(57)【要約】【課題】燃料電池内で発生するフラッディング又はドライアップを抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１０と電解質膜１０の両側に配置されるアノード極１２及びカソード極１４とを備える膜電極接合体１６と、膜電極接合体１６の両側に配置される細孔層１８，２０と、細孔層１８，２０の外側に配置される反応ガス流路となる多孔体流路層２２，２４と、を備える燃料電池１であって、少なくともカソード極１４側の細孔層２０と多孔体流路層２４との間にはガス拡散層が配置されず、カソード極１４側の細孔層２０と多孔体流路層２４とは接しており、多孔体流路２４は、カソードガス供給における入口側領域２４ａ及び出口側領域２４ｂが、入口側領域２４ａ及び出口側領域２４ｂの間に位置する中央領域２４ｃよりも、ガスに対する圧力損失が低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、前記細孔層の外側に配置される反応ガス流路となる多孔体流路と、を備える燃料電池であって、
少なくとも前記カソード極側の細孔層と多孔体流路との間にはガス拡散層が配置されず、前記カソード極側の細孔層と前記多孔体流路とは接しており、
前記カソード極側の多孔体流路は、カソードガス供給における入口側領域及び出口側領域が、前記入口側領域及び前記出口側領域の間に位置する中央領域よりも、ガスに対する圧力損失が低いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記入口側領域から前記中央領域に向かって、及び前記出口側領域から前記中央領域に向かって、前記多孔体流路の気孔率が段階的又は連続的に低くなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記入口側領域から前記中央領域に向かって、及び前記出口側領域から前記中央領域に向かって、前記多孔体流路の厚さが段階的又は連続的に薄くなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、前記細孔層の外側に配置される反応ガス流路となる多孔体流路と、を備える燃料電池であって、
少なくとも前記カソード極側の細孔層と多孔体流路との間にはガス拡散層が配置されず、前記カソード極側の細孔層と前記多孔体流路とは接しており、
前記カソード極側の多孔体流路は、カソードガス供給における入口側領域が、カソードガス供給におけるカソードガス出口側領域よりも、ガスに対する圧力損失が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記入口側領域から前記出口側領域に向かって、前記多孔体流路の気孔率が段階的又は連続的に高くなっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記入口側領域から前記出口側領域に向かって、前記多孔体流路の厚さが段階的又は連続的に厚くなっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜と電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、該膜電極接合体の両側にガス拡散層、多孔体流路層を介して配置される一対のセパレータ、を備える。上記の燃料電池では、アノード極に燃料ガスが提供され、また、カソード極には酸化剤ガスが提供され、電気化学反応が行われる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ガス上流側でガス下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有する多孔体流路層を備える燃料電池が提案されている。このような多孔体流路層を採用することで、ガス上流側のガス拡散層内を流れる反応ガス（主に酸化剤ガス）量を抑え、ガス下流側のガス拡散層内を流れる反応ガス（主に酸化剤ガス）量を増加させることができる。その結果、燃料電池内の水の排水性が悪くなることにより生じるフラッディングや燃料電池内の水の保持性が悪くなることにより生じるドライアップ（乾燥）を抑制することが可能となる。なお、多孔体流路層のガス上流側がガス下流側よりガスに対する圧力損失が低くても、ガス上流側のガス拡散層内を流れる反応ガス量が多ければドライアップが発生しやすく、ガス下流側のガス拡散層内を流れる反応ガス量が少なければフラッディングが発生しやすくなる。
【０００４】
