(57)【要約】【課題】湿潤度が相対的に高い領域におけるフラッディングを抑制するのに有利な膜電極接合体および燃料電池を提供することを課題とする。【解決手段】膜電極接合体１は、イオン伝導膜２と、イオン伝導膜２の厚み方向の片側に配置された燃料極３と、イオン伝導膜２の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤極４とをもつ。燃料極３および酸化剤極４のうちの少なくとも一方は、湿潤度が相対的に高い第１領域５１と、第１領域５１よりも湿潤度が相対的に低いか乾燥度が高い第２領域５２とを備えている。水分伝達要素７は第１領域５１と第２領域５２とを繋ぐように配置され、水透過性をもつ。水分伝達要素７は、第１領域５１の過剰の水分を第２領域５２に伝達する。【選択図】図４
2007305335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導膜と、前記イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料極と、前記イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤極とを具備する膜電極接合体において、
前記燃料極および前記酸化剤極のうちの少なくとも一方は、湿潤度が相対的に高い第１領域と、前記第１領域よりも相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域とを備えており、更に、
前記第１領域と前記第２領域とを繋ぐように配置され、水透過性をもち前記第１領域の水分を前記第２領域に伝達する水分伝達要素を備えていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
請求項１において、前記水分伝達要素は、前記燃料極および前記酸化剤極のうちの少なくとも一方の外縁部に沿って配置されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項３】
請求項１または２において、前記水分伝達要素は帯状または線状に延設されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記水分伝達要素は前記イオン伝導膜と同一の材料、前記イオン伝導膜と同系の材料、多孔質材料、不織布材料、織布材料および紙質材料のうちの少なくともいずれか一つで形成されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記第１領域は前記酸化剤極における酸化剤出口付近であり、前記第２領域は前記酸化剤極における酸化剤入口付近であることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記第１領域は前記第２領域よりも上側に配置されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項７】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記第１領域は前記第２領域よりも下側に配置されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項８】
請求項１〜７のうちのいずれか一項に係る膜電極接合体と、前記膜電極接合体の燃料極に対面する燃料流路をもつ燃料配流要素と、前記膜電極接合体の酸化剤極に対面する酸化剤流路をもつ酸化剤配流要素とを備えてい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】
本発明は膜電極接合体および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜電極接合体は、イオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤極とを備えいる（特許文献１）。このものによれば、酸化剤極は、導電性繊維からなるガス拡散層と、触媒を有する触媒層とで形成されている。そして、ガス拡散層の周縁部の導電性繊維のほつれを防止するため、ガス拡散層の周縁部に樹脂組成物が含浸されている。この場合、ガス拡散層の周縁部の導電性繊維のほつれを防止するため、ガス拡散層の周縁部の全周に樹脂組成物を含浸させる必要がある。
【０００３】
特許文献２によれば、固体電解質膜とガス拡散層との間に接着剤浸透層が配置されている。特許文献３によれば、導電性カーボンと水素イオン伝導性高分子電解質からなる接着層が触媒層と固体電解質膜との間に配置されている燃料電池が開示されている。特許文献４によれば、固体高分子膜とその両側のガス拡散層とを熱圧着もしくは接着剤により接着した固体高分子型の燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−８５５９４号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０９５号公報
【特許文献３】特開２００４−２１４０４５号公報
【特許文献４】特開２００５−２１６５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した膜電極接合体によれば、発電条件によっては、湿潤度が相対的に高い第１領域と、第１領域よりも湿潤度が相対的に低いか乾燥度が高い第２領域とが発生するおそれがある。
【０００５】
湿潤度のバラツキが発生する要因としては、膜電極接合体における発電反応により生成される水分布のバラツキが考えられる。即ち、発電反応により生成された水は、反応ガスと共に上流側から下流側に持ち去られるため、下流側では湿潤度が高くなる。これに対して反応ガスの上流側では水が下流側に持ち去られるため、上流側では湿潤度が低下したり、乾燥度が高くなったりするおそれがある。
【０００６】
このように膜電極接合体によれば、反応ガスの下流側では水が多くなる。水が多い場合には、フラッディングが発生するおそれがある。フラッディングとは、反応ガスが流れる流路を水が狭めたり塞いだりすることをいう。
