CN102484263B - 燃料电池用气体扩散层及其制造方法、膜电极组件以及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供燃料电池用气体扩散层及其制造方法、膜电极组件以及燃料电池。在本发明的燃料电池用气体扩散层中，在气体扩散层的一个主面上形成了用于使反应气体流通的反应气体流路槽，并沿着该反应气体流路槽设置了增强部件。由此，能够抑制因结合压力引起的气体扩散层的变形，从而可提高发电性能。

Description

燃料电池用气体扩散层及其制造方法、膜电极组件以及燃料电池
技术领域
本发明涉及作为燃料气体而使用纯氢气、甲醇等液体燃料或者使用从矿物燃料等改良的改良氢气等还原剂、且作为氧化剂气体而使用空气(氧气)等的燃料电池，更详细地说，涉及在该燃料电池中使用的膜电极组件所具备的气体扩散层。
背景技术
燃料电池(例如，高分子电解质形燃料电池)是通过使包括氢气的燃料气体与空气等包括氧气的氧化剂气体进行电化学反应，从而能够同时产生电和热的装置。
燃料电池一般层叠多个电池单元(cell)，且通过螺丝钉等结合部件对这些多个电池单元加压结合而构成。一个电池单元夹持一对片状的导电性的隔板而构成膜电极组件(以下，称为MEA：Membrane-Electrode-Assembly)。
MEA由高分子电解质膜和配置在该高分子电解质膜的两面的一对电极层构成。一对电极层中的一个是阳极电极，另一个是阴极电极。一对电极层由催化剂层和气体扩散层构成，该催化剂层以在碳粉末中担载了金属催化剂的碳粉末为主成分，该气体扩散层是在该催化剂层上配置的多孔材质，且具有导电性。
燃料电池一般通过在一对隔板中设置的反应气体流路槽(燃料气体流路槽或者氧化剂气体流路槽)，使燃料气体接触到阳极电极并使氧化剂气体接触到阴极电极，从而产生电化学反应，产生电和热。
在该燃料电池的领域中，为了实现更高的发电性能，从以往开始提出了各种技术。作为其中之一，具有在专利文献1(特开2007-157578号公报)中公开的技术。在该专利文献1中，公开了如下技术：由设置在气体扩散层中的第一反应气体流路槽、和设置在隔板中的第二反应气体流路槽 构成反应气体流路槽。即，在专利文献1的技术中，除了隔板之外，还在气体扩散层中设置了反应气体流路槽，并将它们组合起来构成大面积的反应气体流路槽。根据该专利文献1的技术，通过确保充分大的反应气体流路的横截面积，能够提高发电性能，且通过减少隔板的成形量，能够提高隔板的生产性。
现有技术文献 
专利文献
专利文献1：日本特开2007-157578号公报
发明内容
(发明要解决的课题)
但是，在所述专利文献1的结构中，存在因在将一对隔板安装到MEA时等情况下所施加的结合压力，气体扩散层变形的课题。即，由于气体扩散层由多孔材质部件构成，所以原本就容易因压力而变形。若在该气体扩散层中如专利文献1所示那样设置反应气体流路槽，则隔开相邻的反应气体流路槽的肋条部尤其容易变形。若该肋条部变形，则结果，反应气体流路的横截面积减小，燃料电池内部的压力损失增加。因此，不能对各个电极充分供给反应气体，不能获得充分的发电性能。
因此，本发明的目的在于解决上述课题，提供一种通过抑制由结合压力所引起的气体扩散层的变形，从而能够提高发电性能的燃料电池用气体扩散层及其制造方法、膜电极组件、以及燃料电池。
(用于解决课题的手段)
为了达到所述目的，本发明如下构成。
根据本发明的第1方式，提供一种燃料电池用气体扩散层，气体扩散层被用于燃料电池，其中，在所述气体扩散层的一个主面上形成用于使反应气体流通的反应气体流路槽，为了增强隔开相邻的所述反应气体流路槽彼此的肋条部，沿着所述反应气体流路槽的每一个而设置了增强部件。
其中，“沿着反应气体流路槽而设置了增强部件”是指，增强部件被设置成沿着反应气体流路槽的表面的至少一面。优选地，设增强部件被设置在反应气体流路槽的表面中的至少底面上。进一步优选地，设增强部件 被设置在反应气体流路槽的表面中底面和一对侧面这两者中至少与底面相邻的部分。更进一步优选地，设增强部件被设置在反应气体流路槽的表面中底面和一对侧面这两者中。
根据本发明的第2方式，提供一种如下的第1方式所述的燃料电池用气体扩散层：所述增强部件是增强用于隔开相邻的所述反应气体流路槽彼此的肋条部的部件，且沿着所述反应气体流路槽的每一个而设置所述增强部件。
根据本发明的第3方式，提供一种如下的第1或第2方式所述的燃料电池用气体扩散层：所述气体扩散层由以导电性粒子和高分子树脂为主成分的多孔材质部件构成。
