(57)【要約】【課題】  反応膜の全体で略均一に化学反応を起こさせることにより、発電効率の向上を図ることができる燃料電池の提供。【解決手段】  高分子電解質膜１１を一対の電極層１４Ａ、１４Ｂで挟んでなる電解質膜電極接合体１５と、電解質膜電極接合体１５を挟持する一対のセパレータ１６Ａ、１６Ｂとを備え、一対のセパレータ１６Ａには電解質膜電極接合体１５に対して燃料ガスを供給するためのガス流路１７Ａが形成され、他方のセパレータ１６Ｂには電解質膜電極接合体１５に対して酸化剤ガスを供給するためのガス流路１７Ｂが形成されている、燃料電池において、ガス流路１７Ａ及びガス流路１７Ｂは、その断面積が、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって増加するように構成されている。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を一対の電極層で挟んでなる電解質膜電極接合体と、当該電解質膜電極接合体に対して燃料ガスを供給するためのガス流路と、前記電解質膜電極接合体に対して酸化剤ガスを供給するためのガス流路とを備える燃料電池において、
前記ガス流路の少なくとも何れか一方は、その断面積が、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって増加するように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
高分子電解質膜を一対の電極層で挟んでなる電解質膜電極接合体と、前記電解質膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記一対のセパレータの一方には前記電解質膜電極接合体に対して燃料ガスを供給するためのガス流路が形成され、他方には前記電解質膜電極接合体に対して酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成されている、燃料電池において、
前記ガス流路の少なくとも何れか一方は、その断面積が、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって増加するように構成されている、燃料電池。
【請求項３】
前記断面積は、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって一定の割合で増加するように構成されている、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流路の少なくとも何れか一方のガスの流出口の断面積が、ガスの流入口の断面積の２倍以下である、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス流路の少なくとも何れか一方のガスの流入口の断面積をＳ０とし、その長さｘでの断面積をＳ（ｘ）とした場合であって、Ｓ（ｘ）／Ｓ０をＡｘ1/2＋１で近似したとき、前記ガス流路の少なくとも何れか一方が下記式を満たすように構成されている、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の燃料電池。
０≦Ａ≦０．０４、Ａｘ1/2＋１≦２
【請求項６】
前記ガス流路の少なくとも何れか一方は曲部を有しており、当該曲部の曲率半径をＲとし、ガスの平均流速をＶとした場合に、前記曲部が下記式を満たすように構成されている、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の燃料電池。
１≦Ｖ／Ｒ≦１００
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質を用いた燃料電池に関し、特に高分子電解質膜における化学反応を高分子電解質膜の全体にわたって略均一に起こすことができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質を用いた燃料電池は、高分子電解質膜を一対の電極層で挟持してなる電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）に対して、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する空気などの酸化剤ガスとを供給し、ＭＥＡにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。
【０００３】
このような燃料電池において、発電効率を向上させるためには、シミュレーションを行うことによって、燃料ガス及び酸化剤ガスが適切に流れるようにガス流路の形状を設計することが一般的である（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開平６−１８８０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のシミュレーション方法では、各種の実測値の再現が不十分であるため、シミュレーション結果と、その結果に基づいて設計された燃料電池の性能との乖離が著しいという問題があった。
