JP2016066517A - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、多孔体流路形成部材の内部を経由して排出される酸化剤排ガスの圧力損失の増加を抑制することを目的とする。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、第１の面を介して膜電極接合体に酸化剤ガスを供給するとともに、第１の面の端辺部と第２の面の端辺部との間に形成される端面部を介して酸化剤排ガスを排出部に排出する多孔体流路形成部材と、多孔体流路形成部材の第１の面の前記端辺部に沿って配置されるシーリングプレートと、多孔体流路形成部材の第２の面に面して配置されるセパレータープレートと、を備え、多孔体流路形成部材の第１の面においてシーリングプレートと面する第１の領域と、第２の面において第１の面の第１の領域と対向する第２の領域とは、いずれか一方が他方よりも親水性が高い。【選択図】図６

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。

従来から、酸化剤ガスを膜電極接合体に供給する流路を形成する多孔体流路形成部材と、多孔体流路形成部材の一方の面に配置されるシーリングプレートと、多孔体流路形成部材の他方の面に配置されるセパレータープレートを備える燃料電池が知られている（特許文献１）。この燃料電池は、多孔体流路形成部材によって形成された流路を経由して発電によって生成された水を燃料電池の外部に排出する。

特開２０１２−１２３９４９号公報 特開２０１０−０６１９９１号公報 特開２００８−００４４２０号公報 特開２０１１−０６５８１３号公報

しかしながら、多孔体流路形成部材によって形成された流路において、生成された水がシーリングプレートおよびセパレータープレートの両方に付着することで、多孔体流路形成部材のうちシーリングプレートとセパレータープレートとで挟まれた部分に水が滞留することがあった。この部分に水が滞留すると、この部分を経由して排出される酸化剤排ガスの圧力損失が増加して、発電性能が低下する問題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体のカソード側に面する第１の面、および、前記第１の面の反対側の面である第２の面を含み、前記第１の面を介して前記膜電極接合体に酸化剤ガスを供給するとともに、第１の面の端辺部と第２の面の端辺部との間に形成される端面部を介して酸化剤排ガスを排出部に排出する多孔体流路形成部材と、前記多孔体流路形成部材の前記第１の面の前記端辺部に沿って配置されるシーリングプレートと、前記多孔体流路形成部材の前記第２の面に面して配置されるセパレータープレートと、を備え、前記多孔体流路形成部材の前記第１の面において前記シーリングプレートと面する第１の領域と、前記第２の面において前記第１の面の前記第１の領域と対向する第２の領域とは、いずれか一方が他方よりも親水性が高くなるように構成されている。この構成によれば、多孔体流路形成部材のうち、シーリングプレートとセパレータープレートとで挟まれた部分において、発電によって生成された水を多孔体流路形成部材の第１の面と第２の面のうちの親水性の高いいずれが一方の側に沿って流すことができ、他方の側において酸化剤排ガスを流通させることがきる。これにより、発電によって生成された水が多孔体流路形成部材の内部を塞ぐ状態を発生しにくくし、多孔体流路形成部材の内部を経由して排出される酸化剤排ガスの圧力損失の増加を抑制することができる。

（２）本発明の他の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体のカソード側に面する第１の面、および、前記第１の面の反対側の面である第２の面を含み、前記第１の面を介して前記膜電極接合体に酸化剤ガスを供給するとともに、第１の面の端辺部と第２の面の端辺部との間に形成される端面部を介して酸化剤排ガスを排出部に排出する多孔体流路形成部材と、前記多孔体流路形成部材の前記第１の面の前記端辺部に沿って配置されるシーリングプレートと、前記多孔体流路形成部材の前記第２の面に面して配置されるセパレータープレートと、を備え、前記シーリングプレートの前記多孔体流路形成部材と面する第３の領域と、前記セパレータープレートにおいて前記多孔体流路形成部材を介して前記シーリングプレートの前記第３の領域と対向する第４の領域とは、いずれか一方が他方よりも親水性が高くなるように構成されている。この構成によれば、多孔体流路形成部材によって形成される流路において、発電によって生成された水をシーリングプレートとセパレータープレートのうちの親水性の高いいずれが一方の側に沿って流すことができ、他方の側において酸化剤排ガスを流通させることがきる。これにより、発電によって生成された水が流路を塞ぐ状態を発生しにくくし、この流路を経由して排出される酸化剤排ガスの圧力損失の増加を抑制することができる。

（３）本発明の他の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体のカソード側に面する第１の面、および、前記第１の面の反対側の面である第２の面を含み、前記第１の面を介して前記膜電極接合体に酸化剤ガスを供給するとともに、第１の面の端辺部と第２の面の端辺部との間に形成される端面部を介して酸化剤排ガスを排出部に排出する多孔体流路形成部材と、前記多孔体流路形成部材の前記第１の面の前記端辺部に沿って配置されるシーリングプレートと、前記多孔体流路形成部材の前記第２の面に面して配置されるセパレータープレートと、を備え、前記シーリングプレートの前記多孔体流路形成部材と面する第３の領域のうち、親水処理が施されている第５の領域の面積と、前記セパレータープレートにおいて前記多孔体流路形成部材を介して前記シーリングプレートの前記第３の領域と対向する第４の領域のうち、親水処理が施されている第６の領域の面積とは、いずれか一方が他方よりも大きくなるように構成されている。この構成によれば、多孔体流路形成部材によって形成される流路において、発電によって生成された水を、シーリングプレートとセパレータープレートのうち、親水処理されている面積が大きい側に沿って主に流すことができ、他方の側において主に酸化剤排ガスを流通させることがきる。これにより、発電によって生成された水が流路を塞ぐ状態を発生しにくくし、この流路を経由して排出される酸化剤排ガスの圧力損失の増加を抑制することができる。

