(57)【要約】【課題】生成水の排水性を向上させるとともに発電性能に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】空気極側の流路形成材５ｂは、拡散層２３ｂとセパレータ６ｂとの間を連通する複数のメッシュ５１と、隣り合うメッシュ５１の間を仕切る壁部５２とをもつエキスパンドメタル５０からなる。壁部５２は、その厚み方向に凹凸を繰り返して、一端に底部５６ａをもち他端に頂部５６ｂをもつ傾斜部５６ｃを規則的に配列してなる。セパレータ６ｂは頂部５６ｂに接する頂部接触部６ｃをもつ。拡散層２３ｂにおける底部５６aに接する底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、傾斜部５６ｃを拡散層２３ｂに投影したときの投影領域２３ｇの少なくとも一部までの間には、撥水処理部８が形成されている。隣り合う底部接触部２３ｃ同士の間であって撥水処理部８以外の部分には、撥水処理がされていない非撥水処理部９を有している。【選択図】図５
2009193845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の燃料極側及び空気極側の両面に触媒層及び拡散層を配設してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の燃料極側及び空気極側の両面に配設された流路形成材と、該流路形成材の表面に配設されたセパレータと、を含む燃料電池であって、
前記膜電極接合体の両面に配設された前記流路形成材のうち少なくとも空気極側の前記流路形成材は、前記拡散層と前記セパレータとの間を連通する網目状に配列した複数の貫通穴と、隣り合う前記貫通穴の間を仕切る壁部とをもつ導電性多孔体からなり、
前記壁部は、その厚み方向に凹凸を繰り返して、一端に底部をもち他端に頂部をもつ傾斜部を規則的に配列してなり、
前記拡散層は前記底部に接する底部接触部をもち、前記セパレータは前記頂部に接する頂部接触部をもち、
前記拡散層における前記底部接触部の縁部から、前記拡散層に対して前記流路形成材の前記傾斜部を投影してなる投影領域の少なくとも一部までの間には、撥水処理部が形成されており、
前記底部接触部、及び隣り合う前記底部接触部同士の間であって前記撥水処理部以外の部分には、撥水処理がされていない非撥水処理部を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記拡散層と前記傾斜部とのなす傾斜角度をθ、前記傾斜部の長さをＬとしたときに、
前記撥水処理部は、前記底部接触部の縁部から、前記投影領域の長手方向に向かって１／２×Ｌ×ｃｏｓθ以上Ｌ×ｃｏｓθ未満の長さをもつ部分に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記導電性多孔体は、エキスパンドメタルである請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
燃料極側の前記流路形成材と前記膜電極接合体との間にのみ、クッション材が介設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池の排水構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスと酸素との電気化学反応によって発電を行うものであり、複数の電池セルを積層したものである。電池セルは、固体高分子電解質膜の両面に触媒層及び拡散層を配設してなる膜電極接合体と、セパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、水素ガス、酸素、水などの流体の流路を構成する流路形成材とからなる。電解質膜の両面に形成された触媒層のうち燃料極（アノード）側の触媒層では、水素ガスから水素イオンと電子が生成し、空気極（カソード）側の触媒層では、外部回路を通じて受け取った電子が、電解質膜を通過した水素イオンと、供給された空気中の酸素と反応して、水を生成する。燃料電池は、外部回路を通る電子の流れによって電気エネルギを発生させる。生成した水は、空気極側の触媒層から拡散層を経て流路形成材を通って電池セルの外部に排出される。
【０００３】
かかる生成水は、固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つ一方、拡散層に過剰に存在すると、拡散層のガス流路を塞ぎ、ガス拡散性が低下し、発電効率が低下するおそれがある。そこで、拡散層の排水性を改良する工夫が従来からなされている。
