(57)【要約】      （修正有）【課題】反応ガスの圧損を低減するとともに発電効率を向上することができる燃料電池を提供する。【解決手段】反応ガス吸気側ガス流路２と、反応ガス排気側ガス流路３と、を備え、反応ガス吸気側ガス流路２に供給された反応ガスは、ガス拡散層３０を介して反応ガス排気側ガス流路３へと排出され、反応ガス排気側ガス流路３は、リブ４の、電極接合体３０に接しない側に形成された反応ガス排気側溝部と、電極接合体２０に接し、反応ガス排気側溝部に連通する複数の連通孔１４とから構成され、連通孔１４は、ガス拡散層３０と連通する部分の幅が、反応ガス排出側溝部の幅よりも小さく構成される。【選択図】図１
2009048775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層と、前記電極触媒層のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、前記電極触媒層において発電された電力を集電するガス拡散層と、によって構成される電極接合体と、
溝部と前記溝部を隔てるリブとが形成され、前記溝部によって反応ガスの流路を構成するセパレータと、
を備え、前記セパレータと前記電極接合体とを交互に積層した燃料電池において、
前記セパレータの溝部と、前記リブと、前記電極接合体とによって囲まれた空間によって、反応ガス流路を構成し、
前記反応ガス流路は、
反応ガスが供給される系と同一空間を形成する反応ガス吸気側ガス流路と、
反応ガスが排出される系と同一空間を形成し、前記反応ガスが供給される系と別空間を形成する反応排気側ガス流路と、
を備え、
前記反応ガス吸気側ガス流路に供給された反応ガスは、前記ガス拡散層を通過して前記反応ガス排気側ガス流路へと排出され、
前記反応ガス排気側ガス流路は、前記リブの、前記電極接合体に接しない側に形成された反応ガス排気側溝部と、前記電極接合体に接し、前記反応ガス排気側溝部に連通する複数の連通孔と、から構成され、
前記連通孔は、前記ガス拡散層と連通する部分の幅が、前記反応ガス排出側溝部の幅よりも小さく構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータは、断面が波型形状の第１の導電板と、断面が波型形状の第２の導電板と、前記第１の導電板及び第２の導電板に狭持される平板形状の第３の導電板とによって構成され、
前記リブは、前記第１の導電板の断面凸部によって構成され、
前記反応ガス吸気側ガス流路は、前記第１の導電板の断面凹部と、前記電極接合体とによって囲まれた空間によって構成され、
前記反応ガス排気側ガス流路は、前記第１の導電板の断面凸部と、前記第３の導電板とによって囲まれた空間によって構成され、
前記連通孔は、前記第１の導電板の断面凸部の前記電極接合体に接する部分から、前記反応ガス排気側ガス流路へと連通するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池
【請求項３】
前記第１の導電板及び前記第２の導電板は、平板状の導電性板をプレス加工することによって断面が波形形状に加工されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記連通孔は、開口形状が長孔であり、前記リブを構成する前記第１の導電板の凸部毎に複数形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記連通孔は、
前記リブを構成する前記第１の導電板の断面凸部の内側から前記反応ガス排気側ガス流路側へと突起して備えられ、
内径の断面積が前記電極接合体側から前記排気側ガス流路側に向かって暫時拡大し、
前記拡大側の端部は、前記反応ガス排気側ガス流路の壁面から離れるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第２の導電板の断面凹部と、前記第３の導電板とによって囲まれた空間によって冷却水流路を構成し、
前記冷却水流路の幅は、前記第３の導電板を挟んで対峙する前記反応ガス排気側ガス流路の幅よりも狭く構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記連通孔の幅は、前記ガス拡散層の厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記反応ガス排気側ガス流路の断面積Ａは、
Ａ≧Ｂ１
かつ、
Ａ≦（１＋（（Ｂ１／Ｃ１）＾２）×Ｃ２×Ｂ２）
ただし、
Ａ：反応ガス排気側ガス流路の断面積、
Ｂ１：反応ガス吸気側ガス流路の断面積、
Ｂ２：反応ガス吸気側ガス流路の長さ、
Ｃ１：連通孔の断面積、
Ｃ２：連通孔の長さ、
となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記ガス拡散層が親水性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記反応ガス流路が水平方向となるように前記セパレータ及び前記電極複合体が配置され、かつ、前記電極複合体は、前記反応ガス吸気側ガス流路及び反応ガス排気側ガス流路の水平方向の上方に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記反応ガス流路を構成する前記セパレータの溝部の内面が親水性であることを特徴とする請求項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、燃料電池に関し、特に、反応ガスの圧損を低減するとともに発電効率を向上することができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスを電極触媒層において効率よく反応させるために、陽極側及び陰極側にガスの流路溝を設けている。
【０００３】
