(57)【要約】  燃料電池に用いるガス拡散層であって、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、ガス拡散層の内部に、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔と、１μｍから２００μｍの空孔を有する、燃料電池用ガス拡散層を用いる。燃料電池に用いるガス拡散層の製造方法であって、導電性粒子と高分子樹脂と造孔剤と界面活性剤と分散溶媒とを混練する混練工程と、混練して得た混練物を圧延してシート状に成形する圧延工程とシート状に成形した混練物を焼成して、造孔剤を昇華させて空孔を形成するととともに、界面活性剤と分散溶媒を除去する焼成工程と、焼成した混練物を再圧延して厚さを調整する再圧延工程とを備える燃料電池用ガス拡散層の製造方法を用いる。
2017085901.tif 000002
【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、
前記ガス拡散層の内部に、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔と、１μｍから２００μｍの空孔を有する、燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に流体流路が形成されている、請求項１記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
前記ガス拡散層の断面における前記空孔の面積比率が、０．５％以上、５％以下である、請求項１または２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記空孔の径が、ガス拡散層の面方向と厚み方向で、面方向の径の方が大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
前記多孔質部材は、導電性粒子と、高分子樹脂と、前記導電性粒子よりも少ない重量の炭素繊維と、で構成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
前記多孔質部材は、炭素繊維を０〜２０ｗｔ％含むとともに、高分子樹脂を１０〜２０ｗｔ％含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項７】
前記多孔質部材の多孔度は、６０％以上、８０％以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項８】
前記多孔質部材のガス透過性は、ガーレー数が１００sec以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項９】
前記多孔質部材の引張破断強度は、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上で、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される自立膜である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１０】
前記多孔質部材の厚さは、１００μｍ以上、４００μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１１】
前記空孔の比率は、前記流体流路の溝部の下部と、前記溝部の周囲に位置するリブ部とで、前記リブ部の方が前記空孔の比率が大きい、請求項２〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１２】
前記空孔が、前記流体流路のリブ部のみに有する、請求項２〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１３】
請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層を備える膜電極接合体。
【請求項１４】
請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層を備える燃料電池。
【請求項１５】
燃料電池に用いるガス拡散層の製造方法であって、
導電性粒子と高分子樹脂と造孔剤と界面活性剤と分散溶媒とを混練する混練工程と、
前記混練して得た混練物を圧延してシート状に成形する圧延工程と
前記シート状に成形した混練物を焼成して、前記造孔剤を昇華させて空孔を形成するととともに、界面活性剤と分散溶媒を除去する焼成工程と、
前記焼成した混練物を再圧延して厚さを調整する再圧延工程と
を備える燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１６】
さらに、前記再圧延したシート状の混練物に凹凸の金型を押圧して流体流路を形成する流路形成工程と、を備える請求項１５記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１７】
前記焼成工程で形成された前記空孔が、前記再圧延工程により、前記空孔の径が、前記ガス拡散層の面方向と厚み方向で、面方向の径の方が大きくなる、請求項１５または１６に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１８】
前記焼成工程で形成された前記空孔が、前記再圧延工程により、前記空孔の径が、前記ガス拡散層の圧延方向と垂直方向で、圧延方向の径が大きくなる、請求項１５または１６に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１９】
前記流路形成工程で、シート状の混練物に凹凸の金型を押圧し、前記金型の凸部で前記空孔を潰すことで、前記空孔の比率が、前記流体流路の溝部の底部とリブ部とで、前記リブ部の方が前記空孔の比率が大きくなる、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項２０】
前記流路形成工程で、シート状の混練物に凹凸の金型を押圧し、前記金型の凸部で前記空孔を潰すことで、前記流体流路の溝部の前記空孔が無くなり、前記流体流路の前記溝部の周囲のリブ部のみに、前記空孔を有する、請求項１５〜１９いずれか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、燃料電池に関する。特に、燃料電池に用いる膜電極接合体、膜電極接合体が備えるガス拡散層、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、高分子電解質型燃料電池は、電解質膜の一方の面を水素等の燃料ガスに、他方を酸素にそれぞれ暴露する。その結果、高分子電解質型燃料電池は、電解質膜を介した化学反応によって水を合成する。高分子電解質型燃料電池は、これによって生じる反応エネルギーを電気的に取り出すことを基本原理としている。【０００３】
