(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。【解決手段】本発明は、固体高分子膜と、固体高分子膜の両面に設けられ、供給された反応ガスを触媒反応させる一対の触媒層と、触媒層の外側に設けられ、セパレータ５０に形成された反応ガス流路５１を流れてきた反応ガスを拡散して、触媒層に供給するガス拡散層１１５と、を有する燃料電池の膜電極接合体であって、ガス拡散層１１５は、反応ガス流路５１の下流部位が他の部位よりも熱抵抗の大きい部材で構成されることを特徴とする。【選択図】図３
2009081116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜と、
前記固体高分子膜の両面に設けられ、供給された反応ガスを触媒反応させる一対の触媒層と、
前記触媒層の外側に設けられ、セパレータに形成された反応ガス流路を流れてきた反応ガスを拡散して、前記触媒層に供給するガス拡散層と、
を有する燃料電池の膜電極接合体であって、
前記ガス拡散層は、前記反応ガス流路の下流部位が他の部位よりも熱抵抗の大きい部材で構成される
ことを特徴とする燃料電池の膜電極接合体。
【請求項２】
前記ガス拡散層は、前記反応ガス流路の上流部位が他の部位よりも熱抵抗の小さい部材で構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど熱抵抗の大きい部材で構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項４】
前記ガス拡散層は、前記反応ガス流路の下流部位が他の部位よりも薄い部材で構成される
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項５】
前記ガス拡散層は、前記反応ガス流路の上流部位が他の部位よりも厚い部材で構成される
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項６】
前記ガス拡散層は、前記反応ガス流路の上流側から下流側に行くほど厚さが薄くなる部材で構成される
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項７】
前記熱抵抗の大きい部材は、他の部位よりも熱伝導率の低い部材である
ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項８】
前記熱抵抗の大きい部材は、他の部位よりも密度の低い部材である
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項９】
前記熱抵抗の小さい部材は、他の部位よりも熱伝導率の高い部材である
ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項１０】
前記熱抵抗の小さい部材は、他の部位よりも密度の高い部材である
ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【請求項１１】
前記ガス拡散層は、複数の部材が貼り合わされて構成される
ことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１つに記載の燃料電池の膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池の膜電極接合体は、反応ガス濃度が低下する反応ガス出口側のガス拡散性を向上させていた。これにより、反応ガス濃度の低い反応ガス出口側において反応ガスと触媒層との接触率を増加させて、反応ガス入口側と出口側との発電反応のばらつきを抑制し、電極内の電流密度分布を均一にしていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−１２４５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池の膜電極接合体は、多孔質体で構成したガス拡散層の空孔率を反応ガスの入口側から出口側にかけて増大させることで、反応ガス濃度が低下する反応ガス出口側のガス拡散性を向上させていた。そのため、反応ガス入口側の触媒層に供給する反応ガス量を考慮すると、反応ガス入口側のガス拡散層の空孔率を下げるとしても限界があった。したがって、ガス拡散層の空孔率を入口側から出口側にかけて増大させて、ガス拡散層の空孔率を入口側と出口側とで変化させるとしても、その変化量には限界があるという問題点があった。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、反応ガス出口側のガス拡散性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、固体高分子膜（１１１）と、前記固体高分子膜（１１１）の両面に設けられ、供給された反応ガスを触媒反応させる一対の触媒層（１１４）と、前記触媒層（１１４）の外側に設けられ、セパレータ（５０）に形成された反応ガス流路（５１）を流れてきた反応ガスを拡散して、前記触媒層（１１４）に供給するガス拡散層（１１５）と、を有する燃料電池（１）の膜電極接合体（１１０）であって、前記ガス拡散層（１１５）は、前記反応ガス流路（５１）の下流部位が他の部位よりも熱抵抗の大きい部材で構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
