(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に電極を配置しその表面にガス拡散層を有する膜電極接合体がアノード側セパレータ及びカソード側セパレータ間に配置され、前記各セパレータには前記膜電極接合体に接する複数の突起部を有し、アノード側セパレータの突起部間が燃料両ガス流路となり、カソード側セパレータの突起間が酸化ガス流路となる燃料電池のガス流路構造において、
前記アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積以下とし、
前記アノード側セパレータの突起部間に形成される燃料ガス流路の流路ピッチと、前記カソード側セパレータの突起部間に形成される酸化ガス流路の流路ピッチを異ならしめて、カソード側セパレータの突起部とアノード側セパレータの突起部の一部又は全部をずらして配置したことを特徴とする燃料電池のガス流路構造。
【請求項２】
前記燃料ガス流路の流路ピッチを、酸化ガス流路の流路ピッチよりも小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項３】
前記アノード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率を、前記カソード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率よりも小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項４】
前記アノード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率を、前記カソード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率と同じにしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項５】
前記燃料ガス流路の流路ピッチを、酸化ガス流路の流路ピッチよりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項６】
前記アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積と同じとしたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項７】
前記アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積よりも狭くしたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項８】
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくともいずれか一方のセパレータは、多孔体流路を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちいずれか１項に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項９】
前記アノード側セパレータの突起部がガス流れ方向と直交する方向に延びる短辺と前記ガス流れ方向に沿って延びる長辺を有する矩形状に形成され、
前記短辺の長さを前記膜電極接合体のアノード側のガス拡散層の厚み以下としたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項１０】
前記アノード側セパレータの突起部が円形状に形成され、
前記アノード側セパレータの突起部の半径を前記膜電極接合体のアノード側のガス拡散層の厚み以下としたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池のガス流路構造。
【請求項１１】
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくともいずれか一方が金属板のプレス加工により形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池のガス流路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質形燃料電池は、図５（ａ）に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜５１と前記膜の一面に配置されたアノード（燃料極）５２、ガス拡散層５４、前記電解質膜の他面に配置されたカソード（酸素極）５３、及びガス拡散層５５とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路６１，７１を形成するための突起６２，７２を有するセパレータ６０，７０とを、交互に配置している。そして、燃料電池は前記ＭＥＡとセパレータからなる単電池（単セル）の積層体を締め付けて一体化したスタックからなる。固体高分子電解質形燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること等の利点を有することから、特に、車両等の移動体用電源として注目されている。図５（ａ）の一般的な燃料電池（単セル）では、アノード側セパレータ６０の突起６２のコンタクト率と、カソード側セパレータ７０の突起７２のコンタクト率は同一としている。又、突起６２と突起７２のそれぞれの１個当たりのＭＥＡとの接触面積も互いに同一としている。さらに、ガス流路６１とガス流路７１の流路ピッチも同一としている。
【０００３】
