(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池が備える電解質膜が水分不足となることを抑制する。【解決手段】固体高分子型燃料電池は、電解質膜と、電解質膜上に形成された電極であるアノードおよびカソードと、各々の電極上に配置されるガス拡散層を備える。また、各々のガス拡散層上に配置されて、アノード側に配置されたガス拡散層との間に、水素を含有する燃料ガスが上流側から下流側へと流れる燃料ガス流路を形成すると共に、カソード側に配置されたガス拡散層との間に、酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するガスセパレータを備える。アノード側に配置されたガス拡散層とカソード側に配置されたガス拡散層の少なくとも一方は、燃料ガス流路に対して燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗が、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している。【選択図】図１
2009064615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜のそれぞれの面上に形成された電極であるアノードおよびカソードと、
各々の前記電極上に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層と、
各々の前記ガス拡散層上に配置されて、アノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、水素を含有する燃料ガスが上流側から下流側へと流れる燃料ガス流路を形成すると共に、カソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するガスセパレータと、
を備え、
アノード側に配置された前記ガス拡散層とカソード側に配置された前記ガス拡散層の少なくとも一方は、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、前記電解質膜と前記燃料ガス流路との間の熱抵抗が、前記電解質膜と前記酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
アノード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されている
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、さらに、
前記アノードとアノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第１の撥水層を備え、
前記第１の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されている
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
カソード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されている
燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、さらに、
前記カソードとカソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第２の撥水層を備え、
前記第２の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されている
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池が備える電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すため、固体高分子型燃料電池の電池性能を維持するためには、電解質膜の含水量を充分に保つことが必要となる。このような電解質膜の含水量を保つための方策の一つとして、電解質膜のカソード側の面上に配置されるガス拡散層において、例えば酸化ガス流れの上流側ほどガス拡散層を厚く形成することによって、酸化ガス流れの上流側ほどガス拡散層の水分透過性を低くする構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように酸化ガス流れの上流側ほどガス拡散層の水分透過性を低くすることで、酸化ガス中の湿度がより低い上流部において、電解質膜中の水分の酸化ガス中への蒸発を抑制して、電解質膜の含水量の低下を防いでいる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−００６７０８
【特許文献２】特開２００１−１３５３２６
【特許文献３】特開平８−１２４５８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電解質膜の水分量の低下を抑制するためには、カソード側の面から酸化ガス中への水分の蒸発を抑制するだけでは不十分となる場合があった。上記した電解質膜のカソード側の面では発電に伴って水が生じるのに対し、アノード側の面は発電に伴って水がカソード側に移動して水分不足となり易いため、電解質膜のアノード側の面における含水量の状態は、電池性能に対して、より大きく影響する場合があった。そのため、電解質膜における含水量の調節の更なる適正化が望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池が備える電解質膜が水分不足となることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一態様としての燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜のそれぞれの面上に形成された電極であるアノードおよびカソードと、
