(57)【要約】【課題】  セルの発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴わずにセルの膜湿潤に係る特性を変えることができる燃料電池とその製造方法の提供。【解決手段】（１）特性の異なるセルを混ぜてスタックを構成した燃料電池であって、セルを形成する際に用いる接着剤３３の電気絶縁特性を変えることにより、セル１９の特性を異ならせた燃料電池とその製造方法。（２）接着剤３３の厚さを変えることにより、セルの特性を異ならせた。（３）接着剤３３の材料を変えることにより、セルの特性を異ならせた。（４）スタックのフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤の厚さが厚いセルを配置した。（５）スタックのドライ状態を生じやすい積層部位に接着剤の厚さが薄いセルを配置した。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性の異なるセルを混ぜてスタックを構成した燃料電池であって、セルを形成する際に用いる接着剤の電気絶縁特性を変えることにより、セルの特性を異ならせた燃料電池。
【請求項２】
前記接着剤の厚さを変えることにより、セルの特性を異ならせた請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記接着剤の材料を変えることにより、セルの特性を異ならせた請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
スタックのフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤の厚さが厚いセルを配置した請求項２記載の燃料電池。
【請求項５】
スタックのドライ状態を生じやすい積層部位に接着剤の厚さが薄いセルを配置した請求項２記載の燃料電池。
【請求項６】
特性の異なるセルを混ぜてスタックを構成した燃料電池の製造方法であって、セルを形成する際に用いる接着剤の電気絶縁特性を変えることにより、セルの特性を異ならせた燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記接着剤の厚さを変えることにより、セルの特性を異ならせる請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記接着剤の材料を変えることにより、セルの特性を異ならせる請求項６記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
スタックのフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤の厚さが厚いセルを配置してスタックを形成する請求項７記載の燃料電池。
【請求項１０】
スタックのドライ状態を生じやすい積層部位に接着剤の厚さが薄いセルを配置してスタックを形成する請求項７記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフラッディング・ドライ特性が安定した燃料電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、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触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、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、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、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、またはセル積層方向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他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００３】
プロトンが膜中を移動するには膜が適当に湿潤している必要がある。この場合、湿潤不足（ドライ）であると出力が低下し、湿潤過多（フラッディング）であると生成水でガスの供給を阻害して出力が低下する。そして、セルの湿潤はスタックのセル積層方向に均一ではなく、ドライ、フラッディングは、スタックのセル積層方向端部かその近傍のセルに生じやすいことが知られている。特開２００１−３５７８６９号公報は、セル積層方向にセルの発電領域の特性を変えて、両端セルも含めてセルの出力性能を安定させることを提案している。
【０００４】
しかし、特開２００１−３５７８６９号公報の技術は、セルの特性を変えるのに、拡散層、電極、セパレータ（ガス流路を含む）等、セルの発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴うので、コストアップや加工工数の増大を招く。
【特許文献１】特開２００１−３５７８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、セルの特性を変える従来の技術は、セルの発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴いコストアップや加工工数の増大を招くという問題である。
本発明の目的は、セルの発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴わずにセルの膜湿潤に係る特性を変えることができる燃料電池とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  特性の異なるセルを混ぜてスタックを構成した燃料電池であって、セルを形成する際に用いる接着剤の電気絶縁特性を変えることにより、セルの特性を異ならせた燃料電池。
