(57)【要約】【課題】燃料電池動作中に生成される水の排水性を向上する。【解決手段】供給用開口部１３５は、流路１３２に反応ガスを供給する。流路１３２は、矢印Ｐに沿うように形成された複数の溝により構成されており、反応ガスを流通する。排出用開口部１３６は、流路１３２から反応ガスを排出する。吸水性繊維２００は、流路１３２の下流側である排出用開口部１３６の近傍から、排出用開口部１３６から離れる方向に向かって伸びるように配置されている。具体的には、吸水性繊維２００は、流路１３２に沿って反応ガスの流れとは逆方向に伸び、カソード側セパレータ１３０の流路１３２を形成する各溝１３２ａの底部に貼り付けられている。こうすれば、排水用開口部に集中して滞留する水の排水性を向上でき、燃料電池の発電効率を向上できる。【選択図】図２
2008210545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の一方の面にアノード電極層が形成され、他方の面にカソード電極層が形成された膜電極接合体と、
前記燃料電池の発電に利用される反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用開口部と、前記反応ガスを排出する排出用開口部とが形成され、前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータと、
前記一対のセパレータのうち少なくとも前記カソード電極層側に配置されたカソード側セパレータと、前記膜電極接合体との間に配置され、前記排出用開口部近傍を含み、前記排出用開口部から離れる方向に伸びる第１の吸水性材料を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記カソード側セパレータは、複数の突状部によって形成された流路を有しており
前記第１の吸水性材料は、少なくとも前記流路上に配置されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記複数の突状部は複数の溝を形成しており、
前記第１の吸水性材料は、前記溝内に配置されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の燃料電池であって、
前記第１の吸水性材料は、前記流路に沿って、前記流路の下流から上流に向けて配置されている、燃料電池。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記複数の突状部は複数の溝を形成しており、
前記第１の吸水性材料は、隣接する前記溝を繋ぐように、前記突状部と前記溝とに亘って配置されている、燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
前記第１の吸水性材料は、前記排出用開口部近傍と前記供給用開口部近傍との間に直線的に配置されている、燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記カソード側セパレータは、複数の突状部によって形成された流路を有しており、
前記燃料電池は、更に、
前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間に形成され、前記流路から供給される反応ガスを前記膜電極接合体に拡散するためのガス拡散層と、
前記カソード電極層の近傍から、前記ガス拡散層内を前記ガス拡散層の厚み方向に伸びて配置された第２の吸水性材料であって、前記第２の吸水性材料の一部は、前記ガス拡散層と前記流路の前記突状部との接触部分に出現するように構成された第２の吸水性材料と、を備え、
前記第１の吸水性材料は、前記複数の突状部と前記流路とを繋ぐように配置されている、燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記複数の突状部は複数の溝を形成しており、
前記第１の吸水性材料は、隣接する前記溝を繋ぐように、前記突状部と前記溝とに亘って配置されている、燃料電池。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の燃料電池であって、
前記第２の吸水性材料は、吸水性繊維および吸水性樹脂の少なくとも一方を含む、燃料電池。
【請求項１０】
