燃料電池
【課題】アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が異なっている場合においても、セル出力を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０に接合されるアノード側ガス拡散層１２及びカソード側ガス拡散層１４と、アノード側ガス拡散層１２に水素ガスを供給するアノード側ガス流路が溝状に形成されるセパレータ２０と、カソード側ガス拡散層１４に空気を供給する多孔質体層３４を備える。アノード側ガス流路とカソード側ガス流路は互いに異なり非対称であり、アノード側ガス流路の溝の接触領域の形成位置と、カソード側ガス流路の接触領域の形成位置が面内方向において位置合わせされて接触面積が最大化される。
【解決手段】膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０に接合されるアノード側ガス拡散層１２及びカソード側ガス拡散層１４と、アノード側ガス拡散層１２に水素ガスを供給するアノード側ガス流路が溝状に形成されるセパレータ２０と、カソード側ガス拡散層１４に空気を供給する多孔質体層３４を備える。アノード側ガス流路とカソード側ガス流路は互いに異なり非対称であり、アノード側ガス流路の溝の接触領域の形成位置と、カソード側ガス流路の接触領域の形成位置が面内方向において位置合わせされて接触面積が最大化される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に部材間の接触抵抗の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータで挟持してなるセルを最小単位とし、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタックとして高出力を得ている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは周知であるが、簡単に説明すると、燃料極（アノード側電極）に燃料ガスとして例えば水素含有ガスが、空気極（カソード側電極）に酸化剤ガスとして例えば主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通ってアノード側電極に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオンに分解される。電子は外部回路を通ってカソード側電極に移動する。一方、水素イオンは電解質膜を通過してカソード側電極に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水になる。水素と酸素及び電子の結合反応により発生する熱は、冷却水によって回収される。また、カソード側電極に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。
【０００４】
燃料電池のアノード側電極及びカソード側電極は、それぞれ触媒層からなり、この触媒層にはそれぞれ水素含有ガス、酸化剤ガスを拡散するためのガス拡散層が積層されている。上述の反応により生成した生成水の排出がカソード側で滞った場合、カソード側電極に閉塞現象（「フラッディング現象」）が生じる場合がある。そこで、ガス拡散層を、炭素繊維からなる層と撥水層から構成し、撥水層により生成水の排水を促進している。
【０００５】
下記の特許文献１には、セパレータ、多孔質体層、ガス拡散シート、膜電極接合体（ＭＥＡ）、ガス拡散シート、セパレータを順次積層した燃料電池が開示されている。アノード側のガス流路構造は溝型ガス流路構造であるのに対し、カソード側のガス流路構造を多孔質体を用いた多孔質型ガス流路構造とし、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造を対称（あるいは同一）ではなく非対称（あるいは非同一）とした構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１００６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アノード側のガス流路構造を溝型ガス流路構造とすることでアノード側において燃料ガスと冷却水を溝内に供給することができる一方、カソード側のガス流路構造を多孔質体構造とすることで酸化剤ガスとして空気を供給する場合においても十分な反応断面積を確保するとともに反応水の排水性も向上することができる。
【０００８】
しかしながら、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造を非対称（あるいは非同一）とした場合には、以下のような問題が生じ得る。すなわち、アノード側のガス流路構造は溝型であるため、溝の形成ピッチでガス流路が形成される。一方、カソード側のガス流路構造は多孔質型であるため、多孔質の形成ピッチでガス流路が形成される。従って、燃料電池を構成した場合に、アノード側においてガス流路が存在する部分と、カソード側においてガス流路が存在する部分は一般に異なることになる。
【０００９】
燃料電池は、上記のように、セパレータ／多孔質体層／ガス拡散層／膜電極接合体／ガス拡散層／セパレータの構成であり、両側のセパレータで挟持する構成であるところ、アノード側のガス流路とカソード側ガス流路の位置が互いに異なると、ガス流路とガス拡散層との界面における接触抵抗、あるいはガス拡散層と膜電極接合体との界面における接触抵抗が位置により異なることとなり、セル出力の低下を招く。例えば、アノード側においてガス流路が存在していても、カソード側の対応する位置においてガス流路が存在していないと、この位置において電子伝導を確保するための一定面圧を得ることができず、セル出力が低下する。
【００１０】
本発明の目的は、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が異なっている場合においても、セル出力を向上させることができる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】
【００１１】
本発明は、燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に接合されるアノード側ガス拡散層と、前記膜電極接合体の他方側に接合されるカソード側ガス拡散層と、前記アノード側ガス拡散層に燃料ガスを供給するアノード側ガス流路と、前記カソード側ガス拡散層に酸化剤ガスを供給するカソード側ガス流路とを備え、前記アノード側ガス流路と前記カソード側ガス流路は互いに異なり非対称であり、前記アノード側ガス流路は、前記アノード側ガス拡散層の面内方向において前記アノード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、前記カソード側ガス流路は、前記カソード側ガス拡散層の面内方向において前記カソード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、前記アノード側ガス流路の前記接触領域の形成位置と、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の形成位置は、前記面内方向において位置合わせされることを特徴とする。
