JP4923387B2 - 多孔質のセパレータを備える燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質のセパレータを備える燃料電池に関する。

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が、水分を効率よく取り込むことが困難であることに起因する。

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、
前記電解質層の両側にそれぞれ設けられた一対の電極層と、
前記電解質層の両側にそれぞれ設けられ、前記電解質層との間で各前記電極層を挟む一対のガス拡散層と、
前記電解質層の両側にそれぞれ設けられ、前記各電極層との間で各前記ガス拡散層を挟む一対のセパレータであって、前記一対のセパレータには、前記各ガス拡散層を介して前記各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おり、前記一対のセパレータは、前記各ガス拡散層に対向して前記反応ガス通路の一部を構成する凸部を有し、前記一対のセパレータのうちカソード側のセパレータのみが、前記反応ガス流路であるカソードガス流路の下流部分に前記カソード側のセパレータの厚さ方向に亘って配置されている多孔質部を含む、前記一対のセパレータと、
前記ガス拡散層と前記多孔質部との間に設けられた導電性を有する網状部材と、
を備えることを特徴とする。

この装置では、ガス拡散層と多孔質部との間に網状部材が設けられているため、多孔質部の凸部に押圧されることによって、ガス拡散層が変形するのを抑制することができる。このため、ガス拡散層は、水分を効率よく蓄えることができ、多孔質部は、その凸部から、ガス拡散層に蓄えられた水分を網状部材を介して効率よく取り込むことができる。この結果、セパレータは、電極で生成された水分を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、
前記網状部材は、金属製の部材であることが好ましい。

こうすれば、網状部材は、比較的高い導電性を発揮することができる。

なお、金属部材としては、例えば、チタンを含有する部材を用いることができる。ただし、電解質層がフッ素原子を含有する場合には、網状部材は、チタン含有基材にフッ素に対する耐食性を有するメッキが形成された部材であることが好ましい。

上記の装置において、
前記網状部材は、前記多孔質部に対応する領域に設けられており、
前記網状部材に含まれる前記多孔質部の前記凸部に対応する部分領域には、親水処理が施されていることが好ましい。

こうすれば、水分が網状部材の部分領域に保持され易くなるため、多孔質部は、水分をより効率よく取り込むことができる。

上記の装置において、
前記網状部材は、前記多孔質部の前記凸部に対応する領域に選択的に設けられていてもよい。

こうすれば、網状部材の使用量を低減させることができるため、燃料電池の製造コストを低下させることができる。

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：

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。

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、比較例におけるセル１１０Ｚ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。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、それぞれ、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との間の導電性が高められている。

図６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６は、図５とほぼ同じであるが、導電性を有する網状部材１７０が追加されている。網状部材１７０は、カソード側拡散層１４０とカソード側セパレータ１６０との間に設けられている。より具体的には、カソード側セパレータ１６０は、図４で説明したように、緻密質部１６１と多孔質部１６２とを備えており、網状部材１７０は、カソード側拡散層１４０と多孔質部１６２との間に設けられている。なお、多孔質部１６２の第１の面Ｓｃ１側の凸部１６２ａの頂面は、カソード側拡散層１４０に対向して網状部材１７０と接触する対向面であり、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）とは、網状部材１７０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。

図７は、網状部材１７０の一部を拡大して示す説明図である。網状部材１７０は、網状のチタン（Ｔｉ）含有基材（Ｔｉ基材またはＴｉ合金基材）に白金（Ｐｔ）メッキが形成された部材である。網状部材１７０の各開口のサイズは、例えば、約１mm×約１mmに設定されている。なお、網状部材１７０は、複数の切れ目（ミシン目）が形成されたＴｉ含有シートを切れ目と直交する方向に拡張することによって得られたＴｉ含有基材に、Ｐｔメッキを施すことによって得られる。

ところで、比較例（図５）では、カソード側拡散層１４０は、多孔質部１６２の凸部１６２ａによって押圧されており、変形している。カソード側拡散層１４０は、前述のように、例えばカーボンクロスで形成されており、凸部１６２ａによって押圧されると、凸部１６２ａの頂面に対応する領域ＣＡにおいて、カソード側拡散層１４０内の気孔、換言すれば、炭素繊維間の隙間が潰れてしまう。一方、本実施例（図６）では、カソード側拡散層１４０と多孔質部１６２との間には、網状部材１７０が設けられている。このため、カソード側拡散層１４０が凸部１６２ａによって押圧されても、カソード側拡散層１４０の変形は抑制される。より具体的には、凸部１６２ａの頂面に対応する領域ＣＡにおいて、カソード側拡散層１４０内の気孔が潰れてしまうのが抑制される。

