(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜を挟んで対向する２つの触媒層とからなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟んで対向する２つの拡散層と、前記２つの拡散層のうちの一方の拡散層と接触しかつ前記電解質膜のプロトン伝導方向と平行な２つの側面に空気を取り入れる機能を有する開口部を有する酸素供給層と、前記酸素供給層と接触する吸水層と、前記酸素供給層と接触する集電体とからなる燃料電池セルであって、
前記一方の拡散層の前記膜電極接合体と接触する面と対向する面に前記酸素供給層が接触し、
前記酸素供給層が、前記一方の拡散層と接触する面と対向する面に溝を有し、
前記溝に前記吸水層が存在し、
前記酸素供給層が、前記一方の拡散層と接触する面と対向する面のうちの前記溝以外の部分で前記集電体と接触し、
前記吸水層の端部が前記開口部を含む平面上もしくは前記平面を基準として前記燃料電池セル側に存在し、
前記吸水層を含みかつ前記平面に垂直な面で前記燃料電池セルを切断した際の断面における前記酸素供給層の前記吸水層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さが、前記断面における前記吸水層の前記酸素供給層と接触している部分を含む前記吸水層の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短いことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記断面における前記酸素供給層の前記吸水層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さが、前記断面における前記膜電極接合体の前記開口部を含む平面に垂直な方向の長さ以上の長さであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記断面における前記酸素供給層の前記吸水層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さが、前記断面における前記酸素供給層の前記拡散層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
複数の燃料電池セルがスタックした燃料電池であって、前記燃料電池セルが請求項１〜３に示す燃料電池セルであることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電層部材への酸素の供給経路と発電層部材が生成した水分子の排出経路とを兼ねる酸素供給層を備えた燃料電池セルおよび燃料電池に関する。詳しくは、発電層部材から不要な液体水を効率的に除去できる燃料電池セルおよび該燃料電池セルを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電層部材の一方の面側に密封された燃料ガス供給空間を配置し、発電層部材の他方の面側に酸素供給層を備えた燃料電池が存在する。発電層部材は、燃料ガス供給空間から水素イオンを取り込み、酸素供給層側の面で水素イオンを酸素と反応させて発電を行う。酸素供給層は、発電層部材の表面に必要な量の酸素を供給する供給経路であるとともに、発電層部材で生成された水分子を運び出す拡散（または強制排出）経路でもある。
【０００３】
特許文献１には、発電層部材を有する燃料電池セルを積み重ねて直列に接続した燃料電池が示されている。特許文献１に記載の燃料電池では、燃料電池セルごとの側面の開口を通じて大気中の酸素が取り込まれ、同じ開口を通じて酸素供給層の水分を大気中に蒸発拡散させている。
【０００４】
また、発電層部材には、高分子電解質膜の両面に多孔質導電性の触媒層を形成した膜電極接合体が採用され、三次元の通気性を有する板状の酸素供給層における前記開口に臨む側面側が大気に開放されている。酸素供給層の側面側から取り入れられた酸素は、酸素供給層の中を三次元的に拡散して、酸素供給層の片方の底面を通じて膜電極接合体の全面に供給される。膜電極接合体で生成された水分子は、水蒸気として酸素供給層へ取り込まれ、水蒸気の濃度勾配に従って側面側へ移動して、前記開口を通じて大気中へ拡散する。
【０００５】
特許文献２には、酸素供給層の一方の側面側から他方の側面側へ強制的に大気を送り込んで貫流させる燃料電池が示されている。特許文献２では、燃料電池セルの対向する側面を貫通させた溝状の空気流路が形成されたセパレータが酸素供給層に重ねて配置されている。そして、空気流路に接する酸素供給層の組織密度を厚さ方向に変化させ、空気流路に接する表面層と膜電極接続体に接する表面層との組織密度を中間層よりも高くして、中間層の保水性を高めている。
【０００６】
特許文献３には、発電層部材に重ねて配置した酸素拡散層の高分子電解質膜側の面に触媒層を形成した燃料電池が示されている。特許文献３に記載の燃料電池では、酸素拡散層における酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行っている。酸素拡散層を厚み方向に貫通させて口径１００μｍ以下の無数の貫通孔が４００個／ｍｍ２の密度で形成されて、厚み方向の拡散性能が高められている。高分子電解質膜側から反対側の面へ向かって断面積が増える貫通孔（円錐状）は、酸素や水蒸気の通過抵抗を下げつつ、高分子電解質膜側の接触面積と酸素拡散層の強度とを高めている。
【０００７】
特許文献４には、酸素極に吸水性材料を配備し、その毛管現象を利用して水を吸出し、フラッディングを抑制する燃料電池が記載されている。
【０００８】
機器と一体に持ち運ばれる燃料電池は、酸素供給層を通じた酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行うことが望ましい。そのような燃料電池は、起動に際して外部からの電力供給が不要であることが望ましく、大気の循環機構やブロアーは部品点数を増やして、燃料電池の小型化軽量化に反するからである。特許文献２に示される燃料電池は、そのような大気の循環機構やブロアーを前提としたものである。
【０００９】
しかし、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを全くの自然拡散に頼る場合、酸素と水蒸気の移動方向は全く逆方向なので、燃料電池の出力電流が増大して水蒸気の排出量が増えると酸素の供給が妨げられる可能性がある。特に、燃料電池セルを積み重ねて燃料電池セルの側面側の開口を通じて水蒸気を排出させる場合、開口から遠い部分では開口へ向かう水蒸気の流れに妨げられて酸素が届きにくくなる。
【００１０】
発電層部材への酸素供給が妨げられると起電力が低下して燃料電池セルの発電効率が低下する。発電効率が低下した結果、発熱量が増えて一段の温度上昇を引き起すと、酸素供給層における水蒸気分圧が高まって酸素分圧が低下し、発電層部材に対する酸素供給がますます妨げられる。