【０００４】
たとえば、特許文献１（特開２００５−３２７６０９号公報、明細書「００１９」）では、拡散層（カーボン層）をフッ素樹脂で被覆した後に、触媒層やカーボンペーパと接する面に存在するフッ素樹脂を除去することが開示されている。即ち、拡散層は、電気が流れる部位のフッ素樹脂を除去して導電性を発揮させ、それ以外の部分はフッ素樹脂の被覆で撥水性を確保している。
【０００５】
特許文献２（特開２００５−９３１６７号公報、明細書「０００７」）では、拡散層（ガス拡散電極基材）の撥水処理を施したい部分にのみ、フッ素含有化合物を含む撥水材を形成することが開示されている。
【０００６】
特許文献３（特開２０００−２５１９００号公報、明細書「００１０」）では、燃料極側の拡散層は撥水性材料を含んでおり、燃料極側のガス室の凸部に接触する拡散層の領域の撥水性を、ガス室の凹部に対向する拡散層の撥水性よりも小さくしている。これにより、ガス室の凸部に接触する領域においても、ガス室の凹部と対向する領域と同程度に、加湿水が拡散層を透過することができ、電解質膜の湿潤状態を確保でき、所望の電池性能を確保することができる。
【０００７】
特許文献４（特開平６−８４５２９号公報、明細書「００１５」）では、カーボン繊維焼結体からなる空気極側の拡散層の表面部に撥水剤を付着させ、リブ付きセパレータのリブに当接するリブ面に付着した撥水剤を除去することにより、リブ面とリブ付きセパレータとの間での電気導通性を確保している。
【０００８】
一方、流路形成材として、近年、エキスパンドメタルが用いられている。例えば、特許文献５（特開２００６−２９４３２７号公報、明細書「０００４」）に記載されているように、エキスパンドメタルは、多数の貫通穴が形成されているとともに、その表面に多数の凹凸形状をもつ。この凹凸厚みを調整することにより、拡散層とエキスパンドメタルとの接触を良好にすることができ、発電効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００５−３２７６０９号公報
【特許文献２】特開２００５−９３１６７号公報
【特許文献３】特開２０００−２５１９００号公報
【特許文献４】特開平６−８４５２９号公報
【特許文献５】特開２００６−２９４３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１〜４では、電気化学反応で生じた生成水が、拡散層のどの部位に溜まりやすいかが十分に検討されていない。また、特許文献５では、流路形成材としてエキスパンドメタルを用いたときに、効果的な排水構造は検討されていない。そこで、発明者は、拡散層の生成水が溜まりやすい部位に着目して鋭意探求をしたところ、本発明に相当するに至った。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、生成水の排水性を向上させるとともに発電性能に優れた燃料電池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】
【００１１】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電解質膜の燃料極側及び空気極側の両面に触媒層及び拡散層を配設してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の燃料極側及び空気極側の両面に配設された流路形成材と、該流路形成材の表面に配設されたセパレータと、を含む燃料電池であって、前記膜電極接合体の両面に配設された前記流路形成材のうち少なくとも空気極側の前記流路形成材は、前記拡散層と前記セパレータとの間を連通する網目状に配列した複数の貫通穴と、隣り合う前記貫通穴の間を仕切る壁部とをもつ導電性多孔体からなり、前記壁部は、その厚み方向に凹凸を繰り返して、一端に底部をもち他端に頂部をもつ傾斜部を規則的に配列してなり、前記拡散層は前記底部に接する底部接触部をもち、前記セパレータは前記頂部に接する頂部接触部をもち、前記拡散層における前記底部接触部の縁部から、前記拡散層に対して前記流路形成材の前記傾斜部を投影してなる投影領域の少なくとも一部までの間には、撥水処理部が形成されており、前記底部接触部、及び隣り合う前記底部接触部同士の間であって前記撥水処理部以外の部分には、撥水処理がされていない非撥水処理部を有していることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記拡散層と前記傾斜部とのなす傾斜角度をθ、前記傾斜部の長さをＬとしたときに、前記撥水処理部は、前記底部接触部の縁部から、前記投影領域の長手方向に向かって１／２×Ｌ×ｃｏｓθ以上Ｌ×ｃｏｓθ未満の長さをもつ部分に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記導電性多孔体は、エキスパンドメタルであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、燃料極側の前記流路形成材と前記膜電極接合体との間にのみ、クッション材が介設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
