JP5246329B2

JP5246329B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5246329B2
Application number: JP2011506898A
Authority: JP
Inventors: 圭二橋本; 浩右川尻; 諭二見
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-07-24
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Description

本発明は、例えば電気自動車等に搭載される燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、積層された多数枚の発電セルによって構成された電池スタックを備えている。図７〜図１０により従来の発電セルについて説明する。図７に示すように一対のフレーム１３，１４の接合部には電極構造体１５が装着されている。この電極構造体１５は、固体電解質膜１６と、アノード側に位置する電極触媒層１７と、カソード側に位置する電極触媒層１８とにより構成されている。固体電解質膜１６の外周縁は、前記両フレーム１３，１４により挟着されている。アノード側の電極触媒層１７は、電解質膜１６の上面に積層されており、カソード側の電極触媒層１８は、電解質膜１６の下面に積層されている。前記電極触媒層１７の上面にはアノード側のガス拡散層１９が積層され、前記電極触媒層１８の下面にはカソード側のガス拡散層２０が積層されている。さらに、ガス拡散層１９の上面にはアノード側のガス流路形成体２１が積層され、前記ガス拡散層２０の下面には、カソード側のガス流路形成体２２が積層されている。前記ガス流路形成体２１の上面には平板状のセパレータ２３が接合され、ガス流路形成体２２の下面には平板状のセパレータ２４が接合されている。

前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。前記電極触媒層１７，１８は、図８に示すように、触媒を担持する粒状の炭素粒子５１を備えており、炭素粒子５１の表面には、白金（Ｐｔ）からなる多数の触媒粒子５２が付着している。電極触媒層１７，１８は、電極触媒層を形成するためのペーストによって前固体電解質膜１６に接着されている。触媒としての前記触媒粒子５２により燃料電池の発電が行われる際に発電効率を高めることができる。前記ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーにより構成されている。図９に示すように、前記ガス流路形成体２１（２２）は、ラスカットメタルにより形成されており、このラスカットメタルには、多数の六角形のリング部２１ａ（２２ａ）が蛇行するように形成されている。各リング部２１ａ（２２ａ）には、貫通孔２１ｂ（２２ｂ）が形成されている。燃料ガス（酸化ガス）は、リング部２１ａ（２２ａ）及び貫通孔２１ｂ（２２ｂ）によって形成されたガス流路を流れる。図９は、ガス流路形成体２１，２２の一部を拡大して描いたものである。

図７に示すように、前記フレーム１３，１４には、燃料ガスの供給通路Ｍ１及び燃料ガスの導出通路Ｍ２が形成されている。燃料ガスの供給通路Ｍ１は、燃料ガスとしての水素ガスをアノード側のガス流路形成体２１のガス流路に供給するための通路である。燃料ガスの導出通路Ｍ２は、ガス流路形成体２１のガス流路を通過した燃料ガス、すなわち燃料オフガスを外部に導出するための通路である。前記フレーム１３，１４には、酸化ガスの供給通路及び酸化ガスの導出通路が形成されている。酸化ガスの供給通路は、図７の紙面の裏側に位置し、酸化ガスとしての空気をカソード側のガス流路形成体２２のガス流路に供給するための通路である。酸化ガスの導出通路は、図７の紙面の表側に位置し、ガス流路形成体２２のガス流路を通過した酸化ガス、すなわち酸化オフガスを外部に導出するための通路である。

図示しない水素ガスの供給源から水素ガスが図７に矢印で示すガスの流れ方向Ｐに沿って前記燃料ガスの供給通路Ｍ１を通じて前記ガス流路形成体２１に供給されるとともに、図示しない空気の供給源から空気がガス流路形成体２２に供給されることにより、発電セル内で電気化学反応により発電が行われる。具体的には、アノード側のガス流路形成体２１に供給された水素ガス（Ｈ_２）は、ガス拡散層１９を通して電極触媒層１７に流入する。この電極触媒層１７において、水素（Ｈ_２）が次式（１）で示すように水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）となり、電極触媒層１７の電位は、周知のように標準電極電位として零ボルトとなる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
上記の反応によって得られた水素イオン（Ｈ^＋）は、アノード側の電極触媒層１７から固体電解質膜１６を浸透してカソード側の電極触媒層１８に至る。ガス流路形成体２２側から電極触媒層１８に供給された空気中の酸素（Ｏ_２）と、前記水素イオン（Ｈ^＋）及び電子（ｅ⁻）とが化学的に反応して、次式（２）で示すように生成水が生成される。この化学反応によって電極触媒層１８の電位は、周知のように標準電極電位として、１．０ボルト前後となる。

１／２・Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
このように、正常な燃料電池の発電状態においては、図１０に示すように、アノード側の電極触媒層１７（ガス拡散層１９）の電位がカソード側の電極触媒層１８（ガス拡散層２０）の電位よりも低くなる。そのため、アノード側のガス流路形成体２１においては、カソード側のガス流路形成体２２と比較して、高電位による金属酸化が生じにくい。従って、図１０に示すように、ガス流路形成体２１の材料としては、耐腐蝕性が低いフェライト系ＳＵＳ等の安価なステンレススチールが用いられている。反対に、高電位となるカソード側のガス流路形成体２２は、図１０に示すように、耐腐蝕性に優れた例えば金等により形成されている。特許文献１には図７に示す構成と同様の燃料電池が開示されている。
特開２００７−８７７６８号公報特開２００７−３１１０８９号公報

上記従来の燃料電池において発電の際に用いられなかった一部の水素ガスは、燃料オフガスとしてガス流路形成体２１のガス流路及び導出通路Ｍ２を通じて外部に排出される。発電の際に還元されなかった酸素ガスの一部は、前述した式（２）の反応で生成された生成水及び空気中の窒素ガスとともに酸化オフガスとしてフレーム１３，１４に形成された導出通路（図示略）を通じて外部に排出される。前記生成水の一部はカソード側の前記電極触媒層１８、固体電解質膜１６、アノード側の電極触媒層１７及びガス拡散層１９を浸透して、ガス流路形成体２１のガス流路へ浸透水として流入する。この浸透水は、前記燃料オフガスとともにガス流路形成体２１のガス流路及び導出通路Ｍ２を通して外部に排出される。

