(57)【要約】【課題】発電効率の良い燃料電池を提供する。【解決手段】単位セル１０のカソード触媒層２９とカソードガス拡散層３０との間にカソードガス拡散層３０よりもガス拡散性が低いカソードマイクロ層３１を備え、空気流路３３を形成しカソードガス拡散層３０と当接するリブ部３３ａのリブ下領域のカソードマイクロ層３１の厚さを流路下領域のカソードマイクロ層３１の厚さよりも小さくする。【選択図】        図２
2006313663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持するアノード電極とカソード電極と、
ガス流路を形成し前記アノード電極または前記カソード電極と当接するリブ部を設けたセパレータと、を有する燃料電池において、
少なくとも前記カソード電極は、
触媒と前記触媒を担持する担体とから構成する触媒層と、
ガス拡散性の導電性部材から構成するガス拡散層と、
前記触媒層と前記ガス拡散層との間に前記ガス拡散層よりもガス拡散性が低いマイクロ層と、を積層して構成し、
前記マイクロ層は、前記ガス流路と向かい合う領域の前記マイクロ層の厚さよりも前記セパレータの前記リブ部と向かい合う領域の前記マイクロ層の厚さが薄いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記マイクロ層の細孔径は前記ガス拡散層の細孔径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記リブ部と向かい合う前記マイクロ層の厚さを、前記ガス流路に近づく程、厚くすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記マイクロ層は撥水性物質を有する撥水層であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス流路は、
直線部と、
２つの前記直線部を連結する折り返し部と、を有するサーペンタイン形状であり、
前記折り返し部で連結する前記直線部は前記折り返し部からの距離が長くなる程、２つの前記直線部間の距離を長くすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の電解質膜を挟持する電極反応層に撥水層を設け、例えば水分を多く含んだガスが供給された場合に、電極触媒層の湿潤過多を防止し、燃料電池の発電効率の低下を抑制するものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２５１９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、セパレータにはガスを通すガス流路が設けられているので、単位セルを積層し、例えばテンションロッドなどによって締め付けると、ガス流路を形成し、ガス拡散層と当接するセパレータのリブと向かい合う領域（以下、リブ下領域とする）では、締め付けにより圧縮されたガス拡散層の細孔径が小さくなる。また、リブ下領域はガス流路からの距離が長いのでリブ下領域の電極触媒層面（以下触媒層）でのガス拡散性が悪くなる。
【０００４】
この結果、ガス流路と向かい合う領域（以下、流路下領域とする）に比べてリブ下領域において発電性が悪くなり、燃料電池の発電効率が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、リブ下領域でのガス拡散性を向上させ、燃料電池の発電効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード電極とカソード電極と、ガス流路を形成しアノード電極またはカソード電極と当接するリブ部を設けたセパレータと、を有する燃料電池において、少なくともカソード電極は、触媒と触媒を担持する担体とから構成する触媒層と、ガス拡散性の導電性部材から構成するガス拡散層と、触媒層とガス拡散層との間にガス拡散層よりもガス拡散性が低いマイクロ層と、を積層して構成する。そしてマイクロ層は、ガス流路と向かい合う領域のマイクロ層の厚さよりもセパレータのリブ部と向かい合う領域のマイクロ層の厚さを薄くする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、セパレータのリブ下領域へのガス拡散性を良くすることができ、燃料電池の発電効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成について図１を用いて説明する。この実施形態は、燃料電池１と、燃料電池１の後述するアノード電極層（アノード電極）２２に燃料ガスである水素を供給する水素ボンベ２と、水素ボンベ２とアノード電極層２２との間に配設され、水素ボンベ２から供給される水素を加湿する加湿器３と、アノード電極層１２に供給する水素の流量を調整する流量調整弁４と、を備える。
