JP2003151585A - 燃料電池及び拡散層 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】適正な水分状態及び反応ガスの供給を制御でき
る燃料電池の提供。 【解決手段】電解質膜１と電解質膜１の両面に設けられ
た反応電極２とそれらの両面に設けられたガス透過性の
拡散層３とをもつ膜−電極接合体と、その膜−電極接合
体の両面を狭持するセパレータ４とを有し、反応電極
２、拡散層３及びセパレータ４は反応ガスが通過するガ
ス通路２１、３１、４２と水及び水蒸気が通過する水通
路２０、３２、４３とをもつことを特徴とする。つま
り、反応ガスが通過するガス通路２１、３１、４２と水
が通過する水通路２０、３２、４３とを完全に分離する
ことでガス通路２１、３１、４２に要求される特性と水
通路２０、３２、４３に要求される特性とをそれぞれに
影響されることなく実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解質膜、電極等
の湿潤化を好適に行うことができる燃料電池及び燃料電
池用の拡散膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池の最小発電
単位である単位セルは一般に膜−電極接合体（以下、
「ＭＥＡ」と称する）の両面を燃料ガス（水素等）流路
及び酸化剤ガス（酸素等）流路を備えたセパレータで狭
持したものである。ＭＥＡは電子を通さず、イオンを透
過する電解質膜と、その電解質膜の両面を狭持する主に
貴金属からなる反応触媒を含む反応電極とからなる狭義
の膜−電極接合体の両面に燃料ガス又は酸化剤ガスや反
応により生成した水等を拡散・透過させ反応電極で発生
した電子を透過できる拡散層で狭持したものである。こ
の単位セルを多数積層したものをスタックという。

【０００３】ところで、固体高分子電解質型燃料電池で
は、発電の過程で水が生成する。反応によって生成する
水は主にカソード側に出てくるが、一部は電解質膜を透
過してアノード側に出る。

【０００４】電解質膜にはフッ素系の高分子材料が最も
一般的に使用されている。代表的な電解質膜には市販の
Nafion^TM（米国・デュポン社製商品名）がある。この電
解質膜は、他の高分子電解質と比較してプロトン伝導性
が高いが、電解質膜が乾燥すると急激にプロトン伝導性
が低下することである。また反対に、水が多量に存在す
るとフラッディングによる性能低下を起こすこととな
る。このため固体高分子電解質型燃料電池では常に電解
質膜を適当な含水状態に制御することが求められる。同
様に反応電極も一定範囲の水分含有量を保持することが
好ましい。この水分量は電池反応により生成する水を用
いることが合理的である。

【０００５】通常、電解質膜等の水分量は、拡散層が制
御している。従来の拡散層はガス透過性を付与するため
のフッ素樹脂からなる多孔質高分子と導電性及び水透過
性を付与するためのカーボン粉末との混合物からなる膜
を機械的性質を向上するための基材上に形成することで
製造される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
拡散層を用いた燃料電池では以下の不都合があった。従
来の拡散層は一定条件下におけるガス透過性及び水透過
性はある程度達成できるものの、燃料電池の運転条件に
よっては特性が充分ではない場合があった。たとえば、
燃料電池を高出力で運転する場合には排水が追い付かず
にフラッディングが生じたり、反対に排水しすぎて乾燥
したりした。また、水分状態の制御に主眼をおくと、反
応ガスの供給が充分でなくなる場合もあった。その結果
として本来燃料電池が有する高効率が生かし切れない。
このように、拡散層は異なる２つの性能を発揮する必要
があり、双方に満足できるものはなかった。

【０００７】この発明は、上記の点に鑑みてなされたも
ので、この発明の課題は、適正な水分状態及び反応ガス
の供給を制御できる燃料電池を提供すること及び同燃料
電池に好適な拡散層を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の燃料電池は、電解質膜と該電解質膜の両面に設けら
れた反応電極とそれらの両面に設けられたガス透過性の
拡散層とをもつ膜−電極接合体と、該膜−電極接合体の
両面を狭持するセパレータとを有し、前記反応電極、前
記拡散層及び前記セパレータの少なくとも１つは反応ガ
スが通過するガス通路と水及び水蒸気が通過する水通路
とをもつことを特徴とする（請求項１）。

【０００９】つまり、反応ガスが通過するガス通路と水
が通過する水通路とを完全に分離することでガス通路に
要求される特性と水通路に要求される特性とをそれぞれ
に影響されることなく実現できる。従来の燃料電池では
反応ガスの供給を担う部分と水の通過を担う部分とが微
視的には分かれているもののそれらが混合しているの
で、それぞれに必要とされる特性を独立して最適化する
ことができなかったのである。

【００１０】その場合に、前記ガス通路は前記反応ガス
を選択的に通過させ、前記水通路は水及び水蒸気を選択
的に通過させるものであることが好ましい（請求項
２）。ガス通路及び水通路をそれぞれ反応ガス及び水を
選択的に通過させるようにすることで、前述のガス通路
と水通路とを分離した燃料電池を簡便に実現できる。

【００１１】また、前記拡散層は、前記反応電極側から
前記セパレータ側に水を通過させないガス通路と、水及
び水蒸気が通過できる水通路とをもつことが好ましい
（請求項３）。

【００１２】とくに反応ガスの通路であるガス通路を水
が逆流しない構造とすることで、反応ガスの透過を妨げ
ることがなくなるという利点が生じる。

【００１３】また、前記拡散層は金属で構成されること
が好ましい（請求項４）。ガス通路と水通路とは確保さ
れているので、その他の部分は反応ガス及び水の透過性
を考慮する必要がなくなり、材料として内部抵抗を低減
でき且つ熱伝導性に優れる金属を採用できる。

