燃料電池、および燃料電池の製造方法
【課題】発電層部材の表面に沿った方向の排水性を高めて、発電層部材の表面積あたりの電流値を高く設定しても局所的な水没領域が発生しにくくした燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体４の上面側に燃料拡散層６、下面側に酸素流路材２を配置する。酸素流路材２は発電セルの対向する側面に形成した空気取り入れ口から取り込んだ大気中の酸素を膜電極接合体４に供給する。酸素流路材２の表面にはカーボン粒子の拡散層３が形成され、拡散層３の膜電極接合体４に接する面に並列な多数の排水溝３Ｍが形成されている。溝幅を３０μｍとすることで、膜電極接合体４の生成水が強力に収集され、膜電極接合体４の水没（フラッディング）を回避できる。
【解決手段】膜電極接合体４の上面側に燃料拡散層６、下面側に酸素流路材２を配置する。酸素流路材２は発電セルの対向する側面に形成した空気取り入れ口から取り込んだ大気中の酸素を膜電極接合体４に供給する。酸素流路材２の表面にはカーボン粒子の拡散層３が形成され、拡散層３の膜電極接合体４に接する面に並列な多数の排水溝３Ｍが形成されている。溝幅を３０μｍとすることで、膜電極接合体４の生成水が強力に収集され、膜電極接合体４の水没（フラッディング）を回避できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電層部材に酸素を供給するとともに発電層部材で生成された水分子を運び出す酸素供給層を備えた燃料電池、詳しくは、発電層部材の水分過剰な部分から効率的に液体水を排出する酸素供給層の表面構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電層部材の一方の面側に密封された水素ガス供給空間を配置し、発電層部材の他方の面側に酸素供給層を備えた燃料電池が実用化されている。発電層部材は、水素ガス供給空間から水素イオンを取り込み、酸素供給層側の面で水素イオンを酸素と化合させて発電を行う。酸素供給層は、発電層部材の表面に必要な量の酸素を供給するとともに、発電層部材の酸素供給層側で生成された水分子を運び出す拡散経路、または排出経路として機能する。
【０００３】
特許文献１には、発電層部材を有する発電セルを積み重ねて直列に接続した燃料電池が示される。そして、発電セルごとの側面の開口を通じて大気中の酸素を取り込み、同じ開口を通じて酸素供給層の水分を大気中に蒸発拡散させる。発電層部材には、高分子電解質膜の両面に多孔質導電性の触媒層を形成した膜電極接合体が採用され、板状で通気性を有する酸素供給層の開口に臨む側面側が大気に開放されている。酸素供給層の側面側から取り入れられた酸素は、酸素供給層の中を三次元的に拡散して、酸素供給層の片方の底面を通じて膜電極接合体の全面に供給される。膜電極接合体で生成された水分子は、水蒸気として酸素供給層へ取り込まれ、水蒸気の濃度勾配に従って側面側へ拡散し、開口を通じて大気中へ排出される。
【０００４】
特許文献２には、酸素供給層の一方の側面側から他方の側面側へ強制的に大気を送り込んで貫流させる燃料電池が示される。そして、大気を貫流させる酸素供給層の下流側では上流側よりも組織密度を下げて流路抵抗を低くしている。
【０００５】
特許文献３には、発電セルの対向する側面を貫通させた溝状の空気流路が形成されたセパレータを酸素供給層に重ねて配置した燃料電池が示される。そして、空気流路に接する酸素供給層の組織密度を厚さ方向に変化させ、膜電極接続体に接する拡散層の組織密度を中間層よりも高くして、中間層の保水性を高めている。
【０００６】
特許文献４には、発電層部材に重ねて配置した酸素供給層の高分子電解質膜側の面に触媒層を形成した燃料電池が示される。そして、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行っている。酸素供給層を厚み方向に貫通させて口径１００μｍ以下の貫通孔が４００個／ｍｍ２の高密度で形成されて、厚み方向の拡散性能が高められている。高分子電解質膜側から反対側の面へ向かって断面積が増える貫通孔（円錐状）は、酸素や水蒸気の通過抵抗を下げつつ、高分子電解質膜側の接触面積と酸素供給層の強度とを高めている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６４２３４３７号明細書
【特許文献２】特開２００４−２７３３９２号公報
【特許文献３】特開２００５−１７４６０７号公報
【特許文献４】特開２００２−１１０１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
機器と一体に持ち運ばれる燃料電池は、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行うことが望ましい。そのような燃料電池は、起動に際して外部からの電力供給に頼らないことが望ましく、大気の循環機構やブロアーは部品点数を増やして、燃料電池の小型化軽量化に反するからである。特許文献２、３に示される燃料電池は、そのような大気の循環機構やブロアーを前提としたものである。
【０００９】
しかし、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを全くの自然拡散に頼る場合、水蒸気の排出量は環境次第となり、低温高湿の環境では酸素供給層を通じた水蒸気の排出量が減る。そして、酸素供給層を通じた水蒸気の排出量以上に発電層部材で水分子が生成されると、発電層部材と酸素供給層との界面付近に液体水が停滞し、発電層部材の表面が部分的に水没（フラッディング）する。水没した領域では発電層部材への酸素供給が妨げられて発電性能が損なわれるので、水没していない部分での電流密度が高って発電セルの起電力が低下する。そして、そのまま運転を継続すると、電流密度の高まった領域に水没領域が広がって発電層部材の全面水没に至り、発電が停止する可能性もある。
【００１０】
従って、酸素供給層に大気を強制循環させる能動型に比較して、自然拡散に頼る受動型では、低温高湿を想定して、発電層部材の表面積あたりの電流値（＝水生成量）を極端に小さく設定する必要がある。発電層部材の表面積あたりの電流値を極端に小さく設定すると、発電層部材の面積が大きくなって発電部が大型化し、かえって能動型よりも燃料電池が大型化する。
【００１１】
特許文献４に示される燃料電池は、そのような受動型を前提として、発電層部材と酸素供給層との界面付近の水蒸気の排出性能を高めている。しかし、酸素供給層は、その厚み方向にのみ水蒸気の拡散性能が高められているに過ぎず、発電層部材に沿った方向の水分移動は、酸素供給層の自然拡散に全面依存している。従って、酸素供給層内の通気状態の悪い領域（側面の開口から遠い位置等）で局所的に水蒸気分圧が高まって、液体水に水没した領域が形成されてしまう。水没した領域から発電層部材の面に沿った方向への液体水の排除能力が無いので、電流密度の高まった領域に水没領域が広がって、遅かれ早かれ発電層部材の全面水没に至る可能性がある。
【００１２】
本発明は、発電層部材の表面に沿った方向の排水性を高めて、その表面積あたりの電流値を高く設定しても局所的な水没領域が発生しにくい燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池は、一方の面から他方の面へ水素イオンを移動させて発電する発電層部材と、前記一方の面側に配置されて、前記水素イオンに反応させる酸素を前記一方の面に拡散して供給する酸素供給層とを備える。そして、前記酸素供給層の前記発電層部材側の面に、周囲の前記酸素供給層よりも液体水の保持性を高めた排水溝が形成されているものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池は、発電層部材の部分的な水没を引き起す液体水を排水溝に集めて、排水溝に沿った方向に液体水の状態で移動させる。周囲よりも液体水の保持性が高い排水溝は、発電層部材の表面の液体水を吸い寄せて発電層部材の表面を覆うことを妨げ、排水溝幅を超える領域の水没が抑制される。
【００１５】
そして、排水溝が液体水を集める力が排水溝に沿った液体水の流れを形成するので、発電層部材の表面における液体水の分布の偏りが排水溝を通じた液体水の移動によって平均化される。
【００１６】
液体水の状態で過剰領域から不足領域へ水が移動するので、発電開始後速やかに発電層部材の湿潤度も均一化され、高分子電解質膜の場合であれば、発電層部材の全体から高い発電性能（起電力）を引き出せる。排水溝を通じた液体水の移動は、全量を水蒸気の状態で移動させる場合ほどには酸素供給層の水蒸気分圧を高めないので、酸素供給層を通じた水蒸気の外部への排出性能は高く維持される。酸素供給層を通じた逆方向の酸素の拡散も円滑になる。
【００１７】
従って、発電層部材の表面積あたりの電流値を高く設定しても発電層部材の局所的な水没領域が発生しにくくなる。小面積の発電層部材を用いて、大気の循環機構やブロアーに頼らなくても大きな電流が出力可能となる。高信頼性、長寿命、高性能を実現しつつ、部品点数が少なく小型軽量で安価な燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池の一実施形態である燃料電池について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池は、以下に説明する燃料電池１０等の限定的な構成には限定されない。発電層部材と酸素供給層とを備えて水分子が生成される限りにおいて、燃料電池１０等の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。
【００１９】
本実施形態では、燃料タンク１０Ｂに貯蔵した水素ガスを用いて発電を行うが、燃料タンク１０Ｂに水素原子を含むメタノール等の液体燃料を貯蔵し、刻々必要なだけ水素ガスに改質反応させて発電セル１０Ｓに供給してもよい。
【００２０】
本実施形態の燃料電池は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に着脱可能に装備される独立した燃料電池として実施できる。また、電子機器に燃料電池の発電部だけを一体に組み込んで、燃料タンクを着脱させる形式でも実施できる。
【００２１】
なお、特許文献１〜４に示される燃料電池の構造、運転方法、触媒層とその製造方法、高分子電解質膜、膜電極接合体の構造、動作原理、製造方法等については、随時参照可能な技術常識として、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池の全体構成の説明図、図２は空気取り入れ口側から見た発電セルの構成の説明図、図３は空気取り入れ口を横に置いた方向から見た発電セルの構成の説明図である。図４は酸素供給層の斜視図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１０は、発電セル１０Ｓを積み重ねて直列に接続したセルスタック１０Ａを備える。セルスタック１０Ａの下方には、水素ガスを貯蔵して発電セル１０Ｓに供給する燃料タンク１０Ｂが接続されている。燃料タンク１０Ｂから取り出された水素ガスは、大気圧よりわずかに高い圧力に調整されて、それぞれの発電セル１０Ｓに供給される。
【００２４】
発電セル１０Ｓは、対向する一対の側面Ｓ１、Ｓ２に、大気中の酸素を自然拡散によって発電セル１０Ｓに取り込む空気取り入れ口８を有する。発電セル１０Ｓは、燃料タンク１０Ｂから供給された水素ガスと空気取り入れ口８から取り込んだ酸素とを反応させて発電する。
【００２５】
図２に示すように、発電セル１０Ｓは、膜電極接合体４（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と酸素流路材２とを備える。発電を担う膜電極接合体４の下面に、空気取り入れ口８（図３）から取り込んだ酸素を膜電極接合体４の全面に供給する酸素流路材２が配置されている。
【００２６】
セパレータ７、９は、膜電極接合体４の上面に、外部から密封された水素ガス供給空間を形成している。水素ガス供給空間に収納された燃料流路材６は、燃料タンク１０Ｂ（図１）から取り出した水素ガスを膜電極接合体４の全面に供給する。発電セル１０Ｓの厚み方向にセパレータ９を貫通して、水素ガスの主流路が形成されており、主流路から分岐してそれぞれの発電セルに水素ガスが供給される。
【００２７】
膜電極接合体４は、高分子電解質膜の両面に白金等の触媒材料を塗布して触媒層を形成してある。高分子電解質膜には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体であるデュポン社のナフィオン（商標）を使用した。ただし、高分子電解質膜は、水素ガス供給面から酸素供給面へ水素イオンを伝導することを主な目的としており、この目的を満たすものであれば任意のものが使用可能である。
【００２８】
高分子電解質膜の両面に触媒層が形成されている。触媒層は、触媒活性を持った物質と電子伝導体、プロトン伝導体からなる多孔質材料層である。ただし、膜電極接合体４は、触媒層が高分子電解質膜の表面に一体化しているが、触媒層が高分子電解質膜と接しており水素イオン等の化学種の受け渡しが可能であれば、膜電極接合体４として一つに形成する必要はない。
【００２９】
膜電極接合体４に接する燃料流路材６の表面には、燃料流路材６よりも微小な組織の開口を有する導電性の拡散層３が配置されている。拡散層３は、絞り抵抗として機能して、膜電極接合体４の表面全体に均等な圧力と均等な流量密度で水素ガスを供給する。
【００３０】
