(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、
反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極ガス拡散層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、
前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、
前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間に、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間を流れる流体の流路を狭めるための絞りを有し、
前記絞りは、前記絞りと反対側に突出するツバを有しており、
前記ツバの前記二次側ガス流路側に生成水を滞留させるための生成水捕集部を有し、
前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
【請求項２】
燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、
反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極ガス拡散層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、
前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、
前記ガス拡散層は、第１の触媒層と前記第二のガス流路との間に、前記生成水を移動させるための孔を有し、
前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
【請求項３】
燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、
反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極ガス拡散層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、
前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、
前記ガス拡散層は、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の部分に撥水層を有し、
前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
【請求項４】
燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、
反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極ガス拡散層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、
前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、
前記ガス拡散層の前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の厚さは、前記ガス拡散層の前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の厚さよりも厚く形成されており、
前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
【請求項５】
燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、
反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極ガス拡散層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、
前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、
前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間に、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間を流れる流体の流路を狭めるための絞りを有し、
前記絞りは、前記絞りと反対側に突出するツバを有しており、
前記ツバの前記二次側ガス流路側に生成水を滞留させるための生成水捕集部を有し、
前記一次側ガス流路から前記第１の触媒層へのガスの流速が、前記第１の触媒層から前記二次側ガス流路へのガスの流速よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
【請求項６】
燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、
反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、
