(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟むように配置されたそれぞれの触媒層と、上記それぞれの触媒層の外側に配置されたガス拡散層との複合体であって、アノード及びカソードのそれぞれの極を形成する膜電極複合体と、
溝部が形成されたその表面が上記ガス拡散層と接してガス流路を形成するように、上記膜電極複合体を挟んで配置された一対のセパレータとを備える第１のセルと第２のセルとの積層構造を有する燃料電池用スタックであって、
上記第１のセルと上記第２のセルとの間において、上記アノード又は上記カソードのいずれか一方の極の上記ガス拡散層を形成するガス拡散層基材の伸度のバラツキが、上記セパレータの上記ガス流路の主方向に直交する方向に関して±３０％以内である燃料電池用スタック。
【請求項２】
上記第１のセルと上記第２のセルにおいて、上記いずれか一方の極は、上記アノードである請求項１に記載の燃料電池用スタック。
【請求項３】
上記第１のセルと上記第２のセルとの間において、上記アノード及び上記カソードの上記それぞれのガス拡散層基材の伸度のバラツキが、上記直交する方向に関して±３０％以内である請求項１に記載の燃料電池用スタック。
【請求項４】
上記伸度のバラツキが、さらに上記セパレータの上記ガス流路の主方向に関しても±３０％以内である請求項１に記載の燃料電池用スタック。
【請求項５】
上記伸度のバラツキが、上記直交する方向に関して±１０％以内である請求項１に記載の燃料電池用スタック。
【請求項６】
上記伸度のバラツキが、さらに上記セパレータの上記ガス流路の主方向に関しても±２０％以内である請求項５に記載の燃料電池用スタック。
【請求項７】
上記第１のセル及び上記第２のセルにおける上記それぞれのガス拡散層基材が、上記ガス流路の主方向沿いの方向と、上記直交する方向において、伸度に関する異方性を有している請求項１に記載の燃料電池用スタック。
【請求項８】
上記伸度に関する異方性は、伸度の小さい方向の伸度に対して、伸度の大きい方の伸度が６０％以上大きい請求項７に記載の燃料電池用スタック。
【請求項９】
上記ガス拡散層基材における伸度の小さい方向を上記セパレータのガス流路の主方向に対して直交する方向に配置する請求項７に記載の燃料電池用スタック。
【請求項１０】
上記ガス拡散層基材が炭素繊維織布で形成されている請求項１に記載の燃料電池用スタック。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１つに記載の燃料電池用スタックと、
上記スタックにおける上記第１のセルと第２のセルとに燃料を供給する共通の燃料供給装置とを備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料として純水素、あるいは化石燃料等からの改質水素、または、メタノール、エタノールなどの液体燃料を直接用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池及び燃料電池用スタックに関するものであり、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層（触媒層）とを合わせて電極とする。この電極及び高分子電解質膜を一体化したものをＭＥＡ（膜電極複合体）と呼ぶ。
【０００３】
このようなガス拡散層は、ガス透過性と電子伝導性を有することが必要であり、カーボンペーパー、カーボンクロス（炭素繊維織布）、カーボンフェルトなどの炭素繊維からなる材料が、その基材として用いられる。その基材における触媒層と接する側に、フッ素樹脂などの撥水性樹脂と炭素粉末を主成分とする導電性撥水層を設け、これをガス拡散層とするのが一般的である。導電性撥水層は、高分子電解質膜の保湿、電池反応により生成した余剰の水分の速やかな除去、および基材、すなわちガス拡散層基材による触媒層や高分子電解質膜の損傷回避などのために有効である。
【０００４】
このようなガス拡散層基材としては、例えば、カーボンクロス（以下、炭素繊維織布）やカーボンペーパー（炭素繊維不織布）が一般的に用いられる。炭素繊維織布は織物なので、複数の糸、例えば経糸と緯糸を規則的に組み合わせて構成されたものである。また、炭素繊維不織布は、炭素繊維を不規則に分散させたものである。
【０００５】
ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性の板状のセパレータを配置する。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝部を設けてガス流路とする方式が一般的である。また、ガス流路に供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部にリークしたり、お互いに混合したりすることを防止するために、セパレータの縁部における電極周囲や燃料ガスや酸化剤ガスのマニホールド周囲に沿ってガスケットが配置されている。このようにして燃料電池の単セルが構成される。
【０００６】
燃料電池用スタックは、このような単セルを複数セル積層し、所定の締結力で締結した積層構造を有するものである。また、このような締結は、セパレータとガス拡散層との接合部などの積層部材間の接触抵抗を低減するとともに、ガス、及び循環水を漏らさないようにシール性を維持することを目的としている。
【０００７】
それぞれの単セルへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出は、セパレータの側面に形成された燃料ガス入口マニホールドと燃料ガス出口マニホールド、並びに酸化剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホールドから行われる。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは、スタックの端部に位置される端板に形成された燃料ガス及び酸化剤ガス入口部から一括して供給され、各セルの入口マニホールドからそれぞれのガス流路を通してＭＥＡへ分散して送られ、ＭＥＡにて電気化学的に反応させられた後、未反応ガスは各セルの出口マニホールドを通して、端板に形成された燃料ガス及び酸化剤ガス出口から一括して排出される。
【０００８】
このように、固体高分子型燃料電池においては、セパレータの縁部に設けられたマニホールドから各セルに燃料ガス及び酸化剤ガスを並列に分散して供給する方式が採られている。そのため、燃料電池において、セパレータの溝部とガス拡散層とにより形成されるガス流路内へのガス拡散層の垂れ込み量のバラツキや、ガス拡散層のガス透過性のバラツキ等により、各セルの圧力損失が異なると、それぞれのセルに供給されるガス流量がセル毎に異なることとなる。その結果、ガス流量が少ないセルでは、水滴がガス流路を塞ぎ、その塞いだ場所よりも下流側に位置される電極や触媒に対し燃料供給不足が発生するため、徐々に電圧が低下し、またその水滴が排出されると、流路閉塞が解除されるため燃料供給が回復し、電圧が上昇すると言った電圧不安定現象（フラッディング）が発生するという問題がある。
