JP2004039508A

JP2004039508A - Ventilation layer of fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell having ventilation layer

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Publication number: JP2004039508A
Application number: JP2002196738A
Authority: JP
Inventors: Masashi Murate; 村手　政志; Takashi Kaji; 加治　敬史
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP4092965B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ventilation layer of fuel cell capable of increasing supply of gas to an electrode catalyst layer part and of obviating the need of machining or molding a groove of a separator, to provide its manufacturing method, and to provide a fuel cell having the ventilation layer. <P>SOLUTION: (1) This ventilation layer 1 is formed in at least a part on a plate-like separator body 2 without having ventilating capability. The ventilation layer has a plurality parts having ventilation properties different from one another. (2) This manufacturing method of the ventilation layer is used for forming, in at least a part on the plate-like separator body 2 without having ventilation capability, the ventilation layer 1 having the plurality of parts having ventilation properties different from one another. (3) This fuel cell 10 has the ventilation layer 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型の燃料電池）の、通気層（セパレータのガス流路とガス流路間を隔てる部分を構成する層および／またはガス拡散層）と、その通気層の製造方法と、その通気層を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置されたアノードおよび電解質膜の他面に配置されたカソードとからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体流路を形成するセパレータとを複数重ねてセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて固定したスタックからなる。アノード、カソードは触媒層を有する。触媒層とセパレータとの間には拡散層が設けられる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
従来の燃料電池におけるアノードへの燃料ガスの供給と排出、カソードへの酸化ガスの供給と排出は、特開２００１−５７２１５に開示されているように、カーボンまたは金属のセパレータのリブ間に形成された溝のガス流路により行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池の触媒層へのガスの供給とガスの排出では、ガス流路が溝構造であるため、溝以外の部分は中実のリブとなっていてガスが流れず、発電に寄与できない。この緩和策として、従来は、セパレータと電極触媒層との間に薄いガス拡散層を設けてガス流れを一部分散しているが、触媒電極層にガスを均一に供給できないため、面積当りの発電能力を実質的に低下させている。
また、特にセパレータは、流路溝を作るため、機械加工を行ったり圧縮成形を行うため、高コストとなっている。また、カーボンクロスやカーボンペーパーの拡散層も加工費が高く、セル全体として高コストとなっている。
本発明の目的は、従来のセパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、かつ、セパレータに溝の加工または成形を施す必要がない（したがって、コストを低減できる）、燃料電池の通気層、その製造方法、および該通気層をもつ燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（イ）　通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に形成された通気層であって、該通気層は、互いに通気性が異なる複数の部分をもつ燃料電池の通気層。
（ロ）　通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に、互いに通気性が異なる複数の部分をもつ通気層を形成する、燃料電池の通気層の製造方法。
（ハ）　粒子状および／または繊維状の通気層材料をドラムに静電気を利用して所定パターンで付着させそれをセパレータ本体上に転写する、（ロ）の燃料電池の通気層の製造方法。
（ニ）　セパレータ本体上に接着剤を塗布し、ついで粒子状および／または繊維状の通気層材料を所定パターンで塗布する、（ロ）の燃料電池の通気層の製造方法。
（ホ）　セパレータの一部および／または拡散層として上記通気層を有する（イ）の燃料電池。
【０００５】
上記本発明の（イ）の燃料電池の通気層、（ロ）、（ハ）、（ニ）の燃料電池の通気層の製造方法、（ホ）の燃料電池では、従来セパレータのリブに相当する部分も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに相当する部分に対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。また、従来のセパレータの溝の部分にも通気層を形成するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
また、（ロ）、（ハ）、（ニ）の燃料電池の通気層の製造方法では、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池電極の製造方法および燃料電池電極の製造装置を図１〜図１１を参照して、説明する。
図中、図１、図２は燃料電池を示し、本発明の何れの実施例にも適用される。図３〜図６は本発明の実施例１（セパレータの、従来の溝、リブ部を通気層として構成する場合）を示している。
図７〜図１０は本発明の実施例２（セパレータの、従来の溝、リブ部を通気層として構成するとともに、その上にガス拡散層も通気層として構成する場合）を示している。
図１１は、図１の燃料電池のスタックを示しており、本発明の何れの実施例にも適用される。
本発明の実施例１、２に共通するまたは類似する構成要素には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。
【０００７】
まず、本発明の実施例１、２に共通する構成要素の構成、作用を説明する。
本発明が対象とする燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図１１に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層から構成されるアノード１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層から構成されるカソード１７とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ　）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８を有するセパレータ１８とを重ねたセルから構成される。燃料電池スタック２３は、セル１９（またはセルを複数重ねたモジュール）を複数重ねたセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０（電極板）、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（テンションプレート２４）、ボルト２５にて固定したものから構成される。
触媒層１２、１５とセパレータ１８との間には拡散層１３、１６が設けられてもよい。ただし、セパレータ１８の、従来のリブ部に対応する部分（後述の、通気層１の第２の部分１ｂ）も通気性をもつので、拡散層１３、１６は設けられなくてもよい。
【０００９】
図４、図５に示すように、セパレータ１８は、通気性をもたない板状のセパレータ本体２と、セパレータ本体２上の少なくとも一部（セルの発電領域）に形成された通気層１とを有する。セパレータ本体２はカーボンプレートまたは金属プレートまたは導電性樹脂プレートからなる。通気層１は、互いに通気性が異なる複数の部分（第１の部分１ａ、第２の部分１ｂを含む。拡散層１３、１６が設けられる場合は第３の部分１ｃも含む。）をもつ。
