WO2010113277A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2010113277A1
WO2010113277A1 PCT/JP2009/056692 JP2009056692W WO2010113277A1 WO 2010113277 A1 WO2010113277 A1 WO 2010113277A1 JP 2009056692 W JP2009056692 W JP 2009056692W WO 2010113277 A1 WO2010113277 A1 WO 2010113277A1
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flow path
gas flow
gas
continuous pores
path forming
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橋本　圭二
浩右 川尻
諭 二見
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トヨタ車体 株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell mounted on, for example, an electric vehicle.
  • a fuel cell includes a battery stack composed of a large number of stacked power generation cells.
  • a conventional power generation cell will be described with reference to FIGS.
  • an electrode structure 15 is attached to the joint between the pair of frames 13 and 14.
  • the electrode structure 15 includes a solid electrolyte membrane 16, an electrode catalyst layer 17 located on the anode side, and an electrode catalyst layer 18 located on the cathode side.
  • the outer peripheral edge of the solid electrolyte membrane 16 is sandwiched between the frames 13 and 14.
  • the electrode catalyst layer 17 on the anode side is laminated on the upper surface of the electrolyte membrane 16, and the electrode catalyst layer 18 on the cathode side is laminated on the lower surface of the electrolyte membrane 16.
  • a gas diffusion layer 19 on the anode side is laminated on the upper surface of the electrode catalyst layer 17, and a gas diffusion layer 20 on the cathode side is laminated on the lower surface of the electrode catalyst layer 18. Further, an anode-side gas flow path forming body 21 is stacked on the upper surface of the gas diffusion layer 19, and a cathode-side gas flow path forming body 22 is stacked on the lower surface of the gas diffusion layer 20.
  • a flat plate separator 23 is bonded to the upper surface of the gas flow path forming body 21, and a flat plate separator 24 is bonded to the lower surface of the gas flow path forming body 22.
  • the solid electrolyte membrane 16 is formed of a fluorine polymer membrane.
  • the electrode catalyst layers 17 and 18 include granular carbon particles 51 that support a catalyst, and a large number of catalyst particles 52 made of platinum (Pt) are formed on the surface of the carbon particles 51. It is attached.
  • the electrode catalyst layers 17 and 18 are bonded to the front solid electrolyte membrane 16 with a paste for forming the electrode catalyst layer.
  • the power generation efficiency can be improved when the power generation of the fuel cell is performed by the catalyst particles 52 as the catalyst.
  • the gas diffusion layers 19 and 20 are made of carbon paper. As shown in FIG.
  • the gas flow path forming body 21 (22) is formed of a lath cut metal, and the hexagonal ring portion 21a (22a) is formed to meander in the lath cut metal. Has been.
  • Each ring portion 21a (22a) has a through hole 21b (22b).
  • the fuel gas (oxidizing gas) flows through the gas flow path formed by the ring portion 21a (22a) and the through hole 21b (22b).
  • FIG. 9 is an enlarged view of a part of the gas flow path forming bodies 21 and 22.
  • the frames 13, 14 are formed with a fuel gas supply passage M1 and a fuel gas outlet passage M2.
  • the fuel gas supply passage M1 is a passage for supplying hydrogen gas as fuel gas to the gas flow path of the gas flow path forming body 21 on the anode side.
  • the fuel gas outlet passage M2 is a passage for leading the fuel gas that has passed through the gas flow path of the gas flow path forming body 21, that is, the fuel off-gas, to the outside.
  • the frames 13 and 14 are formed with an oxidizing gas supply passage and an oxidizing gas outlet passage.
  • the supply passage for the oxidizing gas is a passage for supplying air as the oxidizing gas to the gas flow path of the gas flow path forming body 22 on the cathode side, which is located on the back side of the sheet of FIG.
  • the oxidizing gas lead-out passage is a passage for leading the oxidizing gas that has passed through the gas flow path of the gas flow path forming body 22, that is, the oxidizing off gas, to the outside on the front side of the paper surface of FIG.
  • Hydrogen gas is supplied from a hydrogen gas supply source (not shown) to the gas flow path forming body 21 through the fuel gas supply passage M1 along a gas flow direction P indicated by an arrow in FIG.
  • a hydrogen gas supply source not shown
  • power generation is performed by an electrochemical reaction in the power generation cell.
  • hydrogen gas (H 2 ) supplied to the anode-side gas flow path forming body 21 flows into the electrode catalyst layer 17 through the gas diffusion layer 19.
  • hydrogen (H 2 ) becomes hydrogen ions (H + ) and electrons (e ⁇ ) as shown in the following formula (1), and the potential of the electrode catalyst layer 17 is a standard electrode as is well known. The potential is zero volts.