【００１４】そして、前記拡散層及び前記セパレータに
おける前記ガス通路及び前記水通路は、それぞれ連通す
るように区画されていることが好ましい（請求項５）。
拡散膜のガス通路とセパレータのガス通路、及び拡散層
の水通路とセパレータの水通路をそれぞれ連通するよう
に区画することで、拡散層及びセパレータに形成されて
いるガス通路及び水通路をそれぞれ無秩序に形成した場
合のように、セパレータ拡散層の水通路により導かれた
水分と反応ガスとが混合することがなくなり、より精密
な制御が可能となる。

【００１５】ここで前記反応電極の前記ガス通路は反応
ガスに親和性を有し且つ疎水性の素材からなり、少なく
ともその一部が前記拡散層と接触することが好ましく
（請求項６）、そのガス通路は繊維状であることがより
好ましい（請求項７）。反応電極中に反応ガスと親和性
が高いガス通路を有することで反応電極で生成した水に
影響されることなく反応電極内に効率的に反応ガスを供
給することができる。

【００１６】そして、前記拡散層の前記ガス通路及び前
記水通路は該拡散層の膜厚方向に形成された複数の貫通
孔であることが好ましく（請求項８）、その平均孔径は
ガス通路が１０μｍ〜２ｍｍであることがより好ましく
（請求項９）、水通路が５〜５０μｍであることが好ま
しい（請求項１０）。ガス通路及び水通路は拡散層に設
けた貫通孔により容易に実現可能である。この場合に、
前記ガス通路の前記貫通孔は前記反応電極側から前記セ
パレータ側に向けて拡径していることが好ましく（請求
項１１）、前記水通路の前記貫通孔は前記反応電極側か
ら前記セパレータ側に向けて縮径していることが好まし
い（請求項１２）。貫通孔内の流体の流れは貫通孔の孔
径の大きい側から小さい側に向けて選択的に進み、逆方
向には流れにくいので、ガス通路及び水通路を前述のよ
うに孔径を規定することでそれぞれ適正な方向に流体
（反応ガス、水及び水蒸気）が流れることとなる。

【００１７】そして前記ガス通路の内壁は撥水性素材と
し（請求項１３）、その内部に撥水性素材からなるガス
通路用充填材が充填される（請求項１４）ことが好まし
い。さらに、前記水通路の内壁は親水性素材からなり
（請求項１６）、内部に親水性素材からなる水通路用充
填材が充填される（請求項１７）ことが好ましい。ガス
通路と水通路とをより完全に分離することが可能とな
る。

【００１８】また、カソード側の前記ガス通路は前記拡
散膜の表裏を区画する酸素富化膜をもつことが好ましい
（請求項１５）。酸化剤ガスとして空気を用いる場合に
酸素富化膜を用いてガス中の酸素濃度を向上することが
好ましいが、酸素富化膜をカソード側の拡散層内に配設
することで、アノード側の流量を相対的に向上し、酸素
濃度（カソード側）を下げることなく、アノード側への
逆拡散を促進する利点がある。

【００１９】さらに、前記水通路は排水制御手段に接続
されることが好ましい（請求項１８）。単位セルを構成
する電解質膜、反応電極等は燃料電池の運転条件等によ
り最適な水分量が異なるので、水通路と排水量が制御で
きる排水制御手段とを接続して、必要に応じて排水量の
制御を行うことで常に適正な運転条件下で燃料電池を使
用することが可能となる。

【００２０】たとえば、前記排水制御手段は前記水通路
を開閉する弁体とすることができる（請求項１９）。こ
の場合に、弁体は機械的に駆動されて開閉されるものの
他に、水分含有量に関連して体積が変化する材料（請求
項２０）や、水分含有量に関連して親水性が変化する材
料（請求項２１）や、温度に関連して体積が変化する材
料（請求項２３）で構成できる。単位セル内に必要な水
分量は適正範囲があり、また、その適正範囲は温度によ
っても変化するので、水分量や温度によって体積等が変
化する材料を弁体として採用することで、適正な運転条
件に必要とされるパラメータに対して直接的にフィード
バック制御することができる。

【００２１】また、排水制御手段として水通路の圧力を
変化させて水通路からの水分蒸発量を調節する圧力可変
手段とすることもできる（請求項２４）。燃料電池の運
転状況（出力、外部温度等）によっても単位セル内部の
状況が判別可能であり、その状況に応じて必要な水分量
も推定できるので、その必要な水分量に応じて圧力可変
手段を制御して水通路の圧力を変化させることで水分蒸
発量を変化させて燃料電池内部を適正な水分量とするこ
とができる。

【００２２】さらに、前記拡散層と前記反応電極との間
又は該拡散層と前記セパレータとの間に金網を有するこ
とが好ましい（請求項２５）。ガス通路及び水通路を形
成することにより、拡散層及び反応電極の強度が低下す
ることが考えられるが、その場合にそれらを補強するこ
とができる。金網は反応ガス、水、水蒸気及び電流の通
過を妨げない。

