WO2011059087A1 - 燃料電池及び燃料電池を備えた車両 - Google Patents

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electrode assembly
membrane electrode
flow path
gas
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長谷川　卓也
龍史 藤枝
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell and a vehicle equipped with the fuel cell. More particularly, the present invention relates to a fuel cell for miniaturization while maintaining the flooding resistance of the fuel cell, and a vehicle including the fuel cell.
  • a fuel cell is a type of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source.
  • Fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, solid polymer electrolyte type, and the like depending on the type of electrolyte used.
  • the polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane. Then, electricity is generated by supplying hydrogen (fuel gas) to one side of the membrane electrode assembly and oxygen (oxidizing gas) to the other side. Since such a PEFC can obtain a volume output density equivalent to that of an internal combustion engine, research on practical use as a power source for an electric vehicle or the like is underway (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • a packaging method of the membrane electrode assembly various types such as a stack type, a pleat type, and a hollow fiber type have been proposed.
  • a stack type fuel cell configured by stacking sheet-like membrane electrode assemblies while being separated by a sheet-like separator is widely used.
  • a catalyst layer and an electrolyte membrane having a thickness of about 0.1 mm have a power generation function.
  • a typical fuel cell has a gas flow path having a height of 0.5 to 2 mm and a thickness of A gas diffusion layer of 0.2 to 0.5 mm is provided. That is, the thickness (cell pitch) of a typical fuel cell single cell is 1 to 5 mm.
  • the standard output of the single fuel cell is 0.5 to 1.5 W / cm 2 . Therefore, in a typical automotive fuel cell stack, the volumetric power density in the active area contributing to power generation is 1 to 3 kW / L, and the volumetric power density including manifolds is 0.5 to 1.5 kW / L. is there.
  • the long side of the portion that contacts the electrode layer (anode electrode layer, cathode electrode layer) of the separator is set to be not less than 2 times and not more than 6 times the short side. It is disclosed that the width, depth, and the like of the road are in a predetermined range. However, in the case where the long side and the short side of the separator are in this ratio, if the depth of the flow path is reduced to reduce the thickness of the single fuel cell, the pressure loss becomes excessive.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be downsized while maintaining flooding resistance, and a vehicle including the same.
  • a fuel cell includes a laminate of a membrane electrode assembly having anode and cathode electrode layers on both surfaces of an electrolyte membrane, and a separator.
  • the membrane electrode assembly and the separator have a substantially rectangular shape, the separator includes a smooth or flow path, and the electrode layer includes a gas diffusion layer and a catalyst layer.
  • the aspect ratio R which is the ratio of the channel length to the channel width on the cathode side or the anode side of the membrane electrode assembly (channel length / channel width), is 0.01 or more and less than 2.
  • the horizontal equivalent diameter D (mm) of the gas diffusion layer or flow path satisfies the formula (1).
  • D B ⁇ (R ⁇ Acat) 1/3 Formula (1) (In the formula (1), Acat is a catalyst area (cm 2 ) of the membrane electrode assembly, and B is a constant of 0.005 or more and 0.2 or less.)
  • FIG. 1 is a perspective view showing the fuel cell of the present embodiment.
  • FIG. 2 shows a fuel cell single cell constituting the fuel cell of this embodiment, (A) is a plan view of a separator, (B) is a plan view of a membrane electrode assembly, and (C) is a membrane electrode assembly. It is the figure which has arrange
  • FIG. 3 is an exploded view of the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment.
  • 4A is a plan view showing the membrane electrode assembly when the sealing material is removed, and FIG. 4B is a plan view showing the membrane electrode assembly when the sealing material is attached.
  • (C) is a principal part enlarged plan view which shows the wide part formed between the manifold and the catalyst layer.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the fuel cell of the present embodiment.
  • FIG. 2 shows a fuel cell single cell constituting the fuel cell of this embodiment, (A) is a plan view of a separator, (B) is a plan view
  • FIG. 5 is a plan view showing a membrane electrode assembly in which the widened portion and the gas diffusion layer are divided in parallel with the channel direction of the membrane electrode assembly.
  • 6A and 6B show a separator, in which FIG. 6A is a perspective view of a separator having a gas flow path formed on the surface thereof, and FIG. 6B is an enlarged perspective view of the gas flow path.
  • 7A is a diagram showing a separator with a high aspect ratio
  • FIG. 7B is a diagram showing a separator with a low aspect ratio
  • FIG. 7C is a diagram showing a separator with a low aspect ratio and a low flow path height.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a vehicle on which the fuel cell according to the present embodiment is mounted.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a vehicle on which the fuel cell according to the present embodiment is mounted.
  • FIG. 9 is a diagram showing the results of evaluating the IV characteristics of Example 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing the results of evaluating the SR characteristics of Example 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between voltage, output, and resistance with respect to current density in Example 3 and Comparative Example 1.
  • the fuel cell 1 of the present embodiment includes a plurality of fuel cell single cells 4 in which a pair of sheet-like separators 2 and sheet-like membrane electrode assemblies 3 are laminated. It is a stack type fuel cell (solid polymer fuel cell) comprising a laminated body.
