(57)【要約】【課題】低コスト化、小型化を同時に図ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜２と、電解質膜２を狭持する酸化剤触媒層３と燃料触媒層４と、酸化剤触媒層３の平面に略平行に構成され、酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路５と、燃料極４の平面に略平行に構成され、燃料ガスを流通する燃料ガス流路６を備える。さらに、酸化剤触媒層３と燃料触媒層４に、ガス流路５、６に重なる領域を含め、それより広い領域よりなる、触媒を有する発電電極部３１、４１と、ガス流路５、６に重ならない領域の、少なくとも流路軸に並行な中央軸部分を含む、触媒を有さない非発電電極部３２、４２を備える。【選択図】      図１
2006085932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に設けられた酸化剤触媒層と燃料触媒層と、
前記酸化剤触媒層に略平行に配置され、前記酸化剤触媒層側の表面に酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を備えた酸化剤ガスセパレータと、
前記燃料触媒層に略平行に配置され、前記燃料触媒層側の表面に燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する燃料ガスセパレータと、を備え、
さらに、前記酸化剤触媒層と前記燃料触媒層のうち少なくとも一方の触媒層は、前記ガス流路に重なる領域を含めた、それより広い領域よりなる、触媒を有する発電電極部と、前記ガス流路に重ならない領域の、少なくともガス流路軸に略平行な中央軸部分を含む、触媒を有さない非発電電極部と、を備えることを特徴とする燃料電池。  
【請求項２】
前記非発電電極部に、プロトン伝導性物質を含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記発電電極部に比較して、前記非発電電極部に親水性を持たせる請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記触媒層の、前記電解質膜に隣接する面の裏面に、多孔質部材により形成されたガス拡散層を備える請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス拡散層を、前記触媒層と前記ガスセパレータの間に備え、
前記ガス拡散層に撥水処理を施す請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス拡散層を、前記ガス流路に重なる領域のみに構成する請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記触媒層に比較して、前記ガス拡散層に撥水性を持たせる請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ガス流路を、前記ガスセパレータ表面に設けた溝により構成し、
前記溝の間に形成されたリブ部を、ガス拡散性を有する多孔質部材より構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記触媒層に比較して、前記リブ部に親水性を持たせる請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記リブ部に、前記ガス流路内の圧力より低圧となる流路を備える請求項８または
９に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。特に、触媒を有する固体高分子型燃料電池の電極の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の電極は、通常、電解質膜の略全域に触媒を有している。しかしながら、電極は、セパレータ表面に設けた溝状のガス流路に挟まれたリブ部に圧接されているため、その付近では構造上ガスの拡散性が阻害される。その結果、セパレータのリブ付近では、電極へのガスの供給が低下してしまうといった傾向があった。
【０００３】
また、電極触媒には、白金等の高価な貴金属が用いられており、この触媒金属により燃料電池のコストを抑えるのが困難であるといった問題があった。
【０００４】
