(57)【要約】 【課題】  燃料電池内の水分分布を簡便に制御する。【解決手段】  燃料電池セル１００において、アノード電極側のセパレータ１４０とカソード電極側のセパレータ１５０とは、夫々のセパレータ内で高さの異なったリブ１４２及び１５２を有する。このセパレータ１４０及び１５０によって、アノード電極側の拡散層１２２及びカソード電極側の拡散層１３２を夫々プロトン交換膜１１０に向って押圧すると、夫々の拡散層は、部位に応じて原形状と異なる厚みを有することとなる。この際、原形状と比較して厚みが小さい部位程気孔率が小さく、保水性が良好となる。即ち、拡散層に対し、所望の気孔率分布を与えることが可能となって、燃料電池セル１００の水分分布が良好に制御される。【選択図】図３
2005317416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを拡散させるための第１の拡散層を備えるアノード電極と、
酸化剤ガスを拡散させるための第２の拡散層を備えるカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に挟持された電解質膜と
を具備し、
前記第１及び第２の拡散層のうち少なくとも一方の拡散層は、部位に応じて原形状と異なる厚みを有する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記少なくとも一方の拡散層は、所望される気孔率が小さい部位程前記原形状よりも小さい厚みを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記少なくとも一方の拡散層は、前記所望される気孔率が小さい部位程相対的に小さい厚みを有する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１の拡散層と対面して設けられ、前記第１の拡散層と対面する側に、前記第１の拡散層に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と前記燃料ガス流路以外の部分である第１のリブとを備え、前記第１のリブによって前記第１の拡散層を前記電解質膜に向かって押圧することが可能な第１のセパレータと、
前記第２の拡散層と対面して設けられ、前記第２の拡散層と対面する側に、前記第２の拡散層に対して前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス流路以外の部分である第２のリブとを備え、前記第２のリブによって前記第２の拡散層を前記電解質膜に向かって押圧することが可能な第２のセパレータとを更に具備する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記少なくとも一方の拡散層を押圧する前記第１及び第２のリブのうち少なくとも一方のリブは、前記少なくとも一方の拡散層に所望される気孔率に対応付けられた高さを有する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記少なくとも一方のリブは、所望される気孔率が小さい部位程高く形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記少なくとも一方の拡散層は、前記原形状における厚みが均一である
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記少なくとも一方の拡散層は、前記部位に応じて原形状と異なる厚みを有する状態において均一な厚みを有する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１及び第２の拡散層は、夫々部位に応じて前記原形状と異なる厚みを有すると共に、前記原形状からの厚みの変化量が前記電解質膜を挟んだ対称位置で相互に等しい
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１及び第２の拡散層は、夫々異なる弾性率を有する
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記少なくとも一方の拡散層は、前記原形状において均一な気孔率を有する
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
燃料ガスを拡散させるための第１の拡散層を備えるアノード電極と、酸化剤ガスを拡散させるための第２の拡散層を備えるカソード電極との間に電解質膜を挟持する工程と、
前記第１及び第２の拡散層のうち少なくとも一方の拡散層に対し、部位に応じて原形状と異なる厚みを与える工程と
を具備することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
前記部位に応じて原形状と異なる厚みを与える工程において、前記少なくとも一方の拡散層は、所望される気孔率が小さい部位程前記原形状よりも小さい厚みを与えられる
ことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１４】
前記部位に応じて原形状と異なる厚みを与える工程において、前記少なくとも一方の拡散層は、前記所望される気孔率が小さい部位程相対的に小さい厚みを与えられる
ことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、及びその製造方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持してなる燃料電池においては、起電力を得るための電気化学反応が起こる際に水が生成される。この生成水を含む燃料電池内の水分は、係る電気化学反応に供されるガスを拡散するための拡散層等を介して排水される。この際、燃料電池内の水分の排水量が少な過ぎると拡散層等を閉塞してしまい、多過ぎると電解質膜が乾燥してしまう。
【０００３】
一方、燃料電池の性能は、燃料電池内の水分分布に大きく影響されることが知られている。特許文献１では、燃料電池内の水分分布を制御することが可能な拡散層を備えた燃料電池（以下、「従来の技術」と称する）が提案されている。
【０００４】
係る従来の技術によれば、拡散層に製造過程で所望の気孔率分布をもたせることによって、燃料電池の水分分布を制御することが可能であるとされている。
【０００５】
尚、拡散層周辺の部材により燃料電池内の水分分布の制御を図る技術は、各種提案されている（特許文献２から４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１２４５８３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３５３２６号公報
【特許文献３】特開平１１―１６５９０号公報
【特許文献４】特開２００３−１３２９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の技術は、以下に例示する問題点を有する。
【０００８】
気孔率分布が均一でない拡散層は技術的に製造が難しく、多大なコストを必要とする。即ち、従来の技術では、拡散層によって燃料電池内の水分分布を十分に制御することは困難である。
【０００９】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、水分分布を簡便に制御可能な燃料電池、及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池は、燃料ガスを拡散させるための第１の拡散層を備えるアノード電極と、酸化剤ガスを拡散させるための第２の拡散層を備えるカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に挟持された電解質膜とを具備し、前記第１及び第２の拡散層のうち少なくとも一方の拡散層は、部位に応じて原形状と異なる厚みを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る「燃料電池」とは、アノード電極の水素とカソード電極の酸素とを電気化学的に反応させることによって起電力を得る態様を有するものを総称し、典型的には、固体高分子型燃料電池の一セル又はそれらが積層されてなるスタックを指す。
【００１２】
本発明に係る燃料電池によれば、その動作時には、燃料ガスが第１の拡散層内を介してアノード電極内を拡散し、また、酸化剤ガスが第２の拡散層内を介してカソード電極内を拡散する。
【００１３】
ここで述べられる「燃料ガス」とは、燃料電池内で起電力生成のための電気化学反応に供される水素を含んだガスであり、典型的には水素ガスである。但し、燃料ガスの態様は、最終的にアノード電極に水素を供給可能な限りにおいて何ら限定されない。また、燃料ガスは、ボンベ等の貯蔵手段から直接供給されてもよいし、原材料となるガスから何らかの改質処理を経た結果として供給されてもよい。また、「酸化剤ガス」とは、燃料ガスに含まれる燃料との間で係る電気化学反応を起こすことによって起電力を生成することが可能な、酸素を含むガスであり、その代表例としては、空気である。この様に酸化剤ガスを空気とした場合には、その供給源を特別に設ける必要が生じないから効率的であるが、酸化剤ガスは、最終的にカソード電極に酸素を供給可能な限りにおいて空気に限定されない。
【００１４】
燃料ガスに含まれる水素は、アノード電極の一構成要素たる触媒層によって、プロトン（水素イオン）と電子とに分離し、電子は第１の拡散層及び外部経路を通って、また、プロトンは電解質膜を透過して、夫々カソード電極に到達する。また、カソード電極の一構成要素たる触媒層では、酸化剤ガスに含まれる酸素が、アノード電極から供給される電子を受け取って酸素イオンとなると共に、電解質膜を透過してきたプロトンと電気化学的に反応して起電力を生成する。この起電力を生成する際には、副次的に水が生成される。
【００１５】
この水は、主としてカソード電極で生成されるが、一部は電解質膜を介してアノード電極にも浸潤する。従って、燃料電池の動作時には、アノード電極及びカソード電極は、夫々ある程度の水分を含有している。この拡散層に含有される水分は、第１及び第２の拡散層を介して適宜排水される。従って、第１及び第２の拡散層は、夫々、導電性及び排水性が良好であるのが望ましい。この点から、拡散層の構成材料としては、カーボンクロスやカーボンペーパ等が好適に使用される。この様なカーボン製の拡散層は、カーボン繊維同士が編み込まれる様にして形成されている。従って、微視的に見れば、拡散層の内部には気孔と称される、例えば、直径数十〜数百μｍの孔が無数に形成されている。尚、気孔の形状は何ら限定されることは無く、この様に直径が明確に規定できなくてもよい。