  • the number of stacked fuel cell single cells 4 is not particularly limited. That is, even a single fuel cell unit cell 4 or a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell unit cells 4 are stacked are included in the fuel cell according to the present invention.
  • the membrane electrode assembly 3 includes a gas diffusion layer (anode side gas diffusion layer) 5a, a catalyst layer (anode catalyst layer) 6a, an electrolyte membrane 7, a catalyst layer (cathode) in order from the back to the front.
  • the joined body is composed of five layers, ie, a catalyst layer 6b and a gas diffusion layer (cathode side gas diffusion layer) 5b, and has a substantially rectangular shape in plan view.
  • the membrane electrode assembly 3 is combined with the substantially rectangular separator 2 and generates electricity by supplying oxygen (oxidizing gas) and hydrogen (fuel gas).
  • the catalyst layer 6a, the electrolyte membrane 7 and the catalyst layer 6b are divided into three layers, CCM (catalyst coated membrane), two layers of the catalyst layer 6 and the gas diffusion layer (GDL) 5, and gas diffusion electrodes ( GDE). Further, the gas diffusion electrode may be simply referred to as an electrode.
  • the membrane electrode assembly 3 and the separator 2 do not have to be completely rectangular, and may be substantially rectangular as long as a channel length W1 and a channel width (W2) described later can be specified. That is, they may be chamfered at the corners of the rectangle or may be elliptical.
  • the gas diffusion layers (GDL) 5a and 5b supply the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell to the catalyst layers 6a and 6b, and exchange electrons between the catalyst layers 6a and 6b and the separator 2. It has a function.
  • the gas diffusion layers 5a and 5b may further include other members (layers) on the surface layer, the inside, or both, as long as the object of the present invention is not impaired.
  • a carbon particle layer containing carbon particles may be provided on the surface of the gas diffusion layers 5a and 5b on the catalyst layers 6a and 6b side.
  • the gas diffusion layers 5a and 5b are preferably a porous body made of a conductive material, and more preferably a fiber material including paper, nonwoven fabric, woven fabric, knitted fabric, or net.
  • a conductive material include a carbon material and a metal material.
  • the half-value r of the average interfiber distance on the surface is preferably 100 ⁇ m or less, and more preferably 50 ⁇ m or less. Further, the half-value r of the average interfiber distance is more preferably 20 ⁇ m or less, still more preferably 15 ⁇ m or less, particularly preferably 10 ⁇ m or less, and most preferably 5 ⁇ m or less.
  • the half value r of the average interfiber distance defined here means a distance that is half of the average interfiber distance. That is, when the gas diffusion layer is made of a plain woven fiber material composed of vertical lines and horizontal lines, it indicates half of the distance between two adjacent vertical lines or horizontal lines.
  • the gas diffusion layers 5a and 5b and the catalyst layers 6a and 6b are separate layers. However, the gas diffusion layer and the catalyst layer may be integrated into a single layer.
  • a catalyst layer of a fuel cell has a substantially rectangular shape, and has a structure in which fuel gas, oxidizing gas, a cooling medium, and the like are introduced from one of two opposing sides and discharged from the other side.
  • the distance between the two opposite sides is defined as the flow path length
  • the distance (width) in the direction perpendicular to the direction in which the fuel gas, the oxidizing gas, the cooling medium and the like flow is defined as the flow path width.
  • each direction may be called a flow-path direction and a width direction.
  • the distance in the direction in which the oxidizing gas flows (the direction indicated by the arrow M1) is defined as the flow path length W1, the oxidizing gas.
  • the distance in the direction perpendicular to the direction of flow (the direction indicated by the arrow M2) is defined as a flow path width W2.
  • the aspect ratio R of the membrane electrode assembly 3 is the ratio of the channel length (W1) to the channel width (W2) of the catalyst layers 6a and 6b provided in the active area where power generation occurs (channel length / Channel width).
  • the membrane electrode assembly 3 since the membrane electrode assembly 3 is a concept including the catalyst layers 6a and 6b, it will be expressed as an aspect ratio R of the membrane electrode assembly 3 hereinafter for convenience.
  • the distance in the direction in which the oxidizing gas flows is the flow path length W1
  • the distance in the direction perpendicular to the direction in which the oxidizing gas flows is the flow path width W2
  • the aspect ratio R of the membrane electrode assembly 3 flow It was defined as path length (W1) / flow path width (W2).
  • the distance between the flow direction of the fuel gas on the anode side or the flow direction of the cooling medium in the cooling layer is defined as the flow path length W1
  • the distance in the direction perpendicular to the flow direction of the fuel gas is defined as the flow path width W2.
  • the aspect ratio R of the membrane electrode assembly 3 is 0.01 or more and less than 2.
  • the lower limit of the aspect ratio R is preferably 0.05 or more, more preferably 0.1 or more, and still more preferably 0.2 or more.
  • the upper limit of the aspect ratio is preferably less than 1.5, more preferably less than 1.2, still more preferably less than 1.0, still more preferably less than 0.6, particularly preferably less than 0.4, 0 .3 is most preferred.
