(57)【要約】【課題】高電流密度で燃料電池を稼働する際に、酸化剤ガスの圧力損失の増大を抑制する。【解決手段】膜電極接合体と、カソードと接触する導電性のカソードセパレータと、アノードと接触する導電性のアノードセパレータと、を備え、カソードのカソードセパレータ側の主面には、第１方向に沿った複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝が形成され、アノードセパレータのアノード側の主面には、第１方向と交わる第２方向に沿った延出部を有する複数のサーペンタイン状の燃料ガス流路溝が形成され、カソードセパレータおよびアノードセパレータは、第１方向における一方および他方の端部にそれぞれ酸化剤ガス流路溝と連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔を有し、第２方向における一方および他方の端部にそれぞれ燃料ガス流路溝と連通する燃料ガス供給マニホールド孔および燃料ガス排出マニホールド孔を有する、燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に接触するカソードと、前記電解質膜の他方の主面に接触するアノードと、を有する膜電極接合体と、
前記カソードと接触する導電性のカソードセパレータと、
前記アノードと接触する導電性のアノードセパレータと、を備え、
前記カソードの前記カソードセパレータ側の主面には、第１方向に沿った複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝が形成され、
前記アノードセパレータの前記アノード側の主面には、前記第１方向と交わる第２方向に沿った延出部を有する複数のサーペンタイン状の燃料ガス流路溝が形成され、
前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータは、前記第１方向における一方および他方の端部にそれぞれ前記酸化剤ガス流路溝と連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔を有し、前記第２方向における一方および他方の端部にそれぞれ燃料ガス流路溝と連通する燃料ガス供給マニホールド孔および燃料ガス排出マニホールド孔を有する、燃料電池。
【請求項２】
前記酸化剤ガス供給マニホールド孔および前記酸化剤ガス排出マニホールド孔は、それぞれ前記複数の酸化剤ガス流路溝の分布領域の前記第２方向における最大幅の８０％以上１２０％以下の幅を有し、
前記酸化剤ガス供給マニホールド孔は、全ての前記酸化剤ガス流路溝の入口の８０％以上と対向し、
前記酸化剤ガス排出マニホールド孔は、全ての前記酸化剤ガス流路溝の出口の８０％以上と対向する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
全ての前記酸化剤ガス流路溝の前記入口は、前記酸化剤ガス供給マニホールド孔の開口縁に近接して配置され、
全ての前記酸化剤ガス流路溝の前記出口は、前記酸化剤ガス排出マニホールド孔の開口縁に近接して配置されている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガス供給マニホールド孔は、前記第１方向において、前記酸化剤ガス排出マニホールド孔寄りに配置され、
前記燃料ガス排出マニホールド孔は、前記第１方向において、前記酸化剤ガス供給マニホールド孔寄りに配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソードセパレータは、少なくとも前記カソードと重なる重複領域において、平坦な形状を有し、
前記アノードは、前記アノードセパレータと重なる重複領域において、平坦な形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソードは、前記第１方向における長さよりも、前記第２方向における長さが大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノードセパレータの前記アノード側とは反対側の主面に、複数の冷却媒体流路溝が形成され、
前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータは、前記第２方向における一方および他方の端部にそれぞれ前記冷却媒体流路溝と連通する第１冷却媒体マニホールド孔および第２冷却媒体マニホールド孔を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記冷却媒体流路溝は、前記燃料ガス流路と表裏一体の形態を有し、かつ
前記第１冷却媒体マニホールド孔と前記冷却媒体流路溝とを連結する第１連通路と、
前記第２冷却媒体マニホールド孔と前記冷却媒体流路溝とを連結する第２連通路と、
互いに隣接する前記冷却媒体流路溝をバイパスする第３連通路と、を備え、
前記第１連通路、前記第２連通路および前記第３連通路が、前記燃料ガス流路溝を部分的に浅くすることにより形成されている、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の第１燃料電池と、
