(57)【要約】【課題】発電性能を向上させつつ小型化可能な燃料電池を得る。【解決手段】触媒電極層６とセパレータ１、２とに挟まれることで燃料ガスの入口マニホールド７および出口マニホールド８に夫々の側面６Ａ、６Ｂを対面させて入口マニホールド７と出口マニホールド８とを仕切るガス拡散層６を構成し、ガス拡散層６では、入口マニホールド７に面する側面６Ａから燃料ガスを流入させ、内部を通過させて出口マニホールド８に面する側面６Ｂから流出させる。【選択図】　　図２
2004047214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟んでアノード触媒電極層およびカソード触媒電極層を配置し、これらをガス拡散層を介在させてセパレータで挟んで単セルを構成する燃料電池において、
前記ガス拡散層は、触媒電極層とセパレータとに挟まれることで、燃料ガスの入口マニホールドおよび出口マニホールドに夫々の側面を対面させて、入口マニホールドと出口マニホールドとを仕切るよう構成し、
前記入口マニホールドに面する側面全体からガス拡散層に燃料ガスを流入させ、そのガス拡散層の内部を通過させて出口マニホールドに面するガス拡散層全体の側面から流出させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層内を通過する燃料ガスのセルの積層方向と直交する方向のガス拡散層全体の流路幅は、前記二つの側面間の距離に相当する流路の長さより大きく形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、相対的に気体透過率の小さい領域と相対的に気体透過率の大きい領域とにより構成し、
気体透過率の大きい領域は、入口マニホールドに接する側面から出口マニホールドに向けて延び且つ出口マニホールドには到達しない範囲と出口マニホールドに接する側面から入口マニホールドに向けて延び且つ入口マニホールドには到達しない範囲とを間隔をあけて交互に配置し、これら二つの範囲以外の残余の範囲を気体透過率の小さい領域とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記交互に配置された隣り合う２つの気体透過率の大きい領域の間の距離は、前記距離をもって前記２つの気体透過率の大きい領域同士が対面する区間の長さに対して小さく形成したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記気体透過率は、ガス拡散層を構成する繊維の数密度の大小により増減させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記気体透過率は、ガス拡散層を構成する繊維の径の大小により増減させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記気体透過率の大きい領域は、入口マニホールドまたは出口マニホールドに接するガス拡散層の側面に直交する方向に揃えて繊維が配列され、前記気体透過率の小さい領域は、前記側面に平行な方向に揃えて繊維が配列されていることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を電解質層とした固体高分子型の燃料電池に関し、特に、ガス拡散層にガス流路を形成して単位セルを薄型化した燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から薄型化のために、ガス流路をガス拡散層側に形成した燃料電池は知られており、例えば、特開２００１−７６７４７号公報に記載されたものがある。
【０００３】
これは、薄いガス拡散層にジグザグ状の切込みを入れてガス流路とし、セパレータ表面に形成されていた流路を廃止することでセパレ一夕を薄くし、燃料電池スタックを小型化するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、反応ガスをガス拡散層に設けた切込みによるガス流路に沿って入口から出口へ流すものであり、切込みによる流路部分に比較してガス拡散層自体の気体透過率は極小さく、反応ガスは流路を外れてガス拡散層内に拡散し難いものであった。このため、大部分の反応ガスは流路のみに流れ、流路およびその極近辺までの触媒電極層のみにしか反応ガスが供給されず、燃料電池の発電性能の向上が期待できないものであった。
