JP2008147145A - 燃料電池及びこの燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッディング現象やドライング現象の発生を抑制することができると共に、生成水の排水性を向上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】燃料電池の単セル９には、電解質膜１１と、電解質膜１１の両側に配設され且つガス拡散層１８を有する一対の電極と、を備えてなり、ガス拡散層１８内に、含水状態に応じてガス拡散層１８の細孔の径が変化するように吸水性樹脂材料１９を配置した。
【選択図】図２

Description

本発明は、一対のガス拡散電極で電解質を挟み込んだ膜電極接合体を備えた燃料電池及びこの燃料電池の製造方法に関する。

従来から、一般的な燃料電池として、例えば、電解質膜と、この電解質膜の一方の面に配置され且つガス拡散層を含むアノード電極（燃料極）と、前記電解質膜の他方の面に配置され且つガス拡散層を含むカソード電極（酸化剤極）と、からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）をセパレータで挟み込んで構成した単セルを複数積層したものが知られている。

このような燃料電池では、一方のセパレータに形成された燃料ガス流路に燃料ガス（水素を含むガス）が供給され、他方のセパレータに形成された酸化ガス流路に酸化ガス（酸素を含むガス、例えば、空気）が供給され、電気化学反応を開始すると、
アノード電極側では、 Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード電極側では、 （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。

このような燃料電池では、電解質膜の湿潤状態によっては、ドライング現象やフラッディング現象が発生することがあり、性能の低下を招く虞がある。したがって、ドライング現象やフラッディング現象の発生を抑制することが要求されている。

そこで、例えば、ガス拡散層に吸水性樹脂を配置し、この吸水性樹脂により、電解質膜の湿潤状態（含水状態）に応じて、酸化ガス流路及び燃料ガス流路の少なくとも一方のガス通路の道筋を変化させることで、フラッディング現象やドライング現象の発生を抑制する燃料電池が紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１００３１９号公報 特開２０００−２９４２５９号公報 特開２０００−２９４２６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池は、酸化ガス流路及び燃料ガス流路の少なくとも一方のガス通路の道筋を変化させる構成を備えているため、ＭＥＡの表面に対して平行な方向に流れるガスの流れは変化させることができるが、ＭＥＡの表面と直交する方向、即ち、電解質膜からＭＥＡの表面に向かう方向（セル積層方向）に流れるガスの流れを変化させることはできなかった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、フラッディング現象やドライング現象の発生を抑制することができると共に、生成水の排水性を向上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、電解質と、当該電解質の両側に配設され且つガス拡散層を有する一対の電極と、を備えてなる燃料電池であって、前記ガス拡散層内に、含水状態に応じて当該ガス拡散層の細孔径が変化するように吸水性樹脂材料を配置してなる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、ガス拡散層に配設された吸水性樹脂材料が、周囲の水分状態に応じて含水状態を変更し、この含水状態に応じて当該ガス拡散層の細孔径を自動的に変化させるため、例えば、周囲の水分量が多い場合は、細孔径が小さくなり、当該細孔における毛管力を増加させ、排水性を向上することができる。また、周囲の水分量が少ない場合は、細孔径が大きくなり、当該細孔における毛管力を減少させ、排水性を低下させて電解質が乾燥することを抑制することができる。

なお、前述した「周囲の水分状態」として、例えば、電解質の湿潤状態等が挙げられる。ここで、生成水の発生量が多い（燃料電池の運転温度が高い）、あるいは生成水の発生量に対し酸化ガスの供給量が多い時は、電解質の湿潤状態が高く（含水量が多く）なり、生成水の発生量が少ない（燃料電池の運転温度が低い）、あるいは酸化ガスの加湿量が不足している時は、電解質の湿潤状態が低く（含水量が少なく）なる。

前記吸水性樹脂材料は、含水状態に応じて体積を変化させることができ、当該体積の増加に応じて前記細孔径を減少させ、当該体積の減少に応じて前記細孔径を増加させることができる。