前記第１燃料電池に積層された請求項１〜８のいずれか１項に記載の第２燃料電池と、を具備し、
第１燃料電池の前記アノードセパレータと前記第２燃料電池の前記カソードセパレータとの間を冷却媒体が流通する、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、中でもカソードのガス拡散層の主面に酸化剤ガス流路溝が形成されている燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセルは、主要構成要素として、電解質膜および一対のガス拡散電極（アノードおよびカソード）から構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）と、ガスケットと、アノードに接触する導電性のアノードセパレータと、カソードに接触する導電性のカソードセパレータを具備する。通常、燃料電池は、複数セルを直接に積層して使用されている。
【０００３】
各セルには、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給し、排出するためのマニホールド孔がセルを貫通するように設けられている。セパレータとガス拡散電極との間には、ガス流路が設けられている。ガス流路は対応するマニホールド孔と連通している。
【０００４】
一般的なセパレータは、金属板をプレス加工して流路となる溝を形成したものであり、セルは２枚の金属板間にＭＥＡを挟み込んだ構造を有する。ＭＥＡと金属板との接触抵抗を小さくする観点から、ＭＥＡは金属板の凸部間で挟持される。このとき、凸部同士の位置合わせが不十分になると、接触抵抗が大きくなり、十分な電流を取り出せなくなる。そこで、特許文献１は、一方のセパレータにガス流路を形成し、他方のセパレータを平坦にすることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２５８４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、一方のセパレータを平坦化する代わりに、ガス拡散電極の主面にガス流路溝を形成している。しかし、ガス拡散電極は、セパレータに比べて構造強度が小さいため、僅かな位置ずれが生じても、ガス拡散電極に形成されたガス流路溝が変形することがある。そのため、高電流密度で燃料電池を稼働すると、ガスの圧力損失が増大する。中でもカソードには、高電流密度を得るために大流量の酸化剤ガスを流通させることが要求されるため、圧力損失の増大が顕著になる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記に鑑み、本発明の一側面は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に接触するカソードと、前記電解質膜の他方の主面に接触するアノードと、を有する膜電極接合体と、前記カソードと接触する導電性のカソードセパレータと、前記アノードと接触する導電性のアノードセパレータと、を備え、前記カソードの前記カソードセパレータ側の主面には、第１方向に沿った複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝が形成され、前記アノードセパレータの前記アノード側の主面には、前記第１方向と交わる第２方向に沿った延出部を有する複数のサーペンタイン状の燃料ガス流路溝が形成され、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータは、前記第１方向における一方および他方の端部にそれぞれ前記酸化剤ガス流路溝と連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔を有し、前記第２方向における一方および他方の端部にそれぞれ燃料ガス流路溝と連通する燃料ガス供給マニホールド孔および燃料ガス排出マニホールド孔を有する、燃料電池に関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高電流密度で燃料電池を稼働する際に、酸化剤ガスの圧力損失の増大を顕著に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池のセルおよびセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】酸化剤ガス流路溝および燃料ガス流路溝と各マニホールド孔との位置関係を模式的に示す平面図である。
【図３】カソードガス拡散層のカソードセパレータ側の主面の構造を模式的に示す平面図である。
【図４】カソードセパレータのカソード側の主面の構造を模式的に示す平面図である。
【図５】アノードガス拡散層のアノードセパレータ側の主面の構造を模式的に示す平面図である。
【図６】アノードセパレータのアノード側の主面の構造を模式的に示す平面図である。
【図７】アノードセパレータのアノード側の主面の裏面の構造を模式的に示す平面図である。
