JP2004152517A

JP2004152517A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2004152517A
Application number: JP2002313827A
Authority: JP
Inventors: Itsushin So; 一新曽
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: JP4321041B2

Abstract

【課題】酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿するのに有利であり、しかも、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよく、従って、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの低圧化を図り得る固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】酸化剤ガスセパレータ３の酸化剤ガス通路３１が上面開放され、燃料セパレータ２の燃料通路２１が下面開放されるように、且つ、下から上に向けて、通水路４１、酸化剤ガスセパレータ３、酸化剤ガス通路３１、膜・電極接合体１、燃料セパレータ２の順に位置するように積層されている。酸化剤ガスが流れる上流を上流領域９１とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域９３とするとき、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に沿った断面で視たとき、上流領域９１では、通水路４１の水は酸化剤ガスセパレータ２の厚みを上向きに透過する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、細孔を備えた多孔質の酸化剤ガスセパレータをもつタイプの固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護、エネルギ等の面から固体高分子型燃料電池が着目されている。固体高分子型燃料電池は、一般に、酸化剤及び燃料に基づいて発電を行うものである。固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータとを備えている。膜・電極接合体であるＭＥＡは、電解質膜と燃料極と酸化剤極とで形成される。一般的には、酸化剤ガスセパレータ及び燃料セパレータは、ガスリークが生じないように緻密体で形成されている。
【０００３】
上記した固体高分子型燃料電池によれば、イオン伝導性をもつ電解質膜が過剰乾燥すると、電解質膜のイオン伝導性が低下する。そこで電解質膜の過剰乾燥を抑える必要がある。上記した従来の固体高分子型燃料電池によれば、固体高分子型燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料を加湿することが行われている。
【０００４】
また、近年、細孔をもつ多孔質体で酸化剤ガスセパレータ、燃料セパレータを形成した固体高分子型燃料電池も開発されている。このものによれば、液相としての水を細孔に浸透させてＭＥＡに供給すると共に、水を酸化剤ガスセパレータ、燃料セパレータの細孔に浸透させて細孔を封止することができる。
【０００５】
特許文献１には、多数の細孔をもつ導電性多孔質体で親水性をもつ水平方向に沿った燃料セパレータを配置すると共に、燃料セパレータの裏面側には、ＭＥＡと背向する位置に、撥水性をもつ導電性多孔質体で形成した水平方向に沿った加湿水透過体を配置した固体高分子型燃料電池が開示されている。このものでは、下から上に向けて、燃料セパレータ、膜・電極接合体、酸化剤ガスセパレータの順に配置されている。このものによれば、加湿水透過体に保持されている液相としての水は、導電性多孔質体で形成された燃料セパレータの細孔を経てＭＥＡ側に移行し、電解質の過剰乾燥を抑える。このものによれば、燃料セパレータは親水性をもつので、燃料セパレータの細孔には液相としての水が浸透し、細孔を封止できる。
【０００６】
また特許文献２には、多孔質の酸化剤ガスセパレータ、膜・電極接合体であるＭＥＡ、多孔質の燃料セパレータを水平向に沿って配置した固体高分子型燃料電池が開示されている。このものでは、下から上に向けて、燃料セパレータ、膜・電極接合体であるＭＥＡ、酸化剤ガスセパレータの順に上下方向に積層されている。
【０００７】
【特許文献１】特許番号第２９２２１３２号（特開平８−２５０１３０号公報）
【特許文献２】特公平７−９５４４７号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した固体高分子型燃料電池によれば、酸化剤ガス（一般的には、酸素を含む空気）の流れの上流領域では、運転条件によっては、電解質膜の乾燥の不具合が生じるおそれがある。酸化剤ガスの流れの下流領域では、発電反応に基づいて生成された水が余剰に溜まることがあり、ガスの流れる通路を水が塞ぐフラッティング現象が生じ易い。フラッディング現象とは、酸化剤ガスや燃料が通る流路を水が閉鎖するため、ＭＥＡに対して酸化剤ガスや燃料の供給が制約されることをいう。フラッディング現象が生じると、ＭＥＡにおいて発電密度のむらが生じるおそれがある。
【０００９】
そこで、近年、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿する方式の燃料電池が本出願人により開発されている（本出願時に未公知）。酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿する方式によれば、酸化剤ガス通路におけるフラッティング現象の抑制に有利であり、ＭＥＡにおける発電密度の均一化に有利である。
