燃料電池
【課題】燃料電池の発電性能を向上させる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を狭持するセパレータ２０，３０を備える。セパレータ２０，３０には、空間的に互いに分離された閉塞流路溝である供給側並列流路溝２３，３３と、排出側並列流路溝３３，３５とが設けられている。膜電極接合体１０の電極層２，３は、ガス拡散層５を有する。ガス拡散層５は、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、流路溝２３，３３，２５，３５と重なる流路溝領域ＧＡと、並列流路隔壁２９，３９と重なる流路壁領域ＷＡとを有する。ガス拡散層５は、流路溝領域ＧＡに、拡散抑制部６が設けられることにより、流路溝領域ＧＡの方が流路壁領域ＷＡよりガス拡散性が高くなっている。
【解決手段】燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を狭持するセパレータ２０，３０を備える。セパレータ２０，３０には、空間的に互いに分離された閉塞流路溝である供給側並列流路溝２３，３３と、排出側並列流路溝３３，３５とが設けられている。膜電極接合体１０の電極層２，３は、ガス拡散層５を有する。ガス拡散層５は、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、流路溝２３，３３，２５，３５と重なる流路溝領域ＧＡと、並列流路隔壁２９，３９と重なる流路壁領域ＷＡとを有する。ガス拡散層５は、流路溝領域ＧＡに、拡散抑制部６が設けられることにより、流路溝領域ＧＡの方が流路壁領域ＷＡよりガス拡散性が高くなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備えるものがある。一般に、膜電極接合体は、導電性を有するガス不透過の板状部材であるセパレータによって狭持される。また、セパレータの外表面には、反応ガスのガス流路として機能する流路溝が設けられ、膜電極接合体の電極には、反応ガスを電極面（発電領域）全体に拡散させるためのガス拡散層が設けられる。セパレータの流路溝としては、反応ガスを発電領域に供給するための供給側流路溝と、発電領域から排ガスを排出するための排出側流路溝とが、流路壁を挟んで空間的に分離するように形成されたものが提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
このような流路溝を有する燃料電池では、供給側流路溝の下流側端部が閉塞されているため、供給側流路溝に流入した反応ガスのほとんどを、膜電極接合体のガス拡散層へと流入させることができる。従って、発電反応に用いられることなく燃料電池の外部へと排出されてしまう未反応ガスの量を低減することができる。しかし、こうした燃料電池では、発電領域内における反応ガスの供給量分布や発電量が不均一となる傾向にあり、その発電性能は十分に向上されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０７９４５７号公報
【特許文献２】特開２００４−３４２４８３号公報
【特許文献３】特開２００５−１１６１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の発電性能を向上させる技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、を備え、前記電極層は、前記電解質膜と接する側に設けられた触媒層と、前記セパレータと接する側に設けられたガス拡散層とを有しており、前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝と、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とを隔てる流路隔壁と、が設けられ、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、前記流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスを前記ガス拡散層へと流入させるように構成されており、前記電極層は、前記燃料電池を前記電極層の積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記供給側流路溝または前記排出側流路溝と重なる流路溝領域と、前記流路隔壁と重なる流路壁領域と、を有し、前記電極層は、前記ガス拡散層と前記触媒層の少なくとも一方において、前記流路溝領域の方が前記流路壁領域より高いガス拡散性を有するように構成されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、反応ガスが触媒層を経由することなくガス拡散層を介して供給側流路溝から排出側流路溝へと流れることを抑制し、供給側流路溝から流路溝領域内の触媒層へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。即ち、セパレータに供給側流路溝と排出側流路溝とを設けることにより、反応ガスの消費効率を向上させている燃料電池において、発電領域における触媒層への反応ガスの配流性を改善でき、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、前記電極層は、前記流路壁領域の方が前記流路溝領域よりも前記触媒層における触媒の含有量が多い、燃料電池。
この燃料電池によれば、流路壁領域における触媒の含有量を増大させておくことによって、流路壁領域における反応ガスの流量が多い場合であっても、流路壁領域における発電量を増大させて、発電反応に用いられることなく流路溝領域の触媒層から流出する反応ガスの量を低減させることができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、前記ガス拡散層の前記流路壁領域には、前記流路溝領域のガス拡散性よりも低いガス拡散性を有し、反応ガスの拡散を抑制する拡散抑制部材が、前記セパレータの前記流路壁と接する部位に配置され、前記拡散抑制部材が、前記流路溝の反応ガスを前記触媒層へと誘導するための誘導壁として機能する、燃料電池。
この燃料電池によれば、拡散抑制部材によって、反応ガスが、流路溝領域において、より下層の領域へと誘導されるため、流路溝領域の触媒層に到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００１０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】膜電極接合体の構成を説明するための概略図。
【図３】膜電極接合体の構成を説明するための概略断面図。
【図４】アノードセパレータの構成を示す概略図。
【図５】カソードセパレータの構成を示す概略図。
【図６】拡散抑制部の構成およびその機能を説明するための概略図。
【図７】第１実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図８】第１実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図９】第２実施例の燃料電池に用いられる膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図１０】第２実施例の燃料電池の構成を示す概略図。
【図１１】第２実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図１２】第２実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図１３】第３実施例としての燃料電池の構成を示す概略図と、触媒担持カーボンと高分子電解質とを示す模式図。
【図１４】第３実施例における触媒層の形成工程の一例を工程順に示す模式図。
【図１５】第４実施例としての燃料電池の構成を示す概略図と、触媒担持カーボンと高分子電解質とを示す模式図。
【図１６】第４実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図１７】第５実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、発電体である複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を両側から狭持するアノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０とを備える。なお、これら２枚のセパレータ２０，３０の膜電極接合体１０側の面には、反応ガスのための流路溝（破線で図示）が設けられている。流路溝の構成については後述する。
【００１３】
図２，図３は、膜電極接合体１０の構成を説明するための概略図である。図２は、膜電極接合体１０のアノード側の面の構成を示す概略図である。なお、膜電極接合体１０のカソード側の面の構成は、アノード側の構成と同様であるため、その図示および説明は省略する。図３は、図２に示す３−３切断における膜電極接合体１０の概略断面図である。
【００１４】
膜電極接合体１０は、反応ガスが供給され、発電反応が行われる発電領域１１と、発電領域１１の外周に設けられた外周シール部１２とを有する（図２）。なお、図２の発電領域１１には、便宜上、アノードセパレータ２０に設けられた流路溝を燃料電池１００の積層方向に投影した投影像が破線で図示されている。
【００１５】
ここで、発電領域１１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１と、電解質膜１の両面に配置された電極層（アノード２およびカソード３）とが含まれている（図３）。アノード２およびカソード３はそれぞれ、積層構造を有しており、電解質膜１側に配置される触媒層４と、触媒層４の上側に配置されるガス拡散層５とを備える。電解質膜１は、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有するイオン交換膜によって構成することができる。
【００１６】
触媒層４は、触媒担持カーボンと、電解質膜１と同種の化合物である高分子電解質とを、水溶性溶媒または有機溶媒に分散させた混合溶液である触媒インクを用いて形成される。具体的には、触媒層４は、触媒インクをフィルム基材の外表面に塗布・乾燥させて形成された薄膜層を、電解質膜１の外表面に転写させることにより形成することができる。あるいは、触媒層４は、電解質膜１の外表面に、触媒インクを直接的に塗布・乾燥させることにより形成されるものとしても良い。なお、触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を用いることができる。
【００１７】
ガス拡散層５は、導電性およびガス拡散性を有する多孔質の基材（例えば、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材）によって構成することができる。ガス拡散層５は、そうした多孔質の基材を、電解質膜１の外表面に形成された触媒層４に、ホットプレスなどによって接合することによって形成される。なお、ガス拡散層５を構成する基材の触媒層４側に配置される面には、マイクロポーラス層などの撥水層が予め形成されるものとしても良い。
【００１８】
ところで、本実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層５の外表面に、ガス拡散層５を構成する基材よりもガス拡散性の低い基材６が、各セパレータ２０，３０の流路溝の配置位置に対応する位置に配置されている。以後、このガス拡散性の低い基材６を「拡散抑制部６」と呼ぶ。
【００１９】
ここで、本明細書において「ガス拡散性」とは、多孔質部材などのガス透過性を有する部材の内部におけるガスの移動しやすさを表す度合いである。ガス拡散性は、多孔質部材の気孔率や細孔率によって調整することができる。また、ガス拡散性は、多孔質部材の透気度によっても表すことができる。ここで、「透気度」とは、板状（膜状）の繊維基材や多孔質基材について、一方の面の側と他方の面の側との間に所定の圧力差を付与したときに、当該基材を厚み方向に通過する気体の単位時間あたりの量として求めることができる値である。拡散抑制部６の具体的な形成位置とその機能については後述する。
【００２０】
外周シール部１２は、電解質膜１や電極層２，３の外周端面が被覆されるように樹脂部材を配置することにより形成される。外周シール部１２は、セパレータ２０，３０に狭持され、燃料電池１００の外部への反応ガスの漏洩を抑制する。外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が厚み方向を貫通する貫通孔として形成されている。
【００２１】
各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、発電領域１１における水素の流れる方向と酸素の流れる方向とが、電解質膜１を挟んで互いに対向し、かつ、交差するように配置されている。具体的には、水素供給用マニホールドＭ１と酸素排出用マニホールドＭ４とが、発電領域１１に対して同じ側（紙面左側）に配列され、水素排出用マニホールドＭ２と酸素供給用マニホールドＭ３とが、その反対側（紙面右側）に配列されている。
【００２２】
また、水素供給用マニホールドＭ１と、水素排出用マニホールドＭ２とは、発電領域１１を挟んで互いに対角する位置に形成されている。酸素供給用マニホールドＭ３および酸素排出用マニホールドＭ４についても同様の配置構成となっている。なお、各マニホールドＭ１〜Ｍ４の配置構成は、他の構成であっても良い。また、外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４に加えて、冷媒のためのマニホールドが形成されるものとしても良い。
【００２３】
ここで、本明細書では、アノード側の発電領域１１における水素供給用マニホールドＭ１側、または、カソード側の発電領域１１における酸素供給用マニホールドＭ３側をそれぞれ「上流側」と呼ぶ。また、アノード側の発電領域１１における水素排出用マニホールドＭ２側、または、カソード側の発電領域１１における酸素排出用マニホールドＭ４側をそれぞれ「下流側」と呼ぶ。さらに、アノード側およびカソード側のそれぞれの発電領域１１において、上流側から下流側に向かう方向を「反応ガスの流れ方向」と呼ぶ。
【００２４】
図４は、アノードセパレータ２０の構成を示す概略図である。図４には、アノードセパレータ２０におけるアノード２と接触する側の面が図示されている。なお、図４には、アノードセパレータ２０に設けられた流路溝における水素の流れを示す矢印が図示されている。また、図４には、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０の発電領域１１と重なる領域が一点鎖線で図示されている。
【００２５】
アノードセパレータ２０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。アノードセパレータ２０には、膜電極接合体１０と同様に、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が貫通孔として形成されている。また、アノードセパレータ２０には、反応ガスのための流路溝が発電領域１１全体に渡って形成されている。
【００２６】
アノードセパレータ２０には、反応ガスのための流路溝として、発電領域１１に水素を供給するための「供給側流路溝」（「一次流路溝」とも呼ぶ）と、発電領域１１から水素を排出するための「排出側流路溝」（「二次流路溝」とも呼ぶ）とが設けられている。ここで、アノードセパレータ２０の流路溝は、燃料電池１００に組み付けられたときに、溝上方の開口部（溝開口部）が、膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散層５および拡散抑制部６によって塞がれる。このとき、供給側流路溝と排出側流路溝とは、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離された状態となる。
