(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いるガス拡散層であって、
前記ガス拡散層の一方の主面には、反応ガスを流通させるための反応ガス流路溝が形成され、当該反応ガス流路溝に沿って補強部材が設けられており、
前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを含む混錬物を、プレス機にて圧延してシート状にし、当該シート状にした混錬物を焼成することで得られる、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、
燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記補強部材は、互いに隣接する前記反応ガス流路溝同士を隔てるリブ部を補強するものであり、前記それぞれの反応ガス流路溝に沿って設けられている、請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記補強部材は、複数の反応ガス流通用開口を備えたシート状部材である、請求項１又は２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
前記補強部材は、メッシュシートである、請求項４に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
前記補強部材は、前記ガス拡散層の前記主面の形状に倣った凹凸形状を有し、当該主面に沿って設けられている、請求項４又は５に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項７】
前記補強部材は、前記反応ガス流路溝の表面上のみに設けられている、請求項１，２，４，又は５のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項８】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体であって、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、請求項１，２，４〜７のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層である、膜電極接合体。
【請求項９】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記高分子電解質膜、前記一対の触媒層、及び前記ガス拡散層を挟んで互いに対向する一対のセパレータと、
を有する燃料電池であって、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、請求項１，２，４〜７のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層である、燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池に用いるガス拡散層の製造方法において、
導電性粒子と高分子樹脂とを含む混錬物を、プレス機にて圧延してシート状にし、当該シート状にした混錬物を焼成することで得られる、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材を準備し、
反応ガス流路溝の形状に対応する凸部を有する金型と、プレス機との間に、補強部材と前記多孔質部材とを配置した後、前記プレス機を前記金型に向けて移動させて、前記多孔質部材と前記補強部材とを前記金型に押圧することにより、前記多孔質部材の一方の主面に前記反応ガス流路溝を形成するとともに、当該反応ガス流路溝に沿って補強部材を形成する、
ことを含む、燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１１】
前記補強部材として、複数の反応ガス流通用開口を備えたシート状部材を用いる、請求項１０に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１２】
前記補強部材として、メッシュシートを用いる、請求項１０に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１３】
前記凸部を有する金型と前記プレス機との間に前記メッシュシートを配置するとき、前記メッシュシートを構成する各線材が前記凸部の延在方向に対して斜めになるように前記メッシュシートを配置する、請求項１２に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１４】
前記凸部を有する金型と前記プレス機との間に前記補強部材を配置する前に、前記凸部を有する金型と前記凸部に対応する凹部を有する金型との間に前記補強部材を配置して型閉じすることにより、前記補強部材を予め前記凸部を有する金型の形状に合うように形成する、請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１５】
前記補強部材の材質として熱可塑性樹脂を用い、前記凸部を有する金型と前記凹部を有する金型との温度を前記熱可塑性樹脂のガラス転移点以上の温度まで上げた状態で前記型閉じすることにより、前記補強部材を予め前記凸部を有する金型の形状に合うように形成する、請求項１４に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１６】
前記補強部材として、互いに隣接する前記反応ガス流路溝同士を隔てるリブ部の配置ピッチに対応する間隔で複数の直線状のスリットが設けられたシート状部材を用いる、請求項１０に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスとして、純水素、メタノールなどの液体燃料、あるいは、化石燃料などからの改質水素などの還元剤を用い、酸化剤ガスとして、空気（酸素）などを用いる燃料電池に関し、より詳しくは、当該燃料電池に用いる膜電極接合体が備えるガス拡散層に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。【０００３】
燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。【０００４】