【００１１】
また、酸素供給層の水蒸気分圧が高まると、発電層部材の界面での生成水の蒸発が阻害されて液体水が滞留し、界面が局所的に液体水で覆われて水没（フラッディング）する。水没した部分では酸素供給が途絶えて発電が停止するので、水没していない部分での電流密度が高まって燃料電池セルの起電力が低下する。そして、そのまま運転を継続すると、電流密度の高まった領域に水没領域が広がって発電層部材の全面水没に至り、燃料電池セルの発電が全停止する可能性がある。
【００１２】
したがって、酸素供給層に大気を強制循環させて水蒸気を強制排出する能動型に比較して、自然拡散に頼る受動型では、発電層部材の単位表面積あたりの電流値を極端に小さく設定する必要がある。単位表面積あたりの電流値を極端に小さく設定すると、発電層部材の面積が増えて発電部が大型化し、かえって能動型よりも燃料電池が大型化する可能性すらある。
【００１３】
特許文献２に示される燃料電池は、発電層部材に接する酸素供給層の表面層の密度を中間層よりも高めることで、発電層部材の界面の液体水を効率的に中間層に吸い上げて気化拡散させている。しかし、中間層に供給された水蒸気は、密度を高めた反対側の表面層を通じて排出されるまで、中間層に滞留して中間層を通じた酸素の拡散と発電層部材への供給とを妨げてしまう。そして、中間層部材に水分を積極的に滞留させるための表面層は、中間層の水蒸気圧を高めて酸素が発電層部材へ届きにくくしている。
【００１４】
特許文献３に示される燃料電池は、自然拡散に頼る受動型を前提として、発電層部材から酸素供給層への水分排出性能を高めている。しかし、酸素供給層に取り込まれた水分は、水蒸気の自然拡散によって酸素供給層内を酸素と逆方向に移動することに変わりはない。つまり、酸素供給層の水蒸気分圧を下げて、発電層部材の生成水の蒸発を容易にすることもなく、また、酸素供給層を通じた酸素の移動／拡散を容易にすることもない。
【００１５】
特許文献４に示される燃料電池では、吸水性材料が触媒を囲む構造であるため、触媒部分が小さくならざるを得ず、十分な性能を発揮するのが困難である。
【特許文献１】米国特許第６４２３４３７号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４６０７号公報
【特許文献３】特開２００２−１１０１８２号公報
【特許文献４】特開２００５−３５３６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、発電に伴って発生した生成水を、能動的な手法に頼ることなく、容易に酸素供給層から排出させるとともに、高電流値であっても、高い発電効率を安定して維持できる燃料電池セルおよび該燃料電池セルを有する燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、電解質膜と前記電解質膜を挟んで対向する２つの触媒層とからなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟んで対向する２つの拡散層と、前記２つの拡散層のうちの一方の拡散層と接触しかつ前記電解質膜のプロトン伝導方向と平行な２つの側面に空気を取り入れる機能を有する開口部を有する酸素供給層と、前記酸素供給層と接触する吸水層と、前記酸素供給層と接触する集電体とからなる燃料電池セルであって、前記一方の拡散層の前記膜電極接合体と接触する面と対向する面に前記酸素供給層が接触し、前記酸素供給層が、前記一方の拡散層と接触する面と対向する面に溝を有し、前記溝に前記吸水層が存在し、前記酸素供給層が、前記一方の拡散層と接触する面と対向する面のうちの前記溝以外の部分で前記集電体と接触し、前記吸水層の端部が前記開口部を含む平面上もしくは前記平面を基準として前記燃料電池セル側に存在し、前記吸水層を含みかつ前記平面に垂直な面で前記燃料電池セルを切断した際の断面における前記酸素供給層の前記吸水層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さが、前記断面における前記吸水層の前記酸素供給層と接触している部分を含む前記吸水層の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短いことを特徴とする燃料電池セルである。
【００１８】
前記断面における前記酸素供給層の前記吸水層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さが、前記断面における前記膜電極接合体の前記開口部を含む平面に垂直な方向の長さ以上の長さであることが好ましい。
【００１９】
前記断面における前記酸素供給層の前記吸水層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さが、前記断面における前記酸素供給層の前記拡散層と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短いことが好ましい。
【００２０】
また、別の本発明は、前記燃料電池セルが複数スタックしていることを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池セルは、発電に伴って発生した生成水を、能動的な手法に頼ることなく、容易に酸素供給層から排出するとともに、高電流値であっても、高い発電効率を安定して維持できる。従って、このような燃料電池セルを用いて、小型軽量でも高出力を実現できる燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の燃料電池セルおよび燃料電池の実施形態の例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
なお、以下の実施形態に記載の燃料電池セルおよび燃料電池では、燃料タンクに貯蔵した燃料ガスを用いて発電を行うが、燃料タンクに水素原子を含むメタノール等の液体燃料を貯蔵して、刻々必要なだけ燃料ガスに改質反応させて用いてもよい。
【００２４】
また、以下の実施形態に記載の燃料電池は、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に使用することが可能である。このような場合、着脱可能に装備される独立した燃料電池として使用することも可能であるし、電子機器に燃料電池の発電部だけを一体に組み込んで、燃料タンクを着脱させる形式とすることも可能である。
【００２５】
以下、本発明の実施形態の例を示す。
