JP4092965B2 - 燃料電池の通気層、その製造方法、および該通気層をもつ燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型の燃料電池）の、通気層（セパレータのガス流路とガス流路間を隔てる部分を構成する層および／またはガス拡散層）と、その通気層の製造方法と、その通気層を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置されたアノードおよび電解質膜の他面に配置されたカソードとからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体流路を形成するセパレータとを複数重ねてセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて固定したスタックからなる。アノード、カソードは触媒層を有する。触媒層とセパレータとの間には拡散層が設けられる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
従来の燃料電池におけるアノードへの燃料ガスの供給と排出、カソードへの酸化ガスの供給と排出は、特開２００１−５７２１５に開示されているように、カーボンまたは金属のセパレータのリブ間に形成された溝のガス流路により行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池の触媒層へのガスの供給とガスの排出では、ガス流路が溝構造であるため、溝以外の部分は中実のリブとなっていてガスが流れず、発電に寄与できない。この緩和策として、従来は、セパレータと電極触媒層との間に薄いガス拡散層を設けてガス流れを一部分散しているが、触媒電極層にガスを均一に供給できないため、面積当りの発電能力を実質的に低下させている。
また、特にセパレータは、流路溝を作るため、機械加工を行ったり圧縮成形を行うため、高コストとなっている。また、カーボンクロスやカーボンペーパーの拡散層も加工費が高く、セル全体として高コストとなっている。
本発明の目的は、従来のセパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、かつ、セパレータに溝の加工または成形を施す必要がない（したがって、コストを低減できる）、燃料電池の通気層、その製造方法、および該通気層をもつ燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（イ） 通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に形成された通気層であって、該通気層は、互いに通気性が異なる複数の部分をもつ燃料電池の通気層。
（ロ） 通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に、互いに通気性が異なる複数の部分をもつ通気層を形成する、燃料電池の通気層の製造方法。
（ハ） 粒子状および／または繊維状の通気層材料をドラムに静電気を利用して所定パターンで付着させそれをセパレータ本体上に転写する、（ロ）の燃料電池の通気層の製造方法。
（ニ） セパレータ本体上に接着剤を塗布し、ついで粒子状および／または繊維状の通気層材料を所定パターンで塗布する、（ロ）の燃料電池の通気層の製造方法。
（ホ） セパレータの一部および／または拡散層として上記通気層を有する（イ）の燃料電池。
【０００５】
上記本発明の（イ）の燃料電池の通気層、（ロ）、（ハ）、（ニ）の燃料電池の通気層の製造方法、（ホ）の燃料電池では、従来セパレータのリブに相当する部分も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに相当する部分に対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。また、従来のセパレータの溝の部分にも通気層を形成するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
また、（ロ）、（ハ）、（ニ）の燃料電池の通気層の製造方法では、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池電極の製造方法および燃料電池電極の製造装置を図１〜図１１を参照して、説明する。
図中、図１、図２は燃料電池を示し、本発明の何れの実施例にも適用される。
図３〜図６は本発明の実施例１（セパレータの、従来の溝、リブ部を通気層として構成する場合）を示している。
図７〜図１０は本発明の実施例２（セパレータの、従来の溝、リブ部を通気層として構成するとともに、その上にガス拡散層も通気層として構成する場合）を示している。
図１１は、図１の燃料電池のスタックを示しており、本発明の何れの実施例にも適用される。
本発明の実施例１、２に共通するまたは類似する構成要素には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。
【０００７】
まず、本発明の実施例１、２に共通する構成要素の構成、作用を説明する。
本発明が対象とする燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図１１に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層から構成されるアノード１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層から構成されるカソード１７とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８を有するセパレータ１８とを重ねたセルから構成される。燃料電池スタック２３は、セル１９（またはセルを複数重ねたモジュール）を複数重ねたセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０（電極板）、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（テンションプレート２４）、ボルト２５にて固定したものから構成される。
触媒層１２、１５とセパレータ１８との間には拡散層１３、１６が設けられてもよい。ただし、セパレータ１８の、従来のリブ部に対応する部分（後述の、通気層１の第２の部分１ｂ）も通気性をもつので、拡散層１３、１６は設けられなくてもよい。
【０００９】
図４、図５に示すように、セパレータ１８は、通気性をもたない板状のセパレータ本体２と、セパレータ本体２上の少なくとも一部（セルの発電領域）に形成された通気層１とを有する。セパレータ本体２はカーボンプレートまたは金属プレートまたは導電性樹脂プレートからなる。通気層１は、互いに通気性が異なる複数の部分（第１の部分１ａ、第２の部分１ｂを含む。拡散層１３、１６が設けられる場合は第３の部分１ｃも含む。）をもつ。
【００１０】
