(57)【要約】【課題】膜電極接合体へ反応ガスを均一に拡散させることができ、且つ含水状態を制御することができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜の両面に触媒層及び拡散層を積層してなる膜電極接合体２、膜電極接合体２の両面に積層された流路形成材３と、流路形成材３の表面に積層されたセパレータ４とからなる燃料電池において、膜電極接合体２の両面に積層された流路形成材３は、複数の多孔体３１、３２を厚み方向に積層してなり、多孔体３１、３２のうち膜電極接合体２に隣接している１つの多孔体３１を除いて、少なくとも１つの多孔体３２の一部には含浸部７１，７２が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層及び拡散層を積層してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に積層された流路形成材と、該流路形成材の表面に積層されたセパレータとからなる燃料電池において、
前記膜電極接合体の両面に積層された前記流路形成材の少なくとも一方は、２つ以上の多孔体を厚み方向に積層してなり、該２つ以上の前記多孔体のうち前記膜電極接合体に隣接している１つの前記多孔体を除いて、少なくとも１つの前記多孔体の一部には含浸部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記含浸部は、少なくとも前記流路形成材を流れる反応ガスのガス流れ方向の下流側に形成され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】
互いに隣接する少なくとも２つの前記多孔体に形成された前記含浸部は、厚み方向で互いに接して、前記流路形成材の前記膜電極接合体側から前記セパレータ側へ向かうセパレータ側方向に対して、前記流路形成材を流れる反応ガスのガス流れ方向の上流側又は下流側に向かって傾斜する階段状の複数の段部が形成された含浸部群を構成し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。
【請求項４】
前記含浸部群における厚み方向で互いに接している複数の含浸部は、前記ガス流れ方向の位置をずらして配置されているとともに、前記含浸部群における前記ガス流れ方向に対向する前面側に形成された前記複数の段部は、前記セパレータ側方向に対して、前記ガス流れ方向の下流側へ向かって形成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記含浸部群における厚み方向で互いに接している複数の含浸部は、前記ガス流れ方向の位置をずらして配置されているとともに、前記含浸部群における前記ガス流れ方向に対向する前面側に形成された前記複数の段部は、前記セパレータ側方向に対して、前記ガス流れ方向の上流側へ向かって形成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータは、前記流路形成材と対面する側の表面に、前記流路形成材を流れる反応ガスのガス流れ方向に沿って延びる溝部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか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、特にセパレータと膜電極接合体との間に配設された流路形成材に改良を加えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスと酸素との電気化学反応によって発電を行うものであり、固体高分子電解質膜の両面側にそれぞれ触媒層及び拡散層が形成されてなる膜電極接合体と、セパレータとからなる電池セルを複数層積層したものである。膜電極接合体とセパレータとの間には、反応ガスを流す流路が形成されている。電解質膜の両面に形成された触媒層のうち燃料ガス側の触媒層では、水素ガスから水素イオンと電子が生成し、酸化剤側の触媒層では、外部回路を通じて受け取った電子が、酸素及び電解質膜を通過した水素イオンと反応して、水を生成する。燃料電池は、外部回路を通る電子の流れによって電気エネルギを発生させる。生成した水は、酸化剤側の触媒層から拡散層を経て、流路を通って外部に排出される。
【０００３】
この流路は、従来、例えば、セパレータに溝を形成することにより形成される（特許文献１（特開２００３−１５１５８５号公報）、特許文献２（特開２００３−９２１１２号公報）、特許文献３（特開２００５−３１７４１６号公報））。また、流路は、たとえば、セパレータと膜電極接合体との間に多孔体を介設させることにより形成される（特許文献４（特開２００７−１８８８３４号公報）、特許文献５（特開２００５−１２９４３１号公報））。
【０００４】
図１３，図１４に示すように、セパレータ９４に溝９４０を形成した場合には、反応ガスＧは開口断面積の小さい溝９４０に集中して流れる。このため、ガス流速が速く、生成水を押し出す力が強い。したがって、排水性がよい。しかし、その反面、溝９４０を通過する際に圧力損失が生じるため、反応ガスＧの供給圧力を大きくする必要がある。また、セパレータ９４に溝９４０を形成するにはプレス又は削り出しを行うため、平面方向に流路を形成できるにすぎず、厚み方向に異なる流路を形成することは困難である。したがって、厚み方向に反応ガスの流れを制御することはできない。更に、隣り合う溝９４０の間は、膜電極接合体９２に接する山部９４１となっているため、この山部９４１には、反応ガスＧが流れない。このため、膜電極接合体９２のうち山部９４１に接触する部位には、反応ガスＧを供給することができず、電気化学反応が生じにくい。一方、溝９４０では、セパレータ９４は膜電極接合体９２に接していない。このため、セパレータ９４は、膜電極接合体９２で生じた電子を集電することができない。したがって、セパレータ９４に溝９４０を形成した場合には、膜電極接合体９２に対して均一に一様な発電、集電を行うことはできない。