【００１０】
セパレータ１８のうち、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８となる第１の部分１ａ（従来のセパレータでは溝となる部分）は、ガス通気性をもつ材料で埋められた、幅をもつポーラスな層とされており、燃料ガス流路２７同士を隔てる、および酸化ガス流路２８同士を隔てる、第２の部分１ｂ（従来のセパレータでは流路溝を隔てるリブの部分）も、ガス通気性をもつ材料からなる、幅をもつボーラスな層とされている。
第１の部分１ａと第２の部分１ｂは、図２、図４に示すように、セパレータ面内方向に配置されている。第１の部分１ａと第２の部分１ｂは、望ましくは、表面が面一（同一高さの面）とされている。
第１の部分１ａと第２の部分１ｂとは通気性を互いに異ならしてあり、第１の部分１ａは第２の部分１ｂより通気性が大（ガスを通しやすい）とされている。
【００１１】
触媒層１２、１４とセパレータ１８間にガス拡散層１３、１６が設けられる場合には、図８に示すように、セパレータ１８の通気層１８ｂの第１の部分１ａと第２の部分１ｂの上に、さらに、通気性をもつ層からなる第３の部分１ｃを形成して、この第３の部分１ｃを拡散層１３、１６として用いるようにする。第３の部分１ｃが設けられる場合、第３の部分１ｃは通気層１の一部を構成する。
第３の部分１ｃは、第１の部分１ａ、第２の部分１ｂに対して、セパレータ面内方向と直交する方向に配置されている。
第３の部分１ｃの通気性は、望ましくは、第１の部分１ａの通気性より小で、第２の部分１ｂの通気性より大とされている。
【００１２】
通気層１の複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃは、複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃを構成する粒子状および／または繊維状（以下、単に粒子状という）の材料の、サイズ（粒子の径、繊維の径等）および／または濃度を互いに異ならせることにより、互いに通気性を異ならせてある。材料は、導電材料であり、たとえばカーボンである。ただし、ガス流路となるポーラス層を構成する第１の部分１ａの材料は、他の部分１ｂ、１ｃの材料より導電性は低くてもよく、場合によっては絶縁材であってもよい。
たとえば、第１の部分１ａは粒径が１０〜５００μｍ程度のカーボン粒子から構成されており、第２の部分１ｂは粒径が１〜１０μｍ程度のカーボン粒子から構成されており、第３の部分１ｃは粒径が５〜１００μｍ程度の揮発性および弾力性のあるカーボン粒子から構成されている。
【００１３】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１の製造方法を説明する。
通気層材料は、カーボン粒子（粉末、繊維である場合を含む）を含む。通気層材料は、カーボン粒子に、バインダーとしての樹脂粒子（粉末、繊維である場合を含む）を混ぜたものであってもよい。通気層材料は、導電性を有するが、非磁性である。そして、非磁性である点において、コピー機のトナーと異なる。
【００１４】
本発明の燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すように、粉末状の通気層材料３を供給する通気層材料供給容器４と、供給された通気層材料３が表面に所定パターンで塗布され該塗布された通気層材料３をセパレータ本体２に転写するドラム５と、転写された通気層材料３をセパレータ本体２に定着させる定着装置６、を有する。ドラム５上への通気層材料３の塗布は、静電塗布の場合と非静電塗布の場合を含む。
ただし、本発明の燃料電池の通気層の製造装置は、図３の（ロ）に示すように、通気層材料供給容器４よりセパレータ本体送り方向上流側でセパレータ本体２に接着剤塗布ローラー８Ａにて接着剤を塗布し、接着剤が塗布されたセパレータ本体２に通気層材料供給容器４から粉末状の通気層材料３を所定パターンで直接供給、塗布し、通気層材料供給容器４よりセパレータ本体送り方向下流側で通気層材料をセパレータ本体２に定着させる装置から構成されてもよい。ここで、直接塗布とは、図３のようなドラム５を介して塗布するものでないということである。
【００１５】
ドラム５を介して塗布する場合の、燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すような静電複写方式の塗布装置であってもよいし、またはスクリーン＋スキージ方式（図３の（ロ）に示すように、スクリーン＋スキージ方式の通気層材料供給容器からドラムに所定パターンで材料を塗布し、このドラムからセパレータ本体に転写し、定着させる方式）の塗布装置であってもよい。
【００１６】
静電複写方式の場合は、燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すように、粒子状の通気層材料３を収容している通気層材料供給容器４から粒子状の通気層材料３をドラム５の表面に供給する材料供給ローラー４Ａと、ドラム５を構成する感光体ドラムと、ドラム５位置よりセパレータ本体２の送り方向下流に設けられた、定着装置を構成する定着ローラー７と、感光体ドラム５表面を帯電させる帯電ローラー８と、感光体ドラム５に投光し（光はたとえばレーザ光）所定パターン（この所定パターン部位に通電層が塗布される）以外の部分を除電する投光装置９（投光された部位が除電される）と、感光体ドラム５との間にセパレータ本体２を通しセパレータ本体２を感光体ドラム５に圧接する転写ローラー６と、を有する。
【００１７】
スクリーン＋スキージ方式の場合は、図３の（ロ）に示すように、通気層材料供給装置が、ドラム５とは別の、表面の少なくとも一部（全部である場合と一部である場合を含む）がメッシュで形成されたスクリーンドラム４１と、スクリーンドラム４１内に静止・配置された、スクリーンドラム４１内の通気層材料３を押さえつけるスキージ４２と、を有する。スクリーンドラム４１のメッシュの目は、通気層材料３の粒子の大きさに合わせてあり、粒子がスキージ４２で押された時にメッシュを通して粒子を通過させる。
【００１８】
定着ローラー７よりセパレータ本体２の送り方向上流側に位置する装置は、不活性ガス雰囲気中に配設されている。
不活性ガスは、たとえば窒素である。不活性ガス雰囲気中に配設するのは、加熱雰囲気（たとえば、定着ローラー７を加熱する場合は５０〜１５０℃に加熱する）で塗布が行われるので、カーボン粉末の発火のおそれを皆無にして、万全の安全性を期するためである。
【００１９】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１の製造方法を説明する。
本発明の燃料電池の通気層１の製造方法は、図３の（イ）または（ロ）に示すように、通気性をもたない板状のセパレータ本体２上の少なくとも一部（発電領域）に、互いに通気性が異なる複数の部分１ａ、１ｂ（、１ｃ）をもつ通気層１を形成する工程を有する。
【００２０】
図３の（イ）の静電複写方式では、通気層１を形成するに当り、カーボンを含む粒子状および／または繊維状の通気層材料３をドラム５上に所定のパターン（第１の部分１ａは流路のパターンで、第２の部分１ｂはリブのパターンでといった具合）で保持させ、ドラム５上の所定のパターンの通気層材料３をセパレータ本体２上に転写し、該転写された所定パターンの通気層材料３をセパレータ本体２に定着ローラー７にて定着させる。
さらに詳しくは、通気層材料３のドラム５上への所定パターンでの保持は、ドラム５を感光体ドラムから構成し、帯電ローラー８を感光体ドラム５に接触させて感光体ドラム５の表面を帯電させ、感光体ドラム５にパソコンデータに従ってパターンをコントロールされた光（たとえば、レーザ光）をあてて所定パターン以外の部分を除電し、感光体ドラム５に通気層材料３を供給して所定パターン部位に通気層材料３を静電気にて付着させることにより行う。
【００２１】
図３の（ロ）の直接塗布方式では、セパレータ本体の送り方向に見て、通気性材料供給装置４の上流で、セパレータ本体２上に接着剤塗布ローラー８Ａにて接着剤を塗布し、通気性材料供給装置４でセパレータ本体２上に通気性材料３を所定パターンで供給し接着剤で接着することにより、通気性材料３を所定パターンでセパレータ本体２上に塗布する。
【００２２】
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、セパレータ本体２の送り方向に複数の通気層材料供給装置を設け、通気層１の複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃの各部分を、それぞれの部分用に設けた通気層材料供給装置からそれぞれの通気層材料を供給して、塗布する。すなわち、部分１ａは部分１ａに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布し、部分１ｂは部分１ｂに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布し、部分１ｃは部分１ｃに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布する。そして、各部分１ａ、１ｂ、１ｃを塗布する通気層材料供給装置も、各部分に対して、セパレータ本体２の送り方向に複数設けられてもよい。たとえば、部分１ａを塗布する通気層材料供給装置がセパレータ本体２の送り方向に複数設けられる。
【００２３】
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、通気層１の、互いに通気性が異なる複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃを形成する方法は、通気層材料３のサイズおよび／または濃度を、複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃ間で互いに異ならせることにより、行う。
