(57)【要約】      （修正有）【課題】多孔質セパレータの機能を生かしながら薄く形成される燃料電用セパレータを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池に用いられ、一方の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる反応ガス流路８６が形成され、他方の面に冷却液体が流れる冷却液体流路９７が形成された燃料電池用セパレータでは、少なくともその一部が金属材料で形成された金属多孔質部材８３、９３であり、冷却液体によって金属多孔質部材を通して燃料ガスまたは酸化剤ガスを加湿すると同時に、冷却液体が気化する際の気化潜熱により燃料電池１を冷却する。【選択図】図３
2008117701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池に用いられ、一方の面に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが流れる反応ガス流路が形成され、他方の面に冷却液体が流れる冷却液体流路が形成された燃料電池用セパレータであって、
少なくともその一部が金属材料で形成された金属多孔質部材であり、前記冷却液体によって前記金属多孔質部材を通して前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを加湿すると同時に、前記冷却液体が気化する際の気化潜熱により前記燃料電池を冷却することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記金属多孔質部材は、非酸化金属材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記金属多孔質部材は、平板状の金属多孔質部材であり、
前記反応ガス流路は、前記平板状の金属多孔質部材の一方の面の凹部により形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記金属多孔質部材には、金属微粒子を焼結した多孔質材料を使用することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記金属多孔質部材には、金属繊維を織り込んだ、または編み込んだ多孔質材料を使用することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記金属多孔質部材には、金属繊維を圧縮した金属多孔質材料を使用することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池に用いられ、一方の面に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが流れる反応ガス流路が形成され、他方の面に冷却液体が流れる冷却液体流路が形成され、前記冷却液体流路を流れる冷却液体によって前記反応ガスを加湿すると同時に、前記冷却液体が気化する際の気化潜熱により前記燃料電池を冷却する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
無孔性の金属プレートと、金属材料で形成された金属多孔質部材とを接合して、前記反応ガス流路の少なくとも一部と前記冷却液体流路の少なくとも一部とを、前記金属多孔質部材で接続する工程を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記金属多孔質部材は平板状に形成され、
前記平板状の前記金属多孔質部材の一方の面に、少なくとも一部に切り抜き箇所を有する第１の無孔性の金属プレートを一体化する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記金属多孔質部材は平板状に形成され、
前記平板状の前記金属多孔質部材の一方の面に、少なくとも一部に切り抜き箇所を有する第１の無孔性の金属プレートを一体化して、前記第１の無孔性の金属プレートの切り抜き箇所と前記平板状の金属多孔質部材とによって前記反応ガス流路を形成する工程と、
前記平板状の前記金属多孔質部材の他方の面に、少なくとも一部に切り抜き箇所を有する第２の無孔性の金属プレートを一体化して、前記第２の無孔性の金属プレートの切り抜き箇所と前記平板状の金属多孔質部材とによって前記冷却液体流路を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記第１の無孔性の金属プレートは、前記平板状の金属多孔質部材に重ねられたときに、前記平板状の金属多孔質部材の外側にはみ出る第１はみ出し部を有し、
前記第２の無孔性の金属プレートは、前記平板状の金属多孔質部材に重ねられたときに、前記平板状の金属多孔質部材の外側にはみ出る第２はみ出し部を有し、
前記第１はみ出し部と前記第２はみ出し部とによって、前記平板状の金属多孔質部材の端部を覆う工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記平板状の金属多孔質部材に、気孔の径分布を設ける工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１２】
