(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と前記電解質層の両主面に設けられた触媒層と前記触媒層の上に設けられ反応流体が拡散する拡散層とを備えるセルと、前記セルの一方の面に供給される反応流体が流通する第１の流体室と、前記セルの他方の面に供給される反応流体が流通する第２の流体室と、を備え、前記セルを挟持して前記第１の流体室と前記第２の流体室とが対向するように配置される燃料電池用セルユニットであって、少なくとも前記第１の流体室は、前記反応流体が流通する第１の凹部と、前記拡散層と接触する凸部と、を有すると共に、前記拡散層は、前記凸部と接触する領域の流体透過率が、前記第１の凹部と対向する領域の流体透過率より大きい燃料電池用セルユニットにおいて、
前記拡散層は、導電性粉末と多孔性導電基材とを有し、前記拡散層の、前記凸部と接触する領域の多孔性導電基材に充填される導電性粉末の量が、前記第１の凹部と対向する領域の多孔性導電基材に充填される導電性粉末の量より少ないことを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項２】
電解質層と前記電解質層の両主面に設けられた触媒層と前記触媒層の上に設けられ反応流体が拡散する拡散層とを備えるセルと、前記セルの一方の面に供給される反応流体が流通する第１の流体室と、前記セルの他方の面に供給される反応流体が流通する第２の流体室と、を備え、前記セルを挟持して前記第１の流体室と前記第２の流体室とが対向するように配置される燃料電池用セルユニットであって、少なくとも前記第１の流体室は、前記反応流体が流通する第１の凹部と、前記拡散層と接触する凸部と、を有すると共に、前記拡散層は、前記凸部と接触する領域の流体透過率が、前記第１の凹部と対向する領域の流体透過率より大きい燃料電池用セルユニットにおいて、
前記拡散層は、導電性粉末と多孔性導電基材とを有し、前記拡散層の、前記凸部と接触する領域の多孔性導電基材に充填される導電性粉末の粒径が、前記第１の凹部と対向する領域の多孔性導電基材に充填される導電性粉末の粒径より大きいことを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項３】
電解質層と前記電解質層の両主面に設けられた触媒層と前記触媒層の上に設けられた反応流体が拡散する拡散層とを備えるセルと、前記セルの一方の面に供給される反応流体と水が流通する第１の流体室と、前記セルの他方の面に供給される反応流体が流通する第２の流体室と、を備え、前記セルを挟持して前記第１の流体室と前記第２の流体室とが対向されるように配置される燃料電池セルユニットにおいて、
少なくとも前記第１の流体室は、前記反応流体が流通する第１の凹部と、前記水を含む前記反応流体が流通する第２の凹部と、前記拡散層と接触する凸部と、を有すると共に、前記拡散層は、前記第２の凹部と対向する領域の流体透過率が、前記第１の凹部と対向する領域の流体透過率よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セルユニット。
【請求項４】
前記拡散層は、前記凸部と接触する領域の流体透過率が、前記第１の凹部と対向する領域の流体透過率に対して１倍より大きく４．４倍以下とすることを特徴とする請求項１〜３記載の燃料電池用セルユニット。
【請求項５】
前記拡散層は、前記第２の凹部と対向する領域の流体透過率が、前記第１の凹部と対向する領域の流体透過率に対して１倍より大きく４．４倍以下とすることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池用セルユニット。
【請求項６】
前記拡散層は、前記凸部と接触する領域の流体透過率が、前記第２の凹部と対向する領域の流体透過率に対して１倍より大きく４．４倍以下とすることを特徴とする請求項３〜５に記載の燃料電池用セルユニット。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載のセルユニットを有する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セルユニットにおけるセルの電極の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セルユニットのセルは、板状又は膜状の電解質の各面に電極が形成されており、セルの各電極は、反応ガスに対し電気化学反応を生ぜしめる触媒層と、反応ガスを拡散して透過するための多孔質構造のガス拡散層を具えている。電解質の上には触媒層が設けられ、触媒層の上にはガス拡散層が設けられる。セルの一方の側には、反応ガスとして燃料ガスが供給されるガス室、他方の側には、反応ガスとして酸化剤ガスが供給されるガス室が対向して配備される。各ガス室は反応ガスが流通する凹部と、電極と接触する凸部を有しており、これらがセルユニットを構成する。