【００２３】さらに、上記課題を解決する本発明の拡散
層は、電解質膜と該電解質膜の両面に設けられた反応電
極とそれらの両面に設けられたガス透過性の拡散層とを
もつ単位セルと、該単位セルの両面を狭持するセパレー
タとを有する燃料電池用の拡散層であって、反応ガスが
通過するガス通路と水及び水蒸気が通過する水通路とを
もち、金属からなることを特徴とする（請求項２６）。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の燃料電池及び拡散
層について詳細に説明する。なお、拡散層については燃
料電池の一構成要素であるので燃料電池中の記載をもっ
て説明に代える。ここで本発明が適用できる燃料電池は
主に固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）である。

【００２５】本実施形態の燃料電池としては単位セルを
複数重ね合わせたスタックを形成しているものを規定す
る。そして電解質膜を挟んだ両側の反応電極にそれぞれ
燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するガス供給装置がそれ
ぞれ対応する側のセパレータから接続される。そして燃
料ガスとしては水素ガスを酸化剤ガスとして空気をそれ
ぞれ便宜的に規定する。

【００２６】本燃料電池の単位セルは電解質膜の両側を
反応電極で狭持した後にさらに拡散層で狭持したＭＥＡ
の両側をセパレータで狭持した構造をもつ。これらの反
応電極、拡散層及びセパレータの少なくとも１つは、反
応ガスが通過するガス通路と水及び水蒸気が通過する水
通路とをもつ。

【００２７】ガス通路は反応ガスを選択的に通過させる
作用をもち、特に反応電極側からセパレータ側に水を極
力通過させないことが好ましい。そして、水通路は水及
び水蒸気を選択的に通過させることが好ましい。なお、
水通路はガスが通過できるものでも良い。すなわち、水
の排出が問題となる燃料電池を高出力で運転する場合以
外の場合には水通路を反応ガスが通過するものであって
も良い。

【００２８】電解質膜はイオン（プロトン）透過性に優
れ且つ電流を流さない材料からなる。現在汎用されてい
る材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商
品面：Nafion^TM）を挙げることができる。この電解質膜
を特に限定されない一般的な厚さで用いることができ
る。

【００２９】反応電極についても特に限定せず、通常の
ものを使用可能である。たとえば、カーボン粉末上に白
金や白金のアロイを分散させた触媒を用いることが可能
である。たとえば、この触媒をそのままもしくは結着剤
等と混合して電解質膜表面で製膜することで反応電極を
形成できる。

【００３０】このときに反応電極中に反応ガスと親和性
をもつガス通路を形成することができる。ガス通路はそ
の一部が拡散層側に露出することが好ましい。拡散層と
接触することで効果的に反応ガスを反応電極中に取り込
むことが可能となる。反応電極中のガス通路の形態は比
表面積の大きい繊維状であることが好ましい。

【００３１】このガス通路を構成する反応ガスと親和性
をもつ材料としてはフルオロカーボン系ポリマー（たと
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（ＥＴＦ
Ｅ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体
（ＥＣＴＦＥ））が挙げられる。フッ素の存在によって
ガス親和性が向上すると共に耐蝕性が向上する。

【００３２】拡散層はたとえば一般的なカーボン粉末と
撥水性高分子粉末との混合物を用いることができる。膜
厚方向に複数の貫通孔を設けたりすることでガス通路及
び水通路を形成することができる。

【００３３】また、拡散層にガス通路及び水通路を設け
る場合には拡散層として前述の組成の他に金、白金、
銅、ステンレス鋼等の金属から構成することもできる。
これらの金属から拡散層を形成する場合にはそれらの金
属板をそのまま加工することもできるし、金属粉末を前
述の通常の材料（カーボン粉末と撥水性高分子粉末等）
に混合することもできる。好ましくは金属板を加工して
拡散層とすることである。この場合には金属板の膜厚方
向に複数の貫通孔を設けることでガス通路及び水通路と
する。拡散層に金属を用いることにより電流を流す機能
は金属で充分達成可能となり、ガス通路及び水通路を形
成する部分には単純にガス透過性及び水透過性の高い素
材、形態を採用でき単純化できるという効果がある。

【００３４】拡散層にガス通路及び水通路を貫通孔とし
て形成する場合にはその平均孔径をが数通路では１０μ
ｍ〜２ｍｍ、さらには２０μｍ〜１ｍｍとすることが好
ましく、水通路では５〜５０μｍ、さらには５〜２０μ
ｍ、とすることが好ましい。平均孔径が小さいと毛細管
力が上昇し、大きいと反対に排出力が小さくなる。

【００３５】ガス通路を構成する貫通孔は反応電極側か
らセパレータ側に向けて拡径している形状とすること
で、いわゆるクヌーセン効果により流体の流れを一方通
行とし反応ガスの流れをセパレータ側から反応電極側へ
の流れとすることができる。反対に水通路を構成するの
貫通孔は反応電極側からセパレータ側に向けて拡径して
いることで、水及び水蒸気の流れを反応電極側からセパ
レータ側への一方通行とすることができる。

【００３６】水通路を構成する貫通孔はその貫通孔同士
を結ぶ孔により連通している構造であっても良い。

【００３７】また、ガス通路の内壁を撥水性素材とする
ことで、ガス通路内への水の侵入を最小限に抑えること
ができ、ガス通路内部に撥水性材料からなるガス通路用
充填材を充填することでさらにガス通路内への水の侵入
を抑制できる。この場合、撥水性材料としては親反応ガ
ス性の素材が好ましい。たとえば、前述したフルオロカ
ーボン系ポリマーが好ましい例として例示できる。ガス
通路用充填材はたとえば多孔質等のような一体的な形態
でも良いし、撥水性材料の粉末の集合体でも良い。

