JP2005243442A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、流路溝５ａが折り返して走行し流路溝の一端から他端へと流体が流れるように構成されており、隣接する上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝のうち、少なくとも上流側流路溝部の上流部分と下流側流路溝部の下流部分との間にある畝に接するガス拡散層の多孔度は、他の畝に接するガス拡散層および流路溝に接するガス拡散層の多孔度よりも低い。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気化学反応を利用した燃料電池に関し、特に、流路を流れるガスのスリップの防止に関するものである。

通常、燃料電池は、多孔体からなるガス拡散層と触媒層とを有する燃料電極および酸化剤電極間に触媒層を介してイオン伝導性の電解質膜を挟持させてなる電気化学発電素子部と、この電気化学発電素子部の両側に配置され、燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料流体（燃料ガス）および酸化剤流体（酸化剤ガス）を供給する燃料流体流路（燃料ガス流路）および酸化剤流体流路（酸化剤ガス流路）が設けられたセパレータ板とを備える。
このような燃料電池において、ガス拡散層は反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）をガス流路から触媒層にスムーズに移動させたり、生成ガスや水などの反応生成物をガス流路に排出させる機能を有していると同時に、電池の平面方向でみると反応ガスのスリップする経路にもなっており、ガス利用率低下の要因にもなっている。

従来の燃料電池においては、例えば特許文献１の発明の効果の欄に記載されているように、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で狭持してなる単セルと、上記燃料電極に燃料流体を供給し、並行した複数の溝からなる燃料並行流路群および上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給し、並行した複数の溝からなる酸化剤並行流路群が折り返して走行するセパレータ板とを、順次積層した積層体からなる燃料電池において、上記並行流路群内の溝間の畝幅より、隣接する並行流路群間の畝幅が大であるようにして、セパレータ流路内でのガスのスリップを減少させようとしている。

特開２００１−７６７４６号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、上記従来の燃料電池におけるように、溝間距離（畝幅）の制御では、ガス拡散層内のガスのスリップを漸減することは可能であるが、完全に止めることはできない。また、ガスのスリップを極力無くすために畝幅を広くし過ぎると、この部分の触媒層への反応ガスの拡散が難しくなり、電極反応面として有効に作用しなくなるなどの問題点があった。

本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止することができる燃料電池を提供することを目的とするものである。

本発明に係る燃料電池は、多孔体からなるガス拡散層と触媒層とを有する燃料電極および酸化剤電極間に上記触媒層を介してイオン伝導性の電解質膜を挟持させてなる電気化学発電素子部と、該電気化学発電素子部の両側に配置され、上記燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料流体および酸化剤流体を供給する燃料流体流路および酸化剤流体流路が設けられたセパレータ板とを備える燃料電池において、上記燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、流路溝が折り返して走行し上記流路溝の一端から他端へと流体が流れるように構成されており、隣接する上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝のうち、少なくとも上記上流側流路溝部の上流部分と上記下流側流路溝部の下流部分との間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低いものである。

また、燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、複数の流路溝とこれらの流路溝が共通に連通する流体供給マニホールドと流体排出マニホールドとで構成される複数の流路群が、隣接する上記流路群を流れる流体の方向が逆方向となるように配置されて構成されおり、隣接する上記流路群間にある畝のうち、少なくとも一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部との間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低いものである。

また、燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、折り返して走行する流路溝とこの流路溝が連通する流体供給マニホールドと流体排出マニホールドとで構成される複数の流路群が、隣接する上記流路群を流れる流体の方向が同方向となるように配置されて構成されおり、隣接する上記流路群間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低いものである。

本発明によれば、燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、流路溝が折り返して走行し上記流路溝の一端から他端へと流体が流れるように構成されており、
隣接する上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝のうち、少なくとも上記上流側流路溝部の上流部分と上記下流側流路溝部の下流部分との間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低いので、すなわち、隣接する流路溝間にある畝の内、両流路溝を流れるガスの圧力差の大きい部分にある畝に接するガス拡散層の多孔度を、他の畝および流路溝に接するガス拡散層の多孔度よりも低くしたので、ガスのスリップが生じ易い部分でのガスのスリップを有効に防止することができ、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止できる。

