JP7466095B2 - 燃料電池セル、燃料電池、および燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池セル、燃料電池、および燃料電池セルの製造方法に関する。

燃料電池の一例として、高分子電解質型燃料電池がある。高分子電解質型燃料電池は、水素イオン電導性高分子電解質膜の一方の面を水素等の燃料ガスに、他方の面を酸素にそれぞれ暴露し、電解質膜を介した化学反応によって水を合成することで、その際に生じる反応エネルギーを電気的に取り出す。

高分子電解質型燃料電池の単電池は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと記載する。）と、ＭＥＡの両面に配置された一対の導電性のセパレータを有している。

ＭＥＡは、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、この電解質膜を挟む一対の電極層を備えている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成され、白金族触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、触媒層上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層とを有している。

ガス拡散層は、セパレータから供給されるガスを触媒層に均一に供給する役割を果たすため、良好なガス透過性およびガス拡散性を有する必要がある。また、ガス拡散層は、触媒層とセパレータ間の電子の導電経路として、優れた導電性を有している必要がある。セパレータにおけるガス拡散層に接する表面には、供給ガスや余剰な水分を除去するために、所定のパターンを有するガス流路が形成されている。

特許文献１には、燃料電池用ガス拡散層の製造方法が開示されている。特許文献１では、ガス拡散層の硬度を高めることで、ガス拡散層を柔軟性が高く硬度が不充分なカーボンクロスまたはカーボンフェルトを用いて作製した場合、ガス拡散層がセパレータのガス流路へ垂れ込み、ガス流路における圧力損失のバラツキが増加し、フラッディングが発生し易くなるという問題を解決している。

特許文献２には、フッ素樹脂と、カーボン粒子とを含み、ガス拡散層の厚み方向の圧縮弾性率が１５Ｎ／ｍｍ２以上である燃料電池用ガス拡散層が開示されている。特許文献２の燃料電池用ガス拡散層によれば、厚み方向に大きな圧力が加わった場合にも、セパレータ表面の凹凸などによるガス拡散層の変形を抑制できる。

特許文献３には、流路とリブの形状とが電極内で変化しているセパレータが提示されている。

特許第４８２４２９８号 特開第２００７－２４２４４４号公報 特許第４４６９４１５号

しかしながら、セパレータの形状によっては、特許文献３のようにガス拡散層の厚み方向に沿って見た平面視（以下、単に平面視という。）における流路の面積が、電極面内もしくは電極面外で部分的に、平面視におけるリブの面積よりも小さくなる場合がある。そのような形状のセパレータに特許文献１および特許文献２のガス拡散層を適用した場合、平面視におけるリブの面積がガス流路以上に小さい形状を有する領域では、ガス拡散層とセパレータとの間の空間によってガス拡散層の変形を十分に抑制できず、ガス拡散層の水の排出性を十分に向上させることができない場合がある。また、平面視におけるリブの面積がガス流路以上に小さい形状を有する領域では、セパレータがガス拡散層の変形による圧力損失を十分に低減することができない場合がある。つまり、ガス拡散層の変形を防止して、ガス拡散層の水の排出性を高めるとともに圧力損失を低減させることができる燃料電池セルを得ることは容易ではない。

本開示は、ガス拡散層の変形を抑制可能な燃料電池セル、燃料電池セルを有する燃料電池、および燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。

本開示の燃料電池セルは、積層方向に沿って順に積層された第１セパレータ、第１ガス拡散層、第１触媒層、高分子電解質膜、第２触媒層、第２ガス拡散層および第２セパレータと、前記第１セパレータと前記第１ガス拡散層との間に設けられた第１ガス流路部と、前記第１セパレータと前記第１ガス拡散層との間でかつ前記積層方向に交差する方向において前記第１ガス流路部に隣接して設けられ、前記積層方向に沿って見た平面視における流路面積が前記第１ガス流路部よりも大きい第２ガス流路部と、をさらに備える。前記第１ガス拡散層は、前記第１ガス流路部に対向する第１低弾性率部と、前記第２ガス流路部に対向し、前記積層方向において前記第１低弾性率部よりも高い圧縮弾性率を有する第１高弾性率部と、を有する。

本開示の燃料電池は、前記燃料電池セルと、前記燃料電池セルの前記積層方向の両側にそれぞれ配置された一対の集電板と、を備える。

本開示の燃料電池セルの第１の製造方法は、前記燃料電池セルの製造方法であって、以下を含む。前記第１低弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１低弾性率に対応する形状の第１圧延シートを形成すること。前記第１高弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１高弾性率に対応する形状の第２圧延シートを形成すること。前記第１圧延シートを前記第１ガス流路部に対向するように配置し、前記第２圧延シートを前記第２ガス流路部に対向するように配置した後、前記第１圧延シートおよび前記第２圧延シートを圧延することで、前記第１ガス拡散層を形成すること。

本開示の燃料電池セルの第２の製造方法は、前記燃料電池セルの製造方法であって、以下を含む。原料を混錬して作成した第１の混練物を圧延して、前記第１ガス拡散層に対応する形状の第１圧延シートを形成すること。前記原料を混錬して作成した第２の混錬物を圧延して、前記第１高弾性率部に対応する形状の第２圧延シートを形成すること。前記第１圧延シートと前記第２圧延シートとを積層し圧延することで、前記第１ガス拡散層を形成すること。