其中，“以导电性粒子和高分子树脂为主成分的多孔材质部件”意味着，并不时用碳纤维作为基材，而是具有由导电性粒子和高分子树脂支撑的结构(所谓的自我支撑体结构)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的情况下，例如如后所述那样使用表面活性剂和分散溶剂。此时，在制造工艺中，通过烧结而除去表面活性剂和分散溶剂，但存在不能充分除去而使表面活性剂和分散溶剂残留在多孔材质部件中的情况。因此，意味着只要是不使用碳纤维作为基材的自我支撑体结构，则如此残留的表面活性剂和分散溶剂也可以包含在多孔材质部件中。此外，意味着，若是不使用碳纤维作为基材的自我支撑体结构，则其他材料也可以包含在多孔材质部件中。
根据本发明的第4方式，提供一种如下的第1至3方式的任一项所述的燃料电池用气体扩散层：所述增强部件是具备了多个反应气体流通用开口的薄片状部件。
根据本发明的第5方式，提供一种如下的第4方式所述的燃料电池用气体扩散层：所述增强部件是网状薄片。
根据本发明的第6方式，提供一种如下的第4或第5方式所述的燃料电池用气体扩散层：所述增强部件具有模仿了所述气体扩散层的所述主面的形状的凹凸形状，且沿着该主面设置所述增强部件。
根据本发明的第7方式，提供一种如下的第1至5方式的任一项所述的燃料电池用气体扩散层：所述增强部件仅设置在所述反应气体流路槽的 表面上。
根据本发明的第8方式，提供一种膜电极组件，包括：高分子电解质膜；夹持所述高分子电解质膜而相互对置的一对催化剂层；以及夹持所述高分子电解质膜和一对所述催化剂层而相互对置的一对气体扩散层，一对所述气体扩散层的至少一个是第1至7方式的任一项所述的燃料电池用气体扩散层。
根据本发明的第9方式，提供一种燃料电池，包括：高分子电解质膜；夹持所述高分子电解质膜而相互对置的一对催化剂层；夹持所述高分子电解质膜和一对所述催化剂层而相互对置的一对气体扩散层；以及夹持所述高分子电解质膜、一对所述催化剂层、以及所述气体扩散层而相互对置的一对隔板，一对所述气体扩散层的至少一个是第1至8方式的任一项所述的燃料电池用气体扩散层。
根据本发明的第10方式，提供一种用于燃料电池的燃料电池用气体扩散层的制造方法，包括：在具有与反应气体流路槽的形状对应的凸部的金属模、和压力机之间，配置增强部件和薄片状的多孔材质部件之后，使所述压力机朝向所述金属模移动，向所述金属模按压所述多孔材质部件和所述网状薄片，从而在所述多孔材质部件的一个主面上形成所述反应气体流路槽，并且沿着该反应气体流路槽而形成增强部件。
根据本发明的第11方式，提供一种如下的第10方式所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法：使用具有多个反应气体流通用开口的薄片状部件作为所述增强部件。
根据本发明的第12方式，提供一种如下的第10方式所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法：使用网状薄片作为所述增强部件。
根据本发明的第13方式，提供一种如下的第12方式所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法：在具有所述凸部的金属模与所述压力机之间配置所述网状薄片时，按照如下方式配置所述网状薄片，即构成所述网状薄片的各个线材相对所述凸部的延伸方向倾斜。
根据本发明的第14方式，提供一种如下的第10至12方式的任一项所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法：在具有所述凸部的金属模与所述压力机之间配置所述增强部件之前，通过在具有所述凸部的金属模、和 具有与所述凸部对应的凹部的金属模之间配置所述增强部件并进行合模，从而预先将所述增强部件形成为与具有所述凸部的金属模的形状相匹配。
根据本发明的第15方式，提供一种如下的第14方式所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法：使用热可塑性树脂作为所述增强部件的材质，以使具有所述凸部的金属模和具有所述凹部的金属模的温度上升至所述热可塑性树脂的玻璃转移点以上的温度的状态进行所述合模，从而预先将所述增强部件形成为与具有所述凸部的金属模的形状相匹配。
根据本发明的第16方式，提供一种如下的第10方式所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法：使用以如下的间隔设置了多个直线状的缝隙的片状部件作为所述增强部件，其中，所述间隔与隔开相邻的所述反应气体流路槽彼此的肋条部的配置间距相对应。
(发明效果)
根据本发明的燃料电池用气体扩散层、膜电极组件、以及燃料电池，由于具有在气体扩散层的一个主面上设置所述反应气体流路槽、且沿着该反应气体流路槽设置了增强部件的结构，所以通过抑制因结合压力引起的气体扩散层的变形，从而能够提高发电性能。由此，能够抑制气体扩撒层的流路的横截面积的降低，能够实现发电性能的提高。
附图说明
