(57)【要約】【課題】燃料電池の高温作動時における発電性能を向上する。【解決手段】膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２のアノード側に配置されアノード側のガス拡散層１６と、膜電極接合体１２のカソード側に配置されるカソード側のガス拡散層１７と、カソード側のガス拡散層１７に対向して設けられ、酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するカソード側セパレータ２１とを積層して備え、アノード側のガス拡散層１６は、前記酸化ガス流路の入口部付近と積層方向において対応する第１のガス拡散層部１６ａと、前記酸化ガスの流れ方向において第１のガス拡散層部１６ａより下流側に位置する第２のガス拡散層部１６ｂとを有し、第１のガス拡散層部１６ａの厚さ方向の熱抵抗が、第２のガス拡散層部１６ｂの厚さ方向の熱抵抗よりも小さい、燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の各面にアノードとカソードとを配した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるカソード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層に対向して設けられ、酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するカソード側セパレータと
を積層して備え、
前記アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方は、前記酸化ガス流路の入口部付近と積層方向において対応する第１の領域と、前記酸化ガスの流れ方向において前記第１の領域より下流側に位置する第２の領域とを有し、
前記第１の領域の厚さ方向の熱抵抗が、前記第２の領域の厚さ方向の熱抵抗よりも小さい、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記アノード側ガス拡散層に対向して設けられ、前記酸化ガス流路における前記酸化ガスの流れの方向と対向する方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路を形成するアノード側セパレータを備え、
前記第１の領域は、前記アノード側ガス拡散層における前記燃料ガス流路の出口部付近と積層方向において対応する領域である、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記第１の領域は、
前記アノード側ガス拡散層における、前記燃料ガス流路の出口部と対応する端部から、前記アノード側ガス拡散層の前記燃料ガスの流れ方向の長さの２５％以下の地点までの領域である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１の領域と前記第２の領域とは、
同一の厚さであり、かつ、材料を換えることで厚さ方向の熱抵抗を相違するものとした、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電気化学反応によりカソード側に水（生成水）が発生する。固体高分子型燃料電池のように、比較的低温で運転される燃料電池では、生成水などの水分管理が一つの重要な技術テーマとなっている。例えば、過剰な水分は燃料電池のフラッディングを引き起こし、水分の不足は電解質膜の乾燥による発電性能の低下を引き起こす。
【０００３】
乾燥を防ぐ技術の一つとして、アノードガスが流動するアノード側多孔体の熱抵抗を、カソードガスが流動するカソード側多孔体の熱抵抗よりも小さくする技術が知られている（特許文献１）。上記技術では、カソード側からアノード側へ向かう熱流の量を増大することができ、この結果、カソード側からアノード側への水分の移動を促進することができ、乾きやすいアノード側の乾燥を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９３８０９号公報
【特許文献２】特開２００９−６４６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、前記水分の移動の促進を図ったとしても、特に乾燥し易い、アノード側多孔体における下流域についての水分量を十分に増やすことができなかった。このため、燃料電池の高温作動時において、燃料電池の発電性能が低下するおそれがあった。なお、このような問題は、固体高分子型燃料電池に限らず、燃料電池全般に共通する課題であった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の高温作動時における発電性能を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］  燃料電池であって、
電解質膜の各面にアノードとカソードとを配した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるカソード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層に対向して設けられ、酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するカソード側セパレータと