また、燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、複数の流路溝とこれらの流路溝が共通に連通する流体供給マニホールドと流体排出マニホールドとで構成される複数の流路群が、隣接する上記流路群を流れる流体の方向が逆方向となるように配置されて構成されおり、隣接する上記流路群間にある畝のうち、少なくとも一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部との間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低いので、すなわち、隣接する流路溝間にある畝の内、両流路溝を流れるガスの圧力差の大きい部分にある畝に接するガス拡散層の多孔度を、他の畝および流路溝に接するガス拡散層の多孔度よりも低くしたので、ガスのスリップが生じ易い部分でのガスのスリップを有効に防止することができ、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止できる。

また、燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、折り返して走行する流路溝とこの流路溝が連通する流体供給マニホールドと流体排出マニホールドとで構成される複数の流路群が、隣接する上記流路群を流れる流体の方向が同方向となるように配置されて構成されおり、隣接する上記流路群間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低いので、すなわち、隣接する流路溝間にある畝の内、両流路溝を流れるガスの圧力差の大きい部分にある畝に接するガス拡散層の多孔度を、他の畝および流路溝に接するガス拡散層の多孔度よりも低くしたので、ガスのスリップが生じ易い部分でのガスのスリップを有効に防止することができ、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止できる。

実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１による燃料電池を説明するための図であり、より具体的には、図１は燃料電池の要部を積層方向に沿って切断した様子を模式的に示す断面図、図２はアノード触媒層の側からアノードガス拡散層とアノード側セパレータ板を見た平面図、図３は図２の一部を拡大して示す平面図、図４はアノード触媒層の側からアノードガス拡散層とアノード側セパレータ板を見た平面図である。

本実施の形態では、図１に示すように、アノード（燃料極）側セパレータ板１ａ、アノードガス拡散層２ａ、アノード触媒層４ａ、固体高分子電解質膜３、カソード（酸化剤極）触媒層４ｂ、カソードガス拡散層２ｂ、カソード側セパレータ板１ｂを順に積層した７層構造のユニットで構成されている。すなわち、多孔体からなるアノードガス拡散層２ａとアノード触媒層４ａとを有する燃料電極および多孔体からなるカソードガス拡散層２ｂとカソード触媒層４ｂとを有する酸化剤電極間に、触媒層４ａ，４ｂを介してイオン伝導性の電解質膜３を挟持させてなる電気化学発電素子部１００と、電気化学発電素子部１００の両側に配置され、燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が設けられたセパレータ板１ａ，１ｂとを備えている。

一般に、アノード側セパレータ板１ａおよびカソード側セパレータ板１ｂの材料には、カーボン、または貴金属メッキを表面に施した金属板などの電気伝導度が高く、ガス透過性の無い材料が用いられる。
また、アノード側セパレータ板１ａのアノード電極（アノードガス拡散層２ａ）側の面にはアノードガス流路となる流路溝５ａが形成されており、その反対側の面には図示していないが冷却水の流路溝が形成されることもある。同様に、カソード側セパレータ板１ｂのカソード電極（カソードガス拡散層２ｂ）側の面にもカソードガス流路となる流路溝５ｂが形成されており、その反対側の面には図示していないが冷却水の流路溝が形成されることもある。また、アノード側セパレータ板１ａにおいて、隣接する流路溝５ａ間には畝７ａが配置され、カソード側セパレータ板１ｂにおいて、隣接する流路溝５ｂ間には畝７ｂが配置されている。
一例として、各流路溝５ａ，５ｂの高さ（深さ）および幅は共に１ｍｍ程度であり、各畝７ａ，７ｂの幅も１ｍｍ程度である。

なお、図１では電気化学発電素子部１００の両側にアノード側セパレータ板１ａおよびカソード側セパレータ板１ｂが配置された発電ユニットを１つ記載しているが、実際には、このようなユニットが複数積層されて燃料電池積層体を構成していることが多い。また、アノード側セパレータ板１ａとカソード側セパレータ板１ｂとは別体に限らず、一方の主表面に燃料ガス流路５ａ、他方の主表面に酸化剤ガス流路５ｂがそれぞれ設けられた一体型のセパレータ板を用い、このセパレータ板と電気化学発電素子部１００とを交互に積層して燃料電池積層体を構成する場合もある。