前記平板状の金属多孔質部材を、特性の異なる複数の金属材料で形成する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１３】
前記気孔の径分布は、前記反応ガスの流れる方向に変化していることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１４】
前記気孔の径分布は、前記反応ガスの上流側よりも下流側で、前記気孔の径が大きくなっていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１５】
前記気孔の径分布は、前記平板状の金属多孔質部材の厚さの方向に変化していることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１６】
前記気孔の径分布では、前記反応ガス流路側よりも前記冷却液体流路側で、前記気孔の径が大きくなっていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１７】
前記平板状の金属多孔質部材を、強度の異なる複数の金属材料で形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１８】
前記平板状の金属多孔質部材を、前記冷却液体流路側よりも前記反応ガス流路側で、強度の大きな金属材料で形成する工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１９】
前記平板状の金属多孔質部材は、第１の特性の金属材料で形成される箇所の空孔と、第２の特性の金属材料で形成された箇所の空孔とを有し、
前記第１の特性の金属材料で形成された箇所の空孔率と、第２の特性の金属材料で形成された箇所の空孔率とが異なることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータに関し、加湿機能及び気化潜熱にともなう冷却機能を有する燃料電池に用いられ、小型化が図られた燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は一般に、電解質膜を挟んで一対の電極が設けられて構成されている。この一対の電極のうち、一方の陽極には水素を含有する燃料ガスが供給され、他方の陰極には酸素を含有する酸素剤ガスが供給される。このように双方のガスが供給されると、一対の電極の電解質膜側の表面では下記の電気化学反応が生じる。燃料電池は、この電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出し発電するのである。
陽極側：２Ｈ2  →  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-                              （１）
陰極側：４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  ＋  Ｏ2  →  ２Ｈ2Ｏ                  （２）
なお、陽極に供給される燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料ガスを改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。そして、水素を含有する燃料ガスとしては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００３】
電解質膜内では水素イオンＨ+が移動するが、この移動をスムーズに行わせるために、電解質膜を適度に加湿する必要がある。また、発電によって生じた熱を放熱するために、燃料電池全体を冷却する必要がある。
【０００４】
これら加湿・冷却のために、従来では、カーボングラファイトを材料とする多孔質セパレータが使用されている。この多孔質セパレータでは、反応ガスを流す反応ガス流路が一方の面に形成され、水を流す水流路が他方の面に形成される。そして、水流路→多孔質セパレータの孔→反応ガス流路の順で水を移動させて反応ガスを加湿し、加湿された反応ガスによって電解質膜を加湿している。また、多孔質プレートの孔から水を蒸発させることにより、気化潜熱による冷却も少なからず行っている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】米国公開番号２００１/０００４５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の多孔質セパレータは（例えば、特許文献１）、上述したようにカーボングラファイトで形成されていたため、燃料電池用セパレータとしての強度を保つために板厚を厚くする必要があった。
【０００６】
このため、従来の多孔質セパレータを用いて燃料電池を構成すると、燃料電池の体積が増大するという問題点があった。また、体積の増大にともない燃料電池出力密度が低下するという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、多孔質セパレータの機能を生かしながら薄く形成される燃料電用セパレータ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】