【００１６】
この様に気孔を有する拡散層は、カーボン繊維の方向に導電性を有すると共に、気孔を介してガスの拡散及び水の排出を行うことが可能である。尚、既に述べた様に、経済的及び技術的な理由から、一般にその気孔率は拡散層内部で均一である。
【００１７】
ここで、「気孔率」とは、単位体積中で気孔が占める割合として定義される。従って、「気孔率が均一である」とは、拡散層内部で規定される単位体積に占める、係る単位体積中に存在する気孔の総体積の割合が、拡散層内部の各単位体積中において相互に等しいか、又は等しいと認知し得る範囲内に収まっていることを指す。従って、気孔率が均一であるからといって、個々の気孔が等しい形状、大きさ、又は直径を有する必要はない。
【００１８】
ここで特に、燃料電池の性能は、燃料電池内の水分分布によって大きく変化する。例えば、電解質膜が乾燥しすぎると、電解質膜のプロトン伝導性が急激に劣化して燃料電池の起電力が低下することが知られている。電解質膜の水分状態は、電解質膜を挟持する電極内、特に拡散層の水分状態に大きく左右される。即ち、拡散層が乾燥すれば、電解質膜も乾燥する。従って、拡散層は常にある程度湿潤でなければならない。一方、拡散層が湿潤し過ぎると、アノード電極及びカソード電極が、所謂「フラッティング」状態となり、拡散層内部に存在する気孔が水分によって塞がれてガス拡散性能が劣化する。このため、電極内部でガスの拡散不足が起こって燃料電池の起電力は低下する。詰まり、拡散層の水分状態は、燃料電池の性能と大きく関係している。更に、この様な拡散層の水分状態は、拡散層内部で異なっている。
【００１９】
従って、仮に、拡散層の気孔率が上述した様に均一である場合には、拡散層内部には、水分過多な部位と過乾燥な部位とが生じ易い。即ち、燃料電池内が、燃料電池の性能が低下し易い水分分布となり易い。
【００２０】
然るに、本発明に係る燃料電池において、第１及び第２の拡散層のうち少なくとも一方の拡散層は、部位に応じて原形状と異なる厚みを有する。ここで、「原形状」とは、係る燃料電池に最初に組み付けられる前段階を指し、狭義には、製造直後における拡散層の形状を指す。拡散層の厚みが原形状から変化した場合には、その気孔率も変化する。従って、部位に応じて原形状と異なる厚みを有する結果、部位に応じて所望の気孔率を得ることが可能となる。即ち、拡散層内部の気孔率分布の制御が簡便にして可能となる。
【００２１】
気孔率が大きい部位は排水性が良好（保水性が悪い）であり、気孔率が小さい部位は保水性が良好（排水性が悪い）であるから、このように所望の気孔率分布が与えられた場合には、燃料電池内の水分分布を簡便に制御することが可能となるのである。
【００２２】
尚、拡散層に対し上述した如き厚みを与える手段は、燃料電池の動作を阻害しない範囲において自由に決定されてよい。
【００２３】
尚、本発明に係る燃料電池によれば、原形状の拡散層における気孔率は、拡散層内部で如何なる分布を有していても何らその効果が阻害されることがない。また、気孔率に限らず、拡散層の形状も、燃料電池に組み付けられた状態において、部位に応じて原形状と異なる厚みを有することが可能な限りにおいて自由である。但し、原形状において、電解質膜の方向に均一な厚みを有し、且つ均一な気孔率分布をもつ様な拡散層を使用した場合には、製造が技術的に容易となり、且つ製造コストも低くなるため非常に効果的である。
【００２４】
尚、拡散層の厚みは、概ね数百μｍであり、触媒層と比較して十分に厚い。従って、拡散層は触媒層と比較して保水容量が高く、且つ、所望の気孔率分布を得るための厚みのマージンが十分に担保されている。従って、拡散層は燃料電池の水分分布を制御するための手段として好適である。
【００２５】
尚、拡散層の材質は、上述のカーボンに限定されない。即ち、部位に応じて原形状と異なる厚みを与えることが可能であって、そのような異なる厚みが与えられることによって、気孔率、又は気孔率と置換し得る概念で規定される何らかのパラメータ容易に変化させ得る限りにおいて、本発明に係る拡散層を構成する材料は自由である。
【００２６】
尚、本発明に係る燃料電池において、拡散層の部位毎に与えられる厚みは、所望される気孔率分布に応じて、予め、実験的、経験的、或いはシミュレーション等によって決定されていてもよい。また、所望される気孔率分布も同様に、予め実験的、経験的或いはシミュレーション等により事前に決定されていてもよい。
【００２７】
尚、拡散層には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性の強いフッ素樹脂系化合物が、カーボン繊維同士を架橋する様に形成されていてもよい。また、拡散層と触媒層との間に混合層或いは撥水層と称される層が更に形成されていてもよい。
【００２８】
本発明に係る燃料電池の一の態様では、前記少なくとも一方の拡散層は、所望される気孔率が小さい部位程前記原形状よりも小さい厚みを有する。
【００２９】
ここで述べられる「所望される気孔率が小さい部位」とは、即ち、燃料電池の動作過程において乾燥し易い部位を指す。拡散層において、原形状よりも薄い部位においては、気孔が潰されるため相対的に気孔率は減少し、保水性が向上する。従って、この態様によれば、燃料電池内の水分分布を簡便にして制御可能である。
【００３０】
