(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、上流領域において電解質膜の乾燥を抑制でき、酸化剤ガス通路の下流領域におけるフラッディング現象を抑制できる固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。【解決手段】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、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。酸化剤ガスセパレータ３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３のうち少なくとも酸化剤ガス通路３１に対向する側における細孔における水蒸気分圧は、下流領域９３よりも上流領域９１が大きくなるように設定されている。【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、
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、
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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔における水蒸気分圧は、前記下流領域よりも前記上流領域が大き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２】
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、
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少なくとも前記通水路に対向する対向面は親水性を有しており、且つ、
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は、疎水性を有しており、
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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、前記上流領域よりも前記下流領域が大き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】
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、
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少なくとも前記酸化剤ガス通路に対向する対向面は、親水性を有しており、
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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、前記下流領域よりも前記上流領域が大き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４】
請求項１〜請求項３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上流領域の圧力をＰａとし、前記通水路のうち前記上流領域に背向する通水路部分の圧力をＰｗとすると、Ｐｗ＞Ｐａ，Ｐｗ＜Ｐａ、Ｐｗ＝Ｐａのいずれか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５】
請求項１〜請求項４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をＰａ’とし、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をＰｗ’とすると、Ｐａ’はＰｗ’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６】
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記電解質膜、前記燃料極、前記酸化剤極を膜・接合体としたとき、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、酸化剤ガスが流れる前記酸化剤ガス通路の前記上流領域と前記燃料通路の前記下流領域とは、
前記膜・接合体を介して対向す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７】
請求項１〜請求項６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、酸化剤ガスが流れる前記酸化剤ガス通路の前記上流領域と前記通水路の上流通水路部分とは、前記酸化剤ガスセパレータを介して対向す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８】
請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項において、前記酸化剤ガス通路の通路幅について、前記下流領域は前記上流領域よりも小さ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９】
請求項１〜請求項８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うち少なくとも前記酸化剤ガス通路に対向する側における親水性は、前記上流領域よりも前記下流領域が大きくなるように設定されていること
【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。一般に、固体高分子型燃料電池は、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、酸化剤ガスセパレータの細孔を介してＭＥＡ側に供給することができ、電解質膜の過剰乾燥を抑制することができる。
【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】
更に特許文献３，４には、アノード側の燃料セパレータを多孔質体で形成した燃料電池が開示されている。
【０００８】
【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）
【特許文献３】米国特許公報　５，８５３，９０９
【特許文献４】米国特許公報　５，７００，５９５
【０００９】
【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。一方、酸化剤ガス通路の下流領域では生成水が余剰に滞留して、フラッディング現象が生じるおそれがある。フラッディング現象とは、水が酸化剤ガスや燃料の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。
【００１０】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガス通路の上流領域の酸化剤ガスを、酸化剤ガスセパレータから放出させる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、しかも酸化剤ガス通路の下流領域におけ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固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明者は、細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータを組み付けた固体高分子型燃料電池について鋭意開発を鋭意進めている。そして本発明者は、Ｋｅｌｖｉｎの式を見い出し、Ｋｅｌｖｉｎの式における因子を調整すれば、細孔における水蒸気分圧を上流領域及び下流領域において調整でき、これにより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ける細孔内の水蒸気分圧を、下流領域よりも上流領域が大きくなるように設定することができ、ひいては上流領域における加湿速度を相対的に増加させると共に、下流領域における加湿速度を相対的に減少させることができ、上流領域における乾燥、下流領域におけるフラッディング現象を抑制できることを知見した。
