JP2017073202A - 燃料電池及びこれに用いられるガス拡散層 - Google Patents

Abstract

【課題】溝状の流路のリブに対応する触媒電極の領域へのガス拡散層を介したガスの供給能力を向上させる。
【解決手段】発明の燃料電池は、電解質膜の両面に電極が形成された膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するように配置された一対のガス拡散層と、膜電極接合体及び一対のガス拡散層を挟持するように配置された一対のセパレーターと、を備える。一対のセパレーターのうち、少なくとも一方のセパレーターは、対応する一方のガス拡散層に接する面に溝状の主流路を有している。一方のガス拡散層は、平面視においてガスの透過率が最も大きな方向である最大透過方向を有する金属加工体で構成されており、最大透過方向が、セパレーターの主流路の方向に対して９０°±３０°の角度をなすように配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池及びこれに用いられるガス拡散層に関する。

燃料電池を構成する単セルは、例えば、膜電極接合体をガス拡散層及びセパレーターで挟持することによって構成される。膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒電極（アノード及びカソード）が形成された発電体である。なお、触媒電極の両面に配置されたガス拡散層を含めて発電体と呼ばれる場合もある。発電体における発電に供するガスを流すための流路は、セパレーターのガス拡散層側の面に形成された溝状の流路や、ガス拡散層とセパレーターとの間に配置された流路部材により構成される。

ガス拡散層として、特許文献１，２には、エキスパンドメタル等の金属加工体で構成され、一方向に沿った複数の貫通孔からなる列を複数並列させた形状を有するものが開示されている。

特開２００８−３１１１０９号公報 特開２００９−００９８７９号公報

本願の発明者は、セパレーターの表面に溝状のガス流路が形成されている場合、ガス流路の溝部分に対応する触媒電極の領域にはガス拡散層を介してガスが供給され易いが、溝の間のリブに対応する触媒電極の領域にはガス拡散層を介してガスが供給され難いことを見出した。これに対して、上記従来技術では、ガス流路の溝部分に対応する領域とリブに対応する領域におけるガスの供給能力の違いに関して何ら考慮されていなかった。従って、燃料電池の発電性能を向上させるためには、ガス流路の溝部分だけでなく、リブに対応する領域へのガス拡散層を介したガスの供給能力を向上させることが望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜の両面に触媒電極が形成された膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟持するように配置された一対のガス拡散層と；前記膜電極接合体及び前記一対のガス拡散層を挟持するように配置された一対のセパレーターと；を備える。前記一対のセパレーターのうち、少なくとも一方のセパレーターは、対応する一方のガス拡散層に接する面に溝状の主流路を有しており；前記一方のガス拡散層は、平面視においてガスの透過率が最も大きな方向である最大透過方向を有する金属加工体で構成されており、前記最大透過方向が、前記セパレーターの主流路の方向に対して９０°±３０°の角度をなすように配置されている。
この形態の燃料電池によれば、一方のガス拡散層は、ガス拡散層の最大透過方向が、セパレーターの主流路の方向に対して９０°±３０°の角度をなすように配置されているので、主流路の溝部分に対応する触媒電極の領域だけでなく、リブに対応する触媒電極の領域へのガス拡散層を介したガスの供給能力を向上させることができる。これにより、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記一方のガス拡散層は、第１の方向に沿って互いに平行に延びる凹部と凸部が前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って交互に形成された波板状の構造を有するとともに、前記凸部に形成された複数のスリットを有しており、前記最大透過方向は、前記第１の方向または前記第２の方向であるとしてもよい。
この形態の燃料電池によれば、第１の方向または第２の方向が最大透過方向となる構造のガス拡散層を用いて、主流路の溝部分に対応する触媒電極の領域だけでなく、リブに対応する触媒電極の領域へのガス拡散層を介したガスの供給能力を向上させることができる。これにより、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記複数のスリットのそれぞれは、前記凸部に形成された有定状の切り込みであり、前記スリットと前記凸部の裏側の流路とを連通する貫通孔が形成されているとしてもよい。
この形態の燃料電池によれば、簡単なガス拡散層の構成で主流路の溝部分に対応する触媒電極の領域だけでなく、リブに対応する触媒電極の領域へのガス拡散層を介したガスの供給能力を向上させることができる。これにより、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

