(57)【要約】【課題】多くの酸素量を必要とする高負荷時に、酸素極電極の上流側で排水性の低下や酸素量不足が生じるのを回避できる燃料電池セル１００を提供する。【解決手段】酸素極電極である発電面２１と、空気マニホールド入口１４から送給される酸化剤ガスが発電面２１に沿って流れる面内ガス流路と、送給される酸化剤ガスの一部を面内ガス流路の途中域に送給するためのバイパス流路Ｃとを少なくとも備えた燃料電池セル１００において、バイパス流路Ｃは、流路の途中域に屈曲部位または断面積が急激に変化する部位の双方またはいずれか一方を備える乱流発生領域６３を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電面と、酸化剤ガスマニホールドから送給される酸化剤ガスが前記発電面に沿って流れる面内ガス流路と、前記酸化剤ガスマニホールドから送給される酸化剤ガスの一部を前記面内ガス流路の途中域に送給するためのバイパス流路と、を少なくとも備えた燃料電池セルであって、
前記バイパス流路は、流路の途中域に屈曲部位または断面積が急激に変化する部位の双方またはいずれか一方を備えることを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、単セルと称される燃料電池セルの複数個が積層したスタック構造として構成されている。燃料電池セルは、主に、膜電極接合体（ＭＥＡ）の両面にガス拡散層を介してセパレータを配置した構成を有する。膜電極接合体は、電解質膜とその両面に形成される燃料極としての電極および酸素極としての電極とを有し、燃料極側には燃料ガスである水素が、酸素極側には酸化剤ガスとしての空気が、それぞれ供給される。
【０００３】
供給される水素と空気中の酸素は、膜電極接合体内で電気化学反応をし、発電が進行する。燃料電池セルにおいて、膜電極接合体の両面は発電面と通称され、該発電面の一方面には酸化剤ガス（空気）が流れる面内ガス流路が発電面に沿って形成され、また他方の面には燃料ガス（水素）が流れる面内ガス流路が発電面に沿って形成される。
【０００４】
図４は、燃料電池セルの一例を示す平面図であり、この例において、燃料電池セル１０を構成するセパレータ１１の左右端部には、燃料マニホールド１２、１２が形成され、燃料ガスとしての水素が供給される。また、セパレータ１１の上下端部には、空気マニホールドが形成されており、空気マニホールドは、空気マニホールド入口１４および空気マニホールド出口１６として示されている。酸化剤ガスとしての空気は、図中、下部の空気マニホールド入口１４から供給され、発電面に沿う面内ガス流路を通過して、上部の空気マニホールド出口１６から排出される。また、この例では、セパレータ１１の左右端部に冷却水マニホールド１８も形成されており、冷却水が供給される。図中、２０は膜電極接合体であり、膜電極接合体２０の両面には、通常、ガス拡散層が配置されている。
【０００５】
図５は、前記燃料電池セル１０において、酸化剤ガスとしての空気が流れる状態を模式的に示している。空気マニホールド入口１４から流入する空気は、空気流路Ａを通って、膜電極接合体２０の酸素極電極である発電面２１の上流側に位置する空気入口２２から、発電面２１の上流側に流入する。流入した空気（酸素）の一部は、発電面２１から膜電極接合体２０内に取り込まれ、そこで、燃料マニホールド１２、１２から供給される水素との間で電気化学反応を行う。反応により酸素が消費された空気は、発電面２１を流下して、空気マニホールド出口１６から排出される。
【０００６】
この形態の燃料電池セル１０において、空気入口２２の側は、まだ酸素が消費されていないため相対的にガス量が多く、生成水の持ち去りが多く、その領域での発電面が乾きやすい。そのために、高温時等において空気入口２２の側で発電性能が低下し、発電面２１内で発電分布が不均一となることが起こる。
【０００７】
その不都合を解消することのできる燃料電池の一例が、特許文献１に記載されている。この燃料電池は、ガス拡散層と、セパレータと、前記ガス拡散層と前記セパレータとの間に配置されたエキスパンドメタルからなる酸化剤ガス流路と、を備えている。図６に示すように、前記エキスパンドメタル３０は、前記ガス拡散層側を流れる酸化剤ガスと、前記セパレータ側を流れる酸化剤ガスとが互いに連通する開口を有しない上流側の第１エキスパンドメタル３１と、前記開口３２を備える下流側の第２エキスパンドメタル３３と、を有することを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２２６９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の燃料電池は、図７に示すように、その膜電極接合体２０における空気マニホールド入口１４に近い領域に前記第１のエキスパンドメタル３１が位置し、残りの領域に前記第２の第２エキスパンドメタル３３が位置することとなる。その燃料電池を、図５に示した模式図に対応するようにして表現すると、図８に示す燃料電池１０ａのように表される。
