JP2009218190A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池における発電効率の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】
燃料電池であって、電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体と、発電体の少なくとも一方の面に配置される、多孔体から成るガス流路形成部材と、ガス流路形成部材の発電体が配置される面と反対側の面に配置されるセパレータと、を備え、ガス流路形成部材は、第１の部材と、発電体側に配置され、第１の部材よりも親水性の高い第２の部材と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池では、発電時に水素と酸素の電気化学反応により、水が生成される（以下、生成される水を「生成水」ともいう）。このような生成水が電解質膜付近に滞留すると（いわゆる、フラッディング）、反応ガスの供給が滞り、燃料電池性能が低下する場合もある。

ところで、燃料電池の中には、電解質膜の両面に電極を配置して成る発電体と、発電体の両面に配置されるガス拡散層と、発電体に反応ガスを供給するための多孔体流路形成部材と、アノードガスとカソードガスを分離すると共に、各電極で発電された電気を集電するセパレータと、を備えるものがある（例えば、特許文献１、２参照）。

このような燃料電池において、多孔体流路形成部材のセパレータと当接する面に、親水性を有する親水部を設けて、電解質膜付近に滞留する生成水を、多孔体流路形成部材に移動させて、反応ガスの流れによって生成水を排出させることによって、フラッディングを抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−３１０６３３号公報 特開２００７−８７７６８号公報 特開２００６−１３４５８２号公報

上記したように、反応ガスの流れによって、生成水が燃料電池外へ排出される。反応ガスの入口付近（反応ガスの流れの上流）は、乾燥した反応ガスが導入されるため、発電体で生成される生成水が排出され易い。一方、反応ガスの出口付近（反応ガスの流れの下流）では、反応ガスの流速が遅くなるため、生成水が排出されにくい。このように、生成水の排出状況は、発電体の面方向に一律ではない。そのため、上記した特許文献３に記載の燃料電池のように、多孔体流路形成部材のセパレータと当接する側全体に、親水層を設けると、発電体で生成される生成水の排水が促進されて、反応ガスの入口付近では、電解質膜が乾燥して、発電効率が低下するおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり燃料電池における発電効率の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。

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。

［適用例１］ 燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体と、
前記発電体の少なくとも一方の面に配置される、多孔体から成るガス流路形成部材と、
前記ガス流路形成部材の前記発電体が配置される面と反対側の面に配置されるセパレータと、
を備え、
前記ガス流路形成部材は、
第１の部材と、
前記発電体側に配置され、前記第１の部材よりも親水性の高い第２の部材と、
を備えることを特徴とする。

適用例１の燃料電池によれば、ガス流路形成部材は、発電体側に親水性の高い第２の部材を備えるため、発電体内に存在する水が、第２の部材に引き寄せられるものの、ガス流路形成部材内を、セパレータ側に向かって移動する水が少なくなる。そのため、ガス流路形成部材内を流れる反応ガスによって、水が排出され難くなる。したがって、電解質膜の乾燥が抑制され、発電効率の低下が抑制できる。

［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池であって、
前記第２の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの上流側に配置されることを特徴とする燃料電池。

一般に、電解質膜の面内において、ガスの流れの上流側は、下流側に比べて乾燥しやすいが、このようにすると、ガスの流れの上流側における、電解質膜の乾燥を抑制することができる。したがって、発電効率の低下が抑制できる。

［適用例３］ 適用例２に記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、
前記セパレータ側に配置され、前記第１の部材よりも親水性の高い第３の部材をさらに備え、
前記第３の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの下流側に配置されることを特徴とする燃料電池。

適用例３の燃料電池では、ガス流路形成部材は、発電体側のガスの流れの上流域に親水性の高い第２の部材を備え、セパレータ側のガスの流れの下流側に親水性の高い第３の部材を備える。ガス流路形成部材が、セパレータ側に親水性の高い第３の部材を備えると、発電体内に存在する水が、第３の部材に引き寄せられて、セパレータに向かって移動する。そうすると、ガス流路形成部材内を水が移動する際に、ガス流路形成部材内を流通する反応ガスにより、水が排出される。したがって、ガスの流れの下流域では、排水性が良くなり、フラッディングを抑制することができる。そのため、上記したように、ガスの流れの上流域では、電解質膜の乾燥を抑制すると共に、ガスの流れの下流域では、フラッディングを抑制することができるため、総合的に、発電効率の低下を抑制することができる。

