(57)【要約】【課題】発電セル単位面積当たりの発電量の低下を抑制しつつ燃料ガスと酸化剤ガスとの間の湿分交換の効率向上を図る。【解決手段】電解質膜１１を挟んで配設した燃料極２３と酸化剤極２４とを備え、燃料極２３と酸化剤極２４とにそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとをその流れの方向が対向するように通流させ、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池の発電セル１０であって、燃料極２３は、電解質膜１１に隣接して設けられる燃料極触媒層２１と、燃料極触媒層２１に積層され、燃料極触媒層２１側の燃料極微小多孔質層３１と燃料極触媒層側と反対側の燃料極基材層３３とを有する燃料極拡散層３５と、を含み、燃料極２３の燃料ガスの流れの上流端近傍の領域Ａと下流端近傍の領域Ｂとのいずれか一方または両方は、燃料極触媒層２１と燃料極基材層３３とのみが積層される。【選択図】図１
2012059604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで配設した燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料極と前記酸化剤極とにそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとをその流れの方向が対向するように通流させ、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池の発電セルであって、
前記燃料極は、前記電解質膜に隣接して設けられる燃料極触媒層と、前記燃料極触媒層に積層され、燃料極触媒層側の燃料極微小多孔質層と燃料極触媒層側と反対側の燃料極基材層とを有する燃料極拡散層と、を含み、
前記燃料極の前記燃料ガスの流れの上流端近傍と下流端近傍とのいずれか一方または両方は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層されていること、
を特徴とする燃料電池の発電セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の発電セルであって、
前記燃料極の前記燃料ガスの流れの前記上流端近傍は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層され、前記燃料極の前記上流端近傍よりも前記燃料ガスの下流側の少なくとも一部は前記燃料極触媒層と前記燃料極微小多孔質層と前記燃料極基材層とが積層されていること、
を特徴とする燃料電池の発電セル。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の発電セルであって、
前記燃料極の前記燃料ガスの流れの前記下流端近傍は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層され、前記燃料極の前記下流端近傍よりも前記燃料ガスの上流側の少なくとも一部は前記燃料極触媒層と前記燃料極微小多孔質層と前記燃料極基材層とが積層されていること、
を特徴とする燃料電池の発電セル。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池の発電セルであって、
前記燃料極の前記燃料ガスの流れの前記上流端近傍および前記下流端近傍は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層され、前記燃料極の前記上流端近傍よりも前記燃料ガスの下流側で、且つ、前記燃料極の前記下流端近傍よりも前記燃料ガスの上流側は、前記燃料極触媒層と前記燃料極微小多孔質層と前記燃料極基材層とが積層されていること、
を特徴とする燃料電池の発電セル。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池の発電セルであって、
前記上流端近傍と上記下流端近傍とのいずれか一方または両方は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とがその間に空隙を設けて積層されていること、
を特徴とする燃料電池の発電セル。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の発電セルであって、
前記空隙の積層方向の幅は、前記燃料極微小多孔質層の積層方向厚さと略同一であること、
を特徴とする燃料電池の発電セル。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池の発電セルであって、