請求項２ないし請求項９いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の吸水性材料は、前記排出用開口部からの距離が長くなるにつれて低密度となるように構成されている、燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の吸水性材料は、前記排出用開口部の一部に重なるように配置されている、燃料電池。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の吸水性材料は、吸水性繊維および吸水性樹脂の少なくとも一方を含む、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の排水構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、例えば、固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、電解質膜、電解質膜の両側に配置された１対の電極層（アノード、カソード）、電極層の両側に配置された多孔質のガス拡散層、および、電解質膜、電極層を狭持するセパレータを有するセルを複数積層して構成されている。燃料ガスや酸化ガスなどの燃料電池の発電に用いられる反応ガスは、セパレータを積層することにより燃料電池内部に形成されるマニホールドを流れ、セパレータに形成された流路を通ってガス拡散層へ供給され、ガス拡散層を介して膜電極接合体へ供給される。このような燃料電池では、運転中に生じる化学反応によって水が生成される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−５５８９４８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、運転中に生成された水分は、反応ガスにより流されて、流路の出口近傍に集中して滞留する。そのため、水分の滞留により反応ガスの流通が阻害され、燃料電池の発電効率の低下を招くおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池動作中における排水性の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第１の態様は、燃料電池を提供する。第１の態様の燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極層が形成され、他方の面にカソード電極層が形成された膜電極接合体と、燃料電池の発電に利用される反応ガスを膜電極接合体に供給するための供給用開口部と、反応ガスを排出する排出用開口部とが形成され、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータと、一対のセパレータのうち少なくともカソード電極層側に配置されたカソード側セパレータと、膜電極接合体との間に配置され、排出用開口部近傍を含み、排出用開口部から離れる方向に伸びる第１の吸水性材料と、を備えることを要旨とする。
【０００７】
第１の態様の燃料電池によれば、排出用開口部近傍を含み、排出用開口部から離れる方向に伸びて第１の吸水性材料が配置されているため、下流側に集中して発生する結露が、第１の吸水性材料に吸収され拡散される。従って、排出用開口部近傍で集中的に発生する結露を、排出用開口部から離れる方向に拡散でき、排出用開口部近傍での結露の滞留を抑制できる。また、第１の吸水性材料に吸収され拡散された水分は、広い表面積で反応ガスと接するため、気化効率を向上できる。従って、燃料電池の排水性を向上できる。よって、燃料電池の発電効率を向上できる。
【０００８】
第１の態様の燃料電池において、カソード側セパレータは、複数の突状部によって形成された流路を有しており、第１の吸水性材料は、少なくとも流路上に配置されていてもよい。
【０００９】
第１の態様の燃料電池において、複数の突状部は複数の溝を形成しており、第１の吸水性材料は、溝内に配置されていてもよい。
【００１０】
第１のの燃料電池によれば、第１の吸水性材料を、膜電極接合体とセパレータとが接触しない流路上に配置できる。よって、膜電極接合体とセパレータとの間の接触抵抗を抑制でき、導電性を確保できる。また、膜電極接合体とセパレータとの境界部に第１の吸水性材料が配置されないため、従来と同程度の大きさのスタックで、発電効率を向上できる。
【００１１】
第１の態様の燃料電池において、第１の吸水性材料は、流路に沿って、流路の下流から上流に向けて配置されていてもよい。
【００１２】
第１の態様の燃料電池によれば、第１の吸水性材料を、流路に沿って下流から、下流よりも乾燥している上流に伸びるように配置できる。従って、第１の吸水性材料に吸収された水分は広い表面積で流路を流れる反応ガスと接触できるため、水分の気化効率を向上できる。よって、燃料電池の排水性を向上できる。
