JP2005093243A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスシール性および吸水性の両方の機能を向上させた燃料電池を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜１の両側に配置した触媒を有する電極２と、電極２に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路６と、電極２における電気化学反応により生じた電流を集電する隔壁７と、を備えたセパレータ５と、電極２とセパレータ５間に配置され、反応ガス流路６内を流通する反応ガスを電極２の反応面に拡散するガス拡散層３を備える。ガス拡散層３は、積層面において、電極３と重なる領域Ｅの外周部にあたる領域（Ａ、Ｃ₁、Ｄ₁）のうち、少なくとも前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域Ｄ₁に、電極２と重なる領域Ｅに比べて親水性が高い親水部３２ａを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池におけるガス拡散層の構成に関する。

燃料電池を構成する燃料電池セルのセパレータに配流された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、燃料極および酸化剤極において効果的に使用されることが望ましい。供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスを、燃料極および酸化剤極の近傍を通過して排出することにより、燃料極および酸化剤極の近傍の反応ガス濃度を高く維持でき、過電圧を抑えることができる。

これに対して、燃料極や酸化剤極の近傍を通過せずに排出される原因の一つとして、燃料ガスや酸化剤ガスが燃料極や酸化剤極の領域外（外周）を通過して排出されるといった問題があった。そこで、ガス拡散層の外周部にゴム材を含浸することにより、ガス拡散層内の燃料極や酸化剤極の領域外（外周）を通過して、反応に寄与せずに排出される燃料ガスや酸化剤ガスの流量を抑制する燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。

また、燃料極あるいは酸化剤極の、水詰まりが生じた燃料ガス流路や酸化剤ガス流路に重なる領域には、十分な濃度の燃料ガスや酸化剤ガスを供給しつづけることができないという問題があった。そこで、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の内部に存在する生成水や凝縮水を除去する方法として、セパレータを親水性多孔質材から構成し、酸化剤ガス流路中に存在する生成水や凝縮水を親水性多孔質材のセパレータを介して冷却水中に回収するものが提案されている（例えば、特許文献２、参照。）。
特開２０００−１３３２８８号公報 特開平６−２３１７９３号公報

しかしながら、特開２０００−１３３２８８号公報に開示された燃料電池においては、ガスシール性は優れていたが、発電により生じる生成水やガスの消費により生じる凝縮水を吸収する機能は有していなかった。また、特開平６−２３２７９３号公報に開示された燃料電池においては、発電により生じる生成水やガスの消費により生じる凝縮水を吸収する機能は優れていたが、ガスシール性を維持する機能は有していなかった。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、ガスシール性および吸水性の両方の機能を向上させた燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に配置した触媒を有する電極と、前記電極に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路と、前記電極における電気化学反応により生じた電流を集電する隔壁と、を備えたセパレータと、前記電極と前記セパレータ間に配置され、前記反応ガス流路内を流通する反応ガスを前記電極の反応面に拡散するガス拡散層と、を備える。前記ガス拡散層には、積層面において、前記電極と重なる領域の外周部にあたる領域のうち、少なくとも前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域に、前記電極と重なる領域に比べて親水性が高い親水部を設ける。

ガス拡散層には、積層面において、電極と重なる領域の外周部にあたる領域のうち、少なくとも反応ガス流路の出口近傍に重なる領域に、電極と重なる領域に比べて親水性が高い親水部を設ける。これにより、燃料電池の発電中に生じた生成水や凝縮水を効率良く親水部に吸収することができ、反応面の外周に位置する親水部にガスが拡散する際の抵抗を増大することができる。その結果、ガスシール性や吸水性の両方の機能を向上することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セル１０を図１に示す。燃料電池としては、単位セル１０を用いてもよいし、複数の単位セル１０を積層することにより構成したスタックを用いてもよい。

