(57)【要約】      （修正有）【課題】広範囲の電流値領域において燃料電池の反応効率を向上させる。【解決手段】燃料電池において、膜材と、上記膜材の一方の面上に形成される第１触媒層と、上記第１触媒層に接触する第１拡散層と、上記膜材の他方の面上に形成される第２触媒層と、上記第２触媒層に接触し上記第１拡散層よりも剛性の高い材料で構成する第２拡散層と、上記第１拡散層または第２拡散層に燃料を供給する燃料供給手段１１と、上記第１拡散層または第２拡散層に酸化剤を供給する酸化剤供給手段１２と、上記第１拡散層に燃料を供給する場合に第２拡散層に酸化剤を供給し、上記第１拡散層に酸化剤を供給する場合に上記第２拡散層に燃料を供給する制御手段１０、１３−１６とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜材と、
前記膜材の一方の面上に形成される第１触媒層と、
前記第１触媒層に接触する第１拡散層と、
前記膜材の他方の面上に形成される第２触媒層と、
前記第２触媒層に接触し前記第１拡散層よりも剛性の高い材料で構成する第２拡散層と、
前記第１拡散層または第２拡散層に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記第１拡散層または第２拡散層に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記第１拡散層に燃料を供給する場合に第２拡散層に酸化剤を供給し、前記第１拡散層に酸化剤を供給する場合に前記第２拡散層に燃料を供給する制御手段と、を備える燃料電池。
【請求項２】
前記第１拡散層は、前記第２拡散層よりも水の透過性が高い材料で構成される請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１拡散層は、カーボンクロスを含み、前記第２拡散層は、カーボンペーパを含む請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１触媒層は、親水性を有する電解質の比率が第２触媒層よりも低い材料で構成される請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１触媒層は、前記第２触媒層よりも触媒担持量が少ない材料で構成される請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１拡散層と第２拡散層との間を流れる電流値を計測する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電流値が所定の範囲内にあるときに前記第１拡散層に燃料を供給し前記第２拡散層には酸化剤を供給し、前記電流値が所定の範囲内にないときに前記第１拡散層に酸化剤を供給し前記第２拡散層には燃料を供給する請求項１からの５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１拡散層に接続される第１集電部と、
前記第２拡散層に接続される第２集電部と、
前記第１集電部と第２集電部との間の電圧値を計測する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電圧値が所定の範囲内にあるときに前記第１拡散層に酸化剤を供給し前記第２拡散層には燃料を供給し、前記電圧値が所定の範囲内にないときに前記第１拡散層に燃料を供給し前記第２拡散層には酸化剤を供給する請求項１からの６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
膜材と、前記膜材の一方の面上に形成される第１触媒層と、前記第１触媒層に接触する第１拡散層と、前記膜材の他方の面上に形成される第２触媒層と、前記第２触媒層に接触し前記第１拡散層よりも剛性の高い材料で構成する第２拡散層とを有する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを複数層直列に連結する手段と、
前記連結された複数の燃料電池セルのうち一方の端部に構成される第１拡散層に接続される第１集電部と、
前記連結された複数の燃料電池セルのうち他方の端部に構成される第２拡散層に接続される第２集電部と、
前記第１拡散層または第２拡散層に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記第１拡散層または第２拡散層に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記第１拡散層に燃料を供給する場合に第２拡散層に酸化剤を供給し、前記第１拡散層に酸化剤を供給する場合に前記第２拡散層に燃料を供給する制御手段とを備える燃料電池。
【請求項９】
前記第１集電部と第２集電部との間を流れる電流値を計測する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電流値が所定の範囲内にあるときに前記第１拡散層に燃料を供給し前記第２拡散層には酸化剤を供給し、前記電流値が所定の範囲内にないときに前記第１拡散層に酸化剤を供給し前記第２拡散層には燃料を供給する請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１集電部と第２集電部との間の電圧値を計測する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電圧値が所定の範囲内にあるときに前記第１拡散層に酸化剤を供給し前記第２拡散層には燃料を供給し、前記電圧値が所定の範囲内にないときに前記第１拡散層に燃料を供給し前記第２拡散層には酸化剤を供給する請求項８または９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、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜、電解質膜を挟んで形成される２つの触媒層、および２つの触媒層の外側に形成される１対の拡散層を有している。燃料電池では、一方の拡散層には、燃料である水素が供給され、他方の拡散層には、酸化剤である酸素が供給される。水素が供給される拡散層は、陰極（あるいは燃料極）と呼ばれ、酸素が供給される拡散層は陽極（あるいは酸素極、空気極等）と呼ばれる。
