JP5364980B2

JP5364980B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5364980B2
Application number: JP2007138444A
Authority: JP
Inventors: 修弓田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: JP2008293809A

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に燃料電池における水分の管理に関する。

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（アノードとカソード）にそれぞれ反応ガス（水素を含有するアノードガス、および、酸素を含有するカソードガス）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発電部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によりカソード側には水（生成水）が発生する。固体高分子型燃料電池のように、比較的低温で運転される燃料電池では、生成水などの水分管理が一つの重要な技術テーマとなっている。例えば、過剰な水分は燃料電池のフラッディングを引き起こし、水分の不足は電解質膜の乾燥による発電性能の低下を引き起こす。

ここで、アノードガス拡散層を形成する多孔体層の平均気孔径を、カソードガス拡散層を形成する多孔体層の平均気孔径より小さくする技術が知られている（特許文献１）。上記技術では、相対的に水分量が多いカソード側の排水量を多くし、相対的に水分量の少ないアノード側の排水量を抑制することにより、水分の分布の均一化を図っている。

特開２００１−５７２１８号公報

しかしながら、従来は、カソード側で発生した生成水を有効に利用しているとは言えなかった。このため、特に燃料電池の高温作動時において、アノード側が乾燥して、燃料電池の発電性能が低下するおそれがあった。

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、アノード側の乾燥を抑制して、燃料電池の発電性能を向上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。
［形態１］燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の第１の面に配置されたカソードと、前記電解質膜の第２の面に配置されたアノードと、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、カソードガスが流動すると共に、厚さ方向に第１の熱抵抗を有する第１の流路層と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、アノードガスが流動すると共に、厚さ方向に前記第１の熱抵抗より小さい第２の熱抵抗を有する第２の流路層と、前記膜電極接合体のカソード側に、前記第１の流路層を挟んで配置された第１の冷却媒体流路と、前記膜電極接合体のアノード側に、前記第２の流路層を挟んで配置された第２の冷却媒体流路と、を備え、前記第１の流路層は、第１の多孔体層を含み、前記第２の流路層は、第２の多孔体層を含み、前記第２の多孔体層は、前記第１の多孔体層と気孔率が等しく、前記第１の多孔体層より平均気孔径が大きく、前記第２の流路層における気孔を除いた部分の厚さ方向の伝熱経路は、前記第１の流路層における気孔を除いた部分の厚さ方向の伝熱経路に比べて短い、燃料電池。

［適用例１］燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の第１の面に配置されたカソードと、前記電解質膜の第２の面に配置されたアノードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、カソードガスが流動すると共に、厚さ方向に第１の熱抵抗を有する第１の流路層と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、アノードガスが流動すると共に、厚さ方向に前記第１の熱抵抗より小さい第２の熱抵抗を有する第２の流路層と、を備える、燃料電池。

適用例１に係る燃料電池によれば、アノード側の第２の流路層の熱抵抗をカソード側の第１の流路層の熱抵抗より小さくすることにより、カソード側からアノード側へ向かう熱流の量を増大することができる。この結果、カソード側からアノード側へ水分の移動を促進することができ、乾きやすいアノード側の乾燥を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００の高温運転時の性能を向上することができる。

適用例１に係る燃料電池は、さらに、前記膜電極接合体のカソード側に、前記第１の流路層を挟んで配置された第１の冷却媒体流路と、前記膜電極接合体のアノード側に、前記第２の流路層を挟んで配置された第２の冷却媒体流路と、を備えても良い。

適用例１に係る燃料電池において、第２の流路層は、前記第１の流路層より厚さ方向の伝熱経路が短くても良い。こうすれば、アノード側の第２の流路層の熱抵抗をカソード側の第１の流路層の熱抵抗より小さくすることができる。

適用例１に係る燃料電池において、前記第２の流路層は、前記第１の流路層より厚さ方向の伝熱経路が太くても良い。こうすれば、アノード側の第２の流路層の熱抵抗をカソード側の第１の流路層の熱抵抗より小さくすることができる。

