燃料电池用堆栈以及燃料电池的制作方法

专利名称：：燃料电池用堆栈以及燃料电池的制作方法
技术领域：
：本发明涉及直接使用纯氢或者来自矿物燃料的改性氢、或甲醇、乙醇等液体燃料作为燃料，以空气或氧气为氧化剂的燃料电池以及燃料电池用堆栈，特别是涉及固体高分子型燃料电池(PEFC)。
背景技术：
：燃料电池、例如固体高分子型燃料电池，是一种通过使含有氢的可燃气体和空气等含有氧的氧化剂气体发生电化学反应，来同时产生电和热的装置。其结构是，首先，在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两面形成以担载铂系金属催化剂的碳粉末为主要成分的催化剂反应层。其次，在该催化剂反应层的外面形成同时具有气体透气性和电子导电性的气体扩散层，将该扩散层和催化剂反应层(催化剂层)合在一起形成为电极。将使该电极以及高分子电解质膜一体化的装置叫做MEA(膜电极复合体)。这样的气体扩散层需要具有气体透气性和电子传导性，由复写纸、碳布(碳纤维织布)、石墨毡等碳纤维构成的材料用作其基体材料。通常，在与该基体材料的催化剂层相接的一侧设置以氟树脂等疏水性树脂和碳粉末为主要成分的导电性疏水层，将其作为气体扩散层。导电性疏水层对于高分子电解质膜的保湿、因电池反应而生成的剩余水分的快速去除、以及因基体材料即气体扩散层基体材料造成的催化剂层及高分子电解质膜的损伤的避免等来说是有效的。作为这种气体扩散层基体材料，例如通常使用碳布(以下称做碳纤维织布)或复写纸(碳纤维无纺布)。碳纤维织布是织物，是将多个线例如经线和纬线规则地组合在一起而构成的。另外，碳纤维无纺布是使碳纤维不规则分散而构成的。在MEA的外侧将其机械性地固定，并且，配置用于相互电串联连接相邻的MEA的导电性板状隔板。在隔板的与MEA接触的部分形成用于向电极面供给反应气体、将生成气体及剩余气体运出去的气体流路。气体流路虽然也可以和隔板分别设置，但通常在隔板表面设置槽部来作为气体流路。另外，为了防止提供给气体流路的可燃气体及氧化剂气体向外部泄漏或相互混合，而在沿着隔板缘部的电极周围或可燃气体以及氧化剂气体的岐管(manifold)周围配置了密封垫片。这样一来，就形成燃料电池的单电池。燃料电池用堆栈具有叠层多个这样的单电池、并用规定的紧固力进行紧固的叠层结构。另外，这种紧固的目的在于，使隔板和气体扩散层的接合部等的叠层部件间的接触阻力降低，并且，以使气体以及循环水不泄漏的方式维持密封性。可燃气体及氧化剂气体向各单电池的供给以及排出，通过形成于隔板侧面上的可燃气体入口岐管和可燃气体排出岐管、以及氧化剂气体入口岐管和氧化剂气体出口岐管来进行。即，可燃气体以及氧化剂气体从位于堆栈端部的端板上形成的可燃气体以及氧化剂气体入口部一并供给，从各电池的入口岐管流经各气体流路而分散输送给MEA，在MEA进行电化学反应之后，未反应气体流经各电池的出口岐管，从形成于端板上的可燃气体以及氧化剂气体出口一并排出。这样，在固体高分子型燃料电池中，所采用的方法是将可燃气体和氧化剂气体从设置于隔板缘部上的岐管并列地分散供给向各电池。因此，在燃料电池中，如果各电池的压力损失因气体扩散层向由隔板的槽部和气体扩散层形成的气体流路内的垂入量的偏差、或气体扩散层的气体透过性的偏差等而不同，则会造成向各电池提供的气体流量因每个电池而不同。其结果是，在气体流量小的电池中，具有产生下述的所谓电压不稳定现象(液泛)的问题，即，由于水滴堵塞气体流路，造成向位于比堵塞处靠下游侧的电极及催化剂供给燃料不足，因此电压慢慢地下降，另外，该水滴若被排出，则由于流路堵塞被解除而恢复燃料供给，致使电压上升。针对这样的问题，日本特开2003—151604号公报(文献1)公开了测定每个单电池的压力损失，根据压力损失的大小将各电池分为预先确定的等级，集中相同等级的单电池来制造燃料电池，由此，降低各电池之间的气体流量偏差、抑制液泛的燃料电池及其制造方法。另外，日本特开2004—185936号公报(文献2)所公开的燃料电池是，将气体扩散层基体材料的纤维方向作成与气体流动方向并行，与气体流动方向垂直的方向的气体扩散层的气体透气性设定为小于气体流动方向的气体扩散层的气体透过性，由此，通过抑制通过气体扩散层向相邻的气体流路的气体泄漏，能够实现流过气体流路的反应气体的压力损失损耗的降低，并尝试液泛的抑制。但是，所述文献l的方法中，测定各单电池的压力损失，基于其测定结果，根据压力损失的大小将各电池分为预先确定的等级，这样做耗费时间，故与以往技术相比，存在耗费成本、时间，生产损耗也大的问题。所述文献2的方法中，由于气体扩散层基体材料的纤维的主方向与气体流路的主方向并行，所以相对于气体流路垂直的方向的气体扩散层基体材料的刚性变低。其结果是，气体扩散层基体材料变得易于垂入气体流路内。因此，其存在的问题是，由于在各电池间的气体扩散层向气体流路内的垂入量的偏差等，无法降低各电池间的压力损失偏差，反而妨碍耐液泛性的提高。
