WO2012137925A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2012137925A1
WO2012137925A1 PCT/JP2012/059533 JP2012059533W WO2012137925A1 WO 2012137925 A1 WO2012137925 A1 WO 2012137925A1 JP 2012059533 W JP2012059533 W JP 2012059533W WO 2012137925 A1 WO2012137925 A1 WO 2012137925A1
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gas diffusion
diffusion layer
rib
fuel cell
width
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敏和 小▲高▼
雄一郎 田渕
陽介 福山
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日産自動車株式会社
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a fuel cell that can reduce both oxygen transport resistance and electronic resistance and exhibit high performance.
  • a metal gas diffusion region and a base region that includes carbon and can be disposed adjacent to an electrode of the fuel cell are provided.
  • Research and development have been conducted on diffusion layers for fuel cells. Specifically, a fuel cell diffusion layer is proposed in which a conductive region formed of a material different from the gas diffusion region and the base region is provided between the gas diffusion region and the base region (see Patent Document 1). ).
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of reducing both oxygen transport resistance and electronic resistance and exhibiting high performance.
  • the inventors of the present invention have made extensive studies in order to achieve the above object.
  • the occupied area ratio S C ( ⁇ ) of the channel which is the gas flow path on the surface facing the gas diffusion layer of the fuel cell and the thickness t ( ⁇ m) of the gas diffusion layer have a predetermined relationship.
  • the present inventors have found that the above object can be achieved, and have completed the present invention.
  • the fuel cell of the present invention includes a membrane electrode assembly, a pair of gas diffusion layers that sandwich the membrane electrode assembly, and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly and the pair of gas diffusion layers.
  • Each of the pair of separators has a rib that forms a channel that is a gas flow path on a surface facing the gas diffusion layer.
  • the channel occupation area ratio S C ( ⁇ ) on the surface facing the gas diffusion layer and the thickness t ( ⁇ m) of the gas diffusion layer satisfy the relationship represented by the following formula (1). 0.9> S C ⁇ 55 (t ⁇ 103) 2 /1000000+0.3 (1)
  • FIG. 1A and 1B are views showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view showing an outline of the fuel cell, and FIG. 1B is a specific part in a separator of the fuel cell. It is a figure explaining the definition of length.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an outline of another example of the gas diffusion layer of the fuel cell of FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing electric conductivity characteristics according to still another example of the gas diffusion layer of the fuel cell of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of a cross section taken along line VIII-VIII in FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a cross section taken along line XX in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining how to define the rib width W Rcg and the channel width W Ccg in the fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining how to define the rib width W Rcg and the channel width W Ccg in another example of the fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing an isooxygen transport resistance curve.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the oxygen transport resistance and the value obtained by normalizing the voltage at the vehicle rated current with the vehicle rated voltage.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the occupied area ratio S C ( ⁇ ) of the gas flow path and the resistance ( ⁇ ) normalized by the resistance in the ideal state.
  • FIG. 13 is a graph showing an isooxygen transport resistance curve.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the oxygen transport resistance and the value obtained by normalizing the voltage at the vehicle rated current with the vehicle rated voltage.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the occupied area ratio S C ( ⁇ ) of the gas flow path and the resistance ( ⁇ ) normalized by the resistance in the ideal state.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between W C / (W C + W R ) ( ⁇ ) and the difference (S / m) from the oxygen transport resistance TR req necessary for securing a predetermined voltage.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the rib width W R (mm) and the upper limit ( ⁇ ) of W C / (W C + W R ).
  • FIG. 18 shows W C / (W C + W R ) ( ⁇ ) and oxygen necessary for securing a predetermined voltage when the electrical conductivity is changed when the rib width is 1.0 (mm). It is a graph which shows the relationship with the difference (S / m) from transport resistance TRreq .
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the rib width W R (mm) and the upper limit ( ⁇ ) of W C / (W C + W R ).
  • FIG. 18 shows W C / (W C + W R ) ( ⁇ ) and oxygen necessary for securing a predetermined voltage when the electrical
  • FIG. 19 shows W C / (W C + W R ) ( ⁇ ) and oxygen transport resistance TR necessary for securing a predetermined voltage when the electric conductivity is changed when the rib width is 0.7 mm. It is a graph which shows the relationship with the difference (S / m) from req .
  • FIG. 20 is a graph showing the upper limit ( ⁇ ) of W C / (W C + W R ) for each electrical conductivity.
  • FIG. 21 is a graph showing the relationship between each electrical conductivity and the upper limit slope of W C / (W C + W R ).
  • FIG. 22 is a graph showing the results of performance evaluation of each example.
  • FIG. 1A and 1B are views showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view showing an outline of the fuel cell, and FIG. 1B is a specific part in a separator of the fuel cell. It is a figure explaining the definition of length.
  • the fuel cell 100 of the first embodiment includes a membrane electrode assembly 10, a pair of gas diffusion layers 20 a and 20 c that sandwich the membrane electrode assembly 10, and the membrane electrode assembly 10 and And a pair of separators 30 that sandwich the pair of gas diffusion layers 20a and 20c.
  • Each of the pair of separators 30 has ribs 31 that form channels Ca and Cc, which are gas flow paths, on the surfaces facing the gas diffusion layers 20a and 20c.
  • the channel occupation area ratio S C ( ⁇ ) on the surface facing the gas diffusion layers 20a and 20c and the thickness t ( ⁇ m) of the gas diffusion layer are expressed by the following formula (1). Satisfied.
  • the occupied area ratio Sc of the channel can be calculated by specifically measuring according to each case. 0.9> S C ⁇ 55 (t ⁇ 103) 2 /1000000+0.3 (1)
  • the membrane electrode assembly 10 has a configuration in which an electrolyte membrane 11 is sandwiched between a pair of catalyst layers 13a and 13c. Conventionally known materials used in fuel cells can be applied to the electrolyte membrane and the catalyst layer. This will be specifically described below.
  • the electrolyte membrane 11 is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane.
  • This solid polymer electrolyte membrane has a function of selectively allowing protons generated in the catalyst layer on the anode side during operation of the solid polymer fuel cell to permeate the catalyst layer on the cathode side along the film thickness direction.
  • the solid polymer electrolyte membrane also has a function as a partition for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.
  • Electrolyte membranes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolyte membranes and hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material.
  • ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like.
  • Perfluorocarbon sulfonic acid polymer perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A membrane is used.
  • hydrocarbon electrolyte examples include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, sulfonated poly Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP).
  • S-PES sulfonated polyethersulfone
  • S-PEEK ether ketone
  • S-PPP sulfonated polyphenylene
  • the thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited.
  • the thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 300 ⁇ m. When the thickness of the electrolyte membrane is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.
  • the catalyst layers 13a and 13c include, for example, a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte.
  • a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.
  • the catalyst layers are layers in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer.
  • the catalyst component used for the catalyst layer on the anode side is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and conventionally known catalysts can be used in the same manner.
  • the catalyst component used for the catalyst layer on the cathode side is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and conventionally known catalysts can be used in the same manner.
  • platinum Pt
  • ruthenium Ru
  • iridium Ir
  • rhodium Rh
  • palladium Pd
  • osmium Os
  • tungsten W
  • lead Pb
  • iron Fe
  • metals such as chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium (Ga), aluminum (Al), and alloys thereof. be able to.
  • an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties.
  • the eutectic alloy which is a mixture of the component elements to form separate crystals, the component elements are completely melted into a solid solution, the component element is an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. In the present invention, any of them may be used.
  • the catalyst component used in the anode-side catalyst layer and the catalyst component used in the cathode-side catalyst layer can be appropriately selected from the above.
  • descriptions of catalyst components for the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”.
  • the catalyst components of the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
  • the shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as those of conventionally known catalyst components can be employed.
  • the shape of the catalyst component is preferably granular.
  • the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, it is possible to appropriately control the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading.
  • the “average particle diameter of catalyst particles” in the present invention is the average of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a value.
  • the catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member.
  • Any catalyst carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electric conductivity, and the main component is preferably carbon.
  • the main component is carbon means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3% by mass or less of impurities can be allowed.
  • the BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst carrier is within such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.
  • the size of the catalyst carrier is not particularly limited, but from the viewpoints of easy loading, catalyst utilization, and catalyst layer thickness control within an appropriate range, the average particle size is about 5 to 200 nm, preferably 10 It is preferable to set it to about 100 nm.
  • the amount of the catalyst component supported is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass, based on the total amount of the electrode catalyst.
  • the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled.
  • the amount of the catalyst component supported on the electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
  • the catalyst layer contains an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst.
  • the polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate.
  • the ion exchange resin which comprises the polymer electrolyte layer mentioned above can be added to a catalyst layer as a polymer electrolyte.
  • the gas diffusion layers (the gas diffusion layer 20a on the anode side and the gas diffusion layer 20c on the cathode side) have a configuration in which the gas diffusion layer base layers 21a and 21c and the gas diffusion layer base layers 23a and 23c are laminated, respectively. Yes.
  • This gas diffusion layer has a function of promoting diffusion of a gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through a channel which is a gas flow path of the separator to the catalyst layer, and a function as an electron conduction path.
  • the gas diffusion layer base layers 21a and 21c have a configuration made of an aggregate of carbon particles containing carbon and a water repellent material, for example, in order to further improve water repellency.
  • a gas diffusion layer underlayer is called a microporous layer (MPL).
  • Carbon is not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately used. Among them, it is preferable to use carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black because of excellent electron conductivity and a large specific surface area.
  • the average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
  • the water repellent material is not particularly limited as long as the water repellency can be further increased to suppress or prevent the flooding phenomenon.
  • fluoropolymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, and olefins such as polypropylene and polyethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • polyhexafluoropropylene tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer
  • olefins such as polypropylene and polyethylene
  • the mixing ratio of carbon and water repellent material in the gas diffusion layer underlayer is about 90:10 to 40:60 (carbon: water repellent material) in mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. Note that anisotropy can be imparted to the electrical conductivity by using vapor-grown carbon, carbon fiber, or carbon nanotube, or adjusting the orientation of carbon to be contained.