図９に示すように、ガス流路形成体２１（２２）は、多数の六角形のリング部２１ａ（２２ａ）が蛇行状に形成され、各リング部２１ａ（２２ａ）及び貫通孔２１ｂ（２２ｂ）により形成されたガス流路を通して燃料ガスが流れる。この構成により、複雑に蛇行するガス流路の壁面に浸透水（生成水）が表面張力によって付着し易い。そのため、ガス流路形成体２１（２２）のガス流路から浸透水（生成水）の一部が外部に排出されずに、ガス流路内において水滴となって残留するおそれがある。このように浸透水（生成水）がガス流路内に残留すると、以下のような問題があることが判った。

即ち、図８に示すように、ガス拡散層１９，２０の表面に水滴Ｗが付着すると、燃料ガス（酸化ガス）がその水滴Ｗによって遮られ、前記ガス拡散層１９，２０及び電極触媒層１７，１８においてその水滴Ｗに対応する部分に供給されないことがある。その結果、電極触媒層１７，１８の燃料ガス（酸化ガス）が供給されない部分において、適正な電池反応が行われず、発電効率が低下するおそれがある。又、ガス拡散層１９，２０の表面に水滴Ｗが付着すると、ガス流路の通路面積が狭くなる。その結果、燃料ガス（酸化ガス）が流れ難くなり、燃料ガス（酸化ガス）の圧力損失が大きくなることに起因して、発電効率が低下するという問題があった。さらに、各発電セルのガス流路形成体２１（２２）のガス流路に残留した水滴Ｗの量の相違により、各発電セルにおける燃料ガス（酸化ガス）の流量、ひいては各発電セルの発電電圧のバラツキが生じることがある。その結果、燃料電池スタック全体の発電出力が低下し、この点からも発電効率が低下するという問題があった。

図８に示すように、アノード側のガス流路形成体２１のガス流路に進入した浸透水が水滴Ｗとなってそのガス流路に残留すると、水素ガスが電極触媒層１７に進入することが阻害される。その結果、電極触媒層１７は、局所的に水素が欠乏する状態になる。周知のように、アノード側のガス拡散層１９内の水素の一部は、前記電極触媒層１７、固体電解質膜１６及び電極触媒層１８を浸透して、カソード側のガス拡散層２０内に入る。ガス拡散層２０内の酸素の一部は、電極触媒層１８、固体電解質膜１６及び電極触媒層１７を浸透して、ガス拡散層１９に入る。すなわち、ガス拡散層１９とガス拡散層２０との間において、微量ではあるが水素と酸素のクロスリークが生じる。このように水素と酸素とのクロスリークが発生した場合、電極触媒層１７の水素が欠乏する部分において、該部分に入った酸素（Ｏ_２）を還元する水素が存在しないため、次の現象が生じる。

即ち、アノード側の電極触媒層１７内に進入した酸素（Ｏ_２）は、固体電解質膜１６のフッ素系の高分子膜に存在している水和プロトン（水分子をともなった水素イオンＨ^＋・ｘＨ_２Ｏ）により還元される。すなわち、この水和プロトン、酸素及びマイナスの電子が反応して、次式（３）で示すように水が生成される。なお、水和プロトンは、固体電解質膜１６を構成する高分子膜の電荷担体であり、これが高分子膜のスルホン酸基（−ＳＯ_３ ⁻−）の間を移動し、固体電解質膜１６から電極触媒層１７へ移動する。

１／２×Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（３）
この結果、アノード側の電極触媒層１７及びガス拡散層１９の電位は、前述したように通常は零ボルトであるが、式（３）の反応により水素が欠乏する状態にある両層１７，１９の標準電極電位が１．０ボルト前後に上昇する。両層１７，１９の標準電極電位の上昇により、耐腐蝕性が低いフェライト系ＳＵＳにより形成されたガス流路形成体２１が腐蝕されて酸化され、その耐久性が低下するという問題があった。前記ガス流路形成体２１が腐蝕されて酸化されると、腐蝕部分の電気抵抗が高くなるため、発電された電気の流れが阻害されて、発電出力が低下するという問題もあった。

カソード側の電極触媒層１８においては、前述したように固体電解質膜１６を形成する高分子膜内の水和プロトン（水素イオンＨ^＋・ｘＨ_２Ｏ）が減少する。この水和プロトンの減少を補うために、前記電極触媒層１８を構成する炭素（Ｃ）と水とが次式（４）のように反応して、二酸化炭素と水素イオン（Ｈ^＋）が生成される。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻・・・（４）
上記の化学反応によって、カソード側の電極触媒層１８の炭素粒子５１（Ｃ）が浸食されて減少し、炭素粒子５１に付着されていた触媒粒子５２が電極触媒層１８及びガス拡散層２０を経てガス流路形成体２２のガス流路に流失する。これにより、電極触媒層１８が早期に薄くなり、発電セルの耐久性が低下するという問題があった。更に、電極触媒層１８の炭素粒子５１が浸蝕されて、触媒粒子５２が流失すると、電極触媒層１８における触媒（白金）の量が減少して、電極触媒層１８の触媒機能が低下することとなる。これにより、発電効率が低下し、発電出力が低下するという問題があった。