发明内容本发明是为解决所述问题而构成的，其目的在于，提供一种生产损耗小、通过降低各电池间的压力损失偏差、使流过各电池的气体流量均等而提高了耐液泛性的燃料电池用堆栈以及燃料电池。为了实现所述目的，本发明如下构成。本发明的第一方面提供一种燃料电池用堆栈，其具有第一电池和第二电池的叠层结构，所述第一电池和第二电池具备膜电极复合体(MEA)，其是高分子电解质膜、以夹持该高分子电解质膜的方式配置的各催化剂层、配置于所述各催化剂层外侧的气体扩散层的复合体，并分别形成阳极和阴极；一对隔板，其以形成有槽部的其表面与所述气体扩散层相接而形成气体流路的方式夹持所述膜电极复合体而配置，所述燃料电池用堆栈的特征在于，在所述第一电池和所述第二电池之间，形成所述阳极或者所述阴极中的任一极的所述气体扩散层的气体扩散层基体材料的伸长率的(所述各电池之间的)偏差关于与所述隔板的所述气体流路的主方向垂直的方向在士30%以内。本发明的第二方面在第一方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，在所述第一电池和所述第二电池中，所述任一极是所述阳极。本发明的第三方面在第一方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，在所述第一电池和所述第二电池之间，所述阳极以及所述阴极的所述各气体扩散层基体材料的伸长率的偏差关于所述垂直的方向在±30%以内。本发明的第四方面在第一方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，所述伸长率的偏差还关于所述隔板的所述气体流路的主方向在±30%以内。本发明的第五方面在第一方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，所述伸长率的偏差关于所述垂直的方向为±10%以内。本发明的第六方面在第五方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，所述伸长率的偏差还关于所述隔板的所述气体流路的主方向为士2()Q^以内。本发明的第七方面在第一方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，所述第一电池和所述第二电池的所述各气体扩散层基体材料在沿着所述气体流路主方向的方向和所述垂直的方向上，具有关于伸长率的各向异性。本发明的第八方面在第七方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，所述关于伸长率的各向异性中，伸长率大的方向的伸长率比伸长率小的方向的伸长率大60%以上。本发明的第九方面在第七方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，在与所述隔板的气体流路的主方向垂直的方向上配置所述气体扩散层基体材料的伸长率小的方向。本发明的第十方面在第一方面的基础上，提供一种燃料电池用堆栈，其特征在于，所述气体扩散层基体材料由碳纤维织布形成。本发明的第十一方面提供一种燃料电池，其特征在于，具备第一第十方面中任一方面所述的燃料电池用堆栈、和向所述堆栈的所述第一电池和第二电池供给燃料的共用的燃料供给装置。根据本发明，在叠层了第一电池和第二电池的燃料电池用堆栈中，将各电池的阳极或阴极中的任一极的形成气体扩散层的气体扩散层基体材料的伸长率的电池之间的偏差，设为关于与隔板的气体流路的主方向垂直的方向在±30%以内，由此，能够减少所述气体扩散层基体材料向所述隔板的气体流路内的垂入量的电池之间的偏差、降低各电池间的压力损失的偏差。其结果是，由于在具有多个单电池的叠层结构的燃料电池用堆栈中，可向各电池均等地分配气体，故能够提供一种耐液泛性高的燃料电池用堆栈以及具备这种堆栈的燃料电池。通过与附图的优选实施方式相关的下述描述能够明确本发明的这些目的和特征。这些附图中，图1是表示本发明一实施方式的燃料电池的构成的概略构成图2是图1的燃料电池所具备的燃料电池用堆栈的示意分解立体图3是隔板的示意俯视图4A是表示构成所述堆栈所具备的气体扩散层基体材料的碳纤维织布(平纹组织)的结构的示意俯视图4B是表示图4A的气体扩散层基体材料的碳纤维织布的y—y'剖面的示意剖面图4C是表示图4A的气体扩散层基体材料的碳纤维织布的x—x'剖面的示意剖面图5A是将所述碳纤维织布的经线方向和隔板的气体流路的主方向并行配置的单电池的示意分解立体图5B是表示与图5A的单电池的气体流路的主方向垂直的剖面的示意局部剖面图6A是将所述碳纤维织布的经线方向和隔板的气体流路的主方向垂直配置的单电池的示意分解立体图6B是表示与图6A的单电池的气体流路的主方向垂直的剖面的示意局部剖面图7是更详细地表示图5B的单电池的剖面的示意局部剖面图8是更详细地表示图6B的单电池的剖面的示意局部剖面图；图9是相对于本发明的所述实施方式的比较例的燃料电池用堆栈的示意分解立体图IO是所述实施方式的变形例的燃料电池用堆栈的示意分解立体图11是图9的比较例的堆栈的气体流动的概念图12是图2的所述实施方式的堆栈的气体流动的概念图13是图10的所述实施方式的变形例的堆栈的气体流动的概念图14是由碳纤维无纺布构成的气体扩散层基体材料的示意俯视图15是图14的碳纤维无纺布的伸长率小的方向与气体流路的主方向垂直而配置的状态的电池的示意局部剖面图16是图14的碳纤维无纺布的伸长率大的方向与气体流路的主方向垂直而配置的状态的电池的示意局部剖面图17是表示碳纤维织布的经线的配置方向相对于气体流路的主方向倾斜交叉而配置的状态的示意俯视图18是表示本发明的实施例4的燃料电池的燃料利用效率的特性的图表；图19是表示比较例2的燃料电池的燃料利用效率的特性的图表；图20是表示气体扩散层基体材料GDL—1的伸长率的特性的图表；图21是表示气体扩散层基体材料GDL—2的伸长率的特性的图表；图22是表示相对于各实施例和比较例的燃料电池的气体扩散层基体材料的伸长率的电池间的偏差的、界限Uf和界限Uo的关系的图表；图23是表示相对于各实施例和比较例的燃料电池的气体扩散层基体材料的伸长率最大值和伸长率最小值的差的、界限Uf和界限Uo的关系的图表；图24是表示相对于各实施例和比较例的燃料电池的气体扩散层基体材料的伸长率的SN值的、界限Uf和界限Uo的关系的图表。