各々の前記電極上に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層と、
各々の前記ガス拡散層上に配置されて、アノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、水素を含有する燃料ガスが上流側から下流側へと流れる燃料ガス流路を形成すると共に、カソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するガスセパレータと、
を備え、
アノード側に配置された前記ガス拡散層とカソード側に配置された前記ガス拡散層の少なくとも一方は、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、前記電解質膜と前記燃料ガス流路との間の熱抵抗が、前記電解質膜と前記酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している。
【０００７】
以上のように構成された本発明の一態様としての燃料電池によれば、少なくとも一方のガス拡散層は、燃料ガス流路に対して燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗が、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している。そのため、上記入り口部近傍領域において、電解質膜から燃料ガス流路側への伝熱が促進され、電解質膜内ではカソード側からアノード側への水の移動が促進される。したがって、電解質膜において、燃料ガス流れの上流におけるアノード側の膜乾燥を抑制し、電池性能を向上させることができる。
【０００８】
上記本発明の一態様としての燃料電池において、アノード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、アノード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させることにより、既述した入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗を、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくして、膜乾燥を抑制することができる。
【０００９】
このような燃料電池において、さらに、前記アノードとアノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第１の撥水層を備え、前記第１の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、熱抵抗に対する影響が比較的小さい第１の撥水層の厚みを面内で変化させることにより、アノード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させたことによる効果を損なうことなく、ガス拡散層および撥水層を含む部材を積層した構造全体の厚みを均一化することができる。
【００１０】
また、本発明の一態様としての燃料電池において、カソード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、アノード側のガス拡散層に加えて、あるいはアノード側のガス拡散層に代えて、カソード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させることにより、既述した入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗を、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくして、膜乾燥を抑制することができる。
【００１１】
このような燃料電池において、さらに、前記カソードとカソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第２の撥水層を備え、前記第２の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、熱抵抗に対する影響が比較的小さい第２の撥水層の厚みを面内で変化させることにより、カソード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させたことによる効果を損なうことなく、ガス拡散層および撥水層を含む部材を積層した構造全体の厚みを均一化することができる。
