JP2008071633A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス拡散性を損なうことなく、高電流状態における排水性を向上できる固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】プロトン伝導膜１１と、アノード電極触媒層１２およびカソード電極触媒層１３と、アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５とを有する膜電極構造体に、セパレータ１６，１７が積層されている。カソードガス拡散層１５には貫通孔１５ａが形成され、この貫通孔１５ａは、セパレータ１７がカソードガス拡散層１５と接する接触部Ｑ１と、この接触部Ｑ１に隣り合ってセパレータ１７がカソードガス拡散層１５と接する他の接触部Ｑ２との間に位置するように形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガス拡散層を有する膜電極構造体を備えた固体高分子型燃料電池に関する。

燃料電池では、水素と空気（酸素）との電気化学反応により水が生成されるが、特に高電流出力時に、この生成水によって電極触媒層への水素や空気の供給が阻害されて、発電性能が低下するフラッディングという現象が発生する。このフラッディングを抑える技術として排水処理が重要であり、特許文献１には、セパレータのリブ部に対向するガス拡散層に孔を設け、この孔に毛細管現象を有する接続部材を嵌め込んで、電極触媒層や固体高分子膜に存在する過剰な水分を排出させる技術が記載されている。また、特許文献２には、内径２〜１０μｍのカーボンナノチューブを多数配列したフィルムを、電極触媒層とガス拡散層との間に積層して、カーボンナノチューブの孔を介して生成水を排出する技術が記載されている。
特開２００５−３１０５８６号公報（段落００１０、図１） 特開２００４−３１９３７５号公報（段落００２４、図１）

しかしながら、特許文献１のように、ガス拡散層においてセパレータのリブ部に対応する位置に接続部材を嵌め込んだ孔を設ける構成では、排水性能が充分ではないという問題がある。また、ガス拡散層は、電極触媒層からセパレータに電気を取り出すために導電性部材によって形成されているが、ガス拡散層に内径が大きな貫通孔を設けると、導通面積が減少するので抵抗値が高くなり、発電性能が損なわれるという問題もある。また、特許文献２のように、電極触媒層とガス拡散層との間に貫通孔を有するカーボンナノチューブを多数配列した層（フィルム）を設けたものでは、貫通孔の内径が非常に微小なものであるので、特に高電流状態での多量の生成水の排水性能が充分とは言えなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ガス拡散性を損なうことなく、高電流状態における排水性を向上できる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、プロトン伝導膜と、前記プロトン伝導膜に積層される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層と、前記ガス拡散層に、前記プロトン伝導膜とは反対面側に積層されるセパレータと、を備え、前記ガス拡散層は、中空部を有する貫通孔が形成されたカーボンペーパを備え、前記貫通孔は、前記セパレータが前記ガス拡散層と接する接触部と、前記接触部に隣り合って前記セパレータが前記ガス拡散層と接する他の接触部との間に位置するように形成されていることを特徴とする。

これによれば、貫通孔から排出された生成水を効率よく排出することができるようになり、その結果、特に高電流状態でのガス拡散性が向上して、発電性能を向上できるようになる。

請求項２に係る発明は、前記セパレータは、エチレングリコールとの接触角度が８０度以下であることを特徴とする。このときの条件は、２３℃、５０％Ｒｈである。これによれば、セパレータを親水性とすることができるので、貫通孔内の生成水がセパレータ側に排出され易くなり、排水作用が促進される。

請求項３に係る発明は、前記接触部と前記他の接触部との間に、前記セパレータが他のセパレータまたは他のガス拡散層と接する当接部を有し、前記接触部の端部と前記当接部の端部とを結ぶ直線と前記ガス拡散層とで成す角度をθとしたときに、前記貫通孔と前記接触部との距離Ｘが、０≦Ｘ≦（−０．０１１θ＋１．５８）ｍｍであることを特徴とする。これによれば、排水性能をより高めることができるようになる。

請求項４に係る発明は、隣り合う貫通孔のうち、少なくとも一部の間隔が１〜３０ｍｍであることを特徴とする。これによれば、隣り合う貫通孔の間隔を最適化することにより、さらに排水性を向上させることができる。

請求項５に係る発明は、前記貫通孔は、反応ガスの上流側に比べて下流側ほど多数形成されるように構成されていることを特徴とする。反応ガスは、下流側に行くほど発電による生成水のため湿度雰囲気が高くなり、生成水が排出され難くなるので、下流側ほど貫通孔の数を多く形成することで、生成水を排出し易くなる。

請求項６に係る発明は、前記貫通孔は、カソード側がアノード側より多数形成されるように構成されていることを特徴とする。カソード側は、アノード側より生成水が多く存在するので、カソード側の貫通孔をアノード側より多く形成することで、排水性が促進される。

本発明によれば、ガス拡散性を損なうことなく、高電流状態における排水性を向上できる固体高分子型燃料電池を提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池を示す分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ部分断面図、図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる形態のガス拡散層の構造を示す断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図、図５はガス拡散層の貫通孔の位置関係を示す概略図である。なお、図２は、図１を横向きの状態にしたときの断面を示している。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池ＦＣは、固体高分子型の燃料電池であり、膜電極構造体１と一対のセパレータ１６，１７とが組み合わされて単セル２が構成され、この単セル２が複数積層された構造を有している。