具体实施例方式在继续本发明的描述之前，在附图上对相同部件标注相同参照符号。下面，结合附图详细说明本发明的实施方式。图1是表示具备本发明一实施方式的燃料电池用堆栈的燃料电池的概略构成的示意构成图。另外，图2表示图1所示的燃料电池101所具备的燃料电池用堆栈(下面简称"堆栈")的示意分解立体图。燃料电池101例如是固体高分子型燃料电池(PEFC)，其通过使含有氢的可燃气体和空气等含有氧的氧化剂气体发生电化学反应，来同时生成电、热、水。如图1所示，燃料电池101具备堆栈30，其具有串联连接多个具备阳极和阴极这一对电极的燃料电池单元(或者单电池)的叠层结构；从可燃气体取出氢的燃料处理器31;通过对含有由燃料处理器31取出的氢的可燃气体进行加湿以提高发电效率的阳极加湿器32;对含氧气体(氧化剂气体)进行加湿的阴极加湿器33;用于分别供给可燃气体和含氧气体的泵34、35。即，构成用燃料处理器31、阳极加湿器32以及泵34将可燃气体提供给堆栈30的各电池的燃料供给装置，另外，还构成用阴极加湿器33和泵35将氧化剂气体提供给堆栈30的各电池的氧化剂供给装置。再者，这样的燃料供给装置和氧化剂供给装置只要具备进行燃料和氧化剂供给的功能就可以采用其他的各种形式，但在本实施方式中，只要是相对于堆栈30所具备的多个电池，共用地供给燃料及氧化剂的供给装置，就能够优选地得到后述的本实施方式的效果。另外，燃料电池IOI具备用于循环供给冷却水的泵36，所述冷却水用于有效去除发电时由堆栈30产生的热；用于将由该冷却水(例如，使用没有导电性的液体例如纯水。)去除的热与自来水等流体进行热交换的热交换器37;储存被热交换过的自来水的储存热水罐38。再者，燃料电池101还具备进行用于使这些各构成部相互关联而进行发电的运转控制的运转控制装置40;取出由堆栈30发出的电能的电输出部41。另外，如图2所示，该燃料电池101所具备的堆栈30叠层多个作为基本单位构成的单电池20，用集电板21、绝缘板22、端板23从两侧以规定的负荷紧固而构成。在各集电板21上设置有电流取出端子部21a，发电时从这里取出电流即电能。各绝缘板22使集电板21和端板23之间绝缘，并且，有时也设置未图示的气体及冷却水的导入口、排出口。各端板23通过未图示的加压装置以规定的负荷紧固并保持叠层了多片的单电池20和集电板21、绝缘板22。如图2所示，单电池20是用一对隔板16夹持MEA(膜电极复合体)15而构成的。MEA15在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜11的阳极面侧形成以担载有铂一钌合金催化剂的碳粉末为主要成分的催化剂层(阳极侧催化剂层)12，在阴极面侧形成以担载有铂催化剂的碳粉末为主要成分的催化剂层(阴极侧催化剂层)13，在这些催化剂层12和13的外面配置有一并具有可燃气体或氧化剂气体的透气性和电子导电性的气体扩散层14。高分子电解质膜11通常使用表现出质子导电性的固体高分子材料例如全氟磺酸膜(f二求y社制于7^才y膜)。隔板16只要是不透气性的导电性材料即可，例如通常使用将树脂渗碳材料切削成规定形状的材料、使碳粉沫和树脂材料的混合物成形后的材料。在隔板16的与MEA15接触的部分形成凹状的槽部，通过使该槽部与气体扩散层14相接，形成用于向电极面供给可燃气体或氧化剂气体、运走剩余气体的气体流路。另外，这样形成于隔板16表面的气体流路16a如图3的隔板16的示意俯视图所示，例如从入口朝出口，单个或者多个路径(气体流路)16a在图示左右方向上以多次改变方向而配置的方式形成为弯曲状。弯曲状的气体流路16a成为相互平行地直线状形成的往路和复路的各端部由转弯部16b连结的连续结构。需要说明的是，在本说明书中所谓的"气体流路的主方向"，是指所述的直线状形成的部分的气体流路16a的方向，例如，图3所示的隔板16的气体流路16a的主方向成为图示左右方向。在隔板16的与气体流路相反侧的面上形成有冷却水的流路。再者，在隔板16的缘部，为进行向单电池20的可燃气体以及氧化剂气体的供给及排出，而形成有可燃气体入口岐管17a和可燃气体出口岐管17b，以及氧化剂气体入口岐管18a和氧化剂气体出口岐管18b，并且还形成有冷却水入口岐管19a和冷却水出口岐管19b。因此，在叠层了多个单电池20的燃料电池101中，可燃气体入口岐管17a、可燃气体出口岐管17b、氧化剂气体入口岐管18a、氧化剂气体出口岐管18b、冷却水入口岐管19a以及冷却水出口岐管19b在所有的单电池20中连通。另外，在各隔板16、集电板2K绝缘板22以及端板23上配置有未图示的密封部件，防止可燃气体和氧化剂气体等混合，或者防止其向外部泄露。气体扩散层14的基体材料通常可使用由碳纤维构成的材料，作为这样的基体材料，例如可使用碳纤维织布。碳纤维织布具有以碳纤维的线为构成材料的织物结构，作为这样的织物结构，最常见的是图4A中气体扩散层(基体材料)14的局部放大示意俯视图所示的平纹组织结构。所谓的平纹组织结构是指，在图示上下方向配置的经线21和在图示左右方向配置的纬线22形成为每隔一根而立体交叉的结构，其剖面如图4B(y—y，剖面)、图4C(x—x，剖面)所示，相对于各经线21缝入各纬线22而构成。