【００１０】
ここで、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿する方式を、特許文献１，２に示す燃料電池に適用することも考えられる。この場合、図７に示すように、下から上に向けて、燃料セパレータ２００、膜・電極接合体であるＭＥＡ１００、酸化剤ガス通路３１０、酸化剤ガスセパレータ３００、通水路４１０の順に位置するように上下方向に積層される。
【００１１】
しかしこの場合には、酸化剤ガスセパレータ３００を矢印Ｎ１方向に透過して酸化剤ガス通路３１０に到達した液相状態の水は、これに作用する重力の影響で、酸化剤ガス通路３１０の底面となる直ちにＭＥＡ１００の上面１００ｕに直ちに接触してしまい、酸化剤ガス通路３１０の酸化剤ガスを水蒸気で加湿するためには好ましくない。
【００１２】
また、酸化剤ガス通路３１０の酸化剤ガスを水蒸気で加湿せんとすると、酸化剤ガス通路３１０内に溜まっている水をこれがＭＥＡ１００の上面１００ｕから離れるように持ち上げねばならず、酸化剤ガス通路３１０に供給する酸化剤ガスの圧力をかなり高圧化させる必要がある。従って、酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガスの圧力を大気圧よりもかなり高圧化させる必要がある。この場合、酸化剤ガスを加圧する圧縮機等の加圧手段の能力を高める必要があり、設備上の問題も生じる。
【００１３】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを水蒸気で加湿するのに有利であり、しかも、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよく、従って、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの低圧化を図り得る固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と水が収容される通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように、
酸化剤ガスセパレータ、膜・電極接合体、燃料セパレータが積層されており、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、上流領域では、通水路の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明に係る燃料電池によれば、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように積層されている。このため酸化剤ガス通路に水が溜まったとき、その水は酸化剤ガス通路の底面に溜まるため、酸化剤ガス通路内の水蒸気と酸化剤ガスセパレータとを効果的に接触させることができる。故に、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよく、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの低圧化を図り得、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を大気圧または大気圧の近くに設定できる。このように酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよいため、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの制御が容易化する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る固体高分子型燃料電池次の形態のうちの少なくとも一つを採用することができる。
【００１７】
・本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、前述したように、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように積層されている。この場合、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、下流領域では、通水路の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを下向きに通水路に向けて透過する形態を採用することが好ましい。このようにすれば、酸化剤ガス通路に溜まっている水を、これに作用する重力を利用して、酸化剤ガス通路内の水を酸化剤ガスセパレータの下方の通水路に戻すことができる。このため、酸化剤ガス通路の下流領域における酸化剤ガスの圧力がさほど高圧でないときであっても、酸化剤ガス通路の水を通水路に早期に戻すことができる。
【００１８】
・酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路のうち上流領域は、下流領域よりも疎水性が強く設定されている形態を例示することができる。上記したように酸化剤ガスセパレータの上流領域の細孔は疎水性をもてば、水を液相よりも水蒸気として存在させるのに有利となる。このため、酸化剤ガスセパレータの上流領域においては、水蒸気によって酸化剤ガスを加湿させ易くなる。この場合、上流領域から下流領域に向かうにつれて、疎水性が弱くなるように設定されている形態を採用することができる。疎水性を連続的に変化させても良いし、段階的に変化させても良い。