前記燃料極基材層の前記上流端近傍と上記下流端近傍とのいずれか一方または両方の積層方向厚さは、残余の部分よりも前記燃料極微小多孔質層の積層方向厚さだけ厚くなっていること、
を特徴とする燃料電池の発電セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電セルの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に触媒層を有する燃料極と酸化剤極とが対向して配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の両側をセパレータによって挟持して構成された単位セルを複数個積層し、所定の電圧を得られるセル積層体（スタック）とする燃料電池が多く用いられている。このような燃料電池は、燃料極には燃料ガス、例えば、水素ガスが供給され、酸化剤極には、酸化剤ガス、例えば、空気が供給される。燃料極に供給された燃料ガス中の水素は、燃料極触媒層で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介して酸化剤極へと移動し、その間に生じた電子が外部回路に取り出されて直流の電気エネルギとして利用される。酸化剤極触媒層においては、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００３】
この場合、高分子イオン交換膜からなる電解質膜及び各触媒層は、イオン透過性を保持すべく十分に加湿させておく必要がある。このため、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池のスタックに送ることにより、電解質膜等を加湿する燃料電池システムがあった。しかし、燃料電池に加湿装置を取り付けると燃料電池システムが大型、複雑となってしまう上、発電効率が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
一方、電解質膜を介して隣接するガス間で湿分（例えば、水蒸気）の濃度勾配がある場合には湿分は湿分の高いほうから湿分の低いほうに移動する性質がある。例えば、水蒸気では水蒸気分圧の高い方から水蒸気分圧の低いほうに移動する。電気化学反応によって生成される水のために酸化剤ガスの湿分は出口に近づくほど高くなってくる（例えば、水蒸気分圧が高くなってくる）ので、出口側の酸化剤ガスと湿度の低い（例えば、水蒸気分圧の低い）燃料ガスとを電解質膜を介して対向させると、電解質膜を通して高湿潤状態（水蒸気分圧の高い状態）となった出口側の酸化剤ガスの湿分（例えば、水蒸気）は湿分の低い（水蒸気分圧の低い）燃料ガスに移動し、これによって電解質膜、触媒層、燃料ガスを加湿することができる。この方法の一例について図４を参照しながら説明する。この燃料電池は燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いている。図４に示すように、燃料電池の発電セル１００は電解質膜１１１の両側に水素極１２３と空気極１２４とが積層され、水素極１２３と空気極１２４と電解質膜１１１とを水素極セパレータ１４１、空気極セパレータ１４２によって両側から挟みこんだものである。水素極セパレータ１４１の水素極１２３側にはリブ１４７によって紙面の垂直方向に延びて上下方向に順次折り返される水素流路１５１が形成され、水素ガスは上側の水素入口流路１４３から下側の水素出口流路１４５に向って流れる。また、空気極セパレータ１４２の空気極１２４側にはリブ１４８によって紙面の垂直方向に延びて上下方向に順次折り返される空気流路１５２が形成され、空気は水素ガスとは逆に下側の空気入口流路１４４から上側の空気出口流路１４６に向って流れる。
【０００５】
水素極１２３は電解質膜１１１に隣接して設けられる水素極触媒層１２１と、水素極触媒層１２１に積層され、水素流路１５１を流れる水素ガスを水素極触媒層１２１に拡散させる水素極拡散層１３５とを含んでいる。水素極拡散層１３５は、水素極触媒層１２１の側の水素極微小多孔質層１３１と水素流路１５１側の水素極基材層１３３とが積層されたものである。水素極微小多孔質層１３１、水素極基材層１３３は共に導電性の多孔質層であるが、水素極微小多孔質層１３１は水素極基材層１３３よりも緻密な構造となっている。空気極１２４も水素極１２３と同様の構成で、電解質膜１１１の側から空気極触媒層１２２、空気極微小多孔質層１３２、空気極基材層１３４が積層されている。空気極微小多孔質層１３２と空気極基材層１３４とは空気極拡散層１３６を構成する。
【０００６】
