(57)【要約】【課題】アノード拡散層でのフラッディングによる発電出力低下とアノードガスの流路内での水の滞留による発電出力低下とを同時に防止することである。【解決手段】アノード拡散層２０Ｂは３つの部分２１，２２，２３を含んでいる。第１部分２１は表面２０Ｓ３から深さ２０Ｚまでの間に渡っている。第２部分２２は深さ２０Ｚの位置から表面２０Ｓ１までの間に渡っている。第３部分２３は表面２０Ｓ３から第２部分２２に至り、アノードセパレータ３０のガス流路用の凹部３１に連続している。第１部分２１は第２部分２２、第３部分２３およびセパレータ３０よりも親水性が高い。第１部分２１はセパレータ３０との接触箇所に対向して設けられ、当該接触箇所から凹部３１に対向する箇所へ延在している。凹部３１において底面３０Ｓ１よりも側面３０Ｓ３の方が親水性が高く、側面３０Ｓ３よりも第１部分２１の方が親水性が高い。【選択図】図６
2008016384.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一方側に配置されたアノード拡散層とを含んで構成された積層体と、前記アノード拡散層上に配置されたアノードセパレータと、を備え、燃料ガスを含んだアノードガスが前記アノードセパレータを利用して設けられたガス流路を通り前記アノード拡散層越しに供給される燃料電池であって、
前記アノード拡散層は、
前記アノードセパレータに対向する第１表面から所定深さまでの間に渡って設けられた第１部分と、
前記所定深さの位置から前記第１表面とは表裏面の関係にある第２表面までの間に渡り前記第１部分に引き続いて設けられた第２部分と、
を含んで構成され、
前記第１部分は、前記第２部分よりも親水性が高くかつ前記アノードセパレータよりも親水性が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記アノード拡散層は、前記第１表面から前記第２部分に至る少なくとも１つの第３部分をさらに含んで構成され、
前記少なくとも１つの第３部分よりも前記第１部分の方が親水性が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記アノード拡散層において前記第１部分の占める割合が前記少なくとも１つの第３部分の占める割合よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池であって、
前記少なくとも１つの第３部分は前記ガス流路に連続していることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、
前記少なくとも１つの第３部分は、複数の第３部分であり、
前記アノードセパレータは、前記ガス流路を構成する凹部と前記アノード拡散層に接触する凸部とを含んだ凹凸表面を前記アノード拡散層の側に有し、
前記凹部に対向して前記複数の第３部分の２個以上が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池であって、
前記少なくとも１つの第３部分は、複数の第３部分であり、
前記アノードセパレータは、前記ガス流路を構成する凹部と前記アノード拡散層に接触する凸部とを含んだ凹凸表面を前記アノード拡散層の側に有し、
前記凹部の開口寸法よりも短い間隔で前記複数の第３部分が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の燃料電池であって、
前記第１部分は前記凸部と前記アノード拡散層との接触箇所に対向して設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池であって、
前記アノードセパレータは、前記ガス流路を構成する凹部と前記アノード拡散層に接触する凸部とを含んだ凹凸表面を前記アノード拡散層の側に有し、
前記第１部分は前記凸部と前記アノード拡散層との接触箇所に対向して設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池であって、
前記第１部分は前記接触箇所から前記凹部に対向する箇所へ延在しており、
前記凹凸表面は前記接触箇所に近いほど高い親水性を有し、前記凹凸表面よりも前記第１部分の方が親水性が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
電解質膜と前記電解質膜の一方側に配置されたアノード拡散層とを含んで構成された積層体と、前記アノード拡散層上に配置されたアノードセパレータと、を備え、燃料ガスを含んだアノードガスが前記アノードセパレータを利用して設けられたガス流路を通り前記アノード拡散層越しに供給される燃料電池の製造方法であって、
