特許 7047090 燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-25

(45)【発行日】2022-04-04

(54)【発明の名称】燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20220328BHJP

   H01M 8/0228 20160101ALI20220328BHJP

   H01M 8/0245 20160101ALI20220328BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20220328BHJP

   H01M 8/2404 20160101ALI20220328BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20220328BHJP

【ＦＩ】

H01M4/86 M

H01M8/0228

H01M8/0245

H01M8/0258

H01M8/2404

H01M8/10 101

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2020525079

(86)(22)【出願日】2018-06-15

(86)【国際出願番号】 JP2018023031

(87)【国際公開番号】W WO2019239605

(87)【国際公開日】2019-12-19

【審査請求日】2021-01-28

(73)【特許権者】

【識別番号】390032528

【氏名又は名称】株式会社エノモト

(73)【特許権者】

【識別番号】304023994

【氏名又は名称】国立大学法人山梨大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002697

【氏名又は名称】めぶき国際特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100104709

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 誠剛

(72)【発明者】

【氏名】谷内 浩

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 政廣

【審査官】守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０２０８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０７２５８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０１６９４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ４／９６

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

使用時に上流側から下流側に向かって燃料電池用ガスが流れる燃料電池用ガス供給拡散層であって、
前記燃料電池用ガスを透過、拡散し、導電性を有する多孔質体層を備え、
前記多孔質体層は、多孔質体からなるガス拡散部と、前記多孔質体層の一方の面に分散して配置された複数の孤立穴とを有し、
前記孤立穴の各々は、互いに孤立して前記多孔質体層に形成され、
開口部を除く周囲が前記ガス拡散部に囲まれ、多孔質体の底を有する凹部からなり、
前記上流側から前記下流側に向かう方向をＹ方向とし、平面的に前記Ｙ方向に直交する幅方向をＸ方向とするとき、前記複数の孤立穴は、前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向に点在して配置されていることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項2】

使用時に上流側から下流側に向かって燃料電池用ガスが流れる燃料電池用ガス供給拡散層であって、
前記燃料電池用ガスを透過、拡散し、導電性を有する多孔質体層を備え、
前記多孔質体層は、多孔質体からなるガス拡散部と、前記多孔質体層の一方の面に分散して配置された複数の孤立穴とを有し、
前記孤立穴の各々は、互いに孤立して前記多孔質体層に形成され、
開口部を除く周囲が前記ガス拡散部に囲まれ、多孔質体の底を有する凹部からなり、
前記上流側から前記下流側に向かう方向をＹ方向とし、平面的に前記Ｙ方向に直交する幅方向をＸ方向とするとき、前記複数の孤立穴は、前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向に点在して配置され、
各前記孤立穴の底面は、下流側にいくに従って深くなるように傾斜していることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記複数の孤立穴のうちの一の孤立穴から前記下流側に位置する孤立穴のうち、前記一の孤立穴から前記Ｘ方向に沿った距離が最も短い孤立穴を第１近接孤立穴とし、前記一の孤立穴から前記Ｘ方向に沿った距離が二番目に短い孤立穴を第２近接孤立穴としたとき、前記一の孤立穴と前記第１近接孤立穴の第１間隔Ｌ１と、前記一の孤立穴と前記第２近接孤立穴の第２間隔Ｌ２とは、「Ｌ２≦Ｌ１」の関係を満たすことを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記第１間隔Ｌ１と前記第２間隔Ｌ２とは、「Ｌ１＜２×Ｌ２」の関係を満たすことを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項5】

請求項１～４のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記多孔質体層の一方の面に形成された孤立穴のうち、外側の孤立穴の重心位置を結んだ閉曲線に囲まれる範囲の面積をＳ１とし、前記複数の孤立穴の合計面積をＳ２としたとき、「０．９×Ｓ１≧Ｓ２≧０．１×Ｓ１」の関係を満たすことを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項6】

請求項１～５のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記孤立穴においては、前記多孔質体が露出していることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項7】

請求項１～６のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記複数の孤立穴の少なくとも一部の孤立穴は、幅が変化していることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項8】

請求項１～６のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記複数の孤立穴の少なくとも一部の孤立穴は、幅が一定であることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項9】

請求項１～８のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記複数の孤立穴の少なくとも一部の孤立穴は、斜めの方向に沿って延びている孤立溝であることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項10】

請求項１～９のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記複数の孤立穴の少なくとも一部の孤立穴は、途中で曲がっていることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記複数の孤立穴は、前記下流側にいくに従って平面的に見た面積が段階的に小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記複数の孤立穴は、前記下流側にいくに従って、幅方向に近接する孤立穴同士の間隔が段階的に狭くなっていることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項13】

請求項１～１２のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記多孔質体層の一方の面に、前記多孔質体層の幅方向一杯に延びた１又は複数のガス圧均等化用溝をさらに有することを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項14】

請求項１～１３のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記多孔質体層の一方の面に、少なくとも前記燃料電池用ガスの流入側から中央部まで延びた、又は中央部から前記燃料電池用ガスの流出側まで延びた１又は複数のバイパス用溝をさらに有することを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項15】

請求項１～１４のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記燃料電池用ガス供給拡散層が、カソードガス用の燃料電池用ガス供給拡散層であることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項16】

請求項１５に記載の燃料電池用ガス供給拡散層において、
前記カソードガスが空気であることを特徴とする燃料電池用ガス供給拡散層。

【請求項17】

ガス遮蔽板と、前記ガス遮蔽板の少なくとも一方の面に配設された燃料電池用ガス供給拡散層とを備える燃料電池用セパレータであって、
前記燃料電池用ガス供給拡散層は、請求項１～１６のいずれかに記載の燃料電池用ガス供給拡散層であり、
前記燃料電池用ガス供給拡散層は、前記複数の孤立穴が前記ガス遮蔽板側に位置するように前記ガス遮蔽板に対して配置されており、
前記孤立穴と前記ガス遮蔽板とでガス流路が構成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

【請求項18】

燃料電池用セパレータと、膜電極接合体とが積層されてなる燃料電池セルスタックであって、
前記燃料電池用セパレータは、請求項１７に記載の燃料電池用セパレータであり、
前記燃料電池用セパレータと前記膜電極接合体とは、前記燃料電池用ガス供給拡散層の前記複数の孤立穴が形成されていない側の面に前記膜電極接合体が位置する位置関係で積層されていることを特徴とする燃料電池セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックに関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）の技術分野において、燃料電池用ガス（アノードガス、カソードガス）を均一に供給及び拡散させることが可能な燃料電池セルスタックが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図２０は、従来の燃料電池セルスタック９２０を模式的に示す正面図である。図２１及び図２２は、従来の燃料電池セルスタック９２０におけるタイプＣＡのセパレータ９２１の平面図である。このうち図２１は燃料電池用ガス供給拡散層（カソードガス供給拡散層）９４２側から見た平面図であり、図２２は燃料電池用ガス供給拡散層（アノードガス供給拡散層）９４１側から見た平面図である。図２３は、図２１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【0003】

従来の燃料電池セルスタック９２０は、図２０～図２３に示すように、金属板３０の少なくとも一方の面に多孔質体層による燃料電池用ガス供給拡散層が設けられた構造の複数のセパレータ（タイプＣＡのセパレータ９２１、タイプＡのセパレータ９２２、タイプＣのセパレータ９２３、タイプＡＷのセパレータ９２４）が積層された構造を有する。なお、タイプＣＡのセパレータ９２１、タイプＡのセパレータ９２２及びタイプＡＷのセパレータ９２４の「Ａ」は燃料電池用ガス供給拡散層（アノードガス供給拡散層）９４１を表し、タイプＣＡのセパレータ９２１及びタイプＣのセパレータ９２３の「Ｃ」は燃料電池用ガス供給拡散層（カソードガス供給拡散層）９４２を表し、タイプＡＷのセパレータ９２４の「Ｗ」は冷却水供給拡散層を表す。従来の燃料電池セルスタック９２０によれば、セパレータそのものに多孔質体層からなる燃料電池用ガス供給拡散層９４１，９４２が形成されていることから、燃料電池用ガスを燃料電池用ガス供給拡散層の全面にわたって均一に拡散できる。その結果、燃料電池用ガスを膜電極接合体（ＭＥＡ）８１の全面にわたって均一に供給でき、燃料電池の発電効率を従来よりも高くできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１５／０７２５８４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、燃料電池の技術分野においては、従来よりも燃料電池の発電効率を高くできる技術が求められており、固体高分子形燃料電池の技術分野においても同様である。そこで、本発明は、従来よりも燃料電池の発電効率を高くできる、燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様による燃料電池用ガス供給拡散層は、使用時に上流から下流側に向かって燃料電池用ガスが流れる燃料電池用ガス供給拡散層であって、前記燃料電池用ガスを透過、拡散し、導電性を有する多孔質体層を備え、前記多孔質体層は、多孔質体からなるガス拡散部と、前記多孔質体層の一方の面に分散して配置された複数の孤立穴とを有し、前記孤立穴の各々は、互いに孤立して前記多孔質体層に形成され、開口部を除く周囲が前記ガス拡散部に囲まれ、多孔質体の底を有する凹部からなる。

【0007】

本発明の一実態様による燃料電池用セパレータは、ガス遮蔽板と、前記ガス遮蔽板の少なくとも一方の面に配設された燃料電池用ガス供給拡散層とを備える燃料電池用セパレータであって、前記燃料電池用ガス供給拡散層は、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層であり、前記燃料電池用ガス供給拡散層は、前記複数の孤立穴が前記ガス遮蔽板側に位置するように前記ガス遮蔽板に対して配置されており、前記孤立穴と前記ガス遮蔽板とでガス流路が構成されている。

【0008】

本発明の一態様による燃料電池セルスタックは、燃料電池用セパレータと、膜電極接合体とが積層されてなる燃料電池セルスタックであって、前記燃料電池用セパレータは、本発明の燃料電池用セパレータであり、前記燃料電池用セパレータと前記膜電極接合体とは、前記燃料電池用ガス供給拡散層の前記複数の孤立穴が形成されていない側の面に前記膜電極接合体が位置する位置関係で積層されている。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様による燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックによれば、従来よりも燃料電池の発電効率を高くでき、さらには、従来よりも排水性に優れた、燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックとなる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る燃料電池セルスタック２０を模式的に示す正面図である。

