CN102308419A - 膜电极接合体及其制造方法、以及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种膜电极接合体及其制造方法、以及燃料电池，能够进一步提高燃料电池的发电性能，在本发明中，使隔着彼此相邻的气体通路(21)的肋部(22)的多孔度低于肋部的下方区域(23)的多孔度。由此，能够抑制肋部的变形和反应气体的过度透过，从而能够进一步提高发电性能。

Description

膜电极接合体及其制造方法、以及燃料电池
技术领域
本发明涉及作为燃料气体使用纯氢气、甲醇等液体燃料、或者来自化石燃料等的改性氢气等的还原剂，作为氧化剂气体使用空气(氧气)等的燃料电池，详细涉及该燃料电池具备的膜电极接合体及其制造方法。
背景技术
对于燃料电池例如高分子电解质型燃料电池，通过使含有氢气的燃料气体和含有空气等氧气的氧化剂气体在具有铂等的催化剂的气体扩散层进行电化学反应，由此同时产生电力和热。
图30是示意表示现有的高分子电解质型燃料电池的基本结构的剖面图。高分子电解质型燃料电池的单体电池(也称为电池单元)100具有：膜电极接合体110(以下，称为MEA：Membrane Electrode Assembly)和在MEA110的两面配置的一对板状的导电性的隔离器120、120。
MEA110具备：选择性地输送氢离子的高分子电解质膜(离子交换树脂膜)111、和在该高分子电解质膜111的两面形成的一对电极层112。一对电极层112具有：催化剂层113，将承载铂系金属催化剂的碳粉末作为主要成分；和气体扩散层114(也称为GDL)，在该催化剂层113上形成，具有集电作用、气体透过性和憎水性。气体扩散层114由基材115和表面涂层(憎水碳层)116构成，该基材115由碳纤维组成，该表面涂层116由碳和憎水材料组成。
在一对的隔离器120、120，分别在与气体扩散层114抵接的主面，设有用于使作为反应气体的燃料气体或氧化剂气体流过的矩形截面的气体通路121。设置在一个隔离器120的气体通路121是用于通过燃料气体的燃料气体通路，设置在另一个隔离器的气体通路121是用于通过氧化剂气体的氧化剂气体通路。此外，在一对隔离器120、120的彼此相邻的面设有冷却水通路122，用于通过冷却水等。通过一个气体通路121向一个电极层112提供燃料气体，并且通过另一个气体通路121向另一个电极层112提供氧化剂气体，从而引起电化学反应，产生电力和热。
如上述那样构成的电池单元100如图30所示层叠一个以上，一般情况下将彼此相邻的电池单元100串联电连接来使用。另外，此时彼此层叠的电池单元100为了防止气体泄漏且降低接触电阻，由螺栓等的连结部件130以规定的连结压进行加压连结。因此，MEA110与隔离器120以规定的压力面接触。此时，隔离器120具有用于将彼此相邻的MEA110、110串联电连接的集电性。此外，为了防止电化学反应所需的气体泄漏至外部，在一对隔离器120、120之间以覆盖催化剂层113和气体扩散层114的侧面的方式配置密封部件(衬垫)117。
近年来，在燃料电池的领域中要求更低的成本，从降低各构成部件的单价、削减部件数量等观点出发，提出了各种低成本化的技术。作为其中一种提出了如下技术：不将气体通路121设置在隔离器120，而是设置在气体扩散层114。
在图30所示的现有的燃料电池中，在隔离器120设置气体通路121。作为实现该结构的方法，例如有如下方法，即：作为隔离器120的材料使用碳和树脂，使用具有对应于气体通路121的形状的矩形截面的凸部的模具对其进行射出成型。然而，该情况下存在制造成本较高的问题。此外，作为实现上述结构的其他方法，还有作为隔离器120的材料使用金属，利用具有对应于气体通路121形状的矩形截面的凸部的模具对该金属进行轧制的方法。然而，该情况下尽管与上述射出成型法相比能够实现低成本化，但是另一方面存在隔离器120容易腐蚀，从而作为燃料电池的发电性能下降的问题。
再有，气体扩散层114为了具备气体扩散性，由多孔材质部件构成。因此，将气体通路121形成在气体扩散层114要比形成在隔离器容易，有利于实现低成本化和高发电性能。作为具有这种结构的气体扩散层，例如专利文献1(JP特开2006-339089号公报)中有所记载。
在专利文献1中记载了如下技术：利用具备以长方体形状伸长的多个通路型的成型模具，通过抄纸法对以碳纤维为基材的多孔材质部件进行成型，在成型之后拔出该成型模具，从而在气体扩散层的内部形成气体通路。
专利文献1：JP特开2006-339089号公报
然而，在燃料电池中要求进一步提高发电性能，而在上述现有结构中存在发电性能不充分的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够进一步提高燃料电池的发电性能的膜电极接合体及其制造方法、以及具备该膜电极接合体的燃料电池。
为了实现上述目的，本发明以如下方式构成。
根据本发明，提供一种膜电极接合体，其具有：
高分子电解质膜；
一对催化剂层，以夹着所述高分子电解质膜的方式设置；和
气体扩散层，以夹着所述一对催化剂层和所述高分子电解质膜的方式成对设置，其中至少一个由以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的多孔材质部件构成，具有与所述催化剂层接触的第1主面和位于其相反侧的第2主面，在所述第2主面侧以彼此相邻的方式形成多个气体通路，隔着所述彼此相邻的气体通路的肋部的多孔度形成得低于位于所述第1主面侧的所述肋部的下方区域的多孔度。
根据本发明所涉及的膜电极接合体，由于隔着彼此相邻的气体通路的肋部的多孔度低于所述肋部的下方区域的多孔度，因此能够抑制肋部的变形和反应气体的过度透过，从而能够进一步提高燃料电池的发电性能。
本发明的目的和特征通过与附图相关的优选的实施方式的叙述可进一步明确。
附图说明
图1是示意表示本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池的基本结构的截面图。
图2是图1所示的燃料电池具备的气体扩散层的放大立体图。
图3是表示图1所示的燃料电池具备的气体扩散层的制造方法的一例的流程图。
图4A是示意表示图1所示的燃料电池具备的气体扩散层的制造方法的一例的说明图。
图4B是表示接着图4A的工序的说明图。
图5是表示模具的截面形状的第1变形例的截面图。
图6是表示模具的截面形状的第2变形例的截面图。
图7是表示模具的截面形状的第2变形例的截面图。
图8是表示与图3所示的制造方法不同的其他制造方法的流程图。
图9是表示与图3和图8所示的制造方法不同的其他制造方法的流程图。
图10是示意表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池的基本结构的截面图。
图11是图10所示的燃料电池具备的气体扩散层的放大立体图。
图12是表示图10所示的燃料电池具备的气体扩散层的制造方法的一例的流程图。
图13A是示意表示图10所示的燃料电池具备的气体扩散层的制造方法的一例的说明图。
图13B是表示接着图13A的工序的说明图。
图13C是表示接着图13B的工序的说明图。
图14是表示构成在模具中设置的突起部的平板的立体图。
图15A是示意表示与图13A～图13C所示的制造方法不同的其他制造方法的说明图。
图15B是表示接着图15A的工序的说明图。
图15C是表示接着图15B的工序的说明图。
