(57)【要約】【課題】ガスのショートカットを確実に防止して発電効率を更に向上させることができる上、低コスト化を図った燃料電池セルを提供する。【解決手段】ガス拡散層４を、膜電極接合体３の外側表面に、ガス流路６の鏡面対称形状に設け、ＭＥＡ３の外側にセパレータ２を配置した際、ガス流路６内に収納可能とする。そして、燃料電池セルの組み立て状態においては、セパレータ２の内側表面と膜電極接合体３の外側表面とが当接状態となるようにする。該構成とすることで、従来の如くセパレータ２の内側表面にガス拡散層４による隙間が形成されないため、蛇行状に設けられたガス流路６の隣接する上下流路間でガスがショートカットする事態を確実に防止することができ、ガスの利用率の向上、すなわち発電効率の向上を図ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を電極及び触媒層からなる一対の膜電極接合体の内側で挟持する一方、各前記膜電極接合体の外側にガス拡散層を設けるとともに、内側表面にガス流路を設けたセパレータを前記膜電極接合体の外側に配置してなる燃料電池セルであって、
前記セパレータを前記膜電極接合体の外側に配置した際、前記ガス拡散層が前記ガス流路内に収納されるように、前記ガス拡散層を設けたことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
膜電極接合体の外側に、ガス拡散層をガス流路の鏡面対称形状に設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
左右方向に長尺な複数の並行溝と、該並行溝同士を連結する折返し部とからなる蛇行状のガス流路を有するセパレータを備えた燃料電池セルにあって、
膜電極接合体の外側に、前記ガス流路の並行溝部分に対応した直線状にガス拡散層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池セルにおいて、発電効率をより向上させるべく種々の考案がなされており、たとえば特許文献１に開示されているようなものが考案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６８０４２号公報
【０００４】
ここで、特許文献１に開示されている燃料電池セルについて、図４を基に説明する。図４（ａ）は燃料電池セル４１の断面を示した説明図であり、図４（ｂ）はセパレータ４２を模式的に示した説明図、図４（ｃ）はガス拡散層４３を拡大して示した説明図である。
燃料電池セル４１は、夫々ガス拡散層４３及び触媒層４４で構成される燃料電極４５と酸化剤電極４６とにより電解質膜４７を挟持し、ガス拡散層４３、４３の外側に、凹溝状のガス流路４８が蛇行状に設けられたセパレータ４２、４２を配置してなるものである。
【０００５】
各ガス拡散層４３は、カーボンクロスを、左右方向となるＡ方向よりも上下方向となるＢ方向で密となるように編んでなるものであって、Ａ方向がセパレータ４２の左右方向と平行となるような姿勢で各セパレータ４２の表面に取り付けられている。尚、４９は、ガス流路４８内へガスを供給する供給孔であり、５０は、ガス流路４８内のガスを排出するための排出孔５０である。
そして、燃料電池セル４１では、上述の如きガス拡散層４３を用いて、Ｂ方向に平行な方向でのガス透過率を低減させることにより、ガスのショートカット（上下に隣接する流路間でガスがショートカットする事態）を防止し、ガスの利用率、ひいては発電効率の向上を図っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池セル４１では、どれだけＢ方向に密なガス拡散層４３を用いたところで、セパレータ４２表面にガス拡散層４３を取り付ける以上、セパレータ４２表面とガス拡散層４３との間に隙間が生じる。したがって、該隙間を介して（すなわち、ガス拡散層４３を利用して）上下に隣接する流路間でガスがショートカットしてしまうため、ガスの利用率の点で依然改善の余地を残していると言える。
また、ガス拡散層４３を形成する上で、Ｂ方向を密にし過ぎると、Ａ方向への透過率まで悪化させてしまうことから、上下に隣接する流路間の幅に応じて、適切な密度を設定しなければならない。すなわち、セパレータ４２に設けられたガス流路４８の形状に応じて、ガス拡散層４３のＡ方向及びＢ方向密度を個々に設定しなければならない。したがって、非常に煩わしい上、燃料電池セルのコストアップの要因にもなる。