この種の燃料電池の実用化のためには、小型化及び低コスト化が求められている。このため、冷却・加湿系を簡略化できる高温・無加湿運転条件の下で行うことが可能な燃料電池が望まれている。
【０００４】
前記高温・無加湿運転を行うために、カソード側生成水の逆拡散、すなわち、カソード側からアノード側への生成水の拡散を促進することが有効である（特許文献１）。そのためには、アノード流路（燃料ガス流路）において、生成水の蒸発を促進させることが効果的である。
【０００５】
蒸発促進のためには、アノード流路（燃料ガス流路）において、セパレータがアノードに接触する突起部の面積を狭くし、突起部間の距離、すなわち、燃料ガス流路流路幅を広くして、流路が占める比率を大にすることが提案されている（特許文献２）。
【０００６】
特許文献２の燃料電池（単セル）では、アノード側セパレータ６０の突起６２のコンタクト率は、カソード側セパレータ７０の突起７２のコンタクト率よりも小さくしている。又、突起６２と突起７２のそれぞれの１個当たりのＭＥＡとの接触面積もアノード側の突起６２のほうを狭くしている。又、ガス流路６１とガス流路７１の流路ピッチは同一とし、図５（ｂ）に示すように、突起６２，７２の中心が一致させるようにして互いに対向配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５９７５８号公報
【特許文献２】特開２００４−３４２４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、アノード流路側に拡散してきた生成水は、燃料ガス流路側のセパレータの突起部下に溜まりやすいため、従来の構成では、生成水の逆拡散の促進が効率的に行われているとは言いにくい問題がある。すなわち、図５（ａ）に示す従来の一般的な燃料電池の構成及び特許文献２のように、アノード側に配置されて膜電極接合体に接するセパレータの突起部の流路ピッチと、カソード側に配置されて膜電極接合体に接するセパレータの突起部の流路ピッチを同一とし、両セパレータの突起部同士が対向するように配置した場合は、カソード側の突起部下の中央部の生成水の逆拡散がしにくい問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題を解決して、カソード側セパレータの突起部下の滞留生成水を効率的にアノード側へ逆拡散させ、燃料電池の高温・性能を向上することができる燃料電池のガス流路構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、請求項１の発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極を配置しその表面にガス拡散層を有する膜電極接合体がアノード側セパレータ及びカソード側セパレータ間に配置され、前記各セパレータには前記膜電極接合体に接する複数の突起部を有し、アノード側セパレータの突起部間が燃料ガス流路となり、カソード側セパレータの突起間が酸化ガス流路となる燃料電池のガス流路構造において、前記アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積以下とし、前記アノード側セパレータの突起部間に形成される燃料ガス流路の流路ピッチと、前記カソード側セパレータの突起部間に形成される酸化ガス流路の流路ピッチを異ならしめて、カソード側セパレータの突起部とアノード側セパレータの突起部との一部又は全部をずらして配置したことを特徴とする燃料電池のガス流路構造を要旨としている。
【００１１】
請求項１の発明の構成によれば、アノード側セパレータの突起部の膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積が、カソード側セパレータの突起部の膜電極接合体の１個当たりの接触面積以下とし、燃料ガス流路と酸化ガス流路の流路ピッチを異ならしめて、カソード側セパレータの突起部とアノード側セパレータの突起部とをずらして配置することにより、カソード側セパレータの突起部下に滞留した生成水は、アノード側セパレータの突起部下を除いた膜電極接合体の領域への移動距離が、そうでない場合よりも短くなる。このため、カソード側セパレータの突起部下に滞留した生成水の逆拡散効率が高まる。すなわち、逆拡散されるまでのカソード側の突起下に滞留した生成水が、アノード側セパレータのガス流路までに辿る距離が短くなり、逆拡散効果を促進できる。特に、カソード側セパレータの突起部とアノード側セパレータの突起部の一部又は全部をずらして配置しているため、カソード側セパレータの突起部の中央部に滞留した生成水の逆拡散効率が高まる。
【００１２】
なお、ずらして配置するとは、アノード側セパレータの突起部とカソード側セパレータの突起部とが対向している各突起部の中心が一致して対向していないことをいう。
請求項２の発明は、請求項１において、前記燃料ガス流路の流路ピッチを、酸化ガス流路の流路ピッチよりも小さくしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明では、燃料ガス流路の流路ピッチを、酸化ガス流路の流路ピッチよりも小さくした場合においても、請求項１の作用を容易に実現する。
請求項３の発明は、請求項２において、前記アノード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率を、前記カソード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率よりも小さくしたことを特徴とする。コンタクト率は、ガス拡散層の突起部側に向く表面の全面積に対する突起部の全部の接触面積の割合である。
