(57)【要約】【課題】セパレータに開設された細長形状のガス供給用開口やガス排気用開口に対応する位置よりも周縁に位置する触媒層にも十分に燃料ガスや酸化剤ガスが提供でき、もって、発電面積が可及的に広げられ、発電面積利用率の可及的に高い燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体３とその両側のガス透過層と、セパレータ７と、からなる燃料電池セル１０を有する燃料電池であり、少なくとも触媒層２’は、ガス供給用開口よりも内側に対応する中央領域２’ａと、該開口に対応する領域と該開口よりも外側の領域とからなる周縁領域２’ｂにも形成されており、触媒層の周縁領域に対応する位置、もしくは、該周縁領域よりもさらに外側の領域に対応する位置に、別途のガス導入路６’ａおよびガス導出路が形成されている。【選択図】図１
2010251003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、いずれか一方のガス透過層側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスのいずれか一方を該ガス透過層に提供するセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、
前記セパレータには、アノード側もしくはカソード側のガス透過層に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するための細長形状のガス供給用開口と、該アノード側もしくはカソード側のガス透過層から燃料ガスもしくは酸化剤ガスを排出するための細長形状のガス排気用開口が開設されており、
前記触媒層は、前記ガス供給用開口と前記ガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に加えて、該開口に対応する領域と該開口よりも外側の領域とからなる周縁領域にも形成されており、
前記燃料電池セルにおいて、触媒層の前記周縁領域に対応する位置、もしくは、該周縁領域よりもさらに外側の領域に対応する位置に、別途のガス導入路およびガス導出路が形成されており、
少なくとも前記別途のガス導入路に提供されたガスが、前記周縁領域の触媒層に提供されるようになっている、燃料電池。
【請求項２】
前記細長形状の開口に当接する前記ガス透過層のうち、該開口の前記外側の領域にスリットが形成されており、
前記スリットが、前記別途のガス導入路およびガス導出路となっている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記細長形状の開口に当接する前記ガス透過層のうち、前記触媒層の前記内側領域に対応する領域の一部に、ガス不透過領域が形成されている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータは、第１のプレート、中間層、第２のプレートが積層された３層構造を呈しており、該第１のプレートもしくは第２のプレートのいずれか一方に細長形状の前記開口が開設されており、該中間層のうち、前記中央領域に対応する位置において、冷却媒体が流通するようになっている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス透過層は、ガス拡散層、金属多孔体からなるガス流路層、該ガス拡散層と該ガス流路層の組み合わせ、のいずれかの形態からなり、
アノード側とカソード側双方のガス透過層が、複数の前記形態中の同一の形態、もしくは異なる形態のいずれかからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広範な発電面積を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、この膜電極接合体とこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＆  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。
【０００３】
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータに形成されたガス流路溝）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。
【０００４】
上記する燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの冷却媒体をシールするためのガスケットが電極体や金属多孔体の周縁に形成されている。このガスケット成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえばガス流路となる金属多孔体を具備する燃料電池セルにおいては、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。なお、キャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを最初に収容し、次いで上記する構成部材を収容して射出成形をおこなう方法もある。