高分子電解質型燃料電池の単電池は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと記述する）と、ＭＥＡの両面に配置された一対の導電性のセパレータとを有している。【０００４】
ＭＥＡは、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、この電解質膜を挟む一対の電極層を備えている一対の電極層と、高分子電解質膜の両面に形成される白金族触媒を担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と、を有している。【０００５】
ガス拡散層は、セパレータから供給されるガスを触媒層に均一に供給する役割を果たすため、良好なガス透過性及びガス拡散性を備えていることが必要とされる。また、ガス拡散層は、触媒層とセパレータ間の電子の導電経路として、優れた導電性を有していることも必要とされる。このため、ガス拡散層には、炭素繊維不織布や、炭素繊維織布等の導電性多孔質基材が使用されている。【０００６】
また、ガス拡散層には、触媒層で電池反応により生成した余剰な水分を速やかにＭＥＡ系外に除去し、ガス拡散層の細孔を生成水で閉塞しない高い撥水性が求められている。そのため、ガス拡散層は、導電性多孔質基材をフッ素樹脂などで撥水処理したものを用いる。更に、ガス拡散層では、導電性多孔質基材の触媒層と接する側に、カーボン粉末とフッ素樹脂などの撥水性樹脂を主成分とする撥水層を設ける場合が多い。【０００７】
このように、ガス拡散層では、導電性多孔質基材を撥水処理することで、ガス拡散層の細孔の生成水による閉塞を防止している。また、撥水層は、導電性多孔質基材よりも撥水性を高くすることで、触媒層で生成した余剰な水分を速やかにＭＥＡ系外に排出することが可能となる。【０００８】
特許文献１には、導電性多孔質基材に撥水層を形成したガス拡散層が開示されている。ガス拡散層は、炭素繊維からなる基材（例えば、ペーパー、織布、不織布）の表面に、カーボン材料（例えば、カーボンブラック、中空状カーボンファイバー）とフッ素樹脂からなる撥水層が形成されている。【０００９】
また、特許文献２、３、４には、炭素繊維を基材として用いないガス拡散層が開示されている。【００１０】
特許文献２のガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が添加された多孔質部材で構成されている。【００１１】
特許文献３のガス拡散層は、グラファイトとカーボンブラックと未焼成ＰＴＦＥと焼成ＰＴＦＥとを混合して構成されている。【００１２】
特許文献４のガス拡散層は、ホウ素修飾カーボンと炭素繊維とフッ素樹脂で構成されている。【００１３】
更に、特許文献５には、耐食性金属からなる原料粉末と発泡剤およびバインダーを含む発泡性スラリーを発泡成形することにより、互いに連通する複数の空孔を有する三次元網状構造の多孔質材によって構成されたガス拡散層が開示されている。【００１４】
特許文献６には、凹部と凸部とを有する撥水性の多孔質体において、凸部の最多分布する径が、凹部の最多分布する径に対して、大きいガス拡散層が開示されている。【００１５】
特許文献７、８には、ガス拡散層の細孔径の範囲を設定したガス拡散層が開示されている。特許文献７のガス拡散層は、細孔容積の高頻度ピークが細孔径１０〜３０μｍの範囲に設定されている。また、特許文献８のガス拡散層は、平均細孔径が３１〜４９μｍの範囲に設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００３−１９７２０２号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１０−０５０２１９号公報
【特許文献３】特開２００３−１８７８０９号公報
【特許文献４】特開２００７−１４１７８３号公報
【特許文献５】特許第５０９９０１７号公報
【特許文献６】特許第５４７６６９４号公報
【特許文献７】特開２００５−２６７９０２号公報
【特許文献８】特開２０１１−２４３３１４号公報
【発明の概要】
【００１７】
本発明を１つの例示である以下の実施の形態を用いて説明する。
【００１８】
実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、燃料電池に用いるガス拡散層であって、上記ガス拡散層は、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、上記ガス拡散層の内部に、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔と、１μｍから２００μｍの空孔を有する、燃料電池用ガス拡散層である。
【００１９】
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、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造（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製造する場合、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。
【００２０】
この場合、多孔質部材の製造工程中に、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、「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、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造である限り、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中に含まれてもよいことを意味する。また、本実施の形態の目的を達成できる範囲内であれば、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料（例えば、炭素繊維など）が多孔質部材中に含まれてもよいことも意味する。
【００２１】
本実施の形態によれば、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とする多孔質部材の内部に、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔と、１μｍから２００μｍの空孔を形成することで、ガス透過性、水の排水性を大幅に改善し、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２２】
