(57)【要約】【課題】直噴水タイプの燃料電池システムにて、低いエアストイキ比に対しても優れた発電性能を発揮させ得る燃料電池、及び、その燃料電池を使用する燃料電池システムを提供すること。【解決手段】本発明によれば、空気極が、固体高分子電解質膜の片面に当接する反応層と、その反応層における固体高分子電解質膜とは反対側の面に該反応層と電気的に接続された状態で配設される板状の導電性多孔体とを含んで構成される。よって、直噴水における各液滴が、導電性網材に接触する確率が、従来の単位セルにおける溝状の空気流路の壁面に接触する確率に比べて高くなる。その結果、空気極における直噴水の蒸発効率を向上させることができ、エアストイキ比を低下させて運転する場合であっても、優れた発電性能を発揮させ得る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の片面に当接する燃料極と、
前記固体高分子電解質膜における前記燃料極とは反対側の面に当接する空気極とを備えている燃料電池であって、
前記空気極は、
前記固体高分子電解質膜の片面に当接し触媒を含有する反応層と、
その反応層における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に該反応層と電気的に接続された状態で配設され、空気の流路となる多数の空孔が形成された板状の導電性多孔体、を含み、
前記空気極に常圧の空気と霧状の液体水とを供給する燃料電池システムにおいて使用されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記導電性多孔体は、前記反応層の側に、前記空気の入口側から出口側へ向かう溝を有し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】
前記導電性多孔体における前記空孔の空孔径は、８０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記導電性多孔体における前記空孔の空孔径は、前記空気極へ供給される霧状の液体水の粒子径より大きく形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池と、
燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
系外から取り入れた空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、
液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する水供給手段と、を備え、
前記空気極は、
前記固体高分子電解質膜の片面に当接し触媒を含有する反応層と、
その反応層における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に該反応層と電気的に接続された状態で配設され、空気の流路となる多数の空孔が形成された板状の導電性多孔体、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記水供給手段により前記空気極へ供給される前記霧状の液体水の粒子径が、５μｍ以上、かつ、５００μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴水タイプの燃料電池システムにおいて使用される固体高分子型の燃料電池、及び、その燃料電池を使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の単位セルは、燃料極（水素極、アノード極）と空気極（酸素極、カソード極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）と空気極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。
【０００３】
従来において一般的な固体高分子型燃料電池の単位セルとしては、例えば、特許文献１に記載される固体高分子電解質膜燃料電池などが挙げられる。
【０００４】
ここで、図３は、従来における固体高分子型燃料電池の単位セル２００の分解斜視図である。図３に示すように、単位セル２００は、導電性の材料から形成される一対のセパレータ２２０と、その一対のセパレータ２２０に挟持される膜電極接合体２１０とから構成される。
【０００５】
セパレータ２２０における膜電極接合体２１０の空気極２１０ｂに対向する側の面には、一方向（図３における上下方向）に延びるリブを並列して設けることによって複数の溝状の空気流路２２０ａが形成されている。
【０００６】
