JP6992539B2

JP6992539B2 - 燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP6992539B2
Application number: JP2018008688A
Authority: JP
Inventors: 恒政西田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: JP2019129024A

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

固体高分子形の燃料電池において、膜電極接合体とガス拡散層とを接合した膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＧａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｌａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）」とも呼ぶ）の電解質膜の乾燥を抑制するために、ガス拡散層の内部にカーボン粒子を固着させた燃料電池の製造方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００１－００６６９８号公報

そうした燃料電池の製造方法では、膜電極接合体とガス拡散層とを接合する工程に加えて、カーボン粒子を含む分散液を拡散層基材に含浸させて熱処理を加える工程が必要となる。そのため、コストの増大や単位時間あたりの生産量の低下を招く。従って、より簡易な方法によって電解質膜の乾燥を抑制できる燃料電池の製造方法が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［形態１］
本開示の一形態によれば、発電領域におけるアノードガスの流通方向とカソードガスの流通方向とが互いに逆向きの方向成分を含む燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、長尺状のアノード側のガス拡散層の基材であって、前記基材の幅方向における両側の二つの辺が前記基材の幅方向に沿った同じ向きに凸状に湾曲する基材を準備する工程と、前記基材における長手方向の両端が互いに離れるように前記基材を延伸させて、前記基材の幅方向について前記基材の内部の空隙率に差を設ける工程と、前記基材のうち高い空隙率を有する第一の端部側が、燃料電池セルのうちアノードガス供給口およびカソードガス排出口を有する側となるとともに、前記基材のうち前記第一の端部側よりも低い空隙率を有する第二の端部側が、前記燃料電池セルのうちアノードガス排出口およびカソードガス供給口を有する側となるように、前記燃料電池セルを組み立てる工程と、を備える。前記基材を準備する工程における前記基材は、前記長手方向の二つの辺のうち前記基材の幅方向の中心に向かって凸状に湾曲する辺の一端と他端とを結んだ直線の長さと、前記直線から前記凸状に湾曲する辺に含まれる一点までの最大距離との比率が、７×１０ ^-4 から１１×１０ ^-4 の範囲のガス拡散層の基材である。

（１）本開示の一形態によれば、発電領域におけるアノードガスの流通方向とカソードガスの流通方向とが互いに逆向きの方向成分を含む燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は：長手方向の二つの辺が同じ向きに湾曲する長尺状のアノード側のガス拡散層の基材を準備する工程と；湾曲する前記長手方向の二つの辺が直線に近づくように前記基材を延伸させて、前記基材の幅方向について前記基材の内部の空隙率に差を設ける工程と；前記基材のうち高い空隙率を有する第一の端部側が、燃料電池セルのうちアノードガス供給口およびカソードガス排出口を有する側となるとともに、前記基材のうち前記第一の端部側よりも低い空隙率を有する第二の端部側が、前記燃料電池セルのうちアノードガス排出口およびカソードガス供給口を有する側となるように、前記燃料電池セルを組み立てる工程と；を備える。前記基材を準備する工程における前記基材は、前記長手方向の二つの辺のうち前記基材の幅方向の中心に向かって凸状に湾曲する辺の一端と他端とを結んだ直線の長さと、前記直線から前記凸状に湾曲する辺に含まれる一点までの最大距離との比率が、７×１０^-4から１１×１０^-4の範囲のガス拡散層の基材である。
上記実施形態の燃料電池の製造方法であれば、燃料電池セルのアノードガス供給口に近い位置に空隙率の高いアノード側ガス拡散層が備えられる。そのため、ＭＥＧＡの内部において、アノードガス供給口に近い位置のアノード側ガス拡散層に対してカソード側ガス拡散層からの水蒸気の移動（以下、「逆拡散」とも呼ぶ）が促進される。また、燃料電池セルのアノードガス排出口に近い位置に空隙率の低いアノード側ガス拡散層が備えられる。そのため、アノードガス排出口からの水蒸気の放出が抑制されることができる。すなわち、燃料電池の発電時において、ＭＥＧＡ内部での水蒸気の循環が促進されることによって、電解質膜の乾燥が抑制されることができる。また、カーボン粒子を固着させる工程を含む燃料電池の製造方法に比べて、より簡易な方法によって電解質膜の乾燥が抑制されるため、コストの増大や単位時間あたりの生産量の低下を抑制することができる。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部または全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部または全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部または全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部または全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部または全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部または全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