膜電極接合体４をアノード側セパレータ５ａとカソード側セパレータ５ｃで狭持することにより、単位セル１０を構成する。膜電極接合体４を、高分子電解質膜１と、その両側に配置したアノード２ａとカソード２ｃ、さらにその外側に配置したアノードガス拡散層３ａとカソードガス拡散層３ｃから構成する。それぞれの積層面の面積は、高分子電解質膜１が最も大きく、ガス拡散層３、電極２の順に小さくなるように構成する。つまり、電極２は、高分子電解質膜１とガス拡散層３との間に完全に収まるように構成される。なお、この電極２の積層面が、単位セル１０における反応面となる。

また、セパレータ５の膜電極接合体４に接触する面、ここでは、ガス拡散層３に接触する面に、それぞれのガス拡散層３に反応ガスを供給する溝状のガス流路６を設ける。アノードガス拡散層３ａに接するアノード側セパレータ５ａの表面には、水素等のアノードガスを流通するアノードガス流路６ａを、カソードガス拡散層３ｃに接するカソード側セパレータ５ｃの表面には、空気等のカソードガスを流通するカソードガス流路６ｃを設ける。セパレータ５の積層面内には、それぞれ複数のガス流路６が設けられ、それらは互いに平行に、かつ、等間隔に構成される。積層面内で隣り合うガス流路６間には、流路を仕切る隔壁７が形成される。

図２に、ガス流路６を設けたセパレータ５の平面図を示す。なお、図２に示した形状のセパレータ５は、カソード側セパレータ５ｃ、アノード側セパレータ５ａのどちらか一方に適用しても、または両方に適用してもよい。

セパレータ５の積層面内に、複数の直線形状のガス流路６を平行に構成し、ガス流路６の入口領域Ｃ₀と出口領域Ｄ₀において、それぞれのガス流路６を連通する。なお、入口領域Ｃ₀と出口領域Ｄ₀は、それぞれセパレータ５の積層面の向かい合う辺に沿って設けられる。また、入口領域Ｃ₀および出口領域Ｄ₀は、セパレータ５の積層面の外部に設けた図示しない外部マニホールドに連通する。積層面内で隣り合うガス流路６間には、流路の仕切りとなる隔壁７が形成され、この隔壁７が図１に示すようにガス拡散層３に接触して集電機能を果たす。

また、単位セル１０には、図１に示すように、ガス拡散層３の外周に沿ってガスケット８を備える。ガスケット８は、高分子電解質膜１と各セパレータ５に挟まれた空間を密封する手段であり、アノードガス拡散層３ａおよびアノード２ａを含む空間と、カソードガス拡散層３ｃおよびカソード２ｃを含む空間と、をそれぞれ密封する。つまり、ガスケット８によって、アノードガスとカソードガスが外部に漏れるのを抑制するとともに、アノードガスとカソードガスとが混合するのを防止する。

なお、図１には、アノード側セパレータ５ａとカソード側セパレータ５ｃとを用いた単位セル１０について示しているが、一つのセパレータ５において、一方の面にアノードガス流路６ａを、もう一方の面にカソードガス流路６ｃを設けても良い。また、アノード側セパレータ５ａ、カソード側セパレータ５ｃ間に、冷却液の循環する流路を備えた冷却板等を設けても良い。

このような構成の単位セル１０において、ガス流路６からガス拡散層３に拡散した反応ガス（アノードガス、カソードガス）が各電極２に到達し、電気化学反応を生じることにより起電力が生じる。このとき、上述したような構成のみであると、図３（ａ）に示すように、一部の反応ガスはガス拡散層３内を通って電極２に到達するが、一部の反応ガスは、ガス拡散層３内の電極２に重ならない領域Ａを通過したり、ガス拡散層３とガスケット８との隙間Ｂを通過したりする可能性がある。

図４に示すガス拡散層３において、電極２と重ならない領域、つまり反応面に重ならない領域は、ガス拡散層３の積層面内の外周に沿った領域となる。ここでは、この電極２に重ならない領域を、セパレータ５に形成したガス流路６の入口領域Ｃ₀に重なる領域を領域Ｃ₁と、出口領域Ｄ₀に重なる領域を領域Ｄ₁と、ガス流路６の両脇の流路軸に沿って形成される領域を領域Ａと、から成るものとする。このとき、単位セル１０に供給された反応ガスの一部が、ガス流路６から領域Ｃ₁に拡散し、領域Ａを通過して領域Ｄ₁からガス流路６に再び回収されると、この反応ガスは電極２の近傍に供給されることなく排出されることになる。また、これに限らず、領域Ａや前述した隙間Ｂに反応ガスが流通することにより、電極２近傍の反応ガス濃度が低減されるので、発電効率が低下する。

