(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの高分子膜の面方向または積層方向について高温傾向となる中央付近のガス流路を流れる反応ガス流量が、水蒸気分圧等のばらつきによって少なくなることに原因して拡散性が低下し、特に高電流密度やガスの高利用率などの運転条件において電流密度分布が不均一となって燃料電池の性能が低下する。【解決手段】酸化剤ガスセパレータ１ｂに設けた酸化剤ガス流路４ｂを、セパレータ面内の端方から中央にかけてその断面積を大きくする。このような流路断面積分布により、中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下することを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子膜の両側に燃料極および酸化剤極に相当する２枚のガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路と前記膜電極複合体に接して集電機能を果たすリブ部とを有するセパレータと、を備えた単位電池を複数個積層した構造を有する燃料電池において、
前記単位電池の面内には同じ単位電池の面内における他の領域に比べて燃料極および酸化剤極のうち少なくとも何れかのガス拡散電極内におけるガスの拡散が良好となるような拡散促進手段が設けられ、かつ前記拡散促進手段は単位電池の膜電極複合体の面内における中央付近に重なる位置に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
高分子膜の両側に燃料極および酸化剤極に相当する２枚のガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路と前記膜電極複合体に接して集電機能を果たすリブ部とを有するセパレータと、を備えた単位電池を複数個積層した構造を有する燃料電池において、
前記単位電池の面内には同じ単位電池の面内における他の領域に比べて燃料極および酸化剤極のうち少なくとも何れかのガス拡散電極内におけるガスの拡散が良好となるような拡散促進手段が設けられ、かつ前記単位電池には冷媒が流れるための冷媒流路を有する冷却板を備えており、前記拡散促進手段は前記冷媒流路における冷媒出口付近に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記拡散促進手段として、ガス流路の断面積の大きいセパレータを備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記拡散促進手段として、リブ部の幅の小さいセパレータを備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記拡散促進手段として、気孔率の大きいガス拡散電極を備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料ガスおよび酸化剤ガスのうち少なくとも何れかについて、その拡散促進手段の下流側に第２の拡散促進手段が設けられている請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料電池。
【請求項７】
高分子膜の両側に燃料極および酸化剤極に相当する２枚のガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路と前記膜電極複合体に接して集電機能を果たすリブ部とを有するセパレータと、を備えた単位電池を複数個積層した構造を有する燃料電池において、
前記燃料電池の積層方向における中央付近に位置する単位電池には、同じ燃料電池の積層方向における他の領域に比べてガス拡散電極内のガスの拡散が良好となるような拡散促進手段が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