前記膜電極ガス拡散層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、
前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、
前記第１のセパレータは、前記一次側ガス流路及び前記二次側ガス流路を形成するための凹凸を有しており、
前記一次側ガス流路を形成するための凹凸の大きさは、前記二次側ガス流路を形成するための凹凸の大きさよりも小さく、
前記一次側ガス流路の流路断面積は、前記二次側ガス流路の流路断面積よりも小さく、
前記一次側ガス流路から前記第１の触媒層へのガスの流速が、前記第１の触媒層から前記二次側ガス流路へのガスの流速よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記第１の触媒層は、カソード側触媒層である、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内における生成水のガス流路への移動（排水）に関する。
【背景技術】
【０００２】
閉塞したガス流路を有する燃料電池において、電極層と、集電体（セパレータ）と、が接する電極層側の表面に親水性物質からなる親水層を形成した燃料電池が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７９４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池では、電気化学反応により水が生成する。この水は、ガス流路を通して燃料電池の外に排出される。ここで、閉塞したガス流路を有する燃料電池では、生成水をガスが排出される二次側ガス流路に排出する必要があった。
【０００５】
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、生成水を、ガスが供給される一次側ガス流路よりも、ガスが排出される二次側ガス流路に排出されやすく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。
本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、前記膜電極ガス拡散層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、前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間に、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間を流れる流体の流路を狭めるための絞りを有し、前記絞りは、前記絞りと反対側に突出するツバを有しており、前記ツバの前記二次側ガス流路側に生成水を滞留させるための生成水捕集部を有し、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きくなるように構成されている。この形態の燃料電池によれば、第１の触媒層と一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、第１の触媒層と二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きいので、生成水を二次側ガス流路に移動させやすい。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、前記膜電極ガス拡散層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、前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、第１の触媒層と一次側ガス流路との間の水の移動抵抗が、第１の触媒層と二次側ガス流路との間の水の移動抵抗よりも大きいので、生成水を二次側ガス流路に移動させやすい。
【０００８】
［適用例２］
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された第１、第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側にそれぞれ配置される第１、第２のガス拡散層と、を有する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を狭持する第１、第２のセパレータプレートと、反応ガスを前記膜電極ガス拡散層接合体に供給するための供給用マニホールドと、前記膜電極ガス拡散層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、前記第１のセパレータプレートには、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一次側ガス流路を形成する供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための二次側ガス流路を形成する排出側流路溝と、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、前記一次側ガス流路から前記第１の触媒層へのガスの流速が、前記第１の触媒層から前記二次側ガス流路へのガスの流速よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、一次側ガス流路から第１の触媒層へのガスの流速が、第１の触媒層から二次側ガス流路へのガスの流速よりも大きくなるように構成されているので、生成水を二次側ガス流路に移動させやすい。