣接させる方式がある（例えば、特許文献 1参照）。
[0014] 図 1は、特許文献 1の燃料電池セルの正面図（透視図）である。燃料極側のセパレ ータの構造は実線で示されており、空気極側のセパレータの構造は破線で示されて レ、る。図 1において、燃料ガス供給マ二ホールド 10および燃料ガス排出マ二ホールド 12は、互いに隣接するように配置されており、矩形状の燃料ガス流路 14によって互 いに連通されている。同様に、酸化ガス供給マ二ホールド 20および酸化ガス排出マ 二ホールド 22は、互いに隣接するように配置されており、矩形状の酸化ガス流路 24 によって互いに連通されている。上記構成をとることにより、反応ガスの出口側 (排出 マ二ホールド側）の水分が、電解質膜を通って反応ガスの入口側（供給マ二ホールド 側）に移行する。これにより、ガス出口側における湿潤過多の抑制、およびガス入口 側における乾燥の抑制を実現することができる。
[0015] このように、反応ガス供給マ二ホールドと反応ガス排出マ二ホールドとを隣接させる ことにより、水分を電解質膜を通して面内方向に移行させることができ、高分子電解 質膜の面内方向の水分分布を均一にすることができる。
[0016] し力 ながら、特許文献 1の燃料電池では、セルの面積を大きくするには、セルおよ びスタック内の構造を複雑にしなければならないという問題がある。すなわち、特許文 献 1の燃料電池は、矩形状のガス流路それぞれについて、反応ガス供給マ二ホール ドと反応ガス排出マ二ホールドとを隣接させる構造のため、セルの 1辺の長さが長くな るにつれて、マ二ホールドおよびそれに付随する構造物の数を増加させなければな らない（図 1参照）。したがって、セルの面積を大きくすると、セルおよびスタック内の 構造が複雑になり、その製造コストが高くなつてしまうのである。
[0017] また、特許文献 1の燃料電池には、面内方向の水分移行能力が低いという問題も ある。すなわち、反応ガスの出口側と入口側との間の水分移行は、それぞれが有す る水分量の差が大きいほどより効率的に行われる。出口側の反応ガスの水分量を多 くするには、反応ガス流路の長さを長くすればよい。しかし、特許文献 1の燃料電池 は、ガス流路が矩形状のため、ガス流路の長さはセルの辺の長さおよびマ二ホール ド間の距離によって制限されてしまう（図 1参照）。したがって、特許文献 1の燃料電池 は、面内方向の水分移行能力が低いのである。
[0018] 上記問題点を解決する技術として、例えば特許文献 2に示されているものがある。
[0019] 図 2は、特許文献 2の燃料電池セルの空気極側のセパレータの正面図である。図 2 において酸化ガス供給マ二ホールド laおよび酸化ガス排出マ二ホールド lbは、互い に隣接するように配置されている。さらに、流路 25は蛇行状の往復流路であり往路と 復路は隣接している。この構造をとることにより、マ二ホールドの数を減少させることが できる。これにより、燃料電池セルの面積を大きくしてもセルおよびスタックの構造が 複雑になることはない。流路の輪郭を決定するリブは多孔質であり、往路と復路を結 ぶ毛細管を備えている。この構造をとることにより、反応ガスの出口側（排出マ二ホー ルド側）の水分が、反応ガスの入口側（供給マ二ホールド側）に移動する。これにより 、高分子電解質膜の面内方向の水分分布を均一にすることができる。
[0020] 反応ガス入口（反応ガス供給マ二ホールド)側の反応ガス分圧と反応ガス出口（反 応ガス排出マ二ホールド)側のガス分圧とを均一にするために、反応ガス流路の断面 積を上流側から下流側に向かって定められた割合で減少するようにする方式がある（ 例えば、特許文献 3参照）。特許文献 3では、複数並列接続された反応ガス流路にお いて、下流部の並列数を上流部の並列数より少なくすることで、下流部の断面積を上 流部の断面積に比べて小さくしている。また、特許文献 3では、マ二ホールドの数を 減少させるために、ガス流路を蛇行させてレ、る。
特許文献 1 :特開 2002— 151105号公報
特許文献 2 :特開 2003— 109620号公報
特許文献 3 :特開昭 56— 134473号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0021] 特許文献 2の燃料電池は、往路と復路を結ぶ毛細管を通って、流路の上流側から 流路の下流側へ水分だけでなぐ反応ガスも移動する。したがって、特許文献 2の燃 料電池セルには、流路の上流側から流路の下流側へ反応ガスが移動し、流路の上 流側と流路の下流側との間で反応ガスが循環するため、充分な量の反応ガスがセル 全体に行き届かないという問題がある。
[0022] 本発明の目的は、高分子電解質の面内方向の水分分布を均一にし、かつ空気極 触媒層に効率的に酸化ガスを供給することができる燃料電池を提供することである。 課題を解決するための手段
[0023] 本発明の燃料電池は、高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟持する一 対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化 ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータとを備える燃料電池であって、前 記ガス流路は、蛇行状または渦卷状に形成され、前記ガス流路の上流流路は、前記 ガス流路の下流流路に隣接し、前記ガス流路の壁は、前記ガスの透過性を有さない 発明の効果
[0024] 本発明によれば、高分子電解質膜の面内方向の水分分布を均一にすることができ る。特に、高温低加湿または高温無加湿で運転しても、高分子電解質膜の面内方向 の水分分布を均一にすることができるため、高温低加湿または高温無加湿運転の燃 料電池を提供することができる。さらに流路間の酸化ガスの移動を抑制することがで きるため、空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給することができる。 図面の簡単な説明
[0025] [図 1]従来の燃料電池のセパレータの正面図
[図 2]他の従来の燃料電池のセパレータの正面図
[図 3]本発明の反応ガス流路の流路構造の例を示すためのセパレータの正面図
[図 4]本発明の実施の形態 1〜8における燃料電池セルの断面図
[図 5]本発明の実施の形態 1における燃料極セパレータの正面図
[図 6]本発明の実施の形態 1における空気極セパレータの正面図
[図 7]本発明の実施の形態 2における燃料電池セルの断面図
[図 8]本発明の実施の形態 2における燃料電池スタックの断面図
[図 9]本発明の実施の形態 3における空気極セパレータの正面図
[図 10]本発明の実施の形態 4における空気極セパレータの正面図
[図 11]本発明の実施の形態 5における空気極セパレータの正面図
[図 12]本発明の実施の形態 7における燃料電池セルの断面図
[図 13]本発明の実施の形態 8における空気極セパレータの正面図
[図 14]実験例 1の結果を示すグラフ
[図 15]実験例 2の結果を示すグラフ
発明を実施するための最良の形態
[0026] 本発明の燃料電池は、少なくとも一つの燃料電池セルを備える。すなわち、本発明 の燃料電池は、燃料電池セル単体であってもよぐ複数のセルを有する燃料電池ス タックであってもよい。通常、燃料電池セルまたはスタックは、集電板、絶縁板および 端板によって挟持され、さらに締結ロッドにより固定される。
[0027] 燃料電池セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電 極 (燃料極および空気極）と、 MEA (高分子電解質膜および触媒電極の集合体)を 挟持するセパレータとを備える。触媒電極は、高分子電解質膜側に位置する触媒層 と、セパレータ側に位置するガス拡散層とから構成される。
[0028] 高分子電解質膜は、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜 の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。
[0029] 触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層 は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するも のであれば特に限定されない。
