(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料ガスの低流速時においてもフラッディングがなく、出力電圧の安定性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】  電解質膜１１と、アノード側及びカソード側触媒層と、アノードガス拡散層１３及びカソードガス拡散層１２と、アノード側セパレータ１７及び、カソード側セパレータ１６とを備えた燃料電池であって、下記式（１）に記載の条件を満たすように、アノードガス拡散層１３及びカソードガス拡散層１２における細孔径、及び撥水剤の含有量のうちの少なくとも一方が調整されている、燃料電池。−０．０７≦（Ｙａ−Ｘａ）／（（Ｙａ−Ｘａ）＋（Ｙｃ−Ｘｃ））≦０．１５・・・（１）［なお、式（１）中、Ｘａは前記供給される燃料ガス中の水分供給量を示し、Ｙａは前記排出される燃料ガス中の水分排出量を示し、Ｘｃは前記供給される酸化剤ガス中の水分供給量を示し、Ｙｃは前記排出される酸化剤ガス中の水分排出量を示す。］【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面に配設された一対のアノード側及びカソード側触媒層と、前記一対の触媒層を外側から挟み込むように配設された一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層と、前記一対の拡散層を挟み込むように配設され、前記アノードガス拡散層に水素を含む燃料ガスを供給排出するための燃料ガス流路溝が形成されたアノード側セパレータ及び、前記カソードガス拡散層に酸化剤ガスを供給排出するための酸化剤ガス流路溝が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池であって、
下記式（１）に記載の条件を満たすように、前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層における細孔径、及び撥水剤の含有量のうちの少なくとも一方が調整されている、燃料電池。
−０．０７≦（Ｙａ−Ｘａ）／（（Ｙａ−Ｘａ）＋（Ｙｃ−Ｘｃ））≦０．１５・・・（１）
［なお、式（１）中、Ｘａは前記供給される燃料ガス中の水分供給量を示し、Ｙａは前記排出される燃料ガス中の水分排出量を示し、Ｘｃは前記供給される酸化剤ガス中の水分供給量を示し、Ｙｃは前記排出される酸化剤ガス中の水分排出量を示す。］
【請求項２】
前記電解質膜の厚さが、前記式（１）に記載の条件を満たすように調整されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード側セパレータのガス流路及び前記カソード側セパレータのガス流路の構造が、下記式（２）に記載の条件を満たすように調整されている、請求項1又は２記載の燃料電池。
ａ≦ｂ２かつｂ１≦ｂ２かつｃ≦ｂ２・・・（２）
［なお、式（２）中、ａは前記ガス流路の溝の深さを示し、ｂ１は前記ガス流路の溝の底辺の幅を示し、ｂ２は前記ガス流路の溝の最上辺の幅を示し、ｃは前記複数のガス流路の溝間の土手幅を示す。］
【請求項４】
電解質膜と、前記電解質膜の両面に配設された一対のアノード側及びカソード側触媒層と、前記一対の触媒層を外側から挟み込むように配設された一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層と、前記一対の拡散層を挟み込むように配設され、前記アノードガス拡散層に水素を含む燃料ガスを供給排出するための燃料ガス流路溝が形成されたアノード側セパレータ及び、前記カソードガス拡散層に酸化剤ガスを供給排出するための酸化剤ガス流路溝が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池であって、
下記式（３）に記載の条件を満たすように、前記アノードガス拡散層、及び前記カソードガス拡散層における細孔径、及び撥水剤の含有量のうちの少なくとも一方が調整されている、燃料電池。
−０．５０ｋＰａ≦（Ｅｃ−Ｅａ）≦１．００ｋＰａ・・・（３）
［なお、式（３）中、Ｅａは前記アノードガス拡散層と前記電解質膜との間の水圧を示し、Ｅｃは前記カソードガス拡散層と前記電解質膜との間の水圧を示す。］
【請求項５】
燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、請求項１記載の前記燃料電池とを備え、
前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスは、前記式（１）を満たすように、加湿されている、燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、請求項４記載の燃料電池とを備え、
前記燃料ガス及び／又は酸化剤ガスは、前記式（３）を満たすように、加湿されている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低出力運転、及び供給ガスの低流速時においても、出力電圧の安定性に優れ、フラッディングが発生しない、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いる燃料電池、及び、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素イオン伝導性高分子電解質膜（以下、電解質膜と記す）を用いた燃料電池は、水素を含む燃料ガスと、空気など酸素を含む酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜、及び電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。