ところで、近年、燃料電池の小型化、低コスト化、高性能化に応ずるべく、アノード極及びカソード極のいずれか一方に配置されるガス拡散層を廃したり、その膜厚を減少させたりする燃料電池構造が発案されている（例えば、特許文献２〜５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６４７６号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５４６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１８２４８３号公報
【特許文献４】特開２００９−６４６１５号公報
【特許文献５】特開２００８−５３０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ガス上流側でガス下流側よりもガスに対する圧力損失が低くなる形状を有する多孔体流路層を備える特許文献１の燃料電池において、ガス拡散層を廃した燃料電池構造にすると、反応ガスの流路は多孔体流路層のみとなるため、ガス下流側のガスに対する圧力損失が高くても、膜電極接合体近傍の反応ガス流量は増加せず、フラッディングが発生する虞がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、燃料電池内で発生するフラッディング又はドライアップを抑制することができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、前記細孔層の外側に配置される反応ガス流路となる多孔体流路と、を備える燃料電池であって、少なくとも前記カソード極側の細孔層と多孔体流路との間にはガス拡散層が配置されず、前記カソード極側の細孔層と前記多孔体流路とは接しており、前記カソード極側の多孔体流路は、カソードガス供給における入口側領域及び出口側領域が、前記入口側領域及び前記出口側領域の間に位置する中央領域よりも、ガスに対する圧力損失が低い。
【０００９】
また、前記燃料電池において、前記入口側領域から前記中央領域に向かって、及び前記出口側領域から前記中央領域に向かって、前記多孔体流路の気孔率が段階的又は連続的に低くなっていることが好ましい。
【００１０】
また、前記燃料電池において、前記入口側領域から前記中央領域に向かって、及び前記出口側領域から前記中央領域に向かって、前記多孔体流路の厚さが段階的又は連続的に薄くなっていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、前記細孔層の外側に配置される反応ガス流路となる多孔体流路と、を備える燃料電池であって、少なくとも前記カソード極側の細孔層と多孔体流路との間にはガス拡散層が配置されず、前記カソード極側の細孔層と前記多孔体流路とは接しており、前記カソード極側の多孔体流路は、カソードガス供給における入口側領域が、前記カソードガス供給における出口側領域よりも、ガスに対する圧力損失が高い。
【００１２】
また、前記燃料電池において、前記入口側領域から前記出口側領域に向かって、前記多孔体流路の気孔率が段階的又は連続的に高くなっていることが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池において、前記入口側領域から前記出口側領域に向かって、前記多孔体流路の厚さが段階的又は連続的に厚くなっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池内で発生するフラッディング又はドライアップを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】本実施形態の燃料電池におけるカソード極側の多孔体流路層の位置と圧力との関係を示した図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図６】本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図７】本実施形態の燃料電池におけるカソード極側の多孔体流路層の位置と圧力との関係を示した図である。
【図８】本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図９】本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図１０】本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。
【図１１】参考例の燃料電池の構成を示す模式断面図である。
