特開 2023-165264 燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023165264

(43)【公開日】2023-11-15

(54)【発明の名称】燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/02 20160101AFI20231108BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20231108BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALI20231108BHJP

   H01M 8/2404 20160101ALI20231108BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231108BHJP

【ＦＩ】

H01M8/02

H01M8/0258

H01M8/0267

H01M8/2404

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022076095

(22)【出願日】2022-05-02

(71)【出願人】

【識別番号】000110321

【氏名又は名称】トヨタ車体株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】杉野 祐記

(72)【発明者】

【氏名】大津 亘

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA02

5H126AA08

5H126AA11

5H126AA22

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE11

5H126EE22

5H126FF02

5H126FF04

5H126GG05

5H126HH02

5H126JJ05

5H126JJ09

(57)【要約】

【課題】ガス拡散性、排水性、及び冷却性を向上できる燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックを構成する単セル１０は、発電部２０と、カソード側セパレータ４０と、アノード側セパレータ５０と、多孔体流路板６０と、を備える。カソード側セパレータ４０は、溝状の酸化剤ガス流路４７と、溝状の冷却媒体流路４８と、を備え、アノード側セパレータ５０は、溝状の燃料ガス流路５７と、溝状の冷却媒体流路５８と、を備える。カソード側セパレータ４０と多孔体流路板６０との間には、導電性及び可撓性を有する多孔質シート７０が設けられており、多孔質シート７０は、酸化剤ガス流路４７の各々に充填される複数の低密度部７３と、低密度部７３同士の間に位置し、カソード側セパレータ４０に当接するとともに低密度部７３よりも密度の高い高密度部７４と、を有している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の単セルが積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記単セルは、
発電部と、
カソード側セパレータと、
前記単セルの積層方向において前記カソード側セパレータとにより前記発電部を挟むアノード側セパレータと、
前記カソード側セパレータと前記発電部との間に設けられる多孔体流路板と、を備え、
前記カソード側セパレータは、酸化剤ガスが流通する複数の溝状の酸化剤ガス流路が並んで設けられた第１カソード面と、前記第１カソード面とは反対側の面であって冷却媒体が流通する複数の冷却媒体流路が並んで設けられた第２カソード面と、を有しており、
前記アノード側セパレータは、燃料ガスが流通する複数の溝状の燃料ガス流路が並んで設けられた第１アノード面と、前記第１アノード面とは反対側の面であって前記冷却媒体が流通する複数の溝状の冷却媒体流路が並んで設けられた第２アノード面と、を有しており、
前記カソード側セパレータと前記多孔体流路板との間には、導電性及び可撓性を有する多孔質シートが設けられており、
前記多孔質シートの孔の径は、前記多孔体流路板の孔の径よりも小さくされており、
前記多孔質シートは、前記酸化剤ガス流路の各々に充填される複数の低密度部と、前記低密度部同士の間に位置し、前記カソード側セパレータに当接するとともに前記低密度部よりも密度の高い高密度部と、を有している、
燃料電池スタック。

【請求項2】

前記多孔質シートは、炭素繊維により形成されている、
請求項１に記載の燃料電池スタック。

【請求項3】

前記多孔質シートは、多孔質の基材と、前記基材の表面に設けられた親水性の添加剤と、を有している、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。

【請求項4】

前記発電部は、膜電極接合体と、前記積層方向において前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、を有しており、
前記多孔質シートの剛性は、前記ガス拡散層の剛性よりも低い、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。

【請求項5】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックを製造する方法であって、
前記積層方向において前記カソード側セパレータと前記アノード側セパレータとの間に前記発電部が位置し、前記カソード側セパレータと前記発電部との間に前記多孔体流路板が位置し、且つ前記カソード側セパレータと前記多孔体流路板との間に一様の密度の前記多孔質シートが位置するように、前記カソード側セパレータ、前記アノード側セパレータ、前記発電部、前記多孔体流路板、及び前記多孔質シートを配置して前記単セルを形成した後に、複数の前記単セルを積層してスタック本体を形成する工程と、
前記スタック本体に対して前記積層方向に圧縮荷重を作用させることにより前記低密度部及び前記高密度部を形成する工程と、を備える、
燃料電池スタックの製造方法。

【請求項6】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックを製造する方法であって、
前記カソード側セパレータと一様の密度の前記多孔質シートとを重ね合わせた状態で、前記積層方向において前記カソード側セパレータ及び前記多孔質シートに対して圧縮荷重を作用させて前記低密度部及び前記高密度部を形成することで前記カソード側セパレータと前記多孔質シートとが積層された部分積層体を形成した後に、前記積層方向において前記部分積層体と前記アノード側セパレータとの間に前記発電部が位置し、前記部分積層体と前記発電部との間に前記多孔体流路板が位置するように、前記部分積層体、前記アノード側セパレータ、前記発電部、及び前記多孔体流路板を配置して前記単セルを形成する工程と、
前記単セルを複数積層することでスタック本体を形成する工程と、を備える、
燃料電池スタックの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池スタックの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、複数の単セルが積層して構成される燃料電池が開示されている。単セルは、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、ＭＥＡ）と、膜電極接合体を挟むカソード側セパレータ及びアノード側セパレータを備えている。