これらの電極は、白金族金属触媒を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、及びこの触媒層の外側に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層から構成される。これをＭＥＡ（電解質膜−電極接合体）と呼ぶ。なお、本明細書では、撥水処理を施さないカーボンペーパーを基材とし、そこに撥水層をコーティングしたものも、そのコーティング層と基材とを全体としてガス拡散層ということとする。
【０００３】
ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
これらのＭＥＡとセパレータ板を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。これをセルスタックと呼ぶ。
【０００５】
電解質膜は、水分を含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン伝導性電解質として機能する。よって、燃料電池の稼動中は、電解質膜の乾燥を防ぐために、燃料ガス及び酸化剤ガスは加湿して供給される。また、電池発電時には、次の電気化学反応である（化１）により、カソード側で反応生成物として水が生成される。
【０００６】
【化１】
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さらに、アノードで発生したプロトンは、アノードからカソードへ移動する際に水を伴って移動する。また、電解質膜のカソード側にかかる水圧とアノード側にかかる水圧との差が機動力となり、電解質膜中を透過して、カソード側からアノード側へ逆拡散水が流れる。
【０００７】
これら、加湿された燃料ガス中の水、加湿された酸化剤ガス中の水、反応生成水、プロトン同伴水、及び逆拡散水は、電解質膜を飽和状態に保つために使用され、さらに余剰の燃料ガス、及び余剰の酸化剤ガスとともに燃料電池の外部へ排出される。
【０００８】
つまり、加湿燃料ガス中の水分供給量をＸａ、排出燃料ガス中の水分排出量をＹａ、加湿酸化剤ガス中の水分供給量をＸｃ、排出酸化剤ガス中の水分排出量をＹｃ、反応生成水量をＲ、プロトン同伴水量をＰ、逆拡散水量をＱ、とすると、排出燃料ガス中の水分排出量（Ｙａ）、及び排出酸化剤ガス中の水分排出量（Ｙｃ）はそれぞれ、式（４）、（５）で表わすことが出来る。
Ｙａ＝Ｘａ−Ｐ＋Ｑ    ・・・（４）
Ｙｃ＝Ｘｃ＋Ｐ−Ｑ＋Ｒ・・・（５）    
これらの数式（４）、（５）から分かるように、排出燃料ガス中の水分量（Ｙａ）は、供給される燃料ガス中の水分量（Ｘａ）に対して、逆拡散水量Ｑとプロトン同伴水量Pとの差だけ増加し、排出酸化剤ガス中の水分量（Ｙｃ）は、供給される酸化剤ガス中の水分量（Ｙａ）に対して、プロトン同伴水量Ｐと逆拡散水量Ｑとの差に、反応生成水量Ｒを加えた分だけ増加することになる。
【０００９】
プロトン同伴水量Ｐは、電池発電時のプロトン移動量により決まり、反応生成水量Ｒは発電条件（電流密度）により決まるため、発電量を一定値に固定した場合を前提とすると、排出ガス中の水分量の増減は、逆拡散水量Ｑで決まる、つまり、電解質膜のカソード側にかかる水圧とアノード側にかかる水圧との差により決まる。
また、電解質膜のカソード側にかかる水圧とアノード側にかかる水圧との差は、アノード側とカソード側のガス拡散層の耐水圧のバランスにより影響される。
【００１０】
図１は一般的なガス拡散層基材の拡大図である。耐水圧を決定する支配因子は、カーボン繊維１で作られたガス拡散層基材の撥水性、カーボン繊維１で囲まれた細孔２、及び、カーボン繊維１のガス透過性、さらには、カーボン繊維１上に形成されたコート層の撥水性などである。
【００１１】
カーボン繊維１である基材及びコート層の撥水性は、ＰＴＦＥなどによる撥水処理により決まり、約３０ｍＮ／ｍ程度である。又、基材の細孔径は、大きいほど水を排出しやすい傾向があり、織布で約２０〜１００μｍ程度、不織布で約１０〜３０μｍ程度である。
【００１２】
よって、織布の方が不織布と比較し耐水圧が小さいと言える。ガス透過性は、高いほど水が排出しやすい傾向がある。ガス透過性は基材材料の影響が大きく、織布で約１０−７〜１０−６ｍ・ｍ３／ｍ２・ｓ・Ｐａ程度、不織布で、約１０−９〜１０−７ｍ・ｍ３／ｍ２・ｓ・Ｐａ程度である。よって、織布の方が不織布と比較し耐水圧が小さいと言える。
【００１３】
なお、ガス拡散層の耐水圧とは、ガスで満たされたガス拡散層に水が浸入して透過するのに必要な圧力のことであり、「ＪＩＳ  Ｌ１０９２  繊維製品の防水性試験方法」により、耐水度試験装置に試験片を挟み、表面に水が当たるように取付け、水を入れた水準装置を上昇させて水位を上昇させ、試験片に水圧をかけ、裏面から水が出たときの水位により測定される。
【００１４】
排出ガス中に含まれる液体状態の水は、セパレータ板のガス流路を構成する溝に、表面張力によって液滴として付着する。付着した液滴は、ガス流路内を移動しにくくなり、甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、いわゆるフラッディング状態になる。その結果、電極の反応面積が減少し、電池性能が低下する。このように、ガス流路内の凝縮水が移動しにくい事態が生じ、やがて、増量した凝縮水によるガス流路の閉塞、つづいてガス流の圧力による凝縮水の排出が起こり、再びガス流路に凝縮水が付着するサイクルを繰り返すこととなる。
【００１５】
したがって、ガス流路内の凝縮水が移動しにくくなると、反応ガスの供給量が不足したり、ガス流路相互の間での流量の不均一を生じたりして、電池特性の低下をもたらす不都合がある。
【００１６】
従来、そのようなフラッディングを抑制し、出力電圧を安定にする方法として、酸化剤ガス水蒸気圧分布と、触媒層反応部位飽和蒸気圧分布とを平衡状態にするようなセル面内温度分布を、冷却媒体の温度及び流量を調整することにより制御し、生成水の凝縮を防ぐ方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−１１１２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、そのような従来の方法は、冷却媒体の温度及び流量による制御を利用している結果、出力が変わり、酸化剤ガス水蒸気圧分布と、触媒層反応部位飽和蒸気圧分布の平衡状態がずれた場合、敏速に追従することが困難である。その為、従来の方法は、システムの運転条件が限定されてしまい、必ずしも高効率運転が可能とはならない課題を有していた。