  • Patent Document 1 discloses a fuel cell similar to the configuration shown in FIG. JP 2007-87768 A JP 2007-311089 A
  • Some hydrogen gas that has not been used in power generation in the above-described conventional fuel cell is discharged to the outside through the gas passage and the outlet passage M2 of the gas passage forming body 21 as fuel off-gas.
  • Part of the oxygen gas that has not been reduced during power generation is a lead-out passage formed in the frames 13 and 14 as an off-oxidation gas together with the generated water generated by the reaction of the above-described formula (2) and the nitrogen gas in the air ( It is discharged outside (not shown).
  • Part of the generated water permeates through the electrode catalyst layer 18 on the cathode side, the solid electrolyte membrane 16, the electrode catalyst layer 17 on the anode side, and the gas diffusion layer 19 to permeate into the gas flow path of the gas flow path forming body 21. It flows in as water.
  • the permeated water is discharged together with the fuel off-gas through the gas flow path of the gas flow path forming body 21 and the outlet passage M2.
  • the fuel gas (oxidizing gas) hardly flows and the pressure loss of the fuel gas (oxidizing gas) increases, resulting in a problem that power generation efficiency is reduced. Furthermore, the flow rate of the fuel gas (oxidizing gas) in each power generation cell, and thus the power generation voltage of each power generation cell, due to the difference in the amount of water droplets W remaining in the gas flow path of the gas flow path forming body 21 (22) of each power generation cell. Variation may occur. As a result, the power generation output of the entire fuel cell stack is reduced, and there is a problem that the power generation efficiency is lowered from this point.
  • oxygen (O 2 ) that has entered the electrode catalyst layer 17 on the anode side is hydrated protons (hydrogen ions H + ... With water molecules present in the fluorine-based polymer film of the solid electrolyte film 16. xH 2 O). That is, the hydrated proton, oxygen, and negative electrons react to generate water as represented by the following formula (3).
  • the hydrated proton is a charge carrier of the polymer membrane constituting the solid electrolyte membrane 16, which moves between the sulfonic acid groups (—SO 3 ⁇ —) of the polymer membrane, and passes from the solid electrolyte membrane 16 to the electrode. It moves to the catalyst layer 17.
  • the potentials of the electrode catalyst layer 17 and the gas diffusion layer 19 on the anode side are normally zero volts as described above, but both layers 17 and 19 in a state where hydrogen is depleted by the reaction of the formula (3).
  • the standard electrode potential increases to around 1.0 volts.
  • the gas flow path forming body 21 formed of ferrite SUS having low corrosion resistance is corroded and oxidized, and its durability is lowered. If the gas flow path forming body 21 is corroded and oxidized, the electric resistance of the corroded portion is increased, so that the flow of the generated electricity is obstructed and the power generation output is reduced.
  • the hydrated protons (hydrogen ions H + .xH 2 O) in the polymer film forming the solid electrolyte membrane 16 are reduced as described above.
  • carbon (C) and water constituting the electrode catalyst layer 18 react as shown in the following formula (4) to generate carbon dioxide and hydrogen ions (H + ). Is done.
  • porous bodies 61 and 62 having continuous pores are interposed between the gas flow path forming body 21 on the anode side and the separator 23 and between the gas flow path forming body 22 on the cathode side and the separator 24, respectively.
  • the porous bodies 61 and 62 have a three-layer structure of a first porous layer, a second porous layer, and a dense layer, and the pore diameters of the continuous pores are sequentially reduced.
  • Patent Document 2 discloses the same configuration as the above fuel cell
  • the water sucked into the porous body 61, 62 by capillary action is the porous body 61, 62.
  • a first object of the present invention is to provide a fuel cell capable of solving the problems existing in the prior art and improving the power generation efficiency.
  • a second object of the present invention is to provide a fuel cell capable of improving the power generation efficiency and improving the durability of the anode-side gas flow path forming member and the cathode-side electrode catalyst layer.
  • the first electrode catalyst layer laminated on the anode side surface of the electrolyte membrane and the cathode side surface of the electrolyte membrane are provided.
  • a second gas flow path forming body that is stacked on the surface of the catalyst layer and includes a second gas flow path for supplying an oxidizing gas; a first separator provided in the first gas flow path forming body;
  • a fuel cell comprising: a second separator stacked on a surface side of a second gas flow path forming body; the fuel gas introduction passage and the discharge passage; and the oxidizing gas introduction passage and the discharge passage.
  • a drainage promotion member made of a porous material having continuous pores so as to communicate with the downstream end of the second gas flow channel of the second gas flow path forming body and with the downstream end of the continuous pores of the porous layer.
  • the water sucked into the porous layer by capillary action from the second gas flow channel flows downstream by the flow pressure of the oxidizing gas flowing through the second gas flow channel, and is sucked into the continuous pores of the drainage promotion member.