【０００５】
また、図１５，図１６に示すように、セパレータ９４と膜電極接合体９２との間に多孔体９３を介設した場合には、前記のセパレータ９４に溝９４０を形成した場合に生じる問題点は解決できる。しかし、ガス流速が遅いため、排水性が悪い。このため、膜電極接合体９２が、所謂フラッディング状態となり、内部に存在する気孔が水分によって塞がれてガス拡散性能が低下する。それゆえ、膜電極接合体９２でガスの拡散不足が生じて燃料電池の発電性能が低下する。
【０００６】
その一方、水分を過剰に排出すると、適正な保湿状態で機能する電解質膜のイオン伝達性能に影響が及ぶ。
【０００７】
また、特許文献４には、多孔体の一部に樹脂含浸部を形成することが開示されている。樹脂含浸部の内部にはガスが流れ込まないため、樹脂含浸部周縁でガス流速やガス流れ方向が変わる。しかし、樹脂含浸部は、膜電極接合体に接しているため、膜電極接合体における樹脂含浸部と接する部分にはガスが供給されず、電気化学反応が生じない。このため、発電効率低下の原因となる。
【特許文献１】特開２００３−１５１５８５号公報
【特許文献２】特開２００３−９２１１２号公報
【特許文献３】特開２００５−３１７４１６号公報
【特許文献４】特開２００７−１８８８３４号公報
【特許文献５】特開２００５−１２９４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体へ反応ガスを均一に拡散させることができ、且つ流路形成材の含水状態を制御することができる燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電解質膜の両面に触媒層及び拡散層を積層してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両面に積層された流路形成材と、該流路形成材の表面に積層されたセパレータとからなる燃料電池において、前記膜電極接合体の両面に積層された前記流路形成材の少なくとも一方は、２つ以上の多孔体を厚み方向に積層してなり、該２つ以上の前記多孔体のうち前記膜電極接合体に隣接している１つの前記多孔体を除いて、少なくとも１つの前記多孔体の一部には含浸部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記含浸部は、少なくとも前記流路形成材を流れる反応ガスのガス流れ方向の下流側に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、互いに隣接する少なくとも２つの前記多孔体に形成された前記含浸部は、厚み方向で互いに接して、前記流路形成材の前記膜電極接合体側から前記セパレータ側へ向かうセパレータ側方向に対して、前記流路形成材を流れる反応ガスのガス流れ方向の上流側又は下流側に向かって傾斜する階段状の複数の段部が形成された含浸部群を構成していることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記含浸部群における厚み方向で互いに接している複数の含浸部は、前記ガス流れ方向の位置をずらして配置されているとともに、前記含浸部群における前記ガス流れ方向に対向する前面側に形成された前記複数の段部は、前記セパレータ側方向に対して、前記ガス流れ方向の下流側へ向かって形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記含浸部群における厚み方向で互いに接している複数の含浸部は、前記ガス流れ方向の位置をずらして配置されているとともに、前記含浸部群における前記ガス流れ方向に対向する前面側に形成された前記複数の段部は、前記セパレータ側方向に対して、前記ガス流れ方向の上流側へ向かって形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、前記セパレータは、前記流路形成材と対面する側の表面に、前記流路形成材を流れる反応ガスのガス流れ方向に沿って延びる溝部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
前記請求項１に係る発明である燃料電池によれば、流路形成材である多孔体の一部に含浸部を形成している。含浸部では、多孔体の気孔が樹脂などの含浸材で塞がれている。このため、含浸部には、ガスや水などの流体が流れ込まない。ゆえに、流路形成材の流体の流通可能な流路の開口断面積が、含浸部で狭くなる。ここで、本明細書において、「開口断面積」とは、流路形成材の反応ガスのガス流れ方向に直交する方向の断面の中の流体が流通可能な部分の断面の面積をいう。すなわち、流路形成材の含浸部を含む狭小部分の開口断面積が、含浸部を含まない非狭小部分の開口断面積に比べて小さくなる。したがって、流路形成材における含浸部が形成されている狭小部分で反応ガスの流速が速くなる。そして、狭小部分の開口断面積の、非狭小部分の開口断面積に対する比率は、含浸部の配置によって自在に制御できる。例えば、第１のケースとして、流路形成材が厚みの同じ４つの多孔体からなり、そのうちの３つの多孔体に含浸部が平面方向で同一位置に形成されている場合には、含浸部が形成されている狭小部分での開口断面積は、含浸部が形成されていない非狭小部分の開口断面積に対して、２５％の大きさとなり、反応ガスの流速はかなり速められる。第２のケースとして、４つの多孔体のうち１つの多孔体にのみ含浸部を形成した場合には、狭小部分の開口断面積は、非狭小部分の開口断面積に対して、７５％の大きさとなり、前記第１のケースに比べて流速は遅い。このように、含浸部の配置によって反応ガスの流速の増加度合いを制御することができる。
【００１６】