一方、セパレータ２２０における、膜電極接合体２１０の燃料極２１０ｃに対向する側の面には、空気流路２２０ａと直交する方向（図３に示すセパレータ２２０の手前側から奥側へ向かう方向）に延びるリブを並列して設けることによって、空気流路２２０ａと直交する方向に延びる複数の溝状の水素ガス流路２２０ｂが形成されている。
【０００７】
膜電極接合体２１０は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）などの固体高分子電解質膜２１０ａと、その固体高分子電解質膜２１０ａの片面に当接される空気極２１０ｂと、固体高分子電解質膜２１０ａにおける空気極２１０ｂが当接された面とは反対側の面に当接される燃料極２１０ｃとから構成される。
【０００８】
酸化剤ガスとしての空気は、空気流路２２０ａを流通することによって、膜電極接合体２１０の空気極２１０ｂへ供給され、燃料ガスとしての水素ガスは、水素ガス流路２２０ｂを流通することによって、膜電極接合体２１０の燃料極２１０ｃへ供給される。それによって、空気極２１０ｂと燃料極２１０ｃとにおいて電気化学反応（起電反応）が生じる。
【０００９】
このような固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と称する）を含む燃料電池システムとして、空気極の表面に液体水を霧状に噴射する直噴水タイプの燃料電池システム（燃料電池装置）が、特開平１１−２４２９６２号公報（特許文献２）にて提案されている。
【００１０】
かかる直噴水タイプの燃料電池システムでは、霧状に噴霧された液体水（直噴水）が、空気流路の壁面やその周囲の空気から潜熱を奪って蒸発することにより、空気極を冷却すると共に、固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐことができるので、高い発電性能を得られるという利点がある。
【特許文献１】特開平３−２９５１７６号公報
【特許文献２】特開平１１−２４２９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、直噴水タイプの燃料電池システムに対し、溝状の空気流路を有する従来の単位セル２００を使用した場合、エアストイキ比を下げて運転すると、直噴水の一部が液滴として流路を塞ぎ易くなり、その結果、発電性能が低下するという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、直噴水タイプの燃料電池システムにて、低いエアストイキ比に対しても優れた発電性能を発揮させ得る燃料電池、及び、その燃料電池を使用する燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の片面に当接する燃料極と、前記固体高分子電解質膜における前記燃料極とは反対側の面に当接する空気極とを備えているものであって、前記空気極は、前記固体高分子電解質膜の片面に当接し触媒を含有する反応層と、その反応層における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に該反応層と電気的に接続された状態で配設され、空気の流路となる多数の空孔が形成された板状の導電性多孔体、を含み、前記空気極に常圧の空気と霧状の液体水とを供給する燃料電池システムにおいて使用される。
【００１４】
請求項２記載の燃料電池は、請求項１記載の燃料電池において、前記導電性多孔体は、前記反応層の側に、前記空気の入口側から出口側へ向かう溝を有している。
【００１５】
請求項３記載の燃料電池は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、前記導電性多孔体における前記空孔の空孔径は、８０μｍ以上である。
【００１６】
請求項４記載の燃料電池は、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池において、前記導電性多孔体における前記空孔の空孔径は、前記空気極へ供給される霧状の液体水の粒子径より大きく形成されている。
【００１７】
請求項５記載の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、系外から取り入れた空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する水供給手段と、を備え、前記空気極は、前記固体高分子電解質膜の片面に当接し触媒を含有する反応層と、その反応層における前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に該反応層と電気的に接続された状態で配設され、空気の流路となる多数の空孔が形成された板状の導電性多孔体、を含む。
【００１８】