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極層によって構成されている。一対の電極層の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。一対の電極層は、金属触媒をカーボン粉末に坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、当該触媒層の上に配置される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。【０００５】
燃料電池は、一般に、一対のセパレータに設けた反応ガス流路溝（燃料ガス流路溝又は酸化剤ガス流路溝）を通じて、アノード電極に燃料ガスを接触させるとともにカソード電極に酸化剤ガスを接触させることにより、電気化学反応を発生させ、電力と熱とを発生させるよう構成されている。【０００６】
この燃料電池の分野においては、一層高い発電性能を実現するために、従来から様々な提案がされている。その１つとして、特許文献１（特開２００７−１５７５７８号公報）に開示された技術がある。この特許文献１には、反応ガス流路溝を、ガス拡散層に設けた第１の反応ガス流路と、セパレータに設けた第２の反応ガス流路溝とで構成する技術が開示されている。すなわち、特許文献１の技術では、セパレータだけでなくガス拡散層にも反応ガス流路溝を設け、それらを組み合わせて大面積の反応ガス流路溝を構成するようにしている。この特許文献１の技術によれば、十分な大きさの反応ガス流路の断面積を確保して発電性能を向上させることができるとともに、セパレータの成形量を少なくしてセパレータの生産性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５７５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記特許文献１の構成では、一対のセパレータをＭＥＡに取り付ける際などで加えられる締結圧によって、ガス拡散層が変形するという課題がある。すなわち、ガス拡散層は多孔質部材で構成されているため、本来、圧力によって変形しやすい。当該ガス拡散層に、特許文献１のように反応ガス流路溝を設けると、特に、互いに隣接する反応ガス流路溝を隔てるリブ部が変形しやすくなる。このリブ部が変形すると、結果的に反応ガス流路の断面積が小さくなることになり、燃料電池内部の圧力損失が高くなる。このため、各電極に十分に反応ガスを供給することができなくなり、十分な発電性能が得られなくなる。【０００９】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、締結圧によるガス拡散層の変形を抑えて、発電性能を向上させることができる燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法、膜電極接合体、並びに燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、燃料電池に用いるガス拡散層であって、
前記ガス拡散層の一方の主面には、反応ガスを流通させるための反応ガス流路溝が形成され、互いに隣接する前記反応ガス流路溝同士を隔てるリブ部を補強するために、前記それぞれの反応ガス流路溝に沿って補強部材が設けられている、
燃料電池用ガス拡散層を提供する。
ここで、「反応ガス流路溝に沿って補強部材が設けられている」とは、補強部材が反応ガス流路溝の表面の少なくとも一部に沿うように設けられていることをいう。好ましくは、補強部材は、反応ガス流路溝の表面のうちの少なくとも底面に設けるものとする。より好ましくは、補強部材は、反応ガス流路溝の表面のうち底面及び一対の側面の両方の少なくとも底面に接する部分に設けるものとする。さらに好ましくは、補強部材は、反応ガス流路溝の表面のうち底面及び一対の側面の両方に設けるものとする。【００１１】
本発明の第２態様によれば、前記補強部材は、互いに隣接する前記反応ガス流路溝同士を隔てるリブ部を補強するものであり、前記それぞれの反応ガス流路溝に沿って設けられている、第１態様に記載の燃料電池用ガス拡散層を提供する。【００１２】
本発明の第３態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、第１又は２態様に記載の燃料電池用ガス拡散層を提供する。【００１３】
ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用することなく、導電性粒子と高分子樹脂とで支持される構造（いわゆる自己支持体構造）を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を構成する場合、例えば、後述するように界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料が多孔質部材に含まれても良いことも意味する。【００１４】
本発明の第４態様によれば、前記補強部材は、複数の反応ガス流通用開口を備えたシート状部材である、第１〜３態様のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層を提供する。【００１５】
本発明の第５態様によれば、前記補強部材は、メッシュシートである、第４態様に記載の燃料電池用ガス拡散層を提供する。【００１６】
本発明の第６態様によれば、前記補強部材は、前記ガス拡散層の前記主面の形状に倣った凹凸形状を有し、当該主面に沿って設けられている、第４又は５態様に記載の燃料電池用ガス拡散層を提供する。【００１７】
本発明の第７態様によれば、前記補強部材は、前記反応ガス流路溝の表面上のみに設けられている、第１〜５態様のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層を提供する。【００１８】
本発明の第８態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体であって、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、第１〜７態様のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層である、膜電極接合体を提供する。【００１９】