第１実施形態の燃料電池の構成の概略を表す分解斜視図である。燃料電池セル１００のＭＥＧＡ６０の構成を表す断面図である。本実施形態の燃料電池セル１００の製造工程を表すフロー図である。本実施形態の燃料電池セル１００の製造に用いられる製造装置１を模式的に表した説明図である。湾曲するアノード側ガス拡散層の基材Ｐ１０８を模式的に表した平面図である。湾曲するアノード側ガス拡散層の基材を延伸して得られた基材Ｐ２０６を模式的に表した平面図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態の燃料電池の構成の概略を表す分解斜視図である。図１は、燃料電池セル（単セル）１００の構成を表している。

本実施形態の燃料電池は、燃料電池セル１００を複数積層したスタック構造（以下、「燃料電池スタック」とも呼ぶ）を形成している。本実施形態の燃料電池は、固体高分子形の燃料電池であるが、固体酸化物形の燃料電池等、他種の燃料電池とすることもできる。本明細書では、燃料電池セルおよび燃料電池セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、「燃料電池」とも呼ぶ。

燃料電池セル１００は、樹脂フレーム２０と、アノードセパレータ４０と，カソードセパレータ５０と、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）６０と、を備えている。樹脂フレーム２０、アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０は略長方形の板状の部材であり、それぞれの外形は一致している。ＭＥＧＡ６０は、樹脂フレーム２０の中央に配され、両面をアノードセパレータ４０と，カソードセパレータ５０とによって挟持されている。

樹脂フレーム２０は、熱可塑性樹脂を用いて枠状に成形され、その中央の開口部２０ａにＭＥＧＡ６０を保持する。樹脂フレーム２０を構成する材料としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から選択される樹脂を用いることができる。樹脂フレーム２０と、この樹脂フレーム２０に隣接するアノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０とは、例えば図示しないシール部材を配置することによりシールされる。このシールによって、樹脂フレーム２０と、アノードセパレータ４０と，カソードセパレータ５０とが、面方向と略垂直の方向に積層される。

本実施形態の燃料電池セル１００が備える樹脂フレーム２０の開口部２０ａのうち、アノードガス供給口２２およびカソードガス排出口３４を有する側の端部を端部Ｅ１、アノードガス排出口２４およびカソードガス供給口３２を有する側の端部を端部Ｅ２とする。

燃料電池スタックの内部には、さらに、セル間冷媒流路が形成されている（図示しない）。冷媒流路は、例えば、積層されたすべての単セル間に形成しても良く、あるいは、単セルを予め定められた数を積層する毎に形成しても良い。

アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０は、ガスを透過しない導電性部材として、例えば、カーボン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製部材によって形成されている。アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０には、ＭＥＧＡ６０の発電領域と対向する表面に反応ガスが流通する流路溝（図示しない）が形成されている。本明細書において、「発電領域」とは、ＭＥＧＡ６０において発電に供する領域であり、ＭＥＧＡ６０において反応ガスが流れる略長方形の領域である。アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０と、ＭＥＧＡ６０との間に、セル内ガス流路を形成するための多孔質体を配置しても良く、この場合には流路溝を省略しても良い。

アノードセパレータ４０、カソードセパレータ５０および樹脂フレーム２０の外周には、マニホールド孔が設けられている。具体的には、マニホールド孔は、アノードガス供給口２２と、アノードガス排出口２４と、カソードガス供給口３２と、カソードガス排出口３４とを含む。本実施形態において、アノードガス供給口２２とカソードガス排出口３４は、樹脂フレーム２０の短手方向の一方の辺側（端部Ｅ１側）に備えられ、アノードガス排出口２４とカソードガス供給口３２は、樹脂フレーム２０の短手方向の他方の辺側（端部Ｅ２側）に備えられる。

