(57)【要約】【課題】燃料電池の温度が低い状態から発電を開始しても、触媒層とガス拡散層の境界付近に水が溜まらず、ガス拡散層が触媒層から剥離して変形することを抑制することができる燃料電池を提供すること。【解決手段】ガス拡散層が、第１面と第２面とを有し、第１面側にガス流路が形成され、ガス流路の触媒層側の面と第２面とを厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、ガス流路には、ガス流れ方向に沿って複数の第１部分および第２部分が交互に形成されており、第１部分のガス流れ方向の流路断面積は、第２部分のガス流れ方向の流路断面積より小さくなるよう構成され、貫通孔は、第１部分に隣接して配置されており、第１部分でガスの流れが絞られ、第１部分のガスの流速が速くなるよう形成されている。【選択図】図１
2014175103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、前記電解質を挟むように設けられた一対の触媒層と、前記一対の触媒層および前記電解質を挟むように設けられた一対のガス拡散層からなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように設けられた一対のセパレータで構成される燃料電池であって、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、第１面とその反対側に位置する第２面とを有し、前記第１面側にガス流路が形成され、
前記ガス流路の底面と前記第２面とを厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、
前記ガス流路は、ガス流れ方向に沿って複数の第１部分および第２部分が交互に形成されており、
前記第１部分のガス流れ方向の流路断面積は、前記第２部分のガス流れ方向の流路断面積より小さくなるよう構成され、
前記貫通孔は、前記第１部分に隣接して配置される、燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層と接するセパレータは、前記ガス拡散層と接する側の面が平坦な形状を有することを特長とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
電解質と、前記電解質を挟むように設けられた一対の触媒層と、前記一対の触媒層および前記電解質を挟むように設けられた一対のガス拡散層からなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記ガス拡散層と接する面にガス流路が形成された一対のセパレータで構成される燃料電池であって、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方が、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔が設けられたガス拡散層に接する前記一対のセパレータに形成された前記ガス流路は、ガス流れ方向に沿って複数の第１部分および第２部分が交互に形成されており、
前記第１部分のガス流れ方向の流路断面積は、前記第２部分のガス流れ方向の流路断面積より小さくなるよう構成され、
前記ガス拡散層に形成された前記貫通孔は、前記第１部分に隣接して配置される、燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流路の第１部分および前記貫通孔が、前記燃料電池の発電時の面内の水蒸気分圧が高い位置のガス流路ほど、多く配置されることを特長とする、請求項１ないし３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記貫通孔は、前記触媒層から前記ガス流路に向けて、前記ガス流れ方向の下流側に向かって傾斜することを特長とする、請求項１ない４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス拡散層は、導電性粒子と、高分子樹脂を主成分とした多孔質部材から構成され、前記貫通孔が設けられていない状態で、その透気度を測定した場合に、ガーレー秒数が１００以上であることを特長とする、請求項１ないし５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、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池に関し、特に排水性を向上するガス拡散層を用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスとを反応させ、電気と熱を作り出し、燃料のもつ化学エネルギーを直接あるいは間接的に電気エネルギーに変換するので、高い発電効率を得ることができる。