  • the thickness of the gas diffusion layer base layer will be described later.
  • the gas diffusion layer base layer may contain a material other than carbon and a water repellent material, and conventionally known materials used for the gas diffusion layer can be applied.
  • the gas diffusion layer base material layers 23a and 23c are not particularly limited with respect to the constituent materials, and conventionally known materials can be used.
  • these metal porous bodies also have an advantage that the thickness, porosity, etc. can be easily adjusted in the production process.
  • the gas diffusion layer base layer preferably contains carbon and a water repellent material
  • the gas diffusion layer base material layer preferably contains a metal porous body.
  • the gas diffusion layer underlayer containing carbon and the water repellent material should be interpreted to include a gas diffusion layer underlayer consisting only of carbon and the water repellent material.
  • the gas diffusion layer base material layer containing the metal porous body should be interpreted to include a gas diffusion layer base material layer made of only the metal porous body.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an outline of another example of the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer 20c contains carbon or a water repellent material, which is a material constituting the gas diffusion layer base layer 21c, in a portion of the gas diffusion layer base material layer 23c that is a hole. It may be. In this way, there is an advantage that the surface properties and the like in the pores can be controlled, and the flooding resistance can be further improved.
  • FIG. 3 is a graph showing the electrical conductivity characteristics according to still another example of the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer has sensitivity to the surface pressure in the thickness direction as shown by a solid line in FIG. 3 (for example, carbon)
  • the electric conductivity ⁇ of the gas diffusion layer of the equation (2) described later is used. It is preferable to apply the electrical conductivity ⁇ pressure in the state where the fuel cell is formed.
  • the state of forming a fuel cell a state in which it takes the same surface pressure P A and the surface pressure at the time of assembling the cell the gas diffusion layer.
  • the electrical conductivity ⁇ pressure as the electrical conductivity ⁇ in the formula (2), even when the gas diffusion layer is sensitive to the surface pressure in the thickness direction, the oxygen transport resistance and the electronic resistance are further reduced. Thus, a fuel cell capable of expressing higher performance can be obtained.
  • “having sensitivity to the surface pressure” means that the electrical conductivity of the gas diffusion layer changes when the surface pressure applied to the gas diffusion layer is changed.
  • the alternate long and short dash line shows an example of a gas diffusion layer (for example, a metal porous body) that has no sensitivity to the surface pressure. Needless to say, such a gas diffusion layer having no sensitivity to the surface pressure in the thickness direction can be applied to the fuel cell of the present invention.
  • the separator 30 sandwiches the membrane electrode assembly 10 and the pair of gas diffusion layers 20a and 20c.
  • the separator 30 also has ribs 31 that form channels Ca and Cc that are gas flow paths on the surface facing the gas diffusion layers 20a and 20c.
  • the separator is not particularly limited with respect to the constituent material, and a conventionally known material can be used.
  • the material constituting the separator is preferably a material through which the supplied gas is difficult to permeate, and is preferably a material through which the current taken out by the battery reaction easily flows.
  • Specific examples include metal materials such as iron, titanium, aluminum, and alloys thereof, and polymer materials (conductive plastics) imparted with conductivity using various metal materials and carbon materials. Note that the iron alloy includes stainless steel.
  • the gas diffusion layer is bonded or pressure-bonded to one or both of the membrane electrode assembly and the separator.
  • bonding and pressure bonding for example, cold pressing, hot pressing, welding, welding, diffusion bonding, or the like can be used. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together suitably.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the second embodiment of the present invention.
  • symbol same as them is attached
  • the fuel cell 200 according to the second embodiment has the same configuration as that of the fuel cell according to the first embodiment, except that a pair of gas diffusion layers 20a and 20c is composed of a single layer. . Applying a single gas diffusion layer as a pair of gas diffusion layers 20a and 20c has the advantage that the structure can be simplified and the cost can be reduced.
  • the constituent material of the gas diffusion layer either the constituent material of the gas diffusion layer base layer or the constituent material of the gas diffusion layer base layer may be applied as it is. You may combine the constituent material of a gas diffusion layer base material layer suitably.
  • the electric conductivity of the gas diffusion layer has anisotropy
  • the electric conductivity in the width direction of the rib indicated by the arrow X in FIG. The degree ⁇ inplane may be applied.
  • the electric conductivity ⁇ imprane as the electric conductivity ⁇ in the formula (2), even when the electric conductivity of the gas diffusion layer is anisotropic, the oxygen transport resistance and the electronic resistance are further reduced. Thus, a fuel cell capable of expressing higher performance can be obtained.
  • the electric conductivity in any direction may be applied.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the third embodiment of the present invention.
  • symbol same as them is attached
  • a pair of gas diffusion layers 20a and 20c is applied as a single layer, and the shape of the channel in a cross section substantially perpendicular to the gas flow direction in the separator.
  • the configuration is the same as that of the fuel cell of the first embodiment, except that is a non-rectangular shape (in the present embodiment, a trapezoidal shape).
  • the rib width W R of formula (2) described later it may be applied to the width W Rcontact of a portion in contact with the rib of the separator.
  • the width W C the width W Contact of the portion facing the gas diffusion layer of the channel may be applied. This channel width W Contact corresponds to the length of the side that contacts the gas diffusion layer among the sides that form the non-rectangular cross section of the channel.
  • the channel width W Rcontact and the channel width W Ccontact as the rib width W R and the channel width W C of the formula (2), if the channel shape in substantially the cross section perpendicular to the gas flow direction in the separator is not rectangular in shape Even so, it is possible to obtain a fuel cell in which oxygen transport resistance and electronic resistance are further reduced and higher performance can be exhibited.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention.
  • symbol same as them is attached
  • the fuel cell 400 of the fourth embodiment is the same as that described above except that a pair of gas diffusion layers 20a and 20c each having n layers (having an n-layer structure stacked in the thickness direction) is applied. It has the same configuration as the fuel cell of one embodiment.
  • the electrical conductivity ⁇ layered calculated from the following formula (3) may be applied as the electrical conductivity ⁇ of the gas diffusion layer of formula (2) described later.
  • the fuel cell of the present invention is not limited to the case where the gas diffusion layer has an n-layer structure laminated in the thickness direction. Further, the above formula (3) can be extended and applied to a gas diffusion layer composed of a single layer. In this case, n is an integer of 1 or more. By forming the gas diffusion layer from a single layer, for example, the structure can be simplified, which is preferable from the viewpoint of cost reduction.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a fuel cell according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of a cross section taken along line VIII-VIII in FIG.
  • symbol same as them is attached
  • a pair of gas diffusion layers 20a and 20c is applied as a single layer, and the gas flow direction in one separator is not unidirectional. Has the same configuration as the fuel cell of the first embodiment. In this embodiment, as shown in FIG.
  • the gas flow direction is not one direction (three directions in the gas flow direction (upward in the figure, Downward and right)).
  • the direction with the largest ratio (existence ratio) in the gas flow direction in the separator is defined as the main flow direction (arrow Y in the example of FIG. 8).
  • the channel width W Cmain in the cross section may be applied.
  • the gas flow direction in the separator is not unidirectional, for example, a serpentine type flow path is formed. Even in such a case, it is possible to obtain a fuel cell in which oxygen transport resistance and electronic resistance are further reduced and higher performance can be exhibited.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a cross section taken along line XX in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining how to define the rib width W Rcg and the channel width W Ccg in the fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention.
  • symbol same as them is attached
  • a pair of gas diffusion layers 20a and 20c each having a single layer is applied, and the rib thickness direction (the rib height direction, the channel depth).
  • the configuration of the fuel cell of the first embodiment is the same as that of the fuel cell of the first embodiment except that the rib arrangement shape in a cross section substantially perpendicular to the direction is a dot arrangement shape in which the same circular ribs 31 are uniformly distributed.
  • the “dot-like arrangement shape” means that a plurality of ribs are dispersedly arranged so as to form a channel with the outline of the rib, and the rib shape can be regarded as a dot-like shape.
  • “Things that can be considered to be point-like” means that the rib shape is a circle, an ellipse, a fan, a triangle, a polygon more than a quadrangle, or a composite shape formed by appropriately combining these. Even if it exists, it says the arrangement
  • the rib arrangement shape in the cross section substantially perpendicular to the rib thickness direction may be an island arrangement shape.
  • Island-like arrangement shape means that a plurality of ribs are dispersedly arranged such that the outline of the rib forms a channel, and the rib shape cannot be regarded as a dot.
  • Thiings that cannot be regarded as point-like means that the rib shape is a circle, an ellipse, a fan, a triangle, a polygon more than a quadrangle, or a composite shape formed by appropriately combining these. Even if it exists, it says the arrangement
  • the ratio of the channel width with respect to a rib width can have a thing less than 5 times, for example. Even when the rib arrangement shape in the cross section substantially perpendicular to the rib thickness direction is a dot-like or island-like arrangement shape, by drawing as shown in FIG.
  • the rib width W Rcg and the channel width W Ccg can be defined as the rib width W R and the channel width W C in FIG.
  • FIG. 11A the gravity center position a of each rib 31 is calculated.
  • FIG. 11B a plurality of triangles that do not overlap each other are formed by connecting the respective gravity center positions a with line segments.
  • FIG. 11C the center-of-gravity position b of each triangle is calculated.
  • FIG. 11D the line segment connecting the gravity center position a of the rib 31 and the gravity center position b of the triangle having the vertex at the gravity center position a is divided into two by the outline of the rib 31 and divided into two.
  • the length on the centroid position a side is 0.5 W Rcg
  • the length on the centroid position b side is 0.5 W Ccg .