【０００５】
本発明者等は、シミュレーションにおいて、実測値を計算パラメータに十分に取り込んでいなかったために、上述したような乖離が起きていることに着目した。そして、本発明者等は、ガス流路の最適な設計を行うためには、実測可能な流体の物理量を実測し、その実測値を再現できるように計算パラメータを決定し、その計算パラメータを用いてシミュレーションを実行することが必要であると考えた。
【０００６】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、適切なシミュレーション結果に基づいて設計されたガス流路を有することにより、高分子電解質膜の全体で略均一に化学反応を起こさせることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
通常の場合、燃料電池に設けられたガス流路の断面積は長さ方向にわたって一定である。しかし、燃料ガス及び酸化剤ガスは圧縮流体であるため、ガス流路の断面積が長さ方向にわたって一定であったとしても、ガス流路内における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れは一定ではない。したがって、高分子電解質膜上で起きる化学反応が高分子電解質膜の全体にわたって均一にはならない。発明者等の実験によれば、化学反応のほとんどがガスの流入口付近で起こっている。このことは、以下のようにして説明することができる。
【０００８】
ガス流路のモデルとして、断面積が８．０Ｅ−６（ｍ2）で、長さが０．３９（ｍ）の細管を考える。また、細管の有効半径をａ＝１．６×１０-3とする。この細管に対するガスの流入速度は約２５ｍ／秒であった。
【０００９】
上述したモデルに３次元のナビエ・ストークス方程式を適用し、乱流近似を取り入れることにする。このとき、ガスの印加圧力を正しく測定することは困難である。そこで、ガスの流量を一定にして、その流入速度を可視化して実測する。具体的には、軽い微粉末が混ぜられたガスの流れを高速撮影することにより流入速度を実測する。この場合、ガスの流入口の半径方向の分布も含めてガスの流入速度を測定する。その結果、図１に示すように、ガスの流入速度ｕ（ｘ＝０，ｒ＝０）は約２５ｍ／秒であった。ここで、ｘはガスの流入口からの距離を、ｒは細管の中心からの距離（半径）をそれぞれ示している。また、ガスの流出口の気圧は勿論１気圧である。
【００１０】
上述したようにして測定されたガスの流入速度ｕ（ｘ＝０，ｒ）を、細管の半径方向の分布も含めて再現することができるように、境界条件を設定してナビエ・ストークス方程式を解く。これにより、実測困難な物理量である細管中心線上の各場所における圧力ｐ（ｘ）、同じく流体密度ρ（ｘ）、同じくガスの流速ｖ（ｘ）、及び細管の半径方向の平均流速Ｖ（ｘ）を求められる。このようにして求められた各計算値は、ガスの流入速度ｕ（ｘ＝０，ｒ）の実測値に基づいて算出されているため、信頼性が比較的高いと考えられる。
【００１１】
図２は、シミュレーションにより得られた細管中心線上の各地点（ａ１，ｂ１，ｃ１）におけるガスの流速ｖ（ｘ）の変化を示す図である。また、図３は、シミュレーションにより得られた細管中心線上の各地点（ａ２，ｂ２，ｃ２）における圧力ｐ（ｘ）の変化を示す図である。さらに、図４は、シミュレーションにより得られた細管中心線上の各地点（ａ３，ｂ３，ｃ３）における流体密度ρ（ｘ）の変化を示す図である。これらの図２から図４においては、細管の中を通流するガスが、矢符で示す方向に流れているものとしてシミュレーションが実行された結果が示されている。
【００１２】
図２に示すとおり、細管中心線上のガスの流速ｖ（ｘ）は、入り口付近の地点ａ１で２７ｍ／秒、中間地点ｂ１で３５ｍ／秒、出口付近の地点ｃ１で４３ｍ／秒であった。また、図３に示すとおり、細管中心線上の圧力ｐ（ｘ）は、入り口付近の地点ａ２で１０６ｋＰａ、中間地点ｂ２で１０３ｋＰａ、出口付近の地点ｃ２で１００ｋＰａであった。さらに、図４に示すとおり、細管中心線上の流体密度ρ（ｘ）は、入り口付近の地点ａ３で１．４×１０-6ｇ／ｍｍ3、中間地点ｂ３で１．３×１０-6ｇ／ｍｍ3、出口付近の地点ｃ３で１．４×１０-6ｇ／ｍｍ3であった。
【００１３】
このように、長さ方向にわたって断面積が一定の細管の場合、圧力ｐ（ｘ）及び流体密度ρ（ｘ）は入り口付近で最も大きく、ガスの流速ｖ（ｘ）は入り口付近で最も小さい。ところで、圧縮流体の流れにおいても、単位時間あたりに通過する質量は各地点で一定であるため、ガスの流入口における細管の断面積をＳ０とすると、Ｓ０ρ（ｘ）ｐ（ｘ）は地点によらず一定である。したがって、ガスの圧力及び密度が最も大きい入り口付近においては、ガスの流速が最も小さくなる。一方、ガスの圧力及び密度が最も小さい出口付近においては、ガスの流速が最も大きくなる。
