(57)【要約】【課題】  燃料電池セル内で生成水の凍結が開始しても急激な発電性能の低下がなく、発電を継続させて発熱量を確保することで、システム構成部品を増加させることなく、氷点下始動を可能にする。【解決手段】  燃料電池スタックＳのセルＣは、電解質膜１１の両面に触媒層２１、２２および拡散層３１、３２からなる電極を設けたＭＥＡ１を挟んで酸化剤ガス側セパレータ４と燃料ガス側セパレータ５を配設してなる。酸化剤ガス側セパレータ４には空気流路４１が、燃料ガス側セパレータ５には水素流路５１が形成される。拡散層３１、３２は、触媒層２１、２２側の表面に、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂとからなる撥水層３を設け、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂを、空気流路４１、水素流路５１のガス流れ方向に沿って交互に並列配置して、触媒層２１、２２と拡散層３１、３２の界面の液水を分断し、凍結の伝播を防止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスの化学反応により発電するセルを備える燃料電池であって、
上記セルは、電解質膜の両面に電極を配設した膜電極接合体の一方の面側に、酸化剤ガス流路を形成する酸化剤ガス側セパレータを配設するとともに、他方の面側に燃料ガス流路を形成する燃料ガス側セパレータを配設してなり、
上記電極は上記電解質膜に接する触媒層の外側に拡散層を有し、
上記拡散層には、少なくとも上記触媒層に接する表面に、強撥水層と弱撥水層とからなる撥水層を設けるとともに、上記強撥水層と上記弱撥水層とを、上記ガス流路のガス流れ方向に沿って交互に並列するように配置したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記撥水層は、撥水性の異なる２種類の撥水性材料よりなり、該２種類の撥水性材料のうち相対的に撥水性の高い撥水性材料にて上記強撥水層を、相対的に撥水性の低い撥水性材料にて上記弱撥水層を構成した請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記撥水層は、上記拡散層を構成する基材の上記触媒層側表面に、上記強撥水層となる撥水性材料と上記弱撥水層となる撥水性材料とを交互に塗布するか、あるいは上記触媒層側表面の全面に上記弱撥水層となる撥水性材料を塗布し、その表面の一部に上記強撥水層となる撥水性材料と含浸させることにより形成される請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
上記酸化剤ガス側セパレータには上記酸化剤ガス流路となる複数の平行な溝が、上記燃料ガス側セパレータには上記燃料ガス流路となる複数の平行な溝が、それぞれ形成されており、上記強撥水層および上記弱撥水層を、上記ガス流路のガス流れと垂直な方向を長手方向とする短冊状に形成して、上記ガス流路となる複数の平行な溝を横切るように配置した請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記撥水層は、上記ガス流路のガス流れ方向における上記強撥水層の幅を２ｍｍ以上に形成した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応を利用して発電する燃料電池に関し、特に、氷点下始動時における生成水の凍結を回避できる燃料電池セル構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、酸素を含有する酸化剤ガスと水素を含有する燃料ガスを供給して化学反応させることにより電気エネルギーを発生させている。基本単位となるセルは、一般に、固体高分子電解質膜の両面に電極となる触媒層と拡散層を形成したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる膜電極接合体を備え、その外側に酸化剤ガス側セパレータ、燃料ガス側セパレータを配設した構造となっている。酸化剤ガス側セパレータ、燃料ガス側セパレータと、拡散層の間には、それぞれ酸化剤ガス流路、燃料ガス流路が形成されている。
【０００３】