（２）  前記接着剤の厚さを変えることにより、セルの特性を異ならせた（１）記載の燃料電池。
（３）  前記接着剤の材料を変えることにより、セルの特性を異ならせた（１）記載の燃料電池。
（４）  スタックのフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤の厚さが厚いセルを配置した（２）記載の燃料電池。
（５）  スタックのドライ状態を生じやすい積層部位に接着剤の厚さが薄いセルを配置した（２）記載の燃料電池。
（６）  特性の異なるセルを混ぜてスタックを構成した燃料電池の製造方法であって、セルを形成する際に用いる接着剤の電気絶縁特性を変えることにより、セルの特性を異ならせた燃料電池の製造方法。
（７）  前記接着剤の厚さを変えることにより、セルの特性を異ならせる（６）記載の燃料電池の製造方法。
（８）  前記接着剤の材料を変えることにより、セルの特性を異ならせる（６）記載の燃料電池の製造方法。
（９）  スタックのフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤の厚さが厚いセルを配置してスタックを形成する（７）記載の燃料電池。
（１０）  スタックのドライ状態を生じやすい積層部位に接着剤の厚さが薄いセルを配置してスタックを形成する（７）記載の燃料電池。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池および上記（６）の燃料電池の製造方法によれば、接着剤の電気絶縁特性を変えることにより、セルの特性を異ならせたので、セルの発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴わずにセルの膜湿潤に係る特性を変えることができる。
上記（２）の燃料電池および上記（７）の燃料電池の製造方法によれば、接着剤の厚さを変えることにより、セルの特性を異ならせたので、セルの発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴わずにセルの膜湿潤に係る特性を変えることができる。
上記（３）の燃料電池および上記（８）の燃料電池の製造方法によれば、接着剤の材料を変えることにより、セルの特性を異ならせたので、セルの発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴わずにセルの膜湿潤に係る特性を変えることができる。
上記（４）の燃料電池および上記（９）の燃料電池の製造方法によれば、スタックのフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤の厚さが厚いセルを配置したので、接着剤層の抵抗が大で接着剤層を短絡して流れる微小電流による生成水の生成が抑制され、スタッックのフラッディングが生じやすい積層部位でのフラッディングが抑制される。
上記（５）の燃料電池および上記（１０）の燃料電池の製造方法によれば、スタックのドライ状態を生じやすい積層部位に接着剤の厚さが薄いセルを配置したので、接着剤層の抵抗が小で接着剤層を短絡して流れる電流による生成水の生成が比較的多くなり、スタッックのドライが生じやすい積層部位でのドライが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池とその製造方法を図１〜図６を参照して説明する。
本発明の計測が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池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。
【０００９】
図１〜図３に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル（単セル）１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、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（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８は、（イ）カーボンセパレータ、または（ロ）金属セパレータ、または（ハ）金属セパレータと樹脂フレームの組み合わせ、または（ニ）導電性を付与された樹脂セパレータ、の何れか、または（ホ）それらの組み合わせ、からなる。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。燃料電池のうちガス流路２７、２８とＭＥＡの両方が存在する領域が、セル１９の発電領域を構成する。
セル１９には、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成される。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７に接続しており、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給・排出する。酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８に接続しており、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給・排出する。冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６に接続しており、冷媒流路２６に冷媒を供給・排出する。
