JP2005276731A - 多孔質のセパレータを備える燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】カソードで生成された水分をセパレータを介して効率よく除去することができる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックは、電解質層１２２とカソード１２６とガス拡散層１４０とセパレータ１６０とを備える。セパレータ１６０は、多孔質部１６２と表層１６３とを備える。多孔質部１６２は、一方の側に、ガス拡散層１４０に接触する接触面と、ガス拡散層に接触せずに酸化ガス通路を形成する通路形成面と、を有する。表層１６３は、多孔質部１６２の通路形成面上の少なくとも一部の領域に形成され、多孔質部１６２よりも小さな気孔率を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、隣接する２つのセルの間に設けられるセパレータの技術に関する。

燃料電池は、複数のセルを含んでおり、隣接する２つのセルの間には、セパレータが設けられている。

特許文献１では、隣接する２つのセルの間には、２つのセパレータが設けられている。各セパレータは、双方の面に複数の凸部を有しており、凹部によって流路が形成されている。第１のセパレータは、第１の面側に形成された複数の凸部において第１のＭＥＡ（イオン交換膜電解質／電極組立体）と接触しており、第１のセパレータと第１のＭＥＡとの間には、凹部によって水素ガスが通る水素ガス流路が形成されている。同様に、第２のセパレータは、第１の面側に形成された複数の凸部において第２のＭＥＡと接触しており、第２のセパレータと第２のＭＥＡとの間には、凹部によって空気（酸素ガス）が通る酸素ガス流路が形成されている。また、第１のセパレータの第２の面側に形成された複数の凸部は、第２のセパレータの第２の面側に形成された複数の凸部と接触しており、２つのセパレータの間には、対向する凹部によって冷却水が通る冷却水流路が形成される。

カソードで生成された水（生成水）は、多孔質の第２のセパレータを透過して、冷却水流路へ移動する。これにより、酸素ガス流路内におけるフラッディング状態の発生を抑制することができる。なお、生成水の移動は、酸素ガスの圧力と冷却水の圧力との間に、所定の圧力差を発生させることによって、実現されている。

特表平１１−５０８７２６号公報

しかしながら、従来の技術では、カソードで生成された水を多孔質のセパレータを介して効率よく除去することが困難であるという問題があった。これは、多孔質のセパレータの凸部の頂面から吸収された水分の一部が、該凸部の側面や該凸部の周囲の底面を介して、酸素ガス流路内へ流出してしまうためである。

この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、電極で生成された水分をセパレータを介して効率よく除去することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層の一方の側に設けられた第１の電極層と、
前記電解質層の前記一方の側に設けられた第１のガス拡散層であって、前記第１のガス拡散層と前記電解質層との間には、前記第１の電極層が設けられている、前記第１のガス拡散層と、
前記電解質層の前記一方の側に設けられた第１のセパレータであって、前記第１のセパレータと前記第１の電極層との間には、前記第１のガス拡散層が設けられており、前記第１のセパレータの第１の側には、前記第１のガス拡散層を介して前記第１の電極層に反応ガスを供給するための反応ガス通路が形成されている、前記第１のセパレータと、
を備え、
前記第１のセパレータは、
前記第１の側に、前記第１のガス拡散層に接触する接触面と、前記第１のガス拡散層に接触せずに前記反応ガス通路を形成する通路形成面と、を有する多孔質部と、
前記通路形成面上の少なくとも一部の領域に形成され、前記多孔質部よりも小さな気孔率を有する表層と、
を備えることを特徴とする。

この装置では、多孔質部の通路形成面には、多孔質部よりも小さな気孔率を有する表層が形成されている。このため、電極（第１の電極層または他の電極層）で生成されて第１のガス拡散層内に存在する水分が、多孔質部の接触面を介して多孔質部に吸収された後に、通路形成面を介して反応ガス通路内へ流出するのを抑制することができる。この結果、電極で生成された水分を第１のセパレータを介して効率よく除去することが可能となる。

上記の装置において、
前記表層は、緻密質層であることが好ましい。

こうすれば、多孔質部に吸収された水分が通路形成面から流出するのを確実に抑制することができる。

上記の装置において、
前記表層が形成される前記通路形成面上の前記少なくとも一部の領域は、前記第１のガス拡散層から離れた領域であることが好ましい。

この場合には、表層が接触面の近傍領域に形成されていないため、接触面の近傍領域を介して第１の電極層に反応ガスが与えられる。このため、表層が該近傍領域に形成される場合と比較して、前記第１の電極層により多くの反応ガスを供給することができ、この結果、燃料電池の出力電圧の低下を抑制することができる。

上記の装置において、さらに、
前記第１のガス拡散層上の前記通路形成面に対応する第１の部分領域であって、前記第１のガス拡散層と前記第１のセパレータとの間の前記第１の部分領域に設けられた第１の撥水層を備えるようにしてもよい。

こうすれば、水分が第１のガス拡散層を介して反応ガス通路内へ移動するのを抑制することができ、この結果、多孔質部は、接触面を介して水分を効率よく吸収することができる。

また、上記の装置において、さらに、
前記第１の電極層と前記第１のガス拡散層との間の前記通路形成面に対応する第２の部分領域に設けられた第２の撥水層を備えるようにしてもよい。

