WO2011099399A1 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
WO2011099399A1
WO2011099399A1 PCT/JP2011/051999 JP2011051999W WO2011099399A1 WO 2011099399 A1 WO2011099399 A1 WO 2011099399A1 JP 2011051999 W JP2011051999 W JP 2011051999W WO 2011099399 A1 WO2011099399 A1 WO 2011099399A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow path
gas flow
gas
passage
pressure loss
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/051999
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浩右 川尻
橋本　圭二
諭 二見
Original Assignee
トヨタ車体 株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by トヨタ車体 株式会社 filed Critical トヨタ車体 株式会社
Publication of WO2011099399A1 publication Critical patent/WO2011099399A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—Alloys
    • H01M8/021—Alloys based on iron
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell used in, for example, an electric vehicle, and more particularly to a fuel cell capable of improving power generation performance.
  • a fuel cell includes a fuel cell stack 11 composed of a large number of power generation cells 12 stacked as shown in FIG.
  • an electrode structure 15 is attached to a joint portion between a pair of frames 13 and 14 constituting each power generation cell 12.
  • the electrode structure 15 includes a solid electrolyte membrane 16, an electrode catalyst layer 17 located on the anode side, and an electrode catalyst layer 18 located on the cathode side.
  • the outer peripheral edge of the solid electrolyte membrane 16 is sandwiched and fixed by the frames 13 and 14.
  • a gas diffusion layer 19 on the anode side is laminated on the surface of the electrode catalyst layer 17, and a gas diffusion layer 20 on the cathode side is laminated on the surface of the electrode catalyst layer 18.
  • a first gas flow path forming body 21 that forms an anode-side fuel gas flow path T is laminated on the surface of the gas diffusion layer 19, and a cathode-side oxidizing gas flow path is formed on the surface of the gas diffusion layer 20.
  • a second gas flow path forming body 22 that forms F is laminated.
  • a flat plate-like first separator 23 is bonded to the surface of the first gas flow path forming body 21, and a flat plate-like second separator 24 is bonded to the surface of the second gas flow path forming body 22.
  • fuel gas that is, hydrogen gas is supplied from the fuel gas introduction passage R1 formed in the power generation cell 12 to the fuel gas flow path T, and also to the power generation cell 12.
  • An oxidizing gas that is, an oxygen gas is supplied to the oxidizing gas flow path F from the formed oxidizing gas introduction passage M1.
  • the fuel gas channel T and the oxidizing gas channel F of the gas channel forming bodies 21 and 22 are formed in the same shape. Further, since the pressures of the fuel gas and the oxidizing gas are linearly lowered as shown in FIG. 14 over the entire length of the gas flow path, there are the following problems.
  • the inlet pressure of the oxidizing gas on the cathode side is set higher than the inlet pressure of the fuel gas on the anode side. Due to this pressure difference, part of the generated water permeates the solid electrolyte membrane 16 of the electrode structure 15 and permeates the anode-side gas diffusion layer 19 and the fuel gas flow path T of the first gas flow path forming body 21. Infiltrate as water. Therefore, since the solid electrolyte membrane 16 is in a wet state, the electric resistance is reduced when electrons pass from the anode through the solid electrolyte membrane 16 of the electrode structure 15 to the cathode during power generation. As a result, electrons move smoothly and power generation efficiency is improved.
  • the descending gradient of the gas pressure in the fuel gas passage T and the oxidizing gas passage F of the first and second gas passage forming bodies 21 and 22 is a straight line Sa. , Sk, respectively, and the straight lines Sa, Sk intersect on the way. Therefore, the pressure difference ⁇ P between the pressure in the anode-side fuel gas flow path T and the pressure in the cathode-side oxidizing gas flow path F is shown as region A and region B in FIG. In the region A, since the pressure of the cathode-side gas flow path F is higher than the pressure of the anode-side gas flow path T, the produced water on the cathode side moves toward the anode through the electrode structure 15.
  • the pressure level is reversed, so that the generated water does not move toward the anode. Accordingly, the solid electrolyte membrane 16 does not become wet, and electrons are difficult to move during power generation, resulting in a decrease in power generation efficiency.
  • the fuel cell described above is a so-called counter flow type in which the flow direction of the fuel gas on the anode side and the flow direction of the oxidizing gas on the cathode side are opposite to each other, as shown in FIGS.
  • a so-called co-flow type fuel cell in which the flow direction of the fuel gas on the anode side and the flow direction of the oxidizing gas on the cathode side are the same, there are the following problems.
  • the pressure indicated by the straight line Sk of the oxidation gas flow path F on the cathode side is almost equal to the pressure indicated by the straight line Sa of the fuel gas flow path T on the anode side over almost the entire area of the gas flow paths T and F. high. Accordingly, the two pressures indicated by the straight lines Sk and Sa are not reversed, so that the movement of the produced water from the cathode to the anode should be performed over the entire gas flow paths T and F.
  • the pressure difference ⁇ P gradually decreases toward the downstream side of the gas flow path, the generated water can be appropriately moved to the gas flow path T on the anode side in the middle and downstream portions of the gas flow path. There is a problem that you can not.
  • Patent Documents 3 to 5 disclose fuel cells including a back pressure adjusting valve that adjusts the pressures of the fuel gas and the oxidizing gas depending on the operation state.
  • the outlet valve on the oxidizing gas channel side is throttled to increase the pressure of the oxidizing gas.
  • the pressure difference ⁇ P increases as shown in FIG. 18B.
  • the fuel cell described above can increase the pressure difference ⁇ P to keep a wide area of the solid electrolyte membrane 16 in a wet state, but it must increase the introduction pressure on the inlet side of the oxidizing gas. Therefore, the auxiliary power loss of the air compressor increases, and the power generation efficiency of the fuel cell is reduced.
  • FIG. 19 (a) As a measure for suppressing the loss of auxiliary equipment, as shown in FIG. 19 (a) in the case of the counter flow type, as shown in FIG. 19 (b) in the case of the co-flow type, the oxidizing gas flow.
  • a configuration is also conceivable in which the pressure loss of the passage and the fuel gas passage is greatly reduced and the introduction pressure on the inlet side of the oxidizing gas is not increased.
  • this fuel cell is not feasible because it requires an advanced technique for producing a flow path with extremely low pressure loss between the power generation cells without variation.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing a decrease in power generation efficiency.
  • an electrolyte membrane having an anode surface and a cathode surface, and a pair of electrodes laminated on the anode surface and the cathode surface of the electrolyte membrane, respectively.
  • a catalyst layer, a first gas channel forming body having a fuel gas channel stacked on one of the pair of electrode catalyst layers, and an oxidant gas channel stacked on the other of the pair of electrode catalyst layers A second gas flow path forming body, a pair of separators provided separately or separately from the first and second gas flow path forming bodies, and a fuel gas and an oxidizing gas flow path, respectively.
  • a fuel cell including a pair of introduction passages for introducing the oxidant gas and a pair of lead-out passages for respectively leading the fuel off-gas and the oxidant off-gas from the fuel gas passage and the oxidant gas passage.
  • the flow directions of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path of the first and second gas flow path forming bodies are set in the same direction or in opposite directions, and the fuel gas flow path and the oxidant gas flow
  • Each of the passages has an upstream portion, a midstream portion, and a downstream portion along the gas flow direction, and the upstream portion of the fuel gas passage of the first gas passage forming body and the second gas passage.
  • At least one of the forming body and the downstream portion of the oxidizing gas flow path is a high-pressure loss flow path, and the middle and downstream portions of the fuel gas flow path of the first gas flow path forming body and the second gas flow path At least one of the upstream portion and middle flow portion of the oxidizing gas passage of the formed body is a low pressure loss passage having a pressure loss lower than that of the high pressure loss passage.
  • the pair of separators are in contact with the surfaces of the first and second gas flow path forming bodies, and each of the first and second gas flow path forming bodies is integrated with the flat plate portion and the flat plate portion.
  • the depth of the water flow path is set smaller than the depth of the gas flow path, and water is drawn from the gas flow path through the communication hole by capillary action.
  • the number of the protrusions with respect to the flat plate part in the high pressure loss flow path is the number of the protrusions with respect to the flat plate part in the low pressure loss flow path More than the number of It is preferably set.
  • the separator contacts the surface of the second gas flow path forming body, and the second gas flow path forming body is formed integrally with the flat plate portion and the flat plate portion to form an oxidizing gas flow path.
  • a plurality of projecting portions, and a water flow path is formed between the separator and the flat plate portion, and the water flow channel and the oxidizing gas flow channel are formed by cutting and raising each of the projecting portions.
  • the depth of the water channel is set smaller than the depth of the oxidizing gas channel, and water is sucked into the water channel by capillary action from the oxidizing gas channel through the communicating hole.
  • the discharge gas is discharged into the outlet passage by the flow pressure of the oxidizing gas, and the second gas flow path forming body is formed with a throttle passage by reducing a passage area in the downstream portion of the oxidizing gas flow path.
  • High to form the flow path Loss channel openings is provided, it is preferable that the downstream end of the water flow path is open to the throttle passage.
  • Each of the fuel gas channel and the oxidizing gas channel is formed by a plurality of channel grooves, and the channel area of each channel groove in the high-pressure loss channel is equal to each channel groove in the low-pressure loss channel. It is preferably smaller than the passage area.
  • Each of the fuel gas channel and the oxidant gas channel is formed by a plurality of channel grooves having the same channel area, and the plurality of channel grooves have a meandering channel groove and a straight channel groove.
  • the high-pressure loss channel is formed by the meandering channel groove
  • the low-pressure loss channel is formed by the straight channel groove.
  • An introduction passage located upstream of the fuel gas flow path of the first gas flow path forming body is formed as the high pressure loss flow path
  • the fuel gas flow path is formed as the low pressure loss flow path over the entire area
  • the oxidizing gas flow path of the second gas flow path forming body is formed as the low pressure loss flow path over the entire area
  • a lead-out passage located downstream of the oxidizing gas flow path is formed as the high pressure loss flow path. Is preferred.
