JP2004146226A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス拡散層基材として炭素繊維織布を用いた高分子電解質型燃料電池のガス拡散層とセパレータ板との接触抵抗のＭＥＡ面内での均一化と低減、ならびに反応ガスの供給および余剰水の排出の円滑化を計る。これにより、燃料電池作動時の電圧安定性や電池の耐久性を高め、さらに電池電圧を向上させる。
【解決手段】セパレータ板をそのガス流路の方向が炭素繊維織布の縦糸または横糸の方向と一致するようにガス拡散層に接して配置し、かつ、前記セパレータ板のリブ幅Ｘおよびガス流路の溝幅Ｙを、いずれも、炭素繊維織布のガス流路と直交する方向の組織点間距離のほぼ自然数倍とする。Ｘ／Ｙは、２／３〜３／２の範囲内にあることが好ましい。
【選択図】　　　　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型燃料電池に関するもので、特にそのガス拡散層の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣで表す）は、電解質として用いるプロトン伝導性の高分子電解質膜を介して、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを触媒層を有するガス拡散電極において電気化学的に反応させるものである。この反応によって、化学エネルギーが電気エネルギーと熱エネルギーとに変換される。高分子電解質膜の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質とを主成分とする一対の触媒層が密着して配置される。さらに触媒層の外面に密着してガス拡散層が配置され、これらガス拡散層と触媒層により電極が構成される。このように高分子電解質膜と電極で構成された電解質膜−電極接合体（以下、ＭＥＡで表す）の周縁部の高分子電解質膜の両面にガスケットを接合させ、これを鋏んで一対の導電性セパレータ板を配置して単電池が構成される。
【０００３】
多くのＰＥＦＣは、上記のように構成された複数の単電池を積層して締め付けた構造を有し、この構造体は電池スタックと呼ばれている。セパレータ板は、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により生成した水や余剰の反応ガスを外部に排出させる役割を有する。セパレータ板の表面部に溝を設け、これをガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
電池スタックの構成に際しては、セパレータ板とガス拡散層の接合部などの積層部材間の接触抵抗を低減し、さらに反応ガスを漏らさないようにガスシール性を維持することが重要である。そのために、一般的には電池スタック全体を積層方向に恒常的に締め付けることが行われている。ガス拡散層はガス透過性と電子伝導性を有することが必要であり、カーボンペーパ、カーボンクロス、およびカーボンフェルトなどの炭素繊維からなる材料がその基材として用いられる。これらガス拡散層の基材は燃料電池用電極における集電体としての役割も担う。
【０００５】
ガス拡散層基材の触媒層と接する側に、フッ素樹脂などの撥水性樹脂と炭素粉体を主成分とする導電性撥水層を設け、これをガス拡散層とするのが一般的である。導電性撥水層は、高分子電解質の保湿、電池反応により生成した余剰の水分の速やかな除去およびガス拡散層基材による触媒層や高分子電解質膜の損傷回避などのために有効である。またさらに、ガス拡散層基材をフッ素樹脂ディスパージョンなどにより撥水処理したものもある。
【０００６】