酸素流路材２の膜電極接合体４側の面にも、酸素流路材２よりも微小な組織の開口により同様な効果を発揮させる導電性の拡散層３が配置されている。拡散層３が膜電極接合体４に接する面には、膜電極接合体４との界面に発生した液体水を集めて水不足領域へ押し出す排水溝３Ｍが形成されている。
【００３１】
燃料流路材６は、燃料である水素ガスを拡散させ、水素のイオン化によって余剰となった電子を膜電極接合体４の触媒層から集電する。酸素流路材２は、空気取り入れ口８から取り入れた酸化剤である大気中の酸素を拡散させ、水分子を生成する際に必要な電子を膜電極接合体４の触媒層に供給する。酸素流路材２は、また、発電に伴って膜電極接合体４で生成された水蒸気を空気取り入れ口８へ導いて大気中へ排出する。そのため、酸素流路材２には、導電性の多孔質体が好まれる。具体的な材料として、発泡金属、ステンレスウール等が用いられる。拡散層３はカーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられ、後述するように、膜電極接合体４との接触面に導電性の微粒子層が形成される場合もある。
【００３２】
図４に示すように、酸素流路材２の表面に形成された拡散層３には、空気取り入れ口８に臨む対向する一対の側面２Ａ、２Ｂを接続して、並列な多数の排水溝３Ｍが形成されている。排水溝３Ｍは、実際には、幅３０μｍ、深さ５０μｍ、２５ｍｍ当たり１００本の高密度で、膜電極接合体４（図２）の触媒層に接する面に形成されている。拡散層３に例えばレーザー加工等によって排水溝３Ｍを図４のようなパターンで形成する。酸素流路材２は、導電性多孔質材料が用いられ、拡散層３の少なくとも排水溝３Ｍの深さまでの部分は疎水処理がされていることが望ましい。これは、撥水性の環境で押し潰されて表面張力により圧力を高めた水滴が排水溝３Ｍで厚みを増して圧力を低下させるからである。この表面張力による駆動力によって、膜電極接合体４の表面や拡散層３の液体水は排水溝３Ｍへ押し入り、排水溝３Ｍに沿って移動して水不足領域へ押し出される。そして、水不足領域では、流入して来た液体水の蒸発によって水蒸気圧力が高まり、膜電極接合体４の加湿が進み、酸素流路材２への水蒸気放出も盛んになる。
【００３３】
排水溝３Ｍを加工するのは拡散層５よりも拡散層３が望ましく、排水溝３Ｍの方向は、発電セル１０Ｓを組み立てた際に、少なくとも一方の端が空気取り入れ口８の方向に対して開口するよう形成されることが望ましい。これは、液体水が蒸発し易い空気取り入れ口８の付近へ液体水を誘導することによって発電セル１０Ｓ排水性を高めるためである。
【００３４】
第１実施形態の排水溝３Ｍは、高分子電解質膜を用いて発電を行う燃料電池１０において、電極反応で生成された余分な液体水が空気取り入れ口８を通じて円滑に排出される。酸素流路材２や拡散層３と膜電極接合体４との隙間に液体水が滞留して酸素供給を閉塞させるフラッディングが発生し難い。拡散層３や膜電極接合体４の触媒層における三相界面の水没を回避して電極反応を直接的に阻害させない。
【００３５】
＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。第２実施形態では拡散層３に形成される排水溝３Ｎの外観形状が異なるのみで、それ以外は第１実施形態と同様な部品を用いて同様に燃料電池を組み立てる。従って、図１〜図４を併せて参照して説明する。
【００３６】
図５に示すように、第２実施形態では、酸素流路材２の拡散層３には、空気取り入れ口８に臨む側面２Ａ、２Ｂに向かって次第に断面積が拡大する排水溝３Ｎが形成されている。この構造を用いることによって、次のような効果が得られる。
【００３７】
まず、膜電極接合体４の触媒層付近で発電活動により発生した液滴水分は、酸素流路材２、拡散層３が疎水性であるためにエネルギー的に不安定になる。一方で前述のとおりに形成した排水溝３Ｎの部分は、空間が形成されているために、液滴水分に対してエネルギー的に安定な箇所となる。従って、液滴水分は、安定性を求めて排水溝３Ｎに吸い込まれるように移動して滞留する。すると、それまで液体水に水没していた箇所に関して酸素の供給が復活するために燃料電池１０の特性が維持される。
【００３８】
しかし、排水溝３Ｎに液滴水分を誘導しただけでは、排水溝３Ｎのその部分に滞留するのみで、続く発電活動と生成水の堆積により、再び水没して失活する領域が増加することが懸念される。
【００３９】
そこで、排水溝３Ｎに滞留した水を駆動して排水溝３Ｎに沿って移動させる仕組みが必要となる。そのためには、先ず最低条件として、図４に示す排水溝３Ｍのように、排水溝３Ｍの少なくとも一端が空気取り入れ口８の方向に延びていることが望ましい。更には、排水溝３Ｍが空気取り入れ口８に連絡していることが望ましい。しかし、直接に排出溝３Ｍが露出していなくても液体水分の蒸発効果により、排水溝３Ｍの中の水分は排出されることが期待されるため、必ず露出しなくてはならないわけではない。
【００４０】
そして、第２実施形態では、排水溝３Ｎに滞留した水を空気取り入れ口８へ向かって移動させる駆動力としてキャピラリー圧を追加する。半径ｒの細長い円管中においてキャピラリー圧Ｐｃは次のように定義される。
Ｐｃ＝−（２γ／ｒ）ｃｏｓθ （１）
ここで、γは表面張力定数、θは液滴水と酸素流路材２、拡散層３の接触角を示す。式（１）から、円管の半径ｒが大きくなれば、それに反比例してキャピラリー圧Ｐｃは弱くなる。
【００４１】
これは、次のことを意味する。疎水性の円管の半径ｒが変化しているところでは半径ｒが小さい箇所のキャピラリー圧Ｐｃが半径ｒの大きい箇所よりも大きい。このため、圧力に不均衡が生じ、半径ｒが小さい箇所の液体水が半径の大きい方へ向かって円管内を移動する。
【００４２】
つまり、図５に示すように、空気取り入れ口８に最も近い側面２Ａ、２Ｂにおける断面半径を最も大きくするように排水溝３Ｎを形成する。これにより、側面２Ａ、２Ｂの中間付近に滞留した液滴水分は、キャピラリー圧Ｐｃによって外側に誘導される。側面２Ａ、２Ｂは、空気取り入れ口８に近いため、液体水は容易に蒸発して大気中へ排出される。このように、排水溝３Ｎの形状を工夫することにより、液体水の排出はより容易となり、燃料電池１０の安定性が向上する。
【００４３】
排水溝３Ｎの幅は、水が誘導できる範囲内であれば良い。狭すぎると水の凝集が困難となり、広すぎると排水溝３Ｎに生成される液滴の体積が大きくなり過ぎて、キャピラリー圧Ｐｃによる排出が困難となる。さらに、拡散層３と膜電極接合体４との非接触面積が増大して、酸素流路材２の目的の一つである集電効果に支障をきたしてしまう。そのため、排水溝３Ｎの直径は５μｍ以上が望ましく、１０００μｍ以下が望ましい。
【００４４】
＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。第３実施形態では、拡散層３に形成される排水溝３Ｐの外観形状が異なるのみで、それ以外は第１実施形態と同様な部品を用いて同様に燃料電池を組み立てる。従って、図１〜図４を併せて参照して説明する。
【００４５】
図６に示すように、第３実施形態では、拡散層３に、空気取り入れ口８に臨む側面２Ａ、２Ｂに向かって分岐して本数が増える排水溝３Ｐが形成されている。第１実施形態の場合、燃料電池１０の触媒反応によって発生した液体水を発電セル１０Ｓの外側に誘導するために排水溝３Ｍが存在する。この場合、発電セル１０Ｓの空気取り入れ口８に近い部分では、発電反応による生成水と中央側から移動して来た流入水とが集積して排水溝３Ｍが飽和する可能性がある。そのため、それに応じて第２実施形態のように排水溝３Ｎの幅を広げることも考えられるが、図６に示すように排水溝３Ｐを途中で分岐させても良い。
【００４６】
第３実施形態では、排水溝３Ｐを移動する液体は、途中で二股に分岐している。これによって液体が集中する外側領域での排水を効率よく行ない、同時に液体があまり集中しない中央部では、電極接合体との接触面積を大きく確保して、酸素流路材２の本来の目的である集電効果を十分に得ることができる。排水溝３Ｐの分岐点は、途中一つである必要はなく、必要に応じて複数有しても良いし、３本以上に分離していても良い。溝幅の拡大と分岐とを組み合わせても良い。
【００４７】
＜第４実施形態＞
図７は第４実施形態の燃料電池の構成を説明する斜視図、図８は拡散層に形成した排水溝の断面形状の説明図、図９は排水溝の断面形状の変形例の説明図である。
【００４８】
図７に示すように、第４実施形態の燃料電池装置２０は、複数の発電セル２９を積み重ねて直列に接続したセルスタック２０Ａを備える。発電セル２９は、セパレータ２４とセパレータ２８とに挟み込んで積み重ねられ、圧板３１、３６を用いて全体を積み重ね方向に拘束して組み立てられている。
【００４９】
発電セル２９は、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成した膜電極接合体２６の下面に燃料供給層２５、上面に拡散層２７を接触させている。燃料供給層２５に接する触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。拡散層２７に接する触媒層では、触媒反応によって酸素が、発電セル２９の起電力に打ち勝って高分子電解質膜から拾い上げた水素イオンに化合して水分子を生成する。高分子電解質膜は、燃料供給層２５側から拡散層２７側へ水素イオンを移動させる。
【００５０】
燃料供給層２５は、セパレータ２４に形成された凹所２３に配置されている。凹所２３の外周は密封されて水素ガスが周囲へ漏れ出さない。拡散層２７の側面と上面の一部は、酸素流路材を兼ねたセパレータ２８の通気溝３８を通じて大気に解放されている。
【００５１】
各段のセパレータ２８、発電セル２９（膜電極接合体２６）、セパレータ２４と圧板３１とには、平面位置を合わせて、水素ガス供給路２１が形成されている。水素ガス供給路２１には、燃料タンク３７が減圧弁３４を介して接続される。水素ガス供給路２１には、燃料タンク３７から取り出して、減圧弁３４で大気圧より少し高い圧力に調圧された水素ガスが供給され、セパレータ２４で凹所２３へ分岐して、各段の燃料供給層２５に流れ込む。
【００５２】
圧板３６と各段のセパレータ２８、発電セル２９（膜電極接合体２６）、セパレータ２４とには、平面位置を合わせて排出路２２が形成されている。排出路２２には、通常は閉止され、必要に応じて手動で開放されるパージ弁３５が接続されている。
【００５３】
図８に示すように、第４実施形態における膜電極接合体２６は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜２６Ａの表面に触媒層２６Ｂ、２６Ｃを一体に形成してある。膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂ上には、拡散層２７が接触している。そして、触媒層２６Ｂとセパレータ２７とに挟まれた拡散層２７における触媒層２６Ｂとの接触面に、触媒層２６Ｂ側に開口した排水溝２７Ｍを設けている。そして、排水溝２７Ｍを拡散層２７に設けることにより、膜電極接合体２６の電極反応に直接関わる触媒層２６Ｂを減らすことなく、触媒層２６Ｂで生成される余分な水を効率良く排水できる。
【００５４】
排水溝２７Ｍは、炭素粒子を含む撥水性の触媒層２６Ｂと炭素繊維を含む撥水性の拡散層２７との界面に発生した液滴水を上述した表面張力の駆動力によって吸い上げる。この駆動力を有効に発揮させるために溝幅ａは３０μｍとした。
【００５５】
また、運転中に偶発的、局所的に発生した水分過剰な領域から周囲の水分不足の領域へと液体水が移動し易いように、排水溝２７Ｍの平面配置パターンは等幅等間隔（２５０本／インチ）の碁盤目状とした。これにより、膜電極接合体２６のどこで水分過剰となっても、吸い上げられた液体水の圧力が、排水溝２７Ｍを通じて、周囲の水分不足な領域へと面状に液体水を押し出す。
【００５６】
拡散層２７には、高いガス透過性および高い電気伝導性を有する材料が望ましく、これらの性質を有する材料として、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属メッシュ等が用いられる。特に、加工性や入手のし易さ、コストの面から、カーボンクロスを用いることが好ましい。このような材料を用いた場合、排水溝２７Ｍは、レーザー加工やイオンビーム加工により、断面形状や深さを制御した排水溝２７Ｍを加工できる。
【００５７】
排水溝２７Ｍの断面形状は、図８に示される半円形には限定されず、図９に示す三角形の断面形状、正方形等の多角形の断面形状でも、これらの方法により容易に加工できる。触媒層２６Ｂに接する平面における排出溝２７Ｍの平面配置においても、網目状やある一定方向に規則的に並んだ配置も容易に加工できる。
【００５８】
このような円形・半円形や多角形の断面形状を持つ排出溝２７Ｍや平面配置のパターンを自由に加工できることは、燃料電池２０全体の構成に対して、膜電極接合体２６と拡散層２７との関係を最適化する上で好ましい。
【００５９】
＜第５実施形態＞
図１０は第５実施形態における酸素供給層および排水溝の構成の説明図、図１１は排水溝の構造の変形例の説明図である。第５実施形態の燃料電池４０は、酸素供給層４７が膜電極接合体２６に接する面に微小な組織の開口を有する導電性の微粒子層（カーボン粒子層４８）が形成される。そして、この微粒子層に排水溝４８Ｍが形成されている。しかし、それ以外の構成は第４実施形態と同様であるので、図７を併せて参照し、図８、図９と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６０】