また、本発明にかかる燃料電池は、前記吸水性樹脂材料を、前記電解質側の存在量が当該電解質から離れた側の存在量よりも多くなるよう配置した構成を備えることができる。このように構成することで、例えば、周囲の水分量が多い場合、前記細孔は、電解質側の径が小さくなり、当該電解質から離れた側の径が大きくなるため、当該細孔の毛管力の差を利用して、液体（水等）をセル積層方向に積極的に移動させることができ、排水性を一層向上することができる。一方、周囲の水分量が少ない場合、前記細孔は、電解質側の径が大きくなり、当該電解質から離れた側の径が小さくなるため、当該細孔の毛管力の差を利用して排水し難くし、電解質に水分を維持させることができ、電解質が乾燥することを一層抑制することができる。

ここで、毛管力は、管内（細孔内）が撥水性の場合、液体（水）を排除する方向に働く。この時、毛管力の大きさは、管（細孔）の径が小さいほど強いため、位置（場所）によって径が異なる管の場合、前記液体は、当該管（細孔）の径が大きい方に向けて移動することになる。

また、本発明の一態様として、前記吸水性樹脂材料は、前記電解質側から当該電解質から離れた側に向けて徐々に存在量が少なくなるよう配置してもよい。このように、ガス拡散層の厚さ方向（セル積層方向）において、吸水性樹脂材料の存在量を傾斜させて配置することで、前記利点に加え、例えば、周囲の水分量が多い場合、電解質側から当該電解質から離れた側に向けて徐々に細孔の径を大きくすることができる。したがって、細孔の毛管力は、電解質側が強く、当該電解質から離れた側に向けて徐々に弱くなるため、この毛管力の差を利用して、さらにスムーズに排水を行うことができる。

一方、周囲の水分量が少ない場合、電解質側から当該電解質から離れた側に向けて徐々に細孔の径を小さくすることができる。したがって、細孔の毛管力は、電解質側が弱く、当該電解質から離れた側に向けて徐々に強くなるため、この毛管力の差を利用してさらに排水し難くなり、電解質に水分を維持させることができ、電解質が乾燥することをより一層抑制することができる。

そしてまた、前記吸水性樹脂材料は、燃料電池の発電量の分布に応じた存在量で配置してもよい。このように吸水性樹脂材料を配置することで、燃料電池のセルの面内において、例えば、発電量が多くなる領域（すなわち、生成水が多く生じる領域）に、吸水性樹脂材料を多く存在させ、発電量が少ない領域（すなわち、生成水の発生が少ない領域）に、吸水性樹脂材料を少なく存在させることができる。したがって、前記利点に加え、発電量が多く、外部に排出すべき生成水が多い領域の排水性を促進し、発電量が少なく、排出すべき生成水が少ない領域の排水性を抑制することができる。

なお、前記吸水性樹脂材料としては、例えば、高分子電解質が挙げられる。

また、本発明にかかる燃料電池は、前記細孔が、電解質に含有された液体を外部に排出させるための排水用細孔であり、当該排水用細孔の近傍に、前記吸水性樹脂材料を配置した構成を備えていてもよい。このように構成することで、ガス拡散層に形成されている細孔のうち、電解質に含有された液体を外部に排出させるための排水用細孔の径のみを変化させることができる。また、他の細孔は、ガスを拡散させるために使用される。なお、この場合、ガス拡散層には、ガスを拡散させるための細孔と、排水用の細孔が存在することになり、各々の細孔によって、排水用、あるいはガス拡散用といった役割を持たせることができる。

また、本発明は、電解質と、当該電解質の両側に配設され且つガス拡散層を有する一対の電極と、を備えてなる燃料電池の製造方法であって、前記ガス拡散層の一方の面から、吸水性樹脂材料が分散された溶液を含浸させ、当該ガス拡散層に吸水性樹脂材料を配置する工程を備えてなる燃料電池の製造方法を提供するものである。