通过与关于附图的优选的实施方式相关的以下的记载，会明白本发明的这些事项和其他目的以及特征。在这些图中，
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式的燃料电池的基本结构的剖视图；
图2是表示图1的燃料电池所具备的膜电极组件的放大立体图，且是通过截面表示其中一部分的图；
图3是图1的燃料电池所具备的气体扩散层的放大剖视图；
图4是示意性地表示本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例的剖视图；
图5A是示意性地表示在图1的燃料电池所具备的气体扩散层的主面设置网状薄片的方法的剖视图；
图5B是表示图5A之后的工艺的剖视图；
图5C是表示图5B之后的工艺的剖视图；
图5D是表示图5C之后的工艺的剖视图；
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池所具备的气体扩散层的放大剖视图；
图7是表示本发明的第三实施方式的燃料电池所具备的膜电极组件的放大立体图，且是通过截面表示其中一部分的图。
图8A是示意性地表示在图7的燃料电池所具备的气体扩散层的主面设置网状薄片的方法的剖视图；
图8B是表示图8A之后的工艺的剖视图；
图9是本发明的第四实施方式的燃料电池所具备的气体扩散层的放大剖视图；
图10A是示意性地表示在图9的燃料电池所具备的气体扩散层的主面设置网状薄片的方法的剖视图；以及
图10B是表示图10A之后的工艺的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，对附图中相同或者相当的部分赋予相同的符号，并省略重复的说明。
《第一实施方式》
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式的燃料电池的基本结构的剖视图。本第一实施方式的燃料电池是高分子电解质型燃料电池，其通过使包括氢气的燃料气体和空气等包括氧气的氧化剂气体进行电化学反应，从而同时产生电和热。
如图1所示，本第一实施方式的燃料电池包括电池单元(单电池)1，该电池单元1具有：膜电极组件10(以下，称为MEA：Membrane-Electrode-Assembly)；以及配置在MEA10的两个面上的一对板状的导电性隔板20、20。一对隔板20、20中的一个是阳极隔板，另一个是阴极隔板。另外，本第一实施方式的燃料电池也可以通过层叠多个该电池单元1而构成。此时，为了燃料气体和氧化剂气体不会泄漏且减少接 触电阻，优选相互层叠的电池单元1通过螺丝等结合部件(未图示)以规定的结合压力被加压结合。
MEA10包括：高分子电解质膜11，选择性地输送氢离子；以及一对电极层12、12，形成在该高分子电解质膜11的两面上。一对电极层12、12中的一个是阳极电极，另一个是阴极电极。电极层12具有：催化剂层13，形成在高分子电解质膜11的一个面上，且包括担载了电极催化剂的导电性粒子和具有氢离子传导性的高分子电解质的混合物而构成；以及气体扩散层14，形成在该催化剂层13上，同时具有集电作用、气体透过性和防水性。
在气体扩散层14中，在与隔板20相邻的主面上设置了反应气体流路槽21。阳极侧的气体扩散层14的反应气体流路槽21是燃料气体流路槽，阴极侧的气体扩散层14的反应气体流路槽21是氧化剂气体流路槽。通过燃料气体流路槽对阳极侧的电极层12供给燃料气体，并且通过氧化剂气体流路槽对阴极侧的电极层12供给氧化剂气体，从而产生电化学反应，产生电和热。
此外，如图2和图3所示，在气体扩散层14中，沿着隔板20侧的主面设置了作为增强部件的一例的网状薄片15。通过该网状薄片15，相邻的反应气体流路槽21、21之间的肋条部22被增强为不会因组装电池单元1时等情况下施加的结合压力而变形。另外，增强部件只要设置成沿着反应气体流路槽21的表面的至少一部分即可。优选地，设增强部件被设置在反应气体流路槽21的表面中的至少底面上。进一步优选地，设增强部件被设置在反应气体流路槽21的表面中底面和一对侧面这两者中至少与底面相接的部分。再进一步优选地，设增强部件被设置在反应气体流路槽21的表面中底面和一对侧面这两者中。
另外，如图4所示，也可以在隔板20的、与反应气体流路槽21对应的位置上，设置反应气体流路槽23。即，也可以组合反应气体流路槽21和反应气体流路槽23来构成大面积的反应气体流路槽。
在隔板20和高分子电解质膜11之间，配置环状的垫圈16，该垫圈16覆盖催化剂层13和气体扩散层14的侧面。通过该垫圈16，防止了反应气体向外部泄露、以及与其他的反应气体混合的情况等。
接着，进一步详细说明高分子电解质膜11、催化剂层13、气体扩散层14、网状薄片15、垫圈16、隔板20的结构、材质以及制造方法等。
首先，说明高分子电解质膜11。
