JP2008034159A - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のＭＥＡを有する燃料電池において、各ＭＥＡに供給される反応ガス量の均一化を図ることにより、燃料電池全体としての発電性能の低下を抑制することを可能とする。
【解決手段】燃料電池は、電解質層と電解質層の両面に配置された電極層とを含む複数の膜・電極接合体２００と、複数の膜・電極接合体のそれぞれの所定の一方の面に配置されると共に、内部において膜・電極接合体における発電に用いられるガスを流通させつつガスを膜・電極接合体に供給する拡散層２３０とを含む。燃料電池の製造方法は、（ａ）燃料電池に含まれる拡散層の内部における圧力損失を表す指標値を測定する工程と、（ｂ）測定の結果に応じて拡散層の内部における圧力損失を増大させるために、拡散層内部におけるガスの流通を抑制する所定の材料を拡散層の内部２３２に含浸させる工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。

近年、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、一般に、酸素を含む空気と水素を含む燃料ガスとを利用して発電を行う膜・電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ）と、ＭＥＡ間を隔てると共にＭＥＡに空気および燃料ガス（以下まとめて「反応ガス」とも呼ぶ）を供給するセパレータと、が交互に積層されたスタック構成を有する。

燃料電池には、反応ガスを供給するための流路（「マニホールド」とも呼ばれる）が設けられる。マニホールド内部に流入した反応ガスは、セパレータを介してＭＥＡに供給され、ＭＥＡにおける発電に用いられる。

スタック構成を有する燃料電池において、マニホールドの上流側と下流側とにおける反応ガスの圧力差により各ＭＥＡに供給される反応ガス量が不均一となり、燃料電池全体としての発電性能が低下することを抑制するための技術が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１には、セパレータ内部に反応ガスの流れを制限する障害物や絞り部を設けてセパレータ内部における圧力損失を増大させることにより、マニホールドの上流側と下流側との圧力差の影響を相対的に減少させ、各ＭＥＡに供給される反応ガス量の均一化を図ることが開示されている。

特開平１０−１７２５９４号公報 特開２００３−１５１６０４号公報

上記従来の技術では、セパレータ内部に設ける障害物や絞り部の形状や寸法に製造ばらつきが発生した場合に、各セパレータ内部における圧力損失が不均一となり、各ＭＥＡに供給される反応ガス量が不均一となる恐れがあった。この結果、燃料電池全体としての発電性能が低下する恐れがあった。

なお、このような問題は、セパレータ内部における圧力損失の不均一を原因とする場合に限らず、複数のＭＥＡを有する燃料電池において共通する問題であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、複数のＭＥＡを有する燃料電池において、各ＭＥＡに供給される反応ガス量の均一化を図ることにより、燃料電池全体としての発電性能の低下を抑制することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池の製造方法は、
電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む複数の膜・電極接合体と、前記複数の膜・電極接合体のそれぞれの所定の一方の面に配置されると共に、内部において前記膜・電極接合体における発電に用いられるガスを流通させつつ前記ガスを前記膜・電極接合体に供給する拡散層と、を含む燃料電池の製造方法であって、
（ａ）前記燃料電池に含まれる前記拡散層の内部における圧力損失を表す指標値を測定する工程と、
（ｂ）前記測定の結果に応じて前記拡散層の内部における圧力損失を増大させるために、前記拡散層内部における前記ガスの流通を抑制する所定の材料を前記拡散層の内部に含浸させる工程と、を備える。

この燃料電池の製造方法では、拡散層の内部における圧力損失を表す指標値が測定され、測定の結果に応じて拡散層の内部における圧力損失を増大させるために、拡散層内部における流体の流通を抑制する所定の材料が拡散層の内部に含浸される。そのため、この燃料電池の製造方法では、拡散層の内部における圧力損失の大きさを調整することにより膜・電極接合体に供給される反応ガス量の均一化を図ることができ、燃料電池全体としての発電性能の低下を抑制することができる。

上記燃料電池の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記所定の材料を含浸させる量と前記拡散層上における前記所定の材料を含浸させる位置との少なくとも一方を、前記測定の結果に基づき設定する工程を含むとしてもよい。

このようにすれば、拡散層の内部における圧力損失の測定結果に応じて、拡散層の内部における圧力損失の大きさを調整することできる。

また、上記燃料電池の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記所定の材料を含浸させる量と前記拡散層上における前記所定の材料を含浸させる位置との少なくとも一方を、前記測定の結果に基づき、前記燃料電池に含まれるすべての前記拡散層の内部における圧力損失の大きさが略同一となるように設定する工程を含むとしてもよい。

