特許 6028809 膜電極接合体、燃料電池、燃料電池スタック、及び膜電極接合体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6028809

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】膜電極接合体、燃料電池、燃料電池スタック、及び膜電極接合体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20161114BHJP

   H01M 4/88 20060101ALI20161114BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20161114BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20161114BHJP

【ＦＩ】

   H01M4/86 M

   H01M4/88 C

   H01M8/02 E

   !H01M8/10

【請求項の数】12

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-547582(P2014-547582)

(86)(22)【出願日】2013年4月4日

(65)【公表番号】特表2015-512553(P2015-512553A)

(43)【公表日】2015年4月27日

(86)【国際出願番号】JP2013002348

(87)【国際公開番号】WO2013150800

(87)【国際公開日】20131010

【審査請求日】2014年10月27日

(31)【優先権主張番号】特願2012-85610(P2012-85610)

(32)【優先日】2012年4月4日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2012-87456(P2012-87456)

(32)【優先日】2012年4月6日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】塩見 岳史

(72)【発明者】

【氏名】青木 敦

(72)【発明者】

【氏名】入月 桂太

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和之

【審査官】 ▲高▼橋 真由

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１２９６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０７５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２７８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５０４３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ４／８８

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

触媒層の表面に第一の多孔体と第二の多孔体とを順次積層させたガス拡散層を有する膜電極接合体であって、
前記第二の多孔体の固相部に接する前記第一の多孔体の空隙率は、前記第二の多孔体の気相部に対向する前記第一の多孔体の空隙率より小さく、
前記第二の多孔体は、前記第一の多孔体とは区別される金属多孔体であり、金属線材が存在する固相部と、金属線材が存在しない気相部を有することを特徴とする膜電極接合体。

【請求項2】

前記第二の多孔体の固相部に接する前記第一の多孔体の粒子径は、前記第二の多孔体の気相部に対向する前記第一の多孔体の粒子径より大きくしている請求項１に記載の膜電極接合体。

【請求項3】

前記第二の多孔体が、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、マグネシウム及びマグネシウム合金からなる群のうち、いずれか１種類以上の金属である請求項１又は２に記載の膜電極接合体。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載した膜電極接合体と、前記膜電極接合体との間にガス流路を形成するセパレータとを備えたことを特徴とする燃料電池。

【請求項5】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法であって、前記第二の多孔体によって前記第一の多孔体の空孔を圧潰することにより、前記固相部に接する前記第一の多孔体の空隙率を小さく、前記気相部に対向する前記第一の多孔体の空隙率を相対的に大きくすることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。

【請求項6】

請求項１に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体との間でガス流路を形成するセパレータとを備え、
前記第一の多孔体の一部が前記第二の多孔体の空孔に入り込むように前記第一の多孔体及び前記第二の多孔体が互いに食い込んでいることを特徴とする燃料電池。

【請求項7】

前記第一の多孔体の一部が前記第二の多孔体の空孔に入り込むように前記第一の多孔体が積層方向に塑性変形されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。

【請求項8】

前記第一の多孔体が、その層間に補強層を有していることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。

【請求項9】

前記第二の多孔体が、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、並びにマグネシウム及びマグネシウム合金からなる群のうち、いずれか１種類以上の金属から成ることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項10】

前記第一の多孔体及び前記第二の多孔体の互いの食い込み高さが、前記第二の多孔体の空孔の深さ以下であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項11】

請求項６〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池を複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項12】

触媒層の表面に第一の多孔体と第二の多孔体とを順次積層させたガス拡散層を有する膜電極接合体であって、
前記第二の多孔体の固相部に接する前記第一の多孔体の空隙率は、前記第二の多孔体の気相部に対向する前記第一の多孔体の空隙率より小さく、
前記第二の多孔体は、前記第一の多孔体とは区別される金属多孔体であり、前記第二の多孔体の金網の断面形状は、方形状または円形状であることを特徴とする膜電極接合体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池に用いる膜電極接合体、燃料電池、燃料電池スタック、及び膜電極接合体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池に係わる従来技術として、特許文献１に開示された構成がある。特許文献１に記載の燃料電池では、大きい粒径の導電性粒子から構成された粗領域と、粗領域よりも小さい粒径の導電性粒子から構成された密領域とを用いてガス透過電極領域ＭＰＬを形成する。ガス透過電極領域ＭＰＬの上面はガス拡散層に接し、その下面は触媒層に接している。

