JP7088154B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックに関し、さらに詳しくは、平面配列型単セルの積層体を備えた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、各層を構成する単セルは、通常、１つの電池を構成する。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。
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。
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。
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、
電解質膜の一方の面には、アノード、絶縁体、及び集電体をこの順で周期的に形成し、
電解質膜の他方の面には、カソード、集電体、及び絶縁体をこの順で周期的に形成し、
アノード側の集電体とカソード側の集電体とをインターコネクタにより接続した
平面配列型の燃料電池が開示されている。
例えば、特許文献１には、
電解質膜の一方の面には、アノード、絶縁体、及び集電体をこの順で周期的に形成し、
電解質膜の他方の面には、カソード、集電体、及び絶縁体をこの順で周期的に形成し、
アノード側の集電体とカソード側の集電体とをインターコネクタにより接続した
平面配列型の燃料電池が開示されている。
同文献には、
（ａ）このような方法により、１つの電解質膜上に形成された複数のセルを直列に接続することができる点、及び
（ｂ）電極（アノード又はカソード）に隣接して集電体が形成されるため、電極の表面に集電体を接触させる場合に必要とされた締結部材が不要となる点
が記載されている。
（ａ）このような方法により、１つの電解質膜上に形成された複数のセルを直列に接続することができる点、及び
（ｂ）電極（アノード又はカソード）に隣接して集電体が形成されるため、電極の表面に集電体を接触させる場合に必要とされた締結部材が不要となる点
が記載されている。
特許文献２には、
（ａ）セパレータとして、ガス流路及び接続ラグが形成されたプリント回路基板を用い、
（ｂ）一対のセパレータ間に、複数個の燃料電池（ＭＥＡ）を配置し、
（ｃ）同一面内に配置された複数個の燃料電池を接続ラグで直列に接続する
方法が開示されている。
（ａ）セパレータとして、ガス流路及び接続ラグが形成されたプリント回路基板を用い、
（ｂ）一対のセパレータ間に、複数個の燃料電池（ＭＥＡ）を配置し、
（ｃ）同一面内に配置された複数個の燃料電池を接続ラグで直列に接続する
方法が開示されている。
特許文献１、２に記載されているように、同一平面（ｘ－ｙ平面）内に複数個の小面積のセルを並べ、これらのセルを直列に接続した構造（以下、これ「平面配列型単セル」ともいう）を用いると、同一面積を有する通常の単セルに比べて高い総電圧を得ることができる。しかしながら、同一平面内に小面積のセルを配列する方法では、到達可能な総電圧に限界がある。
一方、総電圧を高くするために、平面配列型単セルを垂直方向（ｚ軸方向）に積層することも考えられる。しかしながら、特許文献１、２には、平面配列型単セルを垂直方向に積層する方法、及び、積層された平面配列型単セル間を直列に接続する方法については、記載も示唆もない。また、平面配列型単セルの接続方法によっては、抵抗損失を増大させ、あるいは、スタックの体格を増大させることがある。
さらに、平面配列型単セルが垂直方向に積層されており、かつ、積層された平面配列型単セルが直列に接続された燃料電池スタックが提案された例は、従来にはない。また、抵抗損失の増大及び／又はスタックの体格の増大を生じさせることなく、積層された平面配列型単セルを直列に接続する方法が提案された例は、従来にはない。
本発明が解決しようとする課題は、平面配列型単セルの積層体からなる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、平面配列型単セルの積層体からなる燃料電池スタックにおいて、抵抗損失の増大及び／又はスタックの体格の増大を抑制することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、平面配列型単セルの積層体からなる燃料電池スタックにおいて、抵抗損失の増大及び／又はスタックの体格の増大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、複数個の平面配列型単セルの積層体からなる。
（２）前記平面配列型単セルは、
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平面配列型膜電極接合体（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）前記平面配列型ＭＥＡは、
前記アノード触媒層及び前記アノードガス拡散層、並びに、前記カソード触媒層及び前記カソードガス拡散層をそれぞれ複数個の領域に分割し、前記領域間に絶縁体層及び導体層からなる隔壁を挿入することにより形成された、電気的に孤立している複数個のサブＭＥＡと、
隣接する一方の前記サブＭＥＡのアノード側の前記導体層と、隣接する他方の前記サブＭＥＡのカソード側の前記導体層とを接続することにより、隣接する前記サブＭＥＡ間を直列に接続するインターコネクタと
をさらに備えている。
（４）前記アノードセパレータは、
電流の流入端にあるサブＭＥＡ（Ａ）の前記アノードガス拡散層のみと電気的に接続するための導電領域（Ａ）と、
前記サブＭＥＡ（Ａ）以外の前記サブＭＥＡの前記アノードガス拡散層との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ａ）と
を備えている。
（５）前記カソードセパレータは、
電流の流出端にあるサブＭＥＡ（Ｂ）の前記カソードガス拡散層のみと電気的に接続するための導電領域（Ｂ）と、
前記サブＭＥＡ（Ｂ）以外の前記サブＭＥＡの前記カソードガス拡散層との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ｂ）と
を備えている。
（６）前記平面配列型単セルは、隣接する一方の前記平面配列型単セルの前記導電領域（Ａ）と、他方の前記平面配列型単セルの前記導電領域（Ｂ）とが電気的に接続されるように積層されている。
