JP2006134582A

JP2006134582A - 燃料電池及びその製造方法

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Publication number: JP2006134582A
Application number: JP2004318795A
Authority: JP
Inventors: Masashi Murate; 政志村手
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: JP4507833B2

Abstract

【課題】ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることで、生成水の排出を促進することが可能な燃料電池、及びこの燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】電解質膜１１及び電解質膜１１の両面に形成された一対の電極１２及び１３を備えたＭＥＡ１０と、一対の電極１２及び１３にガスをそれぞれ供給するガス流路１６及び１７を有し、ガス流路１６及び１７を、多孔体３６Ａ及び３７Ａを用いて形成し、ガス流路１６及び１７の、ガス流れ方向に対し略垂直方向の断面積を、ガス流路の上流から下流に向けて小さくなるよう構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池及びその製造方法にかかり、特に、多孔体からなるガス流路を備えた燃料電池及びその製造方法に関する。

従来から、一般的な固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）と、このＭＥＡの両側に各々配設されたセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層してモジュールとしているものがある。

このような燃料電池としては、例えば、電解質の両面に電極を配した単位セルと、この単位セルの各電極に対向して配され各電極に反応ガスを送るための配流板と、前記単位セルと配流板を挟持するセパレータ板とを備え、配流板の少なくとも一方を、三次元網状を有する多孔質カーボンから構成したものがある。この燃料電池は、反応ガスを均一に電極に供給させ、かつガス供給能を向上させることによって、高電流密度域において高い性能を発揮している。（例えば、特許文献１参照）。

また、毛細管凝縮作用により水の輸送特性を生じさせる小孔径細孔と、気体流動特性を生じさせる大孔径細孔とが互いに連通し、所定の割合で分布する導電性で、かつ親水性の多孔質体をガスセパレータに使用した燃料電池も紹介されている。この燃料電池では、気水の分離が容易となり、電解質膜の湿潤化が膜全体に均一に行われると共に、水素又は空気の水膜による閉塞がなくなり、発電効率を向上することができる。（例えば、特許文献２参照）。

さらにまた、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さを各々セル面内方向に変化させ、セパレータの、燃料ガス流路溝底厚み及び酸化ガス流路溝底厚みを、各々セル面内全域で一定にした燃料電池も紹介されている。この構成を備えた燃料電池は、セパレータ厚に無駄を生じさせず、スタックをコンパクトにすることができる。（例えば、特許文献３参照）。
特開平８−２５５６１９号公報特開平７−３２０７５３号公報特開２００３−１３２９１１号公報

従来の燃料電池スタック内に配設される各セルに供給される燃料ガス及び酸化ガスの流路は、これらのガスをアノード電極及びカソード電極にそれぞれできるだけ均一に供給するために、セパレータに均一な幅及び高さで、ガス入口側からガス出口側まで多数本並設されている。しかしながら、ガスの実際の消費量は、ガス入口からガス出口に向かって漸次減少していく。このため、ガス圧が出口方向に向かって下がるため、実質的に燃料電池全体で均一な発電ができなくなることが知られている。また、カソード電極側では、酸化ガスの流速が下がることによって、生成水の排出性が悪くなり、一層発電性を落とす原因になることが知られている。

前記従来の燃料電池と同様に、特許文献１に記載された燃料電池は、前記配電板の幅及び厚さ（ガス流れ方向に垂直な断面積）が、上流側（ガス入口側）と下流側（ガス出口側）とで同じであるため、実質的に燃料電池全体で均一な発電ができない虞がある。また、配電板の上流でガスが消費され、下流でガスの流速が下がるため、生成水が排出されにくい虞もある。

また、引用文献２に記載された燃料電池は、水の輸送特性を生じさせる小孔径細孔と、気体流動特性を生じさせる大孔径細孔とが互いに連通したガス流路を構成しているが、この燃料電池も上流側（ガス入口側）と下流側（ガス出口側）で、ガスの流速を変化させるための構成がないため、上流でガスが消費されると、下流でガスの流速が下がり、生成水が排出されにくいという問題を解決するには至っていない。

そしてまた、特許文献３に記載された燃料電池は、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さを各々セル面内方向に変化させ、セパレータの、燃料ガス流路溝底厚み及び酸化ガス流路溝底厚みを、各々セル面内全域で一定にすることで、スタックをコンパクトにするものであるが、燃料電池も上流側（ガス入口側）と下流側（ガス出口側）で、ガスの流速を変化させることについては、言及されていない。