【０００７】
更に、湿潤度のバラツキが発生する他の要因としては、膜電極接合体に供給する反応ガスを加湿する場合には、加湿の程度も影響することがある。
【０００８】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、湿潤度が相対的に高い領域におけるフラッディングを抑制するのに有利な膜電極接合体および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】
（１）様相１に係る膜電極接合体は、イオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤極とを具備する膜電極接合体において、燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方は、湿潤度が相対的に高い第１領域と、第１領域よりも湿潤度が相対的に低いか乾燥度が高い第２領域とを備えており、更に、
第１領域と第２領域とを繋ぐように配置され、水透過性をもち第１領域の水分を第２領域に伝達する水分伝達要素を備えていることを特徴とする。
【００１０】
水分伝達要素は水透過性を持ち、第１領域と第２領域とを繋ぐように配置されている。このため、第１領域において湿潤度が高いときであっても、湿潤度が高い第１領域における過剰の水分を、湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域に向けて、水分伝達要素は伝達する。このため第１領域の湿潤度が過剰になることが抑制され、第１領域におけるフラッディングが抑制される。従って、第１領域における反応ガスの通過性が維持される。これにより第１領域における発電反応が良好となる。
【００１１】
更に水分伝達要素から第２領域に水分が補充される。このため、湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。従って、第２領域における発電反応が良好となる。水分は一般的には液相としての水を意味する。
【００１２】
（２）様相２に係る膜電極接合体によれば、様相１において、水分伝達要素は、燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方の外縁部に沿って配置されていることを特徴とする。水分伝達要素は燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方の外縁部に沿って第１領域の水分を第２領域へ伝達させることができる。このように水分伝達要素は燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方の外縁部に沿って配置されているため、膜電極接合体の発電面積が良好に確保される。
【００１３】
（３）様相３に係る膜電極接合体によれば、様相１または様相２において、水分伝達要素は帯状または線状に延設されていることを特徴とする。このように水分伝達要素は燃料極および酸化剤極のうちの少なくともにおいて帯状または線状に延設されているため、膜電極接合体の発電面積が良好に確保される。
【００１４】
（４）様相４に係る膜電極接合体によれば、様相１〜様相３のうちのいずれかにおいて、水分伝達要素は、イオン伝導膜と同一の材料、イオン伝導膜と同系の材料、多孔質材料、不織布材料、織布材料および紙質材料のうちの少なくともいずれか一つで形成されていることを特徴とする。このような水分伝達要素は水透過性をもつ。このため、水分伝達要素は、湿潤度が相対的に高い第１領域の水分を第２領域へ伝達させることができる。従って、第１領域において過剰な水分を低減できると共に、第２領域において水分を補充できる。
【００１５】
（５）様相５に係る膜電極接合体によれば、様相１〜様相４のうちのいずれかにおいて、第１領域は酸化剤極における酸化剤出口付近であり、第２領域は酸化剤極における酸化剤入口付近であることを特徴とする。酸化剤出口付近は、反応ガスにより水が持ち込まれるため、酸化剤入口付近よりも湿潤度が高くなり易い。これに対して、酸化剤入口付近は、水が持ち去られるため、酸化剤出口付近よりも湿潤度が低くなり易いか乾燥度が高くなり易い。水分伝達要素は、酸化剤出口付近の過剰の水分を酸化剤入口付近に伝達させることができる。従って、酸化剤出口付近におけるフラッディングが抑制され、酸化剤出口付近における発電反応が確保される。更に湿潤度が低くなりがちの酸化剤入口に水分伝達要素を介して水分が補充されるため、酸化剤入口における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。
【００１６】
（６）様相６に係る膜電極接合体によれば、様相１〜様相５のうちのいずれかにおいて、第１領域は第２領域よりも上側に配置されていることを特徴とする。このように湿潤度が相対的に高い第１領域は、第１領域よりも相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域よりも上側に配置されている。従って、重力を併用して水分伝達要素を介して第１領域から第２領域へと水分を伝達させることができる。
【００１７】
（７）様相７に係る膜電極接合体によれば、様相１〜様相５のうちのいずれかにおいて、第１領域は第２領域よりも下側に配置されていることを特徴とする。このように湿潤度が相対的に高い第１領域は、第１領域よりも相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域よりも下側に配置されている。従って、水分伝達要素の水透過性を利用して第１領域から第２領域へと水分を伝達させることができる。
【００１８】