前記請求項１に係る発明によれば、拡散層の流路形成材と対向する表面には、流路形成材の底部が接触している底部接触部の縁部から、流路形成材の傾斜部を拡散層に投影したときの投影領域の少なくとも一部までの間に、撥水処理部が形成されている。空気極側の拡散層の底部接触部は、空気極側のセパレータ及び流路形成材を通じて取り込まれる電子の流路に位置している。このため、電子が底部接触部から拡散層を経て触媒層に供給され、触媒層における電気化学反応で生じた生成水は、電子が供給された経路とほぼ同じ経路をたどって拡散層の表面に拡散する。このため、拡散層の底部接触部の縁部周辺には、多くの生成水が流通する傾向にある。そして、底部接触部の縁部周辺の中でも、傾斜部を拡散層に投影した投影領域は、傾斜部によって生成水の流れが遮られて、生成水の流れが滞りやすい部位である。
【００１６】
そこで、本発明によれば、拡散層における底部接触部の縁部から、傾斜部の投影領域の少なくとも一部までの間に、撥水処理部を形成している。このため、生成水を撥水させて効率よく電池系外へ排出させることができる。また、底部接触部の縁部から傾斜部の投影領域の少なくとも一部までの間に撥水処理部が形成され、電子の流通経路である底部接触部には撥水処理がされていない非撥水処理部を有している。ゆえに、流路形成材と拡散層との間の電子の流れは、撥水処理部によって遮られない。また、隣り合う底部接触部同士の間にも、撥水処理部を除く部分に、非撥水処理部を有している。このため、反応ガスや生成水は、隣り合う底部接触部同士の間の非撥水処理部を通って、拡散層と流路形成材との間を流通することができる。したがって、本発明によれば、燃料電池の発電性能が向上する。
【００１７】
前記請求項２に係る発明によれば、撥水処理部は、底部接触部の縁部から、投影領域の長手方向に向かって１／２×Ｌ×ｃｏｓθ以上Ｌ×ｃｏｓθ未満の長さをもつ部分に形成されている。ここで、「投影領域の長手方向」とは、傾斜部の底部に接触する底部接触部から、傾斜部の頂部の拡散層に投影した部分に向かう方向をいう。生成水は、傾斜部の投影領域の中の特に底部接触部に近い部位、即ち、底部接触部の縁部から投影領域の長手方向に向かって１／２×ｃｏｓθの間の部分に溜まりやすい。この部分は、電子の流路である底部接触部に近く、活発に生成水が生じやすい部分であり、しかも、傾斜部の陰になって狭い空間であり、特に生成水が溜まりやすい部分である。したがって、当該部分に撥水処理部を形成することにより、生成水を効果的に排水させることができる。また、撥水処理部は、底部接触部の縁部から投影領域の長手方向に向かってＬ×ｃｏｓθ未満の部分に形成されている。このため、拡散層の表面には撥水処理部が形成されていない部分が残り、反応ガスの流通経路が確保される。したがって、反応ガスの流通を妨げることなく、排水性を効果的に高めることができる。
【００１８】
前記請求項３に係る発明よれば、エキスパンドメタルにより流路形成材が構成されている。エキスパンドメタルは、平板状の薄肉金属板に千鳥配置の切れ目を加工するとともに切れ目を押し延ばすことにより、網目状の貫通穴を規則的に連続的に形成したものである。このため、例えば、貫通穴を打ち抜き加工によって形成する場合に比べて、歩留まりがよい。したがって、燃料電池の製造コストを低減できる。
【００１９】
前記請求項４に係る発明によれば、燃料極側の流路形成材と燃料極側の膜電極接合体との間にのみクッション材が介設され、空気極側の流路形成材と空気極側の膜電極接合体との間にはクッション材が介設されていない。そして、空気極側の流路形成材を導電性多孔体から構成するとともに、拡散層の底部接触部の縁部から投影領域の少なくとも一部までの間に撥水処理部を形成している。これにより、空気極側の流路形成材の排水経路を長くすることなく、熱膨張などの寸法変化を燃料極側のクッション材で吸収することができる。したがって、燃料電池の排水性及び寸法安定性の双方を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る燃料電池は、複数の電池セルが積層されたものである。図１に示すように、電池セル１は、膜電極接合体２と、膜電極接合体２の外側に配置された流路形成材５ａ、５ｂと、流路形成材５ａ、５ｂの外側に形成されたセパレータ６ａ、６ｂとをもつ。