【図１２】参考例の燃料電池におけるカソード極側の多孔体流路層の位置と圧力との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０と電解質膜１０の両側に設けられるアノード極１２及びカソード極１４とを備える膜電極接合体１６、アノード極１２及びカソード極１４の外側に設けられる細孔層１８，２０、細孔層１８，２０の外側に設けられる多孔体流路層２２，２４、多孔体流路層２２，２４の外側に設けられるセパレータ２６，２８、を備えている。細孔層１８，２０は、集電層、マイクロポーラスレイヤ（ＭＰＬ）等とも言われるものである。
【００１８】
図１に示すセパレータ２６，２８は、ガス流路溝が形成されていないフラットタイプ型のセパレータ２６，２８である。なお、不図示であるが、セパレータ２６，２８の外周には、燃料ガス入口及び出口、酸化剤ガス入口及び出口が形成され、燃料ガス入口及び出口はアノード極１２側の多孔体流路層２２と連通し、酸化剤ガス入口及び出口はカソード極１４側の多孔体流路層２４と連通している。
【００１９】
燃料電池１は、細孔層（１８，２０）と多孔体流路層（２２，２４）との間にガス拡散層を配置しない燃料電池構造を示しているが、本実施形態では、カソード極１４側の細孔層２０と多孔体流路層２４との間にガス拡散層が配置されず、カソード極１４側の細孔層２０と多孔体流路層２４とが接していれば、アノード極１２側の細孔層１８と多孔体流路層２２との間にガス拡散層を設置してもよい。
【００２０】
本実施形態に用いられるカソード極１４側の多孔体流路層２４では、カソードガス供給における入口側領域２４ａ（単に入口側領域２４ａと呼ぶ場合がある）及びカソードガス供給における出口側領域２４ｂ（単に出口側領域２４ｂと呼ぶ場合がある）が、入口側領域２４ａと出口側領域２４ｂとの間に位置する中央領域２４ｃよりも、ガスの圧力損失が低い構造になっている。後述するように、圧力損失の調整は気孔率等で調整することができ、図１に示す多孔体流路層２４は、入口側領域２４ａ及び出口側領域２４ｂは気孔率が高く、中央領域２４ｃは気孔率が低い構造となっている。ここで、カソードガス供給における入口側領域２４ａとは、例えば、酸化剤ガス入口から出口側に向かって、酸化剤ガス流路長の９０％未満の領域であり、カソードガス供給における出口側領域２４ｂとは、例えば、酸化剤ガス出口から入口側に向かって、酸化剤ガス流路長の９０％未満の領域である。酸化剤ガス流路長は、カソードガス入口からカソードガス出口までの長さであり、多孔体流路層２４の面方向の長さである。
【００２１】
次に、本実施形態の燃料電池１の動作について説明する。
【００２２】
まず、水素ガス等の燃料ガスが、アノード極１２側のセパレータ２６の燃料ガス入口から多孔体流路層２２に供給される。燃料ガスは、多孔体流路層２２を流動しつつ、細孔層１８を透過してアノード極１２に到達する。アノード極１２に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１０を伝導し、カソード極１４に到達する。電子は、アノード極１２側の細孔層１８により集められ、多孔体流路層２２を介してセパレータ２６へと伝達し、不図示の外部回路を通って、カソード極１４側のセパレータ２８、多孔体流路層２４、細孔層２０を介してカソード極１４へ到達する。
【００２３】
一方、空気等の酸化剤ガスは、カソード極１４側のセパレータ２８の酸化剤ガス入口から多孔体流路層２４に供給される。酸化剤ガスは、多孔体流路層２４を流動しつつ、細孔層２０を透過してカソード極１４に到達する。カソード極１４においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンと電子とが反応して水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作によって、燃料電池１は発電を行う。
【００２４】
発電に伴ってカソード極１４で生成される生成水（又は水蒸気）は、酸化剤排ガスと共に、細孔層２０、多孔体流路層２４を通って、主に、セパレータ２８の酸化剤ガス出口から排出される。また、発電に伴ってカソード極１４で生成される生成水（水蒸気）は、電解質膜１０を透過してアノード極１２側に移動し、燃料排ガスと共に、細孔層１８、多孔体流路層２２を通って、主に、セパレータ２６の燃料ガス出口から排出される。
【００２５】
ここで、燃料電池１内で発生するドライアップ及びフラッディングについて考える。
【００２６】
ドライアップ及びフラッディングを抑制するためには、カソード極１４側の多孔体流路層２４を流れる酸化剤ガス（以下、空気）の体積流量（圧力を考慮した流量）を制御する必要がある。これは、膜電極接合体１６からの水蒸気の蒸発量や排水性が温度一定の場合、膜電極接合体１６を流れる空気の体積流量に依存するためである。