【０００３】
燃料電池は、低電圧の直流源であるため、実用的な電圧を得るため直列に接続されて使用される。燃料電池を直列に接続するため、各々の燃料電池部分（セルと呼ばれる）を分離して構成し、各セル中で陰極および陽極に燃料および酸素を供給する必要がある。このようにセルを分離して、燃料および酸素を各セルに供給するため、拡散層の両側にセパレータと呼ばれる導電性の板材が使用される。セパレータが拡散層と接触する面には、水素または酸素の供給路を確保するため、通常、溝部が形成される。
【０００４】
セルを挟んだ２つのセパレータのうち、陰極側のセパレータの溝部から陰極表面に供給された水素は、陰極中を触媒層の方向に拡散し、触媒層においてプロトンと電子に分離される。プロトンは、水分子とともに電解質膜を通って陽極側の触媒層に移動する。
【０００５】
一方、陽極側のセパレータの溝部から陽極表面に供給された酸素は、陽極中を触媒層の方向に拡散する。そして、陽極側の触媒層において、プロトン、電子、および酸素が反応して水が生成される。この反応を陽極反応と呼ぶ。このとき、陽極と陰極とを外部回路（例えば、導体）で接続すると、陰極から陽極に電子が移動し、上記のプロトンとの反応に消費される。
【０００６】
したがって、陰極に水素を供給し、陽極に酸素を供給する限り、陰極中の水素の拡散、電解質膜中のプロトンの移動、外部回路中の電子の移動、および陽極中の酸素の拡散が継続し、陽極から陰極に電流が継続して流れる。このように、陰極中および陽極中では、それぞれ水素および酸素が触媒層方向に拡散するため、陽極表面および陰極表面からそれぞれの触媒層に至る部分は拡散層と呼ばれている。
【０００７】
燃料電池において、発電効率を向上するには、まず、陽極において拡散層と触媒層との接触を確実に維持する必要がある。拡散層は、外側から触媒層方向にセパレータによって圧迫されているが、セパレータの溝部は、触媒層表面との間に中空部分を形成する。したがって、セパレータの溝部に対応する位置において拡散層と触媒層表面との接触状態が確実に維持されない場合があり、拡散層を通過した酸素に対して触媒が有効に働かないことが生じ得る。
【０００８】
図１に、拡散層３と触媒層２との間で接触が十分に維持されない状態を示す。図１は、燃料電池のセルの一部であるセパレータ４、拡散層３、触媒層２および電解質膜１を示す断面図である。セパレータ４には、溝部６が設けられ酸素等のガスが流れている。図１の例では、拡散層３の材料は、カーボンクロス等の剛性の低い材料が使用されている。その場合には、溝部６に対応する位置の拡散層３部分はセパレータ４によって支持されていないので、触媒層２の界面から浮き上がりやすくなり、その界面に隙間１００が生じる。隙間１００が生じると、接触抵抗が増加するため、溝部６に対応する触媒層２で反応が起こ
りにくくなり、効率が低下する。
【０００９】
このような現象を回避するため、拡散層３の材料として比較的剛性の高いカーボンペーパが用いられてきた。拡散層３の材料の剛性が高いと、セパレータの溝部６に対応する位置においても拡散層３と触媒層２表面とを確実に接触させることができるからである。
【００１０】
一方、陽極から高電流が出力された場合、触媒層２付近で大量の水が発生する。図２に、拡散層３の材料としてカーボンペーパを使用した燃料電池において、陽極側の触媒層２付近に水１０１が発生した状態を示す。この陽極反応によって発生する水分子は、可能な限り早急に排出させる必要がある。水が触媒層２付近に発生すると、凝縮した水が触媒層２の内部、触媒層２と拡散層３との間あるいは多孔質の拡散層３の内部に滞留し、セパレータ溝部６から拡散層３を介して触媒層２へ向かう酸素の拡散を阻害し、運転効率を低下させるからである。この運転効率の低下により、燃料電池の出力電圧が低下する。しかし、カーボンペーパは、繊維が緊密に組み合わせられており、繊維間の隙間が細かく、排水性が必ずしもよくない。
【００１１】
排水性の点では、繊維間の隙間が比較的大きく水分子に対して透過性のあるカーボンクロスが優れている。しかしながら、カーボンクロスはカーボンペーパに比べて剛性が低い。このため、拡散層３と触媒層２との接触を十分に維持できない場合がある。なお、燃料電池の拡散層の構成に関連して以下の特許文献１がある。
【特許文献１】特開２０００−１２３８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、拡散層に剛性の高いカーボンペーパを使用すると、拡散層と触媒層との接触を良好に維持できるが、高電流出力状態において、陽極側の触媒層付近で発生する水を十分に除去できない。したがって、高電流出力時の反応効率が低下し、電流電圧特性が劣化する。一方、繊維間の隙間が比較的大きいカーボンクロスを拡散層に使用すると、水の透過性が向上し、排水性を改善できるが、剛性が低く、拡散層と触媒層の接触が不十分となり、特に、低電流出力時の反応効率が劣化する。
【００１３】
本発明の目的は、このような問題を解決し、広範囲の電流値領域において燃料電池の反応効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池において、膜材と、上記膜材の一方の面上に形成される第１触媒層と、上記第１触媒層に接触する第１拡散層と、上記膜材の他方の面上に形成される第２触媒層と、上記第２触媒層に接触し上記第１拡散層よりも剛性の高い材料で構成する第２拡散層と、上記第１拡散層または第２拡散層に燃料を供給する燃料供給手段と、上記第１拡散層または第２拡散層に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、上記第１拡散層に燃料を供給する場合に第２拡散層に酸化剤を供給し、上記第１拡散層に酸化剤を供給する場合に上記第２拡散層に燃料を供給する制御手段とを備えるものである。