請求項６記載の燃料電池システムは、請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前記水供給手段により前記空気極へ供給される前記霧状の液体水の粒子径が、５μｍ以上、かつ、５００μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１記載の燃料電池によれば、空気極へ霧状の液体水が供給される燃料電池システムにおいて使用されるので、かかる霧状の液体水（直噴水）が空気極における潜熱を奪って蒸発することにより、空気極が冷却されて固体高分子電解質膜が保湿される。
【００２０】
請求項１記載の燃料電池における空気極は、固体高分子電解質膜の片面に当接する反応層と、その反応層における固体高分子電解質膜とは反対側の面に該反応層と電気的に接続された状態で配設される板状の導電性多孔体とを含んで構成される。
【００２１】
また、この導電性多孔体には、空気の流路となる多数の空孔が形成されているので、空気極へ供給された霧状の液体水（直噴水）は、空気極へ供給された空気と共に、この導電性多孔体の空孔を流通する。
【００２２】
よって、直噴水における各液滴が、導電性多孔体に接触（衝突）する確率が、従来の単位セル（燃料電池）における溝状の空気流路の壁面に接触する確率に比べて高くなるので、直噴水における各液滴が、導電性多孔体から潜熱を奪う確率を、従来の単位セルに比べて高くすることができる。
【００２３】
従って、請求項１記載の燃料電池によれば、空気極における直噴水の蒸発効率を向上させることができ、エアストイキ比が低下したことに起因して生じる、流路の液滴閉塞による蒸発効率の悪化及びそれに伴う冷却効率の悪化を抑制することができ、優れた発電性能を発揮させ得るという効果がある。
【００２４】
また、請求項１記載の燃料電池によれば、空気極の導電性多孔体は、多数の空孔が形成されているので、広い接触面積を確保することができ、反応層において起電反応の結果として発生した熱を、平均的に受けることができる。よって、局所的な熱伝導に起因する局所的なドライアップを防止することができ、優れた発電性能を発揮させ得るという効果がある。
【００２５】
請求項２記載の燃料電池によれば、請求項１記載の燃料電池の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。空気極の導電性多孔体には、反応層の側に、供給される空気の入口側から出口側へ向かう溝が形成されている。
【００２６】
よって、起電反応の結果として反応層から排出される反応生成水や直噴水を、供給された空気の流れを利用し、導電性多孔体に形成された溝から優先的に排出させることができ、エアストイキ比を下げて運転される場合においても、空気流路となる空孔のプラッギング（閉塞）を生じることなく、冷却効率の悪化を抑制することができ、優れた発電性能を発揮させ得るという効果がある。
【００２７】
請求項３記載の燃料電池によれば、請求項１又は２に記載の燃料電池の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。導電性多孔体における空孔の空孔径が、８０μｍ以上であるので、直噴水による空孔のプラッギングを有効に防止することができ、エアストイキ比を下げて運転される場合においても、優れた発電性能を発揮させ得るという効果がある。
【００２８】
請求項４記載の燃料電池によれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。導電性多孔体における空孔の空孔径が、直噴水（即ち、霧状の液体水）の粒子径より大きく形成されているので、直噴水による空孔のプラッギングを有効に防止することができ、エアストイキ比を下げて運転される場合においても、優れた発電性能を発揮させ得るという効果がある。
【００２９】
請求項５記載の燃料電池システムによれば、固体高分子型燃料電池の燃料極には、燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給される一方で、空気極には、酸化剤ガス供給手段によって空気が供給される。その結果、燃料電池は、燃料ガスと空気との電気化学的反応（起電反応）により発電する。
【００３０】
このとき、水供給手段により霧状に噴射（噴霧）された液体水は、酸化剤ガス供給手段により供給された空気と共に、空気極へ供給される。即ち、請求項５記載の燃料電池システムは、直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものであり、かかる霧状の液体水（直噴水）が空気極における潜熱を奪って蒸発することにより、空気極が冷却されて固体高分子電解質膜が保湿される。
【００３１】