【００１４】
請求項３の発明によれば、アノード側セパレータの突起部による膜電極接合体とのコンタクト率を、前記カソード側セパレータの突起部による膜電極接合体とのコンタクト率よりも小さくし、かつ、燃料ガス流路の流路ピッチが、酸化ガス流路の流路ピッチよりも小さくしているため、アノード側セパレータの突起部の数が増加し、アノード側セパレータの突起部と膜電極接合体との集電抵抗の低減が可能となる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項２において、前記アノード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率を、前記カソード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率と同じにしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明によれば、アノード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率を、前記カソード側セパレータの突起部による前記膜電極接合体とのコンタクト率と同じにすることにより、コンタクト率が異なる場合に比して、両セパレータの突起部による膜電極接合体に対する損傷を抑制する。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１において、前記燃料ガス流路の流路ピッチを、酸化ガス流路の流路ピッチよりも大きくしたことを特徴とする。
請求項５の発明によれば、燃料ガス流路の流路ピッチを、酸化ガス流路の流路ピッチよりも大きくした場合でも、請求項１に記載の作用を容易に実現する。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項５において、前記アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積と同じとしたことを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明によれば、アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積と同じにしても、請求項１の記載の作用を容易に実現する。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項５において、前記アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積よりも狭くしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明によれば、アノード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、前記カソード側セパレータの突起部の前記膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積よりも狭くしたことにより、すなわちコンタクト率は、カソード側がアノード側よりも大きいため、酸化ガス流路の酸化ガスによる生成水の蒸発を抑制できる効果（蓋効果）を有して、より積極的に逆拡散を向上する。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のうちいずれか１項において、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくともいずれか一方のセパレータは、多孔体流路を含むことを特徴とする。
【００２３】
請求項８の発明によれば、アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくともいずれか一方のセパレータを多孔体流路を含む構成としても、請求項１乃至請求項７のいずれかの作用を容易に実現する。
【００２４】
請求項９の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか１項において、前記
アノード側セパレータの突起部がガス流れ方向と直交する方向に延びる短辺と前記ガス流れ方向に沿って延びる長辺を有する矩形状に形成され、前記短辺の長さを前記膜電極接合体のアノード側のガス拡散層の厚み以下としたことを特徴とする。
【００２５】
請求項９の発明によれば、膜電極接合体のアノード電極からアノード側のガス拡散層（ＧＤＬ）を通した燃料ガス流路への生成水の蒸発を阻害することがなく、この燃料ガス流路での蒸発促進効果により、生成水の逆拡散が促進され、結果としてより高温性能を向上する。
【００２６】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか１項において、前記アノード側セパレータの突起部が円形状に形成され、前記アノード側セパレータの突起部の半径を前記膜電極接合体のアノード側のガス拡散層の厚み以下としたことを特徴とする。
【００２７】
請求項１０の発明によれば、膜電極接合体のアノード電極からアノード側のガス拡散層（ＧＤＬ）を通した燃料ガス流路への生成水の蒸発を阻害することがなく、この燃料ガス流路での蒸発促進効果により、生成水の逆拡散が促進され、結果としてより高温性能を向上する。
【００２８】