本開示の燃料電池セルの第３の製造方法は、前記燃料電池セルの製造方法であって、以下を含む。前記第１低弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１低弾性率部に対応する形状の第１圧延シートを形成すること。前記第１高弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１高弾性率部に対応する形状の第２圧延シートを形成すること。前記第１圧延シートを前記第１ガス流路部に対応する箇所に配置し、前記第２圧延シートを前記第２ガス流路部に対応する箇所に配置した後、前記第２圧延シートに前記第１高弾性率部に対応する形状の樹脂シートを積層させ、前記第１圧延シート、前記第２圧延シートおよび前記樹脂シートを圧延することで、前記第１ガス拡散層を形成すること。

本開示によれば、ガス拡散層の変形を抑制可能な燃料電池セルを得ることができる。

本開示の第１実施形態の燃料電池セルを備えた燃料電池の概略分解斜視図。 図１の燃料電池セルの分解斜視図。 図１のIII-III線に沿った部分断面図。 本開示の第２実施形態に係る燃料電池セルの図１のIII-III線に沿った断面図。 図１の燃料電池セルの製造方法を示すフローチャート。 図５のフローチャートのステップ３を説明するための第１の図。 図５のフローチャートのステップ３を説明するための第２の図。 図５のフローチャートのステップ３を説明するための第３の図。 図５のフローチャートのステップ３を説明するための第４の図。 図５のフローチャートのステップ３を説明するための第５の図。 図５のフローチャートのステップ３を説明するための第６の図。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施形態は、本開示を限定するものではなく、例示であって、本開示の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

＜燃料電池＞
図１に示すように、本開示の一実施形態の燃料電池１００は、燃料電池セル１０と集電板１１とを備えている。本実施形態では、燃料電池１００は、一例として、厚み方向に積層された複数の燃料電池セル１０を備えている。集電板１１は、積層された燃料電池セル１０の積層方向の両側にそれぞれ配置されている。集電板１１の燃料電池セル１０の積層方向における両側に、それぞれ絶縁板１２および端板１３が配置されている。図１の燃料電池１００では、燃料電池セル１０が集電板１１、絶縁板１２および端板１３により所定の荷重で圧縮された状態で、燃料電池セル１０、集電板１１、絶縁板１２および端板１３が相互に締結されている。なお、燃料電池セル１０は、１枚でもよい。また、複数の燃料電池セル１０を積層する場合、隣り合う燃料電池セル１０の間にはガスケット（図示せず）が設けられていてもよい。

集電板１１は、銅、真鍮などのガス不透過性の導電性材料で構成されている。集電板１１には電流取り出し端子部（図示せず）が設けられており、発電時には電流取り出し端子部から電流が取り出される。

絶縁板１２は、フッ素系樹脂、ＰＰＳ樹脂などの絶縁性材料で構成されている。絶縁板１２には、ガスまたは冷却水の導入口および排出口（図示せず）を設けてもよい。

端板１３は、鋼などの剛性の高い金属材料で構成されている。燃料電池セル１０、集電板１１および絶縁板１２は、端板１３を介して加圧手段（図示せず）によって所定の荷重で締結され、保持されている。

＜燃料電池セル＞
（第１実施形態）
図２は、燃料電池セル１０の分解斜視図である。図３は、図１のIII-III線に沿った断面図である。

図２に示すように、燃料電池セル１０は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと言う。）２０と、ＭＥＡ２０をその膜厚方向の両側から挟む一対のセパレータ（以下、アノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｂという。）とを有する。ＭＥＡ２０は、高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１のその膜厚方向の両側にそれぞれ配置された触媒層２ａ、２ｂ（以下、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｂという。）およびガス拡散層３ａ、３ｂ（以下、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂという。）と、を有する。つまり、燃料電池セル１０は、第１セパレータの一例のアノード側セパレータ４ａと、第１ガス拡散層の一例のアノード側ガス拡散層３ａと、第１触媒層の一例のアノード触媒層２ａと、高分子電解質膜１と、第２触媒層の一例のカソード触媒層２ｂと、第２ガス拡散層の一例カソード側ガス拡散層３ｂと、第２セパレータの一例のカソード側ガスセパレータ４ｂと、がこの順に積層された構造を有する。なお、カソード側セパレータ４ｂを第１セパレータとし、カソード側ガス拡散層３ｂを第１ガス拡散層とし、カソード触媒層２ｂを第１触媒層とし、アノード触媒層２ａを第２触媒層とし、アノード側ガス拡散層３ａを第２拡散層とし、アノード側ガスセパレータ４ａを第２セパレータとしてもよい。

アノード触媒層２ａ、高分子電解質膜１およびカソード触媒層２ｂの接合対は、Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ ＣＣＭ（以下、ＣＣＭと言う。）と呼ばれる。高分子電解質膜１は、アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｂと同一の表面積か、又はアノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｂよりも大きい表面積を有している。

