(57)【要約】【課題】ガス流路における排水性に優れ、良好な発電性能を得ることが可能な燃料電池および拡散層の表面処理方法を提供する。【解決手段】電解質膜２３と、この電解質膜２３の両面に配置された一対の触媒層２５と、触媒層２５の電解質膜２３との接面と反対の面に接する一対の拡散層２６とを有するＭＥＡ２２を備えると共に、拡散層２６の表面に反応ガスを流すガス流路４１が形成されたセパレータ２１を有する燃料電池において、少なくともガス流路４１に面する拡散層２６の表面に、導電ペーストを塗布した後に平滑な周面を有するローラを反応ガスの流れに沿って押し付けながら転がすことにより、平滑化処理を施す。【選択図】図１
2008066139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と該電解質膜の両面に配置された一対の触媒層と該触媒層の前記電解質膜との接面と反対の面に接する一対の拡散層とを有する膜−電極接合体と、前記拡散層の表面に反応ガスを流すガス流路と、備えてなる燃料電池であって、
少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の表面に、平滑化処理が施されている燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記反応ガスの流れに応じて部分的に異なる平滑化処理が施されている燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池であって、
少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の基材繊維が、前記反応ガスの流れの方向に向かって配向されている燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池であって、
少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の表面に、前記反応ガスの流れに沿う溝部が形成されている燃料電池。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池であって、
少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の表面に、前記反応ガスの流れに沿う突条が形成されている燃料電池。
【請求項６】
電解質膜と該電解質膜の両面に配置された一対の触媒層と該触媒層の前記電解質膜との接面と反対の面に接する一対の拡散層とを有する膜−電極接合体と、前記拡散層の表面に反応ガスを流すガス流路と、備えてなる燃料電池における拡散層の表面処理方法であって、
少なくとも前記ガス流路に面することとなる拡散層基材の表面に導電ペーストを塗布し、その後、平滑な周面を有するローラを、前記反応ガスの流れる方向に向かって転動させる拡散層の表面処理方法。
【請求項７】
請求項６に記載の拡散層の表面処理方法であって、
周方向に沿う成形リブが形成された前記ローラを、前記反応ガスの流れる方向に向かって転動させる拡散層の表面処理方法。
【請求項８】
請求項６に記載の拡散層の表面処理方法であって、
前記ローラの転動後に、印刷ヘッドのノズルから導電ペーストを吐出して前記拡散層の表面に前記反応ガスの流れる方向に沿う突条を印刷して形成する拡散層の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両面に一対の電極が配置されてなる膜−電極接合体を有する燃料電池および拡散層の表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。
【０００３】
このような燃料電池では、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックが用いられることになるが、セルの構造は、電解質膜及びその両側に配置された一対の電極とを有する膜−電極接合体であるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、このＭＥＡの両側に配置される一対のセパレータとで構成される。そして、セルは、各セパレータに形成されたガス流路を介して酸化ガス又は燃料ガスが各電極に供給されることで発電するようになっている。
【０００４】
ところで、燃料電池の性能を向上させるには、拡散層における保水力を高めて電解質膜の乾燥を抑制することが有効であるが、ガス流路における水はけが良くないと、生成された水が拡散層を覆ってしまい、ガスの拡散が抑制され、性能の低下を招いてしまう。このため、拡散層を形成する基材繊維の方向を、ガスの流れに沿わせることにより、排水性を高める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１８５９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、拡散層を形成するカーボンクロス、フェルトあるいはカーボンペーパー等の拡散層基材は、その表面の繊維が毛羽立っているため、繊維の方向をガスの流れに沿わせたとしても、排水性の向上には限度があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ガス流路における排水性に優れ、良好な発電性能を得ることが可能な燃料電池および拡散層の表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と該電解質膜の両面に配置された一対の触媒層と該触媒層の前記電解質膜との接面と反対の面に接する一対の拡散層とを有する膜−電極接合体と、前記拡散層の表面に反応ガスを流すガス流路と、備えてなる燃料電池であって、少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の表面に、平滑化処理が施されている。
