JP4300455B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

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。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、燃料セパレータを装備した方式の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に供給することができる利点をもつ。
【０００５】
上記したように細孔をもつ多孔質体をもつ固体高分子型燃料電池として、特許文献１には、水透過材で形成された燃料セパレータを多孔質体で形成した燃料電池が開示されている。このものによれば、各通水路の水を多孔質の燃料セパレータの細孔を介してＭＥＡ側に供給することができ、電解質膜の過剰乾燥を抑制することができる。このものでは、水透過材で形成された燃料セパレータのうち燃料極側は、高い気孔率をもつ多孔質層で形成されていると共に、燃料セパレータのうち通水路側は、低い気孔率をもつ多孔質層で形成されている。
【０００６】
また特許文献２には、反応ガスの入口側に親水性処理を施すと共に、反応ガスの出口側に撥水性処理を施した固体高分子型の燃料電池が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１８５１６９号公報
【特許文献２】
特開平１１−１３５１３２号公報
【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）の流れの下流領域では、発電反応に基づいて生成された水が溜まるため、電解質膜の乾燥の不具合は生じにくい。しかしながら酸化剤ガスの流れの上流領域では、発電反応に基づいて生成された水が溜まりにくいため、多孔質体の細孔を介して水を電解質膜に供給しているといえども、酸化剤ガス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。一方、酸化剤ガス通路の下流領域では生成水が余剰に滞留して、フラッディング現象が生じるおそれがある。フラッディング現象とは、水が酸化剤ガスや燃料の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。
【０００９】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、第１発明は、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において酸化剤ガスセパレータの表裏における細孔の細孔径を変化させることにより、上流領域において電解質膜の乾燥の不具合を抑制するのに効果的に寄与することができる固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。第２発明は、酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面面において酸化剤ガスセパレータの表裏における細孔の細孔径を変化させることにより、酸化剤ガス通路の下流領域における水の吸収性を高め、下流領域におけるフラッディング現象を抑制するのに寄与することができる固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１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、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、酸化剤ガスセパレータのうち前記酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する通水板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は多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
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、
酸化剤ガスセパレータのうち前記上流領域では、酸化剤ガス通路に対向すると共に前記下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域が設けられ、
酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径は、通水路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さく設定されていることを特徴とするものである。
【００１１】
第１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上流領域の細孔は疎水性をもつため、細孔内の水を液相よりも水蒸気として存在させるのに有利となり、酸化剤ガスセパレータの上流領域においては、細孔内の水蒸気によって酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを加湿させ易くなる。
【００１２】
更に、酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径は、通水路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さく設定されている。このためKelvinの式に基づけば、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する側の細孔内の水蒸気圧を高くできる。故に、乾燥しがちの上流領域において、酸化剤ガスセパレータの細孔の水蒸気によって酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを加湿させる加湿性が増加する。
【００１３】
数式１で示されるKelvinの式は、細孔における水蒸気分圧を示す。ここで、Ｐは細孔内の液体の平衡蒸気圧、Ｐｏはその液体の飽和蒸気圧、σはその液体の表面張力、Ｍはその液体の分子モル質量、θはその液体の接触角、ρはその液体の密度、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度を示す。一般的には、親水性はθが０〜９０度以下とされ、疎水性はθが９０度越え〜１８０度とされる。
【００１４】
【数１】

【００１５】