【０００５】
上記するセパレータには、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレート（カソード側プレートとアノード側プレート）の間に流路が形成されたプレート（中間層、中間プレート）が介層された３層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがあり、この３層構造のセパレータを具備する燃料電池が特許文献１に開示されている。この構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この３層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの３層構造セパレータと、アノード側およびカソード側のガス透過層（エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの金属多孔体からなるガス流路層）と、電極体（膜電極接合体およびガス拡散層）と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。
【０００６】
ここで、３層構造セパレータの理解を容易とするべく、図５に３層構造セパレータを具備する燃料電池セルの縦断面図を示している。
【０００７】
図５において、燃料電池セルは、電解質膜ａとこれを挟持するカソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２とから膜電極接合体ｃが形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ１、ｄ２が挟持して電極体ｅが形成され、電極体ｅをカソード側およびアノード側のガス流路層ｆ１、ｆ２が挟持し、アノード側のガス流路層ｆ２の下方に、３層構造のセパレータｈが配され、電極体ｅの側方に流体流通用のマニホールドＭを具備するガスケットｇが射出成形等されてその全体が構成されている。この３層構造のセパレータｈは、２枚のステンレス製もしくはチタン製の第１のプレートｈ１（アノード側プレート）と第２のプレートｈ２（カソード側プレート）と、このプレートｈ１、ｈ２間に介在してガスや冷却水などの流体用の流路を画成する中間層ｈ３（中間プレート）と、から構成されている。なお、燃料電池スタックは、図示する燃料電池セルが複数積層され、スタッキングされることによって形成されるものであり、不図示の燃料電池セルが図示する燃料電池セルの上下に積層されるものである。
【０００８】
中間層ｈ３には、酸化剤ガスを不図示の燃料電池セル（図示する燃料電池セルの下方に位置することとなる燃料電池セル）のカソード側ガス流路層に提供するための酸化剤ガス導入路ｈ３ａ（酸化剤ガスの流れ：Ｚ１）と、図示する燃料電池セル自身のアノード側ガス流路層ｆ２に燃料ガスを提供するための燃料ガス導入路ｈ３ｂ（燃料ガスの流れ：Ｚ２）、さらには、発電経過における電極体ｅの昇温を抑止するための冷却媒体が流通する冷却用流路ｈ３ｃが形成されている。なお、図５は、酸化剤ガスが流通するマニホールドＭを通る断面で切断した縦断面図である。
【０００９】
ところで、燃料電池セルにおいては、その触媒層が形成された領域が一般に発電領域となっており、セパレータの全面積に対する該発電領域の割合は発電面積利用率と称され、この発電面積利用率を可及的に高くすることが求められている。
【００１０】
しかし、図５からも明らかなように、３層構造セパレータでは、その構造上の制約（ガスの導入路を設けたり、酸化剤ガスと燃料ガスのそれぞれに固有のガス流路層等へガスを供給するための開口およびガス流路層等からガスを排気するための開口を同じ側面領域に設けるなど）から、たとえば、平面視でアノード側のガス供給用開口ｈ１ａおよびガス排気用開口（不図示）の内側の範囲（図中の「中央領域」）へは、ガスの提供が十分におこなわれている一方で、この中央領域よりも外側の周縁領域の触媒層には、ガスが十分に提供されていないのが現状である。したがって、形成された触媒層の全範囲が、発電に効果的に寄与するものとなっていないのが現状である。尤も、中央領域のみに触媒層を形成した形態でも、発電面積利用率が低いものであることに変わりはない。
【００１１】
なお、図示する開口ｈ１ａや不図示のガス排気用開口は、ガス流路層の全範囲に効果的にガスを提供するとともに、ガス流路層等からのガスの効率的な排気を図るべく、触媒層と同程度の幅をその延長とする細長形状に形成される形態もあり、このような細長形状のガス開口は、いわゆるコモンレールと称されることもある。
【００１２】