  • the pressure loss when the upstream portion of the fuel gas passage is a high pressure loss passage, the pressure loss is large in the upstream portion, and the pressure of the fuel gas rapidly decreases. In addition, the pressure loss is small in the middle and downstream portions of the fuel gas flow path, and the pressure of the fuel gas gradually decreases. Further, when the downstream portion of the oxidizing gas passage is a high pressure loss passage, the pressure loss is small at the upstream portion and the midstream portion of the oxidizing gas passage, and the pressure of the oxidizing gas gradually decreases. Further, the pressure loss is large in the downstream portion of the oxidizing gas flow path, and the pressure of the oxidizing gas rapidly decreases.
  • the pressure difference between the pressure of the oxidizing gas in the oxidizing gas channel and the pressure of the fuel gas in the fuel gas channel increases over a wide area of the gas channel, and the pressure difference causes the oxidizing gas flow on the cathode side.
  • the water generated in the passage flows toward the anode through the solid electrolyte membrane of the electrode structure, and the solid electrolyte membrane is kept wet. As a result, during power generation, electrons move smoothly from the cathode toward the anode, and power generation efficiency is improved.
  • the pressure difference between the pressure of the oxidizing gas on the cathode side and the pressure of the fuel gas on the anode side can be properly maintained over a wide region of the gas flow path. Therefore, the generated water generated in the cathode-side oxidizing gas channel appropriately moves to the anode-side fuel gas channel through the solid electrolyte membrane of the electrode structure, thereby maintaining the solid electrolyte membrane in a wet state. As a result, electrons can be smoothly moved from the cathode to the anode during power generation, and power generation efficiency can be improved.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line 1-1 of FIG. 11 showing the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
  • the partial perspective view which shows the 1st and 2nd gas flow path formation body of the fuel cell of FIG.
  • the partial top view which shows the 1st and 2nd gas flow path formation body of FIG.
  • the graph which shows the relationship between the flow path length of a gas flow path, and the pressure of gas.
  • Sectional drawing which shows the electric power generation cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • the graph which shows the relationship between the flow path length of the gas flow path of the fuel cell of FIG. 5, and the pressure of gas.
  • Sectional drawing which shows the electric power generation cell of the fuel cell which concerns on 3rd Embodiment of this invention.
  • the fragmentary perspective view which shows the 2nd gas flow path formation body of the fuel cell of FIG. (A)-(c) is a top view which shows the 1st and 2nd gas flow path formation body of another embodiment of this invention.
  • (A), (b) is a front view explaining the flow path of the fuel gas and oxidizing gas of the conventional power generation cell, and the flow path direction of gas.
  • the graph which shows the relationship between the flow path length of the gas of the conventional power generation cell, and the pressure of gas.
  • (A), (b) is a graph which shows the relationship between the gas flow path length and gas pressure of the conventional counter flow type and coflow type power generation cell.
  • (A), (b) is a graph which shows the relationship between the gas flow path length and gas pressure of the conventional counter flow type and coflow type power generation cell.
  • the fuel cell stack 11 of the first embodiment is a solid polymer fuel cell and includes a large number of stacked power generation cells 12.
  • each power generation cell 12 includes a rectangular frame-shaped first and second frames 13 and 14, and a membrane electrode as an electrode structure disposed in the first and second frames 13 and 14.
  • the first and second frames 13 and 14 are made of synthetic resin such as synthetic rubber.
  • a fuel gas channel space 13 a is defined inside the first frame 13, and an oxidizing gas channel space 14 a is defined inside the second frame 14.
  • the MEA 15 is disposed between the first and second frames 13 and 14.
  • Each power generation cell 12 includes a first gas flow path forming body 21 accommodated in the fuel gas flow path space 13a and a second gas flow path forming body 22 accommodated in the oxidizing gas flow path space 14a.
  • the first gas flow path forming body 21 is made of ferrite SUS (stainless steel), titanium alloy, or carbon.
  • the second gas flow path forming body 22 is made of a ferritic SUS (stainless steel), a titanium alloy, carbon, a titanium alloy subjected to gold plating, or a gold alloy.
  • each power generation cell 12 includes a flat plate-like first separator 23 and a second separator 24.
  • the first separator 23 and the second separator 24 are made of ferrite SUS (stainless steel), titanium alloy, or carbon.
  • the first separator 23 is joined to the upper surfaces of the first frame 13 and the first gas flow path forming body 21 via a seal ring (not shown).
  • the second separator 24 is joined to the lower surface of the frame 14 and the second gas flow path forming body 22 via a seal ring (not shown).
  • the MEA 15 includes a solid electrolyte membrane 16, a first electrode catalyst layer 17 and a second electrode catalyst layer 18, and a first gas diffusion layer 19 and a second gas diffusion layer 20 having conductivity.
  • the first electrode catalyst layer 17 is formed by a catalyst laminated on the anode surface of the electrolyte membrane 16, that is, the upper surface in the drawing, and the second electrode catalyst layer 18 is laminated on the cathode surface of the electrolyte membrane 16, that is, the lower surface in the drawing. Formed by the catalyst.
  • the gas diffusion layers 19 and 20 are in contact with the surfaces of the electrode catalyst layers 17 and 18, respectively.
  • the solid electrolyte membrane 16 is formed of a fluorine polymer membrane.
  • Each of the electrode catalyst layers 17 and 18 includes carbon particles (not shown). A large number of catalyst particles made of platinum (Pt) are attached to the surface of the carbon particles. The power generation efficiency of the fuel cell can be increased by the catalytic action of the catalyst particles.
  • Each gas diffusion layer 19, 20 is made of carbon paper.
  • the first and second gas flow path forming bodies 21 and 22 will be described.
  • the first gas flow path forming body 21 located on the anode side and the second gas flow path forming body 22 located on the cathode side have the same configuration. Therefore, the 1st gas flow path formation body 21 is demonstrated.
  • the first gas flow path forming body 21 includes a flat plate portion 25, a plurality of first protrusions 26, a plurality of second protrusions 27, and a plurality of third protrusions 28.
  • the flat plate portion 25 is disposed in the vicinity of the first separator 23.
  • Each first protrusion 26 is cut and raised integrally with the flat plate portion 25 so as to be in contact with the gas diffusion layer 19 and has a flat trapezoidal shape when viewed from the Q direction perpendicular to the fuel gas flow direction P.
  • Each second protrusion 27 is cut and raised in the flat plate portion 25 so as to be in contact with the gas diffusion layer 19 and has a mountain shape when viewed from the Q direction.
  • Each of the third protrusions 28 is cut and raised integrally with the flat plate portion 25 so as to be in contact with the gas diffusion layer 19 and has a horizontal L shape when viewed from the Q arrow direction.
  • the flat plate portion 25 is formed from a number of strip plate portions 25a having a strip shape extending in the fuel gas flow direction P by cutting and raising the first to third protrusions 26 to 28.
  • the length of each strip 25a in the fuel gas flow direction P is set to be different in three stages: long, medium, and short.
  • the first to third protrusions 26 to 28 scattered in many places make the fuel gas diffusive and complicated.
  • a meandering fuel gas flow path T is formed.
  • the shortest strip plate portion 25a out of the strip plate portions 25a has a small semicircular arc-shaped water flow path forming projection so as to be in contact with the first separator 23 and viewed from the Q arrow direction. 29 is extruded.
  • a predetermined gap is formed between the first separator 23 and each strip 25a by the water flow path forming protrusion 29, and this gap causes the generated water to flow in the fuel gas flow direction P.
  • Openings formed on both sides of the protrusions 26 to 28 when viewed from the fuel gas flow direction P by cutting and raising the first to third protrusions 26 to 28 are connected to the fuel gas channel T and the water channel 30. It is the communication path 31 which connects.
  • the depth of the fuel gas channel T for example, 100 ⁇ m to 500 ⁇ m is set to be larger than the depth of the water channel 30, for example, 5 ⁇ m to 20 ⁇ m. Therefore, the generated water located on the fuel gas channel T side is sucked into the water channel 30 through the communication channel 31 by the capillary action of the water channel 30.
  • the first to third protrusions 26 to 28 in the upstream portion (the right side in the drawing) of the first gas passage forming body 21 in the fuel gas flow direction P are connected to the fuel gas passage T.
  • the flow resistance of the fuel gas is increased, the pressure loss is large, and the fuel gas is disposed at a high density in many places so that the pressure of the fuel gas drops rapidly.
  • the fuel gas flow path T having a large pressure loss upstream of the first gas flow path forming body 21 is defined as a high pressure loss flow path TH.
  • the first to third protrusions 26 to 28 in the middle portion and the downstream portion (the left side in the drawing) of the first gas passage forming body 21 in the fuel gas flow direction P are the flow resistance of the fuel gas in the fuel gas passage T.
  • the pressure loss is small, and the pressure of the fuel gas is gradually reduced to be low density.
  • the middle gas stream portion and the downstream fuel gas flow channel T of the first gas flow channel forming body 21 are defined as a low pressure loss flow channel TL. That is, the density of the first to third protrusions 26 to 28 in the upstream part is set higher than the density of the first to third protrusions 26 to 28 in the middle stream part and the downstream part.
  • the second gas flow path forming body 22 disposed on the cathode side shown in FIG. 1 has the same configuration as the first gas flow path forming body 21 shown in FIG.
  • an arrow U indicates the oxidizing gas flow direction U.
  • the oxidizing gas flow direction U is set in the direction opposite to the fuel gas flow direction P (left in the drawing) (right in the drawing).
  • the upstream part (the left side in the figure) and the middle part in the oxidizing gas flow direction U of the second gas flow path forming body 22 the flow resistance of the oxidizing gas in the oxidizing gas flow path F is reduced and the pressure is gradually lowered.
  • the first to third protrusions 26 to 28 are arranged with a low density.
  • the upstream and middle flow oxidizing gas flow paths F are defined as low pressure loss flow paths FL.
  • the first to third protrusions 26 so that the flow resistance of the oxidizing gas increases, the pressure loss increases rapidly, and the pressure decreases rapidly. 28 are arranged at a high density.
  • a downstream portion of the oxidizing gas flow path F is defined as a high pressure loss flow path FH. That is, the density of the first to third protrusions 26 to 28 in the upstream part and the middle stream part is set lower than the density of the first to third protrusions 26 to 28 in the downstream part.
  • the number of first to third protrusions 26 to 28 in the high pressure loss flow path TH is set to be larger than the number of first to third protrusions 26 to 28 in the low pressure loss flow path TL as shown in FIG.