上記の装置において、
前記接触面には、親水処理が施されていることが好ましい。

こうすれば、多孔質部は、接触面を介して水分を効率よく吸収することができる。

上記の装置において、
前記多孔質部の内部には、撥水処理が施されていることが好ましい。

こうすれば、多孔質部は、吸収した水分を速やかに移動させることができる。

上記の装置において、
前記多孔質部の第２の側の表面には、親水処理が施されていることが好ましい。

こうすれば、多孔質部は、吸収した水分を第２の側から効率よく放出することができる。

上記の装置において、さらに、
前記電解質層の他方の側に設けられた第２の電極層と、
前記電解質層の前記他方の側に設けられた第２のガス拡散層であって、前記第２のガス拡散層と前記電解質層との間には、前記第２の電極層が設けられている、前記第２のガス拡散層と、
前記第２の電極層と前記第２のガス拡散層との間に設けられた第３の撥水層と、
を備えることが好ましい。

こうすれば、電解質層の他方の側への水分の移動を抑制することができるため、多孔質部は、接触面を介して水分を効率よく吸収することができる。

あるいは、上記の装置において、さらに、
前記電解質層の他方の側に設けられた第２の電極層と、
前記電解質層の前記他方の側に設けられ第２のガス拡散層であって、前記第２のガス拡散層と前記電解質層との間には、前記第２の電極層が設けられている、前記第２のガス拡散層と、
前記電解質層の前記他方の側に設けられた第２のセパレータであって、前記第２のセパレータと前記第２の電極層との間には、前記第２のガス拡散層が設けられている、前記第２のセパレータと、
前記第２のガス拡散層と前記第２のセパレータとの間に設けられた第４の撥水層と、
を備えるようにしてもよい。

上記の装置において、
前記多孔質部は、前記反応ガス通路の下流側の部位に配置されているようにしてもよい。

こうすれば、第１のセパレータは、水分が比較的多い反応ガス通路の下流側の部位から水分を除去することができる。

上記の装置において、
前記反応ガスは、空気であることが好ましい。

上記の装置において、
前記多孔質部の第２の側には、冷却ガスが通る冷却ガス通路が形成されており、
前記冷却ガス通路内には、空気が供給され、
前記燃料電池は、さらに、
前記冷却ガス通路を経由した空気を、前記反応ガス通路に供給するための供給通路を備えることが好ましい。

こうすれば、冷却ガス通路内で加湿された空気を反応ガス通路に供給することができ、水分が比較的少ない反応ガス通路の上流側の乾燥を抑制することができる。

なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載した移動体などの装置等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ−２．セルの概略構成：
Ａ−３．セルの具体的な構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタックに燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系と、燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給系と、燃料電池スタックに冷却液を供給するための冷却液供給系と、を備えている。また、燃料電池システムは、システム全体の動作を制御するためのコントローラ６００を備えている。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」とも呼ぶ）１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。スタック１００は、積層された複数のセルを含んでいる。また、スタック１００内部には、複数の内部通路が設けられている。具体的には、スタック内部には、燃料ガスが通る内部燃料ガス通路２１０と、酸化ガス（空気）が通る内部酸化ガス通路２２０と、冷却液が通る内部冷却液通路２３０と、冷却ガス（空気）が通る内部冷却ガス通路２４０と、が設けられている。

燃料ガス供給系は、水素タンク３０２と、減圧弁３０４と、流量制御弁３０６と、を備えている。水素タンク３０２は、水素ガス（燃料ガス）を比較的高い圧力で貯蔵している。減圧弁３０４は、水素タンク３０２から供給された燃料ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁３０６は、燃料ガスの流量を調整する。燃料ガスは、燃料ガス通路３１０を介してスタック１００に供給される。燃料ガスは、内部燃料ガス通路２１０を通る際に、スタック内部での電気化学反応に利用される。内部燃料ガス通路２１０を通過した使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路３９０を介して外部に排出される。燃料オフガス通路３９０には、遮断弁３９２が設けられている。遮断弁３９２は、間欠的に開状態に設定され、これにより、燃料オフガスがスタック１００から排出される。

空気供給系は、空気ブロワ４０２を備えている。空気は、空気通路を介してスタック１００に供給される。ここで、空気通路は、スタック外部に設けられた第１および第２の外部空気通路４１０，４２０と、内部冷却ガス通路２４０と、を含んでいる。空気は、内部冷却ガス通路２４０を通る際には、冷却ガスとして機能し、スタック１００を冷却する。また、空気は、内部酸化ガス通路２２０を通る際には、酸化ガスとして機能し、スタック内部での電気化学反応に利用される。内部酸化ガス通路２２０を通過した使用済みの空気（酸化オフガス）は、酸化オフガス通路４９０を介して外部に排出される。

冷却液供給系は、循環ポンプ５０２と、熱交換器５０４と、を備えている。循環ポンプ５０２は、スタック外部に設けられた循環通路５１０と、内部冷却液通路２３０と、の間で冷却液（例えば水）を循環させる。冷却液は、内部冷却液通路２３０を通る際に、スタック１００を冷却する。熱交換器５０４は、スタック１００から排出された比較的温度の高い冷却液を冷却する。

