CN114830389B - 膜电极接合体以及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种膜电极接合体，其是具备电解质膜、和夹持所述电解质膜的第1电极和第2电极的燃料电池用的膜电极接合体，所述第1电极从所述电解质膜侧依次具备第1催化剂层和第1气体扩散层，所述第1气体扩散层包含第1纤维状导电部件和第1树脂材料，所述第1催化剂层包含第2纤维状导电部件、催化剂粒子和第2树脂材料，从所述膜电极接合体的层叠方向来观察时，所述第1纤维状导电部件与向所述膜电极接合体供给的气体的主流道所成的第1角度是任意的，所述第2纤维状导电部件与所述主流道所成的第2角度为45°以下。

Description

膜电极接合体以及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池用的膜电极接合体以及燃料电池。
背景技术
燃料电池具备具有电解质膜和夹持该电解质膜的一对电极的膜电极接合体。一对电极分别从电解质膜侧依次具备催化剂层和气体扩散层。
专利文献1中提出，由3个以上的层构成包含3层以上的气体扩散层，改变各层中所含的导电性碳纤维取向的方向。由此，能够以低成本提供气体扩散性优异的气体扩散层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-5525号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，专利文献1的方法中，气体扩散性未充分提高。
用于解决问题的手段
本发明的一个方面涉及一种膜电极接合体，其是具备电解质膜、和夹持上述电解质膜的第1电极和第2电极的燃料电池用的膜电极接合体，上述第1电极从上述电解质膜侧依次具备第1催化剂层和第1气体扩散层，上述第1气体扩散层包含第1纤维状导电部件和第1树脂材料，上述第1催化剂层包含第2纤维状导电部件、催化剂粒子和第2树脂材料，从上述膜电极接合体的层叠方向来观察时，上述第1纤维状导电部件与向上述膜电极接合体供给的气体的主流道所成的第1角度是任意的，上述第2纤维状导电部件与上述主流道所成的第2角度为45°以下。
本发明的另一方面涉及一种燃料电池，其具备上述的膜电极接合体、和夹持上述膜电极接合体的第1间隔件和第2间隔件。
发明效果
根据本发明，膜电极接合体内的气体扩散性提高。另外，可以提供输出功率特性优异的燃料电池。
附图说明
图1A是示意性地表示间隔件中形成的平行型的气体流道的俯视图。
图1B是示意性地表示间隔件中形成的迂回(Serpentine)型的气体流道的俯视图。
图2是利用第1气体扩散层的主面说明纤维状导电部件的切线的画法的说明图。
图3是从MEA的层叠方向来观察本发明的实施方式涉及的第1气体扩散层的示意俯视图。
图4是从MEA的层叠方向来观察本发明的实施方式涉及的第1催化剂层的示意俯视图。
图5是本发明的实施方式涉及的MEA的沿着主流道切断的示意截面图。
图6是本发明的实施方式涉及的MEA的沿着与主流道交叉的方向切断的示意截面图。
图7是将本发明的实施方式涉及的燃料电池中配置的单电池单元的构成要素展开示出的立体图。
图8是利用第1气体扩散层的主面说明纤维状导电部件的切线的画法的另一说明图。
图9是从MEA的层叠方向来观察本发明的另一实施方式涉及的第1气体扩散层的示意俯视图。
图10是从MEA的层叠方向来观察本发明的另一实施方式涉及的第1催化剂层的示意俯视图。
图11是本发明的另一实施方式涉及的MEA的沿着与主流道交叉的方向切断的示意截面图。
图12是本发明的另一实施方式涉及的MEA的沿着主流道切断的示意截面图。
图13是将本发明的另一实施方式涉及的燃料电池中配置的单电池单元的构成要素展开示出的立体图。
具体实施方式
(第1实施方式)
燃料气体或氧化性气体(以下，仅总称为气体。)从气体扩散层向电解质膜流入。气体例如通过在气体扩散层的外侧配置的间隔件或气体扩散层中形成的流道，被供给至气体扩散层。因此，为了提高气体扩散性，需要考虑气体流道的延伸方向。
本实施方式涉及的气体扩散层和催化剂层均包含纤维状导电部件。本实施方式中，使该气体扩散层和催化剂层的纤维状导电部件沿着气体的主要流道取向。由此，气体不被纤维状导电部件阻挡而顺利地进入气体扩散层和催化剂层，沿面方向扩散。也就是说，压力损失受到抑制，电极内的气体扩散性提高。本实施方式涉及的膜电极接合体对具有间隔较小的多个气体流道的燃料电池特别有用。
[膜电极接合体]
本实施方式涉及的膜电极接合体(以下，有时称为MEA。)具备电解质膜、和夹持电解质膜的第1电极和第2电极。第1电极从电解质膜侧依次具备第1催化剂层和第1气体扩散层。第1气体扩散层具备第1纤维状导电部件和第1树脂材料。第1催化剂层具备第2纤维状导电部件、催化剂粒子和第2树脂材料。第1电极和第2电极中的一个是阳极，另一个是阴极。
从MEA的层叠方向来观察时，第1纤维状导电部件(以下，称为第1导电纤维。)与向MEA供给的气体的主流道所成的第1角度为45°以下。第1角度是第1导电纤维与气体的主流道所成的角度的小的一方。第1角度为0°以上。
同样，从MEA的层叠方向来观察时，第2纤维状导电部件(以下，称为第2导电纤维。)与主流道所成的第2角度为45°以下。第2角度是第2导电纤维与气体的主流道所成的角度的小的一方。第2角度为0°以上。
第1角度优选为30°以下，更优选为15°以下。由此，气体扩散性进一步提高。
第2角度优选为30°以下，更优选为15°以下。该情况下，气体扩散性也进一步提高。
观察MEA的沿着气体的主流道的截面时，第1导电纤维优选沿着第1气体扩散层与第1催化剂层的界面(以下，称为第1界面。)取向。具体来说，优选第1导电纤维、和第1气体扩散层与第1催化剂层的界面平行，或者第1导电纤维从主流道的上游向第1界面倾斜，且与第1界面所成的第3A角度为70°以下。由此，气体能够不受第1导电纤维妨碍地，更顺利地进入气体扩散层。第3A角度是，与第1界面平行或者从主流道的上游向第1界面倾斜的第1导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。第3A角度为0°以上。
第1导电纤维与第1界面所成的第3A角度更优选为60°以下，特别优选为45°以下。
另一方面，观察MEA的沿着气体的主流道的截面时，优选第2导电纤维不沿着第1界面。具体来说，第2导电纤维与第1界面所成的第4A角度优选为25°以上。由此，进入第1催化剂层的气体容易向厚度方向扩散，能够效率良好地与电解质膜接触。另一方面，第4A角度优选为80°以下。由此，向厚度方向赋予外力导致的第2导电纤维的弯曲受到抑制，气体扩散性容易进一步提高。此外，第2导电纤维向电解质膜的突刺受到抑制，因此还防止电解质膜的损伤。第4A角度是第2导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。
第4A角度为例如25°以上且80°以下，更优选为25°以上且70°以下，特别优选为25°以上且65°以下。
观察MEA的沿着气体的主流道的截面时，第2导电纤维特别优选从主流道的上游向第1界面倾斜。该情况下的第2导电纤维与第1界面所成的第4A角度也优选为25°以上且80°以下，更优选为25°以上且70°以下，特别优选为25°以上且65°以下。