【００１２】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池における電解質膜の乾燥抑制方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池を構成する単セル１０の概略構成を現わす断面模式図であり、図２は、分解斜視図である。図２では、図１に示す断面の位置を、１−１断面として示している。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単セル１０は、電解質を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１２と、ＭＥＡ１２を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層１６，１７と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するセパレータ２０，２１とを、順次積層することによって形成されている。さらに、単セル１０においては、ＭＥＡ１２とガス拡散層１６，１７との間に、撥水層１８，１９が形成されている。
【００１４】
ＭＥＡ１２は、電解質膜１３と、電解質膜１３を間に挟んでその表面に形成された電極であるアノード１４およびカソード１５を備えている。電解質膜１３は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。アノード１４およびカソード１５は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。アノード１４およびカソード１５を形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加して、触媒ペーストを作製すればよい。この触媒ペーストを、電解質膜１３上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、アノード１４およびカソード１５を形成することができる。
【００１５】
ガス拡散層１６，１７は、ガス透過性および導電性を有する部材によって構成されている。本実施例では、ガス拡散層１６，１７は、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン多孔質体によって形成されている。ガス拡散層１６，１７を設けることによって、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、セパレータ２０，２１と電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜１３を保護することができる。このようなガス拡散層１６，１７の厚みは、例えば、１００〜５００μｍとすることができる。
【００１６】
撥水層１８，１９は、導電性粒子、例えばカーボン粒子と、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂とを含むペーストを、ガス拡散層１６，１７となるカーボン多孔質体の一方の面（ＭＥＡ１２に重ね合わせる面）上に塗布することによって形成されている。電極とガス拡散層との間に設けられた撥水層は、液水を弾いて電極側に押し戻す働きを有し、このように液水を押し戻すことによって電解質膜１３が水分不足となることを抑制している。また、液水を弾くことによって、ガス拡散層１６，１７が備える細孔が液水によって閉塞されることを抑制し、細孔の閉塞に起因するガス流れの阻害を抑えている。なお、本実施例では、既述したガス拡散層１６および撥水層１８の厚みが均一ではなく、その厚みの面内分布に特徴があるが、これらの構成については後に詳述する。このような撥水層１８，１９の厚みは、例えば、２０〜８０μｍとすることができる。
【００１７】
セパレータ２０，２１は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な薄板状部材である。セパレータ２０，２１は、単セル１０内に配置されて反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、単セル１０内のガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。単セル１０内では、溝２２が形成されたセパレータ２０の一方の面とアノード１４との間には、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路が形成される。また、溝２３が形成されたセパレータ２１の一方の面とカソード１５との間には、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路が形成される（図１参照）。なお、セパレータ２０，２１は、それぞれ、一方の面に上記溝２２が形成されると共に、他方の面に溝２３が形成された、同じ形状の部材である。
【００１８】
セパレータ２０，２１は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部３０〜３３を備えている。セパレータ２０，２１を、ＭＥＡ１２およびガス拡散層１６，１７と共に積層して燃料電池を組み立てると、積層された各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、セパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、セル内ガス流路に対して反応ガスを供給・排出する給排ガス流路であるガスマニホールドを形成する。具体的には、溝２２と連通する孔部３０および孔部３１は、それぞれ、各セル内燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路から排出されるアノード排ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、溝２３と連通する孔部３２および孔部３３は、それぞれ、酸化ガス供給マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドを形成する。