反応ガスの水分濃度が高い反応ガス流路の下流部位を他の部位よりも熱抵抗の大きい部材で構成したので、反応ガス出口側のガス拡散性を向上させることができる。これにより、フラッディングの発生を防止できるので、反応ガスの流れが阻害されず、反応ガスを反応面に均一に拡散させることができる。その結果、電極内の電流密度分布を均一にして、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１０】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１１】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１２】
図１は、このような燃料電池システムとして、自動車などの移動車両に用いられる燃料電池スタック１０の斜視図である。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５とを有する。
【００１４】
単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については後述する。
【００１５】
一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１０は、出力端子６によって、各単セル１で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。
【００１６】
一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。
【００１７】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。
【００１８】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。
【００１９】
ここで、アノードガス入口孔４２ａに燃料ガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａ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る。
【００２０】
ナット５は、燃料電池スタック１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル１同士の電気短絡を防止している。
【００２１】
図２は、単セル１の断面の一部を示す図である。
【００２２】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１０の表裏両面にそれぞれセパレータ５０が配置されて構成される。
【００２３】
ＭＥＡ１１０は、固体高分子電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とを備える。
【００２４】
ＭＥＡ１１０は、固体高分子電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
【００２５】
固体高分子電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。固体高分子電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２６】
アノード電極１１２は、触媒層１１４とガス拡散層１１５とを備える。
【００２７】
触媒層１１４は、固体高分子電解質膜１１１と接する。触媒層１１４は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００２８】
ガス拡散層１１５は、触媒層１１４の外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、セパレータ５０と接する。ガス拡散層１１５は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
【００２９】
カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１４とガス拡散層１１５とを備える。
【００３０】
