(57)【要約】【課題】酸化剤ガス通路の上流領域における酸化剤ガスを水蒸気によって積極的に加湿させることができる固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータを提供する。【解決手段】固体高分子型燃料電池は、電解質膜１１と、燃料極１２と、酸化剤極１５と、燃料極１２に燃料を供給する燃料通路２１を形成する燃料セパレータ２と、酸化剤極１５に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路３１を形成する酸化剤ガスセパレータ３と、通水路４１を形成する通水板４とをもつ。酸化剤ガスセパレータ３は細孔を有する。酸化剤ガスセパレータ３のうち少なくとも上流領域９１は、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガス通路３１に対向すると共に下流領域９３よりも疎水性が強い疎水性領域Ｘ２と、疎水性領域Ｘ２よりも通水路４１に近い側に設けられた親水性領域Ｘ１とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性をもつ電解質膜と、前記電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、前記電解質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極と、前記燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する通水板とを具備する固体高分子型燃料電池において、
前記酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、
前記酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも前記上流領域は、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、
前記酸化剤ガス通路に対向する側に設けられていると共に前記下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域と、前記疎水性領域よりも前記通水路に近い側に設けられた親水性をもつ親水性領域とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記酸化剤ガス通路に対向する対向面において、前記上流領域では前記下流領域よりも疎水性が強く設定されていると共に、前記上流領域から前記下流領域に向かうにつれて疎水性が弱くなるように設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記通水路に対向する側は、前記上流領域から前記下流領域にかけて、親水性を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する側において、前記下流領域のうちの少なくとも一部は親水性をもつことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガスセパレータは、前記通水路に対向する第１層と、前記酸化剤ガス通路に対向する第２層とを有しており、
前記第１層は前記上流領域から前記下流領域にかけて親水性を有しており、前記第２層において前記上流領域では前記下流領域よりも疎水性が強く設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、酸化剤ガスが流れる前記酸化剤ガス通路のうち前記下流領域の圧力は、前記通水路のうち前記下流領域に背向する通水路部分の圧力よりも大きく設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
イオン伝導性をもつ電解質膜の厚み方向の他方側に設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成すると共に、前記酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する酸化剤ガスセパレータにおいて、
前記酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、
前記酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域は、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、
前記酸化剤ガス通路に対向する側に設けられていると共に前記下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域と、前記疎水性領域よりも前記通水路に近い側に設けられた親水性をもつ親水性領域とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は細孔を備えた多孔質の酸化剤ガスセパレータをもつタイプの固体高分子型燃料電池、及び、固体高分子型燃料電池に組み込まれる細孔を備えた多孔質の酸化剤ガスセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護、エネルギ等の面から固体高分子型燃料電池が着目されている。固体高分子型燃料電池は、一般に、酸化剤及び燃料に基づいて発電を行うものである。固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータとを備えている。ＭＥＡは、電解質膜と燃料極と酸化剤極とで形成される。一般的には、酸化剤ガスセパレータ及び燃料セパレータは、ガスリークが生じないように緻密体で形成されている。
【０００３】
上記した固体高分子型燃料電池によれば、イオン伝導性をもつ電解質膜が過剰乾燥すると、電解質膜のイオン伝導性が低下する。そこで電解質膜の過剰乾燥を抑える必要がある。上記した従来の固体高分子型燃料電池によれば、固体高分子型燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料を加湿することが行われている。
【０００４】
また、近年、細孔をもつ多孔質体で酸化剤ガスセパレータ、燃料セパレータを形成した固体高分子型燃料電池も開発されている。このものによれば、液相としての水を細孔に浸透させてＭＥＡに供給すると共に、水を酸化剤ガスセパレータ、燃料セパレータの細孔に浸透させて細孔を封止することができる。
【０００５】
上記したように細孔をもつ多孔質体をもつ固体高分子型燃料電池として、特許文献１には、燃料セパレータを多孔質体で形成すると共に、酸化剤ガスセパレータを多孔質体で形成し、更に燃料セパレータの裏面側に通水路を形成すると共に、酸化剤ガスセパレータの裏面側に通水路を形成したものが開示されている。このものによれば、各通水路の水を多孔質の燃料セパレータの細孔を介してＭＥＡ側に供給すると同時に、多孔質の酸化剤ガスセパレータの細孔を介して生成水をくみ取ることができる。
【０００６】
また特許文献２には、多数の細孔をもつ導電性多孔質体で親水性をもつ燃料セパレータを形成すると共に、燃料セパレータの裏面側には、ＭＥＡと背向する位置に、撥水性をもつ導電性多孔質体で形成した加湿水透過体を配置した固体高分子型燃料電池が開示されている。このものによれば、加湿水透過体に保持されている液相としての水は、導電性多孔質体で形成された燃料セパレータの細孔を経てＭＥＡ側に移行し、電解質の過剰乾燥を抑える。このものによれば、燃料セパレータは親水性をもつので、燃料セパレータの細孔には液相としての水が浸透し、細孔を封止できる。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３３８３３８号
【特許文献２】特許番号第２９２２１３２号（特開平８−２５０１３０号公報）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した固体高分子型燃料電池によれば、酸化剤ガス（一般的には、酸素を含む空気）の流れの下流領域では、発電反応に基づいて生成された水が溜まるため、電解質膜の乾燥の不具合は生じにくい。しかしながら酸化剤ガスの流れの上流領域では、発電反応に基づいて生成された水が溜まりにくいため、多孔質体の細孔を介して水を電解質膜に供給しているといえども、酸化剤ガスの流れの上流領域では、運転条件によっては、電解質膜の乾燥の不具合が生じるおそれがある。
