(57)【要約】    【課題】アノード電極側とカソード電極側とでセパレータの共用を可能とするとともに、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗を減少させる。    【解決手段】ガス拡散層１０４，１０５のうち、セパレータ１０２，１０３の溝１０２ａ，１０３ａ内に張り出す隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさ（高さｈ１，ｈ２）をアノード電極側とカソード電極側とで異ならせる。アノード電極側でこの隆起部１０４ａを大きくすることで、アノード側セパレータ１０２の溝１０２ａ内で形成される実質的な通路１０２ｂの断面積を、カソード側セパレータ１０３におけるものよりも小さくする。【選択図】  図２
2006049226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一側にアノード電極が、他側にカソード電極が夫々形成された膜・電極接合体と、
燃料ガスをアノード電極上で拡散させるための第１のガス拡散層と、
アノード電極に対して第１のガス拡散層を介在させて圧着され、第１のガス拡散層との接合面に、アノード電極上で拡散させる燃料ガスを流通させるための第１の溝が形成されたアノード側セパレータと、
酸化ガスをカソード電極上で拡散させるための第２のガス拡散層と、
カソード電極に対して第２のガス拡散層を介在させて圧着され、第２のガス拡散層との接合面に、カソード電極上で拡散させる酸化ガスを流通させるための第２の溝が形成されたカソード側セパレータと、を含んで構成され、
前記第１及び第２のガス拡散層のうち、対応するセパレータとの接合面よりも前記第１又は第２の溝の内側に張り出すガス拡散層の隆起部の大きさが、前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層とで異なり、
前記第１の溝内で前記第１のガス拡散層の隆起部以外の部分として形成される燃料ガス通路の第１の断面積と、前記第２の溝内で前記第２のガス拡散層の隆起部以外の部分として形成される酸化ガス通路の第２の断面積とが異なる燃料電池。
【請求項２】
前記第１の断面積が前記第２の断面積よりも小さい請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１の溝と前記第２の溝とで断面積が等しく、かつ前記第１の溝内で前記第１のガス拡散層の隆起部が占める割合が、前記第２の溝内で前記第２のガス拡散層の隆起部が占める割合よりも大きい請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層とで圧縮剛性を異ならせて、各隆起部の大きさを異ならせた請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層とで初期厚さを異ならせて、各隆起部の大きさを異ならせた請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
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において、前記第１の溝に接続する燃料ガスの供給又は排出用の２つの集合通路が対角上に形成されるとともに、この２つの集合通路に対し、前記第２の溝に接続する酸化ガスの供給又は排出用の２つの集合通路が、燃料電池の中心軸と交差する上下又は左右方向の直線を基準とする線対称の位置に形成された請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
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において、燃料電池の上下又は左右の一側における第１の辺に、前記第１の溝に接続する燃料ガスの供給又は排出用の２つの集合通路が形成されるとともに、この第１の辺に対向する第２の辺に、前記第２の溝に接続する酸化ガスの供給又は排出用の２つの集合通路が、前記２つの燃料ガスの集合通路とは線対称の位置に形成された請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第１及び第２の溝が直線状に形成された請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１及び第２の溝が蛇行又は屈曲し、かつ燃料電池の中心軸を基準とする回転対称な形状に形成された請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータにおいて、燃料電池の冷却液を循環させるための２つの集合通路が、前記線対称の基準となる直線上に形成された請求項６〜９のいずれかに記載の燃料電池。
【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において、前記線対称の基準となる直線の一側の辺と、この辺に対向する辺とに、燃料電池の冷却液を循環させるための２つの集合通路が線対称の位置に形成された請求項６〜９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