【0003】

密領域に、ケルビン式によって決まる空孔内の飽和水蒸気圧が、開放空間の飽和水蒸気圧より高くなるような粒子径の粒子を用いている。これにより、燃料電池は、粗領域の飽和水蒸気圧を、密領域の飽和水蒸気圧よりも低くし、密領域において、触媒層で生成された水蒸気の凝縮を抑制する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−２４５８７１号公報

【発明の概要】

【0005】

特許文献１に記載された燃料電池では、ケルビン式で決定される密領域における空孔率がナノオーダーであり、粗領域に液水が凝縮するとガス拡散性が大幅に低下するという問題点があった。

【0006】

そこで、本発明は、発電に伴って生成された液水の排出を容易にし、酸素の輸送性を高めて発電性能の向上を実現することができる膜電極接合体、燃料電池及び膜電極接合体の製造方法を提供することを目的としている。

【0007】

本発明の第１の態様に係わる膜電極接合体は、触媒層の表面に第一の多孔体と第二の多孔体とを順次積層させている膜電極接合体であって、第二の多孔体の固相部に接する第一の多孔体の空隙率を小さく、第二の多孔体の気相部に対向する第一の多孔体の空隙率を相対的に大きくしている。

【0008】

本発明の第２の態様に係わる燃料電池は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体との間でガス流路を形成するセパレータとを備える。電極層は、第一の多孔体と、金属多孔体から成り且つ電極表面を形成する第二の多孔体とを備える。第一の多孔体の一部が第二の多孔体の空孔に入り込むように第一の多孔体及び第二の多孔体が互いに食い込んでいる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施形態に係わる燃料電池スタック１０の外観を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１に示す燃料電池スタック１０を構成する主要な部材を分解した状態を示す斜視図である。

【図3】図３は、図２に示すセルユニットＡ１を示す平面図である。

【図4】図４は、図３に示すＩ‐Ｉ線に沿った切断面におけるセルユニットＡ１を示す断面図である。

【図5】図５（Ａ）は、図４に示す空気極３２の表面を拡大して示す平面図であり、図５（Ｂ）は、図４に示す電解質膜３１、空気極３２及び燃料極３３を拡大して示す断面図である。

【図6】図６は、図４に示す空気極３２の構造を模式的に示す説明図である。

【図7】図７は多孔体内空間（第二の多孔体）の屈曲度を説明するための図であって、図７（Ａ）は自由空間における最短輸送距離Ｌ１を示す模式図であり、図７（Ｂ）は多孔体内空間（第二の多孔体）における最短輸送距離Ｌ２を示す模式図である。

【図8】図８は膜電極接合体３０の製造方法の第１例を示し、図８（Ａ）は第二の多孔体３２ａによる圧縮前の第一の多孔体３２ｂを示し、図８（Ｂ）は第二の多孔体３２ａによる圧縮後の第一の多孔体３２ｂを示す。

【図9】図９は膜電極接合体３０の製造方法の第２例を示し、図９（Ａ）は第二の多孔体３２ａによる圧縮前の第一の多孔体３２ｂを示し、図９（Ｂ）は第二の多孔体３２ａによる圧縮後の第一の多孔体３２ｂを示す。

【図10】図１０は、第２実施形態に係わる空気極３２の構造を模式的に示す説明図である。

【図11】図１１は、図１０に示す空気極３２の構造を具体的に示す説明図である。

【図12】図１２は、その他の実施形態に係わる空気極３２の構造を模式的に示す説明図である。

【図13】図１３は、その他の実施形態に係わる空気極３２の構造を模式的に示す説明図であり、図１３（Ａ）は第二の多孔体３２ａによる圧縮前の第一の多孔体３２ｂを示し、図１３（Ｂ）は第二の多孔体３２ａによる圧縮後の第一の多孔体３２ｂを示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0011】

［第１の実施形態］
図１及び図２を参照して、第１実施形態に係る燃料電池スタック１０の全体構成を説明する。燃料電池スタック１０は、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型の燃料電池スタックである。

