WO2005117177A1

WO2005117177A1 - 燃料電池

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Publication number: WO2005117177A1
Application number: PCT/JP2005/008396
Authority: WO
Inventors: Hiroo Yoshikawa; Toshiyuki Suzuki; Chisato Kato; Tsutomu Ochi; Toshiyuki Inagaki
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2005-12-08

Abstract

　セパレータのガス流路の形成に高い加工精度を要求せずに電気化学反応の量を好適に増加させることができ、加えて、小型化など全体として応用性を適切に高めることができる燃料電池を提供する。電解質膜（１５）およびこれを両側から挟んだ一対の電極（１６）からなるＭＥＡ（１１）と、ＭＥＡ（１１）を挟持し、各電極（１６）に面する部位にガスの流路（２１）が形成された一対のセパレータ（１２）と、を備えた燃料電池（１）において、各電極（１６）には、これが面するセパレータ（１２）側の流路（２１）に対応したガスの流路（５３）が形成されている燃料電池（１）である。

Description

明細書燃料電池技術分野

本発明は、電解質膜およぴこれを両側から挟んだ一対の電極からなる ME A (Membrane Electrode Assembly) を、一対のセパレータで挟持した燃料電池に関するものである。背景技術

従来、固体高分子型の燃料電池のこの種のセパレータとして、電極に面する部位に溝状（凹状）のガスの流路を画定し且つ各頂面が電極に接触する多数のリブ部を有するものが知られている（例えば、特許文献 1参照。）。

一般に、リブ部が接触する電極の部位は、ガスが拡散し難いため発電に寄与し難い。これに対処するために、セパレータのリブ部を小さく成形して電極との接触面積を減らすことが考えられるが、リブ部の成形に高い加工精度が要求される。そこで特許文献 1に記載の燃料電池では、対向する一対のセパレータのリブ部同士の頂面を、 ME Aを挟んで互いにオーバーラップするように酉己置している。

[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 0— 1 2 0 5 0号公報（第 2頁および第 1図）発明の開示

このような従来の燃料電池は、リプ部の加工精度すなわちセパレータの流路形成に高い加工精度を要求せずに、水素ガスおよび酸素ガスによる電気化学反応の量を増加させることができる点では有用である。しかし、一対のセパレータが互いに異なる構造であるため、これらで M E Aを挟持してセルィ匕する際に、一対のセパレータの相互の位置決めが煩雑化し易い問題があった。一方で、水素ガスおょぴ酸素ガスによる電気化学反応の量を減らすことなく、リブ部の高さを低くして燃料電池の小型化も望まれている。

本発明は、セパレータ側の流路形成に高い加工精度を要求せずに電気化学反応の量を好適に増加させることができ、加えて、小型化など全体として応用性を適切に高めることができる燃料電池を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池は、電解質膜およびこれを両側から挟んだ一対の電極からなる ME Aと、 ME Aを挟持し、各電極に面する部位にガスの流路が形成された一対のセパレータと、を備えた燃料電池において、一対の電極の少なくとも一方には、これが面するセパレータ側の流路に対応した流路が形成されているものである。

この構成によれば、電極側にもガスの流路が形成されているため、電極には、自身の流路とセパレータ側の流路とから燃料ガス（水素）または酸化ガス（酸素）が供される。これにより、セパレータ側の流路形成に高い加工精度を要求せずに電気化学反応の量を好適に増加させることが可能となる。そして、電極側にガスの流路を形成しない従来に対して、各種の応用性の向上に供することができる。

例えば、セパレータ側に形成される流路を画定する部位（以下、リブ部という場合がある。）の高さを低くすることができ、燃料電池全体として小型化に供することができる。また例えば、セパレータ側および電極側のいずれの流路も複数のストレート流路で形成した場合にあっては、両者が協働することで実質的にピッチが細かく（ファインピッチ化） 'なり得るため、流路形成のためのプレス加工や切削加工等を行う際に高い加工精度を要求しないで済む。このことは一方で、セパレータの基材の材質を含む性状について、設計の自由度を高め得る。なお、一対の電極の両方にガスの流路を形成した場合には、一方の電極には酸化ガスの流路が、他方の電極には燃料ガスの流路が形成される。

本発明の一態様によれば、電極側の流路は、電極の内部にパイプ状に形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池の電気化学反応によって水が生成されるが、これが大量に発生した場合であっても、電極の内部にガスの流路を形成しているため、特に、ガスの供給を妨げることなく生成水を排水することができる。

本発明を別の観点からみれば、電極側の流路は、電極の部位を溝状に形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、電極の内部を貫通するようなパイプ状の流路を形成する場合に比べ、電極側の流路を容易に形成することができる。例えば、電極を主にカーボンで構成した場合には、電極側の流路を切削加工により形成することができる。

より好ましくは、電極側の流路は、電極のセパレータ側の面または電解質膜側の面に溝状に形成される。

そしてこれらの場合には、電極側の流路は、セパレータ側の流路と平行に延在するように形成されてもよい。 .

