(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を２つの電極で挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、山部によって該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記酸素含有ガスの流路を形成する山部の幅を、前記水素含有ガスの流路を形成する山部の幅よりも狭くするとともに、
前記酸素含有ガスの流路を形成する山部の接触面と前記水素含有ガスの流路を形成する山部の接触面とが前記接合体を介して対向するように、前記両流路の配置を定めたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記水素含有ガスの流路および酸素含有ガスの流路を、複数の凸状部材の配列によりそれぞれ形成した燃料電池。
【請求項３】
電解質膜を水素極および酸素極により挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記流路形成部材は、
平板を矩形の凹凸を交互に繰り返すように変形した形状で、当該凹凸部の面で前記接合体の水素極または酸素極に接触する構成であるとともに、前記酸素含有ガスの流路を形成する凸部の幅を、前記水素含有ガスの流路を形成する凸部の幅よりも狭くした構成であり、
さらに、両流路形成部材は、前記接合体の表面と直角方向に平行移動した位置関係に配置された構成であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電解質膜を２つの電極で挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、複数の山部によって該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
隣接する２つの山部によって形成される前記酸素含有ガスの一流路の幅を、隣接する２つの山部によって形成される前記水素含有ガスの一流路の幅よりも広くするとともに、
前記酸素含有ガスの流路を形成する山部の接触面と前記水素含有ガスの流路を形成する山部の接触面とが前記接合体を介して対向するように、前記両流路の配置を定めたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
電解質膜を水素極および酸素極により挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記流路形成部材は、
平板を矩形の凹凸を交互に繰り返すように変形した形状で、当該凹凸部の面で前記接合体の水素極または酸素極に接触する構成であるとともに、前記凹凸によって形成される前記酸素含有ガスの流路の幅を、前記凹凸によって形成される前記水素含有ガスの流路の幅よりも広くした構成であり、
さらに、両流路形成部材は、前記接合体と直角方向に平行移動した位置関係に配置された構成であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、流路形成部材に形成した流路からガス拡散電極にガスを供給して、そのガスの化学反応から起電力を得る燃料電池と、その燃料電池に用いられる流路形成部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。例えば、固体高分子型の燃料電池では、加湿状態でイオン導電性を示す電解質膜に、触媒反応層とガス拡散層からなる電極を一対、圧着するとともに、一方の電極の表面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。こうして、燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガスが供給されている限り一定の起電力が得られる。
【０００３】
ところで、この燃料電池では、実際に得られる電圧は、電流を引くことにより、分極現象で低下する。分極現象としては、電解質膜のイオン伝導抵抗や接触抵抗等による抵抗分極、触媒活性に起因する活性化分極、および反応ガスの拡散律速に伴う濃度分極があり、電池性能を向上する上で、これらの分極を小さくすることが重要となる。
【０００４】
一方、前述した燃料電池では、電極表面への燃料ガスや酸素含有ガスの供給を、これらガスの流路と集電極とを兼ねる集電体と呼ばれる部材で行なっている。この集電体としては、電極に接触する側の表面にストレートの流路溝を複数備えたものが一般的であり、燃料極側に設けられる集電体と酸素極側に設けられる集電体とは、同じ形状、流路幅およびピッチ幅（流路と流路との間の距離）の流路溝が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸素含有ガスである空気は燃料ガスである水素より拡散性が劣ることから、前述した、集電体の流路溝を酸素極側と水素極側とで同一とする従来の構成では、高電流密度領域において、酸素極側で酸素含有ガスの拡散が乏しくなって、濃度分極が大きくなり、燃料電池の出力電圧が低下してしまうといった問題が生じた。
