(57)【要約】 【課題】  凹部を有する電極を備えた燃料電池において、電極の表面から水を効率的に除去する技術を提供する。【解決手段】  燃料電池は、反応ガスの電気化学反応によって発電を行う膜電極接合体１を備える。膜電極接合体１は、水素イオンを透過する電解質膜１０と、電解質膜１０の両面に設けられた電極２０Ａ，２０Ｃと、を備える。そして、電極２０Ａ，２０Ｃ上に複数の凹部１１，１２を備える。燃料電池は、凹部１２を備える電極２０Ｃの表面のうち凹部１２には、表面のうち凹部１２を含まない非凹部領域１３に比べて高速の反応ガスが当たるように構成される。【選択図】  図１
2007048538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの電気化学反応によって発電を行う膜電極接合体を備えた燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、
電解質膜と、前記電解質膜の両側に設けられた電極と、を備え、
前記電極が設けられている前記膜電極接合体の両面のうち少なくとも一方の面に複数の凹部を備え、
前記凹部は、前記電極と前記電解質膜とがともに凹状となるように構成されており、
前記燃料電池は、前記凹部を備える面のうち前記凹部を含む凹部領域には、前記凹部を備える面のうち前記凹部を含まない非凹部領域に比べて高速の前記反応ガスが当たるように構成される、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、さらに、前記膜電極接合体に対して前記凹部を備える面の側に、前記凹部を備える面の側の電極に向かう反応ガスの流れを調整するためのガス流調整部を備え、
前記ガス流調整部は、
前記非凹部領域と向かい合う第１の部分と、
前記凹部領域と向かい合い前記第１の部分よりも前記反応ガスの流れの抵抗が小さい複数の第２の部分と、を有する、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
前記ガス流調整部は、第１のガス流調整部として、前記凹部を備える面の側の前記電極に接して設けられ前記反応ガスを通過させるガス通過層を含み、
前記ガス通過層の前記第２の部分は、前記ガス通過層の前記第１の部分よりも空隙率が高い、燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記ガス通過層の前記第２の部分は、前記ガス通過層に設けられた穴である、燃料電池。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池であって、さらに、
前記ガス流調整部に対して前記膜電極接合体とは逆の側に、前記反応ガスが流れるガス流路の外壁の少なくとも一部を構成するセパレータを備え、
前記ガス流調整部と前記セパレータとの間に、前記反応ガスが流れるガス流路として機能する多孔質層を備える、燃料電池。
【請求項６】
請求項３または４記載の燃料電池であって、さらに、
前記ガス流調整部に対して前記膜電極接合体とは逆の側に、前記反応ガスが流れるガス流路の外壁の少なくとも一部を構成するセパレータを備え、
前記ガス流調整部は、さらに、第２のガス流調整部として、前記ガス通過層と前記セパレータとの間に設けられ前記凹部を備える面の側の前記電極に向かう前記反応ガスの流れを調整する調整層を含み、
前記調整層の前記第２の部分は、前記調整層に設けられた穴である、燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、さらに、
前記ガス通過層と前記調整層の間、および前記調整層と前記セパレータとの間に、前記反応ガスが流れるガス流路として機能する多孔質層を備える、燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記ガス通過層および前記調整層は、撥水処理されたカーボンペーパーで形成されている、燃料電池。
【請求項９】
請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
前記凹部を備える面の側の前記電極に接して設けられ、前記反応ガスを通過させるガス通過層を含み、
前記ガス通過層に対して前記膜電極接合体とは逆の側に、前記反応ガスが流れるガス流路の外壁の少なくとも一部を構成するセパレータを備え、
前記ガス流調整部は、前記ガス通過層と前記セパレータとの間に位置し、
前記第２の部分は、前記第１の部分よりも空隙率が高い、燃料電池。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池であって、
前記第２の部分は、前記ガス流調整部に設けられた穴である、燃料電池。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池であって、
前記調整層と前記セパレータとの間に、前記反応ガスが流れるガス流路として機能する多孔質層を備える、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電解質膜を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素イオンを透過する電解質の両面に電極を配し、酸素と燃料ガスを接触させて発電を行う燃料電池が開発されている。たとえば、特許文献１の技術においては、電極材料が塗布された固体電解質を玉子容器のように凹凸状にして、酸素や燃料ガスとの接触面積を増大させて、体積パワー密度を向上させている。