アノード側セパレータ４ａは、図２および図３に示すように、一例として、板状のセパレータ本体４１を有している。セパレータ本体４１のアノード側ガス拡散層３ａに対向する面４１ａには、アノードガス流路５ａを構成する複数の第１溝４２と、複数の第１溝４２を挟むように配置されたガス供給穴８とが設けられている。各ガス供給穴８は、アノード側セパレータ４ａをその厚み方向に貫通している。また、カソード側セパレータ４ｂは、一例として、板状のセパレータ本体５１を有している。セパレータ本体５１のカソード側ガス拡散層３ｂに対向する面５１ａには、カソードガス流路５ｂを構成する複数の第２溝５２と、複数の第２溝５２を挟むように配置されたガス供給穴８とが設けられている。各ガス供給穴８は、カソード側セパレータ４ｂをその厚み方向に貫通している。セパレータ本体５１の厚み方向における面５１ａの反対側の面５１ｂには、冷却媒体流路を構成する複数の第３溝５３が設けられている。本実施形態では、アノードガス流路５ａは、第１ガス流路部５と、第１ガス流路部５とガス供給穴８との間に配置された第２ガス流路部６とで構成されている。また、カソードガス流路５ｂは、第３ガス流路部１５と、第３ガス流路部１５とガス供給穴８との間に配置された第４ガス流路部１６とで構成されている。

なお、ガス供給穴８は、一例として、図２に示すように、アノードガス供給穴８ａ、カソードガス供給穴８ｂおよび冷却媒体ガス供給穴８ｃを含んでいる。アノード側セパレータ４ａのガス供給穴８および各カソード側セパレータ４ｂのガス供給穴８は、燃料電池セル１０が積層されたときに相互に接続されて、燃料電池セル１０の積層方向に延びて連続する。アノードガス供給穴８ａは、アノードガス流路５ａに接続され、燃料電池スタックの外側に接続される供給配管（図示せず）から水素を含む燃料ガスをアノードガス流路５ａに供給し、アノードガス流路５ａからアノードガスが排出される。カソードガス供給穴８ｂは、カソードガス流路５ｂに接続され、供給配管から空気を含む酸化剤ガスをカソードガス流路５ｂに供給し、カソードガス流路５ｂから酸化剤ガスが排出される。冷却媒体ガス供給穴８ｃは、冷却媒体流路７に接続され、供給配管から冷却媒体を冷却媒体流路７に供給し、冷却媒体流路７から冷却媒体が排出される。

アノード側ガス拡散層３ａは、アノード側セパレータ４ａの第１ガス流路部５と対向する第１低弾性率部５’と、アノード側セパレータ４ａの第２ガス流路部６と対向し、厚み方向において第１低弾性率部５’よりも高い圧縮弾性率を有する第１高弾性率部６’と、を有する。カソード側ガス拡散層３ｂは、カソード側セパレータ４ｂの第３ガス流路部１５と対向する第２低弾性率部１５’と、カソード側セパレータ４ｂの第４ガス流路部１６と対向し、厚み方向において第２低弾性率部１５’よりも高い圧縮弾性率を有する第２高弾性率部１６’と、を有する。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの各々が、高弾性率部６’、１６’を有しているので、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの変形および膨張を抑制できる。その結果、第２ガス流路部６のアノード側セパレータ４ａとアノード側ガス拡散層３ａとの間の空間および第４ガス流路部１６におけるカソード側セパレータ４ｂとカソード側ガス拡散層３ｂとの間の空間を十分に確保して、燃料電池セル１０の水の排出性を向上させることができるとともに、圧力損失を低減することができる。したがって、燃料電池セル１０は優れた発電性能を有することができる。

なお、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６の各々は、一例として、図２に示すように、ガス供給穴８と第１ガス流路部５および第３ガス流路部１５との間に配置され、内部を流れる流体の流れを整える整流部として機能するように構成されている。また、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６は、ガス拡散層および触媒層で構成された電極の面内および面外のいずれに設けられていても構わない。

（第２実施形態）
図４は、本開示の第２実施形態に係る燃料電池セル１０の図１のIII-III線に沿った断面図である。第２実施形態の燃料電池セル１０では、第１ガス流路部５の上流に配置された第２ガス流路部６および第３ガス流路部１５の上流に配置された第４ガス流路部１６と、第１ガス流路部５の下流に配置された第２ガス流路部６および第３ガス流路部１５の下流に配置された第４ガス流路部１６とで、ＭＥＡ２０の積層方向に沿って見た平面視における流路面積が異なっている。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付して、その説明を省略する。

図４に示すように、第２実施形態の燃料電池セル１０では、ＭＥＡ２０の積層方向に沿って見た平面視における流路面積が、第１ガス流路部５、第１ガス流路部５の上流の第２ガス流路部６および第１ガス流路部５の下流の第２ガス流路部６の順に大きくなっている。

また、第２実施形態の燃料電池セル１０では、ＭＥＡ２０の積層方向に沿って見た平面視における流路面積が、第３ガス流路部１５、第３ガス流路部１５の上流の第４ガス流路部１６および第３ガス流路部１５の下流の第４ガス流路部１６の順に大きくなっている。

なお、上記２つの本実施形態では、アノード側ガス拡散層３ａとカソード側ガス拡散層３ｂとの両方に高弾性率部６’、１６’が形成されているが、アノード側ガス拡散層３ａとカソード側ガス拡散層３ｂとの少なくとも一方に高弾性率部６’、１６’が設けられていてもよい。この場合でも、燃料電池セル１０の発電性能を高めることができる。ただし、より発電性能の高い燃料電池セル１０を実現する観点から、アノード側ガス拡散層３ａとカソード側ガス拡散層３ｂとの両方に高弾性率部６’、１６’が形成されていることが好ましい。