これらのマニホールド孔は、アノードセパレータ４０、カソードセパレータ５０および樹脂フレーム２０を含む部材の積層方向に互いに重なる位置に形成されている。すなわち、マニホールド孔は、アノードセパレータ４０、カソードセパレータ５０および樹脂フレーム２０の一部を貫通して、各セルとの間で反応ガスを供給・排出するための流路（ガスマニホールド）を形成する。なお、上述した冷媒流路との間で冷媒を供給・排出するための流路（冷媒マニホールド）が備えられるが、技術の理解を容易にするため図示されていない。

アノードガス供給口２２は、燃料電池セル１００に供給された燃料ガス（水素）であるアノードガスを、アノードセパレータ４０の流路に分配する供給口である。アノードガス排出口２４は、燃料ガス流路において利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池スタックの外部に排出する排出口である。アノードガスは、アノードガス供給口２２から供給されて、アノードセパレータ４０上の流路溝を流通する。流路において利用されなかったアノードガスは、アノードガス排出口２４から排出される。

カソードガス供給口３２は、燃料電池スタックに供給された空気等のカソードガスをカソードセパレータ５０の流路に分配する供給口である。カソードガスは、カソードガス供給口３２から供給されて、カソードセパレータ５０上の流路溝を流通する。流路において利用されなかったカソードガスは、カソードガス排出口３４から排出される。

本実施形態の燃料電池セル１００は、積層方向に沿ってＭＥＧＡ６０を見たとき、発電領域内において燃料ガスと酸化ガスとが交差して流通するクロスフロー方式である。樹脂フレーム２０の長手方向の辺を含み積層方向と平行な平面に、発電領域におけるアノードガスの流通方向とカソードガスの流通方向とを投影したとき、アノードガスの流通方向とカソードガスの流通方向とが互いに逆向きである。

図２は、燃料電池セル１００のＭＥＧＡ６０の構成を表す断面図である。ＭＥＧＡ６０は、膜電極接合体１０（以下、「ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１０とも呼ぶ）と、アノード側ガス拡散層１４と、カソード側ガス拡散層１５とが積層されることによって構成される。ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３と、によって構成される。ＭＥＡ１０は、アノード側ガス拡散層１４と、カソード側ガス拡散層１５とによって挟持されている。

電解質膜１１は、高分子電解質材料（例えば、フッ素樹脂）により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード触媒層１２とカソード触媒層１３は、気孔を有する多孔質体で構成される。アノード触媒層１２とカソード触媒層１３は、触媒（例えば、白金）を担持した導電性粒子（例えばカーボン粒子）を、プロトン伝導性を有する高分子電解質で被覆して形成される。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３が備える高分子電解質は、電解質膜１１を構成する高分子電解質と同種のポリマーであっても良く、異種のポリマーであっても良い。

アノード側ガス拡散層１４およびカソード側ガス拡散層１５は、ガス透過性および電子伝導性を有するシート状の多孔質な基材を用いられ、電子伝導性、ガス透過性および排水性を有する。アノード側ガス拡散層１４およびカソード側ガス拡散層１５は、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどのカーボン製部材により形成することができる。

図２には、ＭＥＧＡ６０内の水の流通方向を表す矢印が模式的に示されている。具体的には、燃料電池から排出された水蒸気が循環してアノードガス供給口２２からＭＥＧＡ６０にアノードガスとともに供給され（矢印Ａｉ）、アノード側ガス拡散層１４の内部を流通し（矢印Ａｎ）、アノードガスの排出に伴ってアノードガス排出口２４を通じて燃料電池の外部へ排出される（矢印Ａｏ）。また、大気中に含まれる水蒸気がカソードガス供給口３２からカソードガスの供給に伴って供給され（矢印Ｃｉ）、カソード側ガス拡散層１５の内部を流通し（矢印Ｃｔ）、カソードガスの排出に伴ってカソードガス排出口３４から燃料電池の外部へ排出される（矢印Ｃｏ）。

燃料電池セル１００のカソード側で生成される水の一部において、カソード側ガス拡散層１５からアノード側ガス拡散層１４へＭＥＡ１０を介して、水分濃度の勾配に起因して移動する逆拡散が発生する（矢印Ｄｆ）。一方、アノード側ガス拡散層１４からカソード側ガス拡散層１５には、プロトンの移動に伴った水分の移動が発生する（矢印Ｐｒ）。燃料電池セル１００において、この逆拡散水や、加湿された反応ガス中の水分等を利用して、ＭＥＧＡ６０の内部の含水量が管理されている。