また、単位セル１０内には、高分子電解質膜１を湿潤するための純水や、発電反応に伴う生成水が存在する。この水分が液水の状態で存在すると、ガス流路６が閉塞され、反応ガスの供給が妨げられる可能性がある。

そこで、以下のようにガス拡散層３を構成することにより、電極２の近傍を通過しない反応ガスを低減するとともに、ガス流路６の水詰まりを抑制する。

図４にガス拡散層３の平面図を示す。なお、ガス拡散層３とセパレータ５を積層した際に形成されるガス流路６の位置を点線で示す。

ガス拡散層３に、撥水部３１ａと、親水部３２ａを設ける。撥水部３１ａを、ガス拡散層３の平面内の中央部に設ける。撥水部３１ａは、少なくとも、ガス拡散層３内で水詰まりが生じることにより発電効率が低下する可能性がある電極２に重なる領域Ｅを含む。ここでは撥水部３１ａを領域Ｅとしたがこの限りではない。撥水部３１ａに、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）等を含ませることにより、撥水性を付与する。

一方、親水部３２ａを、ガス拡散層３の積層面内の電極２に重ならない領域のうち、少なくとも反応ガス流路６の出口領域Ｄ₀に重なる領域Ｄ₁に設ける。ここでは、反応面に重なる領域Ｅ以外のガス拡散層３の外周全体（領域Ａ、Ｃ₁、Ｄ₁）に沿って親水部３２ａを設ける。親水部３２ａに、酸化すずなどの酸化金属やＰＡＮ（polyacrylonitrile）などの親水性樹脂を含有させることにより親水性を付与する。

なお、撥水部３１ａの撥水性を図るための材料はＰＴＦＥに限るものではない。また、親水部３２ａの親水性を図るための材料は、酸化すずなどの酸化金属やＰＡＮに限るものではない。

次に、上述したような単位セル１０を用いた燃料電池の発電中の状態を説明する。

発電中に生じた生成水や凝縮水が、ガス拡散層３の親水部３２ａに含有される。このとき、撥水部３１ａ近傍で生じた生成水も親水部３２ａに移動するため、反応面に存在する液水を除去することができ、ガス流路６が液水により閉塞されるのを防ぐことができる。親水部３２ａに液水が保持されることによりガスの流通する際に受ける抵抗が増大するので、親水部３２ａへのガスの拡散が抑制される。つまり、図３（ｂ）に示すように、ガス拡散層３内で、親水部３２ａに水が含まれることにより、反応面の外周（例えば、図３（ａ）に示した領域Ａ、隙間Ｂ）を反応ガスが通過するのを抑制することができる。

また、水の濃度差並びに毛細管現象により親水部３２ａ内を水が比較的乾燥した領域に移動し、この水が蒸発することにより反応ガスの加湿が行われる。例えば、液水の生じ易いガス流路６の出口領域Ｄ₀に重なる領域Ｄ₁に設けた親水部３２ａに吸収された水が、乾燥し易いガス流路６の入口領域Ｃ₀に重なる領域Ｃ₁に設けた親水部３２ａに向かって、親水部３２ａ内を移動する。供給される反応ガスの含水量が不足するような場合にも、親水部内３２ａ内を領域Ｃ１に移動した水が蒸発することにより、反応ガスの加湿不足を補うことができるので、高分子電解質膜１の乾燥による発電効率の低下を抑制することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