【０００９】
また、燃料電池１の後述するカソード電極層（カソード電極）２３に酸化剤ガスである空気を供給するコンプレッサ５と、コンプレッサ５とカソード電極層２３との間に配設され、空気を加湿する加湿器６と、カソード電極層２３に供給する空気の流量を調整する流量制御弁７と、を備える。
【００１０】
また、燃料電池１によって発電された電力を消費する例えばモータなどの負荷８と、燃料電池１と負荷８との間に配設され、燃料電池１と負荷８との間での電力変換を行うインバータ９を備える。
【００１１】
さらに、燃料電池１に要求される負荷に応じて流量制御弁７などを制御するコントローラ１５を備える。
【００１２】
燃料電池１は、単位セル１０を例えば１００枚程度積層したスタック１１と、スタック１１の両側に設けたエンドプレート１２と、エンドプレート１２の両端部からスタック１１を締め付ける締結部材としてタイロッド１３とナット１４と、を備える。なお、スタック１１によって発電した電力を取り出す集電板（図示せず）、スタック１１の面圧を一定に保つ面圧保持機構としてプレッシャプレート（図示せず）などを設ける。
【００１３】
単位セル１０について図２を用いて説明する。単位セル１０は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２１と、電解質膜２１を挟持するアノード電極層２２とカソード電極層２３と、アノード電極層２２の外側に設けたアノードセパレータ（セパレータ）２４と、カソード電極２３の外側に設けたカソードセパレータ（セパレータ）２５と、を備える。
【００１４】
電解質膜２１は、プロトン伝導性を有する例えばＮａｆｉｏｎ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）などのパーフルオロスルホン酸ポリマーである。
【００１５】
アノード電極層２２は、例えば白金などの触媒を担持するカーボンブラックなどによって構成するアノード触媒層２６と、例えばカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰＯ６０）からなるアノードガス拡散層２７と、アノード触媒層２６とアノードガス拡散層２７との間に形成されたアノードマイクロ層２８と、を備える。
【００１６】
アノード触媒層２６は、例えば白金などの触媒を担持するカーボンブラックによって構成する。なお、アノード触媒層２６は例えば白金などの触媒を担持するカーボンブラックとＮａｆｉｏｎ溶液とを混合したペーストを電解質膜２に塗布して形成する。
【００１７】
アノードマイクロ層２８は、カーボンブラックと撥水性のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）によって構成し、高い撥水性を有する。アノードマイクロ層２８はアノードガス拡散層２７よりも細孔径が小さく、ガス拡散性が低い。なお、アノードマイクロ層２８は、カーボンブラックとＰＴＦＥとを有するＰＴＦＥ分散溶液をペースト化したもの（以下、ペーストＡとする）をアノードガス拡散層２７にスクリーン印刷などによって塗布して形成する。この実施形態ではカーボンブラックを使用したが、これに限られることはなく、多孔性のポリアセチレンなどの導電性ポリマーを使用しても良く、また多孔質アルミナ支持体に金薄層をコーティングした電子導電性のフィルムなどを使用してもよい。また、細孔の占める割合をアノードガス拡散層２７よりも低くして、ガス拡散性を低くしてもよい。
【００１８】
アノードセパレータ２４は、例えばカーボングラファイトなどで構成するカーボンセパレータであり、アノード電極層２２に水素ボンベ２から水素を拡散させるための水素流路（ガス流路）３２を備え、水素流路３２を形成するリブ部３２ａがアノード電極層２２と当接する。水素流路３２は直線部と折り返し部とから構成するサーペンタイン形状である。なお、水素流路３２はサーペンタイン形状に限られるものではない。
【００１９】
カソード電極層２３は例えば白金などの触媒を担持するカーボンブラックなどによって構成するカソード触媒層（触媒層）２９と、例えばカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰＯ６０）からなる厚さが均一のカソードガス拡散層（ガス拡散層）３０と、カソード触媒層２９とカソードガス拡散層３０との間に形成されたカソードマイクロ層（マイクロ層）３１と、を備える。なお、図２は単位セル１０を締め付けた図であり、締め付けによりリブ下領域のカソードガス拡散層３０の厚さが薄くなっている。
