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JP7600834B2 - Fuel Cells - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.

燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池として、一方の面から他方の面にわたる貫通孔を複数有し、かつ貫通孔の密度および孔径の少なくとも一方が面方向に異なるガス拡散層電極基材を有するものが知られている。この燃料電池では、ガス拡散層電極基材が、ガス拡散層とプレートとの双方にガス流路を備えた構造となっている(例えば、特許文献1参照)。 Fuel cells that generate electricity by reacting fuel gas with oxidant gas are known that have a gas diffusion layer electrode substrate that has multiple through-holes extending from one side to the other, and at least one of the through-hole density and hole diameter varies in the planar direction. In this fuel cell, the gas diffusion layer electrode substrate is structured so that both the gas diffusion layer and the plate have gas flow paths (see, for example, Patent Document 1).

特許第5165353号公報Patent No. 5165353

従来のガス拡散層電極基材は、貫通孔を有しているために反応ガスの流路抵抗が低い。そのため、反応ガスの流量を増加させてガス拡散層内に溜まった生成水の排水を促す必要があった。 Conventional gas diffusion layer electrode substrates have through holes, which means that the flow resistance of the reactant gas is low. For this reason, it was necessary to increase the flow rate of the reactant gas to promote the drainage of the generated water that had accumulated in the gas diffusion layer.

そこで、本発明は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立可能な燃料電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a fuel cell that can simultaneously supply reactant gas and drain generated water.

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池は、アノード極、固体高分子膜、およびカソード極を一体化した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を介して前記膜電極接合体を表裏から挟む一対のセパレーターと、を備え、それぞれの前記セパレーターは、対応する前記ガス拡散層を臨む平面を有し、それぞれの前記ガス拡散層は、多孔質状であって、前記アノード極または前記カソード極へ供給される気体を流通させる複数の気体通路と、前記気体を拡散させる閉塞部と、を有し、前記複数の気体通路は、前記ガス拡散層の一方の縁に配置される開口から延びて前記ガス拡散層の内部で途切れる上流側通路と、前記ガス拡散層の内部から延びて前記ガス拡散層の他方の縁に配置される開口に達する下流側通路と、を含み、それぞれの前記セパレーターは、前記平面に設けられ、かつ前記上流側通路および前記下流側通路のいずれか一方に繋がって前記閉塞部へ延びる溝形状のバイパス通路を有している。 In order to solve the above problems, the fuel cell according to the present invention comprises a membrane electrode assembly in which an anode electrode, a solid polymer membrane, and a cathode electrode are integrated, a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly from the front and back via the pair of gas diffusion layers, each of the separators having a flat surface facing the corresponding gas diffusion layer, each of the gas diffusion layers being porous and having a plurality of gas passages through which gas supplied to the anode electrode or the cathode electrode flows, and a blocking portion through which the gas is diffused, the plurality of gas passages including an upstream passage extending from an opening located on one edge of the gas diffusion layer and interrupted inside the gas diffusion layer, and a downstream passage extending from the inside of the gas diffusion layer to an opening located on the other edge of the gas diffusion layer, and each of the separators has a groove-shaped bypass passage provided on the flat surface and connected to either one of the upstream passage or the downstream passage and extending to the blocking portion.

本発明によれば、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立可能な燃料電池を提供できる。 The present invention provides a fuel cell that can simultaneously supply reactant gas and drain generated water.

本発明の実施の形態に係る燃料電池の概略的な斜視図。1 is a schematic perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの分解斜視図。1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention; 図2の燃料電池セルに流れる反応ガスの流れ方向に沿う部分断面図。3 is a partial cross-sectional view taken along the flow direction of reactant gas flowing through the fuel cell of FIG. 2; 図2の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図。FIG. 3 is a schematic diagram of a gas diffusion layer of the fuel cell of FIG. 2 as viewed from the separator side. 図4のガス拡散層の要部を示す拡大図。FIG. 5 is an enlarged view showing a main part of the gas diffusion layer of FIG. 4 . 図5のA-A視野を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the AA field of view in FIG. 5 . 図5のB-B視野を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the view B-B of FIG. 5 . 図5のC-C視野を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the CC field of FIG. 5 . 本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図。FIG. 11 is a schematic diagram of a gas diffusion layer viewed from the separator side of a fuel cell according to a modified example of an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図。FIG. 11 is a schematic diagram of a gas diffusion layer viewed from the separator side of a fuel cell according to a modified example of an embodiment of the present invention.

本発明に係る燃料電池用セパレーターの実施形態について図1から図10を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付す。 An embodiment of a fuel cell separator according to the present invention will be described with reference to Figures 1 to 10. Note that the same or corresponding components in multiple drawings are given the same reference numerals.

図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の概略的な斜視図である。 Figure 1 is a schematic perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池1は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての酸素(空気に含まれる酸素)とを反応させて発電する。燃料電池1は、積層された複数の燃料電池セル2を有する積層体5と、複数の燃料電池セル2の積層方向Hの外側から積層体5を挟み込む一対のエンドプレート6と、一対のエンドプレート6に架け渡されて積層体5と一対のエンドプレート6とを一体化する複数の締結部材8と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 according to this embodiment generates electricity by reacting hydrogen gas as a fuel gas with oxygen (oxygen contained in air) as an oxidant gas. The fuel cell 1 includes a stack 5 having a plurality of stacked fuel cell cells 2, a pair of end plates 6 that sandwich the stack 5 from the outside in the stacking direction H of the plurality of fuel cell cells 2, and a plurality of fastening members 8 that span the pair of end plates 6 and integrate the stack 5 with the pair of end plates 6.

なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスを、単に反応ガスと総称する。 Fuel gas and oxidant gas are collectively referred to as reactant gases.

燃料電池1は、積層される多数の燃料電池セル2を備えている。そのため、燃料電池1は燃料電池スタックとも呼ばれる。燃料電池1は、燃料電池セル2を最小単位とし、積層された数十から数百の燃料電池セル2を備えている。積層される燃料電池セル2の数量は、燃料電池1に要求される発電能力による。 The fuel cell 1 comprises a large number of stacked fuel cell cells 2. For this reason, the fuel cell 1 is also called a fuel cell stack. The fuel cell 1 comprises tens to hundreds of stacked fuel cell cells 2, with the fuel cell 2 being the smallest unit. The number of stacked fuel cell cells 2 depends on the power generation capacity required of the fuel cell 1.

一対のエンドプレート6は、燃料電池セル2より大きい長方形状を有している。一対のエンドプレート6は、その間に架け渡される締結部材8によって連結されている。 The pair of end plates 6 have a rectangular shape that is larger than the fuel cell 2. The pair of end plates 6 are connected by a fastening member 8 that spans between them.

締結部材8は、一対のエンドプレート6を介して複数の燃料電池セル2に積層方向H内向きの荷重を付与する。この荷重は、一対のエンドプレート6が近づく方向へ作用し、積層体5を積層方向Hに圧縮している。 The fastening members 8 apply a load inward in the stacking direction H to the fuel cell cells 2 via a pair of end plates 6. This load acts in a direction that brings the pair of end plates 6 closer together, compressing the stack 5 in the stacking direction H.