【００２６】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における燃料電池の全体構成を示す斜視図であり、図３は、第１の実施形態の燃料電池セルの構成を示す斜視分解図である。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池１０は、燃料電池セル１０Ｓを積み重ねて直列に接続したセルスタック（燃料電池スタック）１０Ａを備える。セルスタック１０Ａの下方には、燃料ガスを貯蔵して燃料電池セル１０Ｓに供給する燃料タンク１０Ｂが存在し、セルスタック１０Ａと燃料タンク１０Ｂとは、燃料ガスの流路（図示せず）によって接続されている。燃料タンク１０Ｂから取り出された燃料ガスは、大気圧よりわずかに高い圧力に調整されてそれぞれの燃料電池セル１０Ｓに供給される。
【００２８】
燃料電池セル１０Ｓは、燃料電池セルが有する側面のうち、電解質膜のプロトン伝導方向と平行な方向のセルの端面であるＳ１、Ｓ２内に開口部８を有する。より詳細には、燃料電池セルを構成する部材である酸素供給層が有する側面のうちプロトン伝導方向と平行な側面のうちの二つの側面に開口部８を有する。
【００２９】
開口部８は、大気中の空気を自然拡散によって燃料電池セル１０Ｓに取り込む空気取り入れ口として機能するものである。図１に示すように、燃料電池セル１０Ｓは、燃料タンク１０Ｂから供給された燃料ガスと開口部８から取り込んだ空気中の酸素とを反応させて発電する。なお、燃料電池セルが直方体である場合には対向する二つの側面にそれぞれ開口部を有していることが好ましい。
【００３０】
本実施形態の燃料電池セル１０Ｓは、図３に示すように、酸素供給層２、吸水層１１、拡散層３、５、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）４、燃料供給層６、セパレータ７、ビーム１５、Ｏリング１６、集電体１を少なくとも有している。酸素供給層２は中央部（端部ではない部分）で拡散層３と接触し、端部で支持部材のビーム１５を介して膜電極接合体４の電解質膜とＯリング１６とセパレータ７を押圧する。それにより、膜電極接合体４とセパレータ７が良好にシールされている。
【００３１】
本実施形態の燃料電池セル１０Ｓは、吸水層の端部が開口部８を含む平面上もしくは前記平面を基準として前記燃料電池セル側にある。
【００３２】
図４（ａ）〜（ｃ）に、本実施形態の酸素供給層２を示す。図４（ａ）は本実施形態の酸素供給層２にセパレータ７側から光を照射した際の投影図である。図４（ｂ）は図４（ａ）の酸素供給層の吸水層と接触している部分を開口部を含む平面に垂直な面で切断した断面（図４（ａ）のア−ア´断面）の断面図である。図４（ｃ）は、酸素供給層２を、開口部を含む面と平行な面でありかつ酸素供給層２の対称点を含む面で切断した断面（図４（ａ）のイ−イ´断面）の断面図である。
【００３３】
酸素供給層２は、直方体形状である酸素供給層前駆体層Ａを、酸素供給層前駆体層Ａのうちの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な一方の面とで囲まれる複数の領域を切除して酸素供給層前駆体層Ｂとする。その上で、酸素供給層前駆体層Ｂを、酸素供給層前駆体層Ｂの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な他方の面（前記一方の面と対向する面）とで囲まれる複数の領域を切除することで得られる構造である。なお、ここでは、便宜的に酸素供給層前駆体層が直方体であることを想定して記載しているが、直方体形状でなくても良い。酸素供給層前駆体層が直方体でない形状の場合は、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する開口部に最も近い面とで囲まれる複数の領域を切除した構造である。また、酸素供給層２を、酸素供給層前駆体層から切除して作製すると記載しているが、酸素供給層前駆体層から切除して作製せずに、初めから前述した構造をなしている酸素供給層を用いても良い。また、ここで「Ａに垂直な面」とは、Ａに対する角度が９０°±５°のこととする。なお、図４（ａ）において酸素供給層前駆体層から切除した部分γおよび該部分γに隣接した部分である部分μは、セル外周のシール部の一部である。シール部であるＯリングは支持部材のビームを介して発泡金属で加圧されている。この時、発泡金属端部の全てを削り落とさず、溝が形成されている部分のみを削り落としているため、残った部分により支持部材のビーム部を介してＯリングへの加圧することが可能となり、充分なシール性を確保することができる。
【００３４】
また、図５（ａ）〜（ｄ）に、本実施形態の酸素供給層２および吸水層１１を示す。図５（ａ）は、酸素供給層２と吸水層１１に集電体１側から光を照射した際の投影図である。また、図５（ｂ−１）は、図５（ａ）に示す酸素供給層２および吸水層１１を、吸水層を含みかつ開口部を含む平面に垂直な面（図５（ａ）における断面ウ−ウ´）で切断した際の断面図である。また、図５（ｂ−２）は、図５（ａ）に示す酸素供給層２および吸水層１１を、吸水層を含まずかつ開口部を含む平面に垂直な面（図５（ａ）における断面エ−エ´）で切断した際の断面図である。図５（ｃ）は拡散層３側から酸素供給層２および吸水層１１に光を照射した際の投影図である。また、図５（ｄ）は、図５（ａ）に示す酸素供給層２および吸水層１１を、開口部を含む平面と平行かつ酸素供給層２の対称点を含む面（図５（ａ）の断面オ−オ´）で切断した際の断面図である。
【００３５】
酸素供給層２を図４のような構造とすることで、図５（ｂ−１）に示すように、開口部８を含む平面に垂直な面で前記燃料電池セル１０Ｓを切断した際の断面において、前記酸素供給層２のうちの前記吸水層１１と接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さが、前記断面における前記酸素供給層２と接触している部分を含む前記吸水層の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短くなる。すなわち、吸水層１１が有する端面のうちプロトン伝導方向の端面であって酸素供給層２に最も近い端面うちの中央部分以外の部分が酸素供給層２に接していない構造となるので、蒸散性を向上させることができる。本実施形態の燃料電池セルは、このような形状の酸素供給層を酸素供給層２として用いることにより、サイズの小さな燃料電池セルで蒸散性を向上させることが可能となる。
【００３６】
なお、図５（ａ）におけるウ−ウ´断面の断面図が、図５（ｅ）のようになっており、酸素供給層２のうち吸水層１１と接触している部分の間に接触していない部分が存在する場合、接触している部分の一方の端部から他方の端部までの長さとは、接触している部分のうちの一方の開口部に最も近い部分から接触している部分のうちの他方の開口部に最も近い部分までの長さ（部分αから部分βまでの長さ）とする。
【００３７】
また、図５（ａ）のウ−ウ´断面における酸素供給層２の開口部を含む平面に垂直な方向の長さは、同じ断面における膜電極接合体４の開口部を含む平面に垂直な方向の長さ以上の長さであることが好ましい。なお、ここでの膜電極接合体の開口部を含む平面に垂直な方向の長さとは、膜電極接合体４が有する２つの触媒層に酸素供給層２側から光を照射した際の投影図における開口部を含む平面に垂直な方向の最大長さのこととする。