【0003】

カソード側セパレータとＭＥＡとの間には、エキスパンドメタル製のガス拡散層が設けられている。カソード側セパレータにおいてガス拡散層に対向する面には、酸化剤ガスを供給する複数のガス供給溝が並んで設けられている。

【0004】

アノード側セパレータには、燃料ガスを供給するガス供給溝が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８－３１１１０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に開示の燃料電池の場合、酸化剤ガスは、エキスパンドメタル製のガス拡散層の孔よりも流路断面積が大きい、すなわち圧力損失の低いガス供給溝を優先的に流れるようになる。そのため、ガス拡散層を通じて酸化剤ガスが拡散しにくいといった問題や、生成水がガス拡散層に滞留して排水されにくいといった問題が生じる。

【0007】

また、燃料電池においては、発電による温度上昇を抑えるために、冷却性の向上も望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するための燃料電池スタックは、複数の単セルが積層して構成される燃料電池スタックであって、前記単セルは、発電部と、カソード側セパレータと、前記単セルの積層方向において前記カソード側セパレータとにより前記発電部を挟むアノード側セパレータと、前記カソード側セパレータと前記発電部との間に設けられる多孔体流路板と、を備え、前記カソード側セパレータは、酸化剤ガスが流通する複数の溝状の酸化剤ガス流路が並んで設けられた第１カソード面と、前記第１カソード面とは反対側の面であって冷却媒体が流通する複数の冷却媒体流路が並んで設けられた第２カソード面と、を有しており、前記アノード側セパレータは、燃料ガスが流通する複数の溝状の燃料ガス流路が並んで設けられた第１アノード面と、前記第１アノード面とは反対側の面であって前記冷却媒体が流通する複数の溝状の冷却媒体流路が並んで設けられた第２アノード面と、を有しており、前記カソード側セパレータと前記多孔体流路板との間には、導電性及び可撓性を有する多孔質シートが設けられており、前記多孔質シートの孔の径は、前記多孔体流路板の孔の径よりも小さくされており、前記多孔質シートは、前記酸化剤ガス流路の各々に充填される複数の低密度部と、前記低密度部同士の間に位置し、前記カソード側セパレータに当接するとともに前記低密度部よりも密度の高い高密度部と、を有している。

【0009】

従来、カソード側セパレータとしての平板状のセパレータと、当該セパレータと発電部との間に設けられた多孔体流路板とを備える単セルが積層して構成される燃料電池スタックがある。この場合、アノード側セパレータとして、複数の溝状の燃料ガス流路が並んで設けられた第１アノード面と、冷却媒体が流通する複数の溝状の冷却媒体流路が並んで設けられた第２アノード面とを有するものを用いると、以下の不都合が生じる。すなわち、冷却媒体が流通する流路は、アノード側セパレータの冷却媒体流路のみによって構成されるので、冷却性の向上を図るために冷却媒体流路の断面積を大きくすると、これに伴って燃料ガス流路の断面積が大きくなる。その結果、燃料ガス流路を流通する燃料ガスの圧力損失が小さくなることで、燃料ガス流路に存在する生成水が燃料ガスによって排出されにくくなる。

【0010】

この点、上記構成によれば、カソード側セパレータ及びアノード側セパレータの双方の冷却媒体流路によって冷却媒体が流通する流路が構成される。このため、燃料ガス流路の断面積を大きくすることなく、冷却媒体が流通する流路の断面積を大きくできる。これにより、燃料ガス流路に存在する生成水の排水性を高めつつ、冷却性を高めることができる。

【0011】

また、上記構成によれば、カソード側セパレータの酸化剤ガス流路には多孔質シートの低密度部が充填されているので、酸化剤ガスは、相対的に圧力損失の低い多孔体流路板の孔を通じて流通するようになる。これにより、酸化剤ガスのガス拡散性を高めることができる。

【0012】

また、発電部において発生する生成水は、多孔体流路板の孔を通じて多孔質シートに移動する。ここで、多孔質シートは低密度部と高密度部とを有しているので、多孔質シートまで移動した生成水は、毛管現象により、相対的に密度の高い高密度部の孔を通じてカソード側セパレータに向かって移動するようになる。また、低密度部に存在する生成水は、高密度部に向かって移動するようになる。そして、カソード側セパレータまで移動した生成水は、酸化剤ガス流路の上流側と下流側との圧力勾配によって下流側に向かって排出されるようになる。