【００２１】
膜電極接合体２は、電解質膜２１と、電解質膜２１の燃料極側及び空気極側の両方に配置された触媒層２２ａ、２２ｂと、触媒層２２ａ、２２ｂの外側に配置されたガス拡散性をもつ拡散層２３ａ、２３ｂとからなる。電解質膜２１は、イオン伝導性能をもつ材料、例えば、ナフィオンからなる。触媒層２２ａ、２２ｂは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。電解質膜２１の両面に形成された触媒層２２ａ、２２ｂのうち燃料極側の触媒層２２ａでは、水素ガスから水素イオンと電子が生成する。空気極側の触媒層２２ｂでは、外部回路を通じて受け取った電子が、電解質膜２１を通過した水素イオンと酸素と反応して、水を生成する。
【００２２】
拡散層２３ａ、２３ｂは、ガスや水をその厚み方向に通過可能にする孔をもつ多孔質体であり、たとえば、カーボン多孔体からなる。カーボン多孔体は、ポリイミドを炭化したもの、カーボンブラックとフッ素樹脂との混合物、カーボン不織布にフッ素をコートしたものである。燃料極側の拡散層２３ａは、燃料ガス（水素ガス）及び触媒層での電気化学反応により生成した電子をその厚み方向に拡散させ、空気極側の拡散層２３ｂは、空気（酸素ガス）並びに触媒層での電気化学反応により生成した水及び電子をその厚み方向に拡散させる。
【００２３】
膜電極接合体２の燃料極側及び空気極側の両方の表面には流路形成材５ａ、６ｂ及びセパレータ６ａ、６ｂが積層されている。ここで、燃料極側及び空気極側の流路形成材５ａ、５ｂのうち少なくとも空気極側の流路形成材５ｂは、拡散層２３ｂとセパレータ６ｂとの間を連通する網目状に配列した同一形状の複数のメッシュ５１と、隣り合うメッシュ５１の間を仕切る壁部５２とをもつ導電性多孔体からなる。壁部５２は、その厚み方向に凹凸を繰り返して、一端に底部５６ａをもち他端に頂部５６ｂをもつ傾斜部５６ｃを規則的に配列させている。底部５６ａは、拡散層２３ｂの底部接触部２３ｃに接している。頂部５６ｂは、セパレータ６ｂの頂部接触部６ｃに接している。そして、拡散層２３ｂにおける底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、流路形成材５ｂの傾斜部５６ｃを拡散層２３ｂに投影してなる投影領域２３ｇの少なくとも一部までの間には、撥水処理部８が形成されている。
【００２４】
空気極側及び燃料極側の流路形成材５ａ、５ｂのうち少なくとも空気極側の流路形成材５ｂとしては、たとえば、エキスパンドメタル５０を用いるとよい。エキスパンドメタル５０は、導電性をもつ金属、例えば、ステンレス鋼、チタン、またはチタン合金により形成されている。空気極側に限らず燃料極側の流路形成材５ａ、５ｂについてもエキスパンドメタル５０により構成することができる。図２〜図４に示すように、エキスパンドメタル５０は、複数の菱形ないし六角の貫通穴としてのメッシュ５１と、メッシュ５１を囲む壁部５２とからなる導電性多孔体である。壁部５２は、メッシュ５１の４辺を構成するストランド部５５と、隣り合うストランド部５５同士が連結されているボンド部５６とをもつ。ボンド部５６の幅Ｈが大きい場合には、メッシュ５１が六角形となり、ボンド部５６の幅Ｈが狭い場合には菱形（四角形）となる。図２には、ボンド部５６の幅Ｈが大きく、メッシュ５１が六角形になる場合を例示した。
【００２５】
エキスパンドメタル５０は、金属プレートに千鳥状に切り込みを入れ、切り込みに対して平面垂直方向に金属プレートを延ばして形成される。金属プレートを延ばすときに、切り込みをつなぐボンド部が厚み方向に傾斜する。このため、エキスパンドメタル５０には、厚み方向に規則的な凹凸が形成される。そして、ボンド部５６は、傾斜部５６ｃからなる。傾斜部５６ｃの一端は底部５６ａをもち、傾斜部５６ｃの他端は頂部５６ｂをもつ。傾斜部５６ｃは、底部５６ａと頂部５６ｂとの間を所定角度θで傾斜している。エキスパンドメタル５０のボンド部５６の傾斜部５６ｃは、すべて略同一の所定角度θで傾斜している。ボンド部５６の傾斜部５６ｃは、エキスパンドメタル５０の中の空間を通過する流体の流通性の観点から、１０〜８０°の傾斜角度θであるとよい。隣り合うボンド部５６同士を連結しているストランド部５５は、一方のボンド部５６の底部５６ａと、他方のボンド部５６の頂部５６ｂとの間を連結して、底部５６ａと頂部５６ｂとをそれぞれ山部と谷部とする波形状を形成している。