【００１０】
すなわち、第１エキスパンドメタル３１を流下する酸化剤ガスのうち、ガス拡散層側を流れる酸化剤ガスは、空気入口２２から発電面２１に流入するが、セパレータ側を流れる酸化剤ガスは、下流側の第２エキスパンドメタル３３に到達した時点で、発電面２１に流入する。したがって、第１エキスパンドメタル３１におけるセパレータ側に開いているガス流路は、空気入口２２をバイパスするバイパス流路Ｂということができ、該バイパス流路Ｂは、空気マニホールド入口１４から分岐し、空気入口２２の下流において、例えば発電面２１の上流側から１／３程度の部位で、発電面２１に開放していることとなる。
【００１１】
結果、バイパス流路Ｂの開放位置よりも上流部においては、発電面２１に流下する酸化剤ガスの量を、バイパス流路Ｂを流れる流量分だけ低減した量とすることができ、それにより、膜乾きは抑制される。しかし、図６に示すように、第１エキスパンドメタル３１に形成される２つのガス流路、すなわち、セパレータ側を流れる酸化剤ガスのガス流路３４（前記バイパス流路Ｂに相当する）と、ガス拡散層側を流れる酸化剤ガスのガス流路３５とは、共に、実質的に流路断面に変化のない直線状の流路であり、そこを流れるガス流は基本的に整流である。そのために、低負荷時でも高負荷時でも、すなわち、酸化剤ガスの流量の大小にかかわらず、２つの流路を流れる酸化剤ガス（空気）の流量割合は一律であり、結果、多くの酸素量を必要とする高負荷時には、酸素極電極の上流側では、排水性が低下し、また酸素量が不足するという現象が生じうる。
【００１２】
本発明は、上記の不都合を解消することのできる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】
【００１３】
本発明による燃料電池セルは、発電面と、酸化剤ガスマニホールドから送給される酸化剤ガスが前記発電面に沿って流れる面内ガス流路と、前記酸化剤ガスマニホールドから送給される酸化剤ガスの一部を前記面内ガス流路の途中域に送給するためのバイパス流路と、を少なくとも備えた燃料電池セルであって、前記バイパス流路は、流路の途中域に屈曲部位または断面積が急激に変化する部位の双方またはいずれか一方を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による燃料電池セルは、前記バイパス流路が存在することで、発電面の上流域において、低負荷時には生成水の持ち去り量を低減することが可能となり、また、高温時における発電面の乾燥を抑制することができる。加えて、前記バイパス流路には、屈曲部位または断面積が急激に変化する部位の双方またはいずれか一方が設けられていることで、そこを流れるガス流量が大きくなったときに、流れに渦や剥離が発生し、結果、乱流に起因して流量と圧損の関係が非線形に上昇する。そのために、高負荷時には、バイパス流路を流れる流量を相対的に低下させることができ、その分、発電面上流側に流入するガス量（酸素量）を増加させることができる。それにより、高負荷時において、排水性が低下すること、および酸素不足が生じることを、同時に解消することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による燃料電池セルの模式的な平面図。
【図２】バイパス流路の他の例を示す模式的図。
【図３】本発明でのガス流と先行技術でのガス流における圧損と流量との関係を説明するためのグラフ。
【図４】燃料電池セルの一例を示す模式的な平面図。
【図５】燃料電池セルにおいて酸化剤ガスとしての空気が流れる状態を模式的に示す図。
【図６】先行技術で用いられるエキスパンドメタルを説明する図。
【図７】先行技術での燃料電池セルを示す平面図。
【図８】先行技術での燃料電池セルにおいて酸化剤ガスとしての空気が流れる状態を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。図１は、本実施の形態による燃料電池セル１００を模式的に示す平面図である。図１に示す燃料電池セル１００の基本的構成は、図５に基づき説明した燃料電池セル１０と同じであり、同じ部材には同じ符号を付すことで、詳細な説明は省略する。
【００１７】
燃料電池セル１００は、空気マニホールド入口１４からの空気を空気入口２２へ導く主空気流路Ａに加えて、空気の一部を、膜電極接合体２０の酸素極電極である発電面２１に沿う面内ガス流路の途中域に案内することのできるバイパス流路Ｃを備えている。前記バイパス流路Ｃは、流路横断面が一律ではなく、少なくともその流路の途中域に、大径部６１と小径部６２とが、交互に直列に配列した乱流領域６３を有している。