適用例１に係る燃料電池において、前記第１の流路層は、第１の多孔体層を含み、前記第２の流路層は、第２の多孔体層を含み、前記第２の多孔体層は、前記第１の多孔体層と気孔率が等しく、前記第１の多孔体層より気孔径が大きくても良い。こうすれば、ガスの流動特性を変えることなく、アノード側の第２の流路層の熱抵抗をカソード側の第１の流路層の熱抵抗より小さくすることができる。

適用例１に係る燃料電池において、前記第１の流路層は、第１の繊維層を含み、前記第２の流路層は、第２の繊維層を含み、前記第２の繊維層は、前記第１の繊維層より太い繊維を用いて構成されていても良い。こうすれば、繊維層を構成する繊維の太さにより、アノード側の第２の流路層の熱抵抗をカソード側の第１の流路層の熱抵抗より小さくすることができる。

［適用例２］燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の第１の面に配置されたカソードと、前記電解質膜の第２の面に配置されたアノードと、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、カソードガスが流動する第１の流路層と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、アノードガスが流動する第２の流路層と、を備え、前記第１の流路層は、第１の部分と、前記第１の部分より下流側の第２の部分とを有し、前記第２の流路層は、前記第１の部分と重なると共に厚さ方向に第１の熱抵抗を有する低伝熱部と、前記第２の部分と重なると共に厚さ方向に前記第１の熱抵抗より小さい第２の熱抵抗を有する高伝熱部とを有する、燃料電池。

適用例２に係る燃料電池によれば、カソードからアノードに向かって移動する水分の量が、カソードガスの流路層の下流側において、カソードガスの流路層の上流側と比較して、大きくなる。この結果、カソードからアノードに向かって移動する水分の合計量をより大きくすることができる。

適用例２に係る燃料電池において、前記高伝熱部は、前記第２の流路層において、前記低伝熱部より上流側に配置されていても良い。こうすれば、アノードガスの流路層の上流側に多くの水を移動させることができる。アノードガスの流路層の上流側に移動した水分は、アノードガスの流れによって、乾燥しやすいアノード側の全体に拡散され、アノード側を湿潤にする。この結果、乾きやすいアノード側の乾燥を効率良く抑制することができる。

適用例２に係る燃料電池は、さらに、前記膜電極接合体のカソード側に、前記第１の流路層を挟んで配置された第１の冷却媒体流路と、前記膜電極接合体のアノード側に、前記第２の流路層を挟んで配置された第２の冷却媒体流路と、を備えていても良い。

適用例２に係る燃料電池において、前記高伝熱部は、前記低伝熱部より厚さ方向の伝熱経路が短くても良い。こうすれば、アノード側の第２の流路層において、高伝熱部の熱抵抗を低伝熱部の熱抵抗より小さくすることができる。

適用例２に係る燃料電池において、前記高伝熱部は、前記低伝熱部より厚さ方向の伝熱経路が太くても良い。こうすれば、こうすれば、アノード側の第２の流路層において、高伝熱部の熱抵抗を低伝熱部の熱抵抗より小さくすることができる。

適用例２に係る燃料電池において、前記第２の流路層は、第１の多孔体部と、前記第１の多孔体部と気孔率が等しく前記第１の多孔体部より気孔径が大きい第２の多孔体部を有する多孔体層を含み、前記低伝熱部は前記第１の多孔体部であり、前記高伝熱部は前記第２の多孔体部であっても良い。こうすれば、アノード側の第２の流路層において、ガスの流動特性を変えることなく、高伝熱部の熱抵抗を低伝熱部の熱抵抗より小さくすることができる。

適用例２に係る燃料電池において、前記第２の流路層は、第１の繊維部と、前記第１の繊維部より太い繊維を用いて構成されている第２の繊維部を有する繊維層を含み、前記低伝熱部は前記第１の繊維部であり、前記高伝熱部は前記第２の繊維部であっても良い。こうすれば、繊維層を構成する繊維の太さにより、高伝熱部の熱抵抗を低伝熱部の熱抵抗より小さくすることができる。

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、アノードガス供給部と、カソードガス供給部と、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。アノードガス供給部は、水素を含むアノードガス（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。カソードガス供給部は、酸素を含むカソードガス（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。