前記拡散促進手段として、ガス流路の断面積の大きいセパレータを備える請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記拡散促進手段として、リブ部の幅の小さいセパレータを備える請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記拡散促進手段として、気孔率の大きいガス拡散電極を備える請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記単位電池の面内における拡散促進手段と、前記燃料電池の積層方向における拡散促進手段を共に備えた請求項１から請求項１０の何れかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記ガス拡散電極は、その基板に塗布するカーボンを含む混合物の量を小とすることで気孔率を大きくしてある請求項５または請求項１０に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の性能を向上させるには、単位セルの面内で電流密度分布を一様にすることが重要である。また、単位セルを複数積層したスタックにおいて各セルの電圧を均一にすることは固体高分子型燃料電池の性能向上に不可欠である。
【０００３】
単位セルの面内において電流密度分布を均一にする手段として、例えば特許文献１に示されるように、燃料ガス側セパレータのリブ幅を燃料ガスの下流側で細くするといった手段が提案されている。また、水素を利用する燃料ガス側に比べて酸素を利用する酸化剤ガス側の方が反応ガスの拡散性は悪いために、特許文献２に示されるように、酸化剤ガス側セパレータのリブ幅を燃料ガス側のリブ幅に比べて細くするといった構成が提案されている。
【０００４】
また、特許文献３に開示された燃料電池では、単位セル面内の燃料ガスや酸化剤ガスの濃度分布によりガス入口側における電流密度が大きくなることにより生じる温度分布の均一化を図るため、電極に接するセパレータの突起部分の仕様を変えることにより冷却効率を変化させ、面内温度分布を均一化する工夫がなされている。
【特許文献１】特開平9-50817号公報
【特許文献２】特開平8-203546号公報
【特許文献３】特開平9-82344号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１または特許文献２のものにおいては、燃料ガス側セパレータに流れる燃料ガスの上流と下流における水素ガス濃度差に起因する電流密度分布に関しては均一化されるが、セル面内の温度差に伴う質量流量分布に起因する電流密度分布に関しては均一化されない。すなわち、セル面内のガス配流分布は圧力分布から決定する体積流量分布であり、セル面内の高温領域では供給ガスの体積が増加するために質量流量が低減するので、ガス拡散不良あるいはガス濃度差に伴う電流密度分布の不均一を招く。また、セル面内だけでなく単位セルを複数積層した燃料電池スタックにおいても、その積層方向におけるガス配流分布は、同様に積層方向の単位セル温度分布により質量流量に差が生じてしまうので、単位セルごとの電圧分布に差が生じるという問題があった。
【０００６】
また、特許文献３のものは、電流密度が高くなり温度が高くなる反応ガス入口付近の冷却効率を向上させるものであるが、ガス入口付近はもともと反応ガス濃度が高いために問題にはならず、むしろ温度分布によって単位電池面内やスタック内部における反応ガス配流が変化することにより、配流された反応ガス流量が少ない領域では局所的にその付近における電極での電気化学反応が鈍り、全体としてセル性能やスタック（積層体）としての性能が低下するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池スタックを構成する単位電池の面内に、同じ単位電池の面内における他の領域に比べて燃料極および酸化剤極のうち少なくとも何れかのガス拡散電極内におけるガスの拡散が良好となるような拡散促進手段を設ける。前記拡散促進手段は、各単位電池の膜電極複合体の面内における中央付近に重なる位置に設け、または燃料電池スタックの積層方向における中央付近に位置する単位電池に設けるものとする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池スタックの高分子膜の面方向または積層方向について高温傾向となる中央付近のガス流路を流れる反応ガス流量が体積膨張率や水蒸気分圧の差によって少なくなることに原因して拡散性が低下し、その近傍の電極における電気化学反応が鈍り単位電池性能が低下するという不都合を回避することができ、従って単位電池性能が向上し、特に高電流密度やガスの高利用率などの運転条件において電流密度分布の均一化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明のいくつかの実施形態につき図面を用いて説明する。
【００１０】
［第１の実施形態］（請求項１，３の発明に相当）