この製造方法によれば、吸水性樹脂材料が分散された溶液が、ガス拡散層の一方の面から他方の面に向けて染みこんでいくため、吸水性樹脂材料は、ガス拡散層の一方の面側の方が、他方の面側よりも多く配置されることになる。

また、この製造方法で得られたガス拡散層の一方の面を電解質側に配置することで、例えば、周囲の水分量が多い場合、前記細孔は、電解質側の径が小さくなり、当該電解質から離れた側の径が大きくなるため、当該細孔の毛管力の差を利用して排水性を一層向上することができる。一方、周囲の水分量が少ない場合、前記細孔は、電解質側の径が大きくなり、当該電解質から離れた側の径が小さくなるため、当該細孔の毛管力の差を利用して排水し難くし、電解質が乾燥することを一層抑制することができる。

本発明にかかる製造方法の一態様として、前記吸水性樹脂材料が分散された溶液の含浸は、前記ガス拡散層の一方の面に当該溶液を噴霧する（スプレーする）工程を含むことができる。この工程を含むことで、燃料電池のセルの面内において、前記溶液の噴霧量を簡単に調整することができる。すなわち、例えば、発電量が多くなる領域には、前記溶液を多く噴霧することで吸水性樹脂材料を多く存在させ、発電量が少ない領域には、前記溶液を少なく噴霧することで吸水性樹脂材料を少なく存在させることができる。したがって、前記利点に加え、発電量が多く、排出すべき生成水が多い領域の排水性を促進し、発電量が少なく、排出すべき生成水が少ない領域の排水性を抑制することができる。

また、本発明にかかる製造方法の他の態様として、前記吸水性樹脂材料が分散された溶液の含浸は、前記ガス拡散層の一方の面に当該溶液をスクリーン印刷により付着させる工程を含むことができる。この工程を含むことで、例えば、燃料電池のセルの面内のうち、発電量が多くなる領域に前記溶液が多く付着し、発電量が少ない領域に前記溶液が少なく付着するようなパターンが形成されたスクリーンを用いて、簡単且つ高精度で吸水性樹脂材料の存在量を調整することができる。

本発明にかかる燃料電池は、ガス拡散層に配設された吸水性樹脂材料が、周囲の水分状態に応じて含水状態を変更し、この含水状態に応じて当該ガス拡散層の細孔径を自動的に変化させるため、例えば、周囲の水分量が多い場合は、細孔径が小さくなり、当該細孔における毛管力を増加させ、排水性を向上することができる。また、周囲の水分量が少ない場合は、細孔径が大きくなり、当該細孔における毛管力を減少させ、排水性を低下させて電解質が乾燥することを抑制することができる。この結果、フラッディング現象やドライング現象の発生を抑制することができると共に、生成水の排水性を向上することが可能な燃料電池を提供することができる。

また、本発明にかかる燃料電池の製造方法によれば、一方の面側における吸水性樹脂材料の存在量が、他方の面側における吸水性樹脂材料の存在量よりも多い構成を有するガス拡散層を簡単に得ることができる。この結果、フラッディング現象やドライング現象の発生を抑制することができると共に、生成水の排水性を向上することが可能な燃料電池を簡単に製造することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池及びこの燃料電池の製造方法について、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、本発明の実施の形態にかかる燃料電池の外観を示す図、図２は、図１に示す燃料電池の単セルを示す断面図、図３は、図２に示す単セルの電極の構成を模式的に示す断面図であり、電解質膜の水分量が適正である場合（通常状態）を示す図、図４は、電解質膜に水分が多量に存在する場合を示す図、図５は、図２に示す電極の構成を模式的に示す断面図であり、電解質膜に存在する水分が少ない場合を示す図である。なお、図３〜図５では、電極を構成するガス拡散層には多数の細孔が形成されているが、構成を判りやすくするため、図２では細孔を記載していない。また、図３〜図５では細孔を１つしか示してない。