本発明の第９態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記高分子電解質膜、前記一対の触媒層、及び前記ガス拡散層を挟んで互いに対向する一対のセパレータと、
を有する燃料電池であって、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方は、第１〜８態様のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層である、燃料電池を提供する。【００２０】
本発明の第１０態様によれば、燃料電池に用いるガス拡散層の製造方法において、
反応ガス流路溝の形状に対応する凸部を有する金型と、プレス機との間に、補強部材とシート状の多孔質部材とを配置した後、前記プレス機を前記金型に向けて移動させて、前記多孔質部材と前記メッシュシートとを前記金型に押圧することにより、前記多孔質部材の一方の主面に前記反応ガス流路溝を形成するとともに、当該反応ガス流路溝に沿って補強部材を形成することを含む、燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【００２１】
本発明の第１１態様によれば、前記補強部材として、複数の反応ガス流通用開口を備えたシート状部材を用いる、第１０態様に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【００２２】
本発明の第１２態様によれば、前記補強部材として、メッシュシートを用いる、請求項１０に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【００２３】
本発明の第１３態様によれば、前記凸部を有する金型と前記プレス機との間に前記メッシュシートを配置するとき、前記メッシュシートを構成する各線材が前記凸部の延在方向に対して斜めになるように前記メッシュシートを配置する、請求項１２に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【００２４】
本発明の第１４態様によれば、前記凸部を有する金型と前記プレス機との間に前記補強部材を配置する前に、前記凸部を有する金型と前記凸部に対応する凹部を有する金型との間に前記補強部材を配置して型閉じすることにより、前記補強部材を予め前記凸部を有する金型の形状に合うように形成する、第１０〜１２態様のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【００２５】
本発明の第１５態様によれば、前記補強部材の材質として熱可塑性樹脂を用い、前記凸部を有する金型と前記凹部を有する金型との温度を前記熱可塑性樹脂のガラス転移点以上の温度まで上げた状態で前記型閉じすることにより、前記補強部材を予め前記凸部を有する金型の形状に合うように形成する、第１４態様に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【００２６】
本発明の第１６態様によれば、前記補強部材として、互いに隣接する前記反応ガス流路溝同士を隔てるリブ部の配置ピッチに対応する間隔で複数の直線状のスリットが設けられたシート状部材を用いる、第１０態様に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層、膜電極接合体、及び燃料電池によれば、ガス拡散層の一方の主面に前記反応ガス流路溝を設け、当該反応ガス流路溝に沿って補強部材を設けた構成を有するため、締結圧によるガス拡散層の変形を抑えて発電性能を向上させることができる。これにより、ガス拡散層の流路の断面積の低下を抑えることができ、発電性能の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、
【図２】図２は、図１の燃料電池が備える膜電極接合体を示す拡大斜視図であり、その一部を断面で示す図であり、
【図３】図３は、図１の燃料電池が備えるガス拡散層の拡大断面図であり、
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の変形例を模式的に示す断面図であり、
【図５Ａ】図５Ａは、図１の燃料電池が備えるガス拡散層の主面にメッシュシートを設ける方法を模式的に示す断面図であり、
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに続く工程を示す断面図であり、
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ｂに続く工程を示す断面図であり、
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５Ｃに続く工程を示す断面図であり、
【図６】図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池が備えるガス拡散層の拡大断面図であり、
【図７】図７は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池が備える膜電極接合体を示す拡大斜視図であり、その一部を断面で示す図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、図７の燃料電池が備えるガス拡散層の主面にメッシュシートを設ける方法を模式的に示す断面図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに続く工程を示す断面図であり、
【図９】図９は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池が備えるガス拡散層の拡大断面図であり、
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９の燃料電池が備えるガス拡散層の主面にメッシュシートを設ける方法を模式的に示す断面図であり、
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａに続く工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、添付図面において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３０】