【０００９】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガス通路のうち乾燥が生じ易い上流領域における酸化剤ガスを水蒸気によって積極的に加湿させることができ、上流領域において電解質膜の乾燥の不具合を抑制するのに効果的に寄与することができる固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）第１発明に固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する通水板とを具備する固体高分子型燃料電池において、
酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、
酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域は、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、
酸化剤ガス通路に対向する側に設けられていると共に下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域と、疎水性領域よりも通水路に近い側に設けられた親水性をもつ親水性領域とを有するものである。
【００１１】
第１発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有する。酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域は、酸化剤ガス通路に対向すると共に下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域と、疎水性領域よりも通水路に近い側に設けられた親水性をもつ親水性領域とを有する。酸化剤ガスセパレータのうちの親水性領域は、通水路に対向しており且つ親水性をもつため、通水路に存在する液相である水を親水性領域の細孔に浸透させることができる。
【００１２】
酸化剤ガスセパレータのうちの疎水性領域は、疎水性を有する。このため親水性領域に浸透した水は、液相としてよりも、水蒸気として疎水性領域の細孔に浸透しやすい。更に疎水性領域は、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路に対向しているため、酸化剤ガスに触れる頻度が高い。従って疎水性領域の細孔では水蒸気化が進行し易い。このため、酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域の細孔においては、水蒸気化が促進され、水蒸気によって酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを加湿させることができる。
【００１３】
（２）第２発明に係る固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータは、イオン伝導性をもつ電解質膜の厚み方向の他方側に設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成すると共に、酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する酸化剤ガスセパレータにおいて、
酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、
酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域は、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、
酸化剤ガス通路に対向する側に設けられていると共に下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域と、疎水性領域よりも通水路に近い側に設けられた親水性をもつ親水性領域とを有するものである。
【００１４】
第２発明に係る固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータによれば、酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有する。酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域は、酸化剤ガス通路に対向する側に設けられていると共に下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域と、疎水性領域よりも通水路に近い側に設けられた親水性をもつ親水性領域とを有する。酸化剤ガスセパレータのうちの親水性領域は、通水路に対向する側に設けられていると共に親水性をもつため、通水路に存在する液相である水を親水性領域の細孔に浸透させることができる。
【００１５】
酸化剤ガスセパレータのうちの疎水性領域は、疎水性を有する。このため親水性領域に浸透した水は、液相としてよりも、水蒸気として疎水性領域の細孔に浸透しやすい。更に疎水性領域は、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路に対向しているため、酸化剤ガスに触れる頻度が高く、従って疎水性領域の細孔では水蒸気化が進行し易い。このため、酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域の細孔においては、水蒸気化が促進され、水蒸気によって酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを加湿させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１発明に固体高分子型燃料電池、第２発明に係る固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータによれば、次の形態のうちの少なくとも一つを採用することができる。
【００１７】
・酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する対向面については、上流領域において疎水性が強く設定されており、上流領域から下流領域に向かうにつれて、疎水性が弱くなるように設定されている形態を採用することができる。この場合、疎水性を連続的に変化させても良いし、段階的に変化させても良い。上記したように酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔は、疎水性をもつため、水を液相よりも水蒸気として存在させるのに有利となる。このため、酸化剤ガスセパレータの上流領域においては、水蒸気によって酸化剤ガスを加湿させ易くなる。
【００１８】
・酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガスセパレータのうち通水路に対向する側は、上流領域から下流領域にかけて、親水性を有する形態を採用することができる。通水路では水は主として液相として存在する。通水路に存在する液相としての水は、親水性により、酸化剤ガスセパレータの細孔に浸透し易くなる。この結果、液相としての水は、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する疎水性領域、または、これのできるだけ近くまで到達し易くなる。よって、水による細孔封止を期待できる。更に、酸化剤ガスセパレータの疎水性領域の細孔において水蒸気化が一層促進される。
【００１９】
・酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する側において、下流領域の少なくとも一部は親水性をもつ形態を採用することができる。この場合、酸化剤ガスセパレータの下流領域のうちの少なくとも一部は親水性をもつため、当該細孔には、水は水蒸気よりも液相として存在し易くなる。この状態において、酸化剤ガス通路の下流領域の圧力が、通水路のうち当該下流領域に背向する通水路部分の圧力よりも高ければ、酸化剤ガスの流れの下流領域に存在している液相としての水を、酸化剤ガスセパレータの親水性をもつ細孔を経て、通水路に移行させるのに寄与させることができる。この結果、通水路の水を補給できるばかりか、下流領域における余剰水の滞留を抑制することができ、フラッディング現象を抑制することができる。更に、フラッディング現象による発電ムラを低減させることができる。フラッディング現象とは、酸化剤ガスや燃料が通る流路を水が閉鎖するため、ＭＥＡに対して酸化剤ガスや燃料の供給が制約されることをいう。