水素入口流路１４３から水素流路１５１に流入した水素ガスは、水素極拡散層１３５を通って水素極触媒層１２１に達し、触媒の作用によってプロトンと電子とに分かれる。電子は外部負荷を通って空気極１２４に達し、プロトンは電解質膜１１１を通って空気極触媒層１２２に達する。一方、空気入口流路１４４から空気流路１５２に流入した空気は空気極拡散層１３６を通って空気極触媒層１２２に達し、空気中の酸素とプロトンと電子が結合して水が生成される。このため、空気極１２４を通流する空気は空気入口流路１４４から空気出口流路１４６に向かうほど湿分を多く含むようになる（例えば、水蒸気分圧が高くなる）。水素入口流路１４３から流入する水素ガスの湿分は低いので（例えば、水蒸気分圧が低いので）電解質膜１１１を介して湿分を多く含む（例えば、水蒸気分圧の高い）出口側の空気と湿分の少ない（例えば、水蒸気分圧の低い）入口側の水素ガスとが対向する。すると、水素入口流路１４３の水素ガスと空気出口流路１４６の空気との湿分（例えば、水蒸気）の濃度勾配によって空気中の湿分は水素ガスに移動する。この湿分の移動は次のようなプロセスによると考えられている。湿分の低い乾燥した水素ガスが水素入口流路１４３に流入すると、水素ガスは水素極拡散層１３５を通って水素極触媒層１２１に達する。乾燥した水素ガスが湿潤な水素極触媒層１２１に触れると水素極触媒層１２１に含まれている湿分は蒸散して湿分の少ない水素ガス中に移動する。これにつれて、空気出口流路１４６の空気中の湿分が、電解質膜１１１、空気極触媒層１２２を通って水素極触媒層１２１に移動する。このようにして、湿分の高い（例えば、水蒸気分圧の高い）出口側の空気の湿分は湿分（例えば、水蒸気）の濃度勾配によって湿分の低い（例えば、水蒸気分圧の低い）入口側の水素ガスに移動する。
【０００７】
この湿分の移動は、水素極触媒層１２１に達する湿分の少ない（例えば、水蒸気分圧の低い）水素ガスに向って水素極触媒層１２１の表面から湿分（例えば、水蒸気）が蒸散することが駆動力となっていることから、水素極触媒層１２１の表面での湿分（例えば、水蒸気）の蒸散が少ない場合には、湿分移動のための駆動力が低下し、十分に湿分の移動が行われない場合がある。湿分の移動が不十分な場合には、電解質膜１１１や各触媒層１２１，１２２が湿潤状態を保持できずに発電性能が低下したり、空気極１２４の空気極拡散層１３６の細孔に水が詰まるフラッディングによって空気極触媒層１２２に達する空気量が低下して発電性能が低下したりする場合があった。
【０００８】
そこで、燃料ガスと酸化剤ガスとの湿分移動をより効果的に行うために、触媒層の一部を切り欠いてその領域の電解質膜の両面にガス拡散層を直接重ね合せた湿度交換領域を設け、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の湿分移動をより効果的行う方法が提案されている（例えば、特許文献１から４参照）。
【０００９】
特許文献１には、燃料ガスと酸化剤ガスは対向流で流通し、燃料ガスの上流域と酸化剤ガスの下流域、及び燃料ガスの下流域と酸化剤ガスの上流域が高分子電解質膜を挟んで対向しており、高分子電解質膜に触媒層が重ねあわされた発電領域に隣接し、高分子電解質膜に親水性材料層が重ねあわされる湿分交換領域が設けられる燃料電池セルが記載されている。また、特許文献２には、燃料ガスと酸化剤ガスとを対向流で流通し、対向する燃料ガスの上流部と酸化剤ガスの下流部の触媒層と拡散層にそれぞれ開口を設け、この開口を通して酸化剤ガスの下流側に運ばれた水が電解質膜に供給されるような燃料電池の構成が記載されている。特許文献３は燃料ガスと酸化剤ガスとが通流する燃料電池において、酸化剤ガスの入口側部分と対向する燃料ガスの入口側部分の触媒層を切り欠いて、電解質膜の両面に直接ガス拡散層が積層された部分を設け、この部分を介して燃料ガスの湿分と酸化剤ガスの湿分とを交換させて触媒層、電解質膜の加湿状態を一定に保つ構造が記載されている。また、特許文献４には、特許文献３と同様、触媒層を切り欠いて、電解質膜の両面に直接ガス拡散層が積層された部分を設け、この部分を介して燃料ガスの湿分と酸化剤ガスの湿分とを交換させて触媒層、電解質膜の加湿状態を一定に保つように構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−９７１５号公報
【特許文献２】特開２００６−１５６１４４号公報
【特許文献３】特開２００５−３０２７０９号公報