【００２７】
アノードセパレータ２０には、供給側流路溝として、供給側連絡流路溝２１と、分配流路溝２２と、複数の供給側並列流路溝２３とが設けられている。供給側連絡流路溝２１は、水素供給用マニホールドＭ１と、発電領域１１内に設けられた分配流路溝２２とを連結・連絡する流路溝であり、水素供給用マニホールドＭ１の水素を発電領域１１へと流入させる。
【００２８】
分配流路溝２２は、発電領域１１の上流端において、発電領域１１における反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って形成された流路溝である。分配流路溝２２には、各供給側並列流路溝２３が連結されている。分配流路溝２２は、供給側連絡流路溝２１から流入した水素を、発電領域１１において、反応ガスの流れ方向と直交する方向に行き渡らせるとともに、各供給側並列流路溝２３に分岐・流入させる。
【００２９】
各供給側並列流路溝２３は反応ガスの流れ方向に沿って延びる直線状の流路溝であり、発電領域１１において、ほぼ等間隔で並列に配列されている。なお、供給側並列流路溝２３は、その上流側端部が分配流路溝２２に連結され、下流側端部が、排出流路溝の合流流路溝２６の手前において閉塞されている。即ち、供給側並列流路溝２３は、いわゆる略櫛歯状の流路溝として構成されている。
【００３０】
アノードセパレータ２０には、排出側流路溝として、複数の排出側並列流路溝２５と、合流流路溝２６と、排出側連絡流路溝２７とが設けられている。各排出側並列流路溝２５は、発電領域１１において、供給側並列流路溝２３と併走する直線状の流路溝であり、上流側の領域から下流側の領域に渡って、反応ガスの流れ方向に沿って延び、合流流路溝２６と連結されている。各排出側並列流路溝２５の上流側の端部は、供給側並列流路溝２３の上流側の始端とほぼ同程度の位置において閉塞されている。
【００３１】
ここで、供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とは、反応ガスの流れ方向に対して垂直な方向に交互に配列されている。即ち、供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とは、互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成している。なお、本明細書では、以後、供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とに挟まれた流路隔壁をそれぞれ「並列流路隔壁２９」と呼ぶ。
【００３２】
合流流路溝２６は、発電領域１１の下流端において、発電領域１１の反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って延びる流路溝である。排出側連絡流路溝２７は、合流流路溝２６と水素排出用マニホールドＭ２とを連結・連絡するための流路溝である。各排出側並列流路溝２５の排ガスは、合流流路溝２６において合流し、排出側連絡流路溝２７を介して水素排出用マニホールドＭ２へと排出される。
【００３３】
図５は、カソードセパレータ３０の構成を示す概略図である。図５には、カソードセパレータ３０のカソード３と接触する側の面が図示されており、図４と同様に、カソードセパレータ３０における酸素の流れを示す矢印と、発電領域１１と重なる領域を示す一点鎖線とが図示されている。カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様に、導電性を有するガス不透過の板状部材により構成され、反応ガスのための各マニホールドＭ１〜Ｍ４が形成されている。
【００３４】
さらに、カソードセパレータ３０には、アノードセパレータ２０と同様に、互いに分離された供給側流路溝および排出側流路溝とが形成されている。具体的には、カソードセパレータ３０には、供給側流路溝として、アノードセパレータ２０の供給側連絡流路溝２１、分配流路溝２２、供給側並列流路溝２３と同様な構成の、酸素のための供給側連絡流路溝３１、分配流路溝３２、供給側並列流路溝３３が設けられている。
【００３５】
また、カソードセパレータ３０には、排出側流路溝として、アノードセパレータ２０の排出側並列流路溝２５、合流流路溝２６、排出側連絡流路溝２７と同様な構成の、排出側並列流路溝３５、合流流路溝３６、排出側連絡流路溝３７が設けられている。なお、カソードセパレータ３０において、供給側並列流路溝３３と排出側並列流路溝３５とで挟まれた流路隔壁を、アノードセパレータ２０の並列流路隔壁２９と同様に、「並列流路隔壁３９」と呼ぶ。
【００３６】
このように、本実施例の燃料電池１００では、各セパレータ２０，３０の流路溝が、供給側流路溝と排出側流路溝とは互いに分離された閉塞流路溝として構成されている。従って、各マニホールドＭ１，Ｍ３から供給側流路溝へと流入した反応ガスは、電極層２，３を介して排出側流路溝へと流れることとなる。即ち、本実施例の燃料電池１００によれば、供給側流路溝の反応ガスのほとんどを電極層２，３へと流入させることができるため、反応に用いられることなく燃料電池１００の外部へと排出される未反応ガスの量を低減できる。
【００３７】
さらに、本実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層５に拡散抑制部６を有することにより、発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させ、反応ガスの消費効率を向上させている。ここで、本明細書において、「反応ガスの消費効率」とは、供給された反応ガスの量に対する燃料電池反応に用いられた反応ガスの量の割合を意味する。以下に、拡散抑制部６の具体的な構成とその機能について説明する。
【００３８】
図６（Ａ）は、本実施例の燃料電池１００における拡散抑制部６の構成およびその機能を説明するための概略図である。図６（Ａ）には、図２に示す６−６切断と同様な切断部位における任意の単セル１１０の概略断面が図示されている。なお、図６（Ａ）には、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと流入する反応ガスの流れを模式的に示す矢印が図示されている。
【００３９】
ここで、本実施例の燃料電池１００では、膜電極接合体１０が２枚のセパレータ２０，３０に狭持されたときに、各セパレータ２０，３０の並列流路隔壁２９，３９同士が互いに膜電極接合体１０を挟んで対向し合う。また、供給側並列流路溝２３，３３同士および排出側並列流路溝２５，３５同士が互いに膜電極接合体１０を挟んで対向し合う。本明細書では、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、並列流路隔壁２９，３９と重なる領域を「流路壁領域ＷＡ」と呼び、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５と重なる領域を「流路溝領域ＧＡ」と呼ぶ。
【００４０】
拡散抑制部６は、ガス拡散層５において、流路溝領域ＧＡ内に形成されており（図２）、並列流路隔壁２９，３９のそれぞれと接触するとともに、ガス拡散層５の内部に入り込むように設けられている（図６（Ａ））。本実施例の燃料電池１００では、流路壁領域ＷＡに拡散抑制部６が設けられることにより、電極層２，３におけるガス拡散性は、流路溝領域ＧＡの方が流路壁領域ＷＡよりも高くなっている。
【００４１】
なお、拡散抑制部６は、ガス拡散層５の細孔に樹脂部材を含浸させることにより形成されるものとしても良い。あるいは、拡散抑制部６は、ガス拡散層５の外表面に予め形成された凹部に、ガス拡散層５の基材よりもガス拡散性の低い部材を勘合して配置することにより設けられるものとしても良い。
【００４２】
供給側並列流路溝２３，３３の水素または酸素は、並列流路隔壁２９，３９および拡散抑制部６の壁面（ガス拡散層５と拡散抑制部６との境界面）に誘導されて、ガス拡散層５へと流入して拡散する。即ち、拡散抑制部６は、ガス拡散層５の内部にまで並列流路隔壁２９，３９が延長された反応ガスの誘導壁部として解釈することも可能である。
【００４３】
図６（Ｂ）は、本発明の比較例としての燃料電池１００ａの構成を示す概略図である。図６（Ｂ）は、拡散抑制部６が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点と、反応ガスの供給量が比較的少なくなる領域ＳＡが図示されている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。即ち、比較例の燃料電池１００ａの構成は、ガス拡散層５以外の構成が、本実施例の燃料電池１００とほぼ同じである。
【００４４】
ここで、アノード２およびカソード３における反応ガスの流量分布は、下記の式（１）によって表されるＦｉｃｋの第１法則に従うことが知られている。
Ｊ＝−Ｄ×ΔＣ／Δｘ …（１）
Ｊは、流束 (flux)と呼ばれる量であり、単位時間当たりに単位面積を通過する流体の量を表す。Ｄは拡散係数である。ΔＣはある領域における流体の濃度勾配を示す。Δｘはある領域における流体の拡散距離を示す。即ち、アノード２およびカソード３の内部では、反応ガスの拡散距離が短い領域ほど反応ガスの流量が多くなる。
【００４５】
即ち、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと流入した反応ガスの多くは、ガス拡散層５の内部を並列流路隔壁２９，３９の上面に沿って流れ、隣り合う排出側並列流路溝２５，３５へと流出する。そして、その一部が、触媒層４へと拡散していき、発電反応に用いられる。従って、比較例の燃料電池１００ａでは、触媒層４において、流路壁領域ＷＡ内の中央近傍の領域ＳＡに到達する反応ガスの量が他の領域より少なくなる傾向にある。
【００４６】
しかし、本実施例の燃料電池１００（図６（Ａ））では、ガス拡散層５に設けられた拡散抑制部６によって、ガス拡散層５において、反応ガスが、より下層へと誘導された上で、排出側並列流路溝２５，３５へと流れる。そのため、反応ガスが、触媒層４を経由することなく排出側流路溝へと流出することを抑制し、流路溝領域ＧＡの触媒層４に到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００４７】
このように、本実施例の燃料電池１００によれば、供給側流路溝と排出側流路溝とに分離された閉塞流路と、その閉塞流路に合わせてガス拡散層５に設けられた拡散抑制部６とを有することにより、反応ガスの消費効率が向上されている。従って、燃料電池１００の発電性能が向上される。なお、以下に説明する構成であっても、同様に、燃料電池の発電性能を向上させることが可能である。
【００４８】
図７，図８は、第１実施例における他の構成例を説明するための説明図である。以下に説明する各構成例の燃料電池は、電極層２，３の構成が異なる点以外は、第１実施例の燃料電池１００と同様の構成を有しており、各セパレータ２０，３０に、供給側流路溝と排出側流路溝とが分断された閉塞流路溝が設けられている（図４，図５）。
【００４９】
図７（Ａ）は、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ａの構成を示す概略図である。図７（Ａ）は、ガス拡散層５に換えて、ガス拡散層５Ａが設けられている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ａでは、ガス拡散層５Ａは、ガス拡散性の高い基材によって構成された高拡散層５Ａａと、ガス拡散性の低い基材によって構成された低拡散層５Ａｂとを有している。
【００５０】
高拡散層５Ａａは流路溝領域ＧＡ内に設けられており、低拡散層５Ａｂは流路壁領域ＷＡ内に設けられている。ガス拡散層５Ａは、透気度や気孔率が異なる２種類の基材をそれぞれ、予め複数の短冊状の基材として準備し、それらガス拡散性の異なる短冊状の基材を、流路壁領域ＷＡおよび流路溝領域ＧＡごとに、交互に配列することによって形成されるものとしても良い。
【００５１】
このように、この構成例の燃料電池１００Ａでは、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５Ａの高拡散層５Ａａに流入した反応ガスの多くは、低拡散層５Ａｂとの境界面に沿って触媒層４へと誘導される。従って、第１実施例の燃料電池１００と同様に、流路溝領域ＧＡ内の触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。従って、燃料電池１００Ａの発電性能を向上させることができる。
【００５２】
図７（Ｂ）は、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｂの構成を示す概略図である。図７（Ｂ）は、ガス拡散層５Ａに換えて、ガス拡散層５Ｂが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が省略されている点以外は、図７（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｂのガス拡散層５Ｂでは、薄型化された低拡散層５Ａｂと、各セパレータ２０，３０の並列流路隔壁２９，３９との間に、拡散抑制部６が設けられている。
【００５３】
このような構成であっても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、流路溝領域ＧＡ内の触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｂにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。
【００５４】
図８は、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｃの構成を示す概略図である。図８は、拡散抑制部６が省略され、比較例の燃料電池１００ａ（図６（Ｂ））と同様なガス拡散層５が設けられている点と、触媒層４に換えて触媒層４Ｃが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。
【００５５】
この構成例の燃料電池１００Ｃでは、比較例の燃料電池１００ａと同様に、ガス拡散層５に拡散抑制部６が設けられていない。しかし、燃料電池１００Ｃの触媒層４Ｃには、流路溝領域ＧＡに透気度の高い高透気度触媒層４Ｃａが設けられ、流路壁領域ＷＡに透気度の低い低透気度触媒層４Ｃｂが設けられている。この構成によって、透気度の高い高透気度触媒層４Ｃａへと反応ガスを誘導することができ、流路溝領域ＧＡにおいて発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００５６】
なお、高透気度触媒層４Ｃａおよび低透気度触媒層４Ｃｂは、触媒層４Ｃの領域ごとの高分子電解質と導電性担体であるカーボンとの含有質量比率（Ｉｏｎｏｍｅｒ／Ｃａｒｂｏｎ；Ｉ／Ｃ）を調整することにより形成することができる。高透気度触媒層４ＣａはＩ／Ｃが低い領域として形成することができ、低透気度触媒層４ＣｂはＩ／Ｃの高い領域として形成することができる。より具体的には、各領域ＧＡ，ＷＡごとの透気度が一様な触媒層を形成した後に、流路壁領域ＷＡに高分子電解質が含まれる溶液を塗布・含浸させることにより、流路壁領域ＷＡのＩ／Ｃを増大させるものとしても良い。即ち、高透気度触媒層４Ｃａはガス拡散性の比較的高い触媒層として構成され、低透気度触媒層４Ｃｂはガス拡散性の比較的低い触媒層として構成される。
【００５７】