【図８】冷却媒体流路の連通路の構造を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接触するカソードと、電解質膜の他方の主面に接触するアノードと、を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、カソードと接触する導電性のカソードセパレータと、アノードと接触する導電性のアノードセパレータとを備える。ＭＥＡと一対のセパレータは、１つのセルを構成している。通常、カソードセパレータとアノードセパレータとが隣接するように複数セルを積層することで、セル同士が直列接続されたスタックが形成される。平面視において、カソードセパレータは、カソードよりも十分に大きな面積を有し、アノードセパレータは、アノードよりも十分に大きな面積を有する。また、電解質膜もカソードおよびアノードよりも十分に大きな面積を有する。各セパレータおよび電解質膜には、これらを貫通するように、酸化剤ガスおよび燃料ガスを流通させるマニホールド孔が形成されている。
【００１１】
カソードのカソードセパレータ側の主面には、第１方向に沿った複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝が形成されている。第１方向とは、シート状のカソードのいずれかの主面に沿った一方向である。カソードが矩形であれば、矩形の一辺に沿った方向を第１方向とすればよい。カソードは、長方形もしくは長方形に近似する形状であることが好ましい。
【００１２】
長方形に近似する形状には、例えば長方形の角部を丸めるか面取りした形状、四つの角部の角度が９０°で交わらず８０〜１００°の範囲で交わる形状、少なくとも一つの辺が屈曲部を有する形状などが挙げられるが、特に限定されない。以下、同様である。
【００１３】
ストレート状の酸化剤ガス流路溝とは、折り返し部を介さずに酸化剤ガスの入口と出口とが連結されている酸化剤ガス流路溝であり、通常は屈曲部を有さない直線状の溝である。一方、折り返し部とは、酸化剤が互いに逆方向に流れる部分を形成するための屈曲した溝部である。複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝は、互いに並走するように形成されていることが好ましい。ここで、並走するとは、互いに並んで設けられていることをいう。すなわち、複数の酸化剤ガス流路溝は、その上流端から下流端に向かって、それぞれの流路溝を通流する酸化剤ガスの流れる方向が概ね一致するように設けられている。
【００１４】
アノードセパレータのアノード側の主面には、第１方向と交わる第２方向に沿った延出部を有する複数のサーペンタイン状の燃料ガス流路溝が形成されている。第１方向と交わる第２方向は、シート状のアノードのいずれかの主面に沿うとともに、第１方向と８０〜１００°、好ましくは８８〜９２°、より好ましくは９０°で交わる一方向である。アノードは、長方形もしくは長方形に近似する形状であることが好ましい。
【００１５】
サーペンタイン状の燃料ガス流路溝とは、折り返し部を介して燃料ガスの入口と出口とが連結されている燃料ガス流路溝である。延出部とは、折り返し部以外の溝部であり、通常は屈曲部を有さない直線状の溝部である。
【００１６】
カソードは、例えば、電解質膜側のカソード触媒層とカソードセパレータ側のカソードガス拡散層とで構成されている。この場合、複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝は、カソードガス拡散層のカソードセパレータ側の主面に形成される。従って、カソードガス拡散層は、カーボンペーパー、カーボンクロスなどの基材層を有さない構造であることが好ましく、例えば、粉末状の導電性材料を含む複合材料もしくは組成物の成形体であり得る。
【００１７】
アノードは、例えば、電解質膜側のアノード触媒層とアノードセパレータ側のアノードガス拡散層とで構成されている。アノードガス拡散層は、カソードガス拡散層のような複合材料もしくは組成物の成形体であってもよく、基材層を有する構造でもよい。
【００１８】
カソードセパレータおよびアノードセパレータは、第１方向における一方および他方の端部に、それぞれ酸化剤ガス流路溝と連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔を有する。すなわち、酸化剤ガスは、第１方向の一方の端部に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド孔から第１方向に延在するストレート状の酸化剤ガス流路溝に流入し、その後、第１方向の他方の端部に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔に流入する。従って、酸化剤ガスは、ほとんど流れ方向を変更することなく流通する。このような構造であれば、高電流密度で燃料電池を稼働する際に、圧力損失を大きく増大させることなく、大流量の酸化剤ガスを流通させることが可能である。
【００１９】