アノード、カソードそれぞれのガス拡散層２ａ，２ｂは、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなど、電子導電性の良好なカーボンで形成されており、多孔度は６０％〜９０％程度の通気性のよい多孔体が使われることが多い。
一例として、各ガス拡散層２ａ，２ｂの厚さは３００μｍ程度である。

アノード側触媒層４ａには白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子が用いられており、カソード側触媒層４ｂには白金微粒子を担持したカーボン粒子が用いられている。
一例として、各触媒層４ａ，４ｂの厚さは１０μｍ程度である。

アノード触媒層４ａとカソード触媒層４ｂ間にはプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜３が配置されており、この固体高分子電解質膜３によって電子とガスを隔絶すると同時に、イオン的にアノードとカソードを連続している。
一例として、固体高分子電解質膜３の厚さは５０μｍ程度である。

本実施の形態による燃料電池は、図２に示すように、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の内の少なくとも一方（図２では燃料ガス流路のみを示しているが、本実施の形態では両方である。）は、４本の流路溝（図２では黒太線で示しているが、網かけで示したガス拡散層２ａの下にあるセパレータ板１ａに形成されている。）５ａが折り返して走行している。さらに、各流路溝５ａの両端には４本の流路溝５ａが共通に連通するガス供給マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）８ａとガス排出マニホールド（燃料ガス出口マニホールド）８ｂとを備えており、流路溝５ａの一端から他端へとガスが流れるように構成されている。

さらに、折り返して走行する１本の流路溝５ａで、例えば図２の上から４本目の流路溝部と５本目の流路溝部、あるいは８本目の流路溝部と９本目の流路溝部のように、上流側にある上流側流路溝部と下流側にある下流側流路溝部間にあるセパレータ板の畝のうち、少なくとも上流側流路溝部の上流部分と下流側流路溝部の下流部分との間にある畝に接するガス拡散層２ａには多孔体の孔内に樹脂が含浸され、その多孔度は、他の畝に接するガス拡散層２ａおよび流路溝に接するガス拡散層２ａの多孔度よりも低くなっている。以下、このような多孔度の低い部分を低多孔度部と言う。図１ではこのような低多孔度部６ａ〜６ｄが４ヶ所に配置されている。

使用する樹脂は、例えば熱可塑性樹脂であり、かつ融点が電池運転温度の上限値以上であればどのような樹脂でもよい。例えば、７０℃での電池運転を想定する場合には、ポリエチレン（融点１２０℃〜１３０℃）、ポリプロピレン（融点１６０℃〜１７０℃）などのポリオレフィン系樹脂が好ましい。
ポリエチレンを含浸する場合には、短冊状、線状または島状に切断したポリエチレンをガス拡散層の必要な箇所に設置して仮止めし、１６０℃まで温度を上げて圧入（例えばホットプレスなど）する。ポリプロピレンでは１８０℃から２００℃で圧入するのが好ましい。融点より高い温度で充填するほうが生産性の面では好ましい。

含浸する樹脂量は多孔体の孔を完全に満たして多孔度が０になる量を含浸するのが望ましい。ただし、ガス拡散層は電池を運転する時に締め付ける面圧に応じて圧縮されるので、このとき減少する空孔体積も計算して含浸する。樹脂の含浸量が多孔度の１００％を超えるとセパレータ板の畝が樹脂で支えられてしまい、均等な面圧がセル面内にかからず好ましくない。

隣接する上流側流路溝部と下流側流路溝部間ではこれらの流路溝を流れるガスに圧力差があるため、上流側流路溝部を流れるガスは上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝に接するガス拡散層を透過（スリップ）して下流側流路溝部へとバイパスして流れようとする。特に、上流側流路溝部の上流部分と下流側流路溝部の下流部分間でガスの圧力差が大きいため、このようなガスのスリップが生じ易い。
これに対して、本実施の形態では、上流側流路溝部の上流部分と下流側流路溝部の下流部分との間にある畝７ａに接するガス拡散層２ａには、多孔体の孔内に樹脂が含浸されこの部分の多孔度が他の部分と比べて低くなっているので、このような低多孔度部６ａ〜６ｄが透過するガスの隔壁となり、上記のようなガスのスリップを防止することができる。

