JP2007273413A - 膜・電極接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散層において燃料と媒体とを十分に反応させることができ、出力を大きくすることができるようにする。
【解決手段】電解質膜の両側にそれぞれ反応層を挟んで拡散層２０１が配設されるようになっている。セルの少なくとも一方の前記拡散層２０１に、前記反応層において生成された水を外部に排出するための複数の貫通孔が形成され、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材が充填される。前記拡散層２０１に複数の貫通孔が形成され、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材が充填されるので、拡散層２０１内で生成された反応生成物（主に生成水）は、毛管現象及び濡れ性によって空気供給路側に向けて移動させられ、排出される。十分な量の媒体を拡散層２０１に供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜・電極接合体及びその製造方法に関するものである。

従来、燃料電池を搭載した車両（以下「燃料電池搭載車両」という。）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電流を駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。

そのために、前記燃料電池搭載車両に車載燃料電池システムが配設され、該車載燃料電池システムは、液体水素が貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから燃料としての水素ガスが供給されるとともに、空気が供給され、前記積層型の燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出されたガス中の蒸気を凝縮させ、ガスと水とに分離させる凝縮器等を備える。

そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数のセルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。前記各セルは、電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層から成る燃料極及び空気極を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。

そして、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが、プロトン（Ｈ⁺ ）の形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の、媒体としての酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子が負荷装置を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介して負荷装置に供給することができる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１５１５８５号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池においては、出力を大きくするためには、十分な量の酸素を拡散層に供給する必要があるが、反応層において生成された水が、拡散層内に残留すると、十分な量の酸素を拡散層を通して反応層に供給することができなくなってしまう。

また、拡散層内に残留した水が、水素と酸素との反応に伴って発生した熱によって蒸発すると、水蒸気分圧が高くなり、拡散層への酸素の供給がその分困難になってしまう。

したがって、水素と酸素とを十分に反応させることができなくなり、出力が小さくなってしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池の問題点を解決して、拡散層において燃料と媒体とを十分に反応させることができ、出力を大きくすることができる膜・電極接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の膜・電極接合体においては、電解質膜の両側にそれぞれ反応層を挟んで拡散層が配設されるようになっている。

そして、セルの少なくとも一方の前記拡散層に、前記反応層において生成された水を外部に排出するための複数の貫通孔が形成され、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材が充填される。

本発明の他の膜・電極接合体においては、さらに、前記充填材は繊維材である。

本発明の膜・電極接合体の製造方法においては、電解質膜の両側にそれぞれ反応層を挟んで拡散層を配設するようになっている。

そして、前記電極接合体の少なくとも一方の前記拡散層に、前記反応層において生成された水を外部に排出するための複数の貫通孔を形成し、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材を充填するために、糸を縫い付ける。

本発明によれば、膜・電極接合体においては、電解質膜の両側にそれぞれ反応層を挟んで拡散層が配設されるようになっている。

そして、セルの少なくとも一方の前記拡散層に、前記反応層において生成された水を外部に排出するための複数の貫通孔が形成され、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材が充填される。

この場合、前記拡散層に複数の貫通孔が形成され、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材が充填されるので、拡散層内で生成された反応生成物（主に生成水）は、毛管現象及び濡れ性によって媒体供給路側に向けて移動させられ、排出される。

したがって、十分な量の媒体を拡散層に供給することができる。

また、前記充填材は、断熱性を有するので、拡散層内に残留した前記反応生成物に、反応に伴って発生した熱が伝達されることがない。したがって、反応生成物が拡散層内で蒸発することがなくなるので、拡散層内で水蒸気分圧が高くなることはない。その結果、拡散層に媒体を容易に供給することができるので、拡散層内において媒体と燃料とを十分に反応させることができ、出力を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す図である。

図において、１１は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を構成する燃料電池スタックであり、該燃料電池スタック１１は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両に、エネルギー供給源として搭載される。この場合、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等のように、車両を停車させている間においても電気エネルギーを消費する補機類を多数備え、しかも、多様な走行パターンで走行させられることが多い。