【０００８】
本発明に係る、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池に用いられ、一方の面に前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが流れる反応ガス流路が形成され、他方の面に冷却液体が流れる冷却液体流路が形成された燃料電池用セパレータでは、少なくともその一部が金属材料で形成された金属多孔質部材であり、前記冷却液体によって前記金属多孔質部材を通して前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスを加湿すると同時に、前記冷却液体が気化する際の気化潜熱により前記燃料電池を冷却することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池用セパレータは金属材料で形成されているため、薄くても十分に強度が確保される。また、このように薄い燃料電池用セパレータを用いることにより、燃料電池の小型化、熱容量の低下、及び出力密度の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１．）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態１に係る燃料電池用セパレータについて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の構成を示す部分縦断面図である。燃料電池１は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池とする）である。この燃料電池１では、水による電解質膜の加湿と、この水の蒸発にともなう気化潜熱による冷却とが行われる。
【００１２】
燃料電池１は単セル２を積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図１は、図２におけるＡ−Ａ断面を示している。
【００１３】
単セル２は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）３と、電解質膜３を挟持するアノード触媒層４とカソード触媒層５と、アノード触媒層４の外側に設けたアノードガス拡散層６と、カソード触媒層５の外側に設けたカソードガス拡散層７とを有する。また、アノードガス拡散層６の外側に設けられるアノードセパレータ８と、カソードガス拡散層７の外側に設けられるカソードセパレータ９とをさらに備える。
【００１４】
本発明では、電解質膜３とアノード触媒層４とカソード触媒層５とアノードガス拡散層６とカソードガス拡散層７とが、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０を構成しているものとする。
【００１５】
アノード触媒層４、カソード触媒層５は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成される。
【００１６】
アノードガス拡散層６、カソードガス拡散層７は、導電性の多孔質材料からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成される。
【００１７】
アノードセパレータ８は、金属材料（非酸化金属材料）で形成される金属多孔質セパレータである（金属多孔質部材）。アノードセパレータ８は、金属繊維を織り込み又は編み込んで形成するものとし、この織り込み又は編み込みによって形成される多くの気孔を有している。これらの多くの気孔の大きさはそれぞれ、上述した編みこみにより調整され、アノードセパレータ８内で均一の幅を有している。
【００１８】
アノードセパレータ８は、ＭＥＡ１０の側（以下、表側という）に、燃料ガス（以下、水素ガスという）を流す複数の燃料ガス流路８１（反応ガス流路）を有する。また、アノードセパレータ８は、ＭＥＡ１０の側とは反対の側（以下、裏側という）に、水を流す複数の加湿冷却流路８２（冷却液体流路）を有する。図１においては、複数の燃料ガス流路８１の各々と、複数の加湿冷却流路８２の各々とが向かい合うように示されている。しかし、複数の燃料ガス流路８１の各々と複数の加湿冷却流路８２の各々とは、必ずしも向かい合う必要はなく、アノードセパレータ８の面方向でずれていても、互いに異なる幅を有していてもよい。
【００１９】
カソードセパレータ９は、アノードセパレータ８と略同等に構成されるため詳細な説明は以下省略する。なお、カソードセパレータ９においてアノードセパレータ８の部材と対応する部材には、下１桁を同じとする符号を付してある。また、単セル２（例えば図１中央の単セル２）の加湿冷却流路８２は、隣接する単セル２（例えば図１左端の単セル２）の加湿冷却流路９２と連続している。燃料電池１では、加湿冷却流路８２と加湿冷却流路９２とによって形成される流路を流れることとなる。
【００２０】
燃料電池１の発電について説明する。
【００２１】