【0013】

したがって、ガス拡散性、排水性、及び冷却性を向上できる。
上記燃料電池スタックにおいて、前記多孔質シートは、炭素繊維により形成されていることが好ましい。

【0014】

同構成によれば、多孔体流路板の孔よりも小さい孔からなり、導電性及び可撓性を有する多孔質シートを容易に具現化することができる。
上記燃料電池スタックにおいて、前記多孔質シートは、多孔質の基材と、前記基材の表面に設けられた親水性の添加剤と、を有していることが好ましい。

【0015】

同構成によれば、多孔質シートまで移動した生成水が高密度部に一層集まりやすくなる。したがって、排水性を一層高めることができる。
上記燃料電池スタックにおいて、前記発電部は、膜電極接合体と、前記積層方向において前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、を有しており、前記多孔質シートの剛性は、前記ガス拡散層の剛性よりも低いことが好ましい。

【0016】

燃料電池スタックの製造に際しては、カソード側セパレータ、アノード側セパレータ、発電部、多孔体流路板、及び多孔質シートを以下のように配置して単セルを形成する。すなわち、積層方向においてカソード側セパレータとアノード側セパレータとの間に発電部が位置し、カソード側セパレータと発電部との間に多孔体流路板が位置し、且つカソード側セパレータと多孔体流路板との間に一様の密度の多孔質シートが位置する。次に、複数の単セルを積層してスタック本体を形成し、スタック本体に対して積層方向に圧縮荷重を作用させることにより低密度部及び高密度部が形成される。

【0017】

ここで、上記構成によれば、上記圧縮荷重によりガス拡散層よりも多孔質シートが優先して圧縮されるようになる。これにより、低密度部及び高密度部を形成するために多孔質シートを撓み変形させることに起因して、ガス拡散層が変形することを抑制できる。

【0018】

上記課題を解決するための燃料電池スタックの製造方法は、前記積層方向において前記カソード側セパレータと前記アノード側セパレータとの間に前記発電部が位置し、前記カソード側セパレータと前記発電部との間に前記多孔体流路板が位置し、且つ前記カソード側セパレータと前記多孔体流路板との間に一様の密度の前記多孔質シートが位置するように、前記カソード側セパレータ、前記アノード側セパレータ、前記発電部、前記多孔体流路板、及び前記多孔質シートを配置して前記単セルを形成した後に、複数の前記単セルを積層してスタック本体を形成する工程と、前記スタック本体に対して前記積層方向に圧縮荷重を作用させることにより前記低密度部及び前記高密度部を形成する工程と、を備える。

【0019】

同方法によれば、従来のスタック本体を製造する工程に対して、カソード側セパレータと多孔体流路板との間に一様の密度の多孔質シートを配置するといった簡単な変更をすることによって、低密度部及び高密度部を形成することができる。

【0020】

上記課題を解決するための燃料電池スタックの製造方法は、前記カソード側セパレータと一様の密度の前記多孔質シートとを重ね合わせた状態で、前記積層方向において前記カソード側セパレータ及び前記多孔質シートに対して圧縮荷重を作用させて前記低密度部及び前記高密度部を形成することで前記カソード側セパレータと前記多孔質シートとが積層された部分積層体を形成した後に、前記積層方向において前記部分積層体と前記アノード側セパレータとの間に前記発電部が位置し、前記部分積層体と前記発電部との間に前記多孔体流路板が位置するように、前記部分積層体、前記アノード側セパレータ、前記発電部、及び前記多孔体流路板を配置して前記単セルを形成する工程と、前記単セルを積層することでスタック本体を形成する工程と、を備える。

【0021】

同方法によれば、予め低密度部及び高密度部を有する部分積層体を形成した後に、部分積層体を用いて単セルが形成される。このため、低密度部及び高密度部を精度良く形成することができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、ガス拡散性、排水性、及び冷却性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、第１実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。

【図2】図２は、図１の燃料電池スタックを構成する１つの単セルを中心とした断面図である。

【図3】図３は、図１の燃料電池スタックを構成する１つの単セルの断面図である。

【図4】図４は、図１の燃料電池スタックを構成する多孔質シートの拡大平面図である。

【図5】図５は、図１の燃料電池スタックの製造工程において、発電部、多孔体流路板、及び一様の密度の多孔質シートにカソード側セパレータ及びアノード側セパレータが積層される様子を示す断面図である。

【図6】図６は、スタック本体に対して積層方向に圧縮荷重を作用させた状態の単セルの断面図である。

【図7】図７は、比較例に係る燃料電池スタックを構成する１つの単セルを中心とした断面図である。

【図8】図８は、第２実施形態に係る燃料電池スタックの製造方法について、一様の密度の多孔質シートにカソード側セパレータが積層される様子を示す断面図である。

【図9】図９は、部分積層体の断面図である。

【図10】図１０は、発電部及び多孔体流路板に、図８の部分積層体及びアノード側セパレータが積層される様子を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

