JP5541291B2 - 燃料電池及び燃料電池を備えた車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及びその燃料電池を備えた車両に関する。詳細には、本発明は、燃料電池の耐フラッディング性を維持しつつ小型化するための燃料電池及びその燃料電池を備えた車両に関する。

燃料電池は、水素やメタノール等の燃料を電気化学的に酸化することによって電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。燃料電池は、用いる電解質の種類によってリン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形及び固体高分子電解質形等に分類される。

このうち固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える。そして、膜電極接合体の片面に水素（燃料ガス）、他方に酸素（酸化ガス）を供給することで発電する。このようなＰＥＦＣは、内燃機関と同等の容積出力密度が得られることから、電気自動車等の電源として実用化の研究が進められている（例えば、特許文献１及び２参照）。

ここで、膜電極接合体のパッケージング方法としては、スタック型、プリーツ型、中空糸型など、様々なタイプが提案されている。このうち、シート状の膜電極接合体をシート状のセパレータで隔離しながら積み重ねることで構成されるスタック型燃料電池が広く用いられている。

燃料電池において、発電機能を有するのは厚さ０．１ｍｍ程度の触媒層及び電解質膜である。そして、発電に伴う生成水を効率的に除去しつつ発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスを供給するために、代表的な燃料電池は、高さ０．５〜２ｍｍのガス流路及び厚さ０．２〜０．５ｍｍのガス拡散層を備えている。すなわち、代表的な燃料電池単セルの厚さ（セルピッチ）は、１〜５ｍｍである。

ここで、燃料電池単セルの標準的な出力は、０．５〜１．５Ｗ／ｃｍ^２である。そのため、代表的な自動車用燃料電池スタックにおいて、発電に寄与するアクティブエリアでの容積出力密度は１〜３ｋＷ／Ｌであり、マニホールド等を含む容積出力密度は０．５〜１．５ｋＷ／Ｌである。

特開２００５−１９０９４６号公報 特許第３９３９１５０号公報

ところで、燃料電池を自動車等の電源として用いるには、車載性、生産性及びコストの改善のため、燃料電池の更なる小型化が求められる。そして、同じ触媒面積で容積出力密度を改善するには、燃料電池単セルを薄くすることが効果的である。

しかし、従来の代表的な燃料電池は、発電に伴う生成水を水素や空気の流れで除去するため、所定の圧力損失を生じるような流路設計がされている。このため、小型化を目的として燃料電池単セルの厚さを単純に低減すると圧力損失が過大となり、燃料電池の駆動に必要な様々な流体供給装置の負荷が増すことから、従来の燃料電池において小型化には限界がある。

例えば、特許文献２の燃料電池では、セパレータの電極層（アノード電極層，カソード電極層）と接触する部位において、長辺を短辺の２倍以上６倍以下の長さにし、さらに反応ガス流路の幅や深さ等を所定の範囲にすることが開示されている。しかし、セパレータの長辺と短辺がこの比率の場合、流路の深さを低減して燃料電池単セルの厚さを薄くすると、圧力損失が過大となる。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、耐フラッディング性を維持しつつ小型化が可能な燃料電池、及びこれを備えた車両を提供することにある。

本発明の態様に係る燃料電池は、電解質膜の両面にアノードおよびカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータとの積層体からなる。そして、上記膜電極接合体と上記セパレータは略矩形をなし、当該セパレータは平滑若しくは流路を備え、上記電極層はガス拡散層及び触媒層からなる。また、上記膜電極接合体のカソード側又はアノード側の流路幅に対する流路長の比（流路長／流路幅）であるアスペクト比Ｒが０．０１以上２未満である。さらに、上記ガス拡散層若しくは流路の水平方向等価直径Ｄ（ｍｍ）が式（１）を満たす。
Ｄ＝Ｂ×（Ｒ×Ａｃａｔ）^１／３ ・・・式（１）
（式（１）中、Ａｃａｔは上記膜電極接合体の触媒面積（ｃｍ^２）、Ｂは０．００５以上０．２以下の定数である。）

図１は、本実施形態の燃料電池を示す斜視図である。 図２は、本実施形態の燃料電池を構成する燃料電池単セルを示し、（Ａ）はセパレータの平面図、（Ｂ）は膜電極接合体の平面図、（Ｃ）は膜電極接合体の両側にセパレータを配置した図である。 図３は、本実施形態の燃料電池における膜電極接合体の分解図である。 図４（Ａ）はシール材を取り外した時の膜電極接合体を示す平面図であり、図４（Ｂ）はシール材を取り付けた時の膜電極接合体を示す平面図であり、図４（Ｃ）はマニホールドと触媒層との間に形成された拡幅部を示す要部拡大平面図である。 図５は、拡幅部及びガス拡散層を膜電極接合体の流路方向と平行に分割した膜電極接合体を示す平面図である。 図６はセパレータを示し、（Ａ）はその表面にガス流路が形成されたセパレータの斜視図、（Ｂ）はガス流路の拡大斜視図である。 図７（Ａ）は高アスペクト比のセパレータを示す図、（Ｂ）は低アスペクト比のセパレータを示す図、（Ｃ）は低アスペクト比且つ低流路高さのセパレータを示す図である。 図８は、本実施形態の燃料電池を搭載した車両の一例を示す図である。 図９は、実施例２及び比較例１のＩＶ特性を評価した結果を示す図である。 図１０は、実施例２及び比較例１のＳＲ特性を評価した結果を示す図である。 図１１は、実施例３及び比較例１における、電流密度に対する電圧、出力及び抵抗の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

本実施形態の燃料電池１は、図１及び図２に示すように、一組のシート状のセパレータ２とシート状の膜電極接合体３とを積層した燃料電池単セル４が、複数積層された積層体からなるスタック型燃料電池（固体高分子形燃料電池）である。なお、本実施形態において、燃料電池単セル４の積層数は、特に限定されない。つまり、単一の燃料電池単セル４であっても、燃料電池単セル４を複数積層した燃料電池スタックであっても、本発明に係る燃料電池に含まれる。

［膜電極接合体］
膜電極接合体３は、図３に示すように、順次奥から手前に向かってガス拡散層（アノード側ガス拡散層）５ａ、触媒層（アノード触媒層）６ａ、電解質膜７、触媒層（カソード触媒層）６ｂ、ガス拡散層（カソード側ガス拡散層）５ｂの５層からなる接合体であり、平面視略矩形状とされている。上記膜電極接合体３は、同じく略矩形状のセパレータ２と組み合わせ、酸素（酸化ガス）及び水素（燃料ガス）を供給することによって発電する。なお、本明細書において、触媒層６ａと電解質膜７と触媒層６ｂの３層を、ＣＣＭ（ｃａｔａｌｙｓｔ ｃｏａｔｅｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ）、触媒層６とガス拡散層（ＧＤＬ）５の２層を、ガス拡散電極（ＧＤＥ）と呼ぶことがある。また、ガス拡散電極を単に電極と呼ぶことがある。

