JP2005235666A - 燃料電池およびセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔質体のセパレータを備える燃料電池において、拡散層中の生成水を効率良く排出すること。
【解決手段】燃料電池１０は、緻密質部と多孔質部から成るカソードセパレータ２２において、多孔質部４０における拡散層２１２との接触領域２２９Ｐの非接触領域（酸化ガス流路部）に対する面積比を緻密質部における拡散層２１２との接触領域２２９Ｓの非接触領域（酸化ガス流路）に対する面積比より大きく設定されている。さらに、多孔質部４０は、接触領域２２９Ｐにおける接触面に、面積増大手段として所定の形状（７１〜７８）を有している。この結果、拡散層２１２内に凝縮した生成水を、多孔質部４０に効率良く吸収させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池およびセパレータに関し、特に、生成水を効率良く排出する技術に関する。

固体電解質膜型の燃料電池において、発電反応に伴い電極において生成される水分（以下、生成水という。）による発電効率の低下が問題となっている。そこで、生成水を除去するための技術が種々提案されている。例えば、燃料電池を構成するセパレータを多孔質とし、生成水をセパレータの多孔質部に吸い上げる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表平１１−５０８７２６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、多孔質体のセパレータと、生成水が凝縮する拡散層との良好な接触については考慮されていない。このため、拡散層中に凝縮している生成水を十分にセパレータに吸収できないおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質体のセパレータを備える燃料電池において、拡散層中の生成水を効率良く除去することを目的とする。

上記課題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。本発明の第１の態様に係る燃料電池は、両面に触媒層が配置されている電解質膜と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層と、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域の少なくとも一部が、液体の透過を許容する多孔質体からなると共に、前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有するセパレータとを備えることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、セパレータの多孔質部における拡散層との接触領域に、拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有するので、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。

本発明の第２の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池は、両面に触媒層が配置されている電解質膜と、前記電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層と、液体の透過を許容しない緻密部と液体の透過を許容する多孔質部とを有し、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを、前記多孔質部および前記緻密部にそれぞれ有するセパレータであって、前記多孔質部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きいセパレータとを備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、緻密部と多孔質部とから成るセパレータにおける拡散層と接触する領域の、拡散層と接触せずに反応ガス流路を形成する領域に対する領域面積比を、多孔質部において、緻密部より大きくしているので、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、前記多孔質部における前記接触領域に、前記多孔質部と前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有するのが好ましい。かかる場合には、セパレータの多孔質部と拡散層との接触領域において接触面積を増大させる接触面積増大部を有するので、拡散層中に凝縮している生成水をさらに効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。

上記燃料電池において、前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に凹凸形状を有する凹凸形状部であっても良い。また、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に曲面形状を有する曲面形状部であっても良い。かかる場合には、多孔質部の拡散層との接触面が、凹凸形状または曲面を有するので、拡散層との接触面積が増大し、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。

上記燃料電池において、前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に粗度が高い表面を有する高粗度表面部であっても良い。かかる場合には、かかる場合には、多孔質部の拡散層との接触面の表面粗さが粗いので、拡散層との接触面積が増大し、拡散層中に凝縮している生成水を効率良くセパレータの多孔質部に吸収させることができる。

本発明の第３の態様は、電解質膜と拡散層とを挟持して燃料電池を構成するセパレータを提供する。本発明の第３の態様に係るセパレータは、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域の少なくとも一部を構成し、液体の透過を許容する多孔質部と、前記多孔質部で構成された前記接触領域に設けられ、前記多孔質部と前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部とを備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係るセパレータを用いて燃料電池を構成すれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第３の態様に係るセパレータは、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現される。

本発明の第４の態様は、電解質膜と拡散層とを挟持して燃料電池を構成するセパレータを提供する。本発明の第４の態様に係るセパレータは、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを有し、液体の透過を許容しない緻密部と、前記接触領域と前記非接触領域とを有し、液体の透過を許容する多孔質部であって、前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きい多孔質部とを備えることを特徴とする。

本発明の第４の態様に係るセパレータを用いて燃料電池を構成すれば、本発明の第２の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第４の態様に係るセパレータは、本発明の第２の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現される。