本発明に係る燃料電池の他の態様では、前記少なくとも一方の拡散層は、前記所望される気孔率が小さい部位程相対的に小さい厚みを有する。
【００３１】
ここで、「相対的に小さい厚み」とは、燃料電池に組み付けられた状態において拡散層の厚みが異なっていると共に、その厚みが、所望される気孔率が小さい部位程小さいことを指す。この態様によれば、例えば、原形状において厚みが均一な拡散層を使用することが可能である。このように厚みが均一である拡散層は既に述べたように製造が容易であるから、結果的に燃料電池内の水分分布を簡便に制御することが可能となる。
【００３２】
本発明に係る燃料電池の他の態様では、前記第１の拡散層と対面して設けられ、前記第１の拡散層と対面する側に、前記第１の拡散層に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と前記燃料ガス流路以外の部分である第１のリブとを備え、前記第１のリブによって前記第１の拡散層を前記電解質膜に向かって押圧することが可能な第１のセパレータと、前記第２の拡散層と対面して設けられ、前記第２の拡散層と対面する側に、前記第２の拡散層に対して前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス流路以外の部分である第２のリブとを備え、前記第２のリブによって前記第２の拡散層を前記電解質膜に向かって押圧することが可能な第２のセパレータとを更に具備する。
【００３３】
この態様によれば、第１及び第２の拡散層は、夫々対面する第１及び第２のセパレータのリブによって押圧される。ここで、「リブ」とは、拡散層と対面する面における、ガス流路以外の部分を表す。即ち、リブとは、ガス流路の流路壁を構成する要素であると共に、係る面内でガス流路が隣接する場合には、各ガス流路を相互に隔離する役割を有する。尚、係るリブは、セパレータと別個に形成されると言うよりは、セパレータの一部分を指すのが一般的であるが、本発明に係る効果が阻害されない限りにおいてリブの材質及び形状は限定されない。
【００３４】
本態様によれば、これらセパレータによって夫々の拡散層へガス供給が行われると共に、拡散層を押圧することによって、本発明に係る「異なる厚み」を拡散層に与えることが可能である。従って効率的に燃料電池の水分分布を制御することが可能である。
【００３５】
セパレータを具備する本発明に係る燃料電池の一の態様では、前記少なくとも一方の拡散層を押圧する前記第１及び第２のリブのうち少なくとも一方のリブは、前記少なくとも一方の拡散層に所望される気孔率に対応付けられた高さを有する。
【００３６】
この態様では、係る気孔率に対応付けられたリブによって、拡散層に対して所望の気孔率を与えることが容易に可能である。即ち、ここで述べられる「対応付けられた高さ」とは、セパレータが拡散層を電解質膜に向って押圧した際に、所望の気孔率分布が得られる様に決定された高さである。この様な高さは、予め実験的、経験的、或いはシミュレーション等によって決定されている。
【００３７】
尚、ここで述べられる「リブの高さ」を規定する基準面は、共通である限りにおいて一意に限定されない。例えば、物理量としては等しい長さ（高さ）のリブであっても、基準面が電解質膜に沿った平面内になければ、拡散層は部位に応じて異なる厚みを有するように押圧される。逆に、電解質膜に沿った平面内に基準面を規定すれば、リブの長さ（高さ）を変えることによって同様な効果を得ることが出来る。
【００３８】
尚、このようなリブを有する形態では、前記少なくとも一方のリブは、所望される気孔率が小さい部位程高く形成されていてもよい。即ち、リブが高い程、それと対応する拡散層の部位が押圧される量は大きくなって、原形状よりも小さい厚みが与えられる。原形状よりも厚みが小さい程気孔率は小さくなるから、即ち、容易に燃料電池内の水分分布を制御することが可能となる。
【００３９】
本発明に係る燃料電池の他の態様では、前記少なくとも一方の拡散層は、前記原形状における厚みが均一である。
【００４０】
既に述べたように、拡散層が原形状において均一な厚みを有する場合には拡散層の製造が容易であるが、このような場合には、例えば、セパレータのリブの高さを変えるだけで、所望の気孔率分布を拡散層に与えることが可能となって効率的である。
【００４１】
本発明に係る燃料電池の他の態様では、前記少なくとも一方の拡散層は、前記部位に応じて原形状と異なる厚みを有する状態において均一な厚みを有する。
【００４２】
この態様では、例えば、セパレータのリブの高さが均一であっても、拡散層に部位に応じて所望の気孔率を与えることが可能となる。従って、効率的に燃料電池内の水分分布を制御することが可能である。
【００４３】
本発明に係る燃料電池の他の態様では、前記第１及び第２の拡散層は、夫々部位に応じて前記原形状と異なる厚みを有すると共に、前記原形状からの厚みの変化量が前記電解質膜を挟んだ対称位置で相互に等しい。
【００４４】
この態様によれば、電解質膜を挟んで相対する第１及び第２の拡散層は、夫々部位に応じて原形状と異なる厚みを有するが、原形状からの厚みの変化量は電解質膜を挟んだ対称位置で相互に等しいから、電解質膜の回転、ずれ、損傷等、燃料電池の性能劣化を生じさせるような現象が、極めて生じにくい。
【００４５】
尚、ここで述べる「対称位置で相互に等しい」とは、厳密に等しい場合に限らず、何ら対策を講じない場合と比較して、原形状からの厚みの変化量が係る対称位置で等しくなる様に改善されている限りは、その様な態様を含んでもよい。
