(57)【要約】【課題】      発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  触媒２ａ、２ｂを有する単セル４０を備え、当該単セル４０内にて生じた液滴の水が触媒２ａ、２ｂへ還流することを抑制する液滴還流抑制手段５ａ、５ｂが、単セル４０内に備えられている、燃料電池。【選択図】    図５
2006066198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を有する単セルを備え、
前記単セル内にて生じた液滴の水が前記触媒へと還流することを抑制する液滴還流抑制手段が、前記単セル内に備えられていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記単セルが、電解質膜及び該電解質膜の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、前記ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、前記拡散層の外側に設けられるセパレータとを備え、
前記液滴還流抑制手段が、前記ＭＥＡと前記セパレータとの間に備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記液滴還流抑制手段が、前記拡散層と前記セパレータとの間に備えられ、
前記セパレータの前記拡散層側の面に、反応ガス供給路が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、さらに、前記拡散層の前記セパレータ側の面であって、前記液滴還流抑制手段との当接面に反応ガス供給路が形成されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項５】
前記液滴還流抑制手段が、気液分離膜であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記気液分離膜が、導電性を有することを特徴とする、請求項５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、燃料電池に関し、特に、発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン伝導性膜として使用するものである。ＰＥＦＣのカチオン伝導性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性電解質として機能している。そして、電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。
【０００３】
ところが、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって水が凝結して、水の供給が過剰となると、この電解質膜、及び当該電解質膜の両側に設けられる触媒層等が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディングが発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸化ガスの供給が阻害されて、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。この電圧低下は、ＰＥＦＣの発電効率の低下に繋がるため、ＰＥＦＣの発電性能の向上を図るためには、フラッディングを抑制することが重要である。
【０００４】
フラッディングを抑制するとともに、ＰＥＦＣの発電効率を高めることを目的とした技術は、これまでにいくつか提案されてきている。例えば、特許文献１には、電極の撥水性を電解質側で強くセパレータ側で弱くなるように勾配をもたせることで、カソードにおける水のフラッディングを防止することが可能な燃料電池に関する技術が開示されている。また、特許文献２には、ガス拡散電極内における撥水材の量を、触媒層と接する側から他方の側に向かって減少させることで、ガス拡散電極内におけるフラッディングを防止することが可能な燃料電池に関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−２５１０８６号公報