Kelvinの式によれば、細孔の内壁面が疎水性である場合には、θが９０度越え〜１８０度とされるため、cosθは負の値となり（cosθ＜０）、ＰはＰｏよりも大きくなる（Ｐ＞Ｐｏ）。更に、Kelvinの式によれば、細孔の内壁面が疎水性である場合には、細孔径ｒが小さければ小さいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐを大きくできる。これにより第１発明のように上流領域について、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径を相対的に小さくし、通水路に対向する側の細孔径が大きくなるように設定すれば、乾燥しがちの上流領域において、酸化剤ガスセパレータの細孔内の水蒸気分圧が高まり、酸化剤ガスに対する加湿性が向上し、電解質膜の過剰乾燥を抑制できる。
【００１６】
第２発明に係る固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータは、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、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する通水板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は多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
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、酸化剤ガスセパレータのうち下流流域では、
酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、通水路に対向する側の細孔の細孔径は、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さく設定されていることを特徴とするものである。
【００１７】
第２発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、下流領域では、酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、通水路に対向する側の細孔の細孔径は、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さく設定されている。このように下流領域では、酸化剤ガスセパレータの通水路に対向する側の細孔の細孔径は小さいため、毛細管圧を高くでき、従って、酸化剤ガスセパレータの下流領域は毛細管圧により水を引き込む能力が高くなり、下流領域における余剰の水を吸収できる能力が高まる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
・酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する対向面については、上流領域において疎水性が強く設定されており、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、あるいは、親水性が強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。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。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つため、細孔内の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り、フラッティング現象の抑制に有効である。
【００１９】
・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側は、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。よって、水による細孔封止を期待でき、酸化剤ガス通路の酸化剤ガスが通水路に洩れることが抑えられる。
【００２０】
・酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガスセパレータは、通水路に対向する第１層と、酸化剤ガス通路に対向する第２層とを有する複数積層構造をもつ形態を採用することができる。この場合、第１層の細孔の細孔径と第２層の細孔の細孔径とを異ならせれば、酸化剤ガスセパレータの表裏での細孔径を変化させ得る。
【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１３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の外側に配置され燃料極１２にガス状の燃料を供給する溝状の燃料通路２１を形成する燃料セパレータ２と、ＭＥＡ１の外側に配置され酸化剤極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を形成する酸化剤ガスセパレータ３と、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤極１５に背向する位置に通水路４１を形成する通水板４とを有する。
【００２４】
図１に示すセル構造が積層されて固体高分子型燃料電池が形成される。図１ではＭＥＡ１、燃料セパレータ２、酸化剤ガスセパレータ３等は縦方向に沿って図示されているが、図１はあくまでも概念図であり、水平方向に沿って配置されていても良い。
【００２５】
図１において、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。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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（一般的には空気）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。
【００２８】
本実施例に係る固体高分子型燃料電池は、酸化剤ガスセパレータ３の細孔から放出される水蒸気による加湿機能を利用して、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガス（一般的には空気）を積極的に加湿させるものである。
【００２９】