また、流路形成材を構成する多孔体の一部に含浸部が存在することによって、反応ガスの流れ方向が含浸部周辺で変化する。反応ガスの流れ方向は、含浸部の配置によって、流路形成材の平面方向及び厚み方向で自在に制御できる。たとえば、含浸部がない部分では、反応ガスの流れは、流路形成材の中を、ガス流れ方向に直線状に、ガス供給口からガス排出口へ向かう。含浸部を形成すると、反応ガスの流れが含浸部周辺で厚み方向に変化する。含浸部を階段状に積層すると、反応ガスの流れは、含浸部に沿って階段状に変化する。含浸部の積層数によって、反応ガスの流れを誘導する距離を変えることができる。
【００１７】
このように、流路形成材を構成する多孔体の一部に含浸部が形成されていることによって、反応ガスの流速の増加度合い及び方向が制御されることにより、流路形成材の含水状態を制御することができる。
【００１８】
例えば、含水量を下げたい部分には、複数の含浸部を厚み方向に積層して流路形成材の含浸部が形成されている狭小部分の開口断面積を小さくして反応ガスの流速を速め、反応ガスの水を押し出す力を高くする（図９参照）。
【００１９】
含水量を上げたい部分には、例えば、複数の含浸部を厚み方向に積層するとともに含水量を上げたい部分に向かって階段状に位置をずらす。これにより、含浸部が形成されている狭小部分の開口断面積はさほど小さくすることなく、含水量を上げたい部分に向かって反応ガスを誘導することができる。従って、流速はさほど増加することなく、水を伴った反応ガスの流れを当該部分に集中させて水を滞留させることができる（図８参照）。
【００２０】
このように、含浸部を流路形成材の平面方向だけでなく厚み方向にも、自在に配置することができるため、反応ガスの流速増加度合いや流れを平面方向及び厚み方向に制御できる。これにより、反応ガスの水を押し出す力を強めたり弱めたりすることができ、流路形成材の含水状態を制御することができる。
【００２１】
また、２つ以上の多孔体のうち膜電極接合体に隣接している１つの多孔体には、含浸部は形成されていない。このため、膜電極接合体に隣接している多孔体は、その平面全体で反応ガスを膜電極接合体に供給することができる。それゆえ、膜電極接合体の平面方向の全体で、電気化学反応を生じさせることができる。したがって、セパレータに形成された溝により流路を構成した場合に比べて、膜電極接合体での反応有効領域が増え、発電効率の向上につながる。
【００２２】
また、流路形成材は、２つ以上の多孔体を積層したものである。１つの多孔体では、含浸部の配置の自由度が平面方向にあるにすぎず、厚み方向の配置の自由度はない。しかし、各多孔体に、平面方向にそれぞれ異なる位置に形成し、これらの多孔体を積層することで、厚み方向の配置の自由度が生じて、厚み方向の様々な位置に含浸部を配置させることができる。よって、流路形成材の流体流れを厚み方向に制御することができる。
【００２３】
前記請求項２に係る発明によれば、含浸部が、少なくとも流路形成材のガス流れ方向の下流側に形成されている。反応ガスは、多孔体の中を流れる間に、多孔体の壁面で圧力損失を受ける。このため、下流側は、上流側よりも、反応ガスの流速が低くなる傾向にあり、フラッディング現象が起こりやすい部分である。この下流側に含浸部を形成することで、流路形成材の下流側の開口断面積を狭くする。これにより、下流側への反応ガスの流れを速めて、水を押し出す力を強くする。従って、下流側での排水性を効果的に発揮することができる。本明細書において「ガス流れ方向」とは、含浸部がない場合のガス供給口からガス排出口までの反応ガスの直線状の流れの方向をいう。
【００２４】
前記請求項３に係る発明によれば、反応ガスは、階段状の含浸部群の周辺を、その階段状の壁面に沿って流れる。したがって、複数の含浸部により階段状の含浸部群を形成することにより、１つの含浸部が孤立して形成されている場合よりも、長い流路にわたって反応ガスや水の流れを制御することができる。
【００２５】
また、含浸部群を、流路形成材の膜電極接合体側からセパレータ側へ向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の上流側又は下流側に向かって傾斜する階段状とすることによって、含浸部群が傾斜していない平面状である場合に比べて、制御できる流路領域が大きくなる。よって、水の流れを効果的に制御することができる。
【００２６】
前記請求項４に係る発明によれば、厚み方向で互いに接している複数の含浸部を、ガス流れ方向の位置をずらして配置している（図７参照）。このため、流路形成材の含浸部群が形成されている狭小部分の開口断面積は、含浸部のガス流れ方向の位置が同じである平面状の含浸部群が形成されている場合（図９参照）に比べて小さくならず、反応ガスの流速もさほど上がらない。しかし、含浸部群の前面が、セパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の下流側に向かって傾斜する複数の段部をもつ。このため、反応ガスの流れ方向が含浸部群の階段状の前面によって制御され、水を伴った反応ガスが、セパレータ側の下流側へ向かって誘導される。すなわち、含浸部群の前面によって、反応ガスは、水を伴いながら、セパレータ側の下流側に誘導される。したがって、流路形成材の中の排水性が向上し、含水量を低減させることができる。
【００２７】
前記請求項５に係る発明によれば、厚み方向で互いに接している複数の含浸部を、ガス流れ方向の位置をずらして配置している（図８参照）。このため、請求項４に係る発明と同様に流路形成材の含浸部群が形成されている狭小部分の開口断面積は、含浸部のガス流れ方向の位置が同じである平面状の含浸部群が形成されている場合（図１０参照）に比べて小さくならず、反応ガスの流速もさほど上がらない。一方、請求項５に係る発明では、含浸部群の前面が、セパレータ側方向に対してガス流れ方向の上流側に向かって傾斜する複数の段部をもつ（図８参照）。このため、含浸部群の前面によって、反応ガスは、水を伴いながら、膜電極接合体側に誘導される。したがって、膜電極接合体の表面付近に水を伴った反応ガスの流れが、流速はそれほど大きくない状態で、集中する。それゆえ、含浸部群の前面の段部の傾斜が逆な場合（請求項４、図７参照））と比べて、膜電極接合体の表面付近の水分量を多くすることができる。