を積層して備え、
前記アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方は、前記酸化ガス流路の入口部付近と積層方向において対応する第１の領域と、前記酸化ガスの流れ方向において前記第１の領域より下流側に位置する第２の領域とを有し、
前記第１の領域の厚さ方向の熱抵抗が、前記第２の領域の厚さ方向の熱抵抗よりも小さい、燃料電池。
【０００９】
一般に、燃料電池においては、電解質膜の面方向でみたとき、酸化ガスが流入する酸化ガス入口部付近と積層方向において対応する部位が特に乾燥しやすい。適用例１に係る燃料電池によれば、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方における、前記酸化ガスの入口部付近と積層方向において対応する第１の領域についての厚さ方向の熱抵抗が小さくなっている。このために、乾燥しやすい前記部位では、電解質膜の温度が下がることで飽和水蒸気量が低くなり、電解質膜近傍の相対湿度を高めることができる。したがって、電解質膜の乾燥を防ぐことができ、燃料電池の高温作動時における発電性能を向上することができる。
【００１０】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池であって、前記アノード側ガス拡散層に対向して設けられ、前記酸化ガス流路における前記酸化ガスの流れの方向と対向する方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路を形成するアノード側セパレータを備え、前記第１の領域は、前記アノード側ガス拡散層における前記燃料ガス流路の出口部付近と積層方向において対応する領域である、燃料電池。
【００１１】
適用例２に係る燃料電池によれば、燃料ガスと酸化ガスとが対向流で流通する。この場合に、前述した乾燥しやすい部位は、燃料ガス流路の出口部付近と積層方向において対応する領域となる。この領域が第１の領域であり、熱抵抗が小さくなっていることから、ガス流量が少なく最も乾燥し易い燃料ガス流路出口部付近の乾燥を防ぐことが可能となる。
【００１２】
［適用例３］  適用例２に記載の燃料電池であって、前記第１の領域は、前記アノード側ガス拡散層における、前記燃料ガス流路の出口部と対応する端部から、前記アノード側ガス拡散層の前記燃料ガスの流れ方向の長さの２５％以下の地点までの領域である、燃料電池。
【００１３】
適用例３に係る燃料電池によれば、燃料ガスの相対湿度が低下する燃料ガスの流れ方向の位置に第１の領域を定めることができることから、電解質膜の乾燥をより防止することができる。
【００１４】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、前記第１の領域と前記第２の領域とは、同一の厚さであり、かつ、材料を換えることで厚さ方向の熱抵抗を相違するものとした、燃料電池。
【００１５】
適用例４に係る燃料電池によれば、第１の領域と第２の領域とが同一の厚さであることから、ガスの流れを低下させることなく、厚さ方向の熱抵抗の差を出すことができる。
【００１６】
本発明は、上記適用例のほか、種々の形態にて実現され得る。例えば、本発明は、上記適用例に係る燃料電池を含む燃料電池システム、上記適用例に係る燃料電池を搭載した車両などの装置発明として実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池を構成する単セル１０の概略構成を表す説明図である。
【図２】第１のガス拡散層部１６ａと第２のガス拡散層部１６ｂとの拡大断面を示す説明図である。
【図３】アノード側ガス拡散層の熱抵抗と電解質膜−セパレータ間の熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】アノード側ガス拡散層の熱抵抗と電解質膜の温度差−セパレータ間の熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図５】単セル１０の発電性能を示すグラフである。
【図６】セル内燃料ガス流路２２における燃料ガスの入口部から出口部までの各位置における燃料ガスの相対湿度を示すグラフである。
【図７】ガス拡散層の熱抵抗を調整する他の手法を示す説明図である。
【図８】ガス拡散層の熱抵抗を調整する他の手法を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施例としての燃料電池を構成する単セル１１０の概略構成を表す説明図である。
【図１０】本発明の第３実施例としての燃料電池を構成する単セル２１０の概略構成を表す説明図である。
【図１１】本発明の第４実施例としての燃料電池を構成する単セル３１０の概略構成を表す説明図である。