以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

・第１の実施例：
図１〜図５を参照して第１の実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図１は本実施例に係る燃料電池の外観の概略構成を示す説明図である。図２は本実施例に係る燃料電池を構成するカソードセパレータの膜−電極アッセンブリとの対向面（以下、電極対向面という。）の概略構成を示す説明図である。図３は本実施例に係る燃料電池を構成するカソードセパレータの冷却流路が形成されている面（以下、冷却流路面という。）の概略構成を示す説明図である。図４は本実施例に係る燃料電池を構成するアノードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。図５は、本実施例に係る燃料電池の一部を縦方向に（例えば、図２の５−５線にて）切断した縦断面の概略構成を示す説明図である。

本実施例に係る燃料電池１０は、複数の単セル２０と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１を備えている。複数の単セル２０は、２枚のエンドプレート３０によって挟まれ、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、スタック状の燃料電池１０を形成する。

単セル２０は、膜−電極アッセンブリ２１、カソードセパレータ２２、アノードセパレータ２３とによって構成されている。単セル２０は、カソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３とが接するようにして複数個積層される。

膜−電極アッセンブリ２１は、図５に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜２１１と、電解質膜２１１の一方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、アノード電極、図示せず）、電解質膜２１１の他方の面に配置された触媒層からなる電極（例えば、カソード電極、図示せず）、各触媒層のセパレータ対向面に配置された拡散層２１２とを備えている。なお、膜−電極アッセンブリ２１は、電解質膜２１１と触媒層（電極）から構成されるものとし、これに別体の構成部材として拡散層２１２が備えられても良い。いずれの場合にも、電解質膜２１１、触媒層および拡散層２１２が両セパレータ２２、２３によって挟持される。

カソードセパレータ２２は、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。カソードセパレータ２２は、そのほとんどが緻密質部で形成されているが、図２および図３における下側中央領域は多孔質部４０にて形成されている。多孔質部４０は、例えば、ポーラス状に形成されたカーボン、焼結金属または金属メッシュといった多孔質の金属を用いることで緻密質部と同一の材料にて形成され得る。多孔質部４０は緻密質部と一体に成形されても良く、あるいは別に成形した後に緻密質部と接合または結合されても良い。

カソードセパレータ２２は、電極対向面２２ａと冷却流路面２２ｂとを備えている。カソードセパレータ２２は、酸化ガス供給部２２１ａ、酸化ガス排出部２２１ｂ、燃料ガス供給部２２２ａ、燃料ガス排出部２２２ｂを備えている。酸化ガス流路形成部（２２５Ｓ、２２５Ｐ）は、上流で酸化ガス供給部２２１ａと、下流で酸化ガス排出部２２１ｂと連通している。酸化ガスは、酸化ガス供給部２２１ａから酸化ガス流路形成部（２２５Ｓ、２２５Ｐ）と拡散層２１２との間に形成される酸化ガス流路に導入され、図２に示すように流動して、酸化ガス排出部２２１ｂから排出される。

カソードセパレータ２２は、さらに、冷却液供給部２２３ａ、冷却液排出部２２３ｂ、冷却ガス供給部２２４ａ、冷却ガス排出部２２４ｂを備えている。これらを介して、冷却液および冷却ガスの燃料電池１０への供給、燃料電池１０からの排出が行われる。なお、図２および図３から明らかなように、冷却ガス排出部２２４ｂおよび酸化ガス供給部２２１ａは同一の開口部によって実現され、この開口部は、両方の機能を果たす。

カソードセパレータ２２の電極対向面２２ａについて、図２を参照して説明する。カソードセパレータ２２の電極対向面２２ａの略中央は、組み付け時に膜−電極アッセンブリ２１のカソード電極側に配置された拡散層２１２と対向する領域ＤＡ（以下、拡散層対向領域ＤＡという。）を形成する。拡散層対向領域ＤＡは、組み付け時に拡散層２１２と接触する領域（以下、接触領域という。）と、組み付け時に拡散層２１２と接触しないで、拡散層２１２との間に酸化ガス流路を形成する領域（以下、非接触領域という。）とを有する。図２において、接触領域は、ハッチングされている領域２２９Ｓ、および、クロスハッチングされている領域２２９Ｐであり、非接触領域は、酸化ガス流路形成部（２２５Ｓ、２２５Ｐ）が形成されている領域である。カソードセパレータ２２は、接触領域（２２９Ｓ、２２９Ｐ）において、隣合う単セル２０間を電気的に接続する機能を果たすと共に、非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｓ、２２５Ｐ）において、カソード電極に酸化ガスを供給する機能を果たす。

