(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池に関し、燃料電池の内部をその発電状況によらず常に適度な湿潤状態に維持することを可能にする。【解決手段】  ガス拡散層をガス透過性の高い高透過性領域３２，３４とガス透過性の低い低透過性領域とを有する複数の単位ガス拡散層１４，１６を積層して構成する。単位ガス拡散層１４，１６のうち少なくとも一つの層１６は隣接する層１４に対して積層方向に垂直な面内で移動可能にする。そして、移動手段３６によって隣接しあう単位ガス拡散層１４，１６を相対移動させることで、単位ガス拡散層１４，１６間の各領域３２，３４の重なり状態を変化させ、これによりガス拡散層全体でのガス透過性を変化させる。【選択図】      図３
2006019162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がガス透過性の高い高透過性領域とガス透過性の低い低透過性領域とを有する複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記各領域の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記単位ガス拡散層のうち最外に配置された単位ガス拡散層は前記高透過性領域が前記ガス流路に面するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記高透過性領域として前記単位ガス拡散層を貫通する開口部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がほぼ一定形状の多数の貫通孔が規則正しい配置で形成された複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で相対移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項９】
前記単位ガス拡散層はメッシュで構成されていることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つは前記ガス流路に沿って配置され、前記移動手段は、前記ガス流路を構成する前記セパレータの壁部を基点として、前記ガス流路に沿って配置された前記単位ガス拡散層を移動させることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記移動手段は吸水量に応じて伸縮する吸水性ポリマーにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記移動手段は温度に応じて伸縮する形状記憶合金により構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池の電池性能を維持するためには水分は必須となる。しかしその一方で燃料電池内に水分が過剰に存在する場合には、ガス流路が水によって閉塞されてしまい、電極への反応ガス（燃料ガス或いは酸化ガス）の流通が妨げられて燃料電池の電池性能が低下してしまう。したがって、燃料電池にとっては、余分な水分を除去して内部を適度な湿潤状態に保つことが、高い電池性能を維持する上で重要になる。
【０００３】
燃料電池内の余分な水分を除去するための技術としては、例えば特許文献１に記載された従来技術が知られている。この従来技術は、電極を構成するガス拡散層の構造に特徴がある。燃料電池の電極は、電解質膜に接触して設けられた触媒層と、触媒層とガス流路との間に配置されるガス拡散層とから構成されている。従来技術では、ガス拡散層を緻密性の高い内側層と撥水性が高くポーラスな外側層の２層構造とすることで、触媒層の表面に生じる水分の排水性を向上させている。
【特許文献１】特開２０００−１８２６２５号公報
【特許文献２】特開２０００−５８０７３号公報
【特許文献３】特開平１０−１７２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、燃料電池の発電状況が変化したときに必ずしも燃料電池内部を適度な湿潤状態に維持することができるとは限らない。ガス拡散層の排水性能はガス拡散層の構造によって決まるのに対し、燃料電池内部での水分の発生量は発電状況によって変化するからである。例えば、水分の発生量の多い高負荷時には、ガス拡散層には余分な水分を確実に排水することが求められるのに対し、水分の発生量の少ない低負荷時には、ガス拡散層には電解質膜の乾燥を防止するための保水性が求められる。