【００１２】
本発明の１つの実施形態では、前記アノード側ガス流路は、セパレータの凹凸により構成されるガス流路であり、前記カソード側ガス流路は、多孔質体層により構成されるガス流路であり、前記セパレータの凹凸のいずれか一方がガス流路であり他方が冷媒流路である。
【００１３】
本発明の他の実施形態では、前記アノード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＢ、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＥ、前記非接触領域の面内方向の幅をＦとすると、ｍ、ｎをそれぞれ自然数として、
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
の関係を満たす。
【００１４】
また、本発明の他の実施形態では、前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において一定であり、前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において一定である。
【００１５】
また、本発明の他の実施形態では、前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において変化し、前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において変化する。
【００１６】
また、本発明の他の実施形態では、前記幅Ｂと幅Ｃの比率Ｂ／Ｃは、前記アノード側ガス流路の下流側において上流側よりも増大するように変化する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が異なっている場合においても界面の接触抵抗を低減させ、セル出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態における燃料電池の断面構成図である。
【図２】セパレータの平面図である。
【図３】アノード側ガス流路領域とカソード側ガス流路領域のサイズを示す説明図である。
【図４】第１実施形態におけるガス流路の位置関係を示す説明図である。
【図５】従来構造におけるガス流路の位置関係を示す説明図である。
【図６】第２実施形態におけるガスの流れ方向と比率Ｂ／Ｃとの関係を示すグラフ図である。
【図７】第２実施形態におけるガス流路の位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
１．基本原理
まず、本実施形態の基本原理について説明する。
【００２１】
本実施形態の前提となる構成は、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が異なり、非対称である燃料電池である。アノード側とカソード側のガス流路の構造が異なるため、アノード側とカソード側のガス流路のピッチや形成位置が異なり、膜電極とガス拡散層とを接合した膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）から見てアノード側におけるガス流路とカソード側におけるガス流路の位置が異なるので、ＭＥＧＡをアノード側及びカソード側の両側からガス流路がサポートできない領域が生じ、一定面圧を確保できない。
【００２２】
そこで、本実施形態では、アノード側のガス流路ピッチと、カソード側ガス流路のピッチが互いに異なっていたとしても、アノード側のガス流路とカソード側ガス流路がともにＭＥＧＡをサポートする領域を最大化するように、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路の形成位置を調整するものである。すなわち、アノード側のガス流路のうちＭＥＧＡに接触する領域とカソード側のガス流路のうちＭＥＧＡに接触する領域の、ＭＥＧＡ面内方向の形成位置を互いに位置合わせする。ガス流路の形成位置をガス流路の位相と表現すると、本実施形態ではアノード側のガス流路の接触領域の位相とカソード側のガス流路の接触領域の位相とを合わせるということができる。
【００２３】
例えば、アノード側のガス流路構造を溝型、カソード側のガス流路構造を多孔質型とし、アノード側のガス流路のピッチをＡ、ガス流路のＭＥＧＡとの接触幅をＢ、非接触幅をＣ、カソード側のガス流路のピッチをＤ（Ａ＞Ｄ）、ガス流路のＭＥＧＡとの接触幅をＥ(Ｂ＞Ｅ)、非接触幅をＦ（Ｃ＞Ｆ）とすると、
Ｂ＝Ｅ＋Ｆ＋Ｅ＝２Ｅ＋Ｆ
かつ
Ｃ＝Ｆ＋Ｅ＋Ｆ＝Ｅ＋２Ｆ
を満たすように形成位置を位置合わせする。
【００２４】
このような関係を満たすようにそれぞれの形成位置を調整することで、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路がともにＭＥＧＡに接触する面積を最大化でき、これによりＭＥＧＡをアノード側及びカソード側の両側から一定の圧力を印加してガス流路とガス拡散層との界面における接触抵抗、及びガス拡散層と膜電極接合体（ＭＥＡ）との界面における接触抵抗を低下させることができる。
【００２５】
上記の条件式において、ＭＥＧＡに接触する領域に直線関係する式は、
Ｂ＝２Ｅ＋Ｆ
であり、少なくともこの条件式を満たすことで接触面積を最大化し得る。
【００２６】
言うまでもなく、上記の条件式は、Ｂ，Ｅ，Ｆが特定の値である場合に成立するものであり、Ｂ，Ｅ，Ｆの値によっては、
Ｂ＝３Ｅ＋２Ｆ
あるいは、
Ｂ＝４Ｅ＋３Ｆ
の関係が成立する場合もあり得る。より一般化すれば、ｍとｎをそれぞれ自然数として、
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
を満たすように位置合わせすればよい。
【００２７】
アノード側のガス流路とカソード側のガス流路をランダムに配置した場合、上記の条件式を満たすことはなく、一般に、ｉとｊを自然数以外の有理数として、
Ｂ＝ｉＥ＋ｊＦ
となる。同一のＢ、Ｅ、Ｆで比較するとｍ＞ｉであり、ＭＥＧＡとの接触領域の面積は本実施形態よりも小さくなる。
【００２８】
以下、本実施形態の構成について、具体的に説明する。
【００２９】
２．第１実施形態
図１に、本実施形態における燃料電池の断面構成を示す。全体構成は、従来技術とほぼ同一であり、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が互いに異なる非対称の燃料電池である。
【００３０】
燃料電池は、セパレータ２０、セパレータ３０、多孔質体層３４、ガス拡散シート１４、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０を順次積層して構成される。ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０がアノード側、セパレータ２０、セパレータ３０、多孔質体層３４、ガス拡散シート１４がカソード側である。ガス拡散シート１４、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１２は互いに接合されてＭＥＧＡを構成する。
【００３１】
