(57)【要約】【課題】ＭＥＡの電極触媒層とガス拡散層とのズレを燃料電池の運転時においても抑制する。【解決手段】電解質膜２０の両膜面にアノード２１とカソード２２の両電極触媒層を接合済みのＭＥＡを挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とにおいて、アノード２１、カソード２２に接合するアノード側ＭＰＬ層２３ａとカソード側ＭＰＬ層２４ａの表面粗さは、ＭＥＡの電極触媒層との接合面における摩擦力を規定する。よって、ＭＰＬ層の表面粗さを、アノード側摩擦力Ｆａｎｆとカソード側摩擦力Ｆｃａｆが燃料電池１０の発電運転の過程に電解質膜２０に起きる膨潤に伴い発生する膨潤力Ｆｍｅａに勝るよう、調整されている。【選択図】図３
2014099344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合済みの膜電極接合体と、
該膜電極接合体を挟持して、前記膜電極接合体に面圧を及ぼすガス拡散層とを備え、
該ガス拡散層は、前記膜電極接合体の前記電極触媒層との接合面における前記ガス拡散層と前記電極触媒層との摩擦力を規定する前記接合面の表面粗さを、前記面圧が大きくなるほど前記表面粗さが小さくなるように前記面圧に応じて定められた所定範囲の表面粗さとして備える
燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層は、前記接合面の表面粗さを、前記面圧が前記膜電極接合体の圧縮変形を来さない実用範囲の面圧である場合に、４００ｎｍ以下の大きさで備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、前記接合面の表面粗さを、前記面圧が前記膜電極接合体の圧縮変形を来さない実用範囲の面圧である場合に、２５０ｎｍ以上の大きさで備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
燃料電池の製造方法であって、
電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合済みの膜電極接合体と一対の前記ガス拡散層とを準備する工程（１）と、
該準備した前記膜電極接合体を前記一対の前記ガス拡散層で挟持した上で、前記ガス拡散層の側から面圧を及ぼして、保持する工程（２）とを備え、
前記工程（１）では、
前記膜電極接合体の前記電極触媒層と前記ガス拡散層との接合面における前記ガス拡散層と前記電極触媒層との摩擦力を規定する前記ガス拡散層の前記接合面の表面粗さを、前記面圧が大きくなるほど前記表面粗さが小さくなるように前記面圧に応じて所定範囲に調整する
燃料電池の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（１）では、
多孔質で導電性のガス透過層形成用のスラリーを、有機溶媒に導電性粒子を配合して調合し、該調合したスラリーを前記ガス拡散層となるガス拡散透過性の基材の前記接合面に塗布して、前記基材にガス透過層を形成し、
該形成した前記ガス透過層の表面粗さを前記接合面の表面粗さとし、
前記スラリーの調合に際して、前記配合する導電性粒子の粒径を小さくなるほど前記ガス透過層の表面粗さが小さくなるように、前記ガス透過層の表面粗さを前記粒径に基づいて調整する
燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）は、電解質膜の両膜面に、電気化学反応を促進させるための触媒を担持させたアノードおよびカソードの電極触媒層を接合させている。そして、ＭＥＡの製造に際しては、電解質膜と電極触媒層との間における摩擦係数を、電極触媒層の形成済み基板と当該基板をプレスするプレス板との間における摩擦係数より大きくして、電解質膜に電極触媒層を接合することで、電解質膜に対する電極触媒層の位置ズレを抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２３３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＡのアノードおよびカソードの両電極触媒層へのガス供給は、ＭＥＡを挟持するガス拡散層によるガスの拡散透過によってなされる。このため、ガス供給の安定化には、ＭＥＡの電極触媒層とガス拡散層との間においてもズレを抑制することが望ましい。通常、燃料電池は、ＭＥＡをガス拡散層で挟持した状態で押圧し、この押圧力により、ガス拡散層のズレをある程度、抑制する。ところが、燃料電池の発電運転の過程では、ＭＥＡの電解質膜は、発電に伴って発生する生成水やガス中に含まれる水蒸気成分により湿潤され、膨潤する。この電解質膜の膨潤は、電解質膜を含むＭＥＡに伸張を起こし、膨潤に伴う力は、ＭＥＡに対するガス拡散層のズレ方向に作用し得る。上記した手法は、ＭＥＡの製造時における電解質膜と電極触媒層との間のズレを抑制するとはいえ、ＭＥＡをガス拡散層で挟持した形態で発電運転を行っている間のガス拡散層のズレに対して特段の対処ができないのが実情である。こうしたことから、燃料電池の運転時にあっても、ＭＥＡの電極触媒層とガス拡散層とのズレの抑制が要請されるに到った。また、燃料電池を複雑な工程を招くことなく簡便に製造することや、コストアップを招かないことも要請されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
