(57)【要約】【課題】外部加湿に頼らずに燃料電池の出力密度を向上させることができる燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料電池セル１０では、外部へ開放された空気流路１２３を有するので、自然拡散または自然対流により、酸素極１６へ空気が供給される。ここで、酸素極１６の拡散層１６２は空気に晒されるが、反応層１６１で生成した水は拡散層１６２内に吸い出され、拡散層１６２内に保持される。このため、水は拡散層１６２に保持され、空気中へ蒸発して持ち去れる量が少なくなる。よって、外部加湿に頼らずに、高分子電解質膜１７、酸素極１６の乾燥およびそれに伴う内部抵抗の増大を抑制することができる。その結果、空気供給用の補機を備えない燃料電池であっても、出力密度を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極および酸素極で挟持した燃料電池において、
前記酸素極に当接して設けられ、前記酸素極に空気を供給すべく外部へ開放された多数の貫通孔からなる空気流路を有する酸素極側プレートと、
前記燃料極に当接して設けられ、前記燃料極に燃料を供給するための燃料ガス流路が形成された燃料極側プレートとを備え、
前記酸素極は、反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、その拡散層内に液体水として保持する部材で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極の拡散層は、前記酸素極から前記燃料極へ移動してきた水を保持する部材で構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
少なくとも前記酸素極の拡散層は、水を保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、前記拡散層基材よりも小さな細孔径を有する第１のマイクロポーラス層と、
前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第２のマイクロポーラス層とを備え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。
【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、外部加湿に頼らずに燃料電池の出力密度を向上させることができる燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質からなる膜が反応層で挟まれ、さらにその反応層の外側が集電およびガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体を備えている。反応層は、白金等の触媒を担持してなるカーボン粒子と、ナフィオン（登録商標、Ｎａｆｉｏｎ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）以下同じ）などの高分子固体電解質が混合されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
【０００４】
アノード側：Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
全反応    ：Ｈ２＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
すなわち、水素がアノード側のガス流路に供給され、拡散層を通って反応層に供給される。そして、反応層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら反応層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成される。
【０００５】
以上のように、固体高分子型燃料電池では、アノード側からカソード側に向かって水が移動するため、アノード側では膜−電極接合体が乾燥しやすくなり、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、燃料電池の出力の低下原因となる。一方、カソード側ではアノード側から水が供給されるが、燃料電池自体の発熱によって水の蒸気圧は高くなっており、空気によって蒸発した水が大量に持ち去られるので、カソード側においても膜−電極接合体が乾燥状態になることがある。
【０００６】
膜−電極接合体を構成する固体高分子電解質膜が乾燥した場合には、プロトン導電性が低下し、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、発電することが困難となる。このため、膜−電極接合体を冷却して水の蒸気圧を小さくしたり、カソード側に供給される空気を加湿したりして、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことが行われている。しかし、このためには冷却装置や加湿装置が必要となるため、構造が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化するという問題があった。また、燃料電池により発電した電力の一部で冷却装置や加熱装置を作動させるため、エネルギー効率が悪くなるという問題点があった。