【００１３】
第１の態様の燃料電池において、複数の突状部は複数の溝を形成しており、第１の吸水性材料は、隣接する溝を繋ぐように、突状部と溝とに亘って配置されていてもよい。
【００１４】
第１の態様の燃料電池によれば、簡易な構成で、燃料電池の排出用開口部近傍の排水性を向上できるとともに、発電部位内における水分分布の偏りを抑制できる。よって、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００１５】
第１の態様の燃料電池において、第１の吸水性材料は、排出用開口部近傍と供給用開口部近傍との間に直線的に配置されていてもよい。
【００１６】
第１の態様の燃料電池によれば、第１の吸水性材料を、湿潤状態の排出用開口部近傍と乾燥状態の供給用開口部近傍とを、短距離で連結できる。従って、第１の吸水性材料において、大きな濃度勾配が生じ、第１の吸水性材料に吸収された水分の拡散速度を向上できる。よって、燃料電池における下流側の排水性を向上できる。また、乾燥状態の供給用開口部近傍へ水分が拡散されるため、供給用開口部近傍の膜電極接合体を効率的に湿潤状態に保つことができる。従って、発電部位内における水分分布の偏りを抑制できるとともに、乾燥に起因する膜電極接合体の耐久性低下を低減できる。よって、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００１７】
第１の態様の燃料電池において、カソード側セパレータは、複数の突状部によって形成された流路を有しており、燃料電池は、更に、膜電極接合体と各セパレータとの間に形成され、流路から供給される反応ガスを膜電極接合体に拡散するためのガス拡散層と、カソード電極層の近傍から、ガス拡散層内をガス拡散層の厚み方向に伸びて配置された第２の吸水性材料であって、第２の吸水性材料の一部は、ガス拡散層と流路の突状部との接触部分に出現するように構成された第２の吸水性材料と、を備え、第１の吸水性材料は、複数の突状部と流路とを繋ぐように配置されていてもよい。
【００１８】
第１の態様の燃料電池において、複数の突状部は複数の溝を形成しており、第１の吸水性材料は、隣接する溝を繋ぐように、突状部と溝とに亘って配置されていてもよい。
【００１９】
第１の吸水性材料は、流路に接して配されており乾燥しているため、第１の態様の燃料電池によれば、膜電極接合体の触媒層で発生した水分は、ガス拡散層内に配置された第２の吸水性材料を介して速やかに第１の吸水性材料に移動される。従って、ガス拡散層における水分の滞留を抑制できるため、膜電極接合体への反応ガスの供給効率を向上できる。よって、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００２０】
第１の態様の燃料電池において、第１の吸水性材料は、排出用開口部からの距離が長くなるにつれて低密度となるように構成されていてもよい。
【００２１】
第１の態様の燃料電池によれば、結露発生のし易さに応じて、第１の吸水性材料の分布密度を変化できる。従って、必要十分な量の吸水性材料を燃料電池に配置でき、不要な吸水性材料の配置による圧力損失の増大や接触抵抗の増大を抑制できる。よって、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００２２】
第１の態様の燃料電池において、第１の吸水性材料は、排出用開口部の一部に重なるように配置されていてもよい。
【００２３】
第１の態様の燃料電池によれば、吸水性材料に吸収された水分は、排出用開口部内を流通する大量の反応ガスと接触できる。従って、吸水性材料に吸収された水分の気化効率を向上でき、燃料電池の排水性を向上できる。
【００２４】
第１の態様の燃料電池において、第１の吸水性材料および第２の吸水性材料は、吸水性繊維および吸水性樹脂の少なくとも一方を含んでもよい。
【００２５】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池単セルの概略構成：
図１は、第１実施例における燃料電池の単セルの概略構成を例示する断面図である。図１に示すように、第１実施例の燃料電池の単セル１０は、膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層１２０、１２１、カソード側セパレータ１３０、アノード側セパレータ１４０および吸水性材料２００を備える。
【００２７】