【０００３】
【特許文献１】特開平２−２７６１６６号公報
【特許文献２】特開２００４−１３９７８３号公報
【特許文献３】特開平６−２１５７７８号公報
【特許文献４】特開２００４−１８５９３７号公報
【特許文献５】特開平１１−２２４６７７号公報
【０００４】
しかし、特許文献１の技術においては、凹凸を設けた固体電解質の表面から水を効率的に除去することについては考慮されていなかった。電極の表面に液体の水が付着すると、反応ガスと電極との接触が阻まれ、発電が阻害される。このような問題は、電極の表面に凹部を有する各種の燃料電池において、同様に存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、凹部を有する電極を備えた燃料電池において、電極の表面から水を効率的に除去する技術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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、一態様として燃料電池を以下のような構成とする。この燃料電池は、反応ガスの電気化学反応によって発電を行う膜電極接合体を備えた燃料電池である。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられた電極と、を備える。そして、電極が設けられている膜電極接合体の両面のうち少なくとも一方の面に複数の凹部を備える。この凹部は、電極と電解質膜とがともに凹状となるように構成されている。燃料電池は、凹部を備える面のうち凹部を含む凹部領域には、凹部を備える面のうち凹部を含まない非凹部領域に比べて高速の反応ガスが当たるように構成される。
【０００７】
このような態様とすれば、電極の凹部に滞留する水を反応ガスで効率的に除去することができる。よって、凹部を有する電極を備えた燃料電池において、電極の表面から水を効率的に除去することができる。なお、高速の反応ガスが当たる凹部領域は、凹部そのものとしてもよい。
【０００８】
なお、燃料電池は、さらに、膜電極接合体に対して凹部を備える面の側に、凹部を備える面の側の電極に向かう反応ガスの流れを調整するためのガス流調整部を備える態様とすることができる。そのガス流調整部は、非凹部領域と向かい合う第１の部分と、凹部領域と向かい合い第１の部分よりも反応ガスの流れの抵抗が小さい複数の第２の部分と、を有することが好ましい。
【０００９】
このような態様においては、第２の部分を通過する反応ガスは、第１の部分を通過する反応ガスに比べて、流れを阻害されにくい。よって、第２の部分と向かい合う凹部領域に含まれる凹部に反応ガスを強く当てることができる。その結果、凹部に滞留する水を効果的に排出することができる。
【００１０】
また、ガス流調整部は、第１のガス流調整部として、凹部を備える面の側の電極に接して設けられ反応ガスを通過させるガス通過層を含むことができる。このガス通過層の第２の部分は、ガス通過層の第１の部分よりも空隙率が高いことが好ましい。
【００１１】
このような態様とすれば、反応ガスの流れの抵抗が小さい第２の部分と、第２の部分よりも反応ガスの流れの抵抗が大きい第１の部分と、をガス通過層に設けることができる。
【００１２】
なお、ガス通過層の第２の部分は、ガス通過層に設けられた穴とすることもできる。
【００１３】
また、燃料電池は、ガス流調整部に対して膜電極接合体とは逆の側に、反応ガスが流れるガス流路の外壁の少なくとも一部を構成するセパレータを備えることができる。そのような態様において、ガス流調整部とセパレータとの間に、反応ガスが流れるガス流路として機能する多孔質層を備えることが好ましい。
【００１４】
ガス流路として機能する多孔質層は、他の障害物がなければ膜電極接合体の各部に対して均等に反応ガスを供給しうる。上記の態様においては、そのような多孔質層と膜電極接合体との間にガス流調整部が位置することになる。よって、ガス流調整部によって、電極上の各凹部に向けて選択的に高速の反応ガスを供給できる。
【００１５】
なお、ガス流調整部は、さらに、第２のガス流調整部として、ガス通過層とセパレータとの間に設けられ凹部を備える面の側の電極に向かう反応ガスの流れを調整する調整層を含むことができる。そして、調整層の第２の部分は、調整層に設けられた穴とすることができる。このような態様としても、凹部に滞留する水を反応ガスで効率的に除去することができる。
【００１６】
また、ガス通過層と調整層の間、および調整層とセパレータとの間に、反応ガスが流れるガス流路として機能する多孔質層を備える態様とすることもできる。
【００１７】
なお、ガス通過層および調整層は、撥水処理されたカーボンペーパーで形成されていることが好ましい。このような態様においては、ガス通過層と調整層を介して水を効率的に燃料電池の外部に排出することができる。
【００１８】
一方、燃料電池は、凹部を備える面の側の電極に接して設けられ、反応ガスを通過させるガス通過層を含むことができる。そして、ガス通過層に対して膜電極接合体とは逆の側に、反応ガスが流れるガス流路の外壁の少なくとも一部を構成するセパレータを備えることができる。そのような態様において、ガス流調整部は、ガス通過層とセパレータとの間に位置し、第２の部分は、第１の部分よりも空隙率が高いことが好ましい。