《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。本第１実施形態に係る燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質型燃料電池である。
【００３１】
本第１実施形態に係る燃料電池は、図１に示すように、膜電極接合体１０（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）と、ＭＥＡ１０の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ２０，２０とを有するセル（単電池）１を備えている。一対のセパレータ２０，２０の一方は、アノードセパレータであり、他方はカソードセパレータである。なお、本第１実施形態に係る燃料電池は、このセル１を複数個積層して構成されていてもよい。この場合、互いに積層されたセル１は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材（図示せず）により所定の締結圧にて加圧締結されていることが好ましい。
【００３２】
ＭＥＡ１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１と、この高分子電解質膜１１の両面に形成された一対の電極層１２，１２とを有している。一対の電極層１２，１２の一方は、アノード電極であり、他方はカソード電極である。電極層１２は、高分子電解質膜１１の一方の面上に形成され、電極触媒を坦持した導電性粒子と水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物を含んで構成された触媒層１３と、この触媒層１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１４とを有している。
【００３３】
ガス拡散層１４には、セパレータ２０と隣接する主面に、反応ガス流路溝２１が設けられている。アノード側のガス拡散層１４の反応ガス流路溝２１は燃料ガス流路溝であり、カソード側のガス拡散層１４の反応ガス流路溝２１は酸化剤ガス流路溝である。燃料ガス流路溝を通じてアノード側の電極層１２に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路溝を通じてカソード側の電極層１２に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
【００３４】
また、ガス拡散層１４には、図２及び図３に示すように、セパレータ２０側の主面に沿って補強部材の一例であるメッシュシート１５が設けられている。このメッシュシート１５により、互いに隣接する反応ガス流路溝２１，２１間のリブ部２２が、セル１の組立時などに加えられる締結圧によって変形しないように補強されている。なお、補強部材は、反応ガス流路溝２１の表面の少なくとも一部に沿うように設けられていればよい。好ましくは、補強部材は、反応ガス流路溝２１の表面のうちの少なくとも底面に設けるものとする。より好ましくは、補強部材は、反応ガス流路溝２１の表面のうち底面及び一対の側面の両方の少なくとも底面に接する部分に設けるものとする。さらに好ましくは、補強部材は、反応ガス流路溝２１の表面のうち底面及び一対の側面の両方に設けるものとする。
【００３５】
なお、図４に示すように、セパレータ２０の反応ガス流路溝２１と対応する位置に、反応ガス流路溝２３が設けられてもよい。すなわち、反応ガス流路溝２１と反応ガス流路溝２３とを組み合わせて、大面積の反応ガス流路溝を構成するようにしてもよい。
【００３６】
セパレータ２０と高分子電解質膜１１との間には、触媒層１３及びガス拡散層１４の側面を覆うように環状のガスケット１５が配置されている。このガスケット１５により、反応ガスが外部に漏れること、及び他の反応ガスと混合することなどが防止されている。
【００３７】
次に、高分子電解質膜１１、触媒層１３、ガス拡散層１４、メッシュシート１５、ガスケット１６、セパレータ２０の構成、材質、及び製造方法などについてさらに詳しく説明する。
【００３８】
まず、高分子電解質膜１１について説明する。
高分子電解質膜１１は、水素イオンに対するイオン交換基を有し、水素イオンを膜厚方向に沿って選択的に透過するものである。高分子電解質膜１１としては、従来公知のものを用いることができる。例えば、高分子電解質膜１１として、−ＣＦ２−で構成された主鎖と、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を末端の官能基として含む側鎖とを有するパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜を用いることができる。具体的には、高分子電解質膜１１として、例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭硝子(株)製のFlemion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）等の商品名で販売されている高分子電解質膜を用いることができる。なお、高分子電解質膜１１の膜厚は、例えば２０〜２００μｍである。
【００３９】
次に、触媒層１３について説明する。
触媒層１３は、電極触媒を坦持した導電性粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物を含むように構成されている。
【００４０】
触媒層１３を構成する電極触媒は、特に限定されるものではないが、貴金属を含む種々の金属粒子を用いることができる。当該金属粒子の材質としては、例えば、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びスズよりなる群から選択される１種以上の金属を使用することができる。これらの中でも、電極触媒として白金を用いることが好ましい。また、電極触媒として、白金と白金以外の白金属の金属との合金である白金合金を用いてもよい。この場合、アノード側の触媒層１３を構成する電極触媒として、白金とルテニウムとの合金を用いることが特に好ましい。これにより、アノード側の触媒層１３の活性を安定させることができる。