【図１２】本発明の第５実施例としての燃料電池を構成する単セル４１０の概略構成を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施態様に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１９】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池を構成する単セル１０の概略構成を表す説明図である。図１（ａ）は単セル１０の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セル１０を複数積層したスタック構造を有している。図１（ｂ）に示すように、単セル１０は、電解質を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１２と、ＭＥＡ１２を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層１６，１７と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するセパレータ２０，２１とを、順次積層することによって形成されている。図１（ｂ）における上下方向、すなわち、各部の積層方向を、以下、単に「積層方向」と呼ぶ。
【００２０】
ＭＥＡ１２は、電解質膜１３と、電解質膜１３を間に挟んでその表面に形成された電極であるアノード（燃料極）１４およびカソード（酸素極）１５を備えている。電解質膜１３は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。アノード１４およびカソード１５は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。アノード１４およびカソード１５を形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加して、触媒ペーストを作製すればよい。この触媒ペーストを、電解質膜１３上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、アノード１４およびカソード１５を形成することができる。
【００２１】
ガス拡散層１６，１７は、ガス透過性および導電性を有する部材によって構成されている。本実施例では、ガス拡散層１６，１７は、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン多孔質部材によって形成されている。ガス拡散層１６，１７を設けることによって、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、セパレータ２０，２１と電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜１３を保護することができる。アノード１４側のガス拡散層１６の構成は、本発明の要部に対応しており、後にさらに詳しく説明する。なお、ガス拡散層１６，１７は、カーボン多孔質部材に換えて、チタンやステンレスなどの金属多孔質材等の他の導電性多孔質部材により形成する構成としてもよい。
【００２２】
セパレータ２０，２１は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な薄板状部材である。セパレータ２０，２１は、単セル１０内にガス拡散層１６，１７に対向して設けられ、反応ガス（水素を含有する燃料ガス、あるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、単セル１０内のガス流路を形成するための凹凸（溝）形状が形成されている。単セル１０内では、溝が形成されたセパレータ２０の一方の面とアノード１４との間には、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路２２が形成される。また、溝が形成されたセパレータ２１の一方の面とカソード１５との間には、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路２３が形成される。
【００２３】
なお、セパレータ２０，２１は、それぞれ、一方の面にセル内燃料ガス流路２２あるいはセル内酸化ガス流路２３が形成された部材である。隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ２１と、他方の単セルが備えるセパレータ２０とは接合あるいは一体化している。
【００２４】
セパレータ２０，２１は、その外周近くの互いに対応する位置に、対となる孔部（図示せず）を備えている。この対となった孔は、複数の単セルを積層したときに、複数の単セルを貫くように設けられており、反応ガスを燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。この流路は、反応ガス毎に２対用意され、上流側のセル間燃料ガス流路と、下流側のセル間燃料ガス流路と、上流側のセル間酸素ガス流路と、下流側のセル間酸素ガス流路とを形成する。
【００２５】