なお、上記膜電極接合体３及びセパレータ２は完全な矩形状でなくても良く、後述する流路長Ｗ１及び流路幅（Ｗ２）が特定できるならば、略矩形状であっても良い。つまり、これらは、矩形の角部が面取りされていても良く、さらに楕円形状であっても良い。

［ガス拡散層］
ガス拡散層（ＧＤＬ）５ａ，５ｂは、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化ガスを触媒層６ａ，６ｂへ供給する機能、及び触媒層６ａ，６ｂとセパレータ２との間で電子を授受する機能を有する。ガス拡散層５ａ，５ｂは、本発明の目的を損なわない範囲で、表層若しくは内部又はその両方に他の部材（層）をさらに含んでも良い。他の部材とは、例えばガス拡散層５ａ，５ｂの触媒層６ａ，６ｂ側の面に、カーボン粒子を含むカーボン粒子層を設けても良い。

ガス拡散層５ａ，５ｂは、導電性を有する材料から構成された多孔質体であることが好ましく、紙、不織布、織布、編布又は網を含む繊維材料であることがより好ましい。導電性を有する材料としては、例えば炭素材料や金属材料が挙げられる。

ガス拡散層５が繊維材料で構成される場合は、表面における平均繊維間距離の半値ｒは、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましい。さらに、上記平均繊維間距離の半値ｒは、２０μｍ以下が更に好ましく、１５μｍ以下がより更に好ましく、１０μｍ以下が特に好ましく、５μｍ以下が最も好ましい。ここで定義する平均繊維間距離の半値ｒとは、平均繊維間距離の半分の距離をいう。つまり、ガス拡散層が縦線と横線からなる平織の繊維材料からなる場合、隣接する２本の縦線又は横線の間の距離の半分を指す。

なお、図３では、上記ガス拡散層５ａ，５ｂ及び触媒層６ａ，６ｂは、別個の層となっている。しかし、ガス拡散層と触媒層は一体化され、単一の層となっていても良い。

［アスペクト比］
一般的に燃料電池の触媒層は略矩形をなし、対向する二辺の一方から燃料ガス、酸化ガス及び冷却媒体等を導入し、他の一辺から排出する構造を有する。本明細書においては、上記対向する二辺間の距離を流路長、燃料ガス、酸化ガス及び冷却媒体等が流れる方向と垂直な方向の距離（幅）を流路幅と定義する。また、それぞれの方向を流路方向及び幅方向ということがある。

具体的には、略矩形状をなす膜電極接合体３において、図４（Ｂ）に示すように、酸化ガスの流れる方向（矢印Ｍ１で示す方向）の距離を流路長Ｗ１、上記酸化ガスの流れる方向と垂直な方向（矢印Ｍ２で示す方向）の距離を流路幅Ｗ２とする。その場合、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒは、Ｒ＝流路長（Ｗ１）／流路幅（Ｗ２）で定義される。膜電極接合体３のアスペクト比Ｒは、厳密にいうと発電が起こるアクティブエリアに設けられた触媒層６ａ，６ｂの流路幅（Ｗ２）に対する流路長（Ｗ１）の比（流路長／流路幅）である。なお、この実施形態では、膜電極接合体３は触媒層６ａ，６ｂを含む概念であるため、便宜上、以下、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒと表現する。

なお、上述では、酸化ガスの流れる方向の距離を流路長Ｗ１、酸化ガスの流れる方向と垂直な方向の距離を流路幅Ｗ２とし、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒを、Ｒ＝流路長（Ｗ１）／流路幅（Ｗ２）と定義した。しかし、アノード側における燃料ガスの流れる方向もしくは冷却層における冷却媒体の流れる方向の距離を流路長Ｗ１、上記燃料ガスの流れる方向と垂直な方向の距離を流路幅Ｗ２とし、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒを、Ｒ＝流路長（Ｗ１）／流路幅（Ｗ２）と定義しても良い。

本実施形態では、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒは０．０１以上２未満である。アスペクト比Ｒの下限値は、０．０５以上が好ましく、０．１以上がより好ましく、０．２以上が更に好ましい。一方、アスペクト比の上限値は、１．５未満が好ましく、１．２未満がより好ましく、１．０未満が更に好ましく、０．６未満がより更に好ましく、０．４未満が特に好ましく、０．３未満が最も好ましい。アスペクト比Ｒが０．０１未満の場合、燃料電池の外形が細長くなりすぎるため、車載等を考慮する際に支障が生じる可能性がある。一方、アスペクト比Ｒが２以上となる場合、後述する水平方向等価直径が大きくなるため、膜電極接合体の単位面積あたりに必要な流路の容積が過大となる。そのため、本願発明の目的である燃料電池の小型化を達成することが困難となる。

より詳細に説明すると、図２に示すように、膜電極接合体３のアスペクト比Ｒが０．０１以上２未満の矩形状の場合、セパレータ２の形状も膜電極接合体３に合わせるように矩形状にする。そして、例えば、図７（Ａ）に示すように、セパレータ２Ａが高アスペクト比（Ｒが２以上）である場合、流路長も長くなるため、圧力損失が増大する。これに対し、図７（Ｂ）に示すように、セパレータ２Ｂが低アスペクト比（Ｒが０．０１以上２未満）である場合、流路長が短くなるため、セパレータ２Ａに対し、圧力損失が減少する。つまり、セパレータ２Ａと面積が同じで、かつ、流路への流量が同じ場合でも、セパレータ２Ｂのようにアスペクト比Ｒを下げることにより、圧力損失を小さくすることができる。そのため、図７（Ｃ）のように、アスペクト比Ｒを小さくし、かつ、流路の高さを低くした場合でも、図７（Ａ）のセパレータ２Ａと同等の圧力損失を維持することができると共に、セパレータ自体の高さを低くすることができる。

また、図７（Ｂ）のセパレータ２Ｂの流路よりも図７（Ｃ）のセパレータ２Ｃの流路の方が断面積が小さくなるため、セパレータ２Ｃの流路の方が反応ガスの流速が早くなる。その結果、流路内に存在する生成水を、反応ガスにより吹き飛ばすことができるため、フラッディングを抑制することができる。特に、セパレータ２Ｃのような構成は、生成水が滞留しやすいカソード側に適用することが好ましいが、アノード側に適用した場合、もしくは冷却媒体に適用した場合でも、燃料電池の小型化に寄与することができる。