其中，优选第1导电纤维和第2导电纤维都从主流道的上游向第1界面倾斜。换言之，各层中的导电纤维优选以第1界面为界彼此相向。
在使用质子传导性的高分子电解质膜作为电解质膜的燃料电池中，通常在向燃料气体或氧化性气体加水蒸气而事先加湿的基础上，向气体扩散层供给。这是为了使电解质膜湿润，提高质子传导性。
另一方面，在电解质膜的阴极侧，提高电化学反应生成水。生成的水(生成水)有时堵塞气体扩散路径。因此，正在进行快速排出生成水的研究。
如本实施方式，通过使第1气体扩散层和第1催化剂层中的导电纤维以第1界面为界相向取向，能够利用生成水加湿气体。生成水沿着第1催化剂层的第2导电纤维向第1界面爬升。但是，第1气体扩散层中导电纤维的取向与第1催化剂层为逆向，因此生成水容易在第1界面的附近滞留。另一方面，从气体扩散层沿着第1导电纤维流入气体。流入的气体一边与滞留于第1界面附近的水接触而被加湿，一边经第1催化剂层向电解质膜流入。也就是说，向电解质膜供给加湿了的气体。因此，能够将气体不通过外部装置加湿、即不经过加湿器，而直接向MEA供给。由此，在实现燃料电池的低成本化和小型化的同时，容易使燃料电池稳定地起动。本实施方式涉及的燃料电池特别适合车载用。
与第1界面平行、或从主流道的上游向第1界面倾斜的第1导电纤维与第1界面所成的第3A角度、和从主流道的上游向第1界面倾斜的第2导电纤维与第1界面所成的第4A角度之和优选为25°以上且110°以下。由此，生成水容易滞留于第1界面附近，气体进一步被效率良好地加湿。上述第3A角度与上述第4A角度之和更优选为25°以上且90°以下，特别优选为25°以上且60°以下。
观察MEA的与气体的主流道交叉的截面时，优选第1导电纤维不沿着第1界面。具体来说，第1导电纤维与第1界面所成的第5A角度优选为45°以上。由此，进入第1气体扩散层的气体容易向厚度方向扩散。第5A角度是第1导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。其中，第5A角度可以为90°。
第5A角度更优选为55°以上，特别优选为60°以上。
观察MEA的与气体的主流道交叉的截面时，优选第2导电纤维也不沿着第1界面。具体来说，第2导电纤维与第1界面所成的第6A角度优选为45°以上。由此，进入催化剂层的气体容易向厚度方向扩散。第6A角度是第2导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。其中，第6A角度可以为90°。
第6A角度更优选为48°以上，特别优选为50°以上。
“从MEA的层叠方向来观察”与从MEA的主面的法线方向来观察同义。对于以下的其它实施方式也同样。
“气体的主流道”是指，气体流动最多的方向上的流道。流过流道整体的气体的方向由气体的入口与出口的位置关系可以理解。从MEA的层叠方向来观察，根据气体的流动方向分割气体的流道。气体沿相同方向流过1条气体流道的情况下，不需要分割气体流道。气体的流动方向以小于90°的角度变化的情况下，气体的流动也可以视为相同，因此不需要分割气体流道。气体的流动相同的区域有多个的情况下，将这些流道面积相加。气体流动最多的方向是流道面积最大的气体的流动方向。该面积最大的区域是气体的主流道。气体的流动方向可以视为考虑了气体的入口与出口的位置关系的气体流道的中心线的延伸方向。中心线是沿着气体的流动方向将气体流道二等分的线。对于以下的其它实施方式也同样。
通常，气体的流道大致按照从气体的入口向出口的方向延伸的方式设置。气体的流道例如以平行型、迂回型形成。平行型的气体流道是从间隔件或气体扩散层的气体供给口附近的边(第1边)向其对边(第2边)延伸的多个槽。迂回型的气体流道是从间隔件或气体扩散层的第1边向第2边一边蜿蜒一边延伸的1条或多条槽。槽可以是直线，也可以是波浪型。
以下，对于气体的主流道，参照附图进行说明。但是，气体流道的形状和配置不限于此。
图1A是示意性地表示间隔件中形成的平行型的气体流道的俯视图。图1A中，从MEA的层叠方向来观察间隔件。为了简便，在气体流道上附以影线。
间隔件240中，从第1边240a向第2边240b形成有多条直线状的槽(气体流道260)。气体流道260彼此大致平行。多条气体流道260中，气体的流动方向相同。也就是说，供给的全部气体沿相同方向A流过。该情况下，气体的主流道是指，全部气体流道260。气体从第1边240a向第2边240b流过。主流道的上游是第1边240a侧。
图1B是示意性地表示间隔件中形成的迂回型的气体流道的俯视图。图1B中，从MEA的层叠方向来观察间隔件。为了简便，对气体流道附以影线。
间隔件240中，形成有从第1边240a向第2边240b一边蜿蜒一边延伸的1条槽(气体流道260)。气体流道260中，气体向3个方向流动。3个方向是指，从第1边240a朝向第2边240b的方向A、从第2边240b朝向第1边240a的方向B、和与方向A和方向B相交的方向C。将气体流道260分割为与该3个方向对应的区域(区域A、区域B、区域C)。其中，在流道的弯角处2个区域(例如区域A和区域C)重复。各区域形成有1个以上。求出各个区域的面积(有1个以上的情况下为合计面积)，具有最大面积的区域为主流道。图1B中，主流道为区域A。主流道中，气体沿方向A流动。主流道的上游是指第1边240a。需要说明的是，具有最大面积的区域有多个的情况下，可以将其中任一个作为主流道。
第1导电纤维与气体的主流道所成的“第1角度”按照以下方式求出。
首先，准备MEA，通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄气体扩散层的主面的与气体的主流道对置的区域。从得到的SEM图像任意确定3个例如能够确认20条以上导电纤维的区域RP1(例如50μm×50μm)。3个区域RP1相互不重合。任意选出10条各区域RP1内的能够确认的导电纤维。对于10条导电纤维，分别引出能够观察的长度的中间地点PP1处的切线LP1。
图2是利用第1气体扩散层的主面对导电纤维的切线的画法进行说明的说明图。图2中，示出1个区域RP1。另外，图2中，仅示出能够确认的3条第1导电纤维。对于多个第1导电纤维131，分别引出能够观察的长度的中间地点PP1处的切线LP1。
另一方面，将沿着气体的流动方向对按照上述方式确定的主流道二等分的线作为主流道的中心线CL。如上所述主流道包含多个区域的情况下，将任意1个区域的中心线作为主流道的中心线CL(参照图1A)。
求出按照上述方式得到的多条(上述的情况下为30条)切线LP1与主流道的中心线CL所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值作为“第1角度”。选定的第1导电纤维设为30条以上。
第2导电纤维与气体的主流道所成的“第2角度”也与第1角度同样地求出。
首先，从MEA移除气体扩散层而使催化剂层露出，通过SEM拍摄催化剂层的主面的与气体的主流道对置的区域。从得到的SEM图像任意确定3个例如能够确认20条以上导电纤维的区域RP2(例如50μm×50μm)。3个区域RP2相互不重合。任意选出10条各区域RP2内的能够确认的导电纤维。对于10条导电纤维，分别引出能够观察的长度的中间地点PP2处的切线LP2。