【００２７】
図１１は、参考例の燃料電池の構成を示す模式断面図である。図１１の燃料電池９において、カソード極１４側の多孔体流路層２３は、カソードガス供給における入口側領域２３ａ（単に入口側領域２３ａと呼ぶ場合がある）がカソードガス供給における出口側領域２３ｂ（単に出口側領域２３ｂと呼ぶ場合がある）よりも、ガスの圧力損失が低い構造になっている。その他の構成は図１に示す燃料電池１と同様であり、同一の符号を付している。図１２は、参考例の燃料電池におけるカソード極側の多孔体流路層の位置と圧力との関係を示した図である。図１２の実線は、入口側領域２３ａが出口側領域２３ｂよりも、ガスの圧力損失が低い多孔体流路層２３を用いた場合であり、破線は均一な気孔率を有する多孔体流路層（すなわちガスの圧力損失が均一である多孔体流路層）を用いた場合である。多孔体流路層２３の入口側領域２３ａのガスの圧力損失を低くし、出口側領域２３ｂのガスの圧力損失を高くすることによって、図１２に示すように、均一な気孔率を有する多孔体流路層よりも、入口側領域２３ａの圧力を高く維持することができる。したがって、その場における空気の体積流量を下げることができるため、水蒸気の蒸発量を抑えることができる。このように水蒸気の蒸発量を抑えることによって、ドライアップを抑制することができる。しかし、空気の流れる流路が多孔体流路層２３の一層であると、ガス拡散層が存在する２層構造とは異なり、出口側領域２３ｂのガスの圧力損失を高くしても、膜電極接合体１６近傍の空気流量を十分に増加させることができないため、フラッディングを抑制することは困難となる。
【００２８】
図２は、本実施形態の燃料電池におけるカソード極側の多孔体流路層の位置と圧力との関係を示した図である。図２の実線は、入口側領域２４ａ及び出口側領域２４ｂが、中央領域２４ｃよりもガスの圧力損失の低い多孔体流路層２４を用いた場合であり、破線は均一な気孔率を有する多孔体流路層（すなわちガスの圧力損失が均一である多孔体流路層）を用いた場合である。多孔体流路層２４の入口側領域２４ａ及び出口側領域２４ｂのガスの圧力損失を低くし、中央領域２４ｃのガスの圧力損失を高くすることにより、図２に示すように、均一な気孔率を有する多孔体流路層よりも、入口側領域２４ａの圧力を高く維持し、出口側領域２４ｂの圧力を低く抑えることができる。したがって、入口側領域２４ａの空気の体積流量を下げ、出口側領域２４ｂの空気の体積流量を高くすることができたるめ、ドライアップとフラッディング双方の発生を抑制することが可能となる。また、ドライアップ及びフラッディングの抑制は、多孔体流路層と細孔層との間にガス拡散層を設置しなくても可能である。すなわち、燃料電池の構造からガス拡散層を廃することができるため、燃料電池の小型化、低コスト化、高性能化も可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態で用いられる多孔体流路層２２，２４の詳細について説明する。
【００３０】
多孔体流路層２２，２４は、導電性多孔体から構成されるものであり、主に、多孔体流路層２２，２４に供給される反応ガスを電極の面全体に供給するガス流路としての機能、及び反応ガスを拡散させるガス拡散層としての機能を有する。本実施形態に用いられる多孔体流路層２２，２４は、例えば、ステンレス鋼、アルミ、アルミ合金、チタン、或いはチタン合金などの金属多孔体や、カーボン多孔体、多数の細孔を備えたエキスパンドメタル等が挙げられる。
【００３１】
多孔体流路層のガスの圧力損失を変化させる場合には、前述したように、多孔体流路層の気孔率を変化させてガスの圧力損失を変化させることが望ましい。この場合、多孔体流路層２４の入口側領域２４ａから中央領域２４ｃに向かって、及び出口側領域２４ｂから中央領域２４ｃに向かって多孔体流路層２４の気孔率を段階的に低くすること又は連続的に低くすることが好ましい。多孔体流路層２４の入口側領域２４ａから中央領域２４ｃに向かって、及び出口側領域２４ｂから中央領域２４ｃに向かって多孔体流路層２４の気孔率を段階的に低くする場合には、入口側領域２４ａ及び出口側領域２４ｂの気孔率は高いある範囲値を満たし、中央領域２４ｃ側の気孔率は低いある範囲値を満たしていればよい。
【００３２】
金属多孔体の気孔率の調整は、金属粉末の密度の調整等により行われ、エキスパンドメタルの気孔率の調整は、細孔の形成加工等により行われ、導電性粉末からなる層の気孔率の調整は、揮発性溶媒や導電性粉末の量を調整すること等により行われる。
【００３３】