発電面積を可及的に広げ、もって発電面積利用率のより一層高い燃料電池の開発が当該分野における急務の課題の一つとなっている現状を踏まえれば、ガスが十分に提供されていない周縁領域の触媒層にも、効果的にガスが提供されることで、発電面積を可及的に広げることが可能となり、発電面積利用率のより一層高い燃料電池を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−２５０１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、セパレータに開設された、細長形状のガス供給用開口やガス排気用開口などの、いわゆるコモンレールに対応する位置よりも周縁に位置する触媒層にも十分に燃料ガスや酸化剤ガスが提供でき、もって、発電面積が可及的に広げられ、発電面積利用率の可及的に高い燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、いずれか一方のガス透過層側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスのいずれか一方を該ガス透過層に提供するセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、前記セパレータには、アノード側もしくはカソード側のガス透過層に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するための細長形状のガス供給用開口と、該アノード側もしくはカソード側のガス透過層から燃料ガスもしくは酸化剤ガスを排出するための細長形状のガス排気用開口が開設されており、前記触媒層は、前記ガス供給用開口と前記ガス排気用開口の間の内側に対応する中央領域に加えて、該開口に対応する領域と該開口よりも外側の領域とからなる周縁領域にも形成されており、前記燃料電池セルにおいて、触媒層の前記周縁領域に対応する位置、もしくは、該周縁領域よりもさらに外側の領域に対応する位置に、別途のガス導入路およびガス導出路が形成されており、少なくとも前記別途のガス導入路に提供されたガスが、前記周縁領域の触媒層に提供されるようになっているものである。
【００１６】
本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、たとえば３層構造のセパレータを有し、かつ、このセパレータに開設されて、ガス透過層へ燃料ガスや酸化剤ガスを提供するガス供給用開口と、ガス透過層からのガスを排気するためのガス排気用開口と、を有し、しかも、これらの開口が細長形状に形成されているものにおいて、これらの開口の間の中央領域のみならず、この開口に対応する位置、もしくはこの開口よりも外側の位置（周縁領域）にまで触媒層が形成され、この周縁領域の触媒層にもガスを効果的に提供することにより、発電面積が可及的に広げられ、もって発電面積利用率のより一層高い燃料電池である。
【００１７】
ここで、３層構造のセパレータを有する形態においては、第１のプレート（たとえばアノード側プレート）、中間層（もしくは中間プレート）、第２のプレート（たとえばカソード側プレート）の積層構造を呈しており、３つのプレートともにステンレスやチタンなどから形成することができ、その軽量化を図るべく、中間層のみを熱可塑性樹脂から成形することもできる。また、３つのプレートが金属素材からなる場合には、それぞれのプレートをろう付けすることで一体化でき、中間層が樹脂製の場合には、第１のプレートと中間層、第２のプレートと中間層をそれぞれ耐熱性の接着剤等で一体化することができる。また、３層構造のセパレータ以外の形態、たとえば、セパレータの一方の側面にガス用の溝流路が形成され、他方の側面に冷却媒体用の溝流路が形成されたセパレータであってもよい。
【００１８】
また、上記する燃料電池セルの構造は、膜電極接合体（ＭＥＡ）のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体（ＭＥＧＡ）と称呼している。また、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された形態は勿論のこと、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配された形態を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。
【００１９】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルの構成部材のいずれかにおいて、その触媒層の周縁領域に対応する位置、もしくは、該周縁領域よりもさらに外側の領域に対応する位置に、別途のガス導入路（スリット）およびガス導出路（スリット）が形成されており、少なくともこの別途のガス導入路に提供されたガスが、周縁領域の触媒層に提供されるようになっているものである。
【００２０】
たとえば、前記細長形状の開口（たとえばガス供給用開口）に当接する前記ガス透過層のうち、該開口の前記外側の領域に上記するスリットが形成されており、該スリットが、前記別途のガス導入路およびガス導出路となっている形態を挙げることができる。なお、この形態では、コモンレールとガス透過層に形成されたスリットを繋ぐ連絡路も該ガス透過層に形成されているのが好ましい。コモンレールを介し、この連絡路を介してガスが別途のガス導入路（スリット）に導かれ、たとえばコモンレールと平行するスリットから周縁領域の触媒層にガスが提供されることで、コモンレールを介してガスが提供される中央領域の触媒層における発電に加えて、周縁領域の触媒層における発電を保証することができ、セル全体の発電量を増加させることが可能となる。