前記膜電極構造体（膜電極接合体ともいう）１は、いわゆるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称されるものであり、プロトン伝導膜１１の一面側にアノード電極触媒層１２が、他面側にカソード電極触媒層１３がそれぞれ積層され、さらにアノード電極触媒層１２にアノードガス拡散層１４が、カソード電極触媒層１３にカソードガス拡散層１５がそれぞれ積層されて構成されている。

前記プロトン伝導膜１１は、一価の陽イオン（プロトン；Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子電解質膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製のナフィオン（登録商標））が用いられる。この種のプロトン伝導膜１１は、燃料電池ＦＣの運転時に加湿されて使用されるようになっている。

また、プロトン伝導膜１１の両側部には、紙面奥側上段、中段、下段に穴１１ａ，１１ｂ，１１ｃが、紙面手前側上段、中段、下段に穴１１ｄ，１１ｅ，１１ｆが、それぞれ貫通して形成されている。

前記アノード電極触媒層１２は、例えばカーボン粒子に触媒（白金など）を担持させて得られた触媒粒子を導電性高分子材料からなるバインダに分散させることで形成されている。また、前記カソード電極触媒層１３は、アノード電極触媒層１２と同様に、カーボン粒子に触媒（白金など）を担持させて得られた触媒粒子を導電性高分子バインダに分散させることで形成されている。なお、バインダとしては、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物などが用いられる。また、アノード電極触媒層１２およびカソード電極触媒層１３の両側部は、プロトン伝導膜１１の穴１１ａ〜１１ｆと重ならないようにプロトン伝導膜１１よりも小さく（幅狭に）形成されている。

前記アノードガス拡散層１４は、アノード電極触媒層１２の表面（プロトン伝導膜１１とは反対側の面）に積層され、カーボンペーパやカーボンクロスなどの導電性材料を含んで構成されている。また、前記カソードガス拡散層１５は、カソード電極触媒層１３の表面（プロトン伝導膜１１とは反対側の面）に積層され、アノードガス拡散層１４と同様に、カーボンペーパなどの導電性材料を含んで構成されている。また、アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５は、アノード電極触媒層１２およびカソード電極触媒層１３とほぼ同じ面積となるように形成されている。

また、アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、下地層１４Ａ，１５Ａとカーボンペーパ（またはカーボンクロス）１４Ｂ，１５Ｂの２層構造によって構成されている。なお、下地層１４Ａ，１５Ａとしては、例えば、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレンの混合物をエチレングリコールに分散させることにより得ることができる。また、カーボンペーパ１４Ｂ，１５Ｂとしては、撥水処理を施したものが好ましく、具体的には、東レ株式会社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０（商品名）を挙げることができる。また、アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５は、カーボンペーパ１４Ｂ，１５Ｂのみからなる１層構造であってもよい。

また、アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５は、図３（ａ）に示すように、貫通孔１４ａ，１５ａが下地層１４Ａ，１５Ａを貫通して形成されていてもよく、あるいは図３（ｂ）に示すように、下地層１４Ａ，１５Ａを貫通せず、カーボンペーパ１４Ｂ，１５Ｂのみが貫通していてもよい。ちなみに、下地層１４Ａ，１５Ａまで貫通していた方が、生成水の移動抵抗は少なくなり、より排水性が向上するが、下地層１４Ａ，１５Ａまで貫通していない場合であっても、カーボンペーパ１４Ｂ，１５Ｂのみに貫通孔１４ａ，１５ａを空けるだけで、生成水の移動抵抗は充分に低減される。

また、アノードガス拡散層１４には、図１に示すように、アノード電極触媒層１２側からセパレータ１６側に貫通する貫通孔１４ａが複数形成されている。なお、貫通孔１４ａの詳細な構成については後記する。また、カソードガス拡散層１５には、アノードガス拡散層１４と同様に、カソード電極触媒層１３側からセパレータ１７側に貫通する貫通孔１５ａが複数形成されている。同様に、貫通孔１５ａの詳細な構成については後記する。

前記セパレータ１６は、金属やカーボンなどの導電性材料で四角板状に形成されたものであり、アノードガス拡散層１４に対向する面に、反応ガスとしての水素が流通するクシ歯形状のアノードガス流通路１６ｓが形成されている。このアノードガス流通路１６ｓは、図２に示すように、断面凹凸状（断面波型）に形成され、山部１６ｓ１と山部１６ｓ１との間に形成される谷部１６ｓ２からなる直線状の流路が平行に複数配列されて構成されている。

また、セパレータ１６には、図１に示す紙面奥側上段、中段、下段に穴１６ａ，１６ｂ，１６ｃが、紙面手前側上段、中段、下段に穴１６ｄ，１６ｅ，１６ｆが、それぞれ貫通して形成されている。これらの穴１６ａ〜１６ｆは、前記した穴１１ａ〜１１ｆと対応する位置に形成されている。また、セパレータ１６には、穴１６ａとアノードガス流通路１６ｓとを連通させる連通路１６ｇが形成され、穴１６ｆとアノードガス流通路１６ｓとを連通させる連通路１６ｈが形成されている。

