(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両主面にそれぞれ配される触媒層と、これら触媒層のそれぞれの外面に配される、導電性を有するガス拡散層と、これらガス拡散層のそれぞれの外側に配される、ガス流路を備えたセパレータと、これらセパレータ間に配される冷却水流路を有する単セルを用いて構成される燃料電池であって、
前記セパレータによって形成される燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路は、前記ガス拡散層の外側面に沿う方向に並列に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層と接する前記セパレータの接合面にガス拡散溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータが燃料ガス流路を構成するセパレータと酸化剤ガス流路を構成するセパレータを積層して構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質層に固体高分子電解質膜を用い、反応ガスを供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子電解質型の燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、例えば特開平６−２６０１９３号公報に記載されているような従来の固体高分子電解質型燃料電池の基本構造を示す断面図である。図５に示す膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）５１は、固体高分子電解質膜５２の両主面に貴金属（主として白金）を含む触媒層（図示省略する）がそれぞれ接合して形成されている。また、これらの触媒層の外側には、反応ガスを固体高分子電解質膜５２まで導入するための多孔質材料層５３、５４が配されている。このような積層構造の膜電極接合体５１の一方の外側面にはアノード側セパレータ５５が配置され、他方の外側面にはカソード側セパレータ５６が配置されている。
【０００３】
アノード側セパレータ５５は、一方の表面に冷却水流路を形成する複数の溝５５Ａが並列に形成され、他方の表面に燃料ガス流路を形成する複数の溝５５Ｂが並列に形成されている。また、カソード側セパレータ５６の一方の表面には、酸化剤ガス流路を形成する複数の溝５６Ａが並列に形成されている。図５に示すように、アノード側セパレータ５５の溝５５Ｂが形成された表面を、膜電極接合体５１のアノード側の表面に接合させて、溝５５Ｂと膜電極接合体５１の表面とで燃料ガス流路５７を形成している。また、カソード側セパレータ５６の溝５６Ａが形成された表面を、膜電極接合体５１のカソード側の表面に接合させることにより、溝５６Ａと膜電極接合体５１の表面とで酸化剤ガス流路５８が形成されている。さらに、アノード側セパレータ５５の溝５５Ａが形成された表面は、積層される他の膜電極接合体５１に配されたカソード側セパレータ５６の溝５６Ａが形成されていない方の表面に接合されている。この結果、溝５５Ａとカソード側セパレータ５６の表面とで冷却水流路５９が形成されている。このような構成要素によって形成された単セルを、図５に示すように順次積層することによって燃料電池スタックが構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の燃料電池のように、図５に示す構成でスタックを積層すると、別々のセパレータに構成された燃料ガス流路５７と酸化剤ガス流路５８と冷却水流路５９とが厚さ方向（固体高分子電解質膜５２の厚さ方向）に配置されているため、アノード側セパレータ５５およびカソード側セパレータ５６の構造を多少肉薄にしても、スタックの体積を十分小さくすることができず、単位体積当たりの出力、即ち出力密度が制限されてしまうという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、高出力密度な固体高分子電解質型の燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両主面にそれぞれ配される触媒層と、これら触媒層のそれぞれの外面に配される、導電性を有するガス拡散層と、これらガス拡散層のそれぞれの外側に配される、ガス流路を備えたセパレータと、これらセパレータ間に配される冷却水流路を有する単セルを用いて構成される燃料電池であって、前記セパレータによって形成される燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路は、前記ガス拡散層の外側面に沿う方向に並列に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
このような構成の請求項１記載の発明では、冷却水流路と燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とがセパレータの厚さ方向に積層されていないため、セパレータの厚さ寸法を小さくすることができる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池であって、前記ガス拡散層と接する前記セパレータの接合面にガス拡散溝が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
