JP2021061182A

JP2021061182A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2021061182A
Application number: JP2019184910A
Authority: JP
Inventors: 昌男鈴木; Masao Suzuki
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: JP7354746B2

Abstract

【課題】幾何学的面積当たりの反応面積が大きい新規な燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】燃料電池スタック１０ａは、複数個の単セルの積層体２０からなる。単セル２０は、電解質膜の両面にアノード触媒層及びカソード触媒層が接合されたＭＥＡ２８と、アノード触媒層の外側に配置されたアノードガス拡散層３０と、カソード触媒層の外側に配置されたカソードガス拡散層３２と、アノードガス拡散層３０の外側に配置されたアノードセパレータ３４と、カソードガス拡散層３２の外側に配置されたカソードセパレータ３６とを備えている。ＭＥＡ２８、アノードガス拡散層３０、及びカソードガス拡散層３２は、反応ガスが流れる方向に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ａ）を有している。アノードガス拡散層３０の山部とアノードセパレータ３４の表面とが接触し、かつ、カソードガス拡散層３２の山部とカソードセパレータ３６の表面とが接触している。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、さらに詳しくは、セルの幾何学的面積当たりの発電電力が大きい燃料電池スタックに関する。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層が接合された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）を備えている。通常、触媒層の外側には、さらにガス拡散層が配置される。ガス拡散層の両面には、さらに、ガス流路を備えたセパレータ（集電体ともいう）が配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなＭＥＡ、ガス拡散層、及びセパレータを含む単セルが複数個積層された構造（燃料電池スタック）を備えている。

燃料電池スタックにおいて、各単セルを構成するＭＥＡは、通常、平面である。また、積層された単セルは、電気的に直列に接続されている。そのため、単セルの積層数が多くなるほど、燃料電池スタックの総電圧は大きくなる。また、単セルの積層数及び／又は単セルの幾何学的面積が大きくなるほど、燃料電池スタックの総発電電力は大きくなる。
しかしながら、単セルの積層数が多くなるほど、燃料電池スタックの高さが高くなる。また、積層された多数の単セルにそれぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する必要があるため、燃料電池スタックの周辺部品も大型化・複雑化しやすい。さらに、単セルの幾何学的面積が大きくなるほど、燃料電池スタックの幾何学的面積も大きくなる。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
（ａ）三角波状に屈曲している膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置された一対のセパレータとを備え、
（ｂ）一方のセパレータの断面は、平坦部とＶ字状部とを交互に繰り返す形態をなし、
（ｃ）他方のセパレータの断面は、平坦部と逆Ｖ字状部とを交互に繰り返す形態をなし、
（ｄ）Ｖ字状部の斜辺と逆Ｖ字状部の斜辺との間に膜電極接合体が挟持されている
燃料電池が開示されている。

同文献には、このような構造にすることによって、
（Ａ）膜電極接合体と流体とをより大きな面積で接触させることができる点、
（Ｂ）同程度の容積を持つ従来型の燃料電池に比べて高出力となる点、及び、
（Ｃ）同程度の出力を持つ従来形の燃料電池に比べて小型化することができる点、
が記載されている。

ＭＥＡを波型に屈曲させると、平板状のＭＥＡに比べて、幾何学的面積当たり（すなわち、ＭＥＡの投影面積当たり）の反応面積を増大させることができる。
しかしながら、特許文献１においては、一対のセパレータのＶ字状部の斜辺と逆Ｖ字状部の斜辺との間にＭＥＡが狭持されているため、当該部分には反応ガスが供給されにくくなる。その結果、実質的に有効な発電面積が低下し、セルの幾何学的面積当たりの発電性能が低下する場合がある。また、ＭＥＡの屈曲部の曲率が大きいため、ＭＥＡの耐久性に悪影響を及ぼす可能性がある。

特開２０１２−１５０８８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、幾何学的面積当たりの反応面積が大きい新規な燃料電池スタックを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、セパレータとガス拡散層との接触面積の増大に起因する発電性能の低下を抑制することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、このような燃料電池スタックにおいて、ＭＥＡの耐久性の低下を抑制することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタックは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記燃料電池スタックは、複数個の単セルの積層体からなる。
（２）前記単セルは、
電解質膜の両面にアノード触媒層及びカソード触媒層が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層の外側に配置されたアノードセパレータと、
前記カソードガス拡散層の外側に配置されたカソードセパレータと
を備えている。
（３）前記ＭＥＡ、前記アノードガス拡散層、及び前記カソードガス拡散層は、反応ガスが流れる方向に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ａ）を有しており、
前記アノードガス拡散層の山部と前記アノードセパレータの表面とが接触し、かつ、
前記カソードガス拡散層の山部と前記カソードセパレータの表面とが接触している。