このようにすれば、拡散層の内部における圧力損失の大きさを略同一に調整することにより膜・電極接合体に供給される反応ガス量の均一化を図ることができ、燃料電池全体としての発電性能の低下を抑制することができる。

また、上記燃料電池の製造方法において、前記指標値は、前記拡散層の厚さと、前記拡散層の気孔率と、前記拡散層の質量と、の内の少なくとも１つであるとしてもよい。

このようにすれば、簡便な方法を用いて、膜・電極接合体に供給される反応ガス量の均一化を図ることができる。

また、上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む複数の膜・電極接合体と、
前記複数の膜・電極接合体のそれぞれの所定の一方の面に配置されると共に、内部において前記膜・電極接合体における発電に用いられるガスを流通させつつ前記ガスを前記膜・電極接合体に供給する拡散層と、を備え、
少なくとも１つの前記拡散層は、前記拡散層内部における流体の流通を抑制する所定の材料が内部に含浸しており、
前記燃料電池に含まれるすべての前記拡散層の内部における圧力損失の値は、略同一となっている。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池およびその製造方法、燃料電池スタックおよびその製造方法、燃料電池を備えた移動体およびその製造方法等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
図１および図２は、本発明の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。また、図３ないし図７は、本発明の実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。図１は、図３ないし図７におけるＩ−Ｉ切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を示しており、図２は、図３ないし図７におけるＩＩ−ＩＩ切断面に沿った燃料電池１００の断面構成を示している。図３および図４は、燃料電池１００を構成する単セル２００の平面構成を示している。図３に示した平面構成は、図１および図２における左側から見た平面構成であり、図４に示した平面構成は、図１および図２における右側から見た平面構成である。図５ないし図７は、燃料電池１００を構成するセパレータ３００を構成する各部材の平面構成を示している。図５ないし図７に示した平面構成は、図１および図２における左側から見た平面構成である。

本実施例の燃料電池１００は、固体高分子型の燃料電池であり、例えば酸化ガスとしての空気と水素リッチな燃料ガスとを用いて発電を行う。燃料電池１００は、図１および図２に示すように、単セル２００とセパレータ３００とが交互に積層された構成（スタック構成）を有している。図１および図２では、燃料電池１００に含まれる単セル２００およびセパレータ３００の内の一部を抜き出して示しており、他の単セル２００およびセパレータ３００は図示を省略している。なお、本明細書では、燃料電池１００を構成する単セル２００およびセパレータ３００を積層する方向、すなわち、図１および図２における左右方向を、「燃料電池１００の積層方向」または単に「積層方向」と呼ぶ。

単セル２００は、図１および図２に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly（膜・電極接合体））２１０と、ＭＥＡ２１０を両側から挟むように配置されたアノード側の第１の拡散層２２０およびカソード側の第１の拡散層２３０と、を有している。

以下の説明では、アノード側の第１の拡散層２２０を単に「アノード側第１拡散層２２０」と呼び、カソード側の第１の拡散層２３０を単に「カソード側第１拡散層２３０」と呼ぶものとする。また、アノード側第１拡散層２２０およびカソード側第１拡散層２３０を、まとめて「第１拡散層２２０および２３０」とも呼ぶものとする。第１拡散層２２０および２３０は、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体を用いて構成されており、ＭＥＡ２１０における発電に用いられる反応ガス（空気および燃料ガス）を流通させる多孔体流路として機能する。なお、本実施例における第１拡散層２２０および２３０は、本発明における「拡散層」に相当する。

ＭＥＡ２１０は、図１および図２において一部を拡大して示すように、電解質層２１２と、電解質層２１２を両側から挟むように配置されたアノード側触媒電極層２１４およびカソード側触媒電極層２１５と、を有している。電解質層２１２は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有するイオン交換膜を用いて構成されており、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード側触媒電極層２１４およびカソード側触媒電極層２１５は、例えば白金や白金合金といった触媒を担持した触媒担持カーボンを含んでいる。

