(57)【要約】【課題】セルの両極側からかかる面圧力を均一化した燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池を、電解質膜１をアノード１１ａと、カソード１１ｃと、で狭持してなるＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０に対峙する面にガス流路６、８と、電極１１を密閉するシール５とを備えたセパレータ４ａおよび４ｃと、を複数積層することにより構成する。セパレータ４ａに形成する燃料ガス流路８と、セパレータ４ｃに形成する酸化剤ガス流路６と、を異なった断面積に構成する。また、ＭＥＡ１０とセパレータ４ａとの接触面積と、ＭＥＡ１０とセパレータ４ｃとの接触面積と、を概略等しく構成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード側電極と、カソード側電極と、で狭持してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対峙する面にガス流路を備えたアノード側セパレータおよびカソード側セパレータと、を複数積層することにより構成した燃料電池において、
前記アノード側セパレータに形成するガス流路の総断面積と、前記カソード側セパレータに形成するガス流路の総断面積と、を異なって構成し、
且つ、前記膜電極接合体と前記アノード側セパレータとの接触面積と、前記膜電極接合体と前記カソード側セパレータとの接触面積と、を概略等しく構成することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータの少なくとも一方に、前記膜電極接合体との接触面積を両極で概略等しくするための補助部材を備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記補助部材を、前記燃料電池セル面内の面圧を均一化するように配置する請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記補助部材を、設置するセパレータに形成したガス流路を流れるガスを透過する材料により構成する請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記補助部材をプレート状に構成し、前記ガス流路の開口部分の一部に、前記膜電極接合体に接するように配置する請求項２から４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記補助部材を、貫通孔を備えるプレート状に構成する請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記補助部材を、前記ガス流路内のガスの流れに沿って複数備え、
前記貫通孔の数または径が、前記ガス流路の上流側に設置される補助部材と、下流側に設置される補助部材と、で異なるように構成する請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記補助部材を、多孔質材により構成する請求項５に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記補助部材を、前記ガス流路内のガスの流れに沿って複数備え、
前記補助部材を構成する多孔質材の多孔度を、前記ガス流路の上流側に設置される補助部材と、下流側に設置される補助部材と、で異なるように構成する請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記補助部材を、前記ガス流路内のガスの流れに沿って複数備え、
前記補助部材の断面形状を、前記ガス流路の上流側に設置される補助部材と、下流側に設置される補助部材と、で異なるように構成する請求項５に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記補助部材を、前記ガス流路内のガスの流れに沿って複数備え、
前記補助部材は、撥水処理または親水処理されており、かつ、前記補助部材の前記処理の状態が、前記ガス流路の上流側に設置される補助部材と、下流側に設置される補助部材と、で異なるように構成する請求項５に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記ガス流路を、直線部分と屈曲部分とから構成し、
前記補助部材は、撥水処理または親水処理されており、かつ、前記補助部材の表面処理の状態が、前記ガス流路の直線部分に設置される補助部材と、屈曲部分に設置される補助部材と、で異なるように構成する請求項５に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池に関するものである。特に、固体高分子膜を電解質として用いたセルを積層し、積層方向に加圧することにより構成した固体高分子電解質形燃料電池において、ガスシール性を向上するための構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は、電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、固体高分子電解質膜を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。固体高分子電解質形燃料電池では、セパレータと膜電極接合体とから構成したセルを複数個積層し、セルの積層方向に圧力をかけることによりスタックを構成している。
【０００３】