【００２１】
また、前記細長形状の開口に当接する前記ガス透過層のうち、前記触媒層の前記内側領域に対応する領域の一部に、ガス不透過領域が形成されている燃料電池セルからなる燃料電池であってもよい。
【００２２】
この形態は、コモンレールからガス透過層に導かれたガスが直接的に中央領域に流れ込むことをガス不透過層にて遮断し、まず、周縁領域やさらに外側の領域に位置する別途のガス導入路（スリット）にガスを導くものであり、この過程で、周縁領域の触媒層にガスの提供が実行される。
【００２３】
上記するスリットにガスが導かれた後に、このスリットを流れたガスが触媒層の周縁領域から中央領域へと提供され（流れ込み）、中央領域の触媒層にもガスが提供されることとなる。
【００２４】
なお、コモンレールの長さ（延長）を短か目に調整し、ガス不透過層の長さをこのコモンレールと同程度の長さに調整することにより、ガス透過層内のスリットを流れた後のガスがこのガス不透過層の端部側方を流れ、触媒層の中央領域へ導かれるようなガス流れを保証するものであってもよい。
【００２５】
上記する本発明の燃料電池によれば、３層構造のセパレータを具備し、かつ、触媒層がコモンレールに対応する位置、もしくはそれよりも外側に形成されている燃料電池セルから構成されるものにおいて、このコモンレールよりも外側の周縁領域の触媒層にも効果的にガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を提供することができ、もって、発電面積を可及的に広げることができ、発電面積利用率のより一層高い燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、ガス透過層等において、コモンレールよりも外側にスリットを形成することにより、このスリットにガスを導く過程で、もしくは、このスリットにガスを導いた後に、ガスを周縁領域の触媒層に効果的に提供することができ、中央領域の触媒層における発電に加えて、周縁領域の触媒層における発電を担保することで、セル全体の発電量を増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の一部を拡大した縦断面図である。
【図２】図１のII−II矢視図であって、コモンレールから導入されたガスのガス流路層（ガス透過層）内における流れを平面的に見た図である。
【図３】本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの他の実施の形態の一部を拡大した縦断面図である。
【図４】図１のIV−IV矢視図であって、コモンレールから導入されたガスのガス流路層（ガス透過層）内における流れを平面的に見た図である。
【図５】従来の燃料電池を構成する燃料電池セルの実施の形態の一部を拡大した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は燃料電池セルの左側領域、より具体的には、燃料ガスが導入されるガス供給用開口を含む領域のみを取り出して拡大した図であり、実際の燃料電池セルはこれと同構造の右側領域であって、ガス排気用開口を具備する領域を有するものであることは言うまでもないことである。また、説明をよい明瞭とするべく、酸化剤ガスの供給用開口などの図示は省略しているが、たとえば、図２，４の平面図において、スリット６’ａのさらに周縁のガスケット側に酸化剤ガス導入用の開口（コモンレール）が形成された形態などであってもよい。さらに、図示例は３層構造のセパレータを有する燃料電池セルを示しているが、従来構造のセパレータ、すなわち、その一方側にガス用の溝流路が形成され、その他方側に冷却媒体用の溝流路が形成され、いわゆるコモンレールをその一方側に有するセパレータを具備する燃料電池セルであってもよい。
【００２９】
図１は、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の一部を拡大した縦断面図であり、図２は、図１のII−II矢視図であって、コモンレールから導入されたガスのガス流路層（ガス透過層）内における流れを平面的に見た図である。まず、図１で示す燃料電池セル１０は、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，２’と、から膜電極接合体３が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層４，４’（ガス透過層）が挟持して電極体５が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路層６，６’（ガス透過層、金属多孔体）が挟持し、さらに、アノード側のガス流路層６’側に３層構造のセパレータ７が配されて構成される。
【００３０】
触媒層２，２’は電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜１の両側の触媒層２，２’の周縁には該触媒層２，２’が存在しない露出領域１ａが形成され、この露出領域１ａには、カソード側およびアノード側の不図示の保護フィルムが配されて、ガス拡散層４，４’から突出する毛羽が電解質膜１の露出領域に突き刺さるのを防護している。
