(57)【要約】【課題】      発電効率を向上させることが可能な、燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜１及び当該電解質膜１の両側に配設される電極層２２、２３を備える積層体２５と、積層体２５の外側に配設されるセパレータ６ａ、６ｂとを備え、電極層２２、２３に、導電性炭素材料５１、５１、…と当該導電性炭素材料５１、５１、…に担持された触媒５２、５２、…とを備える電極触媒５３、５３、…が備えられるとともに、電解質膜１とセパレータ６ａ、６ｂとの間に、導電性炭素材料５１、５１、…よりも低電位で酸化されるとともにプロトン及び電子を供給可能な犠牲材料５５、５５、…が、備えられる、燃料電池２００とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜及び該電解質膜の両側に配設される電極層を備える積層体と、該積層体の外側に配設されるセパレータとを備え、
前記電極層に、導電性炭素材料と該導電性炭素材料に担持された触媒とを備える電極触媒が備えられるとともに、
前記電解質膜と前記セパレータとの間に、前記導電性炭素材料よりも低電位で酸化されるとともにプロトン及び電子を供給可能な犠牲材料が、備えられることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記電極層が、触媒層と拡散層とを備え、
前記犠牲材料が、前記触媒層及び／又は前記拡散層に備えられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電極層に、前記犠牲材料を備える犠牲材料層が備えられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記犠牲材料層が、前記触媒層と前記拡散層との間に配設されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記犠牲材料が、前記導電性炭素材料よりも結晶性の低い炭素材料であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電効率を向上させることが可能な、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるアノード及びカソード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層してセル積層体を形成し、このセル積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
ＰＥＦＣの触媒層には、一般に、電気化学反応の触媒として機能する貴金属微粒子を導電性炭素材料に担持させた電極触媒が備えられる。さらに、アノード及び／又はカソードに拡散層が備えられる場合、当該拡散層はカーボンペーパー等の炭素材料により構成されることがあるほか、セパレータも炭素材料により形成される場合がある。このように、ＰＥＦＣの単セルには、通常、１種類以上の炭素材料が備えられる。
【０００５】
一方、ＰＥＦＣの運転状態に応じて大きく変動するアノード及びカソードの電極電位が、単セルに備えられる炭素材料の腐食電位を超えることがある。かかる電位環境になると、単セル内の炭素材料が腐食し、発電効率が低下する。そのため、ＰＥＦＣの発電効率を向上させるには、単セルに備えられる炭素材料の腐食を抑制することが重要である。
【０００６】
燃料電池に備えられる炭素材料の腐食を抑制することを目的とした技術は、これまでに開示されてきている。例えば、特許文献１には、電極反応を促進する触媒金属、該触媒金属を担持する導電性担体、及び、金属炭化物を備える燃料電池用電極触媒と、該電極触媒を備える燃料電池に関する技術が開示されている。かかる技術によれば、導電性担体の腐食を防止して触媒金属の脱落・遊離を阻止することができ、これにより電池性能を長期に亘って維持できる燃料電池用電極触媒と、当該電極触媒を用いた高性能の燃料電池が提供される、としている。