このような燃料電池においては、セパレータに直線状のリブを複数形成することにより、リブと膜電極接合体の表面とでガスの流路を形成している。カソードに接触する側のセパレータには酸素含有ガス流路が形成され、一方、アノードに接触する側のセパレータは水素含有ガス流路が形成される。このとき、酸素含有ガス流路を構成するリブの山幅Ｗｍａを、水素含有ガス流路を構成するリブの山幅Ｗｍｂよりも狭くなるように構成される。このように、酸素含有ガス流路においてガス拡散性の悪いリブの幅を狭くすることにより、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ている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２０３５４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、カソード側、アノード側でのガス流路幅を異なるように形成すると、両極間でセパレータと膜電極接合体との接する面積が異なってしまう。これにより、カソード側とアノード側で、接触している部分に生じる面圧に差が生じてしまう。例えば、セパレータと膜電極接合体との接触する面積が大きくなっている電極側では対極側と比べて、シール部分に生じる面圧が小さくなるため、シール性が劣るといった問題があった。すなわち、セルの積層方向に加圧する力の最大値を接触面積の小さい側のセパレータに合わせて設計している場合には、接触面積の大きい側のセパレータでは面圧が小さくなり、セパレータの流路間をリブを介して反応ガスがバイバスする。その結果、流路全体に反応ガスが行き渡らずに発電性能が低下する可能性が生じる。
【０００６】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、従来の燃料電池の締結構成をそのまま活用して、セルの両極側からかかる面圧力を均一化した燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料電池を、電解質膜をアノード側電極と、カソード側電極と、で狭持してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体に対峙する面にガス流路とを備えたアノード側セパレータおよびカソード側セパレータと、を複数積層することにより構成する。また、前記アノード側セパレータに形成するガス流路の総断面積と、前記カソード側セパレータに形成するガス流路の総断面積と、を異なって構成する。さらに、前記膜電極接合体と前記アノード側セパレータとの接触面積と、前記膜電極接合体と前記カソード側セパレータとの接触面積と、を概略等しく構成する。
【０００８】
【作用及び効果】
膜電極接合体とアノード側セパレータとの接触面積と、膜電極接合体とカソード側セパレータとの接触面積と、を概略等しく構成する。これにより、セパレータが膜電極接合体を締め付ける面圧を両極で等しくすることができる。また、膜電極接合体のたわみをなくすことができる。その結果、シール性を向上して、発電効率を向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態について説明する。固体高分子電解質形燃料電池に用いるセルの断面を図１に示す。本実施形態では、このセルを複数個積層し、積層方向に加圧することにより組み立てた燃料電池について説明する。
【００１０】
膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を、固体高分子からなる電解質膜１と、この電解質膜１を狭持するように電解質膜１の両側に設置される二つの電極１１（アノード１１ａ、カソード１１ｃ）から構成する。電解質膜１としては、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性の膜を用いる。また、電極１１を、触媒電極層２とガス拡散層３とから構成する。ガス拡散層３はカーボンクロス、またはカーボンペーパーから構成する。ガス拡散層３の電解質膜１に対峙する面に白金または、白金とその他の金属からなる触媒を含有させることにより触媒電極層２を構成する。または、ガス拡散層３に隣接して、触媒を含有させた多孔質材を配置することにより触媒電極層２を構成し、さらに触媒電極層２と電解質膜１とが接触するように積層することによりＭＥＡ１０を構成してもよい。
【００１１】
このＭＥＡ１０を、さらにセル間の隔壁を成すセパレータ４により狭持する。セパレータ４は、ガス不透過である緻密性カーボン材により構成する。セパレータ４の片面または両面には、燃料ガスや酸化剤ガス、あるいは冷却媒体の流路となる多数の溝を形成する。
【００１２】
アノード１１ａに隣接して配置されるセパレータ４ａには、ＭＥＡ１０に対峙する面に溝１８を形成することにより燃料ガス流路８を構成する。ここでは、複数の溝１８をリブ２８を挟んで平行に、且つ、均等に形成する。また、カソード１１ｃに隣接して配置されるセパレータ４ｃには、酸化剤ガス流路６と冷却水路７を構成する。酸化剤ガス流路６は、セパレータ４ｃのＭＥＡ１０に対峙する面に形成された溝１６により構成する。複数の溝１６をリブ２６を挟んで平行に、且つ、均等に形成する。冷却水路７は、セパレータ４ｃのＭＥＡ１０に対峙する面と反対側の面に形成された溝１７により構成する。複数の溝１７をリブ２７を挟んで平行に、且つ、均等に形成する。冷却水路７は、必ずしもセル毎に設置されなくても良いが、出力が大きくなると燃料電池から除熱する熱量が大きくなるため、できるだけ多く配置されていることが望ましい。
【００１３】
セパレータ４の外縁部にはシール５を備え、電解質膜１とセパレータ４の間の電極１１（触媒電極層２、ガス拡散層３）をガスが通過して外部に漏れるのを防止する。これにより、水素を含有する燃料ガスや、酸素を含有する酸化剤ガス、さらに各種冷却水をシールする。
【００１４】
次に、このような燃料電池における発電反応について説明する。
【００１５】
燃料ガス流路８を通ってアノード１１ａに燃料ガス、ここでは水素ガスを供給する。つまり、燃料ガス流路８を流れる燃料ガスは、ガス拡散層３で発電面に沿って拡散し、触媒電極層２に至る。触媒電極層２において、燃料ガス中の水素がプロトンに変換される（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。このプロトンは水和状態で電解質膜１を透過（拡散）して、カソード１１ｃに至る。カソード１１ｃには、酸化剤ガス流路６を通って酸化剤ガス、ここでは空気が供給される。つまり、酸化剤ガス流路６に供給された空気は、ガス拡散層３において発電面に拡散され、触媒電極層２に至る。ここで、電解質膜１を透過したプロトンと空気中の酸素が結びつくことにより、水が生成される（１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。アノード１１ａおよびカソード１１ｃにおける電極反応が進行することで、燃料電池は起電力を生じる。この発電反応に伴って熱が生じるが、この熱は、冷却水路７を流通する冷却水により燃料電池外に排出される。