【００１８】
本発明は、上記従来の方法の課題を考慮し、システムの運転条件の限定が少なく、フラッディングを抑制出来、安定した出力電圧を実現する、燃料電池及び燃料電池システム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】
【００１９】
本発明は次のような現象に主に着目したものである。
【００２０】
酸化剤ガス側と、燃料ガス側とで、外部への凝縮水の排出力が異なっている。上述したようにガス流の圧力によって凝縮水が排出される現象が起こるが、酸化剤ガスには一般的に酸素比率が約２０％の空気が使用される為、酸化剤ガス流路出口付近には供給量の約８０％以上の残存ガスが存在する。従って、酸化剤ガスの流れの圧力は比較的大きいといえる。
【００２１】
一方、燃料ガスの方は、水素及び水素比率７０〜９０％の改質ガスが使用される為、燃料ガス流路出口付近の残存ガス量が少なくなり、そのガス流の圧力は比較的小さいと言える。
【００２２】
よって、酸化剤ガス側の凝縮水の排出力に比べて、燃料ガス出口側の凝縮水の排出力の方が小さいといえる。
【００２３】
従って、フラッディングをより抑制し、安定した出力電圧を実現する為には、概ね、凝縮水の増加が起きる場合、相対的にみて、燃料ガス側での凝縮水の増加の度合いに比べて、酸化剤ガスでの凝縮水の増加の度合いが大きくなるようになっていることが一応望ましいと言い得る。なおそのような場合、酸化剤ガス側から燃料ガス側に移動する逆拡散水量Ｑが抑制されているともいえる。
【００２４】
なお、上述したような、燃料ガス側での凝縮水の増加の度合いに比べて、酸化剤ガスでの凝縮水の増加の度合いが大きくなるようになっていることは、絶対的な条件ではなく、逆の場合でも、その他の条件次第では、以下に述べる実施例、比較例に示すとおり、本発明の目的を達成できる場合、つまり、フラッディングをより抑制し、安定した出力電圧を実現出来る場合がある。
【００２５】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配設された一対のアノード側及びカソード側触媒層と、前記一対の触媒層を外側から挟み込むように配設された一対のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層と、前記一対の拡散層を挟み込むように配設され、前記アノードガス拡散層に水素を含む燃料ガスを供給排出するための燃料ガス流路溝が形成されたアノード側セパレータ及び、前記カソードガス拡散層に酸化剤ガスを供給排出するための酸化剤ガス流路溝が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池であって、
下記式（１）に記載の条件を満たすように、前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層における細孔径、及び撥水剤の含有量のうちの少なくとも一方が調整されている、燃料電池である。
−０．０７≦（Ｙａ−Ｘａ）／（（Ｙａ−Ｘａ）＋（Ｙｃ−Ｘｃ））≦０．１５・・・（１）
なお、式（１）中、Ｘａは前記供給される燃料ガス中の水分供給量を示し、Ｙａは前記排出される燃料ガス中の水分排出量を示し、Ｘｃは前記供給される酸化剤ガス中の水分供給量を示し、Ｙｃは前記排出される酸化剤ガス中の水分排出量を示す。
【００２６】
式（１）を満たすことにより、アノード側への逆拡散水量が抑制され、燃料ガス流路出口付近の凝縮水排出力が小さいことによるフラッディング現象が、抑制できる。
【００２７】
また、カソード側では、凝縮水量が多くなるが、そのガス圧による排出力が大きいため、液滴はスムーズにガス流路内を移動して、フラッディングは比較的起こりにくい。
【００２８】
なお、下限としての−０．０７より大きい必要があるのは、酸化剤ガスで水分が増大してもよいといってもあまりにも増大し過ぎては排出しきれなくなり、フラッディングが起こってしまうからと推定される。
【００２９】
また、第２の本発明は、前記電解質膜の厚さが、前記式（１）に記載の条件を満たすように更に調整されている、第１の本発明の燃料電池である。
【００３０】
水が電解質膜中を移動する際の移動抵抗は、電解質膜の厚さが厚いほど大きくなる。        
【００３１】
よって、電解質膜の厚さを式（１）を満たすように調整することにより、第１の発明と同様の機構によりフラッディングが抑制される。
【００３２】
また、第３の本発明は、前記アノード側セパレータのガス流路及び前記カソード側セパレータのガス流路の構造が下記式（２）に記載の条件を満たすように更に調整されている第１又は２の本発明の燃料電池である。
ａ≦ｂ２かつｂ１≦ｂ２かつｃ≦ｂ２・・・（２）
式（２）中、ａは前記ガス流路の溝の深さを示し、ｂ１は前記ガス流路の溝の底辺の幅を示し、ｂ２は前記ガス流路の溝の最上辺の幅を示し、ｃは前記複数のガス流路の溝間の土手幅を示す。
【００３３】
式（２）を満たすことにより、セパレータの排水性をより向上させることが出来、第１、２の発明をより実現しやすくなる。
【００３４】
また、第４の本発明は、前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層において、下記式（３）に記載の条件を満たすように細孔径及び撥水剤の含有量のうちの少なくとも一方が調整されている燃料電池である。
−０．５０ｋＰａ≦（Ｅｃ−Ｅａ）≦１．００ｋＰａ・・・（３）
式（３）中、Ｅａは前記アノードガス拡散層と前記電解質膜との間の水圧を示し、
Ｅｃは前記カソードガス拡散層と前記電解質膜との間の水圧を示す。
【００３５】