【０００９】
このような問題に対して、特許文献１においては、単セルごとの圧力損失を測定し、圧力損失の大きさに応じてそれぞれのセルを予め定められたランクに分け、同じランクの単セルを集めて燃料電池を製作することにより、それぞれのセル間のガス流量バラツキを低減し、フラッディングを抑制した燃料電池とその製造方法が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２においては、ガス拡散層基材の繊維方向をガス流れ方向に対して並行となるようにして、ガス流れ方向に対して直交方向のガス拡散層のガス透過性が、ガス流れ方向のガス拡散層のガス透過性より小さくなるように設定することにより、ガス拡散層を通して隣接するガス流路へのガスリークを抑制することでもって、ガス流路を流れる反応ガスの圧力損失ロスの低減を図り、フラッディングの抑制を試みるような燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１５１６０４号公報
【特許文献２】特開２００４−１８５９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１の方法では、それぞれの単セルごとの圧力損失を測定し、その測定結果に基づいて圧力損失の大きさに応じてそれぞれのセルを予め定められたランクに分けるという手間がかかるため、従来よりもコスト、時間がかかり、生産ロスも大きいという問題点がある。
【００１２】
また、上記特許文献２の方法では、ガス拡散層基材における繊維の主方向がガス流路の主方向に対して並行となるため、ガス流路に対して直交する方向におけるガス拡散層基材の剛性が低くなる。その結果、ガス拡散層基材がガス流路内へ垂れ込みやすくなる。従って、各セル間でガス拡散層のガス流路内への垂れ込み量のバラツキなどにより、各セル間の圧力損失バラツキが低減できず、却って耐フラッディング性の向上が妨げられるという問題点がある。
【００１３】
従って、本発明の目的は、上記問題点を解決することにあって、生産ロスが少なく、各セル間の圧力損失バラツキを低減し、各セルに流れるガス流量を均等にすることで、耐フラッディング性を高めた燃料電池用スタック及び燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１５】
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜を挟むように配置されたそれぞれの触媒層と、上記それぞれの触媒層の外側に配置されたガス拡散層との複合体であって、アノード及びカソードのそれぞれの極を形成する膜電極複合体（ＭＥＡ）と、
溝部が形成されたその表面が上記ガス拡散層と接してガス流路を形成するように、上記膜電極複合体を挟んで配置された一対のセパレータとを備える第１のセルと第２のセルとの積層構造を有する燃料電池用スタックであって、
上記第１のセルと上記第２のセルとの間において、上記アノード又は上記カソードのいずれか一方の極の上記ガス拡散層を形成するガス拡散層基材の伸度の（上記それぞれのセル間における）バラツキが、上記セパレータの上記ガス流路の主方向に直交する方向に関して±３０％以内である燃料電池用スタックを提供する。
【００１６】
本発明の第２態様によれば、上記第１のセルと上記第２のセルにおいて、上記いずれか一方の極は、上記アノードである第１態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００１７】
本発明の第３態様によれば、上記第１のセルと上記第２のセルとの間において、上記アノード及び上記カソードの上記それぞれのガス拡散層基材の伸度のバラツキが、上記直交する方向に関して±３０％以内である第１態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、上記伸度のバラツキが、さらに上記セパレータの上記ガス流路の主方向に関しても±３０％以内である第１態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００１９】
本発明の第５態様によれば、上記伸度のバラツキが、上記直交する方向に関して±１０％以内である第１態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００２０】
本発明の第６態様によれば、上記伸度のバラツキが、さらに上記セパレータの上記ガス流路の主方向に関しても±２０％以内である第５態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００２１】
本発明の第７態様によれば、上記第１のセル及び上記第２のセルにおける上記それぞれのガス拡散層基材が、上記ガス流路の主方向沿いの方向と、上記直交する方向において、伸度に関する異方性を有している第１態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００２２】
本発明の第８態様によれば、上記伸度に関する異方性は、伸度の小さい方向の伸度に対して、伸度の大きい方の伸度が６０％以上大きい第７態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００２３】
本発明の第９態様によれば、上記ガス拡散層基材における伸度の小さい方向を上記セパレータのガス流路の主方向に対して直交する方向に配置する第７態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００２４】
本発明の第１０態様によれば、上記ガス拡散層基材が炭素繊維織布で形成されている第１態様に記載の燃料電池用スタックを提供する。
【００２５】
本発明の第１１態様によれば、第１態様から第１０態様のいずれか１つに記載の燃料電池用スタックと、
上記スタックにおける上記第１のセルと第２のセルとに燃料を供給する共通の燃料供給装置とを備える燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、第１のセルと第２のセルとを積層した燃料電池用スタックにおいて、それぞれのセルにおけるアノード又はカソードのいずれか一方の極のガス拡散層を形成するガス拡散層基材の伸度のセル間におけるバラツキを、セパレータのガス流路の主方向に直交する方向に関して±３０％以内とすることで、上記セパレータのガス流路内への上記ガス拡散層基材の垂れ込み量のセル間におけるバラツキを低減し、各セル間の圧力損失バラツキを低減させることができる。その結果、複数個の単セルの積層構造を有する燃料電池用スタックにおいて、各セルへ均等にガスを分配することが可能となるため、耐フラディング性の高い燃料電池用スタック及びこのようなスタックを備える燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００２８】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
