JP2007103241A

JP2007103241A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2007103241A
Application number: JP2005293876A
Authority: JP
Inventors: Osamu Hiroi; 治廣井; Seiji Yoshioka; 省二吉岡; Hisatoshi Fukumoto; 久敏福本; Takashi Nishimura; 隆西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】電極基材に設ける貫通孔により触媒層で生成された水が電極基材内に滞留することなく排出されて反応ガスの供給の妨げにならないとともに貫通孔を設けることによる電極基材の強度の低下をわずかに抑えられる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、カソードガス拡散層、カソード触媒層、高分子電解質膜、アノード触媒層、アノードガス拡散層を順に積層して構成される膜電極接合体および上記膜電極接合体を両側から挟持するセパレータ板を備え、上記カソードガス拡散層に貫通孔および上記セパレータ板の上記膜電極接合体に面する面にガス流路が設けられている燃料電池において、上記カソードガス拡散層は、酸化剤ガスが流される上記ガス流路に面する面に上記ガス流路と上記貫通孔とを連通する溝が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、水素と酸素が反応して発電するときに生成する水を外部に排出する燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池は、アノード電極、カソード電極、ガス流路が形成されているセパレータ板および両電極間を隔てる高分子電解質膜から構成されている。アノード電極およびカソード電極は、ガス拡散層とも呼ぶ電極基材、触媒と固体電解質成分からなる触媒層および触媒層と電極基材との電気的接続と電極基材の平坦性を向上する多孔性導電層で構成されている。
電極基材は、触媒層と接触して集電するとともに触媒層に反応ガスを供給する一方反応によって生成した水を排出する経路を提供している。
電極基材には一般的に導電性の高い炭素繊維からなる多孔材料が用いられており、その繋がった空孔を通じてセパレータ板のガス流路から反応ガスが触媒層に供給される。一方、触媒層上で生成した水もその空孔を通じてガス流路に排出される。燃料電池内の水は気相と液相の両方の状態で存在しているが、燃料電池を高い加湿状態で運転する場合には液相の割合が大きく、液相の水が電極基材内に滞留すると反応ガス供給の妨げとなる。そこで、特にカソード電極における電極基材内に水が滞留し、ガス供給空間を閉塞させることがないように電極基材の炭素繊維表面に撥水処理が施されている。

しかし、電極基材のような細孔内部の濡れ性が撥水処理によって低い状態にあると、液相の水の通過が困難となる。撥水処理されて、接触角が大きい状態にある電極基材内部は水が極めて通過しにくい。そこで、水を通過しやすくするために、電極基材自体の空孔よりも大きな径の貫通孔がガス拡散層を貫通している。具体的には、電極基材に高い密度で直径１００μｍ以上の貫通孔を形成すると水の通過抵抗は著しく低くなる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３８７３８号公報

しかし、電極基材に貫通孔が形成されていても、貫通孔の近傍だけからは水が容易に排出されるようになるが、その効果が及ぶ範囲は限られており、貫通孔から離れた電極基材の部分からの水の排出に寄与しないという問題がある。
また、セパレータ板のガス流路に面している貫通孔は水の排出経路として機能するが、ガス流路間のセパレータ板に接触している貫通孔は開口が塞がれた形になるので機能しない。従って、実際に貫通孔により水の排出が促進される部分はガス流路に面している貫通孔の近傍だけであるので、電極面全体に占める割合は小さいという問題がある。

この発明の目的は、電極基材に設ける貫通孔により触媒層で生成された水が電極基材内に滞留することなく排出されて反応ガスの供給の妨げにならないとともに貫通孔を設けることによる電極基材の強度の低下をわずかに抑えられる燃料電池を提供することである。