上述した問題を解消するため、従来、図１１に示すような燃料電池が提案されている。この燃料電池は、アノード側のガス流路形成体２１とセパレータ２３との間及びカソード側のガス流路形成体２２とセパレータ２４との間に連続気孔を有する多孔質体６１，６２がそれぞれ介在されている。前記多孔質体６１，６２は、第１の多孔質層、第２の多孔質層及び緻密質層の三層構造になっており、順に連続気孔の気孔径が小さくなるようになっている。そして、アノード側の前記多孔質体６１によりガス流路形成体２１内の浸透水を毛管作用により吸い込むとともに、カソード側の多孔質体６２によりガス流路形成体２２内の生成水を毛管作用により吸い込む。両多孔質体６１，６２内の水は、ガス流路形成体２１，２２内を流れるガス流によって下流側へ押されて、導出通路に排出されるようになっている。（特許文献２には上記の燃料電池と同様の構成が開示されている）ところが、上記従来の燃料電池においては、多孔質体６１，６２に毛管作用より吸い込まれた水が多孔質体６１，６２の連続気孔に保持されたままになり易く、多孔質体６１，６２の下流端から導出通路に排出され難い。このため、多孔質体６１，６２の連続気孔が全て水で満たされた後、連続気孔に吸い込まれない水は、ガス流路形成体２１，２２のガス流路に溢れ出た状態となる。この水の一部は、ガス流路を流れる燃料ガス（酸化ガス）によって導出通路へ排出される。しかし、ガス流路形成体２１，２２のガス流路に排出されない水滴が残留し、この残留水滴によって生じる前述した各種の問題を解消することができない。

本発明の第１の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、発電効率を向上させることができる燃料電池を提供することにある。本発明の第２の目的は、発電効率を向上させるとともに、アノード側のガス流路形成部材及びカソード側の電極触媒層の耐久性を向上させることができる燃料電池を提供することにある。

本発明の第１の目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、電解質膜のアノード側の面に積層された第１電極触媒層と、同電解質膜のカソード側の面に積層された第２電極触媒層と、前記第１電極触媒層の表面に積層され、燃料ガスを供給するための第１ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、前記第２電極触媒層の表面に積層され、酸化ガスを供給するための第２ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記第１ガス流路形成体に設けられた第１セパレータと、前記第２ガス流路形成体の表面側に積層された第２セパレータと、前記燃料ガスの導入通路及び導出通路と、前記酸化ガスの導入通路及び導出通路とを備える燃料電池において、前記第２ガス流路形成体の表面と、該第２ガス流路形成体と対応する前記第２セパレータの裏面との間に第２ガス流路の水を毛管作用により吸い込む連続気孔を有する多孔質層が介在され、
前記第２ガス流路形成体の第２ガス流路の下流端と連通し、かつ前記多孔質層の連続気孔の下流端と連通するように、連続気孔を有する多孔質材料よりなる排水促進部材が配設され、
前記第２ガス流路から毛管作用により前記多孔質層に吸い込まれた水は、前記第２ガス流路を流れる酸化ガスの流動圧力によって下流側に流れて前記排水促進部材の連続気孔に吸い込まれ、該排水促進部材内の水は、前記第２ガス流路内から該排水促進部材の連続気孔を流動する酸化ガスの流動圧力によって導出通路に排出される燃料電池が提供される。

また、本発明の燃料電池において、前記排水促進部材は、多孔質層と同じ材料により一体的に形成されていることが好ましい。

本発明の燃料電池において、前記排水促進部材の連続気孔の濡れ性を前記多孔質層の連続気孔の濡れ性よりも高く設定する構成と、前記排水促進部材の連続気孔の水和性を前記多孔質層の連続気孔の水和性よりも高く設定する構成とのいずれか一つの構成が選択されていることが好ましい。

本発明の第２の目的を達成するため、本発明の第２の態様によれば、電解質膜のアノード側の面に積層された第１電極触媒層と、同電解質膜のカソード側の面に積層された第２電極触媒層と、前記第１電極触媒層の表面に積層され、燃料ガスを供給するための第１ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、前記第２電極触媒層の表面に積層され、酸化ガスを供給するための第２ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、前記第１ガス流路形成体の表面側に積層された第１セパレータと、前記第２ガス流路形成体に設けられた第２セパレータと、前記燃料ガスの導入通路及び導出通路と、前記酸化ガスの導入通路及び導出通路とを備える燃料電池において、
前記第１ガス流路形成体の表面と、該第１ガス流路形成体と対応する前記第１セパレータの裏面との間に第１ガス流路内の水を毛管作用により吸い込む連続気孔を有する第１多孔質層が介在され、
前記第１ガス流路形成体の第１ガス流路の下流端に連通し、かつ前記多孔質層の連続気孔の下流端に連通するように、連続気孔を有する多孔質体よりなる第１排水促進部材を配設し、
前記第１ガス流路から毛管作用により前記第１多孔質層に吸い込まれた水は、前記第１ガス流路を流れる燃料ガスの流動圧力によって下流側に流れて前記第１排水促進部材の連続気孔に吸入され、該第１排水促進部材内の水は、前記第１ガス流路内から前記第１排水促進部材の連続気孔を流動する燃料ガスの流動圧力によって導出通路に排出される燃料電池が提供される。

また、本発明の燃料電池において、前記前記第２ガス流路形成体の表面と、該第２ガス流路形成体と対応する前記第２セパレータの裏面との間に第２ガス流路の水を毛管作用により吸い込む連続気孔を有する第２多孔質層が介在され、
前記第２ガス流路形成体の第２ガス流路の下流端と連通し、かつ前記第２多孔質層の連続気孔の下流端と連通するように、連続気孔を有する多孔質材料よりなる第２排水促進部材を配設し、
前記第２ガス流路から毛管作用により前記第２多孔質層に吸い込まれた水は、前記第２ガス流路を流れる酸化ガスの流動圧力によって下流側に流れて前記第２排水促進部材の連続気孔に吸入され、該排水促進部材内の水は、前記第２ガス流路内から前記排水促進部材の連続気孔を流動する酸化ガスの流動圧力によって導出通路に排出されるように形成されていることが好ましい。