【0012】

燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１１，１２と、一対のエンドプレート１１，１２の間に配置された一対の集電板１３，１４と、一対の集電板１３，１４の間に配置された複数のセルユニット（燃料電池）Ａ１を有する。セルユニットＡ１の積層方向（ｘ方向）の一端側（図１及び図２中の右側）に、集電板１４及びスペーサ１９を介してエンドプレート１２が設けてある。また、ｘ方向の他端側（図１及び図２中の左側）にも、集電板１３を介してエンドプレート１１が設けてある。エンドプレート１１，１２は、一対の集電板１３，１４及び、積層された複数のセルユニットＡ１を挟圧する。燃料電池スタック１０は、挟圧された集電板１３，１４及びセルユニットＡ１を締結するための締結板１５，１６及び補強板１７，１７を備える。セルユニットＡ１の長辺側の表裏面（図１及び図２中で上下面）に、締結板１５，１６が設けられ、セルユニットＡ１の短辺側の表裏面に、補強板１７，１７が設けてある。締結板１５，１６及び補強板１７，１７はボルト１８により両エンドプレート１１、１２に連結されている。このようにして、セルユニットＡ１の積層体は、図１に示すようなケース一体型構造となり、セルユニットＡ１の積層体はｘ方向に拘束・加圧され、個々のセルユニットＡ１に所定の接触面圧が加えられ、ガスシール性や導電性が良好に維持される。

【0013】

図２に示すように、セルユニットＡ１は、燃料電池用セルフレーム２０と、燃料電池用セルフレーム２０の表裏面に接する一対のセパレータ４０，４１とを有する。なお、実施形態においては、燃料電池用セルフレームを単に「セルフレーム」という。セルフレーム２０は、セルユニットＡ１の積層方向（ｘ方向）から見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成された樹脂性のフレーム２１と、フレーム２１の中央部分に配設された膜電極接合体３０とを有する。

【0014】

図３を参照して、セルユニットＡ１の平面構造を説明する。セルユニットＡ１の両側方には、冷却液水、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｈがそれぞれ形成されている。

【0015】

一側方のマニホールド部Ｈは、供給用マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。供給用マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用マニホールド孔（Ｈ１）、冷却流体供給用マニホールド孔（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用マニホールド孔（Ｈ３）からなり、図１及び図２に示すｘ方向に、酸素含有ガス、冷却流体及び水素含有ガスの流路をそれぞれ形成している。

【0016】

他側方のマニホールド部Ｈは、排出用マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。排出用マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用マニホールド孔（Ｈ４）、冷却流体排出用マニホールド孔（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用マニホールド孔（Ｈ６）からなり、ｘ方向に冷却流体、水素含有ガス、及び酸素含有ガスの流路をそれぞれ形成している。なお、供給用マニホールド孔と排出用マニホールド孔は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

【0017】

図４を参照して、セルユニットＡ１の断面構造を説明する。一対のセパレータ４０，４１がセルフレーム２０（３１〜３３、２１）の両面に接することにより、発電用ガス（水素含有ガス及び酸素含有ガス）を流通させるためのガス流路Ｇを区画形成する。

【0018】

セルフレーム２０（３１〜３３、２１）は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、膜電極接合体３０（３１〜３３）と、平面矩形状を有するフレーム２１とを備える。膜電極接合体３０（３１〜３３）は、例えば固体高分子からなる電解質膜３１と、電解質膜３１の両面に接する空気極３２及び燃料極３３とを有する。

【0019】

図３に示したように、フレーム２１は、一方の短辺側に、供給用マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３を有し、他方の短辺側に、排出用マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６を有している。空気極３２及び燃料極３３については、図５を参照して後述する。

【0020】

セパレータ４０，４１は、例えばステンレス製であって、フレーム２１及び電解質膜３１に対応した平面矩形状を成すと共に、フレーム２１と同様に供給用マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出用マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６を有している。セパレータ４０、４１は、セルフレーム２０（３１〜３３、２１）に重合した状態で先述のガス流路Ｇを形成する。このとき、セパレータ４０，４１及びフレーム２１の供給用マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出用マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６が、互いにｘ方向に連通する。

