(57)【要約】【課題】発電に寄与しないガス拡散層の領域を縮小し、燃料電池の効率と出力密度を向上させる。【解決手段】電解質膜の両面に触媒層を配置するとともに、触媒層の外面にガス拡散層２３を配置し、さらにガス拡散層２３の外面にセパレータ２１を配置する。セパレータ２１は、ガス拡散層２３に接触するリブ２１ａ，２１ｂ相互間に、ガス導入口２５に連通するガス導入側流路２７および、ガス導出口２９に連通するガス導出側流路３１を備え、ガス導入側流路２７とガス導出側流路３１とが、ガス拡散層２３上で分離されて互いに連通しない構造となっている。セパレータ２１のリブ２１ａに対応するガス拡散層２３の領域におけるガス透過率を、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側（ガス拡散層２３ｂ）がガス導出口２９に近い側（ガス拡散層２３ａ）より高くなるよう設定する。【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置するとともに、この触媒層の外面にガス拡散層を配置し、さらにこのガス拡散層の外面に、ガス拡散層に接触するリブ相互間にガス流路を形成するセパレータを配置し、前記ガス流路が、ガス導入口に連通するガス導入側流路とガス導出口に連通するガス導出側流路とで、前記ガス拡散層上で分離されて互いに連通しない構造を備える燃料電池において、前記セパレータのリブに対応する前記ガス拡散層の領域におけるガス透過率を、前記ガス導入側流路に対し、前記ガス導入口に近い側が前記ガス導出口に近い側より高くなるよう設定したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータのリブに対応する領域の前記ガス拡散層は、前記ガス導入側流路に対し、前記ガス導入口に近い側が前記ガス導出口に近い側より、構成する繊維の本数が少なくなっ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】
前記セパレータのリブに対応する領域の前記ガス拡散層は、前記ガス導入側流路に対し、前記ガス導入口に近い側が前記ガス導出口に近い側より、構成する繊維の径が大きくなっ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４】
前記セパレータのリブに対応する領域の前記ガス拡散層は、前記ガス導入側流路に対し、前記ガス導入口に近い側が前記ガス導出口に近い側より、構成する繊維の中でガスの流れ方向を向く繊維の割合が多くなっ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５】
前記セパレータのリブに対応する領域の前記ガス拡散層は、前記ガス導入側流路に対し、前記ガス導出口に近い側が前記ガス導入口に近い側より、厚さが薄くなっていることを特徴する請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータのリブに対応する領域の前記ガス拡散層は、前記ガス導出口に近い側の一部を封止したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガス導入口に連通するガス導入側流路は、前記ガス導入口から導入するガスを受け入れる導入側主流路と、この導入側主流路のガス流れ方向に沿って複数分岐する導入側分岐流路とをそれぞれ有する櫛形流路を構成し、前記ガス導出口に連通するガス導出側流路は、前記ガス導出口にガスを導出させる導出側主流路と、前記導入側分岐流路に対し交互に配置されて前記導出側主流路のガス流れ方向に沿って複数分岐する導出側分岐流路とをそれぞれ有する櫛形流路を構成し、前記セパレータのリブに対応する領域の前記ガス拡散層におけるガス透過率を、前記ガス導入側流路の導入側分岐流路に対し、前記ガス導入口に近い側が前記ガス導出口に近い側より高くなるよう設定したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜の両面に触媒層を配置するとともに、この触媒層の外面にガス拡散層を配置し、さらにこのガス拡散層の外面に、ガス拡散層に接触するリブ相互間にガス流路を形成する溝を備えたセパレータを配置し、前記ガス流路が、ガス導入口に連通するガス導入側流路とガス導出口に連通するガス導出側流路とで、前記ガス拡散層上で分離されて互いに連通しない構造を備える燃料電池に関する。
【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。
【０００３】
ところで、このような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搭載する必要があることから、高効率かつ高出力密度であることが要求される。
【０００４】
以上のような要求への対応策として、例えば特許文献１のように、ガス拡散層に対面するセパレータ内ガス流路に導入される全てのガスが、ガス拡散層内を通過するような流路構造とし、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させることで、燃料電池の出力向上を図るものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６５９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３（ａ）は、上記したガス拡散層に対面するセパレータ内ガス流路の形状を示す模式的な平面図で、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿うセパレータ１およびガス拡散層３の断面図である。図３（ａ）に示すように、このガス流路形状は、ガス導入口５に連通するガス導入側流路７と、ガス導出口９に連通するガス導出側流路１１とが、ガス拡散層３上で分離されて互いに連通しない構造となっている。
【０００７】
上記したガス導入側流路７は、ガス導入口５から導入するガスを受け入れる導入側主流路１３と、導入側主流路１３から分岐する複数の導入側分岐流路１５とを有し、ガス導出側流路１１は、ガス導出口９にガスを導出する導出側主流路１７と、導出側主流路１７から分岐する複数の導出側分岐流路１９とを有する。