（作用）
カソード側に前記多孔質層及び排水促進部材が設けられている場合には、カソード側のガス流路形成体のガス流路内の生成水が前記多孔質層に毛管作用により吸い込まれた後、ガス流路を流れる酸化ガスの流動圧力によって排水促進部材側に流れる。この排水促進部材に吸い込まれた生成水は、該排水促進部材の連続気孔を流れる酸化オフガスの流動圧力によって導出通路側へ排出されるため、電極触媒層に酸化ガスが適正に供給される。そのため、酸化ガス欠乏の発生が回避され、発電効率が向上する。ガス流路に生成水が残留するのが防止され、ガス流路内を流れる酸化ガスの生成水による圧力損失が低減されて、発電効率が向上する。

アノード側に前記多孔質層及び排水促進部材が設けられている場合には、アノード側のガス流路形成体のガス流路内の浸透水が前記多孔質層に毛管作用により吸い込まれた後、ガス流路を流れる燃料ガスの流動圧力によって排水促進部材側に流れる。この排水促進部材に吸い込まれた浸透水は、該排水促進部の連続気孔を流れる燃料オフガスの流動圧力によって導出通路側へ排出されるため、電極触媒層に燃料ガスが適正に供給され、燃料欠乏の発生が回避され、発電効率が向上する。ガス流路形成体のガス流路に浸透水が残留することがないので、該浸透水によるガス流路内を流れる燃料ガスの圧力損失が低減されて、発電効率が向上する。アノード側の電極触媒層に水が浸入することが阻止されるため、該電極触媒層において燃料欠乏の発生が回避される。従って、燃料欠乏に起因する電極触媒層の電位の上昇が防止され、電極触媒層の電位の上昇によるガス流路形成体の腐蝕が防止される。加えて、アノード側の電極触媒層において燃料欠乏の発生が回避されるため、背景技術で述べた電解質膜内の水和プロトンの低減が防止される。その結果、水和プロトンの低減に起因するカソード側の電極触媒層の炭素の浸蝕が防止され、該電極触媒層の耐久性が向上する。

本発明によれば、アノード側に多孔質層及び排水促進部が設けられている場合には、発電効率を向上することができるとともに、アノード側のガス流路形成体及びカソード側の電極触媒層の耐久性を向上することができる。又、カソード側に多孔質層及び排水促進部が設けられている場合には、発電効率を向上することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、この発明の燃料電池を具体化した第１実施形態を示す部分縦断面図。発電セルを示す縦断面図。図２の３−３線断面図。第１及び第２フレーム、電極構造体、第１及び第２ガス流路形成体、多孔質層、排水促進部材を示す分解斜視図。この発明の燃料電池の第２実施形態を示す縦断面図。この発明の燃料電池の第３実施形態を示す縦断面図。従来の燃料電池を示す縦断面図。図７に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図。図７に示す燃料電池に用いられるガス流路形成体を示す部分斜視図。燃料電池のアノード側及びカソード側の電位と腐蝕電流との関係を示すグラフ。従来の燃料電池を示す縦断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明にかかる燃料電池を具体化した第１実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。

図２に示すように、この第１実施形態の燃料電池スタック１１は、固体高分子型の燃料電池であり、積層された多数の発電セル１２によって構成されている。
発電セル１２は、図４に示すように四角枠状をなし、合成ゴム（又は合成樹脂）製の第１，第２フレーム１３，１４と、電極構造体としてのＭＥＡ１５（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ: 膜−電極接合体）とを備えている。第１のフレーム１３は、その内側に燃料ガスの流路空間Ｓ１を区画しており、第２のフレーム１４は、その内側に酸化ガスの流路空間Ｓ２を区画している。ＭＥＡ１５は、両フレーム１３，１４間に配設されている。前記発電セル１２は、図２及び図３に示すように前記燃料ガスの流路空間Ｓ１に収容されたフェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）よりなる第１ガス流路形成体２１と、前記酸化ガスの流路空間Ｓ２に収容されたチタン或いは金よりなる第２ガス流路形成体２２とを備えている。さらに、前記発電セル１２は、チタンよりなる第１セパレータ２３及び第２セパレータ２４を備えている。第１セパレータ２３は、平板状に形成され、第１フレーム１３及び第１ガス流路形成体２１の図示上面に接着されている。第２セパレータ２４は、フレーム１４及び第２ガス流路形成体２２の図示下面に接着されている。図４は、前記ガス流路形成体２１，２２の構成を平板状に簡略化して示している。

前記ＭＥＡ１５は、図２及び図３に示すように電解質膜１６と、第１電極触媒層１７及び第２電極触媒層１８と、導電性を有する第１ガス拡散層１９及び第２ガス拡散層２０とにより構成されている。第１電極触媒層１７は、電解質膜１６のアノード側の面、即ち図示上面に積層された触媒により形成されており、第２電極触媒層１８は、電解質膜１６のカソード側の面、即ち図示下面に積層された触媒によって形成されている。ガス拡散層１９，２０は、電極触媒層１７，１８の表面にそれぞれ接着されている。本実施形態に係る燃料電池の使用の際に、図２に示す燃料電池スタック１１の各発電セル１２の電極構造体１５は、鉛直方向と平行になっている。

前記固体電解質膜１６は、フッ素系の高分子膜により形成されている。前記電極触媒層１７，１８は、背景技術で説明した図８に示すように、触媒を担持する炭素粒子５１を備えており、炭素粒子５１の表面には、多数の白金（Ｐｔ）からなる触媒粒子５２が付着している。電極触媒層１７，１８は、電極触媒層を形成するためのペーストによって固体電解質膜１６に接着されている。触媒としての前記触媒粒子５２により、燃料電池の発電が行われる際にその発電効率を高めることができる。本実施形態において、炭素粒子５１の粒径は数μｍであり、触媒粒子５２の粒径は２ｎｍである。前記ガス拡散層１９，２０はカーボンペーパーにより構成されている。

アノード側に位置する第１ガス流路形成体２１とカソード側に位置する第２ガス流路形成体２２とは、同様に構成されている。両ガス流路形成体２１，２２は、この実施形態においては、背景技術において説明した図９に示すラスカットメタルにより構成されている。