そこで、エネルギー供給源として、燃料電池スタック１１のほかに、補助蓄電装置としての２次電池、キャパシタ（コンデンサ）等を併せて車両に搭載するのが好ましい。

また、１２は該燃料電池スタック１１に媒体としての空気を供給する媒体供給系としての空気供給系、１３は前記燃料電池スタック１１から空気を排出するための媒体排出系としての空気排出系、１４は前記燃料電池スタック１１に燃料としての水素ガスを供給するための燃料供給系としての水素ガス供給系、１６は前記燃料電池スタック１１に水を冷却媒体として供給するための冷却媒体機器部としての水供給系である。前記燃料電池スタック１１、空気供給系１２、空気排出系１３、水素ガス供給系１４及び水供給系１６によって車載燃料電池システムが構成される。

本実施の形態においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を使用しているが、該固体高分子型燃料電池に代えて、アルカリ水溶液型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することもできる。

前記燃料電池スタック１１は、筐（きょう）体としてのスタックケース、及び該スタックケース内に収容されたスタックユニット１１ａを備える。そして、該スタックユニット１１ａは、複数のモジュール、該複数のモジュールを挟んで配設され、燃料電池の端子を構成する一対のターミナル、並びに前記モジュール及びターミナルを挟んで配設され、絶縁材料によって形成されたインシュレータを備える。

ところで、前記各モジュールにおいて、前記水素ガス供給系１４によって供給された水素ガスと、前記空気供給系１２によって酸化剤として供給された空気に含まれる酸素とが反応させられて、反応生成物として水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。この場合、酸化剤として、空気に代えて酸素を供給することができる。そのために、前記モジュールは、燃料電池スタック１１の要素を構成する複数の薄い膜状のセルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって形成され、セルの集合体から成る。

前記各セルは、固体高分子から成り、イオン、本実施の形態においては、水素イオンを透過する固体電解質としての電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層から成る燃料極（水素極）並びに空気極を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて媒体供給路としての空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。

前記各反応層は、前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面に配設され、水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられることによって形成された、触媒層から成る。なお、前記空気極に代えて酸素極を使用し、媒体としての純酸素を燃料電池スタック１１に供給することもできる。

前記スタックケース内には、前記スタックユニット１１ａより上方に、空気供給系１２から供給された空気を各空気極に供給し、分配するための、第１のマニホルドとしての供給マニホルド２２が、スタックユニット１１ａより下方に、空気極内のガスを集め、空気排出系１３に排出するための、第２のマニホルドとしての排出マニホルド２３が形成される。前記供給マニホルド２２及び排出マニホルド２３は、前記空気供給路と連通させられ、燃料供給路と遮蔽（へい）される。そのために、前記セパレータにおける空気極と面する側には、垂直方向に延びる複数の溝が形成され、各溝によって前記空気供給路が構成される。空気は、供給マニホルド２２に供給された後、各空気供給路に分配され、該空気供給路を下方に向けて流れ、排出マニホルド２３に排出される。

また、前記セパレータにおける燃料極と面する側は、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。したがって、シールされた部分の内側には、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料供給路が形成される。なお、７１は燃料電池の起電圧を検出する電圧検出部としての電圧センサ（Ｖ）である。

前記空気供給系１２は、供給マニホルド２２に空気を供給するための供給管２０、該供給管２０に配設された酸化剤供給装置としてのシロッコファン等から成るファン２１、該ファン２１によって吸引される空気を濾（ろ）過するフィルタ２４等を備える。前記酸化剤供給装置として、ファン２１に代えて空気ボンベ、空気タンク、酸素ボンベ、酸素タンク等を使用することができる。

また、前記空気排出系１３は、排出マニホルド２３から空気を排出するための排出管３０、該排出管３０に配設された回収部材としての凝縮器３１、空気の温度を検出する温度検出部としての温度センサ３２（Ｔ）等を備える。