ここで、本実施形態の燃料電池においては、燃料ガスの流れる方向が酸化ガスの流れる方向と平行であることが好ましい。しかし、燃料ガスの流れる方向が酸化ガスの流れる方向と垂直（クロスフロー）にすることも可能である。平行である場合、燃料ガスの流れる方向と酸化ガスの流れる方向が同方向（コフロー）、逆方向（カウンターフロー）のいずれも可能であるが、カウンターフローが好ましい。

また、本実施形態においては、冷却媒体の流れる方向が酸化ガスの流れる方向と平行であることが好ましいが、垂直（クロスフロー）とすることも可能である。平行である場合、冷却媒体の流れる方向と酸化ガスの流れる方向が同方向（コフロー）、逆方向（カウンターフロー）のいずれも可能であるが、コフローの好ましい。

［マニホールド］
本実施形態においては、燃料電池に必要な燃料ガス、酸化ガス及び冷却媒体の供給手段として、膜電極接合体の対向する二辺の外周部又は外部に二組以上の酸化ガス、燃料ガス及び冷却媒体のマニホールドを設けることができる。二組以上のマニホールドを設けることにより、幅方向に広い本実施形態の燃料電池においても、ガス及び冷却媒体を幅方向に均等に供給することが容易となる。

図４では、膜電極接合体３の対向する二辺（長辺）の外周部に、燃料ガスマニホールド９、冷却水マニホールド１０及び酸化ガスマニホールド１１からなる一組が、複数組形成された例を示す。上記燃料ガスマニホールド９と酸化ガスマニホールド１１は、それらの間に冷却水マニホールド１０を挟んで設けられている。図４では、図面の向かって左側から右側に燃料ガスマニホールド９、冷却水マニホールド１０及び酸化ガスマニホールド１１の順で配置され、それら三種類のマニホールドが繰り返し複数配置されている。別の見方をすると、膜電極接合体３の外周部には、冷却水マニホールド１０を間に挟んで燃料ガスマニホールド９と酸化ガスマニホールド１１がそれぞれ交互に配置されている。

なお、図３及び図４において、膜電極接合体３を構成する電解質膜７の対向する二辺（長辺）の外周部に複数の燃料ガスマニホールド９、冷却水マニホールド１０及び酸化ガスマニホールド１１が設けられている。しかし、上記マニホールドは必ずしも電解質膜に設ける必要はない。例えば、触媒層と同じ平面形状を有する電解質膜の外縁に沿って、上記マニホールドが設けられた樹脂製のキャリアシートを配置する。そして、電解質膜の外縁とキャリアシートの内縁を気密的に密着させる。これによって、図３の膜電極接合体３と同じ機能を発現させることが可能となる。

また、図４（Ｂ），図４（Ｃ）及び図５に示すように、上記膜電極接合体３のカソード側及びアノード側となる面の外周縁には、シール材１２がそれぞれ設けられている。具体的には、電解質膜７のカソード側となる面の外周縁には、全外周を取り囲むと共に燃料ガスマニホールド９と冷却水マニホールド１０の回りを取り囲むようにしてシール材１２が設けられている。但し、酸化ガスマニホールド１１の回りにはシール材１２は設けられていない。一方、電解質膜７のアノード側となる面の外周縁には、図示は省略するが、全外周を取り囲むと共に酸化ガスマニホールド１１と冷却水マニホールド１０の回りを取り囲むようにしてシール材１２が設けられている。但し、燃料ガスマニホールド９の回りにはシール材１２は設けられていない。

上記シール材１２は、どの流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体）を膜電極接合体３のアクティブエリアに流通させるかを選択するスイッチング機能を有する。例えば、図４（Ｂ）では、酸化ガスマニホールド１１の前面でシール材１２が開いていることから、膜電極接合体３のカソード側を示していることが分かる。

本実施形態では、酸化ガスマニホールド１１の断面積の和ＡＯｘが、カソード触媒層６ｂの触媒面積Ａｃａｔの１％以上５０％以下であることが好ましい。つまり、図４（Ａ）に示す膜電極接合体３において、複数の酸化ガスマニホールド１１における流路面積の総和ＡＯｘが、カソード触媒層６ｂの触媒面積Ａｃａｔの１％以上５０％以下であることが好ましい。また、酸化ガスマニホールド１１の断面積の和ＡＯｘは、触媒面積Ａｃａｔの１０％以上４０％以下がより好ましく、２０％以上３０％以下がさらに好ましい。ＡＯｘが１％未満の場合は、膜電極接合体３の幅方向Ｍ２への酸化ガス配流性が低下すると共に、マニホールド内の通気圧力損失が増加する可能性がある。逆に、ＡＯｘが５０％を超える場合は、燃料電池の容積が大きくなるため好ましくない。

また、上述と同様に、燃料ガスマニホールド９の断面積の和ＡＲｅが、アノード触媒層６ａの触媒面積Ａｃａｔの１％以上３０％以下であることが好ましい。また、燃料ガスマニホールド９の断面積の和ＡＲｅは、アノード触媒層６ａの触媒面積Ａｃａｔの５％以上２０％以下がより好ましく、１０％以上１５％以下が更に好ましい。ＡＲｅが１％未満の場合は、膜電極接合体３の幅方向Ｍ２への酸化ガス配流性が低下すると共に、マニホールド内の通気圧力損失が増加する可能性がある。逆に、ＡＲｅが３０％を超える場合は、燃料電池の容積が大きくなるため好ましくない。

また、本実施形態では、酸化ガスマニホールド１１の数が１つのアクティブエリア（触媒層６ａ，６ｂが存在する領域）に対して複数に分割されていることが好ましい。この酸化ガスのマニホールド分割数ＮＯｘは２以上１００以下であることが好ましく、５以上２０以下がより好ましい。ちなみに、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、膜電極接合体３の長辺の一方において、酸化ガスマニホールド１１が４つに分割されている。つまり、本実施形態では、膜電極接合体３の流路幅（Ｗ２）側の一辺において、酸化ガスマニホールド１１がＮＯｘ個に分割されていることが好ましい。上記ＮＯｘが２未満の場合、反応ガスや冷却水を膜電極接合体３へ容易かつ均一に導入することが難しい可能性がある。また、ＮＯｘが１００を超える場合、燃料電池が非常に大型である場合は支障は少ないが、マニホールド毎に必要なシール材の面積が大きくなる。そのため、本願目的である小型化を達成することが難しい可能性がある。