式（３）の範囲の下限を下回る場合は、電解質膜のカソード側にかかる水圧がアノード側にかかる水圧より低くなり、逆拡散水Ｑがほとんどなくなり、反応生成水Ｒのほぼ全量が酸化剤ガス出口側に排出され、凝縮水量の増大し過ぎによる排出能力不足の為、フラッディングが発生すると思われる。
【００３６】
一方、式（３）の範囲の上限を越える場合は、電解質膜のカソード側にかかる水圧がアノード側にかかる水圧より高くなり、逆拡散水Ｑが多くなることによる、燃料ガス出口側の凝縮水量増大による排出能力不足、及び、酸化剤ガス出口側の凝縮水量減少による液滴移動性低下による排出能力不足の為、フラッディングが発生すると思われる。
【００３７】
また、第５の本発明は、前記式（１）を満たすように、加湿ガスを供給する燃料電池システムである。
【００３８】
式（１）を満たすように供給ガスの加湿量を制御することにより、アノード側への逆拡散水量が抑制され、燃料ガス流路出口付近の残存ガス量が少ない為、凝縮水排出力が小さいことによるフラッディングが抑制できる燃料電池システムが実現できる。また、カソード側は凝縮水量が多くなることによる、ガス流路内の濡れ性の向上から、液滴がガス流路内を移動しやすくなり、フラッディングが抑制される燃料電池システムが実現できる。
また、第６の本発明は、前記式（３）を満たすように、加湿ガスを供給する燃料電池システムである。
【００３９】
式（３）の範囲の下限を下回るように供給ガスの加湿量を制御した場合、電解質膜のカソード側にかかる水圧がアノード側にかかる水圧より低くなり、逆拡散水Ｑがほとんどなくなり、反応生成水Ｒのほぼ全量が酸化剤ガス出口側に排出され、凝縮水量の増大による排出能力不足の為、フラッディングが発生する燃料電池システムになる。
【００４０】
一方、式（３）の範囲の上限を超えるように供給ガスの加湿量を制御した場合、電解質膜のカソード側にかかる水圧がアノード側にかかる水圧より高くなり、逆拡散水Ｑが多くなることによる、燃料ガス出口側の凝縮水量が増大による排出能力不足、及び、酸化剤ガス出口側の凝縮水量減少による液滴移動性低下による排出能力不足の為、フラッディングが発生する燃料電池システムになる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明により、フラッディングを抑制し、安定した出力電圧を実現する燃料電池及び燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明を行う。
【００４３】
（実施の形態１）
図２（ａ）は、本実施の形態１における燃料電池を構成する単電池の断面図である。図２（ａ）に示す様に、本実施の形態１の単電池１０は、本発明の電解質膜の一例である電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に形成されている一対の本発明の燃料ガス側触媒層の一例であるアノード側触媒層、及び本発明の酸化剤ガス側触媒層の一例であるカソード側触媒層を備えている（図面には厚さは表示していない）。なお、電解質膜１１には、（化２）に示した化学構造を持つ、パーフルオロスルホン酸を用い、電極触媒にはＰｔ担持カーボンを用いた。
【００４４】
又、一対の触媒層を外側から挟み込む様に、本発明の燃料ガス拡散層の一例であるアノードガス拡散層１３、及び本発明の酸化剤ガス拡散層の一例であるカソードガス拡散層１２が設置されている。これら、電解質膜１１と一対の触媒層とアノードガス拡散層１３とカソードガス拡散層１２を合わせて、ＭＥＡ１８と呼ぶ。
【００４５】
【化２】
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【００４６】
また、カソードガス拡散層１２へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路溝１４を有するカソード側導電性セパレータ板１６が、カソードガス拡散層１２に接して設置されている。同様に、アノードガス拡散層１３へ燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝１５を有するアノード側導電性セパレータ板１７が、アノードガス拡散層１３に接して設置されている。
【００４７】
また、電解質膜１１と各セパレータ板１７、１６の間であり、ガス拡散電極１２、１３の周囲にはガスケット１９が設置されている。
【００４８】
上記構成の単電池１０を３０セル積層してセルスタックとした。又、セルスタックの両端には、集電板と絶縁板を介して端板を重ね合わせ、締結ボルトで締め付けて燃料電池を構成した。
【００４９】
次に、本実施の形態１における燃料電池のセパレータについて説明する。図２（ｂ）は、実施の形態１における燃料電池の導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図である。尚、図２（ｂ）は図２（ａ）の点線部であるＳ部の拡大図である。本実施の形態１におけるセパレータは、カソード側導電性セパレータ板１６及びアノード側導電性セパレータ板１７ともに同じ形状のセパレータを用いている。
【００５０】
又、図２（ｂ）に示されている様に、酸化剤ガス流路溝１４及び燃料ガス流路溝１５の溝深さはａで、底辺はｂ１で、セパレータ板の表面における溝の幅である上辺はｂ２で、隣り合う溝の間隔である土手幅をｃで示している。これらの長さが式（２）を満たすようにセパレータ板１６、１７の溝形状は構成されている。
【００５１】
ａ≦ｂ２かつｂ１≦ｂ２かつｃ≦ｂ２・・・（２）
式（２）を満たすことで、セパレータの溝幅、深さのバランスが良好になり、排水性が良好になる。
【００５２】
また、上記背景技術にて述べたように、加湿燃料ガス中の水分供給量をＸａ、排出燃料ガス中の水分排出量をＹａ、加湿酸化剤ガス中の水分供給量をＸｃ、排出酸化剤ガス中の水分排出量をＹｃとする。これらの水分量が以下の式（１）を満たす様に、本実施の形態１の燃料電池の電解質膜１１の厚さ、カソードガス拡散層１２及びアノードガス拡散層１３における細孔径及び撥水剤の含有量が決められている。