なお、本実施例では、内部冷却ガス通路２４０を経由した空気が、内部酸化ガス通路２２０に供給されているが、これに代えて、内部酸化ガス通路２２０と内部冷却ガス通路２４０とには、独立して、空気が供給されるようにしてもよい。

また、本実施例では、内部冷却ガス通路２４０を経由した空気は、第２の外部空気通路４２０を介して、内部酸化ガス通路２２０に供給されているが、第２の外部空気通路４２０に代えて、スタック内部に、内部冷却ガス通路２４０を経由した空気を内部酸化ガス通路２２０に供給するための空気通路を設けるようにしてもよい。この説明から分かるように、本実施例における第２の外部空気通路４２０が本発明における供給通路に相当する。

Ａ−２．セルの概略構成：
図２は、燃料電池スタック１００内部のセルの構成を模式的に示す説明図である。図示するように、セル１１０は、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２０と、２つのガス拡散層１３０，１４０と、２つのセパレータ１５０，１６０と、を備えている。

ＭＥＡ１２０は、電解質膜１２２と、電解質膜の両側に形成された２つの電極層（触媒層）１２４，１２６と、を備えている。第１の電極層１２４は、アノード（水素極）であり、第２の電極層１２６は、カソード（酸素極）である。なお、電解質膜としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができ、例えば、デュポン社製のナフィオン（Nafion）膜を用いることができる。また、電極層としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。

２つのガス拡散層（以下、単に「拡散層」とも呼ぶ）１３０，１４０は、ＭＥＡ１２０を挟む。アノード側拡散層１３０は、外部から供給された燃料ガスを拡散させてアノード１２４に供給する機能を有し、カソード側拡散層１４０は、外部から供給された空気（酸素ガス）を拡散させてカソード１２６に供給する機能を有する。なお、拡散層は、炭素繊維を織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、カーボンフエルトなどの充分なガス拡散性および導電性を有する材料で形成されている。

２つのセパレータ１５０，１６０は、ＭＥＡ１２０および２つの拡散層１３０，１４０を挟む。アノード側セパレータ１５０とカソード側セパレータ１６０とには、複数の孔や凹部が形成されている。複数の孔や凹部は、内部通路２１０，２２０，２３０，２４０（図１）を形成する。具体的には、各セパレータの一対の孔は、複数のセルを積層したときに、複数のセルを貫くように設けられている。すなわち、各セパレータの一対の孔は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路とを形成する。また、各セパレータの凹部は、一対の孔間を接続するように設けられている。すなわち、各セパレータの凹部は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路との間で流体を流通可能とするセル内通路を形成する。

より具体的には、各セパレータ１５０，１６０には、上流側および下流側のセル間燃料ガス通路２１０ａ，２１０ｃを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路２２０ａ，２２０ｃを構成する一対の孔と、が形成されている。また、各セパレータ１５０，１６０には、上流側および下流側のセル間冷却液通路２３０ａ，２３０ｃを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間冷却ガス通路２４０ａ，２４０ｃを構成する一対の孔と、が形成されている。

図３は、カソード側セパレータ１６０を模式的に示す説明図である。図３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、図２に示すカソード側セパレータ１６０の第１の面Ｓｃ１と第２の面Ｓｃ２とを示している。図示するように、カソード側セパレータの第１の面Ｓｃ１には、セル内酸化ガス通路（カソード側通路）２２０ｂを構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓｃ２には、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部と、が形成されている。なお、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを構成する凹部の上流側部分の背面に形成されており、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを構成する凹部の下流側部分の背面に形成されている。

アノード側セパレータ１５０は、カソード側セパレータ１６０と同様である。ただし、アノード側セパレータの第１の面Ｓａ１には、セル内燃料ガス通路（アノード側通路）を構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓａ２には、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部と、が形成されている。

なお、実際には、セル内ガス通路２１０ｂ，２２０ｂ，２４０ｂを構成する各凹部には、複数の凸部が設けられている。

図４は、セル１１０の断面を模式的に示す説明図である。図示するように、セル内燃料ガス通路（アノード側通路）２１０ｂは、アノード側セパレータ１５０の第１の面Ｓａ１に設けられた凹部とアノード側拡散層１３０との間に形成されており、セル内酸化ガス通路（カソード側通路）２２０ｂは、カソード側セパレータ１６０の第１の面Ｓｃ１に設けられた凹部とカソード側拡散層１４０との間に形成されている。また、セル内冷却液通路２３０ｂとセル内冷却ガス通路２４０ｂとは、２つのセパレータ１５０，１６０の第２の面Ｓａ２，Ｓｃ２に設けられた凹部が組み合わされて形成されている。なお、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路２２０ａ，２２０ｃは、各セパレータ１５０，１６０に設けられた一対の孔によって形成されている。

ところで、アノード側セパレータ１５０は、緻密質領域のみを含む部材である。一方、カソード側セパレータ１６０は、緻密質領域１６１と多孔質領域１６２とを含む複合部材である。なお、緻密質領域１６１と多孔質領域１６２とは、それぞれ、カソード側セパレータ１６０の第１の面Ｓｃ１側から第２の面Ｓｃ２側まで連続する。このため、カソード側セパレータ１６０の表面には、緻密質領域１６１と多孔質領域１６２との双方が現れる。なお、多孔質領域１６２は、図２，図３に示す領域Ｐに設けられている。