【００１５】
この燃料電池では、第２触媒層に接触する第２拡散層は、第１触媒に接触する第１拡散層よりも剛性が高い材料で構成される。そして、制御手段が、第１拡散層に燃料を供給する場合には、第２拡散層に酸化剤を供給し、第１拡散層に酸化剤を供給する場合には、第２拡散層に燃料を供給する。このように、本発明の燃料電池では、特性の異なる材料が２つの拡散層に使用され、それぞれの拡散層が電池の反応状態に応じて、燃料が供給される
陰極側として、または、酸化剤が供給される陽極側として機能するように制御される。特に、第２拡散層を第１拡散層より剛性の高い材料で構成した場合、陽極反応の少ない段階で第２拡散層を陽極側で使用すると、第２触媒層と第２拡散層との接触を十分に維持できるので、第２拡散層を拡散する酸素に対して効率的に陽極反応を起こさせることができる。
【００１６】
上記第１拡散層は、上記第２拡散層よりも水の透過性が高い材料で構成されるようにしてもよい。上記第１拡散層は、カーボンクロスを含み、上記第２電極は、カーボンペーパを含むようにしてもよい。上記第１触媒層は、親水性を有する電解質の比率が上記第２触媒層よりも低い材料で構成されるようにしてもよい。このような構成とすることで、第１拡散層側の排水性を高めることができる。したがって、水の発生量の多い高電流域において第１拡散層を陽極側で使用した場合に、発生した水を効率的に排水でき、陽極側への酸素の拡散路を維持できる。その結果、水の発生量の多い、高電流域においても効率的な陽極反応を継続できる。
【００１７】
上記第１触媒層は、上記第２触媒層よりも触媒担持量が少ない材料で構成されるようにしてもよい。ここで、触媒担持量が少ないとは、触媒担持密度が低い場合、または、触媒担持体積、例えば、触媒層の厚みが薄い場合、またはその双方の場合をいう。このような構成により、第１拡散層を陽極側として使用した場合に、不必要に陽極反応を進行させ、水が滞留する結果、酸素の第１拡散層から第１触媒層への拡散を閉塞させる状態を回避できる。
【００１８】
上記第１拡散層と第２拡散層との間を流れる電流値を計測する手段をさらに備え、上記制御手段は、上記電流値が所定の範囲内にあるときに上記第１拡散層に燃料を供給し上記第２拡散層には酸化剤を供給し、上記電流値が所定の範囲内にないときに上記第１拡散層に酸化剤を供給し上記第２拡散層には燃料を供給するようにしてもよい。
【００１９】
このような構成により、電流値が所定の範囲内にあるとき、例えば、陽極反応が進行せず、水の発生量が少ない段階では、第２拡散層を陽極側として使用できる。この場合、剛性の高い第２拡散層は第２触媒層と良好な接触を維持し、陽極反応を効率的に進行させることができる。また、電流値が所定の範囲内にないとき、例えば、水の発生量が多い高電流域では、第１拡散層を陽極側として使用できる。この場合、排水性の高い第１拡散層は第１触媒層への酸素の拡散路を維持し、陽極反応を継続的に維持できる。
【００２０】
上記第１拡散層に接続される第１集電部と、上記第２拡散層に接続される第２集電部と、この第１集電部と第２集電部との間の電圧値を計測する手段をさらに備え、上記制御手段は、上記電圧値が所定の範囲内にあるときに上記第１拡散層に酸化剤を供給し上記第２拡散層には燃料を供給し、上記電圧値が所定の範囲内にないときに上記第１拡散層に燃料を供給し上記第２拡散層には酸化剤を供給するようにしてもよい。すなわち、陽極と陰極との切り換えを電圧値に基づいて実施してもよい。このような構成により、２つの電極（拡散層）の間の出力電圧値が低下するような場合を検知して、陽極と陰極とを切り換えることができる。
【００２１】
また、本発明は、上記燃料電池を燃料電池セルとして構成し複数層直列に連結する手段と、上記連結された複数の燃料電池セルにおいて一方の端部に構成される第１拡散層に接続される第１集電部と、上記連結された複数の燃料電池セルにおいて他方の端部に構成される第２拡散層に接続される第２集電部とをさらに備えるようにしてもよい。
【００２２】
また、本発明は、上記第１集電部と第２集電部との間を流れる電流値を計測する手段をさらに備え、上記制御手段は、上記電流値が所定の範囲内にあるときに上記第１拡散層に
燃料を供給し上記第２拡散層には酸化剤を供給し、上記電流値が所定の範囲内にないときに上記第１拡散層に酸化剤を供給し上記第２拡散層には燃料を供給するようにしてもよい。
【００２３】
また、本発明は、記第１集電部と第２集電部との間の電圧値を計測する手段をさらに備え、上記制御手段は、上記電圧値が所定の範囲内にあるときに上記第１拡散層に酸化剤を供給し上記第２拡散層には燃料を供給し、上記電圧値が所定の範囲内にないときに上記第１拡散層に燃料を供給し上記第２拡散層には酸化剤を供給するようにしてもよい。
【００２４】
なお、以上説明した構成は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、広範囲の電流値領域において燃料電池の反応効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図３から図８の図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池を構成するセルの断面図であり、図４は、本燃料電池に供給されるガスのフローを示す図であり、図５は、本燃料電池のガスのフローを制御するシステムの構成図であり、図６は、本燃料電池の電流電圧特性の例を示す図であり、図７は、燃料電池の電磁弁を制御する制御装置の処理を示すフローチャートであり、図８は、本発明の変形例に係る燃料電池のガスのフローを制御するシステムの構成図である。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００２７】
