JP2008300325A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータと多孔体流路との間の伝熱性を改善する。
【解決手段】燃料電池は、電解質膜と一対の電極からなる膜電極接合体と、膜電極接合体の第１の側に配置されたセパレータと、セパレータと膜電極接合体との間に配置され、セパレータと接触すると共に、反応ガスが流動する多孔体と、を備える。セパレータまたは多孔体は、セパレータと多孔体との接触面に水を保持するための物理構造部を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に燃料電池の温度管理に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（燃料極と酸素極）にそれぞれ反応ガス（水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の電解質膜を含む膜電極接合体とセパレータとを交互に積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている。

燃料電池における電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池の運転中における温度管理が一つの重要な技術テーマとなっている。例えば、セパレータと多孔流路（例えば、拡散層）との接触面に、炭化水素ガスから分解・析出した炭素組織を成長させる技術が知られている（特許文献１）。上記技術では、セパレータと拡散層との間の伝熱性を向上し、膜電極接合体において生成された熱がセパレータに伝わり安くしている。この結果、燃料電池の冷却性能が向上する。

特開２００１−３５５０５号公報 特開２０００−２６０４４１号公報 特開２００４−１８６１１６号公報 特開２００２−３１３３６７号公報 特開２００６−１６４９４７号公報 特開２００６−１３４５８２号公報

しかしながら、上記従来技術では、外部からの衝撃や構成部品の熱膨張により、セパレータと多孔流路との間を繋ぐ炭素組織が剥離するおそれがあった。したがって、一旦、炭素組織が剥離すると、セパレータと多孔流路との間の伝熱性が悪化し、燃料電池の冷却性能が劣化するおそれがあった。このように、燃料電池の冷却性能を向上するため、燃料電池内部の伝熱性の向上が求められていた。

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、セパレータと多孔体流路との間の伝熱性を改善することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例］燃料電池であって、電解質膜と一対の電極からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の第１の側に配置されたセパレータと、前記セパレータと前記膜電極接合体との間に配置され、前記セパレータと接触すると共に、反応ガスが流動する多孔体と、を備え、前記セパレータまたは前記多孔体は、前記セパレータと前記多孔体との接触面に水を保持するための物理構造部を有する、燃料電池。

適用例に係る燃料電池によれば、セパレータと多孔体との接触界面に水を保持することにより、かかる界面の熱抵抗を低減できる。この結果、膜電極接合体からセパレータへ向かう伝熱性を向上し、膜電極接合体を冷却する性能を向上することができる。

適用例に係る燃料電池において、前記多孔体には、所定の流動方向に前記反応ガスが流動し、前記物理構造部は、前記セパレータにおける前記多孔体との接触面に形成され、前記反応ガスの流動方向に連続しない凹部であり、前記凹部の少なくとも一方向の巾は、前記多孔体の最大孔径より小さくても良い。また、前記凹部の少なくとも一方向の巾は、前記多孔体の平均孔径より小さくても良い。こうすれば、凹部の吸引力によりセパレータと多孔体との接触界面に水を保持することができる。

適用例に係る燃料電池において、前記凹部は、孔径が前記多孔体の最大孔径より小さい非貫通の孔であっても良い。また、前記凹部は、溝巾が前記多孔体の最大孔径より小さく、前記反応ガスの流動方向に対して平行でない方向に延びる溝であっても良い。また、前記溝は、前記反応ガスの流動方向に対して略垂直であっても良い。こうすれば、反応ガスの流動によって、凹部に滞留する水が押し流されることを抑制することができる。

適用例に係る燃料電池において、前記物理構造は、前記多孔体における前記セパレータとの接触面近傍に設けられた小孔径部であり、前記小孔径部の孔径は、前記多孔体における他の部分における最大孔径より小さくても良い。こうすれば、凹部の吸引力によりセパレータと多孔体との接触界面に水を保持することができる。ここで、前記小孔径部の孔径は、前記多孔体における他の部分における平均孔径より小さくても良い。

適用例に係る燃料電池において、前記セパレータは、内部に冷却媒体が流動する冷却媒体流路を有しても良い。こうすれば、冷却媒体により、膜電極接合体を冷却することができる。

本発明は、上記適用例のほか、種々の形態にて実現され得る。例えば、本発明は、上記適用例に係る燃料電池を含む燃料電池システム、上記適用例に係る燃料電池を搭載した車両などの装置発明として実現される。