＜第１実施形態＞
以下、図１～図７を参照して、燃料電池スタックの第１実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池スタックは、複数の単セル１０が積層して構成されている。

【0025】

＜単セル１０＞
単セル１０は、発電部２０と、カソード側セパレータ４０と、単セル１０の積層方向においてカソード側セパレータ４０とにより発電部２０を挟むアノード側セパレータ５０とを備えている。また、単セル１０は、カソード側セパレータ４０と発電部２０との間に設けられる多孔体流路板６０と、カソード側セパレータ４０と多孔体流路板６０との間に設けられる多孔質シート７０とを備えている。また、単セル１０は、発電部２０を保持する樹脂フレーム３０を備えている。

【0026】

本実施形態の単セル１０は、一対の長辺と一対の短辺とを有する矩形の板状である。なお、以降において、単セル１０の長辺方向を長さ方向Ｘとし、単セル１０の短辺方向を幅方向Ｙとし、単セル１０の積層方向を積層方向Ｚとして説明する。

【0027】

＜発電部２０＞
図２及び図３に示すように、発電部２０は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ２１）と、積層方向ＺにおいてＭＥＡ２１を挟む一対のガス拡散層２５とを有している。

【0028】

発電部２０は、矩形の薄板状である。
ＭＥＡ２１は、電解質膜２２と、カソード電極２３と、アノード電極２４とを備えている。電解質膜２２は、固体高分子膜である。電解質膜２２は、積層方向Ｚにおいてカソード電極２３とアノード電極２４とによって挟まれている。

【0029】

＜樹脂フレーム３０＞
図１に示すように、樹脂フレーム３０は、電気絶縁性を有する硬質樹脂製である。樹脂フレーム３０の中央部には、孔３０Ａが設けられている。本実施形態の孔３０Ａは、発電部２０よりも一回り小さい矩形状である。孔３０Ａの内周縁は、発電部２０の外周縁と積層方向Ｚにおいて重なり合った状態で接合されている。樹脂フレーム３０は、単セル１０の外周縁を構成する外周縁を有している。本実施形態の樹脂フレーム３０は、矩形の板状である。

【0030】

樹脂フレーム３０における長さ方向Ｘの一端側（図１の左側）には、燃料ガス排出マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３２、及び酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられている。

【0031】

本実施形態では、燃料ガス排出マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３２、及び酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が、幅方向Ｙの一端側（図１の上側）から順に設けられている。

【0032】

樹脂フレーム３０における長さ方向Ｘの他端側（図１の右側）には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４、冷却媒体排出マニホールド孔３５、及び燃料ガス供給マニホールド孔３６が設けられている。

【0033】

本実施形態では、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４、冷却媒体排出マニホールド孔３５、及び燃料ガス供給マニホールド孔３６が、幅方向Ｙの一端側（図１の上側）から順に設けられている。

【0034】

＜カソード側セパレータ４０＞
図１に示すように、カソード側セパレータ４０における長さ方向Ｘの一端側（図１の左側）には、燃料ガス排出マニホールド孔４１、冷却媒体供給マニホールド孔４２、及び酸化剤ガス供給マニホールド孔４３が設けられている。

【0035】

本実施形態では、燃料ガス排出マニホールド孔４１、冷却媒体供給マニホールド孔４２、及び酸化剤ガス供給マニホールド孔４３が、幅方向Ｙの一端側（図１の上側）から順に設けられている。

【0036】

カソード側セパレータ４０における長さ方向Ｘの他端側（図１の右側）には、酸化剤ガス排出マニホールド孔４４、冷却媒体排出マニホールド孔４５、及び燃料ガス供給マニホールド孔４６が設けられている。

【0037】

本実施形態では、酸化剤ガス排出マニホールド孔４４、冷却媒体排出マニホールド孔４５、及び燃料ガス供給マニホールド孔４６が、幅方向Ｙの一端側（図１の上側）から順に設けられている。

【0038】

図２及び図３に示すように、カソード側セパレータ４０は、第１カソード面４０ａと、第１カソード面４０ａは反対側の面である第２カソード面４０ｂとを有している。
カソード側セパレータ４０は、導電性の金属板材をプレスすることで形成されている。こうした金属板材としては、例えばステンレス鋼製、あるいはチタン板製などが好ましい。

【0039】

第１カソード面４０ａには、積層方向Ｚにおいて発電部２０と重なる部分に、酸化剤ガスが流通する複数の溝状の酸化剤ガス流路４７が並んで設けられている。酸化剤ガスは、例えば酸素を含む空気である。

【0040】

第２カソード面４０ｂには、積層方向Ｚにおいて発電部２０と重なる部分に、冷却媒体が流通する複数の溝状の冷却媒体流路４８が並んで設けられている。冷却媒体は、例えば不凍液を含む水である。