求出按照上述方式得到的多条(上述的情况下为30条)切线LP2与主流道的中心线CL所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值作为“第2角度”。选定的第2导电纤维设为30条以上。
第1导电纤维与第1界面所成的“第3A角度”按照以下方式求出。
首先，准备MEA，通过SEM拍摄沿着主流道并且包含气体扩散层和催化剂层的3个截面。“沿着主流道的截面”和利用与按照上述方式确定的主流道的中心线CL所成的角度为0°的直线将MEA沿厚度方向切断而得到的截面同义。
从得到的SEM图像任意确定1个例如能够确认20条以上第1导电纤维和第1界面的区域RS1(例如50μm×50μm)。另外，对于不同的2个截面也同样地各确定1个区域RS1。任意选出10条各区域RS1内的能够确认的第1导电纤维。对于10条第1导电纤维，分别引出能够观察的长度的中间地点PS1处的切线LS1。
另一方面，引出将区域RS1内的气体扩散层与催化剂层的界面的端部彼此连结的直线。将该直线作为第1界面。
求出按照上述方式得到的多条(上述的情况下为30条)切线LS1与第1界面所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值作为“第3A角度”。选定的第1导电纤维设为30条以上。
第2导电纤维与第1界面所成的“第4A角度”也与第3A角度同样地求出。从能够确认10条以上第2导电纤维和第1界面的3个截面各确定1个区域RS2。从3个区域RS2分别选出5条第2导电纤维，引出切线LS2。求出该多条(上述的情况下为15条)切线LS2与第1界面所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值设为“第4A角度”。选定的第2导电纤维设为15条以上。
第1导电纤维与第1界面所成的“第5A角度”除了通过SEM拍摄与主流道交叉的截面以外，与第3A角度同样地求出。
第2导电纤维与第1界面所成的“第6A角度”除了通过SEM拍摄与主流道交叉的截面以外，与第4A角度同样地求出。
“与主流道交叉的截面”和利用与按照上述方式确定的主流道的中心线CL所成的角度为90°的直线将MEA沿厚度方向切断而得到的截面同义。
第1导电纤维从主流道的上游向第1界面倾斜，与第1导电纤维的主流道的下游侧的端部比其上游部侧的端部更接近第1界面同义。
第2导电纤维从主流道的上游向第1界面倾斜，与第2导电纤维的主流道的下游侧的端部比起上游部侧的端部更接近第1界面同义。
与第1界面平行、或从主流道的上游向第1界面倾斜的第1导电纤维与第1界面所成的第3A角度是，从按照上述方式确定的3个区域RS1选出各10条与第1界面平行或从主流道的上游向第1界面倾斜的第1导电纤维，与上述同样地算出的。
从主流道的上游向第1界面倾斜的第2导电纤维与第1界面所成的第4A角度也同样，使用从3个区域RS2选出的从主流道的上游向第1界面倾斜的第2导电纤维算出。
第1导电纤维和第2导电纤维优选在确保其直线性的状态下，配置于各层。确保直线性是指，导电纤维不大幅弯曲，通过后述的方法求出的直线率R为0.6以上。从气体扩散性的观点出发，直线率R优选为0.7以上。
第1导电纤维的直线率R1是由按照上述方式确定的3个区域RS1按照以下方式求出的。
任意选出10条各区域RS1内的能够确认的第1导电纤维。对于10条第1导电纤维，用直线连结能够观察的长度部分的一端与另一端，求出该直线的长度Ls。另外，对于相同的10条第1导电纤维，求出能够观察的长度部分的实际长度Lr。对于该多条(上述的情况下为30条)第1导电纤维，求出Ls相对于Lr之比：Ls/Lr的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值设为直线率R1。选定的第1导电纤维设为30条以上。第2导电纤维的直线率R2也从3个区域RS2同样地求出。选定的第2导电纤维设为15条以上。
接着，一边参照附图一边对本实施方式涉及的第1气体扩散层和第1催化剂层进行具体说明。但是，本实施方式涉及的第1气体扩散层和第1催化剂层不限于此。
图3是从MEA的层叠方向来观察第1气体扩散层的示意俯视图。图3中，简便地示出第1角度，第1角度通过上述的算法来算出。第1气体扩散层130A具备沿着方向A取向的第1导电纤维131。第1导电纤维131与气体的主流道(方向A)所成的第1角度θ1为45°以下。
图4是从MEA的层叠方向来观察第1催化剂层的示意俯视图。图4中，简便地示出第2角度，第2角度通过上述的算法来算出。第1催化剂层120A具备沿着方向A取向的第2导电纤维121。第2导电纤维121与气体的主流道(方向A)所成的第2角度θ2为45°以下。
图5是MEA的沿着主流道切断的示意截面图。该截面图对应于将MEA以图7中的X-X线切断的图，但为了简便仅示出第1气体扩散层和第1催化剂层。另外，图5中，简便地示出第3A角度和第4A角度，它们通过上述的算法算出。
第1导电纤维131在沿着主流道的截面上，也大致沿着方向A取向。第1导电纤维131从主流道的上游向第1界面S缓缓倾斜。第1导电纤维131与第1界面S所成的第3A角度θ3为例如70°以下。
另一方面，第2导电纤维121在沿着主流道的截面上，大致沿着厚度方向Z取向。第2导电纤维121从主流道的上游向第1界面S倾斜。第2导电纤维121与第1界面S所成的第4A角度θ4为例如25°以上。
第1导电纤维131和第2导电纤维121都从主流道的上游向第1界面S倾斜。此时，第3A角度θ3与第4A角度θ4之和为例如25°以上且110°以下。
图6是MEA的沿着与主流道交叉的方向切断的示意截面图。该截面图对应于将MEA以图7中的Y-Y线切断的图，但为了简便仅示出第1气体扩散层和第1催化剂层。另外，图6中，简便地示出第5A角度和第6A角度，它们通过上述的算法算出。
第1导电纤维131在与主流道交叉的截面上，大致沿着厚度方向Z取向。第1导电纤维131与第1界面S所成的第5A角度θ5为例如45°以上。
第2导电纤维121在与主流道交叉的截面上，也大致沿着厚度方向Z取向。第2导电纤维121与第1界面S所成的第6A角度θ6为例如45°以上。
a.第1气体扩散层
第1气体扩散层包含第1导电纤维和第1树脂材料。由此，构成具有导电性的微多孔层。
第1气体扩散层构成燃料电池的阴极气体扩散层和阳极气体扩散层中的至少一方。MEA可以在阴极和阳极中具备本实施方式涉及的气体扩散层。
第1气体扩散可以进一步具有基材层。具有基材层的第1气体扩散层例如具有基材层和设于其催化剂层侧的上述微多孔层。基材层中，使用碳布、碳纸等导电性多孔质片材。
若考虑燃料电池的小型化，则期望第1气体扩散层的厚度薄。另一方面，从强度的观点出发，优选第1气体扩散层不过度地薄。第1气体扩散层的厚度为例如30μm以上且1000μm以下，优选为50μm以上且500μm以下。
第1气体扩散层的厚度为平均厚度，通过对于第1气体扩散层的截面上的任意10个部位，将从一侧主面到另一侧主面引出沿着第1气体扩散层的厚度方向的直线时的距离平均化而求出。