このような燃料電池は、電極触媒層の陰極側にセパレータにより形成されたガス流路溝を、酸化剤ガス入り口穴と連通する上流部と、酸化剤ガス出口穴と連通する下流部とに分離させる。これにより、燃料電池に供給される酸化剤ガスが、上流部から拡散層を経由して下流部に流れる。そして、スリットを有する板部を、拡散層と空気極触媒層側のセパレータとの間に、上流部の中心に対向する位置に配置する。このスリットは、上流部の幅よりも開口幅が狭く形成され、上流部の断面積を、一般的な燃料電池と同様に、発電に必要な量の空気を流すことができる大きさとする（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１９０９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のような構造では、ガス流路の開口部が狭くなるため、開口部を通過する酸化剤ガスに圧損が発生してしまう。そのため、酸化剤ガスの供給圧力を増加しなければ燃料電池内の酸素分圧が減少してしまう。従って、発電効率の向上効果が抑制されてしまう。
【０００５】
また、酸素分圧の減少を避けるため、コンプレッサ等を用いて酸化剤ガスの供給圧力を増加してもよいが、コンプレッサによる負荷が増加して、発電システムとしての効率の向上効果が抑制されてしまう。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池における反応ガスの圧損を低減できるとともに発電効率を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施態様によると、固体高分子型の電解質膜（５０）の陽極及び陰極にそれぞれ備えられた電極触媒層（４０）と、電極触媒層（４０）のそれぞれに備えられ、反応ガスを供給するとともに、電極触媒層（４０）において発電された電力を集電するガス拡散層（３０）と、によって構成される電極接合体（２０）と、溝部と溝部を隔てるリブ（４）とが形成され、溝部によって反応ガスの流路を構成するセパレータ（１）と、を備え、セパレータ（１）と電極接合体（２０）とを交互に積層した燃料電池において、セパレータ（１）の溝部と、リブ（４）と、電極接合体（２０）とによって囲まれた空間によって、反応ガス流路を構成し、反応ガス流路は、反応ガスが供給される系と同一空間を形成する反応ガス吸気側ガス流路（２）と、反応ガスが排出される系と同一空間を形成し、反応ガスが供給される系と別空間を形成する反応排気側ガス流路（３）と、を備え、反応ガス吸気側ガス流路（２）に供給された反応ガスは、ガス拡散層（３０）を通過して反応ガス排気側ガス流路（３）へと排出され、反応ガス排気側ガス流路は（３）、リブ（４）の、電極接合体（３０）に接しない側に形成された反応ガス排気側溝部と、電極接合体（２０）に接し、反応ガス排気側溝部に連通する複数の連通孔（１４）と、から構成され、（カソード排気側ガス流路のみに設けられた）連通孔（１４）は、ガス拡散層（３０）と連通する部分の幅が、反応ガス排出側溝部の幅よりも小さく構成されていることを特徴とする燃料電池。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、酸化剤ガスの流路となるカソード排気側ガス流路に、カソード排気側ガス流路よりも幅が狭いカソード連通孔によって、ガス拡散層内でのガスの対流を促進して、電極触媒層での酸素分圧の減少を最低限とすることができる。従って、酸化剤ガスの圧損を低減しつつ、ガス対流を促進するので、燃料電池の発電の効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池のうち固体高分子型と呼ばれる燃料電池は、電解質膜を挟んで設けられた一対の陽極及び陰極の電極触媒層を備える。この電極触媒層の陽極に水素を含有する燃料ガスを供給し、陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給することによって、これら一対の電極触媒層で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すことができる。なお、陽極及び陰極に備えられる触媒には、一般的に白金等の金属が用いられる。
【００１１】
この電解質膜では、次の化学式に示すような電気化学反応が行われる。
【００１２】
陽極側：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                          （１）
陰極側：２Ｈ＋  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ    （２）
このように、陽極側では化学式（１）のように水素分子から電子が放出されることで発電が行われる。陰極側では化学式（２）のように水素と酸素とが反応して水が生成される。
【００１３】
燃料電池に燃料ガスを供給する方法には、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質し、この改質した水素含有ガスを供給する方法等が用いられる。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等が用いられる。また、水素を含有する燃料には、天然ガス、メタノール、ガソリン等が用いられる。
【００１４】
また、陰極に供給する酸素剤ガスには、一般的に空気が用いられる。
【００１５】
一般的な固体高分子型の燃料電池は、前述のように電解質膜を挟んで設けられた一対の電極触媒層を備えている。そして、表面に溝を持つ板材（セパレータ）によってこの電極触媒層を狭持する。
【００１６】
この溝は、一方が反応ガスの供給側に連通し、他方は閉塞している。すなわち、この溝と電極触媒層とによって構成される空間が、反応ガスの流路となる。また、反応ガスの流路は、陽極側（カソード側）と、陰極側（アノード側）とで独立して構成され、電極触媒層を挟んだ両極に、それぞれ酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されるように構成されている。また、反応が済んだガスは排出口に排出される。
【００１７】
また、セパレータには、燃料電池を適切な反応温度とするための冷却水の流路が、反応ガス流路とは独立して構成されている。
【００１８】
なお、一般的に、セパレータと電極触媒層の間には、ＧＤＬ（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ：ガス拡散層）と呼ばれる導電性の多孔体が設けられる。このＧＤＬは、電極触媒層への反応ガスの供給と、電極触媒層によって発生した電力の集電とを同時に行う目的で設けられる。
【００１９】