含浸された樹脂は、ガスの隔壁となってガスのスリップを抑制し、ガスの高利用率運転が可能になるというメリットがある反面、含浸された樹脂によって触媒層４ａが覆い隠されてガスの拡散距離が長くなり、結果として有効電極面積が減少するというデメリットも想定される。
そこで図２に示すように、上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝のうち、特にガスのスリップが生じ易い部分である、上流側流路溝部の上流部分と下流側流路溝部の下流部分との間にある畝に接するガス拡散層のみに樹脂を充填してこの部分のみを低多孔度部６ａ〜６ｄとすることにより、ガスのスリップが特に生じ易い部分でのガスのスリップを有効に防止することができ、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止できる。

特に、ガスのスリップは、ガスの流れと同じ方向に最も生じ易いため、図３に示すように、上流側流路溝部５ａ１の上流部分と下流側流路溝部５ａ２の下流部分との間にある畝に接するガス拡散層の内でも特に、上流側流路溝部５ａ１の上流部分の折り返し部近傍に、すなわちより詳細には完全に折り返す前の、すなわち、流れ方向（図３に白抜き矢印で示す）を転換しつつあるガスの流れ方向の延長線上でこのガスの流れをブロックする位置に樹脂の含浸部分（低多孔度部６ｅ）を設けてもよく、有効電極面積を殆ど減少させることなくガスのスリップを防止できる。なお、この考えを採用すると、図２において、低多孔度部６ａは上流側流路溝部の上流部分が折り返していないので、省略することも可能である。

さらに、本実施の形態では、多孔体の孔内に樹脂を含浸することにより透過するガスの隔壁としているので、樹脂の含浸量を制御して多孔度をほぼゼロとすることにより、隔壁の幅は狭くても充分なガスのスリップ防止効果を得ることができる。例えば、畝７ａ幅が１ｍｍである場合に、その１/１０の１００μｍ幅の隔壁とした場合にも、ガスのスリップを防止できることを確認した。そこで、図４に示すように、上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝に接するガス拡散層の多孔度を、他の畝に接するガス拡散層および流路溝に接するガス拡散層の多孔度よりも低くして低多孔度部６とすることによっても、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止できる。

低多孔度部６、６ａ〜６ｄを、アノードガス拡散層２ａおよびカソードガス拡散層２ｂの図４に示した位置に設けた場合を実施例１、図２に示した位置に設けた場合を実施例２、低多孔度部を設けなかった（樹脂を含浸しなかった）場合を比較例１とし、ガスのスリップ抑制効果について、電池電圧のガス利用率依存性特性および電圧変動幅で比較した。利用率以外の測定条件は、電流密度０．２５Ａ/ｃｍ^２、電池温度８０℃、カソード加湿露点７５℃、アノード加湿露点７５℃とし、燃料ガスはメタン改質ガスを想定した水素、二酸化炭素の混合ガス模擬ガスを使用し、酸化剤ガスは空気を使用した。また、上記発電試験には、有効電極面積１００ｃｍ^２の単電池を４セル積層したショートスタックを使用した。各々のアノード側セパレータ板は冷却水流路を備え、発電時には７５℃の温水を流速１００ｍｌ／ｍｉｎ／ｃｅｌｌで冷却水流路に流通させた。ガス拡散層には多孔度８５％のカーボンペーパーを用い、スリップ防止用樹脂は、含浸する領域のガス拡散層の空孔体積に対して約１００％体積の量のポリエチレンを使用した。
結果を表１〜表３に示す。

表１に示すように、実施例１および実施例２では、燃料利用率９０％の高利用率条件において、比較例１での電池の電圧０．６７Ｖと比較してそれぞれ０．７０Ｖおよび０．６９Ｖまで上昇した。しかし、ガスの拡散速度の速い水素を含む燃料ガスでは、ガスの拡散距離の問題は少なく、実施例１と実施例２で殆ど差は無かった。
また、表２に示すように、実施例１および実施例２では、酸化剤（酸素）利用率７０％の高利用率条件において、比較例１での電池の電圧０．６５Ｖと比較してそれぞれ０．６８Ｖおよび０．７０Ｖまで上昇した。電極反応速度が酸素ガスの拡散律速となるカソードガス拡散電極の場合、部分的に低多孔度部６ａ〜６ｄを設けた実施例２の方が有効であることが分かった。
また、表３に示すように、実施例１および実施例２では、燃料利用率９０％の高利用率条件において、比較例１での電圧変動幅±１８ｍＶと比較してそれぞれ±５ｍＶおよび±４ｍＶま低い範囲に抑えることができた。