【００４６】
本発明に係る燃料電池の他の態様では、前記第１及び第２の拡散層は、夫々異なる弾性率を有する。
【００４７】
ここで述べられる「弾性率」とは、例えば、ヤング率や剛性率等である。この様に弾性率が第１及び第２の拡散層で異なる場合には、第１及び第２の拡散層において原形状からの厚みの変化量が相互に異なっていたとしても、電解質膜に物理的な悪影響を及ぼさないようにすることが可能である。極端な場合には、一方の拡散層の弾性率を他方のそれよりも十分に大きくしておくことによって、係る他方の拡散層の気孔率分布のみを好適に制御することが可能となる。従って、燃料電池の水分分布を一層フレキシブルに制御することが可能となる。
【００４８】
本発明に係る燃料電池の他の態様では、前記少なくとも一方の拡散層は、前記原形状において均一な気孔率を有する。
【００４９】
気孔率が均一である拡散層は、製造するのが容易であるから非常に経済的である。
【００５０】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池の製造方法は、燃料ガスを拡散させるための第１の拡散層を備えるアノード電極と、酸化剤ガスを拡散させるための第２の拡散層を備えるカソード電極との間に電解質膜を挟持する工程と前記第１及び第２の拡散層のうち少なくとも一方の拡散層に対し、部位に応じて原形状と異なる厚みを与える工程とを具備することを特徴とする。
【００５１】
係る燃料電池の製造方法によれば、部位に応じて異なる厚みを与える工程によって、拡散層に所望の気孔率分布を与えることが可能となるから、燃料電池内の水分分布を簡便にして制御可能である。
【００５２】
本発明に係る燃料電池の製造方法の一の態様では、前記部位に応じて原形状と異なる厚みを与える工程において、前記少なくとも一方の拡散層は、所望される気孔率が小さい部位程前記原形状よりも小さい厚みを与えられる。
【００５３】
この態様によれば、拡散層の気孔率分布を容易に制御することが可能となるので、燃料電池内の水分分布を簡便にして制御可能である。
【００５４】
本発明に係る燃料電池の製造方法の他の態様では、前記部位に応じて原形状と異なる厚みを与える工程において、前記少なくとも一方の拡散層は、前記所望される気孔率が小さい部位程相対的に小さい厚みを与えられる。
【００５５】
この態様によれば、拡散層の気孔率分布を容易に制御することが可能となるので、燃料電池内の水分分布を簡便にして制御可能である。
【００５６】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態により明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態の構成＞
始めに、図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池セルの構成について説明する。ここに、図１は、燃料電池スタック１０の部分断面図である。
【００５８】
図１において、燃料電池スタック１０は、本実施形態に係る燃料電池セル１００が複数積層されてなる。図１は、この積層される方向（以降、適宜「積層方向」と称することとする）に沿った断面を示したものである。尚、燃料電池スタック１０の積層方向両端部には、燃料電池セル１００を保持するための保持部材等が設けられるが、図１では省略されている。
【００５９】
燃料電池セル１００は、本発明に係る「燃料電池」の一例たる固体高分子型燃料電池の一セルである。燃料電池セル１００は、紙面に垂直な方向に面的に広がるプロトン交換膜１１０を有する。このプロトン交換膜１１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜であり、プロトン及び水の伝導特性が良好となる様に構成された、本発明に係る「電解質膜」の一例である。
【００６０】
プロトン交換膜１１０の一方面には、カーボンに担持された白金触媒を有する触媒層１２１、及び拡散層１２２を備えるアノード電極１２０が形成されており、他方面には、アノード電極１２０と同様、触媒層１３１及び拡散層１３２からなるカソード電極１３０が形成されている。このアノード電極１２０、カソード電極１３０、及びこれら電極間に挟持されるプロトン交換膜１１０は、膜−電極接合体（Membrane-Electrode Assembly）とも称される。尚、拡散層１２２及び拡散層１３２の詳細については後述する。
【００６１】
燃料電池スタック１０において、隣り合う膜―電極接合体は、アノード電極１２０に隣接するセパレータ１４０及びカソード電極１３０に隣接するセパレータ１５０によって相互に隔離されている。
【００６２】
セパレータ１４０は、導電性に優れたカーボン材料で構成され、拡散層１２２と対面する様に配設されている。セパレータ１４０における、拡散層１２２と対面する面には、本発明に係る「燃料ガス」の一例たる水素ガスを拡散層１２２に供給するための溝状の水素ガス流路１４１が形成されている。また、拡散層１３２と対面する位置には、セパレータ１４０と同等の構成をもったセパレータ１５０が配設されている。セパレータ１５０における、拡散層１３２と対面する面には、本発明に係る「酸化剤ガス」の一例たる空気を拡散層１３２に供給するための溝状の空気流路１５１が形成されている。また、セパレータ１４０及び１５０において、相互に隣接する面には、燃料電池セル１００を冷却するための冷却水流路１６０が形成されている。