以下、本発明の実施態様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。

Ａ．第１実施例：
・燃料電池の構成
燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、酸化ガス供給部と、冷却媒体循環部と、各部を制御するコントローラと、を備えている。燃料ガス供給部は、水素を含む燃料ガス（本実施例では、純水素）を燃料電池スタックに供給する機能を有している。酸化ガス供給部は、酸素を含む酸化ガス（本実施例では、空気）を燃料電池スタックに供給する機能を有している。冷却媒体循環部は、燃料電池スタック内部に水、不凍水などの冷却媒体を循環させる機能を有している。燃料ガスと酸化ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

図１は、第１実施例における燃料電池スタック１００の部分断面図である。図２は、多孔体の拡大断面図である。図示するように、燃料電池スタック１００は、複数の膜電極接合体５０と、複数のセパレータ３０と、複数のカソード側多孔体８０と、複数のアノード側多孔体９０と、とが積層された構造を有している。

膜電極接合体５０は、電解質膜５１を含んでおり、電解質膜５１の一方の面（図１：右側）には、カソード（触媒電極層）５２とガス拡散層５４とがこの順に形成されており、電解質膜５１の他方の面（図１：左側）には、アノード（触媒電極層）５３とガス拡散層５５とがこの順に形成されている。電解質膜５１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る。また、カソード５２およびアノード５３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。ガス拡散層５４，５５は、カーボン繊維を用いて作製されたカーボンペーパ、カーボンフェルト、カーボンクロスで形成され、ガス透過性および導電性を有する。

各膜電極接合体５０のカソード側（図１：右側）には、カソード側多孔体８０が配置され、カソード側多孔体８０を挟んでセパレータ３０が配置されている。各膜電極接合体５０のアノード側には、アノード側多孔体９０が配置され、アノード側多孔体９０を挟んでセパレータ３０が配置されている。

カソード側多孔体８０、および、アノード側多孔体９０は、金属（例えば、チタン、ニッケル、ステンレス）を用いて形成された板状部材であり、ガス透過性と、導電性とを有している。カソード側多孔体８０およびアノード側多孔体９０は、図２に示すように、骨格部Ｂを有している。骨格部Ｂにより、カソード側多孔体８０およびアノード側多孔体９０の内部に空孔部Ｖが区画形成されている。図２に示すように、隣り合う空孔部Ｖは、互いに連通し、この結果、カソード側多孔体８０およびアノード側多孔体９０の内部には、ガスが流動することができる。以下では、図の煩雑を避けるため、多孔体を示す図として、後述する図３に示すように、模式的に空孔部Ｖを円で示し、骨格部Ｂをハッチングにより示した簡略な図を用いる。カソード側多孔体８０およびアノード側多孔体９０は、例えば、厚さ２００〜５００μｍ程度とされる。

セパレータ３０は、カソードプレート３１と、中間プレート３２と、アノードプレート３３とを重ね合わせた構造を有している。各プレート３１〜３３は、緻密で導電性を有する材料、例えば、ステンレスなどの金属を用いて形成されている。中間プレート３２に形成されたスリットと、カソードプレート３１の中間プレート３２側の面と、アノードプレート３３の中間プレート３２側の面とによって、セパレータ３０の内部には、複数の冷却媒体流路６０が形成されている。カソードプレート３１およびアノードプレート３３は、例えば、厚さ１００〜３００μｍ程度とされ、中間プレート３２は、厚さ２００〜６００μｍ程度とされる。

カソードプレート３１の外側の表面は、カソード側多孔体８０と接触している。図３は、第１実施例におけるカソードプレート３１とカソード側多孔体８０の接触面の近傍の拡大図である。図４は、第１実施例におけるカソードプレート３１におけるカソード側多孔体８０との接触面の拡大図である。図２には、図１と同じ方向から見た図であり、図１において符合ＳＦ１で示す領域に対応している。図３は、図１における左側からカソードプレート３１の表面を見た図を示している。

カソードプレート３１におけるカソード側多孔体８０との接触面には、カソード側多孔体８０と接触する領域の全体に亘って、複数の非貫通の細孔３１０が形成されている。各細孔の径ｒ１は、少なくともカソード側多孔体８０の空孔部Ｖの径（気孔径）の最大値（最大気孔径）より小さく設定され、好ましくはカソード側多孔体８０の気孔径の平均値（平均気孔径）より小さく設定され、さらに好ましくは、カソード側多孔体８０の概ね全ての空孔部Ｖの径より小さくなるように十分小さく設定される。例えば、カソード側多孔体８０の平均気孔径が５０μｍ程度である場合、径ｒ１は、５〜２０μｍ程度に設定される。隣り合う細孔３１０間の距離ｈは、隣り合う細孔３１０間の平坦部ＦＰが、カソード側多孔体８０と接触した時に変形しない程度の距離に設定されるのが好ましい。