（４）本発明の他の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、多孔体流路形成部材の第１の面の端辺部に沿ってシーリングプレートを配置して、前記多孔体流路形成部材と前記シーリングプレートの集合体を形成する工程と、
前記集合体の全体に親水処理をおこなう工程と、前記親水処理をおこなった前記集合体に対して、前記シーリングプレートの端部が酸化剤排ガスを排出するための排出部と向き合う状態で、前記多孔体流路形成部材の前記第１の面に前記膜電極接合体を配置し、前記第１の面の反対側の面である第２の面にセパレータープレートを配置する工程と、を備えている。この構成によれば、多孔体流路形成部材の第１の面においてシーリングプレートと面する第１の領域は、親水処理時にマスクされるため、第１の面の第１の領域よりも、第２の面において第１の面の第１の領域と対向する第２の領域の親水性を高くすることができる。この親水処理をおこなった多孔体流路形成部材を使用して燃料電池を構成することにより、この多孔体流路形成部材の内部を経由して排出される酸化剤排ガスの圧力損失の増加を抑制することができる。

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、燃料電池における生成水の排出方法、燃料電池に使用される多孔体流路形成部材、および、その製造方法などの形態で実現することができる。

第１実施形態の燃料電池を示す概略斜視図である。 燃料電池セルの分解斜視図である。 膜電極ガス拡散層接合体の構成を示す説明図である。 多孔体流路形成部材とフレーム部材をＺ方向から見た説明図である。 燃料電池セルの酸化剤排ガス排出マニホールド付近を示す断面図である。 多孔体流路形成部材の構成を例示した説明図である。 多孔体流路形成部材の両面の親水性に差異を設ける方法を示した図である。 発電時における酸化剤ガス流路の内部の状態を例示した説明図である。 比較例の燃料電池セルの内部の状態を例示した説明図である。 本実施形態と比較例の酸化剤排ガスの圧力損失を比較した図である。 第２実施形態の燃料電池セルを説明するための図である。 第２実施形態の変形例に係る燃料電池セルを示した図である。 カソード側セパレータープレートの第６の領域を例示した平面図である。 変形例の燃料電池セルを説明するための図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は第１実施形態の燃料電池１０を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池セル１００をＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に複数積層し、一対のエンドプレート２３０、２４０で挟持したスタック構造を有している。燃料電池１０は、前端側のエンドプレート２３０と燃料電池セル１００との間に、絶縁プレート２２０とターミナルプレート２００が配置され、後端側のエンドプレート２４０と燃料電池セル１００との間に、絶縁プレート２５０とターミナルプレート２１０が配置されている。ターミナルプレート２００、２１０は、各燃料電池セル１００の発電電力の集電板であり、図示しない端子から集電した電力を外部へ出力する。燃料電池セル１００と、ターミナルプレート２００、２１０と、絶縁プレート２２０、２５０およびエンドプレート２３０、２４０は、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。

エンドプレート２３０、絶縁プレート２２０、ターミナルプレート２００、および、燃料電池セル１００は、それぞれ、給排孔として機能する複数の開口部を有しており、これらの開口部が連通してマニホールド３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５が形成されている。マニホールド３１０は、燃料電池セル１００に酸化剤ガスを供給するために用いられる。以後、酸化剤ガス供給マニホールド３１０とも呼ぶ。マニホールド３１５は、燃料電池セル１００から排出される酸化剤排ガスを排出するために用いられる。以後、酸化剤排ガス排出マニホールド３１５とも呼ぶ。以下、マニホールド３２０、３２５、３３０、３３５は、それぞれの役割から、「燃料ガス供給マニホールド３２０」、「燃料排ガス排出マニホールド３２５」、「冷媒供給マニホールド３３０」、「冷媒排出マニホールド３３５」とも呼ぶ。なお、本実施形態の燃料電池１０は、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート２３０から供給マニホールド３１０、３２０、３３０を介してそれぞれの燃料電池セル１００に対して供給する。また、燃料電池１０は、それぞれの燃料電池セル１００からの排出ガスおよび排出水を排出マニホールド３１５、３２５、３３５から前端側のエンドプレート２３０を介して外部に排出する。なお、本実施形態の燃料電池１０は、上記構成に限定されるものではない。例えば、燃料電池１０は、前端側のエンドプレート２３０から反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート２４０から排出ガスおよび排出水が外部へ排出される構成であってもよい。

本実施形態では、酸化剤ガス供給マニホールド３１０は、燃料電池１０の下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、酸化剤排ガス排出マニホールド３１５は、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給マニホールド３２０は、燃料電池１０の右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料排ガス排出マニホールド３２５は、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。冷媒供給マニホールド３３０は、燃料ガス供給マニホールド３２０の下側にＹ方向に沿って配置されており、冷媒排出マニホールド３３５は、燃料排ガス排出マニホールド３２５の上側にＹ方向に沿って配置されている。

