(57)【要約】【課題】本発明は、ヤング率や厚さが不均一な部材を含む燃料電池において、膜電極接合体の破損を抑制することを目的とする。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の面に配置され、第１の部分のヤング率が第２の部分のヤング率よりも高い第１の板状部材と、膜電極接合体の他方の面に配置され、第３の部分のヤング率が第４の部分のヤング率よりも高い第２の板状部材と、を備え、第１の板状部材および第２の板状部材は、膜電極接合体に対する第１の板状部材と第２の板状部材の積層方向から見たときに、第１の板状部材の第１の部分と第２の板状部材の第３の部分が一部において重なり、第１の板状部材の第２の部分と第２の板状部材の第４の部分が重ならないように配置されている。【選択図】図３
2012069341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面に配置される板状部材であって、厚さ方向におけるヤング率が異なる第１の部分と第２の部分とを含み、前記第１の部分の前記ヤング率が前記第２の部分の前記ヤング率よりも高い第１の板状部材と、
前記膜電極接合体の他方の面に配置される板状部材であって、厚さ方向におけるヤング率が異なる第３の部分と第４の部分とを含み、前記第３の部分の前記ヤング率が前記第４の部分の前記ヤング率よりも高い第２の板状部材と、を備え、
前記第１の板状部材および前記第２の板状部材は、前記膜電極接合体に対する前記第１の板状部材と前記第２の板状部材の積層方向から見たときに、前記第１の板状部材の前記第１の部分と前記第２の板状部材の前記第３の部分が一部において重なり、前記第１の板状部材の前記第２の部分と前記第２の板状部材の前記第４の部分が重ならないように配置されている燃料電池。
【請求項２】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面に配置される板状部材であって、厚さの異なる第１の部分と第２の部分とを含み、前記第１の部分の厚さが前記第２の部分の厚さよりも厚い第１の板状部材と、
前記膜電極接合体の他方の面に配置される板状部材であって、厚さの異なる第３の部分と第４の部分とを含み、前記第３の部分の厚さが前記第４の部分の厚さよりも厚い第２の板状部材と、を備え、
前記第１の板状部材および前記第２の板状部材は、前記膜電極接合体に対する前記第１の板状部材と前記第２の板状部材の積層方向から見たときに、前記第１の板状部材の前記第１の部分と前記第２の板状部材の前記第３の部分が一部において重なり、前記第１の板状部材の前記第２の部分と前記第２の板状部材の前記第４の部分が重ならないように配置されている燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記第１の板状部材および前記第２の板状部材は、導電性多孔質部材により形成されたガス拡散層である、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記第１の板状部材は、前記膜電極接合体のアノード側と接するアノード側ガス拡散層であり、前記アノード側ガス拡散層において、アノードガスが流通する方向の上流側に第１の部分が形成され、下流側に第２の部分が形成されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子型燃料電池等の燃料電池は、高分子電解質膜と触媒電極層を接合させた膜電極接合体の両面にガス拡散層が配置されている。この燃料電池において、ガスの流通方向上流側と下流側とで透気度が異なるガス拡散層を用いることにより、電解質膜の乾燥を抑制する技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７３３９２号公報
【特許文献２】特開２００９−６４６１５号公報
【特許文献３】特開２００１−６７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ガス拡散層において、透気度を部分的に変えると、燃料電池の積層方向におけるヤング率が部分的に変化するため、複数の燃料電池セルを積層して締結した際、締結力により、ガス拡散層と隣接する膜電極接合体は、ガス拡散層から受ける応力が不均一となり、よじれ等が生じて破損する虞があった。
【０００５】
なお、このような課題は、通気度が部分的に異なるガス拡散層を有する燃料電池に限定されず、ガス拡散層の厚さが部分的に異なる燃料電池や、燃料電池セルを構成するガス拡散層以外の部材のヤング率や厚さが異なる燃料電池について共通の課題でもあった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の積層方向において、ヤング率や厚さが不均一な部材を含む燃料電池において、膜電極接合体の破損を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面に配置される板状部材であって、厚さ方向におけるヤング率が異なる第１の部分と第２の部分とを含み、前記第１の部分の前記ヤング率が前記第２の部分の前記ヤング率よりも高い第１の板状部材と、
前記膜電極接合体の他方の面に配置される板状部材であって、厚さ方向におけるヤング率が異なる第３の部分と第４の部分とを含み、前記第３の部分の前記ヤング率が前記第４の部分の前記ヤング率よりも高い第２の板状部材と、を備え、
