(57)【要約】【課題】  酸化剤上流側における酸化剤極触媒層の乾燥及び酸化剤下流側における反応ガスの拡散性の低下を防止することができる、燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極及び他方の面に設けられた燃料極と、前記酸化剤極に供給される酸化剤又は前記燃料極に供給される燃料の流路とを備え、少なくとも前記酸化剤極が、前記電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池であって、少なくとも前記酸化剤極は、一方の端部が酸化剤上流側の触媒層に接するように且つ他方の端部が酸化剤下流側の触媒層に接するように配置されてなり、両端部の外部との水分の交換量が該両端部に挟まれた中間部よりも多い導水部を具備することを特徴とする燃料電池。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極及び他方の面に設けられた燃料極と、前記酸化剤極に供給される酸化剤又は前記燃料極に供給される燃料の流路とを備え、少なくとも前記酸化剤極が、前記電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池であって、
少なくとも前記酸化剤極は、一方の端部が酸化剤上流側の触媒層に接するように且つ他方の端部が酸化剤下流側の触媒層に接するように配置されてなり、両端部の外部との水分の交換量が該両端部に挟まれた中間部よりも多い導水部を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記導水部は、親水性材料の一端と他端とに挟まれた中間部の少なくとも一部が撥水剤で被覆されたものからなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池は、前記電解質膜と前記燃料極と前記酸化剤極からなる膜・電極接合体及び当該膜・電極接合体を挟持するセパレータを供える平板型セルスタックを有し、該セルスタック内において、前記導水部の中間部が、前記触媒層、前記ガス拡散層、前記セパレータ及び前記電解質膜の少なくとも１つに配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記導水部の中間部が触媒層と接するように配置されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
【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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示すものである。燃料電池は、通常、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟持した基本構造を有する単セルを複数積層して構成されており、中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。固体高分子電解質型燃料電池において、各電極は、通常、電解質膜側から順に、下記（１）式又は（２）式の反応の場となる触媒層、触媒層への反応ガス（燃料、酸化剤）の拡散性を向上させるためのガス拡散層が積層した構造を有している。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、燃料極（アノード）では（１）式の反応が進行する。
Ｈ2  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    ・・・（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極（カソード）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側に移動する。
【０００４】
一方、酸素を酸化剤とした場合、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。
２Ｈ＋  ＋  （１／２）Ｏ2  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
このとき、（２）式の反応に寄与するプロトンは、水と水和した状態で、電解質膜から酸化剤極の触媒層内の触媒表面へと移動するため、触媒層は高い湿潤状態に保たれている必要がある。
【０００５】
酸化剤極に供給される酸化剤ガスは、ガス流路内を流通する際に（２）式により生成した水の気化や電解質膜等から奪う水分によって次第に加湿され、上流側から下流側へと進むにつれて湿度が高くなる。その結果、酸化剤極の酸化剤ガス下流側の領域は、高湿度状態となる。高湿度環境における触媒層では、プロトンの移動は速やかに行われるが、水滴となった水分により酸化剤ガスの拡散性が低下してしまう場合がある。