この発明に係わる燃料電池は、カソードガス拡散層、カソード触媒層、高分子電解質膜、アノード触媒層、アノードガス拡散層を順に積層して構成される膜電極接合体および上記膜電極接合体を両側から挟持するセパレータ板を備え、上記カソードガス拡散層に貫通孔および上記セパレータ板の上記膜電極接合体に面する面にガス流路が設けられている燃料電池において、上記カソードガス拡散層は、酸化剤ガスが流される上記ガス流路に面する面に上記ガス流路と上記貫通孔とを連通する溝が形成されている。

この発明に係わる燃料電池の効果は、カソードガス拡散層に貫通孔とセパレータ板と接触する面に溝が設けられ、カソード触媒層で生成した水が貫通孔、溝を経由してガス流路に排出されているので、カソードガス拡散層中に水が滞留することなく排出され、燃料電池の出力電圧が向上する。特に、水が滞留しやすい高加湿運転時や水の発生が多い高負荷運転時の電圧が著しく向上する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる燃料電池の部分概略図である。図１において発明の特徴を明示できるように、カソード側のセパレータ板だけを膜電極接合体から離して図示し、アノード側のセパレータ板の図示は省略してある。
この発明の実施の形態１に係わる燃料電池１は、図１に示すように、プロトン導電性を有する高分子電解質膜２、高分子電解質膜２の両面から挟持するアノード電極３およびカソード電極４、高分子電解質膜２を挟持するアノード電極３およびカソード電極４に接するセパレータ板５を有している。これら一組がセルを構成し、複数のセルが積層されて燃料電池１が構成される。

そして、アノード電極３とカソード電極４は、それぞれ触媒層６ａ、６ｂ、ガス拡散層７ａ、７ｂ、導電性多孔層８を有している。触媒層６ａ、６ｂは、反応の場であり、導電性多孔層８を介在して高分子電解質膜２に面している。ガス拡散層７ａ、７ｂは、触媒層６ａ、６ｂとセパレータ板５とを電気的に接続する。また、ガス拡散層７ａ、７ｂは、セパレータ板５のガス流路９を流れてきたガスを触媒層６ａ、６ｂに供給するために伝達するとともに触媒層６ａ、６ｂで生成された水をガス流路９に排出するための伝達する通路の働きを果たす。
導電性多孔層８は、触媒層６ａ、６ｂのガス拡散層７ａ、７ｂの反対の面に形成されている。この導電性多孔層８は、カーボンブラック等の粒子状導電材料とフッ素系樹脂等のバインダーからなる。導電材料、バインダーともに燃料電池１内の高温高湿環境で安定なものが使用される。

カソード電極４のカソードガス拡散層７ｂは、カソードガス拡散層７ｂを貫通する水の排出経路となる貫通孔１１と、セパレータ板５に接触する面に並行する溝１２が形成されている。
貫通孔１１は、頭切の四角錐の孔であり、一方の開口部は一辺約２５０μｍ、他方の開口部は一辺約１００μｍの正方形状である。細孔を水が通過するために必要な細孔の出入口間の圧力差ΔＰは、ΔＰ＝４×σ×ｃｏｓα÷Ｄによって求められる。なお、σは表面張力、αは接触角、Ｄは孔径である。この式から分かるように水を通過しやすくするためには細孔の孔径を大きくすることが有効である。そして、カソードガス拡散層７ｂに直径１００μｍ以上の貫通孔１１を形成すると水の通過抵抗が著しく低くなる。そこで、実施の形態１に係わる貫通孔１１を小さな開口部の１辺が１００μｍとなるようにして形成している。
溝１２は、貫通孔１１を連通する三角溝である。
なお、貫通孔１１として頭切の四角錐を説明したが、これに限らずに頭切の円錐、頭切の三角錐などであってもよい。
また、溝１２の断面形状が三角形であるとして説明したが、これに限るものではない。

ガス拡散層７ａ、７ｂには、燃料電池１内の環境において安定な導電性多孔体を用いることができる。一般的にはカーボンペーパーやカーボンクロスといった、カーボン繊維で形成された多孔体が用いられる。

