(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と触媒層とが配置されてなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置されるアノードセパレータと、
前記膜電極接合体のカソード側に配置されるカソードセパレータと、
前記膜電極接合体と前記アノードセパレータとの間のガス流路空間内に互いに平行に配置される複数の第１リブと、
前記膜電極接合体と前記カソードセパレータとの間のガス流路空間内に互いに平行に配置される複数の第２リブと、
前記膜電極接合体と前記第１リブおよび前記第２リブの少なくとも一方との間に配置される金属多孔質基材からなる支持体と、を備え、
前記膜電極接合体あるいは前記支持体に対する前記第１リブの当接面と、前記膜電極接合体あるいは前記支持体に対する前記第２リブの当接面とが、ガス流路方向に直交する方向の断面視において互いにオフセットしており、積層方向投影において互いに重ならないように位置決めされていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記支持体は、前記膜電極接合体の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有し、
前記支持体は、前記膜電極接合体と前記第１リブとの間および前記膜電極接合体と前記第２リブとの間の両方に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１リブのリブピッチと前記第２リブのリブピッチとは、同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１リブおよび前記第２リブのリブピッチは、（２×（前記支持体のガス流路幅方向の長さ）×（前記支持体の厚み）２×（前記支持体の曲げ強度））÷（前記第１リブおよび前記第２リブの一つあたりの積層荷重）以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記膜電極接合体のアノード側と前記第１リブとの間に配置される前記支持体の厚みと前記膜電極接合体のカソード側と前記第２リブとの間に配置される前記支持体の厚みとは、同一であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１リブおよび前記第２リブは、前記第１リブの当接面と前記第２リブの当接面との間の距離からなる相対ズレ量が前記リブピッチの半分となるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記支持体と前記膜電極接合体との間に配置される中間層を有しており、
前記中間層は、前記膜電極接合体に対して前記支持体から付加される応力を緩和することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
高分子電解質膜を一対の触媒層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体との間にガス流路を区画形成する一対のセパレータと、
金属多孔質基材から成りかつ各触媒層の表面に配置された支持体と、を備え、
前記一対のセパレータが、前記膜電極接合体に接触する頂部を曲面とした複数の凸部を有するとともに、該凸部が、前記一対のセパレータのうち一方のセパレータの凸部と他方のセパレータの凸部とが互いに均等にオフセットした位置となる所定の間隔で配置されており、
一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部のピッチＬ、支持体の厚みｈ、及び支持体の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５  を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
高分子電解質膜を一対の触媒層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体との間にガス流路を区画形成する一対のセパレータと、
金属多孔質基材から成りかつ各触媒層の表面に配置された支持体と、を備え、
前記一対のセパレータが、前記膜電極接合体に接触する頂部を平面とした複数の凸部を有するとともに、該凸部が、前記一対のセパレータのうち一方のセパレータの凸部と他方のセパレータの凸部とが互いに均等にオフセットした位置となる所定の間隔で配置されており、
一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部のピッチＬ、凸部の幅Ｗｒ、支持体の厚みｈ、及び支持体の曲げ強度σの関係が、
Ｌ−Ｗｒ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５  を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
前記一対のセパレータの各凸部が、互いに平行に配置したリブ状を成していることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記一対のセパレータの各凸部が、ドット状を成していることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池。
【請求項１２】
高分子電解質膜を一対の触媒層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体とともにガス流路を区画形成する一対のセパレータと、
金属多孔質基材から成りかつ各触媒層の表面に配置された支持体と、を備え、
前記一対のセパレータが、前記膜電極接合体に接触する頂部を曲面とした複数のリブ状凸部を有するとともに、該凸部が、前記一対のセパレータのうち一方のセパレータの凸部と他方のセパレータの凸部とがオフセットした位置となる所定の間隔で互いに平行に配置されており、
一方のセパレータにおける凸部と、他方のセパレータにおいて隣接する凸部の一方との距離をＬ１とし、一方のセパレータにおける凸部と、他方のセパレータにおいて隣接する凸部の他方との距離をＬ２とし、
Ｘ  ＝  ２Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）  で定まる値をＸとしたとき、
一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部のピッチＬ、支持体の厚みｈ、及び支持体の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／ＸＰ）０．５  を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
高分子電解質膜を一対の触媒層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体との間にガス流路を区画形成する一対のセパレータと、
金属多孔質基材から成りかつ各触媒層の表面に配置された支持体と、を備え、
前記一対のセパレータが、前記膜電極接合体に接触する頂部を曲面とした複数のドット状凸部を有するとともに、該凸部が、前記一対のセパレータのうち一方のセパレータの凸部と他方のセパレータの凸部とがオフセットした位置となる所定の間隔で配置されており、
一方のセパレータにおける任意の凸部の重心から、他方のセパレータにおいて当該任意の凸部に近接する四つの凸部のうちの最も遠い凸部の重心までの面内方向の距離を２倍して、これを他方のセパレータにおいて隣接する凸部のピッチＬとしたとき、
一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部のピッチＬ、支持体の厚みｈ、及び支持体の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／ＸＰ）０．５  を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
前記一対のセパレータのうち一方のセパレータの凸部と他方のセパレータの凸部とのオフセット量が、セパレータにおいて隣接する凸部のピッチＬの二分の一であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記一対のセパレータにおいて、隣接する凸部のピッチＬが同一であることを特徴とする請求項８乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記支持体が、金網、エッチング加工ステンレス板、パンチングメタル、エキスパンドメタル、及び金属不織布のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記支持体が、両触媒層において同等の部材であることを特徴とする請求項８乃至１６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記凸部の幅が、３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項８乃至１７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多数の単セルを積層して形成される積層体を有する。積層体は、締結されており、面圧が付与されている。単セルに含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ）は、その強度が比較的弱く、膜電極接合体の両側に位置するリブを位置合せすることにより、リブずれによる破損を防止している。しかし、リブによって支持されていない領域（非当接面）の面圧が低下し（面圧が不均等になり）、電気抵抗が増大するという問題が生じる。