  • This value is synonymous with the rib width W Rcg and the value obtained by doubling the distance between the intersection c and the center of gravity position b of the triangle as the channel width W Ccg .
  • the rib arrangement shape in a cross section substantially perpendicular to the rib thickness direction is point-like or Even in the case of the island-like arrangement shape, it is possible to obtain a fuel cell in which oxygen transport resistance and electronic resistance are further reduced and higher performance can be expressed.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining how to define the rib width W Rcg and the channel width W Ccg in another example of the fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention.
  • symbol same as them is attached
  • a pair of gas diffusion layers 20a and 20c each having a single layer is applied, and the rib arrangement shape in a cross section substantially perpendicular to the thickness direction of the ribs is mutually determined.
  • the fuel cell has the same configuration as that of the fuel cell of the first embodiment, except that the circular ribs 31 having different sizes are arranged in a non-uniform manner.
  • the rib arrangement shape in the cross section substantially perpendicular to the rib thickness direction may be an island arrangement shape in which the ribs are dispersed non-uniformly.
  • ribs of point-like or island-like arrangement shape a case where it is unevenly distributed, as the rib width W R and the channel width W C of the formula (2) described later, plotting as shown in FIG. 12
  • the rib width W Rcg and the channel width W Ccg as described above can be defined.
  • the rib width W Rcg and the channel width W Ccg it is preferable to apply the one having the smallest W Ccg / (W Ccg + W Rcg ).
  • FIG. 12A the gravity center position a of each rib 31 is calculated.
  • FIG. 12B a plurality of triangles that do not overlap each other are formed by connecting the barycentric positions a with line segments.
  • FIG. 12C the center-of-gravity position b of each triangle is calculated. Thereafter, in FIG. 12D, some triangles are examined.
  • a line segment connecting the center of gravity a of the rib 31 and the center of gravity b of the triangle having the apex at the center of gravity a is divided into two by the outline of the rib 31, and the length on the side of the center of gravity a of the two divided segments is a and 0.5 W Rcg, the length of the center-of-gravity position b side is 0.5 W Ccg.
  • 0.5W Ccg and 0.5W Rcg are calculated for all ribs. This is obtained by doubling the distance between the intersection c of the line segment connecting the barycentric position a of the rib 31 and the triangular barycentric position b and the outline of the rib 31 and the barycentric position a of the rib in FIG.
  • This value is synonymous with the rib width W Rcg and the value obtained by doubling the distance between the intersection c and the center of gravity position b of the triangle as the channel width W Ccg .
  • 0.5W Ccg and 0.5W Rcg are calculated for all ribs. Thereafter, in the present embodiment, among the calculated W Ccg and W Rcg , the one with the smallest W Ccg / (W Ccg + W Rcg ) may be applied.
  • the rib arrangement shape in a cross section substantially perpendicular to the rib thickness direction is a dot-like or island-like arrangement shape, and Even when these are dispersed non-uniformly, it is possible to obtain a fuel cell in which oxygen transport resistance and electronic resistance are further reduced and higher performance can be exhibited.
  • the above formula (1) can be calculated as follows. First, in the fuel cell having the structure as shown in FIG. 1, iso-oxygen transport when the thickness t ( ⁇ m) of the gas diffusion layer and the occupied area ratio S C ( ⁇ ) of the channel that is the gas flow path are changed. It has been experimentally clarified that the resistance curve becomes a curve as shown in FIG. In other words, when the oxygen transport resistance is equal, it is experimentally clear that the occupied area ratio S C ( ⁇ ) of the channel that is the gas flow path can be expressed as a quadratic curve of the thickness t ( ⁇ m) of the gas diffusion layer. I made it.
  • the oxygen transport resistance value obtained under each condition is Plot.
  • the isooxygen transport resistance curve connecting the points having the same oxygen transport resistance value is obtained by calculating the thickness t ( ⁇ m) of the gas diffusion layer with respect to the occupied area ratio S C ( ⁇ ) of the channel that is the gas flow path by the least square method.
  • the oxygen transport resistance can be measured by a limiting current density method.
  • the quantification of the oxygen transport resistance can be calculated by measuring the limiting current, and the basic principle is that the method described in ECS Transaction, Vol.
  • S C can be calculated from W C / (W R + W C).
  • a fuel cell having a structure as shown in FIG. 1 is manufactured according to the specifications of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, which will be described later, and the oxygen transport resistance value actually measured with the fuel cell of each specification is plotted on the horizontal axis. The measured value is plotted on the vertical axis.
  • the horizontal axis and the vertical axis represent the oxygen transport resistance value measured by the limiting current density method and the voltage measurement value at the vehicle rated current normalized by the vehicle rated voltage, respectively.
  • FIG. 14 is obtained.
  • the value obtained by standardizing the voltage at the vehicle rated current with the vehicle rated voltage can be measured using, for example, an electronic load device.
  • the fuel cell needs to satisfy the conditions at the vehicle rating point. “Vehicle rating point condition” means that the actual voltage of the fuel cell at the rated current value exceeds the rated voltage, that is, the voltage measurement value at the vehicle rated current normalized by the vehicle rated voltage is 1 or more. It is to become.
  • the oxygen transport resistance value needs to be 0.375 sec / m / kPa or less in order to satisfy the condition of the vehicle rating point, that is, to make the value normalized by the vehicle rated voltage 1 or more. . Then, the oxygen transport resistance value to be less than 0.375sec / m / kPa is occupied area ratio S C of the channel is a gas flow path, etc. of the oxygen transport resistance value 0.375sec / m / kPa 13 it is necessary to make the channel occupied area ratio S C or more which is calculated from the oxygen transport resistance curve.
  • the relationship on the right side of the above formula (1) (S C ⁇ 55 (t ⁇ 103) 2 /1000000+0.3 is set so that the oxygen transport resistance value is 0.375 sec / m / kPa or less. ) Is satisfied.
  • the cell resistance for example, the cell resistance was measured by an AC 4-terminal method using a milliohm high tester, a value obtained by normalizing an electric resistance value in the ideal state where S C is zero.
  • the ideal state S C becomes 0 refers to a state in which the separator a ideal state has become all electrons flow path for the electron conduction, no channel is specifically a gas flow path in the separator Say state.
  • the meaning of the right side of the following formula (2) is a value calculated from ((0.0755ln ( ⁇ ⁇ t / 8000) ⁇ 0.1525) ⁇ W R +0.9611) and 0.9. The smaller one is selected.
  • W C Channel width (mm)
  • W R Rib width (mm)
  • ⁇ Electric conductivity of gas diffusion layer (S / m)
  • t thickness of gas diffusion layer ( ⁇ m)
  • a fuel cell (stack) has a minimum voltage required for operating a system such as a motor or an auxiliary machine.
  • the oxygen transport resistance has a correlation with the performance (voltage-current characteristics) of the fuel cell, and a target value for the oxygen transport resistance TR req necessary for securing the minimum necessary voltage is determined therefrom.
  • a target value for the oxygen transport resistance TR req necessary for securing the minimum necessary voltage is determined therefrom.
  • the oxygen transport resistance with respect to the occupied area ratio of the channel varies depending on the rib width as shown in FIG.
  • the channel occupation area ratio W C / (W C + W R ) that can be taken to keep the voltage of the fuel cell (stack) above a predetermined voltage. Can be calculated for each rib width. That is, the channel occupation area ratio W C / (W C + W R ) needs to satisfy the following formula (4).
  • the tendency of the oxygen transport resistance to the occupied area ratio of the channel also changes when the electron transport (electric conductivity) is changed.
  • the channel occupation area ratio W C that can be taken to keep the voltage of the fuel cell (stack) above a predetermined voltage.
  • An upper limit of / (W C + W R ) can be calculated for each rib width.
  • the relationship between the slope (absolute value) of each straight line on the graph of FIG. 20 and a multiple of the electrical conductivity is as shown in FIG.
  • W C Channel width (mm)
  • W R Rib width (mm)
  • ⁇ Electric conductivity of gas diffusion layer (S / m)
  • t thickness of gas diffusion layer ( ⁇ m)
  • Example 1 First, a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane was prepared as an electrolyte membrane, and a platinum-supporting carbon-containing dispersion was prepared as a catalyst layer forming slurry on the cathode side and the anode side. Slurry was applied to the electrolyte membrane using a spray coater and fired at 350 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere using a firing furnace to produce a membrane electrode assembly. Next, an etching plate having a porosity of 0.44 is prepared as the gas diffusion layer base layer on the cathode side and the anode side, and carbon powder and a water repellent material (for example, polytetrafluoroethylene are used as the gas diffusion layer base layer).
  • a water repellent material for example, polytetrafluoroethylene are used as the gas diffusion layer base layer.
  • a gas diffusion layer was prepared by pressure-bonding them with a predetermined surface pressure.
  • the thickness of the gas diffusion layer was 50 ⁇ m.
  • SUS stainless steel
  • SUS stainless steel
  • SUS stainless steel
  • SUS stainless steel
  • Example 2 a perfluorosulfonic acid electrolyte membrane was prepared as an electrolyte membrane, and a platinum-supporting carbon-containing dispersion was prepared as a catalyst layer forming slurry on the cathode side and the anode side. Slurry was applied to the electrolyte membrane using a spray coater, and baked in an air atmosphere at 350 ° C. for 30 minutes using a baking furnace to produce a membrane electrode assembly.
  • a layer (thickness 80 ⁇ m) made of carbon powder and a water repellent material for example, polytetrafluoroethylene is prepared as a gas diffusion layer on the cathode side and the anode side, and these layers are pressure-bonded at a predetermined surface pressure.
  • the electric conductivity of the gas diffusion layer was 100 S / m when measured by the direct current two-terminal method under the surface pressure when the cell was assembled.
  • the fuel cell of this example was obtained by repeating the same operation as in Example 2 except that was manufactured.