[0030] ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を 有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されなレ、。ガス拡散層は、セ パレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基 材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
[0031] セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流 路を有する導電性の板である。セパレータの材質の例にはカーボンや金属などが含 まれる。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を 形成する。
[0032] セパレータはカーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型に供給し、金 型に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成されたもの（以下「カーボ ンセパレータ」という）でもよレヽ。カーボンセパレータは、例えば特開 2000— 243409 号公報に記載されている。
[0033] また、セパレータは、金属プレートからなるもの（以下「金属セパレータ」という）であ つてもよレヽ。金属セパレータは、例えば特開 2003— 203644号公報、特開 2005— 2 76637号公報に記載されている。
[0034] 金属セパレータを構成する金属プレートは、表面および裏面を有する。金属プレー トでは、表面の凹部が当該箇所の裏面の凸部に対応するもので、かつ表面の凸部が 当該箇所の裏面の凹部に対応するものであってもよい。金属プレートに反応ガス流 路を形成する方法は特に限定されない。例えば、金属プレートに反応ガス流路を形 成する方法はプレス加工である。
[0035] 金属プレートの材質は、導電性および耐食性に優れたものであれば特に限定され なレ、。金属プレートの材質の例には、ステンレス鋼が含まれる。金属プレートの厚さは 、セパレータを形成する強度があれば特に限定されない。例えば、金属プレートの厚 さは 0. 01mm〜： 1mmである。金属セパレータの大きさは MEAを挟持できるのであ れば特に限定されず、適宜設定されればよい。
[0036] 金属セパレータを用いることで、セパレータの厚さが lmm以下であっても十分な強 度がえられる。これによりセルおよびスタックの小型化および軽量ィ匕が可能となる。ま た金属セパレータはプレス加工などにより容易に製造されうることから、コスト削減お よび大量生産が可能となる。
[0037] セパレータ内の反応ガス流路は、ガス流路の入口近傍の流路（以下「上流流路」と レ、う）とガス流路の出口近傍の流路 (以下「下流流路」という）とが同一面内で隣接す るように形成されており、かつ触媒電極の全面に反応ガスを供給できるように形成さ れている。さらに反応ガス流路の壁は、反応ガスの透過性を有さないように形成され ている。ここで「反応ガス流路の壁」とは、隣接する 2本の反応ガス流路の間に位置す るセパレータの凸部を意味する。触媒電極の全面に反応ガスを供給するには、例え ば、反応ガス流路を蛇行状または渦卷状に形成すればよい。なお、同一のガス流路 の上流流路と下流流路とが隣接する必要はなぐ第一のガス流路の上流流路と第二 のガス流路の下流流路とが隣接するようにしてもよい。ガス拡散相の厚さが 200 x m 〜300 /i m、そして流路の幅が 1. lmm、流路の深さが 1. 1mmの場合、上流流路と 下流流路との間隔は、 2. 2mm〜3. 3mmであるとき、燃料電池セルの発電効率は、 最も高くなる。したがって、ガス拡散相の厚さが 200〜300 μ ΐη、そして流路の幅が 1 . lmm、流路の深さが 1. 1mmの場合、上流流路と下流流路との間隔は、 2. 2mm 〜3. 3mmであることが好ましい。反応ガス流路の流路構造の例が、図 3に示される。
[0038] 図 3Aに示される例では、セパレータ 100に形成された反応ガス流路 102は、往復 路折り返し部 112より流路入口 108側の反応ガス往路 104と流路出口 110側の反応 ガス復路 106とが流路全体に渡って対向するように形成された往復流路であり、かつ 往路 104と復路 106とが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。ここで「 対向する」とは、 2本の流路が隣接しており、かつ 2本の流路の反応ガスの流れる向き が逆方向であることを意味する。このように、反応ガス流路は、反応ガス流路出入口 近傍の流路 (上流流路および下流流路)だけでなぐ流路全体に渡って対向するよう に形成されるのが好ましい。また、流路入口 108および流路出口 110は、互いに隣 接しているのが好ましい。
[0039] 図 3Bに示される例では、反応ガス流路 102は、図 3Aに示される例と同様の往復流 路であり、かつ反応ガス往路 104と反応ガス復路 106とが隣接された状態を維持しな 力 Sら渦卷状にされている。
[0040] 図 3Cに示される例は、セパレータ 100内に 2本の反応ガス流路 102a, 102bが形 成されている例である。反応ガス流路 102aと反応ガス流路 102bとは、流路全体に 渡って対向しており、かつ反応ガス流路 102aと反応ガス流路 102bとが隣接された 状態を維持しながら蛇行状にされてレ、る。
[0041] 本発明の燃料電池において、セパレータ内の燃料ガス流路に水素ガスを含む燃料 ガスを、酸化ガス流路に酸素ガスを含む酸化ガスを供給すると、以下の反応により電 気エネルギーを得ることができる。
[0042] まず、燃料極に供給された水素分子は、燃料極のガス拡散層を拡散し触媒層に達 する。触媒層において、水素分子は、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは 、加湿された高分子電解質膜を通して空気極に移動する。電子は、外部回路を通し て空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギーとして利用 されうる。空気極の触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと 、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が 生成される。
[0043] 本発明の燃料電池では、反応ガス流路の上流流路と下流流路とを隣接するように 形成することで、燃料電池セル内部で面内方向の水分移行が行われる。以下、空気 極側における面内方向の水分移行につレ、て説明する。
[0044] 発電時の燃料電池セルは高温のため、発電時に空気極の触媒層で生成した水は 水蒸気となる。この水蒸気は、空気極のガス拡散層内を拡散移動し、酸化ガス流路 内の酸化ガスを加湿する。酸化ガス流路を流れる酸化ガスは、入口力 出口に向か つて進むにつれて、その水蒸気分圧が高められる。すなわち、酸化ガス流路の下流 流路を流れる酸化ガスの水蒸気分圧は、 P 接する上流流路を流れる酸化ガスの水 蒸気分圧よりも高くなる。この水蒸気分圧の差により、下流流路を流れる水蒸気の一 部は、ガス拡散層を介して、 舞接する上流流路に移動する。結果として、下流流路か ら上流流路に面内方向に水分移行が行われる。
[0045] このように、本発明の燃料電池では、上流流路と下流流路とを隣接させることにより 、上流流路を流れる反応ガス内の水分量と下流流路を流れる反応ガスの水分量との 差を減少させることができる。これにより、下流流路に近接する部位における高分子 電解質膜の湿潤過多を抑制すること、および上流流路に近接する部位における高分 子電解質膜の乾燥を抑制することが実現できる。すなわち、本発明の燃料電池を無 加湿（内部加湿方式）で用いても、セル内部の面内方向の水分分布を均一にするこ とができる。
