JP2007250432A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、第１のガス拡散層、または、第２のガス拡散層の破損を抑制しつつ、それらの間の接触面積を増加させること。
【解決手段】燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の外側に形成された触媒電極層と、導電性多孔質部材によって形成され、触媒電極層の外側に積層されると共に、触媒電極層と接する面の反対面に、複数の第１の凹部と複数の第１の凸部とを有する第１のガス拡散層と、導電性多孔質部材によって形成され、複数の第２の凹部と複数の第２の凸部を有し、該第２の凹部が、第１のガス拡散層の第１の凸部と嵌合し、第２の凸部が第１のガス拡散層の第１の凹部と嵌合するように、第１のガス拡散層の外側に積層されて形成される第２のガス拡散層とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１のガス拡散層と第２のガス拡散層とを備えた燃流電池に関する。

従来、種々の燃料電池が提案されている。例えば、電解質膜と、電解質膜の外側に形成された触媒電極層と、導電性多孔質部材によって形成され、触媒電極層の外側に積層される第１のガス拡散層とから成る膜電極接合体（以下では、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ。）を備えた燃料電池が知られている。このような燃料電池は、ＭＥＡ（第１のガス拡散層）の外側に積層され、導電性多孔質部材から形成され、第１のガス拡散層を介し触媒電極層に対して、電気化学反応に供される反応ガス（水素を含有する燃料ガスまたは酸素を含有する酸化ガス）を給排すると共に、ガス拡散性および集電性を確保するための第２のガス拡散層が配設される。

ところで、上記燃料電池において、集電性の向上のために、第１のガス拡散層と第２のガス拡散層との間の接触抵抗を軽減させたいという要望があり、言い換えれば、第１のガス拡散層と第２のガス拡散層との間の接触面積を増加させたいという要望がある。

このような要望に対して、下記特許文献１には、第１のガス拡散層と第２のガス拡散層に、積層方向から大きな圧力をかけて、それらの接触面積を増加させる技術が開示されている。

特開平７−２２０３７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の従来技術では、第１のガス拡散層と第２のガス拡散層に、積層方向から大きな圧力をかける必要があるので、第１のガス拡散層または第２のガス拡散層が破損するおそれがあった。

本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、燃料電池において、第１のガス拡散層、または、第２のガス拡散層の破損を抑制しつつ、それらの間の接触面積を増加させることが可能な技術の提供を目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の外側に形成された触媒電極層と、
導電性多孔質部材によって形成され、前記触媒電極層の外側に積層されると共に、前記触媒電極層と接する面の反対面に、複数の第１の凹部と複数の第１の凸部とを有する第１のガス拡散層と、
導電性多孔質部材によって形成され、複数の第２の凹部と複数の第２の凸部を有し、該第２の凹部が、前記第１のガス拡散層の前記第１の凸部と嵌合し、前記第２の凸部が前記第１のガス拡散層の前記第１の凹部と嵌合するように、前記第１のガス拡散層の外側に積層されて形成される第２のガス拡散層と、
を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池によれば、第１のガス拡散層、または、第２のガス拡散層の破損を抑制しつつ、それらの間の接触面積を増加させることが可能となる。

前記第１のガス拡散層は、前記第２のガス拡散層より空隙率が小さく、さらに、前記第１のガス拡散層は、前記第２のガス拡散層より空隙の平均口径が小さくするようにしてもよい。

このようにすれば、第１のガス拡散層は、通常のガス拡散層として機能し、第２のガス拡散層は、反応ガス流路として機能することとなり、触媒電極層に対する反応ガスの分配効率が向上する。

前記第２のガス拡散層に、前記触媒電極層で電気化学反応に供される反応ガスを供給するためのガス供給部を備え、
前記第１のガス拡散層の前記複数の第１の凸部は、前記第１のガス拡散層に前記第２のガス拡散層を積層する積層方向から見た場合に線状に形成され、前記第２のガス拡散層中に前記反応ガスの流路を形成する流路形成部であってもよい。

