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JP2012049007A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2012049007A
JP2012049007A JP2010190509A JP2010190509A JP2012049007A JP 2012049007 A JP2012049007 A JP 2012049007A JP 2010190509 A JP2010190509 A JP 2010190509A JP 2010190509 A JP2010190509 A JP 2010190509A JP 2012049007 A JP2012049007 A JP 2012049007A
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JP
Japan
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fuel cell
gas
channel
flow channel
layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010190509A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryoichi Nanba
良一 難波
Tomohiro Ogawa
朋宏 小川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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 Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology to improve the power generation efficiency of a fuel cell system.SOLUTION: A fuel cell system 100 comprises a membrane electrode assembly 10 and separators 20 and 30 holding the membrane electrode assembly 10 therebetween. The separators 20 and 30 are provided with parallel supply channels 23 and 33 and parallel exhaust channels 25 and 35 in the form of covered channels spatially separated from each other. Electrode layers 2 and 3 of the membrane electrode assembly 10 contain gas diffusing layers 5. The gas diffusing layers 5 have channel regions GA overlapping the channels 23, 33, 25, or 35 and channel wall regions WA overlapping parallel channel walls 29 and 39 in the laminating direction in the fuel cell system 100. In the gas diffusing layers 5, the channel regions GA attain greater ability to diffuse gas than that of the channel wall regions WA with diffusion suppressing parts 6 provided to the channel wall regions WA.

Description

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

燃料電池としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備えるものがある。一般に、膜電極接合体は、導電性を有するガス不透過の板状部材であるセパレータによって狭持される。また、セパレータの外表面には、反応ガスのガス流路として機能する流路溝が設けられ、膜電極接合体の電極には、反応ガスを電極面(発電領域)全体に拡散させるためのガス拡散層が設けられる。セパレータの流路溝としては、反応ガスを発電領域に供給するための供給側流路溝と、発電領域から排ガスを排出するための排出側流路溝とが、流路壁を挟んで空間的に分離するように形成されたものが提案されている(特許文献1等)。   Some fuel cells include a membrane electrode assembly that is a power generation body in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane that exhibits good proton conductivity in a wet state. In general, the membrane electrode assembly is sandwiched between separators which are conductive and gas-impermeable plate-like members. In addition, the outer surface of the separator is provided with a channel groove that functions as a gas channel for the reactive gas, and the electrode of the membrane electrode assembly is a gas for diffusing the reactive gas over the entire electrode surface (power generation region). A diffusion layer is provided. As the separator channel groove, a supply side channel groove for supplying the reaction gas to the power generation region and a discharge side channel groove for discharging the exhaust gas from the power generation region are spatially sandwiching the channel wall. The one formed so as to be separated is proposed (Patent Document 1, etc.).

このような流路溝を有する燃料電池では、供給側流路溝の下流側端部が閉塞されているため、供給側流路溝に流入した反応ガスのほとんどを、膜電極接合体のガス拡散層へと流入させることができる。従って、発電反応に用いられることなく燃料電池の外部へと排出されてしまう未反応ガスの量を低減することができる。しかし、こうした燃料電池では、発電領域内における反応ガスの供給量分布や発電量が不均一となる傾向にあり、その発電性能は十分に向上されていなかった。   In a fuel cell having such a channel groove, the downstream end of the supply side channel groove is closed, so that most of the reaction gas flowing into the supply side channel groove is diffused in the membrane electrode assembly. Can flow into the bed. Accordingly, it is possible to reduce the amount of unreacted gas that is discharged outside the fuel cell without being used for the power generation reaction. However, in such a fuel cell, there is a tendency that the supply amount distribution of the reactive gas and the power generation amount in the power generation region are not uniform, and the power generation performance has not been sufficiently improved.

特開2004−079457号公報JP 2004-079457 A 特開2004−342483号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-342483 特開2005−116179号公報JP 2005-116179 A

本発明は、燃料電池の発電性能を向上させる技術を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a technique for improving the power generation performance of a fuel cell.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
燃料電池であって、電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する2枚のセパレータと、反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、を備え、前記電極層は、前記電解質膜と接する側に設けられた触媒層と、前記セパレータと接する側に設けられたガス拡散層とを有しており、前記2枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝と、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とを隔てる流路隔壁と、が設けられ、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、前記流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスを前記ガス拡散層へと流入させるように構成されており、前記電極層は、前記燃料電池を前記電極層の積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記供給側流路溝または前記排出側流路溝と重なる流路溝領域と、前記流路隔壁と重なる流路壁領域と、を有し、前記電極層は、前記ガス拡散層と前記触媒層の少なくとも一方において、前記流路溝領域の方が前記流路壁領域より高いガス拡散性を有するように構成されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、反応ガスが触媒層を経由することなくガス拡散層を介して供給側流路溝から排出側流路溝へと流れることを抑制し、供給側流路溝から流路溝領域内の触媒層へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。即ち、セパレータに供給側流路溝と排出側流路溝とを設けることにより、反応ガスの消費効率を向上させている燃料電池において、発電領域における触媒層への反応ガスの配流性を改善でき、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
[Application Example 1]
A fuel cell, for supplying a membrane electrode assembly in which electrode layers are arranged on both sides of an electrolyte membrane, two separators sandwiching the membrane electrode assembly, and a reactive gas to the membrane electrode assembly A supply manifold and a discharge manifold for discharging exhaust gas from the membrane electrode assembly, wherein the electrode layer is provided on a side in contact with the electrolyte membrane, and a side in contact with the separator And at least one of the two separators for a reaction gas connected to the supply manifold on a surface in contact with the gas diffusion layer. A supply-side channel groove, a discharge-side channel groove for exhaust gas connected to the discharge manifold, and a channel partition wall that separates the supply-side channel groove and the discharge-side channel groove. The supply side channel groove and the front The discharge-side channel groove is spatially separated from each other across the channel partition when disposed on the outer surface of the gas diffusion layer, thereby causing the reaction gas in the supply-side channel groove to flow. The electrode layer is configured to flow into the gas diffusion layer, and the electrode layer has the supply-side flow channel groove or the discharge of the separator when the fuel cell is viewed along the stacking direction of the electrode layer. A channel groove region that overlaps with the side channel groove, and a channel wall region that overlaps with the channel partition wall, and the electrode layer includes the channel groove in at least one of the gas diffusion layer and the catalyst layer. A fuel cell configured such that the region has higher gas diffusibility than the flow path wall region.
According to this fuel cell, the reaction gas is prevented from flowing from the supply side channel groove to the discharge side channel groove via the gas diffusion layer without passing through the catalyst layer, The amount of reaction gas that reaches the catalyst layer in the groove region can be increased. In other words, by providing the separator with the supply-side channel groove and the discharge-side channel groove, in the fuel cell in which the reaction gas consumption efficiency is improved, the distribution property of the reaction gas to the catalyst layer in the power generation region can be improved. The power generation performance of the fuel cell can be improved.

[適用例2]
適用例1記載の燃料電池であって、前記電極層は、前記流路壁領域の方が前記流路溝領域よりも前記触媒層における触媒の含有量が多い、燃料電池。
この燃料電池によれば、流路壁領域における触媒の含有量を増大させておくことによって、流路壁領域における反応ガスの流量が多い場合であっても、流路壁領域における発電量を増大させて、発電反応に用いられることなく流路溝領域の触媒層から流出する反応ガスの量を低減させることができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
[Application Example 2]
The fuel cell according to Application Example 1, wherein in the electrode layer, the content of the catalyst in the catalyst layer is higher in the flow channel wall region than in the flow channel groove region.
According to this fuel cell, by increasing the catalyst content in the channel wall region, the amount of power generation in the channel wall region is increased even when the flow rate of the reaction gas in the channel wall region is large. Thus, the amount of the reaction gas flowing out from the catalyst layer in the channel groove region without being used for the power generation reaction can be reduced. Therefore, the power generation performance of the fuel cell can be improved.

[適用例3]
適用例1または適用例2記載の燃料電池であって、前記ガス拡散層の前記流路壁領域には、前記流路溝領域のガス拡散性よりも低いガス拡散性を有し、反応ガスの拡散を抑制する拡散抑制部材が、前記セパレータの前記流路壁と接する部位に配置され、前記拡散抑制部材が、前記流路溝の反応ガスを前記触媒層へと誘導するための誘導壁として機能する、燃料電池。
この燃料電池によれば、拡散抑制部材によって、反応ガスが、流路溝領域において、より下層の領域へと誘導されるため、流路溝領域の触媒層に到達する反応ガスの量を増大させることができる。
[Application Example 3]
The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the flow path wall region of the gas diffusion layer has a gas diffusibility lower than that of the flow channel region, A diffusion suppression member that suppresses diffusion is disposed at a portion in contact with the flow path wall of the separator, and the diffusion suppression member functions as a guide wall for guiding the reaction gas in the flow path groove to the catalyst layer. A fuel cell.
According to this fuel cell, since the reaction gas is guided to the lower layer region in the channel groove region by the diffusion suppressing member, the amount of the reaction gas reaching the catalyst layer in the channel groove region is increased. be able to.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .

燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of a fuel cell. 膜電極接合体の構成を説明するための概略図。Schematic for demonstrating the structure of a membrane electrode assembly. 膜電極接合体の構成を説明するための概略断面図。The schematic sectional drawing for demonstrating the structure of a membrane electrode assembly. アノードセパレータの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of an anode separator. カソードセパレータの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of a cathode separator. 拡散抑制部の構成およびその機能を説明するための概略図。Schematic for demonstrating the structure of a spreading | diffusion suppression part, and its function. 第1実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell as another structural example in 1st Example. 第1実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell as another structural example in 1st Example. 第2実施例の燃料電池に用いられる膜電極接合体の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the membrane electrode assembly used for the fuel cell of 2nd Example. 第2実施例の燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell of 2nd Example. 第2実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell as another structural example in 2nd Example. 第2実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell as another structural example in 2nd Example. 第3実施例としての燃料電池の構成を示す概略図と、触媒担持カーボンと高分子電解質とを示す模式図。Schematic which shows the structure of the fuel cell as 3rd Example, and the schematic diagram which shows catalyst carrying | support carbon and a polymer electrolyte. 第3実施例における触媒層の形成工程の一例を工程順に示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the formation process of the catalyst layer in 3rd Example in process order. 第4実施例としての燃料電池の構成を示す概略図と、触媒担持カーボンと高分子電解質とを示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the fuel cell as a 4th Example, and the schematic diagram which shows catalyst carrying | support carbon and a polymer electrolyte. 第4実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell as another structural example in 4th Example. 第5実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell as a 5th Example.

A.第1実施例:
図1は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池100は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池100は、発電体である複数の単セル110が積層されたスタック構造を有する。単セル110は、膜電極接合体10と、膜電極接合体10を両側から狭持するアノードセパレータ20およびカソードセパレータ30とを備える。なお、これら2枚のセパレータ20,30の膜電極接合体10側の面には、反応ガスのための流路溝(破線で図示)が設けられている。流路溝の構成については後述する。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. The fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell that generates power by receiving supply of hydrogen and oxygen as reaction gases. The fuel cell 100 has a stack structure in which a plurality of single cells 110 that are power generators are stacked. The single cell 110 includes a membrane electrode assembly 10 and an anode separator 20 and a cathode separator 30 that sandwich the membrane electrode assembly 10 from both sides. In addition, on the surface of the two separators 20 and 30 on the membrane electrode assembly 10 side, a flow channel groove for reactive gas (illustrated by a broken line) is provided. The configuration of the channel groove will be described later.

図2,図3は、膜電極接合体10の構成を説明するための概略図である。図2は、膜電極接合体10のアノード側の面の構成を示す概略図である。なお、膜電極接合体10のカソード側の面の構成は、アノード側の構成と同様であるため、その図示および説明は省略する。図3は、図2に示す3−3切断における膜電極接合体10の概略断面図である。   2 and 3 are schematic views for explaining the configuration of the membrane electrode assembly 10. FIG. 2 is a schematic view showing the configuration of the anode side surface of the membrane electrode assembly 10. The configuration of the cathode side surface of the membrane electrode assembly 10 is the same as the configuration on the anode side, and therefore illustration and description thereof are omitted. 3 is a schematic cross-sectional view of the membrane electrode assembly 10 taken along the line 3-3 shown in FIG.

膜電極接合体10は、反応ガスが供給され、発電反応が行われる発電領域11と、発電領域11の外周に設けられた外周シール部12とを有する(図2)。なお、図2の発電領域11には、便宜上、アノードセパレータ20に設けられた流路溝を燃料電池100の積層方向に投影した投影像が破線で図示されている。   The membrane electrode assembly 10 includes a power generation region 11 to which a reaction gas is supplied and a power generation reaction is performed, and an outer peripheral seal portion 12 provided on the outer periphery of the power generation region 11 (FIG. 2). In the power generation region 11 of FIG. 2, for the sake of convenience, a projected image obtained by projecting the flow channel grooves provided in the anode separator 20 in the stacking direction of the fuel cell 100 is shown by broken lines.