図１〜図５に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池１は、電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置されたアノード電極１２（燃料極）と、電解質膜１１の他面に配置されたカソード電極１３（空気極）とからなるＭＥＡ１０を備えている。このＭＥＡ１０のアノード電極１２側には、セパレータ１４が配設され、カソード電極１３側には、セパレータ１５が配設されている。そして、このＭＥＡ１０とセパレータ１４及び１５によって単セル９を構成し、この単セル９を複数積層してセル積層体とし、このセル積層体の一端（図１でいう下端）に、ターミナル２０、インシュレータ２１及びエンドプレート２２をそれぞれ配置している。また、セル積層方向の他端（図１でいう上端）には、ターミナル２０、インシュレータ２１及びエンドプレート２２を配設し、さらにエンドプレート２２の内側（インシュレータ２１側）に、プレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート３２とエンドプレート２２との間には、図示しないスタック締め付け荷重の変動を吸収するばね機構（例えば、皿ばね機構等）が設けられている。

そして、これらの部材をセル積層方向に締め付けて、そ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、スルーボルト等）とボルト２５またはナットで固定して、燃料電池スタック２３を構成している。そして、この燃料電池スタック２３を一つ、または複数接続して、図示しないケースに収容する等して、燃料電池１としている。

アノード電極１２及びカソード電極１３は、電解質膜１１側から、触媒層１６、撥水層１７及びガス拡散層１８が、順に積層された構成を各々備えている。そして、ガス拡散層１８には、吸水性樹脂材料１９が、電解質膜１１側から電解質膜１１から離れた側（セパレータ１４またはセパレータ１５側）に向けて徐々に存在量が少なくなるよう配置されている。なお、本実施の形態では、吸水性樹脂材料１９の各々の粒径がほぼ等しく、ガス拡散層１８における吸水性樹脂材料１９の存在密度を変更させることで、前述した存在量の異なる配置を実現している。

電解質膜１１は、燃料ガス（水素を含むガス）から供給された水素イオンをアノード電極１２からカソード電極１３に移動させる役割を果たしている。

触媒層１６は、電解質膜１１に接して配置され、例えば、炭素粒子と、固体電解質と、当該炭素粒子に担持された触媒とを備えて構成されている。前記触媒としては、例えば、白金または白金合金等が好適に用いられている。燃料ガスから供給された水素が触媒層に達すると、触媒の表面で水素分子は活性な２個の水素原子に変わる。触媒表面ではさらに酸化反応が進行して、２個の水素イオンと２個の電子が放出されるが、水素イオンは、前述した電解質膜１１中に浸入する。この触媒層では、前記触媒と固体電解質との配合割合を変化させることで、触媒利用効率の低下を抑えて燃料電池１の電池性能を向上させている。

撥水層１７は、燃料電池１の電気化学反応で発生した生成水が停留することを抑制し、触媒層１６がフラッディングを起こさずに効率的に機能するために設けられている。

ガス拡散層１８は、流体を通過させる機能と、触媒層１６とセパレータ１４、及び触媒層１６とセパレータ１５を導通させる機能とを有する導電体である。具体的には、ガス拡散層は、後に詳述するセパレータ１４及び１５に形成された燃料ガス流路１４Ａから供給される燃料ガス、及び酸化ガス流路１５Ａから供給される酸化ガスを触媒層１６側へ移動させるための透水性を備えている。このガス拡散層１８には、複数の細孔３０（図３〜図５参照）が形成されている。

吸水性樹脂材料１９は、吸水した水の量（含水状態）に応じて体積が変化する特徴を備えており、例えば、高分子電解質等を好適に用いることができる。具体的には、この吸水性樹脂材料１９として、パーフルオロスルホン酸型イオン交換樹脂や、パーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオエチレン）共重合体、デンプン系吸水性樹脂、カルボキシメチルセルロース系吸水性樹脂、ポリアクリル酸系吸水性樹脂、ポバール系吸水性樹脂等が挙げられる。