【０００３】
燃料ガスを燃料電池のアノードに供給し、酸化剤ガスを燃料電池のカソードに供給すると、燃料ガス中に含まれる水素と、酸化剤ガス中に含まれる酸素が反応して、カソードで生成水が発生する。
【０００４】
特に高い電流密度においては、生成水がより多く発生するので、生成水が系内に滞留し、触媒表面を覆って水詰まり現象（フラッディング）を引き起こし、電圧低下を引き起こす場合がある。
【０００５】
そこで、従来の燃料電池は、カソードに配置するガス拡散層に撥水性を付与し、排水性を向上させ、生成水が系内に滞留しないようにしていた。
【０００６】
また、図７に示すように、さらに排水性を向上させるために、ガス拡散層１０３ａの厚み方向に貫通した穴１０４を形成し、その貫通孔１０４を通して液体状態の生成水を排出する構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１１１２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者らは、燃料電池の温度が低い状態から発電を開始する場合に、触媒層とガス拡散層の境界付近に水分子が複数個結合したミストが滞留し、そのミストを核として次々と水蒸気が凝縮して局部的に水が溜まる領域が形成され、発生する水圧により、ガス拡散層が押し上げられ、ガス拡散層が触媒層から剥離して変形するという課題が発生することを見出した。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池の温度が低い状態から発電を開始しても、触媒層とガス拡散層の境界付近に水が溜まらず、ガス拡散層が触媒層から剥離して変形することを抑制することができる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】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、ガス拡散層が、第１面とその反対側に位置する第２面とを有し、第１面側にガス流路が形成され、ガス流路の底面と第２面とを厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、ガス流路には、ガス流れ方向に沿って複数の第１部分および第２部分が交互に形成されており、第１部分のガス流れ方向の流路断面積は、第２部分のガス流れ方向の流路断面積より小さくなるよう構成され、貫通孔は、第１部分に隣接して配置されており、第１部分でガスの流れが絞られ、第１部分のガス
の流速が速くなることにより、第１部分に隣接する貫通孔の部分の圧力が下がり、貫通孔から液体の状態の生成水が、効率よく吸い出され、速やかに系外へ排出することができ、触媒層とガス拡散層の間で水が溜まることが抑制され、ガス拡散層が触媒層から剥離して変形することを防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池によれば、ガス拡散層の保湿性を保持したまま、排水性を向上するので、ガスの露点が燃料電池の温度より低い運転条件でも、発電性能に優れた燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池の要部概略構成平面図および断面図
【図２】同燃料電池のガス拡散層の概略構成平面図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池のガス拡散層の概略構成平面図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池の要部概略構成平面図および断面図
【図５】本発明の実施の形態４における燃料電池の要部概略構成平面図および断面図
【図６】本発明の実施の形態５における燃料電池の要部概略構成断面図
【図７】従来の燃料電池の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、電解質と、前記電解質を挟むように設けられた一対の触媒層と、前記一対の触媒層および前記電解質を挟むように設けられた一対のガス拡散層からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように設けられた一対のセパレータで構成される燃料電池であって、前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、第１面とその反対側に位置する第２面とを有し、前記第１面側にガス流路が形成され、前記ガス流路の底面と前記第２面とを厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、前記ガス流路は、ガス流れ方向に沿って複数の第１部分および第２部分が交互に形成されており、前記第１部分のガス流れ方向の流路断面積は、前記第２部分のガス流れ方向の流路断面積より小さくなるよう構成され、前記貫通孔は、前記第１部分に隣接して配置されるものである。