【特許文献４】特開２００３−５０５８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１から４に記載された従来技術は、いずれも触媒層の一部を切り欠いてその部分の電解質膜にガス拡散層を重ね合わせて湿度の交換を行う湿度交換部を形成している。このため、湿分の移動を効率的に行うことができるが、湿度交換部が非発電領域となるので発電セル面積全体に対する発電部の面積の割合が低くなってしまい、発電セル単位面積当たりの発電量が少なくなってしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、発電セル単位面積当たりの発電量の低下を抑制しつつ燃料ガスと酸化剤ガスとの間の湿分交換の効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池の発電セルは、電解質膜を挟んで配設した燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料極と前記酸化剤極とにそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとをその流れの方向が対向するように通流させ、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池の発電セルであって、前記燃料極は、前記電解質膜に隣接して設けられる燃料極触媒層と、前記燃料極触媒層に積層され、燃料極触媒層側の燃料極微小多孔質層と燃料極触媒層側と反対側の燃料極基材層とを有する燃料極拡散層と、を含み、前記燃料極の前記燃料ガスの流れの上流端近傍と下流端近傍とのいずれか一方または両方は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層されていること、を特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池の発電セルにおいて、前記燃料極の前記燃料ガスの流れの前記上流端近傍は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層され、前記燃料極の前記上流端近傍よりも前記燃料ガスの下流側の少なくとも一部は前記燃料極触媒層と前記燃料極微小多孔質層と前記燃料極基材層とが積層されていること、としても好適である。
【００１５】
本発明の燃料電池の発電セルにおいて、前記燃料極の前記燃料ガスの流れの前記下流端近傍は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層され、前記燃料極の前記下流端近傍よりも前記燃料ガスの上流側の少なくとも一部は前記燃料極触媒層と前記燃料極微小多孔質層と前記燃料極基材層とが積層されていること、としても好適である。
【００１６】
本発明の燃料電池の発電セルにおいて、前記燃料極の前記燃料ガスの流れの前記上流端近傍および前記下流端近傍は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とのみが積層され、前記燃料極の前記上流端近傍よりも前記燃料ガスの下流側で、且つ、前記燃料極の前記下流端近傍よりも前記燃料ガスの上流側は、前記燃料極触媒層と前記燃料極微小多孔質層と前記燃料極基材層とが積層されていること、としても好適である。
【００１７】
本発明の燃料電池の発電セルにおいて、前記上流端近傍と上記下流端近傍とのいずれか一方または両方は、前記燃料極触媒層と前記燃料極基材層とがその間に空隙を設けて積層されていること、としても好適であるし、前記空隙の積層方向の幅は、前記燃料極微小多孔質層の積層方向厚さと略同一であること、としても好適である。
【００１８】
本発明の燃料電池の発電セルにおいて、前記燃料極基材層の前記上流端近傍と上記下流端近傍とのいずれか一方または両方の積層方向厚さは、残余の部分よりも前記燃料極微小多孔質層の積層方向厚さだけ厚くなっていること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、発電セル単位面積当たりの発電量の低下を抑制しつつ燃料ガスと酸化剤ガスとの間の湿分交換の効率向上を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池の発電セルの断面を示す説明図である。
【図２】本発明の他の実施形態における燃料電池の発電セルの断面を示す説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態における発電セルの電流密度に対する電圧を示すグラフである。
【図４】従来技術における燃料電池の発電セルの断面を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の燃料電池の発電セル１０は、電解質膜１１の両側に燃料極２３と酸化剤極２４とが積層され、燃料極２３と酸化剤極２４と電解質膜１１とを燃料極セパレータ４１、酸化剤極セパレータ４２によって両側から挟みこんだものである。燃料極セパレータ４１の燃料極２３側にはリブ４７によって紙面の垂直方向に延びて紙面の上下方向に順次折り返される燃料ガス流路５１が形成され、燃料ガスは上側の燃料ガス入口流路４３から下側の燃料ガス出口流路４５に向って流れる。また、酸化剤極セパレータ４２の酸化剤極２４側にはリブ４８によって紙面の垂直方向に延びて紙面の上下方向に順次折り返される酸化剤ガス流路５２が形成され、酸化剤ガスは燃料ガスとは逆に下側の酸化剤ガス入口流路４４から上側の酸化剤ガス出口流路４６に向って流れる。このように、燃料ガスと酸化剤ガスとの流れの方向が対向するように燃料ガス流路５１と酸化剤ガス流路５２とが配置されている。