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。

ここで、カソード側多孔体８０とアノード側多孔体９０の気孔率は、同程度であり、７０ないし９０パーセント程度である。気孔率は、空孔部Ｖの多孔体全体に占める体積の割合である。一方で、図１に模式的な拡大図で示すように、アノード側多孔体９０の空孔部Ｖの径の平均（平均気孔径）は、カソード側多孔体８０の平均気孔径より大きい。アノード側多孔体９０の骨格部Ｂの太さの平均（平均骨格太さ）は、カソード側多孔体８０の平均骨格太さより大きい。

この結果、アノード側多孔体９０の厚さ方向の熱抵抗は、カソード側多孔体８０の厚さ方向の熱抵抗より低くなる。その理由を以下に説明する。金属は、気体よりはるかに大きい熱伝導率を持つ。例えば、鉄の熱伝導率は、常温でおよそ７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対して、空気の熱伝導率は、常温でおよそ０．０２〜０．０３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。従って、多孔体内部を伝わる熱は、ほとんど骨格部Ｂを伝わると考えて良く、空孔部Ｖの熱伝導性は無視できる。従って、多孔体の熱抵抗は、伝熱経路となる骨格部Ｂの熱抵抗により決定される。

ここで、骨格部Ｂの厚さ方向の熱抵抗ＴＲは、厚さ方向の伝熱経路長をＬ、厚さ方向の伝熱経路断面積をＳとすると、ＴＲ＝αＬ／Ｓ（αは係数）で表される。すなわち、厚さ方向の熱抵抗ＴＲは、伝熱経路長Ｌが長いほど大きくなり、伝熱経路断面積Ｓが大きいほど小さくなる。カソード側多孔体８０とアノード側多孔体９０とは、気孔率が同じであるため多孔体の断面積に占める骨格部Ｂの面積の割合は同じである。従って、両多孔体の伝熱経路断面積Ｓは同じである。一方、図１において、両多孔体の拡大模式図に矢印で示すように、アノード側多孔体９０の伝熱経路長Ｌは、カソード側多孔体８０の伝熱経路長Ｌより短い。アノード側多孔体９０は、平均気孔径が大きいため、空孔部Ｖの数が少なく、骨格部Ｂの平均骨格太さが太い。従って、アノード側多孔体９０では、伝熱経路が直線的になるため、伝熱経路長Ｌが短くなる。一方、カソード側多孔体８０は、平均気孔径が小さいため、空孔部Ｖの数が多く、骨格部Ｂの平均骨格太さは細い。したがって、カソード側多孔体８０では、伝熱経路が多数の空孔部Ｖを迂回する必要があるため、伝熱経路長Ｌが長くなる。したがって、アノード側多孔体９０の厚さ方向の熱抵抗は、カソード側多孔体８０の厚さ方向の熱抵抗より低くなる。

カソード側多孔体８０およびアノード側多孔体９０の製造方法の一例について説明する。まず、発泡ウレタンなどの発泡樹脂の表面に、導電性被膜を形成する。導電性被膜は、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塗布することにより形成される。次に、導電性被膜の表面に多孔体の骨格部Ｂとなる金属を電析（電気メッキ）する。メッキ厚さは、多孔体の骨格部の太さに対応している。骨格部Ｂとなる金属を電析させた後、加熱処理により、発泡樹脂を分解・除去する。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８０およびアノード側多孔体９０が製造される。発泡樹脂の気孔径、気孔率、電気メッキのメッキ厚さを調整することにより、所望の平均気孔径、気孔率を有するカソード側多孔体８０およびアノード側多孔体９０が得られる。

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。

・燃料電池の動作：
図３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。アノードガス供給部からアノードガスが、カソードガス供給部からカソードガスが、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。

アノードガスは、図３に破線の細い矢印で示すように、アノード側多孔体９０の一方の端部（図３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３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。アノードガスの一部は、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に到達したアノードガスは、アノード５３においてアノード反応に供される。

カソードガスは、図３に実線の細い矢印で示すように、カソード側多孔体８０の一方の端部（図３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３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。カソードガスの一部は、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に到達したカソードガスは、カソード５２においてカソード反応に供される。