上記の炭素繊維からなる材料の中でも、カーボンクロス（以下、炭素繊維織布で表す）がガス拡散層基材として一般的に用いられている。炭素繊維織布は織物なので面方向に規則的なうねりや疎密構造を有する。すなわち、炭素繊維織布は、その縦糸と横糸が重なり合って最も厚みが大きくなる点（組織点）の間隔（以下、組織点間距離で表す）が幾何学的な規則性を有するように織布されている。
【０００７】
一方、ガス拡散層に接して配置されるセパレータ板にも面方向に幾何学的な規則性をもったパターンでガス流路が形成されているのが一般的である。即ち、ガス流路はセパレータ板の表面部の細長の凸部（リブ）の間に形成される断面矩形の溝であり、通常そのリブ幅および溝幅はいずれも一定の値に設定されているのが一般的である。
【０００８】
上記のように、セパレータ板側のガス流路および炭素繊維織布側の組織点のそれぞれが面方向に幾何学的な規則性をもったパターンで形成されているにも拘らず、従来から両者のパターンの間に規則性を持たせることなく燃料電池の設計が行われている。そのため、一定圧力下で電池スタックを締め付けた場合でも、ガス拡散層基材（炭素繊維織布）がそのうねりや疎密構造に応じた規則的なパターンでセパレータ板のリブ部表面と接触していない。そのために、両者の接合界面における接合圧力が部位によって異なり、ランダムなパターンで分布した状態となる。これは、炭素繊維織布の厚み方向の繊維密度が密な組織点において接合圧力が大きくなり、繊維密度が疎な部分において小さくなることに起因する。
【０００９】
このように従来の方法では、セパレータ板と炭素繊維織布との接合圧力がセパレータ板のリブ表面の部位によって異なるために、ＭＥＡ面内におけるガス拡散層とセパレータ板との接触抵抗が部位によってランダムなパターンで異なる。そのために燃料電池作動時の電流密度分布が不均一になるという問題がある。電流密度分布の不均一は電池反応の円滑な進行を妨げるとともに、局所的な発熱をも引き起こし、燃料電池の作動特性の安定性や耐久性を悪化させる。
【００１０】
さらに従来の方法では、炭素繊維織布の組織点がセパレータ板のリブの表面と多く接するように格別の配慮をすることなく炭素繊維織布とセパレータ板が設計され、配置されているので、両者間の接触抵抗が大きくなる場合が多い。この接触抵抗の増大は燃料電池の内部抵抗の増大につながり、作動電圧を低下させる。
【００１１】
炭素繊維織布の面内における厚み方向の繊維密度が疎な部位は、ガス透過性や透湿性などが良好なので、厚み方向に物質移動し易い。したがって、ガス流路からの余剰の水分の排出や反応ガスの触媒層への円滑な供給のためには、炭素繊維織布の厚み方向の密度が疎な部位をガス流路に面する部分に均一に多く存在させる配慮が必要である。しかし従来の方法では、このような配慮が不十分であり、具体的な解決策は特には講じられていない。
【００１２】
そのために、反応ガスを触媒層へ供給する能力およびカソードで生成する余剰の水分を排出する能力が、ＭＥＡ面内において部位によって不均一であったり、全体として不十分となる場合が多い。これによって、凝集水がガス拡散層および触媒層の気孔部やセパレータ板のガス流路を閉塞する状態（フラッディング）に陥りやすくなる。フラッディングは突発的な運転不能や経時的な電圧低下を引き起こす。
【００１３】
ガス拡散層基材として炭素繊維織布を用いる燃料電池の上記の問題のうち、内部抵抗の低減に関する提案（例えば、特開平７−１３５００１号公報など）がある。この提案は、炭素繊維の糸で織成したカーボンクロスを矩形形状に形成してなる電極において、炭素繊維の糸を前記矩形形状が有する二つの辺方向のいずれとも交差する方向としたものである。これにより、少なくとも２方向の炭素繊維の糸が集電極（セパレータ板）のガス流路の方向と交差する配置とし、電極と集電極との電子の授受を容易にしようとするものである。