【0041】

互いに隣り合う酸化剤ガス流路４７同士の間には、冷却媒体流路４８が位置している。
図１に示すように、第１カソード面４０ａには、酸化剤ガス供給マニホールド孔４３と酸化剤ガス流路４７とを接続する上流側接続流路４７ａが設けられている。

【0042】

第１カソード面４０ａには、酸化剤ガス排出マニホールド孔４４と酸化剤ガス流路４７とを接続する下流側接続流路４７ｂが設けられている。
＜アノード側セパレータ５０＞
図１に示すように、アノード側セパレータ５０における長さ方向Ｘの一端側（図１の左側）には、燃料ガス排出マニホールド孔５１、冷却媒体供給マニホールド孔５２、及び酸化剤ガス供給マニホールド孔５３が設けられている。

【0043】

本実施形態では、燃料ガス排出マニホールド孔５１、冷却媒体供給マニホールド孔５２、及び酸化剤ガス供給マニホールド孔５３が、幅方向Ｙの一端側（図１の上側）から順に設けられている。

【0044】

アノード側セパレータ５０における長さ方向Ｘの他端側（図１の右側）には、酸化剤ガス排出マニホールド孔５４、冷却媒体排出マニホールド孔５５、及び燃料ガス供給マニホールド孔５６が設けられている。

【0045】

本実施形態では、酸化剤ガス排出マニホールド孔５４、冷却媒体排出マニホールド孔５５、及び燃料ガス供給マニホールド孔５６が、幅方向Ｙの一端側（図１の上側）から順に設けられている。

【0046】

図２に示すように、アノード側セパレータ５０は、第１アノード面５０ａと、第１アノード面５０ａは反対側の面である第２アノード面５０ｂとを有している。
アノード側セパレータ５０は、導電性の金属板材をプレスすることで形成されている。こうした金属板材としては、例えばステンレス鋼製、あるいはチタン板製などが好ましい。

【0047】

第１アノード面５０ａには、積層方向Ｚにおいて発電部２０と重なる部分に、燃料ガスが流通する複数の溝状の燃料ガス流路５７が並んで設けられている。燃料ガスは、例えば水素である。

【0048】

第２アノード面５０ｂには、積層方向Ｚにおいて発電部２０と重なる部分に、冷却媒体が流通する複数の溝状の冷却媒体流路５８が並んで設けられている。
互いに隣り合う燃料ガス流路５７同士の間には、冷却媒体流路５８が位置している。

【0049】

冷却媒体流路５８の幅は、カソード側セパレータ４０の冷却媒体流路４８の幅と一致している。また、冷却媒体流路５８と、カソード側セパレータ４０の冷却媒体流路４８とは積層方向Ｚにおいて対向している。冷却媒体は、冷却媒体流路５８と冷却媒体流路４８とによって囲まれた空間を流通する。

【0050】

図１に示すように、第１アノード面５０ａには、燃料ガス供給マニホールド孔５６と燃料ガス流路５７とを接続する上流側接続流路５７ａが設けられている。
第１アノード面５０ａには、燃料ガス排出マニホールド孔５１と燃料ガス流路５７とを接続する下流側接続流路５７ｂが設けられている。

【0051】

＜多孔体流路板６０＞
図１～図３に示すように、多孔体流路板６０は、カソード側セパレータ４０と発電部２０との間に設けられている。多孔体流路板６０は、発電部２０全体を覆うようにして設けられている。多孔体流路板６０は、網目状に形成された多数の孔６１ａ，６１ｂを有している。多孔体流路板６０は、例えばラスカットメタル、またはエキスパンドメタルである。

【0052】

＜多孔質シート７０＞
図１～図３に示すように、カソード側セパレータ４０と多孔体流路板６０との間には、多孔質シート７０が設けられている。多孔質シート７０の孔（図示略）の径は、多孔体流路板６０の孔６１ａ，６１ｂの径よりも小さい。より詳しくは、多孔質シート７０の孔の径の最大値は、多孔体流路板６０の孔６１ａ，６１ｂの径の最小値よりも小さい。

【0053】

図２及び図３に示すように、多孔質シート７０は、複数の低密度部７３と複数の高密度部７４とを有している。低密度部７３は、各酸化剤ガス流路４７に充填されている。高密度部７４は、低密度部７３同士の間に位置するとともにカソード側セパレータ４０に当接している。高密度部７４は、低密度部７３よりも高い密度を有している。

【0054】

図４に示すように、多孔質シート７０は、例えば多孔質の基材７１と、基材７１の表面に設けられた親水性の添加剤７２とを有している。
基材７１は、例えば炭素繊維により形成されている。添加剤７２は、例えばエポキシ樹脂により形成されている。