【００１１】
セル１９のＭＥＡを挟んで対向する一対のセパレータ１８同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、電気絶縁材である接着剤３３によりシール接着されている。接着剤３３は厚みｄをもつ層となっており、この接着剤層は接着剤３３と同じであるから、接着剤層の符号も３３とする。接着剤３３は膜１１とその両側のセパレータ１８との間もシール接着している。セル１９同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、ガスケット（ゴムガスケット）３２によりシールされている。各セルのシール接着されたセパレータ１８同士は、分離はできないが、ガスケット３２を挟んで対向する隣接するセルのセパレータ１８同士は互いに分離自在である。
【００１２】
本発明の燃料電池では、特性の異なるセル１９を混ぜて積層することにより、スタック２３を構成してある。互いに特性の異なるＮ種類のセル１９を、Ｎより大きい数のＭ個積層してスタック２３を構成してある。たとえば、互いに特性の異なる３種類のセル１９を、２００セル積層してスタック２３を構成するといった具合である。
本発明では、セル１９の特性を異ならせのに、セル１９を形成する際に用いる接着剤層３３の電気絶縁特性を変えることにより、行う。
セル１９の電気絶縁特性を異ならせるのに、（イ）接着剤層３３の厚さを変えるか、または（ロ）接着剤３３の材料を変えるか、により行う。
【００１３】
図４は、接着剤層３３の厚さｄを１５０μｍ、１２５μｍ、１００μｍと変えた場合の内部短絡電流平均値、燃料ガス（Ｈ2 ）の圧損、酸化ガス（エア）の圧損を、それぞれ示したグラフである。このグラフからつぎのことがわかる。
接着剤層３３の厚さｄが厚くなるほど、接着剤層３３の電気絶縁性が高くなり電流を通しにくくなり、セル１９のアノードとカソードの絶縁性を保ちやすくなる。また、ガス流路が確保され、ガスの圧損も小さくなる。その結果、排水性のよい、フラッディングしにくいセルとなる。
接着剤層３３の厚さｄが薄くなるほど、接着剤層３３の電気絶縁性が低くなり、セル１９のアノードとカソード間の絶縁性を保ちにくくなり、内部短絡による水ができやすい。また、ガスの圧損も大きくなる。よってドライアップしにくいセルとなる。
【００１４】
接着剤層３３厚さを異ならせた複数のセル１９を積層して耐フラッディング性を評価してみた。セル数は２０、セルＮｏ．１〜セルＮｏ．２０をＮｏ．１〜Ｎｏ．２０の順で並べて積層した。セルＮｏ．１〜セルＮｏ．２０のうち、セルＮｏ．７〜セルＮｏ．１３を接着剤層３３厚さが最も厚い群とし、セルＮｏ．１〜セルＮｏ．６を接着剤層３３厚さが２番目に厚い群とし、セルＮｏ．１４〜セルＮｏ．２０を接着剤層３３厚さが最も薄い群とした。そして燃料電池運転時間経過に伴う電圧低下を測定した。結果を図５の（１）に示す。図５の（１）で経過時間２０分、６０分、１０５分での各セルの電圧分布を図５の（２）、（３）、（４）に示す。
図５からわかるように、接着剤層３３の薄いセル（セルＮｏ．１４〜セルＮｏ．２０）が、６０分、１０５分で、フラッディングによりセル電圧低下を起こしているのを見ることができる。これによって、上記の、接着剤層３３の厚さｄが薄いほどフラッディングを生じやすく、ドライアップしにくいこと、および、接着剤層３３の厚さｄが厚いほどフラッディングを生じにくく、ドライアップしやすいことを実際の試験で確認できる。
【００１５】
無負荷とした時からの電池の電圧低下が遅いほど、再起動の立ち上がりが良好になるので、電池へのガス（燃料ガス、酸化ガス）供給停止、かつ、無負荷とした時からの時間経過に伴うセル電圧の低下特性を試験で評価してみた。図６は、その結果を示したグラフである。図５と同様に、図６においても、セルＮｏ．１〜セルＮｏ．２０のうち、セルＮｏ．７〜セルＮｏ．１３を接着剤層３３厚さが最も厚い群とし、セルＮｏ．１〜セルＮｏ．６を接着剤層３３厚さが２番目に厚い群とし、セルＮｏ．１４〜セルＮｏ．２０を接着剤層３３厚さが最も薄い群とした。そして燃料電池を無負荷、ガス供給停止とした時からの時間経過に伴う電圧低下を測定した。図６の（１）で経過時間１．５分、２．７分、３．４分での各セルの電圧分布を図５の（２）、（３）、（４）に示す。
図６からわかるように、接着剤層３３の薄いセル（セルＮｏ．１４〜セルＮｏ．２０）の電圧低下は速く起こり、接着剤層３３の厚いセルの電圧低下は遅い。すなわち、接着剤層３３の厚いセルほど、再起動性が良好である。
【００１６】
セル１９の特性を異ならせるもう一つの方法として、接着剤３３の材料を変える方法がある。この場合、接着剤３３の材料を変える一つの方法として、接着剤３３に導電性材料（たとえば、カーボン）の粉末、繊維を少量混ぜ、その量を変える方法がある。
接着剤３３の中のカーボン粉末が少ないほど、接着剤層３３の電気絶縁性が高くなり電流を通しにくくなり、セル１９のアノードとカソードの絶縁性を保ちやすくなる。その結果、内部短絡による水が生成しにくい、フラッディングしにくい、セルとなる。
接着剤層３３の中のカーボン粉末が多いほど、接着剤層３３の電気絶縁性が低くなり電流を通しやすくなり、セル１９のアノードとカソードの絶縁性を保ちにくくなる。その結果、内部短絡による水が生成しやすい、ドライアップしにくい、セルとなる。
【００１７】
本発明の燃料電池スタック２３において、同じ厚さで同じ材料の接着剤層３３をもつセル１９を積層してスタック２３を構成して燃料電池を運転し、セル積層方向のどのセルにフラッディング、ドライアップが生じやすいかを調べる。通常は、セル積層方向の端部にあるセルにフラッディングまたはドライアップが生じる。