（１）前記燃料電池スタックは、複数個の平面配列型単セルの積層体からなる。
（２）前記平面配列型単セルは、
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平面配列型膜電極接合体（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）前記平面配列型ＭＥＡは、
前記アノード触媒層及び前記アノードガス拡散層、並びに、前記カソード触媒層及び前記カソードガス拡散層をそれぞれ複数個の領域に分割し、前記領域間に絶縁体層及び導体層からなる隔壁を挿入することにより形成された、電気的に孤立している複数個のサブＭＥＡと、
隣接する一方の前記サブＭＥＡのアノード側の前記導体層と、隣接する他方の前記サブＭＥＡのカソード側の前記導体層とを接続することにより、隣接する前記サブＭＥＡ間を直列に接続するインターコネクタと
をさらに備えている。
（４）前記アノードセパレータは、
電流の流入端にあるサブＭＥＡ（Ａ）の前記アノードガス拡散層のみと電気的に接続するための導電領域（Ａ）と、
前記サブＭＥＡ（Ａ）以外の前記サブＭＥＡの前記アノードガス拡散層との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ａ）と
を備えている。
（５）前記カソードセパレータは、
電流の流出端にあるサブＭＥＡ（Ｂ）の前記カソードガス拡散層のみと電気的に接続するための導電領域（Ｂ）と、
前記サブＭＥＡ（Ｂ）以外の前記サブＭＥＡの前記カソードガス拡散層との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ｂ）と
を備えている。
（６）前記平面配列型単セルは、隣接する一方の前記平面配列型単セルの前記導電領域（Ａ）と、他方の前記平面配列型単セルの前記導電領域（Ｂ）とが電気的に接続されるように積層されている。
本発明は、平面配列型ＭＥＡを備えた燃料電池スタックにおいて、
（ａ）アノードセパレータとして、電流の流入端にあるサブＭＥＡ（Ａ）のアノードのみと電気的に接続するための導電領域（Ａ）を含むものを、
（ｂ）カソードセパレータとして、電流の流出端にあるサブＭＥＡ（Ｂ）のカソードのみと電気的に接続するための導電領域（Ｂ）を含むものを、
それぞれ用いている。
（ａ）アノードセパレータとして、電流の流入端にあるサブＭＥＡ（Ａ）のアノードのみと電気的に接続するための導電領域（Ａ）を含むものを、
（ｂ）カソードセパレータとして、電流の流出端にあるサブＭＥＡ（Ｂ）のカソードのみと電気的に接続するための導電領域（Ｂ）を含むものを、
それぞれ用いている。
そのため、導電領域（Ａ）と前記導電領域（Ｂ）とが電気的に接続されるように平面配列型単セルを積層することによって、平面配列型単セル間を容易に直列接続することができる。また、これによって平面配列型単セルを最短距離で接続することができ、かつ、平面配列型単セルを接続するための追加の部品を必要としないので、抵抗損失の増大及び／又は体格の増大を抑制することができる。
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］
図１に、本発明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１０は、複数個の平面配列型単セル２０、２０の積層体からなる。
［１． 燃料電池スタック］
図１に、本発明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１０は、複数個の平面配列型単セル２０、２０の積層体からなる。
［１．１． 平面配列型単セル］
平面配列型単セル２０は、それぞれ、
電解質膜２２の両面にアノード触媒層２４及びカソード触媒層２６が接合された平面配列型膜電極接合体（ＭＥＡ）２８と、
アノード触媒層２４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２６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個の平面配列型単セル２０が記載されているが、これは単なる例示である。平面配列型単セル２０の個数は、３個以上であっても良い。
平面配列型単セル２０は、それぞれ、
電解質膜２２の両面にアノード触媒層２４及びカソード触媒層２６が接合された平面配列型膜電極接合体（ＭＥＡ）２８と、
アノード触媒層２４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２６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個の平面配列型単セル２０が記載されているが、これは単なる例示である。平面配列型単セル２０の個数は、３個以上であっても良い。
［１．２． 平面配列型ＭＥＡ］
［１．２．１． 電解質膜］
本発明において、電解質膜２２の材料は、特に限定されない。電解質膜２２の材料としては、例えば、固体高分子電解質、イオン伝導性セラミックスなどがある。
［１．２．１． 電解質膜］
本発明において、電解質膜２２の材料は、特に限定されない。電解質膜２２の材料としては、例えば、固体高分子電解質、イオン伝導性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２２の一方の面にはアノード触媒層２４が接合され、他方の面にはカソード触媒層２６が接合されている。アノード触媒層２４及びカソード触媒層２６は、電極反応の反応場となる部分である。アノード触媒層２４及びカソード触媒層２６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２２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２４及びカソード触媒層２６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。
電解質膜２２の一方の面にはアノード触媒層２４が接合され、他方の面にはカソード触媒層２６が接合されている。アノード触媒層２４及びカソード触媒層２６は、電極反応の反応場となる部分である。アノード触媒層２４及びカソード触媒層２６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２２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２４及びカソード触媒層２６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． サブＭＥＡ］