  • a fuel cell is provided in which the water in the drainage promotion member is discharged from the second gas flow path to the outlet passage by the flow pressure of oxidizing off gas flowing through the continuous pores of the drainage promotion member.
  • the average pore diameter of the continuous pores of the drainage promotion member is set to be equal to or smaller than the average pore diameter of the continuous pores of the porous layer.
  • the drainage promotion member is integrally formed of the same material as the porous layer.
  • the average pore diameter of the continuous pores of the drainage promotion member is set shallower than the depth of the water channel, and the wettability of the continuous pores of the drainage promotion member is set higher than the wettability of the water channel. It is preferable that any one of the configuration to be configured and the configuration to set the hydration property of the continuous pores of the drainage promotion member to be higher than the hydration property of the water channel is preferably selected.
  • the first electrode catalyst layer laminated on the anode side surface of the electrolyte membrane and the cathode side surface of the electrolyte membrane are provided.
  • a second gas flow path forming body that is stacked on the surface of the catalyst layer and includes a second gas flow path for supplying an oxidizing gas, and a first separator that is stacked on the surface side of the first gas flow path forming body
  • a fuel cell comprising: a second separator provided in the second gas flow path forming body; a fuel gas introduction passage and a discharge passage; and an oxidizing gas introduction passage and a discharge passage. Continuous pores for sucking water in the first gas flow path by capillary action are provided between the surface of the first gas flow path forming body and the back surface of the first separator corresponding to the first gas flow path forming body.
  • a first porous layer is interposed;
  • a first drainage comprising a porous body having continuous pores so as to communicate with the downstream end of the first gas flow path of the first gas flow path forming body and to the downstream end of the continuous pores of the porous layer.
  • the water sucked into the first porous layer by capillary action from the first gas flow path flows downstream by the flow pressure of the fuel gas flowing through the first gas flow path, and continues to the first drainage promotion member.
  • the fuel cell is sucked into the pores, and the water in the first drainage promotion member is discharged to the outlet passage by the flow pressure of the fuel off-gas flowing through the continuous pores of the first drainage promotion member from the first gas flow path.
  • the water in the second gas flow path may be between the surface of the second gas flow path forming body and the back surface of the second separator corresponding to the second gas flow path forming body.
  • a second material made of a porous material having continuous pores communicates with the downstream end of the second gas flow path of the second gas flow path forming body and communicates with the downstream end of the continuous pores of the second porous layer. 2
  • Dispose the drainage promotion member The water sucked into the second porous layer by capillary action from the second gas flow path flows downstream by the flow pressure of the oxidizing gas flowing through the second gas flow path, and continues to the second drainage promotion member.
  • the water is sucked into the pores and the water in the drainage promotion member is formed to be discharged from the second gas flow path to the outlet passage by the flow pressure of the oxidizing off gas flowing through the continuous pores of the drainage promotion member. It is preferable.
  • the average pore diameter of the continuous pores of the drainage promotion member is set to be equal to or smaller than the average pore diameter of the continuous pores of the porous layer.
  • the drainage promotion member is integrally formed of the same material as the porous layer.
  • the configuration in which the average pore diameter of the continuous pores of the drainage promotion member is set shallower than the depth of the water channel, and the wettability of the continuous pores of the drainage promotion member is set higher than the wettability of the water channel is preferably selected.
  • the porous layer and the drainage promotion member are provided on the anode side, after the permeated water in the gas flow path of the gas flow path forming body on the anode side is sucked into the porous layer by capillary action, It flows to the drainage promotion member side by the flow pressure of the fuel gas flowing through the gas flow path.
  • the permeated water sucked into the drainage promotion member is discharged to the outlet passage side by the flow pressure of the fuel offgas flowing through the continuous pores of the drainage promotion part, so that the fuel gas is properly supplied to the electrode catalyst layer and the fuel deficiency Generation is avoided and power generation efficiency is improved.
  • the permeated water does not remain in the gas flow path of the gas flow path forming body, the pressure loss of the fuel gas flowing through the gas flow path due to the permeated water is reduced, and the power generation efficiency is improved. Since water is prevented from entering the electrode catalyst layer on the anode side, fuel deficiency is avoided in the electrode catalyst layer. Therefore, an increase in the potential of the electrode catalyst layer due to fuel deficiency is prevented, and corrosion of the gas flow path formation body due to an increase in the potential of the electrode catalyst layer is prevented. In addition, since the occurrence of fuel deficiency is avoided in the anode-side electrode catalyst layer, the reduction of hydrated protons in the electrolyte membrane described in the background art is prevented. As a result, carbon erosion of the cathode-side electrode catalyst layer due to reduction of hydrated protons is prevented, and the durability of the electrode catalyst layer is improved.
