燃料電池
【課題】セルの面内にて均一的な発電が行われるのを促進する。
【解決手段】ＭＥＡ（電解質膜）３の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体４が設けられ、さらにＭＥＡ３および多孔体４がセパレータ５で挟持された構造である場合に、多孔体４のうちセパレータ５に接する面、またはセパレータ５のうち多孔体４に接する面のいずれか一方または両方に、反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝６を形成する。溝６は複数設けられていること、また、多孔体４へと反応ガスが供給されるガス供給部を中心として放射状に形成されていることが好ましい。
【解決手段】ＭＥＡ（電解質膜）３の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体４が設けられ、さらにＭＥＡ３および多孔体４がセパレータ５で挟持された構造である場合に、多孔体４のうちセパレータ５に接する面、またはセパレータ５のうち多孔体４に接する面のいずれか一方または両方に、反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝６を形成する。溝６は複数設けられていること、また、多孔体４へと反応ガスが供給されるガス供給部を中心として放射状に形成されていることが好ましい。
【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。さらに詳述すると、本発明は、セルの内部における構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。
【０００３】
このような燃料電池としては、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流通させるための流路が形成されたメタルセパレータあるいはカーボンセパレータを備えたもののほか、表面に凹凸がなく平坦となっているいわゆるフラット型のセパレータを備えたものもある。フラット型のセパレータの場合には、当該セパレータとＭＥＡとの間に多孔体（例えば導電性多孔板など）を介在させ、当該多孔体を通過させるようにして反応ガスを給排するようにしている。また、反応ガスの拡散性を向上させるべく多孔体に溝を設けているものもある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平６−２２１４１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、セル内における実際の発電面についてみてみると、それでもまだガス拡散にむらが生じていることがある。そうすると、面内での均一的（ないしは均質的）な発電という観点からもその分だけ十分でないことがある。
【０００５】
そこで、本発明は、セルの面内にて均一的な発電が行われるのを促進することができるようにした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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。まず、フラット型のセパレータを備えた燃料電池の場合、当該セパレータとＭＥＡとの間に介在させた多孔体において生じている差圧（本明細書ではガス等における差圧のことを圧損ともいう）に応じ、いわば成り行き的に反応ガスが分配されている場合がある。また、出力を増大させたときのような過渡応答時、ＭＥＡ全体にガスを均一となるよう分配するのに時間がかかる場合もある。
【０００７】
この点、反応ガスが均一的かつ迅速に分配されるようにするべく多孔体に溝を設けるという技術が提案されていることは上述したとおりである。ところが、かかる従来技術も、さらに均一的かつ迅速なガス分配という観点からはまだ十分でないと考えた本発明者は、さらに種々の検討を行った結果、かかる課題を解決しうる技術を知見するに至った。
【０００８】
本発明はかかる知見に基づくものであり、電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、前記多孔体に形成されたガス流路用の溝の表面における透気度が位置に応じて異なることを特徴としている。
【０００９】
このように、溝の表面における透気度を位置に応じて異ならせる構造とすることにより、例えば、反応ガスが多孔体の隅々にまで均一的かつ迅速に行き渡るようなバイパス構造を実現することが可能である。一例を挙げれば、多孔体へとガスが供給されるガス供給部（ガス入口）から複数の溝が放射状に延びる形状等により、反応ガスが均一的かつ迅速に拡散するような構造とすることが好ましい。このようにして反応ガスが行き渡るようにすることで、セルの面内にて均一的な発電が行われるのを促進させることが可能である。
【００１０】
また、本発明では、このような燃料電池における前記多孔体の基材の透気度が一定であることとしている。例えば、透気度が一定の基材に対して後処理として加工を施すことにより、事後的に、当該加工が施された部位とそれ以外の部位とで透気度が異なる構造とすることが可能である。
【００１１】
さらに、本発明にかかる燃料電池においては、前記溝の表面が密閉された状態となっている。密閉された状態は、例えば形成した溝の一部を事後的に埋めることによって形成することができる。
【００１２】
また、上述の燃料電池においては、前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を基準とした場合に、前記溝の表面のうち、前記ガス供給部に近い部分の透気度よりも遠い部分の透気度の方が高くなっていることが好ましい。この場合、ガス供給部から遠ざかるほど溝表面の透気度が高くなることから、当該多孔体の隅の方であっても反応ガスが溝内を流通しやすい構造となり、もともとガスが行き渡り難い部分も含めて反応ガスが拡散しやすくなるためにより均一に行き渡るようになる。
【００１３】
さらに、本発明者は従来のような溝構造を有する多孔体に関して検討を重ねた。たしかに、多孔体を利用して反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を供給すればＭＥＡの全面に対して均一的に反応ガスを拡散させることが期待できるものの、実際には拡散の度合いにむらがあるため十分に行き渡らせることが現実に難しい。そこで発明者は、従来のそもそもの構造に着目し、新規な技術を知見するに至った。
【００１４】
本発明はかかる知見に基づくものであり、電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、前記多孔体のうち前記セパレータに接する面、または前記セパレータのうち前記多孔体に接する面のいずれか一方または両方に、前記反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝が形成されているというものである。
【００１５】
従来の溝構造について検討を重ねた本発明者は、まず、従来構造の燃料電池の場合、多孔体のうち、ＭＥＡに接する側の面に溝が形成されていたことに着目した。そもそも、多孔体は、ＭＥＡに対して反応ガスを均一的に供給することを可能にするものであり、当該多孔体の表面に形成された溝はこのような作用をより効果的なものとしうる。しかし、一方で、この溝はＭＥＡとの接触面に種々の形で形成されているため、当該多孔体とＭＥＡとが全面的に接触するのを阻害するものでもある。
【００１６】
この点、本発明にかかる燃料電池はガス流路用のバイパスとしての溝を備えているため、従来と同様にガスが拡散するのを促進させることが可能である。しかも、当該溝はＭＥＡと多孔体との接触しあういわば反応面とでもいうべき面に形成されているのではなく、多孔体の背面側（多孔体の背面、または当該面に接触するセパレータの面）に形成されているために、両者の接触領域が減少するのを損なうことがない。このため、多孔体を介してＭＥＡに反応ガスを供給する際に当該反応ガスをより均一的にすることができるという点で優れるから、燃料電池のセルの面内にて均一的な発電が行われるのをより促進することができる。
【００１７】