また、電極側の流路が溝状である場合には、電極側の流路は、少なくともセパレータ側の流路に対する電極の非接触部位に形成されていることが、好ましい。あるいは、電極側の流路は、少なくとも電極に対するセパレータの接触部位に対向する位置に形成されていることが、好ましい。またあるいは、電極側の流路は、セパレータ側の流路から外れた位置に形成されていること、好ましい。

この構成によれば、セパレータのリブ部（接触部位）に対向して電極側の流路が形成され得るため、電気化学反応の量を好適に増加させることができる。すなわち、一般に、リブ部が接する電極の部分はガスの拡散性が悪レ、が、上記のような構成とすることで、有効発電面積を好適に増大させることができるため、発電効率の向上および小型化等に好適に供することができる。また、本発明を別の観点からみると、電極側の流路は、セパレータ側の流路に対向する位置に形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、上記と異なり、セパレータのリプ部から外れて電極側の流路が形成され、この流路はセパレータ側の流路に連通し得る。これにより、特にセパレータのリブ部の高さを低くすることができ、全体として小型化することができる。

また、例えばプレス成形等によってセパレータの表裏各面の形状を同時に且つ同形状で形成し、セパレータの他方の面に冷却水の流路を形成するような場合には、燃料電池全体としてガスの流路新面積を大きくしつつ、冷却水の流路断面積を小さくすることが可能となる。これにより、燃料電池の低温起動性を好適に向上し得るなど、全体として応用性を高めることができる。これらの場合、セパレータ側の流路は、一方向に平行に延在する複数のストレート流路からなり、電極側の流路は、一方向と同方向に平行に延在する複数のストレート流路からなることが、好ましい。

この構成によれば、サーペンタイン流路で構成する場合に比べて、セパレータ側および電極側の各流路の形成の容易さの点、セル化する際の各部材の位置決めのし易さの点、および発電効率の高め易さの点で有用となる。

また、本発明を別の観点からみると、電極側の流路がセパレータに面する電極の部位を溝状に形成されている場合、セパレータ側の流路は、一方向に平行に延在する複数のストレート流路からなり、電極側の流路は、前記一方向と同方向に平行に延在する複数のストレート流路からなり、電極側の各ストレート流路は、その一部分がセパレータ側の各ストレート流路に面すると共に残りの部分が各スレート流路に面しないことが、好ましい。この構成によれば、上記と異なり、電極側のストレート流路は、セパレータ側のストレート流路となる溝部とこれに連なるリプ部とに跨つて延在する。これにより、上記と同様に、有効発電面積を好適に増大させつつ、発電効率の向上おょぴ小型化に供することができると共に、ストレート流路としてのメリットも得ることができる。

また、本発明を別の観点からみると、電極側の流路がセパレータに面する電極の部位を溝状に形成されている場合、セパレータ側の流路は、一方向に平行に延在する複数のストレート流路からなり、電極側の流路は、前記一方向に交差する方向に平行に延在し、複数のストレート流路の少なくとも一つを跨ぐ複数のストレート流路からなることが、好ましい。

この構成によれば、電極側のストレート流路は、セパレータ側のストレート流路を一つ以上跨いで延在する。これにより、上記と同様に、有効発電面積を好適に増大させつつ、発電効率の向上および小型化に供することができると共に、ストレート流路としてのメリットも得ることができる。なお、「交差する方向」を前記一方向に直交する方向とすることで、電極側に複数のストレート流路を形成し易くなる。また、セパレータ側のストレート流路間で圧力差を発生させて、電極側のストレート流路に一定方向のガス流れを設定することができるようになるなど、応用性もある。

これらの場合、セパレータ側の複数のストレート流路および zまたは電極側の複数のストレート流路は、当ピッチで形成されていることが、好ましい。この構成によれば、発電が全体的に均一になされるようになり、そのために燃科電池の温度も全体的に均一化される。これにより、製品寿命を延ばし、その信頼性も高めることができる。

これらの場合、セパレータには、セパレータ側の流路にガスを導入するためのガス入口と、セパレータ側の流路からガスを導出するためのガス出口とが設けられており、電極側の流路は、上流端がガス入口側から離間して位置し且つ下流端がガス出口側に直接開放していることが、好ましい。

この構成によれば、電極側の流路ょりもセパレータ側の流路に対してガスを積極的に導入することができる。

これらの場合、セパレータは、基材がメタルで形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、プレス成形等によりセパレータを良好に形成することができる。なお、基材としては例えばステンレスを用いればよく、基材の電極側の面に基材ょりも耐食性に優れた薄膜を被覆することが好ましい。

これらの場合、各電極は、電解質膜側の触媒層と、触媒層とセパレタとの間に介在する拡散層であって、セパレータ側の流路に対応した流路が形成された拡散層と、を有することが、好ましい。

本発明の他の燃料電池は、ガスの流路が形成されたセパレータと、セパレータに隣接する電極の拡散層と、を備えた燃料電池であって、拡散層には、セパレータの流路に対応した空所が形成されているものである。

この構成によれば、セパレータの流路のみならず、拡散層の空所からも、拡散層にガスが供され得る。これにより、セパレータ側の流路形成に高い加ェ精度を要求せずに電気化学反応の量を好適に増加させることが可能となる。空所は、例えば一列に並んだ空孔であってもよいし、溝であってもよい。空所を溝とすることで、空孔に比べて生成水の排水性を高め得る。

通常、燃料電池の反応による生成水は、燃料電池内においてはガスの上流側よりも下流側の方が多くなる。そこで、好ましい態様によれば、空所は、ガスの上流側よりも下流側の方を大きくする。例えば空所が溝である場合には、その溝幅や溝深さの大きさの設定により、空所の大きさを設定すればよい。

また、本発明の好ましい態様によれば、電極は、セパレータと反対側に位置して拡散層に隣接する触媒層を有しており、空所は、拡散層の触媒層側の面に形成されていることである。

以上、本発明の燃料電池によれば、セパレータおよび電極の両者にガスの流路を形成しているため、セパレータ側の流路形成に高い加工精度を要求せずに電気化学反応の量を好適に増加させて、発電効率を向上することが可能となると共に、小型化など全体として応用性を適切に高めることが可能となる。図面の簡単な説明