セパレータ１８のうち、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８となる第１の部分１ａ（従来のセパレータでは溝となる部分）は、ガス通気性をもつ材料で埋められた、幅をもつポーラスな層とされており、燃料ガス流路２７同士を隔てる、および酸化ガス流路２８同士を隔てる、第２の部分１ｂ（従来のセパレータでは流路溝を隔てるリブの部分）も、ガス通気性をもつ材料からなる、幅をもつボーラスな層とされている。
第１の部分１ａと第２の部分１ｂは、図２、図４に示すように、セパレータ面内方向に配置されている。第１の部分１ａと第２の部分１ｂは、望ましくは、表面が面一（同一高さの面）とされている。
第１の部分１ａと第２の部分１ｂとは通気性を互いに異ならしてあり、第１の部分１ａは第２の部分１ｂより通気性が大（ガスを通しやすい）とされている。
【００１１】
触媒層１２、１４とセパレータ１８間にガス拡散層１３、１６が設けられる場合には、図８に示すように、セパレータ１８の通気層１８ｂの第１の部分１ａと第２の部分１ｂの上に、さらに、通気性をもつ層からなる第３の部分１ｃを形成して、この第３の部分１ｃを拡散層１３、１６として用いるようにする。第３の部分１ｃが設けられる場合、第３の部分１ｃは通気層１の一部を構成する。
第３の部分１ｃは、第１の部分１ａ、第２の部分１ｂに対して、セパレータ面内方向と直交する方向に配置されている。
第３の部分１ｃの通気性は、望ましくは、第１の部分１ａの通気性より小で、第２の部分１ｂの通気性より大とされている。
【００１２】
通気層１の複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃは、複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃを構成する粒子状および／または繊維状（以下、単に粒子状という）の材料の、サイズ（粒子の径、繊維の径等）および／または濃度を互いに異ならせることにより、互いに通気性を異ならせてある。材料は、導電材料であり、たとえばカーボンである。ただし、ガス流路となるポーラス層を構成する第１の部分１ａの材料は、他の部分１ｂ、１ｃの材料より導電性は低くてもよく、場合によっては絶縁材であってもよい。
たとえば、第１の部分１ａは粒径が１０〜５００μｍ程度のカーボン粒子から構成されており、第２の部分１ｂは粒径が１〜１０μｍ程度のカーボン粒子から構成されており、第３の部分１ｃは粒径が５〜１００μｍ程度の揮発性および弾力性のあるカーボン粒子から構成されている。
【００１３】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１の製造方法を説明する。
通気層材料は、カーボン粒子（粉末、繊維である場合を含む）を含む。通気層材料は、カーボン粒子に、バインダーとしての樹脂粒子（粉末、繊維である場合を含む）を混ぜたものであってもよい。通気層材料は、導電性を有するが、非磁性である。そして、非磁性である点において、コピー機のトナーと異なる。
【００１４】
本発明の燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すように、粉末状の通気層材料３を供給する通気層材料供給容器４と、供給された通気層材料３が表面に所定パターンで塗布され該塗布された通気層材料３をセパレータ本体２に転写するドラム５と、転写された通気層材料３をセパレータ本体２に定着させる定着装置６、を有する。ドラム５上への通気層材料３の塗布は、静電塗布の場合と非静電塗布の場合を含む。
ただし、本発明の燃料電池の通気層の製造装置は、図３の（ロ）に示すように、通気層材料供給容器４よりセパレータ本体送り方向上流側でセパレータ本体２に接着剤塗布ローラー８Ａにて接着剤を塗布し、接着剤が塗布されたセパレータ本体２に通気層材料供給容器４から粉末状の通気層材料３を所定パターンで直接供給、塗布し、通気層材料供給容器４よりセパレータ本体送り方向下流側で通気層材料をセパレータ本体２に定着させる装置から構成されてもよい。ここで、直接塗布とは、図３のようなドラム５を介して塗布するものでないということである。
【００１５】
ドラム５を介して塗布する場合の、燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すような静電複写方式の塗布装置であってもよいし、またはスクリーン＋スキージ方式（図３の（ロ）に示すように、スクリーン＋スキージ方式の通気層材料供給容器からドラムに所定パターンで材料を塗布し、このドラムからセパレータ本体に転写し、定着させる方式）の塗布装置であってもよい。
【００１６】
静電複写方式の場合は、燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すように、粒子状の通気層材料３を収容している通気層材料供給容器４から粒子状の通気層材料３をドラム５の表面に供給する材料供給ローラー４Ａと、ドラム５を構成する感光体ドラムと、ドラム５位置よりセパレータ本体２の送り方向下流に設けられた、定着装置を構成する定着ローラー７と、感光体ドラム５表面を帯電させる帯電ローラー８と、感光体ドラム５に投光し（光はたとえばレーザ光）所定パターン（この所定パターン部位に通電層が塗布される）以外の部分を除電する投光装置９（投光された部位が除電される）と、感光体ドラム５との間にセパレータ本体２を通しセパレータ本体２を感光体ドラム５に圧接する転写ローラー６と、を有する。
【００１７】
スクリーン＋スキージ方式の場合は、図３の（ロ）に示すように、通気層材料供給装置が、ドラム５とは別の、表面の少なくとも一部（全部である場合と一部である場合を含む）がメッシュで形成されたスクリーンドラム４１と、スクリーンドラム４１内に静止・配置された、スクリーンドラム４１内の通気層材料３を押さえつけるスキージ４２と、を有する。スクリーンドラム４１のメッシュの目は、通気層材料３の粒子の大きさに合わせてあり、粒子がスキージ４２で押された時にメッシュを通して粒子を通過させる。
【００１８】
定着ローラー７よりセパレータ本体２の送り方向上流側に位置する装置は、不活性ガス雰囲気中に配設されている。
不活性ガスは、たとえば窒素である。不活性ガス雰囲気中に配設するのは、加熱雰囲気（たとえば、定着ローラー７を加熱する場合は５０〜１５０℃に加熱する）で塗布が行われるので、カーボン粉末の発火のおそれを皆無にして、万全の安全性を期するためである。
【００１９】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１の製造方法を説明する。
本発明の燃料電池の通気層１の製造方法は、図３の（イ）または（ロ）に示すように、通気性をもたない板状のセパレータ本体２上の少なくとも一部（発電領域）に、互いに通気性が異なる複数の部分１ａ、１ｂ（、１ｃ）をもつ通気層１を形成する工程を有する。
【００２０】