（４）本発明の他の形態によれば、燃料電池の構成部材として使用され、セパレーター表面にその長手方向に沿った溝状の主流路を有する矩形状のセパレーターと、矩形状の膜電極接合体との間に配置される矩形状のガス拡散層が提供される。前記ガス拡散層は、平面視においてガスの透過率が最も大きい方向である最大透過方向を有する金属加工体で構成されており、前記最大透過方向は、前記ガス拡散層の長手方向に対して９０°±３０°の角度をなしている。
この形態のガス拡散層を燃料電池に用いれば、ガス拡散層の最大透過方向が、セパレーターの主流路の方向に対して９０°±３０°の角度をなすように配置されるので、主流路の溝部分に対応する触媒電極の領域だけでなく、リブに対応する触媒電極の領域へのガス拡散層を介したガスの供給能力を向上させることができる。これにより、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

本発明は、燃料電池やガス拡散層以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、膜電極接合体とガス拡散層とを備える膜電極ガス拡散層接合体、複数の燃料電池の単セルが積層された燃料電池等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としての燃料電池の単セルの分解斜視図である。 図１に示した単セルの組み立て状態におけるＡ−Ａ線矢視の概略端面図である。 カソード側ガス拡散層の一部を拡大して示す概略斜視図である。 カソード側ガス拡散層の最大透過方向とカソード側セパレーターの溝流路の方向の関係を示す説明図である。 カソード側セパレーターの主流路の部分に配置されたカソード側ガス拡散層の一部を拡大して示す概略斜視図である。 第２実施形態のカソード側ガス拡散層の最大透過方向とカソード側セパレーターの溝流路の方向の関係を示す説明図である。 第３実施形態のカソード側ガス拡散層の一部を拡大して示す概略斜視図である。 第４実施形態のカソード側ガス拡散層の一部を拡大して示す概略斜視図である。 ガス拡散層の透気率を測定する測定装置の例を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池の単セル１０００の分解斜視図である。燃料電池は、図１に示す単セル１０００を複数積層して直列に接続したスタック構造とされる。図１において、Ｘ方向は単セル１０００の長手方向であり、Ｙ方向は短手方向であり、Ｚ方向は積層方向である。他の図も同様である。

単セル１０００は、発電体１００を収容した樹脂フレーム２００と、発電体１００を挟持する一対のセパレーター３００，４００と、を備える。発電体１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）１１０と、ＭＥＡ１１０の両面を挟むように配置された一対のガス拡散層１２０，１３０とを備え、発電領域を形成する。第１のガス拡散層１２０は第１のセパレーター３００とＭＥＡ１１０との間に配置されており、第２のガス拡散層１３０は第２のセパレーター４００とＭＥＡ１１０との間に配置されている。なお、ガス拡散層１２０，１３０及びセパレーター３００，４００は、膜電極接合体１１０の外形に対応して矩形状の外形を有している。なお、この矩形状は全体的に矩形状であればよく、配置スペース等に合わせた凹凸を含んでいても良い。

ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の両面を挟むように形成された一対の触媒電極１１４，１１６とを備える。電解質膜１１２は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電解質膜１１２としては、フッ素系スルホン酸膜の他に、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜等を用いてもよい。触媒電極１１４，１１６は、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持した触媒担持担体（例えば、カーボン粒子）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）とで構成されている。触媒担持担体としては、カーボンブラック等のカーボン粒子の他に、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いてもよい。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム等を使用してもよい。

一対のガス拡散層１２０，１３０は、反応ガスを電解質膜１１２の面方向に沿って拡散させる層であり、多数の孔を有するガス拡散層部材により構成されている。カソード１１６側の第２のガス拡散層１３０としては、エキスパンドメタル等の金属加工体を用いることが好ましい。これに対して、アノード１１４側の第１のガス拡散層１２０としては、エキスパンドメタルや金属メッシュ等の金属加工体を用いてもよく、あるいは、発泡金属等の金属多孔体を用いてもよく、さらにまた、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔体を用いてもよい。

樹脂フレーム２００は、一対のセパレーター３００，４００の間に位置することで、セパレーター３００，４００が短絡することを防止すると共に、単セル１０００内部を通過する反応ガスなどの流体が外部に漏れ出すことを防止する。樹脂フレーム２００は、ポリプロピレンにより形成されている。樹脂フレーム２００は、シート状である。なお、樹脂フレーム２００は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの他の樹脂を用いて形成してもよい。

