(57)【要約】【課題】一対の電極触媒層及び高分子電解質膜中の水がプロトン伝導度を保ちつつ、余分な水が抜けやすくなることでフラッディングを防止し、セパレータ流路内に滞留した水を単セル外部に抜けやすくしてプラッギングを防止する固体高分子形燃料電池の単セル及び固体高分子形燃料電池スタックを提供する。【解決手段】高分子電解質膜１の両面に一対の電極触媒層を設けた膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２の一対の電極触媒層に正対した一対のガス拡散層と、膜電極接合と一対のガス拡散層を挟持するように流路が形成された空気極６及び燃料極７のガス流路８を有するセパレータ１０とを備える固体高分子形燃料電池の単セルにおいて、空気極７及び燃料極８のどちらかのガス拡散層の面積がセパレータ１０のガス流路８の最外にある溝端部を繋いで囲まれたセパレータのガス流路の実効面積よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池の単セル。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を設けた膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体の前記一対の電極触媒層に一対のガス拡散層が正対し、前記膜電極接合体と前記一対のガス拡散層を挟持するように流路が形成された空気極及び燃料極のガス流路を有するセパレータを備える固体高分子形燃料電池の単セルにおいて、
前記空気極及び前記燃料極のどちらかの前記ガス拡散層の面積が前記セパレータの前記ガス流路の最外にある溝端部を繋いで囲まれた前記セパレータの前記ガス流路の実効面積よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項２】
前記セパレータの前記ガス流路の最外にある溝端部を繋いで囲まれた前記セパレータのガス流路の実効面のうち、１つの辺において、前記１辺の各点から最も近い前記ガス拡散層までの距離をＸとすると、距離Ｘが、
（前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×５０％）≦Ｘ≦（前記前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×２００％）
の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項３】
前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項４】
前記セパレータの前記ガス流路の溝幅が前記ガス流路の始点から終点まで均一な幅を持っていることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項５】
前記セパレータの前記ガス流路がサーペンタイン状であることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項６】
請求項５に記載の固体高分子形燃料電池の単セルを複数有し、前記固体高分子形燃料電池の単セルが直列に積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池のスタック。
【請求項７】
前記セパレータの前記ガス流路の最外にある溝端部を繋いで囲まれた前記セパレータのガス流路の実効面のうち、４つの辺全てにおいて、前記４辺の各点から最も近い前記ガス拡散層までの距離をＸとすると、距離Ｘが、
（前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×５０％）≦Ｘ≦（前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×２００％）
の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項８】
前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項９】
前記セパレータの前記ガス流路の溝幅が前記ガス流路の始点から終点まで均一な幅を持っていることを特徴とする請求項８に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項１０】
前記セパレータの前記ガス流路がサーペンタイン状であることを特徴とする請求項９に記載の固体高分子形燃料電池の単セル。
【請求項１１】
請求項１０に記載の固体高分子形燃料電池の単セルを複数有し、前記固体高分子形燃料電池の単セルが直列に積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池のスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池の単セル及び固体高分子形燃料電池のスタックに関し、特に、発電性能が向上する固体高分子形燃料電池の単セル及び固体高分子形燃料電池のスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する発電装置であり、高効率かつ環境負荷が低いなどの利点を有する。中でも電解質に高分子を用いる固体高分子形燃料電池は、低温での動作が可能であるため家庭用あるいは車載用の電源としての利用が見込まれている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を設けた膜電極接合体を備える。膜電極接合体の製造方法としては、基材として転写シートを用い、転写シート上に触媒インクを塗布、乾燥させ、電極触媒層を形成し、転写シート上の電極触媒層を熱プレスすることにより高分子電解質膜の両面に電極触媒層を接合する方法が挙げられる。また、基材としてガス拡散層を用い、ガス拡散層上に触媒インクを塗布、乾燥させ、電極触媒層を形成したガス拡散層を熱プレスすることにより高分子電解質膜の両面に電極触媒層を接合する方法が挙げられる。
【０００４】