【００２６】
図５に示すように、空気極側の拡散層２３ｂは、エキスパンドメタル５０のボンド部５６の底部５６ａに接する底部接触部２３ｃをもつ。空気極側のセパレータ６ｂは、ボンド部５６の頂部５６ｂに接する頂部接触部６ｃをもつ。拡散層２３ｂのエキスパンドメタル５０と対向する表面には、底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから投影領域２３ｇの少なくとも一部までの間に、撥水処理部８が形成されている。投影領域２３ｇは、拡散層２３ｂに対して傾斜部５６ｃを垂直方向に投影したときに傾斜部５６ｃの陰となる領域である。そして、撥水処理部８は、底部接触部２３ｃには形成されていない。
【００２７】
図６に示すように、撥水処理部８は、拡散層２３ｂにおけるエキスパンドメタル５０の底部５６ａと接している底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから投影領域２３ｇの一部までの間に、少なくとも底部接触部２３ｃの幅Ｈ全体にわたって形成されていることが好ましい。エキスパンドメタル５０は、底部５６ａの幅Ｈ全体にわたって拡散層２３ｂと接している。このため、拡散層２３ｂにおける底部接触部２３ｃの幅Ｈ全体の周縁で生成水が溜まりやすい。そこで、底部接触部５６ｃの幅Ｈ全体にわたって撥水処理部８を形成することで、生成水を効果的に排水させることができる。
【００２８】
図５に示すように、拡散層２３ｂとエキスパンドメタル５０のボンド部５６の傾斜部５６ｃとのなす傾斜角度をθ、傾斜部５６ｃの長さをＬとしたときに、撥水処理部８は、拡散層２３ｂの底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、投影領域２３ｇの長手方向（図５、図６のＹ矢印方向）に向かって１／２×Ｌ×ｃｏｓθ以上Ｌ×ｃｏｓθ未満の長さをもつ部分に形成されていることが好ましい。即ち、撥水処理部８は、底部接触部２３ｃの縁部２３ｆを基点として、投影領域２３ｇの長手方向に向かって形成されており、撥水処理部８の長さａは、傾斜部５６ｃの投影領域２３ｇの長手方向Ｙの長さであるＬ×ｃｏｓθに対して１／２以上１未満の大きさをもつことが好ましい。この場合には、拡散層２３ｂに反応ガスの流通に十分な開口面積を確保しつつ、生成水の排水性を効果的に向上させることができる。
【００２９】
撥水処理部を形成するに当たっては、例えば、拡散層の表面における撥水処理部形成部分以外の部分をマスクして、撥水剤を塗工する。塗工方法は、スプレー、スクリーン印刷、アプリケータ、インクジェットなどがある。撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」という。）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン−パーフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）などのフッ素樹脂を用いることができる。
【００３０】
また、拡散層２３ｂの底部接触部２３ｃと、隣り合う底部接触部２３ｃ同士の間であって撥水処理部８以外の部分には、撥水処理が施されない非撥水処理部９を有している。したがって、拡散層２３ｂの表面には、非撥水処理部９と撥水処理部８とが、交互に配列することになる。ここで、「隣り合う底部接触部同士」とは、一方向に隣り合う底部接触部との間（第１のケース）、または二方向に隣り合う底部接触部との間（第２のケース）のいずれかという意味である。第１のケースの場合、拡散層の平面方向における一方向に隣り合う底部接触部との間に非撥水処理部が配置されており、他方向に隣り合う底部接触部の間には非接触部が配置されておらず撥水処理部が他方向に部分的に又はすべて連続している。第２のケースの場合には、二方向に隣り合う底部接触部との間に非撥水処理部が配置されており、各撥水処理部が非連続的に、格子状に配置されている。図６，図７には、第２のケースの具体例を示す。両図には、投影領域２３ｇの長手方向Ｙと、長手方向Ｙと直交する幅方向Ｘの双方に、格子状に撥水処理部８が配列しており、隣り合う撥水処理部８同士の間には、非撥水処理部９が介在している。図６では、各撥水処理部８が隣り合う他の撥水処理部８と非接触状態で配置されている。図７では、各撥水処理部８が隣り合う他の撥水処理部８と、コーナー部８ｃにおいて接触した状態で配置されている。