【0021】

セパレータ４０，４１とフレーム２１の縁部同士の間、及び供給用マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出用マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６の周囲には、ガスシール３６が設けてある。ガスシール３６は、積層された複数のセルユニットＡ１同士の間、すなわち隣接するセパレータ４０，４１同士の間にも設けられている。これにより、隣接するセパレータ４間に冷却液を流通させることができる。ガスシール６は、個々の層間に、カソードガス、アノードガス及び冷却流体のガス流路を気密的に形成する。ガスシール６は、個々の層間に流体が流れるように、供給孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出孔Ｈ４〜Ｈ６の周縁部に開口を設ける。

【0022】

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を参照して、図４に示す空気極３２及び燃料極３３の構成を説明する。図５（Ａ）は、図４に示す空気極３２の表面を拡大して示した平面図であり、図５（Ｂ）は、図４に示す膜電極接合体（３１〜３３）を拡大して示す断面図である。

【0023】

空気極３２は、電解質膜３１の一方の面に接する触媒層３２Ａと、触媒層３２Ａのセパレータ４０側表面に積層されたガス拡散層３２Ｂとを有する。ガス拡散層３２Ｂは、触媒層３２Ａに接する第一の多孔体３２ｂと、セパレータ４０側に積層された第二の多孔体３２ａとを有する。

【0024】

第二の多孔体３２ａは、例えば、金属線材（φ５０ｕｍ）を交互に織り込んでなる金網であって、金属線材が存在する固相部３２ａ´と、金属線材が存在しない気相部３２ａ″を有する。第二の多孔体３２ａの固相部３２ａ´に接する第一の多孔体３２ｂの空隙率は小さく、第二の多孔体３２ａの気相部３２ａ″に接する第一の多孔体３２ｂの空隙率は相対的に大きい。具体的には、固相部３２ａ´に接する第一の多孔体３２ｂの空隙率は、気相部３２ａ″に接する第一の多孔体３２ｂの空隙率よりも小さい。

【0025】

また、第二の多孔体３２ａの固相部３２ａ´に接する第一の多孔体３２ｂの粒子径は大きく、第二の多孔体３２ａの気相部３２ａ″に対向する第一の多孔体３２ｂの粒子径は相対的に小さい。

【0026】

燃料極３３は、上記した空気極３２と同じ構造を有する。すなわち、電解質膜３１の他方の面に接する触媒層３３Ａと、触媒層３３Ａのセパレータ４１側表面に積層されたガス拡散層３３Ｂとを有する。ガス拡散層３３Ｂは、触媒層３３Ａに接する第一の多孔体３３ｂと、セパレータ４１側に積層された第二の多孔体３３ａとを有する。第二の多孔体３３ａは、例えば、金属線材（φ５０ｕｍ）を交互に織り込んでなる金網であって、金属線材が存在する固相部３３ａ´と、金属線材が存在しない気相部３３ａ″を有する。第二の多孔体３３ａの固相部３３ａ´に接する第一の多孔体３３ｂの空隙率は小さく、第二の多孔体３３ａの気相部３３ａ″に接する第一の多孔体３３ｂの空隙率は相対的に大きい。

【0027】

また、第二の多孔体３３ａの固相部３３ａ´に接する第一の多孔体３３ｂの粒子径は大きく、第二の多孔体３３ａの気相部３３ａ″に対向する第一の多孔体３３ｂの粒子径は相対的に小さい。

【0028】

図６を参照して、図４に示した空気極３２の構造を説明する。ここでは、空気極３２を例にとり説明するが、燃料極３３も同様な構造を有する。なお、図６において、「ＥＬ」は電子の流れを示し、「Ｈ_２Ｏ」は発電に伴って生成された液水の流れを示し、「Ｏｘ」は酸素含有ガスの流れを示す。

【0029】

膜電極接合体３０は、一方のガス流通路を流通する水素含有ガスが燃料極３３に流接し、かつ、他方のガス流通路を流通する酸素含有ガスが空気極３２に流接することにより発電を行なうものである。第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の固相部３２ａ´（３３ａ´）に接する第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の空隙率は小さく、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部３２ａ″（３３ａ″）に接する第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の空隙率は相対的に大きい。このため、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の固相部３２ａ´（３３ａ´）では、図６の矢印ＥＬで示す如く第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）との間における電子の輸送経路が確保されて、電子の輸送性が良好になる。