細孔３１０の形成は、エッチング、針状体による突き刺し加工、アルミナ粒子などの微少粒子を衝突させる衝突加工、などを用いて行われる。

なお、図示は省略するが、アノードプレート３３におけるアノード側多孔体９０との接触面にも、アノード側多孔体９０と接触する領域の全体に亘って同様の複数の細孔が形成されている。例えば、図１における符合ＳＦ２で示す部分を拡大すると、図３と同様の構成となっている。

・燃料電池の動作：
図５は、第１実施例の燃料電池スタックの動作を説明する説明図である。燃料ガス供給部から燃料ガスが、酸化ガス供給部から酸化ガスが、それぞれ、燃料電池スタック１００に供給されると、燃料電池スタック１００では電気化学反応に基づく発電が行われる。

燃料ガスは、図５において破線の矢印で示すように、アノード側多孔体９０の一方の端部（図５の例では下側）に供給され、アノード側多孔体９０の内部を他方の端部（図５の例では上側）に向かって流動し、他方の端部から排出される。燃料ガスの一部は、アノード側多孔体９０の内部からガス拡散層５５の内部に流入し、アノード５３に到達する。アノード５３に到達した燃料ガスは、アノード５３においてアノード反応に供される。

酸化ガスは、図５に実線の矢印で示すように、カソード側多孔体８０の一方の端部（図５の例では上側）に供給され、カソード側多孔体８０の内部を他方の端部（図５の例では下側）に向かって流動し、他方の端部から排出される。酸化ガスの一部は、カソード側多孔体８０の内部流路からガス拡散層５４の内部に流入し、カソード５２に到達する。カソード５２に到達した酸化ガスは、カソード５２においてカソード反応に供される。カソード反応では熱と水が生成される。

以上の説明から解るように、アノード側多孔体９０とガス拡散層５５とが、燃料ガスが流動する燃料ガス流路として機能し、カソード側多孔体８０とガス拡散層５４とが、酸化ガスが流動する酸化ガス流路として機能する。

本実施例では、燃料ガス流路における燃料ガスの流動方向は、酸化ガス流路層における酸化ガスの流動方向と反対となっている。

冷却媒体は、燃料電池スタック１００において発電が行われている間、冷却媒体循環部から燃料電池スタック１００に供給される。供給された冷却媒体は、セパレータ３０内部の冷却媒体流路６０を流動する。

カソード反応は、上述したように発熱反応であるので、その反応熱により膜電極接合体５０の近傍は、最も温度が高くなる。一方、セパレータ３０は、内部に冷却媒体が流動しているため、最も温度が低くなる。この結果、膜電極接合体５０とセパレータ３０との温度勾配によって、膜電極接合体５０からセパレータ３０に向かって熱の流れ（熱流）が発生する。図５において、白抜きの右向きの矢印および左向きの矢印は、膜電極接合体５０からセパレータ３０に向かう熱流を概念的に示している。このような熱流がセパレータ３０において冷却媒体流路６０を流れる冷却媒体に吸収されることにより、膜電極接合体５０の冷却が行われる。したがって、このような熱流の伝熱経路、すなわち、膜電極接合体５０からセパレータ３０の内部に至る経路の熱抵抗が低いほど、熱流による伝熱量が増加するため、膜電極接合体５０を冷却する性能が向上する。

ここで、燃料電池の発電中には、カソード反応により水が生成される。また、個体高分子型の燃料電池では、電解質膜５１を湿潤に保つ必要があるため、燃料ガスや酸化ガスに水分を加えて（加湿）供給する場合もある。このため、カソード側多孔体８０の内部には、液体の水が存在している。本実施例では、図３において符合Ｗで示すように、カソード側多孔体８０内部の水は、細孔３１０の吸引力により、カソードプレート３１とカソード側多孔体８０の接触界面に集まり易くなる。