図２に示すように、前記第１ガス流路形成体２１と第１セパレータ２３との間には、連続気孔を有する導電性多孔質材料よりなる第１多孔質層２５が介在されている。同様に前記第２ガス流路形成体２２と第２セパレータ２３との間にも、連続気孔を有する導電性多孔質材料よりなる第２多孔質層２６が介在されている。

図４に示すように、前記第１フレーム１３の燃料ガスの流路空間Ｓ１は、平面視四角形状に形成されている。前記第１フレーム１３において互いに対向する平行な二辺１３１，１３２には、前記燃料ガスの流路空間Ｓ１と連通する長孔状の燃料ガス導入口１３ａ及び燃料ガス導出口１３ｂが形成されている。フレーム１３において二辺１３１，１３２と隣接する二辺１３３，１３４には、それぞれ長孔状の酸化ガス導入口１３ｃ及び酸化ガス導出口１３ｄが形成されている。

前記第２フレーム１４は、前記第１フレーム１３と同様に構成されている。第２フレーム１４には、前記フレーム１３の燃料ガス導入口１３ａ、燃料ガス導出口１３ｂ、酸化ガス導入口１３ｃ及び酸化ガス導出口１３ｄと対応するように、燃料ガス導入口１４ａ、燃料ガス導出口１４ｂ、酸化ガス導入口１４ｃ及び酸化ガス導出口１４ｄが形成されている。

第１セパレータ２３の四辺には、第１フレーム１３に形成された燃料ガス導入口１３ａ、燃料ガス導出口１３ｂ、酸化ガス導入口１３ｃ及び酸化ガス導出口１３ｄに対応して、燃料ガス導入口２３ａ、燃料ガス導出口２３ｂ、酸化ガス導入口２３ｃ及び酸化ガス導出口２３ｄが形成されている。同様に、第２セパレータ２４の四辺には、第２フレーム１４に形成された燃料ガス導入口１４ａ、燃料ガス導出口１４ｂ、酸化ガス導入口１４ｃ及び酸化ガス導出口１４ｄに対応して、燃料ガス導入口２４ａ、燃料ガス導出口２４ｂ、酸化ガス導入口２４ｃ及び酸化ガス導出口２４ｄが形成されている。

図１に示すように、前記第１，第２ガス流路形成体２１（２２）は、第１（第２）フレーム１３（１４）の燃料ガスの流路空間Ｓ１（酸化ガスの流路空間Ｓ２）内において、前記ガス拡散層１９（２０）の表面と、第１（第２）多孔質層２５（２６）の裏面とに接触されている。

図３及び図４に示すように、前記第１セパレータ２３の燃料ガス導入口２３ａ、フレーム１３の燃料ガス導入口１３ａ、第２フレーム１４の燃料ガス導入口１４ａ及び第２セパレータ２４の燃料ガス導入口２４ａによって、各発電セル１２に燃料ガスを供給するための供給通路Ｍ１が形成されている。第１セパレータ２３の燃料ガス導出口２３ｂ、第１フレーム１３の燃料ガス導出口１３ｂ、第２フレーム１４の燃料ガス導出口１４ｂ、セパレータ２３の燃料ガス導出口２３ｂ及び第２セパレータ２４の燃料ガス導出口２４ｂによって、各発電セル１２に燃料オフガスの導出通路Ｍ２が形成されている。燃料電池の外部から燃料ガスの供給通路Ｍ１に供給された燃料ガスは、第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１を通り、発電に供された後、燃料ガスの導出通路Ｍ２に燃料オフガスとして導かれる。

第１セパレータ２３の酸化ガス導入口２３ｃ、フレーム１３の酸化ガス導入口１３ｃ、第２フレーム１４の酸化ガス導入口１４ｃ及び第２セパレータ２４の酸化ガス導入口２４ｃによって、各発電セル１２に酸化ガスを供給するための供給通路Ｒ１が形成されている。第１セパレータ２３の酸化ガス導出口２３ｄ、第１フレーム１３の酸化ガス導出口１３ｄ、第２フレーム１４の酸化ガス導出口１４ｄ及び第２セパレータ２４の酸化ガス導出口２４ｄによって、各発電セル１２に酸化オフガスを導出するための導出通路Ｒ２が形成されている。燃料電池の外部から酸化ガスの供給通路Ｒ１に供給された酸化ガスは、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２を通り、発電に供された後、前記酸化ガスの導出通路Ｒ２に酸化オフガスとして導かれる。

図３に示すように、前記第１ガス流路形成体２１に形成された流路空間Ｓ１の上流部は、第１フレーム１３の燃料ガス導入口１３ａに連通され、下流部は第１フレーム１３の燃料ガス導出口１３ｂに連通されている。前記流路空間Ｓ１の下流部の空間は、前記第１ガス流路形成体２１及び第１多孔質層２５が存在しない連通路２７となっており、この連通路２７に例えばウレタンスポンジ、海綿等の連続気孔を有する多孔質材料よりなる排水促進部材２８が配設されている。そして、この排水促進部材２８に前記第１ガス流路形成体２１の下流側の端縁及び前記第１多孔質層２５の連続気孔の下流側の端縁が全域にわたって接触されている。また、前記第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１の下流端は、前記排水促進部材２８の連続気孔に連通され、第１多孔質層２５の連続気孔の下流端も、前記排水促進部材２８の連続気孔に連通されている。

図２に示すように、前記第２ガス流路形成体２２に形成された流路空間Ｓ２の上流部は、第２フレーム１４の燃料ガス導入口１４ａに連通され、下流部は第２フレーム１４の燃料ガス導出口１４ｂに連通されている。前記流路空間Ｓ２の下流部の空間は、前記第２ガス流路形成体２２及び第２多孔質層２６が存在しない連通路２９となっており、この連通路２９に例えばウレタンスポンジ、海綿等の連続気孔を有する多孔質材料よりなる第２排水促進部材３０が配設されている。そして、この第２排水促進部材３０に前記第２ガス流路形成体２２の下流側の端縁及び前記第２多孔質層２６の連続気孔の下流側の端縁が全域にわたって接触されている。また、前記第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２の下流端は、前記排水促進部材３０の連続気孔に連通され、第２多孔質層２６の連続気孔の下流端も、前記排水促進部材３０の連続気孔に連通されている。