【００１４】
ところで、反応膜上では、圧縮流体の密度と速度の逆数（滞在時間）との積ρ（ｘ）／ｖ（ｘ）に比例して化学反応が進行する。したがって、このρ（ｘ）／ｖ（ｘ）が細管の長さ方向にわたって一定であれば、反応膜の全体で均一に化学反応を起こさせることができる。しかし、上述したように、ガスの圧力及び密度が最も大きい入り口付近においてはガスの流速が最も小さく、ガスの圧力及び密度が最も小さい出口付近においてはガスの流速が最も大きくなる。そのため、このρ（ｘ）／ｖ（ｘ）は、入り口付近が最も大きくなり、出口付近が最も小さくなる。このことがガスの流入口の付近で化学反応が盛んに起こる理由である。
【００１５】
そこで、本発明者等は、ガス流路の断面積を変化させることにより、ρ（ｘ）／ｖ（ｘ）を一定にすることができると考えた。そして、その知見に基づいて、以下に示す発明をした。
【００１６】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜を一対の電極層で挟んでなる電解質膜電極接合体と、当該電解質膜電極接合体に対して燃料ガスを供給するためのガス流路と、前記電解質膜電極接合体に対して酸化剤ガスを供給するためのガス流路とを備える燃料電池において、前記ガス流路の少なくとも何れか一方は、その断面積が、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって増加するように構成されている。
【００１７】
また、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜を一対の電極層で挟んでなる電解質膜電極接合体と、前記電解質膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記一対のセパレータの一方には前記電解質膜電極接合体に対して燃料ガスを供給するためのガス流路が形成され、他方には前記電解質膜電極接合体に対して酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成されている、燃料電池において、前記ガス流路の少なくとも何れか一方は、その断面積が、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって増加するように構成されている。
【００１８】
前記発明に係る燃料電池において、前記断面積は、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって一定の割合で増加するように構成されていることが好ましい。
【００１９】
また、前記発明に係る燃料電池において、前記ガス流路の少なくとも何れか一方のガスの流出口の断面積が、ガスの流入口の断面積の２倍以下であることが好ましい。
【００２０】
また、前記発明に係る燃料電池において、前記ガス流路の少なくとも何れか一方のガスの流入口の断面積をＳ０とし、その長さｘでの断面積をＳ（ｘ）とした場合であって、Ｓ（ｘ）／Ｓ０をＡｘ1/2＋１で近似したとき、前記ガス流路の少なくとも何れか一方が、０≦Ａ≦０．０４、Ａｘ1/2＋１≦２を満たすように構成されていることが好ましい。
【００２１】
さらに、前記発明に係る燃料電池において、前記ガス流路の少なくとも何れか一方は曲部を有しており、当該曲部の曲率半径をＲとし、ガスの平均流速をＶとした場合に、前記曲部が１≦Ｖ／Ｒ≦１００を満たすように構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の全体において略均一に化学反応を起こさせることができるため、発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００２４】
図５は、本発明の燃料電池が備えるＭＥＡ（電解質膜電極接合体）の構成を模式的に示す断面図である。図５に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１の両面には、白金（Ｐｔ）系の金属触媒を炭素粉末に担持させて得られる触媒体と水素イオン伝導性高分子電解質との混合物で構成される触媒層１２Ａ、１２Ｂが配置される。
【００２５】
また、触媒層１２Ａ、１２Ｂの外面には、通気性及び電子伝導性を併せ持ち、撥水処理が施されたカーボンペーパーで構成されるガス拡散層１３Ａ、１３Ｂがそれぞれ形成されている。この触媒層１２Ａとガス拡散層１３Ａとを合わせて電極１４Ａ、また触媒層１２Ｂとガス拡散層１３Ｂとを合わせて電極１４Ｂとそれぞれ呼ぶ。なお、以下では、燃料ガスが供給される側の電極１４Ａをアノード１４Ａと呼び、酸化剤ガスが供給される側の電極１４Ｂをカソード１４Ｂと呼ぶ。
【００２６】
高分子電解質膜１１に対して供給する燃料ガス及び酸化剤ガスが外部へリークすることを防止するため、及び前記２種類のガスが混合することを防止するために、アノード１４Ａ及びカソード１４Ｂの周囲には高分子電解質膜１１を挟んでガスシール材およびガスケットが配置される。このシール材及びガスケットは、アノード１４Ａ及びカソード１４Ｂ並びに高分子電解質膜１１と一体化されており、これらすべてを組み合わせたものがＭＥＡ１５と呼ばれる。