請求項５記載の燃料電池システムにおいて使用される空気極は、固体高分子電解質膜の片面に当接する反応層と、その反応層における固体高分子電解質膜とは反対側の面に該反応層と電気的に接続された状態で配設される板状の導電性多孔体とを含んで構成される。
【００３２】
また、この導電性多孔体は、空気の流路となる多数の空孔が形成されているので、水供給手段により空気極へ供給された直噴水（霧状の液体水）は、酸化剤ガス供給手段により供給された空気と共に、この導電性多孔体の空孔を流通する。
【００３３】
よって、直噴水における各液滴が、導電性多孔体に接触（衝突）する確率が、従来の単位セル（燃料電池）における溝状の空気流路の壁面に接触する確率に比べて高くなるので、直噴水における各液滴が、導電性多孔体から潜熱を奪う確率を、従来の単位セルに比べて高くすることができる。
【００３４】
従って、請求項５記載の燃料電池システムによれば、空気極における直噴水の蒸発効率を向上させることができ、エアストイキ比を下げたことに起因して生じる、液滴の流路閉塞による蒸発効率の悪化及びそれに伴う冷却効率の悪化を抑制することができ、優れた発電性能を発揮させ得るという効果がある。
【００３５】
また、請求項５記載の燃料電池システムによれば、空気極の導電性多孔体は、多数の空孔が形成されているので、広い接触面積を確保することができ、反応層において起電反応の結果として発生した熱を、平均的に受けることができる。よって、局所的な熱伝導に起因する局所的
なお、請求項１及び５において、導電性多孔体が「電気的に接続された状態で配設される」とは、導電性多孔体が反応層に当接して配設されることと、導電性多孔体と反応層との間に導電性の層が介在されていることとの両方が含まれることを意図する。
【００３６】
請求項６記載の燃料電池システムによれば、請求項５記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。水供給手段により空気極へ供給される直噴水（霧状の液体水）の粒子径が、５μｍ以上、かつ、５００μｍ以下であるので、直噴水による空孔のプラッギングを有効に防止することができ、エアストイキ比を下げて運転される場合においても、優れた発電性能を発揮させ得るという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム１００の一実施形態を示すブロック図である。
【００３８】
この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０（図２（ａ）参照）の燃料極（水素極、アノード極）１３（図２（ａ）参照）へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極（酸素極、カソード極）１２（図２（ａ）参照）へ供給するための空気供給系６０と、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極１２へ霧状の液体水を供給して単位セル１０を冷却し加湿する水供給系８０と、燃料電池スタック４０（各単位セル１０の空気極１２）から排出される排気を系外へ排出する排気系１１０とを備えている。
【００３９】
なお、図１に示す燃料電池システム１００では、空気（供給空気、排気）の流通経路（空気供給路６３、空気排出路１１１）を最も太い実線により表しており、水素ガスの流通経路（水素ガス供給流路５１）を次に太い実線で表しており、水の流通経路（導水路８１ａ、給水路８１ｂ）を点線で表している。
【００４０】
燃料電池スタック４０は、燃料電池としての単位セル１０（図２（ａ）参照）の複数個を、導電性のセパレータ２０を介して厚み方向に積層し、隣接する単位セル間を電気的に直列接続した構成とされている。
【００４１】
水素ガス供給系５０は、本発明における燃料ガス供給手段に該当し、水素源となる水素ボンベ（図示せず）から供給される水素ガスの流量を調整する電磁弁（図示せず）を含む水素ガス供給流路５１を介して、燃料電池スタック４０のガス取入口４１から図示されない水素ガス流路に接続されて、かかる水素ガス流路に水素ガスを供給する。なお、この水素ガス供給系５０は、燃料電池スタック４０から排出された未反応水素ガスを、図示されない経路を介して水素ガス供給流路に戻して循環できるように構成されている。
【００４２】
空気供給系６０は、給気経路である空気供給路６３と、燃料電池スタック４０における図示されない空気流路の上流側に設けられ、空気供給路６３の出口側の端部が接続される空気マニホールド６２とを含んで構成される。空気供給路６３には、系外から空気（外気）を取り入れる開口である空気取入口６３ａから、空気の流通する方向に向かって順に、フィルタ６４と、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン６１とが設けられている。なお、この空気供給系６０は、本発明における酸化剤ガス供給手段に該当する。