【０００６】
（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、電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合済みの膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持して、前記膜電極接合体に面圧を及ぼすガス拡散層とを備え、該ガス拡散層は、前記膜電極接合体の前記電極触媒層との接合面における前記ガス拡散層と前記電極触媒層との摩擦力を規定する前記接合面の表面粗さを、前記面圧が大きくなるほど前記表面粗さが小さくなるように前記面圧に応じて定められた所定範囲の表面粗さとして備える。本発明の上記形態の燃料電池によれば、面圧に応じて調整済みの接合面の表面粗さを、接合面におけるガス拡散層と電極触媒層との摩擦力が燃料電池の発電運転の過程において電解質膜に起きる膨潤に伴い発生する膨潤力に勝るようにできるので、膜電極接合体に対するガス拡散層のズレを燃料電池の発電運転の過程において抑制でき、発電性能の維持もしくは向上が可能となる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記ガス拡散層は、前記接合面の表面粗さを、前記面圧が前記膜電極接合体の圧縮変形を来さない実用範囲の面圧である場合に、４００ｎｍ以下の大きさで備えるようにできる。こうすれば、過度に大きい表面粗さとしないようにできるので、接合面における膜電極接合体の電極触媒層の損傷を抑制した上で、膜電極接合体に対するガス拡散層のズレについても、これを燃料電池の発電運転の過程において抑制できる。よって、実用性が高まる。
【０００８】
（３）上記したいずれかの形態の燃料電池において前記ガス拡散層は、前記接合面の表面粗さを、前記面圧が前記膜電極接合体の圧縮変形を来さない実用範囲の面圧である場合に、２５０ｎｍ以上の大きさで備えるようにできる。こうすれば、過度に小さい表面粗さとしないようにできるので、上記した効果に加え、表面粗さ調整が簡便となる。また、表面粗さが過度に小さくない故に膜電極接合体の電極触媒層へのガスの拡散供給が促進されるので、電気化学反応の活性が低下する低温度領域においても、発電性能の維持もしくは向上が可能となる。
【０００９】
（４）本発明の他の形態によれば、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、電解質膜の両膜面に電極触媒層を接合済みの膜電極接合体と一対の前記ガス拡散層とを準備する工程（１）と、該準備した前記膜電極接合体を前記一対の前記ガス拡散層で挟持した上で、前記ガス拡散層の側から面圧を及ぼして、保持する工程（２）とを備える。そして、前記工程（１）では、前記膜電極接合体の前記電極触媒層と前記ガス拡散層との接合面における前記ガス拡散層と前記電極触媒層との摩擦力を規定する前記ガス拡散層の前記接合面の表面粗さを、前記面圧が大きくなるほど前記表面粗さが小さくなるように前記面圧に応じて所定範囲に調整する。本発明の上記形態の燃料電池の製造方法によれば、面圧に応じて調整済みの接合面の表面粗さを、接合面におけるガス拡散層と電極触媒層との摩擦力が燃料電池の発電運転の過程において電解質膜に起きる膨潤力に勝るようにできることから、膜電極接合体に対するガス拡散層のズレを燃料電池の発電運転の過程において抑制できる燃料電池を提供できる。
【００１０】
（５）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（１）では、多孔質で導電性のガス透過層形成用のスラリーを、有機溶媒に導電性粒子を配合して調合し、該調合したスラリーを前記ガス拡散層となるガス拡散透過性の基材の前記接合面に塗布して、前記基材にガス透過層を形成し、該形成した前記ガス透過層の表面粗さを前記接合面の表面粗さとし、前記スラリーの調合に際して、前記配合する導電性粒子の粒径を小さくなるほど前記ガス透過層の表面粗さが小さくなるように、前記ガス透過層の表面粗さを前記粒径に基づいて調整する。こうすれば、スラリーの調合に際しての導電性粒子の粒径の調整を経てガス透過層の表面粗さを調整できるので、簡便である。また、導電性粒子の粒径調整という常套的で且つ簡単な手法で、ガス透過層の表面粗さ調整、延いては、燃料電池の発電運転の過程における膜電極接合体に対するガス拡散層のズレを簡便に抑制でき、コスト的にも有益となる。
【００１１】