【００２８】
前記請求項６に係る発明によれば、セパレータには、ガス流れ方向に沿って延びる溝部が形成されている。このため、流路形成材の中の含浸部だけでなくセパレータの溝部によっても、反応ガスや水の流通を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の実施形態について図面を参照にしつつ説明する。
【００３０】
（実施形態１）
本実施形態に係る燃料電池は、燃料ガスと空気との供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。燃料電池は、複数の電池セルを積層したものである。
【００３１】
図１に示すように、電池セル１は、膜電極接合体２と、膜電極接合体２の両面に流路形成材３を介在させて積層された一対のセパレータ４と、一対のセパレータ４の間に配置されているとともに膜電極接合体２及び流路形成材３の外周を保持するガスケット５とを備える。膜電極接合体２は、電解質膜２１の両面に、触媒層２２及び拡散層２３を形成したものである。電解質膜２１は、プロトン伝導性をもち、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、たとえば、ナフィオンからなる。触媒層２２は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。拡散層２３は、カーボン製の多孔体である。
【００３２】
膜電極接合体２の両面に積層された流路形成材３は、反応ガスや、電気化学反応で生成した生成水の流路として機能する。膜電極接合体２の両面に積層された一対の流路形成材３のうち、一方の流路形成材３は酸化剤（カソード）側の流路形成材であり、他方の流路形成材３は燃料ガス（アノード）側の流路形成材である。酸化剤側の流路形成材３は、酸化剤側のセパレータ４を介して供給された空気を膜電極接合体２の酸化剤側に供給するとともに、膜電極接合体２で生成した生成水を酸化剤側のセパレータ４へ排出する。燃料ガス側の流路形成材３は、燃料ガス側のセパレータ４を介して供給された燃料ガスを、膜電極接合体２の燃料ガス側に供給する。
【００３３】
図２、図３に示すように、酸化剤側の流路形成材３は、膜電極接合体２の側からセパレータ４に向けて第１の多孔体３１，第２の多孔体３２及び第３の多孔体３３を積層した積層多孔体である。多孔体３１〜３３は、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などの焼結発泡金属からなる。多孔体３１〜３３の気孔率は、拡散層２３の気孔率よりも大きく、例えば、７０〜８０％である。多孔体３１〜３３の厚みは、いずれも例えば、０．３ｍｍと同じである。これらの多孔体３１，３２、３３のうち厚み（積層）方向の中央に位置する第２の多孔体３２には、２カ所に含浸部７１、７２が形成されている。図２，図４に示すように、一方の含浸部７１は、セパレータ４の供給口４４に近い部位、即ち反応ガス（空気）のガス流れ方向の上流側に位置する。他方の含浸部７２は、その一部が平面方向でセパレータ４の排出口４５と重なる位置、即ちガス流れ方向の下流側に位置している。いずれの含浸部７１，７２も、第２の多孔体３２の厚み方向全体に形成され、多孔体３２の平面方向の一部に形成されている。含浸部７１，７２は、同じ形状をもち、ガス流れ方向に対して直交する方向、即ち流路形成材３の幅方向Ｈ（図４）に長く延びる断面四角形の長尺体である。含浸部７１，７２の長さは、流路形成材３の幅に対して、例えば、９０〜９５％である。従って、たとえば、含浸部７１を形成した狭小部分３ａの開口断面積を考えるとき、狭小部分３ａの中の含浸部７１が形成されている多孔体３２の開口部分の面積は、狭小部分３ａの中の含浸部７１が形成されていない多孔体３１，３３の開口面積に比べると格段に小さく、狭小部分３ａの中の含浸部７１が形成されている多孔体３２の開口部分の面積は便宜上考慮しないこととする。含浸部７２を形成した狭小部分３ｂについても同様とする。この考えの下では、流路形成材３における含浸部７１，７２を形成した狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積は、流路形成材３における含浸部７１，７２を形成していない非狭小部分３ｃの開口断面積に対して、いずれも２／３の大きさ、すなわち６７％の大きさとなる。なお、図２において、電池セル１外側に示した矢印は、ガス流れ方向を示す。図７〜図１２について同様である。
【００３４】
含浸部７１，７２を形成するに当たっては、多孔体３２の含浸部形成部以外の部分をマスクして、含浸部形成部のみに刷毛、ローラなどにより液状のガスケット材料を含浸させ固化させて形成される。なお、含浸部形成部に対応する位置にスプレーノズルを設けた含浸装置を用い、スプレーノズルから含浸材料を吹き出しても良い。また、スクリーン印刷により形成することもできる。ガスケット材料は、例えば、アルキド樹脂、エポキシ樹脂などのシリコーン系樹脂からなる。
【００３５】
燃料ガス側の流路形成材３は、酸化剤側の流路形成材と同様に、３つの多孔体を積層した積層多孔体からなるとよい。燃料ガス側の積層多孔体には、酸化剤側と同様に、その一部に含浸部が形成されているとよい。即ち、生成水の多くは、酸化剤側の流路形成材に排出されるが、一部が燃料ガス側の流路形成材に流出する場合がある。また、改質器から供給される燃料ガスの湿度（水分量）が高く、燃料ガス側の流路形成材でフラッディング現象が生じる場合がある。このため、燃料ガス側の排水性を改良するため、酸化剤側の流路形成材と同様に、燃料ガス側の流路形成材の一部に含浸部を形成することがよい。燃料ガス側の流路形成材についても、酸化剤側と同様に、排水性を制御したい部位、例えば少なくとも燃料ガスの流れ方向の少なくとも下流側、好ましくは上流側及び下流側に含浸部を形成するとよい。