細孔３１０の吸引力は、毛細管現象により生じる。毛細管現象による吸引力ΔＰは、ΔＰ≒Ｋ／ｒ（Ｋは係数、ｒは毛細管の径）で表される。すなわち、毛細管現象による吸引力ΔＰは、毛細管の径が小さいほど大きくなる。本実施例では、カソードプレート３１に形成された細孔３１０の径ｒ１は、カソード側多孔体８０の気孔径より小さくされているため、細孔３１０の吸引力は、カソード側多孔体８０の空孔部Ｖの吸引力より大きくなる。この結果、細孔３１０は、上述のようにカソード側多孔体８０内部の水をカソードプレート３１の表面近傍に吸い寄せ、保持することができる。

ここで、熱抵抗率（ｍ・Ｋ／Ｗ（熱伝導率の逆数））の大きさは、金属＜＜液体の水＜＜空気である。したがって、カソード側多孔体８０は、実際には、図２に示すように、細く、網の目状の骨格部Ｂを有している。カソード側多孔体８０の内部では、熱抵抗率の低い金属の骨格部Ｂが上述した熱流を伝える主たる伝熱媒体として機能する。一方で、カソード側多孔体８０の骨格部Ｂとカソードプレート３１との接触界面では、骨格部Ｂとカソードプレート３１との接触界面における物理的な接触は、点接触であったり、緻密な接触でないおそれがある。そうすると、このような接触界面では、骨格部Ｂとカソードプレート３１との接触部の熱抵抗が大きくなり、このような接触界面が、膜電極接合体５０からセパレータ３０への伝熱のボトルネックとなるおそれがある。

本実施例では、カソード側多孔体８０の骨格部Ｂとカソードプレート３１との接触界面に、空気よりはるかに熱抵抗率の小さい液体の水を保持することにより、水がカソードプレート３１とカソード側多孔体８０との接触界面において、上述した熱流を伝える伝熱媒体として機能する。この結果、このような接触界面の熱抵抗を低減することができ、膜電極接合体５０を冷却する性能が向上する。

カソード反応による生成水の一部は、電解質膜５１を透過してアノード側に移動するので、アノード側多孔体９０の内部にも液体の水が存在している。したがって、上述したカソード側多孔体８０とカソードプレート３１との接触界面と同様のメカニズムにより、アノード側多孔体９０とアノードプレート３３との接触界面においても熱抵抗が低減され、膜電極接合体５０を冷却する性能が向上する。

Ｂ．第２実施例：
図６および図７を参照して、第２実施例について説明する。図６は、第２実施例におけるカソードプレート３１ａにおけるカソード側多孔体８０との接触面の拡大図である。図７は、比較例におけるカソードプレート３１ａにおけるカソード側多孔体８０との接触面の拡大図である。

第２実施例における燃料電池は、カソードプレートおよびアノードプレートの表面の構成が、第１実施例における燃料電池と異なる。第２実施例における燃料電池のその他の構成は、図１に示す第１実施例における燃料電池の構成と同一であるので、以下の説明では、同一の構成要素については、図１に示す符合を用いることとし、その説明を省略する。

第２実施例のカソードプレート３１ａにおけるカソード側多孔体８０との接触面には、カソード側多孔体８０と接触する領域の全体に亘って、複数の溝３１０ａが形成されている。各溝３１０ａの巾Ｓ１は、少なくともカソード側多孔体８０の最大気孔径より小さく設定され、好ましくはカソード側多孔体８０の平均気孔径より小さく設定され、さらに好ましくは、カソード側多孔体８０の概ね全ての空孔部Ｖの径より小さくなるように十分小さく設定される。例えば、カソード側多孔体８０の平均気孔径が５０μｍ程度である場合、溝３１０ａの巾Ｓ１は、５〜２０μｍ程度に設定される。隣り合う溝３１０ａ間の距離ｍは、隣り合う溝３１０ａ間の平坦部が、カソード側多孔体８０と接触した時に変形しない程度の距離に設定されるのが好ましい。

複数の溝３１０ａは、接触するカソード側多孔体８０内部における酸化ガスの流動方向（図６：白抜きの矢印）に対して、略垂直に形成されている。なお、図６におけるＡ−Ａ断面は、図３と同様になっている。溝３１０ａの形成は、エッチング、針状体によるけがき加工などを用いて行われる。

なお、図示は省略するが、第２実施例のアノードプレート３３ａにおけるアノード側多孔体９０との接触面にも、アノード側多孔体９０と接触する領域の全体に亘って同様の複数の溝が形成されている。