作製された膜電極接合体は固体高分子形燃料電池の単セルに組み込まれる。固体高分子形燃料電池の単セル内部の構造としては、膜電極接合体の外側にガス拡散層があり、これらを挟持するようにセパレータが接合している。セパレータはガス流路を備え、燃料極（アノード）では主に水素である燃料ガス、空気極（カソード）では主に酸素及び空気である酸化剤ガスを流路を介してアノード及びカソードに供給する役割を持つ。またセパレータは膜電極接合体で生じた起電力により流れた電流を集める集電体としての役割も有すため、導電性を持つ材料から作られる必要がある。なお、アノード及びカソードに供給されるガスが混合されると電極での電気化学反応を阻害するため、混合されないようにシールする必要があり、膜電極接合体の外周部にある高分子電解質膜を覆うようにガスケットが配置される。
【０００５】
燃料電池は、車載用や家庭用といった実用機では、大電流を確保するために燃料電池の単セルを複数直列に接続させスタックとしたものを指す。
【０００６】
燃料電池の単セル内の膜電極接合体とガス拡散層は正対している。またガス拡散層はセパレータ流路を覆うように載置されている。これはセパレータの流路を通じ運ばれた燃料ガス及び酸化剤ガスがガス拡散層を通ることで拡散性が上がり、電極触媒層の緻密な構造の中に入りやすくするためである。
【０００７】
しかしながら、設計誤差や製造バラつき等によりガス拡散層がセパレータからずれて接合された場合、ガス拡散層がセパレータの流路に落ち込んで損傷を引き起こすことがある。そこで、特許文献１では、この損傷を防止するために一方のセパレータ流路に対し対極のセパレータ流路に角度をつけた燃料電池が開示されている（特許文献１参照）。
【０００８】
また、特許文献２では、アノードが有するガス拡散層の形状と、カソードが有するガス拡散層の形状とが異なり、非重なり部が存在する場合、燃料電池の単セルの締め付け荷重により燃料電池の耐久性が悪化することがあるが、非重なり部がセパレータのリブに隣接する溝部に位置する燃料電池が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−４７２９３号公報
【特許文献２】特開２００７−６６７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池の単セルのアノードには水素である燃料ガスを、カソードには主に酸素及び空気である酸化剤ガスを流し電流を取り出すと、カソードでは電極反応により水が発生する。この水はアノード及びカソードの高分子電解質のプロトン伝導を引き起こすのには必須の物質である。しかし、水が大量に膜電極接合体中の主にカソードに滞留すると、ガスの拡散性が悪化し、燃料効率が落ちることから単セルの発電性能は低下する問題がある。この現象をフラッディングと呼ぶ。
【００１１】
また、カソードで発生した水がセパレータのガス流路内に滞留し、ガス供給を阻害し、単セルの発電性能が低下する問題がある。この現象をプラッギングと呼ぶ。
【００１２】
以上のように、膜電極接合体にあっては、電極反応によって生成される水がカソード触媒層中に多すぎても少なすぎても、単セルの発電性能を下げてしまう。また、アノードに供給されるガス中の水分やカソードからの水の逆拡散によってアノードにおけるフラッディングやプラッギングの問題もある。
【００１３】
フラッディング対策としては、水の排出性を高めるためにガス拡散層基材への撥水処理や、ガス拡散層の電極触媒層側にＭＰＬ（マイクロポーラスレイヤ）と呼ばれるカーボン粒子にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）など撥水性樹脂を添加した混合物を塗布することや、ガスを大量に流しガス流路を通して、水を単セル外部に排出することが検討されている。しかしながら、ガス拡散層基材への撥水処理やガス拡散層へのＭＰＬの付与を行ってもフラッディングは完全に防止できないことや、多量の酸化剤ガスを一度に流す場合は補機が必要になりコストがかかることやガスの無駄になってしまう問題がある。
【００１４】
また、プラッギング対策としては、フラッディング対策と同様に、多量のガスを流すことやセパレータ流路への親水処理が検討されているが、コストがかかってしまう。
【００１５】
本発明は、膜電極接合体のカソード触媒層、アノード触媒層及び高分子電解質膜中の水がプロトン伝導度を保ちつつ、余分な水が抜けやすくなることでフラッディングを防止すること、セパレータ流路内に滞留した水を固体高分子形燃料電池の単セル外部に抜けやすくしてプラッギングを防止する固体高分子形燃料電池の単セル及び固体高分子形燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の請求項１に係る発明は、高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を設けた膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体の前記一対の電極触媒層に一対のガス拡散層が正対し、前記膜電極接合体と前記一対のガス拡散層を挟持するように流路が形成された空気極及び燃料極のガス流路を有するセパレータを備える固体高分子形燃料電池の単セルにおいて、前記空気極及び前記燃料極のどちらかの前記ガス拡散層の面積が前記セパレータの前記ガス流路の最外にある溝端部を繋いで囲まれた前記セパレータの前記ガス流路の実効面積よりも小さいことを特徴とする固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００１７】
本発明の請求項２に係る発明は、前記セパレータの前記ガス流路の最外にある溝端部を繋いで囲まれた前記セパレータのガス流路の実効面のうち、１つの辺において、前記１辺の各点から最も近い前記ガス拡散層までの距離をＸとすると、距離Ｘが、
（前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×５０％）≦Ｘ≦（前記前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×２００％）