【０００３】
燃料電池は、このセルユニットを単層で、或いは多数積層して形成される。
【特許文献１】特開平０６−０９６７７９号公報
【特許文献２】特開平０６−２６７５６２号公報
【特許文献３】国際公開第９８／０５２２４２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記構成のセルユニットにおいて、高い発電効率を得るには、各触媒層に反応ガスを均等に供給することが望ましい。しかしながら、セルユニットの構造上の理由から、反応ガスを各触媒層へ均等に供給することは困難な場合が多い。
【０００５】
即ち、反応ガスを電極へ供給する場合、反応ガスは、ガス室の凸部と接触する領域の方が、ガス室の凹部と対向する領域よりも流通し難い。このため、電極の触媒層は、ガス室の凸部と接触する領域が、ガス室の凹部と対向する領域よりも、反応ガスの供給量が少なくなり、発電効率の低下を招いていた。
【０００６】
また、ガス室の凹部が、反応ガスのみが流通する第１の凹部と、加湿水を含む反応ガスが流通する第２の凹部に分かれている場合がある。この場合、各凹部に供給される反応ガスの濃度は、第２凹部の方が第１凹部よりも少なくなる。従って、電極の触媒層は、ガス室の第２凹部と対向する領域の方が、ガス室の第２凹部と対向する領域よりも、反応ガスの供給量が少なくなり、発電効率の低下を招いていた。
【０００７】
本発明は、電極のガス拡散層について、従来、全ての領域に亘って均一であったガス透過率を、領域に応じて適宜変えることにより、高い発電効率が得られる燃料電池用セルユニット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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本願の請求項１に記載の発明は、電解質層と前記電解質層の両主面に設けられた触媒層と前記触媒層の上に設けられ反応流体が拡散する拡散層とを備えるセルと、前記セルの一方の面に供給される反応流体が流通する第１の流体室と、前記セルの他方の面に供給される反応流体が流通する第２の流体室と、を備え、前記セルを挟持して前記第１の流体室と前記第２の流体室とが対向するように配置される燃料電池用セルユニットであって、少なくとも前記第１の流体室は、前記反応流体が流通する第１の凹部と、前記拡散層と接触する凸部と、を有すると共に、前記拡散層は、前記凸部と接触する領域の流体透過率が、前記第１の凹部と対向する領域の流体透過率より大きい燃料電池用セルユニットにおいて、前記拡散層は、導電性粉末と多孔性導電基材とを有し、前記拡散層の、前記凸部と接触する領域の多孔性導電基材に充填される導電性粉末の量が、前記第１の凹部と対向する領域の多孔性導電基材に充填される導電性粉末の量より少ないことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、電解質層と前記電解質層の両主面に設けられた触媒層と前記触媒層の上に設けられ反応流体が拡散する拡散層とを備えるセルと、前記セルの一方の面に供給される反応流体と水とが流通する第１の流体室と、前記セルの他方の面に供給される反応流体が流通する第２の流体室と、を備え、前記セルを挟持して前記第１の流体室と前記第２の流体室とが対向するように配置される燃料電池用セルユニットにおいて、少なくとも前記第１の流体室は、前記反応流体が流通する第１の凹部と、前記水を含む前記反応流体が流通する第２の凹部と、前記拡散層と接触する凸部と、を有すると共に、前記拡散層は、前記第２の凹部と対向する領域の流体透過率が、前記第１の凹部と対向する領域の流体透過率より大きいことを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、電極の拡散層は、流体室の凸部と接触する領域の方が、第１の凹部と対向する領域よりも流体透過率が大きいので、反応流体が拡散層を通過する際、第１の凹部と対向する領域から凸部と接触する領域側へ流れる反応流体の量が従来のものと比べて多くなり、当該領域での発電効率が向上する。
【００１１】
請求項３に係る発明では、電極の拡散層は、水を含む反応流体が流通する第２の凹部と対向する領域の方が、反応流体が流通する第１の凹部と対向する領域よりも流体透過率が大きいので、単位時間に反応流体が拡散層を通過する量が従来のものと比べて多くなり、当該領域での発電効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