【０００３】
そのため、両側に配置されるリブの位置をずらし、かつ、リブの当接面幅を大きくすることにより、ＭＥＡのどの部位おいても少なくとも片側にリブの当接面が存在するように構成し、面圧の均等化を図っている（特許文献１参照）。また、補強材を配置し、剛性を向上させることで、面圧の均等化を図っているものもある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３１５５０７号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、当接面幅を大きくする場合、非当接面が小さくなり、非当接面を介したガス拡散性が低下するという問題が生じる。
【０００６】
また、補強材を配置する場合、単セルの厚みが増加し、燃料電池が大型化するという問題が生じる。一方、補強材の厚みを薄くし、単セルの厚みの増加を抑制する場合、面圧の均等化は限定的である。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有し、かつ、面圧を均等化し得る燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、高分子電解質膜と触媒層とが配置されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されるアノードセパレータと、前記膜電極接合体のカソード側に配置されるカソードセパレータと、前記膜電極接合体と前記アノードセパレータとの間のガス流路空間に互いに平行に配置される複数の第１リブと、前記膜電極接合体と前記カソードセパレータとの間のガス流路空間に互いに平行に配置される複数の第２リブと、前記膜電極接合体と前記第１リブおよび前記第２リブの少なくとも一方との間に配置される金属多孔質基材からなる支持体と、を有する燃料電池である。前記膜電極接合体あるいは前記支持体に対する前記第１リブの当接面と前記第２リブの当接面とは、ガス流路方向に直交する方向の断面視において互いにオフセットしている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係るセル構造を説明するための断面図である。
【図３】図３は、図２に示される支持体を説明するための平面図である。
【図４】図４は、第２実施形態に係る燃料電池を説明するための断面図である。
【図５】図５は、図４に示されるリブを説明するための平面図である。
【図６】図６は、第３実施形態に係る燃料電池を説明するための断面図である。
【図７】図７は、第４実施形態に係る燃料電池を説明するための断面図である。
【図８】図８は、第５実施形態に係る燃料電池の概略構成を説明するための断面図である。
【図９】図９は、第５実施形態に係る燃料電池を示す断面説明図である。
【図１０】図１０は、一般材料力学における両端支持梁を示す説明図である。
【図１１】図１１は、凸部幅方向の位置と面圧との関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、凸部のピッチと支持体に必要な曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、構造解析に用いた実験装置を示す説明図である。
【図１４】図１４は、第５実施形態の他の例を示す断面説明図である。
【図１５】図１５は、第５実施形態のさらに他の例を示す断面説明図である。
【図１６】図１６（Ａ）および１６（Ｂ）は、各々、図１５に示す燃料電池の凸部の配列を示す平面図である。
【図１７】図１７は、第５実施形態のさらに他の例を示す断面説明図である。
【図１８】図１８（Ａ）および（Ｂ）は、各々、図１７に示す燃料電池の凸部の配列を示す平面図である。
【図１９】図１９は、第５実施形態のさらに他の例を示す断面説明図である。
【図２０】図２０は、第５実施形態のさらに他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。
【００１２】
第１実施形態に係る燃料電池１０は、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有し、かつ、面圧を均等化することが可能であり、例えば、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池からなり、電源として利用される。固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、小型化、高密度化および高出力化が可能であり、搭載スペースが限定される車両などの移動体の駆動用電源としての適用が好ましく、特に、システムの起動および停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途が特に好ましい。この場合、例えば、自動車（燃料電池車）の車体中央部の座席下、後部トランクルームの下部、車両前方部のエンジンルーム内に搭載することが可能である。大きな車内空間およびトランクルームを確保する観点からは、座席下の搭載が好ましい。
【００１３】
燃料電池１０は、図１に示されるように、スタック部２０、締結板７０、補強板７５、集電板８０、スペーサ８５、エンドプレート９０およびボルト９５を有する。
【００１４】
スタック部２０は、単セル２２の積層体から構成されている。単セル２２は、後述するように、膜電極接合体、セパレータ、リブおよび支持体を有する。
【００１５】
締結板７０は、スタック部２０の底面および上面に配置され、補強板７５は、スタック部２０の両側に配置される。つまり、締結板７０および補強板７５は、スタック部２０の周囲を取り囲むケーシングを構成している。
【００１６】
集電板８０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材から形成され、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子が設けられており、単セル２２のスタックの積層方向の両端（スタック部２０の正面および背面）に配置される。
【００１７】
スペーサ８５は、スタック部２０の背面に配置される集電板８０の外側に配置される。
【００１８】
エンドプレート９０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成され、スタック部２０の正面に配置される集電板８０の外側と、スペーサ８５の外側とに配置される。エンドプレート９０は、燃料ガス（水素）、酸化剤ガス（酸素）および冷媒（冷却水）をスタック部２０に供給または排出して流通させるために、燃料ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス排出口、冷却水導入口および冷却水排出口を有する。
【００１９】
ボルト９５は、エンドプレート９０、締結板７０および補強板７５を締結し、その締結力を単セル２２の積層方向に作用させることで、内部に位置するスタック部２０を押し圧状態に保持するために使用される。ボルト９５の本数およびボルト孔の位置は、適宜変更することが可能である。また、締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。
【００２０】
図２は、第１実施形態に係るセル構造を説明するための断面図、図３は、図２に示される支持体を説明するための平面図である。
【００２１】
単セル２２は、膜電極接合体３０、セパレータ４０，４５、複数のリブ５０，５５および支持体６０，６５を有する。
【００２２】
膜電極接合体３０は、図２に示されるように、高分子電解質膜３２、触媒層３４，３６を有する。
【００２３】
触媒層３４は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでいる。触媒層３４は、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、高分子電解質膜３２の一方の側に配置される。触媒層３６は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでいる。触媒層３６は、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、高分子電解質膜３２の他方の側に配置される。