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間に、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間を流れる流体の流路を狭めるための絞りを有している、燃料電池。
この適用例１によれば、絞りにより、第１の触媒層と一次側ガス流路との間の水の移動抵抗を大きくし、あるいは、一次側ガス流路から第１の触媒層へのガスの流速を大きくすることが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
適用例３に記載の燃料電池において、前記絞りは、前記絞りと反対側に突出するツバを有しており、前記ツバの前記二次側ガス流路側に生成水を滞留させるための生成水捕集部を有する、燃料電池。
この適用例によれば、生成水捕集部に生成水を滞留させることが出来る。そして、燃料電池が乾燥した時には、生成水捕集部から生成水を供給することにより、乾燥を抑制することが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１に記載の燃料電池において、前記ガス拡散層は、第１の触媒層と前記第二のガス流路との間に、前記生成水を移動させるための孔を有する、燃料電池。
この孔により第二のガス流路に生成水を移動させやすくすることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例１に記載の燃料電池において、前記ガス拡散層は、前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の部分に撥水層を有する、燃料電池。
この適用例によれば、撥水層により、第１の触媒層から一次側ガス流路への生成水の移動を抑制し、二次側ガス流路への生成水の移動を起こりやすくできる。
【００１３】
［適用例７］
適用例１に記載の燃料電池において、前記ガス拡散層の前記第１の触媒層と前記一次側ガス流路との間の厚さは、前記ガス拡散層の前記第１の触媒層と前記二次側ガス流路との間の厚さよりも厚く形成されている、燃料電池。
この適用例によれば、ガス拡散層の第１の触媒層と一次側ガス流路との間の厚さが、第１の触媒層と二次側ガス流路との間の厚さよりも厚く形成されているので、透水抵抗を大きくする事が可能となる。
【００１４】
［適用例８］
適用例２に記載の燃料電池において、前記一次側ガス流路の流路断面積は、前記二次側ガス流路の流路断面積よりも小さい、燃料電池。
この適用例によれば、一次側ガス流路の流路断面積は、二次側ガス流路の流路断面積よりも小さいので、一次側ガス流路の流速が速くなり、一次側ガス流路に生成水が移動しにくくなる。
【００１５】
［適用例９］
適用例８に記載の燃料電池において、前記第１のセパレータは、前記一次側ガス流路及び前記二次側ガス流路を形成するための凹凸を有しており、前記一次側ガス流路を形成するための凹凸の大きさは、前記二次側ガス流路を形成するための凹凸の大きさよりも小さい、燃料電池。
第１のセパレータをこのように形成することにより、一次側ガス流路の流路断面積を、二次側ガス流路の流路断面積よりも小さくすることができる。
【００１６】
［適用例１０］
適用例１から適用例９までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、前記第１の触媒層は、カソード側触媒層である、燃料電池。
上記構成は、生成水が生じるカソード側に採用してもよい。
【００１７】
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、燃料電池の他、生成水の排出方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】アノード側セパレータプレート３１０を示す説明図である。
【図３】カソード側セパレータプレート３６０を示す説明図である。
【図４】燃料電池の断面構造を模式的に示す説明図である。
【図５】生成水の酸化ガス一次側流路３８０への移動を抑制するための構造の一例を示す説明図である。
【図６】図５の絞りの形状を変えた変形例である。
【図７】絞りの他の構成を示す説明図である。
【図８】絞りを有するガス拡散層の形成を示す説明図である。
【図９】酸化ガスの流速を高めるための別の構成を示す説明図である。
【図１０】低透気度領域２６６を有するカソード側ガス拡散層２４０の製造を模式的に示す説明図である。
【図１１】第２の実施例を示す説明図である。
【図１２】第２の実施例の変形例を示す説明図である。
【図１３】従来の生成水の移動を示す説明図である。
【図１４】本実施例における生成水の移動を模式的に示す説明図である。