【０００６】
また、低下した燃料電池の出力電圧を復帰させるには、負荷に応じた理論ガス流量より実ガス流量を大きくしたり、ガス圧を高くしたりする必要があり、そのための駆動エネルギが必要となり、システム全体のエネルギ効率が悪化するといった副次的な問題も生じた。
【０００７】
この発明の燃料電池は、こうした問題に鑑みてなされたもので、高電流密度領域での燃料電池の出力電圧の向上を図り、ひいては、システム全体のエネルギ効率の向上を図ることを目的としている。この発明の流路形成部材の製造方法は、燃料電池に用いれる流路形成部材を製造することで、高電流密度領域での燃料電池の出力電圧の向上を図り、ひいては、システム全体のエネルギ効率の向上を図ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成すべく、前記課題を解決するための手段として、以下に示す構成をとった。
【０００９】
即ち、本発明の請求項１記載の燃料電池は、
電解質膜を２つの電極で挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、山部によって該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記酸素含有ガスの流路を形成する山部の幅を、前記水素含有ガスの流路を形成する山部の幅よりも狭くするとともに、
前記酸素含有ガスの流路を形成する山部の接触面と前記水素含有ガスの流路を形成する山部の接触面とが前記接合体を介して対向するように、前記両流路の配置を定めたことを特徴としている。
【００１０】
こうした構成の燃料電池において、前記水素含有ガスの流路および酸素含有ガスの流路を、複数の凸状部材の配列によりそれぞれ形成した構成としてもよい（請求項２記載のもの）。
【００１１】
本発明の請求項３記載の燃料電池は、
電解質膜を水素極および酸素極により挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記流路形成部材は、
平板を矩形の凹凸を交互に繰り返すように変形した形状で、当該凹凸部の面で前記接合体の水素極または酸素極に接触する構成であるとともに、前記酸素含有ガスの流路を形成する凸部の幅を、前記水素含有ガスの流路を形成する凸部の幅よりも狭くした構成であり、
さらに、両流路形成部材は、前記接合体の表面と直角方向に平行移動した位置関係に配置された構成であることを特徴としている。
本発明の請求項４記載の燃料電池は、
電解質膜を２つの電極で挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、複数の山部によって該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
隣接する２つの山部によって形成される前記酸素含有ガスの一流路の幅を、隣接する２つの山部によって形成される前記水素含有ガスの一流路の幅よりも広くするとともに、
前記酸素含有ガスの流路を形成する山部の接触面と前記水素含有ガスの流路を形成する山部の接触面とが前記接合体を介して対向するように、前記両流路の配置を定めたことを特徴としている。
本発明の請求項５記載の燃料電池は、
電解質膜を水素極および酸素極により挟持する接合体と、
該接合体を挟み込むとともに、該接合体の表面とで水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを形成する一対の流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記流路形成部材は、
平板を矩形の凹凸を交互に繰り返すように変形した形状で、当該凹凸部の面で前記接合体の水素極または酸素極に接触する構成であるとともに、前記凹凸によって形成される前記酸素含有ガスの流路の幅を、前記凹凸によって形成される前記水素含有ガスの流路の幅よりも広くした構成であり、
さらに、両流路形成部材は、前記接合体と直角方向に平行移動した位置関係に配置された構成であることを特徴としている。
【００１３】
【作用】
以上のように構成された請求項１記載の燃料電池によれば、流路形成部材に形成される酸素含有ガスの流路の山幅が、流路形成部材に形成される水素含有ガスの流路の山幅よりも狭くなっていることから、酸素含有ガスの流路においてガス拡散性の悪い箇所（山部）の幅が狭くなる。このため、水素含有ガスの流路側よりも酸素含有ガス側でのガスの拡散性を高めることができる。これにより、高電流密度領域において、酸素含有ガスの拡散の悪化を解消するように働く。