  • the aspect ratio R is less than 0.01, the outer shape of the fuel cell becomes too thin, which may cause trouble when considering in-vehicle use.
  • the aspect ratio R is 2 or more, the horizontal equivalent diameter, which will be described later, increases, so that the required flow path volume per unit area of the membrane electrode assembly becomes excessive. For this reason, it is difficult to achieve miniaturization of the fuel cell which is the object of the present invention.
  • the shape of the separator 2 is rectangular so as to match the membrane electrode assembly 3.
  • Shape For example, as shown in FIG. 7A, when the separator 2A has a high aspect ratio (R is 2 or more), the flow path length is also increased, so that the pressure loss increases.
  • FIG. 7B when the separator 2B has a low aspect ratio (R is 0.01 or more and less than 2), the flow path length is shortened, so that the pressure loss with respect to the separator 2A is reduced. Decrease.
  • the pressure loss can be reduced by reducing the aspect ratio R as in the separator 2B. Therefore, as shown in FIG. 7C, even when the aspect ratio R is reduced and the height of the flow path is reduced, the pressure loss equivalent to that of the separator 2A of FIG. 7A can be maintained. At the same time, the height of the separator itself can be reduced.
  • the cross-sectional area of the flow path of the separator 2C of FIG. 7C is smaller than that of the flow path of the separator 2B of FIG. 7B, the flow rate of the reaction gas is higher in the flow path of the separator 2C. Become.
  • the configuration such as the separator 2C is preferably applied to the cathode side where the generated water tends to stay, but it contributes to miniaturization of the fuel cell even when applied to the anode side or the cooling medium. be able to.
  • the direction in which the fuel gas flows is parallel to the direction in which the oxidizing gas flows.
  • the direction in which the fuel gas flows can be perpendicular to the direction in which the oxidizing gas flows (cross flow).
  • the direction in which the fuel gas flows and the direction in which the oxidizing gas flows can be either the same direction (coflow) or the reverse direction (counterflow), but the counterflow is preferred.
  • the flow direction of the cooling medium is preferably parallel to the flow direction of the oxidizing gas, but can be vertical (cross flow).
  • the flow direction of the cooling medium and the flow direction of the oxidizing gas can be either the same direction (coflow) or the reverse direction (counterflow), but coflow is preferable.
  • two or more sets of oxidizing gas, fuel gas, and cooling are provided on the outer periphery of two opposite sides of the membrane electrode assembly or outside as a means for supplying fuel gas, oxidizing gas, and cooling medium necessary for the fuel cell.
  • a media manifold may be provided.
  • FIG. 4 an example in which a plurality of sets each including a fuel gas manifold 9, a cooling water manifold 10, and an oxidizing gas manifold 11 are formed on the outer peripheral portions of two opposite sides (long sides) of the membrane electrode assembly 3.
  • the fuel gas manifold 9 and the oxidizing gas manifold 11 are provided with a cooling water manifold 10 interposed therebetween.
  • the fuel gas manifold 9, the cooling water manifold 10 and the oxidizing gas manifold 11 are arranged in this order from the left side to the right side in the drawing, and a plurality of these three types of manifolds are repeatedly arranged.
  • the fuel gas manifolds 9 and the oxidizing gas manifolds 11 are alternately arranged on the outer periphery of the membrane electrode assembly 3 with the cooling water manifold 10 interposed therebetween.
  • a plurality of fuel gas manifolds 9, a cooling water manifold 10, and an oxidizing gas manifold 11 are provided on the outer peripheral portions of two opposite sides (long sides) of the electrolyte membrane 7 constituting the membrane electrode assembly 3.
  • the manifold is not necessarily provided on the electrolyte membrane.
  • a resin carrier sheet provided with the manifold is disposed along the outer edge of the electrolyte membrane having the same planar shape as the catalyst layer. Then, the outer edge of the electrolyte membrane and the inner edge of the carrier sheet are tightly adhered. Thereby, the same function as the membrane electrode assembly 3 of FIG. 3 can be expressed.
  • seal materials 12 are provided on the outer peripheral edges of the surfaces on the cathode side and the anode side of the membrane electrode assembly 3, respectively. Yes. Specifically, a sealing material 12 is provided on the outer peripheral edge of the surface on the cathode side of the electrolyte membrane 7 so as to surround the entire outer periphery and to surround the fuel gas manifold 9 and the cooling water manifold 10. However, the sealing material 12 is not provided around the oxidizing gas manifold 11.
  • a sealing material 12 is provided so as to surround the entire outer periphery and to surround the oxidizing gas manifold 11 and the cooling water manifold 10. ing. However, the sealing material 12 is not provided around the fuel gas manifold 9.
  • the sealing material 12 has a switching function for selecting which fluid (fuel gas, oxidizing gas, cooling medium) is allowed to flow through the active area of the membrane electrode assembly 3.
  • fluid fuel gas, oxidizing gas, cooling medium
  • FIG. 4B it can be seen that the cathode 12 of the membrane electrode assembly 3 is shown because the sealing material 12 is open on the front surface of the oxidizing gas manifold 11.