図３は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図３の燃料電池２において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図３に示す燃料電池２のカソード極１４側の多孔体流路層３０では、カソードガス供給における入口側領域３０ａから中央領域３０ｃに向かって、及びカソードガス供給における出口側領域３０ｂから中央領域３０ｃに向かって、多孔体流路層３０の気孔率が連続的に低くなっている。このような多孔体流路層３０を有する燃料電池２でも、図１の燃料電池１と同様に、入口側領域３０ａの空気の体積流量を下げ、出口側領域３０ｂの空気の体積流量を高くすることができため、ドライアップとフラッディング双方の発生を抑制することが可能となる。
【００３４】
図１及び３に示すカソード極１４側の多孔体流路層（２４，３０）において、ドライアップとフラッディング双方の発生を効率的に抑制することができる点で、カソードガス供給における入口側領域（２４ａ，３０ａ）及び出口側領域（２４ｂ，３０ｂ）の気孔率は、８０〜９０％の範囲であることが好ましく、中央領域（２４ｃ，３０ｃ）の気孔率は、６５〜８０％の範囲であることが好ましい。
【００３５】
多孔体流路層のガスの圧力損失を変化させる場合には、多孔体流路の厚さを変化させてガスの圧力損失を変化させることが望ましい。以下、図４，５を用いて説明する。
【００３６】
図４，５は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図４，５の燃料電池３，４において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す燃料電池３のカソード極１４側の多孔体流路層３２では、カソードガス供給における入口側領域３２ａから中央領域３２ｃに向かって、及びカソードガス供給における出口側領域３２ｂから中央領域３２ｃに向かって、多孔体流路層３２の厚さが段階的に薄くなるような構造になっている。具体的には、図４に示すように多孔体流路層３２の中央領域３２ｃが凹部となっているが、入口側領域３２ａ及び出口側領域３２ｂの厚さは厚いある範囲値を満たし、中央領域３２ｃの厚さはそれよりも薄いある範囲値を満たしていればよい。なお、カソード極１４側のセパレータ３４には、厚みを変化させた多孔体流路層３２の面に沿うように凹凸部が形成され、セパレータ３４の厚みが調整されている。図５に示す燃料電池では、図５に示す燃料電池４のカソード極１４側の多孔体流路層３６では、カソードガス供給における入口側領域３６ａから中央領域３６ｃに向かって、及びカソードガス供給における出口側領域３６ｂから中央領域３６ｃに向かって、多孔体流路層３６の厚さが連続的に薄くなっている。なお、カソード極１４側のセパレータ３８は、多孔体流路層３６に沿うように、カソードガス供給における入口側領域３６ａから中央領域３６ｃに向かって、及びカソードガス供給における出口側領域３６ｂから中央領域３６ｃに向かって、セパレータ３８の厚さが連続的に厚くなっている。
【００３７】
図４，５に示すように、多孔体流路層（３２，３６）の厚さを上記のように変化させることによっても、多孔体流路層（３２，３６）の入口側領域（３２ａ，３６ａ）及び出口側領域（３２ｂ，３６ｂ）のガスの圧力損失を低くし、中央領域（３２ｃ，３６ｃ）のガスの圧力損失を高くすることができるため、図２に示すように、均一な気孔率を有する多孔体流路層よりも、入口側領域（３２ａ，３６ａ）の圧力を高く維持し、出口側領域（３２ｂ，３６ｂ）の圧力を低く抑えることができる。したがって、入口側領域（３２ａ，３６ａ）の空気の体積流量を下げ、出口側領域（３２ｂ，３６ｂ）の空気の体積流量を高くすることができるため、ドライアップとフラッディング双方の発生を抑制することが可能となる。
【００３８】
図４，５に示すカソード極１４側の多孔体流路層（３２，３６）において、ドライアップ及びフラッディングの発生を効率的に抑制することができる点で、カソードガス供給における入口側領域（３２ａ，３６ａ）及び出口側領域（３２ｂ，３６ｂ）の厚さは、０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲であることが好ましく、中央領域（３２ｃ，３６ｃ）の厚さは、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００３９】
以下に、燃料電池のその他の部材について説明する。
【００４０】
セパレータ（２６，２８等）は、ガス不透過性であって、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金等に代表される金属、カーボン、導電性樹脂等が挙げられる。