樹脂フレーム２００は、外形が矩形状であり、中央の開口部に発電体１００を収容している。樹脂フレーム２００のうちの発電体１００の周囲にはマニホールドの一部を構成する貫通孔２２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２が形成されている。具体的には、貫通孔２２１は外部から供給されたアノード供給ガス（水素ガス）を流通するためのマニホールドＭ１の一部を構成し、貫通孔２２２はアノードオフガスを流通するためのマニホールドＭ２の一部を構成する。また、貫通孔２３１は外部から供給されたカソード供給ガス（空気）を流通するためのマニホールドＭ３の一部を構成し、貫通孔２３２はカソードオフガスを流通するためのマニホールドＭ４の一部を構成する。貫通孔２４１は外部から供給された冷却媒体を流通するためのマニホールドＭ５の一部を構成し、貫通孔２４２は排出された冷却媒体を流通するためのマニホールドＭ６の一部を構成する。

第１のセパレーター３００と第２のセパレーター４００とは、発電体１００と樹脂フレーム２００とを両側から挟むように配置されている。第１のセパレーター３００と第２のセパレーター４００とは樹脂フレーム２００にシール剤を用いて接着されている。第１のセパレーター３００はアノード側ガス拡散層１２０の側に配置され、第２のセパレーター４００はカソード側ガス拡散層１３０の側に配置されている。

一対のセパレーター３００，４００は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。一対のセパレーター３００，４００は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。

一対のセパレーター３００，４００には、それぞれ、マニホールドの一部を構成する貫通孔４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２が形成されている。これらの貫通孔４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２は、樹脂フレーム２００の貫通孔２２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２にそれぞれ対応している。すなわち、一対のセパレーター３００，４００に形成される各貫通孔４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２は、樹脂フレーム２００に形成される各貫通孔４２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２とそれぞれ、アノード側セパレーター３００、樹脂フレーム２００、およびカソード側セパレーター４００の積層方向（以下、単に「積層方向」と呼ぶ、Ｚ方向）に沿って連通することで、水素ガス供給用、水素ガス排出用、空気供給用、空気排出用、冷却媒体供給用、冷却媒体排出用の各マニホールドＭ１〜Ｍ６を構成する。

図２は、図１に示した単セル１０００の組み立て状態におけるＡ−Ａ線矢視の概略端面図である。アノード側セパレーター３００の両面のうち発電体１００と対向する面には、その長手方向に沿ってアノードガス用の溝流路３５０ａｎが形成されている。溝流路３５０ａｎはマニホールドＭ１，Ｍ２（図１）と連通し、マニホールドＭ１を流れる水素ガスを発電体１００の第１のガス拡散層１２０を介してアノード１１４に供給すると共に、発電体１００を流通したアノードオフガスをマニホールドＭ２に流通させる。アノード側セパレーター３００の面のうち発電体１００が位置する側とは反対側に位置する面には、冷却媒体用の溝流路３６０が形成されている。溝流路３６０は、マニホールドＭ５，Ｍ６（図１）と連通し、冷却媒体が流通する。

カソード側セパレーター４００の面のうち発電体１００と対向する面には、その長手方向に沿って、カソードガス用の溝流路４５０ｃａが形成されている。溝流路４５０ｃａはマニホールドＭ３，Ｍ４（図１）と連通し、マニホールドＭ３を流れる空気を発電体１００の第２のガス拡散層１３０を介してカソード１１６に供給すると共に、発電体１００を流通したカソードオフガスをマニホールドＭ４に流通させる。溝流路４５０ｃａとマニホールドＭ３とは、第２のセパレーター４００に形成された溝流路４３１ａ（図１）を介して連通している。また、溝流路４５０ｃａとマニホールドＭ４とは、カソード側セパレーター４００に形成された溝流路４３２ａ（図１）を介して連通している。カソード側セパレーター４００の面のうち発電体１００が位置する側とは反対側に位置する面には、冷却媒体用の溝流路４６０が形成されている。溝流路４６０は、マニホールドＭ５，Ｍ６と連通し、冷却媒体が流通する。なお、カソード側セパレーター４００の溝流路４６０の反対側は、溝流路４５０ｃａを構成するリブ４５２ｃａとなる。リブ４５２ｃａの上面が第２のガス拡散層１３０に接触することにより、カソード側セパレーター４００とカソード側ガス拡散層１３０とカソード１１６との接触性が確保される。アノード側も同様である。