カソードセパレータ２２の多孔質部４０は、上述した機能に加えて、単セル２０の起電反応に伴い、カソード側で生成される水（生成水）を毛細管現象により吸収し、フラッディングを防止する機能を有する。このため、多孔質部４０は、生成水が滞留しやすい拡散層対向領域ＤＡの下部領域に配置されている。特に多孔質部４０における接触領域２２９Ｐは、生成水が拡散層２１２から酸化ガス流路へ進入し、滞留、結露することによって発電反応を阻害する前に、拡散層２１２から直接、生成水を多孔質部４０内に吸い上げることができる。

本実施例では、多孔質部４０における接触領域２２９Ｐの非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｐ）に対する領域面積比を、緻密質部における接触領域２２９Ｓの非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｓ）に対する領域面積比より大きく設定している。具体的には、図５に示すように、接触領域と非接触領域は、断面図において山部と溝部を交互に配置することによって形成されているが、多孔質部４０において接触領域を形成する山部の幅Ａ２と非接触領域を形成する溝部の幅Ｂ２の比Ａ２／Ｂ２が、緻密質部において接触領域を形成する山部の幅Ａ１と非接触領域を形成する溝部の幅Ｂ１の比Ａ１／Ｂ１より大きく設定されている。ここで、領域面積とは、表面積ではなく、外形寸法のみで決定される面積をいう。例えば、図２においてクロスハッチングされた領域２２９Ｐの領域面積は、２×Ａ２×Ｃで表され、領域２２９Ｐにおける拡散層２１２との接触面が平面であっても、凸凹形状を有していても同じ値となるものとする。

カソードセパレータ２２の冷却流路面２２ｂについて、図３を参照して説明する。カソードセパレータ２２の冷却流路面２２ｂには、緻密質部に冷却液流路形成部２２６、多孔質部４０に冷却ガス流路形成部２２７が形成されている。冷却液流路形成部２２６および冷却ガス流路形成部２２７は、図５に示すように、カソードセパレータ２２の冷却流路面２２ｂと、同様の各流路形成部を有するアノードセパレータ２３の冷却流路面２３ｂとが組み合わされることにより、それぞれ冷却液流路５０および冷却ガス流路５５を形成する。

冷却液流路５０は、冷却液供給部２２３ａおよび冷却液排出部２２３ｂと連通されており、液冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却ガス流路５５は、冷却ガス供給部２２４ａ、および冷却ガス排出部２２４ｂと連通されており、空冷によって燃料電池１０を冷却する。冷却液は、例えば、氷点下環境でも凍結しない不凍液（エチレングリコール等）が用いられる。冷却ガスは、例えば、酸化ガスとしても利用可能な空気が用いられる。

冷却ガス流路５５を通過する冷却ガスは、多孔質部４０を通過する際に、上述した多孔質部４０が拡散層２１２から吸収した生成水によって加湿される。言い換えれば、乾いた冷却ガスが、多孔質部４０が含有している水分（生成水）を気化現象によって奪っていくことによって、多孔質部４０に吸収された生成水は、多孔質部４０から冷却ガス中に排出される。

アノードセパレータ２３は、カソードセパレータ２２と同様にして、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。本実施例におけるアノードセパレータ２３は、緻密質部のみで形成されている。アノードセパレータ２３は、膜−電極アッセンブリ２１との対向面（電極対向面）２３ａと、冷却流路が形成されている冷却流路面２３ｂとを備えている。

アノードセパレータ２３は、酸化ガス供給部２３１ａ、酸化ガス排出部２３１ｂ、燃料ガス供給部２３２ａ、燃料ガス排出部２３２ｂを備えている。燃料ガス流路形成部２３５は、上流で燃料ガス供給部２３２ａと、下流で燃料ガス排出部２３２ｂと連通している。燃料ガスは、燃料ガス供給部２３２ａから燃料ガス流路形成部２３５と拡散層２１２との間に形成される燃料ガス流路に導入され、図４に示すように流動して、酸化ガス排出部２３２ｂから排出される。