また、上記酸化ガスマニホールド１１と同様に、燃料ガスマニホールド９の数も１つのアクティブエリアに対して複数に分割されていることが好ましい。この燃料ガスのマニホールドの分割数ＮＲｅは、２以上１００以下であることが好ましく、５以上２０以下がより好ましい。ちなみに、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、膜電極接合体３の長辺の一方において、燃料ガスマニホールド９が４つに分割されている。つまり、本実施形態では、膜電極接合体３の流路幅（Ｗ２）側の一辺において、燃料ガスマニホールド９がＮＲｅ個に分割されていることが好ましい。ＮＲｅが２未満の場合、反応ガスや冷却水を膜電極接合体へ容易かつ均一に導入することが難しい可能性がある。ＮＲｅが１００を超える場合、燃料電池が非常に大型である場合は支障は少ないが、マニホールド毎に必要なシール材の面積が大きくなる。そのため、本願目的である小型化を達成することが難しい可能性がある。

［拡幅部］
酸化ガスに対して燃料ガス又は冷却媒体を平行に流す場合、膜電極接合体の幅方向に対して全てのガス又は冷却媒体を均等に供給することが好ましい。そのため、上記各マニホールド９，１０，１１と触媒層６ａ，６ｂとの間には、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、酸化ガス又は燃料ガスを該触媒層６ａ，６ｂに供給する流路となる拡幅部８を形成することができる。拡幅部８は、膜電極接合体における各マニホールド９，１０，１１と触媒層６ａ，６ｂとの間に一定の隙間（距離）Ｌを設けることにより形成される。たとえば、酸化ガスにおける拡幅部８は、具体的には燃料ガスマニホールド９及び冷却水マニホールド１０の周囲を取り囲むシール材１２と触媒層６ａ，６ｂ（実際には、触媒層６ａ，６ｂ上に設けられたガス拡散層５ａ，５ｂ）との間の部位に相当する。

このような拡幅部８を設けることにより、図４（Ｃ）に示すように、酸化ガスマニホールド１１から流出した酸化ガスが拡幅部８を通じて膜電極接合体３の幅方向Ｍ２に拡散する。その後、拡散した酸化ガスがガス拡散層５ｂ及び触媒層６ｂに供給される。そのため、ＭＥＡアクティブエリア全体で効率的に発電を行うことが可能となる。

拡幅部８の長さＬは、触媒層６ａ，６ｂ（ガス拡散層５ａ，５ｂも含む）のガス流れ方向Ｍ１における流路長Ｌ’の１％以上３０％以下とされる。また、この拡幅部８の長さＬは、５％以上２０％以下がより好ましく、１０％以上１５％以下が更に好ましい。拡幅部８の長さＬが流路長Ｌ’の１％未満の場合は、隣接する各マニホールド９、１１の前面に酸化ガス又は燃料ガスを供給するための圧力損失が大きくなるため好ましくない。また、拡幅部８の長さＬが流路長Ｌ’の３０％を超える場合は、燃料電池の小型化が困難になるため好ましくない。

［セパレータ］
上記セパレータ２は、アノード側の触媒層６ａからガス拡散層５ａへ取り出された電子を集電して外部負荷回路へ送り出す機能を有する。さらに、セパレータ２は、外部負荷回路から戻ってきた電子をカソード側のガス拡散層５ｂへ配電して、カソード側の触媒層６ｂへ伝える機能を有する。また、セパレータ２は、ガス拡散層５ａ，５ｂにおける触媒層６ａ，６ｂと反対側の面にガス遮断機能がない場合に、ガス拡散層５ａ，５ｂと密着することによってガス遮断機能を担う。さらに、セパレータ２は、必要に応じて冷却層（冷却媒体流路）を構成することによって、燃料電池の温度調整機能（冷却機能）を担う。

上記セパレータ２としては、例えば内部に導電性を有する非多孔質体が好ましい。具体的には、アルミ箔、金箔、ニッケル箔、銅箔及びステンレス箔等の金属箔や、天然黒鉛等の炭素材料から構成されるカーボンホイルが好ましい。

ここで、図２において、セパレータ２の対向する二辺の外周部には複数のマニホールドが設けられているが、マニホールドは必ずしもセパレータに設ける必要はない。例えば、触媒層６ａ，６ｂと同じ平面形状を有するセパレータの外縁に沿って、マニホールドが設けられた樹脂製のキャリアシートを配置する。そして、セパレータの外縁とキャリアシートの内縁を気密的に密着する。これによって、図２のセパレータと同じ機能を発現させることが可能である。なお、セパレータ２のマニホールドの機能は、膜電極接合体３のマニホールドの機能と等価である。

［流路］
上記セパレータ２には、図６（Ａ）に示すように、その表面に酸化ガス又は燃料ガスを流通させるための流路１３を形成することができる。また、上記セパレータ２には、必要に応じて、その内部に冷却媒体を流通させるための流路（図示せず）を形成することができる。

上記セパレータ２に設けられた流路の断面形状は、リブと呼ばれる凸部と、チャネルと呼ばれる凹部とからなる。このうち、リブがガス拡散層と接触することで触媒層で発生した電子を集電する。図６（Ｂ）の中で、ａは流路１３の流路高（リブの高さ）を示し、ｂは流路１３のチャネル幅、ｃは流路１３のリブ幅を示す。

上記流路１３の水平形状は、概略矩形の触媒層の対向する二辺を最短距離で結ぶ直線で形成されることが好ましい。この場合、例えば、図４（Ｂ）に示すように、上方側に設けられた酸化ガスマニホールド１１から酸化ガスが供給された場合、上方側の拡幅部８を通じて幅方向Ｍ２へ酸化ガスが拡散し、その後ガス流れ方向Ｍ１と平行である流路１３を通じて下方側に流れる。そして、下方側の拡幅部８を通じて、下方側に設けられた酸化ガスマニホールド１１から排出される。そのため、酸化ガスを効率良くガス拡散層５ｂ及びカソード触媒層６ｂに分散させることができる。

なお、本発明の目的を損なわない範囲で、上記流路１３を最短距離以上の直線又は曲線とすることもできる。この場合、ガス拡散層を介して触媒層の全面に燃料電池反応に必要な燃料ガスと酸化ガスを均等に分配するため、触媒層全面をカバーすることができる。

この流路１３の製造方法としては、プレス加工や切削加工等のような従来公知の手段を用いることができる。

反応ガスが流通する流路１３は、上述のように、セパレータ２の表面に設けられたリブとチャネルにより形成することができる。しかし、これに限らず、ガス拡散層５ａ，５ｂを構成する多孔質構造内の流路方向の等価直径が、後述するような特定の等価直径を有する場合、流路１３と同等の機能を付与することが可能である。この場合、セパレータ２の表面に上記リブとチャネルからなる流路１３を形成する必要は無いため、セパレータを平滑にすることができる。また、ガス拡散層５ａ，５ｂとセパレータ２の両方に上記流路を設けるようにしても良い。