そこで、従来の燃料電池として、ガス拡散性のすぐれたガス流路に対峙する領域のみに触媒を担持させたものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開２００３−６８３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の燃料電池においては、発電性能を確保するための触媒層の有効面積を確保するためには、セル面積の拡大またはセルスタッキング数の増大が避けられず、スペース効率の低下が生じるといった問題があった。
【０００６】
ガスセパレータのリブはスタッキング時の締め付け力を、電極面に対して略垂直方向に受ける構造となっており、リブ幅を狭く設定すると、リブが電極面を強く圧接してしまう。そのため、ガスセパレータ溝幅と比較してリブ幅をあまり狭く設定することはできず、通常、ガスセパレータの（リブ幅）/（溝幅）の割合は０．８〜１．２程度となっている。
【０００７】
上述した燃料電池のように、電極をガスセパレータのリブ間のみに設定した場合には、電極面積が従来の電極面積の０．４５〜０．５６倍に減少してしまう。この電極面積の減少分を補うためには、触媒利用率の向上代を含まない場合には、１．７〜２．２倍の単位セルあたりの電極面積の拡大、または、セルスタッキング数の増大が必要となるといった問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題を鑑みて、低コスト化、小型化を同時に図ることができる燃料電池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】
【０００９】
本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に設けられた酸化剤触媒層と燃料触媒層と、前記酸化剤触媒層に隣接する表面に酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を備えた酸化剤ガスセパレータと、前記燃料触媒層に隣接する表面に燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する燃料ガスセパレータと、を備え、さらに、前記酸化剤触媒層と前記燃料触媒層のうち少なくとも一方の触媒層は、前記ガス流路に重なる領域を含めた、それより広い領域よりなる、触媒を有する発電電極部と、前記ガス流路に重ならない領域の、少なくともガス流路軸に略平行な中央軸部分を含む、触媒を有さない非発電電極部と、を備える。  
【発明の効果】
【００１０】
ガス流路に重なる領域を含めた、それより広い領域を、触媒を有する発電電極部とすることで、従来に比較して触媒層の有効面積を広くとることができる。また、ガス流路に重ならない領域の、少なくとも流路軸に並行な中央軸部分を含む領域を、触媒を有さない非発電電極部とすることで、ガスの供給が少なく、触媒の利用効率が悪い領域の触媒を省くことができる。これにより、燃料電池の低コスト化および小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の実施形態による燃料電池１０について説明する。燃料電池１０の構成を、図１の単位セル１の断面図を用いて説明する。なお、ここでは燃料電池１０を一つの単位セル１で示しているが、燃料電池１０を複数の単位セル１を積層することにより構成したスタック形状としても良い。
【００１２】
単位セル１は、電解質膜２と、電解質膜２の一方の主面に隣接する酸化剤触媒層３と、もう一方の主面に隣接する燃料触媒層４を備える。ここでは、酸化剤触媒層３により酸化剤電極３０を、燃料触媒層４により燃料電極４０を構成する。
【００１３】
また、酸化剤触媒層３に隣接する表面に酸化剤ガス流路５を有する酸化剤ガスセパレータ７と、燃料触媒層４に隣接する表面に燃料ガス流路６を有する燃料ガスセパレータ８を備える。酸化剤ガス流路５を、酸化剤ガスセパレータ７の表面に形成された、リブ７１に挟まれた溝により構成する。燃料ガス流路６も同様に、燃料ガスセパレータ８の表面に形成された、リブ８１に挟まれた溝により構成する。
【００１４】
酸化剤触媒層３は、触媒と電子伝導性物質とプロトン伝導性物質を含む発電電極部３１と、触媒を含まず、電子伝導性物質とプロトン伝導性物質を含む非発電電極部３２を備える。発電電極部３１を、酸化剤触媒層３の酸化剤ガス流路５に対峙する領域を含む、それ以上に広い領域に構成する。つまり、発電電極部３１を、酸化剤ガス流路５に対峙する領域と、その領域に連続した、リブ７１に対峙する領域の一部に構成する。ここでは、図１に示すように、酸化剤触媒層３の酸化剤ガス流路５に対峙する領域を、電極面に沿って両方向に拡大した領域に、発電電極部３１を構成する。
【００１５】