の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００１８】
本発明の請求項３に係る発明は、前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００１９】
本発明の請求項４に係る発明は、前記セパレータの前記ガス流路の溝幅が前記ガス流路の始点から終点まで均一な幅を持っていることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００２０】
本発明の請求項５に係る発明は、前記セパレータの前記ガス流路がサーペンタイン状であることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００２１】
本発明の請求項６に係る発明は、請求項５に記載の固体高分子形燃料電池の単セルを複数有し、前記固体高分子形燃料電池の単セルが直列に積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池のスタックとしたものである。
【００２２】
本発明の請求項７に係る発明は、前記セパレータの前記ガス流路の最外にある溝端部を繋いで囲まれた前記セパレータのガス流路の実効面のうち、４つの辺全てにおいて、前記４辺の各点から最も近い前記ガス拡散層までの距離をＸとすると、距離Ｘが、
（前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×５０％）≦Ｘ≦（前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅×２００％）
の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００２３】
本発明の請求項８に係る発明は、前記ガス流路の実効面の最外部にある前記ガス流路の溝幅が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００２４】
本発明の請求項９に係る発明は、前記セパレータの前記ガス流路の溝幅が前記ガス流路の始点から終点まで均一な幅を持っていることを特徴とする請求項８に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００２５】
本発明の請求項１０に係る発明は、前記セパレータの前記ガス流路がサーペンタイン状であることを特徴とする請求項９に記載の固体高分子形燃料電池の単セルとしたものである。
【００２６】
本発明の請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の固体高分子形燃料電池の単セルを複数有し、前記固体高分子形燃料電池の単セルが直列に積層されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池のスタックとしたものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、膜電極接合体のカソード触媒層、アノード触媒層及び高分子電解質膜が十分な水を含みプロトン伝導度を保ちつつ、余分な水が抜けやすくなることでフラッディングを防止すること、セパレータ流路内に滞留した水を固体高分子形燃料電池の単セル外部に抜けやすくしてプラッギングを防止する固体高分子形燃料電池の単セル及び固体高分子形燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セルを示す概略分解模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るセパレータのガス流路の実効面を示す概略断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施の形態に係るセパレータのガス流路の実効面積とガス拡散層の面積の大小関係を示す概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の円状の点線部の概略拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るガスの流れを示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施例と比較例の燃料電池単セルの発電特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池の単セルについて説明する。なお、本発明の実施の形態は、以下に記載する各実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００３０】
まず、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０を示す概略分解模式図である。図１に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０は、膜電極接合体１２の高分子電解質膜１、高分子電解質膜１の両面にカソード触媒層２及びアノード触媒層３を配置して、カソード触媒層２及びアノード触媒層３と対向してカソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５が配置される。これらによりそれぞれ空気極（カソード）６及び燃料極（アノード）７が構成される。そしてガス流通用のガス流路８がリブによって構成され、相対する面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる１組のセパレータ１０が配置される。カソード６側のセパレータ１０のガス流路８からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。一方、アノード７側のセパレータ１０のガス流路８からは燃料ガスとして、例えば水素が供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素とを触媒の存在下で電極反応させることにより、カソード６とアノード７との間に起電力を生じることができる。
