(57)【要約】【課題】排水効率が向上し、酸化剤の効率的供給が可能な燃料電池セルおよび燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜と該電解質膜を挟んで存在する２つの触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟んで存在する２つのガス拡散層と、前記２つのガス拡散層のうちの一方のガス拡散層と接触して存在する酸素供給層と、２つの集電体と、シール部と、を少なくとも有する燃料電池セルであって、前記燃料電池セルが有する側面のうち前記電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面がその一部に開口部を有し、前記酸素供給層と接するガス拡散層の一部が、前記燃料電池セルの外表面の一部をなしている燃料電池セルおよびそれを用いた燃料電池。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と該電解質膜を挟んで存在する２つの触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟んで存在する２つのガス拡散層と、前記２つのガス拡散層のうちの一方のガス拡散層と接触して存在する酸素供給層と、２つの集電体と、シール部と、を少なくとも有する燃料電池セルであって、前記燃料電池セルが有する側面のうち前記電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面がその一部に開口部を有し、前記酸素供給層と接するガス拡散層の一部が、前記燃料電池セルの外表面の一部をなしていることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で前記燃料電池セルを切断した際の断面における前記ガス拡散層の前記開口部を含む平面に垂直な方向での端部が、前記ガス拡散層に接触する膜電極接合体もしくは膜電極接合体およびシール部が有する前記開口部を含む平面に垂直な方向での端部のうち前記燃料電池セルの中心から前記開口部を含む平面に垂直な方向に最も離れた端部と同一平面上に存在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記酸素供給層と接するガス拡散層が、前記燃料電池セルの外表面の一部となる領域を少なくとも２つ有しており、前記２つの領域は対向して存在することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記酸素供給層と接するガス拡散層が第１の領域と第２の領域とからなり、前記第１の領域が前記酸素供給層と接するガス拡散層の中心を含み、前記第２の領域が前記外表面の一部である領域を含み、前記第２の領域が前記第１の領域よりも相対的に親水性が高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記第２の領域が親水性であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記燃料電池セルへの酸化剤の供給は自然拡散あるいは自然対流によって行なわれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池セルが二つ以上積層されて構成される燃料電池セルスタックを有する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池セルおよび燃料電池に関するものであり、特にカソード側のガス拡散層に特徴を有する燃料電池セルおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は従来のパッシブ型燃料電池セルを表す断面模式図である。中央に触媒層付き電解質膜４を有し、その外側にアノード側ガス拡散層５、カソード側ガス拡散層３を有する。図１２の上部はアノードで燃料剤として水素が供給され、下部はカソードで酸化剤として酸素（大気）が供給される。アノード側は水素が供給されるために、シール部９でシールされリークが生じないように形成されている。これに対してカソード側の流路２は空気を供給するために開口部８を有している。
【０００３】
アノードに供給された水素は酸化反応
【０００４】
【化１】
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【０００５】
によってプロトンになり、電解質膜を通りカソード側へ供給される。カソードでは開口部８から拡散によって供給された酸素が到達しており、プロトンと以下の反応が行われる。
【０００６】
【化２】
2009054561.tif 000004
【０００７】
全反応は
【０００８】
【化３】
2009054561.tif 000005
【０００９】
となり、水が発生する。発生した水は自然拡散によって開口部８より排出するかもしくはガス拡散層３や流路２で液化し滞留する。
特にガス拡散層３や流路２で液化した水は蒸発して排出されるまでその場所に滞留しつづけるため、放置しておくとカソードへの酸素供給に影響を及ぼす。
【００１０】
このような問題に対して、特許文献１では、ガス拡散層に貫通孔を設けることにより、触媒層とガス拡散層の間に滞留した水分を効率よく排出する提案がなされている。
しかしながら、触媒層とガス拡散層の間に滞留した水分をガス拡散層の外側へ効率よく排出しても、ガス拡散層の外側に配置された酸素供給層で水分が結露・凝集し、燃料電池性能へ悪影響を与える可能性があった。これは、触媒層とガス拡散層の間に滞留した水分の移動速度を高めても、燃料電池系外へ水分を排出する速度は変わらないためである。そこで、発生した水分を燃料電池系外へ効率よく排出する技術が強く求められていた。