本発明の一の実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図１に示す。また、図１に示す燃料電池１０１が備える燃料電池用スタック（以降、スタックという。）の模式分解立体図を図２に示す。
【００３０】
燃料電池１０１は、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させるアノード加湿器３２と、酸素含有ガス（酸化剤ガス）に対しての加湿を行うカソード加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４、３５とが備えられている。すなわち、燃料処理器３１、アノード加湿器３２、及びポンプ３４により燃料ガスをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されており、また、カソード加湿器３３とポンプ３５とにより酸化剤ガスをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得るが、本実施形態においては、スタック３０が備える複数のセルに対して、共通して燃料や酸化剤を供給する供給装置であれば、後述する本実施形態の効果を好適に得ることができる。
【００３１】
また、燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。
【００３２】
また、図２に示すように、この燃料電池１０１が備えるスタック３０は、基本単位構成である単セル２０を複数個積層し、集電板２１、絶縁板２２、端板２３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板２１には、電流取り出し端子部２１ａが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板２２は、集電板２１と端板２３の間を絶縁するとともに、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口が設けられている場合もある。それぞれの端板２３は、複数枚積層された単セル２０と集電板２１、絶縁板２２を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結し、保持している。
【００３３】
図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極複合体）１５を一対のセパレータ１６で挟み込むようにして構成されている。ＭＥＡ１５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１のアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（アノード側触媒層）１２を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（カソード側触媒層）１３を形成し、これらの触媒層１２及び１３の外面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１４を配置して構成されたものである。高分子電解質膜１１は、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）が一般に使用される。
【００３４】
セパレータ１６は、ガス不透過性の導電性材料であれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものが一般的に用いられる。セパレータ１６におけるＭＥＡ１５と接触する部分には凹状の溝部が形成されており、この溝部がガス拡散層１４と接することで、電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。また、このようにセパレータ１６の表面に形成されたガス流路１６ａは、図３のセパレータ１６の模式平面図に示すように、例えば、入口から出口に向かって単数もしくは複数のパス（ガス流路）１６ａが図示左右方向において複数回向きを変えて配置されるようにサーペンタイン状に形成されている。サーペンタイン状のガス流路１６ａは、互いに平行に直線的に形成された往路と復路のそれぞれの端部がターン部１６ｂで連結された一続きの構造となっている。なお、本明細書で、「ガス流路の主方向」とは、上記の直線的に形成された部分のガス流路１６ａの方向を意味するものであり、例えば、図３に示すセパレータ１６におけるガス流路１６ａの主方向は、図示左右方向となっている。
【００３５】
セパレータ１６のガス流路と反対側の面には、冷却水の流路が形成されている。さらに、セパレータ１６の縁部には、単セル２０への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出のため、燃料ガス入口マニホールド１７ａと燃料ガス出口マニホールド１７ｂ、並びに酸化剤ガス入口マニホールド１８ａと酸化剤ガス出口マニホールド１８ｂが形成されており、さらに冷却水入口マニホールド１９ａと冷却水出口マニホールド１９ｂも形成されている。よって、単セル２０を複数個積層した燃料電池１０１では、燃料ガス入口マニホールド１７ａ、燃料ガス出口マニホールド１７ｂ、酸化剤ガス入口マニホールド１８ａ、酸化剤ガス出口マニホールド１８ｂ、冷却水入口マニホールド１９ａ、及び冷却水出口マニホールド１９ｂがすべての単セル２０で連通されている。なお、それぞれのセパレータ１６、集電板２１、絶縁板２２、及び端板２３には、図示しないシール部材が配置されており、燃料ガス、及び酸化剤ガスなどが混ざり合ったり、外部へ漏れたりすることを防止している。
【００３６】
ガス拡散層１４は、その基材として一般的に炭素繊維で構成されたものを用いあることができ、このような基材としては例えば炭素繊維織布を用いることができる。炭素繊維織布は炭素繊維の糸を構成材料とした織物構造を有しており、このような織物構造としては、図４Ａのガス拡散層（基材）１４の部分拡大模式平面図に示すような平織り構造が最も一般的である。平織り構造とは、図示上下方向に配置される経糸２１と、図示左右方向に配置される緯糸２２が一本おきに立体的に交差した構造となっており、その断面は、図４Ｂ（ｙ−ｙ’断面）、図４Ｃ（ｘ−ｘ’断面）に示すように、それぞれの経糸２１に対してそれぞれの緯糸２２が縫うように構成されている。本実施形態のガス拡散層基材１４を構成する炭素繊維織布は、経糸２１の配置方向と緯糸２２の配置方向で、伸度や引っ張り強度（剛性）が異なるという異方性を有している。
【００３７】
ここで、このような異方性を有する炭素繊維織布により構成されるガス拡散層基材１４の経糸２１又は緯糸２２の配置方向と、セパレータ１６におけるガス流路１６ａの主方向との配置関係について説明する。
【００３８】