しかも、多孔体の背面側（多孔体の背面、または当該面に接触するセパレータの面）にバイパスとしての溝が形成されていることから、多孔体の端部にまで反応ガスを拡散させて迅速に供給するという作用については従前の場合と大きく異なるところがない。したがって、出力を増大させたときのような過渡応答時、ＭＥＡ全体にガスを均一となるよう分配するのに時間がかかるようなこともない。
【００１８】
また、従来構造のようにＭＥＡと多孔体との接触面に溝が形成されていると、その分だけ両者の接触面積が少なくなるからＭＥＡ→多孔体（または多孔体→ＭＥＡ）と電気が流れる際の電気抵抗（接触抵抗）が大きいということができる。一方、本発明にかかる燃料電池の場合には、多孔体の背面側（多孔体の背面、または当該面に接触するセパレータの面）にバイパスとしての溝が形成されており、当該多孔体とＭＥＡとの接触面をフラットにすることができるから、これら多孔体とＭＥＡとを全面的に接触させることができ、電気抵抗が少ない状態で電気を流すことができるという点でも有利である。
【００１９】
以上のような特徴を有する燃料電池においては、前記多孔体に前記溝が形成されていてもよいし、あるいは前記セパレータに前記溝が形成されていてもよい。前者のように多孔体に溝を形成した場合には、従来の場合と同様の加工等によって当該多孔体などを形成することが可能である。また、いずれの場合においてもＭＥＡと多孔体との接触面積は形成された溝の分だけ減少することにはなるが、例えば導電性に優れる金属製セパレータ（メタルセパレータ）が採用されている場合であれば両者間の導電性能が大きく劣化するようなことを回避することが可能である。
【００２０】
また、かかる燃料電池では前記溝が複数設けられていることが好ましい。加工の手間が増えすぎない範囲で溝数を増やすことができればその分だけ反応ガスを均一的かつ迅速に拡散しやすくなるという点で好適である。この場合、前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を中心として前記溝が放射状に形成されていることがさらに好ましい。
【００２１】
さらに、本発明における燃料電池では、前記溝が櫛歯状のガス流路を形成している。ここで、本明細書でいう櫛歯状の流路とは、ガス供給マニホールドに接続されたガス供給用の溝と、ガス排出マニホールドに接続されたガス排出用の溝とが互いに独立した形で多孔体に形成されている場合に、当該独立した形のもっとも好適な構造例の一つといえるものである。この場合、ガス供給用の溝におけるガスは多孔体を通じてガス排出用の溝へと流通する。
【００２２】
さらに、前記多孔体のうち、当該多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部に対応する部分に凹部が形成されていてもよい。また、この場合の前記凹部は前記溝の端部と連通しているものであることが好ましい。ガス供給部に形成された凹部は、反応ガスが各溝へと流れ込んで多孔体の端部まで均一的かつ迅速に拡散するのをさらに促進することができる。
【００２３】
また、上述の燃料電池においては、前記溝の少なくとも一部が埋められた状態となっていることも好ましい。さらに、この場合には、前記溝のうち、少なくとも前記反応ガスの出口側を向く側の端部を除いて埋められた状態となっていることも好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、燃料電池のセルの面内にて均一的な発電が行われるのをさらに促進することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
図１〜図５に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１は、電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体４が設けられ、さらに電解質膜および多孔体４がセパレータ５で挟持された構造となっているものである。本実施形態にかかる燃料電池１は、多孔体４のうちセパレータ５に接する面、またはセパレータ５のうち多孔体４に接する面のいずれか一方または両方に、反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝６を備えた構造となっており、これにより、当該燃料電池１のセル２の面内にて均一的な発電が行われるのがさらに促進されるようになっている（図２等参照）。
【００２７】
以下に説明する実施形態においては、まず、セル２が積層された構成の燃料電池１の概略について説明し、その後、セル２を構成するＭＥＡ３、多孔体４、セパレータ５等について説明する。
【００２８】
図５に、セル２が積層されることによって構成されたスタック構造の燃料電池１の概略構成を示す。なお、このようなスタックによって構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、あるいは定置の燃料電池１としても用いることが可能である。
【００２９】
燃料電池１はセル（単セル）２が積層されたスタック構造となっている。すなわち、この燃料電池１は、複数のセル２を積層したスタックを有し、スタックの両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子１０付きの集電板１１、絶縁板１２およびエンドプレート１３が各々配置された構造となっている。また、燃料電池１は、例えば両エンドプレート１３，１３間を架け渡すようにして設けられるテンションプレート（図示省略）が各エンドプレート１３，１３にボルト等で固定されることにより、セル２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。
【００３０】
また、スタックには、燃料電池１の運転状態を監視し制御するためにセル２の電圧を測定するためのセルモニタ（図示省略）が設けられている。燃料電池１においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われる。なお、図５においては出力端子１０付きの集電板１１を２個例示したが、このようなセルモニタによる電圧監視を実行するためには、セル積層方向に沿った所定の複数箇所にさらに別の出力端子（および集電板）をあらかじめ設けておき、セル電圧を監視しながらこれら別の出力端子に切り換えられるようにしておくことが望ましい。
【００３１】
セル２は、膜−電極アッセンブリ（本明細書ではＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyとも呼んでいる）と、ＭＥＡを挟持する一対の多孔体４、さらにこれらを挟持するセパレータ５によって構成されている（図１、図２参照）。本実施形態におけるＭＥＡおよび各セパレータ５はおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡはその外形が各セパレータ５の外形よりも小さくなるように形成されている。
【００３２】
ＭＥＡ３は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極（カソードおよびアノード）とで構成されている。なお、図１等においては便宜上、電解質膜自体ではなくこの電解質膜を含むＭＥＡを符号３で示している（図１等参照）。ここでは特に図示していないが、電解質膜は各電極よりも僅かに大きくなる程度に形成されている。
【００３３】
多孔体４は導電性多孔質の部材によって形成されており、その内部を通過させた反応ガスをＭＥＡ３に均一的に供給できるように設けられているものである。このような多孔体４は、例えば発泡性材料、焼結体材料などの基材によって形成することができる。本実施形態では、ＭＥＡ３の一方側に酸化ガス供給用の多孔体４ａ、他方側に燃料ガス供給用の多孔体４ｂをそれぞれ設けることとしている（図１、図２参照）。なお、このような多孔体４は等方性を有している必要はないが、本実施形態では均一・均質な材料を用いたものとしている。
【００３４】
ＭＥＡ３を構成する電極は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（カソード）には空気や酸化剤などの酸化ガス、他方の電極（アノード）には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００３５】
