JP5029897B2

JP5029897B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5029897B2
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Inventors: 敦巳井田
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Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2012-09-19
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Description

本発明は燃料電池に関し、詳しくは固体高分子よりなる電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを備えた固体高分子型の燃料電池に関する。

近年、地球環境に優しく、また省資源化を図れる発電装置として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ型や固体高分子型等に分類される。これらの中でも固体高分子型燃料電池は、６０〜１００℃程度の低温領域での運転が可能で、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であり、しかも振動に強いため、電気自動車の最適な動力源として注目されている。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子よりなる電解質膜を燃料極（アノード、陰極）と空気極（カソード、陽極）とで挟んだ基本構造を有し、燃料極に水素を含有する燃料ガスを、空気極に酸素を含有する酸化ガスをそれぞれ供給することで、以下の電気化学反応により発電する。

燃料極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
空気極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
燃料極及び空気極は、それぞれ触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有する。各電極の触媒層が電解質膜を挟んで対向配置される。この触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。また、各電極のガス拡散層の外側にガス流路を有するセパレータがそれぞれ配設される。このガス拡散層は酸素や水素の通過経路となる。発電反応は、触媒層における触媒、イオン交換樹脂及び気相のいわゆる三相界面において進行する。

なお、電解質膜と、その両側に配設された一対の触媒層（燃料極触媒層及び空気極触媒層）と、各触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層と、各ガス拡散層の外側にそれぞれ配設された一対のセパレータとにより単位セルが構成される。そして、複数の単位セルを、各セル間に冷却水路を配設しつつ積層することで燃料電池が構成される。

燃料極においては、供給された燃料ガス中に含まれる水素が水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは電解質膜の内部を通って空気極に移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、供給された酸化ガス中に含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオン及び電子と反応して、水が生成する。このように外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。

このような固体高分子型燃料電池においては、固体高分子よりなる電解質膜の性能が、膜中に含まれる水分によって決定付けられる。すなわち、固体高分子型燃料電池における電解質膜には、陽イオン交換樹脂膜が使用される。この陽イオン交換樹脂膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ^＋））交換基を有し、飽和状態に含水されることで、常温で２０Ω・ｃｍ程度以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性膜として機能する。このため、陽イオン交換樹脂膜よりなる電解質膜をプロトン伝導性膜として良好に機能させるためには、電解質膜を飽和状態に維持する必要がある。しかし、陽イオン交換樹脂膜よりなる電解質膜の飽和含水量は温度によって可逆的に変化するため、温度変化により電解質膜からの蒸散が起こる。そこで、固体高分子型燃料電池の運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止すべく、燃料ガス中及び酸化ガス中に水蒸気の形で添加される加湿水と、空気極側における電気化学反応によって生成される水とによって、電解質膜を常に飽和状態に維持している。

ところが、空気極側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガス及び酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって液化するかによって、水の供給が過剰になると、この電解質膜が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディングが発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、さらには空気極への酸化ガスの供給が阻害されて、固体高分子型燃料電池の発生電圧が低下する。この電圧低下は、エネルギー交換効率の低下に繋がる。このため、固体高分子型燃料電池の高いエネルギー変換効率を維持するためには、フラッディングを抑制することが重要である。

そこで、かかるフラッディングを抑制して、固体高分子型燃料電池の効率を高めることを目的とした技術が、これまでにいくつか提案されてきている。

例えば、特許文献１には、冷却水路と燃料ガス流路との間、すなわち燃料極セパレータよりも冷却水路側に、燃料極セパレータよりも熱伝導率の低い材質よりなる断熱層を設ける技術が記載されている。この技術では、酸化ガス側よりも流速が遅くフラッディングが発生し易い燃料ガス側において、燃料ガス流路を流れる燃料ガスが冷却されることを断熱層により抑えることで、燃料ガスの温度を高く維持して、フラッディングを抑制する。

また、特許文献２には、セパレータのランド部（リブ部）とガス拡散層との間に、セパレータよりも熱伝導率の低い部材を設ける技術が開示されている。この技術では、セパレータのランド部（リブ部）とガス拡散層との間に低熱伝導率部材を設けることで、セパレータのランド部（リブ部）下の温度をセパレータのチャネル部（ガス流路）下の温度と同等になるようにして、ランド部（リブ部）下の触媒層を有効に活用してフラッディングを抑制する。
特開２００５−２０３３１３号公報特開２００７−１４１５５５号公報