  • the power generation efficiency can be improved, and the anode-side gas flow path forming body and the cathode-side electrode catalyst layer can be improved. It is possible to improve the durability. Moreover, when the porous layer and the drainage promotion part are provided on the cathode side, the power generation efficiency can be improved.
  • FIGS. 3A to 3C are partial longitudinal sectional views showing a first embodiment in which the fuel cell of the invention is embodied.
  • FIGS. The longitudinal cross-sectional view which shows a power generation cell.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2.
  • the disassembled perspective view which shows a 1st and 2nd flame
  • Sectional drawing which expands and shows a part of fuel cell shown in FIG.
  • the fragmentary perspective view which shows the gas flow path formation body used for the fuel cell shown in FIG.
  • the graph which shows the relationship between the electric potential of the anode side of a fuel cell, and the cathode side, and corrosion current.
  • the longitudinal cross-sectional view which shows the conventional fuel cell.
  • the fuel cell stack 11 of the first embodiment is a solid polymer type fuel cell, and includes a large number of stacked power generation cells 12.
  • the power generation cell 12 has a rectangular frame shape, first and second frames 13 and 14 made of synthetic rubber (or synthetic resin), and an MEA 15 (Membrane-Electrode-Assembly as an electrode structure): Membrane-electrode assembly).
  • the first frame 13 defines a fuel gas channel space S1 on the inner side
  • the second frame 14 defines an oxidizing gas channel space S2 on the inner side.
  • the MEA 15 is disposed between the frames 13 and 14.
  • the power generation cell 12 includes a first gas flow path forming body 21 made of ferrite SUS (stainless steel) housed in the fuel gas flow path space S1, and the oxidizing gas. And a second gas flow path forming body 22 made of titanium or gold accommodated in the flow path space S2. Further, the power generation cell 12 includes a first separator 23 and a second separator 24 made of titanium.
  • the first separator 23 is formed in a flat plate shape, and is bonded to the upper surfaces of the first frame 13 and the first gas flow path forming body 21 in the drawing.
  • the second separator 24 is bonded to the lower surface of the frame 14 and the second gas flow path forming body 22 in the drawing.
  • FIG. 4 shows a simplified configuration of the gas flow path forming bodies 21 and 22 in a flat plate shape.
  • the MEA 15 includes an electrolyte membrane 16, a first electrode catalyst layer 17 and a second electrode catalyst layer 18, and a conductive first gas diffusion layer 19 and second gas diffusion layer 20. It is comprised by.
  • the first electrode catalyst layer 17 is formed by a catalyst laminated on the anode side surface of the electrolyte membrane 16, that is, the upper surface in the drawing
  • the second electrode catalyst layer 18 is the cathode side surface of the electrolyte membrane 16, that is, in the drawing. It is formed by the catalyst laminated
  • the gas diffusion layers 19 and 20 are bonded to the surfaces of the electrode catalyst layers 17 and 18, respectively.
  • the electrode structure 15 of each power generation cell 12 of the fuel cell stack 11 shown in FIG. 2 is parallel to the vertical direction.
  • the solid electrolyte membrane 16 is formed of a fluorine polymer membrane.
  • the electrode catalyst layers 17 and 18 include carbon particles 51 supporting a catalyst, and a catalyst made of a large number of platinum (Pt) is formed on the surface of the carbon particles 51. Particles 52 are attached.
  • the electrode catalyst layers 17 and 18 are bonded to the solid electrolyte membrane 16 with a paste for forming the electrode catalyst layer. With the catalyst particles 52 as the catalyst, the power generation efficiency can be increased when the fuel cell is generating power.
  • the carbon particles 51 have a particle size of several ⁇ m
  • the catalyst particles 52 have a particle size of 2 nm.
  • the gas diffusion layers 19 and 20 are made of carbon paper.
  • the first gas flow path forming body 21 positioned on the anode side and the second gas flow path forming body 22 positioned on the cathode side are configured in the same manner.
  • both gas flow path forming bodies 21 and 22 are made of the lath cut metal shown in FIG. 9 described in the background art.
  • a first porous layer 25 made of a conductive porous material having continuous pores is interposed between the first gas flow path forming body 21 and the first separator 23.
  • a second porous layer 26 made of a conductive porous material having continuous pores is interposed between the second gas flow path forming body 22 and the second separator 23.
  • the fuel gas passage space S1 of the first frame 13 is formed in a square shape in plan view.
  • Long parallel fuel gas inlets 13a and fuel gas outlets 13b communicating with the fuel gas flow path space S1 are formed in two parallel sides 131 and 132 facing each other in the first frame 13. .