ここで、発電領域11には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜1と、電解質膜1の両面に配置された電極層(アノード2およびカソード3)とが含まれている(図3)。アノード2およびカソード3はそれぞれ、積層構造を有しており、電解質膜1側に配置される触媒層4と、触媒層4の上側に配置されるガス拡散層5とを備える。電解質膜1は、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有するイオン交換膜によって構成することができる。   Here, the power generation region 11 includes an electrolyte membrane 1 that exhibits good proton conductivity in a wet state, and electrode layers (anode 2 and cathode 3) disposed on both sides of the electrolyte membrane 1 (FIG. 3). Each of the anode 2 and the cathode 3 has a laminated structure, and includes a catalyst layer 4 disposed on the electrolyte membrane 1 side and a gas diffusion layer 5 disposed on the catalyst layer 4. The electrolyte membrane 1 can be constituted by, for example, an ion exchange membrane having proton conductivity formed of a fluorine-based resin.

触媒層4は、触媒担持カーボンと、電解質膜1と同種の化合物である高分子電解質とを、水溶性溶媒または有機溶媒に分散させた混合溶液である触媒インクを用いて形成される。具体的には、触媒層4は、触媒インクをフィルム基材の外表面に塗布・乾燥させて形成された薄膜層を、電解質膜1の外表面に転写させることにより形成することができる。あるいは、触媒層4は、電解質膜1の外表面に、触媒インクを直接的に塗布・乾燥させることにより形成されるものとしても良い。なお、触媒としては、例えば、白金(Pt)を用いることができる。   The catalyst layer 4 is formed using a catalyst ink that is a mixed solution in which a catalyst-supporting carbon and a polymer electrolyte that is the same type of compound as the electrolyte membrane 1 are dispersed in a water-soluble solvent or an organic solvent. Specifically, the catalyst layer 4 can be formed by transferring a thin film layer formed by applying and drying the catalyst ink to the outer surface of the film substrate to the outer surface of the electrolyte membrane 1. Alternatively, the catalyst layer 4 may be formed by directly applying and drying the catalyst ink on the outer surface of the electrolyte membrane 1. For example, platinum (Pt) can be used as the catalyst.

ガス拡散層5は、導電性およびガス拡散性を有する多孔質の基材(例えば、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材)によって構成することができる。ガス拡散層5は、そうした多孔質の基材を、電解質膜1の外表面に形成された触媒層4に、ホットプレスなどによって接合することによって形成される。なお、ガス拡散層5を構成する基材の触媒層4側に配置される面には、マイクロポーラス層などの撥水層が予め形成されるものとしても良い。   The gas diffusion layer 5 can be composed of a porous base material (for example, a carbon fiber base material or a graphite fiber base material) having conductivity and gas diffusibility. The gas diffusion layer 5 is formed by bonding such a porous base material to the catalyst layer 4 formed on the outer surface of the electrolyte membrane 1 by hot pressing or the like. A water repellent layer such as a microporous layer may be formed in advance on the surface of the base material constituting the gas diffusion layer 5 that is disposed on the catalyst layer 4 side.

ところで、本実施例の燃料電池100では、ガス拡散層5の外表面に、ガス拡散層5を構成する基材よりもガス拡散性の低い基材6が、各セパレータ20,30の流路溝の配置位置に対応する位置に配置されている。以後、このガス拡散性の低い基材6を「拡散抑制部6」と呼ぶ。   By the way, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the base material 6 having a lower gas diffusibility than the base material constituting the gas diffusion layer 5 is provided on the outer surface of the gas diffusion layer 5. It is arrange | positioned in the position corresponding to this arrangement position. Hereinafter, the base material 6 having a low gas diffusibility is referred to as a “diffusion suppression unit 6”.

ここで、本明細書において「ガス拡散性」とは、多孔質部材などのガス透過性を有する部材の内部におけるガスの移動しやすさを表す度合いである。ガス拡散性は、多孔質部材の気孔率や細孔率によって調整することができる。また、ガス拡散性は、多孔質部材の透気度によっても表すことができる。ここで、「透気度」とは、板状(膜状)の繊維基材や多孔質基材について、一方の面の側と他方の面の側との間に所定の圧力差を付与したときに、当該基材を厚み方向に通過する気体の単位時間あたりの量として求めることができる値である。拡散抑制部6の具体的な形成位置とその機能については後述する。   Here, “gas diffusibility” in the present specification is a degree representing ease of gas movement inside a gas permeable member such as a porous member. The gas diffusibility can be adjusted by the porosity and the porosity of the porous member. The gas diffusivity can also be expressed by the air permeability of the porous member. Here, “air permeability” refers to a plate-like (film-like) fiber base material or porous base material, which gives a predetermined pressure difference between one surface side and the other surface side. Sometimes, the value can be obtained as the amount per unit time of the gas passing through the substrate in the thickness direction. The specific formation position and function of the diffusion suppressing unit 6 will be described later.

外周シール部12は、電解質膜1や電極層2,3の外周端面が被覆されるように樹脂部材を配置することにより形成される。外周シール部12は、セパレータ20,30に狭持され、燃料電池100の外部への反応ガスの漏洩を抑制する。外周シール部12には、反応ガスのためのマニホールドM1〜M4が厚み方向を貫通する貫通孔として形成されている。   The outer peripheral seal portion 12 is formed by disposing a resin member so that the outer peripheral end surfaces of the electrolyte membrane 1 and the electrode layers 2 and 3 are covered. The outer peripheral seal portion 12 is held between the separators 20 and 30 and suppresses leakage of the reaction gas to the outside of the fuel cell 100. Manifolds M <b> 1 to M <b> 4 for reaction gas are formed in the outer peripheral seal portion 12 as through holes that penetrate the thickness direction.

各マニホールドM1〜M4は、発電領域11における水素の流れる方向と酸素の流れる方向とが、電解質膜1を挟んで互いに対向し、かつ、交差するように配置されている。具体的には、水素供給用マニホールドM1と酸素排出用マニホールドM4とが、発電領域11に対して同じ側(紙面左側)に配列され、水素排出用マニホールドM2と酸素供給用マニホールドM3とが、その反対側(紙面右側)に配列されている。   The manifolds M <b> 1 to M <b> 4 are arranged such that the hydrogen flow direction and the oxygen flow direction in the power generation region 11 face each other and cross each other with the electrolyte membrane 1 interposed therebetween. Specifically, the hydrogen supply manifold M1 and the oxygen discharge manifold M4 are arranged on the same side (left side in the drawing) with respect to the power generation region 11, and the hydrogen discharge manifold M2 and the oxygen supply manifold M3 are They are arranged on the opposite side (right side of the page).

また、水素供給用マニホールドM1と、水素排出用マニホールドM2とは、発電領域11を挟んで互いに対角する位置に形成されている。酸素供給用マニホールドM3および酸素排出用マニホールドM4についても同様の配置構成となっている。なお、各マニホールドM1〜M4の配置構成は、他の構成であっても良い。また、外周シール部12には、反応ガスのためのマニホールドM1〜M4に加えて、冷媒のためのマニホールドが形成されるものとしても良い。   The hydrogen supply manifold M1 and the hydrogen discharge manifold M2 are formed at positions diagonal to each other across the power generation region 11. The oxygen supply manifold M3 and the oxygen discharge manifold M4 have the same arrangement configuration. In addition, the arrangement configuration of each manifold M1-M4 may be another configuration. In addition to the manifolds M1 to M4 for the reaction gas, a manifold for the refrigerant may be formed in the outer peripheral seal portion 12.

ここで、本明細書では、アノード側の発電領域11における水素供給用マニホールドM1側、または、カソード側の発電領域11における酸素供給用マニホールドM3側をそれぞれ「上流側」と呼ぶ。また、アノード側の発電領域11における水素排出用マニホールドM2側、または、カソード側の発電領域11における酸素排出用マニホールドM4側をそれぞれ「下流側」と呼ぶ。さらに、アノード側およびカソード側のそれぞれの発電領域11において、上流側から下流側に向かう方向を「反応ガスの流れ方向」と呼ぶ。   Here, in this specification, the hydrogen supply manifold M1 side in the anode power generation region 11 or the oxygen supply manifold M3 side in the cathode power generation region 11 is referred to as an “upstream side”, respectively. The hydrogen discharge manifold M2 side in the anode-side power generation region 11 or the oxygen discharge manifold M4 side in the cathode-side power generation region 11 is referred to as a “downstream side”, respectively. Further, in each of the power generation regions 11 on the anode side and the cathode side, the direction from the upstream side to the downstream side is referred to as “reactive gas flow direction”.

図4は、アノードセパレータ20の構成を示す概略図である。図4には、アノードセパレータ20におけるアノード2と接触する側の面が図示されている。なお、図4には、アノードセパレータ20に設けられた流路溝における水素の流れを示す矢印が図示されている。また、図4には、燃料電池100の積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体10の発電領域11と重なる領域が一点鎖線で図示されている。   FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the anode separator 20. FIG. 4 shows a surface of the anode separator 20 on the side in contact with the anode 2. FIG. 4 shows an arrow indicating the flow of hydrogen in the flow channel provided in the anode separator 20. Also, in FIG. 4, a region that overlaps the power generation region 11 of the membrane electrode assembly 10 when viewed along the stacking direction of the fuel cell 100 is illustrated by a one-dot chain line.

アノードセパレータ20は、導電性を有するガス不透過の板状部材(例えば金属板)によって構成することができる。アノードセパレータ20には、膜電極接合体10と同様に、反応ガスのためのマニホールドM1〜M4が貫通孔として形成されている。また、アノードセパレータ20には、反応ガスのための流路溝が発電領域11全体に渡って形成されている。   The anode separator 20 can be composed of a conductive gas-impermeable plate member (for example, a metal plate). Similar to the membrane electrode assembly 10, manifolds M <b> 1 to M <b> 4 for reaction gases are formed as through holes in the anode separator 20. The anode separator 20 is formed with a flow channel for the reaction gas over the entire power generation region 11.

アノードセパレータ20には、反応ガスのための流路溝として、発電領域11に水素を供給するための「供給側流路溝」(「一次流路溝」とも呼ぶ)と、発電領域11から水素を排出するための「排出側流路溝」(「二次流路溝」とも呼ぶ)とが設けられている。ここで、アノードセパレータ20の流路溝は、燃料電池100に組み付けられたときに、溝上方の開口部(溝開口部)が、膜電極接合体10のアノード側のガス拡散層5および拡散抑制部6によって塞がれる。このとき、供給側流路溝と排出側流路溝とは、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離された状態となる。   The anode separator 20 has a “supply-side channel groove” (also referred to as a “primary channel groove”) for supplying hydrogen to the power generation region 11 as a channel groove for the reaction gas, and a hydrogen from the power generation region 11. And a “discharge-side channel groove” (also referred to as a “secondary channel groove”). Here, when the flow path groove of the anode separator 20 is assembled to the fuel cell 100, the opening above the groove (groove opening) is the gas diffusion layer 5 on the anode side of the membrane electrode assembly 10 and the diffusion suppression. Blocked by part 6. At this time, the supply-side channel groove and the discharge-side channel groove are spatially separated from each other with the channel partition wall interposed therebetween.

アノードセパレータ20には、供給側流路溝として、供給側連絡流路溝21と、分配流路溝22と、複数の供給側並列流路溝23とが設けられている。供給側連絡流路溝21は、水素供給用マニホールドM1と、発電領域11内に設けられた分配流路溝22とを連結・連絡する流路溝であり、水素供給用マニホールドM1の水素を発電領域11へと流入させる。   The anode separator 20 is provided with a supply-side communication channel groove 21, a distribution channel groove 22, and a plurality of supply-side parallel channel grooves 23 as supply-side channel grooves. The supply side communication channel groove 21 is a channel groove that connects and communicates the hydrogen supply manifold M1 and the distribution channel groove 22 provided in the power generation region 11, and generates hydrogen from the hydrogen supply manifold M1. Inflow into region 11.

分配流路溝22は、発電領域11の上流端において、発電領域11における反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って形成された流路溝である。分配流路溝22には、各供給側並列流路溝23が連結されている。分配流路溝22は、供給側連絡流路溝21から流入した水素を、発電領域11において、反応ガスの流れ方向と直交する方向に行き渡らせるとともに、各供給側並列流路溝23に分岐・流入させる。   The distribution channel groove 22 is a channel groove formed at the upstream end of the power generation region 11 over the entire region in the direction orthogonal to the flow direction of the reaction gas in the power generation region 11. Each supply-side parallel flow channel 23 is connected to the distribution flow channel 22. The distribution channel groove 22 distributes the hydrogen flowing in from the supply side communication channel groove 21 in a direction orthogonal to the flow direction of the reaction gas in the power generation region 11 and branches to each supply side parallel channel groove 23. Let it flow.