【００１９】
このような態様としても、凹部に滞留する水を反応ガスで効率的に除去することができる。よって、凹部を有する電極を備えた燃料電池において、電極の表面から水を効率的に除去することができる。なお、第２の部分は、ガス流調整部に設けられた穴とすることができる。
【００２０】
また、調整層とセパレータとの間に、反応ガスが流れるガス流路として機能する多孔質層を備える態様とすることもできる。
【００２１】
このような態様においては、多孔質層と膜電極接合体との間にガス流調整部が位置することになる。よって、ガス流調整部によって、電極上の各凹部に向けて高速の反応ガスを供給できる。
【００２２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池に用いられる積層構造体、燃料電池の製造方法、燃料電池用の積層構造体の形成方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例の燃料電池の積層構造体１（単位セル）を示す断面図である。ただし、図１は、実際の各層の厚みや幅の寸法を反映するものではない。第１実施例の燃料電池の積層構造体１は、膜電極接合体ＭＥＡと、膜電極接合体ＭＥＡの両側に設けられた燃料ガス流路４０および酸化ガス流路５０とを有している。
【００２４】
膜電極接合体ＭＥＡは、電解質膜１０と、電解質膜１０の両面に設けられた触媒電極層２０Ａ，２０Ｃと、を備える。電解質膜１０は、水を含有した状態で水素イオンを伝導することができる固体高分子膜である。本実施例では、一例としてナフィオン（登録商標）を使用するものとする。この電解質膜１０の両面には、それぞれ多数の凹部１１，１２が設けられている。これらの凹部１１，１２は、触媒電極層２０Ａ，２０Ｃよりも深く構成されており、触媒電極層２０Ａ，２０Ｃと電解質膜１０とがともにへこんでいる凹状の形状となるように構成される。
【００２５】
触媒電極層２０Ａ，２０Ｃは、たとえば、カーボン粒子の表面に白金触媒を担持させたものを電解質膜１０上の凹凸の表面に積層して作成される。カーボン粒子の表面には、さらに電解質膜１０と同素材の電解質が付着されている。各カーボン粒子は、その電解質を介して電解質膜１０および他のカーボン粒子と接合する。触媒電極層２０Ａは、水素極（アノード）として機能する。触媒電極層２０Ｃは、酸素極（カソード）として機能する。燃料電池の運転中は、電子は、図示しない電気回路を通って水素極（触媒電極層２０Ａ）から酸素極（触媒電極層２０Ｃ）に移動する。
【００２６】
膜電極接合体ＭＥＡの両側には、膜電極接合体ＭＥＡの表面に接して拡散層３０Ａ，３０Ｃが設けられている。拡散層３０Ａ，３０Ｃは、たとえば、撥水処理されたカーボンペーパーとすることができる。積層構造体１内の水は、拡散層３０Ａ，３０Ｃを伝わって外部に排出される。その結果、膜電極接合体ＭＥＡの酸素極および水素極において水が滞留して燃料ガスおよび酸化ガスと電極との接触が妨げられ、その結果、発電が阻害されてしまう可能性を低減できる。
【００２７】
燃料ガス流路４０は、一例として、互いにつながった空隙を有するチタンの発泡金属層４１で構成される。燃料ガスＧａとしての水素ガスが発泡金属層４１の空隙内を流通する。発泡金属層４１に対して膜電極接合体ＭＥＡと逆の側には、セパレータ７０が設けられている。セパレータ７０は、たとえばステンレスで構成され、膜電極接合体ＭＥＡに向かう側の面が平らに設けられた部材である。セパレータ７０は、燃料ガス流路４０の外壁を構成する。燃料ガス流路４０は、入口Ｅｎａおよび出口Ｅｘａを除いてセパレータ７０によって外部から遮断されている。燃料ガスＧａは、燃料ガス流路４０の入口Ｅｎａから出口Ｅｘａに向かって、発泡金属層４１の空隙内を流通する。
【００２８】
酸化ガス流路５０は、発泡金属層５１，５２を有する。発泡金属層５１，５２は、燃料ガス流路４０の発泡金属層４１と同じく、一例として、互いにつながった空隙を有するチタンの発泡金属で構成される。酸素を含む酸化ガスＧｃ１，Ｇｃ２としての空気が発泡金属層５１，５２の空隙を流通する。
【００２９】
燃料ガス流路４０と酸化ガス流路５０を構成する発泡金属の表面は、凹凸を有している。カーボンペーパーで設けられた拡散層３０Ａ，３０Ｃは、これらの発泡金属の表面の凹凸が直接、膜電極接合体ＭＥＡに接して膜電極接合体ＭＥＡを損傷させるのを防止している。
【００３０】
発泡金属層５１，５２の間には、触媒電極層２０Ｃに向かう酸化ガスの流れを調整するための調整層６０が設けられている。調整層６０は、たとえば、撥水処理されたカーボンペーパーとすることができる。積層構造体１においてカソード（触媒電極層２０Ｃ）側に存在する水は、酸化ガスＧｃ１，ＧＣ２によって飛ばされ、拡散層３０Ｃおよび調整層６０を伝って外部に排出される。なお、拡散層３０Ｃと調整層６０を構成するカーボンペーパーは、発泡金属層５１，５２に比べて、膜電極接合体ＭＥＡに供給される酸化ガスＧｃ１，Ｇｃ２の流れを阻害しやすい密度および厚みで構成される。言い換えれば、拡散層３０Ｃと調整層６０を構成するカーボンペーパーは、発泡金属層５１，５２に比べて、酸化ガスＧｃ１，Ｇｃ２の流れの抵抗が大きくなるように構成される。
【００３１】