  • the sum AOx of the cross-sectional area of the oxidizing gas manifold 11 is preferably 1% or more and 50% or less of the catalyst area Acat of the cathode catalyst layer 6b. That is, in the membrane electrode assembly 3 shown in FIG. 4A, the total flow area AOx of the plurality of oxidizing gas manifolds 11 is 1% to 50% of the catalyst area Acat of the cathode catalyst layer 6b. preferable. Further, the sum AOx of the sectional area of the oxidizing gas manifold 11 is more preferably 10% or more and 40% or less, and further preferably 20% or more and 30% or less of the catalyst area Acat.
  • AOx When AOx is less than 1%, the oxidant gas distribution property in the width direction M2 of the membrane electrode assembly 3 is lowered, and the ventilation pressure loss in the manifold may be increased. Conversely, when AOx exceeds 50%, the volume of the fuel cell increases, which is not preferable.
  • the sum ARe of the cross-sectional area of the fuel gas manifold 9 is 1% or more and 30% or less of the catalyst area Acat of the anode catalyst layer 6a.
  • the sum ARe of the cross-sectional area of the fuel gas manifold 9 is more preferably 5% or more and 20% or less, and further preferably 10% or more and 15% or less of the catalyst area Acat of the anode catalyst layer 6a.
  • ARe is less than 1%, the oxidant gas distribution property in the width direction M2 of the membrane electrode assembly 3 may decrease, and the ventilation pressure loss in the manifold may increase.
  • ARe exceeds 30% the volume of the fuel cell increases, which is not preferable.
  • the number of the oxidizing gas manifolds 11 is divided into a plurality of active areas (regions where the catalyst layers 6a and 6b exist).
  • the manifold division number NOx of the oxidizing gas is preferably 2 or more and 100 or less, and more preferably 5 or more and 20 or less.
  • the oxidizing gas manifold 11 is divided into four on one of the long sides of the membrane electrode assembly 3. That is, in this embodiment, it is preferable that the oxidizing gas manifold 11 is divided into NOx pieces on one side of the membrane electrode assembly 3 on the flow path width (W2) side.
  • NOx When the NOx is less than 2, it may be difficult to easily and uniformly introduce the reaction gas and the cooling water into the membrane electrode assembly 3. Further, when NOx exceeds 100, there is little trouble when the fuel cell is very large, but the area of the sealing material required for each manifold increases. Therefore, it may be difficult to achieve the downsizing that is the purpose of this application.
  • the number of fuel gas manifolds 9 is preferably divided into a plurality of parts for one active area.
  • the fuel gas manifold division number NRe is preferably 2 or more and 100 or less, and more preferably 5 or more and 20 or less.
  • the fuel gas manifold 9 is divided into four on one of the long sides of the membrane electrode assembly 3. That is, in the present embodiment, it is preferable that the fuel gas manifold 9 is divided into NRe pieces on one side of the membrane electrode assembly 3 on the channel width (W2) side.
  • W2 channel width
  • NRe is less than 2
  • NRe exceeds 100, there is little trouble when the fuel cell is very large, but the area of the sealing material required for each manifold increases. Therefore, it may be difficult to achieve the downsizing that is the purpose of this application.
  • the widened portion 8 in the oxidizing gas is specifically provided on the sealing material 12 and the catalyst layers 6a and 6b (actually, on the catalyst layers 6a and 6b surrounding the periphery of the fuel gas manifold 9 and the cooling water manifold 10). It corresponds to a portion between the gas diffusion layers 5a and 5b).
  • the oxidizing gas flowing out from the oxidizing gas manifold 11 diffuses in the width direction M2 of the membrane electrode assembly 3 through the widened portion 8. Thereafter, the diffused oxidizing gas is supplied to the gas diffusion layer 5b and the catalyst layer 6b. Therefore, it is possible to efficiently generate power in the entire MEA active area.
  • the length L of the widened portion 8 is 1% or more and 30% or less of the flow path length L ′ in the gas flow direction M1 of the catalyst layers 6a and 6b (including the gas diffusion layers 5a and 5b).
  • the length L of the widened portion 8 is more preferably 5% or more and 20% or less, and further preferably 10% or more and 15% or less.
  • the length L of the widened portion 8 is less than 1% of the flow path length L ′, the pressure loss for supplying the oxidizing gas or the fuel gas to the front surfaces of the adjacent manifolds 9 and 11 is not preferable. Further, when the length L of the widened portion 8 exceeds 30% of the flow path length L ′, it is difficult to reduce the size of the fuel cell, which is not preferable.
  • the separator 2 has a function of collecting the electrons taken out from the catalyst layer 6a on the anode side to the gas diffusion layer 5a and sending them out to an external load circuit. Further, the separator 2 has a function of distributing electrons returned from the external load circuit to the cathode-side gas diffusion layer 5b and transmitting the electrons to the cathode-side catalyst layer 6b. Further, when the separator 2 does not have a gas blocking function on the surface of the gas diffusion layers 5a and 5b opposite to the catalyst layers 6a and 6b, the separator 2 has a gas blocking function by being in close contact with the gas diffusion layers 5a and 5b. Furthermore, the separator 2 has a temperature adjustment function (cooling function) of the fuel cell by forming a cooling layer (cooling medium flow path) as necessary.