したがって、前記ファン２１を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記供給マニホルド２２に供給することができる。また、排出マニホルド２３から排出された空気は、排出管３０を介して凝縮器３１に供給され、該凝縮器３１によって、ガス中の蒸気が凝縮されて水になる。そして、水が回収された後の空気は外部に排出される。なお、前記凝縮器３１に凝縮促進部材としての図示されない冷却ファンを配設することができる。該冷却ファンの回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。

また、前記水素ガス供給系１４は、液体水素が貯蔵された燃料供給装置及び水素供給装置としての燃料タンク４１、該燃料タンク４１に接続され、燃料タンク４１内の液体水素を水素ガスとして排出するための第１の燃料供給路５１、該第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続する第２の燃料供給路５２、該第２の燃料供給路５２と並列に形成され、第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続する燃料帰還路５３、該燃料帰還路５３に接続され、水素ガスを排出する燃料排出路５４等を備える。

そして、前記第１の燃料供給路５１に、燃料タンク４１側から燃料電池スタック１１側にかけて、第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力（一次圧力）を検出する第１の圧力検出器としての水素圧センサ（Ｐ）４２、前記第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力を調整する第１の燃料供給圧調整部としての調圧弁４３Ａ、水素ガスの燃料電池スタック１１への供給量を調整する第１の燃料供給量調整部としての開閉弁４４Ａ、前記調圧弁４３Ａによって調整された水素ガスの圧力を更に調整する第２の燃料供給圧調整部としての調圧弁４３Ｂ、前記開閉弁４４Ａによって調整された水素ガスの供給量を更に調整する第２の燃料供給量調整部としての開閉弁４４Ｂ、及び調圧弁４３Ｂによって調整され、燃料電池スタック１１に供給される直前の水素ガスの圧力（二次圧力）を検出する第２の圧力検出器としての水素圧センサ（Ｐ）４５が配設される。

したがって、燃料タンク４１から水素ガスが排出されると、第１の燃料供給路５１において、水素ガスの圧力は、第１、第２の調圧弁４３Ａ、４３Ｂによって調圧され、燃料電池スタック１１に供給するのに適した圧力になって第２の燃料供給路５２に送られ、燃料電池スタック１１に供給される。なお、前記調圧弁４３Ａ、４３Ｂは、水素ガスの圧力を段階的に低くするために二つ配設され、必要に応じて三つ以上配設することができる。また、前記開閉弁４４Ａ、４４Ｂは、水素ガスの燃料電池スタック１１への供給量を調整するだけでなく、燃料電池スタック１１への供給を行ったり、遮断したりする。

また、燃料帰還路５３に、燃料電池スタック１１側から燃料タンク４１側にかけて、燃料濃度検出部としての水素濃度センサ（Ｃ）４６、吸引ポンプ４７及び逆止弁４８が配設され、該逆止弁４８が前記第１の燃料供給路５１に接続される。そして、前記燃料帰還路５３における吸引ポンプ４７と逆止弁４８との間に前記燃料排出路５４が接続され、該燃料排出路５４に、燃料帰還路５３側から順に、逆止弁５５、排出電磁弁５６及び図示されない燃焼器が配設される。前記排出電磁弁５６を介して燃焼器に送られた水素ガスは、燃焼器において燃焼させられて水になり、大気中に排出される。なお、前記逆止弁４８においては、吸引ポンプ４７側から水素圧センサ４５側に水素ガスが流れるのを許容し、水素圧センサ４５側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。また、前記逆止弁５５においては、吸引ポンプ４７側から排出電磁弁５６側に水素ガスが流れるのを許容し、排出電磁弁５６側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。

なお、前記燃料タンク４１に代えて、水素ガスが充填された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することもできる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、調圧弁４３Ａ、４３Ｂの開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。なお、寒冷地においては、燃料電池搭載車両が極めて低温の環境下に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しなくなる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電され、水素吸蔵合金が加熱される。

なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して水素ガスを生成し、該水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、燃料電池搭載車両の高負荷走行時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、前記燃料タンク４１を使用するのが好ましい。