  • the first and second frames 13 and 14 and the first and second separators 23 and 24 of each power generation cell 12 are formed with an introduction passage R1 and a lead-out passage R2.
  • the introduction passage R1 is provided to supply fuel gas, that is, hydrogen gas, from a fuel gas supply source (not shown) such as a hydrogen cylinder to the fuel gas passage T.
  • the lead-out passage R ⁇ b> 2 is provided to lead a part of the fuel gas that has not been used during power generation, that is, fuel off-gas, to the outside of the power generation cell 12.
  • the first and second frames 13 and 14 and the first and second separators 23 and 24 of the power generation cell 12 are formed with an introduction passage M1 and a discharge passage M2.
  • the introduction passage M1 is provided for introducing an oxidizing gas, that is, air from an oxidizing gas supply source (not shown), for example, a compressor, into the oxidizing gas flow path F.
  • the lead-out passage M2 is provided to lead a part of the oxidizing gas that is not used in power generation, that is, the oxidizing off gas, to the outside of the power generation cell 12.
  • fuel gas that is, hydrogen gas
  • the introduction passage R1 into the fuel gas flow path T of the first gas flow path forming body 21 along the fuel gas flow direction P (left side in the figure).
  • the fuel gas is diffused by passing through the first gas diffusion layer 19 in the gas flow path T, and is uniformly supplied to the first electrode catalyst layer 17.
  • the oxidizing gas supplied by the compressor that is, oxygen gas
  • the oxidizing gas flow path F of the second gas flow path forming body 22 through the introduction passage M1, and the oxidizing gas flow direction U (right side in the figure).
  • the oxidizing gas is diffused by passing through the second gas diffusion layer 20 in the oxidizing gas flow path F, and is uniformly supplied to the electrode catalyst layer 18.
  • an electrode reaction occurs in the MEA 15 to generate power.
  • desired power is output from the fuel cell stack 11 constituted by the plurality of stacked power generation cells 12.
  • a part of the fuel gas that was not used during power generation is discharged from the fuel gas flow path T of the first gas flow path forming body 21 to the outside of the fuel cell stack 11 through the lead-out path R2 as fuel off-gas.
  • Part of the oxidizing gas that was not used during power generation is discharged from the oxidizing gas flow path F to the outside of the fuel cell stack 11 through the outlet passage M2 as the oxidizing off gas.
  • the water is generated in the oxidizing gas flow path F of the second gas flow path forming body 22 on the cathode side by the electrode reaction in the MEA 15 described above. A part of this generated water is discharged to the outlet passage R2 by the flow pressure of the oxidizing gas flowing in the oxidizing gas flow path F. Since the pressure of the oxidizing gas in the oxidizing gas flow path F is higher than the pressure of the fuel gas in the fuel gas flow path T, a part of the generated water causes the second electrode catalyst layer on the cathode side due to the pressure difference. 18, penetrates the solid electrolyte membrane 16, the first electrode catalyst layer 17, and the first gas diffusion layer 19, and flows into the fuel gas passage T of the first gas passage formation body 21 as osmotic water. This permeated water is discharged to the outlet passage M2 by the flow pressure of the fuel gas flowing in the gas flow path T.
  • the fuel gas flow direction P and the oxidizing gas flow direction U of the anode-side and cathode-side gas flow path forming bodies 21 and 22 are set to be opposite to each other.
  • the upstream portion of the anode-side fuel gas passage T is the high-pressure loss passage TH
  • the middle portion and the downstream portion of the gas passage T are the low-pressure loss passage TL
  • the upstream portion of the cathode-side oxidation gas passage F is the middle stream part is the low pressure loss flow path FL
  • the downstream part is the high pressure loss flow path FH.
  • the pressure loss is large in the upstream portion of the fuel gas passage T, and the pressure of the fuel gas rapidly drops as shown by the pressure curve La.
  • the pressure loss is small in the middle and downstream portions of the fuel gas passage T, and the pressure of the fuel gas gradually decreases.
  • the pressure loss is small in the upstream portion and the midstream portion of the oxidizing gas flow path F, and the pressure of the oxidizing gas gradually decreases as shown by the pressure curve Lk.
  • the pressure loss is large in the downstream portion of the oxidizing gas flow path F, and the pressure of the oxidizing gas rapidly decreases.
  • the pressure difference ⁇ P between the pressure of the oxidizing gas flow path F and the pressure of the fuel gas flow path T increases over almost the entire area of the gas flow paths T and F. Therefore, the generated water in the cathode-side oxidizing gas flow path F properly flows into the anode-side fuel gas flow path T through the solid electrolyte membrane 16 of the electrode structure 15, and the solid electrolyte membrane 16 is kept in a wet state. Accordingly, during power generation, electrons move smoothly from the cathode through the solid electrolyte membrane 16 toward the anode, so that power generation efficiency can be improved.
  • the water flow path 30 is formed between the flat plate portion 25 of the first and second gas flow path forming bodies 21 and 22 and the first and second separators 23 and 24. Thereby, the fuel gas flow path T and the water flow path 30 are communicated with each other by the communication path 31, and the oxidizing gas flow path F and the water flow path 30 are communicated with each other by the communication path 31. For this reason, the water in the fuel gas channel T and the oxidant gas channel F can be taken into the water channel 30 through the communication channel 31 by capillary action. Therefore, a large amount of water droplets does not adhere to the surfaces of the gas diffusion layers 19 and 20, and the supply of fuel gas and oxidizing gas is not hindered. As a result, the shortage of supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the electrode structure 15 can be solved, and the power generation efficiency can be improved.
  • the oxidizing gas flow direction U (the left side in the drawing) of the gas flow path F of the second gas flow path forming body 22 is on the first gas flow path forming body 21 side. It is embodied in the same co-flow type fuel cell as the fuel gas flow direction P (left side in the figure).
  • the first and second gas flow path forming bodies 21 and 22 shown in FIG. 2 are accommodated in the flow path spaces 13 a and 14 a of the first and second frames 13 and 14 so as to be reversed left and right.
  • the upstream portion (right side in the drawing) and the middle flow region of the gas passage F of the second gas passage forming body 22 are set as the low pressure loss passage FL, and the downstream portion (left side in the drawing) is the high pressure loss passage. It is set to FH.
  • the introduction passage M1 is formed on the right side of the first and second frames 13, 14 and the first and second separators 23, 24, and the lead-out passage M2 is formed on the left side.
  • the pressure of the fuel gas is represented by a pressure curve La by the high-pressure loss passage TH upstream of the first gas passage formation body 21 as shown in FIG.
  • the fuel gas pressure drops rapidly, and the pressure of the fuel gas gradually drops due to the low pressure loss passage TL in the middle stream portion and the downstream portion.
  • the pressure of the oxidizing gas gradually drops as shown by the pressure curve Lk by the low pressure loss flow path FL in the upstream portion and the middle flow portion of the second gas flow path forming body 22, and the oxidizing gas is reduced by the high pressure loss flow passage FH. The pressure drops rapidly.
  • the second gas flow path forming body 22 is configured as shown in FIG.
  • the flat plate portion 25 of the second gas flow path forming body 22 is formed so as to be dotted with a number of protrusions 26 and water flow path forming protrusions 29 each having a shorter length of the first protrusion 26.
  • the protrusion 26 may be formed in a semicircular arc shape.
  • the two protruding portions 26 forming a pair are adjacent to each other in the direction Q perpendicular to the oxidizing gas flow direction U. Further, of the pair of protrusions 26, the downstream end of the protrusion 26 positioned upstream in the oxidizing gas flow direction U is adjacent to the upstream end of the protrusion 26 positioned downstream in the oxidizing gas flow direction U. is doing.
  • the water flow path forming protrusion 29 is formed so as to be adjacent to the upstream end of the protrusion 26 from the upstream side in the oxidizing gas flow direction U.
  • the protrusions 26 are arranged in two rows at predetermined intervals in the oxidizing gas flow direction U.
  • the plurality of groups of protrusions 26 in a row are arranged apart from each other by a predetermined width D in the direction Q perpendicular to the oxidizing gas flow direction U.
  • the flat plate portion 25 is formed with a plurality of parallel strip plate portions 25a. Between the strip plate portion 25 a and the first separator 23, a strip-shaped water channel 30 a that is a part of the water channel 30 is formed.
  • Each strip-shaped water flow path 30 a extends over the entire length of the flat plate portion 25 and the first separator 23 in the oxidizing gas flow direction U.
  • a flat plate portion 25 b extending along a direction intersecting with the strip plate portion 25 a is formed at a separation portion between the two pairs of protrusions 26.
  • a bypass water flow path 30 b that is a part of the water flow path 30 is formed.
  • a high pressure loss flow path forming plate 35 is about half the height of the protrusion 26 at the downstream end (left side in the drawing) of the second gas flow path forming body 22. It is shaped to rise to the height of The high-pressure loss channel forming plate 35 functions as a high-pressure loss channel forming unit for forming the high-pressure loss channel FH.
  • a bent plate portion 36 that is in contact with the second separator 24 is formed at the distal end portion of the high-pressure loss passage forming plate 35.
  • a storage chamber 37 is formed between the second separator 24 and the high-pressure loss flow path forming plate 35 for temporarily storing the water flowing out from the water flow path 30.
  • the high-pressure loss flow path forming plate 35 is formed with a plurality of slit-shaped openings 38 for allowing water in the storage chamber 37 to flow out. As shown in FIG. 7, a throttle passage 39 is formed between the high-pressure loss passage forming plate 35 and the gas diffusion layer 20 so that the passage area of the oxidizing gas passage F becomes narrower.
  • the first gas flow path forming body 21 on the anode side the first gas flow path forming body 21 of the first embodiment may be used.
  • the oxidizing gas flows in the gas flow path F formed by the second gas flow path forming body 22.
  • a high pressure loss flow path FH is formed by the high pressure loss flow path forming plate 35 in the downstream portion in the oxidizing gas flow direction U.
  • the pressure difference ⁇ P between the gas in the oxidizing gas flow path F and the fuel gas flow path T described above becomes large, and a part of the generated water appropriately moves from the cathode through the electrode structure 15 toward the anode. To do. Therefore, the solid electrolyte membrane 16 is in a wet state, and electrons can move smoothly during power generation, thereby improving power generation efficiency.