前記セパレータ１７は、金属やカーボンなどの導電性材料で四角板状に形成されたものであり、カソードガス拡散層１５に対向する面に、反応ガスとしての空気（酸素）が流通するクシ歯形状のカソードガス流通路１７ｓ（図２参照）が形成されている。このカソードガス流通路１７ｓは、図２に示すように、断面凹凸状（断面波型）に形成され、山部１７ｓ１と山部１７ｓ１との間に形成される谷部１７ｓ２からなる直線状の流路が複数平行に配列されて構成されている。

また、セパレータ１７には、図１に示す紙面奥側上段、中段、下段に穴１７ａ，１７ｂ，１７ｃが、紙面手前側上段、中段、下段に穴１７ｄ，１７ｅ，１７ｆが、それぞれ貫通して形成されている。これらの穴１７ａ〜１７ｆは、前記した穴１１ａ〜１１ｆと対応する位置に形成されている。また、セパレータ１７には、穴１７ｃとカソードガス流通路１７ｓとを連通させる連通路（図示せず）が形成され、穴１７ｄとカソードガス流通路１７ｓとを連通させる連通路１７ｇが形成されている。

また、図２に示すように、単セル２のセパレータ１７の山部１７ｓ１と、隣接する単セル２のセパレータ１６の山部１６ｓ１とによって、燃料電池（図示せず）を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路１８ｓが形成されている。また、セパレータ１７には、図１に示すように、穴１７ｂと冷媒流路１８ｓとを連通させる連通路１８ａが形成され、穴１７ｅと冷媒流路１８ｓとを連通させる連通路１８ｂが形成されている。

なお、図示していないが、膜電極構造体１とセパレータ１６，１７とが組み付けられる際には、ゴムなどのパッキングを、穴１１ａ〜１１ｆ、１６ａ〜１６ｆ、１７ａ〜１７ｆの周縁部、アノードガス流通路１６ｓの周縁部、カソードガス流通路１７ｓの周縁部、冷媒流路１８ｓの周縁部などに設けて、水素、空気および冷媒が互いに混じり合わないようになっている。

また、本実施形態の膜電極構造体１では、図２に示すように、アノードガス拡散層１４に形成された貫通孔１４ａは、中空部を有する孔であり、一方がセパレータ１６のアノードガス流通路１６ｓに開口するように、他方がアノード電極触媒層１２に開口するように形成されている。また、カソードガス拡散層１５に形成された貫通孔１５ａも、同様に中空部を有する孔であり、一方がセパレータ１７のカソードガス流通路１７ｓに開口するように、他方がカソード電極触媒層１３に開口するように形成されている。なお、本実施形態での中空部を有する孔とは、ガス拡散層が本来有する細孔（直径５０μｍ以下）の繋がりによって形成されるような孔（貫通孔）ではなく、内径が０．１〜２ｍｍの直線状に通り抜ける孔を意味している。また、中空部とは、その空間に別の部材が設けられていないことを意味している。

このように、貫通孔１４ａ，１５ａの内径を０．１〜２ｍｍとすることにより、水素、空気のガス拡散性を損なうことなく、各電極触媒層１２，１３からの生成水の排水性能を向上させることができ、特に高電流時に生成水によって各電極触媒層１２，１３へのガス供給が損なわれることが抑えられる。しかも、貫通孔１４ａ，１５ａの内径を０．１〜２ｍｍという適度な大きさにすることで、導通面積が過剰に減少することがなくなり、抵抗値の増大を抑えることができる。また、貫通孔１４ａ，１５ａの内径が０．１ｍｍ未満では、ガス拡散層に一般に用いられているカーボンペーパの細孔（〜０．０５ｍｍ）と比べて大きくなく（大差なく）、生成水の移動抵抗が大きくなり、排水性を向上できない。また、貫通孔１４ａ，１５ａの内径が２ｍｍを超えると、反応ガス（水素、空気）の拡散性が損なわれ、反応面積が減少する。

また、図４に示すように、貫通孔１４ａは、それぞれのアノードガス流通路１６ｓ，１６ｓ，・・・に対応するように、ガス流路の幅方向（図示左右方向）に一対となって形成されている。また、一対の貫通孔１４ａ，１４ａは、水素（反応ガス）の流れ方向に沿って所定の間隔を空けて形成されている。なお、図示していないが、カソードガス流通路１７ｓ側についても、貫通孔１５ａが同様に幅方向に一対に形成され、空気（反応ガス）の流れ方向に沿って所定の間隔を空けて形成されている。また、貫通孔１４ａ，１５ａの配列は、一例であり、本実施形態に限定されるものではない。

図５に示すように、前記貫通孔１５ａは、カソード側のセパレータ１７がカソードガス拡散層１５と接する接触部Ｑ１と、この接触部Ｑ１に隣り合って、同セパレータ１７が同カソードガス拡散層１５と接する他の接触部Ｑ２との間、つまり接触部Ｑ１の端部Ｐ１と他の接触部Ｑ２の端部Ｐ３との間の範囲Ｓ内に位置するように構成されている。なお、端部Ｐ１とは、図５の右側に向かって、セパレータ１７がカソードガス拡散層１５から離れ始める点であり、端部Ｐ３とは、図５の右側に向かって、セパレータ１７がカソードガス拡散層１５に接触し始める点である。また、貫通孔１５ａは、その一部でも範囲Ｓ内にかかっていればよい。