本実施例の構成を採用すれば、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、凸部１６２ａの頂面を介して、カソード側拡散層１４０内に蓄えられた水分を取り込む。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、網状部材１７０が設けられていない場合には、多孔質部１６２は、凸部１６２ａの頂面を介して、水分を効率よく取り込むことが困難である。これは、カソード側拡散層１４０の対応領域ＣＡ内の気孔が潰れてしまうことによって、水分が対応領域ＣＡを透過し難くなると共に、水分が対応領域ＣＡに蓄えられ難くなるためである。しかしながら、本実施例では、カソード側拡散層１４０と多孔質部１６２との間には、網状部材１７０が設けられている。このため、カソード側拡散層１４０の対応領域ＣＡ内の気孔が潰れてしまうのが抑制され、水分は、対応領域ＣＡを透過し易くなると共に、対応領域ＣＡに蓄えられ易くなる。したがって、多孔質部１６２は、その凸部１６２ａから、カソード側拡散層１４０に蓄えられた水分を網状部材１７０を介して効率よく取り込むことができる。この結果、カソード側セパレータ１６０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、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、網状部材１７０が設けられているため、スタック１００の出力特性を向上させることができる。すなわち、図５に示すように、網状部材１７０が設けられていない場合には、酸素ガスは、カソード側拡散層１４０の対応領域ＣＡを介して、凸部１６２ａ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、網状部材１７０が設けられている場合には、酸素ガスは、網状部材１７０とカソード側拡散層１４０の対応領域ＣＡとを介して、凸部１６２ａ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できる。

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、網状部材１７０が設けられていない場合には、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、網状部材１７０を設けることに伴う上記の効果は、顕著となる。

さらに、本実施例では、網状部材１７０を設けることによって、カソード側拡散層１４０が受ける圧縮方向の応力集中が緩和される。より具体的には、網状部材１７０が設けられていない場合には、カソード側拡散層１４０の対応領域ＣＡに応力が集中してしまうが、網状部材１７０を設けることによって、カソード側拡散層１４０の応力分布が均一化される。このため、電解質膜１２２の機械的なダメージを緩和することができ、この結果、電解質膜１２２の寿命を長期化することができる。

ところで、本実施例の網状部材１７０は、前述のように、網状のＴｉ含有基材にＰｔメッキが形成された部材である。Ｔｉ含有基材は高い強度を有するため、カソード側拡散層１４０が受ける応力集中を効率よく緩和することができる。また、Ｔｉ含有基材は比重が小さいため、スタック１００を軽量化することができる。ただし、本実施例では、電解質膜１２２として、パーフルオロ型膜として知られるフッ素樹脂系イオン交換膜（ナフィオン膜）が利用されている。このように、電解質膜１２２がフッ素原子を含有している場合には、Ｔｉ含有基材は、フッ素に起因して腐食してしまう。そこで、本実施例では、Ｔｉ含有基材には、フッ素に対する耐食性を有するＰｔメッキが施されている。

Ｂ．第２実施例：
図８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８は、図６とほぼ同じであるが、網状部材１７０Ｂが変更されている。

本実施例では、網状部材１７０Ｂは、親水処理が施された親水処理層１７１を備えている。具体的には、網状部材１７０のうち、多孔質部１６２の凸部１６２ａに対応する部分領域には、親水処理が施されている。なお、親水処理層１７１は、網状部材１７０Ｂの該部分領域にナフィオン液とカーボンとを含む塗布剤を選択的に塗布することによって、得られる。

本実施例の構成を採用すれば、水分は親水処理層１７１に保持され易くなるため、多孔質部１６２は、親水処理層１７１を介して、水分をより効率よく取り込むことができる。

Ｃ．第３実施例：
図９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９は、図６とほぼ同じであるが、網状部材１７０Ｃが変更されている。

第１実施例では、網状部材１７０は、多孔質部１６２の全体に対応する領域に設けられているが、本実施例では、網状部材１７０Ｃは、多孔質部１６２の凸部１６２ａに対応する領域のみに選択的に設けられている。

本実施例の構成を採用する場合にも、第１実施例と同様に、カソード側拡散層１４０の変形を抑制することができる。また、網状部材１７０Ｃの使用量を低減させることができるため、スタックの製造コストを低下させることができる。