【０００８】
このような構造のガス流路では、ガス導入口５からガス導出口９に向かうに従って、ガスが消費されることから低下して行く圧力勾配が生じるため、導入側分岐流路１５の両隣にある導出側分岐流路１９のうち、圧力が低くなっているガス導出口９に近い側に、矢印Ｂで示すように、大部分のガスが、セパレータ１のリブ１ａに対応するガス拡散層３ａの領域を通過して流れ込んでしまう。このため、圧力が高い側のセパレータ１のリブ１ａに対応するガス拡散層３ｂの領域では、ほとんど反応が生じないため、熱効率や出力密度が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
そこで、この発明は、発電に寄与しないガス拡散層の領域を縮小し、燃料電池の効率と出力密度を向上させることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、電解質膜の両面に触媒層を配置するとともに、この触媒層の外面にガス拡散層を配置し、さらにこのガス拡散層の外面に、ガス拡散層に接触するリブ相互間にガス流路を形成するセパレータを配置し、前記ガス流路が、ガス導入口に連通するガス導入側流路とガス導出口に連通するガス導出側流路とで、前記ガス拡散層上で分離されて互いに連通しない構造を備える燃料電池において、前記セパレータのリブに対応する前記ガス拡散層の領域におけるガス透過率を、前記ガス導入側流路に対し、前記ガス導入口に近い側が前記ガス導出口に近い側より高くなるよう設定した構成としてある。
【００１１】
【発明の効果】
この発明によれば、セパレータのリブに対応するガス拡散層の領域におけるガス透過率を、ガス導入側流路に対し、ガス導入口に近い側がガス導出口に近い側より高くなるよう設定したので、ガス拡散層内にほとんどガスが流入せずに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、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１３】
図１（ａ）は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池のガス拡散層に対面するセパレータ内ガス流路の形状を示す模式的な平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＣ−Ｃ線に沿うセパレータ２１およびガス拡散層２３の断面図である。実際には、上記したガス拡散層２３のセパレータ２１と反対側に、図示していないが、触媒層，電解質膜を順に配置し、この電解質膜を中心として、図１（ｂ）中で上下対称な断面構造となる。
【００１４】
すなわち、この燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を配置するとともに、この触媒層の外面にガス拡散層２３を配置し、さらにこのガス拡散層２３の外面に、ガス拡散層２３に接触するリブ２１ａ，２１ｂ相互間にガス流路を形成するセパレータ２１を配置している。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、この燃料電池におけるガス流路形状は、図３に示した従来のものと同様に、ガス導入口２５に連通するガス導入側流路２７と、ガス導出口２９に連通するガス導出側流路３１とが、ガス拡散層２３上で分離されて互いに連通しない構造となっている。
【００１６】
上記したガス導入側流路２７は、ガス導入口２５から導入するガスを受け入れる導入側主流路３３と、導入側主流路３３のガス流れ方向に沿って複数分岐する導入側分岐流路３５とをそれぞれ有する櫛形流路を構成している。またガス導出側流路３１は、ガス導出口２９にガスを導出させる導出側主流路３７と、前記導入側分岐流路３５に対し交互に配置されて導出側主流路３７のガス流れ方向に沿って複数分岐する導出側分岐流路３９とをそれぞれ有する櫛形流路を構成している。
【００１７】
セパレータ２１は、上記したガス導入側流路２７およびガス導出側流路３１を、ガス拡散層２３との間で形成すべく、蛇行するリブ２１ａおよび、このリブ２１ａの図１（ａ）中で上下両側に位置する直線状のリブ２１ｂをそれぞれ備える。これら各リブ２１ａ，２１ｂは、その先端がガス拡散層２３に接触する。
【００１８】
ここで、従来例でも説明したように、このようなガス流路形状を備えた燃料電池では、ガス導入口２５からガス導出口２９に向かうに従って、ガスが消費されることから低下して行く圧力勾配が生じる傾向にある。
【００１９】
そこで、第１の実施形態では、セパレータ２１のリブ２１ａに対応するガス拡散層２３の領域におけるガス透過率を、ガス導入側流路２７の導入側分岐通路３５に対し、ガス導入口２５に近い側（ガス拡散層２３ｂ）がガス導出口２９に近い側（ガス拡散層２３ａ）に対して高くなるよう設定する。具体的には、互いに異なるガス透過率を備えるガス拡散層２３ａとガス拡散層２３ｂとを交互に配置し、これらを互いに接合させる。
【００２０】
すなわち、高圧側のガス拡散層２３ｂのガス流れ抵抗を小さくする一方、低圧側のガス拡散層２３ａのガス流れ抵抗を大きくし、これにより、導入側分岐流路３５を流れるガスを、高圧側のガス拡散層２３ｂおよび低圧側のガス拡散層２３ａに対し、矢印ＤおよびＥに示すように均等に透過させて、両隣の導出側分岐流路３９に均等に流れ込ませる。
【００２１】
この結果、高圧側のセパレータ２１のリブ２１ａに対応するガス拡散層２３ｂの領域においても、低圧側のセパレータ２１のリブ２１ａに対応するガス拡散層２３ａの領域と同様に反応が生じ、発電に寄与しないガス拡散層２３の領域が縮小し、燃料電池の熱効率や出力密度を向上させることができる。
【００２２】
第２の実施形態では、ガス拡散層２３を構成する繊維の本数を、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂが、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａより少なくなるようにする点が第１の実施形態と異なる。これにより、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂのガス透過率が、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａのガス透過率より高くなる。