図１に本発明の第1の実施形態に係る燃料電池に適用する酸化剤ガスセパレータの構成を示す。セパレータ１ｂは導電性のあるカーボン樹脂複合材で製作されており、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒をそれぞれ燃料電池の積層方向に流通させるための流路として、燃料ガスマニホールド２ａ、３ａ、酸化剤ガスマニホールド２ｂ、３ｂ、冷媒マニホールド２ｃ，３ｃを形成する貫通孔が設けてある。それぞれのマニホールドは、流体供給用あるいは流体排出用のマニホールドである。酸化剤ガスセパレータ１ｂには、酸化剤ガス供給マニホールド２ｂから分岐し酸化剤ガス排出マニホールド３ｂに至る酸化剤ガス流路４ｂが設けてある。酸化剤ガス流路４ｂは複数設けてあり、酸化剤ガス流路４ｂの間はその断面が凸状で酸化剤ガス拡散電極（図示せず）に接触して集電機能を果たす酸化剤ガス側リブ部５ｂとなっている。複数存在する酸化剤ガス流路４ｂは、セパレータ面内の端部に存在するものから中央に存在するものにかけてその幅が徐々に広くなっている。
【００１１】
本実施形態では、酸化剤ガス流路４ｂの幅を徐々に広くする構成としたが、数本の流路ずつ段階的に広くした構成としてもよい。また、前記の通り酸化剤ガス流路４ｂの幅を変化させた目的は流路の断面積を大きくすることであるので、流路の幅に限らず深さを変化させたものとしてもよい。さらに、酸化剤ガス側に限らず燃料ガス側に関して同様の構成を適用してもよい。
【００１２】
前記構成において、酸化剤ガスセパレータ１ｂに設けた酸化剤ガス流路４ｂは、前述の通りセパレータ面内の端方から中央にかけてその断面積を広げているので、セル面内の温度が均一な条件であれば、セパレータ中央付近に存在する酸化剤ガス流路の方が酸化剤ガスは流れやすくなる。実際は、特に高電流密度領域においてはセル面内の温度分布が均一でなく反応熱が放熱しにくい中央付近の温度が高くなり、体積膨張率や飽和水蒸気分圧の違いによりガスの面内温度差により中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように設定した流路断面積分布により、中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下することを防止できる。
【００１３】
したがって、セル面内の中央付近に関して、反応ガスの質量流量低下に伴う電流密度分布を引き起こすことがなくなり、高電流密度など拡散律速になりやすい運転条件でも安定して高性能を発揮する燃料電池が得られる。
【００１４】
［第２の実施形態］（請求項１，４の発明に相当）
図２に本発明の第２の実施形態に係る燃料電池に適用する酸化剤ガスセパレータの構成を示す。なお、以下の各実施形態に関する図面において前記第１の実施形態との対応部分には同一の符号を付して示すこととする。本実施形態に係る酸化剤ガスセパレータ６ｂは導電性のあるカーボン樹脂複合材で製作されており、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒をそれぞれ燃料電池の積層方向に流通させるための燃料ガスマニホールド２ａ、３ａ、酸化剤ガスマニホールド２ｂ，３ｂ、冷媒マニホールド２ｃ，３ｃを形成する貫通孔が設けてある。それぞれのマニホールドは、流体供給用あるいは流体排出用のマニホールドである。酸化剤ガスセパレータ６ｂには、酸化剤ガス供給マニホールド２ｂから分岐し酸化剤ガス排出マニホールド３ｂに至る酸化剤ガス流路４ｂが設けてある。酸化剤ガス流路４ｂは複数設けてあり、酸化剤ガス流路４ｂの間はその断面が凸状で酸化剤ガス拡散電極（図示せず）に接触して集電機能を果たす酸化剤ガス側リブ部５ｂとなっている。複数存在する酸化剤ガス側のリブ部５ｂは、図中のセパレータ面内の下方に存在するものから上方に存在するものにかけてその幅が段階的に狭くなっている。
【００１５】
本実施形態では、酸化剤ガス側のリブ部５ｂの幅を段階的に狭くしたが、1本のリブ部毎に徐々に狭くなように形成してもよい。さらに、酸化剤ガス側に限らず燃料ガス側に関して同様の構成を適用してもよい。また、リブ部の幅を狭くするだけでなくリブ部を格子状に形成するなど酸化剤ガス拡散電極と接するリブ部の面積を減らす構成としてもよい。
【００１６】
次に、本実施形態に適用する冷媒セパレータの構成を図３に示す。冷媒セパレータ６ｃは、図２に示した酸化剤ガスセパレータ６ｂの裏面側に相当する。冷媒は、冷媒入口マニホールド２ｃから冷媒流路４ｃに導かれ、冷媒排出マニホールド３ｃから燃料電池外部に排出される。図２に示す酸化剤ガスセパレータ６ｂのリブ部５ｂが細い領域（図２の上方）の裏面は、冷媒流路４ｃの下流に相応する。冷媒流路４ｃの下流は、運転時において冷媒並びに酸化剤ガス拡散電極の温度が最も高くなる領域であり、その領域の裏側の酸化剤ガスセパレータ６ｂにおけるリブ部５ｂの幅が狭い。