【００１９】
・酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路のうち下流領域は、上流領域よりも親水性が強く設定されている形態を例示することができる。この場合、酸化剤ガスセパレータの下流領域は親水性をもつため、当該細孔には、水は水蒸気よりも液相として存在し易くなる。この状態において、酸化剤ガス通路の圧力が通水路の圧力よりも高ければ、酸化剤ガスの流れの下流領域に存在している液相としての水を、酸化剤ガスセパレータの親水性をもつ細孔を経て、通水路に戻すのに寄与することができる。この結果、通水路へ水を補給できるばかりか、酸化剤ガス通路の下流領域における余剰水の滞留を抑制することができ、下流領域におけるフラッディング現象を抑制することができる。更に、フラッディング現象に起因する発電ムラを低減させることができる。
【００２０】
・酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で、酸化剤ガスセパレータのうち通水路に対向する対向面は、上流領域から下流領域にかけて、親水性を有する形態を採用することができる。通水路では水は主として液相として存在する。通水路に存在する液相としての水は、親水性により、酸化剤ガスセパレータの細孔に浸透し易くなる。この結果、水による細孔封止を期待できる。
【００２１】
・上記したように酸化剤ガスセパレータは細孔を有する。細孔径としては適宜選択できるが、１〜２００μｍ、１〜１００μｍ、殊に２〜３０μｍ、２〜１５μｍ、更に３〜４μｍを例示することができる。酸化剤ガスセパレータの気孔率としては適宜選択できるが、体積比で１０〜９０％、１５〜６０％、殊に２０〜４０％とすることができる。但し細孔径、気孔率は上記した範囲に限定されるものではない。なお、固体高分子型燃料電池としては、車載用、定置用、ポータブル用、家庭用、業務用等を問わない。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の第１実施例について図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例に係る固体高分子型燃料電池の概念図を模式的に示し、電解質膜１１の厚み方向に沿った断面を模式的に示す。図１に示すように、本実施例に係る固体高分子型燃料電池の主要素である膜・電極接合体であるＭＥＡ１は、プロトン伝導性を有する電解質膜１１と、電解質膜１１の厚み方向の片側（上側）に設けられアノードとも呼ばれる燃料極１２と、電解質膜１１の厚み方向の他の片側（下側）に設けられカソードとも呼ばれる酸化剤極１５とを有する。
【００２３】
更に、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡ１の上側に配置されＭＥＡ１の燃料極１２にガス状の燃料を供給する溝状の燃料通路２１を形成する案内凸部２７を有する燃料セパレータ２と、ＭＥＡ１の下側に配置されＭＥＡ１の酸化剤極１５に酸化剤ガス（一般的には空気）を供給する溝状の酸化剤ガス通路３１を形成する案内突部３７を形成すると共に酸化剤極１５に背向する位置に通水路４１を形成する案内突部３８を有する酸化剤ガスセパレータ３と、集電板４とを有する。図１に示すセル構造が上下方向に積層されて固体高分子型燃料電池が形成される。
【００２４】
図１に示すように、ＭＥＡ１、燃料セパレータ２、酸化剤ガスセパレータ３は横方向、特に水平方向に沿っており、水平な設置面に沿って配置されている。図１において、ＭＥＡ１の酸化剤極１５は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第１ガス拡散層１６と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第１触媒層１７とを有する。ＭＥＡ１の燃料極１２は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第２ガス拡散層１３と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第２触媒層１４とを有する。触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等の少なくとも１種を例示できる。燃料セパレータ２は、導電性をもつ材料（カーボン材料）で形成されており、封止用の樹脂を含浸させた緻密体とされている。従って燃料通路２１からの燃料リークは抑制される。
【００２５】
酸化剤ガスセパレータ３は、これの厚み方向に連通する連通孔となりうる多数の細孔をもつ多孔質体で形成されており、多孔質性及び導電性を有する。酸化剤ガスセパレータ３は、水蒸気を利用した加湿機能を有する。酸化剤ガス通路３１において、酸化剤ガスが流れる上流を上流領域９１とする。酸化剤ガスが流れる下流を下流領域９３とする。
【００２６】
図１に示すように、酸化剤ガスセパレータ３は溝状の酸化剤ガス通路３１を形成するものであり、導電性をもつ材料（カーボン材料等）を基材として形成されており、厚み方向に連通する連通孔となる多数の細孔をもつ。酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径は、これの上流から下流にかけてほぼ均一範囲とされている。
【００２７】
図１に示すように、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガス入口は、搬送源４７に繋がれている。燃料通路２１の燃料入口は燃料搬送源２８に繋がれている。図１に示すように、通水路４１は、給水源に繋がる給水口４３と、吐水口４４とをもつ。更に給水源４５からの水を通水路４１に供給する通水駆動部４９が設けられている。通水駆動部４９は例えばポンプで形成できる。通水駆動部４９は、通水路４１の給水口４３の上流側に設けられている。