  • the second frame 14 is configured in the same manner as the first frame 13.
  • the second frame 14 includes a fuel gas inlet 14a, a fuel gas outlet, so as to correspond to the fuel gas inlet 13a, the fuel gas outlet 13b, the oxidizing gas inlet 13c and the oxidizing gas outlet 13d of the frame 13. 14b, an oxidizing gas inlet 14c and an oxidizing gas outlet 14d are formed.
  • the four sides of the first separator 23 have fuel gas inlets 23a corresponding to the fuel gas inlet 13a, fuel gas outlet 13b, oxidizing gas inlet 13c, and oxidizing gas outlet 13d formed in the first frame 13, respectively.
  • a fuel gas outlet 23b, an oxidizing gas inlet 23c, and an oxidizing gas outlet 23d are formed.
  • fuel gas corresponding to the fuel gas inlet 14a, fuel gas outlet 14b, oxidizing gas inlet 14c, and oxidizing gas outlet 14d formed in the second frame 14 is provided on the four sides of the second separator 24.
  • An inlet 24a, a fuel gas outlet 24b, an oxidizing gas inlet 24c, and an oxidizing gas outlet 24d are formed.
  • the first and second gas flow path forming bodies 21 (22) have a fuel gas flow path space S 1 (oxidation gas flow path space) of the first (second) frame 13 (14).
  • S1 oxidation gas flow path space
  • the surface of the gas diffusion layer 19 (20) is in contact with the back surface of the first (second) porous layer 25 (26).
  • a supply passage M1 for supplying fuel gas to each power generation cell 12 is formed by the opening 24a.
  • a fuel off-gas outlet passage M2 is formed in each power generation cell 12 by the outlet 24b.
  • the fuel gas supplied from the outside of the fuel cell to the fuel gas supply passage M1 passes through the gas passage T1 of the first gas passage formation body 21 and is supplied to the power generation, and then is supplied to the fuel gas outlet passage M2. Guided as off-gas.
  • the oxidizing gas inlet 23c of the first separator 23, the oxidizing gas inlet 13c of the frame 13, the oxidizing gas inlet 14c of the second frame 14, and the oxidizing gas inlet 24c of the second separator 24 are supplied to each power generation cell 12 with oxidizing gas.
  • a supply passage R1 for supplying the liquid is formed.
  • the oxidizing gas outlet 23d of the first separator 23, the oxidizing gas outlet 13d of the first frame 13, the oxidizing gas outlet 14d of the second frame 14, and the oxidizing gas outlet 24d of the second separator 24 are connected to each power generation cell 12.
  • a lead-out passage R2 for leading out the oxidizing off gas is formed.
  • the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply passage R1 from the outside of the fuel cell passes through the gas flow path T2 of the second gas flow path forming body 22, is supplied to the power generation, and then enters the oxidizing gas outlet path R2. Guided as oxidizing off-gas.
  • the upstream part of the flow path space S ⁇ b> 1 formed in the first gas flow path forming body 21 is communicated with the fuel gas inlet 13 a of the first frame 13, and the downstream part is the first frame 13.
  • the fuel gas outlet 13b communicates with the fuel gas outlet port 13b.
  • the space downstream of the flow path space S1 is a communication path 27 in which the first gas flow path forming body 21 and the first porous layer 25 do not exist.
  • the communication path 27 includes, for example, urethane sponge, sea surface, and the like.
  • a drainage promotion member 28 made of a porous material having continuous pores is disposed.
  • the drainage promoting member 28 is in contact with the downstream edge of the first gas flow path forming body 21 and the downstream edge of the continuous pores of the first porous layer 25 over the entire area. Further, the downstream end of the gas flow path T1 of the first gas flow path forming body 21 communicates with the continuous pores of the drainage promotion member 28, and the downstream end of the continuous pores of the first porous layer 25 also promotes the drainage. The member 28 communicates with the continuous pores.
  • the upstream portion of the flow path space S ⁇ b> 2 formed in the second gas flow path forming body 22 communicates with the fuel gas inlet 14 a of the second frame 14, and the downstream portion is the second frame 14.
  • the fuel gas outlet port 14b communicates with the fuel gas outlet port 14b.
  • the space downstream of the flow path space S2 is a communication path 29 in which the second gas flow path forming body 22 and the second porous layer 26 do not exist, and the communication path 29 includes, for example, urethane sponge, sea surface, etc.
  • a second drainage promotion member 30 made of a porous material having continuous pores is disposed.
  • the downstream edge of the second gas flow path forming body 22 and the downstream edge of the continuous pores of the second porous layer 26 are in contact with the second drainage promotion member 30 over the entire area. Further, the downstream end of the gas flow path T2 of the second gas flow path forming body 22 communicates with the continuous pores of the drainage promotion member 30, and the downstream end of the continuous pores of the second porous layer 26 also promotes the drainage. The member 30 communicates with the continuous pores.