【特許文献２】特開２００３−１０９６０４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、特許文献１に開示されている技術によれば、触媒表面にて生成された水蒸気はセパレータ側へと排出されるものの、冷却されているセパレータに触れることにより結露して液滴となった水が再び触媒表面へと還流することを防止できない。液滴の水が触媒表面へと還流して触媒表面が液滴の水で覆われると、フラッディング状態となり、燃料電池の発電効率が低下してしまうという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術でも、フラッディングの抑制効果は不十分であり、燃料電池の発電効率の低下を抑制し難いという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、触媒を有する単セルを備え、当該単セル内にて生じた液滴の水が触媒へと還流することを抑制する液滴還流抑制手段が、単セル内に備えられていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、単セルが、電解質膜及び当該電解質膜の両側に設けられる触媒層を備えるＭＥＡと、該ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、該拡散層の外側に設けられるセパレータとを備え、液滴還流抑制手段が、ＭＥＡとセパレータとの間に備えられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池において、液滴還流抑制手段が、拡散層とセパレータとの間に備えられ、セパレータの拡散層側の面に、反応ガス供給路が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池において、さらに、拡散層のセパレータ側の面であって、液滴還流抑制手段との当接面に反応ガス供給路が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、液滴還流抑制手段が、気液分離膜であることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池において、気液分離膜が、導電性を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、液滴の水が触媒表面へと還流することを抑制する液滴還流抑制手段が単セル内に備えられているので、触媒表面へと還流する液滴の水を低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、触媒表面におけるフラッディングを抑制することが可能になるため、発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、ＭＥＡとセパレータとの間に液滴還流抑制手段が備えられているので、冷却されているセパレータに触れて結露することにより液滴となった水のＭＥＡ内への還流を抑制することが可能になる。したがって、本発明によれば、ＭＥＡの触媒層におけるフラッディングを抑制することが可能になるため、発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータに反応ガス供給路が形成されているとともに、当該セパレータと拡散層との間に液滴還流抑制手段が備えられている。そのため、セパレータに触れて結露することにより液滴となった水が拡散層内へ還流することを効果的に抑制することが可能になるほか、セパレータに形成されている反応ガス供給路内を流れる反応ガスにより、上記液滴の水を単セル外へと排出することが容易になる。したがって、本発明によれば、触媒層及び拡散層におけるフラッディングを抑制することが可能になるため、発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池を容易に提供することが可能になる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、セパレータ及び拡散層に反応ガス供給路が形成されているとともに、セパレータと拡散層との間に液滴還流抑制手段が備えられている。かかる構成とすれば、液滴の水が増加して、セパレータに形成されている反応ガス供給路が液滴の水により満たされたとしても、拡散層とセパレータとの間に液滴還流抑制手段が備えられているので、拡散層に形成されている反応ガス供給路が液滴の水により満たされることはない。そのため、液滴の水が増加した場合であっても、反応ガス供給路の完全閉塞を防止することが可能になる。したがって、本発明によれば、触媒層及び拡散層におけるフラッディングを抑制することが可能になるほか、供給される反応ガスの流路を確保することができるため、発電効率の低下を一層抑制することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、液滴還流抑制手段が気液分離膜であるため、発電効率の低下を一層抑制することが可能な燃料電池を、簡易な構成にて提供することが可能になる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、気液分離膜が導電性を有しているので、優れた導電性を有する単セルとすることが可能になる。したがって、本発明によれば、発電効率の低下をより一層抑制することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、本発明の理解を容易にするため、従来の燃料電池と本発明の燃料電池との差異を、図を用いて概説する。