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、ガスのショートカットを確実に防止して発電効率を更に向上させることができる上、低コスト化を図った燃料電池セルを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、電解質膜を電極及び触媒層からなる一対の膜電極接合体の内側で挟持する一方、各前記膜電極接合体の外側にガス拡散層を設けるとともに、内側表面にガス流路を設けたセパレータを前記膜電極接合体の外側に配置してなる燃料電池セルであって、前記セパレータを前記膜電極接合体の外側に配置した際、前記ガス拡散層が前記ガス流路内に収納されるように、前記ガス拡散層を設けたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、膜電極接合体の外側に、ガス拡散層をガス流路の鏡面対称形状に設けたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１の発明において、左右方向に長尺な複数の並行溝と、該並行溝同士を連結する折返し部とからなる蛇行状のガス流路を有するセパレータを備えた燃料電池セルにあって、膜電極接合体の外側に、前記ガス流路の並行溝部分に対応した直線状にガス拡散層を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セパレータを膜電極接合体の外側に配置した際、ガス拡散層がガス流路内に収納されるように、膜電極接合体の外側にガス拡散層を設けているため、燃料電池セルの組み立て状態において、セパレータの内側表面は膜電極接合体の外側表面と当接することになる。したがって、従来の如くセパレータの内側表面にガス拡散層による隙間が形成されないため、ガス流路内を流下するガスが、セパレータの表面上を通って流路間をショートカットするといった事態を確実に防止することができ、ガスの利用率、すなわち発電効率を向上させることができる。また、ガス拡散層をガス流路内に収納可能に設けるため、セパレータの内側表面の全面に亘ってガス拡散層を設けるような従来の構成と比較して、使用するガス拡散層の量が少ない。したがって、ガス拡散層を設けた膜電極接合体を従来よりも安価なものとすることができ、ひいては燃料電池セルの製造コストを低減することができる。さらに、ガス拡散層は、ガス流路内に収納可能な大きさに形成されていれば良く、繊維の縦方向又は横方向の密度等に何ら限定されない（すなわち、網目密度等において本発明特有のガス拡散層を利用するわけではない）。したがって、既に市場に出回っているガス拡散層を転用することができ、使い勝手が良い。
また、請求項２に記載の発明によれば、膜電極接合体の外側に、ガス拡散層をガス流路の鏡面対称形状に設けている。したがって、ガス流路内を流下するガスを、ガス拡散層により非常に効率良く透過させて拡散させることが可能であり、発電効率を非常に良いものとすることができる。
一方、請求項３に記載の発明によれば、蛇行状のガス流路を有するセパレータを用いる場合、膜電極接合体の外側にガス拡散層を直線状に設けている。したがって、膜電極接合体の外側へのガス拡散層の位置決め及び設置作業が非常に容易であり、膜電極接合体の更なる低コスト化、ひいては燃料電池セルの更なる低コスト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】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態となる燃料電池セルについて図面を基に説明する。
【００１１】
図１は、燃料電池セル１の断面を示した説明図である。また、図２（ａ）は、膜電極接合体３とセパレータ２との対応関係を示した説明図であり、図２（ｂ）は、膜電極接合体３の外側にセパレータ２を配置した状態を示した説明図である。
燃料電池セル１は、電解質膜５と、電極及び触媒層からなる膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称す）３、３と、該ＭＥＡ３、３の外側表面に設けられたガス拡散層４、４と、ＭＥＡ３、３の外側に配置されるセパレータ２とからなる。尚、１０は、後述するガス流路６内へ供給されるガスの漏洩を防止するために取り付けられた漏洩防止シール材である。
【００１２】
各セパレータ２は、導電性を有する材料により形成されたものであって、その内側表面には、凹溝状のガス流路６が蛇行状に設けられている。ガス流路６の一端には、ガス流路６内へガスを供給するための供給孔８が穿設されている一方、ガス流路６の他端には、ガス流路６内のガスを排出するための排出孔９が穿設されている。
また、各ガス拡散層４は、導電性を有する繊維（たとえば、カーボンクロス）により形成されたものである。該ガス拡散層４は、ＭＥＡ３の外側表面に、ガス流路６の鏡面対称形状に設けられており、ＭＥＡ３の外側にセパレータ２を配置した際、ガス流路６内に収納可能となっている。
【００１３】
そして、燃料電池セル１は、電解質膜５をＭＥＡ３、３にて挟持する（ガス拡散層４が設けられている側を外に向けた状態で）とともに、ＭＥＡ３、３の外側に、ガス拡散層４をガス流路６内に収納した状態でセパレータ２、２を配置して組み立てられる。すなわち、図１に示す如く、セパレータ２の内側表面にはＭＥＡ３の外側表面が当接している。
【００１４】