前記第１の板状部材および前記第２の板状部材は、前記膜電極接合体に対する前記第１の板状部材と前記第２の板状部材の積層方向から見たときに、前記第１の板状部材の前記第１の部分と前記第２の板状部材の前記第３の部分が一部において重なり、前記第１の板状部材の前記第２の部分と前記第２の板状部材の前記第４の部分が重ならないように配置されている燃料電池。
【０００９】
この構成によれば、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置されている２つの板状部材は、積層方向から見たときに、それぞれの板状部材においてヤング率が相対的に高い部分同士が一部において重なり、それぞれの板状部材においてヤング率が相対的に低い部分同士が重ならないため、膜電極接合体の破損の抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方の面に配置される板状部材であって、厚さの異なる第１の部分と第２の部分とを含み、前記第１の部分の厚さが前記第２の部分の厚さよりも厚い第１の板状部材と、
前記膜電極接合体の他方の面に配置される板状部材であって、厚さの異なる第３の部分と第４の部分とを含み、前記第３の部分の厚さが前記第４の部分の厚さよりも厚い第２の板状部材と、を備え、
前記第１の板状部材および前記第２の板状部材は、前記膜電極接合体に対する前記第１の板状部材と前記第２の板状部材の積層方向から見たときに、前記第１の板状部材の前記第１の部分と前記第２の板状部材の前記第３の部分が一部において重なり、前記第１の板状部材の前記第２の部分と前記第２の板状部材の前記第４の部分が重ならないように配置されている燃料電池。
【００１１】
この構成によれば、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置されている２つの板状部材は、積層方向から見たときに、それぞれの板状部材において厚さが相対的に厚い部分同士が一部において重なり、それぞれの板状部材において厚さが相対的に薄い部分同士が重ならないため、膜電極接合体の破損の抑制することができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、
前記第１の板状部材および前記第２の板状部材は、導電性多孔質部材により形成されたガス拡散層である、燃料電池。
【００１３】
この構成によれば、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置されている２つのガス拡散層は、積層方向から見たときに、それぞれの板状部材においてヤング率が相対的に高い部分同士もしくは厚さが相対的に厚い部分同士が少なくとも一部において重なり、それぞれのガス拡散層においてヤング率が相対的に低い部分同士もしくは厚さが相対的に薄い部分同士が重ならないため、膜電極接合体の破損の抑制することができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例項３に記載の燃料電池において、
前記第１の板状部材は、前記膜電極接合体のアノード側と接するアノード側ガス拡散層であり、前記アノード側ガス拡散層において、アノードガスが流通する方向の上流側に第１の部分が形成され、下流側に第２の部分が形成されている、燃料電池。
【００１５】
この構成によれば、アノード側ガス拡散層において、アノードガスが流通する方向の上流側に第１の部分が形成され、下流側に第２の部が形成されているため、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。
【００１６】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガス拡散層を含む膜電極接合体や、燃料電池セルのほか、燃料電池の製造方法や、ガス拡散層を含む膜電極接合体の製造方法、および、燃料電池セルの製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例における燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。
【図２】ガス拡散層の概略構成を説明するための説明図である。
【図３】本発明の効果の一例を説明するための説明図である。
【図４】比較例における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。
【図５】第２実施例における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。
【図６】変形例１における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。
【図７】変形例２における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。