【0030】

第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部３２ａ″（３３ａ″）では、図６の矢印Ｏｘで示す如く、ガス流路Ｇと第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）との間における酸素含有ガスの輸送経路が確保されて、酸素含有ガスの輸送性が良好になる。さらに、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部３２ａ″（３３ａ″）では、図６の矢印Ｈ_２Ｏで示す如く、発電に伴って生成された液水が毛細管現象によりガス流路Ｇ側に排出され易くなり、生成水が第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）に広がるような事態を抑制することができる。

【0031】

上述した電子及び酸素含有ガスの輸送性の向上には「屈曲度」が関係する。

【0032】

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）を参照して、第二の多孔体３２ａ内における屈曲度について説明する。図７（Ａ）に示す自由空間において、位置ＦＡ（平面ＦＡ）から、位置ＦＢ（平面ＦＢ）まで最短の輸送経路Ｌ１は直線となる。一方、７図（Ｂ）に示す第二の多孔体３２ａ内においては、第二の多孔体３２ａ内に存在する固相部３２ａ´の影響により、最短の輸送経路Ｌ２は直線とならず、歪むことになる。よって、最短の輸送経路Ｌ２は曲線となり、自由空間の場合に比べてその距離は長くなる。

【0033】

このとき、第二の多孔体３２ａ内の屈曲度は、Ｌ２／Ｌ１で表現される。すなわち、第二の多孔体３２ａにおいて、屈曲度の最小値は「１」となる。第二の多孔体３３ａについても同様である。

【0034】

次に、第１実施形態に係わる膜電極接合体３０の製造方法について説明する。図８を参照して膜電極接合体３０の製造方法の第１例を説明し、図９を参照して膜電極接合体３０の製造方法の第２例を説明する。

【0035】

第１実施形態に係わる膜電極接合体３０の製造方法では、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）及び固相部３２ａ´（３３ａ´）の配置に応じて、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の構造を変化させる。具体的には、膜電極接合体３０の製造方法は、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の一部によって第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の空孔を圧潰する。これにより、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の固相部３２ａ´（３３ａ´）に接する第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の空隙率を小さく、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部３２ａ″（３３ａ″）に対向する第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の空隙率を相対的に大きくする。

【0036】

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）がＭＰＬ（第一の多孔体）３２ｂ（３３ｂ）に押し圧を加えることにより、固相部３２ａ´（３３ａ´）に接する第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）内の空孔が潰される。なぜなら、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）を構成するカーボン粒子は潰れないからである。これにより、相対的に第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の空隙率が減少し、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）における固体（カーボン粒子）の占有率が増加する。この結果、電子の輸送経路Ｐａｓが短くなり、電子の輸送抵抗が低減される。すなわち、元々接触していなかったカーボン粒子間が完全に接触してしまえば、圧縮破壊されない限り、それ以上は潰れないため、押し圧の制御も容易となる。また、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）としては、金網に限らず金属多孔体を用いることで容易に製造可能な手法である。

【0037】

気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）に接する第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）に押し圧は加わらない。よって、気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）に接する第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）内の空孔は潰されないため、構造変化はほとんど発生しない。ただし、カーボン粒子はポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene、ＰＴＦＥ）等のバインダで接着されている場合が多く、図８（Ｂ）の包囲線ＩＩで示すように、圧縮されるカーボン粒子に追従する。結果として、固相部３２ａ´（３３ａ´）下方のカーボン粒子の密度が増加し、気相部３２ａ″（３３ａ″）下方の空隙率が拡大する傾向となる。

【0038】

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す第１例では、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）としての金網の断面形状が方形状である場合を示した。これに対して、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示す第２例では、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）としての金網の断面形状が円形（真円及び楕円を含む）である場合を示す。この場合も、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）及び固相部３２ａ´（３３ａ´）の配置に応じて、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の構造が変化する。また、金網の断面形状が円形であるため、固相部３２ａ´（３３ａ´）下方と気相部３２ａ″（３３ａ″）下方との領域の切り分けがなだらかになる。ただし、固相部３２ａ´（３３ａ´）に合わせて第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の空隙率が変化するので、同じ効果を発揮できる。

