CN113871672B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，在由隔板夹持在高分子电解质膜的两面分别层叠催化剂层以及气体扩散层而成的膜电极组件(MEA)的燃料电池中，隔板在与气体扩散层抵接的一侧的表面，具备用于构成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽，在将气体扩散层的厚度设为h、将肋中的与所述气体扩散层抵接的部分的宽度设为Rw时，0.29Rw≤h≤0.55Rw，并且气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维和高分子树脂，导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为Fl＜Rw/2并且Fd＜h/100。

Description

燃料电池
技术领域
本公开涉及燃料电池，特别是涉及固体高分子形的燃料电池。
背景技术
作为燃料电池的一个例子的固体高分子形燃料电池通过将质子传导性高分子电解质膜的一个面暴露于氢等的燃料气体，将另一个面暴露于氧，通过经由电解质膜的化学反应来合成水，以电的方式取出此时产生的反应能量。
固体高分子形燃料电池的单电池具有：膜电极组件(以下，记载为MEA)、配置于MEA的两面的一对导电性的隔板。MEA具备：质子传导性高分子电解质膜、夹着该电解质膜的一对电极层。一对电极层具有：催化剂层，形成于高分子电解质膜的两面，以担载铂族催化剂的碳粉末为主成分；和气体扩散层，形成于该催化剂层上，兼具集电作用、气体透过性和防水性。
在隔板，在与气体扩散层抵接的一侧的表面，具备用于形成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽。
MEA中的气体扩散层将从隔板的气体流路供给的反应气体向催化剂层供给。此外，气体扩散层也作为催化剂层与隔板之间的电子的导电路径而发挥功能。因此，对用于MEA的气体扩散层使用导电性多孔质构件。
例如，在专利文献1中，公开了一种燃料电池，其目的在于，在使用了形成有用于构成反应气体所流过的气体流路的肋以及槽的隔板的燃料电池中，增大反应气体向肋与气体扩散层的接触部分所对置的气体扩散层的区域的供给量，降低肋与气体扩散层的接触电阻。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-218817号公报
发明内容
本公开的一实施方式所涉及的燃料电池是将在高分子电解质膜的两面分别层叠催化剂层以及气体扩散层而成的膜电极组件(MEA)由隔板夹持的燃料电池，所述隔板在与所述气体扩散层接触的一侧的表面，具备用于构成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽，在将所述气体扩散层的厚度设为h、将所述肋中的与所述气体扩散层接触的部分的宽度设为Rw时，0.29Rw≤h≤0.55Rw，并且所述气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维和高分子树脂，所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为Fl＜Rw/2，Fd＜h/100。
本公开的另一实施方式所涉及的燃料电池是将在高分子电解质膜的两面分别层叠催化剂层以及气体扩散层而成的膜电极组件(MEA)由隔板夹持的燃料电池，所述隔板在与所述气体扩散层接触的一侧的表面，具备用于构成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽，在将所述气体扩散层的厚度设为h、将所述肋中的与所述气体扩散层接触的部分的宽度设为Rw时，0.29Rw≤h≤0.48Rw，并且所述气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维和高分子树脂，所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为Fl＜Rw/2以及Fd＜h/100。
附图说明
图1是表示本公开的实施方式1所涉及的固体高分子形燃料电池的电池堆的概略图。
图2是示意性地表示本公开的实施方式1所涉及的固体高分子形燃料电池的电池单元的一部分的概略剖视图。
图3A是示意性地表示本公开的实施方式1所涉及的气体扩散层的概略剖视图。