【００３６】
図１に示すように、セパレータ４は、電気化学反応により生じる電気を集電する集電体であり、流路用の凹凸のない薄い平板状の金属板４１，４２を積層したものである。金属板４１，４２としては、ステンレス鋼、チタン、チタン合金などの導電性金属材料からなる。燃料ガス側のセパレータ４では、金属板４１，４２の間に燃料ガス（水素）が流通する燃料ガス流路８１が形成されている。酸化剤側のセパレータ４では、金属板４１，４２の間に、空気（酸素）が流通する空気流路８２が形成されている。流路形成材３に対面している金属板４１には、空気流路８２から流路形成材３に空気が流入する供給口４４と、流路形成材３から空気流路８２に空気及び水が排出される排出口４５とが形成されている。また、電池セル１の外側に配置されている金属板４２の外表面には、冷却水通路（図示略）が形成されており、流路形成材３から金属板４１，４２の間に流れ込んだ生成水は金属板４２に形成されている孔部４２ａを通じて冷却水通路に合流する。これらの燃料ガス通路８１、空気通路８２及び冷却水流路は、金属板４１，４２及びガスケット５の外周部に形成された各マニホールド５１を経て、電池セル１に流出入する。
【００３７】
ガスケット５は、膜電極接合体２及び流路形成材３の外周を囲んでいる。ガスケット５は、シリコーンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性をもつ絶縁性樹脂材料からなり、膜電極接合体２及び流路形成材３の外周に射出成形することでこれらと一体的に形成される。
【００３８】
次に、本実施形態に係る作用について説明する。燃料ガス（水素）を、燃料ガス側のセパレータ４及び流路形成材３を経て、膜電極接合体２に供給し、空気（酸素）を、酸化剤側のセパレータ４及び流路形成材３を経て、膜電極接合体２に供給する。すると、膜電極接合体２の触媒層２２で電気化学反応が生じて、酸化剤側の触媒層２２から水が生成する。この生成水は、酸化剤側の流路形成材３を経て、酸化剤側のセパレータ４に排出される。
【００３９】
ここで、図２に示すように、流路形成材３は、厚み方向の中央に位置する第２の多孔体３２の一部に含浸部７１，７２を形成している。含浸部７１，７２では、多孔体３２の気孔が樹脂含浸材で塞がれている。このため、含浸部７１，７２には、反応ガスや水などの流体が流れ込まない。ゆえに、流路形成材３の含浸部７１、７２が形成された狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積が、含浸部が形成されていない非狭小部分３ｃの開口断面積よりも小さくなる。ゆえに、狭小部分３ａ、３ｂで、反応ガスＧの流速が速くなる。すなわち、ガス流れ方向の上流側と下流側の含浸部７１，７２周辺の狭小部分３ａ、３ｂにおいて、開口断面積が、含浸部を形成していない非狭小部分３ｃに比べて小さいため、流速が速くなる。よって、反応ガスＧの水を押出す力が強くなる。
【００４０】
また、含浸部７１，７２によって反応ガスＧの流れが、平面方向から厚み方向に変化させられる。このため、膜電極接合体２の表面に垂直方向に、流速を速めた反応ガスがあたり、生成水などの水を効果的に押出させることができる。よって、本実施形態によれば、反応ガスＧの流速増加と流れ方向の変化によって、流路形成材の中の排水性を向上させ、流路形成材の含水量を下げることができる。
【００４１】
また、含浸部７１，７２は、ガス流れ方向の上流側と下流側に配置されているため、流路形成材３の上流側と下流側の双方で排水性が高められて、流路形成材３の含水量を下げることができる。
【００４２】
また、含浸部７１、７２に当たった反応ガスは、含浸部７１，７２を迂回して流通する。このため、迂回した分だけ、含浸部に当たらなかった直進ガスＬＧに比べて、流路が長くなり、反応ガスＧの流速が速くなる。したがって、水Ｗをガス流れ方向の下流側に押し出す力が強くなる。ゆえに、流路形成材３の排水性が高くなり、フラッディング現象が生じにくくなる。
【００４３】
また、積層された３つの多孔体３１，３２，３３のうち膜電極接合体２に隣接する第１の多孔体３１には、含浸部は形成されていない。このため、多孔体３１は、その平面全体で反応ガスＧを膜電極接合体２に供給することができる。従って、膜電極接合体２の平面方向の全体で、電気化学反応を生じさせることができる。ゆえに、セパレータ４に形成された溝によって流路を構成した場合に比べて、膜電極接合体２での反応有効領域が増え、発電効率の向上につながる。
【００４４】
また、流路形成材３は、３つの多孔体３１〜３３を積層したものである。１つの多孔体では、含浸部の配置の自由度が平面方向にあるにすぎず、厚み方向の配置の自由度はない。しかし、各多孔体３１〜３３に、平面方向にそれぞれ異なる位置に含浸部７１，７２を形成し、これらの多孔体３１〜３３を積層することで、厚み方向の配置の自由度が生じて、厚み方向の様々な位置に含浸部を配置させることができる。よって、流路形成材３の流体流れを厚み方向に制御することができる。
【００４５】