【００６３】
ここで、セパレータ１４０の詳細について、図２を参照して説明する。ここに、図２は、図１において矢線Ａ方向から見たセパレータ１４０の模式断面図である。尚、本実施形態において、セパレータ１４０とセパレータ１５０とは同等な構成を有しているから、図２において、セパレータ１４０の各部に対応するセパレータ１５０の各部位を括弧内に併記することとする。
【００６４】
図２において、水素ガス流路１４１は、流入口１４１ａから、排出口１４１ｂへと向う、蛇行した一本の流路である。この水素ガス流路１４１が形成される面において、蛇行する過程で隣接する流路同士は、リブ１４２によって相互に隔てられている。このリブ１４２は、水素ガス流路１４１を形作ると共に、セパレータ１４０において拡散層１２２と対面する面の一部を構成する、本発明に係る「第１のリブ」の一例である。このリブ１４２は、図１に示す通り、流入口１４１ａから排出口１４１ｂへ向うに連れて、段階的に低くなる様に構成されている。セパレータ１５０も同様に、流入口１５１ａ、排出口１５１ｂ、及びリブ１５２（即ち、本発明に係る「第２のリブ」の一例である）を有する。
【００６５】
尚、水素ガス流路１４１及び空気流路１５１の形態は、ここで述べられる蛇行する一本の流路に限定されない。例えば、夫々の拡散層と対面する面内で相互に独立した複数の直線状の流路であってもよい。また、本実施形態において、水素ガス流路１４１と空気流路１５１とは、相互に平行な方向に蛇行しているが、これら流路は、相互に直交する方向に向かって延在する様に形成されていてもよい。また、冷却水流路１６０も同様に、複数の部分流路を含んで形成されても、直列に蛇行して伸びる一本の流路として形成されていてもよい。
【００６６】
尚、セパレータ１４０とセパレータ１５０とは、予め一体に形成された一つのセパレータであってもよいし、夫々個別に形成された後に接合されたものであってもよい。即ち、本発明に係る「第１のセパレータ」及び「第２のセパレータ」とは、夫々燃料ガス（本実施形態では水素ガス）流路及び酸化剤ガス（本実施形態では空気）流路が形成されたセパレータである限りにおいて、構成上何らの制約を受けるものではない。
【００６７】
尚、セパレータ１４０及び１５０を構成する材料は、カーボンに限定されない。例えば、カーボンと樹脂の複合材料、アルミニウム、又はステンレス鋼等であってもよい。
【００６８】
更には、この水素ガス流路１４１、及び空気流路１５１の深さ（積層方向の長さ）及び幅は、夫々、拡散層１２２及び拡散層１３２に対して十分に水素ガス及び空気が供給される範囲で自由に決定されてよい。
＜拡散層及びセパレータの詳細構成＞
ここで、図３を参照して、拡散層１２２及び１３２、並びにセパレータ１４０及び１５０の詳細構成について詳述する。ここに、図３は、燃料電池セル１００における断面分解図である。尚、図３は、一燃料電池セル１００について、図１と同方向からみた断面構成を示したものであり、図１と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６９】
図３において、拡散層１２２及び１３２は、導電性のカーボン繊維が相互に編み込まれる様にして形成されたカーボンクロスである。従って、拡散層１２２及び１３２における個々のカーボン繊維間には、気孔と称される空間が無数に形成されている。個々の拡散層は、この気孔を通じて、セパレータから供給されるガスを拡散させることが可能に構成されている。即ち、拡散層１２２及び１３２は、夫々本発明に係る「第１の拡散層」及び「第２の拡散層」の一例であり、セパレータ１４０及び１５０は、夫々本発明に係る「第１のセパレータ」及び「第２のセパレータ」の一例である。
【００７０】
また、セパレータ１４０及び１５０が配設される前段階（即ち、本発明に係る「原形状」の一例である）において、拡散層１２２及び１３２は、夫々、積層方向に均一な厚みを有しており、その厚みは概ね数百μｍ程度となっている。
【００７１】
この原形状の拡散層１２２及び１３２は、セパレータ１４０及びセパレータ１５０によって、夫々プロトン交換膜１１０に向って押圧される。この際、セパレータ１４０及び１５０に形成されたリブ１４２及び１５２が、夫々対面する拡散層を押圧する。
【００７２】
リブ１４２及び１５２は、既に述べた様に、流入口１４１ａ及び１５１ａから排出口１１４１ｂ及び１５１ｂへと向うに連れて段階的に低くなる様に形成されている。従って、夫々のセパレータによって押圧される結果、拡散層１２２及び１３２は、リブの高さが高い部分に対面する部位程原形状よりも小さい厚みを有するような、最終的に不均一な厚みを有した形で燃料電池セル１００内に保持される。尚、ここで示される、リブ１４２及び１５２による押圧は、本発明に係る「部位に応じて原形状と異なる厚みを与える工程」の一例である。
【００７３】
ここで、図４を参照して、押圧前後における拡散層１２２及び１３２の内部構造について説明する。ここに、図４（ａ）は、押圧前後の拡散層１２２の模式断面図であり、図４（ｂ）は、変形形態に係る押圧前後の拡散層の模式断面図である。尚、図４は、拡散層１３２についても同様に適用することが可能である。
【００７４】