【００４１】
本実施形態に用いられる細孔層１８，２０は、ガス透過性及び導電性を有する材料から構成され、集電層、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）等とも言う。細孔層１８，２０は、主に、各極と電子の授受を行う集電機能を有する。また、細孔層１８，２０は、多孔体流路層（２２，２４等）や後述するガス拡散層と同様に、ガス透過性であるが、細孔層１８，２０は、ガス拡散層等より気孔径の小さい層であることが望ましく、例えば、０．１μｍオーダーの気孔径を有する層である。
【００４２】
細孔層１８，２０は、例えば、導電性粒子からなる層であり、導電性粒子と、メタノール、エタノール等の分散溶媒と、を混合した溶液を多孔体流路層（２２，２４等）、触媒層等に塗布することにより形成される。塗布方法は、スプレー、スクリーン印刷、アプリケータ、インクジェット等がある。細孔層１８，２０を構成する導電性粒子としては、例えば、カーボン材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を挙げることができる。
【００４３】
本実施形態では、アノード極１２側の多孔体流路層２２と細孔層１８との間にはガス拡散層を設置してもよい。ガス拡散層は、主に反応ガスを拡散させる機能を有し、ガス拡散性及び導電性を有する材料から構成される。ガス拡散層は、細孔層１８，２０より気孔径の大きい層であることが望ましく、例えば、１００μｍオーダーの気孔径を有する層である。
【００４４】
ガス拡散層としては、例えば、ガス拡散性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いたガス拡散層としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。
【００４５】
本実施形態の膜電極接合体１６を構成する電解質膜１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料から構成されている。膜電極接合体１６を構成するアノード極１２は、燃料の酸化を促進する触媒を備え、該触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。また、膜電極接合体１６を構成するカソード極１４は、酸化剤の還元を促進する触媒を備え、該触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応が起きる。
【００４６】
膜電極接合体１６を構成する電解質膜１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
【００４７】
また、アノード極１２及びカソード極１４は、例えば、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を電解質膜１０等の基材に塗布することにより形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質等を挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（登録商標）（Ｎａｆｉｏｎ、デュポン社製）やフレミオン（登録商標）（Ｆｌｅｍｉｏｎ、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール等のアルコール類等の溶媒を挙げることができる。
【００４８】
触媒が担持される導電性担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができる。触媒（金属触媒）としては、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどを挙げることができ、白金または白金合金を使用するのが好ましい。
【００４９】
図６は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図６に示す燃料電池５において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
図６に示すように、燃料電池５は、電解質膜１０と電解質膜１０の両側に設けられるアノード極１２及びカソード極１４とを備える膜電極接合体１６、アノード極１２及びカソード極１４の外側に設けられる細孔層１８，２０、細孔層１８，２０の外側に設けられる多孔体流路層２２，４０、多孔体流路層２２，４０の外側に設けられるセパレータ２６，２８、を備えている。
【００５１】