【００３８】
以下、燃料電池セル１０Ｓを構成する各部分について説明する。
【００３９】
酸素供給層２は、開口部８から取り込んだ酸素または空気を拡散層３に供給する機能を有する。また、発電に伴って膜電極接合体４で生成された水（水蒸気）を拡散層３から開口部８へ導いてセル内部から大気中へ排出する機能も有する。このような条件を満たす酸素供給層２としては、空孔率が８０％以上、空孔径が０．１ｍｍ以上である多孔質体であることが好ましく、かつ導電性を有することが好ましい。具体的な材料としては、発泡金属、ステンレスウールなどが好ましい。
【００４０】
燃料供給層６を構成する材料の平均開口径は１００μｍ〜９００μｍであることが好ましい。燃料タンク１０Ｂから取り出された燃料ガスは、燃料ガスの主流路から分岐して、燃料電池セル１０Ｓ内の燃料供給層６に供給される。そして、燃料供給層６に供給された燃料ガスは拡散層５内に拡散する。なお、燃料供給層６は、拡散層５とは別に存在しても良いし、拡散層５のみが存在し、拡散層５の一部が燃料供給層６として機能しても良い。
【００４１】
拡散層５は、膜電極接合体４と燃料供給層６との間もしくは膜電極接合体４とセパレータ７との間に両者に接触して存在する。そして、拡散層５は燃料である水素ガスを拡散させ、水素のイオン化によって余剰となった電子を膜電極接合体４の触媒層から集電する。また、拡散層３は、膜電極接合体４と酸素供給層２との間に両者に接触して存在し、酸素を拡散させ、触媒層（酸素極）での電極反応に必要な電子を膜電極接合体４の触媒層（酸素極）に供給する役割する。拡散層５は、導電性を有し、燃料供給層６よりも小さな空孔を有する材料からなることが好ましい。なお、本発明において拡散層の組織とは拡散層を構成する材料のことを示す。
【００４２】
また、「拡散層５は、燃料供給層６よりも小さな空孔を有する材料からなる」とは、拡散層５を構成する材料の平均空孔径が、燃料供給層６を構成する材料の平均空孔径よりも小さいという意味である。さらに、拡散層５を構成する材料の平均開口径（空孔径）は、燃料極である触媒層を構成する材料の平均開口径と燃料供給層を構成する材料の平均開口径との中間の開口径を有する。したがって、燃料供給層６は絞り抵抗として機能し、膜電極接合体４の表面全体に均等な圧力かつ均等な流量密度で燃料ガスを供給する。
【００４３】
また、拡散層３も、導電性を有し、酸素供給層２よりも小さな空孔を有する材料からなる。拡散層３を構成する材料が有する平均開口径は、同様に、酸素極である触媒層を構成する材料の平均開口径よりも大きく、酸素供給層２を構成する材料の平均開口径よりも小さい。このような開口径とすることで、酸素供給層２が絞り抵抗として機能し、膜電極接合体４の表面全体に均等な圧力かつ均等な流量密度で酸素を供給する。
【００４４】
なお、拡散層３が有する空孔は、酸素供給層２と膜電極接合体４とを連通する貫通孔であっても良い。拡散層３が高密度な貫通孔を有していることにより、膜電極接合体４と拡散層３との間に滞留した生成水を酸素供給層２まで吸い上げることも可能となる。このような拡散層３および拡散層５を構成する材料としては、カーボンペーパー、カーボンクロスなどを用いることができる。
【００４５】
膜電極接合体４は、図２に示すように、電解質膜１２と、該電解質膜の両面に接触して形成された２つの触媒層１３、１４（それぞれ燃料極、酸素極）からなる。電解質膜は、燃料供給層から酸素供給層の方向にプロトン伝導を行うことができるものであれば、どのような材料からなるものでも構わない。このような電解質膜の中では固体高分子電解質膜が好ましく、そのような例としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体であるデュポン社のナフィオン（商標）などが挙げられる。
【００４６】
また、２つの触媒層１３、１４は、触媒活性を有する物質を少なくとも有する。なお、触媒活性を有する物質が単体で存在できない場合には、担持体に触媒活性物質を担持させることで触媒層としても良い。触媒活性物質が単体で存在する例としては、スパッタ法により形成した樹枝状形状の白金触媒などが挙げられる。
【００４７】
一方、担持体に触媒活性物質が担持される例としては、白金担持カーボン粒子などが挙げられる。なお、触媒層にはカーボン粒子などの電子伝導体やプロトン伝導体（高分子電解質材料）が含まれていても良い。触媒層は電解質膜の表面に接触して一体化していても良いが、触媒層が電解質膜と接しており水素イオン等の化学種の受け渡しが可能であれば、膜電極接合体４として一つに形成する必要はない。また、触媒層の平均開口径は１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００４８】
吸水層１１は吸水性材料で構成される。吸水層１１を構成する吸水性材料は、好ましくは、吸水性のみならず速乾性を有する繊維からなり、更に好ましくは酸素供給層２の材料よりも親水性が高い材料であって酸素供給層２から独立したシート状の材料である。吸水層１１を構成する材料の親水性が酸素供給層２の材料の親水性よりも高いことで、より酸素供給層２から吸水層１１への水の移動が起こりやすくなる。
【００４９】
また、本発明において「吸水性材料」とは毛管現象により水を引き上げることのできる材料であり、より具体的には吸水性材料を水に漬けた時に１０秒後の水の吸い上げ高さが３０ｍｍ以上の材料を示す。
【００５０】
また、「速乾性材料」とは吸収した水を容易に乾燥して放出することのできる材料であり、より具体的には、２５℃相対湿度５０％雰囲気における１ｈ後の乾燥率が８０％以上である材料である。ここで、乾燥率は、毛管現象により吸水層が吸い込んだ水の重量に対する無風状態の恒温恒湿槽に１ｈ放置した後に吸水層に残存していた水の重量の割合である。例えば、吸水繊維の重量が０．５ｇで毛管現象により吸収した後の総重量が１．５ｇだった場合、吸収した水の重量は１ｇということになる。また、吸水繊維を無風状態の２５℃湿度５０％の恒温恒湿槽に１ｈ放置した後の総重量が０．６ｇであった場合は、吸水繊維に残った水は０．１ｇであり、乾燥した水の重量は０．９ｇであったことになる。そして、１ｇあった水のうち、０．９ｇが乾燥したため、このときの乾燥率は９０％ということになる。
【００５１】
このような吸水性および速乾性を有する材料としては、例えば、表面の親水性が高い多孔質材料などが挙げられる。ここで、本発明において、「親水性が高い材料」とは、その材料上に形成された水滴の接触角が９０度以下のこととする。
【００５２】
吸水層１１の役割は大きく分けて二つある。
【００５３】