セパレータ２０及びセパレータ３０は、矩形状の外形を有しており、外周側には複数の貫通孔が設けられて各種マニホールドが形成される。セパレータ２０は、１枚の金属板をプレス加工することにより形成され、表面と裏面との間で凹凸形状が反転する。セパレータ２０は、凹部２２ａと凹部２２ｂとを有する。セパレータ２０を平面視した場合、凹部２２ａと凹部２２ｂはそれぞれ櫛状のパターンとなっており、２つの櫛状のパターンが互いに噛み合うように配置される。アノード側のセパレータ２０の外周側に設けられた貫通孔により形成されるマニホールドを介して凹部２２ａには高圧の水素ガスが供給される。また、凹部２２ｂは、セパレータ２０の外周側に設けられた他の貫通孔により形成されるマニホールドを介してアノードガス排気系に接続される。従って、凹部２２ａに供給された水素ガスは、図中矢印で示すようにセパレータ２０に接するガス拡散シート１２を経由して隣接する凹部２２ｂに流れ込む。この流れの過程で、ガス拡散シート１２からＭＥＡ１０のアノード側電極触媒層に水素が供給される。また、セパレータ２０の凸部２４は、セパレータ面内を蛇行して形成され、セパレータ３０とともに冷却水等の冷媒を流す冷媒流路として機能する。
【００３２】
図２に、セパレータ２０の平面図を示す。図において、凹部２２ａに供給された水素ガスが凹部２２ｂに流れ込む様子、及び蛇行形成された凸部２４を冷媒が流れる様子をそれぞれ矢印で示す。なお、図中、領域Ｐは、ＭＥＡ１０の面内で発電反応に用いられる発電領域を示す。
【００３３】
一方、ガス拡散層１４には、ガス拡散層１４より密度が低く、微細孔によりガスを拡散させて通流させる多孔質体層３４を介して空気が供給され、ガス拡散シート１４からＭＥＡ１０のカソード側電極触媒層に酸素が供給される。
【００３４】
図３に、セパレータ２０の凹凸で形成される溝型ガス流路とＭＥＧＡとの関係、及び多孔質体層３４で形成される多孔質体ガス流路とＭＥＧＡとの関係を模式的に示す。ＭＥＧＡ４０は、上記のようにＭＥＡ１０とガス拡散層１２，１４から構成される。アノード側の溝型ガス流路のうちＭＥＧＡ４０と接触して電子経路となり得る領域を領域５０、カソード側の多孔質体ガス流路のうちＭＥＧＡ４０と接触して電子経路となり得る領域を領域６０とする。本実施形態では、領域５０，６０の寸法をほぼ同一に設定する。すなわち、領域５０の面内方向の横幅をＷａ、面内方向の縦幅をＨａ、領域６０の面内方向の横幅をＷｂ、面内方向の縦幅をＨｂとすると、本実施形態では、
Ｗａ＝Ｗｂ
Ｈａ＝Ｈｂ
となるようにセパレータ２０及び多孔質体層３４を形成する。
【００３５】
さらに、本実施形態では、アノード側の溝型ガス流路の形成位置と、カソード側の多孔質体ガス流路の形成位置とを調整して形成する。具体的には、燃料電池セルは、図１に示されたセパレータ２０，３０や多孔質体層３４、ＭＥＧＡを積層して金型内にインサートし、セパレータの貫通孔の周囲にガスケットを成形することにより構成されるが、この際、セパレータ２０の凹凸（溝）をプレス加工で成形する一方で、多孔質体層３４の微細孔をセパレータ２０の溝の幅に応じて形成する。多孔質体層３４は、例えばチタン等の金属により構成され、エキスパンドメタルのように機械加工により形成され、あるいは焼結により成形される。そして、表面が平坦なセパレータ３０と多孔質体層３４を互いに全面にわたって密着させてスポット溶接し、セパレータ２０、多孔質体層３４が全面にわたってスポット溶接され多孔質体層３４と一体化されたセパレータ３０、ＭＥＧＡを積層し、セパレータ２０の溝と多孔質体層３４の微細孔の位置を調整しつつ金型内にインサートする。
【００３６】
以下、アノード側のセパレータ２０により形成される溝型のガス流路と、カソード側の多孔質体層３４により形成される微細孔のガス流路との位置関係について説明する。
【００３７】
図４に、セパレータ２０の溝流路と多孔質体３４の流路との位置関係を模式的に示す。また、比較のため、図５に従来のセパレータ２０の溝流路と多孔質体３４の流路との位置関係を模式的に示す。図４において、溝流路は、セパレータ２０の凹凸で形成され、凹部２２ａが水素ガスのガス流路であり、凸部２４が冷媒流路である。凸部２４はＭＥＧＡと接触する領域であり、凹部２２ａはＭＥＧＡ側が開口となっているためＭＥＧＡと接触しない非接触領域である。なお、凹部２２ｂも凹部２２ａと同様に水素ガスのガス流路であるが、凹部２２ａと同様であるため以下の説明では凹部２２ａとしてまとめて説明する。
【００３８】
多孔質体層３４の流路は、多孔質体層３４の微細孔で構成され、非微細孔３４ｂはＭＥＧＡと接触する接触領域であり、微細孔３４ａはＭＥＧＡ側が開口となっているためＭＥＧＡと接触しない非接触領域である。セパレータ２０の凸部２４と多孔質体層３４の非微細孔３４ｂが対向する領域ではともにＭＥＧＡに接触しており、この領域ではＭＥＧＡは両側から挟持されて一定の面圧が印加されるため界面の接触抵抗が相対的に低下する。一方、セパレータの凸部２４と多孔質体層３４の微細孔３４ａが対向する領域では凸部２４のみがＭＥＧＡに接触しているから界面の接触抵抗は相対的に増大する。セパレータ２０の凹部２２ａと多孔質体層３４の非微細孔３４ｂが対向する領域では非微細孔３４ｂのみがＭＥＧＡに接触しているから界面の接触抵抗は相対的に増大する。
【００３９】
そこで、本実施形態では、セパレータ２０のＭＥＧＡとの接触領域である凸部２４と、多孔質体層３４のＭＥＧＡとの接触領域である非微細孔３４ｂの形成位置を合わせ、以下の条件式を満足するように調整する。
【００４０】
すなわち、セパレータ２０の面内方向のピッチをＡ、凸部２４の面内方向の幅をＢ、凹部２２ａの面内方向の幅をＣとし、多孔質体層３４の面内方向のピッチをＤ、非微細孔３４ｂの面内方向の幅をＥ、微細孔３４ａの面内方向の幅をＦとした場合に、
Ａ＝Ｂ＋Ｃ
Ｄ＝Ｅ＋Ｆ
Ｂ＞Ｅ，Ｆ
Ｃ＞Ｅ，Ｆ
Ｂ＝Ｅ＋Ｆ＋Ｅ＝２Ｅ＋Ｆ
Ｃ＝Ｆ＋Ｅ＋Ｆ＝Ｅ＋２Ｆ
となるように調整する。
【００４１】
これら条件式を満たす場合、図４に示すように、セパレータ２０のＭＥＧＡとの接触領域である凸部２４に対向する位置に、多孔質体層３４のＭＥＧＡとの接触領域である非微細孔３４ｂが２個存在することとなり、ＭＥＧＡに対して両側から接触する領域面積が最大化し、界面の接触抵抗が低減される。より具体的には、Ｗａ＝Ｗｂ＝２００ｍｍ、Ｈａ＝Ｈｂ＝１００ｍｍ、Ａ＝２．２５ｍｍ、Ｂ＝１．０ｍｍ、Ｃ＝１．２５ｍｍ、Ｄ＝０．７５ｍｍ、Ｅ＝０．２５ｍｍ、Ｆ＝０．５ｍｍ等と設定することができる。
【００４２】
一方、図５に示す従来構造の場合、セパレータ２０の凸部２４と多孔質体層３４の非微細孔３４ｂの形成位置が調整されていないため、セパレータ２０のＭＥＧＡとの接触領域である凸部２４に対向する位置に、多孔質体層３４のＭＥＧＡとの接触領域である非微細孔３４ｂが２個未満、例えば１．５個のみが存在することとなり、所望の面圧が得られず界面の接触抵抗が増大してしまう。図４と図５とを比較することで、本実施形態の効果は明らかとなろう。
【００４３】
３．第２実施形態
上記の第１実施形態では、アノード側の溝型ガス流路の凹凸の比率を一定としているが、凹凸の比率が変化してもよい。すなわち、図４において、ピッチＡは一定とするものの、凸部２４の幅Ｂと凹部２２ａの幅Ｃの比率を変化させてもよい。
【００４４】