図１,図２，図３は、酸化剤ガスパレータ３の厚み方向に沿った断面を示す。酸化剤ガスセパレータ３は、溝状の酸化剤ガス通路３１を形成し、酸化剤ガス通路３１と通水路４１とを仕切るものである。ここで図２は酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１の細孔構造の概念をモデル化して示す。図２に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性とされている上流領域９１においては、酸化剤ガス通路３に対向する側の細孔の細孔径ＤＡは、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢよりも相対的に小さく設定されている。
【００３０】
図３は酸化剤ガスセパレータ３の下流領域９３の細孔構造の概念をモデル化して示す。図３に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の下流領域９３においては、酸化剤ガス通路３に対向する側の細孔の細孔径ＤＡ’は、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢ’よりも相対的に大きく設定されている。
【００３１】
かかる酸化剤ガスセパレータ３の製造について説明を加える。図４〜図６は細孔の粗密状態をモデル化したものである。図４（Ａ）に示すように細孔径が相対的に大きい多数の細孔をもつ第１の多孔質シート８Ｘを用意すると共に、図４（Ｂ）に示すように細孔径が相対的に小さい多数の細孔をもつ第２の多孔質シート８Ｙを用意する。多孔質シート８Ｘ，８Ｙは、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いる。そして図５に示すように、上流領域９１では、細孔径が大きい第１の多孔質シート８Ｘが通水路４１に対向すると共に、細孔径が小さい第２の多孔質シート８Ｙが酸化剤ガス通路３１に対向するように、双方の多孔質シート８Ｘ，８Ｙ（第１層,第２層）を厚み方向に重さねる。
【００３２】
また図６に示すように、下流領域９３では、細孔径が小さい第２の多孔質シート８Ｙが通水路４１に対向すると共に、細孔径が大きい第１の多孔質シート８Ｘが酸化剤ガス通路３１に対向するように、双方の多孔質シート８Ｘ，８Ｙ（第１層,第２層）を厚み方向に重さねる。
【００３３】
図７は、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４における疎水性の強さの変化を模式的に示す。図７の横軸は酸化剤ガスセパレータ３の上流端９１ａから下流端９３ａまでの位置を示す。図７の縦軸は疎水性の強さを示す。図７の特性線Ｓ１,Ｓ２に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４については、上流領域９１の疎水性が相対的に強く設定され、疎水性領域Ｘ２とされている。換言すれば、酸化剤ガスセパレータ３のうち上流領域９１の上流端９１ａの疎水性が最も強く設定されており、上流領域９１から下流領域９３の下流端９３ａに向かうにつれて、疎水性が次第に傾斜的にまたは段階的に弱くなるように設定されている。
【００３４】
図１に示すように、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガス入口３５は、搬送源４７に繋がれている。燃料通路２１の燃料入口２５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４５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。
【００３５】
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（図１参照）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（図１参照）に流入する。
【００３６】
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。電子は導電経路６０を流れ、導電経路６０の負荷６１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。
【００３７】
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。
【００３８】
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３５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。
【００３９】
図８は酸化剤ガスセパレータ３を示す。図８に示すように、酸化剤ガスセパレータ３には、酸化剤ガスが流れる凹状の酸化剤ガス通路３１が案内凸部３７と共に形成されている。酸化剤ガスセパレータ３の一辺部３ａ（下辺部）に、酸化剤ガス入口３５、酸化剤ガス出口３６が隣設して形成されている。酸化剤ガス通路３１は、上下方向に延設された仕切壁３８で仕切られている。酸化剤ガスセパレータ３のうち一辺部３ａに対向する他辺部３ｂ（上辺部）には、中間口３９が形成されている。酸化剤ガスセパレータ３は、酸化剤ガス入口３５から酸化剤ガス通路３１に流入し、上流領域９１→中間口３９→下流領域９３→酸化剤ガス出口３６のように、矢印Ｋ１方向に流れる。
【００４０】
図８に示すように、酸化剤ガス入口３５から導入された酸化剤ガスは、中間口３９に至るまでは上向きに流れ、中間口３９から酸化剤ガス出口３６までは下向きに流れる。即ち、酸化剤ガスセパレータ３においては、酸化剤ガスは逆Ｕ字形状に流れる。このため図８、図９に示すように、下流領域９３では、酸化剤ガスは下向きに流れるため、重力を利用して生成水を酸化剤ガス出口３６に排出させ易くなり、下流領域９３におけるフラッディング現象を抑制するのに一層寄与することができる。
【００４１】
なお、図８に示すように、酸化剤ガス通路３１の通路幅は、仕切壁３８によって、上流側の通路幅Ｌ１と下流側の通路幅Ｌ２として仕切り、且つ、Ｌ１＞Ｌ２に設定されているため、下流側を流れる酸化剤ガスの流速を増加させるのに寄与でき、余剰水を酸化剤ガス出口３６に排出させ易くなる効果を期待できる。
【００４２】
図８に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち一辺部３ａに隣設する隣設辺部３ｃには、燃料入口２５及び吐水口４４が隣設して形成されている。酸化剤ガスセパレータ３のうち他辺部３ｂに隣設する隣設辺部３ｄには、燃料出口２６及び給水口４３が隣設して形成されている。
【００４３】