図2は、本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの分解斜視図である。 Figure 2 is an exploded perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

本実施形態に係る燃料電池1の燃料電池セル2は、図2に示すように、膜電極接合体11(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、膜電極接合体11を挟む一対のガス拡散層12、13(GDL:Gas Diffusion Layer)と、一対のガス拡散層12、13を介して膜電極接合体11を表裏から挟む一対のセパレーター15、16と、を備えている。 As shown in FIG. 2, the fuel cell 2 of the fuel cell 1 according to this embodiment includes a membrane electrode assembly 11 (MEA: Membrane Electrode Assembly), a pair of gas diffusion layers 12, 13 (GDL: Gas Diffusion Layer) that sandwich the membrane electrode assembly 11, and a pair of separators 15, 16 that sandwich the membrane electrode assembly 11 from the front and back via the pair of gas diffusion layers 12, 13.

また、燃料電池セル2は、積層方向に隣り合うセパレーター15、16の間に、燃料電池1を冷却する冷媒としての空気または水を流通させる冷媒流通路(図示省略)を有している。 In addition, the fuel cell 2 has a refrigerant flow passage (not shown) between the separators 15 and 16 adjacent to each other in the stacking direction, through which air or water flows as a refrigerant to cool the fuel cell 1.

図3は、図2の燃料電池セルに流れる反応ガスの流れ方向に沿う部分断面図である。 Figure 3 is a partial cross-sectional view along the flow direction of the reactant gas flowing through the fuel cell of Figure 2.

図4は、図2の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図である。 Figure 4 is a schematic diagram of the gas diffusion layer seen from the separator side of the fuel cell in Figure 2.

図5は、図4のガス拡散層の要部を示す拡大図である。 Figure 5 is an enlarged view showing a main portion of the gas diffusion layer in Figure 4.

図6は、図5のA-A視野を示す断面図である。 Figure 6 is a cross-sectional view showing the A-A field of view in Figure 5.

図7は、図5のB-B視野を示す断面図である。 Figure 7 is a cross-sectional view showing the B-B field of view in Figure 5.

図8は、図5のC-C視野を示す断面図である。 Figure 8 is a cross-sectional view showing the CC field of view in Figure 5.

なお、図3は、後述する空気入口41近傍における燃料電池セル2の断面図である。空気出口42、水素ガス入口31、および水素ガス出口32も同様の構造を有している。そのため、ここでは空気出口42近傍における燃料電池セル2の断面図、水素ガス入口31近傍における燃料電池セル2の断面図、および水素ガス出口32近傍における燃料電池セル2の断面図を省略する。 Note that FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell 2 near the air inlet 41, which will be described later. The air outlet 42, hydrogen gas inlet 31, and hydrogen gas outlet 32 also have the same structure. Therefore, the cross-sectional view of the fuel cell 2 near the air outlet 42, the cross-sectional view of the fuel cell 2 near the hydrogen gas inlet 31, and the cross-sectional view of the fuel cell 2 near the hydrogen gas outlet 32 are omitted here.

また、図4は、空気極としてのカソード極19を臨むセパレーター16側から見たガス拡散層13の模式図であり、図5は、カソード極19を臨むセパレーター16側から見たガス拡散層13の要部拡大図である。さらに、図6~図8は、カソード極19を臨むセパレーター16およびガス拡散層13の部分断面図である。燃料極としてのアノード極18を臨むセパレーター15側から見たガス拡散層12も図4~図8と同様に構成されていても良い。 Figure 4 is a schematic diagram of the gas diffusion layer 13 as viewed from the separator 16 side facing the cathode 19 as an air electrode, and Figure 5 is an enlarged view of the main part of the gas diffusion layer 13 as viewed from the separator 16 side facing the cathode 19. Figures 6 to 8 are partial cross-sectional views of the separator 16 and gas diffusion layer 13 facing the cathode 19. The gas diffusion layer 12 as viewed from the separator 15 side facing the anode 18 as a fuel electrode may also be configured in the same manner as Figures 4 to 8.

燃料電池1の膜電極接合体11は、図2に加えて図3に示すように、電解質としての固体高分子膜17と、アノード極18と、カソード極19と、を備えている。膜電極接合体11は、一体化された固体高分子膜17、アノード極18、およびカソード極19である。一対の電極18、19は、固体高分子膜17を表裏から挟んでいる。 As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the membrane electrode assembly 11 of the fuel cell 1 includes a solid polymer membrane 17 as an electrolyte, an anode electrode 18, and a cathode electrode 19. The membrane electrode assembly 11 is an integrated solid polymer membrane 17, anode electrode 18, and cathode electrode 19. The pair of electrodes 18, 19 sandwich the solid polymer membrane 17 from the front and back.

一対のガス拡散層12、13は、多孔質状の膜である。一対のガス拡散層12、13は、水素ガスや空気を一対の電極18、19へ供給し、化学反応により生じた電子を集電し、固体高分子膜17の保湿および生成水の排出を行う。 The pair of gas diffusion layers 12, 13 are porous membranes. The pair of gas diffusion layers 12, 13 supply hydrogen gas and air to the pair of electrodes 18, 19, collect electrons generated by chemical reactions, and keep the solid polymer membrane 17 moist and drain the generated water.

一対のガス拡散層12、13の周囲には、一対のサブガスケット21が配置されている。一対のサブガスケット21は、ガス拡散層12、13よりもガス透過係数の小さい、例えばポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂の薄膜である。 A pair of subgaskets 21 are disposed around the pair of gas diffusion layers 12, 13. The pair of subgaskets 21 are thin films of, for example, polyethylene naphthalate (PEN) resin, which have a smaller gas permeability coefficient than the gas diffusion layers 12, 13.

また、それぞれの燃料電池セル2は、アノード極18に水素ガスを供給する水素ガス流路22(気体通路)と、カソード極19に空気を供給する気体通路23(気体通路)と、を有している。水素ガス流路22は、アノード極18を臨むガス拡散層12とセパレーター15との間に区画されている。気体通路23は、カソード極19を臨むガス拡散層13とセパレーター16との間に区画されている。 Each fuel cell 2 also has a hydrogen gas flow path 22 (gas passage) that supplies hydrogen gas to the anode 18, and a gas passage 23 (gas passage) that supplies air to the cathode 19. The hydrogen gas flow path 22 is defined between the gas diffusion layer 12 facing the anode 18 and the separator 15. The gas passage 23 is defined between the gas diffusion layer 13 facing the cathode 19 and the separator 16.

そして、図4~図7に示すように、ガス拡散層13は、カソード極19(図2、図3参照)へ供給される気体を流通させる複数の気体通路23を有している。複数の気体通路23は、ガス拡散層13のセパレーター16を臨む面13aに開放し、セパレーター16に閉じられる溝形状を有している。 As shown in Figures 4 to 7, the gas diffusion layer 13 has a plurality of gas passages 23 through which gas is supplied to the cathode 19 (see Figures 2 and 3). The gas passages 23 are open to the surface 13a of the gas diffusion layer 13 facing the separator 16, and have a groove shape that is closed by the separator 16.