高分子電解質膜１には、水素イオンを選択的に輸送可能なプロトン導電性を有する材料、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸重合体を用いることができる。

アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層２ｂの各々には、白金等の触媒粒子を担持した炭素材料と高分子電解質とを含む層を用いることができる。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの各々には、カーボンを主成分としたガス透過性の高いシートを用いることができる。

アノード側セパレータ４ａおよびカソード側セパレータ４ｂの各々には、カーボン系、および金属系の材料を用いることができる。

第１実施形態および第２実施形態の燃料電池セル１０では、カソード側セパレータ４ｂにのみ、冷却媒体流路７が形成されているが、アノード側セパレータ４ａにも冷却媒体流路が形成されていることが好ましい。

第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６の各々は、ガス供給穴から第１ガス流路部５に対して均一に燃料ガスが分配され、第３ガス流路部１５に対して均一に酸化剤ガスが分配されるように設けられる。隣接する第１溝４２の間の第１リブ４３および隣接する第２溝５２の間の第２リブ５３の各々は、ライン形状またはアイランド形状等、任意の形状で形成できる。第２ガス流路部６の第１リブ４３がアノード側ガス拡散層３ａに接触する面積は、第１ガス流路部５の第１リブ５３がアノード側ガス拡散層３ａに接触する面積よりも小さくなっている。また、第４ガス流路部１６の第２リブ５４がカソード側ガス拡散層３ｂに接触する面積は、第３ガス流路部１５の第２リブ５４がカソード側ガス拡散層３ｂに接触する面積よりも小さくなっている。つまり、アノード側ガス拡散層３ａは、アノード側セパレータ４ａに対向する面の面積が、第１ガス流路部５を構成するアノード側セパレータ４ａの面４１ａおよび第１溝４２の表面積、又は、第１ガス流路部５および第２ガス流路部６を構成するアノード側セパレータ４ａの面４１ａおよび第１溝４２の表面積と同じ面積か、若しくは、これらの表面積よりも大きい面積を有するように形成される。同様に、カソード側ガス拡散層３ｂは、カソード側セパレータ４ｂに対向する面の面積が、第３ガス流路部１５を構成するカソード側セパレータ４ｂの面５１ａおよび第２溝５２の表面積、又は、第３ガス流路部１５および第４ガス流路部１６を構成するカソード側セパレータ４ｂの面５１ａおよび第２溝５２の表面積と同じ面積か、若しくは、これらの表面積よりも大きい面積を有するように形成される。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂにおいて、高弾性率部６’、１６’の圧縮弾性率は、３．０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの高弾性率部６’、１６’の圧縮弾性率が３．０Ｎ／ｍｍ^２以上であることで、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの高弾性率部６’、１６’が変形し難くなり、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６が閉塞され難くなるため、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６において水つまりが発生し難くなる。さらに、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６が閉塞され難くなることから、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６の圧力損失をより低減することができる。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂにおいて、低弾性率部５’、１５’の多孔度は、６５％以上かつ７５％以下であることが好ましい。低弾性率部５’、１５’の多孔度が６５％以上であることで、ガスの拡散性が高くなるとともに、水の排出経路を十分に確保できるため、フラッディングが生じ難くなり、燃料電池セル１０の電池性能をより向上させることができる。また、低弾性率部５’、１５’の多孔度が７５％以下であることで、良好な導電性および保水性が実現され、燃料電池セル１０の電池性能をより向上させることができる。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂにおいて、高弾性率部６’、１６’の多孔度は、６５％以上かつ７０％以下であることが好ましい。高弾性率部６’、１６’の多孔度が６５％以上であることで、良好なガスの拡散性および十分な水の排出経路を確保しつつ、高弾性率部６’、１６’の変形を抑制することができるので、燃料電池セル１０の電池性能をより向上させることができる。また、高弾性率部６’、１６’の多孔度が７０％以下であることで、高弾性率部６’、１６’は、良好な導電性および保水性を有するため、燃料電池セル１０の電池性能をより向上させることができる。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの各々の多孔度は次の方法で測定できる。まず、アノード側ガス拡散層３およびカソード側ガス拡散層３ｂの各材料の真密度と組成比率から、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの見かけ真密度を算出する。次いで、製造したアノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの重量、厚み、および縦横寸法を測定して、製造したアノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの密度を算出する。次いで、多孔度＝（アノード側ガス拡散層３ａまたはカソード側ガス拡散層３ｂの密度）／（見かけ真密度）×１００の式から、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの多孔度をそれぞれ算出する。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの各々の水に対する接触角は、１５０度以上であることが好ましい。すなわち、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの低弾性率部５’、１５’および高弾性率部６’、１６’の表面の水接触角は、１５０度以上であることが好ましい。アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの接触角が１５０度以上である場合、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの表面は優れた撥水性を有し、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの表面に水が滞留し難くなるため、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂのガス透過性がより向上する。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの各々は、５０ｓｅｃ／１００ｍＬ以上１５０ｓｅｃ／１００ｍＬ以下のガーレー数を有することが好ましい。すなわち、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの各々の低弾性率部５’、１５’および高弾性率部６’、１６’の両方が、５０ｓｅｃ／１００ｍＬ以上１５０ｓｅｃ／１００ｍＬ以下のガーレー数を有することが好ましい。その理由は、以下の通りである。低弾性率部５’、１５’および高弾性率部６’、１６’のガーレー数が５０ｓｅｃ／１００ｍＬ以上であることで、特に低加湿時の保水性が低下しにくくなり、プロトン抵抗の上昇を防止することができるため、燃料電池セル１０の電池性能を高めることができる。また、低弾性率部５’、１５’および高弾性率部６’、１６’のガーレー数が１５０ｓｅｃ／１００ｍＬ以下であることで、ガス拡散層３のガス透過性および水の排出性を十分に確保することができるため、燃料電池セル１０の電池性能をより高めることができる。