燃料極（アノード）では、燃料ガス流路から拡散層を経て供給される水素が触媒層の触媒作用によりイオン化し、電解質膜を透過して空気極（カソード）側に移動する。酸化剤ガス流路から空気極（カソード）に供給される酸素は、移動してきた水素イオンと反応し、水を生成する。この発電反応により起電力が発生する。生成する水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰の水分は拡散層を透過して、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路から排出される。
【０００４】
このように燃料電池では発電の際に水を生成することから、燃料電池内に水が残留しやすく、氷点以下の低温環境下で凍結する問題がある。この対策として、運転停止時に燃料電池内を掃気して、残留水を掃気ガスとともに外部へ排出することが行われている。ただし、掃気により残留水を排出しても、低温環境下での運転開始時に過冷却状態で発生する生成水が凍結を引き起こすことがある。そして、凍結が伝播して急激に発電性能が低下すると、始動に必要な発熱量が得られなくおそれがあり、氷点下での始動性向上が大きな課題となっている。
【０００５】
従来技術としては、例えば、特許文献１に記載されるように、氷点下で燃料電池を始動する際に燃料電池スタックの温度を上昇させて、凍結を防止する方法が提案されている。特許文献１の燃料電池は、例えば電気的な加熱手段を設けて冷却液流路を流通する冷却液を加熱し、燃料電池スタックの少なくとも一部の領域を昇温させるものである。
【特許文献１】特開２０００−５１２０６８号公報
【０００６】
また、例えば、特許文献２、３に記載されるように、膜電極接合体に撥水性を付与して、排水を促進する構成とした燃料電池がある。特許文献２の固体電解質膜は、ガス拡散基材の表面に撥水層を有しており、さらにその一部に水の浸透経路を形成することで、排水性を向上させ、その他の部位をガス拡散経路とするようになっている。また、特許文献３には、固体電解質膜の両面に形成した触媒層上に、撥水性領域と親水性領域を有するガスまたは液体の透過層を形成して、必要な撥水性と親水性とを兼備させることが提案されている。
【特許文献２】特開２００６−１７９３１７号公報
【特許文献３】特開２００５−２１６７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、燃料電池に電気的加熱手段を設ける必要があり、システム構成が複雑となってコストアップ要因となる上、燃料電池の加熱に電力を使用するため、車両の燃料効率が著しく低下する。また、特許文献２の構成は、氷点下では水の浸透経路内にて水を凍結させて、ガス拡散経路を確保しようとしており、特許文献３の構成は、凍結防止を目的とするものではない。このため、これら従来の構成により生成水の凍結を防止することは難しく、また、一部で凍結が開始されると、凍結が伝播して急激な発電性能の低下を引き起こし、始動が困難になるおそれがあった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池セル内で生成水の凍結が開始しても急激な発電性能の低下がなく、発電を継続させて発熱量を確保することで、システム構成部品を増加させることなく、氷点下始動が可能な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】
上記課題を解決するための請求項１の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスの化学反応により発電するセルを備える燃料電池であって、
上記セルは、電解質膜の両面に電極を配設した膜電極接合体の一方の面側に、酸化剤ガス流路を形成する酸化剤ガス側セパレータを配設するとともに、他方の面側に燃料ガス流路を形成する燃料ガス側セパレータを配設してなり、
上記電極は上記電解質膜に接する触媒層の外側に拡散層を有し、
上記拡散層には、少なくとも上記触媒層に接する表面に、強撥水層と弱撥水層とからなる撥水層を設けるとともに、上記強撥水層と上記弱撥水層とを、上記ガス流路のガス流れ方向に沿って交互に並列するように配置したものである。
【００１０】
