(57)【要約】【課題】凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜を用いた際に、電極（触媒層）における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる、膜−電極接合体を提供することを目的とする。【解決手段】固体高分子電解質膜１０と、触媒層２０Ｃ（２０Ａ）及びガス拡散層３０Ｃ（３０Ａ）を有する電極４０Ｃ（４０Ａ）と、を備え、固体高分子電解質膜１０の凸凹状に形成されている主面と接触する触媒層２０Ｃは、固体高分子電解質膜１０の厚み方向から見て、凹状部分１Ａと重なる部分が、第１触媒層２Ａと第２触媒層２Ｂで形成されていて、第１触媒層２Ａは、第２触媒層２Ｂよりもアイオノマー／カーボンの質量比（Ｉ／Ｃ）が低く、及び／又はイオン交換基当量重量（ＥＷ）が高くなるように構成されている、膜−電極接合体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、
前記固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第１触媒層と第２触媒層で形成されていて、
前記第１触媒層は、前記固体高分子電解質膜の前記主面と接触し、前記第２触媒層は、前記ガス拡散層の主面と接触するように配置され、
前記第１触媒層は、前記第２触媒層よりもアイオノマー／カーボンの質量比（Ｉ／Ｃ）が低く、及び／又はイオン交換基当量重量（ＥＷ）が高くなるように構成されている、膜−電極接合体。
【請求項２】
前記第１触媒層は、その厚みが前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さよりも小さくなるように形成されている、請求項１に記載の膜−電極接合体。
【請求項３】
前記第１触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの１／３以上である、請求項２に記載の膜−電極接合体。
【請求項４】
前記第１触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの１／２以上である、請求項２に記載の膜−電極接合体。
【請求項５】
前記第１触媒層のＩ／Ｃが、０．５〜１．０であり、前記第２触媒層のＩ／Ｃが、１．０〜２．０である、請求項１〜４のいずれかに記載の膜−電極接合体。
【請求項６】
前記第１触媒層のＥＷが、９００〜１５００であり、前記第２触媒層のＥＷが、５００〜９００である、請求項１〜５のいずれかに記載の膜−電極接合体。
【請求項７】
前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さが、３〜２０μｍである、請求項１〜６のいずれかに記載の膜−電極接合体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の膜−電極接合体と、
板状で、前記膜−電極接合体を挟持するように配設された一対の導電性のセパレータと、を備える、固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の固体高分子形燃料電池と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記固体高分子形燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、前記固体高分子形燃料電池が発電運転を行うように、前記燃料ガス供給器、前記酸化剤ガス供給器、及び前記熱媒体供給器を制御する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムに関し、特に、膜−電極接合体の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には単セルを積層させて構成されているスタックを本体としている。セルは、ＭＥＡを一対の平板状のセパレータ、具体的にはアノードセパレータ及びカソードセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡは、高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡの両主面には電極面が形成されている。また、セパレータは、導電性カーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、ＭＥＡの電極面に当接して電気回路の一部を担っている。
【０００３】
ここで、セルにおける電気化学反応は発熱反応であるので、燃料電池運転動作中にセル内面が触媒活性温度になるようにセルを冷却する必要があり、燃料電池運転動作時には適切な温度管理を要する。すなわち、セルの冷却が不充分な場合、ＭＥＡの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルスタックの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してセルの電気出力が低下したりすることが知られている。
【０００４】
一方、セルスタックを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水が、ガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディングを起こすおそれがある。フラッディングが生じると、電極の反応面積が減少し、電気出力が不安定化する等、燃料電池の性能を低下させることが知られている。