【００２２】
燃料極２３は電解質膜１１に隣接して設けられる燃料極触媒層２１と、燃料極触媒層２１に積層され、燃料ガス流路５１を流れる燃料ガスを燃料極触媒層２１に拡散させる燃料極拡散層３５とを含んでいる。燃料極拡散層３５は、燃料極触媒層２１の側の燃料極微小多孔質層３１と燃料ガス流路５１側（燃料極触媒層２１の反対側）の燃料極基材層３３とが積層されたものである。燃料極微小多孔質層３１、燃料極基材層３３は共に導電性の多孔質層であるが、燃料極微小多孔質層３１は燃料極基材層３３よりも緻密な構造となっている。なお、各セパレータ４１，４２の各流路５１，５２の設けられている面と反対側の面には冷媒を流す冷媒流路が設けられているが、冷媒流路については図示を省略する。
【００２３】
図１に示すように、燃料極微小多孔質層３１の燃料ガス流路５１の上流端近傍の領域Ａの部分と燃料ガス流路５１の下流端近傍の領域Ｂの部分とが切り欠かれており、燃料極触媒層２１と燃料極基材層３３との間にそれぞれ空隙３７，３９が形成されている。また、燃料ガス流路５１の上流端近傍の領域Ａと下流端近傍の領域Ｂとの間の領域Ｃの部分、つまり、領域Ａよりも燃料ガスの流れの下流側であって領域Ｂの燃料ガスの流れの上流側の部分は、燃料極触媒層２１の上に燃料極微小多孔質層３１、燃料極基材層３３とが順に積層されている。ここで、燃料ガス流路５１の上流近傍の領域Ａは、燃料ガス入口流路４３と燃料ガス出口流路４５との間の上流側１／２よりも少ない領域であり、例えば、上流側１／４或いは１／１０程度の領域であってもよい。また、同様に、燃料ガス流路５１の下流近傍の領域Ｂは、燃料ガス入口流路４３と燃料ガス出口流路４５との間の下流側１／２よりも少ない領域であり、例えば、下流側１／４或いは１／１０程度の領域であってもよい。また、燃料ガス流路５１の上流端近傍の領域Ａと下流近傍領域Ｂとの間の中流領域Ｃは、電解質膜１１の側から燃料極触媒層２１、燃料極微小多孔質層３１、燃料極基材層３３が順次積層されている。ここで、空隙３７，３９の積層方向の厚さｔは燃料極微小多孔質層３１の厚さと略同様である。
【００２４】
酸化剤極２４も燃料極２３の中流領域Ｃと同様の構成で、電解質膜１１の側から酸化剤極触媒層２２、酸化剤極微小多孔質層３２、酸化剤極基材層３４が積層されている。酸化剤極微小多孔質層３２と酸化剤極基材層３４とは酸化剤極拡散層３６を構成する。本実施形態では、酸化剤極２４の酸化剤極微小多孔質層３２には切り欠きがなく、酸化剤極微小多孔質層３２は酸化剤極２４の全面に配設されている。
【００２５】
以上のように構成された燃料電池の発電セル１０に燃料ガスと酸化剤ガスを供給した際の基本的な動作について説明する。
【００２６】
発電セル１０に燃料ガスを供給すると、燃料ガスは燃料ガス入口流路４３から燃料ガス流路５１に流入する。燃料ガス流路５１に流入した燃料ガスは、燃料ガス入口流路４３から燃料ガス出口流路４５に向かって図１の紙面の上方向から下方向に向かって流れていく。一方、酸化剤ガスは図１の下側に示す酸化剤ガス入口流路４４から酸化剤ガス流路５２に流入する。酸化剤ガス流路５２に流入した酸化剤ガスは酸化剤ガス出口流路４６に向かって図１の紙面の下側から上側に流れていく。燃料ガスは、燃料極拡散層３５を通って燃料極触媒層２１に達し、燃料極の触媒の作用によってプロトンと電子とに分かれる。電子は外部負荷を通って酸化剤極２４に達し（発電し）、プロトンは電解質膜１１を通って酸化剤極触媒層２２に達する。一方、酸化剤ガスは酸化剤極拡散層３６を通って酸化剤極触媒層２２に達し、酸化剤極触媒層２２で酸化剤ガス中の酸素とプロトンと電子が結合して水が生成される。このため、酸化剤極２４を通流する酸化剤ガスは酸化剤ガス入口流路４４から酸化剤ガス出口流路４６に向かうほど湿分（例えば、水蒸気）を多く含んでいる。
【００２７】
次に、低湿度の燃料ガスと低湿度の酸化剤ガスが供給された場合の燃料ガス流路５１の上流領域Ａの近傍における発電セル１０の動作について説明する。
【００２８】