アノードセパレータ２３は、カソードセパレータ２２と同様に、冷却液供給部２３３ａ、冷却液排出部２３３ｂ、冷却ガス供給部２３４ａ、冷却ガス排出部２３４ｂを備えている。冷却ガス排出部２３４ｂおよび酸化ガス供給部２３１ａは同一の開口部によって実現されるのは、カソードセパレータ２２と同様である。

アノードセパレータ２３の電極対向面２３ａについて、図４を参照して説明する。アノードセパレータ２３の電極対向面２３ａの略中央は、組み付け時に膜−電極アッセンブリ２１のアノード電極側に配置された拡散層２１２と対向する領域ＤＡ（以下、拡散層対向領域ＤＡという。）を形成する。拡散層対向領域ＤＡは、組み付け時に拡散層２１２と接触する領域（接触領域）と、組み付け時に、拡散層２１２と接触しないで、拡散層２１２との間に燃料ガス流路を形成する領域（非接触領域）とを有する。図４において、接触領域は、ハッチングされている領域２３９であり、非接触領域は、燃料ガス流路形成部２３５が形成されている領域である。アノードセパレータ２３は、接触領域２３９において、隣合う単セル２０間を電気的に接続する機能を果たすと共に、非接触領域（燃料ガス流路形成部２３５）において、アノード電極に燃料ガス（本実施例では水素）を供給する機能を果たす。

カソードセパレータ２２およびアノードセパレータ２３の外周縁部、各供給部および排出部の周囲には、各反応ガスおよび冷却媒体間の漏出、混合を防止するために、図２〜図４に示すようにシール部６０（シール材）が配置されている。

アノードセパレータ２３の冷却流路面２３ｂの構成は、多孔質部４０を備えていない点を除いて、カソードセパレータ２２の冷却流路面２２ｂと同様であるから、その説明を省略する。

以上説明したように構成された第１の実施例に係る燃料電池１０によれば、カソードセパレータ２２のうち、生成水が滞留しやすい領域（拡散層対向領域ＤＡの下部領域）に対応する部分を構成する多孔質部４０において、接触領域２２９Ｐの非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｐ）に対する領域面積比を、緻密質部における接触領域２２９Ｓの非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｓ）に対する領域面積比より大きく設定しているので、効率良く生成水を拡散層２１２から除去することができる。すなわち、多孔質部４０と拡散層２１２との接触面積を広くとることができるので、カソード電極において発生し、拡散層２１２内に凝縮した生成水を拡散層２１２から多孔質部４０に効率良く吸収することができる。

さらに、多孔質部４０部の冷却流路面２２ｂ側には冷却ガス流路５５が形成され冷却ガスが流れているので、多孔質部４０に吸収された生成水を、冷却ガス中へ排出することができる。これによって、拡散層２１２内に凝縮した生成水を継続的に多孔質部４０に吸収することができる。

また、冷却ガス排出部（２２４ｂ、２３４ｂ）と、酸化ガス供給部（２２１ａ、２３１ａ）が同一の開口部によって形成されているため、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。この結果、酸化ガスを加湿するための加湿器が不要、若しくは加湿器を小型化することができる。

・第２の実施例
図６および図７を参照して、本発明の第２の実施例に係る燃料電池について説明する。図６は、本実施例に係る燃料電池の一部を縦方向に切断した縦断面における多孔質部４０近傍の概略構成を示す説明図である。図７は、本実施例に係る燃料電池に用いるカソードセパレータ２２の多孔質部４０の拡散層２１２との接触面の概略形状を示す説明図である。図７は、図２および図６中ＡＡで示す部分に対応する接触領域２２９Ｐの一部を含む多孔質部４０を示している。図７（ａ）は、電極対向面２２ａ側からみた正面図であり、図７（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）に対応する端面図（Ｙ−Ｙ端面およびＸ−Ｘ端面）である。

第２の実施例に係る燃料電池の概略構成は、図１〜図４に示した第１の実施例に係る燃料電池１０と同一であるため、概略構成の説明を省略し、以下の説明では、同一の符号を用いる。