セパレータ５は、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ５の基材は板状のメタルで形成されているものであり、この基材の電極側の面には必要に応じて耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成される。
【００３６】
また、本実施形態におけるセパレータ５はいわゆるフラットセパレータあるいはフラットメタルと呼ばれるタイプで、多孔体４に接する面および他のセル２と接する面が原則としてフラット（平坦）になっているものである（図１、図２参照）。例えば本実施形態では、セル２における酸化ガス供給側をセパレータ５ａおよびセパレータ５ｂ、燃料ガス供給側をセパレータ５ｃおよびセパレータ５ｄでそれぞれ構成することとしている（図１、図２参照）。
【００３７】
これらのうち、セパレータ５ａは冷却水を流通させるための冷却水流路８を備えたセパレータとして用いられる（図１、図２参照）。この冷却水流路８の形状は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態の場合には、セパレータ角部付近に流入口を有し、その後段で複数の平行な流路に分岐し、さらにその後段で対角部付近の流出口に集まる形状となっている（図１参照）。また、セパレータ５ｂは平板状に形成されており、セパレータ５ａの冷却水流路８が形成されている側の面に設けられる。このセパレータ５ｂの反対側の面は多孔体４ａに隣接している（図２参照）。
【００３８】
さらに、セパレータ５ｃも冷却水を流通させるための冷却水流路８を備えたセパレータとして用いられる（図１、図２参照）。この冷却水流路８の形状は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態の場合、上述した酸化ガス供給側のセパレータ５ａと同様に、セパレータ角部付近に流入口を有し、その後段で複数の平行な流路に分岐し、さらにその後段で対角部付近の流出口に集まる形状となっている（図１参照）。また、セパレータ５ｄは平板状に形成されており、セパレータ５ｃの冷却水流路８が形成されている側の面に設けられる。このセパレータ５ｄの反対側の面は隣接する他のセル２に接するようになっている（図２参照）。
【００３９】
本実施形態におけるセル２は、多孔体４ａ、ＭＥＡ３、多孔体４ｂ、セパレータ５ｃ、セパレータ５ｄで構成されている（図２参照）。このセル２においては、まず上述したＭＥＡ３の両面に多孔体４ａ，４ｂが配置されている。また、これらＭＥＡ３および多孔体４ａ，４ｂは、上述したセパレータ５（セパレータ５ａ〜５ｄ）によって挟持された構造となっている（図１、図２参照）。
【００４０】
ここで、本実施形態の燃料電池１においては、上述した各多孔体４ａ，４ｂのうちセパレータ５に接する面に、反応ガス（酸化ガス、燃料ガス）の拡散を促進させるためのガス流路用の溝６を形成している（図１等参照）。このガス流路用の溝６は、例えば従来構造のようにＭＥＡ３に接する面に設けられているのではなく、これとは逆の面、すなわちＭＥＡ３および多孔体４を挟持するセパレータ５に接する面に設けられている結果、図２からも明らかなように、多孔体４のうちＭＥＡ３と接する面はフラット（平坦）な形状とすることができる（図２参照）。こうした場合、ＭＥＡ３と多孔体４とが全面的に接触し合うことが可能であり、両者間の接触面積を最大限確保することが可能であるから、その分だけ両者間の電気抵抗が少ない状態で電気を流すことが可能である。したがって、ＭＥＡ３→多孔体４（または多孔体４→ＭＥＡ３）と電気が流れる際の電気抵抗（接触抵抗）を少なくすることが可能であり、燃料電池１における集電性能・発電効率を向上させることができる。
【００４１】
しかも、多孔体４（４ａ，４ｂ）の外側の面（セパレータ５と接触する側の面）には従来と同様にバイパスとしての溝６がそれぞれ設けられているから、多孔体４の端部にまで反応ガスを拡散させて迅速に供給するという作用については従前の場合より劣るようなことはない。例えば、出力を増大させたときのような過渡応答時、ＭＥＡ３の全体にガスを均一となるよう分配するのに時間がかかるようなこともなく、反応ガスを均一的かつ迅速に拡散させることができる。換言すれば、上述のように形成されている溝６は反応ガスを多孔体４の端部にまで速やかに拡散させるいわばバイパスとして機能しうるから、反応ガスは多孔体４の多孔質な部分を通り抜けるばかりでなく、このようなバイパスを通過してより均一的に拡散することが可能となっている。また、上述のようにバイパスとして機能しうる溝６が多孔体４におけるいわばバッファ（圧力緩和層）のように機能し、圧損を低下させてガス拡散性を向上させうる。さらに、バイパスにて端部まで供給された反応ガスは、バイパスを抜けた後は多孔体４中における圧損により均一に拡散することになる。以上から、本実施形態の燃料電池１はセル２の面内にて均一的に化学反応が起こりえる構造を実現しており、これに伴って均一的に発電を行うことが可能だという利点がある。
【００４２】
加えて、ＭＥＡ３と多孔体４とが全面的に接触し合っており、両者間に溝などは何ら形成されていないということは、多孔体４を介してＭＥＡ３に反応ガスを供給する際、当該反応ガスをより均一的に供給することが可能だということでもある。このため、燃料電池１のセル２の面内にて従来よりも均一的な発電が行われるのをより促進することが可能である。
【００４３】
また、本実施形態では従来構造とは逆の面に溝６を形成するという発想に基づいているため、従来と同じような加工工程を経て同様の溝６を形成することができる。このため、従来の技術をそのまま応用することが可能であるし、その分だけ加工に要する時間とコストを抑えることが可能となっている。
【００４４】
さらには、本実施形態の燃料電池１によればＭＥＡ３を均一的に抑えることができるという利点もある。すなわち、例えば従来構造の多孔体の場合、ＭＥＡに直接接触して抑えている部分とそうでない部分とがあるために押圧力をすべて均一にすることが難しく、また、これを解消するべくガス透過性と導電性に優れたガス拡散層（例えばカーボンペーパーなど）を当該多孔体とＭＥＡとの間に介在させる等、ガス拡散層と組み合わせることもあったが、それでも全面にわたり均一にすることはなかなか難しいのが実際である。この点、本実施形態の燃料電池１においては多孔体４のうちＭＥＡ３と接触する面には溝６が形成されておらず、フラット（平坦）な面とすることが可能であるから、かかるフラットな面でＭＥＡ３の全面と接することができる。これによればＭＥＡ３を均一的かつ確実に抑えることが可能となるから、構造的に安定した構造を実現するという観点からも好適である。もちろん、本実施形態の燃料電池１においても拡散層を組み合わせることとしてよい。
【００４５】
ここで、以上のような燃料電池１において、溝６は複数設けられていることが好ましい（図１、図２参照）。加工の手間が増えすぎない範囲で溝６の数を増やすことができればその分だけ反応ガスが均一的かつ迅速に拡散しやすくなるという点で好適である。例えば本実施形態では５〜６本程度の溝６を放射状に形成するようにしている（図３参照）。この場合、多孔体４へと反応ガスが供給されるガス供給部（図３、図４において「Air＿inもしくはH2＿in」と表示されている部分）を中心つまりハブとして、多孔体４の端部にまで行き渡るように複数の溝６が放射状に形成されていることがさらに好ましい。これにより、多孔体４およびＭＥＡ３の全域に均一的に反応ガスが行き渡りやすい構造となる。溝６を通る反応ガスは、その途中で多孔体４の中（より具体的には、多孔体４を構成している多孔性材料の内部）へと入り込むようにして拡散していく（図３参照）。さらには、このように形成された溝６を通じて排水性の向上を図ることも可能である。なお、本実施形態では各溝６が直線状に形成されている場合を例示しているがこれは一例に過ぎず、例えば途中で曲折する溝形状としてもよいし、曲線状の溝６としてもよい。また、各溝６の断面形状も特にいずれかの形に限定されることはない。
【００４６】