本実施形態の燃料電池（以下、単に本燃料電池ともいう）は、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）である。本燃料電池は、電解質膜を挟んで、構成される陽極および陰極の２つの電極（拡散層部分）を剛性および排水性の点で異なる材料で構成する。そして、低電流域と高電流域とで、２つの電極の極性、すなわち、陽極および陰極としての機能を切り換える。このとき、低電流域では、高剛性の材料で構成した電極を陽極にする。一方、高電流域では、高排水性の材料で構成した電極を陽極にする。なお、本実施形態においては、電極というときは、燃料電池の拡散層と触媒層とを含む構成要素をいうものとする。
【００２８】
さらに、高電流域で、陽極となる側の触媒層として、白金担持密度（触媒担持密度に相当）を陰極側より低く構成してもよい。また、高電流域で、陽極となる側の触媒層として、触媒層の厚みを陰極側より低く構成してもよい。また、高電流域で、陽極となる側の触媒層として、親水性を有する高分子電解質の密度を陰極より低く、親水性を少なくしてもよい。
【００２９】
図３に、本実施形態の燃料電池を構成するセルの断面図を示す。この燃料電池のセルは、電解質膜１と、電解質膜１の表面上に形成される２つの触媒層２Ａ、２Ｂと、触媒層２Ａに接触する第１拡散層３Ａと第１拡散層３Ａを外側から触媒層２Ａの方向に押さえるセパレータ４Ａと、触媒層２Ｂに接触する第２拡散層３Ｂと、第２拡散層３Ｂを外側から触媒層２Ｂの方向に押さえるセパレータ４Ｂとを有している。
【００３０】
電解質膜１は、陰極で生成されたプロトンが陽極に移動する伝導膜として機能し、本発明の膜材に相当する。触媒層２Ａは、電解質膜１の一方の面上（図３において電解質膜１の左側）に形成され、第１触媒層に相当する。また、第１拡散層３Ａは、触媒層２Ａに接触して構成される。また、触媒層２Ｂは、電解質膜１の他方の面上（図３において電解質
膜１の右側）に形成され、第２触媒層に相当する。第２拡散層３Ｂは、触媒層２Ｂに接触して構成される。
【００３１】
本実施形態の燃料電池は、第１拡散層３Ａとしてカーボンクロスを使用し、第２拡散層３Ｂとしてカーボンペーパを使用する。このように、本燃料電池のセルでは、電解質膜１を挟んで構成される２つの拡散層は、各々カーボンクロスおよびカーボンペーパという異なる材料で構成される。したがって、第１拡散層３Ａは第２拡散層３Ｂとして比較して、繊維の間隔が粗く、水分子の透過性が高いという性質を有する。一方、第２拡散層３Ｂは、第１拡散層３Ａと比較して、剛性が高いという性質を有する。
【００３２】
また、本実施形態の燃料電池は、触媒層２Ａ、２Ｂとして、いわゆる白金担持カーボン触媒と高分子電解質（樹脂）とを含む。この燃料電池では、触媒層２Ａの白金担持密度を触媒層２Ｂにおける白金担持密度より低い構成とする。すなわち、この燃料電池では、カーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂ側の白金担持密度を可能な限り高くする。
【００３３】
このような構成において、燃料電池の出力が低い低電流域においては、第１拡散層３Ａを陰極として機能させ、第２拡散層３Ｂを陽極として機能させる。低電流域においては、陽極での水生成（陽極反応）の反応速度が遅く、単位時間当たりの水生成量は少ない。このため、繊維の目が細かいカーボンペーパでも透過可能な量の水が生成される。また、カーボンペーパの剛性が高いため、第２拡散層３Ｂと触媒層２Ｂとの接触が十分に保たれ、触媒層２Ｂが有効に機能する。さらに、触媒層２Ｂの白金担持密度が可能な限り高く構成されるため、低電流域で水の生成量が少ない状態の陽極において密度の高い白金が有効に機能する。セパレータ４Ｂから投入される酸素（空気）が第２拡散層３Ｂを拡散して触媒層２Ｂに至る間に水によって拡散を妨げられることが少ないからである。
【００３４】
また、上記構成において、燃料電池の出力が高い高電流域においては、第１拡散層３Ａを陽極として機能させ、第２拡散層３Ｂを陰極として機能させる。高電流域においては低電流域と比べて、陽極での水生成の反応速度が高く、単位時間当たりの水生成量が多くなる。繊維の目が粗いカーボンクロスの方がカーボンペーパより多くの水を透過できるので、高電流域では、陽極側の材料として適している。さらに、触媒層２Ａの白金担持密度は、可能な限り低く構成される。この場合の白金の密度は、高電流域で生成される水の量と、カーボンクロスの水透過量によって最適値が選択される。
【００３５】
すなわち、触媒層２Ａの白金担持密度が高すぎると、水の生成速度が高く、生成された水がカーボンクロスによっても十分に排水されないため、セパレータ４Ａからの酸素の拡散が阻害される。その結果、密度の高い白金が十分に機能しない結果となる。一方、白金密度が低すぎると、高電流域において白金密度が反応速度を規制する結果となる。そこで、カーボンクロスで構成される陽極において発生する水の排水速度を上回らない範囲で反応速度が最大となる白金密度が望ましい。
【００３６】
さらに、触媒層２Ａの厚みＴは、極力薄くすることが望ましい。触媒層２Ａの厚みが厚すぎると、水の生成量が多くなり、生成された水がカーボンクロスによっても十分に排水されないため、セパレータ４Ａからの酸素の拡散が阻害される。その結果、触媒層２Ａの白金が十分に機能しない結果となる。一方、触媒層２Ａが薄すぎると、高電流域において白金量が反応速度を規制する結果となる。そこで、カーボンクロスで構成される陽極において発生する水の排水速度を上回らない範囲で反応速度が最大となる白金量の触媒層２Ａが望ましい。このような触媒層２Ａの厚みＴは、カーボンクロスの排水速度と白金密度とから最適値が選択される。
【００３７】
さらに、触媒層２Ａに含まれる高分子電解質の密度は、極力低くすることが望ましい。
高分子電解質は親水性が高い。したがって、触媒層２Ａに含まれる高分子電解質の密度を低くすることで、高電流域で陽極側となる触媒層２Ａの排水性を高めることができる。
【００３８】