【００３２】
図１に示す固体高分子形燃料電池は単セルであるが、本発明の実施の形態にあっては、セパレータ１０を介して複数のセルを直列に積層して固体高分子形燃料電池のスタックとすることもできる。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態に係るセパレータ１０のガス流路の実効面１３について説明する。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態に係るセパレータ１０のガス流路の実効面１３を示す概略断面図である。図２に示すように、本発明の実施の形態に係るセパレータ１０のリブ１１を有するガス流路の実効面１３は、ガス入口１４の部分とガス出口１５の部分及びガス入口付近の遊び１４’とガス出口付近の遊び１５’を除き、セパレータ１０のガス流路８の最外にある溝端部を繋いで囲まれたガスが安定に供給される最大の領域と定義する。また実効面積は実効面の面積である。
【００３５】
次に、本発明の実施の形態に係るセパレータ１０のガス流路８の実効面積とガス拡散層の面積の大小関係について説明する。
【００３６】
本発明の実施の形態に係るガス流路８の実効面積及びガス拡散層の面積にあっては、高分子電解質膜１の両面に一対の電極触媒層（カソード触媒層２及びアノード触媒層３）を設けた膜電極接合体１２を備え、膜電極接合体１２の一対の電極触媒層に一対のガス拡散層（カソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５）を正対し、膜電極接合体１２と一対のガス拡散層を挟持するように流路が形成されたカソード６及びアノード７の一対のセパレータ１０を有する固体高分子形燃料電池の単セル２０において、カソード６及びアノード７のどちらかのガス拡散層の面積が、セパレータ１０のガス流路８の最外にある溝端部を繋いで囲まれたセパレータ１０のガス流路８の実効面積よりも小さいことを特徴とする。
【００３７】
本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０は、カソード６及びアノード７のどちらかのガス拡散層の面積をセパレータ１０のガス流路８の最外にある溝端部を繋いで囲まれたセパレータ１０のガス流路８の実効面積よりも小さくすることで、電極反応に余分な水が固体高分子形燃料電池の単セル２０の外部に抜けやすくでき、カソード６に供給されるガスが少量でも余分な水の排出が行われるので、ガスの流量を減らすことができ、さらには、従来の実効面積分のガス拡散層を用いる固体高分子形燃料電池の単セルより、ガス拡散層のコストを抑えることができる。つまり、良好な発電性能を示す固体高分子形燃料電池の単セル２０を得ることができる。
【００３８】
図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るセパレータ１０のガス流路８の実効面積とガス拡散層の大小関係を示す概略断面図である。図３（ａ）は、リブ１１を有するガス流路の実効面１３のうち、４つの辺全てにおいて、ガス流路８の実効面積とガス拡散層の面積の大小関係を示し、（ｂ）は、（ａ）の円状の点線部の概略拡大断面図を示す。
【００３９】
図３（ａ）で示すように、本発明の実施の形態に係るガス流路の実効面１３のうち、４つの辺全てにおいて適用された場合、本発明の実施の形態に係るガス拡散層は、最小のガス拡散層１６より大きく、最大のガス拡散層１７より小さい範囲にある。
【００４０】
大小関係の詳細を、図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ｂ）は、図３（ａ）の拡大領域１８を拡大したものである。ガス流路８の最外にある溝端部を繋いで囲まれたガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離をＸとし、またガス流路の実効面１３の最外部にあるガス流路８の溝幅をＡとし、Ａ×５０％をＢとし、Ａ×２００％をＣとすると、本発明の実施の形態におけるガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘは、Ｂ≦Ｘ≦Ｃの範囲を満足するように位置している。よって、本発明の実施の形態に係るガス拡散層の少なくとも１つの辺は、最小のガス拡散層１６より大きく、最大のガス拡散層１７より小さい範囲に存在する。
【００４１】
従来のガス拡散層は、ガス流路の実行面を覆うように配置され、固体高分子形燃料電池の単セルに組み込まれていた。しかし、反応によって生成された余分な水が膜電極接合体中に滞留すると、フラッディングとなり、ガスの拡散性が悪化し燃料効率が落ちることから固体高分子形燃料電池の単セルの発電性能は低下してしまう。また、カソードで発生した余分な水がセパレータの流路内に滞留し、プラッギングとなり、ガス供給を阻害し、固体高分子形燃料電池の単セルの発電性能が低下してしまう問題があった。
【００４２】
そこで、本発明の実施の形態においては、Ｂ≦Ｘ≦Ｃの範囲を満足するように位置することで、セパレータ１０のガス流路８のうちガス拡散層で覆われていない陰圧の部分とガス拡散層で覆われている陽圧の部分を作り出している。圧力差により陽圧から陰圧へガスが流れやすいことを利用し、ガス拡散層で覆われた部分から覆われていない部分へのガスの流れを促進させた結果、ガス拡散層で覆われていないガス流路部やその近傍における余分な水の排出を助け、フラッディングやプラッギングを改善することができる。この効果は、ガス拡散層の少なくとも１つの辺が最小のガス拡散層１６より大きく、最大のガス拡散層１７より小さい範囲に存在することで達成することができる。また、ガス拡散層の４つの辺すべてが最小のガス拡散層１６より大きく、最大のガス拡散層１７より小さい範囲に存在することでさらに達成することができる。