セパレータ１４及び１５は、単セル９同士を区切る境界であり、隣の単セル９との間でアノード電極１２とカソード電極１３とが接触して単セル９同士が短絡しないようにする役割を果たすと同時に、隣り合う単セル９間の電気的コネクタの役割を果たしている。このセパレータ１４及び１５は、電子伝導性が高いと共に、耐食性に優れており、且つガス雰囲気において金属イオンを放出しないという特徴を有している。これらの条件を満足する材料として、例えば、カーボンや金属や導電性樹脂が使われる。

また、セパレータ１４のアノード電極１２側には、図示しない燃料ガス供給マニホールドから供給された燃料ガスを流通させ、この燃料ガスをアノード電極１２に供給する複数の溝状の燃料ガス流路１４Ａが形成されている。一方、セパレータ１５のカソード電極１３側には、図示しない酸化ガス供給マニホールドから供給された酸化ガス（例えば、空気）を流通させ、この酸化ガスをカソード電極１３に供給する複数の溝状の酸化ガス流路１５Ａが形成されている。

さらにセパレータ１４の燃料ガス流路１４Ａが形成されている面とは反対側の面、及びセパレータ１５の酸化ガス流路１５Ａが形成されている面とは反対側の面には、熱交換媒体（例えば、冷却水等の冷媒）が流通する図示しない熱交換媒体流路が各々形成されている。

この構成を備えた燃料電池１は、前述したように、ガス拡散層１８に吸水性樹脂材料１９が配置されているため、吸水性樹脂材料１９による吸水量（含水量）が増加すると、吸水性樹脂材料１９が通常状態（図３参照）に比べて膨張して（図４参照）、ガス拡散層１８の細孔３０の径を小さくする。一方、吸水性樹脂材料１９による吸水量が低下すると、吸水性樹脂材料１９が縮小（図５参照）して、ガス拡散層１８の細孔３０の径を大きくする。

この時、吸水性樹脂材料１９は、ガス拡散層１８の電解質膜１１側に多く存在し、電解質膜１１から膜厚方向に離れるにしたがって、徐々に存在量が少なくなるよう配置されているため、例えば、生成水の発生量が多い（燃料電池１の運転温度が高い）、あるいは生成水の発生量に対し酸化ガスの供給量が多く、電解質膜１１の含水量が多くなり、吸水性樹脂材料１９による吸水量が増加した場合、図３に示すように、吸水性樹脂材料１９が膨張して、細孔３０の電解質膜１１側の径が小さくなり、セパレータ１４（１５）側の径が徐々に大きくなる。したがって、細孔３０の毛管力は、電解質膜１１側が強く、セパレータ１４（１５）側に向けて徐々に弱くなる。このため、この毛管力の差を利用して、余剰の生成水等を、燃料ガス流路１４Ａまたは酸化ガス流路１５Ａに効率よく排出することができる。この結果、フラッディング現象が生じることを抑制することができる。

また、生成水の発生量が少ない（燃料電池１の運転温度が低い）、あるいは酸化ガスの加湿量が不足し、電解質膜１１の含水量が少なくなり、吸水性樹脂材料１９による吸水量が減少した場合、図４に示すように、吸水性樹脂材料１９が縮小して、細孔３０の電解質膜１１側の径が大きくなり、セパレータ１４（１５）側の径が徐々に小さくなる。したがって、細孔３０の毛管力は、電解質膜１１側が弱く、セパレータ１４（１５）側に向けて徐々に強くなるため、この毛管力の差を利用して、電解質膜１１に水分を維持させることができ、電解質膜１１が乾燥することを抑制することができる。

次に、ガス拡散層１８に吸水性樹脂材料１９を配設する方法について図面を参照して説明する。

先ず、溶媒として例えばエタノールを使用し、このエタノールに吸水性樹脂材料１９を分散させ、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓを調合する。