[0046] また、本発明の燃料電池では、反応ガス流路は、上流流路と下流流路との隣接し た状態を維持しつつ、蛇行状または渦卷状に形成される。これにより、マ二ホールド やそれに付随する構造物の数を減らすことができるため、燃料電池セルおよび燃料 電池スタックの構造を単純にすることができる。また、ガス流路を蛇行状または渦卷状 にすることでガス流路を長くすることができるため、上流流路と下流流路との水蒸気 分圧の差が大きくなり、面内方向の水分移行が従来技術と比較してより効率的に行 われる。
[0047] さらに、本発明の燃料電池では、反応ガス流路の壁を反応ガスの透過性を有さな レ、ようにすることで、流路間の反応ガスの循環を抑制することができる。これにより触 媒層に効率的に反応ガスを供給することができる。
[0048] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[0049] (実施の形態 1)
図 4は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池セルの断面図である。
[0050] 図 4において燃料電池セルは、高分子電解質膜 200と、高分子電解質膜 200を挟 持する一対の触媒電極 (燃料極 300および空気極 400)と、 MEA500 (高分子電解 質膜 200および触媒電極 300， 400の集合体）を挟持する一対のセパレータ (燃料 極セパレータ 600および空気極セパレータ 700)とを備える。セパレータ 600， 700の 材質は例えばカーボンである。燃料極セパレータ 600は燃料ガス流路 614を備える 。空気極セパレータ 700は酸化ガス流路 714を備える。燃料極 300は、高分子電解 質膜側に位置する燃料極触媒層 310、および燃料極セパレータ側に位置する燃料 極ガス拡散層 320から構成される。同様に、空気極 400は、高分子電解質膜側に位 置する空気極触媒層 410、および空気極セパレータ側に位置する空気極ガス拡散 層 420から構成される。さらに、燃料極ガス拡散層 320は、燃料極触媒層側に位置 する燃料極カーボンコート層 330、および燃料極セパレータ側に位置する燃料極ガ ス拡散基材層 340から構成される。同様に、空気極ガス拡散層 420は、空気極触媒 層側に位置する空気極カーボンコート層 430、および空気極セパレータ側に位置す る空気極ガス拡散基材層 440から構成される。
[0051] 高分子電解質膜 200、燃料極触媒層 310、燃料極カーボンコート層 330、燃料極 ガス拡散基材層 340、空気極触媒層 410、空気極カーボンコート層 430、および空 気極ガス拡散基材層 440は、前述のものを用いればよい。
[0052] 図 5は、図 4に示される燃料極セパレータ 600の燃料極側の面の正面図である。
[0053] 図 5において、燃料極セパレータ 600は、燃料ガス供給マ二ホールド 610、燃料ガ ス排出マ二ホールド 612、燃料ガス流路 614、酸化ガス供給マ二ホールド 630、酸化 ガス排出マ二ホールド 632、冷却水供給マ二ホールド 640、および冷却水排出マ二 ホーノレド 642を有する。燃料ガス流路 614は、燃料ガス供給マ二ホールド 610から往 復路折り返し部 616までの燃料ガス往路 618と、往復路折り返し部 616から燃料ガス 排出マ二ホールド 612までの燃料ガス復路 620とからなる。
[0054] 燃料ガス供給マ二ホールド 610は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに燃料 ガスを供給するための孔であり、燃料ガス流路 614に燃料ガスを供給する。
[0055] 燃料ガス排出マ二ホールド 612は、燃料電池スタック内の各燃料電池セル力 燃 料ガスを排出するための孔であり、燃料ガス流路 614から燃料ガスを排出する。
[0056] 燃料ガス流路 614は、燃料ガス供給マ二ホールド 610から供給された燃料ガスを、 燃料極 300の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。また、燃料ガス 往路 618および燃料ガス復路 620は、互いに対向するように形成されている。燃料ガ ス流路 614の壁は燃料ガスの透過性を有さなレ、ように形成されてレ、る。
[0057] 酸化ガス供給マ二ホールド 630は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに酸化 ガスを供給するための孔である。また、酸化ガス排出マ二ホールド 632は、燃料電池 スタック内の各燃料電池セルから酸化ガスを排出するための孔である。
[0058] 冷却水供給マ二ホールド 640は、燃料電池スタック内に冷却水を供給するための 孔である。また、冷却水排出マ二ホールド 642は、燃料電池スタック内から冷却水を 排出するための孔である。図示しない冷却水流路は、冷却水供給マ二ホールド 640 と冷却水排出マ二ホールド 642とを連通する流路であり、例えば、燃料極セパレータ 600または空気極セパレータ 700に形成される。冷却水流路は、例えば、燃料電池 スタック内において、燃料極セパレータ 600と空気極セパレータ 700との間に位置す るように、燃料極セパレータ 600または空気極セパレータ 700の反応ガス流路が形成 されていない面に形成されればよレ、。このとき、セルごとに冷却水流路を形成してもよ いし、数セルごとに冷却水流路を形成してもよい。また、冷却水の流路構造は、特に 限定されず、直線状の複数の並行流路であってもよいし、蛇行状または渦卷状であ つてもよい。
[0059] 図 6は、図 4に示される空気極セパレータ 700の空気極側の面の正面図である。
[0060] 図 6において、空気極セパレータ 700は、酸化ガス供給マ二ホールド 710、酸化ガ ス排出マ二ホールド 712、酸化ガス流路 714、燃料ガス供給マ二ホールド 730、燃料 ガス排出マ二ホールド 732、冷却水供給マ二ホールド 740、および冷却水排出マ二 ホーノレド 742を有する。酸化ガス流路 714は、酸化ガス供給マ二ホールド 710から往 復路折り返し部 716までの酸化ガス往路 718と、往復路折り返し部 716から酸化ガス 排出マ二ホールド 712までの酸化ガス復路 720とからなる。
[0061] 酸化ガス供給マ二ホールド 710は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに酸化 ガスを供給するための孔であり、酸化ガス流路 714に酸化ガスを供給する。酸化ガス 供給マ二ホールド 710は、図 5に示される酸化ガス供給マ二ホールド 630と連通して いる。
[0062] 酸化ガス排出マ二ホールド 712は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから酸 化ガスを排出するための孔であり、酸化ガス流路 714から酸化ガスを排出する。酸化 ガス排出マ二ホールド 712は、図 5に示される酸化ガス排出マ二ホールド 632と連通 している。
[0063] 酸化ガス流路 714は、酸化ガス供給マ二ホールド 710から供給された酸化ガスを、 空気極 400の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。また、酸化ガス 往路 718および酸化ガス復路 720は、互いに対向するように形成されている。酸化ガ ス流路 714の壁は酸化ガスの透過性を有さないように形成される。また、酸化ガス流 路の幅は 1. 1mm、深さは 1. 1mmであることが好ましい。さらに、下流流路（酸化ガ ス排出マ二ホールド 712近傍の酸化ガス流路 714)と上流流路 (酸化ガス供給マニホ 一ルド 710近傍の酸化ガス流路 714)との間隔は 2. 2mm〜3. 3mmであることが好 ましレ、。つまり上流流路と下流流路との間隔は酸化ガス流路 714の幅の 2倍〜 3倍が 好ましい。
[0064] 燃料ガス供給マ二ホールド 730は、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに燃料 ガスを供給するための孔である。燃料ガス供給マ二ホールド 730は、図 5に示される 燃料ガス供給マ二ホールド 610と連通している。
[0065] 燃料ガス排出マ二ホールド 732は、燃料電池スタック内の各燃料電池セル力 燃 料ガスを排出するための孔である。燃料ガス排出マ二ホーノレド 732は、図 5に示され る燃料ガス排出マ二ホールド 612と連通している。