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一方において、前記冷却液の２つの集合通路と接続し、冷却液をそのセパレータ内で流通させるための通路が、前記基準となる直線に関して線対称な形状に形成された請求項１０又は１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記冷却液の２つの集合通路に接続された冷却液循環路と、この冷却液循環路に設置され、冷却液の温度を低下させる冷却手段と、この冷却手段による冷却度合いを調節して、燃料電池の温度を制御する制御手段と、を更に含んで構成される請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層とで保水性が異なる請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記第１のガス拡散層の保水性が前記第２のガス拡散層の保水性よりも高い請求項１４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、膜・電極接合体と、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータとをガス拡散層を介在させて圧着して構成される燃料電池に関する。詳細には、アノード電極側及びカソード電極側の各セパレータ内に設けられる燃料ガス又は酸化ガスの通路の改善により、各電極上での結露による反応ガスの拡散不良を防止するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、固体高分子からなる電解質膜の各側にアノード電極又はカソード電極を形成して膜・電極接合体を構成し、この膜・電極接合体のアノード電極側にアノード側セパレータを、カソード電極側にカソード側セパレータを配置したものが知られている。この固体高分子型の燃料電池は、膜・電極接合体と、アノード電極及びカソード電極との間にガス拡散層を夫々介在させ、これらを互いに圧着させて構成されるのが一般的である。この膜・電極接合体、アノード側セパレータ、カソード側セパレータ及びガス拡散層を接合させたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層してスタックを構成することで、必要な発電能力が得られるようにしている。
【０００３】
燃料電池では、発電能力の確保及び電解質膜の保護を目的として、燃料ガス及び酸化ガスの双方の反応ガスを適度に加湿した状態で供給する。このため、カソード電極側では、この加湿のための水蒸気に発電反応に伴い発生した水（以下「発電生成水」という。）が加わる。通常、この発電生成水は、酸化ガスとともに燃料電池から排出されるが、発電生成水の発生量が多いときや、低温運転時等では、水蒸気が飽和して、カソード電極上で結露することで、この電極上での反応ガスの拡散が妨げられるおそれがある。他方、アノード電極側では、発電反応に伴う水の発生はないが、カソード電極側で発生した水が電解質膜を介して移動し、この移動した水がアノード電極上で結露することが考えられる。結露した水により反応ガスの拡散が妨げられることで、燃料電池の発電能力が低下する。
【０００４】
このような発電生成水の結露の問題に対応した燃料電池として、次のものが知られている。すなわち、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで燃料ガス又は酸化ガスを流通させる溝の数又は、同数の溝が設けられるときは、１つの溝の断面積を異ならせることで、各セパレータに設けられる反応ガスの通路の断面積（すなわち、溝の総断面積）を異ならせたものである（特許文献１）。アノード側セパレータにおける燃料ガス通路の断面積をカソード側セパレータにおける酸化ガス通路の断面積よりも小さくすることで、燃料ガス通路における流速を相対的に増大させ、カソード電極側から移動した発電生成水が水素とともに良好に排出されるようにするのである。
【特許文献１】ＵＳ９８２２３３５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この公知の燃料電池は、燃料電池の運転時における燃料ガスの要求流量が酸化ガスの要求流量よりも少ないことに基づくものである。
しかしながら、この燃料電池には、次のような問題がある。すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータとして、燃料ガス又は酸化ガスの流量に応じて反応ガスの通路の断面積を異ならせた２つのセパレータを個別に用意することが必要となることである。また、アノード電極側及びカソード電極側の双方において、ガス拡散層と対応するセパレータとの接触部の面積が等しく小さくなるため、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗が大きくなり、燃料電池の出力が抑えられてしまうことである。
【０００６】
本発明は、アノード電極側とカソード電極側とでセパレータの共用を可能とするとともに、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗を減少させ、燃料電池の出力を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池を提供する。本発明に係る装置は、電解質膜の一側にアノード電極が、他側にカソード電極が夫々形成された膜・電極接合体と、燃料ガスをアノード電極上で拡散させるための第１のガス拡散層と、アノード電極に対して第１のガス拡散層を介在させて圧着され、第１のガス拡散層との接合面に、アノード電極上で拡散させる燃料ガスを流通させるための第１の溝が形成されたアノード側セパレータと、酸化ガスをカソード電極上で拡散させるための第２のガス拡散層と、カソード電極に対して第２のガス拡散層を介在させて圧着され、第２のガス拡散層との接合面に、カソード電極上で拡散させる酸化ガスを流通させるための第２の溝が形成されたカソード側セパレータと、を含んで構成される。