また、前記水供給系１６は、媒体供給源としての水タンク６１、水供給装置としてのポンプ６２、空気極冷却装置としての噴射装置（インジェクタ）６３、前記水タンク６１から排出された水を噴射装置６３に供給するための供給管６０、排出マニホルド２３の下部に溜（た）まり、排出マニホルド２３から排出された水、及び凝縮器３１において分離させられた水を回収し、水タンク６１に供給するための水帰還路５９、回収された水を水タンク６１に供給する水回収ポンプ６５、該水回収ポンプ６５と水タンク６１との間に配設された逆止弁６６等を備える。該逆止弁６６においては、水回収ポンプ６５側から水タンク６１側に水が流れるのを許容し、水タンク６１側から水回収ポンプ６５側に水が流れるのを阻止する。

図示されない制御装置によって燃料電池搭載車両に加わる負荷を検出し、該負荷に対応させてポンプ６２に印加される電圧を調整することによって、噴射装置６３に供給される水の圧力を調整することができる。

また、前記凝縮器３１において空気から分離させられた水は、水帰還路５９を流れ、最終的に水タンク６１に排出され、水タンク６１に蓄えられる。該水タンク６１は、水位検出部としての水位センサ（Ｌ）６４を備え、該水位センサ６４は水タンク６１内の水のレベル、すなわち、水位を検出する。そして、水位があらかじめ設定された下限値以下になると、通知部材としての図示されないアラームが点滅し、水が不足していることをオペレータに通知する。この場合、オペレータは、例えば、前記凝縮器３１に配設された冷却ファンの回転速度を高くすることによって凝縮器３１の能力を高くし、水の回収量を多くする。

なお、水位があらかじめ設定された上限値以上になったときに、水が過剰であることをオペレータに通知することもできる。その場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファンの回転速度を低くすることによって凝縮器３１の能力を低くし、水の回収量を少なくする。また、前記水位センサ６４及び冷却ファンを図示されない制御装置に接続し、水位センサ６４によって検出された水位に対応させて自動的に冷却ファンの回転速度を変更することもできる。

ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが、プロトンの形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動する。また、前記燃料極で発生した電子が負荷装置を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介して負荷装置に供給することができる。

なお、燃料極から燃料帰還路５３に排出された水素ガスの一部を、燃料排出路５４を介して間欠的に排気ガスとして大気中に排出するために、前記燃料排出路５４に排出電磁弁５６が配設される。この場合、燃料電池搭載車両の負荷が大きくなると、燃料極に供給される水素ガスの量が多くされるので、燃料極から排出される水素ガスの量も多くなる。そこで、前記制御装置は、燃料電池搭載車両の負荷に応じて間欠的に排出電磁弁５６を開閉し、負荷が大きくなると、排出電磁弁５６を開放する時間を長くする。また、前記燃料極から排出される水素ガスの残りは、燃料帰還路５３を流れた後、前記第１の燃料供給路５１に戻される。なお、燃料極から排出された水素ガスのすべてを大気中に排出することもできる。

本実施の形態において、前記負荷装置は、直流の電流を相電流に変換する図示されないインバータ、及び前記相電流が供給されて駆動される図示されない駆動モータから成る。なお、燃料電池スタック１１によって発生させられた電圧は、第１の検出部としての電圧センサによって、燃料電池スタック１１によって発生させられた電流は、第２の検出部としての図示されない電流センサによって検出される。

なお、本実施の形態において、前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の記憶装置、入出力インタフェース等を備える。そして、前記制御装置に、温度センサ３２、水位センサ６４、水素圧センサ４２、４５、水素濃度センサ４６、電圧センサ７１等の検出部としての各センサが接続され、各センサのセンサ出力が送られる。また、前記制御装置に、ファン２１、ポンプ６２、水回収ポンプ６５、調圧弁４３Ａ、４３Ｂ、開閉弁４４Ａ、４４Ｂ、吸引ポンプ４７、排出電磁弁５６等の各アクチュエータが接続され、制御装置は、前記センサ出力に基づいて各アクチュエータの動作を制御する。