上記従来技術ではガス拡散層の構造は固定され、その排水性能は燃料電池の発電状況によらず一定であるため、発電状況に応じた全ての要求に応えることは難しい。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の内部をその発電状況によらず常に適度な湿潤状態に維持することが可能な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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がガス透過性の高い高透過性領域とガス透過性の低い低透過性領域とを有する複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記各領域の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴としている。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。
【０００９】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記単位ガス拡散層のうち最外に配置された単位ガス拡散層は前記高透過性領域が前記ガス流路に面するように配置されていることを特徴としている。
【００１０】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記高透過性領域として前記単位ガス拡散層を貫通する開口部が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
また、第６の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がほぼ一定形状の多数の貫通孔が規則正しい配置で形成された複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で相対移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴としている。
【００１２】
第７の発明は、第６の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。
【００１３】
第８の発明は、第６の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。
【００１４】
第９の発明は、第６乃至第８の何れか１つの発明において、前記単位ガス拡散層はメッシュで構成されていることを特徴としている。
【００１５】
第１０の発明は、第１乃至第９の何れか１つの発明において、前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つは前記ガス流路に沿って配置され、前記移動手段は、前記ガス流路を構成する前記セパレータの壁部を基点として、前記ガス流路に沿って配置された前記単位ガス拡散層を移動させることを特徴としている。
【００１６】
第１１の発明は、第１乃至第１０の何れか１つの発明において、前記移動手段は吸水量に応じて伸縮する吸水性ポリマーにより構成されていることを特徴としている。
【００１７】
第１２の発明は、第１乃至第１０の何れか１つの発明において、前記移動手段は温度に応じて伸縮する形状記憶合金により構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明において、隣接しあう単位ガス拡散層間の各領域の重なり状態を変化させることで、ガス拡散層全体での見かけのガス透過性が変化する。例えば、一方の単位ガス拡散層の高透過性領域に他方の単位ガス拡散層の低透過性領域を重ねた場合と、一方の単位ガス拡散層の高透過性領域に他方の単位ガス拡散層の高透過性領域を重ねた場合とでは、後者の方がガス拡散層全体での見かけのガス透過性は高くなる。ガス拡散層全体での見かけのガス透過性が高くなるほど反応ガスによる触媒層からの水分の持ち去りが促されるために排水性は向上し、逆に見かけのガス透過性が低くなるほど反応ガスによる水分の持ち去りが抑制されるために保水性は向上する。したがって、第１の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を燃料電池の発電状況に応じて制御し、ガス拡散層全体でのガス透過性を変化させることで、発電状況によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することが可能になる。
【００１９】