第１又は第２のガス拡散層のうち、対応するセパレータとの接合面よりも第１又は第２の溝の内側に張り出すガス拡散層の隆起部の大きさを、第１のガス拡散層と第２のガス拡散層とで異ならせ、第１の溝内で第１のガス拡散層の隆起部以外の部分として形成される燃料ガス通路の第１の断面積と、第２の溝内で第２のガス拡散層の隆起部以外の部分として形成される酸化ガス通路の第２の断面積とを異ならせる。好ましくは、第１の断面積を第２の断面積よりも小さくする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アノード電極側とカソード電極側とでガス拡散層の隆起部の大きさを異ならせて、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで燃料ガス又は酸化ガスの実質的な通路の断面積を異ならせることとしたので、各セパレータで溝の断面積を等しくすることが許容され、各電極側でセパレータを共用することができる。また、アノード電極側でガス拡散層の隆起部を相対的に大きくした分、このガス拡散層とアソード側セパレータとの接触部の面積を拡大させ、これらの接触抵抗を減少させることができるので、燃料電池の出力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示している。なお、以下に説明するすべての実施形態（第９の実施形態を除く。）において、燃料電池としてこれと共通した構成のものが採用される。
本実施形態に係る燃料電池は、燃料電池本体１と、燃料電池の運転のための補機類とを含んで構成される。
【００１０】
燃料電池本体１には、アノード電極側において、供給される燃料ガス（ここでは、水素）を流通させる燃料ガス供給管２と、発電反応後の排出水素を流通させる燃料ガス排出管３とが接続されている。燃料ガス供給管２には、図示しない高圧水素タンクが接続されており、この高圧水素タンクに貯蔵されている水素が、圧力制御弁により所定の圧力に減圧された状態で燃料電池本体１に供給される。排出水素は、燃料ガス排出管３に送り出されるとともに、燃料ガス排出管３を介して、たとえば、図示しない燃焼器に供給される。また、カソード電極側において、供給される酸化ガス（ここでは、空気）を流通させる酸化ガス供給管４と、発電反応後の排出空気を流通させる酸化ガス排出管５とが接続されている。酸化ガス供給管４には、図示しないコンプレッサ及びエアクリーナが設置されており、大気中の空気がこのエアクリーナを介して酸化ガス供給管４に吸入され、燃料電池本体１に供給される。排出空気は、酸化ガス排出管５を介して前記燃焼器に供給される。排出水素の処理には、燃焼によるものに限らず、排出空気による希釈の方法が採用されてもよい。
【００１１】
本実施形態では、燃料電池本体１の出力の確保及び後述する電解質膜の保護を目的として、燃料ガス供給管２及び酸化ガス供給管４の夫々に加湿器６，７が設置されている。燃料ガス供給管２に設置されるアノード側加湿器６は、燃料電池本体１に供給される水素の湿度を調節するものであり、たとえば、排出水素との間で水分の交換を行うための膜又は中空子若しくはポーラス材で形成されたプレートを含んで構成することができる。酸化ガス供給管４に設置されるカソード側加湿器７は、燃料電池本体１に供給される空気の湿度を調節するものであり、アノード側のものと同様に、排出空気との間で水分の交換を行うための膜等を含んで構成することができる。
【００１２】
他方、補機類には、燃料電池本体１の温度を適切に保つための冷却装置が含まれる。この冷却装置は、燃料電池本体１に循環させる冷却液（たとえば、エチレングリコールを主成分とする不凍液）を貯蔵するタンク８、タンク８内の冷却液を燃料電池本体１に循環させるための冷却液循環路９及び電動ポンプ１０、冷却液循環路９に介装されたラジエータ１１、ラジエータ１１を迂回させて冷却液を流すためのバイパス路１２、並びにバイパス路１２における流量を制御するためのバイパス制御弁１３等を含んで構成される。冷却水循環路９には、冷却液の温度を検出する温度センサ２１が設置されており、この温度センサ２１の出力は、コントロールユニット３１に入力される。
【００１３】
コントロールユニット３１は、燃料電池に対する要求負荷に応じて水素及び空気の供給流量を制御するとともに、この供給流量に応じて水素及び空気の湿度を調節する。また、入力した冷却液の温度をもとに、バイパス制御弁１３を制御して、燃料電池本体１の温度を所定の範囲内に制御する。
図２は、燃料電池本体１の構成を断面で示している。
【００１４】
本実施形態では、電解質膜として固体高分子膜が採用されており、この電解質膜の一側にアノード電極を、他側にカソード電極を形成して、１つの膜・電極接合体（以下「ＭＥＡ」という。）１０１が構成される。このＭＥＡ１０１の各側にアノード側セパレータとしてのバイポーラプレート１０２及びカソード側セパレータとしてのバイポーラプレート１０３を配置するとともに、ガス拡散層１０４，１０５を介してこれらを圧着して、単位セルＣが構成される。燃料電池本体１は、この単位セルＣを要求される出力に応じた数だけ積層したスタックとして構成される。アノード側バイポーラプレート（以下「アノード側ＢＢＰ」という。）１０２のＭＥＡ１０１側の接合面には、アノード電極に対応させて溝１０２ａが形成されており、燃料電池本体１に供給された水素は、この溝１０２ａを介してアノード電極全体に行き渡り、ガス拡散層１０４によりアノード電極上で拡散される。また、カソード側バイポーラプレート（以下「カソード側ＢＢＰ」という。）１０３のＭＥＡ１０１側の接合面には、カソード電極に対応させて溝１０３ａが形成されており、燃料電池本体１に供給された空気は、この溝１０３ａを介してカソード電極全体に行き渡り、ガス拡散層１０５によりカソード電極上で拡散される。