图16是示意表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池的基本结构的截面图。
图17是图16所示的燃料电池具备的气体扩散层的放大立体图。
图18是示意表示拱形截面形状的气体通路的一例的说明图。
图19是示意表示拱形截面形状的气体通路的其他例子的说明图。
图20是表示图16所示的气体扩散层的制造方法的一例的流程图。
图21A是示意表示图16所示的气体扩散层的制造方法的一例的说明图。
图21B是表示接着图21A的工序的说明图。
图22是表示在气体扩散层安装了隔离器的状态的图。
图23是表示压力损耗相对于气体通路的深度的比例的曲线。
图24是表示气体通路的截面形状的第1变形例的截面图。
图25是表示气体通路的截面形状的第2变形例的截面图。
图26是表示气体通路的截面形状的第3变形例的截面图。
图27是表示气体通路的第1变形例的俯视图。
图28是表示气体通路的第2变形例的俯视图。
图29是表示本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池的变形例的示意截面图。
图30是示意表示现有的燃料电池的基本结构的截面图。
图31A是示意表示比较例所涉及的气体扩散层的制造方法的说明图。
图31B是表示接着图31A的工序的说明图。
图31C是表示接着图31B的工序的说明图。
图32是示意表示现有的气体扩散层的气体通路的截面形状的说明图。
具体实施方式
本发明者在现有的燃料电池中对无法获得充分的发电性能的原因进行了深入研究，结果得出如下结论。
在气体扩散层形成气体通路的情况下，隔着彼此相邻的气体通路的肋部也由多孔材质部件构成。如专利文献1所示由将碳纤维作为基材的多孔材质部件构成气体扩散层的情况下，其多孔度通常高达80％以上。因此，本发明者注意到，在肋部的内部有反应气体透过(捷径)从而反应气体不会沿着气体通路的形状流过，其结果无法获得充分的发电性能。此外，本发明者还发现，通过以多孔材质部件构成肋部，从而肋部由于电池单元组装时的连结压而变形，气体通路的截面面积变得过小。在气体通路的截面面积较小的情况下，反应气体无法被充分地提供给电极层，从而发电性能下降。
上述问题认为能够通过降低气体扩散层的多孔度(提高密度)得到改善。但是，当降低气体扩散层的多孔度时，由于气体扩散性下降，因此其结果燃料电池的发电性能也有可能下降。此外，当作为基材不使用碳纤维来构成气体扩散层时，气体扩散层的低多孔度(80％以下)较为容易。然而，作为基材没有使用碳纤维而构成的气体扩散层(以下，称为无基材气体扩散层)存在强度较弱的问题。因此，由于电池单元组装时施加的连结压从而肋部会进一步变形。
针对这些问题，本发明者发现通过在不降低气体扩散层整体的多孔度的情况下，在单一的气体扩散层使多孔度局部地不同，由此能够提高发电性能。具体而言，本发明者发现一方面通过降低肋部的多孔度由此抑制肋部的变形和反应气体的过度透过，另一方面通过使肋部下方区域的多孔度高于肋部的多孔度由此确保气体扩散性，其结果能够提高发电性能。
基于这些发现，本发明者想到以下发明。
根据本发明的第1方式，提供一种膜电极接合体，其具有：
高分子电解质膜；
一对催化剂层，以夹着所述高分子电解质膜的方式设置；和
气体扩散层，以夹着所述一对催化剂层和所述高分子电解质膜的方式成对设置，其中至少一个由以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的多孔材质部件构成，具有与所述催化剂层接触的第1主面和位于其相反侧的第2主面，在所述第2主面侧以彼此相邻的方式形成多个气体通路，隔着所述彼此相邻的气体通路的肋部的多孔度形成得低于位于所述第1主面侧的所述肋部的下方区域的多孔度。
根据本发明的第2方式，在第1方式的基础上提高一种膜电极接合体，所述肋部的多孔度低于位于所述第2主面侧的所述气体通路的下方区域的多孔度。
根据本发明的第3方式，在第1或第2方式的基础上提高一种膜电极接合体，所述气体通路的至少一部分具有从位于所述第2主面侧的底部向位于所述第1主面侧的上部通路宽度变大的截面形状。
根据本发明的第4方式，在第3方式的基础上提高一种膜电极接合体，其中，位于所述气体扩散层的第1主面的中心侧的气体通路具有矩形的截面形状，
位于所述气体扩散层的第1主面的外周侧的气体通路具有从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状。
根据本发明的第5方式，在第3～5方式的基础上提高一种膜电极接合体，所述气体通路全部具有从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状。
根据本发明的第6方式，在第3～5方式的基础上提高一种膜电极接合体，从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状是三角形。
根据本发明的第7方式，在第3～5方式的基础上提高一种膜电极接合体，从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状是拱形。
根据本发明的第8方式，在第3～5方式的基础上提高一种膜电极接合体，从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状是梯形。
根据本发明的第9方式，提供一种燃料电池，其具有：
第1～第8方式的任意一项所述的膜电极接合体；和
一对隔离器，以夹着所述膜电极接合体的方式设置，与所述膜电极接合体接触一侧的面具有平坦的形状。
根据本发明的第10方式，提供一种燃料电池，其具有：
第1～第8方式的任意一项所述的膜电极接合体；和
第1隔离器，配置在所述气体扩散层的所述第2主面侧，与所述膜电极接合体接触一侧的面具有平坦的形状；和
第2隔离器，与所述第1隔离器成对地以夹着所述膜电极接合体的方式设置，在与所述膜电极接合体接触的一个主面形成槽状的气体通路。
根据本发明的第11方式，提供一种膜电极接合体的制造方法，制造在第1主面形成气体通路的膜电极接合体，其包括：
在具有尖端细形状的突起部的模具中配置以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的薄板状的多孔材质部件之后，使所述模具闭合，使得所述突起部插入所述多孔材质部件的第1主面，由此形成所述气体通路，并且使隔着彼此相邻的所述气体通路的肋部的多孔度低于位于所述多孔材质部件的第2主面侧的所述肋部的下方区域的多孔度。
根据本发明的第12方式，在第11方式的基础上提供一种膜电极接合体的制造方法，其中，所述突起部的截面形状是三角形。
根据本发明的第13方式，在第11方式的基础上提供一种膜电极接合体的制造方法，其中，所述突起部的截面形状是拱形。
根据本发明的第14方式，在第11方式的基础上提供一种膜电极接合体的制造方法，其中，所述突起部的截面形状是梯形。
根据本发明的第15方式，提供一种膜电极接合体的制造方法，制造在第1主面形成气体通路的膜电极接合体，其包括：
在具有突起部的模具中配置了以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的薄板状的多孔材质部件之后，使所述模具闭合，使得所述突起部插入所述多孔材质部件的第1主面，
通过使所述插入的突起部在所述多孔材质部件的面方向移动，由此在所述多孔材质部件的第1主面形成所述气体通路，并且使隔着彼此相邻的所述气体通路的肋部的多孔度低于位于所述多孔材质部件的第2主面侧的所述肋部的下方区域的多孔度。