【図2】実施形態に係る燃料電池セルスタック２０を模式的に示す側面図である。

【図3】膜電極接合体（ＭＥＡ）８１を説明するために示す図である。

【図4】実施形態に係る燃料電池用セパレータ２３の平面図である。

【図5】図４の断面図である。

【図6】燃料電池用ガスの流れを説明するために示す図である。

【図7】燃料電池用セパレータ２３以外の燃料電池用セパレータ（燃料電池用セパレータ２１，２２，２４，２５）の断面図である。

【図8】変形例１に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ａの平面図である。

【図9】変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂの平面図である。

【図10】変形例３に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｃの平面図である。

【図11】変形例４に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｄの平面図である。

【図12】変形例５に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｅの平面図である。

【図13】変形例６に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｆの平面図である。

【図14】変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇの平面図である。

【図15】変形例８に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｈの平面図である。

【図16】変形例９に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｉの平面図である。

【図17】変形例１０に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｊの平面図である。

【図18】図１７の部分断面図である。

【図19】変形例１１に係る燃料電池用セパレータ２３ｋの断面図である。

【図20】従来の燃料電池セルスタック９２０を模式的に示す正面図である。

【図21】従来の燃料電池セルスタック９２０におけるタイプＣＡの燃料電池用セパレータ９２１の平面図である。

【図22】従来の燃料電池セルスタック９２０におけるタイプＣＡの燃料電池用セパレータ９２１の平面図である。

【図23】図２１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックを図に示す実施形態を用いて詳細に説明する。

【0012】

［実施形態］
図１は、実施形態に係る燃料電池セルスタック２０を模式的に示す正面図である。図２は、実施形態に係る燃料電池セルスタック２０を模式的に示す側面図である。

【0013】

[燃料電池セルスタック]
実施形態に係る燃料電池セルスタック２０は、固体高分子形燃料電池（PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell）である。燃料電池セルスタック２０は、複数の単セルを有する。燃料電池の単セルは、概念的には電解質膜（高分子膜）（触媒層を含めてもよい）とこれを挟むカソード側を構成する要素とアノード側を構成する要素とから構成される。ここでは、燃料電池セルスタック２０の各セルは、後述する膜電極接合体８１を挟んでカソード側を構成する要素とアノード側を構成する要素とを有する。各セルは、セパレータを挟んで複数スタックされ、燃料電池セルスタック２０を構成する。

【0014】

本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータは、各セル間を分ける金属板３０を備えるとともに、種々のバリエーションを持って構成される。燃料電池用セパレータ２１は、ガス遮蔽板としての金属板３０の一方の面にカソードガス供給拡散層Ｃが形成され、他方の面にアノードガス供給拡散層Ａが形成されている（タイプＣＡのセパレータ）。したがって本発明の実施形態に係るタイプＣＡのセパレータのカソードガス供給拡散層Ｃとアノードガス供給拡散層Ａとはそれぞれ別のセルに組み込まれる。なお、タイプＣＡのセパレータの詳細については後述する。燃料電池用セパレータ２２は、金属板３０の一方の面にアノードガス供給拡散層Ａが形成されている（タイプＡのセパレータ）。燃料電池用セパレータ２３は、金属板３０の一方の面にカソードガス供給拡散層Ｃが形成されている（タイプＣのセパレータ）。燃料電池用セパレータ２４は、金属板３０の一方の面にカソードガス供給拡散層Ｃが形成され、他方の面に冷却水供給拡散層Ｗが形成されている（タイプＣＷのセパレータ）。

【0015】

各セルは、カソード側とアノード側が交互になるように配置されている。カソードガス供給拡散層Ｃとアノードガス供給拡散層Ａとは、膜電極接合体（ＭＥＡ）８１を挟んで対向して設けられている。実施形態においては、単セルが２つ配置される毎に冷却水を供給する冷却水供給拡散層Ｗが設けられている。なお、冷却水供給拡散層Ｗは、単セル１つ置きに設けられていてもよいし、３つ置き又はそれ以上置きに設けられていてもよい。冷却水供給拡散層Ｗには金属板３０（好ましくはタイプＡ又はタイプＣのセパレータにおける金属板３０）が対向するように、燃料電池用セパレータ２１～２４が組み合わされて積層されている。

【0016】

なお、本発明の燃料電池セルスタックは、図１及び図２には図示していないが、金属板３０の一方の面にアノードガス供給拡散層Ａが形成され、他方の面に冷却水供給拡散層Ｗが形成されたもの（タイプＡＷのセパレータ）を備えていてもよい。また、金属板３０の一方の面に冷却水供給拡散層Ｗが形成されたセパレータ（タイプＷのセパレータ）を備えていてもよい。また、金属板３０の両面に冷却水供給拡散層Ｗが形成されたセパレータを備えていてもよい。各燃料電池用セパレータの構成の詳細については後述する。

【0017】

積層されたセルの両端部には、集電板２７Ａ，２７Ｂが配設されている。さらに集電板２７Ａ、２７Ｂの外側には、絶縁シート２８Ａ，２８Ｂを介してエンドプレート７５，７６が配置されている。燃料電池用セパレータ２１～２４は、エンドプレート７５、７６によって両側から押圧されている。燃料電池セルスタック２０の両端に位置し、集電板２７Ａ，２７Ｂに接する燃料電池用セパレータについては、その金属板３０（耐食層）が外方を向くようにすることが好ましい。

【0018】

図１及び図２においては、燃料電池用セパレータ２１～２４、膜電極接合体８１、集電板２７Ａ，２７Ｂ、絶縁シート２８Ａ，２８Ｂ、及び、エンドプレート７５，７６は、分かり易くするために、離間して描かれているが、これらは、図示された配列の順に、相互に密に接合されている。接合の方法は特に限定されない。例えば、エンドプレート７５，７６により各部材を両側から押圧することのみによって接合してもよいし、各部材の適宜の位置を接着剤により接着したうえでエンドプレート７５，７６により各部材を両側から押圧することにより接合してもよし、その他の方法により接合してもよい。各燃料電池用セパレータ２１～２４、膜電極接合体８１、集電板２７Ａ，２７Ｂ、絶縁シート２８Ａ，２８Ｂ等は、例えば厚さが百μｍ程度から十ｍｍ程度である。本明細書の各実施形態における各図は、厚さを誇張して描かれている。

【0019】

アノード側のエンドプレート７５の一端部にはアノードガス供給口７１Ａ、カソードガス排出口７２Ｂ及び冷却水排出口７３Ｂがそれぞれ設けられている。他方、カソード側のエンドプレート７６の一端部（エンドプレート７５の上記一端部とは反対側）には、アノードガス排出口７１Ｂ、カソードガス供給口７２Ａ及び冷却水供給口７３Ａ（図２ではこれらがまとめて破線で示されている）が設けられている。これらの各供給口、各排出口にはそれぞれ対応する流体の供給管、排出管が接続されることになる。

【0020】

各燃料電池用セパレータ２１～２４には、それぞれ、アノードガス供給口７１Ａに連通するアノードガス流入口６１Ａ、カソードガス排出口７２Ｂに連通するカソードガス（及び生成水）流出口６２Ｂ、及び、冷却水排出口７３Ｂに連通する冷却水流出口６３Ｂが設けられている。また、各燃料電池用セパレータ２１～２４には、それぞれ、アノードガス排出口７１Ｂに連通するアノードガス流出口６１Ｂ、カソードガス供給口７２Ａに連通するカソードガス流入口６２Ａ、及び、冷却水供給口７３Ａに連通する冷却水流入口６３Ａが設けられている。

【0021】

アノードガス供給口７１Ａ、カソードガス供給口７２Ａ及び冷却水供給口７３Ａを通じてカソードガス、アノードガス及び冷却水が供給される。実施形態においては、アノードガスとして水素ガスを使用し、カソードガスとして空気を用いた場合を例示する。

【0022】

[膜電極接合体]
次に、膜電極接合体８１について説明する。
図３は、膜電極接合体（ＭＥＡ）８１を説明するために示す図である。図３（ａ）は膜電極接合体８１の平面図であり、図３（ｂ）は膜電極接合体８１の正面図であり、図３（ｃ）は膜電極接合体の側面図である。

【0023】

膜電極接合体８１は、図３に示すように、電解質膜（PEM）８２と、電解質膜８２の両面にそれぞれ配置された触媒層（CL）８５と、各触媒層８５の外側の面に配置されたマイクロポーラスレイヤ（MPL）８３とを有する。実施形態においては、電解質膜８２とその両側に配置された触媒層８５から構成されるものを触媒コート電解質膜（Catalyst Coated Membrame:CCM）という。マイクロポーラスレイヤ８３は多孔質体層４０よりも微細な径の気孔（細孔）を有する。なお、マイクロポーラスレイヤ８３は、省略することもできる。

【0024】

［燃料電池用セパレータ、燃料電池用ガス供給拡散層］
次に、燃料電池用セパレータ２１～２４及び燃料電池用ガス供給拡散層４２について説明する。
図４は、タイプＣの燃料電池用セパレータ２３の金属板３０の側から見た平面図である。但し、図４においては、燃料電池用セパレータ２３の流路パターンを分かり易く表すために、金属板３０の図示は省略している。図５は、図４の断面図である。図５（ａ）は図４のＡ１－Ａ４断面図（但し、Ａ２－Ａ３部分は省略）であり、図５（ｂ）は図４のＡ２－Ａ３断面図である。図５においては、燃料電池用セパレータ２３と膜電極接合体８１との位置関係を示すために、膜電極接合体８１が接合された状態の燃料電池用セパレータ２３を示している。また、膜電極接合体８１の断面構造は省略している。図６は、燃料電池用ガスの流れを説明するために示す図である。図６（ａ）は図４のＢ部を拡大した平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ－Ｃ線に沿った断面図である。

【0025】

なお、燃料電池用セパレータ２３には符号５５で示す孤立穴が複数形成されているが、図４においては図を見易くするために、一部の孤立穴にのみ符号を付して他の孤立穴に符号を付すのを省略する。また、図４～図６においては、孤立穴を示す符号５５の後に（５５１）～（５５３）のカッコ付きの符号を示す場合があるが、カッコ内の符号は、各孤立穴の相対位置関係に関する説明の便宜上示しており、特定の位置にある孤立穴を示すものではない。また、図６においては、矢印でカソードガスの流れを示すが、太い矢印で流入側から流出側に向かうカソードガスの全体的な流れを示し、細い矢印で孤立穴５５からガス拡散部４３中に押し出されたカソードガスの流れ（伏流ガス流れ）を示す。