【００３８】そして、水通路の内壁を親水性材料とする
ことで、水通路内へ積極的に水を誘導することができ、
水通路内部に親水性材料からなる水通路用充填材を充填
することでさらに水通路内へ水を積極的に誘導すること
ができる。この場合、親水性材料としては電気化学的に
安定な炭素系材料からなることが好ましい。一般的な炭
素材料はその表面が酸化されており親水性をもつものが
多い。さらに表面を酸化処理することでより一層の親水
性を付与できる。

【００３９】セパレータも一般的に使用されている材
質、形態のものが使用できる。セパレータには流路が形
成され、その流路には反応ガスを供給するためのガス供
給装置が接続されると同時に、反応しなかった反応ガス
及び発生した水を除去する手段とが接続される。セパレ
ータにガス通路及び水通路を形成する場合には前述のよ
うに通路内部等に疎水性材料又は親水性材料からなる充
填材を充填することでガス通路と水通路とを分離するこ
とができるほか、その表面に形成した流路をガス供給用
の流路（ガス通路）と水排出用の流路（水通路）との少
なくとも２系統設けることでも達成可能である。

【００４０】以上説明した反応電極、拡散層及びセパレ
ータにガス通路及び水通路を形成した場合にはそれぞれ
独立して関連なしにガス通路と水通路とを形成すること
もできるが、反応電極のガス通路、拡散層のガス通路及
びセパレータのガス通路をそれぞれ連通するように区画
されることが好ましい。特に拡散層のガス通路とセパレ
ータのガス通路とは連通するように区画することが好ま
しい。このことは水通路についても同様に反応電極、拡
散層及びセパレータを、特に拡散層とセパレータとを連
通されるように区画することが好ましい。

【００４１】それぞれ対応する通路を連通するように区
画する方法としては拡散層に設けた貫通孔（ガス通路及
び水通路）の間隔に合わせてセパレータに形成する流路
（ガス通路及び水通路）の間隔を調整することで達成で
きる。具体的な一例としてはガス通路と水通路とを一定
間隔で交互に線状に並べ、その拡散層でのガス通路と水
通路との間隔でセパレータにガス通路及び水通路を縞状
に形成しそれぞれの対応する通路が一致するように拡散
層とセパレータとを接合することで連通させることがで
きる。

【００４２】なお、反応電極、拡散層及びセパレータに
それぞれ設けることができるガス通路及び水通路の割合
（面積、数）は特に限定されず、燃料電池の想定される
使用態様において生成する水の量に応じて適宜変化でき
る。

【００４３】さらに前述の拡散層と、反応電極又はセパ
レータとの間には金網を配設することができる。金網に
ついては特に組成、形態を限定しない。また、拡散層の
表裏面方向を区画するような位置に酸素富化膜を配設す
ることができる。酸素富化膜としては１−メチルトリメ
チルシリルプロピン高分子等のシリコン系高分子、ポリ
ビニルアルコール等からなる薄膜が例示できる。

【００４４】前述した水通路には排水制御手段が接続さ
れることが好ましい。排水制御手段が接続される部分と
しては単位セル又はスタックの外部にまで連通する水通
路と接続させても良いし、反応電極、拡散層若しくはセ
パレータ内に設けられている水通路の内部に配設しても
よい。

【００４５】排水制御手段は電解質膜、反応電極等の水
含有量に応じて水通路からの水の排水量を変化させるこ
とができる手段である。たとえば、セパレータと拡散膜
との位置関係を移動可能にし、いずれかの位置を変化さ
せることで拡散膜とセパレータとにそれぞれ設けられた
水通路の連通状態を調節することで排水を制御する手段
である。また、水通路内に設けられた弁体により水通路
を開閉することでも達成可能である。水通路を開閉する
ことで外部との連通を制御し、結果として水通路からの
水分排出量が制御できる。さらに、水通路の圧力（減圧
度）を調節することで水通路からの水の蒸発量を制御し
て水通路からの水の排出量を制御する圧力可変手段を用
いる方法がある。これらを組み合わせることも好まし
い。

【００４６】排水制御手段はカソード側、アノード側の
双方に設けることができるが、特に水はカソード側の反
応電極で生成されるのでカソード側に排水制御手段を設
けることが好ましい。

【００４７】排水制御手段の排水量制御は温度等の条件
により変化する適正水分量の範囲に水分量が収まるよう
に制御する。したがって、前述の弁体としては自身の水
分含有量に応じて体積が変化する材料で形成することで
自立的に水分含有量を制御でき好ましい。弁体の体積が
変化することで水通路内を閉塞、解放したり、水通路自
体を体積が変化する材料で形成することで水通路の孔径
を変化させたりして水の透過性を効果的に制御できる。

【００４８】同様に温度に応じて体積が変化する材料で
弁体を形成することで、変化する体積に応じて水通路内
を閉塞、解放したり、水通路自体を体積が変化する材料
で形成することで水通路の孔径を変化させたりできる。

【００４９】また、水分含有量若しくは温度により親水
性が変化する材料により弁体を形成することでも同様の
排水量の制御ができる。より好ましくはこれらを組み合
わせて使用することである。