【００２０】
カソード触媒層２９は、例えば白金などの触媒を担持するカーボンブラックによって構成し、アノード触媒層２６と同様にして電解質膜２に形成する。
【００２１】
カソードマイクロ層３１は、カーボンブラックとＰＴＦＥによって構成し、高い撥水性を有する。カソードマイクロ層３１はカソードガス拡散層３０よりも細孔径が小さく、ガス拡散性が低い。カソードマイクロ層３１は単位セル１０において、カソードセパレータ２５の後述するリブ部３３ａと向かい合う面、つまりリブ下領域のカソードマイクロ層３１の厚さが、後述する空気流路３３と向かい合う面、つまり流路下領域のカソードマイクロ層３１の厚さよりも薄くなるように形成する。これにより、リブ下領域のガス拡散性を良くし、リブ下領域と流路下領域とにおける空気の拡散性を均一にし、単位セル１０の発電効率を良くすることができる。またはリブ下領域における排水性を良くすることができ、リブ下領域でのフラッディングを抑制し、単位セル１０の発電効率を良くすることができる。
【００２２】
カソードセパレータ２５は、例えばカーボングラファイトなどで構成するカーボンセパレータであり、カソード電極層２３に空気を拡散させるための空気流路（ガス流路）３３を備え、空気流路３３を形成するリブ部３３ａがカソード電極層２３と当接する。
【００２３】
空気流路３３は直線部と折り返し部とから構成するサーペンタイン形状である。空気流路３３は折り返し部において圧力損失が大きくなり、折り返し部のリブ下領域では空気が折り返し部をショートカットする可能性があるので、図３に示すように折り返し部４０における空気の流れを反対方向とする折り返し部の折り返し角度を１８０°未満とすることが望ましい。つまり折り返し部４０によって連結する２つの直線部４１間の距離を、折り返し部４０からの距離が長くなるに連れて、長くすることが望ましい。これによりリブ下領域での空気のショートカットを抑制することができる。図３は空気流路３３をサーペンタイン形状とした場合のカソードセパレータ２５の拡大概略図である。なお、水素流路３２も同様の形状としても良い。
【００２４】
なお、カソードマイクロ層３２は、ペーストＡを電解質膜２と対峙するカソードガス拡散層３０にスクリーン印刷などによって塗布して形成する。カソードマイクロ層３２の形成方法については後述する。
【００２５】
この実施形態においてアノードセパレータ２４、カソードセパレータ２５は、カーボンセパレータを用いたが、これに限られることはなく、例えばステンレスなどの金属セパレータを用いても良い。
【００２６】
以上より、単位セル１０において、カソード触媒層２９とカソードガス拡散層３０との間にカソードガス拡散層３０よりもガス拡散性が低く、かつ撥水性の高いカソードマイクロ層３１を形成する。そしてリブ下領域のカソードマイクロ層３１の厚さを流路下領域のカソードマイクロ層３１の厚さよりも薄くする。これにより、カソード電極層２３において、リブ下領域においても空気を均一に拡散し、排水性を良くすることができる。特に、スタック１１を締め付けた場合でもリブ下領域での空気の拡散性、排水性を良くすることができる。
【００２７】
次にカソードマイクロ層３１の形成方法について説明する。
【００２８】
カソードマイクロ層３１を形成する際には、まずスクリーン印刷によってカソードガス拡散層３０にカソードマイクロ層３１の厚さが所定のリブ下領域の厚さとなるようにペーストＡを塗布する。
【００２９】
その後に、スリットが入った治具を用いて、流路下領域となる箇所にスリットが向かい合い、リブ下領域となる箇所にスリットを設けていない部分が向かい合うように治具を配置し、ペーストＡを塗布する。これによりリブ下領域にはペーストＡを塗布せず、流路下領域にのみペーストＡを塗布することができ、リブ下領域のカソードマクロ層２１の厚さが流路下領域のカソードマイクロ層３１の厚さよりも薄くなるようにカソードマイクロ層３１を形成する。
【００３０】
単位セル１０では、空気流路３３に供給された空気はカソードガス拡散層３０、カソードマイクロ層３１を通り、カソード触媒層２９に拡散するが、単位セル１０を積層し、締め付けた場合には、空気流路３３のリブ部３３ａと向かい合う面がリブ部３３ａによって圧縮され、カソードガス拡散層３０の細孔径などが小さくなる。そのためリブ下領域では空気の拡散性が悪くなり、さらに空気流路３３からの距離が長くなるので、空気の拡散性が更に悪くなる。また、リブ下領域では単位セル１０における発電反応により生成した水の排水性が悪くなるので、リブ下領域ではフラッディングが生じ易くなる。そのため単位セル１０の発電効率が悪くなる。