図１は、従来の燃料電池、及び本発明の燃料電池におけるカソード側の一部を拡大して示す断面図である。なお、図１（ａ）は従来の燃料電池の一部を、図１（ｂ）は本発明の一実施形態にかかる燃料電池の一部を、それぞれ概略的に示しており、図１（ａ）、（ｂ）において、図の上下方向が拡散層の積層方向である。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、従来の燃料電池において、カソード側の触媒層６２にて生成された水蒸気は、冷却水流路６９、６９、…内を流れる冷却水により冷やされたセパレータ６６に接触すると、結露して液滴の水となる。ここに、カソード側の触媒層６２において生成された水蒸気が反応ガス供給路６７、６７、…内を流れる酸化ガス流量に対して少なければ、当該水蒸気は酸化ガスによってセル外へと持ち去られるが、発電電流密度の増加に伴い、生成される水蒸気の量が増加して酸化ガスの露点を超えると、液滴の水が拡散層６３及び触媒層６２へと還流するようになる。このようにして液滴の水が還流すると、拡散層６３及び触媒層６２が水浸しとなり、反応ガス供給路６７、６７、…から触媒層６２へのガス供給が阻害されて発電効率が著しく低下する状態（フラッディング状態）となる。
【００２１】
これに対し、図１（ｂ）に示す本発明の燃料電池では、拡散層６３とセパレータ６６との間に液滴還流抑制手段としての気液分離膜６５が備えられている。そのため、本発明の燃料電池において、セパレータ６６に接触することにより結露して液滴となった水は、気液分離膜６５によって拡散層６３及び触媒層６２への還流を阻害される。さらに、図１（ｂ）に示すように、本発明にかかる燃料電池を、拡散層６３にも反応ガス供給路６７’、６７’、…が形成された燃料電池とすることで、反応ガス供給路が液滴の水によって完全に閉塞されることを防止することが可能になる。このように、本発明では、発電効率の低下をより一層抑制し得る燃料電池としている。
【００２２】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の各実施形態について、具体的に説明する。
【００２３】
図２は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。第１実施形態にかかる単セル１０は、電解質膜１及び当該電解質膜１の両側に設けられる触媒層２ａ、２ｂを備えるＭＥＡ４と、ＭＥＡ４の両側に設けられる液滴還流抑制手段としての気液分離膜（以下において、単に「気液分離膜」と記述する。）５ａ、５ｂと、当該気液分離膜５ａ、５ｂの両側に設けられる拡散層３ａ、３ｂと、拡散層３ａ、３ｂの外側に設けられるフラットタイプのセパレータ６、６とを備えている。本実施形態にかかる拡散層３ａ、３ｂは、例えば発泡金属等に代表される多孔体により形成されており、図示されていないマニホールドを介して、反応ガスは、拡散層３ａ、３ｂへと供給されている。また、セパレータ６、６には、冷却水等の冷媒が供給されるべき冷媒供給路（以下において、「冷却水流路」と記述する。）９、９、…が形成されており、かかる冷却水流路９、９、…内に供給される冷却水により、単セル１０の温度は、７０〜９０℃程度に維持される。なお、図２において、図の左右方向が拡散層３ａ、３ｂの積層方向である。
【００２４】
図２に示す単セル１０において、アノード側の拡散層３ｂへと供給される燃料ガス（以下において、「水素」と記述する。）は、アノード側の気液分離膜５ｂを介してアノード側の触媒層２ｂへと供給され、当該触媒層２ｂの触媒上において、水素が水素イオンと電子とに分解される。そして、上記触媒層２ｂにて発生した水素イオンは、電解質膜１を通ってカソード側の触媒層２ａへと到達する。一方、カソード側の拡散層３ａへと供給される酸化ガス（以下において、「酸素」と記述することがある。）は、カソード側の気液分離膜５ａを介してカソード側の触媒層２ａへと供給され、当該触媒層２ａの触媒上において、水素イオン、酸素、及び電子が反応することにより水（水蒸気）が生成される。