【0055】

多孔質シート７０の剛性は、ガス拡散層２５の剛性よりも低いことが好ましい。
＜単セル１０のマニホールド孔１１～１６＞
図１に示すように、単セル１０においては、燃料ガス排出マニホールド孔３１，４１，５１によって、単セル１０を積層方向Ｚに貫通する燃料ガス排出マニホールド孔１１が構成されている。また、複数の単セル１０の燃料ガス排出マニホールド孔１１によって、燃料電池スタックを貫通するとともに、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド（図示略）が構成される。

【0056】

単セル１０においては、冷却媒体供給マニホールド孔３２，４２，５２によって、単セル１０を積層方向Ｚに貫通する冷却媒体供給マニホールド孔１２が構成されている。また、複数の単セル１０の冷却媒体供給マニホールド孔１２によって、燃料電池スタックを貫通するとともに、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド（図示略）が構成される。

【0057】

単セル１０においては、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３，４３，５３によって、単セル１０を積層方向Ｚに貫通する酸化剤ガス供給マニホールド孔１３が構成されている。また、複数の単セル１０の酸化剤ガス供給マニホールド孔１３によって、燃料電池スタックを貫通するとともに、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールド（図示略）が構成される。

【0058】

単セル１０においては、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４，４４，５４によって、単セル１０を積層方向Ｚに貫通する酸化剤ガス排出マニホールド孔１４が構成されている。また、複数の単セル１０の酸化剤ガス排出マニホールド孔１４によって、燃料電池スタックを貫通するとともに、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールド（図示略）が構成される。

【0059】

単セル１０においては、冷却媒体排出マニホールド孔３５，４５，５５によって、単セル１０を積層方向Ｚに貫通する冷却媒体排出マニホールド孔１５が構成されている。また、複数の単セル１０の冷却媒体排出マニホールド孔１５によって、燃料電池スタックを貫通するとともに、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド（図示略）が構成される。

【0060】

単セル１０においては、燃料ガス供給マニホールド孔３６，４６，５６によって、単セル１０を積層方向Ｚに貫通する燃料ガス供給マニホールド孔１６が構成されている。また、複数の単セル１０の燃料ガス供給マニホールド孔１６によって、燃料電池スタックを貫通するとともに、燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド（図示略）が構成される。

【0061】

次に、本実施形態の燃料電池スタックを製造する手順について説明する。
まず、図５に示すように、カソード側セパレータ４０、アノード側セパレータ５０、発電部２０、多孔体流路板６０、及び多孔質シート７０を以下のように配置して単セル１０を形成する。すなわち、積層方向Ｚにおいて、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ５０との間に発電部２０が位置する。また、積層方向Ｚにおいて、カソード側セパレータ４０と発電部２０との間に多孔体流路板６０が位置する。また、積層方向Ｚにおいて、カソード側セパレータ４０と多孔体流路板６０との間に一様の密度の多孔質シート７０が位置する。多孔質シート７０は、一定の厚さを有している。そして、複数の単セル１０を積層してスタック本体８０を形成する。なお、図５には、スタック本体８０を構成する一つの単セル１０のみを示している。また、図示しない２枚のエンドプレートによって、積層方向Ｚにおいてスタック本体８０を両側から挟む。

【0062】

次に、図５に矢印にて示すように、スタック本体８０に対して積層方向Ｚに圧縮荷重を作用させる。このとき、例えばスタック本体８０及びエンドプレートを締結するボルトの軸力によってスタック本体８０に対して圧縮荷重を作用させる。

【0063】

これによって、図６に示すように、多孔質シート７０がカソード側セパレータ４０に圧縮されて低密度部７３及び高密度部７４が形成される。
次に、本実施形態の作用について説明する。

【0064】

こうした燃料電池スタックにおいては、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールドを通じて各単セル１０に供給され、カソード側セパレータ４０の上流側接続流路４７ａを通じて酸化剤ガス流路４７及び多孔体流路板６０に供給される。酸化剤ガスは、多孔体流路板６０の孔６１ａ，６１ｂを通じて発電部２０に拡散される。また、酸化剤ガスの一部は、下流側接続流路４７ｂを通じて酸化剤ガス排出マニホールドへ排出される。

【0065】

燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを通じて各単セル１０に供給され、アノード側セパレータ５０の上流側接続流路５７ａを通じて燃料ガス流路５７に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路５７を流通するとともに発電部２０に拡散される。また、燃料ガスの一部は、下流側接続流路５７ｂを通じて燃料ガス排出マニホールドへ排出される。

【0066】

発電部２０において、酸化剤ガスと燃料ガスとが電気化学反応をすることで発電が行われる。
冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールドを通じて、互いに隣り合う単セル１０同士の間に形成される冷却媒体流路４８，５８に供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４８，５８を流通することで発電部２０を冷却する。また、冷却媒体は、冷却媒体流路４８，５８から燃料ガス排出マニホールドへ排出される。