請求項１１の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項において、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくともいずれか一方が金属板のプレス加工により形成されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項１１の発明によれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの少なくともいずれか一方が金属板のプレス加工により形成されたガス流路構造において、請求項１乃至請求項１０のいずれかの作用を容易に実現する。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１の発明によれば、アノード側セパレータの突起部の膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、カソード側セパレータの突起部の膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積以下とし、燃料ガス流路と酸化ガス流路の流路ピッチを異ならしめることにより、カソード側セパレータの突起部下の滞留生成水を効率的にアノード側へ逆拡散させ、燃料電池の高温・性能を向上することができる。特に、カソード側セパレータの突起部とアノード側セパレータの突起部とをずらして配置しているため、カソード側セパレータの突起部の中央部に滞留した生成水の逆拡散効率を高めることができる。
【００３１】
請求項２の発明によれば、燃料ガス流路の流路ピッチを、燃料ガス流路の流路ピッチよりも小さくした場合においても、請求項１の効果を容易に実現できる。
請求項３の発明によれば、アノード側セパレータの突起部の数が増加し、アノード側セパレータの突起部と膜電極接合体との集電抵抗の低減ができる。
【００３２】
請求項４の発明によれば、アノード側セパレータの突起部による膜電極接合体とのコンタクト率を、カソード側セパレータの突起部による膜電極接合体とのコンタクト率と同じにすることにより、コンタクト率が異なる場合に比して、両セパレータの突起部による膜電極接合体に対する損傷を抑制できる。
【００３３】
請求項５の発明によれば、燃料ガス流路の流路ピッチを、酸化ガス流路の流路ピッチよりも大きくした場合でも、請求項１に記載の効果を容易に実現できる。
請求項６の発明によれば、アノード側セパレータの突起部の膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積を、カソード側セパレータの突起部の膜電極接合体に対する１個当たりの接触面積と同じにしても、請求項１の記載の効果を容易に実現する。
【００３４】
請求項７の発明によれば、酸化ガス流路の酸化ガスによる生成水の蒸発を抑制できる効果（蓋効果）を有して、より積極的に逆拡散を向上できる。
請求項８の発明によれば、アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの少なくともいずれか一方のセパレータを多孔体流路を含む構成としても、請求項１乃至請求項７のいずれかの作用を容易に実現できる。
【００３５】
請求項９及び請求項１０の発明によれば、膜電極接合体のアノード電極からアノード側のガス拡散層（ＧＤＬ）を通した燃料ガス流路への生成水の蒸発を阻害することがなく、この燃料ガス流路での蒸発促進効果により、生成水の逆拡散が促進され、結果としてより高温性能を向上できる。
【００３６】
請求項１１の発明によれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの少なくともいずれか一方が金属板のプレス加工により形成されたガス流路構造において、請求項１乃至請求項１０のいずれかの効果を容易に実現する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池のガス流路構造の断面図。
【図２】（ａ）は、従来例の燃料電池のガス流路構造の断面図、（ｂ）は、本発明の第１実施形態の燃料電池のガス流路構造の断面図。
【図３】実施形態の拡散流速と、コンタクト幅／ＧＤＬの厚みの特性図。
【図４】（ａ）は第２実施形態の燃料電池のガス流路構造の断面図、（ｂ）は第３実施形態の燃料電池のガス流路構造の断面図、（ｃ）は第４実施形態の燃料電池のガス流路構造の断面図。
【図５】（ａ）は、一般的な従来例の一実施形態の燃料電池のガス流路構造の断面図、（ｂ）は、特許文献２の一実施形態の燃料電池のガス流路構造の断面図。
【図６】セパレータの要部斜視図。
【図７】多孔体流路の斜視図。
【図８】多孔体流路の端面図。
【図９】他の多孔体流路の斜視図。
【図１０】他の多孔体流路の斜視図。
【図１１】他の多孔体流路の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態の燃料電池のガス流路構造を図１、図２（ａ）、図３、及び図６を参照して説明する。
【００３９】
燃料電池は、図１に示す単セルＴを単数、又は複数が積層されて構成されている。単セルＴは、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の両側面を挟むように配置されて、外部から導入されたガスを供給するアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０と、両セパレータ２０，３０と膜電極接合体１０間に介在配置された図示しない樹脂フレーム（ガスケット）から構成されている。
【００４０】
膜電極接合体１０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなるアノード（燃料極）１２及び電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなるカソード（空気極）１３とからなる。