【００５３】
−０．０７≦（Ｙａ−Ｘａ）／（（Ｙａ−Ｘａ）＋（Ｙｃ−Ｘｃ））≦０．１５・・・（１）
排出燃料ガス中の水分排出量（Ｙａ）、及び、排出酸化剤ガス中の水分排出量（Ｙｃ）はそれぞれ、式（４）、（５）により決められる。
Ｙａ＝Ｘａ−Ｐ＋Ｑ    ・・・（４）
Ｙｃ＝Ｘｃ＋Ｐ−Ｑ＋Ｒ・・・（５）    
式（４）（５）中、Ｒは反応生成水量を示し、Ｐはプロトン同伴水量を示し、Ｑは逆拡散水量を示す。
【００５４】
プロトン同伴水量Ｐは、電池発電時のプロトン移動量により決まり、反応生成水量Ｒは発電条件（電流密度）により決まるため、排出ガス中の水分量の増減は、逆拡散水量Ｑにより決まる。
【００５５】
また、逆拡散水量Ｑは、式（６）により決められる。
【００５６】
Ｑ＝Ｒｍ・ΔＰ・・・（６）
式（６）中、Ｒｍは電解質膜における水の移動抵抗を示し、ΔＰは電解質膜にかかる圧力差を示す。
【００５７】
よって、逆拡散水量Ｑは、電解質膜のカソード側にかかる水圧とアノード側にかかる水圧との差ΔＰにより決まることになる。
【００５８】
ΔＰを決定する要因は、アノード側とカソード側のガス拡散層の耐水圧のバランスである。ガス拡散層の耐水圧Ｅは、メニスカスの圧力差により、式（７）より決められる。
【００５９】
Ｅ＝（２γｃｏｓθ）／ｒ・・・（７）
式（７）中、γは表面張力を示し、θは接触角を示し、ｒは細孔径を示す。
【００６０】
よって、ガス拡散層の基材の細孔径ｒ、及び、基材中の撥水剤の含有量、及び基材上に構成されるコート層中の撥水剤の含有量により接触角θを制御し、ガス拡散層の耐水圧Ｅを決めることができる。アノードガス拡散層と電解質膜との間の水圧をＥａ、カソードガス拡散層と電解質膜との間の水圧をＥｃとする。
【００６１】
これらの水圧差（Ｅｃ−Ｅａ）が以下の式（３）を満たす様に、本実施の形態１の燃料電池の電解質膜１１の厚さ、カソードガス拡散層１２及びアノードガス拡散層１３における細孔径及び撥水剤の含有量が決められている。
−０．５０ｋＰａ≦（Ｅｃ−Ｅａ）≦１．００ｋＰａ・・・（３）
【実施例】
【００６２】
以下、上記構成の本実施の形態１の燃料電池を実施例にて具体的に説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６３】
（実施例１）
図３（ａ）は、実施例１に用いた導電性セパレータ板のガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図である。図３（ａ）において、ガス供給溝の深さａは１．０ｍｍ、ガス供給溝の底辺の幅ｂ１は１．０ｍｍ、ガス供給溝の最上辺の幅ｂ２は１．０ｍｍ、土手幅ｃは１．０ｍｍである。
【００６４】
また、実施例１に用いたＭＥＡの電解質膜１１は、ジャパンゴアテックス（株）製ゴアセレクトII膜（厚さ３０μｍ）を用いた。
【００６５】
また、実施例１に用いたＭＥＡのガス拡散層は以下のように作製した。
【００６６】
アノードガス拡散層１３は、細孔の８０％以上の径が２０μｍ〜７０μｍである日本カーボン（株）製カーボン織布（ＧＦ−２０−Ｅ）を基材とし、界面活性剤入りの純水にＰＴＦＥを分散させたＰＴＦＥ分散液にカーボン織布を浸漬させた後、遠赤外線乾燥炉を通し、３００℃で６０分間焼成した。この時の基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）は１．０ｍｇ／ｃｍ２であった。次に、コート層用塗料を作製した。純水と界面活性剤を混ぜ合わせた溶液に、カーボンブラックを加え、プラネタリーミキサで３時間分散させた。この溶液にＰＴＦＥと水を加え、さらに３時間混練した。
【００６７】
本実施例１で用いた界面活性剤は、トリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）Ｘ−１００の名で販売されているものである。このように調製したコート層用塗料を、前記撥水処理済のカーボン織布の片面に、アプリケータを用いて塗工した。コート層を形成したカーボン織布を熱風乾燥機を用いて３００℃で２時間焼成した。このようにして形成されたアノードガス拡散層のコート層中の撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）は０．８ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００６８】
また、カソードガス拡散層１２は、コート層中の撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．４ｍｇ／ｃｍ２とした以外はアノード側と同じであるものを用いて形成した。
【００６９】
上記導電性セパレータ及びＭＥＡを用いて実施の形態１と同様の燃料電池を作製した。
【００７０】
実施例１の燃料電池を７０℃に保持し、アノード側露点を７０℃、カソード側露点を７０℃となるように加温、加湿した水素ガス比率８０％の改質ガス及び空気を供給し、燃料ガス利用率Ｕｆを７５％、酸化剤ガス利用率Ｕｏを４０％、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２として２４時間運転した。その際、アノード側及びカソード側出口より排出される液滴を含んだガスを氷水で冷却したトラップ管中を通すことにより、排出ガス中のアノード側水分排出量Ｙａ、カソード側水分排出量Ｙｃを測定した。なお、供給ガス中のアノード側水分供給量Ｘａ、カソード側水分供給量Ｘｃは予め電池試験前に排出ガス中の水分排出量と同様の方法で測定した。
【００７１】
以上により、逆流出水率Ｚを式（８）により算出した結果を（表１）に示す。
【００７２】
Ｚ＝（Ｙａ−Ｘａ）／（（Ｙａ−Ｘａ）＋（Ｙｃ−Ｘｃ））・・・（８）
【００７３】
【表１】
2005158722.tif 000005
【００７４】
さらに、水素イオン伝導性電解質膜とカソードガス拡散層との間にかかる水圧Ｅｃ、及び、アノードガス拡散層との間にかかる水圧Ｅａとの差圧（Ｅｃ−Ｅａ）をカソード側からアノード側への水の移動量をもとに求めた結果を（表１）に示す。