カソード側の触媒層２ａにて生成された水蒸気は、気液分離膜５ａを介して拡散層３ａへと移動し、少なくとも一部は、拡散層３ａへと供給される酸化ガスにより、セル１０の外へと持ち去られる。一方、例えば、燃料電池における発電電流密度の増加に伴い、生成される水蒸気の量が増加して酸化ガスの露点を超えると、拡散層３ａへと移動してきた水蒸気の少なくとも一部が、冷却されているセパレータ６に接触し、結露して液滴の水となる。かかる液滴の水が増加すると、酸化ガスにより持ち去られず拡散層３ａ内で滞留する液滴が増加して、拡散層３ａのみならず触媒層２ａまでもが水浸し（フラッディング）になりやすい。そこで、本実施例にかかる単セル１０では、拡散層３ａと触媒層２ａとの間に気液分離膜５ａを配置するほか、拡散層３ｂと触媒層２ｂとの間に気液分離膜５ｂを配置することで、触媒層２ａ、２ｂにおけるフラッディングを防止し、燃料電池の発電効率低下を抑制する。
【００２５】
本実施形態にかかる単セル１０の説明では、便宜上、カソード側の触媒層２ａと拡散層３ａとの間、及びアノード側の触媒層２ｂと拡散層３ｂとの間に、気液分離膜５ａ及び５ｂがそれぞれ配置されている態様について記述したが、本実施形態にかかる気液分離膜の配置態様は、当該態様に限定されるものではない。ここに、上述のように、単セル１０内において、水はカソード側の触媒層２ａにて生成される。そのため、触媒層におけるフラッディングの発生を防止し、燃料電池の発電効率の低下を効果的に抑制するという観点から、本実施形態にかかる気液分離膜は、少なくともカソード側の触媒層２ａと拡散層３ａとの間に設けられていることが好ましい。
【００２６】
図２に示す単セル１０の説明では、触媒層２ａ、２ｂと拡散層３ａ、３ｂとの間に気液分離膜５ａ、５ｂが配置される形態について記述したが、気液分離膜５ａ、５ｂが配置され得る部位は、ＭＥＡ４とセパレータ６、６との間であれば、当該形態に限定されるものではなく、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６との間に配置することもできる。ところが、図２に示す単セル１０において、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６との間の部位に気液分離膜５ａ、５ｂを配置すると、気液分離膜５ａ、５ｂとセパレータ６、６との間に挟まれる液滴の水は、拡散層３ａ、３ｂに供給される反応ガスにより持ち去られ難い。そのため、かかる部位に気液分離膜５ａ、５ｂを配置する場合には、例えば、拡散層３ａ、３ｂ側の、セパレータ６、６の面に、液滴排出用の溝等を別途形成することが好ましい。かかる形態とすることで、触媒層２ａ、２ｂ及び拡散層３ａ、３ｂにおけるフラッディングの発生を抑制し得る単セル１０とすることが可能になる。
【００２７】
図３は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。第２実施形態にかかる単セル２０は、ＭＥＡ４の両側に設けられる拡散層３ｃ、３ｄと、当該拡散層３ｃ、３ｄに形成されている反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、７ｄ、７ｄ、…の表面全体に設けられる気液分離膜５ａ、５ｂと、気液分離膜５ａ、５ｂの外側に設けられるフラットタイプのセパレータ６、６とを備えている。なお、図３において、図２と同じ構成を採る部位には、同じ符号を付し、その説明を省略する。図３において、図の左右方向が拡散層３ｃ、３ｄの積層方向である。
【００２８】
図３に示すように、第２実施形態にかかる単セル２０では、カソード側の拡散層３ｃ及びアノード側の拡散層３ｄに、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、及び７ｄ、７ｄ、…がそれぞれ形成されており、当該反応ガス供給路の表面に、気液分離膜５ａ、５ｂが配置されている。かかる構成とすることで、カソード側の触媒層２ａにて生成された水蒸気は、拡散層３ｃ及び気液分離膜５ａを介して反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…へと移動可能である反面、セパレータ６に接触することにより結露して液滴となった水は、気液分離膜５ａにより、上記供給路７ｃ、７ｃ、…から拡散層３ｃへの移動を阻害される。そのため、第２実施形態にかかる単セル２０によれば、拡散層３ｃ及び触媒層２ａにおけるフラッディングの発生を防止することが可能になるほか、アノード側にも気液分離膜５ｂが配置されているため、拡散層３ｄ及び触媒層２ｂにおけるフラッディングの発生をも防止することが可能になる。したがって、本実施形態によれば、発電効率の低下を抑制し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００２９】
