(57)【要約】【課題】電解質膜−電極接合体の両外側に反応ガス流路を有するセパレータを配置した燃料電池において、リブ部と対向する電極領域と反応ガス流路と対向する電極領域の温度差を低減する。【解決手段】電極３０ｃとセパレータ１５ｃとの間に熱伝導層１４を有し、熱伝導層１４は、リブ部２１ｃと対向する領域のうち、少なくともリブ部２１ｃの長手方向に略平行な中央軸部分を含む領域の熱伝導率が、それ以外の領域の熱伝導率よりも小さいものとすることにより、リブ部２１ｃと対向する電極領域と反応ガス流路１８ｃと対向する電極領域との温度差を低減した燃料電池のセル４０となる。【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、前記電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、前記電極の両外側に配置される一対のセパレータと、を有する燃料電池において、
前記セパレータは、前記電極に対向する面に、前記電極に反応ガスを供給する溝状の反応ガス流路と、前記反応ガス流路に隣接し前記電極を加圧するリブ部と、を有し、
前記電極と、少なくとも一方の前記セパレータと、の間に、熱伝導層を有し、
前記熱伝導層は、前記リブ部と対向する領域のうち、少なくとも前記リブ部の長手方向に略平行な中央軸部分を含む領域の熱伝導率が、それ以外の領域の熱伝導率よりも小さい、ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記熱伝導層が、ガス拡散層であることを特徴とする請求項１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、電解質膜の両主面に電極が配置され、この電極の両外側に一対のセパレータが配置された燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池は、複数のセルを直列に重ねて構成されるスタックから成り、これにより所定の電圧を得る。
【０００３】
セルの最も基本的な構造は、「セパレータ／電極（アノード）／電解質膜／電極（カソード）／セパレータ」という構成を有している。このセルにおいては、電解質膜の両面に配置された一対の電極（アノード、カソード）に、アノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスである反応ガスが供給され、電気化学反応により燃料が酸化されることで、反応の化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【０００４】
このような燃料電池は、電解質膜の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、自動車用や定置用の燃料電池として、電解質膜に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が一般的である。固体高分子電解質膜は、水素イオンを選択的に輸送するものであり、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜のような、フッ素を含む高分子イオン交換膜が用いられる。
【０００５】
固体高分子型燃料電池は、次のようにして製造される。まず、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層が形成される。
【０００６】
次に、この触媒層の外面に、反応ガスのガス通気性と、導電性とを併せ持つ、例えばカーボンペーパーを用いたガス拡散層が形成される。なお、このガス拡散層と触媒層とを合わせて電極と呼ばれ、燃料ガスが供給される電極がアノード、酸化剤ガスが供給される電極がカソードと呼ばれる。
【０００７】
次に、供給する燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には電解質膜を挟んでガスケットが配置される。このガスケットは、電極及び電解質膜と一体化して予め組み立てられ、これを、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。
【０００８】
ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定すると共に、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための反応ガス流路が形成される。この反応ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けて反応ガス流路とする方式が一般的である。