构成本实施方式的气体扩散层基体材料14的碳纤维织布，在经线21的配置方向和纬线22的配置方向上具有伸长率及抗拉强度(刚性)不同的各向异性。此处，说明由具有这种各向异性的碳纤维织布构成的气体扩散层基体材料14的经线21或者纬线22的配置方向、和隔板16的气体流路16a的主方向的配置关系。例如，考虑碳纤维织布(气体扩散层基体材料14)在其经线21的配置方向具有伸长率比纬线22的配置方向小的各向异性的情况。在这种情况下，如图5A的示意立体分解图所示，如果以相对于气体扩散层基体材料14的碳纤维织布的经线21的配置方向3，隔板16的气体流路16a的主方向4并行的方式配置二者，则如图5B的示意剖面图所示，在紧固时碳纤维织布容易垂入到隔板16的气体流路16a。另一方面，如图6A所示，如果以相对于气体扩散层基体材料14的碳纤维织布的经线21的配置方向3，隔板16的气体流路16a的主方向4垂直的方式配置二者，则如图6B的示意剖面图所示，能够在紧固时使碳纤维织布不易垂入到隔板16的气体流路16a。更具体地说，如图7的单电池20的局部示意剖面图所示，在碳纤维织布中其经线21的配置方向的伸长率小的情况下，在以该经线21的配置方向和隔板16的气体流路16a的主方向并行的方式配置二者情况下，由于在图示左右方向配置的纬线22更易于伸长，所以难以用纬线22压碾经线21，纬线22以在上下方向更大起伏的方式配置。其结果是，碳纤维织布向隔板16的气体流路16a内的垂入量变得较大。另一方面，如图8的局部示意剖面图所示，在以经线21的配置方向和隔板16的气体流路16a的主方向垂直的方式配置二者的情况下，由于在图示左右方向配置的经线21更不易伸长，所以用经线21压碾纬线22，经线21的上下方向的起伏量变得更小。其结果是，碳纤维织布向隔板16的气体流路16a内的垂入量变得较小。再者，在图5A、图5B、图6A、图6B、图7以及图8中，将在高分子电解质膜11的两面形成有各催化剂层12、13的结构作为带催化剂层的高分子电解质膜5表示。此处，表1表示测定相对于与气体流路的主方向垂直的方向的碳纤维织布的伸长率的、在单电池中的压力损失的结果。另外，碳纤维织布的伸长率是用拉伸试验机(今田制作所制SV—52型，1996年式，拉伸压縮试验机)，在试验片宽25mm、试验片厚0.4mm、卡盘间距100mm、进给速度2mm/min的条件下，测定相对于位移量的负荷，求出相对于负荷10N时的初始长度的位移量的比例。具体而言，在将试验片沿上下方向把持的状态下，通过使上部卡盘朝上方移动来附加负荷。另外，在卡盘上，经由橡胶材料来进行试验片的夹持。需要说明的是，在该试验中，因卡盘的橡胶材料的破损等而引起的异常数据不作为试验结果采用。再者，这样的碳纤维织布的伸长率的测定是以ASTMD1682—64:纤维织布的断裂负荷和伸长的标准试验方法Section17为基准的。另外，在单电池中的压力损失测定是在电流密度0.25A/cm2、燃料利用率80%、氧利用率50%、电池温度75'C、阳极露点75'C、阴极露点75'C的条件下测定的。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表1表明，对于碳纤维织布的经线21的配置方向和纬线22的配置方向，在各配置方向的碳纤维织布的伸长率是不同的。另外，结果表明，如果与气体流路16a的主方向垂直的方向的碳纤维织布的伸长率变大，则在单电池中的压力损失值变大。这种趋势在阳极侧和阴极侧是相同的，尤其是在阳极侧这种趋势表现得尤为显著。这是因为，在燃料电池中，对于可燃气体和氧化剂气体，由于氧化剂气体的必要流量多，所以与阳极侧相比，阴极侧流路的流路条数多。因此，阳极侧的合计流路截面积比阴极小，易受到气体扩散层基体材料向气体流路的垂入偏差的影响。因此，如图9的示意分解立体图所示的本发明的比较例的燃料电池所具备的堆栈530所示，碳纤维织布(气体扩散层基体材料14)的经线的配置方向3和隔板16的气体流路的主方向4随机(不规则)配置在各单电池20之间，在这样的配置构成中，与气体流路的主方向4垂直的方向的碳纤维织布的各电池20间的伸长率的偏差变大，造成在各电池20间气体流路内的压力损失的偏差变大。其结果就是产生下述这样的问题，即，在这样的燃料电池530中，压力损失高的电池致使耐液泛性变差。相对于此，本实施方式的燃料电池101所具备的堆栈30如图2所示,将碳纤维织布(气体扩散层基体材料14)的经线的配置方向和隔板16的气体流路的主方向4的配置关系做成在所有电池20内都相同，例如，以使经线的配置方向3和气体流路的主方向4垂直的方式进行配置，以降低与垂直于隔板16的气体流路的主方向4的方向相关的气体扩散层基体材料的电池间的伸长率的偏差。这种电池间的伸长率的偏差如后所述，优选在±30%以内，更优选在±20%以内。再者，这种堆栈30内的配置构成如上所述，并非只局限于使经线的配置方向3和气体流路的主方向4垂直之类的配置构成，经线的配置方向3和气体流路的主方向4的配置关系也可以是在所有的电池20之间都相同。例如，如图IO的示意立体分解图所示的堆栈130所示，在所有的电池20中，即使采用使经线的配置方向3和气体流路的主方向4并行配置这样的配置构成时，也能够降低所述伸长率在电池间的偏差。更详细地进行说明，在图9所示的比较例的堆栈530的配置构成中，如在图11的堆栈530的可燃气体的流动概念图所示，在电池20之间，与隔板的气体流路的主方向垂直的方向的气体扩散层基体材料14的伸长率的偏差较大地产生，从而造成气体扩散层基体材料14向气体流路内的垂入量变大的电池20和垂入量变小的电池20混杂。