第１の実施例に係る燃料電池と異なる点は、第２の実施例に係る燃料電池のカソードセパレータ２２の多孔質部４０には、図６に示すように、多孔質部４０と拡散層２１２との接触領域２２９Ｐに、接触面積増大手段として、拡散層２１２との接触面積を増大させる形状（以下、接触面形状という。）７１を有する点である。具体的には、図７に示すように、多孔質部４０は、接触領域２２９Ｐおける拡散層２１２との接触面に、Ｙ−Ｙ端面が鋸刃形状となる略三角形の複数の溝状の形状７１を有している。ここで、拡散層２１２との接触面積とは、組み付け時に拡散層２１２と実際に接触する表面積をいう。したがって、例えば、領域２２９Ｐにおける拡散層２１２との接触面が平面である場合と、凸凹形状を有する場合とでは、接触面積は異なる。

接触面形状は、組み付け時に拡散層２１２に押しつけられたときに、拡散層２１２が接触面形状になつく、あるいは、接触面形状が拡散層２１２に食い込むこと等によって、拡散層２１２と多孔質部４０との接触面積が、接触面が平面である場合と比較して、大きくなるように、深さ等の詳細寸法が決定される。拡散層２１２は、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパー、あるいはカーボンフェルト等が用いられ得るが、これらには様々な種類があり、厚さ、硬さ（変形性）等も様々である。接触面形状は、燃料電池１０に使用する拡散層２１２の性質等も考慮して、拡散層２１２と多孔質部４０との接触面の面積がなるべく広くなるように決定される。以下に、接触面形状の他の態様をいくつか例示する。

・接触面形状の他の態様：
図８〜図１０を参照して接触面形状の他の態様について説明する。図８〜図１０は、それぞれ他の態様に係るカソードセパレータ２２の多孔質部４０の接触面形状を示す説明図である。

図８に示すように、多孔質部４０は、拡散層２１２との接触面に、Ｘ−Ｘ端面が鋸刃形状となるように、略三角形の複数の溝状の形状７２を有しても良い。また、図９に示すように、多孔質部４０は、拡散層２１２との接触面に、Ｙ−Ｙ端面およびＸ−Ｘ端面の両方が、鋸刃形状となるように形状７３を有しても良い。かかる場合は、多孔質部４０は、拡散層２１２との接触面に、略四角錐形状有することになる。

以下、図１０を参照して、Ｙ−Ｙ端面の形状のみを例示するが、上述した鋸刃形状と同様に、Ｘ−Ｘ端面が例示形状となるようにしても良いし、Ｙ−Ｙ端面およびＸ−Ｘ端面の両方が例示形状となるように形状を施してもよい。図１０（ａ）は、Ｙ−Ｙ端面をかまぼこ形状７４とした例を示し、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のかまぼこ形状を反転させた形状７５とした例を示す。これらの形状は、鋸刃形状が組み合わせる拡散層の種類（例えば、硬いもの）によっては多孔質部４０と拡散層２１２とが点接触になりやすいのに対して、比較的拡散層２１２がなつきやすい形状である。近似した形状として、図１０（ｃ）に示すような屋根型形状７６がある。

その他、拡散層２１２とのなつきやすさが、上述の鋸刃形状とかまぼこ型形状との中間程度である形状の例として、図１０（ｄ）に示すような波型形状７７が考えられる。また、図１０（ｅ）に示すように、特定の形状を施さずに、拡散層２１２との接触面を表面粗さを粗くした高粗度面７８として、接触面積の増加を図っても良い。

以上説明したように構成された第２の実施例に係る燃料電池１０によれば、第１の実施例に係る燃料電池１０と同様の効果に加えて、以下の効果を有する。

カソードセパレータ２２の多孔質部４０において、拡散層２１２と多孔質部４０との接触面に、接触面積増大手段として鋸刃形状等の形状を施しているので、多孔質４０と拡散層２１２とが接触する面積が増大する。その結果、拡散層２１２内に凝縮した生成水を拡散層２１２から多孔質部４０へとより効率良く吸収し、冷却ガス中へ排出することができる。