図３は、本実施形態の燃料電池セル１００の製造工程を表すフロー図である。図４は、本実施形態の燃料電池セル１００の製造に用いられる製造装置１を模式的に表した説明図である。製造装置１は、図３のステップＳ１０からステップＳ３０までを実行する製造装置である。図４には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印が示されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平面に平行な方向であり、Ｚ方向は、重力方向とは反対の方向である。また、本明細書において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向との表現は、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ方向のプラス側の方向を表している。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印は、他の図においても、図４と対応するように、必要に応じて図示される。以下、燃料電池セル１００の製造工程について、図３とともに図４を参照して説明する。

図３のステップＳ１０において、アノード側ガス拡散層１４を形成するための湾曲するアノード側ガス拡散層の基材Ｐ１０６が準備される。本実施形態において、アノード側ガス拡散層の基材Ｐ１０６にはカーボンペーパーからなる部材が用いられる。長方形状の長尺なシートであるアノード側ガス拡散層の基材Ｐ１０６は、ロール状に巻かれてロール１０２を構成している（図４参照）。基材Ｐ１０６は、ロール１０２の回転によって一方向（Ｘ方向）に送り出される。ロール１０２によって送り出された基材Ｐ１０６は、加熱炉１０４に投入される。

加熱炉１０４は、一般的な焼成炉である。加熱炉１０４の内部では、基材Ｐ１０６の搬送方向と垂直な向き（Ｙ方向）に向かうに従って温度が低くなるように２８０℃以上３２０℃以下の範囲において、温度の勾配が設定されている。加熱炉１０４に投入された基材Ｐ１０６において、Ｙ方向の端部のうち、加熱炉１０４内の高い温度側で加熱された端部側と、低い温度側で加熱された端部側とでは熱膨張量の大きさが異なる。すなわち、基材Ｐ１０６のＹ方向の一方の端部は他方の端部に比べて熱膨張量が大きくなることによって、基材Ｐ１０６のＸ方向の二つの辺の長さに違いが生じる。その結果、基材Ｐ１０６は、Ｘ方向の二つの辺がＹ方向の同じ向きに湾曲した形状の基材Ｐ１０８となる（図４参照）。

加熱炉１０４から送り出された基材Ｐ１０８は、例えば、ローラー１０５まで搬送されるまでの間に、Ｚ方向の表面上にＭＰＬ塗工液が塗工され、加熱炉によって乾燥および焼成される。ＭＰＬ塗工液には、例えば、カーボンブラック等の導電性材料、親水性を付与するための界面活性剤、ＰＴＦＥの撥水性樹脂等が含まれ、分散剤や増粘剤を配合される。ＭＰＬ塗工液を塗工された基材Ｐ１０８は、加熱炉によってＭＰＬ塗工液を乾燥および焼成されることにより熱収縮を抑制され、湾曲した形状を維持する。

ローラー１０５の回転によって搬送された基材Ｐ１０８は、後述するローラー２０２、２０４によってＸ方向の両端を固定された状態で切断される（図４参照）。より具体的には、基材Ｐ１０８は、Ｘ方向の長さが予め定められた長さになるように、基材Ｐ１０８のＹ方向の向きに切断される。これにより、Ｘ方向を長手方向としＹ方向を短手方向とする長尺状のシートであって、長手方向の二つの辺が同じ向きに湾曲する長尺状のシートであるアノード側ガス拡散層の基材Ｐ１０８が得られる。基材Ｐ１０８の形状の詳細については後述する。

図３のステップＳ２０において、基材Ｐ１０８は、ローラー２０２、２０４によって二つの湾曲する辺が直線に近づくようにして延伸される。図４には、基材Ｐ１０８が延伸される向きが矢印Ｅｐ１，Ｅｐ２で示されている。