【００２８】
固体高分子型燃料電池を運転する際には、酸化剤ガス（一般的にはガス状の空気）が搬送源４７により酸化剤極１５用の酸化剤ガスセパレータ３の溝状の酸化剤ガス通路３１に供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路３１から酸化剤極１５の第１ガス拡散層１６、第１触媒層１７に向けて矢印Ｅ１方向に流入する。更に、ガス状の燃料（純水素ガスや改質ガス等の水素含有ガス）は、燃料搬送源２８により、燃料セパレータ２の溝状の燃料通路２１に供給される。ガス状の燃料は、燃料通路２１から燃料極１２の第２ガス拡散層１３及び第２触媒層１４に向けて矢印Ｅ２方向に流入する。
【００２９】
そして、第２触媒層１４の触媒作用により、燃料に含まれている水素からプロトン（水素イオン）と電子（ｅ⁻）とが生成される。生成されたプロトンは、電解質膜１１を厚み方向に透過して酸化剤極１５に至る。電子は図略の導電経路を流れ、導電経路の負荷で電気的仕事を行った後に、酸化剤極１５に至る。そして酸化剤極１５では、酸化剤極１５の第１触媒層１７の触媒作用により、酸化剤極１５に供給された酸化剤ガス（一般的に空気）とプロトンと電子とが反応して水が生成される。このような発電反応により熱が発生するが、通水路４１の水により固体高分子型燃料電池は冷却される。
【００３０】
固体高分子型燃料電池の運転の際には、上記した発電反応に基づいてＭＥＡ１では水が生成され、その生成水が下流領域９３に移送される等の理由により、酸化剤ガスの上流領域９１よりも下流領域９３の方が生成水が相対的に多くなる傾向となる。上記したＭＥＡ１では、上流領域９１では乾燥が生じるおそれがあり、下流領域９３では余剰水が滞留するおそれがある。
【００３１】
なお固体高分子型燃料電池の酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガス入口に供給される酸化剤ガスとしては、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。固体高分子型燃料電池の燃料通路２１に供給される燃料についても、同様に、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。
【００３２】
ところで、フラッティングを抑制するためには、ＭＥＡ１に水分を供給するにあたり、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを水蒸気で加湿させる方式を採用させることが好ましい。この点について本実施例によれば、図１〜図３に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の酸化剤ガス通路３１が上面開放され、燃料セパレータ２の燃料通路２１が下面開放されるように、酸化剤ガスセパレータ３、ＭＥＡ１、燃料セパレータ２が配置されており、且つ、下から上に向けて（矢印Ｙ１方向）、通水路４１、酸化剤ガスセパレータ３、酸化剤ガス通路３１、ＭＥＡ１、燃料セパレータ２の順に位置するように上下方向に積層されている。
【００３３】
このため上流領域９１では、通水路４１の水は、多孔質の酸化剤ガスセパレータ３の細孔による毛細管圧を利用して、酸化剤ガスセパレータ３をこれの厚み方向に沿って上向き（矢印Ｙ２方向）に透過し、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１に供給される。このように通水路４１の水を酸化剤ガス通路３１の上流領域９１に供給するにあたり、重力の反対方向へ水を持ち上げることにしている。このため図２に示すように、酸化剤ガス通路３１に供給された水８０は、酸化剤ガス通路３１の底面３１ｂに溜まり、その水８０の水面８１の上方に水蒸気空間８３が形成され、水蒸気空間８３の水蒸気を利用して酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスの加湿を行うことができる。
【００３４】
更に本実施例によれば、図２に示すように、酸化剤ガス通路３１に水８０が溜まったとき、その水８０は酸化剤ガス通路３１の底面３１ｂに溜まるため、酸化剤ガス通路３１内の水を持ち上げずとも、酸化剤ガス通路３１内の水８０の水面８１上の水蒸気と、酸化剤ガス通路３１内の酸化剤ガスひいてはＭＥＡ２とを効果的に接触させることができる。故に、酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガス（一般的には空気）の圧力を過剰に高圧化せずともよく、酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガスを大気圧近くに設定できる。このように酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよいため、酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガスの制御が容易化される。
【００３５】