【００１９】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ２１と、これに隣接して設けられる他方の単セルのセパレータ２０との間に設ければよい。
【００２０】
燃料電池を組み立てる際には、各部材を図１に示す順序で積層して単セル１０を組み立ていると共に、このような単セル１０を所定数積層して、スタック構造を有する燃料電池を製造する。ここで、本実施例では、既述したように、ガス拡散層１６と撥水層１８の厚みが均一ではなく、燃料電池の組み立ての際には、単セル１０内の燃料ガスの流れ方向に対して上記厚みの分布が特定の状態となるように、ガス拡散層１６および撥水層１８を配置している。以下、ガス拡散層１６および撥水層１８の厚みの分布について説明する。
【００２１】
図３は、ガス拡散層１６の構成の概略を表わす斜視図である。四角形状に形成されたガス拡散層１６は、一辺（図３における辺４０）近傍領域から、この一辺に対向する辺（図３における辺４１）の近傍領域に向かって、段階的に厚みが増加する形状となっている。具体的には、一方の面（図３で手前に表わされている面）では、厚みが段階的に増加するように段差が形成されると共に、他方の面（図３では裏側となっている面）は、段差の無い平坦面に形成されている。本実施例では、撥水層１８は、既述したように、カーボン粒子と撥水性樹脂とを含むペーストをガス拡散層１６上に塗布して形成しているが、上記ペーストの塗布は、ガス拡散層１６の面の内、段差が形成された面に対して行なわれている。そして、ガス拡散層１６が薄い領域ほど上記ペーストを厚く塗布することにより、撥水層１８を塗布したガス拡散層１６は、全体として、略均一な厚みとなっている。なお、上記ペーストを塗布すると、ペーストの一部は、多孔質体であるガス拡散層１６の表面から内部へと入り込む。ガス拡散層１６内へと入り込むペースト量は、ペーストの組成や固形分の濃度等により変化するが、このように内部に入り込む量を考慮して、全体として厚みが略均一となるようにペーストを塗布することによって、撥水層１８を形成すればよい。また、図１および図３では、ガス拡散層１６の厚さは、３段階に変化することとしているが、厚みが変化する段階の数は、異なる数としても良い。
【００２２】
燃料電池を組み立てる際には、撥水層１８を設けたガス拡散層１６は、セル内燃料ガス流路の入り口側ほどガス拡散層１８の厚みが薄くなる向きとしつつ、撥水層１８をＭＥＡ１２側として配置される（図１参照）。具体的には、図３に示す辺４０が、燃料ガス供給マニホールドを形成する孔部３０に近接し、辺４１が、燃料ガス排出マニホールドを形成する孔部３１に近接するように、ガス拡散層１８を配置する。なお、カソード側に配置されるガス拡散層１７は、その外周形状は、図３に示したガス拡散層１６と同一であるが、全体として均一な厚みに形成されている。そして、このようなガス拡散層１７上に、既述した撥水層１８を形成したものと同様にペーストを均一な厚みに塗布することにより、撥水層１９が形成されている。
【００２３】
Ｂ．部材の厚みと伝熱および水移動の関係：
燃料電池で電気化学反応が進行する際には、発電に伴ってカソードにて水が生じる。生じた水の一部は、カソードが形成された電解質膜表面から酸化ガス中に気化すると共に、他の一部は、電解質膜内をアノード側へと拡散・移動する。このような電解質膜内の水の一部は、電解質膜のアノード側表面から、燃料ガス中に気化する。ここで、固体高分子電解質からなる電解質膜は、含水量の低下に伴ってプロトン伝導性が低下するため、電解質膜の含水量が低下すると、燃料電池の出力電圧が低下する。燃料電池においては、その運転温度が高いほど、電極が備える触媒の活性が高くなるが、運転温度が上昇すると、電解質膜から反応ガスへの水の蒸発量が増大して電解質膜が乾燥し易くなり、上記のように電圧低下が引き起こされ易くなる。そのため、燃料電池の性能を向上させるには、高温での運転時においても、電解質膜の乾燥を抑えることが望まれる。
【００２４】
このような燃料電池において、アノード側とカソード側とで構成を異ならせることによって、高温における電池性能を向上させることができるという知見が得られたので以下に説明する。具体的には、ガス拡散層の有無と、発電時の電圧との関係を調べた。図４は、電池性能を調べるために用いた燃料電池を構成する単セルの構成を表わす断面模式図である。図１に示した第１実施例の燃料電池と共通する部分には同じ参照番号を付している。図４（Ａ）の単セル５１０は、アノード側にはガス拡散層を備えず、カソード側の撥水層１９と同様に均一な厚みに形成された撥水層５１８のみを備えている。また、図４（Ａ）に示す燃料電池は、セル内ガス流路を形成する凹凸を備えるセパレータ２０，２１に代えて、凹凸を有しない平坦面が形成されたセパレータ５２０，５２１を備えている。さらに、図４（Ａ）に示す燃料電池は、撥水層と５１８とセパレータ５２０の間、および、ガス拡散層１７とセパレータ５２１の間に、それぞれ、平板状の導電性多孔質体からなる流路形成部５２２，５２３を備えている。図４（Ａ）の単セルでは、流路形成部５２２，５２３が備える細孔が形成する空間によって、セル内ガス流路が形成されている。
【００２５】