このように、貫通孔１５ａを、接触部Ｑ１と他の接触部Ｑ２との間に配置することにより、貫通孔１５ａを通って排出された生成水を効果的に排出できるようになる。その結果、反応ガスのガス拡散性が向上し、特に高電流時の発電性能を向上できるようになる。

なお、前記した説明では、カソード側のみについて説明したが、アノード側についても、同様にして、セパレータ１６がアノードガス拡散層１４と接する接触部と、この接触部に隣り合って、同セパレータ１６が同アノードガス拡散層１４と接する他の接触部との間に貫通孔１４ａが位置するように構成されている。

また、図６に示すように、本実施形態では、前記セパレータ１６，１７の表面にエチレングリコールを接触させたときの接触角度αが８０度以下になるように設定されることが好ましい。このように、接触角度αが８０度以下となるようにすることにより、親水性が発揮されて、生成水がセパレータ１６，１７になじみ易くなる。よって、貫通孔１４ａ，１５ａ内に溜まっている生成水をセパレータ１６，１７に吸い寄せ易くなり、排水性が向上する。その結果、反応ガス（水素、空気）のガス拡散性が向上し、特に高電流時の発電性能を向上できるようになる。

また、貫通孔１５ａは、接触部Ｑ１との距離Ｘ(図５参照)が、０≦Ｘ≦（−０．０１１θ＋１．５８）ｍｍとなるように設定されることが好ましい。なお、θとは、図５に示すように、接触部Ｑ１の端部Ｐ１と、接触部Ｑ１と他の接触部Ｑ２との間に位置して、セパレータ１７がセパレータ（他のセパレータ）１６と接する当接部Ｒ１の端部Ｐ２とを結ぶ直線Ｉと、カソードガス拡散層１５とで成す角度を意味している。また、距離Ｘは、接触部Ｑ１の端部Ｐ１と貫通孔１５ａとの距離を意味している。なお、端部Ｐ２とは、図５の右側に向かって、セパレータ１７がセパレータ１６と接触し始める点を意味している。また、この式の導き方については、以下の実施例において説明する。

このように、距離Ｘを設定することにより、貫通孔１５ａに溜まっている生成水が表面張力によってセパレータ１７側に効果的に排出されるようになる。なお、ここでは、貫通孔１５ａのみについて説明したが、貫通孔１４ａについても、同様に構成され、同様の作用および効果が得られるものとなっている。貫通孔１４ａの場合には、セパレータ１７が他のセパレータに相当する。

なお、前記した説明では、膜電極構造体１と膜電極構造体１との間に、セパレータ１６とセパレータ１７とで囲まれた冷媒流路１８ｓが形成された積層体について説明したが、これに限定されるものではなく、図７に示すように、膜電極構造体１と膜電極構造体１との間に冷媒流路１８ｓが形成されていない積層体であってもよい。この場合には、接触部Ｑ１および他の接触部Ｑ２は、図５に示す積層体の場合と同様であるが、接触部Ｑ１と他の接触部Ｑ２との間では、セパレータ１７がアノードガス拡散層（他のガス拡散層）１４と接するように構成され、この部分が当接部Ｒ２となる。なお、アノード側の場合には、カソードガス拡散層１５が他のガス拡散層に相当する。

また、本実施形態では、図５で説明したθを用いることにより、図８（ａ），（ｂ）において符号１７Ａ，１７Ｂで示すように、セパレータ１７の形状がいずれの場合であっても包含することができるようになる。つまり、端部Ｐ１と端部Ｐ２との間がどのような形状であっても、θは変動することはなく、セパレータ１７（１６）の形状による距離Ｘのばらつきを吸収できるようになる。

また、本実施形態では、隣り合う貫通孔１４ａ（または１５ａ）の間隔が、１〜３０ｍｍに設定されていることが好ましい。なお、隣り合う貫通孔とは、図４に示すように、反応ガス（水素）の流れ方向に隣接する貫通孔１４ａ１（１４ａ）と貫通孔１４ａ２（１４ａ）の場合もあれば、ガス流路の幅方向に隣接する貫通孔１４ａ１（１４ａ）と貫通孔１４ａ３（１４ａ）の場合もある。なお、貫通孔１４ａ（１５ａ）の配置は、図４に示す実施形態に限定されるものではなく、隣接するものであれば、他の様々な配置パターンを含むものとする。また、貫通孔１４ａ（１５ａ）のすべてが前記した間隔に設定される必要はなく、一部（例えば、下流側のみ）であってもよい。

このように、間隔を１〜３０ｍｍに設定することにより、ガス拡散性を損なうことなく排水性を向上させることができ、特に高電流時の発電性能を向上できるようになる。なお、隣り合う貫通孔１４ａ（１５ａ）の間隔が１ｍｍ未満では、貫通孔１４ａ（１５ａ）の密度が高すぎて、ガス拡散性が損なわれ、発電性能が低下する。また、間隔が３０ｍｍを超えると、排水性が損なわれて、反応ガス（水素、空気）の供給が阻害され、発電性能が低下する。