【０００９】
セパレータは、導電性が高く、かつ反応ガスに対して高いガス気密性を持ち、更に燃料ガス／酸化剤ガスを酸化還元する際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要がある。
【００１０】
このような理由で、従来のセパレータは、樹脂含浸黒鉛板等の表面に切削加工で反応ガス流路を形成したり、また反応ガス流路溝を形成したプレス金型にバインダと共に黒鉛粉末を入れ、これをプレス加工した後、加熱処理することで作製したりしている。
【００１１】
また、燃料電池は運転中の電極での電気化学反応により発熱するので、燃料電池を良好な温度状態に維持するために、冷却媒体等により電極で発生した熱を燃料電池外に排出するする必要がある。通常、１から３セル毎に冷却媒体を流す冷却部がセパレータとセパレータとの間に挿入されるが、セパレータの背面に冷却媒体流路を設けて冷却部とする場合が多い。
【００１２】
これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部が交互に重ねられ、積層された後、集電板と絶縁板とを介し、端板で、これらが挟まれ、締結ボルトで両端を固定され製造されるのが一般的な燃料電池である。
【００１３】
このような燃料電池において、運転中の電極での電気化学反応により電極で発生した熱は、セパレータを通して冷却部に移動し、冷却媒体を介してセル外へ排出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平５−１５１９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、前記従来の構成では、セパレータと対向する電極において、セパレータの溝状の反応ガス流路と対向する電極領域と、セパレータのリブ部と対向する電極領域とで、電極で発生した熱の移動が異なり、温度に差が生じる。
【００１６】
つまり、リブ部と対向する電極領域はリブ部と接触しており、直接熱伝導で熱をセパレータへ伝える。一方、反応ガス流路と対向する電極領域は、直接接触するのは反応ガスだけで、反応ガスを介して熱をセパレータへ伝える。
【００１７】
これにより、リブ部と対向する電極領域で発生した熱は反応ガス流路と対向する電極領域で発生した熱よりもセパレータへ移動し易い。その結果、リブ部と対向する電極領域の温度が反応ガス流路と対向する電極領域の温度よりも低く、温度に差が生じるという課題を有していた。
【００１８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、リブ部と対向する電極領域と反応ガス流路と対向する電極領域の温度差を低減す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】
【００１９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、電極の両外側に配置される一対のセパレータと、を有し、セパレータは、電極に対向する面に、電極に反応ガスを供給する溝状の反応ガス流路と、反応ガス流路に隣接し電極を加圧するリブ部と、を有し、電極と、少なくとも一方のセパレータと、の間に、熱伝導層を有し、熱伝導層は、リブ部と対向する領域のうち、少なくともリブ部の長手方向に略平行な中央軸部分を含む領域の熱伝導率が、それ以外の領域の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする。
【００２０】
これにより、熱伝導層のうち、リブ部と対向する領域の熱伝導率が反応ガス流路と対向する領域の熱伝導率より小さくなる。そのため、リブ部と対向する電極領域で発生した熱は反応ガス流路と対向する電極領域で発生した熱よりもセパレータへ移動し難くなる。
【００２１】
そして、リブ部と対向する電極領域では、熱がセパレータに移動し難くなり、反応ガス流路と対向する電極領域では、熱がセパレータに移動し易くなる。その結果、リブ部と対向する電極領域と反応ガス流路と対向する電極領域の温度差を低減した燃料電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池は、リブ部と対向する電極領域では、熱がセパレータに移動し難くなり、反応ガス流路と対向する領域では、熱がセパレータに移動し易くなる。その結果、リブ部と対向する電極領域と反応ガス流路と対向する電極領域の温度差を低減することができる。
【００２３】