【０００５】
また、特に、カソード側での電極内では、反応によって生成水が生じるために、電極内での水の排水性が重要である。ガス流路内のフラッディングと同様に、カソード側の電極内が、生成した水で閉塞してしまうと電気出力の不安定化を引き起こすおそれがある。
【０００６】
ところで、このような燃料電池において、電解質膜を凹凸面にすることで、電解質膜と電極との接触面積を大きくする膜電極接合体が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２９３９２３号公報
【特許文献２】特開２００８−４４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に開示されている膜電極接合体であっても、燃料電池の出力性能をより向上させるためには、未だ改善の余地があることを本発明者らは見出した。
【０００９】
すなわち、電解質膜を凹凸面にすると、電解質膜の凹状部分は、凸状部分で囲まれた領域であるため、反応ガスの供給量が比較的少なくなる。また、カソード側では、電解質膜の凹状部分近傍の電極で反応した際に生成水が、電解質膜の凸状部分により、ＧＤＬやセパレータ側へ排出しにくい状況を招く可能性がある。
【００１０】
そして、本発明者らは、電極（特に、カソード）における電解質膜の凹状部分近傍の生成水をいかにして外部に排出するか、また、電極における電解質膜の凹状部分近傍にいかにして反応ガスを供給するかが、凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜を用いた際の電池性能向上に大きく影響することを見出した。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜を用いた際に、電極（触媒層）における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる、膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システム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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る膜−電極接合体は、少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、前記固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第１触媒層と第２触媒層で形成されていて、前記第１触媒層は、前記固体高分子電解質膜の前記主面と接触し、前記第２触媒層は、前記ガス拡散層の主面と接触するように配置され、前記第１触媒層は、前記第２触媒層よりもアイオノマー／カーボンの質量比（Ｉ／Ｃ）が低く、及び／又はイオン交換基当量重量（ＥＷ）が高くなるように構成されている。
【００１３】
これにより、電極（触媒層）における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる。なお、アイオノマー／カーボンの質量比（Ｉ／Ｃ）におけるアイオノマーとしては、フッ素系高分子樹脂からなるものが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第１触媒層は、その厚みが前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さよりも小さくなるように形成されていてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第１触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの１／３以上であってもよい。
【００１６】
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第１触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの１／２以上であってもよい。
【００１７】
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第１触媒層のＩ／Ｃが、０．５〜１．０であり、前記第２触媒層のＩ／Ｃが、１．０〜２．０であってもよい。
【００１８】
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第１触媒層のＥＷが、９００〜１５００であり、前記第２触媒層のＥＷが、５００〜９００であってもよい。
【００１９】
さらに、本発明に係る膜−電極接合体では、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さが、３〜２０μｍであってもよい。
【００２０】
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、前記膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体を挟持するように配設された一対の導電性のセパレータと、を備える。
【００２１】