【００３１】
この実施形態ではカソード電極層２３において、撥水性を有し、カソードガス拡散層３０よりもガス拡散性の低いカソードマイクロ層３１の厚さをリブ下領域では流路下領域よりも薄くし、リブ下領域における空気の拡散性を良くすることで、リブ下領域での発電効率を良くすることができる。さらにリブ下領域のおける排水性を良くすることで、燃料電池１の発電効率を良くすることができる。
【００３２】
また、単位セル１０を積層し、締め付ける場合にリブ下領域においてカソードマイクロ層３１の細孔径が小さくなる場合でもリブ下領域のカソードマイクロ層３１の厚さを流路下領域のカソードマイクロ層３１の厚さよりも薄くすることで、リブ下領域におけるガス拡散性、または排水性の低下を抑制し、燃料電池１の発電効率を良くすることができる。
【００３３】
また、燃料電池システムを氷点下の条件下で停止する場合には、燃料電池１内での水分の凍結を防止するためにドライガス、例えば乾燥空気を供給し、燃料電池１内の水分をパージすることも可能であるが、この場合にリブ下領域でのガス拡散性を向上させ燃料電池１内の水分を容易にパージすることができる。
【００３４】
次にリブ下領域と流路下領域におけるカソードマイクロ層３１の厚さの設定方法について説明する。
【００３５】
ある多孔質部材をガスが拡散・透過する場合の平均時間は
【００３６】
【数１】
2006313663.tif 000003
【００３７】
と表すことができる。Ｄはガス拡散係数、ε1は細孔中に水滴がない場合の空孔率、ε2は水滴による空孔率の占有割合、ｄは部材の厚さである。
【００３８】
カソードガス拡散層３０については、通常の分子拡散が行われるので、ガス拡散係数Ｄ1を、
Ｄ1＝１／３λν・・・式（２）
によって表すことができる。また、λはガスの平均自由行程、νはガスの熱運動による平均速度であり、それぞれ式（３）、式（４）によって表すことができる。
【００３９】
【数２】
2006313663.tif 000004
【００４０】
【数３】
2006313663.tif 000005
【００４１】
ｋBはＢｏｌｔｚｍａ定数、ρは空気の衝突断面積、ｐは大気圧、ｍは分子質量、Ｔは絶対温度である。カソードガス拡散層３０では式（１）から式（４）によってガスの拡散・透過する平均時間を算出することができる。
【００４２】
一方、カソードマイクロ層３１の細孔径を例えば４０ｎｍとすると、カソードマイクロ層３１の細孔径は酸素の平均自由行程（大気圧、室温条件で１３０ｎｍ）よりも小さくなるので、ガスの拡散はクヌーセン拡散が支配的となる。このときのガス拡散係数Ｄ2は、
【００４３】
【数４】
2006313663.tif 000006
【００４４】
によって表すことができる。なお、ｒは細孔の半径、Ｍは分子量である。カソードマイクロ層３１では式（１）と式（５）とによってガスの拡散・透過する平均時間を算出することができる。
【００４５】
流路下領域とリブ下領域においてガスが拡散・透過する平均時間をそれぞれ算出し、流路下領域とリブ下領域とにおける平均時間が等しくなるようにカソードマイクロ層３１の厚さを設定する。なお、カソードマイクロ層３１の厚さの設定方法は上記方法に限られることはない。
【００４６】
カソードマイクロ層３１の流路下領域とリブ下領域とでの厚さの設定の一例を示す。ここでは単位セル１０の温度を７０℃（３４３Ｋ）、大気圧、カソードガス拡散層３０の空孔率を７５％、水滴の空孔占有率を２０％とし、カソードマイクロ層３１の空孔率を３０％、水滴の空孔占有率を５０％とする。そしてカソードガス拡散層３０とカソードマイクロ層３１との合計厚さを１５０μｍとし、空気流路３３から０．３ｍｍの距離にあるリブと向かい合う箇所のリブ下領域と、流路下領域とにおけるガスの拡散・透過時間を等しくなるようにリブ下領域と流路下領域とのカソードマイクロ層３１の厚さを調整する。以上の条件を基に上記式（１）から式（５）を用いると例えばリブ下領域を５μｍとし、流路下領域との厚さを１１０μｍとすることで、リブ下領域と流路下領域とでのガス拡散・透過時間を等しくすることができる。
【００４７】
ここで、本発明のカソード電極を用いない場合、つまりカソードマイクロ層３１の厚さをリブ下領域と流路下領域とで等しくした単位セルを用いた燃料電池（以下、比較例とする）と、この実施形態のカソード電極層２３を用いた単位セル１０を用いた燃料電池との単位セルあたりの電流・電圧特性を比較し、その結果を図４に示す。電流・電圧特性は発電条件として単位セルの温度を７０℃（３４３Ｋ）、アノード電極層へ供給する水素の相対湿度を８０％とし、カソード電極層へ供給する空気の相対湿度を５０％とし、燃料電池における水素の利用率を６５％とし、空気の利用率を４０％とする。