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、通気層材料３が固まって均一供給に支障を来さないようにように、粒子状通気層材料３は、通気層材料供給容器４内で、振動または流動される。
通気層材料３の、セパレータ本体２への定着は、所定の圧力と所定の熱をもって行われる。たとえば、通気層材料３が塗布されたセパレータ本体２を加熱された定着ローラー７の間を通すことにより行われる。
【００２４】
つぎに、本発明の燃料電池１０を説明する。
本発明の燃料電池１０は、図１、図４、図５、図７、図８に示すように、通気層１を有する。この通気層１は、セパレータ１８のガス流路部を構成する部分１ａと、ガス流路部同士を隔てる部分１ｂと、を有する。通気層１は、さらに、ガス拡散層となる部分１ｃを有していてもよい。これらの部分１ａ、１ｂ、１ｃの通気性の度合いは互いに異なっている。通気層１は、前述の通気層の製造方法によって製造されたものである。
【００２５】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１、通気層１の製造方法、通気層１をもつ燃料電池１０の作用を説明する。
通気層１のうち、ガス通路を隔てる部分１ｂ（従来セパレータの流路群の隣接流路間のリブに相当する部分）も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。従来の燃料電池では、セパレータのリブに対応する拡散層部分がリブで押圧されて通気性が悪化するので、セパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給が少なくなり、発電能力が低下したが、本発明では、ガス通路を隔てる部分１ｂも通気性をもつので、発電領域全域にわたってガスが供給され、発電領域全域が発電能力を発揮し、発電能力が高まる。
また、拡散層に対応する部分１ｃをさらに形成した場合は、発電領域全域の電極触媒層へのガスの供給がより一層促進され、発電領域全域が発電能力を発揮し、発電能力が高まる。
【００２６】
また、従来のセパレータの溝に相当する部分１ａにも通気層材料を塗布するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
通気層１のうち、ガス流路を形成する部分１ａは空間ではなく、ポーラス層として形成されるが、通気層材料の、サイズ、形状（たとえば、球状を複数の角をもつ形状にする等）、濃度を適宜選定することにより、流路抵抗は、従来の溝と同程度に低くすることができる。
【００２７】
また、燃料電池の通気層１の製造方法では、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【００２８】
つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、作用を説明する。
本発明の実施例１では、図１〜図６に示すように、セパレータ本体２の上に形成される通気層１は、複数のガス流路を構成する第１の部分１ａと複数のガス流路部分を隔てる第２の部分１ｂとを有している。第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、セパレータ面内方向に配置されている。第２の部分１ｂは通気性を有するが、第２の部分１ｂの通気性は第１の部分１ａの通気性より低くしてある。
【００２９】
通気層１の製造においては、図６に示すように、ステップ１００で第２の部分１ｂ（密な部分）を形成し、ついでステップ２００で第１の部分１ａ（粗な部分）を形成する。第１の部分１ａの形成と第２の部分１ｂの形成の順序は逆にしてもよい。
第１の部分１ａの形成においては、ステップ１０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ１０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ１０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ１０４で所定パターンで静電付着させる。
同様に、第２の部分１ｂの形成においては、ステップ２０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ２０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ２０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ２０４で所定パターンで静電付着させる。
そして、ステップ４００で、通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させる。ステップ１００とステップ２００との間にもステップ４００を設けてもよい。
【００３０】
本発明の実施例２では、図１、図２、図７〜図１０に示すように、セパレータ本体２の上に形成される通気層１は、複数のガス流路を構成する第１の部分１ａと複数のガス流路部分を隔てる第２の部分１ｂと、ガス拡散層として働く第３の部分１ｃを有している。
第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、セパレータ面内方向に配置されている。第３の部分１ｃは、第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂに対して、セパレータ面内方向と直交する方向に配置されている。
第２の部分１ｂは通気性を有するが、第２の部分１ｂの通気性は第１の部分１ａの通気性より低くしてある。第３の部分１ｃの通気性は第１の部分１ａの通気性より低く、第２の部分１ｂの通気性より高くしてある。
第３の部分１ｃは図９に示すように製造される。図９の製造装置には、図３の製造装置で製造された第１の部分１ａ、第２の部分１ｂが塗布形成されたセパレータ本体２が送られてきて、図９の製造装置で、第３の部分１ｃが塗布形成される。
【００３１】
実施例２の通気層１の製造においては、図１０に示すように、ステップ１００で第２の部分１ｂ（密な部分）を形成し、ついでステップ２００で第１の部分１ａ（粗な部分）を形成する。第１の部分１ａの形成と第２の部分１ｂの形成の順序は逆にしてもよい。実施例２のステップ１００は、実施例１のステップ１００と同じであり、実施例２のステップ２００は、実施例１のステップ２００と同じである。ステップ１００、ステップ２００の後にステップ４００を設けて通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させてもよい。
実施例２の通気層１の製造においては、さらに、ステップ３００で第３の部分１ｂ（中間の粗さの部分）を形成する工程が設けられる。第３の部分１ｃの形成においては、ステップ３０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ３０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ３０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ３０４で所定パターンで静電付着させる。ステップ３００の後にステップ４００を設けて通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１〜３の燃料電池の通気層、請求項４〜８の燃料電池の通気層の製造方法、請求項９の燃料電池によれば、従来セパレータのリブに相当する部分も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに相当する部分に対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。また、従来のセパレータの溝の部分にも通気層を形成するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
また、請求項４〜８の燃料電池の通気層の製造方法によれば、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の通気層をもつ燃料電池（単セル）の断面図である。
【図２】図１の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池の通気層の製造方法を実施する装置の側面図であり、（イ）はドラムを介してセパレータ本体上に通気層を形成する方法を、（ロ）はセパレータ本体上に直接通気層を形成する方法を示す。
【図４】本発明の実施例１の、第１の部分と第２の部分をもつ通気層を形成したセパレータの一部の断面図である。
【図５】図４の一部の拡大断面図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池の通気層の製造方法の工程図である。
【図７】本発明の実施例２の、第１の部分と第２の部分と第３の部分をもつ通気層を形成した、セパレータおよび拡散層の一部の断面図である。
【図８】図７の一部の拡大断面図である。
【図９】本発明の実施例２の燃料電池の通気層の製造方法を実施する装置の側面図である。
【図１０】本発明の実施例２の燃料電池の通気層の製造方法の工程図である。
【図１１】本発明の燃料電池の通気層をもつ燃料電池（スタック）の側面図である。
【符号の説明】
１　通気層
１ａ、１ｂ、１ｃ　通気層の部分
２　セパレータ本体
３　通気層材料
４　通気層材料供給容器
４Ａ　材料供給ローラー
５　ドラム（感光体ドラム、回転ドラム）
６　転写ローラー
７　定着ローラー
８　帯電ローラー
８Ａ　接着剤塗布ローラー
９　投光装置
１０　（固体高分子電解質型）燃料電池
１１　電解質膜
１２　触媒層
１３　拡散層
１４　電極（アノード）
１５　触媒層
１６　拡散層