根据本发明的第16方式，在第15方式的基础上提供一种膜电极接合体的制造方法，
通过使所述第1突起部和所述第2突起部往彼此分离的方向上移动来形成所述气体通路。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的所有附图中对相同或相当的部分附于相同符号，并省略重复的说明。
第1实施方式
利用图1对本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池的基本结构进行说明。图1是示意地表示第1实施方式所涉及的燃料电池的基本结构的剖面图。第1实施方式所涉及的燃料电池是通过使含有氢气的燃料气体与含有空气等氧气的氧化剂气体进行电化学反应，由此同时产生电力和热的高分子电解质型燃料电池。此外，本发明并不限定于高分子电解质型燃料电池，可以适用于各种燃料电池。
如图1所示，该第1实施方式所涉及的燃料电池具备电池单元(单体电池)1，该电池单元1具有：膜电极接合体10(以下，称为MEA)、配置在MEA10的两面的一对板状的导电性的隔离器20、20。此外，该第1实施方式所涉及的燃料电池也可以层叠多个该电池单元1来构成。该情况下，彼此层叠的电池单元1为了防止燃料气体以及氧化剂气体泄漏且为了降低接触电阻，优选由螺栓等的连结部件(未图示)以规定的连结压进行加压连结。
MEA10具备选择性地输送氢离子的高分子电解质膜11、在该高分子电解质膜11的两面形成的一对电极层12、12。一对电极层12的其中一个是阳极电极，另一个是阴极电极。一对电极层12、12具有：催化剂层13，形成在高分子电解质膜11的两面，将承载铂系金属催化剂的碳粉末作为主要成分；和气体扩散层14，形成在该催化剂层13上，具有集电作用、气体透过性和憎水性。
在气体扩散层14，在与隔离器20抵接的主面设有用于流通反应气体的气体通路21。阳极电极侧的气体通路21是用于流通燃料气体的燃料气体通路，阴极电极侧的气体通路21是用于流通氧化剂气体的氧化剂气体通路。通过燃料气体通路向阳极电极提供燃料气体，并且通过养氧化剂气体通路向阴极电极提供氧化剂气体，从而引起电化学反应，产生电力和热。隔着彼此相邻的气体通路21、21的肋部22的前端以规定的压力(例如，2kgf/cm2)与隔离器20接触。由此，防止反应气体流至气体通路21之外(泄露至外部)。
隔离器20由气体透过性低的金属等材料构成。此外，也可以在隔离器20设置冷却水等通过的冷却水通路(未图示)。为了防止反应气体泄漏至外部，在隔离器20与高分子电解质膜11之间以覆盖催化剂层13和气体扩散层14的侧面的方式配置密封部件(衬垫)15。
此外，衬垫15也可以在一对隔离器20、20之间以覆盖高分子电解质膜11、催化剂层13、气体扩散层14的侧面的方式配置。由此，能够抑制高分子电解质膜11的劣化，提高MEA10的操作性、和量产时的作业性。此外，从发电耐久性以及强度的观点出发，优选衬垫15的一部分含浸在气体扩散层14中。
作为衬垫15的材料，能够采用一般的热可塑性树脂、热固化性树脂等。例如，作为衬垫15的材料，可以采用硅树脂、环氧树脂、三聚氰胺树枝、聚酯系树脂、聚酰亚胺系树脂、丙烯酸树脂、ABS树脂、聚丙烯树脂、液晶性聚合物、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、玻璃纤维强化树脂等。
接下来，参照图2对本发明的第1实施方式所涉及的气体扩散层14的结构进行详细说明。图2是气体扩散层14的放大立体图。此外，图2所示的多个黑点是为了方便表示多孔度(密度)的不同而附加的。
气体扩散层14由无基材气体扩散层构成，该无基材气体扩散层没有使用碳纤维作为基材。具体而言，气体扩散层14由以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的薄板状且橡胶状的多孔材质部件构成。在此，所谓“以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的多孔材质部件”是指，不使用碳纤维作为基材、具有由导电性粒子和高分子树脂支撑的构造(所谓的自支撑体构造：self-supporting structure)的多孔材质部件。在由导电性粒子和高分子树脂构成多孔材质部件时，例如后述那样使用表面活性剂和分散溶媒。该情况下，在制造工序中，尽管要通过烧成除去表面活性剂和分散溶媒，但也有可能无法完全除去而将其残留在多孔材质部件中。因此，只要是没有使用碳纤维作为基材的自支撑体构造，就意味着这样残留的表面活性剂和分散溶媒可以包含在多孔材质部件中。此外，如果是没有使用碳纤维作为基材的自支撑体构造，则还意味着在多孔材质部件中可以包含其他材料(例如，短纤维的碳纤维等)。
此外，气体扩散层14中，隔着彼此相邻的气体通路21、21的肋部22的多孔度形成得比肋部22的下方区域(以下，称为肋部下方区域)23的多孔度低。换言之，按照肋部22的密度“密”而肋部下方区域23的密度“疏”的方式形成气体扩散层14。例如，除去了肋部22的气体扩散层14整体的多孔度设定为70％，肋部22的多孔度被设定为40％～50％。此外，这里所谓的“肋部下方区域”是指位于肋部22的垂直下方的区域。此外，这里为了方便说明，对隔离器20侧附与“上”方向，对催化剂层13侧附与“下”方向。
作为构成气体扩散层14的导电性粒子的材料，例如有石墨、炭黑、活性炭等的碳材料。作为上述炭黑例如有乙炔黑(AB)、炉黑、KetchenBlack，、Vulcan等。此外，从杂质含有量少且电导性高的观点出发，在这些之中优选采用乙炔黑作为炭黑的主要成分。
此外，优选上述导电性粒子是混合了平均粒径不同的2种碳材料而构成。由此，因为在平均粒径大的粒子彼此之间进入了平均粒径小的粒子，所以能够降低气体扩散层14整体的多孔度(例如，60％以下)。作为容易制造出填充构造的导电性粒子例如有石墨。为此，优选导电性粒子是混合乙炔黑和石墨而构成。
此外，使用激光衍射式粒度测量装置微型轨迹HRA测量乙炔黑的平均粒径D50(相对粒子量为50％时的粒径：也称为中值粒径)时，D50＝5μm。此外，与乙炔黑同样地测量石墨的粒径D50时，D50＝16μm。这些平均粒径的测量是在含有10wt％的表面活性剂的蒸馏水中分散乙炔黑或石墨的粒子并且粒度分布稳定的时刻进行的。
此外，当混合3种以上的碳材料来构成上述导电性粒子时，难以实现分散、混炼、轧制条件等的最优化。因此，优选上述导电性粒子是混合2种碳材料而构成。
此外，作为碳材料的原料形态例如有粉末状、纤维状、粒状等。从分散性、处理性的观点出发，优选从中选择粉末状作为碳材料的原料形态。
构成气体扩散层14的高分子树脂具有作为粘结所述导电性粒子彼此之间的粘结剂的功能。此外，由于上述高分子树脂具有憎水性，因此还具有在燃料电池内部将水密封在系统内部的功能(保水性)。
作为上述高分子树脂的材料，例如有PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯-丙烯共聚物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、ETFE(乙烯四氟-乙烯共聚物)、PCTFE(聚三氟氯乙烯)、PFA(四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)等。从耐热性、憎水性、化学稳定性的观点出发，优选从中选择PTFE作为高分子树脂的材料。作为PTFE的原料形态例如有离散状(dispersion)、粉末状等。从作业性的观点考虑，在这些中优选采用离散状作为PTFE的原料形态。