また、本実施形態においては上述したガス供給部に凹部などは何ら設けられていない（図３参照）。この場合、かかるガス供給部とセパレータ（本実施形態の場合、セパレータ５ｂ，５ｃ）とが面接触しうるから機械的強度という観点からは好ましいといえる。このように、ガス供給部に凹部や溝などは必ずしも設けられている必要はないが、これは凹部や溝がない場合に限定するという意味ではなく適宜設けることも可能である。すなわち、例えば多孔体４における圧損をさらに低下させて反応ガスをより均一的かつ迅速に拡散させるという観点からすれば、図３において符号７で示すように凹部（孔を含む）を設けることとしてもよい。さらには、各溝６の端部と連通するように凹部７を設けることとしてもよい。このようにガス供給部に形成された凹部７は、反応ガスが各溝６へと流れ込んで多孔体４の端部まで均一的かつ迅速に拡散するのをさらに促進することを可能とする。
【００４７】
さらに、上述のように形成された溝６の少なくとも一部を埋めた状態としてもよい（図４参照）。例えば、溝６を多く形成しすぎたような場合、多孔体４中の反応ガスがこれら溝６に多く抜け出てしまうことも考えられるが、このような場合に、当該溝６を事後的に埋めた状態とすることで、溝６のガス入口側端部と出口側端部との圧力差を調整することができる。つまり、溝６の一部を適宜埋めた状態とすればその分だけ反応ガスの抜け出やすさが抑えられ、端部間における圧損差を減少させうるから、構造や状況などに応じて反応ガスが均一的に行き渡るようにすることができる。また、このように溝６の少なくとも一部を埋めた状態とする場合には、当該溝６のうち、少なくとも反応ガスの出口側を向く側の端部を除いて埋めた状態とする、つまり少なくとも出口側の端部を開放した状態としておくことも好ましい（図４参照）。
【００４８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では放射状に形成された複数の溝６を例示したが上述したようにこれは一例に過ぎず、これを他の形態とすることが可能である。一例を挙げれば、特に図示はいていないが、溝６を櫛歯状にしたガス流路を形成することもできる。櫛歯状のガス流路とは、ガス供給マニホールドに接続（あるいはその近傍に形成）されたガス供給用の溝６と、ガス排出マニホールドに接続（あるいはその近傍に形成）されたガス排出用の溝６とが互いに独立した形で多孔体４に形成されている場合に、これら独立した両溝６を交わらせることなく多孔体４に行き渡らせるようにするための形態の一例である。具体例としては、櫛歯状に分岐する各分岐流路が、ガス供給用とガス排出用とで交互に位置するように並べたものを挙げることができる。以上のような構造の燃料電池１における反応ガスは、ガス供給用の溝６を通り、多孔体４を通じた後にガス排出用の溝６へと流通することができる。
【００４９】
要は、ここまでの説明からも明らかなように、ＭＥＡ３の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体４が設けられ、さらにＭＥＡ３および多孔体４がセパレータ５で挟持された構造の燃料電池１に対しては、多孔体４に形成されたガス流路用の溝６の表面における透気度、換言すれば反応ガスの通りやすさを位置に応じて異なる構成とすることが有効である。このように、溝６の表面における透気度を位置に応じて異ならせる構造とすることにより、例えば反応ガスが多孔体４の隅々にまで均一的かつ迅速に行き渡るようなバイパス構造を実現することが可能となる。この場合、多孔体４の基材の透気度が一定であることとしている。例えば、透気度が一定の基材に対して後処理として加工を施すことにより、事後的に、当該加工が施された部位とそれ以外の部位とで透気度が異なる構造とすることが可能である。さらには、以上のような溝６の表面を密閉した状態としてもよい。密閉状態は、例えば形成した溝６の一部を事後的に埋めることによってつくり出すことができる。加えて、このような燃料電池１においては、多孔体４へと反応ガスが供給されるガス供給部を基準とした場合に、溝６の表面のうち、ガス供給部に近い部分の透気度よりも遠い部分の透気度の方が高くなっていることが好ましい。こうした場合、ガス供給部から遠ざかるほど溝６の表面の透気度が高くなり、当該多孔体４の隅の方であっても反応ガスが溝６を流通しやすい構造となるから、もともとガスが行き渡り難い部分も含めて反応ガスが拡散しやすくなるためにより均一に行き渡るようになる。
【００５０】
また、上述した実施形態においてはセル２中における一対の多孔体４のそれぞれに溝６を形成した形態について説明したが、セパレータ５側にこの溝６を形成することも可能である。例えば上述した燃料電池１の場合であれば、セパレータ５ｂのうち多孔体４ａに接する面、およびセパレータ５ｃのうち多孔体４ｂに接する面のそれぞれに溝６を設けるようにしてもよい。要は、本実施形態にて説明した各溝６は各多孔体４の背面側（ＭＥＡ３の反対側）に形成されることによって上述したような作用効果を奏するものであるから、同様の溝６を近傍の位置、つまり多孔体４に接するセパレータ５の面に形成することとしても同様の作用効果を得ることが可能である。もちろん、多孔体４とセパレータ５のいずれか一方にのみ溝６を形成するばかりでなく、両者に同形状（より詳しくは面対称）の溝６を形成することとしてもよい。なお、いずれの場合においてもＭＥＡ３と多孔体４との接触面積は形成された溝６の分だけ減少することにはなるが、例えば導電性に優れる金属製セパレータ（メタルセパレータ）５が採用されている場合であれば両者間の導電性能が大きく劣化するようなことを回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施形態における燃料電池の一実施形態を示すもので、セルを構成しているＭＥＡ、多孔体およびセパレータのそれぞれについて示す分解平面図である。
【図２】セルの内部構造の一例を示す断面図である。
【図３】多孔体における溝形状の一例を示す平面図である。
【図４】溝の一部が埋められた状態の多孔体を示す平面図である。
【図５】本実施形態における燃料電池の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池、２…セル、３…ＭＥＡ（電解質膜）、４…多孔体、５…セパレータ、６…溝、７…凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、セルの内部における構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。
【０００３】
このような燃料電池としては、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流通させるための流路が形成されたメタルセパレータあるいはカーボンセパレータを備えたもののほか、表面に凹凸がなく平坦となっているいわゆるフラット型のセパレータを備えたものもある。フラット型のセパレータの場合には、当該セパレータとＭＥＡとの間に多孔体（例えば導電性多孔板など）を介在させ、当該多孔体を通過させるようにして反応ガスを給排するようにしている。また、反応ガスの拡散性を向上させるべく多孔体に溝を設けているものもある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平６−２２１４１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、セル内における実際の発電面についてみてみると、それでもまだガス拡散にむらが生じていることがある。そうすると、面内での均一的（ないしは均質的）な発電という観点からもその分だけ十分でないことがある。
【０００５】
そこで、本発明は、セルの面内にて均一的な発電が行われるのを促進することができるようにした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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。まず、フラット型のセパレータを備えた燃料電池の場合、当該セパレータとＭＥＡとの間に介在させた多孔体において生じている差圧（本明細書ではガス等における差圧のことを圧損ともいう）に応じ、いわば成り行き的に反応ガスが分配されている場合がある。また、出力を増大させたときのような過渡応答時、ＭＥＡ全体にガスを均一となるよう分配するのに時間がかかる場合もある。
【０００７】