吸水層１１の一つ目の役割は、酸素供給層２で発生した水を吸収し、酸素供給層２に酸素拡散流路を確保させることである。発電活動によって膜電極接合体４で生成された水は、膜電極接合体４の外側に設置された拡散層３を通じて酸素供給層２へ排出される。吸水層１１が無い場合、酸素供給層２へ排出された生成水は、蒸発して開口部８からセル外に拡散（放出）する以外に酸素供給層２から除去されない。酸素供給層２からの自然拡散だけでは、酸素供給層２に排出された生成水は十分蒸発することができず、酸素供給層２の酸素拡散流路を狭めるとともに、酸素供給層２の水蒸気分圧を高めて拡散層３を通じて酸素供給層２へ排出される生成水や水蒸気の流れを妨げる。すなわち、酸素供給層２における水分が過多になると、拡散層３を通じた膜電極接合体４からの水分排出が妨げられて、膜電極接合体４の表面が部分的に水没（フラッディング）する。これにより、膜電極接合体４への酸素供給が阻害される。
【００５４】
一方、吸水性材料からなる吸水層１１がある場合、吸水層１１の毛管現象によって積極的に酸素供給層２から水蒸気や霧滴を集めて、吸水層１１内で生成水を形成する。したがって、酸素供給層２が毛管現象を有さないほど空孔径が大きいもしくは空孔率が高い場合であっても、吸水層１１の毛管現象によって酸素供給層２内の生成水は吸水層１１に取り込まれる。すなわち、吸水層１１が、開口部８を通じた酸素の供給や水蒸気の排出の阻害を軽減することができる。
【００５５】
吸水層１１の二つ目の役割は、酸素供給層２内の湿度を一定に保つことである。
【００５６】
膜電極接合体４の水分が不足すると、電解質膜が乾燥して水素イオンが伝導しなくなるドライアウト現象を起こす。したがって、燃料電池セル１０Ｓ内の湿度は適度な湿度に保たれていることが望ましい。吸水層１１が存在することにより、湿度が一定に保たれるため、膜電極接合体４が乾燥した場合には、吸水層１１から蒸発した水が電解質膜に吸収される。すなわち、吸水層１１は、フラッディングと同時に極端な乾燥時や未使用時のドライアウトも防止し、燃料電池セル１０Ｓ内を適度な湿度に保持する役割を果たす。
【００５７】
吸水層１１が酸素供給層２が有する溝に配置される場合、吸水層１１が酸素供給層２内の酸素拡散性を阻害しないように、吸水層１１の厚さは酸素供給層２の厚さよりも薄いことが好ましい。例えば、酸素供給層２の厚さが１ｍｍ以上３ｍｍ以下である場合には、吸水層１１の厚さは１μｍ以上１ｍｍ未満であることが好ましい。
【００５８】
集電体１は、隣の燃料電池セル１０Ｓとの仕切り（セパレータ）としての機能と集電体として集電する機能を兼ね備えるよう記載してある。したがって集電体１をセパレータと表記する場合もある。また、集電体１がセパレータの機能を兼ねず、別途セパレータが存在する場合には、セパレータは集電体１を挟んで酸素供給層２と対向する位置に形成される。
【００５９】
セパレータ７は燃料電池セル１０Ｓの燃料である燃料ガスが通る部分と外気とが交わらないように密封している。また、セパレータ７と膜電極接合体４の間には、燃料供給層６および拡散層５が存在する。なお、本例においては、セパレータ７は集電体の機能を兼ね備えている。
【００６０】
なお、集電体１の吸水層１１側表面には、親水性を高める特殊な表面処理を行ってもよい。このような方法としては、例えば集電体１に親水性塗料を塗布する、集電体１に極めて親水性の高い材料を用いる、集電体１の表面のサンドブラスト処理層を形成する、集電体１に酸化チタンと酸化ケイ素とのスパッタコーティングを行う等の方法が挙げられる。このような方法により、液体水が表面で凝結し、表面に沿って浸透拡散することは言うまでも無い。
【００６１】
＜第２の実施形態＞
本実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池は、酸素供給層の形が異なる以外は第１の実施形態と同様である。
【００６２】
図６に本実施形態における酸素供給層を示す。図６（ａ）は、集電体側から酸素供給層に光を照射した際の投影図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す酸素供給層２の吸水層１１と接触している部分を開口部を含む平面に垂直な面（図６（ａ）のカ−カ´断面）で切断した際の断面図である。また、図６（ｃ）は、本実施形態の酸素供給層２を、開口部を含む平面と平行かつ酸素供給層２の対称点を含む面（図６（ａ）のキ−キ´断面）で切断した際の断面図である。
【００６３】
また、図７（ａ）〜（ｄ）は、酸素供給層２に吸水層１１を配置させた際の酸素供給層２および吸水層１１を示す図である。図７（ａ）は、酸素供給層２および吸水層１１を集電体１側から光を照射した際の投影図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の酸素供給層２および吸水層１１を、開口部を含む平面に垂直かつ吸水層を含む面（図７（ａ）におけるク−ク´断面）で切断した際の断面図である。また、図７（ｃ）は、酸素供給層２および吸水層１１を拡散層３側から光を照射した際の投影図である。また、図７（ｄ）は、酸素供給層２および吸水層１１を開口部８を含む面に平行な面（図７（ａ）におけるケ−ケ´断面）で切断した際の断面図である。
【００６４】
本実施形態の酸素供給層２は、以下のような方法で作製することができる形状をなしている。図６（ｂ）に示すように、第１の実施形態における酸素供給層前駆体層Ａを、酸素供給層前駆体層Ａのうちの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面と平行な面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な一方の面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に垂直な面とで囲まれる複数の領域を切除して酸素供給層前駆体層Ｃを得る。その上で、酸素供給層前駆体層Ｃを、酸素供給層前駆体層Ｃのうちの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面に平行な面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な他方の面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン導電方向に垂直な面とで囲まれる複数の領域を切除することで得られる構造である。
【００６５】
なお、酸素供給層２を、酸素供給層前駆体層から切除して作製すると記載しているが、酸素供給層前駆体層から切除して作製せずに、初めから前述した構造をなしている酸素供給層を用いても良い。また、便宜的に酸素供給層前駆体層が直方体であることを想定して記載しているが、直方体形状でなくても良い。酸素供給層前駆体層が直方体でない形状の場合は、開口部を含む平面に平行な面と、酸素供給層前駆体層が有する開口部に最も近い面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン導電方向に垂直な面とで囲まれる複数の領域で囲まれる複数の領域を切除した構造である。
【００６６】