【００１７】
前記構成において、酸化剤ガスセパレータ６ｂに設けた酸化剤ガスリブ部５ｂは、前述の通りセパレータ面内の下方から上方にかけてその幅を狭くしている。また、冷媒の温度が最も高くなる冷媒流路４ｃの下流も、酸化剤ガスセパレータ６ｂの裏面である冷媒セパレータ６ｃの上方に位置する。特に高電流密度領域においてはセル面内の温度分布が均一でなく冷媒流路４ｃの下流域の温度が高くなり、ガスの面内温度差により体積膨張率や飽和水蒸気分圧の違いが生じて酸化剤ガスセパレータ６ｂの上方を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように酸化剤ガスセパレータ６ｂ上方のリブ部５ｂの幅を狭くすることにより、ガス拡散電極でリブ部５ｂと接触する電極部分への反応ガスの拡散性を向上させることができるので、酸化剤ガスの質量流量が低下しても反応ガスの拡散性の低下を招くことがなくなる。
【００１８】
したがって、セル面内の高温領域に関して、反応ガスの質量流量低下に伴う電流密度分布を引き起こすことがなくなり、高電流密度など拡散律速になりやすい運転条件でも安定して高性能を発揮する燃料電池が得られる。
【００１９】
［第３の実施形態］（請求項２，５，１２の発明に相当）
図４に本発明の第３の実施形態に係る燃料電池に適用する酸化剤ガス拡散電極の構成を示す。酸化剤ガス拡散電極７ｂの基本構造は、白金触媒を担持したカーボン粉末と電解質溶液の混合物をカーボンペーパーの表面に塗布したものである。酸化剤ガス拡散電極の外形は、およそ酸化剤ガスセパレータ（図示せず）に設けられたガス流路の範囲と同等である。ここで、カーボンペーパー表面に白金触媒を担持したカーボン粉末と電解質溶液の混合物を塗布する前に、予めカーボンペーパー表面の一部にはカーボンとテフロンの混合物を塗布する。図示したように、カーボンとテフロンの混合物を塗布しない領域Ａは酸化剤ガス拡散電極７ｂの上方領域に相当し、後述するように冷媒セパレータ６ｃにおける冷媒流路４ｂの下流側で最も温度が高くなる領域に重なる。
【００２０】
この酸化剤ガス拡散電極７ｂを使用した膜電極複合体（図示せず）、燃料ガスセパレータ（図示せず）、図５に示す酸化剤ガスセパレータ８ｂ、並びに酸化剤ガスセパレータ８ｂの裏面に位置するように図３に示した冷媒セパレータ６ｃを適用して単位電池を構成する。この場合の酸化剤ガスセパレータ８ｂにおけるガス流路４ｂの幅やリブ部５ｂの幅は、第１の実施形態や第２の実施形態に記したようなセパレータ面内での分布上の偏りを設定しなくてもよい。また、本実施形態は酸化剤ガス拡散電極７ｂについて言及したが、燃料ガス拡散電極７ａについて同様の構成を適用してもよい。
【００２１】
図４に示した酸化剤ガス拡散電極７ｂにおいて、カーボンとテフロンの混合物を塗布しないカーボンペーパーのみの領域（図中の上方部）は、塗布した領域に比べて厚さ方向の平均気孔率が大きいので、酸化剤ガスの拡散性に優れる。また、冷媒の温度が最も高くなる冷媒流路下流域は、酸化剤ガスセパレータ８ｂの裏面である冷媒セパレータ６ｃの上方に位置する。特に高電流密度領域においてはセル面内の温度分布が均一でなく冷媒流路下流域の温度が高くなり、ガスの面内温度差により体積膨張率や水蒸気分圧の差が生じて酸化剤ガスセパレータ８ｂの上方を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように酸化剤ガスセパレータ８ｂに接触して隣り合う酸化剤ガス拡散電極７ｂの上方部の平均気孔率を大きくすることにより、酸化剤ガスの質量流量が低下しても反応ガスの拡散性の低下を招くことがなくなる。
【００２２】
したがって、質量流量低下に伴う電流密度分布を引き起こすことがなくなり、高電流密度など拡散律速になりやすい運転条件でも安定して高性能を発揮する燃料電池が得られる。
【００２３】
［第４の実施形態］（請求項２，３，４の発明に相当）