さらに、本実施例では、ＭＥＡ２１０は、アノード側触媒電極層２１４の電解質層２１２と対向する面とは反対側の面に配置されたアノード側の第２の拡散層２１６と、カソード側触媒電極層２１５の電解質層２１２と対向する面とは反対側の面に配置されたカソード側の第２の拡散層２１７と、を有している。以下の説明では、アノード側の第２の拡散層２１６を単に「アノード側第２拡散層２１６」と呼び、カソード側の第２の拡散層２１７を単に「カソード側第２拡散層２１７」と呼ぶものとする。また、アノード側第２拡散層２１６およびカソード側第２拡散層２１７を、まとめて「第２拡散層２１６および２１７」とも呼ぶものとする。第２拡散層２１６および２１７は、内部空隙率が高く気体が内部を流通する際の圧力損失が小さい金属製多孔体やカーボン製多孔体を用いて構成されている。なお、本実施例のように構成されたＭＥＡ２１０は、「ＭＥＧＡ」と呼ばれる場合もある。

単セル２００の外周部には、図１および図２に示すように、シール部５１０が配置されている。本実施例では、シール部５１０は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等のシール材料を用いた射出成形により形成される。シール部５１０の形成の際には、シール部５１０を形成するためのシール材料をＭＥＡ２１０や第１拡散層２２０および２３０の内部に含浸させ、いわゆるアンカー効果によりシール部５１０とＭＥＡ２１０等とを結合する。なお、シール部５１０とＭＥＡ２１０等との結合のためにＭＥＡ２１０や第１拡散層２２０および２３０の内部に含浸したシール部５１０の部分をシール結合部５１４と呼ぶ。

シール部５１０は、積層方向に突出した凸型断面形状のリップ部５１２を有している。リップ部５１２は、セパレータ３００の積層面に当接している。本実施例では、リップ部５１２は、単セル２００とセパレータ３００とが積層される際に、セパレータ３００により圧縮されて変形し、セパレータ３００の積層面に密着するような形状および材料が採用されている。なお、本明細書では、リップ部５１２とセパレータ３００とが接する部分の連続をシールラインＳＬと呼ぶ。図面上では、リップ部５１２とセパレータ３００とが接する部分の中央の位置にシールラインＳＬを示す線を表現している。また、面状部材の厚さ方向に直交する表面を「積層面」と呼ぶものとする。

シール部５１０のリップ部５１２により、反応ガスや冷却媒体（例えば冷却水）等の流体に対するシールが実現される。すなわち、シール部５１０のリップ部５１２は、反応ガスの外部への漏洩を抑制するとともに、燃料電池１００内部における反応ガスおよび冷却水の流路の一部を形成する。

図３は、単セル２００のアノード側の平面構成を示している。上述したように、図３に示した平面構成は、図１および図２における左側から見た平面構成であり、単セル２００の中央部には、アノード側第１拡散層２２０が示されている。なお、図３中の破線は、後述のアノード対向プレート３２０に形成された小孔３２７および３２８の位置を示す線である。

単セル２００の外周部には、シール部５１０が配置されている。シール部５１０のシール結合部５１４は、アノード側第１拡散層２２０の周囲を取り囲むように形成されている。また、シール結合部５１４のさらに外側においてアノード側第１拡散層２２０の周囲を取り囲むように、シール部５１０のリップ部５１２（図３においてはシールラインＳＬによって示す）が形成されている。

また、シール部５１０には、貫通孔５４２，５５２，５６２，５７２，５８２，５９２が形成されている。これらの貫通孔５４２〜５９２は、後述するように、反応ガスおよび冷却水のための流路の一部を形成する。シール部５１０のリップ部５１２（シールラインＳＬ）は、貫通孔５４２〜５９２のそれぞれの周囲を囲むような形状に形成されている。

アノード側第１拡散層２２０は、内部に所定の材料を含浸する処理が施された含浸処理部２２２を有する。この点については、後に詳述する。

図４は、単セル２００のカソード側の平面構成を示している。上述したように、図４に示した平面構成は、図１および図２における右側から見た平面構成であり、単セル２００の中央部には、カソード側第１拡散層２３０が示されている。なお、図４中の破線は、後述のカソード対向プレート３１０に形成された小孔３１７および３１８の位置を示す線である。

図３に示したアノード側と同様に、シール部５１０のシール結合部５１４は、カソード側第１拡散層２３０の周囲を取り囲むように形成されている。また、シール結合部５１４のさらに外側においてカソード側第１拡散層２３０の周囲を取り囲むように、シール部５１０のリップ部５１２（図４においてはシールラインＳＬによって示す）が形成されている。また、シール部５１０のリップ部５１２（シールラインＳＬ）は、貫通孔５４２〜５９２のそれぞれの周囲を囲むような形状に形成されている。