［適用例４］ 適用例２または３に記載の燃料電池において、
前記第２の部材と、前記第３の部材とは、前記ガス流路形成部材の積層面に垂直な方向から見た場合に、一部が重なるように配置されていることを特徴とする燃料電池。

このようにすると、ガス流路形成部材の積層面に垂直な方向から見た場合に、第２の部材と、第３の部材との一部が重なるように配置されている部分では、発電体内に存在する水が、第２の部材に引き寄せられ、さらに第３の部材に引き寄せられる。そのため、発電体内に存在する水が、セパレータに向かって移動しやすくなり、排水性が向上される。

［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池において、
前記ガス流路形成部材は、エキスパンドメタルより成ることを特徴とする燃料電池。

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る燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．実施例の構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す断面図である。図１では、後述する図５におけるＡ−Ａ切断面を示している。燃料電池１００は、水素と空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。

燃料電池１００は、図１に示すように、シール部材一体型ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）２００の両面に、アノード側多孔体４１０と、カソード側多孔体４３０と、がそれぞれ配置され、その両面にセパレータ３００が配置されるように積層された構成を成している。図１では、複数のシール部材一体型ＭＥＡ２００、アノード側多孔体４１０、カソード側多孔体４３０、およびセパレータ３００が積層された部分の一部を抜き出して示しており、他は図示を省略している。以下、アノード側多孔体４１０と、カソード側多孔体４３０とをまとめて、多孔体４１０、４３０とも呼ぶ。

本実施例におけるアノード側多孔体４１０、カソード側多孔体４３０が、請求項におけるガス流路形成部材に相当する。

燃料電池１００は、上記した各構成部品が複数積層されて成り、全体としては、図１に示すように、発電に用いられるカソードガスとしての空気を供給するカソードガス供給マニホールド１０６と、カソード排ガスを排出するカソード排ガス排出マニホールド１０８と、を備えている。また、同様に、発電に用いられるアノードガスとしての水素を供給するアノードガス供給マニホールド(図示しない)と、アノード排ガスを排出するアノード排ガス排出マニホールド(図示しない)、を備えている。

燃料電池１００に供給された空気は、カソードガス供給マニホールドを通って、セパレータ３００のカソードガス供給口３３６ｈを介してカソード側多孔体４３０に流入し、カソード側多孔体４３０内を流通しつつ、ＭＥＡ２１０に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった空気を含むカソード排ガスは、セパレータ３００のカソード排ガス排出口３３８ｈを介してカソード排ガス排出マニホールド１０８に排出され、カソード排ガス排出マニホールド１０８を通って燃料電池１００外へ排出される。同様に、燃料電池１００に供給されたアノードガスとしての水素も、燃料電池１００内を流通して電極反応に利用され、電極反応に利用されなかった水素を含むアノード排ガスは、燃料電池１００外へ排出される。また、セパレータ３００には、冷却水流路１１０ｐが形成され、セパレータ内部を冷却水が流通することにより、燃料電池１００の電極反応に伴って生成される熱を取り除き、燃料電池１００の内部温度を所定の範囲内に保っている。

Ａ１−１．シール部材一体型ＭＥＡの構成：
図２は、シール部材一体型ＭＥＡ２００の平面構成を示す平面図である。図１に示すように、シール部材一体型ＭＥＡ２００は、外形が略長方形状のＭＥＡ２１０の外周に、枠状のシール部材２２０が、ＭＥＡ２１０と一体的に形成されて成る。図３は、図１におけるＸ１部を拡大して示す拡大断面図である。図３に示すように、ＭＥＡ２１０は、電解質膜２１２の一方の面にアノード２１４、アノード側拡散層２１６の順に積層され、他方の面にカソード２１５、カソード側拡散層２１７の順に積層されて成る。本実施例におけるＭＥＡ２１０が、請求項における発電体に相当する。