【００１６】
このような発電反応により一つのセルから得られる起電力は、およそ１．０Ｖ以下であるため、所定電力が得られるように複数セルを積層して使用される。このような燃料電池では、セルの積層方向に押さえつけて、セル面について所定の圧力を維持することにより発電特性を得ている。
【００１７】
次に、酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路８の断面形状の詳細を、図２を用いて説明する。
【００１８】
酸化剤ガスとして空気、燃料ガスとして水素ガスを使用する場合、反応する量と等量の反応ガスを通流するには、水素ガスの約２．５倍の空気流量が必要となる。さらに、セル面内でのガス拡散性をより良好な状態とするため、理論反応量以上のガス量を燃料電池セルまたはスタックへ通流する必要がある。特にカソード１１ｃ側では水素ガスに比べて空気中の酸素の拡散性が悪いため、水素ガスより多大なガス量を通流することから、そのガス量比はさらに拡大する。
【００１９】
このとき、酸化剤ガス流路６と燃料ガス流路８を同じ断面積に構成すると、酸化剤ガス流路６を流れる空気の線速度が過剰に大きくなる可能性がある。これにより、電解質膜１に保持された水分が過剰に除去されて、発電効率が低下する可能性が生じる。
【００２０】
そこで、ＭＥＡ１０への反応ガスの拡散性、電解質膜１の保湿状態を最適化するためには、異なる流量のガスを通流するガス流路６、８内でのガスの線速度を両極について調整する必要がある。そこで、ガス流路６、８の流路断面積を通流ガス流量に応じて設計することにより、十分なガス通流量を確保できるとともにガスの線速度を適切に調整する。
【００２１】
ここで、燃料電池、特に移動体を考えた燃料電池ではできるだけ小型化されるのが好ましく、例えば、多数のセルを積層することにより燃料電池を形成する場合には、セルの厚みが大きくなることはできるだけ避けることが好ましい。そこで、ガスの線速度を調整するためのガス流路断面積設計には、流路幅を変更することが好ましい。このとき、積層方向にかけた圧力によりＭＥＡ１０にかかる面圧が、アノード１１ａ側とカソード１１ｃ側とでほぼ等しくなるように、酸化剤ガス流路６および燃料ガス流路８の断面を構成する。
【００２２】
燃料ガス流路８の流路幅をＷａ、リブ２８の幅をＷｒａに構成する。ここで燃料ガス流路８の幅は、溝１８の底面１８ｂと開口部分１８ａとの間で一定とする。つまり、燃料ガス流路８の断面を長方形形状に構成する。これに対して、酸化剤ガス流路６の流路幅をＷｃ、リブ２６の幅をＷｒｃに構成する。流路幅Ｗｃは、燃料ガス流路８の流路幅Ｗａよりも大きく設計する。なお、このとき冷却水路７の流路幅を、酸化剤ガス流路６の流路幅と等しくＷｃ、リブ幅をＷｒｃとする。
【００２３】
ここで、アノード１１ａとカソード１１ｃとで、流路幅Ｗａ、Ｗｃを異なるように形成することで、セパレータ４ｃとＭＥＡ１０との接触する面積と、セパレータ４ａとＭＥＡ１０との接触する面積が異なる。言い換えれば、リブ２８の山頂面２８ａの総面積と、リブ２６の山頂面２６ａの総面積が異なる。これにより、ＭＥＡ１０にかかる面圧が、アノード１１ａ側とカソード１１ｃ側とで異なるという問題が生じる。
【００２４】
そこで、セパレータ４の一部として部材９を用いることで、セパレータ４ｃとＭＥＡ１０との接触する面積と、セパレータ４ａとＭＥＡ１０との接触する面積が同じとなるように構成する。セパレータ４ｃに部材９を備え、酸化剤ガス流路６を構成する溝１６の開口部分１６ａの大きさを変更する。ここでは、酸化剤ガス流路６の両側壁面１６ｃに、柱状の部材９（以下、柱状部材９ａ）を備える。
【００２５】
部材９として、断面が三角形状の柱状部材９ａを用いる。この柱状部材９ａの断面を、ＭＥＡ１０に接触する部分１９ｘの長さが（Ｗｒａ−Ｗｒｃ）／２となるように成形する。これにより、リブ２６の山頂面２６ａと柱状部材９ａとがＭＥＡ１０に接する面の長さが、アノード１１ａ側のリブ２８の幅Ｗｒａと等しくなる。ここでは、柱状部材９ａの断面は直角三角形状に構成し、溝１６の深さと同じ長さの辺１９ｙと、長さが（Ｗｒａ−Ｗｒｃ）／２である辺１９ｘにより直角を構成する。この辺１９ｙを、側壁面１６ｃに固定することにより、柱状部材９ａをセパレータ４ｃと一体化する。セパレータ４ｃと柱状部材９ａを固定する際には、セパレータ４ｃとＭＥＡ１０の面圧によって破損することがないように、さらに、面圧を十分伝達できるように構成する。例えば、セパレータ４ｃと柱状部材９ａを、嵌め合い構造を設ける等により接合する。
【００２６】
このように、ＭＥＡ１０にかかる面圧をアノード１１ａ側とカソード１１ｃ側とでほぼ等しくなるようにすることで、セパレータの流路間をリブを介して反応ガスがバイバスすることを低減し、流路全体に反応ガスを行き渡らせて発電性能を向上できる。すなわち、接触面積を均一にしてセル積層圧力を高めることで、これまで接触面積の大きかった側の面圧を、これまで接触面積の小さかった側の面圧まで高めることができ、シール性を向上することができる。
【００２７】
ここで、柱状部材９ａを、酸化剤ガスを流通する部材により構成してもよい。例えば、多孔質体により構成する。これにより、柱状部材９ａとＭＥＡ１０が接触する面には、積層方向の圧力がかかるとともに、酸化剤ガスが供給される。
【００２８】
このように、柱状部材９ａを用いることで、カソード側セパレータ４ｃとアノード側セパレータ４ａとがそれぞれＭＥＡ１０に接触する総面積を等しくして、ＭＥＡ１０にかかる面圧を均一化することができる。また、酸化剤ガス流路６と燃料ガス流路８との断面積を、供給するガス流量に応じて設定することにより、拡散性を維持できる。
【００２９】