  • the layer thickness of the first and second porous layers 25 and 26 is set to 0.5 to 1.0 mm, for example.
  • the porosity which is the ratio of continuous pores to the total volume of the first and second porous layers 25, 26, is set to 30 to 60%. Since the porosity is set in this way, the water in the gas flow paths T1, T2 is easily sucked into the first and second porous layers 25, 26 by the capillary action of the continuous pores.
  • the porosity of the first and second drainage promotion members 28 and 30 is set in the range of 50 to 80% by volume.
  • the average pore diameter of the continuous pores of the porous layers 25 and 26 is set in the range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m, for example, and the average pore size of the continuous pores of the first and second drainage promotion members 28 and 30 is set.
  • the pore diameter is set in the range of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the fuel gas supplied to the fuel gas supply passage M ⁇ b> 1 becomes turbulent when flowing in the gas flow path T ⁇ b> 1 of the first gas flow path forming body 21 in the direction of the arrow.
  • the fuel gas is diffused in the gas flow path T1.
  • the fuel gas is further appropriately diffused by passing through the first gas diffusion layer 19 and is uniformly supplied to the first electrode catalyst layer 17.
  • the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply passage R1 becomes a turbulent flow when flowing in the gas flow path T2 of the second gas flow path forming body 22 in the direction of the arrow.
  • the oxidizing gas is diffused in the gas flow path T2.
  • the oxidizing gas is further appropriately diffused by passing through the second gas diffusion layer 20 and is uniformly supplied to the electrode catalyst layer 18.
  • an electrode reaction occurs in the MEA 15 to generate power. Desired electric power is output from the fuel cell stack 11 including the plurality of stacked power generation cells 12.
  • generated water is generated in the gas flow path T2 of the second gas flow path forming body 22 on the cathode side.
  • Part of the hydrogen gas that was not used during power generation passes through the gas passage T1 of the first gas passage formation body 21, the continuous pores of the first drainage promotion member 28, and the fuel gas outlet passage M2 as fuel off-gas.
  • Part of the oxygen gas that has not been oxidized during power generation is an oxidizing off gas together with nitrogen gas and produced water, and passes through the continuous pores of the second drainage promotion member 30 to lead out the oxidizing gas formed in the frames 13 and 14. Guided to R2 and discharged to the outside.
  • Part of the generated water permeates the second electrode catalyst layer 18, the solid electrolyte membrane 16, the first electrode catalyst layer 17, and the first gas diffusion layer 19 on the cathode side, and the first gas flow path forming body 21. Flows into the gas flow path T1 as permeated water.
  • the permeated water contained in the fuel gas becomes water droplets W and adheres to the wall surface of the gas flow path T1.
  • the water droplets W (permeated water) are sucked into the continuous pores of the first porous layer 25 by the capillary action of the continuous pores of the first porous layer 25 as shown in FIG.
  • the fuel gas flowing in the gas flow path T1 becomes fuel off-gas, passes through the continuous pores of the first drainage promotion member 28, and is discharged to the fuel off-gas outlet passage M2.
  • the water droplet W (permeated water) sucked into the first porous layer 25 flows downstream in the gas flow direction P due to the flow pressure of the fuel gas flowing in the gas flow path T1, and is shown in FIG. 1 (c). As shown, it is sucked into the continuous pores of the first drainage promotion member 28 by capillary action. The permeated water W sucked into the first drainage promotion member 28 is pushed out by the flow pressure of the fuel off gas passing through the continuous pores of the promotion member 28. That is, the permeated water W sucked into the continuous pores of the promotion member 28 is pushed out by the pressure difference by the gas flow of the fuel off gas flowing through the continuous pores of the promotion member 28.
  • the pressure in the continuous pores of the promotion member 28 becomes lower than the pressure of the continuous pores of the first porous layer 25, and the permeated water in the continuous pores of the first porous layer 25 is caused by this pressure difference. And are discharged into the fuel off-gas outlet passage M2.
  • the generated water generated in the gas flow path T ⁇ b> 2 of the cathode-side second gas flow path forming body 22 is a continuation of the cathode-side second porous layer 26 and the second drainage promotion member 30. Due to the capillary action of the pores and the flow pressure of the gas flowing through the continuous pores of the second drainage promotion member 30, it is discharged to the oxidation off-gas outlet passage R2 side in the same manner as the permeated water of the gas passage T1 described above.
  • the first porous layer 25 is interposed between the anode-side first gas flow path forming body 21 and the separator 23, and is formed in the downstream portion of the flow path space S1.