【0026】

燃料電池用セパレータ２３は、図４及び図５に示すように、金属板３０の一方の面に燃料電池用ガス供給拡散層４２が形成された構造を有する。図５中、金属板３０には、断面であることを示すハッチングを施している。金属板３０は、インコネル、ニッケル、金、銀及び白金のうち一以上からなる金属、又はオーステナイト系ステンレス鋼板への金属のめっきもしくはクラッド材であることが好ましい。これらの金属を用いることにより、耐食性を向上できる。

【0027】

燃料電池用セパレータ２３においては、金属板３０の縦方向の一端部（図４の下部）に、図４の右、中央、左の順に、カソードガス流入口６２Ａと、冷却水流入口６３Ａと、アノードガス流出口６１Ｂとが設けられている。また、他端部（図４の上部）に、図４の左、中央、右の順に、カソードガス流出口６２Ｂと、冷却水流出口６３Ｂと、アノードガス流入口６１Ａとが設けられている。

【0028】

各流入口６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ、各流出口６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂ、及び、燃料電池用ガス供給拡散層４２の形成領域のそれぞれの周囲は、電子導電性又は非電子導電性の緻密枠３２によって囲まれている。緻密枠３２はアノードガス、カソードガス及び冷却水の漏洩を防ぐ。緻密枠３２の外面には、各流入口６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ、各流出口６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂ、及び、燃料電池用ガス供給拡散層４２の形成領域を囲むように、緻密枠３２に沿って溝３３Ａが形成されている（図４には不図示。）。この溝３３Ａ内にガスケット（パッキン、Ｏリングなどのシール材）３３が配置されている。

【0029】

金属板３０の両面には、上記の各流入口６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ、及び、各流出口６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂが設けられている部分を除いて、その全面に電子導電性を有する耐食層（図５においては図示せず）が形成されている。各流入口６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ、及び、各流出口６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂの内周面に耐食層が形成されていてもよい。金属板３０の側面及び端面に耐食層が形成されていてもよい。耐食層は、好ましくは緻密枠３２と同じ組成の緻密層であり、金属板３０の腐食を抑制する作用を有する。燃料電池用セパレータを組み合わせて図１あるいは図２に示すような燃料電池セルスタックを構成する段階で、ガスケット３３は接合される他の燃料電池用セパレータ、膜電極接合体８１又は集電板２７Ａ，２７Ｂと密着して流体の漏洩を抑制する。

【0030】

燃料電池用セパレータ２３は、タイプＣの燃料電池用セパレータであって、図４及び図５に示すように、基板としての長方形の金属板３０の一方の面における中央部に、上流側から下流側に向かってカソードガス（燃料電池用ガス）が流れてカソードガスを供給・拡散する燃料電池用ガス供給拡散層４２が形成されている。燃料電池用ガス供給拡散層４２は、使用時に上流側から下流側に向かって燃料電池用ガスが流れる燃料電池用ガス供給拡散層であって、燃料電池用ガスを透過、拡散し、導電性を有する多孔質体層４０を備える。多孔質体層４０は、多孔質体からなるガス拡散部４３と、多孔質体層４０の一方の面に分散して配置された複数の孤立穴５５とを有する。孤立穴５５の各々は、互いに孤立して多孔質体層４０に形成され、開口部を除く周囲がガス拡散部４３に囲まれ、多孔質体の底を有する凹部からなる。また、多孔質体層４０は、一方の面の流入側の隅部に位置するガス流入側溝５１と一方の面の流出側の隅部に位置するガス流出側溝５２とを有する（図４参照）。なお、多孔質体層４０は、必要に応じて、後述（変形例７）のガス圧均等化用溝５６、及び後述（変形例９）のバイパス用溝５９を有していてもよい。

【0031】

以降、上流側から下流側に向かう流れ方向（燃料電池用ガスの流入口が設けられている側の辺から燃料電池用ガスの流出口が設けられている辺に向かう方向，図４では符号Ｙの矢印の方向）をＹ方向とし、平面的にＹ方向に直交する幅方向（図４では符号Ｘの矢印の方向）をＸ方向として説明する。

【0032】

ガス流入側溝５１は、平面的に見て、多孔質体層４０の流入側の隅部において幅方向一杯に延びた細い矩形状の溝部分（段差部分）を有する。また、ガス流入側溝５１は、孤立穴５５に対応するように矩形状の溝部分（段差部分）からＹ方向流出側に分岐する複数の分岐溝部分（分岐段差部分）を有していてもよい。例えば、図４には、矩形状の溝部分（段差部分）から円形の孤立穴５５を切り取った形状でＹ方向流出側に分岐する複数の分岐溝部分（分岐段差部分）が描かれている。ガス流入側溝５１は、所定の深さで形成されている。

【0033】

ガス流出側溝５２は、平面的に見て、多孔質体層４０の流出側の隅部において幅方向一杯に延びた細い矩形状の溝部分（段差部分）を有する。また、ガス流出側溝５２は、孤立穴５５に対応するように矩形状の溝部分（段差部分）からＹ方向流入側に分岐する複数の分岐溝部分（分岐段差部分）を有していてもよい。例えば、図４には、矩形状の溝部分（段差部分）から円形の孤立穴５５を切り取った形状でＹ方向流入側に分岐する複数の分岐溝部分（分岐段差部分）が描かれている。ガス流出側溝５２は、ガス流入側溝５１と同じ深さで形成されている。

【0034】

実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層においては、孤立穴５５が、多孔質体層４０の一方の面の所望の範囲にわたって分散して配置されている。各孤立穴５５は、所定の規則性を備えた形状が好ましく、各孤立穴５５の重心位置が、所定の規則性を備えて多孔質体層４０の一方の面に配置されていることが好ましい。ここで、所望の範囲とは、多孔質体層４０の一方の面に形成された孤立穴のうち、外側の孤立穴の重心位置を結んだ閉曲線に囲まれる範囲（図４では符号Ｒで示す二点鎖線に囲まれる範囲)である。所望の範囲は、多孔質体層の一方の表面積の６０％以上をカバーしていればよく、好ましくは７０％以上、さらに好ましくは８０％以上カバーしていればよい。所望の範囲は、多孔質体層４０の一方の面の全面にわたって分散配置するようにしてもよい。また、孤立穴が分散して配置されているというのは、Ｘ方向及びＹ方向に等ピッチで並んで配置されている場合だけを意味するものではなく、所望の範囲においてそれほど偏ることなく点在して配置されていることを意味する。

【0035】

孤立穴５５は、所望の範囲の面積（多孔質体層４０の一方の面に形成された孤立穴のうち、外側の孤立穴の重心位置を結んだ閉曲線に囲まれる範囲の平面的な投影範囲の面積）をＳ１とし、複数の孤立穴５５の合計面積（複数の孤立穴５５を構成する全ての孤立穴について、それぞれの孤立穴の平面的な投影面積を合計した面積）をＳ２としたとき、「０．９×Ｓ１≧Ｓ２≧０．１×Ｓ１」の関係を満たすように配置されていることが好ましい。

【0036】

また、各孤立穴５５は、全て同じ形状、大きさとしてもよいし、形状のみ同じにしてその大きさを変えてもよい。なお、少なくとも所望の範囲において、孤立穴５５は、規則性をもたせて配置されていることが好ましい。

【0037】

また孤立穴５５の底の形状は、膜電極接合体８１あるいは電解質膜（PEM）８２に対し平行に平坦でも、場所によってその深さが異なるようにしてもよい。

【0038】

したがって、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２は、複数の孤立穴５５が多孔質体層４０の一方の面に配置されていることから、燃料電池用ガスが孤立穴５５を流れる際にガス拡散部４３を伏流するよりも移動抵抗が小さくスムーズに流れるため、膜電極接合体８１に対して従来よりも多量の燃料電池用ガスを供給できる。

【0039】

また、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２は、複数の孤立穴５５が多孔質体層４０の一方の面に形成されていることから、多孔質体層４０の他方の面に配設される膜電極接合体８１に対する燃料電池用ガスの供給は必ず多孔質体（ガス拡散部４３）を介して行われるため、複数のガス流路が多孔質体層４０の一方の面から他方の面にかけて形成されている場合よりも燃料電池用ガスを膜電極接合体に対して均一に供給できる。

【0040】

また、孤立穴の周囲が多孔質体（ガス拡散部４３）で囲まれていることから、下流側の孤立穴には必ず多孔質体（ガス拡散部４３）を通って進行するため、多孔質体層４０にガス流路が流入側から流出側まで繋がるように形成されている場合よりも、燃料電池用ガスを多孔質体層４０全体にわたって均一に拡散させることができる。

【0041】

その結果、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２は、従来よりも多量の燃料電池用ガスを膜電極接合体８１に対して均一に供給できるようになることから、従来よりも燃料電池の発電効率を高くできる、燃料電池用ガス供給拡散層となる。

【0042】

また、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２は、上記のような特徴を有することから、発電に使用されなかった燃料電池用ガス（この場合カソードガス（酸素ガス、窒素ガス））を、多孔質体（ガス拡散部４３）及び孤立穴５５を介して効率良く燃料電池用ガス供給拡散層４２外に排出できるようになるため、従来よりも燃料電池用ガスの移動抵抗が低く、ひいては、反応ガス濃度を高く保つことになり、従来よりも燃料電池の発電効率を高くできる、燃料電池用ガス供給拡散層となる。

【0043】

また、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２は、上記のような特徴を有することから、発電時に膜電極接合体８１で生成した水蒸気または凝集水を、多孔質体（ガス拡散部４３）及び孤立穴５５を介して効率良く燃料電池用ガス供給拡散層４２外に排出できるようになるため、従来よりも排水性に優れた燃料電池用ガス供給拡散層となる。

【0044】

各孤立穴５５は、幅が変化している形状であってもよく、例えば平面的に見て円形、楕円、菱形、三角形などとしてもよい。各孤立穴５５は、ガス流入側溝５１及びガス流出側溝５２と同じ深さ、且つ一定の深さで形成してもよい。各孤立穴５５は、内表面に多孔質体からなるガス拡散部４３が露出している。