１７　電極（カソード）
１８　セパレータ
１９　セル
２０　ターミナル
２１　インシュレータ
２２　エンドプレート
２３　スタック
２４　テンションプレート
２５　ボルト[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel cell (for example, a solid polymer electrolyte type fuel cell), a ventilation layer (a layer that constitutes a portion that separates a gas flow path from a gas flow path of a separator and / or a gas diffusion layer); The present invention relates to a method for manufacturing a ventilation layer and a fuel cell having the ventilation layer.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly (MEA: Membrane-MEA) including an electrolyte membrane formed of an ion exchange membrane, an anode disposed on one side of the electrolyte membrane, and a cathode disposed on the other side of the electrolyte membrane. Electrode {Assembly}) and a separator that forms a fluid flow path for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode and the cathode are stacked to form a cell stack. A terminal (electrode plate), an insulator, and an end plate are arranged at both ends in the cell stacking direction, and the cell stack is tightened in the cell stacking direction, and a fastening member (for example, a tension plate) extending in the cell stacking direction outside the cell stack is provided. Consists of a fixed stack. The anode and the cathode have a catalyst layer. A diffusion layer is provided between the catalyst layer and the separator.
In a solid polymer electrolyte fuel cell, on the anode side, a reaction is performed to convert hydrogen into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen and hydrogen ions and electrons (neighboring electrons) move on the cathode side. (The electrons generated at the anode of the MEA pass through the separator, or the electrons generated at the anode of the cell at one end of the cell stack pass through the external circuit) to produce water.
Anode side: H₂→ 2H⁺+ 2e⁻
Cathode side: 2H⁺+ 2e⁻+ (1/2) O₂→ H₂O
The supply and discharge of fuel gas to the anode and the supply and discharge of oxidizing gas to the cathode in a conventional fuel cell are formed between ribs of a carbon or metal separator as disclosed in JP-A-2001-57215. It is performed by the gas flow path of the groove.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in gas supply and gas discharge to the catalyst layer of the conventional fuel cell, the gas flow path has a groove structure, and the parts other than the grooves are solid ribs, so that gas does not flow and power is generated. Can't contribute. As a mitigation measure, a thin gas diffusion layer is conventionally provided between the separator and the electrode catalyst layer to partially disperse the gas flow. However, since gas cannot be supplied uniformly to the catalyst electrode layer, power generation per area is The ability has been substantially reduced.
Further, in particular, the separator has a high cost due to machining or compression molding for forming the flow channel. The processing cost is also high for the diffusion layer of carbon cloth or carbon paper, and the cost of the entire cell is high.
An object of the present invention is to increase the supply of gas to the electrode catalyst layer portion corresponding to the ribs of the conventional separator, and to eliminate the need for processing or forming grooves in the separator (thus reducing cost). It is possible to provide a ventilation layer of a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell having the ventilation layer.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that achieves the above object is as follows.
(A) A gas-permeable layer formed on at least a part of a plate-shaped separator body having no gas-permeability, wherein the gas-permeable layer has a plurality of portions having different gas-permeabilities from each other.
(B) A method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell, wherein a gas-permeable layer having a plurality of portions having different gas-permeabilities is formed on at least a part of a plate-shaped separator body having no gas-permeability.
(C) The method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell according to (b), wherein the particulate and / or fibrous gas-permeable layer material is attached to the drum in a predetermined pattern by utilizing static electricity and is transferred onto a separator body.