しかし、この提案は、燃料電池の内部抵抗の低減を目的としたものであり、上記のフラッディングを回避する効果は期待できないものと考えられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、炭素繊維織布をガス拡散層の基材として用いる高分子電解質型燃料電池の上記問題点を解決し、作動電圧が高く電圧特性の安定性と耐久性に優れ、かつフラッディングの発生が抑制された燃料電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極からなる電解質膜―電極接合体、ならびに前記電解質膜―電極接合体を挟む一対のセパレータ板を備え、前記電極が前記高分子電解質膜に接する触媒層および前記セパレータ板に接するガス拡散層を有し、前記ガス拡散層の基材が炭素繊維織布からなり、前記セパレータ板が前記炭素繊維織布に接するリブおよび前記リブに沿って平行かつ等間隔に形成された断面矩形の溝からなるガス流路を有する燃料電池であって、前記セパレータ板が前記炭素繊維織布の縦糸または横糸の方向と前記ガス流路の方向が一致するように前記ガス拡散層に接して配置され、かつ、前記ガス流路と直交する方向の前記炭素繊維織布の組織点間距離をＷ、前記セパレータ板のリブ幅をＸ、および前記ガス流路の溝幅をＹとした場合に、Ｘ＝αＭＷ（０．９８≦α≦１．０２、Ｍ：自然数）、およびＹ＝βＮＷ（０．９８≦β≦１．０２、Ｎ：自然数）の関係を満たすことを特徴とするものである。
【００１６】
セパレータ板のリブ幅とガス流路の溝幅との比（Ｘ／Ｙ）は、２／３〜３／２の範囲内にあることが好ましい。特に、前記の比（Ｘ／Ｙ）が１／１で、かつ、Ｍ＝Ｎ＝２であることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料電池のガス拡散層基材として使用する炭素繊維織布が有する規則的な疎密構造に注目し、炭素繊維織布の縦糸または横糸の方向とセパレータ板に形成された矩形断面を有するガス流路の方向とを一致させた上で、ガス流路の溝幅およびリブ幅をいずれも炭素繊維織布のガス流路と直交する方向の組織点間距離のほぼ自然数倍としたものである。これにより、ＭＥＡ面内の電流密度分布の均一化による作動電圧の安定化および電池の耐久性の向上、ならびに余剰水排出と反応ガス供給の円滑化によるフラッディングの回避が可能となる。
【００１８】
本発明において、ガス拡散層の基材に用いる炭素繊維織布は炭素繊維の糸を構成材料としたもので、織物構造としては平織が最も一般的である。平織以外に、斜文織や朱子織の炭素繊維織布を用いることもできる。これらの炭素繊維織布においては、いずれも縦糸と横糸が規則的な幾何学的パターンで組み合わされている。つまり炭素繊維織布は、平行に配列された１群の炭素繊維糸（縦糸あるいは横糸）の方向に対して、これらの炭素繊維糸に直角の方向に第２群に属する炭素繊維糸（横糸あるいは縦糸）を所定の方式で順次組み合わせたものである。この際、第２群の炭素繊維糸も相互に並行関係を保つようにして布が構成される。
【００１９】
このように構成された織布の幾何学的パターンは織物組織と呼ばれ、炭素繊維織布の織物組織における組織点は、縦糸と横糸が重なって織布の厚みが最も大きくなる点を指す。本発明でいう炭素繊維織布の組織点間距離は、隣接する組織点の間の距離を指し、縦糸方向に隣接する組織点の間の距離を縦糸方向の組織点間距離と称し、横糸方向に隣接する組織点の間の距離を横糸方向の組織点間距離と称する。ちなみに、縦糸と横糸の太さ、あるいは縦糸間の間隔と横糸間の間隔などが異なる場合には、縦糸方向と横糸方向の組織点間距離が異なる場合が多い。
【００２０】