【００１５】
本実施形態では、アノード電極側及びカソード電極側の各ガス拡散層１０４，１０５を形成する素材にポーラス材が採用されている。各ガス拡散層１０４，１０５のポーラス材で気孔率を等しくする一方、ＭＥＡ１０１との圧着前の初期厚さを異ならせることで、圧着力当たりの各ポーラス材の潰れ代を異ならせている。本実施形態では、アノード側ガス拡散層１０４のポーラス材を厚くすることで、各ガス拡散層１０４，１０５のうち、圧着時にアノード側ＢＢＰ１０２又はカソード側ＢＢＰ１０３のリブからの面圧を受けず、圧着後に溝１０２ａ，１０３ａの内側に張り出す部分（「隆起部」に相当する。）１０４ａ，１０５ａの大きさ（ここでは、高さｈ１，ｈ２）を、アノード電極側とカソード電極側とで異ならせている。また、アノード側ＢＢＰ１０２とカソード側ＢＢＰ１０３とで溝１０２ａ，１０３ａの幅及び深さを等しくしており、各ガス拡散層１０４，１０５の潰れ代を異ならせることで、各溝１０２ａ，１０３ａ内で隆起部１０４ａ，１０５ａ以外の部分として形成される通路１０２ｂ，１０３ｂの断面積を異ならせている。溝１０２ａ内に形成される通路１０２ｂがアノード側ＢＢＰ１０２における実質的な燃料ガス通路となるとともに、溝１０３ａ内に形成される通路１０３ｂがカソード側ＢＢＰ１０３における実質的な酸化ガス通路となる。本実施形態では、アノード側ガス拡散層１０４の隆起部１０４ａを大きくすることで、前者の燃料ガス通路１０２ｂの断面積を後者の酸化ガス通路１０３ｂの断面積よりも小さくしている。
【００１６】
また、本実施形態では、燃料電池本体１内で冷却液を流通させる通路として、アノード側ＢＢＰ１０２の前記接合面とは反対側の面に溝１０２ｃが、カソード側ＢＢＰ１０３の前記接合面とは反対側の面に、アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ｃに対応させて溝１０３ｃが形成されている。冷却液の通路として、いずれかのＢＢＰのみに溝が形成されてもよい。
【００１７】
図３は、燃料ガス通路１０２ｂ又は酸化ガス通路１０３ｂの断面積Ａに対する反応ガスの流速Ｖを示している。燃料ガス通路１０２ｂにおける水素の流速をＶａとし、酸化ガス通路１０３ｂにおける空気の流速をＶｃとしている。燃料電池１では、運転時全般において、水素の要求流量が空気の要求流量よりも少ない。このため、燃料ガス通路１０２ｂと酸化ガス通路１０３ｂとで等しい流速Ｖ１を得ようとした場合に与えるべき断面積は、アノード電極側（＝Ａ１）の方がカソード電極側（＝Ａ２）よりも小さい。本実施形態では、アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とで各隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせ、燃料ガス通路１０２ｂの断面積を酸化ガス通路１０３ｂの断面積よりも小さくしているので、各通路で等しい流速Ｖ１を得ることができる。
【００１８】
図４は、隆起部１０４ａ，１０５ａが各溝１０２ａ，１０３ａ内で占める割合Ｒに対する水素又は空気の流速Ｖを示している。隆起部１０４ａ，１０５ａには、気孔率に応じた係数でガスを透過させる性質があるものの、この透過係数は、燃料ガス通路１０２ｂ又は酸化ガス通路１０３ｂのものよりは小さく、ガスが透過し難いことが明らかである。このため、各溝１０２ａ，１０３ａの寸法を等しくしても、隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせることで、水素又は空気の実質的な通路１０２ｂ，１０３ｂの断面積を異ならせ、流速を増減させることができる。
【００１９】
図５は、異なる初期厚さのポーラス材を圧着する際の力Ｆに対する、圧着前後でのポーラス材の変形量（ここでは、潰れ代）δを示している。初期厚さの大きなポーラス材のものをＤａで、初期厚さの小さなポーラス材のものをＤｃで示している。なお、両者のポーラス材で気孔率を等しくしている。初期厚さを大きくすることで、圧着によるポーラス材の潰れ代δ（＝δ１）を大きくすることができ、燃料電池本体１において、隆起部（すなわち、アノード側ガス拡散層の隆起部１０４ａ）を大きくし、燃料ガス通路１０２ｂの断面積を減少させることができる。
【００２０】
図６は、アノード側ＢＢＰ１０２のＭＥＡ１０１側の接合面（ａ）と、カソード側ＢＢＰ１０３のＭＥＡ１０１側の接合面（ｂ）とを示している。
アノード側ＢＢＰ１０２及びカソード側ＢＢＰ１０３には、電極に対峙する面よりも水素又は空気の実質的な流通方向（ここでは、実装状態の燃料電池本体１に関する上下方向）Ｆｈ，Ｆｏに関する上流に、燃料ガス供給用の集合通路（以下「第１の集合通路」という。）２０１及び酸化ガス供給用の集合通路（以下「第２の集合通路」という。）２０２が形成されるとともに、この対峙する面よりも下流に、燃料ガス排出用の集合通路（以下「第３の集合通路」という。）２０３及び酸化ガス排出用の集合通路（以下「第４の集合通路」という。）２０４が形成されている。アノード側ＢＢＰ１０２において、溝１０２ａは、第１及び第３の集合通路２０１，２０３に接続され、かつこれらの集合通路２０１，２０３の間を水素の流通方向Ｆｈとは垂直な方向に蛇行させて形成されている。他方、カソード側ＢＢＰ１０３において、溝１０３ａは、第２及び第４の集合通路２０２，２０４に接続され、かつこれらの集合通路２０２，２０４の間を空気の流通方向Ｆｏとは垂直な方向に蛇行させて形成されている。また、各ＢＢＰ１０２，１０３には、供給又は排出される冷却液を流通させるための第５及び第６の集合通路２０５，２０６が形成されている。各ＢＢＰ１０２，１０３の溝１０２ｃ，１０３ｃは、これらの集合通路２０５，２０６に接続されている。