图3B是将本公开的实施方式1所涉及的气体扩散层的一部分放大来示意性地表示的放大剖视图。
图4是示意性地表示本公开的实施方式1所涉及的固体高分子形燃料电池的电池单元的一部分的概略剖视图。
图5A是示意性地表示本公开的实施方式2所涉及的固体高分子形燃料电池的电池单元的一部分的概略剖视图。
图5B是将本公开的实施方式2所涉及的电池单元的一部分放大的剖面SEM照片。
图6是将使用了现有的气体扩散层的电池单元的一部分放大的剖面SEM照片。
图7是表示与单元电压和气体扩散层的厚度(h)/肋宽度(Rw)有关的实施例1～3以及比较例1～2的评价试验的结果的图表。
图8是表示与单元电压和气体扩散层的厚度(h)/肋宽度(Rw)有关的实施例4～7以及比较例3～5的评价试验的结果的图表。
图9是表示实施例1～3以及比较例1～2的评价试验的结果的表。
图10是表示实施例4～7以及比较例3～5的评价试验的结果的表。
-符号说明-
1 高分子电解质膜
2 催化剂层
2a 阳极催化剂层
2b 阴极催化剂层
3 气体扩散层
3a 阳极侧气体扩散层
3b 阴极侧气体扩散层
4 隔板
4a 阳极侧隔板
4b 阴极侧隔板
5 槽
6 肋
10 电池单元
11 集电板
12 绝缘板
13 端板
20 膜电极组件
31 导电性粒子
32 导电性纤维
33 高分子树脂
100 燃料电池
具体实施方式
在专利文献1所述的燃料电池中，相对于隔板的肋宽度Rw(专利文献1中为2x)，气体扩散层的厚度h较厚为h≥0.7Rw，因此到达催化剂的反应气体的供给量降低，特别地，在高电流密度区域，扩散过电压上升，发电性能降低。
本公开的目的在于，提供一种通过使气体扩散层的厚度相对于隔板的肋宽度较薄，特别是使高电流密度区域中的气体扩散性提高，从而提高发电性能的燃料电池。
为了达成上述目的，本发明人通过仔细研究，发现在气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维、高分子树脂的气体扩散层中，通过使用导电性纤维的平均纤维长度比隔板的肋宽度的1/2短、导电性纤维的平均纤维直径为气体扩散层的厚度的1/100以下的气体扩散层，从而气体扩散层的厚度方向与面方向的气体扩散性均匀化。通过该发现，得知即使气体扩散层的厚度相对于肋宽度较薄地形成，肋下的气体扩散也难以被阻碍，特别地，高电流密度区域中的发电性能大幅度提高。
以下，作为本公开的燃料电池的具体实施方式，参照附图来对固体高分子形燃料电池进行说明。另外，本公开的燃料电池并不限定于以下的实施方式所述的燃料电池的结构，包含基于与具有以下的实施方式中说明的技术特征的技术思想同等的技术的燃料电池的结构。
此外，以下的实施方式中所示的数值、形状、结构、制造工序以及制造工序的顺序等表示一个例子，并不将发明限定于本公开的内容。关于以下的实施方式中的结构要素之中、未记载于表示最上位概念的独立权利要求的结构要素，被说明为任意的结构要素。另外，各实施方式中，对相同的要素赋予相同的符号，可能省略说明。此外，附图为了容易理解，以各个结构要素为主体而示意性地表示。
首先，示例本公开的燃料电池中的各种方式。
本公开所涉及的第1方式的燃料电池是将在高分子电解质膜的两面分别层叠催化剂层以及气体扩散层而成的膜电极组件由隔板夹持的燃料电池，
所述隔板在与所述气体扩散层接触的一侧的表面，具备用于构成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽，
在将所述气体扩散层的厚度设为h、将所述肋中的与所述气体扩散层接触的部分的宽度设为Rw时，
0.29Rw≤h≤0.55Rw，
并且所述气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维和高分子树脂，
所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为：
Fl＜Rw/2以及Fd＜h/100。
本公开所涉及的第2方式的燃料电池是将在高分子电解质膜的两面分别层叠催化剂层以及气体扩散层而成的膜电极组件(MEA)由隔板夹持的燃料电池，
所述隔板在与所述气体扩散层接触的一侧的表面，具备用于构成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽，
在将所述气体扩散层的厚度设为h、将所述肋中的与所述气体扩散层接触的部分的宽度设为Rw时，
0.29Rw≤h≤0.48Rw，