図１０に示すように、膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂと酸素供給層４７との密着性を改善して電気伝導性を高めるために、両層の間に１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の粒径のカーボン粒子からなる厚さ５０μｍのカーボン粒子層４８を設けた。カーボン粒子層４８には、触媒層２６Ｂ側に開口する排水溝４８Ｍを設けた。カーボン粒子層４８は、カーボンクロスの酸素供給層４７（第４実施形態の拡散層２７と同じ材料を用いた）上に、カーボン粉末を揮発性液体に分散させた混合液をドクターブレード法やスクリーン印刷法などにより塗布し、乾燥させることにより作製する。
【００６１】
排水溝４８Ｍは、雄型や針金を半乾燥状態の混合液の表面に押し付けて転写して形成する。混合液の表面を急速乾燥した後に、全体を徐々に乾燥収縮させて表面に収縮クラックを形成させることにより形成できる。すなわち、乾燥過程における乾燥雰囲気・乾燥時間の調整により形成できる。
【００６２】
あるいは、凹面状に湾曲させた拡散層２７上に混合液を塗布して乾燥させた後に、拡散層２７を平らに戻して意図的なひび割れパターンを形成することでも排水溝４８Ｍを形成できる。水分を運搬させたい方向と直角な方向に湾曲させて混合液を塗布／乾燥させることで、拡散層２７を平らに戻した際に、水分を運搬させたい方向（図４参照）に伸びた排水溝４８Ｍを形成できる。
【００６３】
膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂには、高い電子伝導性、高い水素イオン伝導性、高い酸素拡散性が求められる。従って、触媒金属の総使用量を節約しつつ、触媒層２６Ｂにおける触媒微粒子の反応サイトとイオン伝動層とを接近させて高密度に配置することが望まれる。このため、触媒層２６Ｂには、粒径が５０ｎｍ程度のカーボン担体粒子の表面に、粒径１〜５ｎｍ程度の白金微粒子などの触媒金属超微粒子を分散／付着させた触媒担持カーボンと高分子電解質溶液とを混合して塗布／乾燥させたものを用いている。
【００６４】
このようにして形成した触媒層２６Ｂにおいては、カーボン担体粒子の乾燥時の２次凝集により、０．１μｍ程度の無数の空隙が生じている。そして、この空隙が、酸素の拡散経路および生成水の排出経路として機能している。
【００６５】
このため、隣接するカーボン粒子層４８に設けた排水溝４８Ｍは、触媒層２６Ｂ側の溝幅ａが、０．１μｍ以上で１ｍｍ以下であることが望ましい。拡散層２７に設けた排水溝２７Ｍ（図８）も同様である。排水溝４８Ｍ（２７Ｍ）の溝幅ａが触媒層２６Ｂに存在する空隙の大きさよりも大きければ、毛管作用によって触媒層２６Ｂの空隙に存在する液体水が自然に排水溝４８Ｍ（２７Ｍ）へ移動する。これにより、効率的に触媒層２６Ｂから余剰水が除去される。溝幅ａとは、円形や半円形の断面形状を有する排水溝であれば、断面形状の直径であり、多角形の場合は、排水溝が触媒層２６Ｂに接する幅である。
【００６６】
図１１に示すように、膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂと酸素供給層４７との間に位置するカーボン粒子層４８に排水溝４８Ｎを設けるとき、排水溝４８Ｎがカーボン粒子層４８を貫通していてもよい。排水溝４８Ｎは、触媒層２６Ｂ側に開口するだけではなく、酸素供給層４７にも開口している。
【００６７】
このとき、酸素供給層４７に用いられるカーボンクロス等の炭素繊維の空隙が１μｍ程度であるとすれば、酸素供給層４７側の溝幅ｂが１μｍないし１ｍｍであることが好ましい。酸素供給層４７の組織の空隙よりも排水溝４８Ｎの溝幅ｂを大きくすれば、酸素供給層４７の組織の空隙にたまっている水も、毛管作用によって、効率的に吸い上げることができるからである。
【００６８】
触媒層２６Ｂや酸素供給層４７の組織の空隙の大きさと分布状態は、水銀ポロシメータやガス吸着法などの方法を用いて測定できる。これらの方法を用いて触媒層２６Ｂや酸素供給層４７の空隙分布を測定する。測定された触媒層２６Ｂの主要な空隙径よりも、触媒層２６Ｂ側の溝幅ａが大きくなり、酸素供給層４７の主要な空隙径よりも酸素供給層４７側の溝幅ｂが大きくする。このような関係が満足される排水溝４８Ｎをカーボン粒子層４８に形成することが望ましい。ただし、溝幅ａ、ｂは１ｍｍを越えない。１ｍｍを越えると、表面張力や毛管作用による駆動力に比較して駆動される液体水の質量が大きくなり過ぎて、液体水が移動しなくなるからである。
【００６９】
＜第６実施形態＞
図１０に示すカーボン層３４を形成する際の条件を制御して、意図的な乾燥クラックを形成することにより、排水溝４８Ｍを形成した。そして、排水性能を確認した。図１２は運転中の燃料電池の水分布を測定するためのＸ線撮影の説明図、図１３はカーボン粒子層の平面内における液体水分布の撮影画像、図１４は発電セルの断面内における液体水分布の撮影画像である。図１３、１４中、（ａ）は撮影画像、（ｂ）は理解を助けるための二値化画像である。
【００７０】
図１０に示すように、膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂ、２６Ｃとして、白金担持カーボン触媒層を高分子電解質膜２６Ａの両面に作製した。高分子電解質膜２６Ａへの転写層として、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）シート上に、ドクターブレード法を用いて、白金担持カーボン触媒層を形成した。塗布した触媒スラリーは、白金担持カーボン（Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ製）、Ｎａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ製）、ＰＴＦＥ、ＩＰＡ、水の混錬物である。塗布後に半乾燥させたＰＴＦＥシート上の触媒層２６Ｂ、２６Ｃで固体高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ製）２６Ａを挟み、８ＭＰａ、１５０度Ｃ、１ｍｉｎのプレス条件でホットプレスする。その後、両表面のＰＴＦＥシートを剥離することにより、触媒層２６Ｂ、２６Ｃを高分子電解質膜２６Ａの両面に作製する。
【００７１】
次に、酸素供給層４７（カーボンクロス）の表面にカーボン粒子層４８を作製する。カーボン粉末とＰＴＦＥ粉末とを等重量比で混合し、十分に粉砕／攪拌を行った後、エタノールと純水とを加えて混合する。得られた混合液を、ドクターブレード法で酸素供給層４７上に塗布し、その後、室温でゆっくりと乾燥させ、カーボン粒子層４８および酸素供給層４７とする。
【００７２】
次に、触媒層２６Ｂとカーボン粒子層４８とを接触させて、膜電極接合体２６に酸素供給層４７、燃料供給層２５（図７）を積み重ねて圧着して一体化させた。最後に、一体化させた全体を集電用の金属電極を兼ねたセパレータ２４、２８（図７）で挟み込んで複数段積み重ねることにより、セルスタック２０Ａ（図７）を形成した。セルスタック２０Ａに必要な部品を組み立てて固体高分子型の燃料電池２０とした。
【００７３】
次に、カーボン粒子層４８に形成した排水溝４８Ｍが排水路として機能していることを確認するため、図１２に示すように、燃料電池２０の膜電極接合体２６の平面内および断面にＸ線５１を照射して透過画像を撮影した。そして、透過画像を分析してＸ線５１の吸収変化および屈折の効果を測定した。
【００７４】
Ｘ線源から出たＸ線５１は、測定領域のサイズに成形された後に固体高分子型の燃料電池２０に入射する。燃料電池２０を透過したＸ線５２は、二次元検出器（Ｘ線ＣＣＤカメラ）５３によって検出される。燃料電池２０の各部材のＸ線５１に対する吸収量は、燃料電池２０の運転前と駆動中とで変化しない。しかし、運転中は、発電反応によって生成された水の凝集量によって燃料電池２０を透過するＸ線の吸収率が変化する。そこで、吸収率の変化量を計測することによって、膜電極接合体２６の内部や表面の水の分布および凝集量変化を図１３、図１４に示すように可視化して、排水経路を特定した。
【００７５】
図１３に示すように、触媒層２６Ｂの平面内には、幅が３０〜５０μｍの網目状の水路６７が、燃料電池２０の駆動時に再現性よく形成される。
【００７６】
図１４に示すように、燃料電池２０の断面では、水路６７として機能していたのがカーボン粒子層４８に形成され、触媒層２６Ｂ側に開口している排水溝（４８Ｍ：図１０）であることが判明した。水路６７の一部は、図１１に示す排水溝４８Ｎのように酸素供給層４７に達している。これにより、乾燥収縮クラックを利用したカーボン粒子層４８の排水溝４８Ｍが、触媒層２６Ｂの表面の液体水の排出に有効であることが確認できた。
【００７７】
なお、触媒層２６Ｂの平面内における排水溝４８Ｍの分布形状は、特に制限が無い。図１３に示す網目状に広がっていても良く、また、図４に示す一定方向に規則的に並んでいても良い。図７に示す拡散層２７側を第６実施形態のような構成にすることにより、大きな効果を発揮する。しかし、燃料供給層２５側においても第６実施形態の構成を実施することにより、拡散層２７側から逆拡散してきた余分な水を過剰領域から不足領域へ速やかに移動させることが可能であり、好ましい。
【００７８】
従って、第４〜第６実施形態の構成は、拡散層２７、４７に形成する排水溝２７Ｍ、４８Ｍの形状を特定することにより、触媒層２６Ｂあるいは拡散層２７、４７から余分な生成水を速やかに排出できる。これにより、安定した動作が可能となる固体高分子型の燃料電池２８を提供できる。
【００７９】
＜比較例の燃料電池＞
固体高分子型燃料電池は、エネルギーの変更率が高く、クリーンである事に加えて静かであることなどから将来のエネルギー源として期待されている。その用途は自動車や家庭用電源などの大型のものから、ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラなどのデバイスに搭載されるような小型のものまである。このような小型の燃料電池の寿命は、従来の二次電池よりも長寿命になることが期待され、盛んに開発が行なわれている。
【００８０】
図１５は固体高分子型燃料電池の断面形状の典型例の説明図、図１６は発電セルの構成の説明図である。図１５、図１６に示すように、固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜１０４を中央部に有する。多くの場合、その片側の面に燃料が供給されアノードとなる燃料極と、もう片側の面に酸化剤が供給されカソードとなる酸化極とを有している。それぞれの極は、その外側に燃料もしくは酸化剤を拡散し、かつ発電した電力を集電する拡散層１０３、１０５を有する。拡散層１０３、１０５の外側に燃料もしくは酸化剤を発電セル１００Ｓ全体に供給する供給流路材１０２、１０６を有する。
【００８１】
拡散層１０３、１０５の部材としては、導電性のある多孔質媒体として、例えばカーボンクロスが用いられる。供給流路材１０２、１０６には何も設置されないが、集電及び支持部材として空孔率の高い多孔質媒体を設置する場合がある。
【００８２】
燃料もしくは酸化剤は、供給流路材１０２、１０６の中を、例えばポンプによる圧力や自然拡散・自然対流などの手法で供給される。燃料もしくは酸化剤は、供給流路材１０２、１０６から拡散層１０３、１０５を通して拡散し、それぞれ高分子電解質膜１０４に到達する。
【００８３】
高分子電解質膜１０４のアノードでは、到達した燃料がアノードの触媒による酸化作用により酸化され、水素イオンとなって、高分子電解質膜１０４中をカソードに向けて移動する。この燃料としては、水素ガスなどの気体やメタノール・エタノールといった液体が使用される。
【００８４】
高分子電解質膜１０４のカソードでは、供給流路材１０２より拡散層１０３を通じて到達した酸化剤、例えば酸素と、高分子電解質膜１０４を移動してきた水素イオンとが酸化剤と反応して水分子が生成される。そして、この一連の化学反応で発生するエネルギーの一部が電気エネルギーとして取り出される。
【００８５】
前述の通り、高分子電解質膜１０４のカソードでは発電反応によって水が生成される。この水は、通常水蒸気もしくは液滴水分となって酸化剤の拡散層から流路に移動し、排出される。また、ＭＥＡを透過してアノード側から排出される場合もある。この際、燃料もしくは酸化剤の供給を、ポンプを用いて行う場合には、ポンプの圧力によってそのまま燃料もしくは酸化剤と一緒に水も移動し、排出口より排出される。
【００８６】
一般に、燃料電池は、単体では十分な電力を得られないため、上記のような発電セルをいくつか直列に積層したセルスタックの構造を有する（図１参照）。このような形式の燃料電池は、主にガソリンに替わる自動車の動力源や業務用もしくは家庭用のコジェネレーション用途として注目を浴びている。
【００８７】
近年ではノートパソコンや、ＰＤＡといった携帯用電子機器のバッテリーとしてもその用途が期待されているため、燃料電池のシステム全体を極端に小型化しなくてはならない。そのため、圧力勾配を利用した燃料もしくは酸化剤の供給装置などの制御機構が利用できないので、燃料及び酸化剤を拡散や自然対流によって供給せざるを得ない。
【００８８】
特許文献１では、酸化剤である酸素を自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池の技術を開示している。特許文献１の図４は、その発電セルの構造を示しており、酸化剤である酸素は、拡散セルユニット３９を拡散してＭＥＡ５５に到達する。燃料である水素は流路５８から供給されてＭＥＡ５５に到達する。
【００８９】