【特許文献１】特開２００４−１７２１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示されている技術によれば、触媒金属と当該触媒金属を担持する導電性担体とを備える電極触媒自体に、金属炭化物を付着させることで、導電性担体の腐食を阻止している。そのため、導電性の低い金属炭化物によりＩＲ損失が増加し、燃料電池の発電効率が低下する虞があるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、発電効率を向上させることが可能な、燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質膜及び当該電解質膜の両側に配設される電極層を備える積層体と、積層体の外側に配設されるセパレータとを備え、電極層に、導電性炭素材料と当該導電性炭素材料に担持された触媒とを備える電極触媒が備えられるとともに、電解質膜とセパレータとの間に、導電性炭素材料よりも低電位で酸化されるとともにプロトン及び電子を供給可能な犠牲材料が、備えられることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【００１０】
ここに、導電性炭素材料の具体例としては、カーボンブラック等を、触媒の具体例としては、Ｐｔ等の貴金属微粒子を、それぞれ挙げることができる。また、「電解質膜とセパレータとの間」とは、具体的には、電解質膜の電極層側の面、電極層の内部及び表面、セパレータの電極層側の面を意味している。さらに、犠牲材料の具体例としては、結晶性の低いカーボンブラック、結晶性の低いケッチェンブラックの他、炭化カルシウム、炭化タングステン、炭化ニオブ等を挙げることができる。なお、電極触媒と犠牲材料とが同一層内に備えられる形態も本発明の技術的範囲に含まれるが、この場合、犠牲材料は電極触媒に担持されていないものとする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、電極層が、触媒層及び拡散層を備え、犠牲材料が、触媒層及び／又は拡散層に備えられることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、電極層に、犠牲材料を備える犠牲材料層が備えられることを特徴とする。
【００１３】
ここに、犠牲材料層の形態例としては、犠牲材料と当該犠牲材料を分散可能なバインダー成分とを備える層等を挙げることができ、バインダー成分の具体例としては、吸水性樹脂に代表される樹脂等を挙げることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池において、犠牲材料層が、触媒層と拡散層との間に配設されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、犠牲材料が、導電性炭素材料よりも結晶性の低い炭素材料であることを特徴とする。
【００１６】
ここに、結晶性の低い炭素材料の具体例としては、結晶性の低いカーボンブラック、結晶性の低いケッチェンブラック等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、電極層に犠牲材料が備えられている。そのため、犠牲材料が腐食されている間は、電極電位の上昇を遅らせることができ、電極触媒に備えられる導電性炭素材料を始めとする、燃料電池内の炭素材料の腐食を、抑制することが可能になる。また、請求項１に記載の発明によれば、犠牲材料が電極触媒自体に担持されない形態で備えられているので、燃料電池のＩＲ損失が増加し難い。したがって、かかる構成とすることで、発電効率を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、触媒層及び／又は拡散層に、犠牲材料が備えられる。そのため、これらの層に備えられる炭素材料の腐食を効果的に抑制することで、発電効率を向上させることが可能な、燃料電池を提供することが可能になる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、電極層に犠牲材料層が備えられる。そのため、電極層を多層構造とし、一の層に電極触媒を、他の層に犠牲材料を混入することが可能になる。かかる形態とすれば、触媒活性の低下を容易に抑制することが可能になるため、より効果的に発電効率を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、犠牲材料層が触媒層と拡散層との間に配設されている。そのため、上記効果に加えて、さらに、フラッディングの発生を抑制することで発電効率を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、電極触媒に含まれる炭素材料よりも結晶性の低い炭素材料（例えば、結晶性の低いカーボンブラック等）が備えられ、かかる炭素材料は金属炭化物等よりもＩＲ損失が小さい。そのため、このような形態とすることで、発電効率を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ＰＥＦＣは、アノードに水素含有ガス（以下において、「水素」と記述する。）