前記アノード拡散層を形成する工程は、
前記アノードセパレータよりも親水性が高い基材に対して互いに表裏面の関係にある第１表面と第２表面との間を貫通する穴を形成する穴形成工程と、
前記穴内に前記基材に比べて撥水性のより高い材料を充填する充填工程と、
前記基材の前記第１表面上に前記基材に比べて撥水性のより高い層を形成する層形成工程と、
を備え、
前記撥水性のより高い層を前記電解質膜の側に向けて前記アノード拡散層を配置し、前記アノード拡散層上に前記アノードセパレータを配置することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびそれの製造方法に係り、具体的には燃料ガスを含んだアノードガスが供給される側の構成およびそれの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スタック型の燃料電池は複数のセルが積層されて構成されている。従来のセル１０２を図１４の模式図を参照しつつ説明する。セル１０２は、電解質膜１１１の一方側にアノード触媒層１１２とアノード拡散層１２０とアノードセパレータ１３０とがこの順序で積層されている。図１４では省略しているが、電解質膜の他方側にはカソード触媒層とカソード拡散層とカソードセパレータとがこの順序で積層されている。カソードセパレータのガス流路からカソード拡散層越しにカソード触媒層へ酸素ガスが供給され、アノードセパレータ１３０のガス流路１４１からアノード拡散層１２０越しにアノード触媒層１１２へ水素ガスが供給されることによって、セル１０２が発電する。
【０００３】
発電に伴ってカソード触媒層で水が生成される。この生成水１９０は、カソード拡散層内で凝縮してカソードガス流路に排水されるとともに、電解質膜１１１およびアノード触媒層１１２を通ってアノード拡散層１２０へ移動し、アノードガス流路１４１へ排出される。
【０００４】
なお、特許文献１には、拡散層を親水性の導電性多孔質基材と撥水性の樹脂を含んだスラリ層との積層構造とし、親水性の導電性多孔質基材をセパレータ側に向けて構成した燃料電池が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、拡散層を撥水性の異なる２つの分割拡散層を重ねて構成し、撥水性の高い分割拡散層を触媒層に密接させた構造の燃料電池が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、拡散層を多孔質カーボン平板を２枚以上重ねて構成し、触媒層に接するカーボン平板に撥水処理を施し、それ以外のカーボン平板には親水処理を施した構造の燃料電池が開示されている。
【０００７】
また、特許文献４には、アノード拡散層のカーボン基材を親水処理して水との接触角を９０°以下にした構造の燃料電池が開示されている。
【０００８】
また、特許文献５には、セパレータに設けられた溝形状のガス流路において溝の側面に親水処理を施し、他の部分を非親水とした構造の燃料電池が開示されている。
【０００９】
また、特許文献６には、スタックされたうちの端部のセルには冷却水を流さないことにより当該端部セルの温度を高くする手法が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３１３３５９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３１８５０号公報
【特許文献３】特開平１１−１３５１３２号公報
【特許文献４】特開２００４−１５２５８８号公報
【特許文献５】特開２００５−１１６１７９号公報
【特許文献６】国際公開第２００２／０８２５７３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】
【００１１】
アノード拡散層１２０へ移動した生成水１９０は、アノード拡散層１２０の気孔１２９に滞留してフラッディングの原因となる。このフラッディングがアノード拡散層１２０とアノード触媒層１１２との界面付近で生じると、発電出力が低下する可能性がある。
【００１２】
また、アノードガス流路１４１へ排水された生成水１９０は当該ガス流路１４１内に滞留しやすい。これは、一般的にアノード側はカソード側に比べてガス流速が遅いからである。アノードガス流路１４１内に滞留した水１９０は、各セル１０２間にガス配分のばらつきを引き起こす。特にスタックされたうちの端部のセル１０２では、温度が低く水１９０が滞留しやすいので、水素ガスが不足しやすい。その結果、発電出力が低下する可能性がある。