【００４３】
図４は、本発明の実施の形態に係るガスの流れを示す概略断面図である。図４に示すように、本発明の実施の形態において、ガス入口１４から入ったガスはガスの流れＤに沿ってガス流路８を進んでいく。そして実際のガス拡散層１９に入る。実際のガス拡散層１９を抜けるとき、ガス拡散層で覆われている陽圧の部分とガス拡散層で覆われていない陰圧の部分の圧力差によって生じている陽圧から陰圧への流れＥによってガスの流れＤは促進される。この結果、ガス拡散層で覆われていないガス流路部やその近傍における余分な水の排出を助け、フラッディングやプラッギングを改善させることができる。
【００４４】
ガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘが、ガス流路の実効面１３の最外部にあるガス流路の溝幅Ａ×５０％に満たない場合、陰圧部が少なくなってしまい、陽圧から陰圧への流れＥによるガスの流れの促進が十分な効果を示さないことや、流速を増したガスがガス流路８に接触している高分子電解質膜１側に拡散し、ガスの利用率が悪化することや膜が破れクロスリークしてしまうことがある。一方、ガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘが、ガス流路の実効面１３の最外部にあるガス流路の溝幅Ａ×２００％を超える場合、ガス拡散層による触媒層へのガスの拡散が十分に行われないことがある。また、膜に直接ガスが当たる面積が増えるため、膜が破れクロスリークを起こすことがある。
【００４５】
また、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０においては、ガス流路の実効面１３の最外部にあるガス流路８の溝幅は０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
ガス流路の実効面１３の最外部にあるガス流路８の溝幅が０．１ｍｍ未満である場合、反応によってできた水が排出されにくいことや、ガスが流れにくく必要以上に内圧が上がってしまうことがある。一方、ガス流路の実効面の最外部にあるガス流路の溝幅が５ｍｍを超える場合、ガス流量が低いときは、ガスが一定に流れないことがあり、ガスの利用率が落ちることから発電性能が低下してしまうことがある。ガス流量が多いときは、ガスの拡散性が低下してしまう。
【００４７】
また、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０は、セパレータ１０のガス流路８の溝幅がガス流路８の始点から終点まで均一な幅を持っていることが好ましい。セパレータ１０のガス流路８の溝幅がガス流路８の始点から終点まで均一な幅を持つことでガスを均一に拡散でき、ガスの利用率が低下しないため、発電性能を向上できる。一方、均一な幅を持っていないセパレータ１０のガス流路８でも構わないが、幅が異なることで、ガスが面内に均一に行き渡らないことがある。
【００４８】
本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０は、セパレータ１０のガス流路８がサーペンタイン状であることが好ましいが、燃料ガス及び酸化剤ガスが既定の電極面積を流れる構造になっていれば良く、他のガス流路構造として、例えば、並列型、並列蛇状型、グリッド型等を用いることができる。
【００４９】
次に、より詳細に本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル２０及び膜電極接合体１２について説明する。
【００５０】
本発明の実施の形態に係るガス拡散層（カソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５）は、ガス拡散性と導電性とを有する材質から成るものであれば何でもよい。例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、不織布などのポーラスカーボン材を用いることができる。また、予めガス拡散層に撥水加工を施すことや、撥水加工を施したガス拡散層上にＭＰＬ（マイクロポーラスレイヤ）を形成させてもよい。これらの撥水加工を施したガス拡散層やＭＰＬ付のガス拡散層はカソード６及びアノード７のどちらに用いてもよい。
【００５１】
ガス拡散層への撥水加工は、フッ素系樹脂を分散させた溶液にガス拡散層を浸し、フッ素樹脂の融点以上の温度で焼結させることにより形成することができる。フッ素系樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等が利用できる。撥水加工をされたガス拡散層は、膜電極接合体１２中の余分な水分を効率よく排出する働きをする。
【００５２】
ＭＰＬはカーボン粒子とフッ素系樹脂を混練してフッ素系樹脂の融点以上の温度で焼結させることにより形成することができる。フッ素系樹脂としては、ＰＴＦＥ等が利用できる。ＭＰＬは、触媒インクがガス拡散層の中に染み込むことを防止でき、その塗布量が少ない場合でもＭＰＬ上に堆積して三相界面を形成できる。また、高分子電解質膜１中により多くの水分を保持させる働きや膜電極接合体１２中の余分な水分を効率よく排出する働きをする。
【００５３】
ＭＰＬは基本的にはガス拡散層の中でも電極触媒層（カソード触媒層２及びアノード触媒層３）側に付与され、水の排出や保持の管理に使われるが、ＭＰＬがガス拡散層のセパレータ側にも付与され、ガス拡散層の両面にＭＰＬが付与されているタイプでも良い。ＭＰＬがセパレータ側のガス拡散層に付与されていると、より水の排出性に効果があることや、ガス拡散層とセパレータ間の接触が良くなり、セル抵抗が低くなる効果がある。
【００５４】
また、ガス拡散層の水の排出性や保持性は、固体高分子形燃料電池の単セル２０に組み入れた場合のガス拡散層基材の潰れ具合にもよる。ガス拡散層基材の潰れ具合は、燃料ガスの固体高分子形燃料電池の単セル２０からの漏れを防止するために使用されているガスケットの厚みや単セルの締め付け具合に依存するが、本発明の実施の形態ではガス拡散層基材の潰れ具合にはよらない。