燃料電池の発電に伴い発生する水分量は燃料電池の発電負荷が高いほど多くなる。第２の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の高透過性領域の重なり率が発電負荷に応じて制御されるので、発電負荷によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。
【００２０】
燃料電池内の湿度或いは温度が高いほど、発電に伴い燃料電池内には多くの水分が発生している。第３の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の高透過性領域の重なり率が燃料電池内の湿度或いは温度に応じて制御されるので、燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。
【００２１】
また、第４の発明によれば、最外に配置された単位ガス拡散層の高透過性領域はガス流路に面しているので、この最外単位ガス拡散層の高透過性領域に内側の単位ガス拡散層の高透過性領域が重なることで、触媒層からガス流路へ水分を効率的に排水することができる。
【００２２】
また、第５の発明によれば、単位ガス拡散層を貫通する開口部を高透過性領域とすることで、ガス透過性の異なる２つの領域（高透過性領域と低透過性領域）を簡易に構成することができる。
【００２３】
第６の発明において、隣接しあう単位ガス拡散層間の貫通孔の重なり状態を変化させることで、ガス拡散層全体でのガス透過性が変化する。例えば、一方の単位ガス拡散層の貫通孔と他方の単位ガス拡散層の貫通孔との重なりをずらした場合と、一方の単位ガス拡散層の貫通孔と他方の単位ガス拡散層の貫通孔とを完全に重ねた場合とでは、後者の方がガス拡散層全体でのガス透過性は高くなる。ガス拡散層全体でのガス透過性が高くなるほど排水性は向上し、逆にガス透過性が低くなるほど排水性は向上する。したがって、第６の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を燃料電池の発電状況に応じて制御し、ガス拡散層全体でのガス透過性を変化させることで、発電状況によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することが可能になる。
【００２４】
燃料電池の発電に伴い発生する水分量は燃料電池の発電負荷が高いほど多くなる。第７の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の貫通孔の重なり率が発電負荷に応じて制御されるので、発電負荷によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。
【００２５】
燃料電池内の湿度或いは温度が高いほど、発電に伴い燃料電池内には多くの水分が発生している。第８の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の貫通孔の重なり率が燃料電池内の湿度或いは温度に応じて制御されるので、燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。
【００２６】
また、第９の発明によれば、メッシュは一定形状の多数の貫通孔が規則正しい配置で形成されており、そのまま単位ガス拡散層として用いることができるので、簡易にガス拡散層を構成することができる。
【００２７】
第１０の発明によれば、ガス流路を構成するセパレータの壁部を基点としてガス流路に沿って配置された単位ガス拡散層を移動させるようにすることで、簡単な構成で移動手段を実現することができる。
【００２８】
第１１の発明によれば、吸水性ポリマーは燃料電池内部の湿度に応じて自動で伸縮するので、発電状況に応じた隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を容易に実現することができる。
【００２９】
第１２の発明によれば、形状記憶合金は燃料電池内部の温度に応じて自動で伸縮するので、発電状況に応じた隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
実施の形態１．
以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態１としての燃料電池２の概略構成図である。燃料電池２は、電解質膜４の両側を電極１０，２０で挟み、さらにその両側をセパレータ６，８で挟んで構成されている。通常、燃料電池２は単独で使用されるのではなく、燃料電池２を一つのセルとして、複数のセルが一方向に積層された燃料電池スタックとして使用される。ここでは、簡単のために一つのセル（燃料電池２）に着目して説明するものとする。