【００１３】
このようにアノード拡散層１２０へ移動した生成水１９０は、発電出力の低下を招くという問題がある。
【００１４】
この問題の一つの解決策として、アノード拡散層に撥水処理を施すことが考えられる。しかし、これによれば、アノード拡散層のフラッディングを防止することはできても、上記生成水がアノードガス流路へ排水されやすくなるのでガス流路内での生成水の滞留を防止することは困難であると思われる。
【００１５】
また、上記問題の他の一つの解決策として、特許文献６の上記手法が考えられる。しかし、これによれば、高負荷時に電解質の冷却が追いつかず、そのため高温で電解質が劣化する場合があると思われる。
【００１６】
本発明の目的は、アノード拡散層でのフラッディングによる発電出力低下と、アノードガスの流路内での上記生成水の滞留による発電出力低下と、を同時に防止可能な燃料電池および燃料電池の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の一方側に配置されたアノード拡散層とを含んで構成された積層体と、前記アノード拡散層上に配置されたアノードセパレータと、を備え、燃料ガスを含んだアノードガスが前記アノードセパレータを利用して設けられたガス流路を通り前記アノード拡散層越しに供給される燃料電池であって、前記アノード拡散層は、前記アノードセパレータに対向する第１表面から所定深さまでの間に渡って設けられた第１部分と、前記所定深さの位置から前記第１表面とは表裏面の関係にある第２表面までの間に渡り前記第１部分に引き続いて設けられた第２部分と、を含んで構成され、前記第１部分は、前記第２部分よりも親水性が高くかつ前記アノードセパレータよりも親水性が高いことを特徴とする。
【００１８】
また、前記アノード拡散層は、前記第１表面から前記第２部分に至る少なくとも１つの第３部分をさらに含んで構成され、前記少なくとも１つの第３部分よりも前記第１部分の方が親水性が高いことが好ましい。
【００１９】
また、前記アノード拡散層において前記第１部分の占める割合が前記少なくとも１つの第３部分の占める割合よりも大きいことが好ましい。
【００２０】
また、前記少なくとも１つの第３部分は前記ガス流路に連続していることが好ましい。
【００２１】
また、前記少なくとも１つの第３部分は、複数の第３部分であり、前記アノードセパレータは、前記ガス流路を構成する凹部と前記アノード拡散層に接触する凸部とを含んだ凹凸表面を前記アノード拡散層の側に有し、前記凹部に対向して前記複数の第３部分の２個以上が設けられていることが好ましい。
【００２２】
また、前記凹部の開口寸法よりも短い間隔で前記複数の第３部分が設けられていることが好ましい。
【００２３】
また、前記第１部分は前記凸部と前記アノード拡散層との接触箇所に対向して設けられていることが好ましい。
【００２４】
また、前記第１部分は前記接触箇所から前記凹部に対向する箇所へ延在しており、前記凹凸表面は前記接触箇所に近いほど高い親水性を有し、前記凹凸表面よりも前記第１部分の方が親水性が高いことが好ましい。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜と前記電解質膜の一方側に配置されたアノード拡散層とを含んで構成された積層体と、前記アノード拡散層上に配置されたアノードセパレータと、を備え、燃料ガスを含んだアノードガスが前記アノードセパレータを利用して設けられたガス流路を通り前記アノード拡散層越しに供給される燃料電池の製造方法であって、前記アノード拡散層を形成する工程は、前記アノードセパレータよりも親水性が高い基材に対して互いに表裏面の関係にある第１表面と第２表面との間を貫通する穴を形成する穴形成工程と、前記穴内に前記基材に比べて撥水性のより高い材料を充填する充填工程と、前記基材の前記第１表面上に前記基材に比べて撥水性のより高い層を形成する層形成工程と、を備え、前記撥水性のより高い層を前記電解質膜の側に向けて前記アノード拡散層を配置し、前記アノード拡散層上に前記アノードセパレータを配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