【００４１】
電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製されている。固体高分子材料としてはフッ素系の高分子膜（例えば、デュポン社製のナフィオン膜等）がある。アノード１２及びカソード１３は、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。
【００４２】
膜電極接合体１０とアノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０との間には、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）１４、１５が配置されている。ガス拡散層１４，１５は、アノード（触媒層）１２，カソード（触媒層）１３に積層され、導電性を有するカーボンペーパーにより構成されている。なお、触媒層に含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散層１４，１５は、カーボンペーパーのほか、炭素繊維からなるカーボンクロス又はカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性及び導電性を有していればよい。
【００４３】
アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０は、カーボン、または金属板、又は導電性樹脂、または金属板と樹脂フレーム、の何れかまたはその組み合わせからなる。
【００４４】
アノード側セパレータ２０には、アノード１２に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２１が形成されている。燃料ガス流路２１は、アノード側セパレータ２０のガス拡散層１４に接触する側の面に形成された突起部としての突起２２の間に形成されて、ガス流れ方向に沿って延出され溝状に形成されている。
【００４５】
カソード側セパレータ３０には、カソード１３に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路３１が形成されている。酸化ガス流路３１は、カソード側セパレータ３０の拡散層１５に接触する側の面に形成された突起部としての突起３２の間に形成されて、ガス流れ方向に沿って延出され溝状に形成されている。
【００４６】
図２（ａ）は、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０は、平板状の金属板に対してプレス加工により、それぞれ突起２２，３２を形成した例である。なお、図２（ａ）では、後述の作用の説明のため、突起２２と突起３２の中心は一致させて図示している。
【００４７】
突起２２，３２は、その先端面が、ガス拡散層１４，１５に対して押圧することにより接触している。突起２２，３２は、図５に示すように、ガス流れ方向に連続した突起（リブ状の突起）であってもよいし、或いは、突起２２，３２は、非連続の突起としてもよい。図１では、ガス流れ方向は、図面において、直交する方向である。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流れ方向は平行流でもよく、或いは対向流でもよい。
【００４８】
非連続の突起２２，３２にした場合、突起２２、３２の先端のセル面（セパレータ面）と平行な面内の形状は、正方形状、矩形状などにしてもよく、或いは円形状としてもよい。矩形状とする場合は、ガス流れ方向と直交する方向を矩形の短辺とし、ガス流れ方向を矩形の長辺とする。
【００４９】
突起２２の先端のセル面（セパレータ面）と平行な面内の形状が、正方形状、矩形状、或いは円形状の場合、突起２２のコンタクト幅（ガス流れ方向とは直交する方向の辺の幅）は、ガス拡散層１４の厚み以下としている。すなわち、突起２２が矩形状の場合は、突起２２の短辺の長さをコンタクト幅とする。又、突起２２が円形状の場合は、突起２２の半径をコンタクト幅とする。
【００５０】
（突起、及びガス流路の大小関係について）
次に、突起２２，３２、及び燃料ガス流路２１，酸化ガス流路３１の大小関係について説明する。
【００５１】
本実施形態では、アノード（図１では、「Ａｎ」と表記）側の突起２２のガス拡散層１４に対するコンタクト率は、カソード（図１では、「Ｃａ」と表記）側の突起３２のガス拡散層１５に対するコンタクト率よりも小さくしている。すなわち、Ｃａ側の突起３２のコンタクト率をＡｎ側の突起２２よりも大きくしている。
【００５２】
又、Ａｎ側の突起２２の１箇所当たりのガス拡散層１４との接触面積は、Ｃａ側の突起３２の１箇所当たりのガス拡散層１５との接触面積よりも狭くしている。図１では、突起３２の１箇所当たりのガス拡散層１５の接触面積を「面積／個」で表している（以下、他の実施形態についても同様である。）。又、Ａｎ側の燃料ガス流路２１の流路ピッチは、Ｃａ側の酸化ガス流路３１の流路ピッチよりも小さくしている。
【００５３】
（実施形態の作用）
次に、第１実施形態の作用について説明する。
燃料ガス流路２１に水素ガスが供給され、酸化ガス流路３１に酸化ガス（酸素又は空気）が供給されると、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われる。水素イオンはアノード１２、電解質膜１１を介してカソード側に移動する。又、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りの膜電極接合体１０のアノードで生成した電子がカソード側セパレータ３０等を通してくる）ため、電気化学反応により水を生成する。カソード側で生成された水（生成水）は、アノード側に逆拡散するが一部の生成水は、突起３２下に滞留しやすい。