【００１４】
請求項２記載の燃料電池によれば、ガスの流路が複数の凸状部材の配列により形成されていることから、ガスの流れをストレート溝のように所定の一方向だけではなく、格子状に他方向に流すことが可能となる。このため、電極面とのガスの接触面積を高めるとともに、電極で発生した生成水等の排出を容易化する。
【００１５】
請求項３記載の燃料電池によれば、流路形成部材に形成される酸素含有ガスの流路の山幅が、流路形成部材に形成される水素含有ガスの流路の山幅よりも狭くなっていることから、請求項１と同様に、高電流密度領域において、酸素含有ガスの拡散の悪化を解消するように働く。さらに、流路形成部材は、平板を矩形の凹凸を交互に繰り返すように変形した形状であることから、流路形成部材の厚さを薄くする。
【００１６】
請求項４記載の燃料電池によれば、流路形成部材に形成される酸素含有ガスの流路の幅が、流路形成部材に形成される水素含有ガスの流路の幅よりも広くなっていることから、酸素含有ガスの流路においてガス拡散性の悪い箇所（山部）の幅が狭くなる。このため、水素含有ガスの流路側よりも酸素含有ガス側でのガスの拡散性を高めることができる。これにより、高電流密度領域において、酸素含有ガスの拡散の悪化を解消するように働く。
請求項５記載の燃料電池によれば、流路形成部材に形成される酸素含有ガスの流路の幅が、流路形成部材に形成される水素含有ガスの流路の幅よりも広くなっていることから、請求項４と同様に、高電流密度領域において、酸素含有ガスの拡散の悪化を解消するように働く。さらに、流路形成部材は、平板を矩形の凹凸を交互に繰り返すように変形した形状であることから、流路形成部材の厚さを薄くする。
【００１７】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。
【００１８】
図１は、第１実施例としての燃料電池１０の単一セルを示す構造図である。図２は、その単一セルの正面図である。燃料電池１０は固体高分子型の燃料電池であり、図１に示すように、単一のセルとして、電解質膜１１と、この電解質膜１１を両側から挟んでサンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのカソード１２およびアノード１３と、このサンドイッチ構造（接合体）２０を両側から挟みつつカソード１２およびアノード１３とで酸素含有ガスおよび水素含有ガスの流路を形成する流路形成部材としての集電体１５とにより構成されている。
【００１９】
電解質膜１１は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成された厚さ５０［μｍ］ないし２００［μｍ］のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気電導性を示す。ここでは、米国Ｅ．Ｉ．デュポン社製の商標名ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）１１５を使用する。カソード１２およびアノード１３は、表面をポリ四フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理されていない炭素繊維とを１対１の割合とした糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。カソード１２およびアノード１３は、ポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈するから、その表面が水で覆われてガスの透過を阻害することはない。このカーボンクロスの電解質膜１１側の表面および隙間には、白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉が練り込まれて触媒反応層が形成されている。
【００２０】
詳しくは、白金を担持したカーボン粉として、カーボン粉の重量に対して白金の重量が４０［％］（重量％）となるものが用いられており、この白金担持カーボン粉を白金０．４［ｍｇ／ｃｍ２  ］となる量に対して、フッ素系陽イオン交換樹脂溶液（ナフィオンの固形分５［％］）を樹脂固形分が５０［％］相当となる量を添加混合することにより触媒反応層が形成されている。
【００２１】
電解質膜１１とカソード１２およびアノード１３とは、両電極１２，１３が電解質膜１１を挟んでサンドイッチ構造とした状態で、１００℃ないし１６０℃好ましくは１１０℃ないし１３０℃の温度で、１ＭＰａ｛１０．２ｋｇｆ／ｃｍ２｝ないし２０ＭＰａ｛１０２ｋｇｆ／ｃｍ２｝好ましくは５ＭＰａ｛５１ｋｇｆ／ｃｍ２｝ないし１０ＭＰａ｛１０２ｋｇｆ／ｃｍ２｝の圧力を作用させて接合するホットプレス法により接合されている。
【００２２】