[0066] 冷却水供給マ二ホールド 740は、燃料電池スタック内に冷却水を供給するための 孔である。冷却水供給マ二ホールド 740は、図 5に示される冷却水供給マ二ホールド 640と連通している。また、冷却水排出マ二ホールド 742は、燃料電池スタック内から 冷却水を排出するための孔である。冷去 P7 排出マ二ホールド 742は、図 5に示される 冷却水排出マ二ホールド 642と連通してレ、る。
[0067] 以下、上記のように構成された燃料電池セルにおける、運転時の発電のメカニズム について説明する。
[0068] 燃料電池セルの燃料ガス供給マ二ホールド 610, 730に供給された燃料ガスは、 燃料極セパレータ 600内部の燃料ガス流路 614に供給される。燃料ガス流路 614内 の酸化ガスは、燃料極ガス拡散層 320を通って燃料極触媒層 310に拡散移動する。
[0069] 一方、燃料電池セルの酸化ガス供給マ二ホールド 630, 710に供給された酸化ガ スは、空気極セパレータ 700内部の酸化ガス流路 714に供給される。酸化ガス流路 7 14内の酸化ガスは、空気極拡散層 420を通って空気極触媒層 410に拡散移動する
[0070] 燃料極触媒層 310では、燃料ガス流路 614から移動してきた燃料ガスに含まれる 水素分子が、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、保水された高分子電解 質膜 200を通って空気極触媒層 410に拡散移動する。一方、電子は、図示しない外 部回路を通つて空気極触媒層 410に移動する。 [0071] 空気極触媒層 410では、高分子電解質膜 200を通って移動してきた水素イオン、 外部回路を通って移動してきた電子、および酸化ガス流路 714から移動してきた酸 素が反応し、水が生成される。
[0072] 発電時の燃料電池セルは高温のため、生成した水は、水蒸気となり、空気極ガス拡 散層 420を通って酸化ガス流路 714に拡散移動し、酸化ガス流路 714内の酸化ガス を加湿する。酸化ガスは、酸化ガス流路 714内を進むにつれて加湿量が増加してい く。したがって、酸化ガス復路 720を流れる酸化ガス内の水蒸気の分圧は、対向する 酸化ガス往路 718を流れる酸化ガス内の水蒸気の分圧に比べて高くなる。この水蒸 気の分圧差は、特に、下流流路と上流流路との間で顕著になる。この水蒸気の分圧 差により、酸化ガス復路 720内の水蒸気は、空気極ガス拡散層 420を通って対向す る酸化ガス往路 718内に面内方向に移動する。これにより、酸化ガス流路 714内の 水蒸気の分圧分布が均一になる。
[0073] 燃料極側でも同様の作用により、燃料ガス復路 620内の水蒸気は、燃料極ガス拡 散層 320を通って対向する燃料ガス往路 618内に面内方向に移動する。
[0074] 以上のように、本実施の形態によれば、反応ガス流路の往路と復路とが流路全体に 渡って対向するように形成されているため、反応ガス流路内における水蒸気の分圧 分布を均一にすることができる。したがって、本実施の形態によれば、燃料電池セル の全面を効率的に利用することができ、高い発電性能と発電安定性を得ることができ る。
[0075] また、反応ガス流路の壁を反応ガスの透過性を有さないようにすることで、流路間の 反応ガスの循環を抑制することができる。これにより触媒層に効率的に反応ガスを供 給すること力 Sできる。
[0076] さらに、本実施の形態によれば、反応ガス流路は蛇行状に形成されているため、反 応ガス流路および各種マ二ホールドの数が少数であっても、燃料電池セル全面に対 して反応ガスを供給することができる。したがって、本実施の形態によれば、セルの面 積を大きくしてもセルおよびスタックの構造を複雑にすることなぐ高い発電性能と発 電安定性を得ることができる。
[0077] なお、本実施の形態では、反応ガス流路の往路と復路とが同一面内で対向するよう に形成されたセパレータを、燃料極側と空気極側の両方に適用した力 水蒸気が生 成される空気極側のみに適用するようにしてもよい。
[0078] また、本実施の形態では、一対のマ二ホールド間を連通するガス流路の数を 2本と したが、ガス流路の数は 1本でも、 3本以上でもよい。
[0079] (実施の形態 2)
実施の形態 2では、セパレータの素材に金属を用いた例を示す。
[0080] 実施の形態 2の燃料電池セルは、図 4に示される実施の形態 1の燃料電池セルに おける空気極セパレータ 700を空気極セパレータ 900に、燃料極セパレータ 600を 燃料極セパレータ 800に置き換えたものである。したがって、空気極セパレータ 900 および燃料極セパレータ 800以外の重複する構成要素については、同一の符号を 付し、説明を省略する。
[0081] 図 7は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池セルの断面図である。実施の形態 1 の空気極セパレータ 700および燃料極セパレータ 600と同じ構成要素については、 同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
[0082] 図 7において金属セパレータは金属プレートから構成される。燃料極セパレータは 燃料ガス流路 814を備える。空気極セパレータ 900は酸化ガス流路 914を備える。
[0083] 酸化ガス流路 914および燃料ガス流路 814の形状は酸化ガス流路 714と同じであ つてよい。すなわち、酸化ガス流路 914は、酸化ガス供給マ二ホールドから供給され た酸化ガスを、空気極 400の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。 酸化ガス往路および酸化ガス復路は、互いに対向するように形成されている。また、 燃料ガス流路 814は、燃料ガス供給マ二ホールドから供給されたガスを、燃料極 300 の全面に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。燃料ガス往路および燃料 ガス復路は、互レヽに対向するように形成されてレ、る。
[0084] 図 8は、図 7の燃料電池セルが積層されることによって構成された燃料電池スタック の断面図である。
[0085] 図 8において燃料電池スタックは、 MEA500と金属セパレータ 800および金属セ パレータ 900から構成される複合金属セパレータ 1000とが交互に積層されることで 構成される。複合金属セパレータ: 1000の燃料ガス拡散層側は、燃料ガス流路 814 を形成し、複合金属セパレータ 1000の酸化ガス拡散層側は酸化ガス流路 914を形 成する。金属セパレータ 1000内の空間は冷却水流路を形成する。
[0086] 上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態 1の燃料電池セ ルと同様に、酸化ガス流路内の水蒸気の分圧分布が均一になる。
[0087] また、金属プレートは反応ガスを透過性を有さないことから、金属セパレータを用い ることで流路間の反応ガスの循環をより抑制することができる。これにより空気極触媒 層に効率的に反応ガスを供給することができる。
[0088] さらに、金属セパレータは厚さが lmm以下であっても十分な強度を示す。これによ りセル及びスタックの小型化および軽量ィ匕が可能となる。また金属セパレータはプレ ス加工などにより容易に製造されうることから、コスト削減および大量生産が可能とな る。
[0089] (実施の形態 3)
実施の形態 1では、一つの流路の往路と復路を対向させる例を示した。実施の形態
3は、二つの異なる流路を互いに対向させる例を示す。
[0090] 実施の形態 3の燃料電池セルは、図 4に示される実施の形態 1の燃料電池セルに おける空気極セパレータ 700を空気極セパレータ 702に置き換えたものである。した がって、空気極セパレータ 702以外の重複する構成要素については、同一の符号を 付し、説明を省略する。
[0091] 図 9は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池の空気極セパレータの空気極側の 面の正面図である。実施の形態 1の空気極セパレータ 700と同じ構成要素について は、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