２つのセパレータ１５０，１６０に含まれる緻密質領域は、比較的小さな気孔率を有しており、水およびガスを透過させない性質を有している。一方、カソード側セパレータ１６０に含まれる多孔質領域は、比較的大きな気孔率を有しており、水およびガスが透過可能な性質を有している。

なお、緻密質領域と多孔質領域とは、導電性材料を用いて形成される。具体的には、緻密質領域と多孔質領域とは、それぞれ、カーボン粉末とバインダとの混合物を圧縮成形して得られる緻密質部材と多孔質部材とを用いて形成される。なお、多孔質領域の気孔率は、カーボン粉末の形状やサイズ、カーボン粉末とバインダとの混合比率などを調整することによって変更可能である。カソード側セパレータ１６０は、例えば、個別に準備された緻密質部材と多孔質部材とを組み合わせ、バインダの溶融温度以上に加熱することによって、形成可能である。

上記のようなセパレータ１５０，１６０を用いれば、セル内冷却ガス通路２４０ｂに冷却ガス（空気）を供給することによって、スタックを冷却することができる。また、セル内冷却ガス通路２４０ｂに冷却ガス（空気）を供給することによって、カソード１２６で生成された水分を多孔質領域１６２を介して除去することができる。具体的には、カソード１２６で生成された水分は、カソード側拡散層１４０に蓄えられる。多孔質領域１６２は、毛管吸引力によって、カソード側拡散層１４０に蓄えられた水分を内部に取り込む。水分は、多孔質領域１６２内部を移動して、セル内冷却ガス通路２４０ｂを流れる冷却ガス（空気）中に排出される。

また、本実施例では、多孔質領域１６２は、セル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分と、セル内冷却ガス通路２４０ｂと、の間に設けられているため、スタック内部で発生した水分を多孔質領域１６２を介して効率よく除去することができる。具体的には、スタック内部で発生した水分は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを通る酸化ガス中に気化して、該酸化ガスと共に下流に向かう。このため、セル内酸化ガス通路２２０ｂでは、上流側部分の水分量が比較的少なく、下流側部分の水分量が比較的多い。したがって、セル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分に多孔質領域１６２を設けることにより、スタック内部で発生した水分を多孔質領域１６２を介して効率よく除去することが可能となる。

さらに、本実施例では、セル内冷却ガス通路２４０ｂを経由して加湿された酸化ガスが、セル内酸化ガス通路２２０ｂに供給されている。このため、加湿された酸化ガスは、水分量が比較的少ないセル内酸化ガス通路２２０ｂの上流側部分に、水分を与えることができ、該上流側部分の乾燥を抑制することができる。

Ａ−３．セルの具体的な構成：
図５は、第１実施例におけるセル１１０の具体的な構造を示す説明図である。図５では、図４に示すカソード側セパレータ１６０の多孔質領域（多孔質部）１６２付近が拡大して描かれている。なお、燃料電池スタックでは、複数のセルは、その両端に設けられた図示しない締付部材によって、両側から加圧される。このため、図示するように、拡散層１３０，１４０は、セパレータ１５０，１６０の凸部によって押圧されて変形している。このように、セルの積層方向に圧力を加えることによって、アノード１２４とアノード側セパレータ１５０との間、および、カソード１２６とカソード側セパレータ１６０との間の導電性を高めることができる。

図４で説明したように、カソード側セパレータ１６０は、緻密質部１６１と多孔質部１６２とを含んでいる。また、図５に示すように、カソード側セパレータ１６０は、緻密質層１６３を含んでいる。緻密質層１６３は、多孔質部１６２の第１の面Ｓｃ１側の凸部１６２ａの頂面の周辺領域、より具体的には、凸部１６２ａの側面と凸部１６２ａの周囲の底面（すなわち凹部の底面）とに形成されている。

なお、凸部１６２ａの頂面は、カソード側拡散層１４０と接触する接触面であり、凸部１６２ａの側面と凸部１６２ａの周囲の底面とは、カソード側拡散層１４０と接触せずに、セル内酸化ガス通路２２０ｂの壁面を構成する通路形成面である。

このように、凸部１６２ａの頂面の周辺領域に緻密質層１６３を設ければ、緻密質層１６３が設けられない場合と比較して、カソード１２６で生成された水分をセル内冷却ガス通路２４０ｂへ効率よく排出することができる。すなわち、前述のように、カソード１２６で生成された水分は、カソード側拡散層１４０内に蓄えられる。また、カソード側拡散層１４０は、セル内酸化ガス通路２２０ｂ中に気化した水分を捕獲して蓄える。多孔質部１６２は、カソード側拡散層１４０と接触する凸部１６２ａの頂面を介して、カソード側拡散層内に蓄えられた水分を吸収する。そして、吸収された水分は、多孔質部１６２内部を移動し、セル内冷却ガス通路２４０ｂ内に排出される。仮に、緻密質層１６３が設けられていない場合には、凸部１６２ａの頂面を介して吸収された水分の一部は、凸部１６２ａの頂面の周辺領域（凸部の側面および凸部の周囲の底面）を介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内に排出されてしまう。しかしながら、本実施例では、緻密質層１６３が設けられているため、吸収された水分が、凸部１６２ａの頂面の周辺領域を介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内に排出されるのを抑制することができる。この結果、カソード１２６で生成された水分をセル内冷却ガス通路２４０ｂへ効率よく排出することができ、セル内酸化ガス通路２２０ｂにおけるフラッディング状態の発生を抑制することができる。