  • Example 4 As the separator, a stainless steel (SUS) separator having a rib width W R of 0.5 mm, a channel width W C of 3.8 mm, and S C ⁇ 0.9 is manufactured, and a fuel cell as shown in FIG. 4 is used.
  • the fuel cell of this example was obtained by repeating the same operation as in Example 2 except that was manufactured.
  • Example 5 As a separator, a stainless steel (SUS) separator having a rib width W R of 0.2 mm, a channel width W C of 1.7 mm, and S C ⁇ 0.9 is manufactured, and a fuel cell as shown in FIG. 4 is used.
  • the fuel cell of this example was obtained by repeating the same operation as in Example 2 except that was manufactured.
  • Example 1 in Example 1 belonging to the scope of the present invention, the voltage value at the vehicle rated current normalized by the vehicle rated voltage is higher than those of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 outside the present invention. 1 or more. That is, Example 1 satisfies S C ⁇ 55 (t ⁇ 103) 2 /1000000+0.3, and has high performance at the rated current. In addition, as shown in FIG. 14, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 do not satisfy this condition. Further, in Example 1, the resistance normalized by the resistance of Comparative Example 1 is smaller than 1 as shown in FIG.
  • Example 1 uses the metal etching plate as a base material, electroconductivity is improving. Further, in Example 1, since a part of the slurry for forming the gas diffusion layer base layer enters the holes of the metal etching plate, the flooding resistance is improved. Furthermore, in Example 1, since the gas diffusion layer, the membrane electrode assembly, and the separator were pressure-bonded by hot pressing at a predetermined pressure, the electronic resistance was reduced and the performance was improved.
  • Examples 2 to 5 belonging to the scope of the present invention also satisfy S C ⁇ 55 (t ⁇ 103) 2 /1000000+0.3 and have high performance at the rated current. Furthermore, since it is set as the structure which satisfy
  • the electric conductivity of the gas diffusion layer is isotropic, but even if it has anisotropy, as described above, the electric conductivity in the rib width direction, which is the gas diffusion rate limiting direction in the equation (2).
  • ⁇ inplane high performance can be expressed more reliably.
  • the electrical conductivity ⁇ layered calculated from the formula (3) in the formula (2) is applied. By doing so, high performance can be expressed more reliably.
  • the gas diffusion layer is sensitive to the surface pressure in the thickness direction, as described above, the electric conductivity ⁇ pressure in the state where the fuel cell is formed in the equation (2) is applied. By doing so, high performance can be expressed more reliably.
  • the direction with the largest proportion of the gas flow directions in the separator is defined as the main flow direction.
  • the calculated rib width W Rmain and channel width W Rmain as described above can be expressed more reliably.
  • the occupied area ratio S C ( ⁇ ) of the channel that is the gas flow path on the surface facing the gas diffusion layer of the fuel cell and the thickness t ( ⁇ m) of the gas diffusion layer are expressed by the above formula (1). ) Is satisfied. Therefore, it is possible to provide a fuel cell in which both oxygen transport resistance and electronic resistance are reduced and high performance can be exhibited.

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Abstract

　膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、膜電極接合体及び一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを備えた燃料電池。セパレータは、ガス拡散層に対峙する面にガス流路であるチャネルを形成するリブを有する。ガス拡散層に対峙する面におけるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）と、ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とは、下記式（１）で表される関係を満足する。　０．９＞ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３…（１）

Description

燃料電池
　本発明は、燃料電池に関する。更に詳細には、本発明は、酸素輸送抵抗及び電子抵抗の両者を低減し、高い性能を発現し得る燃料電池に関する。
　従来、燃料電池の拡散層における導電性を向上し、性能を向上させることを目的として、金属製のガス拡散領域と、カーボンを含んでなり燃料電池の電極に隣接配置され得る下地領域とを備えた燃料電池用拡散層について研究・開発がなされている。具体的には、ガス拡散領域と下地領域との間に、ガス拡散領域及び下地領域とは異なる材料により形成された導電領域を設けた燃料電池用拡散層が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５－３２６２８号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池用拡散層を用いた燃料電池であっても、燃料電池用拡散層における導電性は向上するものの、酸素輸送抵抗の向上は見込まれず、よって電池出力が十分に向上しない場合がある。
　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、本発明の目的とするところは、酸素輸送抵抗及び電子抵抗の両者を低減し、高い性能を発現し得る燃料電池を提供することにある。
　本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、燃料電池のガス拡散層に対峙する面におけるガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）と、ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とを所定の関係となるようにすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明の燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、膜電極接合体及び一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを備える。一対のセパレータの各々は、ガス拡散層に対峙する面にガス流路であるチャネルを形成するリブを有している。そして、ガス拡散層に対峙する面におけるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）と、ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とが下記式（１）で表される関係を満足する。
　０．９＞ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３　…（１）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を示す図であり、（Ａ）は、当該燃料電池の概略を示す断面図、（Ｂ）は、当該燃料電池のセパレータにおける特定部位の長さの定義を説明する図である。 図２は、図１の燃料電池のガス拡散層の他の例の概略を示す拡大断面図である。 図３は、図１の燃料電池のガス拡散層の更に他の例にかかる電気伝導度の特性を示すグラフである。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略を示す断面図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略を示す断面図である。 図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概略を示す断面図である。 図７は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 図８は、図７中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った断面の概略図である。 図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１０は、図９中のＸ－Ｘ線に沿った断面の概略図である。 図１１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池におけるリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇの規定の仕方を説明する図である。 図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の他の例におけるリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇの規定の仕方を説明する図である。 図１３は、等酸素輸送抵抗曲線を示すグラフである。 図１４は、酸素輸送抵抗と車両定格電流における電圧を車両定格電圧で規格化した値との関係を示すグラフである。 図１５は、ガス流路の占有面積比ＳＣ（－）と、理想状態での抵抗で規格化した抵抗（－）との関係を示すグラフである。 図１６は、ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）（－）と、所定の電圧を確保するために必要な酸素輸送抵抗ＴＲｒｅｑからの差（Ｓ／ｍ）との関係を示すグラフである。 図１７は、リブ幅ＷＲ（ｍｍ）と、ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）の上限（－）との関係を示すグラフである。 図１８は、リブ幅１．０（ｍｍ）のときに電気伝導度を変化させた場合の、ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）（－）と、所定の電圧を確保するために必要な酸素輸送抵抗ＴＲｒｅｑからの差（Ｓ／ｍ）との関係を示すグラフである。 図１９は、リブ幅０．７ｍｍのときに電気伝導度を変化させた場合の、ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）（－）と、所定の電圧を確保するために必要な酸素輸送抵抗ＴＲｒｅｑからの差（Ｓ／ｍ）との関係を示すグラフである。 図２０は、各電気伝導度におけるＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）の上限（－）を示すグラフである。 図２１は、各電気伝導度とＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）の上限の傾きとの関係を示すグラフである。 図２２は、各例の性能評価の結果を示すグラフである。