ここで本実施例によれば、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１のうち上流領域９１の圧力をＰａとし、通水路４１のうち上流領域９１に背向する通水路部分４１ｕの圧力をＰｗとすると、ＰｗはＰａよりも大きく設定されている（Ｐｗ＞Ｐａ）。ＰｗとＰａとの差圧はΔＰ１として示す（ΔＰ１＝Ｐｗ−Ｐａ）。本実施例によれば、上流領域９１では、差圧ΔＰ１の他に、多孔質の酸化剤ガスセパレータ３の細孔による毛細管圧を利用して、通水路４１の水を酸化剤ガスセパレータ３にこれの厚み方向に沿って上向き（矢印Ｙ２方向）に透過させ、酸化剤ガス通路３１に供給する。このように通水路４１の水を酸化剤ガス通路３１に供給するにあたり、差圧ΔＰ１及び細孔による毛細管圧を利用するものの、水に作用する重力の影響をできるだけ抑え得る。
【００３６】
これに対して下流領域９３については、図３に示すように、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１のうち下流領域９３の圧力をＰａ’とし、通水路４１のうち下流領域９３に背向する通水路部分４１ｄの圧力をＰｗ’とすると、Ｐａ’はＰｗ’よりも大きくなるように、通水条件、酸化剤ガスの供給条件等が設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。Ｐａ’とＰｗ’との差圧はΔＰ２として示す（ΔＰ２＝Ｐａ’−Ｐｗ’）。従って、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に沿った断面（図３参照）で視たとき、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３の底面３１ｂに溜まっている水は、酸化剤ガスセパレータ３の厚みを下向き（矢印Ｙ３方向）に通水路４１に向けて透過する。即ち、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３に溜まっている水を、酸化剤ガスセパレータ３の下方に配置されている通水路４１に戻す際には、差圧ΔＰ２を利用する他に、水に作用する重力を利用して戻すことができる。故に、余剰の水を矢印Ｙ３方向への戻すことを早期に行うことができる。このように余剰の水を通水路４１に戻すことを早期に行ない得るため、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３におけるフラッディング現象を抑えるのに寄与できる。
【００３７】
即ち、本実施例に係る酸化剤ガスセパレータ３も、上流領域９１では、酸化剤ガス通路３１を加湿できる加湿機能を有し、下流領域９３では、酸化剤ガス通路３１の水分を吸収する吸湿機能を有する。
【００３８】
ところで、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１では、酸化剤ガス通路３１の下流領域９３よりも湿度が低いため、乾燥が生じるおそれがある。これに対して、燃料通路２１の下流領域２１ｄでは、燃料通路２１の上流領域２１ｕよりも湿分が多くなりがちである。この点本実施例によれば、図１から理解できるように、燃料通路２１における燃料の主流れ方向と、酸化剤ガス通路３１における酸化剤ガスの主流れ方向とは、基本的には逆の配向性をもつ。従って、図１に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に沿った断面（図１）において、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１は、燃料通路２１の下流領域２１ｄとはＭＥＡ１を介して対向するように設定されている。このため、燃料通路２１の下流領域２１ｄにおける湿分を酸化剤ガス通路３１の上流領域９１に矢印Ｂ１方向（図１参照）に移行させるのに貢献でき、上流領域９１における電解質膜１１の過剰乾燥を抑制するのに一層有利である。
【００３９】
（第２実施例）
図４及び図５は第２実施例を示す。第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。第２実施例に係る酸化剤ガスセパレータ３Ｂの酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４のうち、上流領域９１が疎水性とされていると共に、下流領域９３が親水性とされている。
【００４０】
図５は、酸化剤ガスセパレータ３Ｂにおける疎水性及び親水性の強さの変化を模式的に示す。図５の横軸は酸化剤ガスセパレータ３Ｂの上流端から下流端までの位置を示す。図５の縦軸は疎水性及び親水性の強さを示す。図５の特性線Ｓ１，Ｓ２に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性は上流端から下流領域９３に向かうにつれて傾斜的にまたは段階的に弱くなり、下流領域９３では傾斜的にまたは段階的に親水性が強くなるように設定されている。
【００４１】
本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３Ｂのうち通水路４１に対向する対向面３０（下面）は、親水性を有するため、通水路４１に存在する液相としての水を、毛細管圧により、酸化剤ガスセパレータ３において矢印Ｙ２方向に向けて浸透させて、酸化剤ガスセパレータ３Ｂの細孔を封止させ易くなる。この結果、液相としての水を利用して酸化剤ガスセパレータ３Ｂの細孔のシールを図ることができ、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスが通水路４１に洩れることが効果的に抑えられる。
【００４２】