図４（Ｂ）の単セル６１０は、ガス拡散層１６および撥水層１８に代えて、カソード側と同様に、均一な厚みに形成されたガス拡散層６１６および撥水層５１８を備える。また、図４（Ａ）と同様に、セパレータ２０，２１に代えてセパレータ５２０，５２１を備えると共に、ガス拡散層とセパレータとの間には、セル内ガス流路を形成する流路形成部５２２，５２３が配置されている。すなわち、図４（Ａ）の単セル５１０と図４（Ｂ）の単セル６１０とは、アノード側のガス拡散層の有無のみが異なっている。なお、図４（Ａ）および（Ｂ）では、流路形成部５２２内に形成されるセル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向を、矢印で示している。
【００２６】
図５は、上記２種類の燃料電池について、運転温度を種々異ならせて、出力電圧を調べた結果の一例を示す説明図である。ここでは、燃料電池の運転温度として、燃料電池内を流れて燃料電池から排出された冷却水の温度を用いた。さらにここでは、それぞれの燃料電池について、カソードに酸化ガスとして供給する空気を加湿する条件と加湿しない条件とについて、電圧低下を調べた。加湿は、５５℃のバブラを用いて行なった。燃料ガスとしては水素ガスを用い、出力電流値を一定値（１．６Ａ／ｃｍ2）として、運転温度を次第に上昇させたときの出力電圧の低下の様子を調べた。電圧低下は、冷却水の出口温度が７５℃のときの出力電圧からの低下の程度により表わしている。
【００２７】
図５中、グラフ（１）は、図４（Ａ）に示す燃料電池に対して加湿した酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わし、グラフ（２）は、図４（Ｂ）に示す燃料電池に対して加湿した酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わす。また、グラフ（３）は、図４（Ａ）に示す燃料電池に対して加湿しない酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わし、グラフ（４）は、図（Ｂ）に示す燃料電池に対して加湿しない酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わす。
【００２８】
図５に示すように、加湿を行なう方が、燃料電池の運転温度をより高くしても、電圧低下の程度を抑えることができた。これは、酸化ガスを加湿することにより、運転温度が高温になっても、電解質膜の含水量を充分に維持することが可能になるためと考えられる。さらに、図５に示すように、加湿の有無に拘わらず、図４（Ａ）に示すアノード側のガス拡散層を有しない燃料電池の方が、図（Ｂ）に示す両側にガス拡散層を有する燃料電池よりも、高温運転時における電圧低下を抑えることができた。これは、図４（Ａ）の燃料電池では、アノード側のガス拡散層を設けないことにより、電解質膜１３のアノード側とカソード側とで熱抵抗の大きさに差が生じたために、電池性能が向上したものと考えられる。すなわち、燃料電池の発電時には、発電に伴ってＭＥＡ１２で熱が生じ、生じた熱は、ＭＥＡ１２から両側のセル内ガス流路側へと伝わるが、上記のように電解質膜１３の両側で熱抵抗の大きさに差があることにより、電解質膜１３内での水の移動が影響を受けるためと考えられる。具体的には、電解質膜１３から、ガス拡散層を有しないために熱抵抗が小さいセル内燃料ガス流路側への伝熱が促進されることによって、電解質膜１３内ではカソード側からアノード側への水の移動が促進される。これによって、発電時に水が生じない電解質膜のアノード側表面における含水量が増加して、膜乾燥に起因する電圧低下が抑えられたと考えられる。このように、セル内燃料ガス流路側へと熱が伝わる際の熱抵抗を小さくするほど電解質膜内でのカソード側からアノード側への水の移動を促進できるのは、電解質膜内において、熱の移動に伴って水が一緒に移動するためと考えられる。このような熱の移動と物質の移動の関係は、いわゆるソーレ効果として知られている。
【００２９】
図５では、既述したように、ガス拡散層の有無を異ならせることによって、電解質膜１３とセル内燃料ガス流路あるいはセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗を異ならせている。このように電解質膜１３とセル内ガス流路との間に介在して熱抵抗に関わる部材として、さらに撥水層があるが、ガス拡散層は、撥水層に比べて特に熱抵抗に大きく寄与する部材であるといえる。以下に、ガス拡散層と撥水層について、伝熱の効率を比較した結果を示す。
【００３０】
図６は、ガス拡散層の伝熱効率（具体的には熱拡散率）を測定した結果を表わす説明図であり、図７は、撥水層の伝熱効率（具体的には熱拡散率）を測定した結果を表わす説明図である。ここでは、レーザフラッシュ法を用いて、厚さの異なる複数のガス拡散層あるいは撥水層についてハーフタイムを測定した結果を示している。レーザフラッシュ法は、熱拡散率を測定するための周知の方法であり、試料表面をレーザパルスで瞬間的に均一加熱して、試料裏面へ熱が拡散する過程を、赤外放射測温を利用した非接触測定等により観察する方法である。試料の熱拡散率が高いほど、ハーフタイム（試料裏面が最大上昇温度の半分に達するのに要する時間）は短くなる。本実施例では、ガス拡散層に係る測定は、ガス拡散層１６を構成する多孔質体と同様の多孔質体であって、厚みの異なる複数の多孔質体を、それぞれ薄板状の治具に挟んで行なった。また、撥水層に係る測定は、撥水層１８を形成するために用いたものと同様のペーストを、薄板状の治具間に塗布したものを、厚みを異ならせて複数用意して行なった。図６における横軸は、ガス拡散層１６に相当する多孔質体を治具に挟んだ全体の厚みを表わしている。また、図７における横軸は、撥水層１８に相当する層を治具間に形成した全体の厚みを表わしている。図６および図７における縦軸は、ハーフタイムを表わしている。