【００５５】
本発明の実施の形態に係るセパレータ１０は、燃料ガスが供給されるためのガス流路８があり、集電体としての役割を持つものであれば何でもよい。セパレータ１０の基材としては、非金属系と金属系に分けられ、非金属系セパレータとしては、例えば緻密カーボングラファイト等のカーボン系材料、樹脂材料を用いることができる。金属系の材料としては、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタン、アルミニウム等を用いることができる。なお、ガス拡散層とセパレータは一体構造となっていても構わない。金属系の場合では、錆止め防止のための導電性樹脂がコーティングされているタイプでも構わない。
【００５６】
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２に用いられる高分子電解質膜１としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子（株）製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ゴア社製Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）などを用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜１としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。
【００５７】
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２において高分子電解質膜１の両面に形成される一対の電極触媒層は、触媒インクを用いて形成される。触媒インクは、少なくとも、触媒を担持する電子伝導物質と高分子電解質と溶媒を含む。
【００５８】
本発明の実施の形態で用いる触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜１と同様の素材を用いることができる。具体的には、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料などを用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。なお、電極触媒層と高分子電解質膜１の密着性を考慮すると、高分子電解質膜１と同一の材料を用いることが好ましい。
【００５９】
本発明の実施の形態で用いる触媒物質としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。また、これらの触媒の粒径は、０．５μｍ〜１μｍが好ましく、更に好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍが良い。
【００６０】
これらの触媒を担持する電子伝導物質は、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下程度が好ましく、更に好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が良い。カーボン粒子の粒径が１０ｎｍ未満だと、電子伝導パスが形成されにくくなってしまう。一方、カーボン粒子の粒径が１０００ｎｍを超えると、電極触媒層のガス拡散性が低下し、触媒の利用率が低下してしまう。さらには、触媒が電子伝導物質に担持されていなくても構わない。混合しただけの場合でも良い。
【００６１】
触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒を担持した電子伝導物質や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に制限はない。
【００６２】
触媒インクは必要に応じて分散処理がおこなわれる。触媒インクの粘度、粒子のサイズは、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を用いておこなうことができる。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザなどを用いても良い。
【００６３】
触媒インク中の固形分含有量は、０．１質量％以上５０質量％以下の範囲内であることが好ましい。触媒インク中の固形分含有量が５０質量％を超えると、触媒インクの粘度が高くなるため電極触媒層表面にクラックが入りやすくなってしまう。一方、触媒インク中の固形分含有量が０．１質量％未満だと、成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。また触媒インクの粘度は、０．１ｃＰ以上２０００ｃＰ以下の範囲内であることが好ましく、さらには５ｃＰ以上１００ｃＰ以下の範囲内であることが好ましい。
【００６４】
触媒インクから膜電極接合体１２を作製する方法は多数考えられているが、本発明の実施の形態は従来の膜電極接合体１２の作製方法にはよらない。膜電極接合体１２の作製方法としては、例えば、転写シートもしくはガス拡散層から選択される基材上に触媒インクを塗布し、塗膜を乾燥し基材上に電極触媒層を形成し、基材上の電極触媒層と高分子電解質膜を熱プレスし、さらに基材が転写シートの場合はシートを剥がして膜電極接合体１２とする方法や、高分子電解質膜に直接触媒インクを塗布し、乾燥させ、熱プレスを行うことで膜電極接合体１２を得る方法等がある。
【００６５】
以下に、基材として転写シートを用いて膜電極接合体１２を作製する場合を説明する。基材として用いられる転写シートとしては、転写性がよい材質を用いることができる。基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜１に電極触媒層を接合後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜１の両面に一対の電極触媒層を備える膜電極接合体１２とすることができる。転写シートには離型剤が付着したものでも良い。