カソード側第１拡散層２３０は、内部に所定の材料を含浸する処理が施された含浸処理部２３２を有する。この点については、後に詳述する。

セパレータ３００は、図１および図２に示すように、３つの層状部材が積層された構成を有している。すなわち、セパレータ３００は、カソード側第１拡散層２３０に対向するカソード対向プレート３１０と、アノード側第１拡散層２２０に対向するアノード対向プレート３２０と、カソード対向プレート３１０およびアノード対向プレート３２０に狭持された中間プレート３３０と、を含んでいる。本実施例では、カソード対向プレート３１０とアノード対向プレート３２０と中間プレート３３０とは、導電性材料（例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）やチタン（Ｔｉ）、チタン合金といった金属、あるいはカーボン）によって形成された矩形平面形状の薄板である。

図５は、カソード対向プレート３１０の平面構成を示している。カソード対向プレート３１０には、貫通孔３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６が形成されている。これらの貫通孔３１１〜３１６は、それぞれが、シール部５１０（図３および図４参照）に形成された貫通孔５４２〜５９２の１つと積層方向に沿って連通する位置に配置されており、後述するように、反応ガスおよび冷却水のための流路の一部を形成する。さらに、カソード対向プレート３１０には、小孔３１７および３１８が形成されている。小孔３１７および３１８は、カソード側第１拡散層２３０の積層面に対向する位置に配置されている（図１および図４参照）。なお、図５中の破線は、後述の中間プレート３３０に形成された孔や溝の位置を示す線である。

図６は、アノード対向プレート３２０の平面構成を示している。図５に示したカソード対向プレート３１０と同様に、アノード対向プレート３２０には、貫通孔３２１，３２２，３２３，３２４，３２５，３２６が形成されている。これらの貫通孔３２１〜３２６は、それぞれが、シール部５１０（図３および図４）に形成された貫通孔５４２〜５９２の１つと積層方向に沿って連通する位置に配置されており、後述するように、反応ガスおよび冷却水のための流路の一部を形成する。さらに、アノード対向プレート３２０には、小孔３２７および３２８が形成されている。小孔３２７および３２８は、アノード側第１拡散層２２０の積層面に対向する位置に配置されている（図２および図３参照）。なお、図６中の破線は、後述の中間プレート３３０に形成された孔や溝の位置を示す線である。

図７は、中間プレート３３０の平面構成を示している。中間プレート３３０には、貫通孔３３１，３３２，３３３，３３４が形成されている。これらの貫通孔３３１〜３３４は、それぞれが、シール部５１０（図３および図４）に形成された貫通孔５４２〜５７２の１つと積層方向に沿って連通する位置に配置されており、後述するように、反応ガスのための流路の一部を形成する。

また、中間プレート３３０には、連通孔３３５が形成されている。連通孔３３５は、カソード対向プレート３１０およびアノード対向プレート３２０に形成された貫通孔３１５および３２５と、貫通孔３１６および３２６と、を、中間プレート３３０の面内において連通するような位置に配置されている。連通孔３３５は、後述するように、冷却水のための流路の一部を形成する。

図７に示すように、貫通孔３３１は、カソード対向プレート３１０（図５）に形成された小孔３１７と連通する連通溝３３６を有する。同様に、貫通孔３３２は、カソード対向プレート３１０（図５）に形成された小孔３１８と連通する連通溝３３７を有する。また、貫通孔３３３は、アノード対向プレート３２０（図５）に形成された小孔３２７と連通する連通溝３３８を有し、貫通孔３３４は、アノード対向プレート３２０に形成された小孔３２８と連通する連通溝３３９を有する。

燃料電池１００内には、図１に示すように、発電に用いられる空気が供給される空気供給路（空気供給マニホールド）６４０と、利用されなかった空気が排出される空気排出路（空気排出マニホールド）６５０とが形成されている。空気供給路６４０は、シール部５１０の貫通孔５４２（図３および図４）と、セパレータ３００を構成する各部材の貫通孔３１１（図５），３２１（図６），３３１（図７）とが連通することにより形成される。また、空気排出路６５０は、シール部５１０の貫通孔５５２（図３および図４）と、セパレータ３００を構成する各部材の貫通孔３１２（図５），３２２（図６），３３２（図７）とが連通することにより形成される。

燃料電池１００の内部には、図１において矢印で示すように、空気供給路６４０から供給された空気をカソード側第１拡散層２３０に導くと共に、カソード側第１拡散層２３０から排出された空気を空気排出路６５０へと導くための流路が形成されている。すなわち、空気供給路６４０に供給された空気は、連通溝３３６（図７）および小孔３１７（図５）を介して、カソード側第１拡散層２３０の内部に流入する。その後、空気は、カソード側第１拡散層２３０内部を通過しつつＭＥＡ２１０における発電に利用される。発電に利用されなかった空気は、小孔３１８（図５）および連通溝３３７（図７）を介して、空気排出路６５０へと排出される。