ＭＥＡ２０は、電解質膜１００の一方の面上に、カソード電極触媒層１１０を備え，電解質膜１００の他方の面上にアノード電極触媒層１１１を備える。電解質膜１００は、例えば、ナフィオンにより形成される。電解質膜１００の表面上に形成されたカソード電極触媒層１１０，アノード電極触媒層１１１は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されて形成されている。
【００２８】
ガス拡散層１２０，１２１は、気孔率が約２０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層１２０，１２１は、接合によりＭＥＡ２０と一体化されている。ガス拡散層１２０，１２１は、その厚み方向に反応ガスを拡散する。
【００２９】
カソード側セパレータ１３０は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から形成されている。カソード側セパレータ１３０には、反応ガスを膜電極接合体２０に供給するための流路１３２が形成されている。流路１３２は、複数の溝１３２ａにより構成されている。複数の溝１３２ａは反応ガスの流路１３２を構成する。アノード側セパレータ１４０は、カソード側セパレータ１３０と同様にステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から形成されており、反応ガスを膜電極接合体２０に供給するための流路１４２が形成されている。流路１４２は、複数の溝１４２ａにより構成されている。
【００３０】
吸水性材料２００は、セルロース系繊維からなる吸水性繊維により形成されている。以降、第１実施例では、吸水性材料２００を吸水性繊維２００と呼ぶ。吸水性繊維２００は、カソード側セパレータ１３０の流路１３２の一部に配置されている。なお、本明細書において、吸水性材料の配置とは、吸水性材料をセパレータに塗布、貼付して固着させることを含む。また、本明細書において、吸水性繊維が配置されたカソード側セパレータを吸水性繊維付セパレータとも呼ぶ。
【００３１】
Ａ２．排水構造：
第１実施例の燃料電池の排水について図２および図３を参照して説明する。図２は、第１実施例における排水構造について説明する模式図である。図３は、第１実施例における水分の流れを示す説明図である。図２（ａ）は、カソード側セパレータ１３０と吸水性繊維２００とをＭＥＡ２０側から表しており。図２（ｂ）は、カソード側セパレータ１３０の流路１３２の排出用開口部近傍を拡大して表している。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、カソード側セパレータ１３０は、供給用開口部１３５、排出用開口部１３６および流路１３２を備える。供給用開口部１３５および排出用開口部１３６は、燃料電池の発電に利用される反応ガスを流通するマニホールド用の連通孔である。供給用開口部１３５は、流路１３２に反応ガスを供給する。流路１３２は、矢印Ｆに沿うように形成された複数の溝により構成されており、反応ガスを流通する。排出用開口部１３６は、流路１３２から反応ガスを排出する。カソード側セパレータ１３０において、膜電極接合体配設領域２０ａは、膜電極接合体２０の配設位置に対応する領域である。
【００３３】
吸水性繊維２００は、流路１３２の下流側である排出用開口部１３６の近傍から、排出用開口部１３６から離れる方向に向かって伸びるように配置されている。具体的には、吸水性繊維２００は、図２（ａ）に示すように、流路１３２に沿って反応ガスの流れとは逆方向に伸び、図２（ｂ）に示すように、カソード側セパレータ１３０の流路１３２を形成する各溝１３２ａの底部に貼り付けられている。
【００３４】
第１実施例の燃料電池では、アノード電極触媒層１１１で水素がプロトンと電子に分けられ、プロトンが電解質膜１００を透過してカソード電極触媒層１１２に移動する。カソード電極触媒層１１２では、プロトンと流路１３２から供給された反応ガスとが反応して水が生成される。このようにして生成された水は流路１３２を流れる反応ガスにより下流側へ押し流され、図３に示すように、排出用開口部１３６近傍に水分３００が集中する。この結果、排出用開口部１３６から排出可能な水分量を超えてしまい、水分３００が排出用開口部１３６近傍に滞留して反応ガスの流通を阻害する。よって、燃料電池の発電効率が低下するという問題が生じる。
【００３５】
図３に示すように、第１実施例では、排出用開口部１３６に集中する水分３００が吸水性繊維２００に吸収され、吸水性繊維２００の配置方向に沿って排出用開口部１３６から離れる方向（図３の矢印Ｐ）に移動される。従って、水分３００は吸水性繊維２００により拡散される。
【００３６】
Ａ３．吸水性繊維付セパレータの製造工程：