以上説明したように、本実施の形態では、多孔体の孔内に樹脂を含浸して多孔度を低くする（低多孔度部とする）ことにより、ガス拡散層２ａにおけるガスのスリップを防止しているので、含浸する樹脂量によってガス拡散層２ａの多孔度を制御することができる。したがって、多孔度をほぼゼロとすることにより、ガスのスリップを完全に止めることが可能となる。
このように、樹脂を含浸した部分（低多孔度部６、６ａ〜６ｅ）はガス拡散層２ａを透過するガスの隔壁となるので、低多孔度部６、６ａ〜６ｅのガス透過方向（ガス拡散層２ａの触媒層４ａとの接触面に平行な方向、すなわち電池ユニットの積層方向に垂直な方向）の長さ、すなわち低多孔度部６、６ａ〜６ｅの幅は狭くてもよく、畝７ａ幅に比べて十分に狭くした場合にも充分なスリップ防止効果を得ることができる。
したがって、図４に示すように、上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝のガスの流れ方向全体に亘って低多孔度部とした場合にも、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止することができる。

さらに、図２あるいは図３に示すように、低多孔度部６ａ〜６ｅを、ガスの圧力差が大きくガスのスリップが最も生じ易い部分に限定して設けることにより、ガスのスリップが最も生じ易い部分でのガスのスリップを有効に防止することができ、電極反応の有効面積を殆ど減少させることなくガスのスリップを防止することができる。

なお、上記では、アノードガス拡散層２ａおよびカソードガス拡散層２ｂの両方に低多孔度部６、６ａ〜６ｅを設けたが、アノード、カソードどちら一方のガス拡散層のみに低多孔度部６、６ａ〜６ｅを設けてもよい。アノードガス拡散層２ａに低多孔度部６、６ａ〜６ｅを設ければ、燃料利用率の高い運転が可能となり、カソードガス拡散層２ｂに低多孔度部６、６ａ〜６ｅを設ければ、酸素利用率の高い運転が可能となる。これは、以下の各実施の形態においても特に言及しないが同様である。
また、含浸する場所は、ガス拡散層におけるセパレータ板の畝に接する部分が好ましいが、流路溝に接するガス拡散層にまではみだしていてもよい。

また、低多孔度部６、６ａ〜６ｅを設けるのに加えて、上流側にある上流側流路溝部と下流側にある下流側流路溝部間にあるセパレータ板の畝の幅を他の畝の幅より広くしてもよい。このように多孔度の制御と畝幅の制御とを併用することで、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップをより確実に防止できる。

また、図２および図４では、４本の流路溝５ａが折り返して走行し、これらの流路溝５ａが共通に連通する流体供給マニホールド８ａと流体排出マニホールド８ｂとを備えている場合について示したが、流路溝５ａは４本に限らず複数本、あるいは１本であってもよい。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による燃料電池を説明するための図であり、より具体的には、アノード触媒層の側からアノードガス拡散層とアノード側セパレータ板を見た平面図である。
本実施の形態による燃料電池は、図５に示すように、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の内の少なくとも一方（図５では燃料ガス流路）は、複数（図５では６本）の流路溝５ａとこれらの流路溝５ａが共通に連通する流体供給マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）８ａと流体排出マニホールド（燃料ガス出口マニホールド）８ｂとで構成される複数（図５では３個）の流路群が、隣接する流路群を流れる流体の方向が逆方向となるように配置されて構成されている。

さらに、隣接する流路群間にある畝のうち、一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部との間にある畝に接するガス拡散層には多孔体の孔内に樹脂が含浸され、その多孔度は、他の畝に接するガス拡散層および流路溝に接するガス拡散層の多孔度よりも低くなっている。すなわち低多孔度部６ｆ〜６ｉとなっている。
他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では、主に実施の形態１との相違点について説明する。