発泡金属層５２に対して膜電極接合体ＭＥＡと逆の側には、セパレータ８０が設けられている。セパレータ８０は、たとえばステンレスで構成され、膜電極接合体ＭＥＡに向かう側の面が平らに設けられた部材である。セパレータ８０は、酸化ガス流路５０の外壁を構成する。酸化ガス流路５０は、入口Ｅｎｃおよび出口Ｅｘｃを除いてセパレータ８０によって外部から遮断されている。酸化ガスＧｃ１，Ｇｃ２は、酸化ガス流路５０の入口Ｅｎｃから出口Ｅｘｃに向かって、発泡金属層５１，５２の空隙内を流通する。なお、電気化学反応に供される酸化ガスと燃料ガスとを総称して「反応ガス」と呼ぶことがある。
【００３２】
図２は、酸素極の側から見た膜電極接合体ＭＥＡと調整層６０とを示す平面図である。膜電極接合体ＭＥＡの酸素極（触媒電極層２０Ｃ）側の面にも、多数の凹部１２が設けられている。また、膜電極接合体ＭＥＡの水素極（触媒電極層２０Ａ）側の面には、酸素極側の凹部１２と重ならない位置に、多数の凹部１１が設けられている。これらの凹部１１，１２により、膜電極接合体ＭＥＡに平行な面に投影したときの単位面積当たりのガスと各電極との接触面積が増大される。その結果、積層構造体１の単位面積当たりの発電量を多くすることができる。なお、膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２以外の部分を平坦部１３と呼ぶ。
【００３３】
また、両面から互いに重ならない位置に凹部１１，１２が設けられる結果、凹部１１，１２の側壁面同士の距離、すなわち、触媒電極層２０Ａと触媒電極層２０Ｃの間の距離は、凹部１１，１２が設けられる前の電解質膜１０の厚みよりも薄くなる（図１参照）。その結果、凹部１１，１２を有さない態様に比べて、水素極（触媒電極層２０Ａ）側から酸素極（触媒電極層２０Ｃ）側へ、電解質膜１０を透過して水素イオンが移動しやすくなる。よって、この点からも、積層構造体１の発電効率を上げることができる。なお、図２は、膜電極接合体ＭＥＡの両面に設けられた凹部１１，１２の位置関係を示す概念図であり、調整層６０の大きさと凹部１１，１２の径の大きさの比率は実際の大きさの比率を表すものではない。
【００３４】
このような凹部を有する膜電極接合体ＭＥＡは、たとえば、電解質膜１０に対してプレスを行って電解質膜１０の両面に凹部を設け、その上から白金触媒を担持したカーボン粒子（触媒電極層２０Ａ，２０Ｃを構成する）を含むインクをスプレーして作成することができる。ただし、その際に、凹部１１，１２がカーボン粒子で埋まらないように触媒電極層２０Ａ，２０Ｃを構成することが好ましい。なお、図１に示す積層構造体の断面のうち膜電極接合体ＭＥＡの断面は、図２のＡ−Ａの断面図に相当する。
【００３５】
図２の下段に示すように、調整層６０には、多数の貫通穴６１が設けられている。各貫通穴６１は、膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２と対応する位置に設けられる。対応する位置関係を、図２において、破線の矢印Ａｃで示す。積層構造体１を構成する際には、調整層６０の貫通穴６１と膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２との位置が重なるように構成される。なお、調整層６０の貫通穴６１が設けられていない部分を実体部６２と呼ぶ。調整層６０はカーボンペーパーで形成されているため、ガスは、実体部６２を通過することができる。しかし、貫通穴６１を通過する場合の方が、実体部６２を通過する場合よりもガスの流れは阻害されない。すなわち、実体部６２の方が、貫通穴６１よりもガスの流れの抵抗が大きい。
【００３６】
このような貫通穴６１を有する調整層６０は、たとえば、以下のようにして形成することができる。すなわち、まず、カーボンペーパーである調整層６０と電解質膜１０とを重ねて配置する。そして、その上から多数の円錐状の針を有するプレス器でプレスをして、その針で調整層６０を貫通して貫通穴６１を設け、同時に、電解質膜１０には凹部１２を設ける。その後、調整層６０と電解質膜１０とを分離して、電解質膜１０上に触媒電極層２０Ｃを設け、さらに、拡散層３０Ｃおよび発泡金属層５１を設ける。そして、発泡金属層５１の上から、膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２と調整層６０の貫通穴６１とが重なるように、調整層６０を接合する。なお貫通穴６１の大きさは、膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２の上端側の径と同じであってもよいが、凹部１２の上端の開口の径よりも大きいことが好ましい。
【００３７】
以上のような構造を有する積層構造体１においては、発泡金属層５２中を流れる空気の一部Ｇｃ３（図１参照）が、調整層６０の貫通穴６１を通って膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２に向かう（図１中のＧｃ４参照）。このため、凹部１２には、平坦部１３に比べて酸化ガスが強く当たる。すなわち、凹部１２には、平坦部１３に比べて高速の酸化ガスが当たる。その結果、凹部１２内に滞留する水蒸気は、凹部１２外に運ばれ、凹部１２内の水蒸気の濃度は低減される。このため、凹部１２表面には液化した水が付着しにくくなり、液体の水によって酸化ガスと電極の接触が阻害される可能性を低減することができる。