固体高分子型燃料電池は、排出物が無害な水だけであること、高効率であることから、発電用途だけではなく、自動車等の動力源として利用されはじめている。しかしながら、自動車用途ではモータ等が大きな出力を要求するため、燃料電池には出力密度の向上が求められる。
【００２０】
しかし、出力密度を大きくして燃料電池の発電を行うと、ＧＤＬの存在によって反応ガスの拡散の抵抗が生じる。この抵抗によって、電極触媒層の酸素分圧が低下して化学反応に損失が生じるため、発電の効率が低下してしまう。
【００２１】
また、固体高分子型燃料電池では、発電を行うと化学反応により水が生成される。この生成された水の排出が十分に行われなかった場合には、燃料電池内のガス流路等が閉塞する場合がある。このガス流路の閉塞によって、電極触媒層に酸素が供給されにくくなり、やはり発電効率が低下してしまう。
【００２２】
そこで、本発明は、以下のような構成により、酸素分圧の低下を防止するとともに、生成された水を充分に排出できる燃料電池を構成する。
【００２３】
＜第１実施例＞
図１は、本発明の第１の実施例の燃料電池のセパレータ１の説明図である。なお、図１（Ａ）はセパレータ１のカソード側の上面図を示し、図１（Ｂ）はＡ−Ａ断面図を示す。
【００２４】
セパレータ１には、カソード吸気側ガス流路２、カソード排気側ガス流路３、カソードリブ４、アノードガス流路５、アノードリブ６、冷却水流路７、カソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２、冷却水排出口１３及びカソード連通孔１４が構成されている。
【００２５】
本実施例の燃料電池は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｒｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電極接合体）２０と、セパレータ１と、セパレータ１を隔離する隔離板１７とが交互に積層されて構成される。これによって、一端が反応ガスの供給系に連通し他端が閉塞しているガス流路と、一端が反応ガスの排出系に連通し他端が閉塞しているガス流路と、が交互に配された構成（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ（ＩＤ）構造）が形成される。
【００２６】
ＭＥＡ２０は、電解質膜５０のアノード側及びカソード極のそれぞれに電極触媒層４０を備える。また、電極触媒層４０のアノード側及びカソード側のそれぞれにＧＤＬ３０を備える。
【００２７】
カソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２及び冷却水排出口１３は、それぞれ、セパレータ１を貫通する空隙により構成される。ＩＤ構造によりセパレータ１が積層されることによって、積層方向にカソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２及び冷却水排出口１３が構成される。
【００２８】
カソード吸気側ガス流路２、カソード排気側ガス流路３、カソードリブ４及びアノードガス流路５は、セパレータ１に形成された溝により構成される。ＩＤ構造によりセパレータ１が積層されることによって、これら各流路が構成される。
【００２９】
図１（Ａ）に示すように、カソード吸気側ガス流路２は、カソードリブ４によって分割されている。例えば図１に示す例では、カソード吸気側ガス流路２は四つに分割されている。このカソード吸気側ガス流路２は、カソード吸気口８側に開口しており、カソード吸気口８の反対側では閉塞している。
【００３０】
カソードリブ４の要所には、カソード連通孔１４が設けられている。カソード連通孔１４は、カソードリブ４の短辺に対して略中央に設けられた略円形の反応ガス流路である。例えば図１に示す例では、カソード連通孔１４は、各カソードリブ４に等間隔に１０個設けられている。
【００３１】
このカソード連通孔１４は、一方はＧＤＬ３０に接触し、他方はカソード排気側ガス流路３を構成する溝部（カソード排気側溝部３）に連通している。このカソード排気側ガス流路３は、カソード排気口１１側に開口しており、カソード排気口１１の反対側では閉塞している。
【００３２】
カソード吸気口８から供給される酸化剤ガスは、カソードリブ４によって分割されたカソード吸気側ガス流路２に供給される。カソード吸気側ガス流路２に供給された酸化剤ガスは、ＧＤＬ３０を通過してカソード連通孔１４に流れる。そして、カソード連通孔１４からカソード排気側ガス流路３へと流れる。カソード排気側ガス流路３へ流れた酸化剤ガスは、カソード排気口１１から排気される。
【００３３】
一方、アノード側において、アノード吸気口９から供給された燃料ガスは、アノードガス流路５の供給側からＧＤＬ３０を通過してアノードガス流路５の排気側へと流れる。そして、アノード排気口１１から排気される。
【００３４】
また、冷却水供給口１０から供給された冷却水は、冷却水流路７を通過して、冷却水排出口１３へと流れる。なお、冷媒には、水、エチレングリコールまたはフロン等が用いられる。
【００３５】
図１（Ｂ）に示すＡ−Ａ断面図において矢印で示したように、ＧＤＬ３０のカソード側において、カソード吸気側ガス流路２から、カソードリブ４に設けられたカソード連通孔１４へと、酸化剤ガスが流れる。なお、図示しないが、ＧＤＬ３０のアノード側では、アノードガス流路５において、燃料ガスが吸気側から排気側に流れる。
【００３６】
ＭＥＡ２０は、電解質膜５０、電極触媒層４０及びＧＤＬ３０によって構成されている。電極触媒層４０には、ＧＤＬ３０を介して、酸化剤ガス及び燃料ガスがそれぞれ供給される。電極触媒層４０においてこれらの反応ガスが反応することによって発電が行われる。発電された電力は、導電性の部材であるＧＤＬ３０及びセパレータ１を介して取り出される。
【００３７】
セパレータ１により構成されるＩＤ構造によって、燃料電池に供給された反応ガスは、吸気側のガス流路から排気側のガス流路にＧＤＬ３０内を対流して移動する。
【００３８】
また、反応により生成した水は、対流して移動する反応ガスと共に、ガス流路の排気側へと押し出される。これにより、燃料電池から生成水が排出されるので、燃料電池の効率が向上する。
【００３９】