図４は、第１実施例における吸水性繊維付セパレータの製造工程について説明するフローチャートである。
【００３７】
カソード側セパレータ１３０のセパレータ基板を準備する（ステップＳ１０）。具体的には、例えば、厚み約０．１ｍｍのチタン基板を準備し、カーボンブラックが約４５重量％分散したエチレンテトラフルオロエチレン共重合体溶液を、ディッピング法によりチタン基板にコーティングする。このようにしてコーティングされたチタン基板がセパレータ基板である。
【００３８】
セパレータ基板に、吸水性繊維を固定する（ステップＳ１２）。具体的には、例えば、太さ１２５μｍのアクリル酸エステル系繊維とナイロン系繊維とを配合比１：１で紡糸したセルロース系吸水繊維糸を、図２（ａ）に示すように、セパレータ基板に、排出用開口部１３６から離れる方向に１００μｍのピッチで貼り付ける。セパレータ基板を熱風乾燥してエチレンテトラフルオロエチレン共重合体を硬化させ、セルロース系吸水繊維をセパレータ基板に固定する。繊維径は、例えば、約１５μｍ〜約１５０μｍが好ましく、約３０μｍ〜約１００μｍが好ましい。もっとも好ましくは、例えば、約４５μｍ〜８０μｍである。
【００３９】
エチレンテトラフルオロエチレン共重合体溶液がコーティングされ、吸水性繊維が貼り付けられたセパレータ基板から、カソード側セパレータ１３０の外形を切り出す（ステップＳ１４）。具体的には、例えば、カソード側セパレータ１３０の外形の大きさ、例えば、２５０ｍｍ×１００ｍｍに切り出す。
【００４０】
切り出したカソード側セパレータ基板に、開口部および流路溝を形成する（ステップＳ１６）。具体的には、カソード側セパレータ基板の短辺の一方に供給用開口部１４５が、他方の短辺に排出用開口部１３６が、対角上に配置されるように、かつ、反応ガスの流れが図２（ａ）の矢印Ｆに示すようにサーペンタイン形状となるように板金加工により、開口部１３５，１３６および流路溝１３２ａが形成される。流路溝１３２ａの断面形状は、例えば、溝幅２ｍｍ、溝深さ１．５ｍｍ、突状部（溝間）幅２ｍｍとしてもよい。
【００４１】
板金加工による流路形成後、溝底部以外の吸水性繊維を剥ぎ取る（ステップＳ１８）。
【００４２】
以上説明した第１実施例の燃料電池によれば、排出用開口部近傍を含み、排出用開口部から離れる方向に伸びるように吸水性繊維を配置することにより、排出用開口部近傍に集中し易い水分を拡散できる。従って、排出用開口部近傍での水分の滞留を抑制でき、反応ガスを良好に流通させることができる。また、排出用開口部近傍に集中する水分は、吸水性繊維に吸収されて吸水性繊維の表面積で反応ガスと接触できる。流路の上流側は下流側に比べて乾燥しているため、吸水性繊維を流路に沿って配置することにより、吸水性繊維に吸収された水分の気化を促進できる。よって、燃料電池の排水効率を向上できる。
【００４３】
また、第１実施例の燃料電池によれば、吸水性繊維は流路を構成する溝の底部にのみ配置されているため、セパレータと膜電極接合体との接触部分に、導電性を阻害する要因となる吸水性繊維が配置されない。従って、セパレータと膜電極接合体との接触抵抗を抑制でき、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００４４】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．吸水性繊維付カソード側セパレータの概略構成：
図５は、第２実施例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する説明図である。第２実施例の燃料電池は、カソード側セパレータに貼り付けられている吸水性繊維の配置以外の構造は第１実施例の各構造と同様であるため説明を省略する。
【００４５】
図５に示すように、吸水性繊維２１０は、カソード側セパレータ１３０の排出用開口部１３６上に一部分が重なるように、流路１３２に沿って配置されている。
【００４６】
第２実施例によれば、排出用開口部近傍に集中する水分が吸水性繊維に吸収され拡散する。排出用開口部はマニホールドの一部として構成されているため、吸水性繊維に吸収された水分は、マニホールド内を流れる大量の反応ガスと吸水性繊維の表面積で接触できる。よって、吸水性繊維に吸収された水分の気化を促進でき、排出用開口部１３６近傍に滞留する水分を毛細管現象によって効率的に排出できる。よって、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００４７】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．吸水性繊維付カソード側セパレータ：