本発明は、このような従来の燃料電池を改良することを課題とするものであり、ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることで、生成水の排出を促進することが可能な燃料電池、及びこの燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路とを有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池であって、前記ガス流路の、ガス流れ方向に対し略垂直方向の断面積が、当該ガス流路の上流から下流に向けて小さくなるよう構成した燃料電池を提供するものである。

この構成を備えた燃料電池は、ガス流路が、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くなるため、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができる。このため、ガス流路内に存在する生成水は、このガス流路の上流側から下流側に向けて移動し易くなり、生成水の排出を促進することができる。

また、通常の燃料電池では、ガスの実際の消費量は、ガス入口からガス出口に向かって漸次減少していくため、ガス圧が出口方向に向かって下がる。本発明にかかる燃料電池では、ガス圧が下がる下流側（出口側）が、上流側（入口側）よりも前記断面積を小さく構成したため、ガス圧を均一にすることができる。したがって、燃料電池全体で均一な発電を行うことができる。

また、本発明にかかる燃料電池は、前記ガス流路を、当該ガス流路の上流から下流に向けて、空隙率が低くなるよう構成された多孔体を用いて形成することができる。このように構成することで、前記ガス流路のガスが流通可能な合計断面積を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて小さくすることができ、ガスの圧力損失が下流側に向けて大きくなる。したがって、ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速をさらに上げることができ、生成水の排出を一層促進することができる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、前記ガス流路を、前記ガス流路の上流から下流に向けてコーティング層が厚く形成された多孔体を用いて形成することができる。このように構成することでも、ガス流路を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くすることができる。したがって、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができ、生成水の排出を促進することができる。この構成の場合、前記コーティング層は、カーボンを主成分として形成することができる。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池は、前記ガス流路を、当該ガス流路の上流から下流に向けて、ガス流れ方向に対し略垂直方向の長さが短くなるよう構成された多孔体（すなわち、ガス流路の上流から下流に向けて、厚さが薄くなった多孔体）を用いて形成することができる。このように構成することでも、ガス流路を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くすることができる。したがって、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができ、生成水の排出を促進することができる。

また、前記ガス流路は、前記多孔体の、少なくとも前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側に、当該膜−電極アッセンブリと接触している面側に対して空隙率が高い層を有してなることができる。このように構成することで、前記利点に加え、前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側の多孔体では、気体の流速が速くなり、生成水等の水を吹き飛ばし易くなるため、前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側の多孔体と、前記膜−電極アッセンブリと接触している面側の多孔体間に圧力差が生じ、前記膜−電極アッセンブリと接触している面側の生成水が前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側に吸い寄せられることになる。したがって、生成水等の水の排出をさらに促進させることができる。

さらにまた、前記ガス流路は、前記多孔体全体に親水コート層を有してなることもできる。このように構成することで、前記利点に加え、ガス流路内において水の粒が大きくならず、多孔体内の流路を塞ぐことがなく、生成水等の水の排出をさらに促進させることができる。
そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、前記両ガス流路の各々のガス流れ方向が、互いに反対方向となるよう構成することもできる。このように構成することで、一方のガス流路（例えば、燃料ガス流路）の上流側と、他方のガス流路（例えば、酸化ガス流路）の下流側とを対向配置させることができる。すなわち、両ガス流路が、上流側が厚く形成され、下流側が薄く形成された傾いた形状を有していたとしても、セル積層方向において、一方のガス流路の上流側には、他方のガス流路の下流側が積層されることになるため、両ガス流路の互いの厚さを相補しあって、無駄なスペースが生じることを防止することができる。したがって、小スペース化を達成することができる。

さらにまた、前記両ガス流路が、上流側が厚く形成され、下流側が薄く形成された傾いた形状を有している場合、前記両ガス流路の間に冷却媒体通路を配設し、当該冷却媒体通路が、前記電解質膜に対して傾斜するよう構成することもできる。このように構成することで、無駄なスペースが生じることをさらに防止することができる。したがって、小スペース化をより効率よく達成することができる。

また、本発明は、電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路と、を有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池の製造方法であって、前記多孔体の少なくとも一部を圧縮する工程を備えた燃料電池の製造方法を提供するものである。