【図１５】第３の実施例の一例を示す説明図である。
【図１６】第３の実施例の変形例を示す説明図である。
【図１７】第３の実施例の他の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１００は、膜電極ガス拡散層接合体２００と、セパレータ３００と、エンドプレート２０２、２０４を備える。本実施例では、膜電極ガス拡散層接合体２００とセパレータ３００は、交互に積層されている。エンドプレート２０２、２０４は、膜電極ガス拡散層接合体２００とセパレータ３００の積層方向両端にそれぞれ配置されている。燃料電池１００には、燃料ガス供給マニホールド１１２と、燃料ガス排出マニホールド１１４と、冷媒供給マニホールド１１６と、冷媒排出マニホールド１１８と、酸化ガス供給マニホールド１２０と、酸化ガス排出マニホールド１２２とが形成されており、これらの各種マニホールド１１２〜１２２は、膜電極ガス拡散層接合体２００とセパレータ３００とが積層する方向に燃料電池１００を貫通している。
【００２０】
セパレータ３００は、アノード側セパレータプレート３１０と、カソード側セパレータプレート３６０と、を備える。図２は、アノード側セパレータプレート３１０を示す説明図である。図２において、アノード側セパレータプレート３１０の手前側には、膜電極ガス拡散層接合体２００が配置され、アノード側セパレータプレート３１０の奥側には、カソード側セパレータプレート３６０が配置される。アノード側セパレータプレート３１０は、例えば金属製の板状部材であり、外縁部には、複数の開口部３１２〜３２２が設けられている。これらの開口部３１２〜３２２は、それぞれ、図１で示した各種マニホールド１１２〜１２２の一部を形成する。アノード側セパレータプレート３１０には、カソード側セパレータプレート３６０側に凸となる溝３３１、３３６と、溝３３１、３３６の間に形成される隔壁３３３とを有する。溝３３１は、膜電極ガス拡散層接合体２００との間に燃料ガス一次側流路３３０を形成し、溝３３６は、膜電極ガス拡散層接合体２００との間に燃料ガス二次側流路３３５を形成する。燃料ガス一次側流路３３０は、開口部３１２と接続されており、燃料ガス二次側流路３３５は、開口部３１４と接続されている。なお、燃料ガス一次側流路３３０と燃料ガス二次側流路３３５とは接続されておらず、燃料ガス一次側流路３３０の下流は閉塞されており、燃料ガス二次側流路３３５の上流は、閉塞されている。また、燃料ガス一次側流路３３０の下流側と、燃料ガス二次側流路３３５の上流側は、それぞれ、櫛の歯の形状を有しており、互いの歯が交互に位置するように配置されている。開口部３１２〜３２２と、溝３３１、３３６と、隔壁３３３とは、金属製の板をプレスすることにより容易に形成することができる。
【００２１】
上述したように、開口部３１２は、燃料ガス供給マニホールド１１２（図１）の一部を形成している。燃料ガス供給マニホールド１１２に供給された燃料ガスは、開口部３１２を介して燃料ガス一次側流路３３０に供給される。燃料ガス一次側流路３３０の下流は閉塞しているが、燃料ガス一次側流路３３０には、膜電極ガス拡散層接合体２００が隣接している。そのため、燃料ガスは、膜電極ガス拡散層接合体２００に供給されて、燃料電池の電気化学反応に消費される。消費されなかった燃料ガスは、膜電極ガス拡散層接合体２００から燃料ガス二次側流路３３５に排出される。さらに、燃料ガスは、開口部３１４から燃料ガス排出マニホールド１１４を通り、燃料電池１００の外部に排出される。
【００２２】
図３は、カソード側セパレータプレート３６０を示す説明図である。図３において、カソード側セパレータプレート３６０の手前側には、アノード側セパレータプレート３１０が配置され、カソード側セパレータプレート３６０の奥側には、膜電極ガス拡散層接合体２００が配置される。カソード側セパレータプレート３６０は、例えば金属製の板状部材であり、外縁部に、複数の開口部３６２〜３７２が設けられている。これらの開口部３６２〜３７２は、それぞれ、図１で示した各種マニホールド１１２〜１２２の一部を形成する。カソード側セパレータプレート３６０には、アノード側セパレータプレート３１０側に凸となる溝３８１、３８６と、溝３８１、３８６の間に形成される隔壁３８３とを有する。溝３８１は、膜電極ガス拡散層接合体２００との間に酸化ガス一次側流路３８０を形成し、溝３８６は、膜電極ガス拡散層接合体２００との間に酸化ガス二次側流路３８５を形成する。酸化ガス一次側流路３８０は、開口部３７０と接続されており、酸化ガス二次側流路３８５は、開口部３７２と接続されている。なお、酸化ガス一次側流路３８０と酸化ガス二次側流路３８５とは接続されておらず、酸化ガス一次側流路３８０の下流は閉塞され、酸化ガス二次側流路３８５の上流は閉塞されている。また、酸化ガス一次側流路３８０の下流側と、酸化ガス二次側流路３８５の上流側は、それぞれ、櫛の歯の形状を有しており、互いの歯が交互に位置するように配置されている。開口部３６２〜３７２と、溝３８１、３８６と、隔壁３８３とは、金属製の板をプレスすることにより容易に形成することができる。
【００２３】