この点、反応ガスが均一的かつ迅速に分配されるようにするべく多孔体に溝を設けるという技術が提案されていることは上述したとおりである。ところが、かかる従来技術も、さらに均一的かつ迅速なガス分配という観点からはまだ十分でないと考えた本発明者は、さらに種々の検討を行った結果、かかる課題を解決しうる技術を知見するに至った。
【０００８】
本発明はかかる知見に基づくものであり、電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、前記多孔体に形成されたガス流路用の溝の表面における透気度が位置に応じて異なることを特徴としている。
【０００９】
このように、溝の表面における透気度を位置に応じて異ならせる構造とすることにより、例えば、反応ガスが多孔体の隅々にまで均一的かつ迅速に行き渡るようなバイパス構造を実現することが可能である。一例を挙げれば、多孔体へとガスが供給されるガス供給部（ガス入口）から複数の溝が放射状に延びる形状等により、反応ガスが均一的かつ迅速に拡散するような構造とすることが好ましい。このようにして反応ガスが行き渡るようにすることで、セルの面内にて均一的な発電が行われるのを促進させることが可能である。
【００１０】
また、本発明では、このような燃料電池における前記多孔体の基材の透気度が一定であることとしている。例えば、透気度が一定の基材に対して後処理として加工を施すことにより、事後的に、当該加工が施された部位とそれ以外の部位とで透気度が異なる構造とすることが可能である。
【００１１】
さらに、本発明にかかる燃料電池においては、前記溝の表面が密閉された状態となっている。密閉された状態は、例えば形成した溝の一部を事後的に埋めることによって形成することができる。
【００１２】
また、上述の燃料電池においては、前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を基準とした場合に、前記溝の表面のうち、前記ガス供給部に近い部分の透気度よりも遠い部分の透気度の方が高くなっていることが好ましい。この場合、ガス供給部から遠ざかるほど溝表面の透気度が高くなることから、当該多孔体の隅の方であっても反応ガスが溝内を流通しやすい構造となり、もともとガスが行き渡り難い部分も含めて反応ガスが拡散しやすくなるためにより均一に行き渡るようになる。
【００１３】
さらに、本発明者は従来のような溝構造を有する多孔体に関して検討を重ねた。たしかに、多孔体を利用して反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を供給すればＭＥＡの全面に対して均一的に反応ガスを拡散させることが期待できるものの、実際には拡散の度合いにむらがあるため十分に行き渡らせることが現実に難しい。そこで発明者は、従来のそもそもの構造に着目し、新規な技術を知見するに至った。
【００１４】
本発明はかかる知見に基づくものであり、電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、前記多孔体のうち前記セパレータに接する面、または前記セパレータのうち前記多孔体に接する面のいずれか一方または両方に、前記反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝が形成されているというものである。
【００１５】
従来の溝構造について検討を重ねた本発明者は、まず、従来構造の燃料電池の場合、多孔体のうち、ＭＥＡに接する側の面に溝が形成されていたことに着目した。そもそも、多孔体は、ＭＥＡに対して反応ガスを均一的に供給することを可能にするものであり、当該多孔体の表面に形成された溝はこのような作用をより効果的なものとしうる。しかし、一方で、この溝はＭＥＡとの接触面に種々の形で形成されているため、当該多孔体とＭＥＡとが全面的に接触するのを阻害するものでもある。
【００１６】
この点、本発明にかかる燃料電池はガス流路用のバイパスとしての溝を備えているため、従来と同様にガスが拡散するのを促進させることが可能である。しかも、当該溝はＭＥＡと多孔体との接触しあういわば反応面とでもいうべき面に形成されているのではなく、多孔体の背面側（多孔体の背面、または当該面に接触するセパレータの面）に形成されているために、両者の接触領域が減少するのを損なうことがない。このため、多孔体を介してＭＥＡに反応ガスを供給する際に当該反応ガスをより均一的にすることができるという点で優れるから、燃料電池のセルの面内にて均一的な発電が行われるのをより促進することができる。
【００１７】
しかも、多孔体の背面側（多孔体の背面、または当該面に接触するセパレータの面）にバイパスとしての溝が形成されていることから、多孔体の端部にまで反応ガスを拡散させて迅速に供給するという作用については従前の場合と大きく異なるところがない。したがって、出力を増大させたときのような過渡応答時、ＭＥＡ全体にガスを均一となるよう分配するのに時間がかかるようなこともない。
【００１８】
また、従来構造のようにＭＥＡと多孔体との接触面に溝が形成されていると、その分だけ両者の接触面積が少なくなるからＭＥＡ→多孔体（または多孔体→ＭＥＡ）と電気が流れる際の電気抵抗（接触抵抗）が大きいということができる。一方、本発明にかかる燃料電池の場合には、多孔体の背面側（多孔体の背面、または当該面に接触するセパレータの面）にバイパスとしての溝が形成されており、当該多孔体とＭＥＡとの接触面をフラットにすることができるから、これら多孔体とＭＥＡとを全面的に接触させることができ、電気抵抗が少ない状態で電気を流すことができるという点でも有利である。
【００１９】
以上のような特徴を有する燃料電池においては、前記多孔体に前記溝が形成されていてもよいし、あるいは前記セパレータに前記溝が形成されていてもよい。前者のように多孔体に溝を形成した場合には、従来の場合と同様の加工等によって当該多孔体などを形成することが可能である。また、いずれの場合においてもＭＥＡと多孔体との接触面積は形成された溝の分だけ減少することにはなるが、例えば導電性に優れる金属製セパレータ（メタルセパレータ）が採用されている場合であれば両者間の導電性能が大きく劣化するようなことを回避することが可能である。
【００２０】
また、かかる燃料電池では前記溝が複数設けられていることが好ましい。加工の手間が増えすぎない範囲で溝数を増やすことができればその分だけ反応ガスを均一的かつ迅速に拡散しやすくなるという点で好適である。この場合、前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を中心として前記溝が放射状に形成されていることがさらに好ましい。
【００２１】
さらに、本発明における燃料電池では、前記溝が櫛歯状のガス流路を形成している。ここで、本明細書でいう櫛歯状の流路とは、ガス供給マニホールドに接続されたガス供給用の溝と、ガス排出マニホールドに接続されたガス排出用の溝とが互いに独立した形で多孔体に形成されている場合に、当該独立した形のもっとも好適な構造例の一つといえるものである。この場合、ガス供給用の溝におけるガスは多孔体を通じてガス排出用の溝へと流通する。
【００２２】
さらに、前記多孔体のうち、当該多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部に対応する部分に凹部が形成されていてもよい。また、この場合の前記凹部は前記溝の端部と連通しているものであることが好ましい。ガス供給部に形成された凹部は、反応ガスが各溝へと流れ込んで多孔体の端部まで均一的かつ迅速に拡散するのをさらに促進することができる。
【００２３】
また、上述の燃料電池においては、前記溝の少なくとも一部が埋められた状態となっていることも好ましい。さらに、この場合には、前記溝のうち、少なくとも前記反応ガスの出口側を向く側の端部を除いて埋められた状態となっていることも好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、燃料電池のセルの面内にて均一的な発電が行われるのをさらに促進することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