  • the gas flow path 41a with a small passage area is formed in multiple strips. It may be formed.
  • the gas flow path 41b with a large passage area may be formed in the downstream part of each gas flow path 41a. That is, the passage area of each gas passage 41a in the high pressure loss passage is smaller than the passage area of the gas passage 41b in the low pressure loss passage. As shown in FIG.
  • a recess 41c is formed on the inner surface of the gas channel 41a so as to increase the pressure loss.
  • a plurality of meandering gas flow paths 41d are formed to form a high pressure loss flow path with respect to the flat plate portion 41, and a straight gas flow path 41e for forming a low pressure loss flow path. May be formed.
  • the first and second gas flow path forming bodies 21 and 22 and the first and second separators 23 and 24 may be integrally formed. As a result, the number of parts can be reduced, manufacturing can be performed easily, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the fuel gas introduction passage R1 is provided with the high-pressure loss passage TH, and the fuel gas passage T of the first gas passage formation body 21 is located in the entire area. You may set to the low voltage
  • the high-pressure loss flow path FH may be provided in the oxidation off-gas outlet passage M2, and the oxidation gas flow path F of the second gas flow path forming body 22 may be set as the low-pressure loss flow path FL in the entire region.
  • the introduction passage R1 may be provided with the high-pressure loss passage TH, and the fuel gas passage T may be set to the low-pressure loss passage TL in the entire region.
  • the high-pressure loss flow path FH may be provided in the oxidation off-gas outlet passage M2, and the oxidation gas flow path F of the second gas flow path forming body 22 may be set as the low-pressure loss flow path FL in the entire region.
  • the pressure difference ⁇ P can be maintained at an effective pressure difference over the entire gas flow paths T and F, and the entire region of the solid electrolyte membrane 16 is wetted to further improve power generation efficiency. can do.
  • first gas flow path forming body 21 is provided with the high pressure loss flow path TH and the low pressure loss flow path TL, and the second gas flow path forming body 22 is a normal gas flow path in which the pressure loss changes linearly. May be. Further, only the second gas flow path forming body 22 is provided with the high pressure loss flow path FH and the low pressure loss flow path FL, and the first gas flow path forming body 21 is a normal gas flow path in which the pressure loss changes linearly. It may be.
  • the first and second gas flow path forming bodies 21 and 22 may be formed from a lath cut metal.
  • the high-pressure loss passage and the low-pressure loss passage may be formed by making the diameters of the many through holes of the last cut metal different.
  • a protrusion having a function corresponding to the water flow path forming protrusion 29 may be formed on the first and second separators 23 and 24.
  • a member having the same function as that of the high-pressure loss flow path forming plate 35 may be provided separately from the second gas flow path forming body 22.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

フレーム（１３，１４）によって保持された電極構造体（１５）は、固体電解質膜（１６）及び電極触媒層（１７，１８）よりなる。電極触媒層（１７，１８）の表面に第１及び第２ガス流路形成体（２１，２２）がそれぞれ接合される。第１及び第２ガス流路形成体（２１，２２）の各表面にセパレータ（２３，２４）が接合される。第１ガス流路形成体（２１）の燃料ガス流路Ｔの上流部に高圧損流路（ＴＨ）が形成され、中流部及び下流部に低圧損流路（ＴＬ）が形成される。第２ガス流路形成体（２２）の酸化ガス流路（Ｆ）の上流部及び中流部に低圧損流路（ＦＬ）が形成され、下流部に高圧損流路（ＦＨ）が形成される。酸化ガスの圧力と燃料ガスの圧力との間の差を大きくすることにより、酸化ガス流路（Ｆ）内の生成水が燃料ガス流路（Ｔ）へ適正に移動する。固体電解質膜（１６）が湿潤状態となり、発電時の電子のカソードからアノードへの移動が適正に行われる。

Description

燃料電池
　本発明は、例えば電気自動車に用いられる燃料電池に係り、より詳しくは発電性能を向上することができる燃料電池に関する。
　一般に、燃料電池は、図１１に示すように積層された多数枚の発電セル１２からなる燃料電池スタック１１を備える。図１３に示すように、各発電セル１２を構成する一対のフレーム１３，１４の接合部には電極構造体１５が装着されている。この電極構造体１５は、固体電解質膜１６と、アノード側に位置する電極触媒層１７と、カソード側に位置する電極触媒層１８とを備えている。固体電解質膜１６の外周縁は、前記両フレーム１３，１４により挟まれて固定されている。前記電極触媒層１７の表面にはアノード側のガス拡散層１９が積層され、前記電極触媒層１８の表面にはカソード側のガス拡散層２０が積層されている。さらに、ガス拡散層１９の表面にはアノード側の燃料ガス流路Ｔを形成する第１ガス流路形成体２１が積層され、前記ガス拡散層２０の表面には、カソード側の酸化ガス流路Ｆを形成する第２ガス流路形成体２２が積層されている。前記第１ガス流路形成体２１の表面には平板状の第１セパレータ２３が接合され、第２ガス流路形成体２２の表面には平板状の第２セパレータ２４が接合されている。
　図１１及び図１２に示すように、前記発電セル１２に形成された燃料ガスの導入通路Ｒ１から前記燃料ガス流路Ｔに燃料ガス、即ち水素ガスが供給されるとともに、同じく前記発電セル１２に形成された酸化ガス用の導入通路Ｍ１から酸化ガス、即ち酸素ガスが前記酸化ガス流路Ｆに供給される。燃料ガス及び酸化ガスの供給により、前記電極構造体１５において燃料ガスと酸化ガスが電気化学的に反応して発電が行われる。発電の際に使用されなかった燃料ガス及び酸化ガス、即ち燃料オフガス及び酸化オフガスは、発電セル１２に形成された燃料オフガス用の導出通路Ｒ２及び酸化オフガス用の導出通路Ｍ２を通してそれぞれ発電セル１２の外部に排出される。（特許文献１参照）
特開２００７－２０７７２５号公報 特開２００３－９２１２１号公報 特開２００１－２５６９８８号公報 特開２００２－１７５８２１号公報 特開２００６－２１０００４号公報
　ところが、従来の燃料電池では、図１２及び図１３に示すように、前記ガス流路形成体２１，２２の燃料ガス流路Ｔ及び酸化ガス流路Ｆがそれぞれ同形状に形成されている。また、ガス流路の全長にわたって燃料ガス及び酸化ガスの圧力が図１４に示すようにそれぞれ直線的に降下するようになっているので、次のような問題がある。
　発電セル１２によって発電が行われると、水素と酸素の電気化学反応によって、周知のようにカソード側の電極触媒層１８及びガス拡散層２０に水が生成される。発電効率を向上するためには、燃料ガスと酸化ガスとを加湿器によりそれぞれ加湿することによりガス流路に加湿水を供給して電極構造体１５の固体電解質膜１６を、発電時に電子が移動し易い湿潤状態にすることが望ましい。しかし、加湿器を用いると、部品点数が多くなる。また、加湿器を作動させる分、発電効率が低下する。そのため、カソード側の生成水を利用する無加湿方式も採用されるようになっている。図１４に示すように、カソード側の酸化ガスの入口圧力は、アノード側の燃料ガスの入口圧力よりも高く設定されている。この圧力差によって生成水の一部は、前記電極構造体１５の固体電解質膜１６を浸透して、アノード側のガス拡散層１９及び第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔに浸透水として浸入する。従って、固体電解質膜１６が湿潤状態になるため、発電の際にアノードから電子が電極構造体１５の固体電解質膜１６を透過してカソードに移動する際に、電気抵抗が低減される。その結果、電子の移動が円滑に行われ、発電効率が向上する。
　しかしながら、従来の燃料電池では、図１４に示すように、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の燃料ガス流路Ｔ及び酸化ガス流路Ｆのガスの圧力の下降勾配が直線Ｓａ，Ｓｋで示すようにそれぞれ変化し、直線Ｓａ，Ｓｋが途中で交差する。このため、アノード側の燃料ガス流路Ｔの圧力と、カソード側の酸化ガス流路Ｆの圧力との間の圧力差ΔＰは、図１４の領域Ａ及び領域Ｂとして示されるようになる。領域Ａではカソード側のガス流路Ｆの圧力がアノード側のガス流路Ｔの圧力よりも高いので、カソード側の生成水が電極構造体１５を通してアノードに向かって移動する。しかし、カソード側のガス流路の下流部においては、領域Ｂに示すように圧力の高低が逆転するので、生成水がアノードへ向かって移動することはない。従って、固体電解質膜１６が湿潤状態とならず、発電時に電子が移動し難くなり、発電効率が低下する。