ローラー２０２は、一対のローラーであり、基材Ｐ１０８を挟んで対向する位置にそれぞれ配される。ローラー２０２は、回転を停止した一対のローラーの相互の加圧によって基材Ｐ１０８の一端を把持する。また、ローラー２０２は、基材Ｐ１０８の搬送方向と逆向き（矢印Ｅｐ１）に移動する機構と、基材Ｐ１０８の搬送方向と垂直な方向（Ｚ方向）を中心軸として予め定められた角度の範囲で回転する機構と、を備える。

ローラー２０４は、一対のローラーであり、基材Ｐ１０８を挟んで対向する位置にそれぞれ配される。ローラー２０４は、回転を停止した一対のローラーの相互の加圧によって基材Ｐ１０８の他端を把持する。また、ローラー２０４は、基材Ｐ１０８の搬送方向（矢印Ｅｐ２）に移動する機構と、基材Ｐ１０８の搬送方向と垂直な方向（Ｚ方向）を中心軸として予め定められた角度の範囲で回転する機構と、を備える。

基材Ｐ１０８は、Ｘ方向の端部とＸ方向と逆向きの端部をローラー２０２、２０４の垂直方向の加圧によって把持される。Ｘ方向の両端を把持された基材Ｐ１０８は、ローラー２０２、２０４によるＺ方向を中心軸とした回転により、把持されたＸ方向の両端の辺が互いに平行した状態となるように、Ｘ方向の両端を移動される。次に、基材Ｐ１０８は、ローラー２０２による矢印Ｅｐ１への移動とローラー２０４による矢印Ｅｐ２への移動とによって、長手方向（Ｘ方向）に平行な向きに延伸される。なお、ローラー２０２、２０４によるＺ方向を中心軸とした回転と、矢印Ｅｐ１，Ｅｐ２への移動とは同時に実行されてもよい。これにより、基材の幅方向について基材の内部の空隙率に差が設けられたアノード側ガス拡散層の基材Ｐ２０６が得られる。基材Ｐ２０６の詳細については後述する。

図３のステップＳ３０において、延伸されたアノード側ガス拡散層の基材Ｐ２０６と、ＭＥＡ１０とが接合される。基材Ｐ２０６は、ローラー２０２，２０４によって送り出されて圧着ロール３０４に至る（図４参照）。

圧着ロール３０４は、互いに対向する位置に配される一対の加熱式のローラーである。圧着ロール３０４は、加熱されたローラーを互いに対向する向きに加圧する機構を備える。ロール３０２は、長尺状のシートであるＭＥＡ１０がロール状に巻かれたロールによって構成される。

ロール３０２から送り出されたＭＥＡ１０と、基材Ｐ２０６とが、圧着ロール３０４による加熱と圧着により接合されて基材Ｐ３０６が得られる。基材Ｐ３０６を長方形のシート状に切断することによって、基材Ｐ３０８が得られる。

図３のステップＳ４０において、基材Ｐ３０８は、別で用意されるカソード側ガス拡散層の基材と接合される。より具体的には、基材Ｐ３０８の面のうちカソード触媒層１３の外表面と、カソード側ガス拡散層の基材とが、向かい合わせとなる状態で熱圧プレスによって接合される。この接合によって、ＭＥＧＡ６０が形成される。

図３のステップＳ５０において、燃料電池セル１００が組み立てられる。具体的には、はじめに、接着剤を用いてＭＥＧＡ６０の端部と樹脂フレーム２０とが接着され、ＭＥＧＡ６０と樹脂フレーム２０とを接合する。樹脂フレーム２０と接合されたＭＥＧＡ６０と、アノードセパレータ４０と、カソードセパレータ５０とを積層して燃料電池セル１００が組み立てられる。なお、複数の燃料電池セル１００が積層されて、燃料電池スタックが製造される。樹脂フレーム２０と接合されるＭＥＧＡ６０の端部の詳細については後述する。