図 1は、実施形態 1に係る燃料電池の構成を示す斜視図である。

図 2は、実施形態 1に係る燃料電池の単セルの部分断面図である。

図 3は、実施形態 1に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図でめる。

図 4は、実施形態 2に係る燃料電池の単セルの部分断面図である。

図 5は、実施形態 3に係る燃料電池の単セルの部分断面図である。

図 6は、実施形態 4に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図でめる。

図 7は、実施形態 5に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図でめる。

図 8は、実施形態 6に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図でめる。

図 9は、実施形態 7に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図でめる。

図 1 0は、実施形態 8に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図である。

図 1 1は、実施形態 9に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図である。図 1 2は、実施形態 1 0に係る燃料電池の単セルの部分断面図である。図 1 3は、実施形態 1 1に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図である。

図 1 4は、図 1 3の XIV- XIV線で切断した断面図である。

図 1 5は、実施形態 1 2に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図である。

図 1 6は、実施形態 1 3に係る燃料電池のセパレータの表面側を示す平面図である。

図 1 7は、図 1 6の XVI-XVI線で切断した断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について説明する。この燃科電池は、 ME Aを挟持するセパレータ以外にも、 M E Aを構成する電極自身にガスの流路（空所）を形成したものである。以下では、燃料電池車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に、先ず、ガスの流路をストレート流路とした構成について説明する。なお、第 2実施形態以降では、第 1実施形態と共通する構成については第 1実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

[実施形態 1 ]

図 1に示すように、固体高分子型の燃料電池 1は、基本単位である多数の単セル 2を積層した積層スタック構造で構成されており、両端に位置する単セル 2の外側に順次、出力端子 4付きの集電板 5、絶縁板 6およびエンドプレート 7を各々配置して構成されている。燃料電池 1は、例えば、両エンドプレート 7間を架け渡すようにして設けられたテンションプレートが各ェンドプレート 7にポルト固定されることで、単セル 2の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。図 2に示すように、単セル 2は、 ME A 1 1と、これを外側から挟持する一対のセパレータ 1 2と、で構成されている。 ME A 1 1は、イオン交換膜からなる電解質膜 1 5と、電解質膜 1 5を両面から挟んだ一対の電極 1 6 (アノードおよび力ソード）と、で構成されている。そして、各電極 1 6の外面に各セパレータ 1 2が面している。

単セル 2は、一方の電極（アノード） 1 6に燃料ガスとして水素ガスが供給され、他方の電極（力ソード） 1 6に酸化剤ガスとして酸素ガスが供給される。電解質膜 1 5は、燃料ガスから供給された水素イオンをアノード電極 1 6から力ソード電極 1 6に移動させる機能を有する。これにより、 M E A 1 1内で、電気化学反応が生じ起電力が得られる。

ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガス（アノードガス）を意味する。また、酸素ガスとは、酸素を代表とする酸化剤を含有するガス（力ソードガス）を意味する。以下の説明では、水素ガスおょぴ酸素ガスを総称して「ガス」と記載し、必要に応じて個々に言及する。

セパレータ 1 2は、ガス不透過の導電性材料で構成されており、カーボンや金属のほか、導電性を有する樹脂で構成される。本実施形態では、セパレータ 1 2の基材は、アルミニウム、ステンレス、ニッケル合金などのメタルで板状に形成されている。セパレータ 1 2の基材の電極 1 6側の面には、セパレータ 1 2の基材ょりも耐食性に優れた膜が被覆されている。セパレータ 1 2の電極 1 6に面する表面側には、電極 1 6にガスを供給するためのガス流路 2 1が溝状に複数形成されている。一方、この表面側の反対側となるセパレータ 1 2の裏面側には、冷却水に代表される冷媒を通流させるための冷却流路 2 2が溝状に複数形成されている。

具体的には、セパレータ 1 2はプレス成形されることで表裏各面に凹凸が形成され、セパレータ 1 2の表面は、電極 1 6に対して凸となる複数のリブ部 2 3の頂面を介して電極 1 6に接触している。そして、隣接するリブ部 2 3の間のセパレータ 1 2の表面が、電極 1 6に対して凹となってガス流路 2 1を構成している。

この場合、ガス流路 2 1は、一方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する複数のストレート流路からなる（図 3参照）。単セル 2における一方のセパレータ 1 2のガス流路 2 1は水素ガス用であり、他方のセパレータ 1 2のガス流路 2 1は酸素ガス用である。水素ガス用のガス流路 2 1と酸素ガス用のガス流路 2 1とは、同方向に延在し且つ ME A 1 1を挟んで対向している。したがって、隣接する単セル 2 , 2間では、酸素ガス用のガス流路 2 1を形成したセパレータ 1 2の冷却流路 2 2と、水素ガス用のガス流路 2 1を形成したセパレータ 1 2の冷却流路 2 2とが連通し、流路断面が四角形の冷却流路 2 2が画定される。冷却流路 2 2を流れる冷却水によって、起電力を得る電気化学反応で発生した熱が低減され、燃料電池 1の温度上昇が抑制される。

図 3は、セパレータ 1 2の表面側を示す平面図である。同図に示すように、セパレータ 1 2は、平面視矩形状に形成され、ガス流路 2 1に直交する一対の短辺部 3 1を有している。一方の短辺部 3 1には、水素ガス用のガス入口 3 2 a、酸素ガス用のガス入口 3 3 a、および冷却水入口 3 4 a、が矩形状に貫通形成され、他方の短辺部 3 1には、水素ガス用のガス出口 3 2 b、酸素ガス用のガス出口 3 3 b、および冷却水出口 3 4 bが矩形状に貫通形成されている。水素ガス用のガス入口 3 2 aとガス出口 3 2 bとは対角配置され、酸素ガス用のガス入口 3 3 aとガス出口 3 3 bとは対角配置されている。例えば水素ガスは、ガス入口 3 2 aから水素ガス用の複数のガス流路 2 1に導入され、ガス出口 3 2 bへと導出される。