[0092] 図 9において、空気極セパレータ 702は、第一の酸化ガス供給マ二ホールド 710a、 第二の酸化ガス供給マ二ホールド 710b、第一の酸化ガス排出マ二ホールド 712a、 第二の酸化ガス排出マ二ホールド 712b、第一の酸化ガス流路 714a、第二の酸化ガ ス流路 714b、第一の燃料ガス供給マ二ホールド 730a、第二の燃料ガス供給マニホ 一ノレド 730b、第一の燃料ガス排出マ二ホールド 732a、第二の燃料ガス排出マニホ 一ノレド 732b、冷却水供給マ二ホールド 740、および冷却水排出マ二ホールド 742を 有する。 [0093] 第一の酸化ガス供給マ二ホールド 710aおよび第二の酸化ガス供給マ二ホールド 7 10bは、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに酸化ガスを供給するための孔であ る。第一の酸化ガス供給マ二ホールド 710aは、第一の酸化ガス流路 714aに酸化ガ スを提供する。同様に、第二の酸化ガス供給マ二ホールド 710bは、第二の酸化ガス 流路 714bに酸化ガスを供給する。
[0094] 第一の酸化ガス排出マ二ホールド 712aおよび第二の酸化ガス排出マ二ホールド 7 12bは、燃料電池スタック内の各燃料電池セルから酸化ガスを排出するための孔で ある。第一の酸化ガス排出マ二ホールド 712aは、第一の酸化ガス流路 714aから酸 化ガスを排出する。同様に、第二の酸ィ匕ガス排出マ二ホールド 712bは、第二の酸化 ガス流路 714bから酸化ガスを排出する。
[0095] 第一の酸化ガス流路 714aおよび第二の酸化ガス流路 714bは、第一の酸化ガス 供給マ二ホールド 710aまたは第二の酸化ガス供給マ二ホールド 710bから供給され た酸化ガスを、空気極 400全面に供給するための流路である。第一の酸化ガス流路 714aは、第一の酸化ガス供給マ二ホールド 710aおよび第一の酸化ガス排出マニホ 一ルド 712aと連通している。同様に、第二の酸化ガス流路 714bは、第二の酸化ガス 供給マ二ホールド 710bおよび第二の酸化ガス排出マ二ホールド 712bと連通してい る。第一の酸化ガス流路 714aと第二の酸化ガス流路 714bとは、全体に渡って対向 しており、かつ第一の酸化ガス流路 714aと第二の酸化ガス流路 714bとが隣接され た状態を維持しながら蛇行状にされている。酸化ガス流路（714a、 714b)の壁は酸 化ガスの透過性を有さないように形成される。第一の酸化ガス流路 714aの上流流路 と第二の酸化ガス流路 714bの下流流路との間隔または第一の酸化ガス流路 714a の下流流路と第二の酸化ガス流路 714bの上流流路との間隔は 2. 2mm〜3. 3mm が好ましい。
[0096] 第一の燃料ガス供給マ二ホールド 730aおよび第二の燃料ガス供給マ二ホールド 7 30bは、燃料電池スタック内の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するための孔であ る。また、第一の燃料ガスの排出マ二ホールド 732aおよび第二の燃料ガス供給マ二 ホールド 732bは、燃料電池スタック内の各燃料電池セル力 燃料ガスを排出するた めの孔である。 [0097] 上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態 1の燃料電池セ ノレと同様に、酸化ガス流路内の水蒸気の分圧分布が均一になる。すなわち、第一の 酸化ガス流路 714aの下流流路内の水蒸気は、対向する第二の酸化ガス流路 714b の上流流路内に面内方向に移動する。同様に、第二の酸化ガス流路 714bの下流 流路内の水蒸気は、対向する第一の酸化ガス流路 714aの上流流路内に面内方向 に移動する。
[0098] 以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態 1の効果に加え、酸化ガス流路 を燃料電池セル面内に対照的に形成することができるため、酸化ガス流路内におけ る水蒸気の分圧分布をより均一にすることができる。したがって、燃料電池セルの全 面をより効率的に利用することができ、より高い発電性能と発電安定性を得ることがで きる。
[0099] また、本実施の形態によれば、実施の形態 1の効果に加え、酸化ガス流路の長さを 短くすることができるため、酸化ガス供給マ二ホールド内における反応ガスの圧力を 下げること力 Sできる。したがって、酸化ガスを供給するブロワに対する負荷を下げるこ とができるので、発電システム全体の発電効率をより向上させることができる。
[0100] なお、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明した力 燃料極 側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料 極側においても、面内方向の水分分布の分圧分布をより均一にすることができる。
[0101] (実施の形態 4)
実施の形態 1〜3では、反応ガス流路の断面積が上流流路と下流流路とで同じ例 を示した。実施の形態 4は、反応ガス流路の断面積が上流流路と下流流路とで異な る例を示す。
[0102] 実施の形態 4の燃料電池は、図 4に示される実施の形態 1の燃料電池における空 気極セパレータ 700を空気極セパレータ 704に置き換えたものである。したがって、 空気極セパレータ 704以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し、説 明を省略する。
[0103] 図 10は、本発明の実施の形態 4に係る燃料電池セルの空気極セパレータの空気 極側の面の正面図である。実施の形態 3の空気極セパレータ 702と同じ構成要素に ついては、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
[0104] 図 10において、空気極セパレータ 704は、第一の酸化ガス供給マ二ホールド 710a 、第二の酸化ガス供給マ二ホールド 710b、第一の酸化ガス排出マ二ホールド 712a 、第二の酸化ガス排出マ二ホールド 712b、第一の酸化ガス流路 714a、第二の酸化 ガス流路 714b、第一の燃料ガス供給マ二ホールド 730a、第二の燃料ガス供給マ二 ホーノレド 730b、第一の燃料ガス排出マ二ホールド 732a、第二の燃料ガス排出マ二 ホーノレド 732b、冷却水供給マ二ホールド 740、および冷却水排出マ二ホールド 742 を有する。
[0105] 第一の酸化ガス流路 714aおよび第二の酸化ガス流路 714bは、実施の形態 3と同 様に、全体に渡って対向しており、かつ第一の酸化ガス流路 714aと第二の酸化ガス 流路 714bとが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。さらに、第一の 酸化ガス流路 714aおよび第二の酸化ガス流路 714bは、下流流路の幅が上流流路 の幅に比べて狭くなるように形成されている。前記幅は、上流流路から下流流路にい くにしたがって、段階的または徐々に小さくされてよい。さらに、酸化ガス流路（714a 、 714b)の壁は酸化ガスの透過性を有さなレ、ように形成される。
[0106] 上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態 3の燃料電池セ ルと同様に、酸化ガス流路 714a, 714b内の水蒸気の分圧分布が均一になる。また 、酸化ガス流路 714a, 714bの下流流路の断面積が上流流路の断面積に比べて小 さいため、酸化ガスの消費に伴う酸化ガス分圧の減少が抑制される。これにより、酸 化ガスが面内方向に移動することなぐ酸化ガス流路 714a, 714b内の酸化ガスの 分圧分布が均一になる。
[0107] 以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態 1〜3の効果に加え、酸化ガス 流路上流流路の酸化ガス分圧を下流流路の酸化ガス分圧に比べて低くすることがで きるため、上流流路の酸化ガスが下流流路へ空気極ガス拡散層を通して移動するこ とを防止すること力 Sできる。これにより、空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給す ること力 Sできるので、発電効率をより向上させることができる。