図３の（イ）の静電複写方式では、通気層１を形成するに当り、カーボンを含む粒子状および／または繊維状の通気層材料３をドラム５上に所定のパターン（第１の部分１ａは流路のパターンで、第２の部分１ｂはリブのパターンでといった具合）で保持させ、ドラム５上の所定のパターンの通気層材料３をセパレータ本体２上に転写し、該転写された所定パターンの通気層材料３をセパレータ本体２に定着ローラー７にて定着させる。
さらに詳しくは、通気層材料３のドラム５上への所定パターンでの保持は、ドラム５を感光体ドラムから構成し、帯電ローラー８を感光体ドラム５に接触させて感光体ドラム５の表面を帯電させ、感光体ドラム５にパソコンデータに従ってパターンをコントロールされた光（たとえば、レーザ光）をあてて所定パターン以外の部分を除電し、感光体ドラム５に通気層材料３を供給して所定パターン部位に通気層材料３を静電気にて付着させることにより行う。
【００２１】
図３の（ロ）の直接塗布方式では、セパレータ本体の送り方向に見て、通気性材料供給装置４の上流で、セパレータ本体２上に接着剤塗布ローラー８Ａにて接着剤を塗布し、通気性材料供給装置４でセパレータ本体２上に通気性材料３を所定パターンで供給し接着剤で接着することにより、通気性材料３を所定パターンでセパレータ本体２上に塗布する。
【００２２】
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、セパレータ本体２の送り方向に複数の通気層材料供給装置を設け、通気層１の複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃの各部分を、それぞれの部分用に設けた通気層材料供給装置からそれぞれの通気層材料を供給して、塗布する。すなわち、部分１ａは部分１ａに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布し、部分１ｂは部分１ｂに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布し、部分１ｃは部分１ｃに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布する。そして、各部分１ａ、１ｂ、１ｃを塗布する通気層材料供給装置も、各部分に対して、セパレータ本体２の送り方向に複数設けられてもよい。たとえば、部分１ａを塗布する通気層材料供給装置がセパレータ本体２の送り方向に複数設けられる。
【００２３】
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、通気層１の、互いに通気性が異なる複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃを形成する方法は、通気層材料３のサイズおよび／または濃度を、複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃ間で互いに異ならせることにより、行う。
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、通気層材料３が固まって均一供給に支障を来さないようにように、粒子状通気層材料３は、通気層材料供給容器４内で、振動または流動される。
通気層材料３の、セパレータ本体２への定着は、所定の圧力と所定の熱をもって行われる。たとえば、通気層材料３が塗布されたセパレータ本体２を加熱された定着ローラー７の間を通すことにより行われる。
【００２４】
つぎに、本発明の燃料電池１０を説明する。
本発明の燃料電池１０は、図１、図４、図５、図７、図８に示すように、通気層１を有する。この通気層１は、セパレータ１８のガス流路部を構成する部分１ａと、ガス流路部同士を隔てる部分１ｂと、を有する。通気層１は、さらに、ガス拡散層となる部分１ｃを有していてもよい。これらの部分１ａ、１ｂ、１ｃの通気性の度合いは互いに異なっている。通気層１は、前述の通気層の製造方法によって製造されたものである。
【００２５】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１、通気層１の製造方法、通気層１をもつ燃料電池１０の作用を説明する。
通気層１のうち、ガス通路を隔てる部分１ｂ（従来セパレータの流路群の隣接流路間のリブに相当する部分）も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。従来の燃料電池では、セパレータのリブに対応する拡散層部分がリブで押圧されて通気性が悪化するので、セパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給が少なくなり、発電能力が低下したが、本発明では、ガス通路を隔てる部分１ｂも通気性をもつので、発電領域全域にわたってガスが供給され、発電領域全域が発電能力を発揮し、発電能力が高まる。
また、拡散層に対応する部分１ｃをさらに形成した場合は、発電領域全域の電極触媒層へのガスの供給がより一層促進され、発電領域全域が発電能力を発揮し、発電能力が高まる。
【００２６】
また、従来のセパレータの溝に相当する部分１ａにも通気層材料を塗布するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
通気層１のうち、ガス流路を形成する部分１ａは空間ではなく、ポーラス層として形成されるが、通気層材料の、サイズ、形状（たとえば、球状を複数の角をもつ形状にする等）、濃度を適宜選定することにより、流路抵抗は、従来の溝と同程度に低くすることができる。
【００２７】
また、燃料電池の通気層１の製造方法では、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【００２８】
つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、作用を説明する。
本発明の実施例１では、図１〜図６に示すように、セパレータ本体２の上に形成される通気層１は、複数のガス流路を構成する第１の部分１ａと複数のガス流路部分を隔てる第２の部分１ｂとを有している。第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、セパレータ面内方向に配置されている。第２の部分１ｂは通気性を有するが、第２の部分１ｂの通気性は第１の部分１ａの通気性より低くしてある。
【００２９】
通気層１の製造においては、図６に示すように、ステップ１００で第２の部分１ｂ（密な部分）を形成し、ついでステップ２００で第１の部分１ａ（粗な部分）を形成する。第１の部分１ａの形成と第２の部分１ｂの形成の順序は逆にしてもよい。
第１の部分１ａの形成においては、ステップ１０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ１０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ１０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ１０４で所定パターンで静電付着させる。