【００１４】
この構成により、第１部分でガスの流れが絞られ、第１部分のガスの流速が速くなることにより、第１部分に隣接する貫通孔の部分の圧力が下がり、貫通孔から液体の状態の生成水が、効率よく吸い出され、速やかに系外へ排出することができ、触媒層とガス拡散層の間で水が溜まることが抑制され、ガス拡散層が触媒層から剥離して変形することを防止することができる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、前記ガス拡散層と接するセパレータは、前記ガス拡散層と接する側の面が平坦な形状を有していてもよい。
【００１６】
この構成により、ガス拡散層と平坦な形状の面を有するセパレータでガス流路を形成することができ、セパレータを大幅にコストダウンすることができる。
【００１７】
第３の発明は、電解質と、前記電解質を挟むように設けられた一対の触媒層と、前記一対の触媒層および前記電解質を挟むように設けられた一対のガス拡散層からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように設けられ、前記ガス拡散層と接する面にガス流路が形成された一対のセパレータで構成される燃料電池であって、前記一対のガス拡散層の少なくとも一方が、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、前記貫通孔が設けられたガス拡散層に接する前記一対のセパレータに形成された前記ガス流路は、ガス流れ方向に沿って複数の第１部分および第２部分が交互に形成されており、前記第１部分のガス流れ方向の流路断面積は、前記第２部分のガス流れ方向の流路断面積より小さくなるよう構成さ
れ、前記ガス拡散層に形成された前記貫通孔は、前記第１部分に隣接して配置されるものである。
【００１８】
この構成により、ガス流路を強度のあるセパレータ側に備え、ガス拡散層に形成した貫通孔から生成水をより長期間安定して吸い出すことができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００１９】
第４の発明は、第１ないし３の発明において、前記ガス流路の第１部分および前記貫通孔が、前記燃料電池の発電時の面内の水蒸気分圧が高い位置のガス流路ほど、多く配置されていてもよい。
【００２０】
この構成により、ガス拡散層に形成する貫通孔の総面積を必要最小限とすることができ、より保湿性を高く保持するので、膜抵抗が低くなり、電圧を向上して性能に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２１】
第５の発明は、第１ないし４の発明において、前記貫通孔は、前記触媒層から前記ガス流路に向けて、前記ガス流れ方向の下流側に向かって傾斜するよう構成されていてもよい。
【００２２】
この構成により、傾斜した貫通孔の上をガスが通過することで、さらに効率よく生成水を吸い出すことができ、フラッディングを抑制するので、発電性能に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２３】
第６の発明は、第１ないし５の発明において、前記ガス拡散層は、導電性粒子と、高分子樹脂を主成分とした多孔質部材から構成され、前記貫通孔が設けられていない状態で、その透気度を測定した場合に、ガーレー秒数が１００以上であるよう構成されていてもよい。
【００２４】
この構成により、ベースとなるガス拡散層自体の透気度を低くするので、供給されるガスの露点が燃料電池の温度に比べて低い場合であっても、高分子電解質膜の乾燥を防ぎながら、ガス拡散性を保持して、適切に発電することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１（ａ）および（ｂ）に本発明の実施の形態１における燃料電池のポイントとなるガス拡散層３ａのガス流路３３ａの概略構成平面図およびその部分の概略構成断面図を示す。
【００２７】