［Ａ． サブＭＥＡの構造］
平面配列型ＭＥＡ２８は、
電気的に孤立している複数個のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃと、
隣接するサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ間を直列に接続するインターコネクタ３８ａ、３８ｂと
をさらに備えている。
ここで、「サブＭＥＡ」とは、同一の電解質膜２２の上に形成された複数個の領域の１つであって、それ自体で独立して膜電極接合体（ＭＥＡ）として機能する領域をいう。
［Ａ． サブＭＥＡの構造］
平面配列型ＭＥＡ２８は、
電気的に孤立している複数個のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃと、
隣接するサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ間を直列に接続するインターコネクタ３８ａ、３８ｂと
をさらに備えている。
ここで、「サブＭＥＡ」とは、同一の電解質膜２２の上に形成された複数個の領域の１つであって、それ自体で独立して膜電極接合体（ＭＥＡ）として機能する領域をいう。
電気的に孤立しているサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、
（ａ）アノード触媒層２４及びアノードガス拡散層３０、並びに、カソード触媒層２６及びカソードガス拡散層３２をそれぞれ複数個の領域に分割し、
（ｂ）領域間に絶縁体層４０及び導体層４２からなる隔壁４４を挿入する
ことにより形成される。
（ａ）アノード触媒層２４及びアノードガス拡散層３０、並びに、カソード触媒層２６及びカソードガス拡散層３２をそれぞれ複数個の領域に分割し、
（ｂ）領域間に絶縁体層４０及び導体層４２からなる隔壁４４を挿入する
ことにより形成される。
隔壁４４は、電解質膜２２の表面に対して垂直に立設されている。すなわち、電解質膜２２の表面において、（触媒層＋ガス拡散層）／絶縁体層／導体層／（触媒層＋ガス拡散層）…の順にこれらが周期的に配列している。
絶縁体層４０は、隣接する分割されたアノード触媒層２４及びアノードガス拡散層３０同士、又は、隣接する分割されたカソード触媒層２６及びカソードガス拡散層３２同士を、電気的に絶縁するためのものである。
絶縁体層４０は、隣接する分割されたアノード触媒層２４及びアノードガス拡散層３０同士、又は、隣接する分割されたカソード触媒層２６及びカソードガス拡散層３２同士を、電気的に絶縁するためのものである。
一方、導体層４２は、隣接するサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ同士をインターコネクタ３８ａ、３８ｂで直列に接続するためのものである。
すなわち、隣接するサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ間の直列接続は、隣接する一方のサブＭＥＡ２８ａのアノード側の導体層４２と、隣接する他方のサブＭＥＡ２８ｂのカソード側の導体層４２とを、インターコネクタ３８ａで接続することにより行われる。インターコネクタ３８ｂを用いたサブＭＥＡ２８ｂ、２８ｃ間の直列接続も同様である。
すなわち、隣接するサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ間の直列接続は、隣接する一方のサブＭＥＡ２８ａのアノード側の導体層４２と、隣接する他方のサブＭＥＡ２８ｂのカソード側の導体層４２とを、インターコネクタ３８ａで接続することにより行われる。インターコネクタ３８ｂを用いたサブＭＥＡ２８ｂ、２８ｃ間の直列接続も同様である。
インターコネクタ３８ａ、３８ｂを用いたサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃの接続方法は特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。
接続方法としては、例えば、
（ａ）平面配列型ＭＥＡ２８の端面に露出している導体層４２間をインターコネクタ３８ａ、３８ｂで接続する方法、
（ｂ）電解質膜２２を貫通させたインターコネクタ３８ａ、３８ｂを用いて、導体層４２間を接続する方法、
などがある。
接続方法としては、例えば、
（ａ）平面配列型ＭＥＡ２８の端面に露出している導体層４２間をインターコネクタ３８ａ、３８ｂで接続する方法、
（ｂ）電解質膜２２を貫通させたインターコネクタ３８ａ、３８ｂを用いて、導体層４２間を接続する方法、
などがある。
［Ｂ． サブＭＥＡの個数］
図１に示す例では、合計３個のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃが記載されているが、これは単なる例示である。サブＭＥＡの個数は、２個でも良く、あるいは、４個以上であっても良い。
また、図１に示す例において、ｘ軸方向（紙面に対して水平方向）に合計３個のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃが並んでいるが、ｘ軸方向に加えてｙ軸方向（紙面に対して垂直方向）にも複数個のサブＭＥＡが配列していても良い。すなわち、平面配列型ＭＥＡ２８は、電解質膜２２のｘ軸方向にｎ個（≧２）、ｙ軸方向にｍ個（≧１）のサブＭＥＡが配列しているものでも良い。
図１に示す例では、合計３個のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃが記載されているが、これは単なる例示である。サブＭＥＡの個数は、２個でも良く、あるいは、４個以上であっても良い。
また、図１に示す例において、ｘ軸方向（紙面に対して水平方向）に合計３個のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃが並んでいるが、ｘ軸方向に加えてｙ軸方向（紙面に対して垂直方向）にも複数個のサブＭＥＡが配列していても良い。すなわち、平面配列型ＭＥＡ２８は、電解質膜２２のｘ軸方向にｎ個（≧２）、ｙ軸方向にｍ個（≧１）のサブＭＥＡが配列しているものでも良い。