【００２４】
高分子電解質膜３２は、触媒層（アノード触媒層）３４で生成したプロトンを触媒層（カソード触媒層）３６へ選択的に透過させる機能と、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とを有する。
【００２５】
セパレータ４０，４５は、単セルを電気的に直列接続する機能と、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに分離する隔壁としての機能とを有する。セパレータ４０，４５は、膜電極接合体３０と略同一形状であり、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。
【００２６】
セパレータ４０は、膜電極接合体３０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層３４に相対している。セパレータ４５は、膜電極接合体３０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層３６に相対している。セパレータ４０，４５は、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるための複数のマニホールドを有する。マニホールドは、各々エンドプレート９０に設けられた燃料ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス排出口、冷却水導入口および冷却水排出口に連通している。
【００２７】
リブ５０，５５は、セパレータ４０，４５の一部からなる矩形状断面を有する突出部によって構成される。つまり、リブ５０，５５およびセパレータ４０，４５は、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことによって、同時に形成（一体的に形成）されている。リブ５０は、膜電極接合体３０とセパレータ４０との間に区画形成されたガス流路空間４２の延在方向（ガス流路方向）に延在し、かつ、互いに平行に配置された第１リブである。ガス流路空間４２は、燃料ガスを触媒層３４に供給するために利用される。リブ５５は、膜電極接合体３０とセパレータ４５との間に区画形成されたガス流路空間４７の延在方向（ガス流路方向）に延在し、かつ、互いに平行に配置された第２リブである。ガス流路空間４７は、酸化剤ガスを触媒層３６に供給するために利用される。
【００２８】
支持体６０，６５は、膜電極接合体３０よりも大きな曲げ剛性および曲げ強度を有する導電性板状部材であり、触媒層にガスを供給するため、多孔質基材から構成される。
【００２９】
支持体６０，６５は、図３に示されるように、金属製の網（メタルメッシュ）から構成される。支持体６０は、触媒層３４とリブ５０との間に配置される。支持体６５は、触媒層３６とリブ５５との間に配置される。
【００３０】
リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７とは、ガス流路方向に直交する方向の断面視において互いにオフセットしている。リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７とは、支持体６０、膜電極接合体３０および支持体６５を間に挟み、かつ、ガス流路方向および単セル２２の積層方向に直交する方向において所定の間隔をあけて（積層方向投影において互いに重ならないように）位置決めされている。当接面５２，５７は、ガス流路方向および積層方向に直交する方向において交互に配置されている。この配置により、支持体６０、膜電極接合体３０および支持体６５に曲げモーメントが発生するため、当接面（荷重点）５２，５７近傍に圧縮力が作用し、当接面５２と当接面５７とが互いに重なる場合（当接面５２が各々当接面５７に対向して配置される場合）と比較して、面圧が発電エリア全面に均等に分布する。支持体６０，６５の存在により、剛性と強度が向上しているため、曲げモーメントの発生による膜電極接合体３０の破損が抑制される。また、当接面５２，５７の幅Ｗ１１，Ｗ２１を大きくする必要がないため、リブ５０，５５によって支持されていない領域（非当接面）を介したガス拡散性が低下する問題を回避することができる。さらに、支持体６０，６５単独（剛性のみ）で、面圧分布の均等化を図っていないため、支持体６０，６５の厚みＴ１，Ｔ２を薄くすることが可能である。つまり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有しかつ面圧分布を均等化することができる燃料電池を提供することが可能である。なお、リブ５０，５５の断面形状は、矩形状であるため、リブ５０，５５の当接面５２，５７の幅（当接面幅）Ｗ１１，Ｗ２１は、それぞれリブ５０，５５の幅（頂面の幅）と一致する。また、非当接面幅Ｗ１２，Ｗ２２は、当接面５２，５７間の距離によって定義される。
【００３１】
支持体６０，６５は、膜電極接合体３０の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有しており、全体の曲げ剛性が向上しているため、当接面５２，５７から作用する圧縮力が当接面５２，５７と接触する領域の周辺域にも伝わり、発電エリアの面圧がより一層均等に分布する。膜電極接合体３０の両側に支持体６０，６５（金属多孔質基材）が存在するため、単セル内部での面内方向の電気伝導性が向上する。また、膜電極接合体のどちら側にガス差圧が付加されても、テンティング（流路閉塞）を防ぐことが可能である。
【００３２】
支持体６０，６５は、金属製であるため、支持体６０，６５の強度を向上させることが容易であり、積層荷重に耐える強度を維持しながら、リブ５０，５５のリブピッチ（隣接する２つのリブの中心間距離）Ｐ１，Ｐ２を増加させることが可能である。
【００３３】
支持体６０の厚みＴ１と支持体６５の厚みＴ２とは、同一であることが好ましい。この場合、膜電極接合体３０が曲げ中立面近傍に位置することとなるため、膜電極接合体３０の曲げ応力が緩和される。
【００３４】
リブピッチＰ１およびＰ２は、同一であることが好ましい。この場合、リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７との間の距離である相対ズレ量Ｓを容易に最大値に設定できる。例えば、リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７とを、単にリブピッチの半分に相当する距離だけ互いにずらすことにより、曲げモーメントを最大にし、かつ、曲げモーメント発生箇所を均等に配置することで、面圧バラツキを小さくすることが可能である。
【００３５】
リブピッチＰ１，Ｐ２は、（２×（支持体６０，６５のガス流路幅方向の長さ）×（支持体６０，６５の厚み）２×（支持体６０，６５の曲げ強度））÷（リブ５０，５５の一つあたりの積層荷重）の計算式から得られる値以下であることが好ましい。この場合、流路占有率（ガス流路空間の面積占有率）が大きくなるため、ガス拡散性を向上させることが可能である。
【００３６】
リブ５０および５５は、リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７との間の距離である相対ズレ量Ｓが最大となるように配置されることが好ましい。この場合、曲げモーメントが最大になり、かつ、曲げモーメント発生箇所が均等に配置され、面圧バラツキが減少する。
【００３７】
支持体６０，６５は触媒層３４，３６に直接接触し、リブ５０，５５はセパレータ４０，４５と一体化されているため、触媒層３４，３６とセパレータ４０，４５との間の導電は十分に確保され、単セルの電気抵抗が低く抑えられている。したがって、十分なガス拡散性および導電性が確保されるため、カーボンペーパ等のガス拡散層（ＧＤＬ）を省略することで、燃料電池の薄層化を図ることが可能である。なお、必要に応じ、支持体６０，６５をガス拡散層によって構成することも可能である。
【００３８】
次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。
【００３９】
高分子電解質膜３２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、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、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）等である。多孔質状の膜は、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）から形成される。
【００４０】