【００２１】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、アノード側ガス拡散層１０４の隆起部１０４ａをカソード側ガス拡散層１０５の隆起部１０５ａよりも大きくしたので、各溝１０２ａ，１０３ａの寸法が等しいＢＢＰ１０２，１０３を採用した場合でも、各ＢＢＰ１０２，１０３で反応ガスの実質的な通路１０２ｂ，１０３ｂの断面積を異ならせ、各通路１０２ｂ，１０３ｂにおける反応ガスの流速を等しくすることができる。このため、水素の要求流量が少ないとしても、燃料ガス通路１０２ｂにおける流速を増大させ、この通路１０２ｂ内に存在する水蒸気を良好に排出し、結露を抑制することができる。
【００２２】
第２に、アノード側ガス拡散層１０４の隆起部１０４ａを相対的に大きくした分、このガス拡散層１０４とアソード側ＢＢＰ１０２との接触部Ｐ（図２）の面積が大きくなり、両者の接触抵抗を減少させることができるので、燃料電池の出力を向上させることができる。なお、比較例として、アノード電極側とカソード電極側とで各隆起部１０４ａ’，１０５ａの大きさを等しくしたものを示す（図１８）。このものでは、アノード電極側とカソード電極側との双方において、ガス拡散層１０４’，１０５と対応するＢＢＰ１０２，１０３との接続部Ｐ’の面積が等しく小さくなり、接続抵抗が大きくなる。
【００２３】
本実施形態では、アノード側ガス拡散層１０４を形成するポーラス材と、カソード側ガス拡散層１０５を形成するポーラス材とで初期厚さを異ならせ、圧着前後でのポーラス材の変形量δを異ならせることで、隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせることとした。隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさに差を設けるには、ポーラス材の初期厚さを異ならせる方法によるほか、圧縮剛性を異ならせることで、圧着力当たりのポーラス材の変形量を異ならせることとしてもよい。たとえば、アノード側ガス拡散層１０４のポーラス材と、カソード側ガス拡散層１０５のポーラス材とで初期厚さを等しくする一方、前者のポーラス材の気孔率を後者のポーラス材の気孔率よりも大きくすることで、前者の圧縮剛性を小さくし、隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせることができる。
【００２４】
図７は、異なる気孔率のポーラス材を圧着する際の力（すなわち、圧着力）Ｆに対する、圧着後のガス拡散層１０４，１０５の厚さＴを示している。アノード側ガス拡散層１０４のポーラス材のものをＴａで、カソード側ガス拡散層１０５のポーラス材のものをＴｃで示し、各ポーラス材の初期厚さをＴ０としている。後者のポーラス材に対し、前者のポーラス材の気孔率を大きくし、圧縮剛性を小さくすることで、圧着後の厚さ（＝Ｔ１）が小さくなるため、圧着による変形量（すなわち、潰れ代δ）を大きくすることができる。なお、この潰れ代δは、隆起部１０４ａ，１０５ａの高さｈ（図２）に相当する。
【００２５】
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するアノード側ＢＢＰ１０２（ａ）及びカソード側ＢＢＰ１０３（ｂ）の、各ＭＥＡ１０１側の接合面（以下、単に「接合面」という。）を示している。
本実施形態では、アノード側ＢＢＰ１０２及びカソード側ＢＢＰ１０３のうち、燃料電池本体１の左右の一側（ここでは、紙面に対して左側）における第１の辺に、アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ａと接続する燃料ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０１，２０３が形成されている。また、この第１の辺に対向する第２の辺に、カソード側ＢＢＰ１０３の溝１０３ａと接続する酸化ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０２，２０４が形成されている。後者の２つの集合通路２０２，２０４は、前者の２つの集合通路２０１，２０３に対し、燃料電池本体１の中心軸と交差し、かつ各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向（ここでは、上下方向）Ｆｈ，Ｆｏと平行な軸Ａｘを基準とした線対称な位置に形成されている。アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ａは、燃料の集合通路２０１，２０３の間で、燃料ガスの流通方向Ｆｈとは垂直な方向に折り返して形成されている。カソード側ＢＢＰ１０３の溝１０３ａは、酸化ガスの集合通路２０２，２０４の間で、酸化ガスの流通方向Ｆｏとは垂直な方向に折り返して形成されている。また、各集合通路２０１〜２０４と、対応する溝１０２ａ，１０３ａとは、幅を徐々に広げ又は狭めた溝として形成された、通路の拡大又は縮小部１０２ｄ，１０２ｅ，１０３ｄ，１０３ｅを介して接続されている。アノード側ＢＢＰ１０２に設けられる溝（拡大及び縮小部を含む。）１０２ａ，１０２ｄ，１０２ｅと、カソード側ＢＢＰ１０３に設けられる溝（拡大及び縮小部を含む。）１０３ａ，１０３ｄ，１０３ｅとは、同じ形状に形成されている。なお、アノード電極側及びカソード電極側の各ガス拡散層１０４，１０５は、第１の実施形態のものと同様に、これらを形成するポーラス材の初期厚さ又は圧縮剛性を異ならせることで、隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせている。