【０００６】
一方、酸化剤ガスは燃料ガスと比べて低加湿状態で供給されることが多く、また、酸化剤ガスとして一般的に用いられている空気には窒素等の酸素以外の成分が含まれていることから燃料ガスよりも流量が大きい。従って、流量の大きな低加湿ガスの流入により、酸化剤極の酸化剤ガス上流側の領域は、低湿度環境となる。低湿度環境における触媒層では、プロトン伝導性が低下してしまう。しかしながら、酸化剤ガス上流側の領域は、供給される酸化剤ガス中の酸素濃度が高いため、湿度を高くすることによってプロトン伝導性を高めれば、（２）式の反応が進行しやすい環境である。
【０００７】
このように、酸化剤極の面内環境は、酸化剤ガスの上流側と下流側とで大きく異なり、面内全体の環境を最適化することが難しいため、燃料電池の発電効率が低下してしまう。特に、自動車用燃料電池等の電極面積が大きな燃料電池において、反応ガス流路は電極面積に伴って長くなり、酸化剤ガスの上流側と下流側との環境の差が大きくなるため、発電効率の低下の度合いも大きくなる。従って、酸化剤ガスの上流側と下流側における面内環境の差を小さくし、発電効率を高めることが求められる。
【０００８】
このような問題を解決するための技術として、例えば、特許文献１には、ガス流路が反応ガスの上流の部分と下流の部分とが少なくとも一部において互いに隣り合う隣接部を有し、前記隣接部における流路の壁が反応ガスの透過性を有するセパレータが提案されている。この技術は、反応ガス流路の壁を反応ガスの透過性を有するものとすることによって、反応ガスの濃度が高い上流側流路から反応ガスの濃度が低い下流側流路へと反応ガスを拡散させ、ガス拡散層に供給される反応ガスの濃度を均一化するものである。さらに、反応ガス流路の前記壁を流路の上流と下流とを結ぶ毛細管を有する構成とすることによって、下流側の反応ガス中の水分を上流側へと移動させ上流側の反応ガスを加湿するものである。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１０９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、下流側のガス流路と上流側のガス流路との間で水分の交換を行うものであり、下流側の酸化剤ガスから毛細管により水分を捕捉する効率が低いため、上流側の酸化剤ガスを充分に加湿することができない。そのため、触媒層の酸化剤ガス上流側における乾燥を抑制することは難しい。
【００１１】
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、酸化剤上流側における酸化剤極触媒層の乾燥及び酸化剤下流側における反応ガスの拡散性の低下を防止す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】
【００１２】
本発明の燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極及び他方の面に設けられた燃料極と、前記酸化剤極に供給される酸化剤又は前記燃料極に供給される燃料の流路とを備え、少なくとも前記酸化剤極が、前記電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池であって、少なくとも前記酸化剤極は、一方の端部が酸化剤上流側の触媒層に接するように且つ他方の端部が酸化剤下流側の触媒層に接するように配置されてなり、両端部の外部との水分の交換量が該両端部に挟まれた中間部よりも多い導水部を具備することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明によれば、導水部によって水分濃度が高い酸化剤下流側の触媒層から水分を吸収することができるため、酸化剤下流側の触媒層におけるフラッディングを抑制することができる。しかも、導水部に吸収された水分は、乾燥しやすい酸化剤上流側の触媒層に配置された導水部の一端から放出されるため、酸化剤上流側の触媒層における乾燥を抑制することができる。
【００１４】
前記導水部を構成する部材としては、例えば、親水性材料の一端と他端とに挟まれた中間部の少なくとも一部が撥水剤で被覆されたものを用いることができる。