本発明の燃料電池は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の両面にそれぞれ形成されたカソード側の触媒層２ａ、および、アノード側の触媒層２ｂと、それぞれの上に積層された一対のガス拡散層３ａおよび３ｂとからなる膜電極接合体４と、膜電極接合体４を挟持する一対のセパレータ５ａおよび５ｂとで構成される。
【００２８】
一対のガス拡散層３ａおよび３ｂは、第１面３１ａおよび３１ｂと、その反対側に位置する第２面３２ａおよび３２ｂとを有し、第１面３１ａおよび３１ｂ側には、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給排出するガス流路３３ａおよび３３ｂが形成されており、ガス流路３３ａおよび３３ｂの触媒層２ａおよび２ｂ側の面と、第２面３２ａおよび３２ｂとを厚み方向に貫通する複数の貫通孔３４ａおよび３４ｂが形成されている。
【００２９】
さらに、カソード側のガス拡散層３ａのガス流路３３ａには、酸化剤ガスのガス流れ方向に沿って複数の第１部分３３１ａと、第２部分３３２ａが交互に形成されており、第１部分３３１ａのガス流れ方向の流路断面積が、第２部分３３２ａのガス流れ方向の流路断面積より小さくなるように構成され、貫通孔３４ａが第１部分３３１ａに隣接して配置されている。
【００３０】
図２に同燃料電池のカソード側のガス拡散層３ａのガス流路３３ａが形成された第１面３１ａの概略構成平面図を示す。ガス流路３３ａは、酸化剤ガス流れ方向に沿って、上流から下流にかけて全面に均一に複数の第１部分３３１ａと貫通孔３４ａを備えている。
【００３１】
ここで、生成水が多く発生するのはカソード側であり、少なくともカソード側のガス拡散層３ａに第１部分３３１ａおよび貫通孔３４ａを形成する必要があるが、供給するガスの露点や燃料電池の温度によっては、カソード側で発生した生成水が逆拡散してアノード側にいく場合もあり、必要に応じてアノード側のガス拡散層３ｂにも第１部分３３１ｂおよび貫通孔３４ｂを形成することができる。本発明の実施例では供給するガスの露点や燃料電池の温度を考慮して、アノード側のガス拡散層３ｂには第１部分３３１ｂおよび貫通孔３４ａを形成しないものを用いた。
【００３２】
上記構成の燃料電池のアノード側に少なくとも水素を含む燃料ガス、および、カソード側に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出することにより、発電することができる。このときカソードではカソード側の触媒層２ａ上で起こる水素と酸素の発電反応により、生成水が発生する。
【００３３】
本発明の実施の形態によれば、第１部分３３１ａでそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れが絞られるので、ベンチュリ効果により、第１部分３３１ａのガスの流速が速くなる。
【００３４】
ここで、第１部分３３１ａの流路断面積および第１部分３３１ａを通過するガスの流速をそれぞれＡ１およびｖ１、第２部分３３２ａの流路断面積および第２部分３３２ａを通過するガスの流速をそれぞれＡ２およびｖ２とすると、第１部分３３１ａを通過するガスの流速ｖ１は数１で示される。
【００３５】
【数１】
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【００３６】
第１部分３３１ａを通過するガスの流速ｖ１が速くなると、ベルヌーイの定理より、第１部分３３１ａの圧力が低くなり、第１部分３３１ａに隣接する貫通孔３４ａから凝縮した液体の状態の生成水を効率よく吸い出すことができる。
【００３７】
ここで、本実施例の燃料電池の製造方法について説明する。
【００３８】
まず、水素イオン伝導性の高分子電解質膜１の一方の面にスプレー法により、白金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質を含むインクを塗布して、カソード側の触媒層２ａを形成した。
【００３９】
次に、もう一方の面にも同様にスプレー法により、白金ルテニウム合金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質を含むインクを塗布して、アノード
側の触媒層２ｂを形成した。
【００４０】
次に、カーボンの微粉末からなる導電性粒子と、フッ素樹脂からなる高分子樹脂を混練し、ガス流路パターンが形成された金型を用いて、押し出し成形を行い、圧延して、焼成することによりそれぞれガス流路３３ａおよび３３ｂが形成されたシート状のガス拡散層３ａおよび３ｂを作成した。
【００４１】
さらに、カソード側のガス拡散層３ａに、レーザー加工機を用いて、ガス流路３３ａの第１部分３３１ａに隣接するように、ガス流路３３ａの触媒層２ａ側の面と、第２面３２ａを厚み方向に貫通する穴径が約２５０μｍの複数の貫通孔３４ａを形成した。