しかし、上述した従来技術では、ガス拡散層よりも外側（セパレータ側）に低熱伝導率部材が設けられているので、低熱伝導率部材は少なくともガス拡散層の厚さ分に相当する距離だけ触媒層から離れている。このように触媒層や電解質膜から距離を隔てた低熱伝導率部材では、触媒層や電解質膜の温度を高く維持することが困難となる。したがって、上述した従来技術では、触媒層や電解質膜におけるフラッディングの抑制に対する、低熱伝導率部材の応答性が低く、フラッディングを確実に抑制することが困難であった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、触媒層や電解質膜でのフラッディングを確実に抑制することを解決すべき技術課題とするものである。

（１）上記課題を解決する本発明の燃料電池は、固体高分子よりなる電解質膜と、該電解質膜の両側に配設された一対の触媒層と、各該触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層と、各該ガス拡散層の外側にそれぞれ配設され各該ガス拡散層との間にそれぞれガス流路を形成する一対のセパレータとを備えた燃料電池において、前記ガス拡散層の全体が熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定された低熱伝導率部よりなり、前記ガス拡散層は基材を備え、該基材の厚さの調整により該ガス拡散層の熱伝導率が前記範囲に設定されていることを特徴とするものである。

この燃料電池では、ガス拡散層の全体が熱伝導率が低くなるように構成された低熱伝導率部よりなり、この低熱伝導率部が触媒層に当接する。このため、触媒層に当接する低熱伝導率部により、触媒層からガス流路側への熱伝導を確実に抑えて、触媒層や電解質膜における場の温度を確実に高く維持することができる。したがって、触媒層や電解質膜における場の飽和水蒸気量を多くすることができる。よって、触媒層や電解質膜における場の水をより多くの水蒸気に気化させることが可能となる。

また、この燃料電池では、ガス拡散層において、触媒層との当接面からガス拡散層の外側に向かう方向で温度が変化する。すなわち、ガス拡散層の触媒層との当接面で最も温度が高くなり、該当接面からガス拡散層の外側に向かう（該当接面から離れる方向に向かう）に連れて温度が徐々に低くなる。このため、このガス拡散層における場の飽和水蒸気圧も、触媒層との当接面からガス拡散層の外側に向かう方向において変化する。

すなわち、ガス拡散層の触媒層との当接面でその場における飽和水蒸気圧が最も高くなり、該当接面からガス拡散層の外側に向かう（該当接面から離れる方向に向かう）に連れてその場における飽和水蒸気圧が徐々に低くなる。このように飽和水蒸気圧が変化すれば、飽和水蒸気圧の高い側と低い側とで水蒸気分圧にも差が生じることになる。そして、水蒸気分圧に差が生じれば、水蒸気分圧の高い側から低い側に向かって水分移動が発生する。このため、ガス拡散層においては、飽和水蒸気圧が高くその場の水蒸気分圧も高い触媒層との当接面側から、飽和水蒸気圧が低くその場の水蒸気分圧も低いガス拡散層の外側に向かって、水分移動が発生する。したがって、触媒層に存在する水分を、この触媒層に当接するガス拡散層を介して、ガス拡散層の外側に向かって移動させることができる。すなわち、ガス拡散層により、触媒層からガス拡散層の外側に向かう水分移動を促進することができる。

そして、本発明の燃料電池においては、ガス拡散層の熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定されているので、後述する実施例で示されるように、電解質膜の乾燥（ドライアップ）並びに触媒層及び電解質膜におけるフラッディングを効果的に抑制することができ、特に高電流域での発電性能を効果的に向上させることが可能となる。ガス拡散層の熱伝導率が１．０Ｗ／ｍＫよりも高いと、触媒層及び電解質膜におけるフラッディングを効果的に抑制することができない。一方、ガス拡散層の熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫよりも低いと、電解質膜の乾燥を効果的に抑制することができない。

よって、本発明の燃料電池によれば、触媒層及び電解質膜における水分量を確実に減らすことができ、触媒層及び電解質膜でのフラッディングを確実に抑制することが可能となる。

また、上述のとおり、ガス拡散層により、触媒層からガス拡散層の外側に向かう水分移動を促進することができるので、ガス拡散層においてもフラッディングを効果的に抑制することが可能となる。