図６に示すセパレータ２６，２８は、ガス流路溝が形成されていないフラットタイプ型のセパレータ２６，２８である。なお、不図示であるが、セパレータ２６，２８の外周には、燃料ガス入口及び出口、酸化剤ガス入口及び出口が形成され、燃料ガス入口及び出口はアノード極１２側の多孔体流路層２２と連通し、酸化剤ガス入口及び出口はカソード極１４側の多孔体流路層４０と連通している。
【００５２】
燃料電池は、細孔層１８，２０と多孔体流路層２２，４０との間にガス拡散層を配置しない燃料電池構造を示しているが、本実施形態では、カソード極１４側の細孔層２０と多孔体流路層４０との間にガス拡散層が配置されず、カソード極１４側の細孔層２０と多孔体流路層４０とが接していれば、アノード極１２側の細孔層１８と多孔体流路層２２との間にガス拡散層を設置してもよい。
【００５３】
本実施形態に用いられるカソード極１４側の多孔体流路層４０において、カソードガス供給における入口側領域４０ａ（単に入口側領域４０ａと呼ぶ場合がある）はカソードガス供給における出口側領域４０ｂ（単に出口側領域４０ｂと呼ぶ場合がある）よりも、ガスの圧力損失が高い構造になっている。後述するように、ガスの圧力損失の調整は気孔率等で調整することができ、図６に示す多孔体流路層４０において、入口側領域４０ａは気孔率が低く、出口側領域４０ｂは気孔率が高い構造となっている。ここで、入口側領域４０ａとは、例えば、酸化剤ガス入口から出口側に向かって、酸化剤ガス流路長の９０％未満の領域であり、出口側領域４０ｂとは、例えば、酸化剤ガス出口から入口側に向かって、酸化剤ガス流路長の９０％未満の領域である。酸化剤ガス流路長は、カソードガス入口からカソードガス出口までの長さであり、多孔体流路層４０の面方向の長さである。
【００５４】
図６では、多孔体流路層４０の入口側領域４０ａはガスの圧力損失が高い構造になっており、出口側領域２４ｂはガスの圧力損失が低い構造になっている。すなわち、多孔体流路層４０において、カソードガス供給における上流側は、下流側よりもガスに対する圧力損失が高い構造になっている。
【００５５】
図７は、本実施形態の燃料電池におけるカソード極側の多孔体流路層の位置と圧力との関係を示した図である。図７の実線は、入口側領域４０ａが出口側領域４０ｂよりも、ガスの圧力損失の低い多孔体流路層４０を用いた場合であり、破線は均一な気孔率を有する多孔体流路層（すなわちガスの圧力損失が均一である多孔体流路層）を用いた場合である。多孔体流路層４０の入口側領域４０ａのガスの圧力損失を高くし、出口側領域４０ｂのガスの圧力損失を低くすることにより、図７に示すように、均一な気孔率を有する多孔体流路層４０よりも、出口側領域４０ｂの圧力を低く抑えることができる。したがって、その場における空気の体積流量を高く維持することができるため、出口側領域４０ｂの排水性を向上させることができる。フラッディングの発生は、特に出口側領域４０ｂの排水性に起因するため、本実施形態のような構造の多孔体流路層４０でも、フラッディングの発生を抑制することができる。また、本実施形態では、ガス拡散層を廃することができるため、燃料電池の小型化、低コスト化、高性能化も可能となる。
【００５６】
次に、本実施形態で用いられる多孔体流路層４０の詳細について説明する。
【００５７】
多孔体流路層４０のガスの圧力損失を変化させる場合には、前述したように、多孔体流路層４０の気孔率を変化させてガスの圧力損失を変化させることが望ましい。この場合、カソード極１４側の多孔体流路層４０の入口側領域４０ａから出口側領域４０ｂに向かって、多孔体流路層４０の気孔率を段階的に高くすること又は連続的に高くすることが好ましい。カソード極１４側の多孔体流路層４０の入口側領域４０ａから出口側領域４０ｂに向かって、多孔体流路層４０の気孔率を段階的に高くする場合には、入口側領域４０ａの気孔率は低いある範囲値であり、出口側領域４０ｂの気孔率はそれよりも高いある範囲値である。
【００５８】
図８は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図８の燃料電池６において、図６に示す燃料電池５と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図８に示す燃料電池５のカソード極１４側の多孔体流路層４２では、カソードガス供給における入口側領域４２ａから出口側領域４２ｂに向かって、多孔体流路層４２の気孔率が連続的に低くなっている。このような多孔体流路層４２を有する燃料電池６でも、図６の燃料電池５と同様に、出口側領域４２ｂにおける空気の体積流量を高く維持することができるため、出口側領域４２ｂの排水性を向上させ、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００５９】