各供給側並列流路溝23は反応ガスの流れ方向に沿って延びる直線状の流路溝であり、発電領域11において、ほぼ等間隔で並列に配列されている。なお、供給側並列流路溝23は、その上流側端部が分配流路溝22に連結され、下流側端部が、排出流路溝の合流流路溝26の手前において閉塞されている。即ち、供給側並列流路溝23は、いわゆる略櫛歯状の流路溝として構成されている。   Each supply-side parallel flow channel 23 is a linear flow channel extending along the flow direction of the reaction gas, and is arranged in parallel at substantially equal intervals in the power generation region 11. The supply-side parallel flow channel 23 has an upstream end connected to the distribution flow channel 22 and a downstream end closed before the joining flow channel 26 of the discharge flow channel. That is, the supply side parallel flow channel 23 is configured as a so-called substantially comb-shaped flow channel.

アノードセパレータ20には、排出側流路溝として、複数の排出側並列流路溝25と、合流流路溝26と、排出側連絡流路溝27とが設けられている。各排出側並列流路溝25は、発電領域11において、供給側並列流路溝23と併走する直線状の流路溝であり、上流側の領域から下流側の領域に渡って、反応ガスの流れ方向に沿って延び、合流流路溝26と連結されている。各排出側並列流路溝25の上流側の端部は、供給側並列流路溝23の上流側の始端とほぼ同程度の位置において閉塞されている。   The anode separator 20 is provided with a plurality of discharge side parallel flow grooves 25, a merging flow path groove 26, and a discharge side communication flow path groove 27 as discharge side flow path grooves. Each discharge-side parallel flow channel 25 is a linear flow channel that runs in parallel with the supply-side parallel flow channel 23 in the power generation region 11, and reacts with the reaction gas from the upstream region to the downstream region. It extends along the flow direction and is connected to the merging channel groove 26. The upstream end of each discharge-side parallel flow channel 25 is closed at a position substantially the same as the upstream start end of the supply-side parallel flow channel 23.

ここで、供給側並列流路溝23と排出側並列流路溝25とは、反応ガスの流れ方向に対して垂直な方向に交互に配列されている。即ち、供給側並列流路溝23と排出側並列流路溝25とは、互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成している。なお、本明細書では、以後、供給側並列流路溝23と排出側並列流路溝25とに挟まれた流路隔壁をそれぞれ「並列流路隔壁29」と呼ぶ。   Here, the supply side parallel flow channel grooves 23 and the discharge side parallel flow channel grooves 25 are alternately arranged in a direction perpendicular to the flow direction of the reaction gas. That is, the supply-side parallel flow channel 23 and the discharge-side parallel flow channel 25 constitute a substantially comb-shaped flow channel that meshes with each other. In the present specification, the flow channel partitions sandwiched between the supply side parallel flow channel groove 23 and the discharge side parallel flow channel groove 25 are hereinafter referred to as “parallel flow channel partitions 29”, respectively.

合流流路溝26は、発電領域11の下流端において、発電領域11の反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って延びる流路溝である。排出側連絡流路溝27は、合流流路溝26と水素排出用マニホールドM2とを連結・連絡するための流路溝である。各排出側並列流路溝25の排ガスは、合流流路溝26において合流し、排出側連絡流路溝27を介して水素排出用マニホールドM2へと排出される。   The merge channel groove 26 is a channel groove that extends over the entire region in the direction orthogonal to the flow direction of the reaction gas in the power generation region 11 at the downstream end of the power generation region 11. The discharge side communication flow channel groove 27 is a flow channel groove for connecting and connecting the merge flow channel groove 26 and the hydrogen discharge manifold M2. The exhaust gas in each discharge side parallel flow channel 25 joins in the merge flow channel groove 26 and is discharged to the hydrogen discharge manifold M2 through the discharge side communication flow channel groove 27.

図5は、カソードセパレータ30の構成を示す概略図である。図5には、カソードセパレータ30のカソード3と接触する側の面が図示されており、図4と同様に、カソードセパレータ30における酸素の流れを示す矢印と、発電領域11と重なる領域を示す一点鎖線とが図示されている。カソードセパレータ30は、アノードセパレータ20と同様に、導電性を有するガス不透過の板状部材により構成され、反応ガスのための各マニホールドM1〜M4が形成されている。   FIG. 5 is a schematic view showing the configuration of the cathode separator 30. FIG. 5 shows a surface of the cathode separator 30 on the side in contact with the cathode 3. Like FIG. 4, an arrow indicating the flow of oxygen in the cathode separator 30 and a point indicating an area overlapping the power generation area 11 are shown. A chain line is illustrated. Similarly to the anode separator 20, the cathode separator 30 is composed of a gas-impermeable plate member having conductivity, and manifolds M1 to M4 for reaction gas are formed.

さらに、カソードセパレータ30には、アノードセパレータ20と同様に、互いに分離された供給側流路溝および排出側流路溝とが形成されている。具体的には、カソードセパレータ30には、供給側流路溝として、アノードセパレータ20の供給側連絡流路溝21、分配流路溝22、供給側並列流路溝23と同様な構成の、酸素のための供給側連絡流路溝31、分配流路溝32、供給側並列流路溝33が設けられている。   Further, similarly to the anode separator 20, the cathode separator 30 is formed with a supply-side flow channel and a discharge-side flow channel that are separated from each other. Specifically, the cathode separator 30 has oxygen as a supply-side flow channel having the same configuration as the supply-side communication flow channel 21, the distribution flow channel 22, and the supply-side parallel flow channel 23 of the anode separator 20. A supply-side communication channel groove 31, a distribution channel groove 32, and a supply-side parallel channel groove 33 are provided.

また、カソードセパレータ30には、排出側流路溝として、アノードセパレータ20の排出側並列流路溝25、合流流路溝26、排出側連絡流路溝27と同様な構成の、排出側並列流路溝35、合流流路溝36、排出側連絡流路溝37が設けられている。なお、カソードセパレータ30において、供給側並列流路溝33と排出側並列流路溝35とで挟まれた流路隔壁を、アノードセパレータ20の並列流路隔壁29と同様に、「並列流路隔壁39」と呼ぶ。   Further, the cathode separator 30 has a discharge side parallel flow having the same configuration as the discharge side parallel flow channel 25, the merge flow channel groove 26, and the discharge side communication flow channel groove 27 of the anode separator 20 as a discharge side flow channel. A channel groove 35, a merging channel groove 36, and a discharge side communication channel groove 37 are provided. In the cathode separator 30, the flow path partition sandwiched between the supply side parallel flow path groove 33 and the discharge side parallel flow path groove 35 is similar to the parallel flow path partition 29 of the anode separator 20. 39 ".

このように、本実施例の燃料電池100では、各セパレータ20,30の流路溝が、供給側流路溝と排出側流路溝とは互いに分離された閉塞流路溝として構成されている。従って、各マニホールドM1,M3から供給側流路溝へと流入した反応ガスは、電極層2,3を介して排出側流路溝へと流れることとなる。即ち、本実施例の燃料電池100によれば、供給側流路溝の反応ガスのほとんどを電極層2,3へと流入させることができるため、反応に用いられることなく燃料電池100の外部へと排出される未反応ガスの量を低減できる。   Thus, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the flow channel grooves of the separators 20 and 30 are configured as closed flow channel grooves in which the supply side flow channel grooves and the discharge side flow channel grooves are separated from each other. . Accordingly, the reaction gas flowing from the manifolds M1 and M3 into the supply-side flow channel flows into the discharge-side flow channel through the electrode layers 2 and 3. That is, according to the fuel cell 100 of the present embodiment, most of the reaction gas in the supply-side flow channel can be allowed to flow into the electrode layers 2 and 3, so that it is not used for the reaction. The amount of unreacted gas discharged can be reduced.

さらに、本実施例の燃料電池100では、ガス拡散層5に拡散抑制部6を有することにより、発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させ、反応ガスの消費効率を向上させている。ここで、本明細書において、「反応ガスの消費効率」とは、供給された反応ガスの量に対する燃料電池反応に用いられた反応ガスの量の割合を意味する。以下に、拡散抑制部6の具体的な構成とその機能について説明する。   Furthermore, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the gas diffusion layer 5 includes the diffusion suppressing unit 6 to increase the amount of the reaction gas used for the power generation reaction and improve the reaction gas consumption efficiency. Here, in this specification, “reaction gas consumption efficiency” means the ratio of the amount of reaction gas used in the fuel cell reaction to the amount of reaction gas supplied. Below, the specific structure and function of the diffusion suppressing unit 6 will be described.

図6(A)は、本実施例の燃料電池100における拡散抑制部6の構成およびその機能を説明するための概略図である。図6(A)には、図2に示す6−6切断と同様な切断部位における任意の単セル110の概略断面が図示されている。なお、図6(A)には、供給側並列流路溝23,33からガス拡散層5へと流入する反応ガスの流れを模式的に示す矢印が図示されている。   FIG. 6A is a schematic diagram for explaining the configuration and function of the diffusion suppressing unit 6 in the fuel cell 100 of the present embodiment. 6A shows a schematic cross section of an arbitrary unit cell 110 at the same cutting site as the 6-6 cutting shown in FIG. In FIG. 6A, arrows schematically showing the flow of the reaction gas flowing from the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 into the gas diffusion layer 5 are shown.

ここで、本実施例の燃料電池100では、膜電極接合体10が2枚のセパレータ20,30に狭持されたときに、各セパレータ20,30の並列流路隔壁29,39同士が互いに膜電極接合体10を挟んで対向し合う。また、供給側並列流路溝23,33同士および排出側並列流路溝25,35同士が互いに膜電極接合体10を挟んで対向し合う。本明細書では、燃料電池100の積層方向に沿って見たときに、並列流路隔壁29,39と重なる領域を「流路壁領域WA」と呼び、供給側並列流路溝23,33または排出側並列流路溝25,35と重なる領域を「流路溝領域GA」と呼ぶ。   Here, in the fuel cell 100 of the present embodiment, when the membrane electrode assembly 10 is sandwiched between the two separators 20 and 30, the parallel channel partition walls 29 and 39 of the separators 20 and 30 are membranes of each other. The electrode assemblies 10 are opposed to each other. The supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35 face each other with the membrane electrode assembly 10 interposed therebetween. In this specification, when viewed along the stacking direction of the fuel cell 100, an area overlapping with the parallel flow path partition walls 29 and 39 is referred to as a “flow path wall area WA”, and the supply side parallel flow path grooves 23 and 33 or An area overlapping with the discharge side parallel flow grooves 25 and 35 is referred to as a “flow groove area GA”.

拡散抑制部6は、ガス拡散層5において、流路溝領域GA内に形成されており(図2)、並列流路隔壁29,39のそれぞれと接触するとともに、ガス拡散層5の内部に入り込むように設けられている(図6(A))。本実施例の燃料電池100では、流路壁領域WAに拡散抑制部6が設けられることにより、電極層2,3におけるガス拡散性は、流路溝領域GAの方が流路壁領域WAよりも高くなっている。   The diffusion suppressing portion 6 is formed in the channel groove region GA in the gas diffusion layer 5 (FIG. 2), and contacts the parallel channel partition walls 29 and 39 and enters the gas diffusion layer 5. (FIG. 6A). In the fuel cell 100 of the present embodiment, the diffusion suppressing portion 6 is provided in the flow path wall area WA, so that the gas diffusibility in the electrode layers 2 and 3 is greater in the flow path groove area GA than in the flow path wall area WA. Is also high.

なお、拡散抑制部6は、ガス拡散層5の細孔に樹脂部材を含浸させることにより形成されるものとしても良い。あるいは、拡散抑制部6は、ガス拡散層5の外表面に予め形成された凹部に、ガス拡散層5の基材よりもガス拡散性の低い部材を勘合して配置することにより設けられるものとしても良い。   The diffusion suppressing unit 6 may be formed by impregnating the resin member into the pores of the gas diffusion layer 5. Alternatively, the diffusion suppression unit 6 is provided by disposing a member having a lower gas diffusibility than the base material of the gas diffusion layer 5 in a recess formed in advance on the outer surface of the gas diffusion layer 5. Also good.

供給側並列流路溝23,33の水素または酸素は、並列流路隔壁29,39および拡散抑制部6の壁面(ガス拡散層5と拡散抑制部6との境界面)に誘導されて、ガス拡散層5へと流入して拡散する。即ち、拡散抑制部6は、ガス拡散層5の内部にまで並列流路隔壁29,39が延長された反応ガスの誘導壁部として解釈することも可能である。   Hydrogen or oxygen in the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 is guided to the parallel flow channel partition walls 29 and 39 and the wall surface of the diffusion suppression unit 6 (the boundary surface between the gas diffusion layer 5 and the diffusion suppression unit 6), and gas It flows into the diffusion layer 5 and diffuses. That is, the diffusion suppressing unit 6 can be interpreted as a reaction gas guiding wall portion in which the parallel flow path partition walls 29 and 39 are extended to the inside of the gas diffusion layer 5.