図２は燃料電池セル１００の分解斜視図である。燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１１０と、フレーム部材１４０と、カソード側セパレータープレート１５０と、アノード側セパレータープレート１６０と、多孔体流路形成部材１７０と、を備える。ＭＥＧＡ１１０は、矩形形状の外形を備えた発電体であり、構成については後述する。

フレーム部材１４０は、ＭＥＧＡ１１０の外周に沿って配置され、シール性と絶縁性を有する樹脂あるいはゴムなどによって形成される。フレーム部材１４０は、中央にＭＥＧＡ１１０の外形に沿った矩形形状の発電領域窓１４１を有する。この発電領域窓１４１の周縁部には、図示しない段差部が形成されており、その段差部に、ＭＥＧＡ１１０が組み込み装着される。発電領域窓１４１に装着されたＭＥＧＡ１１０は、フレーム部材１４０の段差部においてフレーム部材１４０と重なり、発電領域窓１４１にて露出した領域を、アノード側セパレータープレート１６０から燃料ガスの供給を受ける発電領域１１１とする。フレーム部材１４０は、発電領域窓１４１の周囲領域に、上述したマニホールドを構成する給排孔として、燃料ガス供給孔１４２および燃料排ガス排出孔１４３と、複数の酸化剤ガス供給孔１４４および酸化剤排ガス排出孔１４５と、冷却水供給孔１４６および冷却水排出孔１４７とを備える。燃料ガス供給孔１４２は、燃料ガス供給マニホールド３２０を構成し、燃料排ガス排出孔１４３は、燃料排ガス排出マニホールド３２５を構成する。酸化剤ガス供給孔１４４は、酸化剤ガス供給マニホールド３１０を構成し、酸化剤排ガス排出孔１４５は、酸化剤排ガス排出マニホールド３１５を構成する。冷却水供給孔１４６は、冷媒供給マニホールド３３０を構成し、冷却水排出孔１４７は、冷媒排出マニホールド３３５を構成する。フレーム部材１４０は、アノード側セパレータープレート１６０とカソード側セパレータープレート１５０との間において、酸化剤ガスや燃料ガス、冷媒の漏れを防ぐために、ＭＥＧＡ１１０と面するガス流路や、供給孔および排出孔をシールする。

カソード側セパレータープレート１５０およびアノード側セパレータープレート１６０は、それぞれ矩形形状の外形を備えており、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。カソード側セパレータープレート１５０およびアノード側セパレータープレート１６０は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、ステンレス鋼やチタンなどの金属部材によって形成されている。本実施形態では、カソード側セパレータープレート１５０は、ステンレス鋼をプレス成型して作製されている。

カソード側セパレータープレート１５０は、ほぼ平板状の部材であり、中央部が多孔体流路形成部材１７０と面しており、外周部がフレーム部材１４０と面している。カソード側セパレータープレート１５０は、燃料ガス供給孔１５２および燃料排ガス排出孔１５３と、複数の酸化剤ガス供給孔１５４および酸化剤排ガス排出孔１５５と、複数の冷却水供給孔１５６および冷却水排出孔１５７とを備える。

アノード側セパレータープレート１６０は、中央部がＭＥＧＡ１１０のアノード側と面しており、外周部がフレーム部材１４０と面している。アノード側セパレータープレート１６０は、ＭＥＧＡ１１０の側の面に、複数筋の溝状の燃料ガス流路を備え、反対側の面に、複数筋の溝状の冷却水流路を備える。アノード側セパレータープレート１６０は、上述したマニホールドを構成する給排孔として、燃料ガス供給孔１６２および燃料排ガス排出孔１６３と、複数の酸化剤ガス供給孔１６４および酸化剤排ガス排出孔１６５と、複数の冷却水供給孔１６６および冷却水排出孔１６７とを備える。

多孔体流路形成部材１７０は、矩形形状の外形を備えており、金属多孔体（例えば、エキスパンドメタル）などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料によって構成されている。多孔体流路形成部材１７０は、酸化剤ガスをＭＥＧＡ１１０に供給するとともに、酸化剤排ガスを酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に排出するための酸化剤ガス流路を形成するための部材であり、ＭＥＧＡ１１０のカソード側と、カソード側セパレータープレート１５０との間に位置している。多孔体流路形成部材１７０は、ＭＥＧＡ１１０のカソード側と面する第１の面１７１と、第１の面１７１の反対側に形成され、カソード側セパレータープレート１５０と面する第２の面１７２とを含んでいる。多孔体流路形成部材１７０の第１の面１７１のうち、図２の上下方向の両端辺部には、シーリングプレート１８０、１８１がそれぞれ配置されている。

シーリングプレート１８０、１８１は、矩形の長板状の外形を備えており、金属などのガス非透過の部材によって形成されている。シーリングプレート１８０、１８１は、フレーム部材１４０を作製する際にフレーム部材１４０を構成する樹脂あるいはゴムが多孔体流路形成部材１７０の内部に流入することを規制するための部材であり、多孔体流路形成部材１７０とフレーム部材１４０との間に配置されている。

図３は、膜電極ガス拡散層接合体１１０（ＭＥＧＡ１１０）の構成を示す説明図である。ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜１１２と、カソード側触媒層１１４と、アノード側触媒層１１６と、カソード側ガス拡散層１１８と、アノード側ガス拡散層１２０と、を備える。
電解質膜１１２は、プロトン伝導性を有する電解質膜であり、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなフッ素系電解質樹脂（イオン交換樹脂）が用いられる。