セパレータ５０は、ガス拡散層１１５と接する。セパレータ５０は、ガス拡散層１１５と接する側にアノード電極１１２及びカソード電極１１３に反応ガスを供給するための複数のガス流路５１を有する。
【００３１】
なお、セパレータ５０は、ガス流路５１を流れるアノードガスが、隣接するガス流路５１に透過しないように緻密性カーボン材等で構成される。カソードセパレータも同様に緻密性カーボン材等で構成される。
【００３２】
次に、本実施形態による燃料電池スタック１０の作用について、図１及び図２を参照して説明する。
【００３３】
図１に示すように、冷却水は、冷却水入口孔４１ａから燃料電池スタック内へ流れ込み、単セル１の発電反応で発生した熱を吸収する。熱を吸収した冷却水は冷却水出口孔４１ｂから外部へ排出される。
【００３４】
図１及び図２に示すように、アノードガスは、アノードガス入口孔４２ａからアノード電極側のセパレータ（図２左側のセパレータ）５０に形成されたガス流路５１に流れ込む。アノードガスはガス流路５１を流れながらガス拡散層１１５を通って触媒層１１４と接する。これにより、アノード電極１１２では、上記した式（１）の反応が生じる。ガス流路５１を流れ、反応に利用されなかった余剰のアノードガスは、アノードガス出口孔４２ｂから外部へ排出される。
【００３５】
一方、カソードガスは、カソードガス入口孔４３ａからカソード電極側のセパレータ（図２右側のセパレータ）５０に形成されたガス流路５１に流れ込む。カソードガスは、ガス流路５１を流れながらガス拡散層１１５を通って触媒層１１４と接する。これにより、カソード電極１１３では、カソードガスと、式（１）の反応で生じたプロトンＨ+、電子ｅ-とから、式（２）の反応が生じる。
【００３６】
なお、アノードガスとカソードガスとは、ＭＥＡ１１０を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、アノードガスは、ガス流路５１を紙面奥から手前へ流れており、カソードガスは、ガス流路５１を紙面手前から奥へ流れている。
【００３７】
カソード反応によって生じた水は、反応に利用されなかった余剰のカソードガスとともにガス流路５１を流れてカソードガス出口孔４３ｂから外部へ排出される。そのため、ガス流路後半になるほどカソードガス中の水分濃度が増加する。また、ガス拡散層内の水分濃度も増加する。そうすると、運転条件等によっては、結露した生成水がカソードガス出口孔４３ｂの付近のガス流路を塞ぎ、水詰まりが発生することがある。これにより、ガス流路５１を流れるカソードガスの流れが阻害されて、カソード電極１１３へのカソードガスの供給量が不十分となる。その結果、濃度過電圧が上昇するフラッディングという現象が起きて発電効率が低下する。
【００３８】
また、カソード反応で発生した水は、ＭＥＡ１１０を通じて、アノード電極側のセパレータ５０に形成されたガス流路５１にも拡散していくので、アノード側でもフラッディングが起きて発電効率が低下する。
【００３９】
そのため、単セル１の発電効率を向上させるためには、単セル１の発電反応で生じる水を速やかに燃料電池スタック１０の外部へ排出する必要がある。
【００４０】
そこで、本実施形態では、ガス拡散層１１５の熱抵抗をガス流れ方向にしたがって変化させた。
【００４１】
図３は、本発明の第１実施形態によるガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の違いを示した図である。なお、図３（Ａ）は、セパレータ５０を電極側から見た平面図である。図３（Ｂ）は、ガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の大きさの違いを示した断面図である。
【００４２】
図３（Ａ）に示すように、本実施形態によるセパレータ５０には、直線状のガス流路５１が形成される。
【００４３】
そして、図３（Ｂ）に示すように、ガス拡散層１１５は、ガス流れの上流側が熱抵抗の小さい高熱伝導率部材で構成され、下流に行くほど熱抵抗の大きい低熱伝導率部材で構成される。なお、本実施形態を含む以下の各実施形態では、高熱伝導率部材といえば熱抵抗の値が概略０．３×１０-3〔ｍ2Ｋ／Ｗ〕より低い部材をいう。低熱伝導率部材といえば熱抵抗の値が概略１．０×１０-3〔ｍ2Ｋ／Ｗ〕より高い部材をいう。
【００４４】
以下では、このように構成されたガス拡散層１１５の作用について図４及び図５を参照して説明する。
【００４５】
図４は、温度と飽和水蒸気圧との関係を示した図である。
【００４６】
温度と飽和水蒸気圧との間には、以下の式（３）の関係がある。
【００４７】
【数１】
2009081116.tif 000003
【００４８】
したがって、図４に示すように、温度が高くなるほど空気中の飽和水蒸気圧は高くなる。つまり、温度が高くなるほど空気中の水蒸気濃度は高くなる。
【００４９】