固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤を、電解質として水素イオン伝導性の固体高分子膜を用いて電気化学的に反応させることで、電気と熱および水を発生させる。固体高分子型燃料電池は、常温から１００℃程度の比較的低温で運転が可能で、高い出力密度が得られる。このため、他の燃料電池に比べて起動性に優れ、小型・軽量化が可能である。
【００９０】
固体高分子型燃料電池の一般的な発電部は、高分子電解質膜の両面に触媒層があり、それを挟み込むようにガス拡散層が配置され、さらにそれらを挟み込むように燃料極（アノード）と空気極（カソード）の電極が配置されている。そして、アノード側から水素を含む燃料を、カソード側から空気を流すことにより、発電を行う。
【００９１】
高分子電解質膜は、燃料と酸化剤が直接反応しないようにアノード側とカソード側を隔離し、かつアノード側で生成される水素イオンをカソード側まで運ぶ役割を担っている。一般的には、耐久性に優れたフッ素樹脂系のイオン交換膜が幅広く用いられている。高分子電解質膜は、水素イオンが水を伴って膜内を移動するため、高い水素イオン伝導性を得るためには、膜内に十分な水分を含んでいる必要がある。
【００９２】
高分子電解質膜の表面に形成される触媒層には、高い触媒性能と大きな反応面積を実現するために、１〜５ｎｍ程度の粒径の白金微粒子を、数１０ｎｍの粒径のカーボン粒子に担持させた、白金担持カーボンが良く用いられる。このような触媒層は、カーボン粒子の２次凝集により、０．１μｍ程度の空隙が存在しており、この隙間が反応ガスの流入路および生成水の排水経路として働く。このような触媒層での電極反応は、白金などの触媒と高分子電解質、反応ガスの接する三相界面とよばれる部分で起こるとされており、この三相界面を多く確保することが高性能の電池を実現するために重要である。
【００９３】
拡散層には、気体の透過性と導電性とに優れた、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質材料が一般に用いられている。これらのカーボン繊維は１μｍ程度の空隙を形成しており、これが反応ガスの流入路および生成水の排水経路として働く。拡散層は、電解質膜および触媒層を挟み込むように配置されているため、触媒層のための排水性と、高分子電解質膜のための保湿性とをバランスよくもっている必要がある。
【００９４】
また、一般に固体高分子型燃料電池では、発電部を反応ガスの流路をつけたセパレータで挟んで発電セルを構成する。さらに、発電セルを積み重ねて直列に接続したセルスタックとすることで燃料電池を構成する。
【００９５】
＜発明との対応＞
第１実施形態の燃料電池１０は、一方の面から他方の面へ水素イオンを移動させて発電する膜電極接合体４と、前記一方の面側に配置されて、水素イオンに反応させる酸素を前記一方の面に拡散して供給する酸素流路材２、拡散層３とを備える。そして、拡散層３の膜電極接合体４側の面に、周囲の拡散層３よりも液体水の保持性を高めた排水溝３Ｍが形成されている。
【００９６】
燃料電池１０は、膜電極接合体４の部分的な水没を引き起す液体水を排水溝３Ｍに集めて、排水溝３Ｍに沿った方向に液体水の状態で移動させる。周囲よりも液体水の保持性が高い排水溝３Ｍは、膜電極接合体４の表面の液体水を吸い寄せて膜電極接合体４の表面を覆うことを妨げ、排水溝３Ｍの幅を超える領域の水没が抑制される。
【００９７】
そして、排水溝３Ｍが液体水を集める力が排水溝３Ｍに沿った液体水の流れを形成するので、膜電極接合体４の表面における液体水の分布の偏りが排水溝３Ｍを通じた液体水の移動によって平均化される。
【００９８】
液体水の状態で過剰領域から不足領域へ水が移動するので、発電開始後速やかに膜電極接合体４の湿潤度も均一化され、高分子電解質膜の場合であれば、膜電極接合体４の全体から高い発電性能（起電力）を引き出せる。排水溝３Ｍを通じた液体水の移動は、全量を水蒸気の状態で移動させる場合ほどには酸素流路材２、拡散層３の水蒸気分圧を高めないので、酸素流路材２、拡散層３を通じた水蒸気の外部への排出性能は高く維持される。酸素流路材２、拡散層３を通じた逆方向の酸素の拡散も円滑になる。
【００９９】
従って、膜電極接合体４の表面積あたりの電流値を高く設定しても膜電極接合体４の局所的な水没領域が発生しにくくなる。小面積の膜電極接合体４を用いて、大気の循環機構やブロアーに頼らなくても大きな電流が出力可能となる。高信頼性、長寿命、高性能を実現しつつ、部品点数が少なく小型軽量で安価な燃料電池１０を提供できる。
【０１００】
燃料電池２０の膜電極接合体２６は、高分子電解質膜２６Ａの表面に導電性の触媒層２６Ｂを一体に形成しており、拡散層２７が膜電極接合体２６に接する面に排水溝２７Ｍが形成されている。
【０１０１】
触媒層２６Ｂ側における排水溝２７Ｍの幅は、触媒層２６Ｂの組織の平均開口径よりも大きい。
【０１０２】
燃料電池１０の排水溝３Ｍの幅は、５μｍ以上１０００μｍ以下である。
【０１０３】
発電セル１０Ｓは、通気性を持たせた酸素流路材２と、酸素流路材２の膜電極接合体４側の面に形成されて酸素流路材２よりも微小な開口を有する拡散層３とを酸素供給層が有する。そして、拡散層３が膜電極接合体４に接する面に排水溝３Ｍが形成されている。
【０１０４】
第５実施形態の拡散層４７は、膜電極接合体２６に接する面に、拡散層４７よりも組織の平均開口径が小さい導電性のカーボン粒子層４８を有する。排水溝４８Ｎは、カーボン微粒層４８を貫通して拡散層４７に達する深さに形成され、酸素流路材を兼ねたセパレータ２８側における排水溝４８Ｎの幅は、拡散層４７の平均開口径よりも大きい。
【０１０５】
燃料電池１０は、膜電極接合体４と酸素流路材２、拡散層３とを備えた発電セル１０Ｓが積み重ねて直列に接続される。大気に開放されて膜電極接合体４で生成された水分を大気中に排出する空気取り入れ口８が発電セル１０Ｓの側面側に配置される。排水溝３Ｍは、空気取り入れ口８に向かう方向に形成されている。
【０１０６】
第２実施形態における排水溝３Ｎは、空気取り入れ口８に臨む側面側に連絡して並列に複数配置され、空気取り入れ口８に向かって次第に排水溝３Ｍの断面積が増大している。
【０１０７】
第３実施形態における排水溝３Ｐは、空気取り入れ口８に臨む側面側に連絡して並列に複数配置され、空気取り入れ口８に向かって分岐して本数が増している。
【０１０８】
燃料電池１０は、酸素流路材２における少なくとも排水溝３Ｍを含む深さの領域がカーボン繊維なので撥水性である。
【０１０９】
第６実施形態では、三次元の通気性を持たせた酸素供給層４７の表面に炭素粒子と揮発性の溶剤との混合液を塗布し、前記表面に塗布した混合液を乾燥させて溶剤を蒸発させている。これにより、炭素粒子のカーボン粒子層４８に微小な乾燥収縮クラックを形成して排水溝４８Ｎとした。
【０１１０】
第５実施形態の排水溝４８Ｍ以下の方法によって形成できる。三次元の通気性を持たせた酸素供給層４７の表面に炭素粒子と揮発性の溶剤との混合液を塗布し、塗布した混合液を乾燥させる。その後に、表面を拡大する方向に酸素供給層４７を変形して、炭素粒子のカーボン粒子層４８に微小な破断クラックを形成して排水溝４８Ｍとした。
【０１１１】
第１実施形態における酸素流路材２は、燃料電池１０の対向する一対の側面にそれぞれ形成された空気取り入れ口８を通じて、板状の外観の側面側から取り入れた酸素を一方の平面側に拡散供給する。そして、空気取り入れ口８に臨む一対の側面側を連絡する多数の排水溝３Ｍを前記平面側に有する。
【０１１２】
第２実施形態における酸素流路材２は、多数の排水溝３Ｎは、側面側に向かって排水溝３Ｎの断面積が次第に拡大している。
【０１１３】
第３実施形態における酸素核酸層２は、多数の排水溝３Ｐは、側面側に向かって分岐して本数が増えている。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】第１実施形態の燃料電池の全体構成の説明図である。
【図２】空気取り入れ口側から見た発電セルの構成の説明図である。
【図３】空気取り入れ口を横に置いた方向から見た発電セルの構成の説明図である。
【図４】酸素供給層の斜視図である。
【図５】第２実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。
【図６】第３実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。
【図７】第４実施形態の燃料電池の構成を説明する斜視図である。
【図８】拡散層に形成した排水溝の断面形状の説明図である。
【図９】排水溝の断面形状の変形例の説明図である。
【図１０】第５実施形態における酸素供給層および排水溝の構成の説明図である。
【図１１】排水溝の構造の変形例の説明図である。
【図１２】運転中の燃料電池の水分布を測定するためのＸ線撮影の説明図である。
【図１３】カーボン粒子層の平面内における液体水分布の撮影画像を示す図である。
【図１４】発電セルの断面内における液体水分布の撮影画像を示す図である。
【図１５】固体高分子型燃料電池の断面形状の典型例の説明図である。
【図１６】発電セルの構成の説明図である。
【符号の説明】
【０１１５】
２、３、２７、４７ 酸素供給層（酸素流路材、拡散層）
３、４７ 拡散層
４、２６ 発電層部材（膜電極接合体）
５、２５ 燃料供給層（燃料流路材）
６ 燃料流路材
８ 開口（空気取り入れ口）
１、７、９、２４、２８ セパレータ
１０、２０ 燃料電池
１０Ａ セルスタック
１０Ｂ 燃料タンク
１０Ｓ 発電セル
２６Ａ 高分子電解質膜
２６Ｂ、２６Ｃ 触媒層
４８ 微粒子層（カーボン粒子層）
３Ｍ、３Ｎ、３Ｐ、２７Ｍ、４８Ｍ、４８Ｎ 排水溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電層部材に酸素を供給するとともに発電層部材で生成された水分子を運び出す酸素供給層を備えた燃料電池、詳しくは、発電層部材の水分過剰な部分から効率的に液体水を排出する酸素供給層の表面構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電層部材の一方の面側に密封された水素ガス供給空間を配置し、発電層部材の他方の面側に酸素供給層を備えた燃料電池が実用化されている。発電層部材は、水素ガス供給空間から水素イオンを取り込み、酸素供給層側の面で水素イオンを酸素と化合させて発電を行う。酸素供給層は、発電層部材の表面に必要な量の酸素を供給するとともに、発電層部材の酸素供給層側で生成された水分子を運び出す拡散経路、または排出経路として機能する。
【０００３】
特許文献１には、発電層部材を有する発電セルを積み重ねて直列に接続した燃料電池が示される。そして、発電セルごとの側面の開口を通じて大気中の酸素を取り込み、同じ開口を通じて酸素供給層の水分を大気中に蒸発拡散させる。発電層部材には、高分子電解質膜の両面に多孔質導電性の触媒層を形成した膜電極接合体が採用され、板状で通気性を有する酸素供給層の開口に臨む側面側が大気に開放されている。酸素供給層の側面側から取り入れられた酸素は、酸素供給層の中を三次元的に拡散して、酸素供給層の片方の底面を通じて膜電極接合体の全面に供給される。膜電極接合体で生成された水分子は、水蒸気として酸素供給層へ取り込まれ、水蒸気の濃度勾配に従って側面側へ拡散し、開口を通じて大気中へ排出される。
【０００４】
特許文献２には、酸素供給層の一方の側面側から他方の側面側へ強制的に大気を送り込んで貫流させる燃料電池が示される。そして、大気を貫流させる酸素供給層の下流側では上流側よりも組織密度を下げて流路抵抗を低くしている。
【０００５】
特許文献３には、発電セルの対向する側面を貫通させた溝状の空気流路が形成されたセパレータを酸素供給層に重ねて配置した燃料電池が示される。そして、空気流路に接する酸素供給層の組織密度を厚さ方向に変化させ、膜電極接続体に接する拡散層の組織密度を中間層よりも高くして、中間層の保水性を高めている。
【０００６】
特許文献４には、発電層部材に重ねて配置した酸素供給層の高分子電解質膜側の面に触媒層を形成した燃料電池が示される。そして、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行っている。酸素供給層を厚み方向に貫通させて口径１００μｍ以下の貫通孔が４００個／ｍｍ２の高密度で形成されて、厚み方向の拡散性能が高められている。高分子電解質膜側から反対側の面へ向かって断面積が増える貫通孔（円錐状）は、酸素や水蒸気の通過抵抗を下げつつ、高分子電解質膜側の接触面積と酸素供給層の強度とを高めている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６４２３４３７号明細書
【特許文献２】特開２００４−２７３３９２号公報
【特許文献３】特開２００５−１７４６０７号公報
【特許文献４】特開２００２−１１０１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
機器と一体に持ち運ばれる燃料電池は、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行うことが望ましい。そのような燃料電池は、起動に際して外部からの電力供給に頼らないことが望ましく、大気の循環機構やブロアーは部品点数を増やして、燃料電池の小型化軽量化に反するからである。特許文献２、３に示される燃料電池は、そのような大気の循環機構やブロアーを前提としたものである。
【０００９】