＜実施形態１＞
図１は、代表的な燃料電池用セルユニット１０の概略図を示している。セルユニット１０は、板状又は膜状の電解質１１の一方の面にアノード１２、他方の面にカソード１３を形成したセル１４を具え、セル１４のアノード１２側には、水素ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス室が対向して配備され、カソード１３側には、酸素ガスを含む空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス室が対向して配備されて構成される。燃料ガス室は、燃料プレート２０によって形成され、酸化剤ガス室は、酸化剤プレート３０によって形成される。前記構成のセルユニット１０を単層或いは多数積層したものが、燃料電池として使用される。
【００１３】
燃料プレート２０は、燃料ガス室を複数の燃料溝２２に区画する複数のリブ２１を具えている。リブ２１は、セル１４に接触して、セル１４を支持すると共に、アノード１２にて生じた電子をセルユニット１０の外部へ導く機能を有する。従って、燃料プレート２０およびリブ２１は、カーボン等の導電性材料によって形成される。
【００１４】
酸化剤プレート３０は、酸化剤ガス室を複数の酸化剤溝３２に区画する複数のリブ３１を具えている。リブ３１は、セル１４に接触して、セル１４を支持すると共に、当該セルユニット１０の外部からカソード１３へ電子を導く機能を有する。従って、酸化剤プレート３０およびリブ３１は、カーボン等の導電性材料によって形成される。
【００１５】
なお、図１では省略しているが、燃料電池は、各セルユニット１０に燃料ガスおよび酸化剤ガスを均等に分配するマニホールドを具える。マニホールドには、セルユニット１０の内部に分配機構を有する内部マニホールド方式と、セルユニット１０の外部に分配機構を配備する外部マニホールド方式がある。
【００１６】
また、セルユニット１０は、積層して使用される場合があるから、燃料プレート２０に、隣接するセルユニット１０の酸化剤ガス室を有し、または、酸化剤プレート３０に、隣接するセルユニット１０の燃料ガス室を有するバイポーラ型プレートであってもよい。
【００１７】
図２は、前記セル１４の一部を拡大した断面図である。アノード１２は、電解質１１の一方の面に、燃料ガスに対し電気化学反応を生ぜしめる触媒層２５が形成され、該触媒層の上には、対向する燃料ガス室からの燃料ガスを拡散して触媒層２５へ供給する多孔質構造のガス拡散層２６が積層されている。同様に、カソード１３の他方の面に、酸化剤ガスに対し電気化学反応を生ぜしめる触媒層３５が形成され、該触媒層の上には、対向する酸化剤ガス室からの酸化剤ガスを拡散して触媒層３５へ供給する多孔質構造のガス拡散層３６が積層されている。
【００１８】
ガス拡散層２６、３６には、市販のカーボンシート、カーボンクロス等の如く、多孔質の導電基材が使用される。触媒層２５、３５には、市販のカーボンブラック等の炭素微粒子に白金等の触媒が担持されて形成される。触媒層２５、３５は、電解質１１と同じ電解質材料の他に、フッ素樹脂等の撥水性材料を含むことが望ましく、ガス拡散層２６、３６についても同様に、撥水性材料を含むことが望ましい。
【００１９】
上述したように、燃料プレート２０のリブ２１はアノード１２と接触し、酸化剤プレート３０のリブ３１はカソード１３と接触するから、アノード及びカソードは、リブとの接触領域で燃料ガス及び酸化剤ガスが進入し難くなる。
【００２０】
そこで、本発明では、図３（ａ）に示すように、アノード１２のガス拡散層２６について、燃料プレート２０のリブ２１に接触する領域の方が、燃料溝２２と対向する領域よりも、ガス透過率が大きくなるような構成とする。また、カソード１３についても同様、ガス拡散層３６は、酸化剤プレート３０のリブ３１と接触する領域の方が、酸化剤溝３２と対向する領域よりも、ガス透過率が大きくなるような構成とする。なお、この構成は、アノード１２及びカソード１３の両方に適用することが好ましいが、どちらか一方に適用するだけでも発電効率の向上は達成できる。
【００２１】
ガス拡散層は、一般的には、多孔性導電基材に導電性粉末を塗布して作製されるため、そのガス透過率は、塗布される導電性粉末の粒径又は量に依存する。
【００２２】
つまり、多孔性導電基材の気孔に充填する導電性粉末の粒径が小さいと、平均気孔径が小さくなるため、ガス透過率は小さくなる。一方、導電性粉末の粒径が大きいと、平均気孔径が大きくなるため、ガス透過率は大きくなる。
【００２３】
また、多孔性導電基材の気孔に充填する導電性粉末の量が多いと、気孔率が小さくなるため、ガス透過率は小さくなる。一方、導電性粉末の量が少ないと、気孔率は大きくなるため、ガス透過率は大きくなる。
