(57)【要約】【課題】燃料電池セルにおいて、膜電極接合体に接するガス流路、特に酸化剤ガスである空気が流れるガス流路の長さＬを定量的に設定する。【解決手段】膜電極接合体１３の両面にガス流路を持つ燃料電池セル１０において、ガス流路長Ｌを次式１で表される長さとする。2011023172.tif 000008  ここで、Ｌ：ガス流路長、Ｆ：ファラデー定数、τＤ：設計最大発電電流密度、ｔ：ガス流路の厚さ、Ｓｔ：設計ストイキ比、Ｖｉｎ（Ｔ）：温度Ｔでドライアップになるときのガス入口の流速であり、実験で求める値、である。【選択図】図１
2011023172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の両面にガス流路を持つ燃料電池セルであって、前記ガス流路長さＬが次式１で表される長さであることを特徴とする燃料電池セル。
【数１】
2011023172.tif 000007
ここで、
Ｌ：ガス流路長
Ｆ：ファラデー定数
τＤ：設計最大発電電流密度
ｔ：ガス流路の厚さ
Ｓｔ：設計ストイキ比
Ｖｉｎ（Ｔ）：温度Ｔでドライアップになるときのガス入口の流速であり、実験で求める値
【請求項２】
前記ガス流路は、多数の貫通孔が形成されているメタルラスまたはエキスパンドメタルで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体の両面にガス流路を持つ燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一形態として固体高分子型燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は他の形態の燃料電池と比較して作動温度が低く（−３０℃〜１００℃程度）、低コスト、コンパクト化が可能なことから、自動車の動力源等として期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子の電解質膜の両面に燃料極触媒層と空気極触媒層を積層してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に形成されたガス流路とからなる燃料電池セルの多数枚がスタッキングされて構成されている。膜電極接合体の一方のガス流路には燃料ガスとしての水素が供給され、他方のガス流路には酸化剤ガスとしての空気が供給される。そして、酸素と水素の電気化学的反応によって発電するとともに、空気極側には水が生成される。
【０００４】
固体高分子型燃料電池が適正に発電反応を行うには、膜電極接合体が適度の加湿状態にあることが必要であり、膜電極接合体が設計規格値以上に乾燥する（ドライアップ）と、電池内部抵抗が増加して出力が低下する。特にガス供給マニホールド近くで、ドライアップ現象が起こりやすい。特許文献１には、ガス流路のパターンをサーペンタイン型とインターディジット型とを組み合わせた形状とすることで、乾燥を防止するようにした燃料電池が記載されている。
【０００５】
また、固体高分子型燃料電池において、ガス流路は金属セパレータに形成した凹溝によって構成される場合もあり、特許文献２に記載のように、表面が平坦な金属セパレータと膜電極接合体との間に配置した、多数の貫通孔が形成されているメタルラスまたはエキスパンドメタルで構成される場合もある。後者の場合には、前記メタルラスまたはエキスパンドメタルの全幅がガス供給マニホールドに接続したガス供給口となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１５８３６９号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池セルにおいて、各膜電極接合体には設計発電量があり、設計発電量に対応して必要ガス流量も設定され、また、膜電極接合体の発電面に接するガス流路長も設定される。特許文献１に記載される形態の燃料電池セルのように、ガス流路パターンをサーペンタイン型あるいはサーペンタイン型とインターディジット型とを組み合わせた形状の場合には、特にサーペンタイン型ガス流路の溝幅は狭くなっており、そこを規定量のガス（空気）が通過することから、空気流入口の近くでの膜電極接合体からの水持ち去り量が多くなり、ドライアップが起こりやすい。
【０００８】
また、ガス（空気）がガス供給マニホールからガス排出マニホールドに至る間に、膜電極接合体から持ち去る水の量、すなわち水持ち去り量は、ガス流路の長さＬが長いと多くなり、また、膜電極接合体の温度、すなわち燃料電池セルの運転温度が高いと多くなる。そのために、燃料電池セルでは、設計に当たって、所要長さのガス（空気）流路の場合であっても、水持ち去りによるドライアップが生じないように、燃料電池セルの運転温度（設計ドライアップ温度Ｔ）を設定し、その温度以上に燃料電池セルが昇温しないように、冷却水を燃料電池セルの周囲に循環させて、冷却しながら実際の運転を行っている。一方、前記のようにガス流路パターンがサーペンタイン型の場合、ガス（空気）流路Ｌが長くならざるを得ないが、長ければ長いほど水持ち去り量が多くなるので、ドライアップを起こさないために、燃料電池セルの運転温度を、より低い温度に設定する必要があり、そのために、燃料電池セルの冷却に要する設備が大きくなり、結果として、システムコストや自動車に設置した場合の車両体格が増加する。