第２実施例にかかる燃料電池によれば、毛細管現象による溝３１０ａの吸引力により、カソードプレート３１ａとカソード側多孔体８０との接触界面に液体の水が集まり易くなる。この結果、カソードプレート３１ａとカソード側多孔体８０との接触界面における熱抵抗が低減され、膜電極接合体５０を冷却する性能が向上する。

第２実施例において、溝３１０ａは、カソード側多孔体８０内部における酸化ガスの流動方向に対して、略垂直に形成されているので、酸化ガスの流れの力（せん断力）によって、溝３１０ａの近傍に滞留する水が酸化ガスの下流に流されてしまうことを抑制することができる。

例えば、図７に示す比較例に係るカソードプレート３１ｂのように、表面に形成された溝３１０ｂが、酸化ガスの流動方向に平行であると、溝３１０ｂ内部の水が酸化ガスの流れにと共に下流に排出され易い。第２実施例では、かかる不都合を抑制することができる。

Ｃ．第３実施例：
図８を参照して、第３実施例について説明する。図８は、第３実施例におけるカソードプレート３１ｃとカソード側多孔体８０ｃの接触面の近傍の拡大図である。

第３実施例における燃料電池は、カソードプレートおよびアノードプレートの表面の構成と、カソード側多孔体およびアノード側多孔体の構成が、第１実施例における燃料電池と異なる。第３実施例における燃料電池のその他の構成は、図１に示す第１実施例における燃料電池の構成と同一であるので、以下の説明では、同一の構成要素については、図１に示す符合を用いることとし、その説明を省略する。

第３実施例のカソードプレート３１ｃにおけるカソード側多孔体８０ｃとの接触面（図８）およびアノードプレート３３ｃにおけるアノード側多孔体９０ｃとの接触面（図示省略）には、第１実施例における細孔３１０や第２実施例における溝３１０ｂは形成されておらず、図８に示すように、完全に平坦である。

第３実施例のカソード側多孔体８０ｃは、図８に示すように、カソードプレート３１ｃとの接触面を含む小孔径部ＳＶと、小孔径部ＳＶより膜電極接合体５０側の部分である大孔径部ＬＶとを有する。小孔径部ＳＶの空孔部Ｖ１の平均気孔径は、溝３１０ａの巾Ｓ１は、少なくとも大孔径部ＬＶの空孔部Ｖ２の最大気孔径より小さく設定され、好ましくは大孔径部ＬＶの空孔部Ｖ２の平均気孔径より小さく設定され、さらに好ましくは、大孔径部ＬＶの概ね全ての空孔部Ｖ２の径より小さくなるように十分小さく設定される。例えば、大孔径部ＬＶの空孔部Ｖ２の平均気孔径は５０μｍ程度に設定され、小孔径部ＳＶの平均気孔径は５〜２０μｍ程度に設定される。また、小孔径部ＳＶは、カソードプレート３１ｃの近傍の僅かな領域に形成されるのが好ましい。例えば、カソード側多孔体８０ｃの全体の厚さが２００〜６００μｍ程度であるのに対して、小孔径部ＳＶは厚さ３０〜１００μｍ程度にされる。

カソード側多孔体８０ｃにおいて、小孔径部ＳＶと大孔径部ＬＶとは、それぞれ別体ではなく、一体に成形されることが好ましい。小孔径部ＳＶと大孔径部ＬＶを別体で成形し、これらを重ね合わせてカソード側多孔体８０ｃを作製すると、小孔径部ＳＶと大孔径部ＬＶとの間に接触界面ができるため、接触界面において熱抵抗が増大するおそれがあるためである。

図９を参照して、カソード側多孔体８０ｃの製造方法の一例を説明する。図９は、カソード側多孔体８０ｃの製造工程を示すフローチャートである。

まず、小孔径部ＳＶに対応する第１の発泡樹脂と大孔径部ＬＶに対応する第２の発泡樹脂を重ね合わせて、カソード側多孔体８０ｃ全体のための発泡体を準備する（ステップＳ１０２）。発泡樹脂は、例えば、発泡ウレタンが用いられる。発泡樹脂の気孔径が、最終的に製造される多孔体の気孔径を決定するので、小孔径部ＳＶに対応する第１の発泡樹脂は、大孔径部ＬＶに対応する第２の発泡樹脂よりも気孔径が小さいものが用いられる。

