(57)【要約】【課題】発電効率ならびに出力密度を向上させることを課題とする。【解決手段】ガス導入溝１に連通するガス入口側流路３の隔壁を形成する流路両側のリブ８の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して上流側のリブ８ａの幅は、下流側のリブ８ｂの幅よりも狭く形成し、上流側のリブ８ａとガス拡散層６との間を通過するガスを、下流側のリブ８ｂとガス拡散層６との間を通過するガスに対して相対的に少なくして構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層を配し、前記触媒層の外面にガス拡散層を配し、かつ前記ガス拡散層の外面にガス導入溝とガス入口側流路、ならびにガス導出溝とガス出口側流路を形成したセパレータを配し、前記セパレータは、前記ガス導入溝に連通する前記ガス入口側流路と前記ガス導出溝に連通する前記ガス出口側流路とが前記ガス拡散層上で分離されて互いに連通しない櫛形流路構造を有する燃料電池において、
前記ガス導入溝に連通するガス入口側流路の隔壁を形成する流路両側のリブの内、前記ガス導出溝におけるガスの流れに対して上流側の前記リブを第１のリブとし、前記ガス導出溝におけるガスの流れに対して下流側の前記リブを第２のリブとし、前記第１のリブと前記ガス拡散層との間を通過するガスを、前記第２のリブと前記ガス拡散層との間を通過するガスに対して相対的に少なくした
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１のリブの幅は、前記第２のリブの幅よりも狭く形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１のリブの高さは、前記第２のリブの高さよりも高く形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１のリブは、前記ガス入口側流路におけるガスの流れに対して凹凸状に形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１のリブの側面は、テーパ状に形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１のリブに対向する領域の前記ガス拡散層のガス透過率は、前記第２のリブに対向する領域の前記ガス拡散層のガス透過率よりも小さい
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１のリブに対向する領域が封止されているガス拡散層である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第２のリブの幅は、前記ガス入口側流路と前記ガス出口側流路との圧力差が大きくなるほど広く形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２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、ガスの入口側流路とガスの出口側流路がガス拡散層により分離されて連通しない櫛形流路構造の燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の電気化学反応から電気エネルギーを取り出す燃料電池は、排出物が無害な水だけであることと高効率であることから、将来の自動車用の動力源としても注目されている．しかしながら、燃料電池を自動車に適用する場合には、車内の限られた空間に燃料電池を搭載する必要があることから、車両用の燃料電池には、高効率とともに高出力密度であることが要求される。
【０００３】
このような要求への対応策としては、例えば以下に示す文献に記載され技術が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術では、セパレータ内のガス流路に導入された全てのガスが、ガスを触媒層に供給して透過させるガス拡散層（ＧＤＬ）内を通過するようなガスの流路構造を採用している。
【０００４】
すなわち、図８に示すように、ガス入口８０からガス導入溝８１に導入されたガスは、ガス入口側流路８２に流れ込み、ガス入口側流路８２に流れ込んだガスは、セパレータ８３に接して設けられたガス拡散層を透過してガス出口側流路８４に流れ、ガス出口側流路８４に流れ込んだガスは、ガス導出溝８５を通ってガス出口８６に流れる。これにより、ガス拡散層内でのガス交換と、凝縮した生成水のガス拡散層内からの排出を促進させ、燃料電池スタックの出力を向上させている。
【０００５】
図９には、図８に示すようなガスの流路構造における、ガス導入溝、ガス導出溝内の静圧（図９（ａ））、ガス流路内のガス流量（図９（ｂ））を表している。図９において、ガス導入溝から各流路へのガス流量は、ガス導入溝始端近くのガス流路において比較的多くなる。また、ガス導入溝の終端近くでは、流れが遅くなり静圧が上昇するために、ガス導入溝から各流路へのガス流量が非常に多くなる。燃料電池のほとんどの運転条件において、ガスの流量は以上のような静圧分布になることから、流入側ガス流路と流出側ガス流路との圧力差は、ガス導入溝の終端側で小さくなる。なお、図９では、ガス導入溝内の圧力損失が大きいため、上流から下流に向けて圧力が低下している傾向を示しているが、ガス導入溝内の圧力損失が小さく、動圧損失の回復分が大きい場合には下流側の圧力が高くなる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１６５９１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、上述した文献に記載されているようなガス流路の構成を採用した従来の燃料電池において、ガス導入溝、ガス導出溝が狭い構成では、図９に示すように、特にガス導出溝側でガス入口からガス出口に向かって低下する圧力勾配が生じる。このような圧力勾配が生じることで、図９のＡ−Ａ線に沿った断面を表す図１０に矢印で示すように、ガス入口側流路８２の両隣にあるガス出口側流路８４の内、圧力が低い側のガス出口側流路８４にのみ、大部分のガスがガス拡散層を透過して流れ込んでしまう。