（８）様相８に係る燃料電池は、前記した各様相のいずれかに係る膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極に対面する燃料配流要素と、膜電極接合体の酸化剤極に対面する酸化剤配流要素とを備えていることを特徴とする。燃料配流要素は膜電極接合体の燃料極に燃料を供給する。酸化剤配流要素は膜電極接合体の酸化剤極に酸化剤を供給する。燃料電池の内部には水が生成される。第１領域は第２領域よりも湿潤度が相対的に高い。水分伝達要素は水透過性をもち、第１領域と第２領域とを繋ぐように配置されている。このため、第１領域の過剰水分を第２領域に伝達することができる。このため第１領域の湿潤度が過剰になることが抑制されるため、第１領域におけるフラッディングが抑制される。更に、相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域に、水分伝達要素を介して水分が補充されるため、第２領域における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、湿潤度が相対的に高い第１領域におけるフラッディングが抑制される。更に、湿潤度が相対的に低い第２領域において、水分伝達要素から水分が補充されるため、第２領域における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。この結果、第１領域および第２領域における発電ムラが低減または抑制され、燃料電池の発電出力を向上させるのに有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る膜電極接合体は、イオン伝導膜（プロトン伝導膜）と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤極とを備えている。イオン伝導膜としては、炭化フッ素系の高分子材料、炭化水素系の高分子剤材料等が例示される。具体的にはパーフルオロスルホン酸系の樹脂が例示される。燃料極としては、多孔質性をもつ燃料用ガス拡散層と、イオン伝導膜に対面する燃料用触媒層とを備えている形態が例示される。酸化剤極としては、多孔質性をもつ酸化剤ガス拡散層と、イオン伝導膜に対面する酸化剤用触媒層とを備えている形態が例示される。
【００２１】
酸化剤極燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方は、湿潤度が相対的に高い第１領域と、相対的に第１領域よりも湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域とを備えている。湿潤度が高いとは液相状態の水が多いことを意味する。水分伝達要素は第１領域と第２領域とを繋ぐように配置されており、水透過性をもつ。水分伝達要素は第１領域の水分を第２領域に伝達することができる。水分伝達要素としては、燃料極および酸化剤極のうちの少なくとも一方の外縁部に沿って配置されている形態が例示される。水分伝達要素としては帯状または線状に延設されている形態が例示されるが、これらに限定されるものではない。
【００２２】
水分伝達要素としては、イオン伝導膜と同一の材料、イオン伝導膜と同系の材料、多孔質材料、不織布材料、織布材料および紙質材料のうちの少なくともいずれか一つで形成されている形態が例示される。水分伝達要素がイオン伝導膜と同一の材料、イオン伝導膜と同系の材料で形成されている場合には、水分伝達要素とイオン伝導膜との一体接合性が向上する。水分伝達要素としては、イオン伝導膜と同一の材料、イオン伝導膜と同系の材料を溶解または分散させた液状物を酸化剤極または燃料極に塗布することにより形成する形態が例示される。不織布材料は繊維同士を絡めた材料である。織布材料は繊維同士を織物により絡めた材料である。紙質材料としては西洋紙、和紙が例示される。多孔質材料に含まれる気孔としては、連続孔の頻度が高いことが好ましい。なお水分伝達要素としては、シート状、テープ状が例示されるが、イオン伝導膜と同一の材料、あるいは、イオン伝導膜と同系の材料を塗布した任意の塗布形状で形成しても良い。
【００２３】
水分伝達要素としては、接着性を有していても良いし、接着性を有していなくても良い。接着性を有していれば、膜電極接合体の接合性および一体性が向上し、膜電極接合体を操作するときにおける膜電極接合体のハンドリング性が向上する。第１領域としては、酸化剤極における酸化剤出口付近であり、第２領域としては酸化剤極における酸化剤入口付近である形態が例示される。あるいは、第１領域としては燃料極における燃料出口付近であり、第２領域としては燃料極における燃料入口付近である形態が例示される。この場合、燃料極において、湿潤度が相対的に高い第１領域におけるフラッディングが抑制される。更に、相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域に水分伝達要素を介して水分が補充される。このため、第２領域における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。この結果、第１領域および第２領域における発電ムラが低減または抑制され、燃料電池の発電出力が向上する。
【実施例１】
【００２４】
以下、本発明の実施例１について図１〜図５を参照して説明する。図１は、本実施例の膜電極接合体１の断面を示す。図２はその部分拡大図を示す。図１に示すように、膜電極接合体１は、イオン伝導性をもつシート状のイオン伝導膜２（プロトン伝導膜）と、イオン伝導膜２の厚み方向の片側に配置されたシート状の燃料極３と、イオン伝導膜２の厚み方向の他の片側に配置されたシート状の酸化剤極４とを備えている。イオン伝導膜２は、含水性をもつ炭化フッ素系の高分子材料で形成された薄い膜であり、具体的には、パーフルオロスルホン酸系の樹脂（ナフィオン膜）で形成されている。
【００２５】
燃料極３は、炭素繊維の集合体で形成され多孔質性をもつシート状の燃料用ガス拡散層３０と、イオン伝導膜２に対面する燃料用触媒層３２とを備えている。酸化剤極４は、炭素繊維の集合体で形成され多孔質性をもつシート状の酸化剤ガス拡散層４０と、イオン伝導膜２に対面する酸化剤用触媒層４２とを備えている。酸化剤用触媒層４２および燃料用触媒層３２は、白金や白金合金等の触媒を有する。
【００２６】
図１に示すように、イオン伝導膜２の長さはＬ１として示される。燃料用ガス拡散層３０の長さ、酸化剤ガス拡散層４０の長さはＬ２として示される。酸化剤用触媒層４２の長さ、燃料用触媒層３２の長さはＬ３として示される（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）。