【００３１】
ここで、膜電極接合体３を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
【００３２】
また、触媒層２，２’は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層４，４’等の基材にたとえば塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。
【００３３】
なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
【００３４】
また、ガス拡散層４，４’は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。
【００３５】
また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、紋織、平織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層２，２’から電子を集める電極の役割を果たすとともに、生成水等を排水する撥水作用を有するものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などから形成できる。
【００３６】
また、金属多孔体６，６’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からガス流路層が形成されるものである。
【００３７】
また、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなる金属製の第１、第２のプレート７１，７２と、その間に介在する中間層７３（中間プレート）と、がろう付け等で一体化されたものである。
【００３８】
図示するセパレータ７を構成する中間層７３には、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の金属多孔体６'に燃料ガスを供給するための燃料ガスの導入路７３ｂと、セルの積層姿勢において、隣接する不図示の燃料電池セルのカソード側の金属多孔体６に酸化剤ガスを供給する（Ｚ１方向）ための導入路７３ａが形成されている。さらには、冷却水等の冷却媒体が流通する冷却用流路７３ｃが形成されている。ここで、中間層７３には、その内側の領域に冷却用流路７３ｃが形成されており、中間層７３には燃料ガス用の導入路７３ｂが形成され、これに連通する第１のプレート７１には、図２で示すように平面視で細長形状の燃料ガス用のガス供給用開口７１ａ（コモンレールとも称される）が形成され、このコモンレールを介して燃料ガスがガス流路層６’に提供されるようになっている（Ｚ２方向）。
【００３９】
また、中間層７３にはさらに酸化剤ガス用の導入路７３ａが形成され、これに連通する第２のプレート７２に形成された細長形状の酸化剤ガス用のガス供給用開口７２ａが形成されている。なお、図示しない燃料ガスや酸化剤ガスの排出路やガス排気用開口も、不図示の燃料電池セルの右側領域に形成されている。
【００４０】
図２より、アノード側の触媒層２’は、ガス供給用開口７１ａ（コモンレール）に対応する位置よりも内側の領域である中央領域２’ａと、ガス供給用開口７１ａに対応する位置およびそれよりも外側の周縁領域２’ｂと、に形成されている。
【００４１】
そして、ガス流路層６’内には、ガス供給用開口７１ａに流体連通する連絡路６’ｂと、この連絡路６’ｂに流体連通するとともに、ガス供給用開口７１ａに平行して延設するスリット６'ａが、周縁領域よりもさらに外側の領域に形成されている。
【００４２】
マニホールドＭから燃料ガスの導入路７３ｂを介し、ガス供給用開口７１ａ（コモンレール）を介して導かれた燃料ガスの一部は、連絡路６’ｂに導かれ（Ｚ５方向）、次いで、スリット６'ａに導かれて（Ｚ６方向）、図１で示すように、周縁領域の触媒層２’ｂに提供される（Ｚ６方向）。
【００４３】
一方、ガス供給用開口７１ａ（コモンレール）を介して導かれた燃料ガスの残りは、従来通り、そのままガス流路層６'の中央側へ流れ（Ｚ３方向）、中央領域の触媒層２’ａに導かれる（Ｚ４方向）。
【００４４】
図１，２で示す燃料電池セル１０の構造によれば、中央領域の触媒層２’ａのみならず、その外側の周縁領域の触媒層２’ｂにも効果的にガス（燃料ガス）を提供することができ、従来構造の燃料電池セルと同体格（同平面積）において、可及的に発電面積を広くすることができ、発電利用率は格段に広くなる。なお、不図示の酸化剤ガス用のコモンレールは、平面視で、スリット６’ａのさらに外側に配設されてもよいし、スリット６’ａと燃料ガスのガス供給用開口７１ａの間に配設されてもよい。
【００４５】
断面図であり、図４は、図１のIV−IV矢視図であって、コモンレールから導入されたガスのガス流路層（ガス透過層）内における流れを平面的に見た図である。
【００４６】