触媒層６ａ、６ｂは、主に触媒粒子、触媒粒子とイオンのやりとりをする高分子電解質からなり、必要に応じて無機質粒子やポリマー粒子・カーボン粒子等の添加物を混入することも可能である。こうした添加物は、触媒層６ａ、６ｂの親水・撥水性を制御したり、空孔率を向上したりする目的で適宜用いられる。
触媒粒子としては、カーボンブラック粒子表面に白金など触媒活性を持つ金属微粒子を担持したものが一般的に用いられる。
触媒層６ａ、６ｂの形成法としては、高分子電解質膜２上に直接塗布形成する方法、高分子電解質膜２とは別の基材上に形成した後に高分子電解質膜２上に転写する方法などを用いることができる。

高分子電解質膜２としては燃料電池１内の環境において安定で、プロトン伝導性とガスバリア性が高く、電子導電性のないものが用いられる。一般にはパーフルオロ系主鎖とスルホン酸基からなる高分子電解質が用いられる。

セパレータ板５としては燃料電池１内の環境においても安定で緻密な導電性板を用いることができる。一般にはカーボン板にガス流路９の溝を形成したものが用いられる。
詳しい説明は省略するがガスシール部が電極部の周囲に形成されている。燃料電池１内の環境で安定で、ガスバリア性が高い材料が用いられる。また、ガスシール部には各セルにガスや冷却液を分配供給するためのマニホールド穴が設けられることがあるので、ガスシール材は冷却液に接しても安定なものが用いられる。

このような燃料電池１は、カソードガス拡散層７ｂを貫通する貫通孔１１とカソードガス拡散層７ｂの表面で貫通孔１１とセパレータ板５のガス流路９とを連通する溝１２が設けられることにより、カソード触媒層６ｂで生成された水が貫通孔１１と溝１２とを経由して容易にガス流路９に排出される。
また、カソードガス拡散層７ｂ内に３次元的な水の排出経路が形成されるので、カソードガス拡散層７ｂの機械的強度が低下するほどには貫通孔１１を設けなくてもよい。
また、高分子電解質膜２の乾燥度合いが均一になり、高分子電解質膜２の寿命の偏りが少なくできる。

次に、ガス拡散層７ａ、７ｂの製造方法について説明する。
電極基材として厚さ３００μｍ、空孔率８０％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ９０）３１を用いる。
また、貫通孔１１を形成するための貫通孔用金型２１として厚さ１０ｍｍの金属板の表面に機械加工によって複数の突起を形成して用意した。突起の形状は、図２に示すように、底面が１辺０．５ｍｍの正方形で高さが０．９３ｍｍの四角錐である。この四角錐を格子間距離１ｍｍの正方格子状に配列した。
また、溝１２を形成するための溝用金型２２として厚さ１０ｍｍの金属板の表面に多数の平行線状の突起を機械加工によって形成して用意した。突起の形状は、図３に示すように、先端が尖った平行線状で、高さが０．９３ｍｍ、底面の巾が０．５ｍｍの２等辺三角形状の断面である。この線状突起を１ｍｍ間隔で平行線状に配列した。

次に、図４に示すように、カーボンペーパー３１を厚さ２５μｍのＰＥＴフィルム３２で挟んで貫通孔用金型２１の上に置き、さらにその上に厚さ２００μｍのポリエチレンフィルム３３と厚さ５ｍｍのポリカーボネート板３４を重ね、平板プレスで全体を加圧した。
貫通孔用金型２１の突起はＰＥＴフィルム３２、カーボンペーパー３１、ポリエチレンフィルム３３を貫通し、突起の先端がポリカーボネート板３４の中にくい込む。
次に、プレスによって穿孔したカーボンペーパー３１を超音波洗浄して脱落した炭素繊維を除去した。カーボンペーパー３１には頭切の四角錐の貫通孔１１が穿孔され、顕微鏡観察を行ったところ、一方の開口部は一辺約２５０μｍ、他方の開口部は一辺約１００μｍの正方形状であった。この大きな方の開口部をセパレータ板５に面するように配置する。