上記構成によれば、アノード拡散層のアノードセパレータ側の部分は電解質膜側の部分よりも親水性が高くかつアノードセパレータよりも親水性が高いので、発電時に生成された水がアノード側へ移動した場合であっても、当該生成水は上記親水性の高い部分内に保水される。このため、アノード拡散層の電解質膜側の部分における上記生成水によるフラッディングと、アノードセパレータを利用して設けられたアノードガスの流路内での上記生成水の滞留と、を同時に防止することができる。その結果、両要因による発電出力の低下を同時に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１に、実施の形態１の燃料電池１の概略を説明する斜視図を示す。図１に示すように、燃料電池１は、複数のセル２が積層されて構成されており、いわゆるスタック型の燃料電池である。なお、セルは単セルとも呼ばれる。
【００２９】
ここで、説明の便宜のため、セル２の積層方向をＺ方向と呼び、当該Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向と呼ぶことにする。なお、ここでは、Ｚ方向から見た場合に、燃料電池１およびセル２の外形が、Ｘ方向に平行を成し対向する２辺とＹ方向に平行を成し対向する２辺とで規定される四角形の場合を例示するが、この形状に限られるものではない。
【００３０】
図２および図３にセル２を説明する断面図および分解断面図を示す。セル２は、膜電極接合体（Membrane  Electrode  Assembly。以下「ＭＥＡ」と呼ぶ）３と、ＭＥＡ３の両側に配置されたセパレータ３０，６０とを含んで構成されている。
【００３１】
ＭＥＡ３は、燃料ガスを含んだアノードガスおよび酸化性ガスを含んだカソードガスを利用して発電する。ここでは、燃料ガスとして水素ガスを例示し、酸化性ガスとして酸素ガスを例示するが、これらに限られない。また、アノードガスは、燃料ガスを含んでいればよく、燃料ガスが１００％である必要はなく、カソードガスについても同様である。また、酸素ガスを含んだカソードガスとして例えば空気を利用できる。
【００３２】
ＭＥＡ３は、電解質膜１１と、触媒層１２，１５と、拡散層２０，５０とを含んで構成されている。ここでは、ＭＥＡ３は、拡散層２０と、触媒層１２と、電解質膜１１と、触媒層１５と、拡散層５０とがこの順序でＺ方向に並んだ積層体である。ここで、アノードガスが供給される側の触媒層１２をアノード触媒層（または燃料極触媒層）１２とも呼び、カソードガスが供給される側の触媒層１５をカソード触媒層（または酸化極触媒層）１５とも呼ぶことにする。なお、触媒層は、発電によって発生した電気エネルギーを集電する機能もあり、このため触媒電極等とも呼ばれる。
【００３３】
拡散層２０はアノード触媒層１２に対向しかつ接触して配置されている。セパレータ３０は拡散層２０を介してアノード触媒層１２に対向し拡散層２０に接触して配置されている。すなわち、拡散層２０およびセパレータ３０は、この順序で、アノード触媒層１２上にＺ方向に積層されている。同様に、拡散層５０およびセパレータ６０は、この順序で、カソード触媒層１５上にＺ方向に積層されている。
【００３４】
ここで、アノード触媒層１２の側、すなわちアノードガスを供給する側の拡散層２０およびセパレータ３０をアノード拡散層（または燃料極拡散層）２０およびアノードセパレータ（または燃料極セパレータ）３０とも呼ぶことにする。同様に、拡散層５０およびセパレータ６０をカソード拡散層（または酸化極拡散層）５０およびカソードセパレータ（または酸化極セパレータ）６０とも呼ぶことにする。
【００３５】
アノード拡散層２０は、アノードセパレータ３０の側から供給されたアノードガスを拡散させてアノード触媒層１２および電解質膜１１へ供給する。カソード拡散層５０は、カソードセパレータ６０の側から供給されたカソードガスを拡散させてカソード触媒層１５および電解質膜１１へ供給する。このため、拡散層２０，５０は例えば多孔質材料で構成される。なお、拡散層２０，５０は触媒層１２，１５よりも厚い。なお、拡散層は、ガス拡散層等とも呼ばれ、また、発生した電気エネルギーを集電する機能を有するので拡散電極等とも呼ばれる。
【００３６】
アノード拡散層２０は、厚さ方向、すなわちＺ方向において２つの部分２１，２２に大別される。第１部分２１は、アノード拡散層２０においてアノードセパレータ３０側の表面２０Ｓ３からＺ方向に所定深さ２０Ｚまでの間に渡って設けられている。第２部分２２は、アノード拡散層２０において上記表面２０Ｓ３とは表裏面の関係にある表面２０Ｓ１、すなわちアノード拡散層２０においてアノード触媒層１２および電解質膜１１の側の表面２０Ｓ１から、Ｚ方向に上記深さ２０Ｚの位置までの間に渡って設けられている。第２部分２２は、上記深さ２０Ｚの位置で第１部分２１に接し、第１部分２１に引き続いている。
【００３７】