図４に、本燃料電池に供給されるガスのフローを示す。図４では、セルを分離するセパレータ４Ａ、４Ｂが省略され、セパレータ４Ａ、４Ｂから供給されるガス（水素および空気）が矢印で示されている。セルの他の構成は、図３と同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。図４では、ハッチングを付した矢印で水素のフローを示し、ハッチングのない矢印で空気のフローを示す。なお、本実施形態の水素が本発明の燃料に相当し、空気（酸素）が酸化剤に相当する。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態では、燃料電池の低電流域において、カーボンクロスで構成する第１拡散層３Ａ側に水素を供給し、カーボンペーパで構成する第１拡散層３Ｂ側に酸素を供給する。その結果、第１拡散層３Ａが陰極として機能する。すなわち、第１拡散層３Ａの表面に供給された水素は、第１拡散層３Ａを拡散し、触媒層２Ａにおいて、電子とプロトンに分離される。
【００４０】
プロトンは、電解質膜１を伝導し、触媒層２Ｂに達する。一方、第２拡散層３Ｂの表面に供給された空気は、第２拡散層３Ｂを拡散し、触媒層２Ｂに達する。そして、触媒層２Ｂにおいて、陰極を構成する第１拡散層３Ａから不図示の外部回路を伝導した電子と、プロトンと、酸素とにより水が生成される。
【００４１】
一方、燃料電池の高電流域において、カーボンペーパで構成する第２拡散層３Ｂ側に水素を供給し、カーボンクロスで構成する第１拡散層３Ａ側に酸素を供給する。その結果、第２拡散層３Ｂ側が陰極として機能する。すなわち、第２拡散層３Ｂの表面に供給された水素は、第２拡散層３Ｂを拡散し、触媒層２Ｂにおいて、電子とプロトンに分離される。
【００４２】
プロトンは、電解質膜１を伝導し、触媒層２Ａに達する。一方、第１拡散層３Ａの表面に供給された空気は、第１拡散層３Ａを拡散し、触媒層２Ａに達する。そして、触媒層２Ａにおいて、陰極を構成する第２拡散層３Ｂから不図示の外部回路を経て伝導した電子と、プロトンと、酸素とにより水が生成される。
【００４３】
図５に、本燃料電池のガスのフローを制御するシステムの構成図を示す。この燃料電池は、セパレータ４Ａおよび４Ｂを含むセル５と、セル５に水素ガスを供給する水素燃料タンク１１（燃料供給手段に相当）と、セル５に空気（酸素）を提供するコンプレッサ１２（酸化剤供給手段に相当）と、水素燃料タンク１１とセパレータ４Ａとの間の配管に設置され水素燃料タンク１１からセパレータ４Ａへの水素ガスの供給を制御する電磁弁１３と、水素燃料タンク１１とセパレータ４Ｂとの間の配管に設置され水素燃料タンク１１からセパレータ４Ｂへの水素ガスの供給を制御する電磁弁１４と、コンプレッサ１２とセパレータ４Ａとの間の配管に設置されコンプレッサ１２からセパレータ４Ａへの空気の供給を制御する電磁弁１５と、コンプレッサ１２とセパレータ４Ｂとの間の配管に設置されコンプレッサ１２からセパレータ４Ｂへの空気の供給を制御する電磁弁１６とを有する。
【００４４】
セル５の内部は、図３および図４に示したものと同様であり、セパレータ４Ａは、カーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａに接続される。また、セパレータ４Ｂは、カーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂに接続される。セパレータ４Ａおよび４Ｂには、水素燃料および空気のいずれか一方が導入される。水素燃料または空気はセパレータ４Ａ（４Ｂ）と第１拡散層３Ａ（第２拡散層３Ｂ）の間に構成される溝部に導入され、第１拡散層３Ａ（第２拡散層３Ｂ）を拡散し、触媒層２Ａ（２Ｂ）において、電池反応に寄与する。
【００４５】
本燃料電池の電極（第１拡散層３Ａ、第２拡散層３Ｂ）は、各々両端のセパレータ４Ａ、４Ｂを介して、出力極性を切り換える電磁駆動スイッチ１９Ａ、１９Ｂの端子に接続される（セパレータ４Ａ、４Ｂまたはこれに接続される端子が第１集電部、第２集電部に相当する）。初期状態（低電流域）では、セパレータ４Ａ側の端子は、電池の負極として機能し、電磁駆動スイッチ１９Ａにより負荷２０の負極に接続されるものとする。また、セパレータ４Ｂ側の端子は、電池の正極として機能し、電磁駆動スイッチ１９Ｂにより負荷２０の正極に接続されるものとする（図５において負荷２０の極性は省略されている）。なお、負荷２０としては、入力側に極性のないものでも構わない。
【００４６】
本実施形態では、図５により、原理的な燃料電池の構成を示す。電磁駆動スイッチ１９Ａおよび１９Ｂの出力側端子（セパレータ４Ａ、４Ｂ側の端子と反対側の端子）は、負荷２０に接続される。図５の例では、負荷２０は、直流（ＤＣ）／交流（ＡＣ）変換部（いわゆるインバータ）および交流負荷を有している。さらに、負荷２０と直列に電流計１７（電流値を計測する手段に相当）が設けられ、負荷２０と並列に電圧計１８（電圧値を計測する手段に相当）が設けられている。
【００４７】
また、この燃料電池の反応を制御する制御装置１０（制御手段に相当）が設けられている。制御装置１０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等からなる。制御装置１０は、電流計１７で測定される電流値および電圧計１８で測定される電圧値を監視する。また、制御装置１０は、不図示の温度センサに接続され、セル５の温度を監視する。さらに、制御装置１０は、不図示の加湿器の温度を監視する。
【００４８】
制御装置１０は、このように、燃料電池の出力電流、出力電圧、セル温度、加湿器温度等によりセル５の状態を監視する。そして、制御装置１０は、運転開始時のように出力電流が少ない低電流域では、電磁弁１３を開き、電磁弁１５を閉じる。その結果、制御装置１０は、セパレータ４Ａを通じてカーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａ側に水素を供給する。この結果、第１拡散層３Ａは、陰極として機能する。また、低電流域で、制御装置１０は、電磁弁１４を閉じ、電磁弁１６を開く。その結果、制御装置１０は、セパレータ４Ｂを通じてカーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂ側に空気を供給する。この結果、第２拡散層３Ｂは、陽極として機能する。