本発明は、ガス拡散層で挟持済みの膜電極接合体やその製造方法、或いは、燃料電池を搭載した車両、燃料電池にて電力を得る燃料電池システムや発電システムとしても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。
【図２】燃料電池１０の製造手順を示す説明図である。
【図３】ＭＰＬ層の表面粗さを規定する上で想定したＭＥＧＡにおける力の関係を示す説明図である。
【図４】ＭＥＡに作用する面圧とＭＥＡとガス拡散層の間で生じる摩擦力との関係を示すグラフである。
【図５】ＭＥＧＡを構成するガス拡散層の表面粗さと静摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図６】ＭＥＧＡを構成するガス拡散層の表面粗さとガス拡散抵抗との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は実施例の燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１０は、図１に示す構成の単セル１５を対向するセパレーター２５、２６で挟持して、この単セル１５を、エンドプレート５１とエンドプレート５２の間に、複数積層したスタック構造の固体高分子型燃料電池である。
【００１４】
単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系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２１およびカソード２２は、例えば白金、あるいは白金合金等の触媒を担持した導電性の担体、例えばカーボン粒子（以下、触媒担持カーボン粒子と称する）を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層であり、電解質膜２０の両膜面に接合され電解質膜２０と共に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。通常、アイオノマーは、電解質膜２０と同質の固体高分子材料である高分子電解質樹脂（例えばフッ素系樹脂）であり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。
【００１５】
この他、単セル１５は、電解質膜２０を含むＭＥＡをその両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極（アノード２１またはカソード２２）に接合されている。アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体によって形成され、対応する電極にガスを拡散透過する。本実施例では、電解質膜２０とアノード２１およびカソード２２で形成されるＭＥＡを、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４で挟持した状態で単セル１５の基幹部位として製造する。よって、ＭＥＡに上記の両ガス拡散層を含めた物をＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas. Diffusion Layer Assembly）と、適宜、称することとする。
【００１６】
本実施例では、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４の両ガス拡散層を、上記のカーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体を基材とし、当該基材表面、詳しくは、アノード２１或いはカソード２２と接合する接合面の側に、ＭＰＬ層（Micro Porous Layer）を有する。ＭＰＬ層は、導電性の粉体であるカーボン粒子をプロトン伝導性を有する電解質樹脂（本実施例では、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂）で保持することで、層において連続気孔を形成し、この連続気孔にてガスを拡散透過する。ＭＰＬ層は、種々の手法で形成可能であり、例えば、有機溶媒としての上記のフッ素系樹脂溶液に導電性のカーボン粒子を分散配合して調合したスラリーを、上記の両ガス拡散層の上記接合面に塗布して乾燥することで、２５〜１００μｍ程度の層厚で形成可能である。また、ＭＰＬ層は、単位面積当たりのいわゆる目付け量も規定でき、本実施例では、この目付け量を２〜８ｍｇ／ｃｍ2とした上で、ＭＰＬ層の表面粗さをカーボン粒子の粒径調整を経て規定した。なお、ＭＰＬ層の表面粗さとカーボン粒子の粒径調整については、後述する。以下、このＭＰＬ層についてアノードとカソードで区別して扱う際にはアノード側ＭＰＬ層２３ａとカソード側ＭＰＬ層２４ａと称する。
【００１７】
セパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。セパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、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や、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