  • a non-porous body having conductivity inside is preferable.
  • a metal foil such as an aluminum foil, a gold foil, a nickel foil, a copper foil, and a stainless steel foil, or a carbon foil composed of a carbon material such as natural graphite is preferable.
  • a plurality of manifolds are provided on the outer peripheral portions of two opposing sides of the separator 2, but the manifolds are not necessarily provided in the separator.
  • a resin carrier sheet provided with a manifold is disposed along the outer edge of a separator having the same planar shape as the catalyst layers 6a and 6b. Then, the outer edge of the separator and the inner edge of the carrier sheet are hermetically adhered. Thereby, it is possible to develop the same function as the separator of FIG.
  • the function of the manifold of the separator 2 is equivalent to the function of the manifold of the membrane electrode assembly 3.
  • the separator 2 can be formed with a flow path 13 for flowing an oxidizing gas or a fuel gas on the surface thereof. Moreover, the separator 2 can be formed with a flow path (not shown) for circulating a cooling medium therein as required.
  • the cross-sectional shape of the flow path provided in the separator 2 is composed of convex portions called ribs and concave portions called channels. Among these, electrons generated in the catalyst layer are collected by the ribs coming into contact with the gas diffusion layer.
  • ribs convex portions
  • channels concave portions
  • the horizontal shape of the flow path 13 is preferably formed by a straight line connecting two opposing sides of a substantially rectangular catalyst layer at the shortest distance.
  • the oxidizing gas when the oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas manifold 11 provided on the upper side, the oxidizing gas diffuses in the width direction M2 through the widened portion 8 on the upper side. Then, it flows downward through the flow path 13 that is parallel to the gas flow direction M1. Then, the gas is discharged from the oxidizing gas manifold 11 provided on the lower side through the widened portion 8 on the lower side. Therefore, the oxidizing gas can be efficiently dispersed in the gas diffusion layer 5b and the cathode catalyst layer 6b.
  • the flow path 13 can be a straight line or a curved line having a length equal to or longer than the shortest distance as long as the object of the present invention is not impaired.
  • the entire surface of the catalyst layer can be covered.
  • a conventionally known means such as press working or cutting can be used.
  • the flow path 13 through which the reaction gas flows can be formed by the ribs and channels provided on the surface of the separator 2 as described above.
  • the present invention is not limited to this, and when the equivalent diameter in the flow path direction in the porous structure constituting the gas diffusion layers 5a and 5b has a specific equivalent diameter as described later, the same function as the flow path 13 is provided. Is possible. In this case, since it is not necessary to form the flow path 13 composed of the rib and the channel on the surface of the separator 2, the separator can be made smooth. Moreover, you may make it provide the said flow path in both the gas diffusion layers 5a and 5b and the separator 2. FIG.
  • the fuel cell has a low aspect structure, and at the same time, the horizontal equivalent diameter of the flow path provided in at least one of the gas diffusion layer and the separator is limited to a specific range, thereby maintaining flood resistance.
  • the overall size of the fuel cell stack including the manifold volume can be reduced.
  • the horizontal equivalent diameter means that when a fluid (reaction gas, cooling medium) flows in a fixed or irregular flow path and a pressure loss occurs, assuming a circular tube that generates the same pressure loss, The inner diameter of the flow path of the circular pipe.
  • the present embodiment is characterized in that the horizontal equivalent diameter D of the flow path 13 formed in at least one of the gas diffusion layers 5a and 5b and the separator 2 satisfies the following expression (1).
  • D B ⁇ (R ⁇ Acat) 1/3 Formula (1)
  • Acat is a catalyst area (cm 2 ) of the membrane electrode assembly
  • B is a constant of 0.005 or more and 0.2 or less.
  • the equivalent diameter (also referred to as the representative length) is the same as that of a circular pipe that generates the same pressure loss when a fluid flows through an irregular channel and a pressure loss occurs. It corresponds to the inner diameter of the flow path.
  • D 4ab / (2a + 2b).
  • a is the length of the short side of the channel and b is the length of the long side of the channel.
  • the horizontal equivalent diameter D of the gas diffusion layers 5a, 5b or the flow path 13 in this specification is defined as follows. 1) When the flow path 13 is formed in the gas diffusion layers 5a and 5b, it is an equivalent diameter in the flow path direction in the porous structure constituting the gas diffusion layers 5a and 5b. 2) When the flow path 13 is formed on the separator surface, it is the larger of the equivalent diameter of the flow path 13 and the equivalent diameter in the flow path direction in the porous structure constituting the gas diffusion layer.
  • B described in the above formula (1) is a constant of 0.005 or more and 0.2 or less.
  • the lower limit of the B value is preferably 0.01, more preferably 0.02 or more, and particularly preferably 0.05 or more.
  • the upper limit of B is preferably 0.1 or less, more preferably 0.09 or less, and particularly preferably 0.08 or less. If B is less than 0.005, the pressure loss becomes excessive, which is not preferable. If B is larger than 0.2, the height of the flow path or the gas diffusion layer becomes excessive, which is not preferable.
  • De 4ab / (2a + 2b).