  • a first drainage promotion member 28 is provided in the communication passage 27.
  • the permeated water in the gas flow path T1 formed in the first gas flow path forming body 21 is sucked into the porous layer 25 by the capillary action of the first porous layer 2.
  • the permeated water sucked into the porous layer 25 flows toward the first drainage promotion member 28 due to the surface tension of the water.
  • the permeated water is efficiently sucked from the porous layer 25 into the drainage promotion member 28 by the flow pressure of the fuel offgas flowing through the promotion member 28 and discharged to the fuel offgas outlet passage M2 side.
  • the permeated water in the gas flow path T1 of the first gas flow path forming body 21 is sucked into the first porous layer 25 and discharged through the first drainage promotion member 28 to the fuel off-gas outlet passage M2.
  • the permeated water is prevented from remaining in the gas flow path T1, and the pressure loss of the fuel gas flowing through the gas flow path T1 due to the permeated water is reduced, so that the power generation efficiency is improved.
  • the corrosion of the first gas flow path forming body 21 due to the increase in potential of the anode-side first electrode catalyst layer 17 caused by the hydrogen deficiency state of the first electrode catalyst layer 17 is prevented, its durability is improved. be able to.
  • the selection criteria for the material of the first gas flow path forming body 21 are relaxed, and an inexpensive material can be used as the material of the first gas flow path forming body 21, thereby reducing the material cost.
  • an inexpensive material can be used as the material of the first gas flow path forming body 21, thereby reducing the material cost.
  • the hydrogen-deficient state of the first electrode catalyst layer 17 on the anode side is avoided, the reduction of hydrated protons in the electrolyte membrane 16 described in the background art is prevented.
  • the carbon particles 51 of the electrode catalyst layer 18 on the cathode side are prevented from being eroded, and the durability of the electrode catalyst layer 18 can be improved.
  • the second porous layer 26 is interposed between the cathode-side second gas flow path forming body 22 and the separator 24, and the communication path 29 in the downstream portion of the flow path space S2 is provided. Since the second drainage promotion member 30 is provided, the generated water in the gas channel T2 of the cathode-side second gas channel formation body 22 is oxidized by the second porous layer and the second drainage promotion member as described above. The off gas is discharged to the outlet passage R2 side. Thereby, the generated water is prevented from remaining in the gas flow path T2 of the second gas flow path forming body 22, and the pressure loss due to the generated water of the oxidizing gas flowing in the gas flow path T2 is reduced. Efficiency is improved. In addition, since the oxidizing gas is properly supplied to the electrode catalyst layer 18 and the oxidizing gas deficiency state is avoided, the power generation efficiency is improved.
  • the first and second porous layers 25 and 26 and the first and second drainage promotion members 28 and 30 are provided on the anode side and the cathode side, and the gas flow paths T1 and T2 are provided. Both the permeated water and the generated water are properly discharged into the fuel gas outlet passages M2 and R2. Therefore, variation in the power generation output of each power generation cell 12 can be eliminated, and the power generation characteristics of the fuel cell can be stabilized. For example, in the low load operation state of the fuel cell, the flow rate of the gas flowing through the gas flow paths T1 and T2 of the gas flow path forming bodies 21 and 22 is low, and the permeated water and the generated water stay in the gas flow paths T1 and T2. The amount of water becomes unbalanced.
  • a second drainage promotion member 30 formed of the same material as the material of the second porous layer 26 is integrally formed at the downstream end of the second porous 26 on the cathode side. Forming.
  • a first drainage promotion member 28 formed of the same material as the material of the first porous layer 25 is integrally formed at the downstream end of the first porous layer 25 on the anode side. Forming.
  • the first (second) porous layer 25 (26) and the first (second) drainage promotion member 28 (30) are integrally formed, the first (second) ) The permeated water (product water) sucked into the porous layer 25 (26) is smoothly flowed to the first (second) drainage promotion member 28 (30), and drainage can be performed more appropriately.
  • a discharge port 35 is formed in the cathode-side separator 24. Between the separator 24 and the separator 23 on the anode side of the adjacent power generation cell, a communication path 36 for oxidizing off gas and generated water communicating with the discharge port 35 is formed.
  • the discharge port 35 accommodates a second drainage promotion member 30 that is integrally formed with the layer 26 using the same porous material as the second porous layer 26.
  • the anode side is configured in the same manner as the cathode side.
  • the oxidizing off gas and the generated water are provided in the discharge port 35 and are discharged from the communication path 36 to the oxidizing off gas outlet path R2 by the second drainage promotion member 30.
  • This invention may change this invention to the following embodiments.