隣接する流路群を流れる流体の方向が逆方向となっているので、隣接する流路群間（例えば図５で、上から６本目の流路溝と７本目の流路溝間、あるいは上から１２本目の流路溝と１３本目の流路溝間など）でも特に、一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部間でガスの圧力差が大きく、一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部間にある畝に接するガス拡散層を透過（スリップ）して一方の流路群の上流部から他方の流路群の下流部へとガスがバイパスして流れようとする。このため、ガス入口マニホールド８ａから一方の流路群の上流部に流入したガスは、他方の流路群の下流部へとスリップし、電池反応に寄与することなく他方の流路群のガス出口マニホールド８ｂから排出されてしまう。
これに対して、本実施の形態では、一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部間にある畝に接するガス拡散層は低多孔度部６ｆ〜６ｉとなっているので、これらの低多孔度部６ｆ〜６ｉが透過するガスの隔壁となり、上記のようなガスのスリップを防止することができる。

したがって、本実施の形態によれば、上記実施の形態１の場合と同様に、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止することができる。

なお、図５では、隣接する流路群間にある畝のうち、一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部との間にある畝に接するガス拡散層のみを低多高度部６ｆ〜６ｉとした場合について示したが、隣接する流路群間にある畝に接するガス拡散層のガスの流れ方向全体に亘って低多孔度部としてもよいのは実施の形態１の場合と同様である。

また、低多孔度部６ｆ〜６ｉを設けるのに加えて、隣接する流路群間にあるセパレータ板の畝の幅を他の畝の幅より広くしてもよい。このように多孔度の制御と畝幅の制御とを併用することで、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップをより確実に防止できる。

また、１つの流路群を構成する流路溝の本数、および流路群の数は図５に示したものに限らないのは言うまでも無い。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による燃料電池を説明するための図であり、より具体的には、アノード触媒層の側からアノードガス拡散層とアノード側セパレータ板を見た平面図である。
本実施の形態による燃料電池は、図６に示すように、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の内の少なくとも一方（図６では燃料ガス流路のみを示しているが、本実施の形態では両方である。）は、折り返して走行する流路溝（図６では３本の流路溝）とこれらの流路溝が連通する流体供給マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）８ａと流体排出マニホールド（燃料ガス出口マニホールド）８ｂとで構成される複数（図６では３個）の流路群が、隣接する流路群を流れる流体の方向が同方向となるように配置されて構成されている。

さらに、隣接する流路群間にある畝に接するガス拡散層には多孔体の孔内に樹脂が含浸され、その多孔度は、他の畝に接するガス拡散層および流路溝に接するガス拡散層の多孔度よりも低くなっている。すなわち低多孔度部６となっている。
他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では、主に実施の形態１との相違点について説明する。

隣接する流路群を流れる流体の方向は同方向であるが、一方の流路群における下流側の流路溝部と他方の流路群における上流側の流路溝部とが隣接しているので、隣接する流路群間でガスの圧力差が大きく、隣接する流路群間にある畝に接するガス拡散層を透過（スリップ）して一方の流路群の上流部（上流側の流路溝部）から他方の流路群の下流部（下流側の流路溝部）へとガスがバイパスして流れようとする。このため、ガス入口マニホールド８ａから一方の流路群の上流部に流入したガスは、他方の流路群の下流部へとスリップし、電池反応に殆ど寄与することなく他方の流路群のガス出口マニホールド８ｂから排出されてしまう。
これに対して、本実施の形態では、隣接する流路群間にある畝に接するガス拡散層は低多孔度部６となっているので、この低多孔度部６が透過するガスの隔壁となり、上記のようなガスのスリップを防止することができる。

実施の形態１でも説明したが、低多孔度部６の幅は狭くてもよく、畝幅に比べて十分に狭くした場合にも充分なスリップ防止効果を得ることができる。したがって、図６に示すように、隣接する流路群間にある畝に接するガス拡散層をガスの流れ方向全体に亘って低多孔度部とした場合にも、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップを防止することができる。

さらに、本実施の形態でも、各流路群においては、流路溝５ａが折り返して走行しているので、実施の形態１の場合と同様に、例えば図６に破線で示すように、上流側流路溝部の上流部分と下流側流路溝部の下流部分との間にある畝に接するガス拡散層に樹脂を充填してこの部分を低多孔度部としてもよい。