(D) The method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell according to (b), wherein an adhesive is applied on the separator body, and then a particulate and / or fibrous gas-permeable layer material is applied in a predetermined pattern.
(E) The fuel cell according to (A), which has the above-mentioned ventilation layer as a part of the separator and / or the diffusion layer.
[0005]
In the method (a) of the present invention for the ventilation layer of the fuel cell, the methods (b), (c) and (d) of the method for manufacturing the ventilation layer of the fuel cell and the method (e) of the fuel cell, the conventional fuel cell corresponds to the rib of the conventional separator. Since the portion also has air permeability, the supply of gas to the electrode catalyst layer portion corresponding to the portion corresponding to the rib of the conventional separator can be increased, and the power generation capacity can be increased. Further, since the ventilation layer is formed also in the groove portion of the conventional separator, the formation of the groove becomes unnecessary, and the manufacturing cost can be reduced.
Further, in the methods (b), (c) and (d) for manufacturing the gas-permeable layer of the fuel cell, since the gas-permeable layer can be manufactured in a dry state, an extra step such as solvent drying can be eliminated. The cost can be reduced and the working environment can be improved.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell electrode manufacturing method and a fuel cell electrode manufacturing apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
1 and 2 show a fuel cell, which is applicable to any of the embodiments of the present invention. FIGS. 3 to 6 show Example 1 of the present invention (when the conventional grooves and ribs of the separator are configured as a gas permeable layer).
7 to 10 show Example 2 of the present invention (in the case where the conventional grooves and ribs of the separator are configured as a ventilation layer, and the gas diffusion layer is further configured as a ventilation layer thereon).
FIG. 11 shows a stack of the fuel cell of FIG. 1, which applies to any embodiment of the present invention.
Components common or similar to the first and second embodiments of the present invention are denoted by the same reference numerals throughout the first and second embodiments of the present invention.
[0007]
First, the configuration and operation of components common to the first and second embodiments of the present invention will be described.
The fuel cell to which the present invention is directed is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 of the present invention is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than a car.
[0008]
As shown in FIGS. 1 and 11, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes an anode 14 and an electrolyte membrane, each of which is composed of an electrolyte membrane 11 formed of an ion exchange membrane, a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane 11, and the like. 11, a membrane-electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly) comprising a catalyst layer arranged on the other surface of the catalyst layer, and a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) on the anode and cathode. ), And a separator 18 having an oxidizing gas passage 28. In the fuel cell stack 23, terminals 20 (electrode plates), insulators 21, and end plates 22 are arranged at both ends in the cell stacking direction of a cell stack in which a plurality of cells 19 (or a module in which a plurality of cells are stacked) are stacked. The body is fastened in the cell stacking direction, a fastening member (tension plate 24) extending outside the cell stack in the cell stacking direction, and fixed by bolts 25.
Diffusion layers 13 and 16 may be provided between the catalyst layers 12 and 15 and the separator 18. However, since a portion of the separator 18 corresponding to the conventional rib portion (a second portion 1b of the gas permeable layer 1 described later) also has air permeability, the diffusion layers 13 and 16 need not be provided.
[0009]
As shown in FIGS. 4 and 5, the separator 18 includes a plate-shaped separator body 2 having no air permeability, and the gas-permeable layer 1 formed on at least a part of the separator body 2 (power generation region of the cell). Having. The separator body 2 is made of a carbon plate, a metal plate, or a conductive resin plate. The gas permeable layer 1 has a plurality of portions (including the first portion 1a and the second portion 1b, and the third portion 1c when the diffusion layers 13 and 16 are provided) having different air permeability from each other.
[0010]
In the separator 18, a first portion 1a serving as a fuel gas passage 27 and an oxidizing gas passage 28 (a portion serving as a groove in a conventional separator) is filled with a gas-permeable material and has a porous width. The second portion 1b (the rib portion separating the flow channel in the conventional separator), which separates the fuel gas flow channels 27 and the oxidizing gas flow channels 28, is also a gas permeable layer. And a bolus layer having a width.
The first portion 1a and the second portion 1b are arranged in the in-plane direction of the separator, as shown in FIGS. The surfaces of the first portion 1a and the second portion 1b are desirably flush with each other (surfaces having the same height).
The first portion 1a and the second portion 1b have different air permeability from each other, and the first portion 1a has a higher air permeability (easier gas passage) than the second portion 1b.
[0011]
When the gas diffusion layers 13 and 16 are provided between the catalyst layers 12 and 14 and the separator 18, as shown in FIG. 8, the gas diffusion layers 13 and 16 are provided on the first portion 1 a and the second portion 1 b of the ventilation layer 18 b of the separator 18. Then, a third portion 1c made of a layer having air permeability is further formed, and this third portion 1c is used as the diffusion layers 13 and 16. When the third portion 1c is provided, the third portion 1c forms a part of the ventilation layer 1.
The third portion 1c is arranged in the direction orthogonal to the in-plane direction of the separator with respect to the first portion 1a and the second portion 1b.
The gas permeability of the third portion 1c is desirably smaller than the gas permeability of the first portion 1a and larger than the gas permeability of the second portion 1b.
[0012]
The plurality of portions 1a, 1b, 1c of the gas permeable layer 1 are formed by the size (particle diameter, particle size, etc.) of the particulate and / or fibrous (hereinafter, simply referred to as "particle") material constituting the plurality of portions 1a, 1b, 1c. By varying the fiber diameter, etc.) and / or the concentration, the air permeability differs from each other. The material is a conductive material, for example, carbon. However, the material of the first portion 1a constituting the porous layer serving as the gas flow path may have lower conductivity than the material of the other portions 1b and 1c, and may be an insulating material in some cases.
For example, the first portion 1a is composed of carbon particles having a particle size of about 10 to 500 μm, the second portion 1b is composed of carbon particles having a particle size of about 1 to 10 μm, and the third portion is 1c is composed of volatile and elastic carbon particles having a particle size of about 5 to 100 μm.
[0013]
Next, a method for manufacturing the gas-permeable layer 1 of the fuel cell according to the present invention will be described.