高分子電解質膜３２の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５μｍ〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。
【００４１】
触媒層（カソード触媒層）３６に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）３４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、特に限定されない。
【００４２】
具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。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が好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。
【００４３】
触媒層３４，３６に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。
【００４４】
触媒層３４，３６に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層３４，３６に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜３２に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜３２に対する触媒層３４，３６の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。
【００４５】
セパレータ４０，４５は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、ステンレス鋼鈑以外の金属材料（例えば、アルミニウム板やクラッド材）、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、リブ５０，５５は、例えば、切削加工やスクリーン印刷によって形成することが可能である。
【００４６】
当接面幅Ｗ１１，Ｗ２１は３００μｍを超えると、ガス流路空間４２，４７から供給されるガスが、リブ直下のエリアまで拡散し難くなるため、ガス輸送抵抗が増大し、発電性能が低下する。燃料電池の高出力密度化を考慮すると、当接面幅Ｗ１１，Ｗ２１は、５０〜３００μｍが好ましく、１００〜２００μｍが特に好ましい。
【００４７】
支持体６０，６５の曲げ（引張り）強度が１００ＭＰａ以上である場合、リブピッチＰ１，Ｐ２は６００μｍ以上に設定しても、積層荷重に耐えることが可能である。この場合、流路占有率が増加するため、ガス拡散性が向上する。
【００４８】
非当接面幅Ｗ１２，Ｗ２２は、１００μｍ未満であると、十分な量のガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を供給することができず、発電エリアにおいて流路が占める比率が減少するため、ガス輸送抵抗が増大し、発電性能が低下する。また、隣り合うリブ同士の間隔が狭くなるため、リブ５０，５５を形成する際に精密な位置決めや微細な加工等が必要となって、部品のコストが増大する。したがって、非当接面幅Ｗ１２，Ｗ２２は、１００〜２０００μｍが好ましく、２００〜１０００μｍが特に好ましい。
【００４９】
支持体６０，６５を構成する導電性材料は、特に限定されないが、例えば、セパレータ４０，４５に適用される構成材料と同様な材料を適宜用いることが可能である。また、表面が金属で被覆されたものを適用することも可能であり、この場合、表面の金属は、上記と同様の材料が使用でき、芯材は、導電性を有することが好ましい。例えば、導電性の高分子材料や導電性炭素材料を芯材に適用することが可能である。
【００５０】
支持体６０，６５の表面は、防食処理、撥水処理、親水処理を施すことも可能である。親水処理は、例えば、金あるいは炭素のコーティングであり、支持体６０，６５の腐食を抑制することが可能である。
【００５１】
撥水処理は、例えば、撥水剤のコーティングであり、支持体６０，６５の開孔部における水の滞留を減少させ、水によるガス供給の阻害やフラッディングを抑制し、触媒層３４，３６に対するガスの安定供給を確実とし、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることが可能である。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、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（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。
【００５２】
親水処理は、例えば、親水剤のコーティングであり、触媒層３４，３６からの液水を流路側に引き寄せるため、触媒層３４，３６の水詰まりを低減し、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることが可能である。親水剤は、例えば、シランカップリング剤やポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）である。なお、支持体６０，６５におけるセパレータ側の面に親水処理を施し、触媒層側の面に撥水処理を施すことも可能である。
【００５３】
支持体６０，６５を構成する網のメッシュは、ガスの供給性およびセル電圧の観点から、１００以上であることが好ましく、１００〜５００であることがより好ましい。網の線径は、触媒層３４，３６およびリブ５０，５５に対する当接面積（セル内の電気抵抗）の観点から、２５〜１１０μｍであることが好ましい。網の織り方（編み方）は、特に限定されず、例えば、平織、綾織、平畳織、綾畳織を適用することも可能である。また、織ることなく線材同士を固定（例えば溶接）して、網を形成することも可能である。
【００５４】
支持体６０，６５は、金属製の網を適用する形態に限定されず、例えば、パンチングメタル、エキスパンドメタル、エッチングメタルを適用することも可能である。
【００５５】
以上のように、第１実施形態においては、リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７とが、ガス流路方向に直交する方向の断面視において互いにオフセットしている。この配置により、支持体６０、膜電極接合体３０および支持体６５に曲げモーメントが発生するため、当接面（荷重点）５２，５７近傍に圧縮力が作用し、面圧が発電エリア全面に均等に分布する。一方、支持体６０，６５の存在により、剛性と強度が向上しているため、曲げモーメントの発生による膜電極接合体３０の破損が抑制される。また、当接面５２，５７の幅Ｗ１１，Ｗ２１を大きくする必要がないため、リブ５０，５５によって支持されていない領域（非当接面）を介したガス拡散性が低下する問題を回避することができる。さらに、支持体６０，６５単独（剛性のみ）で、面圧分布の均等化を図っていないため、支持体６０，６５の厚みＴ１，Ｔ２を薄くすることが可能である。つまり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有しかつ面圧分布を均等化することができる燃料電池を提供することが可能である。
【００５６】
支持体６０，６５は、膜電極接合体３０の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有しており、全体の曲げ剛性が向上しているため、当接面５２，５７から作用する圧縮力が当接面５２，５７と接触する領域の周辺域にも伝わり、発電エリアの面圧がより一層均等に分布する。膜電極接合体３０の両側に支持体６０，６５（金属多孔質基材）が存在するため、単セル内部での面内方向の電気伝導性が向上する。また、膜電極接合体のどちら側にガス差圧が付加されても、テンティング（流路閉塞）を防ぐことが可能である。
【００５７】
支持体６０，６５は、金属製であるため、支持体６０，６５の強度を向上させることが容易であり、積層荷重に耐える強度を維持しながら、リブ５０，５５のリブピッチ（隣接する２つのリブの中心間距離）Ｐ１，Ｐ２を増加させることが可能である。
【００５８】
支持体６０の厚みＴ１と支持体６５の厚みＴ２とは、同一であることが好ましい。この場合、膜電極接合体３０が曲げ中立面近傍に位置することとなるため、膜電極接合体３０の曲げ応力が緩和される。
【００５９】
リブピッチＰ１およびＰ２は、同一であることが好ましい。この場合、リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７との間の距離である相対ズレ量Ｓを容易に最大値に設定できる。例えば、リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７とを、単にリブピッチの半分に相当する距離だけ互いにずらすことにより、曲げモーメントを最大にし、かつ、曲げモーメント発生箇所を均等に配置することで、面圧バラツキを小さくすることが可能である。