複数の気体通路23は、ガス拡散層13の一方の縁に配置される開口23iから延びてガス拡散層13の内部で途切れる複数の上流側通路25と、ガス拡散層13の内部から延びてガス拡散層13の他方の縁に配置される開口23oに達する複数の下流側通路26と、を含んでいる。換言すると、上流側通路25および下流側通路26は、ガス拡散層13の一方の縁から他方の縁へと一続きに繋がることのない、断絶された通路であって、ガス拡散層13の一方の縁と他方の縁との間で貫通していない。なお、図4および図5に気体の流通方向Xを実線矢印で示す。 The gas passages 23 include a plurality of upstream passages 25 that extend from an opening 23i arranged on one edge of the gas diffusion layer 13 and terminate inside the gas diffusion layer 13, and a plurality of downstream passages 26 that extend from the inside of the gas diffusion layer 13 and reach an opening 23o arranged on the other edge of the gas diffusion layer 13. In other words, the upstream passages 25 and the downstream passages 26 are disconnected passages that do not connect continuously from one edge to the other edge of the gas diffusion layer 13, and do not penetrate between one edge and the other edge of the gas diffusion layer 13. Note that the gas flow direction X is indicated by a solid arrow in Figures 4 and 5.

複数の上流側通路25および複数の下流側通路26は、互いに繋がることなく、平行に延びている。複数の上流側通路25および複数の下流側通路26は、図4に示すような直線状の通路であっても良いし、蛇行した通路であっても良い。 The multiple upstream passages 25 and the multiple downstream passages 26 extend in parallel without being connected to each other. The multiple upstream passages 25 and the multiple downstream passages 26 may be straight passages as shown in FIG. 4, or may be serpentine passages.

また、複数の上流側通路25および複数の下流側通路26は、図4に示すように互い違いに並んでいても良いし、一直線上に並んでいても良い。 The multiple upstream passages 25 and multiple downstream passages 26 may be arranged alternately as shown in FIG. 4, or may be arranged in a straight line.

また、複数の気体通路23は、上流側通路25および下流側通路26から離れた箇所に延びる、ガス拡散層13の縁に非開放の中間通路71を含んでいる。 The gas passages 23 also include a closed intermediate passage 71 at the edge of the gas diffusion layer 13 that extends away from the upstream passage 25 and the downstream passage 26.

中間通路71は、上流側通路25および下流側通路26と同じようにガス拡散層13のセパレーター16を臨む面13aに開放し、セパレーター16に閉じられる溝形状を有している。 The intermediate passage 71, like the upstream passage 25 and the downstream passage 26, has a groove shape that opens to the surface 13a of the gas diffusion layer 13 facing the separator 16 and is closed by the separator 16.

そして、中間通路71は、ガス拡散層13のいずれの縁にも達しておらず、かつガス拡散層13内において上流側通路25および下流側通路26にも直接的には繋がっていない。ガス拡散層13において、上流側通路25と中間通路71との間、および中間通路71と下流側通路26との間は、これら気体通路23が形成されていない閉塞部13Aとして機能する。 The intermediate passage 71 does not reach any edge of the gas diffusion layer 13, and is not directly connected to the upstream passage 25 or the downstream passage 26 within the gas diffusion layer 13. In the gas diffusion layer 13, the area between the upstream passage 25 and the intermediate passage 71, and the area between the intermediate passage 71 and the downstream passage 26 function as a blocked portion 13A where these gas passages 23 are not formed.

図4中に実線矢印で示す気体の流通方向Xにおける閉塞部13Aの長さ寸法LXは、流通方向Xに直交する方向Yにおける閉塞部13Aの幅寸法Wよりも大きい。また、流通方向Xに直交する方向Yにおける上流側通路25、中間通路71、および中間通路71の間隔、つまり整列間隔は、閉塞部13Aの長さ寸法LXよりも小さい。換言すると、閉塞部13Aの長さ寸法LXは、閉塞部13Aの幅寸法Wより大きく、かつ上流側通路25、中間通路71、および中間通路71の整列間隔より大きい。そのため、流通方向Xに流れる気体は、上流側通路25の下流端および中間通路71の下流端で閉塞部13Aに流れ込む際に、流通方向Xへの移動を妨げられつつ流通方向Xに直交する方向Yへ広く拡散する。この気体の拡散によって、気体通路23および閉塞部13Aに溜まった水分が排水される。 The length dimension LX of the blocking portion 13A in the gas flow direction X shown by the solid arrow in FIG. 4 is larger than the width dimension W of the blocking portion 13A in the direction Y perpendicular to the flow direction X. Also, the interval between the upstream passage 25, the intermediate passage 71, and the intermediate passage 71 in the direction Y perpendicular to the flow direction X, that is, the alignment interval, is smaller than the length dimension LX of the blocking portion 13A. In other words, the length dimension LX of the blocking portion 13A is larger than the width dimension W of the blocking portion 13A and is larger than the alignment interval between the upstream passage 25, the intermediate passage 71, and the intermediate passage 71. Therefore, when the gas flowing in the flow direction X flows into the blocking portion 13A at the downstream end of the upstream passage 25 and the downstream end of the intermediate passage 71, it is prevented from moving in the flow direction X and diffuses widely in the direction Y perpendicular to the flow direction X. This diffusion of the gas allows the moisture accumulated in the gas passage 23 and the blocking portion 13A to be drained.

つまり、ガス拡散層13は、閉塞部13Aを設けることで図4中に実線矢印で示す気体の流通方向Xに交差する方向Yへ積極的な流れを発生させ、閉塞部13Aに溜まった水を下流側通路26に押し流す。 In other words, by providing the blocked portion 13A, the gas diffusion layer 13 generates a positive flow in a direction Y that intersects the gas flow direction X, as shown by the solid arrow in FIG. 4, and pushes the water that has accumulated in the blocked portion 13A into the downstream passage 26.

そのため、上流側通路25と中間通路71または中間通路71と下流側通路26との気体の流通方向Xにおける間隔、すなわち閉塞部13Aの流通方向Xの大きさを小さくしてしまうと圧力損失が小さくなってしまい、流通方向Xへの水の流れも少なくなってしまう。よって、複数の気体通路23のうちの流通方向Xに隣り合う上流側通路25と中間通路71または中間通路71と下流側通路26との間は間隔を開けておくことが好ましい。つまり、閉塞部13Aの流通方向Xの寸法は広く確保することが好ましい。 Therefore, if the gap in the gas flow direction X between the upstream passage 25 and the intermediate passage 71, or between the intermediate passage 71 and the downstream passage 26, i.e., the size of the blocking portion 13A in the flow direction X, is reduced, the pressure loss will be reduced and the water flow in the flow direction X will also be reduced. Therefore, it is preferable to leave a gap between the upstream passage 25 and the intermediate passage 71, or between the intermediate passage 71 and the downstream passage 26, which are adjacent to each other in the flow direction X among the multiple gas passages 23. In other words, it is preferable to ensure a wide dimension in the flow direction X of the blocking portion 13A.

中間通路71は、複数の上流側通路25および複数の下流側通路26に平行に延びている。中間通路71は、図4に示すような直線状の通路であっても良いし、蛇行した通路であっても良い。 The intermediate passage 71 extends parallel to the upstream passages 25 and the downstream passages 26. The intermediate passage 71 may be a straight passage as shown in FIG. 4, or may be a serpentine passage.