【００４９】
燃料電池への水素と空気の供給が所定値を越え、燃料電池の出力電流が所定値を越えると、陽極での水の発生量がカーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂの排水速度を上回るようになる。その結果、セパレータ４Ｂから第２拡散層３Ｂと介した触媒層２Ｂへの空気の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【００５０】
電流値または電圧値の監視によって出力電流の上昇または出力電圧の低下状態を検知すると、制御装置１０は、電磁弁１３および１６を閉じ、電磁弁１４および１５を開く。この電磁弁１３−１６の制御により、制御装置１０は、セパレータ４Ｂを通じてカーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂ側に水素を供給する。また、制御装置１０は、セパレータ４Ａを通じてカーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａ側に酸素を供給する。この結果、第１拡散層３Ａは、陽極として機能する。また、第２拡散層３Ｂは、陰極として機能する。すなわち、セパレータ４Ａ（第１拡散層３Ａ）側に接続される端子が正極として電流を出力する。また、セパレータ４Ｂ（第２拡散層３Ｂ）側に接続される端子に電流が流入する（電子が出力される）。
【００５１】
また、このとき、制御装置１０は、電磁駆動スイッチ１９Ａおよび１９Ｂを制御し、燃料電池の出力電圧の極性を切り換える。すなわち、制御装置１０は、セパレータ４Ａ側の端子を負荷２０の正極に接続する。また、制御装置１０は、セパレータ４Ｂ側の端子を負荷２０の負極に接続する。
【００５２】
図６は、本燃料電池の電流電圧特性の例を示す。この図は、横軸に燃料電池の出力電流値を採り、縦軸に出力電圧値を採ってプロットした特性曲線を示している。また、特性曲線としては、２種類が描かれている。このうち、波線で示すグラフは、カーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂを陽極（カソード）側としたときの特性曲線である。また、実線で示すグラフは、カーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａを陽極（カソード）側としたときの特性曲線である。
【００５３】
図６のように、低電流域（記号（ａ）の付された括弧で示す電流値の領域）では、カーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂを陽極とする方が出力電圧は高い。これは、低電流域では、水の発生が少なく、陽極への酸素の供給が阻害されることが少ないからである。その結果、剛性の高いカーボンペーパの方が触媒層に接触しやすく、拡散層を拡散した酸素に対して触媒が有効に作用するからと考えられる。
【００５４】
一方、高電流域（記号（ｂ）の付された括弧で示す電流値の領域）では、カーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａを陽極とする方が出力電圧は高い。これは、高電流域では、水の発生が多くなり、カーボンペーパを陽極とすると水が凝縮してカーボンペーパの繊維を閉塞し、酸素の拡散を妨げ、触媒層による陽極反応が抑制されるためである。一方、カーボンクロスを陽極とする場合には、水の排水性が高く、触媒層への酸素の供給がカーボンペーパと比較して維持されやすいためである。
【００５５】
本燃料電池は、このような特性を有するために、低電流域と高電流域とで燃料電池の極性を反転することにより、低電流域（図６の（ａ）部分）では、波線で示されるカーボンペーパによる陽極特性を利用し、高電流域（図６の（ｂ）部分）では、実線で示されるカーボンクロスの陽極特性を利用する。これにより、カーボンペーパによる陽極特性とカーボンクロスによる陽極特性が交差する部分（図６の交点（ｃ）部分）の前後の領域である低電流域および高電流域の双方において、高電圧の出力を得ることができる。
【００５６】
図７は、燃料電池の電磁弁を制御する制御装置１０の処理を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池が起動されたときに実行が開始される。起動後、まず、制御装置１０は、空気をカーボンペーパ側、すなわち、第２拡散層３Ｂに接続されるセパレータ４Ｂに供給するように電磁弁１５、１６を制御する。また、制御装置１０は、水素をカーボンクロス側、すなわち、第１拡散層３Ａに接続されるセパレータ４Ａに供給するように電磁弁１３、１４を制御する（Ｓ１）。このとき、制御装置１０は、燃料電池の集電部であるセパレータ４Ａ、４Ｂの端子の極性を反転しないで負荷２０に接続する。すなわち、図５に示した電磁駆動スイッチ１９Ａ、１９Ｂにおいて、セパレータ４Ａ側を負荷２０の負極に、また、セパレータ４Ｂ側を負荷２０の正極に接続する。以降、制御装置１０は、低電流域での制御を実行する。
【００５７】
すなわち、制御装置１０は、電流計１７で測定される電流値を監視する（Ｓ２）。そして、制御装置１０は、電流値が所定の基準値を越えたか否かを判定する（Ｓ３）。電流値が基準値未満の場合、制御装置１０は、Ｓ２に制御を戻し、電流値の監視を継続する。
【００５８】
Ｓ３の判定で、電流値が基準値を越えた場合、制御装置１０は電圧計１８が測定する電圧値を監視する（Ｓ４）。すなわち、制御装置１０は、電圧値が所定の基準値未満となったか否かを判定する（Ｓ５）。電圧値が基準値より大きい場合、制御装置１０は、Ｓ４に制御を戻し、電圧値の監視を継続する。