また、多孔質部材では、高価な炭素繊維基材に撥水層を形成する必要が無いため、燃料電池の低コスト化と工程の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第1実施形態及び第２実施形態の高分子電解質型燃料電池スタックの概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態の高分子電解質型燃料電池セルの断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１実施形態のガス拡散層の内部構造の模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第１実施形態のガス拡散層の内部構造の拡大した模式図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第１実施形態のガス拡散層の断面ＳＥＭ写真図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第１実施形態のガス拡散層の断面ＳＥＭ写真図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態のガス拡散層の変形例の内部構造の模式図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態のガス拡散層の変形例の内部構造の模式図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態のガス拡散層の製造方法を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態の高分子電解質型燃料電池セルの断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第２実施形態のガス拡散層の内部構造の模式図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第２実施形態のガス拡散層の内部構造の拡大した模式図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第２実施形態のガス拡散層の断面写真図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の第２実施形態のガス拡散層の断面写真図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２実施形態のガス拡散層の変形例の内部構造の模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２実施形態のガス拡散層の変形例の内部構造の模式図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２実施形態のガス拡散層の変形例の模式図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２実施形態のガス拡散層の変形例の模式図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２実施形態のガス拡散層の製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態の説明に先立ち、前述の従来のガス拡散層の課題を簡単に説明する。
【００２５】
特許文献１の方法によると、ガス拡散層では、炭素繊維の基材表面に撥水層が設けられているために、電気抵抗増加の要因となり、発電時にＩＲロスが発生し、電池性能低下の要因となる。また、ガス拡散層の撥水層の形成には、インク作製、塗工、乾燥、焼成と多くのプロセスが必要となる。また、炭素繊維の基材が高価格であるため、低コスト化が困難である。
【００２６】
また、特許文献２、３、４の方法によると、ガス拡散層では、カーボン粒子とバインダー樹脂が密に詰まっており、ガス透過性、水の排水性に課題がある。
【００２７】
更に、特許文献５の方法によると、ガス拡散層の耐食性金属からなる原料粉末自体にはガス透過性がなく、そのため、空孔は互いに連通している必要がある。つまり、独立の空孔はガス透過性、水の排水性に寄与しないことになる。よって、ガス拡散層で、十分なガス透過性と水の排水性を得るためには、多数の空孔が必要となるが、発泡成形でつくられる空孔は平均孔径が２０〜６００μｍと大きい。このため、ガス拡散層において、導電性と排水性の両立が困難になる。
【００２８】
また、特許文献６の方法によると、ガス拡散層で、凹部の最多分布する径が小さいため、凹部におけるガス透過性、水の排出性が悪くなる。
【００２９】
一方、特許文献７、８の方法によると、特許文献１と同様にガス拡散層として、炭素繊維の基材に撥水層が形成することで、平均細孔径を１０〜５０μｍにコントロールしている。参考として、特許文献２、３、４のカーボン粒子とバインダー樹脂では、細孔径は１μｍで以下となる。よって、特許文献７、８の方法では、細孔径が大きく、撥水層が電気抵抗増加の要因となり、発電時にＩＲロスが発生し、電池性能低下の要因となる。また、特許文献７、８の方法では、撥水層の形成には、インク作製、塗工、乾燥、焼成と多くのプロセスが必要となる。また、炭素繊維の基材が高価格であるため、低コスト化が困難である。
【００３０】
従って、本実施の形態は上記課題を解決するものであり、高価な炭素繊維の基材を使用せず、十分なガス透過性、水の排水性と高い導電性を両立する燃料電池用ガス拡散層を提供することを目的とする。
【００３１】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（第１実施形態）
図１を用いて、実施形態にかかる燃料電池の基本構成について説明する。図１は、実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池スタックの概略斜視図である。なお、本実施形態は、高分子電解質型燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
【００３３】
図１に示すように、燃料電池は、基本単位である電池セル１０を複数枚積層し、集電板１１、絶縁板１２、端板１３で両側から所定の荷重で締結したものである。
【００３４】
集電板１１は、ガス不透過性の導電性材料、例えば、銅、真鍮などが使用される。集電板１１には、電流取り出し端子部が設けられており、発電時にここから電流を取り出す。
【００３５】
絶縁板１２は、絶縁性樹脂、例えばフッ素系樹脂、ＰＰＳ樹脂などが使用される。
【００３６】
端板１３は、剛性の高い金属材料、例えば、鋼などが使用される。端板１３は、複数枚積層された電池セル１０と、集電板１１と、絶縁板１２とを図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結、保持している。
【００３７】