【００２０】
・酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガスセパレータは、通水路に対向する第１層と、酸化剤ガス通路に対向する第２層とを有する形態を採用することができる。第１層は上流領域から下流領域にかけて親水性を有しており、第２層において、酸化剤ガスの流れの上流領域では、下流領域よりも疎水性が強く設定されている形態を採用することができる。第１層は親水性をもつため、通水路に存在する液相としての水は、第１層の細孔に浸透し易くなり、第１層の細孔を水で封止させることができる。また、第２層のうち酸化剤ガスの流れの上流領域の細孔は、下流領域よりも相対的に強い疎水性をもつため、水を液相よりも水蒸気として存在させ易くなり、酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔における水蒸気化が促進される。
【００２１】
・本発明によれば、好ましくは、下流領域については、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路のうち下流領域の圧力をＰａ’とし、通水路のうち下流領域に背向する通水路部分の圧力をＰｗ’とすると、Ｐａ’はＰｗ’よりも大きく（Ｐａ’＞Ｐｗ’）設定されている形態を採用できる。これにより下流領域において酸化剤ガス通路の過剰の生成水を酸化剤ガスセパレータの細孔を介して通水路に移動させることができ、下流領域におけるフラッディング現象の抑制に有効である。
【００２２】
・また、上流領域については、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路のうち上流領域の圧力をＰａとし、通水路のうち上流領域に背向する通水路部分の圧力をＰｗとするとき、ＰａはＰｗよりも大きく設定されている形態を採用することもできる（Ｐａ＞Ｐｗ）。この場合、酸化剤ガスセパレータの親水性領域の細孔に存在する水は、液相状態では、酸化剤セパレータの親水性領域の細孔には浸透するものの、疎水性領域の細孔に浸透しにくくなる。このため酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔では、水は液相よりも水蒸気の形態で一層存在し易くなり、酸化剤ガスセパレータの疎水性領域の細孔において水蒸気化が促進される。但し、細孔の毛細管圧により酸化剤ガスセパレータの親水性領域の細孔に水が浸透するため、酸化剤ガスセパレータの細孔のシールが行われる。更に、上流領域については、酸化剤ガスセパレータの細孔の毛細管圧に応じて、Ｐａ＜Ｐｗとすることもでき、Ｐａ＝Ｐｗ、Ｐａ≒Ｐｗとすることもできる。
【００２３】
・上記したように酸化剤ガスセパレータは細孔を有する。細孔径としては適宜選択できるが、１〜２００μｍ、１〜１００μｍ、殊に２〜３０μｍ、２〜１５μｍ、更に３〜４μｍを例示することができる。酸化剤セパレータの気孔率としては適宜選択できるが、体積比で１０〜９０％、１５〜６０％、殊に２０〜４０％とすることができる。但し細孔径、気孔率は上記した範囲に限定されるものではない。なお、固体高分子型燃料電池としては、車載用、定置用、ポータブル用、家庭用、業務用等を問わない。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の第１実施例について図１〜図７を参照して説明する。図１は本実施例に係る固体高分子型燃料電池の概念図を模式的に示し、電解質膜の厚み方向に沿った断面を模式的に示す。図１に示すように、本実施例に係る固体高分子型燃料電池のＭＥＡ１は、プロトン伝導性を有する電解質膜１１と、電解質膜１１の厚み方向の一方側に設けられアノードとも呼ばれる燃料極１２と、電解質膜１１の厚み方向の他方側に設けられカソードとも呼ばれる酸化剤極１５とを有する。
【００２５】
更に、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡ１の外側に配置され燃料極１２にガス状の燃料を供給する溝状の燃料通路２１を形成する燃料セパレータ２と、ＭＥＡ１の外側に配置され酸化剤極１５に酸化剤ガス（一般的には空気）を供給する溝状の酸化剤ガス通路３１を形成する酸化剤ガスセパレータ３と、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤極１５に背向する位置に通水路４１を形成する通水板４とを有する。
【００２６】
図１に示すセル構造が積層されて固体高分子型燃料電池が形成される。図１ではＭＥＡ１、燃料セパレータ２、酸化剤ガスセパレータ３等は縦方向に沿って図示されているが、図１はあくまでも概念図であり、水平方向に沿って配置されていても良い。
【００２７】
図１において、酸化剤極１５は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第１ガス拡散層１６と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第１触媒層１７とを有する。燃料極１２は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第２ガス拡散層１３と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第２触媒層１４とを有する。触媒としては触媒機能を有するものであればよく、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、金、銀等の少なくとも１種を例示できる。
【００２８】
燃料セパレータ２は、導電性をもつ材料（カーボン材料）で形成されており、封止用の樹脂を含浸させた緻密体とされている。従って燃料通路２１からの燃料リークは抑制される。
【００２９】
酸化剤ガスセパレータ３は、これの厚み方向に連通する連通孔となりうる多数の細孔をもつ多孔質体で形成されており、多孔質性及び導電性を有する。酸化剤ガスセパレータ３は、水蒸気を利用した加湿機能を有する。酸化剤ガス通路３１において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域９１とする。酸化剤ガスが流れる下流を下流領域９３とする。
【００３０】
本実施例に係る固体高分子型燃料電池は、酸化剤ガスセパレータ３の細孔から放出される水蒸気による加湿機能を利用して、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを積極的に加湿させるものである。図１に示すように、酸化剤ガスセパレータ３は溝状の酸化剤ガス通路３１を形成するものであり、厚み方向に複層構造とされており、通水路４１に対向する対向面３０をもつように配置された薄い第１層３２と、酸化剤ガス通路３１及び酸化剤極１５に対向する対向面３４をもつようにように第１層３２に積層された薄い第２層３３とを有する。従って、酸化剤ガスセパレータ３は、第１層３２と第２層３３とを一体的に積層することにより形成されている。
【００３１】
第１層３２は、導電性をもつ材料（カーボン材料等）を基材として形成されており、第１層３２の厚み方向に連通する連通孔となる多数の細孔をもつ。第２層３３は、導電性をもつ材料（カーボン材料等）を基材として形成されており、第１層３２の厚み方向に連通する連通孔となる多数の細孔をもつ。第１層３２の全体は親水性処理を施されており、親水性物質を有する親水性領域Ｘ１とされている。従って第１層３２の表面、第１層３２の親水性領域Ｘ１の細孔の内壁面は、親水性をもつ。
【００３２】
第１層３２の細孔の細孔径は、第１層３２の上流から下流にかけてほぼ均一範囲とされている。第２層３３の細孔の細孔径は、第２層３３の上流から下流にかけてほぼ均一範囲とされており、第１層３２の細孔の細孔径とほぼ同じ程度とされている。
【００３３】
第２層３３は、主として疎水性処理を施されており、疎水性物質を有する疎水性領域Ｘ２を備えている。従って第２層３３の疎水性領域Ｘ２の細孔の内壁面は疎水性をもつ。酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３に係る疎水性領域Ｘ２においては、上流領域９１では下流領域９３よりも疎水性が相対的に強く設定されている。
【００３４】