また、低多孔度部６を設けるのに加えて、隣接する流路群間にある畝の幅を他の畝の幅より広くしてもよい。このように多孔度の制御と畝幅の制御とを併用することで、電極反応の有効面積を極力減らすことなくガスのスリップをより確実に防止できる。

また、１つの流路群を構成する流路溝の本数（複数本に限らず１本でも可）、流路溝の折り返し回数、および流路群の数は図６に示したものに限らないのは言うまでも無い。

なお、上記各実施の形態において、樹脂は、多孔体の孔内に含浸することでガス拡散層の多孔度を低下させ、ガスのスリップを防止する効果があるが、多孔度を低下させるために多孔体の孔内に含浸する含浸材としては、樹脂に限るものではなく、例えばガラス、酸化物、カーボン、流動性の低い液体などであってもよく、要は、燃料電池内で化学的、電気化学的に安定な材料で、しかもガスの物理的な移動を抑制することができる材料であればよい。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４による燃料電池を説明するための図であり、より具体的には、燃料電池の要部を積層方向に沿って切断した様子を模式的に示す断面図である。
上記各実施の形態では、ガス拡散層の多孔体の孔内に樹脂を含浸することにより低多孔度部を構成したが、本実施の形態では、ガス拡散層を部分的に圧縮することにより低多孔度部を構成する。他の構成は上記各実施の形態と同様であるので、以下では、主に低多孔度部の構成について説明する。

図７に示すように、アノード側セパレータ板１ａにおけるの一部の畝７ａの高さを他の畝７ａより高くした突出畝部７０ａと、相対するカソード側セパレータ板１ｂにおけるの一部の畝７ｂの高さを他の畝７ｂより高くした突出畝部７０ｂとで、アノードガス拡散層２ａ、アノード触媒層４ａ、固体高分子電解質膜３、カソード触媒層４ｂ、およびカソードガス拡散層２ｂを挟んで面圧をかけると、弾性変形率の相対的に大きいアノードガス拡散層２ａおよびカソードガス拡散層２ｂが圧縮されて多孔度が低下し、低多孔度部６となる。

このように、ガス拡散層を部分的に圧縮することにより多孔度を低くする場合にも、ガス拡散層の圧縮量（畝７ａ，７ｂの高さ）を制御することにより多孔度を制御することができる。したがって、多孔度をほぼゼロとすることにより、ガスのスリップを完全に止めることが可能となる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５による燃料電池を説明するための図であり、より具体的には、燃料電池の要部を積層方向に沿って切断した様子を模式的に示す断面図である。
上記実施の形態４では、突出畝部７０ａ、７０ｂの幅は他の畝７ａ、７ｂの幅と同じであったが、本実施の形態では、突出畝部７０ａ、７０ｂにおける他の畝より高さが高く突出している部分（以下、この部分を突起部と言うこともある。）の幅が狭い。

例えば、多孔度８０％のカーボンペーパーを圧縮して多孔度０％にするためには厚さを２０％まで縮めなくてはならない。実際には、ガス拡散層の圧縮する領域（低多孔度部）は電極反応面積の例えば数％程度であるため、アノード側セパレータ板１ａとカソード側セパレータ板１ｂ間にかける圧力は小さくても、ガス拡散層の突起部間に挟まれた部分を圧縮することができる。
さらに、本実施の形態のように、突起部の幅を細くすることにより、突起部に大きな圧力が加わるので、アノード側セパレータ板１ａとカソード側セパレータ板１ｂ間にかける圧力はさらに小さくても、ガス拡散層の突起部間に挟まれた部分を圧縮することができ、ガスのスリップする経路を遮断することができる。
電解質膜３や触媒層４ａ，４ｂの損傷を考慮すれば、できるだけ小さい圧力で成形するのが好ましい。

さらに、実施の形態１でも述べたが、ガス拡散層の圧縮された部分（低多孔度部６）は、ガスの隔壁となってガスのスリップを抑制し、ガスの高利用率運転が可能になるというメリットがある反面、ガス拡散層の圧縮された部分（低多孔度部６）に対接する触媒層の部分へのガスの拡散距離が長くなり、結果として有効電極面積が減少するというデメリットも想定される。
そこで本実施の形態のように、突起部の幅を狭くして低多孔度部６の面積を狭めることにより、電極反応の有効面積を殆ど減らすことなくガスのスリップを防止できる。