電池セル１０を、図２で説明する。図２は、電池セル１０の断面図である。
【００３８】
電池セル１０は、ＭＥＡ２０をアノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｂで挟んで構成されている。
【００３９】
なお、アノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｂをまとめて、以下、セパレータ４とする。他の構成要素も同様に、まとめて説明する場合は、ａ、ｂの記号を略する。
【００４０】
セパレータ４には、流体流路５が形成されており、アノード側セパレータ４ａには、燃料ガス用の流体流路５が形成されており、カソード側セパレータ４ｂには、酸化剤ガス用の流体流路５が形成されている。セパレータ４には、カーボン系、金属系の材料を用いることができる。
【００４１】
流体流路５は溝部であり、その周囲はリブ部６である。
【００４２】
ＭＥＡ２０では、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１の両面に、アノード触媒層２ａとカソード触媒層２ｂ（合わせて触媒層２とする）とが形成されており、更にその外側に、アノード側ガス拡散層３ａ、カソード側ガス拡散層３ｂとが配置されている。
【００４３】
高分子電解質膜１は、パーフルオロカーボンスルホン酸重合体が用いられるが、プロトン導電性を有すれば、特に限定されるものではない。
【００４４】
触媒層２は、白金等の触媒粒子を担持した炭素材料と高分子電解質とを含む層を用いることができる。
【００４５】
＜ガス拡散層３＞
次に、図３Ａ、図３Ｂを用いて、実施形態にかかるガス拡散層３の構成について詳細に説明する。なお、図３Ａ、図３Ｂでは、導電性粒子３１は、細孔３３、空孔３４で切れているように見えるが、場所によりそのように見えているに過ぎない。このことは、図５、図６、図９Ａ、図９Ｂ、図１１、図１２、図１３、図１４でも同様である。
【００４６】
図３Ａは、ガス拡散層３の内部構造の図である。図３Ｂは、ガス拡散層３の拡大内部構造の図である。
【００４７】
ガス拡散層３は、導電性粒子３１と高分子樹脂３２とを主成分とし、内部に０．０１μｍから０．０５μｍの細孔３３と、１μｍから２００μｍの空孔３４とを有している。
【００４８】
導電性粒子３１は、例えば、カーボンブラック、グラファイト、活性炭などのカーボン材料が使用できる。これらの中でも、高い導電性と細孔容積が大きいカーボンブラックを使用するのが好ましい。また、カーボンブラックとして、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、バルカンが使用できる。これらの中でも、不純物量が少ないアセチレンブラック、あるいはアセチレンブラックを主成分とし、導電性の高いケッチェンブラックを５〜５０ｗｔ％添加したものを使用するのが好ましい。
【００４９】
高分子樹脂３２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（ポリフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などがあげられる。これらの中でも高分子樹脂３２としては、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から、ＰＴＦＥを使用することが好ましい。ＰＴＦＥの原料形態として、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分散性に優れるため、好ましい。
【００５０】
高分子樹脂３２は、導電性粒子３１同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、高分子樹脂３２は、撥水性を有するため、ガス拡散層３内部の細孔３３や空孔３４に水が滞留し、ガス透過を阻害することを防ぐ役割も有する。
【００５１】
ガス拡散層３の内部には、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔３３と、１μｍから２００μｍの空孔３４を有している。
【００５２】
＜細孔３３＞
０．０１μｍから０．０５μｍの細孔３３は、導電性粒子３１間の隙間により生成される。導電性粒子３１がカーボンブラックの場合、カーボンブラックの１次粒子間の隙間に相当する細孔３３が生成される。カーボンブラックの平均１次粒子径は０．０２μｍから０．０４μｍ程度なので、カーボンブラック同士を充填したときに出来る細孔は、０．０１μｍから０．０５μｍの大きさとなる。
【００５３】
また、０．０１μｍよりも小さい細孔は、水分子が通りにくくなり、結果として水の排出性が悪くなって、フラッディングによる電池性能の低下を引き起こす。
【００５４】
一方、０．０５μｍよりも細孔が大きくなると、カーボンブラック同士の距離が離れるため、導電性が低下し、電池性能の低下を引き起こす。
【００５５】
これらの細孔３３は、ガス拡散層３内部全体に分布し、ガスの拡散や水・水蒸気の排水経路として機能している。なお、細孔径は、水銀圧入法により測定することができる。
【００５６】
＜空孔３４＞
１μｍから２００μｍの空孔３４は、ガス拡散層３内部に点在している。空孔３４は、独立孔でも連通孔でも良い。空孔３４は、ガス拡散層３内部に点在することで、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔３３だけでは、不十分なガスの拡散、水・水蒸気の排水を飛躍的に向上させることができる。
【００５７】
空孔３４の大きさが１μｍよりも小さくなると、ガスや水、水蒸気が細孔３３を通る距離が長くなるため、十分なガス拡散性、水、水蒸気の排水性が得られなくなる。
【００５８】
一方、空孔３４の大きさが２００μｍよりも大きくなると、空孔３４による導電性の低下と強度の低下が著しくなり、電池性能の低下やガス拡散層の破損が生じる。
【００５９】
空孔３４の大きさが２、１μｍから２００μｍの大きさの空孔３４は、ガス拡散層の断面積における面積比率が、０．５％以上５％以下である。
【００６０】
空孔３４の面積比率が、０．５％よりも小さいと、ガス拡散性、水の排水性はほとんど向上しない。
【００６１】
空孔３４の面積比率が５％よりも大きくなると、ガス拡散層の導電性が悪くなり、結果として電池性能を低下させる。
【００６２】
＜面積比率の算出方法＞
ここで、ガス拡散層３の断面積における面積比率の算出方法について述べる。ガス拡散層３の断面を切断し、断面を研磨した後、ＳＥＭあるいは顕微鏡で断面写真を撮る。断面写真の１μｍから２００μｍの空孔を画像処理ソフトで抽出し、全断面積に対する空孔の面積比から算出することができる。
【００６３】