図６及び８に示すカソード極１４側の多孔体流路層（４０，４２）において、フラッディングの発生を効率的に抑制することができる点で、カソードガス供給における入口側領域（４０ａ，４２ａ）の気孔率は、６５〜８０％の範囲であることが好ましく、出口側領域（４０ｂ，４２ｂ）の気孔率は、８０〜９０％の範囲であることが好ましい。
【００６０】
多孔体流路層のガスの圧力損失を変化させる場合には、多孔体流路層の厚さを変化させてガスの圧力損失を変化させることが望ましい。
【００６１】
図９，１０は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図９，１０の燃料電池（７，８）において、図６に示す燃料電池５と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図９に示す燃料電池７のカソード極１４側の多孔体流路層４４では、カソードガス供給における入口側領域４４ａ（単に入口側領域４４ａと呼ぶ場合がある）からカソードガス供給における出口側領域４４ｂ（単に出口側領域４４ｂと呼ぶ場合がある）に向かって、多孔体流路層４４の厚さが段階的に厚くなっている。カソード極１４側の多孔体流路層４４の入口側領域４４ａから出口側領域４４ｂに向かって、多孔体流路層４４の厚さを段階的に厚くする場合は、入口側領域４４ａの厚さは薄いある範囲値であり、出口側領域４４ｂの厚さはそれよりも厚いある範囲値である。なお、カソード極１４側のセパレータ４６には、厚みを変化させた多孔体流路層４４の面に沿うように凹凸部が形成され、セパレータ４６の厚みが調整されている。図１０に示す燃料電池８のカソード極１４側の多孔体流路層４８では、カソードガス供給における入口側領域４８ａ（単に入口側領域４８ａと呼ぶ場合がある）からカソードガス供給における出口側領域４８ｂ（単に出口側領域４８ｂと呼ぶ場合がある）に向かって、多孔体流路層４８の厚さが連続的に厚くなっている。なお、カソード極１４側のセパレータ５０は、厚みを変化させた多孔体流路層４８の面に沿うように、傾斜面が形成され、セパレータ５０の厚みが調整されている。
【００６２】
図９，１０に示すように、多孔体流路層（４４，４８）の厚さを上記のように変化させることによっても、多孔体流路層（４４，４８）の入口側領域（４４ａ，４８ａ）のガスの圧力損失を高くし、出口側領域（４４ｂ，４８ｂ）のガスの圧力損失を低くすることができるため、図７に示すように、均一な気孔率を有する多孔体流路層よりも、出口側領域（４４ｂ，４８ｂ）の圧力を低く抑えることができる。したがって、出口側領域（４４ｂ，４８ｂ）における空気の体積流量を高く維持することができるため、出口側領域（４４ｂ，４８ｂ）の排水性を向上させ、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００６３】
図９，１０に示すカソード極１４側の多孔体流路層（４４，４８）において、フラッディングの発生を効率的に抑制することができる点で、カソードガス供給における入口側領域（４４ａ，４８ａ）の厚さは、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲であることが好ましく、出口側領域（４４ｂ，４８ｂ）の厚さは、０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲であることが好ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１−９  燃料電池、１０  電解質膜、１２  アノード極、１４  カソード極、１６  膜電極接合体、１８，２０  細孔層、２２，２４，２３，３０，３２，３６，４０，４２，４４，４８  多孔体流路層、２３ａ，２４ａ，３０ａ，３２ａ，３６ａ，４０ａ，４２ａ，４４ａ，４８ａ  入口側領域、２３ｂ，２４ｂ，３０ｂ，３２ｂ，３６ｂ，４０ｂ，４２ｂ，４４ｂ，４８ｂ  出口側領域、２４ｃ，３０ｃ，３２ｃ，３６ｃ  中央領域、２６，２８，３４，３８，４６，５０  セパレータ。
【図１】
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【図２】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図３】
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【図８】
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