【００４８】
その結果、単位セルから取り出す電流密度を例えば１Ａ／ｃｍ2とした場合に、単位セルあたりの電圧は比較例では０．２Ｖとなり、この実施形態の電圧は０．５Ｖとなり、この実施形態の燃料電池は比較例よりも単位セルあたりの電圧が高くなる。つまり、燃料電池１から取り出すことのできる電力が大きくなり、燃料電池１の発電効率が向上する。
【００４９】
なお、この実施形態ではカソード電極層２３においてのみ、空気流路３３のリブ下領域のカソードマイクロ層３１の厚さを流路下領域のカソードマイクロ層３１の厚さよりも薄くしたが、アノードマイクロ層２８においても水素流路３２のリブ下領域のアノードマイクロ層２８の厚さを流路下流域のアノードマイクロ層２８の厚さよりも薄くしても良い。
【００５０】
単位セル１０を組み立てる場合には、カソード電極層２３とカソードセパレータ２５との位置がずれないように、つまりカソードマイクロ層３１を薄くしたリブ下領域とカソードセパレータ２５のリブ部３３ａとが当接するように、位置決めピンを設けて、カソード電極層２３とカソードセパレータ２５との位置が所定の位置となるように単位セル１０を組み立てる。
【００５１】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００５２】
単位セル１０のカソード電極層２３において、カソード触媒層２９とカソードガス拡散層３０との間に、撥水性を有しカソードガス拡散層３０よりもガス拡散性の低いカソードマイクロ層３１を設ける。そして、カソードセパレータ２５の空気流路３３を形成し、カソードガス拡散層３０と当接するリブ部３３ａと向かい合うリブ下領域のカソードマイクロ層３１の厚さを、空気流路３３と向かい合う流路下領域のカソードマイクロ層３１の厚さよりも薄くする。これにより、カソード電極層２３において、リブ下領域への空気の拡散性を良くし、単位セル１０のカソード触媒層２９へ均一に空気を供給し、単位セル１０、つまり燃料電池１の発電効率を良くすることができる。
【００５３】
また、ガスの流れが悪い、つまり排水性が悪いリブ下領域のカソードマイクロ層３１を薄くすることで、燃料電池１の発電反応によって生成された水のリブ下領域での排水性を良くし、リブ下領域でのフラッディングを抑制することができる。これにより、燃料電池１の発電効率を更に良くすることができる。
【００５４】
また、単位セル１０を積層し、締め付けた場合でもリブ下領域のガス拡散性、排水性を良くすることができ、燃料電池１の発電効率を良くすることができる。
【００５５】
さらに、燃料電池１の運転を終了し、例えば氷点下停止時に生じうる水分の凍結を防止するためにドライガスなどで燃料電池１内を乾燥させたい場合に、リブ下領域でのドライガスの拡散性を向上させ、燃料電池１内での水分の凍結を抑制することができる。
【００５６】
カソードマイクロ層３１に撥水性を有することで、例えば空気が過剰加湿されている場合などにカソード触媒層２９の水分過多を防止することができる。また、燃料電池１の発電反応によって生成された生成水をカソード触媒層２９に保持できるので、カソード触媒層２９のドライアウトを抑制することができる。
【００５７】
次に本発明の第２実形態の単位セル６０について図５を用いて説明する。この実施形態ではカソード電極層５０が第１実施形態と異なっており、ここではカソード電極層５０を中心に説明する。図５ではカソード電極層５０とカソードセパレータ２５との間には説明のため空間を設ける。
【００５８】
カソード電極層５０は、カソード触媒層（触媒層）５１と、カソードガス拡散層（ガス拡散層）５２と、カソード触媒層５１とカソードガス拡散層５２との間に設けられカソードガス拡散層５２と当接する第１カソードマイクロ層（マイクロ層）５３と、第１カソードマイクロ層５３とカソード触媒層５１との間に設けられた第２カソードマイクロ層５４と、を備える。
【００５９】
カソードガス拡散層５２は空気流路３３に沿って波形状に形成する。なお、単位セル６０を構成する場合に、波形状の凸部５２ａの頂部５２ｂが空気流路３３のリブ部３３ａの中心線（図５中、一点鎖線）と略一致するように波形状を形成する。つまりリブ部３３ａと凸部５２ａが向かい合うようにカソードガス拡散層５２の波形状を形成する。
【００６０】