したがって、請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明の作用に加えて、セパレータにおける、ガス拡散層との接合面に形成されたガス拡散溝が燃料ガスまたは酸化剤ガスを、それぞれの流路だけでなく面方向にも拡散させるため、ガス拡散層に対して燃料ガスや酸化剤ガスを均一に導入させることができる。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載された発明であって、前記セパレータが燃料ガス流路を構成するセパレータと酸化剤ガス流路を構成するセパレータを積層して構成されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池スタックの積層方向に対して、従来の燃料電池スタックと同寸法で積層数を多くできるため、高出力密度の燃料電池スタックを得ることができる。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、燃料ガス流路や酸化剤ガス流路を流通するガスをガス拡散溝を介してガス拡散層へ均一に導くことができるため、固体高分子電解質膜における燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を効率よく行うことができる。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、セパレータの形状を簡素化することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体高分子電解質型の燃料電池の詳細を図面に示す各実施の形態に基づいて説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を示し、説明の便宜のために３つの単セルを積層した簡易構造を示す断面図である。図２は、本実施の形態に用いるセパレータの斜視図である。
【００１９】
本実施の形態では、セパレータによって形成される燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、および冷却水流路が膜電極接合体の外側面に沿う方向に並列に配置されていることを特徴としている。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池１は、例えば膜電極接合体２とセパレータ３とを任意の層数となるように積層して構成されている。図１は、例えば３つの膜電極接合体２と、それぞれの膜電極接合体２の両面に配されたセパレータ３を示している。なお、膜電極接合体２同士の間には、それぞれ１つのセパレータ３が介在されている。
【００２１】
膜電極接合体２は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させる固体高分子電解質膜４と、この固体高分子電解質膜４の両主面にそれぞれ配されて電気化学反応を促進させる触媒層５と、これら触媒層５のそれぞれの外面に配されるガス拡散層６Ａ、６Ｃとで構成されている。なお、これらガス拡散層６Ａ、６Ｃは、導電性を有する多孔質材料でなる。ここで、一方のガス拡散層６Ａはアノード、他方のガス拡散層６Ｃはカソードとしての機能を果たす。
【００２２】
セパレータ３は、図１および図２に示すように、膜電極接合体２と略同一の面積を有するプレート状の構造である。さらに詳しくは、図２に示すように、セパレータ３の一方の表面には、並列に複数の燃料ガス流路形成溝７が所定間隔を隔てて、図２中ｙ方向に沿って形成されている。また、セパレータ３における燃料ガス流路形成溝７の片側には、燃料ガス流路形成溝７を形成する隔壁８を隔てて冷却水流路９が形成されている。なお、冷却水流路９は、セパレータ３において、図２に示すｙ方向に沿って貫通するように形成されている。
【００２３】
また、セパレータ３の他方の面には、互いに隣接する燃料ガス流路形成溝７同士の間に位置する酸化剤ガス流路形成溝１０が形成されている。この酸化剤ガス流路形成溝１０も、図２中ｙ方向に沿って形成されている。この結果、図１および図２に示すように、燃料ガス流路形成溝７と冷却水流路９と酸化剤ガス流路形成溝１０とは、ともにｙ方向に沿って並列をなして延びている。なお、酸化剤ガス流路形成溝１０と冷却水流路９とは、隔壁１１を介して形成されている。
【００２４】
さらに、燃料ガス流路形成溝７同士の間に位置する一方の表面側の壁部１２の外側面には、互いに隣接する燃料ガス流路形成溝７同士を結ぶ複数のガス拡散溝１３が、図２に示すｘ方向に沿って形成されている。これら燃料ガス拡散溝１３は、ｙ方向に沿って互いに所定間隔を隔てて配置されている。
【００２５】
一方、セパレータ３における他方の表面に形成された酸化剤ガス流路形成溝１０同士の間に位置する壁部１４の外側面には、これら酸化剤ガス流路形成溝１０同士を結ぶ複数の酸化剤ガス拡散溝１５が形成されている。これら酸化剤ガス拡散溝１５も、燃料ガス拡散溝１３と同様に、図２中ｙ方向に沿って所定間隔を隔てるように平行に形成されている。
【００２６】
このような構造のセパレータ３と膜電極接合体２とを、図１に示すように積層することで燃料電池１が構成されている。なお、本実施の形態においてセパレータ３は、上下の向きを変えても同一の構造であるが、膜電極接合体２との積層状態により膜電極接合体２との積層面がアノードかカソードかにより燃料ガス流路形成溝７と酸化剤ガス流路形成溝１０とを規定している。このため、本実施の形態においてセパレータ３は、膜電極接合体２のアノード側またはカソード側に配置されても、アノード側のセパレータとカソード側のセパレータの両方の機能を果たすことが可能である。
【００２７】
このような構成の第１の実施の形態に係る燃料電池１では、図１に示すように、セパレータ３の一方の表面が、膜電極接合体２のアノード側のガス拡散層６Ａに接合することにより燃料ガス流路形成溝７とアノード側のガス拡散層６Ａとで燃料ガス流路１６が形成されている。また、膜電極接合体２のカソード側のガス拡散層６Ｃに対して、セパレータ３の他方の表面が接合することにより酸化剤ガス流路形成溝１０とカソード側のガス拡散層６Ｃとで酸化剤ガス流路１７が形成されている。
【００２８】
このような構成の第１の実施の形態では、冷却水流路９と、燃料ガス流路１６と、酸化剤ガス流路１７とが１つのセパレータ３に並列に配置されているため、スタックの積層方向に対して、従来と同等の積層方向寸法で単位セルの積層数を多くすることができる。このため、本実施の形態に係る燃料電池１では、高出力密度の燃料電池スタックを得ることができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、燃料ガス流路１６内の燃料ガスが燃料ガス拡散溝１３を通ることにより、アノード側のガス拡散層６Ａ内に拡散し易くなり、膜電極接合体２への燃料ガスを効率よく導入することができる。同様に、酸化剤ガス流路１７内の酸化剤ガスが、酸化剤ガス拡散溝１５を通ることにより、カソード側のガス拡散層６Ｃ内に拡散し易くなる。このため、膜電極接合体２へ酸化剤ガスを効率よく導入することができる。この結果、膜電極接合体２における燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を効率よくすることができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、セパレータ３の一方の表面側の壁部１２に燃料ガス拡散溝１３を形成し、他方の表面側の壁部１４に酸化剤ガス拡散溝１５を形成したが、燃料ガス拡散溝１３と酸化剤ガス拡散溝１５とのうち一方のみを形成する構成としてもよいし、燃料ガス拡散溝１３と酸化剤ガス拡散溝１５との両方を形成しない構成（変形例）としてもよい。
