(57)【要約】【課題】排水効率が向上し、燃料もしくは酸化剤の効率的供給が可能な、発電効率のよい燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｘ１およびｘ２とし、ｘ１およびｘ２における拡散用部材の空孔率をｐ（ｘ１）およびｐ（ｘ２）とすると、入口からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｘ１＜ｘ２であるとき、ｐ（ｘ１）＞ｐ（ｘ２）の関係を満足する燃料電池。【選択図】図３
2007305532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｘ１およびｘ２とし、ｘ１およびｘ２における拡散用部材の空孔率をｐ（ｘ１）およびｐ（ｘ２）とすると、入口からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｘ１＜ｘ２であるとき、ｐ（ｘ１）＞ｐ（ｘ２）の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｙ１およびｙ２とし、ｙ１およびｙ２における拡散用部材の空孔率をｐ（ｙ１）およびｐ（ｙ２）とすると、電解質膜からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｙ１＞ｙ２であるとき、ｐ（ｙ１）＞ｐ（ｙ２）の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｘ１１およびｘ２１とし、ｘ１１およびｘ２１における拡散用部材の空孔率をｐ（ｘ１１）およびｐ（ｘ２１）とすると、入口からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｘ１１＜ｘ２１であるとき、ｐ（ｘ１１）＜ｐ（ｘ２１）の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｙ１１およびｙ２１とし、ｙ１１およびｙ２１における拡散用部材の空孔率をｐ（ｙ１１）およびｐ（ｙ２１）とすると、電解質膜からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｙ１１＞ｙ２１であるとき、ｐ（ｙ１１）＜ｐ（ｙ２１）の関係を満足す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】
本発明は燃料電池に関し、特に燃料及び酸化剤を供給する際の流路におけるガス拡散を改良した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の断面形状の典型を図１０に示す。固体高分子型燃料電池は固体高分子の電解質膜５を中央部に有する。その片側の面に燃料が供給されアノードとなる燃料極と、もう片側の面に酸化剤が供給されカソードとなる酸化極を有しており、これらの構成はまとめて一般にＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｉｙ）と呼ばれる。さらにそれぞれの極には、電解質膜５の外側に燃料もしくは酸化剤を拡散し、かつ発電した電力を集電する為の拡散層３，６を有し、さらにその外側に燃料もしくは酸化剤を供給する為の流路２，７を有している。１はカソード側のセパレータ、４はシール、８はアノード側のセパレータ、９は水素の漏れを防ぐためのシール、１０は酸化剤である酸素を含む空気の取り入れ口、１１は水素の供給口を表す。
【０００３】
前記拡散層３もしくは６は一般的に導電性のある多孔質媒体として例えばカーボンクロスなどが用いられる。また流路２もしくは７の部分にも支持部材として空孔率の高い多孔質媒体を用いる場合がある。
【０００４】
燃料もしくは酸化剤は、流路２，７の中を例えば圧力勾配などを利用して強制的に供給され、拡散層３，６を通して拡散し、それぞれアノードもしくはカソードに到達する。
アノードでは到達した燃料がアノードの触媒による酸化作用により酸化されプロトンとなり、高分子電解質膜中をカソードに向けて移動する。この燃料としては水素などの気体やメタノール・エタノール等の液体が使用される。
【０００５】
カソードでは酸化剤流路より拡散層を通じて到達した酸化剤、例えば酸素と、電解質膜を移動してきたプロトンが酸化剤と反応して水が生成される。そしてこの一連の化学反応によりエネルギーの一部が電気エネルギーとして取り出される。
【０００６】
前述の通り、カソードでは発電反応によって水が生成される。この水は、通常水蒸気もしくは水分液滴となって酸化剤の拡散層から流路に移動し、排出される。また、ＭＥＡを透過してアノード側から排出される場合もある。この際、燃料もしくは酸化剤の供給を、圧力勾配を用いて行う場合には、そのまま燃料もしくは酸化剤と一緒に水も移動し、排出口より排出される。
【０００７】
一般に燃料電池は単体では十分な電力を得られないため、図１２に示す様に、上記のような構造（セル）１２をいくつか直列に積層したスタックの構造を有する。このような形式の燃料電池は主にガソリンに替わる自動車の動力源や業務用もしくは家庭用のコジェネレーション用途として注目を浴びている。
【０００８】
さらに、近年ではノートパソコンや、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の携帯用電子機器のバッテリーとしてもその用途が期待され、開発が進められている。この場合、燃料電池そのものは極端に小型化しなくてはならず、そのため、圧力勾配を利用した燃料もしくは酸化剤の供給装置などの制御機構が利用できない場合もある。このような場合には燃料及び酸化剤を拡散や自然対流によって供給せざるを得ない。
【０００９】
例えば、特許文献１には、酸化剤である酸素を自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池の技術が開示されている。特許文献１中の図４はそのセル構造を示した図であり、酸化剤である酸素は拡散セルユニット３９を拡散しＭＥＡ５５に到達する。また、燃料である水素は５８から供給されＭＥＡ５５に到達する。
【００１０】