　上述した燃料電池は、図１２及び図１３に示すように、アノード側の燃料ガスの流路方向と、カソード側の酸化ガスの流路方向が互いに逆の所謂カウンターフロータイプである。これに対して、前記アノード側の燃料ガスの流路方向と、カソード側の酸化ガスの流路方向とが互いに同じ所謂コフロータイプの燃料電池の場合には、以下のような問題がある。
　図１５に示すように、ガス流路Ｔ，Ｆのほぼ全域に亘ってカソード側の酸化ガス流路Ｆの直線Ｓｋで示す圧力がアノード側の燃料ガス流路Ｔの直線Ｓａで示す圧力よりも高い。従って、直線Ｓｋ，Ｓａで示される二つの圧力の高低が逆転することはないので、生成水のカソードからアノードへの移動がガス流路Ｔ，Ｆの全域に亘って行われる筈である。しかし、ガス流路の下流へ向かうに従って、前記圧力差ΔＰが漸減するので、ガス流路の中流部及び下流部において、生成水のアノード側のガス流路Ｔへの移動を適正に行うことができないという問題がある。
　上記の問題を解消するため、特許文献２に記載されるカウンターフロータイプの燃料電池が提案されている。この燃料電池では、図１６（ａ）に示すように、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔの幅が上流から下流へ向かって拡大されるとともに、図１６（ｂ）に示すように、酸化ガス流路Ｆの幅が上流から下流へ向かって減少されている。この燃料電池では、アノード側とカソード側の圧力差ΔＰが有効に作用する領域を、図１４に示す有効領域と比較して、図１７に示すようにある程度長くすることができる。しかし、前記圧力差ΔＰの前述した逆転領域がまだ存在するので、無加湿運転または高温環境下においては、固体電解質膜１６の湿潤状態を適正に保持するには改善の余地がある。
　又、燃料電池の無加湿特性を向上するために、特許文献３～５は、運転状態によって、燃料ガス及び酸化ガスの圧力を調整する背圧調整弁を備えた燃料電池を開示している。これらの燃料電池においては、酸化ガス流路側の出口弁を絞り、酸化ガスの圧力を高くする。これにより、カウンターフロータイプの場合には、図１８（ａ）に示すように、コフロータイプの場合には、図１８（ｂ）に示すように、前記圧力差ΔＰが大きくなる。しかしながら、上記の燃料電池は、前記圧力差ΔＰを大きくして、固体電解質膜１６の広い領域を湿潤状態に保持することができる反面、酸化ガスの入口側の導入圧力を高くしなければならない。そのため、エアコンプレッサの補機動力損が増大し、燃料電池の発電効率の低下を招くことになる。
　上記の補機損失を抑制する対策として、カウンターフロータイプの場合には、図１９（ａ）に示すように、コフロータイプの場合には、図１９（ｂ）に示すように、酸化ガス流路及び燃料ガス流路の圧力損失を大幅に低下させるとともに、酸化ガスの入口側の導入圧力を増大させないようにする構成も考えられる。しかしながら、この燃料電池においては、極めて圧損の低い流路を各発電セル間でバラツキなく製造する高度な技術が必要とされるため、実現性に乏しい。
　本発明の目的は、発電効率の低下を抑制することができる燃料電池を提供することにある。
　上記問題点を解決するために、本発明の一態様によれば、アノード面及びカソード面を有する電解質膜と、前記電解質膜の前記アノード面上及び前記カソード面上にそれぞれ積層された一対の電極触媒層と、前記一対の電極触媒層の一方に積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、前記一対の電極触媒層の他方に積層され、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記第１及び第２ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられた一対のセパレータと、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路に燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ導入する一対の導入通路と、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路から燃料オフガス及び酸化オフガスをそれぞれ導出する一対の導出通路とを備えた燃料電池が提供される。その燃料電池において、前記第１及び第２ガス流路形成体の前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向が互いに同方向又は逆方向に設定され、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の各々は、ガスの流れ方向に沿って上流部、中流部、及び下流部を有し、前記第１ガス流路形成体の前記燃料ガス流路の上流部と、前記第２ガス流路形成体の前記酸化ガス流路の下流部との少なくとも一方が高圧損流路であり、前記第１ガス流路形成体の前記燃料ガス流路の中流部及び下流部と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流部及び中流部との少なくとも一方が高圧損流路よりも低い圧損を有する低圧損流路である。
　前記第１及び第２ガス流路形成体の表面には、前記一対のセパレータがそれぞれ接触し、前記第１及び第２ガス流路形成体の各々は、平板部と、該平板部に一体に成形され、ガス流路を形成する複数の突部とを備え、前記平板部と隣接する前記セパレータとの間には水流路が形成され、該水流路と前記ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された連通孔を通して互いに連通され、前記水流路の深さは、前記ガス流路の深さよりも小さく設定され、水が前記ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれることにより、ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出され、前記高圧損流路における前記平板部に対する前記突部の数は、前記低圧損流路における前記平板部に対する前記突部の数よりも多く設定されていることが好ましい。
　或いは、前記第２ガス流路形成体の表面には、前記セパレータが接触し、該第２ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、酸化ガス流路を形成する複数の突部とを備え、前記セパレータと前記平板部との間には水流路が形成され、該水流路と前記酸化ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された連通孔を通して互いに連通され、前記水流路の深さは、前記酸化ガス流路の深さよりも小さく設定され、水が前記酸化ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれることにより、前記酸化ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出され、前記第２ガス流路形成体には、前記酸化ガス流路の下流部の通路面積を減少させて絞り通路を形成することにより高圧損流路を形成するための高圧損流路形成部が設けられ、前記水流路の下流端が前記絞り通路に開口していることが好ましい。
　前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の各々は、複数条の流路溝によって形成され、前記高圧損流路における各流路溝の通路面積は、前記低圧損流路における各流路溝の通路面積よりも小さいことが好ましい。
　前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の各々は、同一の通路面積を有する複数条の流路溝によって形成され、前記複数条の流路溝は、蛇行した形状の流路溝とストレート状の流路溝とからなり、前記高圧損流路は、前記蛇行した形状の流路溝により形成され、前記低圧損流路は、前記ストレート状の流路溝により形成されていることが好ましい。
　前記第１ガス流路形成体の前記燃料ガス流路の上流部に位置する導入通路が前記高圧損流路として形成され、前記燃料ガス流路が全域で前記低圧損流路として形成され、前記第２ガス流路形成体の前記酸化ガス流路が全域で前記低圧損流路として形成され、前記酸化ガス流路の下流部に位置する導出通路が前記高圧損流路として形成されていることが好ましい。
　（作用）
　本発明においては、燃料ガス流路の上流部が高圧損流路である場合には、該上流部において圧力損失が大きく、燃料ガスの圧力が急激に低下する。また、燃料ガス流路の中流部及び下流部において圧力損失が小さく、燃料ガスの圧力が緩やかに低下する。又、酸化ガス流路の下流部が高圧損流路である場合には、酸化ガス流路の上流部及び中流部において圧力損失が小さく、酸化ガスの圧力が緩やかに低下する。また、酸化ガス流路の下流部において圧力損失が大きく、酸化ガスの圧力が急激に低下する。このため、酸化ガス流路の酸化ガスの圧力と、燃料ガス流路の燃料ガスの圧力との間の圧力差がガス流路の広い領域にわたって大きくなり、前記圧力差によりカソード側の酸化ガス流路の生成水が電極構造体の固体電解質膜を通してアノードに向かって流れ、固体電解質膜が湿潤状態に保たれる。この結果、発電の際に電子がカソードからアノードに向かって円滑に移動し、発電効率が向上する。
　本発明によれば、カソード側の酸化ガスの圧力と、アノード側の燃料ガスの圧力との圧力差を、ガス流路の広い領域にわたって適正に保持することができる。そのため、カソード側の酸化ガス流路に生成された生成水が電極構造体の固体電解質膜を通してアノード側の燃料ガス流路に適正に移動することにより、固体電解質膜が湿潤状態に保持される。その結果、発電の際のカソードからアノードへ向かう電子の移動を円滑に行い、発電効率を向上することができる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示す図１１の１－１線に沿った断面図。 図１の燃料電池の第１及び第２ガス流路形成体を示す部分斜視図。 図２の第１及び第２ガス流路形成体を示す部分平面図。 ガス流路の流路長さとガスの圧力との間の関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係る発電セルを示す断面図。 図５の燃料電池のガス流路の流路長さとガスの圧力との間の関係を示すグラフ。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池の発電セルを示す断面図。 図７の燃料電池の第２ガス流路形成体を示す部分斜視図。 （ａ）～（ｃ）は、本発明の別の実施形態の第１及び第２ガス流路形成体を示す平面図。 本発明の別の実施形態の発電セルを示す分解斜視図。 燃料電池スタックを示す斜視図。 従来の発電セルを示す分解斜視図。 従来の発電セルの図１１の１－１線に沿った断面図。 従来のカウンターフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との間の関係を示すグラフ。 従来のコフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との間の関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は、従来の発電セルの燃料ガス及び酸化ガスの流路とガスの流路方向とを説明する正面図。 従来の発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との間の関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は、従来のカウンターフロータイプ及びコフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との間の関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は、従来のカウンターフロータイプ及びコフロータイプの発電セルのガスの流路長さとガスの圧力との間の関係を示すグラフ。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の第１実施形態に係るカウンターフロータイプの燃料電池を図１～図４及び図１１に従って説明する。
　図１１に示すように、第１実施形態の燃料電池スタック１１は、固体高分子型の燃料電池であり、積層された多数の発電セル１２を含む。
　図１に示すように、各発電セル１２は、四角枠状の第１及び第２フレーム１３，１４と、同第１及び第２フレーム１３，１４内に配置された電極構造体としての膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１５とを備えている。第１及び第２フレーム１３，１４は、合成ゴム等の合成樹脂からなる。第１フレーム１３の内側には燃料ガスの流路空間１３ａが区画されており、第２フレーム１４の内側には酸化ガスの流路空間１４ａが区画されている。前記ＭＥＡ１５は、第１及び第２フレーム１３，１４間に配設されている。