次に、図５に示すように、貫通孔１１を形成したカーボンペーパー３１上に溝用金型２２を乗せ、加圧しながら平行線方向（図５の矢印の方向）に擦過することでカーボンペーパー３１上に溝１２を形成した。カーボンペーパー３１の貫通孔１１の開口部の大きい側と平行線状の突起を対向させ、貫通孔１１と溝１２の位置が重なるように位置合わせを行って溝成形加工を行った。
次に、溝１２を形成したカーボンペーパー３１をフッ素樹脂ディスパージョン液に浸漬し、乾燥後に４００℃に加熱することでフッ素樹脂を炭素繊維上に定着させた。

次に、フッ素樹脂を定着したカーボンペーパー３１の貫通孔１１の開口部が小さい面に、導電性多孔層８を塗布形成した。すなわち、カーボンブラックとフッ素樹脂ディスパージョン液とを混合してペースト状とし、これをドクターブレード法でカーボンペーパー３１上に塗布した。
このようにしてカソードガス拡散層７ｂが製造される。
また、アノードガス拡散層７ａは、カソードガス拡散層７ｂと同様なカーボンペーパーを用意して、フッ素樹脂を定着し、一方の面に導電性多孔層８をカソードガス拡散層７ｂと同様にして形成した。アノードガス拡散層７ａはカソードガス拡散層７ｂと異なり、貫通孔１１と溝１２の形成は省略されている。

次に、カソード触媒層６ｂおよびアノード触媒層６ａの形成について説明する。
カソード触媒粒子としては白金をカーボンブラック上に５０ｗｔ％担持したものを用いた。アノード触媒粒子としては白金-ルテニウム系金属をカーボンブラック上に５０ｗｔ％担持したものを用いた。
そして、カソード触媒粒子１重量部に水１重量部、パーフルオロ系高分子電解質溶液（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）溶液）３重量部を添加し、攪拌混合して均一な状態のカソード触媒ペーストを得た。
また、アノード触媒粒子１重量部に水１重量部、パーフルオロ系高分子電解質溶液６重量部を添加し、攪拌混合して均一な状態のアノード触媒ペーストを得た。
それから、カソード触媒ペーストとアノード触媒ペーストをそれぞれ別々にＰＥＴフィルム上に所定サイズにスクリーン印刷した後に乾燥してカソード触媒層６ｂ、アノード触媒層６ａを得る。

次に、膜−触媒接合体の形成について説明する。
高分子電解質膜２として厚さ５０μｍのデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜を用いた。高分子電解質膜２の大きさはカソード触媒層６ｂおよびアノード触媒層６ａの外形よりも全周で７ｍｍ大きくなるようにトリミングした。
次に、高分子電解質膜２と、カソード触媒層６ｂおよびアノード触媒層６ａがそれぞれ形成されたＰＥＴフィルムとをカソード触媒層６ｂおよびアノード触媒層６ａがそれぞれ高分子電解質膜２に接触するように積層し、１４０℃で３分間ホットプレスした。このプレスによってカソード触媒層６ｂおよびアノード触媒層６ａはＰＥＴフィルムから高分子電解質膜２上に転写され、カソード触媒層６ｂ、アノード触媒層６ａおよび高分子電解質膜２が一体化した膜−触媒接合体を得た。