図５は、本実施形態によるガス拡散層１１５の作用について説明する図である。図５（Ａ）は、ガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の大きさの違いを示した断面図である。図５（Ｂ）は、ガス拡散層１１５の熱抵抗をガス流れ方向にしたがって変化させたときのガス拡散層１１５の両面間の温度差と水蒸気濃度差とを示した図である。
【００５０】
図５（Ｂ）に一点鎖線で示すように、ガス拡散層１１５は、下流に行くほど熱抵抗の大きい低熱伝導率部材で構成されている。
【００５１】
ここで、単セル１の発電反応は発熱反応なので、ガス拡散層１１５は、触媒層１１４から熱を受ける。
【００５２】
このとき、ガス拡散層１１５の上流側は、熱抵抗の小さい高熱伝導率部材で構成されている。そのため、発電反応によって発生した熱は、ガス拡散層１１５が触媒層１１４と接する面（以下「触媒層面」という）側からセパレータ５０と接する面（以下「セパレータ面」という）側へと速やかに伝熱する。したがって、図５（Ｂ）に破線で示すように、ガス拡散層１１５の触媒層面の表面温度と、セパレータ面の表面温度との温度差は下流側と比べて小さい。
【００５３】
これに対して、ガス拡散層１１５の下流側は、熱抵抗の大きい低熱伝導率部材で構成されている。そのため、発電反応によって発生した熱がガス拡散層１１５の触媒層面側からセパレータ面側へと伝熱する速度は、上流側と比べて遅くなる。したがって、図５（Ｂ）に破線で示すように、ガス拡散層１１５の触媒層面とセパレータ面との表面温度の温度差を比較すると、上流側よりも下流側のほうが大きくなる。
【００５４】
このとき、図４を参照して説明したように、空気中の水蒸気濃度は温度によって定まる。したがって、図５（Ｂ）に実線で示すように、ガス拡散層１１５の両面間の温度差が大きくなる下流側ほど、ガス拡散層１１５の両面間の水蒸気濃度差も大きくなる。
【００５５】
ここで、以下の式（４）に示したフィックの第１法則より、ガスの拡散流束は濃度差（濃度勾配）に比例して大きくなる。
【００５６】
【数２】
2009081116.tif 000004
【００５７】
つまり、ガス拡散層１１５の両面間の水蒸気濃度差を大きくすることで、ガス拡散層内で水蒸気が拡散しやすくなる。
【００５８】
このように、ガス拡散層１１５の上流側を熱抵抗の小さい部材で構成し、下流側を熱抵抗の大きい部材で構成することで、フラッディングの起きやすいガス拡散層１１５の下流側で水蒸気の拡散性を向上させることができる。そのため、ガス拡散層１１５の下流側における排水性を向上させることができる。これにより、フラッディングの発生を防止できるので、ガス流路５１を流れる反応ガスの流れが阻害されず、反応ガスを反応面に均一に拡散させることができる。その結果、単セル１の発電効率を向上させることができる。
【００５９】
一方、ガス拡散層１１５の上流側では、ガス拡散層１１５の両面間の水蒸気濃度差が小さいので、ガス拡散層内で水蒸気があまり拡散しない。そのため、加湿水が不足して乾燥しがちなガス拡散層１１５の上流側における保湿性を向上させることができる。これにより、固体高分子電解質膜１１１に水分が不足するドライアウト現象の発生を抑制でき、乾燥による固体高分子電解質膜１１１の劣化を防止できる。
【００６０】
以上説明した本実施形態では、ガス拡散層１１５の上流側を熱抵抗の小さい高熱伝導率部材で構成し、下流側に行くほど熱抵抗の大きい低熱伝導率部材で構成した。そのため、ガス拡散層１１５の両面間の温度差は、ガス拡散層１１５の下流側に行くほど大きくなる。
【００６１】
ここで、ガス拡散層１１５の両面間の温度差が大きくなるほど、ガス拡散層１１５の両面間の水蒸気濃度差も大きくなる。そして、前述した式（４）より、ガス拡散層１１５の両面間の水蒸気濃度差が大きくなるほど、ガス拡散層内で水蒸気が拡散しやすくなる。
【００６２】
したがって、フラッディングの起きやすいガス拡散層１１５の下流側で水蒸気の拡散性を向上させることができるので、ガス拡散層１１５の下流部における排水性を向上させることができる。これにより、フラッディングの発生を防止できるので、ガス流路５１を流れる反応ガスの流れが阻害されず、反応ガスを反応面に均一に拡散させることができる。その結果、単セル１の発電効率を向上させることができる。
【００６３】
一方で、ガス拡散層１１５の上流側では、ガス拡散層１１５の両面間の水蒸気濃度差が小さいので、ガス拡散層内で水蒸気があまり拡散しない。そのため、加湿水が不足して乾燥しがちなガス拡散層１１５の上流側における保湿性を向上させることができる。これにより、固体高分子電解質膜１１１に水分が不足するドライアウト現象の発生を抑制でき、乾燥による固体高分子電解質膜１１１の劣化を防止できる。その結果、単セル１の発電効率を向上させることができる。
【００６４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、ガス拡散層１１５を熱伝導率の異なる２種類の部材を貼り合わせて構成した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００６５】