【００６０】
リブピッチＰ１，Ｐ２は、（２×（支持体６０，６５のガス流路幅方向の長さ）×（支持体６０，６５の厚み）２×（支持体６０，６５の曲げ強度））÷（リブ５０，５５の一つあたりの積層荷重）以下であることが好ましい。この場合、流路占有率が大きくなるため、ガス拡散性を向上させることが可能である。
【００６１】
リブ５０および５５は、リブ５０の当接面５２とリブ５５の当接面５７との間の距離である相対ズレ量Ｓが最大となるように配置されることが好ましい。この場合、曲げモーメントが最大になり、かつ、曲げモーメント発生箇所が均等に配置され、面圧バラツキが減少する。
【００６２】
＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態に係る燃料電池を説明するための断面図、図５は、図４に示されるリブを説明するための平面図である。
【００６３】
第２実施形態に係る燃料電池は、セパレータ４０，４５と一体的に形成されていない別体のリブ５０Ａ，５５Ａを有する点で、第１実施形態に係る燃料電池と概して異なる。なお、以下において、第１実施形態と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００６４】
リブ５０Ａ，５５Ａは、円形状断面を有する線材からなり、支持体６０，６５に固定されている。したがって、リブ５０Ａ，５５Ａの形状がストレート状でない場合であっても、支持体６０，６５との接点が固定されているため、支持体６０，６５の面内縦横両方向の曲げ剛性を向上させることが可能である。なお、リブ５０Ａ，５５Ａは、円形の断面形状を有しているため、リブ５０Ａ，５５Ａの当接面５２，５７の幅（当接面幅）Ｗ１１，Ｗ２１は、リブ５０Ａ，５５Ａの幅（直径）より小さい。
【００６５】
支持体６０，６５に対するリブ５０Ａ，５５Ａの固定方法は、特に限定されないが、機械的固定や熱接合を適用することが可能である。機械的固定は、例えば、嵌合による固定、ワイヤによる固定である。
【００６６】
嵌合による固定は、リブ５０Ａ，５５Ａに形成される凸部（あるいは凹部）を支持体６０，６５に形成される凹部（あるいは凸部）に嵌めることで、実施することが可能である。ワイヤによる固定は、リブ５０Ａ，５５Ａに設置されるワイヤを、支持体６０，６５に形成される開孔に挿通したり、支持体６０，６５に形成される開孔に通されたワイヤによって、リブ５０Ａ，５５Ａを締結することで、実施することが可能である。
【００６７】
熱接合は、例えば、溶接、焼結、溶着である。熱接合は、支持体６０，６５およびリブ５０Ａ，５５Ａにおいて面圧が付与されない部位や非接触の部位があっても電気伝導性を確保でき、かつ、操作が容易であるため、有利である。
【００６８】
リブ５０Ａ，５５Ａを構成する導電性材料は、特に限定されないが、例えば、支持体６０，６５に適用される構成材料と同様な材料を適宜用いることが可能である。表面が金属で被覆されたものを適用したり、その表面に、防食処理、撥水処理、親水処理を施したりすることも可能である。
【００６９】
以上のように、第２実施形態においては、リブ５０Ａ，５５Ａが支持体６０，６５に固定されているため、支持体６０，６５の曲げ剛性を向上させることが可能である。
【００７０】
なお、リブ５０Ａ，５５Ａの断面形状は、円形状に限定されず、例えば、楕円状（ラグビーボール状や円盤状）、矩形状、三角形状、多角形状を適用することも可能である。
【００７１】
また、必要に応じて、リブ５０Ａ，５５Ａを、支持体６０，６５上に固定することなくそのまま配置したり、リブ５０Ａ，５５Ａと支持体６０，６５とを一体として形成したりすることも可能である。さらに、リブ５０Ａ，５５Ａを、セパレータ４０，４５に固定することも可能である。さらに、スクリーン印刷などで導電性カーボン材料により構成されたリブ５０Ａ，５５Ａを直接セパレータ４０，４５に転写して形成することも可能である。
【００７２】
＜第３実施形態＞
図６は、第３実施形態に係る燃料電池を説明するための断面図である。
【００７３】
第３実施形態に係る燃料電池は、単一の支持体６５Ａを有する点で、第１実施形態に係る燃料電池と概して異なる。
【００７４】
支持体６５Ａは、膜電極接合体３０の曲げ剛性より小さい曲げ剛性を有し、膜電極接合体３０のカソード側に配置されており、触媒層３６とセパレータ４５との間に位置している。
【００７５】
支持体６５Ａの曲げ剛性を膜電極接合体３０の曲げ剛性より小さくしたのは、膜電極接合体３０のアノード側には支持体６５Ａが存在しないため、曲げ剛性を小さくした方が、面圧が均一化されるためである。支持体６５Ａをカソード側に配置するのは、カソード側はガス拡散性の影響が大きいためである。たわみに対する強度に関し、膜電極接合体３０および支持体６５Ａは、同等であることが好ましい。
【００７６】
以上のように、第３実施形態においては、膜電極接合体３０のカソード側にのみ支持体６５Ａが配置されているため、燃料電池の小型化が容易である。なお、リブ５０，５５は、第２実施形態と同様に、別体とすることも可能である。
【００７７】
＜第４実施形態＞
図７は、第４実施形態に係る燃料電池を説明するための断面図である。
【００７８】
第４実施形態に係る燃料電池は、支持体６０，６５と膜電極接合体３０との間に配置される導電性の中間層３５，３７を有する点で、第１実施形態に係る燃料電池と概して異なる。
【００７９】
中間層３５，３７は、十分な機械的強度を有するマイクロポーラス層（ＭＰＬ）から構成され、膜電極接合体３０に対して支持体６０，６５から付加される応力を緩和することができる。また、中間層３５，３７により支持体６０，６５と膜電極接合体３０との直接接触が避けられるため、例えば、支持体６０，６５が金属製の網から構成される場合であっても、支持体６０，６５から付加される応力によって膜電極接合体３０が破損することを、抑制することができる。
【００８０】
マイクロポーラス層は、カーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層から形成される。カーボン粒子は、特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛を適用することが可能である。カーボンブラックは、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいため、好ましい。カーボン粒子の平均粒子径は、１０〜１００ｎｍ程度が好ましく、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３４，３６との接触性を向上させることが可能である。
【００８１】
カーボン粒子層は、撥水性を向上させてフラッディング現象などを防ぐ観点から、撥水剤を含ませることも可能である。この場合、支持体６０，６５の開孔に溜まった液水の排出が容易となり、支持体６０，６５の耐食性を向上させることが可能である。
【００８２】
撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶｄＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、ＦＥＰなどのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。フッ素系の高分子材料は、撥水性および電極反応時の耐食性に優れるため、好ましい。カーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で９０：１０〜４０：６０（カーボン粒子：撥水剤）が好ましい。
【００８３】
以上のように、第４実施形態においては、膜電極接合体３０に対して支持体６０，６５から付加される応力を緩和する中間層３５，３７が存在し、支持体６０，６５と膜電極接合体３０との直接接触が避けられるため、例えば、支持体６０，６５が金属製の網から構成される場合であっても、支持体６０，６５から付加される応力によって膜電極接合体３０が破損することを、抑制することができる。
【００８４】
なお、中間層３５，３７は、マイクロポーラス層から構成される形態に限定されず、ガス拡散層や、ガス拡散層とマイクロポーラス層との組み合わせを適用することも可能である。また、第２および第３実施形態において、中間層３５，３７を備えることも可能である。
【００８５】
＜第５実施形態＞
図８は、第５実施形態に係る燃料電池の概略構成を説明するための断面図、図９は、第５実施形態に係る燃料電池を示す断面説明図である。
【００８６】
図８に示す燃料電池１１０は、高分子電解質膜１３２を一対の触媒層１３４，１３６で挟持した構造を有する膜電極接合体１３０と、膜電極接合体１３０との間にガス流路空間１４２，１４７を区画形成するセパレータ１４０，１４０と、導電性多孔質基材から成りかつ各触媒層１３４，１３６の表面に各々配置された支持体１６０，１６０とを備えている。
【００８７】