水素ガスは、燃料ガス流路８１を流れながらアノードガス拡散層６、アノード触媒層４に行きわたり電解質膜３と接触する。同様に、酸化剤ガス（以下、空気という）は、酸化剤ガス流路９１を流れながらカソードガス拡散層７、アノード触媒層５に行きわたり電解質膜３と接触する。このようにして、電解質膜３の一方の面に水素ガスが接触し、他方の面に空気が接触する。このように水素ガスと空気とが電解質膜３に接触すると、電解質膜３のアノード触媒層４側では上記（１）式の反応が起こり、カソード触媒層５側では上記（２）式の反応が起こる。燃料電池１は、上記（１）式で生じた電子を取り出すことによって、発電しているのである。
【００２２】
燃料電池１の加湿機能及び冷却機能について説明する。
【００２３】
加湿冷却流路８２、９２（例えば、図１において、単セル２のカソードセパレータ９側の加湿冷却流路８２、９２）を流れる水は、カソードセパレータ９の多くの気孔に浸透し保持される。このようにして保持された水は、燃料電池１の発電に伴う熱によって蒸発する。燃料電池１では、この蒸発にともなう気化潜熱によって全体を冷却する。
【００２４】
また、カソードセパレータ９からの水蒸気は、酸化剤ガス流路９１を流れる空気を加湿する。加湿された空気は、カソードガス拡散層７、カソード触媒層５、電解質膜３に行きわたる。燃料電池１では、このようにして、電解質膜３を加湿する。
【００２５】
なお、燃料電池１では、アノードセパレータ８とカソードセパレータ９とには、水、水素ガス及び空気が漏洩しないようにシールが配置されている（図示せず）。
【００２６】
図２は、単セル２を構成するカソードセパレータ９を表側から見た平面図である。ＭＥＡ１０において空気が反応する反応部９０は、細線で囲むことによって示してある。
【００２７】
酸化剤ガス流路９１は、カソードセパレータ９の面の凹部によって形成される。酸化剤ガス流路９１は、カソードセパレータ９の面で、等間隔に配置され、面方向に真っ直ぐ延びる短冊状の流路である。このように酸化剤ガス流路９１を形成することで、酸化剤ガス流路９１を流れる空気はムラ無く反応部９０を通過することができる。ここでは、短冊状の流路として説明されているが、酸化剤ガス流路９１を並列蛇状型の流路など、他の形状の流路としてもよい。また、加湿冷却流路９２はカソードセパレータ９の裏側に形成されるため（図１）、ここでは図示されていない。
【００２８】
従来では、多孔質セパレータをカーボングラファイトで形成していたが、本実施形態では、カソードセパレータ９を、金属繊維を編み込むなどして形成している。
【００２９】
これにより、本実施形態では、従来の多孔質セパレータに対して強度が増し、多孔質セパレータの機能を生かしながら薄く形成されたカソードセパレータ９を提供することができる。
【００３０】
また、このように薄いカソードセパレータ９を燃料電池１に用いることにより、小型化が図られ、熱容量が低下し、出力密度が向上した燃料電池１を提供することができる。
【００３１】
本実施形態では、上述したように金属繊維の編み込みなどによってカソードセパレータ９の気孔の大きさを均一に適度な大きさにしているため、酸化剤ガス流路９１から加湿冷却流路９２へ空気が吹き抜けるのを防止することができる。これにより、上述した吹き抜けを防止するために板厚を上げる必要がなくなり、より薄く形成されたカソードセパレータ９を提供することができる。
【００３２】
さらに、カーボングラファイトに比べて金属繊維は熱を伝えやすいため、カソードセパレータ９では従来の多孔質セパレータに比べて蒸発を促進する。これにより、従来よりも燃料電池１の冷却をより促進する燃料電池セパレータ９を提供することができる。
【００３３】
なお、アノードセパレータ８における効果は、カソードセパレータ９における効果と同様であるため、以下省略する。
（実施形態２.）
図３は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を示す部分縦断面図である。なお、以下に示す点を除いては、本発明の実施形態１に係る燃料電池１と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
【００３４】
実施形態１では、金属材料の編み込みなどによりカソードセパレータ９全体を形成していたが、本実施形態では、金属材料の編み込みなどによる部分と孔を持たない金属の部分とによってカソードセパレータ９全体を形成する。
【００３５】
カソードセパレータ９は、金属多孔質プレート９３（平板状の金属多孔質部材）と、金属多孔質プレート９３の表側に配置される金属プレート９４（第１の無孔性の金属プレート）と、金属多孔質プレート９３の裏側に配置される金属プレート９５（第２の無孔性の金属プレート）とを備える。
【００３６】
金属多孔質プレート９３は、金属材料で形成される平らな多孔質プレートである。金属多孔質プレート９３は、金属繊維を織り込むなどして、実施形態１のカソードセパレータ９と略同等に形成されるものとし、均一な幅の多数の気孔を有する。
【００３７】
金属プレート９４、９５は、気孔を有さない金属プレート（無孔性の金属プレート）である。金属プレート９４、９５には、後述する複数の切り抜き箇所が形成されており（図４）、これらの切り抜き箇所が金属多孔質プレート９３の表面とともに酸化剤ガス流路９６、加湿冷却流路９７を構成している。
【００３８】
図４は、本発明の実施形態２に係る燃料電池１のカソードセパレータ９を説明するための分解平面図である。
【００３９】