ただし、長期的に圧力損失の増大を抑制し、酸化剤ガスの大流量を維持するためには、酸化剤ガス流路溝の変形を高度に抑制する必要がある。そのような観点から、通常は、アノードセパレータの主面に形成されている燃料ガス流路溝の溝間のリブを、酸化剤ガス流路溝の溝間のリブと突き合わせることが望ましいと考えられている。しかし、酸化剤ガス流路や燃料ガス流路溝が精細になるほど、現実には初期（セルの組立て時や積層時）の位置ずれが生じて、リブ同士を突き合わせた状態にすることは困難になる。また、長期間の稼働によって、酸化剤ガス流路溝がさらに変形する可能性もある。
【００２０】
これに対し、燃料ガス流路溝を、第１方向と交わる第２方向に沿った延出部を有するサーペンタイン状にすると、初期の位置ずれによる影響を低減でき、長期的にも酸化剤ガス流路溝の変形が抑制される。酸化剤ガス流路溝と燃料ガス流路溝とが交差すると、位置ずれが生じた場合にも、酸化剤ガス流路溝と燃料ガス流路溝とが重なる領域は、カソードおよびアノードの主面全体でほとんど減少せず、カソードにかかる荷重がカソード全体で均一化される。これにより、酸化剤ガス流路の変形を十分に抑制することができる。
【００２１】
次に、カソードセパレータおよびアノードセパレータは、第２方向における一方および他方の端部に、それぞれ燃料ガス流路溝と連通する燃料ガス供給マニホールド孔および燃料ガス排出マニホールド孔を有する。第１方向の両端ではなく、第２方向の両端に燃料ガス供給マニホールド孔および燃料ガス排出マニホールド孔を設ける場合、第１方向の両端における酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔の第２方向における長さを自由に大きく設定できるようになる。よって、全ての酸化剤ガスの流路長をできるだけ均等に短くすることが容易となり、酸化剤ガスの圧力損失を低減しやすくなる。
【００２２】
酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔は、それぞれ複数の酸化剤ガス流路溝の分布領域の第２方向における最大幅の８０％以上１２０％以下（好ましくは９０％以上１１０％以下）の幅を有することが好ましい。このとき、酸化剤ガス供給マニホールド孔は、全ての酸化剤ガス流路溝の入口の８０％以上（好ましくは１００％）と対向させることができる。同様に、酸化剤ガス排出マニホールド孔は、全ての酸化剤ガス流路溝の出口の８０％以上（好ましくは１００％）と対向させることができる。これにより、燃料電池を高電流密度で稼働するときに、酸化剤ガスの圧力損失を更に高度に抑制できる。なお、酸化剤ガス流路溝の分布領域とは、カソードガス拡散層３Ｂを平面視するときに、複数の酸化剤ガス流路溝のうち両端、すなわち第２方向の最も外側に存在する一対の酸化剤ガス流路溝の外縁で囲われた領域である。
【００２３】
なお、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔と連通する酸化剤ガス流路溝とカソードセパレータの表面により形成される酸化剤ガス通路を流通するときにカソード内に拡散する。燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド孔および燃料ガス排出マニホールド孔と連通する燃料ガス流通溝とアノードの表面により形成される燃料ガス通路を流通するときにアノードに拡散する。
【００２４】
全ての酸化剤ガス流路溝の入口は、酸化剤ガス供給マニホールド孔の開口縁に近接して配置され、全ての酸化剤ガス流路溝の出口は、酸化剤ガス排出マニホールド孔の開口縁に近接して配置されていることが好ましい。通常、マニホールド孔とガス流路溝との間には、整流部としてガスを滞留させる領域が設けられる。整流部は、全てのガス流路溝に均等にガスを供給するために設けられるが、圧力損失を増大させる原因にもなる。これに対し、マニホールド孔の開口縁に近接して酸化剤ガス流路溝の出入口を配置し、マニホールド孔が酸化剤ガス流路溝の分布領域に対して十分な幅を有する場合には整流部を省くことができる。このようにして整流部を無くすことで、酸化剤ガスの圧力損失を最小限に抑制することが可能になる。なお、各マニホールド孔の開口縁と酸化剤ガス流路溝の出入口との距離は、例えば１０ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましい。
【００２５】
燃料ガス供給マニホールド孔は、第１方向において、酸化剤ガス排出マニホールド孔寄りに配置され、燃料ガス排出マニホールド孔は、第１方向において、酸化剤ガス供給マニホールド孔寄りに配置されることが好ましい。これにより、酸化剤ガス流路溝の下流側で潤沢に存在する水分は、電解質膜を介してアノード側へ拡散し、燃料ガス流路溝の上流側に流入する。アノード側に拡散した水分は、燃料ガス流路溝の上流側から乾燥しがちな電解質膜へ水分を供給しながら下流側に移動する。よって、電解質膜の面内全体を均一に湿潤させることが可能となり、プロトン伝導性が低下しにくくなる。
【００２６】