前記燃料電池は、前記電解質膜と前記燃料極と前記酸化剤極からなる膜・電極接合体及び当該膜・電極接合体を挟持するセパレータを供える平板型セルスタックを有している場合、該セルスタック内において、前記導水部の中間部が、前記触媒層、前記ガス拡散層、前記セパレータ及び前記電解質膜のいずれに配置されていてもよい。製造容易な点からは、前記導水部の中間部が触媒層と接するように配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池は、酸化剤極触媒層の酸化剤下流側における余剰水を、当該触媒層の乾燥領域である酸化剤上流側に効率良く移動させることが可能である。すなわち、酸化剤下流側におけるフラッディングの発生を抑制し、ガス拡散性を向上させることができる。これと同時に、酸化剤上流側における乾燥を抑制し、プロトン伝導性向上させることができる。従って、本発明によれば、高い発電性能を有する燃料電池を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明により提供される燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極及び他方の面に設けられた燃料極と、前記酸化剤極に供給される酸化剤又は前記燃料極に供給される燃料の流路とを備え、少なくとも前記酸化剤極が、前記電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを有する燃料電池であって、少なくとも前記酸化剤極は、一方の端部が酸化剤上流側の触媒層に接するように且つ他方の端部が酸化剤下流側の触媒層に接するように配置されてなり、両端部の外部との水分の交換量が該両端部に挟まれた中間部よりも多い導水部を具備することを特徴とするものである。
【００１７】
図１、図２を用いて、本発明を適用した固体高分子電解質型燃料電池の構成例について説明する。図１は本発明を適用した燃料電池の平板型セルスタックの断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図であって、触媒層の面方向における断面図である。
尚、ここでは、固体高分子型燃料電池の構成例について説明するが、本発明の燃料電池は固体高分子型燃料電池に限定されるものではない。また、ここでは、酸化剤及び燃料共にガス（酸化剤ガス、燃料ガス）を用いた場合を中心に説明するが、メタノール溶液等の液体燃料、空気等のガス状の酸化剤を用いる直接メタノール型燃料電池においても、本発明を適用することが可能である。また、その他燃料電池構造も本実施例に限定されるものではない。
【００１８】
図１において、プロトン伝導性固体高分子電解質膜１の一面側には酸化剤極４ａの触媒層２ａ、もう一面側には燃料極４ｂの触媒層２ｂが設けられている。さらに触媒層２ａ、２ｂの外面には、ガス拡散層３ａ、３ｂが形成されている。この例では、一対の電極４（酸化剤極４ａ、燃料極４ｂ）は共に触媒層２及びガス拡散層３から構成されている。また、各電極４の外側には、電解質膜１とその両面に形成された一対の電極４から構成される膜−電極接合体の各電極に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給し、且つ電気化学反応による生成水や余剰のガスが排出されるガス流路５を画成するセパレータ６が設けられている。
酸化剤極４ａには、図２に示すように、一方の端部７Ａが酸化剤（酸化剤ガス）上流側の触媒層２ａに接するように且つ他方の端部７Ｂが酸化剤（酸化剤ガス）下流側の触媒層２ａに接するように配置されてなり、両端部の外部との水分の交換量が該両端部に挟まれた中間部７Ｃよりも多い導水部７が設けられている。
【００１９】
導水部７は、両端部の外部との水分交換量が中間部と比べて多いものであり、両端部においては、水分濃度の高い周囲環境から水分を吸収し且つ吸収した水分を水分濃度の低い周囲環境へ放出することができる。一方、中間部においては、外部との水分交換を実質的に行わないか、非常に限定的に行うだけである。
従って、導水部７の一端側が接する環境と他端側が接する環境に水分濃度差がある場合、導水部７は一端側で水分濃度の高い周囲環境から水分を吸収し、両端が接する周囲環境の水分分布差に従って、吸収した水分を中間部では外部へと放出することなく他端側に向かって移動させ、他端側に到達した水分を水分濃度の低い周囲環境へ放出することができる。
【００２０】
酸化剤上流側が低湿度環境、酸化剤下流側が高湿度環境となる燃料電池において、このような導水部７を、その一端７Ａが酸化剤上流側の触媒層２ａに接するように且つ他端７Ｂが酸化剤下流側の触媒層２ａに接するように配置することによって、触媒層２ａのうち水分濃度が高い酸化剤下流側領域からは、水分が導水部７の端７Ｂ側から吸収される。その結果、余剰の水分で触媒層２ａの酸化剤下流側が水浸しになるいわゆるフラッディングを防止し、触媒層２ａにおける酸化剤ガスの拡散性を向上させることができる。
【００２１】