図６は、第３実施例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する説明図である。第３実施例の燃料電池は、カソード側セパレータに貼り付けられている吸水性繊維の配置密度以外の構造は第１実施例の各構造と同様であるため説明を省略する。
【００４８】
図６に示すように、吸水性繊維２２０は、カソード側セパレータ１３０の排出用開口部１３６近傍から、流路１３２に沿って排出用開口部１３６から離れる方向に向かって配置されている。第３実施例の吸水性繊維は、排出用開口部１３６に近い部位ほど高い分布密度で配置されており、排出用開口部１３６から離れるに伴い、配置されている吸水性繊維２２０の分布密度が低くなるように構成されている。
【００４９】
第３実施例によれば、水分が集中し易い排出用開口部近傍ほど、吸水性繊維の分布密度を高くできる。従って、水分の滞留し易さに応じて吸水繊維の分布密度を変化できるため、必要十分なだけの吸水性繊維を配置できる。よって、不要な吸水性繊維の配置による圧力損失や接触抵抗の増大を抑制できる。よって、発電効率を向上できる。
【００５０】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池概略構成：
図７は、第４実施例における燃料電池の単セルの概略構成を例示する断面図である。図７に示すように、第４実施例の燃料電池の単セル１０ａは、膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層１２０ａ、１２１、カソード側セパレータ１３０ａ、アノード側セパレータ１４０および吸水性材料２３０を備える。第４実施例において、第１実施例の構成部品と同一の符号を有する各構成部品は第１実施例と同様の構成であるため、説明を省略する。
【００５１】
第１の吸水性繊維２３０は、セルロース系繊維からなる吸水性繊維により形成されている。吸水性繊維２３０の配置について、図８（ａ）および図８（ｂ）を参照して説明する。
【００５２】
図８（ａ）は、第４実施例における吸水性繊維付セパレータについて説明する平面図である。図８（ｂ）は、第４実施例における第１の吸水性繊維の配置について説明する斜視図である。図８（ａ）に示すように、第４実施例のカソード側セパレータ４３０には、同一短辺に供給用開口部４３５と、排出用開口部４３６とが形成されている。カソード側セパレータ４３０の、ＭＥＡ２０と対向する面には、反応ガスが矢印Ｆに示すように流れるように、流路４３２が形成されている。流路４３２は、図８（ｂ）に示すように複数の溝４３２ａにより構成されている。
【００５３】
第１の吸水性繊維２３０は、図８（ａ）に示すように、排出用開口部４３６近傍と供給用開口部４３５近傍とを略直線的に繋ぐように、カソード側セパレータ４３０のＭＥＡ２０側表面に配置されている。具体的には、図８（ｂ）に示すように、第１の吸水性繊維２３０は流路４３２に交差するように、言い換えれば、溝４３２ａと山部４３２ｂに亘って。溝４３２ａと山部４３２ｂとを繋ぐように流路４３２を横断して連続的に配置されている。
【００５４】
ガス拡散層１２０ａは、導電性に優れたポリアクリロニトリル径炭素繊維（例えば、太さ３００μｍ）を基材糸として形成されたカーボンクロスである。ガス拡散層１２０ａのカソード電極触媒層１１０側には、ポリテトラフルオロエチレンからなる撥水材が、ドクターブレード法によって約３０μｍ程度含浸処理されている。これにより、カソード電極触媒層１１０で生成された水を効率よくガス拡散層外へ排出できる。
【００５５】
第２の吸水性繊維２４０は、セルロース系繊維からなる吸水性繊維により形成されている。第２の吸水性繊維２４０は、ガス拡散層１２０ａの編み込み時に、共に編み込まれる。図７に示すように、第２の吸水性繊維は、カソード電極触媒層１１０近傍から、ガス拡散層１２０ａ内を通ってガス拡散層１２０ａのカソード側セパレータ４３０側表面まで伸びている。
【００５６】
以上説明したように構成された単セル１０ａでは、図７に示すように、カソード側セパレータ４３０とガス拡散層１２０ａとの接触部位で、第１の吸水性繊維２３０と第２の吸水性繊維２４０とが接触する。よって、カソード電極触媒層１１０で生成されガス拡散層に侵入した水が、ガス拡散層１２０ａ内に配置されている第２の吸水性繊維２４０に吸収されカソード側セパレータ４３０の方向に拡散する。この際、カソード側セパレータ４３０表面に配置された第１の吸水性繊維２３０は、第２の吸水性繊維２４０よりも乾燥しているため、第２の吸水性繊維２４０に吸収されている水は第１の吸水性繊維２３０へ移動する。第１の吸水性繊維２３０は、流路４３２の内側に繋がっているため、第１の吸水性繊維２３０に吸収されている水は流路４３２を流れる反応ガスと第１の吸水性繊維２３０の表面積で接触し気化する。更に、第１の吸水性繊維２３０は、高湿潤状態の排出用開口部４３６近傍から乾燥状態の供給用開口部４３５近傍に略直線的に伸びているため、第１の吸水性繊維２３０に吸収された水は、速やかに供給用開口部１４５方向へ移動する。