【００１２】
数式１で示されるＫｅｌｖｉｎの式は、細孔における水蒸気分圧を示す。ここで、Ｐは細孔内における液体の平衡蒸気圧、Ｐｏはその温度における液体の飽和蒸気圧、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。
【００１３】
【数１】
2004146247.tif 000003
【００１４】
更に、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が疎水性である場合には、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）。Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が疎水性である場合には、細孔径ｒが小さければ小さいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。これにより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ける細孔の細孔径について、上流領域における細孔径を下流領域よりも相対的に小さく設定すれば、低い湿度になりがちの上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができることを知見し、第２発明に係る燃料電池を開発した。
【００１５】
また、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が親水性である場合には、θが０〜９０度以下とされるため、ｃｏｓθは正の値となり（ｃｏｓθ≧０）、ＰはＰｏよりも小さくなる（Ｐ＜Ｐｏ）。そしてＫｅｌｖｉｎの式によれば、細孔径ｒが大きければ大きいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。これにより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ける細孔の細孔径について、上流領域における細孔径を下流領域よりも相対的に大きく設定すれば、低い湿度になりがちの上流領域における加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域における加湿速度を減少させることができることを知見し、第３発明に係る燃料電池を開発した。
【００１６】
（２）第１発明に係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、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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔における水蒸気分圧は、下流領域よりも上流領域が大きくなるように設定されていることを特徴とするものである。
【００１７】
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のうち酸化剤ガス通路に対向する側における細孔における水蒸気分圧は、下流領域よりも上流領域が大きくなるように設定されている。このため低い湿度になりがちの上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。
【００１８】
（３）第２発明に係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、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少なくとも通水路に対向する対向面は親水性を有しており、且つ、
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は、疎水性を有しており、
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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、上流領域よりも下流領域が大きくなるように設定されていることを特徴とするものである。
【００１９】
第２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のうち少なくとも酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、上流領域よりも下流領域が大きくなるように設定されている。このためＫｅｌｖｉｎの式によれば、低い湿度になりがちの上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。第３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のうち少なくとも通水路に対向する対向面は親水性を有しているため、当該対向面に通水路の水を浸透させることができ、当該対向面における細孔を水で封止して効果的にシールすることができ、酸化剤ガスが酸化剤ガスセパレータを介して通水路に漏れることが抑制される。
【００２０】
（４）第３発明に係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、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少なくとも通水路に対向する対向面、及び、酸化剤ガス通路に対向する対向面は、親水性を有しており、
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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、下流領域よりも上流領域が大きくなるように設定されていることを特徴とするものである。
【００２１】
第３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のうち少なくとも酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、下流領域よりも上流領域が大きくなるように設定されている。このためＫｅｌｖｉｎの式によれば、低い湿度になりがちの上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。第３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のうち少なくとも通水路に対向する対向面は親水性を有しているため、当該対向面に通水路の水を浸透させることができ、当該対向面における細孔を水で封止してシールすることができ、酸化剤ガスが酸化剤ガスセパレータを介して通水路に漏れることが抑制される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
第１発明〜第３発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、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。
【００２３】
・酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも酸化剤ガス通路に対向する側における親水性は、上流領域よりも下流領域が大きくなるように設定されている。このためＫｅｌｖｉｎの式によれば、低い湿度になりがちの上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。この場合、上流領域から下流領域にかけて、親水性を連続的にまたは段階的に増加させることができる。
【００２４】
・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、通水路に対向すると共に親水性をもつ第１層と、酸化剤ガス通路に対向する共に親水性または疎水性をもつ第２層とを有する形態を採用することができる。
【００２５】