并且所述气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维和高分子树脂，
所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为：
Fl＜Rw/2以及Fd＜h/100。
本公开所涉及的第3方式的燃料电池在所述第1方式或者第2方式中，更加优选所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为：
0.5μm≤Fl≤50μm以及
0.05μm≤Fd≤0.3μm。
本公开所涉及的第4方式的燃料电池在所述第3方式中，更加优选所述气体扩散层中的所述导电性纤维的量比所述导电性粒子的量多。
本公开所涉及的第5方式的燃料电池在所述第4方式的所述气体扩散层中，更加优选在所述肋与所述槽的边界具有高低差，与所述肋的顶部平坦部接触的面、和与所述槽对置的面包含非连续的凹凸面。
本公开所涉及的第6方式的燃料电池在所述第5方式中，更加优选将所述肋与所述槽的边界处的所述气体扩散层的高低差的高度设为5～30μm。
本公开所涉及的第7方式的燃料电池在所述第6方式中，更加优选在所述气体扩散层，与所述隔板接触的面侧的表面粗糙度Sa为3μm以下。
本公开所涉及的第8方式的燃料电池在所述第1方式至第7方式的任一方式中，更加优选所述隔板的肋宽度Rw与槽宽度Gw为：0.7Gw≤Rw≤1.3Gw。
本公开所涉及的第9方式的燃料电池在所述第1方式至第8方式的任一方式中，更加优选所述气体扩散层和所述隔板构成于阴极侧。
通过本公开，能够提供一种气体扩散层具有充分的气体透过性、特别是提高了膜电极组件(MEA)中的高电流密度区域中的发电性能的燃料电池。
以下，参照附图来对本公开的实施方式进行说明。
(实施方式1)
使用图1，对本公开的实施方式1所涉及的固体高分子形燃料电池(以下，简称为燃料电池)100的基本结构进行说明。图1是示意性地表示实施方式1的燃料电池100的基本结构(也称为燃料电池堆)的概略图。另外，实施方式1并不限定于固体高分子形燃料电池，能够适用于各种燃料电池。
<燃料电池堆的构造>
如图1所示，燃料电池100的燃料电池堆将作为基本单位的电池单元10层叠一片以上，在层叠的电池单元10的两侧配置集电板11、绝缘板12以及端板13，以规定的载重从两侧压缩并紧固。
集电板11包含不透气性的导电性材料。对集电板11例如使用铜、黄铜等。在集电板11设置电流取出端子部(未图示)，在发电时从电流取出端子部取出电流。
绝缘板12包含树脂等的绝缘性材料。对绝缘板12例如使用氟系树脂、PPS树脂等。
两端的端板13通过未图示的加压单元，以规定的载重将被层叠一片以上的电池单元10、集电板11、绝缘板12紧固并保持。对端板13例如使用钢等刚性高的金属材料。
图2是示意性地表示电池单元10的剖面的概略剖视图。在电池单元10中，将膜电极组件(以下，也称为MEA)20由阳极侧隔板4a以及阴极侧隔板4b夹着。以下，将阳极侧隔板4a以及阴极侧隔板4b统一记载为隔板4。关于其他结构要素，在将多个结构要素统一说明的情况下，也进行同样的记载。
隔板4中，在与气体扩散层3接触的一侧的表面形成反应气体流过的气体流路。用于构成该气体流路的槽5和肋6形成于隔板4。形成于阳极侧隔板4a的肋6之间的槽5的空间为燃料气体用的反应气体流过的气体流路。形成于阴极侧隔板4b的肋6之间的槽5为氧化剂气体用的反应气体流过的气体流路。对隔板4能够使用碳系或者金属系的材料。
<MEA>
MEA20具有：高分子电解质膜1、催化剂层2和气体扩散层3。在选择性地输送质子的高分子电解质膜1的两面形成阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b(将阳极侧以及阴极侧的各催化剂层2a、2b统一记载为催化剂层2)，在其外侧分别配置阳极侧气体扩散层3a以及阴极侧气体扩散层3b(将两侧气体扩散层3a、3b统一记载为气体扩散层3)。气体扩散层3与隔板4的肋6的突出端部接触。
作为高分子电解质膜1，例如使用全氟磺酸聚合物，但只要具有质子导电性则并不被特别限定。
作为催化剂层2，能够使用包含担载有铂等催化剂粒子的碳材料和高分子电解质的层。
<气体扩散层>
接下来，使用图3A以及图3B，对本公开的实施方式1的燃料电池100中的气体扩散层3(无基材的气体扩散层)的结构详细进行说明。图3A是示意性地表示气体扩散层3的放大的剖面的概略剖视图。图3B是将图3A所示的气体扩散层3的一部分进一步放大而示意性地表示的概略剖视图。如图3A所示，实施方式1中的气体扩散层3包含导电性粒子31、导电性纤维32和高分子树脂33，是具有自支承体构造的自立膜。