【０００９】
特許文献２に記載されるように、ガス流路部材としてメタルラスまたはエキスパンドメタルを用い、その全幅がガス供給マニホールドに接続したガス供給口となっている形態のガス流路の場合には、同じ発電面積に同じ量のガスを流すのに、サーペンタイン型と比較して、ガス流路長さＬをより短い距離とすることができ、結果として、より高い温度で燃料電池セルの運転を行うことが可能となる。そのために、燃料電池セルの冷却に要する設備を小型化でき、システムコストや車両体格を低く抑えることができる。しかし、前記ガス流路長さＬをどの程度とすべきかについては、十分な研究がなされてなく、経験的に設定しているのが現状であり、燃料電池セルにおいて定量的にガス流路の長さＬを設定できる手法の開発が求められている。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、固体高分子型の燃料電池セルにおいて、膜電極接合体に接するガス流路の長さＬを、定量的に設定して構成した燃料電池セルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による燃料電池セルは、膜電極接合体の両面にガス流路を持つ燃料電池セルであって、前記ガス流路長さＬが次式１で表される長さであることを特徴とする。
【００１２】
【数１】
2011023172.tif 000003
ここで、
Ｌ：ガス流路長
Ｆ：ファラデー定数
τＤ：設計最大発電電流密度
ｔ：ガス流路の厚さ
Ｓｔ：設計ストイキ比
Ｖｉｎ（Ｔ）：温度Ｔでドライアップになるときのガス入口の流速であり、実験で求める値
【００１３】
本発明による燃料電池セルの好ましい態様では、前記ガス流路は、多数の貫通孔が形成されているメタルラスまたはエキスパンドメタルで構成される。
【００１４】
本発明において、膜電極接合体は従来の固体高分子型燃料電池で用いられている膜電極接合体であってよく、イオン交換膜である固体高分子からなる電解質膜と、その両面に積層した燃料極触媒層と空気極触媒層とからなる。燃料極および空気極の触媒層は、一例として、電解質膜の両面に、触媒担持カーボンと電解質樹脂と溶媒（例えば、水とエタノール）とからなる触媒インクを塗布乾燥して作ることができる。触媒担持カーボンは白金等の触媒成分をカーボンに担持させたものである。
【００１５】
本発明において、設計最大発電電流密度τＤとは、当該燃料電池セルを運転するときの設計上定められた最大発電電流密度τＤである。
【００１６】
本発明において、設計ストイキ比Ｓｔとは、燃料電池の発電量に対して最低限必要なガス量（すなわち電気化学反応に供されるガス量）と実際に供給されたガス量との比であり、当該燃料電池セルを運転するときの設計上定められた値である。
【００１７】
なお、本発明は、燃料電池セルにおいて、空気極を流れる空気による過度の水持ち去りを防止してドライアップ現象が生じるのを回避することを目的としており、好ましくは、前記式１は、燃料電池セルを設計するときの空気極側のガス流路に対して適用される。しかし、空気極側のガス流路に限ることはない。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池セルにおいて、ドライアップを起こすことなく運転を継続することができ、かつ設計値にしたがった発電量を得ることのできるガス（空気）流路長Ｌの最大値を定量的に設定した燃料電池セルが得られる。本発明によれば、燃料電池セルにおいて、所期の発電量を得るのに、必要となる長さ以上の長さのガス流路を設ける必要がなくなり、システムコストや車両体格を低く抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池セルの要部を示す図。
【図２】ドライアップ温度Ｔとガス流路長Ｌの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は燃料電池セル１０の要部を示す図であり、１１はガス供給マニホールドであり、１２はガス排気マニホールドである。１３は膜電極接合体であり、電解質膜の両面に燃料極触媒層（不図示）と空気極触媒層１５を積層している。また、燃料極触媒層と空気極触媒層１５には、全面に、特許文献２に記載される形態の図示しないメタルラスまたはエキスパンドメタルが配置され、さらにその上に、やはり図示しない表面が平坦な金属セパレータを配置されている。それにより、膜電極接合体１３と金属セパレータとの間に空気のガス流路１６が形成される。図示の例では、膜電極接合体１３の横幅ｗの全域がガス供給マニホールド１１とガス排気マニホールド１２に接続しており、燃料極触媒層と空気極触媒層１５の全面がガス流路となっている。そして、ガス供給マニホールド１１とガス排気マニホールド１２との間の距離がガス流路１６の長さＬとなっている。