【００６６】
触媒インク塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いることができる。
【００６７】
乾燥工程の温度は、特に制限されるものではないが（基材温度）℃以上１５０℃以下でおこなうことが好ましい。乾燥工程の温度が１５０℃よりも高くすると、電極触媒層の乾燥ムラの発生や、高分子電解質膜１に与える熱処理の影響も大きくなるため、適切でない。また、乾燥工程の温度が触媒インク中の溶媒の沸点以上では蒸発速度が著しく大きくなることから、溶媒の沸点未満であることが好ましい。
【００６８】
熱プレス工程で用いられる保護フィルムは、フィルム自身の平滑性が保たれ、熱プレス時、基材や電極触媒層、高分子電解質膜に余計な応力をかけないものであれば良い。保護フィルムの外側に挟み込まれるプレス部材は、圧力や温度を面内に均一にかけることや緩衝材の役割を果たす。このプレス部材は平滑性が保たれており、熱プレス時、触媒が塗布される基材や電極触媒層、高分子電解質膜に余計な応力をかけないものであれば良い。
【００６９】
熱プレス工程で高分子電解質膜及び電極触媒層にかけるプレス圧力は、膜電極接合体の電池性能に影響する。電池性能の良い膜電極接合体を得るには高分子電解質膜及び電極触媒層にかけるプレス圧力は、０．５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましく、さらには１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましい。プレス圧力が２０ＭＰａを超える場合には、電極触媒層が圧縮されすぎてしまい、電池性能が低下してしまう。またプレス圧力が０．５ＭＰａ未満の場合には、電極触媒層と高分子電解質膜の接合性が低下して電池性能が低下してしまう。
【００７０】
また、熱プレスの温度は、高分子電解質膜１及び電極触媒層の高分子電解質のガラス転移点（Ｔｇ）付近に設定するのが好ましい。具体的には、熱プレスの温度は高分子電解質膜１のガラス転移点−４０℃（Ｔｇ−４０℃）以上高分子電解質膜１のガラス転移点＋６０℃（Ｔｇ＋６０℃）以下の範囲内であることが好ましい。熱プレスの温度が高分子電解質膜１のガラス転移点−４０℃（Ｔｇ−４０℃）を下回る場合、電極触媒層と高分子電解質膜１の間で十分な界面密着性が得られず電池性能が低下してしまう。一方、熱プレスの温度が高分子電解質膜１のガラス転移点＋６０℃（Ｔｇ＋６０℃）を超える場合、高分子電解質が軟化して電極触媒層の空孔がつぶれてしまいガスや生成水の拡散性が低下し電池性能が低下してしまう。
【実施例】
【００７１】
以下、本発明の固体高分子形燃料電池の単セル２０について、具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。
【００７２】
（触媒インクの調製）
白金担持量が６０重量％である白金担持カーボン触媒と、２０質量％高分子電解質溶液であるＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）を、水、エタノールの混合溶媒を混合比１：２で混合し、遊星型ボールミルで分散処理をおこない触媒インクを調製した。
【００７３】
（電極触媒層の作製方法）
プレート上に基材を固定し、ドクターブレードにより触媒インクを基材上に塗布した。触媒インクからなる塗膜が形成された基材をオーブン（熱風循環恒温乾燥機４１−Ｓ５Ｈ／佐竹化学機械工業社製）に入れ、オーブンの温度を５０℃に設定し５分間乾燥させることで基材である転写シート上に電極触媒層を作製した。白金担持量はカソード触媒層２が約０．５ｍｇ／ｃｍ２、アノード触媒層３が約０．３ｍｇ／ｃｍ２となるように調節した。
【００７４】
（膜電極接合体１２の作製方法）
電極触媒層が形成された転写シートを２５ｃｍ２に２枚切り取り、高分子電解質膜１の両面に上述した電極触媒層が正対するように基材を配置し、さらに、その両側から保護フィルムで電極触媒層が形成された転写シート及び高分子電解質膜１を挟み込んだ。さらにその両側にプレス部材を挟み込み、熱プレスに載置し、プレス温度１３０℃、プレス時間１０分、プレス圧力７．８ＭＰａの条件で熱プレスした。熱プレス後、転写シートを剥離して膜電極接合体１２を得た。
【００７５】
（固体高分子形燃料電池の単セル各部材の詳細）
用いた高分子電解質膜、ガス拡散層、発電用セルは以下の通りである。
高分子電解質膜：Ｎａｆｉｏｎ２１２膜（登録商標／デュポン社製）
ガス拡散層：ＭＰＬ処理を行った東レ製カーボンペーパ
発電用セル：ＪＡＲＩ標準セル（２５ｃｍ２用）
【００７６】
（セパレータの実効面積と仕様）
セパレータの実効面積：高さ５３ｍｍ×幅５２ｍｍ（２７５６ｍｍ２）
セパレータのガス流路幅：１ｍｍ
セパレータのリブ幅：１ｍｍ
【００７７】
（ガス拡散層の面積）
実施例１  高さ５０ｍｍ×幅５０ｍｍ（２５００ｍｍ２）
比較例１  高さ５４ｍｍ×幅５４ｍｍ（２９１６ｍｍ２）
比較例２  高さ４６ｍｍ×幅４６ｍｍ（２１１６ｍｍ２）
なお、各ガス拡散層はセパレータ１０の実効面の真ん中に位置するように載置した。つまり、実施例１における、ガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘは、高さ方向ではＸ＝１．５ｍｍ、幅方向ではＸ＝１．０ｍｍとなる。
【００７８】
（電極触媒層の面積）
実施例１  高さ５０ｍｍ×幅５０ｍｍ（２５００ｍｍ２）
比較例１  高さ５０ｍｍ×幅５０ｍｍ（２５００ｍｍ２）
比較例２  高さ４６ｍｍ×幅４６ｍｍ（２１１６ｍｍ２）
なお、各電極触媒層もガス拡散層と同様にセパレータ１０の実効面の真ん中に位置するように載置した。
【００７９】
（発電評価手法）
評価装置：エヌエフ回路設計ブロック製燃料電池評価システム
燃料ガス：アノード  水素／カソード  空気
流量条件：利用率一定（アノード７５％／カソード５５％）