导电性粒子31是电传导性优良的粒子，有助于气体扩散层3的导电性的提高。作为导电性粒子31的材料，例如使用碳粒子。
导电性纤维32有助于气体扩散层3的导电性的提高以及机械强度的提高。导电性纤维32的材料并不被特别限定，例如，能够使用碳纳米管等的碳纤维。
本发明人关于燃料电池100中的气体扩散层3进行各种实验，发现在导电性纤维32的平均纤维长度Fl与平均纤维直径Fd具有以下的关系的情况下可得到优选的结果。
作为隔板4的肋宽度Rw，优选导电性纤维32的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd是Fl＜Rw/2，并且Fd＜h/100。通过平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd是Fl＜Rw/2并且Fd＜h/100，气体扩散层3的厚度方向(图2中的左右方向)与面方向(图2中的上下方向)的气体扩散性容易变得均衡。另一方面，若气体扩散层3的导电性纤维32的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为Fl≥R/2或者Fd≥h/100，则气体扩散层3的厚度方向和面方向的气体扩散性中产生各向异性。特别地，若Fd≥h/100，则使气体扩散层3的厚度减薄时，占用面方向的剖面积的导电性纤维32的面积增加，向面方向的气体扩散性降低。作为结果，肋下的气体扩散层3中的气体扩散降低，单元电压降低。
导电性纤维32的平均纤维长度Fl优选为0.5μm以上且50μm以下。通过导电性纤维33的平均纤维长度Fl为0.5μm以上，有效有助于气体扩散层3的导电性的提高，并且能够更加提高气体扩散层3的机械强度。此外，通过导电性纤维32的平均纤维长度Fl为50μm以下，能够使气体扩散层3的厚度方向和面方向上的气体扩散性的各向异性抑制为最小限度。
优选导电性纤维32的平均纤维直径Fd为50nm以上且300nm以下。通过导电性纤维32的平均纤维直径Fd为50nm以上，能够有效地有助于气体扩散层3的导电性的提高，并且能够更加提高气体扩散层3的机械强度，气体扩散层3作为自立膜能具有足够的强度。此外，通过导电性纤维32的平均纤维直径Fd为300nm以下，直径不会变的过大，因此在减薄气体扩散层3的厚度时，减小导电性纤维32在面方向的剖面积中所占的面积比，能够充分确保面方向的气体扩散性。
作为高分子树脂33的材料的例子，可举例PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、ETFE(四氟乙烯-乙烯共聚物)、PCTFE(聚三氟氯乙烯)以及PFA(聚氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物)等。特别地，从耐热性、防水性以及耐药品性的观点出发，高分子树脂33优选包含PTFE。作为PTFE的原料形态，举例分散体、粉末状等，从具有优良的分散性的观点出发，优选使用分散体。
高分子树脂33作为将导电性粒子31彼此粘接的粘接剂而发挥功能。此外，高分子树脂33具有防水性。由此，可防止在气体扩散层3的内部的细孔滞留水并阻碍气体透过。
气体扩散层3中的导电性纤维32的量(wt％)优选比导电性粒子31的量(wt％)多。对其理由进行说明。气体扩散层3中，具有气体的扩散性，并且具有对由反应产生的生成水进行保水、且多余的水通过气体扩散层3的细孔并排出到外部的作用。多余的水作为水蒸气而通过气体扩散层3的内部的细孔，在细孔径为几十nm级，水蒸气不能充分透过。因此，膜电极组件(MEA)20的内部的多余的水不被排出，向催化剂层2的气体扩散被阻碍，电池性能降低。另一方面，若成为微米级的细孔，则水蒸气过于透过，MEA20的内部成为干燥状态，质子导电性降低，电池性能降低。因此，气体扩散层3的内部的细孔径适合为0.1μm级的细孔。0.1μm级的细孔容易通过导电性纤维32的间隙而形成，几十nm的细孔容易通过导电性粒子的1次粒子的间隙而形成。因此，通过导电性纤维32的量(wt％)比导电性粒子31的量(wt％)多，气体扩散层3中的细孔为0.1μm级，电池性能提高。进一步地，在气体扩散层3中，在导电性纤维32的间隙存在导电性粒子31，通过纤维状的高分子树脂33能够将导电性纤维32、导电性粒子31良好地粘接，因此气体扩散层3能够具有充分的强度。