【0067】

ところで、図７に示すように、比較例の燃料電池スタックは、平板状のカソード側セパレータ１４０と、カソード側セパレータ１４０と発電部２０との間に設けられた多孔体流路板６０とを備える単セル１１０が積層して構成されている。この場合、アノード側セパレータ１５０として、本実施形態のアノード側セパレータ５０と同一の構成を有するものを用いると、以下の不都合が生じる。すなわち、冷却媒体が流通する流路は、アノード側セパレータ１５０の冷却媒体流路１５８のみによって構成されるので、冷却性の向上を図るために冷却媒体流路１５８の断面積を大きくすると、これに伴って燃料ガス流路１５７の断面積が大きくなる。その結果、燃料ガス流路１５７を流通する燃料ガスの圧力損失が小さくなることで、燃料ガス流路１５７に存在する生成水が燃料ガスによって排出されにくくなる。

【0068】

この点、本実施形態によれば、カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ５０の双方の冷却媒体流路４８，５８によって冷却媒体が流通する流路が構成される。このため、燃料ガス流路５７の断面積を大きくすることなく、冷却媒体が流通する流路４８，５８の断面積を大きくできる。これにより、燃料ガスのガス拡散性を高めつつ、冷却性を高めることができる。

【0069】

また、カソード側セパレータ４０の酸化剤ガス流路４７には多孔質シート７０の低密度部７３が充填されている。このため、酸化剤ガスは、相対的に圧力損失の低い多孔体流路板６０の孔６１ａ，６１ｂを通じて流通するようになる。これにより、酸化剤ガスのガス拡散性を高めることができる。

【0070】

また、図３に矢印にて示すように、発電部２０において発生する生成水は、多孔体流路板６０の孔６１ａ，６１ｂを通じて多孔質シート７０に移動する。ここで、多孔質シート７０は低密度部７３と高密度部７４とを有しているので、多孔質シート７０まで移動した生成水は、毛管現象により、相対的に密度の高い高密度部７４の孔を通じてカソード側セパレータ４０に向かって移動するようになる。また、低密度部７３に存在する生成水は、高密度部７４に向かって移動するようになる。そして、カソード側セパレータ４０まで移動した生成水は、酸化剤ガス流路４７の上流側と下流側との圧力勾配によって下流側に向かって排出されるようになる。

【0071】

本実施形態の効果について説明する。
（１－１）カソード側セパレータ４０の冷却媒体流路４８とアノード側セパレータ５０の冷却媒体流路５８とによって冷却媒体が流通する流路が構成される。

【0072】

こうした構成によれば、上記作用を奏することから、燃料ガスのガス拡散性及び燃料ガス流路５７に存在する生成水の排水性を高めつつ、冷却性を高めることができる。
また、カソード側セパレータ４０の酸化剤ガス流路４７には多孔質シート７０の低密度部７３が充填されている。

【0073】

こうした構成によれば、上記作用を奏することから、酸化剤ガス流路４７に存在する生成水の排水性を高めることができる。
（１－２）多孔質シート７０は、炭素繊維により形成されている。

【0074】

こうした構成によれば、多孔体流路板６０の孔６１ａ，６１ｂよりも小さい孔からなり、導電性及び可撓性を有する多孔質シート７０を容易に具現化することができる。
（１－３）多孔質シート７０は、多孔質の基材７１と、基材７１の表面に設けられた親水性の添加剤７２とを有している。

【0075】

こうした構成によれば、多孔質シート７０まで移動した生成水が高密度部７４に一層集まりやすくなる。したがって、排水性を一層高めることができる。
（１－４）多孔質シート７０の剛性は、ガス拡散層２５の剛性よりも低い。

【0076】

こうした構成によれば、燃料電池スタックを製造する際に、圧縮荷重によりガス拡散層２５よりも多孔質シート７０が優先して圧縮されるようになる。これにより、低密度部７３及び高密度部７４を形成するために多孔質シート７０を撓み変形させることに起因して、ガス拡散層２５が変形することを抑制できる。

【0077】

（１－５）燃料電池スタックの製造方法では、まず、積層方向Ｚにおいてカソード側セパレータ４０、多孔質シート７０、多孔体流路板６０、発電部２０、及びアノード側セパレータ５０をこの順で配置して単セル１０を形成する。そして、複数の単セル１０を積層方向Ｚにおいて積層させてスタック本体８０を形成する。次に、スタック本体８０に対して積層方向Ｚに圧縮荷重を作用させることで多孔質シート７０に低密度部７３と高密度部７４とを形成する。

【0078】

同方法によれば、従来のスタック本体８０を製造する工程に対して、カソード側セパレータ４０と多孔体流路板６０との間に一様の密度の多孔質シート７０を配置するといった簡単な変更をすることによって、低密度部７３及び高密度部７４を形成することができる。