【００３８】
また、第１実施例の積層構造体１においては、酸化ガスの高速の流れＧｃ４によって、凹部１２内に滞留していた濃度の高い水蒸気が押しのけられて、反応ガスである酸化ガスが凹部１２内に侵入する。よって、その点からも、酸化ガスと電極との接触を促進して、反応の効率を高めることができる。
【００３９】
さらに、第１実施例の積層構造体１の凹部１２においては、平坦部１３に比べて高速の酸化ガスが当たることから、凹部１２表面に液化した水が付着している場合にも、その水は、高速の酸化ガスＧｃ３によって凹部１２外に押し出される。そして、その水は、拡散層３０Ｃを伝って下流に排出される。よって、この点からも、凹部１２内に液体の水が滞留して凹部１２における発電が妨げられる事態を防止することができる。
【００４０】
なお、「ある領域Ａには、他の領域Ｂに比べて高速の酸化ガスが当たる」という場合、領域Ａにおいては、凹部の入口から奥に向かう方向に平行な速度成分が、領域Ｂに比べて大きいことを意味する。なお、図１においては、平坦部１３に供給されるガスの流れは図示を省略した。
【００４１】
第１実施例においては、電解質膜１０に凹部を設けた後、スプレーにより触媒電極層を構成している。このような態様においては、電解質膜１０の凹部に他の平坦部に比べて触媒が厚く積層されやすい。その結果、凹部１２においては、平坦部１３よりも電気化学反応がより起こりやすく、より多くの水が生成される傾向にある。よって、第１実施例のように、凹部１２内の水を効率的に除去できる構成は、電解質膜１０に凹部を設けた後、スプレーにより触媒電極層を構成する態様において、特に好ましい。
【００４２】
また、第１実施例の積層構造体１においては、酸化ガス流路５０は、発泡金属の層（発泡金属層５１，５２）で構成されている。このため、第１実施例の積層構造体１においては、酸化ガス流路５０の構造は、発泡金属層５１，５２自体によって支えられており、膜電極接合体ＭＥＡの面内に酸化ガス流路５０の構造を支えるための支柱や壁部を必要としない。よって、第１実施例の積層構造体１によれば、膜電極接合体ＭＥＡの面内に設けられた支柱や壁部に阻害されてガスが当たらない凹部ができることなく、膜電極接合体ＭＥＡの各凹部１２に、ガスを強く当てることができる。
【００４３】
また、膜電極接合体ＭＥＡにおいては、電気化学反応により、酸素極（触媒電極層２０Ｃ）において水が生成される。そして、発泡金属層５１は、発泡金属層５２に比べて、膜電極接合体ＭＥＡに近い位置にある。このため、発泡金属層５１内を流通する空気は、発泡金属層５２内を流通する空気よりも、水分を多く含みうる。よって、発泡金属層５１内を流通し上流側においてすでに膜電極接合体ＭＥＡから水分を多く取り込んだ空気のみが、中流および下流において膜電極接合体ＭＥＡに供給されると、その水分が再び膜電極接合体ＭＥＡに付着し、発電を妨げるおそれがある。
【００４４】
しかし、積層構造体１においては、発泡金属層５１とは別に、調整層６０を隔てて酸化ガス流路５０の一部として機能する発泡金属層５２を有している。このため、発泡金属層５２内を流通する比較的乾燥した空気が、調整層６０の貫通穴６１を経由して、酸化ガス流路５０の上流、中流、下流の各部分において膜電極接合体ＭＥＡに供給される。その結果、第１実施例の積層構造体１においては、酸化ガス流路５０内に調整層６０を有しない態様に比べて、酸化ガス流路５０の中流および下流部分において、膜電極接合体ＭＥＡのカソード側の表面に水がたまりにくい。よって、発電中に水によって電気化学反応が阻害されにくい。
【００４５】
また、第１実施例の積層構造体１においては、水分を多く含む空気は発泡金属層５１内を主に流通する。そして、発泡金属層５１は、撥水処理されたカーボンペーパーである拡散層３０Ｃおよび調整層６０に挟まれている。このため、第１実施例の積層構造体１においては、発泡金属層５１内の水分を多く含む空気から、効率的に拡散層３０Ｃおよび調整層６０に水分を移して、水を外部に排出することができる。
【００４６】
Ｂ．第２実施例：
図３は、第２実施例の燃料電池の積層構造体１ｂを示す断面図である。第２実施例の積層構造体１ｂは、拡散層３０Ｃｂの構成が第１実施例とは異なる。また、酸化ガス流路５０の一部としての発泡金属層５１、および調整層６０を有していない。他の点は、第１実施例の積層構造体１と同じである。
【００４７】
拡散層３０Ｃｂには、多数の貫通穴３１Ｃｂが設けられている。各貫通穴３１Ｃｂは、膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２と対応する位置に設けられる（図２参照）。そして、積層構造体１を構成する際には、拡散層３０Ｃｂの貫通穴３１Ｃｂと膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２との位置が重なるように構成される。なお、拡散層３０Ｃｂの貫通穴３１Ｃｂが設けられていない部分を実体部３２Ｃｂと呼ぶ。拡散層３０Ｃｂはカーボンペーパーで形成されているため、ガスは、実体部３２Ｃｂを通過することができる。しかし、貫通穴３１Ｃｂを通過する場合の方が、実体部３２Ｃｂを通過する場合よりもガスの流れは阻害されない。すなわち、貫通穴３１Ｃｂを通過する場合の方が、実体部３２Ｃｂを通過する場合よりもガスの流れの抵抗は小さい。
【００４８】