【００４１】
また、前記金属粒子の平均粒子径は、１〜３０ｎｍであることが好ましい。前記金属粒子の平均粒子径が１ｎｍ以上であると、工業的に調製が容易である。一方、前記金属粒子の平均粒子径が３０ｎｍ以下であると、電極触媒の質量あたりの活性を充分に得ることができ、燃料電池のコストアップを抑制することができる。
【００４２】
触媒層１３を構成する導電性粒子としては、例えば、カーボン粉末（導電性カーボン粒子）を用いることができる。当該カーボン粉末の比表面積は５０〜１５００ｍ２／ｇであることが好ましい。カーボン粉末の比表面積が５０ｍ２／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を向上させることが比較的容易であり、触媒層１３に必要な出力特性をより確実に得ることができる。一方、カーボン粉末の比表面積が１５００ｍ２／ｇ以下であると、細孔が微細になり過ぎず、前記高分子電解質による被覆がより容易となる。これにより、触媒層１３に必要な出力特性をより確実に得ることができる。なお、カーボン粉末の比表面積は、２００〜９００ｍ２／ｇであることがさらに好ましい。
【００４３】
触媒層１３を構成する高分子電解質としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものが好ましい。なお、それらのうちスルホン酸基を有する高分子電解質が、水素イオン伝導性の観点から、特に好ましい。このスルホン酸基を有する高分子電解質は、例えばイオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇであることが好ましい。前記イオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ以上であると、触媒層１３の抵抗値が発電時に上昇することをより確実に抑制することができる。一方、前記イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ以下であると、触媒層１３の含水率を低減させて膨潤を抑制することができ、細孔が閉塞させずに、より確実にフラッディングを防止することができる。なお、前記イオン交換容量は、０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇであることがさらに好ましい。
【００４４】
また、触媒層１３を構成する高分子電解質は、ＣＦ２＝ＣＦ−(ＯＣＦ２ＣＦＸ)ｍ−Ｏｐ−(ＣＦ２)ｎ−ＳＯ３Ｈ（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０又は１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）で表されるパーフルオロビニル化合物に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体であることが好ましい。
【００４５】
前記パーフルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。
【００４６】
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）q−ＳＯ３Ｈ  ・・・（１）
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）ｒ−ＳＯ３Ｈ  ・・・（２）
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））ｔＯ（ＣＦ２）２−ＳＯ３Ｈ  ・・・（３）
【００４７】
なお、前述した高分子電解質は、高分子電解質膜１の構成材料として用いられてもよい。
【００４８】
触媒層１３は、前記電極触媒を坦持した導電性粒子と、前記高分子電解質と、分散媒とを少なくとも含む触媒層形成用インクを用いて形成することができる。前記触媒層形成用インクを調製するために用いる分散媒としては、前記高分子電解質を溶解可能又は分散可能（高分子電解質が一部溶解し、他の一部が溶解せずに分散している状態を含む）であるアルコールを含む液体を用いることが好ましい。前記分散媒は、水、メタノール、プロパノール、ｎ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、及びｔｅｒｔ―ブチルアルコールのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。これらの水及びアルコールは単独でも使用してもよく、また、２種以上混合してもよい。前記アルコールとしては、分子内にＯＨ基を１つ有する直鎖構造のものがさらに好ましく、その中でもエタノールが特に好ましい。また、前記アルコールには、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル結合を有するものも含まれる。
【００４９】
また、前記触媒層形成用インクの組成は、固形分濃度が０．１〜２０質量％であることが好ましい。前記固形分濃度が０．１質量％以上であると、前記触媒層形成用インクを噴霧又は塗布することにより触媒層１３を形成するときに、何回も繰り返し噴霧又は塗布しなくても、所望の厚さの触媒層１３を得ることができる。これにより、生産効率の低下を抑えることができる。一方、前記固形分濃度が２０質量％以下であると、前記触媒層形成インクの粘度が高くなり過ぎず、触媒層１３の厚さを略均一にすることができる。なお、前記固形分濃度は、１〜１０質量％であることがさらに好ましい。
【００５０】
前記触媒層形成用インクは、従来公知の方法に基づいて調製することができる。例えば、ホモジナイザ、ホモミキサ等の撹拌機を使用する方法、高速回転ジェット流方式を使用するなどの高速回転を使用する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調整することができる。また、高圧乳化装置などの高圧をかけて狭い部分から分散液を押し出すことで分散液にせん断力を付与する方法を利用して、前記触媒層形成用インクを調整することもできる。
【００５１】