【００５４】
この場合、カソード側セパレータ３０の突起３２下に滞留した生成水は、アノード側セパレータ２０の突起２２下を除いた膜電極接合体１０の領域への移動距離が、そうでない場合よりも短くなる。上記の移動距離が短くなることを説明する。
【００５５】
図２（ａ）は、本実施形態の場合であり、図２（ｂ）は、従来例の場合である。なお、従来例のガス流路構造は、本実施形態の構成の一部においてその大きさが異なるだけであるため、本実施形態の各部材に相当する構成には、同一符号を付す。従来例は、コンタクト率は、カソード側よりもアノード側が小さく、突起の１箇所当たりの面積は、カソード側よりもアノード側が狭く、流路ピッチはカソード側もアノード側も同じとし、カソード側とアノード側の両方の突起２２，３２は、互いにその中心が一致するように配置されている。
【００５６】
本実施形態及び従来例において、突起３２の中央下に滞留した生成水の位置をＰで印すと、Ｐから突起２２に隣接する燃料ガス流路２１迄の長さ（最短移動距離）を従来例ではＬ１とし、本実施形態ではＬ２とする。すると、従来例では、流路ピッチは、カソード側もアノード側も同じとするとともに、互いにその中心が一致するように配置されているため、本実施形態の流路ピッチは、アノード側の燃料ガス流路２１の方がカソード側の酸化ガス流路３１よりも小さくしているため、Ｌ１＞Ｌ２となる。このため、本実施形態の方が、中央鋳下に滞留した生成水の最短移動距離Ｌ２が従来例よりも短いため逆拡散効率が高くなる。すなわち、逆拡散されるまでのカソード側の突起３２下に滞留した生成水が、アノード側セパレータ２０の燃料ガス流路２１までに辿る距離が短くなり、逆拡散効果を促進できる。なお、図２（ａ）では、説明の便宜上、突起２２と突起３２の中心は一致させて図示している。
【００５７】
又、本実施形態では、カソード側セパレータ３０の突起３２とアノード側セパレータ２０の突起２２とをずらして配置しているため、カソード側セパレータの突起部の中央部に滞留した生成水の逆拡散効率が高まる。
【００５８】
なお、実際は、図２（ａ）のように突起３２と、突起２２との中心が一致する場合よりも、一致しない場合が多いため、より、突起３２の下に滞留した生成水の逆拡散が効率的に行われることが期待できる。
【００５９】
又、本実施形態では、アノード側セパレータ２０の突起２２による膜電極接合体１０とのコンタクト率を、カソード側セパレータ３０の突起３２による膜電極接合体１０とのコンタクト率よりも小さくし、かつ、燃料ガス流路２１の流路ピッチが、酸化ガス流路３１の流路ピッチよりも小さくしているため、アノード側セパレータ２０の突起３２の数が、増加するため、アノード側セパレータ２０の突起２２と膜電極接合体１０との集電抵抗の低減ができる。
【００６０】
又、突起２２の先端のセル面（セパレータ面）と平行な面内の形状が、正方形状、矩形状、或いは円形状の場合、突起２２のコンタクト幅（ガス流れ方向とは直交する方向の辺の幅）は、ガス拡散層１４（ＧＤＬ）の厚み以下としている。すなわち、突起２２が矩形状の場合は、突起２２の短辺の長さをコンタクト幅とする。又、突起２２が円形状の場合は、突起２２の半径をコンタクト幅としている。
【００６１】
この実施形態では、上記のような構成の突起にすることにより、蒸発促進が可能となる。図３は、フィツクの拡散法則から、拡散係数・濃度を一定とし、拡散距離をコンタクト幅／ＧＤＬの厚みから規定し、拡散流速の算出を行った結果を図示したものである。同図において、横軸は、コンタクト幅とガス拡散層１４の厚みの比とし、縦軸は拡散流速である。
【００６２】
図３に示すように、拡散距離をコンタクト幅／ＧＤＬの厚み＝１に変曲点があり、コンタクト幅がＧＤＬの厚み以下であると、拡散が良好であることが分かる。すなわち、突起２２のコンタクト幅をガス拡散層１４の厚み以下にすると、アノード１２からのガス拡散層１４を通した燃料ガス流路２１への蒸発を阻害することがなく、このアノード側の蒸発促進効果により、生成水の逆拡散が促進され、結果として、高温性能を向上させることができる。
【００６３】
本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）  本実施形態の燃料電池のガス流路構造は、アノード側セパレータ２０の突起２２（突起部）の膜電極接合体１０に対する１個当たりの接触面積を、カソード側セパレータ３０の突起３２（突起部）の膜電極接合体１０に対する１個当たりの接触面積よりも狭くしている。又、アノード側セパレータ２０の突起２２間に形成される燃料ガス流路２１の流路ピッチを、カソード側セパレータ３０の突起３２間に形成される酸化ガス流路３１の流路ピッチよりも小さくして、突起３２と突起２２とをずらして配置している。
【００６４】
この結果、カソード側セパレータ３０の突起３２下の滞留生成水を効率的にアノード側へ逆拡散させ、燃料電池の高温・性能を向上することができる。特に、カソード側セパレータ３０の突起３２とアノード側セパレータ２０の突起２２とをずらして配置しているため、カソード側セパレータ３０の突起３２の中央部に滞留した生成水の逆拡散効率を高めることができる。
【００６５】
（２）  本実施形態の燃料電池のガス流路構造は、酸化ガス流路３１の流路ピッチを、燃料ガス流路の流路ピッチよりも小さくした場合においても、上記（１）の効果を容易に実現できる。