本実施例において、電解質膜２１２としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、用いている。アノード２１４およびカソード２１５としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された電極を、用いている。そして、アノード側拡散層２１６およびカソード側拡散層２１７としては、撥水加工が施されたカーボンフェルトを用いている。例えば、カーボンとテフロン（登録商標）を混合させた混合液を、カーボンフェルトに含浸させることにより、撥水加工を施すことができる。なお、アノード側拡散層２１６のアノード２１４と接触する接触面、カソード側拡散層２１７のカソード２１５と接触する接触面のみに、撥水加工を施しても良いし、アノード側拡散層２１６、カソード側拡散層２１７の全体に撥水加工を施しても良い。また、本実施例では、排水性を高めるために、アノード側拡散層２１６、２１７に撥水加工を施しているが、撥水加工が施されていない構成にしてもよい。

シール部材２２０は、シリコーンゴムを用いて射出成型により形成されている。シール部材２２０を成形する際には、シリコーンゴムを、アノード２１４、カソード２１５、アノード側拡散層２１６、およびカソード側拡散層２１７それぞれの内部の空隙に含浸させ、いわゆるアンカー効果によりシール部材２２０と、ＭＥＡ２１０とを結合している。

図２に示すように、シール部材２２０には、カソードガス供給用貫通孔１０６ｓ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｓが、それぞれ３つずつ、アノードガス供給用貫通孔１０２ｓ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｓ、冷却水供給用貫通孔１１０ｓ、冷却水排出用貫通孔１１２ｓが、それぞれ１つずつ、形成されている。そして、反応ガスの漏洩を防止するためのシールラインＳＬが形成されている。

Ａ１―２．アノード側多孔体およびカソード側多孔体の構成：
図４は、カソード側多孔体４３０の概略構成を示す説明図である。図４（ａ）は、カソード側多孔体４３０のカソード側拡散層２１７と当接する面の構成を示す平面図、図４（ｂ）は、カソード側多孔体４３０のセパレータ３００と当接する面の構成を示す平面図、図４（ｃ）は、（ｂ）におけるＡ−Ａ切断面を拡大して示す拡大断面図である。図５は、シール部材一体型ＭＥＡ２００上にカソード側多孔体４３０が積層された状態を示す平面図である。図５では、後述する第２の部材４３２と第３の部材４３４の配置される領域を説明するためのハッチングが、カソード側多孔体４３０に付されている。カソード側多孔体４３０は、図４（ｃ）に示すように、第１の部材４３１と、第１の部材４３１よりも親水性の高い、第２の部材４３２と、第１の部材４３１よりも親水性の高い、第３の部材４３４と、を備える。そして、図４、５に示すように、外形は、シール部材一体型ＭＥＡ２００のシール部材２２０の内枠と略一致する、平面略長方形状を成す。本実施例において、カソード側多孔体４３０としてエキスパンドメタルを用いている。

図４（ａ）に示すように、カソード側多孔体４３０は、カソード側拡散層２１７と当接する面には、その一部に、第２の部材４３２を備えている。そして、図４（ｂ）に示すように、カソード側多孔体４３０は、セパレータ３００と当接する面には、その一部に、第３の部材４３４を備えている。以下、第２の部材４３２と第３の部材４３４とを合わせて、部材４３２、４３４とも呼ぶ。