【００２６】
本実施形態によれば、上記第１及び第２の効果に加え、各接合面における集合通路２０１〜２０４及び溝１０２ａ，１０２ｄ，１０２ｅ，１０３ａ，１０３ｄ，１０３ｅの形状及び配置が対称軸Ａｘを中心として回転させて、表裏を反転させた関係にあるため、アノード電極側とカソード電極側とでＢＢＰ１０２，１０３を共用することができる。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するアノード側ＢＢＰ１０２（ａ）及びカソード側ＢＢＰ１０３（ｂ）の接合面を示している。
【００２７】
本実施形態では、各ＢＢＰ１０２，１０３のうち、燃料電池本体１の上下の一側における第１の辺に、アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ａと接続する燃料ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０１，２０３が形成されるとともに、対向する第２の辺に、カソード側ＢＢＰ１０３の溝１０３ａと接続する酸化ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０２，２０４が形成されている。後者の２つの集合通路２０２，２０４と、前者の２つの集合通路２０１，２０３との位置が線対称な関係にあることは、第２の実施形態のものと同様であるが、本実施形態では、各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向Ｆｈ，Ｆｏが左右方向であり、対称軸Ａｘが第２の実施形態のものとは垂直である。また、本実施形態では、各溝１０２ａ，１０３ａが、折り返しのない直線状に形成されるとともに、対応する集合通路２０１〜２０４に対し、拡大又は縮小部１０２ｄ〜１０３ｅを介して接続されている。アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ａ，１０２ｄ，１０２ｅと、カソード側ＢＢＰ１０３の溝１０３ａ，１０３ｄ，１０３ｅとは、対称軸Ａｘを基準とした線対称な形状に形成されている。なお、アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とで隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせていることは、第１の実施形態のものと同様である。
【００２８】
本実施形態によれば、上記第１及び第２の効果に加え、各接合面における集合通路２０１〜２０４及び溝１０２ａ〜１０３ｅの配置及び形状が左右方向の対称軸Ａｘにより表裏を反転させた関係にあるため、アノード電極側とカソード電極側とでＢＢＰ１０２，１０３を共用することができる。また、本実施形態によれば、各溝１０２ａ，１０３ａが直線状に形成され、かつ平行であるため、各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向Ｆｈ，Ｆｏを対向させることができ、電解質膜を介するアノード側ＢＢＰ１０２とカソード側ＢＢＰ１０３との間での水分の交換を活発に行わせ、セル全体で湿潤状態を均一にすることができる。なお、反応ガスの供給前の加湿条件に応じ、燃料ガスと酸化ガスとの流通方向Ｆｈ，Ｆｏを同じ向きにする場合は、両者の向きを完全に一致させることができる。
【００２９】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するアノード側ＢＢＰ１０２（ａ）及びカソード側ＢＢＰ１０３（ｂ）の接合面を示している。
本実施形態では、各接合面において、アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ａと接続する燃料ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０１，２０３が一方の対角線上に形成されるとともに、カソード側ＢＢＰ１０３の溝１０３ａと接続する酸化ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０２，２０４が他方の対角線上に形成されている。後者の２つの集合通路２０２，２０４は、前者の２つの集合通路２０１，２０３に対し、燃料電池本体１の中心軸と交差し、かつ各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向Ｆｈ，Ｆｏ（ここでは、左右方向）に平行な軸Ａｘを基準とした線対称な位置に形成されている。また、本実施形態では、第３の実施形態のものと同様に、各溝１０２ａ，１０３ａが直線状に形成されるとともに、対応する集合通路２０１〜２０４に対し、拡大又は縮小部１０２ｄ〜１０３ｅを介して接続されている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とで隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせることは、第１の実施形態のものと同様である。
【００３０】
本実施形態によれば、上記第１及び第２の効果が得られるとともに、第３の実施形態のものと同様の理由から、各ＢＢＰ１０２，１０３の共用化の効果、及び各接合面で反応ガスの流通方向Ｆｈ，Ｆｏを対向させることによる電極間での水交換の活発化の効果が得られる。また、本実施形態によれば、各接合面で燃料ガス又は酸化ガスの出口を重力方向に関して下側に位置させることができるので、各溝１０２ａ，１０３ａ内に存在する発電生成水を排出用の集合通路２０３，２０４に円滑に排出することができる。