高分子電解質膜１の両側に配置した触媒を有する電極２と、電極２に供給する反応ガスを流通するガス流路６と、電極２における電気化学反応により生じた電流を集電する隔壁７と、を備えたセパレータ５と、電極２とセパレータ５間に配置され、ガス流路６内を流通する反応ガスを電極２の反応面に拡散するガス拡散層３を備える。ガス拡散層３は、積層面において、電極２と重なる領域Ｅの外周部にあたる領域（Ａ、Ｃ₁、Ｄ₁）のうち、少なくとも前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域Ｄ₁に、電極２と重なる領域Ｅに比べて親水性が高い親水部３２ａを設ける。これにより燃料電池の発電中に生じた生成水や凝縮水が親水部３２ａに吸収されるので、液水の生じ易い出口領域Ｄ₀近傍の水詰まりを抑制することができる。このとき、水のウェットシール作用により、親水部３２ａを反応ガスが通過しにくくすることができるので、発電に関与しない領域に反応ガスが拡散するのを抑制することができる。

ここでは、親水部３２ａを、ガス流路６の出口領域Ｄ₀近傍に重なる領域Ｄ₁と入口領域Ｃ₀近傍に重なる領域Ｃ₁を含む、電極２と重なる領域Ｅの外周部に沿って構成する。これにより、親水部３２ａにおいて生成水や凝縮水を吸収できると共に、親水部３２ａにおける水の濃度差並びに毛細管力により親水部３２ａ内で水が移動する。このとき、乾燥雰囲気にある親水部３２ａに移動した水により反応ガスを加湿することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図５に、本実施形態に用いる燃料電池の単位セル１０の構成図を、図６にガス拡散層３の平面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図６に示すように、ガス拡散層３の外縁に沿って、シール部１１を設ける。ガス拡散層３に、第１の実施形態と同様に外周部に沿って親水部３２ｂを構成し、この親水部３２ｂ内のさらに外周部分にゴムを含浸させることによりシール部１１を構成する。つまり、ガス拡散層３の積層面には、中心から撥水部３１ｂ、親水部３２ｂ、シール部１１が形成される。シール部１１は、第１の実施形態に用いたガスケット８の役割を果たし、ガス拡散層３からの反応ガスの漏洩を抑制する。なお、シール部１１は、例えば特開２０００−１３３２８８号公報に記載されたように、ガス拡散層３内部に液状のゴムを含浸させることにより構成する。

このようなガス拡散層３を用いた場合、図５に示すように、第１の実施形態において形成されたガス拡散層３とガスケット８との隙間Ｂに相当する領域が省略される。その結果、反応ガスが隙間Ｂを通過することにより、反応に寄与せずに排出されるのを完全に防止することができる。

また、セパレータ５のシール部１１に対峙する部分に溝１２を構成する。シール部１１を構成する際には、この溝１２に嵌合するように、積層面に対してセパレータ５側に突出して構成する。これにより、ガス拡散層３からの反応ガスの漏洩をさらに確実に抑制することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

ガス拡散層３の外周部に液状のゴムを含浸させることにより、シール部１１を設ける。これにより、反応に用いられない反応ガスの通過領域を低減することができるので、電極２近傍の反応ガス濃度を増大することができる。その結果、燃料電池の発電効率を向上することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。また、ガス拡散層３の構成を図７に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図７に示すように、ガス拡散層３に撥水部３１ｃと親水部３２ｃを設ける。撥水部３１ｃを、第１の実施形態と同様に、電極２と重なる領域Ｅとする。一方、親水部３２ｃを、ガス拡散層３の積層面の電極２に重ならない領域のうち、領域Ｃ₁、Ｄ₁に設ける。親水部３２ｃ₁を、ガス流路６の入口領域Ｃ₀に重なる領域Ｃ₁とし、親水部３２ｃ₂を、ガス流路６の出口領域Ｄ₀に重なる領域Ｄ₁とする。つまり、親水部３２ｃは、ガス拡散層３のうち、全てのガス流路６の入口および出口に重なる領域となる。領域Ａについては、特に処理を施さない。つまり、撥水部３１ｃ（領域Ｅ）、領域Ａ、親水部３２ｃ（領域Ｃ₁、Ｄ₁）の順で、親水性が強くなるように構成する。