次に、平織の炭素繊維織布を例にとって、炭素繊維織布の織物組織を図１〜３の模式図により説明する。図１は平織の炭素繊維織布の平面図であり、等間隔で配列された縦糸２１と横糸２２とが直角方向に等間隔で交錯（直交）している。そして、縦糸２１が横糸２２の上に出る組織点２３および２５と縦糸２１が横糸２２の下に入る組織点２４が交互に形成された規則的な幾何学的パターンで織布されている。図２は図１のＡ−Ｂ線の断面図（縦糸方向の断面図）であり、組織点２３とこれに縦糸方向に隣接する組織点２４との間隔が縦糸方向の組織点間距離（Ｗ１）である。図３は図１のＣ−Ｄ線の断面図（横糸方向の断面図）であり、組織点２４とこれに横糸方向に隣接する組織点２５との間隔が横糸方向の組織点間距離（Ｗ２）である。
【００２１】
セパレータ板に形成されるガス流路としては、入口から出口に向かって複数の直線パスが一方向に平行に施されたストレートタイプ、および、単数もしくは複数のパスが蛇腹状に施されたサーペンタインタイプなどがある。ガス流路の形態は、さらにアノード側とカソード側のガスの流れ方向の相違により、直交型、対向型および並行型に分けられる。サーペンタインタイプのガス流路は、互いに平行に直線的に形成された往路と復路のそれぞれの端部が、曲線状に形成されたターン部で連結された構造となっている。本発明においては、ガス流路の方向は、上記の直線的に形成された部分のガス流路の方向を指す。
【００２２】
本発明は、上記のガス流路のうち、断面が矩形の溝が直線的に形成されたガス流路を有するいずれの燃料電池にも有効に適用することができる。その中でも、アノード側およびカソード側の双方にストレートタイプの並行型のガス流路を有するセパレータ板を用いた場合に、より顕著な効果を得ることができる。アノード側ガス流路とカソード側ガス流路の関係に関しては、ＭＥＡの保持および内部抵抗の低減の観点より、アノード側のセパレータ板のリブとカソード側のセパレータ板のリブとをより多くの面積においてＭＥＡを挟んで向き合わせることが望ましい。
【００２３】
本発明の燃料電池は、炭素繊維織布の縦糸または横糸の方向とガス流路の方向が一致するようにガス拡散層に接してセパレータ板を配置し、セパレータ板のリブ幅（Ｘ）およびガス流路の溝幅（Ｙ）を、いずれも、炭素繊維織布のガス流路と直交する方向の組織点間距離（Ｗ）の実質的な自然数倍とすることを基本的な特徴とするものである。この場合、組織点間距離（Ｗ）は、縦糸方向とガス流路の方向が一致するように炭素繊維織布が配置されている場合には横糸方向の組織点間距離（Ｗ２）を指し、横糸方向とガス流路の方向が一致するように炭素繊維織布が配置されている場合には縦糸方向の組織点間距離（Ｗ１）を指す。
【００２４】
ここでいう実質的な自然数倍とは、Ｘ＝αＭＷ（０．９８≦α≦１．０２、Ｍ：自然数）、およびＹ＝βＮＷ（０．９８≦β≦１．０２、Ｎ：自然数）の関係を満たすことである。すなわち、リブ幅および溝幅が組織点間距離に対して厳密な自然数倍でなくとも、±２％以内の許容誤差範囲にある場合には、本発明による同等の効果が得られる。
【００２５】
本発明により、まず、セパレータ板のガス流路の方向と炭素繊維織布の縦糸または横糸の方向を一致させることにより、ガス流路と対面する部分あるいはリブに接する部分の炭素繊維織布の組織は、ガス流路方向に規則的なパターンの疎密構造を有するようになる。さらに、リブ幅および溝幅を、いずれも、炭素繊維織布のガス流路と直交する方向の組織点間距離の実質的な自然数倍とすることにより、ガス流路と対面する部分の炭素繊維織布あるいはリブに接する部分の炭素繊維織布の組織は、ガス流路方向と直交する方向において、各ガス流路間あるいは各リブ間で同一もしくはほぼ同一のパターンの疎密構造を有するようになる。
【００２６】