［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、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、それぞれ、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。
アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２は、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、それぞれ、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。
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な限りにおいて、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。
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。
上述したように、サブＭＥＡ２８ａ、２８ｂ、２８ｃを互いに電気的に孤立させるためには、アノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２もまた複数個の領域に分割されている必要がある。そのため、分割されたアノードガス拡散層３０及びカソードガス拡散層３２の隙間にもまた、隣接するガス拡散層を絶縁するための絶縁体層４０と、隣接するサブＭＥＡを直列に接続するための導体層４２からなる隔壁４４が挿入されている。
［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。
［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。
本発明において、アノードセパレータ３４は、
電流の流入端にあるサブＭＥＡ（Ａ）２８ｃのアノードガス拡散層３０のみと電気的に接続するための導電領域（Ａ）３４ａと、
サブＭＥＡ（Ａ）２８ｃ以外のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂのアノードガス拡散層３０との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ａ）３４ｂと
を備えている。
電流の流入端にあるサブＭＥＡ（Ａ）２８ｃのアノードガス拡散層３０のみと電気的に接続するための導電領域（Ａ）３４ａと、
サブＭＥＡ（Ａ）２８ｃ以外のサブＭＥＡ２８ａ、２８ｂのアノードガス拡散層３０との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ａ）３４ｂと
を備えている。
また、カソードセパレータ３６は、
電流の流出端にあるサブＭＥＡ（Ｂ）２８ａのカソードガス拡散層３２のみと電気的に接続するための導電領域（Ｂ）３６ａと、
サブＭＥＡ（Ｂ）２８ａ以外のサブＭＥＡ２８ｂ、２８ｃのカソードガス拡散層３２との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ｂ）３６ｂと
を備えている。
電流の流出端にあるサブＭＥＡ（Ｂ）２８ａのカソードガス拡散層３２のみと電気的に接続するための導電領域（Ｂ）３６ａと、
サブＭＥＡ（Ｂ）２８ａ以外のサブＭＥＡ２８ｂ、２８ｃのカソードガス拡散層３２との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ｂ）３６ｂと
を備えている。
さらに、ｚ軸方向に積層された平面配列型単セル２０、２０は、隣接する一方の平面配列型単セル２０の導電領域（Ａ）３４ａと、他方の平面配列型単セル２０の導電領域（Ｂ）３６ａとが電気的に接続されるように積層されている。この点が、従来とは異なる。
なお、このような平面配列型単セル２０、２０の構造、及び、平面配列型単セル２０、２０間の接続方法は、電解質膜２２の材料によらず適用することができる。すなわち、本発明は、固体高分子形燃料電池に対して好適であるが、本発明は他の形式の燃料電池に対しても適用することができる。
なお、このような平面配列型単セル２０、２０の構造、及び、平面配列型単セル２０、２０間の接続方法は、電解質膜２２の材料によらず適用することができる。すなわち、本発明は、固体高分子形燃料電池に対して好適であるが、本発明は他の形式の燃料電池に対しても適用することができる。
平面配列型単セル２０、２０を積層する場合、アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６として絶縁体を用い、平面配列型単セル２０、２０間をセル間コネクタで連結することも考えられる（図２参照）。しかし、セル間コネクタは単セルの厚みに相当する長さが必要となるため、抵抗損失が増大しやすい。一方、抵抗損失を軽減するためにセル間コネクタの断面積を大きくすると、スタックが大型化する。これに対し、導電領域と絶縁領域を備えたセパレータを用いて平面配列型単セル２０、２０間を連結すると、セル間コネクタが不要となり、抵抗損失の増大や体格の増大を抑制することができる。
アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６の形状は、反応ガスを拡散層に供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６は、平板状であっても良く、あるいは、凹凸があっても良い。
アノードセパレータ３４及び／又はカソードセパレータ３６に凹凸がある場合において、凹凸の振幅及び／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。
アノードセパレータ３４及び／又はカソードセパレータ３６に凹凸がある場合において、凹凸の振幅及び／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は、導電領域（Ａ）３４ａと、絶縁領域（Ａ）３４ｂとを備えている。同様に、カソードセパレータ３６は、導電領域（Ｂ）３６ａと、絶縁領域（Ｂ）３６ｂとを備えている。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６を機能が異なる２つの領域に分割する方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。