セル内燃料ガス流路２２の符号Ｌ側（図中左側）の端部２２ａに上流側のセル間燃料ガス流路が、セル内燃料ガス流路２２の符号Ｒ側（図中右側）の端部２２ｂに下流側のセル間燃料ガス流路がそれぞれ接続されている。これにより、燃料ガスは、矢印に示すように、符号Ｌ側から符号Ｒ側に向かって流れる。一方、セル内酸化ガス流路２３の符号Ｒ側の端部２３ａに上流側のセル間酸化ガス流路が、セル内酸化ガス流路２３の符号Ｌ側の端部２３ｂに下流側のセル間酸化ガス流路がそれぞれ接続されている。これにより、酸化ガスは、矢印に示すように、符号Ｒ側から符号Ｌ側に向かって流れる。
【００２６】
前記の結果、図１（ａ）に示すように、積層方向（紙面の表裏方向）に見たとき、燃料電池の発電領域内では、燃料ガスと酸化ガスとが対向流で流通することになる。すなわち、燃料ガスと酸化ガスとは、いわゆるカウンターフロー方式で流通する。
【００２７】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ２１と、これに隣接して設けられる他方の単セルのセパレータ２０との間に設ければよい。
【００２８】
Ａ−２．アノード側のガス拡散層の構成：
図１（ｂ）に示すように、アノード１４側のガス拡散層１６は、第１のガス拡散層部１６ａと第２のガス拡散層部１６ｂとにより構成されている。第１のガス拡散層部１６ａは、セル内燃料ガス流路２２における下流域と対向するように（すなわち、積層方向において対応するように）配置されている。第２のガス拡散層部１６ｂは、セル内燃料ガス流路２２における上流域と対向するように（すなわち、積層方向において対応するように）配置されている。なお、セル内酸化ガス流路２３との関係で言えば、第１のガス拡散層部１６ａは、セル内酸化ガス流路２３における上流域と積層方向において対応するように配置されている。第２のガス拡散層部１６ｂは、セル内酸化ガス流路２３における下流域と積層方向において対応するように配置されている。
【００２９】
セル内酸化ガス流路２３における上流域は適用例１における「酸化ガス流路の入口部付近」に相当し、第１のガス拡散層部１６ａは適用例１における「第１の領域」に相当し、第２のガス拡散層部１６ｂは適用例１における「第２の領域」に相当する。
【００３０】
本実施例では、セル内燃料ガス流路２２の長手方向における第１のガス拡散層部１６ａの長さＬ１と、前記長手方向における第２のガス拡散層部１６ｂの長さＬ２との比は、１：３となっている。すなわち、第１のガス拡散層部１６ａは、符号Ｒ側の端部から、セル内燃料ガス流路２２の長手方向の長さＬの２５％の地点までの領域を占める。
【００３１】
第１のガス拡散層部１６ａと第２のガス拡散層部１６ｂとは、材料を換えることで、厚さ方向（積層方向と一致）の熱抵抗が異なったものとなっている。本実施例では、第１のガス拡散層部１６ａの厚さ方向の熱抵抗は１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗであり、第２のガス拡散層部１６ｂの厚さ方向の熱抵抗は１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗである。なお、熱抵抗の各値は、空気雰囲気で計測した値である。また、以下、単に「熱抵抗」と言う場合、厚さ方向の熱抵抗を示すものとする。
【００３２】
図２は、第１のガス拡散層部１６ａと第２のガス拡散層部１６ｂとの拡大断面を示す説明図である。図２（ａ）は第１のガス拡散層部１６ａの拡大断面を、図２（ｂ）は第２のガス拡散層部１６ｂの拡大断面をそれぞれ示す。図中のＳはカーボン多孔質体を構成するカーボン繊維であり、図中のＢはカーボン繊維Ｓ同士を接合するバインダである。図２（ａ）に示す第１のガス拡散層部１６ａと図２（ｂ）に示す第２のガス拡散層部１６ｂを比較すると、カーボン繊維Ｓの太さや本数は同一であるのに対して、バインダＢの量が、図２（ｂ）に示す第２のガス拡散層部１６ｂよりも図２（ａ）に示す第１のガス拡散層部１６ａが多い。
【００３３】
第１および第２のガス拡散層部１６ａ、１６ｂにおいて、カーボン繊維ＳおよびバインダＢは伝熱経路となる。カーボン繊維Ｓが一定の場合、バインダＢが多いほど、熱抵抗は低くなるので、第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗は、第２のガス拡散層部１６ｂの熱抵抗よりも小さい。本実施例では、このようにバインダの量を調整することで、前述したように、第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗を１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗに、第２のガス拡散層部１６ｂの熱抵抗を１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗとしている。なお、第１のガス拡散層部１６ａの厚さは、第２のガス拡散層部１６ｂの厚さと同じである。
【００３４】
Ａ−３．実施例効果：