  • the b / a ratio is preferably 1.2 or more, more preferably 1.3 or more, still more preferably 1.4 or more, and even more preferably 1.5 or more.
  • the electrolyte membrane 7 is a kind of selectively permeable membrane having a function of transporting protons and insulating electrons.
  • the electrolyte membrane 7 is roughly classified into a fluorine-based electrolyte membrane and a hydrocarbon-based electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material.
  • the fluorine-based electrolyte membrane has excellent heat resistance and chemical stability because it has a C—F bond.
  • a perfluorosulfonic acid membrane known under the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) can be used as the electrolyte membrane 7, a perfluorosulfonic acid membrane known under the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) can be used.
  • the catalyst layer (cathode catalyst layer) 6b provided on the cathode side is a layer containing an electrode catalyst and an ionomer on which a catalyst component is supported.
  • the electrode catalyst has a function of promoting a reaction (oxygen reduction reaction) that generates water from protons, electrons, and oxygen.
  • the electrode catalyst has, for example, a structure in which a catalyst component such as platinum is supported on the surface of a conductive carrier made of carbon or the like.
  • the catalyst layer (anode catalyst layer) 6a provided on the anode side is a layer containing an electrode catalyst and an ionomer on which a catalyst component is supported.
  • the electrode catalyst has a function of promoting a reaction (hydrogen oxidation reaction) for dissociating hydrogen into protons and electrons.
  • the electrode catalyst has, for example, a structure in which a catalyst component such as platinum is supported on the surface of a conductive carrier made of carbon or the like.
  • the widened portion 8 may be divided according to the number of divisions of the manifolds 9, 10, 11.
  • the widened portion 8 is parallel to the flow channel direction M1 of the membrane electrode assembly 3 by the widened portion dividing portion 14 in which a part of the sealing material 12 is protruded toward the gas diffusion layers 5a and 5b. It is divided.
  • the number of divisions of the widened portion 8 is preferably matched with the manifold division number NOx. In FIG. 5, the number of divisions of the widened portion is set to 4, including the manifold division number of the oxidizing gas.
  • Such division of the widened portion 8 makes it possible to limit the supply of fluid from each manifold to a specific flow path width. As a result, even when the supply of fluid is more than expected, the fluid can be supplied evenly in the width direction M2 of the membrane electrode assembly 3.
  • the gas diffusion layers 5a and 5b may also be divided according to the number of divisions of the manifolds 9, 10, and 11.
  • a gas-impermeable material slit
  • the number of divisions of the gas diffusion layers 5a and 5b is preferably matched with the manifold division number NOx. In FIG. 5, the number of divisions of the gas diffusion layer is set to 4 together with the number of manifold divisions of the oxidizing gas.
  • the mechanism of the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to this embodiment is as follows. That is, protons and electrons are generated from the hydrogen supplied to the anode catalyst layer 6a. Protons generated at the anode move through the electrolyte membrane 7 and reach the cathode catalyst layer 6b. On the other hand, the electrons generated at the anode are taken out from the fuel cell through a conducting wire (conductor). The electrons consume electric energy in the external load circuit, and then return to the cathode through the conducting wire (conductor) and react with oxygen supplied to the cathode catalyst layer 6b to generate water.
  • a conducting wire conductor
  • the fuel cell is operated by supplying hydrogen to one electrode (anode) and supplying oxygen or air to the other electrode (cathode).
  • the operating temperature is usually 50 ° C. to 100 ° C., in which moisture management is easy.
  • FIG. 8 An example of the vehicle carrying the fuel cell of this embodiment is shown.
  • a vehicle 18 shown in FIG. 8 has the fuel cell 1 of this embodiment as a drive source mounted below the floor. Since the vehicle 18 equipped with such a fuel cell 1 is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or a stack type fuel cell having a very excellent output performance, it exhibits a high output.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • the membrane electrode assembly and the separator have a low aspect structure with an aspect ratio of less than 2, and the flow path is derived from the aspect ratio and the area of the catalyst layer.
  • the horizontal equivalent diameter is in a predetermined range.
  • a plurality of oxidizing gases are provided on the outer peripheral portions on the opposite sides of the membrane electrode assembly or outside.
  • the fuel gas manifolds are alternately arranged. Therefore, each gas and fluid can be evenly supplied in the width direction of the catalyst layer (active area) of the membrane electrode assembly even in the low aspect structure wide in the width direction.
  • each gas and fluid is further separated in the width direction of the catalyst layer (active area) of the membrane electrode assembly. Can be supplied evenly.
  • the length of the widened portion is in a specific range (1% or more and 30% or less) with respect to the flow path length. Therefore, the volume of the widened portion can be reduced without causing excessive pressure loss.
  • the sum of the cross-sectional areas of the oxidizing gas and fuel gas manifolds is in a specific range (1% or more and 30% or less) with respect to the area of the catalyst layer. Therefore, the volume of the manifold can be reduced without causing excessive pressure loss.
  • each manifold of oxidizing gas and fuel gas takes a specific number of divisions (range of 3 to 100). Therefore, good flow distribution can be realized without causing excessive pressure loss.