カソード側触媒層１１４と、アノード側触媒層１１６は、触媒（例えば白金）を担持したカーボンを含んでおり、電解質膜１１２の両側にそれぞれ配置されている。カソード側触媒層１１４の上には、カソード側ガス拡散層１１８が配置され、アノード側触媒層１１６の上には、アノード側ガス拡散層１２０が配置されている。カソード側ガス拡散層１１８及びアノード側ガス拡散層１２０は、カーボンペーパーまたはカーボン不織布によって形成される。

図４は、シーリングプレート１８０、１８１が配置された多孔体流路形成部材１７０とフレーム部材１４０をＺ方向から見た説明図である。図４では、フレーム部材１４０の発電領域窓１４１にＭＥＧＡ１１０（図２）が装着されていない状態が示されている。また、多孔体流路形成部材１７０およびシーリングプレート１８０、１８１のうち、フレーム部材１４０の背面側に位置する部分は破線で示されている。多孔体流路形成部材１７０は、シーリングプレート１８０が配置された上方側の端部１７０ＵＥが酸化剤排ガス排出マニホールド３１５の下方側の端辺に沿うように配置されている。また、シーリングプレート１８１が配置された下方側の端部１７０ＬＥが酸化剤ガス供給マニホールド３１０の上方側の端辺に沿うように配置される。多孔体流路形成部材１７０は、酸化剤ガス供給マニホールド３１０から供給される酸化剤ガスＧａを、シーリングプレート１８１が配置された下方側の端部１７０ＬＥから多孔体流路形成部材１７０の面方向（ＸＹ平面方向）に沿って流し、第１の面１７１を介してＭＥＧＡ１１０に供給する。また、多孔体流路形成部材１７０は、ＭＥＧＡ１１０から排出される酸化剤排ガスＧｅｘをシーリングプレート１８０が配置された上方側の端部１７０ＵＥを介して酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に排出する。

図５は、燃料電池セル１００の酸化剤排ガス排出マニホールド３１５の付近を示す断面図である。燃料電池セル１００は、多孔体流路形成部材１７０によって、カソード側セパレータープレート１５０とシーリングプレート１８０との間や、カソード側セパレータープレート１５０とフレーム部材１４０との間に酸化剤ガス流路１３１が形成される。カソード側セパレータープレート１５０は、一方の面が、多孔体流路形成部材１７０と面しており、他方の面が、隣接する他の燃料電池セル１００のアノード側セパレータープレート１６０と面している。この互いに隣接するアノード側セパレータープレート１６０とカソード側セパレータープレート１５０との間には、冷媒流路１３４が形成される。一方、アノード側セパレータープレート１６０とＭＥＧＡ１１０との間には、燃料ガス流路１３２が形成される。

多孔体流路形成部材１７０の上方側の端部１７０ＵＥには、第１の面１７１の上方側の端辺部１７１ＵＥと、第２の面１７２の上方側の端辺部１７２ＵＥと、端辺部１７１ＵＥと端辺部１７２ＵＥとの間に位置する端面部１７３が形成されている。端面部１７３は、酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に面している。多孔体流路形成部材１７０の上側の端部１７０ＵＥは、シーリングプレート１８０およびカソード側セパレータープレート１５０の上側の端部とともに酸化剤排ガス排出マニホールド３１５の内側に突出している。ＭＥＧＡ１１０から排出される酸化剤排ガスは、多孔体流路形成部材１７０の内側を流通し、端面部１７３を介して酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に排出される。

シーリングプレート１８０は、多孔体流路形成部材１７０の第１の面１７１の端辺部１７１ＵＥに沿って配置され、フレーム部材１４０と面している。多孔体流路形成部材１７０の下方側の端部１７０ＬＥ（図４）に配置されるシーリングプレート１８１も同様に、多孔体流路形成部材１７０の第１の面１７１の下方側の端辺部（図示しない）に沿って配置され、フレーム部材１４０と面している。

図６は、多孔体流路形成部材１７０の構成を例示した説明図である。図６では、説明のため、シーリングプレート１８０、カソード側セパレータープレート１５０、および、フレーム部材１４０を多孔体流路形成部材１７０から離して示している。ここでは、多孔体流路形成部材１７０の第１の面１７１において、シーリングプレート１８０と面する領域を「第１の領域１７１ＵＡ」とも呼び、第２の面１７２において、第１の面１７１の第１の領域１７１ＵＡと対向する領域を「第２の領域１７２ＵＡ」とも呼ぶ。燃料電池セル１００は、第１の面１７１の第１の領域１７１ＵＡと、第２の面１７２の第２の領域１７２ＵＡのいずれか一方が他方よりも親水性が高くなるように構成されている。本実施形態では、第２の面１７２の第２の領域１７２ＵＡが第１の面１７１の第１の領域１７１ＵＡよりも親水性が高くなるように構成されている。本明細書では、領域の親水性とは、領域内の親水性の平均値を意味する。また、親水性が高いという用語は、接触角が小さいことを意味する。このとき、比較される２つの領域の接触角のうち、一方または両方の接触角が９０°を越えていてもよい。すなわち、本明細書で使用される広義の「親水性」は、接触角が９０°を越える場合も含む。なお、狭義の「親水性」とは、接触角が９０°未満を意味する。