集電体１５は、ち密質のカーボンプレートにより形成されている。集電体１５には、複数のリブが形成されており、このリブとガス拡散電極との表面とで断面矩形でストレートのガス流路１７を形成する。カソード１２に接触する側の集電体１５は、カソード１２の表面とで酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード１２で生成する水の集水路をなす酸素含有ガス流路１７ａを形成し、一方、アノード１３に接触する側の集電体１５は、アノード１３の表面とで水素含有ガスである水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路をなす水素含有ガス流路１７ｂを形成する。なお、酸素含有ガス流路１７ａと水素含有ガス流路１７ｂとは、その向きが平行となるように形成されており、しかも、図２に示すように、酸素含有ガス流路１７ａの山（リブの部分）幅Ｗｍａが水素含有ガス流路１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭くなるように形成されている。
【００２３】
図３は、燃料電池１０における酸素含有ガス流路１７ａと水素含有ガス流路１７ｂとの相対的な位置関係を示す説明図である。この図において、ハッチング部分は、酸素含有ガス流路１７ａの山部のカソード表面との接合部分を示し、ハッチングのない部分（ハッチング部分を含む）は、水素含有ガス流路１７ｂの山部のアノード表面との接合部分を示す。この図からも、酸素含有ガス流路１７ａと水素含有ガス流路１７ｂとは、その向きが平行であり、酸素含有ガス流路１７ａの山幅Ｗｍａは、水素含有ガス流路１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭くなっていることが分かる。
【００２４】
具体的には、酸素含有ガス流路１７ａの山幅Ｗｍａは０．５［ｍｍ］、その谷幅Ｗｇａは１．５［ｍｍ］であり、水素含有ガス流路１７ｂの山幅Ｗｍｂは１．０［ｍｍ］、その谷幅Ｗｇｂは１．０［ｍｍ］である。こうした構成の集電体１５と前記接合体２０とは、接着剤によりシール接合されている。
【００２５】
以上説明した電解質膜１１、カソード１２、アノード１３および集電体１５が燃料電池１０の単一セルの構成であり、実際には、集電体１５、カソード１２、電解質膜１１、アノード１３、集電体１５をこの順に複数組、積層して燃料電池１０は構成されている。
【００２６】
こうして構成された燃料電池１０は、次式（１）および（２）に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００２７】
カソード反応（酸素極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ  …（１）
アノード反応（燃料極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                    …（２）
【００２８】
この電気化学反応は、酸素含有ガス流路１７ａを流れる酸素含有ガスがカソード１２の触媒反応層へ拡散するとともに、水素含有ガス流路１７ｂを流れる水素含有ガスがアノード１３の触媒反応層へ拡散することにより連続してなされる。ここで、一般的な断面矩形のストレートのガス流路を用いて触媒反応層へのガス拡散性をアンモニアガス拡散法により評価したので、次に説明する。
【００２９】
アンモニアガス拡散法は、触媒反応層に替えてジアゾ感光紙をセルに組み付けて、アンモニア蒸気をガス流路に流すことによりアンモニアガスの拡散性を評価する方法である。ジアゾ感光紙にアンモニアガスが拡散すると、その拡散した領域は青く変色することから、この変色領域を測定することによりガス流路におけるアンモニアガスの拡散性を調べることができる。こうして評価した結果を図４に示した。図４に示すように、ガス流路Ｍ１の山部Ｍ２とガス拡散電極Ｍ３との圧着面はガスが拡散しにくく、山部Ｍ２の端部より０．２［ｍｍ］だけ内側の領域に限りガスの拡散が見られた。なお、このときのガス拡散層、触媒反応層および電解質膜の各厚さは、０．３［ｍｍ］，０．０１［ｍｍ］，０．１２［ｍｍ］とした。
【００３０】
この評価の結果、断面矩形のストレートのガス流路においては、ガス流路の谷部と山部の端部よりごくわずか侵入した部分とにガスの拡散が見られるだけで、山部はほとんどガスの拡散は見られないことが判明した。
【００３１】
これまでに説明してきたこの第１実施例の燃料電池１０では、集電体１５においてカソード１２側の酸素含有ガス流路１７ａの山幅Ｗｍａをアノード１３側の水素含有ガス流路１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭く構成していることから、酸素含有ガス流路１７ａにおいてガス拡散性の悪い山部の幅を狭くすることができる。このため、水素含有ガス流路１７ｂ側よりも酸素含有ガス流路１７ａ側でのガス拡散性を高めることができる。これによりカソード１２の実反応面積をアノード１３の実反応面積よりも大きくすることができる。