燃料電池１１０では、両セパレータ１４０，１４０が、膜電極接合体１３０に接触する頂部を曲面とした複数の凸部１５０ａを有するとともに、該凸部１５０ａが所定の間隔で配置され、一方のセパレータ１４０の凸部１５０ａが他方のセパレータ１４０の凸部１５０ａに対して均等にオフセットした位置となっている。
【００８８】
燃料電池１１０では、図９に示すように、図中矢印で示す一方のセパレータ１４０側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータ１４０において隣接する凸部１５０ａ，１５０ａのピッチ（中心間の距離）Ｌ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５
を満たすものとなっている。
【００８９】
膜電極接合体１３０は、一般に、ＭＥＡ（Membrane  Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、詳細な図示を省略したが、固体高分子膜から成る高分子電解質膜１３２を一対の触媒層、具体的には、アノード側触媒層１３４およびカソード側触媒層１３６で挟持したものである。触媒層１３４，１３６は、触媒層の他、適数のガス拡散層を積層した構造を有する。
【００９０】
セパレータ１４０は、例えばステンレス製であって、少なくとも膜電極接合体１３０に相対向する面に複数の凸部１５０ａが形成してある。頂部を曲面とした各凸部１５０ａは、互いに平行に延在したリブ状を成して（リブ形状に形成されて）いる。したがって、凸部１５０ａは、膜電極接合体１３０に対して線接触する。また、セパレータ１４０は、隣接する凸部１５０ａ，１５０ａの間の溝部分が、アノードガス（水素含有ガス）のガス流路空間１４２、またはカソードガス（酸素含有ガス：空気）のガス流路空間１４７となる。
【００９１】
支持体１６０は、導電性多孔質基材でありかつ金属製であって、より望ましくは、圧延処理若しくは熱処理を施されている。支持体１６０は、金網、エッチング加工ステンレス板、パンチングメタル、エキスパンドメタル、及び金属不織布のうちのいずれかから成り、図示例では金網である。さらに、支持体１６０は、両触媒層１３４，１３６において同等の部材を用いている。
【００９２】
燃料電池１１０では、両セパレータ１４０，１４０において、隣接する凸部１５０ａのピッチＬが同一になっており、しかも、一方のセパレータ１４０の凸部１５０ａと他方のセパレータ１４０の凸部１５０ａとの間のオフセット量が、各セパレータ１４０において隣接する２つの凸部１５０ａの間のピッチＬの二分の一になっている。つまり、図８及び図９に示すように、上側の一方のセパレータ１４０における凸部１５０ａは、下側の他方のセパレータ１４０において隣接する二つの凸部１５０ａ，１５０ａの中心に位置している。さらに、セパレータ１４０の凸部１５０ａの幅は３ｍｍ以上とするのが、より望ましい。
【００９３】
図示は省略したが、燃料電池１１０では、膜電極接合体１３０と各セパレータ１４０，１４０との間の外周部に適宜のガスシールが施してあり、アノードガス及びカソードガスが、供給路及び排出路を通して各ガス流路空間１４２，１４７に流通している。
【００９４】
上記構成を備えた燃料電池１１０は、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックでは、その両端にエンドプレート類を配置して燃料電池スタックを積層方向に加圧し、各燃料電池１１０に所定の面圧を付与することで、膜電極接合体１３０の膨潤等による変位を吸収し、ガスシール性を維持している。
【００９５】
上記の燃料電池１１０は、各触媒層１３４，１３６の表面に支持体１６０を備えるとともに、一方のセパレータ１４０の凸部１５０ａを他方のセパレータ１４０の凸部１５０ａに対してオフセット配置した上で、平均面圧Ｐ、凸部１５０ａのピッチＬ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係を設定している。これにより、膜電極接合体１３０を挟む両側のセパレータ１４０，１４０の凸部１５０ａをオフセット配置した構成において、触媒層１３４，１３６のガス拡散性を良好に維持しつつ、膜電極接合体１３０に作用する面圧の均一化を実現することができる。
【００９６】
一般に、例えば、両セパレータの凸部を燃料電池１１０の厚み方向に揃えて配置すると、膜電極接合体のうち両側を凸部で挟まれた部分だけ面圧が高くなることは明らかである。また、両側の凸部をオフセット配置にすると、面圧の局部的な上昇は抑制されるものの、膜電極接合体を波形状に変形させようとする力が働くので、例えば、凸部のピッチを小さくしたり、従来の燃料電池のように少なくとも一方の凸部の幅を大きくしたりする必要がある。これにより、触媒層における凸部と接触する部分においてガス拡散性が低下する。
【００９７】
これに対して、上記の燃料電池１１０は、各支持体１６０によって膜電極接合体１３０が補強された状態になるので、凸部１５０ａのピッチＬを大きく若しくは凸部１５０ａの幅を小さくして、これらをオフセット配置しても、膜電極接合体１３０に作用する面圧を均等に分布させることができる。しかも、燃料電池１１０は、平均面圧Ｐ、凸部１５０ａのピッチＬ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係を上記の如く設定したことにより、凸部１５０ａのオフセット配置を前提とした構成を成立させて、凸部１５０ａのオフセット配置による効果を充分に発揮する。
【００９８】
上記の燃料電池１１０は、両側の凸部１５０ａのオフセット量を凸部１５０ａのピッチＬの二分の一とし、両セパレータ１４０において隣接する凸部１５０ａのピッチＬを同一としたことにより、膜電極接合体１３０の曲げ荷重の面内方向の分布を均等にすることができる。
【００９９】
さらに、燃料電池１１０は、上記の支持体１６０を金属製としたことで、支持体１６０自体の曲げ強度が向上し、凸部１５０ａのピッチＬを拡大することができる。また、燃料電池１１０は、圧延処理や熱処理を施した支持体１６０を用いることで、支持体１６０自体の曲げ強度が向上し、凸部１５０ａのピッチＬを拡大することができる。さらに、燃料電池１１０は、支持体１６０を、金網、エッチング加工ステンレス板、パンチングメタル、エキスパンドメタル、及び金属不織布のうちのいずれかから形成したことで、低コスト化や加工性の向上を実現する。
【０１００】
さらに、上記の燃料電池１１０は、両触媒層１３４，１３６に同等の支持体１６０を用いることで、曲げの中立面を膜電極接合体１３０の中心に位置させ、膜電極接合体１３０に作用する曲げ応力を低減することができる。さらに、上記の燃料電池１１０は、凸部１５０ａの幅を３ｍｍ以上とすることで、プレス加工等によってセパレータ１４０を容易に製造することができ、低コスト化などに貢献することができる。なお、凸部１５０ａの幅を３ｍｍ未満にすると、微細加工が必要となり、製造コストが増すおそれがある。
【０１０１】
上記の燃料電池１１０において、一方のセパレータ１４０側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータ１４０において隣接する凸部１５０ａ，１５０ａのピッチＬ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５ 
を満たすという構成は、一般的な材料力学から単純に導出したものではない。
【０１０２】
図１０に示すように、凸部のオフセット配置を両端支持梁として考えた場合、最大曲げモーメントＭと最大応力σは、以下の式１及び式２で求められる。つまり、支持体が最大応力σより大きな曲げ強度を有する場合、構造として成立することになる。なお、式１及び式２において、Ｗは荷重、ｈは支持体の厚み、Ｈは梁の厚み、Ｌは凸部のピッチ、Ｐは平均面圧、ａは膜電極接合体の発電領域の幅、ｂは該発電領域の長さ、ｙは中立面からの距離（支持体二枚の中央としてｈ）、Ｉは断面二次モーメント（Ｉ＝２ｂｈ３／３）である。
【０１０３】
Ｍ  ＝  ＷＬ／８                                                …（式１）
σ  ＝  Ｍｙ／Ｉ  ＝  ３ＷＬ／１６ｂｈ２  ＝  ３ＰＬ２／１６ｈ２  …（式２）
【０１０４】
しかしながら、実際の燃料電池１１０では、上記の式２を適用できないことが判明した。例えば、上記の式２によれば、面圧１ＭＰａで、支持体の厚みが５０μｍである場合、支持体に７５ＭＰａの曲げ強度があれば、構造として成立することになるが、実際にその条件下で燃料電池１１０や燃料電池スタックを組み立てると、支持体が塑性領域に入って変形するのである。
【０１０５】
そこで、実際の燃料電池１１０における各構成要素の形状等を考慮した有限要素法解析を実施し、実験との相関を踏まえて、両側の凸部１５０ａのオフセット配置構造を成立させるための解を導出した。
【０１０６】