【００３１】
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するアノード側ＢＢＰ１０２（ａ）及びカソード側ＢＢＰ１０３（ｂ）の接合面を示している。
本実施形態では、各ＢＢＰ１０２，１０３において、アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ａと接続する燃料ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０１，２０３が一方の対角線上に形成されるとともに、カソード側ＢＢＰ１０３の溝１０３ａと接続する酸化ガスの供給又は排出用の２つの集合通路２０２，２０４が他方の対角線上に形成されている。後者の２つの集合通路２０２，２０４は、前者の２つの集合通路２０１，２０３に対し、燃料電池本体１の中心軸と交差し、かつ各接合面における燃料ガス又は酸化ガスの流通方向Ｆｈ，Ｆｏ（ここでは、上下方向）に平行な軸Ａｘを基準とした線対称な位置に形成されている。アノード側ＢＢＰ１０２の溝１０２ａは、燃料ガスの流通方向Ｆｈとは垂直な方向に蛇行させて形成されており、カソード側ＢＢＰ１０３の溝１０３ａは、酸化ガスの流通方向Ｆｏとは垂直な方向に蛇行させて接続されている。本実施形態では、各溝１０２ａ，１０３ａが燃料電池本体１の中心軸を基準とした回転対称な形状に形成されている。また、本実施形態では、各ＢＢＰ１０２，１０３のうち、燃料電池本体１の上下の一側における辺と、この辺に対向する辺とに、冷却液の供給又は排出用の２つの集合通路２０５，２０６が形成されている。これらの集合通路２０５，２０６は、対称軸Ａｘ上に設けられている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とで隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせることは、第１の実施形態のものと同様である。
【００３２】
図１２は、本実施形態に係るアノード側ＢＢＰ１０２及びカソード側ＢＢＰ１０３の、接合面とは反対側の面（ここでは、アノード側ＢＢＰ１０２のもののみを示す。）を示している。
各ＢＢＰ１０２，１０３において、この反対側の面には、冷却液の集合通路２０５，２０６と接続する直線状の溝１０２ｃが形成されている。溝１０２ｃは、対称軸Ａｘを基準とした線対称な形状に形成されており、集合通路２０５，２０６に対し、幅を拡大又は縮小させた溝２０５ａ，２０６ａを介して接続されている。
【００３３】
本実施形態によれば、上記第１及び第２の効果に加え、各接合面における反応ガスの集合通路２０１〜２０４及び溝１０２ａ，１０３ａの配置及び形状が対称軸Ａｘにより表裏を反転させた関係にあるとともに、接合面とは反対側の面における冷却液の集合通路２０５，２０６及び溝１０２ｃの形状等も同様な関係にあるため、特に、水冷式の燃料電池に関し、アノード電極側とカソード電極側とでＢＢＰ１０２，１０３を共用することができる。
【００３４】
図１３〜１５は、本発明の第６〜８の実施形態に係る燃料電池を構成するアノード側ＢＢＰ１０２の接合面（ａ）及びその反対側の面（ｂ）を示している。これらのいずれの実施形態によっても、アノード電極側とカソード電極側とでＢＢＰ１０２，１０３を共用することができる。
図１３において、各ＢＢＰ１０２，１０３における燃料ガス又は酸化ガスの集合通路２０１〜２０４及び溝１０２ａ〜１０３ｅは、第２の実施形態のもの（図８）と同様に形成されている。また、各ＢＢＰ１０２，１０３のうち、対称軸Ａｘの各側の辺には、冷却液の供給又は排出用の２つの集合通路２０５，２０６が形成されている。冷却液の集合通路２０５，２０６は、対称軸Ａｘを基準とした線対称な位置に形成されており、接合面とは反対側の面には、これらの集合通路２０５，２０６と接続する直線状の溝１０２ｃが形成されている。溝１０２ｃは、集合通路２０５，２０６に対し、幅を拡大又は縮小させた溝１０２ｆ，１０２ｇを介して接続されており、溝１０２ｃ，１０２ｆ，１０２ｇは、対称軸Ａｘを基準とした線対称な形状に形成されている。
【００３５】
図１４において、各ＢＢＰ１０２，１０３における燃料ガス又は酸化ガスの集合通路２０１〜２０４及び溝１０２ａ〜１０３ｅは、第３の実施形態のもの（図９）と同様に形成されている。また、各ＢＢＰ１０２，１０３のうち、対称軸Ａｘ上に、冷却液の供給又は排出用の２つの集合通路２０５，２０６が形成されている。接合面とは反対側の面には、冷却液の集合通路２０５，２０６と接続する直線状の溝１０２ｃが形成されている。溝１０２ｃは、集合通路２０５，２０６に対し、幅を拡大又は縮小させた溝１０２ｆ，１０２ｇを介して接続されており、溝１０２ｃ，１０２ｆ，１０２ｇは、対称軸Ａｘを基準とした線対称な形状に形成されている。
【００３６】
図１５において、各ＢＢＰ１０２，１０３における燃料ガス又は酸化ガスの集合通路２０１〜２０４及び溝１０２ａ〜１０３ｅは、第４の実施形態のもの（図１０）と同様に形成されている。各ＢＢＰ１０２，１０３のうち、対称軸Ａｘ上に、冷却液の供給又は排出用の２つの集合通路２０５，２０６が形成されること、接合面とは反対側の面に、これらの集合通路２０５，２０６と接続する直線状の溝１０２ｃが形成されること、及び溝１０２ｃ，１０２ｆ，１０２ｇが対称軸Ａｘを基準とした線対称な形状に形成されることは、第７の実施形態のもの（図１４）と同様である。
【００３７】