このような構成とすることで、第１の実施形態と同様、図７（ｂ）に示すように、酸素供給層２および吸水層１１を開口部を含む平面に垂直な面で切断した断面において、前記酸素供給層と前記吸水層とが接触している部分の一方の端部から他方のまでの長さが、前記断面における前記接触部分を含む前記吸水層の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短くなり、かつ酸素供給層２のうちの拡散層３と接触する面の一方の端部から他方の端部までの長さより短い構造となる。
【００６７】
＜第３の実施形態＞
本実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池は、酸素供給層の形が異なる以外は第１の実施形態と同様である。
【００６８】
図８に本実施形態の酸素供給層を示す。図８（ａ）は、酸素供給層２に集電体１側から光を照射した際の投影図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の酸素供給層の吸水層と接触している部分を開口部を含む平面に垂直な面で切断した断面（図８（ａ）のコ−コ´断面）の断面図である。また、図８（ｃ）は、図８（ａ）の酸素供給層２を、開口部を含む面と平行な面でありかつ酸素供給層２の対称点を含む面で切断した断面（図８（ａ）のサ−サ´断面）の断面図である。
【００６９】
また、図９（ａ）〜（ｄ）に本実施形態の酸素供給層２および吸水層１１を示す。図９（ａ）は、酸素供給層２および吸水層１１に集電体１側から光を照射した際の投影図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す酸素供給層２および吸水層１１を開口部を含む平面に垂直かつ吸水層を含む面（図９（ａ）における断面シ−シ´）で切断した際の断面図である。図９（ｃ）は酸素供給層２および吸水層１１に拡散層３側から光を照射した際の投影図であり、図９（ｄ）は、図９（ａ）に示す酸素供給層２および吸水層１１を、開口部を含む平面と平行かつ酸素供給層２の対称点を含む面（図９（ａ）の断面ス−ス´）で切断した際の断面図である。
【００７０】
本実施形態の酸素供給層２は、以下のような方法で作製することができる形状をなしている。
【００７１】
直方体形状である酸素供給層前駆体層Ａを、酸素供給層前駆体層Ａのうちの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な一方の面とで囲まれる一つの領域を切除して酸素供給層前駆体層Ｄとする。その上で、酸素供給層前駆体層Ｄを、酸素供給層前駆体層Ｄの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な他方の面とで囲まれる一つの領域を切除することで得られる構造である。なお、ここでは、便宜的に酸素供給層前駆体層Ａが直方体であることを想定して記載しているが、直方体形状でなくても良い。酸素供給層前駆体層が直方体でない形状の場合は、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する開口部に最も近い面とで囲まれる一つの領域を切除した構造である。また、形状を明確に示すために、酸素供給層２を、酸素供給層前駆体層から切除して作製すると記載しているが、酸素供給層前駆体層から切除して作製せずに、初めから前述した構造をなしている酸素供給層を用いても良い。
【００７２】
このような構成とすることで、第１の実施形態と同様、図９（ｂ）に示すように、酸素供給層２および吸水層１１を開口部を含む平面に垂直な面で切断した断面において、前記酸素供給層と前記吸水層とが接触している部分の一方の端部から他方のまでの長さが、前記断面における前記接触部分を含む前記吸水層の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短い構造となる。
【００７３】
なお、本実施形態においては、図８（ａ）に示すように、酸素供給層前駆体層Ａの開口部を含む平面と平行な側面から開口部を含む平面に垂直な方向を幅方向として切除する際、ビームを加圧する幅（ビーム幅）より浅い幅で削り落とすことが好ましい。これは、ビーム幅と同じ幅まで削り落としてしまうと、充分なシール性が確保できなくなってしまう可能性があるためである。また、酸素供給層前駆体層Ａが有する側面のうち開口部を含む平面に垂直な側面近傍の端部は削らないことが好ましい。これは、前記端部近傍を削らないことにより、削らない部分でビーム部を加圧し、充分なシール性を確保できるためである。
【００７４】
＜第４の実施形態＞
本実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池は、酸素供給層の形が異なる以外は第１の実施形態と同様である。
【００７５】
図１０に本実施形態の酸素供給層を示す。図１０（ａ）は、本実施形態の酸素供給層２に集電体側から光を照射した際の投影図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の酸素供給層の吸水層と接触している部分を、開口部を含む平面に垂直な面で切断した断面（図１０（ａ）のセ−セ´断面）の断面図である。図１０（ｃ）は、酸素供給層２を、開口部を含む面と平行な面でありかつ酸素供給層２の対称点を含む面で切断した断面（図１０（ａ）のソ−ソ´断面）で切断した際の断面図である。
【００７６】
また、本実施形態の酸素供給層２および吸水層１１を図１１（ａ）〜（ｄ）に示す。図１１（ａ）は、図１１（ａ）は、酸素供給層２と吸水層１１に集電体１側から光を当てた際の投影図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す酸素供給層２および吸水層１１を、開口部を含む平面に垂直かつ吸水層を含む面（図１１（ａ）における断面タ−タ´）で切断した際の断面図である。また、図１１（ｃ）は酸素供給層２および吸水層１１に拡散層３側から光を照射した際の投影図であり、図１１（ｄ）は、図１１（ａ）に示す酸素供給層２および吸水層１１を、開口部を含む平面と平行かつ酸素供給層２の対称点を含む面（図１１（ａ）の断面チ−チ´）で切断した際の断面図である。
【００７７】