また、本実施例では、緻密質層１６３が設けられているため、セル内冷却ガス通路２４０ｂを通る冷却ガス（空気）が、多孔質部１６２を介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂへ侵入するのを抑制することができる。このため、カソード側セパレータ１６０の設計自由度を高めることができる。例えば、圧力損失が比較的大きな通路を有するカソード側セパレータや、多孔質部の気孔径が比較的大きなカソード側セパレータを利用することができる。また、多孔質部１６２を介した空気の侵入（漏れ）を抑制することによって、セル内冷却ガス通路２４０ｂおよびセル内酸化ガス通路２２０ｂ内で空気を円滑に流通させることができるため、空気ブロワ４０２の消費電力を低減させることができる。

ところで、本実施例では、緻密質層１６３は、凸部１６２ａの側面の一部の領域ＶＦには形成されていない。具体的には、緻密質層１６３は、凸部１６２ａの側面の一部を構成する凸部の頂面の近傍領域ＶＦには形成されておらず、カソード側拡散層１４０から離れた領域に形成されている。この構成を採用することにより、緻密質層が凸部１６２ａの側面の全体に形成される場合と比較して、スタックの出力特性を向上させることができる。すなわち、緻密質層が凸部１６２ａの側面の全体に形成される場合には、酸素ガスは、凸部の頂面付近の電極反応場ＲＦに供給され難く、該電極反応場ＲＦに供給される酸素ガス量は比較的小さい。このため、カソードの濃度過電圧が大きくなり、この結果、スタックの出力電圧が低くなってしまう。一方、本実施例のように、緻密質層１６３が近傍領域ＶＦに形成されていない場合には、酸素ガスは、近傍領域ＶＦを介して、凸部の頂面付近の電極反応場ＲＦへ供給され易く、該電極反応場ＲＦに供給される酸素ガス量は比較的大きい。このため、カソードの濃度過電圧を比較的小さくすることができ、この結果、スタックの出力電圧の低下を抑制することが可能となる。

なお、本実施例では、前述のように、多孔質部１６２は、セル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分に設けられているため、多孔質部１６２付近の酸素ガスの分圧は比較的低い。このため、近傍領域ＶＦに緻密質層が形成されている場合には、酸素ガスは、特に、電極反応場ＲＦに供給され難い。すなわち、本実施例のように、多孔質部１６２がセル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分に設けられる場合には、近傍領域ＶＦに緻密質層を形成しないことに伴う上記の効果は、顕著となる。

緻密質層１６３は、種々の方法で作製可能である。第１の製法では、多孔質部１６２の第１の面Ｓｃ１の全体に所定の混合液を塗布することによって、緻密質層が形成される。そして、凸部１６２ａの頭部（頂面およびその近傍領域ＶＦ）に形成された一部の緻密質層が削り取られる。これにより、図５に示す緻密質層１６３が作製される。第２の製法では、多孔質部１６２の第１の面Ｓｃ１側の凸部１６２ａの頭部（頂面およびその近傍領域ＶＦ）にマスクが形成される。その後、多孔質部１６２の第１の面Ｓｃ１に所定の混合液を塗布することによって、緻密質層が形成される。なお、マスクは、所定の混合液が塗布された後に、除去される。これにより、図５に示す緻密質層１６３が作製される。

なお、上記の所定の混合液としては、炭素材料とバインダとアルコールとを含む混合液を用いることができる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛や、鱗片状黒鉛、カーボンブラックを用いることができる。バインダとしては、変成スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などのゴムバインダを用いることができる。また、塗布方法としては、エアレス塗装法やエア霧化塗装法を利用することができる。エア霧化塗装法は、エアレス塗装法よりも、噴霧の粒径を小さくすることができるので、より均一な緻密質層を形成可能である。

以上説明したように、本実施例では、多孔質部１６２の凸部１６２ａの頂面の周辺領域には、緻密質層１６３が形成されている。このため、カソードで生成されてカソード側拡散層１４０内に存在する水分が、凸部の頂面を介して多孔質部に吸収された後に、凸部の頂面の周辺領域を介して反応ガス通路内へ流出するのを抑制することができる。この結果、カソードで生成された水分をカソード側セパレータ１６０を介して効率よく除去することが可能となる。

なお、上記の説明から分かるように、本実施例における多孔質部１６２と緻密質層１６３とは、拡散層から水分を吸収して除去するための水分除去部として機能する。

Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例におけるセル１１０Ｂの具体的な構造を示す説明図である。図６は、図５とほぼ同じであるが、セル１１０Ｂは、カソード側拡散層１４０とカソード側セパレータ１６０との間に設けられた撥水層１７１を備えている。撥水層１７１は、カソード側拡散層１４０上に形成されている。より具体的には、撥水層１７１は、多孔質部１６２に対応する矩形領域のうち、凸部１６２ａの周囲の底面（すなわち凹部の底面）に対応する部分領域に形成されている。換言すれば、撥水層１７１は、多孔質部１６２の通路形成面に対応する部分領域に形成されている。撥水層１７１は、水分の透過を抑制しつつ、酸素ガスを透過させる機能を有している。