図１〜図５に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１は、電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体４が設けられ、さらに電解質膜および多孔体４がセパレータ５で挟持された構造となっているものである。本実施形態にかかる燃料電池１は、多孔体４のうちセパレータ５に接する面、またはセパレータ５のうち多孔体４に接する面のいずれか一方または両方に、反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝６を備えた構造となっており、これにより、当該燃料電池１のセル２の面内にて均一的な発電が行われるのがさらに促進されるようになっている（図２等参照）。
【００２７】
以下に説明する実施形態においては、まず、セル２が積層された構成の燃料電池１の概略について説明し、その後、セル２を構成するＭＥＡ３、多孔体４、セパレータ５等について説明する。
【００２８】
図５に、セル２が積層されることによって構成されたスタック構造の燃料電池１の概略構成を示す。なお、このようなスタックによって構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、あるいは定置の燃料電池１としても用いることが可能である。
【００２９】
燃料電池１はセル（単セル）２が積層されたスタック構造となっている。すなわち、この燃料電池１は、複数のセル２を積層したスタックを有し、スタックの両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子１０付きの集電板１１、絶縁板１２およびエンドプレート１３が各々配置された構造となっている。また、燃料電池１は、例えば両エンドプレート１３，１３間を架け渡すようにして設けられるテンションプレート（図示省略）が各エンドプレート１３，１３にボルト等で固定されることにより、セル２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。
【００３０】
また、スタックには、燃料電池１の運転状態を監視し制御するためにセル２の電圧を測定するためのセルモニタ（図示省略）が設けられている。燃料電池１においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われる。なお、図５においては出力端子１０付きの集電板１１を２個例示したが、このようなセルモニタによる電圧監視を実行するためには、セル積層方向に沿った所定の複数箇所にさらに別の出力端子（および集電板）をあらかじめ設けておき、セル電圧を監視しながらこれら別の出力端子に切り換えられるようにしておくことが望ましい。
【００３１】
セル２は、膜−電極アッセンブリ（本明細書ではＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyとも呼んでいる）と、ＭＥＡを挟持する一対の多孔体４、さらにこれらを挟持するセパレータ５によって構成されている（図１、図２参照）。本実施形態におけるＭＥＡおよび各セパレータ５はおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡはその外形が各セパレータ５の外形よりも小さくなるように形成されている。
【００３２】
ＭＥＡ３は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極（カソードおよびアノード）とで構成されている。なお、図１等においては便宜上、電解質膜自体ではなくこの電解質膜を含むＭＥＡを符号３で示している（図１等参照）。ここでは特に図示していないが、電解質膜は各電極よりも僅かに大きくなる程度に形成されている。
【００３３】
多孔体４は導電性多孔質の部材によって形成されており、その内部を通過させた反応ガスをＭＥＡ３に均一的に供給できるように設けられているものである。このような多孔体４は、例えば発泡性材料、焼結体材料などの基材によって形成することができる。本実施形態では、ＭＥＡ３の一方側に酸化ガス供給用の多孔体４ａ、他方側に燃料ガス供給用の多孔体４ｂをそれぞれ設けることとしている（図１、図２参照）。なお、このような多孔体４は等方性を有している必要はないが、本実施形態では均一・均質な材料を用いたものとしている。
【００３４】
ＭＥＡ３を構成する電極は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（カソード）には空気や酸化剤などの酸化ガス、他方の電極（アノード）には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００３５】
セパレータ５は、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ５の基材は板状のメタルで形成されているものであり、この基材の電極側の面には必要に応じて耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成される。
【００３６】
また、本実施形態におけるセパレータ５はいわゆるフラットセパレータあるいはフラットメタルと呼ばれるタイプで、多孔体４に接する面および他のセル２と接する面が原則としてフラット（平坦）になっているものである（図１、図２参照）。例えば本実施形態では、セル２における酸化ガス供給側をセパレータ５ａおよびセパレータ５ｂ、燃料ガス供給側をセパレータ５ｃおよびセパレータ５ｄでそれぞれ構成することとしている（図１、図２参照）。
【００３７】
これらのうち、セパレータ５ａは冷却水を流通させるための冷却水流路８を備えたセパレータとして用いられる（図１、図２参照）。この冷却水流路８の形状は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態の場合には、セパレータ角部付近に流入口を有し、その後段で複数の平行な流路に分岐し、さらにその後段で対角部付近の流出口に集まる形状となっている（図１参照）。また、セパレータ５ｂは平板状に形成されており、セパレータ５ａの冷却水流路８が形成されている側の面に設けられる。このセパレータ５ｂの反対側の面は多孔体４ａに隣接している（図２参照）。
【００３８】
さらに、セパレータ５ｃも冷却水を流通させるための冷却水流路８を備えたセパレータとして用いられる（図１、図２参照）。この冷却水流路８の形状は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態の場合、上述した酸化ガス供給側のセパレータ５ａと同様に、セパレータ角部付近に流入口を有し、その後段で複数の平行な流路に分岐し、さらにその後段で対角部付近の流出口に集まる形状となっている（図１参照）。また、セパレータ５ｄは平板状に形成されており、セパレータ５ｃの冷却水流路８が形成されている側の面に設けられる。このセパレータ５ｄの反対側の面は隣接する他のセル２に接するようになっている（図２参照）。
【００３９】
本実施形態におけるセル２は、多孔体４ａ、ＭＥＡ３、多孔体４ｂ、セパレータ５ｃ、セパレータ５ｄで構成されている（図２参照）。このセル２においては、まず上述したＭＥＡ３の両面に多孔体４ａ，４ｂが配置されている。また、これらＭＥＡ３および多孔体４ａ，４ｂは、上述したセパレータ５（セパレータ５ａ〜５ｄ）によって挟持された構造となっている（図１、図２参照）。
【００４０】
ここで、本実施形態の燃料電池１においては、上述した各多孔体４ａ，４ｂのうちセパレータ５に接する面に、反応ガス（酸化ガス、燃料ガス）の拡散を促進させるためのガス流路用の溝６を形成している（図１等参照）。このガス流路用の溝６は、例えば従来構造のようにＭＥＡ３に接する面に設けられているのではなく、これとは逆の面、すなわちＭＥＡ３および多孔体４を挟持するセパレータ５に接する面に設けられている結果、図２からも明らかなように、多孔体４のうちＭＥＡ３と接する面はフラット（平坦）な形状とすることができる（図２参照）。こうした場合、ＭＥＡ３と多孔体４とが全面的に接触し合うことが可能であり、両者間の接触面積を最大限確保することが可能であるから、その分だけ両者間の電気抵抗が少ない状態で電気を流すことが可能である。したがって、ＭＥＡ３→多孔体４（または多孔体４→ＭＥＡ３）と電気が流れる際の電気抵抗（接触抵抗）を少なくすることが可能であり、燃料電池１における集電性能・発電効率を向上させることができる。
【００４１】