【特許文献１】特開２００２−１１０１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、カソード側に発生する水を排出するためにカソード側のガス拡散層の構造を改良することにより、排水効率が向上し、酸化剤を効率的に供給可能な燃料電池セルおよび燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電解質膜と該電解質膜を挟んで存在する２つの触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟んで存在する２つのガス拡散層と、前記２つのガス拡散層のうちの一方のガス拡散層と接触して存在する酸素供給層と、２つの集電体と、シール部と、を少なくとも有する燃料電池セルであって、前記燃料電池セルが有する側面のうち前記電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面がその一部に開口部を有し、前記酸素供給層と接するガス拡散層の一部が、前記燃料電池セルの外表面の一部をなしていることを特徴とする燃料電池セルである。
【００１３】
前記開口部を含む平面に垂直かつ前記プロトン伝導方向に平行な面で前記燃料電池セルを切断した際の断面における前記酸素供給層と接するガス拡散層の前記開口部を含む平面に垂直な方向での端部が、前記ガス拡散層に接触する複数の部材が有する前記開口部を含む平面に垂直な方向での端部のうち前記燃料電池セルの中心から前記開口部を含む平面に垂直な方向に最も離れた端部を含む平面と同一平面上に存在するもしくは前記平面を基準として前記燃料電池セルの中心と反対側に存在することが好ましい。
【００１４】
前記酸素供給層と接するガス拡散層が、前記燃料電池セルの外表面の一部となる領域を少なくとも２つ有しており、前記２つの領域は対向して存在することが好ましい。
前記酸素供給層と接するガス拡散層が第１の領域と第２の領域とからなり、前記第１の領域が前記酸素供給層と接するガス拡散層の中心を含み、前記第２の領域が前記外表面の一部である領域を含み、前記第２の領域が前記第１の領域よりも相対的に親水性が高いことが好ましい。
【００１５】
前記第２の領域が親水性であることが好ましい。
前記燃料電池セルへの酸化剤の供給は自然拡散あるいは自然対流によって行なわれることが好ましい。
【００１６】
また、別の本発明は、前記燃料電池セルが二つ以上積層されて構成される燃料電池セルスタックを有する燃料電池である。
また、別の本発明は、電解質膜の両側のカソード側およびアノード側に触媒層、ガス拡散層、電極、及び支持部材を有する積層構造体から構成されている燃料電池セルであって、前記カソード側のガス拡散層の一部は前記積層構造体の外部に露出していることを特徴とする燃料電池セルである。
【００１７】
前記カソード側のガス拡散層の一部は積層構造体の外側面の一部を形成して大気中に露出していることが好ましい。
前記カソード側のガス拡散層の一部は積層構造体の外側面から突出して大気中に露出していることが好ましい。
【００１８】
前記積層構造体の外部に露出しているカソード側のガス拡散層の一部には親水処理が施されていることが好ましい。
前記カソード側のガス拡散層は少なくとも２つ以上の部材から構成され、該部材の１つは積層構造体の外部に露出しているガス拡散層の一部を含むことが好ましい。
【００１９】
前記燃料電池セルへの酸化剤の供給は自然拡散あるいは自然対流によって行なわれることが好ましい。
また、別の本発明は、前記燃料電池セルが少なくとも二つ以上積層して構成される燃料電池セルのスタックである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、カソード側に発生する水を排出するためにカソード側のガス拡散層の構造を改良することにより、排水効率が向上し、酸化剤を効率的に供給可能な燃料電池セルおよび燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜と該電解質膜を挟んで存在する２つの触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟んで存在する２つのガス拡散層と、前記２つのガス拡散層のうちの一方のガス拡散層と接触して存在する酸素供給層と、２つの集電体と、シール部と、を少なくとも有する燃料電池セルであって、前記燃料電池セルが有する側面のうち前記電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面がその一部に開口部を有し、前記酸素供給層と接するガス拡散層の一部が、前記燃料電池セルの外表面の一部をなしていることを特徴とする。
【００２２】
以下、第１から第４の実施形態に本発明の燃料電池セルおよび燃料電池の形態例を示す。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における燃料電池の全体構成を示す斜視図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、燃料電池セル（発電セル）１０Ｓを積み重ねて直列に接続したセルスタック（燃料電池スタック）１０Ａを備える。セルスタック１０Ａの下方には、燃料ガスを貯蔵して燃料電池セル１０Ｓに供給する燃料タンク１０Ｂが存在し、セルスタック１０Ａと燃料タンク１０Ｂとは、燃料ガスの流路（図示せず）によって接続されている。燃料タンク１０Ｂから取り出された燃料ガスは、大気圧よりわずかに高い圧力に調整されてそれぞれの燃料電池セル１０Ｓに供給される。
【００２４】
燃料電池セル１０Ｓは、燃料電池セルが有する側面のうち、電解質膜のプロトン伝導方向と平行な方向のセルの端面であるＳ１、Ｓ２内に開口部（開放部）８を有する。より詳細には、燃料電池セル１０Ｓを構成する構成要素である酸素供給層が有する側面のうちプロトン伝導方向と平行な側面のうちの二つの側面に開口部８を有する。
【００２５】