図３は、カソード側ガス拡散層１３０の一部を拡大して示す概略斜視図である。カソード側ガス拡散層１３０は、以下で説明する多孔体構造を有する金属加工体で構成されている。ガス拡散層１３０の材料としては、単セルを積層した燃料電池の製造時に加えられる圧力に抗してガスの流通性を確保すること及びセパレーター及び膜電極接合体との接触性を確保することを可能とする剛性を有する金属材料、例えば、チタン、ステンレス鋼、アルミニウム等を用いることができる。

図３に示すように、カソード側ガス拡散層１３０は、カソード（触媒電極）側から見てＸ方向（短手方向）に沿って凸部１３１ｒと凹部１３２ｄが繰り返し形成された波板状の構造を有している。凸部１３１ｒ及び凹部１３２ｄはＹ方向（長手方向）に沿って延びている。なお、セパレーター側から見た場合には、凸部１３１ｒはＹ方向に沿った凹部１３１ｄとなり、凹部１３２ｄはＹ方向に沿った凸部１３２ｒとなる。

Ｘ方向に沿って並ぶ各凸部１３１ｒには、複数のスリット部１３４が一定間隔Ｌｄで設けられている。各スリット部１３４には、幅Ｌｗの２つのスリット１３４ａ，１３４ｂが幅Ｌｎの凸部１３１ｒを挟んで設けられている。これらのスリット１３４ａ，１３４ｂは有底の切り込み部として形成されている。スリット１３４ａ，１３４ｂには、凸部１３１ｒの反対側の凹部１３１ｄにＹ方向に貫通する貫通孔１３８がそれぞれ形成されている。これらの貫通孔１３８は、スリット１３４ａ，１３４ｂと凸部１３１ｒの裏側の流路とを連通している。スリット１３４ａ，１３４ｂの深さＤｓは、凹部１３２ｄの深さＤｄ以下に設定されている。図３（Ｂ）に示すように、貫通孔１３８の孔の大きさ（Ｙ方向から見た大きさ）は、スリットの深さＤｓに応じて設定され、深さＤｓが大きい程大きくなり、小さい程小さくなる。なお、スリット部１３４を一対のスリット１３４ａ，１３４ｂで構成する代わりに、１つのスリットのみで構成してもよい。また、スリット１３４ａ，１３４ｂは有底状でなく、無底状としても良い。

カソード側ガス拡散層１３０は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数のスリット部１３４が規則的に設けられ、各スリット部１３４のスリット１３４ａ，１３４ｂの貫通孔１３８を介してカソード側とセパレーター側とが連通しており、多数の貫通孔１３８がＸ方向及びＹ方向に沿って規則的に配置された多孔体となっている。

カソード側ガス拡散層１３０は、セパレーター側の各凹部１３１ｄがＹ方向（セパレーターの長手方向）に沿って延びているので、Ｙ方向に沿ってガスが流れ易い。そして、各凹部１３１ｄを流れるガスは、凹部１３１ｄの反対側の凸部１３１ｒに設けられた複数のスリット部１３４の貫通孔１３８を介して、セパレーター側からカソード側に向かって流れ出すことが可能である。また、貫通孔１３８を介してカソード側に流れ出したガスを、カソード側の凹部１３２ｄによってＹ方向に沿って流すことができる。

カソード側ガス拡散層１３０は、上記構造により、Ｙ方向に沿ってガスが流れ易く、Ｘ方向に沿ってガスが流れ難い構造となっている。以下では、ガスの透過率（後述）が最も大きな方向を「最大透過方向」と呼ぶ。なお、カソード側ガス拡散層１３０は、凹部１３１ｄ，１３２ｄの延びた方向（図３の例ではＹ方向）が、最大透過方向となっている。

このようなガス透過性を有するカソード側ガス拡散層１３０は、例えば、ロータリープレス機を用いて金属板をプレス成形することにより形成することができる。この際、凸部１３１ｒ，１３２ｒの高さ（凹部１３１ｄ，１３２ｄの深さＤｒ）やスリット部１３４の間隔Ｌｄ、スリットの幅Ｌｗ、スリットの深さＤｓ、スリット１３４ａ，１３４ｂの間隔Ｌｎは、例えば、ロータリープレス機のロール表面に設けた凹凸形状に応じて設定される。