このようにすれば、他の部材を用いることなく、反応ガスの流路を形成することが可能となる。その結果、部品点数の削減が可能となる。

前記流路形成部は、前記第１のガス拡散層に前記第２のガス拡散層を積層する積層方向から見た場合に、直線状に形成され、それぞれ、略平行に形成されるようにしてもよい。

このようにすれば、反応ガスを、触媒電極層に効率よく供給することが可能となる。

なお、本発明は、上記した燃料電池としての態様に限ることなく、燃料電池システムの態様で実現することも可能である。また、装置発明としての態様ではなく、燃料電池の製造方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．単セル１０の構成：
Ａ２．セパレータ３０の構成：
Ａ３．第１拡散層２６と第２ガス拡散層１４の配置構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．単セル１０の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を表わす断面図である。図２は、図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。すなわち、本実施例の燃料電池１００は、図１に示すように、複数の単セル１０を備えると共に、各々の単セル１０間にセパレータ３０を介在させつつ単セル１０を積層させた構造を有している。また、本実施の燃料電池１００におけるセパレータ３０は、後述するように、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。

単セル１０は、図２に示すように、ＭＥＡと、ＭＥＡの外側に配設された第２ガス拡散層１４，１５を備える。ここで、ＭＥＡは、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、この触媒電極のさらに外側に配設された第１ガス拡散層２６，２８とを備えている。なお、第１ガス拡散層２６，２８と第２ガス拡散層１４，１５は、本発明の特徴部分を有している。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備える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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソード２２およびアノード２４を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２０を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２０上に塗布すればよい。

本発明の第１の特徴部分である第１ガス拡散層２６，２８は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ、または、カーボンフェルトなどによって形成される。触媒電極を表面に形成した電解質膜２０と第１ガス拡散層２６，２８とは、プレス接合により一体化されてＭＥＡとなる。また、図２に示すように、この第１ガス拡散層２６，２８は、電解質膜２０側の面とは反対の面が、凹凸状となっている。この場合、第１ガス拡散層２６，２８の凹状の部分を第１凹部と呼び、凸状の部分を第１凸部と呼ぶ。

本発明の第２の特徴部分である第２ガス拡散層１４，１５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡとセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過する単セル内ガス流路として機能する。既述した第１ガス拡散層２６、２８においても、内部に形成される空間をガスが通過するが、本実施例では、第２ガス拡散層１４，１５は、単セル１０に供給されたガスが通過する主たる空間を形成する。カソード２２とセパレータ３０との間に配設される第２ガス拡散層１４では、その内部の細孔によって形成される空間が、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路（以下では、単に酸化ガス流路と呼ぶ。）として機能する。また、アノード２４とセパレータ３０との間に配設される第２ガス拡散層１５では、その内部の細孔によって形成される空間が、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路（以下では、単に燃料ガス流路と呼ぶ。）として機能する。

また、図２に示すように、本実施の第２ガス拡散層１４，１５は、第１ガス拡散層２６，２８側の面が、凹凸状となっている。この場合、第２ガス拡散層１４，１５の凹状の部分を第２凹部と呼び、凸状の部分を第２凸部と呼ぶ。そして、この第２ガス拡散層１４，１５は、その第２凹部が第１ガス拡散層２６，２８の第１凸部と嵌合し、また、その第２凸部が第１凹部と嵌合するように、第１ガス拡散層２６，２８に積層されて配置される。このようにすれば、第２ガス拡散層１４，１５と第１ガス拡散層２６，２８との間に積層方向から大きな圧力をかけることなく、すなわち、第２ガス拡散層１４，１５、または、第１ガス拡散層２６，２８の破損を抑制しつつ、第２ガス拡散層１４，１５と第１ガス拡散層２６，２８との間の接触面積を増加させることが可能となる。