前記第１及び第２多孔質層２５，２６の層厚は、例えば０．５〜１．０ｍｍに設定されている。又、第１及び第２多孔質層２５，２６の全容積に対する連続気孔の割合である気孔率は、３０〜６０％に設定されている。このように気孔率が設定されているため、連続気孔の毛管作用によりガス流路Ｔ１，Ｔ２内の水が第１及び第２多孔質層２５，２６に吸い込まれ易くなる。前記第１及び第２排水促進部材２８，３０の気孔率は、５０〜８０容量％の範囲に設定さている。又、この実施形態では、前記多孔質層２５，２６の連続気孔の平均気孔径が例えば５μｍ〜３０μｍの範囲に設定され、前記第１及び第２排水促進部材２８，３０の連続気孔の平均気孔径が１０μｍ〜５０μｍの範囲に設定されている。

次に、前記のように構成した燃料電池の作用について説明する。
図３において、前記燃料ガスの供給通路Ｍ１に供給された燃料ガスは、前記第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１内を矢印方向に流れる際に、乱流となる。これにより、燃料ガスは、ガス流路Ｔ１内において拡散した状態となる。この燃料ガスは、第１ガス拡散層１９を通過することによってさらに適正に拡散されて、第１電極触媒層１７に均一に供給される。

図２において、前記酸化ガスの供給通路Ｒ１に供給された酸化ガスは、前記第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２内を矢印方向に流れる際に、乱流となる。これにより、酸化ガスは、ガス流路Ｔ２内において拡散した状態となる。この酸化ガスは、第２ガス拡散層２０を通過することによってさらに適正に拡散されて、電極触媒層１８に均一に供給される。燃料ガスと酸化ガスとの供給により、ＭＥＡ１５において電極反応が発生し、発電が行われる。積層された複数の発電セル１２によって構成された燃料電池スタック１１から、所望の電力が出力される。

上述の発電状態においては、背景技術で述べたように、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２に生成水が生成される。発電の際に用いられなかった一部の水素ガスは、燃料オフガスとして第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１、第１排水促進部材２８の連続気孔及び燃料ガスの導出通路Ｍ２を通って外部に排出される。発電の際に酸化されなかった酸素ガスの一部は、窒素ガス及び生成水とともに酸化オフガスとして、前記第２排水促進部材３０の連続気孔を通して、フレーム１３，１４に形成された酸化ガスの導出通路Ｒ２へ導かれ、外部に排出される。前記生成水の一部は、カソード側の前記第２電極触媒層１８、固体電解質膜１６、第１電極触媒層１７及び第１ガス拡散層１９を浸透して、第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１へ浸透水として流入する。

図３に矢印で示すように燃料ガスがガス流路Ｔ１を流れる際に、燃料ガスに含まれる浸透水は、水滴Ｗとなってガス流路Ｔ１の壁面に付着する。この水滴Ｗ（浸透水）は、第１多孔質層２５の連続気孔の毛管作用により、図１（ｂ）に示すように第１多孔質層２５の連続気孔に吸い込まれる。ガス流路Ｔ１内を流れる燃料ガスは燃料オフガスとなって前記第１排水促進部材２８の連続気孔を通過し、燃料オフガスの導出通路Ｍ２へ排出される。前記第１多孔質層２５に吸い込まれた水滴Ｗ（浸透水）は、ガス流路Ｔ１内を流れる燃料ガスの流動圧力によってガスの流れ方向Ｐの下流側へ流動し、図１（ｃ）に示すように、前記第１排水促進部材２８の連続気孔に毛管作用により吸い込まれる。この第１排水促進部材２８に吸い込まれた浸透水Ｗは、該促進部材２８の連続気孔を通過する燃料オフガスの流動圧力よって押し出される。即ち、促進部材２８の連続気孔を流動する燃料オフガスのガス流によって、該促進部材２８の連続気孔に吸い込まれた浸透水Ｗが圧力差により押し出される。このため、促進部材２８の連続気孔内の圧力が第１多孔質層２５の連続気孔の圧力よりも低くなり、この圧力差により第１多孔質層２５の連続気孔内の浸透水が促進部材２８の連続気孔に吸い出され、燃料オフガスの導出通路Ｍ２へ排出される。

図２に示すように、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２に生成された生成水は、カソード側の前記第２多孔質層２６及び第２排水促進部材３０の連続気孔の毛管作用及び第２排水促進部材３０の連続気孔を流れるガスの流動圧力によって、前述したガス流路Ｔ１の浸透水と同様に酸化ガスの導出通路Ｒ２側へ排出される。

第１実施形態の燃料電池よれば、以下のような利点を得ることができる。
（１）上記第１実施形態では、アノード側の第１ガス流路形成体２１とセパレータ２３との間には、第１多孔質層２５が介在され、流路空間Ｓ１の下流部に形成された連通路２７に第１排水促進部材２８が設けられている。第１ガス流路形成体２１に形成されたガス流路Ｔ１内の浸透水は、第１多孔質層２の毛管作用により該多孔質層２５に吸い込まれる。この多孔質層２５内に吸い込まれた浸透水は、水の表面張力によって第１排水促進部材２８側へ流動する。その後、前述したように促進部材２８を流れる燃料オフガスの流動圧力により、多孔質層２５内から排水促進部材２８内に浸透水が効率よく吸い込まれ、燃料オフガスの導出通路Ｍ２側へ排出される。このような構成により、第１電極触媒層１７に燃料ガスが適正に供給されるため、第１電極触媒層１７の水素欠乏状態が回避され、発電効率が向上する。