例えば、炭素繊維織布（ガス拡散層基材１４）が、その経糸２１の配置方向において、緯糸２２の配置方向よりも、伸度が小さいという異方性を有する場合について考える。このような場合において、図５Ａの模式立体分解図に示すように、ガス拡散層基材１４の炭素繊維織布の経糸２１の配置方向３に対して、セパレータ１６のガス流路１６ａの主方向４が並行となるように両者が配置されるならば、図５Ｂの模式断面図に示すように締結時に炭素繊維織布がセパレータ１６のガス流路１６ａに垂れ込みやすくなる。一方、図６Ａに示すように、ガス拡散層基材１４の炭素繊維織布の経糸２１の配置方向３に対して、セパレータ１６のガス流路１６ａの主方向４が直交するように両者が配置されるならば、図６Ｂの模式断面図に示すように締結時に炭素繊維織布がセパレータ１６のガス流路１６ａに垂れ込み難くすることができる。
【００３９】
より具体的には、図７の単セル２０の部分模式断面図に示すように、炭素繊維織布においてその経糸２１の配置方向の伸度が小さい場合であって、この経糸２１の配置方向とセパレータ１６のガス流路１６ａの主方向とが並行となるように両者を配置するような場合にあっては、図示左右方向に配置される緯糸２２がより伸び易いため、緯糸２２によって経糸２１は押しつぶされ難く、緯糸２２が上下方向により大きく波打つように配置される。その結果、セパレータ１６のガス流路１６ａ内への炭素繊維織布の垂れ込み量が比較的大きくなる。
【００４０】
一方、図８の部分模式断面図に示すように、経糸２１の配置方向とセパレータ１６のガス流路１６ａの主方向とが直交するように両者を配置するような場合にあっては、図示左右方向に配置される経糸２１がより伸び難いため、経糸２１によって緯糸２２を押しつぶすようにして、経糸２１の上下方向の波打ち量がより小さくなる。その結果、セパレータ１６のガス流路１６ａ内への炭素繊維織布の垂れ込み量が比較的小さくなる。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７、及び図８においては、高分子電解質膜１１の両面にそれぞれの触媒層１２、１３が形成されたものを触媒層付き高分子電解質膜５として表している。
【００４１】
ここでガス流路の主方向に直交する方向の炭素繊維織布の伸度に対する単セルでの圧力損失を測定した結果を表１に示す。なお、炭素繊維織布の伸度は、引っ張り試験機（今田製作所製ＳＶ−５２型、１９９６年式、引っ張り圧縮試験機）で、試験片幅２５ｍｍ、試験片厚さ０．４ｍｍ、チャック間距離１００ｍｍ、送り速度２ｍｍ／ｍｉｎで、変位量に対する荷重を測定し、荷重１０Ｎのときの初期長さに対する変位量の割合を求めた。具体的には、試験片を上下方向に把持した状態で、上部チャックを上方に向けて移動させることで荷重を付加した。また、チャックにおいては、ゴム材料を介して試験片の把持を行った。なお、当該試験において、チャックにおけるゴム材料の破損等による異常データは試験結果として採用していない。なお、このような炭素繊維織布の伸度の測定は、ＡＳＴＭ  Ｄ１６８２−６４：繊維織布の破断荷重と伸びの標準試験方法Ｓｅｃｔｉｏｎ１７に準拠するものである。また、単セルでの圧力損失測定は、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２、燃料利用率８０％、酸素利用率５０％、電池温度７５℃、アノード露点７５℃、カソード露点７５℃の条件で測定した。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
表１から分かるように、炭素繊維織布における経糸２１の配置方向と緯糸２２の配置方向とでは、各々の配置方向における炭素繊維織布の伸度が異なる。また、ガス流路１６ａの主方向に直交する方向の炭素繊維織布の伸度が大きくなれば、単セルでの圧力損失値が大きくなる結果となった。このような傾向はアノード側及びカソード側に共通するものであったが、特に、アノード側でこの傾向が顕著に現れた。これは、燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスとでは、酸化剤ガスの方がその必要流量が多いため、カソード側流路は、アノード側に比べて、流路本数が多い。そのため、アノード側の合計流路断面積がカソード側より小さくなり、ガス拡散層基材のガス流路への垂れ込みバラツキの影響を受けやすいためである。
【００４４】
このため、図９の模式分解立体図に示す本発明の比較例の燃料電池が備えるスタック５３０のように、炭素繊維織布（ガス拡散層基材１４）の経糸の配置方向３と、セパレータ１６のガス流路の主方向４が、各セル２０間においてランダム（不規則）に配置されているような配置構成においては、ガス流路の主方向４に直交する方向の炭素繊維織布の各セル２０間における伸度のバラツキが大きくなり、各セル２０間でガス流路における圧力損失のバラツキが大きくなってしまう。その結果、このような燃料電池５３０においては、圧力損失の高いセルにて、耐フラッディング性が悪くなってしまうという問題が生じる。
【００４５】
これに対して、本実施形態の燃料電池１０１が備えるスタック３０は、図２に示すとおり、炭素繊維織布（ガス拡散層基材１４）の経糸の配置方向３と、セパレータ１６のガス流路の主方向４との配置関係を、すべてのセル２０で同一に、例えば経糸の配置方向３とガス流路の主方向４とを直交させるように配置して、セパレータ１６のガス流路の主方向３に直交する方向に関するガス拡散層基材のセル間における伸度のバラツキを低減させるものである。このようなセル間における伸度のバラツキは、後述するように±３０％以内とすることが好ましく、さらに±２０％以内とすることがより好ましい。なお、このようなスタック３０における配置構成は、上述のように、経糸の配置方向３とガス流路の主方向４とを直交させるような配置構成のみに限られるものではなく、経糸の配置方向３とガス流路の主方向４との配置関係が全てのセル２０間において同一であればよい。例えば、図１０の模式立体分解図に示すスタック１３０のように、全てのセル２０において、経糸の配置方向３とガス流路の主方向４とを並行に配置させるような配置構成が採用されるような場合であっても、上記伸度のセル間におけるバラツキを低減させることができる。
【００４６】
より詳しく説明すると、図９に示す比較例のスタック５３０の配置構成では、図１１のスタック５３０における燃料ガスの流れの概念図に示すように、セル２０間において、セパレータのガス流路の主方向に直交する方向におけるガス拡散層基材１４の伸度のバラツキが比較的大きく生じていることにより、ガス流路内へのガス拡散層基材１４の垂れ込み量が大きくなっているセル２０と、小さくなっているセル２０とが混在することとなる。従って、セル２０間において、ガス流路の圧力損失のバラツキが大きくなり、フラッディングが比較的生じやすくなっている。
【００４７】
一方、図２に示す本実施形態のスタック３０の配置構成では、図１２のスタック３０における燃料ガスの流れの概念図に示すように、セル２０間において、セパレータのガス流路の主方向に直交する方向におけるガス拡散層基材１４の伸度のバラツキが比較的小さく抑えられていることにより、ガス流路内へのガス拡散層基材１４の垂れ込み量のセル２０間におけるバラツキを比較的小さく抑えることができる。従って、セル２０間において、ガス流路の圧力損失のバラツキを小さくすることができ、耐フラッディング性を向上させることができる。また、ガス拡散層基材１４のガス流路内への垂れ込み量自体も小さくすることができるため、ガス流路の圧力損失自体も小さくすることができ、ガス流れを良好なものとすることができる。