図９に示すようなモデルを用いて解析を実施したところ、膜電極接合体１３０の面圧分布を可視化すると、荷重は上側の凸部１５０ａからの一点荷重であるにもかかわらず、図１１に示すように、各構成要素によって面圧が面内方向に分布していることが判明した。荷重に分布が生じる場合、曲げモーメントに影響するため、修正項Ｘによりその影響を表現することとした（式３）。
【０１０７】
さらに、解析結果の応力を可視化すると、両側の支持体１６０は独立して荷重を受けていることが判明した。この場合、形状の因子として影響するため、断面二次モーメントの補正項Ｙにて表現し、さらに、係数の部分をまとめてＺとして表現することとした（式４）。
【０１０８】
上記の解析結果により形状を考慮した場合の最大応力を算出することができ、支持体１６０の曲げ強度が最大応力においても耐えるものであれば、構造として成立するので、Ｚを解析結果の応力が表現できるように定めて（式４）、式変形により本実施形態の関係式（式６）を算出した。すなわち、式５を満たすように、平均面圧Ｐ、凸部１５０ａのピッチＬ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σを設定すれば、実験においても膜電極接合体１３０に変形や圧痕等が生じることなく、凸部１５０ａのオフセット配置の成立要件が満たされることが確認された。
【０１０９】
図１２は、凸部１５０ａのピッチ（リブピッチ）と支持体１６０に必要な曲げ強度との関係を示すグラフである。式６の範囲を超えると、膜電極接合体１３０に凸部１５０ａによる塑性変形が生じたが、式６の範囲内では、膜電極接合体１３０に塑性変形が生じないことが確認された。
【０１１０】
σ  ＝  ３ＸＰＬ２／１６ｈ２                                       …（式３）
σ  ＝  ３ＸＰＬ２／１６Ｙｈ２   ＝  ＺＰＬ２／ｈ２                 …（式４）
σ  ＝  ＰＬ２／２ｈ２                                            …（式５）
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５                                      …（式６）
【０１１１】
次に、本実施形態では、凸部１５０ａのオフセット配置を成立させるためのピッチＬ、支持体１６０の曲げ強度σ、及び平均面圧Ｐの関係を取得するために、上記の解析と実験を行った。実験では、表１及び表２に示すように、実施例１〜８として、セパレータ１４０、支持体１６０及び電極（ＭＰＬ）２の構成が夫々異なるものを用いた。
【０１１２】
【表１】
0005907278.tif 000002
【０１１３】
【表２】
0005907278.tif 000003
【０１１４】
支持体１６０の曲げ強度は、周知の曲げ強度試験により実測することが可能であり、例えばＩＮＳＴＲＯＮ製マイクロテスタ５８４８型等に代表される市販の荷重試験機を用いることが可能である。本実施形態では、平均面圧を変化させた実験を行うために、図１３に示す実験装置を使用した。
【０１１５】
図示の実験装置は、ステージ２５１の上側に、ガスシリンダ２５２により昇降駆動されるプランジャ２５３を備え、燃料電池１１０の上下にエンドプレート９０，９０を配置して、これをステージ２５１上にセットする。その後、プランジャ２５３を下降させて、燃料電池１１０に厚み方向の負荷すなわち面圧を付与する。平均面圧は、富士フィルム製圧力測定フィルムプレスケールにて確認した。
【０１１６】
その結果、凸部１５０ａのピッチＬ、支持体１６０の曲げ強度σ、平均面圧Ｐの関係が、先の式６を満足している場合では、支持体１６０に変形や変質はみられなかった。これに対して、各構成の関係が式６を満足していない場合では、支持体１６０に塑性変形が確認された。さらに、支持体１６０の変形の影響は、膜電極接合体１３０にも及び、具体的には両触媒層１３４，１３６間の短絡、クロスリーク量の増大として検出される。これは電気化学診断装置によるリニアスイープボルタンメトリで確認できる。この際には、アノード側に水素を供給するとともに、カソード側に窒素を供給して、計測を実施した。
【０１１７】
また、本実施形態では、実験のみならず、有限要素法による構造解析も実施し、実験結果との整合性を確認しながら検証を実施した。
【０１１８】
すなわち、図９に示す如く両側の凸部１５０ａがオフセット配置してある構造を両端支持梁でモデル化し、多面体メッシュにて格子生成を行った。凸部１５０ａ間の距離を梁長とし、平均面圧を入力荷重とした。ソルバーには、ＩＤＥＡＳ内の有限要素法ソルバーを用いたが、この他、ＡＮＳＹＳやＡＢＡＱＵＳ等のソルバーを用いても構わない。
【０１１９】
上記の解析結果から、支持体１６０の曲げ強度、平均面圧を規定した際に、支持体１６０が塑性変形領域に入ることなく、構造が保持できる凸部１５０ａ間の距離が算出される。また、これらは支持体１６０の曲げ強度σ、支持体１６０の厚みｈ、平均面圧Ｐ、凸部１５０ａのピッチＬの関係であるため、ある凸部１５０ａ間の距離である平均面圧を付与した場合に必要な支持体１６０の曲げ強度と理解しても構わない。具体的には、本実施形態の関係式（先の式６参照）で表現できることとなり、その面圧感度は先に説明した図１２のようになる。
【０１２０】
このように、本実施形態の燃料電池１１０における関係式は、単に一端的な材料力学から容易に得たのではなく、燃料電池の各構成要素を考慮した解析及び実験を行い、その結果に基づいて導き出した燃料電池特有のものである。
【０１２１】
図１４〜図２０は、本実施形態の燃料電池の他の例を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。以下の各実施形態においても、先の実施形態と同様に解析及び実験を行い、その結果に基づいて夫々の関係式を導き出した。
【０１２２】
図１４に示す燃料電池１１０は、膜電極接合体１３０と、両側のセパレータ（本体図示略）と、支持体１６０，１６０を備える。両セパレータは、膜電極接合体１３０に接触する頂部を平面とした複数の凸部１５０ｂを有するとともに、該凸部１５０ｂが所定の間隔で配置されて、一側の凸部１５０ｂが他側の凸部１５０ｂに対して均等にオフセットした位置になっている。また、凸部１５０ｂは、先の実施形態と同様にリブ状を成している。したがって、凸部１５０ｂは、膜電極接合体１３０に対して面接触している。
【０１２３】
燃料電池１１０では、一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部１５０ｂのピッチＬ、凸部１５０ｂの幅Ｗｒ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係が、
Ｌ−Ｗｒ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５
を満たしている。
【０１２４】
上記の燃料電池１１０にあっても、凸部１５０ｂのオフセット配置を前提とした構成を成立させて、凸部１５０ｂのオフセット配置による効果を充分に発揮することができ、触媒層１３４，１３６のガス拡散性を良好に維持しつつ面圧の均一化を実現することができる。
【０１２５】
図１５に示す燃料電池１１０は、膜電極接合体１３０と、両側のセパレータ（本体図示略）と、支持体１６０，１６０を備える。両セパレータは、膜電極接合体１３０に接触する頂部を曲面とした複数の凸部１５０ｃを有するとともに、該凸部１５０ｃは所定の間隔で配置されて、一側の凸部１５０ｃが他側の凸部１５０ｃに対して均等にオフセットした位置になっている。また、凸部１５０ｃは、円形のドット状を成して（ドット形状に形成されて）いる。したがって、凸部１５０ｃは、膜電極接合体１３０に対して点接触する。これらの凸部１５０ｃは、図１６（Ａ）および１６（Ｂ）に示す如く規則的に配置されている。なお、図１６では、一方のセパレータの凸部１５０ｃを点線で示し、他方のセパレータの凸部１５０ｃを実線で示している。
【０１２６】
燃料電池１１０では、図９に示す構成と同様に、一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部１５０ｃのピッチＬ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５
を満たしている。
【０１２７】
上記の燃料電池１１０にあっても、凸部１５０ｃのオフセット配置を前提とした構成を成立させて、凸部１５０ｃのオフセット配置による効果を充分に発揮することができ、触媒層１３４，１３６のガス拡散性を良好に維持しつつ面圧の均一化を実現することができる。
【０１２８】
図１７に示す燃料電池１１０は、膜電極接合体１３０と、両側のセパレータ（本体図示略）と、支持体１６０，１６０を備える。両セパレータは、膜電極接合体１３０に接触する頂部を平面とした複数の凸部１５０ｄを有するとともに、該凸部１５０ｄは所定の間隔で配置されて、一側の凸部１５０ｄが他側の凸部１５０ｄに対して均等にオフセットした位置になっている。また、凸部１５０ｄは、円形のドット状を成して（ドット形状に形成されて）いる。したがって、凸部１５０ｄは、膜電極接合体１３０に対して面接触する。これらの凸部１５０ｄは、図１８（Ａ）および１８（Ｂ）に示す如く規則的に配置されている。なお、図１８では、図１６と同様に、一方のセパレータの凸部１５０ｄを点線で示し、他方のセパレータの凸部１５０ｄを実線で示している。