【０００７】
固体高分子型燃料電池における膜−電極接合体の乾燥を防止する方法として、拡散層の反応層と接する側または拡散層の両面に導電性の撥水層を設けることも提案されている（特許文献１）。この導電性撥水層付き拡散層を用いた燃料電池では、反応層に存在する水が導電性撥水層によってはじかれて通過が困難となるため、乾燥し難く、カソード側に供給される空気を加湿しなくても、発電効率がそれほど低下しないとされている。
【特許文献１】特開平９−２４５８００号公報
【発明の開示】
【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に記載の燃料電池は、加湿器を必要としないとされているが、それにはメタノール改質器が必要となる。メタノール改質器から得られる水素には多量の水蒸気が含まれているため、たとえ反応ガスを加湿器で加湿しなかったとしても、水素と一緒に供給される水蒸気によって膜−電極接合体に水が供給されるのである。一方、メタノール改質器を設けると、やはり装置が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化することとなる。このため、加湿器や冷却装置やメタノール改質器がなくても駆動可能な、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる拡散層が求められていた。
【０００９】
ところで、水素をボンベの圧力のみで供給し、空気は自然に大気圧で取り込む方式であるパッシブ型燃料電池が知られている。パッシブ型燃料電池によれば、水素や空気の供給に、ポンプやブロアーのような補機を必要としないので、システム構成が簡単であるというメリットを有する。反面、燃料および空気を供給するために、表面積を大きくとらざるを得ないため、平板形構造となり、出力密度が小さいという問題点を有している。
【００１０】
このようなパッシブ型燃料電池においても、外部加湿を行わない場合には、上述した理由により、膜−電極接合体が乾いて内部抵抗が増大し、出力密度がさらに小さくなるという問題点があった。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、特に、外部加湿に頼らずに燃料電池の出力密度を向上させることができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極および酸素極で挟持したものであって、前記酸素極に当接して設けられ、前記酸素極に空気を供給すべく外部へ開放された多数の貫通孔からなる空気流路を有する酸素極側プレートと、前記燃料極に当接して設けられ、前記燃料極に燃料を供給するための燃料ガス流路が形成された燃料極側プレートとを備え、前記酸素極は、反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、その拡散層内に液体水として保持する部材で構成されることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の燃料電池は、請求項１記載の燃料電池において、前記燃料極の拡散層は、前記酸素極から前記燃料極へ移動してきた水を保持する部材で構成される。
【００１４】
請求項３記載の燃料電池は、請求項１または２に記載の燃料電池において、少なくとも前記酸素極の拡散層は、水を保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、前記拡散層基材よりも小さな細孔径を有する第１のマイクロポーラス層と、前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第２のマイクロポーラス層とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の燃料電池によれば、外部へ開放された空気流路を有するので、自然拡散または自然対流により、酸素極へ空気が供給される。ここで、酸素極の拡散層は、反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、拡散層内に液体水として保持する部材で構成されているので、水は拡散層に保持され、空気中へ蒸発して持ち去れる量が少なくなる。よって、外部加湿に頼らずに、固体高分子電解質膜、酸素極の乾燥およびそれに伴う内部抵抗の増大を抑制することができる。その結果、空気供給用の補機を備えない燃料電池であっても、出力密度を向上させることができるという効果が得られる。
【００１６】
請求項２記載の燃料電池によれば、請求項１記載の燃料電池の奏する効果に加え、燃料極の拡散層は、酸素極から燃料極へ移動してきた水を保持する部材で構成されているので、酸素極から燃料極へ逆拡散で移動してきた水は、燃料極の拡散層に保持される。よって、燃料極に乾燥した燃料ガスが供給されても、燃料ガス中に蒸発して持ち去られる水分量は少なくなる。このため、固体高分子電解質膜、酸素極、燃料極の乾燥およびそれに伴う内部抵抗の増大がさらに抑制され、出力密度をさらに向上させることができるという効果が得られる。