これにより、電極（触媒層）における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができ、電池性能を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記固体高分子形燃料電池と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、発電運転を行うように、前記燃料ガス供給器、前記酸化剤ガス供給器、及び前記熱媒体供給器を制御する。
【００２３】
これにより、燃料電池を低加湿条件で運転する場合に、電極（触媒層）における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができ、電池性能を向上させることができる。
【００２４】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムによれば、電極（触媒層）における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る膜−電極接合体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、図１に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す正面図である。
【図４】図４は、図１に示す膜−電極接合体を備える固体高分子形燃料電池（本発明の実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池）の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００２８】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する触媒層は、固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第１触媒層と第２触媒層で形成されていて、第１触媒層は、固体高分子電解質膜の主面と接触し、第２触媒層は、ガス拡散層の主面と接触するように配置され、第１触媒層は、第２触媒層よりもアイオノマー／カーボンの質量比（Ｉ／Ｃ）が低く、及び／又はイオン交換基当量重量（ＥＷ）が高くなるように構成されている態様を例示するものである。
［膜−電極接合体の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る膜−電極接合体の概略構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す断面図であり、図３は、図１に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す正面図である。なお、図１乃至図３においては、一部を省略している。まず、図３においては、固体高分子電解質膜の凸状部分と凹状部分とを区別しやすくするため、それぞれの部分にハッチングを付している。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態１に係る膜−電極接合体５０は、固体高分子電解質膜１０と、アノード触媒層２０Ａとアノードガス拡散層３０Ａを有するアノード４０Ａと、カソード触媒層２０Ｃ及びカソードガス拡散層３０Ｃを有するカソード４０Ｃと、を備える。固体高分子電解質膜１０は、水素を選択的に輸送するように構成されている。
【００３０】
固体高分子電解質膜１０は、図１乃至図３に示すように、一方の主面（ここでは、カソード４０Ｃ側主面）が凸凹状に形成されている。具体的には、固体高分子電解質膜１０のカソード４０Ｃ側主面から突出するように、凸状部分１Ｂが形成されている。そして、固体高分子電解質膜１０の凹状に形成されている部分（以下、凹状部分１Ａという）は、固体高分子電解質膜１０のカソード４０Ｃ側主面と凸状部分１Ｂの側面とから構成されている。
【００３１】
なお、本実施の形態１においては、固体高分子電解質膜１０のカソード４０Ｃ側主面から突出するように、凸状部分１Ｂを形成することで、固体高分子電解質膜１０の一方の主面（カソード４０Ｃ側主面）を凸凹状に形成したが、これに限定されない。例えば、固体高分子電解質膜１０の一方の主面から凹むように孔を形成して、該主面を凸凹状に形成してもよい。この場合、孔の底面が凹状部分１Ａを構成し、固体高分子電解質膜１０の一方の主面と孔を形成する側壁とが凸状部分１Ｂを構成する。
【００３２】
また、本実施の形態１においては、固体高分子電解質膜１０のカソード４０Ｃ側主面を凸凹状に形成したが、これに限定されない。例えば、固体高分子電解質膜１０のアノード４０Ａ側主面を凸凹状に形成してもよく、固体高分子電解質膜１０の両側の主面を凸凹状に形成してもよい。
【００３３】
さらに、凹状部分１Ａの高さ（換言すると、固体高分子電解質膜１０のカソード４０Ｃ側主面から凸状部分１Ｂの先端部までの高さ）は、固体高分子電解質膜１０の厚み以下であってもよく、３〜２０μｍ以下であってもよい。
【００３４】
そして、固体高分子電解質膜１０の他方の主面（アノード４０Ａ側主面）には、アノード触媒層２０Ａが設けられている。また、固体高分子電解質膜１０のカソード４０Ｃ側主面には、カソード触媒層２０Ｃが設けられている。
【００３５】
カソード触媒層２０Ｃは、第１触媒層２Ａと第２触媒層２Ｂを有している。カソード触媒層２０Ｃは、固体高分子電解質膜１０の厚み方向から見て、カソード触媒層２０Ｃにおける、固体高分子電解質膜１０の凹状部分１Ａと重なる部分が、第１触媒層２Ａと第２触媒層２Ｂで形成されている。
【００３６】
第１触媒層２Ａは、固体高分子電解質膜１０のカソード４０Ｃ側主面と接触するように配置されている。また、第２触媒層２Ｂは、カソードガス拡散層３０Ｃの主面と接触するように配置されている。換言すると、第１触媒層２Ａの固体高分子電解質膜１０の主面と接触しない側の主面には、第２触媒層２Ｂが設けられている。