本実施形態にかかる単セル２０の説明では、便宜上、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、及び７ｄ、７ｄ、…の表面に気液分離膜５ａ及び５ｂがそれぞれ配置されている態様について記述したが、本実施形態にかかる気液分離膜５ａ、５ｂは、ＭＥＡ４とセパレータ６、６との間に配置されていれば、上記配置態様に限定されるものではない。他の配置の具体例としては、触媒層２ａ、２ｂと拡散層３ｃ、３ｄとの間に気液分離膜５ａ、５ｂが配置される態様等を挙げることができる。
【００３０】
ここに、燃料電池内における電気化学反応は、触媒層内にて生じ、当該電気化学反応が効率良く生じるためには、十分な量の反応ガスが拡散層を介して触媒層へと供給される必要がある。そのため、電気化学反応の効率を向上させ、燃料電池の発電効率低下を抑制するという観点からは、拡散層におけるフラッディングの発生をも防止することが好ましい。したがって、第２実施形態にかかる単セル２０では、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、及び７ｄ、７ｄ、…の表面に気液分離膜５ａ及び５ｂを配置することで、触媒層２ａ、２ｂ及び拡散層３ｃ、３ｄにおけるフラッディングの発生を防止し得る燃料電池とすることが好ましい。また、当該箇所に気液分離膜５ａ及び５ｂを配置する場合、その配置態様は、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、及び７ｄ、７ｄ、…の表面全体に配置される態様に限定されるものではなく、反応ガス供給路としての凹部底面若しくは側面、又は当該凹部に隣接する凸部の表面の少なくとも一部以上に気液分離膜５ａ及び５ｂが配置されていれば良い。フラッディングの発生を効果的に防止するという観点からは、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、及び７ｄ、７ｄ、…の表面全体に気液分離膜５ａ及び５ｂを配置することが好ましい。さらに、本実施形態にかかる単セル２０の説明では、便宜上、カソード側及びアノード側に気液分離膜５ａ、５ｂが配置されている態様について記述したが、その配置態様は、当該態様に限定されるものではない。配置態様の他の具体例としては、カソード側の反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…の表面にのみ気液分離膜５ａが設けられている態様等を挙げることができる。
【００３１】
図４は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。第３実施形態にかかる単セル３０は、ＭＥＡ４の両側に設けられる拡散層３ｅ、３ｆと、当該拡散層３ｅ、３ｆの外側に設けられる気液分離膜５ａ、５ｂと、当該気液分離膜５ａ、５ｂの外側に設けられるセパレータ６’、６’とを備えている。そして、カソード側及びアノード側のセパレータ６’、６’には、拡散層３ｅ、３ｆ側の面に反応ガス供給路７ａ、７ａ、…、７ｂ、７ｂ、…が、その反対側の面に冷却水流路９、９、…がそれぞれ形成されている。なお、図４において、図２と同じ構成を採る部位には、同じ符号を付し、その説明を省略する。図４において、図の左右方向が拡散層３ｅ、３ｆの積層方向である。
【００３２】
図４に示すように、第３実施形態にかかる単セル３０では、セパレータ６’、６’に反応ガス供給路７ａ、７ａ、…及び７ｂ、７ｂ、…が形成されており、拡散層３ｅ、３ｆとセパレータ６’、６’との間に気液分離膜５ａ、５ｂが配置されている。かかる構成とすることで、カソード側の触媒層２ａにて生成された水蒸気は、拡散層３ｅ及び気液分離膜５ａを介して反応ガス供給路７ａ、７ａ、…へと移動可能である反面、セパレータ６’に接触することにより結露して液滴となった水は、気液分離膜５ａにより、上記供給路７ａ、７ａ、…から拡散層３ｅへの移動を阻害される。そして、上記供給路７ａ、７ａ、…内に留まった液滴の水は、当該供給路７ａ、７ａ、…内を流れる酸化ガスにより、セル外へと排出される。そのため、第３実施形態にかかる単セル３０によれば、拡散層３ｅ及び触媒層２ａにおけるフラッディングの発生を防止することが可能になるほか、アノード側にも気液分離膜５ｂが配置されているため、拡散層３ｆ及び触媒層２ｂにおけるフラッディングの発生をも防止することが可能になる。したがって、本実施形態によれば、発電効率の低下を抑制し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００３３】