【００５０】水分含有量により体積、親水性が変化する
材料としてはカルボキシル基等の弱酸性基若しくは弱ア
ルカリ性基を有する高分子（たとえば、メタクリル酸、
アクリル酸等を有する高分子、具体的にはポリメタクリ
ル酸、ポリアクリル酸、ポリペプチド、ポリグルタミン
酸等）を例示できる。一般的な燃料電池の単位セル内の
環境は水分含有量によりｐＨが変化することを確認して
おり（水分含有量が低下するにつれてｐＨが下がる）、
そのｐＨの変化によりカルボキシル基の解離度が変化す
る結果、高分子の高次構造が変化して体積が変化する。
このｐＨの変化は水通路用充填材として適正な材料（た
とえば水通路用充填材として炭素系材料を用いる場合に
は、表面に存するカルボキシル基等の弱酸性基の存在量
により水分含有量に応じてｐＨが変化する）を選択する
ことで制御可能である。

【００５１】これら水分含有量の変化により体積等が変
化する高分子鎖を水通路の内壁表面若しくは水通路用充
填材表面にグラフト化することで安定した弁体を形成で
きる。つまり、水分含有量の変化に伴うｐＨの変化に適
合する適正なｐＫａを有する高分子を用いて弁体を形成
することで適正な水分量を保つことができる。

【００５２】また、温度により体積、親水性が変化する
材料としては、ポリイソプロピルアクリルアミド（ＰＮ
ＩＰＡＡｍ）、ポリイソプロピルアクリルアミドアジド
フェニル（ＰＮＩＰＡＡｍ−Ａｚ）が例示できる。これ
らの高分子は温度の変化により高分子鎖間の会合状態が
変化する結果、その高次構造が変化し、体積や親水性が
変化するのである。

【００５３】さらに弁体を形成する材料としては外部か
らのその他の入力（電気、光等）に応じて体積等が変化
するアクチュエータ等で形成することもできる。電気、
光等により変化する材料の場合には運転状況に応じて外
部から制御信号として電気、光等を入力することで排水
制御手段を制御する。

【００５４】また、圧力可変手段としては外部と連通す
る水通路に接続する減圧ポンプ等が例示できる。水通路
の減圧度を水通路と減圧ポンプの接続量を調節したり、
接続した減圧ポンプ自身の減圧度を調節したりすること
で、水通路の圧力を調節でき、結果として水蒸発量、つ
まり排水量を制御できる。

【００５５】

【実施例】本発明を実施例に基づいてさらに説明する。
以下の説明では１つの単位セルについて説明を行うこと
で燃料電池全体の説明とする。特に必要がある場合には
スタックや、スタック及び単位セルの外部に接続する部
材について説明する。なお、以下に示す図面は必ずしも
正確なものではなく、部材によって理解しやすいように
縮尺、細部の形態等を変化させている。また、同様の機
能を有する部材については明らかに形態、材料等が異な
るものであっても同一の符号を付すことがある。

【００５６】以下の実施例の燃料電池の基本的な構造は
図１に示すように電解質膜１と、その両面を狭持する反
応電極としてのカソード電極２及びアノード電極５と、
それらの両面を狭持する拡散層３、４と、それらの両面
を狭持するセパレータ４、７とからなる単位セルを複数
積層したスタックを有する。

【００５７】以下に特に限定のない場合の各構成要素の
組成、構造等を説明する。電解質膜１はNafion^TMからな
る薄膜である。カソード電極２及びアノード電極５は基
本的に同一構造でありカーボン微粒子の表面にＰｔ微粒
子を担持させた触媒と高分子バインダーとの混合物から
なる。拡散層３及び５は基本的に同一構造でありカーボ
ン微粒子とフルオロカーボン系多孔質高分子との混合物
からなる。セパレータ４、７には拡散層３、６に接する
側に反応ガスが流れる流路４１、７１が形成された炭素
系材料からなる。流路４１、７１はそれぞれ図面に垂直
方向に延びている。

【００５８】反応ガスとしての水素及び酸素（空気）は
それぞれセパレータ４（酸素）及び７（水素）の流路４
１、７１から供給される。供給された反応ガスはそれぞ
れの拡散層３、６を拡散通過してそれぞれカソード電極
２（酸素）及びアノード電極５（水素）に到達する。ア
ノード電極５で電子を奪われた水素は電解質膜１を拡
散、通過してカソード電極２に到達し酸素と反応して水
を生成する。生成した水は一部が電解質膜１を通過して
アノード電極５に到達するほか、拡散層３を通過して流
路４１に到達し単位セル外部に排出される。

【００５９】（実施例１）本実施例の燃料電池は、図２
に示すように、カソード電極２がカーボン微粒子とその
表面に担持されたＰｔ微粒子とを高分子バインダーで固
めて形成した反応触媒基材２０と、フルオロカーボン系
高分子製の繊維（ガス通路）２１との混合物からなる。
反応触媒基材２０は拡散層３から拡散する酸素と電解質
膜１から拡散してくるプロトンとの反応を触媒すると同
時に発生する水の通路（水通路）にもなっている。繊維
２１は反応ガスとしての酸素と親和性が高く電池反応に
より生成する水に影響されることなく酸素をカソード電
極２の内部にまで運搬することができる（ガス通路）。
繊維２１の一部は拡散層３と接触することでより一層、
均一に酸素を反応触媒基材２０中に運搬可能である。

【００６０】（実施例２）本実施例の燃料電池は、図３
に示すように、拡散層３が金属（金）製の基材３０と、
その基材３０の膜厚方向に設けられた貫通孔３１、３２
とをもつ。貫通孔３１、３２は２種類あり、貫通孔３１
はセパレータ４からカソード電極２に向けて縮径されて
おりガス通路としての作用をもつ。貫通孔３２はカソー
ド電極２からセパレータ４に向けて縮径されており水通
路としての作用をもつ。