ここで、酸化剤ガスセパレータ３は多孔質であり、細孔をもつため、燃料入口２５及び燃料出口２６を流れるガス状の燃料が細孔を介して酸化剤ガス通路３１に混入するおそれがある。そこで本実施例によれば、図９に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち燃料入口２５及び燃料出口２６の付近に緻密体部分３ｒ（図９においてハッチングで示す領域）を設けており、緻密体部分３ｒにより上記した燃料の混入が抑えられている。緻密体部分３ｒは、酸化剤ガス入口３５，酸化剤ガス出口３６，中間口３９付近にも設けられてる。緻密体部分３ｒは樹脂を含浸させて、当該部分３ｒにおける細孔を封止してガスシール性を高めることにより形成できる。なお必要に応じて、仕切壁３８にも樹脂を含浸させて、仕切壁３８の細孔を封止させて緻密体とすることができる。
【００４４】
図１０は燃料セパレータ２を示す。図１０に示すように、燃料セパレータ２には、ガス状の燃料が流れる凹状の燃料通路２１が案内凸部２７と共に形成されている。燃料セパレータ２の一辺部に燃料入口２５、吐水口４４が形成されている。燃料セパレータ２の他辺部には燃料出口２６、給水口４３が形成されている。図１０において、燃料は燃料入口２５→燃料通路２１→燃料出口２６に向けて矢印Ｋ３方向に流れる。なお、図１０において、燃料セパレータ２のうち一辺部に対向する他辺部には、中間口３９が形成されている。燃料セパレータ２には、酸化剤ガス入口３５、酸化剤ガス出口３６が形成されている。
【００４５】
図１０に示すように、燃料通路２１において燃料は矢印Ｋ３方向に流れる。図１０及び図８を比較すれば、燃料が流れる矢印Ｋ３方向における上流は、酸化剤ガスの流れの下流領域９３に相当するといえる。また、燃料が流れる矢印Ｋ３方向における下流は、酸化剤ガス入口３５の近傍に配置されており、酸化剤ガスの流れの上流領域９１に相当するといえる。この結果本実施例によれば、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。
【００４６】
図１１は通水板４を示す。図１１に示すように、通水板４には、冷却兼加湿用の水が流れる凹状の通水路４１が案内凸部４７と共に形成されている。通水板４の一辺部に燃料入口２５、吐水口４４が形成されている。通水板４の他辺部には燃料出口２６、給水口４３が形成されている。図１１において、水は給水口４３→通水路４１→吐水口４４に向けて、蛇行しつつ矢印Ｋ４方向に流れる。なお、図１１において、通水板４のうち一辺部に対向する他辺部には、中間口３９が形成されている。通水板４には、酸化剤ガス入口３５、酸化剤ガス出口３６が形成されている。
【００４７】
図１１に示すように、通水路４１において、冷却兼加湿用の水は矢印Ｋ４方向に流れる。図１１及び図８を比較すれば、水が流れる矢印Ｋ４方向における上流は、酸化剤ガス入口３５の近傍に配置されており、酸化剤ガスの流れの上流領域９１に相当するといえる。また、水が流れる矢印Ｋ４方向における下流は、酸化剤ガス出口３６の近傍に配置されており、酸化剤ガスの流れの下流領域９３に相当するといえる。この結果本実施例によれば、通水路４１における水の主流れ方向と、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、同じ配向性を有する。
【００４８】
以上説明したように本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３は多数の細孔をもつ多孔質性を有する。酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１は疎水性を有する。このため酸化剤ガスセパレータ３に浸透した水は、対向面３４において、液相としてよりも水蒸気として存在し易い。更に、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１については、酸化剤ガスパレータ３の厚み方向に沿った断面である図２,図５に示すように、酸化剤ガス通路３１に対向する側の細孔の細孔径ＤＡは、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢよりも小さく設定されている（ＤＡ＜ＤＢ）。このため、Kelvinの式に基づけば、酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４側の細孔内の水蒸気圧は高くなる。故に上流流域９１において、酸化剤ガスセパレータ３のの細孔が酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを加湿する加湿性が増加する。これにより上流領域９１における過剰乾燥の問題を改善するのに寄与できる。
【００４９】
更に本実施例によれば、下流領域９３では、酸化剤ガスパレータ３の厚み方向に沿った断面（図３,図６参照）において、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢ’は、酸化剤ガス通路３１に対向する側の細孔の細孔径ＤＡ’よりも小さく設定されている（ＤＢ’＜ＤＡ’）。このように下流領域９３では、酸化剤ガスセパレータ３のうち通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢ’は相対的に小さいため、酸化剤ガスセパレータ３の下流領域９３の細孔は、毛細管圧により水を引き込む能力が高くなり、下流領域９３における余剰の水を吸収することができ、フラッティング現象の抑制に有利である。
【００５０】
更に本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３のうち通水路４１側の対向面３０の全体は親水性を有するため、親水性領域Ｘ１とされ、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Ａ１方向（図１参照）に向けて浸透させて、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の封孔シールを行うことができ、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスが通水路４１に洩れることを抑制できる。
【００５１】
更に本実施例によれば、図１において、酸化剤ガス通路３１のうち上流領域９１の酸化剤ガスの圧力をＰａとし、通水路４１のうち上流領域９１に背向する上流通水路部分４１ｕの水の圧力をＰｗとすると、水の圧力Ｐｗと細孔の毛細管圧αとを加えた圧力（Ｐｗ＋α）は、基本的には、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスの圧力Ｐａよりも大きくなるように、酸化剤ガス通路３１の溝構造、通水路４１の溝構造、通水条件、酸化剤ガス供給条件等が設定されている（Ｐｗ＋毛細管圧α＞Ｐａ）。この結果、上流領域９１では、酸化剤ガスセパレータ３の対向面３０の親水性領域Ｘ１の細孔に存在する液相としての水を、対向面３４の細孔に一層浸透させにくくなる。この意味においても、酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４において水蒸気化が一層促進され、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを水蒸気により一層効果的に加湿させることができる。