図６に、凸部２４の幅Ｂと凹部２２ａの幅Ｃの比率Ｂ／Ｃをガス流路に沿って変化させる一例を示す。図において、横軸は水素ガスの流れを示し、図中右方向にいくほど下流側であることを示す。また、縦軸は比率Ｂ／Ｃを示す。図中、実線１００で示すように下流側ほど凸部２４の幅Ｂが順次大きく、あるいは凹部２２ａの幅Ｃが順次小さくなり、比率Ｂ／Ｃが増大する。ガスの下流側ほど凹部２２ａの幅Ｃを小さくすることにより、ガスの下流側において水素ガスの流路断面積が縮小して水素ガスの流速を増大させることができる。また、ガスの下流側ほど凸部２４の幅Ｂを大きくすることにより、ガスの下流側において冷媒の流量を増大させて冷却性能を向上させることができる。もちろん、比率Ｂ／Ｃを連続的に変化させるのではなく、図中一点鎖線２００で示すように比率Ｂ／Ｃを段階的あるいは不連続的に増大させてもよい。図ではガスの流れを上流域、中流域、下流域の３つの領域に分け、それぞれの領域において比率Ｂ／Ｃを一定としつつ、領域間で段階的に増大させている。
【００４５】
このように、比率Ｂ／Ｃが増大する構成において、セパレータ２０における比率Ｂ／Ｃの変化に応じて、多孔質体層３４の微細孔３４ａと非微細孔３４ｂの比率も変化させる。
【００４６】
図７に、本実施形態におけるセパレータ２０の溝流路と多孔質体３４の流路との位置関係を模式的に示す。
【００４７】
ガスの上流域では、第１実施形態と同様の位置関係であり、
Ａ＝Ｂ＋Ｃ
Ｄ＝Ｅ＋Ｆ
Ｂ＞Ｅ，Ｆ
Ｃ＞Ｅ，Ｆ
Ｂ＝Ｅ＋Ｆ＋Ｅ＝２Ｅ＋Ｆ
Ｃ＝Ｆ＋Ｅ＋Ｆ＝Ｅ＋２Ｆ
の関係を満たす。
【００４８】
一方、ガスの下流域では、ピッチＡは上流域のピッチＡと同一であるものの、凸部２４の幅Ｂ´は上流域の幅Ｂと異なり、かつ、凹部２２ａの幅Ｃ´は上流域の幅Ｃと異なる。すなわち、
Ｂ´＞Ｂ
Ｃ´＜Ｃ
Ｂ´／Ｃ´＞Ｂ／Ｃ
である。この場合、凸部２４の幅Ｂ´と凹部２２ａの幅Ｃ´に応じて、非微細孔３４ｂの幅Ｅと微細孔３４ｂの幅ＦもそれぞれＥ´、Ｆ´に変化させて凸部２４の形成位置と非微細孔３４ｂの形成位置を位置合わせして、
Ｂ´＝Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＝３Ｅ´＋２Ｆ´
の関係を満たすように調整する。
【００４９】
このような構成によれば、ガスの流れに沿って凸部２４の幅と凹部２２ａの幅の比率Ｂ／Ｃが変化しても、ＭＥＧＡに対して両側から接触する領域面積が最大化し、界面の接触抵抗が低減される。
【００５０】
なお、上記の
Ｂ´＝Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＝３Ｅ´＋２Ｆ´
は一例であって、上流域、中流域、下流域を問わず、一般的に
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
と表現することができる。但し、ｍ、ｎは自然数であり、比率Ｂ／Ｃが変化しない場合にはｍ、ｎも一定値であり、比率Ｂ／Ｃがガスの流れに沿って変化する場合にはこれに応じてｍ、ｎも変化し得る。
【００５１】
４．変形例
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記以外にも種々の変形例が可能である。
【００５２】
例えば、第１実施形態では、凸部２４の幅Ｂと凹部２２ａの幅Ｃにおいて、Ｂ＜Ｃとしているが、両者の幅を同一にしてＢ＝Ｃとしてもよく、あるいはＢ＞Ｃとしてもよい。セパレータ２０は金属から構成され、燃料電池において集電板としても機能するから、凸部２４の幅Ｂを大きくしてＭＥＧＡとの接触面積を増大させることにより接触抵抗を小さくすることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、アノード側を溝型のガス流路、カソード側を多孔質のガス流路としているが、アノード側とカソード側とでガス流路が異なる他の組み合わせにも適用し得る。このような組み合わせの一例は、アノード側においても多孔質体層を設けるとともに、アノード側の多孔質体層とカソード側の多孔質体層が同一ではなく互いに異なる構造を有している場合である。この場合においても、アノード側の多孔質体層のピッチをＡ、非微細孔の幅をＢ、微細孔の幅をＣとして、各実施形態に示された条件式を満足するように位置合わせすればよい。
【００５４】
さらに、本実施形態において、アノード側の接触領域である凸部２４と、カソード側の接触領域である非微細孔３４ｂは面内方向において位置合わせされているが、本実施形態における「位置合わせ」は、必ずしも厳密に両者の位置が一致していることを意味するものではなく、設計公差の範囲内において両者の位置が一致していることを意味するものである。すなわち、所定の公差の範囲内で両者の位置がずれていても、両者の位置は実質的に一致していて「位置合わせされている」とみなすことができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、１２，１４ ガス拡散層、２０ セパレータ、２２ａ，２２ｂ 凹部、２４ 凸部、３０ セパレータ、３４ 多孔質体層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に部材間の接触抵抗の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータで挟持してなるセルを最小単位とし、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタックとして高出力を得ている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは周知であるが、簡単に説明すると、燃料極（アノード側電極）に燃料ガスとして例えば水素含有ガスが、空気極（カソード側電極）に酸化剤ガスとして例えば主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通ってアノード側電極に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオンに分解される。電子は外部回路を通ってカソード側電極に移動する。一方、水素イオンは電解質膜を通過してカソード側電極に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水になる。水素と酸素及び電子の結合反応により発生する熱は、冷却水によって回収される。また、カソード側電極に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。
【０００４】
燃料電池のアノード側電極及びカソード側電極は、それぞれ触媒層からなり、この触媒層にはそれぞれ水素含有ガス、酸化剤ガスを拡散するためのガス拡散層が積層されている。上述の反応により生成した生成水の排出がカソード側で滞った場合、カソード側電極に閉塞現象（「フラッディング現象」）が生じる場合がある。そこで、ガス拡散層を、炭素繊維からなる層と撥水層から構成し、撥水層により生成水の排水を促進している。
【０００５】
下記の特許文献１には、セパレータ、多孔質体層、ガス拡散シート、膜電極接合体（ＭＥＡ）、ガス拡散シート、セパレータを順次積層した燃料電池が開示されている。アノード側のガス流路構造は溝型ガス流路構造であるのに対し、カソード側のガス流路構造を多孔質体を用いた多孔質型ガス流路構造とし、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造を対称（あるいは同一）ではなく非対称（あるいは非同一）とした構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１００６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アノード側のガス流路構造を溝型ガス流路構造とすることでアノード側において燃料ガスと冷却水を溝内に供給することができる一方、カソード側のガス流路構造を多孔質体構造とすることで酸化剤ガスとして空気を供給する場合においても十分な反応断面積を確保するとともに反応水の排水性も向上することができる。