次に、アノードガス拡散層７ａおよびカソードガス拡散層７ｂにガスシール部を形成することについて説明する。
カソードガス拡散層７ｂおよびアノードガス拡散層７ａの外形寸法が、カソード触媒層６ｂおよびアノード触媒層６ａの外形寸法よりも一周の長さが２ｍｍ大きくなるように加工する。
また、厚み２４０μｍのポリオレフィン系熱可塑樹脂シートを、外形寸法が、カソードガス拡散層７ｂおよびアノードガス拡散層７ａの外形寸法よりも一周の長さが２０ｍｍ大きくなるように加工する。さらに、この熱可塑樹脂シートの中央にカソード触媒層６ｂおよびアノード触媒層６ａの外形と同じ大きさの窓を開けた。
そして、熱可塑樹脂シートとカソードガス拡散層７ｂとを導電性多孔層８が熱可塑樹脂シート側にくるようにして全周の重なりが均一になるように積層し、全体を１２０℃で２分間ホットプレスすることでガスシール付きカソードガス拡散層７ｂを得た。また、熱可塑樹脂シートとアノードガス拡散層７ａとを導電性多孔層８が熱可塑樹脂シート側にくるようにして全周の重なりが均一になるように積層し、全体を１２０℃で２分間ホットプレスすることでガスシール付きアノードガス拡散層７ａを得た。

次に、膜電極接合体１０の形成について説明する。
ガスシール付きカソードガス拡散層７ｂとガスシール付きアノードガス拡散層７ａとで膜−触媒接合体をガスシールが膜−触媒接合体に面するようにして挟み込み、全体を１２０℃で１分間ホットプレスすることで膜電極接合体１０を得た。

次に、性能評価用セルの形成について説明する。
この膜電極接合体１０をカーボン製のセパレータ板５で両側から挟み、その外部から、発熱体を内蔵した金属板で面圧をかけて、性能評価用セルとした。セパレータ板５のガス流路９は、図６に示すようなサーペンタイン型であり、ガス流路９の巾は０．８ｍｍ、流路間の巾も０．８ｍｍとした。また、カソードガス拡散層７ｂの表面に加工した溝１２がガス流路９に直角に交わるように図１に示すように積層した。

次に、性能評価用セルの運転と特性の評価について説明する。
性能評価用セルを外部負荷に接続し、アノード側には常圧の水素ガスを、カソード側には常圧の空気を供給して発電を行った。水素ガスの利用率は７０％に、空気側の酸素利用率は４０％になるように流量を設定した。ガスは外部加湿器で加湿を行ってからセルに供給した。また、セルの温度は７５℃になるように発熱体によって温度調節した。供給ガスの湿度については両極とも露点７５℃となるように外部加湿器を調節した。そして、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ^２で２４時間連続運転時点での電圧は７３６ｍＶであった。また、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ^２における電圧は６３４ｍＶであった。

なお、実施の形態１に係わる燃料電池１の特性と比較するために、比較例１としてカソードガス拡散層７ｂの表面に溝加工を行わないこと以外は実施の形態１と同様な性能評価用セルを形成した。この性能評価用セルを実施の形態１と同様に電池運転したところ、８時間経過時点の電圧は電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ^２で７３４ｍＶであった。また、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ^２で電圧は６２４ｍＶであった。

また、比較例２としてカソードガス拡散層７ｂをアノードガス拡散層７ａと同様にしたこと以外は実施の形態１と同様な性能評価用セルを形成した。この性能評価用セルを実施の形態１と同様に電池運転したところ、８時間経過時点の電圧は電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ^２で７２８ｍＶであった。また、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ^２における電圧は５９８ｍＶであった。

この発明に係わる燃料電池１は、カソードガス拡散層７ｂに設けられた貫通孔１１につながり、カソードガス拡散層７ｂのセパレータ板５と接触する面に刻まれた溝１２が、貫通孔１１とセパレータ板５のガス流路９とを連通し、カソード触媒層６ｂ上で生成された水が貫通孔１１および溝１２を経由してガス流路９に排出されるので、水が移動しやすい連続した空間によってカソード触媒層６ｂとガス流路９が連通されているためにカソードガス拡散層７ｂ中に水が滞留することなく排出される。その結果、燃料電池１の出力電圧が向上する。特に、水が滞留しやすい高加湿運転条件や水の発生が多い高負荷運転時の電圧が著しく向上する。

また、貫通孔用金型２１を用いて貫通孔１１を穿孔するとき残る可能性のある小さい方の開口部の縁のバリを導電性多孔層８により平坦化するので、高分子電解質膜２へダメージを与えることが防がれる。