【００１７】
請求項３記載の燃料電池によれば、請求項１または２に記載の燃料電池の奏する効果に加え、少なくとも酸素極の拡散層の反応層側に形成された第１のマイクロポーラス層は、拡散層基材よりも小さな細孔径を有し、拡散層基材の反応層と反対側に形成された第２マイクロポーラス層は、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有するので、固体高分子電解質膜、酸素極または燃料極の乾燥およびそれに伴う内部抵抗の増大がさらに抑制され、出力密度をさらに向上させることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の実施形態における燃料電池セル１０を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、（ａ）に示す燃料電池セル１０を、Ib-Ib線にて切断した断面を模式的に示す断面図である。
【００１９】
図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、燃料電池セル１０は、燃料極側プレート１１と酸素極側プレート１２とからなる一対のプレート１１，１２と、その一対のプレート１１，１２間に介在される膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ）１３と、燃料極集電板１４と、酸素極集電板１５と、これらの集電板１４，１５と一対のプレート１１，１２とを絶縁するために一対のプレート１１，１２の周端部に設けられた絶縁材１９とが設けられている。この燃料電池セル１０は、外部加湿に頼らずに燃料電池の出力密度を向上させることができるものである。
【００２０】
なお、図１（ｂ）に示す断面図は模式図であって、各部材の相対的な厚みや大きさは、必ずしも正確には図示されていない。また、図１（ｂ）においては、図面を簡略化するために、一対のプレート１１，１２およびＭＥＡ１３以外の部材については、図示を省略している。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、燃料極側プレート１１は、エンドプレート１１１と、絶縁層１１２と、セパレータ１１３とが積層されて形成されており、ＭＥＡ１３へ燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１１４が形成されている。燃料極１８へ供給される燃料ガスとしては、水素、或いは水素を含むガスが用いられる。
【００２２】
酸素極側プレート１２は、エンドプレート１２１と、セパレータ１２２とが積層されて形成されており、空気流路１２３が多数形成されている。図１（ｂ）に示すように、空気流路１２３は、板状のエンドプレート１２１の上面からセパレータ１２２の下面まで、酸素極側プレート１２を厚み方向へ貫通する孔であって、上端の開口は、外部に開放されている。
【００２３】
この酸素極側プレート１２は、図２を参照して後述する、ＭＥＡ１３における酸素極１６の拡散層１６２側に配設される。よって、空気流路１２３を経て、自然拡散または自然対流により外部から空気が供給されると、酸素極１６の拡散層１６２がその空気に晒され、酸素極１６へ空気が供給される。すなわち、燃料電池１０は、空気の供給にポンプやブロアーのような動力機構を用いない、いわゆるパッシブ型の燃料電池として構成されている。燃料ガスおよび空気を、反応ガスと称する。
【００２４】
なお、図１に示すように、平面視において長方形状のプレート１１，１２の縁辺には、ボルト挿通穴２０が設けられている。そして、このボルト挿通穴２０に挿通された締付ボルトがナットに螺合されることにより、一対のプレート１１，１２が挟圧されて、プレート１１，１２間に介在させられたＭＥＡ１３は厚み方向に押圧される。これにより、接触抵抗を低減することができる。
【００２５】
図２は、図１（ａ）に示すIb-Ib線にて切断した断面における、ＭＥＡ１３を拡大して模式的に示す断面図である。図２に示すように、ＭＥＡ１３は、ナフィオンから構成される高分子電解質膜１７と、その高分子電解質膜１７の一方の面に当接する酸素極１６と、高分子電解質膜１７の他方の面に当接する燃料極１８とが設けられている。酸素極１６は、反応層１６１と拡散層１６２とから構成され、燃料極１８は、反応層１８１と拡散層１８２とから構成される。
【００２６】
高分子電解質膜１７としては、耐食性、耐熱性、耐久性に優れた物質であって、例えば、分子中に水素イオンの交換基を有し、飽和状態に含水させられることにより高いイオン伝導性を有するとともに、燃料ガスおよび空気を分離する機能を有する膜が用いられる。例えば、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜、炭化水素系固体電解質膜などが用いられる。
【００２７】