先に説明したように、燃料電池においては、電解質膜の面方向でみたとき、酸化ガスが流入する酸化ガス入口部付近と積層方向において対応する部位が特に乾燥しやすい。燃料ガスと酸化ガスがいわゆるカウンターフロー方式で流通する燃料電池においては、前記部位は、燃料ガス出口部付近に相当する。翻ってみて、第１実施例の燃料電池では、アノード側１４のガス拡散層１６において、燃料ガスの下流域である第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗が、燃料ガスの上流域である第２のガス拡散層部１６ｂの熱抵抗よりも小さくなっていることから、前記乾燥しやすい部位の熱抵抗を小さくすることになる。このために、乾燥しやすいアノード１４側の下流域では、電解質膜１３の温度が下がり、飽和水蒸気量が低くなり、電解質膜１３近傍の相対湿度を高めることができる。したがって、第１実施例の燃料電池では、電解質膜１３の乾燥を防ぐことができ、燃料電池の高温作動時における発電性能を向上することができる。
【００３５】
アノード側のガス拡散層は、従来、熱抵抗を例えば１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗで一様とするところを、本実施例では、第２のガス拡散層部１６ｂについては熱抵抗を１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗのままとし、第１のガス拡散層部１６ａについては熱抵抗を１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗから１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗに変更している。アノード側のガス拡散層の熱抵抗を低減することで、電解質膜の温度がどの程度、低下するかを試算してみたので、その試算結果を次に説明する。
【００３６】
図３は、アノード側ガス拡散層の熱抵抗と、電解質膜−セパレータ間の熱抵抗との関係を示すグラフである。グラフの横軸はアノード側ガス拡散層の熱抵抗を示し、グラフの縦軸は電解質膜−セパレータ間の熱抵抗を示す。ここで、電解質膜−セパレータ間の熱抵抗とは、電解質膜とアノード側のセパレータとの間（燃料ガスを含む）の熱抵抗である。グラフ中の実線に示すように、アノード側のガス拡散層の熱抵抗が１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗから１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗに低減すると、電解質膜とアノード側のセパレータとの間の熱抵抗は１２Ｋ・ｃｍ2／Ｗから８Ｋ・ｃｍ2／Ｗに低減する。
【００３７】
グラフ中の１点鎖線は、電解質膜とアノード側のセパレータとの間と、電解質膜とカソード側のセパレータとの間の全体の熱抵抗（合成熱抵抗）を示すものである。合成熱抵抗Ｒｘは、電解質膜とアノード側のセパレータとの間の熱抵抗Ｒａと、電解質膜とカソード側のセパレータとの間の熱抵抗Ｒｃとの並列接続と考えることができることから、次式（１）に基づいて求めることができる。
【００３８】
Ｒｘ＝１／（１／Ｒａ＋１／Ｒｃ）…（１）
【００３９】
電解質膜とカソード側のセパレータとの間（酸化ガスを含む）の熱抵抗を２５Ｋ・ｃｍ2／Ｗと仮定すると、アノード側のガス拡散層の熱抵抗が１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗのとき、合成熱抵抗Ｒｘは、式（１）から８．１Ｋ・ｃｍ2／Ｗとなる。アノード側のガス拡散層の熱抵抗が１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗのとき、合成熱抵抗Ｒｘは６．１Ｋ・ｃｍ2／Ｗとなる。すなわち、図３に示すように、アノード側のガス拡散層の熱抵抗を１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗから１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗに低減することで、合成熱抵抗Ｒｘは、８．１Ｋ・ｃｍ2／Ｗから６．１Ｋ・ｃｍ2／Ｗに低減できる。
【００４０】
図４は、アノード側ガス拡散層の熱抵抗と、電解質膜の温度差−セパレータ間の熱抵抗との関係を示すグラフである。前述したように、アノード側のガス拡散層の熱抵抗が１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗから１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗに低減したとき、図５に示すように、電解質膜の温度は、２．１℃だけ低下する。すなわち、試算によって、電解質膜の温度は、２．１℃だけ低下することがわかる。
【００４１】
図５は、単セル１０の発電性能を示すグラフである。図３および図４に示した試算データを基に、第１実施例の単セル１０の発電性能を求めたものが、このグラフに示すものである。アノード１４側のガス拡散層１６における第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗が、１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗから１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗに低減されたとき、単セル１０の電池性能を表すセル温度とセル電圧との関係を示す特性が、１点鎖線から実線に、すなわち、２．４℃だけ高温側に、移行する。したがって、第１実施例の燃料電池では、図５からも、燃料電池の高温作動時における発電性能が向上することがわかる。