【００２７】
図２に示すように、酸化剤極４の主要素である酸化剤ガス拡散層４０の外縁部４４の表面４８のうち、酸化剤用触媒層４２に対面していない非対面領域４０ｋに、水分伝達要素７は対面している。水分伝達要素７は、水透過性および接着性を有する。このような水分伝達要素７は、酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部４４に形成されている非対面領域４０ｋと、イオン伝導膜２の外縁部とを接合しているため、酸化剤用ガス拡散層４０とイオン伝導膜２との一体接合性を高めている。また、上記したように水分伝達要素７は、酸化剤用ガス拡散層４０のうち酸化剤用触媒層４２に対面していない非対面領域４０ｋに配置されているため、酸化剤用触媒層４２における発電面積が確保され、燃料電池の発電出力を高めるのに有利となる。
【００２８】
図３に示すように、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０は、下辺部４０ｄと、下辺部４０ｄに対向する上辺部４０ｕと、互いに対向する２つの側辺部４０ｓとをもつ。図４に示すように、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０は、第２領域５２よりも湿潤度が相対的に高い第１領域５１と、第１領域５１よりも湿潤度が相対的に低いか乾燥度が高い第２領域５２とを備えている。第１領域５１は、酸化剤極４における酸化剤出口６２付近である。第２領域５２は、酸化剤極４における酸化剤入口６１付近である。図４に示すように、第１領域５１は第２領域５２よりも下側に配置されている。
【００２９】
図４に示すように、水分伝達要素７は、第１領域５１と第２領域５２とを繋ぐように配置されており、前記したように水透過性および吸水性をもつ。従って、第１領域５１において水分が過剰であり、第２領域５２において水分が過少であるとき、水分伝達要素７は、第１領域５１の過剰の水分を第２領域５２に伝達することができる。
【００３０】
更に説明を加える。水分伝達要素７は、図４に示すように、酸化剤極４の酸化剤ガス拡散層４０の下辺部４０ｄ（外縁部）に沿って配置された横型の第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の酸化剤ガス拡散層４０の一方の側辺部４０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第２水分伝達要素７２とを有する。
【００３１】
第１水分伝達要素７１は、幅Ｋ１をもつ帯状または線状に延設されている。第２水分伝達要素７２は、幅Ｋ２をもつ帯状または線状に延設されている。第１水分伝達要素７１の端部７１ｍおよび第２水分伝達要素７２の端部７２ｍは、互いに繋がっている。これにより第１水分伝達要素７１から第２水分伝達要素７２にかけての水透過性が維持されている。
【００３２】
水分伝達要素７は、イオン伝導膜２（ナフィオン膜）と同一の高分子材料（パーフルオロスルホン酸系の樹脂）を有機溶媒（溶媒）に溶かした溶液を、酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の表面４８に塗布し、乾燥させることにより形成されている。このような水分伝達要素７は接着性を有するため、膜電極接合体１の外縁部の接合性および一体性が向上し、膜電極接合体１のハンドリング性が向上する。
【００３３】
図５に示すように、固体高分子形の燃料電池は、上記した膜電極接合体１と、膜電極接合体１の燃料極３に対面する燃料セパレータとも呼ばれる燃料配流要素８１と、膜電極接合体１の酸化剤極４に対面する酸化剤セパレータとも呼ばれる酸化剤配流要素８５とを備えている。燃料配流要素８１は、燃料極３に対面する溝状の燃料流路８２をもつ。酸化剤配流要素８５は、酸化剤極４に対面する溝状の酸化剤流路８６をもつ。
【００３４】
使用の際には、加湿器で加湿された酸化剤ガス（空気）が酸化剤配流要素８５の酸化剤流路８６に供給されると共に、燃料ガス（水素ガス、水素含有ガス）が燃料配流要素８１の燃料流路８２に供給される。酸化剤ガスおよび燃料ガスは加湿されていなくても良いし、あるいは、加湿されていても良い。これにより膜電極接合体１で発電反応が発生して電気エネルギが生成される。発電反応に伴い、水が膜電極接合体１の酸化剤極４で生成される。酸化剤極４で生成された水は、水の濃度分布があれば、イオン伝導膜２をこれの厚み方向に透過し、膜電極接合体１の燃料極３にも浸透することがある。酸化剤ガスと共に生成水は、酸化剤極４の下流側（酸化剤出口６２側）に移動する。このため、酸化剤極４の酸化剤出口６２付近、つまり、第１領域５１においては生成水がリッチとなる。故に、酸化剤出口６２付近における湿潤度が高くなる。
【００３５】
これに対して、酸化剤ガスは酸化剤入口６１から供給されて下流側に向けて流れるため、酸化剤入口６１付近、つまり第２領域５２において生成した水は、酸化剤ガスにより下流に持ち去られる。故に、酸化剤入口６１付近、つまり第２領域５２においては水が乏しくなる。よって、酸化剤入口６１付近における湿潤度が低くなる。従って、膜電極接合体１によれば、第２領域５２における湿潤度が相対的に低くなるかあるいは乾燥度が高くなる。
【００３６】
以上説明したように本実施例によれば、図４に示すごとく、水分伝達要素７は、第２領域５２よりも相対的に湿潤度が高い第１領域５１と、第１領域５１よりも相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域５２とを繋ぐように配置されている。この水分伝達要素７は水透過性および吸水性をもつ。このため、湿潤度が相対的に高い第１領域５１の水分は、水分伝達要素７を介して、相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域５２に向けて伝達させることができる。
【００３７】