The gas-permeable layer material includes carbon particles (including the case of powder and fiber). The gas-permeable layer material may be a mixture of carbon particles and resin particles (including powders and fibers) as a binder. The gas-permeable layer material is electrically conductive but non-magnetic. In addition, it is different from the toner of the copier in that it is non-magnetic.
[0014]
As shown in FIG. 3A, the apparatus for manufacturing the gas permeable layer 1 of the fuel cell according to the present invention includes a gas permeable layer material supply container 4 for supplying a powdery gas permeable layer material 3 and a gas permeable layer material 3 supplied. Has a drum 5 that is coated on the surface in a predetermined pattern and transfers the applied gas permeable material 3 to the separator body 2, and a fixing device 6 that fixes the transferred gas permeable material 3 to the separator body 2. The application of the ventilation layer material 3 on the drum 5 includes a case of electrostatic coating and a case of non-electrostatic coating.
However, as shown in FIG. 3 (b), the apparatus for manufacturing a gas-permeable layer of a fuel cell according to the present invention uses the adhesive application roller 8A on the separator body 2 on the upstream side of the gas-permeable layer material supply container 4 in the separator body feeding direction. The powdery gas-permeable layer material 3 is directly supplied and applied in a predetermined pattern from the gas-permeable layer material supply container 4 to the separator body 2 to which the adhesive has been applied. A device for fixing the gas-permeable layer material to the separator main body 2 on the downstream side in the feeding direction may be used. Here, the direct application means that the application is not performed via the drum 5 as shown in FIG.
[0015]
The apparatus for manufacturing the gas-permeable layer 1 of the fuel cell when applying via the drum 5 may be an electrostatic copying type application apparatus as shown in FIG. 3A, or a screen + squeegee type. (As shown in (b) of FIG. 3), a material is applied to a drum from a screen + squeegee type air-permeable layer material supply container in a predetermined pattern, and the material is transferred from the drum to a separator body and fixed there. There may be.
[0016]
In the case of the electrostatic copying method, as shown in FIG. 3A, the manufacturing apparatus of the gas permeable layer 1 of the fuel cell is supplied from the gas permeable layer material supply container 4 containing the particulate gas permeable layer material 3. A material supply roller 4A for supplying the air-permeable layer material 3 to the surface of the drum 5, a photosensitive drum constituting the drum 5, and a fixing device provided downstream of the drum 5 in the feed direction of the separator body 2. Fixing roller 7, charging roller 8 for charging the surface of photoconductor drum 5, and other than projecting light (for example, laser beam) onto photoconductor drum 5, and a predetermined pattern (a conductive layer is applied to the predetermined pattern portion) And a transfer roller 6 that passes through the separator body 2 between the photoconductor drum 5 and the separator body 2 and presses the separator body 2 against the photoconductor drum 5. And
[0017]
In the case of the screen + squeegee system, as shown in FIG. 3B, the gas-permeable layer material supply device may be different from the drum 5 in at least a part of the surface (in the case where it is all or partly). And a squeegee 42 which is stationary and arranged in the screen drum 41 and presses the ventilation layer material 3 in the screen drum 41. The mesh of the screen drum 41 is matched to the size of the particles of the gas-permeable layer material 3, and when the particles are pushed by the squeegee 42, the particles pass through the mesh.
[0018]
The device located upstream of the fixing roller 7 in the feed direction of the separator main body 2 is disposed in an inert gas atmosphere.
The inert gas is, for example, nitrogen. Since the coating is performed in a heated atmosphere (for example, when the fixing roller 7 is heated to 50 to 150 ° C.), the carbon powder is disposed in an inert gas atmosphere without any risk of ignition of the carbon powder. This is to ensure complete safety.
[0019]
Next, a method for manufacturing the gas-permeable layer 1 of the fuel cell according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 3A or FIG. 3B, the method for manufacturing the gas-permeable layer 1 of the fuel cell according to the present invention employs at least a part of the plate-shaped separator body 2 having no air permeability (power generation area). And a step of forming a gas permeable layer 1 having a plurality of portions 1a, 1b (1c) having different air permeability.
[0020]
In the electrostatic copying method shown in FIG. 3A, in forming the ventilation layer 1, a particulate and / or fibrous ventilation layer material 3 containing carbon is formed on a drum 5 in a predetermined pattern (first portion). 1a is a flow path pattern, the second portion 1b is a rib pattern, etc.), and a predetermined pattern of the ventilation layer material 3 on the drum 5 is transferred onto the separator body 2, and the transferred The ventilation layer material 3 having a predetermined pattern is fixed to the separator body 2 by the fixing roller 7.
More specifically, to hold the ventilation layer material 3 in a predetermined pattern on the drum 5, the drum 5 is composed of a photosensitive drum, and the charging roller 8 is brought into contact with the photosensitive drum 5 so that the surface of the photosensitive drum 5 is cleaned. The photosensitive drum 5 is irradiated with light (for example, a laser beam) whose pattern is controlled in accordance with personal computer data on the photosensitive drum 5 to remove electricity from portions other than the predetermined pattern. This is performed by attaching the ventilation layer material 3 to the site by static electricity.
[0021]
In the direct application method shown in FIG. 3B, an adhesive is applied on the separator main body 2 by an adhesive application roller 8A upstream of the air-permeable material supply device 4 when viewed in the feed direction of the separator main body. The permeable material 3 is applied on the separator body 2 in a predetermined pattern by supplying the permeable material 3 on the separator body 2 in a predetermined pattern by the permeable material supply device 4 and bonding the same with an adhesive.
[0022]
In both the case of coating via the drum 5 in FIG. 3 (A) and the case of direct coating in FIG. 3 (B), a plurality of gas-permeable layer material supply devices are provided in the feed direction of the separator body 2, and the gas-permeable layer is provided. Each of the plurality of portions 1a, 1b, and 1c is applied by supplying each gas-permeable layer material from a gas-permeable layer material supply device provided for each portion. That is, the portion 1a is applied by a gas permeable material supply device that supplies material to the portion 1a, the portion 1b is applied by a gas permeable material supply device that supplies material to the portion 1b, and the portion 1c supplies material to the portion 1c. It is applied by a gas permeable material supply device. Also, a plurality of gas permeable material supply devices for applying the portions 1a, 1b, and 1c may be provided for each portion in the feed direction of the separator body 2. For example, a plurality of gas-permeable layer material supply devices for applying the portion 1 a are provided in the feed direction of the separator body 2.