【００３２】
一般に、酸素含有ガスは水素含有ガスより拡散性が劣ることから、ガス流路の山幅，溝幅をカソード側とアノード側とで同一とする従来の構成では、高電流密度領域において、カソード側で酸素含有ガスの拡散が乏しくなって、燃料電池の出力電圧が低下してしまうといった問題が生じた。これに対して、この第１実施例では、カソード１２の実反応面積をアノード１３の実反応面積よりも大きくすることができることから、高電流密度領域における出力電圧の低下を防止することができると言った効果を奏する。また、出力電圧の低下を防止することができることから、従来のように、理論ガス流量と実ガス流量との比（ストイキ比）を大きくしたり、ガス圧を高くしたりする必要がないことから、そのためのコンプレッサあるいはブロア等による電力消費を抑えて、システム全体のエネルギ効率を向上することができると言った副次的な効果も奏する。
【００３３】
ところで、この実施例では、カソード１２の実反応面積はアノード１３の実反応面積より大きくなることを説明したが、どの程度大きくなるかを前述したアンモニアガス拡散法により調べた。その結果、電極面積が１４４［ｃｍ２  ］としたとき、アノード１３側では、山幅、谷幅が共に１．０［ｍｍ］のストレート溝が形成されていることから、実反応面積は、１００［ｃｍ２  ］（電極利用率として換算すると６９［％］）となり、カソード１２側では、山幅が０．５［ｍｍ］、谷幅が１．５［ｍｍ］のストレート溝が形成されていることから、実反応面積は、１３７［ｃｍ２  ］（電極利用率として換算すると９５［％］）となる。従って、この実際の測定結果からもカソード１２の実反応面積はアノード１３の実反応面積よりかなり大きくなることが判明した。
【００３４】
本発明の第２実施例について、次に説明する。この第２実施例は、第１実施例の燃料電池１０とほぼ同じ構成の燃料電池に関するもので、第１実施例と比較して、集電体に形成される酸素含有ガス流路の方向が相違する。即ち、第１実施例では、酸素含有ガス流路１７ａの向きと水素含有ガス流路１７ｂとの向きが平行となるように構成されていたが、この第２実施例では、酸素含有ガス流路の向きと水素含有ガス流路の向きが互いに直交するように構成されている。
【００３５】
図５は、第２実施例としての燃料電池１１０の単一セルを示す構造図である。図５に示すように、アノード１１３側に接合される集電体１１５には、図中ｘ方向に延びる水素含有ガス流路１１７ｂが形成されており、カソード１１２側に接合される集電体１１５には、図中ｙ方向に延びる酸素含有ガス流路１１７ａが形成されている。即ち、この第２実施例の燃料電池１１０は、第１実施例の燃料電池１０においてカソード１２側の集電体１５を図中ｙ軸を中心に右回りに９０度回転した構成とすることにより、酸素含有ガス流路１１７ａの向きと水素含有ガス流路１１７ｂの向きとが互いに直交するように構成したものである。
【００３６】
図６は、燃料電池１１０における酸素含有ガス流路１１７ａと水素含有ガス流路１１７ｂとの相対的な位置関係を示す説明図である。この図において、ハッチング部分は、酸素含有ガス流路１７ａの山部のカソード表面との接合部分を示し、ハッチングのない部分は、水素含有ガス流路１７ｂの山部のアノード表面との接合部分を示す。この図からも、酸素含有ガス流路１１７ａと水素含有ガス流路１１７ｂとは、その向きが直交していることがわかる。しかも、この図に示すように、第１実施例と同様に、酸素含有ガス流路１１７ａの山幅Ｗｍａは、水素含有ガス流路１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭くなっている。
【００３７】
以上説明したように、この第２実施例の燃料電池１１０では、カソード１１２側の酸素含有ガス流路１１７ａの山幅Ｗｍａが、アノード１１３側の水素含有ガス流路１１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭く構成されていることから、酸素含有ガス流路１１７ａ側ではガス拡散性の悪い山部を狭くして、水素含有ガス流路１１７ｂ側よりも酸素含有ガス流路１１７ａ側でのガス拡散性を高めることができる。これによりカソード１１２の実反応面積をアノード１１３の実反応面積よりも大きくすることができる。
【００３８】
従って、この第２実施例の燃料電池１１０では、第１実施例と同様に、高電流密度領域における燃料電池の出力電圧の低下を防止することができ、また、高電流密度領域における特別の電力消費を抑えて、システム全体のエネルギ効率を向上することもできる。
【００３９】