【００３１】
図６に示すように、ガス拡散層の厚みとハーフタイムの関係を表わすグラフは、一定の傾きを示す直線状となる。すなわち、ガス拡散層は、厚みが増すに従ってハーフタイムが長くなるため、厚みが増すに従って熱抵抗が大きくなることが確認された。これに対して、図７に示すように、撥水層の厚みとハーフタイムの関係は、図６のような傾きを示さず、撥水層の厚みは、熱抵抗にほとんど影響しないことが確認された。本実施例では、ガス拡散層１６と撥水層１８とを、面内の厚み変化が背反するように形成しているが、上記のように撥水層の厚みは熱抵抗にほとんど影響しないため、熱抵抗の面内分布は、ガス拡散層の厚みの面内分布に依存するといえる。本実施例では、ガス拡散層１６の厚みを、セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側を薄く形成しているため、電解質膜１３からセル内燃料ガス流路側へと熱が伝わる際の熱抵抗の面内分布は、燃料ガス流れの上流側ほど小さいといえる。そのため、燃料ガス流れの上流側ほど、電解質膜１３とセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗に比べて、電解質膜１３とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗が、より小さくなる。
【００３２】
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど、カソード側に比べてアノード側の方がガス拡散層の熱抵抗が小さいため、電解質膜１３から各セル内ガス流路側への熱流速は、カソード側に比べてアノード側の方が大きくなる。これにより、燃料ガス流れの上流側ほど、電解質膜１３からセル内燃料ガス流路側への伝熱が促進される。既述したように、電解質膜からセル内燃料ガス流路側への伝熱が促進されるほど、電解質膜内ではカソード側からアノード側への水の移動が促進されるため、本実施例の燃料電池によれば、特に、燃料ガス流れ方向の上流側におけるアノード側の膜乾燥を抑制することができる。
【００３３】
燃料電池の発電時には、電解質膜は、以下のような種々の要因により水分の分布状態が影響される。すなわち、発電時に電解質膜内をプロトンが移動する際には、プロトンは水和しているため、水はプロトンと共にアノード側からカソード側へと移動する。また、電気化学反応に伴って、カソードでは水が生じるため、電解質膜のカソード側表面では液水が存在し易い状態となるが、アノード側では水分が不足しやすい状態となる。また、セル内ガス流路をガスが流れる際には、電解質膜からガス流路中のガスへと水分が蒸発するため、セル内ガス流路においては、下流を流れるガスほど湿度が高い状態となる。そのため、湿度がより低いガスが流れるガス流れ方向の上流側ほど、電解質膜からガスへと水分が奪われやすくなる。従って、電解質膜においては、アノード側表面の中でも特に、燃料ガス流れの上流側の表面ほど、水分不足になり易いといえる。本実施例では、このようなセル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側において、電解質膜内でアノード側への水移動を促進しているため、電解質膜が水不足となることに起因する問題の発生を抑制することができる。それにより、燃料電池の運転温度をより高温にしたときに、出力電圧すなわち電池性能を安定して維持する効果を高めることができる。
【００３４】
また、本実施例の燃料電池によれば、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど、ガス拡散層１６を薄く形成すると共に撥水層１８を厚く形成して、単セル１０全体の厚みを均一化している。既述したように、撥水層はガス拡散層に比べて熱抵抗に対する影響が少ないため、撥水層を厚く形成しても熱抵抗が増大する程度が小さく、ガス拡散層を薄く形成して熱抵抗を削減した効果を損なうことがない。そのため、電解質膜１３では、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側において、カソード側からアノード側への水移動の促進と、単セル１０全体の厚みの均一化とを両立することができる。単セル１０全体の厚みを均一化することによって、単セル１０を積層して燃料電池を組み立てることが容易になる。なお、撥水層の厚みは、全体の厚みが略同一になるような厚みにすることが望ましいが、必ずしも同一にする必要はない。同一となっていなくても、ガス拡散層を薄くした領域ほど撥水層を厚くすることにより、ガス拡散層の厚みを面内で変化させたことによる単セル１０内で生じる厚みの不均一を抑制することができる。
【００３５】
なお、電解質膜１３の内部では、上記のようにプロトン移動に伴う水の移動の他に、水の濃度勾配によって、カソード側からアノード側への水の移動も行なわれる。そのため、カソード側からアノード側への水移動を促進する方法として、電解質膜の薄型化も考えられるが、電解質膜の薄型化は電解質膜の強度低下を伴うため限度がある。本実施例によれば、電解質膜１３とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗を変化させることにより、電解質膜１３内での水移動を促進するため、電解質膜１３の強度低下を伴うこともない。