また、一方の短辺部 3 1には、セパレータ 1 2が対応するガスに対応して、ガス入口 3 2 aと複数のガス流路 2 1を連通する入口側連通部 3 6が形成されている。同様に、他方の短辺部 3 1には、ガス出口 3 2 bと複数のガス流路 2 1を連通する出口側連通部 3 7が形成されている。なお、図 3では、水素ガス用のガス流路 2 1を形成したセパレータ 1 2の表面側を示している。入口側連通部 3 6および出口側連通部 3 7は、短辺部 3 1に沿って延在しており、複数のガス流路 2 1間でガスの流入 ·流出を均一化させる複数のガス分配突起 3 8が分散配置されている。

各電極 1 6は、図 2に示すように、セパレータ 1 2側の拡散層 5 1と、拡散層 5 1に結着された電解質膜 1 5側の触媒層 5 2と、で構成されている。拡散層 5 1は、例えば数百; u mの厚みを有する。触媒層 5 2は、拡散層 5 1 よりも薄い厚みを有し、例えば数 μ ΐη〜数十 mの厚みを有する。触媒層 5 2は、固体電解質と炭素粒子とその炭素粒子に担持された触媒とを備えている。触媒としては、例えば白金が好適に用いられる。

拡散層 5 1は、例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。拡散層 5 1は、流体を通過させる機能と、触媒層 5 2およぴセパレータ 1 2を導通させる機能とを有する導電体である。具体的には、拡散層 5 1は、セパレータ 1 2のガス流路 2 1から供給される反応ガスを触媒層 5 2側へ移動させるための通気性と、触媒層 5 2近傍で生じた生成水をセパレータ 1 2側へ移動させるための透水性と、を備えている。 ·

拡散層 5 1には、拡散層 5 1に隣接するセパレータ 1 2のガス流路 2 1に対応した空所 5 3が形成されており、この空所 5 3がガス流路 5 3として機能する。詳細には、拡散層 5 1には、これが面するセパレータ 1 2のガス流路 2 1と同じ種類のガスを流すための流路 5 3が溝状に複数形成されている。拡散層 5 1側の複数のガス流路 5 3は、拡散層 5 1の表面を切削加工することにより形成されている。

拡散層 5 1側の複数のガス流路 5 3は、一方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する複数のストレート流路からなり、その延在方向はセパレータ 1 2側のガス流路 2 1の延在方向と一致している。図 3において二点鎖線で示す拡散層 5 1側の各ガス流路 5 3は、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1に比べて流路断面積が小さく形成され、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1から外れた位置に形成されている。より詳細には、拡散層側 5 1の各ガス流路 5 3は、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1に対する拡散層 5 1の非接触部位に形成されており、セパレータ 1 2側の各リブ部 2 3の頂面に対向して且つこれに包含されるように形成されている。そして、拡散層 5 1側の各ガス流路 5 3の上流端は入口側連通部 3 6に連通し、その下流端は出口側連通部 3 7に連通している。

このように、単セル 2における水素ガスの流路は、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1およぴ電極 1 6側のガス流路 5 3で構成され、また酸素ガスの流路は、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1および電極 1 6側のガス流路 5 3で構成される。したがって、単セル 2の各電極 1 6では、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1に面する部分は、主としてこのガス流路 2 1からガスが拡散されていき、セパレータ 1 2のリブ部 2 3に面する部分は、主として電極 1 6 側のガス流路 5 3からガスが拡散されていき、各ガスは起電力を得るための電気化学反応に供せられる。

以上のように、本実施形態の燃料電池 1によれば、電極 1 6側にガス流路 5 3を形成したことで、単セル 2全体としてみれば、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1のピッチを細かく（小さく）せずに、実質的にガスの流路がファインピッチ化されたことと同様の効果を奏することができる。これにより、セパレータ 1 2のガス流路 2 1のプレス成形に際して高い加工精度を要求しなくとも、単セル 2の発電性能を高めることができる。

また一般には、セパレータ 1 2のリブ部 2 3が接触する電極 1 6の部分は、積層スタック構造の圧縮力によってガスが拡散されにくいが、上記のように、セパレータ 1 2のリブ部 2 3に対向して電極 1 6側のガス流路 5 3が位置するため、この部分からもガスが好適に拡散されていく。すなわち、セパレータ 1 2は凸構造に形成され、セパレータ 1 2の ME A 1 1側において凹部をガス流路 2 1とし且つ凸部（リブ部 2 3 ) を M E A 1 1の電極 1 6に接触させる構造であるが、本実施形態では、好ましい態様として、セパレータ 1 2の凸部（リブ部 2 3 ) の頂面に対向する電極 1 6側部位にガス流路 5 3を形成している。これにより、凸部（リブ部 2 3 ) の頂面に接する電極 1 6側部位にも反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）が流通するので、電気化学反応に寄与する電極 1 6の面積（すなわち有効発電面積）を増やして、 ME A 1 1 の発電量（効率）を向上することができる。

さらに、単セル 2としてのガスの流路断面積に着目すると、従来の電極 1 6側にガス流路 5 3を形成しない場合の流路断面積と、本実施形態のように電極 1 6側にガス流路 5 3を形成した場合の流路断面積とが等しい条件の場合では、本実施形態によれば、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1の断面積が従来に比べて小さく設定されることになる。すなわち、本実施形態によれば、セパレータ 1 2のリブ部 2 3の高さを低く設定することができるため、単セル 2の厚みを薄くすることができる。これにより、多数の単セル 2を積層する燃料電池 1の小型化に適切に寄与することができる。