【００６６】
（３）  本実施形態の燃料電池のガス流路構造は、アノード側セパレータ２０の突起２２による膜電極接合体１０とのコンタクト率を、カソード側セパレータ３０の突起３２による膜電極接合体１０とのコンタクト率よりも小さくしている。この結果、アノード側セパレータ２０の突起２２の数が増加し、アノード側セパレータ２０の突起２２と膜電極接合体１０との集電抵抗の低減ができる。
【００６７】
（４）  本実施形態の変形例のガス流路構造では、アノード側セパレータ２０の突起２２がガス流れ方向と直交する方向に延びる短辺とガス流れ方向に沿って延びる長辺を有する矩形状に形成されている。又、短辺の長さを膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散層１４の厚み以下としている。この結果、コンタクト幅がガス拡散層１４（ＧＤＬ）の厚み以下であると、拡散が良好となり、アノード１２からのガス拡散層１４を通した燃料ガス流路２１への蒸発を阻害することがなく、このアノード側の蒸発促進効果により、生成水の逆拡散が促進され、結果として、高温性能を向上させることができる。
【００６８】
（５）  本実施形態の他の変形例のガス流路構造では、アノード側セパレータ２０の突起２２が円形状に形成されている。又、アノード側セパレータ２０の突起２２の半径を膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散層１４の厚み以下としている。この結果、この変形例においても、上記（４）と同等の効果を奏する。
【００６９】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態を、図４（ａ）を参照して説明する。なお、本実施形態を含め以下の実施形態では、既に説明した実施形態と同一構成又は相当する構成については、その実施形態の構成に付した符号を付けて異なる構成を中心に説明する。
【００７０】
第２実施形態では、第１実施形態の構成中、アノード側セパレータ２０の突起２２による膜電極接合体１０とのコンタクト率と、カソード側セパレータ３０の突起３２による膜電極接合体１０とのコンタクト率と同じにしている。他の構成は第１実施形態と同一である。すなわち、アノード側セパレータ２０の突起２２（突起部）の膜電極接合体１０に対する１個当たりの接触面積を、カソード側セパレータ３０の突起３２（突起部）の膜電極接合体１０に対する１個当たりの接触面積よりも狭くしている。又、アノード側セパレータ２０の突起２２間に形成される燃料ガス流路２１の流路ピッチを、カソード側セパレータ３０の突起３２間に形成される酸化ガス流路３１の流路ピッチよりも小さくして、突起３２と突起２２とをずらして配置している。
【００７１】
（作用）
コンタクト率が異なる場合では、コンタクト率が小さい方の突起の膜電極接合体１０に対する食い込みが大きくなり、損傷の虞がある。これに対して、第２実施形態では、アノード側セパレータ２０の突起２２による膜電極接合体１０とのコンタクト率と、カソード側セパレータ３０の突起３２による膜電極接合体１０とのコンタクト率を同じにしているため、一方の突起側による偏った食い込みがなくなり、セパレータの突起２２，３２による膜電極接合体１０に対する食い込みの損傷を抑制する。
【００７２】
本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）  第２実施形態では、アノード側セパレータ２０の突起２２による膜電極接合体１０とのコンタクト率を、カソード側セパレータ３０の突起３２による膜電極接合体１０とのコンタクト率と同じにすることにより、コンタクト率が異なる場合に比して、両セパレータの突起による膜電極接合体１０に対する損傷を抑制できる。
【００７３】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態を図４（ｂ）を参照して説明する。
第３実施形態では、第１実施形態の構成中、アノード側セパレータ２０の突起２２（突起部）の膜電極接合体１０に対する１個当たりの接触面積を、カソード側セパレータ３０の突起３２（突起部）の膜電極接合体１０に対する１個当たりの接触面積と同じとし、燃料ガス流路２１の流路ピッチを、酸化ガス流路３１の流路ピッチよりも大きくして、突起３２と突起２２とをずらして配置しているところが異なっている。コンタクト率の関係は、第１実施形態と同様である。
【００７４】
上記のように構成した第３実施形態は、燃料ガス流路２１の流路ピッチが、酸化ガス流路３１の流路ピッチよりも大きくしているため、第１実施形態よりて集電抵抗は大きくなるが、他の効果を第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００７５】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態を図４（ｃ）を参照して説明する。
第４実施形態は、第１実施形態の構成中、燃料ガス流路２１の流路ピッチを、酸化ガス流路３１の流路ピッチよりも大きくして、突起３２と突起２２とをずらして配置しているところが異なっている。コンタクト率、及び、膜電極接合体１０に対するアノード側の突起２２とカソード側の突起３２のそれぞれの１個当たりの接触面積の大小関係は第１実施形態と同様である。
【００７６】
第４実施形態では、コンタクト率は、カソード側がアノード側よりも大きいため、酸化ガス流路３１の酸化ガスによる生成水の蒸発を抑制できる効果（蓋効果）を有して、より積極的に逆拡散を向上する。
【００７７】
（多孔体の実施形態）
次に、多孔体を備えるセパレータの実施形態について説明する。