図6(B)は、本発明の比較例としての燃料電池100aの構成を示す概略図である。図6(B)は、拡散抑制部6が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点と、反応ガスの供給量が比較的少なくなる領域SAが図示されている点以外は、図6(A)とほぼ同じである。即ち、比較例の燃料電池100aの構成は、ガス拡散層5以外の構成が、本実施例の燃料電池100とほぼ同じである。   FIG. 6B is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100a as a comparative example of the present invention. FIG. 6B shows that the diffusion suppression unit 6 is omitted, the arrows indicating the flow of the reaction gas are different, and the region SA in which the supply amount of the reaction gas is relatively small is illustrated. Is substantially the same as FIG. That is, the configuration of the fuel cell 100a of the comparative example is substantially the same as that of the fuel cell 100 of the present embodiment except for the gas diffusion layer 5.

ここで、アノード2およびカソード3における反応ガスの流量分布は、下記の式(1)によって表されるFickの第1法則に従うことが知られている。
J=−D×ΔC/Δx …(1)
Jは、流束 (flux)と呼ばれる量であり、単位時間当たりに単位面積を通過する流体の量を表す。Dは拡散係数である。ΔCはある領域における流体の濃度勾配を示す。Δxはある領域における流体の拡散距離を示す。即ち、アノード2およびカソード3の内部では、反応ガスの拡散距離が短い領域ほど反応ガスの流量が多くなる。
Here, it is known that the flow rate distribution of the reaction gas in the anode 2 and the cathode 3 follows Fick's first law expressed by the following equation (1).
J = −D × ΔC / Δx (1)
J is an amount called a flux and represents the amount of fluid passing through a unit area per unit time. D is a diffusion coefficient. ΔC indicates the concentration gradient of the fluid in a certain region. Δx represents the diffusion distance of the fluid in a certain region. That is, in the anode 2 and the cathode 3, the flow rate of the reaction gas increases as the reaction gas diffusion distance is shorter.

即ち、供給側並列流路溝23,33からガス拡散層5へと流入した反応ガスの多くは、ガス拡散層5の内部を並列流路隔壁29,39の上面に沿って流れ、隣り合う排出側並列流路溝25,35へと流出する。そして、その一部が、触媒層4へと拡散していき、発電反応に用いられる。従って、比較例の燃料電池100aでは、触媒層4において、流路壁領域WA内の中央近傍の領域SAに到達する反応ガスの量が他の領域より少なくなる傾向にある。   That is, most of the reaction gas that has flowed into the gas diffusion layer 5 from the supply-side parallel flow channel grooves 23 and 33 flows along the upper surfaces of the parallel flow channel partition walls 29 and 39 through the gas diffusion layer 5 and is discharged adjacently. It flows out to the side parallel flow path grooves 25 and 35. And a part of it diffuses into the catalyst layer 4 and is used for the power generation reaction. Therefore, in the fuel cell 100a of the comparative example, in the catalyst layer 4, the amount of the reaction gas that reaches the area SA near the center in the flow path wall area WA tends to be smaller than in other areas.

しかし、本実施例の燃料電池100(図6(A))では、ガス拡散層5に設けられた拡散抑制部6によって、ガス拡散層5において、反応ガスが、より下層へと誘導された上で、排出側並列流路溝25,35へと流れる。そのため、反応ガスが、触媒層4を経由することなく排出側流路溝へと流出することを抑制し、流路溝領域GAの触媒層4に到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。   However, in the fuel cell 100 of this embodiment (FIG. 6A), the reaction gas is guided to a lower layer in the gas diffusion layer 5 by the diffusion suppressing unit 6 provided in the gas diffusion layer 5. Thus, it flows to the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. Therefore, it is possible to suppress the reaction gas from flowing out to the discharge-side flow channel without passing through the catalyst layer 4, and to increase the amount of the reaction gas that reaches the catalyst layer 4 in the flow channel region GA. . Therefore, the amount of reaction gas used for the power generation reaction can be increased.

このように、本実施例の燃料電池100によれば、供給側流路溝と排出側流路溝とに分離された閉塞流路と、その閉塞流路に合わせてガス拡散層5に設けられた拡散抑制部6とを有することにより、反応ガスの消費効率が向上されている。従って、燃料電池100の発電性能が向上される。なお、以下に説明する構成であっても、同様に、燃料電池の発電性能を向上させることが可能である。   Thus, according to the fuel cell 100 of the present embodiment, the closed channel separated into the supply-side channel groove and the discharge-side channel groove, and the gas diffusion layer 5 are provided in accordance with the blocked channel. In addition, since the diffusion suppression unit 6 is provided, the reaction gas consumption efficiency is improved. Therefore, the power generation performance of the fuel cell 100 is improved. Even in the configuration described below, the power generation performance of the fuel cell can be similarly improved.

図7,図8は、第1実施例における他の構成例を説明するための説明図である。以下に説明する各構成例の燃料電池は、電極層2,3の構成が異なる点以外は、第1実施例の燃料電池100と同様の構成を有しており、各セパレータ20,30に、供給側流路溝と排出側流路溝とが分断された閉塞流路溝が設けられている(図4,図5)。   7 and 8 are explanatory diagrams for explaining another configuration example in the first embodiment. The fuel cell of each configuration example described below has the same configuration as the fuel cell 100 of the first embodiment except that the configurations of the electrode layers 2 and 3 are different. A closed channel groove in which the supply side channel groove and the discharge side channel groove are divided is provided (FIGS. 4 and 5).

図7(A)は、第1実施例における他の構成例としての燃料電池100Aの構成を示す概略図である。図7(A)は、ガス拡散層5に換えて、ガス拡散層5Aが設けられている点以外は、図6(A)とほぼ同じである。この燃料電池100Aでは、ガス拡散層5Aは、ガス拡散性の高い基材によって構成された高拡散層5Aaと、ガス拡散性の低い基材によって構成された低拡散層5Abとを有している。   FIG. 7A is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100A as another configuration example in the first embodiment. FIG. 7A is substantially the same as FIG. 6A except that a gas diffusion layer 5 </ b> A is provided instead of the gas diffusion layer 5. In this fuel cell 100A, the gas diffusion layer 5A has a high diffusion layer 5Aa constituted by a base material having high gas diffusibility and a low diffusion layer 5Ab constituted by a base material having low gas diffusibility. .

高拡散層5Aaは流路溝領域GA内に設けられており、低拡散層5Abは流路壁領域WA内に設けられている。ガス拡散層5Aは、透気度や気孔率が異なる2種類の基材をそれぞれ、予め複数の短冊状の基材として準備し、それらガス拡散性の異なる短冊状の基材を、流路壁領域WAおよび流路溝領域GAごとに、交互に配列することによって形成されるものとしても良い。   The high diffusion layer 5Aa is provided in the channel groove area GA, and the low diffusion layer 5Ab is provided in the channel wall area WA. In the gas diffusion layer 5A, two types of base materials having different air permeability and porosity are prepared in advance as a plurality of strip-shaped base materials in advance, and the strip-shaped base materials having different gas diffusivities are prepared as channel walls. It is good also as what is formed by arranging alternately for every area | region WA and channel groove area | region GA.

このように、この構成例の燃料電池100Aでは、供給側並列流路溝23,33からガス拡散層5Aの高拡散層5Aaに流入した反応ガスの多くは、低拡散層5Abとの境界面に沿って触媒層4へと誘導される。従って、第1実施例の燃料電池100と同様に、流路溝領域GA内の触媒層4へと到達する反応ガスの量を増大させることができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。従って、燃料電池100Aの発電性能を向上させることができる。   Thus, in the fuel cell 100A of this configuration example, most of the reaction gas flowing into the high diffusion layer 5Aa of the gas diffusion layer 5A from the supply side parallel flow channel grooves 23, 33 is on the boundary surface with the low diffusion layer 5Ab. Along the catalyst layer 4. Therefore, similarly to the fuel cell 100 of the first embodiment, the amount of the reaction gas that reaches the catalyst layer 4 in the flow channel region GA can be increased, and the consumption efficiency of the reaction gas can be improved. . Therefore, the power generation performance of the fuel cell 100A can be improved.

図7(B)は、第1実施例における他の構成例としての燃料電池100Bの構成を示す概略図である。図7(B)は、ガス拡散層5Aに換えて、ガス拡散層5Bが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が省略されている点以外は、図7(A)とほぼ同じである。この燃料電池100Bのガス拡散層5Bでは、薄型化された低拡散層5Abと、各セパレータ20,30の並列流路隔壁29,39との間に、拡散抑制部6が設けられている。   FIG. 7B is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100B as another configuration example in the first embodiment. FIG. 7B is almost the same as FIG. 7A except that the gas diffusion layer 5B is provided in place of the gas diffusion layer 5A and that the arrow indicating the flow of the reaction gas is omitted. The same. In the gas diffusion layer 5 </ b> B of the fuel cell 100 </ b> B, the diffusion suppression unit 6 is provided between the thinned low diffusion layer 5 </ b> Ab and the parallel flow path partition walls 29 and 39 of the separators 20 and 30.

このような構成であっても、第1実施例の燃料電池100と同様に、流路溝領域GA内の触媒層4へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池100Bにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。   Even with such a configuration, similarly to the fuel cell 100 of the first embodiment, the amount of the reaction gas that reaches the catalyst layer 4 in the flow channel region GA can be increased. Therefore, the reaction gas consumption efficiency in the fuel cell 100B can be improved, and the power generation performance thereof can be improved.

図8は、第1実施例における他の構成例としての燃料電池100Cの構成を示す概略図である。図8は、拡散抑制部6が省略され、比較例の燃料電池100a(図6(B))と同様なガス拡散層5が設けられている点と、触媒層4に換えて触媒層4Cが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図6(A)とほぼ同じである。   FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100C as another configuration example in the first embodiment. In FIG. 8, the diffusion suppressing unit 6 is omitted, the gas diffusion layer 5 similar to that of the fuel cell 100 a of the comparative example (FIG. 6B) is provided, and the catalyst layer 4 </ b> C is replaced with the catalyst layer 4. Except for the difference between the provided point and the arrow indicating the flow of the reactive gas, it is substantially the same as FIG.

この構成例の燃料電池100Cでは、比較例の燃料電池100aと同様に、ガス拡散層5に拡散抑制部6が設けられていない。しかし、燃料電池100Cの触媒層4Cには、流路溝領域GAに透気度の高い高透気度触媒層4Caが設けられ、流路壁領域WAに透気度の低い低透気度触媒層4Cbが設けられている。この構成によって、透気度の高い高透気度触媒層4Caへと反応ガスを誘導することができ、流路溝領域GAにおいて発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。   In the fuel cell 100C of this configuration example, the diffusion suppression unit 6 is not provided in the gas diffusion layer 5 as in the fuel cell 100a of the comparative example. However, the catalyst layer 4C of the fuel cell 100C is provided with a high air permeability catalyst layer 4Ca having a high air permeability in the flow channel region GA, and a low air permeability catalyst having a low air permeability in the flow channel wall region WA. A layer 4Cb is provided. With this configuration, the reaction gas can be guided to the high air permeability catalyst layer 4Ca having a high air permeability, and the amount of the reaction gas used for the power generation reaction in the flow channel region GA can be increased.

なお、高透気度触媒層4Caおよび低透気度触媒層4Cbは、触媒層4Cの領域ごとの高分子電解質と導電性担体であるカーボンとの含有質量比率(Ionomer/Carbon;I/C)を調整することにより形成することができる。高透気度触媒層4CaはI/Cが低い領域として形成することができ、低透気度触媒層4CbはI/Cの高い領域として形成することができる。より具体的には、各領域GA,WAごとの透気度が一様な触媒層を形成した後に、流路壁領域WAに高分子電解質が含まれる溶液を塗布・含浸させることにより、流路壁領域WAのI/Cを増大させるものとしても良い。即ち、高透気度触媒層4Caはガス拡散性の比較的高い触媒層として構成され、低透気度触媒層4Cbはガス拡散性の比較的低い触媒層として構成される。   The high air permeability catalyst layer 4Ca and the low air permeability catalyst layer 4Cb are contained in a mass ratio (Ionomer / Carbon; I / C) of the polymer electrolyte and the carbon as the conductive carrier for each region of the catalyst layer 4C. It can be formed by adjusting. The high air permeability catalyst layer 4Ca can be formed as a region with low I / C, and the low air permeability catalyst layer 4Cb can be formed as a region with high I / C. More specifically, after forming a catalyst layer having a uniform air permeability for each of the areas GA and WA, the flow path wall area WA is coated and impregnated with a solution containing a polymer electrolyte, thereby providing a flow path. The I / C of the wall area WA may be increased. That is, the high air permeability catalyst layer 4Ca is configured as a catalyst layer having a relatively high gas diffusivity, and the low air permeability catalyst layer 4Cb is configured as a catalyst layer having a relatively low gas diffusivity.