一方、非発電電極部３２を、少なくとも図１に示すようなリブ７１の断面の中央部分に対峙する部分を含む領域に構成する。つまり、非発電電極部３２を、酸化剤触媒層３の酸化剤ガス流路５の流路軸に平行なリブ７１の軸に沿って形成された、リブ７１との接面より狭い領域に構成する。
【００１６】
つまり、酸化剤触媒層３の断面では、酸化剤ガス流路５に対応して、酸化剤触媒層３の面全体に発電電極部３１と非発電電極部３２が交互に形成される。言い換えれば、流路断面に沿った酸化剤触媒層３の断面には、発電電極部３１と非発電電極部３２が略均等に構成される。
【００１７】
また、発電電極部３１に比較して、非発電電極部３２が親水性を有するように構成する。ここでは、非発電電極部３２に親水処理を施す。また、発電電極部３１に撥水処理を施す。
【００１８】
燃料触媒層４を同様に構成する。つまり、燃料触媒層４のうち、酸化剤ガス流路６に対峙する部分を含むそれ以上の領域に発電電極部４１を構成し、リブ８１の燃料ガス流路６に平行な断面中央部分を含む、リブ８１との接面より狭い領域に、非発電電極部４２を構成する。発電電極部４１に比較して、非発電電極部４２が親水性を示すように構成する。
【００１９】
次に、このような酸化剤触媒層３の発電電極部３１と非発電電極部３２の形成方法について説明する。なお、燃料触媒層４についても同様に形成する。
【００２０】
それぞれ触媒／電子伝導性物質／プロトン伝導性物質を含むスラリーインクと、電子伝導性物質／プロトン伝導性物質を含み、触媒を含まないスラリーインクを調製する。スクリーンプリンターを用いてテフロン（登録商標）などの離型性の高い基材シート上に複数回塗布を行うことにより、発電電極部３１と非発電電極部３２を形成する。発電電極部３１が構成される領域には、触媒／電子伝導性物質／プロトン伝導性物質を含むスラリーインクを、非発電電極３２が構成される領域には、電子伝導性物質／プロトン伝導性物質を含むスラリーインクを塗布する。このように酸化剤触媒層３を形成したテフロン（登録商標）のシートを、電解質膜２と重ね合わせた後、１３０℃、２ＭＰａ、１分間の条件で、ホットプレス転写処理を行う。これにより、発電電極部３１と非発電電極部３２を所定の形状で得ることができる。撥水処理、親水処理については、通常スラリーインク調製時に撥水剤、親水剤を導入する方法や、スラリーインク組成である電子伝導性物質などを予め撥水処理、親水処理しておく方法等があるが、その方法は限定しない。
【００２１】
または、通常のカラー印刷等にも使用されているバブルジェット（登録商標）式プリンターを用いて、比較的容易にパターン形状の酸化剤触媒層３を得ることもできる。ただし、バブルジェット（登録商標）式プリンターを用いる場合は、粗大粒径インクによる装置の目詰まりを防止するため、塗布するスラリーインクの粒径を〜３０μｍ以下とする必要がある。
【００２２】
次に、このような燃料電池１０の単位セル１に酸化剤ガスと燃料ガスを供給した場合の作用について説明する。
【００２３】
酸化剤ガスセパレータ７の酸化剤ガス流路５を流れる酸化剤ガスは、発電電極部３１の細孔を通って、発電電極部３１内部に拡散する。拡散された酸化剤ガスは、発電電極部３１を構成する、触媒とプロトンと電子を伝導する物質により形成された三相界面で反応する。また、燃料ガスセパレータ８の燃料ガス流路６を流れる燃料ガスは、発電電極部４１の細孔を通って、発電電極部４１内部に拡散する。拡散された燃料ガスは、発電電極部４１を構成する、触媒とプロトンと電子を伝導する物質により形成された三相界面で反応する。
【００２４】
これらの反応により発電が成され、酸化剤触媒層３側では水が生成される。この水は、一部が親水性の強い非発電電極部３２内に回収され、また一部は、余剰の酸化剤ガスと共に、再び細孔を通って発電電極部３１内に拡散し、発電電極部３１の酸化剤ガス流路５に対峙する表面から、酸化剤ガス中に回収される。
【００２５】
また、燃料触媒層４には、電解質膜２を酸化剤触媒層３側から燃料触媒層４側に透過した水や、供給される以前に燃料ガスに含有された水が存在する。燃料触媒層４の発電電極部４１に存在する水は、一部が親水性の強い非発電電極部４２に回収され、また一部は、余剰の燃料ガスと共に発電電極部４１内に拡散し、発電電極部４１の燃料ガス流路６に対峙する表面から、燃料ガス中に回収される。
【００２６】