<电池单元>
接下来，使用图4，对本公开的实施方式1的燃料电池100中的电池单元10的结构详细进行说明。图4是示意性地表示电池单元10中的阴极侧的高分子电解质膜1、催化剂层2、气体扩散层3以及隔板4的结构的概略剖视图。图4中，将隔板4(4b)与气体扩散层3(3b)的接触部分放大。另外，在图4所示的气体扩散层3中，仅记载导电性纤维32，省略图3所示的导电性粒子31和高分子树脂33。图4中，表示电池单元10中的阴极侧的结构，但阳极侧的结构也可以同样。
如上所述，在隔板4，在与气体扩散层3抵接的一侧的表面具备用于构成反应气体流过的气体流路的槽5和肋6。将肋6的宽度设为Rw，将槽5的宽度设为Gw，将气体扩散层的厚度设为h，满足条件(1)0.29Rw≤h≤0.55Rw，更加优选满足条件(1’)0.29Rw≤h≤0.48Rw。进一步地，气体扩散层3的导电性纤维32的平均纤维长度Fl满足条件(2)Fl＜Rw/2，导电性纤维的平均纤维直径Fd满足条件(3)Fd＜h/100。在此，肋6的宽度Rw、槽5的宽度Gw是相对于反应气体的主要流动方向正交方向的剖面中的肋6的宽度、槽5的宽度。此外，气体扩散层3的厚度h的测定是使用株式会社Mitutoyo制的数显指示器而进行、对气体扩散层单体的厚度进行测定的。
另外，在实施方式1的结构中，隔板4的肋宽度Rw与槽宽度Gw的关系优选为0.7Gw≤Rw≤1.3Gw。若隔板4的肋宽度Rw与槽宽度Gw的关系为0.7Gw＞Rw，则肋6与气体扩散层3的接触面积减少，因此电子电阻增加，单元电压降低。另一方面，若Rw＞1.3Gw，则与肋6对置的催化剂层2的区域的反应气体减少，单元电压降低。进一步地，由于相对于槽5中的反应气体的主要流动方向正交的剖面积减少，因此反应气体的压力损耗上升，特别是在阴极侧，辅助设备类的负载增大。
通过满足上述条件(1)～(3)的全部条件，能够相对于隔板4的肋宽度Rw，使气体扩散层3的厚度h减薄，特别地，在高电流密度区域，气体的扩散性也飞跃性地提高，能够实现电池性能的提高。作为其理由，考虑以下方面。
相比于与槽对置的催化剂层2的区域，与肋6对置的催化剂层2的区域的气体扩散的路径变长，因此到达催化剂层2的反应气体减少。进一步地，现有的气体扩散层30(具有基材的气体扩散层：参照图6)在碳纤维的基材形成有微孔层(MPL)，构成基材的碳纤维基材的平均纤维长度Fl为10mm左右，平均纤维直径Fd为10μm左右，因此相对于厚度方向的气体扩散性，面方向的气体扩散性变差。因此，在现有的电池单元中，相对于肋宽度Rw，使气体扩散层的厚度h一定程度加厚，从而构成为气体也容易到达与肋6对置的催化剂层2的区域。
与此相对地，在本公开的实施方式1中的电池单元10的结构中，缩短构成气体扩散层3的导电性纤维32的平均纤维长度Fl，平均纤维直径Fd也相对于气体扩散层3的厚度h极端小，因此厚度方向和面方向的气体扩散中的各向异性变少。其结果，即使减薄气体扩散层3的厚度h，也能够确保气体向与肋6对置的催化剂层2的区域的透过量。此外，由于气体扩散层3的厚度h变薄，因此气体向与槽5对置的催化剂层2的区域的透过量也提高。
在不满足上述条件(1)而0.29Rw＞h的情况下，向与肋6对置的催化剂层2的区域的气体透过量降低，单元电压降低。相反地，在h≥0.55Rw的情况下，气体扩散层3的厚度h变厚，与槽5以及肋6对置的催化剂层2的各个区域的气体的透过量都变少，单元电压降低。
此外，在不满足上述条件(2)和条件(3)而Fl≥Rw/2、Fd≥h/100的情况下，如上所述，在气体扩散层3的厚度方向和面方向的气体扩散性产生各向异性，气体向与肋6对置的催化剂层2的区域的透过量减少，单元电压降低。
(实施方式2)
使用图5A和图5B，对本公开的实施方式2所涉及的燃料电池中的电池单元的结构详细进行说明。
以下，在实施方式2的燃料电池的说明中，以与所述实施方式1的不同点为中心来进行说明。另外，在实施方式2的说明中，对具有与所述实施方式1相同的功能、结构的要素赋予相同的参照符号，省略说明。此外，针对具有与所述实施方式1相同的作用的内容也省略说明。
图5A是示意性地表示电池单元10中的阴极侧的高分子电解质膜1、催化剂层2、气体扩散层3以及隔板4的结构的概略剖视图。图5A中，将隔板4与气体扩散层3的接触部分放大并示意性地表示。另外，图5A所示的气体扩散层3中，仅记载导电性纤维32，省略导电性粒子31和高分子树脂33。图5A中，表示电池单元10中的阴极侧的结构，但阳极侧的结构也可以同样。