【図８】変形例３におけるガス拡散層の概略構成を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１９】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例における燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。第１実施例における燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セル１４０が積層されたスタック構造を有している。単セル１４０は、燃料電池１００における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。各単セル１４０は、電解質膜２１２の各面に触媒電極層であるアノード２１４およびカソード２１５が形成された膜電極接合体（以後、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）２１０を一部に含む発電体２００を、一対のセパレータ（アノード側セパレータ３００およびカソード側セパレータ４００）によって挟持した構成を有している。発電体２００は、アノード２１４の外側に配置されたアノード側拡散層２２６と、カソード２１５の外側に配置されたカソード側拡散層２２７と、を含んでいる。アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、ＭＥＡ２１０を両側から挟むように配置され、それぞれ反応ガスとしての水素ガスもしくは空気を拡散させつつアノード２１４やカソード２１５に供給する。
【００２０】
電解質膜２１２は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。カソード２１５、および、アノード２１４は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）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）を含んで構成されている。
【００２１】
アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材により形成することができる。本実施例のアノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、矩形の平板状の外形を備え、それぞれ面内に厚さ方向の縦弾性係数（ヤング率）が異なる２つの部分を含んでいる。アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の具体的な構成については、図２、３を用いて後述する。
【００２２】
アノード側セパレータ３００およびカソード側セパレータ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おり、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部材によって形成することができる。アノード側セパレータ３００およびカソード側セパレータ４００は、表面にガスや液体が流通する流路を形成するための凹凸形状を有している。アノード側セパレータ３００は、アノード側拡散層２２６との間に、アノード供給ガスやアノード排ガス（以後、これらを単に「アノードガス」とも呼ぶ）が流通するアノードガス流路ＡＧＣを形成する。カソード側セパレータ４００は、カソード側拡散層２２７との間に、カソード供給ガスやカソード排ガス（以後、これらを単に「カソードガス」とも呼ぶ）が流通するカソードガス流路ＣＧＣを形成する。本実施例では、アノードガス流路ＡＧＣおよびカソードガス流路ＣＧＣにおいて、アノードガスとカソードガスは互いに反対向きに流通する。
【００２３】
なお、本実施例では、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の長手方向を「ｘ方向」、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の短手方向を「ｙ方向」、単セル１４０の積層方向を「ｚ方向」、とも呼ぶ。ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向は互いに直交する。
【００２４】
Ａ−２．ガス拡散層の詳細：
図２は、ガス拡散層の概略構成を説明するための説明図である。アノード側拡散層２２６は、長手方向（Ｘ方向）がアノードガスの流通方向と沿うように配置され、面内に厚さ方向の縦弾性係数（ヤング率）が異なる２つの部分を含んでいる。ここでは、アノード側拡散層２２６の面内において、相対的に厚さ方向の縦弾性係数（以後、単に「縦弾性係数」とも呼ぶ）が高い部分をアノード側高弾性部Ａａｈと呼び、相対的に縦弾性係数が低い部分をアノード側低弾性部Ａａｓと呼ぶ。アノード側拡散層２２６は、アノードガスの流通方向上流側にアノード側高弾性部Ａａｈが形成され、アノードガスの流通方向下流側にアノード側低弾性部Ａａｓが形成されている。アノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓは、相対的な縦弾性係数の差異により形成される部分であることから、一方が形成されると同時に他方も形成されることになる。本実施例では、アノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓの厚さは等しい。
【００２５】
アノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓは、アノード側拡散層２２６を構成するカーボンカーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン繊維の密度を変化させることにより形成されている。具体的には、アノード側高弾性部Ａａｈは、アノード側低弾性部Ａａｓよりもカーボン繊維の密度を高くすることにより形成される。これにより、アノード側高弾性部Ａａｈは、アノード側低弾性部Ａａｓよりも透気度や気孔率が小さくなる。なお、アノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓを形成する方法は、上記方法に限定されず、種々の方法により形成することができる。例えば、アノード側拡散層２２６の一部に金属など高剛性の部材を挿入することによりアノード側高弾性部Ａａｈを形成してもよい。また、アノード側拡散層２２６の一部を圧縮することによりアノード側高弾性部Ａａｈを形成してもよい。また、アノード側拡散層２２６にカーボン繊維同士を結合させるためのバインダーとしての樹脂が含まれている場合には、アノード側拡散層２２６の一部において、この樹脂の重量比を増加させることによりアノード側高弾性部Ａａｈを形成してもよい。
【００２６】
カソード側拡散層２２７は、長手方向（Ｘ方向）がカソードガスの流通方向と沿うように配置され、アノード側拡散層２２６と同様に、面内に縦弾性係数が異なる２つの部分を含んでいる。ここでは、カソード側拡散層２２７の面内において、相対的に縦弾性係数が高い部分をカソード側高弾性部Ａｃｈと呼び、相対的に縦弾性係数が低い部分をカソード側低弾性部Ａｃｓと呼ぶ。カソード側拡散層２２７は、カソードガスの流通方向上流側にカソード側高弾性部Ａｃｈが形成され、カソードガスの流通方向下流側にカソード側低弾性部Ａｃｓが形成されている。カソード側高弾性部Ａｃｈとカソード側低弾性部Ａｃｓは、アノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓとの関係と同様に、一方が形成されると同時に他方も形成されることになる。本実施例では、カソード側高弾性部Ａｃｈの縦弾性係数は、アノード側高弾性部Ａａｈの縦弾性係数と等しく、カソード側低弾性部Ａｃｓの弾性係数は、アノード側低弾性部Ａａｓの縦弾性係数と等しい。カソード側拡散層２２７にカソード側高弾性部Ａｃｈとカソード側低弾性部Ａｃｓを形成する方法は、アノード側拡散層２２６にアノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓを形成する方法と同様であるため説明を省略する。
【００２７】
図２の下方に示すように、燃料電池１００において、アノード側拡散層２２６とカソード側拡散層２２７は、ＭＥＡ２１０に対するアノード側拡散層２２６とカソード側拡散層２２７の積層方向、すなわち、燃料電池１００の積層方向（ｚ方向）から見たときに、アノード側拡散層２２６のアノード側高弾性部Ａａｈとカソード側拡散層２２７のカソード側高弾性部Ａｃｈとが一部重なるように配置されている。ｚ方向から見たときに、アノード側高弾性部Ａａｈとカソード側高弾性部Ａｃｈとが重なる部分を重複部分Ａｏｌと呼ぶ。また、燃料電池１００において、アノード側拡散層２２６とカソード側拡散層２２７は、ｚ方向から見たときに、アノード側拡散層２２６のアノード側低弾性部Ａａｓとカソード側拡散層２２７のカソード側低弾性部Ａｃｓとが重ならないように配置されている。
【００２８】
Ａ−３．効果例：
ここでは、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の配置を上述したように、燃料電池の積層方向において、アノード側拡散層２２６のアノード側高弾性部Ａａｈとカソード側拡散層２２７のカソード側高弾性部Ａｃｈとが一部重なり、アノード側拡散層２２６のアノード側低弾性部Ａａｓとカソード側拡散層２２７のカソード側低弾性部Ａｃｓとが重ならないようにすることにより生じる効果の一例について説明する。
【００２９】
図３は、本発明の効果の一例を説明するための説明図である。図３（ａ）は、締結荷重が加えられる前の燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。図３（ｂ）は、締結荷重が加えられた後の燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。燃料電池１００は、単セル１４０を複数積層した積層体の両側に図示しないエンドプレートを備えている。両側のエンドプレートは、図示しない締結ボルトによってテンションシャフトの両端にそれぞれ接続されている。燃料電池１００は、この締結ボルトが締められることによって、両側のエンドプレートにより積層体を押圧し、積層体に対して積層方向（ｚ方向）に所定の締結荷重を加えている。よって、燃料電池１００の各単セル１４０には、積層方向に圧縮力が加えられる。
【００３０】
単セル１４０に圧縮力が加えられることにより、ＭＥＡ２１０は、図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態に形状が変形する。具体的には、ＭＥＡ２１０のうち、一方の面がアノード側拡散層２２６のアノード側高弾性部Ａａｈと接し、他方の面がカソード側拡散層２２７のカソード側低弾性部Ａｃｓと接している部分は、カソード側拡散層２２７側（図３下方向）に移動する。これは、ガス拡散層が受ける圧縮応力をσ、ガス拡散層の歪みをε、ガス拡散層の縦弾性係数（ヤング率）をＥとすると、σ＝εＥ、が成り立つため、ＭＥＡ２１０がアノード側拡散層２２６から受ける圧縮応力とカソード側拡散層２２７から受ける圧縮応力とが等しい状態で静止すると、アノード側高弾性部Ａａｈの歪み量よりもカソード側低弾性部Ａｃｓの歪み量が大きくなるためである。
【００３１】