アノードセパレータ３４は、導電領域（Ａ）３４ａと、絶縁領域（Ａ）３４ｂとを備えている。同様に、カソードセパレータ３６は、導電領域（Ｂ）３６ａと、絶縁領域（Ｂ）３６ｂとを備えている。アノードセパレータ３４及びカソードセパレータ３６を機能が異なる２つの領域に分割する方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。
例えば、アノードセパレータ３４の少なくとも１つは、
導電性材料からなる基材（Ａ）と、
基材（Ａ）の表面の内、絶縁領域（Ａ）３４ｂにのみ形成された絶縁コーティング（Ａ）と
を備えているものでも良い。
これに代えて又はこれに加えて、カソードセパレータ３６の少なくとも１つは、
導電性材料からなる基材（Ｂ）と、
基材（Ｂ）の表面の内、絶縁領域（Ｂ）３６ｂにのみ形成された絶縁コーティング（Ｂ）と
を備えているものでも良い。
導電性材料からなる基材（Ａ）と、
基材（Ａ）の表面の内、絶縁領域（Ａ）３４ｂにのみ形成された絶縁コーティング（Ａ）と
を備えているものでも良い。
これに代えて又はこれに加えて、カソードセパレータ３６の少なくとも１つは、
導電性材料からなる基材（Ｂ）と、
基材（Ｂ）の表面の内、絶縁領域（Ｂ）３６ｂにのみ形成された絶縁コーティング（Ｂ）と
を備えているものでも良い。
この場合、基材（Ａ）（Ｂ）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。
また、絶縁コーティング（Ａ）（Ｂ）としては、例えば、フッ素樹脂コーティングがある。
また、絶縁コーティング（Ａ）（Ｂ）としては、例えば、フッ素樹脂コーティングがある。
あるいは、アノードセパレータ３４の少なくとも１つは、
表面が絶縁酸化被膜で覆われた金属からなる基材（Ｃ）と、
基材（Ｃ）の表面の内、導電領域（Ａ）３４ａに形成された導電層（Ａ）と
を備えているものでも良い。
これに代えて又はこれに加えて、カソードセパレータ３６の少なくとも１つは、
表面が絶縁酸化被膜で覆われた金属からなる基材（Ｄ）と、
基材（Ｄ）の表面の内、導電領域（Ｂ）３６ａに形成された導電層（Ｂ）と
を備えているものでも良い。
表面が絶縁酸化被膜で覆われた金属からなる基材（Ｃ）と、
基材（Ｃ）の表面の内、導電領域（Ａ）３４ａに形成された導電層（Ａ）と
を備えているものでも良い。
これに代えて又はこれに加えて、カソードセパレータ３６の少なくとも１つは、
表面が絶縁酸化被膜で覆われた金属からなる基材（Ｄ）と、
基材（Ｄ）の表面の内、導電領域（Ｂ）３６ａに形成された導電層（Ｂ）と
を備えているものでも良い。
この場合、基材（Ｃ）（Ｄ）としては、例えば、ステンレス鋼、チタン合金などがある。
導電層（Ａ）（Ｂ）は、導電性材料を含み、かつ、導電性材料が絶縁酸化膜を貫通して、基材（Ｄ）を構成する金属と電気的に接続されているものが好ましい。このような導電層（Ａ）（Ｂ）は、導電領域（Ａ）（Ｂ）の表面に導電処理を施すことで形成することができる。導電処理としては、例えば、窒化チタン粒子を含むスチレンブタジエンゴムを塗布し、面圧を印加する方法がある。
導電層（Ａ）（Ｂ）は、導電性材料を含み、かつ、導電性材料が絶縁酸化膜を貫通して、基材（Ｄ）を構成する金属と電気的に接続されているものが好ましい。このような導電層（Ａ）（Ｂ）は、導電領域（Ａ）（Ｂ）の表面に導電処理を施すことで形成することができる。導電処理としては、例えば、窒化チタン粒子を含むスチレンブタジエンゴムを塗布し、面圧を印加する方法がある。
［１．５． 各部のサイズ］
［１．５．１． 隣り合う触媒層間の間隔ｄ］
電解質膜２２を分割しない平面配列型単セル２０においては、隣接する触媒層の間の膜内にはプロトン電位の勾配が付くため、面内電流が流れる。この電流がある程度以上大きくなると、カソードにおいて担体カーボンが酸化し、不可逆的に劣化するおそれがある。これを抑制するためには、隣り合う触媒層間の間隔（すなわち、サブＭＥＡの間隔）ｄは、大きいほど良い。カーボン酸化を抑制するためには、ｄは、１ｍｍ以上が好ましい。
一方、ｄを必要以上に大きくしても、効果に差が無く、実益がない。また、ｄが過度に大きくなると、面積利用率（セルの総面積に対する、発電に利用されている面積の割合）が低下する。従って、ｄは、Ｌ以下（但し、Ｌは、サブＭＥＡを構成する触媒層の面内方向であって、電流が流れる方向のサイズ）が好ましい。
［１．５．１． 隣り合う触媒層間の間隔ｄ］
電解質膜２２を分割しない平面配列型単セル２０においては、隣接する触媒層の間の膜内にはプロトン電位の勾配が付くため、面内電流が流れる。この電流がある程度以上大きくなると、カソードにおいて担体カーボンが酸化し、不可逆的に劣化するおそれがある。これを抑制するためには、隣り合う触媒層間の間隔（すなわち、サブＭＥＡの間隔）ｄは、大きいほど良い。カーボン酸化を抑制するためには、ｄは、１ｍｍ以上が好ましい。
一方、ｄを必要以上に大きくしても、効果に差が無く、実益がない。また、ｄが過度に大きくなると、面積利用率（セルの総面積に対する、発電に利用されている面積の割合）が低下する。従って、ｄは、Ｌ以下（但し、Ｌは、サブＭＥＡを構成する触媒層の面内方向であって、電流が流れる方向のサイズ）が好ましい。
［１．５．２． ＲＬ2］
燃料電池スタック１０は、次の式（４）の関係を満たしているものが好ましい。
ＲＬ2≦０．１×３Ｖ／Ｉ …（４）
但し、
Ｌは、前記サブＭＥＡを構成する触媒層の面内方向であって、電流が流れる方向のサイズ［ｍ］、
Ｒは、前記サブＭＥＡを構成するガス拡散層の面内方向であって、電流が流れる方向の抵抗Ｒ［Ω］、
Ｖは、最大出力時の電圧［Ｖ］、
Ｉは、最大出力時の電流密度［Ａ／ｃｍ 2 ］。
燃料電池スタック１０は、次の式（４）の関係を満たしているものが好ましい。
ＲＬ2≦０．１×３Ｖ／Ｉ …（４）
但し、
Ｌは、前記サブＭＥＡを構成する触媒層の面内方向であって、電流が流れる方向のサイズ［ｍ］、
Ｒは、前記サブＭＥＡを構成するガス拡散層の面内方向であって、電流が流れる方向の抵抗Ｒ［Ω］、
Ｖは、最大出力時の電圧［Ｖ］、
Ｉは、最大出力時の電流密度［Ａ／ｃｍ 2 ］。