【0039】

上記の構成からなる膜電極接合体３０、及びこの製造方法によれば、次の効果を得ることができる。粗領域に液水が凝縮することを防いで、ガス拡散性の低下を防止できる。固相部３２ａ´（３３ａ´）下方においては、カーボン粒子同士の接触が増加することにより電子の輸送経路が増加する。一方、気相部３２ａ″（３３ａ″）下方では粒子同士の接触が相対的に少なくなり、酸素の輸送経路を確保できる。また、固相部３２ａ´（３３ａ´）から気相部３２ａ″（３３ａ″）にキャピラリプレッシャによる液水の排水が助長される。これにより、電子の輸送性とともに酸素の輸送性の向上を図ることができ、これにより発電性能を向上させることができる。

【0040】

［第２の実施形態］
第２実施形態では、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の一部が第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）に入り込むように両多孔体３２ａ、３２ｂ（３３ａ、３３ｂ）が互いに食い込んでいるセルプレート（燃料電池）Ａ１、及び複数のセルプレートＡ１を積層した燃料電池スタック１０について説明する。

【0041】

第２実施形態に係わる燃料電池スタック１０の全体構成（図１及び図２）、セルプレートＡ１の構成（図３及び図４）、及び膜電極接合体３０の構成（図５）は、第１実施形態と同じであり図示及び説明を省略する。

【0042】

図１０を参照して、空気極３２の構造を説明する。ここでは、空気極３２を例にとり説明するが、燃料極３３も同様な構造を有する。空気極３２は、第一の多孔体３２ｂと、第二の多孔体３２ａとを有する。第一の多孔体３２ｂの一部は、第二の多孔体３２ａの気相部（空孔）３２ａ″に入り込むように第一の多孔体３２ｂ及び第二の多孔体３２ａは互いに食い込んでいる。

【0043】

このとき、第一の多孔体３２ｂと第二の多孔体３２ａとの食い込み高さＨは、第二の多孔体３２ａの気相部３２ａ″の深さＤ以下となっている（Ｈ≦Ｄ）。

【0044】

第一の多孔体３２ｂは、いわゆる多孔質体であって、例えばカーボン材料で形成してある。第一の多孔体３２ｂは、具体的には、フィバー繊維のランダムな積層体をバインダで固め、ＰＴＦＥ等の撥水処理を施したもの、或いは、カーボンブラック等の凝集体をＰＴＦＥ等のバインダで焼結したものである。

【0045】

他方、第二の多孔体３２ａは、第一の多孔体３２ｂとは区別される金属多孔体である。第二の多孔体３２ａには、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、並びにマグネシウム及びマグネシウム合金からなる群のうち、いずれか１種類以上の金属を用いることができる。金属多孔体の具体的な形態として、金網、パンチングメタル、エッチングメタル、及びエキスパンドメタル等があり、この実施形態では図５（Ａ）或いは図１１に示す如く金網である。

【0046】

第２実施形態に係わる複数のセルプレート（燃料電池）Ａ１が積層されて燃料電池スタック１０が構成される。空気極３２及び燃料極３３に水素含有ガス又は酸素含有ガスを供給することで、セルプレート（燃料電池）Ａ１は電気化学反応により電気エネルギを発生する。この際、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の一部が第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）に入り込んでいるため、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の固相部３２ａ´（３３ａ´）下方では、図１１中の矢印ＥＬで示す如く第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）との間における電子の輸送経路が確保されて、電子の輸送性が良好になる。

【0047】

また、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）の下方では、図１１の矢印Ｏｘで示すように、ガス流路Ｇと第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）との間における酸素の輸送経路が確保されて、酸素の輸送性が良好になる。さらに、気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）の下方では、図１１の矢印Ｈ_２Ｏで示すように、発電に伴って生成された液水が毛細管現象によりガス流路Ｇ側に排出され易くなり、生成水が第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）に広がるような事態を抑制することができる。

【0048】

このように、第２実施形態に係わるセルプレート（燃料電池）Ａ１及び燃料電池スタック１０によれば、空気極３２及び燃料極３３からの液水の排出が容易になり、これと同時に酸素の輸送性（ガス拡散性）が高められ、発電性能の向上を実現することができる。

【0049】

第二の多孔体３２ａ（３３ａ）が、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、並びにマグネシウム及びマグネシウム合金からなる群のうち、いずれか１種類以上の金属である。これにより、高い酸素輸送性を維持しつつ電子輸送性がより高められる。

