特許 7444748 ガス拡散層の設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-27

(45)【発行日】2024-03-06

(54)【発明の名称】ガス拡散層の設計方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20240228BHJP

   H01M 8/026 20160101ALI20240228BHJP

   H01M 8/0265 20160101ALI20240228BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20240228BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240228BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/026

H01M8/0265

H01M4/86 M

H01M8/10 101

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020159232

(22)【出願日】2020-09-24

(65)【公開番号】P2022052794

(43)【公開日】2022-04-05

【審査請求日】2022-08-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】真籠 祥太

(72)【発明者】

【氏名】林 伴哉

(72)【発明者】

【氏名】水野 智行

(72)【発明者】

【氏名】広瀬 寛

(72)【発明者】

【氏名】山本 栄也

(72)【発明者】

【氏名】冨安 城司

(72)【発明者】

【氏名】長井 康貴

(72)【発明者】

【氏名】加藤 晃彦

(72)【発明者】

【氏名】加藤 悟

(72)【発明者】

【氏名】山口 聡

【審査官】川口 由紀子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２８２７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０９８０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－００４６５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２５８

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池が有するガス拡散層の設計方法であって、
前記燃料電池は、
電解質膜と、触媒電極層と、前記ガス拡散層とが積層された膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体に積層されるセパレータであって、（ａ）前記膜電極ガス拡散層接合体から離れる第１方向に凹んで形成され、前記膜電極ガス拡散層接合体の膜面に沿って延び、反応ガスを供給する一次側流路を形成する第１溝部と、（ｂ）前記第１方向に凹んで形成され、前記第１溝部と並んで前記膜面に沿って延び、前記膜電極ガス拡散層接合体を流通した前記反応ガスが流れ込む二次側流路を形成する第２溝部と、（ｃ）前記第１溝部と、前記第２溝部との間に設けられ、前記膜電極ガス拡散層接合体と接するリブ部と、（ｄ）流路抵抗となる絞り部と、を有するセパレータと、を備え、
前記絞り部は、前記第１溝部及び前記第２溝部にそれぞれ、前記第１溝部及び前記第２溝部の延伸方向に沿って予め定められた間隔で前記延伸方向における位置が互いに重ならないように複数設けられており、
前記ガス拡散層の空隙率は７０％であり、
前記設計方法は、
前記ガス拡散層の浸透率をＫ［ｍ^２］、前記ガス拡散層の厚さをｔ［ｍ］、前記一次側流路を流れる前記反応ガスの圧力と前記二次側流路を流れる前記反応ガスの圧力との差である差圧をΔＰ［Ｐａ］、固体高分子形燃料電池の動作温度における水の粘度をμ［Ｐａ・ｓ］、前記第１溝部及び前記第２溝部のどちらにも前記絞り部が設けられていない位置における前記リブ部の幅をｗ［ｍ］として、次式
対流量［ｃｃ／ｍｉｎ］＝Ｋ×ｔ×ΔＰ／μ／ｗ×６０×１０^６
で求められる対流量と、予め定められた発電条件における前記燃料電池が発電する電流の電流密度と、前記リブ部と接している前記ガス拡散層における液水の存在する割合である液水量と、に基づき、前記対流量が、第１の値より大きく、第２の値より小さい値となるように前記ガス拡散層を設計し、
前記第１の値及び前記第２の値は、０ｃｃ／ｍｉｎより大きく、２０ｃｃ／ｍｉｎより小さい値であり、前記ガス拡散層が前記反応ガスの拡散性を向上させて電気化学反応を促進しつつ、前記電解質膜のドライアップを抑制するために用いられる値であり、
前記第１の値及び前記第２の値は、前記対流量が互いに異なる複数のサンプルに対応する複数のプロット点であって、前記対流量を横軸、前記電流密度および前記液水量のそれぞれを縦軸としてプロットした複数のプロット点を含むグラフから求められる値であり、
前記対流量が前記第２の値より大きい範囲では、前記対流量が前記第２の値より小さい範囲よりも、前記対流量に対する前記液水量の低下率が小さく、
前記第２の値は、前記縦軸を前記液水量とする前記複数のプロット点のうち隣り合う２つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記低下率が有意に変化する前記対流量に対応する値であり、
前記対流量が前記第１の値より小さい範囲では、前記対流量が前記第１の値より大きい範囲よりも、前記対流量に対する前記電流密度の上昇率が大きく、
前記第１の値は、前記第２の値よりも小さく、前記縦軸を前記電流密度とする前記複数のプロット点のうち隣り合う２つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記上昇率が有意に変化する前記対流量以上の値である、設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガス拡散層の設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、膜電極ガス拡散層接合体の両側に、ガス流路を形成する一対のセパレータが配置された燃料電池がある。ガス流路から供給される反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとにより電気化学反応が行われ、電気化学反応により生成された水は、排出される反応ガスとともに外部に排出される。従来の燃料電池において、ガス流路から供給される反応ガスのガス拡散層への拡散性が向上すると、電気化学反応は促進されることが知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－１２５７４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