【００２１】
図示の形態の燃料電池セル１０において、ガス供給マニホールド１１から供給される酸化剤ガスである空気は、空気極触媒層１５の表面に沿って流れ、ガス排気マニホールド１２から排気されるが、その間で、発電反応により空気極触媒層１５内に生成され生成水の一部を持ち去られる。それについて、次のような説明が成り立つ。
【００２２】
一般に、水を含んだ物体に熱風を当てた場合に、物体単位面積当たりの水が蒸発する速度Ｒは、次式２で表現できる。
式２：Ｒ＝Ｇ（Ｈ２−Ｈ１）
【００２３】
ここで、Ｇ：物体単位面積当りに流れる熱風の質量速度、Ｈ１：流入する熱風の湿度、Ｈ２：流出する熱風の湿度、であり、この式２から、物体から水が蒸発する速度を抑える方法の１つは、熱風の速度を遅くすればよいことがわかる。
【００２４】
そのことから、燃料電池セルにおいて前記したドライアップを抑制するには、ガス入り口（ガス供給マニホールド１１側）のガス流速が遅くなるようにすればよく、その一つの解決策として、ガス流路の断面積Ｗｔ（Ｗ：ガス流路幅、ｔ：ガス流路厚み）を大きくすることが考えられる。しかし、ガス流路厚さｔを厚くすると、燃料電池が大きくなる（車両体格が高くなる）だけなので適切ではなく、一般的には、ｔ≦１ｍｍくらいとされている。
【００２５】
そこで、ガス流路の厚さをｔとし、燃料電池の発電面積をＬＷ（Ｌ：ガス流路長、Ｗ：ガス流路幅）として、流入する空気のモル流量を考察すると、次のようになる。
【００２６】
流入する空気のモル流量［ｍｏｌ／ｓ］
＝Ｎ２のモル流量＋Ｏ２のモル流量
＝７９／２１・Ｏ２のモル流量＋Ｏ２のモル流量
＝１００／２１・Ｏ２のモル流量
＝１００／２１×（必要Ｏ２モル流量×ストイキ比）
＝１００／２１×（（電子のモル流量／４）×ストイキ比）
＝１００／２１×（（発電電流密度×発電面積）／（４×ファラデー常数））×ストイキ比
＝１００／２１×τＤＬＷ／４Ｆ×Ｓｔ
（なお、ここで、τＤ：設計最大発電電流密度、Ｌ：ガス流路長、Ｗ：ガス流路幅、Ｆ：ファラデー定数、Ｓｔ：設計ストイキ比、である。）
【００２７】
そこで、ガス入り口（ガス供給マニホールド１１側）の流速をＶとすると、Ｖ＝流入する空気のモル流量／ガス流路の断面積で現されるので、前記Ｖは、次式３となる
【００２８】
【数２】
2011023172.tif 000004
【００２９】
そこで、ある燃料電池セルがドライアップするときの温度をＴ、流入するガス入口の流速をＶｉｎ（Ｔ）とすると、ドライアップさせないためには、Ｖ≦Ｖｉｎ（Ｔ）の関係、つまり式４の関係が成り立つことが必要となる。
【００３０】
【数３】
2011023172.tif 000005
【００３１】
そして、式４をガス流路長Ｌで解くことにより、次式１が導かれ、この式１が、本発明によるガス流路長Ｌの長さとなる。
【００３２】
【数４】
2011023172.tif 000006
【００３３】
すなわち、燃料電池セルを設計するに当たり、設計最大発電電流密度τＤ、ガス流路の厚さｔ、設計ストイキ比Ｓｔを基礎値として用い、さらに、設計する燃料電池セルにおいて温度Ｔでドライアップになるときのガス入口の流速値Ｖｉｎ（Ｔ）を実験的に求め、それらの数値から上記式１を演算することにより、当該燃料電池セルに必要とされるガス流路長Ｌの最大値を計算することができる。すなわち、図２に示すように、設計ドライアップ温度Ｔ℃と燃料電池セルのガス流路長Ｌの最大値を定量的に求めることができる。したがって、ガス流路長Ｌが前記計算値以下の長さとなるように燃料電池セルを設計することにより、ドライアップ現象が起こるのを回避した燃料電池セルを得ることができる。
【００３４】
図２に示すように、ガス流路長Ｌと、設計ドライアップ温度Ｔは反比例の関係にあり、前記式１により計算されるガス流路の長さＬの最大値よりも、短い長さのガス流路を持つ燃料電池セルとすることにより、ドライアップが生じる温度をより高い温度とすることができ、結果として、より高い温度で燃料電池セルの運転を行うことが可能となる。それにより、燃料電池セルの冷却に要する設備を小型化でき、システムコストや自動車に設置した場合の車両体格を低く抑えることができる。
【００３５】
一方、燃料電池セルにおいて、図２からもわかるように、高温運転ではガス流路長Ｌを短くすることが好ましく、短くしてもドライアップが生じないが、背反として、低温〜常温時におけるフラッティング(燃料電池セル内の排水不良に伴うセル電圧低下）が発生する確率が高くなる。そのために、実際の設計に置いては、燃料電池セルの実際の使用環境を考慮して、ガス流路長Ｌを決定することが望ましい。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料電池セル、
１１…ガス供給マニホールド、
１２…ガス排気マニホールド、
１３…膜電極接合体、
１５…空気極触媒層、
１６…空気のガス流路。
【図１】
2011023172.tif 000009
【図２】
2011023172.tif 000010