また、この燃料電池では、ガス拡散層は基材を備え、基材の厚さの調整によりガス拡散層の熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定されている。

この構成によれば、基材を構成するカーボン繊維等の熱伝導率及び同基材の空孔率に応じてその基材の厚さを適宜調整することで、ガス拡散層における熱伝導率を前記所定の範囲に容易に設定することができる。

例えば、約１．７Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するカーボン繊維よりなり、かつ、空孔率が約６０％である基材によりガス拡散層を構成する場合は、（２）前記基材の厚さを４００μｍ〜１．１ｍｍとすることが好ましい。これにより、このガス拡散層の熱伝導率を０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定することができる。

（３）上記課題を解決する本発明の燃料電池は、固体高分子よりなる電解質膜と、該電解質膜の両側に配設された一対の触媒層と、各該触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層と、各該ガス拡散層の外側にそれぞれ配設され各該ガス拡散層との間にそれぞれガス流路を形成する一対のセパレータとを備えた燃料電池において、前記ガス拡散層の全体が熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定された低熱伝導率部よりなり、前記ガス拡散層は基材を備え、該基材の空孔率の調整により該ガス拡散層の熱伝導率が前記範囲に設定されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、基材を構成するカーボン繊維等の熱伝導率及び同基材の厚さに応じてその基材の空孔率を適宜調整することで、ガス拡散層における熱伝導率を前記所定の範囲に容易に設定することができる。

例えば、約１．７Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するカーボン繊維よりなり、かつ、厚さが約２００μｍである基材によりガス拡散層を構成する場合は、（４）前記基材の空孔率を７０〜９０％とすることが好ましい。これにより、このガス拡散層の熱伝導率を０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定することができる。

したがって、本発明の燃料電池によれば、触媒層及び電解質膜における水分量を確実に減らすことができ、触媒層及び電解質膜でのフラッディングを確実に抑制することが可能となる。また、電解質膜におけるドライアップを確実に抑制することができる。

よって、本発明の燃料電池によれば、特に高電流域での発電性能を効果的に向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。

（実施形態１）
本実施形態の燃料電池は、複数の単位セルを、各セル間に冷却水路（図示せず）を設けつつ積層してなるものである。

本実施形態に係る単位セルは、図１に示されるように、ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１と、このＭＥＡ１の両側に配設された一対のガス拡散層２Ａ、２Ｃと、各ガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側にそれぞれ配設された一対のセパレータ３Ａ、３Ｃとを備えている。

ＭＥＡ１は、固体高分子よりなる電解質膜と、この電解質の両側に配設された一対の触媒層とから構成されている。なお、この単位セルにおいては、電解質膜の一方の面に配設された一方の触媒層とこの触媒層の外側に配設されて当接するガス拡散層２Ａとによりアノード極としての燃料極が構成され、また、電解質膜の他方の面に配設された他方の触媒層とこの触媒層の外側に配設されて当接するガス拡散層２Ｃとによりカソード極としての空気極が構成される。

固体高分子よりなる電解質膜は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、燃料極側の触媒層と空気極側の触媒層との間でプロトンを移動させる陽イオン交換膜として機能する。この電解質膜は、含フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成することが可能であり、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（「Ｎａｆｉｏｎ」、デュポン社製、登録商標）などが挙げられる。

触媒層は、多孔膜であり、例えばイオン交換樹脂粒子と触媒活性物質を担持した導電性担体とから構成することができる。イオン交換樹脂粒子は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子よりなる電解質膜とを電気的に接続させる機能をもつ。イオン交換樹脂粒子は、電解質膜と同様の高分子材料から形成することが好ましい。触媒活性物質としては、白金、ルテニウムやロジウム等の貴金属粒子が例示される。触媒を担持する導電性担体としては、カーボンブラック、アセチレンブラックやカーボンナノチューブなどが例示される。

ガス拡散層２Ａ、２Ｃは、ガス流路に供給されるガスを触媒層に供給する機能をもつ。また、ガス拡散層２Ａ、２Ｃは、発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガス等を外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層２Ａ、２Ｃは、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えば、カーボン繊維よりなるカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン基材により構成することができる。このガス拡散層２Ａ、２Ｃにおいては、必要に応じて、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）等を含浸させて撥水性を付与したり、さらにカーボンブラック等のカーボン粉末をＰＴＦＥとともに混練したカーボンペーストを塗布したりしてもよい。