以上のように、縦方向および横方向の二次元的な規則性を有するパターンで炭素繊維織布とセパレータ板を重なり合わせることによって、ＭＥＡの全域にわたり、セパレータ板のリブとの接触部およびガス流路と対面する部位の炭素繊維織布の疎密構造を均一化することができる。これにより、ＭＥＡ面内の接触抵抗が均一化され、反応ガスの供給能力と余剰水の排水能力が均一化される。その結果、ガス拡散層とセパレータ板との接触抵抗の部位による不均一性が軽減され、燃料電池作動時のＭＥＡ面内の電流密度分布を均一化することができる。さらに、ＭＥＡへの反応ガスの供給および生成水の排出が円滑に行われ、フラッディングによる経時的な電圧低下などを効果的に防止できる。
【００２７】
本発明において、セパレータ板のリブの幅方向の両端部が、ガス流路の方向と一致する方向の炭素繊維織布の組織点に当接するように、セパレータ板がガス拡散層に接して配置されていることが最も理想的な実施形態である。このようにセパレータ板が配置されると、自動的にガス流路の溝の幅方向の両端部に対面する炭素繊維織布の部位にも組織点が配列される。これにより、最も多くの部位でセパレータ板のリブと炭素繊維織布の組織点が接触し、セパレータ板のガス流路に対面する部位の炭素繊維織布の組織点が最も少なくなるので、本発明のより顕著な効果が得られる。但しこの方法を実施する場合には、炭素繊維織布とセパレータ板との極めて正確な配置合わせ、さらにリブ幅および溝幅を組織点間距離の厳密な自然数倍とすることに難しさが伴う。
【００２８】
本発明の現実的な実施形態としては、必ずしもリブの幅方向の両端部と組織点との接触に拘ることなく、かつリブ幅および溝幅が組織点間距離の実質的な自然数倍となる範囲で実施することで充分である。これによって、本発明を容易に実施でき、しかも上記の理想的な実施形態と実質的にはほぼ同様の効果を得ることができる。
【００２９】
さらに本発明の燃料電池においては、セパレータ板のリブ幅とガス流路の溝幅の関係は、セパレータ板とガス拡散層との接触抵抗の低減ならびにガス流路を通しての反応ガスの供給および余剰水の排出の円滑化を適切にバランスさせる範囲内で設定する必要がある。そのためには、セパレータ板のリブ幅とガス流路の溝幅との比（Ｘ／Ｙ）が、２／３〜３／２の範囲内にあることが好ましい。
【００３０】
接触抵抗の低減に主眼を置く場合には、溝幅に対して相対的にリブ幅を大きくし、反応ガスの供給および余剰水の排出の円滑化に主眼を置く場合にはリブ幅に対して相対的に溝幅を大きく設定する。前者の場合には、溝幅に対して、リブ幅の上限を１．５倍とするのが好ましい。リブ幅が１．５倍を超えると接触抵抗は十分に低減されるが、反応ガスの供給および水の排出が円滑に行われず、フラッディングが発生し易くなって作動電圧の経時的変化が大きくなる。後者の場合には、リブ幅に対して、溝幅の上限を１．５倍とするのが好ましい。溝幅が１．５倍を超えると反応ガスの供給および余剰水の排出は十分に円滑に行われるが、接触抵抗が十分に低減されず、高い作動電圧が得られない。
【００３１】
溝幅に対するリブ幅の比率を１〜１．５の範囲で適切に大きく設定することによって、炭素繊維織布とセパレータ板の接触面積が適度に大きくなり両者間の電子伝導が円滑に行われる。これにより、本発明のＭＥＡ面内における電流密度分布を均一化する効果に加え、特に、ＭＥＡの内部抵抗値を一層低下させる効果を得ることができる。
【００３２】
一方、リブ幅に対する溝幅の比率を１〜１．５の範囲で適切に大きく設定することによって、反応ガスが適度な速度で触媒層へと供給され、しかも余剰水がＭＥＡから電池スタック外へ速やかに排出される。これにより、本発明のＭＥＡ面内における電流密度分布を均一化する効果に加え、特に、長期にわたり安定した作動電圧が得られ、さらにフラッディングの発生を効果的に抑止することができる。
【００３３】