　各発電セル１２は、前記燃料ガスの流路空間１３ａに収容された第１ガス流路形成体２１と、前記酸化ガスの流路空間１４ａに収容された第２ガス流路形成体２２とを備えている。第１ガス流路形成体２１は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、或いはカーボンよりなる。第２ガス流路形成体２２は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、カーボン、金鍍金を施したチタン合金、或いは金合金よりなる。さらに、各発電セル１２は、平板状の第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４を備えている。第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、或いはカーボンよりなる。第１セパレータ２３は、第１フレーム１３及び第１ガス流路形成体２１の図示上面に図示しないシールリングを介して接合されている。第２セパレータ２４は、フレーム１４及び第２ガス流路形成体２２の図示下面に図示しないシールリングを介して接合されている。
　前記ＭＥＡ１５は、固体電解質膜１６と、第１電極触媒層１７及び第２電極触媒層１８と、導電性を有する第１ガス拡散層１９及び第２ガス拡散層２０とからなる。第１電極触媒層１７は、電解質膜１６のアノード面、即ち図示上面に積層された触媒により形成されており、第２電極触媒層１８は、電解質膜１６のカソード面、即ち図示下面に積層された触媒によって形成されている。ガス拡散層１９，２０は、電極触媒層１７，１８の表面にそれぞれ接触している。
　前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。各電極触媒層１７，１８は、炭素粒子（図示しない）を含む。炭素粒子の表面には、白金（Ｐｔ）からなる多数の触媒粒子が付着している。前記触媒粒子による触媒作用により、燃料電池の発電効率を高めることができる。各ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーからなる。
　次に、前記第１及び第２ガス流路形成体２１，２２について説明する。アノード側に位置する第１ガス流路形成体２１と、カソード側に位置する第２ガス流路形成体２２とは、同一の構成を有する。そのため、第１ガス流路形成体２１について説明する。
　図２において、矢印Ｐを燃料ガス流方向Ｐと定義する。前記第１ガス流路形成体２１は、平板部２５、複数の第１突部２６、複数の第２突部２７、及び複数の第３突部２８を備える。平板部２５は、第１セパレータ２３に近接して配置される。各第１突部２６は、前記ガス拡散層１９と接触するように該平板部２５に一体に切り起こし成形され、かつ前記燃料ガス流方向Ｐと直交するＱ方向から見て偏平台形状を有する。各第２突部２７は、ガス拡散層１９に接触するように平板部２５に切り起こし成形され、かつ前記Ｑ方向から見て山形状を有する。各第３突部２８は、ガス拡散層１９と接触するように平板部２５に一体に切り起こし成形され、かつＱ矢印方向から見て横Ｌ字状を有する。
　図２及び図３に示すように、前記平板部２５は、前記第１～第３突部２６～２８の切り起こし成形によって、燃料ガス流方向Ｐに延びる帯状をなす多数の帯板部２５ａからなる。各帯板部２５ａの燃料ガス流方向Ｐの長さは、本実施形態では長・中・短の三段階に異なるように設定されている。図１に示すように前記ガス拡散層１９と各帯板部２５ａとの間には、多数箇所に散在する前記第１～第３突部２６～２８によって燃料ガスの拡散性に優れた複雑に蛇行する燃料ガス流路Ｔが形成されている。
　図２に示すように、前記帯板部２５ａのうち最も短い帯板部２５ａには、第１セパレータ２３と接触するように、かつＱ矢印方向から見て小さい半円弧状の水流路形成突部２９が押し出し成形されている。図１及び図２に示すように、前記水流路形成突部２９によって第１セパレータ２３と各帯板部２５ａとの間に所定の隙間が形成され、この隙間が生成水を燃料ガス流方向Ｐの上流から下流に向かって導くための水流路３０となっている。
　前記第１～第３突部２６～２８の切り起こしによって各突部２６～２８の燃料ガス流方向Ｐから見て両側に形成された開口が、前記燃料ガス流路Ｔと水流路３０とを連通する連通路３１である。前記燃料ガス流路Ｔの深さ、例えば１００μｍ～５００μｍは、水流路３０の深さ、例えば５μｍ～２０μｍよりも大きくなるように設定されている。そのため、水流路３０の毛管作用によって、燃料ガス流路Ｔ側に位置する生成水が連通路３１を通して水流路３０に吸い込まれる。
　次に、本実施形態の要部の構成について説明する。
　図２及び図３に示すように、前記第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流方向Ｐの上流部（図示右側）の第１～第３突部２６～２８は、燃料ガス流路Ｔの燃料ガスの流動抵抗が大きくなって圧力損失が大きく、燃料ガスの圧力が急激に降下するように多数箇所に高い密度で配設されている。この第１ガス流路形成体２１の上流部の圧力損失が大きい燃料ガス流路Ｔを、高圧損流路ＴＨと定義する。一方、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流方向Ｐの中流部及び下流部（図示左側）の第１～第３突部２６～２８は、燃料ガス流路Ｔの燃料ガスの流動抵抗が小さくなって圧力損失が小さく、燃料ガスの圧力が緩やかに低くなるように低い密度で配設されている。この第１ガス流路形成体２１の中流部及び下流部の燃料ガス流路Ｔを、低圧損流路ＴＬと定義する。即ち、上流部の第１～第３突部２６～２８の密度は、中流部及び下流部の第１～第３突部２６～２８の密度よりも高く設定されている。
　図１に示すカソード側に配設された第２ガス流路形成体２２は、前述したように、図２に示す前記第１ガス流路形成体２１と同様の構成を有する。又、図１において、矢印Ｕは、酸化ガス流方向Ｕを示す。この酸化ガス流方向Ｕは前記燃料ガス流方向Ｐ（図示左）と逆（図示右）方向に設定されている。第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流方向Ｕの上流部（図示左側）及び中流部において、酸化ガス流路Ｆの酸化ガスの流動抵抗が小さくなって圧力が緩やかに低くなるように前記第１～第３突部２６～２８が低い密度で配設されている。この上流部及び中流部の酸化ガス流路Ｆを低圧損流路ＦＬと定義する。反対に、酸化ガス流路Ｆの下流部（図示右側）において、酸化ガスの流動抵抗が大きくなって圧力損失が急激に大きくなり、圧力が急激に低下するように第１～第３突部２６～２８が高い密度で配設されている。この酸化ガス流路Ｆの下流部を高圧損流路ＦＨと定義する。即ち、上流部及び中流部の第１～第３突部２６～２８の密度は、下流部の第１～第３突部２６～２８の密度よりも低く設定されている。高圧損流路ＴＨにおける第１～第３突部２６～２８の数は、低圧損流路ＴＬにおける第１～第３突部２６～２８の数よりも多く設定されている
　図１に示すように、前記各発電セル１２の第１及び第２フレーム１３，１４及び第１及び第２セパレータ２３，２４には、導入通路Ｒ１及び導出通路Ｒ２が形成されている。導入通路Ｒ１は、図示しない燃料ガス供給源、例えば水素ボンベから燃料ガス、即ち水素ガスを前記燃料ガス流路Ｔへ供給するために設けられている。導出通路Ｒ２は、発電の際に用いられなかった一部の燃料ガス、即ち燃料オフガスを発電セル１２の外部に導出するために設けられている。前記発電セル１２の第１及び第２フレーム１３，１４及び第１及び第２セパレータ２３，２４には、導入通路Ｍ１及び導出通路Ｍ２が形成されている。導入通路Ｍ１は、図示しない酸化ガス供給源、例えばコンプレッサから酸化ガス、即ち空気を前記酸化ガス流路Ｆへ導入するために設けられている。導出通路Ｍ２は、発電の際に用いられなかった一部の酸化ガス、即ち酸化オフガスを発電セル１２の外部に導出するために設けられている。
　次に、上述の構成を有する燃料電池の作用について説明する。
　図１において、燃料ガス、即ち水素ガスは、前記導入通路Ｒ１から前記第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔ内に供給され、燃料ガス流方向Ｐ（図示左方）に沿って流れる。燃料ガスは、ガス流路Ｔ内において第１ガス拡散層１９を通過することによって拡散されて、第１電極触媒層１７に均一に供給される。図１において、コンプレッサによって供給された酸化ガス、即ち酸素ガスは、前記導入通路Ｍ１を通して、前記第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆに供給され、酸化ガス流方向Ｕ（図示右方）に沿って流れる。酸化ガスは、酸化ガス流路Ｆ内において第２ガス拡散層２０を通過することによって拡散されて、電極触媒層１８に均一に供給される。燃料ガスと酸化ガスとの供給により、ＭＥＡ１５において電極反応が生じ、発電が行われる。その結果、積層された複数の発電セル１２によって構成された燃料電池スタック１１から、所望の電力が出力される。
　発電の際に用いられなかった一部の燃料ガスは、燃料オフガスとして第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔから導出通路Ｒ２を通って燃料電池スタック１１の外部に排出される。発電の際に用いられなかった一部の酸化ガスは、酸化ガス流路Ｆから酸化オフガスとして導出通路Ｍ２を通って燃料電池スタック１１の外部に排出される。
　前述したＭＥＡ１５における電極反応によって、カソード側の第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆに水が生成される。この生成水の一部は、酸化ガス流路Ｆ内を流れる酸化ガスの流動圧力によって導出通路Ｒ２に排出される。前記生成水の一部は、酸化ガス流路Ｆ内の酸化ガスの圧力が燃料ガス流路Ｔ内の燃料ガスの圧力よりも高いので、その圧力差により、カソード側の前記第２電極触媒層１８、固体電解質膜１６、第１電極触媒層１７及び第１ガス拡散層１９に浸透して、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔへ浸透水として流入する。この浸透水はガス流路Ｔ内を流れる燃料ガスの流動圧力によって導出通路Ｍ２へ排出される。
　第１実施形態の燃料電池によれば、以下のような利点を得ることができる。
　（１）前記アノード側及びカソード側のガス流路形成体２１，２２の燃料ガス流方向Ｐ及び酸化ガス流方向Ｕが互いに逆方向に設定されている。アノード側の燃料ガス流路Ｔの上流部が高圧損流路ＴＨであり、ガス流路Ｔの中流部及び下流部が低圧損流路ＴＬであり、カソード側の酸化ガス流路Ｆの上流部及び中流部が低圧損流路ＦＬであり、下流部が高圧損流路ＦＨである。このため、図４に示すように、燃料ガス流路Ｔの上流部において圧力損失が大きく、圧力曲線Ｌａで示すように燃料ガスの圧力が急激に降下する。また、燃料ガス流路Ｔの中流部及び下流部において圧力損失が小さく、燃料ガスの圧力が緩やかに低下する。一方、酸化ガス流路Ｆの上流部及び中流部において圧力損失が小さく、圧力曲線Ｌｋで示すように、酸化ガスの圧力の低下が緩やかとなる。また、酸化ガス流路Ｆの下流部において圧力損失が大きく、酸化ガスの圧力が急激に低下する。このため、酸化ガス流路Ｆの圧力と燃料ガス流路Ｔの圧力との間の圧力差ΔＰがガス流路Ｔ，Ｆのほぼ全域にわたって大きくなる。そのため、カソード側の酸化ガス流路Ｆの生成水が電極構造体１５の固体電解質膜１６を通してアノード側の燃料ガス流路Ｔに適正に流れ、固体電解質膜１６が湿潤状態に保たれる。従って、発電の際に電子がカソードから固体電解質膜１６を通してアノードに向かって円滑に移動するため、発電効率を向上することができる。
　（２）第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の平板部２５と第１及び第２セパレータ２３，２４との間に水流路３０が形成されている。それにより、燃料ガス流路Ｔと水流路３０とが連通路３１によって互いに連通され、かつ酸化ガス流路Ｆと水流路３０とが連通路３１によって互いに連通されている。このため、燃料ガス流路Ｔ及び酸化ガス流路Ｆ内の水を毛細管作用により連通路３１を通して水流路３０に取り込むことができる。従って、前記ガス拡散層１９，２０の表面に水滴が多量に付着して、燃料ガス及び酸化ガスの供給が阻害されることはない。その結果、電極構造体１５への燃料ガス及び酸化ガスの供給不足を解消し、発電効率を向上することができる。
　（３）平板部２５に第１～第３突部２６，２７，２８が成形されるとともに、水流路形成突部２９が成形されている。そのため、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の製造を容易に行い、製造コストを低減することができる。
（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池を図５及び図６に基づいて説明する。以下に示す各実施形態において、前述した第１実施形態と同様の機能を有する部材については、同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態との異なる構成、作用及び効果を中心に説明する。