図６に本発明の第４の実施形態に係る燃料電池に適用する酸化剤ガスセパレータの構成を示す。このセパレータ９ｂは導電性のあるカーボン樹脂複合材で製作されており、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒をそれぞれ燃料電池の積層方向に流通させるための燃料ガスマニホールド２ａ，３ａ、酸化剤ガスマニホールド２ｂ，３ｂ、冷媒マニホールド２ｃ，３ｃを形成する貫通孔が設けてある。それぞれのマニホールドは、流体供給用あるいは流体排出用のマニホールドである。酸化剤ガスセパレータ９ｂには、酸化剤ガス供給マニホールド２ｂから分岐し酸化剤ガス排出マニホールド３ｂに至る酸化剤ガス流路４ｂが設けてある。酸化剤ガス流路４ｂは複数設けてあり、酸化剤ガス流路４ｂの間はその断面が凸状で酸化剤ガス拡散電極（図示せず）に接触して集電機能を果たす酸化剤ガス側リブ部５ｂとなっている。複数存在する酸化剤ガス流路４ｂは、セパレータ面内の端部に存在するものから中央に存在するものにかけてその幅が段階的に広くなっていることに加え、それぞれの酸化剤ガス流路４ｂの下流において、ガス流路４ｂの幅が広くリブ部５ｂの幅が狭くなっている。
【００２４】
本実施形態では、酸化剤ガス流路４ｂの幅を段階的に広くしたが、1本の流路毎に徐々に広くするようにしてもよい。また、前述の通り酸化剤ガス流路４ｂの幅を変化させた目的は流路の断面積を大きくすることにあるので、流路の幅に限らず深さを変化させたものとしてもよい。また、酸化剤ガス流路４ｂの下流においては上述のようにリブ部５ｂの幅を狭くするガス拡散促手段を設けたが、リブ部５ｂの幅を狭くするだけでなくリブ部５ｂを格子状に形成するなど酸化剤ガス拡散電極と接するリブ部５ｂの面積を減らす構成としてもよい。さらに、酸化剤ガス側に限らず燃料ガス側に関して同様の構成を適用してもよい。
【００２５】
前記構成において、酸化剤ガスセパレータ９ｂに設けた酸化剤ガス流路４ｂは、前述の通りセパレータ面内の端部から中央にかけてその断面積を広げてあるので、セル面内の温度が均一な条件であれば、セパレータ中央付近に存在する酸化剤ガス流路４ｂの方が酸化剤ガスは流れやすくなる。実際は、特に高電流密度領域においてはセル面内の温度分布が均一でなく反応熱が放熱しにくい中央付近の温度が高くなり、ガスの面内温度差により体積膨張率や水蒸気分圧の差が生じて中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように流路断面積分布を設定しているので中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下することを防止できる。さらに、電極反応により酸化剤ガス中の酸化剤ガス濃度が低下する下流域においてリブ部５ｂの幅を狭くしているので、ガス拡散電極でリブ部５ｂと接触する電極部分への反応ガスの拡散性を向上させることができる。
【００２６】
したがって、セル面内の中央付近に関して、質量流量低下に伴う電流密度分布を引き起こすことがなく、また反応ガスの下流域においても濃度低下による電流密度分布を引き起こすことがなくなるので、高電流密度や反応ガスの高利用率の運転など拡散律速になりやすい運転条件でも安定して高性能を発揮する燃料電池が得られる。
【００２７】
［第５の実施形態］（請求項７，８の発明に相当）
図７に本発明の第５の実施形態に係る燃料電池（スタック）の構成を示す。燃料電池１０は、膜電極複合体と燃料ガスセパレータ、裏面に冷媒流路を設けた酸化剤ガスセパレータから構成される単位電池（セル）１１を複数個積層した構造となっており、両端部には集電機能も兼ねたエンドプレート１２が位置する。この燃料電池１０のうち並設積層方向の中央付近に位置する複数の単位セル（図７の濃灰色部）に用いる酸化剤ガスセパレータは、その平面図が第３の実施形態で使用した図５に示す酸化剤セパレータ８ｂとし、酸化剤ガス流路４ｂの深さが例えば0.50mmである。また、他の積層位置（図７の薄灰色部）に用いる酸化剤ガスセパレータの構成も同様に図５に示す酸化剤セパレータ８ｂであるが、ただしその酸化剤ガス流路４ｂの深さは比較的浅く、例えば0.45mmとする。
【００２８】
本実施形態では、燃料電池１０の積層位置に応じて酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス流路の深さを変化させたが、酸化剤ガス流路の断面積を変化させるようにしてもよい。また、本実施形態では燃料電池１０の積層方向のうち中央部分に位置する複数の単位電池１１とその他の部分に位置する単位電池１１との間でステップ的に酸化剤ガス流路の深さを変化させたが、燃料電池１０の積層方向に関して端部から中央部分に位置するにつれて徐々に酸化剤ガス流路深さを深くする構成としてもよい。さらに、本構成を酸化剤ガス側でなく燃料ガス側に適用してもよい。
【００２９】