【００７５】
次いで、カソード側酸化剤ガス利用率（Ｕｏ）変動試験を行った。Ｕｏを２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、及び７０％と順次上げて運転して電圧の安定性を比較した。各Ｕｏにおける運転時間はいずれも３時間とした。その結果を図４に示す。
【００７６】
（比較例１）
アノードガス拡散層１３は、コート層中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．４ｍｇ／ｃｍ２、カソードガス拡散層１２は、コート層中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．８ｍｇ／ｃｍ２であること以外は、実施例１と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を、表１、及び、図４に示す。
【００７７】
図４から明らかなように、比較例１の電池はＵｏが７０％以上になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。一方、実施例１の電池はＵｏが７０％においても比較例１と比較して優れた電圧安定性を示している。
【００７８】
尚、実施例１においては、アノードガス拡散層のコート層中撥水性樹脂量がカソード側と比較して多いので、耐水圧は、カソードガス拡散層の方が小さくなっており、比較例１はその逆の構成の為、耐水圧は、アノードガス拡散層の方が小さくなっている。
【００７９】
以上より、カソードガス拡散層の耐水圧を、アノードガス拡散層の耐水圧より小さくすることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００８０】
（実施例２）
アノードガス拡散層１３は、基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を１．０ｍｇ／ｃｍ２、コート層中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．８ｍｇ／ｃｍ２、カソードガス拡散層１２は、基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を１．５ｍｇ／ｃｍ２、コート層中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．８ｍｇ／ｃｍ２、であること以外は、実施例１と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を、表１、及び、図５に示す。
【００８１】
（比較例２）
アノードガス拡散層１３は、基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を１．５ｍｇ／ｃｍ２、カソードガス拡散層１２は、基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を１．０ｍｇ／ｃｍ２、であること以外は、実施例２と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を、表１、及び、図５に示す。
【００８２】
図５から明らかなように、比較例２の電池は、Ｕｏが７０％以上になると、それぞれ各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。一方、実施例２の電池はＵｏが７０％においても比較例２と比較して優れた電圧安定性を示している。
【００８３】
尚、実施例２においては、カソードガス拡散層の基材中撥水性樹脂量がアノード側と比較して多いので、排水性が向上する為、耐水圧は、カソードガス拡散層の方が小さくなっており、比較例２はその逆の構成の為、耐水圧はアノードガス拡散層の方が小さくなっている。
【００８４】
以上より、カソードガス拡散層の耐水圧を、アノードガス拡散層の耐水圧より小さくすることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００８５】
（実施例３）
アノードガス拡散層１３は、細孔の８０％以上の径が１４μｍ〜２９μｍである東レ（株）製カーボン不織布（ＴＧＰＨ０６０）を基材とし、基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を１．０ｍｇ／ｃｍ２、コート層中の撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．８ｍｇ／ｃｍ２としたものを用い、カソードガス拡散層１２は、実施例１と同様のカーボン織布を基材とし、基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を１．０ｍｇ／ｃｍ２、コート層中の撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．８ｍｇ／ｃｍ２としたものを用いた以外は、実施例１と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を、表１、及び、図６に示す。
【００８６】
（比較例３）
アノードガス拡散層１３は、実施例１と同様のものを用いた以外は、実施例３と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を表１、及び、図６に示す。
【００８７】
図６から明らかなように、比較例３の電池は、Ｕｏが７０％以上になると、それぞれ各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。一方、実施例３の電池はＵｏが７０％においても比較例２と比較して優れた電圧安定性を示している。
【００８８】
尚、実施例３においては、カソードガス拡散層の基材の細孔径がアノード側と比較して大きいので、式（７）より、耐水圧は、カソードガス拡散層側の方が小さくなっており、比較例３はアノード側とカソード側のガス拡散層が同様の構成の為、耐水圧に差がない。