また、ガス流速が遅くなる傾向にある下流側に含浸部７２が形成されている。このため、下流側で反応ガスＧの流れが速められて、下流側での生成水を効果的に排出することができる。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態は、図５，図６に示すように、４つの多孔体３１，３２，３３，３４を厚み方向に積層して流路形成材３を構成している点が、実施形態１と相違する。４つの多孔体３１〜３４のうち、膜電極接合体２に隣接する第１の多孔体３１、及びセパレータ４に隣接する第４の多孔体３４には、含浸部が形成されていない。そして、第１の多孔体３１と第４の多孔体３４の間に介在する第２の多孔体３２及び第３の多孔体３３に、含浸部７１，７２が形成されている。多孔体３２に形成されている含浸部７２は、隣接する多孔体３３に形成されている含浸部７１と平面方向の異なる位置に配置されており、両者の間には、隙間７０が形成されている。含浸部７１，７２は、いずれも、下流側に近い位置に配置されているが、含浸部７２は、含浸部７１よりも、ガス流れ方向の下流側、即ち排出口４５に近い位置に配置されている。また、含浸部７１と含浸部７２とは、ガス流れ方向に直交する方向、即ち流路形成材３の幅方向の位置がズレで配置されている。流路形成材３の幅Ｈに対する含浸部７１，７２の長さの比率は、例えば、５０〜６０％である。いずれもその他の構成は、実施形態１と同様である。
【００４７】
本実施形態においては、ガス流れ方向の下流側に２つの含浸部７１，７２を互いに僅かに離間させて配置している。本実施形態においては、流路形成材３の幅Ｈに対する含浸部７１，７２の長さの比率が５０〜６０％と小さいため、含浸部７１，７２が形成された多孔体３３，３２の開口の断面の面積が大きくなる。このため、多孔体３３，３２における含浸部７１，７２が形成された部分の開口の断面の面積を考慮して、流路形成材３の含浸部７１，７２が形成されている狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積を考える。この場合、含浸部７１，７２が形成されている狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積は、含浸部が形成されていない非狭小部分３ｃの開口断面積に対して、３／４＋１／８、すなわち８７．５％の大きさをもつ。従って、実施形態１と比べると、狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積の非狭小部分３ｃの開口断面積に対する比率（６７％）よりも大きい。ゆえに、反応ガスの流速はある程度速められるが、実施形態１よりも速くはなく、水を押出す力の増加には影響が少ない。一方、反応ガスの流れ方向は、反応ガスＧが、下流側の２つの含浸部７１，７２に当たることで、厚み方向に変わる。そして、２つの含浸部７１，７２にそれぞれ当たった反応ガスＧは、２つの含浸部７１、７２の周辺や、含浸部７１，７２の間の狭い隙間７０を通って、下流側のセパレータ４側の排出口４５に流れ込む。このため、反応ガスＧの流れが、膜電極接合体２側からセパレータ４側へ変更されて、排水性が向上し、流路形成材の含水量を下げることができる。
【００４８】
（実施形態３）
本実施形態では、図７に示すように、流路形成材３が５つの多孔体３１〜３５を積層して構成されている。これらについて、膜電極接合体２の側からセパレータ４の側に順に、第１の多孔体３１、第２の多孔体３２、第３の多孔体３３、第４の多孔体３４、第５の多孔体３５とすると、第２，第３、第４の多孔体３２、３３，３４には含浸部７１、７２、７３、７４が形成されており、第１の多孔体７１と第５の多孔体７５には、含浸部が形成されていない。含浸部７１、７２は第２の多孔体３２に、含浸部７３は第３の多孔体３３に、含浸部７４は第４の多孔体３４に形成されている。
【００４９】
１つの含浸部７１は、ガス流れの上流側、即ち供給口４４の近傍に孤立して配置されている。他の３つの含浸部７２〜７４は、ガス流れの下流側、即ち排出口４５の近傍に配置されている。下流側の含浸部７２〜７４は、互いに接しているが、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の下流側に向かって互いの位置をずらして配置されている。このずらし量は、含浸部７２〜７４のガス流れ方向の幅の１／２である。このように、含浸部７２〜７４は、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の下流側に向かって階段状に繋がる複数の段部７９をもつ１つの含浸部群７０を構成している。なお、含浸部７１〜７４は、例えば、いずれも同じ長尺形状であり、流路形成材３の幅に対する含浸部７１〜７４の長さの比率は、例えば９０〜９５％であって、流路形成材３の幅方向における含浸部７１〜７４の配置位置はいずれも同じである。多孔体３２〜３４の中の含浸部７１〜７４が形成された部分の開口の断面積は小さいため、実施形態１と同様に便宜上これを考慮しない。この場合には、流路形成材３における含浸部７１及び含浸部群７０が形成されている狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積に対する含浸部が形成されていない非狭小部分３ｃの開口断面積の比率は、それぞれ４／５（８０％）、３／５〜４／５（６０〜８０％）となる。なお、本実施形態においては、含浸部７１〜７４の長さ、及び流路形成材３の幅に対する含浸部７１〜７４の長さの比率が同じであるが、異なっていても良い。
【００５０】
本実施形態においては、含浸部７２〜７４が、階段状の１つの含浸部群７０を構成している。含浸部７１及び含浸部群７０が形成されている狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積が、さほど大きくないため、反応ガスGの流速はさほど大きくはならない。
【００５１】
一方、反応ガスＧは、階段状の含浸部群７０の周辺を、その階段状の壁面に沿って流れる。したがって、複数の含浸部７２〜７４により階段状の複数の段部７９をもつ含浸部群７０を形成することにより、１つの含浸部が孤立して形成されている場合よりも、長い流路にわたって反応ガスや水の流れ方向を制御することができる。また、含浸部群７０を階段状とすることによって、平面状とした場合に比べて、制御できる流路領域が大きくなる。よって、水の流れを効果的に制御することができる。