前記触媒層形成用インクを用いて触媒層１３を形成する方法としては、例えば、バーコーター法、スプレー法などの従来公知の方法を用いることができる。すなわち、高分子電解質膜１１又はガス拡散層１４上に、触媒層１３を直接形成してもよい。また、他の支持体シート上に触媒層１３を形成し、これらを高分子電解質膜１１又はガス拡散層１４上に転写するようにしてもよい。
【００５２】
次に、ガス拡散層１４について説明する。
ガス拡散層１４は、ガス透過性及び導電性を有する多孔質部材で構成されている。当該多孔質部材としては、例えば、カーボンペーパ、織布、又はカーボンフェルトなどの炭素繊維を基材とした従来公知の多孔質部材を用いることができる。この多孔質部材には、触媒層に接触する面に、従来公知の撥水性導電層（カーボン層、撥水材と導電性カーボン粒子とを含む層）が設けられてもよい。
【００５３】
また、ガス拡散層１４として、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分としたシート状で且つゴム状の多孔質部材を用いることもできる。このような構成を有する多孔質部材は、前記炭素繊維を基材とした多孔質部材に比べて、反応ガス流路溝の形成が容易であるという利点がある。一方、このような構成を有する多孔質部材は、セル１の組立時などに加えられる締結圧によって変形しやすいという特徴がある。
【００５４】
前記導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。このカーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。なお、それらの中でもカーボンブラックの主成分としてアセチレンブラックが用いられることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。また、グラファイトの主成分としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。なお、これらの中でもグラファイトの主成分として人造黒鉛が用いられることが、不純物が少ないという観点から好ましい。
【００５５】
前記高分子樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などが挙げられる。これらの中でも前記高分子樹脂としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもディスパージョンがＰＴＦＥの原料形態として採用されることが、作業性の観点から好ましい。
【００５６】
また、ガス拡散層１４には、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、ガス拡散層１４の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。前記分散溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノールなどのアルコール類、エチレングリコールなどにグリコール類が挙げられる。前記界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量及び界面活性剤の量が多いほど、導電性粒子と高分子樹脂とが均一に分散しやすい一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。
【００５７】
また、ガス拡散層１４には、それらに含まれる高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が含まれてもよい。炭素繊維は補強効果があるので、炭素繊維の配合比率を高くすることによって、強度の高いガス拡散層を製造することができる。ガス拡散層１４に炭素繊維を含有させることは、薄いガス拡散層を製造するときに、特に有効である。前記炭素繊維としては、例えば、気相成長法炭素繊維（以下、ＶＧＣＦという）、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどを用いることができる。前記ミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーの原料は、ＰＡＮ系、ピッチ系、レイヨン系のいずれでもよい。また、前記各ファイバーは、原糸（長繊維フィラメント又は短繊維ステーブル）を切断、裁断することにより作製された短繊維の束を分散させて使用することが好ましい。
【００５８】
また、ガス拡散層１４には、セパレータ２０と隣接する主面に、反応ガス流路溝２１が設けられている。反応ガス流路溝２１は、例えば、上流側から下流側に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン型の流路溝で構成することができる。サーペンタイン型の流路溝は、１本の蛇行した形状を有する溝からなるタイプと、当該１本の蛇行した形状を有する溝が複数本並べられたタイプの２つのタイプが知られている。サーペンタイン型の流路溝を構成する各溝は、等間隔で形成されてもよいし、異なる間隔で形成されてもよい。
【００５９】
次に、メッシュシート１５について説明する。
メッシュシート１５は、複数の反応ガス流通用開口を有するシートである。メッシュシート１５によるガス拡散層１４の補強効果が十分に得られる範囲であれば、メッシュシート全体における当該反応ガス流通用開口の面積の割合が大きい程、ガス拡散層のガス拡散性が阻害されないので好ましい。なお、ここでは、補強部材としてメッシュシート１５を用いたが、これに限定されない。例えば、補強部材は、その厚み方向に貫通する複数の反応ガス流通用開口を有するものであればよい。例えば、補強部材として、パンチングシートを用いてもよい。
【００６０】
メッシュシート１５の材質としては、補強効果を持たせるため、金属又は樹脂などの強度のあるものが好ましい。メッシュシート１５の材質として樹脂を用いた場合には、反応ガス流路溝２１に沿って成型しやすいという利点がある。また、メッシュシート１５の材質としては、接触抵抗を上げないようにするために、導電性を有するものが好ましい。さらに、メッシュシート１５の材質としては、高温、高湿、及び高電位の環境下において劣化し難いもの、例えば、チタン、銅、ステンレス鋼などが好ましい。さらに、メッシュシート１５の材質としては、燃料電池の作動温度領域においては軟化し難く、その他の温度領域で軟化又は硬化するものが好ましい。この場合、流路構造を形成する時に都合がよい。