同様に、燃料電池１００内には、図２に示すように、発電に用いられる燃料ガスが供給される燃料供給路（燃料供給マニホールド）６６０と、利用されなかった燃料ガスが排出される燃料排出路（燃料排出マニホールド）６７０とが形成されている。燃料供給路６６０は、シール部５１０の貫通孔５６２（図３および図４）と、セパレータ３００を構成する各部材の貫通孔３１３（図５），３２３（図６），３３３（図７）とが連通することにより形成される。また、燃料排出路６７０は、シール部５１０の貫通孔５７２（図３および図４）と、セパレータ３００を構成する各部材の貫通孔３１４（図５），３２４（図６），３３４（図７）とが連通することにより形成される。

燃料電池１００の内部には、図２において矢印で示すように、燃料供給路６６０から供給された燃料ガスをアノード側第１拡散層２２０に導くと共に、アノード側第１拡散層２２０から排出された燃料ガスを燃料排出路６７０へと導くための流路が形成されている。すなわち、燃料供給路６６０に供給された燃料ガスは、連通溝３３８（図７）および小孔３２７（図６）を介して、アノード側第１拡散層２２０の内部に流入する。その後、燃料ガスは、アノード側第１拡散層２２０内部を通過しつつＭＥＡ２１０における発電に利用される。発電に利用されなかった燃料ガスは、小孔３２８（図６）および連通溝３３９（図７）を介して、燃料排出路６７０へと排出される。

同様に、燃料電池１００内には、燃料電池１００を冷却する冷却媒体としての冷却水が供給される冷却水供給路（冷却水供給マニホールド）と、冷却水が排出される図示しない冷却水排出路（冷却水排出マニホールド）とが形成されている。冷却水供給路は、シール部５１０の貫通孔５８２（図３および図４）と、セパレータ３００を構成する各部材の貫通孔３１５（図５），３２５（図６）および連通孔３３５（図７）とが連通することにより形成される。また、冷却水排出路は、シール部５１０の貫通孔５９２（図３および図４）と、セパレータ３００を構成する各部材の貫通孔３１６（図５），３２６（図６）および連通孔３３５（図７）とが連通することにより形成される。

燃料電池１００の内部には、冷却水供給路から冷却水排出路までつながった冷却水流路が形成されている。すなわち、冷却水供給路に供給された冷却水は、連通孔３３５（図７）に流入する。その後、冷却水は、連通孔３３５を通過しつつ単セル２００の冷却に利用され、冷却水排出路へと排出される。

このように、本実施例の燃料電池１００では、セパレータ３００が、単セル２００に対向する表面が平坦形状に形成されており、表面に反応ガスの流路としての溝を有していない。セパレータ３００における上述した空気、燃料ガス、冷却水が流通する流路の形成は、セパレータ３００を構成する３層の部材（カソード対向プレート３１０、アノード対向プレート３２０、中間プレート３３０）に、所定の打ち抜き加工等を施すことによって行われる。そのため、本実施例の燃料電池１００では、セパレータ３００の製造の容易化・低コスト化を図ることができる。

ここで、第１拡散層２２０および２３０に形成された含浸処理部２２２および２３２（図３および図４参照）について、さらに詳細に説明する。カソード側においては、セパレータ３００の小孔３１７（図５参照）を介してカソード側第１拡散層２３０の内部に空気が供給され、セパレータ３００の小孔３１８（図５参照）から排出される。そのため、カソード側第１拡散層２３０内部における空気の流れの方向は、小孔３１７に対向する位置から小孔３１８に対向する位置に向かう方向、すなわち、おおよそ図４の上から下へ向かう方向となる。以下の説明では、この方向を、「空気流方向」と呼ぶ。