また、リブ部と対向する電極領域と反応ガス流路と対向する電極領域の温度差を低減して、電極の温度を均一化することで、燃料電池の電極での電気化学反応を均一化することができ、高い発電効率を有することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池のセルの構造を示す概略縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係るセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す外観斜視図
【図３】本発明の実施の形態２に係る燃料電池のセルの構造を示す概略縦断面図
【図４】本発明の実施の形態２に係るセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す外観斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
第１の発明は、電解質膜と、電解質膜を挟んで両主面に配置される電極と、電極の両外側に配置される一対のセパレータと、を有し、セパレータは、電極に対向する面に、電極に反応ガスを供給する溝状の反応ガス流路と、反応ガス流路に隣接し電極を加圧するリブ部と、を有し、電極と、少なくとも一方のセパレータと、の間に、熱伝導層を有し、熱伝導層は、リブ部と対向する領域のうち、少なくともリブ部の長手方向に略平行な中央軸部分を含む領域の熱伝導率が、それ以外の領域の熱伝導率よりも小さい燃料電池である。
【００２６】
これによって、リブ部と対向する電極領域で発生した熱は、反応ガス流路と対向する領域で発生した熱よりもセパレータへ移動し難くなる。そして、リブ部と対向する電極領域では、熱がセパレータに移動し難くなり、反応ガス流路と対向する電極領域では、熱がセパレータに移動し易くなる。その結果、リブ部と対向する電極領域と、反応ガス流路と対向する電極領域との温度差を低減することができる。
【００２７】
第２の発明は、特に、第１の発明における熱伝導層を、ガス拡散層としたものである。これにより、熱伝導層を別途設ける必要がなく、より簡単な構成で、リブ部と対向する電極領域と反応ガス流路と対向する電極領域の温度差を低減することができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池のセルの構造を示す概略断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す外観斜視図である。以下、実施の形態１に係る燃料電池のセル４０について説明する。
【００３０】
図１に示すように、実施の形態１の燃料電池のセル４０は、電解質膜１１と、触媒層１
２ａ，１２ｃと、ガス拡散層１３ａ，１３ｃと、熱伝導層１４と、セパレータ１５ａ，１５ｃと、ＭＥＡガスケット１６ａ，１６ｃと、セパレータガスケット１７とを有する。
【００３１】
電解質膜１１の両主面には、触媒層１２ａ，１２ｃが密着して配置される。触媒層１２ａ，１２ｃの両外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層１３ａ，１３ｃがそれぞれ密着して配置される。ガス拡散層１３ｃの外面（触媒層１２ｃと反対側の面）には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた熱伝導層１４が密着して配置される。
【００３２】
触媒層１２ａとガス拡散層１３ａとにより電極３０ａが構成され、触媒層１２ｃとガス拡散層１３ｃとにより電極３０ｃが構成される。また、熱伝導層１４は、熱伝導層１４Ｈと熱伝導層１４Ｌにより構成される。電解質膜１１と、電極３０ａ，３０ｃと、熱伝導層１４と、により、ＭＥＡ３１が構成される。
【００３３】
ＭＥＡ３１は、一対のセパレータ１５ａ，１５ｃに挟持される。セパレータ１５ａ，１５ｃは、ＭＥＡ３１を機械的に固定すると共に、隣接するＭＥＡ３１同士を互いに電気的に直列に接続する。
【００３４】
セパレータ１５ａ，１５ｃには、ＭＥＡ３１に接する面に、それぞれ溝状の反応ガス流路１８ａ，１８ｃが形成される。反応ガス流路１８ａ，１８ｃは、それぞれ電極３０ａ，３０ｃに反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去る。また、反応ガス流路１８ａ，１８ｃは、それぞれ、リブ部２１ａ，２１ｃで区分けされ、図１中の紙面に直交する方向に延びるストレート形状である。
【００３５】
熱伝導層１４は、リブ部２１ｃと対向する領域のうち、少なくともリブ部２１ｃの長手方向に略並行な中央軸部分を含む領域に配置される熱伝導層１４Ｌと、熱伝導層１４のそれ以外の領域に配置される熱伝導層１４Ｈで構成され、熱伝導層１４Ｌの熱伝導率は熱伝導層１４Ｈの熱伝導率より小さい。
【００３６】