また、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1および電極 1 6側のガス流路 5 3 をそれぞれ等ピッチの複数のストレート流路で構成しているため、加工上の点で有用であることはもとより、単セル 2全域においてガスが均一に電気化学反応に供せられることになる。これにより、単セル 2における温度も全体的に均一化されるため、燃料電池 1の寿命を延ばすことにも供することがでさる。

なお、本実施形態の変形例としては様々なものが考えられる。例えば、本実施形態では電極 1 6の拡散層 5 1をカーボン素材で構成したが、もちろん拡散層 5 1を金属で構成することもできる。この場合は、プレス成形またはフライス削りによって拡散層 5 1に溝状のガス流路 5 3を形成することができる。もっとも、金属で拡散層 5 1を構成した場合には、セパレータ 1 2と同様に、ガス流路 5 3となる面には金属よりも耐食性を有する膜をコーティングすることが好ましい。

また、電極 1 6側のガス流路 5 3の断面形状は四角形など多角形でもよいし、円、半円、曲線を含む各種構造に適宜形成することができる。さらに、ガス流路 2 1やガス流路 5 3の断面積を発電面内において、上流側ほど大きく、下流側ほど小さくなるようにしてもよいし、もちろんその逆であってもよい。すなわち、 ME A 1 1の発電効率を最適にするように適宜断面積の大小関係を設定すればよい。なおまた、例えば単セル 2において一方のガスを他方のガスよりも優先して供給したい場合には、優先度の低いガスに対応する電極 1 6については、ガス流路 5 3を形成しないようにすることも可能である。そして、これらの変形例は後述する他の実施形態においても適用することができる。

[実施形態 2 ]

次に、実施形態 2に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1との相違点を中心に説明する。図 4に示すように、実施形態 1と同様に、単セル 2の各電極 1 6に形成されたガス流路 5 3は、一方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する複数のストレート流路からなり、その延在方向はセパレータ 1 2側のガス流路 2 1の延在方向と一致している。そして実施形態 1と異なり、電極 1 6側の各ガス流路 5 3は、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1 に対向する位置に形成され、これに違通している。電極 1 6側の各ガス流路 5 3の幅（延在方向に直交する方向の長さ）は、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1の幅と略同じに形成される。また、電極 1 6側の各ガス流路 5 3の深さ（溝深さ）は、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1の深さよりも浅く形成されている。

実施形態 2によれば、実施形態 1と同様の作用効果を奏し、特に、電極 1 6側のガス流路 5 3によって、セパレータ 1 2のリブ部 2 3の高さを低くしても必要なガスの流路断面積を確保することができるため、セパレータ 1 2 の薄型化すなわち燃料電池 1の小型化に好適に供することができる点で有用となる。また、セパレータ 1 2のリブ部 2 3の高さが低く設定されると、冷却流路 2 2の断面積も小さくなる。これにより、相対的ではあるが、燃料電池 1全体としては、ガスの流路断面積を大きくしつつ、冷却水の流路断面積を小さくすることが可能となる。これにより、燃料電池 1の低温起動性を好適に高め得る。なお、実施形態 2の態様に実施形態 1の態様を組み合わせることも可能である。

[実施形態 3 ]

次に、実施形態 3に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1との相違点を中心に説明する。図 5に示すように、実施形態 1と同様に、単セル 2の各電極 1 6に形成されたガス流路 5 3は、一方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する複数のストレート流路からなり、その延在方向はセパレータ 1 2側のガス流路 2 1の延在方向と一致している。そして実施形態 1と異なり、電極 1 6側の各ガス流路 5 3は、各々の半部がセパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1の半部に対向すると共に、各々の残りの半部がセパレータ 1 2 側の各ガス流路 2 1から外れてリブ部 2 3に面している。

すなわち、電極 1 6側の例えば一つのガス流路 5 3は、セパレータ 1 2側の一つのガス流路 2 1となる溝部と、これに連なるリブ部 2 3とに跨る。実施形態 3によっても、上記実施形態と同様に、単セル 2の有効発電面積を好適に増大させるなど、同様の作用効果を奏することができることはいうまでもない。

[実施形態 4 ]

次に、実施形態 4に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1 との相違点を中心に説明する。図 6に示すように、本実施形態の単セル 2の各電極 1 6に形成されたガス流路 5 3は、同様に複数のストレート流路からなる力この場合、ガス入口 3 2 a側のいくつかのガス流路 5 3は、上流端が入口側連通部 3 6から離間して位置している。すなわち、ガス入口 3 2 a側を含むセパレータ 1 2の長辺方向（セパレータ 1 2側のガス流路 2 1のガス流れ方向）の領域に包含される電極 1 6側のガス流路 5 3については、上流端が入口側連通部 3 6から外れて位置して、下流端が出口側連通部 3 7に直接開放するように連通している。そして、この領域に包含されない電極 1 6側のガス流路 5 3については、実施形態 1と同様に、 '上流端が入口側連通部 3 6に直接開放するように連通し且つ下流端が直接開放する'ように出口側連通部 3 7に連通している。

実施形態 4によれば、実施形態 1の作用効果に加えてさらに、上記領域に包含されるセパレータ 1 2側のガス流路 2 1にガスが積極的に流れるようになる。これにより、上記領域に包含されるセパレータ 1 2側のガス流路 2 1 は、本来の主流流路としての機能を好適に奏することができる。もちろん、電極 1 6側のガス流路 5 3の全ての上流端を入口側連通部 3 6に連通させないようにすることもできるが、一般にガス入口 3 2 aよりのガス流路には他のガス流路に比べてガスが流入し易い点を考慮すると、実施形態 4のような構成をすることが好ましい。