ＭＥＡを波型に湾曲させると、幾何学的面積当たりの反応面積を増大させることができる。また、ＭＥＡを波型に湾曲させ、平板型形状又は波型形状を持つセパレータを接触させると、ＭＥＡとセパレータとの接触面積を相対的に小さくすることができる。そのため、有効な発電面積の低下、及びこれに起因する発電性能の低下を抑制することができる。
さらに、ＭＥＡを波型形状に湾曲させると、三角波状に屈曲させる場合に比べて、湾曲部の曲率を小さくすることができる。そのため、ＭＥＡの耐久性が向上する。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図である。本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図である。本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図である。従来の燃料電池スタックの断面模式図である。

接触面積割合と酸素輸送に起因する電極面積増加率との関係を示す図である。ＭＥＡの断面を正弦波で近似した時の、断面の位置とＭＥＡの高さとの関係を示す図である。Ａ／Ｌとｋとの関係を示す図である。Ａ／ＬとＬ_min、Ｌ_maxとの関係を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．燃料電池スタック（１）］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図を示す。図１において、燃料電池スタック１０ａは、複数個の単セル２０、２０の積層体からなる。

［１．１．単セル］
単セル２０は、それぞれ、
電解質膜（図示せず）の両面にアノード触媒層（図示せず）及びカソード触媒層（図示せず）が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）２８と、
アノード触媒層の外側に配置されたアノードガス拡散層３０と、
カソード触媒層の外側に配置されたカソードガス拡散層３２と、
アノードガス拡散層３０の外側に配置されたアノードセパレータ３４と、
カソードガス拡散層３２の外側に配置されたカソードセパレータ３６と
を備えている。
なお、図１に示す例では、２個の単セル２０が記載されているが、これは単なる例示である。単セル２０の個数は、３個以上であっても良い。

［１．２．ＭＥＡ］
［１．２．１．電解質膜］
本発明において、電解質膜の材料は、特に限定されない。電解質膜の材料としては、例えば、固体高分子電解質、イオン伝導セラミックスなどがある。

［１．２．２．アノード触媒層及びカソード触媒層］
電解質膜の一方の面にはアノード触媒層が接合され、他方の面にはカソード触媒層が接合されている。アノード触媒層及びカソード触媒層は、電極反応の反応場となる部分である。アノード触媒層及びカソード触媒層の材料は、電極反応を進行させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
例えば、電解質膜が固体高分子電解質からなる場合、一般に、アノード触媒層及びカソード触媒層には、それぞれ、白金又は白金合金を含む電極触媒と、触媒層アイオノマとの複合体が用いられる。

［１．２．３．ＭＥＡの形状］
本発明において、ＭＥＡ２８は、反応ガスが流れる方向（図１のｙ軸方向）に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ａ）を有している。ＭＥＡ２８に隣接して配置されるアノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２もまた、反応ガスが流れる方向に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ａ）を有している。この点が従来とは、異なる。

ここで、「波型形状（Ａ）」とは、表面（隣接する他の部材に対向している面）に山部と谷部が周期的に形成されている形状をいう。
「山部」とは、板状部材の裏面から表面（隣接する他の部材に対向している面）に向かって凸になっている領域をいう。
「谷部」とは、板状部材の裏面から表面（隣接する他の部材に対向している面）に向かって凹になっている領域をいう。

波型形状（Ａ）の波形は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な形状を選択することができる。波型形状（Ａ）としては、例えば、正弦波型形状、三角波型形状、台形波型形状、矩形波型形状などがある。図１において、ＭＥＡ２８は、正弦波型形状を呈している。
ここで、「正弦波型形状」とは、完全な正弦波だけでなく、歪んだ正弦波を含む形状をいう。この点は、三角波型形状、台形波型形状、矩形波型形状も同様である。波型形状（Ａ）の片振幅、周期長、及び曲率は、単セル２０の性能や耐久性に影響を及ぼす。この点は、後述する。

［１．３．アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層］
アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２は、それぞれ、アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６から供給される反応ガスをアノード触媒層２４及びカソード触媒層２６に供給するためのものである。
また、上述したように、アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２もまた、反応ガスが流れる方向に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ａ）を有している。