【0079】

＜第２実施形態＞
以下、図８～図１０を参照して、燃料電池スタックの製造方法の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の燃料電池スタックの構成は、第１実施形態の燃料電池スタックと同一である。

【0080】

まず、図８に示すように、積層方向Ｚにおいてカソード側セパレータ４０と一様の密度の多孔質シート７０とを重ね合わせる。次に、積層方向Ｚにおいてカソード側セパレータ４０及び多孔質シート７０に対して圧縮荷重を作用させることで、図９に示すように、多孔質シート７０がカソード側セパレータ４０に圧縮されて低密度部７３及び高密度部７４が形成される。このようにして、カソード側セパレータ４０と多孔質シート７０とが積層された部分積層体９０が形成される。

【0081】

次に、図１０に示すように、部分積層体９０、アノード側セパレータ５０、発電部２０、及び多孔体流路板６０を配置して単セル１０を形成する。すなわち、積層方向Ｚにおいて、部分積層体９０とアノード側セパレータ５０との間に発電部２０が位置するとともに、部分積層体９０と発電部２０との間に多孔体流路板６０が位置する。

【0082】

次に、単セル１０を複数積層することでスタック本体８０を形成する。
本実施形態の作用効果について説明する。
（２－１）燃料電池スタックの製造方法では、まず、積層方向Ｚにおいてカソード側セパレータ４０と多孔質シート７０とを重ね合わせて圧縮荷重を作用させることで部分積層体９０を形成するとともに多孔質シート７０に低密度部７３及び高密度部７４を形成する。次に、積層方向Ｚにおいて部分積層体９０、多孔体流路板６０、発電部２０、及びアノード側セパレータ５０をこの順で配置して単セル１０を形成する。そして、複数の単セル１０を積層してスタック本体８０を形成する。

【0083】

同方法によれば、予め部分積層体９０を形成した後に、部分積層体９０を用いて単セル１０が形成される。このため、低密度部７３及び高密度部７４を精度良く形成することができる。

【0084】

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0085】

・多孔質シート７０の剛性は、ガス拡散層２５の剛性と同じでもよいし、ガス拡散層２５の剛性よりも高くてもよい。
・添加剤７２を炭素材に混合して基材７１を形成してもよい。この場合であっても、上記作用効果（１－３）に準じた作用効果を奏することができる。

【0086】

・多孔質シート７０は、添加剤７２を有していなくてもよい。
・多孔質シート７０は、炭素繊維により形成されているものに限定されない。要するに、導電性及び可撓性を有し、低密度部７３及び高密度部７４を有するものであればよい。

【符号の説明】

【0087】

１０…単セル
１１…燃料ガス排出マニホールド孔
１２…冷却媒体供給マニホールド孔
１３…酸化剤ガス供給マニホールド孔
１４…酸化剤ガス排出マニホールド孔
１５…冷却媒体排出マニホールド孔
１６…燃料ガス供給マニホールド孔
２０…発電部
２１…ＭＥＡ
２２…電解質膜
２３…カソード電極
２４…アノード電極
２５…ガス拡散層
３０…樹脂フレーム
３０Ａ…孔
３１…燃料ガス排出マニホールド孔
３２…冷却媒体供給マニホールド孔
３３…酸化剤ガス供給マニホールド孔
３４…酸化剤ガス排出マニホールド孔
３５…冷却媒体排出マニホールド孔
３６…燃料ガス供給マニホールド孔
４０…カソード側セパレータ
４０ａ…第１カソード面
４０ｂ…第２カソード面
４１…燃料ガス排出マニホールド孔
４２…冷却媒体供給マニホールド孔
４３…酸化剤ガス供給マニホールド孔
４４…酸化剤ガス排出マニホールド孔
４５…冷却媒体排出マニホールド孔
４６…燃料ガス供給マニホールド孔
４７…酸化剤ガス流路
４７ａ…上流側接続流路
４７ｂ…下流側接続流路
４８…冷却媒体流路
５０…アノード側セパレータ
５０ａ…第１アノード面
５０ｂ…第２アノード面
５１…燃料ガス排出マニホールド孔
５２…冷却媒体供給マニホールド孔
５３…酸化剤ガス供給マニホールド孔
５４…酸化剤ガス排出マニホールド孔
５５…冷却媒体排出マニホールド孔
５６…燃料ガス供給マニホールド孔
５７…燃料ガス流路
５７ａ…上流側接続流路
５７ｂ…下流側接続流路
５８…冷却媒体流路
６０…多孔体流路板
６１ａ，６１ｂ…孔
７０…多孔質シート
７１…基材
７２…添加剤
７３…低密度部
７４…高密度部
８０…スタック本体
９０…部分積層体
１１０…単セル
１４０…カソード側セパレータ
１５０…アノード側セパレータ
１５７…燃料ガス流路
１５８…冷却媒体流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】