［水平方向等価直径］
本実施形態においては、燃料電池を低アスペクト構造とすると同時に、ガス拡散層及びセパレータの少なくとも一方に設けられた流路の水平方向等価直径を特定の範囲に限定することにより、耐フラッディング性を維持しつつマニホールド容積も含めた燃料電池スタックの総合的な小型化が可能である。ここで、水平方向等価直径とは、定形もしくは不定形流路に流体（反応ガス，冷却媒体）が流れて圧力損失が発生するとき、これと同じ圧力損失を発生する円管を仮想した場合、その円管の流路の内径をいう。

詳細に説明すると、本実施形態では、ガス拡散層５ａ，５ｂ及びセパレータ２の少なくとも一方に形成された流路１３の水平方向等価直径Ｄが、次式（１）を満たしていることを特徴としている。
Ｄ＝Ｂ×（Ｒ×Ａｃａｔ）^１／３ ・・・式（１）
なお、式（１）中、Ａｃａｔは上記膜電極接合体の触媒面積（ｃｍ^２）、Ｂは０．００５以上０．２以下の定数である。

ここで、等価直径（代表長さともいう。）は、不定形流路に流体が流れて圧力損失が発生するとき、これと同じ圧力損失を発生する円管を仮想した場合、その円管の流路の内径に相当する。例えば、図６に示すように、反応ガスの流路１３の断面が矩形の場合は、Ｄ＝４ａｂ／（２ａ＋２ｂ）で求めることができる。ここで、ａは上記流路の短辺の長さ、ｂは流路の長辺の長さである。

本明細書におけるガス拡散層５ａ，５ｂ又は流路１３の水平方向等価直径Ｄは次のように定義される。１）ガス拡散層５ａ，５ｂに流路１３が形成されている場合はガス拡散層５ａ，５ｂを構成する多孔質構造内の流路方向の等価直径である。２）セパレータ表面に流路１３が形成されている場合は当該流路１３の等価直径とガス拡散層を構成する多孔質構造内の流路方向の等価直径のうち、大なるものである。

上記式（１）の中に記載されるＢは、０．００５以上０．２以下の定数である。ただ、Ｂ値の下限値は０．０１が好ましく、０．０２以上がより好ましく、０．０５以上が特に好ましい。一方、Ｂの上限値は、０．１以下が好ましく、０．０９以下がより好ましく、０．０８以下が特に好ましい。Ｂが０．００５より小さいと、圧力損失が過大となるため好ましくない。Ｂが０．２より大きいと、流路又はガス拡散層の高さが過大となるため好ましくない。

セパレータ表面に流路１３が形成されている場合は、上記関係式Ｄｅ＝４ａｂ／（２ａ＋２ｂ）より、適切な流路１３の高さと幅を求めることができる。ａを流路の高さ、ｂを流路の幅とした場合、ｂが無限大のときＤｅ＝２ａの関係がある。よって、ｂ／ａの比は１．２以上が好ましく、１．３以上がより好ましく、１．４以上が更に好ましく、１．５以上がより更に好ましい。

［電解質膜］
電解質膜７は、プロトンを輸送し電子を絶縁する機能を有する一種の選択透過膜である。かかる電解質膜７は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系電解質膜と炭化水素系電解質膜とに大別される。これらのうち、フッ素系電解質膜は、Ｃ−Ｆ結合を有しているために耐熱性や化学的安定性に優れる。例えば、電解質膜７には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン株式会社製）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜を使用することができる。

［触媒層］
カソード側に設けられる触媒層（カソード触媒層）６ｂは、触媒成分が担持されてなる電極触媒及びアイオノマを含む層である。電極触媒は、プロトンと電子と酸素とから水を生成する反応（酸素還元反応）を促進する機能を有する。電極触媒は、例えば、カーボンなどからなる導電性担体の表面に、白金などの触媒成分が担持されてなる構造を有する。

アノード側に設けられる触媒層（アノード触媒層）６ａは、触媒成分が担持されてなる電極触媒及びアイオノマを含む層である。電極触媒は、水素をプロトン及び電子に解離する反応（水素酸化反応）を促進する機能を有する。電極触媒は、例えば、カーボンなどからなる導電性担体の表面に、白金などの触媒成分が担持されてなる構造を有する。

［拡幅部及びガス拡散層の分割］
本実施形態においては、上記拡幅部８はマニホールド９，１０，１１の分割数に応じて分割されるようにしても良い。例えば、図５において、拡幅部８は、シール材１２の一部をガス拡散層５ａ，５ｂに向けて突出させた拡幅部分割部１４によって、膜電極接合体３の流路方向Ｍ１と平行に分割されている。この拡幅部８の分割数は、上記マニホールド分割数ＮＯｘと合わせることが好ましい。そして、図５では、拡幅部の分割数を、酸化ガスのマニホールド分割数と合わせ、４としている。このような拡幅部８の分割によって、個々のマニホールドからの流体の供給を特定の流路幅に制限することが可能となる。その結果、流体の供給に予想以上の変動があった場合でも、膜電極接合体３の幅方向Ｍ２に対して均等に流体を供給することができる。

また、本実施形態においては、ガス拡散層５ａ，５ｂもマニホールド９，１０，１１の分割数に応じて分割されるようにしても良い。例えば、１枚のガス拡散層５ａ，５ｂに気体不透過性材料（スリット）を挿入し、ガス拡散層分割部１５を形成することによって、ガス拡散層５ａ，５ｂを膜電極接合体３の流路方向Ｍ１と平行に分割することができる。このガス拡散層５ａ，５ｂの分割数は、上記マニホールド分割数ＮＯｘと合わせることが好ましい。そして、図５では、ガス拡散層の分割数を、酸化ガスのマニホールド分割数と合わせ、４としている。このようなガス拡散層５ａ，５ｂの分割によって、ガス拡散層内部において幅方向Ｍ２に流体が移動することを制限することができる。その結果、流体の供給に予想以上の変動があった場合でも、膜電極接合体３の幅方向Ｍ２に対して均等に流体を供給することができる。

一方、図６（Ａ）に示すように、セパレータ２で直線の流路１３を用いる場合は、本質的に流路方向以外にガスは流れない。そのため、ガス拡散層に気体不透過性材料を挿入する場合であっても、セパレータ２の流路自体に気体不透過性材料を挿入する必要はない。よって、図５において、ガス拡散層分割部１５に接触する部位の流路には、特殊な構造を必要としない。