第２実施例の積層構造体１ｂにおいては、発泡金属層５２中を流れる空気の一部Ｇｃ３ｂが、拡散層３０Ｃｂの貫通穴３１Ｃｂを通って膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２に直接当たる。その結果、凹部１２内に滞留していた水蒸気や凹部１２表面に付着していた液体の水は、空気Ｇｃ３によって凹部１２外に押し出される。そして、水蒸気は、拡散層３０Ｃｂ発泡金属層５２を通じて下流に排出される。また、液体の水は、撥水処理されたカーボンペーパーで形成された拡散層３０Ｃｂの実体部３２Ｃｂを伝って下流に排出される。よって、第２実施例の積層構造体１ｂにによれば、膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２内に水が滞留して、凹部１２における発電が妨げられる事態を防止することができる。
【００４９】
Ｃ．第３実施例：
図４は、第３実施例の燃料電池の積層構造体１ｃを示す断面図である。第３実施例の積層構造体１ｃは、拡散層３０Ｃｃおよび調整層６０ｃの構成が第１実施例とは異なる。他の点は、第１実施例の積層構造体１と同じである。
【００５０】
図５は、第３実施例の拡散層３０Ｃｃの平面図である。なお、図５においては、積層構造体１ｃを構成しときの膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２の位置を破線で示している。拡散層３０Ｃｃには、多数の貫通穴３１Ｃｃが設けられている。各貫通穴３１Ｃｃは楕円形であり、膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２、二個とそれぞれ対応する位置に設けられる。そして、積層構造体１ｃを構成する際には、拡散層３０Ｃｃの一個の貫通穴３１Ｃｃと、膜電極接合体ＭＥＡの隣接する二個の凹部１２との位置が重なるように構成される。
【００５１】
なお、拡散層３０Ｃｃの貫通穴３１Ｃｃが設けられていない部分を実体部３２Ｃｃと呼ぶ。拡散層３０Ｃｃはカーボンペーパーで形成されているため、ガスは、実体部３２Ｃｃを通過することができるが、貫通穴３１Ｃｃを通過する方がガスの流れは阻害されない。すなわち、貫通穴３１Ｃｃを通過する方がガスの流れの抵抗は小さい。
【００５２】
また、膜電極接合体ＭＥＡのカソード（触媒電極層２０Ｃ）側の表面のうち、積層構造体１ｃが構成された際に拡散層３０Ｃｃの貫通穴３１Ｃｃと向かい合う部分を凹部領域１４と呼び、拡散層３０Ｃｃの実体部３２Ｃｃと向かい合う部分を非凹部領域１５と呼ぶ。凹部領域１４は、凹部１２を含む領域であり、非凹部領域１５は、凹部１２を含まない領域である。
【００５３】
第３実施例の調整層６０ｃにも、拡散層３０Ｃｃと同じ大きさおよび配置の楕円の貫通穴６１ｃが設けられている。そして、積層構造体１ｃを構成する際には、調整層６０ｃの一個の貫通穴６１ｃと、拡散層３０Ｃｃの一個の貫通穴３１Ｃｃと、膜電極接合体ＭＥＡの隣接する二個の凹部１２との位置が重なるように構成される。なお、調整層６０ｃの貫通穴６１ｃが設けられていない部分を実体部６２ｃと呼ぶ。ガスは、実体部６２ｃを通過することができが、貫通穴６１ｃを通過する場合の方がガスの流れは阻害されない。
【００５４】
第３実施例の積層構造体１ｃにおいては、発泡金属層５２中を流れる空気の一部Ｇｃ３ｃが、調整層６０ｃの貫通穴６１ｃを通過し、さらに、拡散層３０Ｃｂの貫通穴３１Ｃｂを通過して、空気Ｇｃ４ｃとして膜電極接合体ＭＥＡに向かう。その結果、膜電極接合体ＭＥＡのカソード側の表面のうち、凹部１２を含む凹部領域１４には、非凹部領域１５よりも酸化ガスが強く、すなわち高い速度で当たることになる。そして、凹部１２内に溜まった水蒸気や液体の水は、その空気Ｇｃ４ｃによって凹部１２外に押し出され、拡散層３０Ｃｃや発泡金属層５１を伝って下流に排出される。なお、一部の水蒸気や液体の水は、発泡金属層５１中を流通する空気によって調整層６０ｃにも伝えられ、調整層６０ｃの実体部６２ｃを伝って下流に排出される。よって、第３実施例の積層構造体１ｃにおいては、膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２内に水が滞留して、凹部１２における発電が妨げられる事態を防止することができる。
【００５５】
Ｄ．第４実施例：
図６は、第４実施例の燃料電池の積層構造体１ｄを示す断面図である。第４実施例の積層構造体１ｄは、拡散層３０Ｃｄの構成、ならびに酸化ガス流路５０ｄを構成するセパレータ７０ｄ，８０ｄの構成が第１実施例の積層構造体１とは異なる。また、第４実施例の積層構造体１ｄは、燃料ガス流路４０を構成する発泡金属層４１、酸化ガス流路５０を構成する発泡金属層５１，５２、ならびに調整層６０を有していない。他の点は、第１実施例の積層構造体１と同じである。
【００５６】
第４実施例においては、第４実施例のセパレータ８０ｄは、５本の溝部８１ｄを有している。そして、セパレータ８０ｄは、拡散層３０Ｃｄに対して膜電極接合体ＭＥＡとは逆の側から配されて、５本の酸化ガス流路５０ｄを構成している。第４実施例においては、酸化ガスとしての空気は、５本の酸化ガス流路５０ｄ内を図６の紙面の裏から表に向かう向きに流れる。
【００５７】