が、カソードに酸素含有ガス（以下において、「空気」と記述する。）がそれぞれ供給され、これらのガスを用いた電気化学反応により得られる電気エネルギーを、外部へ取り出している。後述するように、ＰＥＦＣの単セルにおける電気化学反応では、水（水蒸気）が生成され、高出力時には多量の水が反応により生成される。かかる水の少なくとも一部は、単セルへと供給される空気等により外部へと排出され得るが、例えば、その排出能を超える量の水が生成されると、単セル内がいわゆるフラッディング状態となり、水素濃度の低い水素欠乏領域（以下において、「水素欠」と記述することがある。）がアノード内に形成される。この他、単セルへと供給されるガスを流すべき配管が詰まる等の原因により、アノードの水素濃度が低下して、水素欠になることもある。
【００２３】
このような水素欠状態下で、アノード及び／又はカソードの電極電位が、標準水素電極（Normal hydrogen electrode：ＮＨＥ）を基準にして０．２Ｖ（以下において、「０．２Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）」と記述する。）以上の電位になると、アノード及び／又はカソードの構成部材に含まれる炭素材料（以下において、単に「炭素」と記述する。）が劣化し、ＰＥＦＣの発電効率が低下する。したがって、ＰＥＦＣの発電効率を向上させるためには、構成部材に含まれる炭素の劣化を防止することが望まれる。
【００２４】
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、炭素含有部材を備えるＰＥＦＣに、当該炭素よりも腐食電位が低い犠牲材料が混入された形態のＰＥＦＣとすることにある。当該形態とすることで、電極電位の上昇を抑制し、発電効率を向上させ得る燃料電池を提供している。
【００２５】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池について具体的に説明する。
【００２６】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部を概略的に示す断面図である。図１（Ａ）は、第１実施形態にかかる単セルの一部を概略的に示しており、紙面左右方向が電極層の積層方向である。一方、図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる単セルに備えられるアノード触媒層及びカソード触媒層の一部を拡大して示している。
【００２７】
図１（Ａ）に示すように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１００は、電解質膜１と、当該電解質膜１の両側に配設されるアノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１３ａとを備えるＭＥＡ１４と、ＭＥＡ１４の両側に配設されるアノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂと、これらの外側に配設されるセパレータ６ａ、６ｂとを備えている。セパレータ６ａ、６ｂによって挟まれる積層体１５は、電極層としてのアノード１２及びカソード１３を備えており、アノード１２はアノード触媒層１２ａ及びアノード拡散層１２ｂを、カソード１３はカソード触媒層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを、それぞれ備えている。そして、アノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１３ａには、例えば、電気化学反応の触媒として機能する白金５２、５２、…（以下において、「触媒５２、５２、…」と記述する。）と、導電性炭素材料である炭素粒子（例えば、結晶性の高いカーボンブラック等）５１、５１、…とを備える電極触媒５３、５３、…と、炭素粒子５１、５１、…よりも結晶性の低い炭素粒子５５、５５、…（以下において、「犠牲材５５、５５、…」と記述する。）と、が備えられている（図１（Ｂ）参照）。一方、アノード拡散層１２ｂ及びカソード拡散層１３ｂは、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパーにより構成され、セパレータ６ａ、６ｂを解してＭＥＡ１４側へ締結圧力が加えられている。積層体１５の外側に配置されるセパレータ６ａ、６ｂには、積層体１５側に、それぞれ、反応ガス流路７ａ、７ａ、…、及び、７ｂ、７ｂ、…が形成されており、反応ガス流路７ａ、７ａ、…には水素含有ガス（以下において、「水素」と記述する。）が供給される一方、反応ガス流路７ｂ、７ｂ、…には酸素含有ガス（以下において、「空気」と記述する。）が供給され、これらの反対側の面には冷却媒体流路８、８、…が形成されている。