次に、準備された発泡体の表面（発泡体の骨格の表面）に、導電性の被膜を形成する（ステップＳ１０４）。具体的には、カーボン粉末あるいは金属粉末を含有した導電性塗料を発泡体骨格の表面に塗布する。あるいは、無電解メッキにより金属を発泡体骨格の表面にコーティングする。

次に、導電性被膜の表面にカソード側多孔体８０ｃの骨格となる金属を電析（電気メッキ）する。（ステップＳ１０６）。メッキ厚さは、カソード側多孔体８０ｃの骨格の厚さとなる。

骨格となる金属を電析させた後、加熱処理により、樹脂材料（発泡樹脂）を分解して除去する（ステップＳ１０８）。この結果、電析させた金属を骨格部とする多孔体が形成される。

加熱処理が終了すると、形成された多孔体に対して圧延・切削加工を行うことにより、最終的に、カソード側多孔体８０ｃが製造される（ステップＳ１１０）。

以上説明した製造方法によれば、大孔径部ＬＶと小孔径部ＳＶが一体に成型されたカソード側多孔体８０ｃを製造することができる。

なお、図示および説明を省略するが、第３実施例のアノード側多孔体９０ｃも、カソード側多孔体８０ｃと同様に、大孔径部ＬＶと小孔径部ＳＶを有する構造を有している。例えば、第３実施例における燃料電池において、図１における符合ＳＦ２で示す領域を拡大すると、図８と同様の構成となっている。

第３実施例にかかる燃料電池では、カソード側多孔体８０ｃにおいて、小孔径部ＳＶの気孔径は、大孔径部ＬＶの気孔径より小さくされているため、小孔径部ＳＶの吸引力は、大孔径部ＬＶの吸引力より大きくなる。したがって、図８において符合Ｗで示すように、カソード側多孔体８０ｃとカソードプレート３１ｃとの接触界面に液体の水が集まり、保持され易くなる。この結果、カソード側多孔体８０ｃとカソードプレート３１ｃとの接触界面における熱抵抗が低減され、膜電極接合体５０を冷却する性能が向上する。

カソード側多孔体８０ｃとカソードプレート３１ｃとの接触界面と同様のメカニズムにより、アノード側多孔体９０ｃとアノードプレート３３ｃとの接触界面においても、液体の水が集まり、保持され易くなる。この結果、アノード側多孔体９０ｃとアノードプレート３３ｃとの接触界面における熱抵抗が低減され、膜電極接合体５０を冷却する性能が向上する。

Ｄ．変形例：
・第１変形例：
上記第１〜第３実施例では、熱抵抗を低減するための物理構造を設けること、具体的には、セパレータ３０の表面に細孔３１０や溝３１０ａを設けることや、反応ガス流路として機能する多孔体８０ｃ、９０ｃに小孔径部ＳＶを設けることを、アノード側とカソード側の両方に対して行っているが、いずれか一方だけに対して行っても良い。例えば、生成水はカソード５２において生成されるので、一般的に、カソード側多孔体の内部の方が、アノード側多孔体の内部より水の量が多い。このため、より効果が高いと考えられるカソード側だけに熱抵抗を低減するための物理構造を設けても良い。

・第２変形例：
上記第１または第２実施例の構成と、上記第３実施例の構成とを組み合わせても良い。具体的に、カソード側の構成例について説明すると、第３実施例に示したカソード側多孔体８０ｃと、第１実施例に示したカソードプレート３１を組み合わせても良い。かかる場合には、カソードプレート３１の表面に形成される細孔３１０の径ｒ１を、カソード側多孔体８０ｃにおける小孔径部ＳＶの気孔径より、さらに小さく設定すれば良い。例えば、カソード側多孔体８０ｃにおける大孔径部ＬＶの平均気孔径を５０μｍ、小孔径部ＳＶの平均気孔径を２０μｍ、カソードプレート３１の細孔３１０の径ｒ１を１０μｍにそれぞれ設定しても良い。こうすれば、カソード側多孔体８０ｃの内部の水は、小孔径部ＳＶの吸引力により小孔径部ＳＶ内部に集められ、小孔径部ＳＶに集められた水は、小孔径部ＳＶの吸引力よりさらに強い細孔３１０の吸引力によって、カソードプレート３１の表面近くに集められる。したがって、よりカソードプレートとカソード側多孔体との接触界面に、水が集まり易くなる。この結果、カソード側多孔体８０ｃとカソードプレート３１ｃとの接触界面における熱抵抗が低減され、膜電極接合体５０を冷却する性能が向上する。