【０００８】
このため、圧力が高い側のセパレータのリブと高分子膜にはさまれた領域では、ほとんど反応が生じず、燃料電池の熱効率や出力密度が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電効率ならびに出力密度を向上させた燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、電解質膜の両面に触媒層を配し、前記触媒層の外面にガス拡散層を配し、かつ前記ガス拡散層の外面にガス導入溝とガス入口側流路、ならびにガス導出溝とガス出口側流路を形成したセパレータを配し、前記セパレータは、前記ガス導入溝に連通する前記ガス入口側流路と前記ガス導出溝に連通する前記ガス出口側流路とが前記ガス拡散層上で分離されて互いに連通しない櫛形流路構造を有する燃料電池において、前記ガス導入溝に連通するガス入口側流路の隔壁を形成する流路両側のリブの内、前記ガス導出溝におけるガスの流れに対して上流側の前記リブを第１のリブとし、前記ガス導出溝におけるガスの流れに対して下流側の前記リブを第２のリブとし、前記第１のリブと前記ガス拡散層との間を通過するガスを、前記第２のリブと前記ガス拡散層との間を通過するガスに対して相対的に少なくしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス拡散層内にほとんどガスが流入せず発電に寄与しない領域を縮小することが可能となり、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の一部断面構造を示す図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。この第１の実施形態の燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を配し、触媒層の外面にガス拡散層を配し、ガス拡散層の外面に、ガス導入溝とガス導入溝に連通するガス入口側流路、ならびにガス導出溝とガス導出溝に連通するガス出口側流路を形成したセパレータを配している。このセパレータは、ガス導入溝に連通するガス入口流路とガス導出溝に連通するガス出口流路とが、ガスを触媒層に供給して透過させるガス拡散層上で分離されて相互に連通しない、櫛形流路構造を備えている。
【００１４】
図１ならびに図２において、燃料電池は、電気化学反応させるガスを導入するガス導入溝１と未反応ガスを導出するガス導出溝２が設けられ、ガス導入溝１に連通するガス入口側流路３とガス導出溝２に連通するガス出口側流路４とが、隣接する燃料電池セルを電気的に接続するセパレータ５に櫛形状にかみ合わされて設けられている。セパレータ５のガス入口側流路３ならびにガス出口側流路４が設けられた一方面には、セパレータに接してガスを触媒層に拡散するガス拡散層６が設けられている。ガス拡散層６の他方面には、高分子膜７が設けられている。ガス拡散層６と高分子膜７との間には、非常に薄く図示していない触媒層が設けられている。
【００１５】
このような構成において、発電の燃料となるガス、あるいは酸化剤となるガスは、ガス導入溝１からガス入口側流路３に流入し、隣接するガス入口側流路３とガス出口側流路４との間を隔てる隔壁（以下、リブと記す）に接して設けられたガス拡散層６を通ってガス出口側流路４に流入し、ガス導出溝２から燃料電池セル外に流出する。
【００１６】
上記燃料電池において、ガス入口側流路３の両隣のリブ８（８ａ，８ｂ）の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して上流側のリブ８ａの幅（Ｄａ）が、下流側のリブ８ｂの幅（Ｄｂ）よりも狭く形成されている。これにより、図８に示す圧力勾配により、ガス入口側流路３に流れ込んだガスは、上流側のガス拡散層内にはほとんど流入することはなくなる。すなわち、ガスがほとんど流れず発電への寄与が少ない上流側の発電領域へ流入するガス量は抑制され、発電にほとんど寄与しない上流側の発電領域は、従来に比べて縮小されることになる。この結果、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。
【００１７】
図３は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面構造を示す図である。
【００１８】
図３において、この第２の実施形態の特徴とするところは、先の第１の実施形態の特徴に加えて、ガス入口側流路３の両隣のリブ８（８ａ，８ｂ）の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して上流側のリブ８ａの高さを、下流側のリブ８ｂの高さよりも高くなるように形成したことにある。
【００１９】
このような特徴を有することにより、第２の実施形態では、セパレータ５のリブ８に対向する領域のガス拡散層６が圧縮され、発電に寄与しない領域へ流入するガス量を抑制することができる。さらに、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。すなわち、同じ量のガスを増やすのであれば、発電に寄与しない程ガス量が低下した領域へ流入するガス量を再び増やすよりも、発電に寄与する領域へ流入するガス量を増やした方が、出力密度の向上により寄与することになる。
【００２０】
図４は本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の一部断面構造を示す図である。