ここでは、カソードセパレータ９の製造方法も併せて説明する。本実施形態では、平板状の金属多孔質プレート９３の一方の面に、切り抜き箇所を有する金属プレート９４を設け、他方の面に切り抜き箇所を有する金属プレート９５を設ける。そして、金属多孔質プレート９３、金属プレート９４、金属プレート９５を一体化してカソードセパレータ９を製造する。
【００４０】
図４（Ａ）は、金属多孔質プレート９３の平面図である。図４（Ｂ）は、金属プレート９４の平面図である。図４（Ｃ）は、金属プレート９５の平面図である。図４（Ｄ）は、カソードセパレータ９の表側の平面図である。
【００４１】
金属プレート９４の平面の大きさは、金属多孔質プレート９３の平面の大きさと略同等である。金属プレート９４は、気孔を有さない金属プレートの酸化剤ガス流路９６となる箇所を切り抜くことによって形成される。金属プレート９５は、金属プレート９４と略同等の平面の大きさを有し、金属プレート９４と略同等に形成されるため、詳細な説明は省略する。
【００４２】
カソードセパレータ９は、金属プレート９４を金属多孔質プレート９３の表側に設け、金属プレート９５を金属多孔質プレート９３の裏側に設け、これら金属多孔質プレート９３、金属プレート９４、金属プレート９５を一体化して製造する。この一体化には、焼結などの方法が用いられるが、この方法に限定されない。
【００４３】
カソードセパレータ９では、金属プレート９４の上述した切り抜かれた箇所と、この箇所と重なる金属多孔質プレート９３の部分とによって、酸化剤ガス流路９６が構成されている。加湿冷却流路９７は、酸化剤ガス流路９６と略同等に構成されるため、詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施形態では、気孔を有さない金属プレートの一部を切り抜いて金属プレート９４を形成し、このように形成された金属プレート９４を平らな金属多孔質プレート９３に重ね合わせ、金属プレート９４の切り抜き箇所と金属多孔質プレート９３の表面とで酸化剤ガス流路９６を構成している。
【００４５】
このように、本実施形態では、実施形態１のように金属多孔質プレート９３への流路の形付けを行う必要がなく、金属プレート９４と金属多孔質プレート９３との重ね合わせだけで酸化剤ガス流路９６を構成できる。よって、実施形態１に比べて、流路形成の手順がより簡易化されたカソードセパレータ９を提供することができる。その他の効果については、実施形態１の燃料電池１と同様である。
（実施形態３.）
図５は、本発明の実施形態３に係る燃料電池１のカソードセパレータ９を説明するための図である。図５（Ａ）は、カソードセパレータ９を表側からみた平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のカソードセパレータ９のＢ−Ｂ断面を示している。なお、以下に示す点を除いては、本発明の実施形態２に係る燃料電池１と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
【００４６】
実施形態２では、略同等の平面の大きさを有する金属多孔質プレート９３、金属プレート９４、９５を使用していたが、本実施形態では、金属多孔質プレート９３の平面よりも大きい平面を有する金属プレート９４、９５を使用する。
【００４７】
金属プレート９４は、金属多孔質プレート９３に重ねられたときに、金属多孔質プレート９３の端部の外側に延びる角部９４ａ（第１はみ出し部）を有する。
【００４８】
角部９４ａは、金属多孔質プレート９３に重ねられたときに、金属多孔質プレート９３の端部９３ａに被さる（図５（Ｂ））。図５においては、金属プレート９４は、向かい合う２端辺に角部９４ａを有するように示されている。しかし、金属プレート９４は、他の端辺に角部９４ａを有してもよい。金属プレート９５は、金属プレート９４と略同等に構成されるため、詳細な説明は省略する。
【００４９】
本実施形態では、金属多孔質プレート９３と金属プレート９４、９５とを重ね合わせると、角部９４ａ、９５ａ（第２はみ出し部）が金属多孔質プレート９３の端部９３ａの外側で重なる（図５（Ｂ））。このようにして、角部９４ａ、９５ａが、金属多孔質プレート９３の端部９３ａを覆っている。
【００５０】
本実施形態では、金属多孔質プレート９３の端部９３ａを、気孔を有さない金属プレート９４、９５の角部９４ａ、９５ａで覆うこととした。
【００５１】
これにより、金属多孔質プレート９３の面方向の水、空気のリークは角部９４ａ、９５ａで防止されるため、リークに対するシールの加工がより簡易化されたカソードセパレータ９を提供することができる。その他の効果については、実施形態２の燃料電池１と同様である。
（実施形態４.）
図６は、本発明の実施形態４に係る燃料電池１のカソードセパレータ９を説明するための図である。図６（Ａ）は、カソードセパレータ９を表側から見た平面図である。図６（Ｂ）は、酸化剤ガス流路９６内における上流からの位置とその温度との関係を示す図である。なお、以下に示す点を除いて、本発明の実施形態４に係る燃料電池１は、実施形態２に係る燃料電池１と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
【００５２】