［燃料電池のメカニズム］
本実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）１のメカニズムは以下の通りである。すなわち、アノード触媒層６ａに供給された水素からプロトンと電子が生成される。アノードで生成されたプロトンは、電解質膜７内部を移動してカソード触媒層６ｂに達する。一方、アノードで生成された電子は、導線（導体）を伝って燃料電池から取り出される。そして、上記電子は、外部負荷回路で電気エネルギーを消費した後、導線（導体）を伝ってカソードに戻り、カソード触媒層６ｂに供給された酸素と反応して水を生成する。

［燃料電池の作動］
燃料電池の作動は、一方の電極（アノード）に水素を、他方の電極（カソード）に酸素又は空気を供給することによって行われる。燃料電池の作動温度は、高温であるほど触媒活性が上がるために好ましいが、通常は水分管理が容易な５０℃〜１００℃で作動させることが多い。

［燃料電池を搭載した車両］
図８には、本実施形態の燃料電池を搭載した車両の一例を示す。図８に示す車両１８は、駆動源としての本実施形態の燃料電池１をフロア下に搭載している。かかる燃料電池１を搭載した車両１８は、出力性能に非常に優れた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やスタック型燃料電池であるため、高出力を発揮する。

［本実施形態の効果］
上述のように、本実施形態の燃料電池は、膜電極接合体及びセパレータが、アスペクト比が２未満の低アスペクト構造をとり、かつ、上記アスペクト比と触媒層の面積とから導かれる流路の水平方向等価直径が所定範囲であるという特徴をする。これにより、従来の燃料電池と同じ圧力損失、同じガス流量を維持しながら、より小さなセルピッチ（流路高）で燃料ガス、酸化ガス、水蒸気及び生成水等を輸送することができる。したがって、耐フラッディング性の発現に必要な圧力損失を維持しつつ小型化が可能な燃料電池を提供することができる。言い換えると、より出力密度が高い燃料電池を実現することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池によれば、燃料電池に必要な燃料ガス、酸化ガス及び冷却媒体の供給手段として、膜電極接合体の対向する二辺の外周部又は外部に、複数の酸化ガス及び燃料ガスのマニホールドをそれぞれ交互に配置している。そのため、幅方向に広い低アスペクト構造であっても各ガス及び流体を膜電極接合体の触媒層（アクティブエリア）の幅方向に均等に供給することができる。加えて、本実施形態の燃料電池によれば、マニホールドと触媒層の間に拡幅部を有しているため、更に各ガス及び流体を膜電極接合体の触媒層（アクティブエリア）の幅方向により均等に供給することができる。

また、本実施形態の燃料電池においては、拡幅部の長さが流路長に対して特定の範囲（１％以上３０％以下）にある。そのため、過大な圧力損失を生じることなく、拡幅部の容積を小さくすることができる。

さらに、酸化ガス及び燃料ガスの各マニホールドの断面積の和が、触媒層の面積に対して特定範囲（１％以上３０％以下）にある。そのため、過大な圧力損失を生じることなく、マニホールドの容積を小さくすることができる。

また、酸化ガス及び燃料ガスの各マニホールドが、特定の分割数（３以上１００以下の範囲）をとる。そのため、過大な圧力損失を生じることなく、良好な配流性を実現することができる。

そして、本実施形態の燃料電池によれば、拡幅部を膜電極接合体の流路方向と平行に分割し、特定の分割数とする。これにより、隣接するマニホールド間の影響を遮断し、触媒層及びガス拡散層に対する各ガスの良好な配流性を実現することができる。

また、ガス拡散層を膜電極接合体の流路方向と平行に分割し、特定の分割数とする。これにより、隣接するマニホールド間の影響を遮断し、触媒層に対する各ガスの良好な配流性を実現することができる。

本実施形態の車両は、上述のように耐フラッディング性を維持しつつ小型化された燃料電池を備えるため、車載性、生産性予備コストに優れた車両となる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
まず、電気化学工業株式会社製アセチレンブラック５部（カーボン平均粒径：約３μｍ）と、ダイキン工業製Ｐｏｌｙｆｌｏｎ Ｄ−１Ｅ１部とを混合し、インクスラリーを調製した。次に、東レ株式会社製カーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−０６０に、上記インクスラリーを塗工したあと３５０℃で焼成し、表面にカーボン粒子層を有するＧＤＬを作成した。得られたＧＤＬの厚さは０．２ｍｍ、ＧＤＬの形状は、幅５９５ｍｍ×長さ５２ｍｍの矩形であった。

次に、電解質膜（デュポン株式会社製高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ２１１）の両面に白金担持カーボンを含む触媒層を塗工して、ＣＣＭを作成した。ＣＣＭの形状は、幅６０６ｍｍ×長さ８８ｍｍの矩形であった。触媒層の形状は、幅５９３ｍｍ×長さ５０ｍｍの矩形であった。すなわち、アスペクト比Ｒは０．０８４であった。

さらに、複数の流路を備えた金属製のセパレータを準備した。セパレータの形状は、幅６０６ｍｍ×長さ８８ｍｍの矩形であった。セパレータには、流路高０．１ｍｍ、リブ幅０．１５ｍｍ、チャネル幅０．２０ｍｍ、リブピッチ０．３５ｍｍの断面が矩形状の流路が１７０６本形成され、これらの流路は流路方向、つまりセパレータの短辺と平行に成形されている。そして、当該流路の等価直径Ｄは、４×０．１０×０．２０／（２×０．１０＋２×０．２０）＝０．１３（ｍｍ）であった。

また、上記セパレータの長辺側の外周部には、一辺あたり、幅１７ｍｍ×長さ７ｍｍのマニホールドが１５個と幅７．３ｍｍ×長さ７ｍｍのハーフマニホールドが２個設けられた。ハーフマニホールドは、１５個のマニホールドの外側に配置された。本実施例における水平方向等価直径Ｄは、前述の式（１）より０．０２９ｍｍ〜０．２９ｍｍと求めることが可能であり、上記等価直径はこの範囲内にある。

エンドプレートには、集電板と接触する面と反対の面の長辺側外周部、すなわち、セパレータのマニホールド列と同じ線上に２本のパイプ状の外部マニホールドが設けられた。外部マニホールドは、マニホールド列に気体を供給する機能を有するパイプ状構造物であり、内径２５ｍｍの穴が設けられている。そして、２本の外部マニホールドは、給気用と排気用である。エンドプレートは、空気用（カソード）及び水素用（アノード）の２種類がある。エンドプレートのマニホールド列を一つ置きに閉じることで、セパレータのマニホールドに水素と空気を交互に供給することができる。各マニホールドの周囲及び燃料電池の外周には、シリコーンゴム製のシール材を配置した。また、集電体には銅を用い、その形状は幅５９８ｍｍ×長さ５２ｍｍの矩形であった。