氷点下での始動時に、触媒層と拡散層の界面において生成水が凍結すると、急激な発電低下を引き起こす。一般に、生成水の一部が凍結すると、連続した液水に凍結が急速に伝播するが、本発明の構成によれば、触媒層と拡散層の界面に介設した撥水層が、強撥水層と弱撥水層とからなるので、生成水が液滴となっても、ガス流れ方向に対しては、強撥水層にて液水が途切れる。よって、連続した液水となるのを防止し、凍結の伝播による急激な発電低下を防止することができるので、発電を継続して発熱量を確保し、燃料電池スタック全体を昇温することができる。
【００１１】
これにより、システム構成部品を増加させることなく、燃料電池の氷点下始動が可能となるので、コストが低減でき、発電性能の良好な燃料電池が実現できる。
【００１２】
請求項２の発明のように、具体的には、上記撥水層は、撥水性の異なる２種類の撥水性材料よりなる。そして、該２種類の撥水性材料のうち相対的に撥水性の高い撥水性材料にて上記強撥水層を、相対的に撥水性の低い撥水性材料にて上記弱撥水層を構成したものである。
【００１３】
請求項３の発明のように、上記撥水層は、上記拡散層を構成する基材の上記触媒層側表面に、上記強撥水層となる撥水性材料と上記弱撥水層となる撥水性材料とを交互に塗布することにより形成される。あるいは上記触媒層側表面の全面に上記弱撥水層となる撥水性材料を塗布し、その表面の一部に上記強撥水層となる撥水性材料と含浸させることにより形成することができる。
【００１４】
請求項４の発明において、上記酸化剤ガス側セパレータには上記酸化剤ガス流路となる複数の平行な溝が、上記燃料ガス側セパレータには上記燃料ガス流路となる複数の平行な溝が、それぞれ形成されており、上記強撥水層および上記弱撥水層を、上記ガス流路のガス流れと垂直な方向を長手方向とする短冊状に形成して、上記ガス流路となる複数の平行な溝を横切るように配置してある。
【００１５】
好適には、酸化剤ガス側セパレータ、燃料ガス側セパレータに形成されるガス流路を横切るように、強撥水層および弱撥水層を形成すると、セパレータの面圧により、ガス流路と垂直な方向においても液水が途切れる効果が得られる。よって、液水の凍結が広範囲に伝播するのを防止する効果が高い。
【００１６】
請求項５の発明において、上記撥水層は、上記ガス流路のガス流れ方向における上記強撥水層の幅を２ｍｍ以上に形成してある。
【００１７】
好適には、撥水層における強撥水層の幅を２ｍｍ以上に形成すると、液水を分断する効果を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１により、本発明を適用した燃料電池の第１実施形態を説明する。図１（ａ）は、燃料電池の主要部である燃料電池スタックＳのセルＣ構造を示す概略図であり、図１（ｂ）は、燃料電池スタックＳを含むシステム全体の概略構成図である。図１（ｂ）において、燃料電池スタックＳは、基本単位であるセルＣを多数積層して電気的に直列接続してなり、酸化剤ガスとなる空気の供給流路１０１・排出流路１０２、燃料ガスとなる水素の供給流路１０３・排出流路１０４や、各種制御装置等が接続されて燃料電池システムを構成している。
【００１９】
燃料電池スタックＳは、酸化剤ガスと燃料ガスの電気化学反応により発電を行い、ＤＣ／ＤＣコンバータにて電圧調整後、負荷の駆動に用いられる。コントローラはシステム全体を制御し、負荷（例えば燃料電池車両の駆動用モータや各種補機類）からの要求電力に応じて、燃料電池スタックＳへ供給される空気や水素の流量・圧力・湿度等を調整する。なお、図はシステム主要部を簡略化して示すもので、図示する以外にも冷却媒体流路等を設けたり、各流路にポンプやバルブといった通常公知のシステム構成部材を設けることができる。
【００２０】
図１（ａ）の左半図に示すように、燃料電池スタックＳの各セルＣは、電解質膜１１を挟んでその両面に電極がそれぞれ形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１を備え、このＭＥＡ１を挟んで一方の面側（図の右側）に酸化剤ガス側セパレータ４を、他方の面側（図の左側）に燃料ガス側セパレータ５を配設した構成となっている。本実施形態では、電解質膜１１の一方の表面に、電極となる触媒層２１と拡散層３１を、他方の面に触媒層２２と拡散層３２を、この順でそれぞれ配置して膜電極接合体を構成しており、酸化剤ガス側に設けた触媒層２１と拡散層３１とで、空気極（カソード）を、燃料ガス側に設けた触媒層２２と拡散層３２とで、燃料極（アノード）を形成している。