カソードセパレータは、少なくともカソードと重なる重複領域において、平坦な形状を有し、アノードは、アノードセパレータと重なる重複領域において、平坦な形状を有することが好ましい。平坦な形状とは、目視で明確な凹凸を有さない状態であればよい。例えば、プレス加工や切削加工による凹凸が形成されていない形状をいう。これにより、酸化剤ガス流路溝および燃料ガス流路溝の形状維持が容易になるとともに、燃料電池の低背化もしくは薄型化が容易となる。
【００２７】
カソードは、第１方向における長さよりも、第２方向における長さが大きいことが好ましい。これにより、酸化剤ガスの流路長をできるだけ短くすることが更に容易となり、それだけ酸化剤ガスの圧力損失を低減しやすくなる。
【００２８】
アノードセパレータのアノード側とは反対側の主面には、複数の冷却媒体流路溝を形成してもよい。このとき、カソードセパレータおよびアノードセパレータは、第２方向における一方および他方の端部に、それぞれ冷却媒体流路溝と連通する第１冷却媒体マニホールド孔および第２冷却媒体マニホールド孔を設けることが好ましい。これにより、第１方向の両端には、酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔だけを配置することが可能となり、酸化剤ガス供給マニホールド孔および酸化剤ガス排出マニホールド孔の第２方向における長さを、より自由に、より大きく設定できるようになる。
【００２９】
冷却媒体流路溝は、燃料ガス流路と表裏一体の形態を有することが好ましい。例えば、金属板をプレス加工することにより、アノードセパレータを形成すれば、アノードセパレータの一方の主面に燃料ガス流路溝を形成するとともに、他方の主面に冷却媒体流路溝を形成することができる。このとき、燃料ガス流路溝を部分的に浅く形成することにより、冷却媒体流路溝に、第１冷却媒体マニホールド孔と冷却媒体流路溝とを連結する第１連通路と、第２冷却媒体マニホールド孔と冷却媒体流路溝とを連結する第２連通路と、互いに隣接する冷却媒体流路溝をバイパスする第３連通路とを設けてもよい。これにより、冷却媒体を効率的に流通させやすくなる。なお、燃料ガスは、拡散性に優れているため、燃料ガス流路溝を部分的に浅くしても燃料ガスの流通は妨げられず、燃料電池を十分な高電流密度で稼働することが可能である。
【００３０】
上記構成を有する第１燃料電池と第２燃料電池とを積層して、燃料電池スタックを構成してもよい。このとき、第１燃料電池のアノードセパレータと第２燃料電池のカソードセパレータとを突き合わせることで、第１燃料電池のアノードセパレータと第２燃料電池のカソードセパレータとの間に冷却媒体が流通する流路が形成される。このような構成によれば、燃料電池スタックの低背化もしくは薄型化が容易となる。
【００３１】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら更に説明するが、本発明の実施形態は以下に限定されない。なお、異なる図面であっても同一または相当の構成要素には、同一符号を付する。
【００３２】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池のセルおよびセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。図２は、酸化剤ガス流路溝および燃料ガス流路溝と各マニホールド孔との位置関係を模式的に示す平面図である。なお、図２では、酸化剤ガス流路溝を実線矢印で、燃料ガス流路溝を破線矢印で示している。図１に示すように、燃料電池の最小単位であるセル５０は、その厚み方向に複数個が積層され、セル積層体７０として使用される。図示しないが、セル積層体７０の両端には、それぞれ端板が配置され、これら一対の端板を締結具によって締結することによってセル間の接触が担保される。端板とセル積層体７０との間には、集電板、絶縁板などを配設してもよい。
【００３３】
セル積層体７０には、各セル５０を積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドが設けられる。それぞれの供給マニホールドには、外部から燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給され、排出マニホールドには、セル内の通路を流通した後の燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が排出される。
【００３４】
図１に示すセル５０の断面構造は、図２のＩ−Ｉ線における矢視断面に相当する。セル５０は、ＭＥＡ５と、ガスケット７Ａ、７Ｂ、７Ｃと、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂとを備えている。ＭＥＡ５は、電解質膜１と、アノード４Ａと、カソード４Ｂとを有している。電解質膜１は、例えばプロトン伝導性を有する高分子電解質膜であり、平面視では矩形の形状を有する。電解質膜１の中央領域の両面には、アノード４Ａとカソード４Ｂとがそれぞれ電解質膜１に接触した状態で配置されている。
【００３５】