なお、この柱状部材９ａは、セパレータ４ｃと一体に構成してもよい。この場合には、平板形状のセパレータ４の表面に、断面が台形の溝を形成することにより酸化剤ガス流路６を構成する。このとき、溝１６の底面１６ｂの幅を流路幅Ｗｃとし、開口部分１６ａの幅を燃料ガス流路８の流路幅Ｗａとする。
【００３０】
さらに、酸化剤ガス流路６の断面は、上述した台形形状に限定されるわけではない。図３に、酸化剤ガス流路６の断面形状の例を示す。
【００３１】
図３（ａ）は、本実施形態で説明した台形の流路断面形状である。つまり、溝１６の開口部分１６ａが底面１６ｂより狭くなった台形を断面形状とする酸化剤ガス流路６を構成する。図３（ｂ）は、酸化剤ガス流路６を構成する溝１６の側壁面１６ｃを、溝１６の内側に向かって凸形状の曲面で構成した例である。底面１６ｂにおいて流路幅を最大とし、底面１６ｂ近傍で流路幅が急激に減し、開口部分１６ａ近傍では流路幅が緩やかに減少する。このように開口部分１６ａ近傍の流路幅の減少割合を小さくすることで、酸化剤ガス流路６からカソード１１ｃに供給される空気の拡散性を維持することができる。
【００３２】
図３（ｃ）、（ｄ）は、酸化剤ガス流路６を構成する溝の側壁面を、溝の外側に向かって凸形状の曲面で構成した例である。（ｃ）では、酸化剤ガス流路６を構成する溝１６の開口部分１６ａ近傍で、曲面の曲率半径を小さく構成する。（ｄ）では、酸化剤ガス流路６を構成する溝１６の底面１６ｂおよび開口部分１６ａ近傍で、曲面の曲率半径を小さく構成する。このように、開口部分１６ａ、１６ａの幅を小さくとり、その他の部分の流路幅を大きくとることで、酸化剤ガス流路６の流路断面を大きく構成することができる。
【００３３】
このように、酸化剤ガス流路６を形成する溝１６の底面１６ｂと開口部分１６ａとを結んだ直線または曲線により溝１６の側壁面１６ｃを形成する。このとき、溝１６を形成するリブ２６の幅を山頂面２６ａに向かって徐々に増加させることで、積層方向にかかる圧力をリブ２６の山頂面２６ａに均一に分布させることができる。流路断面形状は、部材の配置方法、セパレータの加工方法などにより適宜採用する。ただし、これは図３に示した形状に限らない。
【００３４】
さらに、燃料ガス流路８に部材９を配置することもできる。この場合には、例えば、燃料ガス流路８の開口部分１８ａの幅を、酸化剤ガス流路６の幅と同じＷｃとする。溝１８の底面１８ｂから開口部分１８ａに向かって、溝１８の幅が大きくなるように部材９を配置する。これにより、ＭＥＡ１０とアノード側セパレータ４ａとが接触する面積を変えることなく、酸化剤ガス流路６に比べて燃料ガス流路８の流路断面を小さくすることができる。その結果、流通ガス流量に応じた流路断面積に構成することができるとともに、アノード１１ａ側とカソード１１ｃ側からＭＥＡ１０にかかる面圧を均一化することができる。
【００３５】
また、ここでは、酸化剤ガスとして空気を、燃料ガスとして水素ガスを用いたため、酸化剤ガス流路６の流路断面積が、燃料ガス流路８の流路断面積より大きくなるように構成したがこの限りではない。例えば、酸化剤ガスとして酸素ガスを、燃料ガスとして水素含有ガスを用いる。水素と酸素の拡散性を考慮した上で、酸化剤ガスより燃料ガスの流量の方がはるかに大きくなるような場合には、酸化剤ガス流路６に比べて燃料ガス流路８の断面を大きく構成すると共に、セパレータ４とＭＥＡ１０との接触面積が同じとなるように構成することで、同様の効果を得ることができる。
【００３６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３７】
燃料電池を、電解質膜１をアノード１１ａと、カソード１１ｃと、で狭持してなるＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０に対峙する面にガス流路６、８と、電極１１を密閉するシール５とを備えたアノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｃと、を複数積層することにより構成する。アノード側セパレータ４ａに形成する燃料ガス流路８の総断面積と、カソード側セパレータ４ｃに形成する酸化剤ガス流路６の総断面積と、を異なって構成する。また、ＭＥＡ１０とアノード側セパレータ４ａとの接触面積と、ＭＥＡ１０とカソード側セパレータ４ｃとの接触面積と、を概略等しく構成する。これにより、ＭＥＡ１０にかかる面圧を、アノード１１ａ側とカソード１１ｃ側とで均一化することができる。また、面圧に差が生じることによりＭＥＡ１０にたわみが生じるのを防止することができる。また、ここでは各流体の流出を防止するシール５を備えており、面圧を均一化することで、シール５に生じる締結力を大きくしてシール性を向上することができる。
【００３８】
ここでは、複数のガス流路６、８を並列に構成し、並列に並んだガス流路６、８の流路断面の総計が、カソード１１ｃ側とアノード１１ａ側とで異なるように構成する。各ガス流路６、８を構成する溝１６、１８の幅を開口部分１６ａ、１８ａで等しく、深さ方向に沿って差をつけることで、異なった断面積に構成する。これにより、断面積を反応ガスの流量および拡散性に応じて設定することができるとともに、セルの厚さが増大するのを避けることで燃料電池の大型化を避けることができる。電極１１間でガス流路６、８の断面形状を異なるように構成した場合に、ＭＥＡ１０にかかる面圧を一定にすることで、発電効率の低下を抑えることができる。なお、ガス流路６、８の断面積または、断面積の総計は、それぞれを流通する反応ガスの流量および拡散性に応じて設定する。
【００３９】
アノード側セパレータ４ａとカソード側セパレータ４ｃの少なくとも一方に、ＭＥＡ１０との接触面積を両極で等しくするための部材９を備える。このように、部材９を用いることで、流路断面積を電極１１間で異なる大きさとすることができるとともに、ＭＥＡ１０に与える面圧を均一化することができる。
【００４０】
また、部材９を、設置するセパレータ４に形成したガス流路、ここでは酸化剤ガス流路６を流れる空気を透過する材料により構成する。これにより、ＭＥＡ１０への反応ガスの拡散に対する部材９の影響を緩和することができる。