図４は、カソード側ガス拡散層１３０の最大透過方向とカソード側セパレーター４００の溝流路４５０ｃａの方向の関係を示す説明図である。図４は、カソード側ガス拡散層１３０側から見た平面図であり、図を見やすくするため、カソード側ガス拡散層１３０の矩形状の外形のみを破線枠で示しており、最大透過方向を白抜きの矢印で示している。一点鎖線で示す矢印付の折れ線は、溝流路４５０ｃａに沿って流れるガスの向きを示している。溝流路４５０ｃａは、貫通孔４３１から貫通孔４３２へ向かうサーペンタイン型流路であり、カソード側セパレーター４００の長手方向（Ｘ方向）に沿った主流路４５０ｍｃａと、主流路４５０ｍｃａ同士を繋いで流れの方向を反転させる折り返し流路４５０ｔｃａと、で構成されている。カソード側ガス拡散層１３０は、その最大透過方向が主流路４５０ｍｃａの方向と直交するＹ方向となるように配置されている。言い換えると、カソード側ガス拡散層１３０は、その最大透過方向がカソード側セパレーター４００の短手方向（Ｙ方向）となった構造を有している。

図５は、カソード側セパレーター４００の主流路４５０ｍａの部分に配置されたカソード側ガス拡散層１３０の一部を拡大して示す概略斜視図である。上記したように、カソード側ガス拡散層１３０は、その最大透過方向が主流路４５０ｍｃａの方向と直交するＹ方向となるように配置されている。これにより、主流路４５０ｍｃａの溝部分のカソード側ガス拡散層１３０だけでなく、主流路４５０ｍｃａの溝の間のリブ４５２ｍｃａの部分のカソード側ガス拡散層１３０へも、最大透過方向に沿ってガスが流れ込む。これにより、主流路４５０ｍｃａの溝部分だけでなくリブ４５２ｍｃａの部分のカソード１１６にもカソード側ガス拡散層１３０を介してガスを供給することができる。これにより単セル１０００の発電性能を向上させることができる。なお、カソード側ガス拡散層１３０のスリット部１３４のＹ方向のピッチＬｐは、カソード側セパレーター４００のリブ４５２ｍｃａのＹ方向の幅Ｌ４５２に比べて小さいことが好ましい。より具体的には、リブ４５２ｍｃａの幅Ｌ４５２の中に、複数のスリット部１３４が並ぶことが好ましい。

なお、図４に示したように、折り返し流路４５０ｔｃａの部分では、流路の方向とカソード側ガス拡散層１３０の最大透過方向が一致するので、この折り返し流路４５０ｔｃａの間のリブの部分については、カソード１１６へのガスの供給能力が低下する可能性がある。しかしながら、折り返し流路４５０ｔｃａの部分は、溝流路４５０ｃａのうちの一部であり、この部分でのガスの供給能力の低下は、主流路４５０ｍｃａの部分での供給能力の向上の効果に比べれば小さく、その影響は少ないと考えられる。

Ｂ．カソード側ガス拡散層の他の実施形態：
図６は、第２実施形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｂの最大透過方向とカソード側セパレーター４００の溝流路４５０ｃａの方向の関係を示す説明図である。図６は、図４に対応する図である。このカソード側ガス拡散層１３０Ｂでは、主流路４５０ｍｃａの部分に対応する領域Ａｘ１〜Ａｘ３の最大透過方向が主流路４５０ｍｃａの方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）となっている。また、折り返し流量４５０ｔｃａの部分に対応する領域Ａｙ１，Ａｙ２の最大透過方向が折り返し流路４５０ｔｃａの方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）となっている。このカソード側ガス拡散層１３０Ｂは、例えば、第１実施形態のカソード側ガス拡散層１３０（図３）を、各領域Ａｘ１〜Ａｘ３，Ａｙ１，Ａｙ２に対応する形状に成形して、それぞれの領域に配置することにより構成することができる。この第１の変形形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｂによれば、折り返し流路４５０ｔｃａの間のリブの部分でのガスの供給能力の向上も図ることができる。

図７は、第３実施形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｃの一部を拡大して示す概略斜視図である。このカソード側ガス拡散層１３０Ｃは、スリット１３４ａを有するスリット付凸部１３１ｒｓと板状部１３５とがＹ方向に沿って交互に配置されている構造の例を示している。この第３実施形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｃも、上記第１実施形態のカソード側ガス拡散層１３０と同様の透過性を有するガス拡散層を構成することができる。そして、このカソード側ガス拡散層１３０Ｃを、その最大透過方向が主流路４５０ｃｍａの方向に対して直交する向きとなるように配置することにより、主流路４５０ｍｃａの溝部分だけでなくリブ４５２ｍｃａの部分のカソード１１６にもカソード側ガス拡散層１３０を介してガスを供給することができる（図３）。