また、本実施形態は、前記した実施形態に限定されるものではなく、図９に示す実施形態であってもよい。図９（ａ）はガス流路の上流側を示す概略図、（ｂ）はガス流路の下流側を示す概略図である。
すなわち、図９（ａ），（ｂ）に示すように、アノードガス拡散層１４に形成される貫通孔１４ａおよびカソードガス拡散層１５に形成される貫通孔１５ａの各個数が、反応ガス（水素、空気）の上流側に比べて下流側が多くなるように構成されている。

つまり、反応ガス（水素、空気）が下流側にいくほど、生成水の増加により湿度雰囲気が高くなるため、貫通孔１４ａ，１５ａが生成水で塞がれるなどして、生成水が排出され難くなる。そこで、図９（ａ）に示す上流側での貫通孔１４ａ，１５ａの数より、図９（ｂ）に示す下流側での貫通孔１４ａ，１５ａの数を多くすることにより、排水性を向上させることが可能になり、特に高電流時の発電性能の低下を防止できる。

また、図１０に示すように、カソードガス拡散層１４の貫通孔１４ａの個数を、アノードガス拡散層１５の貫通孔１５ａの個数よりも多くなるように構成してもよい。すなわち、貫通孔１４ａの数を、貫通孔１５ａの数より多くなるように形成してもよい。

つまり、生成水が発生するのはカソード側であり、アノード側では、生成水がプロトン伝導膜１１やアノード電極触媒層１２を通じて凝集することにより水となる。したがって、膜電極構造体１の内部に凝集する水はアノード側よりもカソード側の方が多くなる。そこで、凝集水（生成水）が多く発生するカソード側、つまりカソードガス拡散層１５に多数の貫通孔１５ａを形成することで、排水性を促進できるようになる。

次に、膜電極構造体１によって構成された燃料電池ＦＣを搭載した燃料電池システムＦ１の一例について図１１を参照（適宜図１，２を参照）して説明する。図１１は、燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。なお、この種の燃料電池システムは、燃料電池自動車などの車両用、航空機用、船舶用、定置式の家庭用などに適用することができるが、以下では燃料電池自動車を例に挙げて説明する。

図１１に示すように、燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＦＣ、アノード系３０、カソード系４０、制御装置５０などで構成されている。

前記アノード系３０は、アノードガス配管３１、アノードオフガス配管３２、高圧水素タンク３３、遮断弁３４、加湿器３５などで構成されている。アノードガス配管３１は、一端が高圧水素タンク３３に接続され、他端が燃料電池ＦＣのアノード入口ａ１と接続されている。アノードオフガス配管３２は、一端が燃料電池ＦＣのアノード出口ａ２と接続され、他端が図示しない希釈装置に接続されている。高圧水素タンク３３は、高純度の水素を高圧で充填したものであり、電磁作動式の遮断弁３４の開閉操作によって水素の供給と停止が適宜行われるように構成されている。加湿器３５は、水透過性の膜を備え、燃料電池ＦＣに供給される水素を加湿するものであり、アノードガス配管３１とアノードオフガス配管３２とが接続されて構成されている。なお、図示していないが、燃料電池システムＦ１には、アノード出口ａ２から排出された水素をアノード入口ａ１側に戻すようにして循環させる循環手段が設けられている。

前記カソード系４０は、カソードガス配管４１、カソードオフガス配管４２、エアコンプレッサ４３、加湿器４４などで構成されている。カソードガス配管４１は、一端がエアコンプレッサ４３に接続され、他端が燃料電池ＦＣのカソード入口ｃ１に接続されている。カソードオフガス配管４２は、一端が燃料電池ＦＣのカソード出口ｃ２に接続され、他端が図示しない希釈装置に接続されている。エアコンプレッサ４３は、スーパーチャージャなどを備えて構成されている。加湿器４４は、水透過性の膜を備え、燃料電池ＦＣに供給される空気を加湿するものであり、カソードガス配管４１とカソードオフガス配管４２とが接続されて構成されている。なお、空気および水素を加湿する加湿源としては、カソード電極触媒層１３で生成された水が利用される。

前記制御装置５０は、図示しないマイクロコンピュータ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インターフェースなどで構成され、遮断弁３４、エアコンプレッサ４３、イグニッション（ＩＧ）６０と接続されている。この制御装置５０は、遮断弁３４の開閉、エアコンプレッサ４３の回転速度を制御し、イグニッション６０のＯＮ・ＯＦＦ信号を取得する。