しかし、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを全くの自然拡散に頼る場合、水蒸気の排出量は環境次第となり、低温高湿の環境では酸素供給層を通じた水蒸気の排出量が減る。そして、酸素供給層を通じた水蒸気の排出量以上に発電層部材で水分子が生成されると、発電層部材と酸素供給層との界面付近に液体水が停滞し、発電層部材の表面が部分的に水没（フラッディング）する。水没した領域では発電層部材への酸素供給が妨げられて発電性能が損なわれるので、水没していない部分での電流密度が高って発電セルの起電力が低下する。そして、そのまま運転を継続すると、電流密度の高まった領域に水没領域が広がって発電層部材の全面水没に至り、発電が停止する可能性もある。
【００１０】
従って、酸素供給層に大気を強制循環させる能動型に比較して、自然拡散に頼る受動型では、低温高湿を想定して、発電層部材の表面積あたりの電流値（＝水生成量）を極端に小さく設定する必要がある。発電層部材の表面積あたりの電流値を極端に小さく設定すると、発電層部材の面積が大きくなって発電部が大型化し、かえって能動型よりも燃料電池が大型化する。
【００１１】
特許文献４に示される燃料電池は、そのような受動型を前提として、発電層部材と酸素供給層との界面付近の水蒸気の排出性能を高めている。しかし、酸素供給層は、その厚み方向にのみ水蒸気の拡散性能が高められているに過ぎず、発電層部材に沿った方向の水分移動は、酸素供給層の自然拡散に全面依存している。従って、酸素供給層内の通気状態の悪い領域（側面の開口から遠い位置等）で局所的に水蒸気分圧が高まって、液体水に水没した領域が形成されてしまう。水没した領域から発電層部材の面に沿った方向への液体水の排除能力が無いので、電流密度の高まった領域に水没領域が広がって、遅かれ早かれ発電層部材の全面水没に至る可能性がある。
【００１２】
本発明は、発電層部材の表面に沿った方向の排水性を高めて、その表面積あたりの電流値を高く設定しても局所的な水没領域が発生しにくい燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池は、一方の面から他方の面へ水素イオンを移動させて発電する発電層部材と、前記一方の面側に配置されて、前記水素イオンに反応させる酸素を前記一方の面に拡散して供給する酸素供給層とを備える。そして、前記酸素供給層の前記発電層部材側の面に、周囲の前記酸素供給層よりも液体水の保持性を高めた排水溝が形成されているものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池は、発電層部材の部分的な水没を引き起す液体水を排水溝に集めて、排水溝に沿った方向に液体水の状態で移動させる。周囲よりも液体水の保持性が高い排水溝は、発電層部材の表面の液体水を吸い寄せて発電層部材の表面を覆うことを妨げ、排水溝幅を超える領域の水没が抑制される。
【００１５】
そして、排水溝が液体水を集める力が排水溝に沿った液体水の流れを形成するので、発電層部材の表面における液体水の分布の偏りが排水溝を通じた液体水の移動によって平均化される。
【００１６】
液体水の状態で過剰領域から不足領域へ水が移動するので、発電開始後速やかに発電層部材の湿潤度も均一化され、高分子電解質膜の場合であれば、発電層部材の全体から高い発電性能（起電力）を引き出せる。排水溝を通じた液体水の移動は、全量を水蒸気の状態で移動させる場合ほどには酸素供給層の水蒸気分圧を高めないので、酸素供給層を通じた水蒸気の外部への排出性能は高く維持される。酸素供給層を通じた逆方向の酸素の拡散も円滑になる。
【００１７】
従って、発電層部材の表面積あたりの電流値を高く設定しても発電層部材の局所的な水没領域が発生しにくくなる。小面積の発電層部材を用いて、大気の循環機構やブロアーに頼らなくても大きな電流が出力可能となる。高信頼性、長寿命、高性能を実現しつつ、部品点数が少なく小型軽量で安価な燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池の一実施形態である燃料電池について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池は、以下に説明する燃料電池１０等の限定的な構成には限定されない。発電層部材と酸素供給層とを備えて水分子が生成される限りにおいて、燃料電池１０等の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。
【００１９】
本実施形態では、燃料タンク１０Ｂに貯蔵した水素ガスを用いて発電を行うが、燃料タンク１０Ｂに水素原子を含むメタノール等の液体燃料を貯蔵し、刻々必要なだけ水素ガスに改質反応させて発電セル１０Ｓに供給してもよい。
【００２０】
本実施形態の燃料電池は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に着脱可能に装備される独立した燃料電池として実施できる。また、電子機器に燃料電池の発電部だけを一体に組み込んで、燃料タンクを着脱させる形式でも実施できる。
【００２１】
なお、特許文献１〜４に示される燃料電池の構造、運転方法、触媒層とその製造方法、高分子電解質膜、膜電極接合体の構造、動作原理、製造方法等については、随時参照可能な技術常識として、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池の全体構成の説明図、図２は空気取り入れ口側から見た発電セルの構成の説明図、図３は空気取り入れ口を横に置いた方向から見た発電セルの構成の説明図である。図４は酸素供給層の斜視図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１０は、発電セル１０Ｓを積み重ねて直列に接続したセルスタック１０Ａを備える。セルスタック１０Ａの下方には、水素ガスを貯蔵して発電セル１０Ｓに供給する燃料タンク１０Ｂが接続されている。燃料タンク１０Ｂから取り出された水素ガスは、大気圧よりわずかに高い圧力に調整されて、それぞれの発電セル１０Ｓに供給される。
【００２４】
発電セル１０Ｓは、対向する一対の側面Ｓ１、Ｓ２に、大気中の酸素を自然拡散によって発電セル１０Ｓに取り込む空気取り入れ口８を有する。発電セル１０Ｓは、燃料タンク１０Ｂから供給された水素ガスと空気取り入れ口８から取り込んだ酸素とを反応させて発電する。
【００２５】
図２に示すように、発電セル１０Ｓは、膜電極接合体４（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と酸素流路材２とを備える。発電を担う膜電極接合体４の下面に、空気取り入れ口８（図３）から取り込んだ酸素を膜電極接合体４の全面に供給する酸素流路材２が配置されている。
【００２６】
セパレータ７、９は、膜電極接合体４の上面に、外部から密封された水素ガス供給空間を形成している。水素ガス供給空間に収納された燃料流路材６は、燃料タンク１０Ｂ（図１）から取り出した水素ガスを膜電極接合体４の全面に供給する。発電セル１０Ｓの厚み方向にセパレータ９を貫通して、水素ガスの主流路が形成されており、主流路から分岐してそれぞれの発電セルに水素ガスが供給される。
【００２７】
膜電極接合体４は、高分子電解質膜の両面に白金等の触媒材料を塗布して触媒層を形成してある。高分子電解質膜には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体であるデュポン社のナフィオン（商標）を使用した。ただし、高分子電解質膜は、水素ガス供給面から酸素供給面へ水素イオンを伝導することを主な目的としており、この目的を満たすものであれば任意のものが使用可能である。
【００２８】
高分子電解質膜の両面に触媒層が形成されている。触媒層は、触媒活性を持った物質と電子伝導体、プロトン伝導体からなる多孔質材料層である。ただし、膜電極接合体４は、触媒層が高分子電解質膜の表面に一体化しているが、触媒層が高分子電解質膜と接しており水素イオン等の化学種の受け渡しが可能であれば、膜電極接合体４として一つに形成する必要はない。
【００２９】
膜電極接合体４に接する燃料流路材６の表面には、燃料流路材６よりも微小な組織の開口を有する導電性の拡散層３が配置されている。拡散層３は、絞り抵抗として機能して、膜電極接合体４の表面全体に均等な圧力と均等な流量密度で水素ガスを供給する。
【００３０】
酸素流路材２の膜電極接合体４側の面にも、酸素流路材２よりも微小な組織の開口により同様な効果を発揮させる導電性の拡散層３が配置されている。拡散層３が膜電極接合体４に接する面には、膜電極接合体４との界面に発生した液体水を集めて水不足領域へ押し出す排水溝３Ｍが形成されている。
【００３１】
燃料流路材６は、燃料である水素ガスを拡散させ、水素のイオン化によって余剰となった電子を膜電極接合体４の触媒層から集電する。酸素流路材２は、空気取り入れ口８から取り入れた酸化剤である大気中の酸素を拡散させ、水分子を生成する際に必要な電子を膜電極接合体４の触媒層に供給する。酸素流路材２は、また、発電に伴って膜電極接合体４で生成された水蒸気を空気取り入れ口８へ導いて大気中へ排出する。そのため、酸素流路材２には、導電性の多孔質体が好まれる。具体的な材料として、発泡金属、ステンレスウール等が用いられる。拡散層３はカーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられ、後述するように、膜電極接合体４との接触面に導電性の微粒子層が形成される場合もある。
【００３２】
図４に示すように、酸素流路材２の表面に形成された拡散層３には、空気取り入れ口８に臨む対向する一対の側面２Ａ、２Ｂを接続して、並列な多数の排水溝３Ｍが形成されている。排水溝３Ｍは、実際には、幅３０μｍ、深さ５０μｍ、２５ｍｍ当たり１００本の高密度で、膜電極接合体４（図２）の触媒層に接する面に形成されている。拡散層３に例えばレーザー加工等によって排水溝３Ｍを図４のようなパターンで形成する。酸素流路材２は、導電性多孔質材料が用いられ、拡散層３の少なくとも排水溝３Ｍの深さまでの部分は疎水処理がされていることが望ましい。これは、撥水性の環境で押し潰されて表面張力により圧力を高めた水滴が排水溝３Ｍで厚みを増して圧力を低下させるからである。この表面張力による駆動力によって、膜電極接合体４の表面や拡散層３の液体水は排水溝３Ｍへ押し入り、排水溝３Ｍに沿って移動して水不足領域へ押し出される。そして、水不足領域では、流入して来た液体水の蒸発によって水蒸気圧力が高まり、膜電極接合体４の加湿が進み、酸素流路材２への水蒸気放出も盛んになる。
【００３３】
排水溝３Ｍを加工するのは拡散層５よりも拡散層３が望ましく、排水溝３Ｍの方向は、発電セル１０Ｓを組み立てた際に、少なくとも一方の端が空気取り入れ口８の方向に対して開口するよう形成されることが望ましい。これは、液体水が蒸発し易い空気取り入れ口８の付近へ液体水を誘導することによって発電セル１０Ｓ排水性を高めるためである。
【００３４】
第１実施形態の排水溝３Ｍは、高分子電解質膜を用いて発電を行う燃料電池１０において、電極反応で生成された余分な液体水が空気取り入れ口８を通じて円滑に排出される。酸素流路材２や拡散層３と膜電極接合体４との隙間に液体水が滞留して酸素供給を閉塞させるフラッディングが発生し難い。拡散層３や膜電極接合体４の触媒層における三相界面の水没を回避して電極反応を直接的に阻害させない。
【００３５】
＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。第２実施形態では拡散層３に形成される排水溝３Ｎの外観形状が異なるのみで、それ以外は第１実施形態と同様な部品を用いて同様に燃料電池を組み立てる。従って、図１〜図４を併せて参照して説明する。
【００３６】
図５に示すように、第２実施形態では、酸素流路材２の拡散層３には、空気取り入れ口８に臨む側面２Ａ、２Ｂに向かって次第に断面積が拡大する排水溝３Ｎが形成されている。この構造を用いることによって、次のような効果が得られる。
【００３７】
まず、膜電極接合体４の触媒層付近で発電活動により発生した液滴水分は、酸素流路材２、拡散層３が疎水性であるためにエネルギー的に不安定になる。一方で前述のとおりに形成した排水溝３Ｎの部分は、空間が形成されているために、液滴水分に対してエネルギー的に安定な箇所となる。従って、液滴水分は、安定性を求めて排水溝３Ｎに吸い込まれるように移動して滞留する。すると、それまで液体水に水没していた箇所に関して酸素の供給が復活するために燃料電池１０の特性が維持される。
【００３８】
しかし、排水溝３Ｎに液滴水分を誘導しただけでは、排水溝３Ｎのその部分に滞留するのみで、続く発電活動と生成水の堆積により、再び水没して失活する領域が増加することが懸念される。
【００３９】
そこで、排水溝３Ｎに滞留した水を駆動して排水溝３Ｎに沿って移動させる仕組みが必要となる。そのためには、先ず最低条件として、図４に示す排水溝３Ｍのように、排水溝３Ｍの少なくとも一端が空気取り入れ口８の方向に延びていることが望ましい。更には、排水溝３Ｍが空気取り入れ口８に連絡していることが望ましい。しかし、直接に排出溝３Ｍが露出していなくても液体水分の蒸発効果により、排水溝３Ｍの中の水分は排出されることが期待されるため、必ず露出しなくてはならないわけではない。
【００４０】
そして、第２実施形態では、排水溝３Ｎに滞留した水を空気取り入れ口８へ向かって移動させる駆動力としてキャピラリー圧を追加する。半径ｒの細長い円管中においてキャピラリー圧Ｐｃは次のように定義される。
Ｐｃ＝−（２γ／ｒ）ｃｏｓθ （１）
ここで、γは表面張力定数、θは液滴水と酸素流路材２、拡散層３の接触角を示す。式（１）から、円管の半径ｒが大きくなれば、それに反比例してキャピラリー圧Ｐｃは弱くなる。