このようなパッシブ型燃料電池の特徴としては、酸素は酸化剤入口から濃度勾配を利用して供給され、同時に同じ場所から濃度勾配によって水蒸気が排出する必要がある。一般的には酸化剤として空気中の酸素を利用するため、この部分を大気に開放させる。このようなパッシブ型燃料電池の場合、その他の流路入口と出口が明確に定義できる燃料電池とは異なる設計思想を要する。
【００１１】
特にパッシブ型燃料電池においては、水分の排出機構においては能動的に反応できなかった燃料気体及び反応によって生成された水分を移動させて排出する制御機構がない。そのため、前述の通り燃料及び酸化剤を自然拡散によって供給するだけではなく、排水も自然に行われるような機構をもたなくてはならない。
【００１２】
また、強制的な循環機構がある場合は、燃料もしくは酸化剤を供給する供給口と、水や水蒸気を排出する排出口が明確に分かれるが、パッシブ型の燃料電池の場合、それらが同一の場合もありうる。例えば特許文献１の場合、酸化剤である酸素を供給する供給口と反応によって発生した水分を排出する排出口は同一である。
【００１３】
このような場合、燃料電池の小型化のためには酸化剤である酸素を効率よく供給し、かつ、水分を効率よく排出する機構が必要となる。水分を効率よく排出するための例としては特許文献２が挙げられる。この特許文献２では拡散層の下流領域の拡散率を上流領域の拡散率に比べて大きくする構成を用いることで水分の排出を容易にする。しかし、この方法は燃料もしくは酸化剤を強制的に循環させるシステムが必須であり、パッシブ型の燃料電池にはそのまま適用できない。
【特許文献１】米国特許第６，４２３，４３７号明細書
【特許文献２】特開２００４−２７３３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、燃料もしくは酸化剤を主に自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池において、流路に空孔率が異なる多孔質媒体からなる拡散用部材を設置することにより、排水効率が向上し、燃料もしくは酸化剤の効率的供給が可能な、発電効率のよい燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するための第一の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決するための第二の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｘ１およびｘ２とし、ｘ１およびｘ２における拡散用部材の空孔率をｐ（ｘ１）およびｐ（ｘ２）とすると、入口からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｘ１＜ｘ２であるとき、ｐ（ｘ１）＞ｐ（ｘ２）の関係を満足することを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決するための第三の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決するための第四の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｙ１およびｙ２とし、ｙ１およびｙ２における拡散用部材の空孔率をｐ（ｙ１）およびｐ（ｙ２）とすると、電解質膜からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｙ１＞ｙ２であるとき、ｐ（ｙ１）＞ｐ（ｙ２）の関係を満足することを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決するための第五の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【００２０】
上記課題を解決するための第六の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｘ１１およびｘ２１とし、ｘ１１およびｘ２１における拡散用部材の空孔率をｐ（ｘ１１）およびｐ（ｘ２１）とすると、入口からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｘ１１＜ｘ２１であるとき、ｐ（ｘ１１）＜ｐ（ｘ２１）の関係を満足することを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決するための第七の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決するための第八の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる２つの点における拡散用部材の位置をｙ１１およびｙ２１とし、ｙ１１およびｙ２１における拡散用部材の空孔率をｐ（ｙ１１）およびｐ（ｙ２１）とすると、電解質膜からの距離が異なる２つの点における空孔率の関係が、ｙ１１＞ｙ２１であるとき、ｐ（ｙ１１）＜ｐ（ｙ２１）の関係を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、パッシブ型燃料電池において、流路に空孔率の異なる多孔質媒体からなる拡散用部材を設置することにより、排水効率が向上し、燃料もしくは酸化剤の効率的供給が可能な、発電効率のよい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】
【００２４】
以下、本発明を説明する。
本発明は、燃料もしくは酸化剤を主に自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池において、発電によって発生した水、特に液化した水を排出することによって、燃料もしくは酸化剤を効率的に触媒層に供給する。
【００２５】
具体的には、燃料電池の発電によって発生した水が液化する個所において、流路に空孔率が異なる多孔質媒体からなる拡散用部材を設置し、その空孔率の変化により、液滴に対するドライビングフォース（駆動力）を生じさせ、液滴を排出する。
【００２６】