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、アノードガスが流動するアノードガス流路層として機能し、カソード側多孔体８０とガス拡散層５４とが、カソードガスが流動するカソードガス流路層として機能する。

また、本実施例では、アノードガス流路層におけるアノードガスの流動方向は、カソードガス流路層におけるカソードガスの流動方向と反対となっている。したがって、アノードガス流路層における上流域と、カソードガス流路層における下流域が、電解質膜５１と両触媒電極層（カソード５２およびアノード５３）を挟んで、積層方向に重なり合い、アノードガス流路層における下流域と、カソードガス流路層における上流域が、電解質膜５１と両触媒電極層（カソード５２およびアノード５３）を挟んで、積層方向に重なり合っている。

また、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、発熱反応であるので、その反応熱により膜電極接合体５０におけるカソード５２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のカソード５２近傍とセパレータ３０との温度勾配によって、カソード５２からセパレータ３０に向かって熱の流れが発生する。

かかる熱の流れとして、膜電極接合体５０から見てカソード側（図３：右側）にカソード側多孔体８０を挟んで配置されたセパレータ３０に向かう第１の熱流と、膜電極接合体５０から見てアノード側（図３：左側）にアノード側多孔体９０を挟んで配置されたセパレータ３０に向かう第２の熱流が発生する。図３において、白抜きの右向きの矢印は、第１の熱流を概念的に示し、白抜きの左向きの矢印は、第２の熱流を概念的に示している。上述したように、本実施例では、アノード側多孔体９０の熱抵抗がカソード側多孔体８０の熱抵抗より小さいので、第２の熱流の量は、第１の熱流の量（熱の移動量）より大きくなる。

このように、カソード５２からアノード側のセパレータ３０に向かう第２の熱流の量が大きくなると、カソード５２からアノード５３に向かって、水分の移動が起こる。図３においてハッチングされた矢印は、水分の移動を示している。移動する水分は、主に、カソード反応により生成された生成水である。このように熱流に伴って、水分の移動が起こるメカニズムは、必ずしも明らかではないが、ソーレ効果（Soret effect：熱流が物質流を引き起こす現象）によるものと考えられる。

以上説明した本実施例によれば、アノード側多孔体９０の熱抵抗をカソード側多孔体８０の熱抵抗より小さくすることにより、膜電極接合体５０のカソード５２からアノード側多孔体９０側へ向かう熱流の量が多くなる。この結果、カソード側からアノード側へ水分の移動を促進することができる。この結果、乾きやすいアノード側の乾燥を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００の高温運転時の性能を向上することができる。

また、アノード側多孔体９０とカソード側多孔体８０の平均気孔径を変更しても、気孔率を同じにすることにより、ガスの流動性には大きな変化をもたらすことなく、多孔体の熱抵抗を変更することが可能である。

Ｂ．第２実施例：
・燃料電池の構成：
図４は、第２実施例における燃料電池スタック１００ａの部分断面図である。第２実施例における燃料電池スタック１００ａは、第１実施例における燃料電池スタック１００と比べて、アノード側多孔体の構成が異なる。第２実施例における燃料電池スタック１００ａのその他の構成は、第１実施例における燃料電池スタック１００の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図４において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。

燃料電池スタック１００ａのアノード側多孔体９０ａは、第１の多孔体部９０１と、第２の多孔体部９０２とを有している。第１の多孔体部９０１は、カソードガス流路層（カソード側多孔体８０とガス拡散層５４）における上流域と積層方向に重なるように配置されている。第２の多孔体部９０２は、カソードガス流路層における下流域と積層方向に重なるように配置されている。第２実施例では、第１実施例と同様に、アノードガス流路層（アノード側多孔体９０ａとガス拡散層５５）におけるアノードガスの流動方向は、カソードガス流路層におけるカソードガスの流動方向と反対となっているので、第１の多孔体部９０１はアノードガス流路層における下流域を形成し、第２の多孔体部９０２はアノードガス流路層における上流域を形成している。