燃料ガス流路５１の上流領域Ａでは、燃料ガスは燃料ガス入口流路４３から燃料極基材層３３の表面に接して流れている。燃料極基材層３３は導電性の多孔質層であり、燃料ガスはその多孔質の細孔を通って燃料極触媒層２１に向かって拡散していく。燃料極基材層３３を通り抜けた燃料ガスは燃料極触媒層２１と燃料極基材層３３との間の空隙３７に流入し、燃料極触媒層２１の表面に沿って流れ、燃料極触媒層２１の表面との間で強制対流が発生する。燃料ガス入口流路４３から流れ込んできた入口側の燃料ガスは低湿度であるため、湿潤状態に保たれている燃料極触媒層２１の表面を流れる際に強制対流により燃料極触媒層２１に含まれている湿分（例えば、水蒸気）が燃料ガス中に蒸散し、燃料ガス中の湿分が増加する（例えば、水蒸気分圧が上昇する）。燃料極触媒層２１の湿分（例えば、水蒸気）が燃料ガスに奪われると、燃料極触媒層２１に積層されている電解質膜１１と燃料極触媒層２１の湿分の間に湿分（例えば、水蒸気）の濃度勾配ができ、これによって電解質膜１１から燃料極触媒層２１に向かって湿分が移動する。
【００２９】
酸化剤ガス出口流路４６には湿分を多く含む（例えば、水蒸気分圧が高い）出口側の酸化剤ガスが流れている。このため、酸化剤極拡散層３６を構成する酸化剤極基材層３４、酸化剤極微小多孔質層３２の中に拡散している空気には多くの湿分が含まれている（例えば、水蒸気分圧が高い）。また、酸化剤極拡散層３６に含まれる湿分（例えば、水蒸気）によって酸化剤極触媒層２２も湿潤状態に保たれている。このため、電解質膜１１の湿分（例えば、水蒸気）が燃料極触媒層２１に移動すると酸化剤極触媒層２２、酸化剤極拡散層３６の湿分（例えば、水蒸気）との間に湿分の濃度勾配ができ（例えば、水蒸気分圧の勾配ができ）、この濃度勾配によって酸化剤極触媒層２２、酸化剤極拡散層３６の湿分（例えば、水蒸気）が電解質膜１１を通して燃料極触媒層２１に移動する。すると、湿分を多く含む（例えば、水蒸気分圧の高い）酸化剤ガス出口流路４６を流れる酸化剤ガスは円滑に酸化剤極拡散層３６に拡散し、湿分を多く含む（例えば、水蒸気分圧の高い）酸化剤ガス出口流路４６を流れる酸化剤ガスから低湿分（例えば、水蒸気分圧の低い）の燃料ガス入口流路４３を流れる燃料ガスに向かって湿分（例えば、水蒸気）が移動していく。
【００３０】
燃料極触媒層２１に接触した燃料ガスの一部は燃料極の触媒によってプロトンと電子にわかれる。電子は外部負荷を通って酸化剤極２４に達する。プロトンは上記の湿分（例えば、水蒸気）移動によって湿潤状態の電解質膜１１を通って酸化剤極触媒層２２に達し、酸化剤極拡散層３６から十分に供給される酸化剤中の酸素と結合して水が生成され、円滑に発電反応が継続される。
【００３１】
以上説明した、湿分を多く含む（例えば、水蒸気分圧の高い）酸化剤ガス出口流路４６を流れる酸化剤ガスから低湿分（例えば、水蒸気分圧の低い）の燃料ガス入口流路４３を流れる燃料ガスに向かって湿分（例えば、水蒸気）の移動は、燃料極触媒層２１に達する低湿分（例えば、水蒸気分圧の低い）の燃料ガスに向って燃料極触媒層２１の表面から湿分（例えば、水蒸気）が蒸散することが駆動力となっている。このため、燃料極触媒層２１の表面での湿分（例えば、水蒸気）の蒸散が少ない場合には、湿分（例えば、水蒸気）移動のための駆動力が低下し、十分に湿分（例えば、水蒸気）の移動が行われない場合がある。湿分（例えば、水蒸気）の移動が不十分な場合には、酸化剤極２４の酸化剤極拡散層３６の細孔に水が詰まるフラッディングによって酸化剤極触媒層２２に達する酸化剤ガスの量が低下して発電性能が低下してしまうこととなる。先に図４を参照して説明した従来技術の発電セル１００では、水素極触媒層１２１の全面に緻密な多孔質である水素極微小多孔質層１３１が設けられていることから、水素ガスを水素極触媒層１２１に拡散する拡散流量が多くない。このため、発電セル１００の運転温度が低く空気流路１５２内で水分が凝縮してしまうような場合には、水素極触媒層１２１の表面から低湿分（例えば、水蒸気分圧の低い）の燃料ガスへの湿分（例えば、水蒸気）の蒸散量が空気極拡散層１３６のフラッディングを抑制するために必要な蒸散量に対して少なくなってしまい、空気極拡散層１３６にフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が低下してしまう場合があった。
【００３２】
本実施形態の発電セル１０では、図１に示すように、燃料ガス入口流路４３の近傍の上流領域Ａには燃料極微小多孔質層３１を設けずに空隙３７を設け、その空隙３７に低湿度（例えば、水蒸気分圧の低い）の燃料ガスを流して燃料極触媒層２１の表面で強制対流させ、燃料極触媒層２１から十分な湿分（例えば、水蒸気）を蒸散させることができるので、発電セル１０が低温状態で運転された場合でも酸化剤ガスから燃料ガスに向かって効率的に湿分（例えば、水蒸気）の移動を行うことができ、酸化剤極拡散層３６のフラッディングを抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。また、本実施形態では、燃料極２３、酸化剤極２４ともに、その全面に各触媒層２１，２２を配置しており、特許文献１から4に記載された従来技術のように触媒の切り欠き部分がなく、発電セル１０の単位面積当たりの発電量の低下を抑制しつつ燃料ガスと酸化剤ガスとの間の湿分交換の効率向上を図ることができる。