図４（ａ）に示すように、第２の部材４３２は、平面的には、アノードガスとしての空気の流れ（図中、空気の流れを矢印で示す。）の上流から中流の領域、すなわち、図５に示す（領域Ａ＋領域Ｂ）の領域に配置されている。一方、第３の部材４３４は、空気の流れの中流から下流の領域、すなわち、図５に示す（領域Ｂ＋領域Ｃ）の領域に配置されている。上記したように、第２の部材４３２は、カソード側拡散層２１７と当接する面に、第３の部材４３４は、セパレータ３００と当接する面に、それぞれ、配置されており、図４（ｃ）に示すように、領域Ｂは、第１の部材４３１と、第２の部材４３２と、第３の部材４３４とを備える。図５では、第１の部材４３１と、第２の部材４３２と、を備える領域Ａと、第１の部材４３１と、第３の部材４３４と、を備える領域Ｃを、斜線ハッチングを付して示し、第１の部材４３１と、第２の部材４３２と、第３の部材４３４とを備える領域Ｂを、クロスハッチングを付して示している。

本実施例において、エキスパンドメタルの表面をサンドブラストで粗して、親水性を向上させることにより、第２の部材４３２、第３の部材４３４を形成し、親水性を向上させる処理を施していない部分が第１の部材４３１となっている。その他、酸化チタンや、親水性塗料を塗布することによって、親水性を付与する等、周知の方法で、第２の部材４３２、第３の部材４３４を形成することができる。また、第１の部材４３１、第２の部材４３２、第３の部材４３４をそれぞれ、別個の部材として形成し、それらを、図４のように配置して、カソード側多孔体４３０を構成してもよい。

アノード側多孔体４１０は、図３に示すように、カソード側多孔体４３０と、ＭＥＡ２１０を挟んで対称となるような構成を成す。すなわち、アノード側多孔体４１０は、第１の部材４１１と、第１の部材４１１よりも親水性の高い、第２の部材４１２と、第１の部材４１１よりも親水性の高い、第３の部材４１４と、を備える。アノード側多孔体４１０は、アノード側拡散層２１６側には、第２の部材４１２が配置され、セパレータ３００側には、第３の部材４１４が配置されている。そして、第２の部材４１２は、カソード側多孔体４３０の第２の部材４３２と同様に、水素の流れの上流側に配置され、第３の部材４１４は、カソード側多孔体４３０の第３の部材４３４と同様に、水素の流れの下流側に配置されている。

本実施例における第１の部材４１１、第１の部材４３１が、請求項における第１の部材に、第２の部材４３２および第２の部材４１２が、請求項における第２の部材に、第３の部材４３４および第３の部材４１４が、請求項における第３の部材に、それぞれ相当する。また、カソード側多孔体４３０のセパレータ３００と当接する面、またはカソード側拡散層２１７と当接する面が、請求項における積層面に相当する。

Ａ１−３．セパレータの構成：
セパレータ３００は、図３に示すように、カソード側多孔体４３０と当接するカソード対向プレート３３０と、アノード側多孔体４１０と当接するアノード対向プレート３１０と、カソード対向プレート３３０およびアノード対向プレート３１０に狭持された中間プレート３２０と、が積層された３層構造を有している。

セパレータ３００を構成する３枚のプレート（アノード対向プレート３１０、カソード対向プレート３３０、中間プレート３２０）は、略長方形を成すステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。

図６は、アノード対向プレート３１０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、アノード対向プレート３１０の周縁部には、上記したアノードガス供給用貫通孔１０２、アノード排ガス排出用貫通孔１０４、カソードガス供給用貫通孔１０６、カソード排ガス排出用貫通孔１０８、冷却水用貫通孔１１０、１１２を構成する、アノードガス供給用貫通孔１０２ａ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ａ、カソードガス供給用貫通孔１０６ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ａ、冷却水用貫通孔１１０ａ、１１２ａが形成されている。

また、複数のアノードガス供給口３１２ｈ、アノード排ガス排出口３１４ｈが、アノード対向プレート３１０の長辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔１０６ａ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ａよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、アノードガス供給口３１２ｈから、アノード側多孔体４１０にアノードガスとしての水素が供給され、アノード排ガス排出口３１４ｈから、アノード排ガスが排出される。

図７は、中間プレート３２０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、中間プレート３２０には、上記したアノード対向プレート３１０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｍ、カソードガス供給用貫通孔１０６ｍ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍが形成されている。