【０００５】
また、燃料電池の小型化のためにガス拡散層を薄くすればするほどガス流路の断面積が減少するため、反応ガスの流動が妨げられ、この点でも燃料電池の発電性能の向上は期待できない。
【０００６】
しかも、ガス流路部分は触媒電極層とセパレータとの間においては、ガス拡散層による導電体が存在せず、燃料電池の電気抵抗も増大するものであった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、発電性能を向上させつつ小型化可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、触媒電極層とセパレータとに挟まれることで燃料ガスの入口マニホールドおよび出口マニホールドに夫々の側面を対面させて入口マニホールドと出口マニホールドとを仕切るようガス拡散層を構成し、ガス拡散層は入口マニホールドに面する側面から燃料ガスを流入させ、内部を通過させて出口マニホールドに面する側面から流出させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、燃料ガスはガス拡散層の入口マニホールドに面する側面から流入し、ガス拡散層の内部を通過させて出口マニホールドに面する側面から流出するため、ガス拡散層内のガス交換と凝縮した生成水のガス拡散層内からの排出を促進することで発電性能を向上させつつ、燃料電池スタックを小型化できる。
【００１０】
また、触媒電極層とセパレータが全面で導通されているため、燃料電池内の電気抵抗の増加を回避できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池を各実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１、２は、本発明の燃料電池の第１実施形態を示し、図１は燃料電池の単セルのセパレータを取外した状態における平面図、図２は単セルの断面図である。
【００１３】
図１、２において、本実施形態の燃料電池は、一対のセパレータ１、２間に固体高分子電解質膜３を配置し、その周縁とセパレータ１、２との間にパッキン４を配置することで、固体高分子電解質膜３を挟んでアノード側とカソード側の空間を形成している。前記アノード側およびカソード側の空間は、触媒電極層５およびガス拡散層６により仕切ることによって、入口マニホールド７と出口マニホールド８に夫々区画している。入口マニホールド７には反応ガスを夫々供給する入口ポート９を、出口マニホールド８には未反応ガスを排出する出口ポート１０を夫々設けている。
【００１４】
ガス拡散層６は、一方で夫々セパレータ１、または、２に接触し、他方で夫々触媒電極層５を介して固体高分子電解質膜３に接触する。ガス拡散層６の幅広の側面６Ａ、６Ｂは、夫々入口マニホールド７および出口マニホールド８に全面が面している。入口マニホールド７の反応ガスは前記幅広の側面６Ａからガス拡散層６に流入し、対抗する幅広の側面６Ｂから出口マニホールド８に流出する。この場合の流路幅Ｗはガス拡散層６の幅広の側面６Ａ、６Ｂの幅であり、流路長Ｌはガス拡散層６の幅広の側面６Ａ、６Ｂ間の間隔の長さとなり、流路幅Ｗを流路長Ｌより大きく形成している。
【００１５】
上記構成の燃料電池においては、各入口９からアノードガスおよびカソードガスが入口マニホールド７に供給されることで作動可能となる。入口マニホールド７の各燃料ガスは、図中の矢印のように、ガス拡散層６の側面６Ａ全面からガス拡散層６に全量が流入する。ガス拡散層６はカーボンペーパまたはカーボンクロス等の炭素繊維により形成されているため、繊維間の隙間を燃料ガスが通過する。
【００１６】
流入した燃料ガスはガス拡散層６内を移動し、分子拡散に加えてガス自体の流動によっても触媒電極層５に達してガス交換される。燃料ガスは、ガス拡散層６の側面６Ａからの流入当初では流れが乱れており、触媒電極層５に到達する燃料ガス量が多くガス交換量も多いが、ある程度進むと流れが安定してガス交換量は減少してゆく。結果として、触媒電極層５において電気化学反応に供される燃料ガスの量は、燃料ガスが直接触媒電極層５に分散するため、専ら分子拡散のみによる従来のガス交換量に比較して、大幅に増加し、その結果として発電量が増加する。ガス交換されなかった未反応の燃料ガスはガス拡散層６を通過して、他方の側面６Ｂから出口マニホールド８に流出する。