このような燃料電池システムＦ１において、制御装置５０は、イグニッション６０のＯＦＦからＯＮへの切り替えを検知すると、遮断弁３４を開弁して高圧水素タンク３３から加湿器３５で加湿された水素を燃料電池ＦＣへ供給し、エアコンプレッサ４３を駆動して加湿器４４で加湿された空気を燃料電池ＦＣへ供給する。高圧水素タンク３３からの水素は、図１に示すように、単セル２の穴１７ａ、穴１１ａ、連通路１６ｇを順に通ってアノードガス流通路１６ｓに供給される。そして、アノードガス流通路１６ｓに供給された水素は、アノードガス拡散層１４によって拡散されながら、アノード電極触媒層１２の全面に供給される。また、エアコンプレッサ４３からの空気は、穴１７ｄ、連通路１７ｇを順に通ってカソードガス流通路１７ｓ（図２参照）に供給される。そして、カソードガス流通路１７ｓに供給された空気は、カソードガス拡散層１５によって拡散されながら、カソード電極触媒層１３の全面に供給される。これにより、アノード電極触媒層１２では、水素が触媒の作用によってプロトン（水素イオン；Ｈ^＋）と電子に分解されて、プロトンがプロトン伝導膜１１を透過してカソード電極触媒層１３に移動し、電子が外部負荷（図示せず）を介してカソード電極触媒層１３に移動する。一方、カソード電極触媒層１３では、触媒の作用によって、プロトン伝導膜１１を透過したプロトンと、空気中の酸素と、外部負荷から移動してきた電子との反応によって発電が行われ、発電と同時に水が生成される。なお、生成水は、プロトン伝導膜１１を透過してアノード電極触媒層１２にも移動する。

発電と同時に生成された水（生成水）は、主にカソードガス拡散層１５に形成された貫通孔１５ａを通って排水されるが、貫通孔１５ａを通過した生成水は、セパレータ１７のカソードガス流通路１７ｓ（図２参照）、連通路（図示せず）、穴１７ｃを通って燃料電池ＦＣのカソード出口ｃ２(図１１参照)から、未反応の空気とともに排出される。

このように、本実施形態の燃料電池ＦＣを燃料電池自動車などに適用することにより、例えば急加速をするためにアクセルペダルを踏み込んだときに、出力要求増大によって生成水が大量に発生した場合であっても、良好な排水性能が維持されて、発電性能が低下するといった不具合を防止できる。

なお、本実施形態では、アノードガス拡散層１４に貫通孔１４ａを設け、かつ、カソードガス拡散層１５に貫通孔１５ａを設ける構成としたが、いずれか一方であってもよい。一方の場合には、カソード側に設けることが好ましい。また、貫通孔１４ａ，１５ａは円形に限定されるものではなく、多角形状であってもよい。また、貫通孔１４ａ，１５ａは、アノードガス拡散層１４、カソードガス拡散層１５の全面に形成してもよく、あるいは一部だけに形成してもよい。

以下、実施例および比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は後記する実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜８、比較例１〜３）
まず、貫通孔の位置について検討を行った。なお、適宜、図２〜図５を参照する。
膜電極構造体（以下、ＭＥＡと略記する）１は、プロトン伝導膜（固体高分子電解質膜）１１としてデュポン社製ナフィオン（登録商標）Ｎ１１２を用いた。
アノード電極触媒層１２、カソード電極触媒層１３（以下、まとめて「電極触媒層」と略記する）は、まず、カーボンブラック（ファーネスブラック）に白金粒子を、カーボンブラック：白金粒子＝１：１の質量比で担持させて触媒粒子を調製して得た。次に、触媒粒子をイオン導伝性高分子バインダ溶液としてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標））の溶液に、触媒粒子：バインダ溶液＝１：１の質量比で均一に分散させることにより、触媒ペーストを調製した。

アノードガス拡散層１４、カソードガス拡散層１５（以下、まとめて「ガス拡散層」と略記する。）は、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子とを４：６の質量比で混合した混合物をエチレングリコールに均一に分散させてスラリーとし、このスラリーをカーボンペーパ１４Ｂ，１５Ｂの片面に塗布し、乾燥させて下地層１４Ａ，１５Ａを形成し、カーボンペーパ１４Ｂ，１５Ｂと下地層１４Ａ，１５Ａとからなるガス拡散層を形成して得た。なお、図示していないが、ガス拡散層のいずれか一方を、プロトン伝導膜１１の外周縁の内側に収まる大きさとして、他方を、プロトン伝導膜１１と同一の大きさとした。また、ガス拡散層には、撥水処理を施したカーボンペーパ（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用いた。そして、下地層１４Ａ，１５Ａを塗布して乾燥したガス拡散層の状態で、直径０．４ｍｍの針が取り付けられ、この針をガス拡散層の面に対して垂直方向に押し込めるボール盤を用いて、貫通孔１４ａ，１５ａを形成した。貫通孔１４ａ，１５ａは縦横１０ｍｍ間隔で設けた。なお、縦とは、アノードガス流通路１６ｓ、カソードガス流通路１７ｓにおいて、反応ガスの流れ方向を意味し、横とは、流路の幅方向を意味している。

次に、アノードガス拡散層１４の下地層１４Ａの全面にわたって、スクリーン印刷により前記した触媒ペーストを白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下において１２０℃で１５分間加熱して、乾燥させることによりアノード電極触媒層１２を形成した。

次に、カソードガス拡散層１５のカソード電極触媒層１３が配置される外周側となる部分の全面にわたって、スクリーン印刷により接着剤を塗布し、接着支持層を形成した。なお、接着支持層は、信越シリコーン社製のＫＥ４８９８を用いた。そして、カソードガス拡散層１５に形成された接着支持層の内周側に、スクリーン印刷により前記した触媒ペーストを白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下において１２０℃で１５分間加熱して、乾燥させることによりカソード電極触媒層１３を形成した。なお、カソード電極触媒層１３は、アノード電極触媒層１２の外周縁の内側に収まる大きさとした。