【００３３】
次に、低湿度の燃料ガスと低湿度の酸化剤ガスが供給された場合の燃料ガス流路５１の下流領域Ｂの近傍における発電セル１０の動作について説明する。
【００３４】
湿分を多く含む（例えば、水蒸気分圧が高い）酸化剤ガス出口流路４６を流れる酸化剤ガスから低湿分（例えば、水蒸気分圧が低い）の燃料ガス入口流路４３を流れる燃料ガスに向かって移動した湿分（例えば、水蒸気）は、燃料ガス入口流路４３の低湿度（例えば、水蒸気分圧が低い）の燃料ガスを高湿度（例えば、水蒸気分圧が高い）の燃料ガスとし、燃料ガス出口流路４５に向って流れていく。一方、酸化剤ガス入口流路４４には低湿度の空気が流れこんでいるため、電解質膜１１を挟んで湿度の高い出口側の燃料ガスと湿度の低い入口側の酸化剤ガスとが対向し、その間に湿度の濃度勾配ができる。この濃度勾配によって、燃料ガス出口流路４５を流れる燃料ガスから酸化剤ガス入口流路４４を流れる酸化剤ガスに向って湿分が移動する。
【００３５】
酸化剤ガス入口流路４４を流れる低湿分（例えば、水蒸気分圧が低い）の酸化剤ガスは酸化剤極基材層３４の表面に接して流れている。酸化剤極基材層３４は導電性の多孔質層であり、酸化剤ガスはその多孔質の細孔を通って酸化剤極触媒層２２に向かって拡散していく。酸化剤極基材層３４を通り抜けた酸化剤ガスは酸化剤極微小多孔質層３２の細孔を通って酸化剤極触媒層２２に向かって拡散していく。入口側の酸化剤ガスは湿度が低いため、酸化剤極触媒層２２の表面に酸化剤ガスが達すると湿潤な酸化剤極触媒層２２の表面から湿分（例えば、水蒸気）を奪う。すると、酸化剤極触媒層２２に積層されている電解質膜１１と酸化剤極触媒層２２の湿分の間に湿分（例えば、水蒸気）の濃度勾配ができ、これによって電解質膜１１から酸化剤極触媒層２２に向かって湿分が移動する。燃料ガス流路５１の下流領域Ｂには上流領域Ａの近傍で出口側の酸化剤ガスから湿分が移動し、湿分を多く含む（例えば、水蒸気分圧が高い）燃料ガスが流れている。この湿分を多く含む出口側の燃料ガスは、燃料ガス出口流路４５から多孔質の燃料極基材層３３の細孔を通って空隙３９に流入する。空隙３９に流入した燃料ガスは燃料極触媒層２１の表面に沿って流れ、強制対流によって燃料ガス中の湿分（例えば、水蒸気）が燃料極触媒層２１、電解質膜１１に移動する。
【００３６】
燃料電池の運転温度が高い場合には、酸化剤ガス入口流路４４に流入した低湿度の酸化剤ガスの温度が上昇するので、入口側の酸化剤ガスの湿度が低下する。このため、酸化剤ガス入口流路４４の近傍の酸化剤極拡散層３６の多くの湿分（例えば、水蒸気）が酸化剤ガス中に蒸散し、これに伴って、酸化剤極触媒層２２、電解質膜１１の中の多くの湿分が酸化剤極拡散層３６に移動してしまう。酸化剤極触媒層２２、電解質膜１１から入口側の酸化剤ガスに移動する湿分の量が出口側の燃料ガスから燃料極触媒層２１、電解質膜１１に移動する湿分の量よりも多い場合には、電解質膜１１や各触媒層２１，２２が湿潤状態を保てず、プロトンの移動が制限されてしまい発電反応が低下してしまう。
【００３７】
本実施形態の発電セル１０は、燃料極触媒層２１と燃料極基材層３３との間に空隙３９を設け、この空隙での燃料ガスの強制対流によって燃料ガス中の湿分を燃料極触媒層２１に移動させるようにしているので、図４を参照して説明した従来技術の発電セル１００よりも多くの湿分を燃料極触媒層２１から電解質膜１１に向って移動させることができるので、燃料電池が高温で運転された場合であっても電解質膜１１や各触媒層２１，２２の湿潤状態を保つことができ発電反応が低下することを抑制することができる。
【００３８】
以上説明した、実施形態の発電セル１０では、燃料極微小多孔質層３１の燃料ガス流路５１の上流端近傍の領域Ａの部分と燃料ガス流路５１の下流端近傍の領域Ｂの部分とが切り欠かれており、燃料極触媒層２１と燃料極基材層３３との間にそれぞれ空隙３７，３９が形成されていることとして説明したが、領域Ａの部分あるいは領域Ｂだけ燃料極微小多孔質層３１が切り欠かれ、空隙３７，３９のいずれか一方のみが配置されるように構成してもよい。また、本実施形態では、燃料極２３のみに空隙３７，３９を設けることとして説明したが、酸化剤極２４も燃料極２３と同様に空隙を設けるようにしてもよい。
【００３９】
次に図２を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、図１を参照して説明した実施形態の空隙３７，３９の部分を燃料極基材層３３としたものである。このため、燃料極基材層３３は燃料ガス流路５１の上流領域Ａと下流領域Ｂで燃料極微小多孔質層３１の厚さだけ厚くなっており、上流領域Ａと下流領域Ｂでは、燃料極触媒層２１の上に直接燃料極基材層３３が積層されている。