【００４１】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路６の詳細を図４に示す。
【００４２】
ここでは電極１１間でガス流路６、８のピッチが異なるように構成する。つまり、平行に並べられたガス流路６、８の個数が異なるように構成する。この場合には、ガス拡散性の優れている水素ガスを用いたアノード１１ａ側の流路幅ピッチを大きく、平列に並べられた流路数を少なく構成する。このときには、流路断面積の総計が、燃料ガス流路８に比べて酸化剤ガス流路６のほうが大きくなるように、それぞれの流路幅Ｗａ、Ｗｃを設定する。
【００４３】
第１の実施形態と同様に酸化剤ガス流路６に柱状部材９ａを配置する。柱状部材９ａを、セパレータ４ｃとＭＥＡ１０が接触するリブ山頂面２６ａの幅の総計と、セパレータ４ａとＭＥＡ１０が接触するリブ山頂面２８ａの幅の総計とが等しくなるように構成する。図４においては、カソード１１ｃ側のリブ２６と柱状部材９ａとが、ＭＥＡ１０に接触する面の幅Ｗｒｃ１、Ｗｒｃ２、Ｗｒｃ３・・・の総計が、アノード１１ａ側のリブ２８とＭＥＡ１０が接触する幅Ｗｒａ１、Ｗｒａ２・・・の総計と等しくなるように構成する。その結果、電極１１ａ、１１ｂからＭＥＡ１０にかかる面圧を等しくすることができるので、シール５のシール性を向上することができ、発電効率を向上することができる。
【００４４】
なお、第１の実施形態と同様に、各ガス流路６、８の断面は、図４に示した形状に限定されるわけではない。反応ガス流量および拡散性に応じた断面積であり、かつ、セパレータ４と部材９がＭＥＡ１０に接触する面積が、電極１１間で等しければよい。さらに、セパレータ４と部材９を一体に構成してもよい。
【００４５】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００４６】
アノード側セパレータ４ａに形成する燃料ガス流路８の総断面積と、カソード側セパレータ４ｃに形成する酸化剤ガス流路６の総断面積と、を異なって構成する。ここでは、並列に並ぶ流路数を、アノード１１ａ側とカソード１１ｃ側とで異なるように構成する。これにより、供給する反応ガスの流量と拡散性に応じて、反応ガス流路６、８の断面を設定することができる。このとき、各セパレータ４とＭＥＡ１０との接触面積をアノード１１ａ側とカソード１１ｃ側とで等しくしたので、シール性を維持して高効率を維持することができる。
【００４７】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１または第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、ここでは燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路６の断面を長方形形状に構成し、かつ、燃料ガス流路８の断面より酸化剤ガス流路６の断面が大きくなるように構成している。つまり、各ガス流路６、８の形状は、図２において、柱状部材９ａを配置していない形状とする。
【００４８】
図５に、セパレータ４と、セパレータ４とＭＥＡ１０との接触部分にかかる面圧を両電極１１ａ、１１ｃで等しくするための部材９の構成を示す。ここでは、両極の面圧を均一化する部材９として、プレート状部材９ｂを用いる。面圧が高い方のセパレータ４、ここではセパレータ４ｃにプレート状部材９ｂを配置する。
【００４９】
図５に示すように、酸化剤ガス流路６が形成されたセパレータ４ｃにプレート状部材９ｂを設置する溝２１を形成する。ここでは、酸化剤ガス流路６を構成する溝１６に直交するように溝２１を形成する。なお、このときの溝の深さは、プレート状部材９ｂのプレート厚さに相当する。このように、溝２１を形成してプレート状部材９ｂを配置することで、プレート状部材９ｂのずれを防ぐことができる。また、一つのプレート状部材９ｂが、複数の酸化剤ガス流路６を横断するように構成する。ここでは、並列に、かつ均等に、直線形状の酸化剤ガス流路６を構成し、並列に並ぶ酸化剤ガス流路６全てを横断するようにプレート状部材９ｂを配置する。
【００５０】
図６にプレート状部材９ｂの形状の例を示す。
【００５１】
図６（ａ）、（ｂ）には貫通孔２２を備えたプレート状部材９ｂを示す。貫通孔２２を通じて反応ガス、ここでは空気のカソード１１ｃへの拡散を確保する。（ａ）には貫通孔２２の個数が少ないもの、（ｂ）には貫通孔２２の個数が多いものを示したが、この限りではなく、適宜最適な個数とする。また、（ａ）、（ｂ）においては、プレート状部材９ｂの平面方向に均等に貫通孔２２を形成しているが、酸化剤ガス流路６内を流れる空気中の酸素量に応じて、適宜設定してもよい。
【００５２】
図６（ｃ）には、多孔質材で構成したプレート状部材９ｂを示す。多孔質材を用いることで、多孔質材を切削、加工することにより、安価で容易に面圧調整を行う部材９を構成することができる。多孔質材を用いることにより、空気のカソード１１ｃへの拡散を確保することができる。
【００５３】
なお、プレート状部材９ｂは図６に示した形状に限らない。プレート状部材９ｂを配置したセパレータ４、ここではセパレータ４ｃに形成した酸化剤ガス流路６に流れる空気が、プレート状部材９ｂ内を拡散してＭＥＡ１０に供給される形状であればよい。
【００５４】
また、ここでは、酸化剤ガスとして空気を、燃料ガスとして水素ガスを用いたため、酸化剤ガス流路６の流路断面積が、燃料ガス流路８の流路断面積より大きくなるように構成したがこの限りではない。例えば、酸化剤ガスとして酸素ガスを、燃料ガスとして水素含有ガスを用いることにより、酸化剤ガスより燃料ガスの流量の方が大きくなった場合には、燃料ガス流路８の流路断面積をより大きく構成してもよい。この場合には、アノード側セパレータ４ａにプレート状部材９ｂを配置する。
【００５５】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１、２実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。
【００５６】