【００５７】
以上説明した第４実施例の燃料電池によれば、排出用開口部と供給用開口部とを第１の吸水性繊維で直線的に繋げることができるため、吸水性繊維に湿度の濃度勾配をより大きく生じさせることができる。従って、第１の吸水性繊維に吸収された水分を乾燥状態の供給用開口部近傍へ速やかに移動させることができ、乾燥状態の供給用開口部近傍を湿潤状態にできる。よって、乾燥による供給用開口部近傍のＭＥＡの損傷の抑制、および、ＭＥＡの配設部位内の水分分布の偏りの低減ができ、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００５８】
また、第４実施例の燃料電池によれば、カソード電極触媒層にて発生した水分は、ガス拡散層内で第２の吸水性繊維に吸収され、乾燥している第１の吸水性繊維に速やかに移動する。よって、ガス拡散層１２０ａにおける水分の滞留を抑制でき、反応ガスの拡散効率を向上できる。また、第１の吸水性繊維は、カソード側セパレータの山部と溝とに亘って配置されているため、第１の吸水性繊維に吸収された水分はカソード側セパレータの流路を通る反応ガスと第１の吸水性繊維の表面積で接触するため、水分の気化を促進できる。よって、燃料電池の排水性を向上でき、発電効率を向上できる。
【００５９】
Ｅ．第５実施例：
Ｅ１．吸水性繊維付カソード側セパレータの構成：
図９（ａ）は、第５実施例における吸水性繊維付カソード側セパレータについて例示する説明図である。図９（ｂ）は、第５実施例における吸水性繊維の配置について例示する斜視図である。第５実施例の燃料電池は、カソード側セパレータに貼り付けられている吸水性繊維の配置以外の構造は第４実施例の各構造と同様であるため説明を省略する。
【００６０】
図９（ａ）に示すように、吸水性繊維２５０は、カソード側セパレータ４３０のＭＥＡ２０側の面全体に亘って、排出用開口部４３６と供給用開口部４３５とを略直線的に繋ぐ直線にほぼ沿って配置されている。具体的には、図９（ｂ）に示すように、第１の吸水性繊維２３０は流路４３２に交差するように、言い換えれば、溝４３２ａと山部４３２ｂに亘って溝４３２ａと山部４３２ｂとを繋ぐように流路４３２を横断して連続的に配置されている。
【００６１】
また、吸水性繊維２５０は、排出用開口部４３６および供給用開口部４３５が形成されているカソード側セパレータの４３０の短辺に近いほど、吸水性繊維の分布密度が高くなるように配置されている。
【００６２】
第５実施例によれば、水分が集中し易い排出用開口部近傍ほど、吸水性繊維の分布密度を高くできる。従って、水分の滞留し易さに応じて吸水繊維の分布密度を変化できるため、不要な吸水性繊維の配置による圧力損失や接触抵抗の増大を抑制できる。また、吸水性繊維が排出用開口部と供給用開口部とを直線的に繋ぐ方向に沿って配置されているため、高湿潤状態の部位と高乾燥状態の部位とを繋ぐことができる。これにより、ＭＥＡの配設部位の湿潤状態を全体的に平均化できる。よって、第５実施例によれば、ＭＥＡの損傷の抑制、ＭＥＡの良好な湿潤状態の維持、および排水性の向上を図ることができる。
【００６３】
Ｆ．変形例：
（１）図１０及び図１１を参照して、変形例における吸水性繊維付カソード側セパレータについて説明する。図１０は、変形例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する斜視図である。図１１は、本変形例における吸水性繊維の配置について説明する平面図である。変形例のカソード側セパレータ５３０は、図１０及び図１１に示すように一方の短辺に供給用開口部５４５、他方の短辺に排出用開口部５３６および複数の突状部５３２ａを備える。供給用開口部５４５から供給された反応ガスは、突状部５３２ａの間を流通して排出用開口部５３６から排出される。すなわち、カソード側セパレータ５３０の流路５３２は、複数の突状部５３２ａにより形成されている。本変形例の吸水性繊維２６０は、図１２に示すように、対角線上に配置されている排出用開口部５３６と供給用開口部５４５との間に略直線的に、領域５５０上に配置されている。
【００６４】