【００２１】
酸化剤ガス側セパレータ４、燃料ガス側セパレータ５は、薄肉の導電性板材を波板状に成形したものからなる。この時、波板状の酸化剤ガス側セパレータ４には、図の左側または右側に開く多数の溝が、図の上下方向に交互に形成され、ＭＥＡ１側（図の左側）に開口する複数の溝と、対向する拡散層３１との間に、酸化剤ガス流路である空気流路４１が形成される。同様に、波板状の燃料ガス側セパレータ５の溝と、対向するＭＥＡ１の拡散層３２との間には、燃料ガス流路である水素流路５１が形成される。酸化剤ガス側セパレータ４、燃料ガス側セパレータ５の、拡散層３１、３２との当接面は集電部４２、５２として機能する。
【００２２】
空気流路４１は、互いに連通して一続きの流路となり、その一端側が入口部として図１（ｂ）の空気の供給流路１０１に、他端側が出口部として排出流路１０２に接続される。同様に水素流路５１も、互いに連通する流路を構成し、その一端側を入口部として図１（ｂ）の水素の供給流路１０３に、他端側を出口部として排出流路１０４に接続している。空気流路４１と空気流路４１の間の溝、または水素流路５１と水素流路５１の間の溝は、冷却水流路６となる。このような構成の単セルＣを積層することにより、図１（ｂ）の燃料電池スタックＳが構成される。
【００２３】
このようにセパレータ４、５を薄肉の板材で構成すると、セパレータ４、５が薄くなることで、セルＣの積層枚数に対して燃料電池スタックＳをコンパクトにすることができる。セパレータ４、５を厚肉の導電性板材とし、空気流路４１または水素流路５１となる溝を形成した構成とすることも、もちろんできる。
【００２４】
電解質膜１１には、公知の水素イオン伝導性固体高分子電解質膜、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社製：登録商標）等のパーフルオロスルホン系ポリマーを膜状に成形したものが好適に使用される。触媒層２１、２２は、白金触媒等の触媒を導電性の良好な材料、例えばカーボン粒子等に担持させ、電解質膜の材料等を用いてペースト状にしたものを、電解質膜１１の表面に層状に形成してなる。
【００２５】
拡散層３１、３２の基材は、導電性およびガス拡散性の良好な材料、例えばカーボン繊維やカーボン粒子等の材料を用いて多孔質に形成され、空気流路４１または水素流路５１から供給される空気または水素を触媒層２１、２２へ良好に拡散させるものであればよい。拡散層３１、３２には、それぞれ触媒層２１、２２に接する表面に、撥水層３が設けられる。撥水層３の構成は、本発明の特徴部分であり、以下に詳述する。
【００２６】
図１（ａ）の右半図に示すように、撥水層３は、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂからなる。本発明では、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂとが、空気または水素の流れ方向において交互に並列するように形成することで、生成水の凍結が伝播するのを防止する。図は、酸化剤ガス側セパレータ４に接する拡散層３１表面の撥水層３を示したもので、酸化剤ガス側セパレータ４には、図の上下方向に複数の空気流路４１が平行に形成されている。これら空気流路４１は、図の左右方向を流れ方向としている。これに対し、撥水層３の強撥水層３ａと弱撥水層３ｂは、いずれも空気流路４１の流れ方向と垂直な方向を長手方向とする略一定幅の短冊状であり、空気流路４１の流れ方向に対して交互に並ぶストライプ状に配置されている。また、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂとは、それぞれ複数の空気流路４１を横切って、上下方向に延びている。
【００２７】
また、燃料ガス側セパレータ５に接する拡散層３２表面の撥水層３も、同様の構成となっている。すなわち、撥水層３の強撥水層３ａと弱撥水層３ｂは、いずれも水素流路５１の流れ方向と垂直な方向を長手方向とする略一定幅の短冊状で、水素流路５１の流れ方向に対して交互に並ぶストライプ状に配置される。また、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂとは、それぞれ複数の水素流路５１を横切るように、上下方向に延びている。
【００２８】