(第1导电纤维)
第1导电纤维具有2以上的长径比，并且为导电性。第1导电纤维的长径比可以为3以上，可以为5以上。另外，第1导电纤维的长径比可以为1000以下，可以为500以下，可以为100以下。第1导电纤维的长径比为例如3以上且1000以下。第1导电纤维的长径比为第1导电纤维的平均直径R1与平均长度L1之比。
作为第1导电纤维，可以举出例如气相生长碳纤维(VGCF(注册商标))、单层或多层碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维等纤维状碳材料。第1导电纤维可以在内部具有中空的空间(中空部)。第1导电纤维的长度方向的两端可以分别开口。
作为第1导电纤维，可以混合使用材料、平均直径和/或平均长度不同的2种以上的导电纤维。例如，第1导电纤维可以包含单层碳纳米管(直径0.3～3nm、纤维长10μm以下)、和多层碳纳米管(直径5～200nm、纤维长20μm以下)。
第1导电纤维的平均直径R1没有特别限定。平均直径R1可以为0.3nm以上，可以为3nm以上，可以为20nm以上。平均直径R1可以为300nm以下，可以为250nm以下，可以为200nm以下。若平均直径R1为该范围，则第1气体扩散层中所占的第1导电纤维的体积比例变小，容易确保充分的气体路径。
第1导电纤维的平均直径R1通过从第1气体扩散层任意取出10条第1导电纤维，将它们的直径平均化从而求出。直径是第1导电纤维的垂直于长度方向的方向的长度。第2导电纤维的平均直径R2也同样求出。
第1导电纤维的平均长度L1没有特别限定。第1导电纤维的平均长度L1可以为例如0.2μm以上，可以为0.5μm以上。第1导电纤维的平均长度L1可以为例如20μm以下，可以为10μm以下。若平均长度L1为该范围，则容易使第1导电纤维沿所期望的方向取向，气体扩散性更容易提高。
第1导电纤维的平均长度L1通过从第1气体扩散层任意取出10条第1导电纤维，将这些第1导电纤维的纤维长度平均化从而求出。上述的纤维长度是，将取出的导电纤维的一端与另一端拉伸成直线时的长度。第2导电纤维的平均长度L2也同样求出。
第1气体扩散层中的第1导电纤维的质量比例没有特别限定。在容易确保充分的气体扩散性的方面，期望第1导电纤维的质量比例高。另一方面，第1导电纤维的质量比例过度地高，则第1气体扩散层的膜厚过度变厚，电子移动阻力容易增大。若考虑上述，则第1导电纤维在第1气体扩散层中的质量比例可以为10质量％以上且90质量％以下，可以为20质量％以上且75质量％以下。
(第1树脂材料)
第1树脂材料具有作为将第1导电纤维彼此粘结的粘合剂的功能。第1树脂材料在第1气体扩散层中的质量比例可以为5质量％以上且50质量％以下，可以为10质量％以上且40质量％以下。
从抑制第1气体扩散层内的水的滞留的观点出发，优选第1树脂材料的50质量％以上为防水性树脂，进一步优选90质量％以上为防水性树脂。第1树脂材料可以还包含质子传导性树脂(高分子电解质)。
作为防水性树脂，可以举出例如氟树脂。
作为氟树脂，可以举出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)、PFA(四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物)等。其中，从耐热性、防水性、耐化学药品性的观点出发，氟树脂优选为PTFE。
作为质子传导性树脂，没有特别限定。作为质子传导性树脂，例如可以举出全氟碳磺酸系高分子、烃系高分子。其中，在耐热性和化学稳定性优异的方面，优选全氟碳磺酸系高分子等。作为全氟碳磺酸系高分子，可以举出例如Nation(注册商标)。
(其它)
第1气体扩散层可以包含粒子状导电部件、板状导电部件等作为导电性材料。作为板状导电部件的具体例，可以举出鳞片状石墨、石墨化聚酰亚胺膜粉碎物、石墨烯等。其中，石墨化聚酰亚胺膜粉碎物、石墨烯容易沿面方向取向，有利于较薄地形成第1气体扩散层，且适合提高面方向上的气体扩散性。
第1气体扩散层中的板状导电部件的质量比例没有特别限定。其中，从气体扩散性的观点出发，板状导电部件在第1气体扩散层中的质量比例可以为20质量％以下，可以为10质量％以下。
粒子状导电部件具有小于2的长径比，并且为导电性。
粒子状导电部件没有特别限定，可以举出例如炭黑、球状石墨、活性炭等。其中，在导电性高、细孔容积大的方面，优选炭黑。作为炭黑，可以举出乙炔黑、科琴黑、热裂法炭黑、炉法炭黑、槽法炭黑等。其粒径(或者由多个连结的一次粒子构成的结构体的长度)没有特别限定，可以使用以往燃料电池的第1气体扩散层中使用的粒径。
第1气体扩散层中的粒子状导电部件的质量比例没有特别限定。其中，从气体扩散性的观点出发，粒子状导电部件在第1气体扩散层中的质量比例可以为20质量％以下，可以为10质量％以下。
(第1气体扩散层的制造方法)
第1气体扩散层通过例如将包含第1导电纤维等导电部件、第1树脂材料和分散介质的混合物成形成片状，并烧成而得到。
分散介质中，使用例如水、乙醇、丙醇等。成形中，采用例如基于辊压等的压延。对于第1导电纤维的取向而言，除了其长度以外，能够通过改变例如压延的速度和压力、混合物的粘度等来调节。
成形的片材可以进行烧成。烧成后，片材可以进一步被压延。烧成后的压延中，可以使用具有配置于规定的气体流道图案中的肋的模具。由此，能够在第1气体扩散层中形成气体流道。气体流道也可以通过对烧成后的片材的主面进行切削加工从而形成。
(气体流道)
第1气体扩散层中，可以形成气体流道。气体流道也可以形成于间隔件。
本实施方式涉及的气体扩散层和催化剂层的纤维状导电部件沿着气体的主流道取向。因此，根据本实施方式，能够更加提高多个气体流道彼此的间隔较小的情况下的气体扩散性。气体流道彼此的间隔没有特别限定，例如可以为气体流道的宽度的0.5倍以上且2倍以下。气体流道的宽度是与气体的流动垂直的方向上的气体流道的长度。气体流道彼此的间隔具体可以为0.3mm以上且5mm以下。
b.第1催化剂层
第1催化剂层包含第2导电纤维、催化剂粒子和第2树脂材料。
第1催化剂层构成燃料电池的阴极催化剂层和阳极催化剂层中的至少一方。在燃料电池的发电时，在阴极生成水。根据本实施方式，气体扩散性提高，因此第1催化剂层特别适合作为阴极催化剂层。另外，在利用生成水能够加湿气体的方面，第1催化剂层也适合作为阴极催化剂层。对于MEA而言，除了阴极以外，阳极也可以具备本实施方式涉及的催化剂层。
若考虑燃料电池的小型化，则期望第1催化剂层的厚度薄，另一方面，从强度的观点出发，优选不过度薄。催化剂层的厚度为例如1μm以上且50μm以下，优选为2μm以上且20μm以下。
第1催化剂层的厚度为平均厚度，通过对于第1催化剂层的截面上的任意10个部位，将从一侧主面到另一侧主面引出沿着第1催化剂层的厚度方向的直线时的距离平均化而求出。
(第2导电纤维)
第2导电纤维具有2以上的长径比，并且为导电性。作为第2导电纤维，可例示与第1导电纤维同样的材料。
第2导电纤维的平均直径R2没有特别限定。平均直径R2可以为0.3nm以上，可以为3nm以上，可以为20nm以上。平均直径R2可以为300nm以下，可以为250nm以下，可以为200nm以下。若平均直径R2为该范围，则第1催化剂层中所占的第2导电纤维的体积比例变小，容易确保充分的气体路径。