また、中間通路71は、図4に示すように上流側通路25および下流側通路26の延長線上になく、上流側通路25および下流側通路26に平行であっても良いし、上流側通路25および下流側通路26のいずれか一方の延長線上に配置されていても良いし、上流側通路25および下流側通路26の延長線上に一直線に並んでいても良い。 In addition, the intermediate passage 71 may not be on the extension line of the upstream passage 25 and the downstream passage 26 as shown in FIG. 4, but may be parallel to the upstream passage 25 and the downstream passage 26, may be disposed on the extension line of either the upstream passage 25 or the downstream passage 26, or may be aligned in a straight line on the extension line of the upstream passage 25 and the downstream passage 26.

さらに、図4に示すように、中間通路71は、気体の流れに交差する方向Yにおいて上流側通路25および下流側通路26の両方に重なりを有していても良いし、重なりを有していなくても良い。また、中間通路71は、気体の流れに交差する方向Yにおいて上流側通路25および下流側通路26のいずれか一方に重なりを有していても良いし、重なりを有していなくても良い。さらに、隣り合う中間通路71は、気体の流れに交差する方向Yにおいて重なりを有していても良いし、有していなくても良い。また、気体の流れに交差する方向Yにおいて重なりを有する中間通路71、上流側通路25、および下流側通路26と、重なりを有していない中間通路71、上流側通路25および下流側通路26と、が混在していても良い。なお、気体の流れに交差する方向Yは、中間通路71、上流側通路25、および下流側通路26の整列方向でもある。 Furthermore, as shown in FIG. 4, the intermediate passage 71 may overlap both the upstream passage 25 and the downstream passage 26 in the direction Y intersecting the gas flow, or may not overlap. Also, the intermediate passage 71 may overlap either the upstream passage 25 or the downstream passage 26 in the direction Y intersecting the gas flow, or may not overlap. Furthermore, adjacent intermediate passages 71 may overlap in the direction Y intersecting the gas flow, or may not overlap. Also, the intermediate passages 71, the upstream passage 25, and the downstream passage 26 that overlap in the direction Y intersecting the gas flow may be mixed with the intermediate passages 71, the upstream passage 25, and the downstream passage 26 that do not overlap. The direction Y intersecting the gas flow is also the alignment direction of the intermediate passages 71, the upstream passage 25, and the downstream passage 26.

これらのように並ぶ複数の上流側通路25、複数の下流側通路26、複数の中間通路71は、それぞれの上流側通路25の下流端および中間通路71の上流端の間と、それぞれの中間通路71の下流端および下流側通路26の上流端の間とに、ガス拡散層13によって隔てられる部位を有する。この部位は、ガス拡散層13内の多数の細孔(図示省略)を有している。換言すると、上流側通路25、複数の下流側通路26、および複数の中間通路71は、ガス拡散層13内の多数の細孔を介して繋がっている。この部位は、上流側通路25および下流側通路26に比べて、極めて圧力損失が高い。そこで、この部位を、便宜上、高圧力損失部27と呼ぶ。 The multiple upstream passages 25, multiple downstream passages 26, and multiple intermediate passages 71 arranged in this manner have a portion separated by the gas diffusion layer 13 between the downstream end of each upstream passage 25 and the upstream end of the intermediate passage 71, and between the downstream end of each intermediate passage 71 and the upstream end of the downstream passage 26. This portion has a large number of pores (not shown) in the gas diffusion layer 13. In other words, the upstream passage 25, the multiple downstream passages 26, and the multiple intermediate passages 71 are connected via a large number of pores in the gas diffusion layer 13. This portion has an extremely high pressure loss compared to the upstream passages 25 and the downstream passages 26. Therefore, for convenience, this portion is called the high pressure loss portion 27.

つまり、カソード極19へ供給される気体は、上流側通路25から高圧力損失部27に流れ込み、高圧力損失部27を経て中間通路71へ流れ込み、さらに高圧力損失部27を経て下流側通路26へ流れ出る。そして、高圧力損失部27では、上流側通路25から流れ込む気体の流速、および中間通路71から流れ込む気体の流速が上昇する。この流速の上昇した気体は、高圧力損失部27の細孔に溜まった生成水を中間通路71および下流側通路26へ容易に排水する。 That is, the gas supplied to the cathode 19 flows from the upstream passage 25 into the high pressure loss section 27, passes through the high pressure loss section 27 into the intermediate passage 71, and then passes through the high pressure loss section 27 to the downstream passage 26. In the high pressure loss section 27, the flow rate of the gas flowing in from the upstream passage 25 and the flow rate of the gas flowing in from the intermediate passage 71 increase. This gas with an increased flow rate easily drains the generated water that has accumulated in the pores of the high pressure loss section 27 into the intermediate passage 71 and the downstream passage 26.

また、隣り合う上流側通路25の間も、ガス拡散層13内の多数の細孔を介して繋がっている。そのため、カソード極19へ供給される気体は、隣り合う上流側通路25の間の細孔に溜まった生成水も容易に排水する。中間通路71および下流側通路26も同様である。 Also, adjacent upstream passages 25 are connected via numerous pores in the gas diffusion layer 13. Therefore, the gas supplied to the cathode 19 easily drains the generated water that has accumulated in the pores between adjacent upstream passages 25. The same applies to the intermediate passage 71 and the downstream passage 26.

図3に示すように、気体通路23は、セパレーター16に設けられる空気入口41および空気出口42(図2参照)に繋がっている。 As shown in FIG. 3, the gas passage 23 is connected to an air inlet 41 and an air outlet 42 (see FIG. 2) provided in the separator 16.

空気入口41と気体通路23との間には、空気入口側マニホールド45が設けられている。空気入口側マニホールド45は、空気入口41から流れ込む空気を気体通路23へ導く。空気入口側マニホールド45は、空気入口41から流れ込む空気を、それぞれの上流側通路25へ分岐させる。空気出口42と気体通路23との間には、空気出口側マニホールド(図示省略)が設けられている。空気出口側マニホールドは、気体通路23から流れ出る空気を空気出口42へ導く。空気出口側マニホールドは、気体通路23から流れ出る空気を、それぞれの下流側通路26から空気出口42へ集約する。 An air inlet side manifold 45 is provided between the air inlet 41 and the gas passage 23. The air inlet side manifold 45 guides the air flowing in from the air inlet 41 to the gas passage 23. The air inlet side manifold 45 branches the air flowing in from the air inlet 41 to each upstream side passage 25. An air outlet side manifold (not shown) is provided between the air outlet 42 and the gas passage 23. The air outlet side manifold guides the air flowing out from the gas passage 23 to the air outlet 42. The air outlet side manifold collects the air flowing out from the gas passage 23 from each downstream side passage 26 to the air outlet 42.

ガス拡散層12は、アノード極18へ供給される気体を流通させる複数の水素ガス流路22を有している。水素ガス流路22についても、図4の気体通路23のように構成することで、カソード極19からの逆拡散で生成される水の排水性が向上し、アノード極18の有効反応面積の向上を見込むことができる。 The gas diffusion layer 12 has multiple hydrogen gas flow paths 22 that allow the gas supplied to the anode 18 to flow. By configuring the hydrogen gas flow paths 22 as in the gas passages 23 of FIG. 4, the drainage of water generated by back diffusion from the cathode 19 is improved, and the effective reaction area of the anode 18 can be expected to be improved.

水素ガス流路22は、セパレーター15に設けられる水素ガス入口31および水素ガス出口32に繋がっている。 The hydrogen gas flow path 22 is connected to a hydrogen gas inlet 31 and a hydrogen gas outlet 32 provided in the separator 15.