前述した第１実施例の別態様の実施例について、次に説明する。この実施例は、第１実施例の燃料電池１０とほぼ同じ構成であり、第１実施例と比較して相違する点は、図７に示すように、一つの集電体２１５に、酸素含有ガス流路２１７ａと水素含有ガス流路２１７ｂとの双方が形成されており、２つの接合体２２０Ａ，２２０Ｂの間を一つの集電体２１５で連結している点が相違する。なお、第１実施例と同様に、酸素含有ガス流路２１７ａの山幅Ｗｍａは、水素含有ガス流路２１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭くなっている。このため、この別態様の実施例においても、第１実施例および第２実施例と同様な効果を奏する。
【００４０】
なお、この別態様に替えて、一つの集電体に、酸素含有ガス流路と水素含有ガス流路との双方を形成するとともに、第２実施例と同様に、酸素含有ガス流路と水素含有ガス流路との向きを互いに直交する構成としてもよい。
【００４１】
本発明の第３実施例について、次に説明する。この第３実施例は、第１実施例の燃料電池１０とほぼ同じ構成の燃料電池に関するもので、第１実施例と比較して、集電体の形状が相違する。この第３実施例の集電体は複数の凸部によりガス流路を構成するもので、図８はその集電体の平面図である。図８に示すように、集電体３１５は８角形の板状部材として形成されており、集電体１５の８つの辺のうち４つの斜辺の縁付近には、その辺に沿って細長い孔３２１，３２３および孔３２５，３２７が形成されている。この孔３２１，３２３および孔３２５，３２７は、積層した際、燃料電池を積層方向に貫通する２つの水素含有ガスの給排流路および２つの酸素含有ガスの給排流路を形成する。集電体３１５の積層面の一方（図８の表示面）の孔３２１と孔３２３との間には、図示するように、外縁の平面より一段下がった段差面３３１が形成されており、この段差面３３１には、規則正しく配列された１辺が１［ｍｍ］の立方体のリブ（凸部）３３３が複数形成されている。
【００４２】
この立方体のリブ３３３は、水平方向と鉛直方向とに格子状に配列されており、こうしたリブ３３３と、段差面３３１およびガス拡散電極の表面とで酸素含有ガスの流路を形成する。
【００４３】
また、集電体３１５の積層面の他方（図８の裏面）の孔３２５と孔３２７との間にも、孔３２１と孔３２３との間に形成された段差面３３１およびリブ３３３と同一形状の段差面およびリブ（３４３：図９）が形成されている。この段差面、リブおよびガス拡散電極の表面とで水素含有ガスの流路を形成する。
【００４４】
図９は、この集電体３１５における酸素含有ガス流路と水素含有ガス流路との相対的な位置関係を示す説明図である。この図において、ハッチング部分は、酸素含有ガス流路を構成するリブ３３３のカソード表面との接合部分を示し、ハッチングのない部分（ハッチング部分を含む）は、水素含有ガス流路を構成するリブ３４３のアノード表面との接合部分を示す。この図に示すように、リブ３３３で構成される酸素含有ガス流路の山幅Ｗｍａは、リブ３４３で構成される水素含有ガス流路の山幅Ｗｍｂよりも狭くなっている。なお、具体的には、酸素含有ガス流路の山幅Ｗｍａは０．５［ｍｍ］、その谷幅Ｗｇａは１．５［ｍｍ］となっており、一方、水素含有ガス流路の山幅Ｗｍｂは１．０［ｍｍ］、その谷幅Ｗｇｂは１．０［ｍｍ］である。
【００４５】
こうした構成の集電体３１５を備える燃料電池では、リブ３３３で構成される酸素含有ガス流路の山幅Ｗｍａは、リブ３４３で構成される水素含有ガス流路の山幅Ｗｍｂよりも狭くなっていることから、酸素含有ガス流路側ではガス拡散性の悪い山部を狭くして、水素含有ガス流路側よりも酸素含有ガス流路側でのガス拡散性を高めることができる。これによりカソードの実反応面積をアノードの実反応面積よりも大きくすることができる。
【００４６】
従って、この第３実施例の燃料電池では、第１および第２実施例と同様に、高電流密度領域における燃料電池の出力電圧の低下を防止することができ、また、高電流密度領域における特別の電力消費を抑えて、システム全体のエネルギ効率を向上することもできる。また、複数の凸部により流路を構成することにより、電極面とのガスの接触面積を大きくして、燃料電池のエネルギ変換効率を高めることができ、さらには、前記式（１）に示した反応による生成水や外部から供給した加湿水の排出を容易化することができる。
【００４７】
前述した第２実施例の燃料電池１１０および第３実施例の燃料電池を従来例と比較評価したので、次に説明する。比較する従来例の燃料電池は、第２実施例のようなストレート溝のタイプで、集電体の水素含有ガスの流路および酸素含有ガスの流路共、山幅１［ｍｍ］、谷幅１［ｍｍ］のもの（以下、第１従来例と呼ぶ）と、山幅０．５［ｍｍ］、谷幅１．５［ｍｍ］のもの（以下、第２従来例と呼ぶ）である。
【００４８】