【００２４】
図３（ｂ）は、上記構成のアノード１２のガス拡散層２６において、塗布される導電性粉末の粒径を変えることによりガス透過率を変化させる様子を模式的に示す断面図である。図示のように、アノード１２のガス拡散層２６について、燃料プレート２０のリブ２１に接触する領域の方が、燃料溝２２と対向する領域よりも、粒径が大きい導電性粉末を用いているから、平均気孔径が大きくなり、ガス透過率が大きくなる。
【００２５】
上記構成のアノード１２のガス拡散層２６は、リブ２１と接触する領域のガス透過率を、燃料溝２２と対向する領域のガス透過率よりも大きくなるように形成することにより、燃料ガスがガス拡散層２６を通過する際、燃料ガスは、燃料溝２２と対向する領域から、リブ２１と接触する領域側へも流れ易くなる。このガス拡散層２６のガス透過率を最適に設定することにより、リブ２１との接触領域の如何に拘わらず、アノード１２の触媒層２５に対し、燃料ガスをほぼ均等に供給することが可能となる。
【００２６】
カソード１３のガス拡散層３６についても同様に、リブ３１と接触する領域のガス透過率を、酸化剤溝３２と対向する領域のガス透過率よりも大きくなるように形成することにより、酸化剤ガスがガス拡散層３６を通過する際、酸化剤ガスは、酸化剤溝３２と対向する領域から、リブ３１と接触する領域側へも流れ易くなる。このガス拡散層３６のガス透過率を最適に設定することにより、リブ３１との接触領域の如何に拘わらず、カソード１３の触媒層３５に対し、酸化剤ガスをほぼ均等に供給することが可能となる。
【００２７】
この結果、本実施形態の燃料電池用セルユニットは、リブと接触する電極領域の触媒層に、従来のものに比べて多くの反応ガスを供給できるから、発電効率が向上する。
＜実施形態２＞
次に、実施形態２について説明する。本実施形態の燃料電池用セルユニットは、燃料プレート２０における一部の燃料溝２２には、燃料ガスと共に水または水蒸気を流通させる。この目的のため、燃料プレート２０の周縁には、図４および図５に示すような枠体４０が配備される。その他の点では、実施形態１と同様であるから、その説明を省略する。
【００２８】
枠体４０の上端部には、外部から供給された燃料ガスが通過する燃料供給流路４１、４１が、枠体４０を貫通して設けられ、燃料供給流路４１、４１を連通する燃料供給溝４２が設けられる。燃料供給溝４２と各燃料溝２２とは、それぞれの燃料供給通路４３を介して連通している。
【００２９】
燃料供給孔４１、４１の下方には、外部から供給された水または水蒸気が通過する水供給流路４４、４４が、枠体４０を貫通して設けられ、水供給流路４４、４４を連通する水供給溝４５が設けられる。水供給溝４５は、一部の燃料供給通路４３と連通しており、該燃料供給通路４３と連通する燃料溝２２には、燃料ガスと共に水または水蒸気が供給される。以下では、燃料ガスと共に水または水蒸気が供給される燃料溝を特に混合溝２３と称する。
【００３０】
枠体４０の下端部には、燃料プレート２０から排出される燃料排ガスが通過する燃料排出流路５０、５０が枠体４０を貫通して設けられ、燃料排出流路５０、５０を連通する燃料排出溝５１が設けられる。燃料排出溝５１と各燃料溝２２または各混合溝２３とは、それぞれの燃料排出通路５２を介して連通している。
【００３１】
上述のように、燃料溝２２では燃料ガスが、混合溝２３では燃料ガスと、水または水蒸気との混合物がそれぞれ流通するから、各溝に供給される燃料ガスの濃度は、混合溝２３)の方が燃料溝２２よりも少なくなる。
【００３２】
そこで、本発明では、図６に示すように、アノード１２のガス拡散層２６について、混合溝２３と対向する領域の方が、燃料溝２２と対向する領域よりも、ガス透過率が大きくなるような構成とする。この構成のガス拡散層２６は、実施形態１にて説明したように、多孔性導電基材に塗布する導電性粉末の粒径または量を領域によって変えることにより作製される。
【００３３】
上記構成のアノード１２のガス拡散層２６は、混合溝２３と対向する領域の方が、燃料溝２２と対向する領域よりも、ガス透過率が大きく、従って、燃料ガスがガス拡散層２６を単位時間に通過する量が多くなる。このガス拡散層２６のガス透過率を最適に設定することにより、アノード１２の触媒層２５に対し、燃料ガスをほぼ均等に供給することが可能となる。
【００３４】
この結果、本実施形態の燃料電池用セルユニットは、混合溝２３と対向するアノード１２の領域における触媒層２５に、従来のものに比べて多くの燃料ガスを供給できるから、発電効率が向上する。
【００３５】
なお、本実施形態のセルユニットも、実施形態１と同様に、燃料プレート２０のリブ２１がアノード１２と接触するから、アノード１２は、リブ２１との接触領域で燃料ガスが進入し難くなる。