肋部22的多孔度优选20％以上低于50％。在肋部22的多孔度低于20％的情况下，肋部22的气体扩散性下降，特别是有可能反应气体无法到达肋部下方区域23进而发电性能下降。另一方面，在肋部22的多孔度在50％以上时，肋部22的强度下降，从而肋部22容易变形。此外，这种情况下，透过肋部22的内部的反应气体的量过多，从而气体通路21中流通的气体量减少，难以在电极面内整体(特别是下游区域)均匀地分配反应气体。
优选肋部下方区域23的多孔度为65％以上且低于80％。在肋部下方区域23的多孔度低于65％的情况下，气体透过性下降，从而难以在气体扩散层14的厚度方向流通反应气体，这样在肋部22的垂直下方的发电变得困难。另一方面，在不使用碳纤维作为基材的情况下使气体扩散层的多孔度为80％以上这在制造工艺上较为困难。假设即便能够制造出多孔度80％以上的气体扩散层，因强度显著下降，也无法实现作为气体扩散层的功能(特别是耐久性)。
尽管气体通路21的宽度因电极面积、气体流量、电流密度、加湿条件、电池单元温度等的不同，最佳值有很大不同，但优选通路宽度最宽的部位在0.1mm～3.0mm的范围内，特别优选0.2mm～1.5mm的范围内。在气体通路21的宽度低于0.1mm的情况下，在燃料电池中气体通路21的宽度相对于通常流过的反应气体的量有可能不够充分。另一方面，在气体通路21的宽度大于3.0mm的情况下，反应气体不会在气体通路21的整体中流通，产生反应气体滞留从而有可能引起溢流。
气体通路21的深度因电极面积、气体流量、电流密度、加湿条件、电池单元温度等而有很大不同，但优选在0.015mm～2.0mm的范围内，特别优选0.03mm～0.8mm的范围内。在气体通路21的深度低于0.015mm的情况下，在燃料电池中相对于通常流通的反应气体的量气体通路21的深度有可能不充足。另一方面，在气体通路21的深度大于2.0mm的情况下，反应气体不会在气体通路21的整体中流过，从产生反应气体滞留有可能引起溢流。
对于肋部22的宽度，在最细的部位优选0.1mm～3.0mm的范围内，特别优选0.2mm～2.0mm的范围内。在肋部22的宽度低于0.1mm时，肋部22的强度下降，肋部22容易变形。另一方面，在肋部22的宽度大于3.0mm时，由于肋部22的垂直下方的面积较大，因此反应气体在第1扩散层内不均匀扩散，有可能在面内发电分布中出现偏差。
肋部下方区域23的厚度因气体利用率、电流密度、加湿条件、电池单元温度等的不同，最佳值有很大不同，但优选在0.05mm～1.0mm的范围内，特别优选0.1mm～0.6mm的范围内。
如图1所示，在气体扩散层14形成的气体通路21具有三角形的截面形状。在气体扩散层14形成的气体通路21的剖面形状(图案)没有特别限定，能够与现有的隔离器中形成的气体通路的形状同样地形成。作为这种气体通路的剖面形状例如有笔直型、螺旋型等。
此外，在不使用碳纤维作为基材的情况下，气体扩散层14只要是由导电性粒子和高分子树脂支撑的构造(所谓的自支撑体构造)即可。因此，在气体扩散层14中，除了导电性粒子和高分子树脂以外，也可以含有微量的气体扩散层14制造时使用的表面活性剂和分散溶媒等。作为分散溶媒例如有水、甲醇、乙醇等的醇类、甘醇等的乙二醇类。作为表面活性剂例如有聚氧乙烯烷基醚等的非电离类、烷基氨氧化物等的两性离子类。制造时使用的分散溶媒的量以及表面活性剂的量根据导电性粒子的种类、高分子树脂的种类、这些的混合比例等适当设定即可。此外，一般情况下，分散溶媒的量以及表面活性剂的量越多，则存在导电性粒子和高分子树脂越容易均匀分散的趋势，另一方面，还存在流动性高、气体扩散层难以薄板化的趋势。
此外，在气体扩散层14中也可以含有作为基材不成立的重量(例如，少于导电性粒子和高分子树脂的重量)的碳纤维。由于碳纤维具有加固效果，因此通过提高碳纤维的混合比例，从而能够制造出强度高的气体扩散层。
作为上述碳纤维的材料，例如有气相生长法碳纤维(以下，称为VGCF)、毡合纤维(milled fibers)、涤纶纤维(cut fibers)、短纤维(choppedfibers)等。使用VGCF作为上述碳纤维时，例如使用纤维直径0.15μm、纤维长度15μm的VGCF即可。此外，作为上述碳纤维使用毡合纤维、涤纶纤维、或者短纤维的情况下，例如使用纤维直径5～20μm、纤维长度20～100μm的纤维即可。
上述毡合纤维、涤纶纤维、或者短纤维的原料可以是PAN类、沥青类、人造纤维类的任意一种。此外，对于上述纤维，优选通过对原料(长纤维丝或短纤维原料)进行切断、裁断，并使由此制作出的短纤维束分散之后使用。
上述碳纤维的混合量优选少于高分子树脂的重量。对于无基材气体扩散层的高强度化通过少量混合碳纤维，也可充分地发挥效果。当使上述碳纤维的混合量高于高分子树脂时，碳纤维刺入膜，从而有可能发生膜的劣化，性能下降。此外，这成为了成本高的主要原因。此外，气体扩散层14可以不使用碳纤维作为基材，也可以是由导电性粒子、高分子树脂、碳纤维支撑的自支撑体构造。
优选碳纤维的混合比例为重量百分比2.0％以上10.0以下。在碳纤维的混合比例是重量百分比低于2.0％的情况下，其内部电阻值有可能急剧提高，发电效率下降。另一方面，在碳纤维的混合比例是重量百分比大于10.0％的情况下，由于碳纤维由通常比高分子电解质膜11硬的材料构成，因此高分子电解质膜11有可能损坏，从而作为燃料电池的耐久性下降。
接下来，参照图3、图4A、图4B对该第1实施方式所涉及的气体扩散层14的制造方法的一例进行说明。图3是表示该第1实施方式所涉及的气体扩散层的制造方法的一例的流程图。图4A和图4B是示意表示其制造方法的一例的说明图。
首先，在步骤S1中，对导电性粒子、高分子树脂、表面活性剂和分散溶媒进行混炼。具体而言，将导电性粒子、表面活性剂和分散溶媒投入搅拌·混炼机(stirring kneader)，对其混炼从而进行粉碎和造粒。此后，在这些混炼物中添加高分子树脂材料使其进一步分散。此外，也可以不区别于其他材料另行将高分子树脂材料投入混炼机，而是将含有高分子树脂材料的所有材料同时投入混炼机。
在步骤S2中，使用平板压榨机对混炼后得到的混炼物进行轧制从而形成薄板状。
在步骤S3中，对形成薄板状的混炼物进行烧成，从上述混炼物中除去表面活性剂和分散溶媒。
在步骤S4中，对除去了表面活性剂和分散溶媒之后的混炼物再次进行轧制以调整厚度，制作薄板状的多孔材质部件M14。此时，多孔材质部件M14的多孔度整体上是均匀的(例如70％)。
在步骤S5中，如图4A所示，在具有对应于气体通路21的形状的三角形截面形状的突起部32a的模具32与模具31之间，配置多孔材质部件M14。
在步骤S6中，如图4B所示，使模具31、32闭合从而轧制多孔材质部件M14。此时，在多孔材质部件M14的第1主面插入突起部32a，形成三角形截面形状的气体通路21。此外，由于此时三角形截面形状的突起部32a向压缩肋部22的方向推挤，因此肋部22的多孔度要低于其他部分(例如，40～50％)。也就是说，肋部22的多孔度低于肋部下方区域23的多孔度。由此，能够获得图2所示的气体扩散层14。