ここで、酸化剤ガスが酸化剤触媒層３内を拡散する際には、酸化剤ガス流路５から遠ざかるにつれて、つまり、リブ７１の断面中央部分と対峙する領域に近づくにつれて、ガス拡散性が低下していく。これは、移動しなければならない距離が大きいことに加えて、リブ７１に対峙する面には略垂直方向に締め付け圧力が加えられて、孔部分が押しつぶされることによりガス拡散性が低下するためである。但し、リブ７１に対峙する領域でも、酸化剤ガス流路５付近では、酸化剤ガス流路５からの酸化剤ガス圧力の影響が大きく、十分なガス拡散性が保持されて高い触媒利用効率を保つことができる。
【００２７】
そこで、上述したように、酸化剤ガス流路５に対峙する領域に加えて、この高い触媒利用効率を保つことができる領域に、触媒を有する発電電極部３１を構成することで、触媒の利用効率の低下を抑制しつつ、発電にかかわる電極面積を増大する。一方、ガス拡散性の悪いリブ７１の中央に対峙する領域については、触媒を有さない非発電電極部３２を構成することで、触媒の使用量を低減する。
【００２８】
また、燃料ガスも、燃料触媒層４で同様の傾向を示す。つまり、リブ８１の断面中央部分に対峙する領域近傍ではガス拡散性が低下し、リブ８１に当接する領域でも燃料ガス流路６近傍では、ガス拡散性が保持される。そこで、燃料触媒層４についても、燃料ガス流路６に対峙する領域に加えて、高い触媒利用効率を保つことができる領域に、触媒を有する発電電極部３２を構成し、ガス拡散性の悪いリブ８１の中央に対峙する領域には、触媒を有さない非発電電極部３２を構成する。
【００２９】
ここでは、酸化剤ガスセパレータ７のリブ７１の幅と酸化剤ガス流路５の幅の比を１．０とし、酸化剤ガス流路５の幅に対して発電電極部３１の幅が１．６倍となるように構成した。同様に、燃料ガスセパレータ８のリブ８１の幅と燃料ガス流路６の幅の比を１．０とし、燃料ガス流路６の幅に対して発電電極部４１の幅が１．６倍となるように構成した。この場合、発電性能を低下させることなく触媒量を１９％削減でき、スペース効率の悪化も１％程度に抑えることができた。
【００３０】
なお、本実施形態では、酸化剤触媒層３と燃料触媒層４の両方に、発電電極部３１、４１と非発電電極部３２、４２を設けたが、この限りではなく、どちらか一方のみに非発電電極部を設けても良い。例えば、燃料触媒層４における反応に比較して、酸化剤触媒層３で生じる反応は起こり難いので、燃料触媒層４のみを発電電極部４１と非発電電極部４２で構成してもよい。
【００３１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３２】
電解質膜２と、電解質膜２の両面に設けられた酸化剤触媒層３と燃料触媒層４と、酸化剤触媒層３に略平行に配置され、酸化剤触媒層３側の表面に酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路５を備えた酸化剤ガスセパレータ７と、燃料触媒層４に略平行に配置され、燃料触媒層４側の表面に燃料ガスを流通する燃料ガス流路６を有する燃料ガスセパレータ８と、を備える。さらに、酸化剤触媒層３と燃料触媒層４のうち少なくとも一方の触媒層、ここでは両方の触媒層３、４は、ガス流路５、６に重なる領域を含めた、それより広い領域よりなる、触媒を有する発電電極部３１、４１と、ガス流路５、６に重ならない領域の、少なくとも流路軸に平行な中央軸部分を含む、触媒を有さない非発電電極部３２、４２を備える。
【００３３】
これにより、触媒利用効率の低下を抑制しつつ、高価なＰｔ等の触媒の使用量を抑えることができるので、燃料電池１０の大型化を抑えつつ、コストを抑えることができる。つまり、燃料電池１０の低コスト化と小型化を同時に図ることができる。
【００３４】
また、非発電電極部３２、４２に、プロトン伝導性物質を含む。これにより、隣接する発電電極部３１、４１へのプロトン伝導パスが増加するので、プロトン伝導性が向上し、単位セル１ａの発電効率を向上することができる。
【００３５】
発電電極部３１、４１に比較して、非発電電極部３２、４２に親水性を持たせる。これにより、非発電電極部３２、４２に隣接する発電電極部３１、４１の余剰水分を吸水させることができることができる。その結果、発電電極部３１、４１内のガス拡散性を向上させることができ、単位セル１ａの発電効率を向上することができる。
【００３６】
次に、第２の実施形態について説明する。図２に、単位セル１の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
酸化剤触媒層３と酸化剤ガスセパレータ７の間に酸化剤ガス拡散層１３を備え、燃料触媒層４と燃料ガスセパレータ８の間に燃料ガス拡散層１４を備える。つまり、酸化剤電極３０を酸化剤触媒層３と酸化剤ガス拡散層１３から構成し、燃料電極４０を燃料触媒層４と燃料ガス拡散層１４から構成する。