【００５２】
また、含浸部群７０の前面７０ａは、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の下流側に向かって傾斜する複数の段部７９を有している。すなわち、含浸部群７０の前面７０ａは、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の下流側に向かって複数の段部７９によって階段状に傾斜している。このため、含浸部群７０の前面７０ａに当たった反応ガスＧの多くは、水Ｗを伴って、前面７０ａの階段状の段部７９を、その階段状の壁面に沿って、セパレータ4側の排出口４５に誘導される。また、含浸部群７０の前面７０ａに当たった反応ガスＧの一部は、膜電極接合体２側に流れ込み、狭小部分３ａ、３ｂの中の多孔体３１と含浸部７２との間を通って、流速が速められる。したがって、一層効果的に排水性を高め、流路形成材３の含水量を下げることができる。
【００５３】
（実施形態４）
本実施形態は、図８に示すように、階段状の含浸部群７０を構成している含浸部７２〜７４が、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の上流側に向かって互いの位置をずらして配置されている点が、実施形態３と相違する。含浸部群７０の前面７０ａには、階段状の複数の段部７９が形成されている。この前面７０ａに形成された段部７９は、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の上流側に向かって傾斜している。本実施形態の流路形成材３における含浸部７１及び含浸部群７０が形成されている狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積に対する含浸部が形成されていない非狭小部分３ｃの開口断面積の比率は、実施形態３と同様である。
【００５４】
本実施形態では、含浸部群７０の前面７０ａに階段状の複数の段部７９の勾配が、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かうセパレータ側方向に対して、ガス流れ方向の上流側に向かって傾斜している。このため、実施形態３に比べて、水Ｗを含む多くの反応ガスＧが、膜電極接合体２側に集中し、膜電極接合体２近傍の水分含量を高めることができる。本実施形態においても、実施形態３と同様に狭小部分３ａ、３ｂの開口断面積がさほど小さくないため、含浸部７２が形成されている狭小部分３ａ、３ｂで反応ガスＧの流速は、さほど速められない。それ以上に水分を含む反応ガスの流れが膜電極接合体２に向かうため、狭小部分３a、３ｂでの反応ガスの通過量が多くなり、狭小部分３ａ、３ｂで水が滞りやすくなり、流路形成材の含水量を上げることができる。したがって、本実施形態の含浸部群７０は、膜電極接合体２の下流側の水分含有量が不足気味の場合で水分含有量を増加させたい場合に採用するとよい。たとえば、膜電極接合体２近傍の下流側の水分含量を高めて、イオン伝導性能を有効に発揮させることができる。
【００５５】
（実施形態５）
本実施形態は、図９に示すように、含浸部群７０のガス流れ方向の断面の幅が、膜電極接合体２側が広く、セパレータ４側が狭くなっている点が、実施形態３と相違する。即ち、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かって、含浸部７２、含浸部７３，含浸部７４の順に漸次狭くなっている。そして、含浸部７２〜７４から構成される含浸部群７０のガス流れ方向の断面は、略逆三角形状であり、膜電極接合体２側を底面７０ｃとし、膜電極接合体２側からセパレータ４側に向けて上流側方向及び下流側方向に同程度の勾配で階段状に狭くなっている。流路形成材３における含浸部７１及び含浸部群７０が形成されている狭小部分３a、３ｂの開口断面積は、含浸部が形成されていない非狭小部分３ｃの開口断面積に対して、それぞれ４／５（８０％）、２／５〜４／５（４０〜８０％）の大きさである。
【００５６】
本実施形態では、含浸部群７０が、セパレータ4側を頂点７０ｂとする断面略逆三角形状である。このため、流路形成材３における含浸部群７０が形成されている狭小部分３ｂの中のもっとも狭い部分で、開口断面積が小さくなり、反応ガスの流速が高められる。ゆえに、水を押出す力を大きくすることができる。
【００５７】
また、含浸部群７０のガス流れ方向の前面７０ａに当たった反応ガスＧの多くはセパレータ4側の頂点７０ｂに回り込む。頂点７０ｂに回り込んだ反応ガスＧは、頂点７０ｂ近傍の排出口４５に排出される。また、含浸部群７０の底面７０ｃを流れる反応ガスＧは、頂点７０ｂに回り込んだ反応ガスＧと、セパレータ４側の排出口４５付近で合流する。これらの含浸部群７０周辺を流れる反応ガスＧは、ガス流れ方向に直進する直進ガスＬＧに比べて、流路が長いため、流速が速くなる。したがって、膜電極接合体２側に存在する水Ｗを効果的に押し出すことができる。
【００５８】
（実施形態６）
本実施形態は、図１０に示すように、含浸部群７０のガス流れ方向の断面の幅が、膜電極接合体２側が狭く、セパレータ４側が広くなっている点が、実施形態４と相違する。即ち、膜電極接合体２からセパレータ４に向かって、膜電極接合体２側を頂点７０ｂとし、含浸部７２、含浸部７３，含浸部７４の順に漸次広くなっている。そして、これらから構成される含浸部群７０のガス流れ方向の断面は、略三角形状であり、膜電極接合体２側を頂点７０ｂとし、セパレータ４側に向けて上流側方向及び下流側方向に同程度の勾配で階段状に広くなっている。流路形成材３における含浸部７１及び含浸部群７０が形成されている狭小部分３a、３ｂの開口断面積は、含浸部が形成されていない非狭小部分３ｃの開口断面積に対して、それぞれ４／５（８０％）、２／５〜４／５（４０〜８０％）の大きさである。