このように、触媒層4Cにおける透気度を、流路溝領域GAより流路壁領域WAの方が低くなるように構成することにより、流路溝領域GAにおいて消費される反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池100Cにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。なお、上記の第1実施例の燃料電池100や、他の構成例における燃料電池100A,100Bにおいて、触媒層4に換えて、この燃料電池100Cの触媒層4Cが設けられるものとしても良い。   Thus, by configuring the air permeability in the catalyst layer 4C so that the flow path wall area WA is lower than the flow path groove area GA, the amount of reaction gas consumed in the flow path groove area GA can be reduced. Can be increased. Therefore, the reaction gas consumption efficiency in the fuel cell 100C can be improved, and the power generation performance can be improved. In the fuel cell 100 of the first embodiment and the fuel cells 100A and 100B in other configuration examples, the catalyst layer 4C of the fuel cell 100C may be provided instead of the catalyst layer 4.

B.第2実施例:
図9,図10は本発明の第2実施例としての燃料電池100Dの構成を説明するための概略図である。図9は、第2実施例の燃料電池100Dに用いられる膜電極接合体10Dの構成を示す概略図である。図9は、拡散抑制部6の位置が異なる点以外は、図2とほぼ同じである。なお、第2実施例の燃料電池100Dは、第1実施例の燃料電池100と同様に、膜電極接合体10Dと、2枚のセパレータ20,30(図4,図5)とを備える複数の単セル110が積層されたスタック構造を有する(図1)。
B. Second embodiment:
9 and 10 are schematic views for explaining the configuration of a fuel cell 100D as a second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a schematic view showing a configuration of a membrane electrode assembly 10D used in the fuel cell 100D of the second embodiment. FIG. 9 is substantially the same as FIG. 2 except that the position of the diffusion suppressing unit 6 is different. The fuel cell 100D of the second embodiment, like the fuel cell 100 of the first embodiment, includes a plurality of membrane electrode assemblies 10D and two separators 20 and 30 (FIGS. 4 and 5). It has a stack structure in which single cells 110 are stacked (FIG. 1).

図10は、第2実施例の燃料電池100Dにおける任意の単セル110の構成を示す概略図である。図10は、拡散抑制部6の位置が異なる点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図6(A)とほぼ同じである。   FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of an arbitrary unit cell 110 in the fuel cell 100D of the second embodiment. FIG. 10 is substantially the same as FIG. 6A except that the position of the diffusion suppressing unit 6 is different and the arrow indicating the flow of the reaction gas is different.

この燃料電池100Dでは、拡散抑制部6は、流路溝領域GA内に設けられている。また、拡散抑制部6は、供給側並列流路溝23,33または排出側並列流路溝25,35の溝幅より小さい幅で構成されるとともに、供給側並列流路溝23,33または排出側並列流路溝25,35のほぼ中央に配置されている。従って、供給側並列流路溝23,33または排出側並列流路溝25,35の溝開口部は、拡散抑制部6によって中央部が塞がれるとともに、その中央部に隣接する2つの側部がガス拡散層5に向かって開口した(開放された)状態となる。   In this fuel cell 100D, the diffusion suppressing portion 6 is provided in the flow channel region GA. The diffusion suppressing unit 6 is configured to have a width smaller than the groove width of the supply-side parallel flow channel grooves 23 and 33 or the discharge-side parallel flow channel grooves 25 and 35, and the supply-side parallel flow channel grooves 23 and 33 or the discharge side. The side parallel flow grooves 25 and 35 are disposed at substantially the center. Therefore, the groove openings of the supply-side parallel flow channel grooves 23 and 33 or the discharge-side parallel flow channel grooves 25 and 35 are closed at the center by the diffusion suppressing unit 6 and are adjacent to the two side portions. Is opened (opened) toward the gas diffusion layer 5.

即ち、燃料電池100Dでは、供給側並列流路溝23,33からガス拡散層5へと反応ガスが流入するための溝開口部の開口面積が、拡散抑制部6によって低減されており、ガス拡散層5へと流入する際の反応ガスの圧力損失が増大している。そのため、ガス拡散層5へと流入する反応ガスの流速を増大させるとともに、触媒層4へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。   That is, in the fuel cell 100D, the opening area of the groove opening for the reaction gas to flow into the gas diffusion layer 5 from the supply side parallel flow channel grooves 23, 33 is reduced by the diffusion suppressing unit 6, and the gas diffusion The pressure loss of the reaction gas when flowing into the layer 5 is increased. Therefore, the flow rate of the reaction gas flowing into the gas diffusion layer 5 can be increased, and the amount of the reaction gas reaching the catalyst layer 4 can be increased.

また、燃料電池100Dでは、ガス拡散層5から排出側並列流路溝25,35へと反応ガスが流出するための溝開口部の開口面積も、拡散抑制部6によって低減されている。従って、ガス拡散層5に流入した反応ガスの出口方向以外への拡散が促進され、触媒層4において反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。   Further, in the fuel cell 100D, the opening area of the groove opening for the reaction gas to flow out from the gas diffusion layer 5 to the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35 is also reduced by the diffusion suppressing unit 6. Accordingly, the diffusion of the reaction gas flowing into the gas diffusion layer 5 in the direction other than the outlet direction is promoted, and the amount of the reaction gas used for the reaction in the catalyst layer 4 can be increased.

このように、第2実施例の燃料電池100Dによれば、ガス拡散層5の流路溝領域GA内の一部にガス拡散性の低い拡散抑制部6が設けられることにより、触媒層4へと到達して発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池100Dにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、発電性能を向上させることができる。   As described above, according to the fuel cell 100D of the second embodiment, the diffusion suppressing portion 6 having a low gas diffusibility is provided in a part of the flow path groove region GA of the gas diffusion layer 5, thereby providing the catalyst layer 4. And the amount of reaction gas used for the power generation reaction can be increased. Therefore, the reaction gas consumption efficiency in the fuel cell 100D can be improved, and the power generation performance can be improved.

なお、拡散抑制部6は、全ての供給側並列流路溝23,33や全ての排出側並列流路溝25,35に対応して設けられていなくとも良い。即ち、拡散抑制部6は、一部の供給側並列流路溝23,33や、一部の排出側並列流路溝25,35に対応して設けられるものとしても良い。また、以下に説明する構成を有する燃料電池であっても、第2実施例の燃料電池100Dと同様に、発電性能を向上させることが可能である。   The diffusion suppressing unit 6 may not be provided corresponding to all the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and all of the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. That is, the diffusion suppressing unit 6 may be provided corresponding to some of the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and some of the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. Further, even in the fuel cell having the configuration described below, the power generation performance can be improved as in the fuel cell 100D of the second embodiment.

図11〜図13は、第2実施例における他の構成例を説明するための説明図である。以下に説明する各構成例の燃料電池は、電極層2,3の構成が異なる点以外は、第2実施例の燃料電池100Dと同様であり、各セパレータ20,30には、供給側流路溝と排出側流路溝とが分断された流路溝が設けられている。   FIGS. 11 to 13 are explanatory diagrams for explaining another configuration example in the second embodiment. The fuel cell of each configuration example described below is the same as the fuel cell 100D of the second embodiment except that the configurations of the electrode layers 2 and 3 are different. A channel groove in which the groove and the discharge side channel groove are divided is provided.

図11(A)は、第2実施例における他の構成例としての燃料電池100Eの構成を示す概略図である。図11(A)は、供給側並列流路溝23,33の溝開口部の一部を塞ぐ拡散抑制部6が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図10とほぼ同じである。   FIG. 11A is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100E as another configuration example in the second embodiment. FIG. 11A is different from FIG. 11 except that the diffusion suppressing portion 6 that blocks a part of the groove opening portions of the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 is omitted and the arrow indicating the flow of the reaction gas is different. It is almost the same as FIG.

このように、供給側並列流路溝23,33と重なる流路溝領域GA内の拡散抑制部6が省略された場合であっても、排出側並列流路溝25,35の溝開口部の一部が、拡散抑制部6によって塞がれている。従って、ガス拡散層5に流入した反応ガスの出口方向(排出側並列流路溝25,35へと向かう方向)以外への拡散が促進され、触媒層4に到達する反応ガスの量を増大させることができる。   As described above, even when the diffusion suppressing portion 6 in the channel groove region GA overlapping the supply side parallel channel grooves 23 and 33 is omitted, the groove opening portions of the discharge side parallel channel grooves 25 and 35 are omitted. A part is blocked by the diffusion suppressing unit 6. Accordingly, diffusion of the reaction gas that has flowed into the gas diffusion layer 5 in the direction other than the outlet direction (the direction toward the discharge-side parallel flow channel grooves 25 and 35) is promoted, and the amount of the reaction gas that reaches the catalyst layer 4 is increased. be able to.

図11(B)は、第2実施例における他の構成例としての燃料電池100Fの構成を示す概略図である。図11(B)は、排出側並列流路溝25,35の溝開口部の一部を塞ぐ拡散抑制部6が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図10とほぼ同じである。   FIG. 11B is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100F as another configuration example in the second embodiment. FIG. 11 (B) is different from FIG. 11 except that the diffusion suppressing portion 6 that blocks a part of the groove opening portions of the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35 is different from the arrow indicating the flow of the reaction gas. It is almost the same as FIG.

燃料電池100Fでは、排出側並列流路溝25,35と重なる流路溝領域GA内の拡散抑制部6が省略され、供給側並列流路溝23,33の溝開口部の一部が、拡散抑制部6によって塞がれている。このような構成であっても、ガス拡散層5へと流入する反応ガスの流速を増大させることができるため、触媒層4に到達する反応ガスの量を増大させることができる。   In the fuel cell 100F, the diffusion suppressing portion 6 in the flow channel region GA that overlaps the discharge-side parallel flow channels 25 and 35 is omitted, and part of the groove openings of the supply-side parallel flow channels 23 and 33 are diffused. It is blocked by the suppression unit 6. Even with such a configuration, the flow rate of the reaction gas flowing into the gas diffusion layer 5 can be increased, so that the amount of the reaction gas reaching the catalyst layer 4 can be increased.

図12(A)は、第2実施例における他の構成例としての燃料電池100Gの構成を示す概略図である。図12(A)は、ガス拡散層5に換えて、ガス拡散層5Gが設けられている点以外は、図6(A)とほぼ同じである。この燃料電池100Gのガス拡散層5Gは、ガス拡散性の高い基材によって構成された高拡散層5Gaと、ガス拡散性の低い基材によって構成された低拡散層5Gbとを有している。   FIG. 12A is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100G as another configuration example in the second embodiment. FIG. 12A is substantially the same as FIG. 6A except that a gas diffusion layer 5G is provided instead of the gas diffusion layer 5. The gas diffusion layer 5G of the fuel cell 100G has a high diffusion layer 5Ga constituted by a base material having high gas diffusibility and a low diffusion layer 5Gb constituted by a base material having low gas diffusibility.

低拡散層5Gbは、流路溝領域GA内の一部に設けられている。より具体的には、低拡散層5Gbは、第2実施例の燃料電池100Dにおける拡散抑制部6の配置領域と同様な領域内に設けられている。一方、高拡散層5Gaはそれぞれ、流路壁領域WA内と、流路溝領域GA内の低拡散層5Gbの配置領域以外に配置されている。なお、ガス拡散層5Gは、透気度や気孔率の異なる2種類の基材をそれぞれ、予め複数の短冊状の基材として準備し、それらのガス拡散性の異なる短冊状の基材を交互に配列することによって形成することができる。   The low diffusion layer 5Gb is provided in a part of the flow channel region GA. More specifically, the low diffusion layer 5Gb is provided in an area similar to the arrangement area of the diffusion suppressing portion 6 in the fuel cell 100D of the second embodiment. On the other hand, the high diffusion layer 5Ga is disposed in the flow path wall area WA and in areas other than the arrangement area of the low diffusion layer 5Gb in the flow path groove area GA. The gas diffusion layer 5G is prepared by preparing two types of base materials having different air permeability and porosity as a plurality of strip base materials in advance, and alternately switching the strip base materials having different gas diffusivities. Can be formed.

この構成例の燃料電池100Gでは、供給側並列流路溝23,33の反応ガスの多くが、高拡散層5Gaへと流入する。即ち、この構成例においても、供給側並列流路溝23,33の溝開口部が低拡散層5Gbによって絞られているため、その分だけ、高拡散層5Gaへと流入する反応ガスの流速を増大させることができる。従って、第2実施例の燃料電池100Dと同様に、触媒層4へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。   In the fuel cell 100G of this configuration example, most of the reaction gas in the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 flows into the high diffusion layer 5Ga. That is, also in this configuration example, since the groove openings of the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 are narrowed by the low diffusion layer 5Gb, the flow rate of the reaction gas flowing into the high diffusion layer 5Ga is correspondingly increased. Can be increased. Therefore, similarly to the fuel cell 100D of the second embodiment, the amount of the reaction gas that reaches the catalyst layer 4 can be increased.