ＭＥＡ３１と、一対のセパレータ１５ａ，１５ｃと、ＭＥＡガスケット１６ａ，１６ｃとで、燃料電池の基本単位であるセル４０が構成される。
【００３７】
セル４０は積層されており、セパレータ１５ａと隣接するセル４０のセパレータ１５ｃとが接し、セパレータ１５ｃと隣接するセル４０のセパレータ１５ａとが接するように構成される。
【００３８】
ＭＥＡ３１とセパレータ１５ａは、ＭＥＡガスケット１６ａで反応ガス流路１８ａに流れる反応ガスが漏れないように封止され、ＭＥＡ３１とセパレータ１５ｃは、ＭＥＡガスケット１６ｃで反応ガス流路１８ｃに流れる反応ガスが漏れないように封止される。
【００３９】
セパレータ１５ａ，１５ｃには、冷却水を供給し運転中にＭＥＡ３１で発生した熱をセパレータ１５ａ，１５ｃを介してセル外へ排出するために、隣接するセパレータ１５ｃ，１５ａの境界面に冷却水流路１９が形成される。
【００４０】
冷却水流路１９は、図１中の紙面に直交する方向に延びるストレート形状である。セパレータ１５ａ，１５ｃは、セパレータガスケット１７で冷却水流路１９に流れる冷却水が漏れないように封止される。
【００４１】
電解質膜１１は、水素イオンを選択的に輸送するイオン交換膜であり、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなるナフィオン膜（デュポン社製）で構成される。
【００４２】
触媒層１２ａ，１２ｃは、Ｐｔ触媒を担持させたケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製）と、水素イオンを選択的に輸送するナフィオン分散液（シグマアルドリッチ社製）で構成される。ガス拡散層１３ａ，１３ｃは、ガス通気性と導電性を有する多孔質なカーボンペーパーで構成される。
【００４３】
熱伝導層１４Ｈ，１４Ｌは、ガス通気性と導電性を有する多孔質金属であり、銅からなる多孔質金属で構成される。熱伝導層１４Ｈは厚さ１ｍｍで２０℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ、熱伝導層１４Ｌは厚さ１ｍｍで２０℃における熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫのものを用いる。
【００４４】
セパレータ１５ａは、外寸が１００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍで、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板で構成される。セパレータ１５ａの反応ガス流路１８ａは、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝状であり、セパレータ１５ａの冷却水流路１９は、幅５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝状である。
【００４５】
セパレータ１５ｃは、外寸が１００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍで、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板で構成される。セパレータ１５ｃの反応ガス流路１８ｃは、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝状であり、セパレータ１５ｃの冷却水流路１９は、幅５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝状である。ＭＥＡガスケット１６ａとＭＥＡガスケット１６ｃとセパレータガスケット１７は、フッ素ゴムで構成される。
【００４６】
図２に示すように、実施の形態１の燃料電池５０の構造は、セル４０を３０枚積層したセル積層体４４と、一対の集電板４１ａ，４１ｃと、一対の絶縁板４２と、一対の端板４３とを備えている。燃料電池５０からは、集電板４１ａ，４１ｃを通じて外部へ電流が取り出される。絶縁板４２により、セル積層体４４と外部とが電気的に絶縁される。端板４３により、セル４０を積層した燃料電池５０は締結され、機械的に保持される。
【００４７】
次に、実施の形態１の燃料電池５０におけるセル４０の発電時の基本的な動作について説明する。
【００４８】
燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気を、それぞれの反応ガス流路１８ａ，１８ｃに供給する。反応ガス流路１８ａに供給された水素は、ガス拡散層１３ａを通り触媒層１２ａに供給される。反応ガス流路１８ｃに供給された空気は、熱伝導層１４、ガス拡散層１３ｃを通り触媒層１２ｃに供給される。