高分子电解质膜11具有相对于氢离子的离子交换基团，使氢离子沿着膜厚方向选择性地透过的膜。作为高分子电解质膜11，能够使用以往公知的膜。例如，作为高分子电解质膜11，能够使用由全氟代烃磺酸构成的高分子电解质膜，该全氟代烃磺酸具有由-CF2-构成的主链和作为末端的官能团而包括磺酸基(-SO3H)的侧链。具体地说，作为高分子电解质膜11，例如能够使用以美国DuPont公司制造的Nafion(注册商标)、旭硝子(株式会社)制造的Flemion(注册商标)、旭化成(株式会社)制造的Aciplex(注册商标)等商品名销售的高分子电解质膜。另外，高分子电解质膜11的膜厚例如为20～200μm。
接着，说明催化剂层13。
催化剂层13构成为包括担载了电极催化剂的导电性粒子和具有氢离子传导性的高分子电解质的混合物。
构成催化剂层13的电极催化剂并没有特别限定，能够使用包括贵金属在内的各种金属粒子。作为该金属粒子的材质，例如能够使用从由白金、金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铬、铁、钛、锰、钴、镍、钼、钨、铝、硅、锌以及锡构成的组中选择的一种以上的金属。在这些金属中，优选使用白金作为电极催化剂。此外，也可以使用白金和白金以外的白金属的金属的合金、即白金合金，作为电极催化剂。此时，尤其优选地，使用白金和钌的合金，作为构成阳极侧的催化剂层13的电极催化剂。由此，能够使阳极侧的催化剂层13的活性稳定。
此外，优选所述金属粒子的平均粒子直径为1～30nm。若所述金属粒子的平均粒子直径为1nm以上，则在工业上能够容易进行调制。另一方面，若所述金属粒子的平均粒子直径为30nm以下，则能够充分获得电极催化剂的单位质量的活性，能够抑制燃料电池的成本上升。
作为构成催化剂层13的导电性粒子，例如能够使用碳粉末(导电性碳粒子)。优选该碳粉末的比表面积为50～1500m2/g。若碳粉末的比表面积为50m2/g以上，则比较容易提高电极催化剂的担载率，能够更可靠 地获得催化剂层13所需的输出特性。另一方面，若碳粉末的比表面积为1500m2/g以下，则细孔不会变得过于微细，更容易被所述高分子电解质覆盖。由此，能够更可靠地获得催化剂层13所需的输出特性。另外，进一步优选碳粉末的比表面积为200～900m2/g。
作为构成催化剂层13的高分子电解质，优选作为阳离子交换基团而具有磺酸基、羧酸基、磷酸基、以及磺酰亚胺基。另外，从氢离子导电性的观点出发，尤其优选在这些交换基中具有磺酸基的高分子电解质。优选地，具有该磺酸基的高分子电解质的离子交换容量例如为0.5～1.5meq/g。若所述离子交换容量为0.5meq/g以上，则能够更可靠地抑制催化剂层13的电阻值在发电时上升的情况。另一方面，若所述离子交换容量为1.5meq/g以下，则通过降低催化剂层13的含水率而抑制膨胀(swelling)，且能够更可靠地防止溢流(flooding)，而不会使细孔堵塞。另外，进一步优选所述离子交换容量为0.8～1.2meq/g。
此外，优选地，构成催化剂层13的高分子电解质是包括基于由CF2＝CF-(OCF2CFX)m-Op-(CF2)n-SO3H(m表示0～3的整数，n表示1～12的整数，p表示0或者1，X表示氟原子或者三氟甲基)表示的全氟代乙烯基化合物的聚合单位和基于四氟乙烯的聚合单位的共聚物。
作为所述全氟代乙烯化合物的优选的例子，举出由下述式(1)～(3)所示的化合物。其中，在下述式中，q表示1～8的整数、r表示1～8的整数、t表示1～3的整数。
CF2＝CFO(CF2)q-SO3H…(1)
CF2＝CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r-SO3H…(2)
CF2＝CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2-SO3H…(3)
另外，所述高分子电解质也可以被用作高分子电解质膜1的构成材料。
催化剂层13能够使用催化剂层形成用墨而形成，该催化剂层形成用墨至少包括担载了所述电极催化剂的导电性粒子、所述高分子电解质、以及分散介质。作为为了调制所述催化剂层形成用墨而使用的分散介质，优选使用包括可溶解或者可分散所述高分子电解质(包括溶解一部分高分子电解质、其他的一部分不溶解而被分散的状态)的醇类液体。优选所述分 散介质包括水、甲醇、丙醇、n-丁醇、异丁醇、仲丁醇、以及叔丁醇中的至少一种。这些水和醇类可以单独使用，也可以混合2种以上。作为所述醇类，进一步优选在分子内具有一个OH基的直链结构，其中尤其优选乙醇。此外，在所述醇类中，包括乙二醇一甲醚等具有醚键的醇类。