・下流領域について、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’よりも大きく設定されている形態を採用することができる。この場合、Ｐａ’＞Ｐｗ’であるため、酸化剤ガス通路のうち下流領域に滞留している余剰水を酸化剤ガスセパレータの細孔を介して通水路に戻すことができ、通水路の水を補充できる。酸化剤ガスセパレータの細孔は、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に連通する連通孔とされている。
【００２６】
・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、ＰｗはＰａよりも大きく設定されている形態を採用することができる。この場合、Ｐｗ＞Ｐａであるため、当該通水路部分の水を酸化剤ガス通路のうち上流領域に浸透させるのに寄与することができ、湿度が低めになりがちの上流領域を加湿させるのに寄与することができる。但し、細孔の毛細管圧により通水路の水が酸化剤ガスセパレータの細孔に浸透し易いときには、上流領域では、毛細管圧を考慮すると、Ｐｗ＝Ｐａ、Ｐｗ≒Ｐａでも良いし、Ｐｗ＜Ｐａでも良い。
【００２７】
・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、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路の上流領域と通水路の上流領域とは、酸化剤ガスセパレータ介して対向するように設定されている形態を採用することができる。酸化剤ガス通路の上流領域は、湿度が低めとなりがちである。このため酸化剤ガス通路の上流領域と通水路の上流領域とを、酸化剤ガスセパレータ介して対向するように設定されている場合には、通水路の水を酸化剤ガス通路の上流領域に浸透させるのに寄与することができる。
【００２８】
・電解質膜、燃料極、酸化剤極を膜・接合体（ＭＥＡ）としたとき、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、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路の上流領域と燃料通路の下流領域とは、膜・接合体（ＭＥＡ）を介して対向す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、燃料通路の下流領域は、燃料通路の上流領域よりも湿分が多めとなりがちとなる。このため燃料通路の下流領域の湿分を酸化剤ガス通路の上流領域に浸透させて加湿させるのに寄与することができる。
【００２９】
・酸化剤ガス通路の通路幅について、下流領域は上流領域よりも小さく設定されている形態を採用することができる。下流領域の通路幅は上流領域の通路幅よりも小さいため、下流流域を流れる酸化剤ガスの流速を増加させることができ、下流流域における生成水の排出性を溜めることができる。
【００３０】
・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。酸化剤ガス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。
【００３１】
・第１発明に係る燃料電池によれば、酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも通水路に対向する対向面は親水性を有している形態を採用することができる。当該対向面に通水路の水を浸透させることができ、当該対向面における細孔を水で封止してシールすることができ、酸化剤ガスが酸化剤ガスセパレータを介して通水路に漏れることが抑制される。
【００３２】
・第２発明に係る燃料電池によれば、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は、疎水性を有しているため、水を液相よりも水蒸気として存在させるのに一層有利となる。このため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易くなる。
【００３３】
・第２発明に係る燃料電池によれば、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を有する対向面については、上流領域から下流領域に向かうにつれて、細孔径が次第に大き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、上流領域から下流領域に向かうにつれて、細孔径を連続的に増加させても良いし、段階的に増加させても良い。
【００３４】
・第３発明に係る燃料電池によれば、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親水性を有する対向面については、上流領域から下流領域に向かうにつれて、細孔径が次第に小さ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、上流領域から下流領域に向かうにつれて、細孔径を連続的に減少させても良いし、段階的に減少させても良い。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の第１実施例について図１〜図９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。
【００３６】
更に、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡ１の燃料極１２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を形成する燃料配流板として機能できる燃料セパレータ２と、ＭＥＡ１の酸化剤極１５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配流板として機能でき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。
【００３７】
図１に示すセル構造が厚み方向に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は概念図であり、水平方向に沿って配置されていても良い。
【００３８】
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、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、金、銀等のうちの少なくとも１種を例示できる。
【００３９】
燃料セパレータ２は燃料配流板とも呼ばれるものであり、導電性をもつ材料（カーボン系材料）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。
【００４０】
酸化剤ガスセパレータ３は、空気配流板とも呼ばれるものであり、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し、一般的にはカーボン系材料を基材とする。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。
【００４１】
本実施例に係る固体高分子型燃料電池は、多孔質の酸化剤ガスセパレータ３の細孔を利用して、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスに積極的に水分を付与させるものである。
【００４２】
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、図８に示すように、厚み方向に複層構造とされていても良い。また図９に示すように、単一層構造とされていても良い。酸化剤ガスセパレータ３が複層構造とされているとき、図８に示すように、酸化剤ガスセパレータ３は、通水路４１に対向する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。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の細孔の内壁面は親水性をもつ。第２層３３の全体は、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の細孔の内壁面は疎水性をもつ。
【００４３】