酸化剤ガスセパレータ３Ｂのうち酸化剤極１５に対向する対向面３４において、下流領域９３側は親水性とされている。このため酸化剤ガスセパレータ３の下流領域９３側の細孔には、液相としての水を良好に浸透させることができる。そして酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の下流領域９３の酸化剤ガスの圧力をＰａ’は、通水路４１のうち下流領域９３に背向する下流通水路部分４１ｄの水の圧力Ｐｗ’よりも大きく設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。このため、酸化剤ガスセパレータ３Ｂのうち下流領域９３においては、下流領域９３に滞留する余剰の水を、酸化剤ガスセパレータ３Ｂの細孔を経て、通水路４１へと矢印Ｙ３方向に押し出すことを期待できる。これにより下流領域９３において液相としての水が余剰に滞留するようなときであっても、下流領域９３における余剰水を通水路４１に効果的に戻すのに寄与することができる。この結果、酸化剤ガスの下流領域９３における水の余剰滞留を一層抑制することができ、下流領域９３におけるフラッディング現象の抑制に寄与することができる。
【００４３】
即ち、本実施例に係る酸化剤ガスセパレータ３Ｂも、上流領域９１では、酸化剤ガス通路３１を加湿できる加湿機能を有し、下流領域９３では、酸化剤ガス通路３１の水分を吸収する吸湿機能を有する。
【００４４】
（製造例）
上記した多孔質な酸化剤ガスセパレータ３，３Ｂは次のように形成できる。即ち、カーボン系材料（天然黒鉛、人造黒鉛等）とバインダ（熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂）と消失可能な造孔材（セルロース系有機質材）とを混合した混合材料を用いる。この混合材料を成形型のキャビティ型面でプレス成形して成形体とし、その成形体を焼成温度（例えば５００〜６００℃）において焼成し、成形体の造孔材を消失させることにより、多数の細孔をもつ酸化剤ガスセパレータ３，３Ｂを形成することができる。造孔材のサイズが大きいと、細孔径を大きくできる。造孔材のサイズが小さいと、細孔径を小さくできる。細孔径としては例えば、１〜１００μｍ、２〜３０μｍ、２〜１５μｍ、殊に３〜４μｍとすることができる。気孔率としては体積比で１０〜９０％、１５〜６０％、殊に２０〜４０％とすることができる。
【００４５】
酸化剤ガスセパレータ３Ｂに疎水性を与える場合には、疎水性物質としては、フッ素原子，ＣＦ_２基，ＣＦ_３基，ＣＨ_３基，ＣＨ_２基等を有するものがあげられ、フッ素、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ等）、フッ化黒鉛、疎水性カーボン、シラン化合物、パラフィン等を例示できる。
【００４６】
疎水性処理の代表例としては、酸化剤ガスセパレータ３Ｂの上流領域９１では、疎水処理時間を長めとし、上流領域９１から下流領域９３にかけて疎水処理時間を次第に短くすることができる。これにより上流領域９１から下流領域９３にかけて疎水性に強さの勾配を与えることができる。
【００４７】
例えば次のように行うことができる。図６に示すように、疎水処理を行う処理容器１００の処理室１０１を、仕切部材１０２により疎水処理室１０３と隔離室１０４とに仕切る。仕切部材１０２としてはゴムシール材等の可撓性材料を採用できる。疎水処理室１０３には、疎水処理を行う疎水性物質を含む改質ガスが供給される。隔離室１０４への改質ガスの供給は、仕切部材１０２により制約される。そして、酸化剤ガスセパレータ３をこれの先端３ｘから疎水処理室１０３に向けて矢印Ｗ１方向に所定の速度で移動させる。酸化剤ガスセパレータ３の先端３ｘでは、疎水処理室１０３で改質ガスにより改質される改質時間が長くなるため、疎水処理が進行して、疎水性物質が多く付着し、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性が強めとなる。この結果、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１で疎水性を強くでき、上流領域９１から下流領域９３に向かうにつれて疎水性を次第に低下させることができ、疎水性の強さの勾配をつけることができる。
【００４８】
疎水処理を行う改質ガスとしては、フッ素ガス、あるいは、フッ素ガスと不活性ガス（窒素等）とを主要成分とするガスを用いることができる。疎水処理室１０３の雰囲気温度としては適宜選択できるが、一般的には、室温から４００℃程度とすることができる。
【００４９】
親水性を与える場合には、親水性物質を液状媒体（水、アルコール等）に溶解または分散させた溶液を用い、その溶液と酸化剤ガスセパレータ３とを接触させることにより行い得る。親水性物質としては、過酸化水素水、二酸化珪素の粉末、酸化アルミニウムの粉末等を例示することができ、その表面に水酸基やカルボキシル基等の親水性の官能基を多量に含むものを例示することができる。更に、吸水性の樹脂である、デンプン・アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール等を用いることもできる。また、イオン交換樹脂、吸水性多糖類を親水性物質として例示できる。いずれもその構造内に、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、アミノ基、スルホ基等の親水性の官能基のうちの少なくとも１種を有するものを例示することができる。親水性の勾配を付けるにあたっては、親水性物質を有する溶液と酸化剤ガスセパレータ３とを用い、酸化剤ガスセパレータ３の先端から溶液に浸漬し、浸漬量を次第に増加させることにより、酸化剤ガスセパレータ３とを接触させる接触時間を調整して行い得る。
【００５０】
（その他）