そして、端７Ｂ側から導水部７に吸収された水分は、導水部７の両端部７Ａ、７Ｂが接する周囲環境の水分分布差に従って導水部７内を移動し、触媒層２ａのうち水分濃度が低い酸化剤上流側領域において一端７Ａから導水部７外へと放出される。導水部７の中間部７Ｃは、上述したように両端７Ａ、７Ｂ側と比べて外部との水分交換量が少なく、外部との水分交換を実質的に行わないか、非常に限定的に行うだけである。従って、導水部７の他端７Ｂから吸収された水分のほとんどが、一端７Ａより放出されることとなり、効率良く重点的に酸化剤上流側の領域が湿潤される。その結果、この領域におけるプロトン伝導性が飛躍的に向上する。
【００２２】
酸化剤上流側触媒層は、供給される酸化剤ガス中の酸素濃度が高い領域である。すなわち、酸化剤上流側触媒層のプロトン伝導性を向上することにより、上記（２）式の反応が顕著に促進されることになる。従って、酸化剤上流側触媒層の乾燥を改善し、この領域におけるプロトン伝導性を飛躍的に向上させることが可能な本発明によれば、燃料電池の発電効率を著しく向上することができる。
また、触媒層の乾燥は、隣接する電解質膜の湿潤状態にも影響し、電解質膜の湿潤状態を低下させてしまう場合があるので、触媒層の乾燥を防止することは電解質膜の乾燥を防止することにもつながり、電解質膜の乾燥による電池性能の低下を抑制することができる。
【００２３】
尚、導水部７は、燃料電池の運転状況や運転条件等によっては、酸化剤上流側が低湿度環境、酸化剤下流側が高湿度環境である場合であっても、常に、端部７Ｂで酸化剤下流側から水分を吸収し、端部７Ａで酸化剤上流側で水分を放出するとは限らず、一時的に両端部７Ａ、７Ｂから水を吸収したり、或いは、両端部７Ａ、７Ｂから水を放出する場合もある。
【００２４】
導水部７を構成する部材は、上述したような性質を有していれば特に限定されず、例えば、親水性材料の一端と他端とに挟まれた中間部の少なくとも一部を撥水剤で被覆し、両端は親水性材料を露出させたものを用いることができる。ここで、親水性材料とは、水との接触角が１００°以下のものである。親水性材料の水との接触角は、親水性材料と同じ材料を用いて形成された平滑な表面を持つ試験体表面の水接触角と考えることができ、接触角計により測定することができる。尚、水の接触角は試験体に純水２μｌを滴下してから１秒後の値とする。親水性材料の具体例としては、酸化ジルコニウム（ＩＶ）（ジルコニア：ＺｒＯ2）多孔体、シリカ多孔体、金多孔体、チタン多孔体、白金多孔体、ジルコン多孔体、親水処理したカーボン多孔体、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリウレタン、フェノール樹脂等が挙げられる。ここで、親水処理したカーボンとは、表面部分の炭素にカルボキシ基や水酸基等の親水性官能基が結合したものであり、例えば、酸化処理やプラズマ処理等の表面処理を施した炭素繊維や炭素粒子を用いて形成されたものが挙げられる。
【００２５】
製造が容易であること、後述する撥水剤による外面の被覆等の処理が容易であること、多くの水を移動させることが可能であることから、親水性材料は親水性多孔体が好ましく、特に酸化ジルコニウム（ＩＶ）多孔体、シリカ多孔体、金多孔体、親水処理したカーボン多孔体が好ましい。
多孔体の空隙率は、１０〜９０％程度が好ましく、５０〜８０％程度がより好ましい。空隙率が１０％未満では、吸収される水分量が少ないため、フラッディング及び乾燥を防止する効果が小さくなってしまう。一方、空隙率が９０％より大きいと、多孔体の強度が弱く、多孔質を保てなくなるおそれがある。また、細孔の内径は０．０１〜１０μｍ程度であることが好ましい。
【００２６】
親水性材料の外面を被覆する撥水剤は、当該撥水剤で外面を被覆された部分から、親水性材料内に吸収された水分が放出されないようにすることができるものであれば特に限定されないが、水との接触角が１１０°以上であるものが好ましい。撥水剤の水との接触角は、撥水剤を用いて形成された平滑な表面を持つ試験体表面の水接触角と考えることができ、接触角計により測定することができる。尚、水の接触角は試験体に純水２μｌを滴下してから１秒後の値とする。具体的には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等が挙げられ、中でも、ＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂が好ましい。
【００２７】
撥水剤により親水性材料の中間部の外面を被覆する方法は特に限定されず、例えば、ＰＴＦＥを分散させた溶液を親水性多孔質体の中間部の外面に塗布、必要に応じて乾燥及び／又は焼成する方法が挙げられる。ここで撥水剤を塗布する方法としては、例えば、スプレー法、ドクターブレード法、ダイコート法、ディップ法等が挙げられる。