第2导电纤维的平均长度L2没有特别限定。第2导电纤维的平均长度L2可以为例如0.2μm以上，可以为0.5μm以上。第2导电纤维的平均长度L2可以为例如20μm以下，可以为10μm以下。若平均长度L2为该范围，则容易使第2导电纤维沿所期望的方向取向，气体扩散性容易更加提高。此外，抑制第2导电纤维的两端分别与电解质膜和第1气体扩散层接触，防止损伤。
第1催化剂层中的第2导电纤维的含量优选为1质量％以上且85质量％以下，更优选为5质量％以上且75质量％以下。这是由于，第2导电纤维容易配置为所期望的状态，气体扩散性和电化学反应的效率容易提高。
(催化剂粒子)
催化剂粒子的一部分可以担载于第2导电纤维。这是由于，催化剂粒子容易与气体接触，气体的氧化反应或者还原反应的效率提高。
作为催化剂粒子，没有特别限定，可以举出选自Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、镧系元素、锕系元素中的合金、单质这样的催化剂金属。例如，作为阳极中使用的催化剂粒子，可以举出Pt-Ru合金等。作为阴极中使用的催化剂金属，可以举出Pt、Pt-Co合金等。
(第2树脂材料)
第2树脂材料具有作为将第2导电纤维彼此粘结的粘合剂的功能。从反应性提高的观点出发，第2树脂材料优选包含上述质子传导性树脂。该情况下，质子传导性树脂被覆第2导电纤维和催化剂粒子的至少一部分。
质子传导性树脂相对于担载了催化剂粒子的第1催化剂层中包含的导电部件(第2导电纤维与粒子状导电部件等的合计)100质量份，优选包含50质量份以上且200质量份以下。
(第1催化剂层的制造方法)
第1催化剂层例如可以将包含第2导电纤维等导电部件、催化剂粒子、第2树脂材料和上述分散介质的催化剂墨液涂布于电解质膜的表面，使其干燥而形成。另外，可以将催化剂墨液涂布于转印用基材片上并使其干燥，从而形成第1催化剂层。形成的第1催化剂层被转印于电解质膜。
作为基材片，优选使用例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯等的具有平滑表面的片材。
涂布法优选丝网印刷法和利用刮刀涂布机、刀式涂布机、凹版涂布机等各种涂布机的涂布法。对于第2导电纤维的取向而言，除了其长度以外，能够通过改变例如催化剂墨液的涂布量、涂布速度、粘度等来调节。
[燃料电池]
本实施方式涉及的燃料电池具备上述的MEA、夹持MEA的第1间隔件和第2间隔件。上述的MEA的气体扩散性优异，因此包含该MEA的燃料电池输出功率特性优异。
第1间隔件可以具有气体流道。气体从气体流道向MEA供给。燃料电池可以还具备将MEA的周边部以环状包围的框状的密封部件。
c.间隔件
第1间隔件和第2间隔件具有气密性、电子传导性和电化学稳定性即可，其材质没有特别限定。作为这样的材质，优选碳材料、金属材料等。金属材料上可以被覆碳。例如，将金属板冲切成规定形状，实施表面处理，从而可以得到第1间隔件和第2间隔件。
d.密封部件
密封部件是具有弹性的材料，防止气体向燃料电池的外部泄漏。密封部件例如具有将一对催化剂层的周边部以环状包围那样的框状的形状。作为密封部件，可以采用公知的材质和公知的构成。
接着，一边参照附图一边对本实施方式涉及的燃料电池进行具体说明。但是，本实施方式涉及的燃料电池不限于此。
图7是将本实施方式涉及的燃料电池中配置的单电池单元的构成要素展开示出的立体图。通常，多个单电池单元被层叠，作为电池单元堆配置于燃料电池中。图7中，为了方便示出1个单电池单元。
燃料电池(单电池单元)200具备MEA100、夹持MEA100的第1间隔件240A和第2间隔件240B。MEA100具备：电解质膜110、按照夹持电解质膜110的方式配置的第1催化剂层120A和第2催化剂层120B、按照分别隔着第1催化剂层120A和第2催化剂层120B夹持电解质膜110的方式配置的第1气体扩散层130A和第2气体扩散层130B。
第1间隔件240A和第2间隔件240B中，分别形成有平行型的气体流道260A和260B。气体流道260A和260B分别包含3条槽。气体沿方向A流过气体流道260A和260B的内部。气体流道的形状和配置等不限于此。间隔件没有气体流道的情况下，在对应的气体扩散层的与间隔件对置的面上形成气体流道即可。
第1催化剂层120A中，配置有沿着方向A取向的第2导电纤维121。第1气体扩散层130A中，也配置有沿着方向A取向的第1导电纤维131。第2催化剂层120B和第2气体扩散层130B中，也分别配置有沿着方向A取向的导电纤维，但不限于此。第2催化剂层120B和第2气体扩散层130B可以为公知的材质和公知的构成。
(第2实施方式)
本实施方式涉及的气体扩散层和催化剂层均包含纤维状导电部件。本实施方式中，使该气体扩散层的纤维状导电部件按照与气体的主要流道交叉的方式取向。由此，气体沿着纤维状导电部件向与主流道交叉的方向扩散。另一方面，催化剂层中，使纤维状导电部件沿着与气体扩散层不同的方向、即沿着主流道取向。因此，向与主流道交叉的方向扩散的气体在催化剂层中向沿着主流道的方向扩散。其结果是，电极内的气体扩散性提高。本实施方式涉及的膜电极接合体对具有间隔较大的多个气体流道的燃料电池特别有用。
[膜电极接合体]
本实施方式涉及的膜电极接合体(MEA)具备电解质膜、夹持电解质膜的第1电极和第2电极。第1电极从电解质膜侧依次具备第1催化剂层和第1气体扩散层。第1气体扩散层具备第1纤维状导电部件和第1树脂材料。第1催化剂层具备第2纤维状导电部件、催化剂粒子和第2树脂材料。第1电极和第2电极中的一个为阳极，另一个为阴极。
从MEA的层叠方向来观察时，第1纤维状导电部件(第1导电纤维)与向MEA供给的气体的主流道所成的第1角度大于45°。第1角度是第1导电纤维与气体的主流道所成的角度的小的一方。其中，第1角度可以为90°。
另一方面，从MEA的层叠方向来观察时，第2纤维状导电部件(第2导电纤维)与主流道所成的第2角度为45°以下。第2角度是第2导电纤维与气体的主流道所成的角度的小的一方。第2角度为0°以上。
第1角度优选大于60°，更优选大于75°。由此，气体扩散性进一步提高。
第2角度优选为30°以下，更优选为15°以下。该情况下，气体扩散性也进一步提高。
观察MEA的与气体的主流道交叉的截面时，第1导电纤维优选在沿着第1气体扩散层与第1催化剂层的界面(以下称为第1界面。)的方向上取向。具体来说，第1导电纤维与第1界面所成的第3B角度优选小于45°。由此，进入第1气体扩散层的气体容易进一步向与气体的主流道交叉的方向扩散。其结果是，电极内的气体扩散性进一步提高。第3B角度是第1导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。第3B角度为0°以上。
第3B角度更优选小于30°，特别优选小于15°。
另一方面，观察MEA的与气体的主流道交叉的截面时，第2导电纤维优选不沿着第1界面。具体来说，第2导电纤维与第1界面所成的第4B角度优选为45°以上。由此，进入催化剂层的气体容易向厚度方向扩散。第4B角度是第2导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。其中，第4B角度可以为90°。