前記構成において、単位電池１１の酸化剤ガスセパレータに設けた酸化剤ガス流路は、前記の通り燃料電池１０の積層方向に関して端部よりも中央部でその深さを増しているので、燃料電池１０の積層方向における温度分布が均一であれば、燃料電池１０の中央付近に位置する単位電池１１の酸化剤ガスセパレータの方が他の積層位置に存在する単位電池１１の酸化剤ガスセパレータよりも酸化剤ガスは流れやすくなる。実際は、特に高電流密度領域においては積層方向における温度分布が均一でなく放熱しにくい中央付近に位置する単位電池１１の温度が高くなり、その温度差により体積膨張率や水蒸気分圧の差が生じて中央付近に位置する単位電池１１の酸化剤ガスセパレータを流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように酸化剤ガス流路深さに固有の分布を設定ているので中央付近の単位電池１１を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下することを防止できる。
【００３０】
したがって、燃料電池積層方向の中央付近に位置する単位電池１１に関して、質量流量低下に起因するセル電圧低下を招くことがなくなり、特に高電流密度など拡散律速になりやすい運転条件でもセル電圧分布が均一で、安定して高性能を発揮する燃料電池が得られる。
【００３１】
［第6の実施形態］（請求項７,９の発明に相当）
本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の基本的な構成は、図７に示した第５の実施形態で用いた燃料電池（スタック）と同様である。ただし本実施形態の燃料電池１０は、積層方向の中央付近に位置する複数の単位電池１１（図７の濃灰色部）に用いる酸化剤ガスセパレータ１３ｂの構成に特徴を有する。他の積層位置（図７の薄灰色部）に用いる酸化剤ガスセパレータの構成は図５に示した酸化剤セパレータ８ｂと同様である。
【００３２】
本実施形態において前記積層方向の中央部に適用する酸化剤セパレータ１３ｂの構成を図８に示す。図８と図５の酸化剤ガスセパレータの違いは、図５のものに比べて図８の酸化剤ガスセパレータ１３ｂは、酸化剤ガス流路４ｂ並びにリブ部５ｂの幅を狭く設定してある。酸化剤ガス流路４ｂの深さは共に同じであり、1枚の酸化剤ガスセパレータの面内に存在する全ての酸化剤ガス流路４ａの合計断面積は、図８および図５に関して同じである。本実施形態では積層方向のうち中央部分に位置する複数の単位電池１１とその他の部分に位置する単位電池１１との間でステップ的に酸化剤ガスセパレータの構成を異なったものとしているが、燃料電池スタックの積層方向に関して端部から中央部分に位置するにつれて徐々に酸化剤ガスセパレータの構成を前述のように変化させた構成としてもよい。さらに、本実施形態の構成を酸化剤ガス側でなく燃料ガス側に適用してもよい。
【００３３】
前記構成において、単位電池１１の酸化剤ガスセパレータ１３ｂに設けたリブ部５ｂは、前述の通り燃料電池の積層方向に関して端部よりも中央部でリブ部５ｂの幅を狭くしており、かつ各セパレータにおける酸化剤ガス流路４ｂの合計断面積は同等としてあるので、燃料電池１０の積層方向における温度分布が均一であれば、積層方向における酸化剤ガスの配流分布はおよそ均一となる。実際は、特に高電流密度領域においては積層方向における温度分布が均一でなく放熱しにくい中央付近に位置する単位電池１１の温度が高くなり、その温度差により体積膨張率や水蒸気分圧の差が生じて中央付近に位置する単位電池１１の酸化剤ガスセパレータ１３ｂを流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように酸化剤ガスセパレータ１３のリブ部５ｂの幅に固有の分布を設定しているので、中央付近の単位電池１１を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下してもガス拡散性の低下を招くことがなくなる。
【００３４】
したがって、燃料電池積層方向の中央付近に位置する単位電池１１に関して、質量流量低下に起因するセル電圧低下を招くことがなくなり、特に高電流密度など拡散律速になりやすい運転条件でもセル電圧分布が均一で、高性能を安定して発揮する燃料電池が得られる。
【００３５】
［第7の実施形態］（請求項７，１０の発明に相当）
本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の基本的な構成は、図８に示した第５の実施形態で用いた燃料電池（スタック）と同様である。ただし本実施形態の燃料電池１０は、積層方向の中央付近に位置する複数の単位電池１１（図７の濃灰色部）と、端部側に位置する複数の単位電池１１（図７の薄灰色部）とで、酸化剤ガス拡散電極１４ｂの構成を各々異なるものとした点を特徴する。