【００４９】
触媒層１２ａ，１２ｃに供給された水素と空気により、電気化学反応が進行し、触媒層１２ａでは供給した水素が水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは、電解質膜１１を通り、また、電子は図示しない外部回路を通り、それぞれ触媒層１２ｃに移動する。
【００５０】
一方、触媒層１２ｃでは、空気中に含まれる酸素と、前述した水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。この時、外部回路を通った電子は電流となり、発電することができる。
【００５１】
次に、実施の形態１の燃料電池５０におけるセル４０の発電時の熱の移動について説明する。
【００５２】
発電時の電気化学反応により、電極３０ａ，３０ｃでは、それぞれ熱を生じるが、熱伝導層１４Ｌの熱伝導率が熱伝導層１４Ｈの熱伝導率より小さいために、リブ部２１ｃと対向する電極領域で発生した熱は、反応ガス流路１８ｃと対向する電極領域で発生した熱よ
りもセパレータ１５ｃへ移動し難くなる。そして、リブ部２１ｃと対向する電極領域では熱がセパレータ１５ｃに移動し難くなり、反応ガス流路１８ｃと対向する電極領域では熱がセパレータ１５ｃに移動し易くなる。
【００５３】
以上のように本実施の形態の燃料電池５０は、電解質膜１１と、電解質膜１１を挟んで両主面に配置される電極３０ａ，３０ｃと、電極３０ａ，３０ｃの両外側に配置される一対のセパレータ１５ａ，１５ｃとを有し、セパレータ１５ａは、電極３０ａに対向する面に、電極３０ａに反応ガスを供給する溝状の反応ガス流路１８ａと、反応ガス流路１８ａに隣接し電極３０ａを加圧する（電極３０ａに当接する）リブ部２１ａとを有し、セパレータ１５ｃは、電極３０ｃに対向する面に、電極３０ｃに反応ガスを供給する反応ガス流路１８ｃと、反応ガス流路１８ｃに隣接し電極３０ｃを加圧するリブ部２１ｃとを有し、電極３０ｃとセパレータ１５ｃとの間に熱伝導層１４を有し、熱伝導層１４は、リブ部２１ｃと対向する領域のうち、少なくともリブ部２１ｃの長手方向に略平行な中央軸部分を含む領域である熱伝導層１４Ｌの熱伝導率が、それ以外の領域である熱伝導層１４Ｈの熱伝導率よりも小さくすることにより、リブ部２１ｃと対向する電極領域では、熱がセパレータ１５ｃに移動し難くなり、反応ガス流路１８ｃと対向する電極領域では、熱がセパレータ１５ｃに移動し易くなる。
【００５４】
その結果、リブ部２１ｃと対向する電極領域と、反応ガス流路１８ｃと対向する電極領域との温度差を低減することができる。また、リブ部２１ｃと対向する電極領域と、反応ガス流路１８ｃと対向する電極領域との温度差を低減し、電極３０ｃの温度を均一化することで、燃料電池５０の電極３０ｃでの電気化学反応を均一化することができ、高い発電効率を有することが可能となる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、熱伝導層１４を電解質膜１１に対して電極３０ｃ側に設置したが、電解質膜１１に対して電極３０ａ側に設けることもできる。
【００５６】
なお、セパレータ１５ａ，１５ｃに形成される反応ガス流路１８ａ，１８ｃは、ストレート形状に限定されるものではない。例えば、サーペンタイン流路や対向櫛形流路にしても構わない。
【００５７】
なお、反応ガス流路１８ａ，１８ｃは、互いに平行なものに限定されるものではない。例えば、互いに直交なものにしても構わない。
【００５８】
なお、熱伝導層１４Ｈおよび熱伝導層１４Ｌは、銅からなる多孔質金属に限定されるものではなく、ガス通気性と導電性を有しているものであれば良い。例えば、ニッケル、チタン、アルミニウムやその合金からなる多孔質金属、カーボンペーパーやカーボンフェルトにしても構わない。
【００５９】
なお、本実施の形態では、燃料ガスとして水素ガスを用いたが、水素ガスと不活性ガスの混合ガスであれば、どのようなものを用いても構わない。また、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素ガスと不活性ガスの混合ガスであれば、どのようなものを用いても構わない。
【００６０】
不活性ガスは、燃料電池内部において電極反応を起こさず（電極の酸化還元反応に寄与せず）、かつ電極を侵さない、化学的に安定性を有するガスであれば、どのようなものであっても構わず、例えば、窒素、アルゴンなどを使用することができる。
【００６１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池のセルの構造を示す概略断面図である。
図４は、本発明の実施の形態２に係るセルを積層した燃料電池の構造を模式的に示す外観斜視図である。以下、実施の形態２に係る燃料電池のセル１４０について説明する。