上述したように、開口部３７０は、酸化ガス供給マニホールド１２０（図１）の一部を形成している。酸化ガス供給マニホールド１２０に供給された酸化ガスは、開口部３７０を介して酸化ガス一次側流路３８０に供給される。酸化ガス一次側流路３８０の下流は閉塞しているが、酸化ガス一次側流路３８０には、膜電極ガス拡散層接合体２００が隣接している。そのため、酸化ガスは、膜電極ガス拡散層接合体２００に供給されて、燃料電池の電気化学反応に消費される。消費されなかった酸化ガスと、燃料電池の電気化学反応により生じた水（以下「生成水」と呼ぶ。）は、膜電極ガス拡散層接合体２００から酸化ガス二次側流路３８５に排出される。さらに、酸化ガス及び生成水は、開口部３７２から酸化ガス排出マニホールド１２２を通り、燃料電池１００の外部に排出される。
【００２４】
図４は、燃料電池の断面構造を模式的に示す説明図である。図１で説明したように、燃料電池は、膜電極ガス拡散層接合体２００と、セパレータ３００とが、交互に配置されている。膜電極ガス拡散層接合体２００は、膜電極接合体２１０と、カソード側ガス拡散層２４０と、アノード側ガス拡散層２５０とを備える。膜電極接合体２１０は、電解質膜２２０と、カソード側触媒層２３０と、アノード側触媒層２３５と、を備える。
【００２５】
電解質膜２２０として、固体高分子材料、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。カソード側触媒層２３０は電解質膜２２０の一方の面に形成され、アノード側触媒層２３５は、電解質膜２２０の他方の面に形成されている。カソード側触媒層２３０とアノード側触媒層２３５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。カソード側ガス拡散層２４０は、カソード側触媒層２３０に接するように配置され、アノード側ガス拡散層２５０は、アノード側触媒層２３５に接するように配置されている。カソード側ガス拡散層２４０、アノード側ガス拡散層２５０として、例えば、チタン製などの金属あるいは導電性樹脂で形成された多孔体を用いることができる。また、カソード側ガス拡散層２４０、アノード側ガス拡散層２５０として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いてもよい。
【００２６】
セパレータ３００は、上述したように、アノード側セパレータプレート３１０と、カソード側セパレータプレート３６０と、を備える。本実施例では、アノード側セパレータプレート３１０の溝３３１と、カソード側セパレータプレート３６０の溝３８６とが対向し、アノード側セパレータプレート３１０の溝３３６と、カソード側セパレータプレート３６０の溝３８１とが対向している。また、アノード側セパレータプレート３１０と、カソード側セパレータプレート３６０と、の間には、冷媒流路３９０が形成されている。
【００２７】
図４には、生成水が移動しようとする力を示す２つの力Ｆ１、Ｆ２が記載されている。力Ｆ１は、生成水が、酸化ガス一次側流路３８０に移動しようとする力を示している。この力Ｆ１は、毛管圧（表面張力差）と、液圧を駆動力とする力に起因する。力Ｆ２は、生成水が酸化ガス二次側流路３８５に移動するための力を示している。この力Ｆ２は、流速によるせん断力で発生する差圧を駆動力とする力に起因する。この力Ｆ１、Ｆ２の大きさのバランスにより、酸化ガス一次側流路３８０に生成水が移動するか否かが決まる。すなわち、力Ｆ１＜力Ｆ２とすることにより、生成水の酸化ガス一次側流路３８０への移動を抑制することができる。
【００２８】
図５は、生成水の酸化ガス一次側流路３８０への移動を抑制するための構造の一例を示す説明図である。図５に示す構成は、カソード側ガス拡散層２４０に酸化ガス一次側流路３８０とカソード側触媒層２３０との間を流れるガスの流路を狭めるための絞り２６０を有する。なお、酸化ガス二次側流路３８５と、カソード側触媒層２３０と、の間には絞り２６０が設けられていない。この実施例では、酸化ガス一次側流路３８０からカソード側触媒層２３０に流れる酸化ガスの流速は、絞り２６０部分で増加する。流速Ｖと差圧ΔＰの間には、式（１）に示す関係、すなわち、差圧ΔＰは流速の２乗に比例するという関係がある。
【数１】
0005454427.tif 000002
ここで、κは比例係数、Ｖは流速、ΔＰは差圧である。差圧ΔＰは、流速Ｖの二乗に比例するので、絞り２６０により、酸化ガス一次側流路３８０からカソード側触媒層２３０に流れる酸化ガスの流速を上げることにより、差圧ΔＰを増加させることができる。
【００２９】
この実施例では、差圧ΔＰを増加させることにより、力Ｆ１とＦ２のバランスを変化させて、酸化ガス一次側流路３８０への生成水の移動を抑制し、生成水の移動を酸化ガス二次側流路３８５へ限定することが可能となる。
【００３０】
本実施例において、絞り２６０は、酸化ガス一次側流路３８０の中流部（酸化ガス一次側流路３８０の分岐部近傍（上流部）と先端部（下流部）との間のほぼ中間位置）に設けられていることが好ましい。なお、絞り２６０は、酸化ガス一次側流路３８０のほぼ全面に形成されていても良い。
【００３１】
なお、本実施例では、絞り２６０を絞ること、あるいは、酸化ガス一次側流路３８０からカソード側触媒層２３０に流れる酸化ガスの流速を上げることは、生成水の移動を妨げる抵抗として作用すると考えることも可能である。