本変形例によれば、溝状でない流路を有するカソード側セパレータにおいても、吸水性繊維を配置でき、排水性を向上できる。なお、本変形例において、領域５５０内に位置する突状部５３２ａと流路５３２とが吸水性繊維２６０で繋がるように、領域５５０に含まれる突状部５３２ａの表面と流路とに亘って吸水性繊維２６０を配置してもよい。こうすれば、第４実施例と同様に、ガス拡散層内の水分をカソード側セパレータ方向に効率的に拡散でき、排水性を向上できる。吸水性繊維２６０は、既述の実施例のように、種々の態様で配置可能である。
【００６５】
（２）上述の各実施例では、吸水性繊維は所定の方向に略直線的に配置されているが、例えば、排出用開口部近傍を中心とする同心円状に配置されていてもよい。図１２は、変形例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する平面図である。本変形例では、図１２に示すように、吸水性繊維２７０は、カソード側セパレータ４３０の排出用開口部４３６とを繋ぐように略同心円状に配置されており、開口部側に近いほど分布密度が高くなるように構成されている。このように吸水性繊維を配置しても、排水性を向上でき、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００６６】
（３）上述の第１実施例では、流路の溝の底部にのみ吸水性繊維を配置しているが、例えば、流路の溝の内側全体に配置してもよい。こうすれば、吸水性繊維の表面積を広くでき、吸水性繊維に吸収された水分の気化を促進できる。
【００６７】
（４）上述の実施例では、吸水性繊維として、セルロース系繊維を用いているが、吸水性繊維は、例えば、綿糸、アクセル繊維糸、ナイロン繊維系等を用いてもよい。
【００６８】
（５）上述の実施例では、吸水性材料として吸水性繊維を用いているが、例えば、吸水性繊維に変えて吸水性樹脂を用いてもよい。吸水性樹脂は、例えば、アクリル酸吸水性樹脂を利用してもよい。
【００６９】
（６）上述の実施例では、カソード側セパレータのみに吸水性繊維を貼り付けているが、アノード側セパレータにも吸水性繊維を貼り付けてもよい。
【００７０】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】第１実施例における燃料電池の単セルの概略構成を例示する断面図。
【図２】第１実施例における吸水繊維付セパレータについて説明する模式図。
【図３】第１実施例における水分の流れを示す説明図。
【図４】第１実施例における吸水性繊維付セパレータの製造工程について説明するフローチャート。
【図５】第２実施例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する説明図。
【図６】第３実施例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する説明図。
【図７】第４実施例における燃料電池の単セルの概略構成を例示する断面図。
【図８】第４実施例における吸水性繊維付カソード側セパレータについて例示する説明図。
【図９】第５実施例における吸水性繊維付カソード側セパレータについて例示する説明図。
【図１０】変形例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する斜視図。
【図１１】変形例における吸水性繊維の配置について説明する平面図。
【図１２】変形例における吸水性繊維付カソード側セパレータを例示する平面図。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１０ａ…単セル
２０…膜電極接合体
１００…電解質膜
１１０…カソード電極触媒層
１１１…アノード電極触媒層
１２０…ガス拡散層
１２０ａ…ガス拡散層
１３０…カソード側セパレータ
１３０ａ…カソード側セパレータ
１３２…流路
１３２ａ…溝
１３５…供給用開口部
１３６…排出用開口部
１４０…アノード側セパレータ
１４２…流路
１４２ａ…溝
１４５…供給用開口部
２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０…吸水性繊維
３００…水分
４３０…カソード側セパレータ
４３２…流路
４３２ａ…溝
４３２ｂ…山部
４３５…供給用開口部
４３６…排出用開口部
５３０…カソード側セパレータ
５３２…流路
５３２ａ…突状部
５３６…排出用開口部
５４５…供給用開口部
５５０…領域
【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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