第4B角度更优选为60°以上，特别优选为75°以上。
观察MEA的沿着气体的主流道的截面时，第1导电纤维优选不沿着第1界面。具体来说，第1导电纤维与第1界面所成的第5B角度优选为45°以上。由此，气体容易向气体扩散层的厚度方向扩散。第5B角度是第1导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。其中，第5B角度可以为90°。
第1导电纤维与第1界面所成的第5B角度更优选为60°以上，特别优选为75°以上。
观察MEA的沿着气体的主流道的截面时，第2导电纤维也优选不沿着第1界面。具体来说，第2导电纤维与第1界面所成的第6B角度优选为25°以上。由此，进入第1催化剂层的气体容易向厚度方向扩散，能够效率良好地与电解质膜接触。另一方面，第6B角度优选为80°以下。由此，向厚度方向赋予外力导致的第2导电纤维的弯曲受到抑制，气体扩散性容易进一步提高。此外，第2导电纤维向电解质膜的突刺受到抑制，因此还防止了电解质膜的损伤。第6B角度是第2导电纤维与第1界面所成的角度的小的一方。
第6B角度为例如25°以上且80°以下，更优选为25°以上且70°以下，特别优选为25°以上且65°以下。
关于气体的主流道，如第1实施方式中说明，但气体流道的形状和配置不限于此。
第1导电纤维与气体的主流道所成的“第1角度”与第1实施方式同样地按照以下方式求出。
首先，准备MEA，通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄气体扩散层的主面的与气体的主流道对置的区域。从得到的SEM图像任意确定3个例如能够确认20条以上导电纤维的区域RP1(例如50μm×50μm)。3个区域RP1相互不重合。任意选出10条各区域RP1内的能够确认的导电纤维。对于10条导电纤维，分别引出能够观察的长度的中间地点PP1处的切线LP1。
图8是利用第1气体扩散层的主面对导电纤维的切线的画法进行说明的说明图。图8中，示出1个区域RP1。另外，图8中，仅示出能够确认的3条第1导电纤维。对于多个第1导电纤维131，分别引出能够观察的长度的中间地点PP1处的切线LP1。
另一方面，将沿着气体的流动方向对按照上述方式确定的主流道二等分的线作为主流道的中心线CL。如上所述主流道包含多个区域的情况下，将任意1个区域的中心线作为主流道的中心线CL(参照图1A)。
求出按照上述方式得到的多条(上述的情况下为30条)切线LP1与主流道的中心线CL所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值作为“第1角度”。选定的第1导电纤维设为30条以上。
第2导电纤维与气体的主流道所成的“第2角度”也与第1角度同样地求出。
首先，从MEA移除气体扩散层而使催化剂层露出，通过SEM拍摄催化剂层的主面的与气体的主流道对置的区域。从得到的SEM图像任意确定3个例如能够确认20条以上导电纤维的区域RP2(例如50μm×50μm)。3个区域RP2相互不重合。任意选出10条各区域RP2内的能够确认的导电纤维。对于10条导电纤维，分别引出能够观察的长度的中间地点PP2处的切线LP2。
求出按照上述方式得到的多条(上述的情况下为30条)切线LP2与主流道的中心线CL所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值作为“第2角度”。选定的第2导电纤维设为30条以上。
第1导电纤维与第1界面所成的“第3B角度”按照以下方式求出。
首先，准备MEA，通过SEM拍摄与主流道交叉并且包含气体扩散层和催化剂层的3个截面。“与主流道交叉的截面”和利用与按照上述方式确定的主流道的中心线CL所成的角度为90°的直线将MEA沿厚度方向切断而得到的截面同义。
从得到的SEM图像任意确定1个例如能够确认20条以上第1导电纤维和第1界面的区域RS1(例如50μm×50μm)。另外，对于不同的2个截面也同样地各确定1个区域RS1。任意选出10条各区域RS1内的能够确认的第1导电纤维。对于10条第1导电纤维，分别引出能够观察的长度的中间地点PS1处的切线LS1。
另一方面，引出将区域RS1内的气体扩散层与催化剂层的界面的端部彼此连结的直线。将该直线作为第1界面。
求出按照上述方式得到的多条(上述的情况下为30条)切线LS1与第1界面所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值作为“第3B角度”。选定的第1导电纤维设为30条以上。
第2导电纤维与第1界面所成的“第4B角度”也与第3B角度同样地求出。从能够确认10条以上第2导电纤维和第1界面的3个截面各确定1个区域RS2。从3个区域RS2分别选出5条第2导电纤维，引出切线LS2。求出该多条(上述的情况下为15条)切线LS2与第1界面所成的角度的平均值。算出该平均值后，除去与得到的平均值偏差20％以上的数据，再次算出平均值。将该修正后的平均值作为“第4B角度”。选定的第2导电纤维设为15条以上。
第1导电纤维与第1界面所成的“第5B角度”除了通过SEM拍摄沿着主流道的截面以外，与第3B角度同样地求出。
第2导电纤维与第1界面所成的“第6B角度”除了通过SEM拍摄沿着主流道的截面以外，与第4B角度同样地求出。
“沿着主流道的截面”和利用与按照上述方式确定的主流道的中心线CL所成的角度为0°的直线将MEA沿厚度方向切断而得到的截面同义。
第2导电纤维从主流道的上游向第1界面倾斜，与第2导电纤维的主流道的下游侧的端部比起上游部侧的端部更接近第1界面同义。
第1导电纤维和第2导电纤维优选在确保其直线性的状态下，配置于各层。确保直线性是指，导电纤维不大幅弯曲，通过后述的方法求出的直线率R为0.6以上。从气体扩散性的观点出发，直线率R优选为0.7以上。
第1导电纤维的直线率R1由按照上述方式确定的3个区域RS1，按照与第1实施方式同样地求出。
接着，一边参照附图一边对本实施方式涉及的第1气体扩散层和第1催化剂层进行具体说明。但是，本实施方式涉及的第1气体扩散层和第1催化剂层不限于此。
图9是从MEA的层叠方向来观察第1气体扩散层的示意俯视图。图9中，简便地示出第1角度，第1角度通过上述的算法来算出。第1气体扩散层130A具备按照与方向A交叉的方式取向的第1导电纤维131。第1导电纤维131与气体的主流道(方向A)所成的第1角度θ1大于45°。
图10是从MEA的层叠方向来观察第1催化剂层的示意俯视图。图10中，简便地示出第2角度，第2角度通过上述的算法来算出。第1催化剂层120A具备沿着方向A取向的第2导电纤维121。第2导电纤维121与气体的主流道(方向A)所成的第2角度θ2为45°以下。
图11是MEA的沿着与主流道交叉的方向切断的示意截面图。该截面图对应于将MEA以图13中的Y-Y线切断的图，为了简便仅示出第1气体扩散层和第1催化剂层。另外，图11中，简便地示出第3B角度和第4B角度，它们通过上述的算法算出。