図７は、多孔体流路形成部材１７０の第１の領域１７１ＵＡよりも第２の領域１７２ＵＡの親水性を高くする方法の一例を示した説明図である。図７（ａ）は、シーリングプレート１８０、１８１を配置した多孔体流路形成部材１７０の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面を例示した図である。はじめに、図７（ａ）に示すように、多孔体流路形成部材１７０とシーリングプレート１８０を用意し、多孔体流路形成部材１７０の第１の面１７１の上側の端辺部１７１ＵＥに沿ってシーリングプレート１８０を配置する。本実施形態では、下側の端辺部１７１ＬＥにシーリングプレート１８１も併せて配置される。その後、図７（ｂ）に示すように、シーリングプレート１８０を配置した多孔体流路形成部材１７０の全体に親水処理をおこなう。親水処理としては、例えば、紫外線照射処理、ホーニング処理、プラズマ処理、物理的な表面粗し処理、親水剤の塗布、小突起の形成などを例示することができる。なお、親水処理の方法はこれらに限定されない。多孔体流路形成部材１７０において、シーリングプレート１８０によってマスキングされている第１の面１７１の第１の領域１７１ＵＡは親水処理がおこなわれず、第２の面１７２の第２の領域１７２ＵＡは親水処理がおこなわれる。よって、多孔体流路形成部材１７０の第１の領域よりも第２の領域１７２ＵＡの親水性を高くすることができる。

図８は、発電時における酸化剤ガス流路１３１の内部の状態を例示した説明図である。本実施形態の燃料電池セル１００は、酸化剤ガス流路１３１のうち、少なくともシーリングプレート１８０とカソード側セパレータープレート１５０とで挟まれた部分において、多孔体流路形成部材１７０の第２の面１７２が第１の面１７１よりも親水性が高くなるように構成されている。そのため、酸化剤ガス流路１３１のこの部分において、発電によって生成された水Ｗａを多孔体流路形成部材１７０の第２の面１７２に沿って流すことができる。これにより、酸化剤排ガスＧｅｘを多孔体流路形成部材１７０の第１の面１７１に沿って流通させ、酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に排出させることができる。

図９は、発電時における比較例の燃料電池セル１００Ｃの内部の状態を例示した説明図である。比較例の燃料電池セル１００Ｃは、多孔体流路形成部材１７０Ｃの構成のみが本実施形態の燃料電池セル１００と異なる。比較例の多孔体流路形成部材１７０Ｃは、親水処理をおこなっておらず、第１の面１７１Ｃと第２の面１７２Ｃの親水性がほぼ同程度となっている。比較例の燃料電池セル１００Ｃでは、少なくともシーリングプレート１８０とカソード側セパレータープレート１５０とで挟まれた部分において、水Ｗａは、多孔体流路形成部材１７０Ｃの第１の面１７１Ｃと第２の面１７２Ｃの両側を流通する。多孔体流路形成部材１７０Ｃの両側で水Ｗａが流通すると、図９に示すように、水Ｗａが酸化剤ガス流路１３１を塞ぐ場合がある。酸化剤ガス流路１３１が水Ｗａで塞がれると酸化剤排ガスＧｅｘを酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に排出するときの圧力損失が増加し発電性能が低下する。

図１０は、本実施形態の燃料電池セル１００と比較例の燃料電池セル１００Ｃの酸化剤排ガスの圧力損失を比較した図である。エアストイキ比を２．０、電流密度を１．５Ａ／ｃｍ^２、カソード入口ガス温度を２０℃として、それぞれの燃料電池セルの圧力損失の比較をおこなった。その結果、比較例の燃料電池セル１００Ｃの圧力損失は４．０ｋＰａであるのに対して、本実施形態の燃料電池セル１００では圧力損失は３．５ｋＰａとなった。このことから、本実施形態の構成によって、酸化剤ガス流路１３１における酸化剤排ガスＧｅｘの圧力損失が低減されることがわかる。

以上説明した、第１実施形態に係る燃料電池１０によれば、多孔体流路形成部材１７０の内部を経由して排出される酸化剤排ガスＧｅｘの圧力損失の増加を抑制することができる。具体的には、多孔体流路形成部材１７０のうち、シーリングプレート１８０とカソード側セパレータープレート１５０とで挟まれた部分において、発電によって生成された水Ｗａを多孔体流路形成部材１７０の第１の面１７１と第２の面１７２のうちの相対的に親水性の高いいずれが一方の側に沿って流すことができ、他方の側において酸化剤排ガスＧｅｘを流通させることがきる。これにより、発電によって生成された水Ｗａが多孔体流路形成部材１７０の内部を塞ぐ状態を発生しにくくし、多孔体流路形成部材１７０の内部を経由して排出される酸化剤排ガスＧｅｘの圧力損失の増加と、それにともなう発電性能の低下を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図１１は、第２実施形態の燃料電池セル１００Ｓを説明するための図である。図１１では、説明のため、シーリングプレート１８０Ｓ、カソード側セパレータープレート１５０Ｓ、および、フレーム部材１４０を多孔体流路形成部材１７０Ｓから離して示している。第２実施形態の燃料電池セル１００Ｓは、第１実施形態の燃料電池セル１００と比較すると、親水処理をおこなう部材が異なる。ここでは、シーリングプレート１８０Ｓにおいて、多孔体流路形成部材１７０Ｓと面する領域を「第３の領域１８０ＦＡ」とも呼び、カソード側セパレータープレート１５０Ｓにおいて、多孔体流路形成部材１７０Ｓを介してシーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡと対向する領域を「第４の領域１５０ＦＡ」とも呼ぶ。