本発明において、アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２の材料は、反応ガスを触媒層に供給可能であり、かつ、波型形状（Ａ）を形成可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２の材料としては、例えば、金属多孔体、炭素繊維不織布などがある。
アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２の材料は、特に、金属多孔体が好ましい。金属多孔体は面内電気抵抗が小さいため、これをガス拡散層に用いると、ガス拡散層の面内方向に電流が流れる時の抵抗による損失を小さくすることができる。また、金属多孔体は、プレス成形が可能であり、波型形状（Ａ）の形成も容易である。

［１．４．アノードセパレータ及びカソードセパレータ］
［１．４．１．構造］
アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、それぞれ、反応ガスをアノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２に供給するためのものである。
隣接するアノードセパレータ３４とカソードセパレータ３６との間の隙間には、冷却水路４６が設けられていても良い。

ＭＥＡ２８、アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２は、波型形状（Ａ）を呈している。そのため、これらの構成要素を積層して単セル２０を作製した時には、アノードガス拡散層３０の山部とアノードセパレータ３４の表面とが接触し、かつ、カソードガス拡散層３２の山部とカソードセパレータ３６の表面とが接触する。

アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６の形状は、特に限定されない。
本実施の形態において、アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、いずれも、反応ガスが流れる方向（ｙ軸方向）に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ｂ）からなる。なお、図１では、アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６の双方が波型形状（Ｂ）を呈しているが、いずれか一方が波型形状（Ｂ）を呈していても良い。
ここで、「波型形状（Ｂ）」とは、表面（隣接する他の部材に対向している面）に山部と谷部が周期的に形成されている形状をいう。波型形状（Ｂ）の詳細については、波型形状（Ａ）と同様であるので、説明を省略する。

本実施の形態においては、波型形状（Ａ）を呈するアノードガス拡散層３０の山部と、波型形状（Ｂ）を呈するアノードセパレータ３４の山部とが接している。同様に、波型形状（Ａ）を呈するカソードガス拡散層３２の山部と、波型形状（Ｂ）を呈するアノードセパレータ３６の山部とが接している。そのため、セパレータとガス拡散層との間には、比較的広い空間が形成されている。

さらに、アノードセパレータ３４及び／又はカソードセパレータ３６が波型形状（Ｂ）を呈している場合において、波型形状（Ｂ）の振幅及び／又は周期長を最適化すると、図１に示すように、両者を重ね合わせた時に、両者の間に隙間を形成することができる。そのため、この隙間を冷却水路４６として利用することができ、冷却水路４６を別途形成する必要がないという利点がある。

［１．４．２．材料］
アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６の材料としては、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金などがある。

［１．５．各部のサイズ］
［１．５．１．接触面積割合］
「接触面積割合」とは、ガス拡散層の総表面積に対する、ガス拡散層とセパレータとの接触面積の割合をいう。
一般に、アノードガス拡散層３０とアノードセパレータ３４との接触面積、及び／又は、カソードガス拡散層３２とカソードセパレータ３６との接触面積が小さくなるほど、実質的に有効な発電面積が大きくなる。特に、アノードセパレータ３４及び／又はカソードセパレータ３６の断面を波型形状（Ｂ）とすると、接触面積を小さくすることができる。

発電面積を大きくするためには、アノードガス拡散層３０とアノードセパレータ３４との接触面積割合は、４０％以下が好ましい。接触面積割合は、好ましくは、３０％以下、さらに好ましくは、２０％以下、さらに好ましくは、１０％以下である。
同様に、カソードガス拡散層３２とカソードセパレータ３６との接触面積割合は、４０％以下が好ましい。接触面積割合は、好ましくは、３０％以下、さらに好ましくは、２０％以下、さらに好ましくは、１０％以下である。

［１．５．２．Ａ／Ｌ比］
燃料電池スタック１０ａは、次の式（２．４）が成り立つものが好ましい。
Ａ／Ｌ≧０．１ …（２．４）
但し、
Ａは、前記波型形状（Ａ）の片振幅、
Ｌは、前記波型形状（Ａ）の周期長。

ＭＥＡ２８を波型形状（Ａ）にしたことによる発電面積の増大率ｋは、Ａ／Ｌと相関がある。一般に、Ａ／Ｌが大きくなるほど、ｋは大きくなる。相対的に大きな増大率ｋを得るためには、Ａ／Ｌは０．１以上が好ましい。Ａ／Ｌは、好ましくは、０．２以上、さらに好ましくは、０．３以上である。