なお、ガーレー数とは、以下のようにして測定される数値である。内部に油を満たした外筒の内部に、内部にガスが封入された内筒を入れると、内筒は自重によって外筒の内部を徐々に降下し、その内部のガスが圧縮される。この際、一定体積（１００ｍＬ）のガスが、外筒内にセットされた試験片を透過するために要する時間を測定し、ガーレー数とする。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂにおいて、低弾性率部５’、１５’は一層構造であり、高弾性率部６’、１６’は二層構造であることが好ましい。後述の製造方法で説明するように、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの各々の材料を圧延した２つの圧延シートを積層して再圧延することで、高弾性率部６’、１６’を形成することができる。つまり、高弾性率部６’、１６’を二層構造にすることで、容易に高弾性率部６’、１６’を形成することができる。

アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂにおいて、低弾性率部５’、１５’と高弾性率部６’、１６’との厚み（言い換えると、ＭＥＡ２０の積層方向における寸法）が異なることが好ましい。詳しくは、高弾性率部６’、１６’の厚みは、低弾性率部５’、１５’の厚みよりも薄いことがより好ましい。高弾性率部６’、１６’の厚みが低弾性率部５’、１５’の厚みよりも薄くすることで、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６が特に閉塞され難くなる。

＜燃料電池セルの製造方法＞
次に、本開示の燃料電池セル１０の製造方法を説明する。ここでは、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの製造方法について、図５のフローチャートに基づいて説明する。

ステップＳ１では、製造するガス拡散層の原料、例えば、導電性粒子としてのカーボン材料と、導電性繊維としてのカーボンナノチューブと、界面活性剤と、分散溶剤とを混錬する。カーボン材料、カーボンナノチューブ、界面活性剤および分散溶剤を混錬した後に、フッ素樹脂としてＰＴＦＥを投入し、再度混錬して、混錬物を得る。なお、製造するガス拡散層の低弾性率部５’、１５’と高弾性率部６’、１６’とで異なる組成の原料を用いる場合は、それぞれの原料を混錬し、混錬物を準備すればよい。

ステップＳ１の原料の混錬には、例えばプラネタリーミキサー、自公転ミキサー、ニーダー、ロールミルを使用することができる。

ステップＳ２では、ステップＳ１で得た混錬物をシート状に圧延する。ステップＳ２の圧延には、例えば圧延ロール機を使用することができる。例えば、０．００１ｔｏｎ／ｃｍから４ｔｏｎ／ｃｍを圧延の条件として、１回又は複数回の圧延を行うことにより、製造されるガス拡散層の厚み、多孔度、および弾性率を調整することができる。なお、製造されるガス拡散層の低弾性率部５’、１５’と高弾性率部６’、１６’とで異なる組成の原料を用いる場合は、それぞれの原料から準備された混錬物を圧延して、低弾性率部５’、１５’を形成するための圧延シートと、高弾性率部６’、１６’を形成するための圧延シートとをそれぞれ製造すればよい。また後述のように、高弾性率部６’、１６’を２層構造にする場合は、同じ混錬物から、製造されるガス拡散層に対応した形状の圧延シートと、高弾性率部６’、１６’に対応した形状の圧延シートとをそれぞれ製造すればよい。

ステップＳ３では、低弾性率部５’、１６’と高弾性率部６’、１６’とを形成して、圧延する。ここでは、図５～１１に基づいて、ステップＳ３を行う３つの方法を説明する。

まず、図６および図７を用いて、図５のステップＳ３を行う一つ目の方法を説明する。図６（Ａ）にステップＳ２で作製したガス拡散層３０の上面図を示し、図６（Ｂ）にステップＳ２で作製したガス拡散層３０の断面図を示す。図６および図７に示す方法では、最初に、低弾性率部５’、１５’の原料を混錬し、混錬して作成した混錬物を圧延して、低弾性率部５’、１５’に対応する形状の第１圧延シート３１を形成する。次に、低弾性率部５’、１５’の原料とは異なる組成の高弾性率部６’、１６’の原料を混錬し、混錬して作成した混錬物を圧延して、高弾性率部６’、１６’に対応する形状の第２圧延シート３２を形成する。その後、第１ガス流路部５および第３ガス流路部１５に対応する箇所に第１圧延シート３１を配置し、第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６に対応する箇所に第２圧延シート３２を配置して、第１圧延シート３１および第２圧延シート３２を圧延する。これにより、図７に示す低弾性率部５’、１６’と高弾性率部６’、１６’とを有する圧延シートが形成される。