此外，如图31A和31B所示，代替模具32使用具有矩形截面的突起部33a的模具33的情况下，突起部33a的顶面33b在厚度方向按压多孔材质部件M14。这样制作出的图31C所示的气体扩散层14A中，气体通路21A的下方区域(以下，称为通路下方区域)24A的多孔度低于肋部22A的肋部下方区域23A。此外，由于肋部下方区域23A与通路下方区域24A相邻，因此受到突起部33a的顶面33b的压力影响，从而多孔度低于肋部22A。换言之，肋部22A的多孔度高于肋部下方区域23A的多孔度。该情况下，由于肋部22A的多孔度高，因此无法抑制肋部23A的变形和反应气体的过度透过，另一方面，由于肋部下方区域23A和通路下方区域24A的多孔度低，因此气体扩散性下降，其结果发电性能较低。此外，所谓“通路下方区域”是指位于气体通路的下面的垂直下方的区域。
此外，模具31、32也可以与轧制设备一体构成，但是以能装卸于轧制设备的方式构成的话则容易操作。此外，作为轧制设备，可以采用滚筒压榨机或平板压榨机。这其中优选采用面精度高的滚筒压榨机，因为采用滚筒压榨机能够降低气体扩散层14的厚度偏差。该情况下，优选与一般的凹印滚筒机同样地，在滚筒的表面直接形成具有突起部的模具。
此外，由轧制设备进行轧制时，可以适当对多孔度低的多孔材质部件进行加温。该情况下，优选加温温度为250℃以下。在加温温度为250℃以下时，多孔度低的多孔材质部件软化，从而容易形成气体通路21。另一方面，当加温温度高于250℃时，多孔度低的多孔材质部件有可能劣化。此外，优选轧制设备的轧制力低于500kgf/cm2。轧制设备的轧制力越高，则越容易形成气体通路21，但是当对多孔度低的多孔材质部件施加500kgf/cm2以上的轧制力时，有可能产生破裂或材料损坏。
此外，在由轧制设备进行轧制之后为了防止模具与多孔度低的多孔材质部件紧密结合，可以在其中一方预先涂抹起模剂。作为该起模剂可在不对燃料电池的发电性能带来影响范围内适当选择，但优选采用蒸馏水或表面活性剂稀释蒸馏水。此外，也可以代替起模剂而使用PTFE树脂制的薄板。模具的材质可从不锈钢、钛合金钢、镍铬钼钢、超硬合金钢、SKD11、SKD12、Ni-P固化铬等工具钢、陶瓷、玻璃纤维强化塑料等中选择。再有，为了提高耐蚀性和起模性，可以对模具的表面实施电镀硬质铬、PVD皮膜、TiC皮膜、TD处理、Zr熔喷处理、PTFE表面涂层的表面处理。在上述滚筒的表面直接形成具有突起部的模具的情况下也同样。
根据该第1实施方式，由于使肋部22的多孔度低于肋部下方区域23的多孔度，因此能够抑制肋部22的变形以及反应气体的过度透过，能够提高发电性能。此外，即便作为气体扩散层14采用无基材气体扩散层，通过降低肋部22的多孔度也能够抑制肋部22的变形，因此，较之于以碳纤维作为基材的气体扩散层，能够简化制造工序，能够抑制制造成本。
此外，根据该第1实施方式，通过使用具有三角形截面形状的突起部32a的模具32轧制多孔材质部件M14这种的简单的制造方法，能够制造出肋部22的多孔度低于肋部下方区域23的多孔度的气体扩散层14。
此外，多孔度能够按照以下方式进行测量。
首先，基于构成气体扩散层的各材料的真密度和组成比例，计算制造出的气体扩散层的表观真密度。
接下来，测量制造出的气体扩散层的重量、厚度、纵横尺寸，从而计算所制造的气体扩散层的密度。
接着，将上述计算出的气体扩散层的密度和表观真密度代入公式多孔度＝(气体扩散层密度)/(表观真密度)×100，来计算多孔度。
如上述，能够测量所制造的气体扩散层的多孔度。
此外，在使用水银空隙率计测量所制造的气体扩散层的细孔径分布时，可确认：基于累计细孔量能够计算出的多孔度与上述计算出的多孔度一致。
此外，本发明并不限定于上述第1实施方式，能够以其他实施方式来实施。例如，在上述实施方式中将模具32的突起部32a的截面形状形成为三角形，从而形成三角形截面形状的气体通路21，但本发明并不限定于此。模具32的突起部32a的截面形状只要是前端细的形状即可。作为这种形状，除了三角形以外，还有图5所示的梯形、图6所示的五角形、图7所示的使三角形的前端部变圆的形状等。由于只要是这种形状，就能够往压缩肋部22的方向推挤，因此能够按照肋部22的多孔度低于肋部下方区域23的多孔度的方式制造。
此外，优选各肋部22的多孔度是均匀的。由此，通过气体扩散层14的反应气体可均匀地提供给催化剂层14的整体，能够提高发电性能。为了使各肋部22的多孔度均匀，可以使用具有多个左右对称的截面形状的突起部的模具。例如，在各突起部的截面形状为三角形的情况下，优选该三角形为等腰三角形。此外，优选各突起部以等间隔形成。再有，优选各突起部为相同形状。
此外，在上述内容中通过进行步骤S1～S6来制造气体扩散层14，但本发明并不限定于此。例如，也可以在各步骤之间适当进行其他作业。此外，如上所述在气体扩散层14的制造工序中，包含了制作薄板状的多孔材质部件M14的步骤S1～S4的工序，但本发明并不限于此。对于薄板状的多孔材质部件M14也可以使用预先制造的部件。也就是说，该情况下气体扩散层14能够如图8所示那样仅通过步骤S5～S6的工序进行制造。
此外，如图9所示，也可以通过进行步骤S11～S14来制造气体扩散层14。以下，对图9所示的气体扩散层14的制造方法进行说明。
首先，在步骤S11中，对导电性粒子、高分子树脂、表面活性剂、和分散溶媒进行混炼。
在步骤S12中，使用平板压榨机对混炼之后得到的混炼物进行轧制，以制作薄板状的多孔材质部件M14。
在步骤S13中，将薄板状的多孔材质部件M14配置在具有对应气体通路21的形状的三角形的截面形状的突起部32a的模具32和模具31之间之后，使模具31、32闭合，来对薄板状的多孔材质部件M14进行轧制。由此，突起部32a插入薄板状的多孔材质部件M14的第1主面，从而形成三角形的截面形状的气体通路21，并且调整多孔材质部件的厚度。
在步骤S14中，对形成了气体通路21的多孔材质部件进行烧成，从上述多孔材质部件中除去表面活性剂和分散溶媒。
由此，能够获得图2所示的气体扩散层14。
根据上述制造方法，由于在烧成混炼物之前形成气体通路21，因此混炼物的流动性高，容易形成疏密分布。因此，根据上述制造方法，与肋部下方区域23的多孔度相比，能够可靠地降低肋部22的多孔度。
此外，如上所述使用平板压榨机制作薄板状的多孔材质部件M14，但本发明并不限定于此。例如，也可以使用滚筒压榨机连续地形成(roll-to-roll)薄板状的多孔材质部件M14。该情况下，滚筒压榨机的滚筒直径、滚筒宽度、以及面精度可以适当设定，但滚筒直径越大，则越能够使施加于多孔材质部件M14上的压力均匀分散。此外，面精度越高，则越能够降低多孔材质部件M14的厚度偏差。因此，优选使用滚筒直径大、面精度高的滚筒压榨机。
此外，如上所述，使用滚筒压榨机或平板压榨机等对上述混炼物进行轧制来制作薄板状的多孔材质部件M14，但本发明并不限定于此。例如，也可以将上述混炼物投入挤压机，从挤压机的模具头(die head)连续地进行薄板成型从而制造薄板状的多孔材质部件M14。此外，在挤压机具备的螺旋杆的形状上下工夫，通过使其具有混炼功能，由此能够不使用上述混炼机的情况下获得上述混炼物。也就是说，该情况下能够使用一台机器一体地进行上述各碳材料的搅拌、混炼、薄板成型。
此外，由于混炼时间、混炼机具备的叶片的形状、混炼机的容量、各材料的投入量、分散溶媒的混合量、表面活性剂的混合量等，施加于各材料(特别是高分子树脂材料)的应力(剪断力：shearing force)有所变化，对之后的薄板成型的容易性和强度有所影响。一般情况下剪断力越高，则高分子树脂高纤维化从而增加导电性粒子之间的粘结性，提高气体扩散层14的强度。但是，当剪断力过高时，混炼物成为硬团状，从而在混炼后的薄板成型时需要施加过大的压力，增加了气体扩散层的制造难度。