また、排出側並列流路溝25,35の溝開口部の一部を塞ぐ低拡散層5Gbによって、ガス拡散層5G内における出口近傍の領域における圧力損失が増大している。そのため、第2実施例の燃料電池100Dと同様に、ガス拡散層5Gにおける反応ガスの出口方向以外への拡散が促進され、触媒層4において反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。   Moreover, the pressure loss in the region near the outlet in the gas diffusion layer 5G is increased by the low diffusion layer 5Gb that blocks part of the groove openings of the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. Therefore, similarly to the fuel cell 100D of the second embodiment, the diffusion of the reactive gas in the gas diffusion layer 5G in the direction other than the outlet direction is promoted, and the amount of the reactive gas used for the reaction in the catalyst layer 4 can be increased. .

なお、この構成例において、供給側並列流路溝23,33に対応させて設けられた低拡散層5Gbと、排出側並列流路溝25,35に対応させて設けられた低拡散層5Gbのうちいずれか一方が省略されるものとしても良い。また、低拡散層5Gbは、一部の供給側並列流路溝23,33または一部の排出側並列側流路溝25,35については省略されるものとしても良い。   In this configuration example, the low diffusion layer 5Gb provided corresponding to the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and the low diffusion layer 5Gb provided corresponding to the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35 are provided. Any one of them may be omitted. The low diffusion layer 5Gb may be omitted for some of the supply-side parallel flow grooves 23 and 33 or some of the discharge-side parallel flow grooves 25 and 35.

図12(B)は、第2実施例における他の構成例としての燃料電池100Hの構成を示す概略図である。図12(B)は、ガス拡散層5Gに換えて、ガス拡散層5Hが設けられている点以外は、図12(A)とほぼ同じである。この燃料電池100Hのガス拡散層5Hでは、低拡散層5Gbが薄型化され、低拡散層5Gbと並列流路隔壁29,39との間に、低拡散層5Gbと同様な幅を有する拡散抑制部6が配置されている。   FIG. 12B is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100H as another configuration example in the second embodiment. FIG. 12B is substantially the same as FIG. 12A except that a gas diffusion layer 5H is provided instead of the gas diffusion layer 5G. In the gas diffusion layer 5H of the fuel cell 100H, the low diffusion layer 5Gb is thinned, and a diffusion suppressing portion having a width similar to that of the low diffusion layer 5Gb is provided between the low diffusion layer 5Gb and the parallel flow path partition walls 29 and 39. 6 is arranged.

このような構成であっても、第2実施例の燃料電池100Dと同様に、触媒層4へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池100Hにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。   Even with such a configuration, the amount of the reaction gas reaching the catalyst layer 4 can be increased as in the fuel cell 100D of the second embodiment. Therefore, the reaction gas consumption efficiency in the fuel cell 100H can be improved, and the power generation performance can be improved.

C.第3実施例:
図13(A)は、本発明の第3実施例としての燃料電池100Iの構成を示す概略図である。図13(A)は、触媒層4Cに換えて、触媒層4Iが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が省略されている点以外は、図8とほぼ同じである。即ち、第3実施例の燃料電池100Iは、触媒層4Iの構成が異なる点以外は、第1実施例の他の構成例として説明した燃料電池100Cと同様の構成である。触媒層4Iはそれぞれ、触媒の含有量が異なる第1と第2の触媒層4Ia,4Ibを有する。
C. Third embodiment:
FIG. 13 (A) is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100I as a third embodiment of the present invention. FIG. 13A is substantially the same as FIG. 8 except that the catalyst layer 4I is provided in place of the catalyst layer 4C and that the arrow indicating the flow of the reaction gas is omitted. That is, the fuel cell 100I of the third embodiment has the same configuration as the fuel cell 100C described as another configuration example of the first embodiment except that the configuration of the catalyst layer 4I is different. Each of the catalyst layers 4I includes first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib having different catalyst contents.

図13(B)は、第1の触媒層4Iaにおける触媒担持カーボン91と高分子電解質93とを示す模式図である。図13(C)は、第2の触媒層4Ibにおける触媒担持カーボン91と高分子電解質93とを示す模式図である。燃料電池100Iでは、第1の触媒層4Iaより第2の触媒層4Ibの方が、触媒担持カーボン91に担持される触媒92の量が多くなるように構成されている。そして、第1の触媒層4Iaは流路壁領域WAに設けられ、第2の触媒層4Ibは流路溝領域GAに設けられている。   FIG. 13B is a schematic diagram showing the catalyst-supporting carbon 91 and the polymer electrolyte 93 in the first catalyst layer 4Ia. FIG. 13C is a schematic diagram showing the catalyst-supporting carbon 91 and the polymer electrolyte 93 in the second catalyst layer 4Ib. In the fuel cell 100I, the second catalyst layer 4Ib is configured to have a larger amount of the catalyst 92 supported on the catalyst-supported carbon 91 than the first catalyst layer 4Ia. The first catalyst layer 4Ia is provided in the flow path wall area WA, and the second catalyst layer 4Ib is provided in the flow path groove area GA.

図14(A)〜(D)は、アノード側の触媒層4Iの形成工程の一例を工程順に示す模式図である。第1工程では、2つのフィルム基材Fa,Fbの外表面にそれぞれ、触媒担持量の異なる触媒担持カーボンを含む触媒インクを塗布・乾燥させることにより、第1と第2の触媒層4Ia,4Ibを形成する(図14(A))。そして、第1と第2の触媒層4Ia,4Ibが形成されたフィルム基材Fa,Fbを切断して、複数の第1の短冊状基材41と、複数の第2の短冊状基材42とを形成する。   FIGS. 14A to 14D are schematic views illustrating an example of a process of forming the anode-side catalyst layer 4I in the order of processes. In the first step, the first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib are coated and dried on the outer surfaces of the two film bases Fa and Fb, respectively, by applying and drying catalyst inks containing catalyst-carrying carbons having different catalyst loadings. Is formed (FIG. 14A). Then, the film bases Fa and Fb on which the first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib are formed are cut, and a plurality of first strip bases 41 and a plurality of second strip bases 42 are obtained. And form.

第2工程では、第1工程において準備された第1と第2の短冊状基材41,42をそれぞれ交互に配列する(図14(B))。そして、第3工程では、その配列された第1と第2の短冊状基材41,42を電解質膜1の外表面に配置し、ローラ200等によって押圧し、第1と第2の触媒層4Ia,4Ibを電解質膜1に転写する(図14(C))。第1と第2の触媒層4Ia,4Ibの転写後、フィルム基材Fa,Fbを取り除く(図14(D))。なお、カソード側の触媒層4Iについても上記と同様の形成工程によって形成することができる。   In the second step, the first and second strip-shaped base materials 41 and 42 prepared in the first step are alternately arranged (FIG. 14B). In the third step, the arranged first and second strip-shaped base materials 41 and 42 are arranged on the outer surface of the electrolyte membrane 1 and pressed by the roller 200 or the like, so that the first and second catalyst layers are arranged. 4Ia and 4Ib are transferred to the electrolyte membrane 1 (FIG. 14C). After the transfer of the first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib, the film bases Fa and Fb are removed (FIG. 14D). The cathode-side catalyst layer 4I can also be formed by the same formation process as described above.

このように、第3実施例の燃料電池100Iによれば、触媒層4Iに到達する反応ガスの量が比較的少なくなる流路溝領域GAに、触媒の含有量が多い第2の触媒層4Ibが設けられる。これによって、流路溝領域GAにおける有効触媒表面積が増加し、流路溝領域GAにおける反応ガスの消費量を向上させることができる。従って、燃料電池100Iにおける反応ガスの消費効率が向上し、その発電性能を向上させることができる。   As described above, according to the fuel cell 100I of the third embodiment, the second catalyst layer 4Ib having a large catalyst content in the flow channel region GA where the amount of the reaction gas reaching the catalyst layer 4I is relatively small. Is provided. As a result, the effective catalyst surface area in the channel groove area GA is increased, and the amount of reaction gas consumed in the channel groove area GA can be improved. Therefore, the reaction gas consumption efficiency in the fuel cell 100I is improved, and the power generation performance can be improved.

D.第4実施例:
図15(A)〜(C)は、本発明の第4実施例としての燃料電池100Jの構成を説明するための概略図である。図15(A)は、第1と第2の触媒層4Ia,4Ibの形成位置が入れ替えられた触媒層4Jを有している点以外は、図13(A)とほぼ同じである。図15(B)は、図13(C)と同様な模式図であり、第2の触媒層4Ibにおける触媒担持カーボン91と高分子電解質93とが図示されている。図15(C)は、図13(B)と同様な模式図であり、第1の触媒層4Iaにおける触媒担持カーボン91と高分子電解質93とが図示されている。
D. Fourth embodiment:
FIGS. 15A to 15C are schematic views for explaining the configuration of a fuel cell 100J as the fourth embodiment of the present invention. FIG. 15 (A) is substantially the same as FIG. 13 (A) except that the catalyst layer 4J in which the formation positions of the first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib are switched is provided. FIG. 15B is a schematic view similar to FIG. 13C, and shows the catalyst-supporting carbon 91 and the polymer electrolyte 93 in the second catalyst layer 4Ib. FIG. 15C is a schematic view similar to FIG. 13B, and shows the catalyst-supporting carbon 91 and the polymer electrolyte 93 in the first catalyst layer 4Ia.

第4実施例の燃料電池100Jでは、触媒担持量が少ない第1の触媒層4Iaが流路溝領域GAに設けられ、触媒担持量が多い第2の触媒層4Ibが流路壁領域WAに設けられている。即ち、この燃料電池100Jでは、反応ガスの供給量が多くなる流路壁領域WAにおいて、有効触媒表面積を増加させることにより、その領域における発電量を増加させている。また、反応ガスの供給量が少なくなる流路溝領域GAにおいて、触媒担持量を低減することにより、その領域における触媒の利用効率を向上させている。   In the fuel cell 100J of the fourth embodiment, the first catalyst layer 4Ia with a small amount of catalyst is provided in the flow path groove region GA, and the second catalyst layer 4Ib with a large amount of catalyst is provided in the flow channel wall region WA. It has been. That is, in the fuel cell 100J, the power generation amount in the region is increased by increasing the effective catalyst surface area in the flow path wall region WA where the supply amount of the reaction gas increases. Further, in the channel groove area GA where the supply amount of the reaction gas is reduced, the catalyst utilization efficiency is reduced in the area by reducing the amount of catalyst supported.

このように、第4実施例における燃料電池100Jによれば、反応ガスの供給量が比較的多くなる領域における反応ガスの消費効率を向上させるとともに、反応ガスの供給量が比較的少なくなる領域における触媒の利用効率を向上させることができる。従って、燃料電池100Jの発電性能が向上する。また、触媒の使用量を低減することにより、燃料電池100Jの製造コストを低下させることも可能である。   As described above, according to the fuel cell 100J in the fourth embodiment, the reaction gas consumption efficiency is improved in the region where the supply amount of the reaction gas is relatively large, and the supply amount of the reaction gas is relatively small. The utilization efficiency of the catalyst can be improved. Therefore, the power generation performance of the fuel cell 100J is improved. In addition, it is possible to reduce the manufacturing cost of the fuel cell 100J by reducing the amount of catalyst used.

図16は、第4実施例における他の構成例としての燃料電池100Jaの構成を示す概略図である。図16は、ガス拡散層5に第1実施例で説明したのと同様な拡散抑制部6(図6(A))が設けられている点以外は、図17(A)とほぼ同じである。この燃料電池100Jaでは、拡散抑制部6によって、供給側並列流路溝23,33の反応ガスは、電極層2,3のより下層へと誘導されるため、触媒層4Jへと到達する反応ガスの量を増大させることができる。   FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100Ja as another configuration example in the fourth embodiment. FIG. 16 is substantially the same as FIG. 17A except that the gas diffusion layer 5 is provided with a diffusion suppressing portion 6 similar to that described in the first embodiment (FIG. 6A). . In this fuel cell 100Ja, since the reaction gas in the supply side parallel flow grooves 23 and 33 is guided to the lower layer of the electrode layers 2 and 3 by the diffusion suppressing unit 6, the reaction gas that reaches the catalyst layer 4J. The amount of can be increased.

また、燃料電池100Jaでは、流路壁領域WAの方が触媒の含有量が多い。そのため、触媒層4Jにおいて、流路壁領域WAに多くの反応ガスの流れる場合であっても、発電反応に用いられることなく第2の触媒層4Ibを通過してしまう反応ガスの量を低減することができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。なお、燃料電池100Jaでは、ガス拡散層5に換えて、図7(A),(B)で説明したガス拡散層5A,5Bが設けられるものとしても良い。   Further, in the fuel cell 100Ja, the flow path wall area WA has a higher catalyst content. Therefore, in the catalyst layer 4J, even when a large amount of reaction gas flows through the flow path wall area WA, the amount of reaction gas that passes through the second catalyst layer 4Ib without being used in the power generation reaction is reduced. It is possible to improve the reaction gas consumption efficiency. In the fuel cell 100Ja, the gas diffusion layers 5A and 5B described with reference to FIGS. 7A and 7B may be provided instead of the gas diffusion layer 5.