第２実施形態の燃料電池セル１００Ｓは、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡと、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡのいずれか一方が他方よりも親水性が高くなるように構成されている。本実施形態では、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡがシーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡよりも親水性が高くなるように構成されている。多孔体流路形成部材１７０Ｓは、親水処理をおこなっておらず、第１の面１７１Ｓと第２の面１７２Ｓの親水性がほぼ同程度となっている。

この構成であっても、多孔体流路形成部材１７０Ｓの内部を経由して排出される酸化剤排ガスＧｅｘの圧力損失の増加を抑制することができる。具体的には、酸化剤ガス流路において、発電によって生成された水をシーリングプレート１８０Ｓとカソード側セパレータープレート１５０Ｓのうちの相対的に親水性の高いいずれが一方の側に沿って流すことができ、他方の側において酸化剤排ガスを流通させることがきる。これにより、発電によって生成された水Ｗａが流路を塞ぐ状態を発生しにくくし、この流路を経由して排出される酸化剤排ガスＧｅｘの圧力損失の増加と、それにともなう発電性能の低下を抑制することができる。

なお、多孔体流路形成部材１７０Ｓは、第１の面１７１Ｓと第２の面１７２Ｓのうち、相対的に親水性が高い面と対向している方の面を他方の面よりも親水性が高くなるように構成されていてもよい。具体的には、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡがシーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡよりも親水性が高くなるように構成されている場合には、多孔体流路形成部材１７０Ｓの第２の面１７２Ｓを、第１の面１７１Ｓよりも親水性が高くなるように構成してもよい。この場合、発電によって生成された水Ｗａは、より安定して一方の側、すなわち、カソード側セパレータープレート１５０Ｓと多孔体流路形成部材１７０Ｓの第２の面１７２Ｓとの間を流れる。よって、水Ｗａが多孔体流路形成部材１７０Ｓの内部を塞ぐ状態をより発生しにくくすることができ、より好ましい。

図１２は、第２実施形態の変形例に係る燃料電池セル１００Ｓ１、１００Ｓ２を示した図である。図１２では、シーリングプレート１８０Ｓ、および、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの先端部分のみが示され、多孔体流路形成部材１７０、フレーム部材１４０、および、アノード側セパレータープレート１６０の図示が省略されている。図１２には、上述した比較例の燃料電池セル１００Ｃ、第２実施形態の燃料電池セル１００Ｓのほか、第２実施形態の変形例１に係る燃料電池セル１００Ｓ１、および、第２実施形態の変形例２に係る燃料電池セル１００Ｓ２が示されている。

変形例１の燃料電池セル１００Ｓ１では、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡに対して、部分的に親水処理がおこなわれている。そのため、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡには、親水処理されている領域と、親水処理されていない領域の２つの領域が含まれている。シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡは、親水処理されていない。

変形例２に係る燃料電池セル１００Ｓ２では、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡ、および、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡに対して、それぞれ部分的に親水処理がおこなわれている。そのため、第３の領域１８０ＦＡ、および、第４の領域１５０ＦＡには、それぞれ親水処理されている領域と、親水処理されていない領域の２つの領域が含まれている。第４の領域１５０ＦＡに対して親水処理が施される範囲は、第３の領域１８０ＦＡに対して親水処理が施される範囲よりも広くなるように構成されている。それぞれの領域の親水性は、ほぼ同程度となっている。変形例１、２の燃料電池セル１００Ｓ１、１００Ｓ２では、多孔体流路形成部材には親水処理が施されておらず、両面の親水性がほぼ同程度となっている。ここでは、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡのうち、親水処理が施されている領域を「第５の領域１８０ＦＡＰ」とも呼ぶ。また、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡのうち、親水処理が施されている領域を「第６の領域１５０ＦＡＰ」とも呼ぶ。親水処理が施されていない領域を「未処理領域ＮＰ」とも呼ぶ。

図１３は、変形例１のカソード側セパレータープレート１５０Ｓの第６の領域１５０ＦＡＰと未処理領域ＮＰとを例示した平面図である。図１３（ａ）〜（ｆ）は、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡが示されており、紙面の上方側が酸化剤排ガス排出マニホールド３１５と面している。図１３（ａ）のように、第６の領域１５０ＦＡＰは、複数の矩形形状の領域によって構成され、各領域が矩形形状の未処理領域ＮＰと交互に配置されていてもよい。第６の領域１５０ＦＡＰは、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの上方側の端辺に接していることが好ましい。この場合、第６の領域１５０ＦＡＰに沿って流通する水Ｗａを酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に容易に排出することができる。また、図１３（ｂ）のように、第６の領域１５０ＦＡＰは、複数の曲線状の領域によって構成されていてもよい。また、図１３（ｃ）に示すように、第６の領域１５０ＦＡＰは、酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に向かうに従って幅が狭くなる略三角形状の複数の領域によって構成されていてもよい。また、反対に、図１３（ｄ）に示すように、第６の領域１５０ＦＡＰを構成する複数の領域の各々は、酸化剤排ガス排出マニホールド３１５に向かうに従って幅が広くなってもよい。また、第６の領域１５０ＦＡＰを構成する複数の領域の各々の幅と、未処理領域ＮＰの各々の幅との比率は、任意に設定可能であり、例えば、図１３（ｅ）、（ｆ）に示すように、図１３（ｃ）、（ｄ）よりも第６の領域１５０ＦＡＰを構成する複数の領域の各々の幅を相対的に広くしてもよい。なお、図１３（ａ）〜（ｆ）は、第６の領域１５０ＦＡＰの形状を例示したものであり、第６の領域１５０ＦＡＰの形状は、これらに限定されない。