反応ガスの拡散性が向上すると、電気化学反応は促進される。一方で、拡散性が上がり過ぎると、反応ガスにより生成水が過剰に外部に排出されてしまい、電解質膜がドライアップするおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の一形態によれば、燃料電池が有するガス拡散層の設計方法が提供される。前記燃料電池は、電解質膜と、触媒電極層と、前記ガス拡散層とが積層された膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体に積層されるセパレータであって、（ａ）前記膜電極ガス拡散層接合体から離れる第１方向に凹んで形成され、前記膜電極ガス拡散層接合体の膜面に沿って延び、反応ガスを供給する一次側流路を形成する第１溝部と、（ｂ）前記第１方向に凹んで形成され、前記第１溝部と並んで前記膜面に沿って延び、前記膜電極ガス拡散層接合体を流通した前記反応ガスが流れ込む二次側流路を形成する第２溝部と、（ｃ）前記第１溝部と、前記第２溝部との間に設けられ、前記膜電極ガス拡散層接合体と接するリブ部と、（ｄ）流路抵抗となる絞り部と、を有するセパレータと、を備え、前記絞り部は、前記第１溝部及び前記第２溝部にそれぞれ、前記第１溝部及び前記第２溝部の延伸方向に沿って予め定められた間隔で前記延伸方向における位置が互いに重ならないように複数設けられており、前記ガス拡散層の空隙率は７０％である。前記設計方法は、前記ガス拡散層の浸透率をＫ［ｍ^２］、前記ガス拡散層の厚さをｔ［ｍ］、前記一次側流路を流れる前記反応ガスの圧力と前記二次側流路を流れる前記反応ガスの圧力との差である差圧をΔＰ［Ｐａ］、固体高分子形燃料電池の動作温度における水の粘度をμ［Ｐａ・ｓ］、前記第１溝部及び前記第２溝部のどちらにも前記絞り部が設けられていない位置における前記リブ部の幅をｗ［ｍ］として、次式
対流量［ｃｃ／ｍｉｎ］＝Ｋ×ｔ×ΔＰ／μ／ｗ×６０×１０^６
で求められる対流量と、予め定められた発電条件における前記燃料電池が発電する電流の電流密度と、前記リブ部と接している前記ガス拡散層における液水の存在する割合である液水量と、に基づき、前記対流量が、第１の値より大きく、第２の値より小さい値となるように前記ガス拡散層を設計し、前記第１の値及び前記第２の値は、０ｃｃ／ｍｉｎより大きく、２０ｃｃ／ｍｉｎより小さい値であり、前記ガス拡散層が前記反応ガスの拡散性を向上させて電気化学反応を促進しつつ、前記電解質膜のドライアップを抑制するために用いられる値であり、前記第１の値及び前記第２の値は、前記対流量が互いに異なる複数のサンプルに対応する複数のプロット点であって、前記対流量を横軸、前記電流密度および前記液水量のそれぞれを縦軸としてプロットした複数のプロット点を含むグラフから求められる値であり、前記対流量が前記第２の値より大きい範囲では、前記対流量が前記第２の値より小さい範囲よりも、前記対流量に対する前記液水量の低下率が小さく、前記第２の値は、前記縦軸を前記液水量とする前記複数のプロット点のうち隣り合う２つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記低下率が有意に変化する前記対流量に対応する値であり、前記対流量が前記第１の値より小さい範囲では、前記対流量が前記第１の値より大きい範囲よりも、前記対流量に対する前記電流密度の上昇率が大きく、前記第１の値は、前記第２の値よりも小さく、前記縦軸を前記電流密度とする前記複数のプロット点のうち隣り合う２つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記上昇率が有意に変化する前記対流量以上の値である。