［１．５．３．Ａ／Ｌ²比］
燃料電池スタック１０ａは、次の式（３．３）が成り立つものが好ましい。
Ａ／Ｌ²≦σ_max／(２π²Ｅｔ) …（３．３）
但し、
Ａは、前記波型形状（Ａ）の片振幅、
Ｌは、前記波型形状（Ａ）の周期長、
σ_maxは、前記電解質膜の降伏応力、
Ｅは、前記電解質膜のヤング率、
ｔは、前記電解質膜の厚さ。

Ａ／Ｌ²は、後述する計算から求められるパラメータであって、電解質膜の耐久性を向上させるための条件（電解質膜の曲率の条件）を表す。
例えば、Ｅ＝１００ＭＰａ、ｔ＝１０μｍ、σ_max＝３ＭＰａである場合、式（３．３）の右辺は、１５２（１／ｍ）となる。すなわち、式（３．２）は、Ｅ＝１００ＭＰａ、ｔ＝１０μｍ、σ_max＝３ＭＰａである場合、Ａ／Ｌ²≦１５２（１／ｍ）となるように、波型形状（Ａ）のＡ及びＬを選択すると、電解質膜に加わる曲げ応力σがσ_maxを超えないことことを表す

Ｅ、ｔ、σ_maxが上記の値とは異なる場合であっても、ＲＬ²を１５２（１／ｍ）以下にすることは、相対的に電解質膜の耐久性を向上させることに相当する。ＡＬ²は、好ましくは、１４０（１／ｍ）以下、さらに好ましくは、１３０（１／ｍ）以下である。

［１．４．４．ＲＬ₂ ²］
燃料電池スタック１０ａは、次の式（４．２）が成り立つものが好ましい。
ＲＬ₂ ²≦０．１×４×３Ｖ／Ｉ …（４．２）
但し、
Ｌ₂は、前記波型形状（Ａ）の一周期分の曲線に沿った長さ、
Ｒは、前記ガス拡散層の面内電子抵抗、
Ｖは、最大出力時の電圧、
Ｉは、最大出力時の電流密度。

式（４．２）は、後述する計算から求められるパラメータであって、損失（η_loss）を１０％以下にするためのＬ₂とＲの条件を表す。ここで、「損失（η_loss）」とは、発電エネルギーに対する、ガス拡散層の面内方向に電流が流れる時の抵抗による損失エネルギーの比率をいう。
例えば、Ｉ＝２×１０⁴Ａ／ｃｍ²、Ｖ＝０．６Ｖである場合、式（４．２）の右辺は、３６０ｍΩｃｍ²となる。すなわち、式（４．２）は、最大出力時の電流密度が２×１０⁴Ａ／ｃｍ²、電圧が０．６Ｖである場合にＬ₂ ²×Ｒ≦３６０ｍΩｃｍ²となるように、ガス拡散層のＬ₂及びＲを選択すると、η_lossを１０％以下にできることを表す。

Ｉ、Ｖ、η_lossが上記の値とは異なる場合であっても、ＲＬ₂ ²を小さくすることは、相対的にη_lossを小さくすることに相当する。ＲＬ₂ ²は、好ましくは、３３０ｍΩｃｍ²以下、さらに好ましくは、３００ｍΩｃｍ²以下である。

［２．燃料電池スタック（２）］
図２に、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図を示す。図２において、燃料電池スタック１０ｂは、複数個の単セル２０、２０の積層体からなる。
また、単セル２０は、それぞれ、
電解質膜（図示せず）の両面にアノード触媒層（図示せず）及びカソード触媒層（図示せず）が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）２８と、
アノード触媒層の外側に配置されたアノードガス拡散層３０と、
カソード触媒層の外側に配置されたカソードガス拡散層３２と、
アノードガス拡散層３０の外側に配置されたアノードセパレータ３４と、
カソードガス拡散層３２の外側に配置されたカソードセパレータ３６と
を備えている。

図２において、アノードセパレータ３４は、波型形状（Ｂ）を呈している。また、波型形状（Ａ）を呈するアノードガス拡散層３０の山部と、波型形状（Ｂ）を呈するアノードセパレータ３４の谷部とが接している。
同様に、カソードセパレータ３６は、波型形状（Ｂ）を呈している。また、波型形状（Ａ）を呈するカソードガス拡散層３２の山部と、波型形状（Ｂ）を呈するカソードセパレータ３６の谷部とが接している。この点が、第１の実施の形態とは異なる。
なお、このような山部と谷部との接触方法は、アノード側又はカソード側のいずれか一方にのみ用いても良い。