【００３２】
電解質膜４は非導電性のイオン交換膜、例えば固体高分子膜であり、湿潤状態で水素イオンが膜中を移動する。電解質膜４の外側に配置される一方の電極１０はカソードであり、カソード１０は電解質膜４の一面に配置された触媒層１２とその外側に配された２層構造のガス拡散層１４，１６とからなる。もう一方の電極２０はアノードであり、アノード２０は電解質膜４の他面に配置された触媒層２２とその外側に配された２層構造のガス拡散層２４，２６とからなる。
【００３３】
セパレータ６，８は、ガス、水ともに不透過性で導電性を有する材質、例えば、カーボン、金属、或いは導電性樹脂で形成されたプレートである。各セパレータ６，８の電極１０，２０との接触面にはガス流路１８，２８が形成されている。カソード１０と接するセパレータ６に形成されたガス流路１８は、酸素を含む酸化ガス（例えば空気）を供給するための酸化ガス流路であり、アノード２０と接するセパレータ８に形成されたガス流路２８は、水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス流路である。
【００３４】
カソード１０を構成する２層構造のガス拡散層１４，１６のうち、内側のガス拡散層１４は触媒層１２の全面を覆うように配置され、触媒層１２に一体的に接着されている。セパレータ６はガス拡散層１４の表面に接するように配置されている。一方、外側のガス拡散層１６は酸化ガス流路１８に沿って設けられ、その両側を内側のガス拡散層１４とセパレータ６との間に挟まれている。外側のガス拡散層１６と内側のガス拡散層１４とは接着されておらず、外側のガス拡散層１６は内側のガス拡散層１４に対して酸化ガス流路１８に沿って相対移動可能になっている。
【００３５】
同様に、アノード２０を構成する２層構造のガス拡散層２４，２６のうち、内側のガス拡散層２４は触媒層２２の全面を覆うように配置され、触媒層２２に一体的に接着されている。セパレータ８はガス拡散層２４の表面に接するように配置されている。また、外側のガス拡散層２６は燃料ガス流路２８に沿って設けられ、その両側を内側のガス拡散層２４とセパレータ８との間に挟まれている。外側のガス拡散層２６と内側のガス拡散層２４とは接着されておらず、外側のガス拡散層２６は内側のガス拡散層２４に対して酸化ガス流路２８に沿って相対移動可能になっている。
【００３６】
図２，図４は図１のＡ方向（酸化ガス流路１８内の上方）から見たカソード１０側のガス拡散層１４，１６の詳細図である。図３は図２のＢ方向断面図であり、図５は図４のＣ方向断面図である。図２及び図３に示す構造と図４及び図５に示す構造の相違は、後述する吸水性ポリマー３６の伸縮量の差によるものである。以下、これらの図を用いてカソード１０側のガス拡散層１４，１６の構成について詳細に説明する。なお、アノード２０側のガス拡散層２４，２６の構成は、以下に説明するカソード１０側のガス拡散層１４，１６の構成と同構成であるので、その説明は省略する。
【００３７】
外側ガス拡散層１６には、酸化ガス流路１８に沿って複数の開口部３４が一定間隔で形成されている。一方、内側ガス拡散層１４には、酸化ガス流路１８の下部に位置する部分にのみ、外側ガス拡散層１６に形成された開口部３４に対応するように複数の開口部３２が一定間隔で形成されている。外側ガス拡散層１６のガス流路１８に沿った上流端或いは下流端には、水分の吸収度に応じて伸縮する吸水性ポリマー３６の先端部が接合されている。吸水性ポリマー３６は酸化ガス流路１８内に位置するとともに、その基端部はセパレータ６の壁部（図示略）に接合されている。
【００３８】
吸水性ポリマー３６が伸縮することで外側ガス拡散層１６は酸化ガス流路１８に沿って移動し、内側ガス拡散層１４に対する相対位置が変化する。図３は吸水性ポリマー３６が最大まで伸張した状態を示しており、このとき、外側ガス拡散層１６の開口部３４は内側ガス拡散層１４の開口部３２の真上に位置するようになっている。図５は吸水性ポリマー３６が最小まで収縮した状態示しており、このとき、外側ガス拡散層１６の開口部３４は内側ガス拡散層１４の開口部３２上から完全に外れるようになっている。このように上下の開口部３２，３４の位置関係が設定されることで、上下の開口部３２，３４の重なり率は、吸水性ポリマー３６の伸縮量に応じてリニアに変化することになる。
【００３９】