【００１７】
燃料ガスがガス拡散層６内へ流入し且つ流出する作用は、触媒電極層５の近辺のガス拡散層６に凝縮した生成水を共に運搬してガス拡散層６から排出させることができ、生成水によるフラッディングが生じ易い高出力運転領域での性能向上が図れる。
【００１８】
ガス拡散層６の流路長Ｌは相対的に短く形成しており、流路長Ｌを長く取る場合に生ずる圧損を小さく抑制して、通過する燃料ガスの量を増加させ、ガス交換を促進させる。即ち、ガス拡散層６の流路長Ｌが長くなるほど圧損は増加し、ガス流量を維持するようガスを送込む圧縮機の仕事が増加し、燃料電池の全体としての効率が低下する。従って、ガス交換量を促進するためには、ガス拡散層６の流路長Ｌを長くする必要はない。また、ガス拡散層６の流路幅Ｗは、通過させる燃料ガス量に比例し、流れ方向を横断する方向の長さは可能な限り大きいことが望ましい。
【００１９】
ガス拡散層６では、従来例のような切抜きがないため、触媒電極層５とセパレータ１、２とがガス拡散層６を挟んで全面で導通しており、燃料電池内の電気抵抗の増加も回避されている。
【００２０】
なお、発電面の面積を増加させることは、ガス拡散層６の流路幅Ｗを大きくすれば可能であり、結果として燃料電池の形状を扁平に構成することとなる。
【００２１】
本実施形態にあっては、下記に記載した効果を奏することができる。
【００２２】
（ア）触媒電極層５とセパレータ１、２とに挟まれることで燃料ガスの入口マニホールド７および出口マニホールド８に夫々の側面６Ａ、６Ｂを対面させて入口マニホールド７と出口マニホールド８とを仕切るようガス拡散層６を構成し、ガス拡散層６は入口マニホールド７に面する側面６Ａから燃料ガスを流入させ、内部を通過させて出口マニホールド８に面する側面６Ｂから流出させるようにしている。
【００２３】
このため、ガス拡散層６内のガス交換と凝縮した生成水のガス拡散層６内からの排出を促進することで発電性能を向上させつつ、燃料電池スタックを小型化できる。
【００２４】
また、触媒電極層５とセパレータ１、２が全面で導通されているため、燃料電池内の電気抵抗の増加を回避できる。
【００２５】
（イ）ガス拡散層６内を通過する燃料ガスの流路幅Ｗは、流路長Ｌより大きく形成したため、ガス拡散層６内のガス交換を短い流路長Ｌで行え、圧損の上昇を抑えることができる。
【００２６】
（第２実施形態）
図３〜図５は、本発明の第２実施形態の燃料電池を示し、燃料ガスが通過する領域（流路幅）を拡大させたものである。図３はガス拡散層の一部の平面図、図４は部分断面図、図５は適用例を示す平面図、図６は変形例の平面図である。前実施形態と同一部品には同一符号を付して説明を簡略にし、変更部分について詳細に説明する。
【００２７】
図３において、ガス拡散層６は入口マニホールド７と接する端面１１Ａおよび出口マニホールド８に接する端面１２Ａを備え、夫々の端面１１Ａ、１２Ａから他方の出口マニホールド８または入口マニホールド７に向かって延び且つ他方の出口マニホールド８または入口マニホールド７へは到達しない気体透過率が大きい領域１１、１２を間隔を設けて互い違いに形成している。これら二つの領域以外の残余のガス拡散層１３の気体透過率をそれよりも低く形成している。気体透過率が大きい領域１１、１２はガスの流通抵抗が低く、気体透過率が小さい領域１３は相対的にガスの流通抵抗が高い。燃料ガスは、入口マニホールド７に接する気体透過率が大きい領域１１から出口マニホールド８に接する気体透過率が大きい領域１２へ、直近の経路を経て気体透過率の低い領域１３を通過する。燃料ガスは、気体透過率の低い領域１３を通過する際に、触媒電極層５とガス交換される。即ち、図３中の矢印Ａのように、入口マニホールド７から気体透過率が大きい領域１１に流入し、矢印Ｂに示すように気体透過率の低い領域１３に流入し、次いで、矢印Ｃに示すように気体透過率の高い領域１２を経由して出口マニホールド８へ流れ出る。前記矢印Ｂに示す気体透過率の低い領域１３を燃料ガスが通過する際には、ガス拡散層６内でガス交換が行われる一方、凝縮した生成水の排出が促進される。