第１部分２１は、第２部分２２よりも相対的に親水性が高く、かつ、アノードセパレータ３０よりも相対的に親水性が高い。例えば、第１部分２１についての水の接触角を９０°以下とし、第２部分２２およびアノードセパレータ３０についての水の接触角を９０°以上としている。あるいは、例えば、第１部分２１、第２部分２２およびアノードセパレータ３０のいずれについても水の接触角を９０°以下（または９０°以上）とし、そのような設定範囲内において第１部分２１の親水性を相対的に第２部分２２およびアノードセパレータ３０よりも高くしてもよい。なお、第２部分２２とアノードセパレータ３０との親水性はいずれが高くてもよいし、同じであってもよい。
【００３８】
ここで、一般的に、親水性が高いほど撥水性が低く、逆に撥水性が高いほど親水性が低いという関係がある。なお、一般的に、水の接触角が９０°以下の材料は親水性材料と呼ばれ、逆に水の接触角が９０°以上の材料は撥水性材料と呼ばれる。親水性のレベル、換言すれば撥水性のレベルは、例えば材質や材料中の気孔径の選択によって、設定可能である。
【００３９】
アノード拡散層２０のこの構成は、例えば、第１部分２１に相当する基材上に第２部分２２に相当し上記基材よりも撥水性が高い材料を塗布等することによって、形成可能である。また、例えば、第１部分２１に相当する基材の片面側を撥水処理することによって、あるいは逆に第２部分２２に相当する基材の片面側を親水処理することによって、アノード拡散層２０を形成可能である。
【００４０】
アノードセパレータ３０は、アノード拡散層２０の側に凹凸表面３０Ｓを有している。この凹凸表面３０Ｓは、凹部（または窪み部）３１と、凸部（または突出部）３２とを含んで構成されている。ここでは、凹部３１および凸部３２が断面視上四角形の場合を例示するが、これに限られるものではなく、例えば断面視上半円形でもよい。凹凸表面３０Ｓは、凹部３１の底面３０Ｓ１と、凸部３２の頂上面３０Ｓ２と、これらの面３０Ｓ１，３０Ｓ２間を繋ぐ側面３０Ｓ３とを含んで構成され、底面３０Ｓ１と側面３０Ｓ３とによって凹部３１が構成され、頂上面３０Ｓ２と側面３０Ｓ３とによって凸部３２が構成されている。なお、凸部３２をリブ３２とも呼ぶことにする。
【００４１】
凹部３１は、Ｚ方向から見た場合、例えば直線状、曲線状またはこれらを組み合わせた形状等に形成されている（例えば後述の図９の蛇行した凹部３１を参照）。また、凸部３２は、Ｚ方向から見た場合、例えば直線状、曲線状、島状等に形成されている。
【００４２】
アノードセパレータ３０は、凸部３２を、換言すれば頂上面３０Ｓ２をアノード拡散層２０の第１部分に接触させて配置されている。この接触箇所を介して、アノード拡散層２０へ集電された電気エネルギーがアノードセパレータ３０へ集電される。また、上記配置形態によればアノードセパレータ３０とアノード拡散層２０との間に凹部３１によって隙間または空間が形成され、この隙間によってガス流路４１が構成される。このとき、ガス流路４１はアノード拡散層２０の表面２０Ｓ３に面しており、これによりアノードガスがガス流路４１を通りアノード拡散層２０越しに電解質膜１１の側へ供給される。
【００４３】
凹凸表面３０Ｓは、凸部３２とアノード拡散層２０との接触箇所に近いほど親水性が高い。ここでは、底面３０Ｓ１よりも側面３０Ｓ３の方の親水性を高くしている。なお、頂上面３０Ｓ２の親水性は側面３０Ｓ３と同等以上である。凹凸表面３０Ｓはこのような親水性分布（換言すれば撥水性分布）を有しているが、上記のようにアノードセパレータ３０よりもアノード拡散層２０の第１部分２１の方が親水性が高いので、凹凸表面３０Ｓは全体において第１部分２１よりも親水性が低い。なお、凹凸表面３０Ｓの上記親水性分布は既存の各種の処理・方法によって形成可能である。
【００４４】
アノードセパレータ３０は、冷却水流路４２を有している。冷却水流路４２は、凹凸表面３０Ｓとは反対側の表面、換言すれば凹凸表面３０Ｓとは表裏面の関係にある表面に設けられた凹部を利用して構成される。
【００４５】
カソード拡散層５０として各種の拡散層が適用可能であり、当該拡散層５０を、例えば、全体的に均一な親水性（換言すれば撥水性）を有する部材で構成してもよいし、アノード拡散層２０と同様に電解質膜１１側の撥水性をより高くした部材で構成してもよい。
【００４６】
カソードセパレータ６０は、カソードガスを流すためのガス流路７１をアノードセパレータ３０と同様に構成し、これによりカソードガスがガス流路７１を通りカソード拡散層５０越しに電解質膜１１の側へ供給される。また、カソードセパレータ６０もカソード拡散層５０へ集電された電気エネルギーを集電する。さらに、カソードセパレータ６０は、冷却水流路７２をアノードセパレータ３０と同様に有している。