【００６２】
図３に示すように、実施の形態２に係る燃料電池のセル１４０は、電解質膜１１１と、触媒層１１２ａ，１１２ｃと、ガス拡散層１１３ａと、熱伝導層１１４と、セパレータ１１５ａ，１１５ｃと、ＭＥＡガスケット１１６ａ，１１６ｃと、セパレータガスケット１１７とを有する。
【００６３】
電解質膜１１１の両主面には、触媒層１１２ａ，１１２ｃが密着して配置される。触媒層１１２ｃの外面（電解質膜１１１と反対側の面）には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた熱伝導層１１４が密着して配置される。触媒層１１２ａの外面（電解質膜１１１と反対側の面）には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層１１３ａが密着して配置される。
【００６４】
触媒層１１２ｃにより電極１３０ｃが構成され、触媒層１１２ａとガス拡散層１１３ａにより電極１３０ａが構成される。また、熱伝導層１１４は、熱伝導層１１４Ｈと熱伝導層１１４Ｌにより構成される。電解質膜１１１と、電極１３０ａ，１３０ｃと、熱伝導層１１４と、により、ＭＥＡ１３１が構成される。
【００６５】
ＭＥＡ１３１は、一対のセパレータ１１５ａ，１１５ｃに挟持される。セパレータ１１５ａ，１１５ｃは、ＭＥＡ１３１を機械的に固定すると共に、隣接するＭＥＡ１３１同士を互いに電気的に直列に接続する。
【００６６】
セパレータ１１５ａ，１１５ｃには、ＭＥＡ１３１に接する面に、それぞれ反応ガス流路１１８ａ，１１８ｃが形成される。反応ガス流路１１８ａ，１１８ｃは、それぞれ電極１３０ａ，１３０ｃに反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去る。また、反応ガス流路１１８ａ，１１８ｃは、それぞれ、リブ部１２１ａ，１２１ｃで区分けされ、図１中の紙面に直交する方向に延びるストレート形状である。
【００６７】
熱伝導層１１４は、リブ部１２１ｃと対向する領域のうち、少なくともリブ部１２１ｃの長手方向に略並行な中央軸部分を含む領域に配置される熱伝導層１１４Ｌと、熱伝導層１１４のそれ以外の領域に配置される熱伝導層１１４Ｈで構成され、熱伝導層１１４Ｌの熱伝導率は熱伝導層１１４Ｈの熱伝導率より小さい。
【００６８】
また、ＭＥＡ１３１と、一対のセパレータ１１５ａ，１１５ｃと、ＭＥＡガスケット１１６ａ，１１６ｃとで、燃料電池の基本単位であるセル１４０が構成される。
【００６９】
セル１４０は積層されており、セパレータ１１５ａと隣接するセル１４０のセパレータ１１５ｃとが接し、セパレータ１１５ｃと隣接するセル１４０のセパレータ１１５ａとが接するように構成される。
【００７０】
ＭＥＡ１３１とセパレータ１１５ａとは、ＭＥＡガスケット１１６ａで反応ガス流路１１８ａに流れる反応ガスが漏れないように封止され、ＭＥＡ１３１とセパレータ１１５ｃとは、ＭＥＡガスケット１１６ｃで反応ガス流路１１８ｃに流れる反応ガスが漏れないように封止される。
【００７１】
セパレータ１１５ａ，１１５ｃには、冷却水を供給し運転中にＭＥＡ１３１で発生した熱をセパレータ１１５ａ，１１５ｃを介してセル外へ排出するために、隣接するセパレータ１１５ｃ，１１５ａの境界面に冷却水流路１１９が形成される。
【００７２】
冷却水流路１１９は、図１中の紙面に直交する方向に延びるストレート形状である。セパレータ１１５ａ，１１５ｃは、セパレータガスケット１１７で冷却水流路１１９に流れる冷却水が漏れないように封止される。
【００７３】
電解質膜１１１は、水素イオンを選択的に輸送するイオン交換膜であり、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなるナフィオン膜（デュポン社製）で構成される。触媒層１１２ａ，１１２ｃは、Ｐｔ触媒を担持させたケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製）と、水素イオンを選択的に輸送するナフィオン分散液（シグマアルドリッチ社製）で構成される。
【００７４】
ガス拡散層１１３ａは、ガス通気性と導電性を有する多孔質なカーボンペーパーで構成される。熱伝導層１１４Ｈと熱伝導層１１４Ｌは、ガス通気性と導電性を有する多孔質なカーボンペーパーで構成される。
【００７５】