本実施形態の酸素供給層２は、以下のような方法で作製することができる形状をなしている。直方体形状である酸素供給層前駆体層Ａを、酸素供給層前駆体層Ａの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な一方の面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に垂直な面とで囲まれる一つの領域を切除して酸素供給層前駆体層Ｄとする。その上で、酸素供給層前駆体層Ｄを、酸素供給層前駆体層Ｄの膜電極接合体と対向している部分以外の部分で、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する側面のうち開口部に平行な他方の面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に垂直な面とで囲まれる一つの領域を切除することで得られる構造である。なお、ここでは、便宜的に酸素供給層前駆体層が直方体であることを想定して記載しているが、直方体形状でなくても良い。酸素供給層前駆体層が直方体でない形状の場合は、開口部を含む平面に平行な面と、該面に垂直な２つの面と、酸素供給層前駆体層が有する開口部に最も近い面と、開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に垂直な面とで囲まれる一つの領域を切除した構造である。また、形状を明確に示すために、酸素供給層２を、酸素供給層前駆体層から切除して作製すると記載しているが、酸素供給層前駆体層から切除して作製せずに、初めから前述した構造をなしている酸素供給層を用いても良い。
【００７８】
このような構成とすることで、第１の実施形態と同様、図１１（ｂ）に示すように、酸素供給層２および吸水層１１を開口部を含む平面に垂直な面で切断した断面において、前記酸素供給層と前記吸水層とが接触している部分の一方の端部から他方のまでの長さが、前記断面における前記接触部分を含む前記吸水層の一方の端部から他方の端部までの長さよりも短くなり、かつ酸素供給層２のうちの拡散層３と接触する面の一方の端部から他方の端部までの長さより短い構造となる。
【実施例】
【００７９】
［実施例１］
本実施例においては、第１の実施形態で述べた図４（ａ）〜（ｃ）に示す酸素供給層を用い、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように酸素供給層に吸水層を配置させた。このような構成にすることにより、吸水層がセル外へはみ出さない構成でも吸水層端部が大気へ露出する面積を大きくすることができ、蒸散性を向上することが可能となる。
【００８０】
なお、燃料電池セルを開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した断面における酸素供給層の幅は前記断面における膜電極接合体の幅と同じものとした。また、図４（ａ）において酸素供給層前駆体層から切除した部分γが切除前に存在していた部分は、セル外周のシール部の一部である。
【００８１】
以下、本実施例の燃料電池セルを作製する方法について述べる。
【００８２】
（工程１）
電解質膜への転写層であるＰＴＦＥシート（日東電工製ニトフロン）上に反応性スパッタ法により樹枝状構造を有する白金酸化物触媒を２０００ｎｍ形成した。このときのＰｔ担持量をＸＲＦにより測定したところ、０．６８ｍｇ／ｃｍ２であった。反応性スパッタは、全圧４Ｐａ、酸素流量比（Ｑ０２／（ＱＡｒ＋ＱＯ２）７０％、基板温度３００℃、投入パワー４．９Ｗ／ｃｍ２なる条件にて行った。引き続き、この樹枝状構造をとる白金酸化物触媒に２％Ｈ２／Ｈｅ雰囲気（１ａｔｍ）にて１２０度Ｃ３０分間の還元処理を行い、ＰＴＦＥシート上に樹枝状構造の白金触媒層を得た。
【００８３】
さらに、ＰＴＦＥとＮａｆｉｏｎ（登録商標）の混合懸濁溶液を前記ＰＴＦＥシートに含浸させることによって、触媒表面に有効に電解質チャネルを形成するとともに適切な撥水処理を行った。
【００８４】
（工程２）
電解質膜への転写層であるＰＴＦＥシート上に、ドクターブレードを用いて白金担持カーボン触媒を形成した。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン（Ｊｈｏｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙ製  ＨｉＳＰＥＣ４０００）、Ｎａｆｉｏｎ、ＰＴＦＥ、ＩＰＡ、水の混錬物である。このときの白金担持量をＸＲＦにより測定したところ、０．３５ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００８５】
（工程３）
（工程１）により作製した触媒層を酸素極、（工程２）によって作製した触媒層を燃料極として、前記一対の触媒層（酸素極および燃料極）で固体高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ製Ｎａｆｉｏｎ１１２）を挟み、８ＭＰａ、１５０℃、１ｍｉｎなるプレス条件でホットプレスを行った。
【００８６】
その後、ＰＴＦＥシートを剥離することにより、一対の触媒層を高分子電解質膜に転写して、電解質膜と一対の触媒層を接合した膜電極接合体を得た。
【００８７】
（工程４）
酸素供給層前駆体層として、長さ２８ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍの発泡金属を用いた。また、エンドプレートとしては、長さ３７ｍｍ幅１０ｍｍのものを用い、これをセルの長さおよび幅とした。酸素供給層前駆体層の一方の面、酸素極側集電体と接触する側に長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、深さ５００μｍの溝を前記酸素供給層前駆体層が有する１０ｍｍの幅と平行な方向に等間隔に４本形成した。また、これらの溝の両端を左右各々１．３ｍｍずり削り落として貫通孔を形成し、図４（ａ）に示す酸素供給層を得た。なお、削り落とすことによってできた凹凸部分は、酸素供給層のうち、酸素極側の拡散層には接しておらず、かつセルの支持部材のビームを加圧する。つまり、拡散層は発泡金属の中央部分と接触し、中央部分によって加圧されるが、支持部材のビームは発泡金属の歯抜けになった部分（図４においては部分μなど）により加圧されることになる。
【００８８】
また、酸素供給層が有する溝に長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ５００μｍにカットした吸水材料をセルからはみ出させないように設置して吸水層とした。ここで、吸水材料には、アンビック社製液体拡散不織布Ｐタイプを使用した。
【００８９】
（工程５）
以上により得られた膜電極接合体と、酸素供給層と吸水層の接合体、および燃料極側集電体、燃料極側拡散層、酸素極側拡散層、酸素極側集電体を図３の如く積層して燃料電池セルを得た。なお、本例における燃料極側集電体は図３におけるセパレータ７に当たる。また、本実施例では燃料極側拡散層の一部が燃料供給層として機能している。
【００９０】
また、燃料極側拡散層にはカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ製  ＬＴ２５００−Ｗ）を、酸素極側拡散層にはカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ製  ＬＴ１２００−Ｗ）を用いた。
【００９１】
［比較例］