燃料電池スタック１０ｂは、燃料電池スタック１０ａに比べて、ガス拡散層とセパレータとの間の空間（すなわち、アノードガス流路及びカソードガス流路）が狭くなるが、スタック全体の高さを低くすることができるという利点がある。
燃料電池スタック１０ｂに関するその他の点については、燃料電池スタック１０ａと同様であるので、説明を省略する。

［３．燃料電池スタック（３）］
図３に、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図を示す。図３において、燃料電池スタック１０ｃは、複数個の単セル２０、２０の積層体からなる。
また、単セル２０は、それぞれ、
電解質膜（図示せず）の両面にアノード触媒層（図示せず）及びカソード触媒層（図示せず）が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）２８と、
アノード触媒層の外側に配置されたアノードガス拡散層３０と、
カソード触媒層の外側に配置されたカソードガス拡散層３２と、
アノードガス拡散層３０の外側に配置されたアノードセパレータ３４と、
カソードガス拡散層３２の外側に配置されたカソードセパレータ３６と
を備えている。

図３において、アノードセパレータ３４は平板状を呈しており、かつ、カソードセパレータ３６と対抗する面には隔壁４８、４８が立設されている。また、カソードセパレータ３４は平板状を呈している。
隔壁４８、４８は、アノードセパレータ３４とカソードセパレータ３６とを重ねた時に、両者の間の隙間に冷却水路４６を形成するためのものである。セパレータを平板型にすると、冷却水路４６を形成するために追加の部材（隔壁４８、４８）が必要になるという欠点はある。しかし、セパレータを平板型にすると、セパレータの製造コストを低減できるという利点がある。
燃料電池スタック１０ｃに関するその他の点については、燃料電池スタック１０ａ、１０ｂと同様であるので、説明を省略する。

［４．燃料電池スタック（４）］
図４に、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池スタックの断面模式図を示す。図４において、燃料電池スタック１０ｄは、複数個の単セル２０、２０の積層体からなる。
また、単セル２０は、それぞれ、
電解質膜（図示せず）の両面にアノード触媒層（図示せず）及びカソード触媒層（図示せず）が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）２８と、
アノード触媒層の外側に配置されたアノードガス拡散層３０と、
カソード触媒層の外側に配置されたカソードガス拡散層３２と、
アノードガス拡散層３０の外側に配置されたアノードセパレータ３４と、
カソードガス拡散層３２の外側に配置されたカソードセパレータ３６と
を備えている。

図４において、アノードガス拡散層３０とアノードセパレータ３４との間の隙間には、多孔質材料からなる充填部材５０が挿入されている。同様に、カソードガス拡散層３２とカソードセパレータ３６との間の隙間には、多孔質材料からなる充填部材５０が挿入されている。なお、充填部材５０は、アノード側又はカソード側のいずれか一方にのみ挿入されていても良い。

充填部材５０は、ガスの輸送に支障を来さない程度の通気性と、アノードガス拡散層３０又はカソードガス拡散層３２に所定の締結圧を伝達することが可能な程度の強度を持つものであれば良い。充填部材５０としては、例えば、金属多孔体、ポーラスカーボンなどがある。

ＭＥＡ２８、アノードガス拡散層３０、及びカソードガス拡散層３２の断面形状を波型形状（Ａ）とし、アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６の断面形状を波型形状（Ｂ）又は平板型形状とし、これらを積層した場合、ガス拡散層とセパレータとの間に相対的に大きな空間があるために、ＭＥＡ２８とアノードガス拡散層３０との間、及び／又は、ＭＥＡ２８とカソードガス拡散層３２との間の接触が不十分となることがある。これに対し、ガス拡散層とセパレータとの間に充填部材５０を挿入すると、ＭＥＡ２８とガス拡散層とを確実に接触させることができる。
燃料電池スタック１０ｄに関するその他の点については、燃料電池スタック１０ａ〜１０ｃと同様であるので、説明を省略する。

［５．作用］
［５．１．発電面積の増大］
図５に、従来の燃料電池スタックの断面模式図を示す。従来の燃料電池スタック１０ｅには、断面が平板型形状を有するＭＥＡ２８’、アノードガス拡散層３０’、及び、カソードガス拡散層３２’が用いられている。また、アノードガス拡散層３０’及びカソードガス拡散層３２’の外側には、それぞれ、断面形状が波型形状（Ｂ）を呈するアノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６が配置されている。