【００４７】
図４にセル２のアノード側の構造を模式化して示す。上記構成によれば、アノード拡散層２０の第１部分２１は第２部分２２よりも親水性が高く、逆に言えば第２部分２２の方が第１部分２１よりも撥水性が高い。このため、発電時にカソード触媒層１５で生成され電解質膜１１を通ってアノード触媒層１２の側へ移動した水９０は、第２部分２２よりも第１部分２１内に保水されやすい。その結果、アノード拡散層２０とアノード触媒層１２との界面付近には上記生成水９０が滞留しにくいので、第２部分２２の気孔２９の目詰まり、すなわちフラッディングを防止することができる。このとき、第２部分２２はアノード拡散層２０においてアノード触媒層１２の側、換言すれば電解質膜１１の側に全面的に設けられているので、全面的にフラッディングを防止してアノード触媒層１２および電解質膜１１の全面に対して均一にアノードガスを供給することができる。
【００４８】
なお、水素ガスは酸素ガスに比べて拡散しやすいので、アノード拡散層２０とアノード触媒層１２との界面付近に水９０が滞留していなければ、第１部分２１に水９０が滞留していても、水素ガスはアノード触媒層１２へ到達可能である。
【００４９】
さらに、アノード拡散層２０の第１部分２１はアノードセパレータ３０よりも親水性が高い。このため、アノード拡散層２０内で凝縮した水９０はアノードセパレータ３０側へ排水されにくく第１部分２１内に保水され、また、ガス流路４１内で凝縮した水９０は第１部分２１へ吸収される。この結果、ガス流路４１内に水が滞留しにくく、各セル２間でガス分配のばらつきを防止することができる。
【００５０】
ここで、第１部分２１はアノードセパレータ３０の側に全面的に設けられているので、第１部分２１は凸部３２との接触箇所から凹部３１の側へ延在している。このため、凹凸表面３０Ｓの側面３０Ｓ３は上記接触箇所を介して第１部分２１に繋がっている。したがって、側面３０Ｓ３上で凝縮した水９０は、親水性のより高い第１部分２１の側へ移動し第１部分２１に吸収される。また、凹凸表面３０Ｓの底面３０Ｓ１上で水９０が凝縮しても、当該水９０は底面３０Ｓ１よりも親水性が高い側面３０Ｓ３へ誘導され最終的に第１部分２１へ吸収される。このように、凹凸表面３０Ｓと第１部分２１との親水性のレベルの相違によって、上記水滞留防止が促進される。
【００５１】
また、第１部分２１はアノードセパレータ３０の側に全面的に設けられているので、第１部分２１は凸部３２との接触箇所に対向して設けられている。このため、当該接触箇所対向部分内に保水された水９０は直接にはガス流路４１へ排水されない。このことも上記水滞留防止に貢献している。
【００５２】
このように燃料電池１によれば、発電時に生成された水９０がアノード側へ移動した場合であっても、アノード拡散層２０の第２部分２２でのフラッディングと、ガス流路４１内での滞留と、を同時に防止することができる。その結果、両要因による発電出力の低下を同時に防止することができる。なお、第１部分２１と第２部分２２との境界である上記深さ２０Ｚの位置は、第１部分２１の保水力、アノード触媒層１２の側でフラッディングを回避させる厚さ等の観点に基づいて設定するのが好適である。
【００５３】
図５および図６に実施の形態２のセル２Ｂを説明する断面図および分解断面図を示す。セル２Ｂは上記セル２に代えて燃料電池１に適用することができる。セル２Ｂは、上記セル２において、アノード拡散層２０をアノード拡散層２０Ｂに代えた構成を有している。
【００５４】
アノード拡散層２０Ｂは、上記アノード拡散層２０において第１部分２１を部分的に第３部分２３に代えた構成を有している。すなわち、第３部分２３は、アノード拡散層２０Ｂのアノードセパレータ３０側の表面２０Ｓ３からＺ方向に上記深さ２０Ｚまでの間に渡って設けられている。このため、アノード拡散層２０Ｂでは、上記深さ２０Ｚの位置から表面２０Ｓ３側に第１部分２１と第３部分２３とが混在している。ここでは、第３部分２３は円柱状の場合を例示するが（後述の図９参照）、この形状に限られず、例えばＺ方向から見た場合に線状や曲線状であってもよい。また、第３部分２３の形状によっては第１部分２１が複数個に分かれてもよい。
【００５５】
第３部分２３は、第１部分２１よりも相対的に親水性が低い（撥水性が高い）。なお、第３部分２３と第２部分２２との親水性（または撥水性）はいずれが高くてもよいし、同じであってもよい。このため、アノード拡散層２０Ｂ内の水は第２部分２２および第３部分２３よりも第１部分２１において保水されやすい。したがって、第３部分２３によって、保水した第１部分２１に比べてアノードガスが通りやすい経路が、表面２０Ｓ３と第２部分２２との間に形成される。その結果、アノード拡散層２０Ｂ越しのアノードガスの供給がより確実になる。