此外，优选在所述催化剂层形成用墨的组成中，固体浓度为0.1～20质量％。若所述固体浓度为0.1质量％以上，则在通过喷雾或者涂抹所述催化剂层形成用墨而形成催化剂层13时，即使不用多次重复喷雾或者涂抹，也能够获得期望厚度的催化剂层13。由此，能够抑制生产效率的降低。另一方面，若所述固体浓度为20质量％以下，则所述催化剂层形成墨的粘度不会过高，能够使催化剂层13的厚度大致均匀。另外，进一步优选所述固体浓度为1～10质量％。
能够基于以往公知的方法调制所述催化剂层形成用墨。例如，能够利用高速搅拌器、匀浆机(homomixer)等使用搅拌机的方法、或高速旋转喷射流方式等使用高速旋转的方法，来调整所述催化剂层形成用墨。此外，也可以利用高压乳化装置等的通过施加高压而从狭窄的部分挤压分散液来对分散液赋予剪力的方法，调整所述催化剂层形成用墨。
作为使用所述催化剂层形成用墨而形成催化剂层13的方法，例如能够使用棒涂布法、喷射法等的以往公知的方法。即，也可以在高分子电解质膜11或者气体扩散层14上直接形成催化剂层13。或者，也可以在其他的支撑体片上形成催化剂层13，并将它们转印到高分子电解质膜11或者气体扩散层14上。
接着，说明气体扩散层14。
气体扩散层14由具有气体透过性和导电性的多孔材质部件构成。作为该多孔材质部件，例如能够使用复写纸、织布、或者碳毡等的以碳纤维为基材的以往公知的多孔材质部件。在该多孔材质部件中，也可以在与催化剂层接触的面上设置以往公知的防水性导电层(包括碳层、防水材料和导电性碳粒子的层)。
此外，作为气体扩散层14，还能够使用以导电性粒子和高分子树脂为主成分的片状且橡胶状的多孔材质部件。与以上述碳纤维为基材的多孔材质部件相比，具有这样的结构的多孔材质部件具有反应气体流路槽的形 成容易的优点。另一方面，具有这样的结构的多孔材质部件具有容易因组装电池单元1时等情况下施加的结合压力而变形的特点。
作为所述导电性粒子的材料，例如举出石墨、碳黑、活性碳等碳材料。作为该碳黑，可以列举乙炔碳黑(AB)、炉黑、科琴黑(Ketjen Black)、Vulcan碳黑等。另外，从杂质含量少、电传导性高的观点出发，在其中作为碳黑的主成分而优选使用乙炔碳黑。此外，作为石墨的主成分，可以列举天然石墨、人造石墨。另外，从杂质少的观点出发，在其中作为石墨的主成分而优选使用人造石墨。
作为所述高分子树脂，可以列举PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、ETFE(四氟乙烯·乙烯共聚物)、PCTFE(聚三氟氯乙烯)、PFA(四氟乙烯和全氟烷基乙烯基醚共聚物)等。从耐热性、防水性、耐化学腐蚀性的观点出发，在其中作为所述高分子树脂而优选使用PTFE。作为PTFE的原料方式，可以列举分散(dispersion)、粉末状等。从作业性的观点出发，在其中作为PTFE的原料方式而优选采用分散较好。
此外，在气体扩散层14中，除了导电性粒子和高分子树脂以外，还可以包括微量的在制造气体扩散层14时使用的表面活性剂和分散溶剂等。作为所述分散溶剂，例如可以列举水、甲醇、乙醇等醇类以及乙二醇等二醇类。作为所述表面活性剂，例如可以列举聚氧乙烯烷基醚等非离子体系、烷基氧化胺等两性离子体系。在制造时使用的分散溶剂的量和表面活性剂的量只要根据导电性粒子的种类、高分子树脂的种类、以及它们的混合比率等而适当地设定即可。另外，一般来说，分散溶剂的量和表面活性剂的量越多，导电性粒子和高分子树脂越容易均匀地分散，但另一方面存在流动性变高、难以进行气体扩散层的薄片化的倾向。
此外，在气体扩散层14中，也可以包括比在其中包含的高分子树脂还要少重量的碳纤维。由于碳纤维具有增强效果，所以通过提高碳纤维的混合比率，能够制造出强度高的气体扩散层。在制造薄的气体扩散层时，使气体扩散层14含有碳纤维是特别有效的。作为所述碳纤维，例如可以使用气相生长法碳纤维(以下，称为VGCF)、碾磨纤维、截断纤维(Cut Fiber)、劈断纤维(chopped fiber)等。所述碾磨纤维、截断纤维或者劈 断纤维的原料也可以是PAN系、沥青系、人造系中的任一个。此外，优选地，所述各个纤维使通过对原料(长纤维细丝或者短纤维原料)进行切断、裁断而制造出的短纤维束分散之后进行使用。
此外，在气体扩散层14中，在与隔板20相邻的主面上设置了反应气体流路槽21。反应气体流路槽21例如能够由从上游侧向下游侧蜿蜒的同时延伸的蛇形状的流路槽构成。作为蛇形状的流路槽，已知如下的两种类型：由具有一根蜿蜒的形状的槽构成的类型；以及排列多根具有该一根蜿蜒的形状的槽的类型。构成蛇形状的流路槽的各个槽既可以以等间隔形成，也可以以不同的间隔形成。
接着，说明网状薄片15。
网状薄片15是具有多个反应气体流通用开口的薄片。若是在可通过网状薄片15而充分获得气体扩散层14的增强效果的范围内，则网状薄片整体中的该反应气体流通用开口的面积比例越大，气体扩散层的气体扩散性越不会被阻碍，所以是优选的。另外，这里，作为增强部件而使用了网状薄片15，但并不限定于此。例如，增强部件只要具有向其厚度方向贯通的多个反应气体流通用开口即可。例如，也可以作为增强部件而使用冲孔薄片。