【００６１】
次に、メッシュシート１５をセパレータ２０に隣接する主面に設けたガス拡散層１４の製造方法の一例について説明する。ここでは、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されたガス拡散層１４について説明する。
【００６２】
まず、導電性粒子と高分子樹脂と分散溶媒と界面活性剤とを攪拌・混錬機にて混錬する。
次いで、得られた混錬物を押し出し成形し、プレス機にて圧延してシート状にする。
次いで、シート状にした混錬物を焼成し、当該混錬物から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
次いで、プレス機の圧延力とギャップを調整して前記混錬物を再圧延し、当該混錬物の多孔度と厚さを調整する。
これにより、所望の厚さのシート状のガス拡散層１４が製造される。なお、この段階では、ガス拡散層１４には燃料ガス流路溝２１を形成していない。
【００６３】
一方、前記シート状のガス拡散層１４の製造前又は製造後において、図５Ａに示すように、第１金型３１と第２金型３２とで構成される一組の金型の間に平面状のメッシュシート１５を配置した状態で、第１金型３１と第２金型３２と型閉じする。第１金型３１は、反応ガス流路溝２１に対応する凸部３１ａを有している。第２金型３２は、第１金型３１の凸部３１ａに対応する凹部３２ａを備えている。これにより、図５Ｂに示すように、メッシュシート１５が凹凸形状に成型される。この凹凸形状は、反応ガス流路溝２１を設けたガス拡散層１４のセパレータ２０側の主面の形状に倣っている。
【００６４】
次いで、図５Ｃに示すように、第１金型３１に支持されたメッシュシート１５の上方にプレス機３３を配置するとともに、メッシュシート１５とプレス機３３との間に、前記シート状のガス拡散層１４を配置する。
【００６５】
次いで、プレス機３３により、前記シート状のガス拡散層１４を、第１金型３１に支持されたメッシュシート１５に向けて押圧（圧縮）する。これにより、図５Ｄに示すように、ガス拡散層１４の主面に、反応ガス流路溝２１が形成されるとともにメッシュシート１５が転写される。
【００６６】
以上のようにして、メッシュシート１５をセパレータ２０に隣接する主面に設けたガス拡散層１４を製造することができる。
【００６７】
次に、ガスケット１６について説明する。
ガスケット１６は、触媒層１３及びガス拡散層１４の側面を覆うように、セパレータ２０と高分子電解質膜１１との間に配置されている。なお、ガスケット１６は、それらの一部がガス拡散層１４の周縁部に含浸しているほうが好ましい。これにより、発電耐久性及び強度を向上させることができる。また、ガスケット１６に代えて、一対のセパレータ２０，２０の間に、高分子電解質膜１１、触媒層１３、及びガス拡散層１４の側面を覆うように、環状のガスケットを配置してもよい。これにより、高分子電解質膜１１の劣化を抑制し、ＭＥＡ１０のハンドリング性、量産時の作業性を向上させることができる。
【００６８】
ガスケット１６の材質としては、一般的な熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、ガスケット１６の材質として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。
【００６９】
次に、セパレータ２０について説明する。
セパレータ２０は、ＭＥＡ１０を機械的に固定してセル１を構成するものである。複数個のセル１を積層して燃料電池を構成する場合には、セパレータ２０は、隣接するＭＥＡ１０，１０同士を互いに電気的に直列に接続する。
【００７０】
セパレータ２０としては、従来公知のものを用いることができる。例えば、セパレータ２０は、金属により、あるいはカーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンにより形成することができる。
【００７１】
なお、セパレータ２０には、ＭＥＡ１０と対向する面と反対側の面に、例えば、銅に金メッキを施した金属板で構成された集電板（図示せず）を取り付けてもよい。これにより、セパレータ２０からの集電をより確実にすることができる。
【００７２】
また、セパレータ２０には、ＭＥＡ１０と対向する面と反対側の面に、冷却水などが通る冷却水流路溝（図示せず）が設けられてもよい。これにより、複数個のセル１を積層して燃料電池を構成した場合に、各セル１の温度を制御することができる。冷却水流路溝は、例えば、前述した反応ガス流路溝２１と同様に、上流側から下流側に向かって蛇行しながら伸びるサーペンタイン型の流路溝で構成されてもよい。また、冷却水流路溝は、略平行な複数の直線状の溝によって構成されてもよい。この場合、各溝は、等間隔に形成するのが一般的である。
【００７３】
以上、本発明の第１実施形態に係る燃料電池によれば、ガス拡散層１４の主面にメッシュシート１５を設けているので、一対のセパレータ２０，２０をＭＥＡ１０に取り付ける際などで加えられる締結圧により、リブ部２２が変形することを抑えることができる。これにより、リブ部２２の変形により反応ガス流路溝２１の断面積が小さくなることを抑制することができ、燃料電池内部の圧損が高くなることを抑制することができる。すなわち、一対の電極層１２，１２に十分に反応ガスを供給することができ、発電性能を向上させることができる。
【００７４】
また、本発明の第１実施形態によれば、補強部材としてメッシュシート１５を用いているので、当該メッシュシート１５に起因してガス拡散性が阻害されることを抑えて、十分な発電性能を得ることができる。
【００７５】
《第２実施形態》
図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池が備えるガス拡散層の拡大断面図である。本第２実施形態に係る燃料電池が、前記第１実施形態に係る燃料電池と異なる点は、メッシュシート１５がガス拡散層１４のリブ部２２の内部に潜り込むように設けられている点である。
【００７６】
このような構成を有する本第２実施形態に係る燃料電池においても、メッシュシート１５によりリブ部２２の変形を抑えることができ、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