開口部８は、大気中の空気を自然拡散あるいは自然対流によって燃料電池セル１０Ｓに取り込む空気取り入れ口として機能するものであり、シールされておらず、流路と外気とが連通している部分である。図１に示すように、燃料電池セル１０Ｓは、燃料タンク１０Ｂから供給された燃料ガスと開口部８から取り込んだ空気中の酸素とを反応させて発電する。なお、燃料電池セルが直方体である場合には対向する２つの側面にそれぞれ開口部を有していることが好ましい。
【００２６】
次に、本実施形態の燃料電池セルの例を図２に示す。図２は、本実施形態の燃料電池セルを燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した際の断面図である。
【００２７】
図２に示すように、本実施形態の燃料電池セルは、触媒層付き電解質膜４の両側にアノード側ガス拡散層５、カソード側ガス拡散層３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アノード側流路６，カソード側流路２を有している。言い換えれば、本実施形態の燃料電池セルは、電解質膜と該電解質膜の両面に接触して形成された２つの触媒層（それぞれ燃料極、酸素極）とからなる膜電極接合体４と、該膜電極接合体を挟んで存在するカソード側ガス拡散層３およびアノード側ガス拡散層５と、前記カソード側ガス拡散層に接触して存在する酸素供給層（カソード側流路）２と、前記アノード側ガス拡散層に接触して存在する燃料供給層（アノード側流路）６と、シール部９と、２つの集電体（カソード側集電体１、アノード側集電体７）とを有している。
【００２８】
また、図２では、アノード側ガス拡散層５とアノード側集電体７との間に燃料供給層６が存在している形態を示しているが、アノード側ガス拡散層５のみが存在し、アノード側ガス拡散層５が燃料供給層６の機能を兼ねていても良い。
【００２９】
本実施形態の燃料電池セルは、燃料電池セルが有するカソード側ガス拡散層３が燃料電池セルの外表面（外側面）の一部をなしている。言い換えれば、本実施形態の燃料電池セルは、カソード側ガス拡散層の一部を前記積層構造体から大気中に露出させた構成をなしている。具体的には、カソード側のガス拡散層の積層面のエッジをシールしている部材の一部を取り除くことで、カソード側ガス拡散層の一部を前記積層構造体から大気中に露出させた構成とすることができる。
【００３０】
また、本実施形態の燃料電池セルは、燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で燃料電池セルを切断した際の断面において、長さ（Ａ）が長さ（Ｂ）と同じもしくは長さ（Ｂ）よりも短く、長さ（Ｃ）が長さ（Ｄ）と同じもしくは長さ（Ｄ）より短い構成である。
【００３１】
ここで、長さ（Ａ）とは、前記断面において前記カソード側ガス拡散層３のうちの前記膜電極接合体４と接触している部分を含む一方の端部から他方の端部までの長さである（図２ではβ）。また、長さ（Ｂ）とは、前記断面において前記膜電極接合体４およびシール部９を合わせた部分のうちの前記カソード側ガス拡散層３と接触している部分を含む一方の端部から他方の端部までの長さ（図２ではα）である。なお、前記断面において、図２のように、シール部９の端部が前記膜電極接合体の前記カソード側ガス拡散層３との接触部分と同一平面に存在する場合は、前記膜電極接合体４およびシール部９を合わせた部分のうちの前記カソード側ガス拡散層３と接触している部分を含む一方の端部から他方の端部の長さを長さ（Ｂ）とするが、図７のように、同一平面に存在しない場合は、前記膜電極接合体の前記カソード側ガス拡散層３と接触している部分を含む一方の端部から他方の端部までの長さ（図７のγ）を長さ（Ｂ）とする。また、長さ（Ｃ）とは、前記断面において、前記カソード側ガス拡散層３のうちの前記酸素供給層２と接触している部分を含む一方の端部から他方の端部までの長さ（図２ではω）である。さらに、長さ（Ｄ）とは、前記断面において、前記酸素供給層２のうちの前記カソード側ガス拡散層３と接触している部分を含む一方の端部から他方の端部までの長さ（図２ではθ）である。
【００３２】
酸素供給層と接するガス拡散層の一部が、燃料電池セルの外表面の一部をなしているとは、酸素供給層と接するガス拡散層の一部が燃料電池セルが有する領域のうちの最表面の領域の一部をなしているということである。つまり、本発明および本実施形態において、外表面とは、燃料電池セルが有する領域のうちの最表面の領域のことであり、燃料電池セル外部から光を燃料電池セルに照射した際に、光が当たる部分のことである。
【００３３】
前記酸素供給層と接するガス拡散層が第１の領域と第２の領域とからなり、前記第１の領域が前記酸素供給層と接するガス拡散層の中心を含み、前記第２の領域が前記外表面の一部である領域を含み、前記第２の領域が前記第１の領域よりも相対的に親水性が高いことが好ましい。
【００３４】
例えば、カソード側ガス拡散層３が直方体形状である場合には、図２に示すように、前記直方体が有する側面のうち開口部８を含む平面と平行な側面であって対向する領域である領域ａおよびｂが、燃料電池セルの外表面（外側面）の一部となる。
【００３５】
なお、本実施形態の燃料電池セルは、図２に示す構成以外にも図３に示す構成とすることができる。
図２では、前記長さ（Ａ）が前記長さ（Ｂ）よりも短く、前記長さ（Ｃ）が前記長さ（Ｄ）と同じ長さである構成の燃料電池セルである。
【００３６】
一方、図３は、前記断面において、前記長さ（Ａ）が、前記長さ（Ｂ）よりも短く、前記長さ（Ｃ）が前記長さ（Ｄ）よりも短い構成の燃料電池セルである。
このような構成とすることにより、カソード側ガス拡散層３の一部が大気中に露出し、発電によって生じた水分が、酸素供給層２を経由することなく、ガス拡散層３から直接大気に排出されるため、蒸散性が向上する。
【００３７】
なお、図２および図３に示す構成の燃料電池セルにおいて、図４および図５に示すように、カソード側ガス拡散層３の近傍のシール部９の一部がカソード側ガス拡散層の一部を接触せずに覆う庇のような形状をなしていても良い。このような場合であっても、カソード側ガス拡散層３の一部が、燃料電池セルが有する外表面の一部となり、カソード側ガス拡散層３の一部が大気中に露出する。