作为网状薄片15的材质，为了使其具有增强效果而优选使用金属或者树脂等具有强度的材质。在作为网状薄片15的材质而使用了树脂的情况下，具有容易沿着反应气体流路槽21而成型的优点。此外，作为网状薄片15的材质，为了不提高接触电阻，优选具有导电性的材质。此外，作为网状薄片15的材质，优选使用在高温、高湿以及高电位的环境下难以恶化的、例如钛、铜、不锈钢等材质。此外，作为网状薄片15的材质，优选使用在燃料电池的工作温度区域内难以软化且在其他的温度区域内会软化或者硬化的材质。此时，在形成流路结构时比较方便。
接着，说明将网状薄片15设置在与隔板20相邻的主面上的气体扩散层14的制造方法的一例。这里，说明由以导电性粒子和高分子树脂为主成分的多孔材质部件构成的气体扩散层14。
首先，在搅拌/混合机中混合导电性粒子、高分子树脂、分散溶剂以及表面活性剂。
接着，将获得的混合物挤压成型，并通过压力机辊轧而形成薄片状。
接着，对形成为薄片状的混合物进行烧结，从该混合物中除去表面活性剂和分散溶剂。
接着，调整压力机的辊轧力和间隙之后再次辊轧所述混合物，调整该混合物的多孔度和厚度。
由此，制造出期望厚度的薄片状的气体扩散层14。另外，在这个阶段，在气体扩散层14中没有形成燃料气体流路槽21。
另一方面，如图5A所示，在所述薄片状的气体扩散层14的制造前或者制造后，在由第一金属模31和第二金属模32构成的一组金属模之间配置了平面状的网状薄片15的状态下，对第一金属模31和第二金属模32进行合模。第一金属模31具有与反应气体流路槽21对应的凸部31a。第二金属模32具有与第一金属模31的凸部31a对应的凹部32a。由此，如图5B所示，网状薄片15成型为凹凸形状。该凹凸形状模仿设置了反应气体流路槽21的气体扩撒层14的隔板20侧的主面的形状。
接着，如图5C所示，在被第一金属模31支撑的网状薄片15的上方配置压力机33，且在网状薄片15和压力机33之间配置所述薄片状的气体扩散层14。
接着，通过压力机33，向被第一金属模31支撑的网状薄片15按压(压缩)所述薄片状的气体扩散层14。由此，如图5D所示，在气体扩散层14的主面上形成反应气体流路槽21且转印网状薄片15。
通过如上所述的方式，能够制造将网状薄片15设置在与隔板20相邻的主面上的气体扩散层14。
接着，说明垫圈16。
垫圈16配置在隔板20与高分子电解质膜11之间，以便覆盖催化剂层13和气体扩散层14的侧面。另外，优选垫圈16的一部分浸渍到气体扩散层14的周边部。由此，能够提高发电耐久性和强度。此外，也可以代替垫圈16，在一对隔板20、20之间配置环状的垫圈，以便覆盖高分子电解质膜11、催化剂层13以及气体扩散层14的侧面。由此，能够抑制高分子电解质膜11的恶化，提高MEA10的操作性、批量生产时的作业性。
作为垫圈16的材质，能够使用一般的热可塑性树脂或者热固化性树脂等。例如，作为垫圈16的材质，能够使用硅树脂、环氧树脂、密胺树脂、聚氨酯系树脂、聚酰亚胺系树脂、丙烯酸树脂、ABS树脂、聚丙烯、液晶聚合物、聚苯硫醚树脂、聚砜、玻璃纤维强化树脂等。
接着，说明隔板20。
隔板20通过以机械方式固定MEA10而构成电池单元1。在层叠多个电池单元1而构成燃料电池的情况下，隔板20相互电串联连接相邻的MEA10、10彼此。
作为隔板20，能够使用以往公知的材料。例如，通过金属、或者压缩碳而无法使气体透过的气体不透过碳，能够形成隔板20。
另外，在隔板20中，也可以在与MEA10对置的面的相反侧的面上，安装例如由对铜施加了镀金的金属板构成的集电板(未图示)。由此，能够更可靠地进行来自隔板20的集电。
此外，在隔板20中，也可以在与MEA10对置的面的相反侧的面上，设置冷却水等所经过的冷却水流路槽(未图示)。由此，在层叠多个电池单元1而构成了燃料电池的情况下，能够控制各个电池单元1的温度。冷却水流路槽例如也可以与上述的反应气体流路槽21相同地，由从上游侧向下游侧蜿蜒的同时延伸的蛇形状的流路槽构成。此外，冷却水流路槽也可以由大致平行的多个直线状的槽构成。此时，各个槽一般以等间隔形成。
以上，根据本发明的第1实施方式的燃料电池，由于在气体扩散层14的主面上设置了网状薄片15，所以能够抑制因在将一对隔板20、20安装到MEA10时等情况下施加的结合压力而使肋条部22变形的情况。由此，能够抑制因肋条部22的变形而导致反应气体流路槽21的横截面积缩小的情况，且能够抑制燃料电池内部的压力损失增加的情况。即，能够向一对电极层12、12充分供给反应气体，且能够提高发电性能。
此外，根据本发明的第一实施方式，由于作为增强部件而使用网状薄片15，所以能够抑制因该网状薄片15而导致气体扩散性被阻碍的情况，从而能够获得充分的发电性能。