【００１８】
バイパス流路Ｃ内を流れるガス流は、大径部６１から小径部６２に流入するときに流速が増大し、小径部６２から大径部６１に流入するときに流速が減少する。結果、ほぼ整流状態で乱流領域６３に流入するガスの流れに、渦や剥離が生じ、乱流となる。流量が大きくなると、それに応じて乱流の状態は大きなものとなる。
【００１９】
流路内での流量と圧損との関係は、流れに乱流が生じることなく整流のままで流下する場合には、ほぼ線形で変化するのに対して、本実施の形態でのバイパス流路Ｃ内では、前記のように、乱流が発生していることで、その変化は非線形となり、同じ圧損値のときに、バイパス流路Ｃを流れる流量は、整流の場合と比較して、減少する。その減少割合だけ、主空気流路Ａを流れるガス流量は増大する。その増加量は、空気マニホールド入口１４からの空気流量に応じて大きくなる。
【００２０】
図３は、その関係をグラフで示している。グラフに示すように、低負荷流量では、図８に示すバイパス流路Ｂを流れるガス流量と、本実施の形態でのバイパス流路Ｃを流れるガス流量との間に大きな差はないが、高負荷流量となると、両者の流量差は有意に大きくなってくる。そのために、高負荷流量となる状態、すなわち高負荷運転時に、本実施の形態での燃料電池セル１００では、酸素極電極である発電面２１の上流側に位置する空気入口２２からの空気流量を、従来のもの、すなわち図８に基づき説明した形態の燃料電池セル１０ａよりも、大きくすることが可能となり、高負荷時での排水性および酸素量低下を、確実に回避することができる。
【００２１】
本実施の形態での燃料電池セル１００において、バイパス流路Ｃでの乱流発生領域６３の形態は、図１に示したものに限定されない。図２は、バイパス流路Ｃにおける乱流発生領域６３の他の形態を示している。図２（ａ）は、横断面の面積が急激に拡大する箇所が乱流発生領域６３の流路の１か所に設けられている。この形態でも、流路の径拡大部の中央部では噴出速度が大きく、周囲部では遅くなることから、径拡大部において、整流は乱流となる。図２（ｂ）は、横断面の面積が急激に縮小する箇所が乱流発生領域６３の流路の１か所に設けられている。この形態でも、小径部へ流入するときに中央部と周囲部とで流速の変化が生じることから、やはり、整流は乱流となる。
【００２２】
図２（ｃ）は、横断面の面積変化ではなく、適数個（図では４か所）の曲がり部（屈曲部）を乱流発生領域６３の流路内に設けることで、乱流を生じさせるようにしている。屈曲部では、内角部に近いところと遠いところで屈曲に要する距離が異なることから、やはり整流は乱流となる。複数回の屈曲を繰り返すことで、乱流の度合いも大きくなる。図２（ｄ）では、乱流発生領域６３が分岐と集合を反復する形状となっている。この形状でも整流は乱流となる。図２（ｄ）の形状において、分岐は、図示のように上下方向への分岐に加えて、３６０度の方向にわたる分岐、すなわち円筒状に広がる分岐も含まれる。
【００２３】
さらに、図示しないが、特許文献１に記載される形態の燃料電池セル、すなわち、図６および図７に基づき先に説明した、ガス拡散層と、セパレータと、前記ガス拡散層と前記セパレータとの間に配置されたエキスパンドメタル３０からなる酸化剤ガス流路とを備え、前記エキスパンドメタル３０が、図６および図７に示すように、前記ガス拡散層側を流れる酸化剤ガスと、前記セパレータ側を流れる酸化剤ガスが互いに連通する開口を有しない上流側の第１エキスパンドメタル３１と、前記開口３２を備える下流側の第２エキスパンドメタル３３とを有するようにした形態の燃料電池セルに対して、本発明によるバイパス流路Ｃの技術を適用することも可能である。
【００２４】
具体的には、図６に示した、第１エキスパンドメタル３１におけるセパレータ側に開いているガス流路３４（バイパス流路Ｃに相当）とガス拡散層側に開いた流路３５とが互いに連通する開口を形成しない状態を保持したままで、該流路に、屈曲部位または断面積が急激に変化する部位の双方またはいずれか一方を設けるようにすることで、本実施の形態の燃料電池セル１００と同じ作用効果を奏することのできる燃料電池セルとすることが可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１００…燃料電池セル、
１４…空気マニホールド入口、
２０…膜電極接合体、
２１…酸素極電極である発電面、
２２…空気入口、
６１…大径部、
６２…小径部、
６３…乱流発生領域、
Ａ…主空気流路、
Ｃ…バイパス流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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