この燃料電池セル１０Ａでは、ガス拡散層６’のうち、ガス供給用開口７１ａ’（コモンレール）よりも内側にガス不透過領域６’ｃを形成したものである。このガス不透過領域６’ｃは、多孔体内に適宜の目詰めをおこなうことで容易に形成することができる。たとえば、多孔体が金属発泡焼結体からなる場合は、焼結時に当該部位の目詰め処理（もしくは、多孔が形成されないような製造方法）を実行すればよく、エキスパンドメタルからなる場合は、そのせん断加工の際に、当該部位のみせん断加工を実行しないことにより、ガス不透過層を自動的に形成することができる。
【００４７】
また、図４で示すように、図２で示すガス供給用開口７１ａに比して、ガス供給用開口７１ａ’の長さは相対的に短く形成されており、これと同程度の長さを有するガス不透過領域６’ｃがガス流路層６’内に形成されている。
【００４８】
以上の構造を呈することにより、マニホールドＭから燃料ガスの導入路７３ｂを介し、ガス供給用開口７１ａ’（コモンレール）を介して導かれた燃料ガスの一部は、ガス不透過領域６’ｃにて中央側へのガス流れが遮断され、そのために、スリット６'ａに導かれることとなる。そして、スリット６'ａに導かれる過程で、周縁領域の触媒層２’ｂに提供され（Ｚ７方向）、さらに、スリット６'ａを流れたガスは（Ｚ８方向）、ガス不透過領域６’ｃ端部の側方に形成されたスペースを介して、中央領域の触媒層２’ａに提供されることとなる（Ｚ３方向、Ｚ４方向）。
【００４９】
なお、図示を省略しているが、触媒層の周縁であって電解質膜が該触媒層と密着していない露出領域には、ガス拡散層から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さるのを防止し、さらには、射出成形されるガスケットに対して電解質膜を補強する効果を奏する保護ポリマーフィルムが接着されている。この保護ポリマーフィルムは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。
【００５０】
ガスケット８は、その端部のマニホールドＭの周縁に該マニホールドＭを囲繞する無端リブ８ａを有するものである。その成形方法の概要は、不図示の成形型内にアノード側の金属多孔体６’、電極体５、カソード側の金属多孔体６の順に収容して型閉めし、膜電極接合体４の側方のガスケット用キャビティ内に樹脂を注入する（射出成形）等の方法でおこなわれる。ここで、このガスケットの材料としては、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ウレタンＲＴＶゴムやブチルゴム系樹脂、シリコーンＲＴＶゴム、ＥＰＤＭ系樹脂等が使用できる。
【００５１】
実際の燃料電池は、所望する発電量に応じて図示する燃料電池セル１０，１０Ａが所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にターミナルプレート、絶縁プレート、およびエンドプレートが配され、セル積層方向に延設するテンションプレートを介して圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００５２】
図１〜４より、本発明の燃料電池セル１０，１０Ａが積層され、スタッキングされてなる燃料電池によれば、従来構造の燃料電池に比して、燃料ガスや酸化剤ガスが十分に提供される領域が格段に広範囲となる。そのため、従来構造の燃料電池と同体格でありながら、発電量が多く、発電性能に優れた燃料電池となるものである。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。たとえば、図示するコモンレールが、酸化剤ガス導入路であり、この内側に燃料ガス用のコモンレールが配された構造であってもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…電解質膜、１ａ…張り出している箇所、２…カソード側の触媒層、２’…アノード側の触媒層、２’ａ…中央領域の触媒層、２’ｂ…周縁領域の触媒層、３…膜電極接合体、４…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、４’…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、５…電極体、６…カソード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、６’…アノード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、６’ａ…スリット、６’ｂ…連絡路、６’ｃ…ガス不透過領域、７…セパレータ、７１…第１のプレート（アノード側プレート）、７１ａ、７１ａ’… ガス供給用開口（コモンレール）、７２…第２のプレート（カソード側プレート）、７３…中間層（中間プレート）、７３ａ…酸化剤ガスの導入路、７３ｂ…燃料ガスの導入路、７３ｃ…冷却用流路、７３’…突出部、８…ガスケット、１０，１０Ａ…燃料電池セル、Ｍ…マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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