【００５２】
また図１において、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’とし、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の水の圧力をＰｗ’とする。本実施例によれば、圧力Ｐａ’は圧力Ｐｗ’よりも大きくなるように、酸化剤ガス通路３１の溝構造、通水路４１の溝構造、通水条件、酸化剤ガス供給条件等が設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。このため、酸化剤ガスセパレータ３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３の細孔を経て、通水路４１へと矢印Ａ２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。即ち、本実施例に係る酸化剤ガスセパレータ３は、上流領域９１では、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガス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水機能を有することを期待できる。
【００５３】
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に示すように、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、電解質膜１１、燃料極１２、酸化剤極１５を膜・接合体であるＭＥＡ１としたとき、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、電解質膜１１の過剰乾燥を抑制するのに有利である。
【００５４】
図１２は、酸化剤極１５に用いられる第１ガス拡散層１６が親水性及び疎水性を有する形態を模式的に示す。図１２に示すように、第１ガス拡散層１６においては、上流領域９１は親水性処理されており、親水性物質を有する親水性領域２００（図１２においてハッチングで示す領域）を有する。下流領域９３は疎水性処理されており、疎水性物質を有する疎水性領域２１０を有する。
【００５５】
図１２に示すように、酸化剤ガスが透過する第１ガス拡散層１６においては、上流領域９１が親水性領域２００とされているため、水蒸気が第１ガス拡散層１６をこれの厚み方向に透過するとき、第１ガス拡散層１６の親水性領域２００において凝縮し易くなり、多孔質性をもつ第１ガス拡散層１６の細孔による毛細管現象を利用して、その水をＭＥＡ１の電解質膜１１に迅速に供給することができるため、電解質１１の過剰乾燥の抑制に有効である。また図１２に示すように、酸化剤ガスが透過する第１ガス拡散層１６については、下流領域９３が疎水性領域２１０とされているため、水が余剰となりがちの下流領域９３において水がはじかれ、フラッディング現象を抑制するのに寄与できる。
【００５６】
また酸化剤ガスの酸化剤（酸素）は発電反応により消費されるため、酸化剤ガス通路３１の上流領域９１では酸化剤ガスの酸化剤（酸素）の濃度が相対的に高く、下流領域９３では酸化剤ガスの酸化剤（酸素）の濃度が低い傾向がある。この点本実施例によれば、前述したように、第１ガス拡散層１６のうち上流領域９１の親水性で凝縮水の生成を促進させて酸化剤ガスの透過性を抑えると共に、第１ガス拡散層１６のうち下流領域９３を疎水性として酸化剤ガスの透過性を高めれば、第１ガス拡散層１６において上流領域９１と下流領域９３との間における発電ムラの低減に寄与できることが期待される。
【００５７】
なお、酸化剤ガスが透過する第１ガス拡散層１６における疎水性及び親水性の状況については、図１３の特性線Ｍ１に示すように、第１ガス拡散層１６の上流端９１ａで親水性を最も強くし、上流端９１ａから離れるにつれて親水性が傾斜的に弱くなる共に、第１ガス拡散層１６の下流端９３ａに向かうにつれて疎水性が次第に強くなるように設定することができる。あるいは、図１３の特性線Ｍ２に示すように、第１ガス拡散層１６の上流領域９１において親水性の強さをほぼ一定の強さとし、第１ガス拡散層１６の下流領域９３において疎水性をほぼ一定の強さとしても良い。
【００５８】
（第２実施例）
図１４，図１５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。図１４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１４に示すように、本実施例に係る固体高分子型燃料電池の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。
【００５９】
更に、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡ１の外側に配置され燃料極１２にガス状の燃料を供給する溝状の燃料通路２１を形成する燃料セパレータ２と、ＭＥＡ１の外側に配置され酸化剤極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を形成する酸化剤ガスセパレータ３Ｃと、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤極１５に背向する位置に通水路４１を形成する通水板４とを有する。
【００６０】
図１５は、酸化剤ガスセパレータ３Ｃのうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４における疎水性、親水性の状況を示す。図１５の特性線Ｓ１１に示すように、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの上流領域９１を疎水性に設定すると共に酸化剤ガスセパレータ３Ｃの下流領域９３を親水性に設定しており、且つ、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの上流領域９１の上流端９１ａで疎水性を最も強くし、上流端９１ａから離れるにつれて疎水性が傾斜的に弱くなる共に、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの下流領域９３の下流端９３ａに向かうにつれて親水性が次第に強くなるように設定している。
【００６１】