同様に、第２の部分１ｂの形成においては、ステップ２０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ２０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ２０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ２０４で所定パターンで静電付着させる。
そして、ステップ４００で、通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させる。ステップ１００とステップ２００との間にもステップ４００を設けてもよい。
【００３０】
本発明の実施例２では、図１、図２、図７〜図１０に示すように、セパレータ本体２の上に形成される通気層１は、複数のガス流路を構成する第１の部分１ａと複数のガス流路部分を隔てる第２の部分１ｂと、ガス拡散層として働く第３の部分１ｃを有している。
第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、セパレータ面内方向に配置されている。第３の部分１ｃは、第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂに対して、セパレータ面内方向と直交する方向に配置されている。
第２の部分１ｂは通気性を有するが、第２の部分１ｂの通気性は第１の部分１ａの通気性より低くしてある。第３の部分１ｃの通気性は第１の部分１ａの通気性より低く、第２の部分１ｂの通気性より高くしてある。
第３の部分１ｃは図９に示すように製造される。図９の製造装置には、図３の製造装置で製造された第１の部分１ａ、第２の部分１ｂが塗布形成されたセパレータ本体２が送られてきて、図９の製造装置で、第３の部分１ｃが塗布形成される。
【００３１】
実施例２の通気層１の製造においては、図１０に示すように、ステップ１００で第２の部分１ｂ（密な部分）を形成し、ついでステップ２００で第１の部分１ａ（粗な部分）を形成する。第１の部分１ａの形成と第２の部分１ｂの形成の順序は逆にしてもよい。実施例２のステップ１００は、実施例１のステップ１００と同じであり、実施例２のステップ２００は、実施例１のステップ２００と同じである。ステップ１００、ステップ２００の後にステップ４００を設けて通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させてもよい。
実施例２の通気層１の製造においては、さらに、ステップ３００で第３の部分１ｂ（中間の粗さの部分）を形成する工程が設けられる。第３の部分１ｃの形成においては、ステップ３０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ３０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ３０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ３０４で所定パターンで静電付着させる。ステップ３００の後にステップ４００を設けて通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１、２の燃料電池の通気層、請求項３〜６の燃料電池の通気層の製造方法の燃料電池、請求項７、８の燃料電池によれば、従来セパレータのリブに相当する部分も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに相当する部分に対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。また、従来のセパレータの溝の部分にも通気層を形成するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
また、請求項３〜６の燃料電池の通気層の製造方法によれば、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の通気層をもつ燃料電池（単セル）の断面図である。
【図２】図１の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池の通気層の製造方法を実施する装置の側面図であり、（イ）はドラムを介してセパレータ本体上に通気層を形成する方法を、（ロ）はセパレータ本体上に直接通気層を形成する方法を示す。
【図４】本発明の実施例１の、第１の部分と第２の部分をもつ通気層を形成したセパレータの一部の断面図である。
【図５】図４の一部の拡大断面図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池の通気層の製造方法の工程図である。
【図７】本発明の実施例２の、第１の部分と第２の部分と第３の部分をもつ通気層を形成した、セパレータおよび拡散層の一部の断面図である。
【図８】図７の一部の拡大断面図である。
【図９】本発明の実施例２の燃料電池の通気層の製造方法を実施する装置の側面図である。
【図１０】本発明の実施例２の燃料電池の通気層の製造方法の工程図である。
【図１１】本発明の燃料電池の通気層をもつ燃料電池（スタック）の側面図である。
【符号の説明】
１ 通気層
１ａ、１ｂ、１ｃ 通気層の部分
２ セパレータ本体
３ 通気層材料
４ 通気層材料供給容器
４Ａ 材料供給ローラー
５ ドラム（感光体ドラム、回転ドラム）
６ 転写ローラー
７ 定着ローラー
８ 帯電ローラー
８Ａ 接着剤塗布ローラー
９ 投光装置
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ テンションプレート
２５ ボルト
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型の燃料電池）の、通気層（セパレータのガス流路とガス流路間を隔てる部分を構成する層および／またはガス拡散層）と、その通気層の製造方法と、その通気層を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置されたアノードおよび電解質膜の他面に配置されたカソードとからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体流路を形成するセパレータとを複数重ねてセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて固定したスタックからなる。アノード、カソードは触媒層を有する。触媒層とセパレータとの間には拡散層が設けられる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