図５は、湾曲するアノード側ガス拡散層の基材Ｐ１０８を模式的に表した平面図である。図５には、基材Ｐ１０８の幅方向の中心のうちの一点である中心Ｍｄが図示されている。基材Ｐ１０８は、その湾曲する長手方向の二つの辺のうち基材Ｐ１０８の幅方向の中心Ｍｄに向かって凸状に湾曲する辺Ｅｙ１と、基材Ｐ１０８の幅方向の中心Ｍｄから離れる向きに凸状に湾曲する辺Ｅｙ２とを有する。基材Ｐ１０８は、その短手方向の二つの辺のうち基材Ｐ１０８の搬送方向（Ｘ方向）側の端部である辺Ｅｘ２と、搬送方向と逆側の端部である辺Ｅｘ１とを有する。上述したように、加熱炉１０４による基材Ｐ１０８を加熱する温度の差によって基材Ｐ１０８内の熱膨張量の差が生じ、ＭＰＬ塗工液の塗工、乾燥および焼成によって、基材Ｐ１０８の辺Ｅｙ２は辺Ｅｙ１よりも長い状態で維持されている。

図６は、湾曲するアノード側ガス拡散層の基材を延伸して得られた基材Ｐ２０６を模式的に表した平面図である。基材Ｐ２０６は、短手方向の二つの辺のうちＸ方向の端部である辺Ｅｘ３と、短手方向の二つの辺のうちＸ方向と逆側の端部である辺Ｅｘ４と、Ｙ方向の端部である辺Ｅｙ３と、Ｙ方向と逆側の端部である辺Ｅｙ４とを有する。以下、図５とともに図６を参照して、アノード側ガス拡散層の基材の内部の空隙率に差を設ける工程の詳細について説明する。

湾曲する基材Ｐ１０８（図５参照）は、上述したように、ローラー２０２，２０４によって辺Ｅｘ１側の端部および辺Ｅｘ２側の端部を把持されて矢印Ｅｐ１，Ｅｐ２（図５参照）の向きに延伸される。このとき、基材Ｐ１０８は、基材Ｐ１０８の二つの湾曲する辺Ｅｙ１と、辺Ｅｙ２とがＸ方向と平行な向きの直線に近づくように延伸される。すなわち、延伸された基材Ｐ２０６の辺Ｅｙ３および辺Ｅｙ４は、延伸される前の基材Ｐ１０８の二つの湾曲する辺Ｅｙ１およびＥｙ２が直線状に延伸されて得られる直線状の辺である（図６参照）。また、上述したように基材Ｐ１０８の湾曲する二つの辺（Ｅｙ１とＥｙ２）において、辺Ｅｙ２の方が辺Ｅｙ１よりも長い。したがって、基材Ｐ１０８が直線状に延伸されるとき、基材Ｐ１０８の二つの辺において延伸される量は、辺Ｅｙ２よりも短い辺である辺Ｅｙ１の方が大きい。

基材Ｐ１０８（図５参照）は、ガス透過性および電子伝導性を有するシート状の多孔質な基材であり、長尺状のシートの面内において略均一な空隙率を備える。本実施形態において、基材Ｐ１０８の空隙率は、基材Ｐ１０８の全体積に対して６５％で構成されている。なお、本明細書において、「空隙率」とは、いわゆるポロシティ（Ｐｏｒｏｓｉｔｙ）であり、基材の予め定められた体積中に占める空間（空隙）の体積の割合のことを示す。

基材Ｐ１０８（図５参照）の体積は、延伸されることによって増加する。なお、この延伸されることによる基材の体積の増加とは、基材の物質の量の増加を示すのではなく、基材の外形の変化による体積の増加を示す。一方で、基材Ｐ１０８の内部では、炭素の結晶構造において部分的な破壊（ｒｕｐｔｕｒｅ）が発生することによって、延伸された後の基材Ｐ２０６の体積に対する空隙率が増加する。この空隙率の増加量は、基材Ｐ１０８が延伸されることによって増加する体積の増加量によって異なる。すなわち、基材Ｐ２０６において辺Ｅｙ４側よりも延伸される量が大きい辺Ｅｙ３側の方が、空隙率の増加する量は大きくなる。第１実施形態において、基材Ｐ２０６の辺Ｅｙ３側の単位体積あたりの空隙率は８５％であり、辺Ｅｙ４側の単位体積あたりの空隙率は６５％である。以上のように、第１実施形態における基材Ｐ１０８を延伸させる工程（ステップＳ２０）では、長さが異なる二つの湾曲する辺（Ｅｙ１、Ｅｙ２）が直線に近づくように基材Ｐ１０８を延伸させることによって、基材Ｐ２０６の幅方向について内部の空隙率に差が設けられる。