変形例１、２に係る燃料電池セル１００Ｓ１、１００Ｓ２は、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡのうちの親水処理が施されている第５の領域１８０ＦＡＰの面積ＡＳと、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡのうちの親水処理が施されている第６の領域１５０ＦＡＰの面積ＡＣのいずれか一方が他方よりも大きくなるように構成されている。ここでは、その一例として、シーリングプレート１８０Ｓの第５の領域１８０ＦＡＰの面積ＡＳが、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第６の領域１５０ＦＡＰの面積ＡＣよりも大きくなる構成が示されている。

例えば、変形例１の燃料電池セル１００Ｓ１では、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡに対して部分的に親水処理が施されているが、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡには親水処理が施されていない。そのため、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第６の領域１５０ＦＡＰの面積ＡＣは０よりも大きくなるのに対して、シーリングプレート１８０Ｓの第５の領域１８０ＦＡＰの面積ＡＳは０となる。よって、面積ＡＣが面積ＡＳよりも大きくなる。変形例２の燃料電池セル１００Ｓ２では、第４の領域１５０ＦＡに対して親水処理が施される範囲が第３の領域１８０ＦＡに対して親水処理が施される範囲よりも広くなるように構成されているため、面積ＡＣが面積ＡＳよりも大きくなる。

これらの構成であっても、カソード側セパレータープレート１５０Ｓと、シーリングプレート１８０Ｓとの間に形成される流路を経由して排出される酸化剤排ガスＧｅｘの圧力損失の増加を抑制することができる。具体的には、酸化剤ガス流路において、シーリングプレート１８０Ｓとカソード側セパレータープレート１５０Ｓのうち、親水処理が施された領域の面積が大きい一方の側に沿って、主に水Ｗａを流すことができ、他方の側において、主に酸化剤排ガスＧｅｘを流通させることがきる。これにより、発電によって生成された水Ｗａが流路を塞ぐ状態を発生しにくくし、この流路を経由して排出される酸化剤排ガスＧｅｘの圧力損失の増加と、それにともなう発電性能の低下を抑制することができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態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。

Ｃ−１．変形例１：
図１４は、変形例の燃料電池セルを説明するための図である。第１実施形態では、多孔体流路形成部材１７０の第２の面１７２の第２の領域１７２ＵＡが第１の面１７１の第１の領域１７１ＵＡよりも親水性が高くなるように構成されている。しかし、図１４に示すように、第１の面１７１の第１の領域１７１ＵＡに親水処理を施し、第１の面１７１の第１の領域１７１ＵＡが第２の面１７２の第２の領域１７２ＵＡよりも親水性が高くなるように構成してもよい。この場合であっても、親水性が相対的に高い第１の面１７１の側に水Ｗａを流通させることができ、第２の面１７２の側において酸化剤排ガスＧｅｘを流通させることがきる。

Ｃ−２．変形例２：
第１実施形態では、多孔体流路形成部材１７０の第１の領域１７１ＵＡと第２の領域１７２ＵＡのいずれか一方のみに親水処理がおこなわれるものとして説明したが、親水性の程度が異なるようにして両方に親水処理が施されていてもよい。この場合であっても、これらの領域１７１ＵＡ、１７２ＵＡのうち、親水性が相対的に高い側に水Ｗａを流通させることができ、他方の側において酸化剤排ガスＧｅｘを流通させることがきる。

また、第２実施形態において、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡと、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡについても、親水性の程度が異なるようにして両方に親水処理が施されていてもよい。

Ｃ−３．変形例３：
第１実施形態では、多孔体流路形成部材１７０の第１の領域１７１ＵＡと第２の領域１７２ＵＡのいずれか一方に親水処理ものとして説明したが、いずれか一方に撥水処理をおこなうことによって、これらの領域１７１ＵＡ、１７２ＵＡの親水性の程度、すなわち、接触角の程度に差異を設けてもよい。撥水処理としては、例えば、樹脂塗工、塗装加工、鏡面仕上げなどを例示することができる。

また、第２実施形態において、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡと、カソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡとの親水性の程度の差異を撥水処理によって形成してもよい。また、第２実施形態の変形例１、２において、シーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡおよびカソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０ＦＡに対して、部分的に撥水処理をおこない、撥水処理をおこなっていない領域を第５の領域１８０ＦＡＰまたは第６の領域１５０ＦＡＰとしてもよい。

Ｃ−４．変形例４：
第１実施形態では、多孔体流路形成部材１７０の第１の領域１７１ＵＡと第２の領域１７２ＵＡのいずれか一方の全体に親水処理を施すものとして説明したが、部分的に親水処理をおこなってもよい。この場合であっても、親水処理が施された部分を介して水Ｗａが流通できるため、他方の側において酸化剤排ガスＧｅｘを流通させることがきる。この場合、親水処理を施す領域は、端辺部１７１ＵＥまたは端辺部１７２ＵＥに接していることが好ましい。なお、領域の全体に親水処理を施すことがより好ましい。この場合の方が、水Ｗａを安定して一方の側に流通させることができる。