【０００８】
この構成によれば、ガス流路における反応ガスの流通の促進を図ることができ、また、拡散層の基材繊維の毛羽による反応ガスの流れの阻害も抑制することができる。これにより、ガス流路内での排水性の向上を図ることができ、生成水を円滑に排出させて発電効率を高めることができる。
【０００９】
この平滑化処理は、反応ガスの流れに応じて部分的に異なるように施されていてもよい。例えば、単なるプレスとは異なる平滑化処理として、少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の基材繊維が、前記反応ガスの流れの方向に向かって配向されていても良い。
【００１０】
この構成によれば、基材繊維の毛羽による反応ガスの流れの阻害が抑制され、排水性のさらなる向上を図ることができる。
【００１１】
さらに、少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の表面に、前記反応ガスの流れに沿う溝部が形成されていても良い。
【００１２】
この構成によれば、溝部によって反応ガスの流通のさらなる促進が図られる。
【００１３】
また、少なくとも前記ガス流路に面する前記拡散層の表面に、前記反応ガスの流れに沿う突条が形成されていても良い。
【００１４】
この構成によれば、突条によって反応ガスの流通のさらなる促進が図られる。
【００１５】
本発明の拡散層の表面処理方法は、電解質膜と該電解質膜の両面に配置された一対の触媒層と該触媒層の前記電解質膜との接面と反対の面に接する一対の拡散層とを有する膜−電極接合体と、前記拡散層の表面に反応ガスを流すガス流路と、備えてなる燃料電池における拡散層の表面処理方法であって、少なくとも前記ガス流路に面することとなる拡散層基材の表面に導電ペーストを塗布し、その後、平滑な周面を有するローラを、前記反応ガスの流れる方向に向かって転動させる。
【００１６】
この構成によれば、拡散層の表面をローラによって容易に平滑化させることができるとともに、反応ガスの流れに向かって拡散層の基材繊維を配向させることができる。
【００１７】
また、周方向に沿う成形リブが形成された前記ローラを、前記反応ガスの流れる方向に向かって転動させても良い。
【００１８】
この構成背によれば、拡散層の表面に反応ガスの流れを案内する溝部を容易に形成することができる。
【００１９】
さらに、前記ローラの転動後に、印刷ヘッドのノズルから導電ペーストを吐出して前記拡散層の表面に前記反応ガスの流れる方向に沿う突条を印刷して形成しても良い。
【００２０】
この構成によれば、拡散層の表面に、反応ガスの流れを案内する突条を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池および拡散層の表面処理方法によれば、ガス流路における排水性を向上させ、良好な発電性能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明に係る燃料電池および拡散層の表面処理方法の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する単一のセル（燃料電池）を示すものであり、このセルは、図示は略すが、厚さ方向に所要数積層され燃料電池スタックとされて使用されるものである。
【００２３】
なお、この燃料電池スタックは、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。
【００２４】
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、セル１１は、水素ガス、空気、冷却水の流路溝を有するセパレータ２１と、一対のセパレータ２１で挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２２とから構成されている。ＭＥＡ２２は、電解質膜２３及びその両面に配置した一対の電極２４からなる膜−電極接合体であり、電極２４は、電解質膜２３側から触媒層２５及び拡散層２６を積層した構造とされている。
【００２５】
つまり、燃料電池スタックを構成するセル１１は、電解質膜２３と、この電解質膜２３の両面に配置された一対の触媒層２５と、これら触媒層２５の電界質膜２３との接面と反対の面に接する一対の拡散層２６とを有するＭＥＡ２２と、このＭＥＡ２２を仕切るセパレータ２１とから構成されている。
【００２６】