あるいは、図１５の特性線Ｓ１２に示すように、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの上流領域９１において疎水性の強さをほぼ一定の強さとし、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの下流領域９３において親水性をほぼ一定の強さとしても良い。いずれにしても、酸化剤ガスセパレータ３の上流領域９１は疎水性として設定されていると共に、下流領域９３は親水性として設定されている。
【００６２】
第２実施例においても、図２に細孔構造をモデル化して示すように、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの疎水性とされている上流領域９１においては、酸化剤ガス通路３１に対向する側の細孔の細孔径ＤＡは、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢよりも小さく設定されている。
【００６３】
更に図３に細孔構造をモデル化して示すように、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの親水性とされている下流領域９３においては、酸化剤ガス通路３１に対向する側の細孔の細孔径ＤＡ’よりも、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢ’は小さく設定されている。
【００６４】
第２実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの上流領域９１は疎水性を有する。このため酸化剤ガスセパレータ３Ｃに浸透した水は、液相としてよりも水蒸気として、疎水性をもつ細孔に進入しやすい。更に、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの上流領域９１については、酸化剤ガスパレータ３Ｃの厚み方向に沿った断面である図２,図５に示すように、酸化剤ガス通路３１に対向する側の細孔の細孔径ＤＡは、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢよりも小さく設定されている（ＤＡ＜ＤＢ）。このため、Kelvinの式に基づけば、前述したように酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４側の細孔内の水蒸気圧は高くなる。故に、上流流域９１においては、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの細孔が酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスを加湿する加湿性が増加する。これにより上流領域９１における過剰乾燥の問題を改善できる。
【００６５】
また親水性をもつ下流流域９３については、図３に示すように、通水路４１に対向する側の細孔の細孔径ＤＢ’は、酸化剤ガス通路３１に対向する側の細孔の細孔径ＤＡ’よりも小さく設定されている（ＤＢ’＜ＤＡ’）。このため下流流域９３については、酸化剤ガスセパレータの細孔が水を引き込む能力が高くなり、下流領域９３における余剰水を低減するのに有利となり、フラッディング現象の問題を改善できる。更にＤＢ’＜ＤＡ’とされているため、親水性とされている下流流域９３においては、Kelvinの式に基づけば、酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４側の細孔の水蒸気分圧を高くでき、吸湿性が一層増加する。
【００６６】
本実施例においても、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の下流領域９３の圧力をＰａ’とし、通水路４１のうち下流領域９３に対向する水の圧力をＰｗ’とすると、圧力Ｐａ’は圧力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３Ｃのうち下流領域９３においては、下流領域９３に滞留する水を、酸化剤ガスセパレータ３Ｃの細孔→通水路４１へと、矢印Ａ２方向に押し出して循環させることも期待できる。これにより酸化剤ガス通路３１における下流領域９３において液相としての水が余剰に滞留するときであっても、その余剰水を通水路４１に移行させるのに寄与できる。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抑制することができ、フラッディング現象の抑制に一層寄与することができる。
【００６７】
（製造例）
上記した多孔質な酸化剤ガスセパレータ３,３Ｃを構成する多孔質シート８Ｘ，８Ｙ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、造孔材の消失跡を細孔とし、多数の細孔をもつ酸化剤ガスセパレータ３,３Ｃとなる多孔質シート８Ｘ，８Ｙを形成することができる。造孔材のサイズを変化させれば、多孔質シート８Ｘ，８Ｙの細孔径を大きくしたり、小さくしたりできる。細孔径を大きくするには、造孔材のサイズを大きくすればよい。細孔径を小さくするには、造孔材のサイズを小さくすればよい。
【００６８】
酸化剤ガスセパレータ３の細孔径としては加湿性及び吸湿性等を考慮して適宜選択することができ、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。
【００６９】
酸化剤ガスセパレータ３,３Ｃに疎水性を与える疎水性物質としては、フッ素原子，ＣＦ₂基，ＣＦ₃基,ＣＨ₃基，ＣＨ₂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。
【００７０】
疎水性処理の代表例としては、酸化剤ガスセパレータ３,３Ｃ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。
【００７１】
例えば次のように行うことができる。図１６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。
【００７２】
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。
【００７３】
親水処理としては、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。酸化剤ガスセパレータ３の親水性の勾配をつける場合には、酸化剤ガスセパレータ３の先端３ｘから溶液に所定の速度で浸漬させる。酸化剤ガスセパレータ３の先端３ｘでは、親水性物質をもつ溶液に接触する時間が長くなるため、親水処理が進行して、親水性が強くなる。親水性物質をもつ溶液に接触する時間が短い部位では、親水性が弱くなる。この結果、酸化剤ガスセパレータ３に親水性の勾配をつけることができる。