次いで、図８および図９を用いて、図５のステップＳ３を行う二つ目の方法を説明する。図８（Ａ）にステップＳ２で作製したガス拡散層３０の上面図を示し、図９（Ｂ）にステップＳ２で作製したガス拡散層３０の断面図を示す。図８および図９に示す方法では、最初に、所定の原料（例えば、低弾性率部５’、１５’の原料）を混錬して作成した混錬物を圧延して、製造されるガス拡散層に対応する形状の第１圧延シート３１を形成する。次に、第１圧延シート３１と同じ原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、高弾性率部６’、１６’に対応する形状の第２圧延シート３２を形成する。その後、第１圧延シート３１の第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６に対応する部分だけ第２圧延シート３２を重ねて配置して、第１圧延シート３１および第２圧延シート３２を圧延する。これにより、図９に示す低弾性率部５’、１６’と高弾性率部６’、１６’とを有する圧延シートが形成される。

次いで、図１０および図１１を用いて、図５のステップ３を行う三つ目の方法を説明する。図１０（Ａ）にステップＳ２で作製したガス拡散層３０の上面図を示し、図１０（Ｂ）にステップＳ２で作製したガス拡散層３０の断面図を示す。図１０および図１１に示す方法では、最初に、低弾性率部５’、１５’の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、製造されるガス拡散層に対応する形状の第１圧延シート３１を形成する。次に、第１圧延シート３１の第２ガス流路部６および第４ガス流路部１６に対応する部分に樹脂シート９を積層させ、第１圧延シート３１および樹脂シート９を圧延する。これにより、図１１に示す低弾性率部５’、１６’と高弾性率部６’、１６’とを有する圧延シートが形成される。なお、樹脂シート９の材料としては、例えば、カプトンシートを用いることができる。

ステップＳ３の圧延には、例えばロールプレス機を使用することができる。例えば、０．０１ｔｏｎ／ｃｍから４ｔｏｎ／ｃｍをロールプレスの条件として、１回又は複数回の圧延を行うことで、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの厚み、多孔度、および弾性率を調整することができる。

ステップＳ４では、ステップＳ３で圧延されたシートを焼成して、界面活性剤および分散溶剤を除去する。

ステップＳ４の焼成では、例えば、ＩＲ炉または熱風乾燥炉を使用することができる。焼成温度は、界面活性剤が分解する温度より高く、フッ素樹脂が溶融する温度よりも低い温度に設定されることが好ましい。その理由は以下の通りである。焼成温度を界面活性剤の分解する温度よりも高くすることで、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂ内に界面活性剤が残留し難くなり、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの内部の親水化を防ぐことができる。その結果、水が滞留しにくいアノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂを得ることができ、ガス拡散層のガス透過性を向上させることができる。また、焼成温度をフッ素樹脂の融点よりも低くすることで、原料中のフッ素樹脂が融解しにくくなり、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの強度低下を防ぐことができる。具体的には、例えば、フッ素樹脂としてＰＴＦＥを用いる場合、焼成温度は、２８０～３４０℃が好ましい。

ステップＳ５では、界面活性剤と分散溶剤とを除去したシートをロールプレス機でさらに再圧延し厚みを調整する。これにより、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂを製造することができる。

ステップＳ５の再圧延には、例えばロールプレス機を使用することができる。例えば、０．０１ｔｏｎ／ｃｍから４ｔｏｎ／ｃｍをロールプレスの条件として、１回又は複数回の再圧延を行うことで、アノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂの厚み、多孔度、弾性率をさらに調整することができる。

このようにして得られたアノード側ガス拡散層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂを用いて得られたＭＥＡ２０を一対のセパレータ４で挟むことで、燃料電池セル１０を製造することができる。

本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

以下、本開示の実施例について説明する。

＜ガス拡散層の作製＞
（原料）
導電性粒子：アセチレンブラック（以下、ＡＢという。）（電気化学工業製）
導電性繊維：ＶＧＣＦ（昭和電工製、ＶＧＣＦ－Ｈ）
フッ素樹脂：ＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン製）

（実施例１）
図５のステップＳ３の一つ目の方法を用いてガス拡散層を次の通り作製した。導電性粒子と導電性繊維とを界面活性剤および水を用いて分散させ、撹拌、混錬した後、フッ素樹脂を投入し、再度撹拌、混錬して、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、０．１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で混錬物を３回圧延し、多孔度約７１％の圧延シートを得た。同様に、圧延ロール機を用いて、０．１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で混錬物を４回圧延し、多孔度約６６％の圧延シートを得た。多孔度約７１％の圧延シートを第１ガス流路部５に対応するよう配置し、多孔度約６６％の圧延シートを第２ガス流路部６に対応するよう配置し、圧延ロール機を用いて、０．１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で混錬物を１回圧延した。圧延したシートをＩＲ炉内に配置し、３００℃で０．５時間焼成を行った。ロールプレス機を用いて、１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で焼成したシートを２回圧延し、実施例１のガス拡散層を得た。