【００２８】
燃料電池１００の作動時には、反応ガス流路（以下において、単に「流路」と記述することがある。）７ａ、７ａ、…から供給される水素がアノード触媒層１２ａ内に含まれる触媒５２、５２、…上で分解される（電気化学反応が生じる）ことにより、プロトン及び電子が生成され、プロトンは電解質膜１を通過してカソード触媒層１３ａへと達する一方、電子は電解質膜１を迂回してカソード触媒層１３ａへと達する。これに対し、流路７ｂ、７ｂ、…から供給される空気に含まれる酸素がカソード触媒層１３ａへと達し、カソード触媒層１３ａの触媒５２、５２、…上で、酸素と、アノード触媒層１２ａから移動してきたプロトン及び電子とが反応（電気化学反応）することにより、水（水蒸気）が生成される。そして、このようにして生成される水蒸気は、セパレータ６ｂに形成されている流路７ｂ、７ｂ、…へと達する。ここで、セパレータ６ｂは、冷却媒体流路８、８、…内を流れる冷却媒体によって冷却されているため、流路７ｂ、７ｂ、…へと達した水蒸気は、流路７ｂ、７ｂ、…の内壁に触れることにより結露し、液滴の水が生成される。
【００２９】
燃料電池１００の作動時には水が生成され、燃料電池１００の高出力時には多量の水が生成される。燃料電池１００の作動時に生成される水の一部は、流路７ｂ、７ｂ、…へと導入される空気によって外部へ排出され得るが、その排出能力以上の水が燃料電池１００で生成されると、カソード拡散層１３ｂを始めとする積層体１５の構成部材が水浸しとなり、いわゆるフラッディング状態となる。このようにして積層体１５がフラッディング状態になると、アノード１２も水浸しになることが知られている。そして、アノード１２が水浸しになると、流路７ａ、７ａ、…からアノード触媒層１２ａへと向かう水素の流れが妨げられ、アノード１２内に局所的な水素欠が生じる。
【００３０】
アノード１２に局所的な水素欠が生じると、当該水素欠部位では水素の供給が途絶えるため、局所的な発電不能部位が形成される。一方、水素の供給が継続されているアノード１２内の部位では、発電可能であるため、燃料電池１００の内部で電位差が生じ、内部電池が形成される。そして、かかる状態下で、アノード１２の上記水素欠部位と電解質膜１を挟んで対向するカソード１３の電位が、０．２Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上になると、当該カソード１３に含まれる炭素（例えば、カソード触媒層１３ａの炭素粒子５１やカソード拡散層１３ｂの炭素繊維等）が、下記式１で表わされる反応により、劣化する。
Ｃ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ−          （式１）
【００３１】
上記反応により劣化が進行すると、例えば、カソード拡散層１３ｂ自体が無くなる場合があるほか、カソード触媒層１３ａ内で、触媒５２、５２、…が炭素粒子５１、５１、…から遊離して触媒活性が低下する等の原因により、燃料電池１００の発電効率が著しく低下する。そこで、本発明では、かかる発電効率の低下を抑制するため、拡散層を構成する炭素繊維や、触媒層に含まれる炭素粒子よりも低電位で酸化する犠牲材５５、５５、…を混入している。このように、燃料電池１００に、上記特性を有する犠牲材５５、５５、…が備えられれば、炭素繊維や炭素粒子５１、５１、…よりも先に犠牲材５５、５５、…が腐食されることで電位の上昇が抑えられ、燃料電池１００の各構成部材に備えられる炭素の腐食を抑制することが可能になる。したがって、第１実施形態によれば、発電効率を向上させることが可能な燃料電池１００を提供することが可能になる。
【００３２】
他方、例えば、フラッディング状態となって上記流路７ａ、７ａ、…が液滴の水等により詰まると、アノード１２へと供給される水素量が低下し、アノード１２全体が水素欠状態になる場合がある。かかる状態下で、アノード１２の電位が０．２Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上になると、当該アノード１２に含まれる炭素（例えば、アノード触媒層１２ａの炭素粒子５１やアノード拡散層１２ｂの炭素繊維等）が、上記式１で表わされる反応により、劣化する。このようにしてアノード１２に含まれる炭素が劣化すると、アノード拡散層１２ｂ自体がなくなる等の理由により、燃料電池１００の発電効率が著しく低下する。そこで、第１実施形態にかかる燃料電池１００では、カソード触媒層１３ａのみならずアノード触媒層１２ａにも犠牲材５５、５５、…が備えられる形態とすることで、燃料電池の各構成部材に備えられる炭素の劣化を抑制し、発電効率を向上させることが可能な燃料電池１００を提供している。