【0006】

本開示の一形態によれば、燃料電池が有するガス拡散層の設計方法が提供される。前記燃料電池は、電解質膜と、触媒電極層と、前記ガス拡散層とが積層された膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体に積層されるセパレータであって、（ａ）前記膜電極ガス拡散層接合体から離れる第１方向に凹んで形成され、前記膜電極ガス拡散層接合体の膜面に沿って延び、反応ガスを供給する一次側流路を形成する第１溝部と、（ｂ）前記第１方向に凹んで形成され、前記第１溝部と並んで前記膜面に沿って延び、前記膜電極ガス拡散層接合体を流通した前記反応ガスが流れ込む二次側流路を形成する第２溝部と、（ｃ）前記第１溝部と、前記第２溝部との間に設けられ、前記膜電極ガス拡散層接合体と接するリブ部と、を有するセパレータと、を備え、前記設計方法は、前記ガス拡散層の浸透率をＫ［ｍ^２］、前記ガス拡散層の厚さをｔ［ｍ］、前記一次側流路を流れる前記反応ガスの圧力と前記二次側流路を流れる前記反応ガスの圧力との差である差圧をΔＰ［Ｐａ］、水の粘度をμ［Ｐａ・ｓ］、前記リブ部の幅をｗ［ｍ］として、次式
対流量［ｃｃ／ｍｉｎ］＝Ｋ×ｔ×ΔＰ／μ／ｗ×６０×１０^６
で求められる対流量が、４．０ｃｃ／ｍｉｎより大きく、７．０ｃｃ／ｍｉｎより小さい範囲となるように前記ガス拡散層を設計する設計方法である。この設計方法によれば、良好な発電効率となり、かつ、電解質膜のドライアップが抑制される燃料電池を提供することができる。
なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、上記形態の他に、上記設計方法を用いて設計されたガス拡散層を備える燃料電池等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】燃料電池の概略構成図である。

【図2】図３のＩＩ－ＩＩ線断面図であり、燃料電池セルの部分断面図である。

【図3】カソード側セパレータの平面図である。

【図4】対流量に対する液水量および電流密度の結果である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

Ａ．実施形態：
図１は、本開示の一実施形態における、燃料電池１００の概略構成図である。燃料電池１００は、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化ガスを用い、電気化学反応によって発電する。本実施形態では、酸化ガスとして空気が用いられる。燃料電池１００は、複数の燃料電池セル６０が積層されたセル積層体１０と、正極ターミナル２０と、負極ターミナル３０と、を備える。燃料電池セル６０は、膜電極ガス拡散層接合体８０の両面のそれぞれに、カソード側セパレータ９１およびアノード側セパレータ９２が配置されている（図２参照）。負極ターミナル３０およびセル積層体１０には、燃料電池セル６０の積層方向に貫通する、冷却水マニホールド１１ａ，１１ｂと、酸化ガスマニホールド１２ａ，１２ｂと、燃料ガスマニホールド１３ａ，１３ｂと、が形成されている。冷却水マニホールド１１ａ，１１ｂ、酸化ガスマニホールド１２ａ，１２ｂ、および燃料ガスマニホールド１３ａ，１３ｂは、セル積層体１０に、それぞれ、冷却水、酸化ガス、および燃料ガスを供給および排出するために用いられる。冷却水マニホールド１１ａ、酸化ガスマニホールド１２ａ、および燃料ガスマニホールド１３ａは、供給用であり、冷却水マニホールド１１ｂ、酸化ガスマニホールド１２ｂ、および燃料ガスマニホールド１３ｂは、排出用である。正極ターミナル２０および負極ターミナル３０は、燃料電池セル６０が発電した電力を集電する。集電された電力は、正極ターミナル２０および負極ターミナル３０を介して、外部負荷へ供給される。