熱伝導層１１４Ｈは、厚さ１ｍｍで２０℃における熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ、熱伝導層１１４Ｌは、厚さ１ｍｍで２０℃における熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのものを用いる。セパレータ１１５ａは、外寸が１００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍで、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板で構成される。
【００７６】
また、セパレータ１１５ａの反応ガス流路１１８ａは幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝状であり、セパレータ１１５ａの冷却水流路１９は幅５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝状である。セパレータ１１５ｃは、外寸が１００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍで、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板で構成される。
【００７７】
セパレータ１１５ｃの反応ガス流路１１８ｃは幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝状であり、セパレータ１１５ｃの冷却水流路１９は幅５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝状である。ＭＥＡガスケット１１６ａとＭＥＡガスケット１１６ｃとセパレータガスケット１１７とは、フッ素ゴムで構成される。
【００７８】
図４に示すように、実施の形態２に係る燃料電池１５０の構造は、セル１４０を３０枚積層したセル積層体１４４と、一対の集電板１４１ａ，１４１ｃと、一対の絶縁板１４２と、一対の端板１４３とを備えている。
【００７９】
燃料電池１５０からは、集電板１４１ａ，１４１ｃを通じて、外部へ電流が取り出される。絶縁板１４２により、セル積層体１４４と外部とが電気的に絶縁される。端板１４３により、セル１４０を積層した燃料電池１５０は締結され、機械的に保持される。
【００８０】
次に、実施の形態２に係る燃料電池１５０におけるセル１４０の発電時の基本的な動作について説明する。
【００８１】
燃料ガスである水素ガスと、酸化剤ガスである空気とを、それぞれの反応ガス流路１１８ａ，１１８ｃに供給する。反応ガス流路１１８ａに供給された水素は、ガス拡散層１１３ａを通り触媒層１１２ａに供給される。反応ガス流路１１８ｃに供給された空気は、熱伝導層１１４を通り触媒層１１２ｃに供給される。
【００８２】
触媒層１１２ａ，１１２ｃに供給された水素と空気とにより電気化学反応が進行し、触媒層１１２ａでは、供給した水素が水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは電解質膜１１１を通り、また、電子は図示しない外部回路を通り、それぞれ触媒層１１２ｃに移動する。
【００８３】
一方、触媒層１１２ｃでは、空気中に含まれる酸素と、前述した水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。この時、外部回路を通った電子は電流となり、発電することができる。
【００８４】
次に、実施の形態２に係る燃料電池１５０におけるセル１４０の発電時の熱の移動について説明する。
【００８５】
発電時の電気化学反応により、電極１３０ａ，１３０ｃでは、それぞれ熱を生じるが、熱伝導層１１４Ｌの熱伝導率が熱伝導層１１４Ｈの熱伝導率より小さいために、リブ部１２１ｃと対向する電極領域で発生した熱は、反応ガス流路１１８ｃと対向する電極領域で発生した熱よりもセパレータ１１５ｃへ移動し難くなる。
【００８６】
そして、リブ部１２１ｃと対向する電極領域では、熱がセパレータ１１５ｃに移動し難くなり、反応ガス流路１１８ｃと対向する電極領域では、熱がセパレータ１１５ｃに移動し易くなる。
【００８７】
また、熱伝導層１１４はガス拡散層を兼ねているため、ガス拡散層に加えて熱伝導層を別途設ける必要がなく、より簡単な構成とすることができると共に、燃料電池１５０を容易に作製することができる。
【００８８】