さらに、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍから複数のアノードガス供給口３１２ｈに水素が流れるように、アノードガス供給用貫通孔１０２ｍと複数のアノードガス供給口３１２ｈとを接続するアノードガス供給用接続部１０２ｊ、が形成されている。同様に、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｍと複数のアノード排ガス排出口３１４ｈとを接続するアノード排ガス排出用接続部１０４ｊが、形成されている。

また、３つのカソードガス供給用貫通孔１０６ｍから、後述する複数のカソードガス供給口３３６ｈに空気が流れるように、カソードガス供給用貫通孔１０６ｍと複数のカソードガス供給口３３６ｈとを接続するカソードガス供給用接続部１０６ｊ、が形成されている。同様に、後述する複数のカソード排ガス排出口２４８ｈから、３つのカソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍにカソード排ガスが流れるように、複数のカソード排ガス排出口２４８ｈとカソード排ガス排出用貫通孔１０８ｍとを接続するカソード排ガス排出用接続部１０８ｊ、が形成されている。

また、発電によって燃料電池１００の温度が上昇するのを抑制するために、ＭＥＡ４００全体を冷却するように、セパレータ３００内に冷却水を流す、冷却水流路１１０ｐが、形成されている。

図８は、カソード対向プレート３３０の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、カソード対向プレート３３０には、上記したアノード対向プレート３１０に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔１０２ｃ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｃ、カソードガス供給用貫通孔１０６ｃ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｃ、冷却水用貫通孔１１０ｃ、１１２ｃが形成されている。

さらに、複数のカソードガス供給口３３６ｈ、カソード排ガス排出口２４８ｈが、カソード対向プレート３３０の上下辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔１０６ｃ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｃよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、カソードガス供給口３３６ｈから、カソード側多孔体４３０にカソードガスとしての空気が供給され、カソード排ガスが、カソード排ガス排出口２４８ｈを介して排出される。

図９は、セパレータ３００の平面構成を概略的に示す平面図である。セパレータ３００は、先に説明したように、アノード対向プレート３１０と、中間プレート３２０と、カソード対向プレート３３０とを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート３１０側から見た様子を示している。図から分かるように、アノード対向プレート３１０と、中間プレート３２０と、カソード対向プレート３３０を積層した際に、各貫通孔が重なって、セパレータ３００を貫通する各貫通孔が形成される。

また、アノード対向プレート３１０、中間プレート３２０、カソード対向プレート３３０を重ねることによって、図示するように、アノードガス供給用貫通孔１０２と、アノードガス供給用接続部１０２ｊと、アノードガス供給口３１２ｈとが繋がって、アノードガス（水素）の供給路が形成される。同様に、アノード排ガスの排出路、カソードガス（空気）の供給路、カソード排ガスの排出路が形成される。

Ａ２．実施例の効果：
図１０は、カソード側の水の流れを説明するための説明図である。図１０では、図３におけるＸ２部を拡大して示している。図中の矢印は、電解質膜２１２およびカソード２１５から排出される水の流れを示している。この水には、カソード２１５で生成される生成水の他、空気中に含まれる水等も含む。上記したように、カソード側多孔体４３０は、領域Ａでは、カソード側拡散層２１７と当接する面に、第１の部材４３１よりも親水性の高い第２の部材４３２を備える。そのため、カソード２１５および電解質膜２１２中の水は、図中矢印で示すように、第２の部材４３２の親水性により、カソード側多孔体４３０の方へ移動する。

しかしながら、領域Ａでは、セパレータ３００側に、第３の部材４３４を備えていないため、水は、さらに、セパレータ３００の方に向かっては、移動しにくい。そうすると、領域Ａでは、第１の部材４３１内にあまり水が存在しないため、カソード側多孔体４３０内を流通する空気によって、水が排出されにくくなり、水の排出が抑制される。従来、空気の流れの上流では、乾燥した空気が供給されると、水が排出され易く、電解質膜２１２が乾燥して、発電効率が低下するおそれがあったが、本実施例の燃料電池１００によれば、空気の流れの上流（領域Ａに相当する）では、水の排出が抑制されるため、電解質膜２１２の乾燥を抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。