図９に示すように、酸化剤ガスセパレータ３が単一層構造とされているときには、通水路４１に対向する対向面３０は親水性とされており、酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は疎水性とされている。
【００４４】
本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３の細孔径については、上流領域９１よりも下流領域９３が大きくなるように設定されている。図２は、酸化剤ガスセパレータ３における細孔径の大小の変化を模式的に示す。図２の横軸は酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３の上流端９１ａから下流端９３ａまでの位置を示す。図２の縦軸は酸化剤ガスセパレータ３における細孔径の大きさを示す。図２の特性線Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に示すように、酸化剤ガスセパレータ３については、上流領域９１の細孔径が相対的に小さく設定されていると共に、下流領域９３の細孔径が相対的に大きく設定されている。換言すれば、酸化剤ガスセパレータ３については、上流領域９１の上流端９１ａの細孔径が最も小さく設定されており、上流領域９１から下流領域９３に向かうにつれて、細孔径が次第に傾斜的にまたは段階的に大きくなるように設定されている。これにより前述したように、酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３の細孔の内壁面が疎水性であり、θが９０度越え〜１８０度とされるため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、ｃｏｓθは負の値となり（ｃｏｓθ＜０）、ＰはＰｏよりも大きくなる（Ｐ＞Ｐｏ）。Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、酸化剤ガスセパレータ３の第２層３３の細孔の内壁面が疎水性であるため、細孔径ｒが小さければ小さいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。これにより本実施例によれば、低い湿度になりがちの上流領域における加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域における加湿速度を減少させることができる。
【００４５】
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、搬送源４７に繋がれている。燃料通路２１の燃料入口２５は燃料搬送源２８に繋がれている。
【００４６】
図１に示すように、通水路４１は冷却及び加湿兼用の水を配流するためのものであり、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。
【００４７】
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（図１参照）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（図１参照）に流入する。
【００４８】
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。
【００４９】
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、下流領域９３よりも湿度が低めとなり、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。
【００５０】
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。
【００５１】
図３は酸化剤ガスセパレータ３を示す。図３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。
【００５２】
図３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３、図４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。
【００５３】
図３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。
なお、図３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。
【００５４】
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４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４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。
【００５５】
図５は燃料セパレータ２を示す。図５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。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５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。
【００５６】
上記したように燃料通路２１において燃料は矢印Ｋ３方向（図５参照）に流れる。図５及び図３を比較すれば、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、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の酸化剤ガスの主流れ方向とは、基本的には逆の配向性とされている。
【００５７】
図６は通水板４を示す。図６に示すように、通水板４には、水料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。水は給水口４３→通水路４１→吐水口４４に向けて矢印Ｋ４方向に流れる。なお、図６において、通水板４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。
【００５８】
上記したように通水路４１において水は矢印Ｋ４方向（図６参照）に流れる。図６及び図４を比較すれば、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、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における燃料の主流れ方向と、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスの主流れ方向とは、基本的には同じ配向性をもつ。
【００５９】
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においては、図２に示すように、上流領域９１では細孔径が相対的に小さく設定されており、Ｋｅｌｖｉｎの式に基づけば、細孔における水蒸気分圧は相対的に高めとなるため、上流領域９１の酸化剤ガスを水蒸気により効果的に加湿させることができる。また図２に示すように、下流領域９３では細孔径が相対的に大きく設定されており、Ｋｅｌｖｉｎの式に基づけば、細孔における水蒸気分圧は相対的に低めとなるため、下流領域９３の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を低減させ、余剰水の滞留防止に有利である。この結果、酸化剤ガスセパレータ３において加湿量の均一化、湿分付与の均一化を図るのに寄与することができる。上記したように生成水が余剰になりがちの下流領域９３において、加湿速度を減少させることができるため、フラッディング現象を抑えるのに寄与できる。
【００６０】
図８，図９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のうち通水路４１に対面する対向面３０側は親水性を有するため、図８に示すように、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側の細孔に浸透させ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。