しかも、多孔体４（４ａ，４ｂ）の外側の面（セパレータ５と接触する側の面）には従来と同様にバイパスとしての溝６がそれぞれ設けられているから、多孔体４の端部にまで反応ガスを拡散させて迅速に供給するという作用については従前の場合より劣るようなことはない。例えば、出力を増大させたときのような過渡応答時、ＭＥＡ３の全体にガスを均一となるよう分配するのに時間がかかるようなこともなく、反応ガスを均一的かつ迅速に拡散させることができる。換言すれば、上述のように形成されている溝６は反応ガスを多孔体４の端部にまで速やかに拡散させるいわばバイパスとして機能しうるから、反応ガスは多孔体４の多孔質な部分を通り抜けるばかりでなく、このようなバイパスを通過してより均一的に拡散することが可能となっている。また、上述のようにバイパスとして機能しうる溝６が多孔体４におけるいわばバッファ（圧力緩和層）のように機能し、圧損を低下させてガス拡散性を向上させうる。さらに、バイパスにて端部まで供給された反応ガスは、バイパスを抜けた後は多孔体４中における圧損により均一に拡散することになる。以上から、本実施形態の燃料電池１はセル２の面内にて均一的に化学反応が起こりえる構造を実現しており、これに伴って均一的に発電を行うことが可能だという利点がある。
【００４２】
加えて、ＭＥＡ３と多孔体４とが全面的に接触し合っており、両者間に溝などは何ら形成されていないということは、多孔体４を介してＭＥＡ３に反応ガスを供給する際、当該反応ガスをより均一的に供給することが可能だということでもある。このため、燃料電池１のセル２の面内にて従来よりも均一的な発電が行われるのをより促進することが可能である。
【００４３】
また、本実施形態では従来構造とは逆の面に溝６を形成するという発想に基づいているため、従来と同じような加工工程を経て同様の溝６を形成することができる。このため、従来の技術をそのまま応用することが可能であるし、その分だけ加工に要する時間とコストを抑えることが可能となっている。
【００４４】
さらには、本実施形態の燃料電池１によればＭＥＡ３を均一的に抑えることができるという利点もある。すなわち、例えば従来構造の多孔体の場合、ＭＥＡに直接接触して抑えている部分とそうでない部分とがあるために押圧力をすべて均一にすることが難しく、また、これを解消するべくガス透過性と導電性に優れたガス拡散層（例えばカーボンペーパーなど）を当該多孔体とＭＥＡとの間に介在させる等、ガス拡散層と組み合わせることもあったが、それでも全面にわたり均一にすることはなかなか難しいのが実際である。この点、本実施形態の燃料電池１においては多孔体４のうちＭＥＡ３と接触する面には溝６が形成されておらず、フラット（平坦）な面とすることが可能であるから、かかるフラットな面でＭＥＡ３の全面と接することができる。これによればＭＥＡ３を均一的かつ確実に抑えることが可能となるから、構造的に安定した構造を実現するという観点からも好適である。もちろん、本実施形態の燃料電池１においても拡散層を組み合わせることとしてよい。
【００４５】
ここで、以上のような燃料電池１において、溝６は複数設けられていることが好ましい（図１、図２参照）。加工の手間が増えすぎない範囲で溝６の数を増やすことができればその分だけ反応ガスが均一的かつ迅速に拡散しやすくなるという点で好適である。例えば本実施形態では５〜６本程度の溝６を放射状に形成するようにしている（図３参照）。この場合、多孔体４へと反応ガスが供給されるガス供給部（図３、図４において「Air＿inもしくはH2＿in」と表示されている部分）を中心つまりハブとして、多孔体４の端部にまで行き渡るように複数の溝６が放射状に形成されていることがさらに好ましい。これにより、多孔体４およびＭＥＡ３の全域に均一的に反応ガスが行き渡りやすい構造となる。溝６を通る反応ガスは、その途中で多孔体４の中（より具体的には、多孔体４を構成している多孔性材料の内部）へと入り込むようにして拡散していく（図３参照）。さらには、このように形成された溝６を通じて排水性の向上を図ることも可能である。なお、本実施形態では各溝６が直線状に形成されている場合を例示しているがこれは一例に過ぎず、例えば途中で曲折する溝形状としてもよいし、曲線状の溝６としてもよい。また、各溝６の断面形状も特にいずれかの形に限定されることはない。
【００４６】
また、本実施形態においては上述したガス供給部に凹部などは何ら設けられていない（図３参照）。この場合、かかるガス供給部とセパレータ（本実施形態の場合、セパレータ５ｂ，５ｃ）とが面接触しうるから機械的強度という観点からは好ましいといえる。このように、ガス供給部に凹部や溝などは必ずしも設けられている必要はないが、これは凹部や溝がない場合に限定するという意味ではなく適宜設けることも可能である。すなわち、例えば多孔体４における圧損をさらに低下させて反応ガスをより均一的かつ迅速に拡散させるという観点からすれば、図３において符号７で示すように凹部（孔を含む）を設けることとしてもよい。さらには、各溝６の端部と連通するように凹部７を設けることとしてもよい。このようにガス供給部に形成された凹部７は、反応ガスが各溝６へと流れ込んで多孔体４の端部まで均一的かつ迅速に拡散するのをさらに促進することを可能とする。
【００４７】
さらに、上述のように形成された溝６の少なくとも一部を埋めた状態としてもよい（図４参照）。例えば、溝６を多く形成しすぎたような場合、多孔体４中の反応ガスがこれら溝６に多く抜け出てしまうことも考えられるが、このような場合に、当該溝６を事後的に埋めた状態とすることで、溝６のガス入口側端部と出口側端部との圧力差を調整することができる。つまり、溝６の一部を適宜埋めた状態とすればその分だけ反応ガスの抜け出やすさが抑えられ、端部間における圧損差を減少させうるから、構造や状況などに応じて反応ガスが均一的に行き渡るようにすることができる。また、このように溝６の少なくとも一部を埋めた状態とする場合には、当該溝６のうち、少なくとも反応ガスの出口側を向く側の端部を除いて埋めた状態とする、つまり少なくとも出口側の端部を開放した状態としておくことも好ましい（図４参照）。
【００４８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では放射状に形成された複数の溝６を例示したが上述したようにこれは一例に過ぎず、これを他の形態とすることが可能である。一例を挙げれば、特に図示はいていないが、溝６を櫛歯状にしたガス流路を形成することもできる。櫛歯状のガス流路とは、ガス供給マニホールドに接続（あるいはその近傍に形成）されたガス供給用の溝６と、ガス排出マニホールドに接続（あるいはその近傍に形成）されたガス排出用の溝６とが互いに独立した形で多孔体４に形成されている場合に、これら独立した両溝６を交わらせることなく多孔体４に行き渡らせるようにするための形態の一例である。具体例としては、櫛歯状に分岐する各分岐流路が、ガス供給用とガス排出用とで交互に位置するように並べたものを挙げることができる。以上のような構造の燃料電池１における反応ガスは、ガス供給用の溝６を通り、多孔体４を通じた後にガス排出用の溝６へと流通することができる。
【００４９】
要は、ここまでの説明からも明らかなように、ＭＥＡ３の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体４が設けられ、さらにＭＥＡ３および多孔体４がセパレータ５で挟持された構造の燃料電池１に対しては、多孔体４に形成されたガス流路用の溝６の表面における透気度、換言すれば反応ガスの通りやすさを位置に応じて異なる構成とすることが有効である。このように、溝６の表面における透気度を位置に応じて異ならせる構造とすることにより、例えば反応ガスが多孔体４の隅々にまで均一的かつ迅速に行き渡るようなバイパス構造を実現することが可能となる。この場合、多孔体４の基材の透気度が一定であることとしている。例えば、透気度が一定の基材に対して後処理として加工を施すことにより、事後的に、当該加工が施された部位とそれ以外の部位とで透気度が異なる構造とすることが可能である。さらには、以上のような溝６の表面を密閉した状態としてもよい。密閉状態は、例えば形成した溝６の一部を事後的に埋めることによってつくり出すことができる。加えて、このような燃料電池１においては、多孔体４へと反応ガスが供給されるガス供給部を基準とした場合に、溝６の表面のうち、ガス供給部に近い部分の透気度よりも遠い部分の透気度の方が高くなっていることが好ましい。こうした場合、ガス供給部から遠ざかるほど溝６の表面の透気度が高くなり、当該多孔体４の隅の方であっても反応ガスが溝６を流通しやすい構造となるから、もともとガスが行き渡り難い部分も含めて反応ガスが拡散しやすくなるためにより均一に行き渡るようになる。