【００５９】
本実施形態では、含浸部群７０が、膜電極接合体２側を頂点７０ｂとする断面略三角形状である。このため、流路形成材３における含浸部群７０が形成されている狭小部分３ｂの中のもっとも狭い部分で、開口断面積が小さくなり、反応ガスＧの流速が高められる。また、含浸部群７０のガス流れ方向の前面７０ａに当たった反応ガスＧの多くは膜電極接合体２側の頂点７０ｂに回り込み、この回り込んだ反応ガスGは、ガス流れ方向に直進する直進ガスＬＧと含浸部群７０の底部７０ｃの下流側で合流する。このため、迂回した分だけ流速が速められる。このように、含浸部群７０の周辺の反応ガスは流速を速められ、水を押出す力が大きい。
【００６０】
また、含浸部群７０のガス流れ方向の前面７０ａに当たった反応ガスＧの多くは膜電極接合体２側の頂点７０ｂに回り込む。頂点７０ｂに回り込んだ反応ガスＧは、実施形態４とは異なって、上記のように流速が速いため、水を滞留させることなく、押出す力が強い。したがって、含浸部群７０周辺での排水性が向上し、流路形成材の含水量を下げることができる。
【００６１】
（実施形態７）
本実施形態においては、図１１に示すように、２つの多孔体３１，３２を積層して流路形成材３が構成されている点が、実施形態１と相違する。
【００６２】
すなわち、膜電極接合体２に隣接する第１多孔体３１には含浸部が形成されていないが、セパレータ４に隣接する第2多孔体３２にはその上流側及び下流側に含浸部７１，７２が形成されている。流路形成材３における含浸部７１，７２が形成されている狭小部分７a、７ｂの開口断面積は、含浸部が形成されていない非狭小部分７ｃの開口断面積に対して、１／２（５０％）の大きさである。その他の構成は実施形態１と同様である。
【００６３】
本実施形態においては、ガス流れ方向の上流側と下流側の含浸部７１，７２が形成されている狭小部分７ａ、７ｂの開口断面積が、含浸部が形成されていない非狭小部分７ｃの開口断面積に比べて小さいため、反応ガスの流速が速い。よって、流路形成材３の上流側と下流側の双方で水を押し出す力が大きくなる。したがって、流路形成材３の排水性が向上し、含水量を下げることができる。また、反応ガスＧの多くは、含浸部７１，７２の前面７０ａに当たって、膜電極接合体２の側に向かって流れる。このため、多くの反応ガスが膜電極接合体２の表面近傍で流速を速めて通過するため、水を押出す量も多くなる。
（実施形態８）
本実施形態では、図１２に示すように、セパレータ４に流路用の溝４０を形成して、実施形態１の流路形成材３の表面に積層している。セパレータ４は、２つの金属板４１，４２からなり（図１参照）、その流路形成材３側の金属板４１の流路形成材３と対面する表面には、ガス流れ方向に沿って供給口４４近傍から排出口４５近傍まで延びる溝４０が形成されている。溝４０は、セパレータ４に複数形成されており、ガス流れ方向と直交する方向に並列している（図１４参照）。溝４０は、例えば、金属板４１をプレス加工することにより形成することができる。
【００６４】
本実施形態では、反応ガスＧは、流路形成材３に流入して水Ｗを伴って膜電極接合体２側からセパレータ４側に向かいながら下流側に流通する。セパレータ４側に到達した反応ガスＧは、溝４０の中に入り、溝４０を流通して排出口４５に排出される。したがって、水Ｗを伴った反応ガスＧが、セパレータ４表面に膜状に滞ることを抑制し、溝４０を通過させてすばやく排出口４５に排出することができ、流路形成材３の含水量を下げることができる。
【００６５】
なお、上記実施形態１〜８では、多孔体の厚みがすべて同じであるが、異なっても良い。また、上記実施形態１〜８では、含浸部を上流側と下流側の双方に配置しているが、下流側のみでもよい。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の電池セルの断面説明図である。
【図２】実施形態１に係る電池セルの要部断面説明図である。
【図３】実施形態例１に係る電池セルの流路形成材の斜視図である。
【図４】実施形態１に係る、ガス流れ方向と含浸部との位置関係を示すための流路形成材の平面説明図である。
【図５】実施形態２に係る、流路形成材の斜視図である。
【図６】実施形態２に係る、流路形成材の平面図（ａ）、正面図（ｂ）及び側面図（ｃ）である。
【図７】実施形態３に係る電池セルの要部断面説明図である。
【図８】実施形態４に係る電池セルの要部断面説明図である。
【図９】実施形態５に係る電池セルの要部断面説明図である。
【図１０】実施形態６に係る電池セルの要部断面説明図である。
【図１１】実施形態７に係る電池セルの要部断面説明図である。
【図１２】実施形態８に係る電池セルの要部断面説明図である。
【図１３】従来例における、流路がセパレータに形成された溝である場合の電池セルの断面説明図である。
【図１４】従来例における、流路としての溝をもつセパレータの斜視図である。
【図１５】従来例における、セパレータとは別の流路形成材で流路が形成されている電池セルの断面説明図である。
【図１６】従来例における、流路形成材及びセパレータの斜視図である。
【符号の説明】
【００６８】
１：電池セル、２：膜電極接合体、３：流路形成材、３ａ、３ｂ：狭小部分、３ｃ：非狭小部分、４：セパレータ、２１：電解質膜、２２：触媒層、２３：拡散層、３１〜３５：多孔体、４１，４２：金属板、４４：供給口、４５：排出口、７０：含浸部群、７１〜７４：含浸部、７０ａ：前面、７０ｂ：頂部、７０ｃ：底部、７９：段部、Ｇ：反応ガス、Ｗ：水
【図１】
2009158350.tif 000003
【図２】
2009158350.tif 000004
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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