この燃料電池の製造方法によれば、前記圧縮により、多孔体の空隙率を変更することができるため、同一面内で空隙率の異なった多孔体を簡単に製造することができる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池の製造方法では、前記多孔体の少なくとも一部を圧縮した後、当該多孔体の少なくとも一部表面に、親水性付与剤を付着させる工程をさらに備えることができる。この工程を行うことで、生成水の排出をさらに促進させることができる。

さらにまた、本発明は、電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路と、を有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池の製造方法であって、前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させる工程を備えた燃料電池の製造方法を提供するものである。

この燃料電池の製造方法によれば、前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させることで、多孔体の空隙率を変更することができるため、同一面内で空隙率の異なった多孔体を簡単に製造することができる。

本発明にかかる燃料電池の製造方法におけるコーティング剤を付着させる工程は、前記ガス流路の上流から下流に向けて、当該コーティング剤を厚く付着する工程を備えることができる。この工程によれば、ガス流路を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くすることができる。したがって、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができ、生成水の排出を促進することができる。

また、本発明にかかる燃料電池の製造方法におけるコーティング剤を付着させる工程は、前記コーティング剤が収容されたコーティング剤槽に、前記多孔体を浸漬する工程と、前記コーティング剤槽に浸漬した多孔体を、当該コーティング剤槽から引き上げる工程と、を備え、前記多孔体をコーティング剤槽から引き上げる工程は、前記多孔体を引き上げる速度を調整して、当該多孔体が当該コーティング剤槽に浸漬している時間を調整することができる。

これらの工程では、多孔体をコーティング剤槽から引き上げる工程を行う際に、当該多孔体が当該コーティング剤槽に浸漬している時間を変更することができる。すなわち、多孔体にコーティング剤を多量に塗布したい場合は、多孔体をコーティング剤槽に浸漬している時間を長くすることで、この目的は達成され、多孔体にコーティング剤を少量塗布したい場合は、多孔体をコーティング剤槽に浸漬している時間を短くすることで、この目的を達成することができる。なお、多孔体にコーティング剤を多量に塗布した場合は、当該多孔体にコーティング層が厚く形成されるため、ガス流路を狭く構成することができ、多孔体にコーティング剤を少量塗布した場合は、当該多孔体にコーティング層が薄く形成されるため、ガス流路を広く構成することができる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池の製造方法では、前記コーティング剤を付着させる工程後、当該コーティング剤が付着した多孔体に親水性付与剤を付着させる工程をさらに備えることができる。この多孔体に親水性付与剤を付着させる工程により、生成水の排出をさらに促進することができる。

本発明にかかる燃料電池によれば、ガス流路が、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くなるよう構成することができるため、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができる。このため、ガス流路内に存在する生成水は、上流側から下流側に向けて移動し易くなる結果、生成水の排出を促進することができる。

また、本発明にかかる燃料電池の製造方法によれば、ガス流路を構成する多孔体を圧縮する、あるいは、前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させることで、前記多孔体の空隙率を変更することができる。この結果、同一面内で空隙率の異なった多孔体を簡単に製造することができる。

次に、本発明の実施の形態にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図、図２は、図１に示す燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、実施例１にかかる燃料電池１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一方の面に配置された燃料極１２（アノード）と、電解質膜１１の他方の面に配置された酸化剤極１３（カソード）と、燃料極１２の電解質膜１１と反対側の面に形成された拡散層１４と、酸化剤極１３の電解質膜１１と反対側の面に形成された拡散層１５と、からなる膜−電極アッセンブリ（以下、「ＭＥＡ」という）１０と、ＭＥＡ１０の燃料極１２側に形成された燃料ガス流路１６と、ＭＥＡ１０の酸化剤極１３側に形成された酸化ガス流路１７と、ＭＥＡ１０と共に燃料ガス流路１６を挟むように配設されたセパレータ１８と、ＭＥＡ１０と共に酸化ガス流路１７を挟むように配設されたセパレータ１９と、セパレータ１８とセパレータ１９との間に形成された冷却媒体通路３０と、を重ねてセルを形成し、該セルを１層以上積層してモジュール９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付けスタック２３の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（例えば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナット等で固定したものから構成されている。