【００３２】
［変形例１］
図６は、図５の絞りの形状を変えた変形例である。この変形例では、絞り２６０は、酸化ガス二次側流路３８５側に突き出たツバ２６１を有しており、ツバ２６１とカソード側セパレータプレート３６０との間に生成水捕集部２６２を形成している。ツバ２６１の酸化ガス二次側流路３８５側は、ガスが流れ難い澱みとなっており、生成水が滞留しやすい。すなわち、この変形例では、ツバ２６１とカソード側セパレータプレート３６０との間を、生成水捕集部２６２として、生成水を一次的に滞留させる生成水ポケットとして利用する事が出来る。例えば、燃料電池１００が高温となった場合には、生成水捕集部２６２から電解質膜２２０、カソード側触媒層２３０に対して生成水が水蒸気として供給される。その結果、電解質膜２２０、カソード側触媒層２３０のドライアップを抑制することができる。
【００３３】
なお、本変形例では、酸化ガス一次側流路３８０、酸化ガス二次側流路３８５が閉塞しているため、本変形例のような、生成水捕集部２６２を備える構成が可能となる。一般に、生成水捕集部２６２には、生成水が滞留するため、酸化ガスは、生成水捕集部２６２を流れにくい。したがって、酸化ガス一次側流路３８０、酸化ガス二次側流路３８５が閉塞していない場合、生成水捕集部２６２に滞留した生成水により酸化ガスの流れが抑制され、燃料電池の発電性能に悪影響を与える恐れがあった。これに対し、酸化ガス一次側流路３８０、酸化ガス二次側流路３８５が閉塞している場合、酸化ガス一次側流路３８０から供給された酸化ガスは、絞り２６０の位置よりもカソード側触媒層２３０側のカソード側ガス拡散層２４０、あるいは、カソード側触媒層２３０を経由して、酸化ガス二次側流路３８５に流れる。したがって、酸化ガスは、カソード側触媒層２３０近傍を通過するため、カソード側触媒層２３０の酸化ガスが十分に供給される。そのため、絞り２６０が生成水捕集部２６２を備えていても、燃料電池の発電性能に及ぼす悪影響は極めて小さい。したがって、酸化ガス一次側流路３８０、酸化ガス二次側流路３８５が閉塞している本変形例では、このような、生成水捕集部２６２を有する構成が可能となる。
【００３４】
［変形例２］
図７は、絞りの他の構成を示す説明図である。図７では、絞り２６４は、カソード側触媒層２３０に近いほど段々と狭くなる構成を有している。また、絞り２６４は、酸化ガス二次側流路３８５側に突き出たツバ２６１を有しており、ツバ２６１とカソード側セパレータプレート３６０との間に生成水捕集部２６２が形成されている。このように、絞り２６４がカソード側触媒層２３０に近いほど段々と狭くなる構成であっても、酸化ガス一次側流路３８０からカソード側触媒層２３０に流れる酸化ガスの流速を早めることができる。
【００３５】
［絞りの製造工程］
図８は、絞りを有するガス拡散層の形成を示す説明図である。工程（Ａ）では、触媒層側カソードガス拡散層２４１を準備する。触媒層側カソードガス拡散層２４１の厚さは、カソード側ガス拡散層２４０（図４）の厚さよりも薄い。工程（Ｂ）では、触媒層側カソードガス拡散層２４１の上に絞り２６０を配置する。絞り２６０は、例えば金属で構成されており、導電性を有することが好ましい。ここで、絞り２６０は、触媒層側カソードガス拡散層２４１と平行な部分２６０ａと、垂直な部分２６０ｂとを有している。また、絞り２６０は、酸化ガス一次側流路３８０からカソード側触媒層２３０に流れるガスの流路幅に合わせた間隔を空けて配置される。
【００３６】
工程（Ｃ）では、セパレータ側カソードガス拡散層２４２を、絞り２６０の垂直な部分２６０ｂ側に配置する。このとき、セパレータ側カソードガス拡散層２４２の厚さは、絞り２６０の垂直な部分２６０ｂの長さと等しいことが好ましい。工程（Ｄ）では、プレスにより、触媒層側カソードガス拡散層２４１とセパレータ側カソードガス拡散層２４２とを一体化する。このとき、絞り２６０の垂直な部分２６０ｂは、セパレータ側カソードガス拡散層２４２に突き刺さり、絞り２６０の位置が固定される。
【００３７】
なお、本実施例では、絞り２６０と、カソード側セパレータプレート３６０とは、別の部材であったが、絞り２６０と、カソード側セパレータプレート２８０とを一体として形成してもよい。
【００３８】
［変形例３］
図９は、酸化ガスの流速を高めるための別の構成を示す説明図である。この実施例では、カソード側ガス拡散層２４０は、酸化ガス一次側流路３８０の近傍に、酸化ガスを通しにくい低透気度領域２６６を有する。低透気度領域２６６は、上述した絞り２６０と同様に、酸化ガス一次側流路３８０とカソード側触媒層の間を流れるガスの流路を狭め、ガスの流速を上げる効果を有する。その結果、酸化ガス一次側流路３８０への生成水の移動を抑制し、生成水の移動を酸化ガス二次側流路３８５へ限定することが可能となる。
【００３９】
図１０は、低透気度領域２６６を有するカソード側ガス拡散層２４０の製造を模式的に示す説明図である。まず多孔体であるカソード側ガス拡散層２４０を準備する。次に、シリンジ４００を用いて、樹脂４０２をカソード側ガス拡散層２４０の低透気度領域２６６を形成したい部分に垂らす。樹脂４０２は、カソード側ガス拡散層２４０の多孔構造に浸透し、多孔構造を埋める。これにより、樹脂４０２が浸透した部分は、ガスが透過し難くなり、低透気度領域２６６となる。このように、低透気度領域２６６は、樹脂４０２を垂らして多孔構造に樹脂を浸透させることにより、容易に形成することができる。