【００３６】
そこで、図７（ａ）に示すように、アノード１２のガス拡散層２６について、燃料プレート２０のリブ２１に接触する領域のガス透過率が、混合溝２３と対向する領域のガス透過率よりも大きく、混合溝２３と対向する領域のガス透過率が、燃料溝２２と対向する領域のガス透過率よりも大きくなるような構成とすることにより、発電効率が更に向上する。
【００３７】
図７（ｂ）は、上記構成のアノード１２のガス拡散層２６において、塗布される導電性粉末の粒径を変えることによりガス透過率を変化させる様子を模式的に示す断面図である。図示のように、アノード１２のガス拡散層２６について、燃料プレート２０のリブ２１に接触する領域を、混合溝２３と対向する領域よりも、粒径の大きな導電性粉末を使用し、混合溝２３と対向する領域を、燃料溝２２と対向する領域よりも、粒径の大きな導電性粉末を使用することにより、図７（ａ）に示すグラフの如きガス透過率を有するガス拡散層２６を作製できる。
【００３８】
なお、一部の燃料溝２２に代えて、一部の酸化剤溝３２に水または水蒸気を流通させる場合には、アノード１２のガス拡散層２６の上記構成を、カソード１３のガス拡散層３６に適用すればよい。
【実施例１】
【００３９】
次に、第１実施形態に対応する実施例を説明する。本実施例では、電解質１１として、高分子膜であるＮａｆｉｏｎ１１２（商品名）を使用し、該電解質１１の各面に、電極面積が２５ｃｍ2のアノード１２とカソード１３を設け、セル１４を作製した。アノード１２の触媒層２５と、カソード１３の触媒層３５およびガス拡散層３６は、従来と同じ製法で作製され、アノード１２のガス拡散層２６のみが、後述のように、第１実施形態に従って作製された。
【００４０】
作製されたセル１４に対し、アノード１２側に、リブ２１および燃料溝２２を有する燃料プレート２０を配備し、カソード１３側に、リブ３１および酸化剤溝３２を有する酸化剤プレート３０を配備して、セルユニット１０を作製した。
【００４１】
アノード１２のガス拡散層２６は、次の要領にて作成した。
【００４２】
まず、カーボンペーパをテフロン（登録商標）分散溶液中に浸漬し、取り出した後、６０℃で１時間乾燥させ、さらに３８０℃で１時間焼成した。また、平均粒径３０ｎｍのカーボン粉末（商品名：バルカンＸＣ７２Ｒ）とテフロン（登録商標）分散溶液を混合して、カーボンとテフロン（登録商標）の混合比が３：２となるようなスラリーを作製した。
【００４３】
次に、前記処理を行ったカーボンペーパに対し、燃料プレート２０のリブ２１と接触する領域にマスキングを施し、その上からスラリーを塗布して、燃料プレート２０の燃料溝２２と対向する領域の空孔を埋めた。このとき、燃料溝２２と対向する領域におけるスラリーの塗布量は、３．０ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００４４】
それから、３８０℃で再度焼成した。このとき、燃料溝２２と対向する領域におけるカーボンペーパのガス透過率は、２１０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。本実施例において、ガス透過率は、安田精機製作所製ガーレー式デンソメーターＮｏ．３２３を用いて、水銀圧入法により測定した。
【００４５】
次に、前記処理を行ったカーボンペーパに対し、燃料プレート２０の燃料溝２２と対向する領域にマスキングを施し、その上からスラリーを、前記処理工程より少ない量を塗布して、燃料プレート２０のリブ２１と接触する領域の空孔を埋めた。このとき、リブ２１と接触する領域におけるスラリーの塗布量は、２．７ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００４６】
それから、３８０℃で再度焼成して、アノード１２のガス拡散層２６を完成させた。このとき、リブ２１と接触する領域におけるカーボンペーパのガス透過率は、２５０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。
【００４７】
以下同様に、リブ２１と接触する領域におけるスラリーの塗布量を、それぞれ２．３、１．７、１．３および１．０ｍｇ／ｃｍ2に変えて、４枚のガス拡散層２６を完成させた。このとき、各ガス拡散層２６について、リブ２１と接触する領域におけるカーボンペーパガス透過率は、それぞれ４００、６３０、９２０および１２００ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。
【００４８】