これら燃料電池を運転温度８０［℃］で運転したときの電流密度と電圧との関係を調べ、その結果を図１０に示した。図１０から明らかなように、１点鎖線で示した第２実施例の燃料電池１１０および実線で示した第３実施例の燃料電池では、測定範囲の総ての電流密度に亘って比較例としての第１従来例の燃料電池（２点鎖線で示す）および第２従来例の燃料電池（破線で示す）よりその特性が優れ、特に、電流密度が０．５［Ａ／ｃｍ２  ］以上の高電流密度領域では、その差が顕著である。即ち、第１および第２実施例では、酸素含有ガス流路の山幅が水素含有ガス流路の山幅よりも狭くなっていることから、酸素含有ガス流路側でのガス拡散性を高めることができることから、図１０から明らかなように、高い電池性能を得ることができた。
【００４９】
第２実施例の燃料電池１１０および第３実施例の燃料電池を運転温度８０［℃］で運転したときの電圧と保持時間との関係を図１１に示した。図１１から明らかなように、１点鎖線で示した第２実施例の燃料電池１１０および実線で示した第３実施例の燃料電池は、２点鎖線で示した第１従来例の燃料電池および破線で示した第２従来例の燃料電池に比して、安定して高い電圧を長時間維持することが認められた。
【００５０】
本発明の第４実施例について、次に説明する。この第４実施例は、図７で示した実施例の変形例であり、その図７の実施例と比較して集電体の形状が相違する。図１２は、その第４実施例としての燃料電池４１０のセル構造を示す構造図であり、図１３は、その燃料電池４１０に備えられる集電体４１５の斜視図である。
【００５１】
両図に示すように、この第４実施例の燃料電池４１０は、一つの集電体４１５に、酸素含有ガス流路４１７ａと水素含有ガス流路４１７ｂとの双方が形成されており、しかも、その集電体４１５は、両ガス流路の内の一方側の谷部に他方側の山部が互いに内在するように、前記両ガス流路は配置されたものである。即ち、この集電体４１５は、平板を矩形の凹凸を交互に繰り返すように変形した構成である。なお、この集電体４１５に形成される酸素含有ガス流路４１７ａの山幅Ｗｍａは、これまでの実施例と同様に、水素含有ガス流路４１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭くなっている。
【００５２】
こうした構成の燃料電池４１０の集電体４１５の製造方法について、次に詳しく説明する。なお、集電体４１５は、次のようにして製造された熱膨張黒鉛の粉末を材料として製造される。天然の燐片状の黒鉛粉末を用意し、この黒鉛粉末を濃硫酸や濃硝酸および混酸などに浸して、黒鉛粉末を湿式酸化させる。その後、この黒鉛粉末を９００［℃］以上の高温で急速加熱すると、黒鉛の結晶構造における層間の距離が５０〜５００倍に膨張して、熱膨張黒鉛の粉末が形成される。この熱膨張黒鉛粉末を材料として集電体４１５が製造される。
【００５３】
集電体４１５を製造するに際し、まず、図１４に示す、外枠５０１と上型５０３と下型５０５とからなるプレス治具５００を用意し、このプレス治具５００内に熱膨張黒鉛粉末Ｃを入れる。このプレス治具５００の上型５０３および下型５０５には、ストレートの複数の凸部５０３Ｌ，５０５Ｌが形成されており、両凸部５０３Ｌ，５０５Ｌの相対的な水平方向の位置関係は、一方側の型５０３（５０５）に形成された凸部５０３Ｌ（５０５Ｌ）間の谷部に、他方側の型５０５（５０３）に形成されたストレート溝５０５Ｌ（５０３Ｌ）の凸部が相対的に位置するような関係である。
【００５４】
次いで、このプレス治具５００の上型５０３に鉛直下方の荷重を掛ける（下型５０５は固定）ことにより、熱膨張黒鉛粉末Ｃを押圧圧縮する。なお、ここで、上型５０３を押圧する圧力は１．０［ｔｏｎ／ｃｍ２］とした。この結果、前述した構成の集電体４１５が製造される。
【００５５】
以上詳述したように、この第４実施例の燃料電池４１０では、酸素含有ガス流路４１７ａの山幅Ｗｍａが、水素含有ガス流路４１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭く構成されていることから、酸素含有ガス流路４１７ａ側ではガス拡散性の悪い山部を狭くして、水素含有ガス流路４１７ｂ側よりも酸素含有ガス流路４１７ａ側でのガス拡散性を高めることができる。これによりカソード４１２の実反応面積を４１３の実反応面積よりも大きくすることができる。
【００５６】
従って、この第４実施例の燃料電池４１０では、これまでの実施例と同様に、高電流密度領域における燃料電池の出力電圧の低下を防止することができ、また、高電流密度領域における特別の電力消費を抑えて、システム全体のエネルギ効率を向上することもできる。さらに、この燃料電池４１０の集電体４１５は、酸素含有ガス流路４１７ａおよび水素含有ガス流路４１７ｂの内の一方側の谷部に他方側の山部が互いに内在するように、両ガス流路４１７ａ，４１７ｂが形成されていることから、集電体４１５の厚さを薄くすることができ、この結果、燃料電池４１０のスタックのコンパクト化を図ることができる。