図６は、第２層３３における疎水性の強さの変化を模式的に示す。図６の横軸は第２層３３の上流端９１ａから下流端９３ａまでの位置を示す。図６の縦軸は疎水性の強さを示す。図６の特性線Ｓ１〜Ｓ３に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３のうち酸化剤極１５に対向する対向面３４については、上流領域９１の疎水性が下流領域９３よりも相対的に強く設定されている。換言すれば、酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３のうち上流領域９１の上流端９１ａの疎水性が最も強く設定されており、上流領域９１から下流領域９３に向かうにつれて、疎水性が次第に傾斜的にまたは段階的に弱くなるように設定されている。酸化剤ガスセパレータ３のうち第１層３２の下流領域９３の下流端９３ａ側では、疎水性というよりも、親水性とされている。具体的には、酸化剤ガスセパレータ３の最表面のうち上流領域９１の上流端９１ａから下流領域９３の下流端９３ａまでの面積を１００としたとき、一般的には、上流端９１ａから６０〜９５％の領域は疎水性とすることができ、下流端９３ａから４０〜５％の領域は親水性とすることができる。親水性領域Ｘ１の面積及び強さの大小は、燃料電池の用途によって設定する。
【００３５】
あるいは、上流端９１ａから７０〜９０％の領域は疎水性とすることができ、下流端９３ａから３０〜１０％の領域は親水性とすることができる。あるいは、上流端９１ａから８０〜９０％の領域は疎水性とすることができ、下流端９３ａから２０〜１０％の領域は親水性とすることができる。但しこれらの数値範囲に限定されるものではない。このように疎水性領域Ｘ２の面積割合、親水性領域Ｘ１の面積割合は、固体高分子型燃料電池の用途等に応じて、適宜設定することができる。
【００３６】
図１に示すように、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガス入口３５は、酸化剤ガスを搬送させる搬送源４７に繋がれている。燃料通路２１の燃料入口２５は、ガス状の燃料を搬送させる燃料搬送源２８に繋がれている。
【００３７】
図１に示すように、通水路４１は、燃料電池を冷却する冷却用及び加湿用の水を流すものであり、給水源４５に繋がる給水口４３と、吐水口４４とをもつ。更に給水源４５からの水を通水路４１に供給する通水駆動部４９が設けられている。通水駆動部４９は例えばポンプで形成できる。通水駆動部４９は、通水路４１の給水口４３の上流側に設けられている。
【００３８】
固体高分子型燃料電池を運転する際には、酸化剤ガス（一般的にはガス状の空気）が搬送源４７により酸化剤極１５用の酸化剤ガスセパレータ３の溝状の酸化剤ガス通路３１に供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路３１から酸化剤極１５の第１ガス拡散層１６、第１触媒層１７に向けて矢印Ｅ１方向に流入する。更に、ガス状の燃料（純水素ガスや改質ガス等の水素含有ガス）は、燃料搬送源２８により、燃料セパレータ２の溝状の燃料通路２１に供給される。ガス状の燃料は、燃料通路２１から燃料極１２の第２ガス拡散層１３及び第２触媒層１４に向けて矢印Ｅ２方向に流入する。
【００３９】
そして、第２触媒層１４の触媒作用により、燃料に含まれている水素からプロトン（水素イオン）と電子（ｅ−）とが生成される。生成されたプロトンは、電解質膜１１を厚み方向に透過して酸化剤極１５に至る。電子は導電経路６０を流れ、導電経路６０の負荷６１で電気的仕事を行った後に、酸化剤極１５に至る。そして酸化剤極１５では、酸化剤極１５の第１触媒層１７の触媒作用により、酸化剤極１５に供給された酸化剤ガス（一般的に空気）とプロトンと電子とが反応して水が生成される。このような発電反応により熱が発生するが、通水路４１の水により固体高分子型燃料電池は冷却される。
【００４０】
固体高分子型燃料電池の運転の際には、酸化剤ガス及び水の下流領域において、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の下流領域９３の酸化剤ガスの圧力（Ｐａ’）は、通水路４１のうち下流領域９３に背向する下流通水路部分４１ｄの水の圧力（Ｐｗ’）よりも大きく設定されている。
【００４１】
上記した発電反応に基づいてＭＥＡ１では水が生成され、その生成水が下流領域９３に移送される等の理由により、酸化剤ガスの上流領域９１よりも下流領域９３の方が生成水が相対的に多くなる傾向となる。上記したＭＥＡ１では、上流領域９１では乾燥が生じるおそれがあり、下流領域９３では余剰水が滞留するおそれがある。
【００４２】
なお固体高分子型燃料電池の酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガス入口３５に供給される酸化剤ガスとしては、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。固体高分子型燃料電池の燃料通路２１に供給される燃料についても、同様に、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。
【００４３】
図２は酸化剤ガスセパレータ３を示す。図２に示すように、酸化剤ガスセパレータ３には、酸化剤ガスが流れる凹状の酸化剤ガス通路３１が案内凸部３７と共に形成されている。酸化剤ガスセパレータ３の一辺部３ａ（下辺部）に、酸化剤ガス入口３５、酸化剤ガス出口３６が隣設して形成されている。酸化剤ガス通路３１は、上下方向に延設された仕切壁３８で仕切られている。酸化剤ガスセパレータ３のうち一辺部３ａに対向する他辺部３ｂ（上辺部）には、中間口３９が形成されている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口３５から酸化剤ガス通路３１に流入し、上流領域９１→中間口３９→下流領域９３→酸化剤ガス出口３６のように、矢印Ｋ１方向に流れる。
【００４４】
図２に示すように、酸化剤ガス入口３５から導入された酸化剤ガスは、中間口３９に至るまでは上向きに流れ、中間口３９から酸化剤ガス出口３６までは下向きに流れる。即ち、酸化剤ガスセパレータ３においては、酸化剤ガスは逆Ｕ字形状に流れる。このため図２、図３に示すように、下流領域９３では、酸化剤ガスは下向きに流れるため、重力を利用して生成水を酸化剤ガス出口３６に排出させ易くなり、下流領域９３におけるフラッディング現象を抑制するのに一層寄与することができる。
【００４５】
なお、図２に示すように、酸化剤ガス通路３１の通路幅は、仕切壁３８によって、上流側の通路幅Ｌ１と下流側の通路幅Ｌ２として仕切られ、且つ、Ｌ１＞Ｌ２に設定されているため、下流側を流れる酸化剤ガスの流速を増加させるのに寄与でき、余剰水を酸化剤ガス出口３６に排出させ易くなる効果を期待できる。
【００４６】
図２に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち一辺部３ａに隣設する隣設辺部３ｃには、燃料入口２５及び吐水口４４が隣設して形成されている。酸化剤ガスセパレータ３のうち他辺部３ｂに隣設する隣設辺部３ｄには、燃料出口２６及び給水口４３が隣設して形成されている。
【００４７】
ここで、酸化剤ガスセパレータ３は多孔質であり、細孔をもつため、燃料入口２５及び燃料出口２６を流れるガス状の燃料が細孔を介して酸化剤ガス通路３１に混入するおそれがある。そこで本実施例によれば、図３に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち燃料入口２５及び燃料出口２６の付近に緻密体部分３ｒ（図３においてハッチングで示す領域）を設けており、緻密体部分３ｒにより上記した燃料の混入が抑えられている。緻密体部分３ｒは、酸化剤ガス入口３５，酸化剤ガス出口３６，中間口３９付近にも設けられてる。緻密体部分３ｒは樹脂を含浸させて、当該部分３ｒにおける細孔を封止してガスシール性を高めることにより形成できる。なお必要に応じて、仕切壁３８にも樹脂を含浸させて、仕切壁３８の細孔を封止させて緻密体とすることができる。
【００４８】
図４は燃料セパレータ２を示す。図４に示すように、燃料セパレータ２には、ガス状の燃料が流れる凹状の燃料通路２１が案内凸部２７と共に形成されている。燃料セパレータ２の一辺部に燃料入口２５、吐水口４４が形成されている。燃料セパレータ２の他辺部には燃料出口２６、給水口４３が形成されている。図４において、燃料は燃料入口２５→燃料通路２１→燃料出口２６に向けて矢印Ｋ３方向に流れる。なお、図４において、燃料セパレータ２のうち一辺部に対向する他辺部には、中間口３９が形成されている。燃料セパレータ２には、酸化剤ガス入口３５、酸化剤ガス出口３６が形成されている。
【００４９】