以上のように、本実施の形態の燃料電池１５０は、電解質膜１１１と、電解質膜１１１を挟んで両主面に配置される電極１３０ａ，１３０ｃと、電極１３０ａ，１３０ｃの両外側に配置される一対のセパレータ１１５ａ，１１５ｃとを有し、セパレータ１１５ａは、電極１３０ａに対向する面に、電極１３０ａに反応ガスを供給する溝状の反応ガス流路１１８ａと、反応ガス流路１１８ａに隣接し電極１３０ａを加圧する（電極１３０ａに当接するリブ部１２１ａとを有し、セパレータ１１５ｃは、電極１３０ｃに対向する面に、電極１３０ｃに反応ガスを供給する反応ガス流路１１８ｃと、反応ガス流路１１８ｃに隣接し電極１３０ｃ加圧するリブ部１２１ｃとを有し、電極１３０ｃとセパレータ１１５ｃとの間に熱伝導層１１４を有し、熱伝導層１１４は、リブ部１２１ｃと対向する領域のうち、少なくともリブ部１２１ｃの長手方向に略平行な中央軸部分を含む領域である熱伝導層１１４Ｌの熱伝導率が、それ以外の領域である熱伝導層１１４Ｈの熱伝導率よりも小さくすることにより、リブ部１２１ｃと対向する電極領域では、熱がセパレータ１１５ｃに移動し難くなり、反応ガス流路１１８ｃと対向する電極領域では、熱がセパレータ１１５ｃに移動し易くなる。
【００８９】
その結果、リブ部１２１ｃと対向する電極領域と、反応ガス流路１１８ｃと対向する電極領域との温度差を低減することができる。また、リブ部１２１ｃと対向する電極領域と反応ガス流路１１８ｃと対向する電極領域との温度差を低減し、電極１３０ｃの温度を均一化することで、燃料電池１５０の電極１３０ｃでの電気化学反応を均一化することができ、高い発電効率を有することが可能となる。
【００９０】
また、熱伝導層１１４はガス拡散層を兼ねているため、ガス拡散層に加えて熱伝導層を別途設ける必要がなく、より簡単な構成とすることができると共に、燃料電池１５０を容易に作製することができる。
【００９１】
なお、本実施の形態では、熱伝導層１１４を電解質膜１１１に対して電極１３０ｃ側に設置したが、電解質膜１１１に対して電極１３０ａ側に設けることもできる。
【００９２】
なお、セパレータ１１５ａ，１１５ｃの電極１３０ａ，１３０ｃに対向する面に形成される反応ガス流路１１８ａ，１１８ｃは、ストレート形状に限定されるものではない。例
えば、サーペンタイン流路や対向櫛形流路にしても良い。
【００９３】
なお、反応ガス流路１１８ａ，１１８ｃは、互いに平行なものに限定されるものではない。例えば、互いに直交なものにしても良い。
【００９４】
なお、熱伝導層１１４Ｈ，１１４Ｌは、カーボンペーパーに限定されるものではなく、ガス通気性と導電性を有しているものであれば構わない。例えば、銅、ニッケル、チタン、アルミニウムやその合金からなる多孔質金属やカーボンフェルトにしても構わない。
【００９５】
なお、本実施の形態では、燃料ガスとして水素ガスを用いたが、水素ガスと不活性ガスの混合ガスであれば、どのようなものを用いても構わない。また、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素ガスと不活性ガスの混合ガスであれば、どのようなものを用いても構わない。
【００９６】
不活性ガスは、燃料電池内部において電極反応を起こさず（電極の酸化還元反応に寄与せず）、かつ電極を侵さない、化学的に安定性を有するガスであれば、どのようなものであっても構わず、例えば、窒素、アルゴンなどを使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
以上のように、本発明に係る燃料電池は、電解質膜−電極接合体の両外側に反応ガス流路を有するセパレータを配置した燃料電池において、リブ部と対向する電極領域と反応ガス流路と対向する電極領域の温度差を低減することが可能となり、これを用いた高性能な燃料電池を提供することができるので、固体高分子型燃料電池を用いた家庭用燃料電池発電システムなどに好適である。
【符号の説明】
【００９８】
１１  電解質膜
１２ａ，１２ｃ  触媒層
１３ａ，１３ｃ  ガス拡散層
１４，１４Ｈ，１４Ｌ  熱伝導層
１５ａ，１５ｃ  セパレータ
１６ａ，１６ｃ  ＭＥＡガスケット
１７  セパレータガスケット
１８ａ，１８ｃ  反応ガス流路
１９  冷却水流路
２１ａ，２１ｃ  リブ部
３０ａ，３０ｃ  電極
３１  ＭＥＡ
４０  セル
４１ａ，４１ｃ  集電板
４２  絶縁板
４３  端板
４４  セル積層体
５０  燃料電池
１１１  電解質膜
１１２ａ，１１２ｃ  触媒層
１１３ａ  ガス拡散層
１１４，１１４Ｈ，１１４Ｌ  熱伝導層
１１５ａ，１１５ｃ  セパレータ
１１６ａ，１１６ｃ  ＭＥＡガスケット
１１７  セパレータガスケット
１１８ａ，１１８ｃ  反応ガス流路
１１９  冷却水流路
１２１ａ，１２１ｃ  リブ部
１３０ａ，１３０ｃ  電極
１３１  ＭＥＡ
１４０  セル
１４１ａ，１４１ｃ  集電板
１４２  絶縁板
１４３  端板
１４４  セル積層体
１５０  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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