図４に示すように、含浸処理部２３２は、カソード側第１拡散層２３０の外周四辺の内、空気流方向に略平行な二辺に沿って形成される。含浸処理部２３２は、カソード側第１拡散層２３０の内部に所定の材料を含浸させる処理を施すことにより形成される。含浸させる材料としては、接着剤やシール剤が用いられる。含浸処理部２３２においては、カソード側第１拡散層２３０の内部の空隙が含浸材料によって充填されるため、空気の流通が抑制される。そのため、カソード側第１拡散層２３０に供給された空気は、カソード側第１拡散層２３０の内、含浸処理部２３２が形成されていない部分（以下「有効流路部」とも呼ぶ）のみを流通することとなる。従って、含浸処理部２３２が形成されることにより、カソード側第１拡散層２３０の圧力損失（流路抵抗）は増大する。なお、図４に示すように、空気流方向に直交する方向に沿った有効流路部の幅をＷｃｅと表し、カソード側第１拡散層２３０全体の幅をＷｃ０と表すものとする。

ここで、含浸処理部２３２が形成された後のカソード側第１拡散層２３０の圧力損失の値ΔＰｃは、含浸処理部２３２が形成される前のカソード側第１拡散層２３０の圧力損失の値をΔＰｃ０と表すと、以下の式（１）により算出される。式（１）からわかるように、有効流路部の幅Ｗｃｅを小さく設定するほど、圧力損失の値ΔＰｃは大きくなる。
ΔＰｃ＝ΔＰｃ０×Ｗｃ０／Ｗｃｅ・・・（１）

本実施例では、含浸処理部２３２は、燃料電池１００に含まれるすべてのカソード側第１拡散層２３０の圧力損失の値ΔＰｃが略同一となるように、形成されている。すなわち、燃料電池１００に含まれるカソード側第１拡散層２３０の内、含浸処理部２３２が形成される前の圧力損失の値ΔＰｃ０が最大のカソード側第１拡散層２３０（このカソード側第１拡散層２３０の圧力損失の値をΔＰｃ０ｍａｘと表す）においては、含浸処理部２３２が形成されていない。また、他のカソード側第１拡散層２３０には、圧力損失の値ΔＰｃが、ΔＰｃ０ｍａｘに等しくなるような幅Ｗｃｅの有効流路部が確保されるように、含浸処理部２３２が形成されている。

なお、図４では、含浸処理部２３２がカソード側第１拡散層２３０の外周辺に接するように形成されているように表現しているが、含浸処理部２３２は、必ずしもカソード側第１拡散層２３０の外周辺に接するように形成されている必要はない。

アノード側についても同様である。図３に示すように、アノード側においては、セパレータ３００の小孔３２７（図６参照）を介してアノード側第１拡散層２２０の内部に燃料ガスが供給され、セパレータ３００の小孔３２８（図６参照）から排出される。そのため、アノード側第１拡散層２２０内部における燃料ガスの流れの方向は、小孔３２７に対向する位置から小孔３２８に対向する位置に向かう方向となる。この方向は、厳密には図３の左上から右下に向かう方向であるが、おおよそ図３の左から右へ向かう方向と言える。以下の説明では、この方向を、「燃料ガス流方向」と呼ぶ。

図３に示すように、含浸処理部２２２は、アノード側第１拡散層２２０の外周四辺の内、燃料ガス流方向に略平行な二辺に沿って形成される。含浸処理部２２２は、カソード側と同様に、アノード側第１拡散層２２０の内部に所定の材料を含浸させる処理を施すことにより形成され、空気の流通を抑制してアノード側第１拡散層２２０の圧力損失を大きくするよう機能する。なお、燃料ガス流方向に直交する方向に沿った有効流路部の幅をＷａｅと表し、アノード側第１拡散層２２０全体の幅をＷａ０と表す。

含浸処理部２２２が形成された後のアノード側第１拡散層２２０の圧力損失の値ΔＰａは、含浸処理部２２２が形成される前のアノード側第１拡散層２２０の圧力損失の値をΔＰａ０と表すと、以下の式（２）により算出される。すなわち、有効流路部の幅Ｗａｅを小さく設定するほど、圧力損失の値ΔＰａは大きくなる。
ΔＰａ＝ΔＰａ０×Ｗａ０／Ｗａｅ・・・（２）

含浸処理部２２２は、燃料電池１００に含まれるすべてのアノード側第１拡散層２２０の圧力損失の値ΔＰａが略同一となるように、形成されている。すなわち、燃料電池１００に含まれるアノード側第１拡散層２２０の内、含浸処理部２２２が形成される前の圧力損失の値ΔＰａ０が最大のアノード側第１拡散層２２０（このアノード側第１拡散層２２０の圧力損失の値をΔＰａ０ｍａｘと表す）においては、含浸処理部２２２が形成されていない。また、他のアノード側第１拡散層２２０には、圧力損失の値ΔＰａが、ΔＰａ０ｍａｘに等しくなるような幅Ｗａｅの有効流路部が確保されるように、含浸処理部２２２が形成されている。