【００４０】
［第２の実施例］
図１１は、第２の実施例を示す説明図である。第２の実施例では、溝３８１、３８６の高さを変えずに、溝３８１部分のカソード側セパレータプレート３６０の厚さを厚くすることにより、酸化ガス一次側流路３８０の流路断面積を酸化ガス二次側流路３８５の流路断面積よりも小さくしている。この実施例では、酸化ガス一次側流路３８０の流路断面積の方が、酸化ガス二次側流路３８５の流路断面積よりも小さいので、酸化ガス一次側流路３８０の方が、ガスの流速が大きい。その結果、式（１）より、酸化ガス二次側流路３８５よりも酸化ガス一次側流路３８０の方が、差圧が増加する。したがって、酸化ガス一次側流路３８０への生成水の移動を抑制することができる。なお、第２の実施例のカソード側セパレータプレート３６０は、例えば、溝３８１、３８６を削り出すことにより形成することができる。
【００４１】
［変形例４］
図１２は、第２の実施例の変形例を示す説明図である。この変形例では、溝３８１、３８６におけるカソード側セパレータプレート３６０の厚さを変えずに、溝３８１の高さを、溝３８６の高さより低くすることにより、酸化ガス一次側流路３８０の流路断面積を酸化ガス二次側流路３８５の流路断面積よりも小さくしている。なお、この変形例では、アノード側セパレータプレート３１０において、溝３３１の高さは、溝３３６の高さよりも低く構成されている。この変形例では、カソード側セパレータプレート３６０、アノード側セパレータプレート３１０の厚さが場所により変わらないので、プレスにより、容易に形成することができる。
【００４２】
［第３の実施例］
図１３は、従来の生成水の移動を示す説明図である。生成水は、カソード側触媒層２３０で生成し、カソード側ガス拡散層２４０を通って、酸化ガス一次側流路３８０と酸化ガス二次側流路３８５に移動する。なお、生成水は、カソード側触媒層２３０のほぼ法線方向に移動する。ここで、酸化ガス一次側流路３８０と酸化ガス二次側流路３８５が閉塞されている場合、酸化ガス一次側流路３８０からは生成水を排出することができない。そのため、生成水は、酸化ガス一次側流路３８０からカソード側ガス拡散層２４０を通って、酸化ガス二次側流路３８５に移動する。ここで、生成水が全て酸化ガス一次側流路３８０から酸化ガス二次側流路３８５に移動すれば良いが、移動しきれない場合には、生成水は、酸化ガス一次側流路３８０に滞留し、酸化ガス一次側流路３８０の下流部への酸化ガスの流れを妨げて、発電面積を縮小させる恐れがあった。そこで、生成水が酸化ガス一次側流路３８０に移動しにくい構成、あるいは、生成水が酸化ガス二次側流路３８５に移動しやすい構成を採用することが望ましい。
【００４３】
図１４は、本実施例における生成水の移動を模式的に示す説明図である。本実施例では、カソード側触媒層２３０のうち酸化ガス二次側流路３８５の下のカソード側触媒層２３０で生成した生成水について、カソード側触媒層２３０のほぼ法線方向に移動させる。一方、カソード側触媒層２３０のうち酸化ガス一次側流路３８０の下のカソード側触媒層２３０で生成した生成水については、カソード側触媒層２３０のほぼ法線方向には移動させずに、酸化ガス二次側流路３８５の方向、すなわち、法線に対して斜め方向に移動させる。これにより、酸化ガス一次側流路３８０の下のカソード側触媒層２３０で生成した生成水を酸化ガス一次側流路３８０へ移動させずに、酸化ガス二次側流路３８５に移動させることができる。以下、生成水のこの移動を実現させる構成について説明する。
【００４４】
図１５は、第３の実施例の一例を示す説明図である。この実施例では、カソード側ガス拡散層２４０は、孔２４３、２４４を有する。孔２４３は、カソード側触媒層２３０に対し、ほぼ法線方向に形成され、カソード側触媒層２３０のうちの酸化ガス二次側流路３８５の下部部分と、酸化ガス二次側流路３８５との間を結んでいる。孔２４４は、カソード側触媒層２３０に対し、斜め方向に形成され、カソード側触媒層２３０のうちの酸化ガス一次側流路３８０の下部部分と、酸化ガス二次側流路３８５との間を結んでいる。孔２４３、２４４は、カソード側ガス拡散層２４０の多孔構造を形成する孔よりも大きな孔である。そのため、孔２４３、２４４は、カソード側ガス拡散層２４０の多孔構造よりも生成水を透過させ易い。すなわち、酸化ガス一次側流路３８０の下のカソード側触媒層２３０で生成した生成水を酸化ガス一次側流路３８０へ移動させずに、酸化ガス二次側流路３８５に移動させることができる。
【００４５】
なお、本実施例のカソード側セパレータプレート３６０は、第１、第２の実施例で説明したカソード側セパレータプレート３６０の形状と異なっている。すなわち、第１、第２の実施例で説明したカソード側セパレータプレート３６０は、プレスにより、平板を折り曲げて溝３８１、３８６を形成しているが、第３の実施例のカソード側セパレータプレート３６０は、平板に溝を掘って溝を形成している点で異なる。しかし、第３の実施例において、第１、第２の実施例で用いたプレスによるカソード側セパレータプレート３６０を用いてもよく、第１、第２の実施例において、第３の実施例で用いた、溝を掘ることにより形成されるカソード側セパレータプレート３６０を用いてもよい。