即ち、第１領域５１と第２領域５２とにおける水分濃度差に起因して、第１領域５１の過剰の水分が水分伝達要素７に移動する。更に、過剰の水分は水分伝達要素７に沿って第１領域５１から第２領域５２に向けて移動し、水分伝達要素７から第２領域５２に移動する。このため本実施例によれば、酸化剤極４における第１領域５１の湿潤度が過剰になることが抑制され、第１領域５１におけるフラッディングが抑制される。更に、湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域５２に水分が水分伝達要素７を介して補充される。このため、第２領域５２における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。この結果、第１領域５１および第２領域５２における発電ムラが低減または抑制され、固体高分子形の燃料電池の発電出力が向上する。
【００３８】
更に図３に示すように、水分伝達要素７は、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の下辺部４０ｄに沿って配置された第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の一方の側辺部４０ｓに沿って配置された第２水分伝達要素７２とを有する。このため、水分伝達要素７は、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部を補強することができる。ひいては膜電極接合体１のハンドリング性を高めることができる。殊に、水分伝達要素７は接着性を有するため、膜電極接合体１の外縁部における一体性を高めることができ、ひいては膜電極接合体１のハンドリング性を高めることができる。
【００３９】
更に本実施例によれば、図３に示すように、水分伝達要素７と同一または同系の材料で形成された接着部７Ｂは、散点状に酸化剤用ガス拡散層４０の表面４８に間隔を隔てて設けられている。接着部７Ｂは水透過性および接着性を有する。このような接着部７Ｂは、酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部４４に形成されている非対面領域４０ｋと、イオン伝導膜２の外縁部とを接合しているため、酸化剤用ガス拡散層４０とイオン伝導膜２との一体接合性を高めている。更に図２に示すように、接着部７Ｂは、燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の外縁部３４に形成されている非対面領域３０ｋと、イオン伝導膜２の外縁部とを接合しているため、燃料用ガス拡散層３０とイオン伝導膜２との一体接合性を高めている。この結果、膜電極接合体１の外縁部における接着性および一体性を更に高めることができ、膜電極接合体１のハンドリング性を更に高めることができる。
【実施例２】
【００４０】
図６および図７は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。共通する部位には共通の符号を付する。燃料極３における燃料ガスの流れ方向と、酸化剤極４における酸化剤ガスの流れ方向とは基本的には同じ向きとされている。図６および図７に示すように、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部ばかりか、燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の外縁部においても、水分伝達要素７は設けられている。水分伝達要素７は、前記した第１領域５１と第２領域５２とを繋ぐように配置されており、水透過性および吸水性をもつ。
【実施例３】
【００４１】
図８は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図８に示すように、水分伝達要素７は、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の下辺部４０ｄに沿って配置された横型の第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の一方の側辺部４０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第２水分伝達要素７２と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の上辺部４０ｕ（外縁部）に沿って配置された横型の第３水分伝達要素７３と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の他方の側辺部４０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第４水分伝達要素７４とを有する。
【００４２】
このため、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部を水分伝達要素７により補強することができる。ひいては膜電極接合体１のハンドリング性を高めることができる。殊に、水分伝達要素７は、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の全周にわたり配置されているため、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部を補強することができる。なお水分伝達要素７は、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の表面４８に設けられている。
【実施例４】
【００４３】
図９は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図９に示すように、水分伝達要素７は、酸化剤用ガス拡散層４０の上辺部４０ｕ（外縁部）に沿って配置された横型の第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の他方の側辺部４０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第２水分伝達要素７２とを有する。水分伝達要素７は水透過性および吸水性をもつ。このため、相対的に湿潤度が高い第１領域５１の水分は、相対的に湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域５２に向けて伝達させることができる。