【００３１】
セパレータ６ａ、６ｂは、水素と酸素による電気化学反応により発生した電子を集電し、隣り合う電池セル間の電気的なコネクタとして良好な導電性を有している。また、セパレータ６ａ、６ｂは、電池セルを積層する場合に電池セル同士を隔離し且つ酸素と水素を隔離する役目を果たしている。セパレータ６ａ、６ｂは、凹凸のない平板からなり、たとえば、緻密体のカーボン板あるいはメタル板（例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金など）を用いることができる。
【００３２】
燃料極側の流路形成材５ａと膜電極接合体２との間にのみクッション材３が介設され、空気極側の流路形成材５ｂと膜電極接合体２との間にはクッション材３が介設されていない構成とするとよい。これにより、空気極側で生成水を効果的に排水させることができるとともに、燃料極側で燃料電池の寸法安定性を高めることができる。
【００３３】
クッション材３は、厚み方向に弾性をもち、反応ガスや水を通過可能な多孔性を有しており、例えば、金属、カーボン、導電性樹脂からなる導電性繊維の織布又は不織布、若しくは通気性を有する程度に気孔が連通した導電性発泡シートなどを用いることができる。更に好ましくは、クッション材３は、カーボンクロスまたはカーボンペーパからなる。クッション材３の厚みは、５０〜６００μｍであるとよく、更には２００〜３００μｍであるとよい。これにより、膜電極接合体２と空気極側の流路形成材５ｂとの間の反応ガスや水の拡散距離を大きくすることなく、熱膨張などによる燃料電池の厚み方向の寸法変化を弾性吸収することができる。
【実施例】
【００３４】
実施例１
本例の燃料電池は、複数の電池セルを積層したものである。図１に示すように、電池セル１は、膜電極接合体２と、膜電極接合体２の空気極側及び燃料極側の両面に配置された流路形成材５a、５ｂ及びセパレータ６a、６ｂとをもつ。膜電極接合体２は、電解質膜２１と、電解質膜２１の空気極側及び燃料極側の両面に配置された触媒層２２ａ、２２ｂ及び拡散層２３ａ、２３ｂとからなる。燃料極側の拡散層２３ａと燃料極側の流路形成材５ａとの間にのみクッション材３が介設されている。空気極側及び燃料極側の流路形成材５ａ、５ｂは、メッシュ状のエキスパンドメタル５０からなる。
【００３５】
図２〜図４に示すように、エキスパンドメタル５０は、拡散層２３ａ、２３ｂとセパレータ６ａ、６ｂとの間を連通する網目状に配列した複数の六角形のメッシュ５１と、隣り合うメッシュ５１同士を仕切る壁部５２とをもつ。壁部５２は、六角形のメッシュ５１の４辺を構成するストランド部５５と、メッシュ５１の２辺を構成するとともに隣り合うストランド部５５同士を連結するボンド部５６とをもつ。壁部５２は、その厚み方向に凹凸を繰り返して規則的な凹凸が形成されている。ボンド部５６は、厚み方向に傾斜する傾斜部５６ｃからなる。傾斜部５６ｃの一端は底部５６ａをもち、傾斜部５６ｃの他端は頂部５６ｂをもつ。ボンド部５６の傾斜部５６ｃは、すべて略同一の角度θで傾斜している。隣り合うボンド部５６同士を連結しているストランド部５５は、一方のボンド部５６の底部５６ａと、他方のボンド部５６の頂部５６ｂとの間を連結して、底部５６ａと頂部５６ｂとをそれぞれ山部と谷部とする波形状を形成している。拡散層２３ｂとエキスパンドメタル５０の傾斜部５６ｃとのなす傾斜角度θは、４５°である。傾斜部５６ｃの長さＬ、即ち底部５６ａから頂部５６ｂまでの長さは、２ｍｍである。図２に示すように、エキスパンドメタル５０の板厚ｃは、０．１ｍｍで、幅ｄが１ｍｍ、長さｅが２ｍｍのメッシュ５１が開口している。
【００３６】
図５に示すように、空気極側の拡散層２３ｂは、エキスパンドメタル５０のボンド部５６の底部５６ａに接する底部接触部２３ｃをもつ。空気極側のセパレータ６ｂは、ボンド部５６の頂部５６ｂに接する頂部接触部６ｃをもつ。拡散層２３ｂのエキスパンドメタル５０と対向する表面には、底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから投影領域２３ｇの一部までの間に、撥水処理部８が形成されている。そして、底部接触部２３ｃ、及び隣り合う底部接触部２３ｃ同士の間であって撥水処理部８以外の部分には、撥水処理がされていない非撥水処理部９を有している。具体的には、拡散層２３ｂと傾斜部５６ｃとのなす傾斜角度をθ（４５°）、傾斜部５６ｃの長さをＬ（２ｍｍ）としたときに、撥水処理部８は四角形状を呈しており、拡散層２３ｂの底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、投影領域２３ｇの長手方向Ｙに向かって１／２×Ｌ×ｃｏｓθの長さａ（０．７１ｍｍをもつ部分２３ｈ、すなわち投影領域２３ｇの長手方向Ｙの中央部分までの間に形成されている。また、図６に示すように、撥水処理部８は、ボンド部５６の幅Ｈの中心からその両側に向かってそれぞれ０．５ｍｍずつ延びて１ｍｍの幅ｂをもつ。撥水処理部８は、空気極側の拡散層２３ｂにおけるすべてのボンド部５６の投影領域２３ｇに同形状に形成され、平面方向に規則的に配列している。撥水処理部８の面積は、０．７１ｍｍ２である。拡散層２３ｂの表面全体面積に対する撥水処理部８の合計面積の比率は、２２％である。