ここで、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂとは、撥水性が異なる２種類の撥水性材料を組み合わせ、撥水性が相対的に高い方の材料にて強撥水層３ａを、撥水性が相対的に低い方の材料にて弱撥水層３ｂを形成している。撥水性の有無は、一般に、水との接触角度によって定義され、通常、撥水層表面に付着させた水滴との接触角度が９０°より大きい材料を、撥水性材料という。撥水性の強弱は、水との接触角度の大きさによって表され、接触角度が９０°を超えて大きくなるほど撥水性が強く、接触角度が９０°に近いほど撥水性が弱いといえる。
【００２９】
撥水性材料としては、撥水性を有する種々の撥水性材料を用いることができ、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦＤ）等のフッ素樹脂系撥水材が、好適に使用される。これら撥水性材料は、通常、カーボン粒子および溶剤とともに混合したものを、塗布することにより撥水層３を容易に形成することができる。撥水性材料の複数種類を、所望の撥水性が得られるように、適宜、組み合わせて使用することもできる。また、撥水性材料にカーボン粒子を混合し、その配合割合を変更することで、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂをつくり分けるようにしてもよい。
【００３０】
強撥水層３ａと弱撥水層３ｂは、撥水性にある程度の差があることが必要で、差が小さいと境界部における液水分断の効果が得にくい。通常は、強撥水層３ａとなる撥水材と、弱撥水層３ｂとなる撥水材の、水との接触角度の差Δθが、例えば５°以上とするのがよく、好適には、接触角度の差Δθを１０°以上とすることで、液水を分断する効果が得やすい。これにより、液水が連続した状態で存在するのを防止して、凍結が伝播しにくい構造とすることができる。
【００３１】
図２、３は、撥水層３を設けた拡散層３１（３２）の構成例を示すものである。図２は、撥水層３を塗り分け法により形成した場合であり、拡散層基材３３の表面には、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂが、図の左右方向に交互に配置されている。この撥水層３を形成するには、強撥水層３ａの構成材料と弱撥水層３ｂの構成材料とを、拡散層基材３３の表面に、それぞれ所定の幅で、交互に塗布することを繰り返し行う。この場合、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂの厚さは同じになる。
【００３２】
図３は、拡散層基材３３表面に、撥水層３を含浸法により形成した場合であり、拡散層基材３３の表面には、全面を覆って弱撥水層３ｂが形成され、さらに弱撥水層３ｂの表面の一部に、強撥水層３ａが所定の間隔をおいてストライプ状に形成されている。この撥水層３を形成するには、まず、弱撥水層３ｂの構成材料を拡散層基材３３の表面全面に塗布形成し、その表面の所定位置に、強撥水層３ａの構成材料を上塗りして、含浸させる。この場合、強撥水層３ａの厚さは、弱撥水層３ｂより薄く、その上部表面のみに強撥水層３ａが形成されることになる。
【００３３】
拡散層３１、３２を構成する拡散層基材３３や撥水層３の厚さは、任意に設定することができる。通常は、拡散層基材３３の厚さを、例えば１００μｍ以上、撥水層３の厚さを、例えば５０μｍ以上とするのがよい。撥水層３となる強撥水層３ａと弱撥水層３ｂの形成幅も、特に制限されず、例えば、強撥水層３ａの幅が、２ｍｍ程度ないしそれ以上あれば、分断効果が認められる。好適には、強撥水層３ａの幅を、所望の液水の分断効果が得られるように、適宜設定し、弱撥水層３ｂの幅をこれよりも広くして、撥水層３の全体に適度な撥水性を付与する構成とすればよい。図３のように含浸法による構成において、撥水層３の表面に強撥水層３ａが薄く形成した場合には、強撥水層３ａを、例えば５μｍ程度ないしそれ以上の厚さとすることで、強撥水層３ａによる液水の分断効果を得ることができる。
【００３４】
上記構成の燃料電池の作動について図１（ａ）、（ｂ）により説明する。
空気の供給流路１０１および水素の供給流路１０３から、燃料電池スタックＳに空気および水素が供給されると、各セルＣ内の空気流路４１に空気が、水素流路５１に水素が導入され、ＭＥＡ１の両電極において下記の電気化学反応が起こる。