优选烧成温度和烧成时间设定为表面活性剂和分散溶媒蒸发或分解的温度及时间。此外，在烧成温度过高的情况下，高分子树脂熔解，作为气体扩散层14的强度下降，从而薄板形状有可能崩裂。因此，优选烧成温度在高分子树脂的熔点(例如，PTFE的情况下为330℃～350℃)以下。此外，表面活性剂的蒸发或分解温度可通过例如TG/DTA(ThermoGravimetry/Differential Thermal Analyzer)等的分析装置进行测定，一般在260℃以上。因此，优选烧成温度在260℃以上。对于烧成时间，根据烧成炉的规格(体积、风量、风速等)和烧成个数等进行适当设定即可。
表面活性剂的材料根据碳材料和分散溶媒的种类适当选择即可。
此外，虽然如上所述使用表面活性剂，但即便不使用表面活性剂，也可以制造出第1实施方式所涉及的气体扩散层14。
第2实施方式
对第2实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图10是示意地表示本发明第2实施方式所涉及的燃料电池的基板构造的截面图。图11是图10的燃料电池具备的气体扩散层的放大立体图。该第2实施方式所涉及的燃料电池与第1实施方式所涉及的燃料电池的不同点在于，气体通路21B的截面形状为矩形。在该第2实施方式中，构成为肋部22B的多孔度低于肋部下方区域23B和通路下方区域24B的多孔度。此外，图11所示的多个黑点是为了方便表示多孔度的差异而附加的。
接下来，参照图11、图12、图13A～图13C，对本发明的第2实施方式所涉及的气体扩散层14B的制造方法的一例进行说明。图12是表示气体扩散层14B的制造方法的一例的流程图。图13A～图13C是示意表示气体扩散层14B的制造方法的一例的说明图。
在此，代替模具32使用模具34这一点上与上述第1实施方式的气体扩散层14的制造方法不同。模具34具有多个突起部34a，该各突起部34a由作为第1和第2突起的一例的2个平板34b、34c构成。平板34b、34c的至少一个构成为，能够往远离另一个的方向上移动。对于此外的方面，由于与上述第1实施方式的气体扩散层14的制造方法相同，因此省略其重复的说明，主要对不同点进行说明。
首先，在步骤S21中，如图13A所示，将多孔材质部件M14配置在模具31、34之间。
在步骤S22中，如图13B所示，使模具31、34闭合，对多孔材质部件M14进行轧制。此时，各突起部34a插入多孔材质部件M14的第1主面。
在步骤S23中，如图13C所示，使构成突起部34a的平板34b、34c在多孔材质部件M14的面方向也就是彼此远离的方向移动。由此，在多孔材质部件M14形成多个矩形截面的气体通路21B。此时，由于各平板34b、34c向压缩肋部22B的方向推挤，因此肋部22B的多孔度低于其他部分(例如，40～50％)。也就是说，肋部22B的多孔度低于肋部下方区域23B和通路下方区域24B的多孔度。由此，能够获得图11所示的气体扩散层14B。
根据该第2实施方式，由于使肋部22的多孔度低于肋部下方区域23和通路下方区域24B的多孔度，因此能够抑制肋部22的变形和反应气体的过度透过，能够提高发电性能。
此外，在利用上述第1实施方式的制造方法使气体通路21的截面形状形成矩形的情况下，一旦使模具31、32打开之后，需要切削气体通路21的周围的等工序。相对于此，根据该第2实施方式，能够在使模具31、34闭合的状态下直接形成矩形截面的气体通路21B，能够减少制造工序。
此外，对于模具34中的2个平板34b、34c而言，通过使用按照仅其前端部重合、其末端部分离的方式配置的模具(未图示)，从而能够容易制造出具有梯形的截面形状的气体通路21。
此外，优选通路下方区域24B的多孔度与肋部下方区域23的多孔度同样地在65％以上低于80％。在通路下方区域24B的多孔度低于65％的情况下，气体透过性下降，从而反应气体难以在气体扩散层14的厚度方向流通，在气体通路21B的肋部22的垂直下方的发电较为困难。另一方面，要在不使用碳纤维作为基材的情况下将气体扩散层的多孔度设定为80％以上，在制造处理上较为困难。假设即便能够制造出多孔度为80％以上的气体扩散层，但其强度显著下降，无法实现作为气体扩散层的功能(特别是耐久性)。
接下来，对上述制造方法的一例进行详细说明。
首先，准备图13A所示的具有4个突起部34a的模具34。突起部34a由钛合金制的2个平板34b、34c构成，以1.5mm间隔配置。作为平板34b、34c，分别使用图14所示的厚度T1为0.05mm、高度H1为0.6mm、宽度W1为500mm的平板。作为模具34，使用组装了精密的驱动机构的模具，使平板34b、34c能够在彼此远离的方向上移动。
接下来，如图13A所示，在模具31与模具34之间配置多孔材质部件M14。多孔材质部件M14使用多孔度为70％、厚度为1mm的部件。
接下来，如图13B所示，使模具31和模具34闭合，将各突起部34a在平板34b、34c彼此接触的状态下插入多孔材质部件M14内。
接下来，驱动组装在模具34内的驱动机构，如图13C所示那样使平板34b、34c分别在多孔材质部件14的面方向也就是彼此分离的方向移动约500μm。由此，同时形成4个通路宽度为1mm、通路深度为0.6mm的笔直形状的气体通路21。此外，肋部22的宽度设定为0.5mm。
如上所述那样制造出气体扩散层14B然后测量肋部下方区域23和肋部22的多孔度时，例如，相对于肋部下方区域23的多孔度为70％，肋部22的多孔度为48％。
此外，如上所述，在模具34设置4个突起部34a，将该4个突起部34a全部插入多孔材质部件M14内，由此同时形成4个气体通路21B，但本发明并不限定于此。例如，也可以在模具34仅设定值一个突起部34a，将该一个突起部34a逐次插入多孔材质部件M14内，由此分别形成4个气体通路21B。此外，当测量如上述那样制造的气体扩散层14B的肋部下方区域23和肋部22的多孔度时，例如相对于肋部下方区域23的多孔度为70％，肋部22的多孔度为49％。
此外，该第2实施方式所涉及的气体扩散层14B，也能通过图15A～图15C所示的制造方法制造。以下，对图15A～图15C所示的气体扩散层14B的制造方法进行说明。
在此，在代替模具32使用模具35这一点上与上述第1实施方式的气体扩散层14的制造方法不同。在模具35，设有作为突起部的一例的多个平板35a。各平板35a构成为能够在多孔材质部件14的面方向移动。对于此外的方面，由于与上述第1实施方式的气体扩散层14的制造方法相同，因此省略重复的说明，主要说明不同点。
首先，如图15A所示，将多孔材质部件M14配置在模具31、35之间。
接下来，如图15B所示，使模具31、35闭合对多孔材质部件M14进行轧制。此时，各平板35a插入多孔材质部件M14的第1主面。
接下来，如图15C所示，使插入多孔材质部件14内的各平板35a在多孔材质部件M14的面方向移动。由此，在多孔材质部件M14形成矩形截面的气体通路21B。此时，由于各平板35a往压缩肋部22B的方向推挤，因此肋部22B的多孔度低于其他部分(例如40％～50％)。也就是说，肋部22B的多孔度低于肋部下方区域23B和通路下方区域24B的多孔度。由此，能够获得图11所示的气体扩散层14B。
接下来，对上述制造方法的一例进行详细说明。