燃料ガス流路１６は、多孔体１６Ａから構成されており、上流側（燃料ガス入口側：図２でいう左側）から下流側（燃料ガス出口側：図２でいう右側）に向けてセル積層方向の厚さが徐々に薄くなる形状を備えている。すなわち、燃料ガス流路１６は、燃料ガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積が、上流側から下流側に向けて小さくなるよう構成されている。なお、実施例１では、この燃料ガス流路１６のセル積層方向の厚さの差は、燃料ガス流路１６のＭＥＡ１０とは反対側、すなわち、セパレータ１８側の面にテーパ（傾斜）を付けることで得ている。

酸化ガス流路１７は、多孔体１７Ａから構成されており、酸化ガスの流れ方向は、燃料ガスの流れ方向と反対となっている。この酸化ガス流路１７は、上流側（燃料ガス入口側：図２でいう右側）から下流側（燃料ガス出口側：図２でいう左側）に向けてセル積層方向の厚さが徐々に薄くなる形状を備えている。すなわち、酸化ガス流路１７は、酸化ガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積が、上流側から下流側に向けて小さくなるよう構成されている。なお、実施例１では、この酸化ガス流路１７のセル積層方向の厚さの差は、酸化ガス流路１７のＭＥＡ１０とは反対側、すなわち、セパレータ１９側の面にテーパ（傾斜）を付けることで得ている。

前述したように、燃料ガス流路１６と酸化ガス流路１７は、ガスの流れ方向が互いに反対向きとなっているため、燃料ガス流路１６のセル積層方向の厚さが厚い部分に、酸化ガス流路１７のセル積層方向の厚さの薄い部分が配設されることになる。すなわち、燃料ガス流路１６のセル積層方向の厚さの変化と、酸化ガス流路１７のセル積層方向の厚さの変化を互いに相補しあうことができるため、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７が傾斜した形状であっても、無駄なスペースを生じることなく、小スペース化を達成することができる。

セパレータ１８は、燃料ガス流路１６の傾斜面上に、当該傾斜面に沿って形成されている。したがって、セパレータ１８は、セル積層方向に対し、傾斜した状態で配設される。このセパレータ１８は、ステンレスやチタン等の金属や、カーボン材料等から形成することができる。

セパレータ１８の燃料ガス流路１６と反対側の面には、冷却媒体通路３０が配設されている。この冷却媒体通路３０は、セパレータ１８と同様に、傾斜した状態で配設されており、例えば、表面が波状となった板材等から構成することができる。

セパレータ１９は、傾斜した状態で配設された冷却媒体通路３０の傾斜面上に、当該傾斜面に沿って形成されている。したがって、セパレータ１９は、セル積層方向に対し、傾斜した状態で配設される。このセパレータ１９もセパレータ１８と同様の材料から構成することができる。

傾斜した状態で配設されたセパレータ１９上には、前述した酸化ガス流路１７の傾斜面側が、セパレータ１９の傾斜と酸化ガス流路１７の傾斜が互いに相殺されるように配設されている。この配設によって、燃料ガス流路１６、セパレータ１８、冷却媒体通路３０、セパレータ１９及び酸化ガス流路１７からなる層は、上流側と下流側とで、セル積層方向の厚さが同一となり、実質的に平行な形状となる。

なお、実施例１では、燃料ガス流路１６のガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積は、特に図１０に示すように、酸化ガス流路１７のガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積に比べ、小さくなるように形成した。この両者の断面積は、燃料ガス流路１６の上流側と、酸化ガス流路１７の上流側とを比較した場合、例えば、燃料ガス流路１６の上流側：酸化ガス流路１７の上流側＝１：５程度とすることができるが、これに限定されるものではない。

この構成を備えた燃料電池１は、燃料ガス流路１６に燃料ガス（水素）が供給され、酸化ガス流路１７に酸化ガス（空気）が供給され、電気反応を開始すると、
燃料極（アノード）側では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
酸化剤極（カソード）側では、（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池全体としては、Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
の反応が起こる。この電池反応により、燃料ガス流路１６内には、前記電気反応により生成された生成水が、未使用の水素と共に流通し、酸化ガス流路１７内には、前記電気反応により生成された生成水が未使用の空気と共に流通する。