本発明において、リブ幅と溝幅とが等しく、かつ、リブ幅および溝幅のいずれもが、ガス流路と直行する方向の組織点間距離の２倍であることがさらに好ましい。これにより、セパレータ板とガス拡散層との接触抵抗の低減、およびガス流路を通しての反応ガスの供給あるいは水の排出の円滑化について、最も良好なバランスをとることができる。その結果、長期にわたり安定した高い作動電圧が得られ、さらにフラッディングの発生を抑制することができる。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明を実施例により詳細に説明する。実施例１〜３および比較例においては、いずれも下記の方法でＰＥＦＣの単電池を作製した。それらの単電池の代表図を図４に示す。
ガス拡散層の基材として、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）を原料とし、縦糸方向および横糸方向の組織点間距離がともに０．５ｍｍの平織の炭素繊維織布を用いた。この炭素繊維織布の片面に導電性撥水層形成用のスラリーをコーターにより塗布した後、電気炉中で３００℃で３時間の焼成を行うことにより、導電性撥水層を炭素繊維織布に固着させ、これをガス拡散層シートとした。上記のスラリーは、界面活性剤を添加した水にアセチレンブラック（ＡＢ）の顆粒を分散させ、これにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョンを加えてよく混練して調製した。スラリーの重量組成比は水：ＡＢ：ＰＴＦＥ：界面活性剤＝４０：１０：３：１とした。このようにして作製したガス拡散層シートを、裁断面が炭素繊維織布の縦糸および横糸と平行になるように裁断し、５ｃｍ×５ｃｍの四角形のガス拡散層３を作製した。
【００３５】
次に、周縁部を残して両面に触媒層２を形成した高分子電解質膜１を用意し、２枚のガス拡散層３をその導電性撥水層が形成された側を内側にして、両面の触媒層２の外側に重ね合わせて電極４を形成した。次いで、電極４を両面に形成した高分子電解質膜１の周縁部にガスケット８を配置し、これを１００℃で５分間のホットプレスを行うことによりＭＥＡ５を構成した。触媒層２は白金粒子をカーボンブラックに担持させた触媒担持カーボン粉末と高分子電解質を主成分とする層である。高分子電解質膜１にはパーフルオロスルホン酸からなる膜（ＤｕＰｏｎｔ社製：Ｎａｆｉｏｎ１１２）を用いた。
【００３６】
セパレータ板７は樹脂を含浸させた厚み３ｍｍの黒鉛板に切削加工により断面が矩形の溝状のガス流路６を形成して作製した。アノード側およびカソード側のガス流路はいずれもストレートタイプ流路とし、リブ幅および溝幅は各実施例および比較例毎に所定の値を設定した。このセパレータ板７をＭＥＡ５の表裏両側に配置し、図４に示す構造の単電池を構成した。この際、セパレータ板７は、ガス拡散層３の炭素繊維織布の縦糸方向とガス流路６の方向が一致するように配置した。
【００３７】
一般的に複数の単電池を積層して構成した燃料電池スタックにおいては、両面にガス流路を施したセパレータ板をＭＥＡ間に配置するが、各実施例および比較例では単電池を作製してその特性を評価するために、便宜上、片面のみにガス流路を施したセパレータ板を用いた。このように構成した単電池を上下から押さえ板で挟み、１０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で締め付けた状態で、下記の条件で作動試験を行い、電池性能を評価した。
【００３８】
アノード側には燃料ガス利用率７０％で水素を露点６５℃になるように加温・加湿して供給した。カソード側には酸素利用率４０％で空気を露点７０℃になるように加温・加湿して供給した。電池の温度は７０℃に保ち、電流密度０．２Ａ／ｃｍ^２で作動させ、単電池の作動電圧を作動開始から１分毎に計測した。単電池の内部抵抗は作動開始から３０分後に、周波数１ｋＨｚの交流抵抗計で測定した。