なお、第１ガス拡散層２６，２８は、第２ガス拡散層１４，１５より空隙率が小さく、さらに、第１ガス拡散層２６，２８は、第２ガス拡散層１４，１５より細孔（空隙）の平均口径が小さく形成されている。このようにすれば、カソード２２およびアノード２４は、比較的密な第１ガス拡散層２６，２８と接し、比較的粗い第２ガス拡散層１４，１５と直接接することがないので、燃料電池１００内で押圧力が加えられることによって、カソード２２および２４が損傷することを抑制することができる。上記空隙率とは、単位体積辺りに空隙（細孔）が占める割合のことをいう。

ここで、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡの外周部には、シール部１６が設けられている。シール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成されると共に、ＭＥＡと一体で形成されている。このようなシール部１６は、例えば、金型のキャビティ内にＭＥＡの外周部が収まるようにＭＥＡを配設し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、樹脂材料が多孔質部材である第１ガス拡散層内に含浸されて、ＭＥＡとシール部１６とが隙間なく接合され、ＭＥＡの両面間のガスシール性を確保することができる。なお、シール部１６は、触媒電極を備える電解質膜２０を保持する保持部としても機能している。

図３は、ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図３の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図１に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池１００内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。シール部１６とセパレータ３０との接触位置を、シール位置ＳＬとして示している（図１，図３参照）。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シール位置ＳＬの位置においてシール部１６によってシール性を実現可能となる。

また、図３では、シール部１６と一体化されたＭＥＡにおける外部に露出している部分を、ハッチを付して示している。以下の説明では、上記ＭＥＡにおける外部に露出している部分に対応する領域を、集電領域と呼ぶ。さらに図３では、シール部１６内部に埋め込まれているＭＥＡの外周線を、点線で示している。第２ガス拡散層１４，１５は、上記集電領域と略同一形状に形成されており、集電領域においてシール部１６に嵌め込まれている。このように、集電領域に嵌め込まれる第２ガス拡散層１４，１５は、ＭＥＡよりも小さく形成されている。すなわち、第２ガス拡散層１４，１５は、第１ガス拡散層２６，２８よりも小さく形成されると共に、その外周全体が、触媒電極および第１ガス拡散層２６，２８の面上に重なるように配置されている。

Ａ２．セパレータ３０の構成：
セパレータ３０は、図１に示すように、第２ガス拡散層１４と接するカソード側プレート３１と、第２ガス拡散層１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。

図４は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。図５は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図であり、図６は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２は、いずれも、その外周部においてシール部１６と同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池１００内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。上記カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２では、図４、図５に示すように、略四角形状である外周の一辺の近傍に穴部４０が形成されており、この辺と対向する辺の近傍には、穴部４１が形成されている。さらに、上記カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２では、他の２辺のうちの一方の辺の近傍には穴部４２，４４が形成されており、他方の辺の近傍には穴部４３，４５が形成されている。中間プレート３３（図６）は、上記６つの穴部のうち穴部４４，４５以外の穴部をカソード側プレート３１およびアノード側プレート３２と同様の位置にそれぞれ有している。また、この中間プレート３３において、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

上記各プレート（図４〜図６）が備える穴部４０は、燃料電池１００に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１は、各単セル１０から排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ２ outと表わす）。

上記各プレートが備える穴部４２は、燃料電池１００に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４３は、各単セル１０から排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ２ outと表わす）。

さらに、穴部４４は、燃料電池１００に対して供給された冷却水などの冷媒を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。

また、カソード側プレート３１は、図４に示すように、穴部４０の近傍に、穴部４０よりも小さく、穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を備えており、穴部４１の近傍には、同様に、穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を備えている。アノード側プレート３２は、図５に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２よりも小さく、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を備えており、穴部４３の近傍には、同様に、穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を備えている。中間プレート３３においては、図６に示すように、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート３３の穴部４０は、この穴部４０の集電領域側の辺が、集電領域方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部４０が有する上記複数の突出部を、連通部５４と呼ぶ。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３３では、図６に示すように、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。