・第３変形例：
上記第２実施例では、溝３１０ａが延びる方向は、反応ガスの流動方向に対して略垂直にされているが、他の角度を適宜採用しても構わない。例えば、溝３１０ａが延びる方向は、反応ガスの流動方向に対して平行でなく、反応ガスの流動により溝３１０ａに滞留する水が押し流されることを低減するように、ある程度の角度をなしていれば良い。

また、上記第１実施例では、細孔３１０は、カソードプレート３１の表面と平行な断面の形状が円形となっているが、例えば、他の形状を適宜採用可能である。例えば、細孔３１０の形状は、長方形、楕円形、などであっても良く、細孔３１０の形状の少なくとも一方向の巾が実施例における径ｒ１に設定されていれば良い。

一般的には、カソードプレート３１やアノードプレート３３に形成される細孔や溝は、反応ガスの流動により細孔または溝に滞留する水が押し流されにくいように、反応ガスの流動方向に連続していないことが好ましい。

・第４変形例：
上記実施例では、膜電極接合体５０の各部材、各多孔体８０、９０、セパレータ３０の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、カソード側多孔体８０およびアノード側多孔体９０を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。

・第５変形例：
上記実施例では、固体高分子型の燃料電池スタックが利用されているが、他のタイプの燃料電池スタックが利用されても良い。例えば、液体の水が存在可能な温度および圧力条件下において、運転可能な燃料電池に本発明を適用しても良い。

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。例えば、当業者に自明な範囲で、上記実施例および変形例に示した具体的な形状、寸法、材料などを適宜変更して採用可能である。

第１実施例における燃料電池スタックの部分断面図。 多孔体の拡大断面図。 第１実施例におけるカソードプレートとカソード側多孔体の接触面の近傍の拡大図。 第１実施例におけるカソードプレートにおけるカソード側多孔体との接触面の拡大図。 第１実施例の燃料電池スタックの動作を説明する説明図。 第２実施例におけるカソードプレートにおけるカソード側多孔体との接触面の拡大図。 比較例におけるカソードプレートにおけるカソード側多孔体との接触面の拡大図。 第３実施例におけるカソードプレートとカソード側多孔体の接触面の近傍の拡大図。 カソード側多孔体の製造工程を示すフローチャートである。

符号の説明

３０…セパレータ
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…カソードプレート
３２…中間プレート
３３、３３ａ…アノードプレート
５０…膜電極接合体
５１…電解質膜
５２…カソード
５３…アノード
５４…ガス拡散層
５５…ガス拡散層
６０…冷却媒体流路
８０、８０ｃ…カソード側多孔体
１００…燃料電池スタック
３１０…細孔
３１０ａ…溝
ＳＶ…小孔径部
ＬＶ…大孔径部

Claims (9)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と一対の電極からなる膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の第１の側に配置されたセパレータと、
   前記セパレータと前記膜電極接合体との間に配置され、前記セパレータと接触すると共に、反応ガスが流動する多孔体と、
   を備え、
   前記セパレータまたは前記多孔体は、前記セパレータと前記多孔体との接触面に水を保持するための物理構造部を有する、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記多孔体には、所定の流動方向に前記反応ガスが流動し、
   前記物理構造部は、前記セパレータにおける前記多孔体との接触面に形成され、前記反応ガスの流動方向に連続しない凹部であり、
   前記凹部の少なくとも一方向の巾は、前記多孔体の最大孔径より小さい、燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記凹部は、孔径が前記多孔体の最大孔径より小さい非貫通の孔である燃料電池。
4. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記凹部は、溝巾が前記多孔体の最大孔径より小さく、前記反応ガスの流動方向に対して平行でない方向に延びる溝である燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池において、
   前記溝は、前記反応ガスの流動方向に対して略垂直である燃料電池。
6. 請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記凹部の少なくとも一方向の巾は、前記多孔体の平均孔径より小さい
7. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記物理構造は、前記多孔体における前記セパレータとの接触面近傍に設けられた小孔径部であり、
   前記小孔径部の孔径は、前記多孔体における他の部分における最大孔径より小さい燃料電池。
8. 請求項７に記載の燃料電池において、
   前記小孔径部の孔径は、前記多孔体における他の部分における平均孔径より小さい燃料電池。
9. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記セパレータは、内部に冷却媒体が流動する冷却媒体流路を有する、燃料電池。

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