【００４３】
かかる空気供給系６０は、空気ファン６１を駆動させることにより、空気取入口６３ａから取り入れた空気を、空気供給路６３及び空気マニホールド６２を介して、燃料電池スタック４０の空気流路へ供給する。
【００４４】
排気系１１０は、燃料電池スタック４０における空気流路の下流側に設けられた図示されない排気マニホールドに一端側が接続される排気経路として空気排出路１１１を含んで構成される。
【００４５】
この空気排出路１１１の経路上には、燃料電池スタック４０の側から空気（排気）の流通方向に向かって、凝縮器１１２と、フィルタ１１３とが順に設けられ、フィルタ１１３を通過した排気が系外へと排出される。
【００４６】
凝縮器１１２は、外気温との熱交換によって排気を冷却し、排気中に含まれる水分を凝縮により分離して回収するものである。燃料電池スタック４０から排出された排気は、この凝縮器１１２へと流入し、該排気中に含まれる水分が液体水として分離され、後述する水供給系８０により回収されて水タンク８２へと戻される。
【００４７】
凝縮器１１２には、放熱ファン１１２ａが設けられており、この放熱ファン１１２ａの旋回駆動により凝縮器１１２から放出される熱が拡散され、凝縮器１１２における排気の冷却を促進する。
【００４８】
水供給系８０は、水タンク８２と、その水タンク８２に一端側が接続され、水タンク８２に貯留されている水を燃料電池スタック４０へ供給するための給水路８１ｂを含んで構成される。なお、この水供給系８０における給水路８１ｂは、本発明における水供給手段に該当する。
【００４９】
水タンク８２は、燃料電池スタック４０へ冷却水及び加湿水となる水を供給するための水を貯留するものであり、この水タンク８２には、図示されない水位センサ及び水温センサが設けられている。
【００５０】
給水路８１ｂには、水タンク８１の側から水の流通方向に向かって、フィルタ８４と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６と、給水路８１ｂからの水の出口となるノズル８３とが順に設けられている。
【００５１】
ノズル８３の先端は、空気マニホールド６２に向けられており、給水路８１ｂを介して水タンク８２から導かれた水は、ノズル８３の先端から噴射される。ノズル８３から空気マニホールド６２へ向けて噴射された水は、空気供給系６０を流通する供給空気の流れによって霧状となって燃料電池スタック４０へ送り込まれる。
【００５２】
この霧状に噴射された水は、各単位セル１０（図２（ａ）参照）の空気極１２へと流れ込み、燃料電池スタック４０に対する冷却水及び加湿水として作用する。即ち、本実施形態の燃料電池システム１００は、直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものである。
【００５３】
図１に示すように、水供給系８０はまた、凝縮器１１２により回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ａを含んでいる。導水路８１ａは、その一端側が凝縮器１１２に接続され、他端側が水タンク８２に接続された経路であり、この導水路８１ａには、回収ポンプ８８が設けられている。
【００５４】
このように、水供給系８０は、水タンク８２に貯留される液体水を、給水路８１ｂを介して燃料電池スタック４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器１１２によって凝縮して液体水として分離し、かかる水を、導水路８１ａを介して水タンク８２に戻す循環系として構成されている。
【００５５】
以上のように構成された燃料電池システム１００を運転する場合には、空気ファン６１を駆動させ、系外から取り入れた外気（空気）を燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給すると共に、水供給系８０の給水ポンプ８５を駆動させて水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０における図示されない電磁弁を調整し、水素ガスを所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。
【００５６】
その結果、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０にて水素と酸素とによる電気化学的な水生成反応（電極反応、起電反応）が行われ、生じた電流が図示されない負荷系（モータなど）へ流れる。かかる燃料電池システム１００の運転中は、霧状となって供給される水によって各単位セル１０が冷却及び加湿される。