セパレータ３Ａ、３Ｃは、例えば、カーボンにて板状に形成されたものである。各セパレータ３Ａ、３Ｃのそれぞれガス拡散層２Ａ、２Ｃに対向する面には、ガス流路（図示せず）が形成されている。

このような構成を有する燃料電池は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、カーボン粉末の表面に白金等の所定の触媒活性物質を担持させた触媒担持カーボンを準備し、この触媒担持カーボン、ナフィオン溶液及びアルコール溶媒を混合して触媒インクを調製する。そして、この触媒インクをポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布して、乾燥した後、これを所定の大きさに打ち抜いてポリテトラフルオロエチレンシートから剥がすことにより、触媒層を形成する。得られた触媒層を別途準備した電解質膜の一面及び他面にそれぞれ配設し、これら三者をホットプレスにより一体的に接合して、電解質膜−触媒層の接合体とする。さらに、触媒層の外側にガス拡散層やセパレータを配設して単位セルを作成し、この単位セルを複数個、積層状に組み立てることにより、燃料電池とする。

この燃料電池の運転時には、セパレータ３Ａに設けられたガス流路に水素ガスを含む燃料ガスが供給され、セパレータ３Ｃに設けられたガス流路に酸素を含む酸化ガスが供給される。そして、セパレータ３Ａに設けられたガス流路を流れる燃料ガスが燃料極側のガス拡散層２Ａに接触し、セパレータ３Ｃに設けられたガス流路を流れる酸化ガスが空気極側のガス拡散層２Ｃに接触する。これにより、単位セル内で発電反応が生じる。

すなわち、燃料極側のガス拡散層２Ａを介して触媒層に燃料ガスが供給されると、燃料ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子から成る電解質膜中を空気極側の触媒層へ移動する。このとき燃料極側の触媒層から放出される電子は外部回路に移動し、外部回路を介して空気極側の触媒層に流れ込む。一方、空気極側のガス拡散層２Ｃを介して触媒層に酸化ガスが供給されると、酸素イオンがプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極から空気極に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。

ここに、本実施形態の燃料電池におけるガス拡散層２Ａの全体は、熱伝導率が低くなるように構成された低熱伝導率部よりなる。同様に、ガス拡散層２Ｃの全体も、熱伝導率が低くなるように構成された低熱伝導率部よりなる。

具体的には、ガス拡散層２Ａ、２Ｃは、カーボン繊維よりなるカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン基材により構成されている。そして、ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材の厚さを４００μｍ〜１．１ｍｍとすることで、このガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定されている。

このガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材は、熱伝導率が１．７Ｗ／ｍＫであり、空孔率が６０％である。そして、このガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が所定範囲となるように、ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材（カーボン繊維）の熱伝導率及び同カーボン基材の空孔率から、適切なカーボン基材の厚さを計算により求めている。

したがって、本実施形態の燃料電池では、低熱伝導率部よりなるガス拡散層２Ａ、２Ｃが触媒層に当接する。このため、触媒層に当接する低熱伝導率部としてのガス拡散層２Ａ、２Ｃにより、触媒層からガス流路側への熱伝導を確実に抑えて、ＭＥＡ１における（触媒層や電解質膜における）場の温度を高く維持することができる。したがって、ＭＥＡ１における（触媒層や電解質膜における）場の飽和水蒸気量を多くすることができる。よって、ＭＥＡ１における（触媒層や電解質膜における）場の水をより多くの水蒸気に気化させることが可能となる。

また、この燃料電池では、低熱伝導率部よりなるガス拡散層２Ａ、２Ｃにおいて、触媒層との当接面からガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側に向かう方向で温度が変化する。すなわち、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの触媒層との当接面で最も温度が高くなり、該当接面からガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側に向かう（該当接面から離れる方向に向かう）に連れて温度が徐々に低くなる。このため、このガス拡散層２Ａ、２Ｃにおける場の飽和水蒸気圧も、触媒層との当接面からガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側に向かう方向において変化する。