従来の燃料電池におけるアノードへの燃料ガスの供給と排出、カソードへの酸化ガスの供給と排出は、特開２００１−５７２１５に開示されているように、カーボンまたは金属のセパレータのリブ間に形成された溝のガス流路により行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池の触媒層へのガスの供給とガスの排出では、ガス流路が溝構造であるため、溝以外の部分は中実のリブとなっていてガスが流れず、発電に寄与できない。この緩和策として、従来は、セパレータと電極触媒層との間に薄いガス拡散層を設けてガス流れを一部分散しているが、触媒電極層にガスを均一に供給できないため、面積当りの発電能力を実質的に低下させている。
また、特にセパレータは、流路溝を作るため、機械加工を行ったり圧縮成形を行うため、高コストとなっている。また、カーボンクロスやカーボンペーパーの拡散層も加工費が高く、セル全体として高コストとなっている。
本発明の目的は、従来のセパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、かつ、セパレータに溝の加工または成形を施す必要がない（したがって、コストを低減できる）、燃料電池の通気層、その製造方法、および該通気層をもつ燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（イ） 通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に形成された通気層であって、該通気層は、互いに通気性が異なる複数の部分をもつ燃料電池の通気層。
（ロ） 通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に、互いに通気性が異なる複数の部分をもつ通気層を形成する、燃料電池の通気層の製造方法。
（ハ） 粒子状および／または繊維状の通気層材料をドラムに静電気を利用して所定パターンで付着させそれをセパレータ本体上に転写する、（ロ）の燃料電池の通気層の製造方法。
（ニ） セパレータ本体上に接着剤を塗布し、ついで粒子状および／または繊維状の通気層材料を所定パターンで塗布する、（ロ）の燃料電池の通気層の製造方法。
（ホ） セパレータの一部および／または拡散層として上記通気層を有する（イ）の燃料電池。
【０００５】
上記本発明の（イ）の燃料電池の通気層、（ロ）、（ハ）、（ニ）の燃料電池の通気層の製造方法、（ホ）の燃料電池では、従来セパレータのリブに相当する部分も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに相当する部分に対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。また、従来のセパレータの溝の部分にも通気層を形成するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
また、（ロ）、（ハ）、（ニ）の燃料電池の通気層の製造方法では、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池電極の製造方法および燃料電池電極の製造装置を図１〜図１１を参照して、説明する。
図中、図１、図２は燃料電池を示し、本発明の何れの実施例にも適用される。
図３〜図６は本発明の実施例１（セパレータの、従来の溝、リブ部を通気層として構成する場合）を示している。
図７〜図１０は本発明の実施例２（セパレータの、従来の溝、リブ部を通気層として構成するとともに、その上にガス拡散層も通気層として構成する場合）を示している。
図１１は、図１の燃料電池のスタックを示しており、本発明の何れの実施例にも適用される。
本発明の実施例１、２に共通するまたは類似する構成要素には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。
【０００７】
まず、本発明の実施例１、２に共通する構成要素の構成、作用を説明する。
本発明が対象とする燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図１１に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層から構成されるアノード１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層から構成されるカソード１７とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８を有するセパレータ１８とを重ねたセルから構成される。燃料電池スタック２３は、セル１９（またはセルを複数重ねたモジュール）を複数重ねたセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０（電極板）、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（テンションプレート２４）、ボルト２５にて固定したものから構成される。
触媒層１２、１５とセパレータ１８との間には拡散層１３、１６が設けられてもよい。ただし、セパレータ１８の、従来のリブ部に対応する部分（後述の、通気層１の第２の部分１ｂ）も通気性をもつので、拡散層１３、１６は設けられなくてもよい。
【０００９】
図４、図５に示すように、セパレータ１８は、通気性をもたない板状のセパレータ本体２と、セパレータ本体２上の少なくとも一部（セルの発電領域）に形成された通気層１とを有する。セパレータ本体２はカーボンプレートまたは金属プレートまたは導電性樹脂プレートからなる。通気層１は、互いに通気性が異なる複数の部分（第１の部分１ａ、第２の部分１ｂを含む。拡散層１３、１６が設けられる場合は第３の部分１ｃも含む。）をもつ。
【００１０】
セパレータ１８のうち、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８となる第１の部分１ａ（従来のセパレータでは溝となる部分）は、ガス通気性をもつ材料で埋められた、幅をもつポーラスな層とされており、燃料ガス流路２７同士を隔てる、および酸化ガス流路２８同士を隔てる、第２の部分１ｂ（従来のセパレータでは流路溝を隔てるリブの部分）も、ガス通気性をもつ材料からなる、幅をもつボーラスな層とされている。
第１の部分１ａと第２の部分１ｂは、図２、図４に示すように、セパレータ面内方向に配置されている。第１の部分１ａと第２の部分１ｂは、望ましくは、表面が面一（同一高さの面）とされている。
第１の部分１ａと第２の部分１ｂとは通気性を互いに異ならしてあり、第１の部分１ａは第２の部分１ｂより通気性が大（ガスを通しやすい）とされている。
【００１１】
触媒層１２、１４とセパレータ１８間にガス拡散層１３、１６が設けられる場合には、図８に示すように、セパレータ１８の通気層１８ｂの第１の部分１ａと第２の部分１ｂの上に、さらに、通気性をもつ層からなる第３の部分１ｃを形成して、この第３の部分１ｃを拡散層１３、１６として用いるようにする。第３の部分１ｃが設けられる場合、第３の部分１ｃは通気層１の一部を構成する。