実施形態２では、金属多孔質プレート９３の多くの気孔の径はそれぞれ均一であるが、本実施形態では、酸化剤ガス流路９６の上流側の気孔の径の幅よりも下流側と重なる気孔の径の幅が大きくなっている。
【００５３】
金属多孔質プレート９３は、小径部分９３ｂと大径部分９３ｃとを有する。
【００５４】
小径部分９３ｂは、酸化剤ガス流路９６の上流側で、金属プレート９４の略半分と重なる。
【００５５】
大径部分９３ｃは、酸化剤ガス流路９６の下流側で、金属プレート９４の略半分と重なる。大径部分９３ｃにおける金属多孔質プレート９３の気孔の径は、小径部分９３ｂにおける金属多孔質プレート９３の気孔の径よりも大きい径を有する。
【００５６】
本発明のように気化潜熱によって冷却する燃料電池１においては、電極面内の蒸発量がほぼ均一であることから、酸化剤ガス流路９６の下流側では上流側に比べて高温になる（図６（Ｂ））。すると、金属多孔質プレート９３では、上流側よりも下流側の気孔の径が小さくなり、金属多孔質プレート９３において気孔の径の不均一が生じるおそれがある。
【００５７】
そこで、本実施形態では、予め、金属多孔質プレート９３の下流側（大径部分９３ｃ）の気孔の径を、上流側（小径部分９３ｂ）よりも大きくしたのである。これにより、酸化剤ガス流路９６内の温度分布（図５（Ｂ））による金属多孔質プレート９３の気孔の径の変化の影響を抑え、金属多孔質プレート９３の機能がより強固に確保されるカソードセパレータ９を提供することができる。その他の効果については、実施形態２に係る燃料電池１と同様である。
（実施形態.５）
図７は、本発明の実施形態５に係る燃料電池１のカソードセパレータ９を説明するための図である。図７（Ａ）は、金属多孔質プレート９３の構成を示す部分縦断面図である。図７（Ｂ）は、金属多孔質プレート９３の厚さ方向と面方向との方向を示す図である。なお、以下に示す点を除いて、本発明の実施形態５に係る燃料電池１は、実施形態２に係る燃料電池１と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
【００５８】
実施形態２では、金属多孔質プレート９３の多くの気孔の径はそれぞれ均一であるが、本実施形態では、厚さ方向で変化している。
【００５９】
金属多孔質プレート９３の気孔の径は、裏側（加湿冷却流路９７側）から表側（酸化剤ガス流路９６側）にいくにつれて小さくなっている。つまり、金属多孔質プレート９３の気孔は、裏側で最も大きな径を有し、表側で最も小さな径を有するのである。
【００６０】
本発明のように気化潜熱によって冷却する燃料電池１においては、金属多孔質プレート９３の裏側を流れる水が表側から蒸発するが、この際に、表側を流れる空気が裏側に吹き抜けてしまうおそれがある。
【００６１】
そこで、本実施形態では、金属多孔質プレート９３の裏側から表側に行くにつれて気孔の径が小さくなるようにしたのである。
【００６２】
これにより、金属多孔質プレート９３の表側の気孔の毛細管力は強まり、表側を流れる空気の圧力が多少強くても、空気が表側の気孔内の水を押し出し裏側へ吹き抜けてしまうことが防止される。
【００６３】
よって、本実施形態では、表側から裏側への空気のリークをより強固に防止することができるカソードセパレータ９を提供することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、金属多孔質プレート９３の裏側の気孔の径を大きくしたため、金属多孔質プレート９３の水の保持量、水移動の経路は確保されており、金属多孔質プレート９３全体の軽量化も図られている。その他の効果については、実施形態２に係る燃料電池１と同様である。
（実施形態.６）
図８は、実施形態６に係る燃料電池１のカソードセパレータ９を説明するための図である。図８（Ａ）は、金属多孔質プレート９３の構成を示す部分縦断面図である。図８（Ｂ）は、金属多孔質プレート９３の厚さ方向と面方向との方向を示す図である。なお、以下に示す点を除いて、本発明の実施形態５に係る燃料電池１と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
【００６５】
実施形態５では、一つの素材の金属繊維から金属多孔質プレート９３を形成しているが、本実施形態では、複数の素材の金属繊維から金属多孔質プレート９３を形成する。
【００６６】
金属多孔質プレート９３は、小径部材９３ｄと、大径部材９３ｅとから形成される。
【００６７】
小径部材９３ｄは、金属多孔質プレート９３の厚さの略半分の厚さを有し、表側（酸化剤ガス流路９６側）に配置される。
【００６８】
大径部材９３ｅは、金属多孔質プレート９３の厚さの略半分の厚さを有し、裏側（加湿冷却流路９７側）に配置される。大径部材９３ｅは、小径部材９３ｄの素材とは異なる素材を織り込み又は編み込んで形成されている。また、大径部材９３ｅにおける気孔の径は、小径部材９３ｄにおける気孔の径よりも大きくなっている。なお、小径部材９３ｄが、金属多孔質プレート９３の厚さの大部分の厚さを有してもよく、大径部分９３ｅが金属多孔質プレート９３の厚さの大部分の厚さを有してもよい。
【００６９】
本発明のように気化潜熱によって冷却する燃料電池１においては、実施形態５で述べたように、表側を流れる空気が裏側に吹き抜けてしまうおそれがある。この空気の吹き抜けを防止するため、カソードセパレータ９の内部で高いバブルポイントを有することも必要とされる。