Ｃ−５．変形例５：
第１実施形態の燃料電池セル１００の構成と、第２実施形態の燃料電池セル１００Ｓの構成は適宜組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態の多孔体流路形成部材１７０を第２実施形態の燃料電池セル１００Ｓに使用してもよい。また、第１実施形態の多孔体流路形成部材１７０の第１の領域１７１ＵＡと第２の領域１７２ＵＡを、第２実施形態の変形例２のシーリングプレート１８０Ｓの第３の領域１８０ＦＡとカソード側セパレータープレート１５０Ｓの第４の領域１５０Ｆように、部分的に親水処理をおこなってもよい。

１０…燃料電池
１００…燃料電池セル
１１０…膜電極ガス拡散層接合体
１１１…発電領域
１１２…電解質膜
１１４…カソード側触媒層
１１６…アノード側触媒層
１１８…カソード側ガス拡散層
１２０…アノード側ガス拡散層
１３１…酸化剤ガス流路
１３２…燃料ガス流路
１３４…冷媒流路
１４０…フレーム部材
１４１…発電領域窓
１４２、１５２、１６２…燃料ガス供給孔
１４３、１５３、１６３…燃料排ガス排出孔
１４４、１５４、１６４…酸化剤ガス供給孔
１４５、１５５、１６５…酸化剤排ガス排出孔
１４６、１５６、１６６…冷却水供給孔
１４７、１５７、１６７…冷却水排出孔
１５０…カソード側セパレータープレート
１６０…アノード側セパレータープレート
１７０…多孔体流路形成部材
１７１…第１の面
１７２…第２の面
１７３…端面部
１８０、１８１…シーリングプレート
２００、２１０…ターミナルプレート
２２０、２５０…絶縁プレート
２３０、２４０…エンドプレート
３１０…酸化剤ガス供給マニホールド
３１５…酸化剤排ガス排出マニホールド
３２０…燃料ガス供給マニホールド
３２５…燃料排ガス排出マニホールド
３３０…冷媒供給マニホールド
３３５…冷媒排出マニホールド

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体のカソード側に面する第１の面、および、前記第１の面の反対側の面である第２の面を含み、前記第１の面を介して前記膜電極接合体に酸化剤ガスを供給するとともに、第１の面の端辺部と第２の面の端辺部との間に形成される端面部を介して酸化剤排ガスを排出部に排出する多孔体流路形成部材と、
   前記多孔体流路形成部材の前記第１の面の前記端辺部に沿って配置されるシーリングプレートと、
   前記多孔体流路形成部材の前記第２の面に面して配置されるセパレータープレートと、を備え、
   前記多孔体流路形成部材の前記第１の面において前記シーリングプレートと面する第１の領域と、前記第２の面において前記第１の面の前記第１の領域と対向する第２の領域とは、いずれか一方が他方よりも親水性が高い、燃料電池。
2. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体のカソード側に面する第１の面、および、前記第１の面の反対側の面である第２の面を含み、前記第１の面を介して前記膜電極接合体に酸化剤ガスを供給するとともに、第１の面の端辺部と第２の面の端辺部との間に形成される端面部を介して酸化剤排ガスを排出部に排出する多孔体流路形成部材と、
   前記多孔体流路形成部材の前記第１の面の前記端辺部に沿って配置されるシーリングプレートと、
   前記多孔体流路形成部材の前記第２の面に面して配置されるセパレータープレートと、を備え、
   前記シーリングプレートの前記多孔体流路形成部材と面する第３の領域と、前記セパレータープレートにおいて前記多孔体流路形成部材を介して前記シーリングプレートの前記第３の領域と対向する第４の領域とは、いずれか一方が他方よりも親水性が高い、燃料電池。
3. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体のカソード側に面する第１の面、および、前記第１の面の反対側の面である第２の面を含み、前記第１の面を介して前記膜電極接合体に酸化剤ガスを供給するとともに、第１の面の端辺部と第２の面の端辺部との間に形成される端面部を介して酸化剤排ガスを排出部に排出する多孔体流路形成部材と、
   前記多孔体流路形成部材の前記第１の面の前記端辺部に沿って配置されるシーリングプレートと、
   前記多孔体流路形成部材の前記第２の面に面して配置されるセパレータープレートと、を備え、
   前記シーリングプレートの前記多孔体流路形成部材と面する第３の領域のうち、親水処理が施されている第５の領域の面積と、前記セパレータープレートにおいて前記多孔体流路形成部材を介して前記シーリングプレートの前記第３の領域と対向する第４の領域のうち、親水処理が施されている第６の領域の面積とは、いずれか一方が他方よりも大きい、燃料電池。
4. 燃料電池の製造方法であって、
   多孔体流路形成部材の第１の面の端辺部に沿ってシーリングプレートを配置して、前記多孔体流路形成部材と前記シーリングプレートの集合体を形成する工程と、
   前記集合体の全体に親水処理をおこなう工程と、
   前記親水処理をおこなった前記集合体に対して、前記シーリングプレートの端部が酸化剤排ガスを排出するための排出部と向き合う状態で、前記多孔体流路形成部材の前記第１の面に前記膜電極接合体を配置し、前記第１の面の反対側の面である第２の面にセパレータープレートを配置する工程と、を備える製造方法。

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