なお、上記各実施の形態では、低多孔度部６，６ａ〜６ｅの多孔度がほぼ０％である場合について説明したが、０％に限らないのは言うまでもない。

なお、上記各実施の形態では、本発明を固体高分子形燃料電池に適用した場合について説明したが、リン酸型燃料電池にも適用することができる。

本発明の実施の形態１による燃料電池を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による燃料電池を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による燃料電池を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による燃料電池を説明するための図である。 本発明の実施の形態２による燃料電池を説明するための図である。 本発明の実施の形態３による燃料電池を説明するための図である。 本発明の実施の形態４による燃料電池を説明するための図である。 本発明の実施の形態５による燃料電池を説明するための図である。

符号の説明

１ａ アノード側セパレータ板、１ｂ カソード側セパレータ板、２ａ アノードガス拡散層、２ｂ カソードガス拡散層、３ 電解質膜、４ａ アノード触媒層、４ｂ カソード触媒層、５ａ 燃料ガス流路溝、５ａ１ 上流側流路溝部、５ａ２ 下流側流路溝部、５ｂ 酸化剤ガス流路溝、６，６ａ〜６ｅ 低多孔度部、７ａ アノード側セパレータ畝、７ｂ カソード側セパレータ畝、７０ａ、７０ｂ 突出畝部、８ａ 燃料ガス入口マニホールド、８ｂ 燃料ガス出口マニホールド、１８ａ 酸化剤ガス入口マニホールド、１８ｂ 酸化剤ガス出口マニホールド。

Claims (5)

1. 多孔体からなるガス拡散層と触媒層とを有する燃料電極および酸化剤電極間に上記触媒層を介してイオン伝導性の電解質膜を挟持させてなる電気化学発電素子部と、該電気化学発電素子部の両側に配置され、上記燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料流体および酸化剤流体を供給する燃料流体流路および酸化剤流体流路が設けられたセパレータ板とを備える燃料電池において、
   上記燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、流路溝が折り返して走行し上記流路溝の一端から他端へと流体が流れるように構成されており、
   隣接する上流側流路溝部と下流側流路溝部間にある畝のうち、少なくとも上記上流側流路溝部の上流部分と上記下流側流路溝部の下流部分との間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低い
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 多孔体からなるガス拡散層と触媒層とを有する燃料電極および酸化剤電極間に上記触媒層を介してイオン伝導性の電解質膜を挟持させてなる電気化学発電素子部と、該電気化学発電素子部の両側に配置され、上記燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料流体および酸化剤流体を供給する燃料流体流路および酸化剤流体流路が設けられたセパレータ板とを備える燃料電池において、
   上記燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、複数の流路溝とこれらの流路溝が共通に連通する流体供給マニホールドと流体排出マニホールドとで構成される複数の流路群が、隣接する上記流路群を流れる流体の方向が逆方向となるように配置されて構成されおり、
   隣接する上記流路群間にある畝のうち、少なくとも一方の流路群の上流部と他方の流路群の下流部との間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低い
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 多孔体からなるガス拡散層と触媒層とを有する燃料電極および酸化剤電極間に上記触媒層を介してイオン伝導性の電解質膜を挟持させてなる電気化学発電素子部と、該電気化学発電素子部の両側に配置され、上記燃料電極および酸化剤電極にそれぞれ燃料流体および酸化剤流体を供給する燃料流体流路および酸化剤流体流路が設けられたセパレータ板とを備える燃料電池において、
   上記燃料流体流路および酸化剤流体流路の内の少なくとも一方は、折り返して走行する流路溝とこの流路溝が連通する流体供給マニホールドと流体排出マニホールドとで構成される複数の流路群が、隣接する上記流路群を流れる流体の方向が同方向となるように配置されて構成されおり、
   隣接する上記流路群間にある畝に接する上記ガス拡散層の多孔度は、他の畝に接する上記ガス拡散層および上記流路溝に接する上記ガス拡散層の多孔度よりも低い
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 多孔度の低いガス拡散層は、多孔体の孔内に樹脂が含浸されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の燃料電池。
5. 多孔度の低いガス拡散層に接する畝は、他のガス拡散層に接する畝よりも高さが高いことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の燃料電池。