【０００８】
しかしながら、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造を非対称（あるいは非同一）とした場合には、以下のような問題が生じ得る。すなわち、アノード側のガス流路構造は溝型であるため、溝の形成ピッチでガス流路が形成される。一方、カソード側のガス流路構造は多孔質型であるため、多孔質の形成ピッチでガス流路が形成される。従って、燃料電池を構成した場合に、アノード側においてガス流路が存在する部分と、カソード側においてガス流路が存在する部分は一般に異なることになる。
【０００９】
燃料電池は、上記のように、セパレータ／多孔質体層／ガス拡散層／膜電極接合体／ガス拡散層／セパレータの構成であり、両側のセパレータで挟持する構成であるところ、アノード側のガス流路とカソード側ガス流路の位置が互いに異なると、ガス流路とガス拡散層との界面における接触抵抗、あるいはガス拡散層と膜電極接合体との界面における接触抵抗が位置により異なることとなり、セル出力の低下を招く。例えば、アノード側においてガス流路が存在していても、カソード側の対応する位置においてガス流路が存在していないと、この位置において電子伝導を確保するための一定面圧を得ることができず、セル出力が低下する。
【００１０】
本発明の目的は、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が異なっている場合においても、セル出力を向上させることができる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】
【００１１】
本発明は、燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に接合されるアノード側ガス拡散層と、前記膜電極接合体の他方側に接合されるカソード側ガス拡散層と、前記アノード側ガス拡散層に燃料ガスを供給するアノード側ガス流路と、前記カソード側ガス拡散層に酸化剤ガスを供給するカソード側ガス流路とを備え、前記アノード側ガス流路と前記カソード側ガス流路は互いに異なり非対称であり、前記アノード側ガス流路は、前記アノード側ガス拡散層の面内方向において前記アノード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、前記カソード側ガス流路は、前記カソード側ガス拡散層の面内方向において前記カソード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、前記アノード側ガス流路の前記接触領域の形成位置と、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の形成位置は、前記面内方向において位置合わせされることを特徴とする。
【００１２】
本発明の１つの実施形態では、前記アノード側ガス流路は、セパレータの凹凸により構成されるガス流路であり、前記カソード側ガス流路は、多孔質体層により構成されるガス流路であり、前記セパレータの凹凸のいずれか一方がガス流路であり他方が冷媒流路である。
【００１３】
本発明の他の実施形態では、前記アノード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＢ、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＥ、前記非接触領域の面内方向の幅をＦとすると、ｍ、ｎをそれぞれ自然数として、
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
の関係を満たす。
【００１４】
また、本発明の他の実施形態では、前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において一定であり、前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において一定である。
【００１５】
また、本発明の他の実施形態では、前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において変化し、前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において変化する。
【００１６】
また、本発明の他の実施形態では、前記幅Ｂと幅Ｃの比率Ｂ／Ｃは、前記アノード側ガス流路の下流側において上流側よりも増大するように変化する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が異なっている場合においても界面の接触抵抗を低減させ、セル出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態における燃料電池の断面構成図である。
【図２】セパレータの平面図である。
【図３】アノード側ガス流路領域とカソード側ガス流路領域のサイズを示す説明図である。
【図４】第１実施形態におけるガス流路の位置関係を示す説明図である。
【図５】従来構造におけるガス流路の位置関係を示す説明図である。
【図６】第２実施形態におけるガスの流れ方向と比率Ｂ／Ｃとの関係を示すグラフ図である。
【図７】第２実施形態におけるガス流路の位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
１．基本原理
まず、本実施形態の基本原理について説明する。
【００２１】
本実施形態の前提となる構成は、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が異なり、非対称である燃料電池である。アノード側とカソード側のガス流路の構造が異なるため、アノード側とカソード側のガス流路のピッチや形成位置が異なり、膜電極とガス拡散層とを接合した膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）から見てアノード側におけるガス流路とカソード側におけるガス流路の位置が異なるので、ＭＥＧＡをアノード側及びカソード側の両側からガス流路がサポートできない領域が生じ、一定面圧を確保できない。
【００２２】
そこで、本実施形態では、アノード側のガス流路ピッチと、カソード側ガス流路のピッチが互いに異なっていたとしても、アノード側のガス流路とカソード側ガス流路がともにＭＥＧＡをサポートする領域を最大化するように、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路の形成位置を調整するものである。すなわち、アノード側のガス流路のうちＭＥＧＡに接触する領域とカソード側のガス流路のうちＭＥＧＡに接触する領域の、ＭＥＧＡ面内方向の形成位置を互いに位置合わせする。ガス流路の形成位置をガス流路の位相と表現すると、本実施形態ではアノード側のガス流路の接触領域の位相とカソード側のガス流路の接触領域の位相とを合わせるということができる。