図５には、湾曲する基材Ｐ１０８の長手方向の二つの辺のうち辺Ｅｙ１の一端であるＰ１と他端であるＰ２とを結んだ仮想の直線である直線Ａ２と、この直線Ａ２から辺Ｅｙ１に含まれる一点までの最大距離Ａ１とが示されている。上述したように、湾曲する基材Ｐ１０８は、アノード側ガス拡散層の基材の短手方向（Ｙ方向）における加熱炉１０４による加熱温度の温度差によって生じる熱膨張の差を利用して形成される。第１実施形態のアノード側のガス拡散層の基材を準備する工程（ステップＳ１０）において形成される湾曲する基材Ｐ１０８では、直線Ａ２の長さと、最大距離Ａ１との比率は、１０×１０^－４の比率である。この比率によって湾曲する基材Ｐ１０８を延伸し、辺Ｅｙ１と辺Ｅｙ２が直線状になった時点で延伸を止めることによって、基材Ｐ２０６の幅方向について内部の空隙率に予め定められた差が設けられる。

しかし、ステップＳ１０において形成される湾曲する基材の直線Ａ２の長さと、最大距離Ａ１との比率は、厳密に１０×１０^－４の比率である必要は無い。直線Ａ２の長さと、最大距離Ａ１との比率は、１９×１０^－４以下の比率であればよく、７×１０^－４から１１×１０^－４の範囲であればより好ましい。

図６には、ＭＥＡ１０と接合されたあとに切断されて略長方形状の基材Ｐ３０８の一部となる部分が、二点鎖線によって模式的に示されている。図６には、基材Ｐ３０８の短手方向の両端である二つの端部Ｅｃ１、Ｅｃ２が示されている。端部Ｅｃ１は基材Ｐ２０６のうち空隙率の高い方の辺Ｅｙ３側の端部（以下、「第一の端部Ｅｃ１」とも呼ぶ）であり、端部Ｅｃ２は空隙率の低い方の辺Ｅｙ４側の端部（以下、「第二の端部Ｅｃ２」とも呼ぶ）である。すなわち、両端の空隙率に差がある基材Ｐ３０８が、ＭＥＡ１０およびカソード側ガス拡散層の基材と接合されることによって、アノード側のガス拡散層の内部の空隙率に差が設けられたＭＥＧＡ６０が得られる。

図３のステップＳ５０では、ＭＥＧＡ６０に含まれる基材Ｐ３０８のうち高い空隙率を有する第一の端部Ｅｃ１側（図６参照）が、燃料電池セル１００が備える樹脂フレーム２０の開口部２０ａのうち、アノードガス供給口２２およびカソードガス排出口３４を有する側の端部Ｅ１（図１参照）の位置となるように燃料電池セル１００が組み立てられる。一方、基材Ｐ３０８のうち第一の端部Ｅｃ１側よりも低い空隙率を有する第二の端部Ｅｃ２側（図６参照）が、燃料電池セル１００が備える樹脂フレーム２０の開口部２０ａのうち、アノードガス排出口２４およびカソードガス供給口３２を有する側の端部Ｅ２（図１参照）の位置となるように、燃料電池セル１００が組み立てられる。このように組み立てられた複数の燃料電池セル１００を積層して、燃料電池スタックが製造される。

以上のように、第１実施形態の燃料電池セル１００の製造方法であれば、燃料電池セル１００のアノードガス供給口２２に近い位置（図１の端部Ｅ１側）に、空隙率の高いアノード側ガス拡散層１４（図６の第一の端部Ｅｃ１）が備えられる。そのため、ＭＥＧＡ６０の内部において、アノードガス供給口２２に近い位置のアノード側ガス拡散層１４に対してカソード側ガス拡散層１５からの水蒸気の移動（逆拡散）が促進される。また、燃料電池セル１００のアノードガス排出口２４に近い位置（図１の端部Ｅ２側）に空隙率の低いアノード側ガス拡散層１４（図６の第二の端部Ｅｃ２）が備えられる。そのため、アノードガス排出口２４からの水蒸気の放出が抑制されることができる。すなわち、燃料電池の発電時において、ＭＥＧＡ６０内部での水蒸気の循環が促進されることによって、ＭＥＡ１０の乾燥が抑制されることができる。また、カーボン粒子を固着させる工程を含む燃料電池の製造方法に比べて、より簡易な方法によって電解質膜の乾燥が抑制されるため、コストの増大や単位時間あたりの生産量の低下を抑制することができる。