酸素極１６の拡散層１６２は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等からなる拡散層基材１６２ａの両面に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性の第１マイクロポーラス層１６２ｂ及び第２マイクロポーラス層１６２ｃが形成されている。また、第１マイクロポーラス層１６２ｂ側に白金触媒が担持されたカーボンとナフィオンイオノマーとを含有する反応層１６１が形成される。
【００２８】
燃料極１８の拡散層１８２も同様に、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等からなる拡散層基材１８２ａの両面に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性の第１マイクロポーラス層１８２ｂ及び第２マイクロポーラス層１８２ｃが形成されている。また、第１マイクロポーラス層１８２ｂ側に白金触媒が担持されたカーボンとナフィオンイオノマーとを含有する反応層１８１が形成される。
【００２９】
拡散層基材１６２ａ，１８２ａとしては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、第１マイクロポーラス層１６２ｂ，１８２ｂ、および第２マイクロポーラス層１６２ｃ，１８２ｃとしては、撥水性樹脂粉末と、カーボン粉末とを混合して用いることができる。撥水性樹脂粉末として具体的には、フルオロカーボン系ポリマー（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等）とが挙げられる。また、カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、黒鉛粉、カーボンナノファイバー、ファーネスブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。
【００３０】
以上のように構成された燃料電池セル１０では、外部へ開放された空気流路１２３を有するので、自然拡散または自然対流により、酸素極１６へ空気が供給される。ここで、酸素極１６の拡散層１６２は空気に晒されるが、反応層１６１で生成した水は拡散層１６２内に吸い出され、拡散層１６２内に保持される。このため、水は拡散層１６２に保持され、空気中へ蒸発して持ち去れる量が少なくなる。よって、外部加湿に頼らずに、高分子電解質膜１７、酸素極１６の乾燥およびそれに伴う内部抵抗の増大を抑制することができる。その結果、空気供給用の補機を備えない燃料電池であっても、出力密度を向上させることができる。
【００３１】
ここで、水が連通する細孔を通過する場合に必要とされる水圧ΔＰは、次式（１）で示されることが知られている。
【００３２】
【数１】
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一方、反応ガスは極めて小さな径の通路であっても水よりも容易に通過することができる。よって、反応層側に形成されている第１のマイクロポーラス層１６２ｂ，１８２ｂにより、水蒸気は透過しやすく、水は透過し難くなることから、反応層および高分子電解質膜１７の乾燥を防ぐことができる。また、反応層と反対側に形成されている、第２のマイクロポーラス層１６２ｃ、１８２ｃにより、水は拡散層基材１６２，１８２に保持され、蒸発して持ち去れる量が少なくなる。
【００３３】
本実施形態の燃料電池１０では、酸素極１６側の拡散層基材１６２ａの反応層１６１側に、拡散層基材１６２ａよりもはるかに小さな細孔径を有する第１マイクロポーラス層１６２ｂが設けられているので、水蒸気が透過しやすく、液体水は透過し難い。よって、酸化ガスの拡散を妨げる過剰な水を拡散層基材１６２ａに排出でき、且つ、ＭＥＡ１３の乾燥を防ぐことができる。
【００３４】
また、第２マイクロポーラス層１６２ｃも、拡散層基材１６２ａによりもはるかに小さい細孔径を有し、ガスを通して液体を実質的には通さないので、拡散層基材１６２ａ内の水は、水蒸気の状態でしか空気流路１２３側（図１参照）へ移動することができない。このため、反応層で生成した水を拡散層基材１６２ａに吸い出し、保持することができ、反応層１６１が乾燥した際には、保持している水を供給することができる。このため、ＭＥＡ１３の乾燥を高度に防ぐことができる。
【００３５】
さらに、燃料極１８側にも、酸素極１６と同様の第１マイクロポーラス層１８２ｂおよび第２マイクロポーラス層１８２ｃが形成されている。このため、酸素極１６側のみならず、酸素極１６から燃料極１８へ逆拡散した水が、燃料ガス中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなり、ＭＥＡ１３の乾燥をさらに高度に防ぐことができる。
【００３６】
好適には、第１のマイクロポーラス層１６２ｂ，１８２ｂおよび第２のマイクロポーラス層１６２ｃ，１８２ｃは、細孔径が０．１５μｍ以下となるように構成されている。上記（１）式によれば、マイクロポーラス層の細孔径が小さいほど、水がマイクロポーラス層を通過する場合に必要とされる水圧ΔＰは大きくなり、水が通過し難くなる。発明者の試験結果によれば、マイクロポーラス層の細孔径が０．１５μｍ以下であれば、反応ガスに加湿をせず、また空気の供給に補機を用いない燃料電池であっても、電圧降下は小さくなり、発電効率も良好となる。