【００８９】
以上より、カソードガス拡散層の耐水圧を、アノードガス拡散層の耐水圧より小さくすることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００９０】
（実施例４）
電解質膜１１は、デュポン（株）製Ｎａｆｉｏｎ膜（厚さ４６μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を表１、及び、図７に示す。
【００９１】
（比較例４）
アノードガス拡散層１３に実施例３に用いたカーボン不織布を基材とし、基材中撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を１．０ｍｇ／ｃｍ２、コート層中の撥水性樹脂量（ＰＴＦＥ）を０．８ｍｇ／ｃｍ２としたものを用いた以外は、実施例４と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を表１、及び、図７に示す。
【００９２】
図７から明らかなように、比較例４の電池は、Ｕｏが６０％以上になると、それぞれ各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。一方、実施例４の電池はＵｏが７０％においても比較例４と比較して優れた電圧安定性を示している。
【００９３】
尚、実施例４においては、電解質膜が実施例１と比較し厚くなっている為、逆流出水がより抑制されており、比較例４は更にアノード側ガス拡散層を耐水圧が大きくなる不織布を用いている為、実施例４と比較しさらに逆流出水が抑制されている。
【００９４】
以上より、電解質膜厚さを、調整することによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００９５】
なお、逆流出水率Ｚがマイナスの値を示すのは、「プロトン同伴水Ｐ＞逆拡散水量Ｑ」の関係であることを示す。これは、実施例１と比較して本実施例４ではプロトン高分子電解質膜１１の膜厚が３０μｍから４６μｍと厚くなっているために、逆拡散水量Ｑが少なくなっているためである。
【００９６】
（実施例５）
図３（ｂ）は、実施例５に用いた導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図である。図３（ｂ）において、ガス供給溝の深さａは１．０ｍｍ、ガス供給溝の底辺の幅ｂ１は０．８ｍｍ、ガス供給溝の最上辺の幅ｂ２は１．２ｍｍ、土手幅ｃは０．８ｍｍである。このセパレータ以外は、実施例３と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を表１、及び、図８に示す。
【００９７】
（比較例５）
図３（ｃ）は、比較例５に用いた導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図である。図３（ｃ）において、ガス供給溝の深さａは１．５ｍｍ、ガス供給溝の底辺の幅ｂ１は０．８ｍｍ、ガス供給溝の最上辺の幅ｂ２は１．２ｍｍ、土手幅ｃは０．８ｍｍである以外は、実施例５と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を表１、及び、図８に示す。
【００９８】
（比較例６）
図３（ｄ）は、比較例６に用いた導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図である。図３（ｄ）において、ガス供給溝の深さａは１．０ｍｍ、ガス供給溝の底辺の幅ｂ１は１．３ｍｍ、ガス供給溝の最上辺の幅ｂ２は１．０ｍｍ、土手幅ｃは１．０ｍｍである以外は、実施例５と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を表１、及び、図８に示す。
【００９９】
（比較例７）
図３（ｅ）は、比較例７に用いた導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図である。図３（ｅ）において、ガス供給溝の深さａは０．８ｍｍ、ガス供給溝の底辺の幅ｂ１は０．８ｍｍ、ガス供給溝の最上辺の幅ｂ２は０．８ｍｍ、土手幅ｃは１．３ｍｍである以外は、実施例５と同様の構成の燃料電池を作製し、実施例１と同様の電池試験を行った。その結果を表１、及び、図８に示す。
【０１００】
図８から明らかなように、比較例５の電池はＵｏが７０％以上になると、比較例６の電池はＵｏが６０％以上になると、比較例７の電池はＵｏが７０％以上になると、それぞれ、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。一方、実施例３及び実施例５の電池はＵｏが７０％においても比較例５〜７と比較して優れた電圧安定性を示している。
【０１０１】
ここで、各実施例及び比較例における導電性セパレータのガス供給溝の深さａ、底辺の幅ｂ１、最上辺の幅ｂ２、土手幅ｃは、
実施例３は、ａ＝ｂ２、ｂ１＝ｂ２、ｃ＝ｂ２
実施例５は、ａ＜ｂ２、ｂ１＜ｂ２、ｃ＜ｂ２
比較例５は、ａ＞ｂ２、ｂ１＜ｂ２、ｃ＜ｂ２
比較例６は、ａ＝ｂ２、ｂ１＞ｂ２、ｃ＝ｂ２
比較例７は、ａ＜ｂ２、ｂ１＜ｂ２、ｃ＞ｂ２
という関係を有している。
【０１０２】
尚、実施例３、５及び比較例５〜７においては、カソードガス拡散層１２の基材としてカーボン織布を、アノードガス拡散層１３の基材としてカーボン不織布を用いているので、耐水圧は、カソードガス側の方が小さくなっている。
【０１０３】
よって、式（２）の条件を満たした形状のガス供給溝を用い、かつカソードガス拡散層の耐水圧を、アノードガス拡散層の耐水圧より小さくすることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【０１０４】
ａ≦ｂ２かつｂ１≦ｂ２かつｃ≦ｂ２・・・（２）