又、前記第１ガス流路形成体２１のガス流路Ｔ１内の浸透水は、第１多孔質層２５に吸い込まれ、第１排水促進部材２８を通して燃料オフガスの導出通路Ｍ２へ排出される。これにより、前記ガス流路Ｔ１内に浸透水が残留するのが防止され、浸透水によるガス流路Ｔ１内を流れる燃料ガスの圧力損失が低減されるので、発電効率が向上する。さらに、第１電極触媒層１７の水素欠乏状態によって生じるアノード側の第１電極触媒層１７の電位の上昇による第１ガス流路形成体２１の腐蝕が防止されるため、その耐久性を向上することができる。第１ガス流路形成体２１の材料の選択基準が緩和され、第１ガス流路形成体２１の材料として安価な材料を用いることができ、材料コストを低減することができる。加えて、アノード側の第１電極触媒層１７の水素欠乏状態が回避されるため、背景技術で述べた電解質膜１６内の水和プロトンの低減が防止される。この水和プロトンの低減を補うためにカソード側の電極触媒層１８の炭素粒子５１が浸蝕されるのが防止され、該電極触媒層１８の耐久性を向上することができる。

（２）上記第１実施形態では、カソード側の第２ガス流路形成体２２とセパレータ２４との間に第２多孔質層２６を介在し、流路空間Ｓ２の下流部の連通路２９に第２排水促進部材３０を設けたので、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２内の生成水が前述したように前記第２多孔質層及び第２排水促進部材によって酸化オフガスの導出通路Ｒ２側へ排出される。これにより、第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２に生成水が残留するのが防止されて、ガス流路Ｔ２内を流れる酸化ガスの生成水による圧力損失が低減されるので、発電効率が向上する。又、電極触媒層１８に酸化ガスが適正に供給されて、酸化ガス欠乏状態が回避されるので、発電効率が向上する。

（３）上記第１実施形態では、アノード側及びカソード側に前記第１及び第２多孔質層２５，２６と第１及び第２排水促進部材２８，３０が設けられ、ガス流路Ｔ１，Ｔ２内の浸透水及び生成水は、共に燃料ガスの導出通路Ｍ２，Ｒ２に適正に排出される。そのため、各発電セル１２の発電出力のバラツキをなくすことができ、燃料電池の発電特性を安定化することができる。例えば、燃料電池の低負荷運転状態においては、ガス流路形成体２１，２２のガス流路Ｔ１，Ｔ２を流れるガスの流速が低く、ガス流路Ｔ１，Ｔ２内に滞留する浸透水及び生成水の水量がアンバランスとなる。しかし、第１実施形態では、前述したように各発電セル１２の水の排水が適正に行われるため、各発電セル１２の発電出力のバラツキが解消され、電池特性を向上することができる。又、燃料電池の高負荷運転状態においては、カソード側の第２ガス流路形成体２２のガス流路Ｔ２に生成される生成水の水量が多くなる。この生成水も前述したように適正に排水されるため、酸化ガスのガス流路Ｔ２内における拡散性が向上し、発電出力を安定化させることができる。
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を図５に基づいて説明する。以下に示す各実施形態において、前述した第１実施形態と同様の機能を有する部材については、同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態との異なる構成、作用及び効果を中心に説明する。

この第２実施形態では、カソード側の前記第２多孔質２６の下流側の端部に、該第２多孔質層２６の材料と同じ材料で形成された第２排水促進部材３０を一体的に形成している。又、図示しないが、アノード側の前記第１多孔質層２５の下流側の端部に、該第１多孔質層２５の材料と同じ材料で形成された第１排水促進部材２８を一体的に形成している。

この第２実施形態においては、第１（第２）多孔質層２５（２６）及び第１（第２）排水促進部材２８（３０）が一体的に形成されているので、第１（第２）多孔質層２５（２６）に吸い込まれた浸透水（生成水）が第１（第２）排水促進部材２８（３０）へ円滑に流動され、排水をさらに適正に行うことができる。
（第３実施形態）
この第３実施形態では、図６に示すように、カソード側のセパレータ２４には、排出口３５が形成されている。セパレータ２４と、隣接された発電セルのアノード側のセパレータ２３との間には、前記排出口３５と連通する酸化オフガス及び生成水の連通路３６が形成されている。前記排出口３５には、前記第２多孔質層２６と同じ多孔質材料により該層２６と一体的に形成した第２排水促進部材３０が収容されている。図示しないが、アノード側においてもカソード側と同様に構成されている。

上記のような構成により、酸化オフガス及び生成水が排出口３５に設け第２排水促進部材３０によって、連通路３６から酸化オフガスの導出通路Ｒ２に排出される。
（変形例）
なお、本発明は以下のような実施形態に変更してもよい。

・図示しないが、前記各実施形態において、アノード側のみに多孔質層２５及び排水促進部材２８が設けられてもよい。このような構成によれば、燃料電池の発電効率を向上することができるとともに、アノード側の第２ガス流路形成体２２及びカソード側の電極触媒層１８の耐久性を向上することができる。また、カソード側のみに多孔質層２６及び排水促進部材３０が設けられてもよい。このような構成により、燃料電池の発電効率を向上することもできる。

第１又は第２実施形態では、排水促進部材３０の連続気孔の平均気孔径を、前記多孔質層２５，２６の連続気孔の平均気孔径よりもよりも小さく又は同じに設定して、毛管作用により多孔質層２５，２６の連続気孔の水を排水促進部材３０の連続気孔に吸い込むようにした。これに代えて、前記排水促進部材３０の連続気孔の濡れ性が多孔質層２５，２６の連続気孔の濡れ性よりも大きくされてもよい。換言すれば、前記排水促進部材３０の連続気孔の液滴接触角が多孔質層２５，２６の連続気孔の液滴接触角よりも大きく設定されていてもよい。又、前記排水促進部材３０の連続気孔の水和性が、多孔質層２５，２６の水和性よりも良くなるようにしてもよい。これらの場合には、排水促進部材３０の連続気孔の平均気孔径が、多孔質層２５，２６の連続気孔の平均気孔径よりもよりも大きく設定されていても、多孔質層２５，２６の連続気孔の水が排水促進部材３０の連続気孔に適正に吸い込まれる。