なお、第３実施形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｃの場合、Ｙ方向に沿って設けられた板状部１３５の幅Ｌｒをさらに大きくすることにより、最大透過方向をＹ方向からＸ方向に変更することができる。

図８は、第４実施形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｄの一部を拡大して示す概略斜視図である。なお、図８（Ｂ）は上記第１実施形態のカソード側ガス拡散層１３０を示している。図８（Ｂ）に示すように、第１実施形態のカソード側ガス拡散層１３０は、Ｙ方向に沿った凸部１３１ｒに間隔Ｌｄ毎にスリット部１３４が形成されている。これに対して、このカソード側ガス拡散層１３０Ｄは、間隔Ｌｄを短くした構造の例を示している。なお、図８（Ａ）は、間隔Ｌｄをスリット１３４ａ，１３４ｂの間の凸部１３１ｒの幅Ｌｎと同じ大きさとした場合、すなわち、スリット１３４ａ，１３４ｂがＹ方向に沿って一定のピッチ２・Ｌｄ（＝２・Ｌｎ）で形成されている場合を示している。

第４実施形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｄの最大透過方向は、図８（Ｂ）の第１実施形態のカソード側ガス拡散層１３０の最大透過方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）となっている。このように、スリット部１３４の間隔Ｌｄを狭くすることにより、Ｘ方向に沿ってガスを流れ易くすることができるので、最大透過方向はＹ方向からＸ方向に変更することができる。

この第４実施形態のカソード側ガス拡散層１３０Ｄも、その最大透過方向が主流路４５０ｃｍａの方向に対して直交する向きとなるように配置することにより、主流路４５０ｍｃａの溝部分だけでなくリブ４５２ｍｃａの部分のカソード１１６にもカソード側ガス拡散層１３０を介してガスを供給することができる（図３）。

なお、第１実施形態のカソード側ガス拡散層１３０（図３，図８（Ｂ））は、スリット部１３４の間隔Ｌｄを大きくするとＹ方向に沿ってガスを流れ易くすることができ、間隔Ｌｄを小さくするとＸ方向に沿ってガスを流れ易くすることができ、間隔Ｌｄを調整することにより、最大透過方向を調整することができる。これを利用すれば、図６に示したカソード側ガス拡散層１３０Ｂのように複数のガス拡散層部材を配置した構造ではなく、主流路４５０ｍｃａ及び折り返し流路４５０ｔｃａの両方に対応した一つのガス拡散層部材を用いた構造とすることも可能である。例えば、図６に示した主流路４５０ｍｃａに対応する領域Ａｘ１〜Ａｘ３では、図８（Ｂ）のカソード側ガス拡散層１３０のように間隔Ｌｄを広げた構造で、その最大透過方向を主流路４５０ｍｃａに直交する方向（Ｙ方向）とする。また、折り返し流路４５０ｔｃａに対応する領域Ａｙ１，Ａｙ２では、図８（Ａ）のカソード側ガス拡散層１３０Ｄのように間隔Ｌｄを狭くした構造で、その最大透過方向を折り返し流路４５０ｔｃａに直交する方向（Ｘ方向）とした構造とすれば良い。

また、ガス拡散層の最大透過方向は、上記間隔Ｌｄの他、スリット１３４ａ，１３４ｂの幅Ｌｗや、スリット１３４ａ，１３４ｂの間の間隔（凸部１３１ｒの幅Ｌｎ）等の大きさを変化させることによって変化させることが可能である。

Ｃ．ガス拡散層の最大透過方向：
上記したように、ガス拡散層の最大透過方向は、平面視において、ガス拡散層の面内方向に流れるガスの透過率ｋ［ｍ^２］が最も大きくなる方向で規定することができる。なお、透過率ｋの逆数は、ガスの流れ難さを示す流路抵抗に相当し、この流路抵抗が最も小さくなる方向が最大透過方向である、とも言える。

図９は、ガス拡散層の透過率を測定する測定装置２０００の例を示す説明図である。測定装置２０００は、図９（Ａ）に示すように、測定対象のガス拡散層のサンプルＳＭを収容する収容ボックス２１００と、マスフローコントローラー２２００と、入口配管２３００と、出口配管２４００と、入口圧力Ｐ１を測定する入口圧力計２３１０と、出口圧力Ｐ２を測定する出口圧力計２４１０と、制御装置２５００と、を備えている。