このように、触媒層４Ｃにおける透気度を、流路溝領域ＧＡより流路壁領域ＷＡの方が低くなるように構成することにより、流路溝領域ＧＡにおいて消費される反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｃにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。なお、上記の第１実施例の燃料電池１００や、他の構成例における燃料電池１００Ａ，１００Ｂにおいて、触媒層４に換えて、この燃料電池１００Ｃの触媒層４Ｃが設けられるものとしても良い。
【００５８】
B．第２実施例：
図９，図１０は本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ｄの構成を説明するための概略図である。図９は、第２実施例の燃料電池１００Ｄに用いられる膜電極接合体１０Ｄの構成を示す概略図である。図９は、拡散抑制部６の位置が異なる点以外は、図２とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池１００Ｄは、第１実施例の燃料電池１００と同様に、膜電極接合体１０Ｄと、２枚のセパレータ２０，３０（図４，図５）とを備える複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する（図１）。
【００５９】
図１０は、第２実施例の燃料電池１００Ｄにおける任意の単セル１１０の構成を示す概略図である。図１０は、拡散抑制部６の位置が異なる点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。
【００６０】
この燃料電池１００Ｄでは、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡ内に設けられている。また、拡散抑制部６は、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５の溝幅より小さい幅で構成されるとともに、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５のほぼ中央に配置されている。従って、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部は、拡散抑制部６によって中央部が塞がれるとともに、その中央部に隣接する２つの側部がガス拡散層５に向かって開口した（開放された）状態となる。
【００６１】
即ち、燃料電池１００Ｄでは、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと反応ガスが流入するための溝開口部の開口面積が、拡散抑制部６によって低減されており、ガス拡散層５へと流入する際の反応ガスの圧力損失が増大している。そのため、ガス拡散層５へと流入する反応ガスの流速を増大させるとともに、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００６２】
また、燃料電池１００Ｄでは、ガス拡散層５から排出側並列流路溝２５，３５へと反応ガスが流出するための溝開口部の開口面積も、拡散抑制部６によって低減されている。従って、ガス拡散層５に流入した反応ガスの出口方向以外への拡散が促進され、触媒層４において反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００６３】
このように、第２実施例の燃料電池１００Ｄによれば、ガス拡散層５の流路溝領域ＧＡ内の一部にガス拡散性の低い拡散抑制部６が設けられることにより、触媒層４へと到達して発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｄにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、発電性能を向上させることができる。
【００６４】
なお、拡散抑制部６は、全ての供給側並列流路溝２３，３３や全ての排出側並列流路溝２５，３５に対応して設けられていなくとも良い。即ち、拡散抑制部６は、一部の供給側並列流路溝２３，３３や、一部の排出側並列流路溝２５，３５に対応して設けられるものとしても良い。また、以下に説明する構成を有する燃料電池であっても、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、発電性能を向上させることが可能である。
【００６５】
図１１〜図１３は、第２実施例における他の構成例を説明するための説明図である。以下に説明する各構成例の燃料電池は、電極層２，３の構成が異なる点以外は、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様であり、各セパレータ２０，３０には、供給側流路溝と排出側流路溝とが分断された流路溝が設けられている。
【００６６】
図１１（Ａ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｅの構成を示す概略図である。図１１（Ａ）は、供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部の一部を塞ぐ拡散抑制部６が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図１０とほぼ同じである。
【００６７】
このように、供給側並列流路溝２３，３３と重なる流路溝領域ＧＡ内の拡散抑制部６が省略された場合であっても、排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部が、拡散抑制部６によって塞がれている。従って、ガス拡散層５に流入した反応ガスの出口方向（排出側並列流路溝２５，３５へと向かう方向）以外への拡散が促進され、触媒層４に到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００６８】
図１１（Ｂ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｆの構成を示す概略図である。図１１（Ｂ）は、排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部を塞ぐ拡散抑制部６が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図１０とほぼ同じである。
【００６９】
燃料電池１００Ｆでは、排出側並列流路溝２５，３５と重なる流路溝領域ＧＡ内の拡散抑制部６が省略され、供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部の一部が、拡散抑制部６によって塞がれている。このような構成であっても、ガス拡散層５へと流入する反応ガスの流速を増大させることができるため、触媒層４に到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００７０】
図１２（Ａ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｇの構成を示す概略図である。図１２（Ａ）は、ガス拡散層５に換えて、ガス拡散層５Ｇが設けられている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｇのガス拡散層５Ｇは、ガス拡散性の高い基材によって構成された高拡散層５Ｇａと、ガス拡散性の低い基材によって構成された低拡散層５Ｇｂとを有している。
【００７１】
低拡散層５Ｇｂは、流路溝領域ＧＡ内の一部に設けられている。より具体的には、低拡散層５Ｇｂは、第２実施例の燃料電池１００Ｄにおける拡散抑制部６の配置領域と同様な領域内に設けられている。一方、高拡散層５Ｇａはそれぞれ、流路壁領域ＷＡ内と、流路溝領域ＧＡ内の低拡散層５Ｇｂの配置領域以外に配置されている。なお、ガス拡散層５Ｇは、透気度や気孔率の異なる２種類の基材をそれぞれ、予め複数の短冊状の基材として準備し、それらのガス拡散性の異なる短冊状の基材を交互に配列することによって形成することができる。
【００７２】
この構成例の燃料電池１００Ｇでは、供給側並列流路溝２３，３３の反応ガスの多くが、高拡散層５Ｇａへと流入する。即ち、この構成例においても、供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部が低拡散層５Ｇｂによって絞られているため、その分だけ、高拡散層５Ｇａへと流入する反応ガスの流速を増大させることができる。従って、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００７３】
また、排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部を塞ぐ低拡散層５Ｇｂによって、ガス拡散層５Ｇ内における出口近傍の領域における圧力損失が増大している。そのため、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、ガス拡散層５Ｇにおける反応ガスの出口方向以外への拡散が促進され、触媒層４において反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００７４】
なお、この構成例において、供給側並列流路溝２３，３３に対応させて設けられた低拡散層５Ｇｂと、排出側並列流路溝２５，３５に対応させて設けられた低拡散層５Ｇｂのうちいずれか一方が省略されるものとしても良い。また、低拡散層５Ｇｂは、一部の供給側並列流路溝２３，３３または一部の排出側並列側流路溝２５，３５については省略されるものとしても良い。
【００７５】
図１２（Ｂ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｈの構成を示す概略図である。図１２（Ｂ）は、ガス拡散層５Ｇに換えて、ガス拡散層５Ｈが設けられている点以外は、図１２（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｈのガス拡散層５Ｈでは、低拡散層５Ｇｂが薄型化され、低拡散層５Ｇｂと並列流路隔壁２９，３９との間に、低拡散層５Ｇｂと同様な幅を有する拡散抑制部６が配置されている。
【００７６】
このような構成であっても、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｈにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。
【００７７】
C．第３実施例：
図１３（Ａ）は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｉの構成を示す概略図である。図１３（Ａ）は、触媒層４Ｃに換えて、触媒層４Ｉが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が省略されている点以外は、図８とほぼ同じである。即ち、第３実施例の燃料電池１００Ｉは、触媒層４Ｉの構成が異なる点以外は、第１実施例の他の構成例として説明した燃料電池１００Ｃと同様の構成である。触媒層４Ｉはそれぞれ、触媒の含有量が異なる第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂを有する。
【００７８】
図１３（Ｂ）は、第１の触媒層４Ｉａにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とを示す模式図である。図１３（Ｃ）は、第２の触媒層４Ｉｂにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とを示す模式図である。燃料電池１００Ｉでは、第１の触媒層４Ｉａより第２の触媒層４Ｉｂの方が、触媒担持カーボン９１に担持される触媒９２の量が多くなるように構成されている。そして、第１の触媒層４Ｉａは流路壁領域ＷＡに設けられ、第２の触媒層４Ｉｂは流路溝領域ＧＡに設けられている。
【００７９】
図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、アノード側の触媒層４Ｉの形成工程の一例を工程順に示す模式図である。第１工程では、２つのフィルム基材Ｆａ，Ｆｂの外表面にそれぞれ、触媒担持量の異なる触媒担持カーボンを含む触媒インクを塗布・乾燥させることにより、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂを形成する（図１４（Ａ））。そして、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂが形成されたフィルム基材Ｆａ，Ｆｂを切断して、複数の第１の短冊状基材４１と、複数の第２の短冊状基材４２とを形成する。
【００８０】
第２工程では、第１工程において準備された第１と第２の短冊状基材４１，４２をそれぞれ交互に配列する（図１４（Ｂ））。そして、第３工程では、その配列された第１と第２の短冊状基材４１，４２を電解質膜１の外表面に配置し、ローラ２００等によって押圧し、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂを電解質膜１に転写する（図１４（Ｃ））。第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂの転写後、フィルム基材Ｆａ，Ｆｂを取り除く（図１４（Ｄ））。なお、カソード側の触媒層４Ｉについても上記と同様の形成工程によって形成することができる。
【００８１】
このように、第３実施例の燃料電池１００Ｉによれば、触媒層４Ｉに到達する反応ガスの量が比較的少なくなる流路溝領域ＧＡに、触媒の含有量が多い第２の触媒層４Ｉｂが設けられる。これによって、流路溝領域ＧＡにおける有効触媒表面積が増加し、流路溝領域ＧＡにおける反応ガスの消費量を向上させることができる。従って、燃料電池１００Ｉにおける反応ガスの消費効率が向上し、その発電性能を向上させることができる。
【００８２】
D．第４実施例：
図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第４実施例としての燃料電池１００Ｊの構成を説明するための概略図である。図１５（Ａ）は、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂの形成位置が入れ替えられた触媒層４Ｊを有している点以外は、図１３（Ａ）とほぼ同じである。図１５（Ｂ）は、図１３（Ｃ）と同様な模式図であり、第２の触媒層４Ｉｂにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とが図示されている。図１５（Ｃ）は、図１３（Ｂ）と同様な模式図であり、第１の触媒層４Ｉａにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とが図示されている。
【００８３】
第４実施例の燃料電池１００Ｊでは、触媒担持量が少ない第１の触媒層４Ｉａが流路溝領域ＧＡに設けられ、触媒担持量が多い第２の触媒層４Ｉｂが流路壁領域ＷＡに設けられている。即ち、この燃料電池１００Ｊでは、反応ガスの供給量が多くなる流路壁領域ＷＡにおいて、有効触媒表面積を増加させることにより、その領域における発電量を増加させている。また、反応ガスの供給量が少なくなる流路溝領域ＧＡにおいて、触媒担持量を低減することにより、その領域における触媒の利用効率を向上させている。
【００８４】
このように、第４実施例における燃料電池１００Ｊによれば、反応ガスの供給量が比較的多くなる領域における反応ガスの消費効率を向上させるとともに、反応ガスの供給量が比較的少なくなる領域における触媒の利用効率を向上させることができる。従って、燃料電池１００Ｊの発電性能が向上する。また、触媒の使用量を低減することにより、燃料電池１００Ｊの製造コストを低下させることも可能である。
【００８５】