【００１８】
図１では図示していないが、セパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、セパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００１９】
本実施例の燃料電池１０は、セパレーター２５のセル内燃料ガス流路４７からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層２３で拡散ししつつ、アノード２１に供給する。空気については、セパレーター２６のセル内酸化ガス流路４８からの空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。こうしたガス供給を受けて、燃料電池１０は、発電し、その発電電力を外部の負荷に与える。
【００２０】
また、燃料電池１０は、上記した構成の単セル１５を、エンドプレート５１とエンドプレート５２の間に複数積層した上で、図示しない締結シャフトを介して積層方向に所定の締結力で締結する。よって、単セル１５に含まれるＭＥＡには、アノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４の側から、締結力に応じた面圧Ｆｔが作用することになる。
【００２１】
次に、本発明の他の実施形態としての燃料電池１０の製造方法について説明する。図２は燃料電池１０の製造手順を示す説明図である。図示するように、燃料電池１０を製造するに当たっては、まず、その構成単位である単セル１５を作製する。
【００２２】
単セル１５の作製に当たり、その構成部材を準備する（ステップＳ１００）。即ち、電解質膜２０の両膜面にアノード２１とカソード２２とが接合済みのＭＥＡと、アノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４の基材となるカーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体と、セパレーター２５およびセパレーター２６を準備する。ＭＥＡの準備に当たっては、電解質膜２０をフィルム状とし、フィルム上下面に、アノード２１とカソード２２とが対向するようにして形成し、その上で、矩形のＭＥＡ形状に裁断してＭＥＡを準備すればよい。或いは、薄葉状の電解質膜２０の上下面に、アノード２１とカソード２２とが対向するようにして形成して、ＭＥＡを準備することもできる。この場合、アノード２１とカソード２２の両電極触媒層の形成に当たっては、触媒担持カーボン粒子とアイオノマーとを分散させた触媒インクを適宜な塗工機器にて電解質膜２０に塗工し、その後の乾燥を経ればよい。このように電極触媒層を形成しながらＭＥＡを準備するほか、アノード・カソードの両電極触媒層が形成済みでロール状に巻き取られた電解質膜フィルムを、間欠的に裁断して、ＭＥＡを準備したり、両電極触媒層が電解質膜２０の両膜面に形成済みのＭＥＡを購入することもできる。アノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４の基材となる上記のカーボン多孔質体と両セパレーターについては、ＭＥＡの製品形状に合わせた形状で、それぞれ準備すればよく、両セパレーターについては、それぞれセル内燃料ガス流路４７、４８を有する形態で準備される。
【００２３】
こうした構成部材の準備において、アノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４については、それぞれアノード側ＭＰＬ層２３ａ、カソード側ＭＰＬ層２４ａを形成する（ステップＳ１１０）。このＭＰＬ層の形成に当たっては、電解質膜２０を構成するフッ素系樹脂溶液を溶媒として、この溶媒に粒径調整済みの導電性のカーボン粒子を分散配合してスラリーを調合する。その上で、このスラリーを、アノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４の一方の面に塗布して、乾燥させることで、アノード側ガス拡散層２３にアノード側ＭＰＬ層２３ａを、カソード側ガス拡散層２４にカソード側ＭＰＬ層２４ａを既述した層厚および目付で形成する。本実施形態では、ＭＰＬ層の形成用のスラリーの調合に際して、配合するカーボン粒子の粒径調整を経て、アノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４の表面粗さ、詳しくは、アノード２１に接合するアノード側ＭＰＬ層２３ａとカソード２２に接合するカソード側ＭＰＬ層２４ａの表面粗さを規定した。この表面粗さの規定については後述する。
【００２４】