次に、図６（１）に示すように、撥水層１７が積層されたガス拡散層１８の撥水層１７側の面（すなわち、撥水層１７の表面）から、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓを噴霧（スプレー）する。このように、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓが、撥水層１７側の面から吸水性樹脂材料分散溶液Ｓを噴霧（スプレー）することで、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓは、ガス拡散層１８の一方の面（撥水層１７が積層されている面）から、ガス拡散層１８の膜厚方向に対向する他方の面に向けて染みこんでいく。このため、図６（２）に示すように、吸水性樹脂材料１９は、ガス拡散層の一方の面側の方が、他方の面側よりも徐々に多く配置されることになる。このようにして、一方の面側に吸水性樹脂材料１９が多く存在し、この面に対向する他方の面にいくにしたがって、徐々に吸水性樹脂材料１９の存在量が少ない構成を備えたガス拡散層１８を製造した。

なお、撥水層１７は、撥水性が高いため、ガス拡散層１８に吸水性樹脂材料分散溶液Ｓを適切に含浸させるためには、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓの表面張力を小さくしておく必要がある。したがって、本実施の形態では、溶媒としてエタノールを用いたため、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓの濃度が６０％以上となるように調整した。また、本実施の形態では、吸水性樹脂材料１９として、デュポン社の「ナフトール（登録商標）」を使用した。

また、噴霧（スプレー）によって、ガス拡散層１８に吸水性樹脂材料分散溶液Ｓを含浸させる場合、例えば、単セル９の面内において、酸化ガスの入口付近等、燃料電池１の発電量が多くなる領域に、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓを多く吹き付け、発電量が少ない領域には、吸水性樹脂材料分散溶液Ｓを少なく吹き付ける等、吹き付け量の調整を簡単に行うことができる。したがって、単セル９の面内において、吸水性樹脂材料１９の存在量を簡単に調整することができる。このようにすることで、発電量が多く、排出すべき生成水が多い領域の排水性を促進し、発電量が少なく、排出すべき生成水が少ない領域の排水性を抑制することができる。

そしてまた、ガス拡散層１８に吸水性樹脂材料１９を配設する他の方法として、スクリーン印刷を適用することもできる。この場合、燃料電池１の単セルの面内のうち、発電量が多くなる領域に吸水性樹脂材料分散溶液Ｓが多く付着し、発電量が少ない領域に吸水性樹脂材料分散溶液Ｓが少なく付着するように網目を塞いだスクリーンを使用することで、簡単且つ高精度で吸水性樹脂材料の存在量を調整することができる。

さらにまた、他の印刷技術等を利用して、吸水性樹脂材料１９の存在量が多い領域と、吸水性樹脂材料１９の存在量が少ない領域のパターン（例えば、市松模様等の所望のパターン）を作り、排水し難い領域（吸水性樹脂材料１９の存在量が少ない領域）においてガス拡散性を確保し、排水し易い領域（吸水性樹脂材料１９の存在量が多い領域）において排水性を向上させるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、吸水性樹脂材料１９によって、ガス拡散層１８に形成されている細孔３０の径を変更させる場合について説明したが、これに限らず、例えば、後加工（例えば、印刷技術等）により、ガス拡散層１８に排水用の細孔を積極的に形成し、この排水用細孔の近傍に、吸水性樹脂材料１９を配置してもよい。このようにすることで、ガス拡散層１８に形成されている細孔のうち、電解質膜１１に含有された液体を外部に排出させるための排水用細孔の径を変化させることができる。したがって、排水用細孔によって排水を積極的に排出し、他の細孔によってガス拡散性を確保する等、細孔の種類によって、排水あるいはガス拡散性の確保等、役割を持たせてもよい。

また、本実施の形態では、吸水性樹脂材料１９の各々の粒径がほぼ等しく、ガス拡散層１８における存在密度を変更させることで、前述した吸水性樹脂材料１９の配置を実現したが、これに限らず、例えば、図７に示すように、粒径の異なる吸水性樹脂材料１９を用い、粒径の大きい吸水性樹脂材料１９を電解質膜１１側に配置し、粒径の小さい吸水性樹脂材料１９を電解質膜１１から離れた側に配置することで、電解質膜１１側の存在量が、電解質膜１１から離れた側の存在量よりも多くなるよう配置してもよい。この場合、吸水性樹脂材料１９の粒径は、電解質膜１１側から電解質膜１１から離れた側に向けて徐々に小さくなるように配置することがより望ましい。