図２にも示すように、セル１１の一端近傍には、酸化ガス入口マニホールド３１、燃料ガス入口マニホールド３２及び冷却水入口マニホールド３３が形成されている。また、セル１１の他端近傍には、酸化ガス出口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３５及び冷却水出口マニホールド３６が形成されている。
【００２７】
セル１１には、ＭＥＡ２２を介した両面側に、ＭＥＡ２２とセパレータ２１とによって区画されたガス流路４１が形成されている。このガス流路４１は、平面視にて、一端側から他端側へ向かって複数箇所にて屈曲する蛇行流路（サーペンタイン流路）とされている。また、セパレータ２１には、ガス流路４１を、複数の細径流路４２に分割する複数のリブ４３が等間隔に形成されている。
【００２８】
ＭＥＡ２２の一方側の面のガス流路４１は、その両端が酸化ガス入口マニホールド３１及び酸化ガス出口マニホールド３４に接続され、ＭＥＡ２２の他方側の面のガス流路４１は、その両端が燃料ガス入口マニホールド３２及び燃料ガス出口マニホールド３５に接続されている。また、セパレータ２１には、冷却水入口マニホールド３３及び冷却水出口マニホールド３６に連通された冷却水流路（図示略）が形成されている。
【００２９】
そして、上記セル１１では、酸化ガス入口マニホールド３１に酸化ガスとしての空気が送り込まれ、この酸化ガスは、ガス流路４１の細径流路４２内を流れた後、酸化ガス出口マニホールド３４から送り出される。また、燃料ガス入口マニホールド３２には、燃料ガスとしての水素が送り込まれ、この燃料ガスは、ガス流路４１の細径流路４２内を流れた後、燃料ガス出口マニホールド３５から送り出される。
【００３０】
そして、ＭＥＡ２２の両面にて、ガス流路４１の細径流路４２に酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素が流されると、水素と空気中の酸素とがＭＥＡ２２を介して電気化学反応することにより、燃料ガスが供給されるアノード側と酸化ガスが供給されるカソード側のそれぞれの電極２４間にて発電する。
【００３１】
また、冷却水入口マニホールド３３には、冷却水が送り込まれ、この冷却水は、冷却水流路内を流れた後、冷却水出口マニホールド３６から送り出され、この冷却水流路内を流れる冷却水によって各セル１１が冷却される。
【００３２】
ここで、ＭＥＡ２２の一部を構成する拡散層２６は、例えばカーボンペーパーを基材としたもので、その表面には、フッ素樹脂にカーボンブラックを混入させた導電ペーストが塗布されている。そして、この拡散層２６では、導電ペーストが塗布された基材表面において、カーボンブラックの繊維が燃料ガスあるいは酸化ガスからなる反応ガスの流れの方向に沿って配向された状態にて平滑化処理が施されている。
【００３３】
次に、この拡散層２６の表面の処理の仕方について説明する。まず、拡散層２６のカーボンペーパーからなる基材の表面に、フッ素樹脂及びカーボンブラックを溶媒に分散させた導電ペーストを、スロット・ダイによる押出成形によって塗布する。
【００３４】
次に、図３に示すように、平滑な周面を有する金属製あるいは樹脂製のローラ５１を用い、導電ペーストを塗布した拡散層２６の表面に、図４に示すように、ガス流路４１となる箇所に、その反応ガスの流れる方向へ向かってローラ５１を押し付けながら転がす。なお、拡散層２６へのローラ５１の押圧力は、拡散層２６の基材の座屈荷重より十分小さくする。
【００３５】
このようにすると、拡散層２６の表面では、ガス流路４１となる箇所にて、導電ペースト内のカーボンブラックの繊維が反応ガスの流れの方向に沿って配向された状態にて平滑化される。
【００３６】
このように、上記実施形態に係る燃料電池および拡散層の表面処理方法によれば、ガス流路４１における拡散層２６の表面に、平滑化処理が施され、また、ガス流路４１における拡散層２６の表面の繊維が、反応ガスの流れの方向に向かって配向されているので、ガス流路４１における反応ガスの流通の促進を図ることができ、また、繊維の毛羽による反応ガスの流れの阻害も抑制することができる。これにより、ガス流路４１内での排水性の向上を図ることができ、生成水を円滑に排出させて発電効率を高めることができる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池および拡散層の表面処理方法について説明する。なお、上記第１実施形態と同一構成及び同一構造部分は、同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図５及び図６に示すように、ＭＥＡ２２の拡散層２６には、その表面に、各細径流路４２毎に、溝部６１が形成されている。これら溝部６１は、そのピッチＰａが、細径流路４２を区画するセパレータ２１のリブ４３のピッチＰと略同一とされており、細径流路４２に沿って、その幅方向の中央に形成されている。
【００３９】
次に、上記の拡散層２６の表面の処理の仕方について説明する。まず、拡散層２６のカーボンペーパーからなる基材の表面に、フッ素樹脂及びカーボンブラックを溶媒に分散させた導電ペーストを、スロット・ダイによる押出成形によって塗布する。
【００４０】