以上の部品を、エンドプレート（カソード）−集電板−セパレータＧＤＬ−ＣＣＭ−ＧＤＬ−セパレータ集電板−エンドプレート（アノード）の順序で適切なシール材を解して積層し、燃料電池単セルを構成した。

そして、上記燃料電池単セルの周囲にリボンヒーターを巻き付けて８０℃に温調した。さらに、一方のエンドプレートに圧力２００ｋＰａ＿ａ，露点５４℃の空気、他方のエンドプレートに圧力２００ｋＰａ＿ａ，露点５４℃の水素をそれぞれ流量１０ＮＬ／ｍｉｎ，４ＮＬ／ｍｉｎでカウンターフローとなるように流した。そして、電流密度１．２ａ／ｃｍ^２で運転した。その結果、カソードの圧力損失２３ｋＰａ、アノードの圧力損失７ｋＰａにて安定して運転することができた。

［実施例２，比較例１］
本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体の形状がアスペクト比２未満であることに特徴がある。しかし、好ましい水平方向等価直径を維持したまま流路方向と平行に複数のサブスケール燃料電池に分割し、当該触媒層面積に比例した各種流体を供給することを想定すると、一つのサブスケール燃料電池はフルサイズ燃料電池と単位面積あたり同じ発電特性を有していると考えられる。実際に、このようなサブスケール燃料電池を用いると、フルサイズ燃料電池の発電特性を小さな実験設備で容易に予測することができるため好ましい。そこで、実施例１の発電特性（及び排水性）をサブスケール燃料電池で詳細に調べるため、次のような実施例２及び比較例１の燃料電池を作成した。

（実施例２）
まず、実施例１の膜電極接合体を幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍで切り出した。さらに実施例１のセパレータを用い、燃料ガス及び酸化ガスの流量も実施例１の５０（ｍｍ）／５９３（ｍｍ）倍とした。このようにして、実施例２のサブスケール燃料電池（アスペクト比Ｒ＝１）を作成した。

（比較例１）
まず、実施例１の膜電極接合体を幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍで切り出した。次に、流路高１ｍｍ、リブ幅１ｍｍ、チャネル幅１ｍｍ、リブピッチ２ｍｍ、流路方向５０ｍｍ、幅方向５０ｍｍの矩形断面流路を有する「サーペンタイン流路」を備えたセパレータを準備した。これらを用いて、比較例１のサブスケール燃料電池を作成した。

なお、上記サーペンタイン流路は、２本１組で、１８０度折り返し回数は１０回であった。よって、実質流路長は流路方向５０ｍｍ×１０回＝５００ｍｍ、実質流路幅はリブピッチ２ｍｍ×２本＝４ｍｍであるため、実質アスペクト比Ｒは１２５に相当する。すなわち、当該流路を用いたサブスケール燃料電池は、流路長５００ｍｍ、流路幅５０ｍｍの高アスペクト燃料電池（アスペクト比Ｒ＝１０）から幅方向２ｍｍ×２本＝４ｍｍで切り出した細長いサブスケール燃料電池に相当するとして流量設定を行った。

（実施例２及び比較例１の発電評価）
上記実施例２及び比較例１の燃料電池を用いて、ＩＶ特性を評価した結果を図９に示す。ＩＶ特性とは電流−電圧特性の略称であり、同じ電流密度で電圧が高いほど優れている。図９に示すように、実施例２の燃料電池は、流路高が比較例１の１／１０と小型化されているにもかかわらず、驚くべきことに比較例１の燃料電池よりも１Ａ／ｃｍ^２以上の電流密度で優れた発電特性を示した。

さらに、上記実施例２及び比較例１の燃料電池を用いて、ＳＲ特性を評価した結果を図１０に示す。ＳＲ特性とはストイキ比−電圧特性の略称であり、同じストイキ比で電圧が高いほど、また、低いストイキ比で発電可能であるほど優れている。ここで、ストイキ比＝１とは、酸化ガス又は燃料ガスの流量が、ある電流密度を発生するために必要な量だけ供給されている状態を意味している。実施例２の燃料電池は、流路高が比較例１の１／１０と小型化されているにもかかわらず、驚くべきことに比較例１の燃料電池よりも優れた発電特性を示した。

なお、高アスペクト比燃料電池について、比較例１では流路方向と平行に複数のサブスケール燃料電池に分割したことを想定したが、流路方向と垂直に複数のサブスケール燃料電池に分割した場合は、それぞれのサブスケール燃料電池は切り出す位置によって異なる発電特性を示すため、フルサイズ燃料電池の発電特性を予測することは容易ではない。

［実施例３］
実施例２の燃料電池を用い、運転条件を次のようにして、実施例３の発電評価を行った。つまり、ストイキ比を１．６（アノード），１．５（カソード）にし、入口相対湿度を無加湿（アノード）、２０％ＲＨ（カソード）とし、運転圧を２００ｋＰａ（絶対圧）とした。さらに、ガス拡散層たるカーボンペーパー及び電解質膜の厚さをそれぞれ８０μｍ及び１５μｍとした。それ以外は実施例２と同様の方法で発電特性を評価した。

なお、比較例１の燃料電池で８０μｍのカーボンペーパーを使用すると、チャネル幅が広い（チャネル幅：１ｍｍ）ため、リブエッジでカーボンペーパーが破損して電解質膜を損傷し、短絡が生じた。これに対し、実施例３の燃料電池は短絡が生じなかった。これは、チャネル幅が狭い（チャネル幅：０．２ｍｍ）ため、リブエッジの影響が軽減されたものと推測される。

実施例３及び比較例１のＩＶ特性を評価した結果を図１１に示す。実施例３の燃料電池は１．４８６Ａ／ｃｍ^２で０．６８１Ｖ、２．３８３Ａ／ｃｍ^２で０．６０１Ｖという優れた発電特性を示した。一方、比較例１の燃料電池は１．２００Ａ／ｃｍ^２で０．５９８Ｖであり、実施例３の燃料電池は、同電圧で１．９８倍の電流密度を得ることができた。なお、実施例３の２．３８３Ａ／ｃｍ^２における圧力損失は、カソード４．２ｋＰａ、アノード１２ｋＰａであった。