【００３９】
《実施例１》
本実施例で作製した単電池のアノード側触媒層の炭素繊維織布とアノード側ガス流路を有するセパレータ板との接合部に注目した部分拡大図を図５に示す。セパレータ板１３には等間隔でリブ１７が形成され、リブ１７の間に溝状のガス流路１４が形成されている。導電性撥水層１５を固着させたガス拡散層の炭素繊維織布側に、炭素繊維織布の縦糸１６の方向とガス流路１４の方向が一致するようにセパレータ板１３が配置され、リブ１７が炭素繊維織布に接している。ガス流路１４の溝幅Ｘを１．５ｍｍ、リブ１７の幅Ｙを１．０ｍｍ（Ｘ／Ｙ＝３／２）とした。横糸方向の組織点間距離Ｗ（０．５ｍｍ）に対し、溝幅Ｘを３倍とし、リブ幅Ｘを２倍とした。カソード側のセパレータ板のリブ幅およびガス流路の溝幅はいずれも１．０ｍｍとし、いずれも炭素繊維織布の横糸方向の組織点間距離の２倍とした。
【００４０】
《実施例２》
本実施例で作製した単電池のアノード側触媒層の炭素繊維織布とアノード側ガス流路を有するセパレータ板との接合部に注目した部分拡大図を図６に示す。図６の各部材の構成方法は、アノード側のセパレータ板１３にリブ幅１．５ｍｍ、溝幅１．０ｍｍのガス流路を形成した以外は図５の場合と同様である。カソード側のセパレータ板にはリブ幅１．５ｍｍ、溝幅１．０ｍｍのガス流路を形成した。本実施例で作製した単電池のアノード側およびカソード側のいずれにおいても、リブ幅Ｘ（１．５ｍｍ）とガス流路の溝幅Ｙ（１．０ｍｍ）の比Ｘ／Ｙは３／２とし、横糸方向の組織点間距離Ｗ（０．５ｍｍ）に対し、溝幅Ｙは２倍とし、リブ幅Ｘは３倍とした。
【００４１】
《実施例３》
本実施例で作製した単電池のアノード側触媒層の炭素繊維織布とアノード側ガス流路を有するセパレータ板との接合部に注目した部分拡大図を図７に示す。図７の各部材の構成方法は、アノード側のセパレータ板１３にリブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍのガス流路を形成した以外は図５の場合と同様である。カソード側のセパレータ板にはリブ幅１．０ｍｍ、溝幅１．０ｍｍのガス流路を形成した。本実施例で作製した単電池のアノード側およびカソード側のいずれにおいても、リブ幅Ｘ（１．０ｍｍ）とガス流路の溝幅Ｙ（１．０ｍｍ）の比Ｘ／Ｙは１／１とし、横糸方向の組織点間距離（０．５ｍｍ）に対し、溝幅およびリブ幅ともに２倍とした。
【００４２】
《比較例》
アノード側およびカソード側のセパレータ板のそれぞれに、リブ幅１．２ｍｍ、溝幅０．７ｍｍのガス流路を形成した以外は実施例１と同じ方法で単電池を構成した。
【００４３】
図８に実施例１〜３および比較例の各単電池を作動させ、作動電圧を１分毎に計測した結果を示し、図９に各単電池の作動開始から５分後の内部抵抗の計測値を示す。図８および図９から、リブ幅と溝幅の双方が炭素繊維織布の横糸方向の組織点間距離の自然数倍となる幾何学的な関係を持つ実施例１〜３の単電池は、いずれも比較例の単電池に対して優れた性能を示すことが分かる。
【００４４】
図８から、実施例１は、比較例に比べて経時的な電圧の安定性が優れていることが分かる。これはリブ幅に対して溝幅を比較的大きくすることによって、反応ガスがより均一かつ速やかにＭＥＡおよび触媒層に供給され、かつ余剰の水分がＭＥＡからガス流路を経て電池外へと安定かつ速やかに排出されているためである。図９から分かるように、実施例１は比較例に比べて内部抵抗の若干の減少は見られたがその低減効果は比較的小さい。
【００４５】
図９から、実施例２は、比較例や実施例１に比べて内部抵抗は大きく減少していることが分かる。これは溝幅に対してリブ幅を比較的大きくすることによって、炭素繊維織布とセパレータ板の接触面積が大きくなり、その間の電子伝導性が向上したことに起因する。また、図８から分かるように、実施例２は実施例１や比較例に比べて高い作動電圧を示している。これは、上記の電子伝導性の差異によるものである。