　この第２実施形態は、図５に示すように、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆの酸化ガス流方向Ｕ（図示左方）が前記第１ガス流路形成体２１側の燃料ガス流方向Ｐ（図示左方）と同じコフロータイプの燃料電池に具体化されている。図５において、第１及び第２フレーム１３，１４の流路空間１３ａ，１４ａには、図２に示す第１及び第２ガス流路形成体２１，２２が左右反転して収容されている。そして、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆの上流部（図示右側）及び中流部の領域が低圧損流路ＦＬに設定され、下流部（図示左側）の領域が高圧損流路ＦＨに設定されている。前記導入通路Ｍ１は第１及び第２フレーム１３，１４及び第１及び第２セパレータ２３，２４の右側に、導出通路Ｍ２は左側に形成されている。
　次に、第２実施形態の燃料電池の作用及び効果について説明する。
　第２実施形態の燃料電池においては、発電が行われると、図６に示すように、第１ガス流路形成体２１の上流部の高圧損流路ＴＨによって燃料ガスの圧力が圧力曲線Ｌａで示すように急激に降下し、中流部及び下流部の低圧損流路ＴＬによって燃料ガスの圧力が緩やかに降下する。一方、第２ガス流路形成体２２の上流部及び中流部の低圧損流路ＦＬによって、酸化ガスの圧力が圧力曲線Ｌｋで示すように緩やかに降下し、高圧損流路ＦＨによって、酸化ガスの圧力が急激に降下する。このため、酸化ガスの圧力と燃料ガスの圧力との間の圧力差ΔＰがガス流路の全長にわたって大きい状態に保持される。そのため、カソードから電極構造体１５の固体電解質膜１６を通してアノードへの生成水の移動を適正に行い、固体電解質膜１６を湿潤状態に保持することにより、発電の際に電子の移動を促進し、発電効率を向上することができる。
（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池を図７及び図８に基づいて説明する。
　この第３実施形態においては、前記第２ガス流路形成体２２が図８に示すように構成されている。前記第２ガス流路形成体２２の平板部２５には、前記第１突部２６の長さを短くした多数の突部２６及び水流路形成突部２９がそれぞれ点在するように成形されている。突部２６が半円弧状に形成されてもよい。
　図８に示すように、対を成す二つの突部２６は、酸化ガス流方向Ｕと直交する方向Ｑにおいて互いに隣接している。さらに、一対の突部２６のうち、酸化ガス流方向Ｕの上流側に位置する突部２６の下流端部は、酸化ガス流方向Ｕの下流側に位置する突部２６の上流端部に隣接している。前記水流路形成突部２９は、酸化ガス流方向Ｕの上流側から前記突部２６の上流端部に隣接するように成形されている。
　突部２６は、酸化ガス流方向Ｕにおいて所定の間隔を隔てて二列ずつ並んで配設されている。列状をなす突部２６の複数の群は、酸化ガス流方向Ｕと直交する方向Ｑにおいて、所定の幅Ｄだけ離間して配置されている。平板部２５には、互いに複数の平行な帯板部２５ａが形成されている。帯板部２５ａと第１セパレータ２３との間には、前記水流路３０の一部である帯状水流路３０ａが形成されている。各帯状水流路３０ａは、酸化ガス流方向Ｕにおいて平板部２５と第１セパレータ２３との全長にわたって延びている。酸化ガス流方向Ｕにおいて隣接する二対の突部２６は、酸化ガス流方向Ｕにおいて所定の間隔Ｅだけ離間されている。平板部２５において二対の突部２６の離間部分には、前記帯板部２５ａと交差する方向に沿って延びる平板部２５ｂが形成されている。前記平板部２５ｂと第１セパレータ２３との間には、前記水流路３０の一部であるバイパス水流路３０ｂが形成されている。
　図７及び図８に示すように、前記第２ガス流路形成体２２の下流部（図示左側）端部には、高圧損流路形成板３５が前記突部２６の高さの約半分くらいの高さに隆起するように成形されている。高圧損流路形成板３５は、高圧損流路ＦＨを形成するための高圧損流路形成部として機能する。この高圧損流路形成板３５の先端部には、第２セパレータ２４と接触する屈曲板部３６が成形されている。第２セパレータ２４と高圧損流路形成板３５との間には水流路３０から流出された水を一時的に貯留するための貯留室３７が形成されている。前記高圧損流路形成板３５には貯留室３７内の水を流出させるためのスリット状の複数の開口３８が形成されている。図７に示すように、前記高圧損流路形成板３５とガス拡散層２０との間には、酸化ガス流路Ｆの通路面積が狭くなる絞り通路３９が形成されている。
　この第３実施形態の第１ガス流路形成体２１は、図８に示す第２ガス流路形成体２２の前記高圧損流路形成板３５～開口３８を省略するとともに、前記突部２６の数を高圧損流路ＴＨと低圧損流路ＴＬで相違させたものが用いられている。なお、アノード側の第１ガス流路形成体２１として、第１実施形態の第１ガス流路形成体２１が用いられてもよい。
　次に、第３実施形態の燃料電池の作用及び効果について説明する。
　図７において、酸化ガスは、第２ガス流路形成体２２によって形成されるガス流路Ｆ内を流れる。酸化ガス流方向Ｕの下流部において、前記高圧損流路形成板３５によって高圧損流路ＦＨが形成されている。このため、前述した酸化ガス流路Ｆと燃料ガス流路Ｔのガスとの間の圧力差ΔＰが大きくなって、生成水の一部がカソードから電極構造体１５を通してアノードに向かって適正に移動する。従って、固体電解質膜１６が湿潤状態となり、発電時に電子の移動を円滑に行い、発電効率を向上することができる。
　前記高圧損流路形成板３５とガス拡散層２０との間に形成された絞り通路３９を流れる酸化ガスの流速が速くなるので、ベンチュリー効果により前記貯留室３７内の水が絞り通路３９内に吸い出される。このため、水流路３０内の水の排出が適正に行われ、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｆの壁面に付着する水滴の量が低減される。その結果、酸化ガスの電極構造体１５への供給を適正に行い、発電効率を向上することができる。
　又、第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆの生成水の排水性能が向上するので、発電停止後に、酸化ガス流路Ｆ内に残留する水を低減し、残留水による電極触媒層１８の局部的な劣化を抑制することができ、耐久性を向上することができる。さらに、発電時に、電極触媒層１８に酸化ガスを適正に供給することができるので、各発電セル１２の酸化ガス流路Ｆの酸化ガスの供給量のバラツキが抑制され、燃料電池スタック１１の出力を向上することができる。
（変形例）
　なお、本発明は以下のような実施形態に変更されてもよい。
　・図９（ａ）に示すように、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２の平板部４１に、高圧損流路を形成するため複数条の通路面積の小さいガス流路４１ａが形成されてもよい。また、各ガス流路４１ａの下流部に、低圧損流路を形成するため通路面積の大きいガス流路４１ｂが形成されてもよい。即ち、高圧損流路における各ガス流路４１ａの通路面積は、低圧損流路におけるガス流路４１ｂの通路面積よりも小さい。図９（ｂ）に示すように、前記ガス流路４１ａとガス流路４１ｂとを同じ通路面積とし、圧力損失が大きくなるように前記ガス流路４１ａの内側面に凹部４１ｃが形成されてもよい。図９（ｃ）に示すように、平板部４１に対し、高圧損流路を形成するため複数条の蛇行ガス流路４１ｄが形成され、低圧損流路を形成するためのストレートガス流路４１ｅが形成されてもよい。
　上記各実施形態において、第１及び第２ガス流路形成体２１，２２と、第１及び第２セパレータ２３，２４とが一体的に形成されてもよい。それにより、部品点数を低減して、製造を容易に行い、もって製造コストを低減することができる。
　・図１０に示すように、カウンターフロータイプの燃料電池において、燃料ガスの導入通路Ｒ１に高圧損流路ＴＨが設けられるとともに、第１ガス流路形成体２１の燃料ガス流路Ｔが全域で低圧損流路ＴＬに設定されてもよい。一方、酸化オフガスの導出通路Ｍ２に高圧損流路ＦＨが設けられ、第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆが全域で低圧損流路ＦＬに設定されてもよい。又、コフロータイプの燃料電池において、図示しないが、導入通路Ｒ１に高圧損流路ＴＨが設けられるとともに、燃料ガス流路Ｔが全域で低圧損流路ＴＬに設定されてもよい。一方、酸化オフガスの導出通路Ｍ２に高圧損流路ＦＨが設けられるとともに、第２ガス流路形成体２２の酸化ガス流路Ｆが全域で低圧損流路ＦＬに設定されてもよい。これらの実施形態では、ガス流路Ｔ，Ｆの全域において、前記圧力差ΔＰを有効圧力差に保持することができ、さらに、固体電解質膜１６の全域を湿潤状態にして、発電効率を一層向上することができる。
　・第１ガス流路形成体２１のみに高圧損流路ＴＨ及び低圧損流路ＴＬが設けられ、第２ガス流路形成体２２は圧力損失が直線的に変化する通常のガス流路であってもよい。又、第２ガス流路形成体２２のみに高圧損流路ＦＨ及び低圧損流路ＦＬが設けられ、第１ガス流路形成体２１は、圧力損失が直線的に変化する通常のガス流路であってもよい。
　・第１及び第２ガス流路形成体２１，２２はラスカットメタルから形成されてもよい。ラスカットメタルの多数の貫通孔の径を相違させることにより、高圧損流路と、低圧損流路とが形成されてもよい。
　・前記水流路形成突部２９に相当する機能を有する突起が前第１及び第２記セパレータ２３，２４に形成されてもよい。
　・前記第２ガス流路形成体２２と別体に、高圧損流路形成板３５と同様の機能を有する部材が配設されてもよい。

Claims (6)

  1. 　アノード面及びカソード面を有する電解質膜と、
    　前記電解質膜の前記アノード面上及び前記カソード面上にそれぞれ積層された一対の電極触媒層と、
    　前記一対の電極触媒層の一方に積層され、燃料ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、
    　前記一対の電極触媒層の他方に積層され、酸化ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、
    　前記第１及び第２ガス流路形成体にそれぞれ一体又は別体に設けられた一対のセパレータと、
    　前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路に燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ導入する一対の導入通路と、
    　前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路から燃料オフガス及び酸化オフガスをそれぞれ導出する一対の導出通路とを備えた燃料電池において、
    　前記第１及び第２ガス流路形成体の前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の流れ方向が互いに同方向又は逆方向に設定され、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の各々は、ガスの流れ方向に沿って上流部、中流部、及び下流部を有し、前記第１ガス流路形成体の前記燃料ガス流路の上流部と、前記第２ガス流路形成体の前記酸化ガス流路の下流部との少なくとも一方が高圧損流路であり、前記第１ガス流路形成体の前記燃料ガス流路の中流部及び下流部と、第２ガス流路形成体の酸化ガス流路の上流部及び中流部との少なくとも一方が高圧損流路よりも低い圧損を有する低圧損流路であることを特徴とする燃料電池。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池において、前記第１及び第２ガス流路形成体の表面には、前記一対のセパレータがそれぞれ接触し、前記第１及び第２ガス流路形成体の各々は、平板部と、該平板部に一体に成形され、ガス流路を形成する複数の突部とを備え、前記平板部と隣接する前記セパレータとの間には水流路が形成され、該水流路と前記ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された連通孔を通して互いに連通され、前記水流路の深さは、前記ガス流路の深さよりも小さく設定され、水が前記ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれることにより、ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出され、前記高圧損流路における前記平板部に対する前記突部の数は、前記低圧損流路における前記平板部に対する前記突部の数よりも多く設定されていることを特徴とする燃料電池。
  3. 　請求項１に記載の燃料電池において、前記第２ガス流路形成体の表面には、前記セパレータが接触し、該第２ガス流路形成体は、平板部と、該平板部に一体に成形され、前記酸化ガス流路を形成する複数の突部とを備え、前記セパレータと前記平板部との間には水流路が形成され、該水流路と前記酸化ガス流路とは、前記各突部の切り起こしによって形成された連通孔を通して互いに連通され、前記水流路の深さは、前記酸化ガス流路の深さよりも小さく設定され、水が前記酸化ガス流路から前記連通孔を通して毛管作用により前記水流路に吸い込まれることにより、前記酸化ガスの流動圧力によって前記導出通路に排出され、前記第２ガス流路形成体には、前記酸化ガス流路の下流部の通路面積を減少させて絞り通路を形成することにより前記高圧損流路を形成するための高圧損流路形成部が設けられ、前記水流路の下流端が前記絞り通路に開口していることを特徴とする燃料電池。