このように、比較例１に対して実施例２および実施例３が優れた発電特性を示した理由はまだ明らかではないが、次のような理由が推測される。（１）セル抵抗が通常の半分程度であることから、チャネル幅の微細化によって、アクティブエリアの面積利用効率が改善された。（２）実施例の燃料電池は、圧力損失は従来技術と同等（よって流体供給装置の負荷も同等）である。しかし、流路長が短いことから圧力損失「勾配」は従来技術より強く、その結果、流路高の微細化及び小型化にもかかわらず、生成水を確実に排除できた。

このように、本発明の燃料電池は、上記膜電極接合体及びセパレータが略矩形をなし、前記膜電極接合体におけるカソード側又はアノード側の流路幅に対する流路長の比（流路長／流路幅）であるアスペクト比Ｒが０．０１以上２未満である。さらに、ガス拡散層及びセパレータの少なくとも一つは流路を有し、前記流路の水平方向等価直径Ｄ（ｍｍ）が式（１）を満たす。この２つの特徴が有機的に結合することにより、上記実施例のように、燃料電池の性能低下を防止しつつも、流路高を従来よりも大幅に低減することが可能となる。

特願２００９−２５９６１１号 (出願日：２００９年１１月１３日)の全内容は、ここに引用される。

以上、実施の形態及び実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

本発明に係る燃料電池では、膜電極接合体及びセパレータが低アスペクト構造をとり、かつ、上記アスペクト比と触媒層の面積から導かれる流路の水平方向等価直径が所定範囲であるという特徴をする。これにより、従来の燃料電池と同じアクティブエリア面積、同じ圧力損失、同じガス流量でも、より小さな流路高、すなわちセルピッチで燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体、発電に伴う水蒸気や生成水等を輸送することが可能となる。したがって、本発明の燃料電池によれば、耐フラッディング性能を維持し、燃料電池の小型化を達成することができる。

さらに、本発明に係る燃料電池の第二の様態においては、低アスペクト構造に加えて膜電極接合体の対向する二辺の外周部又は外部に複数のマニホールドを設ける。これにより、低アスペクト構造の幅方向に対してガスや冷却水が適切に分割され、結果としてガスや冷却水を膜電極接合体上へ容易かつ均一に導入することが可能となる。

１ 燃料電池
２ セパレータ
３ 膜電極接合体
４ 燃料電池単セル
５ ガス拡散層
６ 触媒層
７ 電解質膜
８ 拡幅部
９ 燃料ガスマニホールド
１０ 冷却水マニホールド
１１ 酸化ガスマニホールド
１２ シール材
１３ 流路
１４ 拡幅部分割部
１５ ガス拡散層分割部
１８ 車両

Claims (11)

1. 電解質膜の両面にアノードおよびカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータとの積層体からなる燃料電池であって、
   前記膜電極接合体と前記セパレータは矩形をなし、
   前記電極層は矩形のガス拡散層及び触媒層からなり、
   当該セパレータ又は前記ガス拡散層は流路を備え、
   前記電極層のカソード側又はアノード側の触媒層塗工面における流路方向に垂直な辺の長さに対する流路方向に平行な辺の長さの比（流路方向に平行な辺の長さ／流路方向に垂直な辺の長さ）であるアスペクト比Ｒが０．０１以上０．６未満であり、
   前記膜電極接合体における、前記流路方向に垂直な対向する二辺の外周部の一方に、酸化ガスを導入するための二つ以上の酸化ガス導入マニホールド又は燃料ガスを導入するための二つ以上の燃料ガス導入マニホールドが配置され、前記対向する二辺の外周部の他方に、前記酸化ガス導入マニホールドから導入された前記酸化ガスを排出するための二つ以上の酸化ガス排出マニホールド又は前記燃料ガス導入マニホールドから導入された前記燃料ガスを排出するための二つ以上の燃料ガス排出マニホールドが配置され、
   前記流路の水平方向等価直径Ｄ（ｍｍ）が式（１）を満たすことを特徴とする燃料電池。
   Ｄ＝Ｂ×（Ｒ×Ａｃａｔ）^１／３ ・・・式（１）
   （式（１）中、Ａｃａｔは前記膜電極接合体の触媒面積（ｃｍ^２）、Ｂは０．０２以上０．０８以下の定数である。）
2. 二つ以上の前記酸化ガス導入マニホールド又は二つ以上の前記燃料ガス導入マニホールドと前記触媒層との間に隙間を設けることにより形成され、酸化ガス又は燃料ガスを前記触媒層に供給する流路となる一つの拡幅部を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記膜電極接合体における、前記流路方向に垂直な対向する二辺の外周部の一方に、二つ以上の前記酸化ガス導入マニホールド及び二つ以上の前記燃料ガス排出マニホールドがそれぞれ交互に配置され、前記対向する二辺の外周部の他方に、二つ以上の前記酸化ガス排出マニホールド及び二つ以上の前記燃料ガス導入マニホールドが配置され、
   二つ以上の前記酸化ガス導入マニホールド及び二つ以上の前記燃料ガス排出マニホールドと前記触媒層との間に隙間を設けることにより形成され、酸化ガスを前記触媒層に供給する流路となる一つの拡幅部を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記拡幅部の長さＬが、前記触媒層における流路方向に平行な辺の長さの１％以上３０％以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
5. 前記酸化ガス導入マニホールド及び酸化ガス排出マニホールドの合計の断面積の和ＡＯｘが触媒面積Ａｃａｔの１％以上３０％以下であり、前記燃料ガス導入マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドの合計の断面積の和ＡＲｅが触媒面積Ａｃａｔの１％以上３０％以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記酸化ガス導入マニホールド又は酸化ガス排出マニホールドの分割数ＮＯｘが２以上１００以下であり、前記燃料ガス導入マニホールド又は燃料ガス排出マニホールドの分割数ＮＲｅが２以上１００以下であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記拡幅部が前記膜電極接合体の流路方向と平行に分割されており、拡幅部の分割数がＮＯｘであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記ガス拡散層が前記膜電極接合体の流路方向と平行に分割されており、ガス拡散層分割数がＮＯｘであることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池。
9. 前記膜電極接合体における、前記流路方向に垂直な対向する二辺の外周部の一方に、二つ以上の前記酸化ガス導入マニホールド及び二つ以上の前記燃料ガス導入マニホールドがそれぞれ交互に配置され、前記対向する二辺の外周部の他方に、二つ以上の前記酸化ガス排出マニホールド及び二つ以上の前記燃料ガス排出マニホールドが配置され、
   二つ以上の前記酸化ガス導入マニホールド及び二つ以上の前記燃料ガス導入マニホールドと前記触媒層との間に隙間を設けることにより形成され、酸化ガスを前記触媒層に供給する流路となる一つの拡幅部を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池が、固体高分子形燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池を備えた車両。

Images