図４に示すように、燃料通路２１において燃料は矢印Ｋ３方向に流れる。図４及び図２を比較すれば、燃料が流れる矢印Ｋ３方向における上流は、酸化剤ガスの流れの下流領域９３に相当するといえる。また、燃料が流れる矢印Ｋ３方向における下流は、酸化剤ガス入口３５の近傍に配置されており、酸化剤ガスの流れの上流領域９１に相当するといえる。この結果本実施例によれば、燃料通路２１における燃料の主流れ方向と、酸化剤ガス通路３１における酸化剤ガスの主流れ方向とは、基本的には、逆の配向性をもつ。
【００５０】
図５は通水部材としての通水板４を示す。図５に示すように、通水板４には、水が流れる凹状の通水路４１が案内凸部４７と共に形成されている。通水板４の一辺部に燃料入口２５、吐水口４４が形成されている。通水板４の他辺部には燃料出口２６、給水口４３が形成されている。図５において、水は給水口４３→通水路４１→吐水口４４に向けて、蛇行しつつ矢印Ｋ４方向に流れる。なお、図５において、通水板４のうち一辺部に対向する他辺部には、中間口３９が形成されている。通水板４には、酸化剤ガス入口３５、酸化剤ガス出口３６が形成されている。
【００５１】
図５に示すように、通水路４１において、冷却兼加湿用の水は矢印Ｋ４方向に流れる。図５及び図２を比較すれば、水が流れる矢印Ｋ４方向における上流は、酸化剤ガス入口３５の近傍に配置されており、酸化剤ガスの流れの上流領域９１に相当するといえる。また、水が流れる矢印Ｋ４方向における下流は、酸化剤ガス出口３６の近傍に配置されており、酸化剤ガスの流れの下流領域９３に相当するといえる。この結果本実施例によれば、通水路４１における水の主流れ方向と、酸化剤ガス通路３１における酸化剤ガスの主流れ方向とは、基本的には、同じ配向性を有する。
【００５２】
以上説明したように本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１では、下流領域９３よりも疎水性が相対的に強く設定されている。このため酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１の細孔の内壁面は、相対的に強い疎水性を有する。よって、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１の細孔では、水は、液相よりも水蒸気として存在し易くなる。故に、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１においては、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを水蒸気によって加湿させ易くなる。このように液相としての水よりも、細孔内の水蒸気によって酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを加湿すれば、フラッディング現象を抑えるのに寄与できる。
【００５３】
通水路４１における水圧が変動すると、ＭＥＡ１の湿分が変動し、発電ムラが増加し、発電性能に影響を与える。この点本実施例によれば、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを加湿することにより、ＭＥＡ１に湿分を与える方式が採用されている。このため、ＭＥＡ１に湿分を与えるにあたり、通水路４１における水圧の変動を直接的に受けることを抑制できる利点が得られ、発電ムラの低減に有利である。
【００５４】
細孔における疎水性及び親水性が、多孔質体の細孔における液体の蒸気圧に与える影響について、Ｋｅｌｖｉｎの式に基づいて説明を加える。Ｋｅｌｖｉｎの式は数式１であらわされる。ここで、Ｐは細孔内の液体の平衡蒸気圧、Ｐｏはその液体の飽和蒸気圧、σはその液体の表面張力、Ｍはその液体の分子モル質量、θはその液体の接触角、ρはその液体の密度、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度を示す。一般的には、親水性はθが０〜９０度以下とされ、疎水性はθが９０度越え〜１８０度とされる。
【００５５】
【数１】
2004146246.tif 000003
【００５６】
Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が疎水性の場合には、θが９０度越え〜１８０度とされるため、ｃｏｓθは負の値となり（ｃｏｓθ＜０）、ＰはＰｏよりも大きくなる（Ｐ＞Ｐｏ）。このため細孔の内壁面が疎水性を有する場合には、細孔における平衡状態の水蒸気分圧は、その温度における飽和蒸気圧よりも大きくなる。従って、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１の細孔は、疎水性が相対的に強く設定されているため、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１の細孔における水蒸気分圧は、飽和蒸気圧よりも大きくなる。このように細孔における水蒸気分圧が大きいと、酸化剤ガスに対する加湿速度を増加させることができる。このため、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性の下流領域９３の細孔に存在する水蒸気によって、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを加湿させることができ、ひいてはＭＥＡ１の電解質膜１１に効果的に水分を与えることができる。
【００５７】
図７は、酸化剤ガスセパレータ３の細孔構造をモデル化して示す。本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３の第１層３２の細孔は親水性を有するため、図７に示すように、通水路４１に存在する液相としての水を、これの水圧と毛細管圧を利用して、酸化剤ガスセパレータ３において、通水路４１に対向する対向面３０から矢印Ａ１方向に向けて移動させて、第１層３２の細孔に浸透させることができる。この結果、液相としての水が酸化剤ガスセパレータ３のうち通水路４１側の細孔に浸透して細孔を封止できるため、酸化剤ガスセパレータ３の細孔のシールを図ることができ、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスが通水路４１に洩れることが抑えられ、発電反応を良好に行うことができる。
【００５８】
本実施例によれば、前述したように酸化剤ガスセパレータ３の第１層３２は親水性を有するため、通水路４１に存在する液相としての水を、毛細管圧により酸化剤ガスセパレータ３において矢印Ａ１方向（図７参照）に向けて移動させて、第１層３２の細孔に浸透させることができる。この結果、酸化剤ガスセパレータ３の第１層３２に隣設する第２層３３の細孔、または、第２層３３の細孔の近くまで、水を近づけることができる。しかし酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３のうち上流領域９１の細孔では疎水性が強いため、水は液相よりも水蒸気として存在し易くなる。この結果、酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３のうち上流領域９１の細孔では、水蒸気化が促進される。この意味においても、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１においては、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを水蒸気によって加湿させ易くなる利点が得られる。
【００５９】
殊に本実施例によれば、酸化剤ガス通路３１のうち上流領域９１の酸化剤ガスの湿度は、生成水が滞留しがちの下流領域９３の酸化剤ガスの湿度よりも低い。このため、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１の水蒸気分圧よりも、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１の細孔に存在する水蒸気の水蒸気分圧は高くなる。このため、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１の細孔に存在する水蒸気を、酸化剤ガス通路３１に矢印Ａ３方向（図７参照）に拡散させることができる。この意味においても、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１においては、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを水蒸気によって加湿させ易くなる利点が得られる。