【００５９】
Ｓ５の判定で、電圧値が基準値値未満となった場合、制御装置１０は空気をカーボンクロス側、すなわち、第１拡散層３Ａに接続されるセパレータ４Ａに供給するように電磁弁
１５、１６を制御する。また、制御装置１０は、水素をカーボンペーパ側、すなわち、第２拡散層３Ｂに接続されるセパレータ４Ｂに供給するように電磁弁１３、１４を制御する（Ｓ６）。このとき、制御装置１０は、セパレータ４Ａ、４Ｂの端子の極性を反転して負荷２０に接続する。以降、制御装置１０は、高電流域での制御を実行する。
【００６０】
次に、制御装置１０は、電流計１７で測定される電流値を監視する（Ｓ７）。そして、制御装置１０は、電流値が所定の基準値未満まで減少したか否かを判定する（Ｓ７）。電流値が基準値を越えている場合、制御装置１０は、Ｓ７に制御を戻し、電流値の監視を継続する。
【００６１】
Ｓ７の判定で、電流値が基準値未満まで減少した場合、制御装置１０はＳ１の低電流域での制御に戻す。
【００６２】
以上述べたように、本実施形態においては、燃料電池のセル５において、電解質膜１の両側の２つの拡散層について、剛性および排水性（水の透過性）の異なる２種類の拡散層材料を用意する。第１拡散層３Ａの材料は、カーボンクロスであり、第２拡散層３Ｂの材料は、カーボンペーパである。
【００６３】
カーボンペーパはカーボンクロスと比較して剛性が高いが排水性に劣る。そこで、低電流域では、第２拡散層３Ｂを陽極として使用する。すなわち、制御装置１０は、第１拡散層３Ａ側のセパレータ４Ａに水素を供給し、第２拡散層３Ｂ側のセパレータ４Ｂに空気を供給する。低電流域では、水の生成量は少ないので、カーボンペーパの排水性の悪さが問題になることが少ない。そして、カーボンペーパの剛性により、第２拡散層は、触媒層２Ｂに確実に接触することができ、陽極反応を効率的に進行できる。その結果、低電流域において、カーボンクロスを使用する場合と比較して、高い出力電圧を得ることができる。
【００６４】
一方、高電流域では、水の生成量が多いので、カーボンペーパの排水性の悪さが問題になる。そこで、制御装置１０は、陽極と陰極とを入れ替える。すなわち、制御装置１０は、第１拡散層３Ａ側のセパレータ４Ａに空気を供給し、第２拡散層３Ｂ側のセパレータ４Ｂに水素を供給する。高電流域では、水の発生量が増加するが、カーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａの排水性により、発生した水が拡散層外に透過する。その結果、セパレータ４Ａから触媒層２Ａに拡散する空気の通路が閉塞されることが少なく、高電流出力時にも、カーボンペーパによる第２拡散層を陽極とした場合と比較して、高い出力電圧を維持できる。
【００６５】
さらに、上記燃料電池の構成において、触媒層２Ａの白金担持密度は、可能な限り低く構成してもよい。この場合の白金の密度は、高電流域で生成される水の量と、カーボンクロスの水透過量によって最適値が選択される。すなわち、カーボンクロスで構成される陽極において発生する水の排水速度を上回らない範囲で反応速度が最大となる白金密度の触媒層２Ａを構成すればよい。
【００６６】
また、触媒層２Ａの厚みＴは、極力薄くすることが望ましい。すなわち、カーボンクロスで構成される陽極において発生する水の排水速度を上回らない範囲で反応速度が最大となる白金量の触媒層２Ａが望ましい。このような触媒層２Ａの厚みＴは、カーボンクロスの排水速度と白金密度とから最適値を選択すればよい。
【００６７】
また、触媒層２Ａに含まれる高分子電解質の密度は、極力低くすればよい。これにより、高電流域での陽極の親水性を低減し、排水性を高めることができる。
【００６８】
さらに、上記実施形態において、電磁弁制御処理（図７参照）では、制御装置１０は、
電流計１７の電流値が所定の範囲内か否か、または、電圧計１８の電圧値が所定の範囲内か否かにより、低電流域と高電流域とを判定した。この場合、所定の範囲か否かを判定する基準値は、セルの温度または加湿器の温度により最適値を選択するようにしてもよい。
【００６９】
図７に示したカーボンクロスの陽極特性（波線）とカーボンペーパの陽極特性（実線）の交差部分（ｃ）は、セル温度および加湿器温度の影響を受けて変動することがあるからである。交差部分（ｃ）の電流値および電圧値を複数のセル温度および加湿器温度から求めておき、運転時のセル温度および加湿器温度に基づき、交差部分（ｃ）の電流値および電圧値（所定の範囲内か否かの基準値）を決定してもよい。このような基準値の決定は、例えば、実験的または経験的に求めた複数のセル温度および加湿器温度の組み合わせに対する値から補間計算等によって求めればよい。
【００７０】
さらに、上記実施形態では、図７に示したように電流値および電圧値の双方を監視して電磁弁を制御し、燃料電池の極性を切り換えた。しかし、本発明の実施は、このような制御に限られず、例えば、電流値だけを監視して制御してもよい。また、電圧値だけを監視して制御してもよい。また、例えば、電流の基準値を低めに設定して、電圧の基準値を比較する前提となる電流の条件判定に幅を持たせて、条件を緩和してもよい。
【００７１】
さらに、上記実施形態では、図７に示したような電磁弁の制御を実行する場合、制御装置１０をＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等のようにプログラムによる制御が可能な装置を使用した。しかし、本発明の実施はこのような構成には限定されない。例えば、単に電流計１７の電流値と所定値とを比較するコンパレータ、電圧計１８の電圧値と所定値とを比較するコンパレータ等によって制御装置１０を構成してもよい。その場合には、所定の範囲か否かを判定する基準値として、セルの温度または加湿器の温度により最適値を厳密に求めるような制御は困難となるが、簡易な構成で電磁弁の制御を実現できる。
【００７２】