【0045】

このように、複数の孤立穴５５が円形、楕円、菱形、三角形などのように幅が変化するような構成をとれば、燃料電池用ガスを二次元的に広げて供給することも可能となる。

【0046】

孤立穴は、複数の孤立穴のうちの一の孤立穴と一の孤立穴の下流側に近接する孤立穴との位置関係に規則性をもたせて配置されていることが好ましい。孤立穴５５は、図４に示すように、複数の孤立穴５５のうちの一の孤立穴５５１から下流側に位置する孤立穴のうち、一の孤立穴５５１からＸ方向に沿った距離が最も短い孤立穴（すなわち孤立穴５５１の重心位置と近接する孤立穴の重心位置とを結ぶベクトルのＸ方向成分の絶対値が最も小さい（当該絶対値がゼロの場合ももちろん含む）孤立穴を第１近接孤立穴５５２とし、一の孤立穴５５１からＸ方向に沿った距離が二番目に短い孤立穴（すなわち孤立穴５５１の重心位置と近接する孤立穴の重心位置とを結ぶベクトルのＸ方向成分の絶対値が二番目に小さい孤立穴）を第２近接孤立穴５５３としたとき、一の孤立穴５５１と第１近接孤立穴５５２との間の距離であって、一の孤立穴５５１の開口部と第１近接孤立穴５５２の開口部との間の最短距離である第１間隔Ｌ１と、一の孤立穴５５１と第２近接孤立穴５５３との間の距離であって、一の孤立穴５５１の開口部と第２近接孤立穴５５３の開口部との間の最短距離である第２間隔Ｌ２とは、図４に示すように、「Ｌ２≦Ｌ１」の関係を満たすようにするとよい。すなわち、一の孤立穴５５１には、Ｙ方向に並ぶ（Ｘ方向に沿った距離が最も短い）第１近接孤立穴５５２と隣の列（両隣の列）に位置する第２近接孤立穴５５３とが近接しているが、燃料電池用ガスが一の孤立穴５５１から第２近接孤立穴５５３に移動する際にガス拡散部４３を通過する距離は、一の孤立穴５５１から第１近接孤立穴５５２に移動する際にガス拡散部４３を通過する距離よりも短くなるようにする。このようにすると、一の孤立穴５５１から押し出された燃料電池用ガスは、第１近接孤立穴５５２よりも第２近接孤立穴５５３に向かって流れやすくなる。このため、一の孤立穴５５１から押し出された燃料電池用ガスが、第１近接孤立穴５５２に向かうよりも第２近接孤立穴５５３に多く向かうことでより広く拡散するようになる。よって、燃料電池用ガスを多孔質体層４０全体にわたって均一に拡散させることができる。

【0047】

また、第１間隔Ｌ１と第２間隔Ｌ２とは、図４に示すように、さらに「Ｌ１＜２×Ｌ２」の関係を満たすようにしてもよい。すなわち、一の孤立穴５５１と第２近接孤立穴５５３との間隔が第２近接孤立穴５５３と第１近接孤立穴５５２との間隔と同じであるため、燃料電池用ガスが一の孤立穴５５１から直接第１近接孤立穴５５２に移動する際にガス拡散部４３を通過する距離は、一の孤立穴５５１から第２近接孤立穴５５３を経由して第１近接孤立穴５５２に移動する際にガス拡散部４３を通過する距離よりも短くする。このようにすると、燃料電池用ガスが一の孤立穴５５１から直接第１近接孤立穴５５２に移動する際にガス拡散部４３を通過する距離（第１間隔Ｌ１）は、料電池用ガスが一の孤立穴５５１から第２近接孤立穴５５３を経由して第１近接孤立穴５５２に移動する際にガス拡散部４３を通過する距離（２×第２間隔Ｌ２）より短くなる。このため、一の孤立穴５５１から直接第１近接孤立穴５５２に向かう燃料電池用ガスの流れが極端に少なくなることはなく、多孔質体層４０全体にわたってバランス良く燃料電池用ガスを拡散させることができる。

【0048】

なお、「Ｌ２≦Ｌ１」の関係、及び、「Ｌ１＜２×Ｌ２」の関係を満たす場合には、孤立穴間のＸ方向のピッチ及びＹ方向のピッチの値については、これらの、「Ｌ２≦Ｌ１」の関係、及び、「Ｌ１＜２×Ｌ２」の関係を満たす範囲で、適宜設定すればよい。

【0049】

実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層においては、所望の範囲の面積（多孔質体層４０の一方の面に形成された孤立穴のうち、外側の孤立穴の重心位置を結んだ閉曲線に囲まれる範囲の平面的な投影範囲の面積）Ｓ１と複数の孤立穴の合計面積Ｓ２とが「０．９×Ｓ１≧Ｓ２≧０．１×Ｓ１」の関係を満たすように配置されていることが好ましい理由は以下の通りである。すなわち、上記のＳ２が上記のＳ１の１０％以上である場合には、燃料電池用ガスが所望の範囲を流れる際の移動抵抗を十分に小さくできるため、膜電極接合体８１に対して従来よりも多量の燃料電池用ガスを供給できるからである。また、Ｓ２がＳ１の９０％以下である場合には、燃料電池用ガスが所望の範囲内を拡散しながら伏流する領域を最低限確保できるため、燃料電池用ガスを所望の範囲内において均一に拡散させやすくできるからである。なお、より多量の燃料電池用ガスを供給するという観点からは、多孔質体層４０の面積Ｓ１と複数の孤立穴の合計面積Ｓ２とは、「Ｓ２≧０．２×Ｓ１」の関係を満たすことがより好ましく、「Ｓ２≧０．３×Ｓ１」の関係を満たすことがより一層好ましい。また、所望の範囲内において拡散させるという観点からは、「０．８×Ｓ１≧Ｓ２」の関係を満たすことがより好ましく、「０．７×Ｓ１≧Ｓ２」の関係を満たすことがより一層好ましい。

【0050】

ガス拡散部４３は、導電性を有し、細かな空隙が形成されている多孔質体からなる。ガス拡散部４３は、平面的に見て略矩形状をしている。ガス拡散部４３は、気体や液体をこの空隙を通して伏流させるのに適した気孔率で形成されている。詳細は後述する。

【0051】

なお、本明細書において、「伏流」とは、ガス流入側溝５１、各孤立穴５５、後述のガス圧均等化用溝５６（変形例７）、及び後述のバイパス用溝５９（変形例９）等からガス拡散部４３中に押し出されたカソードガス（伏流ガス）の流れをいう。
また、本明細書において、「ガスの流入側から流出側に向かって」とは、「およそガスの流れるＹ方向に沿って」という意味であり、「ガスの流入側から流出側に向かう」方向は、多孔質体層４０全体としてみた場合の多孔質体層４０内のガスのＹ方向に沿った流れの方向である。これは、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２のように、カソードガス流入口６２Ａとカソードガス流出口６２Ｂが金属板３０の対角線上の位置に配設されている場合に、ガス流路は上記の対角線に沿って形成されている必要はなく、実施形態のように、「ガスの流入側から流出側に向かう」方向は、「多孔質体層４０全体としてみた場合の多孔質体層４０内のガスの流れの方向が、図４の紙面の下から上のＹ方向に向かうような場合は」、図４のように、図４の紙面の下から上のＹ方向に沿って孤立穴５５は整列されていればよいし、また、それ以外の方向に沿って整列されていてもよい。

【0052】

さらに、燃料電池用セパレータ２３に関して詳しく説明する。カソードガスとしての空気（酸素ガス及び窒素ガス）は、多孔質体層４０（ガス拡散部４３）内を拡散する。多孔質体層４０は、導電材（好ましくは炭素系導電材）と高分子樹脂の混合物を含む。高分子樹脂に炭素系導電材を混合することにより、高分子樹脂に高い導電性を付与することができ、また高分子樹脂の結着性により炭素材の成型性を向上させることができる。多孔質体層４０の流体抵抗は、多孔質体層の気孔率と流体の流れる面の面積に依存する。気孔率が大きくなれば流体抵抗は小さくなる。流体が流れる面積が大きくなれば流体抵抗は小さくなる。およその目安としては、（カソードガス用の）燃料電池用ガス供給拡散層４２においては、多孔質体層４０の気孔率は、５０～８５％程度である。なお、（アノードガス用の）燃料電池用ガス供給拡散層４１においては、多孔質体層４０の気孔率は、３０～８５％程度である。

【0053】

多孔質体層４０の気孔率が上記のように構成されていることから、ガス流路用溝５５の内表面を介して、孤立穴５５と多孔質体層４０との間のカソードガス、水蒸気、凝結水の流通が適切に行われるようになる結果、多量の燃料電池用ガスを膜電極接合体に対して均一に供給できるようになり、また、発電時に使用されなかったカソードガスや発電時に生成した水蒸気や凝結水を孤立穴外に効率よく排出することができるようになる。その結果、燃料電池用ガス供給拡散層４２においては、孤立穴５５は、孤立穴５５の内表面に金属、セラミックス、樹脂等からなるガス不透過層に微細なガス流通孔を多数開口したガス透過フィルターのようなものを形成する必要が無く、内表面に多孔質体からなるガス拡散部４３が露出するよう構成されている。

【0054】

炭素系導電材の含有率を調整することにより、燃料電池用ガス供給拡散層４２の気孔率を調整することができ、ひいては、燃料電池用ガス供給拡散層４２の移動抵抗を調整することができる。特に炭素系導電材の含有率を高くすると移動抵抗が小さくなる（気孔率が大きくなる）。逆に、炭素系導電材の含有率を低くすると移動抵抗が大きくなる（気孔率が小さくなる）。耐食層及び緻密枠３２も炭素系導電材と高分子樹脂の混合物であり、炭素系導電材の適度な含有率により、導電性を確保しつつ緻密化したものであるのが好ましい。

【0055】

炭素系導電材としては特に限定されないが、例えば黒鉛、カーボンブラック、ダイヤモンド被覆カーボンブラック、炭化ケイ素、炭化チタン、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等を用いることができる。高分子樹脂としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれも用いることができる。高分子樹脂の例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ゴム系樹脂、フラン樹脂、フッ化ビニリデン樹脂等が挙げられる。