水素ガス入口31と水素ガス流路22との間には、水素ガス入口側マニホールド35が設けられている。水素ガス入口側マニホールド35は、水素ガス入口31から流れ込む水素ガスを水素ガス流路22へ導く。水素ガス入口側マニホールド35は、水素ガス入口31から流れ込む水素ガスを、それぞれの上流側通路へ分岐させる。水素ガス出口32と水素ガス流路22との間には、水素ガス出口側マニホールド36が設けられている。水素ガス出口側マニホールド36は、水素ガス流路22から流れ出る水素ガスを水素ガス出口32へ導く。水素ガス出口側マニホールド36は、水素ガス流路22から流れ出る水素ガスを、それぞれの下流側通路から水素ガス出口32へ集約する。 A hydrogen gas inlet side manifold 35 is provided between the hydrogen gas inlet 31 and the hydrogen gas flow path 22. The hydrogen gas inlet side manifold 35 guides hydrogen gas flowing from the hydrogen gas inlet 31 to the hydrogen gas flow path 22. The hydrogen gas inlet side manifold 35 branches the hydrogen gas flowing from the hydrogen gas inlet 31 to each upstream passage. A hydrogen gas outlet side manifold 36 is provided between the hydrogen gas outlet 32 and the hydrogen gas flow path 22. The hydrogen gas outlet side manifold 36 guides hydrogen gas flowing out from the hydrogen gas flow path 22 to the hydrogen gas outlet 32. The hydrogen gas outlet side manifold 36 collects hydrogen gas flowing out from the hydrogen gas flow path 22 from each downstream passage to the hydrogen gas outlet 32.

セパレーター15、16は、例えば炭素繊維強化プラスチック製、導電性樹脂製、または金属製である。それぞれのセパレーター15、16は、対応するガス拡散層12、13を臨む平面15a、16aを有している。これら平面15a、16aは、対応するガス拡散層12、13の溝状の気体通路を閉じている。 The separators 15, 16 are made of, for example, carbon fiber reinforced plastic, conductive resin, or metal. Each separator 15, 16 has a flat surface 15a, 16a that faces the corresponding gas diffusion layer 12, 13. These flat surfaces 15a, 16a close the groove-shaped gas passages of the corresponding gas diffusion layer 12, 13.

アノード極18を臨むガス拡散層12に対面するセパレーター15は、カソード極19を臨むガス拡散層13に対面するセパレーター16へ空気を供給する空気導入口51と、セパレーター15から空気を排出させる空気導出口52と、を有している。 The separator 15 facing the gas diffusion layer 12 facing the anode electrode 18 has an air inlet 51 that supplies air to the separator 16 facing the gas diffusion layer 13 facing the cathode electrode 19, and an air outlet 52 that exhausts air from the separator 15.

セパレーター15の面15aには、膜電極接合体11に向かって突出する水素ガス側シール59が設けられている。 A hydrogen gas side seal 59 protruding toward the membrane electrode assembly 11 is provided on surface 15a of the separator 15.

カソード極19を臨むガス拡散層13に対面するセパレーター16は、アノード極18を臨むガス拡散層12に対面するセパレーター15へ水素ガスを供給する水素ガス導入口61と、セパレーター15からの水素ガスを排出させる水素ガス導出口62と、を有している。 The separator 16 facing the gas diffusion layer 13 facing the cathode electrode 19 has a hydrogen gas inlet 61 that supplies hydrogen gas to the separator 15 facing the gas diffusion layer 12 facing the anode electrode 18, and a hydrogen gas outlet 62 that discharges hydrogen gas from the separator 15.

セパレーター16の面16aには、膜電極接合体11に向かって突出する空気側シール69が設けられている。 An air side seal 69 protruding toward the membrane electrode assembly 11 is provided on the surface 16a of the separator 16.

本実施形態に係る燃料電池1のセパレーター16は、図5~図7に示すように、ガス拡散層13の閉塞部13Aに対向する部位に設けられてガス拡散層13を臨む面16aに開放し、カソード極19(図2、図3参照)へ供給される気体を流通させる複数のバイパス通路16bを有している。複数のバイパス通路16bは、ガス拡散層13のセパレーター16を臨む面13aに開放している。複数のバイパス通路16bは、上流側通路25または中間通路71と重ならない部位において、ガス拡散層13の閉塞部13Aに閉じられる溝形状を有している。そして、バイパス通路16bは、上流側通路25と中間通路71とを繋ぐ第一バイパス通路16ba、および中間通路71と下流側通路26とを繋ぐ第二バイパス通路16bbの少なくとも一方を含んでいる。よって、図8に示すように、バイパス通路16bは、上流側通路25と中間通路71とを閉塞部13Aを迂回して連結している。なお、ここでは、ガス拡散層13の要部として、上流側通路25と中間通路71との間の閉塞部13Aを中心とした部位を拡大して説明しているが、中間通路71と下流側通路26との間の閉塞部13Aを中心とした部位についても同様の構造を有している。また、バイパス通路16bは、プレス工法やエッチング工法等の手法によって形成される。 As shown in Figures 5 to 7, the separator 16 of the fuel cell 1 according to this embodiment has a plurality of bypass passages 16b that are provided in a portion facing the blocking portion 13A of the gas diffusion layer 13 and open to the surface 16a facing the gas diffusion layer 13, and that allow gas to flow to the cathode 19 (see Figures 2 and 3). The plurality of bypass passages 16b open to the surface 13a of the gas diffusion layer 13 facing the separator 16. The plurality of bypass passages 16b have a groove shape that is closed by the blocking portion 13A of the gas diffusion layer 13 at a portion that does not overlap with the upstream passage 25 or the intermediate passage 71. The bypass passages 16b include at least one of a first bypass passage 16ba that connects the upstream passage 25 and the intermediate passage 71, and a second bypass passage 16bb that connects the intermediate passage 71 and the downstream passage 26. Therefore, as shown in FIG. 8, the bypass passage 16b connects the upstream passage 25 and the intermediate passage 71 by bypassing the blocked portion 13A. Note that, here, the main portion of the gas diffusion layer 13 is described by enlarging the area around the blocked portion 13A between the upstream passage 25 and the intermediate passage 71, but the area around the blocked portion 13A between the intermediate passage 71 and the downstream passage 26 has a similar structure. The bypass passage 16b is formed by a method such as a pressing method or an etching method.