【0009】

図２は、燃料電池セル６０の部分断面図であり、図３のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図３は、カソード側セパレータ９１の平面図である。図２に示すように、燃料電池セル６０は、膜電極ガス拡散層接合体８０と、カソード側セパレータ９１と、アノード側セパレータ９２と、を有する。カソード側セパレータ９１およびアノード側セパレータ９２は、膜電極ガス拡散層接合体８０の両側にそれぞれ配置されている。膜電極ガス拡散層接合体８０は、膜電極接合体７０と、膜電極接合体７０の両面のそれぞれに配置された２つのガス拡散層７４と、を有する。膜電極接合体７０は、電解質膜７１と、電解質膜７１の両面のそれぞれに配置された２つの触媒電極層７２と、を有する。電解質膜７１は、固体高分子膜であり、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられている。触媒電極層７２は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。ガス拡散層７４は、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散させるための層であり、ガス拡散層基材７４ａと、浸込み層７４ｂと、ＭＰＬ（Micro Porous Layer）７４ｃと、を有する。ガス拡散層基材７４ａは、例えば、カーボンファイバー製である。なお、ガス拡散層基材７４ａは、カーボンファイバー製に限られず、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体でもよい。ＭＰＬ７４ｃは、例えば、カーボン粉末と、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂などを含んで形成されている。なお、撥水性樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンに限られず、ポリエチレン、ポリプロピレン等でもよい。詳しくは、ＭＰＬ７４ｃは、ガス拡散層基材７４ａに、カーボン粉末、撥水性樹脂、接着剤、および水などが混合されたＭＰＬペーストが塗布されて形成される。浸込み層７４ｂは、ガス拡散層基材７４ａにＭＰＬペーストが浸み込むことにより形成される層である。２つのガス拡散層７４は、ＭＰＬ７４ｃが膜電極接合体７０と接するように、膜電極接合体７０の両面のそれぞれに配置されている。

【0010】

カソード側セパレータ９１およびアノード側セパレータ９２は、例えば金属製の板状部材がプレス加工されて形成される。カソード側セパレータ９１は、複数の溝部９１ａと、リブ部９１ｂと、流路抵抗となる絞り部９１ｃと、を有する。複数の溝部９１ａは、接している膜電極ガス拡散層接合体８０から離れる第１方向に向かって凹んで形成されている。また、複数の溝部９１ａは、膜電極ガス拡散層接合体８０の膜面に沿った方向のうちで、図２の紙面手前から奥へ向かう方向に沿って延びる。リブ部９１ｂは、隣接する溝部９１ａの間に設けられ、膜電極ガス拡散層接合体８０と接している。絞り部９１ｃは、溝部９１ａと同様に、膜電極ガス拡散層接合体８０から離れる第１方向に向かって凹んで形成されている。図３に示すように、本実施形態では、同じ幅である複数の溝部９１ａが、延伸方向と垂直な方向に等間隔で並んで配置されている。絞り部９１ｃは、溝部９１ａの延伸方向に予め定められた間隔で複数配置されている。また、隣接する溝部９１ａに配置される絞り部９１ｃは、溝部９１ａの延伸方向における位置が互いに重ならないように配置されている。具体的には、本実施形態では、同じ溝部９１ａに配置される隣接する２つの絞り部９１ｃの略中央位置に、隣接する溝部９１ａの絞り部９１ｃが配置されている。絞り部９１ｃは、酸化ガスの流れを阻害するために設けられている。絞り部９１ｃの流路断面積は、溝部９１ａの流路断面積よりも小さい。本実施形態では、絞り部９１ｃの幅は、溝部９１ａの幅よりも狭く形成されている。また本実施形態では、図２に示すように、絞り部９１ｃの深さは、溝部９１ａの深さよりも小さい。溝部９１ａと、膜電極ガス拡散層接合体８０とにより囲まれた空間が酸化ガス流路４１である。アノード側セパレータ９２は、カソード側セパレータ９１と同様に形成されている。アノード側セパレータ９２は、溝部９２ａと、リブ部９２ｂと、を有する。溝部９２ａと、膜電極ガス拡散層接合体８０と、により囲まれた空間が燃料ガス流路４２である。膜電極ガス拡散層接合体８０の積層方向に隣接するカソード側セパレータ９１およびアノード側セパレータ９２の各々のリブ部９１ｂ，９２ｂおよび溝部９１ａ，９２ａにより囲まれた空間が、冷却水流路４３である。