【００２３】
この実施形態では、互いに異なるガス透過率を有するガス拡散層２３ａ，２３ｂ相互を接合せずに、一つの連続したガス拡散層２３における一部の繊維の本数を異ならせているので、ガス拡散層２３ａとガス拡散層２３ｂとの間でガス流れの圧力損失の発生を抑制することができる。このため、第１の実施形態に対し、熱効率や出力密度をさらに向上させることができる。
【００２４】
第３の実施形態では、ガス拡散層２３を構成する繊維の径を、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂが、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａより大きくなるようにする点が第１の実施形態と異なる。これにより、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂのガス透過率が、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａのガス透過率より高くなる。
【００２５】
この実施形態においても、第２の実施形態と同様に、互いに異なるガス透過率を有するガス拡散層２３ａ，２３ｂ相互を接合せずに、一つの連続したガス拡散層２３における一部の繊維の径を異ならせているので、ガス拡散層２３ａとガス拡散層２３ｂとの間でガス流れの圧力損失の発生を抑制することができる。このため、第１の実施形態に対し、熱効率や出力密度をさらに向上させることができる。
【００２６】
第４の実施形態では、ガス拡散層２３を構成する繊維の中でガスの流れ方向を向く繊維の割合を、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂが、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａより多くなるようにする点が第１の実施形態と異なる。これにより、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂのガス透過率が、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａのガス透過率より高くなる。
【００２７】
この実施形態においても、第２の実施形態と同様に、互いに異なるガス透過率を有するガス拡散層２３ａ，２３ｂ相互を接合せずに、一つの連続したガス拡散層２３における一部の繊維の向きを異ならせているので、ガス拡散層２３ａとガス拡散層２３ｂとの間でガス流れの圧力損失の発生を抑制することができる。このため、第１の実施形態に対し、熱効率や出力密度をさらに向上させることができる。
【００２８】
図２は、この発明の第５の実施形態を示す、前記図１（ｂ）に対応する断面図である。この実施形態は、導入側分岐流路３５に対し、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａを、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂより薄くしている点が第１の実施形態と異なる。これにより、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂのガス透過率が、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａのガス透過率より高くなる。
【００２９】
ガス拡散層２３の厚さは、製造時に積層する繊維の量を調整することで容易に変化させることができる。このため、この実施形態においては、前記した第１〜第４の各実施形態に比べて製造コストを抑制しつつ、発電に寄与しないガス拡散層２３の領域が縮小し、燃料電池の熱効率や出力密度を向上させることができる。
【００３０】
第６の実施形態では、ガス拡散層２３ａ，２３ｂのガス透過率を異ならせるために、導入側分岐流路３５に対し、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａに入り込むガスの流量を制御するように、ガス拡散層２３ａの一部にシール剤を塗布するなどして封止する点が第１の実施形態と異なる。これにより、導入側分岐流路３５に対し、ガス導入口２５に近い側のガス拡散層２３ｂのガス透過率が、ガス導出口２９に近い側のガス拡散層２３ａのガス透過率より高くなる。
【００３１】
上記したシール剤を塗布する範囲を制御することは容易であり、燃料電池各部の寸法制約なしに、発電に寄与しないガス拡散層２３の領域を縮小することが可能であり、燃料電池の熱効率や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】（ａ）はこの発明の第１の実施形態に係わる燃料電池のガス拡散層に対面するセパレータ内ガス流路の形状を示す模式的な平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿うセパレータおよびガス拡散層の断面図である。
【図２】この発明の第５の実施形態を示す、図１（ｂ）に対応する断面図である。
【図３】（ａ）は従来例を示すガス拡散層に対面するセパレータ内ガス流路の形状を示す模式的な平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿うセパレータおよびガス拡散層の断面図である。
【符号の説明】
２１  セパレータ
２１ａ  セパレータのリブ
２３  ガス拡散層
２３ａ  ガス透過率が低いガス拡散層
２３ｂ  ガス透過率が高いガス拡散層
２５  ガス導入口
２７  ガス導入側流路
２９  ガス導出口
３１  ガス導出側流路
３３  導入側主流路
３５  導入側分岐流路
３７  導出側主流路
３９  導出側分岐流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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