　本発明の一実施形態に係る燃料電池について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、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。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を示す図であり、（Ａ）は、当該燃料電池の概略を示す断面図、（Ｂ）は、当該燃料電池のセパレータにおける特定部位の長さの定義を説明する図である。
　図１に示すように、第１の実施形態の燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を挟持する一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃと、該膜電極接合体１０及び該一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃを挟持する一対のセパレータ３０とを備える。一対のセパレータ３０の各々は、該ガス拡散層２０ａ、２０ｃに対峙する面にガス流路であるチャネルＣａ、Ｃｃを形成するリブ３１を有する。
　そして、該ガス拡散層２０ａ、２０ｃに対峙する面におけるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）と、該ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とが下記式（１）で表される関係を満足する。
　なお、本例においては、チャネルが複数の互いに平行な直線状に形成されていることから、チャネルの占有面積比Ｓｃは、チャネルの幅ＷＣ（ｍｍ）とリブの幅ＷＲ（ｍｍ）とを用いて、ＳＣ＝ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）と定義して算出することができる。また、チャネルが平行な直線状でない場合には、チャネルの占有面積比Ｓｃは、それぞれの場合に応じて、具体的に計測することにより、算出することができる。
　０．９＞ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３　…（１）
　以下、各構成について更に詳細に説明する。
［膜電極接合体］
　膜電極接合体１０は、電解質膜１１を一対の触媒層１３ａ、１３ｃで挟持した構成を有している。電解質膜や触媒層については、燃料電池に用いられている従来公知の材料を適用することができる。以下、具体的に説明する。
　（電解質膜）
　電解質膜１１は、例えば、固体高分子電解質膜から構成される。この固体高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池の運転時にアノード側の触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード側の触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
　電解質膜は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン－ｇ－スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド－パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
　炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ－ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ－ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ－ＰＰＰ）などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。
　電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。電解質膜の厚さは、通常は５～３００μｍ程度である。電解質膜の厚さがこのような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御され得る。
　（触媒層）
　触媒層１３ａ、１３ｃは、例えば、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。この触媒層（アノード側の触媒層、カソード側の触媒層）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層では酸素の還元反応が進行する。
　アノード側の触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に限定されるものではなく従来公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード側の触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に限定されるものではなく従来公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属及びこれらの合金などから選択することができる。
　これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものを用いることが望ましい。なお、合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０～９０原子％とし、白金と合金化する金属の含有量を１０～７０原子％とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本発明ではいずれであってもよい。この際、アノード側の触媒層に用いられる触媒成分及びカソード側の触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択され得る。本明細書では、特記しない限り、アノード側の触媒層用及びカソード側の触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード側の触媒層及びカソード側の触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択することができる。
　触媒成分の形状や大きさは、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒成分と同様の形状及び大きさを採用することができる。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。触媒粒子の平均粒子径は、１～３０ｎｍであることが好ましい。触媒粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、Ｘ線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定することができる。
　触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、及び触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電気伝導度を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。
　具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、２～３質量％程度以下の不純物の混入が許容され得ることを意味する。
　触媒担体のＢＥＴ比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは２０～１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０～１２００ｍ２／ｇである。触媒担体の比表面積がこのような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスを適切に制御することができる。
　触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚さを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５～２００ｎｍ程度、好ましくは１０～１００ｎｍ程度とするとよい。
　触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは１０～８０質量％、より好ましくは３０～７０質量％である。触媒成分の担持量がこのような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御され得る。なお、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定することができる。
　触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、上述した高分子電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加され得る。
［ガス拡散層］
　ガス拡散層（アノード側のガス拡散層２０ａ、カソード側のガス拡散層２０ｃ）は、それぞれガス拡散層下地層２１ａ、２１ｃとガス拡散層基材層２３ａ、２３ｃとを積層した構成を有している。このガス拡散層は、セパレータのガス流路であるチャネルを介して供給されたガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）の触媒層への拡散を促進する機能、及び電子伝導パスとしての機能を有する。
（ガス拡散層下地層）
　ガス拡散層下地層２１ａ、２１ｃは、例えば、撥水性をより向上させるために、カーボンと撥水材とを含むカーボン粒子の集合体からなる構成を有している。このようなガス拡散層下地層は、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）と呼ばれる。
　カーボンは、特に限定されるものではなく、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料を適宜用いることができる。中でも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックを用いることが好ましい。カーボン粒子の平均粒子径は、１０～１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
　撥水材は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを抑制ないし防止することができれば、特に限定されるものではない。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどオレフィン系の高分子材料が挙げられる。中でも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料を用いることが好ましい。
　ガス拡散層下地層におけるカーボンと撥水材との混合比は、撥水性及び電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で９０：１０～４０：６０（カーボン：撥水材）程度とするのがよい。なお、気相成長炭素やカーボンファイバ、カーボンナノチューブを用いること、含有させるカーボンの配向性を調整することなどにより、電気伝導性に異方性を持たせることができる。また、ガス拡散層下地層の厚さについては、後述する。
　なお、ガス拡散層下地層は、カーボン及び撥水材以外の材料を含有していてもよく、ガス拡散層に用いられる従来公知の材料を適用することができる。　
（ガス拡散層基材層）
　ガス拡散層基材層２３ａ、２３ｃは、構成する材料について特に限定されるものではなく、従来公知の材料を用いることができる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有する炭素製のものや、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、精密プレス加工プレート、金網、金属メッシュ、金属細線焼結体といった導電性及び多孔質性を有する金属製のもの（金属多孔体）を挙げることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。また、これらの金属多孔体は、製造過程において厚さや空隙率などを調整し易いという利点もある。ガス拡散層基材層の厚さについては、後述する。
　本実施形態の燃料電池は、ガス拡散層下地層が、カーボンと撥水材とを含有し、ガス拡散層基材層が、金属多孔体を含有するものであることが望ましい。
　このような構成を採用することにより、更に電子抵抗を低減し得る燃料電池を得ることができる。
　なお、本発明においてカーボンと撥水材とを含有するガス拡散層下地層には、カーボンと撥水材のみからなるガス拡散層下地層を含む意味に解釈しなければならない。また、本発明において金属多孔体を含有するガス拡散層基材層には、金属多孔体のみからなるガス拡散層基材層を含む意味に解釈しなければならない。
　また、図２は、ガス拡散層の他の例の概略を示す拡大断面図である。図２に示すように、例えば、ガス拡散層２０ｃは、ガス拡散層基材層２３ｃの空孔であった部分にガス拡散層下地層２１ｃを構成する材料であるカーボンや撥水材を含有していてもよい。このようにすると、空孔内の表面性状等のコントロールが可能となり、フラッディング耐性を更に向上させることができるという利点がある。