Ａ３．第１拡散層２６と第２ガス拡散層１４の配置構成：
図７は、図１および図２におけるＢ−Ｂ断面に沿った燃料電池１００の概略断面構成図である。なお、このＢ−Ｂ断面は、図２に示すように、燃料電池１００の面方向において、第１ガス拡散層２６の第１凸部の頂部と、第１凹部の底部との略中間地点、言い換えれば、第２ガス拡散層１４の第２凸部の頂部と、第２凹部の底部との略中間地点に位置している。従って、この図７は、第１ガス拡散層２６の第１凸部を積層方向から見た際の図であり、また、この図７には、第２ガス拡散層１４の第２凸部と第１ガス拡散層２６の第１凸部とが示される。

図７に示すように、第１ガス拡散層２６は、第２ガス拡散層１４中において、シール部１６における穴部４２の近傍の一辺（以下では、第１の辺と呼ぶ。）から、第１の辺に対向する辺（以下では、第２の辺と呼ぶ。）に向かって伸びる第１ガス拡散層２６ａと、シール部１６の第２の辺から、第１の辺に向かって伸びる第１ガス拡散層２６ｂとが交互に配置される構成となっている。このように、第１ガス拡散層２６は、第２ガス拡散層１４中において、直線状に形成される。この場合、第１ガス拡散層２６の長手方向の長さは、その幅に対して、３倍以上とすることが好ましい。また、第１ガス拡散層２６の長手方向の長さは、その幅に対して、５倍以上とすることがより好ましい。さらに、第１ガス拡散層２６の長手方向の長さは、その幅に対して、１０倍以上とすることが特に好ましい。

燃料電池１００の内部において、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３（図６）の連通部５４が形成する空間と、カソード側プレート３１（図４）の連通孔５０とを介して、第２ガス拡散層１４内に形成される酸化ガス流路へと流入する（図１参照）。すなわち、上記酸化ガス供給マニホールドと、連通部５４が形成する空間と、連通孔５０とは、第２ガス拡散層１４に対して酸化ガスを供給するガス供給部として働く。

ところで、上述したように、第１ガス拡散層２６は、第２ガス拡散層１４より空隙率が小さく、さらに、第１ガス拡散層２６は、第２ガス拡散層１４より空隙の平均口径が小さく形成されているので、第１ガス拡散層２６より第２ガス拡散層１４の方が、圧力損失が小さく、酸化ガスが流れやすい。従って、酸化ガス流路において酸化ガスは、第２ガス拡散層１４に平行な方向（面方向）において、第２ガス拡散層１４を第１ガス拡散層２６に沿って流れると共に（図７参照）、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように、本実施例の燃料電池１００では、所定の流路形成部材を用いずとも、第１ガス拡散層２６を用いて酸化ガス流路における流路形成を行うことが可能となり、部品点数の削減が可能となる。また、このように、通常のガス拡散層としても機能する第１ガス拡散層２６を用いて酸化ガスの流路を形成することができるので、カソード２２に対する酸化ガスの分配効率を向上させることができる。さらに、以上のようにすれば、カソード２２で生成され、第１ガス拡散層２６に吸い上げられた生成水は、第１ガス拡散層２６に沿って流れる酸化ガスによって持ち運ばれ易くなり、酸化ガス排出マニホールドに排出することが可能となる。その結果、生成水を効率よく排出することが可能となる。

上述したように、電気化学反応に寄与しつつ酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第２ガス拡散層１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。すなわち、上記酸化ガス排出マニホールドと、連通部５５が形成する空間と、連通孔５１とは、第２ガス拡散層１４から酸化ガスを排出するガス排出部として働く。