【００３７】
なお、ここでいう細孔径とは、マイクロポーラス層に存在する細孔のうち、外部と連通する細孔径のことをいう。このような細孔径は、ポロシメータによって測定することができる。
【００３８】
また、好適には、第１のマイクロポーラス層１６２ｂ，１８２ｂおよび第２のマイクロポーラス層１６２ｃ，１８２ｃは、多数のカーボン粒子を有し、カーボン粒子間に生じる隙間で細孔径が制御されるものである。カーボン粒子は、細かい粒子が凝集して２次粒子を形成しており、この２次粒子には外部と連通する細孔（すなわち、カーボン粒子間に生じる隙間）が存在しており、この連通する細孔の径が小さいほど、マイクロポーラス層を液体が通過し難くなる。このため、マイクロポーラス層の原料に用いたカーボンの細孔径は、マイクロポーラス層の細孔径とほぼ一致する。したがって、カーボン粒子間に生じる隙間を細孔とすれば、マイクロポーラス層の細孔径を制御することができる。
【００３９】
また、好適には、第１のマイクロポーラス層１６２ｂ，１８２ｂおよび第２のマイクロポーラス層１６２ｃ，１８２ｃは、撥水性樹脂が添加されて構成されている。このようにすれば、マイクロポーラス層の水濡性が低下し、ガス透過性を妨げることなく、水の透過を良く抑制することができる。このため、反応層への酸素ガスの供給を妨げることなく、高分子電解質膜１７、酸素極１６または燃料極１８の乾燥を防ぐことができる。
【００４０】
ここで、本発明は、燃料ガスを供給する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）にも適用可能であるし、メタノールから直接発電するダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）にも適用可能である。
【００４１】
また、燃料極１８および酸素極１６は、好適には、触媒活性を有する物質を含む反応層と、反応ガスの拡散を促すための拡散層とが積層されることにより構成されるが、導電性およびガス透過性を有する他の層がさらに加えられても良い。上記反応層は、上述した電気化学反応をそれぞれ促進させる活性な表面を有する導電性物質から構成され、例えば、粒径数ｎｍの白金あるいは白金合金が均一に分散された比表面積の高いカーボン担体（炭素粉末）や、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンといった微細構造を有する炭素担体材料などが用いられる。
【００４２】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に基づいて限定されるものではない。
（実施例１）
ポリテトラフルオロエチレンの微粉末をカーボンブラック粉末（一次粒子径１６ｎｍ）に対して３５重量部％となるように混合し、その後、平織りのカーボンクロスを用意し、上記の溶着した自立膜２枚で挟んで３４５℃で熱圧着させて一体化した。
【００４４】
次に、市販の白金担持カーボン（白金含有量６０ｗｔ％）１ｇに、ナフィオン（登録商標）溶液（５ｗｔ％水／イソプロパノール溶液）２ｇ〜２００ｇを加え、ハイブリッドミキサーで攪拌し、触媒ペーストとし、上記の方法によって一体化した膜の表面にＰｔ担持量が０．０１〜２ｍｇ／ｃｍ２となるように印刷して、乾燥し、反応層付拡散層を得た。
【００４５】
なお、拡散層の上に印刷して反応層を形成する替わりに、ポリテトラフルオロエチレン製のシート上に上記触媒ペーストを印刷し、乾燥後、剥離させて自立した反応層膜を作製し、これを拡散層と熱圧着させて反応層付拡散層を形成しても良い。
【００４６】
以上のようにして作製した反応層付拡散層を、酸素極１６および燃料極１８として用意し、ナフィオン（登録商標）からなる高分子電解質膜の両側から反応層で挟み、ホットプレスによって圧着した。さらに、これをＭＥＡ１３として用いて、その外側に燃料極側プレート１１、酸素極側プレート１２を設けて、実施例１の燃料電池セル１０を作製した。
【００４７】
なお、燃料極側プレート１１および酸素極側プレート１２のエンドプレート１１１，１２１はジュラルミンで構成し、セパレータ１１３，１２２は銅で構成した。また、燃料極側プレート１１の絶縁層１１２はポリカーボネートで構成した。
（実施例２）
実施例２では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が３５ｎｍのカーボンブラックを用いて、酸素極１６と燃料極１８とを用意した。その他は実施例１の燃料電池セル１０と同様であり、説明を省略する。
（実施例３）
実施例３では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が４８ｎｍのカーボンブラックを用いて、酸素極１６と燃料極１８とを用意した。その他は実施例１の燃料電池セル１０と同様であり、説明を省略する。
（比較例１）
比較例１では、反応層側にのみマイクロポーラス層を形成し、反応層の反対側（プレート側）にはマイクロポーラス層を形成しなかった。その他は実施例３の燃料電池セルと同様であり、説明を省略する。