バイパス通路16bは、気体の流通方向Xに隣り合う気体通路23を連結していることが好ましい。具体的には、第一バイパス通路16baは、気体の流通方向Xに隣り合う上流側通路25と中間通路71とを繋ぎ、第二バイパス通路16bbは、気体の流通方向Xに隣り合う中間通路71と下流側通路26とを繋いでいる。複数の気体通路23(上流側通路25、下流側通路26および中間通路71を含む)は圧力損失が少ないため、そこを連結するようにバイパス通路16bを備えることで閉塞部13Aにおける圧力損失を下げることができる。また、気体の流通方向Xに隣接する上流側通路25と中間通路71とを、閉塞部13Aを迂回するようにバイパス通路16bで連結するため、複数の気体通路23(上流側通路25、下流側通路26および中間通路71を含む)が短くなり、ガス拡散層13側に触媒ガスが流れるようになり、当該触媒ガスの拡散性を向上できる。 The bypass passage 16b preferably connects adjacent gas passages 23 in the gas flow direction X. Specifically, the first bypass passage 16ba connects the upstream passage 25 and the intermediate passage 71 adjacent in the gas flow direction X, and the second bypass passage 16bb connects the intermediate passage 71 and the downstream passage 26 adjacent in the gas flow direction X. Since the pressure loss is small in the multiple gas passages 23 (including the upstream passage 25, the downstream passage 26, and the intermediate passage 71), the pressure loss in the blocking portion 13A can be reduced by providing the bypass passage 16b to connect them. In addition, the upstream passage 25 and the intermediate passage 71 adjacent in the gas flow direction X are connected by the bypass passage 16b so as to bypass the blocking portion 13A, so that the multiple gas passages 23 (including the upstream passage 25, the downstream passage 26, and the intermediate passage 71) are shortened, and the catalyst gas flows to the gas diffusion layer 13 side, improving the diffusibility of the catalyst gas.

なお、気体通路23とバイパス通路16bとは、ガス拡散層13の一方の縁に配置される開口23iとガス拡散層13の他方の縁に配置される開口23oとを、ガス拡散層13の閉塞部13Aを介することなく、一続きに連結しない。つまり、一方の縁に配置される開口23iから流れ込んだ気体は、他方の縁に配置される開口23oに到達するまでに、少なくとも1回はガス拡散層13の閉塞部13Aを通過する。また、一方の縁に配置される開口23iから流れ込んだ気体が他方の縁に配置される開口23oに到達するまでに少なくとも1回はガス拡散層13の閉塞部13Aを通過する範囲で、上流側通路25、下流側通路26および中間通路71とバイパス通路16bとの重なりは、大きくても良いし、小さくても良い。また、バイパス通路16bは、閉塞部13Aに対向する箇所で途切れていても良い。例えば、第一バイパス通路16baは、上流側通路25から中間通路71へ延び、かつ中間通路71を越えてガス拡散層13の他方の縁の近傍へ達していても良い。 In addition, the gas passage 23 and the bypass passage 16b do not connect the opening 23i arranged on one edge of the gas diffusion layer 13 and the opening 23o arranged on the other edge of the gas diffusion layer 13 in a continuous manner without going through the blocking portion 13A of the gas diffusion layer 13. In other words, the gas flowing in from the opening 23i arranged on one edge passes through the blocking portion 13A of the gas diffusion layer 13 at least once before reaching the opening 23o arranged on the other edge. Also, the overlap between the upstream passage 25, the downstream passage 26, and the intermediate passage 71 and the bypass passage 16b may be large or small within the range where the gas flowing in from the opening 23i arranged on one edge passes through the blocking portion 13A of the gas diffusion layer 13 at least once before reaching the opening 23o arranged on the other edge. Also, the bypass passage 16b may be interrupted at a location facing the blocking portion 13A. For example, the first bypass passage 16ba may extend from the upstream passage 25 to the intermediate passage 71 and extend beyond the intermediate passage 71 to reach the vicinity of the other edge of the gas diffusion layer 13.

また、図6に示すように、バイパス通路16bの断面積L2は、複数の気体通路23(上流側通路25、下流側通路26および中間通路71を含む)の断面積L1より小さいことが好ましい。バイパス通路16bの断面積L2が狭く、閉塞部13Aで触媒ガスを拡散させて排水性を向上させつつ、圧力損失の低下を図ることができる。 As shown in FIG. 6, the cross-sectional area L2 of the bypass passage 16b is preferably smaller than the cross-sectional area L1 of the multiple gas passages 23 (including the upstream passage 25, the downstream passage 26, and the intermediate passage 71). The cross-sectional area L2 of the bypass passage 16b is narrow, and the catalyst gas can be diffused in the blocking portion 13A to improve drainage while reducing pressure loss.

また、図7に示すように、バイパス通路16bは、閉塞部13Aの気体の流れに交差する方向Yの中央部に配置されることが好ましい。セパレーター16とガス拡散層13との接触部分で生成水は溜まり易いが、ガス拡散層13とセパレーター16の接触していない部分では流速も早く排水性も良い傾向になる。そのため、最も排水性の悪い傾向にある閉塞部13Aの気体の流れに交差する方向Yの中央部にバイパス通路16bを設けることで、排水性を高めることができる。 As shown in FIG. 7, the bypass passage 16b is preferably located in the center of the blocked portion 13A in the direction Y that intersects the gas flow. Generated water tends to accumulate at the contact area between the separator 16 and the gas diffusion layer 13, but the flow rate is fast and drainage tends to be good in the area where the gas diffusion layer 13 and the separator 16 are not in contact. Therefore, drainage can be improved by providing the bypass passage 16b in the center of the blocked portion 13A in the direction Y that intersects the gas flow, which tends to have the poorest drainage.

ここで、本実施の形態に係る変形例の燃料電池セル2について説明する。 Here, we will explain the fuel cell 2 of a modified example of this embodiment.

図9は、本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図である。 Figure 9 is a schematic diagram of a gas diffusion layer viewed from the separator side of a fuel cell according to a modified embodiment of the present invention.

図10は、本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図である。 Figure 10 is a schematic diagram of a gas diffusion layer viewed from the separator side of a fuel cell according to a modified embodiment of the present invention.

バイパス通路16bの気体の流通方向Xにおける両端部には、セパレーター16の厚み方向に傾斜する傾斜部16cが設けられることが好ましい。これにより、バイパス通路16bへの気体の流れ込みが円滑になる。 It is preferable that both ends of the bypass passage 16b in the gas flow direction X have inclined portions 16c that are inclined in the thickness direction of the separator 16. This allows the gas to flow smoothly into the bypass passage 16b.