電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１、燃料ガス排出マニホールド孔３２、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４、第１冷却媒体マニホールド孔３５、および第２冷却媒体マニホールド孔３６がそれぞれ所定の配置で設けられている。具体的には、各セパレータ６Ａ、６Ｂおよび電解質膜１の第１方向（図２の実線矢印の方向）における一方および他方の端部に、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド孔３３および酸化剤ガス排出マニホールド孔３４だけが設けられている。各セパレータ６Ａ、６Ｂおよび電解質膜１の第２方向における一方および他方の端部には、それぞれ燃料ガス供給マニホールド孔３１および燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられるとともに、それぞれ第１冷却媒体マニホールド孔３５および第２冷却媒体マニホールド孔３６が設けられている。
【００３６】
アノード４Ａは、電解質膜１の一方の主面に接触しており、概ね矩形の形状を有している。アノード４Ａは、電解質膜１側のアノード触媒層２Ａと、アノードセパレータ６Ａ側のアノードガス拡散層３Ａとで構成されている。アノード触媒層２Ａは、例えば、白金などの貴金属触媒を担持した導電性炭素粒子と、プロトン伝導性の高分子電解質とを含んでいる。
【００３７】
カソード４Ｂは、電解質膜１の他方の主面に接触しており、概ね矩形の形状を有している。カソード４Ｂは、電解質膜１側のカソード触媒層２Ｂと、カソードセパレータ６Ｂ側のカソードガス拡散層３Ｂとで構成されている。カソード触媒層２Ｂは、例えば、白金などの貴金属触媒を担持した導電性炭素粒子と、プロトン伝導性の高分子電解質とを含んでいる。カソードガス拡散層３Ｂのカソードセパレータ６Ｂ側の主面には、第１方向に沿った複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝９が形成されている。カソードガス拡散層３Ｂは、カーボンペーパー、カーボンクロスなどの基材層を有さない構造である。
【００３８】
なお、アノードガス拡散層３Ａは、カソードガス拡散層３Ｂと同様の基材層を有さない構造でもよく、他の構造体でもよい。他の構造体としては、例えば、基材層と、そのアノード触媒層側に設けられた微多孔層とを有する構造体が挙げられる。基材層には、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質シートが用いられる。微多孔層には、フッ素樹脂などの撥水性樹脂と、導電性炭素粒子と、プロトン伝導性の高分子電解質との混合物などが用いられる。
【００３９】
次に、基材を有さないカソードガス拡散層３Ｂは、例えば、フッ素樹脂などの撥水性樹脂、導電性炭素材料などを含む複合材料もしくは組成物の成形体であり得る。複合材料がガス通気性を有するシートに成形されることで、カソードガス拡散層３Ｂが形成される。
【００４０】
撥水性樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（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）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などのフッ素樹脂が挙げられる。中でもＰＴＦＥが好ましい。
【００４１】
導電性炭素材料としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維などのカーボン粒子が挙げられる。カーボンブラックとしては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラックなどが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００４２】
複合材料には、導電性炭素材料１００質量部に対して、撥水性樹脂が０〜４０質量部含まれていることが好ましく、１０〜２５質量部がより好ましい。これにより、複合材料に十分なガス通気性と撥水性を付与することができるとともに、カソードガス拡散層３Ｂの形状（特に酸化剤ガス流路溝の形状）を長期的に維持するのに十分な強度を確保することが容易となる。
【００４３】
導電性炭素材料に占める炭素繊維の含有量は、シートの成形性および強度の観点から、０〜３０質量％が好ましく、残部は、導電性炭素粒子であることが好ましい。また、残部の９０質量％以上をカーボンブラックが占めることが好ましい。
【００４４】
カソードガス拡散層３Ｂには、導電性炭素材料、撥水性樹脂の他に、カソードガス拡散層３Ｂの製造時に使用する界面活性剤、分散媒などが微量含まれていてもよい。分散媒としては、水、アルコール、グリコールなどが挙げられる。界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、アルキルアミンオキシドなどが挙げられる。
【００４５】