【００７４】
（その他）
上記した実施例によれば、２枚の多孔質シート８Ｘ，８Ｙを積層させることにしているが、積層される多孔質シートしては３枚でも、４枚でも良い。上記した実施例によれば、燃料セパレータ２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。上記した実施例によれば、酸化剤ガスは逆Ｕ字形状に流れるが、これに限らず、Ｕ字形状に流れても良いし、横Ｕ字形状に流れても良い。上記した実施例ではＰｗ＋毛細管圧α＞Ｐａとされているが、必要に応じて、Ｐｗ=Ｐａ、Ｐｗ≒Ｐａ、Ｐｗ＞Ｐａ、Ｐｗ＜Ｐａとすることができる。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。
【００７５】
上記した記載から次の技術的思想を把握できる。
（付記項１）各請求項において、酸化剤ガスセパレータは、上流領域では、酸化剤ガス通路を加湿できる加湿機能を有し、下流領域では、酸化剤ガス通路の水分を吸収する吸湿機能を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。通水路における水の循環に寄与できる。
（付記項２）固体高分子型燃料電池の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において、酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、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、酸化剤ガスセパレータのうち上流領域では、酸化剤ガス通路に対向すると共に下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域が設けられ、酸化剤ガスセパレータの上流領域では、
酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径は、通水路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さ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用の酸化剤ガスセパレータ。
（付記項３）固体高分子型燃料電池の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において、酸化剤ガスセパレータは多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、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、酸化剤ガスセパレータのうち下流領域では、酸化剤ガス通路に対向すると共に上流領域よりも親水性が強い親水性領域が設けられ、酸化剤ガスセパレータの下流領域では、
酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、通水路に対向する側の細孔の細孔径は、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さ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用の酸化剤ガスセパレータ。
（付記項４）細孔径が相対的に大きい多数の細孔をもつ第１の多孔質シートと、細孔径が相対的に小さい多数の細孔をもつ第２の多孔質シートとを厚み方向に重ねることにより、表裏で細孔径が異なる酸化剤ガスセパレータを製造する固体高分子型燃料電池用の酸化剤ガスセパレータの製造方法。
（付記項５）上流領域が親水性を有すると共に下流領域が疎水性を有する酸化剤極用のガス拡散層。上流領域における電解質膜の乾燥を抑制でき、下流領域におけるフラッディング現象を抑制できる。
【００７６】
【発明の効果】
第１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上流領域について、酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径は、通水路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さく設定されている。このため上流領域については、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する側の細孔内の水蒸気圧は高くなる。故に、酸化剤ガスセパレータの上流流域の細孔が酸化剤ガス通路の酸化剤ガスを加湿する加湿性を増加させることができる。これにより上流領域における過剰乾燥を抑制できる。
【００７７】
第２発明に係る固体高分子型燃料電池用によれば、酸化剤ガスセパレータの下流領域について、酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、通水路に対向する側の細孔の細孔径は、酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さく設定されている。このように通水路に対向する側の細孔は細孔径が小さいため、酸化剤ガスセパレータの下流領域は毛細管圧により酸化剤ガス通路の水を引き込む能力が高くなり、酸化剤ガス通路の下流領域における余剰の水を吸収でき、下流領域におけるフラッディ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】酸化剤ガスセパレータの上流領域における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図３】酸化剤ガスセパレータの下流領域における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図４】（Ａ）は細孔径が大きい細孔をもつ多孔質シートを模式化した断面図であり、（Ｂ）は細孔径が小さい細孔をもつ多孔質シートを模式化した断面図である。
【図５】酸化剤ガスセパレータの上流領域における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図６】酸化剤ガスセパレータの下流領域における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図７】酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する対向面における疎水性の強さの状況を模式化して示すグラフであるる。
【図８】酸化剤ガス通路をもつ酸化剤ガスセパレータの正面図である。