図４（ａ）において、押圧前（原形状）の拡散層１２２の厚みはａであり、内部の気孔率は均一である。ここで、気孔率とは、単位体積当りに占める気孔の割合である。既に述べた様に、個々の気孔における気孔径は、概ね数十〜数百μｍの範囲で様々である。但し、図４（ａ）においては、説明の簡略化のため気孔は全て同じ大きさに描かれている。
【００７５】
一方、係る原形状をもった拡散層１２２が、上述した様に押圧されると、原形状よりも小さい厚みを有する部位程気孔が潰される。図４（ａ）においては、流入口１４１ａに対応した部位の押圧量はｂ（ｂ＜ａ）であり、排出口１４１ｂに対応する部位の押圧量はｃ（ｃ＜ｂ）である。気孔は密閉された閉空間ではないから、原形状よりも小さい厚みを有する部位程単位体積に占めるカーボン繊維の割合は増加し、結果として気孔率が減少する。即ち、拡散層１２２は、部位に応じて異なる気孔率を有することとなる。
【００７６】
尚、この押圧量ｂ及びｃは、原形状における拡散層１２２の厚みａを超えない限りにおいて何ら限定されない。
【００７７】
尚、拡散層１２２及び１３２は、ここに述べるカーボンクロスに限定されず、カーボンペーパであってもよい。更に、拡散層１２２及び１３２を構成する材料は、このように部位に応じて原形状と異なる厚みを与えることが可能な限りにおいてカーボンに限定されない。
【００７８】
尚、拡散層１２２及び１３２の原形状における厚みは均一でなくてもよい。例えば、図４（ｂ）に変形形態として示すように、セパレータによって押圧された段階（押圧量ｂ’）で厚みが均一となる様に、拡散層１２２’の原形状の厚みが決定されていてもよい。この際には、セパレータのリブの高さは特に変化している必要がなくなり、好適である。この際には、最終的に所望の気孔率分布を実現することが可能なように、拡散層の原形状の厚みが決定されていてもよい。
＜実施形態の動作＞
ここで、図５を参照して、燃料電池セル１００の動作について説明する。ここに、図５は、燃料電池セル１００内の気孔率分布を説明する断面図である。尚、図５において、図１と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。また、図５においては、本実施形態の効果を顕著にするため、燃料電池セル１００の各構成要素の大きさが他の図と異なっている。
【００７９】
始めに、水素ガス流路１４１に供給される水素ガスは、係る流路内を進行する過程で、拡散層１２２内を拡散し、触媒層１２１に到達する。また、空気流路１５１に供給される空気は、係る流路内を進行する過程で、拡散層１３２内を拡散し、触媒層１３１に到達する。
【００８０】
拡散層１２２に水素ガスが供給されると、係る水素ガスを構成する水素分子が触媒層１２１によって、下記化学式（１）に示す如き反応により電子とプロトンに分離される。係る電子は、アノード電極１２０から図示略の外部回路を通ってカソード電極１３０に到達すると共に、係るプロトンは、プロトン交換膜１１０を介してカソード電極１３０に移動する。
【００８１】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・・・化学式（１）
一方、カソード電極１３０では、下記化学式（２）に示す如き反応が生じる。即ち、拡散層１３２に供給される空気内の酸素分子が、外部回路を通ってきた電子を受け取って酸素イオンとなると共に、更に水素イオンと結合して水を生成する。
【００８２】
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ  ・・・・・化学式（２）
燃料電池セル１００内では、この様な電気化学反応によって起電力が生じる。この起電力は、所定の負荷を介して、最終的に燃料電池スタック１０の出力として取り出される。
【００８３】
一方、生成された水は、カソード電極１３０からプロトン交換膜１１０を介してアノード電極１２０にも浸潤する。従って、燃料電池セル１００の動作時においては、両極ともに水を有る程度含有している。この含有される水は、拡散層１２２及び１３２内をガスと共に拡散、移動すると共に、対面するセパレータ１４０及び１５０における水素ガス流路１４１及び空気流路１５１を通って、排出口１４１ｂ及び１５１ｂからガスと共に排出される。
【００８４】
この際、燃料電池セル１００夫々のセパレータのガス流路においては、流入口に近い程ガスの流速が速く、また、排出口に近い程ガスの流速が遅くなり易い。従って、対面する拡散層においては、係る流入口に対応する部位よりも、排出口に対応する部位の方が水が溜まり易い。
【００８５】
ここで、本実施形態に係る拡散層１２２及び１３２は、夫々セパレータのガス流路における排出口に対面する部位の気孔率が、流入口に対面する部位のそれよりも大きくなるように、セパレータ１４０及び１５０によって押圧されている。即ち、水分量が多くなり易い部位程、拡散層の気孔率が大きくなるようにセパレータの形状が決定されている。
【００８６】
従って、ガス流路の流入口に対応する部位では、比較的に保水性が高く、水分が流出しにくくなっており、逆に排出口に対応する部位では、比較的に排水性が高く、水分が流出し易くなっている。即ち、燃料電池セル１００の内は、極めて良好な水分分布に制御される。
【００８７】