【００３１】
図３は、上記した従来の燃料電池と、本実施の形態に係る燃料電池と、本実施の形態において燃料ガス拡散溝１３と酸化剤ガス拡散溝１５との両方を形成しない構成の燃料電池の単位セルにおける同一膜面積当たりの電流密度とセル電圧との関係（電流−電圧曲線）を示している。図３から判るように、本実施の形態の燃料電池およびその変形例では、体積当たりの発電率が、燃料電池効率の高い低電流密度領域で従来の燃料電池に比べて単位セル当たりの性能が遜色のないものである。特に、本実施の形態の燃料電池では、図２に示したように、燃料ガス拡散溝１３や酸化剤ガス拡散溝１５を設けて膜電極接合体２のガス拡散層６Ａ、６Ｃと接するセパレータ３の接合面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給しているので、従来の燃料電池のセルに比べて同等レベルの単位セル当たりの出力が得られる。また、本実施の形態では、積層方向に寸法を非常に小さくできるため、燃料電池スタックの単位体積あるいは単位重量当たりの出力、すなわち出力密度は従来に比べて非常に大きくすることができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態を示す要部断面図である。本実施の形態に係る燃料電池では、図４に示すように、膜電極接合体２１の両側面にセパレータ２２を配して単位セルが構成され、この単セルの上に膜電極接合体２１、セパレータ２２を順次積層することにより構成されている。
【００３３】
本実施の形態における膜電極接合体２１の構成は、上記した第１の実施の形態と同様に、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させる固体高分子電解質膜２３と、この固体高分子電解質膜２３の両主面にそれぞれ配されて電気化学反応を促進させる触媒層２４と、これら触媒層２４のそれぞれの外面に配されるガス拡散層２５Ａ、２５Ｃとで構成されている。なお、これらガス拡散層２５Ａ、２５Ｃは、導電性を有する多孔質材料でなる。ここで、一方のガス拡散層２５Ａはアノード、他方のガス拡散層２５Ｃはカソードとしての機能を果たす。
【００３４】
セパレータ２２は、図４に示すように、一方側の表面に燃料ガス流路形成溝２６を形成し、他方側の表面に酸化剤ガス流路形成溝２７が形成されている。燃料ガス流路形成溝２６と酸化剤ガス流路形成溝２７は、本実施の形態の場合、それぞれ底面から溝形成表面に向けて幅が漸次広がるように形成されているが、漸次広がるように形成されていなくてもよい。そして、これらの燃料ガス流路形成溝２６と酸化剤ガス流路形成溝２７は、膜電極接合体２１との接合面方向に沿って並列をなすように形成されている。
【００３５】
また、隣接する燃料ガス流路形成溝２６と酸化剤ガス流路形成溝２７との間には、冷却水流路３０が形成されている。
【００３６】
さらに、セパレータ２２の構成は図４に示すように、燃料ガス流路１７を構成するセパレータ２２Ａと酸化剤ガス流路１７を構成するセパレータ２２Ｂを積層して冷却水流路３０を構成しているので各々セパレータの形状が簡素になり、作製が容易になる効果がある。
【００３７】
このような構成としたことにより、冷却水流路と、積層する燃料ガス流路形成溝２６と、積層する酸化剤ガス流路形成溝２７と、を膜電極接合体２１との接合面方向に並列をなすように配置しているため、セパレータ２２の厚さを従来のセパレータに比べて大幅に小さくすることができる。
【００３８】
このため、スタックの積層方向に対して、従来と同等の積層方向寸法で単位セルの積層数を多くすることができる。よって、本実施の形態に係る燃料電池においても、高出力密度の燃料電池スタックを得ることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態で用いるセパレータ２２の両面に、上記した第１の実施の形態と同様のガス拡散溝を形成してもよい。
【００４０】
以上、第１および第２の実施の形態について説明したが、上記の本発明の第１および第２の実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではなく、構成の要旨に付随する各種の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を示す要部断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態に用いたセパレータの斜視図である。
【図３】第１の実施の形態に係る燃料電池セルと、その変形例と、従来の燃料電池セルとの電流−電圧曲線を示すグラフである。
【図４】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態を示す要部断面図である。
【図５】従来の燃料電池の要部断面図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  膜電極接合体
３  セパレータ
４  固体高分子電解質膜
５  触媒層
６Ａ、６Ｃ  ガス拡散層
７  燃料ガス流路形成溝
９  冷却水流路
１０  酸化剤ガス流路
１２、１４  壁部
【図１】
0003700642.tif 000002
【図２】
0003700642.tif 000003
【図３】
0003700642.tif 000004
【図４】
0003700642.tif 000005
【図５】
0003700642.tif 000006