如图5A所示，将隔板4的肋6的宽度设为Rw，将槽5的宽度设为Gw，将气体扩散层的厚度设为h，满足条件(1)0.29Rw≤h≤0.55Rw，更加优选满足条件(1’)0.29Rw≤h≤0.48Rw。进一步地，气体扩散层3的导电性纤维32的平均纤维长度Fl满足条件(2)Fl＜Rw/2，导电性纤维的平均纤维直径Fd满足条件(3)Fd＜h/100。
图5B是将实施方式2的电池单元中的隔板4的肋6与气体扩散层3的接触状态放大表示的剖面SEM照片。根据图5B的照片能够理解，肋6的突出端部是接触为埋设于气体扩散层3的状态，肋6的突出端部以及其侧面都与气体扩散层3可靠地接触。即，气体扩散层3是在槽5的内部突出的状态，在相对于气体扩散层3的肋6与槽5的边界面为具有高低差S的非连续面。
如上所述，在实施方式2中的气体扩散层3，在隔板4中的槽5与肋6的边界具有高低差S，与隔板4的肋6的顶部平坦部接触的面和与隔板4的槽5对置的面包含非连续的凹凸面。因此，相对于气体扩散层3与肋6的边界面，在槽5的内部是气体扩散层3突出的状态。隔板4的槽5与肋6的边界处的气体扩散层3的高低差S的高度即突出量p为5～30μm。
图6是表示使用了现有的气体扩散层30的电池单元中，隔板4的肋6与气体扩散层30的接触状态的剖面SEM照片。在此使用的现有的气体扩散层30的构成基材的碳纤维基材的平均纤维长度Fl为10mm左右，平均纤维直径Fd为10μm左右，碳纤维基材的纤维长度较长，使用粗碳纤维。根据图6的照片可明确，在现有的气体扩散层30，在肋6与槽5的边界没有高低差，成为仅肋6的突出端部与现有的气体扩散层30平面地接触的结构。认为这是由于：在现有的气体扩散层30中，是构成基材的碳纤维基材的平均纤维长度Fl为10mm左右的长碳纤维，使用平均纤维直径Fd为10μm左右的粗碳纤维。
在实施方式2中的电池单元10中，在肋6与槽5的边界形成高低差S以使得气体扩散层3进入槽5的内部，该高低差S的高度即突出量p为5～30μm。这样在实施方式2的结构中，在肋6与槽5的边界，气体扩散层3具有高低差S，肋6的突出端部为埋设于气体扩散层3的接触状态，肋6的突出端部的侧面也是与气体扩散层3接触的状态。其结果，在实施方式2中的电池单元的结构中，气体扩散层3与肋6的紧贴性提高，成为能够减少接触电阻的结构。若气体扩散层3向槽5的突出量p(高低差S的高度)小于5μm，则接触电阻的减少效果变小。另一方面，若气体扩散层3向槽5的突出量p大于30μm，则槽5的深度一般为100至300μm左右，因此通过槽5而形成的气体流路的剖面积减少，反应气体的压力损耗增加。
此外，气体扩散层3中的与肋6接触的面的表面粗糙度Sa优选为3μm以下。通过表面粗糙度Sa为3μm以下，气体扩散层3与肋6的接触性能够变好，能够进一步减少接触电阻。
另外，在上述实施方式中，对电池单元的阴极侧的结构进行了说明，但能够以同样的结构设为阳极侧的结构。燃料电池中包含的气体扩散层中，用作为氧化剂气体的氧相比于用作为燃料气体的氢，更加难以扩散，因此本公开的燃料电池中优选至少适用为阴极侧的结构。
另外，本公开的燃料电池并不限定于上述实施方式所述的内容，能够以其他各种方式进行实施。
(实施例以及比较例)
以下，关于本公开的燃料电池，对本发明人进行实验时的实施例以及比较例的具体结构以及制造方法进行说明。
A：无基材的气体扩散层
(材料)
[导电性粒子]
·粒状Denka Black(注册商标)(Denka株式会社制)
[导电性纤维]
·VGCF(注册商标)(昭和电工株式会社制，VGCF-H)
[高分子树脂]
·聚四氟乙烯PTFE D系列(大金工业株式会社制)，平均颗粒直径0.25μm
(无基材的气体扩散层的制造方法)
以导电性粒子20wt％、导电性纤维50wt％、高分子树脂30wt％的比例，制造无基材的气体扩散层。
首先，将导电性粒子、导电性纤维、界面活性剂以及分散溶剂混合，使用行星搅拌机来进行混炼。接下来，向混炼的混合物添加高分子树脂，使用行星搅拌机来进一步进行混炼。接下来，使用压延辊机，以0.1ton/cm的压延条件来将混炼物压延5次。然后，在IR炉内配置压延的片材，以300℃进行0.5小时烧成。针对烧成的片材，使用辊压机，以1ton/cm的压延条件重新压延3次，得到后述的表1所述的厚度的气体扩散层。
B：有基材的气体扩散层
(材料)
[基材]
·TORAYCA(注册商标)碳纸(Toray株式会社制TGP-H-030)
[导电性粒子]
·粒状Denka黑色(注册商标)(Denka株式会社制)
[高分子树脂]