【００３７】
また、第１触媒層２Ａは、発電による生成水が滞留するために固体高分子電解質膜１０の凹状部分１Ａに存在する触媒層のガス拡散性が低下し、その触媒層へのガス拡散性を確保する観点から、その厚みが、固体高分子電解質膜１０の凹状部分１Ａの高さよりも小さくなるように形成されていることが好ましい。さらに、第１触媒層２Ａは、固体高分子電解質膜１０の凹状部分１Ａの底面近傍に存在する触媒層に確実にガス供給する観点から、その厚みが、固体高分子電解質膜１０の凹状部分１Ａの高さの１／３以上であることが好ましく、１／２以上であることがより好ましい。
【００３８】
アノード触媒層２０Ａ及びカソード触媒層２０Ｃは、触媒担持カーボンとアイオノマーを有していれば、その構成は特に限定されない。また、第１触媒層２Ａは、プロトン伝導性を維持する観点から、第１触媒層２Ａのアイオノマー／カーボンの質量比（Ｉ／Ｃ）が、０．５以上、かつ、１．０以下であることが好ましい。さらに、第２触媒層２Ｂは、電子伝導性を維持する観点から、第２触媒層２ＢのＩ／Ｃが、１．０以上、かつ、２．０以下であることが好ましい。この場合、第１触媒層２Ａは、第１触媒層２ＡのＩ／Ｃが、実質的に１．０未満であってもよい。なお、アイオノマー／カーボンの質量比（Ｉ／Ｃ）におけるアイオノマーとしては、フッ素系高分子樹脂からなるものが好ましい。
【００３９】
さらに、第１触媒層２Ａは、第１触媒層２Ａの性能を維持する観点から、第１触媒層２Ａ（正確には、第１触媒層２Ａを構成するフッ素系高分子樹脂）のＥＷが、９００以上、かつ、１５００以下であることが好ましい。また、第２触媒層２Ｂは、第２触媒層２Ｂの形状安定性を維持する観点から、第２触媒層２Ｂ（正確には、第２触媒層２Ｂを構成するフッ素系高分子樹脂）のＥＷが５００以上、かつ、９００以下であることが好ましい。なお、第２触媒層２ＢのＥＷは、実質的に９００未満であってもよい。
【００４０】
アノード触媒層２０Ａの固体高分子電解質膜１０と接触しない側の主面には、アノードガス拡散層３０Ａが設けられている。また、カソード触媒層２０Ｃの固体高分子電解質膜１０と接触しない側の主面（第２触媒層２Ｂの第１触媒層２Ａと接触しない側の主面）には、カソードガス拡散層３０Ｃが設けられている。なお、アノードガス拡散層３０Ａ及びカソードガス拡散層３０Ｃは、一般的な固体高分子形燃料電池のガス拡散層と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
［膜−電極接合体の製造方法］
次に、本実施の形態１に係る膜−電極接合体５０の製造方法について。図１乃至図３を参照しながら説明する。
【００４２】
まず、図２及び図３に示すような凹凸構造を形成したシリコンウェハ等で構成された金型に固体高分子電解質膜１０を構成する材料をキャストして、固体高分子電解質膜１０を成形する。なお、固体高分子電解質膜１０は、上記特許文献１に開示されている方法で、成形してもよい。
【００４３】
次に、固体高分子電解質膜１０の凸凹状に形成されている主面に、第１触媒層２Ａ形成用インクを塗工又はスプレーする等により、第１触媒層２Ａを形成する。このとき、第１触媒層２Ａを形成するインクは、後述する第２触媒層２Ｂを形成するインクよりも、Ｉ／Ｃが低く、及び／又はＥＷが高くなるように調整される。具体的には、上述したように、第１触媒層２Ａ形成用インクは、Ｉ／Ｃが０．５〜１．０になるように、及び／又はＥＷが、９００〜１５００になるように調整される。
【００４４】
なお、第１触媒層２Ａ形成用インクは、第１触媒層２Ａの厚みが、凹状部分１Ａの高さの１／３以上（好ましくは、１／２以上）、かつ、凹状部分１Ａの高さよりも小さくなるように、塗工又はスプレー等される。
【００４５】
次に、第１触媒層２Ａの固体高分子電解質膜１０と接触していない主面に、第２触媒層２Ｂ形成用インクを塗工又はスプレーする等により、第２触媒層２Ｂを形成する。このとき、第２触媒層２Ｂ形成用インクは、Ｉ／Ｃが１．０〜２．０になるように、及び／又はＥＷが、５００〜９００になるように調整される。
【００４６】
そして、固体高分子電解質膜１０のカソード触媒層２０Ｃが形成されていない側の主面に、アノード触媒層２０Ａ形成用インクを塗工又はスプレーする等により、アノード触媒層２０Ａを形成する。なお、アノード触媒層２０Ａ形成用インクは、一般的な触媒層を形成するインクを用いることができる。
【００４７】
次に、カーボンクロス等を予め適宜な大きさに裁断して、アノードガス拡散層３０Ａ及びカソードガス拡散層３０Ｃを用意する。そして、アノード触媒層２０Ａにおける固体高分子電解質膜１０と接触しない側の主面に、アノードガス拡散層３０Ａを接合する。また、カソード触媒層２０Ｃにおける固体高分子電解質膜１０と接触しない側の主面に、カソードガス拡散層３０Ｃを接合する。このようにして、膜−電極接合体５０が得られる。なお、撥水カーボン層形成インクを予めアノード触媒層２０Ａ及び／又はカソード触媒層２０Ｃの主面、又はアノードガス拡散層３０Ａ及び／又はカソードガス拡散層３０Ｃの主面に塗工等することにより、撥水カーボン層を形成してから、膜−電極接合体５０を形成してもよい。
【００４８】
［固体高分子形燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池（実施の形態１に係る膜−電極接合体５０を備える固体高分子形燃料電池）の構成について、図１乃至図４を参照しながら説明する。