図６は、本発明の第２実施形態によるガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の違いを示した図である。なお、図６（Ａ）は、セパレータ５０を電極側から見た平面図である。図６（Ｂ）は、ガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の大きさの違いを示した断面図である。
【００６６】
図６（Ｂ）に示すように、本実施形態において、ガス拡散層１１５は、ガス流れ方向にしたがって、下流側に行くほど厚さが薄くなる熱抵抗の小さい高熱伝導率部材１１５ａと、下流側に行くほど厚さが厚くなる熱抵抗の大きい低熱伝導率部材１１５ｂとが貼り合わせて構成される。
【００６７】
本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、２種類の部材を貼り合わせるだけなので、ガス拡散層１１５を簡易な構成にできる。
【００６８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図７を参照して説明する。本実施形態は、ガス流路５１をサーペンタイン状とした点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００６９】
図７は、本発明の第３実施形態によるガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の大きさの違いを示した図である。なお、図７（Ａ）は、セパレータ５０を電極側から見た平面図である。図７（Ｂ）は、ガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の大きさ違いを示した断面図である。
【００７０】
図７（Ａ）に示すように、本実施形態によるセパレータ５０には、サーペンタイン状のガス流路５１が形成される。
【００７１】
そして、図７（Ｂ）に示すように、本実施形態において、ガス拡散層１１５は、ガス流れの上流側が熱抵抗の低い高熱伝導率部材で構成され、下流に行くほど熱抵抗の高い低熱伝導率部材で構成される。このとき、ガス流路５１を流れる反応ガスの流れ方向が反転する折り返し部５２を境にして、ガス拡散層１１５の熱抵抗が変化するように構成される。
【００７２】
本実施形態によれば、ガス流路５１がサーペンタイン状であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を、図８を参照して説明する。本実施形態は、ガス拡散層１１５を熱伝導率の異なる２種類の部材を貼り合わせて構成した点で第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００７４】
図８は、本発明の第４実施形態によるガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の違いを示した図である。なお、図８（Ａ）は、セパレータ５０を電極側から見た平面図である。図８（Ｂ）は、ガス拡散層１１５のガス流れ方向における熱抵抗の大きさの違いを示した断面図である。
【００７５】
図８（Ｂ）に示すように、本実施形態において、ガス拡散層１１５は、折り返し部５２を境にして、下流に行くほど低熱伝導率部材の比率が高くなるように高熱伝導率部材１１５ａと低熱伝導率部材１１５ｂとを貼り合わせて構成される。
【００７６】
本実施形態によれば、ガス流路５１がサーペンタイン状であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、２種類の部材を貼り合わせるだけなので、ガス拡散層１１５を簡易な構成にできる。
【００７７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態を、図９及び図１０を参照して説明する。本実施形態は、ガス拡散層１１５の厚さをガス流れ方向にしたがって変化させた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００７８】
図９は、本発明の第５実施形態によるガス拡散層１１５の、ガス流れ方向における厚さの違いを説明する図である。なお、図９（Ａ）は、セパレータ５０をカソード電極側から見た平面図である。図９（Ｂ）は、ガス拡散層１１５のガス流れ方向における厚さの違いを示した断面図である。
【００７９】
図９（Ｂ）に示すように、本実施形態において、ガス拡散層１１５は、ガス流れ方向にしたがって、下流側に行くほどその厚さが薄くなるように構成される。
【００８０】
図１０は、第５実施形態によるガス拡散層１１５を使用した単セル１を示した図である。
【００８１】