第1导电纤维131在与主流道交叉的截面上，大致沿着方向A取向。第1导电纤维131与第1界面S所成的第3B角度θ3例如小于45°。
另一方面，第2导电纤维121在与主流道交叉的截面上，大致沿着厚度方向Z取向。第2导电纤维121与第1界面S所成的第4B角度θ4为例如45°以上。
图12是MEA的沿着主流道切断的示意截面图。该截面图对应于将MEA以图13中的X-X线切断的图，但为了简便仅示出第1气体扩散层和第1催化剂层。另外，图12中，简便地示出第5B角度和第6B角度，但这些通过上述的算法算出。
第1导电纤维131在沿着主流道的截面上，大致沿着厚度方向Z取向。第1导电纤维131与第1界面S所成的第5B角度θ5为例如45°以上。
第2导电纤维121也在沿着主流道的截面上，大致沿着厚度方向Z取向。第2导电纤维121与第1界面S所成的第6B角度θ6为例如25°以上。
a.第1气体扩散层
第1气体扩散层除了第1导电纤维与气体的主流道所成的第1角度大于45°以外，与第1实施方式同样。
第1气体扩散层中，可以形成气体流道。气体流道也可以形成于间隔件。
本实施方式涉及的气体扩散层的纤维状导电部件按照与气体的主流道交叉的方式取向。因此，根据本实施方式，能够使多个气体流道彼此的间隔较大的情况下的气体扩散性更加提高。气体流道彼此的间隔没有特别限定，例如可以为气体流道的宽度的0.5倍以上且3倍以下。气体流道的宽度是与气体的流动垂直的方向上的气体流道的长度。气体流道彼此的间隔具体可以为0.3mm以上且7.5mm以下。
b.第1催化剂层
第1催化剂层与第1实施方式同样，能够同样地制造。
[燃料电池]
本实施方式涉及的燃料电池除了以下方面以外，与第1实施方式同样。上述的MEA气体扩散性优异，因此包含该MEA的燃料电池输出功率特性优异。
图13是将本实施方式涉及的燃料电池中配置的单电池单元的构成要素展开示出的立体图。通常，多个单电池单元被层叠，作为电池单元堆配置于燃料电池中。图13中，简便地示出1个单电池单元。
第1催化剂层120A中，配置有沿着方向A取向的第2导电纤维121。第1气体扩散层130A中，配置有按照与方向A交叉的方式取向的第1导电纤维131。第2催化剂层120B中也配置有沿着方向A取向的导电纤维，第2气体扩散层中也配置有按照与方向A交叉的方式取向的导电纤维，但不限于此。第2催化剂层120B和第2气体扩散层130B可以为公知的材质和公知的构成。
以下，基于实施例对本发明进行详细说明。但是，本发明不限于以下的实施例。
(第1实施方式的实施例)
[实施例1]
(1)MEA的制作
(1-1)气体扩散层的制作
将第1导电纤维和适量的乙醇用混合器混合后，进一步添加PTFE进行混合，得到混合物。作为第1导电纤维使用CNT(平均直径150nm、平均长度6μm)。将所得到的混合物用辊压机成形成片材。其后，进行烧成，得到除去了乙醇的烧成片材。对烧成片材进一步压延，将厚度调整到200μm。将得到的片材裁断成所期望的形状，得到阴极用的气体扩散层。第1导电纤维在第1气体扩散层中的质量比例为60质量％。
另外，作为阳极用的气体扩散层，准备1张碳纸。
(1-2)催化剂墨液的制备
将第2导电纤维和担载了催化剂粒子(Pt-Co合金)的粒子状导电部件(炭黑)添加于适量的水中后，进行搅拌使其分散。对于第2导电纤维而言，使用了CNT(平均直径150nm、平均长度6μm)。一边对得到的分散液进行搅拌一边加入适量的乙醇后，相对于担载了催化剂粒子30质量份的粒子状导电部件100质量份，添加质子传导性树脂(Nafion(注册商标))80质量份。制备了阴极侧催化剂层用的催化剂墨液。
与阴极侧催化剂层用的催化剂墨液同样地制备了阳极侧催化剂层用的催化剂墨液。
(1-3)各层的层叠
对于催化剂层，在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上，使用刮刀涂布机，以均匀的厚度涂布阴极侧催化剂层用的催化剂墨液，进行干燥，形成阴极侧催化剂层(厚度6μm)。此时，从四方形状的PET中的对边的一边向另一边沿一个方向涂布催化剂墨液。按照形成的催化剂层的厚度成为6μm的方式调节催化剂墨液的涂布量。第2导电纤维在阴极侧催化剂层中的质量比例为25质量％。
阳极催化剂层(厚度6μm)也同样地在其他PET片材上形成。
作为电解质膜，准备Nafion膜(注册商标)，在电解质膜的各个面上热压接而转印阴极催化剂层和阳极催化剂层。接着，按照包围阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层的方式配置框状密封部件。
使碳纸抵接于阳极侧催化剂层。使阴极用的气体扩散层抵接于阴极侧催化剂层。此时，在阴极侧，按照在电解质膜上涂布催化剂墨液的方向与形成气体扩散层时的压延方向一致的方式，配置电解质膜和气体扩散层。如此制作了MEA。
(2)单电池单元的制作
在电解质膜中事先形成的歧管附近，配置将燃料或氧化剂导向各气体扩散层的桥接板，用一对碳制平板(间隔件)夹持整体，完成试验用单电池单元A1。
间隔件中，配置有平行型的形状的气体流道。平行型的形状的气体流道具有从间隔件的对边的一边向另一边并排配置的多个槽(主流道)。气体从间隔件的对边的一边向另一边并排流过。气体流道彼此的间隔为气体流道的宽度的1倍(1mm)。
在阴极侧，按照形成于间隔件的气体流道的长度方向、与在电解质膜上涂布催化剂墨液的方向以及气体扩散层的压延方向一致的方式，配置间隔件和MEA。
(3)导电纤维的取向性的评价
通过SEM拍摄由上述得到的MEA中的气体扩散层的主面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第1角度。第1角度为13°。
另外，将MEA的阴极侧气体扩散层移除，通过SEM拍摄阴极侧催化剂层的气体扩散层侧的主面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第2角度。第2角度为14°。
将MEA以沿着主流道的方向切断，通过SEM拍摄其截面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第3A角度和第4A角度。第3A角度为34°。第4A角度为60°。第1导电纤维从主流道的上游向第1界面倾斜。第2导电纤维也同样从主流道的上游向第1界面倾斜。第3A角度与第4A角度之和为94°。
将MEA沿与主流道以90°交叉的方向切断，通过SEM拍摄其截面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第5A角度和第6A角度。第5A角度为60°。第6A角度为53°。
(4)输出功率特性的评价
对单电池单元A1的发电性能进行了评价。具体来说，按照成为70％的利用率的方式向阳极供给燃料气体。燃料气体的露点约为80℃。另外，按照成为50％的利用率的方式向阴极供给氧化剂气体。氧化剂气体(空气)的露点约为80℃。并且，按照电流恒定地流过的方式控制负荷控制装置，改变相对于阳极和阴极的电极面积的电流密度。对此时的单电池单元A1的最大输出功率密度进行了测定。将评价结果示于表1。需要说明的是，最大输出功率密度以将比较例1的单电池单元B1的最大输出功率密度设为100的指数的形式表示。
[比较例1]