【００４８】
図３は、実施例１〜３および比較例１の各々について、マイクロポーラス層の細孔分布を、ポロシメータにより測定した結果を示すグラフである。図３に示すグラフにおいて、横軸はマイクロポーラス層の細孔径Ｄを示し、縦軸は微分細孔容積を示す。
＜評価＞
こうして作製した実施例１〜３及び比較例１の燃料極側プレートに設けられた燃料ガス流路に、水素ガス供給装置を接続して、水素ガス供給装置から乾燥した水素ガスを導入し、様々な露点におけるセル電圧を測定した。なお、上述したように、酸素極へは、ポンプやブロアーのような補機を用いず、自然拡散または自然対流により空気を供給した。
【００４９】
図４は、実施例１〜３および比較例１の燃料電池セルに２Ａ（アンペア）で連続通電を行った時のセル電圧を測定した実験結果を示すグラフである。図４において、横軸は酸素極へ供給される空気の露点を示し、縦軸はセル電圧を示す。図４に示すように、実施例１〜３では、低い露点においても高いセル電圧を示し、特に、マイクロポーラス層に一次粒子径が１６ｎｍという最も細かいカーボンを用いた実施例１では、最も高い値を示した。これに対し、比較例１の燃料電池セルではセル電圧が低い。これは、実施例１〜３では、酸素極側の拡散層基材に水蒸気は透過しやすく、水は透過し難いマイクロポーラス層が形成されているため、空気流路１２３に供給された空気中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなるからである。また、以上の結果から、実施例１〜３の燃料電池セルでは、ＭＥＡの乾燥を高度に防ぐことができ、供給空気を無加湿とし、燃料ガスとして乾いた水素を用いたパッシブ型の固体高分子電解質型燃料電池であっても、優れた発電性能を奏し得ることが分かった。
【００５０】
図５は、実施例１、実施例３、比較例２の燃料電池に、ドライ水素を供給し、２５°Ｃおよび相対湿度が４５％の雰囲気下において、２Ａ（アンペア）で連続通電を行った実験結果を示すグラフである。図５のグラフにおいて、横軸は経過時間を示し、縦軸はセル電圧を示す。
【００５１】
なお、実施例１および実施例３の燃料電池には、ポンプ、ブロアー、ファンなどの補機を用いず、パッシブで空気を供給し発電した。一方、比較例２は、実施例３の燃料電池と同一のＭＥＡ１３を用いて構成された燃料電池であって、ファンで空気を供給して発電するアクティブ型の燃料電池として構成した。
【００５２】
図５のグラフから明らかなように、２Ａという低負荷の領域では、パッシブで発電した実施例３は、ファンで空気を供給した場合のアクティブ型の比較例２と同等のセル電圧が得られることが分かった。さらに、実施例１によれば、ファンで空気を供給した比較例２よりも、セル電圧が向上していることが分かった。この結果、空気の供給に補機を用いない実施例の燃料電池セルであっても、細孔径の小さいマイクロポーラス層を設けることで、ＭＥＡ１３の乾きが抑制され、セル電圧が向上することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）は、実施形態の燃料電池を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す燃料電池セルをIb-Ib線にて切断した断面を模式的に示す断面図である。
【図２】図１（ａ）に示すIb-Ib線にて切断した断面における、ＭＥＡを示す断面図である。
【図３】実施例１〜３および比較例１の各々について、マイクロポーラス層の細孔分布を示すグラフである。
【図４】実施例１〜３および比較例１の燃料電池セルに２Ａで連続通電を行った時のセル電圧を測定した実験結果を示すグラフである。
【図５】実施例１、実施例３、比較例２の燃料電池に、ドライ水素を供給し、２５°Ｃおよび相対湿度が４５％の雰囲気下において、２Ａで連続通電を行った実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１０                燃料電池セル（燃料電池）
１１                燃料極側プレート
１２                酸素極側プレート
１６                酸素極
１７                高分子電解質膜（固体高分子電解質膜）
１８                燃料極
１２３              空気流路
１６１              反応層
１６２              拡散層
１６２ａ            拡散層基材
１６２ｂ            第１のマイクロポーラス層
１６２ｃ            第２のマイクロポーラス層
１８１              反応層
１８２              拡散層
１８２ａ            拡散層基材
１８２ｂ            第１のマイクロポーラス層
１８２ｃ            第２のマイクロポーラス層
【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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