上記した実施例によれば、燃料極１２は緻密体とされているが、これに限らず、細孔をもつ多孔質体とすることもでき、その細孔を水で封止してシールすることができる。第１触媒層１７及び第２触媒層１４は電解質膜１１の表裏に直接的に被覆されていても良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想を把握できる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、酸化剤ガスセパレータの酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、通水路、酸化剤ガスセパレータ、酸化剤ガス通路、膜・電極接合体、燃料セパレータの順に位置するように積層されている。このため酸化剤ガス通路に水が溜まったとき、その水は底に溜まるため、水蒸気により酸化剤ガスを加湿させることができ、フラッティング現象を抑制するのに有利である。
【００５２】
更に、酸化剤ガス通路内の水を持ち上げずとも、酸化剤ガス通路内の水蒸気と膜・電極接合体とを接触させるのに有利となり、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよく、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を大気圧または大気圧の近くにできる。このように酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよいため、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの制御が容易化する。
【００５３】
更に、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、下流領域では、通水路の水は酸化剤ガスセパレータの厚みを下向きに透過する形態を採用した場合には、酸化剤ガス通路に溜まっている水を、これに作用する重力を利用して、酸化剤ガス通路内の水を酸化剤ガスセパレータの下方の通水路に戻すことができるため、酸化剤ガス通路の下流領域における酸化剤ガスの圧力がさほど高圧でないときであっても、酸化剤ガス通路の水を通水路に早期に戻すことができる。このため下流領域におけるフラッティング現象を抑制するのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係り、固体高分子型燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。
【図２】酸化剤ガス通路の上流領域付近の正面図である。
【図３】酸化剤ガス通路の下流領域付近の正面図である。
【図４】第２実施例に係り、固体高分子型燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。
【図５】酸化剤ガスセパレータにおける疎水性及び親水性の強さの変化を示すグラフである。
【図６】酸化剤ガスセパレータに処理容器により疎水処理を行っている状態を示す斜視図である。
【図７】従来例に係り、固体高分子型燃料電池の要部を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
図中、１はＭＥＡ、１１は電解質膜、１２は燃料極、１５は酸化剤極、２は燃料セパレータ、２１は燃料通路、３は酸化剤ガスセパレータ、３１は酸化剤ガス通路、４１は通水路、９１は上流領域、９３は下流領域を示す。

Claims

イオン伝導性をもつ電解質膜と、前記電解質膜の厚み方向の片側に設けられた燃料極と、前記電解質膜の厚み方向の他の片側に設けられた酸化剤極とからなる膜・電極接合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス通路と水が収容される前記通水路を仕切ると共に、多数の細孔をもつ多孔質性の酸化剤ガスセパレータとを具備する固体高分子型燃料電池において、
前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路が上面開放され、且つ、下から上に向けて、前記通水路、前記酸化剤ガスセパレータ、前記酸化剤ガス通路、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータの順に位置するように、
前記酸化剤ガスセパレータ、前記膜・電極接合体、前記燃料セパレータが上下方向に積層されており、
酸化剤ガスが流れる上流を上流領域とし、酸化剤ガスが流れる下流を下流領域とするとき、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、前記上流領域では、前記通水路の水は前記酸化剤ガスセパレータの厚みを上向きに透過することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
請求項１において、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面で視たとき、前記酸化剤ガスの前記下流領域の水は前記酸化剤ガスセパレータの厚みを下向きに前記通水路に向けて透過することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
請求項１または請求項２において、前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路のうち前記上流領域は、前記前記下流領域よりも疎水性が強く設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
請求項１〜請求項３のいずれか一項において、前記酸化剤ガスセパレータの前記酸化剤ガス通路のうち下流領域は、前記上流領域よりも親水性が強く設定されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。