（実施例２）
図５のステップＳ３の二つ目の方法を用いてガス拡散層を次の通り作製した。実施例１と同様の方法で、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、０．１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で混錬物を３回圧延し、多孔度約７０％の圧延シートを得た。多孔度約７０％の圧延シート上に、第２ガス流路部６に対応する箇所のみに多孔度約７０％の圧延シートを２層になるよう積層した。その後、実施例１と同様の工程を同様の条件で行い、実施例２のガス拡散層を得た。

（実施例３）
図５のステップＳ３の三つ目の方法を用いてガス拡散層を次の通り作製した。実施例１と同様の方法で、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、０．１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で混錬物を３回圧延し、多孔度約７２％の圧延シートを得た。多孔度約７２％の圧延シート上の第２ガス流路部６に対応する箇所のみに樹脂シート９（東レ・デュポン株式会社製、カプトンシート、厚み１００μｍ）を積層した。その後、実施例１と同様の工程を同様の条件で行い、実施例３のガス拡散層を得た。

（比較例１）
実施例１と同様の方法で、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、０．１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で混錬物を３回圧延し、多孔度約７３％の圧延シートを得た。圧延シートをＩＲ炉内に配置し、３００℃で０．５時間焼成を行った。焼成したシートを、ロールプレス機を用いて１ｔｏｎ／ｃｍの圧延条件で３回圧延し、比較例１のガス拡散層を得た。

＜評価試験＞
実施例１～３および比較例１のガス拡散層について、下記の評価試験を行った。実施例１～３については、セパレータ４の第１ガス流路部５に対応する低弾性率部５’および第２ガス流路部６に対応する高弾性率部６’の両方に対して評価試験を行った。その結果を後掲の表１に示す。

（圧縮弾性率）
圧縮弾性率は、以下の方法で測定した。引張圧縮試験機（今田製作所製ＳＶＺ－２００ＮＢ型）を用いて、６．４２ｃｍ^２の大きさのガス拡散層に面圧２０ｋｇｆ／ｃｍ^２までの荷重を加えて応力ひずみを算出し、圧縮弾性率を測定した。

（膜厚）
膜厚は、以下の方法で測定した。ミツトヨのシックネスゲージを用いて、６．４２ｃｍ^２の大きさのガス拡散層の５か所の膜厚を測定し、平均値を膜厚とした。

（多孔度）
多孔度は、以下の方法で測定した。ガス拡散層の各材料の真密度と組成比率から、ガス拡散層の見かけ真密度を算出した。次いで、ガス拡散層の重量、厚み、および縦横寸法を測定して、ガス拡散層の密度を算出し、多孔度＝（ガス拡散層の密度）／（見かけ真密度）×１００の式から、多孔度を計算した。

（接触角）
接触角は、以下の方法で測定した。接触角は、携帯式接触角計（マツボー製ＰＧ－Ｘ）で純水に対する静的接触角を測定した。

（ガーレー数）
ガーレー数は、以下の方法で測定した。内部が油で満たされたた外筒と、内部にガスが封入された内筒とを有し、外筒の内部に内筒を入れると自重によって内筒が外筒の内部を徐々に降下し、内筒内のガスが圧縮される装置を用いた。この装置の外筒内に、６．４２ｃｍ^２の大きさのガス拡散層をセットし、１００ｍＬのガスが、外筒内にセットされたガス拡散層を透過するために要する時間を測定し、ガーレー数とした。

表１に示すように、実施例１～３では、セパレータ４の第２ガス流路部６に対応する高弾性率部６’が、第１ガス流路部５に対応する低弾性率部５’よりも圧縮弾性率が大きくなっている。しかし、比較例１では、ガス拡散層全体の圧縮弾性率は一定である。また、実施例１～３は、１５０ｓｅｃ／１００ｍＬ以下のガーレー数を有するとともに、接触角についても比較例１と同等のレベルである。したがって、圧縮弾性率が高い領域においても、十分なガス透過性を確保できている。このように、実施例１～３のガス拡散層では、多孔度が低く圧縮弾性率が高い高密度層がセパレータ４の第２ガス流路部６に対応する領域に形成されているため、高密度層は変形し難く、セパレータ４の第２ガス流路部６の空間を十分に確保することができるので、水つまりの発生を抑制できる。また、高密度層が形成されていても、ガス拡散層３自体のガス透過性は十分に確保される。つまり、本開示により、発電性能の高い燃料電池セル１０を実現できる。

本開示の燃料電池セルは、燃料電池の発電性能を向上させることができるとともに、製造コストの低減を実現することができる。これにより、本開示の燃料電池セルは、家庭用コージェネレーションシステム、自動車用燃料電池、モバイル用燃料電池、およびバックアップ用燃料電池などの用途に有用である。

１００ 燃料電池
１ 高分子電解質膜
２ 触媒層
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ ガス拡散層
３ａ アノード側ガス拡散層
３ｂ カソード側ガス拡散層
４ セパレータ
４ａ アノード側セパレータ
４ｂ カソード側セパレータ
５ 第１ガス流路部
５ａ アノードガス流路
５ｂ カソードガス流路
５’低弾性率部
６ 第２ガス流路部
６’高弾性率部
７ 冷却媒体流路
８ ガス供給穴
８ａ アノードガス供給穴
８ｂ カソードガス供給穴
８ｃ 冷却媒体ガス供給穴
９ 樹脂シート
１０ 燃料電池セル
１１ 集電板
１２ 絶縁板
１３ 端板
１５ 第３ガス流路部
１６ 第４ガス流路部
２０ ＭＥＡ
３０ ガス拡散層
３１ 第１圧延シート
３２ 第２圧延シート
４１、５１ セパレータ本体
４１ａ、５１ａ、５１ｂ 面
４２ 第１溝
４３ 第１リブ
５２ 第２溝
５３ 第３溝
５４ 第２リブ