第３の部分１ｃは、第１の部分１ａ、第２の部分１ｂに対して、セパレータ面内方向と直交する方向に配置されている。
第３の部分１ｃの通気性は、望ましくは、第１の部分１ａの通気性より小で、第２の部分１ｂの通気性より大とされている。
【００１２】
通気層１の複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃは、複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃを構成する粒子状および／または繊維状（以下、単に粒子状という）の材料の、サイズ（粒子の径、繊維の径等）および／または濃度を互いに異ならせることにより、互いに通気性を異ならせてある。材料は、導電材料であり、たとえばカーボンである。ただし、ガス流路となるポーラス層を構成する第１の部分１ａの材料は、他の部分１ｂ、１ｃの材料より導電性は低くてもよく、場合によっては絶縁材であってもよい。
たとえば、第１の部分１ａは粒径が１０〜５００μｍ程度のカーボン粒子から構成されており、第２の部分１ｂは粒径が１〜１０μｍ程度のカーボン粒子から構成されており、第３の部分１ｃは粒径が５〜１００μｍ程度の揮発性および弾力性のあるカーボン粒子から構成されている。
【００１３】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１の製造方法を説明する。
通気層材料は、カーボン粒子（粉末、繊維である場合を含む）を含む。通気層材料は、カーボン粒子に、バインダーとしての樹脂粒子（粉末、繊維である場合を含む）を混ぜたものであってもよい。通気層材料は、導電性を有するが、非磁性である。そして、非磁性である点において、コピー機のトナーと異なる。
【００１４】
本発明の燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すように、粉末状の通気層材料３を供給する通気層材料供給容器４と、供給された通気層材料３が表面に所定パターンで塗布され該塗布された通気層材料３をセパレータ本体２に転写するドラム５と、転写された通気層材料３をセパレータ本体２に定着させる定着装置６、を有する。ドラム５上への通気層材料３の塗布は、静電塗布の場合と非静電塗布の場合を含む。
ただし、本発明の燃料電池の通気層の製造装置は、図３の（ロ）に示すように、通気層材料供給容器４よりセパレータ本体送り方向上流側でセパレータ本体２に接着剤塗布ローラー８Ａにて接着剤を塗布し、接着剤が塗布されたセパレータ本体２に通気層材料供給容器４から粉末状の通気層材料３を所定パターンで直接供給、塗布し、通気層材料供給容器４よりセパレータ本体送り方向下流側で通気層材料をセパレータ本体２に定着させる装置から構成されてもよい。ここで、直接塗布とは、図３のようなドラム５を介して塗布するものでないということである。
【００１５】
ドラム５を介して塗布する場合の、燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すような静電複写方式の塗布装置であってもよいし、またはスクリーン＋スキージ方式（図３の（ロ）に示すように、スクリーン＋スキージ方式の通気層材料供給容器からドラムに所定パターンで材料を塗布し、このドラムからセパレータ本体に転写し、定着させる方式）の塗布装置であってもよい。
【００１６】
静電複写方式の場合は、燃料電池の通気層１の製造装置は、図３の（イ）に示すように、粒子状の通気層材料３を収容している通気層材料供給容器４から粒子状の通気層材料３をドラム５の表面に供給する材料供給ローラー４Ａと、ドラム５を構成する感光体ドラムと、ドラム５位置よりセパレータ本体２の送り方向下流に設けられた、定着装置を構成する定着ローラー７と、感光体ドラム５表面を帯電させる帯電ローラー８と、感光体ドラム５に投光し（光はたとえばレーザ光）所定パターン（この所定パターン部位に通電層が塗布される）以外の部分を除電する投光装置９（投光された部位が除電される）と、感光体ドラム５との間にセパレータ本体２を通しセパレータ本体２を感光体ドラム５に圧接する転写ローラー６と、を有する。
【００１７】
スクリーン＋スキージ方式の場合は、図３の（ロ）に示すように、通気層材料供給装置が、ドラム５とは別の、表面の少なくとも一部（全部である場合と一部である場合を含む）がメッシュで形成されたスクリーンドラム４１と、スクリーンドラム４１内に静止・配置された、スクリーンドラム４１内の通気層材料３を押さえつけるスキージ４２と、を有する。スクリーンドラム４１のメッシュの目は、通気層材料３の粒子の大きさに合わせてあり、粒子がスキージ４２で押された時にメッシュを通して粒子を通過させる。
【００１８】
定着ローラー７よりセパレータ本体２の送り方向上流側に位置する装置は、不活性ガス雰囲気中に配設されている。
不活性ガスは、たとえば窒素である。不活性ガス雰囲気中に配設するのは、加熱雰囲気（たとえば、定着ローラー７を加熱する場合は５０〜１５０℃に加熱する）で塗布が行われるので、カーボン粉末の発火のおそれを皆無にして、万全の安全性を期するためである。
【００１９】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１の製造方法を説明する。
本発明の燃料電池の通気層１の製造方法は、図３の（イ）または（ロ）に示すように、通気性をもたない板状のセパレータ本体２上の少なくとも一部（発電領域）に、互いに通気性が異なる複数の部分１ａ、１ｂ（、１ｃ）をもつ通気層１を形成する工程を有する。
【００２０】
図３の（イ）の静電複写方式では、通気層１を形成するに当り、カーボンを含む粒子状および／または繊維状の通気層材料３をドラム５上に所定のパターン（第１の部分１ａは流路のパターンで、第２の部分１ｂはリブのパターンでといった具合）で保持させ、ドラム５上の所定のパターンの通気層材料３をセパレータ本体２上に転写し、該転写された所定パターンの通気層材料３をセパレータ本体２に定着ローラー７にて定着させる。
さらに詳しくは、通気層材料３のドラム５上への所定パターンでの保持は、ドラム５を感光体ドラムから構成し、帯電ローラー８を感光体ドラム５に接触させて感光体ドラム５の表面を帯電させ、感光体ドラム５にパソコンデータに従ってパターンをコントロールされた光（たとえば、レーザ光）をあてて所定パターン以外の部分を除電し、感光体ドラム５に通気層材料３を供給して所定パターン部位に通気層材料３を静電気にて付着させることにより行う。
【００２１】
図３の（ロ）の直接塗布方式では、セパレータ本体の送り方向に見て、通気性材料供給装置４の上流で、セパレータ本体２上に接着剤塗布ローラー８Ａにて接着剤を塗布し、通気性材料供給装置４でセパレータ本体２上に通気性材料３を所定パターンで供給し接着剤で接着することにより、通気性材料３を所定パターンでセパレータ本体２上に塗布する。
【００２２】