【0056】

カソードガス流入口６２Ａと多孔質体層４０が形成されている領域との間には流入通路５７が形成されている（図４参照。）。カソードガス流出口６２Ｂと多孔質体層４０が形成されている領域との間には流出通路５８が形成されている。これらの流入通路５７及び流出通路５８は膜電極接合体８１又はそのフレーム８１Ａを支持するためのものである。したがって、カソードガスを円滑に流し、かつ膜電極接合体８１をサポートできる構造であればよい。例えば、気孔率のきわめて大きい多孔質体層でもよいし、多数の支柱を配列した構造でもよい。多孔質体層４０における流入通路５７と面する領域には金属板３０の幅方向に沿って細長い流入側溝５１が形成されている。また、多孔質体層４０における流出通路５８と面する領域にも金属板３０の幅方向に沿って細長い流出側溝５２が形成されている。但し、流入側溝５１及び流出側溝５２は、これらを省略することもできる。

【0057】

多孔質体層４０、流入通路５７、及び流出通路５８は、図５に示すように、緻密枠３２と同じ高さ（厚さ）に形成されている。燃料電池用ガス供給拡散層４２における金属板３０に対向する側の面には、空隙からなる複数の孤立穴５５が設けられており、これら複数の孤立穴５５と金属板３０との隙間に複数のガス流路が形成されている。孤立穴５５は前述したような配置で複数形成されている。各孤立穴５５は、ガス拡散部４３を伏流して流入してきた燃料電池用ガスを、移動抵抗を減らして広げて再びガス拡散部４３に流出させることで、強制伏流により拡散させる。孤立穴５５の数及び構造は図示のものに限定されない。

【0058】

実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２は、これを輸送機器用の燃料電池に用いる場合には、輸送機器の種類・大きさにもよるが、多孔質体層４０の横幅は例えば３０ｍｍ～３００ｍｍ程度である。孤立穴５５の幅Ｗは例えば０．３ｍｍ～２ｍｍ程度である。多孔質体層４０の厚さは例えば１５０～４００μｍ程度であり、孤立穴５５の深さは例えば１００～３００μｍ程度であり、孤立穴の底と多孔質体層４０の他方の面との距離（天井厚）は例えば１００～３００μｍ程度である。実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２を輸送機器以外の用途（例えば定置用）の燃料電池に用いる場合には、上記のサイズに限定されるものではなく、必要とされる性能などに応じて適宜のサイズのものを用いることができる。

【0059】

タイプＡの燃料電池用セパレータ２２における燃料電池用ガス供給拡散層４１も、基本的には燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の構成を有する。但し、燃料電池用ガス供給拡散層に供給するガスが水素ガスであることから、燃料電池用ガス供給拡散層４２よりも気孔率が低く、また、厚さが薄い（後述する図７（ｂ）参照。）。

【0060】

タイプＣＡの燃料電池用セパレータ２１においては、燃料電池用ガス供給拡散層として燃料電池用ガス供給拡散層４１及び燃料電池用ガス供給拡散層４２を用いる（後述する図７（ａ）参照。）。タイプＣＷの燃料電池用セパレータ２４は、タイプＣの燃料電池用セパレータ２３における燃料電池用ガス供給拡散層４２が形成されていない面に冷却水供給拡散層が形成されたものである（後述する図７（ｃ）参照。）。タイプＡＷの燃料電池用セパレータ２５は、タイプＡの燃料電池用セパレータ２２における燃料電池用ガス供給拡散層４１が形成されていない面に冷却水供給拡散層が形成されたものである（後述する図７（ｄ）参照。）。

【0061】

燃料電池スタック２０を運転すると、アノードガス（水素ガス）を導入する燃料極ではプロトン（Ｈ＋）が生成する。プロトンは、膜電極接合体８１中を拡散して酸素極側に移動し、酸素と反応して水が生成する。生成した水は、酸素極側から排出される。このとき、上記のような構造を有する燃料電池用ガス供給拡散層４２を備える燃料電池用セパレータ２３においては、カソードガス流入口６２Ａから流入した空気は流入通路５７及び流入側溝５１からガス拡散部４３に入り、伏流した空気は、孤立穴５５を経由することで移動抵抗が大きい多孔質体内通過する距離を減らせるため、孤立穴５５間を渡り進むようにして流出側に向かう。孤立穴５５に流入した空気は、孤立穴５５内に広がり、孤立穴５５の内表面から再びガス拡散部４３に押し出されて強制伏流させられてさまざまな方向に拡散する。

【0062】

空気が孤立穴５５間を渡り進むようにして流出側に向かうことを図４及び図６（ａ）を参照してさらに詳しく説明すると、孤立穴５５は空洞であり空気の移動抵抗がガス拡散部４３よりも小さくなるため、空気は、ガス拡散部４３を通過するよりも孤立穴５５を通過しようとする。このため、一の孤立穴５５１からガス拡散部４３に平面方向に押し出された空気は、下流側に近接する第１近接孤立穴５５２又は第２近接孤立穴５５３に向かって伏流する。特に、第１間隔Ｌ１と第２間隔Ｌ２とが「Ｌ１≦Ｌ２」の関係を満たす場合には、一の孤立穴５５１から第２近接孤立穴５５３までのガス拡散部４３を通過する距離（第２間隔Ｌ２）が第１近接孤立穴５５２までのガス拡散部４３を通過する距離（第１間隔Ｌ１）と同じ又はより短くなり、一の孤立穴５５１から押し出された空気の多くは、Ｘ方向にずれて第２近接孤立穴５５３に向かって伏流する。第２近接孤立穴５５３に流入した空気は、再びガス拡散部４３に押し出され、同様にして、第２近接孤立穴５５３の上流に隣接する孤立穴に向けて伏流する。このような繰り返しにより、空気が孤立穴５５間を渡り進むようにして流出側に向かう。

【0063】

また、第１間隔Ｌ１と第２間隔Ｌ２とが「Ｌ１＜２×Ｌ２」の関係をさらに満たす場合には、一の孤立穴５５１から直接第１近接孤立穴５５２までのガス拡散部４３を通過する距離（第１間隔Ｌ１）が一の孤立穴５５１から第２近接孤立穴５５３を経由して第１近接孤立穴５５２までのガス拡散部４３を通過する距離（２×第２間隔Ｌ２）より短くなり、空気の一部は、一の孤立穴５５１から直接第１近接孤立穴５５２に向かうルートで伏流する。

【0064】

また、図６（ｂ）に示すように、空気は、多孔質体層４０（ガス拡散部４３）内を平面方向に拡散しながら厚さ方向にも拡散し、多孔質体層４０（ガス拡散部４３）に接して設けられた膜電極接合体８１に供給され、発電反応に寄与する。発電に使用されなかったガス（未使用の酸素ガス及び窒素ガス）及び発電時に生成した水（水蒸気又は凝縮水）は多孔質体層４０（ガス拡散部４３）、孤立穴５５、流出側溝５２を介して流出通路５８に流出する。流出通路５８に流出した酸素ガス、窒素ガス及び水は、最終的に流出通路５８からカソードガス流出口６２Ｂ及びカソードガス排出口７２Ｂを通って排出されていく。このとき、燃料電池用ガス供給拡散層４２の構造上、全ての水は排出されず、一部が多孔質体層４０（ガス拡散部４３）内に留まる。

【0065】

実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２は、上記のような特徴を有することから、発電時に膜電極接合体で生成した水（水蒸気又は凝縮水）を、多孔質体層４０及び孤立穴５５を介して孤立穴外に効率良く排出できるようになる。また、伏流領域においては伏流ガス流れに押し出される形で水を孤立穴外に効率良く排出できるようになる。

【0066】

また、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２を、カソードガス用の燃料電池用ガス供給拡散層に利用した場合には、特に顕著な効果が得られる。この場合には、上記のような特徴を有することから、発電に使用されなかったカソードガスを、ガス拡散部４３（多孔質体）及び孤立穴５５を介して効率良く回収できるようになるため、従来よりも燃料電池の発電効率をより一層高くできる、燃料電池用ガス供給拡散層となる。さらにまた、上記のような特徴を有することから、発電時に膜電極接合体８１で生成した水蒸気又は凝集水を、ガス拡散部４３（多孔質体）及び孤立穴５５を介して効率良く回収できるようになるため、従来よりも排水性に優れた燃料電池用ガス供給拡散層となる。

【0067】

実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２を、カソードガスが空気である場合に特に顕著な効果が得られる。この場合には、上記のような特徴を有することから、発電に使用されない窒素ガスをガス拡散部４３（多孔質体）及び孤立穴５５を介して効率良く排出できるようになるため、従来よりも燃料電池用ガスの移動抵抗を低くでき、従来よりも燃料電池の発電効率をより一層高くできる、燃料電池用ガス供給拡散層となる。

【0068】

実施形態に係る燃料電池用セパレータ２３は、金属板３０と、金属板３０の少なくとも一方の面に配設された燃料電池用ガス供給拡散層とを備える燃料電池用セパレータであって、燃料電池用ガス供給拡散層が実施形態に係る
燃料電池用ガス供給拡散層４２であり、当該燃料電池用ガス供給拡散層４２は、複数のガス流路用溝５５が金属板３０側に位置するように金属板３０に対して配置されており、ガス流路用溝５５と金属板３０とでガス流路が構成されていることから、従来よりも燃料電池の発電効率を高くでき、さらには、従来よりも排水性に優れた、燃料電池用セパレータとなる。

【0069】

また、実施形態に係る燃料電池セルスタック２０は、燃料電池用セパレータと、膜電極接合体とが積層されてなる燃料電池セルスタックであって、燃料電池用セパレータが、実施形態に係る燃料電池用セパレータ２３であり、当該燃料電池用セパレータ２３と膜電極接合体８１とは、燃料電池用ガス供給拡散層４２の複数のガス流路用溝５５が形成されていない側の面に膜電極接合体８１が位置する位置関係で積層されていることから、従来よりも燃料電池の発電効率を高くでき、さらには、従来よりも排水性に優れた、燃料電池セルスタックとなる。