・変形例
上記実施例において、図２を参照して説明した電極対向面２２ａの構成を持つカソードセパレータ２２に代えて、図１１に示すように構成された電極対向面を備えるカソードセパレータを用いても良い。図１１は、第１の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。本変形例に用いられるカソードセパレータは、拡散層対向領域ＤＡに、複数の突起を備え、複数の突起によって酸化ガス流路を区画している。すなわち、図１１に示すように、非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｓ、２２５Ｐ）は網目状に形成され、接触領域２２９Ｓ、２２９Ｐ（複数の突起部）は略四角形に形成される。そして、多孔質部４０における接触領域２２９Ｓを形成する略四角形の辺の長さＡ２、Ｃ２は、緻密質部における接触領域２２９Ｐを形成する略四角形の辺の長さＡ１、Ｃ１より大きく設定されている。複数の突起は、図１１に示す例では略四角形であるが、これに限らず、他の形状であっても良い。

また、図１２に示すように構成された電極対向面を備えるカソードセパレータを用いても良い。図１２は、第２の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。上記実施例においては、図２において説明したように、拡散層対向領域ＤＡにおいて、図の左右方向に酸化ガス流路が形成されるように、酸化ガス流路形成部２２５が区画されているが、本変形例に用いるられるカソードセパレータ２２は、拡散層対向領域ＤＡにおいて、図の上下方向に酸化ガス流路が形成されるように、酸化ガス流路形成部２２５が区画されている。そして、形成された酸化ガス流路の下流側（多孔質部４０に対応する部分）の流路幅Ｂ２は、上流側（緻密質部に対応する部分）の流路幅Ｂ１より狭く設定されている。この結果、各酸化ガス流路間にある接触領域（２２９Ｓおよび２２９Ｐ）の幅は、多孔質部４０において、緻密部より広くなっている（Ａ１＜Ａ２）。 変形例に係るカソードセパレータの冷却流路面およびアノードセパレータについては、カソードセパレータの電極対向面の構成に対応し、実施例に準じた構成を用いることができ、特徴的部分は無いので、その説明を省略する。

以上説明したように構成された２種類のカソードセパレータは、上述した第１および第２の実施例に係る燃料電池１０のカソードセパレータ２２と同様に、多孔質部４０における接触領域（２２９Ｐ）の非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｐ）に対する面積比が、緻密質部における接触領域（２２９Ｓ）の非接触領域（酸化ガス流路形成部２２５Ｓ）に対する面積比より大きくなる。したがって、これらの変形例に係る燃料電池１０においても、実施例と同様に拡散層２１２内に凝縮した生成水を拡散層２１２から多孔質部４０へと効率良く吸収し、冷却ガス中へ排出することができる。

上記実施例では、カソードセパレータ２２に、多孔質部４０を備えているが、アノードセパレータ２３に多孔質部４０を備えても良い。かかる場合には、アノードセパレータ２３の電極対向面側に、実施例においてカソードセパレータ２２について説明した拡散層２１２と多孔質部４０との接触面積を増大する各種手段を設定する。アノード側においても逆浸透等により水分が出現することがあるため、かかる場合には、出現した水分を効率良く、多孔質部４０に吸収し、除去することができる。

上記実施例では、酸化ガス、燃料ガス、冷却液、冷却ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、気体であれば外部の気体ポンプ、液体であれば外部の液体ポンプによってそれぞれ供給され得る。燃料ガスについては、高圧燃料ガスが用いられる場合、ポンプを用いることなく圧力制御によって供給量が調整されても良い。