【0011】

図３に示すように、カソード側セパレータ９１は、上記の構成の他に、接続部９１ｄ，９１ｅと、開口部９１１～９１６と、を有する。開口部９１１～９１６は、カソード側セパレータ９１の外縁部に形成された貫通孔であり、それぞれ、図１で示した各種マニホールド１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの一部を形成する。開口部９１１，９１３，９１５と、開口部９１２，９１４，９１６とは、溝部９１ａを挟んで、対峙して配置されている。接続部９１ｄは、複数の溝部９１ａと、開口部９１３とを接続するように、溝部９１ａと同じ方向に凹んで形成されている。これにより、マニホールド１２ａを形成する開口部９１３から流入する酸化ガスは、溝部９１ａにより形成される酸化ガス流路４１を流れる。同様に、接続部９１ｅは、複数の溝部９１ａと、開口部９１４とを接続するように、溝部９１ａと同じ方向に凹んで形成されている。これにより、溝部９１ａにより形成される酸化ガス流路４１を流れる酸化ガスは、マニホールド１２ｂを形成する開口部９１４から流出する。

【0012】

図３の溝部９１ａに描かれた矢印は、酸化ガスの流れを示しており、流量の大小を矢印の大小で表現している。絞り部９１ｃの流路断面積は、溝部９１ａの流路断面積よりも小さくなっているため、溝部９１ａを流通する酸化ガスは、絞り部９１ｃにより流れが遮られる。流通する酸化ガスは、絞り部９１ｃの手前で直進しにくくなるため、ガス拡散層７４へ潜り込み、ガス拡散層７４を介して、隣接する溝部９１ａへ流れる。隣接する溝部９１ａへ流れるのは、隣接する溝部９１ａには、下流側に絞り部９１ｃがなく流路抵抗が少なく流れやすいためである。図２に描かれた矢印は、酸化ガスの流れを示している。絞り部９１ｃにより流れを遮られた酸化ガスは、触媒電極層７２へ向かって拡散し、一部が電気化学反応により消費され、隣接する溝部９１ａへ流れ込む。ここで、便宜的に、絞り部９１ｃがあることにより、ガス拡散層７４へ酸化ガスが流出する酸化ガス流路４１を一次側流路４１ａと称し、絞り部９１ｃがないことにより、ガス拡散層７４から酸化ガスが流入する酸化ガス流路４１を二次側流路４１ｂと称する。また、一次側流路４１ａを形成する溝部９１ａを第１溝部１９１ａと称し、二次側流路４１ｂを形成する溝部９１ａを第２溝部２９１ａと称する。より具体的には、図３に示されるように、溝部９１ａを、延伸方向に絞り部９１ｃの間隔で区切った場合、絞り部９１ｃがある区間が第１溝部１９１ａであり、絞り部９１ｃがない区間が第２溝部２９１ａである。

【0013】

図２に示す矢印ａ，矢印ｂ，矢印ｃは、酸化ガスの流れを示している。矢印ａは、一次側流路４１ａから触媒電極層７２に向かって拡散する流れを示している。矢印ｂは、一次側流路４１ａから隣接する二次側流路４１ｂへ向かう流れを示している。矢印ｃは、二次側流路４１ｂへ引き込まれる流れを示している。電気化学反応により生成された水（以下、生成水という。）は、矢印ｂおよび矢印ｃにて示される、二次側流路４１ｂへ向かって流れる酸化ガスとともに、二次側流路４１ｂから外部に排出される。酸化ガスのガス拡散層７４への拡散性がよくなると、電気化学反応は促進されるため、発電効率は向上する。一方で、酸化ガスの拡散性が上がり過ぎると、生成水の排出も促進されるため、電解質膜７１が乾燥し、水素イオンの伝導性が低下し、発電性能が低下する、所謂ドライアップが生じるおそれがある。そこで、発明者らは、実験により、一次側流路４１ａから二次側流路４１ｂへ向かって流れる酸化ガスの適切な流量を見出した。以下の説明において、矢印ｂにて示される、一次側流路４１ａから二次側流路４１ｂへ向かう流れを「対流」、この対流の流量を「対流量」と称する。