上記実施形態では、図５に示したように、単一のセル５を含む燃料電池により、本発明の原理的特徴を説明した。この原理的特徴は、一般的な燃料電池にも適用できる。一般的な燃料電池は、複数のセルを直列に連結したセルスタックと呼ばれる積層体で構成される。以下、積層体を含む燃料電池に本発明を適用した変形例を示す。
【００７３】
図８は、本発明の変形例に係る燃料電池のガスのフローを制御するシステムの構成図である。この燃料電池は、複数のセル５からなる積層体を有している。セル５の構造は、図５において説明したものと同様である。この積層体の両端には、一対のエンドプレート３２、３２が設けられ、エンドプレート３２、３２間の積層体は締め具３１によって両側から加圧される。
【００７４】
連結された積層体の外部に露出する両端の一方には、セル５の第１拡散層３Ａに接続されるセパレータ４Ａが配置される。また、この積層体の他方の端部には、第２拡散層３Ｂに接続されるセパレータ４Ｂが配置される。この積層体両端の第１拡散層３Ａ、第２拡散層３Ｂは、各々両端のセパレータ４Ａ、４Ｂを介して、燃料電池の出力端子となる一対の集電部３０Ａ、３０Ｂに接続される。この集電部３０Ａが第１集電部に相当し、集電部３０Ｂが第２集電部に相当する。
【００７５】
また、電磁弁１３および１５は、各セル５のセパレータ４Ａ内の不図示のガス供給路（図１の溝部６参照）に通じる配管への水素および空気の供給を制御する。一方、電磁弁１４および１６は、各セル５のセパレータ４Ｂ内の不図示のガス供給路に通じる配管への水素および空気の供給を制御する。
【００７６】
図８のように、この燃料電池は、集電部３０Ａ、３０Ｂの出力極性を切り換える電磁駆
動スイッチ１９Ａおよび１９Ｂを有している。この電磁駆動スイッチ１９Ａおよび１９Ｂの作用は図５の場合とほぼ同様である。すなわち、初期状態（低電流域）では、集電部３０Ａ（カーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａ側）は、燃料電池の負極として機能し、電磁駆動スイッチ１９Ａにより負荷２０の負極に接続されるものとする。また、集電部３０Ｂ（カーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂ側）は、電池の正極として機能し、電磁駆動スイッチ１９Ｂにより負荷２０の正極に接続されるものとする。
【００７７】
図５で説明した場合と同様、制御装置１０は、燃料電池の出力電流、出力電圧、セル温度、加湿器温度等によりセル５の状態を監視する。そして、制御装置１０は、運転開始時のように出力電流が少ない低電流域では、電磁弁１３を開き、電磁弁１５を閉じる。その結果、制御装置１０は、各セル５のセパレータ４Ａを通じてカーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａ側に水素を供給する。この結果、第１拡散層３Ａは、陰極として機能し、集電部３０Ａは燃料電池の負極となる。また、低電流域で、制御装置１０は、電磁弁１４を閉じ、電磁弁１６を開く。その結果、制御装置１０は、各セル５のセパレータ４Ｂを通じてカーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂ側に空気を供給する。この結果、第２拡散層３Ｂは、陽極として機能し、集電部３０Ｂは燃料電池の正極となる。
【００７８】
電流値または電圧値の監視によって出力電流の上昇または出力電圧の低下状態を検知すると、制御装置１０は、電磁弁１３および１６を閉じ、電磁弁１４および１５を開く。この電磁弁１３−１６の制御により、制御装置１０は、各セル５のセパレータ４Ｂを通じてカーボンペーパで構成される第２拡散層３Ｂ側に水素を供給する。また、制御装置１０は、各セル５のセパレータ４Ａを通じてカーボンクロスで構成される第１拡散層３Ａ側に酸素を供給する。この結果、第１拡散層３Ａは、陽極として機能し、集電部３０Ａは燃料電池の正極となる。また、第２拡散層３Ｂは、陰極として機能し、集電部３０Ｂは燃料電池の負極となる。
【００７９】
また、このとき、制御装置１０は、電磁駆動スイッチ１９Ａおよび１９Ｂを制御し、燃料電池の出力電圧の極性を切り換える。すなわち、制御装置１０は、集電部３０Ａを負荷２０の正極に接続する。また、制御装置１０は、集電部３０Ｂを負荷２０の負極に接続する。
【００８０】
このように、複数のセル５からなる積層体を有する燃料電池においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】燃料電池において、触媒層と拡散層との間の接触が十分に維持されない状態を示す図である。
【図２】燃料電池の陽極側において、触媒層付近に水が凝縮した状態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池の断面図である。
【図４】本燃料電池に供給されるガスのフローを示す図である。
【図５】本燃料電池のガスのフローを制御するシステムの構成図である。
【図６】本燃料電池の電流電圧特性の例を示す図である。
【図７】燃料電池の電磁弁を制御する制御装置の処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明の変形例に係る燃料電池のガスのフローを制御するシステムの構成図である。
【符号の説明】
【００８２】
１    電解質膜
２Ａ、２Ｂ  触媒層
３Ａ  第１拡散層
３Ｂ  第２拡散層
４Ａ、４Ｂ  セパレータ
５  セル内部
６  セパレータ溝部
１０  制御装置
１１  水素タンク
１２  コンプレッサ
１３、１４、１５、１６  電磁弁
１７  電流計
１８  電圧計
１９Ａ、１９Ｂ  電磁駆動スイッチ
２０  負荷
３０Ａ、３０Ｂ  集電部
３１  締め具
３２  エンドプレート
【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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