【００２８】
また、親水性材料として親水性多孔体を用いる場合には、中間部の孔部を目止めすることによって、外部との水分交換量が両端と比べて少ない中間部を形成することもできる。
導水部７を構成する部材は、上記親水性材料を撥水剤で被覆したもの以外にも、上記したような機能を有するものであれば特に限定されずに用いることができる。
【００２９】
導水部７の一端７Ａ、他端７Ｂ、中間部７Ｃ（端７Ａ及び７Ｂと比較して外部との水分交換量が少ない領域）の具体的な範囲は、他端７Ｂから酸化剤下流側におけるフラッディングを防止できる程度の適度な量の水分を吸収し、且つ、一端７Ａで酸化剤上流側における乾燥を緩和できる程度の充分量の水分を放出することができれば特に限定されず、導水部７を配置する燃料電池の水分分布状態、導水部７の形状や配置構成等を考慮して、適宜設定すればよい。例えば、導水部７が図２に示すような細長い形状である場合、その長手方向の長さに対する中間部の長さは４０〜６０％程度であることが好ましく、水を吸収・放出するする一端７Ａ及び７Ｂの長さは、それぞれ１０〜３０％程度であることが好ましい。このとき、撥水剤で被覆された親水性材料を導水部を構成する部材として用いる場合には、親水性材料の長手方向の長さに対する中間部の長さが４０〜６０％程度となるように、且つ、水を吸収・放出する一端７Ａ、７Ｂの長さがそれぞれ１０〜３０％程度となるように、撥水剤で親水性材料を被覆すればよい。
また、導水部７は、その両端面において水を吸収・放出し、側面全体が中間部であるような構造を有するものであってもよい。
【００３０】
導水部７の中間部７Ｃは、外部との水分交換を実質的に行わない方が、酸化剤下流側に配置された端７Ｂから吸収した水分を酸化剤上流側に配置された端７Ａへと効率的に移動させることができる。しかしながら、導水部７の中間部７Ｃが配置された外部環境における水分濃度を調整、或いは、端７Ａへ移動させる水分量を調節（増加又は減少）するために、中間部７Ｃの少なくとも一部に外部との水分交換量が周囲と比べて大きい、典型的には両端７Ａ、７Ｂと同等の領域を設けてもよい。例えば、親水性材料を撥水剤で被覆したものを導水部として用いる場合には、両端７Ａ及び７Ｂに挟まれた中間部の少なくとも一箇所以上に、撥水剤を被覆せずに親水性材料が露出した露出部を設けてもよい。
【００３１】
導水部の形状は、特に限定されず、例えば、ロッド状（図４Ａ）でも、チューブ状（図４Ｂ）でもよい。通常、触媒層中の触媒量やガス拡散性等を考慮して、０．１〜１０μｍ程度の直径を有するものを複数配置することが好ましい。
【００３２】
本発明において、導水部の一端７Ａ及び他端７Ｂが触媒層に接するように配置されているとは、導水部の少なくとも一端７Ａ及び他端７Ｂが触媒層内部に配置されている状態の他、触媒層−ガス拡散層界面に配置、或いは、触媒層−電解質膜界面に配置されている状態を含む。ここで、一端及び他端が触媒層内部に配置されているとは、一端及び他端が触媒層内に埋まっている状態であり、一端及び他端が触媒層−ガス拡散層界面又は触媒層−電解質膜界面に配置されているとは、一端及び他端が触媒層とガス拡散層に跨って配置されている状態或いは触媒層と電解質膜に跨って配置されている状態である。
効率良く水分を吸収するという観点から、酸化剤下流側に配置され主に水を吸収する他端７Ｂは、触媒層内部又は触媒層−ガス拡散層界面に配置されることが好ましく、特に触媒層内部に配置されることが好ましい。一方、乾燥している電解質膜を湿潤させるという観点から、酸化剤上流側に配置され主に水を放出する一端７Ａは、触媒層−電解質膜界面に配置されることが好ましい。
【００３３】
また、酸化剤上流側とは、酸化剤の単セルにおける入口部（以下、単に酸化剤入口部という）から、酸化剤流路の流路長５０％未満の部分とし、酸化剤下流側とは、酸化剤入口部から酸化剤流路長５０％以上の部分から、酸化剤の単セルにおける出口部（以下、酸化剤出口部）までの領域とする。
酸化剤上流側の乾燥を効果的に抑制するためには、導水部７は、酸化剤入口部により近い位置に一端７Ａが配置されていることが好ましい。また、酸化剤下流側のフラッディングを効果的に抑制するためには、導水部７は、酸化剤出口部により近い位置に他端７Ｂが配置されていることが好ましい。
【００３４】
また、導水部７は、その一端７Ａが酸化剤上流側の領域、他端７Ｂが酸化剤下流側の領域に配置されていれば、一端７Ａ及び他端７Ｂに挟まれた中間部７Ｃは、どのように配置されていてもよい。中間部７Ｃは、例えば、図２のように、酸化剤上流側の領域に配置された一端７Ａ、酸化剤下流側の領域に配置された他端７Ｂを結ぶ直線状であってもよいし、図３のように途中で折れ曲がっていてもよいし、或いは蛇行していてもよい。
【００３５】