なお、第２実施例と同様に、網状部材１７０Ｃには、親水処理が施されていてもよい。

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、網状部材として、網状のＴｉ含有基材にＰｔメッキが形成された部材が用いられているが、これに代えて、網状のステンレス鋼基材に金（Ａｕ）メッキが形成された部材や、網状の金（Ａｕ）部材を用いるようにしてもよい。一般には、網状部材は、スタック内部の環境に対する耐食性を有する金属部材であればよい。

（２）上記実施例では、網状部材として、複数の切れ目が形成された金属シートを拡張した部材（エキスパンド部材）が用いられているが、網状部材は、複数の線材が網状に織られた部材であってもよい。また、網状部材は、金属シートに複数の開口（例えばパンチ孔）が設けられた部材であってもよい。

また、上記実施例では、略正方形の開口を有する網状部材が用いられているが、これに代えて、他の形状の開口を有する網状部材が用いられてもよい。図１０は、網状部材１７０’の一部を拡大して示す説明図である。図示するように、網状部材１７０’は、略長方形の開口を有している。なお、この網状部材１７０’は、枠状の線材の内側に複数の線材を配列することによって形成されている。このような網状部材１７０’を用いる場合にも、カソード側拡散層１４０の変形を抑制することができる。

一般には、網状部材は、任意の形状を有する複数の開口を備えていればよい。

（３）上記実施例では、網状部材として、金属部材が用いられているが、網状部材としては、カーボン部材が用いられてもよい。カーボン部材は、カソード側拡散層１４０よりも高い剛性を有することが好ましい。なお、網状のカーボン部材としては、複数の開口が形成されたカーボンペーパを用いることができる。ただし、金属製の網状部材は、比較的高い導電性を発揮することができるという利点がある。

一般には、ガス拡散層と多孔質部との間には、導電性を有する網状の部材が設けられていればよい。

（４）上記実施例では、各セパレータの成形材料は、カーボン粉末と樹脂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）と樹脂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。

（５）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、カソード拡散層に対向する凸部を有していればよい。

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。 比較例におけるセル１１０Ｚの具体的な構造を示す説明図である。 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。 網状部材１７０の一部を拡大して示す説明図である。 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。 網状部材１７０’の一部を拡大して示す説明図である。

符号の説明

１００…燃料電池スタック
１１０，Ｂ，Ｃ，Ｚ…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
１４２，１４２Ｃ…被接触層
１４４…親水処理層
１４６…撥水処理抑制層
１４７…撥水処理層
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…多孔質領域（多孔質部）
１６２ａ…凸部
１７０，Ｂ，Ｃ，１７０’…網状部材
１７１…親水処理層
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 (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質層と、
   前記電解質層の両側にそれぞれ設けられた一対の電極層と、
   前記電解質層の両側にそれぞれ設けられ、前記電解質層との間で各前記電極層を挟む一対のガス拡散層と、
   前記電解質層の両側にそれぞれ設けられ、前記各電極層との間で各前記ガス拡散層を挟む一対のセパレータであって、前記一対のセパレータには、前記各ガス拡散層を介して前記各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おり、前記一対のセパレータは、前記各ガス拡散層に対向して前記反応ガス通路の一部を構成する凸部を有し、前記一対のセパレータのうちカソード側のセパレータのみが、前記反応ガス流路であるカソードガス流路の下流部分に前記カソード側のセパレータの厚さ方向に亘って配置されている多孔質部を含む、前記一対のセパレータと、
   前記ガス拡散層と前記多孔質部との間に設けられた導電性を有する網状部材と、
   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、
   前記網状部材は、金属製の部材である、燃料電池。
3. 燃料電池であって、
   電解質層と、
   前記電解質層の両側にそれぞれ設けられた一対の電極層と、
   前記電解質層の両側にそれぞれ設けられ、前記電解質層との間で各前記電極層を挟む一対のガス拡散層と、
   前記電解質層の両側にそれぞれ設けられ、前記電極層との間で各前記ガス拡散層を挟む一対のセパレータであって、前記一対のセパレータには、前記各ガス拡散層を介して前記各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おり、前記一対のセパレータのうちカソード側のセパレータのみが多孔質部を有し、前記多孔質部はカソード側の前記ガス拡散層に対向して前記反応ガス通路の一部を構成する凸部を有する、前記一対のセパレータと、
   前記ガス拡散層と前記多孔質部との間の前記多孔質部に対応する領域に設けられた導電性を有する網状部材であって、前記多孔質部の前記凸部に対応する部分領域には、親水処理が施されている網状部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記網状部材は、前記多孔質部の前記凸部に対応する領域に選択的に設けられている、燃料電池。
5. 請求項３記載の燃料電池であって、
   前記網状部材は、金属製の部材である、燃料電池。

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