次に、図７に示すように、周方向に沿う複数の成形リブ７１が軸方向に間隔をあけて形成された金属製あるいは樹脂製のローラ７２を用意する。このローラ７２の成形リブ７１は、その高さ寸法が例えば０．０５〜０．１ｍｍ、幅寸法が例えば０．１〜１ｍｍとされている。
【００４１】
そして、導電ペーストを塗布した拡散層２６の表面に、図８に示すように、ガス流路４１となる箇所に、その反応ガスの流れる方向へ向かってローラ７２を押し付けながら転がす。なお、拡散層２６へのローラ７２の押圧力は、拡散層２６の基材の座屈荷重より十分小さくする。
【００４２】
このようにすると、拡散層２６では、その表面が平滑化されるとともに、ガス流路４１となる箇所にて、各細径流路４２毎に、セパレータ２１のリブ４３のピッチＰと略同一ピッチＰｍの複数の溝部６１が形成される。
【００４３】
そして、上記第２実施形態に係る燃料電池および拡散層の表面処理方法によれば、拡散層２６に形成した溝部６１によって反応ガスの流通のさらなる促進を図ることができる。これにより、パージ時におけるガス流路４１内での排水性の向上を図ることができ、生成水を円滑に排出させて発電効率を高めることができる。
【００４４】
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池および拡散層の表面処理方法について説明する。なお、上記第１実施形態と同一構成及び同一構造部分は、同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図９及び図１０に示すように、ＭＥＡ２２の拡散層２６には、その表面に、各細径流路４２毎に、突条８１が形成されている。これら突条８１は、そのピッチＰｂが、細径流路４２を区画するセパレータ２１のリブ４３のピッチＰと略同一とされており、細径流路４２に沿って、その幅方向の中央に形成されている。
【００４６】
次に、上記の拡散層２６の表面の処理の仕方について説明する。まず、拡散層２６のカーボンペーパーからなる基材の表面に、フッ素樹脂及びカーボンブラックを溶媒に分散させた導電ペーストを、スロット・ダイによる押出成形によって塗布し、前述したローラ５１によって平滑化処理を施す。
【００４７】
次に、図１１に示すように、軸９１に往復移動可能に支持された印刷ヘッド９２を備えたインクジェットプリンタ９３を用意する。そして、このインクジェットプリンタ９３によって導電ペーストを塗布した拡散層２６の表面に、高さ寸法が例えば０．０５〜０．１ｍｍ、幅寸法が例えば０．１〜１ｍｍとされ、軸方向のピッチＰｂが、セパレータ２１のリブ４３のピッチＰと略同一である突条８１を、印刷ヘッド９２の吐出ノズルから導電ペーストを吐出させて印刷することにより形成する。
【００４８】
そして、上記第３実施形態に係る燃料電池および拡散層の表面処理方法によれば、拡散層２６に形成した突条８１によって反応ガスの流通のさらなる促進を図ることができる。これにより、パージ時におけるガス流路４１内での排水性の向上を図ることができ、生成水を円滑に排出させて発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池の構造を説明するセルの概略縦断面図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池の構造を説明するセルのセパレータ部分における概略横断面図である。
【図３】拡散層の平滑化処理に用いるローラの正面図である。
【図４】拡散層の平滑化処理の仕方を説明する拡散層の平面図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池の構造を説明するセルのセパレータ部分における概略横断面図である。
【図６】燃料電池のガス流路を示す断面図である。
【図７】拡散層の表面の成形に用いるローラの正面図である。
【図８】拡散層の表面における成形の仕方を説明する拡散層の平面図である。
【図９】第３実施形態に係る燃料電池の構造を説明するセルのセパレータ部分における概略横断面図である。
【図１０】燃料電池のガス流路を示す断面図である。
【図１１】拡散層の表面における成形の仕方を説明する拡散層の平面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１…セル（燃料電池）、２２…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、２３…電解質膜、２５…触媒層、２６…拡散層、４１…ガス流路、７１…成形リブ、５１，７２…ローラ、６１…溝部、８１…突条、９１…印刷ヘッド。
【図１】
2008066139.tif 000003
【図２】
2008066139.tif 000004
【図３】
2008066139.tif 000005
【図４】
2008066139.tif 000006
【図５】
2008066139.tif 000007
【図６】
2008066139.tif 000008
【図７】
2008066139.tif 000009
【図８】
2008066139.tif 000010
【図９】
2008066139.tif 000011
【図１０】
2008066139.tif 000012
【図１１】
2008066139.tif 000013