Claims (9)

1. 積層方向に沿って順に積層された第１セパレータ、第１ガス拡散層、第１触媒層、高分子電解質膜、第２触媒層、第２ガス拡散層および第２セパレータと、
   前記第１セパレータと前記第１ガス拡散層との間に設けられた第１ガス流路部と、
   前記第１セパレータと前記第１ガス拡散層との間でかつ前記積層方向に交差する方向において前記第１ガス流路部に隣接して設けられ、前記積層方向に沿って見た平面視における流路面積が前記第１ガス流路部よりも大きい第２ガス流路部と、
   を備え、
   前記第１ガス拡散層は、
   前記第１ガス流路部に対向する第１低弾性率部と、
   前記第２ガス流路部に対向し、前記積層方向において前記第１低弾性率部よりも高い圧縮弾性率を有する第１高弾性率部と、
   を有し、
   前記第１低弾性率部は一層構造であり、前記第１高弾性率部は二層構造である、燃料電池セル。
2. 積層方向に沿って順に積層された第１セパレータ、第１ガス拡散層、第１触媒層、高分子電解質膜、第２触媒層、第２ガス拡散層および第２セパレータと、
   前記第１セパレータと前記第１ガス拡散層との間に設けられた第１ガス流路部と、
   前記第１セパレータと前記第１ガス拡散層との間でかつ前記積層方向に交差する方向において前記第１ガス流路部に隣接して設けられ、前記積層方向に沿って見た平面視における流路面積が前記第１ガス流路部よりも大きい第２ガス流路部と、
   を備え、
   前記第１ガス拡散層は、
   前記第１ガス流路部に対向する第１低弾性率部と、
   前記第２ガス流路部に対向し、前記積層方向において前記第１低弾性率部よりも高い圧縮弾性率を有する第１高弾性率部と、
   を有し、
   前記第１低弾性率部と前記第１高弾性率部との厚みが異なる、燃料電池セル。
3. 前記第２セパレータと前記第２ガス拡散層との間に設けられた第３ガス流路部と、
   前記第２セパレータと前記第２ガス拡散層との間でかつ前記積層方向に交差する方向において前記第３ガス流路部に隣接して設けられ、前記積層方向に沿って見た平面視における流路面積が前記第３ガス流路部よりも大きい第４ガス流路部と、
   をさらに備え、
   前記第２ガス拡散層は、
   前記第３ガス流路部に対向する第２低弾性率部と、
   前記第４ガス流路部に対向し、前記積層方向において前記第２低弾性率部よりも高い圧縮弾性率を有する第２高弾性率部と、
   を有する、請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
4. 前記第２低弾性率部は一層構造であり、前記第２高弾性率部は二層構造である、
   請求項３に記載の燃料電池セル。
5. 前記第２低弾性率部と前記第２高弾性率部とは、前記積層方向の寸法が異なる、
   請求項３又は４に記載の燃料電池セル。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの前記積層方向の両側にそれぞれ配置された一対の集電板と、を備える、
   燃料電池。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池セルの製造方法であって、
   前記第１低弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１低弾性率部に対応する形状の第１圧延シートを形成することと、
   前記第１低弾性率部の原料とは異なる組成の前記第１高弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１高弾性率部に対応する形状の第２圧延シートを形成することと、
   前記第１圧延シートを前記第１ガス流路部に対応する箇所に配置し、前記第２圧延シートを前記第２ガス流路部に対応する箇所に配置した後、前記第１圧延シートおよび前記第２圧延シートを圧延することで、前記第１ガス拡散層を形成することと、を含む、
   燃料電池セルの製造方法。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池セルの製造方法であって、
   原料を混錬して作成した第１の混錬物を圧延して、前記第１ガス拡散層に対応する形状の第１圧延シートを形成することと、
   前記原料を混錬して作成した第２の混錬物を圧延して、前記第１高弾性率部に対応する形状の第２圧延シートを形成することと、
   前記第１圧延シートと前記第２圧延シートとを積層し圧延することで、前記第１ガス拡散層を形成することと、を含む、
   燃料電池セルの製造方法。
9. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池セルの製造方法であって、
   前記第１低弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１低弾性率部に対応する形状の第１圧延シートを形成することと、
   前記第１高弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第１高弾性率部に対応する形状の第２圧延シートを形成することと、
   前記第１圧延シートを前記第１ガス流路部に対応する箇所に配置し、前記第２圧延シートを前記第２ガス流路部に対応する箇所に配置した後、前記第２圧延シートに前記第１高弾性率部に対応する形状の樹脂シートを積層させ、前記第１圧延シート、前記第２圧延シートおよび前記樹脂シートを圧延することで、前記第１ガス拡散層を形成することと、を含む、
   燃料電池セルの製造方法。

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