《第二实施方式》
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池所具备的气体扩散层的放大剖视图。本第二实施方式的燃料电池与所述第一实施方式的燃料电池的不同点在于，网状薄片15被设置成嵌入到气体扩散层14的肋条部22的内部。
在具有这样的结构的本第二实施方式的燃料电池中，也能够通过网状薄片15抑制肋条部22的变形，能够获得与所述第一实施方式相同的效果。
另外，若网状薄片15过度地嵌入到气体扩散层14的肋条部22的内部，则存在不能抑制肋条部22的变形的可能性。因此，例如，优选作为网状薄片15的材质而使用热可塑性树脂，以使第一金属模31和第二金属模32的温度上升至所述树脂的玻璃转移点的状态，进行网状薄片15的成型。由于这样成型的网状薄片15善于延伸，所以能够形成为只嵌入到接近肋条部22的表面的部分。
《第三实施方式》
图7是本发明的第三实施方式的燃料电池所具备的MEA的放大立体图，且是通过截面表示其中一部分的图。本第三实施方式的燃料电池与所述第一实施方式的燃料电池的不同点在于，构成网状薄片15的各个线材配置成相对于反应气体流路槽21(第一金属模31的凸部31a)的延伸方向倾斜。
在这样构成的情况下，如图5C所示那样在使用压力机33而在气体扩散层14的主面上设置网状薄片15时，网状薄片15的网眼朝向与反应气体流路槽21的延伸方向垂直的方向延伸。由此，能够在更接近肋条部22的表面的部分形成网状薄片15。此外，无需像所述第一实施方式那样将网状薄片15预先成型为凹凸形状。即，如图8A所示，在第一金属模31和压力机33之间配置了所述薄片状的气体扩散层14和平面状的网状薄片15的状态下，通过压力机33，向第一金属模31按压(压缩)所述片状的气体扩散层14和网状薄片15。由此，如图8B所示，在气体扩散层14的主面上能够形成反应气体流路漕21且转印网状薄片15。
另外，即使在作为网状薄片15的材质而使用热可塑性树脂，且以使第一金属模31和第二金属模32的温度上升至所述树脂的玻璃转移点以上 的温度的状态进行了网状薄片15的成型的情况下，也因为构成网状薄片15的各个线材伸长，所以网状薄片15的网眼朝向与反应气体流路槽21的延伸方向垂直的方向延伸。因此，此时，也无需像所述第一实施方式那样将网状薄片15预先成型为凹凸形状。
《第四实施方式》
图9是本发明的第四实施方式的燃料电池所具备的气体扩散层的放大剖视图。本第四实施方式的燃料电池与所述第一实施方式的燃料电池的不同点在于，在肋条部22的上部的一部分或者全部中没有设置网状薄片15。换言之，在本第四实施方式的燃料电池中，有意地除去了位于肋条部22的上面的网状薄片15的一部分或者全部。
根据具有这样的结构的本第四实施方式的燃料电池，进一步抑制因网状薄片15而导致气体扩散性被阻碍的情况，从而能够获得充分的发电性能。此外，由于在肋条部22的上部的一部分或者全部中没有设置网状薄片15，所以即使是在网状薄片15由非导电性部件构成的情况下，也能够抑制因该网状薄片15而导致电传导被阻碍的情况，能够获得充分的发电性能。
本第四实施方式的附带网状薄片15的气体扩散层14例如能够通过如下方式制造。
首先，与所述第一实施方式相同地制造所述薄片状的气体扩散层14，且在平面状的网状薄片15中以与肋条部22的配置间距对应的间隔形成多个直线状的缝隙15a。
接着，如图10A所示，在第一金属模31和压力机33之间配置所述薄片状的气体扩散层14和平面状的网状薄片15。此时，网状薄片15配置成各个缝隙15a分别位于对应的肋条部22的中央部。
接着，通过压力机33，向第一金属模按压(压缩)所述薄片状的气体扩散层14和网状薄片15。由此，在相邻的缝隙15a、15a之间存在的网状薄片15被引入到反应气体流路槽21中，形成图10B所示的附带网状薄片15的气体扩散层14。
另外，本发明并不限定于所述实施方式，能够以其他的各种方式实施。
另外，通过适当地组合所述各种实施方式中的任意实施方式，也能够起到各自所具有的效果。
(产业上的可利用性)
由于本发明的燃料电池用气体扩散层及其制造方法、膜电极组件、以及燃料电池能够通过抑制因结合压力引起的气体扩散层的变形来提高发电性能，所以例如对被用作汽车等移动体、分散发电***、家庭用的利用废能发电的***等的驱动源的燃料电池很有用。
本发明参照附图的同时充分记载了关于优选的实施方式，但本领域的技术人员应了解各种变形和修正。只要不脱离基于所附的权利要求的本发明的范围，这样的变形和修正应理解为包含在本发明的范围中。
将2009年9月3日申请的日本专利申请第2009-203432号的说明书、附图以及权利要求的公开内容作为整体来参考并引入到本说明书中。

Claims (15)