【００４９】
図４は、図１に示す膜−電極接合体を備える固体高分子形燃料電池（本発明の実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池）の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図４においては、一部を省略している。
【００５０】
図４に示すように、本発明の実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池１００は、膜−電極接合体５０と、アノードセパレータ６０Ａと、カソードセパレータ６０Ｃと、図示されない一対のガスケットを備えている。
【００５１】
一対のガスケットは、アノード４０Ａ及びカソード４０Ｃのそれぞれの周囲に設けられている。また、ガスケットは、ここでは、ドーナツ状に形成されていて。フッ素ゴムで構成されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが固体高分子形燃料電池１００外にリークされることが抑制され、また、固体高分子形燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが抑制される。なお、ガスケットの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている。
【００５２】
アノードセパレータ６０Ａ及びカソードセパレータ６０Ｃは、膜−電極接合体５０及びガスケットを挟むように設けられている。また、アノードセパレータ６０Ａ及びカソードセパレータ６０Ｃは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。これにより、膜−電極接合体５０が機械的に固定され、複数の固体高分子形燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、膜−電極接合体５０が電気的に接続される。
【００５３】
アノードセパレータ６０Ａのアノード４０Ａと接触する一方の主面には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路７０が設けられている。また、アノードセパレータ６０Ａの他方の主面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路９０が設けられている。
【００５４】
同様に、カソードセパレータ６０Ｃのカソード４０Ｃと接触する一方の主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路８０が設けられている。また、カソードセパレータ６０Ｃの他方の主面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路９０が設けられている。
【００５５】
これにより、アノード４０Ａ及びカソード４０Ｃには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の熱媒体を熱媒体流路９０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
【００５６】
そして、このように構成された本実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池１００をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成される（図示せず）。このとき、固体高分子電解質膜１０、ガスケット、アノードセパレータ６０Ａ、及びカソードセパレータ６０Ｃに設けられた燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔は、固体高分子形燃料電池１００を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、燃料ガス供給マニホールド等の各マニホールドが、それぞれ形成される。そして、セル積層体の両端に集電板及び絶縁板をそれぞれ配置し、その両端に更に一対の端板を配置して、締結具で締結することにより、燃料電池スタック１０１が形成される（図４参照）。
【００５７】
このように構成された本実施の形態１に係る膜−電極接合体５０及び固体高分子形燃料電池１００では、第１触媒層２Ａが第２触媒層２ＢよりもＩ／Ｃが低く、及び／又はＥＷが高くなるように構成されているため、固体高分子電解質膜１０の凹状部分１Ａ近傍（第１触媒層２Ａ）での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる。このため、固体高分子形燃料電池１００の電池性能を向上させることができる。
【００５８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池と、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、制御器と、を備え、制御器は、固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、固体高分子形燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、固体高分子形燃料電池が発電運転を行うように、燃料ガス供給器、酸化剤ガス供給器、及び熱媒体供給器を制御する態様を例示するものである。
【００５９】
［燃料電池システムの構成］
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００６０】