図１６は、第４実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｊａの構成を示す概略図である。図１６は、ガス拡散層５に第１実施例で説明したのと同様な拡散抑制部６（図６（Ａ））が設けられている点以外は、図１７（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｊａでは、拡散抑制部６によって、供給側並列流路溝２３，３３の反応ガスは、電極層２，３のより下層へと誘導されるため、触媒層４Ｊへと到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００８６】
また、燃料電池１００Ｊａでは、流路壁領域ＷＡの方が触媒の含有量が多い。そのため、触媒層４Ｊにおいて、流路壁領域ＷＡに多くの反応ガスの流れる場合であっても、発電反応に用いられることなく第２の触媒層４Ｉｂを通過してしまう反応ガスの量を低減することができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。なお、燃料電池１００Ｊａでは、ガス拡散層５に換えて、図７（Ａ），（Ｂ）で説明したガス拡散層５Ａ，５Ｂが設けられるものとしても良い。
【００８７】
E．第５実施例：
図１７は、本発明の第５実施例としての燃料電池１００Ｋの構成を示す概略図である。図１７は、触媒層４Ｃに換えて、触媒層４Ｋが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図８とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｋの触媒層４Ｋは、流路壁領域ＷＡに透気度の高い高透気度触媒層４Ｋａを有し、流路溝領域ＧＡに透気度の低い低透気度触媒層４Ｋｂを有している。この構成によって、触媒層４Ｋまで到達する反応ガスは、透気度の高い高透気度触媒層４Ｋａへと誘導される。即ち、流路壁領域ＷＡへと流れる反応ガスの量を増大させることができ、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させることができる。
【００８８】
なお、高透気度触媒層４Ｋａおよび低透気度触媒層４Ｋｂは、図８において説明したのと同様に、触媒層４Ｋの領域ごとのＩ／Ｃを調整することにより形成することができる。即ち、領域ごとの透気度が一様な触媒層を形成した後に、流路溝領域ＧＡに高分子電解質が含まれる溶液を塗布・含浸させる。これによって、流路溝領域ＧＡのＩ／Ｃを増大させ、高透気度触媒層４Ｋａおよび低透気度触媒層４Ｋｂを形成することができる。
【００８９】
このように、触媒層４Ｋにおける透気度を、流路溝領域ＧＡより流路壁領域ＷＡの方が高くなるように構成することにより、流路壁領域ＷＡに流れる反応ガス量を増大させることができ、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｋにおける発電量を増大させることができ、その発電性能を向上させることができる。
【００９０】
なお、この燃料電池１００Ｋにおいて、第４実施例の燃料電池１００Ｊと同様に、流路溝領域ＧＡより流路壁領域ＷＡの方が触媒担持量が多くなるように構成されるものとしても良い。即ち、高透気度触媒層４Ｋａの触媒担持量を、低透気度触媒層４Ｋｂの触媒担持量より多くするものとしても良い。これによって、流路壁領域ＷＡにおける発電量をより増大させることができる。また、上記の第２実施例の燃料電池１００Ｄや、第２実施例の他の構成例における燃料電池１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈにおいて、触媒層４に換えて、この燃料電池１００Ｃの触媒層４Ｋが設けられるものとしても良い。
【００９１】
F．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９２】
F1．変形例１：
上記実施例では、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０の両方に、供給側流路溝と排出側流路溝とに分断された流路溝が設けられていた。しかし、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０の両方にそうした流路溝が設けられていなくとも良い。供給側流路溝と排出側流路溝とに分断された流路溝は、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０の少なくとも一方に設けられているものとしても良い。例えば、アノードセパレータ２０の流路溝を、上記流路溝の構成に換えて、分配流路溝２２と各排出側並列流路溝２５とが連結され、合流流路溝２６と各供給側流路溝２３とが連結された流路溝とするものとしても良い。なお、この場合のアノード２の構成は、比較例の燃料電池１００ａ（図６（Ｂ））におけるアノード２の構成と同様であるものとしても良い。
【００９３】
F2．変形例２：
上記実施例において、供給側流路溝と排出側流路溝とは、供給側並列流路溝２３，３３と排出側並列流路溝２５，３５とが互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していた。しかし、供給側流路溝と排出側流路溝とは、そうした互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していなくとも良い。供給側流路溝と排出側流路溝とは、電極層２，３の外表面上に配置されたときに、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されるように閉塞された流路溝として構成されていれば良い。例えば、供給側流路溝と排出側流路溝とは、いわゆるサーペンタイン状に折り返しつつ、互いに併走する閉塞流路溝として構成されるものとしても良い。
【００９４】
F3．変形例３：
上記第１実施例において、拡散抑制部６は、供給側並列流路溝２３，３３および排出側並列流路溝２５，３５とほぼ重なるように形成されていた。即ち、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡの全体を覆うように形成されていた。しかし、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡの一部にのみ形成されるものとしても良い。例えば、拡散抑制部６は、供給側並列流路溝２３，３３および排出側並列流路溝２５，３５の溝幅より狭い幅で形成されるものとしても良く、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡの中で上流側にのみ形成されるものとしても良い。また、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃにおいても同様に、拡散抑制部６や高拡散層５Ａａ、高透気度触媒層４Ｃａは、流路溝領域ＧＡの一部にのみ形成されるものとしても良い。即ち、第１実施例では、電極層２，３は、流路溝領域ＧＡの方が、流路壁領域ＷＡよりガス拡散性が高くなるように構成されていればよい。
【００９５】
F4．変形例４：
上記第２実施例において、拡散抑制部６は、各供給側並列流路溝２３，３３および各排出側並列流路溝２５，３５のほぼ中央に設けられていた。しかし、拡散抑制部６は、各供給側並列流路溝２３，３３および各排出側並列流路溝２５，３５の中央から外れた位置に設けられるものとしても良い。拡散抑制部６は、各供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと流入する反応ガスの流速が向上するように、各供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部が適度に絞られるように配置されていれば良い。あるいは、拡散抑制部６は、ガス拡散層５から各排出側並列流路溝２５，３５への反応ガスの流出が遮断されない程度に、各排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部が開放された状態となるように配置されていれば良い。
【００９６】
F5．変形例５：
上記第３実施例および第４実施例において、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂは、燃料電池１００Ｉの積層方向に沿って見たときに、互いの境界が流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡの境界とほぼ一致するように形成されていた。しかし、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂの境界と、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡの境界とは一致していなくとも良い。燃料電池１００Ｉでは、流路溝領域ＧＡにおける領域面積に対する触媒の含有量の比と、流路壁領域ＷＡにおける領域面積に対する触媒の含有量の比とが異なるように構成されていればよい。
【００９７】
F6．変形例６：
上記第４実施例では、流路溝領域ＧＡに触媒担持量の少ない第１の触媒層４Ｉａが設けられていた。しかし、流路溝領域ＧＡにおいては、触媒が省略されるものとしても良い。即ち、触媒層の形成工程において、流路溝領域ＧＡには、触媒インクに換えて、触媒が担持されていないカーボン粒子と高分子電解質との混合溶液を用いて形成された薄膜層が配置されるものとしても良い。
【００９８】
F7．変形例７：
上記第１実施例では、流路溝領域ＧＡへと流れる反応ガスの量を増加させるために、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡとで透気度の異なる材料を配置していた。しかし、他の構成により、流路溝領域ＧＡへと流れる反応ガスの量を増加させることも可能である。例えば、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡとで気孔率の異なる部材を用いてガス拡散層５や触媒層４を形成するものとしても良いし、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡとでガス拡散層５や触媒層４の厚みを変えるものとしても良い。また、ガス拡散層と触媒層との間に撥水層が形成されている場合には、その撥水層における透気度を変えるものとしても良い。即ち、電極層２，３において、流路壁領域ＷＡの方が流路溝領域ＧＡよりガス拡散性の低い材料が用いられるものとしても良い。
【００９９】
F8．変形例８：
上記第２実施例では、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させるために、流路溝領域ＧＡの一部に、拡散抑制部６などの透気度の低い材料を配置していた。しかし、透気度の低い材料に換えて、気孔率の小さい材料を配置するものとしても良い。即ち、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させるために、流路溝領域ＧＡの一部に、流路壁領域ＷＡに用いられる材料よりもガス拡散性の低い材料が用いられるものとしても良い。
【０１００】
F9．変形例９：
上記第３実施例では、流路溝領域ＧＡにおける発電量を増大させるために、流路溝領域ＧＡに触媒担持量の多い第１の触媒層４Ｉａを設けていた。しかし、流路溝領域ＧＡにおける発電量を増大させるためには、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路溝領域ＧＡにおいて、高い触媒活性を有する触媒を用いるものとしても良い。あるいは、粒径の小さい触媒を用いて、触媒表面積の総計を増大させるものとしても良い。
【０１０１】
F10．変形例１０：
上記第４実施例では、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させるために、流路壁領域ＷＡに触媒担持量の多い第１の触媒層４Ｉａを設けていた。しかし、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させるためには、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路壁領域ＷＡにおいて、高い触媒活性を有する触媒を用いるものとしても良い。あるいは、粒径の小さい触媒を用いて、触媒表面積の総計を増大させるものとしても良い。
【０１０２】
F11．変形例１１：
上記第５実施例では、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させるために、流路壁領域ＷＡに高透気度触媒層４Ｋａを設け、流路溝領域ＧＡに低透気度触媒層４Ｋｂを設け、流路壁領域ＷＡに反応ガスを誘導していた。しかし、流路壁領域ＷＡにより多くの反応ガスを誘導するために、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路壁領域ＷＡにおける触媒層の気孔率を流路溝領域ＧＡにおける触媒層の気孔率より高くするものとしても良い。流路壁領域ＷＡにおけるガス拡散層や触媒層の厚みを流路溝領域ＧＡにおけるガス拡散層や触媒層の厚みより薄くするものとしても良い。
【符号の説明】
【０１０３】
１…電解質膜
２…アノード（電極層）
３…カソード（電極層）
４…触媒層
４Ｃ…触媒層
４Ｃａ…高透気度触媒層
４Ｃｂ…低透気度触媒層
４Ｉ…触媒層
４Ｉａ…第１の触媒層
４Ｉｂ…第２の触媒層
４Ｊ…触媒層
４Ｋ…触媒層
４Ｋａ…高透気度触媒層
４Ｋｂ…低透気度触媒層
５…ガス拡散層
５Ａ…ガス拡散層
５Ａａ…高拡散層
５Ａｂ…低拡散層
５Ｂ…ガス拡散層
５Ｇ…ガス拡散層
５Ｇａ…高拡散層
５Ｇｂ…低拡散層
５Ｈ…ガス拡散層
６…拡散抑制部
１０…膜電極接合体
１０Ｄ…膜電極接合体
１１…発電領域
１２…外周シール部
２０…アノードセパレータ
２１…供給側連絡流路溝
２２…分配流路溝
２３…供給側並列流路溝
２５…排出側並列流路溝
２６…合流流路溝
２７…排出側連絡流路溝
２９…並列流路隔壁
３０…カソードセパレータ
３１…供給側連絡流路溝
３２…分配流路溝
３３…供給側並列流路溝
３５…排出側並列流路溝
３６…合流流路溝
３７…排出側連絡流路溝
３９…並列流路隔壁
４１…第１の短冊状基材
４２…第２の短冊状基材
９１…触媒担持カーボン
９２…触媒
９３…高分子電解質
１００〜１００Ｋ…燃料電池
１００ａ…燃料電池（比較例）
１１０…単セル
２００…ローラ
Ｆａ，Ｆｂ…フィルム基材
ＧＡ…流路溝領域
Ｍ１…水素供給用マニホールド
Ｍ２…水素排出用マニホールド
Ｍ３…酸素供給用マニホールド
Ｍ４…酸素排出用マニホールド
ＳＡ…領域
ＷＡ…流路壁領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備えるものがある。一般に、膜電極接合体は、導電性を有するガス不透過の板状部材であるセパレータによって狭持される。また、セパレータの外表面には、反応ガスのガス流路として機能する流路溝が設けられ、膜電極接合体の電極には、反応ガスを電極面（発電領域）全体に拡散させるためのガス拡散層が設けられる。セパレータの流路溝としては、反応ガスを発電領域に供給するための供給側流路溝と、発電領域から排ガスを排出するための排出側流路溝とが、流路壁を挟んで空間的に分離するように形成されたものが提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
このような流路溝を有する燃料電池では、供給側流路溝の下流側端部が閉塞されているため、供給側流路溝に流入した反応ガスのほとんどを、膜電極接合体のガス拡散層へと流入させることができる。従って、発電反応に用いられることなく燃料電池の外部へと排出されてしまう未反応ガスの量を低減することができる。しかし、こうした燃料電池では、発電領域内における反応ガスの供給量分布や発電量が不均一となる傾向にあり、その発電性能は十分に向上されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０７９４５７号公報