【００４１】
これは、次のことを意味する。疎水性の円管の半径ｒが変化しているところでは半径ｒが小さい箇所のキャピラリー圧Ｐｃが半径ｒの大きい箇所よりも大きい。このため、圧力に不均衡が生じ、半径ｒが小さい箇所の液体水が半径の大きい方へ向かって円管内を移動する。
【００４２】
つまり、図５に示すように、空気取り入れ口８に最も近い側面２Ａ、２Ｂにおける断面半径を最も大きくするように排水溝３Ｎを形成する。これにより、側面２Ａ、２Ｂの中間付近に滞留した液滴水分は、キャピラリー圧Ｐｃによって外側に誘導される。側面２Ａ、２Ｂは、空気取り入れ口８に近いため、液体水は容易に蒸発して大気中へ排出される。このように、排水溝３Ｎの形状を工夫することにより、液体水の排出はより容易となり、燃料電池１０の安定性が向上する。
【００４３】
排水溝３Ｎの幅は、水が誘導できる範囲内であれば良い。狭すぎると水の凝集が困難となり、広すぎると排水溝３Ｎに生成される液滴の体積が大きくなり過ぎて、キャピラリー圧Ｐｃによる排出が困難となる。さらに、拡散層３と膜電極接合体４との非接触面積が増大して、酸素流路材２の目的の一つである集電効果に支障をきたしてしまう。そのため、排水溝３Ｎの直径は５μｍ以上が望ましく、１０００μｍ以下が望ましい。
【００４４】
＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。第３実施形態では、拡散層３に形成される排水溝３Ｐの外観形状が異なるのみで、それ以外は第１実施形態と同様な部品を用いて同様に燃料電池を組み立てる。従って、図１〜図４を併せて参照して説明する。
【００４５】
図６に示すように、第３実施形態では、拡散層３に、空気取り入れ口８に臨む側面２Ａ、２Ｂに向かって分岐して本数が増える排水溝３Ｐが形成されている。第１実施形態の場合、燃料電池１０の触媒反応によって発生した液体水を発電セル１０Ｓの外側に誘導するために排水溝３Ｍが存在する。この場合、発電セル１０Ｓの空気取り入れ口８に近い部分では、発電反応による生成水と中央側から移動して来た流入水とが集積して排水溝３Ｍが飽和する可能性がある。そのため、それに応じて第２実施形態のように排水溝３Ｎの幅を広げることも考えられるが、図６に示すように排水溝３Ｐを途中で分岐させても良い。
【００４６】
第３実施形態では、排水溝３Ｐを移動する液体は、途中で二股に分岐している。これによって液体が集中する外側領域での排水を効率よく行ない、同時に液体があまり集中しない中央部では、電極接合体との接触面積を大きく確保して、酸素流路材２の本来の目的である集電効果を十分に得ることができる。排水溝３Ｐの分岐点は、途中一つである必要はなく、必要に応じて複数有しても良いし、３本以上に分離していても良い。溝幅の拡大と分岐とを組み合わせても良い。
【００４７】
＜第４実施形態＞
図７は第４実施形態の燃料電池の構成を説明する斜視図、図８は拡散層に形成した排水溝の断面形状の説明図、図９は排水溝の断面形状の変形例の説明図である。
【００４８】
図７に示すように、第４実施形態の燃料電池装置２０は、複数の発電セル２９を積み重ねて直列に接続したセルスタック２０Ａを備える。発電セル２９は、セパレータ２４とセパレータ２８とに挟み込んで積み重ねられ、圧板３１、３６を用いて全体を積み重ね方向に拘束して組み立てられている。
【００４９】
発電セル２９は、高分子電解質膜の両面に触媒層を形成した膜電極接合体２６の下面に燃料供給層２５、上面に拡散層２７を接触させている。燃料供給層２５に接する触媒層では、水素ガスが触媒反応によって水素原子に分解されてイオン化し、水素イオンが高分子電解質膜に供給される。拡散層２７に接する触媒層では、触媒反応によって酸素が、発電セル２９の起電力に打ち勝って高分子電解質膜から拾い上げた水素イオンに化合して水分子を生成する。高分子電解質膜は、燃料供給層２５側から拡散層２７側へ水素イオンを移動させる。
【００５０】
燃料供給層２５は、セパレータ２４に形成された凹所２３に配置されている。凹所２３の外周は密封されて水素ガスが周囲へ漏れ出さない。拡散層２７の側面と上面の一部は、酸素流路材を兼ねたセパレータ２８の通気溝３８を通じて大気に解放されている。
【００５１】
各段のセパレータ２８、発電セル２９（膜電極接合体２６）、セパレータ２４と圧板３１とには、平面位置を合わせて、水素ガス供給路２１が形成されている。水素ガス供給路２１には、燃料タンク３７が減圧弁３４を介して接続される。水素ガス供給路２１には、燃料タンク３７から取り出して、減圧弁３４で大気圧より少し高い圧力に調圧された水素ガスが供給され、セパレータ２４で凹所２３へ分岐して、各段の燃料供給層２５に流れ込む。
【００５２】
圧板３６と各段のセパレータ２８、発電セル２９（膜電極接合体２６）、セパレータ２４とには、平面位置を合わせて排出路２２が形成されている。排出路２２には、通常は閉止され、必要に応じて手動で開放されるパージ弁３５が接続されている。
【００５３】
図８に示すように、第４実施形態における膜電極接合体２６は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜２６Ａの表面に触媒層２６Ｂ、２６Ｃを一体に形成してある。膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂ上には、拡散層２７が接触している。そして、触媒層２６Ｂとセパレータ２７とに挟まれた拡散層２７における触媒層２６Ｂとの接触面に、触媒層２６Ｂ側に開口した排水溝２７Ｍを設けている。そして、排水溝２７Ｍを拡散層２７に設けることにより、膜電極接合体２６の電極反応に直接関わる触媒層２６Ｂを減らすことなく、触媒層２６Ｂで生成される余分な水を効率良く排水できる。
【００５４】
排水溝２７Ｍは、炭素粒子を含む撥水性の触媒層２６Ｂと炭素繊維を含む撥水性の拡散層２７との界面に発生した液滴水を上述した表面張力の駆動力によって吸い上げる。この駆動力を有効に発揮させるために溝幅ａは３０μｍとした。
【００５５】
また、運転中に偶発的、局所的に発生した水分過剰な領域から周囲の水分不足の領域へと液体水が移動し易いように、排水溝２７Ｍの平面配置パターンは等幅等間隔（２５０本／インチ）の碁盤目状とした。これにより、膜電極接合体２６のどこで水分過剰となっても、吸い上げられた液体水の圧力が、排水溝２７Ｍを通じて、周囲の水分不足な領域へと面状に液体水を押し出す。
【００５６】
拡散層２７には、高いガス透過性および高い電気伝導性を有する材料が望ましく、これらの性質を有する材料として、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属メッシュ等が用いられる。特に、加工性や入手のし易さ、コストの面から、カーボンクロスを用いることが好ましい。このような材料を用いた場合、排水溝２７Ｍは、レーザー加工やイオンビーム加工により、断面形状や深さを制御した排水溝２７Ｍを加工できる。
【００５７】
排水溝２７Ｍの断面形状は、図８に示される半円形には限定されず、図９に示す三角形の断面形状、正方形等の多角形の断面形状でも、これらの方法により容易に加工できる。触媒層２６Ｂに接する平面における排出溝２７Ｍの平面配置においても、網目状やある一定方向に規則的に並んだ配置も容易に加工できる。
【００５８】
このような円形・半円形や多角形の断面形状を持つ排出溝２７Ｍや平面配置のパターンを自由に加工できることは、燃料電池２０全体の構成に対して、膜電極接合体２６と拡散層２７との関係を最適化する上で好ましい。
【００５９】
＜第５実施形態＞
図１０は第５実施形態における酸素供給層および排水溝の構成の説明図、図１１は排水溝の構造の変形例の説明図である。第５実施形態の燃料電池４０は、酸素供給層４７が膜電極接合体２６に接する面に微小な組織の開口を有する導電性の微粒子層（カーボン粒子層４８）が形成される。そして、この微粒子層に排水溝４８Ｍが形成されている。しかし、それ以外の構成は第４実施形態と同様であるので、図７を併せて参照し、図８、図９と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６０】
図１０に示すように、膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂと酸素供給層４７との密着性を改善して電気伝導性を高めるために、両層の間に１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の粒径のカーボン粒子からなる厚さ５０μｍのカーボン粒子層４８を設けた。カーボン粒子層４８には、触媒層２６Ｂ側に開口する排水溝４８Ｍを設けた。カーボン粒子層４８は、カーボンクロスの酸素供給層４７（第４実施形態の拡散層２７と同じ材料を用いた）上に、カーボン粉末を揮発性液体に分散させた混合液をドクターブレード法やスクリーン印刷法などにより塗布し、乾燥させることにより作製する。
【００６１】
排水溝４８Ｍは、雄型や針金を半乾燥状態の混合液の表面に押し付けて転写して形成する。混合液の表面を急速乾燥した後に、全体を徐々に乾燥収縮させて表面に収縮クラックを形成させることにより形成できる。すなわち、乾燥過程における乾燥雰囲気・乾燥時間の調整により形成できる。
【００６２】
あるいは、凹面状に湾曲させた拡散層２７上に混合液を塗布して乾燥させた後に、拡散層２７を平らに戻して意図的なひび割れパターンを形成することでも排水溝４８Ｍを形成できる。水分を運搬させたい方向と直角な方向に湾曲させて混合液を塗布／乾燥させることで、拡散層２７を平らに戻した際に、水分を運搬させたい方向（図４参照）に伸びた排水溝４８Ｍを形成できる。
【００６３】
膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂには、高い電子伝導性、高い水素イオン伝導性、高い酸素拡散性が求められる。従って、触媒金属の総使用量を節約しつつ、触媒層２６Ｂにおける触媒微粒子の反応サイトとイオン伝動層とを接近させて高密度に配置することが望まれる。このため、触媒層２６Ｂには、粒径が５０ｎｍ程度のカーボン担体粒子の表面に、粒径１〜５ｎｍ程度の白金微粒子などの触媒金属超微粒子を分散／付着させた触媒担持カーボンと高分子電解質溶液とを混合して塗布／乾燥させたものを用いている。
【００６４】
このようにして形成した触媒層２６Ｂにおいては、カーボン担体粒子の乾燥時の２次凝集により、０．１μｍ程度の無数の空隙が生じている。そして、この空隙が、酸素の拡散経路および生成水の排出経路として機能している。
【００６５】
このため、隣接するカーボン粒子層４８に設けた排水溝４８Ｍは、触媒層２６Ｂ側の溝幅ａが、０．１μｍ以上で１ｍｍ以下であることが望ましい。拡散層２７に設けた排水溝２７Ｍ（図８）も同様である。排水溝４８Ｍ（２７Ｍ）の溝幅ａが触媒層２６Ｂに存在する空隙の大きさよりも大きければ、毛管作用によって触媒層２６Ｂの空隙に存在する液体水が自然に排水溝４８Ｍ（２７Ｍ）へ移動する。これにより、効率的に触媒層２６Ｂから余剰水が除去される。溝幅ａとは、円形や半円形の断面形状を有する排水溝であれば、断面形状の直径であり、多角形の場合は、排水溝が触媒層２６Ｂに接する幅である。
【００６６】
図１１に示すように、膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂと酸素供給層４７との間に位置するカーボン粒子層４８に排水溝４８Ｎを設けるとき、排水溝４８Ｎがカーボン粒子層４８を貫通していてもよい。排水溝４８Ｎは、触媒層２６Ｂ側に開口するだけではなく、酸素供給層４７にも開口している。
【００６７】
このとき、酸素供給層４７に用いられるカーボンクロス等の炭素繊維の空隙が１μｍ程度であるとすれば、酸素供給層４７側の溝幅ｂが１μｍないし１ｍｍであることが好ましい。酸素供給層４７の組織の空隙よりも排水溝４８Ｎの溝幅ｂを大きくすれば、酸素供給層４７の組織の空隙にたまっている水も、毛管作用によって、効率的に吸い上げることができるからである。
【００６８】
触媒層２６Ｂや酸素供給層４７の組織の空隙の大きさと分布状態は、水銀ポロシメータやガス吸着法などの方法を用いて測定できる。これらの方法を用いて触媒層２６Ｂや酸素供給層４７の空隙分布を測定する。測定された触媒層２６Ｂの主要な空隙径よりも、触媒層２６Ｂ側の溝幅ａが大きくなり、酸素供給層４７の主要な空隙径よりも酸素供給層４７側の溝幅ｂが大きくする。このような関係が満足される排水溝４８Ｎをカーボン粒子層４８に形成することが望ましい。ただし、溝幅ａ、ｂは１ｍｍを越えない。１ｍｍを越えると、表面張力や毛管作用による駆動力に比較して駆動される液体水の質量が大きくなり過ぎて、液体水が移動しなくなるからである。
【００６９】
＜第６実施形態＞
図１０に示すカーボン層３４を形成する際の条件を制御して、意図的な乾燥クラックを形成することにより、排水溝４８Ｍを形成した。そして、排水性能を確認した。図１２は運転中の燃料電池の水分布を測定するためのＸ線撮影の説明図、図１３はカーボン粒子層の平面内における液体水分布の撮影画像、図１４は発電セルの断面内における液体水分布の撮影画像である。図１３、１４中、（ａ）は撮影画像、（ｂ）は理解を助けるための二値化画像である。
【００７０】