【００３６】
それぞれの酸化剤ガス拡散電極１４ｂは、カーボンペーパーを基板としたその表面に塗布されたカーボンとテフロンの混合物の塗布厚さが互いに異なる。すなわち中央部側単位電池１１のガス拡散電極１４ｂは、端部側単位電池１１のものに比較して前記混合物の塗布厚さが薄い。その上から塗布された触媒層の仕様は何れも同じである。また、使用する酸化剤ガスセパレータの構成は図５に示したものと同様である。
【００３７】
本実施形態では並設積層方向のうち中央部分に位置する複数の単位電池１１とその他の部分に位置する単位電池１１との間でステップ的に酸化剤ガス拡散電極の構成を変化させているが、燃料電池１０の積層方向に関して端部から中央部分に位置するにつれて徐々に酸化剤ガス拡散電極の構成を前述のように変化させるものとしてもよい。また、本実施形態では混合物の厚さを変えることによりガス拡散電極の気孔率を変えているが、例えば積層方向の中央付近に使用するガス拡散電極には前記混合物を塗布しないなど前記とは別の手法でガス拡散電極１４ｂの気孔率を変えるようにしてもよい。さらに、本実施形態の構成を酸化剤ガス側でなく燃料ガス側に適用してもよい。
【００３８】
前記構成において、単位電池１１の酸化剤ガス拡散電極は、前述の通り燃料電池１０の積層方向に関して端部よりも中央部でその気孔率を小さくしてある。また、各酸化剤ガスセパレータの構成は同じであるので、燃料電池１０の積層方向における温度分布が均一であれば、燃料電池１０の積層方向における酸化剤ガスの配流分布はおよそ均一となる。実際は、特に高電流密度領域においては積層方向における温度分布が均一でなく放熱しにくい中央付近に位置する単位電池１１の温度が高くなり、その温度差により体積膨張率や水蒸気分圧の差が生じて中央付近に位置する単位電池１１の酸化剤ガスセパレータを流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように酸化剤ガス拡散電極の気孔率に分布を設けているので中央付近の単位電池１１を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下してもガス拡散性の低下を招くことがなくなる。
【００３９】
本実施形態によれば、燃料電池積層方向の中央付近に位置する単位電池１１に関して、質量流量低下に起因するセル電圧低下を招くことがなくなり、特に高電流密度など拡散律速になりやすい運転条件でもセル電圧分布が均一で、高性能を安定した発揮する燃料電池が得られる。
【００４０】
［第8の実施形態］（請求項１１の発明に相当）
本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の基本的構成は、図７に示した第５の実施形態で用いた燃料電池（スタック）と同様である。ただし本実施形態の燃料電池１０は、その積層方向の中央付近に位置する複数の単位電池（図７の濃灰色部）に用いる酸化剤ガスセパレータの構成は図６に示した第４の実施形態で使用したセパレータ９ｂと同様とし、その酸化剤ガス流路４ｂの深さは例えば0.50mmとする。また、端部側に位置する単位電池１１（図７の薄灰色部）に用いる酸化剤ガスセパレータの構成も図６に示す酸化剤ガスセパレータ９ｂと同様であるが、ただしその酸化剤ガス流路４ｂの深さは比較的浅く0.45mmとする。これらは共に、酸化剤ガス流路４ｂの下流においてガス流路４ｂの幅が広くリブ部５ｂの幅が狭くなっている。
【００４１】
本実施形態では、第４の実施形態で記載したような酸化剤ガスセパレータ面内におけるガス流路幅やリブ部に固有の分布を設定することにより面内におけるガス拡散性に偏りを持たせているが、ガス流路形状やリブ形状を変えることに限らず、面内においてガス拡散性に偏りを生じうる手段であれば他の構成であってもよい。また、本実施形態では積層方向のうち中央部分に位置する複数の単位電池１１とその他の部分に位置する単位電池１１との間でステップ的に酸化剤ガスセパレータの構成を異なるものとしてあるが、燃料電池１０の積層方向に関して端部から中央部分に位置するにつれて徐々に酸化剤ガスセパレータの構成を変化させるようにしたものでもよい。さらに、本実施形態の構成を酸化剤ガス側でなく燃料ガス側に適用しても構わない。
【００４２】