【００２７】
図６は、図５に示すＭＥＡを備える燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。図６に示すように、ＭＥＡ１５の外側には、ＭＥＡ１５を機械的に固定するための導電性のアノードセパレータ１６Ａ及びカソードセパレータ１６Ｂが配置される。アノードセパレータ１６ＡのＭＥＡ１５と接触する側の面には、アノード１４Ａに燃料ガスを供給するためのガス流路１７Ａが形成される。一方、カソードセパレータ１６ＢのＭＥＡ１５と接触する側の面には、カソード１４Ｂに酸化剤ガスを供給するためのガス流路１７Ｂが形成される。
【００２８】
また、アノードセパレータ１６Ａ及びカソードセパレータ１６ＢのＭＥＡ１５とは離れた側の面には、冷却水を通流させるための冷却水用流路１８Ａ及び１８Ｂが形成されている。
【００２９】
なお、図６において、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂは、左側に向かうにしたがってガスの通流方向の上流側の流路となり、右側に向かうにしたがってガスの通流方向の下流側の流路となる。
【００３０】
図７は、本発明の燃料電池が備えるアノードセパレータ１６Ａの構成を示す平面図である。図７に示すように、アノードセパレータ１６Ａの中央部には、所定のパターンで形成されたガス流路１７Ａが形成されている。また、アノードセパレータ１６Ａの周縁部には、酸化剤ガスを通流させるための２つの酸化剤ガスマニホールド孔３１、燃料ガスを通流させるための２つの燃料ガスマニホールド孔３２、及び冷却水を通流させるための４つの冷却水マニホールド３３が適宜の位置に形成されている。
【００３１】
上述したガス流路１７Ａは、２つの燃料ガスマニホールド孔３２に接続されている。一方の燃料ガスマニホールド孔３２を介して外部からガス流路１７Ａに対して燃料ガスが供給される。そして、反応されずにガス流路１７Ａを通過した燃料ガスは、他方の燃料ガスマニホールド孔３２を介して外部へ排出される。なお、図７における矢符は、燃料ガスの通流方向を示している。
【００３２】
また、図８は、本発明の燃料電池が備えるカソードセパレータ１６Ｂの構成を示す平面図である。図８に示すように、アノードセパレータ１６Ａの場合と同様に、カソードセパレータ１６Ｂの中央部には、所定のパターンで形成されたガス流路１７Ｂが形成されている。また、アノードセパレータ１６Ａの場合と同様に、カソードセパレータ１６Ｂの周縁部には、酸化剤ガスを通流させるための２つの酸化剤ガスマニホールド孔３４、燃料ガスを通流させるための２つの燃料ガスマニホールド孔３５、及び冷却水を通流させるための４つの冷却水マニホールド３６が適宜の位置に形成されている。
【００３３】
上述したガス流路１７Ｂは、２つの酸化剤ガスマニホールド孔３４に接続されている。一方の酸化剤ガスマニホールド孔３４を介して外部からガス流路１７Ｂに対して酸化剤ガスが供給される。そして、反応されずにガス流路１７Ｂを通過した酸化剤ガスは、他方の酸化剤ガスマニホールド孔３４を介して外部へ排出される。なお、図８における矢符は、酸化剤ガスの通流方向を示している。
【００３４】
図６から図８に示すように、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの幅ｗは、ガスの通流方向において上流から下流に向かうにしたがって大きくなっている。また、図６に示すように、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの高さｈも同様にして、ガスの通流方向において上流から下流に向かうにしたがって大きくなっている。よって、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂは、ガスの通流方向において上流から下流に向かうにしたがって断面積が増加するように構成されている。
【００３５】
従来のようにガス流路の断面積を一定とした場合にはガスの入り口付近でのみ盛んに化学反応が起こっていたが、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂを以上のように構成することによって、本発明の燃料電池においては高分子電解質膜１１の全体で略均一に化学反応を起こさせることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの幅ｗ及び高さｈの両方がガスの通流方向において上流から下流に向かうにしたがって大きくなるように構成されているが、このような形状に限定されるわけではないことは言うまでもない。例えば、幅ｗ及び高さｈの何れか一方のみがガスの通流方向において上流から下流に向かうにしたがって大きくなる等によって、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの断面積が同じく上流から下流に向かうにしたがって断面積が増加するように構成されるようにしてもよい。