式（４）は、損失（ηloss）を１０％以下にするためのＬとＲの条件を表す。「損失（ηloss）」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＝２Ａ／ｃｍ 2 、Ｖ＝０．６Ｖである場合、式（４）の右辺は、９０ｍΩｃｍ2となる。すなわち、式（４）は、最大出力時の電流密度が２Ａ／ｃｍ 2 、電圧が０．６Ｖである場合にＬ2×Ｒ≦９０ｍΩｃｍ2となるように、ガス拡散層のＬ及びＲを選択すると、ηlossを１０％以下にできることを表す。
例えば、Ｉ＝２Ａ／ｃｍ 2 、Ｖ＝０．６Ｖである場合、式（４）の右辺は、９０ｍΩｃｍ2となる。すなわち、式（４）は、最大出力時の電流密度が２Ａ／ｃｍ 2 、電圧が０．６Ｖである場合にＬ2×Ｒ≦９０ｍΩｃｍ2となるように、ガス拡散層のＬ及びＲを選択すると、ηlossを１０％以下にできることを表す。
Ｉ、Ｖ、ηlossが上記の値とは異なる場合であっても、ＲＬ2を９０ｍΩｃｍ2以下にすることは、相対的にηlossを小さくすることに相当する。ＲＬ2は、好ましくは、８０ｍΩｃｍ2以下、さらに好ましくは、７０ｍΩｃｍ2以下である。
［２． 作用］
［２．１． 平面配列型単セル］
現状、固体高分子形燃料電池においては、積層型セル（燃料電池スタック）が一般的に使用されている。燃料電池スタック内の総発電面積は、システムの要求出力から設定されている。また、総発電面積は、単セル発電面積と単セルの積層枚数との積により決まる。しかし、単セルの積層枚数が増えると、発電に使用できない部分（ガス供給口やシール部材領域など）の総面積が増える。そのため、スタック原価の低減の観点からは、単セル発電面積を増やして積層枚数を減らす設計が望ましい。
［２．１． 平面配列型単セル］
現状、固体高分子形燃料電池においては、積層型セル（燃料電池スタック）が一般的に使用されている。燃料電池スタック内の総発電面積は、システムの要求出力から設定されている。また、総発電面積は、単セル発電面積と単セルの積層枚数との積により決まる。しかし、単セルの積層枚数が増えると、発電に使用できない部分（ガス供給口やシール部材領域など）の総面積が増える。そのため、スタック原価の低減の観点からは、単セル発電面積を増やして積層枚数を減らす設計が望ましい。
他方、燃料電池スタックでは、単セル発電面積を増やすと出力電流が増えるため、抵抗起因の損失が増加する。これは、損失が電流値の二乗に比例するためである。そのため、燃料電池スタックでは、単セル発電面積を一定以上大きくできないという課題があった。
この課題は、燃料電池の性能が向上して面積当たりの電流密度が大きくなると、より重要な課題となる。すなわち、電流密度が大きくなると、出力電流を一定にするためには単セル発電面積を小さくする必要がある。しかし、ガス供給口やシール部材領域が占める面積は大きく変わらないため、単に単セル発電面積を小さくすると、相対的にガス供給口やシール部材領域が占める面積の割合が増えるという問題がある。
この課題は、燃料電池の性能が向上して面積当たりの電流密度が大きくなると、より重要な課題となる。すなわち、電流密度が大きくなると、出力電流を一定にするためには単セル発電面積を小さくする必要がある。しかし、ガス供給口やシール部材領域が占める面積は大きく変わらないため、単に単セル発電面積を小さくすると、相対的にガス供給口やシール部材領域が占める面積の割合が増えるという問題がある。
これに対し、平面配列型単セルを用いると、個々のサブＭＥＡの発電面積を小さくすることができる。また、同一面内にサブＭＥＡが配列しているため、個々のサブＭＥＡ間でガス供給口を共有することができる。そのため、面積当たりの電流密度が大きい燃料電池に対して本発明を適用すると、ガス供給口やシール部材領域が占める面積の割合を増加させることなく、単セル（サブＭＥＡ）の発電面積を小さくすることができる。
［２．２． 絶縁領域と導電領域の双方を有するセパレータを用いた積層構造］
従来の平面配列型単セルでは、平面方向の接続のみを考慮しており、積層方向の接続を考慮していない。従来の平面配列型単セルを積層する場合において、セパレータとして電気伝導体を用いると、単セル間にショート電流が流れる。そのため、従来の平面配列型単セルを積層するためには、セパレータとして絶縁体を用い、セル間コネクタを用いて単セル間を接続する必要があった（図２参照）。
従来の平面配列型単セルでは、平面方向の接続のみを考慮しており、積層方向の接続を考慮していない。従来の平面配列型単セルを積層する場合において、セパレータとして電気伝導体を用いると、単セル間にショート電流が流れる。そのため、従来の平面配列型単セルを積層するためには、セパレータとして絶縁体を用い、セル間コネクタを用いて単セル間を接続する必要があった（図２参照）。
しかし、圧力損失の制約があるため、セパレータに設けられる流路の厚みを小さくするのに限界がある。そのため、セル間コネクタは、セル内のインターコネクタに比べて長さが長くなり、損失が大きくなる。
損失を低減するには、セル間コネクタを太くすることも考えられる。例えば、膜厚みを１０μｍ、流路厚みを１ｍｍとする。また、インターコネクタの長さは電解質膜の厚さと同等であり、かつ、セル間コネクタの長さは流路厚みの２倍と同等であるとする。この場合、セル間コネクタがインターコネクタと同等の抵抗になるためには、セル間コネクタの断面積は、インターコネクタの２００倍にする必要がある。また、セル間コネクタを設けるためのシール部も新たに必要となる。
損失を低減するには、セル間コネクタを太くすることも考えられる。例えば、膜厚みを１０μｍ、流路厚みを１ｍｍとする。また、インターコネクタの長さは電解質膜の厚さと同等であり、かつ、セル間コネクタの長さは流路厚みの２倍と同等であるとする。この場合、セル間コネクタがインターコネクタと同等の抵抗になるためには、セル間コネクタの断面積は、インターコネクタの２００倍にする必要がある。また、セル間コネクタを設けるためのシール部も新たに必要となる。
これに対し、絶縁領域と導電領域の双方を有するセパレータを用いると、平面配列型単セルを簡便に直列積層することができる。また、損失を低減するための太いセル間コネクタが不要となる。
［２．３． 表面処理による絶縁領域及び導電領域の形成］
セパレータは、導電領域と絶縁領域を別々の部材で作製することもできる。しかし、この場合、接続部のガスシール性を担保する必要があり、追加のコスト増加が懸念される。
これに対し、
（ａ）セパレータを導電性材料で作製した後、表面の一部を絶縁処理する方法、又は、
（ｂ）金属製セパレータの表面を酸化処理することにより、金属製セパレータの表面を絶縁酸化被膜で被覆し、表面の一部に導電処理を施す方法