なお、バイパス通路16bには、気体の流通を攪拌する凹部や凸部等から構成される攪拌部16dが設けられていることが好ましい。これにより、バイパス通路16b内の気体の流れに乱流を発生させ、空気を攪拌させることで、よりガス拡散層13に反応ガスを拡散することができる。 The bypass passage 16b is preferably provided with an agitation section 16d, which is made up of recesses and protrusions that agitate the flow of gas. This generates turbulence in the gas flow in the bypass passage 16b and agitates the air, allowing the reactive gas to be more easily diffused into the gas diffusion layer 13.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池1は、ガス拡散層13の一方の縁に配置される開口23iから延びてガス拡散層13の内部で途切れる上流側通路25と、ガス拡散層13の内部から延びてガス拡散層13の他方の縁に配置される開口23oに達する下流側通路26と、を含む複数の気体通路23を備えている。ガス拡散層13は、多孔質状であり、気体通路23の入口としての開口23iから気体通路23の出口としての開口23oに一続きに繋がる通路が無く、上流側通路25と下流側通路26とのように途切れた通路によって反応ガスとしての空気を流通させることができる。そのため、気体通路23には高圧力損失部27が含まれる。この高圧力損失部27では、上流側通路25から流れ込む反応ガスとしての空気によって、細孔に溜まった生成水が下流側通路26へ容易に排水される。しかも、セパレーター16において、ガス拡散層13の閉塞部13Aに対向する部位には、ガス拡散層13を臨む面16aに開放し、カソード極19(図2、図3参照)へ供給される気体を流通させる複数のバイパス通路16bを有している。複数のバイパス通路16bは、ガス拡散層13のセパレーター16を臨む面13aに開放し、上流側通路25または中間通路71と重ならない部位において、ガス拡散層13の閉塞部13Aに閉じられる溝形状を有している。そして、バイパス通路16bは、上流側通路25と中間通路71、または中間通路71と下流側通路26の少なくとも一方を、閉塞部13Aを迂回して連結している。そのため、燃料電池1は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立できる。 As described above, the fuel cell 1 according to this embodiment includes a plurality of gas passages 23, including an upstream passage 25 extending from an opening 23i arranged on one edge of the gas diffusion layer 13 and interrupted inside the gas diffusion layer 13, and a downstream passage 26 extending from the inside of the gas diffusion layer 13 to an opening 23o arranged on the other edge of the gas diffusion layer 13. The gas diffusion layer 13 is porous, and there is no passage that is connected continuously from the opening 23i as the inlet of the gas passage 23 to the opening 23o as the outlet of the gas passage 23, and air as a reactant gas can flow through interrupted passages such as the upstream passage 25 and the downstream passage 26. Therefore, the gas passage 23 includes a high pressure loss section 27. In this high pressure loss section 27, the generated water accumulated in the pores is easily drained to the downstream passage 26 by the air as a reactant gas flowing in from the upstream passage 25. Moreover, the separator 16 has a plurality of bypass passages 16b that open to the surface 16a facing the gas diffusion layer 13 at a portion facing the blocked portion 13A of the gas diffusion layer 13 and that allow gas to flow to the cathode 19 (see FIG. 2 and FIG. 3). The plurality of bypass passages 16b open to the surface 13a facing the separator 16 of the gas diffusion layer 13, and have a groove shape that is closed by the blocked portion 13A of the gas diffusion layer 13 at a portion that does not overlap with the upstream passage 25 or the intermediate passage 71. The bypass passage 16b connects at least one of the upstream passage 25 and the intermediate passage 71, or the intermediate passage 71 and the downstream passage 26, bypassing the blocked portion 13A. Therefore, the fuel cell 1 can achieve both the supply of reactant gas and the drainage of generated water.

セパレーター16にバイパス通路16bが形成されていない場合、ガス拡散層13の上流側通路25と下流側通路26とが閉塞部13Aの部分で分断されるが、当該閉塞部13Aに対向するセパレーター16にバイパス通路16bを設けることで、セパレーター16にバイパス通路16bが形成されていない場合に比べて圧力損失を下げることができる。図示省略するが、燃料電池1は、圧縮機を駆動して反応ガスを供給する。したがって、燃料電池1は、閉塞部13Aに対向するセパレーター16にバイパス通路16bを設けることで圧力損失が低下した分、反応ガスの供給圧力を低減することが可能であり、圧縮機の省エネルギー化や小型化を図ることができる。 If the separator 16 does not have a bypass passage 16b, the upstream passage 25 and downstream passage 26 of the gas diffusion layer 13 are separated by the blocked portion 13A. However, by providing a bypass passage 16b in the separator 16 facing the blocked portion 13A, the pressure loss can be reduced compared to when the separator 16 does not have a bypass passage 16b. Although not shown, the fuel cell 1 drives a compressor to supply reactant gas. Therefore, by providing the bypass passage 16b in the separator 16 facing the blocked portion 13A, the fuel cell 1 can reduce the supply pressure of the reactant gas by the amount of the reduced pressure loss, which allows for energy saving and miniaturization of the compressor.

また、本実施形態に係る燃料電池1の上流側通路25と下流側通路26とは、反応ガスの流れに交差する方向において重なりを有する。この重なり部分では、上流側通路25の下流端部と下流側通路26の上流端部との間の直線距離が最も近く、高圧力損失部27における圧力損失の影響が小さい。つまり、重なり部分では、反応ガスは、上流側通路25から下流側通路26へ容易に流れ込む。そのため、重なり部では、反応ガスがガス拡散層13へ拡散しすぎることによる減速が抑制され、高圧力損失部27に溜まった生成水をより高効率に排水することができる。そのため、燃料電池1は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立できる。 In addition, the upstream passage 25 and downstream passage 26 of the fuel cell 1 according to this embodiment overlap in a direction intersecting the flow of the reactant gas. At this overlap, the linear distance between the downstream end of the upstream passage 25 and the upstream end of the downstream passage 26 is the shortest, and the effect of pressure loss in the high pressure loss section 27 is small. In other words, at the overlap, the reactant gas flows easily from the upstream passage 25 to the downstream passage 26. Therefore, at the overlap, deceleration caused by excessive diffusion of the reactant gas into the gas diffusion layer 13 is suppressed, and the generated water accumulated in the high pressure loss section 27 can be drained more efficiently. Therefore, the fuel cell 1 can achieve both the supply of the reactant gas and the drainage of the generated water.

ガス拡散層13は、閉塞部13Aを設けることで気体の流れに交差する方向Yに積極的な対流を発生させ、閉塞部13Aに溜まってしまう生成水を下流側通路26に押し流す効果が期待できる。そのため、上流側通路25と中間通路71または中間通路71と下流側通路26との流れ方向Xにおける間隔、すなわち閉塞部13Aの流れ方向Xの大きさを小さくしてしまうと圧力損失が小さくなってしまい、流れ方向Xへの水の流れも少なくなってしまう。よって、複数の気体通路23のうちの流れ方向Xに隣り合う上流側通路25と中間通路71または中間通路71と下流側通路26との間は間隔を開けておくことが好ましい。つまり、閉塞部13Aの流れ方向Xの寸法は広く確保することが好ましい。 The gas diffusion layer 13 is expected to generate active convection in the direction Y intersecting the gas flow by providing the blocking portion 13A, and to have the effect of pushing the generated water that accumulates in the blocking portion 13A into the downstream passage 26. Therefore, if the gap in the flow direction X between the upstream passage 25 and the intermediate passage 71 or between the intermediate passage 71 and the downstream passage 26, that is, the size of the flow direction X of the blocking portion 13A, is reduced, the pressure loss will be reduced and the water flow in the flow direction X will also be reduced. Therefore, it is preferable to leave a gap between the upstream passage 25 and the intermediate passage 71 or between the intermediate passage 71 and the downstream passage 26 that are adjacent to each other in the flow direction X among the multiple gas passages 23. In other words, it is preferable to ensure a wide dimension in the flow direction X of the blocking portion 13A.

また、本実施形態に係る燃料電池1は、複数の気体通路23、すなわち上流側通路25および下流側通路26から離れた箇所に延びる、ガス拡散層13の縁に非開放の中間通路71を有している。中間通路71は、上流側通路25および下流側通路26のいずれにも繋がらず、離れている。そして、バイパス通路16bは、上流側通路25と中間通路71、または中間通路71と下流側通路26の少なくとも一方を連結する。よって、上流側通路25および下流側通路26のみが設けられている場合に比べて中間通路71が設けられている分、ガス拡散層13のより広範囲に反応ガスを拡散させつつ、かつ反応ガスの流速の低下を抑制する。そのため、燃料電池1は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立できる。 The fuel cell 1 according to this embodiment also has a closed intermediate passage 71 at the edge of the gas diffusion layer 13, which extends away from the multiple gas passages 23, i.e., the upstream passage 25 and the downstream passage 26. The intermediate passage 71 is not connected to either the upstream passage 25 or the downstream passage 26, and is separate from them. The bypass passage 16b connects at least one of the upstream passage 25 and the intermediate passage 71, or the intermediate passage 71 and the downstream passage 26. Therefore, compared to the case where only the upstream passage 25 and the downstream passage 26 are provided, the intermediate passage 71 allows the reactant gas to be diffused over a wider area of the gas diffusion layer 13, while suppressing a decrease in the flow rate of the reactant gas. Therefore, the fuel cell 1 can achieve both the supply of the reactant gas and the drainage of the generated water.