【００６１】
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のうち通水路４１に対面する対向面３０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（図８参照）に向けて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のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４付近の細孔の近くまで、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のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は疎水性をもつため、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の対向面３４側の細孔では、水蒸気化が促進され、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。
【００６２】
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の細孔径は、図２に示すように、下流領域９３よりも小さいため、上記したＫｅｌｖｉｎの式に基づけば、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１の水蒸気分圧を下流領域９３よりも高くすることができる。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方向に効率よく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。
【００６３】
更に本実施例によれば、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（上流領域）の水の圧力をＰｗとすると、水の圧力Ｐｗは圧力Ｐａよりも大きくなるように、通水路４１及び酸化剤ガス通路３１の溝構造、通水条件、酸化剤ガスの供給条件等が設定されている（Ｐｗ＞Ｐａ）。この結果、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の厚み方向（図１の矢印Ａ１方向）に浸透させるのに有利となり、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１に湿分を与えることができる。即ち、酸化剤ガスセパレータ３は、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１を加湿させる加湿機能を有する。但し、通水路４１の水が毛細管圧や親水性により酸化剤ガスセパレータ３の細孔に浸透して細孔シールを行い易いとき等には、上流領域９１では、Ｐｗ＝Ｐａ、Ｐｗ≒Ｐａでも良いし、Ｐｗ＜Ｐａでも良い。
【００６４】
加えて本実施例によれば、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のうち下流通水路部分４１ｄの水の圧力をＰｗ’とすると、圧力Ｐａ’は圧力Ｐｗ’よりも大きくなるように、通水路４１及び酸化剤ガス通路３１の溝構造、通水条件、酸化剤ガスの供給条件等が設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。この結果、酸化剤ガス通路３１のうち下流領域９３に溜まった余剰水を、酸化剤ガスセパレータ３をこれの厚み方向（図１の矢印Ａ２方向）に浸透させて、通水路４１の下流通水路部分４１ｄに戻すことができ、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３におけるフラッディング現象を抑えるのに貢献できる。即ち、酸化剤ガスセパレータ３は、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３を吸湿させる吸湿機能を有する。
【００６５】
上記したように本実施例によれば、酸化剤ガス通路３１のうち下流領域９３に溜まった余剰水を、酸化剤ガスセパレータ３の細孔を経て、通水路４１の下流通水路部分４１ｄに矢印Ａ２方向に戻すことができるため、加湿水を戻すためのエネルギ損失を低減させることができる利点が得られる。
【００６６】
ところで、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、生成水の影響で、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の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とされている。そして図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に向けて図１の矢印Ｂ１方向に移行させるのに貢献でき、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。
【００６７】
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の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（上流領域）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の水圧は、圧損の影響を受ける下流通水路部分４１ｄ（下流領域）の水圧よりも高い。このため、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（図１の矢印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に供給させるのに有利となる。殊に前述したようにＰｗ＞Ｐａに設定されているため、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の厚み方向（図１の矢印Ａ１方向）に浸透させるのに有利となる。この結果、酸化剤ガス通路３１のうち乾燥しがちの上流領域９１に湿分を与えることができ、発電性能を高めることができる。
【００６８】
図７は、酸化剤極１５に用いられる第１ガス拡散層１６が親水性及び疎水性を有する形態を模式的に示す。図７に示すように、第１ガス拡散層１６については、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を有すると共に、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７に示すように、酸化剤ガスが透過する第１ガス拡散層１６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１６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。また図７に示すように、酸化剤ガスが透過する第１ガス拡散層１６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。
【００６９】
（第２実施例）
図１０及び図１１は第２実施例を示す。第２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。本実施例においては、酸化剤ガスセパレータ３Ｃは単一層で形成されており、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの全体は親水性処理を施され、親水性をもつ。このため通水路４１に対向する対向面３０、酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は、親水性を有する。
【００７０】