　更に、図３は、ガス拡散層の更に他の例にかかる電気伝導度の特性を示すグラフである。
　ガス拡散層が、図３において実線で示すように厚さ方向の面圧に対して感度を有する場合（例えば、カーボンなど）は、後述する式（２）のガス拡散層の電気伝導度σとして、燃料電池を形成した状態での電気伝導度σｐｒｅｓｓｕｒｅを適用することが好ましい。燃料電池を形成した状態とは、ガス拡散層にセル組み付け時の面圧と同じ面圧ＰＡがかかっている状態である。式（２）の電気伝導度σとして電気伝導度σｐｒｅｓｓｕｒｅを採用することにより、ガス拡散層が厚さ方向の面圧に対して感度を有する場合でも、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　なお、「面圧に対して感度を有する」とは、ガス拡散層にかかる面圧の変化させた場合に、ガス拡散層の電気伝導度が変化することを意味する。
　なお、図３において、一点差線は、面圧に対して感度を有しないガス拡散層（例えば、金属多孔体など）の例を示す。このように厚さ方向の面圧に対して感度を有しないガス拡散層を、本発明の燃料電池に適用することができることは言うまでもない。
［セパレータ］
　セパレータ３０は、膜電極接合体１０及び一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃを挟持する。またセパレータ３０は、ガス拡散層２０ａ、２０ｃに対峙する面にガス流路であるチャネルＣａ、Ｃｃを形成するリブ３１を有している。
　なお、セパレータは、構成する材料について特に限定されるものではなく、従来公知の材料を用いることができる。セパレータを構成する材料は、供給されるガスが透過し難い材料であることが望ましく、電池反応で取り出された電流が流れやすい材料であることが望ましい。具体的には、鉄、チタン、アルミニウム、これらの合金などの金属材料、各種金属材料や炭素材料などで電導性を付与した高分子材料（導電性プラスチック）などが挙げられる。なお、鉄合金にはステンレスが含まれる。
　本実施形態の燃料電池は、ガス拡散層が膜電極接合体及びセパレータのいずれか一方又は双方に接合や圧着などされているものであることが望ましい。
　このような構成を採用することにより、界面における接触抵抗を低減することが可能となり、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　ここで、接合や圧着には、例えば、冷間プレス、ホットプレス、溶着、溶接、拡散接合などを利用することができる。これらは１種を単独で利用してもよく、２種以上を適宜併用してもよい。
　また、図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略を示す断面図である。なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　第２の実施形態の燃料電池２００は、一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃとしてそれぞれ単一の層からなるものを適用したこと以外は、上記第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有する。一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃとしてそれぞれ単一の層からなるものを適用すると、構造を簡素化することができ、低コスト化を図ることができるという利点がある。なお、ガス拡散層の構成材料としては、ガス拡散層下地層の構成材料とガス拡散層基材層の構成材料のいずれかをそのまま適用してもよいが、ガス拡散層下地層の構成材料とガス拡散層基材層の構成材料を適宜組み合わせてもよい。
　また、ガス拡散層の電気伝導度に異方性がある場合には、後述する式（２）のガス拡散層の電気伝導度σとして、図４の矢印Ｘで示すリブの幅方向における電気伝導度σｉｎｐｌａｎｅを適用すればよい。式（２）の電気伝導度σとして電気伝導度σｉｎｐｌａｎｅを採用することにより、ガス拡散層の電気伝導度に異方性がある場合であっても、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　なお、ガス拡散層の電気伝導度に異方性がない、すなわち電気伝導度が等方性を有する場合は、いずれの方向の電気伝導度を適用してもよい。
　更に、図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略を示す断面図である。なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　第３の実施形態の燃料電池３００は、一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃとしてそれぞれ単一の層からなるものを適用したことと、セパレータにおけるガス流れ方向に対してほぼ垂直な断面におけるチャネルの形状を非矩形形状（本実施形態では、台形形状）としたこと以外は、第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有する。この場合、後述する式（２）のリブ幅ＷＲとして、リブのセパレータと接する部分の幅ＷＲｃｏｎｔａｃｔを適用すればよい。また、チャネル幅ＷＣとしては、チャネルのガス拡散層と対峙する部分の幅ＷＣｃｏｎｔａｃｔを適用すればよい。このチャネル幅ＷＣｃｏｎｔａｃｔは、チャネルの非矩形状断面を構成する辺のうちガス拡散層と当接する辺の長さに相当する。
　式（２）のリブ幅ＷＲ及びチャネル幅ＷＣとしてリブ幅ＷＲｃｏｎｔａｃｔ及びチャネル幅ＷＣｃｏｎｔａｃｔを採用することにより、セパレータにおけるガス流れ方向に対してほぼ垂直な断面におけるチャネル形状が矩形形状でない場合であっても、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　また、図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概略を示す断面図である。なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　第４の実施形態の燃料電池４００は、一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃとしてそれぞれｎ層からなるもの（厚さ方向に積層されたｎ層構造を有するもの）を適用したこと以外は、上記第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有する。この場合、後述する式（２）のガス拡散層の電気伝導度σとして、下記式（３）より算出される電気伝導度σｌａｙｅｒｅｄを適用すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　但し、σｌａｙｅｒｅｄ：ｎ層構造を有するガス拡散層の電気伝導度（Ｓ／ｍ）
　　　　ｔ：ガス拡散層の厚さ（μｍ）
　　　　σｉ：ｉ層目のガス拡散層の電気伝導度（Ｓ／ｍ）
　　　　ｔｉ：ｉ層目のガス拡散層の厚さ（μｍ）
　式（２）の電気伝導度σとして電気伝導度σｌａｙｅｒｅｄを採用することにより、ガス拡散層が厚さ方向に積層されたｎ層構造を有する場合であっても、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　なお、本発明の燃料電池は、ガス拡散層が厚さ方向に積層されたｎ層構造を有する場合に限定されるものでないことは言うまでもない。また、上記式（３）は、単一の層からなるガス拡散層に対しても拡張して適用することができる。この場合、ｎは１以上の整数となる。ガス拡散層を単一の層から形成することにより、例えば、構造を簡素化することができ、低コスト化の観点から好ましい。
　更に、図７は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。また、図８は、図７中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った断面の概略図である。なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　第５の実施形態の燃料電池５００は、一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃとしてそれぞれ単一の層からなるものを適用したことと、一つのセパレータにおけるガス流れ方向が一方向でないものとしたこと以外は、上記第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有する。
　本実施形態では、図８に示すように、いわゆるサーペンタイン型流路としてチャネルを形成することによって、ガス流れ方向が一方向でないものとなっている（ガス流れ方向に３つの方向（図中上向き、下向き、及び右向き）が存在する）。
　この場合、セパレータにおけるガス流れ方向のうち最も割合（存在比率）が大きい方向を主流方向（図８の例では矢印Ｙ）と規定する。そして、後述する式（２）のリブ幅ＷＲとして、上記主流方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブの幅ＷＲｍａｉｎを適用し、チャネル幅ＷＣとして、上記主流方向に対してほぼ垂直な断面におけるチャネルの幅ＷＣｍａｉｎを適用すればよい。
　式（２）のリブ幅ＷＲ及びチャネル幅ＷＣとして上記リブ幅ＷＲｍａｉｎ及びチャネル幅ＷＣｍａｉｎを採用することにより、セパレータにおけるガス流れ方向が一方向でない、例えばサーペンタイン形流路が形成されている場合であっても、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。また、図１０は、図９中のＸ－Ｘ線に沿った断面の概略図である。更に、図１１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池におけるリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇの規定の仕方を説明する図である。なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　第６の実施形態の燃料電池６００は、一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃとしてそれぞれ単一の層からなるものを適用したことと、リブの厚さ方向（リブの高さ方向、チャネルの深さ方向）に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状を同一の円形リブ３１を均一に分散配置させた点状配置形状としたこと以外は、上記第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有する。
　ここで、「点状配置形状」とは、複数のリブが、当該リブの外形線でチャネルを形成するように分散配置されており、当該リブ形状が点状であるとみなすことができるものをいう。
　「点状であるとみなすことができるもの」とは、当該リブ形状が、円形、楕円形、扇形、三角形、四角形以上の多角形、更にはこれらを適宜組み合わせて形成される複合的な形であっても、当該リブをこれに外接する円形のリブに置き換えたときにガス流れに殆ど影響を与えない配置形状をいう。なお、ガス流れに殆ど影響を与えない配置形状としては、例えばリブ幅に対するチャネル幅の比が５倍以上のものを挙げることができる。
　一方、リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状は、島状配置形状であってもよい。
　「島状配置形状」とは、複数のリブが当該リブの外形線がチャネルを形成するように分散配置されており、当該リブ形状が点状であるとみなすことができないものをいう。
　「点状であるとみなすことができないもの」とは、当該リブ形状が、円形、楕円形、扇形、三角形、四角形以上の多角形、更にはこれらを適宜組み合わせて形成される複合的な形であっても、当該リブをこれに外接する円形のリブに置き換えたときにガス流れに影響を与える配置形状をいう。なお、ガス流れに影響を与える配置形状としては、例えばリブ幅に対するチャネル幅の比が５倍未満のものを挙げることができる。
　リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状が、点状又は島状配置形状である場合であっても、図１１に示したように作図することにより、後述する式（２）におけるリブ幅ＷＲ及びチャネル幅ＷＣとして、リブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇを規定できる。
　まず、図１１（ａ）においては、各リブ３１の重心位置ａを算出する。
　次に、図１１（ｂ）においては、各重心位置ａを線分で結ぶことにより互いに重なりのない三角形を複数形成する。
　更に、図１１（ｃ）においては、各三角形の重心位置ｂを算出する。
　しかる後、図１１（ｄ）においては、リブ３１の重心位置ａとその重心位置ａに頂点を有する三角形の重心位置ｂとを結ぶ線分をリブ３１の外形線で２分し、２分された線分のうち重心位置ａ側の長さを０．５ＷＲｃｇとし、重心位置ｂ側の長さを０．５ＷＣｃｇとする。
　これは、図１１（ｄ）においてリブ３１の重心位置ａ及び三角形の重心位置ｂを結ぶ線分とリブ３１の外形線の交点ｃと、リブの重心位置ａとの距離を２倍にして得られる値をリブ幅ＷＲｃｇとし、交点ｃと三角形の重心位置ｂとの距離を２倍にして得られる値をチャネル幅ＷＣｃｇとすることと同義である。
　式（２）におけるリブ幅ＷＲ及びチャネル幅ＷＣとしてリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇを採用することにより、リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状が点状又は島状配置形状である場合であっても、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　更に、図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の他の例におけるリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇの規定の仕方を説明する図である。
　なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