【００４２】
ここで、貫通孔３４ａの穴径は、保湿性と、ガス拡散層３ａの強度の観点から、５００μｍ以下が好ましい。
【００４３】
また、ガス拡散層３ａの透気度は、貫通孔３４ａが設けられていない状態で、ガーレー秒数が１００以上であることが好ましい。
【００４４】
この構成により、ベースとなるガス拡散層３ａ自体の透気度を低くするので、供給されるガスの露点が燃料電池の温度に比べて低い場合であっても、高分子電解質膜１の乾燥を防ぎながら、ガス拡散性を保持して、適切に発電することができる。
【００４５】
以上のように作成したカソード側のガス拡散層３ａおよびアノード側のガス拡散層３ｂをそれぞれ触媒層２ａおよび触媒層２ｂに当接させ、１２０℃、６ｋｇｆ／ｃｍ２で５分間ホットプレスして、触媒層２ａおよび触媒層２ｂとガス拡散層３ａおよびガス拡散層３ｂを接合した。
【００４６】
最後に、ガス拡散層３ａおよび３ｂを接合した膜電極接合体４をカーボン製の平坦な形状の一対のセパレータ５ａおよび５ｂで挟持して、フッ素ゴムからなるガスケットでシールして、単電池を構成し、単電池を複数積層した実施例１の燃料電池スタックを作成した。
【００４７】
また、比較例として、カソード側のガス拡散層３ａに、第１部分３３１ａを設けず、貫通孔３４ａのみを設ける構成以外は、実施例１と同様の構成の燃料電池スタックを作成した。
【００４８】
上記構成の実施例１、および、比較例の燃料電池スタックを、スタック温度６５℃に制御し、アノード側のガス流路３３ｂに露点６５℃、利用率７０％に調整した燃料ガス（水素７５％、および、二酸化炭素２５％）と、カソード側のガス流路３３ａに露点５０℃、利用率４０％に調整した酸化剤ガス（空気）を供給し、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２で発電させたときのそれぞれの単セル当たりの平均電圧を測定した。
【００４９】
次に、それぞれの燃料電池スタックのフラッディングに対する耐性を調べるため、電流密度を０．０７Ａ／ｃｍ２まで下げて、酸化剤ガスの利用率を徐々に上げていき、発電電圧がフラッディング現象により、急峻に低下して、発電を継続することができなくなる限界利用率をそれぞれ測定した。
【００５０】
さらに、凝縮水の水圧によるガス拡散層３ａの強度を確認するため、それぞれの燃料電池スタックの発電停止を繰り返す起動停止試験を行った。停止時のセル温度は３５℃以下になるように制御して、起動停止を１００回繰り返した後に、それぞれの燃料電池スタックを解体して、カソードのガス拡散層３ａの膜電極接合体からの剥離の状態を目視で確認
した。
【００５１】
それぞれの試験結果を表１に示す。
【００５２】
実施例１の燃料電池スタックは、比較例と比べて酸化剤ガス限界利用率が増加しており、フラッディングに対する耐性が向上していることが示唆される。また、解体後の剥離状況が、比較例では多く見られていたのに対し、実施例１では全く見られず、触媒層２ａとガス拡散層３ａの境界に凝縮水が滞留することなく、速やかにガス流路３３ａへと排出されている状況が示唆される。一方、比較例の利用率４０％時のセル電圧は、排水されにくい分、保湿性が高いので、実施例１よりやや高かった。
【００５３】
したがって、本発明の実施例によれば、貫通孔３４ａから液体の状態の生成水が、効率よく吸い出され、速やかに系外へ排出することができ、触媒層２ａとガス拡散層３ａの間で水が溜まることが抑制され、ガス拡散層３ａが触媒層２ａから剥離して変形することを防止することができ、ガス拡散層３ａの保湿性を保持したまま、排水性を向上するので、ガスの露点が燃料電池の温度より低い運転条件でも、耐フラッディング性などの発電性能と耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００５４】
（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２の燃料電池のガス拡散層３ａのガス流路３３ａが形成された第１面３１ａの概略構成平面図を示す。ガス流路３３ａは、酸化剤ガス流れ方向に沿って、発電時に水蒸気分圧が高い面内の下流側に行くほど第１部分３３１ａおよび貫通孔３４ａの密度を高くして配置した点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５５】
上記構成により、ガス拡散層３ａに形成する貫通孔３４ａの総面積を必要最小限とすることができ、より保湿性を高く保持するので、膜抵抗が低くなり、電圧を向上して性能に優れた燃料電池を得ることができる。
【００５６】