なお、ＩＤ構造のガス流路においては、ＧＤＬ３０内で反応ガスの対流が生じる領域を拡大すると発電効率が向上する。そのために、ガス流路の幅を狭くして、反応ガスの対流域となるセパレータ１のリブ部の幅を広げるように構成することが好ましい。しかし、そのように構成した場合には、ガス流路の断面積が小さくなるので、反応ガスがガス流路を流れるときの圧損が増加してしまう。そのため、結果として触媒層の酸素分圧が低下して、発電の効率の向上効果が相殺されてしまう。
【００４０】
そこで、本実施例では、ＩＤ構造によるガス流路について、図１に示すような特徴的な構成を設けた。具体的には、酸化剤ガスの排気側のみにカソード連通孔１４を備えた。そして、このカソード連通孔１４に関して、ＧＤＬ３０と連通する部分の幅（ＧＤＬ３０との接触面積）を、カソード吸気側ガス流路２の幅（面積）よりも狭く（小さく）構成する。また、カソード連通孔１４のＧＤＬ３０から離れた部分の幅（面積）を、カソード吸気側ガス流路２の幅（面積）と略同一とする。または、カソード連通孔１４のＧＤＬ３０から離れた部分の幅（面積）をカソード吸気側ガス流路２の幅（面積）よりも広く（大きく）する。
【００４１】
すなわち、酸化剤ガスの排気側では、カソード連通孔１４によってＧＤＬ３０と連通する部分の幅が狭くなり、カソード排気側ガス流路３の幅が大きくなるように構成されている。
【００４２】
カソード連通孔１４をこのような構成とすることによって、カソード排気側ガス流路３付近のＧＤＬ３０内では、酸化剤ガスが直ちに排気されることがない。そのため、ＧＤＬ３０内で、酸化剤ガスの対流が生じる。これによって、より多くの反応ガス（すなわち酸素）が電極触媒層４０に供給されるので、カソード連通孔１４付近の電極触媒層の酸素分圧が減少することなく、発電の効率を向上させることができる。
【００４３】
なお、本発明では、カソード吸気側ガス流路２は、従来の燃料電池と同様に、連通孔のような絞りとなる構成を備えていない。そのため、カソード吸気側ガス流路２付近のＧＤＬ３０内では、ガス対流を促進する効果はない。しかし、カソード吸気側ガス流路２付近では、新たな酸化剤ガス供給されているので酸化剤ガス中の酸素濃度は充分に高い。従って、反応ガスの対流が弱くても分子拡散により十分な酸素が触媒層に供給される。すなわち、カソード吸気側ガス流路２では、連通孔のような絞りとなる構成を備えていなくでも、発電効率が低下することはない。
【００４４】
図２は、本実施例の燃料電池の発電状態における、電極触媒層４０とＧＤＬ３０との界面の酸素分圧の実験結果の一例を示す表である。
【００４５】
図２に示す表において、横軸はＧＤＬ３０内の位置を示し、縦軸は酸素分圧を示す。この図２に示す表は、ＧＤＬ３０内のガスの流れ方向の位置に対応して、カソード吸気側ガス流路２付近、カソードリブ４付近及びカソード連通孔１４付近それぞれについての酸素分圧が示されている。
【００４６】
この図２に示すように、カソード連通孔１４付近では、カソードリブ４付近よりも酸素分圧は若干低くなっているが、カソード吸気側ガス流路２付近では、カソードリブ４付近よりも酸素分圧は高くなっている。従って、燃料電池のカソード吸気側ガス流路２付近では、電極触媒層に十分な酸素が供給される。
【００４７】
以上のように、本発明の第１の実施例の燃料電池では、酸化剤ガスの排気側となるカソード排気側ガス流路３にのみ、カソード排気側ガス流路３よりも幅が狭いカソード連通孔１４を設けた。このカソード連通孔１４によって、ＧＤＬ３０内でのガスの対流を促進して、電極触媒層４０での酸素分圧の減少を最低限とすることができる。
【００４８】
なお、カソード吸気側ガス流路２については、連通孔のような幅の狭い部分はないので、酸化剤ガスの圧損は低く抑えられる。
【００４９】
従って、酸化剤ガスの圧損を低減しつつ、ＧＤＬ３０内のガス対流を促進するので、燃料電池の発電の効率を向上させることができる。
【００５０】
＜第２実施例＞
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
【００５１】
図３は、本発明の第２の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【００５２】
図３に示すセパレータ１は、断面が波型形状のカソード側導電板１５と、断面が波型形状のアノード側導電板１６と、隔離板１７とによって構成される。導電材からなる隔離板１７は、カソード側導電板１５及びアノード側導電板１６に挟持されている。
【００５３】
カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とは、例えば、切削や鋳造等によって溝部を形成する。なお、第３実施例で後述するようにプレス加工によって形成することが望ましい。
【００５４】
これらカソード側導電板１５とアノード側導電板１６と隔離板１７とは、例えば圧着や溶接等によって一体に構成される。または、導電性の接着剤等によって固着してもよい。
【００５５】
このカソード側導電板１５の断面凹部（隔離板１７に向かって略コの字形状に窪んでいる部分）とＭＥＡ２０とによって囲まれる空間が、カソードの吸気側ガス流路であるカソード吸気側ガス流路２を構成する。
【００５６】
また、カソード側導電板１５の断面凸部（隔離板１７から離れて略コの字形状に隆起している部分）と隔離板１７とによって囲まれる空間が、カソードの排気側ガス流路であるカソード排気側ガス流路３を構成する。すなわち、カソード側導電板１５の断面凸部がカソード排気側溝部を構成する。
【００５７】
なお、カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とは、ガイド等によって保持される。このガイドは、カソード吸気口８、アノード吸気口９、冷却水供給口１０、カソード排気口１１、アノード排気口１２及び冷却水排出口１３を備えている。そして、反応ガス及び冷却水が各ガス流路に連通するように構成されている。
【００５８】
このカソード排気側ガス流路３には、第１の実施例と同様に、ＧＤＬ３０に連通する略円形のカソード連通孔１４が設けられている。
【００５９】
また、カソード吸気側ガス流路２を構成する部分と対向する部分であって、アノード側導電板１６の断面凹部（隔離板１７に向かって略コの字形状に窪んでいる部分）とＧＤＬ３０とによって囲まれる空間が、アノードの吸気側ガス流路となるアノードガス流路５を構成する。
【００６０】