以上のように構成される燃料電池セル１によれば、ガス拡散層４をガス流路６内に収納した状態でセパレータ２が組み付けられており、セパレータ２の内側表面にＭＥＡ３の外側表面が当接した状態となっている。したがって、従来の如くセパレータ２の内側表面にガス拡散層４による隙間が形成されないため、蛇行状に設けられたガス流路６の隣接する上下流路間でガスがショートカットする事態を確実に防止することができ、ガスの利用率の向上、すなわち発電効率の向上を図ることができる。
【００１５】
また、ガス拡散層４は、ガス流路６内に収納可能な大きさに形成されていれば良く、繊維の縦方向又は横方向の密度等に何ら限定されない（すなわち、網目密度等において本発明特有のガス拡散層４を利用するわけではない）ため、従来より市場に出回っているガス拡散層用の製品を使用することができ、使い勝手が良い。
【００１６】
さらに、セパレータ２の内側表面の全面に亘ってガス拡散層４を設けるような従来の構成と比較して、使用するガス拡散層４の量が少ない。したがって、ガス拡散層４付きＭＥＡ３を従来よりも安価なものとすることができ、ひいては燃料電池セル１の製造コストを低減することができる。
【００１７】
なお、本発明の燃料電池セルに係る構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、セパレータ、ガス流路、及びガス拡散層等に係る構成ついて、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更することができる。
【００１８】
たとえば、上記実施の形態では、ＭＥＡの外側表面に、セパレータのガス流路と鏡面対称形状にガス拡散層を設けているが、図３に示すような直線状のガス拡散層４’とすることも可能である。つまり、ガス流路内に収納されるのであれば、ガス拡散層をガス流路と同形状（鏡面対称形状を含む）に設ける必要はない。尚、ガス拡散層を設置しない部分が発生することによって発電効率の悪化が懸念されるのであれば、ガス拡散層を設置しない部分の面積が、ガス拡散層が設置されて化学反応が活発に起きている部分と比較して無視できる程度の面積とすればよい。
【００１９】
ここで、直線状に設けられたガス拡散層４’を有する燃料電池セル１について、図３を基に説明する。図３（ａ）は、ＭＥＡ３’とセパレータ２との対応関係を示した説明図であり、図３（ｂ）は、ＭＥＡ３’の外側にセパレータ２を配置した状態を示した説明図である。
セパレータ２は、上記実施の形態に記載のセパレータ２と同様の構成を有するものであって、その内側表面には左右方向に長尺な並行溝と、該並行溝同士を連結する折返し部とからなる蛇行状のガス流路６が設けられている。一方、ＭＥＡ３’は、上記実施の形態に記載のＭＥＡ３と略同様の構成を有するものであるが、ＭＥＡ３とは異なり、その外側表面には、直線状のガス拡散層４’が設けられている。該ガス拡散層４’は、ガス流路６の並行溝と対応するように設けられており、ＭＥＡ３’の外側にセパレータ２を配置すると、図３（ｂ）に示す如く、ガス流路６の並行溝内に収納される。
【００２０】
このようにガス拡散層を直線状に設けることで、ＭＥＡの表面に蛇行状のガス拡散層を設ける場合と比較して、ガス拡散層の位置決めや設置作業が容易となる。したがって、ＭＥＡの製造コスト、ひいては燃料電池セルの製造コストの一層低減を期待することができる。また、ガス流路においてガス拡散層の設置されていない部分が存在するものの、該部分の面積が他の設置面積と比較して無視できる程度に小さければ、ガスの利用率、発電効率に影響を及ぼすこともない。
【００２１】
一方、セパレータに設けるガス流路の形状も、上記実施の形態に記載の形状に何ら限定されることはなくて適宜変更可能であるし、１つのセパレータに複数のガス流路を設けることも当然可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】燃料電池セルの断面を示した説明図である。
【図２】（ａ）は、ＭＥＡとセパレータとの対応関係を示した説明図であり、（ｂ）は、ＭＥＡの外側にセパレータを配置した状態を示した説明図である。
【図３】（ａ）は、変更例のＭＥＡとセパレータとの対応関係を示した説明図であり、（ｂ）は、変更例のＭＥＡの外側にセパレータを配置した状態を示した説明図である。
【図４】（ａ）は従来の燃料電池セルの断面を示した説明図であり、（ｂ）は従来のセパレータを模式的に示した説明図、（ｃ）は従来のガス拡散層を拡大して示した説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１・・燃料電池セル、２・・セパレータ、３、３’・・ＭＥＡ、４、４’・・ガス拡散層、５・・電解質膜、６・・ガス流路、８・・供給孔、９・・排出孔、１０・・漏洩防止シール材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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