【００４４】
本実施例によれば、酸化剤極４における水分の濃度差に起因して、水分が第１領域５１から第２領域５２に向けて水分伝達要素７に沿って移動するものである。このため酸化剤極４における第１領域５１の湿潤度が過剰になることが抑制され、第１領域５１におけるフラッディングが抑制される。更に、湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域５２において水分が水分伝達要素７を介して補充される。このため、第２領域５２における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。この結果、第１領域５１および第２領域５２における発電ムラが低減または抑制され、燃料電池の発電出力が向上する。このため酸化剤極４の外縁部を補強することができ、ひいては膜電極接合体１のハンドリング性を高めることができる。
【実施例５】
【００４５】
図１０は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図１０に示すように、水分伝達要素７Ｃは、帯状または線状の不織布材料、織布材料または紙質材料で形成されており、水透過性および吸水性をもつ。不織布材料、織布材料または紙質材料は多孔質材料でもある。水分伝達要素７Ｃは接着剤を介して酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の表面４８に貼り合わされている。
【００４６】
図１０に示すように、水分伝達要素７Ｃは、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の下辺部４０ｄ（外縁部）に沿って配置された横型の第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の一方の側辺部４０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第２水分伝達要素７２と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の上辺部４０ｕ（外縁部）に沿って配置された横型の第３水分伝達要素７３と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の他方の側辺部４０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第４水分伝達要素７４とを有する。このため、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部（外縁部の全体）を補強することができる。ひいては膜電極接合体１のハンドリング性を高めることができる。
【００４７】
殊に、水分伝達要素７Ｃは、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の全周にわたり配置されているため、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部を補強することができる。ひいては膜電極接合体１のハンドリング性を高めることができる。不織布材料、織布材料または紙質材料で形成されている水分伝達要素７Ｃは、水透過性および吸水性をもつ。このため水分伝達要素７Ｃは、湿潤度が高い第１領域５１の水分を、湿潤度が低いか乾燥度が高い第２領域５２に向けて伝達させることができる。
【実施例６】
【００４８】
図１１は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。加湿された燃料ガスが燃料極３の燃料入口に供給される。図１１に示すように、水分伝達要素７Ｄは、燃料極３の燃料用ガス拡散層３０に形成されている。即ち、水分伝達要素７Ｄは、イオン伝導膜２（ナフィオン膜）と同一または同系の材料を有機溶媒（溶媒）に溶かした溶液を燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の外縁部の表面部３８に塗布し、乾燥させることにより形成されている。このような水分伝達要素７Ｄは水透過性および吸水性をもつ。
【００４９】
水分伝達要素７Ｄは、燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の上辺部３０ｕ（外縁部）に沿って配置された横型の第１水分伝達要素７１と、燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の他方の側辺部３０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第２水分伝達要素７２とを有する。本実施例によれば、燃料極３における水分の濃度差に起因して、水分が第１領域５１Ｘから第２領域５２Ｘに向けて水分伝達要素７Ｄに沿って移動するものである。なお、水分伝達要素７Ｄを不織布材料、織布材料または紙質材料で形成しても良い。
【実施例７】
【００５０】
図１２は実施例７を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図１２に示すように、水分伝達要素７Ｅは燃料極３の燃料用ガス拡散層３０に形成されている。即ち、水分伝達要素７Ｅは、イオン伝導膜２（ナフィオン膜）と同一または同系の材料を有機溶媒（溶媒）に溶かした溶液を燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の外縁部に塗布し、乾燥させることにより形成されている。水分伝達要素７Ｅは、燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の下辺部３０ｄ（外縁部）に沿って配置された横型の第１水分伝達要素７１と、燃料極３の燃料用ガス拡散層３０の他方の側辺部３０ｓ（外縁部）に沿って配置された縦型の第２水分伝達要素７２と、燃料用ガス拡散層３０の上辺部３０ｕ（外縁部）に沿って配置された横型の第３水分伝達要素７３と、燃料用ガス拡散層３０の他方の側辺部３０ｓに沿って配置された縦型の第４水分伝達要素７４とを有する。