【００３３】
第１実施形態にかかる上記説明では、アノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１３ａ（以下において、これらをまとめて単に「触媒層」と記述することがある。）に、犠牲材５５、５５、…が備えられている形態について記述したが、犠牲材５５、５５、…が備えられる形態は当該形態に限定されるものではなく、例えば、アノード触媒層又はカソード触媒層の何れか一方にのみ備えられていても良い。但し、アノード１２における局所水素欠状態の発生に起因する炭素の劣化と、アノード１２全体における水素欠状態の発生に起因する炭素の劣化とを共に抑制可能とする観点からは、犠牲材５５、５５、…を備えるアノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１３ａが備えられる形態の、燃料電池１００とすることが好ましい。
【００３４】
さらに、第１実施形態にかかる燃料電池において、犠牲材５５、５５、…は、触媒層以外の部材に備えられていても良い。当該部材の具体例としては、アノード拡散層、カソード拡散層、セパレータ等を挙げることができ、例えば、アノード触媒層、カソード触媒層、アノード拡散層、カソード拡散層、及び、セパレータに犠牲材５５が備えられる形態とすることも可能である。犠牲材５５を備える拡散層とする場合、その作製方法は特に限定されるものではなく、作製方法の具体例としては、犠牲材５５が担持された炭素繊維を焼成することにより、犠牲材５５を備える拡散層とする方法等を挙げることができる。ここで、拡散層に犠牲材５５が備えられる場合、発電性能を低下させない形態で備えられていれば、その形態は特に限定されるものではなく、例えば、拡散層を構成する炭素繊維１００質量部に対して５質量部の犠牲材５５を備える形態等とすることが可能である。
他方、犠牲材５５を備えるセパレータとする場合、その作製方法は特に限定されるものではなく、具体例としては、犠牲材５５が分散されている液体をセパレータへ塗布することにより、セパレータの積層体１５側の面に、犠牲材５５を含有する犠牲材層を形成させる方法等を挙げることができる。
【００３５】
また、第１実施形態にかかる燃料電池に、犠牲材５５、５５、…を備えるアノード触媒層１２ａ及び／又はカソード触媒層１３ａが備えられる場合、触媒層に混入される犠牲材５５、５５、…の質量は、燃料電池１００の発電効率を低下させない質量であれば特に限定されるものではない。但し、触媒層内における反応ガスの拡散性を確保する等の観点から、触媒層内に混入される犠牲剤５５の質量は、１００質量部の触媒５２、５２、…に対して、１０質量部以下とすることが好ましい。
【００３６】
２．第２実施形態
図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部を概略的に示す断面図である。図２（Ａ）は、第２実施形態にかかる単セルの一部を概略的に示しており、紙面左右方向が電極層の積層方向である。一方、図２（Ｂ）は、第２実施形態にかかる単セルに備えられるアノード触媒層及びカソード触媒層の一部を拡大して示している。他方、図３は、第２実施形態にかかる単セルに備えられる犠牲材料層の一部を示す拡大図である。図２及び図３において、図１に示す燃料電池と同じ構成を採る物質・部材には、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、第２実施形態にかかる燃料電池を作動させても、上記第１実施形態にかかる燃料電池と同様に水が生成され、水素欠状態が起こり得るが、その原理は第１実施形態にかかる燃料電池と同様であるため、第２実施形態にかかる説明において、水の生成及び水素欠状態の原理に関する記述は、適宜省略する。以下、図２及び図３を参照しつつ、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。
【００３７】