【００２１】
図４において、この第３の実施形態の特徴とするところは、先の第１の実施形態の特徴に加えて、ガス入口側流路３の両隣のリブ８（８ａ，８ｂ）の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して上流側のリブ８ａを、ガス入口側流路３におけるガスの流れに対して凹凸状に形成したことにある。
【００２２】
このような特徴を有することにより、第３の実施形態では、リブ８ａの凹凸形状の補強効果で、セパレータ５におけるリブ８の強度の低下を防止することができる。さらに、発電に寄与しない領域の面積を縮小することが可能となり、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。
【００２３】
図５は本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の一部断面構造を示す図である。
【００２４】
図５において、この第４の実施形態の特徴とするところは、先の第１の実施形態の特徴に加えて、ガス入口側流路３の両隣のリブ８（８ａ，８ｂ）の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して上流側のリブ８ａの側面をテーパ形状に形成したことにある。
【００２５】
このような特徴を有することにより、第４の実施形態では、セパレータ５の製造コストを増加させずに、セパレータ５におけるリブ８の強度の低下を防止することができる。さらに、発電に寄与しない領域の面積を縮小することが可能となり、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。
【００２６】
図６は本発明の第５又は第６の実施形態に係る燃料電池の一部断面構造を示す図である。
【００２７】
図６において、この第５の実施形態の特徴とするところは、先の第１の実施形態の特徴に加えて、ガス入口側流路３の両隣のリブ８（８ａ，８ｂ）の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して上流側のリブ８ａに対向する領域９のガス拡散層６のガス透過率を、他の領域のガス拡散層６のガス透過率よりも小さくなるようにガス拡散層６を形成したことにある。このようなガス拡散層６は、製造工程においてカーボン繊維を平面上に配置する際に、当該領域９にカーボン繊維を数多く配置することで製造することが可能である。
【００２８】
このような特徴を有することにより、第５の実施形態では、発電に寄与しない領域へ流入するガス量を抑制することが可能となり、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。
【００２９】
一方、第６の実施形態の特徴とするところは、先の第１の実施形態の特徴に加えて、ガス入口側流路３の両隣のリブ８（８ａ，８ｂ）の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して上流側のリブ８ａに対向する領域９を封止したガス拡散層６を形成したことにある。このようなガス拡散層６は、当該領域９にシール材を塗布することで製造することが可能である。また、カーボン粒子を塗布することでも製造することが可能である。なお、多くは絶縁体であるシール材に対してカーボン粒子は導電性があるため、カーボン粒子を用いた場合には、ガス拡散層６の電気抵抗を抑制することができるので、カーボン粒子を使用することが望ましい。
【００３０】
このような特徴を有することにより、第６の実施形態では、発電に寄与しない領域へ流入するガス量を、先の第２の実施形態に比べてほぼ完全に抑制することが可能となる。さらに、先の第５の実施形態に比べて、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。
【００３１】
図７は本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の一部断面構造を示す図である。
【００３２】
図７において、この第７の実施形態の特徴とするところは、先の第１の実施形態の特徴に加えて、ガス入口側流路３の両隣のリブ８（８ａ，８ｂ）の内、ガス導出溝２におけるガスの流れに対して下流側のリブ８ｂの幅を、ガス導入溝１とガス導出溝２の圧力差が大きくなるほど広くなるなるように形成したことにある。
【００３３】
このような特徴を有することにより、第７の実施形態では、ガス拡散層６内の発電に寄与する領域により多くのガスを流すことが可能となり、燃料電池の発電効率と出力密度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図６】本発明の第５又は第６の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図８】従来の燃料電池の構成を示す図である。
【図９】ガス導入溝ならびにガス導出溝内のガスの静圧、ガス流路を流れるガスの流量を示す図である。
【図１０】図８のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。
【符号の説明】
１，８１…ガス導入溝
２，８５…ガス導出溝
３，８２…ガス入口側流路
４，８４…ガス出口側流路
５，８３…セパレータ
６…ガス拡散層
７…高分子膜
８（８ａ，８ｂ）…リブ
９…領域
８０…ガス入口
８６…ガス出口
【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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【図９】
2004296198.tif 000011
【図１０】
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