・前記各実施形態の燃料電池において、発電セル１２のセパレータ２３，２４に冷却水を通過させるための溝が形成されてもよい。
・前記各実施形態の燃料電池において、ガス拡散層１９，２０が省略されてもよい。

・カソード側のみに前記多孔質２６を設けた燃料電池において、アノード側の第１ガス流路形成体２１と第１セパレータ２３とが一体的に構成されていてもよい。又、フレーム１３と第１セパレータ２３とが金属材料により例えば鍛造により一体的に構成されていてもよい。

・アノード側のみに前記多孔質層２５を設けた燃料電池において、カソード側の第２ガス流路形成体２２と第２セパレータ２４とが一体的に構成されていてもよい。又、フレーム１４と第２セパレータ２４とが金属材料により例えば鍛造により一体的に構成されていてもよい。

Claims

電解質膜のアノード側の面に積層された第１電極触媒層と、
同電解質膜のカソード側の面に積層された第２電極触媒層と、
前記第１電極触媒層の表面に積層され、燃料ガスを供給するための第１ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、
前記第２電極触媒層の表面に積層され、酸化ガスを供給するための第２ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、
前記第１ガス流路形成体に設けられた第１セパレータと、
前記第２ガス流路形成体の表面側に積層された第２セパレータと、
前記燃料ガスの導入通路及び導出通路と、
前記酸化ガスの導入通路及び導出通路と
を備える燃料電池において、
前記第２ガス流路形成体の表面と、該第２ガス流路形成体と対応する前記第２セパレータの裏面との間に第２ガス流路の水を毛管作用により吸い込む連続気孔を有する多孔質層が介在され、
前記第２ガス流路形成体の第２ガス流路の下流端と連通し、かつ前記多孔質層の連続気孔の下流端と連通するように、連続気孔を有する多孔質材料よりなる排水促進部材が配設され、
前記第２ガス流路から毛管作用により前記多孔質層に吸い込まれた水は、前記第２ガス流路を流れる酸化ガスの流動圧力によって下流側に流れて前記排水促進部材の連続気孔に吸入され、該排水促進部材内の水は、前記第２ガス流路内から前記排水促進部材の連続気孔を流動する酸化ガスの流動圧力によって導出通路に排出される
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記排水促進部材は、多孔質層と同じ材料により一体的に形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記排水促進部材の連続気孔の濡れ性を前記多孔質層の連続気孔の濡れ性よりも高く設定する構成と、前記排水促進部材の連続気孔の水和性を前記多孔質層の連続気孔の水和性よりも高く設定する構成とのいずれか一つの構成が選択されている
ことを特徴とする燃料電池。
電解質膜のアノード側の面に積層された第１電極触媒層と、
同電解質膜のカソード側の面に積層された第２電極触媒層と、
前記第１電極触媒層の表面に積層され、燃料ガスを供給するための第１ガス流路を備えた第１ガス流路形成体と、
前記第２電極触媒層の表面に積層され、酸化ガスを供給するための第２ガス流路を備えた第２ガス流路形成体と、
前記第１ガス流路形成体の表面側に積層された第１セパレータと、
前記第２ガス流路形成体に設けられた第２セパレータと、
前記燃料ガスの導入通路及び導出通路と、
前記酸化ガスの導入通路及び導出通路と
を備える燃料電池において、
前記第１ガス流路形成体の表面と、該第１ガス流路形成体と対応する前記第１セパレータの裏面との間に第１ガス流路内の水を毛管作用により吸い込む連続気孔を有する第１多孔質層が介在され、
前記第１ガス流路形成体の第１ガス流路の下流端に連通し、かつ前記多孔質層の連続気孔の下流端に連通するように、連続気孔を有する多孔質体よりなる第１排水促進部材を配設し、
前記第１ガス流路から毛管作用により前記第１多孔質層に吸い込まれた水は、前記第１ガス流路を流れる燃料ガスの流動圧力によって下流側に流れて前記第１排水促進部材の連続気孔に吸入され、該第１排水促進部材内の水は、前記第１ガス流路内から前記第１排水促進部材の連続気孔を流動する燃料ガスの流動圧力によって導出通路に排出される
ことを特徴とする燃料電池。
請求項４に記載の燃料電池において、
前記第２ガス流路形成体の表面と、該第２ガス流路形成体と対応する前記第２セパレータの裏面との間に第２ガス流路の水を毛管作用により吸い込む連続気孔を有する第２多孔質層が介在され、
前記第２ガス流路形成体の第２ガス流路の下流端と連通し、かつ前記第２多孔質層の連続気孔の下流端と連通するように、連続気孔を有する多孔質材料よりなる第２排水促進部材を配設し、
前記第２ガス流路から毛管作用により前記第２多孔質層に吸い込まれた水は、前記第２ガス流路を流れる酸化ガスの流動圧力によって下流側に流れて前記第２排水促進部材の連続気孔に吸入され、該排水促進部材内の水は、前記第２ガス流路内から前記排水促進部材の連続気孔を流動する酸化ガスの流動圧力によって導出通路に排出される
ことを特徴とする燃料電池。
請求項４又は５に記載の燃料電池において、
前記排水促進部材は、多孔質層と同じ材料により一体的に形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項４に記載の燃料電池において、
前記排水促進部材の連続気孔の濡れ性を前記多孔質層の連続気孔の濡れ性よりも高く設定する構成と、前記排水促進部材の連続気孔の水和性を前記多孔質層の連続気孔の水和性よりも高く設定する構成とのいずれか一つの構成が選択されている
ことを特徴とする燃料電池。