次に、燃料電池スタック１１を構成する単位ユニットとしてのモジュールについて説明する。

図３は本発明の実施の形態におけるモジュールの要部を示す平面図、図４は本発明の実施の形態におけるモジュールの正面図、図５は本発明の実施の形態におけるモジュールの背面図、図６は本発明の実施の形態におけるセパレータの要部を示す斜視図である。

モジュール１０は、セル１０１、二つのセル１０１同士を電気的に接続するセパレータ１０２、並びにセル１０１及びセパレータ１０２を支持する２種類のフレーム１１７、１１８から成るセットを、板厚方向に複数重ねて構成される。そして、前記各フレーム１１７、１１８は、セル１０１同士が所定の間隙（げき）を置いて配置されるように、交互にスペーサとして重ねられる。

前記セル１０１は、電解質膜１１１、該電解質膜１１１の一方側に配設された空気極１１２、前記電解質膜１１１の他方側に配設された燃料極１１３を備える。

また、前記セパレータ１０２は、セル１０１間で空気と水素とを遮断するガス遮断部材としてのセパレータ基板１１６、該セパレータ基板１１６の一方側に配設され、前記空気極１１２と接触させて配設された第１のコレクタとしての空気極側コレクタ１１４、及びセパレータ基板１１６の他方側に配設され、前記燃料極１１３と接触させて配設された第２のコレクタとしての燃料極側コレクタ１１５を備える。前記空気極側コレクタ１１４は、網目状の導電体から成り、空気及び水の混合流を透過させるために多数の開口１４３（図６においては、説明の都合上、一部だけに開口１４３が表されている。）が形成される。また、燃料極側コレクタ１１５は、網目状の導電体から成り、燃料を透過させるために多数の開口１５３が形成される。そして、空気極側コレクタ１１４は、セル１０１の空気極１１２の拡散層と接触し、燃料極側コレクタ１１５は燃料極１１３の拡散層と接触して、電流を外部に導出する。

本実施の形態において、前記空気極側コレクタ１１４及び燃料極側コレクタ１１５は、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度の金属製の薄板（エキスパンドメタル板材）から成り、セパレータ基板１１６は、空気極側コレクタ１１４及び燃料極側コレクタ１１５より薄い金属製の薄板（エキスパンドメタル板材）から成り、導電性及び耐蝕（しょく）性を備えた、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に、金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが使用される。また、フレーム１１７、１１８は、適宜の絶縁材料で構成される。

前記空気極側コレクタ１１４は、プレス加工によって形成された細かい凸条１２４を備える。該凸条１２４は、板材の縦辺（短辺）に対して平行に、かつ、等間隔で形成される。前記凸条１２４の高さは、フレーム１１７の厚さと実質上等しくされ、空気供給路ｆａを確保する。各凸条１２４の底部１４１の平面は、空気極１１２の拡散層と接触する当接部となり、各凸条１２４の頂部１４２は、セパレータ基板１１６との当接部となる。

前記空気極側コレクタ１１４には、親水性処理が施され、処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が採られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）等が使用される。その他の親水性処理としては、金属の表面を粗化する処理、例えば、プラズマ処理がある。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましく、例えば、セル１０１に接触する底部１４１、特に、空気供給路ｆａ側に施される。このように、親水性処理を施すことによって、空気極側コレクタ１１４と空気極１１２の拡散層との当接面の濡れが促進され、水の潜熱による冷却効果を向上させることができる。また、これにより、開口１４３に水が詰まり難くなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。

一方、燃料極側コレクタ１１５は、プレス加工によって形成された細かい凸条１２５を備える。該凸条１２５は、板材の横辺（長辺）に対して平行に、かつ、等間隔で形成される。前記凸条１２５の高さは、フレーム１１８の厚さと実質上等しくされ、燃料供給路ｆｂを確保する。各凸条１２５の底部１５１の平面は、燃料極１１３の拡散層と接触する当接部となり、各凸条１２５の頂部１５２は、セパレータ基板１１６との当接部となる。