このような構造を備えた燃料電池スタック１０ｅにおいて、セパレータコストやシール材コストの低減、あるいは、燃料電池スタックの小型化を図るためには、ＭＥＡ２８’の幾何学的面積の低減が必要である。一方、燃料電池スタック１０ｅ全体の性能を低下させることなく、ＭＥＡ２８’の幾何学的面積を低減するには、ＭＥＡ２８’の単位面積当たりの発電性能を増大させる必要がある。しかし、ＭＥＡ２８’の単位面積当たりの発電性能の増大には限界がある。

これに対し、ＭＥＡ２８、アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２の断面形状を波型形状（Ａ）とすると、ＭＥＡ２８の幾何学的面積を増大させること無く、ＭＥＡ２８の反応面積を増大させることができる。そのため、燃料電池スタック全体の性能を低下させることなく、燃料電池スタックを小型化することができる。

［５．２．接触面積割合の低減］
ガス拡散層とセパレータとの接触面積割合が大きくなると、ＭＥＡ２８に反応ガスを供給しにくい領域が増大し、ＭＥＡ２８の単位面積当たりの発電出力が低下する。その結果、接触面積割合が大きくなるほど、一定の出力を得るために必要な電極面積が増加する。

図６に、接触面積割合と酸素輸送に起因する電極面積増加率との関係を示す。「電極面積増加率」とは、次の式（１）で表される値をいう。
電極面積増加率＝（Ａ−Ａ₀）×１００／Ａ₀ …（１）
但し、
Ａ₀は、接触面積割合が０％である時に、一定の出力を得るのに必要な電極面積、
Ａは、接触面積割合がｘ％である時に、一定の出力を得るのに必要な電極面積。

図６は、接触面積割合が大きくなるほど、カソードへの酸素輸送が阻害されて電極面積当たりの発電性能が低下するために、その分、カソードの電極面積を増加させる必要があることを示している。図６より、接触面積割合が４０％を超えると、電極面積増加率の傾きが急激に大きくなることが分かる。一定の出力を得るために必要な電極面積が増加すると、ＭＥＡ２８の断面形状を波型形状（Ａ）としたメリットが損なわれる。従って、、接触面積割合は４０％以下が好ましい。

［５．３．適切な締結圧の印加］
他方、接触面積割合を小さく抑えながらも、セパレータとガス拡散層との間の接触抵抗を低減する必要がある。そのため、両者の間に適切な締結圧を印加するのが好ましい。ＭＥＡの断面形状をを波型形状（Ａ）とし、セパレータとガス拡散層とを、ガス拡散層の山部で接触させる構造にすると、接触面積割合を小さく抑えつつ、ガス拡散層とセパレータとの間に適切な締結圧を加えることができる。

［５．４．金属多孔体からなるガス拡散層］
例えば、カーボン不織布、カーボンペーパー等のカーボン製ガス拡散層に対して切削、プレス等の加工を施すことにより、カーボン製ガス拡散層を波型形状に成形することもできる。しかし、このような加工が施されたカーボン製ガス拡散層はファイバーが毛羽立ちやすく、ファイバーがＭＥＡをショートさせる可能性が高まる。

これに対し、ガス拡散層として金属多孔体を用いると、波型形状（Ａ）への成形が容易となるだけでなく、ＭＥＡをショートさせるリスクを低減することができる。
なお、平板状のＭＥＡを作製した後、ガス拡散層の形状に倣うようにＭＥＡを湾曲させると、触媒層にひび割れが生じるおそれがある。従って、ＭＥＡは、ホットプレスの時点で波型形状に成形しておくのが好ましい。

［５．５．冷却水路］
セパレータが平板状である場合において、隣接するセパレータ間に冷却水路を形成するためには、追加の部材が必要となる。
これに対し、セパレータの断面形状を波型形状（Ｂ）とすると、両者を重ね合わせた時に両者の間に隙間が形成される。この隙間を冷却水路としてそのまま利用することができる。また、波型形状の片振幅及び周期長を最適化することにより、冷却流路の断面積を酸化剤流路や燃料流路とは独立して設定することができる。そのため、冷却水圧損や配流を適切に設定することができる。

［５．６．多孔質材料からなる充填部材の挿入］
ガス拡散層とセパレータとの間の隙間に、多孔質材料からなる充填部材を挿入すると、セパレータと接触していないガス拡散層の領域が充填部材により押圧される。そのため、ガス拡散層とＭＥＡとの界面の圧縮応力が高くなり、両者の間の接触抵抗を低減することができる。