上記実施例の比較例として、従来から使用されている全体が均一な厚さのガス拡散層２６を作製した。これは、上記実施例において、燃料溝２２と対向する領域に塗布した量（３．０ｍｇ／ｃｍ2）のスラリーを、カーボンペーパの全領域に塗布したものである。処理後のカーボンペーパのガス透過率は、２１０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。
【００４９】
上述のように作製したセルユニット１０に対し、全ての燃料溝２２に水素ガスおよび水を供給し、全ての酸化剤溝３２に空気を供給し、運転温度を８０℃として発電を行った。このとき、供給される水素ガスの５０％が消費され、供給される酸素ガスの２０％が消費された。
【００５０】
各ガス拡散層２６を用いたセルユニットの出力電圧を表１に示す。
【００５１】
【表１】
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なお、表１に記載のガス透過率は、リブ２１に接触する領域でのガス透過率である。
【００５２】
表１から明らかなように、アノード１２のガス拡散層２６において、燃料プレート２０のリブ２１と接触する領域のガス透過率を、燃料溝２２と対向する領域のガス透過率（２１０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2）よりも僅かに大きくするだけで、セルユニット１０の出力電圧が改善された。また、アノード１２のガス拡散層２６において、燃料プレート２０のリブ２１と接触する領域のガス透過率を９２０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2（燃料溝２２と対向する領域におけるガス透過率の約４．４倍に相当）とすると、セルユニット１０の出力電圧は、従来のものと同程度となり、前記ガス透過率をさらに大きくすると、出力電圧は、従来のものよりも低下した。低下した理由を調べてみると、ガス拡散層２６の燃料溝２２と対向する領域の気孔に水が溜まっており、このため、水素ガスの拡散が阻害されたものと思われる。
【実施例２】
【００５３】
次に、第２実施形態に対応する実施例を説明する。本実施例では、作製されるセルユニット１０に対し、一部の燃料溝を選択して混合溝２３とし、該混合溝２３に水素ガスおよび水が供給され、その他の燃料溝２２に水素ガスが供給される。なお、第１実施例と比べると、アノード１２のガス拡散層２６を作製する際に、カーボンペーパにマスキングを施す位置を変更しており、その他は同様にしてセル１４を作製した。
【００５４】
作製されたセル１４に対し、アノード１２側に、リブ２１および燃料溝２２を有する燃料プレート２０を配備し、カソード１３側に、リブ３１および酸化剤溝３２を有する酸化剤プレート３０を配備して、セルユニット１０を作製した。
【００５５】
アノード１２のガス拡散層２６は、次の要領にて作製した。
【００５６】
まず、カーボンペーパをテフロン（登録商標）分散溶液中に浸漬し、取り出した後、６０℃で１時間乾燥させ、さらに３８０℃で１時間焼成した。また、平均粒径３０ｎｍのカーボン粉末（商品名：バルカンＸＣ７２Ｒ）とテフロン（登録商標）分散溶液を混合して、カーボンとテフロン（登録商標）の混合比が３：２となるようなスラリーを作製した。
【００５７】
次に、前記処理を行ったカーボンペーパに対し、燃料プレート２０の前記混合溝２３と対向する領域にマスキングを施し、その上からスラリーを塗布して、燃料溝２２と対向する領域の空孔を埋めた。このとき、燃料溝２２と対向する領域におけるスラリーの塗布量は、３．０ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００５８】
それから、３８０℃で再度焼成した。このとき、燃料溝２２と対向する領域におけるカーボンペーパのガス透過率は、２１０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。
【００５９】
次に、前記処理を行ったカーボンペーパに対し、燃料プレート２０の燃料溝２２と対向する領域にマスキングを施し、その上からスラリーを、前記処理工程より少ない量を塗布して、混合溝２３と対向する領域の空孔を埋めた。このとき、混合溝２３と対向する領域におけるスラリーの塗布量は、２．７ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００６０】
それから、３８０℃で再度焼成して、アノード１２のガス拡散層２６を完成させた。このとき、混合溝２３と対向する領域におけるカーボンペーパのガス透過率は、２５０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。
【００６１】