【００３８】
酸化剤ガス拡散層１３と燃料ガス拡散層１４は、カーボン繊維およびカーボン粒子を含む。ここでは、ガス拡散層１３、１４として、カーボンペーパタイプの基材にカーボンおよびＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を混合したスラリーを含浸・乾燥させたものを用いる。また、酸化剤ガス拡散層１３と燃料ガス拡散層１４に撥水処理を施す。
【００３９】
このような単位セル１に酸化剤ガスを供給すると、酸化剤ガス拡散層１３を介して酸化剤触媒層３に酸化剤ガスが拡散する。酸化剤ガス拡散層１３の、酸化剤ガスセパレータ７のリブ７１に対峙する領域では、リブ７１の両側に位置する酸化剤ガス流路５から、均等の圧力で酸化剤ガスが拡散される。そのため、リブ７１の断面中央部分近傍ではガスの滞留が起こり、ガス拡散性が著しく低下している。酸化剤触媒層３の、この酸化剤ガス拡散層１３のガス滞留が生じる領域に対峙する領域を、触媒を有さない非発電電極部３２とする。
【００４０】
但し、酸化剤ガスは、酸化剤ガス拡散層１３で拡散されて酸化剤触媒層３に導入されるため、第１の実施形態に比較して、酸化剤触媒層３のより広い領域に酸化剤ガスが拡散する。そのため、発電電極部３１を、より広い領域に構成することができる。
【００４１】
また、単位セル１に燃料ガスを供給した場合にも同様に、燃料ガス拡散層１４のリブ８１の中央部分に対峙する領域近傍では、燃料ガスが滞留してガス拡散性が低下する。そこで、この燃料ガスの滞留が生じる部分には非発電電極部４２を構成し、その他の領域には発電電極部４１を構成する。このとき、酸化剤ガスと同様に、燃料ガス拡散層１４を備えることで、ガス拡散性を向上することができ、発電電極部４１をより広く構成することができる。
【００４２】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４３】
触媒層３、４の、電解質膜２に隣接する面の裏面に、多孔質部材により形成されたガス拡散層１３、１４を備える。これにより、触媒層３、４の十分なガスが供給される領域を広くすることができる。その結果、発電反応を生じる発電電極部３１、４１の面積を増大して発電性能を向上することができる。
【００４４】
また、ガス拡散層１３、１４を、触媒層３、４とガスセパレータ７、８の間に備え、ガス拡散層１３、１４に撥水処理を施す。これにより、発電電極部３１、４１からガス拡散層１３、１４へ移動した余剰水分を、ガス拡散層１３、１４に保持することなく、速やかに酸化剤ガスまたは燃料ガス内へ拡散させることができる。その結果、発電電極部３１、４１内からの排水を促進してガス拡散性を向上することができるので、単位セル１の発電性能を向上させることができる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。図３に、単位セル１の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４６】
酸化剤ガスセパレータ７のリブ７１および燃料ガスセパレータ８のリブ８１を、多孔質材より構成する。言い換えれば、リブ７１とリブ８１がガス拡散層の役割を担うように構成する。リブ７１と８１を、カーボンペーパタイプの基材にカーボンおよびＰＴＦＥを混合したスラリーを含浸・乾燥させたものにより構成する。また、触媒層３、４に比較して、リブ７１、８１の親水性が強くなるように構成する。ここでは、リブ７１、８１に親水処理を施す。
【００４７】
酸化剤ガス流路５を流通する酸化剤ガスは、酸化剤触媒層３内に、酸化剤ガス流路５に対峙する表面を介して導入される。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５の壁面を介してリブ７１内に拡散し、酸化剤触媒層３内に、リブ７１との接面を介して導入される。
【００４８】
酸化剤触媒層３の発電電極部３１に到達した酸化剤ガスは、触媒と接触することにより水の生成を伴う発電反応を生じる。生成された水は、一部は酸化剤ガス流路５に対面する発電電極部３１表面から酸化剤ガス流中に回収される。また、一部は、親水性を有するリブ７１内に移動して細孔を通ってリブ７１内に拡散し、リブ７１の表面から酸化剤ガス流中に回収される。さらに、生成水の多くは、発電電極部３１に隣接する非発電電極部３２を経由して、親水性を有するリブ７１に吸引された後、リブ７１内の酸化剤ガス中に拡散する。
【００４９】