固体高分子電解質型燃料電池では、排水性を高めるために単セルを垂直に立て、水平方向に積層して構成するのが一般的である。このような構造を有する燃料電池においては、燃料電池の重力方向下部側へ生成水等の水分が自重により移動することによって、重力方向下部では部分的に水分過剰な状態となったり、重力方向上部が乾燥しやすくなることがある。従って、単セルを垂直に立てて積層した燃料電池においては、導水部７を図３のような配置構成とすることによって、酸化剤下流側領域の酸化剤出口部付近の他、重力方向下部側に溜まった水分も吸収することが可能であり、十分量の水分を効率良く乾燥領域へと移動することができる。
【００３６】
また、導水部７の中間部７Ｃは必ずしも触媒層２ａと接している必要がないため、触媒層以外の部分に配置されていてもよい。すなわち、触媒層２ａの他、ガス拡散層３ａ、電解質膜１、セパレータ６等に導水部７の中間部７Ｃが配置されていてもよい。例えば、図６のように、一端７Ａ及び他端７Ｂは触媒層２ａ内部に、中間部７Ｃは電解質膜１の内部に配置されていてもよいし、図７のように、一端７Ａ及び他端７Ｂは触媒層２ａ内部、中間部７Ｃはガス拡散層３ａ及びセパレータ６にまたがって配置されていてもよい。
製造の容易性、水移動距離の最短化等の観点から撥水剤で被覆されている中間部７Ｃは、図２、図３のように触媒層に接するように配置されていることが好ましい。
【００３７】
また、酸化剤流路の構成が、例えば、直線状であっても、或いはサーペンタイン状であっても、図５Ａ及び図５Ｂのように酸化剤上流側に導水部７の一端及び下流側に他端が配置されていれば、本発明による効果は得られるので、酸化剤流路の構成に特に限定はない。
【００３８】
以下、図２に示す構成の本発明の燃料電池について、製造方法を説明する。
図２のように導水部を配置した触媒層を形成する方法としては、特に限定されず、例えば、ガス拡散層シートに後述するような触媒ペーストを塗布し、触媒ペースト乾燥前又は乾燥後に、触媒ペースト上に導水部を構成する部材を配置し、必要に応じて触媒ペーストを乾燥する方法や、ガス拡散層シート表面に導水部を配置し、当該導水部を構成する部材が配置されたガス拡散層シート表面に触媒ペースト塗布、乾燥する方法が挙げられる。或いは、ガス拡散層シートに触媒ペーストを塗布し、触媒ペースト乾燥前又は乾燥後、触媒ペースト上に導水部を構成する部材を配置し、さらにこの上から触媒ペーストを塗布、乾燥する方法が挙げられる。このようにして導水部が配置されたガス拡散層−触媒層接合体が得られる。
【００３９】
ガス拡散層シートは、ガスの拡散に必要な細孔（空隙）、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体を用いて形成することができる。導電性多孔質体の厚みは、１００〜４００μｍ程度であることが好ましい。
【００４０】
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層２に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層２及び電解質膜１内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層３の排水性を高めることができる上に、触媒層２とガス拡散層３間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
【００４１】
撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層ペーストを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層２に面する側に塗布し、その後、乾燥及び／又は焼成すればよい。
このとき撥水層ペーストは、導電性多孔質体の内部に含浸してもよい。また、撥水層の形状は特に限定されず、例えば、導電性多孔質層の触媒層側の面全体を覆うような形状でもよいし、格子状等の所定パターンを有する形状でもよい。撥水層ペーストを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。撥水層の厚み（導電性多孔質体に含浸した部分を除く、導電性多孔質体表面からの厚み）は、通常、５〜３０μｍ程度とすることが好ましい。
【００４２】
触媒層２には、通常、イオン伝導性材料、触媒材料が含有される。触媒材料としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。触媒成分としては、燃料極における水素の酸化反応、酸化剤極における酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、又は、ルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金等が挙げられる。