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

第１の実施例に係る燃料電池１０の外観の概略構成を示す説明図である。 第１の実施例に係る燃料電池１０を構成するカソードセパレータ２２の膜−電極アッセンブリ２１との対向面（電極対向面）２２ａの概略構成を示す説明図である。 第１の実施例に係る燃料電池１０を構成するカソードセパレータ２２の冷却流路が形成されている面（冷却流路面）２２ｂの概略構成を示す説明図である。 第１の実施例の燃料電池１０を構成するアノードセパレータ２３の電極対向面の概略構成を示す説明図である。 第１の実施例に係る燃料電池１０の一部を縦方向に（例えば、図２の５−５線にて）切断した縦断面の概略構成を示す説明図である。 第２の実施例に係る燃料電池の一部を縦方向に切断した縦断面における多孔質部４０近傍の概略構成を示す説明図である。 第２の実施例に係る燃料電池１０に用いるカソードセパレータ２２の多孔質部４０の拡散層２１２との接触面の形状（接触面形状）を示す説明図である。 他の態様に係るカソードセパレータ２２の多孔質部４０の接触面形状を示す第１の説明図である。 他の態様に係るカソードセパレータ２２の多孔質部４０の接触面形状を示す第２の説明図である。 他の態様に係るカソードセパレータ２２の多孔質部４０の接触面形状を示す第３の説明図である。 第１の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。 第２の変形例に係る燃料電池のカソードセパレータの電極対向面の概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…単セル
２１…膜−電極アッセンブリ
２１１…電解質膜
２１２…拡散層
２２…カソードセパレータ
２２ａ…電極対向面
２２ｂ…冷却流路面
２２１ａ…酸化ガス供給部
２２１ｂ…酸化ガス排出部
２２２ａ…燃料ガス供給部
２２２ｂ…燃料ガス排出部
２２３ａ…冷却液供給部
２２３ｂ…冷却液排出部
２２４ａ…冷却ガス供給部
２２４ｂ…冷却ガス排出部
２２５Ｓ…緻密質部における酸化ガス流路形成部（非接触領域）
２２５Ｐ…多孔質部における酸化ガス流路形成部（非接触領域）
２２６…冷却液流路形成部
２２７…冷却ガス流路形成部
２２９Ｓ…緻密質部における接触領域
２２９Ｐ…多孔質部における接触領域
２３…アノードセパレータ
２３ａ…電極対向面
２３ｂ…冷却流路面
２３１ａ…酸化ガス供給部
２３１ｂ…酸化ガス排出部
２３２ａ…燃料ガス供給部
２３２ｂ…燃料ガス排出部
２３３ａ…冷却液供給部
２３３ｂ…冷却液排出部
２３４ａ…冷却ガス供給部
２３４ｂ…冷却ガス排出部
２３５…燃料ガス流路形成部（非接触領域）
２３９…接触領域
３０…エンドプレート
３１…テンションプレート
４０…多孔質部
５０…冷却液流路
５５…冷却ガス流路
６０…シール部（シール材）
７１〜７８…接触面形状
ＤＡ…拡散層対向領域

Claims (8)

1. 燃料電池であって、
   両面に触媒層が配置されている電解質膜と、
   前記電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層と、
   前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域の少なくとも一部が、液体の透過を許容する多孔質体からなると共に、前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有するセパレータとを備える燃料電池。
2. 燃料電池であって、
   両面に触媒層が配置されている電解質膜と、
   前記電解質膜の両面に前記触媒層を挟んで配置される拡散層と、
   液体の透過を許容しない緻密部と液体の透過を許容する多孔質部とを有し、前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを、前記多孔質部および前記緻密部にそれぞれ有するセパレータであって、前記多孔質部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きいセパレータとを備える燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記セパレータは、
   前記多孔質部における前記接触領域に、前記多孔質部と前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部を有する燃料電池。
4. 請求項１または請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に凹凸形状を有する凹凸形状部である燃料電池。
5. 請求項１または請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に曲面形状を有する曲面形状部である燃料電池。
6. 請求項１または請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記接触面積増大部は、前記多孔質部と前記拡散層との接触面に粗度が高い表面を有する高粗度表面部である燃料電池。
7. 電解質膜と拡散層とを挟持して燃料電池を構成するセパレータであって、
   前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域の少なくとも一部を構成し、液体の透過を許容する多孔質部と、
   前記多孔質部で構成された前記接触領域に設けられ、前記多孔質部と前記拡散層との接触面積を増大させる接触面積増大部とを備えるセパレータ。
8. 電解質膜と拡散層とを挟持して燃料電池を構成するセパレータであって、
   前記電解質膜および前記拡散層と組み付けられた際に、前記拡散層と接触する接触領域と、前記拡散層と接触せず前記拡散層との間に反応ガス流路を形成する非接触領域とを有し、液体の透過を許容しない緻密部と、
   前記接触領域と前記非接触領域とを有し、液体の透過を許容する多孔質部であって、前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比が、前記緻密部における前記非接触領域に対する前記接触領域の領域面積比より大きい多孔質部とを備えるセパレータ。

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