親水部３２ｃには、酸化すずなどの酸化金属やポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などを含む。これに加えて、親水部３２ｃには、バルカン等のカーボン粉末を含浸し、その気孔率を撥水部３１ｃより小さく構成する。なお、親水化を図るための材料は、これに限るものではない。

次に、上述したようなガス拡散層３を用いた場合の、発電時の状態について説明する。

発電に伴い、特に出口領域Ｄ₀において生成水や凝縮水が生じる。この液水を領域Ｄ₁に設けた親水部３２ｃ₂が吸収することによりシール性が増大するので、反応ガスが拡散するのを妨げられる。その結果、例えば反応領域外である領域Ａを通過した反応ガスについても、ガス流路６の出口近傍で一度反応面に重なる撥水部３１ｃに移動してからガス流路６に回収される。ガス流路６の出口近傍では反応ガスの濃度が低くなっているため、この新たに撥水部３１ｃに移動した反応ガスは、電極２における発電反応に用いられ易い。このように、ガス拡散層３内に拡散した全ての反応ガスが、発電反応の生じる電極２近傍を拡散するように構成されるため、発電効率を向上することができる。また、ガス流路６の出口領域Ｄ₀には、フラッディングが生じる可能性があるが、領域Ｄ₁を親水部３２ｃ₂とすることで、積極的に液水を反応面から除去することができる。

一方、ガス流路６の入口領域Ｃ₀近傍には、生成水や凝縮水が生じ難いが、領域Ｃ₁を親水部３２ｃ₁とすることで、反応領域に重なる撥水部３１ｃで生じた生成水、凝縮水を積極的に領域Ｃ₁に移動させることができる。また、発電が進むに従って、領域Ｄ₁内の水保持量が許容限界近傍になった際には、撥水処理を施していない領域Ａ内を毛細管現象により水が移動し、領域Ｃ₁に到達する。領域Ｃ₁に水を保持することにより、反応面に供給される以前の反応ガスの含有水量が不足するような場合にも、この領域Ｃ₁から蒸発して反応ガスを加湿することができるので、乾燥による発電効率の低下を抑制することができる。

また、領域Ｃ₁が水を含んでシールされるので、ガス流路６に供給された反応ガスは、ガス拡散層３内に拡散される際に、少なくとも一時的に撥水部３１ｃに拡散される。つまり、全ての反応ガスが電極２に達する可能性があり、これにより反応効率の低下を抑制することができる。

なお、ここでは親水部３２ｃを領域Ｃ₁、Ｄ₁に設けたが、第１の実施形態と同様に領域Ａ、Ｃ₁、Ｄ₁に設け、さらに、親水部３２の気孔率を小さくするような処理を行ってもよい。また、第２の実施形態と同様に、シール部１１を用いても良い。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

ガス拡散層３は、積層面において、反応ガス流路６の出口領域Ｄ₀近傍に重なる領域Ｄ₁に、電極２と重なる領域Ｅに比べて親水性が高い親水部３２ｃを設ける。これにより、反応に関与しない領域Ｃ₁、Ａを通過した反応ガスを含め全ての反応ガスが、ガス流路６の出口近傍で必ず反応面に重なる領域Ｅに拡散される。発電反応に伴う反応ガスの消費により、ガス流路６の出口近傍では反応ガス濃度が小さくなるが、反応に関与しない領域Ｃ₁、Ａを通過した反応ガスが拡散することにより電極２近傍の反応ガス濃度を増大することができる。

また、ガス拡散層３は、積層面において、反応ガス流路６の入口領域Ｃ₀近傍に重なる領域Ｃ₁に、電極２と重なる領域Ｅに比べて親水性が高い親水部３２ｃを設ける。領域Ｃ₁に水が含有されることで、ガス流路６の入口部分における反応ガスの乾燥を抑制することができるため、発電効率の低下を抑制することができる。

また、親水部３２ｃの気孔率を、ガス拡散層３のうち電極２と重なる領域Ｅの気孔率に比べて小さくなるように構成する。これにより、親水部３２ｃの水のウェットシール作用を強化して、親水部３２ｃ内をガスが通過するのを抑制することができる。