実施例１の工程４で用いた酸素供給層として、端部を削り落としていない酸素供給層前駆体層を用いたこと、および吸水層の端部が前記開口部を含む平面を基準として前記燃料電池セル側に存在する吸水層を用いたこと以外は実施例１と同様した。なお、酸素供給層には、実施例１と同様、吸水層を設置するための溝を設けた。吸水層のサイズは、長さのみを５ｍｍとした以外は実施例１と同様である。前記溝の配置は実施例１と同様とし、吸水層は溝の中央部に設置した。つまり、吸水層の両端部が前記開口部を含む平面を基準として各々５ｍｍ内側になるようにした。
【００９２】
なお、図１３に用いた酸素供給層２および吸水層１１を示す。図１３（ａ）は、酸素供給層２および吸水層１１に集電体側から光を照射した際の投影図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の酸素供給層２および吸水層１１をツ−ツ´断面で切断した際の断面図である。また、図１３（ｃ）は、酸素供給層２および吸水層１１にガス拡散層３側から光を照射した際の投影図である。
【００９３】
以上のようにして作製した燃料電池セルの４００ｍＡ／ｃｍ２における定電流測定の電圧変動により、耐フラッディング特性の評価を行った。測定条件としては２５℃、相対湿度５０％の無風状態の恒温恒湿槽にセルを置き、コンプレッサーなどの補器を用いない自然吸気で評価、比較した。
【００９４】
図１４に実施例１、及び比較例の燃料電池セルの評価結果を示す。駆動初期は両者ともほぼ同様の電圧を示したが、比較例のセルは、６０分後にはセル電圧が０Ｖとなり停止した。これは、生成水により酸素供給層が水没し、フラッディングが発生したためだと考えられる。これに対して、実施例１のセルは駆動開始９０分後も大きな電圧降下が生じなかった。
【００９５】
次に、定電流測定９０分後の両燃料電池セル内の残存水重量を比較することにより排水機能を比較した。その結果、比較例のセル内残存水重量が２０９ｍｇであったのに対し、実施例１のセル内残存水重量は７８ｍｇと少ない値を示した。
【００９６】
これらの結果より、実施例１の燃料電池セルは、生成水を効率的にセル外へと排出する機能があり、フラッディングの抑制機能があることがわかる。これにより、吸水層をセル外へはみ出させず、セルのサイズが小さい構成でも高い排水機能、耐フラッディング特性を有するセルを実現することができた。
【００９７】
また、以下に示す実施例２および実施例３に記載の燃料電池セルを作製し、用いることも可能である。
【００９８】
［実施例２］
本実施例においては、第３の形態で述べた図８（ａ）〜（ｃ）に示す酸素供給層を用い、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように酸素供給層に吸水層を配置させる。図８および、図９に示すような吸水層および酸素供給層を用いる以外は実施例１と同様である。
【００９９】
つまり、本実施形態は酸素供給層前駆体の端部が支持部材のビーム幅より浅い幅で削り落とされプロトン導電方向及びプロトン導電方向と垂直方向に貫通した酸素供給層を用いた燃料電池セルの例である。例えば、酸素供給層前駆体の端部を支持部材のビーム幅の半分である０．６５ｍｍ削り落とした酸素供給層とすることができる。
【０１００】
このような構成とすることにより、吸水層はプロトン導電方向のみならず、プロトン導電方向と垂直方向にも大気にさらされ、良好な蒸散性を確保することができる。
【０１０１】
［実施例３］
本実施例においては、第２の形態で述べた図６（ａ）〜（ｃ）に示す酸素供給層を用い、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように酸素供給層に吸水層を配置させる。このような構成にすることにより、吸水層がセル外にはみ出さない構成でも吸水層端部が大気へ露出する面積を大きくすることができ、蒸散性を向上することが可能となる。
【０１０２】
図６および図７に示すような吸水層および酸素供給層を用いる以外は実施例１と同様の構成とする。例えば、深さ幅は支持部材のビーム幅と同様である１．３ｍｍ、深さは１．５ｍｍとすることができる。なお、酸素供給層の厚みは２ｍｍであるので、０．５ｍｍ厚の酸素供給層で支持部材のビーム部を加圧することになる。
【０１０３】
このような構成の燃料電池セルとすることにより、ビーム部が充分な強度を持っていない場合でもビーム部全体を加圧することができるため、充分なシール性を確保でき、かつ吸水層はプロトン導電方向と垂直方向に大気にさらされるため良好な蒸散性を確保できる。さらに、プロトン導電方向と垂直方向に互いに連通した部分のプロトン導電方向に対する深さを吸水層が配置される溝の深さよりも深くすることにより、プロトン導電方向にも吸水層は大気にさらされるため、さらに良好な蒸散性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の燃料電池の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明に用いる膜電極接合体をプロトン伝導方向と平行な方向で切断した際の断面図である。
【図３】本発明の燃料電池セルの構成を示す斜視分解図である。
【図４】第１の実施形態の酸素供給層を示す図である。
【図５】第１の実施形態の酸素供給層および吸水層を示す図である。
【図６】第２の実施形態の酸素供給層を示す図である。
【図７】第２の実施形態の酸素供給層および吸水層を示す図である。
【図８】第３の実施形態における酸素供給層を示す図である。
【図９】第３の実施形態における酸素供給層および吸水層を示す図である。
【図１０】第４の実施形態における酸素供給層を示す図である。
【図１１】第４の実施形態における酸素供給層および吸水層を示す図である。
【図１２】実施例１および比較例１の燃料電池セルにおけるセル電圧の経時変化を示す図である。
【図１３】比較例１の酸素供給層および吸水層を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  集電体
２  酸素供給層
３  拡散層
４  膜電極接合体
５  拡散層
６  燃料供給層
７  セパレータ
８  開口部
１０  燃料電池
１０Ａ  セルスタック
１０Ｂ  燃料タンク
１０Ｓ  燃料電池セル
１１  吸水層
１２  電解質膜
１３  触媒層（燃料極）
１４  触媒層（酸素極）
１５  ビーム
１６  Ｏリング
【図１】
0005349851.tif 000002
【図２】
0005349851.tif 000003
【図３】
0005349851.tif 000004
【図４】
0005349851.tif 000005
【図５】
0005349851.tif 000006
【図６】
0005349851.tif 000007
【図７】
0005349851.tif 000008
【図８】
0005349851.tif 000009
【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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