上記構成の実施例２の燃料電池スタックを、スタック温度６５℃に制御し、アノード側のガス流路３３ｂに露点６５℃、利用率７０％に調整した燃料ガス（水素７５％、および、二酸化炭素２５％）と、カソード側のガス流路３３ａに露点５０℃、利用率４０％に調整した酸化剤ガス（空気）を供給し、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２で発電させたときのそれぞれの単セル当たりの平均電圧を測定したところ、７４９ｍＶで、前面に貫通孔３４ａを形成した実施例１よりもセル電圧が上昇していることが判った。
【００５７】
次に、燃料電池スタックのフラッディングに対する耐性を調べるため、電流密度を０．０７Ａ／ｃｍ２まで下げて、酸化剤ガスの利用率を徐々に上げていき、発電電圧がフラッディング現象により、急峻に低下して、発電を継続することができなくなる限界利用率をそれぞれ測定したところ、約７０％で、実施例１と同様に比較例よりも耐フラッディング性が向上していることが判った。
【００５８】
さらに、凝縮水の水圧によるガス拡散層３ａの強度を確認するため、それぞれの燃料電池スタックの発電停止を繰り返す起動停止試験を行い、起動停止を１００回繰り返した後に、燃料電池スタックを解体して、カソードのガス拡散層３ａの膜電極接合体からの剥離の状態を目視で確認したところ、実施例１と同様にガス拡散層に剥離の状況は観察されなかった。
【００５９】
それぞれの試験結果を表１にまとめる。
【００６０】
したがって、本発明の実施例によればガス拡散層３ａに形成する貫通孔３４ａを水蒸気分圧の高い下流ほど密にしているので、水蒸気分圧が相対的に低い上流側の保湿性が高く保持されるとともに、下流側ほど増加する生成水の排水性が促進され、電圧が高く、耐フラッディング性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００６１】
（実施の形態３）
図４（ａ）および（ｂ）に本発明の実施の形態３における燃料電池のポイントとなるセパレータ５ａのガス流路５１ａの概略構成平面図およびその部分の概略構成断面図を示す。
【００６２】
セパレータ５ａおよび５ｂにそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給排出するガス流路５１ａおよび５１ｂを形成し、カソード側のガス流路５１ａのガス流れ方向に沿って、複数の第１部分５１１ａおよび第２部分５１２ａを交互に形成して、第１部分５１１ａのガス流れ方向の流路断面積が、第２部分５１２ａのガス流れ方向の流路断面積より小さくなるよう構成されており、ガス拡散層３ａに積層したときに、ガス拡散層３ａに形成された貫通孔３４ａがセパレータ５ａの第１部分５１１ａに隣接して配置されるように形成されている点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
上記構成により、ガス流路５１ａおよび５１ｂを強度のあるセパレータ５ａおよび５ｂに備え、ガス拡散層３ａに形成した貫通孔３４ａから生成水をより長期間安定して吸い出すことができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００６４】
ここで、ガス拡散層３ａに形成する貫通孔３４ａは積層したときに必ずセパレータ５ａのガス流路５１ａの第１部分５１１ａに隣接するように、一つの第１部分５１１ａに対し、複数個の貫通孔３４ａを形成するのが好ましい。
【００６５】
上記構成の実施例３の燃料電池スタックを、スタック温度６５℃に制御し、アノード側のガス流路３３ｂに露点６５℃、利用率７０％に調整した燃料ガス（水素７５％、および、二酸化炭素２５％）と、カソード側のガス流路３３ａに露点５０℃、利用率４０％に調整した酸化剤ガス（空気）を供給し、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２で発電させたときのそれぞれの単セル当たりの平均電圧を測定したところ、７４４ｍＶで、ガス拡散層３ａにガス流路３３ａが形成された実施例１と同等の効果があることが判った。
【００６６】
次に、燃料電池スタックのフラッディングに対する耐性を調べるため、電流密度を０．０７Ａ／ｃｍ２まで下げて、酸化剤ガスの利用率を徐々に上げていき、発電電圧がフラッディング現象により、急峻に低下して、発電を継続することができなくなる限界利用率をそれぞれ測定したところ、約７０％で、実施例１と同様に比較例よりも耐フラッディング性が向上していることが判った。
【００６７】