次に、第４の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。なお、ガスケット８の替わりに、シール部１１を用いても良い。ガス拡散層３の構成を図８に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第１の実施形態と同様に、ガス拡散層３の中央部の、少なくとも電極２と重なる範囲に撥水部３１ｄを設ける。また、積層面の外周に沿って親水部３２ｄを設ける。親水部３２ｄには、水の移動を促進する手段を備える。ここでは、親水部３２に沿って、深さ５０μｍ程度の筋よりなるウィック１３を設けることにより、水移動促進手段を構成する。ウィック１３は、積層面の外周に沿って形成され、ひいては、反応面を囲むように形成される。

なお、ウィック１３をガス拡散層３の表面に形成したが、ガス拡散層３の内部に形成してもよい。また、水移動促進手段としては、ウィック１３に限らず、例えば親水性の部材や糸などを用いても良い。さらに、ウィック１３を反応面を囲むように形成したがこの限りではなく、ガス流路６の出口領域Ｄ₀に重なる領域Ｄ₁と入口領域Ｃ₀に重なる領域Ｃ₁を連通するようにウィック１３を設けても良い。例えば、第３の実施形態において、親水部３２ｃ₂と親水部３２ｃ₁とをウィック１３により連通する。これにより、親水部３２ｃ₂から親水部３２ｃ₁への水の移動が円滑になるとともに、水を含有する領域が狭いため、親水部３２ｃ₁から蒸発して反応ガスを加湿するための水を確保し易い構成となる。

また、ガス流路６内を反応ガスが鉛直方向下から上に向かって流通するように構成する。つまり、入口領域Ｃ₀に重なる領域Ｃ₁が下方に、出口領域Ｄ₀に重なる領域Ｄ₁が上方に位置するように構成する。

このように構成すると、領域Ｄ₁近傍で生じた生成水や凝縮水が領域Ａを通って領域Ｃ₁に移動する際の動力として、毛細管現象、濃度差に加えて重力を用いることができるので、水分の移動が促進される。これにより、ガス流路６の出口領域Ｄ₀近傍のフラッディングを抑制するとともに、入口領域Ｃ₀における反応ガスの加湿を適切に行うことができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

親水部３２ｄの表面または内部の少なくとも一部に、水の流通路となる筋状の水移動促進手段を設ける。ここでは水移動促進手段としてウィック１３を設ける。これにより、親水部３２ｄにおける水の移動を促進することができるので、局所的に含有する水分が多量となって吸水性能が低下したり、反応ガスの加湿に用いられる水分が不足したりするのを抑制することができる。

水移動促進手段を、反応ガス流路６の出口領域Ｄ₀に重なる領域Ｄ₁と入口領域Ｃ₀に重なる領域Ｃ₁とを連通するように構成する。これにより、液水の生じ易い領域Ｄ₁から、ガス拡散層３中の水分が反応ガスの加湿に用いられ易い領域Ｃ₁へ、水を効果的に移動させることができる。その結果、吸水機能の低下や、反応ガスの加湿不足による発電効率の低下を抑制することができる。

さらに、領域Ｄ₁を鉛直方向上方に、領域Ｃ₁を下方に配置する。これにより、水を移動させる動力として、水濃度差、毛細管現象に加えて重力も用いることができる。特に、筋状のウィック１３等を用いた場合には、この重力により水の移動を速やかに行うことができ、吸水性能の低下や、水不足による発電効率の低下を抑制することができる。

次に、第５の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。なお、ガスケット８の替わりに、シール部１１を用いても良い。また、セパレータ５の平面図を図９に、ガス拡散層３の構成を図１０に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