なお、水の排出性やガスの拡散性を向上するための貫通孔１１や溝１２は主にカソード側に適用するが、アノード側への適用も可能であり、ガス拡散性を向上することが可能になる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係わるカソード側のセパレータ板５Ｂとカソードガス拡散層７Ｂｂの様子を示す図である。なお、セパレータ板５Ｂのカソードガス拡散層７Ｂｂに面する面の様子を分かりやすくするために、セパレータ板５Ｂを上下逆さにして図示している。
この発明の実施の形態２に係わる燃料電池は、実施の形態１に係わる燃料電池１と溝１４がカソードガス拡散層７Ｂｂではなくセパレータ板５Ｂに設けられていることが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態２に係わるカソードガス拡散層７Ｂｂは、図７に示すように、実施の形態１に係わるカソードガス拡散層７ｂの溝１２が設けられていないこと以外同様である。
実施の形態２に係わるカソード側のセパレータ板５Ｂは、図７に示すように、ガス流路９間のカソードガス拡散層７Ｂｂと接触する面に隣接するガス流路９を連通する溝１４が形成されている。この溝１４は、実施の形態１に係わるカソードガス拡散層７ｂに設けられているのと同様なカソードガス拡散層７Ｂｂの貫通孔１１の開口部に面する位置に形成され、貫通孔１１とガス流路９を連通している。溝１４の形状は実施の形態１と同様である。

このセパレータ板５Ｂと、カソードガス拡散層７Ｂｂを用いて実施の形態１と同様に作製した膜電極接合体と、を組み合わせて電池運転したところ、８時間経過時点の電圧は電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ^２で７３６ｍＶ、また、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ^２における電圧は７３４ｍＶであった。

このような燃料電池は、セパレータ板５Ｂのカソードガス拡散層７Ｂｂと面する面に貫通孔１１に面する位置に溝１４が設けられているので、貫通孔１１とセパレータ板５Ｂのガス流路９が溝１４により連通され、電池の出力を向上することができる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３に係わるカソードガス拡散層の部分概略図である。
この発明の実施の形態３に係わる燃料電池は、図８に示すように、実施の形態１に係わる燃料電池１と溝１５がカソードガス拡散層７Ｃｂのカソード触媒層６ｂに面する面に設けられていることが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
このカソードガス拡散層７Ｃｂを用いて実施の形態１と同様にして膜電極接合体を作製し、実施の形態１と同様に性能評価用セルを形成した。この性能評価用セルを実施の形態１と同様に電池運転したところ、８時間経過時点の電圧は電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ^２で７３４ｍＶであった。また、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ^２における電圧は６２９ｍＶであった。

このような燃料電池は、カソードガス拡散層７Ｃｂのカソード触媒層６ｂに接する面に溝１５が設けられているので、カソード触媒層６ｂで生成された水が溝１５を伝わって貫通孔１１を経由してガス流路９に導かれ、カソードガス拡散層７Ｃｂ中の滞留水を減少することができる。
なお、実施の形態３においてカソードガス拡散層７Ｃｂのカソード触媒層６ｂに面する面だけに溝１５を設けているが、実施の形態１のような溝１２を併せて設けてもよい。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４に係わる貫通孔とガス流路との位置関係を示す図である。
この発明の実施の形態４に係わる燃料電池は、図９に示すように、実施の形態１に係わる燃料電池１の貫通孔１１と形状が異なる貫通孔１６がカソードガス拡散層に設けられ、それに関わって実施の形態１に係わる燃料電池１の溝１２がカソードガス拡散層に設けられていないことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態４に係わる貫通孔１６は、カソードガス拡散層の面方向の断面形状が長辺１０００μｍ、短辺１００μｍの長方形である。そして、カソードガス拡散層とセパレータ板とを組み立てるとき、貫通孔１６の長辺がセパレータ板のガス流路９に直角に交わるように組み立てられている。
このカソードガス拡散層を用いて性能評価用セルを実施の形態１と同様にして作成した。この性能評価用セルを実施の形態１と同様に電池運転したところ、８時間経過時点の電圧は電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ^２で７３５ｍＶであった。また、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ^２における電圧は６３３ｍＶであった。