さらに、凝縮水の水圧によるガス拡散層３ａの強度を確認するため、それぞれの燃料電池スタックの発電停止を繰り返す起動停止試験を行い、起動停止を１００回繰り返した後に、燃料電池スタックを解体して、カソードのガス拡散層３ａの膜電極接合体からの剥離の状態を目視で確認したところ、実施例１と同様にガス拡散層に剥離の状況は観察されなかった。
【００６８】
それぞれの試験結果を表１にまとめる。
【００６９】
【表１】
2014175103.tif 000004
【００７０】
したがって、本発明の実施例によればセパレータ５ａに形成されたガス流路５１ａとガス拡散層３ａに形成された貫通孔３４ａの組み合わせでも生成水の排水性が効率よく促進され、耐フラッディング性に優れた燃料電池を得られることが判った。
【００７１】
（実施の形態４）
図５（ａ）および（ｂ）に本発明の実施の形態４における燃料電池のポイントとなるセパレータ５ａのガス流路５１ａの概略構成平面図およびその部分の概略構成断面図を示す。
【００７２】
セパレータ５ａに形成するガス流路５１ａの流路溝深さ方向で、ガスの流れ方向に沿って、第２部分５１２ａより深さの浅く、流路断面積の小さい第１部分５１１ａで構成し、ガス拡散層３ａに形成された貫通孔３４ａが第１部分５１１ａに隣接するように配置される点で、実施の形態３とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態３と同様であるため、説明を省略する。
【００７３】
上記構成により、ガス流路５１ａの幅は同じでも、第１部分５１１ａにより、貫通孔３４ａの位置する部分の流速を増加させることができるので、第１部分５１１ａのガス流路５１ａの幅が広くなった分、より確実に貫通孔３４ａを第１部分５１１ａに配置することができる。
【００７４】
（実施の形態５）
図６に本発明の実施の形態５における燃料電池の要部概略断面図を示す。
【００７５】
ガス拡散層３ａに形成する貫通孔３４ａが、触媒層２ａからガス流路５１ａに向けて、ガス流れ方向の下流側に向かって傾斜している点で実施の形態４とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態４と同様であるため、説明を省略する。
【００７６】
貫通孔３４ａの傾斜角度は、ガスの流れ方向に対して鉛直方向より４５度傾斜するように、貫通孔をガス流路の下方に位置する場所に上流から下流まで複数個形成した。このときの貫通孔の総面積は、ガス拡散層の総面積の２％になるように設計した。
【００７７】
ここで、貫通孔の傾斜角度は４５度に限定するものではないが、傾斜が不足すれば、本発明の効果が薄れ、生成水を吸い出す力が弱くなるので、排水性が不十分となり、また、傾斜し過ぎると、貫通孔の長さが長くなり、生成水が排出される際の抵抗が大きくなるの
で、やはり排水性が不十分となる可能性があるため、傾斜角度が３０度〜６０度の間になるように傾斜させるのが望ましい。
【００７８】
また、隣接する貫通孔は、互いに厚み方向で重ならないように、約１ｍｍ離して配置した。この構成により、互いに隣接する貫通孔が厚み方向で重ならないので、ガス拡散層の強度の低下を抑制することができる。
【００７９】
上記構成により、傾斜した貫通孔３４ａの上をガスが通過することで、さらに効率よく生成水を吸い出すことができ、フラッディングを抑制するので、発電性能に優れた燃料電池を得ることができ、実施の形態４よりも貫通孔３４ａの数を減らしても同様の効果を得ることができ、貫通孔３４ａの数を減らした分、保湿性を向上させることができ、電圧をさらに向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、本発明の燃料電池は、起動停止時などに低温より発電することのある燃料電池等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１  高分子電解質膜
２ａ、２ｂ  触媒層
３ａ、３ｂ  ガス拡散層
３１ａ、３１ｂ  第１面
３２ａ、３２ｂ  第２面
３３ａ、３３ｂ  ガス流路
３３１ａ  第１部分
３３２ａ  第２部分
３４ａ  貫通孔
４  膜電極接合体
５ａ、５ｂ  セパレータ
５１ａ、５１ｂ  ガス流路
５１１ａ  第１部分
５１２ａ  第２部分
【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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【図６】
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【図７】
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