以下同様に、燃料プレート２０の混合溝２３と対向する領域におけるスラリーの塗布量を、それぞれ２．３、１．７、１．３および１．０ｍｇ／ｃｍ2に変えて、４枚のガス拡散層２６を完成させた。このとき、各ガス拡散層２６について、混合溝２３と対向する領域におけるカーボンペーパガス透過率は、それぞれ４００、６３０、９２０および１２００ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。
【００６２】
上記実施例の比較例として、従来から使用されている全体が均一な厚さのガス拡散層２６を作製した。これは、上記実施例において、燃料溝２２と対向する領域に塗布した量（３．０ｍｇ／ｃｍ2）のスラリーを、カーボンペーパの全領域に塗布したものである。処理後のカーボンペーパのガス透過率は、２１０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2であった。
【００６３】
上述のように作製されたセルユニット１０に対し、混合溝２３に水素ガスおよび水を供給し、その他の燃料溝２２に水素ガスを供給した。また、全ての酸化剤溝３２に空気を供給し、運転温度を８０℃として発電を行った。このとき、供給される水素ガスの５０％が消費され、供給される酸素ガスの２０％が消費された。
【００６４】
各ガス拡散層２６を用いたセルユニットの出力電圧を表２に示す。
【００６５】
【表２】
0003706624.tif 000003
なお、表２に記載のガス透過率は、混合溝２３と対向する領域でのガス透過率である。
【００６６】
表２から明らかなように、アノード１２のガス拡散層２６において、燃料プレート２０の混合溝２３と対向する領域のガス透過率を、燃料溝２２と対向する領域のガス透過率（２１０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2）よりも僅かに大きくするだけで、セルユニット１０の出力電圧が改善された。また、アノード１２のガス拡散層２６において、燃料プレート２０の混合溝２３と対向する領域のガス透過率を９２０ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2（燃料溝２２と対向する領域におけるガス透過率の約４．４倍に相当）とすると、セルユニット１０の出力電圧は、従来のものと同程度となり、前記ガス透過率をさらに大きくすると、出力電圧は、従来のものよりも低下した。低下した理由を調べてみると、ガス拡散層２６の燃料溝２２と対向する領域の気孔に水が溜まっており、このため、水素ガスの拡散が阻害されたものと思われる。
【００６７】
上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施形態を示す組立斜視図である。
【図２】セルの要部断面図である。
【図３】（ａ）は、第１実施形態において、図１のＡ−Ａ線にて断面し、矢印方向に見た図と、アノードのガス拡散層のガス透過率を示すグラフであり、（ｂ）は、アノードのガス拡散層の断面を模式的に示す図である。
【図４】第２実施形態における燃料プレートと枠体を示す斜視図である。
【図５】図４の上端部の要部拡大図である。
【図６】第２実施形態において、図１のＡ−Ａ線にて断面し、矢印方向に見た図と、アノードのガス拡散層のガス透過率を示すグラフである。
【図７】第１実施形態と第２実施形態を組み合わせた実施形態を示す図であり、（ａ）は、図１のＡ−Ａ線にて断面し、矢印方向に見た図と、アノードのガス拡散層のガス透過率を示すグラフであり、（ｂ）は、アノードのガス拡散層の断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０        セルユニット
１１        電解質
１２        アノード
１３        カソード
１４        セル
２０、３０  プレート
２１、３１  リブ
２２、３２  溝
２３        混合溝
２５、３５  触媒層
２６、３６  ガス拡散層
４０        枠体
４１        燃料供給流路
４２        燃料供給溝
４３        燃料供給通路
４４        水供給流路
４５        水供給溝
５０        燃料排出流路
５１        燃料排出溝
５２        燃料排出通路
【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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【図６】
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【図７】
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