[0108] なお、本実施の形態では、反応ガス流路の幅を変えることにより反応ガス流路の断 面積を調整しているが、ガス流路の断面積は、流路の深さを変えることにより調整し てもよい。
[0109] また、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明した力 燃料極 側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料 極側においても、面内方向の水分分布および燃料ガスの分圧分布をより均一にする こと力 Sできる。
[0110] (実施の形態 5)
実施の形態 1〜4では、一対のマ二ホールドを連通する反応ガス流路の本数が上 流流路と下流流路とで同じ例を示した。実施の形態 5は、一対のマ二ホールドを連通 する反応ガス流路の本数が上流流路と下流流路とで異なる例を示す。
[0111] 実施の形態 5の燃料電池セルは、図 4に示される実施の形態 1の燃料電池におけ る空気極セパレータ 700を空気極セパレータ 706に置き換えたものである。したがつ て、空気極セパレータ 706以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し 、説明を省略する。
[0112] 図 11は、本発明の実施の形態 5に係る燃料電池の空気極セパレータの空気極側 の面の正面図である。実施の形態 3の空気極セパレータ 702と同じ構成要素につい ては、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
[0113] 図 11において、空気極セパレータ 706は、第一の酸化ガス供給マ二ホールド 710a 、第二の酸化ガス供給マ二ホールド 710b、第一の酸化ガス排出マ二ホールド 712a 、第二の酸化ガス排出マ二ホールド 712b、第一の酸化ガス流路 714a、第二の酸化 ガス流路 714b、第一の燃料ガス供給マ二ホールド 730a、第二の燃料ガス供給マ二 ホーノレド 730b、第一の燃料ガス排出マ二ホールド 732a、第二の燃料ガス排出マ二 ホーノレド 732b、冷却水供給マ二ホールド 740、および冷却水排出マ二ホールド 742 を有する。
[0114] 第一の酸化ガス流路 714aおよび第二の酸化ガス流路 714bは、実施の形態 3と同 様に、流路全体に渡って対向しており、かつ第一の酸化ガス流路 714aと第二の酸 化ガス流路 714bとが隣接された状態を維持しながら蛇行状にされている。さらに、第 一の酸化ガス流路 714aおよび第二の酸化ガス流路 714bは、下流流路の流路数が 上流流路の流路数に比べて少なくなるように形成されている。さらに、酸化ガス流路（ 714a, 714b)の壁は酸化ガスの透過性を有さないように形成される。
[0115] 上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、実施の形態 4の燃料電池セ ルと同様に、酸化ガス流路 714a, 714b内の水蒸気および酸化ガスの分圧分布が均 一になる。また、流路の幅や深さが流路全体を通して一定のため、実施の形態 4の燃 料電池セルに比べて、セパレータと MEAとの接触抵抗が流路全体を通して均一に なる。
[0116] 以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態 1〜4の効果に加え、空気極セ パレータと MEAとの接触性を均一にしつつ、上流流路の酸化ガス分圧を下流流路 の酸化ガス分圧に比べて低くすることができる。これにより、接触抵抗による発熱分布 のばらつきを抑えることができるので、発電反応分布をより均一化でき、発電効率をよ り向上させることができる。
[0117] なお、本実施の形態では、酸化ガス流路のターン部において酸化ガス流路の本数 を減少させてレ、るが、酸化ガス流路の直線部で酸化ガス流路の本数を減少させても よい。
[0118] また、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明した力 燃料極 側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料 極側においても、面内方向の水分分布および燃料ガスの分圧分布をより均一にする こと力 Sできる。
[0119] (実施の形態 6)
実施の形態 6は、空気極ガス拡散基材層の水蒸気透過性および反応ガス透過性（ 以下「水蒸気等透過性」という）を、空気極カーボンコート層の水蒸気等透過性よりも 低くする例を示す。
[0120] 実施の形態 6の燃料電池セルは、図 4に示される実施の形態 1の燃料電池セルに おいて、空気極ガス拡散基材層 440の水蒸気等透過性を、空気極カーボンコート層 430の水蒸気等透過性より低くしたものである。したがって、空気極ガス拡散基材層 440および空気極カーボンコート層 430以外の重複する構成要素については、説明 を省略する。
[0121] 上記の通り、空気極ガス拡散基材層 440は、その水蒸気等透過性を空気極カーボ ンコート層 430の水蒸気等透過性より低くなるように形成されている。このためには、 空気極ガス拡散基材層 440の水蒸気等透過性を低くする力、または空気極カーボン コート層 430の水蒸気等透過性を高くすればよい。
[0122] 空気極ガス拡散基材層 440の水蒸気等透過性を低くする方法は、特に限定されな レ、が、例えば、カーボン繊維により形成される細孔径を小さくする、空気極ガス拡散 基材層 440を厚くする、空気極ガス拡散基材層 440に撥水化処理を施す、など行え ばよレ、。一方、空気極カーボンコート層 430の水蒸気等透過性を高くする方法は、空 気極カーボンコート層 430を薄くする、空気極カーボンコート層 430に親水化処理を 施す、などを行えばよい。
[0123] 上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、空気極触媒層 410で生成さ れる水蒸気が、酸化ガス流路に排出されることが防止され、カーボンコート層内部で 面内方向に移動するようになる。
[0124] 以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態 1の効果に加え、空気極触媒 層で生成された水が水蒸気となり酸化ガス流路に排出されることを防止することがで きるため、触媒層および高分子電解質膜に適切な水分を保持させることができる。ま た、カーボンコート層内部に滞留する水蒸気を面内方向に移動しやすくすることがで きる。これにより、燃料電池セル内の水分量をより均一化することができるので、発電 反応分布をより均一化し、発電効率をより向上させることができる。本実施の形態に 係る燃料電池は、高温無加湿で動作させても触媒層および高分子電解質膜に適切 な水分を均一に保持させることができるため、高温無加湿運転の燃料電池に特に好 l である。
[0125] なお、本実施の形態では、水蒸気およびガス両方の透過性について調整する例に ついて説明したが、水蒸気透過性のみを調整するようにしてもよい。
[0126] また、本実施の形態では、空気極側における調整例について説明したが、燃料極 側においても同様の調整を行ってもよい。この場合、燃料極側においても、触媒層お よび高分子電解質膜に適切な水分を保持させることができ、また、面内方向の水分 分布をより均一にすることができる。
[0127] (実施の形態 7) 実施の形態 6では、ガス拡散基材層が単一の層から構成される例を示した。実施の 形態 7は、ガス拡散基材層が複数の層から構成されており、外側の層ほど水蒸気透 過性および反応ガス透過性 (水蒸気等透過性)を低くする例を示す。
[0128] 図 12は、本発明の実施の形態 7に係る燃料電池セルの断面図である。実施の形態 1の燃料電池セルと同じ構成要素については、同一の符号を付し、重複箇所の説明 を省略する。