同様に、燃料電池１００の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間と、アノード側プレート３２の連通孔５２とを介して、第２ガス拡散層１５内に形成される燃料ガス流路へと流入する。すなわち、上記燃料ガス供給マニホールドと、連通部５６が形成する空間と、連通孔５２とは、第２ガス拡散層１５に対して燃料ガスを供給するガス供給部として働く。燃料ガス流路において燃料ガスは、面方向において、第２ガス拡散層１５を第１ガス拡散層２８に沿って流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように、本実施の燃料電池１００では、所定の流路形成部材を用いずとも、第１ガス拡散層２８を用いて燃料ガス流路における流路形成を行うことが可能となり、部品点数の削減が可能となる。また、アノード２４には、カソード２２側から電解質膜２０を介して水がリークしてくる場合がある。この水は、まず、第１ガス拡散層２８に吸い上げられる。従って、以上のようにすれば、第１ガス拡散層２８が吸い上げた水は、第１ガス拡散層２８に沿って流れる燃料ガスによって持ち運ばれ易くなり、燃料ガス排出マニホールドに排出することが可能となる。その結果、リークしてくる水を効率よく排出することが可能となる。

上述したように電気化学反応に寄与しつつ燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第２ガス拡散層１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。すなわち、上記燃料ガス排出マニホールドと、連通部５７が形成する空間と、連通孔５３とは、第２ガス拡散層１５から燃料ガスを排出するガス排出部として働く。

図３ないし図７においてＡ−Ａ断面を示しているが、このＡ−Ａ断面の位置は、図１に示した断面図に相当する位置を表わしている。図１に示すように、Ａ−Ａ断面では、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドから、中間プレート３３の連通部５４およびカソード側プレート３１の連通孔５０を介して、第２ガス拡散層１４内へと酸化燃料ガスが供給される様子が表わされる。さらに、Ａ−Ａ断面では、第２ガス拡散層１５から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される様子が表わされる。

なお、中間プレート３３は、さらに、集電領域を含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３をカソード側プレート３１およびアノード側プレート３２と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池１００の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例の燃料電池における第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４との配置構成を説明するための図である。第２実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４との配置構成のみが異なっているため、共通する部分については同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。図８では、図７と同様に、燃料電池の面方向において、第１ガス拡散層２６の第１凸部の頂部と、第１凹部の底部との略中間地点、言い換えれば、第２ガス拡散層１４の第２凸部の頂部と、第２凹部の底部との略中間地点における燃料電池の概略断面構成を示している。

図８に示すように、本実施の燃料電池における第１ガス拡散層２６は、第２ガス拡散層１４中において、カソード側プレート３１の連通孔５０に対応する位置周辺から、連通孔５１に対応する位置周辺に向かって、それぞれが平行に配置される構成となっている。このようにすれば、連通孔５０から供給される酸化ガスは、第２ガス拡散層１４を第１ガス拡散層２６に沿って直線的に流れると共に、積層方向へとさらに拡散し、カソード２２で電気化学反応に寄与しつつ、連通孔５１から排出される。従って、酸化ガスが第２ガス拡散層１４を流れる場合の圧力損失を抑制することが可能となる。また、このようにすれば、所定の流路形成部材を用いずとも、第１ガス拡散層２６を用いて酸化ガス流路における流路形成を行うことが可能となり、部品点数の削減が可能となる。さらに、このようにすれば、カソード２２で生成され、第１ガス拡散層２６に吸い上げられた生成水は、第１ガス拡散層２６に沿って流れる酸化ガスによって持ち運ばれ、酸化ガス排出マニホールドに排出することが可能となる。その結果、生成水を効率よく排出することが可能となる。

Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例の燃料電池における第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４との配置構成を説明するための図である。第３実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４との配置構成のみが異なっているため、共通する部分については同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。図９では、図７と同様に、燃料電池の面方向において、第１ガス拡散層２６の第１凸部の頂部と、第１凹部の底部との略中間地点、言い換えれば、第２ガス拡散層１４の第２凸部の頂部と、第２凹部の底部との略中間地点における燃料電池の概略断面構成を示している。