なお、ガス出口 3 2 b側を含むセパレータ 1 2の長辺方向の領域に包含される電極 1 6側のガス流路 5 3についても、上流端が入口側連通部 3 6から外れて位置させるようにしてもよい。

[実施形態 5 ]

次に、実施形態 5に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1との相違点を中心に説明する。図 7に示すように、実施形態 5の単セル 2の各電極 1 6に形成されたガス流路 5 3は、同様に複数のストレート流路からなる力実施形態 1におけるガス流路 5 3の延在方向と直交する方向に延在している。すなわち、電極 1 6側の複数のガス流路 5 3は、セパレータ 1 2側の複数のガス流路 2 1を跨ぐように、その延在方向と直交する方向に延在している。したがって、電極 1 6側の各ガス流路 5 3には、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1に連通する部分からガスが供給される。なお、電極 1 6側の複数のガス流路 5 3の間隔、幅（溝幅）や断面積等については、 ME A 1 1 の拡散層 5 1の透気度等の関係を考慮して、適宜設計することができる。実施形態 5によれば、実施形態 1と同様に、有効発電面積を好適に増大させつつ、発電効率の向上および小型化に供することができると共に、入口側連通部 3 6からのガスをセパレータ 1 2側のガス流路 2 1に積極的に流すことが可能となる。

また、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1間に圧力差を発生させる構成とした場合には、電極 1 6側のガス流路 5 3に一定方向のガス流れを設定することができるようになる。圧力差を発生させるには、例えば、セパレータ 1 2 の隣接する二つのガス流路 2 1となる溝部に抵抗要素を設ければよい。その際に、一方のガス流路 2 1となる溝部に対してはその上流側に、他方のガス流路 2 1となる溝部に対してはその下流側に設けるなど、両者の抵抗要素の配置位置を異なる位置にすればよい。

[実施形態 6 ]

実施形態 6は、実施形態 5の変形例である。図 8に示すように、電極 1 6 側の複数のガス流路 5 3は、セパレータ 1 2側の複数のガス流路 2 1の少なくとも一つを跨ぐように、その延在方向と交差する方向に延在している。したがって、実施形態 6においても、上記と略同様な作用効果を奏することができる。なお、電極 1 6側の複数のガス流路 5 3の傾斜角度は、 ME A 1 1 の拡散層 5 1の透気度等の関係を考慮して、適宜設計することができる。

[実施形態 7 ]

次に、図 9を参照して、実施形態 7に係る燃料電池 1の単セル 2について実施形態 1との相違点を中心に説明する。図 9に示すように、実施形態 7のセパレータ 1 2側のガス流路 2 1は、溝状のサーペンタイン流路で構成されている。例えば、一本のサーペンタイン流路で構成してもよいが、実施形態 7では図 9に示すように、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1を三本のサーぺンタイン流路で構成している。各サーペンタイン流路 2 1は、一方向に互いに平行に延在する三本のストレート部 7 1と、隣接するストレート部 7 1同士を連絡する二つの折返し部 7 2と、を有している。各サーペンタイン流路 2 1は、上流端が入口側連通部 3 6に連通し、下流端が出口側連通部 3 7に連通している。

電極 1 6側の複数のガス流路 5 3は、一方向に互いに平行に且つ等ピッチで延在する複数のストレート流路からなり、その延在方向はセパレータ 1 2 側のストレート部 7 1の延在方向と一致している。電極 1 6側の各ガス流路 5 3は、上流端が入口側連通部 3 6に連通し且つ下流端が出口側連通部 3 7 に連通している。そして、電極 1 6側の複数のガス流路 5 3は、セパレータ 1 2のリブ部 2 3にのみ面するものと、大部分はセパレータ 1 2のリブ部 2 3に面して一部分だけサーペンタイン流路 2 1の折返し部 7 2に面するものと、に大別される。

このような実施形態 7においても、上記実施形態と同様な作用効果を奏することができる。なおもちろん、電極 1 6側のガス流路 5 3をサーペンタイン流路 2 1のストレート部 7 1に対向するようにしてもよいし、上記各実施形態の態様を適用してもよい。例えば、電極 1 6側の複数のガス流路 5 3をストレート部 7 1の延在方向に対して交差する方向に延在させてもよい。

[実施形態 8 ]

実施形態 8は、実施形態 7の変形例である。図 1 0に示すように、電極 1 6側の複数のガス流路 5 3は、実施形態 7に]:ヒベて少ない本数で構成されていると共に、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1から外れた位置に亘つて形成されている。また、電極 1 6側の各ガス流路 5 3の上流端は、入口側連通部 3 6に連通しない構成となっている。電極 1 6側の各ガス流路 5 3には、電極 1 6の拡散層 5 1のガス透過を利用してガスが導入される。

実施形態 8によれば、実施形態 7と比べて、入口側連通部 3 6からのガスがセパレータ 1 2側のガス流路 2 1に確実に流入されるようになる。これにより、特にセパレータ 1 2のガス流路 2 1の折返し部 7 2にも確実にガスを通流させることができ、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1に対して、本来の主流流路としての機能を適切に奏させることができる。

[実施形態 9 ]