部材９をプレート状に構成し、酸化剤ガス流路６の開口部分１６ａの一部に、ＭＥＡ１０に接するように配置する。これにより、ＭＥＡ１０にかかる圧力を、カソード１１ｃ側とアノード１１ａ側とで均一化することができる。これにより、シール性を向上して、燃料電池の発電効率を向上させることができる。このとき、酸化剤ガス流路６の流路断面を維持できるので十分な空気を流通することができる。
【００５７】
部材９を、貫通孔２２を備えるプレート状に構成する。または、部材９を、多孔質材により構成する。これにより、部材９で表面が覆われるＭＥＡ１０に対して、反応ガス（空気）の拡散の低下を抑制することが可能なだけでなく、材料を安価で簡便に調達することが可能となる。
【００５８】
第４の実施形態について説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５９】
酸化剤ガスとして空気を、燃料ガスとして水素ガスを用いる。よって、酸化剤ガス流路６の幅（Ｗｃ）を燃料ガス流路８の幅（Ｗａ）より大きく構成する。各流路断面形状は、例えば、略長方形形状とする。
【００６０】
図７に、本実施形態で用いるセパレータ４の形状を示す。図７のセパレータ４は、面圧が高くなる極側のものであり、ここではカソード側セパレータ４ｃとする。
【００６１】
酸化剤ガス流路６を構成する溝１６をセル面内に蛇行して形成する。また、蛇行する溝１６を流路幅方向に貫通するようにプレート状部材９ｂを配置する。ここでは、一つのプレート状部材９ｂが、平行に構成された全流路を流路幅方向に貫通し、さらに蛇行して三段に構成された酸化剤ガス流路６を三段に渡って貫通するように構成する。このようなプレート状部材９ｂを複数備え、平行にかつ等間隔に配置する。このように、セル面内に均等にプレート状部材９ｂを配置することで、積層方向にかかる圧力をセル面に均一に分配することができる。
【００６２】
なお、プレート状部材９ｂの設置方法は、第３の実施形態と同様で、溝２１を形成し、これに嵌め込むことで構成する。このときの溝２１の深さはプレート厚さと等しくする。また、プレート状部材９ｂとしては、図６に示したものや、その他の反応ガスを拡散するものを用いる。ここではプレート状部材９ｂとして、貫通孔２２を有するものを用いる。
【００６３】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１〜３の実施形態における効果とは異なる効果のみを説明する。
【００６４】
プレート状部材９ｂを、セル面の酸化剤ガス流路６を形成した部分を貫通するように配置する。このとき、プレート状部材９ｂは全ての酸化剤ガス流路６を略流路幅方向に貫通するように構成する。これにより、プレート状部材９ｂを設置するための構成を簡略化することができる。
【００６５】
また、プレート状部材９ｂをセル面に均等に配置する。これにより、接触面積を同じとすることができるとともに、ＭＥＡ１０の接触面にかかる圧力をセル面内で均等化することができる。
【００６６】
次に、第５の実施形態について説明する。以下、第４実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６７】
ここでは、第４の実施形態と同様にセパレータ４ｃの面内を蛇行した酸化剤ガス流路６とする。並列に配置された酸化剤ガス流路６の一段分の幅に渡ってプレート状部材９ｂを配置する。なお、図８においては、酸化剤ガス流路６を三段に構成しているので、第４の実施形態と比較して、プレート状部材９ｂの長さが約１／３程度となる。ここでは、酸化剤ガス流路６の直線部分において、均等に、かつ、平行にプレート状部材９ｂを配置する。
【００６８】
また、酸化剤ガス流路６の直線部分に配置した他に、蛇行して構成した酸化剤ガス流路６の屈曲部分にも、プレート状部材９ｂを配置する。図８には、このプレート状部材９ｂを９ｂ２で示す。このプレート状部材９ｂ２は、プレート状部材９ｂおよびセパレータ４ｃが、ＭＥＡ１０に接触する面を、セル面内で均一化するためのプレートである。つまり、積層方向の面圧を伝える部分がセル面内で均一となるように、セル面内の面圧バランスを考慮して配置する。このように、セル面内での面圧が異なる部位にプレート状部材９ｂ２を設置することで、セル面内での面圧バラツキを抑制することができ、シール性を向上することができる。
【００６９】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１〜４の実施形態における効果とは異なる効果のみを記載する。
【００７０】
部材９を、燃料電池セル面内の面圧を均一化するように配置する。これにより、セパレータ４とＭＥＡ１０の面圧をセル間で等しくするだけでなく、セル面内でも均等にすることができるため、セル面内でのシール性の均一化を維持することが可能となる。
【００７１】
次に、第６の実施形態について説明する。以下、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７２】
図９に、酸化剤ガス流路６に設置したプレート状部材９ｂの断面構造を模式的に示す。プレート状部材９ｂとして、図６（ａ）、（ｂ）に示したように貫通孔２２を有したプレートを用いる。
【００７３】
図９（ａ）には、空気の流通方向に従って、プレート状部材９ｂに形成した貫通孔２２の孔径を変化させたものを示す。空気の流通方向に沿って、上流側に配置するプレート状部材９ｂの貫通孔２２の孔径を小さく、下流側に配置するプレート状部材９ｂの貫通孔２２の孔径を大きくする。なお、「貫通孔２２の孔径」としたが、図６（ｃ）に示すように多孔質材によりプレート状部材９ｂを形成する場合には、多孔質材の孔の大きさに相当する。
【００７４】
図９（ｂ）には、空気の流通方向に従って、プレート状部材に形成した貫通孔２２の空孔率を変化させたものを示す。空気の流通方向に沿って、上流側に配置するプレート状部材９ｂの貫通孔２２の空孔率を小さく、下流側に配置するプレート状部材９ｂの貫通孔２２の空孔率を大きくする。ここで、空孔率を変化させるには、例えば、同じ径をもつ貫通孔２２の個数を変化させる。図６において、（ａ）のプレート状部材９ｂに対して（ｂ）のプレート状部材９ｂの空孔率は大きくなっている。そこで、図６（ａ）のプレート状部材９ｂを上流側に、図６（ｂ）のプレート状部材９ｂを下流側に配置する。つまり、下流側に配置するプレート状部材９ｂとして、上流側に比べて貫通孔２２を多く含むプレートを用いる。なお、「貫通孔２２の空孔率」としたが、図６（ｃ）に示すように多孔質材によりプレート状部材９ｂを形成する場合には、多孔質材の多孔度に相当する。