因此，在电池20之间，气体流路的压力损失的偏差变大，较容易产生液泛。另一方面，如图12所示的本实施方式的堆栈30的配置构成中，如图12的在堆栈30中的可燃气体的流动概念图所示，在电池20之间，将与隔板的气体流路的主方向垂直的方向的气体扩散层基体材料14的伸长率的偏差抑制得较小，从而能够将气体扩散层基体材料14向气体流路内的垂入量抑制得比较小。因此，在电池20之间，能够使气体流路的压力损失的偏差变小、提高耐液泛性。另外，因为也能够减小气体扩散层基体材料14向气体流路内的垂入量自身，所以，也能够减小气体流路的压力损失自身、使气体流动良好。另外，如图10所示的本实施方式的另一个堆栈130的配置构成中，也如图13的可燃气体的流动概念图所示，通过将电池20间的伸长率的偏差抑制得较小，气体扩散层基体材料14向气体流路内的垂入量自身虽然变得比堆栈30大，但是由于能够将电池间的偏差抑制得比较小，所以也能够提高耐液泛性。另外，即使为隔板16的气体流路的主方向相对于气体扩散层基体材料14的碳纤维织布的经线的配置方向垂直这样的配置构成，也会考虑在纺织碳纤维织布时经线的张力降低等条件的作用下，经线的配置方向的伸长率变大的情况，在这样的情况下，在所述配置构成中，紧固时气体扩散层基体材料14向气体流路内的垂入量变大。因此，在这样的情况下，优选采用使经线的配置方向和气体流路的主方向并行之类的配置构成。另外，在所述的说明中，对气体扩散层基体材料14由碳纤维织布构成的情况进行了说明。但是，本实施方式并非只局限于这种情况，例如，即使是气体扩散层基体材料14由碳纤维无纺布构成的情况，也能够得到如上所述的本实施方式的效果。具体而言，如图14的气体扩散层基体材料114的示意俯视图所示，在气体扩散层基体材料114具有伸长率小的方向和伸长率大的方向，而且由各方向相互垂直之类的碳纤维无纺布构成的情况下，在堆栈的所有电池中，采用诸如在与隔板的气体流路的主方向垂直的方向配置伸长率小的方向，或者配置伸长率大的方向的配置构成，能够得到和所述的碳纤维织布的情况同样的效果。这样，碳纤维无纺布被用作气体扩散层基体材料114，例如，如图15的示意剖面图所示，在以所述伸长率小的方向和气体流路的主方向垂直的方式配置的情况下，气体扩散层基体材料114向隔板16的气体流路16a内的垂入量变得比较小。另外，例如，如图16的示意剖面图所示，在以所述伸长率大的方向和气体流路的主方向垂直的方式配置的情况下，气体扩散层基体材料114向隔板16的气体流路16a内的垂入量变得比较大。因此，利用这样的配置方向，将由具有向气体流路16a内的垂入量不同这一特征的碳纤维无纺布构成的气体扩散层基体材料114的配置方向设为在所有电池内相同，由此，能够降低电池间的气体流路的压力损失的偏差。另外，在所述的本实施方式的说明中，对由碳纤维织布构成的气体扩散层基体材料14的配置方向相对于隔板16的气体流路16a的主方向，经线21的配置方向形成为垂直的情况，或者经线21的配置方向形成为并行的情况进行了说明。但是，本实施方式并非只局限于这样的情况，例如，如图17的示意俯视图所示，也可以是经线21的配置方向3相对于气体流路的主方向4倾斜交叉而配置(例如在45度的方向上配置)之类的情况。即使为这种情况，通过在堆栈的所有电池中采用相同的配置构成，也能够降低伸长率的偏差，因而能够降低压力损失的偏差。因此，从只要在所有的电池中采用相同的配置构成就提高耐液泛性这一观点来看，不考虑气体流路的主方向4和经线21的配置方向3的关系。下面，基于实施例来更详细地说明本发明，当然，本发明并非局限于这些实施例。(实施例1)首先，说明本发明实施例1的燃料电池用堆栈所具备的MEA的制造方法。在高分子电解质膜(f二求乂制Nafionl12)的两面，涂敷在乙炔黑粉末中担持有铂而成的催化剂，形成催化剂层，进而再在其外面配置以碳纤维织布为基体材料的气体扩散层。碳纤维织布具平纹组织结构，使用表2所示的GDL—1(气体扩散层基体材料一l)。另外，与特性不同的两种气体扩散层基体材料GDL—1和GDL—2的伸长率相关的特性数据如表2所示。将以卡盘间距离100mm对宽25mm的碳纤维织布施加拉伸负荷的情况下的负荷10N条件下的织布的位移量用织布初始长度(即初始的卡盘间距)除而得到的数值表示为伸长率(％)。在表2中，所谓平均值是多片同种类的碳纤维织布的伸长率的平均值。这样，作为同种类的多片碳纤维织布的伸长率的偏差，用相对于伸长率平均值的伸长率最大值或伸长率最小值的位移量的比例(即，(伸长率最大值一伸长率最小值)/(伸长率平均值)，或者(伸长率最小值一伸长率平均值)/(伸长率平均值))表示。例如，GDL—1的纬线配置方向的伸长率的偏差在±28%以内，在经线配置方向上在±18%以内，GDL—2的纬线配置方向的伸长率的偏差在±20%以内，在经线配置方向上在±10%以内，GDL—2成为具有与GDL—1相比伸长率的偏差小这一特性的基体材料。图20、图21是在经线以及纬线的各配置方向上表示这样的GDL—1和GDL—2的伸长率的平均值、最大值以及最小值的数据的图表。再者，在图20以及图21所表示的图表中，纵轴表示负荷(N)、横轴表示位移另外，作为表示这种伸长率的偏差的其它方法，例如有伸长率最大值和伸长率最小值的绝对差(％)，以及SN比(=10*log{(伸长率平均值)"(伸长率标准偏差)":dB)。再者，在如表2所示的配置方向上所谓"经线和纬线是随机的"，是表示按1:1混杂纬线的配置方向和经线的配置方向时的伸长率数据。然后，说明隔板的制作方法。