前記構成において、酸化剤ガスセパレータ９ｂに設けた酸化剤ガス流路４ｂは、前述の通りセパレータ面内の端方から中央にかけてその断面積を広げているので、セル面内の温度が均一な条件であれば、セパレータ中央付近に存在する酸化剤ガス流路の方が酸化剤ガスは流れやすくなる。実際は、特に高電流密度領域においてはセル面内の温度分布が均一でなく放熱しにくい中央付近の温度が高くなり、ガスの面内温度差により体積膨張率や水蒸気分圧の差が生じて中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように流路断面積に固有の分布を設定してあるので、中央付近を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下することを防止できる。さらに、電極反応により酸化剤ガス中の酸化剤ガス濃度が低下する下流域においてリブ部５ｂの幅を狭くしているので、ガス拡散電極でリブ部５ｂと接触する電極部分への反応ガスの拡散性を向上させることができる。
【００４３】
また、上記のようなセル面内におけるガス拡散性に固有の分布を設定した酸化剤ガスセパレータ９ｂに設けた酸化剤ガス流路４ｂは、前述の通り燃料電池１０の積層方向に関して端部よりも中央部でその深さを増しているので、燃料電池１０の積層方向における温度分布が均一であれば、燃料電池１０の中央付近に位置する単位電池１１の酸化剤ガスセパレータ９ｂの方が他の積層位置に存在する酸化剤ガスセパレータ９ｂよりも酸化剤ガスは流れやすくなる。実際は、特に高電流密度領域においては積層方向における温度分布が均一でなく放熱しにくい中央付近に位置する単位電池１１の温度が高くなり、その温度差により中央付近に位置する単位電池１１の酸化剤ガスセパレータを流れる酸化剤ガスの質量流量が低下するが、前述のように酸化剤ガス流路深さに固有の分布を設定してあるので、中央付近の単位電池１１を流れる酸化剤ガスの質量流量が低下することを防止できる。
【００４４】
したがって、セル面内の中央付近に関して、質量流量低下に伴う電流密度分布を引き起こすことがなく、また反応ガスの下流域においても濃度低下による電流密度分布を引き起こすことがなくなり、さらに燃料電池積層方向の中央付近に位置する単位電池１１に関して、質量流量低下に起因するセル電圧低下を招くことがなくなるので、高電流密度や反応ガスの高利用率の運転など拡散律速になりやすい運転条件でも安定して高性能を発揮する燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による燃料電池の第1の実施形態に使用する酸化剤ガスセパレータの平面図。
【図２】本発明による燃料電池の第２の実施形態に使用する酸化剤ガスセパレータの平面図。
【図３】本発明による燃料電池の第２の実施形態に使用する冷媒セパレータの平面図。
【図４】本発明による燃料電池の第３の実施形態に使用する酸化剤ガス拡散電極の平面図。
【図５】本発明による燃料電池の第３の実施形態に使用する酸化剤ガスセパレータの平面図。
【図６】本発明による燃料電池の第４の実施形態に使用する酸化剤ガスセパレータの平面図。
【図７】本発明による燃料電池の第５の実施形態の側面図。
【図８】本発明による燃料電池の第６の実施形態に使用する酸化剤ガスセパレータの平面図。
【符号の説明】
【００４６】
1a・・・燃料ガスセパレータ
1b・・・酸化剤ガスセパレータ
1c・・・冷媒セパレータ
2a・・・燃料ガス入口マニホールド
2b・・・酸化剤ガス入口マニホールド
2c・・・冷媒入口マニホールド
3a・・・燃料ガス出口マニホールド
3b・・・酸化剤ガス出口マニホールド
3c・・・冷媒出口マニホールド
4a・・・燃料ガス流路
4b・・・酸化剤ガス流路
4c・・・冷媒流路
5a・・・燃料ガス側リブ部
5b・・・酸化剤ガス側リブ部
5c・・・冷媒側リブ部
6a・・・燃料ガスセパレータ
6b・・・酸化剤ガスセパレータ
6c・・・冷媒セパレータ
7a・・・燃料ガス拡散電極
7b・・・酸化剤ガス拡散電極
8a・・・燃料ガスセパレータ
8b・・・酸化剤ガスセパレータ
8c・・・冷媒セパレータ
9a・・・燃料ガスセパレータ
9b・・・酸化剤ガスセパレータ
9c・・・冷媒セパレータ
10・・・燃料電池
11・・・単位電池（セル）
12・・・エンドプレート
13a・・・燃料ガスセパレータ
13b・・・酸化剤ガスセパレータ
13c・・・冷媒セパレータ
【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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