ついで、スタック２３のフラッディングを生じやすい積層部位に、接着剤層３３の厚さが厚いセル１９、したがって、フラッディングしにくいセルを配置する。
また、スタック２３のドライ状態を生じやすい積層部位に、接着剤層３３の厚さが薄いセル１９、したがって、ドライアップしにくいセルを配置する。
これによって、フラッディングが生じやすい積層部位のセルのフラッディングを生じにくくし、ドライアップが生じやすい積層部位のセルのドライアップを生じにくくしたスタック２３を形成する。
【００１８】
つぎに、本発明の燃料電池の製造方法を説明する。
本発明の燃料電池の製造方法は、特性の異なるセルを混ぜてスタックを構成した燃料電池の製造方法であって、セル１９を形成する際に用いる接着剤３３の電気絶縁特性を変えることにより、セル１９の特性を異ならせてある。
たとえば、接着剤層３３の厚さを変えることにより、セル１９の特性を異ならせる。
あるいは、接着剤３３の材料を変えることにより、セル１９の特性を異ならせてもよい。
【００１９】
接着剤層３３の厚さｄを変えるには、一対のセパレータ１８の対向面の外周部位およびマニホールド周りに接着剤を塗布したセパレータ１８で、ＭＥＡを挟み、所定の圧力で押して接着剤３３を押圧する。この時、接着剤の塗布量は各セルに対して同じにしておいて、セパレータ押圧力を変えることにより、接着剤層３３の厚さｄを変えることができる。セパレータ押圧力が大なほど、接着剤層３３の厚さｄは薄くなる。
あるいは、セパレータ押圧力を一定に保持して、接着剤塗布量を変えて、接着剤層３３の厚さｄを変えてもよい。この場合は、接着剤塗布量が少ないほど、接着剤層３３の厚さｄは薄くなる。
接着剤３３は塗布時は液状であるが、乾燥・固化後は適宜の弾性をもつ固体となる。
【００２０】
本発明の燃料電池スタック２３において、同じ厚さで同じ材料の接着剤層３３をもつセル１９を積層してスタック２３を構成して燃料電池を運転し、セル積層方向のどのセルにフラッディング、ドライアップが生じやすいかを調べる。通常は、セル積層方向の端部にあるセルにフラッディングまたはドライアップが生じる。
ついで、スタック２３のフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤層３３の厚さが厚いセル１９を配置してスタック２３を形成する。
また、スタック２３のドライ状態を生じやすい積層部位に接着剤層３３の厚さが薄いセルを配置してスタック２３を形成する。
【００２１】
つぎに、本発明の燃料電池とその製造方法の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池とその製造方法では、接着剤層３３の電気絶縁特性を変えることにより、セル１９の特性を異ならせたので、接着剤層３３は発電領域のまわりに形成されて発電領域には形成されないため、セル１９の発電領域を構成する部材（セパレータ、拡散層、ＭＥＡ）の本質的な設計変更を伴わずに、セル１９の膜１１の湿潤に係る特性を変えることができる。その結果、セル１９の発電領域を構成する部材の設計変更を伴う場合に比べて、コスト低下、工数低下をはかることができる。
【００２２】
接着剤層３３の厚さを変えてセル１９の特性を異ならせる場合は、セル１９の発電領域を構成する部材の本質的な設計変更を伴わずにセルの膜湿潤に係る特性を変えることができる。
接着剤層３３の厚さを変える代わりに、あるいは接着剤層３３の厚さを変えることと併用して、接着剤３３の材料を変えることにより、セル１９の特性を異ならせてもよいが、接着剤３３の材料を変える方法によっても、セル１９の発電領域を構成する部材（セパレータ、拡散層、ＭＥＡ）の本質的な設計変更を伴わずにセル１９の膜１１の湿潤に係る特性を変えることができる。
【００２３】
また、スタック２３のフラッディングを生じやすい積層部位に接着剤層３３の厚さｄが厚いセル１９を配置したので、接着剤層３３の抵抗が大で接着剤層３３を短絡して流れる微小電流による水の生成が抑制され、スタッック２３のフラッディングが生じやすい積層部位でのフラッディングが抑制される。
同様に、スタック２３のドライアップが生じやすい積層部位に接着剤層３３の厚さｄが薄いセル１９を配置したので、接着剤層３３の抵抗が小で接着剤層３３を短絡して流れる微小電流による水の生成が比較的多くなり、スタッック２３のドライが生じやすい積層部位でのドライが抑制される。
これらの結果、スタック２３の全セル１９にわたって、膜１１の湿潤が適当となり、燃料電池の出力が維持され、耐久性も良好になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の燃料電池（または本発明の燃料電池の製造方法で製造された燃料電池）の側面図である。
【図２】本発明の燃料電池（または本発明の燃料電池の製造方法で製造された燃料電池）の一部の拡大断面図である。
【図３】図１のうちセルの概略正面図である。
【図４】接着剤層厚さと内部短絡電流および圧損の関係を示すグラフである。
【図５】接着剤層厚さ違いセル混載による耐フラッディング性評価時セル電圧のグラフである。
【図６】接着剤層厚さ違いセル混載によるガス供給停止時（かつ、無負荷）時セル電圧のグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
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  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  ガスケット
３３  接着剤（接着剤層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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