図９に示すように、本実施の燃料電池における第１ガス拡散層２６は、第２ガス拡散層１４中において、カソード側プレート３１の連通孔５０（ガス供給部）と連通孔５１（ガス排出部）とを結ぶ直線に対して、斜めに配置される構成となっている。このようにすれば、連通孔５０から供給される酸化ガスは、第１ガス拡散層２６にぶつかりつつ酸化ガス流路全体に広がりつつ流れるので、カソード２２全体に酸化ガスを効率よく供給すること可能となる。また、このようにすれば、所定の流路形成部材を用いずとも、第１ガス拡散層２６を用いて酸化ガス流路における流路形成を行うことが可能となり、部品点数の削減が可能となる。さらに、このようにすれば、カソード２２で生成され、第１ガス拡散層２６に吸い上げられた生成水は、第１ガス拡散層２６に沿って流れる酸化ガスによって持ち運ばれ易くなり、酸化ガス排出マニホールドに排出することが可能となる。その結果、生成水を効率よく排出することが可能となる。

Ｄ．第４実施例：
図１０は、第４実施例の燃料電池におけるＭＥＡ（第１ガス拡散層２６）と第２ガス拡散層１４を拡大して示す説明図である。第４実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池１００と類似する構成を有し、第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４との界面において、第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４の形状のみが異なっているため、共通する部分については同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。図１０では、図２と同様に、第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４の断面形状がわかるようにそれらを拡大して示している。

本実施の燃料電池における第１ガス拡散層２６，２８は、電解質膜２０側の面とは反対の面が、山状となっている。この場合、第１ガス拡散層２６，２８の山部分を第１山部と呼び、第１山部との間の谷部を第１谷部と呼ぶ。また、本実施の第２ガス拡散層１４，１５は、第１ガス拡散層２６，２８側の面が、山状となっている。この場合、第２ガス拡散層１４，１５の山部分を第２山部と呼び、第２山部との間の谷部を第２谷部と呼ぶ。そして、この第２ガス拡散層１４，１５は、その第２谷部が第１ガス拡散層２６，２８の第１山部と嵌合し、また、その第２山部が第１谷部と嵌合するように、第１ガス拡散層２６，２８に積層されて配置される。このようにすれば、第２ガス拡散層１４，１５と第１ガス拡散層２６，２８との間に積層方向から大きな圧力をかけることなく、すなわち、第２ガス拡散層１４，１５、または、第１ガス拡散層２６，２８の破損を抑制しつつ、第２ガス拡散層１４，１５と第１ガス拡散層２６，２８との間の接触抵抗を向上させることが可能となる。

Ｅ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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にて実施することが可能である。

Ｅ．変形例１：
上記実施例の燃料電池において、第１ガス拡散層２６，２８は、第２ガス拡散層１４，１５より空隙率が小さく、さらに、第１ガス拡散層２６，２８は、第２ガス拡散層１４，１５より空隙の平均口径が小さく形成されることとしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、第１ガス拡散層２６，２８は、第２ガス拡散層１４，１５より空隙率が小さいが、第２ガス拡散層１４，１５より空隙の平均口径が大きく形成されることとしてもよいし、第２ガス拡散層１４，１５より空隙の平均口径が小さいが、第２ガス拡散層１４，１５より空隙率が大きく形成されるようにしてもよい。このようにしても、第２ガス拡散層１４，１５と第１ガス拡散層２６，２８との間に積層方向から大きな圧力をかけることなく、すなわち、第２ガス拡散層１４，１５、または、第１ガス拡散層２６，２８の破損を抑制しつつ、第２ガス拡散層１４，１５と第１ガス拡散層２６，２８との間の接触抵抗を向上させることが可能となる。