Ｂ．他の形態：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような形態での実施も可能である。

Ｂ１．他の形態１：
（１）上記実施形態において、燃料電池セル１００は、発電領域において燃料ガスと酸化ガスとが交差して流通するクロスフロー方式であり、アノードガスの流通方向とカソードガスの流通方向とが互いに逆向きである。しかし、燃料電池セルは、これに限定されず、いわゆるカウンターフロー型のように、燃料電池セルの発電領域におけるアノードガスの流通方向とカソードガスの流通方向とが互いに逆向きの方向成分を含んでいればよい。

（２）上記実施形態において、アノード側ガス拡散層の基材にはカーボンペーパーからなる部材が用いられる。しかし、アノード側ガス拡散層の基材は、カーボンクロスのように他のカーボン製部材であってもよい。このような態様においては、延伸できる高弾性の部材を用いられることが好ましい。

本開示は、上述の実施形態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、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…製造装置
１０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１…電解質膜
１２…アノード触媒層
１３…カソード触媒層
１４…アノード側ガス拡散層
１５…カソード側ガス拡散層
２０…樹脂フレーム
２０ａ…開口部
２２…アノードガス供給口
２４…アノードガス排出口
３２…カソードガス供給口
３４…カソードガス排出口
４０…アノードセパレータ
５０…カソードセパレータ
１００…燃料電池セル
１０２…ロール
１０４…加熱炉
１０５…ローラー
２０２…ローラー
２０４…ローラー
３０２…ロール
３０４…圧着ロール
Ａ１…最大距離
Ａ２…直線
Ａｉ…矢印
Ａｎ…矢印
Ａｏ…矢印
Ｃｉ…矢印
Ｃｏ…矢印
Ｃｔ…矢印
Ｄｆ…矢印
Ｅ１…端部
Ｅ２…端部
Ｅｃ１…第一の端部
Ｅｃ２…第二の端部
Ｅｐ１…矢印
Ｅｐ２…矢印
Ｅｘ１…辺
Ｅｘ２…辺
Ｅｘ３…辺
Ｅｘ４…辺
Ｅｙ１…辺
Ｅｙ２…辺
Ｅｙ３…辺
Ｅｙ４…辺
Ｍｄ…中心
Ｐ１０６…基材
Ｐ１０８…基材
Ｐ２０６…基材
Ｐ３０６…基材
Ｐ３０８…基材
Ｐｒ…矢印

Claims

発電領域におけるアノードガスの流通方向とカソードガスの流通方向とが互いに逆向きの方向成分を含む燃料電池の製造方法であって、
長尺状のアノード側のガス拡散層の基材であって、前記基材の幅方向における両側の二つの辺が前記基材の幅方向に沿った同じ向きに凸状に湾曲する基材を準備する工程と、
前記基材における長手方向の両端が互いに離れるように前記基材を延伸させて、前記基材の幅方向について前記基材の内部の空隙率に差を設ける工程と、
前記基材のうち高い空隙率を有する第一の端部側が、燃料電池セルのうちアノードガス供給口およびカソードガス排出口を有する側となるとともに、前記基材のうち前記第一の端部側よりも低い空隙率を有する第二の端部側が、前記燃料電池セルのうちアノードガス排出口およびカソードガス供給口を有する側となるように、前記燃料電池セルを組み立てる工程と、を備え、
前記基材を準備する工程における前記基材は、前記長手方向の二つの辺のうち前記基材の幅方向の中心に向かって凸状に湾曲する辺の一端と他端とを結んだ直線の長さと、前記直線から前記凸状に湾曲する辺に含まれる一点までの最大距離との比率が、７×１０^-4から１１×１０^-4の範囲のガス拡散層の基材である、燃料電池の製造方法。