図１０に示すように、ガス拡散層１１５を、ガス流れ方向にしたがって、下流側に行くほどその厚さが薄くなるように構成することで、単セル１を形成したときに下流側ほどガス拡散層１１５の面圧が低くなる。言い換えれば、下流側ほどガス拡散層１１５の密度が低くなる。
【００８２】
したがって、下流側と比較してガス拡散層１１５の密度の高い上流側は、下流側と比較してガス拡散層内の空気層の割合が少なくなり、熱抵抗が小さくなる。逆に、上流側と比較してガス拡散層１１５の密度の低い下流側では、上流側と比較してガス拡散層内の空気層の割合が多くなり、熱抵抗が大きくなる。
【００８３】
これにより、第１実施形態と同様に、ガス拡散層の下流側でカソードガス拡散層の両面間の温度差を大きくして、ガス拡散層１１５の両面間の水蒸気濃度差を大きくすることができる。
【００８４】
なお、ガス拡散層１１５の面圧、すなわちガス拡散層１１５の厚さは、ガス拡散層１１５の構成材料や、セパレータ５０とガス拡散層１１５との接触熱抵抗等を考慮して適宜決定すればよい。
【００８５】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態を、図１１を参照して説明する。本実施形態は、ガス流路５１をサーペンタイン状とした点で第５実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００８７】
図１１は、本発明の第６実施形態によるガス拡散層１１５のガス流れ方向における厚さの違いを示した図である。なお、図１１（Ａ）は、セパレータ５０をカソード電極側から見た平面図である。図１１（Ｂ）は、ガス拡散層１１５のガス流れ方向における厚さの違いを示した断面図である。
【００８８】
図１１（Ａ）に示すように、本実施形態によるセパレータ５０には、サーペンタイン状のガス流路５１が形成される。
【００８９】
そして、図１１（Ｂ）に示すように、ガス拡散層１１５は、ガス流れの上流側が厚さの厚い部材で構成され、下流側に行くほど厚さの薄い部材で構成される。このとき、ガス流路６１を流れるカソードガスの流れ方向が反転する折り返し部５２を境にして、ガス拡散層１１５の厚さが変化するように構成される。
【００９０】
本実施形態によれば、ガス流路５１がサーペンタイン状であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００９１】
例えば、上記の各実施形態では、熱抵抗の小さい部材として高熱伝導率部材を用いたが、部材自体の密度を高くしても良い。ガス拡散層の部材自体の密度を高くすることでガス拡散層の空気層が少なくなるので、熱抵抗が小さくなる。また、熱抵抗の大きい部材として低熱伝導率部材を用いたが、部材自体の密度を低くしても良い。ガス拡散層の部材自体の密度を低くすることでガス拡散層の空気層が多くなるので、熱抵抗が大きくなる。
【００９２】
また、部材の厚さや密度を上流側と下流側とで変化させるとともに、高熱伝導率部材や低熱伝導率部材を用いて熱抵抗を変化させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図１のII-II線に沿う方向から見た単セルの断面の一部を示す図である。
【図３】第１実施形態によるガス拡散層のガス流れ方向における熱抵抗の違いを示した図である。
【図４】温度と飽和水蒸気圧との関係を示した図である。
【図５】第１実施形態によるガス拡散層の作用について説明する図である。
【図６】第２実施形態によるガス拡散層のガス流れ方向における熱抵抗の違いを示した図である。
【図７】第３実施形態によるガス拡散層のガス流れ方向における熱抵抗の違いを示した図である。
【図８】第４実施形態によるガス拡散層のガス流れ方向における熱抵抗の違いを示した図である。
【図９】第５実施形態によるガス拡散層のガス流れ方向における厚さの違いを説明する図である。
【図１０】第５実施形態によるガス拡散層を使用した単セルを示した図である。
【図１１】第６実施形態によるガス拡散層のガス流れ方向における厚さの違いを示した図である。
【符号の説明】
【００９４】
１    単セル（固体高分子型燃料電池）
５０    セパレータ
５１    ガス流路（反応ガス流路）
１１０    膜電極接合体
１１１    固体高分子電解質膜（固体高分子膜）
１１４    触媒層
１１５    ガス拡散層
１１５ａ  高熱伝導率部材
１１５ｂ  低熱伝導率部材
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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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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