この貫通孔１６のカソードガス拡散層の面方向の断面形状の長辺が、セパレータ板の複数のガス流路９を跨っているので、貫通孔１６のセパレータ板に面する開口部の一部は必ずガス流路９に開口している状態になっている。従って、カソードガス拡散層の少なくとも一方の面に溝を設けなくてもカソード触媒層からガス流路９へ水が容易に排出される。
なお、貫通孔１６のカソードガス拡散層の面方向の断面形状として長方形を例に挙げたが、例えば楕円など長方形に限るものではない。

この発明の実施の形態１に係わる燃料電池の部分概略図である。実施の形態１に係わる貫通孔を形成するための貫通孔用金型の概略図である。実施の形態１に係わる溝を形成するための溝用金型の概略図である。実施の形態１に係わる貫通孔を穿孔する様子を示す図である。実施の形態１に係わる溝を形成する様子を示す図である。実施の形態１に係わる貫通孔、溝およびガス流路の位置関係を示す図である。この発明の実施の形態２に係わるセパレータ板とカソードガス拡散層の様子を示す図である。この発明の実施の形態３に係わるカソードガス拡散層の部分概略図である。この発明の実施の形態４に係わる貫通孔とガス流路の位置関係を示す図である。

符号の説明

１燃料電池、２高分子電解質膜、３アノード電極、４カソード電極、５、５Ｂセパレータ板、６ａアノード触媒層、６ｂカソード触媒層、７ａアノードガス拡散層、７ｂ、７Ｂｂ、７Ｃｂカソードガス拡散層、８導電性多孔層、９ガス流路、１０膜電極接合体、１１、１６貫通孔、１２、１４、１５溝、２１貫通孔用金型、２２溝用金型、３１カーボンペーパー、３２ＰＥＴフィルム、３３ポリエチレンフィルム、３４ポリカーボネート板。

Claims

カソードガス拡散層、カソード触媒層、高分子電解質膜、アノード触媒層、アノードガス拡散層を順に積層して構成される膜電極接合体および上記膜電極接合体を両側から挟持するセパレータ板を備え、上記カソードガス拡散層に貫通孔および上記セパレータ板の上記膜電極接合体に面する面にガス流路が設けられている燃料電池において、
上記カソードガス拡散層は、酸化剤ガスが流される上記ガス流路に面する面に上記ガス流路と上記貫通孔とを連通する溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
カソードガス拡散層、カソード触媒層、高分子電解質膜、アノード触媒層、アノードガス拡散層を順に積層して構成される膜電極接合体および上記膜電極接合体を両側から挟持するセパレータ板を備え、上記カソードガス拡散層に貫通孔および上記セパレータ板の上記膜電極接合体に面する面にガス流路が設けられている燃料電池において、
上記カソードガス拡散層に接触する上記セパレータ板は、上記カソードガス拡散層に面する面に上記ガス流路と上記貫通孔とを連通する溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
上記カソードガス拡散層は、上記カソード触媒層と面する面に上記貫通孔に接続される溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載する燃料電池。
カソードガス拡散層、カソード触媒層、高分子電解質膜、アノード触媒層、アノードガス拡散層を順に積層して構成される膜電極接合体および上記膜電極接合体を両側から挟持するセパレータ板を備え、上記カソードガス拡散層に貫通孔およびが上記セパレータ板の上記膜電極接合体に面する面にガス流路が設けられている燃料電池において、
上記貫通孔は、上記セパレータ板に面する開口部の一部が上記セパレータ板に設けられたガス流路に開口していることを特徴とする燃料電池。
上記貫通孔は、上記セパレータ板に面する開口部の長辺の長さが、隣り合う位置にあるガス流路間の距離よりも長いことを特徴とする請求項４に記載する燃料電池。