また、従来、空気の流れの下流では、空気の流速が上流に比べて遅く、水が排出され難いため、フラッディングが生じやすく、結果として、発電効率が低下するという問題があった。本実施例では、カソード側多孔体４３０は、空気の流れの下流に相当する領域Ｃでは、セパレータ３００と当接する面に、第１の部材４３１よりも親水性の高い第３の部材４３４が配置されている。そのため、カソード２１５および電解質膜２１２中の水は、図中矢印で示すように、第３の部材４３４の親水性により、セパレータ３００の方へ向かって移動する。そして、カソード側多孔体４３０内を移動する際に、カソード側多孔体４３０内を流れる空気と共に、燃料電池１００外へ排出される。したがって、空気の流れの下流（領域Ｃに相当する）では、排水性が促進されるため、フラッディングを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。

さらに、カソード側多孔体４３０は、領域Ｂでは、カソード側拡散層２１７側に、第２の部材４３２、セパレータ３００側に、第３の部材４３４を備えている。空気の流れの中流域（領域Ｂ）では、下流域に比べて、ＭＥＡ２１０の含水量が少なくなり易い。そのような場合に、カソード側拡散層２１７側にも親水性の高い第２の部材４３２が設けられていると、水が、第２の部材４３２に引き寄せられ、さらに、第２の部材４３２から第３の部材４３４へと引き寄せられる。そのため、排水性が向上し、フラッディングを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。

なお、アノード側においても、カソード側と同様に、排水性が調節され、発電効率の低下を抑制することができる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池１００によれば、反応ガス（空気、水素）の流れに沿って、段階的に排水性を調節することによって、ＭＥＡ２１０の含水量の、面内のばらつきを低減し、発電効率の低下を抑制することができる。

Ｂ．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。

（１）上記実施例において、カソード側多孔体４３０は、カソード側拡散層２１７と当接する面に、第２の部材４３２、セパレータ３００と当接する面に、第３の部材４３４を備えているが、カソード側多孔体４３０は、第３の部材を備えないようにしてもよい。このようにしても、電解質膜２１２の乾燥を抑制して、発電効率の低下を抑制することができる。

（２）上記実施例において、第２の部材４３２と第３の部材４３４とは、カソード側多孔体４３０の積層面に垂直な方向から見て、領域Ｂで重なるように配置されているが、第２の部材４３２と第３の部材４３４の配置は、上記した実施例に限定されない。図１１は、変形例のカソード側多孔体の断面構成を概略的に示す断面図である。例えば、図１１（ａ）に示すように、第２の部材４３２と第３の部材４３４とが、重ならず、隣り合うように形成されてもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、領域Ａを小さくしてもよい。このように、第２の部材４３２と第３の部材４３４の配置や、大きさ（面積）は、例えば、ＭＥＡ２１０の含水量の面内分布に応じて、定めるようにしてもよい。

（３）上記実施例において、拡散層２１６、２１７として、カーボンフェルトを用いているが、カーボンフェルトの代わりに、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等を用いてもよい。また、多孔体として、エキスパンドメタルを用いているが、スラリー発泡法や発泡焼結法等の公知の方法で作成された発泡金属を用いてもよい。

（４）上記第１の実施例の燃料電池１００では、ＭＥＡ２１０の両面に、アノード側多孔体４１０と、カソード側多孔体４３０と、をそれぞれ配置しているが、このような構成に限定されない。例えば、ＭＥＡ２１０のカソード側にのみカソード側多孔体４３０を配置して、アノード側には、従来の多孔体を配置するようにしてもよい。このようにしても、ＭＥＡ２１０（発電体）の含水量が調節されるため、発電効率の低下を抑制することができる。