【００５１】
このように水分伝達要素７Ｅは燃料用ガス拡散層３０の外縁部を１周しているため、燃料用ガス拡散層３０の外縁部が補強され、燃料用ガス拡散層３０のハンドリング性が向上する。勿論、水分伝達要素７Ｅは水透過性および吸水性をもつため、燃料極３における第１領域の過剰水分を第２領域に伝達することができる。このため燃料極３における第１領域の湿潤度が過剰になることが抑制され、第１領域におけるフラッディングが抑制される。更に燃料極３の乾燥しがちな第２領域に水分伝達要素７Ｅを介して、水分が補充されるため、第２領域における湿潤度不足および過剰乾燥が抑制される。なお、水分伝達要素７Ｅを不織布材料、織布材料または紙質材料で形成しても良い。
【実施例８】
【００５２】
以下、試験例について説明を加える。
【００５３】
（１）試験例１を示す。図１３に示す試験例１に係る膜電極接合体１および燃料電池は、前記した実施例１に基づいて形成されている。更に、比較例１に係る膜電極接合体１および燃料電池は、前記した実施例１に基づいて形成されている。但し、水分伝達要素７および接着部７Ｂは、試験例１では設けられているものの、比較例１では設けられていない。そして、試験例１に係る燃料電池、比較例１に係る燃料電池について発電試験および接合強度試験を実施した。発電試験では、セル温度８０℃、電流密度１アンペア／ｃｍ２で保持した。酸化剤ガスは空気を用いた。燃料ガスは水素ガスを用いた。酸化剤ガスの流れを白抜き矢印として示す。接合強度試験では、酸化剤用ガス拡散層４０とイオン伝導膜２とを剥離させるときの接合強度を求めた。発電試験としては、試験例１に係る燃料電池は０．６８ボルトを示し、比較例１に係る燃料電池は０．５５ボルトを示した。
【００５４】
試験例１によれば、第１領域５１および第２領域５２における発電ムラが水分伝達要素７により低減または抑制されるため、燃料電池の発電出力が向上したものと推察される。接合強度試験としては、試験例１に係る燃料電池は４．７Ｎ／ｃｍ２を示し、比較例１に係る燃料電池は０．１Ｎ／ｃｍ２を示した。このように試験例１では比較例１よりもセル電圧が増加しており、更に、膜電極接合体１における接合強度も飛躍的に増加していた。
【００５５】
（２）試験例２を示す。図１４に示す試験例２に係る膜電極接合体１および燃料電池は、前記した実施例１に基づいて形成されている。図１４に示すように、水分伝達要素７は、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の上辺部４０ｕに沿って配置された第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の一方の側辺部４０ｓに沿って配置された第２水分伝達要素７２とを有する。
【００５６】
図１４に示すように、第１領域５１（湿潤度が高くなる領域）は、第２領域５２（湿潤度が低くなる領域）よりも上側に配置されている。このため第１領域５１の過剰の水分を、重力を併用しつつ、水分伝達要素７の第１水分伝達要素７１および第２水分伝達要素７２を介して第２領域５２に移動させることができる。
【００５７】
比較例２に係る膜電極接合体１および燃料電池は、前記した試験例２に基づいて形成されている。但し、水分伝達要素７は試験例１では設けられているものの、比較例１では設けられていない。
【００５８】
そして、試験例２に係る燃料電池、比較例２に係る燃料電池について発電試験および接合強度試験を実施した。発電試験では、セル温度８０℃、電流密度１アンペア／ｃｍ２で保持した。酸化剤ガスの流れを白抜き矢印として示す。
【００５９】
発電試験としては、試験例１に係る燃料電池は０．６１ボルトを示し、比較例１に係る燃料電池は０．５５ボルトを示した。試験例２によれば、第１領域５１および第２領域５２における発電ムラが低減または抑制され、燃料電池の発電出力が向上したものと推察される。接合強度試験としては、試験例１に係る燃料電池は４．７Ｎ／ｃｍ２を示し、比較例２に係る燃料電池は０．１Ｎ／ｃｍ２を示した。このように試験例２では比較例２よりもセル電圧が増加しており、更に、膜電極接合体１における接合強度も飛躍的に増加していた。
【００６０】
（３）試験例３を示す。図１５に示す試験例３に係る膜電極接合体１および燃料電池は、基本的には、前記した実施例１に基づいて形成されている。試験例２によれば、図１５に示すように、水分伝達要素７は、酸化剤極４の外縁部の上辺部４０ｕに沿って配置された第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の外縁部の他方の側辺部４０ｓに沿って配置された第２水分伝達要素７２とを有する。
【００６１】
図１５に示すように、第１領域５１（湿潤度が高くなる領域）は、第２領域５２（湿潤度が低くなる領域）よりも上側に配置されている。このため第１領域５１の過剰の水分を、重力を併用しつつ、水分伝達要素７の第１水分伝達要素７１および第２水分伝達要素７２を介して第２領域５２に移動させることができる。
【００６２】
比較例３に係る膜電極接合体１および燃料電池は、前記した試験例３に基づいて形成されている。但し、水分伝達要素７は試験例１では設けられているものの、比較例１では設けられていない。
【００６３】
そして、試験例３に係る燃料電池、比較例３に係る燃料電池について発電試験および接合強度試験を実施した。発電試験では、セル温度８０℃、電流密度１アンペア／ｃｍ２で保持した。酸化剤ガスの流れを白抜き矢印として示す。発電試験としては、試験例３に係る燃料電池では０．６３ボルトを示し、比較例３に係る燃料電池では０．５５ボルトを示した。このように試験例３によれば、第１領域５１および第２領域５２における発電ムラが低減または抑制され、燃料電池の発電出力が向上したものと推察される。接合強度試験としては、試験例３に係る燃料電池では４．７Ｎ／ｃｍ２を示し、比較例１に係る燃料電池では０．１Ｎ／ｃｍ２を示した。このように試験例３では比較例３よりもセル電圧が増加しており、更に、膜電極接合体１における接合強度も飛躍的に増加していた。