以上説明した本実施例の燃料電池１００の製造方法について説明する。図８は、燃料電池１００の製造工程の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、燃料電池１００の第１拡散層２２０および２３０を形成するための多孔体材料のすべてについて、圧力損失（すなわちΔＰａ０またはΔＰｃ０）を測定する。圧力損失の測定は、専用の装置を用いて行う。

次に、第１拡散層２２０および２３０を形成する多孔体材料に、含浸処理部２２２および２３２を形成する（ステップＳ１２０）。含浸処理部２２２および２３２の形成は、上述したように、アノード側およびカソード側のそれぞれについて、すべての第１拡散層２２０（または２３０）の圧力損失の値ΔＰａまたはΔＰｃが略同一となるように、行われる。すなわち、ステップＳ１１０で測定された圧力損失の値ΔＰａ０（またはΔＰｃ０）に基づいて、有効流路部の幅Ｗａｅ（またはＷｃｅ）が設定され、設定された幅の有効流路部が形成されるように、含浸材料が第１拡散層２２０（または２３０）に含浸される。

なお、設定された幅の有効流路部を形成するために、第１拡散層２２０（または２３０）に含浸させる含浸材料の量を調整するとしてもよいし、第１拡散層２２０（または２３０）上における含浸材料の位置を調整するとしてもよい。また、積層時の空気の逃げ道を確保するために、含浸材料を含浸させない部分を設けるとしてもよい。

最後に、ステップＳ１２０における処理後の第１拡散層２２０および２３０を含め、燃料電池１００を構成する各材料を積層する（ステップＳ１３０）。以上の工程によって、本実施例の燃料電池１００が製造される。

以上説明したように、本実施例の燃料電池１００の製造の際には、第１拡散層２２０および２３０を形成するための多孔体材料の圧力損失が測定される。そして、この測定結果に基づき、アノード側およびカソード側のそれぞれについて、すべての第１拡散層２２０（または２３０）の圧力損失の値が略同一となるように、第１拡散層２２０（または２３０）に含浸処理部２２２および２３２が形成される。そのため、本実施例の燃料電池１００においては、各ＭＥＡ２１０に供給される反応ガス量の均一化を図ることができ、燃料電池１００全体としての発電性能の低下を抑制することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ−１．変形例１：
上記実施例では、第１拡散層２２０および２３０の圧力損失の値そのものを測定し、測定結果に応じて、形成する含浸処理部２２２および２３２の態様を設定しているが、圧力損失の大きさを表す指標値を測定し、当該指標値に応じて含浸処理部２２２および２３２の態様を設定するとしてもよい。圧力損失の大きさを表す指標値としては、第１拡散層２２０および２３０の積層方向に沿った厚さや、第１拡散層２２０および２３０の気孔率、第１拡散層２２０および２３０の質量等を採用可能である。すなわち、第１拡散層２２０および２３０の圧力損失の大きさは、第１拡散層２２０および２３０の積層方向に沿った厚さに反比例すると考えられる。第１拡散層２２０および２３０の圧力損失の大きさは、第１拡散層２２０および２３０の気孔率の１次関数として表現できると考えられる。また、第１拡散層２２０および２３０の気孔率は、第１拡散層２２０および２３０の質量の１次関数として表現できると考えられる。従って、圧力損失の大きさと上記の指標値との関係を予め設定することにより、上記指標値を用いて含浸処理部２２２および２３２の態様を設定することが可能である。このような指標値を用いることにより、より簡便な方法で、各ＭＥＡ２１０に供給される反応ガス量の均一化を図ることができる。

Ｂ−２．変形例２：
上記実施例では、含浸処理部２２２および２３２の形成は、アノード側およびカソード側のそれぞれについて、すべての第１拡散層２２０（または２３０）の圧力損失の値ΔＰａ（またはΔＰｃ）が略同一となるように、行われているが、含浸処理部２２２および２３２の形成は必ずしもこのように行われる必要はない。例えば、空気供給路６４０（図１）や燃料供給路６６０（図２）における上流側から下流側に向けての圧力の低下を考慮して、上流側に位置する第１拡散層２２０（または２３０）ほど、その圧力損失の値ΔＰａ（またはΔＰｃ）が大きくなるように、含浸処理部２２２および２３２が形成されるとしてもよい。