在平均粒径约50(im的人造石墨粉末80重量％中挤压热固性苯酚树脂20重量％，用搅拌机进行搅拌，将该粉末投入到实施用于成形气体流路用槽和冷却水流路用槽以及岐管的加工的模具中，进行热压。热压的条件是模具温度180°C、压力100kg/cm2、持续5分钟。得到的隔板的外形尺寸是20cmX20cm，厚度是3.0mm，气体流路和冷却水流路的深度是l.Omm。接着，将形成有氧化剂气体流路的隔板和形成有可燃气体流路的隔板，以经由MEA配置各气体流路的方式进行重合，以此为单电池。此时，以在所有单电池中气体扩散层的碳纤维织布的经线配置方向，在阳极侧和阴极侧，都与隔板的气体流路的主方向并行的方式，配置MEA。目卩，如表2所示，以与垂直于气体流路的主方向的方向相关的伸长率的偏差在土28%以内的方式配置气体扩散层基体材料(GDL—1)。将50个该单电池串联叠层，在两端部配置不锈钢制的集电板和电绝缘性的绝缘板，进而配置端板，用紧固杆固定，制作(组装)燃料电池用堆栈。此时的紧固压力是隔板的每单位面积为15kgf/cm2。将装备了这样制作的本实施例1的堆栈的高分子型燃料电池保持在75°C，向一个电极侧提供加湿、加温成75"C露点的氢气(可燃气体)，向另一个电极侧提供加湿、加温成75。C露点的空气(氧化剂气体)。在该燃料电池的氧利用率为50%、电流密度为0.25A/cm2的条件下，燃料利用率从50%开始，每5%来提高燃料利用率。此时，燃料利用率在5个小时的运转中，在所有的电池电压都能稳定地运转时，将燃料利用率提高5%。而且，在5个小时的运转中，电池电压刚刚低于600mV时中止试验，将所有电池都能稳定地运转的最高的燃料利用率作为界限燃料利用率(界限Uf)。接着，在该燃料电池的燃料利用率为70%、电流密度为0.25A/cm2的条件下，氧利用率从30%开始，每2.5%来提高氧利用率。此时，氧利用率在5个小时的运转中，在所有的电池电压都能稳定地运转时，将氧利用率提高5%。而且，在5个小时的运转中，电池电压刚刚低于600mV时中止试验，将所有电池都能稳定地运转的最高的氧利用率作为界限氧利用率(界限Uo)。根据所述结果可知，界限燃料利用率(界限Uf)和界限氧利用率(界限Uo)越大，固体高分子型燃料电池的耐液泛性越良好。该界限燃料利用率(界限Uf)和界限氧利用率(界限Uo)如表3所示。另外，表3的在单电池中的平均压力损失和标准偏差，在叠层前单电池的状态下，测定所有的压力损失，根据其结果求出平均值和标准偏差。在单电池中的测定条件是，电流密度0.25A/cm2、燃料利用率70%、氧利用率50%、电池温度75。C、阳极露点75。C、阴极露点75。C。另外，燃料电池的压力损失是密度0.25A/cm2、燃料利用率70%、氧利用率50%、电池温度75'C、阳极露点75。C、阴极露点75'C时的值。(实施例2)下面，说明实施例2的燃料电池用堆栈。和实施例1相同，制作MEA、隔板，以垂直于隔板的气体流路的主方向的方式配置如表2所示的GDL一l的碳纤维织布的经线配置方向而制作单电池。与实施例1同样，叠层50个该单电池，在两个端部配置不锈钢制的集电板和电绝缘材料的绝缘板，再配置端板并用紧固杆固定，制作燃料电池用堆栈。即，在实施例2中，如表2所示，制作出以与垂直于气体流路的主方向的方向相关的伸长率的偏差在±18%以内的方式配置气体扩散层基体材料(GDL—1)的堆栈。对装备了这样制作的本实施例2的燃料电池用堆栈的固体高分子型燃料电池，用实施例l的条件，测定耐液泛性、单电池内的平均压力损失和标准偏差、燃料电池的压力损失，其结果如表3所示。(实施例3)下面，说明实施例3的燃料电池用堆栈。和实施例1相同，制作MEA、隔板，以与隔板的气体流路的主方向并行的方式配置如表2所示的GDL—2的碳纤维织布的经线配置方向而制作单电池。与实施例1同样，叠层50个该单电池，在两个端部配置不锈钢制的集电板和电绝缘材料的绝缘板，再配置端板并用紧固杆固定，制作燃料电池用堆栈。目卩，在实施例2中，如表2所示，制作出以与垂直于气体流路的主方向的方向相关的伸长率的偏差在±20%以内的方式配置气体扩散层基体材料(GDL—2)的堆栈。对装备了这样制作的本实施例3的燃料电池用堆栈的固体高分子型燃料电池，用实施例l的条件，测定耐液泛性、单电池内的平均压力损失和标准偏差、燃料电池的压力损失，其结果如表3所示。(实施例4)下面，说明实施例4的燃料电池用堆栈。和实施例1相同，制作MEA、隔板，以垂直于隔板的气体流路的主方向的方式配置如表2所示的GDL—2碳纤维织布的经线配置方向而制作单电池。与实施例1同样，叠层50个该单电池，在两个端部配置不锈钢制的集电板和电绝缘材料的绝缘板，再配置端板并用紧固杆固定，制作燃料电池用堆栈。即，在实施例4中，如表2所示，制作出以与垂直于气体流路的主方向的方向相关的伸长率的偏差在±10%以内的方式配置气体扩散层基体材料(GDL—2)的堆栈。对装备了这样制作的本实施例3的燃料电池用堆栈的固体高分子型燃料电池，用实施例l的条件，测定耐液泛性、单电池内的平均压力损失和标准偏差、燃料电池的压力损失，其结果如表3所示。另外，本实施例4的燃料电池的Uf特性的测定结果的数据如图18所示。再者，在图18的图表中，纵轴表示电压，横轴表示时间。(比较例1)下面，说明相对于实施例14的燃料电池的比较例1的燃料电池用堆栈。和实施例l相同，制作MEA、隔板，并制作合计50个单电池，在所述50个单电池中，以25个单电池相对于隔板的气体流路的主方向并行的方式配置表2所示的GDL—1碳纤维织布的经线配置方向，以剩余的25个单电池相对于隔板的气体流路的主方向垂直的方式配置表2所示的GDL—1碳纤维织布的经线配置方向。