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、セパレータ本体２の送り方向に複数の通気層材料供給装置を設け、通気層１の複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃの各部分を、それぞれの部分用に設けた通気層材料供給装置からそれぞれの通気層材料を供給して、塗布する。すなわち、部分１ａは部分１ａに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布し、部分１ｂは部分１ｂに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布し、部分１ｃは部分１ｃに材料を供給する通気層材料供給装置により塗布する。そして、各部分１ａ、１ｂ、１ｃを塗布する通気層材料供給装置も、各部分に対して、セパレータ本体２の送り方向に複数設けられてもよい。たとえば、部分１ａを塗布する通気層材料供給装置がセパレータ本体２の送り方向に複数設けられる。
【００２３】
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、通気層１の、互いに通気性が異なる複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃを形成する方法は、通気層材料３のサイズおよび／または濃度を、複数の部分１ａ、１ｂ、１ｃ間で互いに異ならせることにより、行う。
図３の（イ）のドラム５を介しての塗布の場合も、図３の（ロ）の直接塗布の場合も、通気層材料３が固まって均一供給に支障を来さないようにように、粒子状通気層材料３は、通気層材料供給容器４内で、振動または流動される。
通気層材料３の、セパレータ本体２への定着は、所定の圧力と所定の熱をもって行われる。たとえば、通気層材料３が塗布されたセパレータ本体２を加熱された定着ローラー７の間を通すことにより行われる。
【００２４】
つぎに、本発明の燃料電池１０を説明する。
本発明の燃料電池１０は、図１、図４、図５、図７、図８に示すように、通気層１を有する。この通気層１は、セパレータ１８のガス流路部を構成する部分１ａと、ガス流路部同士を隔てる部分１ｂと、を有する。通気層１は、さらに、ガス拡散層となる部分１ｃを有していてもよい。これらの部分１ａ、１ｂ、１ｃの通気性の度合いは互いに異なっている。通気層１は、前述の通気層の製造方法によって製造されたものである。
【００２５】
つぎに、本発明の燃料電池の通気層１、通気層１の製造方法、通気層１をもつ燃料電池１０の作用を説明する。
通気層１のうち、ガス通路を隔てる部分１ｂ（従来セパレータの流路群の隣接流路間のリブに相当する部分）も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。従来の燃料電池では、セパレータのリブに対応する拡散層部分がリブで押圧されて通気性が悪化するので、セパレータのリブに対応する電極触媒層部分へのガスの供給が少なくなり、発電能力が低下したが、本発明では、ガス通路を隔てる部分１ｂも通気性をもつので、発電領域全域にわたってガスが供給され、発電領域全域が発電能力を発揮し、発電能力が高まる。
また、拡散層に対応する部分１ｃをさらに形成した場合は、発電領域全域の電極触媒層へのガスの供給がより一層促進され、発電領域全域が発電能力を発揮し、発電能力が高まる。
【００２６】
また、従来のセパレータの溝に相当する部分１ａにも通気層材料を塗布するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
通気層１のうち、ガス流路を形成する部分１ａは空間ではなく、ポーラス層として形成されるが、通気層材料の、サイズ、形状（たとえば、球状を複数の角をもつ形状にする等）、濃度を適宜選定することにより、流路抵抗は、従来の溝と同程度に低くすることができる。
【００２７】
また、燃料電池の通気層１の製造方法では、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【００２８】
つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、作用を説明する。
本発明の実施例１では、図１〜図６に示すように、セパレータ本体２の上に形成される通気層１は、複数のガス流路を構成する第１の部分１ａと複数のガス流路部分を隔てる第２の部分１ｂとを有している。第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、セパレータ面内方向に配置されている。第２の部分１ｂは通気性を有するが、第２の部分１ｂの通気性は第１の部分１ａの通気性より低くしてある。
【００２９】
通気層１の製造においては、図６に示すように、ステップ１００で第２の部分１ｂ（密な部分）を形成し、ついでステップ２００で第１の部分１ａ（粗な部分）を形成する。第１の部分１ａの形成と第２の部分１ｂの形成の順序は逆にしてもよい。
第１の部分１ａの形成においては、ステップ１０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ１０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ１０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ１０４で所定パターンで静電付着させる。
同様に、第２の部分１ｂの形成においては、ステップ２０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ２０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ２０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ２０４で所定パターンで静電付着させる。
そして、ステップ４００で、通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させる。ステップ１００とステップ２００との間にもステップ４００を設けてもよい。
【００３０】
本発明の実施例２では、図１、図２、図７〜図１０に示すように、セパレータ本体２の上に形成される通気層１は、複数のガス流路を構成する第１の部分１ａと複数のガス流路部分を隔てる第２の部分１ｂと、ガス拡散層として働く第３の部分１ｃを有している。
第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、セパレータ面内方向に配置されている。第３の部分１ｃは、第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂに対して、セパレータ面内方向と直交する方向に配置されている。
第２の部分１ｂは通気性を有するが、第２の部分１ｂの通気性は第１の部分１ａの通気性より低くしてある。第３の部分１ｃの通気性は第１の部分１ａの通気性より低く、第２の部分１ｂの通気性より高くしてある。