次に、以上のように構成された燃料電池２の動作、特に燃料電池２の負荷に応じた動作について説明する。発電に伴いカソード１０の触媒層１２で生成される水分量は、燃料電池２の負荷が高い場合ほど多くなる。触媒層１２で生成される水分量が上昇すると酸化ガス流路１８内に配置された吸水性ポリマー３６は水分を吸収して伸張する。その結果、燃料電池２の負荷が上昇した場合は、図２，３に示すように外側ガス拡散層１６が内側ガス拡散層１４上を移動し、外側ガス拡散層１６の開口部３４が内側ガス拡散層１４の開口部３２の真上に位置するようになる。外側ガス拡散層１６の開口部３４はガス流路１８に面しているので、このように上下の開口部３２，３４が一直線に繋がることで触媒層１２とガス流路１８を直結するラインができ、このラインを介して触媒層１２からガス流路１８へ水分の拡散が促されることになる。つまり、ガス拡散層１４，１６全体の見かけのガス透過性は上昇することになる。
【００４０】
一方、燃料電池２の負荷が低く触媒層１２で生成される水分量が少ない場合には、酸化ガスの相対湿度の低下により酸化ガス流路１８内に配置された吸水性ポリマー３６は水分を奪われて収縮する。その結果、燃料電池２の負荷が低下した場合は、図４，５に示すように外側ガス拡散層１６が内側ガス拡散層１４上を吸水性ポリマー３６側に移動し、外側ガス拡散層１６の開口部３４の位置と内側ガス拡散層１４の開口部３２の位置にズレが生じる。このように上下の開口部３２，３４の連通が遮断されることで、触媒層１２で生成された水分がガス流路１８に至るには、内側ガス拡散層１４及び／又は外側ガス拡散層１６内を通過せざるを得なくなる。つまり、ガス拡散層１４，１６全体の見かけのガス透過性は低下することになる。
【００４１】
以上のように、本実施の形態の燃料電池２は、燃料電池２の負荷に応じてガス拡散層１４，１６全体の見かけのガス透過性を自動制御することができる。まず、燃料電池２の負荷が高くなったときには、吸水性ポリマー３６の伸張により外側ガス拡散層１６の開口部３４が内側ガス拡散層１４の開口部３２の真上に位置することで、ガス拡散層１４，１６全体の見かけのガス透過性が上昇し、酸化ガスによる触媒層１２からの水分の持ち去りが促される。これにより、水分の発生量の多い高負荷時のガス拡散層１４，１６の排水性が向上し、過剰な水分を確実に排水して高い発電性能を維持することが可能になる。
【００４２】
逆に燃料電池２の負荷が低下したときには、吸水性ポリマー３６の収縮により外側ガス拡散層１６の開口部３４の位置が内側ガス拡散層１４の開口部３２の位置からずれることで、ガス拡散層１４，１６全体の見かけのガス透過性が低下し、酸化ガスによる触媒層１２からの水分の持ち去りが抑制される。これにより、水分の発生量の少ない低負荷時のガス拡散層１４，１６の保水性が向上し、電解質膜４の乾燥を防止して高い発電性能を維持することが可能になる。
【００４３】
また、図２乃至図５では吸水性ポリマー３６が最大に伸張した場合と最小まで収縮した場合のみ示しているが、吸水性ポリマー３６は生成水量に応じて伸縮し、外側ガス拡散層１６の開口部３４と内側ガス拡散層１４の開口部３２の重なり率は吸水性ポリマー３６の伸縮量に応じて変化する。したがって、燃料電池２の負荷が変化して生成水量が変化した場合には、それに応じて上下の開口部３２，３４の重なり率が変化し、ガス拡散層１４，１６全体の見かけのガス透過性が変化することになる。これにより、燃料電池の負荷状況によらず、燃料電池２内部を常に適度な湿潤状態に維持することが可能になる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、内側ガス拡散層１４、外側ガス拡散層１６のそれぞれが第１の発明の「単位ガス拡散層」に相当し、内側ガス拡散層１４と外側ガス拡散層１６を合わせた全体が第１の発明の「ガス拡散層」に相当している。また、各ガス拡散層１４，１６の開口部３２，３４が第１の発明の「高透過性領域」に相当し、各ガス拡散層１４，１６の開口部３２，３４以外の領域が、第１の発明の「低透過性領域」に相当している。本実施の形態のように、ガス拡散層１４，１６を貫通する開口部３２，３４を設けることで、ガス透過性の異なる２つの領域（高透過性領域と低透過性領域）を簡易に構成することができる。
【００４５】
本実施の形態では、各ガス拡散層１４，１６に開口部３２，３４を開けているが、図６に示すように各ガス拡散層１４，１６を構成してもよい。図６は各ガス拡散層１４，１６の変形例を示す図であり、上記実施の形態の図５に対応している。この変形例では、内側ガス拡散層１４はガス透過性の高い高透過性領域４２とガス透過性の低い低透過性領域４４が交互に組み合わされて構成されている。同様に、外側ガス拡散層１６も高透過性領域４６と低透過性領域４８が内側ガス拡散層１４と同一ピッチで交互に組み合わされて構成されている。高透過性領域４２，４６と低透過性領域４４，４８のガス透過性の差は、各領域を形成する多孔質材料の材質や密度、ポア径等を異ならせることで実現されている。本変形例においても、生成水量に応じて吸水性ポリマー３６の伸縮量が変化することで、高透過性領域４２，４６間の重なり率が変化し、ガス拡散層１４，１６全体の見かけのガス透過性が変化することになる。