第１カソードマイクロ層５３は、カーボンブラックと撥水性を有するＰＴＦＥによって構成し、高い撥水性を有する。カソードガス拡散層５２と当接する面は、カソードガス拡散層５２形状に応じて波形状に形成し、第２カソードマイクロ層５４と当接する面は、略平面形状に形成する。つまり、第１カソードマイクロ層５３は、リブ下領域において空気流路３３からの距離が長くなるにつれて第１カソードマイクロ層５３の厚さを薄くする。言い換えると、リブ部３３ａの中心線から空気流路３３へ近くなるに従って第１カソードマイクロ層５３の厚さを厚くする。なお、第１カソードマイクロ層５３は、ペーストＡをカソードガス拡散層５２にスクリーン印刷などによって塗布して形成する。
【００６１】
第２カソードマイクロ層５４は、第１カソードマイクロ層５３よりもＰＴＦＥの含有量を低くしたペーストを使用し、第１カソードマイクロ層５３よりも撥水性を低くする。第２カソードマイクロ層５４の厚さはリブ下領域と流路下領域とで等しくする。
【００６２】
以上の構成によって、リブ下領域において空気流路３３からの距離が長くなる程、第１カソードマイクロ層５３の厚さを薄くし、リブ下領域における空気の拡散性をさらに均一にし、排水性をさらに良くすることができる。
【００６３】
この実施形態を用いた場合の単位セル６０の電流・電圧特性を図４に示す。この実施形態では、単位セルから取り出す電流密度を例えば１Ａ／ｃｍ2とした場合に、単位セル６０あたりの電圧は０．５２Ｖとなり、この実施形態の燃料電池は比較例よりも単位セルあたりの電圧が高くなる。つまり、燃料電池１から取り出すことのできる電力が大きくなる。発電条件は第１実施形態と同様とする。
【００６４】
なお、この実施形態では第１カソードマイクロ層５３とカソード触媒層５１との間に第２カソードマイクロ層５４を設けたが、第２カソードマイクロ層５４を設けずに第１カソードマイクロ層５３とカソード触媒層５１とを当接しても良い。
【００６５】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００６６】
この実施形態ではカソードガス拡散層５２とカソード触媒層５１との間に、第１カソードマイクロ層５３と、第２カソードマイクロ層５４とを備える。カソードガス拡散層５２を空気流路３３の沿って波形状として、第１カソードマイクロ層５３においてカソードガス拡散層５２と当接する面を波形状とし、第２カソードマイクロ層５４と当接する面を平面形状とする。さらに、空気流路３３のリブ部３３ａの中心線と第１カソードマイクロ層５３の厚さが薄くなる凸部５２ａの頂部５２ｂとが略一致するように単位セル６０を構成する。これによってリブ下領域において空気流路３３から距離が長くなる程、第１カソードマイクロ層５３の厚さを薄くする。つまりリブ下領域において空気流路３３から距離が長くなる程、カソード電極層５０の単位セル６０の積層方向における第１カソードマイクロ層５３の構成比率を小さくする。そのためリブ下領域において、空気流路３３からの距離が長くなり、空気の到達時間が長くなるが、第１カソードマイクロ層５３を薄くすることでガス拡散性を良くすることができ、単位セル６０の発電効率を良くすることができる。
【００６７】
また、リブ下領域の水の排水性を更に良くすることができ、リブ下領域でのフラッディングを抑制し、単位セル６０の発電効率を更に良くすることができる。
【００６８】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
例えば燃料電池車両に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。
【図３】本発明の空気流路の一例を示す概略図である。
【図４】本発明を用いた場合の単位セルの電流・電圧特性を示すマップである。
【図５】本発明の第２実施形態の単位セルの概略構成図である。
【符号の説明】
【００７１】
１      燃料電池
１０、６０    単位セル
１５    コントローラ
２１    電解質膜
２２    アノード電極層（アノード電極）
２３、５０    カソード電極層（カソード電極）
２６    アノード触媒層
２７    アノードガス拡散層
２８    アノードマイクロ層
２９、５１    カソード触媒層（触媒層）
３０、５２    カソードガス拡散層（ガス拡散層）
３１    カソードマイクロ層（マイクロ層）
３３    空気流路（ガス流路）
３３ａ  リブ部
４０    折り返し部
４１    直線部
５２ａ  凸部
５２ｂ  頂部
５３    第１カソードマイクロ層（マイクロ層）
５４    第２カソードマイクロ層
【図１】
2006313663.tif 000007
【図２】
2006313663.tif 000008
【図３】
2006313663.tif 000009
【図４】
2006313663.tif 000010
【図５】
2006313663.tif 000011