加湿条件：アノード７０℃／セル７０℃／カソード７０℃
電流制御条件：０．３Ａ／ｃｍ２で一定時間保持。（電流を電極触媒層の面積で除して規格化している。）
【００８０】
［測定結果］
図５に０．３Ａ／ｃｍ２保持時の電圧挙動を記したグラフを示す。また図５は、縦軸が電位（Ｖ）を示し、横軸に時間（分）を示す。
【００８１】
図５より、発電開始から全時間範囲に渡り、実施例１の方が比較例１よりも高い電圧で同じ電流量を得られることが分かる。また、実施例のグラフの挙動は比較例のグラフの挙動に比べばらつきが少ないことが分かる。これらから実施例では、電極反応により発生した余分な水の排出が促進されかつ安定的に固体高分子形燃料電池の単セル２０の外部に抜け出るといった水の拡散性や、余分な水による燃料ガス供給の阻害を減らすといったガスの拡散性が良好であることを示す。つまり実施例１の固体高分子形燃料電池の単セル２０の方が比較例２の固体高分子形燃料電池の単セル２０に比べ発電性能が良いということである。
【００８２】
同様に、実施例１と比較例２を比較すると、実施例１の方が比較例２よりも高い電圧を保持している。これも電極反応によって生成された水の排出が促進された結果、ガスの拡散性が良好になったためと考えられる。
【００８３】
実施例１において、ガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘは高さ方向ではＸ＝１．５ｍｍ、幅方向ではＸ＝１．０ｍｍとなる。またガス流路の実効面１３の最外部にあるガス流路８の溝幅Ａは１ｍｍであるため、Ａ×５０％＝０．５ｍｍ、Ａ×２００％＝２ｍｍとなる。よってガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘは、セパレータ１０のガス流路８の最外にある溝端部を繋いで囲まれたセパレータ１０のガス流路の実効面１３のうち、少なくとも１つの辺及び４つの辺全てにおいて、Ａ×５０％≦Ｘ≦Ａ×２００％の範囲に入ることを満たしている。
【００８４】
この場合、セパレータ１０のガス流路８のうちガス拡散層で覆われていない陰圧の部分とガス拡散層で覆われている陽圧の部分で作られる、陽圧から陰圧への流れＥが発生し、水の排出に有効に働いたため、ガスの拡散性も向上したと考えられる。
【００８５】
比較例１では、ガス拡散層の方がガス流路の実行面１３よりも大きいために、ガス拡散層がガス流路の実行面１３を完全に覆う形態を取っている。このために、陽圧から陰圧への流れＥが発生しないために、水の排出性は向上しないと考えられる。
【００８６】
また、比較例２では、ガス流路の実効面１３の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘは、高さ方向ではＸ＝３．５ｍｍ、幅方向ではＸ＝３．０ｍｍとなる。ガス流路の実効面１３の最外部にあるガス流路８の溝幅Ａとしたとき、Ｘは４つの辺全てにおいて、Ｘ＞Ａ×２００％の範囲に入る。この場合、Ａ×５０％≦Ｘ≦Ａ×２００％の範囲に入ったときに比べ、ガス拡散層で覆われていない陰圧の部分の面積がより大きくなり、ガス拡散層で覆われている陽圧の部分の面積が少なくなる。よって、陽圧から陰圧への流れＥが弱くなり、水の排出に有効に働かなかったと考えられる。
【００８７】
これらの結果から、セパレータ１０のガス流路８の最外にある溝端部を繋いで囲まれたセパレータのガス流路の実効面１３のうち、１つの辺および４つの辺全てにおいて、ガス流路の実効面の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離Ｘが、実効面の最外部にあるガス流路の溝幅Ａ×５０％≦Ｘ≦実効面の最外部にあるガス流路の溝幅Ａ×２００％の範囲に入ることを満たすとき、発電性能が向上した固体高分子形燃料電池の単セル２０が得られていることが確認された。
【００８８】
本発明の固体高分子形燃料電池の単セル２０は、電極反応により発生した余分な水の排出が促進されかつ安定的に固体高分子形燃料電池の単セル２０の外部に抜け出るといった水の拡散性や、余分な水による燃料ガス供給の阻害を減らすといったガスの拡散性を良好にするため、発電性能を向上できる。また、本発明はガス拡散層面積をセパレータ１０のガス流路８の実効面積よりも小さくすることから、従来の固体高分子形燃料電池の単セルのガス拡散層よりも小さいガス拡散層を利用することとなるため、ガス拡散層のコストを低減できる。さらに、電極反応に余分な水が固体高分子形燃料電池の単セル２０の外部に抜けやすくなるため、カソード６に供給されるガスが少量でも余分な水の排出が行われるので、ガスの流量を減らすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は固体高分子形燃料電池、特に家庭用燃料電池システムや燃料電池自動車などにおける、固体高分子形燃料電池単セルやスタックに好適に活用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１…高分子電解質膜、１２…膜電極接合体、２…カソード触媒層、３…アノード触媒層、４…カソードガス拡散層、５…アノードガス拡散層、６…空気極（カソード）、７…燃料極（アノード）、８…ガス流路、９…冷却水流路、１０…セパレータ、１１…リブ、１３…ガス流路の実効面、１４…ガス入口、１４’…ガス入口付近の遊び、１５…ガス出口、１５’…ガス出口付近の遊び、１６…最小のガス拡散層、１７…最大のガス拡散層、１８…拡大領域、１９…実際のガス拡散層、２０…固体高分子形燃料電池の単セル、Ａ…ガス流路の実効面の最外部にあるガス流路の溝幅、Ｂ…ガス流路の実効面の最外部にあるガス流路の溝幅Ａ×５０％、Ｃ…ガス流路の実効面の最外部にあるガス流路の溝幅Ａ×２００％、Ｄ…ガスの流れ、Ｅ…陽圧から陰圧への流れ、Ｘ…実効面の１辺の各点から最も近いガス拡散層までの距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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