【００６４】
（４）試験例４を示す。図１６に示す試験例４に係る膜電極接合体１および燃料電池は、前記した実施例１に基づいて形成されている。試験例４によれば、図１６に示すように、水分伝達要素７は、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の下辺部４０ｄに沿って配置された第１水分伝達要素７１と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の一方の側辺部４０ｓに沿って配置された第２水分伝達要素７２と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の上辺部４０ｕに沿って配置された第３水分伝達要素７３と、酸化剤極４の酸化剤用ガス拡散層４０の外縁部の他方の側辺部４０ｓに沿って配置された第４水分伝達要素７４とを有する。比較例４に係る膜電極接合体１および燃料電池は、前記した試験例３に基づいて形成されている。但し、水分伝達要素７は試験例１では設けられているものの、比較例１では設けられていない。
【００６５】
そして、試験例４に係る燃料電池、比較例４に係る燃料電池について発電試験および接合強度試験を実施した。発電試験では、セル温度８０℃、電流密度１アンペア／ｃｍ２で保持した。酸化剤ガスの流れを白抜き矢印として示す。発電試験としては、試験例３に係る燃料電池では０．６３ボルトを示し、比較例３に係る燃料電池では０．５５ボルトを示した。試験例３によれば、第１領域５１および第２領域５２における発電ムラが低減または抑制され、燃料電池の発電出力が向上したものと推察される。接合強度試験としては、試験例３に係る燃料電池では４．７Ｎ／ｃｍ２を示し、比較例１に係る燃料電池では０．１Ｎ／ｃｍ２を示した。このように試験例４では比較例４よりもセル電圧が増加しており、更に、膜電極接合体１における接合強度も飛躍的に増加していた。
【００６６】
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は例えば車両用、定置用、電子機器用、電気機器用、携帯用等の燃料電池に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】実施例１に係り、膜電極接合体の断面図である。
【図２】膜電極接合体を拡大して示す断面図である。
【図３】膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層の外縁部の表面に水分伝達要素を形成した状態を示す正面図である。
【図４】膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層における水分伝達要素および酸化剤ガスの流れ方向を示す正面図である。
【図５】膜電極接合体をもつ燃料電池の断面図である。
【図６】実施例２に係り、膜電極接合体の断面図である。
【図７】膜電極接合体を拡大して示す断面図である。
【図８】実施例３に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層の外縁部の表面に水分伝達要素を形成した状態を示す正面図である。
【図９】実施例４に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層の外縁部の表面に水分伝達要素を形成した状態を示す正面図である。
【図１０】実施例５に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層の外縁部の表面に水分伝達要素を形成した状態を示す正面図である。
【図１１】実施例６に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層の外縁部の表面に水分伝達要素を形成した状態を示す正面図である。
【図１２】実施例７に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層の外縁部の表面に水分伝達要素を形成した状態を示す正面図である。
【図１３】試験例１に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層における水分伝達要素および酸化剤ガスの流れ方向を示す正面図である。
【図１４】試験例２に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層における水分伝達要素および酸化剤ガスの流れ方向を示す正面図である。
【図１５】試験例３に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層における水分伝達要素および酸化剤ガスの流れ方向を示す正面図である。
【図１６】試験例４に係り、膜電極接合体の酸化剤用ガス拡散層における水分伝達要素および酸化剤ガスの流れ方向を示す正面図である。
【符号の説明】
【００６９】
図仲、１は膜電極接合体、２はイオン伝導膜、３は燃料極、４は酸化剤極、５１は第１領域、５２は第２領域、６１は酸化剤入口、６２は酸化剤出口、７は水分伝達要素、８１は燃料配流要素、８２は燃料流路、８５は酸化剤配流要素、８６は酸化剤流路を示す。
【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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【図９】
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【図１０】
2007305335.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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