を用いると、低コストで絶縁領域及び導電領域を有するセパレータを得ることができる。
セパレータは、導電領域と絶縁領域を別々の部材で作製することもできる。しかし、この場合、接続部のガスシール性を担保する必要があり、追加のコスト増加が懸念される。
これに対し、
（ａ）セパレータを導電性材料で作製した後、表面の一部を絶縁処理する方法、又は、
（ｂ）金属製セパレータの表面を酸化処理することにより、金属製セパレータの表面を絶縁酸化被膜で被覆し、表面の一部に導電処理を施す方法
を用いると、低コストで絶縁領域及び導電領域を有するセパレータを得ることができる。
［２．４． 隣り合う触媒層間の間隔］
電解質膜を分割しない平面配列型単セルにおいては、電解質膜の面内プロトン輸送による損失及び劣化が懸念される。特に、ＯＣＶ保持中（電圧：ＶOCV、電流：０Ａ）の劣化に関する制約が厳しいと考えられる。
隣接する触媒層間の間隔をｄとすると、隣接する触媒層の間の膜内には、プロトン電位の勾配（＝ＶOCV／ｄ）がつくため、面内電流が流れる。この電流がある程度以上大きいと、カソードでプロトン生成反応が誘発される可能性がある。
電解質膜を分割しない平面配列型単セルにおいては、電解質膜の面内プロトン輸送による損失及び劣化が懸念される。特に、ＯＣＶ保持中（電圧：ＶOCV、電流：０Ａ）の劣化に関する制約が厳しいと考えられる。
隣接する触媒層間の間隔をｄとすると、隣接する触媒層の間の膜内には、プロトン電位の勾配（＝ＶOCV／ｄ）がつくため、面内電流が流れる。この電流がある程度以上大きいと、カソードでプロトン生成反応が誘発される可能性がある。
カソードには水素が存在しないため、プロトン生成反応は、式（１）に示す「水から酸素が生じる反応」か、式（２）に示す「カーボンが酸化する反応」かのどちらかである。
２Ｈ2Ｏ → Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- …（１）
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ- …（２）
２Ｈ2Ｏ → Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- …（１）
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ- …（２）
これらの内、カーボンが酸化する反応が生じると、触媒層に含まれる担体カーボンが消失して不可逆的に劣化する。この消失速度は、プロトン電位の勾配（ＶOCV／ｄ）を低減すること、すなわち、ｄを増加することで低減することができる。
図３に、隣り合う触媒層間の間隔とカーボン酸化電流値との関係を示す。系を簡単化して計算した場合、ｄが１ｍｍ未満の時にカーボン消失速度が顕著に増加すると試算された。このことから、ｄは、１ｍｍ以上が好ましいことが分かった。
図３に、隣り合う触媒層間の間隔とカーボン酸化電流値との関係を示す。系を簡単化して計算した場合、ｄが１ｍｍ未満の時にカーボン消失速度が顕著に増加すると試算された。このことから、ｄは、１ｍｍ以上が好ましいことが分かった。
［２．５． ＲＬ2］
触媒層及びガス拡散層が分割された平面配列型単セルにおいて、分割された触媒層及びガス拡散層の面内を電流が流れる。一般に、触媒層よりガス拡散層の方が厚いため、ガス拡散層を流れる電流の方が大きいと考えられる。
触媒層及びガス拡散層が分割された平面配列型単セルにおいて、分割された触媒層及びガス拡散層の面内を電流が流れる。一般に、触媒層よりガス拡散層の方が厚いため、ガス拡散層を流れる電流の方が大きいと考えられる。
均一な発電分布を仮定したモデルを用いた場合、損失ηloss（＝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（３）で表される。但し、Ｒはガス拡散層の面内電気抵抗［Ω］、Ｉは電流密度［Ａ／ｃｍ2］、Ｗは触媒層の奥行き方向（図１のｙ軸方向）の長さ［ｍ］、Ｌは触媒層の面内方向（図１のｘ軸方向）の長さ［ｍ］、Ｖはセル電圧［Ｖ］である。
ηlossを１０％に抑えることを考えると、式（３）より、次の式（４）が得られる。
ＲＬ2≦０．１×３Ｖ／Ｉ …（４）
最大出力時の電流密度が２Ａ／ｃｍ 2 、電圧が０．６Ｖである場合、式（４）の右辺は、９０ｍΩｃｍ2となる。すなわち、式（４）は、Ｉ＝２Ａ／ｃｍ 2 、Ｖ＝０．６Ｖである場合において、ＲＬ2が９０ｍΩｃｍ2以下となるように、ガス拡散層の材料（面内電気抵抗Ｒ）に応じて面内方向の長さＬを選択すると、ηlossを１０％以下にすることができることを示している。
ＲＬ2≦０．１×３Ｖ／Ｉ …（４）
最大出力時の電流密度が２Ａ／ｃｍ 2 、電圧が０．６Ｖである場合、式（４）の右辺は、９０ｍΩｃｍ2となる。すなわち、式（４）は、Ｉ＝２Ａ／ｃｍ 2 、Ｖ＝０．６Ｖである場合において、ＲＬ2が９０ｍΩｃｍ2以下となるように、ガス拡散層の材料（面内電気抵抗Ｒ）に応じて面内方向の長さＬを選択すると、ηlossを１０％以下にすることができることを示している。
［２．６． 金属多孔体からなるガス拡散層］
Ｒが大きい場合、ＲＬ2を所定の値以下にするためには、Ｌを小さくする必要がある。例えば、Ｒが０．２Ωである場合において、ＲＬ2を９０ｍΩｃｍ2以下にするためには、Ｌを７ｍｍ以下にする必要がある。一方、カーボン酸化反応を抑制するには、ｄは１ｍｍ以上である必要がある。この場合、電解質膜の面積利用率は８７．５％となる。面積利用率の低下は、コスト増に繋がる。
これに対し、金属多孔体は、他の電気伝導性材料に比べて、Ｒが小さい。そのため、ガス拡散層として金属多孔体を用いると、Ｌを相対的に大きくすることができ、面積利用率を向上させることができる。
Ｒが大きい場合、ＲＬ2を所定の値以下にするためには、Ｌを小さくする必要がある。例えば、Ｒが０．２Ωである場合において、ＲＬ2を９０ｍΩｃｍ2以下にするためには、Ｌを７ｍｍ以下にする必要がある。一方、カーボン酸化反応を抑制するには、ｄは１ｍｍ以上である必要がある。この場合、電解質膜の面積利用率は８７．５％となる。面積利用率の低下は、コスト増に繋がる。
これに対し、金属多孔体は、他の電気伝導性材料に比べて、Ｒが小さい。そのため、ガス拡散層として金属多孔体を用いると、Ｌを相対的に大きくすることができ、面積利用率を向上させることができる。
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。