なお、メッシュシート１５がガス拡散層１４のリブ部２２の内部に潜り込み過ぎると、リブ部２２の変形を抑えられないおそれがある。このため、例えば、メッシュシート１５の材質として熱可塑性樹脂を用い、第１金型３１及び第２金型３２の温度を前記樹脂のガラス転移点以上の温度まで上げた状態でメッシュシート１５の成型を行うことが好ましい。このようにして成型したメッシュシート１５は、よく伸びるので、リブ部２２の表面に近い部分にのみ潜り込むように形成することができる。
【００７８】
《第３実施形態》
図７は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池が備えるＭＥＡの拡大斜視図であり、その一部を断面で示す図である。本第３実施形態に係る燃料電池が、前記第１実施形態に係る燃料電池と異なる点は、メッシュシート１５を構成する各線材が反応ガス流路溝２１（第１金型３１の凸部３１ａ）の延在方向に対して斜めになるように配置されている点である。
【００７９】
このように構成した場合、図５Ｃに示すようにプレス機３３を用いてメッシュシート１５をガス拡散層１４の主面上に設ける際に、メッシュシート１５の網の目が反応ガス流路溝２１の延在方向に対して垂直な方向に伸びる。これにより、メッシュシート１５をリブ部２２の表面により近い部分に形成することができる。また、前記第１実施形態のようにメッシュシート１５を予め凹凸形状に成型する必要を無くすことができる。すなわち、図８Ａに示すように、第１金型３１とプレス機３３との間に前記シート状のガス拡散層１４と平面状のメッシュシート１５とを配置した状態で、プレス機３３により、前記シート状のガス拡散層１４とメッシュシート１５とを第１金型３１に向けて押圧（圧縮）する。これにより、図８Ｂに示すように、ガス拡散層１４の主面に、反応ガス流路溝２１を形成するとともにメッシュシート１５を転写することができる。
【００８０】
なお、メッシュシート１５の材質として熱可塑性樹脂を用い、第１金型３１及び第２金型３２の温度を前記樹脂のガラス転移点以上の温度まで上げた状態でメッシュシート１５の成型を行った場合にも、メッシュシート１５を構成する各線材が伸びるので、メッシュシート１５の網の目が反応ガス流路溝２１の延在方向に対して垂直な方向に伸びる。従って、この場合においても、前記第１実施形態のようにメッシュシート１５を予め凹凸形状に成型する必要を無くすことができる。
【００８１】
《第４実施形態》
図９は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池が備えるガス拡散層の拡大断面図である。本第４実施形態に係る燃料電池が、前記第１実施形態に係る燃料電池と異なる点は、リブ２２の上部の一部又は全部にメッシュシート１５を設けていない点である。言い換えれば、本第４実施形態に係る燃料電池においては、リブ２２の上面に位置するメッシュシート１５の一部又は全部を意図的に除去している。
【００８２】
このような構成を有する本第４実施形態に係る燃料電池によれば、メッシュシート１５に起因してガス拡散性が阻害されることを一層抑えて、十分な発電性能を得ることができる。また、リブ部２２の上部の一部又は全部にメッシュシート１５を設けていないので、メッシュシート１５が非導電性部材で構成された場合であっても、当該メッシュシート１５により電気伝導が阻害されることを抑えることができ、十分な発電性能を得ることができる。
【００８３】
本第４実施形態に係るメッシュシート１５付きのガス拡散層１４は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、前記第１実施形態と同様にして前記シート状のガス拡散層１４を製造するとともに、平面状のメッシュシート１５にリブ部２２の配置ピッチに対応する間隔で複数の直線状のスリット１５ａを形成する。
【００８４】
次いで、図１０Ａに示すように、第１金型３１とプレス機３３との間に前記シート状のガス拡散層１４と平面状のメッシュシート１５とを配置する。このとき、メッシュシート１５は、各スリット１５ａがそれぞれ対応するリブ部２２の中央部に位置するように配置する。
【００８５】
次いで、プレス機３３により、前記シート状のガス拡散層１４とメッシュシート１５とを第１金型３１に向けて押圧（圧縮）する。これにより、互いに隣接するスリット１５ａ，１５ａの間に存在するメッシュシート１５が反応ガス流路溝２１に引き込まれ、図１０Ｂに示すメッシュシート１５付きのガス拡散層１４が形成される。
【００８６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法、膜電極接合体、並びに燃料電池は、締結圧によるガス拡散層の変形を抑えて発電性能を向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。【００８８】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。【００８９】
２００９年９月３日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００９−２０３４３２号の明細書、図面、および特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
【図１】
0005558474.tif 000002
【図２】
0005558474.tif 000003
【図３】
0005558474.tif 000004
【図４】
0005558474.tif 000005
【図５Ａ】
0005558474.tif 000006
【図５Ｂ】
0005558474.tif 000007
【図５Ｃ】
0005558474.tif 000008
【図５Ｄ】
0005558474.tif 000009
【図６】
0005558474.tif 000010
【図７】
0005558474.tif 000011
【図８Ａ】
0005558474.tif 000012
【図８Ｂ】
0005558474.tif 000013
【図９】
0005558474.tif 000014
【図１０Ａ】
0005558474.tif 000015
【図１０Ｂ】
0005558474.tif 000016