一方、ＭＥＡ２１０のうち、一方の面がアノード側拡散層２２６のアノード側低弾性部Ａａｓと接し、他方の面がカソード側拡散層２２７のカソード側高弾性部Ａｃｈと接している部分は、上記理由により、アノード側拡散層２２６側（図３上方向）に移動する。また、ＭＥＡ２１０のうち、アノード側高弾性部Ａａｈおよびカソード側高弾性部Ａｃｈの重複部分Ａｏｌと接している部分は、上記理由により、移動しない。
【００３２】
このとき、ＭＥＡ２１０全体のｚ方向の変位量をλとすると、アノード側拡散層２２６におけるアノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓとの境界部Ｂａ付近において、ＭＥＡ２１０は変位量が０．５λ程度変化するように変形し、カソード側拡散層２２７におけるカソード側高弾性部Ａｃｈとカソード側低弾性部Ａｃｓとの境界部Ｂｃ付近において、同様に変位量が０．５λ程度変化するように変形している。一方、境界部Ｂａと境界部Ｂｃとの間の部分、すなわち、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の重複部分Ａｏｌでは、ＭＥＡ２１０のｚ方向の変形が抑制されている。これは、ＭＥＡ２１０の両側のガス拡散層の縦弾性係数が他の部分よりも相対的に高く、ＭＥＡ２１０が受ける圧縮力が大きくなり、ガス拡散層によるＭＥＡ２１０の拘束が強くなるためである。これにより、ＭＥＡ２１０の変形箇所を２箇所に分散することができ、境界部Ｂａ付近もしくは境界部Ｂｃ付近ごとの変位量を抑制することができる。
【００３３】
縦弾性係数の異なる部分を含むガス拡散層と接するＭＥＡ２１０がガス拡散層から受ける応力に起因して破損するときの破壊モードとして、ガス拡散層の境界部を構成する高弾性部の端部と低弾性部の端部のうち、高弾性部の端部がＭＥＡ２１０に突き刺さり、局所的な集中加重（以後、「突き刺し応力」とも呼ぶ）がＭＥＡ２１０に加えられることにより破損が生じることが考えられる。この突き刺し応力は、ガス拡散層の境界部付近と接するＭＥＡ２１０の変位量に比例するため、ガス拡散層の境界部付近におけるＭＥＡ２１０の変位量を低減することで、ＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。本実施例に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ２１０全体のｚ方向の変位量をλとすると、ガス拡散層の境界部付近と接するＭＥＡ２１０の変位量を０．５λずつに分散することができるため、高弾性部の端部から受ける突き刺し応力によるＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。
【００３４】
Ａ−４．比較例：
ここでは、比較例として、ガス拡散層の構成が本実施例のアノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７と異なる燃料電池について説明する。比較例としての燃料電池１００ｂは、積層方向（ｚ方向）において、アノード側高弾性部Ａａｈとカソード側高弾性部Ａｃｈとが重ならず、アノード側低弾性部Ａａｓとカソード側低弾性部Ａｃｓとが一部重なるアノード側拡散層２２６ｂおよびカソード側拡散層２２７ｂを備えている。以下では、両側にアノード側拡散層２２６ｂとカソード側拡散層２２７ｂが配置されているＭＥＡ２１０の変形状態について説明する。ここでは、ｚ方向から見たときに、アノード側低弾性部Ａａｓとカソード側低弾性部Ａｃｓとが重なる部分を重複部分Ａｂｒと呼ぶ。
【００３５】
図４は、比較例における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。図４（ａ）（ｂ）は、図３（ａ）（ｂ）と対応している。比較例の単セル１４０ｂに圧縮力が加えられることにより、ＭＥＡ２１０は、図４（ａ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態に形状が変形する。具体的には、ＭＥＡ２１０のうち、一方の面がアノード側拡散層２２６ｂのアノード側高弾性部Ａａｈと接し、他方の面がカソード側拡散層２２７ｂのカソード側低弾性部Ａｃｓと接している部分は、本実施例と同様に、カソード側拡散層２２７ｂ側（図４下方側）に移動する。また、ＭＥＡ２１０のうち、一方の面がアノード側拡散層２２６ｂのアノード側低弾性部Ａａｓと接し、他方の面がカソード側拡散層２２７ｂのカソード側高弾性部Ａｃｈと接している部分についても、本実施例と同様に、アノード側拡散層２２６ｂ側（図４上方側）に移動する。一方、ＭＥＡ２１０のうち、アノード側低弾性部Ａａｓおよびカソード側低弾性部Ａｃｓの重複部分Ａｂｒと接している部分は、ＭＥＡ２１０全体のｚ方向の変位量λと等しい変位量が集中してよじれるように変形する。これは、ＭＥＡ２１０の両側のガス拡散層の縦弾性係数が他の部分よりも相対的に低く、ＭＥＡ２１０が受ける圧縮力が小さくなり、ガス拡散層によるＭＥＡ２１０の拘束が弱くなるためである。
【００３６】
このように、比較例の燃料電池１００ｂでは、ＭＥＡ２１０全体のｚ方向の変位量がガス拡散層の境界部Ｂａ、Ｂｃ付近に集中することから、高弾性部の端部から受ける突き刺し応力を低減することができず、突き刺し応力によるＭＥＡ２１０の破損を抑制することができない。
【００３７】
本実施例におけるアノード側拡散層２２６は、特許請求の範囲における「第１の板状部材」に該当する。本実施例におけるアノード側高弾性部Ａａｈは、特許請求の範囲における「第１の部分」に該当する。本実施例におけるアノード側低弾性部Ａａｓは、特許請求の範囲における「第２の部分」に該当する。本実施例におけるカソード側拡散層２２７は、特許請求の範囲における「第２の板状部材」に該当する。本実施例におけるカソード側高弾性部Ａｃｈは、特許請求の範囲における「第３の部分」に該当する。本実施例におけるカソード側低弾性部Ａｃｓは、特許請求の範囲における「第４の部分」に該当する。