【００６０】
本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤極１５に対向する側の対向面３４において、下流領域９３の下流端９３ａ側は疎水性が相対的に弱く設定されており、むしろ親水性とされている。このため酸化剤ガスセパレータ３の下流領域９３の下流端９３ａ側の細孔に、液相としての水は良好に浸透することができる。
【００６１】
そして本実施例によれば、図１において、下流領域９３について、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の下流領域９３の酸化剤ガスの圧力をＰａ’とし、通水路４１のうち下流領域９３に背向する下流通水路部分４１ｄ（通水路４１の下流）の水の圧力をＰｗ’とする。本実施例によれば、圧力Ｐａ’は圧力Ｐｗ’よりも大きく設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。このため、酸化剤ガスセパレータ３のうち下流領域９３においては、下流領域９３に滞留する余剰の水を、酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３の細孔、酸化剤ガスセパレータ３の第１層３２の細孔を経て、通水路４１へと矢印Ａ２方向（図１参照）に押し出すことができる。これにより下流領域９３において液相としての水が余剰に滞留するときであっても、下流領域９３における余剰水を通水路４１に戻すのに寄与することができる。この結果、酸化剤ガスの下流領域９３における水の余剰滞留を一層抑制することができ、下流領域９３におけるフラッディング現象の抑制に寄与することができる。
【００６２】
本実施例によれば、図１において、酸化剤ガス通路３１のうち上流領域９１の酸化剤ガスの圧力をＰａとし、通水路４１のうち上流領域９１に背向する上流通水路部分４１ｕの水の圧力をＰｗとすると、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスの圧力Ｐａは水の圧力Ｐｗよりも大きく設定することもできる（Ｐａ＞Ｐｗ）。この場合でも、上流領域９１では、細孔の毛細管圧や親水性により、酸化剤ガスセパレータ３の第１層３２の親水性領域Ｘ１の細孔に通水路４１の水が浸透するため、細孔のシールが行われるものの、液相としての水を酸化剤ガス通路３１に一層移動させにくくなる。このため、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１の細孔では、水は、液相よりも水蒸気の形態で一層存在し易くなる。この意味においても、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性領域Ｘ２の細孔において水蒸気化が一層促進される。このため、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを水蒸気により一層効果的に加湿させることができる。上流領域９１では、通水路４１の水を細孔の毛細管圧で酸化剤ガスセパレータ３の細孔に浸透させることができる。
【００６３】
また本実施例によれば、上流領域９１については、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスの圧力Ｐａと水の圧力Ｐｗとの関係としては、疎水性領域Ｘ２の疎水性、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の毛細管圧にもよるが、Ｐａ＝Ｐｗ、Ｐａ≒Ｐｗとすることもできる。また、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性領域Ｘ２の疎水性が充分あり、撥水性が高ければ、通水路４１の水が酸化剤ガス通路３１に過剰に浸透することが撥水性により抑制されるため、Ｐａ＜Ｐｗとすることができる。このように本実施例によれば、圧力Ｐａと水の圧力Ｐｗとの関係としては、Ｐａ＝Ｐｗ、Ｐａ≒Ｐｗ、Ｐａ＜Ｐｗ、Ｐａ＞Ｐｗの一つに必要に応じて設定することができる。
【００６４】
上記した説明から理解できるように、本実施例に係る酸化剤ガスセパレータ３は、上流領域９１では、酸化剤ガス通路３１を水蒸気等で加湿できる加湿機能を有し、下流領域９３では、酸化剤ガス通路３１の水分を吸収する吸湿機能を有する。
【００６５】
酸化剤ガス通路３１の上流領域９１では、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３よりも湿度が低いため、乾燥が生じるおそれがある。これに対して、燃料通路２１の下流領域２１ｄでは、燃料通路２１の上流領域２１ｕよりも湿分が多くなりがちである。この点本実施例によれば、図１に示すように、燃料通路２１における燃料の主流れ方向（矢印Ｋ３方向）と、酸化剤ガス通路３１における酸化剤ガスの主流れ方向（矢印Ｋ１方向）とは、基本的には逆の配向性をもつ。従って、図１に示すように、電解質膜１１、燃料極１２、酸化剤極１５を膜・接合体であるＭＥＡ１としたとき、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に沿った断面（図１）において、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１は、燃料通路２１の下流領域２１ｄとはＭＥＡ１を介して対向するように設定されている。このため、燃料通路２１の下流領域２１ｄにおける湿分を酸化剤ガス通路３１の上流領域９１に矢印Ｂ１方向（図１参照）に移行させるのに貢献でき、上流領域９１における電解質膜１１の過剰乾燥を抑制するのに有利であり、発電性能を高めることができる。
【００６６】
更に本実施例によれば、図１に示すように、通水路４１における水の主流れ方向（矢印Ｋ４方向）と、酸化剤ガス通路３１における酸化剤ガスの主流れ方向（矢印Ｋ１方向）とは、基本的には同じ配向性を有する。従って、図１に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に沿った断面（図１）において、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の上流領域９１と通水路４１の上流通水路部分４１ｕとは、酸化剤ガスセパレータ３を介して対向するように設定されている。ここで、通水路４１の上流通水路部分４１ｕ（上流）の水圧は、圧力損失の影響を受けた下流通水路部分４１ｄの水圧よりも高いため、通水路４１の上流通水路部分４１ｕの水を、酸化剤ガスセパレータ３を厚み方向（矢印Ａ１方向）に浸透させて、酸化剤ガス通路３１のうち乾燥しがちの上流領域９１に水蒸気として供給させるのに有利となる。なお、前述したように必要に応じて、Ｐｗ＞Ｐａに設定しても、Ｐｗ＜Ｐａに設定しても、Ｐｗ＝Ｐａ，Ｐｗ≒Ｐａに設定しても良い。
【００６７】
（第２実施例）
図８は、第２実施例に係る酸化剤ガスセパレータ３Ｂの細孔構造の概念をモデル化して示す。第２実施例は第１実施例と基本的には同様の発明であり、同様の作用効果を奏する。但し、図８に示すように、酸化剤ガスセパレータ３Ｂは一層のみで形成されている。酸化剤ガスセパレータ３Ｂの厚み方向に沿った断面のうち、通水路４１に対向する側が親水性とされており、酸化剤ガスセパレータ３Ｂのうち、酸化剤ガス通路３１に対向する側が疎水性とされている。特に、酸化剤ガスセパレータ３Ｂのうち、酸化剤ガス通路３１に対向する側の上流領域９１が、他の箇所よりも相対的に強い疎水性とされている。
【００６８】
本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３Ｂのうち通水路４１に対向する側は、親水性を有するため、通水路４１に存在する液相としての水を、毛細管圧により、酸化剤ガスセパレータ３において矢印Ａ１方向に向けて移動させて、酸化剤ガスセパレータ３Ｂの細孔に浸透させ封止させ易くなる。この結果、液相としての水を利用して酸化剤ガスセパレータ３Ｂの細孔のシールを図ることができ、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスが通水路４１に洩れることが抑えられる。
【００６９】