【００３８】
また、図６のように、前記断面において、カソード側ガス拡散層３のうちの膜電極接合体４と接触している部分の長さとカソード側ガス拡散層３のうちの酸素供給層２と接触している部分の長さが異なっていても良い。
【００３９】
また、本実施形態の燃料電池セルは、図１に示したように、燃料電池セルを２つ以上積層し、燃料電池セルスタックとして用いることが好ましい。特に、同じ燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成する場合、同じ燃料電池セルが積層していることによる空気の供給および水の排出経路が制限されてしまうため、本実施形態の燃料電池セルを用いることが有効である。例えば、燃料電池セルが二つ以上積層されて構成される燃料電池セルスタックを有する燃料電池が挙げられる。
【００４０】
以下に、図２を用いて、燃料電池セルを構成する各部分について説明する。
酸素供給層２は、発電に伴って膜電極接合体４で生成された水（水蒸気）をカソード側ガス拡散層３から開口部８へ導いてセル内部から大気中へ排出する機能を有する。そのため、酸素供給層２は、導電性を有する多孔質体であることが好ましい。このような条件を満たす酸素供給層２としては、空孔率が８０％以上、空孔径が０．１ｍｍ以上であることが好ましく、具体的な材料としては、発泡金属、ステンレスウールなどが好ましい。
【００４１】
アノード側ガス拡散層５は、導電性を有し、かつ膜電極接合体４と燃料供給層６との間に両者に接触して存在する。そして、燃料である水素ガスを膜電極接合体に燃料を供給し、水素のイオン化によって余剰となった電子を膜電極接合体４の触媒層から集電する。なお、燃料供給層６が存在しない場合は、アノード側ガス拡散層５がアノード側集電体７に接触する。なお、図１に示した燃料タンク１０Ｂから取り出された燃料ガスは、燃料ガスの主流路から分岐して、燃料電池セル１０Ｓ内の燃料供給層６に供給される。そして、燃料供給層６に供給された燃料ガスはアノード側ガス拡散層５内に拡散する。
【００４２】
また、カソード側ガス拡散層３は、膜電極接合体４と酸素供給層２との間に両者に接触して存在し、酸素を拡散させ、触媒層（酸素極）での電極反応に必要な電子を膜電極接合体４の触媒層（酸素極）に供給する役割する。なお、ガス拡散層３の平均空孔径は、酸素供給層２の平均空孔径よりも小さいことが好ましい。
【００４３】
さらに、カソード側ガス拡散層３は複数の層で構成することができる。例えば、図２では、カソード側ガス拡散層燃料供給層６を構成する材料の平均開口径は１００μｍから９００μｍであることが好ましい。
【００４４】
また、カソード側ガス拡散層３も、導電性を有し、酸素供給層２よりも小さな空孔を有する材料からなる。カソード側ガス拡散層３を構成する材料が有する平均開口径は、同様に、酸素極である触媒層を構成する材料の平均開口径よりも大きく、酸素供給層２を構成する材料の平均開口径よりも小さい。このような開口径とすることで、酸素供給層２が絞り抵抗として機能し、膜電極接合体４の表面全体に均等な圧力かつ均等な流量密度で酸素を供給する。
【００４５】
なお、カソード側ガス拡散層３が有する空孔は、酸素供給層２と膜電極接合体４とを連通する貫通孔であっても良い。カソード側ガス拡散層３が高密度な貫通孔を有していることにより、膜電極接合体４とカソード側ガス拡散層３との間に滞留した生成水を酸素供給層２まで吸い上げることも可能となる。このような拡散層３および拡散層５を構成する材料としては、カーボンペーパー、カーボンクロスなどを用いることができる。
【００４６】
膜電極接合体４は、電解質膜と、該電解質膜の両面に接触して形成された２つの触媒層（燃料極、酸素極）からなる。電解質膜は、燃料供給層６から酸素供給層２の方向にプロトン伝導を行うことができるものであれば、どのような材料からなるものでも構わない。このような電解質膜の中では固体高分子電解質膜が好ましく、そのような例としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体であるデュポン社のナフィオン（登録商標）などが挙げられる。
【００４７】
また、２つの触媒層は、触媒活性を有する物質を少なくとも有する。なお、触媒活性を有する物質が単体で存在できない場合には、担持体に触媒活性物質を担持させることで触媒層としても良い。触媒活性物質が単体で存在する例としては、スパッタ法により形成した樹枝状形状の白金触媒などが挙げられる。
【００４８】
一方、担持体に触媒活性物質が担持される例としては、白金担持カーボン粒子などが挙げられる。なお、触媒層にはカーボン粒子などの電子伝導体やプロトン伝導体（高分子電解質材料）が含まれていても良い。触媒層は電解質膜の表面に接触して一体化していても良いが、触媒層が電解質膜と接しており水素イオン等の化学種の受け渡しが可能であれば、膜電極接合体４として一つに形成する必要はない。また、触媒層の平均開口径は１０ｎｍから１００ｎｍであることが好ましい。なお、以下の明細書において、燃料供給層側の触媒層を燃料極、酸素供給層側の触媒層を酸素極と呼ぶ場合もある。
【００４９】
アノード側集電体７およびカソード側集電体１は、発電によって発生した電流を集電する機能を有する。アノード側集電体７は、燃料供給層６と接触して存在し、カソード側集電体１は酸素供給層２と接触して存在する。
【００５０】
シール部９とは、燃料極の機密性を保持する機能を有するものであり、燃料が外気に漏れ出すのを防ぐ、あるいは、燃料極への空気の混入を防ぐものである。機密性の高い部材であれば、どのような材料を用いることもでき、組み合わせて使用してもよい。例えば、ステンレスやアルミ合金、もしくはステンレスとシリコン製のガスケット、フッ素ゴム製のＯ−リング（ｒｉｎｇ）などのシール材を組み合わせて用いることができる。
【００５１】