同様に燃料ガス流路６を流通する燃料ガスは、燃料触媒層４内に、燃料ガス流路６に対峙する表面を介して導入される。また、燃料ガス流路６の壁面からリブ８１内に拡散し、リブ８１と燃焼触媒層４との接面を介して燃料触媒層４内に導入される。燃料触媒層４の発電電極部４１に拡散した燃料ガスが触媒に接触することにより、発電反応を生じる。
【００５０】
燃料触媒層４には、予め含有された加湿水や、酸化剤触媒層３側から電解質膜２を介して移動した水などが存在する。このような水は、酸化剤触媒層３に生じた水と同様に、一部は、燃料ガス流路６に対面する燃料触媒層４表面から燃料ガス流中に回収される。また、一部は、親水性を有するリブ８１に移動して、リブ８１内の細孔中を拡散し、リブ８１の表面から燃料ガス流中に回収される。さらに、多くの水は、発電電極部４１に隣接する非発電電極部４２を経由して、親水性を有するリブ８１に吸引された後、リブ８１内の燃料ガス中に拡散する。
【００５１】
ここでは、ガスセパレータ７、８それぞれのリブ幅とガス流路幅の比を１．０とし、ガス流路幅に対する発電電極部３１、４１の幅の比を１．５とした。この場合には、発電性能およびスペース効率を低下させることなく、触媒量を２５％削減できた。
【００５２】
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。
【００５３】
ガス流路５、６を、セパレータ７、８表面に設けた溝により構成し、溝間に形成されたリブ７１、８１を、ガス拡散性を有する多孔質部材より構成する。これにより、酸化剤ガスを酸化剤触媒層３の比較的広い範囲に拡散させることができ、同様に、燃料ガスを燃料触媒層４の比較的広い範囲に拡散させることができる。これにより、比較的広い範囲に触媒を有する発電電極部３１と４１を形成することができ、その結果、触媒の利用効率の向上を図りながら、触媒層３、４の有効面積をより拡大し、低コストで高効率な発電性能を発揮できる。
【００５４】
また、リブ７１とリブ８１をガス拡散層として使用するため、第２の実施形態に用いたガス拡散層１３や１４といった個別の層を設ける必要がない。そのため、単位セル１の厚みを抑えることができ、単位セル１を小型化することができ、スペース効率を向上することができる。
【００５５】
また、触媒層３、４に比較して、リブ７１、８１に親水性を持たせる。これにより、燃料触媒層４側では、供給される燃料ガス中の水分をリブ８１で保水し、リブ８１に対極する非発電電極部４２を通して、電解質膜２および発電電極部４１へ水分を供給することができる。また、酸化剤触媒層３側では、発電電極部３１で生成した水を非発電電極部３２を通してリブ７１に吸水し、供給される酸化剤ガスの中に速やかに拡散することができる。リブ７１、８１に親水性を持たせることにより、反応ガスの流れと水の流れを一部別の流路として保有することができ、発電電極部３１、４１内および電解質膜２内の水分量を適正化できるとともに、発電電極部３１、４１内のガス拡散性を向上させることができ、単セル１ａの発電性能を向上することができる。
【００５６】
次に、第４の実施形態について説明する。図４に、単位セル１の断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５７】
ここでは、酸化剤ガス流路５と酸化剤触媒層３の発電電極部３１とが対向する領域のみにガス拡散層１５を備え、燃料ガス流路６と燃料触媒層４の発電電極部４１とが対向する領域のみにガス拡散層１６を備える。つまり、酸化剤ガスセパレータ７の表面に設けた溝状の酸化剤ガス流路５の開口部分にガス拡散層１５を備え、燃料ガスセパレータ８の表面に設けた溝状の燃料ガス流路６の開口部分にガス拡散層１６を備える。ガス拡散層１５、１６としては、カーボンペーパタイプの基材に、カーボンおよびＰＴＦＥを混合したスラリーを含浸・乾燥させたものを用いる。また、ガス拡散層１５、１６は撥水性を示すように構成する。ここでは、ガス拡散層１５、１６に撥水処理を施す。
【００５８】
このように、発電電極部３１の酸化剤ガス流路５に対面する領域のみに酸化剤ガス拡散層１５を備える。また、発電電極部４１の燃料ガス流路６に対面する領域のみに燃料ガス拡散層１６を備える。
【００５９】
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。
【００６０】
ガス拡散層１５、１６を、ガス流路５、６に重なる領域のみに構成する。これにより、発電電極部３１、４１へのガス拡散性、および、発電電極部３１、４１で生じた余剰水分の排出性が向上し、単位セル１の発電性能が向上する。
【００６１】