撥水層１７１は、カソード側拡散層１４０上に撥水処理が施された撥水処理層であってもよいし、撥水処理層よりも高い撥水能力を有する撥水フィルムであってもよい。撥水処理層は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂とカーボンとを混練したペースト状の混合材料を、スプレー法などを利用して、カソード側拡散層１４０上に塗布することによって作製される。また、撥水フィルムは、例えば、ＰＴＦＥとカーボンとを含むフィルムである。撥水フィルムは、通常、ホットプレス法によって、カソード側拡散層１４０に接合される。

図６の構成を採用すれば、カソード１２６で生成された水分の一部が、カソード側拡散層１４０を介してセル内酸化ガス通路２２０ｂ内へ移動するのを抑制することができ、この結果、多孔質部１６２は、凸部１６２ａの頂面を介して水分を効率よく吸収することができる。

Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例におけるセル１１０Ｃの具体的な構造を示す説明図である。図７は、図６とほぼ同じであるが、撥水層１７２の配置が変更されている。具体的には、撥水層１７２は、カソード１２６とカソード側拡散層１４０との間に設けられている。また、撥水層１７２は、凸部１６２ａの周囲の底面（すなわち凹部の底面）に対応する部分領域、換言すれば、多孔質部１６２の通路形成面に対応する部分領域に形成されている。

なお、本実施例では、撥水層１７２は、撥水フィルムであるが、これに代えて、カソード側拡散層１４０上に撥水処理が施された撥水処理層であってもよい。

図７の構成を採用すれば、カソード１２６で生成された水分がカソード側拡散層１４０の全体に拡散するのが抑制され、水分を凸部１６２ａの頂面に対応する領域に選択的に集合させることができる。このため、カソード１２６で生成された水分の一部が、カソード側拡散層１４０を介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内へ移動するのを抑制することができ、この結果、多孔質部１６２は、凸部１６２ａの頂面を介して水分を効率よく吸収することができる。

Ｄ．第４実施例：
図８は、第４実施例におけるセル１１０Ｄの具体的な構造を示す説明図である。図８は、図６とほぼ同じであるが、撥水層１７３の配置および形状が変更されている。具体的には、図８では、撥水層１７３は、アノード１２４とアノード側拡散層１３０との間に設けられている。また、図８では、撥水層１７３は、アノード側拡散層１３０に対応する領域に形成されている。なお、撥水層１７３は、多孔質部１６２に対応する矩形領域のみに形成されていてもよい。

なお、本実施例では、撥水層１７３は、撥水フィルムであるが、これに代えて、アノード側拡散層１３０上に撥水処理が施された撥水処理層であってもよい。

図８の構成を採用すれば、カソード１２６で生成された水分が、電解質膜１２２を介して、セル内燃料ガス通路２１０ｂへ移動するのを抑制することができる。このため、多孔質部１６２は、凸部１６２ａの頂面を介して水分を効率よく吸収することができる。また、セル内燃料ガス通路２１０ｂ内におけるフラッディング状態の発生を防止することができる。

Ｅ．第５実施例：
図９は、第５実施例におけるセル１１０Ｅの具体的な構造を示す説明図である。図９は、図８とほぼ同じであるが、撥水層１７４の配置が変更されている。具体的には、図９では、撥水層１７４は、アノード側拡散層１３０とアノード側セパレータ１５０との間に設けられている。

なお、本実施例では、撥水層１７４は、撥水フィルムであるが、これに代えて、アノード側拡散層１３０上に撥水処理が施された撥水処理層であってもよい。

図９の構成を採用しても、カソード１２６で生成された水分が、電解質膜１２２を介して、セル内燃料ガス通路２１０ｂへ移動するのを抑制することができる。このため、多孔質部１６２は、凸部１６２ａの頂面を介して水分を効率よく吸収することができる。また、セル内燃料ガス通路２１０ｂ内におけるフラッディング状態の発生を防止することができる。

Ｆ．第６実施例：
図１０は、第６実施例におけるセル１１０Ｆの具体的な構造を示す説明図である。図１０は、図５とほぼ同じであるが、多孔質部１６２Ｆが変更されている。

具体的には、多孔質部１６２Ｆの第１の面Ｓｃ１側の凸部１６２ａの頂面には、親水処理が施された第１の親水処理層ＨＬ１が形成されている。また、多孔質部１６２Ｆの内部には、撥水処理が施された撥水処理領域ＲＡが形成されている。そして、多孔質部１６２Ｆの第２の面Ｓｃ２側の表面には、親水処理が施された第２の親水処理層ＨＬ２が形成されている。

多孔質部１６２Ｆは、例えば、以下の方法で作製可能である。まず、多孔質部を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む溶液に含浸させる。これにより、多孔質部に撥水処理が施される。次に、撥水処理済みの多孔質部の第１の面Ｓｃ１側の凸部１６２ａの頂面に、ナフィオン液とカーボンとを含む混合液が塗布される。これにより、第１の面Ｓｃ１側の凸部１６２ａの頂面に親水処理が施される。また、撥水処理済みの多孔質部の第２の面Ｓｃ２の表面に、ナフィオン液とカーボンとを含む混合液が塗布される。これにより、第２の面Ｓｃ２の表面に親水処理が施される。