［５．７．Ａ／Ｌ］
図７に、ＭＥＡの断面を正弦波で近似した時の、断面の位置とＭＥＡの高さとの関係を示す。ここで、片振幅をＡ（ｍ）、周期長をＬ（ｍ）とする。この時、断面図における位置をｘ（ｍ）とすると、ＭＥＡの高さｙ（ｍ）は、次の式（２．１）で表せる。
ｙ＝Ａsin（２πｘ／Ｌ） …（２．１）

この時、奥行き方向の長さをＷ（ｍ）、周期数をｎとすると、波型形状（Ａ）にしたことで増大するＭＥＡの面積ａは、次の式（２．２）で表される。但し、Ｘ＝２πｘ／Ｌとした。

他方、波型形状（Ａ）にしない場合のＭＥＡの面積は、ｎＬＷ（ｍ²）であるから、波型形状（Ａ）にしたことによる面積の増大率ｋは、次の式（２．３）で表される。式（２．３）より、ｋは、Ａ／Ｌから一意に求まる。

図８に、Ａ／Ｌとｋとの関係を示す。図８より、Ａ／Ｌ≧０．１の領域からｋが大きくなり始める様子が確認される。このことから、本発明の効果を顕著に得るためには、Ａ／Ｌは、次の式（２．４）を満たすことが好ましい。
Ａ／Ｌ≧０．１ …（２．４）
但し、
Ａは、前記波型形状（Ａ）の片振幅、
Ｌは、前記波型形状（Ａ）の周期長。

［５．８．Ａ／Ｌ²］
ＭＥＡ２８が波型形状（Ａ）を有する場合において、電解質膜の耐久性を維持するためには、電解質膜の曲率をある一定の範囲にすることが望ましい。電解質膜のヤング率をＥ（ＭＰａ）、膜厚をｔ（ｍ）、曲率をｃ（１／ｍ）とすると、電解質膜に加わる曲げ応力σ（ＭＰａ）は、次の式（３．１）で表される。
σ＝（１／２）ｃＥｔ …（３．１）

ここで、電解質膜の降伏応力をσ_max（ＭＰａ）とすると、σ≦σ_maxを満たすためには、次の式（３．２）を満たす必要がある。
ｃ≦２σ_max／(Ｅｔ) …（３．２）
他方、図７の正弦波の曲率ｃの最大値は、４π²Ａ／Ｌ²であるから、これを式（３．２）に代入すると、次の式（３．３）が得られる。
Ａ／Ｌ²≦σ_max／(２π²Ｅｔ) …（３．３）

ここで、Ｅ＝１００ＭＰａ、ｔ＝１０μｍ、σ_max＝３ＭＰａとし、これらを式（３．３）に代入すると、次の式（３．４）が得られる。式（３．４）より、膜の最大曲率点での曲げ応力が降伏応力を下回るためには、Ａ／Ｌ²≦１５２（１／ｍ）とすれば良いことがわかる。
Ａ／Ｌ²≦σ_max／(２π²Ｅｔ)＝１５２（１／ｍ） …（３．４）
なお、式（３．４）の条件は、Ａ／Ｌを固定した場合、次の式（３．５）に示すように、Ｌの最小値Ｌ_minを与える。
Ｌ_min＝Ａ／１５２Ｌ …（３．５）

［５．９．ＲＬ₂ ²］
一周期分の曲線に沿った長さＬ₂は、式（２．３）で求めたｋＬに等しい。ＭＥＡの面積当たりの電流密度をＩ（Ａ／ｍ²）、セル電圧をＶ（Ｖ）、ガス拡散層の面内電子抵抗をＲ（Ω）とすると、損失η_loss（＝発電エネルギーに対する、ガス拡散層を面内方向に電流が流れる時の抵抗による損失エネルギーの比率）は、次の式（４．１）で表される。
η_loss＝Ｒ(Ｌ₂／２)²Ｉ／(３Ｖ) …（４．１）

η_lossを１０％に抑えることを考えると、式（４．１）より、次の式（４．２）が得られる。
ＲＬ₂ ²≦０．１×４×３Ｖ／Ｉ …（４．２）
最大出力時の電流密度が２×１０⁴Ａ／ｃｍ²、電圧が０．６Ｖである場合、式（４．２）の右辺は、３６０ｍΩｃｍ²となる。すなわち、式（４．２）は、Ｉ＝２×１０⁴Ａ／ｃｍ²、Ｖ＝０．６Ｖである場合において、ＲＬ₂ ²が３６０ｍΩｃｍ²以下となるように、ガス拡散層の材料（面内電気抵抗Ｒ）に応じてＬ₂（すなわち、片振幅Ａ及び周期長Ｌ）を選択すると、η_lossを１０％以下にすることができることを示している。