すなわち、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの触媒層との当接面でその場における飽和水蒸気圧が最も高くなり、該当接面からガス拡散層２Ａ、２ｃの外側に向かう（該当接面から離れる方向に向かう）に連れてその場における飽和水蒸気圧が徐々に低くなる。このように飽和水蒸気圧が変化すれば、飽和水蒸気圧の高い側と低い側とで水蒸気分圧にも差が生じることになる。そして、水蒸気分圧に差が生じれば、水蒸気分圧の高い側から低い側に向かって水分移動が発生する。このため、ガス拡散層２Ａ、２Ｃにおいては、飽和水蒸気圧が高くその場の水蒸気分圧も高い触媒層との当接面側から、飽和水蒸気圧が低くその場の水蒸気分圧も低いガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側に向かって、水分移動が発生する。したがって、触媒層に存在する水分を、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの触媒層との当接面からガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側に向かって移動させることができる。すなわち、低熱伝導率部よりなるガス拡散層２Ａ、２Ｃにより、触媒層からガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側に向かう水分移動を促進することができる。

そして、本実施形態の燃料電池においては、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定されているので、電解質膜の乾燥（ドライアップ）並びに触媒層及び電解質膜におけるフラッディングを効果的に抑制することができ、特に高電流域での発電性能を効果的に向上させることが可能となる。

よって、本実施形態の燃料電池によれば、触媒層及び電解質膜における水分量を確実に減らすことができ、触媒層及び電解質膜でのフラッディングを確実に抑制することが可能となる。

また、上述のとおり、低熱伝導率部よりなるガス拡散層２Ａ、２Ｃにより、触媒層からガス拡散層２Ａ、２Ｃの外側に向かう水分移動を促進することができるので、ガス拡散層２Ａ、２Ｃにおいてもフラッディングを効果的に抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態では、ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材の厚さを、従来（１５０〜３００μｍ程度）よりも厚くするという極めて簡単な手段により、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率を所定範囲に設定しているので、従来よりも低い熱伝導率を有するガス拡散層２Ａ、２Ｃの製造が容易である。

（実施形態２）
本実施形態の燃料電池は、前記実施形態１の燃料電池におけるガス拡散層２Ａ、２Ｃの構成を変更したものである。

すなわち、図２に示される本実施形態の燃料電池におけるガス拡散層２Ａの全体は、熱伝導率が低くなるように構成された低熱伝導率部よりなる。同様に、ガス拡散層２Ｃの全体も、熱伝導率が低くなるように構成された低熱伝導率部よりなる。

具体的には、ガス拡散層２Ａ、２Ｃは、カーボン繊維よりなるカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン基材により構成されている。そして、ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材の空孔率を７０〜９０％とすることで、このガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定されている。

このガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材は、熱伝導率が１．７Ｗ／ｍＫであり、厚さが２００μｍである。そして、このガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が所定範囲となるように、ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材（カーボン繊維）の熱伝導率及び同カーボン基材の厚さから、適切なカーボン基材の空孔率を計算により求めている。

ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材の空孔率を７０〜９０％と高くするには、このカーボン基材としてカーボンペーパーを採用する場合は、カーボン繊維量及びバインダー量を所定量減らしたり、塩化ナトリウムや炭酸カルシウム等の造孔剤を添加したり、あるいはカーボンペーパーを延伸加工したりすればよい。また、カーボン基材としてカーボンクロスを採用する場合は、織りを所定量粗くしたり、塩化ナトリウムや炭酸カルシウム等の造孔剤を添加したり、あるいはカーボンクロスを延伸加工したりすればよい。

その他の構成は、前記実施形態１と基本的には同様である。

したがって、本実施形態の燃料電池も、基本的には前記実施形態１の燃料電池と同様の作用効果を奏する。

また、本実施形態では、ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材の空孔率を、従来（６０％程度）よりも高くするという極めて簡単な手段により、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率を所定範囲に設定しているので、従来よりも低い熱伝導率を有するガス拡散層２Ａ、２Ｃの製造が容易である。

（参考形態１）
本参考形態の燃料電池は、前記実施形態１の燃料電池におけるガス拡散層２Ａ、２Ｃの構成を変更したものである。

すなわち、図３に示される本参考形態の燃料電池におけるガス拡散層２Ａの全体は、熱伝導率が低くなるように構成された低熱伝導率部よりなる。同様に、ガス拡散層２Ｃの全体も、熱伝導率が低くなるように構成された低熱伝導率部よりなる。

具体的には、ガス拡散層２Ａ、２Ｃは、カーボン繊維よりなるカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン基材と、このカーボン基材に保持された高分子樹脂部とから構成されている。そして、ガス拡散層２Ａ、２Ｃにおいて、カーボン基材に対して保持させる高分子樹脂部の熱伝導率及び保持量を適宜調整することで、ガス拡散層２Ａ、２Ｃにおける熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定されている。

このガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材は、熱伝導率が１．７Ｗ／ｍＫであり、厚さが２００μｍであり、空孔率が６０％である。そして、このガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が所定範囲となるように、ガス拡散層２Ａ、２Ｃを構成するカーボン基材（カーボン繊維）の熱伝導率、厚さ及び空孔率から、カーボン基材に保持させる高分子樹脂部の熱伝導率及び保持量を計算により求めている。

例えば、ガス拡散層２Ａ又は２Ｃの全体を１００質量％としたとき、０．２〜０．４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する高分子樹脂を、カーボン基材に対して１５〜５０質量％の配合量で保持させることにより、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率を０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定することができる。

０．２〜０．４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する高分子樹脂としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン樹脂）やＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）等のフッ素系樹脂や、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）を採用することができる。

カーボン基材に対して高分子樹脂を保持させるには、高分子樹脂を界面活性剤等の有機溶剤に分散させ、カーボン繊維よりなるカーボン基材に含浸させた後、焼成して界面活性剤等の有機溶剤を除去すればよい。

したがって、本参考形態の燃料電池も、基本的には前記実施形態１の燃料電池と同様の作用効果を奏する。

なお、この参考形態１において、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの全体ではなく、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの触媒層側の一部のみを低熱伝導率部としてもよい。すなわち、ガス拡散層２Ａ、２Ｃのうち触媒層側の一部においてカーボン基材に対して高分子樹脂を保持させて低熱伝導率部とし、その他の部位をカーボン基材よりなる一般部としてもよい。

（参考形態２）
本参考形態の燃料電池は、前記実施形態１の燃料電池におけるガス拡散層２Ａ、２Ｃの構成を変更したものである。

すなわち、図４に示される本参考形態の燃料電池におけるガス拡散層２Ａは、触媒層側の低熱伝導率部２１Ａと、セパレータ側の一般部２２Ａとから構成されている。同様に、ガス拡散層２Ｃは、触媒層側の低熱伝導率部２１Ｃと、セパレータ側の一般部２２Ｃとから構成されている。

ガス拡散層２Ａ、２Ｃの低熱伝導率部２１Ａ、２１Ｃは、樹脂多孔体よりなる。また、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの一般部２２Ａ、２２Ｃは、カーボン繊維よりなるカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン基材により構成されている。

ガス拡散層２Ａ、２Ｃの低熱伝導率部２１Ａ、２１Ｃを構成する樹脂多孔体としては、例えば、ポリアセチレンを射出発泡成形することにより形成した多孔体シートや、あるいはポリアセチレン繊維を織布することにより形成した樹脂製メッシュシートを採用することができる。

樹脂多孔体よりなる低熱伝導率部２１Ａ、２１Ｃと、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン基材よりなる一般部２２Ａ、２２Ｃとは、接着やホットプレス等により一体的に接合してもよいし、あるいは接合しなくてもよい。

ガス拡散層２Ａ、２Ｃにおいて、ガス拡散層２Ａ、２Ｃにおける熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定されるように、一般部２２Ａ、２２Ｃを構成するカーボン基材の熱伝導率、厚さ及び空孔率に応じて、低熱伝導率部２１Ａ、２１Ｃを構成する樹脂多孔体の熱伝導率、厚さ及び空孔率を計算により求めている。

具体的には、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの一般部２２Ａ、２２Ｃを構成するカーボン基材は、熱伝導率が１．７Ｗ／ｍＫであり、厚さが２００μｍであり、空孔率が６０％である。そして、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの低熱伝導率部２１Ａ、２１Ｃを構成する樹脂多孔体を構成する樹脂の熱伝導率、樹脂多孔体の厚さ及び空孔率をそれぞれ０．０５〜０．６Ｗ／ｍＫ、８．３〜９０μｍ及び４０〜７０％に調整して、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率を０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定している。より具体的には、樹脂多孔体の厚さを５０μｍに固定したときは樹脂の熱伝導率を０．０５〜０．６Ｗ／ｍＫの範囲で調整したり、あるいは樹脂の熱伝導率を０．１Ｗ／ｍＫに固定したときは樹脂多孔体の厚さを８．３〜９０μｍの範囲で調整したりして、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率を０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定している。