この時、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７は共に、ガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積が、上流側から下流側に向けて小さくなる（狭くなる）よう構成されているため、下流側に行くにしたがって、ガスの流速が速くなり、燃料ガス流路１６内及び酸化ガス流路１７内に存在する生成水は、上流側から下流側に向けて移動し易くなり、生成水の排出を促進することができ、生成水を外部に効率よく排出することができる。

また、実施例１にかかる構造を備えた燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７は、燃料ガス流路１６全体及び酸化ガス流路１７全体にわたって燃料ガス及び酸化ガスの供給圧がそれぞれ均一化されるため、セル全体で高い出力を均一に得ることができる。また、特に、酸化ガスが流れる酸化ガス流路１７の出口側でもガスの流速を速く（高く）維持することができるため、生成水のフラッティングを確実に防止することができ、燃料電池１の出力低下を防止することができる。

そしてまた、均一な厚さ（断面高さ）の燃料ガス流路及び酸化ガス流路を備えた従来の燃料電池に比べ、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７の断面高さの合計値を小さくすることができるため、実質的に燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７（あるいは、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７を画定するセパレータ）薄くできる。このため、燃料電池スタックを大幅に小型軽量化することもできる。さらにまた、ガス圧力を流路全域で均一化して低くすることができるため、ＭＥＡ１０へのダメージも少なくなり、耐久寿命を大幅に向上させることもできる。

なお、燃料ガス流路１６の下流側は、出口が閉じた構造であってもよい。

また、セル積層体の一番上と一番下には、ダミーのセパレータ１８及び１９を各々配設してもよい。

次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。

図３は、実施例２にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図、図４は、図３のIV−IV線に沿った一部断面図である。

なお、実施例２では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３及び図４に示すように、実施例２にかかる燃料電池２の、実施例１にかかる燃料電池１と異なる主な点は、冷却媒体通路４０の配設位置である。すなわち、連客媒体通路４０は、凹凸状に形成されたセパレータ１８の燃料ガス流路１６としての多孔体１６Ａが配設されない部分と、セパレータ１９の酸化ガス流路１７としての多孔体１７Ａが配設されない部分とで画定され、セル積層方向に配設された燃料ガス流路１６と酸化ガス流路１７と、これに隣接するセル積層方向に配設された燃料ガス流路１６と酸化ガス流路１７との間、すなわち、セル積層方向とは略垂直方向に並設されている。

このように、実施例２では、セパレータ１９、酸化ガス流路１７、ＭＥＡ１０、燃料ガス流路１６及びセパレータ１８からなる層は、上流側と下流側とで、セル積層方向の厚さが同一となり、実質的に平行な形状となる。また、セル積層体の一番上と一番下には、ダミーのセパレータ１８及び１９を各々配設し、全体として平行な（傾斜していない）セル積層体を形成することができる。この燃料電池２も前述した燃料電池１と同様の利点を有している。

なお、実施例２では、セル積層方向において、ＭＥＡ１０とＭＥＡ１０との間に、２枚のセパレータ１８及び１９が積層された構成を備えているが、この２枚のセパレータ１８及び１９は、互いに分離されていてもよく、例えば、接着や溶接等により一体に形成してもよい。

また、実施例２では、略矩形の凹凸形状が形成されたセパレータ１８及び１９を使用して、セル積層方向に略垂直な断面が略矩形の燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７を形成した場合について説明したが、これに限らず、セパレータ１８及び１９の凹凸形状をなだらかに形成し、セル積層方向に略垂直な断面が略台形状の燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７を形成してもよい。

次に、本発明の実施例３にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。

図５は、実施例３にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図、図６は、図５のVＩ−VＩ線に沿った一部断面図、図７は、実施例３にかかる燃料電池の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の製造方法の一部を示す模式図である。

なお、実施例３では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５及び図６に示すように、実施例３にかかる燃料電池３の、実施例１にかかる燃料電池１と異なる主な点は、燃料ガス流路３６と酸化ガス流路３７の構造である。

燃料ガス流路３６は、多孔体３６Ａと、多孔体３６Ａの表面に形成されたカーボン層３９を備えて構成されている。すなわち、燃料ガス流路３６は、多孔体３６Ａの表面にコーティング剤としてカーボン１１０がコートされ、多孔体３６Ａの表面から内部に浸透して多孔体３６Ａの空隙に充填されている。このカーボン１１０は、多孔体３６Ａの、燃料ガス流路３６の上流側となる側から下流側となる側に向けて、多孔体３６Ａの厚さ方向に徐々に深く浸透しており、多孔体３６Ａには、燃料ガス流路３６の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に厚くなったカーボン層３９が形成される。したがって、多孔体３６Ａの空隙の合計断面積は、燃料ガス流路３６の上流側となる側から、下流側となる側に向けて徐々に小さくなっている。