【００３８】
以上説明した、本実施例の燃料電池１００によれば、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、燃料電池の積層方向から見たときに、それぞれのガス拡散層材において縦弾性係数（ヤング率）が相対的に高い部分同士が少なくとも一部において重なり、それぞれの板状部材においてヤング率が相対的に低い部分同士が重ならないため、ＭＥＡ２１０の破損の抑制することができる。
【００３９】
具体的には、境界部Ｂａと境界部Ｂｃとの間の部分、すなわち、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の重複部分Ａｏｌでは、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７の縦弾性係数が他の部分よりも相対的に高く、ガス拡散層によるＭＥＡ２１０の拘束が強いことから、ＭＥＡ２１０のｚ方向の変形が抑制されている。これにより、単セル１４０の圧縮によりＭＥＡ２１０に生じる変形を境界部Ｂａ付近と境界部Ｂｃ付近にそれぞれ分散することができ、境界部付近ごとの変位量を抑制することができる。よって、高弾性部の端部から受ける突き刺し応力によるＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。
【００４０】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、縦弾性係数が異なる２つの部分を含むガス拡散層を備える燃料電池について説明したが、本発明は、面内に縦弾性係数が異なる部分を含むガス拡散層を備える燃料電池以外についても適用可能であり、第２の実施例では、厚さの異なる２つの部分を含むガス拡散層を備える燃料電池について説明する。第２実施例の燃料電池の構成は、ガス拡散層以外については第１実施例の燃料電池の構成と同様であるため、ガス拡散層以外の構成についての説明を省略する。以下の説明において、第１の実施例と同一の符号を付した部材等には、第１の実施例で示した部材と同様の構造や機能を備えている。
【００４１】
Ｂ−１．ガス拡散層の詳細：
図５は、第２実施例における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。図５（ａ）（ｂ）は、図３（ａ）（ｂ）と対応している。第２実施例の燃料電池１００ｃに含まれているアノード側拡散層２２６ｃは、図２に示した第１実施例のアノード側拡散層２２６と同様に、矩形の板状の外形を備え、長手方向（Ｘ方向）がアノードガスの流通方向と沿うように配置されている。アノード側拡散層２２６ｃは、面内に厚さが異なる２つの部分を含んでいる。そのため、図５（ａ）に示すように、アノード側拡散層２２６ｃは、ＭＥＡ２１０と接する側が段状に形成されている。
【００４２】
ここでは、アノード側拡散層２２６ｃの面内において、相対的に厚さが厚い部分をアノード側厚板部Ａａｋと呼び、相対的に厚さが薄い部分をアノード側薄板部Ａａｎと呼ぶ。アノード側厚板部Ａａｋは、第１実施例のアノード側拡散層２２６のアノード側高弾性部Ａａｈと対応し、アノード側薄板部Ａａｎは、アノード側低弾性部Ａａｓと対応している。よって、アノード側拡散層２２６ｃは、アノードガスの流通方向上流側にアノード側厚板部Ａａｋが形成され、アノードガスの流通方向下流側にアノード側薄板部Ａａｎが形成されている。また、アノード側厚板部Ａａｋとアノード側薄板部Ａａｎは、相対的な厚さの差異により形成される部分であることから、一方が形成されると同時に他方も形成されることになる。
【００４３】
カソード側拡散層２２７ｃは、図２に示した第１実施例のカソード側拡散層２２７と同様に、矩形の板状の外形を備え、長手方向（Ｘ方向）がカソードガスの流通方向と沿うように配置されている。カソード側拡散層２２７ｃは、アノード側拡散層２２６ｃと同様に、面内に厚さが異なる２つの部分を含み、ＭＥＡ２１０と接する側が段状に形成されている。
【００４４】
カソード側拡散層２２７ｃの面内において、相対的に厚さが厚い部分をカソード側厚板部Ａｃｋと呼び、相対的に厚さが薄い部分をカソード側薄板部Ａｃｎと呼ぶ。カソード側厚板部Ａｃｋは、第１実施例のカソード側拡散層２２７のカソード側高弾性部Ａｃｈと対応し、カソード側薄板部Ａｃｎは、カソード側低弾性部Ａｃｓと対応している。よって、カソード側拡散層２２７ｃは、カソードガスの流通方向上流側にカソード側厚板部Ａｃｋが形成され、カソードガスの流通方向下流側にカソード側薄板部Ａｃｎが形成されている。また、カソード側厚板部Ａｃｋとカソード側薄板部Ａｃｎは、相対的な厚さの差異により形成される部分であることから、一方が形成されると同時に他方も形成されることになる。
【００４５】
第１実施例の燃料電池１００と同様に、燃料電池１００ｃにおいて、アノード側拡散層２２６ｃとカソード側拡散層２２７ｃは、ＭＥＡ２１０に対するアノード側拡散層２２６ｃとカソード側拡散層２２７ｃの積層方向、すなわち、燃料電池１００ｃの積層方向（ｚ方向）から見たときに、アノード側拡散層２２６ｃのアノード側厚板部Ａａｋとカソード側拡散層２２７ｃのカソード側厚板部Ａｃｋとが一部重なるように配置されている。ｚ方向から見たときに、アノード側厚板部Ａａｋとカソード側厚板部Ａｃｋとが重なる部分を重複部分Ａｏｌ２と呼ぶ。また、燃料電池１００ｃにおいて、アノード側拡散層２２６ｃとカソード側拡散層２２７ｃは、ｚ方向から見たときに、アノード側拡散層２２６ｃのアノード側薄板部Ａａｎとカソード側拡散層２２７ｂのカソード側薄板部Ａｃｎとが重ならないように配置されている。