便宜上、第３実施形態にかかる単セル３０の説明では、拡散層３ｅ、３ｆとセパレータ６’、６’との間に気液分離膜５ａ、５ｂが配置されている態様について記述したが、本実施形態にかかる単セル３０においても、第２実施形態にかかる単セル２０の場合と同様に、気液分離膜の配置態様は適宜選択することができる。単セル３０にかかる気液分離膜の他の配置態様例としては、触媒層２ａ、２ｂと拡散層３ｅ、３ｆとの間に配置される態様、あるいはカソード側の拡散層３ｅとセパレータ６’との間にのみ配置される態様等を挙げることができる。
【００３４】
図５は、第４実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。第４実施形態にかかる単セル４０は、ＭＥＡ４の両側に設けられる拡散層３ｃ、３ｄと、当該拡散層３ｃ、３ｄの外側に設けられるセパレータ６’、６’とを備え、拡散層３ｃ、３ｄと、セパレータ６’、６’との間に、気液分離膜５ａ、５ｂが配置されている。そして、第４実施形態にかかる拡散層３ｃ、３ｄ及びセパレータ６’、６’には、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、７ｄ、７ｄ、…及び７ａ、７ａ、…、７ｂ、７ｂ、…が形成されている。図５において、図２と同じ構成を採る部位には、同じ符号を付し、その説明を省略する。図５において、図の左右方向が拡散層３ｃ、３ｄの積層方向である。
【００３５】
図５に示すように、第４実施形態にかかる単セル４０では、拡散層３ｃ、３ｄ及びセパレータ６’、６’に、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…、７ｄ、７ｄ、…及び７ａ、７ａ、…、７ｂ、７ｂ、…が形成されており、気液分離膜５ａ及び５ｂは、当該拡散層３ｃ、３ｄ及びセパレータ６’、６’の間に配置されている。かかる構成とすることで、気液分離膜５ａ、５ｂの両側（拡散層側及びセパレータ側）に反応ガス供給路が形成されている形態とすることができる。すなわち、例えば、カソード側のセパレータ６’に形成されている反応ガス供給路７ａ、７ａ、…が、当該供給路７ａ、７ａ、…内に留まった液滴の水によって塞がれたとしても、本実施形態にかかる単セル４０ではカソード側の拡散層３ｃにも反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…が形成されているので、反応ガスは、当該供給路７ｃ、７ｃ、…内を流れることができる。そのため、第４実施形態にかかる単セル４０によれば、反応ガス供給路の完全閉塞を防止することが可能になり、触媒層２ａ、２ｂへの反応ガスの供給を維持することが可能になる。ここに、第４実施形態にかかる単セル４０は、上記第３実施形態にかかる単セル３０と同様に、気液分離膜５ａ、５ｂの内側に配置されているＭＥＡ４及び拡散層３ｃ、３ｄにおけるフラッディングの発生を防止することが可能である。したがって、第４実施形態にかかる単セル４０によれば、発電効率の低下を一層抑制し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００３６】
なお、第４実施形態にかかる単セル４０の説明では、便宜上、拡散層３ｃ、３ｄとセパレータ６’、６’との間に気液分離膜５ａ、５ｂが配置されている態様について記述したが、本実施形態にかかる単セル４０においても、第２実施形態にかかる単セル２０等の場合と同様に、気液分離膜の配置態様は適宜選択することができる。単セル４０にかかる気液分離膜の他の配置態様例としては、触媒層２ａ、２ｂと拡散層３ｃ、３ｄとの間に配置される態様、あるいはカソード側の拡散層３ｃとセパレータ６’との間にのみ配置される態様等を挙げることができる。
【００３７】
図６（ａ）〜（ｆ）は、本発明の燃料電池において拡散層及び／又はセパレータに形成される反応ガス供給路の形態例、並びに拡散層とセパレータとの間に配置される気液分離膜の形態例を概略的に示す断面図であり、拡散層、気液分離膜、及びセパレータの一部を拡大して示している。図６（ａ）、（ｂ）は、拡散層３ｃ（３ｄ）にのみ反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…（７ｄ、７ｄ、…）が形成される形態を、図６（ｃ）、（ｄ）は、セパレータ６’にのみ反応ガス供給路７ａ、７ａ、…（７ｂ、７ｂ、…）が形成される形態を、それぞれ示している。一方、図６（ｅ）、（ｆ）は、拡散層３ｃ（３ｄ）及びセパレータ６’に、反応ガス供給路７ｃ、７ｃ、…（７ｄ、７ｄ、…）及び７ａ、７ａ、…（７ｂ、７ｂ、…）が形成される形態を示している。なお、図６（ａ）〜（ｆ）において、図の上下方向が、拡散層３ｃ（３ｄ）、３ｅ（３ｆ）の積層方向である。