  4. 　請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の各々は、複数条の流路溝を含み、前記高圧損流路における各流路溝の通路面積は、前記低圧損流路における各流路溝の通路面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
  5. 　請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料ガス流路及び酸化ガス流路の各々は、同一の通路面積を有する複数条の流路溝によって形成され、前記複数条の流路溝は、蛇行した形状の流路溝とストレート状の流路溝とからなり、前記高圧損流路は、前記蛇行した形状の流路溝により形成され、前記低圧損流路は、前記ストレート状の流路溝により形成されていることを特徴とする燃料電池。
  6. 　請求項１に記載の燃料電池において、前記第１ガス流路形成体の前記燃料ガス流路の上流部に位置する導入通路が前記高圧損流路として形成され、前記燃料ガス流路が全域で前記低圧損流路として形成され、前記第２ガス流路形成体の前記酸化ガス流路が全域で前記低圧損流路として形成され、前記酸化ガス流路の下流部に位置する導出通路が前記高圧損流路として形成されていることを特徴とする燃料電池。
PCT/JP2011/051999 2010-02-12 2011-02-01 燃料電池 WO2011099399A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010028958A JP5648293B2 (ja) 2010-02-12 2010-02-12 燃料電池
JP2010-028958 2010-02-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011099399A1 true WO2011099399A1 (ja) 2011-08-18

Family

ID=44367675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2011/051999 WO2011099399A1 (ja) 2010-02-12 2011-02-01 燃料電池

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5648293B2 (ja)
WO (1) WO2011099399A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018026330A (ja) * 2016-07-28 2018-02-15 トヨタ自動車株式会社 ガス流路形成部材
WO2019162049A1 (de) * 2018-02-20 2019-08-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Strömungsfeld eines brennstoffzellen-separators mit verbessertem wasserhaushalt
JP2020053266A (ja) * 2018-09-27 2020-04-02 トヨタ車体株式会社 燃料電池スタック

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010113252A1 (ja) 2009-03-31 2010-10-07 トヨタ車体 株式会社 燃料電池
JP5472011B2 (ja) * 2010-09-29 2014-04-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP6079303B2 (ja) * 2013-02-28 2017-02-15 トヨタ車体株式会社 燃料電池のガス流路形成体及び燃料電池
JP6079304B2 (ja) 2013-02-28 2017-02-15 トヨタ車体株式会社 燃料電池のガス流路形成体及び燃料電池
JP6205915B2 (ja) 2013-07-08 2017-10-04 トヨタ車体株式会社 燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池
DE102015100704B3 (de) * 2015-01-19 2015-11-05 Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH Kathodenplatte eines Bipolarelements und Verfahren zum Betreiben einer solchen Kathodenplatte
EP3276722B1 (en) 2016-07-28 2019-10-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas flow passage-forming member and cell for fuel cell

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6386361A (ja) * 1986-09-30 1988-04-16 Hitachi Ltd 積層形燃料電池用セパレータ
JPH07153473A (ja) * 1993-11-30 1995-06-16 Toshiba Corp 積層型燃料電池
JP2000340241A (ja) * 1999-05-31 2000-12-08 Toyota Motor Corp 固体高分子型燃料電池
JP2003092121A (ja) * 2001-09-14 2003-03-28 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2005251699A (ja) * 2004-03-08 2005-09-15 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池
JP2006114387A (ja) * 2004-10-15 2006-04-27 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2007207725A (ja) * 2006-02-06 2007-08-16 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム及び拡散層内のフラッディング試験方法
JP2009026476A (ja) * 2007-07-17 2009-02-05 Toyota Motor Corp 燃料電池セル
JP2009117250A (ja) * 2007-11-08 2009-05-28 Toyota Motor Corp カソード電極側のガス流路層と燃料電池
WO2010113252A1 (ja) * 2009-03-31 2010-10-07 トヨタ車体 株式会社 燃料電池

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6386361A (ja) * 1986-09-30 1988-04-16 Hitachi Ltd 積層形燃料電池用セパレータ
JPH07153473A (ja) * 1993-11-30 1995-06-16 Toshiba Corp 積層型燃料電池
JP2000340241A (ja) * 1999-05-31 2000-12-08 Toyota Motor Corp 固体高分子型燃料電池
JP2003092121A (ja) * 2001-09-14 2003-03-28 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2005251699A (ja) * 2004-03-08 2005-09-15 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池
JP2006114387A (ja) * 2004-10-15 2006-04-27 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2007207725A (ja) * 2006-02-06 2007-08-16 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム及び拡散層内のフラッディング試験方法
JP2009026476A (ja) * 2007-07-17 2009-02-05 Toyota Motor Corp 燃料電池セル
JP2009117250A (ja) * 2007-11-08 2009-05-28 Toyota Motor Corp カソード電極側のガス流路層と燃料電池
WO2010113252A1 (ja) * 2009-03-31 2010-10-07 トヨタ車体 株式会社 燃料電池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018026330A (ja) * 2016-07-28 2018-02-15 トヨタ自動車株式会社 ガス流路形成部材
WO2019162049A1 (de) * 2018-02-20 2019-08-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Strömungsfeld eines brennstoffzellen-separators mit verbessertem wasserhaushalt
US11374238B2 (en) 2018-02-20 2022-06-28 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Flow field of a fuel cell separator with improved water balance
JP2020053266A (ja) * 2018-09-27 2020-04-02 トヨタ車体株式会社 燃料電池スタック
JP7070291B2 (ja) 2018-09-27 2022-05-18 トヨタ車体株式会社 燃料電池スタック

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011165559A (ja) 2011-08-25
JP5648293B2 (ja) 2015-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011099399A1 (ja) 燃料電池
KR100549683B1 (ko) 고체고분자형 연료전지 어셈블리, 연료전지스택, 및연료전지의 반응가스 공급방법
JP5560728B2 (ja) 燃料電池
US10727511B2 (en) Fuel cell
JP5500254B2 (ja) 燃料電池
JP5694117B2 (ja) 燃料電池
JP5962847B2 (ja) 燃料電池、燃料電池の配流装置、および燃料電池を備えた車両
EP2963711B1 (en) Gas flow channel forming body for fuel cell, and fuel cell
JP6079304B2 (ja) 燃料電池のガス流路形成体及び燃料電池
JP2006114387A (ja) 燃料電池
JP2012064483A (ja) 燃料電池のガス流路構造、燃料電池の流路構造、燃料電池用セパレータ、および、燃料電池の冷媒流量制御装置
JP5541291B2 (ja) 燃料電池及び燃料電池を備えた車両
JP2001250568A (ja) 固体高分子型燃料電池の集電板
JP5246329B2 (ja) 燃料電池
JP5274908B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2008311047A (ja) 燃料電池
JP4572252B2 (ja) 燃料電池スタック
JP4516630B2 (ja) 固体高分子型セルアセンブリ
JP2010135268A (ja) 燃料電池の発電セル
JP5123824B2 (ja) 燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの運転方法
JP3603871B2 (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2006127770A (ja) 燃料電池
JP2011171028A (ja) 燃料電池
JP5265455B2 (ja) 燃料電池スタック
JP5278393B2 (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11742144

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11742144

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1