酸化ガス流路３７は、多孔体３７Ａと、多孔体３６Ａの表面に形成されたカーボン層３９を備えて構成されている。この酸化ガス流路３７は、燃料ガス流路３６と同様に、多孔体３７Ａには、酸化ガス流路３７の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に厚くなったカーボン層３９が形成されている。したがって、多孔体３７Ａの空隙の合計断面積は、酸化ガス流路３７の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に小さくなっている。

なお、符号３８は、外周シール部であり、この外周シール部３８によって、ガスが外部に漏れない構造となっている。

この構成を備えた燃料電池３も、燃料ガス流路３６及び酸化ガス流路３７が、上流側から下流側に向けてガスが通過可能な断面積が小さくなった構造となるため、実施例１にかかる燃料電池１と同様の利点を得ることができる。また、燃料ガス流路３６及び酸化ガス流路３７は、多孔体３６Ａ及び３７Ａの表面にカーボン層３９が形成されているため、防食性を向上させることができ、セパレータ１８及び１９の耐久性を向上させることもできる。

次に、多孔体３６Ａ及び３７Ａの表面にカーボン層３９を形成する方法について、図７を参照して説明する。

この方法に使用される浸漬塗布装置１００は、図７（１）に示すように、浸漬槽１０１と、浸漬槽１０１に浸漬される多孔体３６Ａ（３７Ａ）を懸架するハンガー１０２と、ハンガー１０２を浸漬槽１０１に対して上下移動させる搬送装置１０３と、を備えて構成されている。なお、実施例３では、浸漬槽１０には、コーティング剤としてのカーボン１１０が収容されている。

この方法に使用される乾燥装置１２０は、図７（２）に示すように、乾燥槽１２１を備え、カーボン１１０が付着した多孔体３６Ａ（３７Ａ）を懸架するハンガー１０２を収容して、カーボン１１０を乾燥させ、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の表面にカーボン層３９を形成する。

多孔体３６Ａ（３７Ａ）の表面に、燃料ガス流路３６（酸化ガス流路３７）の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に厚くなったカーボン層３９を形成するには、先ず、ハンガー１０２で懸架した多孔体３６Ａ（３７Ａ）を、搬送装置１０３によって下方に移動させ、カーボン１１０が収容された浸漬槽１０１内に浸漬させる。この工程において、多孔体３６Ａ（３７Ａ）を上下移動させる時間を調整し、多孔体３６Ａ（３７Ａ）がカーボン１１０に浸漬している時間を、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の上部側が短く、下部側が長くなるように変えることによって、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の上部側に形成されるカーボン層３９が薄く、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の下部側に形成されるカーボン層３９が厚くなるように製造することができる。すなわち、カーボン層３９の厚みによって、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の空隙率を制御することができる。

この浸漬工程後、カーボン１１０が塗布された多孔体３６Ａ（３７Ａ）は、乾燥槽１２１に収容され、１００〜２００℃程度の温度で乾燥される。

なお、実施例３では、多孔体３６Ａ及び３７Ａにカーボン１１０を付着させた場合について説明したが、このカーボン１１０としては、黒鉛、カーボンブラック、及びゴムまたは樹脂の合成物等を挙げることができる。

また、多孔体３６Ａ及び３７Ａは、ステンレスやチタン等の金属や、カーボン材料等から形成することができる。ステンレスやチタン等の金属を使用しても、カーボン１１０を付着させることで、防食性が高めることができる。

次に、本発明の実施例４にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。

図８は、実施例４にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図、図９は、図８のＩX−ＩX線に沿った一部断面図である。