また、スタック構造を有する燃料電池の場合、積層方向の端部寄りに、水が溜まりやすい傾向がある。したがって、積層方向の端部寄りのセルモジュール（シール部材一体型ＭＥＡ２００をセパレータ３００で挟持したもの）には、上記した実施例と同様の多孔体４１０、４３０を用い、中央寄りのセルモジュールには、従来の多孔体を用いるようにしてもよい。このようにしても、水が溜まり易い部分の排水性能を調節して、燃料電池スタック全体の発電効率の低下を抑制することができる。

（５）上記実施例では、ＭＥＡ２１０として、アノード側、カソード側両方に拡散層２１６、２１７が配置されるものを示したが、拡散層がない構成にしてもよい。カソード側は、電極反応により水が生成されるため、拡散層２１７があると、その生成水を吸い上げて排出しやすくなるが、アノード側では水が生成されないため、そのような必要性が低い。そこで、例えば、アノード側には拡散層を配置しない構成にしてもよい。さらに、カソード側にも拡散層が配置されない構成にしてもよい。

本発明の第１の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す断面図である。 シール部材一体型ＭＥＡ２００の平面構成を示す平面図である。 図１におけるＸ１部を拡大して示す拡大断面図である。 カソード側多孔体４３０の概略構成を示す説明図である。 シール部材一体型ＭＥＡ２００上にカソード側多孔体４３０が積層された状態を示す平面図である。 アノード対向プレート３１０の平面構成を概略的に示す平面図である。 中間プレート３２０の平面構成を概略的に示す平面図である。 カソード対向プレート３３０の平面構成を概略的に示す平面図である。 セパレータ３００の平面構成を概略的に示す平面図である。 カソード側の水の流れを説明するための説明図である。 変形例のカソード側多孔体の断面構成を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１００…燃料電池
１０２ａ、１０２ｃ、１０２ｍ、１０２ｓ…アノードガス供給用貫通孔
１０２ｊ…アノードガス供給用接続部
１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｍ、１０４ｓ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０４ｊ…アノード排ガス排出用接続部
１０６…カソードガス供給マニホールド
１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｍ、１０６ｓ…カソードガス供給用貫通孔
１０６ｊ…カソードガス供給用接続部
１０８…カソード排ガス排出マニホールド
１０８ａ、１０８ｃ、１０８ｍ、１０８ｓ…カソード排ガス排出用貫通孔
１０８ｊ…カソード排ガス排出用接続部
１１０ａ、１１０ｃ…冷却水用貫通孔
１１０ｐ…冷却水流路
１１０ｓ…冷却水供給用貫通孔
１１２ｓ…冷却水排出用貫通孔
２００…シール部材一体型ＭＥＡ
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２１６…アノード側拡散層
２１７…カソード側拡散層
２２０…シール部材
３００…セパレータ
３１０…アノード対向プレート
３２０…中間プレート
３３０…カソード対向プレート
３１２ｈ…アノードガス供給口
３１４ｈ…アノード排ガス排出口
３３６ｈ…カソードガス供給口
３３８ｈ…カソード排ガス排出口
４００…ＭＥＡ
４１０…アノード側多孔体
４１１、４３１…第１の部材
４１２、４３２…第２の部材
４１４、４３４…第３の部材
４３０…カソード側多孔体
ＳＬ…シールライン

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体と、
   前記発電体の少なくとも一方の面に配置される、多孔体から成るガス流路形成部材と、
   前記ガス流路形成部材の前記発電体が配置される面と反対側の面に配置されるセパレータと、
   を備え、
   前記ガス流路形成部材は、
   第１の部材と、
   前記発電体側に配置され、前記第１の部材よりも親水性の高い第２の部材と、
   を備えることを特徴とする。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記第２の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの上流側に配置されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材は、
   前記セパレータ側に配置され、前記第１の部材よりも親水性の高い第３の部材をさらに備え、
   前記第３の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの下流側に配置されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池において、
   前記第２の部材と、前記第３の部材とは、前記ガス流路形成部材の積層面に垂直な方向から見た場合に、一部が重なるように配置されていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池において、
   前記ガス流路形成部材は、エキスパンドメタルより成ることを特徴とする燃料電池。

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