【００７５】
なお、上流側でも流路形状の影響によって生じる反応ガスの拡散性が低下する場所において、貫通孔２２の数や径を異なるものとすることで、空気のＭＥＡ１０への拡散の低下を抑制することができる。同様に、上流側でも流路形状の影響によって生じる反応ガスの拡散性が低下する場所において、多孔質材の多孔度を異なるものとすることで、空気のＭＥＡ１０への拡散の低下を抑制することができる。
【００７６】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第５の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７７】
空気の流通方向下流側に、孔径または空孔率が大きいプレート状部材９ｂを配置する。これにより、酸素濃度が低くなった下流側で、電極１１ｃへ酸素ガスを拡散するのを促進することができる。
【００７８】
ここでは、部材９を、酸化剤ガス流路６内の空気の流れに沿って複数備え、貫通孔２２の数および径が、酸化剤ガス流路６の上流側に設置される部材９と、下流側に設置される部材９と、で異なるように構成する。酸化剤ガス流路６を通流する間に発電で反応ガスが消費されるため濃度が薄くなる下流側における、ＭＥＡ１０に対する空気の拡散性の低下を抑制することができる。
【００７９】
また、部材９を、酸化剤ガス流路６内の空気の流れに沿って複数備え、部材９を構成する多孔質材の多孔度を、酸化剤ガス流路６の上流側に設置される部材９と、下流側に設置される部材９と、で異なるように構成する。酸化剤ガス流路６を通流する間に発電で反応ガスが消費されるため濃度が薄くなる下流側における、電極１１ｃに対する空気の拡散性の低下を抑制することができる。
【００８０】
次に、第７の実施形態について説明する。図１０に、酸化剤ガス流路６に設置したプレート状部材９ｂの断面構造を模式的に示す。プレート状部材９ｂとしては、図６に示すように貫通孔２２を備えたものや多孔質材により構成したものを用いる。以下、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８１】
ガスの流通方向に沿って、プレート状部材９ｂの断面形状が異なるものを配置する。ガス流通方向上流側には、断面が曲線により形成されたプレート状部材９ｂを、下流側には断面が直線により形成されたプレート状部材９ｂを配置する。図１０（ａ）には、上流側には、断面が円弧状に形成されたプレート状部材９ｂを、下流側には、断面が長方形のプレート状部材９ｂを配置した場合を示す。図１０（ｂ）には、上流側には、断面が円弧状に形成されたプレート状部材９ｂを、下流側には、断面が多角形形状、ここでは五角形形状のプレート状部材９ｂを、さらにその下流側には、長方形（四角形）形状のプレート受部材９ｂを配置した場合を示す。
【００８２】
このように、ガス流通方向上流側には、酸化剤ガス流路６内を流れる空気の流れを乱しにくい断面形状のプレート状部材９ｂを配置し、下流側には、空気の流れを乱しやすい断面形状のプレート状部材９ｂを配置する。
【００８３】
次に、本実施形態における効果を説明する。以下、第５実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００８４】
部材９を、酸化剤ガス流路６内の空気の流れに沿って複数備える。部材９の断面形状を、酸化剤ガス流路６の上流側に設置される部材９と、下流側に設置される部材９と、で異なるように構成する。これにより、酸化剤ガス流路６内におけるガス通流の乱流の程度を調整することができる。ここでは、下流側に酸化剤ガス流路６内の乱流の程度を増大するような断面の部材９を配置する。特に流路を通流する間に発電で反応ガスが消費され、酸素濃度が薄くなる下流側で酸化剤ガス流路６内のガス通流の乱流の程度を大きくすることで、電極１１ｃに対する空気の拡散性を向上することができる。
【００８５】
次に、第８の実施形態について説明する。図１１に、酸化剤ガス流路６に設置したプレート状部材９ｂの断面構造を模式的に示す。プレート状部材９ｂとしては、図６に示すように貫通孔２２を備えたものや多孔質材により構成したものを用いる。以下、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８６】
ここでは、プレート状部材９ｂの撥水特性を、空気の流れ方向に沿って変化させるように構成する。空気の流れの上流側には、撥水性の低いプレート状部材９ｂを、下流側には、撥水性の高いプレート状部材９ｂを配置する。図１１（ａ）には、上流側に表面に撥水処理を施していない、又は比較的低い撥水性を示す撥水処理を施したプレート状部材９ｂを、下流側に、表面に比較的高い撥水性を示す撥水処理を施したプレート状部材９ｂを配置した場合を示す。図１１（ｂ）には、上流側に、撥水性が比較的高くない断面、ここでは円弧形状の断面をしたプレート状部材９ｂを、下流側に、撥水性が比較的高くなるような断面、ここでは長方形形状の断面のプレート状部材９ｂを配置した場合を示す。
【００８７】
発電に際し、カソード１１ｃ側では反応生成水が徐々に通流する空気に蒸発するため、下流側では過飽和に近く、上流側より凝縮しやすい状態となっている。凝縮水は、電極１１ｃおよび酸化剤ガス流路６のフラッディングの原因となる。そこで、この凝縮を抑制するために、水が大量に存在する下流側でプレート状部材９ｂの撥水性をより高く構成する。これにより、電極１１ｃおよび酸化剤ガス流路６のフラッディングを抑制し、発電効率を維持することができる。
【００８８】