更に本実施例においても、酸化剤ガスセパレータ３Ｂの上流領域９１のうち酸化剤ガス通路３１に対向する側では疎水性が強い。このため、酸化剤ガスセパレータ３Ｂの上流領域９１の細孔では、水は液相よりも水蒸気として存在し易くなる。この結果、第１実施例と同様に、酸化剤ガスセパレータ３Ｂのうち酸化剤ガス通路３１に対向する側については、上流領域９１の細孔では、水蒸気化が促進される。従って、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１においては、水蒸気によって酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを加湿させることができる。なお本実施例においても、下流領域９３については、圧力Ｐａ’は圧力Ｐｗ’よりも大きく設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。
【００７０】
（第３実施例）
図９〜図１１は第３実施例を示す。第３実施例は第１実施例と基本的には同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。本実施例においても、酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４において、疎水性が設定されている。図１０の特性線Ｓ１０〜Ｓ１２に示すように、酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち上流領域９１の上流端９１ａ側では、下流領域９３よりも疎水性が相対的に強く設定されている。そして上流端９１ａから下流領域９３の下流端９３ａに向かうにつれて、疎水性が次第に相対的に弱くなるように設定されている。即ち、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの疎水性領域Ｘ２のうち下流領域９３では、上流領域９１に比較して、疎水性が相対的に弱くなるように設定されている。酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４において、下流端９３ａでも疎水性は設定されている。
【００７１】
このため、図９に示す酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち上流領域９１の細孔の内壁面は、相対的に強い疎水性を有する。このため、第１実施例と同様に、酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち上流領域９１の細孔においては、水は液相よりも水蒸気として存在し易くなる。故に、酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち上流領域９１においては、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを水蒸気によって加湿させることができる。
【００７２】
本実施例においても、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の下流領域９３の圧力をＰａ’とし、通水路４１のうち下流領域９３に対向する水の圧力をＰｗ’とすると、圧力Ｐａ’は圧力Ｐｗ’よりも大きく設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。このため、酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち下流領域９３においては、下流領域９３に滞留する水を、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの第２層３３の細孔→第１層３２の細孔→通水路４１へと、矢印Ａ２方向に押し出して循環させることを期待できる。これにより酸化剤ガス通路３１における下流領域９３において液相としての水が余剰に滞留するときであっても、その余剰水を通水路４１に移行させるのに寄与できる。この結果、酸化剤ガスの下流領域９３における水の余剰滞留を抑制することができ、フラッディング現象の抑制に一層寄与することができる。なお、上流領域９１については、必要に応じて、Ｐｗ＞Ｐａに設定しても、Ｐｗ＜Ｐａに設定しても、Ｐｗ＝Ｐａ，Ｐｗ≒Ｐａに設定しても良い。
【００７３】
図１１は、第３実施例に係る酸化剤極１５に用いられる第１ガス拡散層１６Ｃが親水性及び疎水性を有する形態を模式的に示す。図１１に示すように、第１ガス拡散層１６Ｃにおいては、上流領域９１は、親水性処理されており、親水性物質を有する親水性領域２００（図１１においてハッチングで示す領域）を有する。下流領域９３は、疎水性処理されており、疎水性物質を有する疎水性領域２１０を有する。図１１に示すように、酸化剤ガスが透過する第１ガス拡散層１６Ｃにおいては、上流領域９１が親水性領域２００とされているため、水蒸気が第１ガス拡散層１６Ｃの親水性領域２００において凝縮し易くなり、その水をＭＥＡ１の電解質膜１１に供給することができる。
【００７４】
また図１１に示すように、酸化剤ガスが透過する第１ガス拡散層１６Ｃについては、下流領域９３が疎水性領域２１０とされている。このため、水が余剰となりがちの下流領域９３において水がはじかれ、フラッディング現象を抑制するのに寄与できる。
【００７５】
（製造例）
上記した多孔質な酸化剤ガスセパレータ３，３Ｂ，３Ｃは次のように形成できる。即ち、カーボン系材料（天然黒鉛、人造黒鉛等）とバインダ（熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂）と消失可能な造孔材（セルロース系有機質材）とを混合した混合材料を用いる。この混合材料を成形型のキャビティ型面でプレス成形して成形体とし、その成形体を焼成温度（例えば５００〜６００℃）において焼成し、成形体の造孔材を消失させることにより、多数の細孔をもつ酸化剤ガスセパレータ３，３Ｂ，３Ｃを形成することができる。細孔径としては１〜１００μｍ、２〜３０μｍ、２〜１５μｍ、殊に３〜４μｍとすることができるが、これらに限定されるものではない。気孔率としては体積比で１０〜９０％、１５〜６０％、殊に２０〜４０％とすることができるが、これらに限定されるものではない。
【００７６】
酸化剤ガスセパレータ３，３Ｂ，３Ｃに疎水性を与える疎水性物質としては、フッ素原子，ＣＦ２基，ＣＦ３基，ＣＨ３基，ＣＨ２基等を有するものがあげられ、フッ素、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ等）、フッ化黒鉛、疎水性カーボン、シラン化合物、パラフィン等を例示できる。
【００７７】
疎水性処理の代表例としては、酸化剤ガスセパレータ３，３Ｂ，３Ｃの上流領域９１では、疎水処理時間を長めとし、上流領域９１から下流領域９３にかけて疎水処理時間を次第に短くすることができる。これにより上流領域９１から下流領域９３にかけて疎水性に強さの勾配を与えることができる。
【００７８】
例えば次のように行うことができる。図１２に示すように、疎水処理を行う処理容器１００の処理室１０１を、仕切部材１０２により疎水処理室１０３と隔離室１０４とに仕切る。仕切部材１０２としてはゴムシール材等の可撓性材料を採用できる。疎水処理室１０３には、疎水処理を行う疎水性物質を含む改質ガスが供給される。隔離室１０４への改質ガスの供給は、仕切部材１０２により制約される。そして、酸化剤ガスセパレータ３をこれの先端３ｘから疎水処理室１０３に向けて矢印Ｗ１方向に所定の速度で移動させる。酸化剤ガスセパレータ３の先端３ｘでは、疎水処理室１０３で改質ガスにより改質される改質時間が長くなるため、疎水処理が進行して、疎水性物質が多く付着し、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性が強めとなる。この結果、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１で疎水性を強くでき、上流領域９１から下流領域９３に向かうにつれて疎水性を次第に低下させることができ、疎水性の強さの勾配をつけることができる。
【００７９】
疎水処理を行う改質ガスとしては、フッ素ガス、あるいは、フッ素ガスと不活性ガス（窒素等）とを主要成分とするガスを用いることができる。疎水処理室１０３の雰囲気温度としては適宜選択できるが、一般的には、室温から４００℃程度とすることができる。
【００８０】