また、カソード排気側ガス流路３を構成する部分と対向する部分であって、カソード側導電板１５の断面凸部（隔離板１７から離れて略コの字形状に隆起している部分）と隔離板１７とによって囲まれる空間が、冷却水の流路となる冷却水流路７を構成する。
【００６１】
カソード連通孔１４は、カソード側導電板１５の断面凸部の要部に、例えばドリルによる切削加工によって形成される。これによって、前述の第１の実施例と同様に、ＧＤＬ３０と連通する部分の幅が、カソード吸気側ガス流路２の幅よりも狭く構成される。すなわち、カソード側導電板１５の厚み分だけ、カソード排気側ガス流路３（カソード排気側溝部）の幅よりも狭いカソード連通孔１４が構成される。
【００６２】
なお、第１の実施例と同様に、カソード連通孔１４のＧＤＬ３０から離れた部分の幅、すなわち、カソード排気側ガス流路３（カソード排気側溝部）は、カソード吸気側ガス流路２の幅と略同一、または、大きく構成する。
【００６３】
以上のように、本発明の第２の実施例の燃料電池では、第１の実施例と同様に、カソード連通孔１４の構成によって、ＧＤＬ３０内でのガスの対流を促進して、電極触媒層４０での酸素分圧の減少を最低限とすることができる。カソード吸気側ガス流路２については、カソード連通孔のような幅の狭い部分はないので、酸化剤ガスの圧損を低く抑えることができる。従って燃料電池の発電の効率を向上させることができる。
【００６４】
またさらに、第２の実施例では、セパレータ１の各ガス流路を、軽量かつ強度に優れるとともに加工が容易な波型断面の板材によって構成とすることによって、燃料電池を小型軽量化することができる。
【００６５】
特に、図１（Ｂ）と比較すると、流路と流路の間に無駄なスペースがなくなる。特に、冷却水流路として利用していた空間の一部がガス流路となる。従って、ガス流路の断面積を減少させることなく、ガス流路の厚みを減少することができるので、セル厚さが減少する。
【００６６】
従って、燃料電池の小型化が可能となり、出力密度を向上することができる。また、セル内に占める冷却水流路の容量が減るので、セルの熱量を減少することができ、低温起動時間を短縮することができる。
【００６７】
＜第３実施例＞
次に、本発明の第３の実施例を説明する。
【００６８】
本発明の第３の実施例の基本構成は、図２で前述した第２の実施例と同一である。
【００６９】
第３の実施例では、図２で前述した断面が波形のカソード側導電板１５と、断面が波形のアノード側導電板１６とを、それぞれ、平板の板材からプレス加工することによって形成することを特徴とする。なお、カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とは、金属の合金（例えばアルミ合金）等を用いる。そのため、プレス加工は容易である。
【００７０】
以上のように、本発明の第３の実施例の燃料電池では、カソード側導電板１５とアノード側導電板１６とを、加工時間が短いプレス加工によって形成する。このようにすることによって、セパレータ１の加工コストを低く抑えることができ、燃料電池の製造コストを低く抑えることができる。
【００７１】
＜第４実施例＞
次に、本発明の第４の実施例を説明する。
【００７２】
本発明の第４の実施例の基本構成は、図１で前述した第１の実施例と同一である。そして、カソード連通孔の形状に特徴がある。
【００７３】
図４は、本発明の第４の実施例の燃料電池のセパレータ１の上面図である。
【００７４】
図４に示すように、カソード連通孔１８は、前述のカソード連通孔１４とは異なり、開口形状が長孔である。より具体的には、カソード連通孔１８は、カソードリブ４の短辺に対して略中央に設けられる。そして、カソード連通孔１８の形状は、カソードリブ４の長辺を長辺とする略長方形に形成されている。
【００７５】
カソードリブ４は、反応ガスの供給によって圧力がかかる。また、自動車等に燃料電池が搭載された場合は、自動車の振動が燃料電池に加わる。
【００７６】
そのため、これらによって、カソードリブ４に形成されるカソード連通孔にクラックが入る恐れがある。特に、カソード連通孔が前述した図１のように略円形である場合は、カソードリブ４の端部に最も近いカソード連通孔１４の開口部に応力が集中し、クラックが入る恐れがある。
【００７７】
そこで、カソード連通孔１８を略長方形形状として、カソードリブ４の端部とカソード連通孔１８との距離を略均一にする。これによって、カソードリブ４の強度を高める。
【００７８】
なお、カソード連通孔１８は、完全な矩形とするのではなく、角部に丸みを持たせると、クラック防止のために好適である。
【００７９】
以上のように、本発明の第４の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１８を略長方形としたので、カソード連通孔１８の断面積を確保しつつ、カソード連通孔１８付近のセパレータの強度を向上させることが可能となる。これにより、発電の効率を維持しつつ、セパレータ１を薄くできるので、セルの小型化が可能となり、燃料電池の出力密度を向上させることができる。
【００８０】
なお、図２で前述した第２の実施例のカソード連通孔１４を、図４に示すような形状としてもよい。
【００８１】
＜第５実施例＞
次に、本発明の第５の実施例を説明する。
【００８２】
本発明の第５の実施例は、前述した第２の実施例の基本構成と同様に、断面が波型のカソード側導電板１５と、断面が波型のアノード側導電板１６と、導電材からなる隔離板１７とによって構成される。そして、カソード側導電板１５に設けられるカソード連通孔１４の構造が前述の第２の実施例と異なる。
【００８３】
図５は、本発明の第５の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【００８４】
図５に示すように、カソード連通孔１４は、カソード排気側ガス流路３の内部に突起した形状を備える整流構造１９を備えている。この整流構造１９は、その断面積が、ＧＤＬ３０側からカソード排気側ガス流路３側に向かって暫時拡大している。
【００８５】
この整流構造１９は、例えば円筒状かつテーパ形状の付加物をカソード排気側ガス流路３のＧＤＬ側に接合することによって形成される。
【００８６】
このように、カソード連通孔１４に整流構造１９を備えることによって、カソード排気側ガス流路３の圧損を減少させることができる。
【００８７】