なお、アノード１１ａでは水が生成されず、フラディングが生じ難いので、アノード１１ａにプレート状部材９ｂを配置する場合には、必ずしも撥水処理を施す必要はない。ただし、アノード１１ａに供給される燃料ガスが加湿されており、アノード１１ａにもフラッディングが生じる可能性がある場合にはこの限りではない。この場合には、下流側よりも上流側においてフラッディングを生じやすくなるので、燃料ガス流路８の上流側に配置する部材９として比較的撥水性の高い処理を施したプレートを用いる。
【００８９】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第５の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００９０】
部材９を、酸化剤ガス流路６内の空気の流れに沿って複数備える。部材９は、撥水処理または親水処理されており、かつ、部材９の前記処理の状態が、酸化剤ガス流路６の上流側とガス流路下流側に設置される部材９で異なるように構成する。発電によって酸化剤ガス流路６に過飽和となる水分の凝縮が特に下流側で発生するが、その凝縮水によって発生する電極１１ｃ、酸化剤ガス流路６のフラッディングを、下流側で部材９の表面処理状態を調整することで防止することが可能となる。
【００９１】
次に、第９の実施形態について説明する。以下、第５実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９２】
酸化剤ガス流路６に対するプレート状部材９ｂの設置位置を図１２を用いて説明する。なお、酸化剤ガス流路６の形状は、第５の実施形態と同様とする。
【００９３】
酸化剤ガス流路６を直線部分と屈曲部分とからなる蛇行形状に構成する。酸化剤ガス流路６の直線部分には、第５の実施形態と同様に、平行に、かつ、均等にプレート部材９ｂ３を配置する。また、蛇行して形成された酸化剤ガス流路６の屈曲部分にも、ＭＥＡ１０に与える面圧が、セル面内で均一化されるようにプレート部材９ｂ４を配置する。ここで、屈曲部分に配置したプレート状部材９ｂ４が、直線部分に配置したプレート部材９ｂ３よりも撥水性が高くなるように構成する。例えば、プレート状部材９ｂ４のみに、表面に撥水処理を施したり、断面形状を撥水性が高いもの、例えば長方形等にしたりする。
【００９４】
酸化剤ガス流路６を流れる空気は、特に屈曲部分において凝縮が生じ易い。そこで、屈曲部分に撥水性の高いプレート状部材９ｂ４を配置することで、凝縮を抑制し、カソード１１ｃや酸化剤ガス流路６にフラッディングが生じるのを抑制する。
【００９５】
なお、本実施形態は、第８実施形態と組み合わせてもよい。つまり、空気の流れ方向下流側および屈曲部分に、撥水性の高いプレート状部材９ｂを配置してもよい。これにより、カソード１１ｃや酸化剤ガス流路６にフラッディングが生じるのをさらに抑制することができる。
【００９６】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第５の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００９７】
酸化剤ガス流路６を、直線部分と屈曲部分とから構成し、部材９は、撥水処理または親水処理されており、かつ、部材９の表面処理の状態が、酸化剤ガス流路９の直線部分に設置される補助部材９ｂ３と、屈曲部分に設置される補助部材９ｂ４と、で異なるように構成する。これにより、例えば直線部分より水詰まりし易い屈曲部分において、カソード１１ｃ、酸化剤ガス流路６のフラッディングを抑制することができる。
【００９８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。例えば、上記実施の形態においては、セパレータ４の材質として、緻密性からなるカーボン材を用いているが、多孔質性のカーボン材、または、金属製のセパレータを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池のせる構造を示す図である。
【図２】第１の実施形態に用いる反応ガス流路の断面を示す図である。
【図３】第１の実施形態に用いる反応ガス流路の断面形状の例である。
【図４】第２実施形態に用いる反応ガス流路の断面を示す図である。
【図５】第３実施形態に用いるプレート状部材の組付けを示す図である。
【図６】第３の実施形態に用いるプレート状部材の例である。
【図７】第４の実施形態に用いるプレート状部材の設置位置を示す図である。
【図８】第５の実施形態に用いるプレート状部材の設置位置を示す図である。
【図９】第６の実施形態に用いるプレート状部材の断面および特性を示す図である。
【図１０】第７の実施形態に用いるプレート状部材の断面および特性を示す図である。
【図１１】第８の実施形態に用いるプレート横部材の断面および特性を示す図である。
【図１２】第９の実施形態に用いるプレート状部材の設置位置を示す図である。
【符号の説明】
１    電解質膜
４ａ  セパレータ（アノード側セパレータ）
４ｂ  セパレータ（カソード側セパレータ）
５    シール（シール部
６    酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
８    燃料ガス流路（反応ガス流路）
９    部材（補助部材）
９ａ  柱状部材
９ｂ  プレート状部材
１０  ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１ａ  アノード（アノード側電極）
１１ｃ  カソード（カソード側電極）
２２  貫通孔
【図１】
2004327162.tif 000003
【図２】
2004327162.tif 000004
【図３】
2004327162.tif 000005
【図４】
2004327162.tif 000006
【図５】
2004327162.tif 000007
【図６】
2004327162.tif 000008
【図７】
2004327162.tif 000009
【図８】
2004327162.tif 000010
【図９】
2004327162.tif 000011
【図１０】
2004327162.tif 000012
【図１１】
2004327162.tif 000013
【図１２】
2004327162.tif 000014