【００２３】
例えば、アノード側のガス流路構造を溝型、カソード側のガス流路構造を多孔質型とし、アノード側のガス流路のピッチをＡ、ガス流路のＭＥＧＡとの接触幅をＢ、非接触幅をＣ、カソード側のガス流路のピッチをＤ（Ａ＞Ｄ）、ガス流路のＭＥＧＡとの接触幅をＥ(Ｂ＞Ｅ)、非接触幅をＦ（Ｃ＞Ｆ）とすると、
Ｂ＝Ｅ＋Ｆ＋Ｅ＝２Ｅ＋Ｆ
かつ
Ｃ＝Ｆ＋Ｅ＋Ｆ＝Ｅ＋２Ｆ
を満たすように形成位置を位置合わせする。
【００２４】
このような関係を満たすようにそれぞれの形成位置を調整することで、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路がともにＭＥＧＡに接触する面積を最大化でき、これによりＭＥＧＡをアノード側及びカソード側の両側から一定の圧力を印加してガス流路とガス拡散層との界面における接触抵抗、及びガス拡散層と膜電極接合体（ＭＥＡ）との界面における接触抵抗を低下させることができる。
【００２５】
上記の条件式において、ＭＥＧＡに接触する領域に直線関係する式は、
Ｂ＝２Ｅ＋Ｆ
であり、少なくともこの条件式を満たすことで接触面積を最大化し得る。
【００２６】
言うまでもなく、上記の条件式は、Ｂ，Ｅ，Ｆが特定の値である場合に成立するものであり、Ｂ，Ｅ，Ｆの値によっては、
Ｂ＝３Ｅ＋２Ｆ
あるいは、
Ｂ＝４Ｅ＋３Ｆ
の関係が成立する場合もあり得る。より一般化すれば、ｍとｎをそれぞれ自然数として、
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
を満たすように位置合わせすればよい。
【００２７】
アノード側のガス流路とカソード側のガス流路をランダムに配置した場合、上記の条件式を満たすことはなく、一般に、ｉとｊを自然数以外の有理数として、
Ｂ＝ｉＥ＋ｊＦ
となる。同一のＢ、Ｅ、Ｆで比較するとｍ＞ｉであり、ＭＥＧＡとの接触領域の面積は本実施形態よりも小さくなる。
【００２８】
以下、本実施形態の構成について、具体的に説明する。
【００２９】
２．第１実施形態
図１に、本実施形態における燃料電池の断面構成を示す。全体構成は、従来技術とほぼ同一であり、アノード側のガス流路構造とカソード側のガス流路構造が互いに異なる非対称の燃料電池である。
【００３０】
燃料電池は、セパレータ２０、セパレータ３０、多孔質体層３４、ガス拡散シート１４、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０を順次積層して構成される。ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０がアノード側、セパレータ２０、セパレータ３０、多孔質体層３４、ガス拡散シート１４がカソード側である。ガス拡散シート１４、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１２は互いに接合されてＭＥＧＡを構成する。
【００３１】
セパレータ２０及びセパレータ３０は、矩形状の外形を有しており、外周側には複数の貫通孔が設けられて各種マニホールドが形成される。セパレータ２０は、１枚の金属板をプレス加工することにより形成され、表面と裏面との間で凹凸形状が反転する。セパレータ２０は、凹部２２ａと凹部２２ｂとを有する。セパレータ２０を平面視した場合、凹部２２ａと凹部２２ｂはそれぞれ櫛状のパターンとなっており、２つの櫛状のパターンが互いに噛み合うように配置される。アノード側のセパレータ２０の外周側に設けられた貫通孔により形成されるマニホールドを介して凹部２２ａには高圧の水素ガスが供給される。また、凹部２２ｂは、セパレータ２０の外周側に設けられた他の貫通孔により形成されるマニホールドを介してアノードガス排気系に接続される。従って、凹部２２ａに供給された水素ガスは、図中矢印で示すようにセパレータ２０に接するガス拡散シート１２を経由して隣接する凹部２２ｂに流れ込む。この流れの過程で、ガス拡散シート１２からＭＥＡ１０のアノード側電極触媒層に水素が供給される。また、セパレータ２０の凸部２４は、セパレータ面内を蛇行して形成され、セパレータ３０とともに冷却水等の冷媒を流す冷媒流路として機能する。
【００３２】
図２に、セパレータ２０の平面図を示す。図において、凹部２２ａに供給された水素ガスが凹部２２ｂに流れ込む様子、及び蛇行形成された凸部２４を冷媒が流れる様子をそれぞれ矢印で示す。なお、図中、領域Ｐは、ＭＥＡ１０の面内で発電反応に用いられる発電領域を示す。
【００３３】
一方、ガス拡散層１４には、ガス拡散層１４より密度が低く、微細孔によりガスを拡散させて通流させる多孔質体層３４を介して空気が供給され、ガス拡散シート１４からＭＥＡ１０のカソード側電極触媒層に酸素が供給される。
【００３４】
図３に、セパレータ２０の凹凸で形成される溝型ガス流路とＭＥＧＡとの関係、及び多孔質体層３４で形成される多孔質体ガス流路とＭＥＧＡとの関係を模式的に示す。ＭＥＧＡ４０は、上記のようにＭＥＡ１０とガス拡散層１２，１４から構成される。アノード側の溝型ガス流路のうちＭＥＧＡ４０と接触して電子経路となり得る領域を領域５０、カソード側の多孔質体ガス流路のうちＭＥＧＡ４０と接触して電子経路となり得る領域を領域６０とする。本実施形態では、領域５０，６０の寸法をほぼ同一に設定する。すなわち、領域５０の面内方向の横幅をＷａ、面内方向の縦幅をＨａ、領域６０の面内方向の横幅をＷｂ、面内方向の縦幅をＨｂとすると、本実施形態では、
Ｗａ＝Ｗｂ
Ｈａ＝Ｈｂ
となるようにセパレータ２０及び多孔質体層３４を形成する。
【００３５】
さらに、本実施形態では、アノード側の溝型ガス流路の形成位置と、カソード側の多孔質体ガス流路の形成位置とを調整して形成する。具体的には、燃料電池セルは、図１に示されたセパレータ２０，３０や多孔質体層３４、ＭＥＧＡを積層して金型内にインサートし、セパレータの貫通孔の周囲にガスケットを成形することにより構成されるが、この際、セパレータ２０の凹凸（溝）をプレス加工で成形する一方で、多孔質体層３４の微細孔をセパレータ２０の溝の幅に応じて形成する。多孔質体層３４は、例えばチタン等の金属により構成され、エキスパンドメタルのように機械加工により形成され、あるいは焼結により成形される。そして、表面が平坦なセパレータ３０と多孔質体層３４を互いに全面にわたって密着させてスポット溶接し、セパレータ２０、多孔質体層３４が全面にわたってスポット溶接され多孔質体層３４と一体化されたセパレータ３０、ＭＥＧＡを積層し、セパレータ２０の溝と多孔質体層３４の微細孔の位置を調整しつつ金型内にインサートする。
【００３６】
以下、アノード側のセパレータ２０により形成される溝型のガス流路と、カソード側の多孔質体層３４により形成される微細孔のガス流路との位置関係について説明する。
【００３７】
図４に、セパレータ２０の溝流路と多孔質体３４の流路との位置関係を模式的に示す。また、比較のため、図５に従来のセパレータ２０の溝流路と多孔質体３４の流路との位置関係を模式的に示す。図４において、溝流路は、セパレータ２０の凹凸で形成され、凹部２２ａが水素ガスのガス流路であり、凸部２４が冷媒流路である。凸部２４はＭＥＧＡと接触する領域であり、凹部２２ａはＭＥＧＡ側が開口となっているためＭＥＧＡと接触しない非接触領域である。なお、凹部２２ｂも凹部２２ａと同様に水素ガスのガス流路であるが、凹部２２ａと同様であるため以下の説明では凹部２２ａとしてまとめて説明する。