【００４８】
また、図１０に示す本実施形態のもう一つのスタック１３０の配置構成であっても、図１３の燃料ガスの流れの概念図に示すように、セル２０間における伸度のバラツキが比較的小さく抑えられていることにより、ガス流路内へのガス拡散層基材１４の垂れ込み量自体は、スタック３０よりは大きくなるものの、セル間におけるそのバラツキは小さく抑えることができるため、耐フラッディング性を向上させることができる。
【００４９】
なお、ガス拡散層基材１４の炭素繊維織布の経糸の配置方向に対して、セパレータ１６のガス流路の主方向が直交しているような配置構成であっても、炭素繊維織布を織る際に経糸の張力が低くなるなどの条件により、経糸の配置方向の伸度が大きくなるような場合も考えられ、このような場合あっては、上記配置構成では締結時のガス拡散層基材１４のガス流路内への垂れ込みが大きくなってしまう。従って、このような場合にあっては、経糸の配置方向とガス流路の主方向とを並行にするような配置構成を採用することがより好ましい。
【００５０】
また、上述の説明においては、ガス拡散層基材１４が炭素繊維織布にて構成されているような場合について説明を行っている。ただし、本実施形態はこのような場合についてのみ限定されるものではなく、例えば、ガス拡散層基材１４が炭素繊維不織布にて構成されるような場合であっても、上述のような本実施形態の効果を得ることができる。
【００５１】
具体的には、図１４のガス拡散層基材１１４の模式平面図に示すように、ガス拡散層基材１１４が、伸度の小さい方向と伸度の大きい方向とを有し、かつそれぞれの方向が互いに直交するような炭素繊維不織布にて構成されるような場合であって、スタックの全てのセルにおいて、セパレータのガス流路の主方向に直交する方向に、伸度の小さい方向が配置されるように、あるいは伸度の大きい方向が配置されるような配置構成を採用することで、上述の炭素繊維織布の場合と同様な効果を得ることができる。
【００５２】
このように炭素繊維不織布がガス拡散層基材１１４として用いられ、例えば、図１５の模式断面図に示すように、上記伸度の小さい方向がガス流路の主方向と直交するように配置される場合にあっては、セパレータ１６のガス流路１６ａ内へのガス拡散層基材１１４の垂れ込み量が比較的小さくなる。また、例えば、図１６の模式断面図に示すように、上記伸度の大きい方向がガス流路の主方向に直交するように配置される場合にあっては、セパレータ１６のガス流路１６ａ内へのガス拡散層基材１１４の垂れ込み量が比較的大きくなる。従って、このように配置方向によって、ガス流路１６ａ内への垂れ込み量が異なるというような特徴を有する炭素繊維不織布にて構成されたガス拡散層基材１１４の配置方向を、全てのセルにおいて同一とすることで、セル間におけるガス流路の圧力損失のバラツキを低減させることができる。
【００５３】
また、上述の本実施形態の説明においては、炭素繊維織布により構成されたガス拡散層基材１４の配置方向が、セパレータ１６のガス流路１６ａの主方向に対して、経糸２１の配置方向が直交するような場合、あるいは経糸２１の配置方向が並行とされるような場合について説明を行っている。しかしながら、本実施形態はこのような場合についてのみ限定されるものではなく、例えば、図１７の模式平面図に示すように、ガス流路の主方向４に対して経糸２１の配置方向３が斜め方向に交差するように配置（例えば４５度の方向に配置）されるような場合であってもよい。このような場合であっても、スタックの全てのセルにおいて、同一の配置構成が採用されることで、伸度のバラツキを低減することができ、圧力損失のバラツキを低減させることができるからである。従って、全てのセルにおいて同一の配置構成が採用されていれば、耐フラッディング性を向上させるという観点においては、ガス流路の主方向４と経糸２１の配置方向３との関係は問わない。
【００５４】
以下に実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００５５】
（実施例１）
まず、本発明の実施例１にかかる燃料電池用スタックが備えるＭＥＡの作製方法について説明する。高分子電解質膜（デュポン製Ｎａｆｉｏｎ１１２）の両面に、アセチレンブラック粉末に白金を担持した触媒を塗布して触媒層を形成し、更にその外面に炭素繊維織布を基材としたガス拡散層を配置した。炭素繊維織布は、平織構造で、表２に示すＧＤＬ−１（ガス拡散層基材−１）を使用した。
【００５６】
なお、表２は、特性の異なる２種類のガス拡散層基材、ＧＤＬ−１とＧＤＬ−２における伸度に関する特性データを示している。幅２５ｍｍの炭素繊維織布をチャック間距離１００ｍｍにて引っ張り荷重を加えた場合における荷重１０Ｎでの織布の変位量を織布の初期長さ（すなわち、初期のチャック間距離）で除した数値を伸度（％）として表している。表２において、平均値とは、複数枚の同種の炭素繊維織布の伸度の平均値である。また、このように同種複数枚の炭素繊維織布における伸度のバラツキとして、伸度平均値に対する伸度最大値あるいは伸度最小値の変位分の割合（すなわち、（伸度最大値−伸度平均値）／（伸度平均値）、あるいは（伸度最小値−伸度平均値）／（伸度平均値））で表している。例えば、ＧＤＬ−１における緯糸の配置方向の伸度のバラツキは±２８％以内であり、経糸の配置方向では±１８％以内となっており、ＧＤＬ−２における緯糸の配置方向の伸度のバラツキは±２０％以内であり、経糸の配置方向では±１０％以内となっており、ＧＤＬ−２の方がＧＤＬ−１よりも伸度のバラツキが少ないという特性を有する基材となっている。このようなＧＤＬ−１とＧＤＬ−２における伸度の平均値、最大値、及び最小値のデータを、経糸並びに緯糸のそれぞれの配置方向において示すグラフを図２０、図２１に示す。なお、図２０及び図２１に示すグラフにおいては、縦軸に荷重（Ｎ）、横軸に変位（ｍｍ）を表している。
【００５７】
また、このような伸度のバラツキを示す他の手段としては、例えば、伸度最大値と伸度最小値との絶対差（％）や、ＳＮ比（＝１０・ｌｏｇ｛（伸度平均値）２・（伸度標準偏差）２｝：ｄＢ）がある。なお、表２に示す配置方向において「緯糸と経糸とをランダム」とは、緯糸の配置方向と経糸の配置方向とを１：１で混在させた場合の伸度データを表すものである。
【００５８】
次に、セパレータの作製方法について説明する。平均粒径が約５０μｍの人造黒鉛粉末８０重量％に、熱硬化性フェノール樹脂２０重量％を押し出し混練機で混練し、この混練粉末をガス流路用溝と冷却水流路用溝およびマニホールドを成形するための加工を施した金型に投入し、ホットプレスした。ホットプレスの条件は、金型温度１８０℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ２で５分間とした。得られたセパレータは、外寸が２０ｃｍ×２０ｃｍ、厚みが３．０ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深さが１．０ｍｍであった。
【００５９】