【００５７】
なお、本実施形態の燃料電池システム１００は、図示されない制御装置を有している。この制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成され、各種センサにより検出される燃料電池スタック４０へ供給されるガス（水素ガス及び空気）の流量や温度、又は、燃料電池スタック４０からの出力電圧などに基づいて、空気供給系６０における空気ファン６１などの制御や、水素ガス供給系５０における水素ガスの流量の制御や、水供給系８０におけるポンプ８３など、燃料電池システム１００を運転するための各種制御を行う。
【００５８】
次に、図２を参照して、上記構成を有する燃料電池システム１００において使用される本発明の燃料電池である単位セルについて説明する。図２（ａ）は、単位セル１０を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＩＩｂ方向から見た網材１３ａの側面図である。
【００５９】
図２（ａ）に示すように、単位セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１５と、その膜電極接合体１５における空気極１２側に設けられた空気流路１６と、膜電極接合体１５における燃料極１３側に設けられた水素ガス流路１７と、空気流路１６及び水素ガス流路１７の外面側に配された導電性のセパレータ２０と、シール材２１とから構成される。
【００６０】
膜電極接合体１５は、固体高分子電解質膜１１と、その固体高分子電解質１１の両面を挟持する空気極１２及び燃料極１３とから構成される積層体である。固体高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。
【００６１】
空気極１２は、固体高分子電解質膜１１に当接する触媒層１２ｃと、セパレータ２０に当接する網材１２ａと、一方の面が網材１２ａに当接し、他方の面が触媒層１２ｃに当接する細孔層１２ｂとから構成される。
【００６２】
また、燃料極１３は、固体高分子電解質膜１１に当接する触媒層１３ｃと、セパレータ２０に当接する網材１３ａと、一方の面が網材１３ａに当接し、他方の面が触媒層１３ｃに当接する細孔層１３ｂとから構成される。
【００６３】
触媒層１２ｃは、固体高分子電解質膜１１に当接されて空気極１２における電極反応を促進するための層であり、固体高分子電解質膜１１における他方の面に当接する燃料極１４の触媒層１３ｃと共に、酸素と水素との水生成反応を促進する。触媒層１２ｃ，１３ｃとしては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。
【００６４】
細孔層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）１２ｂ，１３ｂは、導電性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔を有する層であり、例えば、約２００μｍ以下の厚さに形成される。なお、細孔層１２ｂ，１３ｂにおける空孔は、後述する網材１２ａ，１３ａの空孔より小さい細孔である。
【００６５】
なお、空気極１２における細孔層１２ｂは、触媒層１２ｃと網材１２ａとを連通する細孔を有しているので、触媒層１２ｃから網材１２ａへ電子を移動させ易くすると共に、触媒層１２ｃ内の水を細孔層１２ｂへ移動させて、適度に触媒層１２ｃを保水しつつ余剰水を系外に排出し、水によって触媒層１２ｃでの電気化学反応が阻害されることを抑制する機能を担う。
【００６６】
細孔層１２ｂ，１３ｂとしては、撥水性を有することが好ましく、例えば、カーボン粒子とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ））とを含んで構成される撥水性の細孔層を採用することができる。このとき、ＰＴＦＥの混合量は２０〜６０質量％程度であることが好ましい。
【００６７】
また、細孔層１２ｂ，１３ｂは、それぞれ、網材１２ａ，１３ａに食い込みつつ配置されていることが好ましい。例えば、細孔層１２ｂや細孔層１３ｃが、網材１２ａ又は網材１３ａに、約３０μｍ以上食い込みつつ配置されていることが好ましい。その一方で、細孔層１２ｂ，１３ｂにおける網材１２ａ又は網材１３ａとは反対側の面は平滑性を有していることが好ましい。
【００６８】
網材１２ａ，１３ａは、導電性を有すると共に熱伝導性を有する繊維から３次元網目構造に形成され、相互に連通する空孔を有する板状の部材である。本実施形態では、網材１２ａ，１３ａを構成する繊維として、チタン繊維を採用し、網材１２ａ，１３ａをチタン繊維焼結板として構成した。なお、網材１２ａ，１３ａを構成する繊維としては、チタン繊維以外にも、例えば、ＳＵＳ、タンタル、又はハステロイなどの腐食性及び導電性を有する金属繊維や、ニッケル又はカーボンなどの繊維を採用することができる。