【特許文献２】特開２００４−３４２４８３号公報
【特許文献３】特開２００５−１１６１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の発電性能を向上させる技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、を備え、前記電極層は、前記電解質膜と接する側に設けられた触媒層と、前記セパレータと接する側に設けられたガス拡散層とを有しており、前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝と、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とを隔てる流路隔壁と、が設けられ、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、前記流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスを前記ガス拡散層へと流入させるように構成されており、前記電極層は、前記燃料電池を前記電極層の積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記供給側流路溝または前記排出側流路溝と重なる流路溝領域と、前記流路隔壁と重なる流路壁領域と、を有し、前記電極層は、前記ガス拡散層と前記触媒層の少なくとも一方において、前記流路溝領域の方が前記流路壁領域より高いガス拡散性を有するように構成されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、反応ガスが触媒層を経由することなくガス拡散層を介して供給側流路溝から排出側流路溝へと流れることを抑制し、供給側流路溝から流路溝領域内の触媒層へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。即ち、セパレータに供給側流路溝と排出側流路溝とを設けることにより、反応ガスの消費効率を向上させている燃料電池において、発電領域における触媒層への反応ガスの配流性を改善でき、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、前記電極層は、前記流路壁領域の方が前記流路溝領域よりも前記触媒層における触媒の含有量が多い、燃料電池。
この燃料電池によれば、流路壁領域における触媒の含有量を増大させておくことによって、流路壁領域における反応ガスの流量が多い場合であっても、流路壁領域における発電量を増大させて、発電反応に用いられることなく流路溝領域の触媒層から流出する反応ガスの量を低減させることができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、前記ガス拡散層の前記流路壁領域には、前記流路溝領域のガス拡散性よりも低いガス拡散性を有し、反応ガスの拡散を抑制する拡散抑制部材が、前記セパレータの前記流路壁と接する部位に配置され、前記拡散抑制部材が、前記流路溝の反応ガスを前記触媒層へと誘導するための誘導壁として機能する、燃料電池。
この燃料電池によれば、拡散抑制部材によって、反応ガスが、流路溝領域において、より下層の領域へと誘導されるため、流路溝領域の触媒層に到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００１０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】膜電極接合体の構成を説明するための概略図。
【図３】膜電極接合体の構成を説明するための概略断面図。
【図４】アノードセパレータの構成を示す概略図。
【図５】カソードセパレータの構成を示す概略図。
【図６】拡散抑制部の構成およびその機能を説明するための概略図。
【図７】第１実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図８】第１実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図９】第２実施例の燃料電池に用いられる膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図１０】第２実施例の燃料電池の構成を示す概略図。
【図１１】第２実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図１２】第２実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図１３】第３実施例としての燃料電池の構成を示す概略図と、触媒担持カーボンと高分子電解質とを示す模式図。
【図１４】第３実施例における触媒層の形成工程の一例を工程順に示す模式図。
【図１５】第４実施例としての燃料電池の構成を示す概略図と、触媒担持カーボンと高分子電解質とを示す模式図。
【図１６】第４実施例における他の構成例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【図１７】第５実施例としての燃料電池の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、発電体である複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を両側から狭持するアノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０とを備える。なお、これら２枚のセパレータ２０，３０の膜電極接合体１０側の面には、反応ガスのための流路溝（破線で図示）が設けられている。流路溝の構成については後述する。
【００１３】
図２，図３は、膜電極接合体１０の構成を説明するための概略図である。図２は、膜電極接合体１０のアノード側の面の構成を示す概略図である。なお、膜電極接合体１０のカソード側の面の構成は、アノード側の構成と同様であるため、その図示および説明は省略する。図３は、図２に示す３−３切断における膜電極接合体１０の概略断面図である。
【００１４】
膜電極接合体１０は、反応ガスが供給され、発電反応が行われる発電領域１１と、発電領域１１の外周に設けられた外周シール部１２とを有する（図２）。なお、図２の発電領域１１には、便宜上、アノードセパレータ２０に設けられた流路溝を燃料電池１００の積層方向に投影した投影像が破線で図示されている。
【００１５】
ここで、発電領域１１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１と、電解質膜１の両面に配置された電極層（アノード２およびカソード３）とが含まれている（図３）。アノード２およびカソード３はそれぞれ、積層構造を有しており、電解質膜１側に配置される触媒層４と、触媒層４の上側に配置されるガス拡散層５とを備える。電解質膜１は、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有するイオン交換膜によって構成することができる。
【００１６】
触媒層４は、触媒担持カーボンと、電解質膜１と同種の化合物である高分子電解質とを、水溶性溶媒または有機溶媒に分散させた混合溶液である触媒インクを用いて形成される。具体的には、触媒層４は、触媒インクをフィルム基材の外表面に塗布・乾燥させて形成された薄膜層を、電解質膜１の外表面に転写させることにより形成することができる。あるいは、触媒層４は、電解質膜１の外表面に、触媒インクを直接的に塗布・乾燥させることにより形成されるものとしても良い。なお、触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を用いることができる。
【００１７】
ガス拡散層５は、導電性およびガス拡散性を有する多孔質の基材（例えば、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材）によって構成することができる。ガス拡散層５は、そうした多孔質の基材を、電解質膜１の外表面に形成された触媒層４に、ホットプレスなどによって接合することによって形成される。なお、ガス拡散層５を構成する基材の触媒層４側に配置される面には、マイクロポーラス層などの撥水層が予め形成されるものとしても良い。
【００１８】
ところで、本実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層５の外表面に、ガス拡散層５を構成する基材よりもガス拡散性の低い基材６が、各セパレータ２０，３０の流路溝の配置位置に対応する位置に配置されている。以後、このガス拡散性の低い基材６を「拡散抑制部６」と呼ぶ。
【００１９】
ここで、本明細書において「ガス拡散性」とは、多孔質部材などのガス透過性を有する部材の内部におけるガスの移動しやすさを表す度合いである。ガス拡散性は、多孔質部材の気孔率や細孔率によって調整することができる。また、ガス拡散性は、多孔質部材の透気度によっても表すことができる。ここで、「透気度」とは、板状（膜状）の繊維基材や多孔質基材について、一方の面の側と他方の面の側との間に所定の圧力差を付与したときに、当該基材を厚み方向に通過する気体の単位時間あたりの量として求めることができる値である。拡散抑制部６の具体的な形成位置とその機能については後述する。
【００２０】
外周シール部１２は、電解質膜１や電極層２，３の外周端面が被覆されるように樹脂部材を配置することにより形成される。外周シール部１２は、セパレータ２０，３０に狭持され、燃料電池１００の外部への反応ガスの漏洩を抑制する。外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が厚み方向を貫通する貫通孔として形成されている。
【００２１】
各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、発電領域１１における水素の流れる方向と酸素の流れる方向とが、電解質膜１を挟んで互いに対向し、かつ、交差するように配置されている。具体的には、水素供給用マニホールドＭ１と酸素排出用マニホールドＭ４とが、発電領域１１に対して同じ側（紙面左側）に配列され、水素排出用マニホールドＭ２と酸素供給用マニホールドＭ３とが、その反対側（紙面右側）に配列されている。
【００２２】
また、水素供給用マニホールドＭ１と、水素排出用マニホールドＭ２とは、発電領域１１を挟んで互いに対角する位置に形成されている。酸素供給用マニホールドＭ３および酸素排出用マニホールドＭ４についても同様の配置構成となっている。なお、各マニホールドＭ１〜Ｍ４の配置構成は、他の構成であっても良い。また、外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４に加えて、冷媒のためのマニホールドが形成されるものとしても良い。
【００２３】
ここで、本明細書では、アノード側の発電領域１１における水素供給用マニホールドＭ１側、または、カソード側の発電領域１１における酸素供給用マニホールドＭ３側をそれぞれ「上流側」と呼ぶ。また、アノード側の発電領域１１における水素排出用マニホールドＭ２側、または、カソード側の発電領域１１における酸素排出用マニホールドＭ４側をそれぞれ「下流側」と呼ぶ。さらに、アノード側およびカソード側のそれぞれの発電領域１１において、上流側から下流側に向かう方向を「反応ガスの流れ方向」と呼ぶ。
【００２４】
図４は、アノードセパレータ２０の構成を示す概略図である。図４には、アノードセパレータ２０におけるアノード２と接触する側の面が図示されている。なお、図４には、アノードセパレータ２０に設けられた流路溝における水素の流れを示す矢印が図示されている。また、図４には、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、膜電極接合体１０の発電領域１１と重なる領域が一点鎖線で図示されている。
【００２５】
アノードセパレータ２０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。アノードセパレータ２０には、膜電極接合体１０と同様に、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が貫通孔として形成されている。また、アノードセパレータ２０には、反応ガスのための流路溝が発電領域１１全体に渡って形成されている。
【００２６】
アノードセパレータ２０には、反応ガスのための流路溝として、発電領域１１に水素を供給するための「供給側流路溝」（「一次流路溝」とも呼ぶ）と、発電領域１１から水素を排出するための「排出側流路溝」（「二次流路溝」とも呼ぶ）とが設けられている。ここで、アノードセパレータ２０の流路溝は、燃料電池１００に組み付けられたときに、溝上方の開口部（溝開口部）が、膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散層５および拡散抑制部６によって塞がれる。このとき、供給側流路溝と排出側流路溝とは、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離された状態となる。
【００２７】
アノードセパレータ２０には、供給側流路溝として、供給側連絡流路溝２１と、分配流路溝２２と、複数の供給側並列流路溝２３とが設けられている。供給側連絡流路溝２１は、水素供給用マニホールドＭ１と、発電領域１１内に設けられた分配流路溝２２とを連結・連絡する流路溝であり、水素供給用マニホールドＭ１の水素を発電領域１１へと流入させる。
【００２８】
分配流路溝２２は、発電領域１１の上流端において、発電領域１１における反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って形成された流路溝である。分配流路溝２２には、各供給側並列流路溝２３が連結されている。分配流路溝２２は、供給側連絡流路溝２１から流入した水素を、発電領域１１において、反応ガスの流れ方向と直交する方向に行き渡らせるとともに、各供給側並列流路溝２３に分岐・流入させる。
【００２９】
各供給側並列流路溝２３は反応ガスの流れ方向に沿って延びる直線状の流路溝であり、発電領域１１において、ほぼ等間隔で並列に配列されている。なお、供給側並列流路溝２３は、その上流側端部が分配流路溝２２に連結され、下流側端部が、排出流路溝の合流流路溝２６の手前において閉塞されている。即ち、供給側並列流路溝２３は、いわゆる略櫛歯状の流路溝として構成されている。
【００３０】
アノードセパレータ２０には、排出側流路溝として、複数の排出側並列流路溝２５と、合流流路溝２６と、排出側連絡流路溝２７とが設けられている。各排出側並列流路溝２５は、発電領域１１において、供給側並列流路溝２３と併走する直線状の流路溝であり、上流側の領域から下流側の領域に渡って、反応ガスの流れ方向に沿って延び、合流流路溝２６と連結されている。各排出側並列流路溝２５の上流側の端部は、供給側並列流路溝２３の上流側の始端とほぼ同程度の位置において閉塞されている。
【００３１】
ここで、供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とは、反応ガスの流れ方向に対して垂直な方向に交互に配列されている。即ち、供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とは、互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成している。なお、本明細書では、以後、供給側並列流路溝２３と排出側並列流路溝２５とに挟まれた流路隔壁をそれぞれ「並列流路隔壁２９」と呼ぶ。
【００３２】