【００４６】
燃料電池１００ｃの締結ボルトが締められることによって、単セル１４０ｃに圧縮力が加えられると、ＭＥＡ２１０は、図５（ａ）に示す状態から図５（ｂ）に示す状態に形状が変形する。具体的には、第１実施例と同様に、ＭＥＡ２１０のうち、一方の面がアノード側拡散層２２６ｃのアノード側厚板部Ａａｋと接し、他方の面がカソード側拡散層２２７ｃのカソード側薄板部Ａｃｎと接している部分は、カソード側拡散層２２７ｃ側（図５下方向）に移動する。また、ＭＥＡ２１０のうち、一方の面がアノード側拡散層２２６ｃのアノード側薄板部Ａａｎと接し、他方の面がカソード側拡散層２２７ｃのカソード側厚板部Ａｃｋと接している部分は、アノード側拡散層２２６ｃ側（図５上方向）に移動する。また、ＭＥＡ２１０のうち、アノード側厚板部Ａａｋおよびカソード側薄板部Ａｃｎの重複部分Ａｏｌ２と接している部分は、ＭＥＡ２１０のｚ方向の変形が抑制されている。これは、ＭＥＡ２１０の両側のガス拡散層の厚さが他の部分よりも相対的に厚く、ＭＥＡ２１０が受ける圧縮力が大きくなり、ガス拡散層によるＭＥＡ２１０の拘束が強くなるためである。これにより、ＭＥＡ２１０の変形箇所を２箇所に分散することができ、境界部Ｂａ２付近もしくは境界部Ｂｃ２付近ごとの変位量を抑制することができる。
【００４７】
厚さの異なる部分を含むガス拡散層と接するＭＥＡ２１０がガス拡散層から受ける応力に起因して破損するときの破壊モードとして、厚板部の端部がＭＥＡ２１０に突き刺さり、突き刺し応力がＭＥＡ２１０に加えられることにより破損が生じることが考えられる。この突き刺し応力は、厚板部の端部付近と接するＭＥＡ２１０の変位量に比例するため、厚板部の端部付近におけるＭＥＡ２１０の変位量を低減することで、ＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。第２実施例に係る燃料電池１００ｃは、第１実施例の燃料電池１００と同様に、ガス拡散層の厚板部の端部付近と接するＭＥＡ２１０の変位量を２箇所に分散することができるため、厚板部の端部から受ける突き刺し応力によるＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。
【００４８】
以上説明した、本実施例の燃料電池１００によれば、アノード側拡散層２２６ｃおよびカソード側拡散層２２７ｃは、燃料電池の積層方向から見たときに、それぞれのガス拡散層材において厚さが相対的に厚い部分同士が少なくとも一部において重なり、それぞれの板状部材において厚さが相対的に薄い部分同士が重ならないため、ＭＥＡ２１０の破損の抑制することができる。
【００４９】
具体的には、境界部Ｂａ２と境界部Ｂｃ２との間の部分、すなわち、アノード側拡散層２２６ｃおよびカソード側拡散層２２７ｃの重複部分Ａｏｌ２では、アノード側拡散層２２６ｃおよびカソード側拡散層２２７ｃの厚さが他の部分よりも相対的に厚く、第１実施例と同様に、ガス拡散層によるＭＥＡ２１０の拘束が強いことから、ＭＥＡ２１０のｚ方向の変形が抑制されている。これにより、単セル１４０ｃの圧縮によりＭＥＡ２１０に生じる変形を境界部Ｂａ２付近と境界部Ｂｃ２付近にそれぞれ分散することができ、境界部付近ごとの変位量を抑制することができる。よって、厚板部の端部から受ける突き刺し応力によるＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。
【００５０】
Ｃ．変形例：
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、例えば次のような変形も可能である。
【００５１】
Ｃ１．変形例１：
第１実施例では、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、縦弾性係数の異なる２つの部分をそれぞれ一つずつ備えているものとして説明したが、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、燃料電池１００の積層方向から見たときに、アノード側拡散層２２６のアノード側高弾性部Ａａｈとカソード側拡散層２２７のカソード側高弾性部Ａｃｈとが一部重なるように配置され、アノード側拡散層２２６のアノード側低弾性部Ａａｓとカソード側拡散層２２７のカソード側低弾性部Ａｃｓとが重ならないように配置されていれば、縦弾性係数の異なる２つの部分をそれぞれ複数備えていてもよい。
【００５２】
図６は、変形例１における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。図６に示すように、アノード側拡散層２２６ｄは、アノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓを複数備え、また、カソード側拡散層２２７ｄは、カソード側高弾性部Ａｃｈとカソード側低弾性部Ａｃｓを複数備えていてもよい。この場合であっても、境界部付近ごとの変位量を抑制することができ、高弾性部の端部から受ける突き刺し応力によるＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。なお、第２実施例についても同様に、アノード側拡散層２２６ｃおよびカソード側拡散層２２７ｃは、厚板部と薄板部をそれぞれ複数備えていてもよい。