図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１０１と、燃料ガス供給器１０２と、酸化剤ガス供給器１０３と、熱媒体供給器１０４と、電力調整器１０５と、制御器１１０と、を備えている。制御器１１０は、燃料電池スタック１０１に供給される熱媒体の温度より低い条件で、燃料電池スタック１０１が発電運転を行うように、燃料ガス供給器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、及び熱媒体供給器１０４を制御する。
【００６１】
燃料電池スタック１０１は、上述したように、複数の固体高分子形燃料電池１００を有している。また、燃料電池スタック１０１には、燃料ガス経路１０１Ａ、酸化剤ガス経路１０１Ｂ、及び熱媒体経路１０１Ｃが設けられている。
【００６２】
燃料ガス経路１０１Ａは、固体高分子形燃料電池１００の燃料ガス流路７０、燃料ガス供給マニホールド、及び燃料ガス排出マニホールドで構成されている。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂは、固体高分子形燃料電池１００の酸化剤ガス流路８０、酸化剤ガス供給マニホールド、及び酸化剤ガス排出マニホールドで構成されている。同様に、熱媒体経路１０１Ｃは、固体高分子形燃料電池１００の熱媒体流路９０、熱媒体供給マニホールド、及び熱媒体排出マニホールドで構成されている。
【００６３】
燃料電池スタック１０１の燃料ガス経路１０１Ａの入口には、燃料ガス供給経路１１１を介して、燃料ガス供給器１０２が接続されている。燃料ガス供給器１０２は、例えば、水素生成装置、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等と、加湿器と、流量調整器と、を有している（いずれも図示せず）。水素生成装置は、原料ガス（例えば、メタンガスやプロパンガス等）と水から燃料ガス（水素ガス）を生成する。また、加湿器は、水素生成装置等からの燃料ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、熱媒体が水である場合、熱媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして燃料ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
【００６４】
また、燃料電池スタック１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口には、酸化剤ガス供給経路１１３を介して、酸化剤ガス供給器１０３が接続されている。酸化剤ガス供給器１０３は、例えば、ファンやブロワ等のファン類と、加湿器と、流量調整器と、を有している（いずれも図示せず）。加湿器は、ファン類から供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、熱媒体が水である場合、熱媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
【００６５】
これにより、適宜加湿された燃料ガスが、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路１１１を通流して、燃料ガス経路１０１Ａに供給される。同様に、適宜加湿された酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路１１３を通流して、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給される。
【００６６】
燃料ガス経路１０１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路１０１Ａ内を通流する間に、各固体高分子形燃料電池１００のアノード４０Ａに供給される。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内を通流する間に、各固体高分子形燃料電池１００のカソード４０Ｃに供給される。そして、アノード４０Ａで使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出経路１１２に排出される。また、カソード４０Ｃで使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１１４に排出される。なお、未使用の燃料ガスは、例えば、未使用の酸化剤ガスで充分に希釈してから大気中に排出してもよく、燃料ガス供給器１０２が、水素生成装置で構成されている場合には、該水素生成装置の燃焼器（図示せず）に供給されてもよい。
【００６７】
また、燃料電池スタック１０１の熱媒体経路１０１Ｃには、熱媒体循環経路１１５が接続されている。熱媒体循環経路１１５の途中には、熱媒体供給器１０４が設けられている。熱媒体供給器１０４は、例えば、外部から供給された熱媒体を貯えるタンクと、熱媒体温度調整器と、ポンプと、流量調整弁を有している。熱媒体温度調整器としては、例えば、燃料ガスや酸化剤ガス等と熱交換する熱交換器や熱媒体を加熱するヒータ等の加熱器や熱媒体を冷却する冷却器が挙げられる。また、熱媒体としては、例えば、水やエチレングリコール等の不凍液が挙げられる。
【００６８】
なお、本実施の形態２においては、熱媒体供給器１０４は、タンクと、ポンプと、流量調整弁で構成したが、これに限定されない。熱媒体供給器１０４は、ポンプが流量調整可能である場合、流量調整弁を有しない構成としてもよい。