本発明にかかる燃料電池において、気液分離膜５ａ（５ｂ）は、当該気液分離膜５ａ（５ｂ）を備える単セルから電気エネルギーを取り出すことができ、かつ、燃料電池内の温度（ＰＥＦＣの場合は７０〜９０℃程度）に耐えられるものであれば、その態様は特に限定されるものではない。
【００３８】
拡散層３ｃ（３ｄ）、３ｅ（３ｆ）とセパレータ６、６’との当接部位を介して、電子が移動可能である場合（図６（ｂ）、（ｄ）、（ｆ））、気液分離膜５ａ（５ｂ）は必ずしも導電性を有する必要はないが、セパレータ６、６’と拡散層３ｃ（３ｄ）、３ｅ（３ｆ）との間の導電性を高めることで発電効率低下の抑制を容易にするという観点からは、導電性を有する気液分離膜５ａ（５ｂ）であることが好ましい。これに対し、拡散層３ｃ（３ｄ）、３ｅ（３ｆ）とセパレータ６、６’との当接部位がなく、拡散層３ｃ（３ｄ）、３ｅ（３ｆ）とセパレータ６、６’との間を電子が移動するためには、電子を移動させ得る気液分離膜５ａ（５ｂ）であることを要する場合（図６（ａ）、（ｃ）、（ｅ））、気液分離膜５ａ（５ｂ）は導電性を有している必要がある。なお、上述した第１実施形態にかかる単セル１０のように、触媒層２ａ、２ｂと拡散層３ａ、３ｂとの間に気液分離膜５ａ、５ｂが配置される場合にも、当該気液分離膜５ａ、５ｂは導電性を有している必要がある。
【００３９】
本発明の燃料電池に備えられる気液分離膜５ａ、５ｂが、導電性を有する場合、当該気液分離膜５ａ、５ｂを構成すべき物質は特に限定されるものではない。導電性を有する気液分離膜の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（以下において、「ＰＴＦＥ」と記述する。）等に代表されるフッ素系の樹脂にカーボン粉を混入・混錬してフィルム状に形成したカーボン分散ＰＴＦＥフィルム等を挙げることができる。直径１μｍ前後の無数の微細孔を有する、ＧＯＲＥＴＥＸ等（「ＧＯＲＥＴＥＸ」は、ＧＯＲＥ社の登録商標）に代表されるＰＴＦＥは、ガス・水蒸気透過性及び液滴不透過性を有するため、かかるＰＴＦＥにカーボン粉を混入・混錬してフィルム状に形成することで、ガス・水蒸気透過性及び液滴不透過性と導電性とを併せ持つカーボン分散ＰＴＦＥフィルムとすることが可能になる。また、上記カーボン分散ＰＴＦＥフィルムは、撥水性をも有するため、反応ガス供給路と気液分離膜とにより囲まれる空間に存在する膜状の液水は、反応ガス供給路内に供給されるガスにより吹き飛ばされやすい。したがって、気液分離膜としてカーボン分散ＰＴＦＥフィルムを使用することで、液体の水を単セル外へと容易に排出することが可能な燃料電池を提供することも可能になる。
【００４０】
なお、本発明にかかる燃料電池において、電解質膜、触媒層、拡散層、及びセパレータを構成すべき材料は特に限定されるものではなく、例えば、固体高分子型燃料電池において好適に使用され得る材料により、本発明にかかる電解質膜、触媒層、拡散層、及びセパレータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の燃料電池及び本発明の燃料電池におけるカソード側の一部を拡大して示す断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。
【図３】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。
【図４】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。
【図５】第４実施形態にかかる本発明の燃料電池を構成すべき単セルの態様例を概略的に示す断面図である。
【図６】反応ガス供給路及び気液分離膜の形態例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  電解質膜
２ａ、２ｂ、６２  触媒層
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、６３  拡散層
４  ＭＥＡ
５ａ、５ｂ、６５  液滴還流抑制手段（気液分離膜）
６、６’、６６  セパレータ
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、６７、６７’  反応ガス供給路
１０、２０、３０、４０  単セル
【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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