次に、プロトン伝導膜（固体高分子電解質膜）１１をアノード電極触媒層１２とカソード電極触媒層１３とで挟持し、１５０℃、２．５ＭＰａで１５分間のホットプレスを行うことにより一体化し、ＭＥＡ１を製造した。

なお、セパレータ１６，１７は、金メッキ処理を施したＳＵＳ３１４Ｌを用いた。また、ガス流路（アノードガス流通路１６ｓ、カソードガス流通路１７ｓ）は、直線溝形状とした（図１参照）。このようなガス流路は、切削加工により形成した。また、このようにして形成されたセパレータ１６，１７のエチレングリコールとの接触角度αは５２°であった。この接触角度の測定はエチレングリコールを用い、２３℃、５０％Ｒｈ雰囲気下で測定した。測定機は、協和界面科学社製ＣＡ−Ｘを使用した。

そして、実施例１〜８として、貫通孔の位置を、０ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．８ｍｍ，１ｍｍ，１．２５ｍｍとした場合についてのセル電圧を測定した。また、比較例１〜３として、貫通孔の位置を、−１ｍｍ，−０．３ｍｍ、貫通孔なしとした場合についてのセル電圧を測定した。また、貫通孔の内径を０．２ｍｍ、０．４ｍｍとした場合についてそれぞれセル電圧を測定した。表１にその結果を示す。また、表１の結果をグラフにしたものを図１２に示す。

なお、貫通孔の位置とは、図１３（ａ）〜（ｄ）に示す各パターンに分けることができる。図１３（ａ）〜（ｄ）は、貫通孔の位置の各パターンを示す断面図である。図１３（ａ）は、実施例２〜８に相当する状態であり、貫通孔１５ａが基準線Ｓ１と基準線Ｓ２との間に位置し、距離Ｘの符号が正の場合である。図１３（ｂ）は、実施例１に相当する状態であり、距離Ｘが０の場合、つまり、貫通孔１５ａが基準線Ｓ１と基準線Ｓ２（図示せず）との間に位置し、かつ、基準線Ｓ１と貫通孔１５ａの端部とが重なっている状態である。図１３（ｃ）は、距離Ｘが０の場合であり、貫通孔１５ａが基準線Ｓ１と基準線Ｓ２（図示せず）との間に位置せず、かつ、基準線Ｓ１と貫通孔１５ａの端部が重なっている状態である。図１３（ｄ）は、比較例１，２に相当する状態であり、貫通孔１５ａが基準線Ｓ１と基準線Ｓ２（図示せず）との間に位置せず、距離Ｘの符号が負の場合である。また、比較例３は、貫通孔１５ａが無い状態である。

なお、セル電圧の測定は、電極面積が２００ｃｍ^２のＭＥＡ１を、金メッキ処理したＳＵＳ３１４Ｌからなるセパレータ１６，１７で挟持した単セル２を用い、０．８Ａ／ｃｍ^２の電流密度、冷却液（冷媒）入口温度を８０℃で連続発電したときの１時間後に測定した値を用いた。また、アノード側には純水素、カソード側には空気を用いた。加湿量はＡ／Ｃ（アノード／カソード）＝７０／９０％、利用率はＡ／Ｃ（アノード／カソード）＝７５／７５％とした。なお、利用率とは、その電流密度と電極面積とから理論上反応で消費される量を投入した場合を１００％とした値である。ちなみに、消費される量に対して２倍の反応ガス（水素、空気）を供給した場合には利用率は５０％となる。

表１の結果より、実施例１〜８に示すように、貫通孔１５ａの位置が０〜１．２５ｍｍの範囲内、つまり貫通孔１５ａが接触部Ｑ１の端部Ｐ１（基準線Ｓ１）と他の接触部Ｑ２の端部Ｐ３（基準線Ｓ２）との間に位置する場合には、良好な発電性能を得られることが確認された。これに対して、比較例１，２に示すように、貫通孔１５ａが接触部Ｑ１の端部Ｐ１（基準線Ｓ１）と他の接触部Ｑ２の端部Ｐ３（基準線Ｓ２）との間に位置せず、貫通孔１５ａの開口全体がセパレータ１７によって覆われている場合、また比較例３に示すように貫通孔１５ａが形成されていない場合には、発電性能の向上は望めなくなることが確認された。

次に、貫通孔と接触部との距離Ｘとして、０≦Ｘ≦（−０．０１１θ＋１．５８）ｍｍを導き出した根拠について説明する。
表２に示すように、貫通孔の位置を、−１ｍｍ，−０．３ｍｍ，０ｍｍ，０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．４ｍｍ，０．５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．７ｍｍ，０．７５ｍｍ，０．８ｍｍ，０．９ｍｍ，１ｍｍ，１．１ｍｍ，１．２５ｍｍとした場合についてのセル電圧（Ｖ）を測定した。また、θ（図５参照）を９０°，７５°，６０°，４５°，３０°とした場合について同様にセル電圧を測定した。結果を表２に示す。また、表２をグラフにしたものが図１４である。なお、角度θおよびセル電圧は、前記と同様である。