図４Ａは、ガス拡散層３の断面ＳＥＭ写真、図４Ｂは、ガス拡散層３の断面ＳＥＭの拡大写真である。導電性粒子３１と、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔３３と、１μｍから２００μｍの空孔３４とが確認できる。なお、高分子樹脂３２は、微細な繊維状となっており、ＳＥＭ観察時の電子線によりダメージを受けて観察されていない。
【００６４】
＜ガス拡散層３の変形例＞
図５と図６は、図３に示したガス拡散層３の変形例を示す内部構造の図である。
【００６５】
図５は、ガス拡散層３の内部構造の図である。図５で、ガス拡散層３内部の空孔３４の径が、ガス拡散層３の面方向（高分子電解質膜１と平行方向）と厚み方向で、面方向の径の方が大きい。空孔３４の面方向の径が大きいことで、特に、流体流路５からリブ部６へのガス拡散性が向上するとともに、リブ部６の下で生じた生成水も空孔３４を通して面方向に移動し、ガス流路５へすみやかに排出される。
【００６６】
ここで、面方向の径は、厚み方向の径よりも、１．５倍以上大きいことが好ましい。その理由として、ガス拡散層３の厚み１００μｍから４００μｍに対して、リブ部６の幅は一般的に３００μｍから１０００μｍ程度であり、厚み方向のガス拡散経路、水の排出経路に対して、面方向のガス拡散経路、水の排出経路の距離が長い。そのため、厚み方向の径に対して面方向の径が１.５倍以上大きいことで、面方向へのガス拡散性、水の排出性が向上し、電池性能も向上する。
【００６７】
なお、面方向は、ガス拡散層３の圧延方向である。下記に示すが、ガス拡散層３を作製時、ペーストを圧延する。圧延時の圧延面が、面方向である。
【００６８】
図６は、別の変形例のガス拡散層３の内部構造図である。ガス拡散層３に、基材として成立しない重量の炭素繊維３５を添加したものである。ここで、基材として成立しないとは、基材として独立した形状（単独で基材とならない）とならない重量である。
【００６９】
炭素繊維３５の重量としては、２０ｗｔ％以下、高分子樹脂３２は１０ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下とすることで、ガス拡散層３の抵抗を低減することが可能となる。
【００７０】
炭素繊維３５としては、気相成長法炭素繊維、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が使用できる。これらの中でも、気相成長法炭素繊維が、繊維径が細いため、高分子樹脂３２のバインダー効果を阻害しないので好ましい。
【００７１】
＜ガス拡散層３の多孔度＞
ガス拡散層３の多孔度は、６０％以上８０％以下あることが好ましい。多孔度が６０％より低くなると、ガスの拡散、水の排出経路が減少し、フラッディングによる電池性能が低下する。一方、多孔度が８０％より大きくするためには、高分子樹脂３２の添加量を下げる必要があり、そのためガス拡散層３の強度が弱くなってしまう。
【００７２】
ここで、ガス拡散層３の多孔度の算出方法について説明する。
【００７３】
まず、ガス拡散層３を構成する各材料の真密度と組成比率から、製造したガス拡散層３の見かけ真密度を算出する。
【００７４】
次いで、製造したガス拡散層３の重量、厚さ、縦横寸法を測定して、製造したガス拡散層３の密度を算出する。
【００７５】
次いで、多孔度＝（ガス拡散層３の密度）／（見かけ真密度）×１００の式に、前記算出したガス拡散層３の密度及び見かけ真密度を代入し、多孔度を算出する。
【００７６】
＜ガス拡散層３のガス透過性＞
ガス拡散層３のガス透過性は、ガーレー数が１００sec以下であることが好ましい。ガーレー数が１００secより大きいとガス透過性、水の排出性が不十分となり、電池性能が低下する。
【００７７】
ここで、ガーレー数に関して説明する。試験の原理は外筒の油に浮かぶ内筒の自重におって空気を圧縮し、この空気が試験片を透過する。内筒は徐々に降下するので、１００ｍＬの空気が透過するのに要する時間を測定し、ガーレー数とする。ここで、空気が透過するサンプルの面積は、６．４２ｃｍ２である。
【００７８】
＜ガス拡散層３の引張破断強度＞
ガス拡散層３の引張破断強度は、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上であることが好ましい。引張破断強度が０．０５Ｎ／ｍｍ２より小さいと自立膜として取り扱うことが困難になる。多孔質部材の引張破断強度は、０．０５Ｎ／ｍｍ２以上で、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される自立膜が好ましい。
【００７９】
＜ガス拡散層３の厚み＞
ガス拡散層３の厚みは、１００μｍ以上、４００μｍ以下であることが好ましい。厚みが１００μｍよりも薄くなると強度が弱くなり、自立膜として取り扱うことが困難になる。また、４００μｍよりも厚くなると、抵抗が高くなり、電池性能が低下する。
【００８０】
＜拡散層３の製造方法＞
次に、本発明の第１実施形態にかかるガス拡散層３の製造方法について図７を用いて説明する。
【００８１】
ステップ１では、導電性粒子と高分子樹脂と造孔剤と界面活性剤と分散溶媒とを混練する。具体的には、導電性粒子としてのカーボン材料と、造孔剤、界面活性剤、分散溶媒を投入し、攪拌、混練する。上記材料が均一に分散された後に、高分子樹脂材料を投入し、再度、均一に分散させ、混練物を得る。
【００８２】
ステップ２では、混練物を圧延しながら、シート状に伸ばしていく。
【００８３】
ステップ３では、シート状に伸ばした混練物を焼成して、前記混練物中から、界面活性剤、分散溶媒を除去するとともに、造孔剤が昇華することで、シート状の混合物内部に空孔を形成する。
【００８４】
ステップ４では、界面活性剤と分散溶媒を除去したシート状の混練物をロールプレス機で再圧延し厚さを調整する。
【００８５】
これにより、本発明の第１実施形態にかかるガス拡散層３を製造することができる。
【００８６】
（ステップ１）
ステップ１の造孔剤として、高分子樹脂の融点以下で昇華するもの、例えば、フマル酸が使用できる。フマル酸の粒径として、１〜３００μｍ、好ましくは、１０〜１００μｍのものを使用できる。フマル酸は、白色結晶性の粉末で、カルボキシ基を持つが、水に溶けにくい性質をもつ。また、加熱すると、２８０〜３００℃で昇華する。
【００８７】
ステップ１で、導電性粒子と高分子樹脂にフマル酸を５ｗｔ％から３０ｗｔ％添加した混練物を作製し、ステップ２で混練物をシート化し、ステップ３で混練物を３００℃以上の温度で焼成する。この焼成で、ガス拡散層３からフマル酸を昇華させ、その際にガス拡散層３の内部に空孔を形成する。そして、ステップ４で、シート状の混練物の厚みを調整し、ガス拡散層３を得ることができる。
【００８８】