【００３７】
非撥水処理部９は、拡散層２３ｂにおける底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから投影領域２３ｇの長手方向に向かって１／２×Ｌ×ｃｏｓθの長さａを越える部分から、隣設する底部接触部２３ｃまでの間に配置されている。また、非撥水処理部９は、ボンド部５６の幅Ｈの方向の幅Ｈの中心から０．５ｍｍ離れた部位から、隣設するボンド部５６の幅Ｈの方向の幅Ｈの中心から０．５ｍｍ離れた部位までの間に位置している。したがって、非撥水処理部９は、メッシュ５１の開口近傍に位置することになる。
【００３８】
クッション材３は、厚み３００μｍのカーボンクロスからなる。カーボンクロスは、カーボン繊維の織布である。セパレータ６ａ、６ｂは、流路形成用の凹凸のないステンレス平板からなる。
【００３９】
本例の燃料電池の製造方法について説明する。まず、４５重量％の白金を担持した炭素微粒子（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックＥＣ）１ｇと高分子電解質（デュポン社製、ＳＥ２００９２）２．２ｇとからなる空気極側の触媒層２２ｂと、３０質量％の白金を担持した炭素微粒子（日本キャボット社製、バルカンＸＣ−７２Ｒ）１ｇと高分子電解質（デュポン社製、ＳＥ２００９２）３．５ｇとからなる燃料極側の触媒層２２ａとを、高分子電解質膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ１１２）からなる電解質膜２１に、熱プレスした。これにより、電解質膜２１の空気極側及び燃料極側に触媒層２２ａ、２２ｂを形成した。
【００４０】
次に、カーボンクロス上にカーボンブラックとＰＴＦＥ分散液（ディスパージョン）とを混合した溶液を塗布し、乾燥、焼成して、触媒層２２ａ、２２ｂの表面に拡散層２３ａ、２３ｂを形成した。
【００４１】
次に、燃料極側の拡散層２３ａの表面に、カーボンクロスからなるクッション材３を配設した。
【００４２】
次に、空気極側の拡散層２３ｂの流路形成材５ｂ側の表面に、幅（ｂ）１ｍｍ×長さ（ａ）０．７１ｍｍ＝０．７１ｍｍ２の面積で、長さａの方向にピッチＰが２ｍｍの撥水処理部８を形成した。撥水処理は、拡散層の撥水処理を形成しない部分をマスクした後に、マスクの開口部にＰＴＦＥディスパージョン（三井・デュポンフロロケミカル株式会社製３１−ＪＲ）をスプレーにて塗工した。その後、撥水処理部８の乾燥、焼成を行った。燃料極側の拡散層２３ａの表面には、撥水処理部は形成しなかった。
【００４３】
次に、燃料極側のクッション材３及び空気極側の拡散層２３ｂを、エキスパンドメタル５０からなる流路形成材５ａ、５ｂで挟み込み、その外側からセパレータ６ａ、６ｂで挟み込み、電池セル１を作製した。
実施例２
実施例１と同様の製造方法で空気極側の拡散層の流路形成材側に撥水処理部を形成した。図７に、本例の撥水処理部８と非撥水処理部９の配置を示す。撥水処理部８は、投影領域２３ｇの長手方向Ｙ及び幅方向Ｘの双方に、非撥水処理部９を介在させて、配列している。撥水処理部８の長さａは１．４２ｍｍ、幅ｂは１ｍｍとした。撥水処理部８の長さａは、投影領域２３ｇの長手方向Ｙの長さに等しい。撥水処理部８は、拡散層２３ｂの底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、投影領域２３ｇの長手方向Ｙに向かってＬ×ｃｏｓθの長さａ（１．４２ｍｍ）をもつ部分２３ｉに形成されている。撥水処理部８の面積は１．４２ｍｍ２である。拡散層２３ｂの表面全体面積に対する撥水処理部８の合計面積の比率は、４４％である。その他は、実施例１と同様である。
実施例３