図１０に示すように、膜電極接合体２６の触媒層２６Ｂ、２６Ｃとして、白金担持カーボン触媒層を高分子電解質膜２６Ａの両面に作製した。高分子電解質膜２６Ａへの転写層として、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）シート上に、ドクターブレード法を用いて、白金担持カーボン触媒層を形成した。塗布した触媒スラリーは、白金担持カーボン（Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ製）、Ｎａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ製）、ＰＴＦＥ、ＩＰＡ、水の混錬物である。塗布後に半乾燥させたＰＴＦＥシート上の触媒層２６Ｂ、２６Ｃで固体高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ製）２６Ａを挟み、８ＭＰａ、１５０度Ｃ、１ｍｉｎのプレス条件でホットプレスする。その後、両表面のＰＴＦＥシートを剥離することにより、触媒層２６Ｂ、２６Ｃを高分子電解質膜２６Ａの両面に作製する。
【００７１】
次に、酸素供給層４７（カーボンクロス）の表面にカーボン粒子層４８を作製する。カーボン粉末とＰＴＦＥ粉末とを等重量比で混合し、十分に粉砕／攪拌を行った後、エタノールと純水とを加えて混合する。得られた混合液を、ドクターブレード法で酸素供給層４７上に塗布し、その後、室温でゆっくりと乾燥させ、カーボン粒子層４８および酸素供給層４７とする。
【００７２】
次に、触媒層２６Ｂとカーボン粒子層４８とを接触させて、膜電極接合体２６に酸素供給層４７、燃料供給層２５（図７）を積み重ねて圧着して一体化させた。最後に、一体化させた全体を集電用の金属電極を兼ねたセパレータ２４、２８（図７）で挟み込んで複数段積み重ねることにより、セルスタック２０Ａ（図７）を形成した。セルスタック２０Ａに必要な部品を組み立てて固体高分子型の燃料電池２０とした。
【００７３】
次に、カーボン粒子層４８に形成した排水溝４８Ｍが排水路として機能していることを確認するため、図１２に示すように、燃料電池２０の膜電極接合体２６の平面内および断面にＸ線５１を照射して透過画像を撮影した。そして、透過画像を分析してＸ線５１の吸収変化および屈折の効果を測定した。
【００７４】
Ｘ線源から出たＸ線５１は、測定領域のサイズに成形された後に固体高分子型の燃料電池２０に入射する。燃料電池２０を透過したＸ線５２は、二次元検出器（Ｘ線ＣＣＤカメラ）５３によって検出される。燃料電池２０の各部材のＸ線５１に対する吸収量は、燃料電池２０の運転前と駆動中とで変化しない。しかし、運転中は、発電反応によって生成された水の凝集量によって燃料電池２０を透過するＸ線の吸収率が変化する。そこで、吸収率の変化量を計測することによって、膜電極接合体２６の内部や表面の水の分布および凝集量変化を図１３、図１４に示すように可視化して、排水経路を特定した。
【００７５】
図１３に示すように、触媒層２６Ｂの平面内には、幅が３０〜５０μｍの網目状の水路６７が、燃料電池２０の駆動時に再現性よく形成される。
【００７６】
図１４に示すように、燃料電池２０の断面では、水路６７として機能していたのがカーボン粒子層４８に形成され、触媒層２６Ｂ側に開口している排水溝（４８Ｍ：図１０）であることが判明した。水路６７の一部は、図１１に示す排水溝４８Ｎのように酸素供給層４７に達している。これにより、乾燥収縮クラックを利用したカーボン粒子層４８の排水溝４８Ｍが、触媒層２６Ｂの表面の液体水の排出に有効であることが確認できた。
【００７７】
なお、触媒層２６Ｂの平面内における排水溝４８Ｍの分布形状は、特に制限が無い。図１３に示す網目状に広がっていても良く、また、図４に示す一定方向に規則的に並んでいても良い。図７に示す拡散層２７側を第６実施形態のような構成にすることにより、大きな効果を発揮する。しかし、燃料供給層２５側においても第６実施形態の構成を実施することにより、拡散層２７側から逆拡散してきた余分な水を過剰領域から不足領域へ速やかに移動させることが可能であり、好ましい。
【００７８】
従って、第４〜第６実施形態の構成は、拡散層２７、４７に形成する排水溝２７Ｍ、４８Ｍの形状を特定することにより、触媒層２６Ｂあるいは拡散層２７、４７から余分な生成水を速やかに排出できる。これにより、安定した動作が可能となる固体高分子型の燃料電池２８を提供できる。
【００７９】
＜比較例の燃料電池＞
固体高分子型燃料電池は、エネルギーの変更率が高く、クリーンである事に加えて静かであることなどから将来のエネルギー源として期待されている。その用途は自動車や家庭用電源などの大型のものから、ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラなどのデバイスに搭載されるような小型のものまである。このような小型の燃料電池の寿命は、従来の二次電池よりも長寿命になることが期待され、盛んに開発が行なわれている。
【００８０】
図１５は固体高分子型燃料電池の断面形状の典型例の説明図、図１６は発電セルの構成の説明図である。図１５、図１６に示すように、固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜１０４を中央部に有する。多くの場合、その片側の面に燃料が供給されアノードとなる燃料極と、もう片側の面に酸化剤が供給されカソードとなる酸化極とを有している。それぞれの極は、その外側に燃料もしくは酸化剤を拡散し、かつ発電した電力を集電する拡散層１０３、１０５を有する。拡散層１０３、１０５の外側に燃料もしくは酸化剤を発電セル１００Ｓ全体に供給する供給流路材１０２、１０６を有する。
【００８１】
拡散層１０３、１０５の部材としては、導電性のある多孔質媒体として、例えばカーボンクロスが用いられる。供給流路材１０２、１０６には何も設置されないが、集電及び支持部材として空孔率の高い多孔質媒体を設置する場合がある。
【００８２】
燃料もしくは酸化剤は、供給流路材１０２、１０６の中を、例えばポンプによる圧力や自然拡散・自然対流などの手法で供給される。燃料もしくは酸化剤は、供給流路材１０２、１０６から拡散層１０３、１０５を通して拡散し、それぞれ高分子電解質膜１０４に到達する。
【００８３】
高分子電解質膜１０４のアノードでは、到達した燃料がアノードの触媒による酸化作用により酸化され、水素イオンとなって、高分子電解質膜１０４中をカソードに向けて移動する。この燃料としては、水素ガスなどの気体やメタノール・エタノールといった液体が使用される。
【００８４】
高分子電解質膜１０４のカソードでは、供給流路材１０２より拡散層１０３を通じて到達した酸化剤、例えば酸素と、高分子電解質膜１０４を移動してきた水素イオンとが酸化剤と反応して水分子が生成される。そして、この一連の化学反応で発生するエネルギーの一部が電気エネルギーとして取り出される。
【００８５】
前述の通り、高分子電解質膜１０４のカソードでは発電反応によって水が生成される。この水は、通常水蒸気もしくは液滴水分となって酸化剤の拡散層から流路に移動し、排出される。また、ＭＥＡを透過してアノード側から排出される場合もある。この際、燃料もしくは酸化剤の供給を、ポンプを用いて行う場合には、ポンプの圧力によってそのまま燃料もしくは酸化剤と一緒に水も移動し、排出口より排出される。
【００８６】
一般に、燃料電池は、単体では十分な電力を得られないため、上記のような発電セルをいくつか直列に積層したセルスタックの構造を有する（図１参照）。このような形式の燃料電池は、主にガソリンに替わる自動車の動力源や業務用もしくは家庭用のコジェネレーション用途として注目を浴びている。
【００８７】
近年ではノートパソコンや、ＰＤＡといった携帯用電子機器のバッテリーとしてもその用途が期待されているため、燃料電池のシステム全体を極端に小型化しなくてはならない。そのため、圧力勾配を利用した燃料もしくは酸化剤の供給装置などの制御機構が利用できないので、燃料及び酸化剤を拡散や自然対流によって供給せざるを得ない。
【００８８】
特許文献１では、酸化剤である酸素を自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池の技術を開示している。特許文献１の図４は、その発電セルの構造を示しており、酸化剤である酸素は、拡散セルユニット３９を拡散してＭＥＡ５５に到達する。燃料である水素は流路５８から供給されてＭＥＡ５５に到達する。
【００８９】
固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤を、電解質として水素イオン伝導性の固体高分子膜を用いて電気化学的に反応させることで、電気と熱および水を発生させる。固体高分子型燃料電池は、常温から１００℃程度の比較的低温で運転が可能で、高い出力密度が得られる。このため、他の燃料電池に比べて起動性に優れ、小型・軽量化が可能である。
【００９０】
固体高分子型燃料電池の一般的な発電部は、高分子電解質膜の両面に触媒層があり、それを挟み込むようにガス拡散層が配置され、さらにそれらを挟み込むように燃料極（アノード）と空気極（カソード）の電極が配置されている。そして、アノード側から水素を含む燃料を、カソード側から空気を流すことにより、発電を行う。
【００９１】
高分子電解質膜は、燃料と酸化剤が直接反応しないようにアノード側とカソード側を隔離し、かつアノード側で生成される水素イオンをカソード側まで運ぶ役割を担っている。一般的には、耐久性に優れたフッ素樹脂系のイオン交換膜が幅広く用いられている。高分子電解質膜は、水素イオンが水を伴って膜内を移動するため、高い水素イオン伝導性を得るためには、膜内に十分な水分を含んでいる必要がある。
【００９２】
高分子電解質膜の表面に形成される触媒層には、高い触媒性能と大きな反応面積を実現するために、１〜５ｎｍ程度の粒径の白金微粒子を、数１０ｎｍの粒径のカーボン粒子に担持させた、白金担持カーボンが良く用いられる。このような触媒層は、カーボン粒子の２次凝集により、０．１μｍ程度の空隙が存在しており、この隙間が反応ガスの流入路および生成水の排水経路として働く。このような触媒層での電極反応は、白金などの触媒と高分子電解質、反応ガスの接する三相界面とよばれる部分で起こるとされており、この三相界面を多く確保することが高性能の電池を実現するために重要である。
【００９３】
拡散層には、気体の透過性と導電性とに優れた、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質材料が一般に用いられている。これらのカーボン繊維は１μｍ程度の空隙を形成しており、これが反応ガスの流入路および生成水の排水経路として働く。拡散層は、電解質膜および触媒層を挟み込むように配置されているため、触媒層のための排水性と、高分子電解質膜のための保湿性とをバランスよくもっている必要がある。
【００９４】
また、一般に固体高分子型燃料電池では、発電部を反応ガスの流路をつけたセパレータで挟んで発電セルを構成する。さらに、発電セルを積み重ねて直列に接続したセルスタックとすることで燃料電池を構成する。
【００９５】
＜発明との対応＞
第１実施形態の燃料電池１０は、一方の面から他方の面へ水素イオンを移動させて発電する膜電極接合体４と、前記一方の面側に配置されて、水素イオンに反応させる酸素を前記一方の面に拡散して供給する酸素流路材２、拡散層３とを備える。そして、拡散層３の膜電極接合体４側の面に、周囲の拡散層３よりも液体水の保持性を高めた排水溝３Ｍが形成されている。
【００９６】
燃料電池１０は、膜電極接合体４の部分的な水没を引き起す液体水を排水溝３Ｍに集めて、排水溝３Ｍに沿った方向に液体水の状態で移動させる。周囲よりも液体水の保持性が高い排水溝３Ｍは、膜電極接合体４の表面の液体水を吸い寄せて膜電極接合体４の表面を覆うことを妨げ、排水溝３Ｍの幅を超える領域の水没が抑制される。
【００９７】
そして、排水溝３Ｍが液体水を集める力が排水溝３Ｍに沿った液体水の流れを形成するので、膜電極接合体４の表面における液体水の分布の偏りが排水溝３Ｍを通じた液体水の移動によって平均化される。
【００９８】
液体水の状態で過剰領域から不足領域へ水が移動するので、発電開始後速やかに膜電極接合体４の湿潤度も均一化され、高分子電解質膜の場合であれば、膜電極接合体４の全体から高い発電性能（起電力）を引き出せる。排水溝３Ｍを通じた液体水の移動は、全量を水蒸気の状態で移動させる場合ほどには酸素流路材２、拡散層３の水蒸気分圧を高めないので、酸素流路材２、拡散層３を通じた水蒸気の外部への排出性能は高く維持される。酸素流路材２、拡散層３を通じた逆方向の酸素の拡散も円滑になる。
【００９９】
従って、膜電極接合体４の表面積あたりの電流値を高く設定しても膜電極接合体４の局所的な水没領域が発生しにくくなる。小面積の膜電極接合体４を用いて、大気の循環機構やブロアーに頼らなくても大きな電流が出力可能となる。高信頼性、長寿命、高性能を実現しつつ、部品点数が少なく小型軽量で安価な燃料電池１０を提供できる。
【０１００】
燃料電池２０の膜電極接合体２６は、高分子電解質膜２６Ａの表面に導電性の触媒層２６Ｂを一体に形成しており、拡散層２７が膜電極接合体２６に接する面に排水溝２７Ｍが形成されている。
【０１０１】
触媒層２６Ｂ側における排水溝２７Ｍの幅は、触媒層２６Ｂの組織の平均開口径よりも大きい。
【０１０２】
燃料電池１０の排水溝３Ｍの幅は、５μｍ以上１０００μｍ以下である。
【０１０３】
発電セル１０Ｓは、通気性を持たせた酸素流路材２と、酸素流路材２の膜電極接合体４側の面に形成されて酸素流路材２よりも微小な開口を有する拡散層３とを酸素供給層が有する。そして、拡散層３が膜電極接合体４に接する面に排水溝３Ｍが形成されている。
【０１０４】
第５実施形態の拡散層４７は、膜電極接合体２６に接する面に、拡散層４７よりも組織の平均開口径が小さい導電性のカーボン粒子層４８を有する。排水溝４８Ｎは、カーボン微粒層４８を貫通して拡散層４７に達する深さに形成され、酸素流路材を兼ねたセパレータ２８側における排水溝４８Ｎの幅は、拡散層４７の平均開口径よりも大きい。