【００３８】
多孔質体層３４の流路は、多孔質体層３４の微細孔で構成され、非微細孔３４ｂはＭＥＧＡと接触する接触領域であり、微細孔３４ａはＭＥＧＡ側が開口となっているためＭＥＧＡと接触しない非接触領域である。セパレータ２０の凸部２４と多孔質体層３４の非微細孔３４ｂが対向する領域ではともにＭＥＧＡに接触しており、この領域ではＭＥＧＡは両側から挟持されて一定の面圧が印加されるため界面の接触抵抗が相対的に低下する。一方、セパレータの凸部２４と多孔質体層３４の微細孔３４ａが対向する領域では凸部２４のみがＭＥＧＡに接触しているから界面の接触抵抗は相対的に増大する。セパレータ２０の凹部２２ａと多孔質体層３４の非微細孔３４ｂが対向する領域では非微細孔３４ｂのみがＭＥＧＡに接触しているから界面の接触抵抗は相対的に増大する。
【００３９】
そこで、本実施形態では、セパレータ２０のＭＥＧＡとの接触領域である凸部２４と、多孔質体層３４のＭＥＧＡとの接触領域である非微細孔３４ｂの形成位置を合わせ、以下の条件式を満足するように調整する。
【００４０】
すなわち、セパレータ２０の面内方向のピッチをＡ、凸部２４の面内方向の幅をＢ、凹部２２ａの面内方向の幅をＣとし、多孔質体層３４の面内方向のピッチをＤ、非微細孔３４ｂの面内方向の幅をＥ、微細孔３４ａの面内方向の幅をＦとした場合に、
Ａ＝Ｂ＋Ｃ
Ｄ＝Ｅ＋Ｆ
Ｂ＞Ｅ，Ｆ
Ｃ＞Ｅ，Ｆ
Ｂ＝Ｅ＋Ｆ＋Ｅ＝２Ｅ＋Ｆ
Ｃ＝Ｆ＋Ｅ＋Ｆ＝Ｅ＋２Ｆ
となるように調整する。
【００４１】
これら条件式を満たす場合、図４に示すように、セパレータ２０のＭＥＧＡとの接触領域である凸部２４に対向する位置に、多孔質体層３４のＭＥＧＡとの接触領域である非微細孔３４ｂが２個存在することとなり、ＭＥＧＡに対して両側から接触する領域面積が最大化し、界面の接触抵抗が低減される。より具体的には、Ｗａ＝Ｗｂ＝２００ｍｍ、Ｈａ＝Ｈｂ＝１００ｍｍ、Ａ＝２．２５ｍｍ、Ｂ＝１．０ｍｍ、Ｃ＝１．２５ｍｍ、Ｄ＝０．７５ｍｍ、Ｅ＝０．２５ｍｍ、Ｆ＝０．５ｍｍ等と設定することができる。
【００４２】
一方、図５に示す従来構造の場合、セパレータ２０の凸部２４と多孔質体層３４の非微細孔３４ｂの形成位置が調整されていないため、セパレータ２０のＭＥＧＡとの接触領域である凸部２４に対向する位置に、多孔質体層３４のＭＥＧＡとの接触領域である非微細孔３４ｂが２個未満、例えば１．５個のみが存在することとなり、所望の面圧が得られず界面の接触抵抗が増大してしまう。図４と図５とを比較することで、本実施形態の効果は明らかとなろう。
【００４３】
３．第２実施形態
上記の第１実施形態では、アノード側の溝型ガス流路の凹凸の比率を一定としているが、凹凸の比率が変化してもよい。すなわち、図４において、ピッチＡは一定とするものの、凸部２４の幅Ｂと凹部２２ａの幅Ｃの比率を変化させてもよい。
【００４４】
図６に、凸部２４の幅Ｂと凹部２２ａの幅Ｃの比率Ｂ／Ｃをガス流路に沿って変化させる一例を示す。図において、横軸は水素ガスの流れを示し、図中右方向にいくほど下流側であることを示す。また、縦軸は比率Ｂ／Ｃを示す。図中、実線１００で示すように下流側ほど凸部２４の幅Ｂが順次大きく、あるいは凹部２２ａの幅Ｃが順次小さくなり、比率Ｂ／Ｃが増大する。ガスの下流側ほど凹部２２ａの幅Ｃを小さくすることにより、ガスの下流側において水素ガスの流路断面積が縮小して水素ガスの流速を増大させることができる。また、ガスの下流側ほど凸部２４の幅Ｂを大きくすることにより、ガスの下流側において冷媒の流量を増大させて冷却性能を向上させることができる。もちろん、比率Ｂ／Ｃを連続的に変化させるのではなく、図中一点鎖線２００で示すように比率Ｂ／Ｃを段階的あるいは不連続的に増大させてもよい。図ではガスの流れを上流域、中流域、下流域の３つの領域に分け、それぞれの領域において比率Ｂ／Ｃを一定としつつ、領域間で段階的に増大させている。
【００４５】
このように、比率Ｂ／Ｃが増大する構成において、セパレータ２０における比率Ｂ／Ｃの変化に応じて、多孔質体層３４の微細孔３４ａと非微細孔３４ｂの比率も変化させる。
【００４６】
図７に、本実施形態におけるセパレータ２０の溝流路と多孔質体３４の流路との位置関係を模式的に示す。
【００４７】
ガスの上流域では、第１実施形態と同様の位置関係であり、
Ａ＝Ｂ＋Ｃ
Ｄ＝Ｅ＋Ｆ
Ｂ＞Ｅ，Ｆ
Ｃ＞Ｅ，Ｆ
Ｂ＝Ｅ＋Ｆ＋Ｅ＝２Ｅ＋Ｆ
Ｃ＝Ｆ＋Ｅ＋Ｆ＝Ｅ＋２Ｆ
の関係を満たす。
【００４８】
一方、ガスの下流域では、ピッチＡは上流域のピッチＡと同一であるものの、凸部２４の幅Ｂ´は上流域の幅Ｂと異なり、かつ、凹部２２ａの幅Ｃ´は上流域の幅Ｃと異なる。すなわち、
Ｂ´＞Ｂ
Ｃ´＜Ｃ
Ｂ´／Ｃ´＞Ｂ／Ｃ
である。この場合、凸部２４の幅Ｂ´と凹部２２ａの幅Ｃ´に応じて、非微細孔３４ｂの幅Ｅと微細孔３４ｂの幅ＦもそれぞれＥ´、Ｆ´に変化させて凸部２４の形成位置と非微細孔３４ｂの形成位置を位置合わせして、
Ｂ´＝Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＝３Ｅ´＋２Ｆ´
の関係を満たすように調整する。
【００４９】
このような構成によれば、ガスの流れに沿って凸部２４の幅と凹部２２ａの幅の比率Ｂ／Ｃが変化しても、ＭＥＧＡに対して両側から接触する領域面積が最大化し、界面の接触抵抗が低減される。
【００５０】
なお、上記の
Ｂ´＝Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＋Ｆ´＋Ｅ´＝３Ｅ´＋２Ｆ´
は一例であって、上流域、中流域、下流域を問わず、一般的に
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
と表現することができる。但し、ｍ、ｎは自然数であり、比率Ｂ／Ｃが変化しない場合にはｍ、ｎも一定値であり、比率Ｂ／Ｃがガスの流れに沿って変化する場合にはこれに応じてｍ、ｎも変化し得る。
【００５１】
４．変形例
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記以外にも種々の変形例が可能である。
【００５２】
例えば、第１実施形態では、凸部２４の幅Ｂと凹部２２ａの幅Ｃにおいて、Ｂ＜Ｃとしているが、両者の幅を同一にしてＢ＝Ｃとしてもよく、あるいはＢ＞Ｃとしてもよい。セパレータ２０は金属から構成され、燃料電池において集電板としても機能するから、凸部２４の幅Ｂを大きくしてＭＥＧＡとの接触面積を増大させることにより接触抵抗を小さくすることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、アノード側を溝型のガス流路、カソード側を多孔質のガス流路としているが、アノード側とカソード側とでガス流路が異なる他の組み合わせにも適用し得る。このような組み合わせの一例は、アノード側においても多孔質体層を設けるとともに、アノード側の多孔質体層とカソード側の多孔質体層が同一ではなく互いに異なる構造を有している場合である。この場合においても、アノード側の多孔質体層のピッチをＡ、非微細孔の幅をＢ、微細孔の幅をＣとして、各実施形態に示された条件式を満足するように位置合わせすればよい。
【００５４】