次に、酸化剤ガス流路が形成されたセパレータと、燃料ガス流路が形成されたセパレータとを、ＭＥＡを介してそれぞれのガス流路が配置されるように重ね合わせ、これを単セルとした。その際、すべての単セルでガス拡散層の炭素繊維織布の経糸の配置方向が、アノード側及びカソード側において、共にセパレータのガス流路の主方向と並行となるように、ＭＥＡを配置した。すなわち、表２に示すように、ガス流路の主方向に直交する方向に関する伸度のバラツキが±２８％以内となるようにガス拡散層基材（ＧＤＬ−１）を配置した。この単セルを５０セル直列積層し、両端部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板を配置して、締結ロッドで固定し、燃料電池用スタックを作製した（組み立てた）。この時の締結圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
【００６０】
このように作製した本実施例１のスタックを装備した固体高分子型燃料電池を、７５℃に保持し、一方の電極側に７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガス（燃料ガス）を、もう一方の電極側に７５℃の露点となるように加湿・加温した空気（酸化剤ガス）を供給した。
【００６１】
この燃料電池を酸素利用率５０％、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２の条件で、燃料利用率５０％から５％ずつ燃料利用率を上げていった。このとき、燃料利用率は５時間の運転中、すべてのセル電圧が安定的に運転できたとき、燃料利用率を５％上げていく。そして、５時間の運転中、セル電圧が６００ｍＶを下回ったところで、試験を中止し、すべてのセル電圧が安定的に運転できる最も高い燃料利用率を限界燃料利用率（限界Ｕｆ）とした。
【００６２】
次に、この燃料電池を燃料利用率７０％、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２の条件で、酸素利用率３０％から２．５％ずつ燃料利用率を上げていった。このとき、酸素利用率は５時間の運転中、すべてのセル電圧が安定的に運転できたとき、酸素利用率を５％上げていく。そして、５時間の運転中、セル電圧が６００ｍＶを下回ったところで、試験を中止し、すべてのセル電圧が安定的に運転できる最も高い酸素利用率を限界酸素利用率（限界Ｕｏ）とした。
【００６３】
上記結果から、限界燃料利用率（限界Ｕｆ）と限界酸素利用率（限界Ｕｏ）が大きい程、固体高分子型燃料電池の耐フラッディング性は良好であると言える。この限界燃料利用率（限界Ｕｆ）と限界酸素利用率（限界Ｕｏ）を表３に示す。
【００６４】
なお、表３の単セルでの平均圧損と標準偏差は、積層前に単セルの状態で、すべての圧力損失を測定し、その結果から平均値と標準偏差を求めたものである。単セルでの測定条件は、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２、燃料利用率７０％、酸素利用率５０％、電池温度７５℃、アノード露点７５℃、カソード露点７５℃である。また、燃料電池の圧力損失は、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２、燃料利用率７０％、酸素利用率５０％、電池温度７５℃、アノード露点７５℃、カソード露点７５℃のときの値である。
【００６５】
（実施例２）
次に、実施例２にかかる燃料電池用スタックについて説明する。実施例１と同様にＭＥＡ、セパレータを作製し、表２に示すＧＤＬ−１の炭素繊維織布の経糸の配置方向をセパレータのガス流路の主方向に直交するように配置して単セルを作製した。この単セルを実施例１と同様に、５０セル積層し、両端部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板を配置して締結ロッドで固定し、燃料電池用スタックを作製した。すなわち、実施例２においては、表２に示すように、ガス流路の主方向に直交する方向に関する伸度のバラツキが±１８％以内となるようにガス拡散層基材（ＧＤＬ−１）が配置されたスタックを作製した。
【００６６】
このようにして作製した本実施例２の燃料電池用スタックを装備する固体高分子型燃料電池を、実施例１の条件で、耐フラッディング性、単セルでの平均圧損と標準偏差、燃料電池の圧力損失を測定した結果を表３に示す。
【００６７】
（実施例３）
次に実施例３にかかる燃料電池用スタックについて説明する。実施例１と同様にＭＥＡ、セパレータを作製し、表２に示すＧＤＬ−２の炭素繊維織布の経糸の配置方向をセパレータのガス流路の主方向に並行となるように配置して単セルを作製した。
【００６８】
この単セルを実施例１と同様に、５０セル積層し、両端部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板を配置して、締結ロッドで固定し、燃料電池用スタックを作製した。すなわち、実施例２においては、表２に示すように、ガス流路の主方向に直交する方向に関する伸度のバラツキが±２０％以内となるようにガス拡散層基材（ＧＤＬ−２）が配置されたスタックを作製した。
【００６９】
このようにして作製した本実施例３の燃料電池用スタックを装備する固体高分子型燃料電池を、実施例１の条件で、耐フラッディング性、単セルでの平均圧損と標準偏差、燃料電池の圧力損失を測定した結果を表３に示す。
【００７０】
（実施例４）
次に実施例４にかかる燃料電池用スタックについて説明する。実施例１と同様にＭＥＡ、セパレータを作製し、表２に示すＧＤＬ−２の炭素繊維織布の経糸の配置方向をセパレータのガス流路の主方向に直交するように配置して単セルを作製した。
【００７１】
この単セルを実施例１と同様に、５０セル積層し、両端部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板を配置して、締結ロッドで固定し、燃料電池用スタックを作製した。すなわち、実施例４においては、表２に示すように、ガス流路の主方向に直交する方向に関する伸度のバラツキが±１０％以内となるようにガス拡散層基材（ＧＤＬ−２）が配置されたスタックを作製した。
【００７２】
このようにして作製した本実施例４の燃料電池用スタックを装備する固体高分子型燃料電池を、実施例１の条件で、耐フラッディング性、単セルでの平均圧損と標準偏差、燃料電池の圧力損失を測定した結果を表３に示す。また、本実施例４の燃料電池におけるＵｆ特性の測定結果のデータを、図１８に示す。なお、図１８のグラフにおいて、縦軸はセル電圧を示し、横軸は時間を示す。
【００７３】
（比較例１）