【００６１】セパレータ４の流路４１から供給される反
応ガスは主に貫通孔３１を通過してカソード電極２に到
達する。カソード電極２で生成した水は主に貫通孔３２
を通過して流路４１に排出される。その結果、燃料電池
を高出力で運転する場合などのように多量の水がカソー
ド電極２で生成しても水と反応ガスとの通路が大きく分
離されているので、反応ガスのカソード電極２への供給
が生成する水によって妨げられるおそれが少なくなる。
また、反応ガス及び水の通路が確実に確保できるので、
拡散層３の基材３０には反応ガス及び水通過性を考慮す
る必要がなくなり、電気伝導性及び熱伝導性に優れた金
属を用いることもできるため燃料電池の効率が向上す
る。なお、基材３０としては金属以外にも一般的な炭素
系材料を用いることもできる。

【００６２】（実施例２の変形例）実施例２の燃料電池
の拡散層３の貫通孔３１にガス通路用充填材としてのＰ
ＴＦＥを充填し、貫通孔３２内に水通路用充填材として
のカーボン粉末を充填することでより一層のガス−水の
通路の分離が達成できる。

【００６３】（実施例３）本実施例の燃料電池は、図４
に示すように、拡散層が金属製の基材と、基材３０に設
けられたガス通路用充填材としてのＰＴＦＥを充填した
ガス通路としての貫通孔３１及び水通路用充填材として
のカーボン粉末を充填した水通路としての貫通孔３２と
をもつ。これらの貫通孔３１、３２の形状は拡散層３の
膜厚方向に設けられた円筒形状である。

【００６４】本構成を採ることで貫通孔の形状を実施例
２のようにテーパ状とすることなく反応ガスと水との通
過部位を適正に分離することができる。その結果、実施
例２で説明したように反応ガスと水とは互いに不必要な
影響を与えることなく拡散層３を通過することができる
ので、反応ガスのカソード電極２への供給が生成する水
によって妨げられるおそれが少なくなる。

【００６５】（実施例３の変形例）ここで、実施例２の
燃料電池において水通路としての貫通孔３２内に充填さ
れた水通路用充填材を充填しなくても、ほぼ実施例３の
燃料電池と同等の作用効果を発揮できる（図５）。ま
ず、反応ガスが拡散層３をセパレータ４からカソード電
極２に通過する際には貫通孔３１及び３２の両方を通過
することができる。反対にカソード電極２で生成した水
は貫通孔３１内に充填されたガス通路用充填材の作用で
貫通孔３１内には侵入することができず、専ら何の障壁
もない貫通孔３２を通過してセパレータ４の流路４１に
排出される。この場合に水の排出量が多くなったとして
も常に貫通孔３１は反応ガスのみを通過させることから
水によって反応ガスの通過が阻害されることは少なくな
る。

【００６６】（実施例４）本実施例の燃料電池は、図６
に示すように、セパレータ４に形成する流路を反応ガス
を通過させる流路４２（ガス通路）と排出される水を通
過させる流路４３（水通路）とに分離する。

【００６７】流路４２から供給される反応ガスは拡散層
３を拡散、通過してカソード電極２に到達する。電池反
応により生成する水は拡散層３を通過して流路４３に到
達し排出される。セパレータ４において反応ガスと水と
の通路が分離された結果、セパレータ４において、排出
される水により反応ガスの供給が妨げられることが防止
できると共に、拡散層３が流路４２及び４３がそれぞれ
接する部分でそれぞれ主に反応ガスが通過する部位（流
路４２が接する部位）と主に排出される水が通過する部
位（流路４３が接する部位）とに大きく分かれ、拡散層
３においても反応ガスと水との通路の分離が大まかに達
成でき、拡散層３においても反応ガスの供給が水の通過
により阻害されることが少なくなる。

【００６８】（実施例５）本実施例の燃料電池は、図７
に示すように、実施例２の拡散層３と、実施例４のセパ
レータ４とを組み合わせたものである。拡散層３に形成
された貫通孔３１、３２は、拡散層３を単独でセパレー
タ４側から見た図である図８にその一部を示すように、
種類（ガス通路又は水通路）毎に一定間隔で一列に並ん
で配列されている。

【００６９】セパレータ４に設けられた流路４２及び４
３は交互に縞状に配列しており、それぞれガス通路３１
（流路４２が対応）及び水通路３２（流路４３が対応）
が対応するようにその間隔が設定されている。

【００７０】その結果、流路４２から供給される反応ガ
スは拡散層３のガス通路３１を通過してカソード電極２
に到達し、カソード電極２で生成した水は水通路３２を
通過して流路４３に到達して排出される。このように、
反応ガスと水との通路がほぼ完全に分離されているの
で、カソード電極２で生成した水によって反応ガスの供
給が阻害されることがなくなる。

【００７１】（実施例５の変形例）拡散層３のガス通路
３１及び水通路３２をテーパ形状としなくても膜厚方向
に延びる円筒形状とすることでも実施例５とほぼ同様の
作用効果が得られる。セパレータ４側の流路が分離（４
２と４３）しているので、特に拡散層３に形成するガス
通路３１と水通路３２とに反応ガス若しくは水に親和性
を付与するような形態、材質を採用しなくても反応ガス
と水との流れを整然と分離できる。なお、反対にガス通
路３１及び水通路３２にそれぞれガス通路用充填材及び
水通路用充填材を充填することも必要に応じてできる。