前記空気極側コレクタ１１４及び燃料極側コレクタ１１５は、各底部１４１、１５１が外側になるようにセパレータ基板１１６を間に挟んで配置される。このとき、頂部１４２、１５２がセパレータ基板１１６と当接し、相互に通電可能な状態になる。

そして、前記空気供給路ｆａ内を空気が矢印Ａ方向に、前記燃料供給路ｆｂ内を水素が矢Ｂ方向に流れる。

また、前記セパレータ１０２の外側には、フレーム１１７、１１８がそれぞれ配設される。前記燃料電池スタック１１（図２）は、最も外側のフレーム１１７以外は、空気極側コレクタ１１４の左右の両端だけに配設され、縦枠部１７１、１７２から成る。また、最も外側のフレーム１１７は、縦枠部１７１、１７２の上端及び下端がバックアッププレート１７６、１７７によって連結されて枠状の形状を有する。

また、前記フレーム１１８は、燃料極側コレクタ１１５及びセル１０１の周縁部に配設され、枠状の形状を有する。

そして、前記各縦枠部１７１、１７２は、それぞれ板厚方向に貫通する長孔１７３、１７４を備え、各縦枠部１８１、１８２は、それぞれ板厚方向に貫通する長孔１８３、１８４を備え、フレーム１１７、１１８を積層すると、長孔１７３、１７４、１８３、１８４によって、燃料の流路が形成される。

前記構成の燃料電池スタック１１において、供給マニホルド２２で混合された空気及び水の混合物が上方から空気供給路ｆａに供給され、側方から水素ガスが供給される。前記混合物は、空気中に水滴が霧状に混入した状態で供給されるが、燃料電池スタック１１の定常運転状態では、セル１０１が反応によって発熱するので、空気供給路ｆａ内で混合物は加熱され、混合物中の水滴は、親水性処理によって一部が空気極側コレクタ１１４の網目状部分とセル１０１の空気極１１２側に付着し、空気極側コレクタ１１４の網目状部分に付着しなかった水滴は、空気極側コレクタ１１４と空気極１１２との間の気相中で加熱されることによって、蒸気となり、空気極側コレクタ１１４から蒸発潜熱で熱を奪う。また、蒸気となった水は、電解質膜中の水分が空気極１１２側から蒸発するのを防止し、保湿させる。そして、空気供給路ｆａ中の余剰の空気及び蒸気は、排出マニホルド２３から排出される。

一方、燃料は、順次積層されたフレーム１１７、１１８の各長孔１７３、１８３によって形成される流路を介して燃料極１１３側に供給される。そして、燃料極１１３に沿って横方向に流れる水素のうち、反応に関与しなかった余剰分は、反対側の各長孔１７４、１８４によって形成される流路に排出される。

ところで、燃料電池スタック１１の出力を大きくするためには、十分な量の酸素を拡散層に供給する必要があるが、反応層において生成された水が、拡散層内に残留すると、十分な量の酸素を拡散層に供給することができなくなってしまう。

また、拡散層内に残留した水が、水素と酸素との反応に伴って発生した熱によって蒸発すると、水蒸気分圧が高くなり、拡散層への酸素の供給がその分困難になってしまう。

そこで、本実施の形態においては、セルの少なくとも一方の拡散層に、生成された水を排出する排出路が形成されるようになっている。

図１は本発明の実施の形態における拡散層の断面図、図７は本発明の実施の形態における拡散層の製造工程を示す図である。

図１において、２０１は拡散層、２０２は拡散層本体であり、該拡散層本体２０２は、前記空気極側コレクタ１１４（図３）と接触する第１の面ｓ１、及び前記電解質膜１１１と接触する第２の面ｓ２を有する。前記拡散層本体２０２には、第１の面ｓ１から第２の面ｓ２に向けて複数の排出路としての、貫通孔としての穴２０３が貫通させて形成され、該各穴２０３には、断熱性及び親水性を有する材料から成る充填材としての繊維材２０５が、穴２０３を貫通させて充填される。前記繊維材２０５は、例えば、綿、ナイロン（商品名）等から成り、両端が前記第１、第２の面ｓ１、ｓ２よりわずかに突出するように配設される。