合流流路溝２６は、発電領域１１の下流端において、発電領域１１の反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って延びる流路溝である。排出側連絡流路溝２７は、合流流路溝２６と水素排出用マニホールドＭ２とを連結・連絡するための流路溝である。各排出側並列流路溝２５の排ガスは、合流流路溝２６において合流し、排出側連絡流路溝２７を介して水素排出用マニホールドＭ２へと排出される。
【００３３】
図５は、カソードセパレータ３０の構成を示す概略図である。図５には、カソードセパレータ３０のカソード３と接触する側の面が図示されており、図４と同様に、カソードセパレータ３０における酸素の流れを示す矢印と、発電領域１１と重なる領域を示す一点鎖線とが図示されている。カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様に、導電性を有するガス不透過の板状部材により構成され、反応ガスのための各マニホールドＭ１〜Ｍ４が形成されている。
【００３４】
さらに、カソードセパレータ３０には、アノードセパレータ２０と同様に、互いに分離された供給側流路溝および排出側流路溝とが形成されている。具体的には、カソードセパレータ３０には、供給側流路溝として、アノードセパレータ２０の供給側連絡流路溝２１、分配流路溝２２、供給側並列流路溝２３と同様な構成の、酸素のための供給側連絡流路溝３１、分配流路溝３２、供給側並列流路溝３３が設けられている。
【００３５】
また、カソードセパレータ３０には、排出側流路溝として、アノードセパレータ２０の排出側並列流路溝２５、合流流路溝２６、排出側連絡流路溝２７と同様な構成の、排出側並列流路溝３５、合流流路溝３６、排出側連絡流路溝３７が設けられている。なお、カソードセパレータ３０において、供給側並列流路溝３３と排出側並列流路溝３５とで挟まれた流路隔壁を、アノードセパレータ２０の並列流路隔壁２９と同様に、「並列流路隔壁３９」と呼ぶ。
【００３６】
このように、本実施例の燃料電池１００では、各セパレータ２０，３０の流路溝が、供給側流路溝と排出側流路溝とは互いに分離された閉塞流路溝として構成されている。従って、各マニホールドＭ１，Ｍ３から供給側流路溝へと流入した反応ガスは、電極層２，３を介して排出側流路溝へと流れることとなる。即ち、本実施例の燃料電池１００によれば、供給側流路溝の反応ガスのほとんどを電極層２，３へと流入させることができるため、反応に用いられることなく燃料電池１００の外部へと排出される未反応ガスの量を低減できる。
【００３７】
さらに、本実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層５に拡散抑制部６を有することにより、発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させ、反応ガスの消費効率を向上させている。ここで、本明細書において、「反応ガスの消費効率」とは、供給された反応ガスの量に対する燃料電池反応に用いられた反応ガスの量の割合を意味する。以下に、拡散抑制部６の具体的な構成とその機能について説明する。
【００３８】
図６（Ａ）は、本実施例の燃料電池１００における拡散抑制部６の構成およびその機能を説明するための概略図である。図６（Ａ）には、図２に示す６−６切断と同様な切断部位における任意の単セル１１０の概略断面が図示されている。なお、図６（Ａ）には、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと流入する反応ガスの流れを模式的に示す矢印が図示されている。
【００３９】
ここで、本実施例の燃料電池１００では、膜電極接合体１０が２枚のセパレータ２０，３０に狭持されたときに、各セパレータ２０，３０の並列流路隔壁２９，３９同士が互いに膜電極接合体１０を挟んで対向し合う。また、供給側並列流路溝２３，３３同士および排出側並列流路溝２５，３５同士が互いに膜電極接合体１０を挟んで対向し合う。本明細書では、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、並列流路隔壁２９，３９と重なる領域を「流路壁領域ＷＡ」と呼び、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５と重なる領域を「流路溝領域ＧＡ」と呼ぶ。
【００４０】
拡散抑制部６は、ガス拡散層５において、流路溝領域ＧＡ内に形成されており（図２）、並列流路隔壁２９，３９のそれぞれと接触するとともに、ガス拡散層５の内部に入り込むように設けられている（図６（Ａ））。本実施例の燃料電池１００では、流路壁領域ＷＡに拡散抑制部６が設けられることにより、電極層２，３におけるガス拡散性は、流路溝領域ＧＡの方が流路壁領域ＷＡよりも高くなっている。
【００４１】
なお、拡散抑制部６は、ガス拡散層５の細孔に樹脂部材を含浸させることにより形成されるものとしても良い。あるいは、拡散抑制部６は、ガス拡散層５の外表面に予め形成された凹部に、ガス拡散層５の基材よりもガス拡散性の低い部材を勘合して配置することにより設けられるものとしても良い。
【００４２】
供給側並列流路溝２３，３３の水素または酸素は、並列流路隔壁２９，３９および拡散抑制部６の壁面（ガス拡散層５と拡散抑制部６との境界面）に誘導されて、ガス拡散層５へと流入して拡散する。即ち、拡散抑制部６は、ガス拡散層５の内部にまで並列流路隔壁２９，３９が延長された反応ガスの誘導壁部として解釈することも可能である。
【００４３】
図６（Ｂ）は、本発明の比較例としての燃料電池１００ａの構成を示す概略図である。図６（Ｂ）は、拡散抑制部６が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点と、反応ガスの供給量が比較的少なくなる領域ＳＡが図示されている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。即ち、比較例の燃料電池１００ａの構成は、ガス拡散層５以外の構成が、本実施例の燃料電池１００とほぼ同じである。
【００４４】
ここで、アノード２およびカソード３における反応ガスの流量分布は、下記の式（１）によって表されるＦｉｃｋの第１法則に従うことが知られている。
Ｊ＝−Ｄ×ΔＣ／Δｘ …（１）
Ｊは、流束 (flux)と呼ばれる量であり、単位時間当たりに単位面積を通過する流体の量を表す。Ｄは拡散係数である。ΔＣはある領域における流体の濃度勾配を示す。Δｘはある領域における流体の拡散距離を示す。即ち、アノード２およびカソード３の内部では、反応ガスの拡散距離が短い領域ほど反応ガスの流量が多くなる。
【００４５】
即ち、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと流入した反応ガスの多くは、ガス拡散層５の内部を並列流路隔壁２９，３９の上面に沿って流れ、隣り合う排出側並列流路溝２５，３５へと流出する。そして、その一部が、触媒層４へと拡散していき、発電反応に用いられる。従って、比較例の燃料電池１００ａでは、触媒層４において、流路壁領域ＷＡ内の中央近傍の領域ＳＡに到達する反応ガスの量が他の領域より少なくなる傾向にある。
【００４６】
しかし、本実施例の燃料電池１００（図６（Ａ））では、ガス拡散層５に設けられた拡散抑制部６によって、ガス拡散層５において、反応ガスが、より下層へと誘導された上で、排出側並列流路溝２５，３５へと流れる。そのため、反応ガスが、触媒層４を経由することなく排出側流路溝へと流出することを抑制し、流路溝領域ＧＡの触媒層４に到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００４７】
このように、本実施例の燃料電池１００によれば、供給側流路溝と排出側流路溝とに分離された閉塞流路と、その閉塞流路に合わせてガス拡散層５に設けられた拡散抑制部６とを有することにより、反応ガスの消費効率が向上されている。従って、燃料電池１００の発電性能が向上される。なお、以下に説明する構成であっても、同様に、燃料電池の発電性能を向上させることが可能である。
【００４８】
図７，図８は、第１実施例における他の構成例を説明するための説明図である。以下に説明する各構成例の燃料電池は、電極層２，３の構成が異なる点以外は、第１実施例の燃料電池１００と同様の構成を有しており、各セパレータ２０，３０に、供給側流路溝と排出側流路溝とが分断された閉塞流路溝が設けられている（図４，図５）。
【００４９】
図７（Ａ）は、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ａの構成を示す概略図である。図７（Ａ）は、ガス拡散層５に換えて、ガス拡散層５Ａが設けられている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ａでは、ガス拡散層５Ａは、ガス拡散性の高い基材によって構成された高拡散層５Ａａと、ガス拡散性の低い基材によって構成された低拡散層５Ａｂとを有している。
【００５０】
高拡散層５Ａａは流路溝領域ＧＡ内に設けられており、低拡散層５Ａｂは流路壁領域ＷＡ内に設けられている。ガス拡散層５Ａは、透気度や気孔率が異なる２種類の基材をそれぞれ、予め複数の短冊状の基材として準備し、それらガス拡散性の異なる短冊状の基材を、流路壁領域ＷＡおよび流路溝領域ＧＡごとに、交互に配列することによって形成されるものとしても良い。
【００５１】
このように、この構成例の燃料電池１００Ａでは、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５Ａの高拡散層５Ａａに流入した反応ガスの多くは、低拡散層５Ａｂとの境界面に沿って触媒層４へと誘導される。従って、第１実施例の燃料電池１００と同様に、流路溝領域ＧＡ内の触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。従って、燃料電池１００Ａの発電性能を向上させることができる。
【００５２】
図７（Ｂ）は、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｂの構成を示す概略図である。図７（Ｂ）は、ガス拡散層５Ａに換えて、ガス拡散層５Ｂが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が省略されている点以外は、図７（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｂのガス拡散層５Ｂでは、薄型化された低拡散層５Ａｂと、各セパレータ２０，３０の並列流路隔壁２９，３９との間に、拡散抑制部６が設けられている。
【００５３】
このような構成であっても、第１実施例の燃料電池１００と同様に、流路溝領域ＧＡ内の触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｂにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。
【００５４】
図８は、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｃの構成を示す概略図である。図８は、拡散抑制部６が省略され、比較例の燃料電池１００ａ（図６（Ｂ））と同様なガス拡散層５が設けられている点と、触媒層４に換えて触媒層４Ｃが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。
【００５５】
この構成例の燃料電池１００Ｃでは、比較例の燃料電池１００ａと同様に、ガス拡散層５に拡散抑制部６が設けられていない。しかし、燃料電池１００Ｃの触媒層４Ｃには、流路溝領域ＧＡに透気度の高い高透気度触媒層４Ｃａが設けられ、流路壁領域ＷＡに透気度の低い低透気度触媒層４Ｃｂが設けられている。この構成によって、透気度の高い高透気度触媒層４Ｃａへと反応ガスを誘導することができ、流路溝領域ＧＡにおいて発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００５６】
なお、高透気度触媒層４Ｃａおよび低透気度触媒層４Ｃｂは、触媒層４Ｃの領域ごとの高分子電解質と導電性担体であるカーボンとの含有質量比率（Ｉｏｎｏｍｅｒ／Ｃａｒｂｏｎ；Ｉ／Ｃ）を調整することにより形成することができる。高透気度触媒層４ＣａはＩ／Ｃが低い領域として形成することができ、低透気度触媒層４ＣｂはＩ／Ｃの高い領域として形成することができる。より具体的には、各領域ＧＡ，ＷＡごとの透気度が一様な触媒層を形成した後に、流路壁領域ＷＡに高分子電解質が含まれる溶液を塗布・含浸させることにより、流路壁領域ＷＡのＩ／Ｃを増大させるものとしても良い。即ち、高透気度触媒層４Ｃａはガス拡散性の比較的高い触媒層として構成され、低透気度触媒層４Ｃｂはガス拡散性の比較的低い触媒層として構成される。
【００５７】
このように、触媒層４Ｃにおける透気度を、流路溝領域ＧＡより流路壁領域ＷＡの方が低くなるように構成することにより、流路溝領域ＧＡにおいて消費される反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｃにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。なお、上記の第１実施例の燃料電池１００や、他の構成例における燃料電池１００Ａ，１００Ｂにおいて、触媒層４に換えて、この燃料電池１００Ｃの触媒層４Ｃが設けられるものとしても良い。
【００５８】
B．第２実施例：
図９，図１０は本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ｄの構成を説明するための概略図である。図９は、第２実施例の燃料電池１００Ｄに用いられる膜電極接合体１０Ｄの構成を示す概略図である。図９は、拡散抑制部６の位置が異なる点以外は、図２とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池１００Ｄは、第１実施例の燃料電池１００と同様に、膜電極接合体１０Ｄと、２枚のセパレータ２０，３０（図４，図５）とを備える複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する（図１）。
【００５９】
図１０は、第２実施例の燃料電池１００Ｄにおける任意の単セル１１０の構成を示す概略図である。図１０は、拡散抑制部６の位置が異なる点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。
【００６０】
この燃料電池１００Ｄでは、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡ内に設けられている。また、拡散抑制部６は、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５の溝幅より小さい幅で構成されるとともに、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５のほぼ中央に配置されている。従って、供給側並列流路溝２３，３３または排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部は、拡散抑制部６によって中央部が塞がれるとともに、その中央部に隣接する２つの側部がガス拡散層５に向かって開口した（開放された）状態となる。
【００６１】
即ち、燃料電池１００Ｄでは、供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと反応ガスが流入するための溝開口部の開口面積が、拡散抑制部６によって低減されており、ガス拡散層５へと流入する際の反応ガスの圧力損失が増大している。そのため、ガス拡散層５へと流入する反応ガスの流速を増大させるとともに、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００６２】