[0023]
In both the case of application via the drum 5 in FIG. 3 (A) and the case of direct application in FIG. 3 (B), a plurality of portions 1a, 1b, 1c of the gas-permeable layer 1 having different air permeability are used. The formation is performed by making the size and / or concentration of the gas-permeable layer material 3 different between the plurality of portions 1a, 1b, and 1c.
In both the case of application via the drum 5 in FIG. 3 (A) and the case of direct application in FIG. 3 (B), make sure that the gas-permeable layer material 3 does not solidify and hinder uniform supply. The particulate gas-permeable layer material 3 is vibrated or fluidized in the gas-permeable layer material supply container 4.
The fixing of the ventilation layer material 3 to the separator main body 2 is performed with a predetermined pressure and a predetermined heat. For example, this is performed by passing the separator body 2 coated with the ventilation layer material 3 between the heated fixing rollers 7.
[0024]
Next, the fuel cell 10 of the present invention will be described.
The fuel cell 10 of the present invention has a gas permeable layer 1 as shown in FIG. 1, FIG. 4, FIG. 5, FIG. 7, and FIG. The gas permeable layer 1 has a portion 1a that forms a gas flow path of the separator 18 and a part 1b that separates the gas flow paths. The ventilation layer 1 may further have a portion 1c to be a gas diffusion layer. These portions 1a, 1b, 1c have different degrees of air permeability. The ventilation layer 1 is manufactured by the above-described method for manufacturing a ventilation layer.
[0025]
Next, the ventilation layer 1 of the fuel cell according to the present invention, a method for manufacturing the ventilation layer 1, and the operation of the fuel cell 10 having the ventilation layer 1 will be described.
The portion 1b of the gas permeable layer 1 that separates the gas passage (portion corresponding to the rib between adjacent flow channels in the flow channel group of the conventional separator) also has air permeability, and thus the electrode catalyst layer portion corresponding to the rib of the conventional separator. The supply of gas to the fuel cell can be increased, and the power generation capacity can be increased. In the conventional fuel cell, the diffusion layer portion corresponding to the ribs of the separator is pressed by the ribs and the gas permeability deteriorates.Therefore, the gas supply to the electrode catalyst layer portion corresponding to the ribs of the separator is reduced, and the power generation capacity is reduced. Although reduced, in the present invention, since the portion 1b separating the gas passage also has air permeability, gas is supplied over the entire power generation area, and the entire power generation area exhibits power generation capacity, and the power generation capacity is increased.
Further, when the portion 1c corresponding to the diffusion layer is further formed, the supply of gas to the electrode catalyst layer in the entire power generation region is further promoted, and the entire power generation region exhibits the power generation capability, thereby increasing the power generation capability.
[0026]
Further, since the ventilation layer material is applied to the portion 1a corresponding to the groove of the conventional separator, the formation of the groove becomes unnecessary, and the manufacturing cost can be reduced.
The portion 1a of the gas permeable layer 1 that forms the gas flow path is formed not as a space but as a porous layer. The size and shape of the gas permeable layer material (for example, a spherical shape having a plurality of corners). By appropriately selecting the concentration, the flow path resistance can be made as low as the conventional groove.
[0027]
In addition, in the method of manufacturing the gas-permeable layer 1 of the fuel cell, since it is possible to manufacture the gas-permeable layer 1 in a dry state, it is possible to eliminate extra steps such as solvent drying, thereby reducing costs and improving the working environment. it can.
[0028]
Next, the configuration and operation unique to each embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 to 6, the gas permeable layer 1 formed on the separator main body 2 includes a first portion 1 a constituting a plurality of gas flow paths and a plurality of gas flows. And a second portion 1b separating the road portion. The first part 1a and the second part 1b are arranged in the in-plane direction of the separator. The second portion 1b has air permeability, but the air permeability of the second portion 1b is lower than that of the first portion 1a.
[0029]
In the production of the ventilation layer 1, as shown in FIG. 6, a second portion 1b (dense portion) is formed in step 100, and then a first portion 1a (rough portion) is formed in step 200. The order of forming the first portion 1a and forming the second portion 1b may be reversed.
In forming the first portion 1a, the powder (ventilating layer material) 3 is supplied from the powder container (venting layer material supply container) 4 in step 101, and is supplied onto the drum 5 by the roller 4A in step 102. At step 104, the photosensitive drum 5 charged at a predetermined pattern is electrostatically adhered at a predetermined pattern at step 104.
Similarly, in the formation of the second portion 1b, the powder (ventilating material) 3 is supplied from the powder container (venting material supply container) 4 in step 201, and the powder 4 is supplied onto the drum 5 by the roller 4A in step 202. Then, in Step 203, the photosensitive drum 5 charged in a predetermined pattern is electrostatically adhered in a predetermined pattern in Step 204.
Then, in step 400, the gas-permeable layer material 3 is heat-pressed or heat-fused to the separator body 2. Step 400 may be provided between step 100 and step 200.
[0030]
In Embodiment 2 of the present invention, as shown in FIGS. 1, 2, and 7 to 10, the gas permeable layer 1 formed on the separator main body 2 includes a first portion forming a plurality of gas flow paths. It has a second portion 1b separating the gas flow portion 1a from a plurality of gas flow portions, and a third portion 1c serving as a gas diffusion layer.
The first part 1a and the second part 1b are arranged in the in-plane direction of the separator. The third portion 1c is arranged in the direction orthogonal to the in-plane direction of the separator with respect to the first portion 1a and the second portion 1b.
The second portion 1b has air permeability, but the air permeability of the second portion 1b is lower than that of the first portion 1a. The gas permeability of the third portion 1c is lower than the gas permeability of the first portion 1a and higher than the gas permeability of the second portion 1b.
The third part 1c is manufactured as shown in FIG. The separator main body 2 on which the first part 1a and the second part 1b manufactured by the manufacturing apparatus of FIG. 3 are applied is sent to the manufacturing apparatus of FIG. The third portion 1c is formed by coating.