また、ガス拡散層１５、１６に撥水処理を施す。これにより、発電電極部３１、４１内からガス拡散層１５、１６に移動した余剰水分をガス拡散層１５、１６に保有することなく、速やかに酸化剤ガスまたは燃料ガス内へ拡散することができるので、発電電極部３１、４１内からの排水を促進し、発電電極部３１、４１内のガス拡散性を向上させることができ、単セル１ａの発電性能を向上することができる。
【００６２】
次に、第５の実施形態について説明する。図５に、単位セル１の断面を示す。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６３】
ここでは、酸化剤ガスセパレータ７のガス拡散性を有するリブ７１の、酸化剤触媒層３に接する頂面に、溝状の排水流路１７を備える。排水流路１７を、リブ７１頂面の非発電電極部３２に対面する領域に備える。ここでは、図５に示すリブ７１の断面中央付近に排水流路１７を備える。また、排水流路１７は、リブ７１とは気密的に遮断されるように構成し、排水流路１７内を酸化剤ガス流路５と比較して圧力が低くなるように外部から吸引する。
【００６４】
酸化剤触媒層３の発電電極部３１で生成された水は、一部が酸化剤ガス流路５に対面する酸化剤触媒層３の表面から、一部はガス拡散性を有するリブ７１の細孔中を拡散してリブ１７の表面から、酸化剤ガス流路５を流れる酸化剤ガス中に回収される。また、生成水の一部は、発電電極部３１に隣接する非発電電極部３２を経由して排水流路１７に吸引されて外部に排出される。
【００６５】
ここでは、酸化剤触媒層３側のみに排水流路１７を設けたが、燃料触媒層４側に設けることもできる。または、酸化剤触媒層３と燃料触媒層４の両方に排水流路１７を設けても良い。
【００６６】
また、排水流路１７をリブ７１の頂面に設けたが、この限りではなく、リブ７１の内部に設けることもできる。
【００６７】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第３の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００６８】
リブ７１に、酸化剤ガス流路５内の圧力より低圧となる排水流路１７を備える。発電電極部３１の水を非発電電極部３２を通してリブ７１内の排水流路１７に吸引・除去することができるため、発電電極部３１内よりの排水を促進し、発電電極部３１内のガス拡散性を向上させることができる。
【００６９】
なお、ここでは、酸化剤ガスセパレータ７と燃料ガスセパレータ８を別々に構成したが、この限りではなく、一つのプレートで構成してもよい。
【００７０】
また、各部分に対して親水処理を施す旨を記載したが、親水処理は、親水性の強い構成とすることや、親水性の強い部材を用いることも含む。同様に、撥水処理に関しても、撥水性の強い構成とすることや、撥水性の強い部材を用いることも含む。
【００７１】
このように、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、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、燃料電池に関する。特に、電極にＰｔ等の金属触媒を有する固体高分子型燃料電池の構成に関する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】第１の実施形態による燃料電池の有する単位セルの断面図である。
【図２】第２の実施形態による燃料電池の有する単位セルの断面図である。
【図３】第３の実施形態による燃料電池の有する単位セルの断面図である。
【図４】第４の実施形態による燃料電池の有する単位セルの断面図である。
【図５】第５の実施形態による燃料電池の有する単位セルの断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１    単位セル
２    電解質膜
３    酸化剤触媒層
４    燃料触媒層
５    酸化剤ガス流路（ガス流路）
６    燃料ガス流路（ガス流路）
７    酸化剤ガスセパレータ
８    燃料ガスセパレータ
１３、１５  酸化剤ガス拡散層
１４、１６  燃料ガス拡散層
１７  排水流路（流路）
３０  酸化剤電極
４０  燃料電極
３１、４１  発電電極部
３２、４２  非発電電極部
７１、８１  リブ部
【図１】
2006085932.tif 000003
【図２】
2006085932.tif 000004
【図３】
2006085932.tif 000005
【図４】
2006085932.tif 000006
【図５】
2006085932.tif 000007