[0129] 図 12において、燃料電池セルは、高分子電解質膜 200、一対の触媒電極 (燃料極 300および空気極 400)、ならびに一対のセパレータ（燃料極セパレータ 600および 空気極セパレータ 700)を備える。燃料極 300は、高分子電解質膜 200側に位置す る燃料極触媒層 310と、燃料極セパレータ 600側に位置する燃料極ガス拡散層 320 力 構成される。同様に、空気極 400は、高分子電解質膜 200側に位置する空気極 触媒層 410と、空気極セパレータ 700側に位置する空気極ガス拡散層 420とから構 成される。さらに、燃料極ガス拡散層 320は、燃料極触媒層 310側から、燃料極力一 ボンコート層 330、第一の燃料極ガス拡散基材層 342、第二の燃料極ガス拡散基材 層 344および第三の燃料極ガス拡散基材層 346の順に積層されて構成される。同様 に、空気極ガス拡散層 420は、空気極触媒層 410側から、空気極カーボンコート層 4 30、第一の空気極ガス拡散基材層 442、第二の空気極ガス拡散基材層 444および 第三の空気極ガス拡散基材層 446の順に積層されて構成される。
[0130] 燃料極ガス拡散層 320を構成する、燃料極カーボンコート層 330、第一の燃料極 ガス拡散基材層 342、第二の燃料極ガス拡散基材層 344および第三の燃料極ガス 拡散基材層 346は、それぞれ異なる水蒸気等透過性を有する。燃料極触媒層 310 に最も近い燃料極カーボンコート層 330は、最も高い水蒸気等透過性を有する。以 降、燃料極セパレータ 600に近づくにつれて水蒸気等透過性が低くなる。すなわち、 最も燃料極セパレータ 600に近い第三の燃料極ガス拡散基材層 346は、最も低い水 蒸気透過性を有する。
[0131] 同様に、空気極ガス拡散層 420を構成する、空気極カーボンコート層 430、第一の 空気極ガス拡散基材層 442、第二の空気極ガス拡散基材層 444および第三の空気 極ガス拡散基材層 446は、それぞれ異なる水蒸気等透過性を有する。空気極触媒 層 410に最も近い空気極カーボンコート層 430は、最も高い水蒸気等透過性を有す る。以降、空気極セパレータ 700に近づくにつれて水蒸気等透過性が低くなる。すな わち、最も空気極セパレータ 700に近い第三の空気極ガス拡散基材層 446は、最も 低レ、水蒸気透過性を有する。
[0132] 上記のように構成された燃料電池セルを動作させると、空気極触媒層 410で生成さ れる水蒸気が、反応ガス流路に排出されることが防止され、カーボンコート層内部で 面内方向に移動するようになる。
[0133] 以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態 1の効果に加え、空気極触媒 層で生成された水が水蒸気となり酸化ガス流路に排出されることを防止することがで きるため、触媒層および高分子電解質膜に適切な水分を保持させることができる。ま た、カーボンコート層内部に滞留する水蒸気を面内方向に移動しやすくすることがで きる。これにより、燃料電池セル内の水分量をより均一化することができるので、発電 反応分布をより均一化し、発電効率をより向上させることができる。本実施の形態に 係る燃料電池は、高温無加湿で動作させても触媒層および高分子電解質膜に適切 な水分を均一に保持させることができるため、高温無加湿運転の燃料電池に特に好 l である。
[0134] なお、本実施の形態では、水蒸気およびガス両方の透過性について調整する例に ついて説明したが、水蒸気透過性のみを調整するようにしてもよい。
[0135] なお、本実施の形態では、複数のガス拡散基材層を積層した構造について説明し たが、単一のガス拡散基材層に水蒸気透過性およびガス透過性の傾斜を持たせる ようにしてもよい。
[0136] (実施の形態 8)
実施の形態 1〜7では、反応ガス流路の往路と復路との間隔が一定である例を示し た。実施の形態 8では反応ガス流路の往路と復路との間隔が変化する例を示す。
[0137] 実施の形態 8の燃料電池セルは、図 4に示される実施の形態 1の燃料電池におけ る空気極セパレータ 700を空気極セパレータ 902に置き換えたものである。したがつ て、空気極セパレータ 902以外の重複する構成要素については、同一の符号を付し
、説明を省略する。 [0138] 図 13は、本発明の実施の形態 8に係る燃料電池セルの空気極セパレータの空気 極側の面の正面図である。実施の形態 1の空気極セパレータ 700と同じ構成要素に ついては、同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
[0139] 図 13において、空気極セパレータ 902は酸化ガス供給マ二ホールド 910、酸化ガ ス排出マ二ホールド 912、酸化ガス流路 914、燃料ガス供給マ二ホールド 930、燃料 ガス排出マ二ホールド 932、冷却水供給マ二ホールド 740および冷却水排出マニホ 一ノレド 742を有する。
[0140] 酸化ガス流路 914は、酸化ガス供給マ二ホールド 910から供給された酸化ガスを、 空気極 400の全体に供給する流路であり、蛇行状に形成されている。また、酸化ガス 往路 918および酸化ガス復路 920は、互いに対向するように形成されている。さらに 、往路 918と復路 920の間隔は、 A部（酸化ガス供給マ二ホールド 910および酸化ガ ス排出マ二ホールド 912付近）では大きぐ B部（往復路折り返し部 916付近）では小 さくされている。前記間隔は、 A部から B部にいくにしたがって、段階的または徐々に 小さくされてよレ、。また、 A部における前記間隔は 2. 2mm〜3. 3mmが好ましレ、。さ らに、酸化ガス流路 914の壁は酸化ガスの透過性を有さないにょうに形成される。
[0141] 上記のように構成された燃料電池セルを作動させると、実施の形態 1の燃料電池セ ルと同様に、酸化ガス流路 914内の水蒸気の分圧分布が均一になる。また、上流流 路と下流流路との間隔は、往復路折り返し部 916の往路 918と復路 920との間隔と 比較して大きいため上流流路の酸化ガスが空気極ガス拡散層を通して下流流路へ 移動することが抑制される。
[0142] 以上のように、本実施の形態によれば、空気極触媒層に効率的に反応ガスを供給 することができるので、発電効率をより向上させることができる。
[0143] なお、本実施の形態では、空気極側の流路構造のみについて説明したが、燃料極 側の流路構造も空気極側の流路構造と同様のものであってもよい。この場合、燃料 極側においても、面内方向の水分分布の分圧分布をより均一にすることができる。
[0144] 以下、上流流路と下流流路との間隔を導き出した実験例について説明する。
[0145] (実験例 1)
本実験例では、流路と流路との最適な間隔を導き出したコンピューターシミュレーシ ヨンを用いた実験について説明する。
[0146] 用いたプログラム
本実験例で用いたプログラムは、 FLUENT社の FLUENT HYPERLINK "http:// www.fluent.co.jp/contents/service/service#12.html" (固体高分子形燃料電池 (PEM )モジュール）の電気化学サブモデルである。このプログラムは、各パラメータを設定 することで、当該燃料電池セルを動作させた場合の発生電圧を予測するためのもの である。
[0147] 解析条件
以下のパラメータの条件下でシミュレーションを行った。
膜厚： 30 μ πι
触媒厚： 10 z m
GDL (ガス拡散層）厚： 300 μ m
力ソード流路深さ： 1. lmm
力ソード流路幅： 1. lmm
アノード流路深さ： lmm
アノード流路幅： 1. lmm
セル温度： 90°C
アノード露点温度： 65°C
力ソード露点温度： 35°C
電極面積： 6. 1468cm2
水素利用率： 10%
酸素利用率： 50〜90%
GDL空隙率： 0. 75
電流密度： 0. 16/cm2
[0148] 表 1は、上記条件下において、流路と流路との間隔（以下「リブ幅」という）および酸 素利用率と電圧 (mV)との関係を示したものである。
[0149] [表 1] 酸素利用率 (％)
1リ 1づノ¾1«»》11_)
50 60 70 80 90
1.1 723.1 720.5 706.7 663 420.5
2.2 719.9 720J 718.4 708 636.2
3.3 719.6 720.8 720.1 716.6 691.5
4.4 7t9.5 720.1 719 715.2 698.4