まず、セパレータ５に構成するガス流路６の形状について図９を用いて説明する。ここではガス流路６を蛇行形状に構成する。

セパレータ５の積層面内に、燃料電池を積層方向、ここでは紙面に垂直な方向に貫通する出口マニホールド１４、入口マニホールド１５を備える。出口マニホールド１４を鉛直上方に、入口マニホールド１５を鉛直下方に設ける。また、積層面内に、蛇行形状の複数のガス流路６を、互いに平行となるように構成する。ガス流路６は、一端が入口マニホールド１５に、もう一端が出口マニホールド１４に連通し、その間を蛇行しながら全体的には下から上に向かって流れるように構成する。ここでは、入口マニホールド１５から供給された反応ガスは、折り返し部１６ａ、１６ｂ、１６ｃにおいて方向を転換しながら下方から上方に向かって流れ、出口マニホールド１４から排出される。

次に、ガス拡散層３の構成を、図１０を用いて説明する。

ガス拡散層３の積層面において、セパレータ５の出口マニホールド１４、入口マニホールド１５、折り返し部１６に重なる領域Ｄ₂、Ｃ₂、Ｆに親水部３２ｅを設ける。ここでは、図１０に示すように、積層面の外周において、鉛直方向の向かい合った辺に沿って親水部３２ｅを設ける。その他の領域を撥水部３１ｅとする。なお、撥水部３１は、第１の実施形態と同様に、電極２に重なる領域Ｅのみとしてもよい。

また、親水部３２ｅに沿ってウィック１３を設ける。特に、出口マニホールド１５近傍に重なる領域Ｄ₂と入口マニホールド１４近傍に重なる領域Ｃ₂を連通するように構成する。また、ウィック１３を、折り返し部１６それぞれに重なる領域Ｆ上に構成する。

蛇行形状のガス流路６の折り返し部１６には水が溜まり易く、水詰まりを生じ易い。このため、ガス拡散層３の折り返し部１６に重なる領域Ｆに、親水部３２ｅを設けることにより、効果的に水を除去して、水詰まりを解消することができる。このとき、親水部３２ｅに沿ってウィック１３を設けることで、局所的な乾燥を防ぐとともに、局所的に水を含むことにより親水部３２ｅの吸収性能が低下するのを抑制する。

次に本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

ガス流路６を蛇行形状に形成し、ガス拡散層３において、ガス流路６の折り返し部分１６に重なる領域Ｆに、親水部３２ｅを設ける。これにより、生成水や凝縮水が溜まり易い蛇行形状のガス流路６の折り返し部１６において、親水部３２ｅにより、余分な水を吸収することができる。

次に、第６の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。なお、ガスケット８の替わりに、シール部１１を用いても良い。また、セパレータ５の平面を図１１に、ガス拡散層３の構成を図１２に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

まず、セパレータ５に構成するガス流路６の形状について、図１１を用いて説明する。ここでは、ガス流路６を櫛型形状に構成する。

セパレータ５に、入口マニホールド１５と出口マニホールド１４を構成する。また、一端が入口マニホールド１５に連通し、もう一端が行き止まり１７ｉに構成された供給側ガス流路６ｉと、供給側ガス流路６ｉの間に形成され、一端が出口マニホールド１４に連通し、もう一端が行き止まり１７ｏに構成された排出側ガス流路６ｏを備える。供給側ガス流路６ｉと、排出側ガス流路６ｏとの間には、流路を隔てる隔壁７が形成される。

反応ガスは、入口マニホールド１５から供給側ガス流路６ｉに供給され、ガス流路６に隣接するガス拡散層３に拡散する。ガス拡散層３内で、一部の反応ガスは電極２に達して発電反応に用いられる。反応に用いられなかった反応ガスは、ガス拡散層３を介して、隣接する排出側ガス流路６ｏに排出され、出口マニホールド１４に回収される。

次に、ガス拡散層３の構成を、図１２を用いて説明する。

ガス拡散層３の積層面の中央部分を撥水部３１ｆとする。ここで、撥水部３１ｆは、少なくとも電極２と重なる領域を含む。また、積層面の外周に沿って、撥水部３１ｆを囲むように親水部３２ｆを構成する。このとき、親水部３２ｆを、少なくとも入口マニホールド１５近傍に重なる領域Ｃ₃、出口間にホールド１４近傍に重なる領域Ｄ₃、行き止まり１７に重なる領域Ｇを含むように設ける。