  • the porous layer 25 and the drainage promotion member 28 may be provided only on the anode side. According to such a configuration, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved, and the durability of the second gas flow path forming body 22 on the anode side and the electrode catalyst layer 18 on the cathode side can be improved. Further, the porous layer 26 and the drainage promotion member 30 may be provided only on the cathode side. With such a configuration, the power generation efficiency of the fuel cell can also be improved.
  • the average pore diameter of the continuous pores of the drainage promotion member 30 is set to be smaller than or equal to the average pore diameter of the continuous pores of the porous layers 25 and 26, and the capillary action is performed.
  • the wettability of the continuous pores of the drainage promotion member 30 may be made larger than the wettability of the continuous pores of the porous layers 25 and 26.
  • the droplet contact angle of the continuous pores of the drainage promotion member 30 may be set larger than the droplet contact angle of the continuous pores of the porous layers 25 and 26.
  • the hydration property of the continuous pores of the drainage promotion member 30 may be better than the hydration property of the porous layers 25 and 26. In these cases, even if the average pore diameter of the continuous pores of the drainage promotion member 30 is set larger than the average pore diameter of the continuous pores of the porous layers 25 and 26, the porous layers 25 and 26 The water in the continuous pores is appropriately sucked into the continuous pores of the drainage promotion member 30.
  • a groove for allowing cooling water to pass through the separators 23 and 24 of the power generation cell 12 may be formed.
  • the gas diffusion layers 19 and 20 may be abbreviate
  • the first gas flow path forming body 21 and the first separator 23 on the anode side may be integrally configured.
  • the frame 13 and the first separator 23 may be integrally formed of a metal material, for example, by forging.
  • the second gas flow path forming body 22 and the second separator 24 on the cathode side may be integrally configured.
  • the frame 14 and the second separator 24 may be integrally formed of a metal material, for example, by forging.

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Abstract

　電極構造体の第１面に第１ガス拡散層及び第１ガス流路形成体が積層され、第２面に第２ガス拡散層及び第２ガス流路形成体が積層される前記ガス流路形成体とセパレータとの間に連続気孔を有する多孔質層が介在される。 前記第２ガス流路形成体の第２ガス流路Ｔ２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材料よりなる排水促進部材が配設される。前記第２ガス流路Ｔ２から毛管作用により前記多孔質層に吸い込まれた生成水は、水の表面張力によって下流側に流れ、前記排水促進部材に吸い込まれ、前記第２ガス流路Ｔ２内から前記排水促進部材の連続気孔を流動する酸化オフガスの流動圧力によって導出通路に排出される。よって、カソード側の第２ガス流路形成体の第２ガス流路Ｔ２に生成水が残留するのをなくして、電極構造体への酸化ガスの供給不足による発電出力の低下を未然に防止することができる燃料電池を提供する。

Description

燃料電池
　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（Ｈ２）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（Ｈ２）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。
　Ｈ２→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（Ｏ２）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・Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ・・・（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（Ｏ２）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（Ｏ２）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＋・ｘＨ２Ｏ）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（－ＳＯ３ －－）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×Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ・・・（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＋・ｘＨ２Ｏ）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＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋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オフ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、前記排水促進部材の連続気孔の平均気孔径は、多孔質層の連続気孔の平均気孔径と同じかそれ以下に設定されていることが好ましい。
　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、該排水促進部材の連続気孔の平均気孔径を水流路の深さよりも浅く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の濡れ性を水流路の濡れ性よりも高く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の水和性を水流路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オフ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オフ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。
　また、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平均気孔径は、多孔質層の連続気孔の平均気孔径と同じかそれ以下に設定されていることが好ましい。
　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、該排水促進部材の連続気孔の平均気孔径を水流路の深さよりも浅く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の濡れ性を水流路の濡れ性よりも高く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の水和性を水流路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。
　（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、海面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、海面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オフガスの導出通路Ｒ２側へ排出される。
　第１実施形態の燃料電池によれば、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 (9)

  1. 　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、水の表面張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オフ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。
  2. 　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平均気孔径は、多孔質層の連続気孔の平均気孔径と同じかそれ以下に設定されている
    　ことを特徴とする燃料電池。
  3. 　請求項１又は２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。
  4. 　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平均気孔径を水流路の深さよりも浅く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の濡れ性を水流路の濡れ性よりも高く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の水和性を水流路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。
  5. 　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オフ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。
  6. 　請求項５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、水の表面張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オフ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。
  7. 　請求項５又は６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平均気孔径は、多孔質層の連続気孔の平均気孔径と同じかそれ以下に設定されている
    　ことを特徴とする燃料電池。
  8. 　請求項５又は６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。
  9. 　請求項５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平均気孔径を水流路の深さよりも浅く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の濡れ性を水流路の濡れ性よりも高く設定する構成と、排水促進部材の連続気孔の水和性を水流路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。
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