【0070】

［燃料電池用セパレータ２３の製造方法］
一例として、耐食層、緻密枠３２、燃料電池用ガス供給拡散層４２等は等方圧加圧により形成する。たとえば熱硬化性樹脂を用いる場合（熱可塑性樹脂でもよい）、炭素系導電材粉末（及び、状況に応じて炭素繊維）、樹脂粉末及び揮発性溶剤を混錬してペースト状にする。このペーストには、耐食層、及び緻密枠用のもの、流体供給拡散層用のもの等、多数種類を用意しておく。そして、金属板３０上に、耐食層、緻密枠３２のパターン、燃料電池用ガス供給拡散層４２のパターン等を順次プリント、スタンプ、絞り出し等により形成する。各パターンの形成ごとに溶剤を揮発させる。上記のすべてのパターンが形成された金属板３０の全体を軟質の薄いゴムバックに入れ、真空に脱気した後、ゴムバックを耐圧容器に入れ、加熱流体を容器内に導入して、加熱流体で等方圧加圧して樹脂を硬化させる。緻密枠３２、燃料電池用ガス供給拡散層４２の高さ（厚さ）を最終的に同じ高さ（厚さ）にするために、樹脂硬化の際の収縮の程度に応じて、これらの各枠、壁、層等の高さ（厚さ）をパターン作製時に調整しておくことが好ましい。

【0071】

一方で、金属板３０上に耐食層を形成しておき、他方で緻密枠３２、燃料電池用ガス供給拡散層４２を形成し、最後にこれらを熱圧着して製造することもできる。このとき緻密枠３２は金属板３０上の耐食層と同時に作成してもよい。第１段階で金属板３０上に耐食層と緻密枠３２とを作成し、この後第２段階で燃料電池用ガス供給拡散層４２のペーストを金属板３０の耐食層上に順次印刷し、乾燥させた後、ロールプレス（ホットプレス）で硬化させて製造することもできる。

【0072】

または、次のような製造方法を用いることもできる。カーボンファイバー（ＣＦ）、少量の黒煙微粒子（ＧＣＢ）及び結着剤となる熱可塑性もしくは熱硬化性又は繊維状物を形成する樹脂を混錬してシート状に形成し、硬化する前のグリーンシート状態のときに、流入通路５７、流出通路５８、流入側溝５１、流出側溝５２及孤立穴５５に対応する形状の突起を有するスタンプ型をシートに押し当てて、流入通路５７、流出通路５８、流入側溝５１、流出側溝５２及孤立穴５５を形成する。最後にグリーンシートを熱処理し、これを耐食層が形成された金属板３０に接着する。

【0073】

燃料電池用ガス供給拡散層４２の移動抵抗（又は流体抵抗）は、多孔質体層４０の気孔率と流体の流れる方向に直交する面の面積（各層の高さ（厚さ）と幅）に依存する。気孔率が大きくなれば移動抵抗は小さくなる。流体が流れる面積が大きくなれば移動抵抗は小さくなる（単位面積当りの移動抵抗は一定である）。おおよその目安としては、燃料電池用ガス供給拡散層の気孔率は、（アノードガス用）燃料電池用ガス供給拡散層４２については３０～８５％程度、（カソードガス用）燃料電池用ガス供給拡散層４１については５０～８５％程度である。気孔率Ｐは、測定が容易な、Ｐ＝（多孔質体層中の気孔の体積）／（多孔質体層の体積）で定められる。ここで、気孔は外部に通じていない気孔を含む真の気孔である。

【0074】

なお、上記した製造方法は、燃料電池用セパレータ２３以外の燃料電池用セパレータ（燃料電池用セパレータ２１、燃料電池用セパレータ２２、燃料電池用セパレータ２４及び燃料電池用セパレータ２５）を製造する際にも適用できる。

【0075】

［燃料電池用セパレータ２３以外の燃料電池用セパレータ］
図７は、燃料電池用セパレータ２３以外の燃料電池用セパレータ（燃料電池用セパレータ２１、燃料電池用セパレータ２２、燃料電池用セパレータ２４及び燃料電池用セパレータ２５）の断面図である。図７（ａ）はタイプＣＡの燃料電池用セパレータ２１の断面図であり、図７（ｂ）はタイプＡの燃料電池用セパレータ２２の断面図であり、図７（ｃ）はタイプＣＷの燃料電池用セパレータ２４の断面図であり、図７（ｄ）はタイプＡＷの燃料電池用セパレータ２５の断面図である。

【0076】

本発明の燃料電池用ガス供給拡散層は、燃料電池用セパレータ２１の（カソードガス用）燃料電池用ガス供給拡散層４２及び／又は（アノードガス用）燃料電池用ガス供給拡散層４１に適用することができる（図７（ａ）参照。）。また、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層は、燃料電池用セパレータ２２の（アノードガス用）燃料電池用ガス供給拡散層４１に適用することができる（図７（ｂ）参照。）。また、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層は、燃料電池用セパレータ２４の（カソードガス用）燃料電池用ガス供給拡散層４２に適用することができる（図７ｃ）参照。）。また、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層は、燃料電池用セパレータ２５の（アノードガス用）燃料電池用ガス供給拡散層４１に適用することができる（図７（ｂ）参照。）。

【0077】

このように本発明の燃料電池用ガス供給拡散層を上記のような燃料電池用セパレータ２１，２２，２４，２５の燃料電池用ガス供給拡散層に適用した場合であっても、従来よりも多量の燃料電池用ガスを膜電極接合体に対して均一に供給できるようになることから、従来よりも燃料電池の発電効率を高くできる、燃料電池用ガス供給拡散層となる。

【0078】

[構成例１]
本発明の１実施形態として図４に示すような燃料電池用ガス供給拡散層の構成例を示すことができる。すなわち図４では、上述のような基本構成の加え、所定の規則性として、Ｘ方向に等ピッチ（Ｘピッチ）で並んだＹ方向に延びる複数の線上に、Ｙ方向に等ピッチ（Ｙピッチ）で配置されている。孤立穴５５は、Ｙ方向の並びを１列としＸ方向の端側からｎ列とすると、奇数列同士及び偶数列同士のＹ方向の位置が同じで、奇数列と偶数列とのＹ方向の位置がＹピッチの半分ずれている（いわゆる千鳥パターン構成である）。このように、孤立穴５５は、Ｘ方向及びＹ方向に規則性をもたせて配置されている。また、図４では、各孤立穴５５は、形や大きさを含め、全て同形状であり 、各孤立穴５５が多孔質体層４０の一方の面に配置されている。各孤立穴５５は、幅が変化している形状であり、具体的には円形である。各孤立穴５５は、ガス流入側溝５１及びガス流出側溝５２と同じ深さ、且つ一定の深さで形成されている。各孤立穴５５は、内表面に多孔質体からなるガス拡散部４３が露出している。

【0079】

このようにすれば、上記した効果に加え、さらに複数の孤立穴５５が多孔質体層４０の一方の面の全面にわたって分散しているため、燃料電池用ガスを多孔質体層４０全体にわたってより均一に拡散させることができる。

【0080】

［変形例１］
図８は、変形例１に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ａの（金属板３０の側から見た）平面構造を説明するために示す図である。但し、図４の場合と同様に、燃料電池用セパレータ２３の流路パターンを分かり易く表すために、金属板３０の図示は省略している。以降の図９～図１７においても同様である。

【0081】

変形例１に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ａは、基本的には実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の構成を有するが、孤立穴の平面形状が実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２の場合と異なる。すなわち、図８に示すように、変形例１に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ａにおいては、孤立穴として平面形状が菱形である孤立穴５５ａを用いている。

【0082】

変形例１に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ａによれば、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の効果が得られるのに加えて、以下の効果が得られる。すなわち、孤立穴５５ａが平面状の壁面を有し、近接する孤立穴５５ａ同士の壁面を平行に配置することが可能となることから、孤立穴５５ａ間の流体抵抗がある程度広い範囲で一定になり、より燃料電池用ガスを均一に伏流させることができる。

【0083】

［変形例２］
図９は、変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂの平面構造を説明するために示す図である。

【0084】

変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂは、基本的には実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の構成を有するが、孤立穴の平面形状が実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２の場合と異なる。すなわち、図９に示すように、変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂにおいては、孤立穴として幅が一定の平面形状（この場合、Ｙ方向に沿って延びる長方形）である孤立穴５５ｂを用いている。

【0085】

変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂによれば、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の効果が得られるのに加えて、以下の効果が得られる。すなわち、孤立穴５５ｂの幅が一定、すなわち平面形状が正方形又は長方形であることから、特に多孔質体層の平面形状が矩形の場合に、孤立穴５５ｂを多孔質体層の一方の面の全体にわたって配置しやすくできる。

【0086】

［変形例３］
図１０は、変形例３に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｃの平面構造を説明するために示す図である。

【0087】

変形例３に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｃは、基本的には実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の構成を有するが、孤立穴の平面形状が実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２の場合と異なる。すなわち、図１０に示すように、変形例３に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｃにおいては、孤立穴として斜めの方向に沿って延びている孤立溝である孤立穴５５ｃを用いている。

【0088】

変形例３に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｃによれば、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の効果が得られるのに加えて、以下の効果が得られる。すなわち、孤立穴５５ｃが斜めの方向に沿って延びている孤立溝であることから、燃料電池用ガスをＸ方向に広げるとともにＹ方向に進行させることができる。

【0089】

［変形例４］
図１１は、変形例４に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｄの平面構造を説明するために示す図である。

【0090】

変形例４に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｄは、基本的には実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の構成を有するが、孤立穴の平面形状が実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２の場合と異なる。すなわち、図１１に示すように、変形例４に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｄにおいては、孤立穴として途中で曲がっている孤立穴５５ｄを用いている。途中で曲がっている孤立穴５５ｄの形状としては、例えば図１１に示すようなＬ字形状の他、Ｕ字、Ｃ字、円弧などの形状を挙げることができる。なお、孤立穴５５ｄは、図１１の２点鎖線Ｇで表すジグザグのライン上に沿って、間欠的に配置されている。

【0091】

変形例４に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｄによれば、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２と同様の効果が得られるのに加えて、孤立穴５５ｄが途中で曲がっていることで、燃料電池用ガスを素早く方向を変えて広げることができるという効果が得られる。

【0092】

［変形例５］
図１２は、変形例５に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｅの平面構造を説明するために示す図である。