櫛型形状のガス流路６においては、行き止まり１７に水が溜まり易く、水詰まりを生じ易い。このため、ガス拡散層３の行き止まり１７に重なる領域Ｇに、親水部３２ｆを設けることにより、効果的に水を除去して、水詰まりを解消することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

ガス流路６を、一端がマニホールド１４、１５に連通し他端が行き止まり１７に形成された、供給側流路６ｉおよび排出側流路６ｏを交互に形成する櫛型形状に形成する。ガス拡散層３において、反応ガス流路６の行き止まり１７に重なる領域Ｇに、親水部３２ｆを設ける。これにより、生成水や凝縮水が溜まり易い櫛型交互流路の行き止まり１７において、余分な水を除去することができる。

ここでは、親水部３２ｆを積層面の外周に沿って形成したが、この限りではなく、例えば領域Ｃ₃、Ｄ₃、Ｇが形成される辺に沿ってのみ設けても良い。また、ウィック１３等の水移動促進手段を備えてもよい。

なお、本実施形態で説明したガス拡散層３は、アノードガス拡散層３ａにもカソードガス拡散層３ｃにも適用することができる。特にカソードガス拡散層３ｃでは、生成水による水詰まりを抑制することができ、また、生成水によるガスシール機能を適用することができる。

本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。

本発明は、反応面についての水除去性、および、反応領域についてのガスシール性が望まれる、例えば固体高分子型燃料電池に用いるガス拡散層に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。 第１の実施形態に用いるセパレータの平面図である。 （ａ）従来の反応ガスの流れを示す図である。（ｂ）第１の実施形態の反応ガスの流れを示す図である。 第１の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。 第２の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。 第２の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。 第３の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。 第４の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。 第５の実施形態に用いるセパレータの平面図である。 第５の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。 第６の実施形態に用いるセパレータの平面図である。 第５の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜（電解質膜）
２ 電極
３ ガス拡散層
５ セパレータ
６ ガス流路
７ 隔壁
１４ 出口マニホールド
１５ 入口マニホールド
１６ 折り返し部
１７ 行き止まり
３１ 撥水部
３２ 親水部
Ｅ 電極と重なる領域
Ｃ₁ ガス流路入口近傍と重なる領域（電極と重ならない領域）
Ｄ₁ ガス流路出口近傍と重なる領域（電極と重ならない領域）
Ａ 電極と重ならない領域
Ｆ 折り返し部に重なる領域
Ｇ 行き止まりに重なる領域

Claims (7)

1. 電解質膜の両側に配置した触媒を有する電極と、
   前記電極に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路と、前記電極における電気化学反応により生じた電流を集電する隔壁と、を備えたセパレータと、
   前記電極と前記セパレータ間に配置され、前記反応ガス流路内を流通する反応ガスを前記電極の反応面に拡散するガス拡散層と、を備え、
   前記ガス拡散層には、積層面において前記電極と重なる領域の外周部にあたる領域のうち、少なくとも前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域に、前記電極と重なる領域に比べて親水性が高い親水部を設けることを特徴とする燃料電池。
2. 前記親水部を、前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域と入口近傍に重なる領域とを含む、前記電極と重なる領域の外周部に沿って構成する請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記親水部の気孔率を、前記ガス拡散層のうち前記電極と重なる領域の気孔率に比べて小さくなるように構成する請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記親水部の表面または内部の少なくとも一部に、水の流通路となる筋状の水移動促進手段を設ける請求項１または２に記載の燃料電池。
5. 前記水移動促進手段を、前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域と入口近傍に重なる領域とを連通するように構成する請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記ガス流路を蛇行形状に形成し、
   前記ガス拡散層において、前記ガス流路の折り返し部分に重なる領域に、前記親水部を設ける請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 前記ガス流路を、一端がマニホールドに連通し他端が行き止まりに形成された、供給側流路および排出側流路を交互に形成する櫛型形状に形成し、
   前記ガス拡散層において、前記反応ガス流路の行き止まりに重なる領域に、前記親水部を設ける請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。

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