より具体的には、前述の第２の実施例のように、カソード連通孔１４からカソード排気側ガス流路３に向けて流路が急に拡大するように形成した場合は、ガスの流れに乱れが生じてしまう。そのため、この乱れによって圧損が発生してしまう可能性がある。
【００８８】
そこで、カソード連通孔１４に整流構造１９を備え、ＧＤＬ３０側からカソード排気側ガス流路３側に向かって暫時拡大するように形成した。
【００８９】
ＧＤＬ３０を通過した反応ガスは、カソード連通孔１４を通過してこの整流構造１９に流れる。整流構造１９は暫時拡大しているので、反応ガスの圧力が急激に変化することはない。この整流構造１９を通過する反応ガスは、拡大された断面積に沿って徐々に圧力が緩和されて、最終的にカソード排気側ガス流路３に流れる。これによって、ガスの流れの乱れを解消して、この乱れによって発生する圧損を低減することができる。
【００９０】
なお、図８に示すように、整流構造１９は、カソード排気側ガス流路３の途中までしか形成されていない。すなわち、整流構造１９は、カソード排気側ガス流路の壁面から離れて形成され、壁面に接触していない。
【００９１】
整流構造１９が途中までしか存在しなくても、ガスは慣性により方向を維持したまま流れるので、その端部によって圧損が発生することはない。
【００９２】
以上のように、本発明の第５の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１４のガスの流れ側に、テーパ形状の整流構造１９を備えたので、第２の実施例と比較して、カソード連通孔１４の反応ガスの乱れによって発生する圧損を低減することができるので、燃料電池内の酸素分圧が増加し、発電の効率を向上することができる。
【００９３】
また、この整流構造１９は、テーパ形状の付加物を、断面が波形形状のカソード側導電板１５のＧＤＬ側にのみ接合することによって形成することができるので、特殊な切削行程を必要とせず、低コストの燃料電池を提供することができる。
【００９４】
＜第６実施例＞
次に、本発明の第６の実施例を説明する。
【００９５】
本発明の第６実施例は、前述した第２の実施例の基本構成と同様に、断面が波型のカソード側導電板１５と、断面が波型のアノード側導電板１６と、導電材からなる隔離板１７と、によって構成される。そして、アノード側導電板１６によって形成される冷却水流路７の構造が、前述の第２の実施例と異なる。
【００９６】
図６は、本発明の第６の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【００９７】
この図６に示すように、冷却水流路７の隔離板１７の接触部の幅が、隔離板１７を介して対峙しているカソード排気側ガス流路３の隔離板１７の接触部の幅よりも狭く構成されていることを特徴とする。すなわち、冷却水流路７を構成する隔離板１７の幅が、カソード排気側ガス流路３を構成する隔離板１７の幅よりも狭く構成されている。
【００９８】
一般的に、燃料電池は、セパレータ１とＧＤＬ３０とが交互に配されたＩＤ構造である。そのため、これらは、発電に適切な状態となるように厚み方向に加重が加えられている。また、セパレータには反応ガスが供給されるため、反応ガスによる圧力が加わる。またさらに、自動車等に燃料電池が搭載された場合は、自動車の振動が燃料電池に加わる。
【００９９】
そのため、セパレータ１には、これらに耐えうる程度の強度が必要とされる。その一方で、発電密度を上げるためには、セパレータ１を積層方向に薄く構成することが望ましい。
【０１００】
ここで、前述した第２の実施例の図２に示すように、隔離板１７を挟んで、カソード吸気側ガス流路２の幅とアノードガス流路５の幅とが略同一であるように構成し、かつ、カソード排気側ガス流路３の幅と冷却水流路７の幅とが略同一であるように構成した場合は、カソード側導電板１５が隔離板１７とが接触する凹部の角部に荷重が集中するので、クラックが発生する恐れがある。そのため、カソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７を、所望の強度が得られるような厚みで構成する必要がある。
【０１０１】
これに対して、本実施例では、カソード側導電板１５の凹部の角部と、アノード側導電板１６の凹部の角点とが、隔離板１７において対峙した位置とならないように構成した。
【０１０２】
より具体的には、カソード排気側ガス流路３を構成するカソード側導電板１５の凸部の幅よりも、冷却水流路７を構成するアノード側導電板１６の凸部の幅を狭く構成した。これによって、カソード側導電板１５の角部とアノード側導電板１６の角部とが一箇所とならない。そのため、セパレータ１に加わる荷重が一箇所に集中せず、隔離板１７に分散される。従って、セパレータ１を構成するカソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７を薄くすることが可能となる。
【０１０３】
以上のように、本発明の第６の実施例の燃料電池では、セパレータ１を構成するカソード側導電板１５の凹部の角部と、アノード側導電板１６の凹部の角点とを、隔離板１７において対峙した位置とならないように構成した。これにより、カソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７を薄くすることができるので、燃料電池を軽量化することができる。
【０１０４】
また、冷却水流路７の幅、すなわち、冷却水流路７の断面積が縮小されるので、セル内の冷却水容量が減少され、セルの熱容量が減少されることによって、低温時の燃料電池の起動時間を短縮することができる。
【０１０５】
＜第７実施例＞
次に、本発明の第７の実施例を説明する。
【０１０６】
第７の実施例の基本構成は、前述した第１の実施例のセパレータ１と同一である。そして、カソード連通孔１４の幅が、ＧＤＬ３０の厚さの２倍以下であることを特徴とする。
【０１０７】
図７は、本発明の第７の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【０１０８】
図７（Ａ）に示すように、前述の第１の実施例において、カソード連通孔１４の幅が、ガスが対流するＧＤＬ３０の厚さの２倍よりも大きい場合には、ＧＤＬ３０からカソード連通孔１４への反応ガスの流れに圧損が生じる。より具体的には、ＧＤＬ３０におけるカソード連通孔１４の直前では、ＧＤＬ３０の断面積が大きいため、反応ガスが縮流することなく、ＧＤＬ３０からカソード連通孔１４に向かって大きな曲率で湾曲する。そのため、カソード連通孔１４と対向するＧＤＬ３０内での電極触媒層との界面付近は、反応ガスの対流が少ないよどみ点が発生する。