　本例に係る燃料電池は、一対のガス拡散層２０ａ、２０ｃとしてそれぞれ単一の層からなるものを適用したことと、リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状を、互いに大きさの異なる円形のリブ３１を不均一に分散配置させた点状配置形状としたこと以外は、上記第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有する。なお、リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状は、リブを不均一に分散させた島状配置形状であってもよい。
　点状又は島状配置形状のリブが不均一に分散配置された場合であっても、後述する式（２）のリブ幅ＷＲ及びチャネル幅ＷＣとして、図１２に示したように作図することにより、上述したようなリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇを規定できる。そしてリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇのうち、ＷＣｃｇ／（ＷＣｃｇ＋ＷＲｃｇ）が最も小さくなるものを適用することが好ましい。
　まず、図１２（ａ）においては、各リブ３１の重心位置ａを算出する。
　次に、図１２（ｂ）においては、各重心位置ａを線分で結ぶことにより互いに重なりのない三角形を複数形成する。
　更に、図１２（ｃ）においては、各三角形の重心位置ｂを算出する。
　しかる後、図１２（ｄ）においては、一部の三角形について検討する。リブ３１の重心位置ａとその重心位置aに頂点を有する三角形の重心位置ｂとを結ぶ線分をリブ３１の外形線で２分し、２分された線分のうち重心位置ａ側の長さを０．５ＷＲｃｇとし、重心位置ｂ側の長さを０．５ＷＣｃｇとする。０．５ＷＣｃｇ及び０．５ＷＲｃｇは、全てのリブについて算出する。
　これは、図１２（ｄ）においてリブ３１の重心位置ａ及び三角形の重心位置ｂを結ぶ線分とリブ３１の外形線の交点ｃと、リブの重心位置ａとの距離を２倍にして得られる値をリブ幅ＷＲｃｇとし、交点ｃと三角形の重心位置ｂとの距離を２倍にして得られる値をチャネル幅ＷＣｃｇとすることと同義である。
　このようにして全てのリブについて０．５ＷＣｃｇ及び０．５ＷＲｃｇを算出する。その後、本実施形態では、算出したＷＣｃｇ及びＷＲｃｇのうち、ＷＣｃｇ／（ＷＣｃｇ＋ＷＲｃｇ）が最も小さくなるものを適用すればよい。
　このようなリブ幅ＷＲｃｇ及びチャネル幅ＷＣｃｇを採用することにより、リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状が点状又は島状配置形状である場合であって、それが不均一に分散された場合であっても、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　そして、本発明の燃料電池においては、上述したようにガス拡散層に対峙する面におけるガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）と、ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とが下記式（１）で表される関係を満足する。
　０．９＞ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２ ／１００００００＋０．３　…（１）
　上記式（１）は、以下のように算出することができる。
　まず、図１に示すような構造の燃料電池において、ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）とを変化させた場合の等酸素輸送抵抗曲線は、図１３に示したような曲線になることを実験的に明らかにした。つまり、酸素輸送抵抗が等しいときは、ガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）をガス拡散層の厚さｔ（μｍ）の２次曲線として表すことができることを実験的に明らかにした。
　すなわち、横軸にガス拡散層の厚さｔ（μｍ）、縦軸にガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）を取って、各条件下で得られた酸素輸送抵抗値をプロットする。このとき、酸素輸送抵抗値が同じ点どうしを結ぶ等酸素輸送抵抗曲線は、最小二乗法により、ガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）に対するガス拡散層の厚さｔ（μｍ）の二次関数に近似できる。
　なお、酸素輸送抵抗は、限界電流密度法にて計測することができる。酸素輸送抵抗の定量は、限界電流を計測することにより算出することが可能であり、基本となる原理は、例えばＥＣＳ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，Ｖｏｌ.１１（１）、ｐ５２９（２００７）に記載の方法を用いることができる。ここでは、限界電流の大小を酸素輸送抵抗の大小と置き換えて表現している。
　また、図１に示すような構造の燃料電池においては、ＳＣは、ＷＣ／（ＷＲ＋ＷＣ）から算出できる。
　ところで、燃料電池自動車において、車両をモータによって駆動するためには、所定の電圧（定格電圧）と電流（定格電流）が必要となる。このような電圧を発揮するスタック運転点を車両定格点という。
　そこで、図１に示すような構造の燃料電池を後述する実施例１、比較例１、比較例２の仕様で作製し、各仕様の燃料電池で実測した酸素輸送抵抗値を横軸に、電圧計測値を縦軸に取ってプロットする。具体的には、各仕様の燃料電池について、限界電流密度法にて測定した酸素輸送抵抗値と、車両定格電圧で規格化した車両定格電流における電圧計測値とを、それぞれ横軸、縦軸に取ってプロットすると、図１４のようになる。なお、車両定格電流における電圧を車両定格電圧で規格化した値は、例えば電子負荷装置を用いて計測することができる。
　ここで車両が実走行するための１つの因子として燃料電池が車両定格点での条件を満たす必要がある。「車両定格点の条件を満たす」とは、定格電流値での燃料電池の実電圧が定格電圧を超えることであり、すなわち車両定格電圧で規格化した車両定格電流における電圧計測値が１以上となることである。
　図１４から、車両定格点の条件を満たす、すなわち車両定格電圧で規格化した値を１以上とするには、酸素輸送抵抗値を０．３７５ｓｅｃ／ｍ／ｋＰａ以下にする必要があることが分かる。
　そして、酸素輸送抵抗値を０．３７５ｓｅｃ／ｍ／ｋＰａ以下とするには、ガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣは、図１３において酸素輸送抵抗値０．３７５ｓｅｃ／ｍ／ｋＰａの等酸素輸送抵抗曲線から算出されるチャネルの占有面積比ＳＣ以上とする必要がある。ここで、酸素輸送抵抗値０．３７５ｓｅｃ／ｍ／ｋＰａの等酸素輸送抵抗曲線は、ガス拡散層の厚さｔを用いてＳＣ＝５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３と表される。
　本実施形態の燃料電池は、酸素輸送抵抗値が０．３７５ｓｅｃ／ｍ／ｋＰａ以下となるように、上記式（１）の右側の関係（ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３）を満足するものである。
　更に、図１に示すような構造の燃料電池を後述する比較例２、比較例３、比較例４の仕様で作製し、各仕様の燃料電池で実測したガス流路の占有面積比ＳＣ（－）を横軸に取り、セル抵抗値を縦軸に取ってプロットすると、図１５のように表すことができる。ここでセル抵抗値は、例えばミリオームハイテスタを用いて交流４端子法で計測したセル抵抗値を、ＳＣが０となる理想状態での電気抵抗値で規格化した値である。なお、ＳＣが０となる理想状態とは電子伝導にとっての理想状態であってセパレータが全て電子の流路となっている状態を言い、具体的にはセパレータにガス流路であるチャネルがない状態を言う。
　図１５から分かるように、ＳＣが０．９以上となると抵抗値が急激に上昇して出力低下につながる。なお、理論的にはＳＣ＝１．０で、抵抗値は無限大となる。
　このように、図１５から、上記式（１）の左側の関係（０．９＞ＳＣ）が決定できる。
　また、本実施形態の燃料電池においては、例えば、上述したように、下記式（２）で表される関係を満足することが好ましい。なお、下記式（２）の右辺の意味するところは、（（０．０７５５ｌｎ（σ・ｔ／８０００）－０．１５２５）×ＷＲ＋０．９６１１）から算出される値と０．９のうち小さい方を選択するというものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　但し、ＷＣ：チャネル幅（ｍｍ）
　　　　ＷＲ：リブ幅（ｍｍ）
　　　　σ：ガス拡散層の電気伝導度（Ｓ／ｍ）
　　　　ｔ：ガス拡散層の厚さ（μｍ）
　上記式（２）で表される関係を満足する構成とすることにより、酸素輸送抵抗及び電子抵抗をより低減し、より高い性能を発現し得る燃料電池を得ることができる。
　上記式（２）は、以下のように算出することができる。
　通常、燃料電池（スタック）は、モータや補機等のシステムを稼働させるために最低限必要な電圧が規定されている。
　酸素輸送抵抗は、燃料電池の性能（電圧－電流特性）と相関関係があり、そこから上記最低限必要な電圧を確保するために必要な酸素輸送抵抗ＴＲｒｅｑの目標値が定められる。具体的には、燃料電池（スタック）において電圧を所定の電圧以上に保つためには、図１６中の０値の水平ラインよりも酸素輸送抵抗を小さくする必要がある。酸素輸送抵抗のチャネルの占有面積比に対する傾向（チャネルの占有面積比に対する酸素輸送抵抗の値）は、図１６に示すようにリブ幅によって変化する。ここで、「チャネルの占有面積比」は、「チャネル幅／（リブ幅＋チャネル幅）（＝ＷＣ／（ＷＲ＋ＷＣ））」と定義する。なお、詳細については後述する。
　また、図１６に示された傾向から、図１７に示すように、燃料電池（スタック）の電圧を所定の電圧以上に保つために取り得るチャネルの占有面積比ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）の上限を各リブ幅について算出することができる。
　つまり、チャネルの占有面積比ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）は、下記式（４）を満たすことを要する。
　ＷＣ／（ＷＲ＋ＷＣ）＜－０．１６０５×ＷＲ＋０．９６１１　…（４）
　なお、図１７に示す線分が、ＷＣ／（ＷＲ＋ＷＣ）＝－０．１６０５×ＷＲ＋０．９６１１である。
　更に、図１８及び図１９に示すように、酸素輸送抵抗のチャネルの占有面積比に対する傾向は、電子輸送（電気伝導度）を変化させた場合にも変化する。そして、図１７のグラフを求めたときと同様の考え方に基づいて、図２０に示すように、燃料電池（スタック）の電圧を所定の電圧以上に保つために取り得るチャネルの占有面積比ＷＣ／（ＷＣ＋ＷＲ）の上限を各リブ幅について算出することができる。また、図２０のグラフ上の各直線の傾き（絶対値）と電気伝導度の倍数との関係は、図２１に示すようになる。
　このようにして得られた傾きの関係式を上記式（４）に反映させることによって、上記式（２）の関係式のうちの一方である下記式（５）を決定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　但し、ＷＣ：チャネル幅（ｍｍ）
　　　　ＷＲ：リブ幅（ｍｍ）
　　　　σ：ガス拡散層の電気伝導度（Ｓ／ｍ）
　　　　ｔ：ガス拡散層の厚さ（μｍ）
　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、電解質膜として、パーフルオロスルホン酸系電解質膜を用意し、カソード側及びアノード側の触媒層形成用スラリとして、白金担持カーボン含有分散液を用意した。
　スプレーコータ装置を用いてスラリを電解質膜に塗布し、焼成炉を用いて、空気雰囲気中、３５０℃で３０分間焼成し、膜電極接合体を作製した。
　次に、カソード側及びアノード側のガス拡散層基材層として、空隙率が０．４４であるエッチングプレートを用意し、ガス拡散層下地層として、カーボン粉末と撥水材（例えばポリテトラフルオロエチレン）とからなる層を用意し、これらを所定の面圧にて圧着することでガス拡散層を作製した。
　なお、ガス拡散層の厚さは５０μｍであった。
　更に、セパレータとして、ＳＣ＝０．６７としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製した。
　これらを用いて、図１に示すような燃料電池を作製し、本例の燃料電池を得た。
　（比較例１）
　ガス拡散層基材層として、一般的なカーボンペーパを用意して、実施例１と同様の操作を繰り返して、ガス拡散層を作製した。
　なお、ガス拡散層の厚さは２１０μｍであった。
　更に、セパレータとして、ＳＣ＝０．５としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製した。
　上記作製したガス拡散層及びセパレータを用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図１に示すような燃料電池を作製し、本例の燃料電池を得た。
　（比較例２）
　ガス拡散層基材層として、一般的なカーボンペーパを用意して、実施例１と同様の操作を繰り返して、ガス拡散層を作製した。
　なお、ガス拡散層の厚さは２１０μｍであった。
　更に、セパレータとして、ＳＣ＝０．６７としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製した。
　上記作製したガス拡散層及びセパレータを用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図１に示すような燃料電池を作製し、本例の燃料電池を得た。
　（比較例３）
　ガス拡散層基材層として、一般的なカーボンペーパを用意して、実施例１と同様の操作を繰り返して、ガス拡散層を作製した。
　なお、ガス拡散層の厚さは２１０μｍであった。
　更に、セパレータとして、ＳＣ＝０．７８としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製した。
　上記作製したガス拡散層及びセパレータを用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図１に示すような燃料電池を作製し、本例の燃料電池を得た。
　（比較例４）