【００４０】
本実施形態の発電セル１０の湿度交換の動作は以下の通りである。燃料ガス流路５１の上流領域Ａでは、燃料ガスは燃料ガス入口流路４３から燃料極基材層３３の表面に接して流れ、燃料ガスは燃料極基材層３３の多孔質の細孔を通って燃料極触媒層２１に向かって拡散し、燃料極触媒層２１の表面に達し湿潤状態に保たれている燃料極触媒層２１の表面から湿分（例えば、水蒸気）を奪い、燃料ガス中の湿分が増加する。燃料極触媒層２１の湿分が燃料ガスに奪われると、燃料極触媒層２１に積層されている電解質膜１１と燃料極触媒層２１の湿分の間に湿分（例えば、水蒸気）の濃度勾配ができ、これによって電解質膜１１から燃料極触媒層２１に向かって湿分が移動する。また、燃料ガス流路５１の下流領域Ｂでは、燃料ガス出口流路４５から多孔質の燃料極基材層３３の細孔を通って湿分の多い出口側燃料ガスが燃料極触媒層２１の表面に達し、燃料ガス中の湿分が燃料極触媒層２１から電解質膜１１に向って移動する。
【００４１】
本実施形態では、図４を参照して説明した発電セル１００のように上流領域Ａと下流領域Ｂの燃料極触媒層２１の上に緻密な燃料極微小多孔質層３１が積層されているのではなく、燃料極微小多孔質層３１よりも目の粗い燃料極基材層３３が燃料極触媒層２１の上に直接積層されているので、上流領域Ａと下流領域Ｂでは図４を参照して説明した従来技術よりも多くの燃料ガスが燃料極触媒層２１の表面に達することができ、効果的に多くの湿分交換をすることができる。本実施形態は、図１を参照して説明した実施形態と略同等の効果を奏する。また、本実施形態は図１を参照して説明した実施形態のように燃料極触媒層２１と燃料極基材層３３との間の空隙３７，３９がないので、この部分の集電性の低下を抑制することができるという効果を奏する。
【００４２】
図３は燃料電池を６０℃で運転した際の本実施形態の発電セル１０の電流密度に対する電圧の特性と図４を参照して説明した従来技術の発電セル１００の特性とを示したグラフである。図３に示すように、本実施形態の発電セル１０の特性を示す線ａはすべての領域で従来技術の発電セル１００の特性を示す点線ｂを上回っており、実施形態の発電セル１０は従来技術の発電セル１００に比較して良好な発電特性を示していることがわかる。
【００４３】
以上説明した、実施形態の発電セル１０では、燃料極微小多孔質層３１の燃料ガス流路５１の上流端近傍の領域Ａの部分と燃料ガス流路５１の下流端近傍の領域Ｂの部分とが切り欠かれ、燃料極触媒層２１の上に直接燃料極基材層３３が積層されるように燃料極基材層３３の厚さが燃料極微小多孔質層３１の厚さだけ厚くなっていることとして説明したが、領域Ａまたは領域Ｂのいずれか一方のみ燃料極微小多孔質層３１が切り欠かれ、燃料極触媒層２１の上に直接燃料極基材層３３が積層されるように燃料極基材層３３の厚さが燃料極微小多孔質層３１の厚さだけ厚くなっているように構成してもよい。また、本実施形態では、燃料極２３のみ燃料極触媒層２１の上に直接燃料極基材層３３が積層されることとして説明したが、酸化剤極２４も燃料極２３と同様に酸化剤極触媒層２２の上に直接酸化剤極基材層３４が積層されるよう構成してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０，１００  発電セル、１１，１１１  電解質膜、２１  燃料極触媒層、２２  酸化剤極触媒層、２３  燃料極、２４  酸化剤極、３１  燃料極微小多孔質層、３２  酸化剤極微小多孔質層、３３  燃料極基材層、３４  酸化剤極基材層、３５  燃料極拡散層、３６  酸化剤極拡散層、３７，３９  空隙、４１  燃料極セパレータ、４２  酸化剤極セパレータ、４３  燃料ガス入口流路、４４  酸化剤ガス入口流路、４５  燃料ガス出口流路、４６  酸化剤ガス出口流路、４７，４８，１４７，１４８  リブ、５１  燃料ガス流路、５２  酸化剤ガス流路、１２１  水素極触媒層、１２２  空気極触媒層、１２３  水素極、１２４  空気極、１３１  水素極微小多孔質層、１３２  空気極微小多孔質層、１３３  水素極基材層、１３４  空気極基材層、１３５  水素極拡散層、１３６  空気極拡散層、１４１  水素極セパレータ、１４２  空気極セパレータ、１４３  水素入口流路、１４４  空気入口流路、１４５  水素出口流路、１４６  空気出口流路、１５１  水素流路、１５２  空気流路。
【図１】
2012059604.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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