燃料電池セルは、支持部材を有していても良い。支持部材は、燃料電池セルの構成を保持する機能を有するものであり、保持するのに十分は強度を持つ部材で構成されることが好ましい。このような部材としては、例えば、ステンレスなどが挙げられる。
【００５２】
（第２の実施形態）
図８に、本実施形態の燃料電池セルを、燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した際の断面図を示す。
【００５３】
本実施形態においては、カソード側ガス拡散層３が燃料電池セルの外表面（外側面）の一部であり、かつ燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した際の断面において、前記長さ（Ａ）が、前記長さ（Ｂ）と同じであり、前記長さ（Ｃ）が長さ（Ｄ）よりも長い構成である。これらの長さの関係以外は第１の実施形態と同様である。
【００５４】
例えば、カソード側ガス拡散層３が直方体形状である場合には、前記直方体が有する側面のうち開口部８を含む平面と平行な側面である領域ｃおよびｅと、前記直方体が有する側面のうちの開口部８を含む平面に垂直かつ酸素供給層２に最も近い側面の一部の領域であるｄおよびｆが、燃料電池セルの外表面（外側面）の一部となる構成とする。
【００５５】
このような構成とすることにより、カソード側ガス拡散層３の一部が大気中に露出し、発電によって生じた水分が、酸素供給層２を経由することなく、カソード側ガス拡散層３から直接大気に排出されるため、蒸散性が向上する。すなわち、カソード側ガス拡散層に滞留している液滴に対する蒸発が促進され、排水の効率が上昇する。
【００５６】
（第３の実施形態）
図９に、本実施形態の燃料電池セルを、燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した際の断面図を示す。
【００５７】
本実施形態においては、燃料電池セルが、カソード側が燃料電池セルの外表面（外側面）の一部であり、かつ燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した際の断面において、前記長さ（Ａ）が前記長さ（Ｂ）よりも長く、長さ（Ｃ）が長さ（Ｄ）よりも長い構成である。言い換えれば、カソード側ガス拡散層が大気中に突出している構成である。これらの長さの関係以外は第１の実施形態と同様である。
【００５８】
例えば、カソード側ガス拡散層３が直方体形状である場合には、前記直方体が有する側面のうち開口部８を含む平面と平行な側面である領域ｈおよびｋと、前記直方体が有する側面のうちの開口部８を含む平面に垂直かつ酸素供給層２に最も近い側面の一部の領域であるｉおよびｌと、前記直方体が有する側面のうちの開口部８を含む平面に垂直かつ膜電極接合体４に最も近い側面の一部の領域であるｇおよびｊが、燃料電池セルの外表面（外側面）の一部となる構成とする。
【００５９】
通常、ガス拡散層の役割は触媒層に燃料剤もしくは酸化剤を供給し、触媒反応によって生じた電気を集電する役割を果たすため、触媒層付き電解質膜４の有効作用部以外にガス拡散層の大気中に露出している部分はこれらの役割を直接果たすことは無い。しかし、この大気中に露出している部分を形成することにより、カソードで発生した水分を直接大気中に排出することが可能となるのである。
【００６０】
このような構成とすることにより、第１および第２の実施形態の燃料電池セルよりも外部に露出する面積が増加するため、より速やかな蒸発による水分の排出が可能となる。カソード側ガス拡散層３の一部が大気中に露出し、発電によって生じた水分が、酸素供給層２を経由することなく、カソード側ガス拡散層３から直接大気に排出されるため、蒸散性が向上する。すなわち、カソード側ガス拡散層に滞留している液滴に対する蒸発が促進され、排水の効率が上昇する。
【００６１】
（第４の実施形態）
図１０に、本実施形態の燃料電池セルを、燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した際の断面図を示す。
【００６２】
本実施形態は、燃料電池セルが有する開口部８を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で切断した際の断面において、カソード側ガス拡散層を少なくとも、カソード側ガス拡散層の中心を含む領域である第１の部分と、燃料電池セルの外表面の一部を含む第２の部分とで構成し、前記第２の部分が前記第１の部分よりも相対的に親水性が高い構成の第３の実施形態の燃料電池セルである。
【００６３】
ここで、カソード側ガス拡散層の中心とは、カソード側ガス拡散層が単体で存在する場合に、カソード側ガス拡散層の表面に存在する点を３次元の座標で示した際に、前記カソード側ガス拡散層の表面に存在する全ての点の座標を平均した座標を有する点のことである。
【００６４】
例えば、図１１のように、主に膜電極接合体４にガス（酸素）を拡散するための第１の部分ｓと、主に水蒸気や液滴を排出するための第２の部分ｔとでカソード側ガス拡散層３を設ける構成とし、第１の部分ｓと第２の部分ｔとを積層平面方向（開口部を含む平面に垂直な方向）でつなぎ合わせて用いることができる。
【００６５】
このような構成とすることで、発電によって生じた水をより外部に排出することが容易となる。
なお、第２の部分ｓは親水性であることが好ましい。ここで、本発明において「Ａが親水性」とは、Ａに水滴を滴下した際に、水の接触角が９０°以下の角度になるものである。なお、Ａが多孔質体でありかつ親水性が極端に高い場合には、Ａが瞬時に水滴を吸収し、接触角が測れない場合があるが、そのような場合も親水性に含まれることは言うまでもない。
【００６６】