【0050】

第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）と第二の多孔体３２ａ（３３ａ）との食い込み高さＨは、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部３２ａ″（３３ａ″）の深さＤ以下とした。これにより、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の一部が気相部３２ａ″（３３ａ″）からガス流路Ｇ側に突出することがない。これにより、導電性が良好である第二の多孔体３２ａ（３３ａ）とセパレータ４０，４１とが必ず接触することとなり、抵抗の少ない良好な導電経路を確保し得る。

【0051】

図１２及び図１３を参照して、その他の実施形態を説明する。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【0052】

図１２は、その他の実施形態に係わる空気極３２の構造を模式的に示す説明図である。ここでは、空気極３２を例にとり説明するが、燃料極３３も同様な構造を有する。本実施形態では、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）と第二の多孔体３２ａ（３３ａ）を互いに圧接させ、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の一部が第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部３２ａ″（３３ａ″）に入り込むように、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）を積層方向（ｘ方向）に塑性変形させている。これにより、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）と第二の多孔体３２ａ（３３ａ）が互いに食い込んでいる。

【0053】

第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の固相部３２ａ´（３３ａ´）下方では、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）が圧縮されて第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）を形成するカーボン粒子同士の接触が増加する。よって、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）との間における電子の輸送経路（図１２の矢印ＥＬ）がより多く確保されて、電子の輸送性がより良好になる。

【0054】

第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の気相部３２ａ″（３３ａ″）では、ガス流路Ｇと第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）との間における酸素の輸送経路（図１２の矢印Ｈ_２Ｏ）が確保されて、酸素の輸送性が良好になる。さらに、気相部（空孔）３２ａ″（３３ａ″）の下方では、図１２の矢印Ｈ_２Ｏで示すように、発電に伴って生成された液水が毛細管現象によりガス流路Ｇ側に排出され易くなり、生成水が第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）に広がるような事態を抑制することができる。

【0055】

図１３は、その他の実施形態に係わる空気極３２の構造を模式的に示す説明図である。ここでは、空気極３２を例にとり説明するが、燃料極３３も同様な構造を有する。本実施形態では、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）が、その層間に補強層３２ｃ（３３ｃ）を有している。補強層３２ｃ（３３ｃ）は、例えば、カーボン繊維などの補強繊維で形成される。第二の多孔体３２ａ（３３ａ）は、金属多孔体である金網であって、図１３に示すように円形の断面形状を有する。

【0056】

図１２に示す実施形態と同様に、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）と第二の多孔体３２ａ（３３ａ）とを圧接させて、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の一部が第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の空孔に入り込むように、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）を積層方向（ｘ方向）に塑性変形させたものである。

【0057】

図１３に示す実施形態では、第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）を塑性変形させる際に、補強層３２ｃ（３３ｃ）により第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）を破壊させることなく、第二の多孔体３２ａ（３３ａ）の空孔に第一の多孔体３２ｂ（３３ｂ）の一部を埋設することができる。

【0058】

以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲において種々の変形が可能である。

【0059】

例えば、上述した実施形態においては、第二の多孔体として金網を例として説明したが、それに限るものではなく、例えばパンチングメタル等を採用できることは勿論である。

【0060】

特願２０１２−０８７４５６号（出願日：２０１２年４月６日）、及び特願２０１２−０８５６１０号（出願日：２０１２年４月４日）の全内容は、ここに援用される。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本発明の実施形態によれば、発電に伴って生成された液水の排出が容易になり、これと同時に酸素輸送性（ガス拡散性）が高められ、発電性能の向上を実現することができる。したがって、本発明は、産業上の利用可能性を有する。

【符号の説明】

【0062】

１０ 燃料電池スタック
３０ 膜電極接合体
３２Ａ，３３Ａ 触媒層
３２ａ，３３ａ 第二の多孔体
３２ｂ，３３ｂ 第一の多孔体
３２ｃ、３３ｃ 補強層
３２ａ´，３３ａ´ 固相部
３２ａ″，３３ａ″ 気相部
４０，４１ セパレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5(A)】

【図5(B)】

【図6】

【図7(A)】

【図7(B)】

【図8(A)】

【図8(B)】

【図9(A)】

【図9(B)】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13(A)】

【図13(B)】