なお、前述の通り、Ｌ₂＝ｋＬであり、ｋは図８に示すようにＡ／Ｌにより一意に定まることから、ＲとＡ／Ｌを固定すれば、この制約は、次の式（４．３）に示すように、Ｌの最大値Ｌ_maxを与える。

図９に、Ａ／ＬとＬ_min、Ｌ_maxとの関係を示す。上述したＡ／Ｌ、Ｌ_min、及びＬ_maxの３つの制約を満たすＬとＡ／Ｌの組み合わせは、図９の斜線部で表される。但し、この試算においては、Ｒ＝０．２Ωとした。
なお、図９より、Ａ／Ｌ＝０．１の時のＬ_minは、６５７．９μｍである。従って、Ａは、最小でも０．１×６５７．９μｍ＝６５．７μｍ必要である。
また、ＡはＭＥＡの断面を正弦波で近似した場合の片振幅に当たるので、最小の両振幅は、２×６５．７μｍ＝１３１．４μｍとなる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る燃料電池スタックは、車載動力源、定置型発電機などに用いることができる。

１０ａ〜１０ｄ燃料電池スタック
２０単セル
２８ＭＥＡ
３０アノードガス拡散層
３２カソードガス拡散層
３４アノードセパレータ
３６カソードセパレータ

Claims

以下の構成を備えた燃料電池スタック。
（１）前記燃料電池スタックは、複数個の単セルの積層体からなる。
（２）前記単セルは、
電解質膜の両面にアノード触媒層及びカソード触媒層が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層の外側に配置されたアノードセパレータと、
前記カソードガス拡散層の外側に配置されたカソードセパレータと
を備えている。
（３）前記ＭＥＡ、前記アノードガス拡散層、及び前記カソードガス拡散層は、反応ガスが流れる方向に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ａ）を有しており、
前記アノードガス拡散層の山部と前記アノードセパレータの表面とが接触し、かつ、
前記カソードガス拡散層の山部と前記カソードセパレータの表面とが接触している。
前記波型形状（Ａ）は、正弦波型形状、三角波型形状、台形波型形状、又は、矩形波型形状である請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記アノードガス拡散層及び／又は前記カソードガス拡散層は、金属多孔体からなる請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
隣接する前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとの間に設けられた冷却水流路をさらに備えている請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
前記アノードガス拡散層と前記アノードセパレータとの接触面積割合は、４０％以下であり、及び／又は、
前記カソードガス拡散層と前記カソードセパレータとの接触面積割合は、４０％以下である請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
次の式（２．４）が成り立つ請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
Ａ／Ｌ≧０．１ …（２．４）
但し、
Ａは、前記波型形状（Ａ）の片振幅、
Ｌは、前記波型形状（Ａ）の周期長。
次の式（３．３）が成り立つ請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
Ａ／Ｌ²≦σ_max／(２π²Ｅｔ) …（３．３）
但し、
Ａは、前記波型形状（Ａ）の片振幅、
Ｌは、前記波型形状（Ａ）の周期長、
σ_maxは、前記電解質膜の降伏応力、
Ｅは、前記電解質膜のヤング率、
ｔは、前記電解質膜の厚さ。
次の式（４．２）が成り立つ請求項１から７までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
ＲＬ₂ ²≦０．１×４×３Ｖ／Ｉ …（４．２）
但し、
Ｌ₂は、前記波型形状（Ａ）の一周期分の曲線に沿った長さ、
Ｒは、前記ガス拡散層の面内電子抵抗、
Ｖは、最大出力時の電圧、
Ｉは、最大出力時の電流密度。
前記アノードガス拡散層と前記アノードセパレータとの間の隙間、及び／又は、前記カソードガス拡散層と前記カソードセパレータとの間の隙間には、多孔質材料からなる充填部材が挿入されている請求項１から８までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータの少なくとも一方は、前記反応ガスが流れる方向に対して垂直方向の断面形状が波型形状（Ｂ）を有しており、
前記波型形状（Ａ）の山部と前記波型形状（Ｂ）の山部又は谷部とが接触している
請求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
前記波型形状（Ｂ）は、正弦波型形状、三角波型形状、台形波型形状、又は、矩形波型形状である請求項１０に記載の燃料電池スタック。
前記アノードセパレータ及び前記カソードセパレータの少なくとも一方は、平板型形状を有している請求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。