収容ボックス２１００は、サンプルＳＭを内部に収容した際に、上面２１３０、下面２１４０、紙面手前側の側面２１５０、及び、紙面奥側の側面２１６０で挟持して、サンプルＳＭ内を流れるガス（空気）の方向を、入口面２１１０から出口面２１２０へ向かう方向（以下、「規制流れ方向」とも呼ぶ）に規制する構造を有している。

マスフローコントローラー２２００は、制御装置２５０からの指示に従って設定された流量Ｑ［ｍ^３／ｓ］のガス（空気）を、入口配管２３００を介して収容ボックス２１００内に流し込む。収容ボックス２１００内に流れ込んだガスは、サンプルＳＭ内を透過して出口配管２４００から外部に流量Ｑで流れ出す。

透過率ｋ［ｍ^２］は下式（１）で表される。
ｋ＝μ・Ｖ・Δｘ／ΔＰ ・・・（１）
ここで、μ［Ｐａ・ｓ］はガスの粘性係数であり、Ｖ［ｍ／ｓ］は出口における流速であり、Δｘ［ｍ］はサンプルＳＭの透過距離であり、ΔＰａ［Ｐａ］は、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の差分（圧力差）である。粘性係数μは、文献値の参照あるいは測定によって設定される。透過距離Δｘは、厳密にはサンプルＳＭの規制流れ方向の長さであるが、収容ボックス２１００の入口面２１１０から出口面２１２０までの長さとしても差し支えない。流速Ｖは、予め、流量Ｑ［ｍ^３／ｓ］を断面積Ｓｃ［ｍ^２］で除算することにより算出される。なお、断面積Ｓｃは、厳密にはサンプルＳＭの断面積であるが、収容ボックス２１００の出口面２１２０の断面積を用いても差し支えない。

制御装置２５００は、マスフローコントローラー２２００を制御して一定の流量Ｑのガスを流した状態とし、入口圧力計２３１０で測定される入口圧力Ｐ１及び出口圧力計２４１０で測定される出口圧力Ｐ２を取得する。そして、制御装置２５００は、取得した入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２から算出した圧力差ΔＰと、既知の粘性係数μ、流速Ｖ、及び、透過距離Δｘと、を上記（１）式に代入することにより、サンプルＳＭの透過率ｋを求める。

サンプルＳＭは、測定対象のガス拡散層ＴＧＤＬから、あらかじめ設定したサイズを有する平面視で正方形の測定片を切り出すことにより用意される。具体的には、長手方向（Ｘ方向）を基準とする角度θｒを０°から４５°までの間で変化させた複数の測定片がサンプルＳＭとして用意される。

測定装置２０００を用いて、用意した複数のサンプルＳＭについて、それぞれ、上記のようにして測定を行って透過率ｋを求め、最も大きい透過率ｋのサンプルＳＭの角度θｒから、基準方向（長手方向）に対する測定対象のガス拡散層ＴＧＤＬの最大透過方向を求めることができる。なお、角度θｒの１つのサンプルＳＭに関して、収容ボックス２１００内での向きが互いに９０度異なる２つの場合について透過率ｋの測定がそれぞれ可能である。複数のサンプルＳＭについて、このような測定を行なうことにより、角度θｒが０°〜４５°の範囲と、４５°〜９０°の範囲についての測定結果が得られる。

Ｄ．変形例：
上記各実施形態では、カソード側セパレーター４００と膜電極接合体１１０との間に配置されるカソード側ガス拡散層１３０，１３０Ｂ〜１３０Ｄについて説明したが、アノード側セパレーター３００と膜電極接合体１１０との間に配置されるアノード側ガス拡散層１２０についても、同様に適用することが可能である。アノード１１４に供給されるガスである水素ガスは、空気に比べて透過性に優れているので、溝流路のリブの部分であっても空気に比べてガスが供給され易く、アノード側ガス拡散層１２０をカソード側ガス拡散層と同様とする必要性は高くない。しかしながら、カソード側ガス拡散層と同様にすれば、主流路の方向に対するアノード側ガス拡散層１２０の最大透過方向を規定することにより、リブの部分へのガス（水素ガス）の供給能力を向上させて、発電性能を向上させることも可能である。

上記実施形態の溝流路４５０ｃａは、サーペンタイン型流路の場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、並列型流路等の他の溝流路であっても同様である。