【００２８】
気体透過率が大きい領域１１、１２は燃料ガスのマニホールドの役割により流動抵抗も小さく円滑に流動するため、仮にガス拡散層６の図３に示す幅（Ｗ）が図１で示す長さ（Ｌ）に比較して大きくなっていても、入口および出口のマニホールド７、８に通じた気体透過率が大きい領域１１、１２同士の間に配置されている気体透過率の小さい（図３での流路幅Ｗと流路長Ｌを備えた）領域１３を通過するに必要な圧損のみでよく、トータルでの圧損の上昇は有ったとしても極わずかに抑えることができる。
【００２９】
また、本例においても、ガス拡散層６の切欠きはないため、触媒電極層５とセパレ一タ１、２とがガス拡散層６により全面で導通され、燃料電池内の電気抵抗の増加を回避することができる。
【００３０】
さらに、発電面であるガス拡散層６の流路幅Ｗは、矢印Ｂの流れの幅となるため、このパターンを、図５に示すように、繰り返すことで拡大させることができる。また、個々の流路幅Ｗもガス拡散層６の入口および出口のマニホールド７、８間の間隔を大きくすることで拡大可能であり、発電面の面積を増加させても、燃料電池を扁平に形成する必要はない。燃料電池の形状が固定化されることがないので、燃料電池を車載する際の配置に制限が少なく、自由度が向上する。
【００３１】
ガス拡散層６の製造法としては、気体透過率が大きいカーボンペーパまたはカーボンクロス等の炭素繊維と気体透過率が小さいカーボンペーパまたはカーボンクロス等の炭素繊維をガス拡散層６の組立時に組み合わせることで形成することができる。この製造方法では２種類の炭素繊維を製造し、気体透過率の低い炭素繊維の切欠きに気体透過率の高い炭素繊維を挿入して合体させる必要がある。組立時に高度なハンドリングが必要で、製造コストも若干高くなる。
【００３２】
上記のごとく目的とする部位の気体透過率を他と異ならせる方法として、以下に記載する方法がある。
【００３３】
第１の方法としては、気体透過率の大きい領域１１、１２は、ガス拡散層６を構成する炭素繊維の数密度を、気体透過率が小さい領域１３の炭素繊維の数密度よりも小さくする方法である。
【００３４】
即ち、カーボンの短繊維を平面上に配置し、それを固めてガス拡散層６を製造する。そして、繊維を平面上に配置する際に、部位によって配置するカーボン短繊維の量を変えるようにする。気体透過率が相違する境界が若干凸凹するが、得られるガス拡散層６に差異はなく、製造可能である。そして、低コストで得ることができる。
【００３５】
第２の方法としては、気体透過率の大きい領域１１、１２は、ガス拡散層６を構成する炭素繊維の太さを、気体透過率が小さい領域１３の炭素繊維の太さよりも小さくする方法である。
【００３６】
即ち、ガス拡散層６として固める前段階の繊維を平面上に配置する際に、部位によって配置する繊維の太さを変えるようにする。気体透過率が相違する境界が若干凸凹するが、得られるガス拡散層６に差異はなく、製造可能である。そして、低コストで得ることができる。
【００３７】
第３の方法としては、図６に示すように、ガス拡散層６を構成する繊維の方向を燃料ガスが流れる方向に配置する方法である。繊維に方向性を持たせることで、繊維の数密度や径が一定でも流れ方向を制御することができる。
【００３８】
即ち、ガス拡散層６の気体透過率の小さい領域１３に配置する繊維の配置方向は、入口マニホールド７および出口マニホールド８に接する端面に沿う方向に繊維を配置する。他方、ガス拡散層６の気体透過率の大きい領域１１、１２に配置する繊維の配置方向は、入口マニホールド７および出口マニホールド８に接する端面に直交する方向に繊維を配置する。次いで、それを固めてガス拡散層６を製造する。このガス拡散層６においても、製造時にカーボン繊維の向きを揃えて平面上に配置することで製造可能であり、低コストで得ることができる。
【００３９】
入口マニホールド７の燃料ガスは、ガス拡散層６の端面に繊維端が露出している気体透過率の大きい領域１１の繊維に沿って、矢印Ａのように、ガス拡散層６に流入し、次いで、矢印Ｂのように、気体透過率の小さい領域１３に流れる。次いで、矢印Ｃのように、出口マニホールド８に繊維端が露出する気体透過率の大きい領域１２から出口マニホールド８に流出する。気体の透過率は、繊維の数密度や径を選択することで任意に調整することができる。