また、燃料電池１００Ｄでは、ガス拡散層５から排出側並列流路溝２５，３５へと反応ガスが流出するための溝開口部の開口面積も、拡散抑制部６によって低減されている。従って、ガス拡散層５に流入した反応ガスの出口方向以外への拡散が促進され、触媒層４において反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００６３】
このように、第２実施例の燃料電池１００Ｄによれば、ガス拡散層５の流路溝領域ＧＡ内の一部にガス拡散性の低い拡散抑制部６が設けられることにより、触媒層４へと到達して発電反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｄにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、発電性能を向上させることができる。
【００６４】
なお、拡散抑制部６は、全ての供給側並列流路溝２３，３３や全ての排出側並列流路溝２５，３５に対応して設けられていなくとも良い。即ち、拡散抑制部６は、一部の供給側並列流路溝２３，３３や、一部の排出側並列流路溝２５，３５に対応して設けられるものとしても良い。また、以下に説明する構成を有する燃料電池であっても、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、発電性能を向上させることが可能である。
【００６５】
図１１〜図１３は、第２実施例における他の構成例を説明するための説明図である。以下に説明する各構成例の燃料電池は、電極層２，３の構成が異なる点以外は、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様であり、各セパレータ２０，３０には、供給側流路溝と排出側流路溝とが分断された流路溝が設けられている。
【００６６】
図１１（Ａ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｅの構成を示す概略図である。図１１（Ａ）は、供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部の一部を塞ぐ拡散抑制部６が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図１０とほぼ同じである。
【００６７】
このように、供給側並列流路溝２３，３３と重なる流路溝領域ＧＡ内の拡散抑制部６が省略された場合であっても、排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部が、拡散抑制部６によって塞がれている。従って、ガス拡散層５に流入した反応ガスの出口方向（排出側並列流路溝２５，３５へと向かう方向）以外への拡散が促進され、触媒層４に到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００６８】
図１１（Ｂ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｆの構成を示す概略図である。図１１（Ｂ）は、排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部を塞ぐ拡散抑制部６が省略されている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図１０とほぼ同じである。
【００６９】
燃料電池１００Ｆでは、排出側並列流路溝２５，３５と重なる流路溝領域ＧＡ内の拡散抑制部６が省略され、供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部の一部が、拡散抑制部６によって塞がれている。このような構成であっても、ガス拡散層５へと流入する反応ガスの流速を増大させることができるため、触媒層４に到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００７０】
図１２（Ａ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｇの構成を示す概略図である。図１２（Ａ）は、ガス拡散層５に換えて、ガス拡散層５Ｇが設けられている点以外は、図６（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｇのガス拡散層５Ｇは、ガス拡散性の高い基材によって構成された高拡散層５Ｇａと、ガス拡散性の低い基材によって構成された低拡散層５Ｇｂとを有している。
【００７１】
低拡散層５Ｇｂは、流路溝領域ＧＡ内の一部に設けられている。より具体的には、低拡散層５Ｇｂは、第２実施例の燃料電池１００Ｄにおける拡散抑制部６の配置領域と同様な領域内に設けられている。一方、高拡散層５Ｇａはそれぞれ、流路壁領域ＷＡ内と、流路溝領域ＧＡ内の低拡散層５Ｇｂの配置領域以外に配置されている。なお、ガス拡散層５Ｇは、透気度や気孔率の異なる２種類の基材をそれぞれ、予め複数の短冊状の基材として準備し、それらのガス拡散性の異なる短冊状の基材を交互に配列することによって形成することができる。
【００７２】
この構成例の燃料電池１００Ｇでは、供給側並列流路溝２３，３３の反応ガスの多くが、高拡散層５Ｇａへと流入する。即ち、この構成例においても、供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部が低拡散層５Ｇｂによって絞られているため、その分だけ、高拡散層５Ｇａへと流入する反応ガスの流速を増大させることができる。従って、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００７３】
また、排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部を塞ぐ低拡散層５Ｇｂによって、ガス拡散層５Ｇ内における出口近傍の領域における圧力損失が増大している。そのため、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、ガス拡散層５Ｇにおける反応ガスの出口方向以外への拡散が促進され、触媒層４において反応に用いられる反応ガスの量を増大させることができる。
【００７４】
なお、この構成例において、供給側並列流路溝２３，３３に対応させて設けられた低拡散層５Ｇｂと、排出側並列流路溝２５，３５に対応させて設けられた低拡散層５Ｇｂのうちいずれか一方が省略されるものとしても良い。また、低拡散層５Ｇｂは、一部の供給側並列流路溝２３，３３または一部の排出側並列側流路溝２５，３５については省略されるものとしても良い。
【００７５】
図１２（Ｂ）は、第２実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｈの構成を示す概略図である。図１２（Ｂ）は、ガス拡散層５Ｇに換えて、ガス拡散層５Ｈが設けられている点以外は、図１２（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｈのガス拡散層５Ｈでは、低拡散層５Ｇｂが薄型化され、低拡散層５Ｇｂと並列流路隔壁２９，３９との間に、低拡散層５Ｇｂと同様な幅を有する拡散抑制部６が配置されている。
【００７６】
このような構成であっても、第２実施例の燃料電池１００Ｄと同様に、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｈにおける反応ガスの消費効率を向上させることができ、その発電性能を向上させることができる。
【００７７】
C．第３実施例：
図１３（Ａ）は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｉの構成を示す概略図である。図１３（Ａ）は、触媒層４Ｃに換えて、触媒層４Ｉが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が省略されている点以外は、図８とほぼ同じである。即ち、第３実施例の燃料電池１００Ｉは、触媒層４Ｉの構成が異なる点以外は、第１実施例の他の構成例として説明した燃料電池１００Ｃと同様の構成である。触媒層４Ｉはそれぞれ、触媒の含有量が異なる第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂを有する。
【００７８】
図１３（Ｂ）は、第１の触媒層４Ｉａにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とを示す模式図である。図１３（Ｃ）は、第２の触媒層４Ｉｂにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とを示す模式図である。燃料電池１００Ｉでは、第１の触媒層４Ｉａより第２の触媒層４Ｉｂの方が、触媒担持カーボン９１に担持される触媒９２の量が多くなるように構成されている。そして、第１の触媒層４Ｉａは流路壁領域ＷＡに設けられ、第２の触媒層４Ｉｂは流路溝領域ＧＡに設けられている。
【００７９】
図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、アノード側の触媒層４Ｉの形成工程の一例を工程順に示す模式図である。第１工程では、２つのフィルム基材Ｆａ，Ｆｂの外表面にそれぞれ、触媒担持量の異なる触媒担持カーボンを含む触媒インクを塗布・乾燥させることにより、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂを形成する（図１４（Ａ））。そして、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂが形成されたフィルム基材Ｆａ，Ｆｂを切断して、複数の第１の短冊状基材４１と、複数の第２の短冊状基材４２とを形成する。
【００８０】
第２工程では、第１工程において準備された第１と第２の短冊状基材４１，４２をそれぞれ交互に配列する（図１４（Ｂ））。そして、第３工程では、その配列された第１と第２の短冊状基材４１，４２を電解質膜１の外表面に配置し、ローラ２００等によって押圧し、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂを電解質膜１に転写する（図１４（Ｃ））。第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂの転写後、フィルム基材Ｆａ，Ｆｂを取り除く（図１４（Ｄ））。なお、カソード側の触媒層４Ｉについても上記と同様の形成工程によって形成することができる。
【００８１】
このように、第３実施例の燃料電池１００Ｉによれば、触媒層４Ｉに到達する反応ガスの量が比較的少なくなる流路溝領域ＧＡに、触媒の含有量が多い第２の触媒層４Ｉｂが設けられる。これによって、流路溝領域ＧＡにおける有効触媒表面積が増加し、流路溝領域ＧＡにおける反応ガスの消費量を向上させることができる。従って、燃料電池１００Ｉにおける反応ガスの消費効率が向上し、その発電性能を向上させることができる。
【００８２】
D．第４実施例：
図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第４実施例としての燃料電池１００Ｊの構成を説明するための概略図である。図１５（Ａ）は、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂの形成位置が入れ替えられた触媒層４Ｊを有している点以外は、図１３（Ａ）とほぼ同じである。図１５（Ｂ）は、図１３（Ｃ）と同様な模式図であり、第２の触媒層４Ｉｂにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とが図示されている。図１５（Ｃ）は、図１３（Ｂ）と同様な模式図であり、第１の触媒層４Ｉａにおける触媒担持カーボン９１と高分子電解質９３とが図示されている。
【００８３】
第４実施例の燃料電池１００Ｊでは、触媒担持量が少ない第１の触媒層４Ｉａが流路溝領域ＧＡに設けられ、触媒担持量が多い第２の触媒層４Ｉｂが流路壁領域ＷＡに設けられている。即ち、この燃料電池１００Ｊでは、反応ガスの供給量が多くなる流路壁領域ＷＡにおいて、有効触媒表面積を増加させることにより、その領域における発電量を増加させている。また、反応ガスの供給量が少なくなる流路溝領域ＧＡにおいて、触媒担持量を低減することにより、その領域における触媒の利用効率を向上させている。
【００８４】
このように、第４実施例における燃料電池１００Ｊによれば、反応ガスの供給量が比較的多くなる領域における反応ガスの消費効率を向上させるとともに、反応ガスの供給量が比較的少なくなる領域における触媒の利用効率を向上させることができる。従って、燃料電池１００Ｊの発電性能が向上する。また、触媒の使用量を低減することにより、燃料電池１００Ｊの製造コストを低下させることも可能である。
【００８５】
図１６は、第４実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ｊａの構成を示す概略図である。図１６は、ガス拡散層５に第１実施例で説明したのと同様な拡散抑制部６（図６（Ａ））が設けられている点以外は、図１７（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｊａでは、拡散抑制部６によって、供給側並列流路溝２３，３３の反応ガスは、電極層２，３のより下層へと誘導されるため、触媒層４Ｊへと到達する反応ガスの量を増大させることができる。
【００８６】
また、燃料電池１００Ｊａでは、流路壁領域ＷＡの方が触媒の含有量が多い。そのため、触媒層４Ｊにおいて、流路壁領域ＷＡに多くの反応ガスの流れる場合であっても、発電反応に用いられることなく第２の触媒層４Ｉｂを通過してしまう反応ガスの量を低減することができ、反応ガスの消費効率を向上させることができる。なお、燃料電池１００Ｊａでは、ガス拡散層５に換えて、図７（Ａ），（Ｂ）で説明したガス拡散層５Ａ，５Ｂが設けられるものとしても良い。
【００８７】
E．第５実施例：
図１７は、本発明の第５実施例としての燃料電池１００Ｋの構成を示す概略図である。図１７は、触媒層４Ｃに換えて、触媒層４Ｋが設けられている点と、反応ガスの流れを示す矢印が異なる点以外は、図８とほぼ同じである。この燃料電池１００Ｋの触媒層４Ｋは、流路壁領域ＷＡに透気度の高い高透気度触媒層４Ｋａを有し、流路溝領域ＧＡに透気度の低い低透気度触媒層４Ｋｂを有している。この構成によって、触媒層４Ｋまで到達する反応ガスは、透気度の高い高透気度触媒層４Ｋａへと誘導される。即ち、流路壁領域ＷＡへと流れる反応ガスの量を増大させることができ、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させることができる。
【００８８】
なお、高透気度触媒層４Ｋａおよび低透気度触媒層４Ｋｂは、図８において説明したのと同様に、触媒層４Ｋの領域ごとのＩ／Ｃを調整することにより形成することができる。即ち、領域ごとの透気度が一様な触媒層を形成した後に、流路溝領域ＧＡに高分子電解質が含まれる溶液を塗布・含浸させる。これによって、流路溝領域ＧＡのＩ／Ｃを増大させ、高透気度触媒層４Ｋａおよび低透気度触媒層４Ｋｂを形成することができる。
【００８９】
このように、触媒層４Ｋにおける透気度を、流路溝領域ＧＡより流路壁領域ＷＡの方が高くなるように構成することにより、流路壁領域ＷＡに流れる反応ガス量を増大させることができ、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させることができる。従って、燃料電池１００Ｋにおける発電量を増大させることができ、その発電性能を向上させることができる。
【００９０】