第３の部分１ｃは図９に示すように製造される。図９の製造装置には、図３の製造装置で製造された第１の部分１ａ、第２の部分１ｂが塗布形成されたセパレータ本体２が送られてきて、図９の製造装置で、第３の部分１ｃが塗布形成される。
【００３１】
実施例２の通気層１の製造においては、図１０に示すように、ステップ１００で第２の部分１ｂ（密な部分）を形成し、ついでステップ２００で第１の部分１ａ（粗な部分）を形成する。第１の部分１ａの形成と第２の部分１ｂの形成の順序は逆にしてもよい。実施例２のステップ１００は、実施例１のステップ１００と同じであり、実施例２のステップ２００は、実施例１のステップ２００と同じである。ステップ１００、ステップ２００の後にステップ４００を設けて通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させてもよい。
実施例２の通気層１の製造においては、さらに、ステップ３００で第３の部分１ｂ（中間の粗さの部分）を形成する工程が設けられる。第３の部分１ｃの形成においては、ステップ３０１で粉末容器（通気層材料供給容器）４から粉末（通気層材料）３を供給し、ステップ３０２でローラー４Ａにてドラム５上に供給し、ステップ３０３で所定パターンで帯電させた感光体ドラム５に、ステップ３０４で所定パターンで静電付着させる。ステップ３００の後にステップ４００を設けて通気層材料３をセパレータ本体２に加熱圧着または加熱融着させる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１、２の燃料電池の通気層、請求項３〜６の燃料電池の通気層の製造方法の燃料電池、請求項７、８の燃料電池によれば、従来セパレータのリブに相当する部分も通気性をもつので、従来のセパレータのリブに相当する部分に対応する電極触媒層部分へのガスの供給を増加させることができ、発電能力を高めることができる。また、従来のセパレータの溝の部分にも通気層を形成するので、溝の形成が不要となり、製造コストを低減できる。
また、請求項３〜６の燃料電池の通気層の製造方法によれば、ドライ状態で製造することが可能であるため、溶剤乾燥等の余分な工程を除去することができ、コスト低減、作業環境の改善をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の通気層をもつ燃料電池（単セル）の断面図である。
【図２】図１の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池の通気層の製造方法を実施する装置の側面図であり、（イ）はドラムを介してセパレータ本体上に通気層を形成する方法を、（ロ）はセパレータ本体上に直接通気層を形成する方法を示す。
【図４】本発明の実施例１の、第１の部分と第２の部分をもつ通気層を形成したセパレータの一部の断面図である。
【図５】図４の一部の拡大断面図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池の通気層の製造方法の工程図である。
【図７】本発明の実施例２の、第１の部分と第２の部分と第３の部分をもつ通気層を形成した、セパレータおよび拡散層の一部の断面図である。
【図８】図７の一部の拡大断面図である。
【図９】本発明の実施例２の燃料電池の通気層の製造方法を実施する装置の側面図である。
【図１０】本発明の実施例２の燃料電池の通気層の製造方法の工程図である。
【図１１】本発明の燃料電池の通気層をもつ燃料電池（スタック）の側面図である。
【符号の説明】
１ 通気層
１ａ、１ｂ、１ｃ 通気層の部分
２ セパレータ本体
３ 通気層材料
４ 通気層材料供給容器
４Ａ 材料供給ローラー
５ ドラム（感光体ドラム、回転ドラム）
６ 転写ローラー
７ 定着ローラー
８ 帯電ローラー
８Ａ 接着剤塗布ローラー
９ 投光装置
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ テンションプレート
２５ ボルト
Claims (8)
- 通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に形成された通気層であって、該通気層は、前記セパレータ本体を含まないセパレータの一部を構成し、該通気層は、ポーラス層として形成された複数のガス流路を構成する第１の部分と該複数のガス流路部分を隔てる通気性をもつ第２の部分とを含む互いに通気性が異なる複数の部分をもち、
前記通気層の前記複数の部分は、該複数の部分を構成する粒子状および／または繊維状の材料の、サイズおよび／または濃度を互いに異ならせることにより、互いに通気性を異ならせてある燃料電池の通気層。 - 前記通気層が、前記第１の部分と第２の部分の上に形成された、拡散層として働く第３の部分をさらに含む請求項１記載の燃料電池の通気層。
- 通気性をもたない板状のセパレータ本体上の少なくとも一部に、複数のガス流路を構成する第１の部分と該複数のガス流路部分を隔てる第２の部分とを含む互いに通気性が異なる複数の部分をもつ通気層を形成し、
該通気層を形成するに当り、前記通気層を粒子状および／または繊維状の通気層材料から構成し、該粒子状および／または繊維状の通気層材料のサイズおよび／または濃度を、前記複数の部分間で互いに異ならせることにより、前記通気層の前記互いに通気性が異なる複数の部分を形成する、燃料電池の通気層の製造方法。 - 前記通気層を形成するに当り、通気層材料供給容器内で振動または流動されて供給されるカーボンを含む粒子状および／または繊維状の通気層材料を静電気力にてドラム上に所定のパターンで保持させ、該ドラム上の所定のパターンの通気層材料をセパレータ本体上に転写し、セパレータ本体を加熱された定着ローラに通し、該転写された所定パターンの通気層材料をセパレータ本体に定着させる請求項３記載の燃料電池の通気層の製造方法。
- 前記通気層材料の前記ドラム上への所定パターンでの保持は、前記ドラムを感光体ドラムから構成し、帯電ローラーを前記感光体ドラムに接触させて該感光体ドラムの表面を帯電させ、前記感光体ドラムに光をあてて所定パターン以外の部分を除電し、該感光体ドラムに前記通気層材料を供給して所定パターン部位に通気層材料を静電気にて付着させることにより行う請求項４記載の燃料電池の通気層の製造方法。
- 前記セパレータ本体の送り方向に、通気層材料供給装置の上流で、前記セパレータ本体上に接着剤を塗布し、前記通気層材料供給装置の通気層材料供給容器内で通気層材料を振動または流動させ前記セパレータ本体上に通気層材料を所定パターンで供給し前記接着剤で接着することにより、通気層材料を所定パターンで前記セパレータ本体上に塗布する請求項３記載の燃料電池の通気層の製造方法。
- セパレータの一部として前記通気層を有する請求項１記載の燃料電池。
- セパレータの一部および拡散層として前記通気層を有する請求項２記載の燃料電池。
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