具体的には、（１）多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向の場合、拡散用部材の空孔率を固体電解質膜に対して水平な方向に対しては燃料もしくは酸化剤の入口から遠くなるほど小さくし、固体電解質膜に対して垂直な方向に対しては電解質膜から遠くなるほど大きくするのが好ましい。また、（２）多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さく親水傾向の場合、拡散用部材の空孔率を固体電解質膜に対して水平な方向に対しては燃料もしくは酸化剤の入口から遠くなるほど大きくし、固体電解質膜に対して垂直な方向に対しては電解質膜から遠くなるほど小さくするのが好ましい。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
パッシブ型の小型燃料電池のモデルとして、図１に示したような直方体形状の燃料電池セルの断面構造を示す。アノード側は縦方向に水素が供給され、カソード側で横方向に酸化剤である酸素を含む空気が供給される。アノード側では水素が酸化反応を起こしプロトンとなってカソード側へ移動する、カソード側ではプロトンと酸素が反応して水が生成する。このエネルギーの差分が電力となって燃料電池に接続された機器に供給される。
【００２８】
発生した水は水蒸気となり酸素が通ってきた経路をさかのぼり拡散によって外へと排出される。しかし、一部の水蒸気は液化しセル内に滞留する。この滞留した水は最終的に燃料もしくは酸化剤の供給を阻害し燃料電池を機能しなくする（フラッディング現象）。そのためにこの液滴をセル外に排出する機構は別に必要となる。
【００２９】
強制的に燃料ないし酸化剤を循環させるシステムを有する燃料電池の場合、この液滴は圧力勾配によって流路内の液滴を強制的に排除することも可能である。しかしながら、パッシブ型の燃料電池の場合、液体に対するドライビングフォースは無いために液滴が気化して拡散によって排出されるのを期待するしかない。また、そのため入口より遠い箇所で発生した液滴を取り除くことは難しいという問題があった。
【００３０】
そこで、能動的に水を排出するための機構として、流路内に配置された多孔質媒体の空孔率を変化させ、ドライビングフォースを与える方法ががある。
多孔質媒体中における液体の移動は、多孔質媒体の接触角や空孔率等の勾配に依存する。一般に多孔質媒体中の液体のキャピラリープレッシャー（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ／毛細管圧）Ｐｃは、特に疎水傾向にある場合、空孔率が小さいほど高くなり、親水傾向にある場合は空孔率が大きいほど高くなる。（Ｃ．Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｐ．Ｃｈｅｎｇ，“Ａｄｖ．  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ”，３０（１９９７年）ｐ．９３）。
【００３１】
このキャピラリープレッシャーＰｃの勾配を、液滴を移動させるドライビングフォースに利用することにより、液滴を排出する機構を作ることが可能となる。
具体的な本発明における構成は大きく分けて２つに分けられる。一つは液滴を排出孔に誘導するための固体電解質面に水平な方向に対する構成と、もう一つは液滴をフラッディングから防止するため、固体電解質面から液滴を遠ざける、固体電解質面に対して垂直な方向に対する構成である。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
固体電解質面に対して水平な方向に液滴を移動する構成について述べる。この場合、前述の通り水が効率良く外に誘導されることが重要である。そのためには、拡散用部材の空孔率を入口近くの空孔率ほど大きく取ることが望ましい。
【００３３】
以下の実施例ではすべてカソードについて述べるが、同様の構成はアノードにおける水の排水時にも有効である。
図２は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図２は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向の場合である。図２は図１の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置された場合である。
【００３４】
通常、流路内には何も配置しないか、空孔率の大きい多孔質媒体を使用するが、本実施例では、流路内に疎水処理をした多孔質部材を使用した。また、また、この多孔部材の空孔率が入口付近で最大になるようにグラデーションをかけた。
【００３５】
この場合、多孔質媒体内の水滴は疎水性の影響により、キャピラリープレッシャーによるドライビングフォースをうける。ドライビングフォースをうけ、流路の入口の方向へと誘導される。強い疎水処理をほどこし、空孔率の差を大きく取ることによりドライビングフォースは増大し、より効率的に液体を排出することができる。
【００３６】
また、同様の構成はガス拡散層に対しても適用可能である。
実施例２
効率的な液体の排出を実現するためには、実施例１で説明したような拡散用部材の多孔質媒体に撥水性にグラデーションをつけることが最も望ましいが、そのような構成をとることができない場合、空孔率が異なる多孔質媒体をいくつかつなぎ合わせる方法がある。
【００３７】
図３は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図３は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向の場合である。図３は図１の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に設置された場合である。
【００３８】
流路の入口に近い位置ｘ１における拡散用部材１の空孔率をｐ（ｘ１））と、遠い位置ｘ２の拡散用部材２の空孔率（ｐ（ｘ２））を変え、入口に近い拡散用部材１の空孔率を、遠い拡散用部材２の空孔率より大きくなるように、ｐ（ｘ１）＞ｐ（ｘ２）の関係を満足することにより、二つの拡散用部材の界面でドライビングフォースが発生する。液滴が少しでもより入口に近い個所へ誘導されることにより、排水効率は実施例１に比べると劣るものの向上する。
【００３９】
すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が撥水性である場合において、入口からｘの距離にある個所の空孔率がＰ（ｘ）である場合に、２つの位置がｘ１＜ｘ２であるならばｐ（ｘ１）＞ｐ（ｘ２）であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。
【００４０】
実施例３
一般的にガス拡散層には撥水性の部材を用いる。これは、水分を効率的に排出する意図がある。しかし、さらに効率的に水分を排出するためにガス拡散層に隣接する流路部に親水性の多孔質部材を設置する方法もある。
【００４１】
このように親水性の部材を設置する場合は、空孔率のグラデーションとドライビングフォースの向きの関係が逆になる。すなわち液体は空孔率の低いほうへと誘導される。この場合、排水性をあげるためには空気取り入れ口における空効率が、その奥に比べて相対的に小さいほうがよい。
【００４２】
図４は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図４は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さい親水傾向の場合である。図４は図１の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置された場合である。
【００４３】
図４において、２つの親水性部材を流路内に組み合わせて連続して配置する場合には、入口から遠い位置の拡散用部材の空孔率を大きくする。
実施例４
効率的な液体の排出を実現するためには、実施例３で説明したような拡散用部材の多孔質媒体に親水性にグラデーションをつけることが最も望ましいが、そのような構成をとることができない場合、空孔率が異なる多孔質媒体をいくつかつなぎ合わせる方法がある。
【００４４】
図５は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図５は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さい親水傾向の場合である。図５は図１の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に設置された場合である。
【００４５】
流路の入口に近い位置ｘ１１における拡散用部材１の空孔率をｐ（ｘ１１））と、遠い位置ｘ２１の拡散用部材２の空孔率（ｐ（ｘ２１））を変え、入口に近い拡散用部材１１の空孔率を、遠い拡散用部材２１の空孔率より小さくなるように、ｐ（ｘ１１）＜ｐ（ｘ２１）の関係を満足することにより、二つの拡散用部材の界面でドライビングフォースが発生する。液滴が少しでもより入口に近い個所へ誘導されることにより、排水効率は実施例３に比べると劣るものの向上する。
【００４６】
すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が親水性である場合において、入口からｘの距離にある個所の空孔率がＰ（ｘ）である場合に、２つの位置がｘ１１＜ｘ２１であるならばｐ（ｘ１１）＜ｐ（ｘ２１）であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。
【００４７】
実施例５
実施例１から４は、多孔質媒体からなる空孔率が異なる拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に設置された場合であるが、本実施例は多孔質媒体からなる空孔率が異なる拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に設置された場合である。
【００４８】
この場合、重要な事は触媒で発生し液化した水分が速やかに触媒層から遠ざかるようドライビングフォースをかける構成にすることである。このような例としてはいくつか先行例がある。例えば特開２００３−１７３７８９号公報では電極触媒層中に過剰な水分が滞留しないようガス拡散層の気孔率を触媒層と反対側で大きくした技術を開示している。しかし、この文献はガス拡散層に対する技術であり、流路に排出された水についてまでは言及していない。
【００４９】
しかし、小型燃料電池の場合、流路内においても同様の構成があるほうが望ましい。その理由は、ガス拡散層から輩出された水分が触媒層と反対側の表面に滞留してしまうと、結果として「フラッディング現象」が生じるからである。
【００５０】
図６は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図６は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向の場合である。図６は図１の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置された場合である。
【００５１】
そのために図６に示す通り、拡散用部材の空孔率をＭＥＡの電解質膜に近い位置で小さくとり、かつ電解質膜から遠い位置で大きくなるようなグラデーションを持つ構造とする。すなわち、ＭＥＡに近い側で拡散用部材の空孔率が小さく、遠くなるに従って空孔率が大きくなるような処理を施した拡散用部材を用いる。
【００５２】
これによって液滴に対して電解質膜から流路へのドライビングフォースが生じ、液滴が流路へと誘導され、フラッディングが回避される。
実施例６
図７のように、流路内に二種類以上の拡散用部材を設ける方法である。
【００５３】
図７は本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。図７は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より大きく撥水傾向の場合である。図７は、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に設置された場合である。
【００５４】
二種類の拡散用部材の空孔率をＭＥＡの電解質膜に近い位置で小さくとり、かつ電解質膜から遠い位置で大きくなるような構造とする。