Ｂ−３．変形例３：
上記実施例において、含浸処理部２２２および２３２を形成するための含浸材料は、シール部５１０を形成する材料と同一の材料であるとしてもよい。この場合には、含浸処理部２２２および２３２の形成を、シール部５１０の形成と同時に行うとしてもよい。

Ｂ−４．変形例４：
上記実施例では、アノード側およびカソード側の両方において、含浸処理部２２２および２３２の形成が行われているが、アノード側およびカソード側のどちらか一方のみにおいて、含浸処理部の形成が行われるとしてもよい。

Ｂ−５．変形例５：
上記実施例では、ＭＥＡ２１０が第２拡散層２１６および２１７を有しているが、ＭＥＡ２１０が第２拡散層２１６および２１７を有しないとしてもよい。また、上記実施例では、燃料電池１００は、単セル２００とセパレータ３００とが交互に積層された構成を有しているとしているが、燃料電池１００を単セル２００とその両側に配置したセパレータ３００とによって構成することも可能である。

本発明の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例としての燃料電池１００の平面構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池１００の製造工程の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１００…燃料電池
２００…単セル
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質層
２１４…アノード側触媒電極層
２１５…カソード側触媒電極層
２１６…アノード側第２拡散層
２１７…カソード側第２拡散層
２２０…アノード側第１拡散層
２２２…含浸処理部
２３０…カソード側第１拡散層
２３２…含浸処理部
３００…セパレータ
３１０…カソード対向プレート
３１１…貫通孔
３１２…貫通孔
３１３…貫通孔
３１４…貫通孔
３１５…貫通孔
３１６…貫通孔
３１７…小孔
３１８…小孔
３２０…アノード対向プレート
３２１…貫通孔
３２２…貫通孔
３２３…貫通孔
３２４…貫通孔
３２５…貫通孔
３２６…貫通孔
３２７…小孔
３２８…小孔
３３０…中間プレート
３３１…貫通孔
３３２…貫通孔
３３３…貫通孔
３３４…貫通孔
３３５…連通孔
３３６…連通溝
３３７…連通溝
３３８…連通溝
３３９…連通溝
５１０…シール部
５１２…リップ部
５１４…シール結合部
５４２…貫通孔
５５２…貫通孔
５６２…貫通孔
５７２…貫通孔
５８２…貫通孔
５９２…貫通孔
６４０…空気供給路
６５０…空気排出路
６６０…燃料供給路
６７０…燃料排出路

Claims (5)

1. 燃料電池の製造方法であって、
   前記燃料電池は、
   電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む複数の膜・電極接合体と、
   前記複数の膜・電極接合体のそれぞれの所定の一方の面に配置されると共に、内部において前記膜・電極接合体における発電に用いられるガスを流通させつつ前記ガスを前記膜・電極接合体に供給する拡散層と、を含み、
   前記方法は、
   （ａ）前記燃料電池に含まれる前記拡散層の内部における圧力損失を表す指標値を測定する工程と、
   （ｂ）前記測定の結果に応じて前記拡散層の内部における圧力損失を増大させるために、前記拡散層内部における前記ガスの流通を抑制する所定の材料を前記拡散層の内部に含浸させる工程と、を備える、方法。
2. 請求項１記載の方法であって、
   前記工程（ｂ）は、前記所定の材料を含浸させる量と前記拡散層上における前記所定の材料を含浸させる位置との少なくとも一方を、前記測定の結果に基づき設定する工程を含む、方法。
3. 請求項２記載の方法であって、
   前記工程（ｂ）は、前記所定の材料を含浸させる量と前記拡散層上における前記所定の材料を含浸させる位置との少なくとも一方を、前記測定の結果に基づき、前記燃料電池に含まれるすべての前記拡散層の内部における圧力損失の大きさが略同一となるように設定する工程を含む、方法。
4. 請求項１記載の方法であって、
   前記指標値は、前記拡散層の厚さと、前記拡散層の気孔率と、前記拡散層の質量と、の内の少なくとも１つである、方法。
5. 燃料電池であって、
   電解質層と前記電解質層の両面に配置された電極層とを含む複数の膜・電極接合体と、
   前記複数の膜・電極接合体のそれぞれの所定の一方の面に配置されると共に、内部において前記膜・電極接合体における発電に用いられるガスを流通させつつ前記ガスを前記膜・電極接合体に供給する拡散層と、を備え、
   少なくとも１つの前記拡散層は、前記拡散層内部における流体の流通を抑制する所定の材料が内部に含浸しており、
   前記燃料電池に含まれるすべての前記拡散層の内部における圧力損失の値は、略同一となっている、燃料電池。

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