【０１０５】
燃料電池１０は、膜電極接合体４と酸素流路材２、拡散層３とを備えた発電セル１０Ｓが積み重ねて直列に接続される。大気に開放されて膜電極接合体４で生成された水分を大気中に排出する空気取り入れ口８が発電セル１０Ｓの側面側に配置される。排水溝３Ｍは、空気取り入れ口８に向かう方向に形成されている。
【０１０６】
第２実施形態における排水溝３Ｎは、空気取り入れ口８に臨む側面側に連絡して並列に複数配置され、空気取り入れ口８に向かって次第に排水溝３Ｍの断面積が増大している。
【０１０７】
第３実施形態における排水溝３Ｐは、空気取り入れ口８に臨む側面側に連絡して並列に複数配置され、空気取り入れ口８に向かって分岐して本数が増している。
【０１０８】
燃料電池１０は、酸素流路材２における少なくとも排水溝３Ｍを含む深さの領域がカーボン繊維なので撥水性である。
【０１０９】
第６実施形態では、三次元の通気性を持たせた酸素供給層４７の表面に炭素粒子と揮発性の溶剤との混合液を塗布し、前記表面に塗布した混合液を乾燥させて溶剤を蒸発させている。これにより、炭素粒子のカーボン粒子層４８に微小な乾燥収縮クラックを形成して排水溝４８Ｎとした。
【０１１０】
第５実施形態の排水溝４８Ｍ以下の方法によって形成できる。三次元の通気性を持たせた酸素供給層４７の表面に炭素粒子と揮発性の溶剤との混合液を塗布し、塗布した混合液を乾燥させる。その後に、表面を拡大する方向に酸素供給層４７を変形して、炭素粒子のカーボン粒子層４８に微小な破断クラックを形成して排水溝４８Ｍとした。
【０１１１】
第１実施形態における酸素流路材２は、燃料電池１０の対向する一対の側面にそれぞれ形成された空気取り入れ口８を通じて、板状の外観の側面側から取り入れた酸素を一方の平面側に拡散供給する。そして、空気取り入れ口８に臨む一対の側面側を連絡する多数の排水溝３Ｍを前記平面側に有する。
【０１１２】
第２実施形態における酸素流路材２は、多数の排水溝３Ｎは、側面側に向かって排水溝３Ｎの断面積が次第に拡大している。
【０１１３】
第３実施形態における酸素核酸層２は、多数の排水溝３Ｐは、側面側に向かって分岐して本数が増えている。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】第１実施形態の燃料電池の全体構成の説明図である。
【図２】空気取り入れ口側から見た発電セルの構成の説明図である。
【図３】空気取り入れ口を横に置いた方向から見た発電セルの構成の説明図である。
【図４】酸素供給層の斜視図である。
【図５】第２実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。
【図６】第３実施形態における酸素供給層の構成の説明図である。
【図７】第４実施形態の燃料電池の構成を説明する斜視図である。
【図８】拡散層に形成した排水溝の断面形状の説明図である。
【図９】排水溝の断面形状の変形例の説明図である。
【図１０】第５実施形態における酸素供給層および排水溝の構成の説明図である。
【図１１】排水溝の構造の変形例の説明図である。
【図１２】運転中の燃料電池の水分布を測定するためのＸ線撮影の説明図である。
【図１３】カーボン粒子層の平面内における液体水分布の撮影画像を示す図である。
【図１４】発電セルの断面内における液体水分布の撮影画像を示す図である。
【図１５】固体高分子型燃料電池の断面形状の典型例の説明図である。
【図１６】発電セルの構成の説明図である。
【符号の説明】
【０１１５】
２、３、２７、４７ 酸素供給層（酸素流路材、拡散層）
３、４７ 拡散層
４、２６ 発電層部材（膜電極接合体）
５、２５ 燃料供給層（燃料流路材）
６ 燃料流路材
８ 開口（空気取り入れ口）
１、７、９、２４、２８ セパレータ
１０、２０ 燃料電池
１０Ａ セルスタック
１０Ｂ 燃料タンク
１０Ｓ 発電セル
２６Ａ 高分子電解質膜
２６Ｂ、２６Ｃ 触媒層
４８ 微粒子層（カーボン粒子層）
３Ｍ、３Ｎ、３Ｐ、２７Ｍ、４８Ｍ、４８Ｎ 排水溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面から他方の面へ水素イオンを移動させて発電する発電層部材と、
前記一方の面側に配置されて、前記水素イオンに反応させる酸素を前記一方の面に拡散して供給する酸素供給層と、を備えた燃料電池において、
前記酸素供給層の前記発電層部材側の面に、周囲の前記酸素供給層よりも液体水の保持性を高めた排水溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記発電層部材は、高分子電解質膜の表面に導電性の触媒層を一体に形成した膜電極接合体であって、
前記酸素供給層が前記膜電極接合体に接する面に前記排水溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記触媒層側における前記排水溝の幅は、前記触媒層の組織の平均開口径よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記排水溝の幅は、５μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
通気性を持たせた酸素運搬層と、
前記酸素運搬層の前記発電層部材側の面に形成されて、前記酸素運搬層よりも微小な開口を有する導電性の拡散層と、を前記酸素供給層が有し、
前記拡散層が前記膜電極接合体に接する面に前記排水溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記拡散層は、前記膜電極接合体に接する面に、前記拡散層よりも組織の平均開口径が小さい導電性の微粒子層を有し、
前記排水溝は、前記微粒子層を貫通して前記拡散層に達する深さに形成され、
前記酸素運搬層側における前記排水溝の幅は、前記拡散層の前記平均開口径よりも大きいことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記発電層部材と前記酸素供給層とを備えた発電セルが積み重ねて直列に接続され、
大気に開放されて前記発電層部材で生成された水分を大気中に排出する開口が前記発電セルの側面側に配置され、
前記排水溝は、前記開口に向かう方向に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記排水溝は、前記開口に臨む前記酸素供給層の側面側に連絡して並列に複数配置され、
前記開口に向かって次第に前記排水溝の断面積が増大していることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記排水溝は、前記開口に臨む前記酸素供給層の側面側に連絡して並列に複数配置され、
前記開口に向かって分岐して本数が増していることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記酸素供給層における少なくとも前記排水溝を含む深さの領域が撥水性であることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記拡散層の表面に炭素粒子と揮発性の溶剤との混合液を塗布し、
前記表面に塗布した前記混合液を乾燥させて前記溶剤を蒸発させることにより、前記炭素粒子の微粒子層に微小な乾燥収縮クラックを形成して前記排水溝としたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
前記拡散層の表面に炭素粒子と溶剤との混合液を塗布し、
前記表面に塗布した前記混合液を固体化させた後に、前記表面を拡大する方向に前記拡散層を変形して、前記炭素粒子の微粒子層に微小な破断クラックを形成して前記排水溝としたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
発電セルの対向する一対の側面にそれぞれ形成された開口を通じて、板状の外観の側面側から取り入れた酸素を片方の底面側に拡散供給する酸素供給層において、
前記開口に臨む一対の前記側面側を連絡する多数の排水溝を前記片方の底面側に有することを特徴とする酸素供給層。
【請求項１４】
前記多数の排水溝は、前記開口に向かって前記排水溝の断面積が次第に拡大していることを特徴とする請求項１３記載の酸素供給層。
【請求項１５】
前記多数の排水溝は、前記開口に向かって分岐して本数が増えていることを特徴とする請求項１３または１４記載の酸素供給層。
【請求項１】
一方の面から他方の面へ水素イオンを移動させて発電する発電層部材と、
前記一方の面側に配置されて、前記水素イオンに反応させる酸素を前記一方の面に拡散して供給する酸素供給層と、を備えた燃料電池において、
前記酸素供給層の前記発電層部材側の面に、周囲の前記酸素供給層よりも液体水の保持性を高めた排水溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記発電層部材は、高分子電解質膜の表面に導電性の触媒層を一体に形成した膜電極接合体であって、
前記酸素供給層が前記膜電極接合体に接する面に前記排水溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記触媒層側における前記排水溝の幅は、前記触媒層の組織の平均開口径よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記排水溝の幅は、５μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
通気性を持たせた酸素運搬層と、
前記酸素運搬層の前記発電層部材側の面に形成されて、前記酸素運搬層よりも微小な開口を有する導電性の拡散層と、を前記酸素供給層が有し、
前記拡散層が前記膜電極接合体に接する面に前記排水溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記拡散層は、前記膜電極接合体に接する面に、前記拡散層よりも組織の平均開口径が小さい導電性の微粒子層を有し、
前記排水溝は、前記微粒子層を貫通して前記拡散層に達する深さに形成され、
前記酸素運搬層側における前記排水溝の幅は、前記拡散層の前記平均開口径よりも大きいことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記発電層部材と前記酸素供給層とを備えた発電セルが積み重ねて直列に接続され、
大気に開放されて前記発電層部材で生成された水分を大気中に排出する開口が前記発電セルの側面側に配置され、
前記排水溝は、前記開口に向かう方向に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記排水溝は、前記開口に臨む前記酸素供給層の側面側に連絡して並列に複数配置され、
前記開口に向かって次第に前記排水溝の断面積が増大していることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記排水溝は、前記開口に臨む前記酸素供給層の側面側に連絡して並列に複数配置され、
前記開口に向かって分岐して本数が増していることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記酸素供給層における少なくとも前記排水溝を含む深さの領域が撥水性であることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記拡散層の表面に炭素粒子と揮発性の溶剤との混合液を塗布し、
前記表面に塗布した前記混合液を乾燥させて前記溶剤を蒸発させることにより、前記炭素粒子の微粒子層に微小な乾燥収縮クラックを形成して前記排水溝としたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
前記拡散層の表面に炭素粒子と溶剤との混合液を塗布し、
前記表面に塗布した前記混合液を固体化させた後に、前記表面を拡大する方向に前記拡散層を変形して、前記炭素粒子の微粒子層に微小な破断クラックを形成して前記排水溝としたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
発電セルの対向する一対の側面にそれぞれ形成された開口を通じて、板状の外観の側面側から取り入れた酸素を片方の底面側に拡散供給する酸素供給層において、
前記開口に臨む一対の前記側面側を連絡する多数の排水溝を前記片方の底面側に有することを特徴とする酸素供給層。
【請求項１４】
前記多数の排水溝は、前記開口に向かって前記排水溝の断面積が次第に拡大していることを特徴とする請求項１３記載の酸素供給層。
【請求項１５】
前記多数の排水溝は、前記開口に向かって分岐して本数が増えていることを特徴とする請求項１３または１４記載の酸素供給層。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−２０７６８５（Ｐ２００７−２０７６８５Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７７９１（Ｐ２００６−２７７９１）
【出願日】平成１８年２月３日（２００６．２．３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月３日（２００６．２．３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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