[0031]
In the production of the gas permeable layer 1 according to the second embodiment, as shown in FIG. 10, a second portion 1b (dense portion) is formed in step 100, and then a first portion 1a (coarse portion) is formed in step 200. To form The order of forming the first portion 1a and forming the second portion 1b may be reversed. Step 100 of the second embodiment is the same as step 100 of the first embodiment, and step 200 of the second embodiment is the same as step 200 of the first embodiment. After step 100 and step 200, step 400 may be provided so that the gas-permeable layer material 3 is heat-pressed or heat-fused to the separator body 2.
In the production of the gas permeable layer 1 according to the second embodiment, a step of forming a third portion 1b (a portion having an intermediate roughness) in step 300 is further provided. In the formation of the third portion 1c, the powder (ventilating layer material) 3 is supplied from the powder container (venting layer material supply container) 4 in step 301, and the powder is supplied onto the drum 5 by the roller 4A in step 302. At step 304, the photosensitive drum 5 charged at a predetermined pattern is electrostatically adhered at a predetermined pattern at step 304. A step 400 is provided after the step 300 to heat-press or fuse the air-permeable layer material 3 to the separator body 2.
[0032]
【The invention's effect】
According to the method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell according to claims 1 to 3, the method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell according to claims 4 to 8, and the fuel cell of claim 9, a portion corresponding to a rib of a conventional separator also has gas permeability. Therefore, the supply of gas to the electrode catalyst layer portion corresponding to the portion corresponding to the rib of the conventional separator can be increased, and the power generation capacity can be increased. Further, since the ventilation layer is formed also in the groove portion of the conventional separator, the formation of the groove becomes unnecessary, and the manufacturing cost can be reduced.
Further, according to the method for manufacturing a gas-permeable layer of a fuel cell according to claims 4 to 8, since it is possible to manufacture the fuel cell in a dry state, it is possible to eliminate extra steps such as solvent drying, thereby reducing costs and reducing work. The environment can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell (single cell) having a ventilation layer of the fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is a front view of a separator of the fuel cell of FIG.
FIG. 3 is a side view of an apparatus for carrying out a method for manufacturing a gas permeable layer of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. (A) shows a method for forming a gas permeable layer on a separator body via a drum; 2) shows a method of forming a gas permeable layer directly on the separator body.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a part of the separator having a ventilation layer having a first portion and a second portion according to the first embodiment of the present invention.
5 is an enlarged sectional view of a part of FIG.
FIG. 6 is a process chart of a method for manufacturing a gas-permeable layer of a fuel cell according to Example 1 of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a part of a separator and a diffusion layer in which a ventilation layer having a first portion, a second portion, and a third portion is formed according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an enlarged sectional view of a part of FIG. 7;
FIG. 9 is a side view of an apparatus for performing a method for manufacturing a gas-permeable layer of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 10 is a process chart of a method for manufacturing a gas-permeable layer of a fuel cell according to Example 2 of the present invention.
FIG. 11 is a side view of a fuel cell (stack) having a ventilation layer of the fuel cell of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ventilation layer
1a, 1b, 1c {portion of ventilation layer
2 Separator body
3 Vent material
4 Vessel material supply container
4A material supply roller
5mm drum (photoreceptor drum, rotating drum)
6 transfer roller
7 Fixing roller
8 charging roller
8A Adhesive application roller
9 Floodlight device
10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell
11 electrolyte membrane
12 catalyst layer
13 diffusion layer
14 electrode (anode)
15 catalyst layer
16 diffusion layer
17 electrode (cathode)
18 separator
19 cell
20 Terminal
21 insulator
22 end plate
23 stack
24 tension plate
25mm bolt

Claims

A gas-permeable layer formed on at least a part of a plate-shaped separator body having no gas-permeability, wherein the gas-permeable layer has a plurality of portions having different gas-permeabilities from each other.

The plurality of portions of the gas permeable layer have different air permeability from each other by changing the size and / or concentration of the particulate and / or fibrous materials constituting the plurality of portions. 2. A gas-permeable layer of the fuel cell according to 1.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the plurality of portions of the ventilation layer have a first portion forming a plurality of gas passages and a second portion separating the plurality of gas passage portions. 3. Vent layer.

A method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell, comprising: forming a gas-permeable layer having a plurality of portions having different gas-permeabilities on at least a part of a plate-shaped separator body having no gas-permeability.

The air-permeable layer is composed of a particulate and / or fibrous air-permeable layer material, and the size and / or concentration of the particulate and / or fibrous air-permeable layer material is different between the plurality of parts. 5. The method for manufacturing a gas-permeable layer of a fuel cell according to claim 4, wherein a plurality of portions of said gas-permeable layer having different air permeability are formed.

In forming the ventilation layer, a particulate and / or fibrous ventilation layer material containing carbon is held in a predetermined pattern on a drum by electrostatic force, and a predetermined pattern of the ventilation layer material on the drum is removed. The method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell according to claim 4, wherein the gas-permeable layer material having a predetermined pattern transferred onto the separator main body is fixed to the separator main body.

The holding of the ventilation layer material in a predetermined pattern on the drum is performed by forming the drum from a photosensitive drum, contacting a charging roller with the photosensitive drum to charge the surface of the photosensitive drum, and charging the photosensitive drum. 7. The method according to claim 6, wherein light is applied to the body drum to remove electricity from portions other than the predetermined pattern, and the ventilation layer material is supplied to the photosensitive drum to attach the ventilation layer material to a predetermined pattern portion by static electricity. A method for manufacturing a ventilation layer of a fuel cell.

In the feed direction of the separator main body, upstream of the gas permeable material supply device, an adhesive is applied on the separator main body, and the gas permeable material is supplied in a predetermined pattern onto the separator main body by the gas permeable layer material supply device. The method for producing a gas-permeable layer of a fuel cell according to claim 4, wherein the gas-permeable layer material is applied on the separator body in a predetermined pattern by bonding with an adhesive.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, further comprising the ventilation layer as a part of a separator and / or a diffusion layer.