次に、カソードガス拡散層３Ｂの製造方法について説明する。カソードガス拡散層３Ｂは、原料を混練して複合材料を得た後、複合材料を押し出してシートに成形し、得られたシートを圧延してから焼成することにより製造すればよい。シートの焼成により、分散媒や界面活性剤は除去される。複合材料は、例えば、導電性炭素材料、分散媒、界面活性剤などを混錬して、導電性炭素材料を分散媒に分散させた後、撥水性樹脂を添加して更に混錬して調製すればよい。得られたシートを、酸化剤ガス流路溝９に対応する形状の金型でプレス加工すれば、酸化剤ガス流路溝９とリブ１２とを有するカソードガス拡散層３Ｂが得られる。ただし、酸化剤ガス流路溝９を形成する方法は、プレス加工に限らず、シートの主面の切削加工などによって酸化剤ガス流路９を形成してもよい。
【００４６】
基材層を有さないガス拡散層は、低コストで製造することができることに加え、ガス拡散層にガス流路溝を形成することでセパレータに精細なガス流路溝を形成する必要がなくなり、セパレータの製造コストも低減できる。更に、ガス拡散層にガス流路溝を形成する場合、ガス拡散層内部におけるガス分布状態が均一になり、ＭＥＡ面内における電流分布のバラツキが生じにくくなる。よって、燃料ガスよりも拡散性に劣る酸化剤ガスを拡散させるための酸化剤ガス拡散層として適している。
【００４７】
ＭＥＡ５のアノード４Ａおよびカソード４Ｂの周囲には、電解質膜１を挟むように一対の環状のガスケット７Ａ、７Ｂがそれぞれ配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが流路外にリークすることが防止される。なお、ガスケット７Ａ、７Ｂの周縁部には、各マニホールドに対応するマニホールド孔が設けられる。
【００４８】
電解質膜１およびガスケット７Ａ、７Ｂとともにアノード４Ａおよびカソード４Ｂを挟むように、アノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設される。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数セル５０を積層するときには、ＭＥＡ５同士が直列に接続される。各セパレータ６Ａ、６Ｂは、金属板で形成すればよいが、耐腐食性や導電性を有する材料であれば特に限定されない。例えば、チタン、ステンレス鋼などの金属板が用いられる。金属板の表面に金メッキや炭素メッキを施して耐腐食性を向上させてもよい。
【００４９】
複数セル５０を積層する場合、隣接するアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂとの間には環状のガスケット７Ｃが配設される。これにより、冷却媒体が流路外にリークすることが防止される。ガスケット７Ｃの周縁部にも各マニホールドに対応するマニホールド孔が設けられる。
【００５０】
アノードセパレータ６Ａのアノード４Ａ側の主面には、サーペンタイン状の燃料ガス流路溝８が設けられ、他方の主面には、冷却媒体（例えば水）が通流するための冷却媒体流路溝１０が設けられる。なお、冷却媒体流路溝１０は、燃料ガス流路溝８と表裏一体の形態を有するサーペンタイン状である。
【００５１】
次に、酸化剤ガス流路溝９、燃料ガス流路溝８、カソードセパレータ６Ｂおよびアノードセパレータ６Ａの一例について具体的に説明する。図３は、カソードガス拡散層のカソードセパレータ側の主面の構造を模式的に示す平面図である。図４は、カソードセパレータのカソード側の主面の構造を模式的に示す平面図である。図５は、アノードガス拡散層のアノードセパレータ側の主面の構造を模式的に示す平面図である。図６は、アノードセパレータのアノード側の主面の構造を模式的に示す平面図である。図７は、アノードセパレータのアノード側の主面の裏面の構造を模式的に示す平面図である。図８は、図７の破線Ｘで囲まれた領域の拡大斜視図であり、冷却媒体流路の連通路の構造を模式的に示している。
【００５２】
図３に示すように、カソードガス拡散層３Ｂは、第１方向における長さよりも、第２方向における長さが大きい長方形である。カソードガス拡散層３Ｂの主面には、第１方向に沿って、複数のストレート状の酸化剤ガス流路溝９が形成されている。酸化剤ガス流路溝９間のリブ１２の領域はハッチングを入れて示す。
【００５３】
図４に示すように、カソードセパレータ６Ｂの第１方向における一方および他方の端部には、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド孔３３および酸化剤ガス排出マニホールド孔３４だけが設けられており、これらのマニホールド孔は複数の酸化剤ガス流路溝９と連通している。図４に、カソード４Ｂとの重複領域の外縁を破線で示す。
【００５４】
酸化剤ガス供給マニホールド孔３３および酸化剤ガス排出マニホールド孔３４は、それぞれ複数の酸化剤ガス流路溝の分布領域の第２方向における最大幅（図示例では、概ねカソード拡散層３Ｂの最大幅に相当する）とほぼ同じ幅を有している。従って、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３は、全ての酸化剤ガス流路溝９の入口と対向し、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４は、全ての酸化剤ガス流路溝９の出口と対向している。これにより、燃料電池を高電流密度で稼働するときでも酸化剤ガスの圧力損失を高度に抑制できる。