次に、実施例１〜４の燃料電池に対する比較例１にかかる燃料電池用スタックについて説明する。実施例１と同様にＭＥＡ、セパレータを作製し、表２に示すＧＤＬ−１の炭素繊維織布の経糸の配置方向をセパレータのガス流路の主方向に対して、２５セルは並行となるように配置し、残りの２５セルは、直交するように配置した単セルを合計５０セル作製した。この単セルをランダムに５０セル積層し、実施例１と同様に両端部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板を配置して、締結ロッドで固定し、燃料電池用スタックを作製した。すなわち、比較例１においては、ガス流路の主方向に直交する方向に関する伸度のバラツキが±４８％以内となるようにガス拡散層基材（ＧＤＬ−１を緯糸方向と経糸方向とを１：１で混在させるように配置）が配置されたスタックを作製した。
【００７４】
このようにして作製した比較例１にかかる燃料電池用スタックを装備する固体高分子型燃料電池を、実施例１の条件で、耐フラッディング性、単セルでの平均圧損と標準偏差、燃料電池の圧力損失を測定した結果を表３に示す。
【００７５】
（比較例２）
次に、比較例２にかかる燃料電池用スタックについて説明する。実施例１と同様にＭＥＡ、セパレータを作製し、表２に示すＧＤＬ−２の炭素繊維織布の経糸の配置方向をセパレータのガス流路の主方向に対して、２５セルは並行となるように配置し、残りの２５セルは、直交するように配置した単セルを合計５０セル作製した。この単セルをランダムに５０セル積層し、実施例１と同様に両端部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板を配置して、締結ロッドで固定し、燃料電池用スタックを作製した。すなわち、比較例２においては、ガス流路の主方向に直交する方向に関する伸度のバラツキが±４１％以内となるようにガス拡散層基材（ＧＤＬ−２を緯糸方向と経糸方向とを１：１で混在させるように配置）が配置されたスタックを作製した。
【００７６】
このようにして作製した本比較例２の燃料電池用スタックを装備する固体高分子型燃料電池を、実施例１の条件で、耐フラッディング性、単セルでの平均圧損と標準偏差、燃料電池の圧力損失を測定した結果を表３に示す。また、本比較例２の燃料電池におけるＵｆ特性の測定結果のデータを、図１９に示す。なお、図１９のグラフにおいて、縦軸はセル電圧を示し、横軸は時間を示す。
【００７７】
【表２】
0004054837.tif 000003
【００７８】
【表３】
0004054837.tif 000004
注記：「ランダム」とは、直交と並行とが１：１の割合で混在している状態とした。
【００７９】
表３から明らかなように、比較例１と比較例２の燃料電池では、５０セル間の圧力損失バラツキが標準偏差で示されるように大きくなり、結果として限界Ｕｆ及び限界Ｕｏが低下して耐フラッディング性が悪くなっている。これは、ガス拡散層基材の炭素繊維織布におけるガス流路の主方向に直交する方向の伸度のバラツキが±４８％以内あるいは±４１％以内と比較的大きくなっていることにより、セル間におけるガス流路内へのガス拡散層基材の垂れ込み量のバラツキが大きくなったためと考えられる。
【００８０】
一方、実施例１〜４においては、ガス拡散層基材の炭素繊維織布におけるガス流路の主方向に直交する方向の伸度のバラツキが±２８％以内、±１８％以内、±２０％以内、あるいは±１０％以内と比較的大きくなっていることにより、セル間におけるガス流路内へのガス拡散層基材の垂れ込み量のバラツキが比較的小さく抑えられている。その結果、表３に示すように、それぞれのセル間におけるガス流路の圧力損失のバラツキ（すなわち、標準偏差）を低く抑えることができ、限界Ｕｆ及び限界Ｕｏを高めて、耐フラッディング性を向上させることができる。
【００８１】
このような耐フラッディング性の向上の傾向は、実施例１〜４に共通して現れているが、特に、実施例２の燃料電池では、炭素繊維織布の経糸の方向、すなわち、伸度の小さい方向がガス流路の主方向に直交するようにそれぞれのガス拡散層基材が配置されているため、ガス拡散層基材のガス流路内への垂れ込み量が実施例１よりも小さくなり、５０セル間の圧力損失のバラツキも実施例１よりも更に小さくなる。その結果、耐フラッディング性を更に向上させることが確認できた。
【００８２】
また、実施例３と実施例４の燃料電池では、実施例１、２で使用したガス拡散層基材ＧＤＬ−１よりも伸度のバラツキが少ないガス拡散層基材ＧＤＬ−２を使用したため、実施例３では実施例１よりも、実施例４では実施例２よりも、ガス拡散層基材のガス流路内への垂れ込み量のバラツキを更に小さくでき、耐フラッディング性を更に向上できることが確認できた。
【００８３】
このような測定結果に基づき、セパレータのガス流路の主方向あるいは当該主方向に直交する方向における炭素繊維織布の伸度のセル間におけるバラツキ（％）と、燃料電池における限界Ｕｆ（％）及び限界Ｕｏ（％）との関係を示すグラフを図２２に示す。図２２から明らかなように、上記主方向あるいは当該主方向に直交する方向における伸度のバラツキが±３０％以内であれば、限界Ｕｆ＝８０％以上、限界Ｕｏ＝５０％以上を達成することができ、また、上記主方向あるいは当該主方向に直交する方向における伸度のバラツキが±２０％以内であれば、限界Ｕｆ＝８５％以上、限界Ｕｏ＝５５％以上を達成することができることが判る。さらに、上記主方向に直交する方向における伸度のバラツキが±１０％以内であれば、限界Ｕｆ＝９０％以上、限界Ｕｏ＝６０％以上を達成することができ、より好適であると言える。従って、伸度のバラツキを、±３０％以内に設定することで、燃料電池における耐フラッディング性を向上させることができ、さらに±２０％以内、より好ましくは±１０％以内に設定すると耐フラッディング性をより向上させることができる。
【００８４】
また、上記測定結果に基づき、セパレータのガス流路の主方向あるいは当該主方向に直交する方向における炭素繊維織布の伸度最大値と伸度最小値の差（％）と、燃料電池における限界Ｕｆ（％）及び限界Ｕｏ（％）との関係を示すグラフを図２３に示す。図２３から明らかなように、主方向あるいは当該主方向に直交する方向における伸度の最大値と最小値との差が３．５％以内であれば、限界Ｕｆ＝８０％以上、限界Ｕｏ＝５０％以上を達成することができ、また、上記差が２．５％以内であれば、限界Ｕｆ＝８５％以上、限界Ｕｏ＝５５％以上を達成することができることが判る。さらに、主方向に直交する方向における伸度の最大値と最小値との差が１％以内であれば、限界Ｕｆ＝９０％以上、限界Ｕｏ＝６０％以上を達成することができ、より好適であると言える。従って、伸度の最大値と最小値との差を、３．５％以内に設定することで、燃料電池における耐フラッディング性を向上させることができ、さらに２．５％以内、より好ましくは１％以内に設定すると耐フラッディング性をより向上させることができる。
【００８５】
さらに、上記測定結果に基づき、セパレータのガス流路の主方向に直交する方向における炭素繊維織布の伸度のＳＮ比（ｄＢ）と、燃料電池における限界Ｕｆ（％）及び限界Ｕｏ（％）との関係を示すグラフを図２４に示す。図２４から明らかなように、伸度のＳＮ比が１５ｄＢ以上であれば、限界Ｕｆ＝８０％以上、限界Ｕｏ＝５０％以上を達成することができ、さらに、ＳＮ比が２０ｄＢ以上であれば、限界Ｕｆ＝８５％以上、限界Ｕｏ＝５５％以上を達成することができることが判る。従って、伸度のＳＮ比を、１５ｄＢ以上に設定することで、燃料電池における耐フラッディング性を向上させることができ、さらに２０ｄＢ以上に設定すると耐フラッディング性をより向上させることができる。