本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３Ｃにおける細孔の細孔径は、下流領域９３よりも上流領域９１が大きくなるように設定されている。図１１は、酸化剤ガスセパレータ３Ｃにおける細孔径の大小の変化を模式的に示す。図１１の横軸は酸化剤ガスセパレータ３Ｃの上流端９１ａから下流端９３ａまでの位置を示す。図１１の縦軸は細孔径の大きさを示す。図１１の特性線Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３に示すように、親水性とされた酸化剤ガスセパレータ３Ｃについては、上流領域９１の細孔径が相対的に大きく設定されていると共に、下流領域９３の細孔径が相対的に小さく設定されている。換言すれば、酸化剤ガスセパレータ３Ｃについては、上流領域９１の上流端９１ａの細孔径が最も大きく設定されており、上流領域９１から下流領域９３に向かうにつれて、細孔径が次第に傾斜的にまたは段階的に小さくなるように設定されている。これにより前述したように、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの細孔の内壁面が親水性であるため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、θが０度〜９０度とされるため、ｃｏｓθは正の値（ｃｏｓθ≧０）となる。Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が親水性であるため、細孔径ｒが大きければ大きいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。これにより低い湿度になりがちの上流領域９１の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させ得る。
【００７１】
本実施例によれば、親水性に設定されている酸化剤ガスセパレータ３Ｃにおいては、下流領域９３では細孔径が相対的に小さく設定されており、Ｋｅｌｖｉｎの式に基づけば、細孔における水蒸気分圧は相対的に低めとなる。この結果、酸化剤ガス通路３１のうち生成水が余剰になりがちの下流領域９３では、酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができ、フラッディング現象を抑えるのに寄与できる。従って、酸化剤ガスセパレータ３において加湿量の均一化を図るのに寄与することができる。
【００７２】
上記した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の細孔径が最も大きく設定されているため、細孔径が大きい上流端９１ａの細孔部位を経て、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスが通水路４１に進入するおそれがある。この点本実施例によれば、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１のうち上流領域９１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の圧力をＰｗとすると、ＰｗはＰａよりも大きく設定されている（Ｐｗ＞Ｐａ）。このため、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１の酸化剤ガスが、細孔径が大きい部位から通水路４１に進入することを抑制することができる利点が得られる。更にＰｗ＞Ｐａであるため、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の細孔にこれの厚み方向に浸透させるのに有利となり、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１に湿分を与えることができる。即ち、酸化剤ガスセパレータ３は、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１を加湿させる加湿機能を有する。但し、通水路４１の水が毛細管圧により酸化剤ガスセパレータ３の細孔に浸透して酸化剤ガス通路３１に到達し易いときには、上流領域９１では、Ｐｗ＝Ｐａ、Ｐｗ≒Ｐａでも良いし、Ｐｗ＜Ｐａでも良い。
【００７３】
加えて本実施例によれば、酸化剤ガス通路３１のうち下流領域９３の酸化剤ガスの圧力をＰａ’とし、通水路４１のうち下流通水路部分４１ｄ（下流領域）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、圧力Ｐｗ’よりも大きく設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。この結果、酸化剤ガス通路３１のうち下流領域９３に溜まった余剰水を、酸化剤ガスセパレータ３を図１０の矢印Ａ２方向に浸透させて、通水路４１の下流通水路部分４１ｄに戻すことができ、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３におけるフラッディング現象を抑えるのに貢献できる。このように酸化剤ガスセパレータ３は、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３を吸湿させる吸湿機能を有する。
【００７４】
なお、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの下流領域９３については、細孔径が上流領域９１よりも小さく設定されているため、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の下流領域９３の酸化剤ガスが通水路４１に進入することは抑制されている。
【００７５】
（第３実施例）
図１２，図１３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。本実施例においては、酸化剤ガスセパレータ３Ｄは単一層で形成されており、酸化剤ガスセパレータ３Ｄの全体は親水性処理を施され、親水性をもつ。このため酸化剤ガスセパレータ３Ｄのうち、通水路４１に対向する対向面３０、酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は、親水性を有する。
【００７６】
本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３Ｄの細孔の細孔径は、下流領域９３から流領域９１にかけてほぼ同じ程度とされている。
【００７７】
図１３は、酸化剤ガスセパレータ３Ｄにおける親水性の強弱を模式的に示す。図１３の横軸は、酸化剤ガスセパレータ３Ｄの上流端９１ａから下流端９３ａまでの位置を示す。図１３の縦軸は酸化剤ガスセパレータ３Ｄの対向面３４における親水性の強さを示す。図１３の特性線Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３に示すように、酸化剤ガスセパレータ３Ｄ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の親水性が相対的に弱く設定されていると共に、下流領域９３の親水性が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３Ｄのうち上流領域９１の上流端９１ａの親水性が最も弱く設定されており、上流領域９１から下流領域９３に向かうにつれて、親水性が次第に傾斜的にまたは段階的に強くなるように設定されている。
【００７８】
本実施例によれば、親水性に設定されている酸化剤ガスセパレータ３Ｄにおいては、下流領域９３では親水性が相対的に強く設定されており、θが小さくなり、ｃｏｓθが大きくなり、Ｋｅｌｖｉｎの式に基づけば、細孔における水蒸気分圧は相対的に低めとなる。これに対して上流領域９１では親水性が相対的に弱くされており、θが大きくなり、ｃｏｓθが小さくなり、Ｋｅｌｖｉｎの式に基づけば、細孔における水蒸気分圧は相対的に高めとなる。
【００７９】
このため本実施例によれば、酸化剤ガス通路３１のうち乾燥が生じがちの上流領域９１では、酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができる。また、酸化剤ガス通路３１のうち生成水が余剰になりがちの下流領域９３では、酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。この結果、酸化剤ガスセパレータ３Ｄにおいて加湿量の均一化を図るのに寄与することができる。このように生成水が余剰になりがちの下流領域９３において、酸化剤ガスの加湿速度を減少させることができるため、フラッディング現象を抑えるのに寄与できる。