【００３７】
また、本実施の形態ではガス流路１７Ａ及び１７Ｂがセパレータに形成されているが、これに限定されるわけではなく、セパレータとは別にガス流路１７Ａ及び１７Ｂが設けられるような構成であってもよい。
【００３８】
このように、アノードセパレータ１６Ａ及びカソードセパレータ１６ＢでＭＥＡ１５を固定し、片側のガス流路１７に燃料ガスを供給し、他方のガス流路１７に酸化剤ガスを供給することで、数十から数百ｍＡ／ｃｍ２の実用電流密度通電時において一つのセルで０．７〜０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。但し、通常、燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、必要とする個数だけセルを直列に連結させた燃料電池スタックを用いることになる。
【００３９】
次に、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂを以上のように構成した場合に、なぜ高分子電解質膜１１の全体で略均一に化学反応を起こさせることができるようになるのか、及びその断面積をどのように変化させるべきであるのかについて、上述したガス流路のモデルである細管を用いて説明する。
【００４０】
ガスの入り口からの距離である地点ｘにおける細管の断面積Ｓ（ｘ）は、以下の式１で算出される。
【００４１】
Ｓ（ｘ）＝Ｓ０ρ０ｖ（ｘ）／ρ（ｘ）ｖ０  …  式１
ここで、ρ０はρ（ｘ＝０）を示している。
【００４２】
また、便宜上、細管の幅ｗは各地点で一定であると仮定し、地点ｘにおける高さｈ（ｘ）を以下の式２で算出することにする。なお、この細管の幅ｗは本発明の燃料電池におけるガス流路１７Ａ及び１７の幅ｗに相当し、高さｈはガス流路１７Ａ及び１７の幅ｈに相当する。
【００４３】
ｈ（ｘ）＝ｈ０ｗρ０ｖ（ｘ）／ρ（ｘ）ｖ０  …  式２
ここで、ｈ０はｈ（ｘ＝０）を示している。
【００４４】
なお、圧力ｐ（ｘ）と流体密度ρ（ｘ）とは比例関係にあるため、式１及び式２においてρをｐに置き換えても構わない。
【００４５】
式２に示すように、ｘの値が大きくなるにしたがって、即ちガスの入り口から出口に向かうにしたがって、高さｈ（ｘ）が大きくなる。これにより、細管の断面積が増加し、ガスの流速が小さくなる。その結果、出口に近付くにしたがって、反応膜上でのガスの滞在時間が長くなる。
【００４６】
また、ガスの平均流速Ｖ（ｘ）を次の式３により定義する。
【００４７】
Ｖ（ｘ）＝∫０aｕ（ｘ、ｒ）２πｒｄｒ／Ｓ０  …  式３
ここで、ｕは細管の半径方向を含むガスの流速、ａは細管の半径を示す。
【００４８】
この式３によって定義されるガスの平均流速Ｖ（ｘ）を用いて、式１及び式２を表すと、以下の式４及び式５となる。
【００４９】
Ｓ（ｘ）＝Ｓ０ρ０Ｖ（ｘ）／ρ（ｘ）Ｖ０  …  式４
ｈ（ｘ）＝ｈ０ｗρ０Ｖ（ｘ）／ρ（ｘ）Ｖ０  …  式５
この式５を用いたとしても、式２の場合と同様に、ｘの値が大きくなるにしたがって、即ちガスの入り口から出口に向かうにしたがって、高さｈ（ｘ）が大きくなる。
【００５０】
ところで、図３を参照して説明したように、この細管を用いてシミュレーションを実行した場合、圧力ｐ（ｘ）は、入り口付近のｐ（Ａ２）と出口付近のｐ（Ｃ２）とでは５％程度しか変化していない。一方、図２を参照して説明したように、ガスの流速ｖ（ｘ）の場合では、入り口付近のｖ（Ａ１）と出口付近のｖ（Ｃ１）とで６０％程度変化している。したがって、細管の断面積を決定する高さｈ（ｘ）の値は、ほとんどガスの流速ｖ（ｘ）の変化で定まるものと考えられる。
【００５１】
図９は、本発明におけるガス流路の長さとガス流路の断面積比との関係を示すグラフである。このグラフは、上述した式１及び式２（又は式４及び式５）を用いて計算した結果にしたがって生成されている。図９に示すグラフに表されているように、流路の長さに応じて断面積比（Ｓ（ｘ）／Ｓ０）が増加しているが、細管の出口の断面積が入り口の断面積に比べて２倍以下であるときに細管の長さ方向の全体にわたって略均一に反応を起こさせるようにする効果が期待できる。したがって、本発明の燃料電池においても、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂのガスの流出口の断面積は、ガスの流入口の断面積の２倍以下であることが望ましい。
【００５２】
また、上述した式１及び式２（又は式４及び式５）を用いて計算した結果によると、細管の流入口の断面積Ｓ０に対して、細管の長さｘ（ｍｍ）における断面積Ｓ（ｘ）の比ｓ＝Ｓ（ｘ）／Ｓ０は以下の式６により近似できることが分かった。
【００５３】
ｓ＝Ａｘ1/2＋１  …  式６