また、第４実施例のセパレータ７０ｄも、５本の溝部７１ｄを有している。そして、セパレータ７０ｄは、拡散層３０Ａに対して膜電極接合体ＭＥＡとは逆の側から配されて、５本の燃料ガス流路４０ｄを構成している。燃料ガスＧａとしての水素ガスは、５本の燃料ガス流路４０ｄ内を図６の左から右に向かう向きに流れる。すなわち、酸化ガス流路５０ｄの向きと燃料ガス流路４０ｄの向きとは９０度をなす。
【００５８】
第４実施例の燃料電池の積層構造体１ｄは、セパレータ７０ｄとセパレータ８０ｄとによって覆われ、外部から遮断さている。燃料ガスＧａは、セパレータ７０ｄに設けられた入口Ｅｎａから入って燃料ガス流路４０ｄを通り、同じくセパレータ７０ｄに設けられた出口Ｅｘａから排出される。また、酸化ガスは、セパレータ８０ｄに設けられた入口（図示せず）から入って酸化ガス流路５０ｄを通り、同じくセパレータ８０ｄに設けられた出口（図示せず）から排出される。
【００５９】
第４実施例においては、拡散層３０Ｃｄには、多数のガス流通部３１Ｃｄが設けられている。拡散層３０Ｃｄは、互いに連通した空隙を有する素材で構成される。ただし、ガス流通部３１Ｃｄは、拡散層３０Ｃｄの他の部分（実体部３２Ｃｄと呼ぶ）にくらべて空隙率が高い素材で構成される。ガス流通部３１Ｃｄは、膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２と対応する位置に設けられる（図２参照）。そして、積層構造体１ｄを構成する際には、拡散層３０Ｃｄのガス流通部３１Ｃｄと膜電極接合体ＭＥＡの酸素極側の凹部１２との位置が重なるように構成される。ガスは、実体部３２Ｃｄを通過することができる。しかし、空隙率がより高いガス流通部３１Ｃｄを通過する場合の方が、実体部３２Ｃｄを通過する場合よりもガスの流れは阻害されない。
【００６０】
この様な構成としても、酸化ガス流路５０ｄ中を流れる空気の一部Ｇｃ４ｄが、調整層６０のガス流通部３１Ｃｄを通って膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２に向かう。このため、凹部１２には、平坦部１３に比べて酸化ガスが強くあたる。すなわち、凹部１２には、平坦部１３に比べて高い速度で酸化ガスが当たる。その結果、凹部１２内に溜まった水は、その空気Ｇｃ４ｄによって凹部１２外に押し出され、拡散層３０Ｃｄや酸化ガス流路５０ｄを通じて下流に排出される。よって、膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２内に水が滞留して、凹部１２における発電が妨げられる事態を防止することができる。
【００６１】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６２】
Ｅ１．変形例１：
上記各実施例では、ガスの流れを調整するための貫通穴を有する調整層や拡散層は、酸素極（触媒電極層２０Ｃ）側に設けられていた。しかし、反応ガスの流れを調整するための構成は、水素極（触媒電極層２０Ａ）側に設けることもできる。そのような態様においては、ガス流調整部には、触媒電極層２０Ａの表面のうち凹部１１を含まない領域と向かい合う第１の部分と、凹部１１を含む領域と向かい合い第１の部分よりも反応ガスの流れの抵抗が小さい第２の部分と、を有することが好ましい。
【００６３】
また、ガスの流れを調整するための構成は、酸素極側と水素極側の両方に設けることもでき、いずれか一方に設けることもできる。ガスの流れを調整するための構成を酸素極側と水素極側のいずれか一方に設ける場合は、酸素極側に設けることが好ましい。酸素極において発電の際に電気化学反応で生成される水が、酸素極側の凹部に滞留しやすいためである。
【００６４】
Ｅ２．変形例２：
上記第１〜第３実施例においては、調整層や拡散層は、貫通穴を有していた。また、第４実施例においては、拡散層３０ｄは、空隙率の低いガス流通部３１Ｃｄを有していた。しかし、ガスの流れを調整するための構成は、他の構成を有していてもよく、たとえば、実体部に比べて厚みの薄い部分を有していてもよい。すなわち、ガスの流れを調整するための構成は、ガスを通すことができる実体部と、実体部と同じ物質で設けられ、実体部に比べてより空隙率が高いガス流通部と、を備えている態様とすることができる。なお、「同じ物質で設けられ、より空隙率が高い」構成には、当該部分が実体部と同一素材で実体部より薄く設けられている態様や、当該部分に「貫通穴」が設けられている態様をも含むものとする。すなわち、「より空隙率が高い」とは、同じ投影面積中で使用されている物質の量がより少ないことを意味する。
【００６５】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、調整層や拡散層の貫通穴やガス流通部３１Ｃｄは、膜電極接合体ＭＥＡは凹部１２と重なる位置に設けられていた。しかし、それらのガスを流通させやすい部分と凹部の関係は他の関係とすることもできる。たとえば、ガスの流れを調整する構成のうちガスを流通させやすい部分と、膜電極接合体の凹部とは、互いに一部が重なっている関係とすることもできる。
【００６６】