【0014】

対流量の算出には、次の式（１）が用いられた。
対流量[cc/min]＝Ｋ×ｔ×ΔＰ／μ／ｗ×６０×１０^６・・式（１）
式（１）におけるパラメータは次の通りである。
Ｋ：ガス拡散層７４の浸透率［m²］
ｔ：ガス拡散層基材７４ａの厚さ［m］
ΔＰ：一次側流路４１ａの圧力と二次側流路４１ｂの圧力との差圧［Pa］
μ：生成水の粘度［Pa・s］
ｗ：リブ部９１ｂの幅［m］
本実施形態では、ガス拡散層７４の厚さとして、ガス拡散層基材７４ａの厚さが用いられている。差圧ΔＰは、シミュレーションにより求められた一次側流路４１ａの圧力から、二次側流路４１ｂの圧力を減算した値である。シミュレーションは、一次側流路４１ａおよび二次側流路４１ｂの三次元の流路構造および発電条件などを入力条件として実施された。具体的には、一次側流路４１ａおよび二次側流路４１ｂを含む範囲の流路構造がシミュレーションに用いられた。発電条件とは、例えば、電流密度、酸化ガスおよび燃料ガスの流量、温度などである。リブ幅ｗは、具体的には、次の方法により算出された値が用いられた。図２の破線にて示す、溝部９１ａの深さの半分の位置を示す線と、溝部９１ａのガス拡散層７４に対向する面との交点ＣＰ１、ＣＰ２を求め、リブ部９１ｂを挟んで隣接する溝部９１ａの交点ＣＰ１、ＣＰ２間の距離がリブ幅ｗとされた。

【0015】

対流量と、電流密度およびガス拡散層７４に含まれる液水量との関係を調べるため、種々の対流量となるように、種々の燃料電池１００が作製された。具体的には、式（１）の差圧ΔＰが種々の値となるように、絞り部９１ｃの流路断面積が種々の断面積となるカソード側セパレータ９１が複数作製された。また、ガス拡散層７４として、互いに種類が異なる２種類のガス拡散層７４が用いられた。図４は、対流量に対する、電流密度と液水量との結果である。ここで、液水量とは、リブ部９１ｂと接しているガス拡散層基材７４ａにおける液水の存在する割合を示し、ガス拡散層基材７４ａにおいて、空隙部がすべて液水で満たされた状態を１００％として算出される値である。なお、本実施形態では、空隙率が７０％程度のガス拡散層基材７４ａが用いられている。液水量は、Ｘ線ラジオグラフィを用いて計測された。電流密度は、一定の発電条件で発電されて測定された。図４のサンプルＡおよびサンプルＢは、互いに種類が異なる２種類のガス拡散層７４のそれぞれに対応する。

【0016】

図４に示されるように、ガス拡散層７４の種類に拘わらず、対流量の変化に対して、電流密度および液水量は、同じ挙動を示す。ガス拡散層７４に液水があると、ガス拡散層７４から触媒電極層７２への酸化ガスの供給が阻害されるため、液水量は、少ない方が好ましい。液水量は、対流量が０[cc/min]より大きく、７[cc/min]より小さい範囲で、対流量に対して液水量は大きく低下する。しかし、７[cc/min]より大きい範囲では、７[cc/min]より小さい範囲よりも、対流量に対する液水量の低下率は小さくなる。対流量を７[cc/min]より大きい範囲では、対流量を大きくしても、液水量はあまり低下しない。本実施形態では、対流量を増大させるために、絞り部９１ｃの流路断面積を小さくしているため、対流量を増大させるほど、一次側流路４１ａの圧力損失が大きくなってしまう。以上を鑑みると、対流量を７[cc/min]より大きくする場合、液水量が小さくなるメリットよりも、一次側流路４１ａの圧力損失が大きくなってしまうデメリットが大きくなってしまうと考えられる。