各层的层叠(1-3)中，在阴极侧，按照在电解质膜上涂布催化剂墨液的方向与形成气体扩散层时的压延方向交叉的方式，配置电解质膜和气体扩散层，除此以外，与实施例1同样地制作MEA。
进一步，在单电池单元的制作(2)中，在阴极侧，按照形成于间隔件的气体流道的长度方向与气体扩散层的压延方向一致的方式，配置间隔件和MEA，除此以外，与实施例1同样地制作单电池单元B1。
对于所得到的MEA，与实施例1同样地进行导电纤维的取向性的评价。第1角度为14°。第2角度为70°。第3A角度为35°。第4A角度为58°。第5A角度为30°。第6A角度为60°。
对于所得到的单电池单元B1，与实施例1同样地进行输出功率特性的评价。将结果示于表1。
[表1]
实施例1的单电池单元A1与比较例1的单电池单元B1相比可以得到更高的最大输出功率密度。
(第2实施方式的实施例)
[实施例2]
各层的层叠(1-3)中，在阴极侧，按照在电解质膜上涂布催化剂墨液的方向与形成气体扩散层时的压延方向交叉的方式，配置电解质膜和气体扩散层。如此制作MEA，与实施例1同样地制作单电池单元A2。另外，在单电池单元的制作(2)中，在阴极侧，按照形成于间隔件的气体流道的长度方向与气体扩散层的压延方向交叉的方式，配置间隔件和MEA。
通过SEM拍摄上述得到的MEA中的气体扩散层的主面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第1角度。第1角度为76°。
另外，将MEA的阴极侧气体扩散层移除，通过SEM拍摄阴极侧催化剂层的气体扩散层侧的主面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第2角度。第2角度为13°。
将MEA沿与主流道以90°交叉的方向切断，通过SEM拍摄其截面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第3B角度和第4B角度。第3B角度为34°。第4B角度为63°。
将MEA以沿着主流道的方向切断，通过SEM拍摄其截面。使用SEM图像，通过已述的方法求出第5B角度和第6B角度。第5B角度为60°。第6B角度为55°。第2导电纤维从主流道的上游向第1界面倾斜。
与实施例1同样地评价单电池单元A2的发电性能。
[比较例2]
在单电池单元的制作(2)中，在阴极侧，按照形成于间隔件的气体流道的长度方向与催化剂层的催化剂墨液涂布方向交叉的方式，配置间隔件和MEA，除此以外，与实施例2同样地制作单电池单元B2。
对于所得到的MEA，与实施例2同样地进行导电纤维的取向性的评价。第1角度为14°。第2角度为70°。第3B角度为30°。第4B角度为60°。第5B角度为35°。第6B角度为58°。
对于得到的单电池单元B2，与实施例1同样地进行输出功率特性的评价。将结果示于表2。
[表2]
实施例2的单电池单元A2与比较例2的单电池单元B2相比可以得到更高的最大输出功率密度。
产业上的可利用性
本发明涉及的燃料电池能够适宜地用作定置型的家用热电联供系统用电源、车辆用电源。本发明适合应用于高分子电解质型燃料电池，但不限于此，可以通常地应用于燃料电池。
附图标记说明
100：MEA
110：电解质膜
120：催化剂层
120A：第1催化剂层
120B：第2催化剂层
121：第2导电纤维
130A：第1气体扩散层
130B：第2气体扩散层
131：第1导电纤维
200：燃料电池(单电池单元)
240A：第1间隔件
240B：第2间隔件
260A、260B：气体流道

Claims (5)

1.一种膜电极接合体，其是具备电解质膜、和夹持所述电解质膜的第1电极和第2电极的燃料电池用的膜电极接合体，
所述第1电极从所述电解质膜侧依次具备第1催化剂层和第1气体扩散层，
所述第1气体扩散层包含第1纤维状导电部件和第1树脂材料，
所述第1催化剂层包含第2纤维状导电部件、催化剂粒子和第2树脂材料，
从所述膜电极接合体的层叠方向来观察时，
所述第1纤维状导电部件与向所述膜电极接合体供给的气体的主流道所成的第1角度是任意的，
所述第2纤维状导电部件与所述主流道所成的第2角度为45°以下，
所述第1角度为45°以下，
观察所述膜电极接合体的沿着所述主流道的截面时，
所述第1纤维状导电部件平行于所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面，或者从所述主流道的上游向所述界面倾斜，
所述第1纤维状导电部件与所述界面所成的第3A角度为70°以下，
所述第2纤维状导电部件与所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面所成的第4A角度为25°以上且80°以下，
观察所述膜电极接合体的与所述主流道交叉的截面时，
所述第1纤维状导电部件与所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面所成的第5A角度为45°以上，
所述第2纤维状导电部件与所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面所成的第6A角度为45°以上。
2.根据权利要求1所述的膜电极接合体，其中，
所述第2纤维状导电部件从所述主流道的上游向所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面倾斜。
3.根据权利要求2所述的膜电极接合体，其中，
所述第3A角度与所述第4A角度之和为25°以上且110°以下。
4.一种膜电极接合体，其是具备电解质膜、和夹持所述电解质膜的第1电极和第2电极的燃料电池用的膜电极接合体，
所述第1电极从所述电解质膜侧依次具备第1催化剂层和第1气体扩散层，
所述第1气体扩散层包含第1纤维状导电部件和第1树脂材料，
所述第1催化剂层包含第2纤维状导电部件、催化剂粒子和第2树脂材料，
从所述膜电极接合体的层叠方向来观察时，
所述第1纤维状导电部件与向所述膜电极接合体供给的气体的主流道所成的第1角度是任意的，
所述第2纤维状导电部件与所述主流道所成的第2角度为45°以下，
所述第1角度大于45°，
观察所述膜电极接合体的与所述主流道交叉的截面时，
所述第1纤维状导电部件与所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面所成的第3B角度小于45°，
所述第2纤维状导电部件与所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面所成的第4B角度为45°以上，
观察所述膜电极接合体的沿着所述主流道的截面时，
所述第1纤维状导电部件与所述第1气体扩散层和所第1催化剂层的界面所成的第5B角度为45°以上，
所述第2纤维状导电部件与所述第1气体扩散层和所述第1催化剂层的界面所成的第6B角度为25°以上且80°以下。
5.一种燃料电池，其具备：权利要求1～4中任一项所述的膜电极接合体、和
夹持所述膜电极接合体的第1间隔件和第2间隔件。
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