また、上記第３実施例では、調整層６０ｃの貫通穴６１ｃと、拡散層３０Ｃｃの貫通穴３１Ｃｃとは、積層構造体１ｃにおいて、重なるように配されていた。しかし、反応ガスの流れを調整するための構成を二つ以上有する場合には、それぞれの「反応ガスの流れの抵抗が小さい部分」は、互いにずらして設けられてもよい。たとえば、膜電極接合体ＭＥＡから遠い方の構成については、膜電極接合体ＭＥＡに近い方の構成よりも「反応ガスの流れの抵抗が小さい部分」を反応ガスの上流側にずらして設けてもよい。そして、膜電極接合体ＭＥＡに近い方の構成については、「反応ガスの流れの抵抗が小さい部分」は、膜電極接合体ＭＥＡの凹部と重なる位置に設ける。そのような態様とすれば、効率的に高速の反応ガスを膜電極接合体ＭＥＡの凹部に供給することができる。
【００６７】
Ｅ４．変形例４：
上記第１実施例においては、貫通穴６１の大きさは、膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２と同じか、より大きいものとしていた。しかし、ガスの流れを調整する構成のうちのガスを流通させやすい部分は、投影面積が膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２とよりも小さくすることもできる。すなわち、燃料電池は、凹部を含む凹部領域に、凹部を含まない非凹部領域に比べて高速の反応ガスが当たるように構成されていればよい。
【００６８】
Ｅ５．変形例５：
上記実施例では、拡散層３０Ａ，３０Ｃは、カーボンペーパーで形成されていた。しかし、拡散層３０Ａ，３０Ｃは、他の素材で構成することもでき、たとえば、撥水処理したカーボンクロスとすることもできる。すなわち、ガス通過層として機能する拡散層は、ガスを透過することができる層であればよい。なお、ガス通過層は、撥水処理されたものであることが好ましい。そのような態様とすれば、効率的に、水を積層構造体の外部に排出することができる。また、ガス通過層は、発泡金属よりも柔らかい素材で設けることが好ましい。そのような態様とすれば、ガス流路を発泡金属で設けた場合にも、電解質膜を発泡金属の表面の凹凸から保護することができる。
【００６９】
また、上記第１〜第３実施例では、燃料ガス流路４０および酸化ガス流路５０は、チタンの発泡金属を使用して構成されていた。しかし、燃料ガス流路４０および酸化ガス流路５０は、他の構成とすることもでき、たとえば、ニッケルの発泡金属や発泡セラミックとすることができる。また、第４実施例のように、溝部や管として構成してもよい。すなわち、ガス流路は、ガスを流通させることができる素材または態様で構成されていればよい。
【００７０】
ただし、ガス流路は、金属やセラミックなど、所定の剛性を有する素材で構成することが好ましい。そのような態様とすれば、第１ないし第３実施例のように、ガス流路を積層構造体の中の一つの層として構成することができる（図１、図３および図４参照）。このため、膜電極接合体ＭＥＡの表面に対して均等にガスを供給することができる。また、ガス流路をセパレータ等で構成された溝部として設ける態様に比べて、積層構造体自体の構成を薄くすることができる。
【００７１】
また、上記実施例では、調整層６０は、撥水処理されたカーボンペーパーで形成されていた。しかし、調整層６０は、他の素材で構成することもでき、たとえば、撥水処理したカーボンクロスや、チタンやステンレスの板とすることもできる。すなわち、調整層は、ガス流路自体よりもガスを透過しにくい素材で構成された層であればよい。そのような態様であれば、一部に他の部分よりもガスの流れを阻害しにくい部分を設けることで、ガス流路内を流れるガスの流れを調整して膜電極接合体ＭＥＡの凹部１２に対して選択的にガスを強く当てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１実施例の燃料電池の積層構造体１（単位セル）を示す断面図。
【図２】膜電極接合体ＭＥＡと調整層６０とを示す平面図。
【図３】第２実施例の燃料電池の積層構造体１ｂを示す断面図。
【図４】第３実施例の燃料電池の積層構造体１ｃを示す断面図。
【図５】第３実施例の拡散層３０Ｃｃの平面図。
【図６】第４実施例の燃料電池の積層構造体１ｄを示す断面図。
【符号の説明】
【００７３】
１，１ｂ，１ｃ，１ｄ…積層構造体
１０…電解質膜
１１，１２…凹部
１１…電解質膜１０の水素極側に設けられた凹部
１２…電解質膜１０の酸素極側に設けられた凹部
２０Ａ，２０Ｃ…触媒電極層
３０Ａ…水素極側の拡散層
３０Ｃ，３０Ｃｂ，３０Ｃｃ…酸素極側の拡散層
３１Ｃｂ，３１Ｃｃ…酸素極側の拡散層の貫通穴
３２Ｃ，３２Ｃｂ，３２Ｃｃ…拡散層の実体部
４０…燃料ガス流路
４１…発泡金属層
５０，５０ｄ…酸化ガス流路
５１…膜電極接合体ＭＥＡ側の発泡金属層
５２…セパレータ８０側の発泡金属層
６０，６０ｃ…調整層
６１，６１ｃ，６１ｄ…調整層の貫通穴
６２，６２ｃ…実体部
７０…水素極側のセパレータ
８０，８０ｄ…酸素極側のセパレータ
Ｅｎａ…燃料ガス流路４０の入口
Ｅｎｃ…酸化ガス流路４０の入口
Ｅｘａ…燃料ガス流路５０の出口
Ｅｘｃ…酸化ガス流路５０の出口
Ｇａ…燃料ガス（水素）
Ｇｃ１…酸化ガス（空気）
Ｇｃ３，Ｇｃ３ｂ〜Ｇｃ３ｄ…酸化ガス（空気）
Ｇｃ４，Ｇｃ４ｃ…酸化ガス（空気）
ＭＥＡ…膜電極接合体
【図１】
2007048538.tif 000003
【図２】
2007048538.tif 000004
【図３】
2007048538.tif 000005
【図４】
2007048538.tif 000006
【図５】
2007048538.tif 000007
【図６】
2007048538.tif 000008