  • the widened portion is divided in parallel with the flow channel direction of the membrane electrode assembly to obtain a specific division number.
  • the gas diffusion layer is divided in parallel with the flow path direction of the membrane electrode assembly to obtain a specific number of divisions. Thereby, the influence between adjacent manifolds can be cut off, and a good flow distribution of each gas with respect to the catalyst layer can be realized.
  • the vehicle according to the present embodiment includes a fuel cell that is downsized while maintaining flooding resistance as described above, the vehicle is excellent in in-vehicle performance and productivity preliminary cost.
  • Example 1 First, 5 parts of acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. (carbon average particle size: about 3 ⁇ m) and 1 part of Polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries were mixed to prepare an ink slurry. Next, the above-mentioned ink slurry was applied to carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., and then fired at 350 ° C. to prepare a GDL having a carbon particle layer on the surface. The thickness of the obtained GDL was 0.2 mm, and the shape of the GDL was a rectangle having a width of 595 mm and a length of 52 mm.
  • a catalyst layer containing platinum-supported carbon was applied to both surfaces of the electrolyte membrane (polymer electrolyte membrane Nafion 211 manufactured by DuPont Co., Ltd.) to prepare a CCM.
  • the shape of the CCM was a rectangle having a width of 606 mm and a length of 88 mm.
  • the shape of the catalyst layer was a rectangle having a width of 593 mm and a length of 50 mm. That is, the aspect ratio R was 0.084.
  • a metal separator provided with a plurality of flow paths was prepared.
  • the shape of the separator was a rectangle having a width of 606 mm and a length of 88 mm.
  • 1706 channels having a rectangular cross section with a channel height of 0.1 mm, a rib width of 0.15 mm, a channel width of 0.20 mm, and a rib pitch of 0.35 mm are formed. That is, it is formed parallel to the short side of the separator.
  • the horizontal equivalent diameter D in the present embodiment can be determined as 0.029 mm to 0.29 mm from the above-described equation (1), and the equivalent diameter is within this range.
  • the end plate was provided with two pipe-like external manifolds on the outer periphery of the long side opposite to the surface in contact with the current collector plate, that is, on the same line as the separator manifold row.
  • the external manifold is a pipe-like structure having a function of supplying gas to the manifold row, and is provided with a hole having an inner diameter of 25 mm.
  • the two external manifolds are for air supply and exhaust.
  • a sealant made of silicone rubber was disposed around each manifold and the outer periphery of the fuel cell. Further, copper was used for the current collector, and the shape thereof was a rectangle having a width of 598 mm and a length of 52 mm.
  • the ribbon heater was wound around the said fuel cell single cell, and temperature control was carried out at 80 degreeC. Further, air having a pressure of 200 kPa_a and a dew point of 54 ° C. was supplied to one end plate, and hydrogen having a pressure of 200 kPa_a and a dew point of 54 ° C. was supplied to the other end plate at a flow rate of 10 NL / min and 4 NL / min, respectively. And it was operated at a current density of 1.2 a / cm 2 . As a result, stable operation was possible with a cathode pressure loss of 23 kPa and an anode pressure loss of 7 kPa.
  • Example 2 Comparative Example 1
  • the fuel cell according to the present invention is characterized in that the shape of the membrane electrode assembly has an aspect ratio of less than 2.
  • the fluid is divided into a plurality of subscale fuel cells in parallel with the flow path direction while maintaining a preferable horizontal equivalent diameter, and various fluids proportional to the catalyst layer area are supplied, one subscale fuel cell Is considered to have the same power generation characteristics per unit area as a full-size fuel cell.
  • it is preferable to use such a subscale fuel cell because the power generation characteristics of a full-size fuel cell can be easily predicted with a small experimental facility. Therefore, in order to investigate in detail the power generation characteristics (and drainage) of Example 1 using a subscale fuel cell, the following fuel cells of Example 2 and Comparative Example 1 were prepared.
  • Example 1 First, the membrane electrode assembly of Example 1 was cut out with a width of 50 mm and a length of 50 mm. Next, a separator provided with a “serpentine channel” having a rectangular cross-sectional channel with a channel height of 1 mm, a rib width of 1 mm, a channel width of 1 mm, a rib pitch of 2 mm, a channel direction of 50 mm, and a width direction of 50 mm was prepared. Using these, a subscale fuel cell of Comparative Example 1 was prepared.
  • Example 2 Power generation evaluation of Example 2 and Comparative Example 1
  • the results of evaluating IV characteristics using the fuel cells of Example 2 and Comparative Example 1 are shown in FIG.
  • the IV characteristic is an abbreviation for current-voltage characteristics, and the higher the voltage at the same current density, the better.
  • the fuel cell of Example 2 is surprisingly 1A more than the fuel cell of Comparative Example 1 despite the fact that the channel height is reduced to 1/10 that of Comparative Example 1.
  • Excellent power generation characteristics were exhibited at a current density of / cm 2 or more.
  • the SR characteristic is an abbreviation for stoichiometric ratio-voltage characteristics.
  • the stoichiometric ratio 1 means that the flow rate of the oxidizing gas or the fuel gas is supplied in an amount necessary to generate a certain current density.