水素極（アノード）  Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・（１）
空気極（カソード）  ２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 + ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ・・・（２）
反応に用いられなかった未反応空気は排出流路１０２から排出される。未反応水素は排出流路１０４から排出され、循環再利用される。
【００３５】
ここで、上記式（２）のように、各セルＣの空気流路４１側では、発電の際に水素と酸素が反応して水が生成する。この水分は、触媒層２１から拡散層３１内を拡散して空気流路４１へ排出される一方、電解質膜１１を透過して水素流路５１側へ移動し、触媒層２２から拡散層３２内を拡散して水素流路５１へ排出される。この時、電解質膜１１の近傍で生成する水分を速やかに排出するために、拡散層３１、３２の触媒層２１、２２との界面に撥水層３が設けられ、生成水の液水化を抑制し排出を促す。ただし、氷点以下の低温環境下での始動時には、過冷却状態で上記発電反応による水が生成することになり、この水が、触媒層２１、２２または拡散層３１、３２内で凍結すると、ガス拡散が阻害されるために、上記発電反応が良好に進行しなくなる。その結果、発熱量が不十分となって燃料電池スタックＳが発電に適当な温度（通常、６０〜１００℃程度）まで上昇せず、自己発熱による始動が困難となる。
【００３６】
本発明者等の実験によれば、氷点下での始動時に、触媒層２１、２２と拡散層３１、３２との界面において生成水が凍結すると、急激な発電低下を引き起こすことがわかっている。また、一般に、生成水の一部が凍結すると、連続した液水に凍結が伝播する。つまり、従来の構成において生じる急激な発電低下は、触媒層２１、２２と拡散層３１、３２との界面において、生成水が液水となって溜まりやすい状態であることを意味する。そこで、本発明では、上述したように、撥水層３を強撥水層３ａと弱撥水層３ｂとで構成し、連続した液水が存在する状態を解消して、凍結の伝播を防止しようとするものである。
【００３７】
すなわち、図１（ａ）の右半部に示すように、本発明の拡散層３１、３２では、触媒層２１、２２と接する撥水層３が、空気流路４１または水素流路５１のガス流れ方向に沿って、強撥水層３ａと弱撥水層３ｂとが交互に現れるようにしてある。このため、触媒層２１、２２と拡散層３１、３２との界面で、生成水が液滴となっても、ガス流れ方向に対しては、強撥水層３ａにて液水が途切れる。また、ガス流れと垂直な方向には、酸化剤ガス側セパレータ４の空気流路４１間に形成される集電部４２、燃料ガス側セパレータ５の水素流路５１に形成される集電部５２が、拡散層３１、３２に当接しており、その面圧によって、触媒層２１、２２と拡散層３１、３２の界面の液水が途切れる。
【００３８】
これらにより、連続する液水となることが防止され、氷点下始動時に、触媒層２１、２２と拡散層３１、３２との界面で凍結が伝播しようとしても、液水が途切れているために、凍結が広範囲に広がることがない。したがって、発電反応に伴う発熱量を確保することができるので、自己発熱による氷点下からの始動が可能となる。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
次に、本発明の効果を確認するために、上記図２に示す構造の拡散層３１のサンプルを作成した。拡散層３１の基材３３としては、３６×３６ｍｍの正方形のカーボンペーパ（東レ（株）製：ＴＧＰＨ０６０；厚さ  １９０μｍ）を使用し、その表面に、幅１０．５ｍｍの弱撥水層３ｂ、幅２ｍｍの強撥水層３ａ、幅１１．０ｍｍの弱撥水層３ｂ、幅２ｍｍの強撥水層３ａ、幅１０．５ｍｍの弱撥水層３ｂを、交互に形成して撥水層３とした。強撥水層３ａ、弱撥水層３ｂの厚さは、１５０μｍ程度とした。強撥水層３ａ、弱撥水層３ｂの構成材料には、いずれもポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系の撥水性の異なる材料を使用し、強撥水層３ａには水との接触角度が１５５°程度の撥水材を、弱撥水層３ｂには水との接触角度が１４５°程度の撥水材を用いた。この撥水材にカーボン粒子と溶剤を添加混合して得た混合物を、基材３３に塗布して、撥水層３を形成した。