首先，准备图15A所示的具有4个突起部35a的模具35。平板35a由钛合金制的平板构成，以1.5mm间隔配置。作为平板35a，使用图14所示的厚度T1为0.05mm、高度H1为0.6mm、宽度W1为500mm的平板。作为模具35，使用组装了精密的驱动机构的模具，使各平板35a能够在多孔材质部件M14的面方向上移动。
接下来，如图15A所示，在模具31与模具35之间配置多孔材质部件M14。多孔材质部件M14使用多孔度为70％、厚度为1mm的部件。
接着，如图15B所示，使模具31和模具35闭合，将各平板35a插入多孔材质部件M14内。
接下来，驱动组装在模具35内的驱动机构，如图15C所示那样使各平板35a在多孔材质部件14的面方向移动约1.0mm。由此，同时形成4个通路宽度为1mm、通路深度为0.6mm的笔直形状的气体通路21。此外，肋部22的宽度设定为0.5mm。
当如上述那样制造气体扩散层14B然后测量肋部下方区域23和肋部22的多孔度时，例如相对于肋部下方区域23的多孔度为70％，肋部22的多孔度为48％。
第3实施方式
对本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图16是示意地表示本发明第3实施方式所涉及的燃料电池的基板构造的截面图。图17是图16的燃料电池具备的气体扩散层的放大立体图。该第3实施方式所涉及的燃料电池与第1实施方式所涉及的燃料电池的不同点在于，气体扩散层14C的气体通路21C的截面形状为拱形。对于此外的方面，按照与上述第1实施方式所涉及的燃料电池同样的方式构成。也就是说，气体扩散层14C构成为肋部22C的多孔度低于肋部下方区域23C的多孔度。此外，图17所示的多个黑点是为了方便表示多孔度的差异而附加的。
根据该第3实施方式，由于将气体通路21C的截面形状形成为拱形，因此在对气体扩散层14C的整体施加连结压的情况下，拱形状的气体通路21C的侧壁在肋部22C侧展开的方向上(面方向)也发生应力。由此，肋部22C更加密实，与该截面形状为矩形的情况相比肋部22C更加不易变形。因此，能够提高肋部22相对于电池单元1组装时施加的连结压的强度。由此，能够抑制因电池单元1组装时施加的连结压引起的气体通路21C的截面面积的减少，能够进一步提高发电性能。
此外，如图18所示，拱形的截面形状中包含底部14aa的角部为R形状的截面形状。此外，如图19所示，拱形的截面形状中包含圆弧状的截面形状。
接下来，参照图17、图20、图21A和图21B对本发明第3实施方式所涉及的气体扩散层14B的制造方法的一例进行说明。图20是表示本发明的第3实施方式所涉及的气体扩散层14C的制造方法的一例的流程图。图21A和图21B是示意地表示其制造方法的一例说明图。
首先，在步骤S31中，对导电性粒子、高分子树脂、表面活性剂、和分散溶媒进行混炼。
在步骤S32中，使用平板压榨机对混炼之后得到的混炼物进行轧制，从而成型为薄板状。
在步骤S33中，对成型为薄板状的混炼物进行烧成，从上述混炼物中除去表面活性剂和分散溶媒。
在步骤S34中，对除去了表面活性剂和分散溶媒之后的混炼物再次轧制以调整厚度，制作薄板状的多孔材质部件M14。
此外，步骤S31～S34与上述步骤S1～S4相同。
在步骤S35中，如图21A所示，在具有对应于气体通路21C形状的拱形截面形状的突起部36a的模具36与模具31之间配置多孔材质部件M14。
在步骤S36中，如图21B所示，使模具31、36闭合进行轧制。此时，突起部36a插入多孔材质部件M14的第1主面中，形成拱形的截面形状的气体通路21C。此外，由于此时拱形截面形状的突起部36a往压缩肋部22C的方向推挤，因此肋部22C的多孔度低于其他部分(例如，40～50％)。也就是说，肋部22的多孔度低于肋部下方区域23C的多孔度。由此，能够获得图17所示的气体扩散层14C。
此外，由于拱形的曲率等，有时难以使肋部22C的多孔度低于肋部下方区域23C的多孔度。因此，应该留意拱形的曲率等各种尺寸的设定，使得肋部22C的多孔度低于肋部下方区域23C的多孔度。
接下来，说明为了验证具备该第3实施方式所涉及的拱形气体通路21C的扩散层14C的作用、效果而进行的实验的结果进行说明。
在此，准备图32所示的具备矩形截面气体通路22a的现有的气体扩散层214、具备图18和图19所示的拱形气体通路21C的第3实施方式所涉及的扩散层14C的3个气体扩散层。然后，如图22所示那样，在这些气体扩散层14a、14b、214的气体扩散层21a、21b、221侧的主面安装隔离器20之后，以规定压力进行加压，验证气体通路的截面面积的变化。
此时，图18、图19和图32所示的各气体扩散层14a、14b、214的气体通路21a、21b、221的各截面面积设定为约0.33mm2。具体而言，按照如下方式设定各种尺寸。图32所示的现有的气体扩散层214的气体通路221的宽度L为1.1mm，深度D为0.3mm。图18所示的第3实施方式所涉及的气体扩散层14a的气体通路21a的上部14ab的宽度La设定为1.1mm、深度D为0.3351mm、底部14ab的角部的R形状部分的半径Ra为0.33mm。图19所示的第3实施方式所涉及的气体扩散层14b的气体通路21b的上部14bb的宽度Lb设定为1.1mm、深度为0.39mm、圆弧部分的半径Rb为1.3mm。此外，各气体扩散层14a、14b、214和隔离器20的长度L1设定为30.35cm。各气体扩散层14a、14b、214的杨氏模量设定为2.78MPa，泊松比设定为0.3。图22所示的压力P设定为2.0kgf/cm2。
[表1]
Figure BDA0000081060660000251
表1表示各气体扩散层14a、14b、214的气体通路21a、21b、221的加压前的截面面积、加压后的截面面积、加压前后的截面面积的比。
根据表1可知，第3实施方式所涉及气体扩散层14a与现有的气体扩散层214相比，具有将气体通路的截面面积的减少抑制在3.9％(＝80.5％-76.6％)的效果。此外，根据表1可知，第3实施方式所涉及的气体扩散层14b与现有的气体扩散层214相比，具有将气体通路的截面面积的减少抑制在4.8％(＝81.4％-76.6％)的效果。
图23是表示以1.1mm固定气体通路的上部的通路宽度时的、压力损耗相对于气体通路深度的比例的曲线。
在此，在将各气体扩散层14b、214的气体通路21b、221的加压前的深度设定为0.3mm的情况下，将压力P设定为2.0kgf/cm2进行加压时，气体通路21b、221的加压后的深度Dd、D为如下所示。也就是说，气体通路21b的加压后的深度Db为0.243mm(＝0.3mm×81.4％)，气体通路221的加压后的深度D为0.228mm(＝0.3mm×76.6％)。
在图23中，在气体通路的深度为0.243mm时，压力损耗约为1.7kPa。在图23中，在气体通路的深度为0.228mm时，压力损耗约为2.0kPa。由此可知，第3实施方式所涉及的气体扩散层14b与现有的气体扩散层214相比，具有降低0.3kPa(＝2.0kPa-1.7kPa)的压力损耗的效果。此外，通过将压力损耗降低0.3kPa，从而能够削减约1W的消耗功率。
此外，如上所述将气体通路21C的截面形状设为拱形，但本发明并不限定于此。例如，气体通路21C的截面形状也可以是图24所示的梯形，或图25所示的五角形。此外，气体通路21的截面形状也可以是使图26所示的三角形的前端部变圆的形状。也就是说，对于气体通路21的截面形状，只要是从位于催化剂层13侧的底部向位于隔离器20侧的上部其通路宽度变大即可。即便是这种截面形状，较之于现有技术也能够抑制肋部的变形。