【００４３】
イオン伝導性材料としては、電解質膜として用いられる材料の中から、適宜選択することができ、具体的には、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーに代表されるフッ素系ポリマーやスルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のイオン伝導性基を側鎖に有する炭化水素系ポリマー等の固体高分子電解質が挙げられる。
【００４４】
触媒ペーストは、上記イオン伝導性材料及び触媒材料、さらに必要に応じて撥水性高分子や結着剤等その他の材料を溶媒に混合・分散させることにより得られる。溶媒としては、エタノール、メタノール、プロパノール、プロピレングリコール等のアルコール類と水の混合物等を用いることができるが、これらに限定されない。
【００４５】
ガス拡散層シート上に触媒ペーストを塗布する方法は特に限定されず、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。
尚、ガス拡散層シート上に触媒ペーストを直接塗布する代わりに、触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン等の基材上に塗布・乾燥して形成した触媒層シートをガス拡散シートに転写してもよい。このとき、導水部は触媒層シート内に備えられていてもよいし、或いは、ガス拡散層シート又は触媒層シート表面に導水部を構成する部材を配置した状態でガス拡散層シートに触媒層シートを転写してもよい。触媒層の膜厚は、特に限定されないが、５〜５０μｍ程度とすればよい。
【００４６】
一方、導水部を配置していないガス拡散層−触媒層接合体も準備する。導水部を配置してないガス拡散層−触媒層接合体は、例えば、ガス拡散層シートに触媒ペーストを塗布・乾燥することによって、或いは、ガス拡散層シートにポリテトラフルオロエチレン等の基材上に形成した触媒層シートを転写することによって形成することができる。
上記導水部を配置したガス拡散層−触媒層接合体及び導水部を配置していないガス拡散層−触媒層接合体は、それぞれガス拡散層と電解質膜で触媒層を挟みこむように重ねあわせた状態で、ホットプレス等により接合されて膜−電極接合体を形成する。
【００４７】
電解質膜としては特に限定されず、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマーに代表されるフッ素系ポリマーやスルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基等のイオン伝導性基を側鎖に有する炭化水素系ポリマー等の固体高分子電解質膜が挙げられる。電解質膜の膜厚は、特に限定されず、１５〜６０μｍ程度とすればよい。
【００４８】
上記のようにして得られた膜−電極接合体は、一般的な方法によりセパレータで挟持することによって燃料電池セルとし、燃料電池セルを複数積層することによって燃料電池が得られる。
尚、膜−電極接合体の製造方法は、上記した方法に限定されず、例えば、電解質膜の両面に触媒ペーストを塗布し、一方の面のみ触媒ペーストが乾燥する前又は乾燥した後に導水部を配置したものを、２枚のガス拡散層シートで挟みこむように重ね合わせて接合し、膜−電極接合体を形成することもできる。
【００４９】
本発明によれば、酸化剤極の触媒層の面内水分分布を平均化することが可能であり、酸化剤極におけるフラッディング及び触媒層の乾燥を同時に防止することができるため、触媒層のガス拡散性及びプロトン伝導性に優れた、発電性能の高い燃料電池を提供することが可能である。
尚、ここでは、面内の湿潤状態が酸化剤上流側と下流側とで大きく異なる傾向の強い酸化剤極においてのみ、触媒層に導水部を配置した実施形態を説明したが、燃料極の触媒層にも上記したような導水部を配置してよい。燃料極の触媒層は、燃料ガスの上流側と下流側との湿潤状態が酸化剤極ほど大きく異ならないが、酸化剤極同様、燃料上流側において乾燥しやすく、下流側において高湿潤状態になりやすい傾向がある。従って、導水部を一端が燃料上流側の触媒層に接するように且つ他端が燃料下流側の触媒層に接するように配置することによって、燃料極の触媒層の面内水分分布を均一化することが可能であり、その結果、燃料電池の発電効率のさらなる向上が期待できる。
【実施例】
【００５０】
［燃料電池セルの作製］
（実施例）
【００５１】