続くステップＳ１２０では、準備したＭＥＡを、ＭＰＬ層形成済みのアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とで挟持し、その際には、アノード側ＭＰＬ層２３ａがＭＥＡのアノード２１に、カソード側ＭＰＬ層２４ａがＭＥＡのカソード２２に、それぞれ重なる。そして、ホットプレス等の手法にてＭＥＡとガス拡散層を接合し、ＭＥＡをその両側でアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４で挟持した矩形状のＭＥＧＡを得る。こうして得た矩形状のＭＥＧＡについては、これを、他の燃料電池製造ラインに出荷したり、当該ライン用の材料として出荷等することもできる（ステップＳ１５０）。
【００２５】
次いで、このＭＥＧＡをセパレーター２５とセパレーター２６とで挟持して単セル１５を作製し（ステップＳ１３０）、所定数の単セル１５を図１に示すエンドプレート５１とエンドプレート５２との間に積層してスタック状に組み立て、これを積層方向に所定の締結力で締結する（ステップＳ１４０）。これにより、図１に示した燃料電池１０が得られる。
【００２６】
次に、ＭＰＬ層の表面粗さの規定の様子について説明する。図３はＭＰＬ層の表面粗さを規定する上で想定したＭＥＧＡにおける力の関係を示す説明図である。
【００２７】
図３に示すように、ＭＥＡは、既述した締結力に基づく面圧Ｆｔをアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４の側から受ける。面圧ＦｔがＭＥＡに及ぶ様子は、燃料電池１０の発電運転の過程において、ほぼ変わることはなく、面圧Ｆｔに基づく押圧力は、ＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４のズレを抑制するよう働く。また、ＭＥＡを構成する電解質膜２０は、燃料電池１０の発電運転の過程において、発電に伴って発生する生成水やガス中に含まれる水蒸気成分により湿潤して膨潤する。そして、この電解質膜２０の膨潤により、電解質膜２０を含むＭＥＡは図示するように膜面に沿う方向に伸張を起こすので、ＭＥＡには、膨潤に伴う力（以下、膨潤力Ｆｍｅａと称する）が作用し、この膨潤力Ｆｍｅａは、ＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４のズレ方向に作用し得る。こうなると、膨潤力Ｆｍｅａの影響を受けて、ＭＥＡとアノード側ガス拡散層２３のアノード側ＭＰＬ層２３ａとの間にはアノード側摩擦力Ｆａｎｆが、ＭＥＡとカソード側ガス拡散層２４のカソード側ＭＰＬ層２４ａとの間にはカソード側摩擦力Ｆｃａｆが、それぞれ膜面に沿う方向に生じる。このアノード側摩擦力Ｆａｎｆおよびカソード側摩擦力Ｆｃａｆは、面圧Ｆｔの影響を受けるほか、アノード側ＭＰＬ層２３ａの摩擦係数、カソード側ＭＰＬ層２４ａの摩擦係数の影響も受ける。そして、アノード側摩擦力Ｆａｎｆおよびカソード側摩擦力Ｆｃａｆが、面圧Ｆｔの影響下で、膨潤力Ｆｍｅａに勝れば、ＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４のズレを抑制できる。こうした知見に立ち、ＭＥＡに接合するアノード側ＭＰＬ層２３ａとカソード側ＭＰＬ層２４ａの表面粗さを、面圧Ｆｔが大きくなるほど表面粗さが小さくなるように面圧Ｆｔに応じて所定範囲に調整することで、アノード側摩擦力Ｆａｎｆおよびカソード側摩擦力Ｆｃａｆが膨潤力Ｆｍｅａに勝るようにした。以下、ＭＰＬ層の表面粗さの規定の様子について説明する。図４はＭＥＡに作用する面圧とＭＥＡとガス拡散層の間で生じる摩擦力との関係を示すグラフである。
【００２８】
図４のグラフを得るに当たり、本実施形態における電解質膜２０の膨潤力Ｆｍｅａを定めた。この膨潤力Ｆｍｅａは、電解質膜２０を構成する固体高分子材料（フッ素系樹脂）の性状により定まり、以下の数式（１）で表される。
【００２９】
膨潤力Ｆｍｅａ＝Ｅ・ε・ｔ／（１−ν）      数式（１）
【００３０】
この数式（１）において、Ｅは電解質膜２０のヤング率、εは電解質膜２０の膨潤率、ｔは電解質膜２０の膜厚、νは電解質膜２０のポアソン比である。つまり、膨潤力Ｆｍｅａは、ＭＥＡを構成する電解質膜２０の物性値にて算出され、本実施形態では、電解質膜２０をＤｕｐｏｎ社製のＮＲＥ２１１（製品名）としたので、膨潤力Ｆｍｅａは、このＮＲＥ２１１についての上記物性値（Ｅ＝３５、ε＝０．１６、ｔ＝０．０２５、ν＝０．４）から次の値となる。
【００３１】
膨潤力Ｆｍｅａ＝３５ｘ０．１６ｘ０．０２５／（１−０．４）＝０．２３（Ｎ）
【００３２】