　ガス拡散層基材層として、一般的なカーボンペーパを用意して、実施例１と同様の操作を繰り返して、ガス拡散層を作製した。
　なお、ガス拡散層の厚さは２１０μｍであった。
　更に、セパレータとして、ＳＣ＝０．８３としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製した。
　上記作製したガス拡散層及びセパレータを用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図１に示すような燃料電池を作製し、本例の燃料電池を得た。
　（実施例２）
　まず、電解質膜として、パーフルオロスルホン酸系電解質膜を用意し、カソード側及びアノード側の触媒層形成用スラリとして、白金担持カーボン含有分散液を用意した。
　電解質膜に、スラリをスプレーコータ装置を用いて塗布し、焼成炉を用いて、空気雰囲気中、３５０℃で３０分間焼成し、膜電極接合体を作製した。
　次に、カソード側及びアノード側のガス拡散層として、カーボン粉末と撥水材（例えばポリテトラフルオロエチレン）とからなる層（厚さ８０μｍ）を用意し、これらを所定の面圧にて圧着することでガス拡散層を作製した。なお、ガス拡散層の電気伝導度を、セル組み付け時面圧下において直流２端子法により測定したところ、１００Ｓ／ｍであった。
　更に、セパレータとして、リブ幅ＷＲ０．７ｍｍ、チャネル幅ＷＣ０．７ｍｍ、ＳＣ＝０．５としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製した。
　これらを用いて、図４に示すような燃料電池を作製し、本例の燃料電池を得た。
　（実施例３）
　セパレータとして、リブ幅ＷＲ０．７ｍｍ、チャネル幅ＷＣ１．８ｍｍ、ＳＣ＝０．７２としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製し、これらを用いて、図４に示すような燃料電池を作製したこと以外は実施例２と同様の操作を繰り返し、本例の燃料電池を得た。
　（実施例４）
　セパレータとして、リブ幅ＷＲ０．５ｍｍ、チャネル幅ＷＣ３．８ｍｍ、ＳＣ＜０．９としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製し、これらを用いて、図４に示すような燃料電池を作製したこと以外は実施例２と同様の操作を繰り返し、本例の燃料電池を得た。
　（実施例５）
　セパレータとして、リブ幅ＷＲ０．２ｍｍ、チャネル幅ＷＣ１．７ｍｍ、ＳＣ＜０．９としたステンレス（ＳＵＳ）製セパレータを作製し、これらを用いて、図４に示すような燃料電池を作製したこと以外は実施例２と同様の操作を繰り返し、本例の燃料電池を得た。
［性能評価］
　上記各例の燃料電池を用いて、下記条件において、その性能を評価した。具体的には、電子負荷装置を用いて、車両定格電流における電圧を計測し、車両定格電圧にて規格化した。得られた結果を図１４に示す。また、ミリオームハイテスタを用いて抵抗を計測し、比較例１の抵抗で規格化した。得られた結果を図２２に示す。
　＜評価条件＞
　・ガス成分　：水素（アノード側）／空気（カソード側）
　・セル温度　：８０℃
　・Ｒ．Ｈ．（相対湿度）　：１００％ＲＨ
　本発明の範囲に属する実施例１は、図１４に示したように、車両定格電圧で規格化した車両定格電流における電圧値が、本発明外の比較例１や比較例２と比較して高く、１以上である。つまり、実施例１は、ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３を満足するもので、定格電流における性能が高い。なお、図１４に示したように、比較例１、比較例２はこの条件を満足しない。また、実施例１は、図２２に示したように比較例１の抵抗で規格化した抵抗が１よりも小さいことから、抵抗が低減していることが分かる。これは、セパレータのリブ下への酸素拡散を確保しつつ、薄層化による酸素輸送距離低減及び電子抵抗低減を実現したため、薄層化によるリブ下への酸素輸送抵抗増大の影響を抑え、更に酸素輸送距離低減による濃度分極低減及びオーム損低減により性能が向上したためと考えられる。また、実施例１は、基材として金属エッチングプレートを用いているため、導電性が向上している。更に、実施例１は、金属エッチングプレートの空孔に、ガス拡散層下地層形成用スラリの一部が浸入しているため、フラッディング耐性が向上している。更に、実施例１は、ガス拡散層と膜電極接合体及びセパレータとを所定の圧力でホットプレスによって圧着したため、電子抵抗が低減され、性能が向上している。
　また、本発明の範囲に属する実施例２～実施例５も、ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３を満足するもので定格電流における性能が高い。更に、上記説明したように、式（２）を満足する構成としているため、より高い性能を発現し得る。
　なお、ガス拡散層の電気伝導度は等方性を有するが、異方性を有していても上記説明したように、式（２）においてガス拡散律速方向であるリブ幅方向の電気伝導度σｉｎｐｌａｎｅを適用することよって、より確実に高い性能を発現し得る。
　また、セパレータにおけるガス流れ方向に対してほぼ垂直な断面におけるチャネル形状が矩形形状でない場合であっても、上記説明したように、式（２）においてガス拡散律速方向であるリブとガス拡散層とが接する部分のリブ幅ＷＲｃｏｎｔａｃｔを適用し、チャネル幅ＷＣとしてチャネルとガス拡散層が対峙する部分のチャネル幅ＷＣｃｏｎｔａｃｔを適用することによって、より確実に高い性能を発現し得る。
　更に、ガス拡散層が厚さ方向に積層されたｎ層構造を有する場合であっても、上記説明したように、式（２）において式（３）より算出される電気伝導度σｌａｙｅｒｅｄを適用することによって、より確実に高い性能を発現し得る。
　また、ガス拡散層が厚さ方向の面圧に対して感度を有する場合であっても、上記説明したように、式（２）において燃料電池を形成した状態での電気伝導度σｐｒｅｓｓｕｒｅを適用することによって、より確実に高い性能を発現し得る。
　更に、上記セパレータにおけるガス流れ方向が一方向でない場合であっても、上記説明したように、セパレータにおけるガス流れ方向のうち最も割合が大きい方向を主流方向と規定し、式（２）において、主流方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ幅ＷＲｍａｉｎ及びチャネル幅ＷＲｍａｉｎを適用することによって、より確実に高い性能を発現し得る。
　また、リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状が点状又は島状配置形状である場合であっても、上記説明したように算出したリブ幅ＷＲｍａｉｎ及びチャネル幅ＷＲｍａｉｎを適用することによって、より確実に高い性能を発現し得る。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態等で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
　例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、各実施形態毎に限定されるものではなく、例えば、セパレータやガス拡散層の構成の細部を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
　また、例えば、実施例においては、平行な直線状にガス流路が形成されたセパレータを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、サーペンタイン型のガス流路の場合であっても、ＳＣを算出する式を上述したように適宜適用させることにより、本発明は適用可能である。
　本出願は、２０１１年４月６日に出願された日本国特許願第２０１１－０８４３７９号、および２０１１年６月１６日に出願された日本国特許願第２０１１－１３４２８０号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容がここに援用される。
　本発明によれば、燃料電池のガス拡散層との対峙面におけるガス流路であるチャネルの占有面積比ＳＣ（－）と、ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とが上記式（１）で表される関係を満足する。そのため、酸素輸送抵抗及び電子抵抗の両者が低減され、高い性能を発現し得る燃料電池を提供することができる。
　１００，２００，３００，４００，５００，６００　　燃料電池
　１０　　膜電極接合体
　１１　　電解質膜
　１３ａ　アノード側の触媒層
　１３ｃ　カソード側の触媒層
　２０ａ　アノード側のガス拡散層
　２０ｃ　カソード側のガス拡散層
　２１ａ　アノード側のガス拡散層下地層
　２１ｃ　カソード側のガス拡散層下地層
　２３ａ　アノード側のガス拡散層基材層
　２３ｃ　カソード側のガス拡散層基材層
　３０　　セパレータ
　３１　　リブ
　Ｃａ　　アノード側のガス流路（チャネル）
　Ｃｃ　　カソード側のガス流路（チャネル）　

Claims (10)

  1. 　膜電極接合体と、
    　前記膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
    　前記膜電極接合体及び前記一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータとを備え、
    　前記一対のセパレータの各々は、前記ガス拡散層に対峙する面にガス流路であるチャネルを形成するリブを有しており、
    　前記ガス拡散層に対峙する面における前記チャネルの占有面積比ＳＣ（－）と、前記一対のガス拡散層の各々の厚さｔ（μｍ）とが下記式（１）で表される関係を満足することを特徴とする燃料電池。
    　０．９＞ＳＣ≧５５（ｔ－１０３）２／１００００００＋０．３　…（１）
  2. 　前記チャネルの幅ＷＣ（ｍｍ）と、前記リブの幅ＷＲ（ｍｍ）と、前記ガス拡散層の電気伝導度σ（Ｓ／ｍ）と、前記ガス拡散層の厚さｔ（μｍ）とが下記式（２）で表される関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  3. 　前記ガス拡散層の電気伝導度に異方性がある場合、前記式（２）のガス拡散層の電気伝導度σとして、前記リブの幅方向の電気伝導度を適用することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
  4. 　前記セパレータにおけるガス流れ方向に対してほぼ垂直な断面における前記チャネルの形状が台形形状である場合、前記式（２）のリブ幅ＷＲとして、前記リブの前記ガス拡散層に接する部分の幅を適用し、チャネル幅ＷＣとして、前記チャネルの前記ガス拡散層と対峙する部分の幅を適用す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. 　前記ガス拡散層が厚さ方向に積層されたｎ層構造を有する場合、前記式（２）のガス拡散層の電気伝導度σとして、下記式（３）より算出される電気伝導度σｌａｙｅｒｅｄを適用することを特徴とする請求項２～４のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    　但し、σｌａｙｅｒｅｄ：ｎ層構造を有するガス拡散層の電気伝導度（Ｓ／ｍ）
    　　　　ｔ：ガス拡散層の厚さ（μｍ）
    　　　　σｉ：ｉ層目のガス拡散層の電気伝導度（Ｓ／ｍ）
    　　　　ｔｉ：ｉ層目のガス拡散層の厚さ（μｍ）
  6. 　前記ガス拡散層が厚さ方向の面圧に対して感度を有する場合、前記式（２）のガス拡散層の電気伝導度σとして、燃料電池を形成した状態での電気伝導度を適用することを特徴とする請求項２～５のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  7. 　前記セパレータにおけるガス流れ方向が一方向でない場合、前記セパレータにおけるガス流れ方向のうち最も割合が大きい方向を主流方向と規定し、前記式（２）のリブ幅ＷＲとして、前記主流方向に対してほぼ垂直な断面における前記リブの幅を適用し、前記式（２）のチャネル幅ＷＣとして、前記主流方向に対してほぼ垂直な断面における前記チャネルの幅を適用することを特徴とする請求項２～６のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  8. 　前記リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状が点状又は島状配置形状である場合、
    　前記式（２）におけるリブ幅ＷＲとして、リブの重心位置と、該重心位置を結ぶことにより形成される重なりのない三角形の重心位置とを算出し、前記リブの重心位置及び前記三角形の重心位置を結ぶ線分と該リブの外形線との交点と、該リブの重心位置との距離を２倍にして得られる値を適用し、
    　前記式（２）におけるチャネル幅ＷＣとして、前記交点と前記三角形の重心位置との距離を２倍にして得られる値を適用することを特徴とする請求項２～６のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  9. 　前記リブの厚さ方向に対してほぼ垂直な断面におけるリブ配置形状が点状又は島状配置形状である場合、
    　前記式（２）におけるリブ幅ＷＲ及びチャネル幅ＷＣとして、
    　リブの重心位置と、該重心位置を結ぶことにより形成される重なりのない三角形の重心位置とを算出し、
    　前記リブの重心位置及び前記三角形の重心位置を結ぶ線分と該リブの外形線との交点と、該リブの重心位置との距離を２倍にして得られるリブ幅ＷＲｃｇ、及び、前記交点と前記三角形の重心位置との距離を２倍にして得られるチャネル幅ＷＣｃｇのうち、ＷＣｃｇ／（ＷＣｃｇ＋ＷＲｃｇ）が最も小さくなるものを適用することを特徴とする請求項２～６のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
  10. 　前記ガス拡散層が、前記膜電極接合体側に位置するガス拡散層下地層と、前記セパレータ側に位置するガス拡散層基材層とから構成され、
    　前記ガス拡散層下地層が、カーボンと撥水材とを含有し、
    　前記ガス拡散層基材層が、金属多孔体を含有することを特徴とする請求項１～９のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
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