ステップ１の材料の混練には、プラネタリーミキサー、ハイブリッドミキサー、ニーダー、ロールミルなどを使用することができる。この混練工程では、高分子樹脂に加わるせん断力が、その後のシートの成形性、強度に影響する。一般に、せん断力が高いほど、高分子樹脂が繊維化し、導電性粒子同士の結着性が増し、ガス拡散層３の強度が向上する。しかしながら、せん断力が高すぎると、高分子樹脂の繊維化が進みすぎて、硬い団子状になって、圧延によってシート状に成形できなくなる。そのため、導電性粒子と造孔剤、界面活性剤、分散溶媒だけで、先に混練、分散させた後で、最後に高分子樹脂を投入し、高分子樹脂が均一に分散された段階で混練を終えるのが好ましい。
【００８９】
（ステップ２）
ステップ２の圧延には、ロールプレス機を使用することができる。ロールプレスの条件として、０．００１ｔｏｎ／ｃｍ２から４ｔｏｎ／ｃｍ２で１回または複数回圧延することで、高分子樹脂を繊維化し、強度のあるガス拡散層３を得ることができる。
【００９０】
（ステップ３）
ステップ３の焼成では、ＩＲ炉（赤外線炉）、熱風乾燥炉を使用することができる。焼成温度は、造孔剤が昇華する温度よりも高く、高分子樹脂が融解する温度よりも低い温度を使用する。焼成温度が造孔剤の昇華する温度よりも低い場合、ガス拡散層３内部に造孔剤が残留し、ガス透過性、水の排出性が向上しない。また、高分子樹脂の融点よりも高い温度の場合、高分子樹脂が融解し、ガス拡散層３の強度が低下してしまう。例えば、造孔剤がフマル酸、高分子樹脂がＰＴＦＥの場合、焼成温度は、３１０〜３４０℃が好ましい。
【００９１】
（ステップ４）
ここで、ステップ４で、シート状の混練物をロールプレス機で再圧延する際に、プレス圧力を高くすることで、ガス拡散層３内部の空孔の径を、ガス拡散層３の面方向と厚み方向で、面方向の径の方が大きくすることができる。
【００９２】
また、ステップ４で、シート状の混練物をロールプレス機で再圧延することで、シート状の混練物が圧延方向（ＭＤ方向）に延伸し、その結果、空孔の径がガス拡散層３の圧延方向（ＭＤ方向）と垂直方向（ＴＤ方向）で、圧延方向（ＭＤ方向）の径が大きくすることができる。
【００９３】
ステップ４の再圧延には、ロールプレス機を使用することができる。ロールプレスの条件として、０．０１ｔｏｎ／ｃｍ２から４ｔｏｎ／ｃｍ２で、１回または複数回再圧延することで、ガス拡散層３の厚み、多孔度を調整する。
【００９４】
これまで示した例のように、本発明は上記第１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可能である。
【００９５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる燃料電池について説明する。ガス拡散層３が、第１実施形態１と異なる。第２実施形態のガス拡散層３が前記第１実施形態のガス拡散層３と異なる点は、ガス拡散層３の一方の表面に流体流路５が形成されている点である。それ以外の点については、前記第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略し、主に相違点について述べる。
【００９６】
第２実施形態にかかる燃料電池の基本構成は、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。
【００９７】
次に、第２実施形態にかかる電池セル１０の構成について詳細に説明する。図８は、電池セル１０の断面図である。
【００９８】
電池セル１０は、第１実施形態と同様に、ＭＥＡ２０をアノード側セパレータ４ａ及びカソード側セパレータ４ｂで挟んで構成されている。第１実施形態と異なるのは、流体流路５がセパレータ４ではなく、ガス拡散層３側に形成されている点である。図８のとおり、セパレータ４のガス拡散層３と当接する面はフラットな面で、流体流路５は形成されていないが、ガス拡散層３のセパレータ４と当接する面に、流体流路５が形成されている。
【００９９】
流体流路５は、深さが、ガス拡散層３の厚みの４０〜８０％、流体流路５の幅は、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、リブ幅と流路幅の比は、１：０．８〜１：１．２であるのが好ましい。
【０１００】
次に、第２実施形態にかかるガス拡散３を図９Ａ、図９Ｂで説明する。図９Ａは、第２実施形態のガス拡散層の内部構造の模式図である。図９Ｂは、第２実施形態のガス拡散層の内部構造の拡大した模式図である。
【０１０１】
図９Ａと図９Ｂに示す内部構造の図の通り、導電性粒子３１と高分子樹脂３２とを主成分とした多孔質部材で構成され、ガス拡散層３の一方の表面に流体流路５が形成されている。さらに、ガス拡散層３の内部に、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔３３と、１μｍから２００μｍの空孔３４を有するものである。
【０１０２】
ガス拡散層３の流体流路５面のリブ部６はセパレータ４の表面と当接し、電気的に接続されている。また、流体流路５面と反対側の面は触媒層と当接している。燃料ガスや酸化剤ガスは、前記流体流路５を流れ、ガス拡散層３の細孔３３、空孔３４を通って、触媒層へ拡散される。
【０１０３】
図１０Ａは、ガス拡散層３の断面写真、図１０Ｂはガス拡散層３の断面の拡大写真である。ガス拡散層３は、導電性粒子３１と、０．０１μｍから０．０５μｍの細孔３３と、１μｍから２００μｍの空孔３４と、流体流路５と、流体流路５面のリブ部６とを有する。なお、高分子樹脂３２は、微細な繊維状となっており、ＳＥＭ観察時の電子線によりダメージを受けて観察されていない。
【０１０４】
＜変形例＞
図１１から図１４は、図９のガス拡散層３の変形例であり、ガス拡散層３の内部構造図である。
【０１０５】
図１１では、図９のガス拡散層３内部の空孔３４の径が、ガス拡散層の面方向と厚み方向で、面方向の径の方が大きい。空孔の面方向の径が大きいことで、特に、流体流路５のリブ部６へのガス拡散性が向上するとともに、リブ下で生じた生成水も空孔を通して面方向に移動し、ガス流路へすみやかに排出される。
【０１０６】
なお、面方向は、ガス拡散層３の圧延方向である。下記に示すが、ガス拡散層３を作製時、ペーストを圧延する。圧延時の圧延面が、面方向である。
【０１０７】
図１２では、ガス拡散層３内部の空孔３４は、流体流路５の下部とリブ部６で、リブ部６の方が空孔３４の比率が大きい。流体流路５を流れる燃料ガスあるいは酸化剤ガスは、リブ部６の空孔を通って、ガスの拡散しにくいリブ部６の触媒まで拡散する。一方、流体流路５の下部は、空孔３４が少ないため、空孔３４による抵抗の増加を抑えることができる。
【０１０８】
図１３では、ガス拡散層３内部の空孔３４は、リブ部６のみに存在し、流体流路５の下部には、空孔３４は存在しない。よって、流体流路５の下部の導電性が犠牲にならず、リブ部６のガス拡散向上と、流体流路５の下部の高い導電性を両立させることができる。
【０１０９】
図１４では、ガス拡散層３に、基材として成立しない重量の炭素繊維３５を添加したものである。炭素繊維３５の重量としては、２０ｗｔ％以下、高分子樹脂３２は１０ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下とすることで、ガス拡散層３３ａ、３ｂの抵抗を低減することが可能となる。