【００５３】
Ｃ２．変形例２：
第１実施例では、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、それぞれ２種類の縦弾性係数を有する部分を備えているものとして説明したが、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、燃料電池１００の積層方向（ｚ方向）から見たときに、アノード側拡散層２２６のアノード側高弾性部Ａａｈとカソード側拡散層２２７のカソード側高弾性部Ａｃｈとが一部重なるように配置され、アノード側拡散層２２６のアノード側低弾性部Ａａｓとカソード側拡散層２２７のカソード側低弾性部Ａｃｓとが重ならないように配置されていれば、３種類以上の縦弾性係数を有する部分を備えていてもよい。
【００５４】
図７は、変形例２における燃料電池の断面構成を模式的に示した説明図である。アノード側拡散層２２６ｅは、アノード側高弾性部Ａａｈとアノード側低弾性部Ａａｓのほか、アノード側高弾性部Ａａｈよりも縦弾性係数が小さく、アノード側低弾性部Ａａｓよりも縦弾性係数の大きいアノード側中弾性部Ａａｍを備えていてもよい。また、カソード側拡散層２２７ｅは、カソード側高弾性部Ａｃｈとカソード側低弾性部Ａｃｓのほか、カソード側高弾性部Ａｃｈより縦弾性係数が小さく、カソード側低弾性部Ａｃｓよりも縦弾性係数の大きいカソード側中弾性部Ａｃｍを備えていてもよい。この場合であっても、高弾性部の端部から受ける突き刺し応力によるＭＥＡ２１０の破損を抑制することができる。なお、第２実施例についても同様に、アノード側拡散層２２６ｃおよびカソード側拡散層２２７ｃは、厚板部と薄板部の他に中厚板部の３段階の厚さを備えていてもよい。
【００５５】
Ｃ３．変形例３：
図８は、変形例３におけるガス拡散層の概略構成を説明するための説明図である。第１実施例では、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、それぞれアノードガスもしくはカソードガスの流通方向上流側に高弾性部が形成され、ガスの流通方向下流側に低弾性部が形成されているものとして説明したが、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、燃料電池１００の積層方向（ｚ方向）から見たときに、アノード側拡散層２２６のアノード側高弾性部Ａａｈとカソード側拡散層２２７のカソード側高弾性部Ａｃｈとが一部重なるように配置され、アノード側拡散層２２６のアノード側低弾性部Ａａｓとカソード側拡散層２２７のカソード側低弾性部Ａｃｓとが重ならないように配置されていれば、図８に示すように、高弾性部と低弾性部の位置を任意に設定することができる。
【００５６】
Ｃ４．変形例４：
第１実施例では、カソード側高弾性部Ａｃｈの縦弾性係数と、アノード側高弾性部Ａａｈの縦弾性係数とが等しく、また、カソード側低弾性部Ａｃｓの弾性係数と、アノード側低弾性部Ａａｓの縦弾性係数とが等しいものとして説明したが、一方のガス拡散層における高弾性部の縦弾性係数が、他方のガス拡散層における低弾性部の縦弾性係数よりも高弾性部の縦弾性係数に近い構成であれば、アノード側拡散層２２６およびカソード側拡散層２２７は、高弾性部同士の縦弾性係数や低弾性部同士の縦弾性係数が異なっていてもよい。なお、第２実施例についても同様に、アノード側拡散層２２６ｃおよびカソード側拡散層２２７ｃは、厚板部同士の厚さや薄板部同士の厚さが異なっていてもよい。
【００５７】
Ｃ５．変形例５：
第１実施例では、縦弾性係数の異なる２つの部分を含むガス拡散層について説明したが、本発明は、ＭＥＡ２１０の両側に配置される板状部材であれば、ガス拡散層以外の部材においても適用可能である。例えば、ガス拡散層とセパレータとの間に配置されるガス流路部材や、セパレータなどにおいても本発明を適用することができる。
【００５８】
Ｃ６．変形例６：
本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガス拡散層を含む膜電極接合体や、燃料電池セルのほか、燃料電池の製造方法や、ガス拡散層を含む膜電極接合体の製造方法、および、燃料電池セルの製造方法等の形態で実現することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１００…燃料電池
１４０…単セル
２００…発電体
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２２６…アノード側拡散層
２２７…カソード側拡散層
３００…アノード側セパレータ
４００…カソード側セパレータ
ＡＧＣ…アノードガス流路
ＣＧＣ…カソードガス流路
Ａａｈ…アノード側高弾性部
Ａａｓ…アノード側低弾性部
Ａａｋ…アノード側厚板部
Ａａｎ…アノード側薄板部
Ａｃｈ…カソード側高弾性部
Ａｃｓ…カソード側低弾性部
Ａｃｋ…カソード側厚板部
Ａｃｎ…カソード側薄板部
Ａｏｌ…重複部分
【図１】
2012069341.tif 000003
【図２】
2012069341.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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