【0093】

変形例５に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｅは、基本的には変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の構成を有するが、孤立穴の平面構造が変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂの場合と異なる。すなわち、図１２に示すように、変形例４に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｅにおいては、孤立穴５５ｅが下流側にいくに従って平面的に見た面積が段階的に小さくなるように形成されている。図１２では、図９に示したものと同様に長方形の孤立穴を構成した例を示している。ここで孤立穴５５ｅが流入側から流出側に向かうに従って、長方形の孤立穴５５ｅのＸ方向の長さ(幅）がＷ１＞Ｗ２＞Ｗ３と段階的に細くなるように形成されている。

【0094】

変形例５に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｅによれば、変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の効果が得られるのに加えて、以下の効果が得られる。すなわち、孤立穴５５ｅが下流側にいくに従って平面的に見た面積が段階的に小さくなるため、下流側にいくに従って減っていく燃料電池用ガスの流量に対応するようになる。このため、上流側と下流側との燃料電池用ガスの濃度がより均一になり、燃料電池用ガスを効率よく拡散できる。

【0095】

［変形例６］
図１３は、変形例６に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｆの平面構造を説明するために示す図である。

【0096】

変形例６に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｆは、基本的には変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の構成を有するが、孤立穴の平面構造が変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂの場合と異なる。すなわち、図１３に示すように、変形例６に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｆにおいては、孤立穴５５ｆが下流側にいくに従って平面的に見た面積が段階的に小さくなるように形成されている。図１３では、図９に示したものと同上に長方形の孤立穴５５ｅを構成した例を示している。ここで孤立穴５５ｆが流入側から流出側に向かうに従って、長方形の孤立穴５５ｅのＹ方向の長さがＤ１＞Ｄ２＞Ｄ３と段階的に短くなっている。

【0097】

変形例６に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｆによれば、変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の効果が得られるのに加えて、以下の効果が得られる。すなわち、孤立穴５５ｆが下流側にいくに従って平面的に見た面積が段階的に小さくなるため、下流側にいくに従って減っていく燃料電池用ガスの流量に対応するようになる。このため、上流側と下流側との燃料電池用ガスの濃度がより均一になり、燃料電池用ガスを効率よく拡散できる。

【0098】

なお、変形例５及び変形例６においては、孤立穴として、いずれも長方形の孤立穴（５５ｅ，５５ｆ）として示したが、孤立穴の大きさ(面積）を下流側にいくに従って小さくなるようにすれば、孤立穴は、円、楕円、菱形、三角形などその他の形状でも構わない。また、孤立穴ごとに最適な形状としてもよい。

【0099】

［変形例７］
図１４は、変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇの平面構造を説明するために示す図である。

【0100】

変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇは、基本的には変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の構成を有するが、ガス圧均等化用溝をさらに有する点で変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂの場合と異なる。すなわち、図１４に示すように、変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇにおいては、多孔質体層４０は、多孔質体層４０の一方の面に、多孔質体層４０の幅一杯に延びた１又は複数のガス圧均等化用溝５６（図１４では２本のガス圧均等化用溝５６）をさらに有している。ガス圧均等化用溝５６は多孔質体層４０をＹ方向にほぼ三等分するように２か所に形成されている。ガス圧均等化用溝５６は孤立穴５５ｇと同等の深さで形成されている。ガス圧均等化用溝５６を備えるため、孤立穴５５ｇは、多孔質体層４０の一方の面の内、ガス圧均等化用溝５６同士、流入側溝５１とガス圧均等化用溝５６、あるいは流出側溝５２とガス圧均等化用溝５６にそれぞれ挟まれた範囲（所望の範囲）にわたって分散して配置されている。

【0101】

変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇによれば、変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の効果が得られるのに加えて、多孔質体層４０の幅方向一杯に延びたガス圧均等化用溝５６を有することで、多孔質体層４０の幅方向全体にわたって燃料電池用ガスの供給量をより一層均一にできるという効果が得られる。

【0102】

［変形例８］
図１５は、変形例８に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｈの平面構造を説明するために示す図である。

【0103】

変形例８に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｈは、基本的には変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇと同様の構成を有するが、ガス圧均等化用溝の本数及び孤立穴の平面構造が変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇの場合と異なる。すなわち、図１５に示すように、変形例８に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｈにおいては、ガス圧均等化用溝５６が１本だけ形成されている。また、変形例８に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｈにおいては、複数の孤立穴５５ｈは、下流側にいくに従って、幅方向（Ｘ方向）に近接する孤立穴同士の間隔が段階的に狭くなっている。より詳しくは、孤立穴５５ｈは、ガス圧均等化用溝５６の下流側における孤立穴５５ｈ同士の間隔Ｐ２がガス圧均等化用溝５６の上流側における孤立穴５５ｈ同士の間隔Ｐ２よりも狭くなっている。また、孤立穴５５ｈは、ガス圧均等化用溝５６の下流側における幅がガス圧均等化用溝５６の上流側における幅よりも狭くなっている。変形例８）では、ガス圧均等化用溝５６を１つ備える構成例のため、孤立穴５５ｈは、多孔質体層４０の一方の面の内、流入側溝５１とガス圧均等化用溝５６、あるいは流出側溝５２とガス圧均等化用溝５６に挟まれた範囲（所望の範囲）にわたって分散して配置されている。しかしながら変形例７のようにさらにガス圧均等化用溝５６を加えて、ガス圧均等化用溝５６同士、流入側溝５１とガス圧均等化用溝５６、あるいは流出側溝５２とガス圧均等化用溝５６に挟まれた範囲（所望の範囲）にわたって分散して配置してもよい。変形例８では、流入側溝５１とガス圧均等化用溝５６、あるいは流出側溝５２とガス圧均等化用溝５６に挟まれた範囲（所望の範囲）ごとに孤立穴５５ｈの大きさや形状、分散配置の配置規則とを個別に代えて配置している。

【0104】

変形例８に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｈによれば、変形例７に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｇと同様の効果が得られるのに加えて、以下の効果が得られる。すなわち、Ｘ方向に近接する孤立穴５５ｈ同士の間隔が段階的に狭くなっていることから、Ｘ方向沿った方向に整列している孤立穴５５ｈの数が段階的に多くなる。このため、下流側にいくに従って圧力損失が大きくなっても、伏流する燃料電池用ガス及び発電時に膜電極接合体で生成した水蒸気又は凝集水が、密に配置されている下流側の孤立穴に流れ込みやすくなり、燃料電池用ガスをより均一に拡散させるとともに、発電時に膜電極接合体８１で生成した水蒸気または凝集水をより効率良く燃料電池用ガス供給拡散層４２ｈ外に排出できる。また、ガス圧均等化用溝５６の下流において、より均一に燃料電池用ガスを拡散させることができる。

【0105】

［変形例９］
図１６は、変形例９に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｉの平面構造を説明するために示す図である。

【0106】

変形例９に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｉは、基本的には変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の構成を有するが、バイパス用溝をさらに有する点で変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂの場合と異なる。すなわち、図１６に示すように、変形例９に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｉにおいては、多孔質体層４０は、多孔質体層４０の一方の面に、燃料電池用ガスの流入側から中央部まで延びたバイパス用溝５９（流入用のバイパス用溝５９Ａ）をさらに有している。また、変形例９に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｉにおいては、多孔質体層４０は、中央部から前記燃料電池用ガスの流出側まで延びたバイパス用溝５９（流出用のバイパス用溝５９Ｂ）をさらに有している。

【0107】

各バイパス用溝５９（５９Ａ，５９Ｂ）は、細い矩形状の部分が組み合わされた溝である。各バイパス用溝５９（５９Ａ，５９Ｂ）は、連通する流入側溝５１又は流出側溝５２と同じ深さで形成されている。流入用のバイパス用溝５９Ａは、送り溝部分５９１Ａと幅広げ溝部分５９２Ａと複数の分岐溝部分５９３Ａとが組み合わされて形成されている。送り溝部分５９１Ａは、流入側が流入側溝５１のＸ方向における一方の端部付近に繋がり、流入側溝５１から多孔質体層４０の中央部までＹ方向に延びている。幅広げ溝部分５９２Ａは、送り溝部分５９１Ａの先端側からＸ方向に延びている。分岐溝部分５９３Ａは、孤立穴５５ｉの連続パターン形状と対応するように複数、幅広げ溝部分５９２Ａから短くＹ方向流出側に延びている。流出用のバイパス用溝５９Ｂは、送り溝部分５９１Ｂと幅広げ溝部分５９２Ｂと複数の分岐溝部分５９３Ｂとが組み合わされて形成されている。送り溝部分５９１Ｂは、流出側が流出側溝５２のＸ方向における他方の端部付近に繋がり、流出側溝５２から多孔質体層４０の中央部までＹ方向に延びている。幅広げ溝部分５９２Ｂは、送り溝部分５９１Ｂの先端側からＸ方向に延びている。分岐溝部分５９３Ｂは、孤立穴５５ｉの連続パターン形状と対応するように複数、幅広げ溝部分５９２Ｂから短くＹ方向流入側に延びている。流入用のバイパス用溝５９Ａにおける幅広げ溝部分５９２Ａは、流出用のバイパス用溝５９Ｂにおける幅広げ溝部分５９２Ｂよりも流出側に配置されている。流入用のバイパス用溝５９Ａにおける幅広げ溝部分５９２Ａは、流出用のバイパス用溝５９Ｂにおける送り溝部分５９１Ｂと交差しない程度でＸ方向に広がっている。流出用のバイパス用溝５９Ｂにおける幅広げ溝部分５９２Ｂは、流入用のバイパス用溝５９Ａにおける送り溝部分５９１Ａと交差しない程度でＸ方向に広がっている。このように構成することにより、流入側溝５１と幅広げ溝部分５９２Ｂの間の第１のブロックと、流出側溝５２と幅広げ溝部分５９２Ｂの間の第２のブロックとを構成している。燃料電池用ガスは、第１のブロックと第２のブロックとに分かれて流れる。したがって、両ブロックの両方を通過する燃料電池用ガスはほぼ０である。本変形例においては、このブロック内、すなわち流入側溝５１と幅広げ溝部分５９２Ｂ、あるいは流出側溝５２と幅広げ溝部分５９２Ｂに挟まれた範囲（所望の範囲）ごとに孤立穴５５ｉを配置している。このとき孤立穴５５ｉの大きさや形状、分散配置の配置規則を、個別に代えて配置してもよい。