随机叠层50个该单电池，和实施例1同样，在两个端部配置不锈钢制的集电板和电绝缘材料的绝缘板，再配置端板并用紧固杆固定，制作燃料电池用堆栈。即，在比较例1中，制作出以与垂直于气体流路的主方向的方向相关的伸长率的偏差在±48%以内的方式配置气体扩散层基体材料(使经线方向和纬线方向按1:1混杂来配置GDL—1)的堆栈。对装备了这样制作的比较例1的燃料电池用堆栈的固体高分子型燃料电池，用实施例l的条件，测定耐液泛性、单电池内的平均压力损失和标准偏差、燃料电池的压力损失，其结果如表3所示。(比较例2)下面，说明比较例2的燃料电池用堆栈。和实施例1相同，制作MEA、隔板，并制作合计50个单电池，在所述50个单电池中，以25个单电池相对于隔板的气体流路的主方向并行的方式配置表2所示的GDL—2碳纤维织布的经线配置方向，以剩余的25个单电池相对于隔板的气体流路的主方向垂直的方式配置表2所示的GDL—2碳纤维织布的经线配置方向。随机叠层50个该单电池，和实施例1一样，在两个端部配置不锈钢制的集电板和电绝缘材料的绝缘板，再配置端板并用紧固杆固定，制作燃料电池用堆栈。gp，在比较例2中，制作出以与垂直于气体流路的主方向的方向相关的伸长率的偏差在±41%以内的方式配置气体扩散层基体材料(使经线方向和纬线方向按1:1混杂来配置GDL—2)的堆栈。对装备了这样制作的比较例2的燃料电池用堆栈的固体高分子型燃料电池，用实施例l的条件，测定耐液泛性、单电池内的平均压力损失和标准偏差、燃料电池的压力损失，其结果如表3所示。另外，本比较例2的燃料电池的Uf特性的测定结果的数据如图19所示。再者，在图19的图表中，纵轴表示电压，横轴表示时间。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>[表3]<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>标注所谓"随机性"是指垂直和并行按1:1的比例混杂的状态。如表3明确所示，比较例1和比较例2的燃料电池中，如用标准偏差所示，50个电池间的压力损失偏差变大，其结果是，界限Uf和界限Uo下降，耐液泛性变差。这是因为由于气体扩散层基体材料的碳纤维织布的与气体流路的主方向垂直的方向的伸长率的偏差在±48%以内或者±41%以内，变得比较大，所以致使向电池间的气体流路内的气体扩散层基体材料的垂入量的偏差变大。另一方面，在实施例14中，由于气体扩散层基体材料的碳纤维织布的与气体流路的主方向垂直的方向的伸长率的偏差在±28%以内、±18%以内、±20%以内或者±10%以内，变得比较大，所以向电池间的气体流路内的气体扩散层基体材料的垂入量的偏差被抑制得比较小。其结果如表3所示，能够将各电池间的气体流路的压力损失的偏差(即，标准偏差)抑制得比较低，能够提高界限Uf和界限Uo、提高耐液泛性。这种耐液泛性提高的趋势在实施例14中共同体现出来，尤其在实施例2的燃料电池中，由于以碳纤维织布的经线方向、即伸长率小的方向垂直于气体流路的主方向的方式配置各气体扩散层基体材料，所以气体扩散层基体材料向气体流路内的垂入量比实施例1小，50个电池间的压力损失的偏差也变得比实施例1更小。其结果可证实，进一步提高了耐液泛性。另外，在实施例3和实施例4的燃料电池中，由于使用了与在实施例1、2中使用的气体扩散层基体材料GDL—1相比伸长率偏差小的气体扩散层基体材料GDL—2，所以可以确认，实施例3比实施例1、实施例4比实施例2，能够进一步减小气体扩散层基体材料向气体流路内的垂入量的偏差，能够进一步提高耐液泛性。图22是基于这样的测定结果，表示隔板的气体流路的主方向或者垂直于该主方向的方向的碳纤维织布的伸长率在电池间的偏差(％)、与燃料电池的界限Uf(%)和界限Uo(%)的关系的图表。从图22明确可知，只要所述主方向或者垂直于该主方向的方向的伸长率偏差在±30%以内，就能实现界限1^=80%以上、界限110=50%以上，另外，只要所述主方向或者垂直于该主方向的方向的伸长率偏差在±20%以内，就能实现界限1^=85%以上、界限110=55%以上。进而，只要垂直于所述主方向的方向的伸长率偏差在±10%以内，就能实现界限1^=90%以上、界限U(^60。/。以上，可以说这是更优选的。因此，通过将伸长率的偏差设定在±30%以内，能够提高燃料电池的耐液泛性，若进而设定在±20%以内，更优选设定在±10%以内，则可以进一步提高耐液泛性。另外，图23是基于所述测定结果，表示隔板的气体流路主方向或者垂直于该主方向的方向的碳纤维织布的伸长率最大值和伸长率最小值的差(％)、与燃料电池的界限Uf(%)和界限Uo(%)的关系的图表。从图23明确可知，只要所述主方向或者垂直于该主方向的方向的伸长率最大值和伸长率最小值的差在3.5%以内，就能实现界限11一80%以上、界限1;0=50%以上，另外，只要所述差在2.5%以内，就能实现界限Uf^85。/。以上、界限1)0=55%以上。进而，只要所述主方向或者垂直于该主方向的方向的伸长率最大值和伸长率最小值的差在1%以内，就能实现界限Uf^90%以上、界限110=60%以上，可以说这是更优选的。因此，通过将伸长率最大值和伸长率最小值的差设定在3.5%以内，能够提高燃料电池的耐液泛性，若进而设定在2.5%以内，更优选设定在1%以内，则可以进一步提高耐液泛性。