Ｅ．変形例２：
上記第２または第３実施例の燃料電池において、第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４の配置構成を、第１ガス拡散層２８と第２ガス拡散層１５の配置構成に適用してもよい。例えば、第２実施例の燃料電池において、第１ガス拡散層２８は、第２ガス拡散層１５中において、アノード側プレート３２の連通孔５２に対応する位置周辺から、連通孔５３に対応する位置周辺に向かって、それぞれが平行に配置される構成としてもよい。このようにすれば、連通孔５２から供給される燃料ガスは、第２ガス拡散層１５を第１ガス拡散層２８に沿って直線的に流れると共に、積層方向へとさらに拡散し、アノード２４で電気化学反応に寄与しつつ、連通孔５３から排出される。従って、燃料ガスが第２ガス拡散層１５を流れる場合の圧力損失を抑制することが可能となる。また、第３実施例の燃料電池において、第１ガス拡散層２８は、第２ガス拡散層１５中において、アノード側プレート３２の連通孔５２（ガス供給部）と連通孔５３（ガス排出部）とを結ぶ直線に対して、斜めに配置される構成としてもよい。このようにすれば、所定の流路形成部材を用いずとも、第１ガス拡散層２８を用いて燃料ガス流路における流路形成を行うことが可能となり、部品点数の削減が可能となる。

Ｅ．変形例３：
上記第１ないし第３のいずれかの実施例の燃料電池において、第１ガス拡散層２６の第１凸部を積層方向から見た場合に、その形状は、直線状に形成されているが、本発明は、これに限られるものではない。第１ガス拡散層２６の第１凸部を積層方向から見た場合の形状は、例えば、ジグザク状であってもよいし、波状であってもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を表わす断面図である。 図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。 ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。 アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。 中間プレート３３の形状を示す説明図である。 図１および図２におけるＢ−Ｂ断面に沿った燃料電池１００の概略断面構成図である。 第２実施例の燃料電池における第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４との配置構成を説明するための図である。 第３実施例の燃料電池における第１ガス拡散層２６と第２ガス拡散層１４との配置構成を説明するための図である。 第４実施例の燃料電池におけるＭＥＡ（第１ガス拡散層２６）と第２ガス拡散層１４を拡大して示す説明図である。

符号の説明

１０…単セル
１４…第２ガス拡散層
１５…第２ガス拡散層
１６…シール部
２０…電解質膜
２２…カソード
２４…アノード
２６…第１ガス拡散層
２８…第１ガス拡散層
３０…セパレータ
３１…カソード側プレート
３２…アノード側プレート
３３…中間プレート
４０〜４５…穴部
５０〜５３…連通孔
５４〜５７…連通部
５８…冷媒孔
１００…燃料電池

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の外側に形成された触媒電極層と、
   導電性多孔質部材によって形成され、前記触媒電極層の外側に積層されると共に、前記触媒電極層と接する面の反対面に、複数の第１の凹部と複数の第１の凸部とを有する第１のガス拡散層と、
   導電性多孔質部材によって形成され、複数の第２の凹部と複数の第２の凸部を有し、該第２の凹部が、前記第１のガス拡散層の前記第１の凸部と嵌合し、前記第２の凸部が前記第１のガス拡散層の前記第１の凹部と嵌合するように、前記第１のガス拡散層の外側に積層されて形成される第２のガス拡散層と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記第１のガス拡散層は、前記第２のガス拡散層より空隙率が小さく、さらに、前記第１のガス拡散層は、前記第２のガス拡散層より空隙の平均口径が小さいことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記第２のガス拡散層に、前記触媒電極層で電気化学反応に供される反応ガスを供給するためのガス供給部を備え、
   前記第１のガス拡散層の前記複数の第１の凸部は、前記第１のガス拡散層に前記第２のガス拡散層を積層する積層方向から見た場合に線状に形成され、前記第２のガス拡散層中に前記反応ガスの流路を形成する流路形成部であることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記流路形成部は、前記第１のガス拡散層に前記第２のガス拡散層を積層する積層方向から見た場合に、直線状に形成され、それぞれ、略平行に形成されることを特徴とする燃料電池。

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