【００６９】
網材１２ａ，１３ａの空孔は、燃料電池セル１０におけるガス流路として機能する。即ち、空気極１２を構成する網材１２ａの空孔は、空気流路の一部として機能し、燃料極１３を構成する網材１３ａの空孔は、水素ガス流路の一部として機能する。
【００７０】
よって、空気供給系６０（図１参照）により供給された空気、及び、ノズル８３から霧状に噴射された液体水（以下、この液体水を「直噴水」と称することがある）は、網材１２ａの上端から、網材１２ｃの空孔を通り、開放された下端側へ向かう方向（矢印Ａ方向）に流れる。一方、水素供給系５０により供給された水素ガスは、図示されない供給口から、網材１２ｃの空孔を通って、例えば、矢印Ｂ方向に流れ、図示されない排出口から排出される。
【００７１】
なお、網材１２ａ，１３ａにおける空孔の気孔率は、５０％〜９５％程度であることが好ましく、７０〜８５％程度であることがより好ましい。
【００７２】
また、網材１２ａ，１３ａは、板状の網材であるので、細孔層１２ｂ又は細孔層１３ｂとの接触面積が広く、水素と酸素とによる電気化学的な水生成反応（起電反応）の結果として発生した熱を、触媒層１２ｃ，１３ｃから、細孔層１２ｂ，１３ｂを介して平均的に受けることができる。よって、局所的な熱伝導に起因する局所的なドライアップを防止することができ、優れた発電性能を発揮させることができる。
【００７３】
また、網材１２ａ，１３ａは、熱伝導性の繊維から構成されるので、触媒層１２ｃ，１３ｃから受けた熱を、網材１２ａ，１３ａ全体へと均一に拡散させることができる。よって、この点もまた、局所的な熱伝導に起因する局所的なドライアップの防止に対して有効である。
【００７４】
また、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、空気極１２の網材１２ａは、固体高分子電解質膜１１側の面に、空気の流通方向（即ち、矢印Ａ方向）に沿って、所定の間隔で凹設された溝１２ａ１を有する。なお、かかる溝１２ａ１は、プレス成形や切削加工により作製することができる。
【００７５】
溝１２ａ１の水力直径（即ち、溝１２ａ１のガス流路断面と同じ断面積を有する円管の直径）は、０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。溝１２ａ１の水力直径を０．１５ｍｍ以下とすることにより、空気極１２側に詰まった水滴を排除するための排除圧による圧力損失を好適に低く抑制することができる。
【００７６】
上記構成を有する本実施形態の単位セル１０は、溝状の空気流路を有する従来の単位セル２００（図３参照）に比べ、直噴水タイプの燃料電池システム１００に適用する燃料電池として好適である。
【００７７】
具体的には、まず、本実施形態の単位セル１０における空気流路は、網材１２ａの空孔であるので、その空気流路を空気と共に流通する直噴水の各液滴と、網材１２ａ（より詳細には、網材１２ａを構成する繊維）との接触確率は、従来の単位セル２００における溝状の空気流路の壁面に接触する確率に比べて高い。
【００７８】
直噴水の各液滴と網材１２ａとの接触確率が高い程、直噴水における各液滴が網材１２ａ及び空気から潜熱を奪う確率も高いので、本実施形態の単位セル１０は、従来の単位セル２００に比べ、空気極１２における直噴水の蒸発効率が向上される。その結果、空気極１２における冷却効率や、固体高分子電解質膜１１の保湿性が向上する。
【００７９】
よって、本実施形態の単位セル１０によれば、燃料電池システム１００が、燃料電池スタック４０（各単位セル１０）へ供給する空気のストイキ比（エアストイキ比）を下げて運転される場合においても、空気極１２の冷却効率の低下を抑制することができ、優れた発電性能を発揮させることができる。
【００８０】
また、本実施形態の単位セル１０は、空気極１２における直噴水の蒸発効率が向上され、冷却効率が向上されたことにより、直噴水の量は、蒸発潜熱による冷却に要する分だけに抑えることができ、過剰な量の供給を不要とする。
【００８１】
また、空気極１２に、溝１２ａ１を有する網材１２ａを採用することにより、空気極１２における水の排出性を向上することができる。よって、水素と酸素との電気化学反応（起電反応）の結果として触媒層１２ｃから排出される反応生成やノズル８３から供給される直噴水を、空気（供給空気）の流れを利用して溝１２ａ１から優先的に排出させることができる。
【００８２】