第１〜第４実施形態では、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０は、セパレータ自身に突起２２，３２を設けることにより、ガス流路（燃料ガス流路２１、酸化ガス流路３１）を形成したが、この構成に限定されるものではない。平板状のセパレータ本体（図示しない）、及び、前記セパレータ本体と膜電極接合体１０との間に介在配置される多孔体とにより、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの内、少なくともいずれか一方を構成するようにしてもよい。多孔体は多孔体流路を形成するためのものである。
【００７８】
多孔体の実施形態を図７〜図１１に示す。
（多孔体の実施形態１）
図７に示す多孔体１２０は、六角形状を半割にした山形の突起部１２１ａを千鳥状に多数箇所に備える様に、ラスカットメタルにより形成され、各突起部１２１ａ及びその貫通孔１２１ｂにより形成されたガス流路を通して燃料ガス（又は酸化ガス）が流れるようになっている。この多孔体１２０では、突起部１２１ａのうち、頂部１２１ｃのうち、多孔体１２０を圧延してできる平面が当接面１２１ｄとされており、この当接面１２１ｄが、ガス拡散層１４，１５に当接する。図８に示すように、突起部１２１ａを正面視した場合、当接面１２１ｄの幅Ａと貫通孔１２１ｂの幅Ｂの大小関係は、Ａ＞Ｂ、Ａ＝Ｂ、Ａ＜Ｂのいずれであってもよい。
【００７９】
この多孔体１２０の場合、突起部１２１ａ間がガス流路となる。
（多孔体の実施形態２）
図９に示す多孔体１３０は、外周に円弧曲面を有するように山形の突起部１３１ａを多数列備える、金属板をプレス加工することにより形成され、各突起部１３１ａ及びその貫通孔１３１ｂにより形成されたガス流路を通して燃料ガス（又は酸化ガス）が流れるようになっている。この多孔体１３０では、突起部１３１ａのうち、頂部１３１ｃは円弧曲面又は平面を有しており、この頂部１３１ｃが、ガス拡散層１４，１５に当接する。なお、図９に示す頂部１３１ｃは円弧面を有するように図示されている。
【００８０】
この多孔体１３０の場合、列状に配置された突起部１２１ａ群の列間がガス流路となる。
（多孔体の実施形態３）
図１０の多孔体１４０は、金属板をプレス加工することにより形成され、平板部１４０ａには、円弧曲面、或いは平面を有する多数の山形の突起部１４１，１４２がそれぞれ対をなした状態で点在するように成形されている。
【００８１】
又、突起部１４１，１４２同士は、ガス流れ方向にずらして、かつ、ガス流れ方向とは直交する方向においては、ガスがストレートに流れる領域１４０ｂを残すようにして、配置されている。このような多孔体１４０において、領域１４０ｂの部分がガス流路となる。
【００８２】
（多孔体の実施形態４）
図１１に示す多孔体１５０は、金属板をプレス加工することにより形成され、平板部１５０ａには、多数の山形の突起部１５１，１５２，１５３，１５４がそれぞれ隣接した組をなした状態で、かつ、各突起部はガス流れ方向に沿って列をなすようにして点在するように成形されている。
【００８３】
又、突起部１５１，１５２、１５３，１５４同士は、ガス流れ方向にずらして、かつ、ガス流れ方向とは直交する方向においては、ガスがストレートに流れる領域１５０ｂ及びガスが縫うようにして流れる領域１５０ｃを残すようにして、配置されている。又、突起部１５１，１５４は、突起部１５２，１５３の各頂部１５２ａ，１５３ａよりもガス流れ方向に長い頂部１５１ａ，１５４ａを有する。
【００８４】
このような多孔体１５０において、領域１５０ｂ及び領域１５０ｃの部分がガス流路となる。
前記多孔体１２０〜１５０を使用して、第１実施形態〜第４実施形態で説明した各突起部の膜電極接合体１０のとのコンタクト率、面積／１個、流路ピッチの大小関係を構築してもよい。
【００８５】
なお、多孔体は、上記した構成に限定されるものではなく、ガス流路の途中で、突起部の形状パターンを変更するようにしてもよい。
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。
【００８６】
・  第１実施形態では、非連続の突起２２，３２にした場合、突起２２、３２の先端のセル面（セパレータ面）と平行な面内の形状は、正方形状、矩形状、或いは円形状としてもよいことを説明したが、楕円形状、台形状、菱形状、三角形状、多角形状等の他の形状にしてもよい。
【００８７】
・  第１実施形態では、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０の両者を、平板の金属板をプレス加工により形成したがアノード側セパレータ２０、カソード側セパレータ３０のうち、いずれか一方のみを、平板の金属板をプレス加工により形成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１０…膜電極接合体、
１１…電解質膜、
１２…アノード、
１３…カソード、
１４…ガス拡散層、
１５…ガス拡散層、
２０…アノード側セパレータ、
２１…燃料ガス流路、
２２…突起（突起部）、
３０…カソード側セパレータ、
３１…酸化ガス流路、
３２…突起（突起部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005560470.tif 000009
【図９】
0005560470.tif 000010
【図１０】
0005560470.tif 000011
【図１１】
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