１０ 燃料電池スタック
２０ 平面配列型単セル
２２ 電解質膜
２４ アノード
２６ カソード
２８ 平面配列型ＭＥＡ
２８ａ～２８ｃ サブＭＥＡ
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
３４ａ 導電領域（Ａ）
３４ｂ 絶縁領域（Ａ）
３６ カソードセパレータ
３６ａ 導電領域（Ｂ）
３６ｂ 絶縁領域（Ｂ）
３８ａ、３８ｂ インターコネクタ
４０ 絶縁体層
４２ 導体層
４４ 隔壁
２０ 平面配列型単セル
２２ 電解質膜
２４ アノード
２６ カソード
２８ 平面配列型ＭＥＡ
２８ａ～２８ｃ サブＭＥＡ
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
３４ａ 導電領域（Ａ）
３４ｂ 絶縁領域（Ａ）
３６ カソードセパレータ
３６ａ 導電領域（Ｂ）
３６ｂ 絶縁領域（Ｂ）
３８ａ、３８ｂ インターコネクタ
４０ 絶縁体層
４２ 導体層
４４ 隔壁
Claims (11)
- 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、複数個の平面配列型単セルの積層体からなる。
（２）前記平面配列型単セルは、
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平面配列型膜電極接合体（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）前記平面配列型ＭＥＡは、
前記アノード触媒層及び前記アノードガス拡散層、並びに、前記カソード触媒層及び前記カソードガス拡散層をそれぞれ複数個の領域に分割し、前記領域間に絶縁体層及び導体層からなる隔壁を挿入することにより形成された、電気的に孤立している複数個のサブＭＥＡと、
隣接する一方の前記サブＭＥＡのアノード側の前記導体層と、隣接する他方の前記サブＭＥＡのカソード側の前記導体層とを接続することにより、隣接する前記サブＭＥＡ間を直列に接続するインターコネクタと
をさらに備えている。
（４）前記アノードセパレータは、
電流の流入端にあるサブＭＥＡ（Ａ）の前記アノードガス拡散層のみと電気的に接続するための導電領域（Ａ）と、
前記サブＭＥＡ（Ａ）以外の前記サブＭＥＡの前記アノードガス拡散層との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ａ）と
を備えている。
（５）前記カソードセパレータは、
電流の流出端にあるサブＭＥＡ（Ｂ）の前記カソードガス拡散層のみと電気的に接続するための導電領域（Ｂ）と、
前記サブＭＥＡ（Ｂ）以外の前記サブＭＥＡの前記カソードガス拡散層との電気的接続を遮断するための絶縁領域（Ｂ）と
を備えている。
（６）前記平面配列型単セルは、隣接する一方の前記平面配列型単セルの前記導電領域（Ａ）と、他方の前記平面配列型単セルの前記導電領域（Ｂ）とが電気的に接続されるように積層されている。 - 前記アノードセパレータの少なくとも１つは、
導電性材料からなる基材（Ａ）と、
前記基材（Ａ）の表面の内、前記絶縁領域（Ａ）にのみ形成された絶縁コーティング（Ａ）と
を備えている請求項１に記載の燃料電池スタック。 - 前記カソードセパレータの少なくとも１つは、
導電性材料からなる基材（Ｂ）と、
前記基材（Ｂ）の表面の内、前記絶縁領域（Ｂ）にのみ形成された絶縁コーティング（Ｂ）と
を備えている請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。 - 前記アノードセパレータの少なくとも１つは、
表面が絶縁酸化被膜で覆われた金属からなる基材（Ｃ）と、
前記基材（Ｃ）の表面の内、前記導電領域（Ａ）に形成された導電層（Ａ）と
を備えている請求項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。 - 前記カソードセパレータの少なくとも１つは、
表面が絶縁酸化被膜で覆われた金属からなる基材（Ｄ）と、
前記基材（Ｄ）の表面の内、前記導電領域（Ｂ）に形成された導電層（Ｂ）と
を備えている請求項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。 - 前記サブＭＥＡ間の間隔ｄは、１ｍｍ以上Ｌ以下（但し、Ｌは、前記サブＭＥＡを構成する触媒層の面内方向であって、電流が流れる方向のサイズ）である請求項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。
- 次の式（４）の関係を満たす請求項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。
ＲＬ2≦０．１×３Ｖ／Ｉ …（４）
但し、
Ｌは、前記サブＭＥＡを構成する触媒層の面内方向であって、電流が流れる方向のサイズ［ｍ］、
Ｒは、前記サブＭＥＡを構成するガス拡散層の面内方向であって、電流が流れる方向の抵抗Ｒ［Ω］、
Ｖは、最大出力時の電圧［Ｖ］、
Ｉは、最大出力時の電流密度［Ａ／ｃｍ 2 ］。 - 前記カソードガス拡散層及び前記アノードガス拡散層は、それぞれ、金属多孔体からなる請求項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。
- 前記平面配列型ＭＥＡは、前記電解質膜のｘ軸方向にｎ個（≧２）、ｙ軸方向にｍ個（≧１）の前記サブＭＥＡが配列している請求項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。
- 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の隙間に設けられた冷却水路をさらに備えた請求項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。
- 前記電解質膜は、固体高分子電解質からなる請求項１から１０までのいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019185350A JP7088154B2 (ja) | 2019-10-08 | 2019-10-08 | 燃料電池スタック |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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