E.第5実施例:
図17は、本発明の第5実施例としての燃料電池100Kの構成を示す概略図である。図17は、触媒層4Cに換えて、触媒層4Kが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図8とほぼ同じである。この燃料電池100Kの触媒層4Kは、流路壁領域WAに透気度の高い高透気度触媒層4Kaを有し、流路溝領域GAに透気度の低い低透気度触媒層4Kbを有している。この構成によって、触媒層4Kまで到達する反応ガスは、透気度の高い高透気度触媒層4Kaへと誘導される。即ち、流路壁領域WAへと流れる反応ガスの量を増大させることができ、流路壁領域WAにおける発電量を増大させることができる。
E. Example 5:
FIG. 17 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100K as a fifth embodiment of the present invention. FIG. 17 is substantially the same as FIG. 8 except that the catalyst layer 4K is provided instead of the catalyst layer 4C and that the arrows indicating the flow of the reaction gas are different. The catalyst layer 4K of the fuel cell 100K has a high air permeability catalyst layer 4Ka with high air permeability in the flow path wall area WA, and a low air permeability catalyst layer 4Kb with low air permeability in the flow path groove area GA. have. With this configuration, the reaction gas that reaches the catalyst layer 4K is guided to the high air permeability catalyst layer 4Ka having high air permeability. That is, the amount of the reactive gas flowing to the flow path wall area WA can be increased, and the power generation amount in the flow path wall area WA can be increased.

なお、高透気度触媒層4Kaおよび低透気度触媒層4Kbは、図8において説明したのと同様に、触媒層4Kの領域ごとのI/Cを調整することにより形成することができる。即ち、領域ごとの透気度が一様な触媒層を形成した後に、流路溝領域GAに高分子電解質が含まれる溶液を塗布・含浸させる。これによって、流路溝領域GAのI/Cを増大させ、高透気度触媒層4Kaおよび低透気度触媒層4Kbを形成することができる。   The high air permeability catalyst layer 4Ka and the low air permeability catalyst layer 4Kb can be formed by adjusting the I / C for each area of the catalyst layer 4K, as described in FIG. That is, after a catalyst layer having a uniform air permeability for each region is formed, a solution containing a polymer electrolyte is applied and impregnated in the flow channel region GA. Thereby, the I / C of the flow channel region GA can be increased, and the high air permeability catalyst layer 4Ka and the low air permeability catalyst layer 4Kb can be formed.

このように、触媒層4Kにおける透気度を、流路溝領域GAより流路壁領域WAの方が高くなるように構成することにより、流路壁領域WAに流れる反応ガス量を増大させることができ、流路壁領域WAにおける発電量を増大させることができる。従って、燃料電池100Kにおける発電量を増大させることができ、その発電性能を向上させることができる。   As described above, by configuring the air permeability in the catalyst layer 4K so that the flow path wall area WA is higher than the flow path groove area GA, the amount of reaction gas flowing in the flow path wall area WA is increased. Thus, the amount of power generation in the flow path wall area WA can be increased. Therefore, the amount of power generation in the fuel cell 100K can be increased, and the power generation performance can be improved.

なお、この燃料電池100Kにおいて、第4実施例の燃料電池100Jと同様に、流路溝領域GAより流路壁領域WAの方が触媒担持量が多くなるように構成されるものとしても良い。即ち、高透気度触媒層4Kaの触媒担持量を、低透気度触媒層4Kbの触媒担持量より多くするものとしても良い。これによって、流路壁領域WAにおける発電量をより増大させることができる。また、上記の第2実施例の燃料電池100Dや、第2実施例の他の構成例における燃料電池100E,100F,100G,100Hにおいて、触媒層4に換えて、この燃料電池100Cの触媒層4Kが設けられるものとしても良い。   Note that, in this fuel cell 100K, as in the fuel cell 100J of the fourth embodiment, the flow path wall area WA may be configured to have a larger amount of catalyst supported than the flow path groove area GA. That is, the catalyst loading amount of the high air permeability catalyst layer 4Ka may be larger than the catalyst loading amount of the low air permeability catalyst layer 4Kb. Thereby, the power generation amount in the flow path wall area WA can be further increased. Further, in the fuel cell 100D of the second embodiment and the fuel cells 100E, 100F, 100G, and 100H in the other configuration examples of the second embodiment, the catalyst layer 4K of the fuel cell 100C is used instead of the catalyst layer 4. May be provided.

F.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
F. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

F1.変形例1:
上記実施例では、アノードセパレータ20とカソードセパレータ30の両方に、供給側流路溝と排出側流路溝とに分断された流路溝が設けられていた。しかし、アノードセパレータ20とカソードセパレータ30の両方にそうした流路溝が設けられていなくとも良い。供給側流路溝と排出側流路溝とに分断された流路溝は、アノードセパレータ20とカソードセパレータ30の少なくとも一方に設けられているものとしても良い。例えば、アノードセパレータ20の流路溝を、上記流路溝の構成に換えて、分配流路溝22と各排出側並列流路溝25とが連結され、合流流路溝26と各供給側流路溝23とが連結された流路溝とするものとしても良い。なお、この場合のアノード2の構成は、比較例の燃料電池100a(図6(B))におけるアノード2の構成と同様であるものとしても良い。
F1. Modification 1:
In the above embodiment, both the anode separator 20 and the cathode separator 30 are provided with flow channel grooves divided into supply side flow channel grooves and discharge side flow channel grooves. However, both the anode separator 20 and the cathode separator 30 may not be provided with such a channel groove. The channel groove divided into the supply side channel groove and the discharge side channel groove may be provided in at least one of the anode separator 20 and the cathode separator 30. For example, the flow channel groove of the anode separator 20 is replaced with the above-described flow channel structure, and the distribution flow channel groove 22 and each discharge side parallel flow channel groove 25 are connected to each other. It is good also as what is set as the flow path groove with which the path groove 23 was connected. Note that the configuration of the anode 2 in this case may be the same as the configuration of the anode 2 in the fuel cell 100a of the comparative example (FIG. 6B).

F2.変形例2:
上記実施例において、供給側流路溝と排出側流路溝とは、供給側並列流路溝23,33と排出側並列流路溝25,35とが互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していた。しかし、供給側流路溝と排出側流路溝とは、そうした互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していなくとも良い。供給側流路溝と排出側流路溝とは、電極層2,3の外表面上に配置されたときに、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されるように閉塞された流路溝として構成されていれば良い。例えば、供給側流路溝と排出側流路溝とは、いわゆるサーペンタイン状に折り返しつつ、互いに併走する閉塞流路溝として構成されるものとしても良い。
F2. Modification 2:
In the above embodiment, the supply-side channel groove and the discharge-side channel groove are substantially comb-like channel grooves in which the supply-side parallel channel grooves 23 and 33 and the discharge-side parallel channel grooves 25 and 35 mesh with each other. Was configured. However, the supply-side flow channel and the discharge-side flow channel do not need to form such a substantially comb-shaped flow channel that meshes with each other. The supply-side channel groove and the discharge-side channel groove are closed so as to be spatially separated from each other across the channel partition when arranged on the outer surface of the electrode layers 2 and 3. What is necessary is just to be comprised as a groove | channel. For example, the supply-side channel groove and the discharge-side channel groove may be configured as closed channel grooves that fold back in a so-called serpentine shape and run side by side.

F3.変形例3:
上記第1実施例において、拡散抑制部6は、供給側並列流路溝23,33および排出側並列流路溝25,35とほぼ重なるように形成されていた。即ち、拡散抑制部6は、流路溝領域GAの全体を覆うように形成されていた。しかし、拡散抑制部6は、流路溝領域GAの一部にのみ形成されるものとしても良い。例えば、拡散抑制部6は、供給側並列流路溝23,33および排出側並列流路溝25,35の溝幅より狭い幅で形成されるものとしても良く、拡散抑制部6は、流路溝領域GAの中で上流側にのみ形成されるものとしても良い。また、第1実施例における他の構成例としての燃料電池100A,100B,100Cにおいても同様に、拡散抑制部6や高拡散層5Aa、高透気度触媒層4Caは、流路溝領域GAの一部にのみ形成されるものとしても良い。即ち、第1実施例では、電極層2,3は、流路溝領域GAの方が、流路壁領域WAよりガス拡散性が高くなるように構成されていればよい。
F3. Modification 3:
In the first embodiment, the diffusion suppressing portion 6 is formed so as to substantially overlap the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. That is, the diffusion suppressing part 6 is formed so as to cover the entire flow path groove area GA. However, the diffusion suppressing part 6 may be formed only in a part of the channel groove area GA. For example, the diffusion suppressing unit 6 may be formed with a width narrower than the groove widths of the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. The groove region GA may be formed only on the upstream side. Similarly, in the fuel cells 100A, 100B, and 100C as other configuration examples in the first embodiment, the diffusion suppressing unit 6, the high diffusion layer 5Aa, and the high air permeability catalyst layer 4Ca are provided in the flow path groove region GA. It is good also as what is formed only in part. In other words, in the first embodiment, the electrode layers 2 and 3 only need to be configured such that the flow channel region GA has higher gas diffusibility than the flow channel wall region WA.

F4.変形例4:
上記第2実施例において、拡散抑制部6は、各供給側並列流路溝23,33および各排出側並列流路溝25,35のほぼ中央に設けられていた。しかし、拡散抑制部6は、各供給側並列流路溝23,33および各排出側並列流路溝25,35の中央から外れた位置に設けられるものとしても良い。拡散抑制部6は、各供給側並列流路溝23,33からガス拡散層5へと流入する反応ガスの流速が向上するように、各供給側並列流路溝23,33の溝開口部が適度に絞られるように配置されていれば良い。あるいは、拡散抑制部6は、ガス拡散層5から各排出側並列流路溝25,35への反応ガスの流出が遮断されない程度に、各排出側並列流路溝25,35の溝開口部の一部が開放された状態となるように配置されていれば良い。
F4. Modification 4:
In the second embodiment, the diffusion suppressing portion 6 is provided at substantially the center of the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. However, the diffusion suppressing unit 6 may be provided at a position deviated from the center of each of the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 and each of the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35. The diffusion suppressing unit 6 has groove openings in the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 so that the flow velocity of the reaction gas flowing from the supply side parallel flow channel grooves 23 and 33 into the gas diffusion layer 5 is improved. What is necessary is just to arrange | position so that it may be squeezed moderately. Alternatively, the diffusion suppressing unit 6 is configured so that the outflow of the reaction gas from the gas diffusion layer 5 to the discharge side parallel flow channel grooves 25 and 35 is not blocked. What is necessary is just to arrange | position so that a part may be in the open state.

F5.変形例5:
上記第3実施例および第4実施例において、第1と第2の触媒層4Ia,4Ibは、燃料電池100Iの積層方向に沿って見たときに、互いの境界が流路溝領域GAと流路壁領域WAの境界とほぼ一致するように形成されていた。しかし、第1と第2の触媒層4Ia,4Ibの境界と、流路溝領域GAと流路壁領域WAの境界とは一致していなくとも良い。燃料電池100Iでは、流路溝領域GAにおける領域面積に対する触媒の含有量の比と、流路壁領域WAにおける領域面積に対する触媒の含有量の比とが異なるように構成されていればよい。
F5. Modification 5:
In the third and fourth embodiments, the first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib have a boundary between the first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib and the flow channel region GA when viewed in the stacking direction of the fuel cell 100I. It was formed so as to substantially coincide with the boundary of the road wall area WA. However, the boundary between the first and second catalyst layers 4Ia and 4Ib and the boundary between the channel groove region GA and the channel wall region WA do not have to coincide with each other. The fuel cell 100I only needs to be configured so that the ratio of the catalyst content to the area of the channel groove area GA is different from the ratio of the catalyst content to the area of the channel wall area WA.

F6.変形例6:
上記第4実施例では、流路溝領域GAに触媒担持量の少ない第1の触媒層4Iaが設けられていた。しかし、流路溝領域GAにおいては、触媒が省略されるものとしても良い。即ち、触媒層の形成工程において、流路溝領域GAには、触媒インクに換えて、触媒が担持されていないカーボン粒子と高分子電解質との混合溶液を用いて形成された薄膜層が配置されるものとしても良い。
F6. Modification 6:
In the fourth embodiment, the first catalyst layer 4Ia having a small catalyst loading is provided in the flow channel region GA. However, the catalyst may be omitted in the channel groove area GA. That is, in the catalyst layer forming step, a thin film layer formed by using a mixed solution of carbon particles not supporting a catalyst and a polymer electrolyte is disposed in the channel groove area GA in place of the catalyst ink. It may be a thing.