【００３６】
電解質膜において、カソード側からアノード側への水移動を促進すると、既述したように燃料電池の運転温度がより高いときには、電解質膜の膜乾燥を抑えることによって、電池性能が高まる。これに対して、燃料電池の運転温度がより低いとき（例えば、常温での発電時）には、電解質膜からセル内ガス流路を流れるガスへと気化する水分量が少なくなるため、電解質膜において水が過剰になる場合が生じ得る。特に、セル内ガス流路の下流領域では、流路を流れるガス中の水分量が多いため、電解質膜の含水量が過剰になり易い。電解質膜の表面に液水が滞留すると、いわゆるフラッディングと呼ばれる状態となり、液水がガス流れを阻害して、電池性能を低下させる可能性がある。本実施例の燃料電池では、電解質膜１３において、セル内燃料ガス流路の上流側ではカソード側からアノード側への水移動を促進して高温運転時の膜乾燥を抑制すると共に、セル内燃料ガス流路の下流側ではカソード側からアノード側への水移動を抑制することができる。したがって、燃料ガス流れ方向の下流側において電解質膜１３のアノード側表面が水過剰となるのを抑え、常温発電などの低温運転時であっても、フラッディングを抑制することが可能になる。
【００３７】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、アノード側に配置したガス拡散層１６および撥水層１８の厚みを面内で変化させることで、電解質膜１３内におけるカソード側からアノード側への水移動を促進しているが、カソード側に配置したガス拡散層１７および撥水層１９の厚みをさらに面内で変化させることとしても良い。このような構成を、第２実施例として以下に説明する。
【００３８】
図８は、第２実施例の燃料電池が備える単セル１１０の構成を表わす断面模式図である。第２実施例の燃料電池において、第１実施例の燃料電池と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。第２実施例の燃料電池は、第１実施例のガス拡散層１７および撥水層１９に代えて、ガス拡散層１１７および撥水層１１９を備えた単セル１１０によって構成されている。ガス拡散層１１７は、ガス拡散層１６，１７と同様の導電性多孔質部材によって形成されているが、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚く形成されている。具体的には、ガス拡散層１１７は、図３に示したガス拡散層１６と同様の形状を有しており、辺４０が、燃料ガス排出マニホールドを形成する孔部３１に近接し、辺４１が、燃料ガス供給マニホールドを形成する孔部３０に近接するように配置されている。
【００３９】
また、撥水層１１９は、撥水層１８，１９と同様のペーストをガス拡散層１１７上に塗布することによって形成されている。このようなペーストの塗布は、ガス拡散層１１７における段差が形成された面に対して、ガス拡散層１１７が薄い領域ほど厚く塗布することにより行なわている。このように、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚みが薄くなるように、撥水層１１９を形成することによって、撥水層１１９を形成したガス拡散層１１７は、全体として略均一な厚みとなっている。
【００４０】
以上のように形成された第２実施例の燃料電池によれば、アノード側に配置されたガス拡散層１６および撥水層１８が、第１実施例と同様の構成を有するため、第１実施例と同様の効果を奏することができる。さらに、第２実施例の燃料電池によれば、カソード側に配置されたガス拡散層１１７を、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚く形成しているため、燃料ガス流れ方向上流側ほど、カソード側のガス拡散層の熱抵抗が大きくなると共に、カソード側のガス拡散層とアノード側のガス拡散層の熱抵抗の差が大きくなる。そのため、燃料ガス流れ方向の上流側において、電解質膜１３から各セル内ガス流路側への熱流速が、カソード側よりもアノード側の方が大きくなる程度が、さらに増大する。これにより、燃料ガス流れ方向の上流側において、電解質膜１３からセル内燃料ガス流路側への伝熱がさらに促進されると共に、電解質膜１３内ではカソード側からアノード側への水の移動がさらに促進されて、燃料ガス流れ方向の上流側におけるアノード側の膜乾燥を抑制することができる。また、第２実施例の燃料電池によれば、セル内燃料ガス流路におけるガス流れの下流側ほど、伝熱への影響が小さい撥水層１１９を厚く形成しているため、ガス拡散層１１７の厚みを変化させたことによる効果を損なうことなく、単セル１１０の厚みを均一化することができる。
【００４１】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４２】
Ｄ１．変形例１：
第１および第２実施例では、ガス拡散層の厚みは、面内で段階的に変化することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、図１におけるガス拡散層１６、あるいは、図８におけるガス拡散層１６および１１７の厚みは、無段階的に徐々に変化することとしても良い。セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向に応じてガス拡散層の厚みを変化させるならば、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
Ｄ２．変形例２：