第１の多孔体部９０１と第２の多孔体部９０２の気孔率は、カソード側多孔体８０の気孔率と同程度であり、７０ないし９０パーセント程度である。第１の多孔体部９０１の平均気孔径は、第１実施例におけるアノード側多孔体９０の平均気孔径と同程度である。一方、第２の多孔体部９０２は、図４に模式的な拡大図で示すように、平均気孔径が、第１の多孔体部９０１の平均気孔径より大きい。第２の多孔体部９０２の平均骨格太さは、第１の多孔体部９０１の平均骨格太さより大きい。この結果、第２の多孔体部９０２の厚さ方向の熱抵抗は、第１の多孔体部９０１の熱抵抗より小さい。

すなわち、気孔率は、第１の多孔体部９０１＝第２の多孔体部９０２＝カソード側多孔体８０である。平均気孔径は、第２の多孔体部９０２＞第１の多孔体部９０１＞カソード側多孔体８０である。熱抵抗は、第２の多孔体部９０２＜第１の多孔体部９０１＜カソード側多孔体８０である。

・燃料電池の動作：
図５は、第２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。第１実施例と同様に、第２実施例の燃料電池スタック１００ａにカソードガス、および、アノードガスが供給されると、燃料電池スタック１００ａでは電気化学反応に基づく発電が行われる。また、第１実施例と同様に、第２実施例の燃料電池スタック１００ａには、冷却媒体が供給される。

第２実施例における燃料電池スタック１００ａでは、膜電極接合体５０から見てアノード側（図５：左側）にアノード側多孔体９０ａを挟んで配置されたセパレータ３０に向かう第２の熱流のうち、第１の多孔体部９０１を伝わる熱流の量より、第２の多孔体部９０２を伝わる熱流の量の方が大きくなる。カソード側多孔体８０と第２の多孔体部９０２との熱抵抗の差が、カソード側多孔体８０と第１の多孔体部９０１との熱抵抗の差より、大きいからである。図５において、第２の熱流を表す白抜きの左向きの４つの矢印のうち、下側の２本は、第２の多孔体部９０２を伝わってセパレータ３０に向かう熱流を示し、上側の２本は、第１の多孔体部９０１を伝わってセパレータ３０に向かう熱流を示す。

この結果、カソード５２からアノード５３に向かって移動する水分の量が、カソードガス流路層の下流側（第２の多孔体部９０２と重なる側）において、カソードガス流路層の上流側（第１の多孔体部９０１と重なる側）と比較して、より大きくなる。この結果、カソード５２からアノード５３に向かって移動する水分の合計量をより大きくすることができる。カソードガス流路層の下流側には、カソードガスの流れによって生成水が溜まりやすく、水分が多く存在している。水分が多く存在しているカソードガス流路層の下流側において、カソード５２で発生した熱をアノード側に配置されたセパレータ３０の方向に多く流動させることにより、より効率良く、水分をカソード５２からアノード５３に向かって移動させることができるからである。この結果、カソード側からアノード側へ水分の移動をより促進することができる。この結果、さらに、乾きやすいアノード側の乾燥を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００ａの高温運転時の性能を向上することができる。

さらに、第２実施例では、上述した第１実施例と同様に、アノードガス流路層におけるアノードガスの流動方向は、カソードガス流路層におけるカソードガスの流動方向と反対となっている。したがって、カソードガス流路層の下流側とアノードガス流路層の上流側が積層方向に重なっている。この結果、カソードガス流路層の下流側においてカソード側からアノード側に移動した水分は、アノードガス流路層の上流側に移動することになる。アノードガス流路層の上流側に移動した水分は、アノードガスの流れによって、乾燥しやすいアノード側の全体に拡散され、アノード側を湿潤にする。この結果、乾きやすいアノード側の乾燥を効率良く抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００ａの高温運転時の性能を、さらに向上することができる。また、アノードガス流路層の下流側に水分が溜まりにくいので、低温運転時のアノード側の水詰まり（フラッディング）を抑制することができる。

Ｃ．変形例：
・第１変形例：
図６を参照して、第１変形例について説明する。図６は、第１変形例における燃料電池スタック１００ｂの部分断面図である。第１変形例における燃料電池スタック１００ｂは、第１実施例における燃料電池スタック１００と比べて、ガス拡散層の構成が異なる。第１変形例における燃料電池スタック１００ｂのその他の構成は、第１実施例における燃料電池スタック１００の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図６において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。