【００８６】
なお、炭素繊維織布における経糸の配置方向と緯糸の配置方向との間の伸度に関して、伸度の小さい方向の伸度に対して伸度の大きい方の伸度が６０％以上大きいという異方性を有しているような場合にあっては、それぞれのセル間において、ガス流路の主方向に直交する方向に、炭素繊維織布における経糸の配置方向と緯糸の配置方向とを混在して配置させると、セル間における伸度のバラツキが明らかに±３０％を超えてしまうことになる。従って、このような場合にあっては、セル間における炭素繊維織布の配置方向を、経糸の配置方向、あるいは緯糸の配置方向のいずれかに揃えて配置することが好ましい。
【００８７】
なお、上述の実施形態の説明においては、燃料電池用スタックが複数のセルを備えるような場合について説明したが、このようなスタックは、第１のセルと第２のセルというように少なくとも２個のセルにより構成されていれば、本実施形態による効果を得ることができる。
【００８８】
ただし、スタックにおけるセル数が多いほど、スタックにおいて、圧力損失が極端に異なるセルへのガスの分配が悪くなる傾向にあるため、フラッディングの問題は顕著なものとなることが考えられる。例えば、家庭向けコージェネレーション用として用いられる燃料電池においては、インバータ能力を確保するためにスタックの発電電圧が少なくとも１０Ｖ以上に設定され、また、このようなスタックにおいては１０セル以上のセル数が必要となる。このように１０セル以上の構成を有するような燃料電池用スタックにおいて、本発明による効果をより効果的に得ることができる。
【００８９】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００９０】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【００９１】
２００５年１月１４日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００５−００７３７７号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明の燃料電池用スタック及び燃料電池は、ガス流路と直交する方向に対してガス拡散層基材の繊維方向をすべてのセルで揃えることにより、ガス流路と直交する方向のガス拡散層基材の伸度のセル間におけるバラツキを低減し、結果としてセル間の圧力損失バラツキを低減させ、耐フラッディング性を向上させることが可能となる。そのため、燃料として純水素、あるいは化石燃料等からの改質水素、または、メタノール、エタノールなどの液体燃料を直接用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】図１は、本発明の一の実施形態にかかる燃料電池の構成を示す概略構成図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池が備える燃料電池用スタックの模式分解立体図である。
【図３】図３は、セパレータの模式平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、上記スタックが備えるガス拡散層基材を構成する炭素繊維織布（平織）の構造を示す模式平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａのガス拡散層基材の炭素繊維織布におけるｙ−ｙ’断面を示す模式断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａのガス拡散層基材の炭素繊維織布におけるｘ−ｘ’断面を示す模式断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、上記炭素繊維織布の経糸方向とセパレータのガス流路の主方向を並行に配置した単セルの模式分解立体図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの単セルにおけるガス流路の主方向に直交する断面を示す模式部分断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、上記炭素繊維織布の経糸方向とセパレータのガス流路の主方向を直交に配置した単セルの模式分解立体図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの単セルにおけるガス流路の主方向に直交する断面を示す模式部分断面図である。
【図７】図７は、図５Ｂの単セルの断面をさらに詳細に示す模式部分断面図である。
【図８】図８は、図６Ｂの単セルの断面をさらに詳細に示す模式部分断面図である。
【図９】図９は、本発明の上記実施形態に対する比較例にかかる燃料電池用スタックの模式分解立体図である。
【図１０】図１０は、上記実施形態の変形例にかかる燃料電池用スタックの模式分解立体図である。
【図１１】図１１は、図９の比較例のスタックにおけるガスの流れの概念図である。
【図１２】図１２は、図２の上記実施形態のスタックにおけるガスの流れの概念図である。
【図１３】図１３は、図１０の上記実施形態の変形例のスタックにおけるガスの流れの概念図である。
【図１４】図１４は、炭素繊維不織布により構成されたガス拡散層基材の模式平面図である。
【図１５】図１５は、図１４の炭素繊維不織布における伸度の小さい方向がガス流路の主方向と直交するように配置された状態のセルの模式部分断面図である。
【図１６】図１６は、図１４の炭素繊維不織布における伸度の大きい方向がガス流路の主方向と直交するように配置された状態のセルの模式部分断面図である。
【図１７】図１７は、ガス流路の主方向に対して炭素繊維織布の経糸の配置方向が斜めに交差するように配置された状態を示す模式平面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施例４にかかる燃料電池における燃料利用効率の特性を示すグラフである。
【図１９】図１９は、比較例２にかかる燃料電池における燃料利用効率の特性を示すグラフである。
【図２０】図２０は、ガス拡散層基材ＧＤＬ−１における伸度の特性を示すグラフである。
【図２１】図２１は、ガス拡散層基材ＧＤＬ−２における伸度の特性を示すグラフである。
【図２２】図２２は、それぞれの実施例及び比較例の燃料電池におけるガス拡散層基材の伸度のセル間のバラツキに対する限界Ｕｆ及び限界Ｕｏの関係を示すグラフである。
【図２３】図２３は、それぞれの実施例及び比較例の燃料電池におけるガス拡散層基材の伸度最大値と伸度最小値の差に対する限界Ｕｆ及び限界Ｕｏの関係を示すグラフである。
【図２４】図２４は、それぞれの実施例及び比較例の燃料電池におけるガス拡散層基材の伸度のＳＮ値に対する限界Ｕｆ及び限界Ｕｏの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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