【００４２】
図６は、セル内燃料ガス流路２２における燃料ガスの入口部から出口部までの各位置における燃料ガスの相対湿度を示すグラフである。図６に示すように、出口部から２５％までの領域でガス流路の相対湿度が急激に低下し始める。本実施例では、熱抵抗を小さくした第１のガス拡散層部１６ａの長さを、前記出口部から２５％と一致させたことで、この領域の電解質膜１３近傍の相対湿度を高めることができる。
【００４３】
Ａ−４．実施例変形例：
前記実施例では、第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗を小さくする方法として、カーボン多孔質部材のバインダの量を増やす方法を採用したが、これに換えて、図７に示すように、カーボン繊維Ｓの太さを増して、カーボン量を増やす方法としてもよい。あるいは、図８に示すように、カーボン繊維Ｓの本数を増して、カーボン量を増やす方法としてもよい。さらに、バインダに熱伝導の良い部材を混入する方法等としてもよい。
【００４４】
Ｂ．第２実施例：
図９は、本発明の第２実施例としての燃料電池を構成する単セル１１０の概略構成を表す説明図である。図９（ａ）は単セル１１０の平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図である。第２実施例の単セル１１０は、第１実施例の単セル１０と比べて、アノード１４側のガス拡散層１１６の構成が異なる。第２実施例における単セル１１０のその他の構成は、第１実施例における単セル１０の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図９において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。
【００４５】
第２実施例におけるアノード１４側のガス拡散層１１６は、第１実施例と同様に、第１のガス拡散層部１１６ａと第２のガス拡散層部１１６ｂとにより構成されている。第１のガス拡散層部と第２のガス拡散層部は、第１実施例ではバインダの量が違う異なる材料で作成していたが、これに対して、第２実施例では、均一の材料（すなわち、同一のカーボン繊維量および同一のバインダ量からなる材料）から、第１のガス拡散層部１１６ａと第２のガス拡散層部１１６ｂは作成されている。均一材料からなる基部材は、図９（ｃ）に示すように、第１のガス拡散層部１１６ａとなる部分Ｘ１１６ａが、第２のガス拡散層部１１６ｂとなる部分Ｘ１１６ｂよりも厚さが大きい。こうした形状の基部材を均一の厚さとなるように加圧してガス拡散層１１６を形成する。この結果、アノード１４側のガス拡散層１１６における第１のガス拡散層部１１６ａの厚さ方向の熱抵抗は、第２のガス拡散層部１１６ｂの厚さ方向の熱抵抗よりも小さくなる。
【００４６】
第２実施例では、第１実施例と同様に、第１のガス拡散層部１６ａの厚さ方向の熱抵抗を１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗとし、第２のガス拡散層部１６ｂの厚さ方向の熱抵抗を１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗとした。また、セル内燃料ガス流路２２の長手方向における第１のガス拡散層部１６ａの長さと、前記長手方向における第２のガス拡散層部１６ｂの長さとの比は、第１実施例と同様に、１：３となっている。
【００４７】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、電解質膜１３の乾燥を防ぐことができ、燃料電池の高温作動時における発電性能を向上することができる。
【００４８】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、本発明の第３実施例としての燃料電池を構成する単セル２１０の概略構成を表す説明図である。図１０（ａ）は単セル１０の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図である。第３実施例の単セル２１０は、第１実施例の単セル１０と比べて、アノード１４側のガス拡散層２１６の構成と、アノード１４側のセパレータ２２０の構成とが異なる。第３実施例における単セル２１０のその他の構成は、第１実施例における単セル１０の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図１０において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。
【００４９】