図４のグラフを得るに当たり、図３に示したＭＥＧＡにおける力の関係を想定して、面圧と摩擦力との関係を、摩擦係数ごとに演算算出した。つまり、まず、膨潤力Ｆｍｅａが上記の０．２３（Ｎ）の電解質膜２０を含むＭＥＡをアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４に相当する薄葉体で挟持したＭＥＧＡモデルを想定する。次いで、この想定モデルにおける薄葉体の摩擦係数ｆｋを１．０、０．７５、０．５および０．２５としたときの面圧に対する摩擦力（静摩擦力）を、ｆｋ＝Ｆｓ／Ｆｐの演算式から計算した。この演算式におけるＦｓは、摩擦力（Ｎ）であって、図３に示したアノード側摩擦力Ｆａｎｆとカソード側摩擦力Ｆｃａｆを足した力であり、Ｆｐは、法線力であって面圧に対応した力である。つまり、摩擦係数ｆｋが上記各数値の想定モデルＭ１〜Ｍ４について、面圧を変えながらアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４をＭＥＡに対してズラしたときの摩擦力を想定して、この摩擦力を上記演算式から演算し、これを面圧ごとにプロットして図４のグラフを得た。
【００３３】
この図４において、面圧ＦｔがＭＥＡの圧縮変形を来さない実用範囲の面圧（０．１５ＭＰａ）である場合に、それぞれの摩擦係数ｆｋの想定モデルＭについて、上記の数式（１）から求めた膨潤力Ｆｍｅａと対比した。そうすると、摩擦係数ｆｋが１．０および０．７５の想定モデルＭ１〜Ｍ２では、膨潤力Ｆｍｅａと同程度或いはこれに勝る摩擦力、即ちアノード側摩擦力Ｆａｎｆおよびカソード側摩擦力Ｆｃａｆが得られた。その一方、摩擦係数ｆｋが０．５の想定モデルＭ３では、膨潤力Ｆｍｅａの約６０％、摩擦係数ｆｋが０．２５の想定モデルＭ４では、膨潤力Ｆｍｅａの約３０％の摩擦力しか得られなかった。よって、摩擦係数ｆｋが１．０、０．７５および０．５の想定モデルＭ１〜Ｍ３に対応する測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３を、次の図５、図６のグラフに展開した。図５はＭＥＧＡを構成するガス拡散層の表面粗さと静摩擦係数との関係を示すグラフ、図６はＭＥＧＡを構成するガス拡散層の表面粗さとガス拡散抵抗との関係を示すグラフである。
【００３４】
図５のグラフを得るに当たり、まず、測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３を次のように準備した。図３に示すＭＥＧＡを、膨潤力Ｆｍｅａが上記の０．２３（Ｎ）の電解質膜２０（ＮＲＥ２１１）を含むＭＥＡの他、ステップＳ１００−１１０で準備したアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４から形成し、これを測定サンプルＭＥＧＡとした。この際、アノード側ＭＰＬ層２３ａおよびカソード側ＭＰＬ層２４ａの摩擦係数ｆｋが図４に示す１．０、０．７５、０．５に近似するよう３種類の測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３を作製した。この測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３は、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４にそれぞれアノード側ＭＰＬ層２３ａとカソード側ＭＰＬ層２４ａを形成する際のスラリーに分散配合するカーボン粒子の粒径が相違する。そして、得られた測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３について、各サンプルのアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４のＭＰＬ層の表面粗さを実測した。この実測値は、以下の表１に示す通りである。次いで、ＭＰＬ層の表面粗さを横軸に、ＭＰＬ層の摩擦係数ｆｋ（静摩擦係数）を縦軸として、測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３をプロットして図５のグラフを得た。図４からは、摩擦係数ｆｋが１．０および０．７５の測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ２であれば、面圧ＦｔがＭＥＡの圧縮変形を来さない実用範囲の面圧（０．１５ＭＰａ）である場合に、膨潤力Ｆｍｅａと同程度或いはこれに勝る摩擦力を得られる。よって、この摩擦係数ｆｋを規定するＭＰＬ層の表面粗さについては、図５から、４００ｎｍ以下とすることが望ましいことが判る。そして、摩擦係数ｆｋを規定するＭＰＬ層の表面粗さは、ＭＰＬ層形成に用いるスラリーに分散配合するカーボン粒子の粒径で規定できることから、スラリーに分散配合するカーボン粒子の粒径を調整することで、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４のＭＰＬ層の表面粗さを４００ｎｍ以下とできる。この場合、カーボン粒子の粒径は、動的光散乱法やレーザー回折法等の種々の手法で測定でき、粒径調整は、細粒装置の粒径設定にてなすことができる。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