なお、本実施例では、多孔質部の第２の面Ｓｃ２側の表面全体に親水処理層ＨＬ２が形成されている。しかしながら、第２の面Ｓｃ２側の凸部１６２ｂの頂面は、緻密質のアノード側セパレータ１５０の凸部と接触する。このため、凸部１６２ｂの頂面には、親水処理層は形成されていなくてもよい。この場合には、例えば、凸部１６２ｂの頂面に形成された一部の親水処理層を削り取ればよい。あるいは、凸部１６２ｂの頂面にマスクを形成した後に、親水処理を施せばよい。

図１０の構成を採用すれば、多孔質部１６２Ｆは、カソード１２６で生成された水分をセル内冷却ガス通路２４０ｂへ効率よく排出することができる。具体的には、第１の面Ｓｃ１側の凸部１６２ａの頂面には第１の親水処理層ＨＬ１が形成されているため、多孔質部１６２Ｆは、凸部１６２ａの頂面を介して、水分を効率よく吸収することができる。また、多孔質部１６２Ｆの内部には撥水処理領域ＲＡが形成されているため、多孔質部１６２Ｆは、吸収した水分を速やかに第２の面Ｓｃ２側へ移動させることができる。さらに、多孔質部１６２Ｆの第２の面Ｓｃ２には第２の親水処理層ＨＬ２が形成されているため、多孔質部１６２Ｆは、水分をセル内冷却ガス通路２４０ｂ内へ効率よく放出することができる。

なお、本実施例では、多孔質部１６２Ｆは、２つの親水処理層ＨＬ１，ＨＬ２と撥水処理領域ＲＡとを備えているが、これに代えて、これらのうちの少なくとも１つを備えるようにしてもよい。例えば、多孔質部は、第１の親水処理層ＨＬ１のみを備えるようにしてもよいし、第１の親水処理層ＨＬ１と撥水処理領域ＲＡとを備えるようにしてもよい。

なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記実施例では、各セパレータの成形材料は、カーボン粉末とバインダとを含んでいるが、他の成形材料を利用してもよい。例えば、成形材料は、金属材料（金属粉末）とバインダとを含んでいてもよい。また、各セパレータを構成する緻密質領域は、金属部材であってもよい。さらに、緻密質層に代えて、金属層が利用されてもよい。

（２）上記実施例では、多孔質部は、凸部が略矩形の断面形状を有する凹凸面を備えているが、これに代えて、凸部が波形（すなわち山形）の断面形状を有する凹凸面を備えていてもよい。

一般には、多孔質部は、一方の側に、カソード拡散層に接触する接触面と、カソード拡散層に接触せずにセル内酸化ガス通路を形成する通路形成面と、を有していればよい。

（３）上記実施例では、緻密質層１６３は、凸部１６２ａの側面と凸部１６２ａの周囲の底面との双方に形成されているが、緻密質層１６３は、いずれか一方の面のみに形成されてもよい。ただし、凸部１６２ａの側面のみに緻密質層が形成される場合には、凸部１６２ａの周囲の底面のみに緻密質層が形成される場合よりも、吸収された水分がセル内酸化ガス通路２２０ｂ内へ流出するのを抑制することができると考えられる。したがって、緻密質層は、少なくとも凸部の側面に形成されていることが望ましい。

また、上記実施例では、緻密質層１６３は、凸部１６２ａの頂面の近傍領域ＶＦには形成されていないが、緻密質層は、該近傍領域ＶＦに形成されてもよい。ただし、上記実施例の構成を採用すれば、前述したように、スタックの出力電圧の低下を抑制することができるという利点がある。

さらに、上記実施例では、緻密質層１６３が利用されているが、これに代えて、緻密質ではないが多孔質部よりも小さな気孔率を有する層が利用されてもよい。この場合にも、水分が凸部の頂面の周辺領域からセル内酸化ガス通路内へ流出するのを抑制することができる。ただし、上記実施例の構成を採用すれば、水分が凸部の頂面の周辺領域から流出するのを確実に抑制することができるという利点がある。

一般には、多孔質部の一方の面に形成される表層は、通路形成面の少なくとも一部の領域に形成され、多孔質部よりも小さな気孔率を有していればよい。

（４）上記実施例では、カソード側セパレータが、多孔質部と表層とを備えているが、これに代えて、あるいは、これと共に、アノード側セパレータが多孔質部と表層とを備えるようにしてもよい。

一般には、セパレータは、多孔質部と表層とを備え、ガス拡散層に存在する水分を吸収して除去すればよい。

（５）上記実施例では、セルの種々の構成を説明したが、これらの構成のうちの２以上を任意に組み合わせたセルを利用することも可能である。

第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００内部のセルの構成を模式的に示す説明図である。 カソード側セパレータ１６０を模式的に示す説明図である。 セル１１０の断面を模式的に示す説明図である。 第１実施例におけるセル１１０の具体的な構造を示す説明図である。 第２実施例におけるセル１１０Ｂの具体的な構造を示す説明図である。 第３実施例におけるセル１１０Ｃの具体的な構造を示す説明図である。 第４実施例におけるセル１１０Ｄの具体的な構造を示す説明図である。 第５実施例におけるセル１１０Ｅの具体的な構造を示す説明図である。 第６実施例におけるセル１１０Ｆの具体的な構造を示す説明図である。