此外，不需要气体通路全部是拱形，只要至少一部分是拱形即可。这种情况下，较之于现有技术也能够提高发电性能。此外，在由螺栓等的连结部件对电池单元1进行加压连结时，该连结部件通常按照贯通气体通路14C的外周部的方式插入。因此，特别是在气体通路21C的外周部容易受到较大的压力。因此，与位于气体扩散层14C的主面的中心侧的气体通路相比，位于气体扩散层14C的主面的外周侧的气体通路更容易堵塞。因此，例如图27所示，可以将位于气体扩散层14C的两端部侧的气体通路设为具有拱形截面形状的气体通路21C，将位于其间的气体通路设为具有矩形截面的现有的气体通路221。此外，如图28所示，也可以分别由具有拱形截面形状的气体通路21C的部分、和具有矩形截面的现有的气体通路221的部分，构成直线状延伸的多个气体通路。
此外，如上所述，在阳极侧和阴极侧的双方配置本发明所涉及的带有通路的气体扩散层，但本发明并不限定于此。也可以在阳极侧和阴极侧的至少一方配置本发明所涉及的带有通路的气体扩散层。
与阳极电极(燃料极)的燃料气体通路相比，阴极电极(空气极)的氧化剂气体通路为复杂的形状，这样燃料电池的发电性能容易较高。但是，在由金属、或者碳和树脂构成的现有的隔离器中设置复杂形状的气体通路较为困难。相对于此，本发明的带有通路的气体扩散层，因为由无基材扩散层构成，因此容易形成气体通路。因此，例如图29所示那样，可以在阳极侧配置现有的正极气体扩散层114、形成了设有燃料气体通路121的现有的槽状的气体通路的隔离器120，仅在阴极侧配置具有气体通路21的本发明的阴极气体扩散层14、至少与膜电极接合体接触一侧的面具有平坦形状的隔离器20。所谓平坦是指在阴极隔离器的面方向宏观上看没有形成凹凸的形状，例如是指使没有用压榨机或切削机形成反应气体通路那种的凹凸的形状。在这种结构下，较之于现有的结构也能够进一步提高燃料电池的发电性能。
此外，这种情况下，优选阳极气体扩散层114的多孔度低于阴极气体扩散层14的多孔度。由此，能够使阳极气体扩散层114的保水性高于阴极气体扩散层14的保水性。此外，能够使阴极气体扩散层14的气体扩散性高于阳极气体扩散层114的气体扩散性。
由于本发明的膜电极接合体及其制造方法能够进一步提高燃料电池的发电性能，因此例如可用于作为汽车等移动体、分散发电系统、家庭用的废热发电系统(cogeneration systems)等驱动源而使用的燃料电池。
本发明参照附图与优选的实施方式相关联地进行了充分记载，但对于本领域技术人员而言可进行各种的变形和修正。这种变形和修正只要没有脱离基于权利要求书的本发明的范围，则应该理解为其包含在本发明的范围中。
本说明书整体参照并援引了2010年8月9日申请的日本国专利申请No.2009-201386号以及2010-178321号的说明书、附图和权利要求书公开的内容。

Claims (16)

1.一种膜电极接合体，其具有：
高分子电解质膜；
一对催化剂层，以夹着所述高分子电解质膜的方式设置；和
气体扩散层，以夹着所述一对催化剂层和所述高分子电解质膜的方式成对设置，其中至少一个由以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的多孔材质部件构成，具有与所述催化剂层接触的第1主面和位于其相反侧的第2主面，在所述第2主面侧以彼此相邻的方式形成多个气体通路，隔着所述彼此相邻的气体通路的肋部的多孔度形成得低于位于所述第1主面侧的所述肋部的下方区域的多孔度。
2.根据权利要求1所述的膜电极接合体，其中，
所述肋部的多孔度低于位于所述第2主面侧的所述气体通路的下方区域的多孔度。
3.根据权利要求1或2所述的膜电极接合体，其中，
所述气体通路的至少一部分具有从位于所述第2主面侧的底部向位于所述第1主面侧的上部通路宽度变大的截面形状。
4.根据权利要求3所述的膜电极接合体，其中，
位于所述气体扩散层的第1主面的中心侧的气体通路具有矩形的截面形状，
位于所述气体扩散层的第1主面的外周侧的气体通路具有从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状。
5.根据权利要求3所述的膜电极接合体，其中，
所述气体通路全部具有从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状。
6.根据权利要求3～5的任意一项所述的膜电极接合体，其中，
从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状是三角形。
7.根据权利要求3～5的任意一项所述的膜电极接合体，其中，
从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状是拱形。
8.根据权利要求3～5的任意一项所述的膜电极接合体，其中，
从所述底部向所述上部通路宽度变大的截面形状是梯形。
9.一种燃料电池，其具有：
权利要求1～8的任意一项所述的膜电极接合体；和
一对隔离器，以夹着所述膜电极接合体的方式设置，与所述膜电极接合体接触一侧的面具有平坦的形状。
10.一种燃料电池，其具有：
权利要求1～8的任意一项所述的膜电极接合体；和
第1隔离器，配置在所述气体扩散层的所述第2主面侧，与所述膜电极接合体接触一侧的面具有平坦的形状；和
第2隔离器，与所述第1隔离器成对地以夹着所述膜电极接合体的方式设置，在与所述膜电极接合体接触的一个主面形成槽状的气体通路。
11.一种膜电极接合体的制造方法，制造在第1主面形成气体通路的膜电极接合体，其包括：
在具有尖端细形状的突起部的模具中配置以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的薄板状的多孔材质部件之后，使所述模具闭合，使得所述突起部插入所述多孔材质部件的第1主面，由此形成所述气体通路，并且使隔着彼此相邻的所述气体通路的肋部的多孔度低于位于所述多孔材质部件的第2主面侧的所述肋部的下方区域的多孔度。
12.根据权利要求11所述的膜电极接合体的制造方法，其中，
所述突起部的截面形状是三角形。
13.根据权利要求11所述的膜电极接合体的制造方法，其中，
所述突起部的截面形状是拱形。
14.根据权利要求11所述的膜电极接合体的制造方法，其中，
所述突起部的截面形状是梯形。
15.一种膜电极接合体的制造方法，制造在第1主面形成气体通路的膜电极接合体，其包括：
在具有突起部的模具中配置了以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的薄板状的多孔材质部件之后，使所述模具闭合，使得所述突起部插入所述多孔材质部件的第1主面，
通过使所述插入的突起部在所述多孔材质部件的面方向移动，由此在所述多孔材质部件的第1主面形成所述气体通路，并且使隔着彼此相邻的所述气体通路的肋部的多孔度低于位于所述多孔材质部件的第2主面侧的所述肋部的下方区域的多孔度。
16.根据权利要求15所述的膜电极接合体的制造方法，其中，
所述突起部具有第1突起部和所述第2突起部，
通过使所述第1突起部和所述第2突起部往彼此分离的方向上移动来形成所述气体通路。
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