また、実施例３と実施例５とを比較すると、実施例５の方が安定性が良いことが分かる。これからみて、式（２）は、電圧安定性をより顕著にする条件を示していることが分かる。
【０１０５】
以上説明したとおり、上記実施例１〜５、比較例１〜７、及び図４〜図８からみて、逆流出水率Ｚが式（１）、また電解質膜にかかる差圧が式（３）を満たすように、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層における細孔径及び撥水剤の含有量のうちの少なくとも一方、電解質膜の膜厚、及び、セパレータのガス流路溝の形状を調整することによって顕著にフラッディング抑制効果を得ることが出来る。
【０１０６】
−０．０７≦（Ｙａ−Ｘａ）／（（Ｙａ−Ｘａ）＋（Ｙｃ−Ｘｃ））≦０．１５・・・（１）
−０．５０ｋＰａ≦（Ｅｃ−Ｅａ）≦１．００ｋＰａ・・・（３）
図９は、本発明にかかる燃料電池システムの構成図である。図において、３０は上述した燃料電池である。この燃料電池３０へ、燃料ガス供給装置３１は燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給装置３２は酸化剤ガスを供給する。燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれは加湿装置３３，３４によって加湿されるようになっている。なお、３５，３６は燃料ガスの排気バルブ、酸化剤ガスの排気バルブである。
【０１０７】
この加湿装置３３，３４によって、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスは、前記式（１）を満たすように、加湿される。
【０１０８】
あるいは、この加湿装置３３，３４によって、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスは、前記式（３）を満たすように、加湿される。
【０１０９】
なお、本発明は、各実施例に記載のガス供給溝の深さ、底辺の幅、最上辺の幅、土手幅、ガス拡散層基材、及び電解質膜厚などに限定されるものではなく、発明の趣旨から容易に置換可能な様々なガス拡散基材材料、及び電解質膜材料が可能である。
【０１１０】
さらに、各実施例は高分子電解質型燃料電池に関するものであるが、本発明は、電池発電時に電気化学反応によりカソード側で反応生成物として水が生成される燃料電池の全て、及び燃料電池を制御するシステムに適用した場合に、大きな効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明にかかる燃料電池は、フラッディングをより抑制し、安定した出力電圧を実現する効果を有し、低出力運転、及び供給ガスの低流速時においても、出力電圧の安定性に優れ、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いる燃料電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】一般的なガス拡散層織布基材の表面拡大図
【図２】（ａ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の単電池の横断面図（ｂ）本発明にかかる実施の形態１における燃料電池の導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図
【図３】（ａ）本発明にかかる実施例１における燃料電池の導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図（ｂ）本発明にかかる実施例５における燃料電池の導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図（ｃ）本発明にかかる比較例５における燃料電池の導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図（ｄ）本発明にかかる比較例６における燃料電池の導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図（ｅ）本発明にかかる比較例７における燃料電池の導電性セパレータのガス供給溝のガス流通方向に対する直交断面図
【図４】本発明にかかる実施例１及び比較例１の燃料電池のカソード側高燃料利用率運転時の電圧安定性のグラフを示す図
【図５】本発明にかかる実施例２及び比較例２の燃料電池のカソード側高燃料利用率運転時の電圧安定性のグラフを示す図
【図６】本発明にかかる実施例３及び比較例３の燃料電池のカソード側高燃料利用率運転時の電圧安定性のグラフを示す図
【図７】本発明にかかる実施例４及び比較例４の燃料電池のカソード側高燃料利用率運転時の電圧安定性のグラフを示す図
【図８】本発明にかかる実施例３、５及び比較例５〜７の燃料電池のカソード側高燃料利用率運転時の電圧安定性のグラフを示す図
【図９】本発明にかかる燃料電池システムを示す構成図
【符号の説明】
【０１１３】
１    カーボン繊維
２    細孔
１０  単電池
１１  プロトン伝導性高分子電解質膜
１２  カソードガス拡散層
１３  アノードガス拡散層
１４  酸化剤ガス流路溝
１５  燃料ガス流路溝
１６  カソード側導電性セパレータ板
１７  アノード側導電性セパレータ板
１８  ＭＥＡ
１９  ガスケット
２２、２３  冷却水流路溝
２５  燃料ガスのマニホールド孔
２６  締結軸用孔
３０  燃料電池
３１  燃料ガス供給装置
３２  酸化剤ガス供給装置
【図１】
2005158722.tif 000006
【図２】
2005158722.tif 000007
【図３】
2005158722.tif 000008
【図４】
2005158722.tif 000009
【図５】
2005158722.tif 000010
【図６】
2005158722.tif 000011
【図７】
2005158722.tif 000012
【図８】
2005158722.tif 000013
【図９】
2005158722.tif 000014