【００４６】
図８から、実施例３は、比較例や実施例１に比べて作動電圧も高く、かつ比較例や実施例２に比べて経時的な電圧安定性も優れていることが分かる。これにより、横糸方向の組織点間距離（０．５ｍｍ）に対し、溝幅、リブ幅ともに２倍とした場合に最も優れた性能が得られることが確認された。
溝幅、リブ幅ともに１．５ｍｍとした場合についても同様の作動試験を行い、実施例３と比較した結果、電池電圧の安定性、内部抵抗のいずれにおいても実施例３が若干優れていることが確認された。
【００４７】
【発明の効果】
本発明により、高分子電解質型燃料電池のＭＥＡへの反応ガスの円滑な供給および余剰水の外部への排出、ならびにガス拡散層とセパレータ板との接触抵抗の低減およびＭＥＡ面内での接触抵抗の均一化が可能となる。これによって、安定した高い作動電圧が得られる高耐久性の高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】平織の炭素繊維織布の正面図である。
【図２】図１の炭素繊維織布のＡ−Ｂ線断面図である。
【図３】図１の炭素繊維織布のＣ−Ｄ線断面図である。
【図４】本発明の実施例による燃料電池の単電池の縦断面図である。
【図５】本発明の実施例による燃料電池の単電池の要部縦断面図である。
【図６】本発明の他の実施例による燃料電池の単電池の要部縦断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例による燃料電池の単電池の要部縦断面図である。
【図８】本発明の実施例および比較例の燃料電池の単電池の作動電圧特性を示す図である。
【図９】本発明の実施例および比較例の燃料電池の単電池の作動時の内部抵抗を示す図である。
【符号の説明】
１　高分子電解質膜
２　触媒層
３　ガス拡散層
４　電極
５　電極−電解質膜接合体（ＭＥＡ）
６　ガス流路
７　セパレータ板
８　ガスケット
１１、２２　横糸
１２、２３，２４，２５　組織点
１３　セパレータ板
１４　ガス流路
１５　導電性撥水層
１６、２１　縦糸
１７　リブ

Claims (3)

1. 高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極からなる電解質膜−電極接合体、ならびに前記電解質膜−電極接合体を挟む一対のセパレータ板を備え、前記電極が前記高分子電解質膜に接する触媒層および前記セパレータ板に接するガス拡散層を有し、前記ガス拡散層の基材が炭素繊維織布からなり、前記セパレータ板が前記炭素繊維織布に接するリブおよび前記リブに沿って平行かつ等間隔に形成された断面矩形の溝からなるガス流路を有する燃料電池であって、前記セパレータ板が前記炭素繊維織布の縦糸または横糸の方向と前記ガス流路の方向が一致するように前記ガス拡散層に接して配置され、かつ、前記ガス流路と直交する方向の前記炭素繊維織布の組織点間距離をＷ、前記セパレータ板のリブ幅をＸ、および前記ガス流路の溝幅をＹとした場合に、Ｘ＝αＭＷ（０．９８≦α≦１．０２、Ｍ：自然数）、およびＹ＝βＮＷ（０．９８≦β≦１．０２、Ｎ：自然数）の関係を満たすことを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータ板のリブ幅と前記ガス流路の溝幅との比（Ｘ／Ｙ）が、２／３〜３／２の範囲内にある請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記の比（Ｘ／Ｙ）が１／１で、かつ、Ｍ＝Ｎ＝２である請求項２に記載の燃料電池。

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