【０１０９】
そこで、本実施例では、カソード連通孔１４幅を、ＧＤＬ３０の厚さの２倍以下に構成した。このように構成することによって、図７（Ｂ）に示すように、ＧＤＬ３０からカソード連通孔１４への反応ガス流れは、ほぼ直角に曲がることとなる。これによって反応ガスが縮流となるので、カソード連通孔１４と対向するＧＤＬ３０内での電極触媒層４０との界面付近は、反応ガスが対流する領域となる。
【０１１０】
以上のように、本発明の第７の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１４の幅を、ＧＤＬ３０の厚さの２倍以下に構成したので、カソード連通孔１４と対向するＧＤＬ３０内での電極触媒層との界面付近は、反応ガスが対流する領域となる。これによって、カソード連通孔１４と対向する部分の電極触媒層４０の酸素分圧が上昇するので、発電の効率を向上させることができる。
【０１１１】
なお、前述した第２の実施例のセパレータ１と同一の基本構成において、カソード連通孔１４を前述のように構成してもよい。
【０１１２】
＜第８実施例＞
次に、本発明の第８の実施例を説明する。
【０１１３】
第８の実施例の基本構成は、前述した第１の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。そして、カソード排気側ガス流路３の断面積（Ａ）は、次の数式のような関係となるように構成することを特徴とする。
Ａ≧Ｂ１
かつ、
Ａ≦（１＋（（Ｂ１／Ｃ１）＾２）×Ｃ２×Ｂ２）
ただし、
Ａ：カソード排気側ガス流路３の断面積
Ｂ１：カソード吸気側ガス流路２の断面積
Ｂ２：カソード吸気側ガス流路２の長さ（カソード吸気側ガス流路を構成する溝部の端部から端部への距離）
Ｃ１：カソード連通孔１４の断面積
Ｃ２：カソード連通孔１４の長さ（ＧＤＬ３０と連通する部分からカソード排気側ガス流路３と連通する部分への距離）
とする。
【０１１４】
第１の実施例において前述したように、カソード吸気側ガス流路２の断面積とカソード排気側ガス流路３の断面積は略同一である。
【０１１５】
電極触媒層４０において、カソード側では、前述の化学式（２）で示したように水素と酸素から水が生成される反応が生じている。このとき、水の生成モル数は酸素の消滅モル数よりも多いが、飽和蒸気圧以上の水は凝縮して液体となる。そのため、反応ガスの流量（体積）は、カソード吸気側ガス流路２よりも、カソード排気側ガス流路３の方が少なくなる。
【０１１６】
従って、吸気側と排気側とで流路の形状及び寸法が同一であれば、カソード排気側ガス流路３で発生する圧損は、カソード吸気側ガス流路２で発生する圧損よりも小さくなる。
【０１１７】
なお、カソード排気側ガス流路３の手前には、流路の絞りとなるカソード連通孔１４がある。そのため、吸気側と排気側とで流路形状が異なるので、排気側ガス流路の方が圧損が小さくなるとは限らない。
【０１１８】
前述したように、ＧＤＬ３０内のガス対流領域を拡大させるためには、カソード連通孔１４の幅を小さくすることが望ましい。その一方で、カソード連通孔１４の幅を小さくすることによって、カソード排気側ガス流路３の圧損が大きくなり、セルとしての圧損が増加する。
【０１１９】
そこで、本実施例では、カソード連通孔１４における圧損の発生を考慮に入れ、カソード吸気側ガス流路２とカソード排気側ガス流路３とで生じる圧損が同等となるように、それぞれのガス流路の断面積を前述の数式のように構成した。
【０１２０】
このように構成することによって、カソード吸気側ガス流路２とカソード排気側ガス流路３とで生じる圧損の合計が最小となる。
【０１２１】
以上のように、本発明の第８の実施例の燃料電池では、カソード連通孔１４の幅を小さくした場合にも、カソード吸気側ガス流路２とカソード排気側ガス流路３とで生じる圧損の増加を抑制することができるので、燃料電池内の酸素分圧が上昇する。従って、燃料電池の発電の効率を向上することができる。
【０１２２】
なお、前述した第２の実施例のセパレータ１と同一の基本構成において、カソード連通孔１４を前述のように構成してもよい。
【０１２３】
＜第９実施例＞
次に、本発明の第９の実施例を説明する。
【０１２４】
第９の実施例の基本構成は、前述した第１の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。そして、ＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成したことを特徴とする。
【０１２５】
前述したように、電極触媒層において、カソード側では、前述の化学式（２）で示すように、水素と酸素によって水が生成される反応が生じている。このとき、飽和蒸気圧以上の水は凝縮して液体となる。
【０１２６】
ＩＤ構造のガス流路において、ＧＤＬ３０内に反応ガスの対流が生じる。そのため、生成した水が凝縮した場合は、対流するガスに押し流されるため、生成された水は次第に排出される。しかしながら、高負荷域等、高湿度な運転条件等の場合に、ＧＤＬ３０内で反応ガスの対流が少なくなるために、凝縮した生成水によってガス流路の閉塞が起こる可能性がある。
【０１２７】
そこで本実施例では、ＧＤＬ３０を親水性の素材とした。このＧＤＬ３０の毛細管力によって、生成水をガスの対流によってカソード排気側ガス流路３へと排出する。
【０１２８】
図８は、本発明の第９の実施例のセパレータ１とＧＤＬ３０との界面における生成水の流れと反応ガスの対流との説明図である。なお、反応ガスの流れを点線で示し、生成水の流れを白抜き矢印で示す。
【０１２９】
図８に示すように、ＧＤＬ３０において、反応ガスの吸気側から下流に行くにつれて生成水が多くなる。このとき、凝縮した生成水が毛細管力によってＧＤＬ３０内に浸透する。ＧＤＬ３０に浸透した生成水の一部は、反応ガスの対流によってカソード連通孔１４からカソード排気側ガス流路３へと導かれる。カソード排気側ガス流路３では、反応ガスの対流によって、生成水がカソード排気口１１へと排出される。
【０１３０】