【００７０】
そこで、本実施形態では、それぞれ異なる素材で形成した小径部材９３ｄと大径部材９３ｅとを厚さ方向で重ね合わせて、カソードセパレータ９を構成したのである。これにより、小径部材９３ｄと大径部材９３ｅとの組合せによって、小径部分９３ｄと大径部分９３ｅとの重ね合わさる面での高いバブルポイントを提供することができる。よって、金属多孔質プレート９３内でのバブルポイントプレッシャの調整の自由度が上がったカソードセパレータ９を提供することができる。
【００７１】
また、大径部材９３ｅが径の大きな気孔を有することにより、カソードセパレータ９の裏側の空間率を高くし、水の含有率を高くすることができる。
【００７２】
さらに、大径部材９３ｅ内では透過抵抗が小さいために、水の移動がしやすくなり、金属多孔質プレート９３の部分的なドライアウトが防止される。その他の効果は、実施形態５と同等の効果である。
【００７３】
なお本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【００７４】
実施形態４において、小径部分９３ｂが酸化剤ガス流路９６の上流側で金属多孔質プレート９３の大部分を占めてもよく、また、大径部分９３ｃが酸化剤ガス流路９６の下流側で金属多孔質プレート９３の大部分を占めてもよい。さらに、酸化剤ガス流路９６と重なる金属多孔質プレート９３の部分のみを、小径部分９３ｂと大径部分９３ｃとで形成し、その他の部分を均一な径の気孔を有するようにしてカソードセパレータ９を形成してもよい。
【００７５】
実施形態６において、小径部材９３ｄが、金属多孔質プレート９３の表側の厚さの大部分の厚さを占めてもよく、また、大径部材９３ｅが、金属多孔質プレート９３の裏側の厚さの大部分の厚さを占めてもよい。
【００７６】
実施形態６において、小径部材９３ｄが、例えば金属細繊維多孔質材や金属細繊維網状多孔質材などの非常に薄い金属多孔質材料で形成される場合には、小径部材９３ｄの強度が弱くなるおそれがある。
【００７７】
この場合には、大径部材９３ｄに強度の大きい金属多孔質材料を使用してもよい。これにより、強度の弱い小径部材９３ｄが強度の大きな大径部材９３ｅと一体化され、カソードセパレータ９全体の強度が保持される。
【００７８】
さらに、実施形態６においては、大径部材９３ｅの空孔率よりも小径部材９３ｄの空孔率を低くしてカソードセパレータ９を構成してもよい。
【００７９】
実施形態１におけるカソードセパレータ９に、上述した実施形態４、５の気孔の径分布を持たせてもよい。また、実施形態１におけるカソードセパレータ９を、実施形態６で述べた小径部材９３ｄと、大径部材９３ｅとで構成してもよい。
【００８０】
実施形態１から実施形態６において、カソードセパレータ９と、金属多孔質プレート９３とを、金属微粒子を焼結して形成してもよく、金属繊維を圧縮して形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】カソードセパレータを表側から見た平面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を示す部分縦断面図である。
【図４】カソードセパレータの分解平面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る燃料電池のカソードセパレータを説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る燃料電池の金属多孔質プレートの径分布を説明するための図である。
【図７】本発明の実施形態５に係る燃料電池の金属多孔質プレートの径分布を説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態６に係る燃料電池の金属多孔質プレートの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
１              燃料電池
２              単セル
３              電解質膜
４              アノード触媒層
５              カソード触媒層
６              アノードガス拡散層
７              カソードガス拡散層
８              アノードセパレータ
９              カソードセパレータ
１０            ＭＥＡ
８１、８６      燃料ガス流路（反応ガス流路）
８３、９３      金属多孔質プレート（平板状の金属多孔質部材）
９３ｂ          小径部分
９３ｃ          大径部分
９３ｄ          小径部材
９３ｅ          大径部材
９４、９５      金属プレート（無孔性の金属プレート）
９４ａ、９５ａ  角部（第１はみ出し部、第２はみ出し部）
９７            加湿冷却流路（冷却液体流路）
【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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