【００７２】（実施例６）本実施例の燃料電池は、図９
に示すように、実施例５の燃料電池の構成においてさら
にカソード電極２が実施例１のカソード電極２を採用し
ている。このときにカソード電極２に形成されたガス通
路２１が拡散層３のガス通路３１に接するように配置さ
れている。

【００７３】その結果、反応ガスの流れがセパレータ４
の流路４２から拡散層３のガス通路３１に、そしてカソ
ード電極２のガス通路２１へと整然と供給されていき、
同様に生成する水についてもカソード電極２の反応触媒
基材２０から拡散層３の水通路３２に、そしてセパレー
タ４の流路４３へと整然と排出される。したがって、反
応ガスと水との流れが完全に分離することから、反応ガ
スの供給において生成する水による影響はなくなること
となる。

【００７４】（変形例）以上、説明した実施例の燃料電
池において、それぞれの拡散層３のセパレータ４側とカ
ソード電極２側とを区画するように酸素富化膜を配置す
ることができる。酸素富化膜を配置する部分としては拡
散層３にガス通路３１が設けられている場合には少なく
ともガス通３１がある部位に対応する部位のみに配置す
れば足りる。拡散層３にガス通路３１が形成されていな
い場合には拡散層３の全面に配置する。酸素富化膜とし
ては１−メチルトリメチルシリルプロピン高分子膜を用
いた。

【００７５】また、拡散層３にガス通路３１又は水通路
３２を形成したことで強度の低下が問題となる場合には
拡散層３とセパレータ４との間、又は拡散層３とカソー
ド電極２との間に金網を介挿させることができる。用い
ることができる金網としては線径が小さく目開きの小さ
いものである。

【００７６】なお、ガス通路と水通路との比（面積、
数）は同じである必要はなく適正に変更できる。

【００７７】（実施例７）本実施例の燃料電池は実施例
１〜６の燃料電池について水通路に排水制御手段を接続
したものである。排水制御手段としては、水通路の圧力
を変化させる圧力可変手段としての減圧ポンプ又は水通
路を開閉する弁体を用いた。減圧ポンプは特にセパレー
タ４に水通路（流路４３）を形成した場合に採用した。
たとえば、実施例４〜６の燃料電池のセパレータ４の流
路４３（水通路）の出口に減圧ポンプを直接若しくは調
圧器を介して接続した。水通路を減圧することで水の蒸
発量を調節し、最終的に電解質膜１、カソード電極２、
アノード電極５等の含水量を積極的に制御する。

【００７８】弁体は水通路の出口の他、水通路の入り口
及び内部に設けた。したがって、実施例１〜６のすべて
の燃料電池においても採用できる。弁体としては機械的
にアクチュエータ等で水通路を開閉する弁４４（図１
０）や、環境により体積又は水親和性の性質が変化する
材料を用いる。環境により性質が変化する材料として、
実施形態で説明した特定のグラフト高分子を用いた。こ
の高分子は、図１１に示すように、周囲の環境に応じて
高次構造が変化して体積が変化したり、親水性が変化し
たりするものである。体積が変化することで弁体として
は開状態（ｂ）から閉状態（ａ）まで自立的に制御でき
る。グラフト高分子は水通路の内壁に配置したり、水通
路用充填材の表面に配置したりできる。弁体と減圧ポン
プとを併用することが好ましい。

【００７９】アクチュエータで弁体を駆動する場合には
燃料電池の運転状態に応じて弁体を開閉する。弁体を開
くと水の排水（蒸発）が促進されるのでカソード電極２
等の水分含有量は減少する。燃料電池を高出力で運転す
る場合などには弁体を開く。反対に弁体を閉じると水の
排出量が減少するので、低出力での運転などのように水
の生成量が少ない場合には弁を閉じ、カソード電極２等
からの水の排出を抑制する。

【００８０】（その他）アノード電極５では反応による
水の生成がないが、必要に応じて各実施例と同様の組
成、構成をアノード電極５側の各構成要素（アノード電
極５、拡散層６、セパレータ７）についても採用でき
る。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
は、ガス通路と水通路とを分離したために、電池反応に
より生成する水により反応ガスの供給を阻害されること
が防止できる。また、本発明の拡散膜は、ガス通路と水
通路とを分離したために、燃料電池に適用したときに、
電池反応により生成する水により反応ガスの供給を阻害
されることが防止できる。また、ガス通路、水通路及び
それ以外の部分はそれぞれ反応ガス及び水の透過性、並
びそれぞれの構成要素に求められる性能（たとえば、拡
散層ならば電気伝導性や熱伝導性等）について考慮すれ
ばよいので材料選択がより適正になる。

【００８２】さらに、排水制御手段を採用したことによ
り燃料電池の運転状態により変化する水分含有量を適正
な範囲に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例において説明する燃料電池の単位セルの
基本構成を示す断面図である。