電解質膜に近い位置ｙ２における拡散用部材２の空孔率（ｐ（ｙ２））と、遠い位置ｙ１の拡散用部材１の空孔率（ｐ（ｙ１））を変え（ｙ１＞ｙ２）、遠い位置の拡散用部材の水に対する接触角がより小さくなるように、ｐ（ｙ１）＞ｐ（ｙ２）の関係を満足することにより、二つの部材の界面でドライビングフォースが発生する。
【００５５】
すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が撥水性である場合において、拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向にｙの距離にある個所の空孔率がＰ（ｙ）である場合に、２つの位置がｙ１＞ｙ２であるならばｐ（ｙ１）＞ｐ（ｙ２）であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。
【００５６】
実施例７
一般的にガス拡散層には撥水性の部材を用いる。これは、水分を効率的に排出する意図がある。しかし、さらに効率的に水分を排出するためにガス拡散層に隣接する流路部に親水性の多孔質部材を設置する方法もある。
【００５７】
このように親水性の部材を設置する場合は、空孔率のグラデーションとドライビングフォースの向きの関係が逆になる。すなわち液体は空孔率の低いほうへと誘導される。この場合、排水性をあげるためには空気取り入れ口における空効率が、その奥に比べて相対的に小さいほうがよい。
【００５８】
図８は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図８は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さい親水傾向の場合である。図８は図１の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置された場合である。
【００５９】
図８において、２つの親水性部材を流路内に組み合わせて連続して配置する場合には、電解質膜から遠い位置の拡散用部材の空孔率を小さくする。
実施例８
効率的な液体の排出を実現するためには、実施例７で説明したような拡散用部材の多孔質媒体に親水性にグラデーションをつけることが最も望ましいが、そのような構成をとることができない場合、空孔率が異なる多孔質媒体をいくつかつなぎ合わせる方法がある。
【００６０】
図９は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図９は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が９０度より小さい親水傾向の場合である。図９は図１の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に設置された場合である。
【００６１】
電解質膜に近い位置ｙ２１における拡散用部材２１の空孔率（ｐ（ｙ２１））と、遠い位置ｙ１１の拡散用部材１１の空孔率（ｐ（ｙ１１））を変え（ｙ１１＞ｙ２１）、遠い位置の拡散用部材の水に対する接触角がより小さくなるように、ｐ（ｙ１１）＜ｐ（ｙ２１）の関係を満足することにより、二つの部材の界面でドライビングフォースが発生する。
【００６２】
すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が親水性である場合において、拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向にｙの距離にある個所の空孔率がＰ（ｙ）である場合に、２つの位置がｙ１１＞ｙ２１であるならばｐ（ｙ１１）＜ｐ（ｙ２１）であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、流路に空孔率が異なる撥水性または親水性の多孔質媒体からなる拡散用部材を設置することにより、排水効率が向上し、燃料もしくは酸化剤の効率的供給が可能なために、発電効率のよいパッシブ型燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】直方体形状の燃料電池セルの断面構造を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。
【図３】本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。
【図５】本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。
【図６】本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。
【図７】本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。
【図８】本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。
【図９】本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池の断面形状の構成を示す断面図である。
【図１１】燃料電池セルを直列に積層した構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  セパレータ
２  流路
３  拡散層
４  シール部材
５  電解質膜
６  拡散層
７  流路
８  セパレータ
９  シール部材
１０  空気の取り入れ口
１１  水素の供給口
１２  セル
【図１】
2007305532.tif 000003
【図２】
2007305532.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007305532.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007305532.tif 000008
【図７】
2007305532.tif 000009
【図８】
2007305532.tif 000010
【図９】
2007305532.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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