よって、本実施形態の単位セル１０によれば、燃料電池システム１００が、燃料電池スタック４０（各単位セル１０）へ供給する空気のストイキ比（エアストイキ比）を下げて運転される場合においても、網材１２ａの空孔においてプラッギング（閉塞）を生じることなく、空気極１２の冷却効率の低下を抑制することができ、優れた発電性能を発揮させることができる。
【００８３】
なお、空気極１２における網材１２ａの空孔径は、８０μｍ以上であることが好ましい。網材１２ａの空孔径を８０μｍ以上とすることにより、水滴の自重が毛管力を上回り、直噴水による空孔のプラッギング防止に対する有効性を向上させることができる。
【００８４】
また、空気極１２における網材１２ａの空孔径は、ノズル８３から霧状に噴射された液体水（即ち、直噴水）の粒子径より大きく形成ことが好ましい。網材１２ａの空孔径を、直噴水の粒子径より大きく形成することにより、直噴水による空孔のプラッギング防止に対する有効性を向上させることができる。
【００８５】
さらに、本実施形態の単位セル１０に供給する直噴水の粒子径、即ち、燃料電池システム１００においてノズル８３から噴射される液体水（即ち、直噴水）の粒子径は、５００μｍ以下とすることが好ましい。直噴水の粒子径を５００μｍ以下とすることにより、網材１２ａに接触した後、空孔より小さな径に分解するので、網材１２ａの空孔へのプラッギングを有効に防止することができる。なお、直噴水の粒子径は、網材１２ａとの接触機会を効果的に増やすために、例えば、５μｍ以上であることが好ましい。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態の単位セル１０及びその単位セル１０を使用する燃料電池システム１００によれば、単位セル１０における直噴水の蒸発効率が改善されたことにより、低いエアストイキ比に対しても優れた発電性能を発揮させることができる。
【００８７】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【００８８】
例えば、上記実施形態では、溝１２ａ１を有する網材１２ａを空気極１２に適用する構成としたが、溝１２ａ１を有さない網材を空気極１２に適用する構成としてもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、網材１２ａに溝１２ａ１を設けることにより、空気極１２における水の排出性を向上させたが、固体高分子電解質膜１１における空気極１２側に溝を凹設したり、網材１２ａにおける細孔層１２ｂ側の面の空孔径を他の部分に比べて大きくし、ガス透過性（空気透過性）を高め、水の排出性を向上させる構成としてもよい。
【００９０】
また、上記実施形態では、燃料極１３の網材１３ａには、溝１２ａ１のような溝を設けない構成としたが、燃料極１３の網材１３ａに水素ガスの流れ方向に沿った溝を凹設するように構成してもよい。
【００９１】
また、上記実施形態では、燃料極１３における網材１３ａの空孔を水素ガスの流路として構成したが、燃料極１３については、水素ガスの流路は網材による空孔でなくてもよく、例えば、単位セル２００（図３参照）のような溝状の流路としてもよい。
【００９２】
また、上記実施形態では、網材１２ａ，１３ａと触媒層１２ｃ，１３ｃとの間に、細孔層１２ｂ，１３ｂを配設する構成としたが、細孔層１２ｂ又は細孔層１３ｂを不在とした構成であってもよい。
【００９３】
また、上記実施形態では、導電性を有すると共に熱伝導性を有する繊維から３次元網目構造に形成される網材１２ａ，１３ａを導電性多孔体として用いる構成としたが、網材に限定されず、導電性及び多孔性（多数の空孔を有する）材料であれば採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、単位セルを模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＩＩｂ方向から見た網材の側面図である。
【図３】従来の単位セルの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０          単位セル（燃料電池）
１１          固体高分子電解質膜
１２          空気極
１２ａ        網材（導電性多孔体）
１２ｃ        触媒層（反応層）
１３          燃料極
５０          水素供給系（燃料ガス供給手段）
６０          空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
８０          水供給系（水供給手段）
１００        燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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