（シミュレーションによる解析結果）
前記実施形態１の燃料電池について、シミュレーションによる解析結果を図５〜図７に示す。

図５は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率と、燃料電池の発電性能（ＩＶ性能）との関係を示す。図５において、細線は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫであるときのＩＶ性能を示すシミュレーション結果であり、太線は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が１Ｗ／ｍＫであるときのＩＶ性能を示すシミュレーション結果であり、点線は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫであるときのＩＶ性能を示すシミュレーション結果である。また、一点鎖線は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が無限大であるとき、すなわちガス拡散層２Ａ、２Ｃの全体が等温（８０℃）であるときのＩＶ性能を示すシミュレーション結果である。

図６は、ＭＥＡ膜１（電解質膜及び一対の触媒層）、ガス拡散層２Ａ、２Ｃにおいて、膜直方向（電解質膜の面の法線方向）における温度分布を示す。図６において、細線は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫであるときの温度分布を示すシミュレーション結果であり、太線は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が１Ｗ／ｍＫであるときの温度分布を示すシミュレーション結果であり、点線は、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫであるときの温度分布を示すシミュレーション結果である。

図７は、図５のシミュレーション結果から、電流密度が１．２Ａ／ｃｍ^２であるときの、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率と電圧との関係をプロットしたものである。

図５〜図７より、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫであるときに、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ^２程度以上の高電流域で、燃料電池のＩＶ性能が向上することがわかる。特に、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が０．３〜０．８Ｗ／ｍＫの範囲にあれば、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ^２程度以上の高電流域で、燃料電池のＩＶ性能が極めて向上することがわかる。

一方、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が高すぎると、燃料電池のＩＶ性能が向上しない。これは、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が高すぎると、ＭＥＡ１（触媒層及び電解質膜）の温度を高温に維持することができず、ＭＥＡ１（触媒層及び電解質膜）におけるフラッディングを効果的に抑制することができないからである。また、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が低すぎても、燃料電池のＩＶ性能が向上しない。これは、ガス拡散層２Ａ、２Ｃの熱伝導率が低すぎると、ＭＥＡ１（触媒層及び電解質膜）の温度が高くなりすぎて、電解質膜が乾燥（ドライアップ）するためである。

実施形態１の燃料電池に係る単位セルの基本構成を模式的に示す断面図である。実施形態２の燃料電池に係る単位セルの基本構成を模式的に示す断面図である。参考形態１の燃料電池に係る単位セルの基本構成を模式的に示す断面図である。参考形態２の燃料電池に係る単位セルの基本構成を模式的に示す断面図である。ガス拡散層の熱伝導率と燃料電池のＩＶ性能との関係について、シミュレーション結果を示す図である。ガス拡散層の熱伝導率とＭＥＡ及びガス拡散層における温度分布との関係について、シミュレーション結果を示す図である。図５のシミュレーション結果から、ガス拡散層の熱伝導率と燃料電池のＩＶ性能との関係を求めた図である。

符号の説明

１…ＭＥＡ２Ａ、２Ｃ…ガス拡散層
３Ａ、３Ｃ…セパレータ

Claims

固体高分子よりなる電解質膜と、該電解質膜の両側に配設された一対の触媒層と、各該触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層と、各該ガス拡散層の外側にそれぞれ配設され各該ガス拡散層との間にそれぞれガス流路を形成する一対のセパレータとを備えた燃料電池において、
前記ガス拡散層の全体が熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定された低熱伝導率部よりなり、
前記ガス拡散層は基材を備え、該基材の厚さの調整により該ガス拡散層の熱伝導率が前記範囲に設定されていることを特徴とする燃料電池。
前記基材の厚さが４００μｍ〜１．１ｍｍである請求項１に記載の燃料電池。
固体高分子よりなる電解質膜と、該電解質膜の両側に配設された一対の触媒層と、各該触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層と、各該ガス拡散層の外側にそれぞれ配設され各該ガス拡散層との間にそれぞれガス流路を形成する一対のセパレータとを備えた燃料電池において、
前記ガス拡散層の全体が熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの範囲に設定された低熱伝導率部よりなり、
前記ガス拡散層は基材を備え、該基材の空孔率の調整により該ガス拡散層の熱伝導率が前記範囲に設定されていることを特徴とする燃料電池。
前記基材の空孔率が７０〜９０％である請求項３に記載の燃料電池。