【０１１０】
＜製造方法＞
次に、第２実施形態にかかるガス拡散層３の製造方法について説明する。記載しない事項は第１実施形態の製法と同様である。図１５に、ガス拡散層３の製造フローを示す。
【０１１１】
ステップ１５で、第１実施形態の製造方法で作製したガス拡散層３に、凹凸のついた金型を押圧して、流体流路５を形成する。これにより、本発明の第２実施形態にかかるガス拡散層３を製造することができる。
【０１１２】
ステップ１５は、上記方法に限定されるものではない。例えば、凹凸のついたロールに第１実施形態の製造方法で作成したガス拡散層３を通して、流体流路５を形成することもできる。
【０１１３】
また、ステップ１５において、凹凸のついた金型を押圧し、金型の凸部の空孔を潰すことで、流体流路５の溝部とリブ部６で、リブ部６の空孔の比率を高くすることが可能となる。
【０１１４】
更に、ステップ１５において、金型の押圧を更に高くすることで、金型の凸部の空孔をすべて潰して、流体流路５のリブ部６のみに空孔を有するガス拡散層３が製造できる。
【実施例】
【０１１５】
以下、本発明の実施例について説明する。各材料は以下のものを使用した。【０１１６】
[導電性粒子]アセチレンブラック（電気化学工業製、デンカブラック粉状品）、ケッチェンブラック（ライオン製  ＥＣＰ３００）、人造黒鉛（ＳＥＣカーボン製、ＳＧＰグレード、平均粒子径３０μｍ）
[炭素繊維]ＶＧＣＦ（昭和電工製、ＶＧＣＦ−Ｈ）
[フッ素系樹脂]ＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン製）
[造孔剤]フマル酸（日本触媒製、粒子径５０〜２００μｍ）
[ガス透気度試験機]ガーレー式デンソメータ（東洋精機製）
（実施例１〜６）
ガス拡散層３の組成比は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、人造黒鉛、ＶＧＣＦ、ＰＴＦＥ、フマル酸（造孔剤）を表１に示す組成比とした。第１実施形態の製造方法によって、厚み２００μｍの上記組成比のガス拡散層３を作製した。【０１１７】
作製したガス拡散層３の多孔度、平均細孔径、１μｍから２００μｍ径の空孔の個数、全面積に対する空孔の面積比、ガス透過性（ガーレー数）、厚み方向の抵抗を測定した。【０１１８】
その結果を表１に示す。【０１１９】
（比較例１〜６）
比較例１〜４は、実施例１〜４に対して、フマル酸を添加せずに、同様の製造方法で厚み２００μｍのガス拡散層３を作製した。また、比較例５、６は、実施例５、６に対して、それぞれ造孔剤の添加量を少なく、あるいは多くして、同様の製造方法で厚み２００μｍｎガス拡散層３を作製した。作製したガス拡散層３の多孔度、平均細孔径、１μｍから２００μｍ径の空孔の個数、全面積に対する空孔の面積比、ガス透過性（ガーレー数）、厚み方向の抵抗を測定した。【０１２０】
その結果を表１に示す。【０１２１】
ここで、多孔度、平均細孔径、空孔の個数、全面積に対する空孔の面積比、ガス透過性（ガーレー数）、厚み方向の抵抗の好ましい範囲とその理由を以下に示す。上記特性がすべて好ましい範囲内にあるものを○、範囲外のものがある場合を×として表示する。【０１２２】
[多孔度]
多孔度の好ましい範囲は６０％〜８０％である。その理由は以下である。【０１２３】
多孔度が６０％より低くなると、ガスの拡散、水の排出経路が減少し、フラッディングによる電池性能が低下する。一方、多孔度が８０％より大きくするためには、高分子樹脂３２の添加量を下げる必要があり、そのためガス拡散層３の強度が弱くなってしまう。【０１２４】
[平均細孔径]
平均細孔径の好ましい範囲は、０．０１μｍ〜０．０５μｍである。その理由は以下である。【０１２５】
空孔３４の大きさが１μｍよりも小さくなると、ガスや水、水蒸気が細孔３３を通る距離が長くなるため、十分なガス拡散性、水、水蒸気の排水性が得られなくなる。一方、空孔３４の大きさが２００μｍよりも大きくなると、空孔３４による導電性の低下と強度の低下が著しくなり、電池性能の低下やガス拡散層３の破損が生じる。【０１２６】
[空孔の個数]
空孔の個数の好ましい範囲は、１０個／０．１ｍｍ２〜８０個／０．１ｍｍ２である。その理由は以下である。【０１２７】
空孔の個数が、１０個／０．１ｍｍ２より少ないと、十分なガス透過性が得られない。また、８０個／０．１ｍｍ２よりも多くなると、導電性が悪くなり、電池性能が低下する。【０１２８】
[全面積に対する空孔の面積比]
全面積に対する空孔の面積比の好ましい範囲は、０．５％以上である。その理由は以下である。【０１２９】
全面積に対する空孔の面積比が０．５％より小さくなると、十分なガス透過性が得られない。【０１３０】
[ガーレー数]
ガーレー数の好ましい範囲は、１００ｍLに対して１００sec以下である。その理由は以下である。【０１３１】
ガーレー数が１００secより大きいとガス透過性、水の排出性が不十分となり、電池性能が低下する。【０１３２】
[厚み方向抵抗]
厚み方向抵抗の好ましい範囲１５ｍΩ・ｃｍ２より小さい。その理由は以下である。【０１３３】
厚み方向の抵抗が１５ｍΩ・ｃｍ２より大きくなると、抵抗過電圧が高くなり、電池性能が低下する。【０１３４】
【表１】
2017085901.tif 000003
【０１３５】
（実施例１〜４）
表１に示すとおり、実施例１〜４のガス拡散層３は、比較例１〜４のガス拡散層３に対して、造孔剤を添加することで、ガス拡散層３内部に空孔を形成されている。そのため、厚み方向の抵抗はガス拡散層３内部の空孔の影響で少し高くなっているが、ガーレー数が１桁低くなっており、ガス透過性が大幅に向上していることが確認できた。【０１３６】
（実施例５，６）
実施例５、６と比較例５、６のガス拡散層３との比較から、造孔剤の添加量が少ないと、空孔の個数、空孔の面積比が小さくなる。そのため、抵抗は低くなるが、ガーレー数が大きくなり、ガス透過性が悪くなっていることがわかる。また、造孔剤の添加量が多くなると、空孔の個数、空孔の面積比が大きくなる。そのため、ガーレー数は小さくなり、ガス透過性が向上するが、抵抗が高くなることが確認できた。【０１３７】
（実施例７〜１１）
実施例７〜１１では、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、人造黒鉛、ＶＧＣＦ、ＰＴＦＥ、フマル酸を、表２に示す組成比で、ガス拡散層３を作製した。第２実施形態の製造方法によって、長さ６０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚み３００μｍ、溝深さ２００μｍ、溝幅（流路の幅）４００μｍで、片面にリブ幅：溝幅（流路の幅）＝１：１の寸法の流体流路５を形成したガス拡散層３を作製した。【０１３８】