図２（Ａ）に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池２００は、電解質膜１と、当該電解質膜１の両側に配設されるアノード触媒層２２ａ及びカソード触媒層２３ａとを備えるＭＥＡ２４と、ＭＥＡ２４の両側に配設される犠牲材料層２９、２９と、当該犠牲材料層２９、２９の外側に配設されるアノード拡散層２２ｂ及びカソード拡散層２３ｂと、これらの外側に配設されるセパレータ６ａ、６ｂとを備えている。セパレータ６ａ、６ｂによって挟まれる積層体２５は、電極層としてのアノード２２及びカソード２３（以下において、「電極層２２、２３」と記述することがある。）を備えており、アノード２２はアノード触媒層２２ａ、犠牲材料層２９、及び、アノード拡散層２２ｂを、カソード２３はカソード触媒層２３ａ、犠牲材料層２９、及び、カソード拡散層２３ｂを、それぞれ備えている。そして、アノード触媒層２２ａ及びカソード触媒層２３ａ（以下において、「触媒層２２ａ、２３ａ」と記述することがある。）には、例えば、電気化学反応の触媒として機能する触媒５２、５２、…と、導電性炭素材料である炭素粒子５１、５１、…とを備える電極触媒５３、５３、…が備えられており（図２（Ｂ）参照）、アノード拡散層２２ｂ及びカソード拡散層２３ｂ（以下において、まとめて「拡散層」と記述することがある。）は、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパーにより構成されている。一方、図３に示すように、犠牲材料層２９、２９は、犠牲材５５、５５、…が、吸水性樹脂（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等。Ｎａｆｉｏｎは、米国デュポン社の登録商標。）５６に被覆されることにより構成されている。
【００３８】
このように、電極層２２、２３が、電極触媒５３、５３、…を備える触媒層２２ａ、２３ａと、犠牲材５５、５５、…を備える犠牲材料層２９、２９と、を備えていても、犠牲材５５、５５、…の腐食電位は、拡散層を構成する炭素繊維や上記炭素粒子５１、５１、…よりも低いので、電極層２２、２３の電位上昇を遅らせることができる。そのため、かかる形態であっても、触媒層２２ａ、２３ａ、拡散層２２ｂ、２３ｂ等に含まれる炭素の劣化を抑制することが可能になり、発電効率を向上させ得る燃料電池２００を提供することが可能になる。
【００３９】
第２実施形態にかかる燃料電池２００において、犠牲材料層２９、２９に備えられる犠牲材５５、５５、…の形態は特に限定されるものではないが、発電効率を効果的に向上可能な燃料電池２００とする観点から、ＪＩＳ  Ｌ１９０８：２０００「ジオテキスタイル試験方法」に準拠した方法により測定される、犠牲材５５、５５、…の目付けを、０．２〜０．４ｍｇ／ｃｍ２程度とすることが好ましい。また、同様の観点から、犠牲材料層２９、２９は、１００質量部の犠牲材５５、５５、…を、５０〜８０質量部の吸水性樹脂５６へ分散する等の方法により作製することが好ましい。
【００４０】
第２実施形態にかかる上記説明では、吸水性樹脂５６、５６を備える形態の犠牲材料層２９、２９について記述したが、本発明に備えられ得る犠牲材料層の形態は、犠牲材５５、５５、…を含んでいれば当該形態に限定されるものではない。但し、電極層の電位上昇を遅らせることによる発電効率向上に加えて、フラッディング抑制による発電効率向上効果を得るという観点からは、上記犠牲材５５、５５、…と、吸水性樹脂５６、５６、…とを備える形態の犠牲材料層２９、２９とすることが好ましい。
【００４１】
第２実施形態にかかる上記説明では、電極層２２、２３に、犠牲材料層２９、２９が備えられている形態について記述したが、犠牲材料層２９、２９の配置形態は当該形態に限定されるものではなく、電極層２２又は電極層２３にのみ犠牲材料層２９、２９が備えられていても良い。
また、上記説明では、触媒層２２ａ、２３ａと拡散層２２ｂ、２３ｂとの間に犠牲材料層２９、２９が配設されている形態について記述したが、犠牲材料層２９、２９の配設形態は当該形態に限定されるものではなく、例えば、拡散層２２ｂ、２３ｂとセパレータ６ａ、６ｂとの間に配設されていても良い。かかる形態であっても、燃料電池に備えられる炭素の劣化を抑制することが可能であるため、発電効率を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。但し、フラッディング抑制による発電効率向上をも可能にするという観点からは、犠牲材料層２９、２９を、触媒層２２ａ、２３ａ、と拡散層２２ｂ、２３ｂとの間に配設することが好ましい。
加えて、上記説明では、電極層２２、２３に、同一形態の犠牲材料層２９、２９が備えられる形態について記述したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、電極層２２に備えられる犠牲材料層と電極層２３に備えられる犠牲材料層とは、異なる形態であっても良い。
【００４２】