【００６９】
これにより、適宜の温度に調整された熱媒体が、熱媒体供給器１０４から熱媒体循環経路１１５を通流して、熱媒体経路１０１Ｃに供給される。熱媒体経路１０１Ｃに供給された熱媒体は、熱媒体経路１０１Ｃを通流する間に、各固体高分子形燃料電池１００で発生した熱を回収し、熱媒体循環経路１１５に排出される。熱媒体循環経路１１５に排出された熱媒体は、熱媒体循環経路１１５を通流して、熱媒体供給器１０４で再び適度な温度に調整される。なお、本実施の形態２においては、熱媒体が、熱媒体供給器１０４と燃料電池スタック１０１とを循環するように構成したが、これに限定されない。熱媒体経路１０１Ｃから排出された熱媒体が、燃料電池システム２００外に排出するように構成してもよい。
【００７０】
また、燃料電池スタック１０１には、電気配線１３１、１３２を介して、電力調整器１０５が接続されている。電力調整器１０５は、例えば、燃料電池スタック１０１の固体高分子形燃料電池１００で発電された直流電力を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。そして、電力調整器１０５は、制御器１１０の制御により、固体高分子形燃料電池１００から取り出す電力を調整している。
【００７１】
制御器１１０は、燃料電池システム２００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器１１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器１１０は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム２００に関する各種の制御を行う。
【００７２】
なお、制御器１１０は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム２００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器１１０は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
【００７３】
そして、制御器１１０は、燃料電池スタック１０１に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池スタック１０１に供給される熱媒体の温度よりも低くなるように、燃料ガス供給器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、及び熱媒体供給器１０４を制御する。
【００７４】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム２００では、燃料電池スタック１０１に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池スタック１０１に供給される熱媒体の温度よりも低いため、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）の反応で生成される水は、固体高分子電解質膜１０とカソード触媒層２０Ｃとの界面近傍で生成されやすい。このため、本実施の形態２のように、固体高分子電解質膜１０を凸凹状にすることで、固体高分子電解質膜１０とカソード触媒層２０Ｃとの界面をより広く確保することで、電池性能を向上させることができる。
【００７５】
また、本実施の形態２に係る燃料電池システム２００では、固体高分子電解質膜１０近傍（特に凹状部分１Ａ近傍）に、第１触媒層２Ａを配置することにより、電解質膜と触媒層との界面近傍で生成された水を適度に排水することができ、また、当該部分のガス拡散性を確保することができる。このため、固体高分子形燃料電池１００の電池性能を向上させることができる。
【００７６】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムは、電解質膜と触媒層との界面近傍で生成された水を適度に排水し、かつ、ガス拡散性を確保することで、電池性能を向上させることができるため、燃料電池の技術分野で有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１Ａ  凹状部分
１Ｂ  凸状部分
２Ａ  第１触媒層
２Ｂ  第２触媒層
１０  固体高分子電解質膜
２０Ａ  アノード触媒層
２０Ｃ  カソード触媒層
３０Ａ  アノードガス拡散層
３０Ｃ  カソードガス拡散層
４０Ａ  アノード
４０Ｃ  カソード
５０  膜−電極接合体
６０Ａ  アノードセパレータ
６０Ｃ  カソードセパレータ
７０  燃料ガス流路
８０  酸化剤ガス流路
９０  熱媒体流路
１００  固体高分子形燃料電池
１０１  燃料電池スタック
１０１Ａ  燃料ガス経路
１０１Ｂ  酸化剤ガス経路
１０１Ｃ  熱媒体経路
１０２  燃料ガス供給器
１０３  酸化剤ガス供給器
１０４  熱媒体供給器
１０５  電力調整器
１１０  制御器
１１１  燃料ガス供給経路
１１２  燃料ガス排出経路
１１３  酸化剤ガス供給経路
１１４  酸化剤ガス排出経路
１１５  熱媒体循環経路
１３１  電気配線
１３２  電気配線
２００  燃料電池システム
【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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