【図９】シール用の緻密体部分を有する酸化剤ガスセパレータの正面図である。
【図１０】燃料通路をもつ燃料セパレータの正面図である。
【図１１】通水路をもつ通水板の正面図である。
【図１２】酸化剤ガスが通過するガス拡散層の正面図である。
【図１３】酸化剤ガスが通過するガス拡散層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１４】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１５】第２実施例に係り、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する対向面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１６】酸化剤ガスセパレータに疎水性処理を行う代表的な工程を模式的に示す斜視図である。
【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、３２は第１層、３３は第２層、４は通水板、４１は通水路、４３は給水口、４４は吐水口、４９は通水駆動部、９１は上流領域、９１ａは上流端、９３は下流領域、９３ａは下流端、８Ｘは多孔質シート、８Ｙは多孔質シートを示す。

Claims (8)

1. 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、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酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する通水板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は多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
   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、
   前記酸化剤ガスセパレータのうち前記上流領域では、前記酸化剤ガス通路に対向すると共に前記下流領域よりも疎水性が強い疎水性領域が設けられ、
   前記酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径は、前記通水路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さ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。
2. 請求項１において、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記下流領域では、前記酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、前記通水路に対向する側の細孔の細孔径は、前記酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さ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。
3. 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、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酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記酸化剤極に背向する位置に通水路を形成する通水板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は多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
   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、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記下流領域では、
   前記酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、前記通水路に対向する側の細孔の細孔径は、前記酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さ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。
4. 請求項３において、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記下流領域の少なくとも一部では、前記酸化剤ガス通路に対向すると共に前記上流領域よりも親水性が強い親水性領域が設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
5. 請求項３または請求項４において、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記上流領域では、前記酸化剤ガスパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガス通路に対向する側の細孔の細孔径は、前記通水路に対向する側の細孔の細孔径よりも小さ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。
6. 請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガスセパレータのうち前記通水路に対向する対向面は親水性をもつことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項において、前記酸化剤ガスセパレータの厚み方向に沿った断面において、前記酸化剤ガスセパレータは、前記通水路に対向する第１層と、前記酸化剤ガス通路に対向する第２層とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
8. 請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項において、前記酸化剤極のガス拡散層は、前記上流領域では親水性を有すると共に、前記下流領域では疎水性を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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