なお、実施例４では、実施例３で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図８及び図９に示すように、実施例４にかかる燃料電池４の、実施例３にかかる燃料電池３と異なる主な点は、燃料ガス流路３６のセパレータ１８側の面と、酸化ガス流路３７のセパレータ１９側の面に、親水性膜４１を形成した点である。この親水性膜４１を形成する場合は、多孔体３６Ａ及び３７Ａの表面に形成するカーボン層３９の厚さを全体的に薄くし、その上に親水性膜４１を形成することができる。具体的には、実施例３で説明したように、多孔体３６Ａ及び３７Ａを、カーボン１１０が収容された浸漬槽１０１に浸漬し、次いで浸漬槽１０１から取り出した後、親水性膜４１を形成する領域を洗浄液で洗浄して、カーボン１１０の厚さを薄く（あるいは除去）する。次に、この処理を施した多孔体３６Ａ及び３７Ａを、例えば、酸化チタン等の親水性溶液に浸漬させた後、乾燥させることにより、親水性膜４１を形成することができる。

この構成を備えた燃料電池４は、実施例３にかかる燃料電池３と同様の利点を得ることができることに加え、生成水の排出をさらに促進させることができる。

本発明の実施例１にかかる燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図である。図１に示す燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図である。本発明の実施例２にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図である。図３のIV−IV線に沿った一部断面図である。本発明の実施例３にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図である。図５のVＩ−VＩ線に沿った一部断面図である。本発明の実施例３にかかる燃料電池の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の製造方法の一部を示す模式図である。本発明の実施例４にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図である。図８のＩX−ＩX線に沿った一部断面図である。図１に示す燃料電池のセル積層体の一部を示す拡大断面図である。

符号の説明

１、２、３、４燃料電池
１０ＭＥＡ
１６、３６燃料ガス流路
１７、３７酸化ガス流路
１８、１９セパレータ
３９、４０冷却媒体通路
３６Ａ、３７Ａ多孔体
３９カーボン層
４１親水性層
１００浸漬塗布装置
１２０乾燥装置

Claims

電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路と、を有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池であって、
前記ガス流路の、ガス流れ方向に対し略垂直方向の断面積が、当該ガス流路の上流から下流に向けて小さくなるよう構成した燃料電池。
前記ガス流路は、当該ガス流路の上流から下流に向けて、空隙率が低くなるよう構成された多孔体を用いて形成されてなる請求項１記載の燃料電池。
前記ガス流路は、前記ガス流路の上流から下流に向けて、コーティング層が厚く形成された多孔体を用いて形成されてなる請求項１または請求項２記載の燃料電池。
前記コーティング層は、カーボンを主成分として形成されてなる請求項３記載の燃料電池。
前記ガス流路は、当該ガス流路の上流から下流に向けて、ガス流れ方向に対し略垂直方向の長さが短くなるよう構成された多孔体を用いて形成されてなる請求項１記載の燃料電池。
前記ガス流路は、前記多孔体の、少なくとも前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側に、当該膜−電極アッセンブリと接触している面側に対して空隙率が高い層を有してなる請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記ガス流路は、前記多孔体全体に親水コート層を有してなる請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記両ガス流路の各々のガス流れ方向が、互いに反対方向である請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記両ガス流路の間に冷却媒体通路を配設し、当該冷却媒体通路が、前記電解質膜に対して傾斜してなる請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池。
電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路と、を有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池の製造方法であって、
前記多孔体の少なくとも一部を圧縮する工程を備えた燃料電池の製造方法。
前記多孔体の少なくとも一部を圧縮する工程後、当該多孔体の少なくとも一部表面に、親水性付与剤を付着させる工程をさらに備えた請求項１０記載の燃料電池の製造方法。
電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路と、を有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池の製造方法であって、
前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させる工程を備えた燃料電池の製造方法。
前記コーティング剤を付着させる工程は、前記ガス流路の上流から下流に向けて、当該コーティング剤を厚く付着する工程を備えた請求項１２記載の燃料電池の製造方法。
前記コーティング剤を付着させる工程は、
前記コーティング剤が収容されたコーティング剤槽に、前記多孔体を浸漬する工程と、
前記コーティング剤槽に浸漬した多孔体を、当該コーティング剤槽から引き上げる工程と、
を備え、
前記多孔体をコーティング剤槽から引き上げる工程は、前記多孔体を引き上げる速度を調整して、当該多孔体が当該コーティング剤槽に浸漬している時間を調整する請求項１３記載の燃料電池の製造方法。
前記コーティング剤を付着させる工程後、当該コーティング剤が付着した多孔体に親水性付与剤を付着させる工程をさらに備えた請求項１２ないし請求項１４のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。