カソード側ガス拡散層３のうち、触媒層の有効反応領域に接している部分（第１の部分ｓ）と、大気中に突出している部分（第２の部分ｔ）はお互い役割が異なるので必ずしも単一部材で構成する必要は無い。なお、単一部材を用いてカソード側ガス拡散層を構成する場合は、カソード側ガス拡散層のうちの親水性にしたい部分に親水処理を行うなどの方法を用いることができる。つまり、第２の部分ｔを親水性とする場合であって、第２の部分ｔとして親水性材料を用いる場合には、そのままカソード側ガス拡散層の一部として用いることができる。しかしながら、親水性でない単一部材を用いてカソード側ガス拡散層を構成する場合には、第２の部分ｔとする部分に親水処理を施して第２の部分ｔを親水性とすることができる。なお、前記親水性材料には吸水性繊維などの吸水性材料も含まれる。ここで、吸水性繊維とは、毛管現象により水を引き上げることのできる繊維であり、より具体的には吸水性繊維を水に漬けた時に１０秒後の水の吸い上げ高さが３０ｍｍ以上の材料を示す。
【００６７】
なお、前述した実施形態１から４の燃料電池セルは以下のような構成の燃料電池セルも含む。前記燃料電池セルが有する酸素供給層と接触するガス拡散層の一部が、前記燃料電池セルの外表面の一部をなし、かつ前記燃料電池セルが有する開口部を含む平面に垂直かつプロトン伝導方向に平行な面で前記燃料電池セルを切断した際の断面における前記ガス拡散層の前記開口部を含む平面に垂直な方向での端部が、前記ガス拡散層に接触する複数の部材（膜電極接合体もしくは膜電極接合体およびシール部）が有する前記開口部を含む平面に垂直な方向での端部のうち前記燃料電池セルの中心から前記開口部を含む平面に垂直な方向に最も離れた端部と同一平面上に存在することを特徴とする燃料電池セルである。言い換えれば、前記燃料電池セルが有する酸素供給層と接触するガス拡散層の一部が、前記燃料電池セルの外表面の一部をなし、かつガス拡散層と接触する膜電極接合体のガス拡散層側の端部と膜電極接合体に接触しているシール部のガス拡散層に最も近い端部が同一平面上に存在する燃料電池セルである。
【００６８】
ここで、燃料電池セルの中心とは、燃料電池セルの外表面に存在する点を３次元の座標で示した際に、前記燃料電池セルの外表面に存在する全ての点の座標を平均した座標を有する点のことである。
【００６９】
また、実施形態１から４の燃料電池セルの集電体と酸素供給層との間に吸水層を設けることもできる。なお、吸水層は、吸水性繊維で構成することができる。
また、本発明は、前述したように、特に前記燃料電池セルをスタックした場合により功を奏する。燃料電池セルを積層方向に対してスタックした場合、個々の燃料電池セルは、燃料電池セル側面の開口部からのみ空気を取り入れることになる。そのため、このようなスタックでは燃料電池セルの中央部で発生した水の排水性が著しく悪化する。このような場合、本発明の構成をとることで排水性を向上させることが出来る。しかし、本質的に本発明はセルのスタック形状には依存しない。上記スタック構造は本発明の効果をより十分に生かすことが出来る形態の一つであるが、これは本発明がこのスタックという形態に依存する事を意味するものではない。
【実施例】
【００７０】
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
以下では、本発明を実施するための代表的な形態を、図８を用いて説明する。
【００７１】
本実施例の燃料電池セルは、触媒層付き電解質膜４の両側にアノード側ガス拡散層５およびカソード側ガス拡散層３を有し、さらにその外側に燃料を供給するための燃料供給層６および酸化剤を供給するための酸素供給層２を有している。
【００７２】
本実施例の燃料電池セルは、図８に示す通り、カソード側ガス拡散層３をシールしているシール部の一部を取り除いた構造を有しており、カソード側ガス拡散層３の一部が積層構造体の外側面１２の一部を形成して大気中に露出している構造である。なお、１３はカソード側ガス拡散層３の大気中に露出している部分を表す。
【００７３】
実施例２
以下では、本発明を実施するための代表的な形態を、図９を用いて説明する。
本実施例の燃料電池セルは、触媒層付き電解質膜４の両側にアノード側ガス拡散層５およびカソード側ガス拡散層３を有し、さらにその外側に燃料を供給するための燃料供給層６および酸化剤を供給するための酸素供給層２を有している。
【００７４】
本実施例の燃料電池セルは、図９に示す通り、カソード側ガス拡散層３をシールしているシール部の一部を取り除き、カソード側ガス拡散層３の一部が積層構造体の外側面の一部を構成し、かつ大気中に突出している構造である。なお、１４はカソード側ガス拡散層３の大気中に突出している突出部分を表す。
【００７５】
実施例３
実施例１および２を更に発展させたものが図１０に示す構造である。ここでは、図９の燃料電池セルが有するカソード側ガス拡散層の突出している箇所に親水処理を施した例である。
【００７６】
本実施例の燃料電池セルは、図１０に示す通り、カソード側ガス拡散層３をシールしているシール部の一部を取り除き、カソード側ガス拡散層３の一部が積層構造体の外側面の一部を構成し、かつ大気中に突出している構造である。そして、突出している部分に親水処理が施されている。なお、１５はカソード側ガス拡散層３の大気中に突出している親水処理部分を表す。
【００７７】
ガス拡散層は一般的に撥水性である。それはガス拡散層内で発生した水がその場に長く滞留すると燃料剤または酸化剤の供給を阻害するためである。そのため、一定量の水が滞留するとガス拡散層が水をはじいて流路側に送り込むために撥水性であることが望ましい。しかし、大気中に突出している箇所は、電解質膜の触媒反応に関わらない箇所であるため、撥水である必要は無い。むしろ親水性となって、触媒反応が生じる箇所より水を吸引する構造であることが望ましい。
【００７８】
上記の通り、ガス拡散層のうち、触媒層の有効反応領域に接した本来のガス拡散層の領域と、大気中に突出している箇所はお互い役割が異なるので単一部材で構成する必要は無い。例えば主にガスを拡散するための第一のガス拡散層と、主に水蒸気や液滴を排出すための第二のガス拡散層を設ける構成でも本発明の効果を得ることが出来る。図１１はこの二つのガス拡散層を組み合わせた場合の構成例である。