【００４６】
実施の形態２．
次に、図７乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００４７】
本実施の形態の燃料電池は、実施の形態１とはガス拡散層の構成に相違があり、その他の構成は実施の形態１と共通している。図７，図９は、本実施の形態２にかかるガス拡散層の構成を示す図であり、実施の形態１において図１のＡ方向（酸化ガス流路１８内の上方）から見た図に相当する。図８は図７のＤ方向断面図であり、図１０は図９のＥ方向断面図である。図７及び図８に示す構造と図９及び図１０に示す構造の相違は、後述する吸水性ポリマー３６の伸縮量の差によるものである。図中、実施の形態と同一の部分については同一の符号を付している。なお、以下では、本発明の構成をカソード側のガス拡散層に適用した例について説明するが、勿論、アノード側のガス拡散層にも適用することができる。
【００４８】
本実施の形態にかかるガス拡散層５２，５６も実施の形態１と同様に２層構造となっている。内側のガス拡散層５２は触媒層１２の全面を覆うように配置され、触媒層１２に一体的に接着されている。外側のガス拡散層５６は内側ガス拡散層５２の表面に沿って移動可能に配置され、その端部を吸水性ポリマー３６を介してセパレータ６の壁部に接合されている。本実施形態では、ガス拡散層５２，５６として、ともに金属或いはカーボン等で製作されたメッシュが用いられている。メッシュには規則正しく網目５４，５８が形成されている。
【００４９】
吸水性ポリマー３６が伸縮することで、外側ガス拡散層５６の内側ガス拡散層５２に対する相対位置が変化する。図８は吸水性ポリマー３６が最大まで伸張した状態を示しており、このとき、外側ガス拡散層５６の網目５８と内側ガス拡散層５２の網目５４は完全に重なるようになっている。一方、図１０は吸水性ポリマー３６が最小まで収縮した状態を示しており、このとき、外側ガス拡散層５６の網目５８と内側ガス拡散層５２の網目５４にはずれが生じるようになっている。
【００５０】
実施の形態１で述べたように、吸水性ポリマー３６の伸縮量は燃料電池の負荷に応じて変化する。燃料電池の負荷が上昇した場合は、発電に伴い発生した水分を吸水性ポリマー３６が吸収して伸張することで、図７，９に示すように外側ガス拡散層５６が内側ガス拡散層５２上を移動して上下の網目５４，５８が完全に重なり合う。本実施形態のようにガス拡散層５２，５６としてメッシュを用いる場合には、そのガス透過性はメッシュの全体面積に対する網目面積の割合（空孔率）によって決まる。このため、上記のように上下の網目５４，５８が完全に重なることで空孔率は最大となり、実質的にガス拡散層５２，５６の何れか１層のみを設けた場合と同等のガス透過性が得られることになる。
【００５１】
一方、燃料電池の負荷が低下した場合は、吸水性ポリマー３６は相対湿度が低下した酸化ガスに水分を奪われて収縮するので、図８，１０に示すように外側ガス拡散層５６が内側ガス拡散層５２上を吸水性ポリマー３６側に移動し、上下の網目５４，５８の重なりにずれが生じる。これにより、ガス拡散層５２，５６全体でのメッシュの空孔率は低下し、見かけのガス透過性は低下することになる。
【００５２】
以上のように、本実施の形態にかかるガス拡散層５２，５６の構成によっても、実施の形態１と同様に、燃料電池の負荷に応じてガス拡散層５２，５６全体の見かけのガス透過性を自動制御することができる。その結果、水分の発生量の多い高負荷時にはガス拡散層５２，５６の排水性を向上させ、過剰な水分を確実に排水して高い発電性能を維持することが可能になる。また、水分の発生量の少ない低負荷時にはガス拡散層５２，５６の保水性を向上させ、電解質膜の乾燥を防止して高い発電性能を維持することが可能になる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、内側ガス拡散層５２、外側ガス拡散層５６のそれぞれが第６の発明の「単位ガス拡散層」に相当し、内側ガス拡散層５２と外側ガス拡散層５６を合わせた全体が第６の発明の「ガス拡散層」に相当している。また、各ガス拡散層５２，５６に用いたメッシュの網目５４，５８が第６の発明の「貫通孔」に相当している。
【００５４】