なお、ＧＤＬ３０は、一般的に炭素繊維からなる不織布によって構成される。そこで、この不織布に、例えば高分子のエマルションや微細粒子などを付加することによって親水性とすることができる。または、導電性かつ親水性の素材を繊維状としたものを不織布として、これをＧＤＬ３０として用いてもよい。
【０１３１】
以上のように、本発明の第９の実施例の燃料電池は、ＧＤＬ３０を親水性の素材としたので、カソード吸気側ガス流路２で凝縮した生成水は、毛細管力によってカソード排気側ガス流路３への排出が促進される。従って、高負荷域等でのガス流路等の閉塞が抑制されるので、発電の効率を向上することができる。
【０１３２】
なお、前述した第２の実施例のセパレータ１と同一の基本構成において、ＧＤＬ３０を前述のように構成してもよい。
【０１３３】
＜第１０実施例＞
次に、本発明の第１０の実施例を説明する。
【０１３４】
第１０の実施例の基本構成は、前述した第９の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。また前述の第９の実施例と同様に、ＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成したことを特徴とする。
【０１３５】
そして、第１０の実施例では、セパレータ１を水平方向に配置することを特徴とする。そしてさらに、カソード側のガス流路と、それと対峙するＭＥＡ２０に関して、ＭＥＡ２０が上方に、カソード側のガス流路が下方に配置されることを特徴とする。
【０１３６】
図９は、本発明の第１０の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【０１３７】
図９に示すように、セパレータを水平方向に配置し、かつ、ＭＥＡ２０をカソード側のガス流路よりも上側に配置する。これによって、カソード吸気側ガス流路２で凝縮された生成水の一部は、重力によりＭＥＡ２０から落下して、ＭＥＡ２０と対向するカソード吸気側ガス流路２に流れ落ちる。この水量が多くなれば、カソード吸気口８から排出される。特に、前述のようにＭＥＡ２０を構成するＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成したので、凝縮された生成水はＧＤＬ３０からガス流路に流れ落ちやすい。
【０１３８】
以上のように、本発明の第１０の実施例の燃料電池では、生成水を適切に排出するので、高負荷域等でのガス流路等の閉塞が抑制される。従って、前述の第９の実施例よりも発電の効率を向上させることができる。
【０１３９】
＜第１１実施例＞
次に、本発明の第１１の実施例を説明する。
【０１４０】
第１１の実施例の基本構成は、前述した第２の実施例の燃料電池のセパレータ１と同一である。また前述の第９の実施例と同様に、ＧＤＬ３０を親水性の素材によって構成した。また、前述の第１０の実施例と同様に、セパレータ１を水平方向に配置し、かつ、ＭＥＡ２０をカソード側のガス流路よりも上方に配置した。
【０１４１】
そして、第１１の実施例では、セパレータ１の各ガス流路を構成する表面が親水性であることを特徴とする。
【０１４２】
このように、セパレータ１のガス流路（特に、カソード吸気側ガス流路２）の表面を親水性とすることによって、凝縮された生成水が、ガス流路の内面に沿ってカソード吸気口８まで広がるようになる。これにより、ガス流路を介して生成水の排出が促進される。
【０１４３】
なお、セパレータ１を構成するカソード側導電板１５、アノード側導電板１６及び隔離板１７は一般的に導電性の金属合金によって構成される。そこで、このセパレータの表面に、例えば高分子のエマルションや微細粒子などを付加することによって、セパレータ１を親水性とすることができる。また、セパレータのガス流路となる面に、反応ガスの対流方向に沿って微細な溝を加工して、生成水の排出を促すような効果を持たせることによって親水性を持たせてもよい。
【０１４４】
以上のように、本発明の第１１の実施例の燃料電池では、生成水を適切に排出するので、高負荷域等でのガス流路等の閉塞が抑制される。従って、前述の第１０の実施例よりも発電の効率を向上させることができる。
【０１４５】
なお、本実施例はカソード側に適応する例について説明したが、アノード側に適応することができるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】本発明の第１の実施例の燃料電池のセパレータの説明図である。
【図２】本発明の第１の実施例の燃料電池の発電状態における、酸素分圧の一例を示す表である。
【図３】本発明の第２の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例の燃料電池のセパレータ１の上面図である。
【図５】本発明の第５の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【図６】本発明の第６の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【図７】本発明の第７の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【図８】本発明の第９の実施例の生成水の流れと反応ガスの対流との説明図である。
【図９】本発明の第１０の実施例の燃料電池のセパレータ１の断面図である。
【符号の説明】
【０１４７】
１  セパレータ
２  カソード吸気側ガス流路（カソード排気側溝部）
３  カソード排気側ガス流路
４  カソードリブ
５  アノードガス流路
６  アノードリブ
７  冷却水流路
８  カソード吸気口
９  アノード吸気口
１０  冷却水供給口
１１  カソード排気口
１２  アノード排気口
１３  冷却水排出口
１４  カソード連通孔
１５  カソード側導電板
１６  アノード側導電板
１７  隔離板
１８  カソード連通孔
１９  整流構造
２０  ＭＥＡ（電極複合体）
３０  ＧＤＬ（ガス拡散層）
４０  電極触媒層
５０  電解質膜
【図４】
2009048775.tif 000003
【図５】
2009048775.tif 000004
【図６】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
2009048775.tif 000009
【図７】
2009048775.tif 000010
【図９】
2009048775.tif 000011