【００５０】
また、上述した実施形態においてはセル２中における一対の多孔体４のそれぞれに溝６を形成した形態について説明したが、セパレータ５側にこの溝６を形成することも可能である。例えば上述した燃料電池１の場合であれば、セパレータ５ｂのうち多孔体４ａに接する面、およびセパレータ５ｃのうち多孔体４ｂに接する面のそれぞれに溝６を設けるようにしてもよい。要は、本実施形態にて説明した各溝６は各多孔体４の背面側（ＭＥＡ３の反対側）に形成されることによって上述したような作用効果を奏するものであるから、同様の溝６を近傍の位置、つまり多孔体４に接するセパレータ５の面に形成することとしても同様の作用効果を得ることが可能である。もちろん、多孔体４とセパレータ５のいずれか一方にのみ溝６を形成するばかりでなく、両者に同形状（より詳しくは面対称）の溝６を形成することとしてもよい。なお、いずれの場合においてもＭＥＡ３と多孔体４との接触面積は形成された溝６の分だけ減少することにはなるが、例えば導電性に優れる金属製セパレータ（メタルセパレータ）５が採用されている場合であれば両者間の導電性能が大きく劣化するようなことを回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施形態における燃料電池の一実施形態を示すもので、セルを構成しているＭＥＡ、多孔体およびセパレータのそれぞれについて示す分解平面図である。
【図２】セルの内部構造の一例を示す断面図である。
【図３】多孔体における溝形状の一例を示す平面図である。
【図４】溝の一部が埋められた状態の多孔体を示す平面図である。
【図５】本実施形態における燃料電池の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池、２…セル、３…ＭＥＡ（電解質膜）、４…多孔体、５…セパレータ、６…溝、７…凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、
前記多孔体に形成されたガス流路用の溝の表面における透気度が位置に応じて異なることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記多孔体の基材の透気度が一定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３】
前記溝の表面が密閉された状態となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を基準とした場合に、前記溝の表面のうち、前記ガス供給部に近い部分の透気度よりも遠い部分の透気度の方が高くなっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、
前記多孔体のうち前記セパレータに接する面、または前記セパレータのうち前記多孔体に接する面のいずれか一方または両方に、前記反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記多孔体に前記溝が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータに前記溝が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記溝が複数設けられていることを特徴とするセパレータ１から７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を中心として前記溝が放射状に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記溝が櫛歯状のガス流路を形成していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記多孔体のうち、当該多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部に対応する部分に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記凹部は前記溝の端部と連通しているものであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記溝の少なくとも一部が埋められた状態となっていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記溝のうち、少なくとも前記反応ガスの出口側を向く側の端部を除いて埋められた状態となっていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１】
電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、
前記多孔体に形成されたガス流路用の溝の表面における透気度が位置に応じて異なることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記多孔体の基材の透気度が一定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３】
前記溝の表面が密閉された状態となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を基準とした場合に、前記溝の表面のうち、前記ガス供給部に近い部分の透気度よりも遠い部分の透気度の方が高くなっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の少なくとも一方の面に反応ガス供給用の多孔体が設けられ、さらに前記電解質膜および前記多孔体がセパレータで挟持された構造の燃料電池において、
前記多孔体のうち前記セパレータに接する面、または前記セパレータのうち前記多孔体に接する面のいずれか一方または両方に、前記反応ガスの拡散を促進させるためのガス流路用の溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記多孔体に前記溝が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータに前記溝が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記溝が複数設けられていることを特徴とするセパレータ１から７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部を中心として前記溝が放射状に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記溝が櫛歯状のガス流路を形成していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記多孔体のうち、当該多孔体へと前記反応ガスが供給されるガス供給部に対応する部分に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記凹部は前記溝の端部と連通しているものであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記溝の少なくとも一部が埋められた状態となっていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記溝のうち、少なくとも前記反応ガスの出口側を向く側の端部を除いて埋められた状態となっていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２８０９０４（Ｐ２００７−２８０９０４Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０９４３０（Ｐ２００６−１０９４３０）
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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