そしてまた、吸水性樹脂材料として、水分を含有した際の膨潤率が異なる複数種の吸水性樹脂材料を用い、膨潤率の大きい吸水性樹脂材料を電解質膜１１側に配置し、膨潤率の小さい吸水性樹脂材料を電解質膜１１から離れた側に配置することで、電解質膜１１側の存在量が、電解質膜１１から離れた側の存在量よりも多くなるよう配置してもよい。この場合、吸水性樹脂材料の膨潤率は、電解質膜１１側から電解質膜１１から離れた側に向けて徐々に小さくなるように配置することがより望ましい。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池の外観を示す図である。 図１に示す燃料電池の単セルを示す断面図である。 図２に示す単セルの電極の構成を模式的に示す断面図であり、電解質膜の水分量が適正である場合（通常状態）を示す図である。 電解質膜に水分が多量に存在する場合を示す図である。 図２に示す電極の構成を模式的に示す断面図であり、電解質膜に存在する水分が少ない場合を示す図である。 本発明にかかるガス拡散層に吸水性樹脂材料を配設する方法の一部を示す概念図である。 本発明の他の実施の形態にかかる単セルの電極の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

９…単セル、１１…電解質膜、１２…アノード電極、１３…カソード電極、１４、１５…セパレータ、１４Ａ…燃料ガス流路、１５Ａ…酸化ガス流路、１６…触媒層、１７…撥水層、１８…ガス拡散層、１９…吸水性樹脂材料、３０…細孔

Claims (11)

1. 電解質と、当該電解質の両側に配設され且つガス拡散層を有する一対の電極と、を備えてなる燃料電池であって、
   前記ガス拡散層内に、含水状態に応じて当該ガス拡散層の細孔径が変化するように吸水性樹脂材料を配置してなる燃料電池。
2. 前記吸水性樹脂材料は、含水状態に応じて体積が変化し、当該体積の増加に応じて前記細孔径を減少させ、当該体積の減少に応じて前記細孔径を増加させる請求項１記載の燃料電池。
3. 前記吸水性樹脂材料は、前記電解質側の存在量が、当該電解質から離れた側の存在量よりも多くなるよう配置されてなる請求項１または請求項２記載の燃料電池。
4. 前記吸水性樹脂材料は、前記電解質側から当該電解質から離れた側に向けて徐々に存在量が少なくなるよう配置されてなる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記吸水性樹脂材料は、発電量の分布に応じた存在量で配置されてなる請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記吸水性樹脂材料が、高分子電解質である請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記細孔が、電解質に含有された液体を外部に排出させるための排水用細孔であり、当該排水用細孔の近傍に、前記吸水性樹脂材料を配置してなる請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 電解質と、当該電解質の両側に配設され且つガス拡散層を有する一対の電極と、を備えてなる燃料電池の製造方法であって、
   前記ガス拡散層の一方の面から、吸水性樹脂材料が分散された溶液を含浸させ、当該ガス拡散層に吸水性樹脂材料を配置する工程を備えてなる燃料電池の製造方法。
9. 前記ガス拡散層の一方の面を、前記電解質側に配置する工程をさらに備えた請求項８記載の燃料電池の製造方法。
10. 前記吸水性樹脂材料が分散された溶液の含浸は、前記ガス拡散層の一方の面に当該溶液を噴霧する工程を含む請求項８または請求項９記載の燃料電池の製造方法。
11. 前記吸水性樹脂材料が分散された溶液の含浸は、前記ガス拡散層の一方の面に当該溶液をスクリーン印刷により付着させる工程を含む請求項８または請求項９記載の燃料電池の製造方法。

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