【００５７】
さらにまた、集電体４１５をプレス治具５００を用いて押圧成形により製作することにより、熱膨張黒鉛粉末の充填性を向上することができる。従って、この集電体４１５によれば、高パッキング化を図ることが容易となり、また、高強度を確保することができ、しかもガスセパレータとしての機能を損なうことがない。
【００５８】
前述した第１ないし第４実施例では、酸素含有ガス流路１７ａの山幅Ｗｍａを０．５［ｍｍ］、水素含有ガス流路１７ｂの山幅Ｗｍｂを１．０［ｍｍ］としていたが、これらの値は必ずしもこれに限る必要はなく、要は、酸素含有ガス流路１７ａの山幅Ｗｍａを、水素含有ガス流路１７ｂの山幅Ｗｍｂよりも狭い構成とすればよい。なお、ガスの拡散性の効率を考えたとき、酸素含有ガス流路１７ａの山幅Ｗｍａは、好ましくは１［ｍｍ］以下とすることが望ましい。
【００５９】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし３記載の燃料電池では、流路形成部材のガス流路におけるガス拡散性を、水素含有ガスの流路側よりも酸素含有ガスの流路側で高めることができる。これにより、高電流密度領域において、酸素含有ガスの拡散が乏しくなって出力電圧の低下を起こす問題の発生を防止することができる。また、出力電圧の低下を防止することができることから、従来のように、理論ガス流量より実ガス流量を大きくしたり、ガス圧を高くしたりする必要がないことから、そのための駆動手段による電力消費を抑えて、システム全体のエネルギ効率を向上することができる。
【００６１】
また、請求項２記載の燃料電池では、ガスの流路が複数の凸状部材の配列により形成されていることから、電極面とのガスの接触面積を高めることができ、さらには、電極で発生した生成水や供給した加湿水の排出を容易化することができる。
【００６２】
請求項３記載の燃料電池によれば、流路形成部材の厚さを薄くすることができ、その結果、スタック全体をコンパクトにすることができる。
【００６３】
請求項４記載の流路形成部材の製造方法によれば、充填性の高い流路形成部材を製造することができる。このため、その流路形成部材を使用することで、高パッキング化および高強度化を図ることができ、また、ガス不透過性の機能を損なうことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１０の単一セルを示す構造図である。
【図２】その単一セルの正面図である。
【図３】燃料電池１０における酸素含有ガス流路１７ａと水素含有ガス流路１７ｂとの相対的な位置関係を示す説明図である。
【図４】アンモニアガス拡散法により調べたガス流路の拡散性を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施例としての燃料電池１１０の単一セルを示す構造図である。
【図６】燃料電池１１０における酸素含有ガス流路１１７ａと水素含有ガス流路１１７ｂとの相対的な位置関係を示す説明図である。
【図７】第１実施例の別態様としての燃料電池のセル構造を示す構造図である。
【図８】第３実施例の燃料電池に備えられる集電体３１５の平面図である。
【図９】集電体３１５における酸素含有ガス流路と水素含有ガス流路との相対的な位置関係を示す説明図である。
【図１０】第２および第３実施例の燃料電池と従来例の燃料電池における電圧と電流密度との関係を示したグラフである。
【図１１】第２および第３実施例の燃料電池と従来例の燃料電池における電圧と保持時間との関係を示したグラフである。
【図１２】本発明の第４実施例としての燃料電池４１０のセル構造を示す構造図である。
【図１３】集電体４１５の斜視図である。
【図１４】集電体４１５の製造に使用するプレス治具５００の概略構成図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１５…集電体
１７…ガス流路
１７ａ…酸素含有ガス流路
１７ｂ…水素含有ガス流路
２０…接合体
１１０…燃料電池
１１２…カソード
１１３…アノード
１１５…集電体
１１７ａ…酸素含有ガス流路
１１７ｂ…水素含有ガス流路
２１５…集電体
２１７ａ…酸素含有ガス流路
２１７ｂ…水素含有ガス流路
２２０Ａ，２２０Ｂ…接合体
３１５…集電体
３３１…段差面
３３３…リブ
３４３…リブ
４１０…燃料電池
４１２…カソード
４１５…集電体
４１７ａ…酸素含有ガス流路
４１７ｂ…水素含有ガス流路
５００…プレス治具
５０１…外枠
５０３…上型
５０５…下型
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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