直径１０μｍ、長さ５０ｃｍのロッド状シリカ多孔体に、その両端部と当該両端部から１５ｃｍの外面を除いてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョン溶液を塗布し（図４Ｃ参照）、続いて、乾燥（２５℃、６０分）、焼成（３５０℃、６０分）した。
【００５２】
次に、カーボンブラック、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョン溶液、水、プロピレングリコールを混合したペーストを、カーボンペーパーにスクリーン印刷により塗布した。その後、このカーボンペーパーを乾燥（２５℃、１２０分）、焼成（３５０℃、６０分）し、ガス拡散層シート（２枚）を得た。
【００５３】
次に、白金を担持したカーボン粒子と、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液（商品名ナフィオン、ＤｕＰｏｎｔ製）と、プロピレングリコールと、水とを混合、超音波ホモジナイザー及び攪拌機により分散させて、触媒ペーストを調製した。
【００５４】
図２のように、上記にて得られた２枚のガス拡散層シートのうち１枚に、酸化剤入口部付近に対応する領域に一端、酸化剤出口部付近に対応する領域に他端が位置するように、上記にて得られた部分撥水処理シリカ多孔体を１０本配置し、その上から触媒ペーストをスプレー法により塗布し、真空乾燥して酸化剤極用触媒層−ガス拡散層接合体とした。
一方、もう一枚のガス拡散層シートには、部分撥水処理シリカ多孔体配置せずに、触媒ペーストをスプレー法により塗布し、真空乾燥して燃料極用触媒層−ガス拡散層接合体とした。
【００５５】
次に、電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜）を、得られた酸化剤極用触媒層−ガス拡散層接合体と燃料極用−触媒層ガス拡散層接合体とで、各触媒層と電解質膜が接するように挟んだ状態で、ホットプレス（１３０℃、３ＭＰａ）し、接合した。さらに、ガス拡散層の外側にセパレータを設け、燃料電池用セルを得た。
【００５６】
（比較例）
実施例１において、酸化剤極用触媒層−ガス拡散層接合体に部分撥水処理したシリカ多孔体を配置しない以外は、同様の方法にて燃料電池用セルを作製した。
【００５７】
［発電性能評価］
得られた実施例及び比較例の燃料電池用セルを用いて、以下の条件の下、Ｉ−Ｖ性能試験を行った。結果を図８に示す。
【００５８】
＜試験条件＞
セル温度：８０℃
湿度：６０ＲＨ％（低加湿条件）
燃料（水素ガス）：５００ｍＬ／ｍｉｎ
酸化剤（空気）：１０００ｍＬ／ｍｉｎ
【００５９】
図８に示したように、比較例と比較して、本発明を適用した実施例の燃料電池は、電圧が高く、また、高い電流密度域まで電圧を保持することができた。
これは、酸化剤極における導水部（部分撥水処理シリカ多孔体）の配置により、酸化剤ガス下流側のフラッディング及び酸化剤ガス上流側の乾燥を抑制し、触媒層の面内湿度環境を最適化することができたため、燃料電池の性能が向上したと考えられる。特に、酸化剤ガス上流側における乾燥を抑制したことによる直流抵抗成分の減少、及び、酸化剤ガス下流側におけるガス拡散の向上による濃度過電圧の低減が発電性能を向上させた大きな要因と考えられる。
【００６０】
一方、酸化剤極の面内湿度環境の平均化を行うことができない比較例の燃料電池は、酸化剤ガスの上流側における乾燥及び下流側におけるフラッディングを抑制することができないため、発電性能が大きく低下してしまったと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明を適用した固体高分子型燃料電池の一構成例を示した断面図である。
【図２】本発明を適用した固体高分子型燃料電池の一構成例を示した触媒層面内断面図である。
【図３】本発明を適用した固体高分子型燃料電池の一構成例を示した触媒層面内断面図である。
【図４】導水部の形態例を示す模式図である。
【図５】酸化剤流路の構成と導水部の配置形態とを示す図である。
【図６】導水部の配置形態例を示す断面図である。
【図７】導水部の配置形態例を示す断面図である。
【図８】実施例の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…プロトン伝導性固体高分子電解質膜
２…触媒層
３…ガス拡散層
４…電極（４ａ：酸化剤極、４ｂ：燃料極）
５…ガス流路
６…セパレータ
７…導水部
【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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【図８】
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