F7.変形例7:
上記第1実施例では、流路溝領域GAへと流れる反応ガスの量を増加させるために、流路溝領域GAと流路壁領域WAとで透気度の異なる材料を配置していた。しかし、他の構成により、流路溝領域GAへと流れる反応ガスの量を増加させることも可能である。例えば、流路溝領域GAと流路壁領域WAとで気孔率の異なる部材を用いてガス拡散層5や触媒層4を形成するものとしても良いし、流路溝領域GAと流路壁領域WAとでガス拡散層5や触媒層4の厚みを変えるものとしても良い。また、ガス拡散層と触媒層との間に撥水層が形成されている場合には、その撥水層における透気度を変えるものとしても良い。即ち、電極層2,3において、流路壁領域WAの方が流路溝領域GAよりガス拡散性の低い材料が用いられるものとしても良い。
F7. Modification 7:
In the first embodiment, in order to increase the amount of reaction gas flowing into the flow channel region GA, materials having different air permeabilities are disposed in the flow channel region GA and the flow channel wall region WA. However, it is also possible to increase the amount of reaction gas flowing into the flow channel region GA by other configurations. For example, the gas diffusion layer 5 and the catalyst layer 4 may be formed using members having different porosities in the flow channel region GA and the flow channel wall region WA, or the flow channel region GA and the flow channel wall region. The thickness of the gas diffusion layer 5 and the catalyst layer 4 may be changed depending on the WA. When a water repellent layer is formed between the gas diffusion layer and the catalyst layer, the air permeability in the water repellent layer may be changed. That is, in the electrode layers 2 and 3, a material having a lower gas diffusibility in the flow path wall area WA than in the flow path groove area GA may be used.

F8.変形例8:
上記第2実施例では、触媒層4へと到達する反応ガスの量を増大させるために、流路溝領域GAの一部に、拡散抑制部6などの透気度の低い材料を配置していた。しかし、透気度の低い材料に換えて、気孔率の小さい材料を配置するものとしても良い。即ち、触媒層4へと到達する反応ガスの量を増大させるために、流路溝領域GAの一部に、流路壁領域WAに用いられる材料よりもガス拡散性の低い材料が用いられるものとしても良い。
F8. Modification 8:
In the second embodiment, in order to increase the amount of the reaction gas that reaches the catalyst layer 4, a material having low air permeability such as the diffusion suppressing portion 6 is disposed in a part of the channel groove region GA. It was. However, a material having a low porosity may be disposed instead of a material having a low air permeability. That is, in order to increase the amount of the reaction gas that reaches the catalyst layer 4, a material having a lower gas diffusibility than that used for the flow path wall area WA is used for a part of the flow path groove area GA. It is also good.

F9.変形例9:
上記第3実施例では、流路溝領域GAにおける発電量を増大させるために、流路溝領域GAに触媒担持量の多い第1の触媒層4Iaを設けていた。しかし、流路溝領域GAにおける発電量を増大させるためには、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路溝領域GAにおいて、高い触媒活性を有する触媒を用いるものとしても良い。あるいは、粒径の小さい触媒を用いて、触媒表面積の総計を増大させるものとしても良い。
F9. Modification 9:
In the third embodiment, the first catalyst layer 4Ia having a large amount of catalyst is provided in the flow channel region GA in order to increase the power generation amount in the flow channel region GA. However, in order to increase the power generation amount in the channel groove area GA, the catalyst layer may be configured as follows. That is, a catalyst having a high catalytic activity may be used in the flow channel region GA. Alternatively, a catalyst having a small particle diameter may be used to increase the total catalyst surface area.

F10.変形例10:
上記第4実施例では、流路壁領域WAにおける発電量を増大させるために、流路壁領域WAに触媒担持量の多い第1の触媒層4Iaを設けていた。しかし、流路壁領域WAにおける発電量を増大させるためには、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路壁領域WAにおいて、高い触媒活性を有する触媒を用いるものとしても良い。あるいは、粒径の小さい触媒を用いて、触媒表面積の総計を増大させるものとしても良い。
F10. Modification 10:
In the fourth embodiment, in order to increase the power generation amount in the flow path wall area WA, the first catalyst layer 4Ia having a large catalyst loading amount is provided in the flow path wall area WA. However, in order to increase the power generation amount in the flow path wall area WA, the catalyst layer may be configured as follows. That is, a catalyst having a high catalytic activity may be used in the flow path wall area WA. Alternatively, a catalyst having a small particle diameter may be used to increase the total catalyst surface area.

F11.変形例11:
上記第5実施例では、流路壁領域WAにおける発電量を増大させるために、流路壁領域WAに高透気度触媒層4Kaを設け、流路溝領域GAに低透気度触媒層4Kbを設け、流路壁領域WAに反応ガスを誘導していた。しかし、流路壁領域WAにより多くの反応ガスを誘導するために、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路壁領域WAにおける触媒層の気孔率を流路溝領域GAにおける触媒層の気孔率より高くするものとしても良い。流路壁領域WAにおけるガス拡散層や触媒層の厚みを流路溝領域GAにおけるガス拡散層や触媒層の厚みより薄くするものとしても良い。
F11. Modification 11:
In the fifth embodiment, in order to increase the power generation amount in the flow path wall area WA, the high air permeability catalyst layer 4Ka is provided in the flow path wall area WA, and the low air permeability catalyst layer 4Kb is provided in the flow path groove area GA. And the reactive gas was guided to the flow path wall area WA. However, the catalyst layer may be configured as follows in order to induce more reaction gas in the flow path wall area WA. That is, the porosity of the catalyst layer in the flow path wall area WA may be higher than the porosity of the catalyst layer in the flow path groove area GA. The thickness of the gas diffusion layer and the catalyst layer in the flow path wall area WA may be made thinner than the thickness of the gas diffusion layer and the catalyst layer in the flow path groove area GA.

1…電解質膜
2…アノード(電極層)
3…カソード(電極層)
4…触媒層
4C…触媒層
4Ca…高透気度触媒層
4Cb…低透気度触媒層
4I…触媒層
4Ia…第1の触媒層
4Ib…第2の触媒層
4J…触媒層
4K…触媒層
4Ka…高透気度触媒層
4Kb…低透気度触媒層
5…ガス拡散層
5A…ガス拡散層
5Aa…高拡散層
5Ab…低拡散層
5B…ガス拡散層
5G…ガス拡散層
5Ga…高拡散層
5Gb…低拡散層
5H…ガス拡散層
6…拡散抑制部
10…膜電極接合体
10D…膜電極接合体
11…発電領域
12…外周シール部
20…アノードセパレータ
21…供給側連絡流路溝
22…分配流路溝
23…供給側並列流路溝
25…排出側並列流路溝
26…合流流路溝
27…排出側連絡流路溝
29…並列流路隔壁
30…カソードセパレータ
31…供給側連絡流路溝
32…分配流路溝
33…供給側並列流路溝
35…排出側並列流路溝
36…合流流路溝
37…排出側連絡流路溝
39…並列流路隔壁
41…第1の短冊状基材
42…第2の短冊状基材
91…触媒担持カーボン
92…触媒
93…高分子電解質
100〜100K…燃料電池
100a…燃料電池(比較例)
110…単セル
200…ローラ
Fa,Fb…フィルム基材
GA…流路溝領域
M1…水素供給用マニホールド
M2…水素排出用マニホールド
M3…酸素供給用マニホールド
M4…酸素排出用マニホールド
SA…領域
WA…流路壁領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Anode (electrode layer)
3 ... Cathode (electrode layer)
4 ... Catalyst layer 4C ... Catalyst layer 4Ca ... High air permeability catalyst layer 4Cb ... Low air permeability catalyst layer 4I ... Catalyst layer 4Ia ... First catalyst layer 4Ib ... Second catalyst layer 4J ... Catalyst layer 4K ... Catalyst layer 4Ka ... High air permeability catalyst layer 4Kb ... Low air permeability catalyst layer 5 ... Gas diffusion layer 5A ... Gas diffusion layer 5Aa ... High diffusion layer 5Ab ... Low diffusion layer 5B ... Gas diffusion layer 5G ... Gas diffusion layer 5Ga ... High diffusion Layer 5Gb ... Low diffusion layer 5H ... Gas diffusion layer 6 ... Diffusion suppression part 10 ... Membrane electrode assembly 10D ... Membrane electrode assembly 11 ... Power generation region 12 ... Outer peripheral seal part 20 ... Anode separator 21 ... Supply side communication channel groove 22 ... distribution channel groove 23 ... supply side parallel channel groove 25 ... discharge side parallel channel groove 26 ... confluence channel groove 27 ... discharge side communication channel groove 29 ... parallel channel partition wall 30 ... cathode separator 31 ... supply side communication Channel groove 32 ... Distribution channel groove 33 ... Supply side parallel flow channel 35 ... Discharge side parallel flow channel 36 ... Merge flow channel 37 ... Discharge side communication flow channel 39 ... Parallel flow channel partition 41 ... First strip base material 42 ... Second strip shape Substrate 91 ... Catalyst-supported carbon 92 ... Catalyst 93 ... Polymer electrolyte 100-100K ... Fuel cell 100a ... Fuel cell (comparative example)
110 ... single cell 200 ... roller Fa, Fb ... film substrate GA ... channel groove area M1 ... hydrogen supply manifold M2 ... hydrogen discharge manifold M3 ... oxygen supply manifold M4 ... oxygen discharge manifold SA ... area WA ... flow Road wall area

Claims (3)

燃料電池であって、
電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持する2枚のセパレータと、
反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、
を備え、
前記電極層は、前記電解質膜と接する側に設けられた触媒層と、前記セパレータと接する側に設けられたガス拡散層とを有しており、
前記2枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝と、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とを隔てる流路隔壁と、が設けられ、
前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、前記流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスを前記ガス拡散層へと流入させるように構成されており、
前記電極層は、前記燃料電池を前記電極層の積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記供給側流路溝または前記排出側流路溝と重なる流路溝領域と、前記流路隔壁と重なる流路壁領域と、を有し、
前記電極層は、前記ガス拡散層と前記触媒層の少なくとも一方において、前記流路溝領域の方が前記流路壁領域より高いガス拡散性を有するように構成されている、燃料電池。
A fuel cell,
A membrane electrode assembly in which electrode layers are arranged on both sides of the electrolyte membrane;
Two separators sandwiching the membrane electrode assembly;
A supply manifold for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly;
A discharge manifold for discharging exhaust gas from the membrane electrode assembly;
With
The electrode layer has a catalyst layer provided on the side in contact with the electrolyte membrane and a gas diffusion layer provided on the side in contact with the separator;
At least one of the two separators is connected to a supply-side flow channel for a reactive gas connected to the supply manifold on a surface in contact with the gas diffusion layer, and to the discharge manifold. A discharge side channel groove for the exhaust gas, and a channel partition wall separating the supply side channel groove and the discharge side channel groove,
The supply-side flow channel and the discharge-side flow channel are spatially separated from each other with the flow channel partition interposed therebetween when disposed on the outer surface of the gas diffusion layer. The reaction gas in the side flow channel is configured to flow into the gas diffusion layer,
The electrode layer includes a channel groove region that overlaps the supply-side channel groove or the discharge-side channel groove of the separator when the fuel cell is viewed along the stacking direction of the electrode layer, and the channel A channel wall region that overlaps the partition wall,
The fuel cell, wherein the electrode layer is configured such that at least one of the gas diffusion layer and the catalyst layer has a gas diffusibility higher in the flow channel region than in the flow channel wall region.
請求項1記載の燃料電池であって、
前記電極層は、前記流路壁領域の方が前記流路溝領域よりも前記触媒層における触媒の含有量が多い、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The electrode layer is a fuel cell in which the flow path wall region has a higher catalyst content in the catalyst layer than the flow path groove region.
請求項1または請求項2記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層の前記流路壁領域には、前記流路溝領域のガス拡散性よりも低いガス拡散性を有し、反応ガスの拡散を抑制する拡散抑制部材が、前記セパレータの前記流路壁と接する部位に配置され、
前記拡散抑制部材が、前記流路溝の反応ガスを前記触媒層へと誘導するための誘導壁として機能する、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The flow passage wall region of the gas diffusion layer has a gas diffusibility lower than the gas diffusibility of the flow channel groove region, and a diffusion suppression member that suppresses diffusion of a reaction gas is provided in the flow channel of the separator. Placed in contact with the wall,
The fuel cell, wherein the diffusion suppressing member functions as a guide wall for guiding the reaction gas in the flow channel to the catalyst layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017195067A (en) * 2016-04-19 2017-10-26 株式会社ギャラキシー Vanadium air cell
CN112888592A (en) * 2018-10-29 2021-06-01 大众汽车股份公司 Body structure for electrically operated vehicle

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