次に、図 1 1を参照して、実施形態 9に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1との相違点を中心に説明する。実施形態 9のセパレータ 1 2 側のガス流路 2 1は、多数の小片状のリブ部 2 3によって画定されている。多数のリブ部 2 3は、ランド状に分散して整然配置されている。同様に、電極 1 6側のガス流路 5 3は、多数の小片状のリブ部 8 1によって画定され、この各リプ部 8 1は、セパレータ 1 2側のリブ部 2 3間に位置するようにランド状に分散して整然配置されている。単セル 2化した状態では、セパレータ 1 2側の各リプ部 2 3の頂面は電極 1 6の拡散層 5 1に接触する。このような実施形態 9の構成であっても、上記各実施形態と略同様な作用効果を奏することができる。なおもちろん、電極 1 6側のガス流路 5 3を上記と同様にストレ^"ト流路にしてもよいことは言うまでもない。

[実施形態 1 0 ]

次に、図 1 2を参照して、実施形態 1 0に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1との相違点を中心に説明する。実施形態 1 0の電極 1 6側のガス流路 5 3 (空所）は、拡散層 5 1の内部にパイプ状に形成されている。電極 1 6側のガス流路 5 3の延在方向は、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1 と直交する方向に延在しているが、もちろん直交以外の交差方向であってもよいし、同方向に延在してもよい。同方向とした場合には、電極 1 6側のガ 'ス流路 5 3の上流端を入口側連通部 3 6に且つ下流端を出口側連通部 3 7に直接開放するように連通させてもよいし、あるいは上流端については図 6と同様に入口側連通部 3 6から離間させてもよい。また、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1についても、ストレート流路以外のサーペンタイン流路を適用することができるなど、適宜設計することが可能である。

実施形態 1 0によれば、上記各実施形態と略同様な作用効果を奏し得るほ、特に、電極 1 6側のガス流路 5 3が拡散層 5 1の内部を貫通するようにして形成されているため、燃料電池 1の電気化学反応によって生成される水に対して有効となる。すなわち、生成水が大量に発生した場合であっても、単セル 2内へのガスの供給を妨げることなく、生成水の排水性を高めることができる。

[実施形態 1 1 ]

次に、図 1 3および図 1 4を参照して、実施形態 1 1に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1との相違点を中心に説明する。実施形態 1との一つ目の相違点は、拡散層 5 1におけるガス流路 5 3を溝状に複数形成する位置を、拡散層 5 1の触媒層 5 2側の面に変更したことである。二つ目の相違点は、拡散層 5 1側のガス流路 5 3の大きさを変更したことである。具体的には、ガス流路 5 3の各ストレート流路は、生成水の排水性を考慮して、上流側から下流側にかけて断面積が小さくなるように形成されている。すなわち、燃料電池 1の発電によって生じる生成水は、ガス流路 5 3やガス流路 2 1の下流ほど多くなるので、これを考慮してガス流路 5 3の断面積が、ガスの上流側よりも下流側の方を大きく設定されている。

ガス流路 5 3の断面形状は、上記のように四角形など多角形でもよいし、円、半円、曲線を含む各種構造に適宜形成することができる。例えば、ガス流路 5 3の断面が四角形である場合には、ガス流路 5 3の断面積は、その溝幅に溝深さを乗じたものとなる。この場合、ガス流路 5 3の断面積のサイズは、溝幅のみまたは溝深さのみについて、上流側から下流側にかけて徐々にまたは段階的に小さくするようにしてもよい。あるいは、ガス流路 5 3の断面積のサイズは、溝幅および溝深さの両方を考慮して、上流側から下流側にかけて徐々にまたは段階的に小さくするようにしてもよい。例えば、ガス流路 5 3の溝幅および溝深さの範囲は、 0 . Ι μ π！〜 2 0 0 μ mに設定すればよい。

ガス流路 5 3の上流端は、実施形態 1と同様に入口側連通部 3 6に直接開放するように連通している。また同様に、ガス流路 5 3の下流端は、出口側連通部 3 7に直接開放するように連通している。ガス流路 5 3の下流端が出口側連通部 3 7に連通しているため、燃料電池 1の発電によって生じる生成水をガス流路 5 3により出口側連通部 3 7に速やかに排出させることができる。なお、ガス流路 5 3の一のストレート流路と他のストレート流路との断面積の設定は、同じとしてもよいし、異ならせてもよい。

実施形態 1 1によっても、第 1実施形態と同様の効果を奏することができる。第 1実施形態と比べて有用となる点は、実施形態 1 1によれば、簡易な構造により、拡散層 5 1の有効発電面積と生成水の排水性との調和を図ることができることである。

[実施形態 1 2 ]

次に、図 1 5を参照して、実施形態 1 2に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1 1との相違点を中心に説明する。実施形態 1 1との相違点は、ガス流路 5 3の位置が、セパレータ 1 2側の各ガス流路 2 1に対向する位置に変更されたことである。両実施形態においては、その他の点は同じである。したがって、実施形態 1 2によっても、実施形態 1 1と同様の効果を奏することができる。

[実施形態 1 3 ] 次に、図 1 6およぴ図 1 7を参照して、実施形態 1 2に係る燃料電池 1の単セル 2について、実施形態 1 1 との相違点を中心に説明する。実施形態 1 1との相違点は、拡散層 5 1に形成するガス流路として、上記のガス流路 5 3に加えて、複数のガス流路 9 1を設定したことである。

ガス流路 9 1は、複数のストレート流路からなり、ガス流路 5 3の各ストレート流路に例えば直交する方向に延在している。ガス流路 9 1は、拡散層 5 1の触媒層 5 2側の面に溝状に形成されており、ガス流路 5 3に直接連通するようにしてこれに直交している。したがって、ガス流路 9 1には、ガス流路 5 3に連通する部分からガスが供給される。ガス流路 9 1の複数のストレート流路の間隔については、拡散層 5 1の透気度等の関係を考慮して、適宜設計すればよい。