なお、この燃料電池１００Ｋにおいて、第４実施例の燃料電池１００Ｊと同様に、流路溝領域ＧＡより流路壁領域ＷＡの方が触媒担持量が多くなるように構成されるものとしても良い。即ち、高透気度触媒層４Ｋａの触媒担持量を、低透気度触媒層４Ｋｂの触媒担持量より多くするものとしても良い。これによって、流路壁領域ＷＡにおける発電量をより増大させることができる。また、上記の第２実施例の燃料電池１００Ｄや、第２実施例の他の構成例における燃料電池１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈにおいて、触媒層４に換えて、この燃料電池１００Ｃの触媒層４Ｋが設けられるものとしても良い。
【００９１】
F．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９２】
F1．変形例１：
上記実施例では、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０の両方に、供給側流路溝と排出側流路溝とに分断された流路溝が設けられていた。しかし、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０の両方にそうした流路溝が設けられていなくとも良い。供給側流路溝と排出側流路溝とに分断された流路溝は、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０の少なくとも一方に設けられているものとしても良い。例えば、アノードセパレータ２０の流路溝を、上記流路溝の構成に換えて、分配流路溝２２と各排出側並列流路溝２５とが連結され、合流流路溝２６と各供給側流路溝２３とが連結された流路溝とするものとしても良い。なお、この場合のアノード２の構成は、比較例の燃料電池１００ａ（図６（Ｂ））におけるアノード２の構成と同様であるものとしても良い。
【００９３】
F2．変形例２：
上記実施例において、供給側流路溝と排出側流路溝とは、供給側並列流路溝２３，３３と排出側並列流路溝２５，３５とが互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していた。しかし、供給側流路溝と排出側流路溝とは、そうした互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していなくとも良い。供給側流路溝と排出側流路溝とは、電極層２，３の外表面上に配置されたときに、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されるように閉塞された流路溝として構成されていれば良い。例えば、供給側流路溝と排出側流路溝とは、いわゆるサーペンタイン状に折り返しつつ、互いに併走する閉塞流路溝として構成されるものとしても良い。
【００９４】
F3．変形例３：
上記第１実施例において、拡散抑制部６は、供給側並列流路溝２３，３３および排出側並列流路溝２５，３５とほぼ重なるように形成されていた。即ち、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡの全体を覆うように形成されていた。しかし、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡの一部にのみ形成されるものとしても良い。例えば、拡散抑制部６は、供給側並列流路溝２３，３３および排出側並列流路溝２５，３５の溝幅より狭い幅で形成されるものとしても良く、拡散抑制部６は、流路溝領域ＧＡの中で上流側にのみ形成されるものとしても良い。また、第１実施例における他の構成例としての燃料電池１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃにおいても同様に、拡散抑制部６や高拡散層５Ａａ、高透気度触媒層４Ｃａは、流路溝領域ＧＡの一部にのみ形成されるものとしても良い。即ち、第１実施例では、電極層２，３は、流路溝領域ＧＡの方が、流路壁領域ＷＡよりガス拡散性が高くなるように構成されていればよい。
【００９５】
F4．変形例４：
上記第２実施例において、拡散抑制部６は、各供給側並列流路溝２３，３３および各排出側並列流路溝２５，３５のほぼ中央に設けられていた。しかし、拡散抑制部６は、各供給側並列流路溝２３，３３および各排出側並列流路溝２５，３５の中央から外れた位置に設けられるものとしても良い。拡散抑制部６は、各供給側並列流路溝２３，３３からガス拡散層５へと流入する反応ガスの流速が向上するように、各供給側並列流路溝２３，３３の溝開口部が適度に絞られるように配置されていれば良い。あるいは、拡散抑制部６は、ガス拡散層５から各排出側並列流路溝２５，３５への反応ガスの流出が遮断されない程度に、各排出側並列流路溝２５，３５の溝開口部の一部が開放された状態となるように配置されていれば良い。
【００９６】
F5．変形例５：
上記第３実施例および第４実施例において、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂは、燃料電池１００Ｉの積層方向に沿って見たときに、互いの境界が流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡの境界とほぼ一致するように形成されていた。しかし、第１と第２の触媒層４Ｉａ，４Ｉｂの境界と、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡの境界とは一致していなくとも良い。燃料電池１００Ｉでは、流路溝領域ＧＡにおける領域面積に対する触媒の含有量の比と、流路壁領域ＷＡにおける領域面積に対する触媒の含有量の比とが異なるように構成されていればよい。
【００９７】
F6．変形例６：
上記第４実施例では、流路溝領域ＧＡに触媒担持量の少ない第１の触媒層４Ｉａが設けられていた。しかし、流路溝領域ＧＡにおいては、触媒が省略されるものとしても良い。即ち、触媒層の形成工程において、流路溝領域ＧＡには、触媒インクに換えて、触媒が担持されていないカーボン粒子と高分子電解質との混合溶液を用いて形成された薄膜層が配置されるものとしても良い。
【００９８】
F7．変形例７：
上記第１実施例では、流路溝領域ＧＡへと流れる反応ガスの量を増加させるために、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡとで透気度の異なる材料を配置していた。しかし、他の構成により、流路溝領域ＧＡへと流れる反応ガスの量を増加させることも可能である。例えば、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡとで気孔率の異なる部材を用いてガス拡散層５や触媒層４を形成するものとしても良いし、流路溝領域ＧＡと流路壁領域ＷＡとでガス拡散層５や触媒層４の厚みを変えるものとしても良い。また、ガス拡散層と触媒層との間に撥水層が形成されている場合には、その撥水層における透気度を変えるものとしても良い。即ち、電極層２，３において、流路壁領域ＷＡの方が流路溝領域ＧＡよりガス拡散性の低い材料が用いられるものとしても良い。
【００９９】
F8．変形例８：
上記第２実施例では、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させるために、流路溝領域ＧＡの一部に、拡散抑制部６などの透気度の低い材料を配置していた。しかし、透気度の低い材料に換えて、気孔率の小さい材料を配置するものとしても良い。即ち、触媒層４へと到達する反応ガスの量を増大させるために、流路溝領域ＧＡの一部に、流路壁領域ＷＡに用いられる材料よりもガス拡散性の低い材料が用いられるものとしても良い。
【０１００】
F9．変形例９：
上記第３実施例では、流路溝領域ＧＡにおける発電量を増大させるために、流路溝領域ＧＡに触媒担持量の多い第１の触媒層４Ｉａを設けていた。しかし、流路溝領域ＧＡにおける発電量を増大させるためには、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路溝領域ＧＡにおいて、高い触媒活性を有する触媒を用いるものとしても良い。あるいは、粒径の小さい触媒を用いて、触媒表面積の総計を増大させるものとしても良い。
【０１０１】
F10．変形例１０：
上記第４実施例では、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させるために、流路壁領域ＷＡに触媒担持量の多い第１の触媒層４Ｉａを設けていた。しかし、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させるためには、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路壁領域ＷＡにおいて、高い触媒活性を有する触媒を用いるものとしても良い。あるいは、粒径の小さい触媒を用いて、触媒表面積の総計を増大させるものとしても良い。
【０１０２】
F11．変形例１１：
上記第５実施例では、流路壁領域ＷＡにおける発電量を増大させるために、流路壁領域ＷＡに高透気度触媒層４Ｋａを設け、流路溝領域ＧＡに低透気度触媒層４Ｋｂを設け、流路壁領域ＷＡに反応ガスを誘導していた。しかし、流路壁領域ＷＡにより多くの反応ガスを誘導するために、触媒層を以下のように構成するものとしても良い。即ち、流路壁領域ＷＡにおける触媒層の気孔率を流路溝領域ＧＡにおける触媒層の気孔率より高くするものとしても良い。流路壁領域ＷＡにおけるガス拡散層や触媒層の厚みを流路溝領域ＧＡにおけるガス拡散層や触媒層の厚みより薄くするものとしても良い。
【符号の説明】
【０１０３】
１…電解質膜
２…アノード（電極層）
３…カソード（電極層）
４…触媒層
４Ｃ…触媒層
４Ｃａ…高透気度触媒層
４Ｃｂ…低透気度触媒層
４Ｉ…触媒層
４Ｉａ…第１の触媒層
４Ｉｂ…第２の触媒層
４Ｊ…触媒層
４Ｋ…触媒層
４Ｋａ…高透気度触媒層
４Ｋｂ…低透気度触媒層
５…ガス拡散層
５Ａ…ガス拡散層
５Ａａ…高拡散層
５Ａｂ…低拡散層
５Ｂ…ガス拡散層
５Ｇ…ガス拡散層
５Ｇａ…高拡散層
５Ｇｂ…低拡散層
５Ｈ…ガス拡散層
６…拡散抑制部
１０…膜電極接合体
１０Ｄ…膜電極接合体
１１…発電領域
１２…外周シール部
２０…アノードセパレータ
２１…供給側連絡流路溝
２２…分配流路溝
２３…供給側並列流路溝
２５…排出側並列流路溝
２６…合流流路溝
２７…排出側連絡流路溝
２９…並列流路隔壁
３０…カソードセパレータ
３１…供給側連絡流路溝
３２…分配流路溝
３３…供給側並列流路溝
３５…排出側並列流路溝
３６…合流流路溝
３７…排出側連絡流路溝
３９…並列流路隔壁
４１…第１の短冊状基材
４２…第２の短冊状基材
９１…触媒担持カーボン
９２…触媒
９３…高分子電解質
１００〜１００Ｋ…燃料電池
１００ａ…燃料電池（比較例）
１１０…単セル
２００…ローラ
Ｆａ，Ｆｂ…フィルム基材
ＧＡ…流路溝領域
Ｍ１…水素供給用マニホールド
Ｍ２…水素排出用マニホールド
Ｍ３…酸素供給用マニホールド
Ｍ４…酸素排出用マニホールド
ＳＡ…領域
ＷＡ…流路壁領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、
反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、
を備え、
前記電極層は、前記電解質膜と接する側に設けられた触媒層と、前記セパレータと接する側に設けられたガス拡散層とを有しており、
前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝と、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とを隔てる流路隔壁と、が設けられ、
前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、前記流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスを前記ガス拡散層へと流入させるように構成されており、
前記電極層は、前記燃料電池を前記電極層の積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記供給側流路溝または前記排出側流路溝と重なる流路溝領域と、前記流路隔壁と重なる流路壁領域と、を有し、
前記電極層は、前記ガス拡散層と前記触媒層の少なくとも一方において、前記流路溝領域の方が前記流路壁領域より高いガス拡散性を有するように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電極層は、前記流路壁領域の方が前記流路溝領域よりも前記触媒層における触媒の含有量が多い、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層の前記流路壁領域には、前記流路溝領域のガス拡散性よりも低いガス拡散性を有し、反応ガスの拡散を抑制する拡散抑制部材が、前記セパレータの前記流路壁と接する部位に配置され、
前記拡散抑制部材が、前記流路溝の反応ガスを前記触媒層へと誘導するための誘導壁として機能する、燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、
反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、
を備え、
前記電極層は、前記電解質膜と接する側に設けられた触媒層と、前記セパレータと接する側に設けられたガス拡散層とを有しており、
前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝と、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とを隔てる流路隔壁と、が設けられ、
前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、前記流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスを前記ガス拡散層へと流入させるように構成されており、
前記電極層は、前記燃料電池を前記電極層の積層方向に沿って見たときに、前記セパレータの前記供給側流路溝または前記排出側流路溝と重なる流路溝領域と、前記流路隔壁と重なる流路壁領域と、を有し、
前記電極層は、前記ガス拡散層と前記触媒層の少なくとも一方において、前記流路溝領域の方が前記流路壁領域より高いガス拡散性を有するように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電極層は、前記流路壁領域の方が前記流路溝領域よりも前記触媒層における触媒の含有量が多い、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層の前記流路壁領域には、前記流路溝領域のガス拡散性よりも低いガス拡散性を有し、反応ガスの拡散を抑制する拡散抑制部材が、前記セパレータの前記流路壁と接する部位に配置され、
前記拡散抑制部材が、前記流路溝の反応ガスを前記触媒層へと誘導するための誘導壁として機能する、燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−４９００７（Ｐ２０１２−４９００７Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９０５０９（Ｐ２０１０−１９０５０９）
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【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３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【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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