実施例１と同様の製造方法で空気極側の拡散層の流路形成材側に撥水処理部を形成した。撥水処理部の長さａは０．３５ｍｍ、幅ｂは１ｍｍとした。撥水処理部８は、拡散層２３ｂの底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、投影領域２３ｇの長手方向に向かって１／４×Ｌ×ｃｏｓθの長さａ（０．３５ｍｍ）をもつ部分に形成されている。撥水処理部８の面積は０．３５ｍｍ２である。拡散層２３ｂの表面全体面積に対する撥水処理部８の合成面積の比率は、１１％である。その他は、実施例１と同様である。
比較例１
空気極側の拡散層の流路形成材側には、撥水処理部を形成していない点が実施例１と相違する。その他は、実施例１と同様である。
実験例
実施例１〜３及び比較例１で作製した電池セルを、セル温度６０℃、フル加湿（湿度１００％）条件で、０．２Ａ／ｃｍ２の放電条件で、放電を行った。このときの平均電圧と電圧偏差を、表１に示した。
【００４４】
【表１】
2009193845.tif 000003
【００４５】
同表より知られるように、実施例１〜３では、比較例１に比べて、平均電圧が高く、電圧偏差が小さかった。これは、空気極側の拡散層２３ｂにおけるエキスパンドメタル５０の底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、傾斜部５６ｃの投影領域２３ｇの少なくとも一部に撥水処理部８を形成したことによって、当該部分に撥水性が付与されて生成水が溜まらなくなり、排水性が向上したためであると推定される。また、電子の流通経路である底部接触部２３ｃには非撥水処理部９が配置されているため電子の流通性は確保されていること、また、拡散層２３ｂの表面のメッシュ５１直下近傍には非撥水処理部９が残っているため、この部分を経由して反応ガスが十分に流通可能であることも、発電性能が高くなった要因の一つとして考えられる。
【００４６】
特に、実施例１、２は、実施例３に比べて、平均電圧が高く、電圧偏差は小さかった。実施例１，２では、撥水処理部を形成している部分が、底部接触部２３ｃの縁部２３ｆから、傾斜部５６ｃの投影領域２３ｇの長手方向に向かって１／２×Ｌ×ｃｏｓθ以上Ｌ×ｃｏｓθ未満の長さをもつ部分に形成されている。この部分は、傾斜部５６ｃの投影領域２３ｇの中でも特に、電子の流路である底部接触部２３ｃに近く、活発に生成水が生じやすい部分であり、また、傾斜部５６ｃの陰になり狭い空間である。したがって、この部分は、拡散層２３ｂの表面の中で特に生成水が溜まりやすい部分である。実施例１，２では、この部分に撥水処理部８が形成されており、しかも、生成水を撥水し得る撥水処理部の面積が、実施例３に比べて大きく、撥水性が高くなったためであると考えられる。
【００４７】
一方、比較例１では、発電性能が低かった。これは、撥水処理部が形成されておらず、拡散層２３ｂの表面における、特に傾斜部５６ｃの投影領域２３ｇの中の底部接触部２３ｃの近傍に、水が溜まったためであると推定される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る実施例１における、燃料電池の電池セルの断面説明図である。
【図２】実施例１のエキスパンドメタルの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ矢視線断面図である。
【図５】実施例１における、空気極側の流路形成材の断面説明図である。
【図６】実施例１における、撥水処理部とエキスパンドメタルとの配置関係を示す拡散層の平面図である。
【図７】実施例２における、撥水処理部とエキスパンドメタルとの配置関係を示す拡散層の平面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１：電池セル、２：膜電極接合体、３：クッション材、５ａ：燃料極側の流路形成材、５ｂ：空気極側の流路形成材、６ａ：燃料極側のセパレータ、６ｂ：空気極側のセパレータ、６ｃ：頂部接触部、８：撥水処理部、９：非撥水処理部、２１：電解質膜、２２ａ：燃料極側の触媒層、２２ｂ：空気極側の触媒層、２３ａ：燃料極側の拡散層、２３ｂ：空気極側の拡散層、２３ｃ：底部接触部、２３ｆ：縁部、２３ｇ：投影領域、５０：エキスパンドメタル、５１：メッシュ、５２：壁部、５５：ストランド部、５６：ボンド部、５６ａ：底部、５６ｂ：頂部、５６ｃ：傾斜部。
【図１】
2009193845.tif 000004
【図２】
2009193845.tif 000005
【図３】
2009193845.tif 000006
【図４】
2009193845.tif 000007
【図５】
2009193845.tif 000008
【図６】
2009193845.tif 000009
【図７】
2009193845.tif 000010