図１４において符号Ａで示すように、θが９０°の場合には、貫通孔の位置（距離Ｘ）が０．６ｍｍを超えても効果が変わらなくなることが確認された。また、符号Ｂで示すように、θが７５°の場合には、貫通孔の位置（距離Ｘ）が０．７５ｍｍを超えても効果が変わらなくなることが確認された。また、符号Ｃで示すように、θが６０°の場合には、貫通孔の位置（距離Ｘ）が０．９ｍｍを超えても効果が変わらなくなることが確認された。また、符号Ｄで示すように、θが４５°の場合には、貫通孔の位置（距離Ｘ）が１．１ｍｍを超えても効果が変わらなくなることが確認された。符合Ｅで示すように、θが３０°の場合には、貫通孔の位置（距離Ｘ）が１．２５ｍｍを超えても効果が変わらなくなることが確認された。その結果を表３に示す。

表３の結果に基づいて、角度（θ）と効果が変わらなくなる位置との関係をプロットしてグラフにしたものが図１５である。表３の各点を結ぶことにより、（−０．０１１θ＋１．５８）ｍｍという式が得られる。したがって、図１５において斜線で示す範囲内において、貫通孔の位置（距離Ｘ）およびθを決定することにより、生成水の排水性においてより効果を発揮できるようになる。

次に、隣り合う貫通孔の間隔について検討を行った。間隔を、０ｍｍ，０．５ｍｍ，１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍ，３０ｍｍ，４０ｍｍ，５０ｍｍとした場合のセル電圧を測定した。なお、間隔とは、図１６（ｂ）に示すように、貫通孔１４ａ（１５ａ）と貫通孔１４ａ（１５ａ）との最短距離である。また、図４で説明したように、反応ガスの流れ方向に隣り合う貫通孔１４ａ１と貫通孔１４ａ２との間隔、ガス流路の幅方向に隣り合う貫通孔１４ａ１と貫通孔１４ａ３との間隔のいずれの場合も含むものとする。また、セル電圧は、前記と同様の測定方法とした。結果を表４に示す。また、表４の結果をプロットしてグラフにしたものが図１６である。

図１６に示すように、間隔が１〜３０ｍｍでは、良好な発電性能が得られることが確認された。

本実施形態の燃料電池を示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ部分断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる形態のガス拡散層の構造を示す断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 ガス拡散層の貫通孔の位置関係を示す概略図である。 接触角度を説明するための模式図である。 単セルの別の実施形態を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）はセパレータの形状を変えたときの角度（θ）の算出方法を示す概略図である。 別の実施形態の燃料電池を示し、（ａ）は上流側での貫通孔の密度を示す断面図、（ｂ）は下流側での貫通孔の密度を示す断面図である。 さらに別の実施形態の燃料電池を示す断面図である。 燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。 貫通孔の位置とセル電圧の関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、貫通孔の各パターンを示す断面図である。 貫通孔の位置とセル電圧との関係を示すグラフである。 角度（θ）と効果が変わらなくなる位置との関係を示すグラフである。 （ａ）間隔とセル電圧との関係を示すグラフ、（ｂ）は間隔の説明図である。

符号の説明

１ 膜電極構造体
１１ プロトン伝導膜
１２ アノード電極触媒層（電極触媒層）
１３ カソード電極触媒層（電極触媒層）
１４ アノードガス拡散層（ガス拡散層）
１４ａ 貫通孔
１４Ｂ カーボンペーパ
１５ カソードガス拡散層（ガス拡散層）
１５ａ 貫通孔
１５Ｂ カーボンペーパ
１６，１７ セパレータ
Ｉ 直線
Ｐ１，Ｐ２ 端部
Ｑ１ 接触部
Ｑ２ 他の接触部
Ｒ１，Ｒ２ 当接部

Claims (6)

1. プロトン伝導膜と、
   前記プロトン伝導膜に積層される電極触媒層と、
   前記電極触媒層に積層されるガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に、前記プロトン伝導膜とは反対面側に積層されるセパレータと、を備え、
   前記ガス拡散層は、中空部を有する貫通孔が形成されたカーボンペーパを備え、
   前記貫通孔は、前記セパレータが前記ガス拡散層と接する接触部と、前記接触部に隣り合って前記セパレータが前記ガス拡散層と接する他の接触部との間に位置するように形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 前記セパレータは、エチレングリコールとの接触角度が８０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
3. 前記接触部と前記他の接触部との間に、前記セパレータが他のセパレータまたは他のガス拡散層と接する当接部を有し、
   前記接触部の端部と前記当接部の端部とを結ぶ直線と前記ガス拡散層とで成す角度をθとしたときに、前記貫通孔と前記接触部との距離Ｘが、０≦Ｘ≦（−０．０１１θ＋１．５８）ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 隣り合う貫通孔のうち、少なくとも一部の間隔が１〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
5. 前記貫通孔は、反応ガスの上流側に比べて下流側ほど多数形成されるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
6. 前記貫通孔は、カソード側がアノード側より多数形成されるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。

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