  • the fuel cell of Example 2 surprisingly exhibited power generation characteristics superior to the fuel cell of Comparative Example 1 despite the fact that the flow path height was reduced to 1/10 that of Comparative Example 1.
  • Comparative Example 1 it was assumed that the high aspect ratio fuel cell was divided into a plurality of subscale fuel cells in parallel with the flow path direction. Since each sub-scale fuel cell exhibits different power generation characteristics depending on the cutting position, it is not easy to predict the power generation characteristics of a full-size fuel cell.
  • Example 3 Using the fuel cell of Example 2, the power generation evaluation of Example 3 was performed under the following operating conditions. That is, the stoichiometric ratio was 1.6 (anode) and 1.5 (cathode), the inlet relative humidity was non-humidified (anode), 20% RH (cathode), and the operating pressure was 200 kPa (absolute pressure). Furthermore, the thicknesses of the carbon paper and the electrolyte membrane as the gas diffusion layer were 80 ⁇ m and 15 ⁇ m, respectively. Otherwise, the power generation characteristics were evaluated in the same manner as in Example 2.
  • Example 3 The results of evaluating the IV characteristics of Example 3 and Comparative Example 1 are shown in FIG.
  • the fuel cell of Example 3 exhibited excellent power generation characteristics of 0.681 V at 1.486 A / cm 2 and 0.601 V at 2.383 A / cm 2 .
  • the fuel cell of Comparative Example 1 was 0.598 V at 1.200 A / cm 2 , and the fuel cell of Example 3 was able to obtain a current density of 1.98 times at the same voltage.
  • the pressure loss in Example 3 at 2.383 A / cm 2 was a cathode of 4.2 kPa and an anode of 12 kPa.
  • Example 2 and Example 3 showed excellent power generation characteristics with respect to Comparative Example 1 is not yet clear, but the following reason is presumed.
  • the pressure loss is equivalent to that of the prior art (and therefore the load of the fluid supply device is also equivalent).
  • the pressure loss “gradient” is stronger than that of the prior art, and as a result, the generated water can be surely removed despite the miniaturization and miniaturization of the flow path height.
  • the membrane electrode assembly and the separator are substantially rectangular, and the ratio of the channel length to the channel width on the cathode side or anode side in the membrane electrode assembly (channel length / The aspect ratio R, which is the channel width, is 0.01 or more and less than 2.
  • at least one of the gas diffusion layer and the separator has a flow path, and the horizontal equivalent diameter D (mm) of the flow path satisfies the formula (1).
  • the fuel cell according to the present invention is characterized in that the membrane electrode assembly and the separator have a low aspect structure, and the horizontal equivalent diameter of the flow path derived from the aspect ratio and the area of the catalyst layer is within a predetermined range. .
  • the same active area area the same pressure loss, and the same gas flow rate as conventional fuel cells, fuel gas, oxidizing gas, cooling medium, water vapor and generated water accompanying power generation, etc. are transported at a smaller channel height, that is, cell pitch. It becomes possible to do. Therefore, according to the fuel cell of the present invention, the anti-flooding performance can be maintained and the fuel cell can be miniaturized.
  • a plurality of manifolds are provided on the outer peripheral portions or outside of the two opposite sides of the membrane electrode assembly.

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Abstract

　本発明の燃料電池（１）は、電解質膜（７）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（３）と、セパレータ（２）との積層体からなる。そして、前記膜電極接合体（３）と前記セパレータ（２）は略矩形をなし、当該セパレータ（２）は平滑若しくは流路を備え、前記電極層はガス拡散層及び触媒層からなる。また、前記膜電極接合体（３）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、前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は前記膜電極接合体（３）の触媒面積（ｃｍ２）、Ｂは０．００５以上０．２以下の定数である。）

Description

燃料電池及び燃料電池を備えた車両
　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／ｃｍ２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（ｃｍ２）、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（ｃｍ２）、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／ｃｍ２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／ｃｍ２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／ｃｍ２で０．６８１Ｖ、２．３８３Ａ／ｃｍ２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／ｃｍ２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／ｃｍ２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 (10)

  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、
    　前記電極層はガス拡散層及び触媒層からなり、
    　前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未満であり、
    　前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（ｃｍ２）、Ｂは０．００５以上０．２以下の定数である。）
  2. 　前記膜電極接合体における対向する二辺の外周部又はその外部に、二組以上の酸化ガスマニホールド又は燃料ガスマニホールドが配置され、
    　前記酸化ガスマニホールド又は燃料ガスマニホールドと前記触媒層との間に、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対向する二辺の外周部又はその外部に、二組以上の酸化ガスマニホールド及び燃料ガスマニホールドがそれぞれ交互に配置され、
    　前記酸化ガスマニホールド及び燃料ガスマニホールドと前記触媒層との間に、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、前記膜電極接合体の流路長の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. 　前記酸化ガスマニホールドの断面積の和ＡＯｘが触媒面積Ａｃａｔの１％以上３０％以下であり、前記燃料ガスマニホールドの断面積の和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. 　請求項１乃至８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。
  10. 　請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池を備えた車両。 
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