【００８０】
なお、酸化剤ガスセパレータ３Ｄにおいて親水性に勾配を形成するに当たっては、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、その溶液に酸化剤ガスセパレータ３Ｄの下流領域９３から所定の速度で次第に浸漬させ、下流領域９３の浸漬時間を長くし、上流領域９１の浸漬時間を短くすることにより行い得る。
【００８１】
本実施例においても、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスの圧力Ｐａ’は、圧力Ｐｗ’よりも大きく設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。この結果、酸化剤ガス通路３１のうち下流領域９３に溜まった余剰水を、酸化剤ガスセパレータ３Ｄを図１２の矢印Ａ２方向に浸透させて、通水路４１の下流通水路部分４１ｄに戻すことができ、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３におけるフラッディング現象を抑えるのに貢献できる。このように酸化剤ガスセパレータ３は、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３を吸湿させる吸湿機能を有する。
【００８２】
（製造例）
上記した多孔質な酸化剤ガスセパレータ３，３Ｃ，３Ｄ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３，３Ｃ，３Ｄを形成することができる。細孔径を上流領域から下流領域にかけて変化させるには、造孔材のサイズを上流領域から下流領域にかけて変化させることにより行い得る。造孔材のサイズが大きいと、細孔径が大きくなる。造孔材のサイズが小さいと、細孔径が小さくなる。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。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。
【００８３】
酸化剤ガスセパレータ３に疎水性を与える疎水性物質としては、フッ素原子、ＣＦ２，ＣＦ３基，ＣＨ３基，ＣＨ２基等を有するものが挙げられ、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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
（その他）
上記した実施例によれば、燃料セパレータ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。
【００８７】
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）燃料電池の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であって、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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔における水蒸気分圧は、下流領域よりも上流領域が大き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用の酸化剤ガスセパレータ。
（付記項３）燃料電池の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であって、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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、上流領域よりも下流領域が大き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用の酸化剤ガスセパレータ。
（付記項４）燃料電池の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であって、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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、下流領域よりも上流領域が大き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葉の酸化剤ガスセパレータ。
（付記項５）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酸化剤ガス通路に対向する対向面は、疎水性を有しており、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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、上流領域よりも下流領域が大き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。
（付記項６）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酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径は、下流領域よりも上流領域が大き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。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、上流領域において酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができるため、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。更に下流領域において酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができるため、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。このように上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができるたため、酸化剤ガス通路の全体をできるだけ均一に加湿させるのに寄与することができる。
【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】第１実施例に係り、酸化剤ガスセパレータの上流端から下流端にかけて細孔径の変化を示すグラフである。
【図３】酸化剤ガス通路をもつ酸化剤ガスセパレータの正面図である。
【図４】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５】燃料通路をもつ燃料セパレータの正面図である。
【図６】通水路をもつ通水板の正面図である。
【図７】疎水性及び親水性をもつ酸化剤ガス用のガス拡散層を模式的に示す正面図である。
【図８】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】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１０】第２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１１】第２実施例に係り、酸化剤ガスセパレータの上流端から下流端にかけて細孔径の変化を示すグラフである。
【図１２】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１３】第３実施例に係り、酸化剤ガスセパレータの上流端から下流端にかけて親水性の変化を示すグラフである。
【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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【図１３】
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