【００５５】
全ての酸化剤ガス流路溝９の入口と酸化剤ガス供給マニホールド孔３３の開口縁との間には、実質的な隙間がなく、全ての酸化剤ガス流路溝９の出口と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４の開口縁との間にも、実質的な隙間はない。すなわち、事実上、整流部は設けられていない。
【００５６】
カソードセパレータ６Ｂの第２方向における一方および他方の端部には、それぞれ燃料ガス供給マニホールド孔３１および燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられるとともに、それぞれ第１冷却媒体マニホールド孔３５および第２冷却媒体マニホールド孔３６が設けられている。燃料ガス供給マニホールド孔３１は、第１方向においては、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４寄りに配置されている。燃料ガス排出マニホールド孔３２は、第１方向においては、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３寄りに配置されている。よって、酸化剤ガス流路溝の下流側での水分は、燃料ガス流路溝の上流側から効率よく電解質膜に供給される。
【００５７】
カソードセパレータ６Ｂのカソード４Ｂと重なる重複領域は、平坦な形状であり、カソードガス拡散層３Ｂの酸化剤ガス流路溝９間のリブ１２と面接触できるようになっている。
【００５８】
図５に示すように、アノードガス拡散層３Ａは、カソードガス拡散層３Ｂに対応して、第１方向における長さよりも、第２方向における長さが大きい長方形である。アノードガス拡散層３Ａは、アノードセパレータ６Ａと重なる重複領域において、平坦な形状であり、アノードセパレータ６Ａの燃料ガス流路溝８間のリブと面接触もしくは線接触できるようになっている。
【００５９】
図６に示すように、アノードセパレータ６Ａのアノード４Ａと重なる重複領域には、プレス加工により、複数のサーペンタイン状の燃料ガス流路溝８が形成されている。複数のサーペンタイン状の燃料ガス流路溝８は、それぞれが第１方向と直行する第２方向に沿った延出部と、折り返し部とを有している。延出部を、第１方向と直行する第２方向に形成することで、長期的な酸化剤ガス流路溝９の変形が抑制される。アノードセパレータ６Ａは、矩形の形状を有し、その周縁部には、各マニホールド孔が設けられている。各マニホールド孔の配置は、カソードセパレータ６Ｂと同じである。
【００６０】
アノードセパレータ６Ａは、金属板をプレス加工することにより形成されているため、アノードセパレータ６Ａのアノード４Ａ側とは反対側の主面には、燃料ガス流路溝８に由来する凸部８Ｒによって冷却媒体流路溝１０が形成される。すなわち、アノードセパレータ６Ａのアノード４Ａ側に形成される凹部８Ｇは、燃料ガス流路溝８を構成し、その裏面における凸部８Ｒは、冷却媒体流路溝１０間のリブを構成する。
【００６１】
冷却媒体流路溝１０には、図７に示されるように、部分的に燃料ガス流路溝８を浅く形成することにより連通路１０Ｇが設けられている。図８は、図７の破線Ｘで囲まれた領域を模式的に示す拡大図である。図示例のように、第１冷却媒体マニホールド孔３５と冷却媒体流路溝１０とを連結する第１連通路１０Ｇａと、第２冷却媒体マニホールド孔と冷却媒体流路溝１０とを連結する第２連通路１０Ｇｂと、互いに隣接する冷却媒体流路溝１０をバイパスする第３連通路１０Ｇｃとを設けることが好ましい。これにより、冷却媒体の流通が容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、酸化剤ガスの圧力損失の増大を抑制することができるため、高電流密度で稼働する燃料電池において有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１  電解質膜
２Ａ  アノード触媒層
２Ｂ  カソード触媒層
３Ａ  アノードガス拡散層
３Ｂ  カソードガス拡散層
４Ａ  アノード
４Ｂ  カソード
５  ＭＥＡ
６Ａ  アノードセパレータ
６Ｂ  カソードセパレータ
７Ａ  ガスケット
７Ｂ  ガスケット
７Ｃ  ガスケット
８（８Ｇ）  燃料ガス流路溝（凹部）
８Ｒ  凸部
９  酸化剤ガス流路溝
１０  冷却媒体流路溝
１０Ｇ  連通路
１０Ｇａ  第１連通路
１０Ｇｂ  第２連通路
１０Ｇｃ  第３連通路
１２  リブ
３１  燃料ガス供給マニホールド孔
３２  燃料ガス排出マニホールド孔
３３  酸化剤ガス供給マニホールド孔
３４  酸化剤ガス排出マニホールド孔
３５  第１冷却媒体マニホールド孔
３６  第２冷却媒体マニホールド孔
５０  セル
７０  セル積層体
【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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