前記拡散層２０１内において、水素ガスと酸素とが反応させられて水が生成されるが、前記拡散層２０１には、第１の面ｓ１から第２の面ｓ２に向けて複数の穴２０３が貫通させて形成され、かつ、各穴２０３内に親水性を有する繊維材２０５が充填されるので、水の一部は、毛管現象及び濡れ性によって繊維材２０５を伝って、穴２０３を通り、電解質膜１１１に送られる。したがって、電解質膜１１１中の水分が蒸発するのを防止することができ、保湿させることができる。

また、水の残りは、空気供給路ｆａ（図６）側に向けてに移動させられ、空気極側コレクタ１１４の網目状部分に付着した後、蒸発させられて排出される。

このように、反応層内で発生した水は、拡散層２０１内に残留することなく、液体の状態で電解質膜１１１に送られるか、又は、排出されるので、十分な量の酸素を拡散層２０１に供給することができる。

また、前記繊維材２０５は、断熱性を有するので、拡散層２０１内に残留した水に、水素と酸素との反応に伴って発生した熱が伝達されることがない。したがって、水が拡散層２０１内で蒸発することがなくなるので、拡散層２０１内で反応生成物分圧である水蒸気分圧が高くなることはない。その結果、拡散層２０１に酸素を容易に供給することができるので、水素と酸素とを十分に反応させることができ、出力を大きくすることができる。

次に、前記拡散層２０１の製造方法について説明する。

図７において、２１１は拡散層２０１の基材、すなわち、拡散層基材であり、まず、該拡散層基材２１１の両面にあらかじめ樹脂製の保護シート２１２、２１３を付着させ、次に、拡散層基材２１１を保護シート２１２、２１３によって挟んだ状態で、拡散層基材２１１を貫通するように、ミシンの針で所定の糸２１５を所定のパターンで縫い付ける。これに伴って、拡散層基材２１１を糸２１５が貫通し、ミシン穴によって複数の穴２０３が形成される。

続いて、前記糸２１５をカットし、保護シート２１２、２１３を拡散層基材２１１から取り除くと、前記拡散層２０１が形成される。

本実施の形態においては、前記糸２１５を縫い付けた後、カットするようになっているが、カットすることなく、保護シート２１２、２１３を除去することによって拡散層を形成することもできる。

本発明の実施の形態における拡散層の断面図である。 本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す図である。 本発明の実施の形態におけるモジュールの要部を示す平面図である。 本発明の実施の形態におけるモジュールの正面図である。 本発明の実施の形態におけるモジュールの背面図である。 本発明の実施の形態におけるセパレータの要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態における拡散層の製造工程を示す図である。

符号の説明

１１ 燃料電池スタック
１０２ セパレータ
１１１ 電解質膜
１１２ 空気極
１１３ 燃料極
２０１ 拡散層
２０３ 穴
２０５ 繊維材
ｆａ 空気供給路
ｆｂ 燃料供給路

Claims (3)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ反応層を挟んで拡散層が配設された膜・電極接合体において、セルの少なくとも一方の前記拡散層に、前記反応層において生成された水を外部に排出するための複数の貫通孔が形成され、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材が充填されることを特徴とする膜・電極接合体。
2. 前記充填材は繊維材である請求項１に記載の膜・電極接合体。
3. 電解質膜の両側にそれぞれ反応層を挟んで拡散層を配設する膜・電極接合体の製造方法において、前記電極接合体の少なくとも一方の前記拡散層に、前記反応層において生成された水を外部に排出するための複数の貫通孔を形成し、該各貫通孔に、断熱性及び親水性を有する充填材を充填するために、糸を縫い付けることを特徴とする膜・電極接合体の製造方法。
   

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