【図２】カソード電極に特徴を有する実施例１の燃料電
池の単位セルの断面図である。

【図３】拡散層に特徴を有する実施例２の燃料電池の単
位セルの断面図である。

【図４】拡散層に特徴を有する実施例３の燃料電池の単
位セルの断面図である。

【図５】拡散層に特徴を有する実施例３の変形例の燃料
電池の単位セルの断面図である。

【図６】セパレータに特徴を有する実施例４の燃料電池
の単位セルの断面図である。

【図７】拡散層及びセパレータに特徴を有する実施例５
の燃料電池の単位セルの断面図である。

【図８】実施例５における拡散層に設けられたガス通路
及び水通路の配置を示す図である。

【図９】カソード電極、拡散層及びセパレータに特徴を
有する実施例６の燃料電池の単位セルの断面図である。

【図１０】排水制御手段を有する実施例７の燃料電池の
単位セルの断面図である。

【図１１】周囲の環境により性質が変化するグラフト高
分子の変化を示す模式図である。

【符号の説明】

１…電解質膜 ２…カソード電極 ２０…反応触媒基材 ２１…繊
維（ガス通路） ３、６…拡散層 ３０…基材 ３１…ガス通路
３２…水通路 ４、７…セパレータ ４０、７０…基材 ４１、７
１…流路 ４２…流路（ガス通路） ４３…流路
（水通路） ５…アノード電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC10 CX02 CX04 EE02 HH02 HH04 5H027 AA06 MM00 MM01

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質膜と該電解質膜の両面に設けられ
   た反応電極とそれらの両面に設けられたガス透過性の拡
   散層とをもつ膜−電極接合体と、該膜−電極接合体の両
   面を狭持するセパレータとを有し、 前記反応電極、前記拡散層及び前記セパレータの少なく
   とも１つは反応ガスが通過するガス通路と水及び水蒸気
   が通過する水通路とをもつことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記ガス通路は前記反応ガスを選択的に
   通過させ、前記水通路は水及び水蒸気を選択的に通過さ
   せる請求項１に記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 前記拡散層は、前記反応電極側から前記
   セパレータ側に水を通過させないガス通路と、水及び水
   蒸気が通過できる水通路とをもつ請求項１又は２に記載
   の燃料電池。
4. 【請求項４】 前記拡散層は金属で構成される請求項１
   〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 【請求項５】 前記拡散層及び前記セパレータにおける
   前記ガス通路及び前記水通路は、それぞれ連通するよう
   に区画されている請求項１〜４のいずれかに記載の燃料
   電池。
6. 【請求項６】 前記反応電極の前記ガス通路は反応ガス
   に親和性を有し且つ疎水性の素材からなり、少なくとも
   その一部が前記拡散層と接触する請求項１〜５のいずれ
   かに記載の燃料電池。
7. 【請求項７】 前記反応電極の前記ガス通路は繊維状で
   ある請求項６に記載の燃料電池。
8. 【請求項８】 前記拡散層の前記ガス通路及び前記水通
   路は該拡散層の膜厚方向に形成された複数の貫通孔であ
   る請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 【請求項９】 前記拡散層の前記ガス通路に形成された
   前記貫通孔の平均孔径は１０μｍ〜２ｍｍである請求項
   ８に記載の燃料電池。
10. 【請求項１０】 前記拡散層の前記水通路に形成された
    前記貫通孔の平均孔径は５〜５０μｍである請求項８又
    は９に記載の燃料電池。
11. 【請求項１１】 前記ガス通路の前記貫通孔は前記反応
    電極側から前記セパレータ側に向けて拡径している請求
    項８〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
12. 【請求項１２】 前記水通路の前記貫通孔は前記反応電
    極側から前記セパレータ側に向けて縮径している請求項
    ８〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
13. 【請求項１３】 前記ガス通路の内壁は撥水性素材から
    なる請求項２〜１２に記載の燃料電池。
14. 【請求項１４】 前記ガス通路には撥水性素材からなる
    ガス通路用充填材が充填されている請求項２〜１３に記
    載の燃料電池。
15. 【請求項１５】 前記ガス通路は前記拡散膜の表裏を区
    画する酸素富化膜をもつ請求項１〜１４に記載の燃料電
    池。
16. 【請求項１６】 前記水通路の内壁は親水性素材からな
    る請求項２〜１５に記載の燃料電池。
17. 【請求項１７】 前記水通路には親水性素材からなる水
    通路用充填材が充填されている請求項２〜１６に記載の
    燃料電池。
18. 【請求項１８】 前記水通路は排水制御手段に接続され
    る請求項１〜１７に記載の燃料電池。
19. 【請求項１９】 前記排水制御手段は前記水通路を開閉
    する弁体である請求項１８に記載の燃料電池。
20. 【請求項２０】 前記弁体は水分含有量に関連して体積
    が変化する材料からなる請求項１９に記載の燃料電池。
21. 【請求項２１】 前記弁体は水分含有量に関連して親水
    性が変化する材料からなる請求項１９又は２０に記載の
    燃料電池。
22. 【請求項２２】 前記弁体は温度に関連して体積が変化
    する材料からなる請求項１９〜２１のいずれかに記載の
    燃料電池。
23. 【請求項２３】 前記弁体は温度に関連して親水性が変
    化する材料からなる請求項１９〜２２のいずれかに記載
    の燃料電池。
24. 【請求項２４】 前記排水制御手段は前記水通路の圧力
    を変化させて水通路からの水分蒸発量を調節する圧力可
    変手段である請求項１８〜２３のいずれかに記載の燃料
    電池。
25. 【請求項２５】 前記拡散層と前記反応電極との間又は
    該拡散層と前記セパレータとの間に金網を有する請求項
    １〜２４に記載の燃料電池。
26. 【請求項２６】 電解質膜と該電解質膜の両面に設けら
    れた反応電極とそれらの両面に設けられたガス透過性の
    拡散層とをもつ単位セルと、該単位セルの両面を狭持す
    るセパレータとを有する燃料電池用の拡散層であって、 反応ガスが通過するガス通路と水及び水蒸気が通過する
    水通路とをもち、金属からなることを特徴とする拡散
    層。