さらに、第２実施形態にかかる上記説明では、犠牲材料層２９、２９以外の構成部材に犠牲材５５、５５、…が混入されていない形態の燃料電池について記述したが、第２実施形態にかかる燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、犠牲材料層２９、２９以外の構成部材（例えば、触媒層、拡散層、セパレータ等）に犠牲材５５、５５、…が混入されていても良い。かかる形態とすれば、より多くの犠牲材５５、５５、…を備える燃料電池２００とすることが可能になるため、当該各構成部材に備えられ得る炭素の劣化をより一層抑制することが可能になる。
【００４３】
本発明において、燃料電池に備えられ得る犠牲材は、燃料電池に備えられる炭素材料の中で最も低電位で腐食されるものよりも、低い電位で腐食される材料であり、かつ、ＩＲ損失を増加させ難い材料であれば、特に限定されるものではない。当該犠牲材の具体例としては、結晶性の低い炭素材料の他、炭化カルシウム、炭化タングステン、炭化ニオブ等を挙げることができる。これらの中でも、ＩＲ損失が小さい材料を用いることで発電効率を向上させ得る燃料電池を容易に提供可能とする観点から、結晶性の低い炭素材料を犠牲材として用いることが好ましい。結晶性の低い炭素材料の具体例としては、ＣＡＢＯＴ社製のｖｕｌｃａｎ ＸＣ７２Ｒ、東海カーボン株式会社製のトーカブラック＃５５００、並びに、ケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製のｋｅｔｊｅｎＥＣ、及び、ｋｅｔｊｅｎＥＣ６００ＪＤ等を挙げることができる。なお、本発明において、炭素材料を犠牲材として利用する場合、当該犠牲材は、燃料電池に備えられる他の炭素材料の中で最も結晶性が低いものよりもさらに低い結晶性を有していれば、その具体的な結晶性は特に限定されない。
【００４４】
また、本発明において、犠牲材が構成部材に備えられる形態の燃料電池とする場合、当該犠牲材が備えられる構成部材（例えば、触媒層、拡散層、セパレータ）の形態は特に限定されるものではなく、通常のＰＥＦＣにおいて使用される形態の構成部材等を適宜使用可能である。さらに、本発明において、犠牲材料層にのみ犠牲材を混入し、他の構成部材には犠牲材が備えられない場合、犠牲材を備えない構成部材（例えば、触媒層、拡散層、セパレータ）の形態も特に限定されるものではなく、通常のＰＥＦＣにおいて使用される形態の構成部材を適宜使用可能である。
【００４５】
上記説明では、アノード拡散層及びカソード拡散層が備えられている形態の燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、一方又は両方の拡散層が備えられていない形態であっても良い。
また、上記説明では、積層体側に反応ガス供給路が形成されている形態のセパレータを備える燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、例えば、反応ガス供給路が形成されていないフラットタイプのセパレータがアノード側及び／又はカソード側に備えられている形態であっても良い。かかる形態の燃料電池とする場合には、フラットタイプのセパレータと当接すべき層（上記第１及び第２実施形態にかかる燃料電池では、アノード拡散層及びカソード拡散層）を、めっき法や発泡法等により製造されるステンレス鋼、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属等の多孔体により形成し、セパレータと当接すべき層に反応ガスが供給される形態の燃料電池とすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部を概略的に示す断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部を概略的に示す断面図である。
【図３】犠牲材料層の一部を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  電解質膜
６ａ、６ｂ  セパレータ
１２、２２  アノード
１２ａ、２２ａ  アノード触媒層（触媒層）
１２ｂ、２２ｂ  アノード拡散層（拡散層）
１３、２３  カソード
１３ａ、２３ａ  カソード触媒層（触媒層）
１３ｂ、２３ｂ  カソード拡散層（拡散層）
１４、２４  ＭＥＡ
１５、２５  積層体
２９  犠牲材料層
５１  炭素粒子（導電性炭素材料）
５２  触媒
５３  電極触媒
５５  犠牲材料
１００、２００  燃料電池
【図１】
2007059253.tif 000003
【図２】
2007059253.tif 000004
【図３】
2007059253.tif 000005