【００５６】
アノード拡散層２０Ｂには複数の第３部分２３が設けられているが、アノード拡散層２０Ｂの保水性の観点から、これらの第３部分２３がアノード拡散層２０Ｂにおいて占める割合よりも第１部分２１が占める割合が高く設定されている。換言すれば、第３部分２３の体積の合計よりも第１部分２１の体積（の合計）が大きく設定されている。
【００５７】
また、第３部分２３はアノード拡散層２０Ｂ内に２次元的に散在しており（図９参照）、これによりアノードガスが偏りなく、すなわち分散されてアノード触媒層１２および電解質膜１１へ全面的に供給される。
【００５８】
さらに、第３部分２３は、アノードセパレータ３０の凹部３１に対向して設けられており、これによりガス流路４１に連続して設けられている。このため、第３部分２３が凸部３２に対向する場合よりも、アノードガスをガス流路４１から第３部分２３へスムーズに流入させることができる。
【００５９】
ここで、図７の断面図に示すように、１つのガス流路４１に対して、換言すれば１つの凹部３１に対して第３部分２３を複数設けてもよい。なお、図７には２個の第３部分２３を設ける場合を例示しているが、この個数に限られるものではない。この構成によれば、複数の第３部分２３と単一の第３部分２３とで体積が同じ場合であっても、アノードガスをより分散させてアノード触媒層１２および電解質膜１１へ導くことができるので、ガス供給をいっそう均一にすることができる。
【００６０】
また、図８の断面図および図９の平面図に示すように、Ｙ方向において隣接する第３部分２３の間隔２３Ｙを凹部３１のＹ方向における開口寸法３１Ｙよりも短くする寸法規定を適用してもよい。Ｙ方向についての寸法規定に代えてまたは加えて、Ｘ方向において隣接する第３部分２３の間隔２３Ｘを凹部３１のＸ方向における開口寸法３１Ｘよりも短くする寸法規定を適用してもよい。なお、図９では、分かりやすくするために、凹部３１を一点鎖線で図示している。この構成によれば、仮にアノード拡散層２０Ｂとアノードセパレータ３０との位置合わせ時にずれが生じたとしても、いずれかの第３部分２３が凹部３１に対向することになる。すなわち、高い位置合わせ精度が要求されることなく容易に第３部分２３を凹部３１に対向させることができる。
【００６１】
セル２Ｂのその他の構成は上記セル２と同様である。このため、セル２Ｂを含んで構成された燃料電池１によれば、アノード拡散層２０Ｂの第２部分２２でのフラッディングとガス流路４１内での滞留とを同時に防止し、両要因による発電出力の低下を同時に防止することができる。なお、アノード拡散層２０Ｂでは、第３部分２３が追加されているが、第１部分２１は凸部３２との接触箇所に対向して設けられている。このため、セル２と同様に、第１部分２１の上記接触箇所対向部分内に保水された水９０は直接にはガス流路４１へ排水されない。さらに、セル２Ｂにおいても、第１部分２１は上記接触箇所から凹部３１の側へ延在している。このため、セル２と同様に、凹部３１内で凝縮した水９０は、側面３０Ｓ３を伝い、当該側面３０Ｓ３に上記接触箇所を介して繋がっている第１部分２１へ吸収される。これらの結果、ガス流路４１内に水が滞留しにくくなっている。
【００６２】
図１０にアノード拡散層２０Ｂの製造方法の手順を説明するフローチャートを示す。当該製造方法は、穴形成工程ＳＴ１と、充填工程ＳＴ２と、層形成工程ＳＴ３とを含んでいる。図１１〜図１３に工程ＳＴ１〜ＳＴ３を説明する断面図を示す。
【００６３】
穴形成工程ＳＴ１では、基材２１０に穴を開けてアノード拡散層２０Ｂの第１部分２１を形成する（図１１参照）。基材２１０として、第１部分２１と同じレベルの親水性を当初から有する部材を用いることができる。また、基材２１０として、親水性のレベルが第１部分２１とは異なる部材に親水性処理または撥水性処理を施すことによって親水性のレベルを第１部分２１と同じにした部材を用いることもでき、この場合、上記の親水性処理または撥水性処理は穴２１１を開ける前後の少なくともいずれかにおいて実施すればよい。穴２１１は、基材２１０において表裏面の関係にある２つの表面２１０Ｓ１，Ｓ２１０Ｓ３間を貫通させて形成する。また、穴２１１は、基材２１０においてアノード拡散層２０Ｂの第３部分２３の配置位置に相当する位置に形成する。
【００６４】