図６のグラフを得るに当たり、まず、測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３について、各サンプルＭＥＧＡをセパレーター２５とセパレーター２６で挟持したサンプル単セルを作製し（ステップＳ１３０）、このサンプル単セルにて、低温環境下を想定した発電試験を行った。試験に際しては、水素ガスおよび空気の両者を３５℃で相対湿度１００％の状況でアノード２１、カソード２２に供給して発電させ、単位時間当たりの発電電力と、ガス拡散抵抗とを測定した。発電電力は、電力計にて単セルの出力を計測し、ガス拡散抵抗については、例えば水素ガスの供給側圧力と排出側圧力とを対比する等の手法にて求めた。そして、ＭＰＬ層の表面粗さを横軸に、上記求めたガス拡散抵抗を縦軸として、測定サンプルＭＥＧＡ１〜ＭＥＧＡ３をプロットして図６のグラフを得た。この図６から、ＭＰＬ層の表面粗さが増すほど、ガス拡散抵抗は低下して、低温環境下での発電電力は高まることが判る。図１に示した単セル１５を有する燃料電池１０を車載等した場合を想定すると、低温環境下であっても８０ｋＷ程度の発電出力が得られることが望ましい。この８０ｋＷの発電出力を図６に当て嵌めると、ガス拡散抵抗としては１７０（ｓｅｃ／ｍ）であり、このガス拡散抵抗より低抵抗となるには、ＭＰＬ層の表面粗さを２５０ｎｍ以上とすることが望ましいことが判る。本実施形態では、図４〜図６にて得たＭＰＬ層の表面粗さ（２５０〜４００ｎｍ）を、実際の単セル１５におけるアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４のアノード側ＭＰＬ層２３ａとカソード側ＭＰＬ層２４ａとで実現すべく、ステップＳ１１０におけるＭＰＬ層のスラリー調合において、カーボン粒子の粒径調整を行った。そして、粒径調整済みのカーボン粒子を分散配合したスラリーにて、ＭＰＬ層を形成すれば、そのＭＰＬ層の表面粗さにて規定される図３のアノード側摩擦力Ｆａｎｆおよびカソード側摩擦力Ｆｃａｆを、面圧Ｆｔの影響下で、電解質膜２０の膨潤力Ｆｍｅａに勝るようにできる。この場合、カーボン粒子の粒径を小さく調整するほど、ＭＰＬ層の表面粗さを小さくできる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池１０では、電解質膜２０の両膜面にアノード２１とカソード２２の両電極触媒層を接合済みのＭＥＡを挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とにおいて、アノード２１、カソード２２に接合するアノード側ＭＰＬ層２３ａとカソード側ＭＰＬ層２４ａの表面粗さを、次のように規定した。この表面粗さは、ＭＥＡの電極触媒層との接合面における摩擦力を規定するので（図３参照）、ＭＰＬ層の表面粗さを、面圧Ｆｔが大きくなるほど小さくなるように面圧Ｆｔに応じて定められた所定範囲の表面粗さとした。そして、このようにＭＰＬ層の表面粗さを調整することで、当該表面粗さで規定される摩擦力（図３：アノード側摩擦力Ｆａｎｆ、カソード側摩擦力Ｆｃａｆ）が燃料電池１０の発電運転の過程に電解質膜２０に起きる膨潤に伴い発生する膨潤力（図３：膨潤力Ｆｍｅａ）に勝るようにした（図４）。そして、ＭＰＬ層の表面粗さが調整すみのアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４をＭＥＡに接合するので、接合面におけるアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４と電極触媒層との摩擦力（図３：アノード側摩擦力Ｆａｎｆ、カソード側摩擦力Ｆｃａｆ）は、燃料電池１０の発電運転の過程に電解質膜２０に起きる膨潤に伴い発生する膨潤力（図３：膨潤力Ｆｍｅａ）に勝ることになる。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、ＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４のズレを燃料電池１０の発電運転の過程において抑制できる。そして、このズレ抑制に伴って、発電性能を維持もしくは向上できる。このことは、ＭＰＬ層の形成用のスラリーの調合（ステップＳ１１０）を経ることで、ＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４のズレを燃料電池１０の発電運転の過程において抑制できる燃料電池１０を、容易に製造できることを意味する。
【００３８】
また、本実施形態としての燃料電池１０の製造方法では、粒径調整済みのカーボン粒子を分散配合したスラリーにて、アノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４にＭＰＬ層を形成し、このＭＰＬ層の表面粗さを、配合するカーボン粒子の粒径を小さくすることで、小さく設定するようにした。このため、スラリー調合に際しての粒径調整という簡便で常套的な手法でもってして、ＭＰＬ層の表面粗さを調整できるので簡便であると共に、ＭＰＬ層の表面粗さ調整、延いては、燃料電池１０の発電運転の過程におけるＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４のズレについても、簡便に抑制でき、低コスト化を達成できる。