第１および第２実施例では、ガス拡散層と共に、このガス拡散層上に形成される撥水層の厚みを変化させることにより、単セル全体の厚みを均一化しているが、異なる構成としても良い。例えば、撥水層の厚みは均一にして、アノード側およびカソード側のガス拡散層の厚みを、面内で変化させることとしても良い。このような変形例の燃料電池の構成を、図９に示す。ここでは、第１実施例と同様の部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００４４】
図９に示す変形例の燃料電池が備える単セル２１０は、ガス拡散層１６，１７に代えて、ガス拡散層２１６，２１７を備えている。ガス拡散層２１６は、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど薄く形成されており、ガス拡散層２１７は、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚く形成されており、これによって、単セル２１０全体の厚みが均一化されている。なお、ガス拡散層２１６，２１７は、無段階的に徐々に厚みが変化する形状となっている。このような構成としても、第１および第２実施例と同様に、電解質膜１３における燃料ガス流れ方向の上流側において、カソード側からアノード側への水移動を促進し、膜乾燥を抑制することができる。
【００４５】
なお、撥水層は、既述したように電解質膜１３側に水を押し戻すことによって膜乾燥を抑制したり、ＭＥＡ１２近傍に液水が滞留するのを抑えるために設けているが、撥水層を設けない構成も可能である。例えば、図９に示す変形例の燃料電池において、撥水層５１８および撥水層１９の内の少なくともいずれか一方を設けないこととしても良い。
【００４６】
Ｄ３．変形例３：
アノード側のガス拡散層の厚みは変化させることなく、カソード側のガス拡散層の厚みだけを面内で変化させることとしても良い。この場合には、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れの上流側ほど、カソード側のガス拡散層を厚く形成すればよい。このような構成としても、電解質膜とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗が、電解質膜とセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗に比べて相対的に小さくなるため、実施例と同様の効果が得られる。なお、このような場合にも、伝熱に対する影響のより少ない撥水層の厚みを調節することによって、単セル全体の厚みを均一化することが可能になる。
【００４７】
少なくともアノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層の一方において、燃料ガスの流れ方向に応じて厚みを変化させ、燃料ガス流れ方向の上流側ほど、電解質膜とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗の方が、電解質膜とセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくすれば、同様の効果が得られる。
【００４８】
Ｄ４．変形例４：
セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向に応じて少なくとも一方のガス拡散層の厚みを変化させるならば、セル内酸化ガス流路における酸化ガス流れについては、種々の変形が可能である。実施例では、セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向と、セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れ方向とは、直交することとしたが、例えば、平行に流れることとしても良い。また、セル内ガス流路は、実施例のように、セパレータに設けた凹凸形状とＭＥＡとの間に形成される空間によって形成しても良いし、図４のように多孔質体内の細孔が形成する空間によって形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】単セル１０の概略構成を現わす断面模式図である。
【図２】単セル１０の概略構成を現わす分解斜視図である。
【図３】ガス拡散層１６の構成の概略を表わす斜視図である。
【図４】電池性能を調べるために用いた単セルの断面模式図である。
【図５】運転温度を異ならせて出力電圧を調べた結果の一例を示す説明図である。
【図６】ガス拡散層の伝熱効率を測定した結果を表わす説明図である。
【図７】撥水層の伝熱効率を測定した結果を表わす説明図である。
【図８】単セル１１０の構成を表わす断面模式図である。
【図９】単セル２１０の構成を表わす断面模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０，１１０，２１０，５１０，６１０…単セル
１２…ＭＥＡ
１３…電解質膜
１４…アノード
１５…カソード
１６，１７，１１７，２１６，２１７，６１６…ガス拡散層
１８，１９，１１９，５１８…撥水層
１８…ガス拡散層
２０，２１，５２０，５２１…セパレータ
２２，２３…溝
３０〜３３…孔部
４０，４１…辺
５２２，５２３…流路形成部
【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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