·聚四氟乙烯PTFED系列(大金工业株式会社制)，平均颗粒直径0.25μm
(有基材的气体扩散层的制造方法)
作为MPL层，向导电性粒子80wt％、高分子树脂20wt％，混合界面活性剂以及分散溶剂，使用行星搅拌机来制作墨水。对基材，通过喷涂机来涂敷墨水，得到165μm的厚度的气体扩散层。
C：隔板
(材料)
[碳板材]
·碳板(东海碳株式会社制)G347B
(隔板的制造)
通过对碳板材进行切削加工，得到形成有表中所述的肋宽度、槽宽度的气体流路的隔板。
D：燃料电池
通过以下的方法来制造后述的表1所示的实施例1～3以及表2所示的比较例1～2的燃料电池。
(1)阴极催化剂层用的分散液的调制
阴极催化剂层用的分散液如以下那样调制。将担载催化剂粒子(Pt-Co合金)的粒子状导电构件(碳黑)添加到适量的水并搅拌，使其分散。将得到的分散液搅拌并且添加适量的乙醇后，相对于担载催化剂粒子的上述粒子状导电构件100质量份，添加纤维状导电构件(第1纤维状导电构件)(气相生长碳纤维，平均直径150nm，平均纤维长度10μm)35质量份、以及质子传导性树脂(全氟磺酸系高分子)100质量份，进行搅拌，从而调制出阴极催化剂层用的催化剂分散液。
(2)阳极催化剂层用的分散液的调制
阳极催化剂层用的分散液如以下那样调制。将担载催化剂粒子(Pt)的粒子状导电构件(碳黑)添加到适量的水并搅拌，使其分散。将得到的分散液搅拌并且添加适量的乙醇后，相对于担载催化剂粒子的上述粒子状导电构件100质量份，添加纤维状导电构件(第1纤维状导电构件)(气相生长碳纤维，平均直径150nm，平均纤维长度10μm)35质量份、以及质子传导性树脂(全氟磺酸系高分子)120质量份，进行搅拌，从而调制出阳极催化剂层用的催化剂分散液。
(CCM的制作)
在CCM(Catalyst Coated Membrane：膜/催化剂层接合体)的制作中，准备两片PET片材，使用丝网印刷法，在一个PET片材的平滑的表面以均匀的厚度涂敷得到的阴极催化剂层用的催化剂分散液，在另一个PET片材的平滑的表面以均匀的厚度涂敷得到的阳极催化剂层用的催化剂分散液。然后，进行干燥，在高分子电解质膜的两面形成2个催化剂层。阴极催化剂层的膜厚为6μm，阳极催化剂层的膜厚为4.5μm。
(单电池的制作)
在单电池的制作中，作为阳极侧气体扩散层，全部使用上述有基材的气体扩散层。
将实施例1～7以及比较例1～5的气体扩散层作为阴极侧气体扩散层，与阴极催化剂层接合。此外，使阳极侧气体扩散层与阳极催化剂层接合。由此，得到MEA。
接下来，作为阳极侧隔板，使用肋宽度0.5mm、槽宽度0.5mm的隔板，作为阴极侧隔板，使用肋宽度0.5mm、槽宽度0.5mm的隔板，制造燃料电池。首先，将制造出的MEA由具有燃料气体供给用的流体流路以及冷却水流路的阳极侧隔板和具有氧化剂气体供给用的气体流路的阴极侧隔板夹持，在阴极以及阳极的周围配置氟橡胶制的密封垫从而制造单电池。有效电极(阳极或者阴极)面积为36cm2。将该单电池用作为试验片。
(实施例1～3以及比较例1～2的评价试验)
针对实施例1～3以及比较例1～2，进行了下述的评价试验。表1表示实施例1～3以及比较例1～2的评价试验的结果(参照图9)。评价试验中的单元电压、扩散过电压以及电阻过电压如以下那样测定。另外，表1中将气体扩散层记为GDL。
[单元电压]
单元电压的测定按照以下的条件而进行。将单电池的单元温度控制为75℃，向阳极侧的气体流路作为燃料气体而供给氢气，向阴极侧的气体流路供给空气。氢气的化学计量比设为1.5，空气的化学计量比设为1.8。燃料气体以及空气均加湿后提供给单电池以使得露点为75℃。电流密度0A/cm2到2.0A/cm2，每隔0.5A/cm2保持3分钟，对2.0A/cm2时的单元电压进行测定，记录对比较例1的单元电压标准化的数值。
[扩散过电压]
扩散过电压在与上述的单元电压的测定相同条件下，测定2.0A/cm2时的扩散过电压，记录对比较例1的扩散过电压标准化的数值。
[电阻过电压]
电阻过电压在与上述的单元电压的测定相同条件下，测定2.0A/cm2时的电阻过电压，记录对比较例1的电阻过电压标准化的数值。
如表1所示，实施例1～3的燃料电池的气体扩散层的厚度h与隔板的肋宽度Rw为，0.29Rw≤h≤0.55Rw，并且气体扩散层的导电性纤维的平均纤维长度Fl满足Fl＜Rw/2。因此，在使用了相同的肋宽度Rw的隔板的情况下，实施例1～3的结构中，与表1所示的比较例1～2进行比较，能够确认单元电压变高，扩散过电压变低。图7是关于单元电压与气体扩散层的厚度h/肋宽度Rw来绘制实施例1～3以及比较例1～2的评价试验的结果的图。