【0108】

変形例９に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｉによれば、変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の効果が得られるのに加えて、以下の効果が得られる。すなわち、多孔質体層４０は、燃料電池用ガスの流入側から中央部まで延びたバイパス用溝５９（流入用のバイパス用溝５９Ａ）を有していることで、中央部よりも上流で減ってしまった燃料電池用ガスが中央部で補給されるため、中央部よりも下流の発電効率の低下を抑えることができる。また、多孔質体層４０は、中央部から前記燃料電池用ガスの流出側まで延びたバイパス用溝５９（流出用のバイパス用溝５９Ｂ）を有していることで、中央部よりも上流で発電時に膜電極接合体８１で生成した水蒸気または凝集水が中央部から効率よく排出されるため、中央部よりも下流の発電効率の低下を抑えることができる。

【0109】

なお、変形例１～９に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ａ～４２ｉにおいては、一の孤立穴５５１ａ～５５１ｉ（変形例８では一の孤立穴５５１ｈ１，５５１ｈ２）と第１近接孤立穴５５２ａ～５５２ｉ（変形例８では第１近接孤立穴５５２ｈ１，５５２ｈ２）の第１間隔Ｌ１（変形例８では第１間隔Ｌ１１，Ｌ１２）と、一の孤立穴５５１ａ～５５１ｉと第２近接孤立穴５５３ａ～５５３ｉ（変形例８では第２近接孤立穴５５３ｈ１，５５３ｈ２）の第２間隔Ｌ２（変形例８では第２間隔Ｌ１２，Ｌ２２）とは、実施形態の場合と同様に、「Ｌ２≦Ｌ１」及び「Ｌ１＜２×Ｌ２」を満たす。

【0110】

また、図１０（変形例３）及び図１１（変形例４）には、一の孤立穴５５１ｃ，５５１ｄから下流側に位置する孤立穴のうち、一の孤立穴５５１ｃ，５５１ｄからＸ方向に沿った距離が三番目に短い、又は第２近接孤立穴５５３ｃ，５５３ｄと同等で二番目に短い孤立穴（すなわち孤立穴５５１ｃ，５５１ｄの重心位置と近接する孤立穴の重心位置とを結ぶベクトルのＸ方向成分の絶対値が三番目に小さい、又は他の孤立穴と同等に二番目に小さい孤立穴）が第３近接孤立穴５５４ｃ，５５４ｄとして描かれている。一の孤立穴５５１ｃ，５５１ｄと第３近接孤立穴５５４ｃ，５５４ｄとの間隔は、特に限定するものではないが、より広く拡散させるように、第１間隔Ｌ１よりも短くすることが好ましい。

【0111】

［変形例１０］
図１７は、変形例１０に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｊの平面構造を説明するために示す図である。図１８は、図１７におけるＥ－Ｅ線に沿った断面図である。

【0112】

変形例１０に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｊは、基本的には変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の構成を有するが、孤立穴の底形状が変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂの場合と異なる。すなわち、図１８に示すように、変形例１０に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｊにおいては、孤立穴として各前記孤立穴の底面が下流側にいくに従って深くなるように傾斜している孤立穴５５ｊを用いている。なお、変形例１０においては、その平面視において長方形の孤立穴５５ｊを用いている例を示しているが、このとき孤立穴５５ｊの大きさや形状、分散配置の配置規則を他の変形例などのように任意に代えてもよい。

【0113】

変形例１０に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｊによれば、変形例２に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｂと同様の効果が得られるのに加えて、各孤立穴の底面が下流側にいくに従って深くなるように傾斜していることから、各孤立穴５５ｊ内を流れる燃料電池用ガスの流れは、膜電極接合体８１に向かうベクトルを含むようになる。このため、孤立穴５５ｊから伏流する燃料電池用ガスがより膜電極接合体８１に向かうこととなり、より多くの燃料電池用ガスを膜電極接合体８１に供給することができるという効果も得られる。

【0114】

［変形例１１］
図１９は、変形例１１に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２ｋの断面図である。図５の場合と同様に、膜電極接合体８１が接合された状態の燃料電池用セパレータ２３ｋを示している。上記した実施形態においては、燃料電池用ガス供給拡散層として、一方の面に複数の孤立穴５５が形成された多孔質体層４０を備える燃料電池用ガス供給拡散層４２を用いたが（図５参照。）、本発明はこれに限定されるものではない。図１９に示すように、一方の面に複数の孤立穴５５が形成された多孔質体層４０と、当該多孔質体層４０の他方の面に配設されたマイクロポーラスレイヤ４４とを備える燃料電池用ガス供給拡散層を用いこともできる。このような構成とした場合には、マイクロポーラスレイヤを備えない膜電極接合体を用いて燃料電池用セパレータを構成することができるようになる。

【0115】

以上、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックを、図示の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能となるものである。

【0116】

［１］上記した実施形態においては、孤立穴として、多孔質体層４０（又は孤立穴５５）の表面における孤立穴の幅と、孤立穴５５の底におけるガス流路用溝の幅とが等しく、断面が長方形状の孤立穴５５を用いたが（図５及び図７参照。）、本発明はこれに限定されるものではない。溝の底が表面よりも狭い断面三角形状の孤立穴を用いてもよいし、溝の底が表面よりも狭い断面半円形状の孤立穴を用いてもよいし、その他の形状の孤立穴を用いてもよい。

【0117】

［２］上記した実施形態においては、ガス遮蔽板として、金属板３０を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。金属板３０以外の、ガスを遮蔽する性質をもった材料からなる板（例えば、セラミックス板、樹脂板）を用いてもよい。

【0118】

［３］上記各変形例は、各変形例に記載の特徴を、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２、燃料電池用セパレータ２３及び燃料電池セルスタック２０に適用したものであるが、各変形例に記載の特徴は、これに限らず、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックの全般に適用可能である。例えば、各変形例に記載の特徴は、タイプＣＡの燃料電池用ガス供給拡散層２１、タイプＡの燃料電池用ガス供給拡散層２２、タイプＣＷの燃料電池用ガス供給拡散層２４及びタイプＡＷの燃料電池用ガス供給拡散層２５、並びに、これらの燃料電池用ガス供給拡散層を備えた燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックにも適用可能である。

【0119】

［４］上記各変形例は、上記実施形態又は上記他の変形例に対して、特徴のある一部のみを変形して記載しているが、適宜、各一部を組みあわせて変形することも可能である。例えば、変形例５～９を組み合わせて、孤立穴５５を流出側に向かうに従って細く、短く、Ｘ方向に隣接する孤立穴５５同志の間隔が狭くなるように形成するとともに、ガス圧均等化用溝５６及びバイパス用溝５９が形成された燃料電池セパレータ２３を構成してもよい。

【0120】

［５］上記実施形態及び上記各変形例は、ある程度同形状の孤立穴５５がＸ方向に一定のピッチで配置されるものとして説明したがこれに限定されるものではない。例えば、複数種類の全く形状の異なる孤立穴を組み合わせて構成されていてもよいし、Ｘ方向のピッチが変化するように配置されていても良い。

【0121】

［６］上記実施形態及び上記変形例１～１０は、孤立穴や各溝の深さが同じであるものとして説明したがこれに限定されるものではない。例えば、孤立穴や溝の深さは、孤立穴や溝ごとに異なっていてもよいし、孤立穴や溝のなかで変動していてもよい。

【0122】

［７］上記各変形例は、各変形例に記載の特徴を、実施形態に係る燃料電池用ガス供給拡散層４２、燃料電池用セパレータ２３及び燃料電池セルスタック２０に適用したものであるが、各変形例に記載の特徴は、これに限らず、本発明の燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックの全般に適用可能である。例えば、各変形例に記載の特徴は、タイプＣＡの燃料電池用ガス供給拡散層２１、タイプＡの燃料電池用ガス供給拡散層２２、タイプＣＷの燃料電池用ガス供給拡散層２４及びタイプＡＷの燃料電池用ガス供給拡散層２５、並びに、これらの燃料電池用ガス供給拡散層を備えた燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタックにも適用可能である。

【符号の説明】

【0123】

２０ 燃料電池セルスタック
２１，２２，２３，２４，２５ 燃料電池用セパレータ
２７Ａ，２７Ｂ 集電板
２８Ａ，２８Ｂ 絶縁シート
３０ 金属板
３２ 緻密枠
３３ ガスケット
３３Ａ ガスケット用溝
４０ 多孔質体層
４１ 燃料電池用ガス供給拡散層（アノードガス供給拡散層）
４２、４２ａ～４２ｋ 燃料電池用ガス供給拡散層（カソードガス供給拡散層）
４３ ガス拡散部
４４ マイクロポーラスレイヤ
５１ 流入側溝
５２ 流出側溝
５５、５５ａ～５５ｊ 孤立穴
５６ ガス圧均等化用溝
５７ 流入通路
５８ 流出通路
５９ バイパス用溝
５９Ａ 流入用のバイパス用溝
５９Ｂ 流出用のバイパス用溝
６１Ａ アノードガス流入口
６１Ｂ アノードガス流出口
６２Ａ カソードガス流入口
６２Ｂ カソードガス流出口
６３Ａ 冷却水流入口
６３Ｂ 冷却水流出口
７４ 締め付け・バネサポート
７５、７６ エンドプレート
８０ セル構造体
８１ 膜電極接合体
８１Ａ 枠（フレーム）
８２ 電解質膜
８３ マイクロポーラスレイヤ
８５ 触媒層
５５１，５５１ａ～５５１ｉ 一の孤立穴
５５２，５５２ａ～５５２ｉ 第１近接孤立穴
５５３，５５３ａ～５５３ｉ 第２近接孤立穴
Ｌ１，Ｌ１１，Ｌ２１ 第１間隔
Ｌ２，Ｌ１２，Ｌ２２ 第２間隔
Ｗ１～Ｗ３ 孤立穴のＹ方向の長さ（幅）
Ｄ１～Ｄ３ 孤立穴のＸ方向の長さ
Ｐ１，Ｐ２ 孤立穴同士のＸ方向の間隔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】