1.一种燃料电池用气体扩散层，气体扩散层被用于燃料电池，其中，
在所述气体扩散层的一个主面上形成用于使反应气体流通的反应气体流路槽，沿着该反应气体流路槽设置增强部件，
所述气体扩散层由以导电性粒子和高分子树脂为主成分的多孔材质部件构成，该多孔材质部件是通过压力机对包括导电性粒子和高分子树脂的混合物进行辊轧而形成薄片状，并对形成为该薄片状的混合物进行烧结而获得的。
2.如权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层，其中，
所述增强部件是金属制的网状薄片。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池用气体扩散层，其中，
所述增强部件是增强隔开相邻的所述反应气体流路槽彼此的肋条部的部件，沿着所述反应气体流路槽的每一个设置所述增强部件。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池用气体扩散层，其中，
所述增强部件是具备了多个反应气体流通用开口的薄片状部件。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池用气体扩散层，其中，
所述增强部件具有模仿了所述气体扩散层的所述主面的形状的凹凸形状，且沿着该主面设置所述增强部件。
6.如权利要求1或2所述的燃料电池用气体扩散层，其中，
所述增强部件仅设置在所述反应气体流路槽的表面上。
7.一种膜电极组件，包括：
高分子电解质膜；
夹持所述高分子电解质膜而相互对置的一对催化剂层；以及
夹持所述高分子电解质膜和一对所述催化剂层而相互对置的一对气体扩散层，
一对所述气体扩散层的至少一个是权利要求1或2所述的燃料电池用气体扩散层。
8.一种燃料电池，包括：
高分子电解质膜；
夹持所述高分子电解质膜而相互对置的一对催化剂层；
夹持所述高分子电解质膜和一对所述催化剂层而相互对置的一对气体扩散层；以及
夹持所述高分子电解质膜、一对所述催化剂层、以及所述气体扩散层而相互对置的一对隔板，
一对所述气体扩散层的至少一个是权利要求1或2所述的燃料电池用气体扩散层。
9.一种燃料电池用气体扩散层的制造方法，气体扩散层被用于燃料电池，该燃料电池用气体扩散层的制造方法包括以下工序：
准备以导电性粒子和高分子树脂为主成分的多孔材质部件，该多孔材质部件是通过压力机对包括导电性粒子和高分子树脂的混合物进行辊轧而形成薄片状，并对形成为该薄片状的混合物进行烧结而获得的，
在具有与反应气体流路槽的形状对应的凸部的金属模、和压力机之间，配置增强部件和所述多孔材质部件之后，使所述压力机朝向所述金属模移动，向所述金属模按压所述多孔材质部件和所述增强部件，从而在所述多孔材质部件的一个主面上形成所述反应气体流路槽，并且沿着该反应气体流路槽而形成增强部件。
10.如权利要求9所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其中，
使用金属制的网状薄片作为所述增强部件。
11.如权利要求9或10所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其中，
使用具备多个反应气体流通用开口的薄片状部件作为所述增强部件。
12.如权利要求10所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其中，
在具有所述凸部的金属模与所述压力机之间配置所述网状薄片时，按照如下方式配置所述网状薄片：构成所述网状薄片的各个线材相对所述凸部的延伸方向倾斜。
13.如权利要求9所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其中，
在具有所述凸部的金属模与所述压力机之间配置所述增强部件之前，通过在具有所述凸部的金属模、和具有与所述凸部对应的凹部的金属模之间配置所述增强部件并进行合模，从而预先将所述增强部件形成为与具有所述凸部的金属模的形状相匹配。
14.如权利要求13所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其中，
使用热可塑性树脂作为所述增强部件的材质，以使具有所述凸部的金属模和具有所述凹部的金属模的温度上升至所述热可塑性树脂的玻璃转移点以上的温度的状态进行所述合模，从而预先将所述增强部件形成为与具有所述凸部的金属模的形状相匹配。
15.如权利要求9所述的燃料电池用气体扩散层的制造方法，其中，
使用以如下的间隔设置了多个直线状的缝隙的片状部件作为所述增强部件，其中，所述间隔与隔开相邻的所述反应气体流路槽彼此的肋条部的配置间距相对应。
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