親水処理としては、親水性物質を液状媒体（水、アルコール等）に溶解または分散させた溶液を用い、その溶液と酸化剤ガスセパレータ３とを接触させることにより行い得る。親水性物質としては、過酸化水素水、二酸化珪素の粉末、酸化アルミニウムの粉末等を例示することができ、その表面に水酸基やカルボキシル基等の親水性の官能基を多量に含むものを例示することができる。更に、吸水性の樹脂である、デンプン・アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール等を用いることもできる。また、イオン交換樹脂、吸水性多糖類を親水性物質として例示できる。いずれもその構造内に、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、アミノ基、スルホ基等の親水性の官能基のうちの少なくとも１種を有するものを例示することができる。親水性の強さに勾配をつけるときには、親水性物質を含む溶液に酸化剤ガスセパレータ３をこれの先端３ｘから所定の速度で浸漬させる。酸化剤ガスセパレータ３の先端３ｘでは、親水性物質を含む溶液に触れる時間が長くなるため、親水処理が進行して、酸化剤ガスセパレータ３の親水性が強めとなる。
【００８１】
（その他）
上記した実施例によれば、燃料極セパレータ２は緻密体とされているが、これに限らず、細孔をもつ多孔質体とすることもでき、その細孔を水で封止してシールすることができる。第１触媒層１７及び第２触媒層１４は電解質膜１１の表裏に直接的に被覆されていても良い。上記した実施例によれば、酸化剤ガスは逆Ｕ字形状に流れるが、これに限らず、Ｕ字形状に流れても良いし、横Ｕ字形状に流れても良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想を把握できる。
（付記項１）各請求項において、酸化剤ガスセパレータは、上流領域では、酸化剤ガス通路を加湿できる加湿機能を有し、下流領域では、酸化剤ガス通路の水分を吸収する吸湿機能を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。通水路における水の循環に寄与できる。
（付記項２）イオン伝導性をもつ電解質膜の厚み方向の他方側に設けられ酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成すると共に、酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する酸化剤ガスセパレータにおいて、
酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域は、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、
酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガスセパレータは、通水路に対向する第１層と、酸化剤ガス通路に対向する第２層とを有しており、第１層は、上流領域から下流領域にかけて親水性を有しており、第２層において上流領域では下流領域よりも疎水性が強く設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータ。
（付記項３）イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する通水板とを具備する固体高分子型燃料電池において、酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、
酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも上流領域は、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガス通路に対向すると共に下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域をもつことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、酸化剤ガスセパレータのうち上流領域は、相対的に強い疎水性を有する。このため、酸化剤ガスセパレータのうち上流領域の細孔には、液相としての水が浸透しにくくなる。よって、酸化剤ガスセパレータのうち上流領域の細孔において、水は、液相よりも水蒸気として存在し易くなる。故に、酸化剤ガスセパレータのうち上流領域においては、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気によって加湿させ易くなり、酸化剤ガスの流れの上流領域において電解質膜の乾燥の不具合を抑制できる。このように水蒸気によって酸化剤ガスを加湿すれば、液相の余剰水に起因するフラッディング現象を抑制するのに寄与することができる。更に酸化剤ガス通路の酸化剤ガスの加湿にあたり、通水路における水圧の変動を直接的に受けることを抑制できる利点が得られる。
【００８３】
殊に、上記したＫｅｌｖｉｎの式に基づけば、細孔の内壁面が疎水性の場合には、細孔における水蒸気分圧は飽和蒸気圧よりも相対的に大きくなる傾向が得られる。従って、故に、酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔における水蒸気分圧は相対的に大きくなり、細孔における水蒸気分圧が大きいと、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスに対する加湿速度を増加させることができる。このため酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを効果的に加湿させることができる。
【００８４】
更に酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガスセパレータの通水路側は親水性を有するため、通水路に存在する液相としての水を、毛細管圧により、酸化剤ガスセパレータの細孔に浸透させることができる。この結果、液相としての水を利用して、酸化剤ガスセパレータの細孔のシールを図ることができ、酸化剤ガス通路の上流領域の酸化剤ガスが通水路に洩れることが抑えられる。
【００８５】
更にまた、酸化剤ガスセパレータの通水路側は親水性を有するため、通水路に存在する液相としての水を、毛細管圧により、酸化剤ガスセパレータの細孔に浸透させ、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路のできるだけ近くまで近づけさせることができる。この結果、酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔では、水蒸気化が促進される。この意味においても、酸化剤ガスセパレータのうち上流領域においては、酸化剤ガスを水蒸気によって加湿させ易くなる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係り、固体高分子型燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。
【図２】酸化剤ガスセパレータの正面図である。
【図３】シール用の緻密体部分を有する酸化剤ガスセパレータの正面図である。
【図４】燃料セパレータの正面図である。
【図５】通水板の正面図である。
【図６】酸化剤ガスセパレータにおける疎水性の強さの変化を示すグラフである。
【図７】酸化剤ガスセパレータの断面における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図８】第２実施例に係り、酸化剤ガスセパレータの断面における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図９】第３実施例に係り、固体高分子型燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。
【図１０】第３実施例に係り、酸化剤ガスセパレータにおける疎水性の強さの変化を示すグラフである。
【図１１】第３実施例に係り、酸化剤極に用いられる第１ガス拡散層が親水性及び疎水性を有する形態を模式的に示す正面図である。
【図１２】酸化剤ガスセパレータに疎水性処理を行う工程を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
図中、１はＭＥＡ、１１は電解質膜、１２は燃料極、１５は酸化剤極、２は燃料セパレータ、２１は燃料通路、３は酸化剤ガスセパレータ、３１は酸化剤ガス通路、３２は第１層、３３は第２層、４は通水板、４１は通水路、４３は給水口、４４は吐水口、４９は通水駆動部、９１は上流領域、９１ａは上流端、９３は下流領域、９３ａは下流端、Ｘ１は親水性領域、Ｘ２は疎水性領域を示す。
【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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