符号の説明

１００…燃料電池スタック
１１０，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ…セル
１２０…ＭＥＡ
１２２…電解質膜
１２４…電極層（アノード）
１２６…電極層（カソード）
１３０…アノード側拡散層
１４０…カソード側拡散層
１５０…アノード側セパレータ
１６０…カソード側セパレータ
１６１…緻密質領域（緻密質部）
１６２，Ｆ…多孔質領域（多孔質部）
１６２ａ…凸部
１６２ｂ…凸部
１６３…緻密質層
１７１〜１７４…撥水層
２１０…内部燃料ガス通路
２１０ａ，２１０ｃ…セル間燃料ガス通路
２１０ｂ…セル内燃料ガス通路（アノード側通路）
２２０…内部酸化ガス通路
２２０ａ，２２０ｃ…セル間酸化ガス通路
２２０ｂ…セル内酸化ガス通路（カソード側通路）
２３０…内部冷却液通路
２３０ａ，２３０ｃ…セル間冷却液通路
２３０ｂ…セル内冷却液通路
２４０…内部冷却ガス通路
２４０ａ，２４０ｃ…セル間冷却ガス通路
２４０ｂ…セル内冷却ガス通路
３０２…水素タンク
３０４…減圧弁
３０６…流量制御弁
３１０…燃料ガス通路
３９０…燃料オフガス通路
３９２…遮断弁
４０２…空気ブロワ
４１０，４２０…外部空気通路
４９０…酸化オフガス通路
５０２…循環ポンプ
５０４…熱交換器
５１０…循環通路
６００…コントローラ

Claims (13)

1. 燃料電池であって、
   電解質層と、
   前記電解質層の一方の側に設けられた第１の電極層と、
   前記電解質層の前記一方の側に設けられた第１のガス拡散層であって、前記第１のガス拡散層と前記電解質層との間には、前記第１の電極層が設けられている、前記第１のガス拡散層と、
   前記電解質層の前記一方の側に設けられた第１のセパレータであって、前記第１のセパレータと前記第１の電極層との間には、前記第１のガス拡散層が設けられており、前記第１のセパレータの第１の側には、前記第１のガス拡散層を介して前記第１の電極層に反応ガスを供給するための反応ガス通路が形成されている、前記第１のセパレータと、
   を備え、
   前記第１のセパレータは、
   前記第１の側に、前記第１のガス拡散層に接触する接触面と、前記第１のガス拡散層に接触せずに前記反応ガス通路を形成する通路形成面と、を有する多孔質部と、
   前記通路形成面上の少なくとも一部の領域に形成され、前記多孔質部よりも小さな気孔率を有する表層と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記表層は、緻密質層である、燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記表層が形成される前記通路形成面上の前記少なくとも一部の領域は、前記第１のガス拡散層から離れた領域である、燃料電池。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記第１のガス拡散層上の前記通路形成面に対応する第１の部分領域であって、前記第１のガス拡散層と前記第１のセパレータとの間の前記第１の部分領域に設けられた第１の撥水層を備える、燃料電池。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記第１の電極層と前記第１のガス拡散層との間の前記通路形成面に対応する第２の部分領域に設けられた第２の撥水層を備える、燃料電池。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記接触面には、親水処理が施されている、燃料電池。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記多孔質部の内部には、撥水処理が施されている、燃料電池。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記多孔質部の第２の側の表面には、親水処理が施されている、燃料電池。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記電解質層の他方の側に設けられた第２の電極層と、
   前記電解質層の前記他方の側に設けられた第２のガス拡散層であって、前記第２のガス拡散層と前記電解質層との間には、前記第２の電極層が設けられている、前記第２のガス拡散層と、
   前記第２の電極層と前記第２のガス拡散層との間に設けられた第３の撥水層と、
   を備える、燃料電池。
10. 請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
    前記電解質層の他方の側に設けられた第２の電極層と、
    前記電解質層の前記他方の側に設けられ第２のガス拡散層であって、前記第２のガス拡散層と前記電解質層との間には、前記第２の電極層が設けられている、前記第２のガス拡散層と、
    前記電解質層の前記他方の側に設けられた第２のセパレータであって、前記第２のセパレータと前記第２の電極層との間には、前記第２のガス拡散層が設けられている、前記第２のセパレータと、
    前記第２のガス拡散層と前記第２のセパレータとの間に設けられた第４の撥水層と、
    を備える、燃料電池。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記多孔質部は、前記反応ガス通路の下流側の部位に配置されている、燃料電池。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記反応ガスは、空気である、燃料電池。
13. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記多孔質部の第２の側には、冷却ガスが通る冷却ガス通路が形成されており、
    前記冷却ガス通路内には、空気が供給され、
    前記燃料電池は、さらに、
    前記冷却ガス通路を経由した空気を、前記反応ガス通路に供給するための供給通路を備える、燃料電池。

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