更に、燃料電池セル１００において、各セパレータに形成されるガス流路は流入口に近い程流路の容積が大きく、また、排出口に近い程容積が小さくなっている。流路の容積が大きい場合には、ガスの流速は遅く、また、容積が小さい場合には、ガスの流速は速い。ガス流速が速ければ、水分の排出速度も速いから、結局、燃料電池セル１００においては、乾燥し易い部位程水分の排出速度が遅く、フラッティングし易い部位程水分の排出速度が速くなるようにセパレータが構成されている。従って、上述の効果と相まって、燃料電池セル１００内は極めて良好な水分分布に制御される。
【００８８】
また、燃料電池セル１００は、セパレータ１４０及びセパレータ１５０が同様の構成を有するため、拡散層１２２及び１３２が押圧されることによって生じる、各拡散層における原形状からの厚みの変化量は、プロトン交換膜１１０を挟む対称位置で相互に等しくなっている。従って、プロトン交換膜１１０を損傷させる様な応力は発生しにくく、プロトン交換膜１１０が劣化しにくくなっている。
【００８９】
この様に、本実施形態に係る燃料電池セル１００によれば、セル内の水分分布を極めて容易に制御可能である。
【００９０】
尚、拡散層に部位に応じて原形状と異なる厚みを与える手段は、本実施形態に係るセパレータの様な、押圧手段に限定されない。また、例えば、燃料電池セル１００の組み付けが何らかの理由で解除され、拡散層１２２又は１３２と、セパレータ１４０又は１５０とが相互に離れた状態におかれた時、これら拡散層が原形状に復元しない場合も生じ得る。係る拡散層を再組み付けした際には、拡散層がセパレータによって押圧されているとは厳密には言えない。しかしながら、このような場合も、拡散層は部位に応じて原形状と異なる厚みを有しており、本発明に係る効果は担保されるものである。また、係る再組み付けされた燃料電池セル１００も本発明に係る燃料電池の範疇である。
＜変形例＞
本発明に係る燃料電池においては、必ずしも拡散層１２２及び拡散層１３２の両極が、所望の気孔率に制御されていなくてもよい。その様な場合であっても、燃料電池セル１００の水分分布を好適に制御することは可能である。但し、一方の拡散層のみに本発明が適用された場合、部位に応じた厚みの変化量によっては、プロトン交換膜１１０が回転したり、損傷したりする可能性がある。そこで、その様な場合に好適な本発明の変形例に係る燃料電池セルについて、図６を参照して説明する。ここに、図６は、燃料電池セル２００の模式断面図である。尚、同図において、図１と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００９１】
図６において、カソード電極側の構造は上述の実施形態と同等であり、拡散層１３２が、セパレータ１５０によって押圧されているとする。尚、拡散層１３２のヤング率はＥ１となっている。
【００９２】
一方、アノード電極側の拡散層２１０は、上述の実施形態に係る拡散層１２２と異なり、ヤング率がＥ２（Ｅ２＞Ｅ１）であり、従って、拡散層２１０は、同じ力で押圧された場合、拡散層１３２よりも歪み量が小さくなるように構成されている。また、拡散層２１０は、セパレータ２２０によって押圧されている。セパレータ２２０は、セパレータ１４０と異なり、リブ２３０の高さが全て一定である。
【００９３】
この様な構成を有する燃料電池セル２００においては、アノード電極側は、拡散層２２０のヤング率Ｅ２が拡散層１３２のヤング率Ｅ１よりも大きいために、拡散層１３２のみが、部位に応じて異なる厚みを有していても、プロトン交換膜１１０を劣化させる様な歪みは生じない。従って、拡散層１３２の気孔率分布のみを上述の実施形態と同様に制御することが可能である。
【００９４】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池及びその製造方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の部分断面図である。
【図２】図１において矢線Ａ方向からみたセパレータ１４０の模式断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池セル１００の断面分解図である。
【図４】燃料電池セル１００における押圧前後の拡散層１２２の模式断面図である。
【図５】燃料電池セル１００内の気孔率分布を説明する断面図である。
【図６】本発明の変形例に係る燃料電池セル２００の模式断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０…燃料電池スタック、１００…燃料電池セル、１１０…プロトン交換膜、１２０…アノード電極、１２１…触媒層、１２２…拡散層、１３０…カソード電極、１３１…触媒層、１３２…拡散層、１４０…セパレータ、１４１…水素ガス流路、１４１ａ…流入口、１４１ｂ…排出口、１４２…リブ、１５０…セパレータ、１５１…空気流路、１５１ａ…流入口、１５１ｂ…排出口、１５２…リブ、１６０…冷却水流路、２００…燃料電池セル、２１０…拡散層、２２０…セパレータ、２３０…リブ。
【図１】
2005317416.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005317416.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005317416.tif 000007
【図６】
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