作製したガス拡散層３の、１μｍから２００μｍの空孔の面積比、リブ部６の空孔の面積比、流体流路５下部の空孔の面積比を測定した。【０１３９】
次に、高分子電解質膜（デュポン製Ｎａｆｉｏｎ１１２）の両側に白金担持カーボンと電解質溶液の混合物をスプレー法により塗工、乾燥した。更に、その外側に上記の通り、流体流路５を形成したガス拡散層３を、平坦面を触媒層側にして重ね、面圧１ｋｇｆ／ｃｍ２、温度１２０℃でホットプレスした。その結果、ＭＥＡが作製された。【０１４０】
このＭＥＡの外側に、厚さ０．３ｍｍの平板状のカーボン板（東海カーボン製）と金メッキした真ちゅう製の集電板１１とを配置し、締結力５ｋｇｆ／ｃｍ２で締結して、燃料電池を作製した。【０１４１】
この燃料電池を、セル温度８０℃、アノード側に露点７０℃、燃料ガスストイキ１．５（電池反応における理論上の燃料消費量に対する燃料供給量の比率）の水素ガス、カソード側に露点７０℃、酸化剤ガスストイキ１．８の空気を供給し、７０ｋＰａの加圧下で発電試験を行った。出力密度はＩＶ試験のなかでの最高値を取った。また、ガス拡散性を評価するため、電流密度１．７Ａ／ｃｍ２での過電圧分離を行い、拡散過電圧抵抗過電圧を算出した。その結果を表２に示す。【０１４２】
（比較例７〜１０）
実施例７〜１０に対して、造孔剤のフマル酸を添加せずに、同様の製造方法で、厚み３００μｍ、溝深さ２００μｍ、溝幅（流路の幅）４００μｍで、リブ幅：溝幅（流路の幅）＝１：１の寸法の流体流路５を有するガス拡散層３を作製した。【０１４３】
実施例４〜８と同様に燃料電池を作製し、同様の評価を行った。その結果を表２に示す。【０１４４】
ここで、全面積に対する空孔の面積比、リブ部６の空孔の面積比、流路下部の空孔の面積比、出力密度、拡散過電圧、抵抗過電圧の好ましい範囲とその理由を記載し、すべて好ましい範囲内にあるものを○、範囲外のものがある場合を×として表示する。【０１４５】
[空孔の面積比]
空孔の面積比の好ましい範囲は、０．５％以上である。その理由は以下である。【０１４６】
全面積に対する空孔の面積比が０．５％より小さくなると、十分なガス透過性が得られない。【０１４７】
[リブ部６の空孔の面積比]
リブ部６の空孔の面積比の好ましい範囲は、０．５％以上である。その理由は以下である。【０１４８】
リブ部６の空孔の面積比が０．５％より小さくなると、十分なガス透過性が得られない。【０１４９】
[流路下部の空孔の面積比]
流路下部の空孔の面積比の好ましい範囲は、５．０％以下である。その理由は以下である。【０１５０】
流路下部のガス拡散層３の厚みは、リブ部６に比べて薄いため、ガス拡散性よりも高い導電性が求められる。そのため、流路下部の空孔の面積比が５．０％よりも大きくなると、導電性が悪くなり、電池性能が低下する。【０１５１】
[出力密度]
出力密度の好ましい範囲は、０．９Ｗ／ｃｍ２以上である。その理由は以下である。【０１５２】
理由：出力密度が０．９Ｗ／ｃｍ２よりも小さくなると、燃料電池の発電効率が低下するとともに、大量の熱が発生し、高い冷却能力が必要となる。【０１５３】
[拡散過電圧]
[拡散過電圧の好ましい範囲は、０．１１０Ｖ（電流密度１．７Ａ／ｃｍ２）以下である。その理由は以下である。【０１５４】
理由：拡散過電圧が０．１１０Ｖより大きくなると、燃料電池の発電効率が低下する。【０１５５】
[抵抗過電圧]
抵抗過電圧の好ましい範囲は、０．１５Ｖ（電流密度１．７Ａ／ｃｍ２）以下である。その理由は以下である。【０１５６】
抵抗過電圧が０．１５Ｖよりも大きくなると、燃料電池の発電効率が低下する。【０１５７】
【表２】
2017085901.tif 000004
【０１５８】
以上の結果より、実施例７〜１１のガス拡散層３を用いた燃料電池は、比較例７〜１０のガス拡散層３を用いた燃料電池よりも出力密度が高い。過電圧分離の結果をみると、拡散過電圧が低下していることから、ガス拡散層３内部の空孔、特にリブ部６の空孔によって触媒層へのガス拡散と水の排出性が向上していることが確認できた。【０１５９】
また、実施例１１のガス拡散層３では、流路下部の空孔を無くすことで流路下部の抵抗増加を抑制することができる。その結果、発電時の抵抗過電圧が低下し、出力密度を向上させるが出来る。【０１６０】
上記の通り、流体流路５を形成したガス拡散層３内部に空孔を形成することで、ガス拡散性、水の透過性が向上して、拡散過電圧が低下し、出力密度が向上することが確認できた。また、流路下部の空孔は無くても、リブ部６に空孔を有することで、拡散過電圧が低下し、出力密度が向上していることが確認できた。【０１６１】
（全体として）
なお、実施の形態１と２とは、組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
本発明の燃料電池用ガス拡散層３は、燃料電池の発電性能の向上と、低コスト化の両方を実現することが可能となり、家庭用コージェネレーションシステム、自動車用燃料電池、モバイル用燃料電池、バックアップ用燃料電池などの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【０１６３】
１    高分子電解質膜
２ａ    アノード触媒層
２ｂ    カソード触媒層
３ａ    アノード側ガス拡散層
３ｂ    カソード側ガス拡散層
４ａ    アノード側セパレータ
４ｂ    カソード側セパレータ
５    流体流路
６    リブ部
１０    電池セル
１１    集電板
１２    絶縁板
１３    端板
２０    ＭＥＡ
３１    導電性粒子
３２    高分子樹脂
３３    細孔
３４    空孔
３５    炭素繊維
【図１】
2017085901.tif 000005
【図２】
2017085901.tif 000006
【図３Ａ】
2017085901.tif 000007
【図３Ｂ】
2017085901.tif 000008
【図４Ａ】
2017085901.tif 000009
【図４Ｂ】
2017085901.tif 000010
【図５】
2017085901.tif 000011
【図６】
2017085901.tif 000012
【図７】
2017085901.tif 000013
【図８】
2017085901.tif 000014
【図９Ａ】
2017085901.tif 000015
【図９Ｂ】
2017085901.tif 000016
【図１０Ａ】
2017085901.tif 000017
【図１０Ｂ】
2017085901.tif 000018
【図１１】
2017085901.tif 000019
【図１２】
2017085901.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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