【００７９】
（計算結果）
以上の実施例を従来の形状と比較したものが図１３である。ここではＩ−Ｖ特性の違いを有限要素法による構造シミュレーションによって予測した。シミュレーションにおける燃料電池基体としてナフィオン膜（Ｎ１１２、デュポン社の登録商標）に白金黒を接着したＭＥＡにおける触媒反応を再現する条件を課した。また、ガス拡散層としては空孔率０．５、０．５０ｍｍ厚のカーボンクロスを使用していることを想定した。燃料気体としては純水素、酸化剤としては酸素を想定しており、カソードの触媒反応によって酸素が消費され水蒸気が発生する。また、対流と拡散によって空気取り入れ口より排出されると仮定している。加えて水蒸気は飽和水蒸気量を超えると凝集し、滞留する。そして、対流した液滴は気体の移動を阻害する。また、この液滴は多孔質媒体の親疎水性によるキャピラリ圧によって疎水性箇所から親水性箇所へ移動すると仮定した。
【００８０】
図１３における比較例１はガス拡散層をまったく延在させずシール剤で固定した従来の燃料電池セル（図１２の燃料電池セル）の計算結果を示している。また、図１３における実施例１、２とは上記実施例１、２である、ガス拡散層を延長して外部に延在させた場合の計算結果であり、図１３における実施例３とは上記実施例３である延在部に親水処理を施したと仮定した場合の計算結果である。
【００８１】
このシミュレーションの結果によると発電電流密度の少ない領域ではＩ−Ｖ特性に差は見られない。これは発電電流密度が小さい領域では水分があまり発生しないためである。しかし、発電電流密度が増加するとそれに従って、カソード付近に過剰な水分が堆積する。その結果酸素の供給が妨げられるフラッディング現象による電圧低下が見られる。しかし、本発明の効果により、実施例１及び実施例２においてはこのフラッディングが抑えられ、Ｉ−Ｖ特性が改善する。これは水分がガス拡散層を通じて直接外に排出される効果が現れるためである。
【００８２】
通常、ガス拡散層の役割は、触媒層に燃料もしくは酸化剤を供給する機能を有するものであり、触媒反応によって生じた電気を集電する役割を有する。したがって、触媒層付き電解質膜４に接触している部分以外の部分は機能を果たすことはほぼ無かった。しかしながら、大気中に露出している部分を形成することにより、カソードで発生した水分を直接大気中に排出することが可能となり、効率的に排水することができるようになったと考えられる。
また、以下の実施例では、実際に燃料電池セルを用いて燃料電池特性評価を行った。
【００８３】
実施例４
図１４に本実施例で用いた燃料電池セルの構成を示す。
【００８４】
本実施例は、カソード側ガス拡散層の一部が大気中に露出した構成を有する燃料電池セルである。本実施例の燃料電池セルは、膜電極接合体４の両面にそれぞれカソード側ガス拡散層３およびアノード側ガス拡散層５が配置されている。アノード側ガス拡散層５は燃料供給層を兼ねており、膜電極接合体が有するアノード側触媒層に燃料を均一に供給する。アノード側は燃料が外部へ漏れるのことの無いように、シール部９にてシールされている。カソード側ガス拡散層３は側面が大気中に露出するように配置され、カソード側ガス拡散層３およびアノード側ガス拡散層５の外側には各々カソード側流路２およびカソード側集電体１６が配置されている。
【００８５】
本実施例においては、カソード側流路２として、発泡金属（セルメット＃５、富山住友電工社製）を用いた。カソード側ガス拡散層３として、カーボンクロス（ＬＴ  １２００−Ｗ、Ｅ−ＴＥＫ社製）を用い、発泡金属とカソード側ガス拡散層（カーボンクロス）の幅を同程度とすることでカーボンクロスの側面を大気中に露出させる構成とした。また、アノード側ガス拡散層５には、カーボンクロス（ＬＴ  ２５００−Ｗ、Ｅ−ＴＥＫ社製）を用いた。なお、カーボンクロス（ＬＴ  １２００−Ｗ、Ｅ−ＴＥＫ社製）表面の水の接触角は約１４０°であった。
【００８６】
膜電極接合体は以下のように作製した。電解質膜は、ナフィオン膜（ＮＲＥ−２１２、デュポン社製の登録商標）を用いた。触媒層は、反応性スパッタ法により得られる樹枝状形状を有する白金酸化物を適切な撥水処理、イオノマー処理して得られたものを用いた。電解質膜の両面に触媒層を配置し、ホットプレスすることで触媒層付き電解質膜を得た。
【００８７】
このようにして得られた燃料電池セルのアノード側に水素をデッドエンドで供給し、カソード側を大気開放にして、温度２５℃、湿度５０％の環境下で燃料電池特性評価を行った。特性評価前に、適切な通電処理により膜電極接合体カソード側触媒層の還元を行った。
【００８８】
比較例２
比較例２として、図１５に示すような燃料電池セルを作製した。カソード側ガス拡散層３の側面にシール部９を設けることで、該ガス拡散層が大気中に露出しない燃料電池セル構成とした。シール部９の厚さはカソード側ガス拡散層３と同程度の構成となっている。その他の燃料電池セルを構成する部材は実施例４と全て同じ構成とした。
【００８９】
図１６に実施例４および比較例２の燃料電池セルを電流密度３５０ｍＡ／ｃｍ２で定電流測定を行った結果を示す。比較例２の電圧値は、時間が経過するにつれて徐々に低下しているのに対して、実施例４の電圧値は比較例２よりも高い値を維持している。これは、比較例２の燃料電池セルではカソード側に発生した生成水が効率よく排出できないためにフラッディングが発生し、電圧値が徐々に低下する一方で、実施例４では、カソード側ガス拡散層３が大気中に露出していることで生成水を効率よく燃料電池セル系外へ排出している効果であると考えられる。発電試験前後の燃料電池セルの重量差から算出したセル内の残留生成水量を比較すると、実施例４は比較例２よりも約２０％残留生成水が少ないことがわかった。この結果からも、カソード側ガス拡散層３が大気中に露出していることで燃料電池セル系外へ生成水が効率的に排出されている効果が認められる。
【００９０】
実施例５
図１７に本実施例の燃料電池セル構成を示す。