[0150] 表 2は、リブ幅と接触抵抗および抵抗損（電圧低下量）との関係を示したものである 。表 2から、リブ幅が大きくなるに伴レ、、接触抵抗および抵抗損も増加していることが 分かる。この理由は以下のとおりである。リブ幅が大きくなると、セパレータと GDLとの 接触面積が増大する。セパレータと GDLとの接触面積が増加すると、セルに同じ締 結力をカ卩えた場合、単位面積当たりの荷重が低下する。そして、接触抵抗は、単位 面積あたりの荷重が低下することで、累乗的に増加する。このため、リブ幅が増大す ることで、接触抵抗が増加し、抵抗損が大きくなる。
[0151] [表 2] リブ幅 [ 1.1 2.2 3.3 4.4 5.5 接触挺抗 [mQ] 0.00169 0.004917 0.00922 0.014138 0.019977 抵抗損 [mVl 0.415615 2.418122 6.800967 13.9042 24.55905
[0152] 表 3は、表 1の結果から表 2の抵抗損を差し引いた結果である。表 3は、想定される 抵抗損を考慮したことから、表 1と比較してより実際の値に近い値を示す。
[0153] [表 3] 酸素利用率 (％)
リブ幅（mm)
50 60 70 80 90
1.1 722.6844 720.0844 706.2844 662.5844 420.0844
22 717.4819 718.2819 715.9819 705.5819 633.7819
3.3 712.799 713.999 713.299 709.799 684.699
4.4 705.5958 706.1958 705.0958 701.2958 684.4958
[0154] 図 14は、表 3における酸素利用率 80%でのリブ幅と電圧との関係をグラフで示した ものである。 [0155] 図 14のグラフにおいては、縦軸が電圧、横軸がリブ幅である。リブ幅が 1. 1mmか ら 3. 3mmまでの領域では、リブ幅の増大に伴い、電圧も増加する。電圧はリブ幅が 3. 3mmのときにピークを有する。リブ幅が 4. 4mmのときの電圧は、リブ幅が 3. 3m mのときの電圧およびリブ幅が 2. 2mmのときの電圧と比較して、小さい。
[0156] 以上の結果から、上記解析条件において、高い電圧を維持するために最適なリブ 幅は 2. 2mm〜3. 3mmであるとレ、うことが明らカ^なつた。
[0157] (実験例 2)
本実験例では実験例 1と同一のプログラムを用いて、最適な流路と流路との間隔を 導き出した実験について説明する。本実験例では実験例 1とは異なり GDL厚のパラ メータを 200 z mとした。 GDL膜以外の解析条件は、実験例 1と同じである。
[0158] 表 4は、上記条件下において、リブ幅および酸素利用率と電圧 (mV)との関係を示 したものである。
[0159] [表 4] 酸素利用率 (％)
リノ1 fte、nr»m
50 60 70 80 90
1.1 724.2 722.5 708.9 669.3 426
2.2 718.6 720.1 720 716 682.1
3.3 718.6 719.6 719 715.9 703.5
4.4 717.1 716.3 713.2 705.8 681.7
[0160] 表 5は、表 4の結果から表 2の抵抗損を差し引いた結果である。表 5は、想定される 抵抗損を考慮したことから、表 4と比較してより実際の値に近い値を示す。
[0161] [表 5] 酸素利用率 (％)
リブ幅 (mm)
50 60 70 80 90
t.i 723.7844 722.0844 708.4844 668.8844 425.5844
2.2 716.1819 717.6819 717.5819 713.5819 679.6819
3.3 7t 1.799 712.799 712.199 709.099 696.699
4.4 703.T958 702.3958 699.2958 691.8958 667.7958 [0162] 図 15は、表 5における酸素利用率 80%でのリブ幅と電圧との関係をグラフで示した ものである。
[0163] 図 15のグラフにおいては、縦軸が電圧、横軸がリブ幅となっている。リブ幅が 1. lm mから 2. 2mmまでの領域では、リブ幅の増大に伴レ、、電圧も増加する。電圧は、リ ブ幅が 2. 2mmのときにピークを有する。リブ幅が 2. 2mm力、ら 4. 4mmまでの領域 では、リブ幅の増大に伴い、電圧は減少する。リブ幅が 4. 4mmのときの電圧は、リブ 幅が 2. 2mmのときの電圧およびリブ幅が 3. 3mmのときの電圧と比較して顕著に小 さい。
[0164] 以上の結果から、上記解析条件において、高い電圧を維持するために最適なリブ 幅は 2. 2mm〜3. 3mmであるとレ、うことが明らカ^なつた。
[0165] 実験例 1および実験例 2の結果から、 GDL厚が 200 μ m〜300 μ m、そして流路 幅が 1. lmm、流路の深さが 1. 1mmの場合、リブ幅は 2. 2mm〜3. 3mm、つまりリ ブ幅は流路幅の 2倍から 3倍であると、燃料電池セルは最も効率的に発電できること が明らかとなった。
[0166] 本出願は、 2006年 6月 21日出願の特願 2006— 171995に基づく優先権を主張 する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。 産業上の利用可能性
[0167] 本発明に係る燃料電池セルおよび燃料電池セルスタックは、高温低加湿または高 温無加湿運転の固体高分子形燃料電池などにおいて有用である。

Claims

請求の範囲
[I] 高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極を有す る膜電極接合体と、前記膜電極接合体に燃料ガスまたは酸化ガスを供給するための ガス流路を有するセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記ガス流路は、蛇行状または渦巻状に形成され、
前記ガス流路の上流流路は、前記ガス流路の下流流路に隣接し
前記ガス流路の壁は前記燃料ガスまたは酸化ガスの透過性を有さない燃料電池。
[2] 前記セパレータは、カーボンセパレータである請求項 1に記載の燃料電池。
[3] 前記セパレータは、金属セパレータである請求項 1に記載の燃料電池。
[4] 前記ガス流路は、往復流路であり、
前記上流流路を含む往路は、前記下流流路を含む復路に対向する請求項 1記載 の燃料電池。
[5] 前記ガス流路の上流流路と下流流路との間隔は、 2. 2mm〜3. 3mmである、請求 項 4に記載の燃料電池。
[6] 前記セパレータは、複数のガス流路を有し、
第一のガス流路の上流流路は、第二のガス流路の下流流路に隣接し、 第二のガス流路の上流流路は、第一のガス流路の下流流路に隣接する請求項 1記 載の燃料電池。
[7] 前記第一のガス流路の上流流路と前記第二のガス流路の下流流路との間隔また は前記第一のガス流路の下流流路と前記第二のガス流路の上流流路との間隔は、 2 . 2mm〜3. 3mmである、請求項 6に記載の燃料電池。
[8] 前記第一のガス流路は、前記第二のガス流路に対向する請求項 6に記載の燃料電 池。
[9] 前記ガス流路の上流流路の断面積は、前記ガス流路の下流流路の断面積よりも大 きい請求項 1記載の燃料電池。
[10] 前記ガス流路は、上流流路の流路数が下流流路の流路数よりも多い請求項 1記載 の燃料電池。
[II] 前記ガス流路の上流流路と下流流路との間隔は、往復路折り返し部における往路 と復路との間隔よりも大きい請求項 4記載の燃料電池。
[12] 前記触媒電極は、前記高分子電解質膜に接するように位置する触媒層、前記触媒 層の外側に位置するカーボンコート層、および前記カーボンコート層の外側に位置 するガス拡散基材層から構成され、
前記ガス拡散基材層の水蒸気透過性は、前記カーボンコート層の水蒸気透過性よ りも低い請求項 1記載の燃料電池。
[13] 前記ガス拡散基材層は、水蒸気透過性がそれぞれ異なる複数の層力 構成され、 前記ガス拡散基材層において、水蒸気透過性が低い層は、水蒸気透過性が高い 層よりも前記セパレータに近接する請求項 12記載の燃料電池。
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