図１６は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池本体１の断面を、図１７は、この燃燃料電池本体１を構成するアノード側ＢＢＰ（ａ）及びカソード側ＢＢＰ（ｂ）の接合面を示している。
本実施形態では、燃料電池本体１の冷却装置として空冷式のものを採用している。このため、アノード側ＢＢＰ１０２及びカソード側ＢＢＰ１０３において、冷却液を流通させる集合通路及び溝が設けられておらず、その分、単位セル当たりの厚さが抑えられている。冷却系以外の構成、すなわち、アノード電極側及びカソード電極側の各ガス拡散層１０４，１０５で隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさ（すなわち、高さ）が異なること、及び各ＢＢＰ１０２，１０３において、燃料ガス又は酸化ガスの集合通路２０１〜２０４が対角線上にあり、かつ各溝１０２ａ，１０３ａが回転対称な形状であることは、第５の実施形態のもの（図１１）と同様であり、各ＢＢＰ１０２，１０３を共用することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、水冷式による場合のタンク８、冷却水循環路９、ポンプ１０、ラジエータ１１、バイパス路１２及びバイパス制御弁１３に代え、燃料電池本体１０１を冷却するためのファンを設置している。
以上では、燃料電池の運転時全般において、燃料ガスの要求流量が酸化ガスの要求流量よりも少ないことを前提として、アノード側ガス拡散層１０４の隆起部１０４ａをカソード側ガス拡散層１０５の隆起部１０５ａよりも大きくすることで、アノード側ＢＢＰ１０２における燃料ガス通路の断面積をカソード側ＢＢＰ１０３における酸化ガス通路の断面積よりも小さくしたものについて説明した。しかしながら、本発明は、このような設定に限らず、たとえば、カソード電極側に酸素がより高い濃度で供給され、酸化ガスの要求流量の方が少なくなる場合は、酸化ガス通路の断面積が燃料ガス通路の断面積よりも小さくなるように各隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを調整し、カソード側ＢＢＰ１０３における流速を確保することができる。
【００３９】
また、アノード電極側での加湿をカソード電極側からの水交換に頼ることとしている場合等、アノード電極側で乾燥の問題が顕著となる場合は、各ガス拡散層１０４，１０５で隆起部１０４ａ，１０５ａの大きさを異ならせることに加え、アノード電極側とカソード電極側とでガス拡散層１０４，１０５の保水性又は撥水性を異ならせるとよい。アノード側ガス拡散層１０４に保水性を持たせる一方、カソード側ガス拡散層１０５に撥水性を持たせることで、カソード電極側での結露を抑制するとともに、アノード電極側での乾燥を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成
【図２】同上実施形態に係る燃料電池本体の構成
【図３】反応ガスの通路の断面積と流速との関係
【図４】隆起部が溝内に占める割合と流速との関係
【図５】圧着力とポーラス材の潰れ代との関係
【図６】アノード側ＢＢＰ及びカソード側ＢＢＰにおける反応ガスの通路
【図７】圧着力と圧着後のガス拡散層の厚さとの関係
【図８】本発明の第２の実施形態に係るアノード側ＢＢＰ及びカソード側ＢＢＰにおける反応ガスの通路
【図９】本発明の第３の実施形態に係るアノード側ＢＢＰ及びカソード側ＢＢＰにおける反応ガスの通路
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るアノード側ＢＢＰ及びカソード側ＢＢＰにおける反応ガスの通路
【図１１】本発明の第５の実施形態に係るアノード側ＢＢＰ及びカソード側ＢＢＰにおける反応ガスの通路
【図１２】同上実施形態に係る各ＢＢＰにおける冷却水の通路
【図１３】本発明の第６の実施形態に係るアノード側ＢＢＰにおける燃料ガス及び冷却水の通路
【図１４】本発明の第７の実施形態に係るアノード側ＢＢＰにおける燃料ガス及び冷却水の通路
【図１５】本発明の第８の実施形態に係るアノード側ＢＢＰにおける燃料ガス及び冷却水の通路
【図１６】本発明の第９の実施形態に係る燃料電池本体の構成
【図１７】同上実施形態に係る各ＢＢＰにおける反応ガスの通路
【図１８】比較例としての燃料電池本体の構成
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池本体、１０１…膜・電極接合体、１０２…アノード側セパレータとしてのバイポーラプレート、１０２ａ…第１の溝としてのアノード側バイポーラプレートの溝、１０２ｂ…燃料ガス通路、１０３…カソード側セパレータとしてのバイポーラプレート、１０３ａ…第２の溝としてのカソード側バイポーラプレートの溝、１０３ｂ…酸化ガス通路、１０４…第１のガス拡散層としてのアノード側ガス拡散層、１０５…第２のガス拡散層としてのカソード側ガス拡散層、１０４ａ…アノード側ガス拡散層の隆起部、１０５ａ…カソード側ガス拡散層の隆起部、２…燃料ガス供給通路、３…燃料ガス排出通路、４…酸化ガス供給通路、５…酸化ガス排出通路、６，７…加湿器、８…冷却液タンク、９…冷却液循環路、１０…ポンプ、１１…ラジエータ、１２…バイパス路、１３…バイパス制御弁、２１…温度センサ、３１…コントロールユニット。
【図１】
2006049226.tif 000003
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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