本実施例は、カソード側ガス拡散層３に隣接してガス透過性を有する吸水性繊維を設置し、大気中へ露出させた構成を有する燃料電池セルである。カソード側ガス拡散層３に隣接してガス透過性を有する吸水性繊維１８を設置し、大気中へ露出させた以外は実施例１と同様にして燃料電池セルを作製した。ガス透過性を有する吸水性繊維１８は、カソード側ガス拡散層３と同じ厚さの液体拡散不織布（Ｐタイプ、アンビック社製）を用いた。吸水性繊維１８の幅は、カソード側流路２の幅よりも両側１ｍｍづつ突出している構成とした。なお、吸水性繊維１８に水滴を滴下すると瞬時に吸収した。
【００９１】
実施例４と同様に、燃料電池セルのアノード側に水素をデッドエンドで供給し、カソード側を大気開放にして、温度２５℃、湿度５０％の環境下で燃料電池特性評価を行った。
図１８に実施例５および比較例２の燃料電池セルを電流密度３５０ｍＡ／ｃｍ２で定電流測定を行った結果を示す。比較例２の電圧値は、時間が経過するにつれて徐々に低下しているのに対して、実施例５の電圧値は比較例２の電圧値よりも高い値を維持している。これは、比較例２ではカソード側に発生した生成水が効率よく排出できないためにフラッディングが発生し、電圧値が徐々に低下する一方、実施例５では、カソード側ガス拡散層３から吸水性繊維１８へ生成水が効率的に移動し、吸水性繊維１８が大気中に露出していることで生成水を効率よく燃料電池セル系外へ排出している効果であると考えられる。発電試験前後の燃料電池セルの重量差から算出した、セル内の残留生成水量を比較すると、実施例２は比較例２よりも約２０％残留生成水が少ないことがわかった。この結果からも、カソード側ガス拡散層３から吸水性繊維１８へ生成水が効率的に移動し、吸水性繊維１８が大気中に露出していることで、生成水が系外へ効率的に排出されている効果が認められる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明によれば、ガス拡散層の構造を改良することにより、排水効率が向上し、酸化剤の効率的供給が可能となる燃料電池セルを提供することができる。そのため、燃料電池の構造を簡素化し、体積あたりの発電効率を向上でき、特に体積の制約を受けやすい携帯型小型燃料電池の設計に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施形態の燃料電池の一例を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池セルの一例を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態の燃料電池セルの別の例を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態の燃料電池セルの別の例を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の燃料電池セルの別の例を示す模式図である。
【図６】第１の実施形態の燃料電池セルの別の例を示す模式図である。
【図７】第１の実施形態の燃料電池セルの別の例を示す模式図である。
【図８】第２の実施形態および実施例１の燃料電池セルの一例を示す模式図である。
【図９】第３の実施形態の燃料電池セルの一例を示す模式図である。
【図１０】第４の実施形態の燃料電池セルの一例を示す模式図である。
【図１１】第４の実施形態の燃料電池セルの一例を示す模式図である。
【図１２】従来（比較例１）のパッシブ型燃料電池の形態を示す模式図である。
【図１３】実施例１から３および比較例１に基づいて、燃料電池セルのＩ−Ｖカーブをシミュレーションによって予測した図である。
【図１４】実施例４の燃料電池セルを表す模式図である。
【図１５】比較例２の燃料電池セルを表す模式図である。
【図１６】実施例４と比較例２の燃料電池セルの性能を示す図である。
【図１７】実施例５の燃料電池セルを表す模式図である。
【図１８】実施例５と比較例２の燃料電池セルの性能を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１  集電体
２  カソード側流路（酸素供給層）
３  カソード側ガス拡散層
４  触媒層付き電解質膜（膜電極接合体）
５  アノード側ガス拡散層
６  アノード側流路（燃料供給層）
７  アノード側集電体
８  開口部（開放部）
９  燃料電池セル側部シール部
１０  燃料電池
１０Ｓ  燃料電池セル
１０Ａ  燃料電池スタック
１０Ｂ  燃料タンク
１２  積層構造体の外側面
１３  カソード側のガス拡散層の大気中に露出している部分
１４  カソード側のガス拡散層の大気中に突出している突出部分
１５  カソード側のガス拡散層の大気中に突出している親水処理した部分
１６  カソード側集電体
１７  アノード側集電体
１８  吸水性繊維
【図１】
2009054561.tif 000006
【図２】
2009054561.tif 000007
【図３】
2009054561.tif 000008
【図４】
2009054561.tif 000009
【図５】
2009054561.tif 000010
【図６】
2009054561.tif 000011
【図７】
2009054561.tif 000012
【図８】
2009054561.tif 000013
【図９】
2009054561.tif 000014
【図１０】
2009054561.tif 000015
【図１１】
2009054561.tif 000016
【図１２】
2009054561.tif 000017
【図１３】
2009054561.tif 000018
【図１４】
2009054561.tif 000019
【図１５】
2009054561.tif 000020
【図１６】
2009054561.tif 000021
【図１７】
2009054561.tif 000022
【図１８】
2009054561.tif 000023