また、本実施の形態では外側ガス拡散層５６を平行移動させているが、図１１に示すように各ガス拡散層５２，５６が丸型の場合（例えばガス拡散層５２，５６が丸型筒状の燃料電池に適用される場合）には、燃料電池の負荷に応じて外側ガス拡散層５６を周方向に回転させるようにしてもよい。この場合、高負荷時には、図１２の拡大図に示すように上下の網目５４，５８を完全に重ね合わせるようにし、低負荷時には、図１３の拡大図に示すように上下の網目５４，５８にずれを生じさせるようにする。なお、図１１では、内側ガス拡散層５２と外側ガス拡散層５６を横方向にずらして表示しているが、実際には２つのガス拡散層５２，５６は重なりあうようになっており、重なり合った状態のまま外側ガス拡散層５６が回転するようになっている。
【００５５】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００５６】
上記実施の形態では外側ガス拡散層を移動させる手段として吸水性ポリマーを用いているが、代わりに形状記憶合金を用いてもよい。形状記憶合金は所定温度以下で変形を加えても、温度が所定温度以上になると変形前の形に戻る性質を有している。したがって、外側ガス拡散層を移動させる手段として形状記憶合金を用いることで、燃料電池の負荷が上昇してガス流路内の温度が上昇した場合と、燃料電池の負荷が低下してガス流路内の温度が低下した場合とで、外側ガス拡散層の位置を自動的に変化させることができる。
【００５７】
また、外側ガス拡散層を移動させる手段として人工筋肉を用いてもよい。人工筋肉は電気信号により伸縮させることができる。したがって、燃料電池の負荷に応じて電気信号が人工筋肉に供給されるよう構成することで、燃料電池の負荷に応じて外側ガス拡散層の位置を自動的に変化させることができる。
【００５８】
また、上記実施の形態ではガス拡散層を外側ガス拡散層と内側ガス拡散層の２層構造としているが、より多くの単位ガス拡散層を積層してもよい。その場合、移動手段によって移動可能とする単位ガス拡散層は１層に限定されず、複数の単位ガス拡散層を移動可能に構成してもよい。
【００５９】
また、実施の形態２では、ガス拡散層としてメッシュを用いているが、ほぼ一定形状の多数の貫通孔（メッシュでは網目）が規則正しい配置で形成されている部材であれば、メッシュには限定されない。例えば、ガス拡散層としてパンチングプレートを用いてもよい。上下の貫通孔の重なり率が高いほど、ガス拡散層全体の見かけの空孔率は大きくなる。したがって、上下の貫通孔の重なり率を燃料電池の負荷に応じて制御することで、燃料電池の負荷に応じてガス透過性を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池の概略構成を示す図である。
【図２】図１のＡ方向から見た図である（高負荷時）。
【図３】図２のＢ方向断面図である。
【図４】図１のＡ方向から見た図である（低負荷時）。
【図５】図４のＣ方向断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかるガス拡散層の変形例を示す図である。
【図７】本実施の形態２にかかるガス拡散層の構成を示す図であり、図１のＡ方向から見た図に相当する（高負荷時）。
【図８】図７のＤ方向断面図である。
【図９】本実施の形態２にかかるガス拡散層の構成を示す図であり、図１のＡ方向から見た図に相当する（低負荷時）。
【図１０】図９のＥ方向断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２にかかるガス拡散層の変形例を示す図である。
【図１２】図１１に示すガス拡散層の高負荷時における位置関係を示す拡大図である。
【図１３】図１１に示すガス拡散層の低負荷時における位置関係を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００６１】
２  燃料電池
４  電解質膜
６，８  セパレータ
１０  カソード
１２，２２  触媒層
１４，２４  内側ガス拡散層
１６，２６  外側ガス拡散層
１８  酸化ガス流路
２０  アノード
２８  燃料ガス流路
３２，３４  開口部
３６  吸水性ポリマー
４２，４６  高透過性領域
４４，４８  低透過性領域
５２  内側ガス拡散層（メッシュ）
５６  外側ガス拡散層（メッシュ）
５４，５８  網目
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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