充填工程ＳＴ２では、アノード拡散層２０Ｂの第３部分２３と同じ撥水レベルの材料、すなわち基材２１０に比べて撥水性のより高い材料を穴２１１内に充填し、これによって第３部分２３を形成する（図１２参照）。
【００６５】
層形成工程ＳＴ３では、アノード拡散層２０Ｂの第２部分２２と同じ撥水レベルの材料、すなわち基材２１０に比べて撥水性のより高い層を塗布等によって基材２１０の片側の表面２１０Ｓ１上に形成し、これによって第２部分２２を形成する（図１３参照）。なお、層形成工程ＳＴ３を充填工程ＳＴ２よりも先に実施することもできる。
【００６６】
なお、層形成工程ＳＴ３で上記撥水性のより高い層を形成しなかった表面２１０Ｓ３がアノード拡散層２０Ｂの表面２０Ｓ３にあたり、上記撥水性のより高い層において基材２１０から遠い側の表面がアノード拡散層２０Ｂの表面２０Ｓ１にあたる。
【００６７】
上記工程ＳＴ１〜ＳＴ３によって製造されたアノード拡散層２０Ｂは、燃料電池１の製造方法において、第２部分２２、すなわち上記撥水性のより高い層をアノード触媒層１２に対向させて、換言すればアノード触媒層１２を介して電解質膜１１の側に向けて、アノード触媒層１２上に積層される。そして、アノード拡散層２０Ｂ上にアノードセパレータ３０が積層される。
【００６８】
上記製造方法によれば、局所的に親水処理または撥水性処理を施すことによってアノード拡散層２０Ｂの各部分２１，２２，２３を形成する場合に比べて、各部分２１，２２，２３の配置位置、形状等を制御性よく形成することができる。
【００６９】
なお、上記ではアノードセパレータ３０がガス流路４１用の凹部３１を有する場合を例示したが、アノードセパレータ３０に代えて例えば多孔質部材で構成したセパレータを適用してもよい。この場合、多孔質部材の気孔をガス流路４１として利用することができる。この点はカソードセパレータ６０についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明に係る実施の形態１の燃料電池の概略を説明する斜視図である。
【図２】本発明に係る実施の形態１のセルを説明する断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態１のセルを説明する分解断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態１のセルを説明する模式図である。
【図５】本発明に係る実施の形態２のセルを説明する断面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態２のセルを説明する分解断面図である。
【図７】本発明に係る実施の形態２のセルの第２の構成を説明する断面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態２のセルの第３の構成を説明する断面図である。
【図９】本発明に係る実施の形態２のセルの第３の構成を説明する平面図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態２のアノード拡散層の製造方法の手順を説明するフローチャートである。
【図１１】本発明に係る実施の形態２のアノード拡散層の製造方法について穴形成工程を説明する断面図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態２のアノード拡散層の製造方法について充填工程を説明する断面図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態２のアノード拡散層の製造方法について層形成工程を説明する断面図である。
【図１４】従来の燃料電池を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  燃料電池、２，２Ｂ  セル、３  ＭＥＡ（積層体）、１１  電解質膜、２０，２０Ｂ  アノード拡散層、２１  第１部分、２２  第２部分、２３  第３部分、２３Ｘ，２３Ｙ  第３部分の間隔、２０Ｓ１，２０Ｓ３  表面、２０Ｚ  深さ、３０  アノードセパレータ、３０Ｓ  凹凸表面、３１  凹部、３１Ｘ，３１Ｙ  凹部の開口寸法、３２  凸部、４１  ガス流路、ＳＴ１  穴形成工程、ＳＴ２  充填工程、ＳＴ３  層形成工程、２１０  基材、２１０Ｓ１，２１０Ｓ３  表面、２１１  穴。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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