上記実施形態では、カソード側ガス拡散層１３０は、その最大透過方向が、溝流路４５０ｃａの主流路４５０ｍｃａの方向（図３の例では、第１のセパレーター４００の長手方向（Ｘ方向））に対して直交する方向（９０°の角度をなす方向）となるように配置されている場合を例に説明している。しかしながら、直交する方向は９０°の角度をなす方向に限定されるものではなく、ある程度の範囲、例えば、９０°±３０°の角度の範囲を含むものとしても良い。この範囲内の最大透過方向であれば、リブの部分へのガスの供給能力を向上させることができ、発電性能を向上させることができる。

ガス拡散層は上記実施形態および変形形態の構造に限定されるものではなく、ガスの流れに配向性を有する金属加工体で構成されており、最大透過方向が、セパレーターの主流路の方向である長手方向に対応するガス拡散層の長手方向に対して９０°±３０°の角度をなしているものであれば良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…シール剤塗布装置
２０…シリンダ容器
２０ａ…注入口
２０ｂ…蓋部
３０…加圧部
３２…ピストン
３４…ピストンロッド
３６…電動シリンダ
４０…穿孔板
４２…孔体
４２ａ…孔
４２ｂ…フランジ
１００…発電体
１１０…膜電極接合体
１１２…電解質膜
１１４…触媒電極(アノード)
１１６…触媒電極（カソード）
１２０…ガス拡散層（アノード側ガス拡散層）
１３０…ガス拡散層（カソード側ガス拡散層）
１３０Ｂ，１３０Ｃ，１３０Ｄ…ガス拡散層（カソード側ガス拡散層）
１３１ｄ，１３２ｄ…凹部
１３１ｒ，１３２ｒ…凸部
１３１ｒｓ…スリット付凸部
１３４ａ，１３４ｂ…スリット
１３４…スリット部
１３５…板状部
１３８…貫通孔
２００…樹脂フレーム
２２１，２２２…貫通孔
２３１，２３２…貫通孔
２４１，２４２…貫通孔
３００…第１のセパレーター
４００…第２のセパレーター
４２１，４２２…貫通孔
４３１，４３２…貫通孔
４３１ａ，４３２ａ…溝流路
４４１，４４２…貫通孔
４５０Ｃａ…溝流路
４５０ｍｃａ…主流路
４５０ｔｃａ…折り返し流路
４５２ｃａ…リブ
４５２ｍｃａ…主流路のリブ
４５０ａｎ…溝流路
４６０…溝流路
１０００…単セル
２０００…測定装置
２１００…収容ボックス
２１１０…入口面
２１２０…出口面
２１３０…上面
２１４０…下面
２１５０…側面
２１６０…側面
２２００…マスフローコントローラー
２３００…入口配管
２３１０…入口圧力計
２４００…出口配管
２４１０…出口圧力計
２５００…制御装置
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜の両面に電極が形成された膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持するように配置された一対のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体及び前記一対のガス拡散層を挟持するように配置された一対のセパレーターと、
   を備え、
   前記一対のセパレーターのうち、少なくとも一方のセパレーターは、対応する一方のガス拡散層に接する面に溝状の主流路を有しており、
   前記一方のガス拡散層は、平面視においてガスの透過率が最も大きな方向である最大透過方向を有する金属加工体で構成されており、前記最大透過方向が、前記セパレーターの主流路の方向に対して９０°±３０°の角度をなすように配置されている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記一方のガス拡散層は、第１の方向に沿って互いに平行に延びる凹部と凸部が前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って交互に形成された波板状の構造を有するとともに、前記凸部に形成された複数のスリットを有しており、
   前記最大透過方向は、前記第１の方向または前記第２の方向である
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記複数のスリットのそれぞれは、前記凸部に形成された有底状の切り込みであり、
   前記スリットと前記凸部の裏側の流路とを連通する貫通孔が形成されている
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 燃料電池の構成部材として使用され、セパレーター表面にその長手方向に沿った溝状の主流路を有する矩形状のセパレーターと、矩形状の膜電極接合体との間に配置される矩形状のガス拡散層であって、
   前記ガス拡散層は、平面視においてガスの透過率が最も大きい方向である最大透過方向を有する金属加工体で構成されており、
   前記最大透過方向は、前記ガス拡散層の長手方向に対して９０°±３０°の角度をなすことを特徴とするガス拡散層。

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