【0017】

対流量が大きくなるほど、電流密度は大きくなっている。これは、対流量が大きくなるほど、ガス拡散層７４から液水がより排出され、酸化ガスがより供給され易くなるため、また、酸化ガスの拡散性が向上するためであると考えられる。特に、対流量が０[cc/min]より大きく、4[cc/min]より小さい範囲で、対流量に対する電流密度の上昇率は高い。換言すれば、対流量が４[cc/min]より小さくなると、電流密度が急激に小さくなってしまう。これにより、対流量は、4[cc/min]より大きいことが好ましいと考えられる。また、対流量が７[cc/min]より大きい範囲では、対流量に対する電流密度の上昇率は、対流量が４[cc/min]より大きく７[cc/min]より小さい範囲における上昇率よりも低下する。上述したように、対流量が７[cc/min]より大きい範囲では、液水量はあまり低下しない。したがって、対流量が７[cc/min]より大きい範囲では、液水量が小さくなるメリットおよび電流密度が大きくなるメリットよりも、一次側流路４１ａの圧力損失が大きくなってしまうデメリットが大きくなってしまうと考えられる。また、対流量を７[cc/min]より小さい範囲とすれば、過剰な生成水の排出は抑制されるため、電解質膜７１のドライアップは抑制される。以上をまとめると、対流量が４．０[cc/min]より大きく７．０[cc/min]よりも小さくなるようにガス拡散層７４を設計すると良いと考えられる。

【0018】

以上説明した実施形態によれば、式（１）により算出される対流量が４．０[cc/min]より大きく７．０[cc/min]よりも小さくなるようにガス拡散層７４を設計することにより、良好な発電効率となり、かつ、電解質膜７１のドライアップが抑制される燃料電池１００を提供することができる。

【0019】

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、カソード側セパレータ９１には、全ての溝部９１ａにおいて、絞り部９１ｃは、等間隔で溝部９１ａに配置される。これに限定されず、例えば、カソード側セパレータ９１の中央部と、外縁部とで、絞り部９１ｃの配置間隔および個数とが異なっていても良い。この場合においても、部分毎に、ガス拡散層７４を設計することにより、良好な発電効率となり、かつ、電解質膜７１のドライアップが抑制される燃料電池１００とすることができる。

【0020】

（Ｂ２）上記実施形態では、カソード側セパレータ９１についての設計方法について説明したが、アノード側セパレータ９２の設計についても本開示の設計方法を適用することができる。

【0021】

（Ｂ３）上記実施形態では、カソード側セパレータ９１の全ての溝部９１ａは、開口部９１３および開口部９１４のどちらにも接続され、絞り部９１ｃの配置により、一つの溝部９１ａは、一次側流路４１ａおよび二次側流路４１ｂのどちらの機能も有している。これに対し、開口部９１３のみに接続される溝部９１ａと、開口部９１４のみに接続される溝部９１ａとを交互に配置されるようにし、開口部９１３に接続される溝部９１ａを一次側流路４１ａとして、開口部９１４に接続される溝部９１ａを二次側流路４１ｂとして機能させる構成のカソード側セパレータ９１についても、本開示の設計方法を適用することができる。

【0022】

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0023】

１０…セル積層体、１１ａ，１１ｂ…冷却水マニホールド、１２ａ，１２ｂ…酸化ガスマニホールド、１３ａ，１３ｂ…燃料ガスマニホールド、２０…正極ターミナル、３０…負極ターミナル、４１…酸化ガス流路、４１ａ…一次側流路、４１ｂ…二次側流路、４２…燃料ガス流路、４３…冷却水流路、６０…燃料電池セル、７０…膜電極接合体、７１…電解質膜、７２…触媒電極層、７４…ガス拡散層、７４ａ…ガス拡散層基材、７４ｂ…浸込み層、７４ｃ…ＭＰＬ、８０…膜電極ガス拡散層接合体、９１…カソード側セパレータ、９１ａ，９２ａ…溝部、９１ｂ，９２ｂ…リブ部、９１ｃ…絞り部、９１ｄ，９１ｅ…接続部、９２…アノード側セパレータ、１００…燃料電池、１９１ａ…第１溝部、２９１ａ…第２溝部、９１１～９１６…開口部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】