なお、水素ガス流路22についても、図3~図10の気体通路23のように構成することで、カソード極19からの逆拡散で生成される水の排水性が向上し、アノード極18の有効反応面積の向上を見込むことができる。 In addition, by configuring the hydrogen gas flow path 22 in the same manner as the gas passage 23 in Figures 3 to 10, the drainage of water generated by back diffusion from the cathode electrode 19 can be improved, and the effective reaction area of the anode electrode 18 can be expected to be improved.

したがって、本発明に係る燃料電池1によれば、反応ガスの供給性と生成水の排水性を容易に両立することができる。 Therefore, the fuel cell 1 according to the present invention can easily achieve both the supply of reactant gas and the drainage of generated water.

1…燃料電池、2…燃料電池セル、5…積層体、6…エンドプレート、8…締結部材、11…膜電極接合体、12、13…ガス拡散層、13A…閉塞部、13a…ガス拡散層の面、15、16…セパレーター、15a、16a…セパレーターの面、16b…バイパス通路、16ba…第一バイパス通路、16bb…第二バイパス通路、16c…傾斜部、16d…攪拌部、17…固体高分子膜、18…アノード極、19…カソード極、21…サブガスケット、22…水素ガス流路、23…気体通路、23i…開口、23o…開口、25…上流側通路、26…下流側通路、27…高圧力損失部、31…水素ガス入口、32…水素ガス出口、35…水素ガス入口側マニホールド、36…水素ガス出口側マニホールド、41…空気入口、42…空気出口、45…空気入口側マニホールド、51…空気導入口、52…空気導出口、59…水素ガス側シール、61…水素ガス導入口、62…水素ガス導出口、69…空気側シール、71…中間通路。 1...fuel cell, 2...fuel cell, 5...laminated body, 6...end plate, 8...fastening member, 11...membrane electrode assembly, 12, 13...gas diffusion layer, 13A...blocking portion, 13a...surface of gas diffusion layer, 15, 16...separator, 15a, 16a...surface of separator, 16b...bypass passage, 16ba...first bypass passage, 16bb...second bypass passage, 16c...inclined portion, 16d...agitating portion, 17...solid polymer membrane, 18...anode electrode, 19...cathode electrode, 21...subgasket, 22...hydrogen Gas flow path, 23...gas passage, 23i...opening, 23o...opening, 25...upstream passage, 26...downstream passage, 27...high pressure loss section, 31...hydrogen gas inlet, 32...hydrogen gas outlet, 35...hydrogen gas inlet manifold, 36...hydrogen gas outlet manifold, 41...air inlet, 42...air outlet, 45...air inlet manifold, 51...air inlet, 52...air outlet, 59...hydrogen gas side seal, 61...hydrogen gas inlet, 62...hydrogen gas outlet, 69...air side seal, 71...middle passage.

Claims (7)

アノード極、固体高分子膜、およびカソード極を一体化した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層を介して前記膜電極接合体を表裏から挟む一対のセパレーターと、を備え、
それぞれの前記セパレーターは、対応する前記ガス拡散層を臨む平面を有し、
それぞれの前記ガス拡散層は、多孔質状であって、前記アノード極または前記カソード極へ供給される気体を流通させる複数の気体通路と、前記気体を拡散させる閉塞部と、を有し、
前記複数の気体通路は、前記ガス拡散層の一方の縁に配置される開口から延びて前記ガス拡散層の内部で途切れる上流側通路と、前記ガス拡散層の内部から延びて前記ガス拡散層の他方の縁に配置される開口に達する下流側通路と、を含み、
それぞれの前記セパレーターは、前記平面に設けられ、かつ前記上流側通路および前記下流側通路のいずれか一方に繋がって前記閉塞部へ延びる溝形状のバイパス通路を有している、燃料電池。
a membrane electrode assembly in which an anode electrode, a solid polymer membrane, and a cathode electrode are integrated;
A pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly;
a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly from the front and back via the pair of gas diffusion layers;
Each of the separators has a flat surface facing the corresponding gas diffusion layer,
Each of the gas diffusion layers is porous and has a plurality of gas passages through which a gas supplied to the anode or the cathode flows, and a blocking portion through which the gas diffuses,
the plurality of gas passages include an upstream passage extending from an opening disposed on one edge of the gas diffusion layer and terminated inside the gas diffusion layer, and a downstream passage extending from the inside of the gas diffusion layer and reaching an opening disposed on the other edge of the gas diffusion layer;
each of the separators has a groove-shaped bypass passage provided on the plane, connected to either the upstream passage or the downstream passage and extending to the blocked portion;
前記複数の気体通路は、前記上流側通路および前記下流側通路から離れた箇所に延びる、前記ガス拡散層の縁に非開放の中間通路を含み、
前記バイパス通路は、前記上流側通路と前記中間通路とを繋ぐ第一バイパス通路、および前記中間通路と前記下流側通路とを繋ぐ第二バイパス通路の少なくとも一方を含む、請求項1に記載の燃料電池。
the plurality of gas passages includes an intermediate passage that is not open to an edge of the gas diffusion layer and extends away from the upstream passage and the downstream passage;
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the bypass passage includes at least one of a first bypass passage connecting the upstream passage and the intermediate passage, and a second bypass passage connecting the intermediate passage and the downstream passage.
前記第一バイパス通路は、前記気体の流通方向に隣り合う前記上流側通路と前記中間通路とを繋ぎ、
前記第二バイパス通路は、前記気体の流通方向に隣り合う前記中間通路と前記下流側通路とを繋ぐ、請求項2に記載の燃料電池。
the first bypass passage connects the upstream passage and the intermediate passage adjacent to each other in a flow direction of the gas,
The fuel cell according to claim 2 , wherein the second bypass passage connects the intermediate passage and the downstream passage adjacent to each other in a flow direction of the gas.
前記バイパス通路の断面積は、前記複数の気体通路の断面積より小さい、請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the cross-sectional area of the bypass passage is smaller than the cross-sectional area of the plurality of gas passages. 前記バイパス通路は、前記閉塞部の前記気体の流通方向に交差する方向の中央部に配置される、請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the bypass passage is disposed at the center of the blocking portion in a direction intersecting the gas flow direction. 前記バイパス通路は、前記気体の流通方向における両端部に設けられて、前記セパレーターの厚み方向に傾斜する傾斜部を備える、請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the bypass passage is provided at both ends in the gas flow direction and has an inclined portion that is inclined in the thickness direction of the separator. 前記バイパス通路は、前記気体の流通を攪拌する攪拌部を備える、請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 , wherein the bypass passage includes an agitating portion that agitates the flow of the gas.
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