第３実施例におけるアノード１４側のガス拡散層２１６は、均一の材料（すなわち、同一のカーボン繊維量および同一のバインダ量からなる材料）を用いて形成されている。アノード１４側のセパレータ２２０は、第１実施例と同様に、凹凸（溝）形状となっているが、さらに、ガス拡散層２１６における、第１実施例における第１のガス拡散層部１６ａに相当する部位に接する凹凸のリブ２２０Ｒの高さが、他の部位の高さよりも大きくなっている。これにより、高くなったリブ２２０Ｒ間のガス拡散層部位２１６ａが圧力を受けて、その部位の熱抵抗が小さくなる。したがって、第３実施例におけるアノード１４側のガス拡散層２１６において、第１実施例における第１のガス拡散層部１６ａに相当する部位２１６ａの厚さ方向の熱抵抗が、第１実施例における第２のガス拡散層部１６ｂに相当する部位２１６ｂの厚さ方向の熱抵抗よりも小さい。
【００５０】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、電解質膜１３の乾燥を防ぐことができ、燃料電池の高温作動時における発電性能を向上することができる。なお、リブ２２０Ｒの高さを大きくして熱抵抗を小さくしたガス拡散層部位２１６ａと、その他のガス拡散層部位２１６ｂとのセル内燃料ガス流路２２の長手方向における長さの比は、第１実施例と同様に、１：３となっている。
【００５１】
Ｄ．第４実施例：
図１１は、本発明の第４実施例としての燃料電池を構成する単セル３１０の概略構成を表す説明図である。図１１（ａ）は単セル３１０の平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図である。第４実施例の単セル３１０は、第１実施例の単セル１０と比べて、アノード１４側のガス拡散層３１６の構成とカソード１５側のガス拡散層３１７の構成とが異なる。第４実施例における単セル３１０のその他の構成は、第１実施例における単セル１０の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図１１において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。
【００５２】
第４実施例におけるアノード１４側のガス拡散層３１６は、均一の材料（すなわち、同一のカーボン繊維量および同一のバインダ量からなる材料）、かつ均一の厚さで形成されている、カソード１５側のガス拡散層３１７は、第１のガス拡散層部３１７ａと第２のガス拡散層部３１７ｂとにより構成されている。第１のガス拡散層部３１７ａは、セル内酸化ガス流路２３における上流域と対向するように（すなわち、積層方向において対応するように）配置されている。第２のガス拡散層部３１７ｂは、セル内酸化ガス流路２３における下流域と対向するように（すなわち、積層方向において対応するように）配置されている。
【００５３】
第１のガス拡散層部３１７ａおよび第２のガス拡散層部３１７ｂは、第１実施例と同じ方法で厚さ方向の熱抵抗の調整が図られており、本実施例では、第１のガス拡散層部３１７ａの厚さ方向の熱抵抗は１０Ｋ・ｃｍ2／Ｗであり、第２のガス拡散層部３１７ｂの厚さ方向の熱抵抗は１５Ｋ・ｃｍ2／Ｗである。すなわち、セル内酸化ガス流路２３の入口部２３ａ付近と積層方向において対応する第１のガス拡散層部３１７ａの熱抵抗が、第２のガス拡散層部３１７ｂの熱抵抗よりも小さくなっている。なお、セル内酸化ガス流路２３の長手方向における第１のガス拡散層部３１７ａの長さＬ１と、前記長手方向における第２のガス拡散層部３１７ｂの長さＬ２との比は、１：３となっている。
【００５４】
以上のように構成された第４実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、セル内酸化ガス流路２３の入口部２３ａ付近の電解質膜１３の温度を下げることができ、電解質膜１３の乾燥を防ぐことができる。したがって、燃料電池の高温作動時における発電性能を向上することができる。
【００５５】
なお、第４実施例において、さらに、アノード１４側のガス拡散層３１６を第１実施例と同様の構成に変形することができる。すなわち、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層のそれぞれは、前記酸化ガス流路の入口部付近と積層方向において対応する第１の領域と、前記酸化ガスの流れ方向において前記第１の領域より下流側に位置する第２の領域とを有し、各記第１の領域の厚さ方向の熱抵抗が、各第２の領域の厚さ方向の熱抵抗よりも小さい構成とすることができる。
【００５６】
Ｅ．第５実施例：
図１２は、本発明の第５実施例としての燃料電池を構成する単セル４１０の概略構成を表す説明図である。図１２（ａ）は単セル４１０の平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図である。第５実施例の単セル４１０は、第１実施例の単セル１０と比べて、アノード１４側のセパレータ４２０の構成が異なる。第５実施例における単セル４１０のその他の構成は、第１実施例における単セル１０の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図１２において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。
【００５７】