ガス流路 9 1の複数のストレート流路は、生成水の排水性を考慮して、互いに断面積が異なっている。具体的には、生成水がガス入口（3 2 a ) 側よりもガス出口（3 2 b ) 側で多くなることを考慮して、ガス入口（3 2 a ) に近いガス流路 9 1のストレート流路は、ガス出口（3 2 b ) に近いガス流路 9 1のストレート流路よりも断面積が小さく設定されている。実施形態 1 2では、ガス流路 9 1の複数のストレート流路は、ガス入口（3 2 a ) 側からガス出口（3 2 b ) 側にかけて順に断面積が大きくなるように設定されている。

ガス流路 9 1の断面形状は、上記のように四角形など多角形でもよいし、円、半円、曲線を含む各種構造に適宜形成することができる。例えば、ガス流路 9 1の断面が四角形である場合には、ガス流路 9 1の断面積のサイズは、溝幅のみまたは溝深さのみを考慮して設定してもよいし、溝幅およぴ溝深さの両方を考慮して設定してもよい。例えば、ガス流路 9 1の溝幅および溝深さの範囲は、最小で 0 . 1 / m 最大で 2 0 0 μ mに設定すればよい。

なお、ガス流路 5 3およびガス流路 9 1を拡散層 5 1の一方の面側に形成するのではなく、拡散層 5 1の一方の面にガス流路 5 3およびガス流路 9 1 のいずれか一方を形成し、拡散層 5 1の他方の面にガス流路 5 3およびガス流路 9 1の他方を形成してもよレ、。例えば、ガス流路 9 1を拡散層 5 1のセパレータ 1 2側の面に形成してもよい。この場合には、ガス流路 9 1には、セパレータ 1 2側のガス流路 2 1力らガスが供給されるようになる。

Claims

請求の範囲

1 . 電解質膜およびこれを両側から挟んだ一対の電極からなる ME Aと、前記 ME Aを挟持し、前記各電極に面する部位にガスの流路が形成された一対のセパレータと、を備えた燃料電池において、

前記一対の電極の少なくとも一方には、これが面する前記セパレータ側の流路に対応した流路が形成されている燃料電池。

2 . 前記電極側の流路は、当該電極の内部にパイプ状に形成されている請求項 1に記載の燃料電池。

3 . 前記電極側の流路は、当該電極の部位を溝状に形成されている請求項 1に記載の燃料電池。

4 . 前記電極側の流路は、前記セパレータ側の流路と平行に延在するように形成されている請求項 1ないし 3のいずれか一項に記載の燃料電池。

5 . 前記電極側の流路は、少なくとも前記セパレータ側の流路に対する当該電極の非接触部位に形成されている請求項 3に記載の燃料電池。

6 . 前記電極側の流路は、少なくとも当該電極に対する前記セパレータの接触部位に対向する位置に形成されている請求項 3に記載の燃料電池。

7 . 前記電極側の流路は、前記セパレータ側の流路から外れた位置に形成されている請求項 3に記載の燃料電池。

8 . 前記電極側の流路は、前記セパレータ側の流路に対向する位置に形成されている請求項 3に記載の燃料電池。

9 . 前記セパレータ側の流路は、一方向に平行に延在する複数のストレート流路からなり、

前記電極側の流路は、前記一方向と同方向に平行に延在する複数のストレ一ト流路からなる請求項 5ないし 8のいずれか一項に記載の燃料電池。

1 0 . 前記セパレータ側の流路は、一方向に平行に延在する複数のストレ一ト流路からなり、

前記電極側の流路は、前記一方向と同方向に平行に延在する複数のストレ一ト流路からなり、

前記電極側の各ストレート流路は、その一部分が前記セパレータ側の各ストレート流路に面すると共に残りの部分が当該各スレート流路に面しない請求項 3に記載の燃料電池。

1 1 . 前記セパレータ側の流路は、一方向に平行に延在する複数のストレ一ト流路からなり、

前記電極側の流路は、前記一方向に交差する方向に平行に延在し、前記複数のストレート流路の少なくとも一つを跨ぐ複数のストレート流路からなる請求項 3に記載の燃料電池。

1 2 . 前記セパレータ側の複数のストレート流路および Zまたは前記電極側の複数のストレート流路は、等ピッチで形成されている請求項 9ないし 1

1のいずれか一項に記載の燃料電池。

1 3 . 前記セパレータには、当該セパレータ側の流路にガスを導入するためのガス入口と、当該セパレータ側の流路からガスを導出するためのガス出口とが設けられており、

前記電極側の流路は、上流端が前記ガス入口側から離間して位置し且つ下流端が前記ガス出口側に直接開放している請求項 1ないし 1 2のレ、ずれか一項に記載の燃料電池。

1 4 . 前記セパレータは、基材がメタルで形成されている請求項 1ないし

1 3のいずれか一項に記載の燃料電池。

1 5 . 前記各電極は、

前記電解質膜側の触媒層と、

前記触媒層と前記セパレータとの間に介在する拡散層であって、前記セパレータ側の流路に対応した流路が形成された拡散層と、を有する請求項 1ないし 1 4のいずれか一項に記載の燃料電池。

1 6 . ガスの流路が形成されたセパレータと、

前記セパレータに隣接する電極の拡散層と、

を備えた燃料電池であって、

前記拡散層には、前記セパレータの前記流路に対応した空所が形成されている燃料電池。

1 7 . 前記空所は、ガスの上流側よりも下流側の方が大きい請求項 1 6に記載の燃料電池。

1 8 . 前記電極は、前記セパレータと反対側に位置して前記拡散層に隣接する触媒層を有しており、

前記空所は、前記拡散層の前記触媒層側の面に形成されている請求項 1 6 または 1 7に記載の燃料電池。