【００４６】
［変形例５］
図１６は、第３の実施例の変形例を示す説明図である。この変形例は、酸化ガス一次側流路３８０の下側にあたるカソード側ガス拡散層２４０と、カソード側触媒層２３０との接触面に撥水層２６８を有する。撥水層２６８は、酸化ガスは通すが、生成水は通さない。これにより、酸化ガス一次側流路３８０の下側にあたるカソード側触媒層２３０で生成した生成水は、撥水層２６８により酸化ガス一次側流路３８０方向への移動を遮られ、カソード側触媒層に沿って酸化ガス二次側流路３８５の下側にあたる領域に移動し、次いで、酸化ガス二次側流路３８５方向に移動する。また、撥水層２６８は、酸化ガスを通すので、撥水層２６８の下部における電気化学反応が阻害されにくい。なお、本変形例では、酸化ガス一次側流路３８０の下側にあたるカソード側ガス拡散層２４０と、カソード側触媒層２３０との接触面に撥水層２６８を有するが、撥水層２６８の位置は様々な位置を採用することが可能である。例えば、酸化ガス一次側流路３８０の下側にあたるカソード側ガス拡散層２４０と、カソード側セパレータプレート３６０との接触面に撥水層２６６を有しても良く（図１６（Ｂ））、酸化ガス一次側流路３８０とカソード側触媒層２３０との中間部分に撥水層２６６を有してもよい（図１６（Ｃ））。いずれの構成であっても、酸化ガス一次側流路３８０への生成水の移動を抑制することが可能となる。
【００４７】
［変形例６］
図１７は、第３の実施例の他の変形例を示す説明図である。この変形例は、酸化ガス一次側流路３８０の位置におけるカソード側ガス拡散層２４０の厚さ（酸化ガス一次側流路３８０とカソード側触媒層２３０との間隔）を、酸化ガス二次側流路３８５の位置におけるカソード側ガス拡散層２４０の厚さ（酸化ガス二次側流路３８５とカソード側触媒層２３０との間隔）よりも厚く形成している。これにより、生成水がカソード側触媒層２３０から酸化ガス一次側流路３８０に移動するときの抵抗を、生成水がカソード側触媒層２３０から酸化ガス二次側流路３８５に移動するときの抵抗より大きくすることができる。その結果、カソード側触媒層２３０からの生成水を、酸化ガス一次側流路３８０よりも、酸化ガス二次側流路３８５へ移動させやすい。
【００４８】
上記説明において、電気化学反応により生成水が生成するカソード側の構成について説明したが、上記構成は、カソード側だけでなく、アノード側において採用してもよい。
【００４９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５０】
１００…燃料電池
１１２…燃料ガス供給マニホールド
１１４…燃料ガス排出マニホールド
１１６…冷媒供給マニホールド
１１８…冷媒排出マニホールド
１２０…酸化ガス供給マニホールド
１２２…酸化ガス排出マニホールド
２００…膜電極ガス拡散層接合体
２０２…エンドプレート
２１０…膜電極接合体
２２０…電解質膜
２３０…カソード側触媒層
２３５…アノード側触媒層
２４０…カソード側ガス拡散層
２４１…触媒層側カソードガス拡散層
２４２…セパレータ側カソードガス拡散層
２４３…孔
２４４…孔
２５０…アノード側ガス拡散層
２６０ａ…部分
２６０ｂ…部分
２６１…ツバ
２６２…生成水捕集部
２６６…低透気度領域
２６８…撥水層
２８０…カソード側セパレータプレート
３００…セパレータ
３１０…アノード側セパレータプレート
３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２…開口部
３３０…燃料ガス一次側流路
３３１…溝
３３３…隔壁
３３５…燃料ガス二次側流路
３３６…溝
３６０…カソード側セパレータプレート
３６２、３６４、３６６、３６８、３７０、３７２…開口部
３８０…酸化ガス一次側流路
３８１…溝
３８３…隔壁
３８５…酸化ガス二次側流路
３８６…溝
３９０…冷媒流路
４００…シリンジ
４０２…樹脂
Ｖ…流速
ΔＰ…差圧
Ｆ１…力
Ｆ２…力
【図１】
0005454427.tif 000003
【図２】
0005454427.tif 000004
【図３】
0005454427.tif 000005
【図４】
0005454427.tif 000006
【図５】
0005454427.tif 000007
【図６】
0005454427.tif 000008
【図７】
0005454427.tif 000009
【図８】
0005454427.tif 000010
【図９】
0005454427.tif 000011
【図１０】
0005454427.tif 000012
【図１１】
0005454427.tif 000013
【図１２】
0005454427.tif 000014
【図１３】
0005454427.tif 000015
【図１４】
0005454427.tif 000016
【図１５】
0005454427.tif 000017
【図１６】
0005454427.tif 000018
【図１７】
0005454427.tif 000019