【０１２９】
燃料電池１１０では、図１４に示す構成と同様に、一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部１５０ｄのピッチＬ、凸部１５０ｄの幅Ｗｒ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係が、
Ｌ−Ｗｒ  ≦  （２ｈ２σ／Ｐ）０．５
を満たしている。
【０１３０】
上記の燃料電池１１０にあっても、凸部１５０ｄのオフセット配置を前提とした構成を成立させて、凸部１５０ｄのオフセット配置による効果を充分に発揮することができ、触媒層１３４，１３６のガス拡散性を良好に維持しつつ面圧の均一化を実現することができる。
【０１３１】
図１９に示す燃料電池１１０は、先の各実施形態では一側の凸部を他側の凸部に対して均等にオフセットしたのに対して、一側の凸部を他側の凸部に対して不均等にオフセットしたものである。すなわち、図示の燃料電池１１０は、膜電極接合体１３０と、セパレータ（本体図示略）と、支持体１６０，１６０を備えている。
【０１３２】
両セパレータは、膜電極接合体１３０に接触する頂部を曲面とした複数のリブ状凸部１５０ａを有するとともに、該凸部１５０ａは所定間隔で互いに平行に配置されて、一方のセパレータの凸部１５０ａが他方のセパレータの凸部１５０ａに対してオフセットした位置になっている。具体的には、図中上側のセパレータの凸部１５０ａが、図中下側のセパレータにおいて隣接する二つの凸部１５０ａの中心（中間点）から右側にずれている。これにより、上側の凸部１５０ａと下側の一方の凸部との面内方向の間隔Ｌ１が、上側の凸部１５０ａと下側の他方の凸部との面内方向の間隔Ｌ２よりも大きくなっている。
【０１３３】
燃料電池１１０では、一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部１５０ａのピッチＬ、支持体の厚みｈ、及び支持体の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／ＸＰ）０．５  を満たしている。
ここで、Ｘは、一方のセパレータにおける凸部と、他方のセパレータにおいて隣接する凸部の一方との距離をＬ１とし、一方のセパレータにおける凸部と、他方のセパレータにおいて隣接する凸部の他方との距離をＬ２としたとき（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２）、
Ｘ  ＝  ２Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）  で定まる値である。
【０１３４】
上記の燃料電池１１０にあっても、凸部１５０ａのオフセット配置を前提とした構成を成立させて、凸部１５０ａのオフセット配置による効果を充分に発揮することができ、触媒層１３４，１３６のガス拡散性を良好に維持しつつ面圧の均一化を実現することができる。
【０１３５】
図２０に示す燃料電池１１０は、図１９に示すものがリブ状の凸部を有するのに対して、ドット状の凸部１５０ｃを有する点で図１９に示すものと異なる。この燃料電池１１０では、複数のドット状凸部１５０ｃが不規則的に配置されており、かつ一側の凸部１５０ｃが他側の凸部１５０ｃに対してオフセットしている。
【０１３６】
この燃料電池１１０では、一方のセパレータにおける任意の凸部１５０ｃＡの重心から、他方のセパレータにおいて当該任意の凸部１５０ｃＡに近接する四つの凸部１５０ｃのうちの最も遠い凸部１５０ｃＢの重心までの面内方向の距離を２倍して、これを他方のセパレータにおいて隣接する凸部１５０ｃのピッチＬとする。
【０１３７】
燃料電池１１０では、一方のセパレータ側からの平均面圧Ｐ、他方のセパレータにおいて隣接する凸部１５０ｃのピッチＬ、支持体１６０の厚みｈ、及び支持体１６０の曲げ強度σの関係が、
Ｌ  ≦  （２ｈ２σ／ＸＰ）０．５ 
を満たしている。
【０１３８】
上記の燃料電池１１０にあっても、凸部１５０ｃのオフセット配置を前提とした構成を成立させて、凸部１５０ｃのオフセット配置による効果を充分に発揮することができ、電極のガス拡散性を良好に維持しつつ面圧の均一化を実現することができる。
【０１３９】
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、燃料電池は、メタノールを燃料とする固体高分子形燃料電池（例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）やマイクロ燃料電池（パッシブ型ＤＭＦＣ））によって構成したり、定置用電源として適用したりすることも可能である。また、水素やメタノール以外の燃料としては、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、第１級ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを適用することも可能である。また、例えば、第５実施形態では、各構成要素の材料や、凸部の断面形状及び平面形状などを適宜選択することができる。
【０１４０】
本出願は、２０１２年３月１５日に出願された日本国特許願第２０１２−０５８６１６号および２０１２年５月８日に出願された日本国特許願第２０１２−１０６４４３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参照により本明細書に組み込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明によれば、第１リブの当接面と第２リブの当接面とが、ガス流路方向に直交する方向の断面視において互いにオフセットしており、曲げモーメントが発生するため、当接面（荷重点）近傍で圧縮力が作用し、発電エリア全面における面圧分布が均等化される一方、支持体の存在により剛性が向上しているため、曲げモーメントの発生による破損が抑制される。また、当接面幅を大きくする必要がないため、第１および第２リブに支持されていない領域（非当接面）を介したガス拡散性が低下する問題を回避することができる。さらに、支持体単独（剛性のみ）で、面圧分布の均等化を図っていないため、支持体の厚みを薄くすることができる。つまり、小型化が容易であり、良好なガス拡散性を有し、かつ、面圧分布を均等化し得る燃料電池を提供することが可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
１０，１１０  燃料電池
２０  スタック部
２２  単セル
３０，１３０  膜電極接合体
３２，１３２  高分子電解質膜
３４，１３４  触媒層（アノード触媒層）
３５  中間層
３６，１３６  触媒層（カソード触媒層）
３７  中間層３７
４０  アノードセパレータ
４５  カソードセパレータ
１４０  セパレータ
４２，４７，１４２，１４７  ガス流路空間
５０，５０Ａ  リブ（第１リブ）
５２  当接面
５５，５５Ａ  リブ（第２リブ）
５７  当接面
６０，６５，６５Ａ，１６０  支持体
７０  締結板
７５  補強板
８０  集電板
８５  スペーサ
９０  エンドプレート
９５  ボルト
Ｐ１，Ｐ２  リブピッチ
Ｓ  相対ズレ量
Ｔ１，Ｔ２  厚み
Ｗ１１，Ｗ２１  当接面幅
Ｗ１２，Ｗ２２  非当接面幅
【図１】
0005907278.tif 000004
【図２】
0005907278.tif 000005
【図３】
0005907278.tif 000006
【図４】
0005907278.tif 000007
【図５】
0005907278.tif 000008
【図６】
0005907278.tif 000009
【図７】
0005907278.tif 000010
【図８】
0005907278.tif 000011
【図９】
0005907278.tif 000012
【図１０】
0005907278.tif 000013
【図１１】
0005907278.tif 000014
【図１２】
0005907278.tif 000015
【図１３】
0005907278.tif 000016
【図１４】
0005907278.tif 000017
【図１５】
0005907278.tif 000018
【図１６（Ａ）】
0005907278.tif 000019
【図１６（Ｂ）】
0005907278.tif 000020
【図１７】
0005907278.tif 000021
【図１８（Ａ）】
0005907278.tif 000022
【図１８（Ｂ）】
0005907278.tif 000023
【図１９】
0005907278.tif 000024
【図２０】
0005907278.tif 000025