再者，图24是基于所述测定结果，表示在垂直于隔板的气体流路的主方向的方向的碳纤维织布的伸长率的SN比(dB)、与燃料电池的界限Uf(%)和界限Uo(%)的关系的图表。从图24明确可知，只要伸长率的SN比是15dB以上，就能实现界限Uf-80。/。以上、界限U(^50。/q以上，再者，只要SN比是20dB以上，就能实现界限U^85。/。以上、界限Uo=55%以上。因此，通过将伸长率的SN比设定为15dB以上，能够提高燃料电池的耐液泛性，若进而设定为20dB以上，则可以进一步提高耐液泛性。需要说明的是，关于碳纤维织布的经线配置方向和纬线配置方向之间的伸长率，在具有伸长率大的方向的伸长率比伸长率小的方向的伸长率大60%以上这一各向异性的情况下，如果在各电池间，在与气体流路的主方向垂直的方向上混杂配置碳纤维织布的经线配置方向和纬线配置方向，则电池间的伸长率的偏差明显超出±30%。因此，在这种情况下，优选使电池间的碳纤维织布的配置方向与经线配置方向或者纬线配置方向中任一配置方向一致而配置。再者，在所述的实施方式的说明中，对燃料电池用堆栈具备多个电池的情况进行了说明，不过这样的堆栈只要是由第一电池和第二电池这样的至少2个电池构成的，就能够得到本实施方式的效果。但是，由于存在堆栈的电池数量越多，在堆栈中气体向压力损失极端不同的电池的分配变得越差这一趋势，所以液泛的问题变得显著。例如，在作为面向家庭的废热发电(cogenemtion)用而使用的燃料电池中，为了确保变换器能力而将堆栈的发电电压至少设定为IOV以上，另外，在这样的堆栈中需要10个电池以上的电池数量。在像这种具有10个电池以上的构成的燃料电池用堆栈中，能够更有效地得到本发明的效果。再者，通过适宜组合所述各实施方式中的任意的实施方式，能够实现各自所具有的效果。虽然本发明参照附图，结合优选实施方式进行了详细的记载，但是本领域的技术人员会明白各种变形及修正。在不超出基于权利要求书的本发明范围的前提下，这样的变形及修正都应理解为包含于本发明中。2005年1月14日作出专利申请的日本国专利申请No.2005—007377号的说明书、附图以及权利要求书的公示内容，作为整体进行参考并记载于本说明书中。(产业上的可利用性)本发明的燃料电池用堆栈以及燃料电池中，通过相对于和气体流路垂直的方向，使气体扩散层基体材料的纤维方向在所有的电池中一致，由此降低和气体流路垂直的方向的气体扩散层基体材料的伸长率在电池间的偏差，其结果是，可降低电池间的压力损失偏差、提高耐液泛性。因此，能够适用于作为燃料直接使用纯氢或者来自矿物燃料的改性氢、或甲醇、乙醇等液体燃料，且以空气或氧气为氧化剂的燃料电池。权利要求1.一种燃料电池用堆栈，其具有第一电池和第二电池的叠层结构，所述第一电池和第二电池具备膜电极复合体，其是高分子电解质膜、以夹持该高分子电解质膜的方式配置的各催化剂层、配置于所述各催化剂层外侧的气体扩散层的复合体，并分别形成阳极和阴极；一对隔板，其以形成有槽部的其表面与所述气体扩散层相接而形成气体流路的方式夹持所述膜电极复合体而配置，所述燃料电池用堆栈的特征在于，在所述第一电池和所述第二电池之间，形成所述阳极或者所述阴极中的任一极的所述气体扩散层的气体扩散层基体材料的伸长率的偏差关于与所述隔板的所述气体流路的主方向垂直的方向在±30％以内。2.如权利要求1所述的燃料电池用堆栈，其特征在于，在所述第一电池和所述第二电池中，所述任一极是所述阳极。3.如权利要求1所述的燃料电池用堆桟，其特征在于，在所述第一电池和所述第二电池之间，所述阳极以及所述阴极的所述各气体扩散层基体材料的伸长率的偏差关于所述垂直的方向在±30%以内。4.如权利要求1所述的燃料电池用堆栈，其特征在于，所述伸长率的偏差还关于所述隔板的所述气体流路的主方向在±30%以内。5.如权利要求1所述的燃料电池用堆栈，其特征在于，所述伸长率的偏差关于所述垂直的方向在士10%以内。6.如权利要求5所述的燃料电池用堆桟，其特征在于，所述伸长率的偏差还关于所述隔板的所述气体流路的主方向在±20%以内。7.如权利要求1所述的燃料电池用堆栈，其特征在于，所述第一电池和所述第二电池的所述各气体扩散层基体材料在沿着所述气体流路主方向的方向和所述垂直的方向上，具有关于伸长率的各向异性。8.如权利要求7所述的燃料电池用堆栈，其特征在于，所述关于伸长率的各向异性中，伸长率大的方向的伸长率比伸长率小的方向的伸长率大60%以上。9.如权利要求7所述的燃料电池用堆栈，其特征在于，在与所述隔板的气体流路的主方向垂直的方向上配置所述气体扩散层基体材料的伸长率小的方向。10.如权利要求l所述的燃料电池用堆栈，其特征在于，所述气体扩散层基体材料由碳纤维织布形成。11.一种燃料电池，其特征在于，具备权利要求110中任一项所述的燃料电池用堆栈、和向所述堆栈的所述第一电池和第二电池供给燃料的共用的燃料供给装置。全文摘要本发明提供一种燃料电池用堆栈以及燃料电池。所述燃料电池用堆栈通过叠层多个电池而构成，所述电池具备由高分子电解质膜和夹持所述高分子膜的一对电极构成的膜电极复合体、和夹持所述膜电极复合体的一对隔板，所述电极具有与所述高分子电解质膜相接的催化剂层及与所述隔板相接的气体扩散层，所述气体扩散层的基体材料由碳纤维织布构成，其中，所述碳纤维织布的经线和纬线的方向相对于隔板的气体流路的主方向，在所有的电池内为相同方向而配置。文档编号H01M8/24GK101103479SQ20068000215公开日2008年1月9日申请日期2006年1月13日优先权日2005年1月14日发明者大角俊正,寺西正俊,寿川彻,川岛勉申请人:松下电器产业株式会社