ここで、ｓは正であり２以下である。このとき、Ａが０以上０．０４以下であるときに細管の長さ方向の全体にわたって略一様に反応を起こさせるようにする効果が期待できる。したがって、本発明の燃料電池においても、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂのガスの流出口の断面積をＳ０とし、その長さｘでの断面積をＳ（ｘ）とした場合に、上述した式６でＳ（ｘ）／Ｓ０を近似したとき、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂが、０≦Ａ≦０．０４及びＡｘ1/2＋１≦２を満足するように構成されていることが好ましい。
【００５４】
ところで、図７及び図８に示すように、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂは数箇所の曲部を有している。これらの曲部では、ガスの流れの方向が急激に変化することになるため、乱流になりやすい。そして、ガスの流れが乱流の場合、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの全体にわたる化学反応の均一性が妨げられることになる。
【００５５】
そこで、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの曲部を、当該曲部におけるガスの平均速度Ｖ（ｘ）（ｍ／秒）に対して十分大きな曲率半径を持つように構成する。これにより、曲部におけるガスの流れは乱流にならず、穏やかな層流になる。
【００５６】
細管に空気を流す実験を行った結果、細管の断面積が多少変化したとしても、Ｖ（ｘ）／Ｒが１以上１００以下であるときに層流になりやすいことが分かった。ここで、空気ではなく燃料ガス及び酸化剤ガスを用いた場合でも同様の結果が得られる。そのため、本発明においては、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの曲部が、１≦Ｖ（ｘ）／Ｒ≦１００を満足するように構成する。これにより、ガスの流れが層流となり、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの全体にわたる化学反応の均一性が妨げられることはない。
【００５７】
なお、本実施の形態では、ガス流路１７Ａ及び１７Ｂの両方の断面積が、ガスの通流方向の上流から下流に向かうにしたがって増加しているが、本発明はこれに限定されるわけではなく、何れか一方のみの断面積がこのように増加するような構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る燃料電池は、高分子電解質膜の全体にわたって略均一に化学反応を起こさせることができ、高い発電効率が要求される燃料電池等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】細管中のガスの流速を説明するための説明図である。
【図２】シミュレーションにより得られた細管中心線上の各地点におけるガスの流速の変化を示す図である。
【図３】シミュレーションにより得られた細管中心線上の各地点における圧力の変化を示す図である。
【図４】シミュレーションにより得られた細管中心線上の各地点における流体密度の変化を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池が備えるＭＥＡ（電解質膜電極接合体）の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図５に示すＭＥＡを備える燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池が備えるアノードセパレータの構成を示す平面図である。
【図８】本発明の燃料電池が備えるカソードセパレータの構成を示す平面図である。
【図９】本発明におけるガス流路の長さとガス流路の断面積比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１１    高分子電解質膜
１２Ａ，１２Ｂ  触媒層
１３Ａ，１３Ｂ  ガス拡散層
１４Ａ  アノード
１４Ｂ  カソード
１５    ＭＥＡ
１６    セパレータ板
１７Ａ，１７Ｂ  ガス流路
１８    冷却水流路
【図１】
2005317426.tif 000003
【図２】
2005317426.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005317426.tif 000006
【図５】
2005317426.tif 000007
【図６】
2005317426.tif 000008
【図７】
2005317426.tif 000009
【図８】
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【図９】
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