【００４０】
本実施形態においては、第１の実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００４１】
（ウ）ガス拡散層６を、相対的に気体透過率の小さい領域１３と相対的に気体透過率の大きい領域１１、１２とにより構成する。そして、気体透過率の大きい領域１１、１２は、入口マニホールド７に接する側面から出口マニホールド８に向けて延び且つ出口マニホールド８には到達しない領域１１と、出口マニホールド８に接する側面から入口マニホールド７に向けて延び且つ入口マニホールド７には到達しない領域１２とに交互に位置させ、残余の領域を気体透過率の小さい領域１３とするようにしている。
【００４２】
このため、気体透過率の小さい領域１３を入口マニホールド７と出口マニホールド８との間に縦長に配置して、入口マニホールド７と出口マニホールド８とを任意に離すことができ、燃料電池スタックが扁平になることを回避できる。
【００４３】
（エ）目的とする部位の気体透過率を他と異ならせる第１の方法では、ガス拡散層６を構成する繊維の数密度の大小により増減させ、それを固めて製造するため、ガス拡散層６を低コストで製造することができる。
【００４４】
（オ）目的とする部位の気体透過率を他と異ならせる第２の方法では、ガス拡散層６を構成する繊維の径の大小により増減させ、それを固めて製造するため、ガス拡散層６を低コストで製造できる。
【００４５】
（カ）目的とする部位の気体透過率を他と異ならせる第３の方法では、気体透過率の大きい領域１１、１２は入口マニホールド７または出口マニホールド８への側面に直交する方向に揃えて繊維を配列し、気体透過率の小さい領域１３は、側面に平行な方向に揃えて繊維を配列し、それを固めて製造するため、ガス拡散層６を低コストで製造でき、しかも、繊維の数密度や径を選択することで気体の透過率を任意に調整することができる。
【００４６】
なお、上記第１実施形態において、入口マニホールド７と出口マニホールド８との間を仕切るよう一条のガス拡散層６を配置するものについて説明しているが、図示しないが、例えば、二条のガス拡散層により３個のマニホールドに仕切り、両端のマニホールドを入口マニホールド（出口マニホールドでもよい）とし、中央のマニホールドを出口マニホールド（入口マニホールドでもよい）とすることで、圧損を低減しつつ発電能力を向上させることもできる。
【００４７】
また、上記第２実施形態において、燃料ガスが気体透過率の低い領域１３を通過する部分を、気体透過率の大きい領域１１、１２間に挟まれた部分に限定して説明しているが、図示しないが、気体透過率の大きい領域１１、１２の先端部分と出口マニホールド８または入口マニホールド７との間の気体透過率の低い領域１３においても燃料ガスを通過させるようにするものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池の単セルの一方のセパレータを取外した状態における平面図。
【図２】同じく単セルの断面図。
【図３】本発明の第２実施形態の燃料電池の単セルの一方のセパレータを取外した状態における要部の平面図。
【図４】図３のＤ−Ｄ線に沿う断面図。
【図５】図３の単セルへの適用例を示し、一方のセパレータを取外した状態における平面図。
【図６】図３の変形例を示す単セルの一方のセパレータを取外した状態における要部の平面図。
【符号の説明】
１、２　セパレータ
３　固体高分子電解質膜
５　触媒電極層
６　ガス拡散層
７　入口マニホールド
８　出口マニホールド
９　入口ポート
１０　出口ポート
１１、１２　気体透過率の大きい領域
１３　気体透過率の小さい領域
【図１】
2004047214.tif 000003
【図２】
2004047214.tif 000004
【図３】
2004047214.tif 000005
【図４】
2004047214.tif 000006
【図５】
2004047214.tif 000007
【図６】
2004047214.tif 000008