燃料電池スタック１００ｂの膜電極接合体５０ｂは、カソード側のガス拡散層５４１と、アノード側のガス拡散層５５１とが異なる構成を有している。カソード側のガス拡散層５４１およびアノード側のガス拡散層５５１は、第１実施例同様に、カーボン繊維から成る繊維層（フェルト、ペーパー、クロスのいずれであっても良い。）であるが、カーボン繊維の太さが異なっている。図６において拡大模式図で示すように、アノード側のガス拡散層５５１の繊維Ｆの太さは、カソード側のガス拡散層５４１の繊維Ｆの太さより、太い。ガス拡散層５４１、５５１において、繊維Ｆは、伝熱経路となる。伝熱経路断面積Ｓが大きいほど、熱抵抗は低くなるので、ガス拡散層５５１の厚さ方向の熱抵抗は、ガス拡散層５４１の厚さ方向の熱抵抗より、小さくなる。

以上のように構成された第１変形例による燃料電池スタック１００ｂによれば、さらに、アノードガス流路層（アノード側多孔体９０とガス拡散層５５１）の熱抵抗が、カソードガス流路層（カソード側多孔体８０とガス拡散層５４１）の熱抵抗と比較して小さくなる。この結果、膜電極接合体５０ｂのカソード５２からアノード側多孔体９０側へ向かう熱流の量がより多くなる。この結果、カソード側からアノード側へ水分の移動をより促進することができる。この結果、乾きやすいアノード側の乾燥をより抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００の高温運転時の性能をより向上することができる。

・第２変形例：
図７を参照して、第２変形例について説明する。図７は、第２変形例における燃料電池スタック１００ｃの部分断面図である。第２変形例における燃料電池スタック１００ｃは、第２実施例における燃料電池スタック１００ａと比べて、ガス拡散層の構成が異なる。第２変形例における燃料電池スタック１００ｃのその他の構成は、第２実施例における燃料電池スタック１００ａの構成と同一であるので、同一の構成要素については、図７において、図４と同一の符合を付し、その説明を省略する。

燃料電池スタック１００ｃの膜電極接合体５０ｃは、カソード側のガス拡散層５４１と、アノード側のガス拡散層５５５とが異なる構成を有している。カソード側のガス拡散層５４１およびアノード側のガス拡散層５５１は、第１変形例と同様に、カーボン繊維から成る繊維層（フェルト、ペーパー、クロスのいずれであっても良い。）である。カソード側のガス拡散層５４１は、第１変形例における同一符合のカソード側のガス拡散層（図６）と同一である。

アノード側のガス拡散層５５５は、第１の拡散部５５２と、第２の拡散部５５３とを有している。第１の拡散部５５２は、第１の多孔体部９０１と重なるように配置されている。したがって、第１の拡散部５５２は、第１の多孔体部９０１と同様に、カソードガス流路層（カソード側多孔体８０とガス拡散層５４１）における上流域と積層方向に重なるように配置されている。第２の拡散部５５３は、第２の多孔体部９０２と重なるように配置されている。従って、第２の拡散部５５３は、第２の多孔体部９０２と同様に、カソードガス流路層における下流域と積層方向に重なるように配置されている。第１の拡散部５５２と第１の多孔体部９０１はアノードガス流路層における上流域を形成し、第２の拡散部５５３と第２の多孔体部９０２はアノードガス流路層における下流域を形成している。

第１の拡散部５５２の繊維Ｆの太さは、第１変形例におけるガス拡散層５５１の繊維Ｆの太さと同程度である。一方、第２の拡散部５５３の繊維Ｆの太さは、図７に模式的な拡大図で示すように、第１の拡散部５５２の繊維Ｆの太さより太い。この結果、この結果、第２の拡散部５５３の厚さ方向の熱抵抗は、第１の拡散部５５２の熱抵抗より小さい。