如以上那样，本公开的燃料电池在气体扩散层具有充分的气体透过性，特别是膜电极组件(MEA)中的高电流密度区域中的发电性能提高。
(实施例4～7以及比较例3～5的评价试验)
在实施例4～7的评价试验中，与所述实施例1～3同样地，制作单电池，进行电池评价。与实施例1～3的不同点仅在于，作为阴极侧隔板，使用了肋宽度0.3mm、槽宽度0.3mm的隔板。表2表示实施例4～7以及比较例3～5的评价试验的结果(参照图10)。
如表2所示，实施例4～7的燃料电池的气体扩散层的厚度h与隔板的肋宽度Rw为，0.29Rw≤h≤0.55Rw，并且气体扩散层的导电性纤维的平均纤维长度Fl满足Fl＜Rw/2。因此，在使用了相同的肋宽度Rw的隔板的情况下，实施例4～7的结构中，与表2所示的比较例3～5进行比较，能够确认单元电压变高，扩散过电压变低。图8是关于单元电压与气体扩散层的厚度h/肋宽度Rw来绘制实施例4～7以及比较例3～5的评价试验的结果的图。
如以上那样，本公开的燃料电池在气体扩散层中具有充分的气体透过性，特别是膜电极组件(MEA)中的高电流密度区域中的发电性能提高。
使发明具有某种程度的详细度而说明了适当的实施方式，但该适当的实施方式的当前公开内容在结构的细节上可变化，在不脱离权利要求书以及主旨的情况下，能够实现各要素的组合、顺序的变化。
产业上的可利用性
本公开的燃料电池能够应用于家用热电联供系统、汽车燃料电池、移动式燃料电池和备用燃料电池等的用途。

Claims (8)

1.一种燃料电池，是将在高分子电解质膜的两面分别层叠催化剂层以及气体扩散层而成的膜电极组件由隔板夹持的燃料电池，
所述隔板在与所述气体扩散层接触的一侧的表面，具备用于构成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽，
在将所述气体扩散层的厚度设为h、将所述肋中的与所述气体扩散层接触的部分的宽度设为Rw时，
0.29Rw≤h≤0.55Rw，
并且所述气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维和高分子树脂，
所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为：
Fl<Rw/2以及Fd<h/100，
在所述气体扩散层中，在所述肋与所述槽的边界具有高低差，与所述肋的顶部平坦部接触的面和与所述槽对置的面包含非连续的凹凸面。
2.一种燃料电池，是将在高分子电解质膜的两面分别层叠催化剂层以及气体扩散层而成的膜电极组件MEA由隔板夹持的燃料电池，
所述隔板在与所述气体扩散层接触的一侧的表面，具备用于构成供应发电的反应气体所流过的气体流路的肋以及槽，
在将所述气体扩散层的厚度设为h、将所述肋中的与所述气体扩散层接触的部分的宽度设为Rw时，
0.29Rw≤h≤0.48Rw，
并且所述气体扩散层包含导电性粒子、导电性纤维和高分子树脂，
所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为：
Fl<Rw/2以及Fd<h/100，
在所述气体扩散层中，在所述肋与所述槽的边界具有高低差，与所述肋的顶部平坦部接触的面和与所述槽对置的面包含非连续的凹凸面。
3.根据权利要求1或者2所述的燃料电池，其中，
所述导电性纤维的平均纤维长度Fl和平均纤维直径Fd为：
0.5μm≤Fl≤50μm以及
0.05μm≤Fd≤0.3μm。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，
所述气体扩散层中的所述导电性纤维的量比所述导电性粒子的量多。
5.根据权利要求1或者2所述的燃料电池，其中，
所述肋与所述槽的边界处的所述气体扩散层的高低差的高度为5～30μm。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，
在所述气体扩散层，与所述隔板接触的面侧的表面粗糙度Sa为3μm以下。
7.根据权利要求1或者2所述的燃料电池，其中，
所述隔板的肋宽度Rw与槽宽度Gw为0.7Gw≤Rw≤1.3Gw。
8.根据权利要求1或者2所述的燃料电池，其中，
所述气体扩散层和所述隔板是阴极侧。
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