【００４０】
得られたサンプルの撥水層３表面に、水を滴下して、その上からプレパラートを覆着する評価試験を実施したところ、強撥水層３ａにおいて水が分断されたことが確認された。なお、比較のために、強撥水層３ａの幅を２ｍｍとした以外は、同様の方法でサンプルを形成したところ、水の分断をはっきりと確認することができなかった。
【００４１】
（実施例２）
上記図３に示す構造の拡散層３１のサンプルを作成した。拡散層３１の基材３３としては、３６×３６ｍｍの正方形のカーボンペーパ（東レ（株）製：ＴＧＰＨ０６０；厚さ１９０μｍ）を使用し、その表面の全面に弱撥水層３ｂを形成した（厚さ１５０μｍ程度）。弱撥水層３ｂには、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系で水との接触角度が１４０°程度の撥水材を用い、撥水材とカーボン粒子と溶剤で混合してから、基材３３に塗布した。その後、加熱して弱撥水層３ｂとし、その上面に、強撥水層３ａ（幅２ｍｍ、厚さ５μｍ程度）を、９ｍｍピッチでストライプ状に形成した。強撥水層３ａには、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系で水との接触角度が１５５°程度の撥水材を用い、カーボン粒子と溶剤で混合したものを塗布した。
【００４２】
得られたサンプルに、上記実施例１と同様の評価試験を実施した。撥水層３表面に水を滴下して、その上からプレパラートを覆着して観察したところ、強撥水層３ａにおいて水が分断されたことが確認された。
【００４３】
以上のように、本発明によれば、加熱手段を設けたり流路構成やシステムを大きく変更することなく、良好な掃気性を有して、残留水が起点となる凍結を防止できる燃料電池のセル構成を実現することができる。
本実施形態の構成によれば、酸化剤ガス側セパレータ３に対向する拡散層２１の表面に、通気性が高い導電性通気層８を形成して通気性を向上させたので、掃気処理時に、拡散層２１と集電用リブ３１との間に掃気ガスが容易に流通する。これにより、残留する水分が掃気ガスによって持ちさられやすくなり、乾燥が促進される。よって、氷点下での運転開始時に残留水の凍結が起点となって、過冷却状態で生成した水分が凍結するのを防止することができる。なお、少なくとも集電用リブ３１との当接部位において拡散層２１の表面に導電性通気層８を介設する構成とすれば、集電用リブ３１下の通気性を向上させて排水を促進させる効果が得られる。
【００４４】
以上のように、本発明によれば、加熱手段を設けたり、システム構成部品を増加させることなく、氷点下始動時に生成水が凍結することによる急激な発電性能の低下を防止し、自己発熱による氷点下始動を可能にすることができる。
【００４５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明が適用される燃料電池システムは、上記図１の構成に限定されるものではなく、燃料電池スタックＳの各部構成その他を変更することも可能である。例えば、セパレータ４、５は波板にて構成したが、厚板に溝を形成することにより構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態であり、（ａ）は、燃料電池スタックのセル構成を示す概略断面図、（ｂ）は、燃料電池システム全体の概略構成図である。
【図２】本発明における強撥水層と弱撥水層の形成方法の一例を説明するための模式的な図である。
【図３】本発明における強撥水層と弱撥水層の形成方法の他の例を説明するための模式的な図である。
【符号の説明】
【００４７】
Ｓ  燃料電池スタック
Ｃ  セル
１  ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１  電解質膜
２１、２２  触媒層
３  撥水層
３ａ  強撥水層
３ｂ  弱撥水層
３１、３２  拡散層
４  酸化剤ガス側セパレータ
４１  空気流路（酸化剤ガス流路）
５  燃料ガス側セパレータ
５１  水素流路（燃料ガス流路）
６  冷却水流路
【図１】
2008269929.tif 000003
【図２】
2008269929.tif 000004
【図３】
2008269929.tif 000005