さらに、本実施形態において、アノード側の接触領域である凸部２４と、カソード側の接触領域である非微細孔３４ｂは面内方向において位置合わせされているが、本実施形態における「位置合わせ」は、必ずしも厳密に両者の位置が一致していることを意味するものではなく、設計公差の範囲内において両者の位置が一致していることを意味するものである。すなわち、所定の公差の範囲内で両者の位置がずれていても、両者の位置は実質的に一致していて「位置合わせされている」とみなすことができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、１２，１４ ガス拡散層、２０ セパレータ、２２ａ，２２ｂ 凹部、２４ 凸部、３０ セパレータ、３４ 多孔質体層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方側に接合されるアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の他方側に接合されるカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層に燃料ガスを供給するアノード側ガス流路と、
前記カソード側ガス拡散層に酸化剤ガスを供給するカソード側ガス流路と、
を備え、
前記アノード側ガス流路と前記カソード側ガス流路は互いに異なり非対称であり、
前記アノード側ガス流路は、前記アノード側ガス拡散層の面内方向において前記アノード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、
前記カソード側ガス流路は、前記カソード側ガス拡散層の面内方向において前記カソード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、
前記アノード側ガス流路の前記接触領域の形成位置と、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の形成位置は、前記面内方向において位置合わせされる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路は、セパレータの凹凸により構成されるガス流路であり、
前記カソード側ガス流路は、多孔質体層により構成されるガス流路であり、
前記セパレータの凹凸のいずれか一方がガス流路であり他方が冷媒流路である
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＢ、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＥ、前記非接触領域の面内方向の幅をＦとすると、ｍ、ｎをそれぞれ自然数として、
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
の関係を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において一定であり、
前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において一定である
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において変化し、
前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において変化する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、
前記幅Ｂと幅Ｃの比率Ｂ／Ｃは、前記アノード側ガス流路の下流側において上流側よりも増大するように変化する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方側に接合されるアノード側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の他方側に接合されるカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層に燃料ガスを供給するアノード側ガス流路と、
前記カソード側ガス拡散層に酸化剤ガスを供給するカソード側ガス流路と、
を備え、
前記アノード側ガス流路と前記カソード側ガス流路は互いに異なり非対称であり、
前記アノード側ガス流路は、前記アノード側ガス拡散層の面内方向において前記アノード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、
前記カソード側ガス流路は、前記カソード側ガス拡散層の面内方向において前記カソード側ガス拡散層に接触する接触領域と接触しない非接触領域が交互に存在し、
前記アノード側ガス流路の前記接触領域の形成位置と、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の形成位置は、前記面内方向において位置合わせされる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路は、セパレータの凹凸により構成されるガス流路であり、
前記カソード側ガス流路は、多孔質体層により構成されるガス流路であり、
前記セパレータの凹凸のいずれか一方がガス流路であり他方が冷媒流路である
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＢ、前記カソード側ガス流路の前記接触領域の面内方向の幅をＥ、前記非接触領域の面内方向の幅をＦとすると、ｍ、ｎをそれぞれ自然数として、
Ｂ＝ｍＥ＋ｎＦ
の関係を満たすことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において一定であり、
前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において一定である
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池において、
前記アノード側ガス流路の前記非接触領域の面内方向の幅をＣとすると、幅Ｂと幅Ｃの比率は前記アノード側ガス流路において変化し、
前記ｍ、ｎは前記アノード側ガス流路において変化する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、
前記幅Ｂと幅Ｃの比率Ｂ／Ｃは、前記アノード側ガス流路の下流側において上流側よりも増大するように変化する
ことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４２１３５（Ｐ２０１２−１４２１３５Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２８９４（Ｐ２０１０−２９２８９４）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【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２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【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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