【００３９】
また、本実施形態の燃料電池１０では、ＭＰＬ層の表面粗さを、ＭＥＡの圧縮変形を来さない実用範囲の面圧（０．１５ＭＰａ）において、４００ｎｍ以下とした（図５）。このため、本実施形態によれば、ＭＰＬ層の表面粗さを過度に大きい表面粗さとしないようにできるので、ＭＥＡの電極触媒層の損傷を抑制した上で、ＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４のズレについても、これを燃料電池１０の発電運転の過程において抑制できる。よって、本実施形態によれば、実用性を高めることができる。
【００４０】
また、本実施形態の燃料電池１０では、ＭＰＬ層の表面粗さを、ＭＥＡの圧縮変形を来さない実用範囲の面圧（０．１５ＭＰａ）において、２５０ｎｍ以上とした。一般的に、粒径を極小さく調整するには、その調整時間が長くなり、煩雑化する。ところが、本実施形態では、過度に小さい表面粗さとしないようにできるので、上記した効果に加え、表面粗さ調整が簡便となる。また、表面粗さが過度に小さくない故にガス拡散抵抗についても、これを高めないので、ＭＥＡのアノード２１とカソード２２へのガスの拡散供給が促進される（図６）。このため、低温度環境下においても、電気化学反応の活性を確保して、発電性能を維持もしくは向上できる。
【００４１】
また、本実施形態の燃料電池１０では、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４の側からＭＥＡに及ぶ面圧が大きくなるほどＭＰＬ層の表面粗さが小さくなるように面圧を考慮して、ＭＰＬ層の表面粗さを調整できる。例えば、図４において、面圧が大きくなれば、摩擦係数ｆｋが０．５や０．２５であっても、接合面におけるアノード側ガス拡散層２３およびカソード側ガス拡散層２４と電極触媒層との摩擦力（図３：アノード側摩擦力Ｆａｎｆ、カソード側摩擦力Ｆｃａｆ）を、燃料電池１０の発電運転の過程に電解質膜２０に起きる膨潤に伴い発生する膨潤力（図３：膨潤力Ｆｍｅａ）に勝るようにできる。つまり、大きな面圧であっても、ＭＥＡの圧縮変形を来さない構成の単セル１５を備える燃料電池１０であれば、０．５や０．２５の摩擦係数ｆｋをもたらすようカーボン粒子の粒径調整を経ることで、面圧を考慮した上で表面粗さを調整して、ＭＥＡに対するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４のズレを燃料電池１０の発電運転の過程において抑制できる。
【００４２】
本発明は、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、或いは、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。
【００４３】
また、上記の実施形態では、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４の両ガス拡散層をカーボンペーパ等のカーボン多孔質体を基材とし、その表面にＭＰＬ層を形成し、このＭＰＬ層の表面粗さを調整したが、他の手法を採ることもできる。例えば、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４を金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体から形成する場合には、メッシュの細孔径を調整したり、発泡気泡の大きさを調整することで、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４の表面粗さを、摩擦力（図３：アノード側摩擦力Ｆａｎｆ、カソード側摩擦力Ｆｃａｆ）が燃料電池１０の発電運転の過程に電解質膜２０に起きる膨潤に伴い発生する膨潤力（図３：膨潤力Ｆｍｅａ）に勝るよう、調整できる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池
１５…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２４…カソード側ガス拡散層
２３ａ…アノード側ＭＰＬ層
２４ａ…カソード側ＭＰＬ層
２５…セパレーター
２６…セパレーター
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
５１…エンドプレート
５２…エンドプレート
Ｆｔ…面圧
Ｆｍｅａ…膨潤力
Ｆａｎｆ…アノード側摩擦力
Ｆｃａｆ…カソード側摩擦力
ＭＥＧＡ１〜４…測定サンプル
ｆｋ…摩擦係数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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