第１実施例におけるセパレータ２０、２１は、いわゆるカウンターフロー方式で、燃料ガスと酸化ガスとを流通する構成であったが、これに換えて、第５実施例では、クロスフロー方式で流通する構成とした。すなわち、図１２（ａ）に示すように、積層方向に見たとき、燃料電池の発電領域内では、燃料ガスと酸化ガスとが交差して流通することになる。図１２（ｂ）に示すように、アノード１４側のセパレータ４２０により形成される燃料ガス流路４２２は、紙面の裏から表に向かう方向に燃料ガスを流通する。
【００５８】
前記クロスフロー方式で燃料ガスおよび酸化ガスの流通を行う単セル４１０は、第１実施例と同様に、酸化ガス入口部付近と積層方向において対応する、アノード１４側のガス拡散層１６における符号Ｒ側の第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗が、符号Ｌ側の第２のガス拡散層部１６ｂの熱抵抗より小さくなっている。
【００５９】
以上のように構成された第５実施例の燃料電池では、第１実施例と同様に、セル内酸化ガス流路２３の入口部２３ａ付近の電解質膜１３の温度を下げることができ、電解質膜１３の乾燥を防ぐことができる。したがって、燃料電池の高温作動時における発電性能を向上することができる。
【００６０】
Ｆ．変形例：
なお、この発明は上記の各実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６１】
・変形例１：
前記第１実施例では、第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗を１０Ｋ・ｃｍ２／Ｗに、第２のガス拡散層部１６ｂの熱抵抗を１５Ｋ・ｃｍ２／Ｗとしていたが、これらの値は一例であり、第１のガス拡散層部１６ａの熱抵抗が第２のガス拡散層部１６ｂの熱抵抗よりも小さければ、いずれの値とすることもできる。また、第２ないし第５実施例のそれぞれにおいても、熱抵抗の値は変更することができ、酸化ガス流路の入口部付近と積層方向において対応する第１の領域の熱抵抗が、前記酸化ガスの流れ方向において前記第１の領域より下流側に位置する第２領域の熱抵抗よりも小さければ、いずれの値とすることもできる。
【００６２】
・変形例２：
前記第１実施例では、熱抵抗を小さくした第１のガス拡散層部１６ａを、燃料ガスの出口部から２５％の地点までの領域としたが、これに換えて、出口部から２０％の地点、出口部から１５％の地点等、出口部から２５％以下の地点までの領域であれば、いずれの大きさとしてもよい。また、出口部側の端は、必ずしもアノード１４側のガス拡散層１６の端部からである必要はなく、その端部から離間した位置からの領域であってもよい。要は、セル内燃料ガス流路２２の出口部２２ｂの付近と積層方向において対応する領域であれば、第１のガス拡散層部１６ａはいずれの領域とすることもできる。かかる変形例２は、第２ないし第５実施例のそれぞれにおいても、適用することができる。
【００６３】
・変形例３：
前記各実施例および各変形例では、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方は、酸化ガス流路の入口部付近と積層方向において対応する第１の領域と、前記酸化ガスの流れ方向において前記第１の領域より下流側に位置する第２の領域とだけから構成されていたが、必ずしも２つの領域である必要もなく、３以上の領域に分かれる構成としてもよい。この場合、酸化ガス流路の入口部付近と積層方向において対応する領域の熱抵抗が、この領域より酸化ガスの流れ方向において下流側に位置する一つの領域の熱抵抗よりも小さければよい。
【００６４】
・変形例４：
前記各実施例および各変形例では、セパレータ２０，２１は、ガス流路を形成するための凹凸（溝）形状が形成されたものとしたが、これに換えて、セパレータを平板状にして、電解質膜とセパレータとの間に、導電性多孔体であるガス流路形成部材（例えば、エキスパンドメタル）を設けた構成等、種々のタイプの、ガス流路が形成されたセパレータとしてもよい。
【００６５】
・変形例５：
前記各実施例および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。
【００６６】
以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０…単セル
１２…ＭＥＡ
１３…電解質膜
１４…アノード
１５…カソード
１６…ガス拡散層
１６ａ…第１のガス拡散層部
１６ｂ…第２のガス拡散層部
２０…セパレータ
２１…セパレータ
２２…セル内燃料ガス流路
２３…セル内酸化ガス流路
２３ａ…入口部
１１０…単セル
１１６…ガス拡散層
１１６ａ…第１のガス拡散層部
１１６ｂ…第２のガス拡散層部
２１０…単セル
２１６…ガス拡散層
２２０…セパレータ
２２０Ｒ…リブ
３１０…単セル
３１６…ガス拡散層
３１７…ガス拡散層
３１７ａ…第１のガス拡散層部
３１７ｂ…第２のガス拡散層部
４１０…単セル
４２０…セパレータ
４２２…燃料ガス流路
Ｓ…カーボン繊維
Ｂ…バインダ
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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