すなわち、熱抵抗は、第２の拡散部５５３（アノード側）＜第１の拡散部５５２（アノード側）＜ガス拡散層５４１（カソード側）である。

以上のように構成された第２変形例による燃料電池スタック１００ｃによれば、第２実施例比較して、さらに、アノードガス流路層の下流側（第２の多孔体部９０２と第２の拡散部５５３）の熱抵抗が、アノードガス流路層の上流側（第１の多孔体部９０１と第１の拡散部５５２）の熱抵抗と比較して小さくなる。この結果、カソード５２からアノード５３に向かって移動する水分の量が、カソードガス流路層の下流側（第２の多孔体部９０２と第２の拡散部５５３に重なる側）において、カソードガス流路層の上流側（第１の多孔体部９０１と第１の拡散部５５２に重なる側）と比較して、より大きくなる。この結果、カソード５２からアノード５３に向かって移動する水分の合計量をより大きくすることができる。

さらに、カソードガス流路層の下流側においてカソード側からアノード側に移動する水分の量、すなわち、アノードガス流路層の上流側に移動してくる水分の量を大きくすることができる。この結果、この結果、乾きやすいアノード側の乾燥をより効率良く抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００ｃの高温運転時の性能を、さらに向上することができる。また、アノードガス流路層の下流側に水分が溜まりにくいので、低温運転時のアノード側の水詰まり（フラッディング）を抑制することができる。

・第３変形例：
上記第１変形例および第２変形例では示したガス拡散層の繊維の太さを変えることにより、ガス流路層の熱抵抗を調整する構成を、多孔体の平均気孔径を代えることにより、ガス流路層の熱抵抗を調整する構成と組み合わせて用いているが、もちろん、ガス拡散層の繊維の太さを変えることにより、ガス流路層の熱抵抗を調整する構成のみを用いても良い。

例えば、上記実施例では、セパレータ３０は表面が平坦な形状であるとしているが、これに代えて、発電領域に対応する部分に反応ガス流路として機能する波板形状、あるいは、凹形状を有するセパレータ（例えば、金属板をプレス成形して作製される）を採用する場合、多孔体は用いられず、ガス拡散層のみが用いられる場合がある。かかる場合には、ガス拡散層の繊維の太さを変えることにより、ガス流路層の熱抵抗を調整する構成のみが用いられ得る。

・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。

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実施例における燃料電池スタックの部分断面図。第２実施例の燃料電池スタックの動作を説明する説明図。第１変形例における燃料電池スタックの部分断面図。第２変形例における燃料電池スタックの部分断面図。

符号の説明

３０…セパレータ
３１…カソードプレート
３２…中間プレート
３３…アノードプレート
５０、５０ｂ、５０ｃ…膜電極接合体
５１…電解質膜
５２…カソード
５３…アノード
５４、５５、５５１、５４１、５５５…ガス拡散層
８０…カソード側多孔体
９０、９０ａ…アノード側多孔体
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ…燃料電池スタック

Claims

燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の第１の面に配置されたカソードと、前記電解質膜の第２の面に配置されたアノードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、カソードガスが流動すると共に、厚さ方向に第１の熱抵抗を有する第１の流路層と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、アノードガスが流動すると共に、厚さ方向に前記第１の熱抵抗より小さい第２の熱抵抗を有する第２の流路層と、
前記膜電極接合体のカソード側に、前記第１の流路層を挟んで配置された第１の冷却媒体流路と、
前記膜電極接合体のアノード側に、前記第２の流路層を挟んで配置された第２の冷却媒体流路と、
を備え、
前記第１の流路層は、第１の多孔体層を含み、
前記第２の流路層は、第２の多孔体層を含み、
前記第２の多孔体層は、前記第１の多孔体層と気孔率が等しく、前記第１の多孔体層より平均気孔径が大きく、
前記第２の流路層における気孔を除いた部分の厚さ方向の伝熱経路は、前記第１の流路層における気孔を除いた部分の厚さ方向の伝熱経路に比べて短い、燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記第２の流路層における気孔を除いた部分の厚さ方向の伝熱経路は、前記第１の流路層における気孔を除いた部分の厚さ方向の伝熱経路に比べて太い、燃料電池。
請求項２に記載の燃料電池において、
前記第１の流路層は、第１の繊維層を含み、
前記第２の流路層は、第２の繊維層を含み、
前記第２の繊維層は、前記第１の繊維層より太い繊維を用いて構成されている燃料電池。