(57)【要約】  固体高分子形燃料電池（１０）は、高分子電解質膜（２０）と、前記高分子電解質膜（２０）の一方の面に設けられる電極触媒層（９０ｃ）と、導電性を備え、ガスを遮断するためのセパレータ（８０ｃ）と、前記電極触媒層（９０ｃ）と前記セパレータ（８０ｃ）との間に配置され、前記電極触媒層（９０ｃ）と共に電極を形成する電極部材（５０ｃ）と、を備える。そして、前記電極部材（５０ｃ）は、前記電極触媒層（９０ｃ）に対して直接接触する第１の接触部（１１１）と、前記セパレータ（８０ｃ）に対して直接接触する第２の接触部（１１２）と、前記ガスが流れるガス拡散路（１２１）と、を備える。さらに前記電極部材（５０ｃ）は、多数の開孔（１３１）が形成されると共に、波形形状に折り曲げた導電性の板状部材（１００）から構成される。
2010061703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に設けられる電極触媒層と、
導電性を備え、ガスを遮断するためのセパレータと、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置され、前記電極触媒層と共に電極を形成する電極部材と、を備え、
前記電極部材は、前記電極触媒層に対して直接接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して直接接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス拡散路と、を備え、
さらに前記電極部材は、多数の開孔が形成されると共に、波形形状に折り曲げた導電性の板状部材から構成されることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記電極触媒層は、触媒成分を含有する触媒成分層と、前記触媒成分層の破損を防止する導電性の保護層と、を備え、
前記保護層は、前記触媒成分層に対して直接接触する第１の面と、前記電極部材の前記第１の接触部に直接接触する第２の面と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記電極部材のガス拡散路は、前記板状部材と前記電極触媒層及び前記セパレータとの間に形成される第１の流路と、前記開孔によって形成される第２の流路と、を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記電極部材は、前記電極触媒層と前記セパレータとの間の空間における前記ガスの流下方向に前記第１の流路を沿わせて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは、前記電極部材の前記第２の接触部が接触する側の面が平面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記電極部材の表面は、導電性防食処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記導電性防食処理は、金又は導電性炭素のコーティングであることを特徴とする請求項６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記板状部材は、メタルメッシュ、パンチングメタル、エッチングメタル又はエキスパンドメタルから形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
前記電極触媒層は、触媒成分を含有する触媒成分層と、前記触媒成分層の表面上に設けられ
、前記電極部材の第１の接触部と接触することにより前記触媒成分層と電極部材との間を電気的に接続する導電体と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
前記電極触媒層は、触媒成分を含有する触媒成分層と、前記触媒成分層と電極部材との間に介在し、前記触媒成分層の破損を防止する導電性の保護層と、前記保護層の表面上に設けられ、前記電極部材の第１の接触部と接触することにより前記保護層と電極部材との間を電気的に接続する導電体と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
前記導電体は、前記保護層よりも電気伝導度が高いことを特徴とする請求項１０に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
前記電極部材のガス拡散路は、前記板状部材と前記電極触媒層及び前記セパレータとの間に形成される第１の流路と、前記開孔によって形成される第２の流路と、を有しており、
前記導電体は、複数の線状導電部材からなり、
前記線状導電部材は、前記第１の流路と平行又は直交していることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１３】
前記導電体は、遷移金属又導電性炭素を含有することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１４】
前記導電体は、金、銀、銅又は銀と樹脂とからなる導電性ペーストを含有することを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１５】
前記導電体が遷移金属を含有する場合、前記導電体における電極部材と接触する面には金メッキが施されていることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルは、（１）高分子電解質膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜）、（２）これを挟持する一対の触媒層、（３）さらにこれらを挟持し、供給ガスを分散させるための一対のガス拡散層（ＧＤＬ）、を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える。そして、個々の単セルが有するＭＥＡは、セパレータを介して隣接する単セルのＭＥＡと電気的に接続される。このようにして単セルが積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能する。【０００３】
このような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セル同士を電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのＭＥＡと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノード及びカソードに燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。【０００４】
ここで、ＰＥＦＣの発電メカニズムを簡単に説明すると、ＰＥＦＣの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）が供給される。その結果、アノード及びカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。【０００５】
アノード反応：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ・・・（１）
カソード反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ・・・（２）【０００６】
上記の電気化学反応を進行させるために、ＧＤＬは、燃料ガスや酸化剤ガスを効率的に拡散して触媒層に供給するガス供給機能が必要である。そして、特許文献１は、ＧＤＬとして発泡金属多孔体を用いる構造を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５４２５９１号公報
【発明の概要】
【０００８】
しかしながら、発泡金属多孔体は形成される細孔がランダムであることから、圧力損失が比較的大きい。このため、ガス拡散速度が遅くなって、十分なガス供給機能を得ることができず、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池出力が低下する。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的は、ガス拡散路の圧力損失を少なくし、十分なガス供給機能を確保することによって、高出力化を図ることができる固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【００１０】
本発明の態様に係る固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に設けられる電極触媒層と、導電性を備え、ガスを遮断するためのセパレータと、前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置され、前記電極触媒層と共に電極を形成する電極部材と、を備え、前記電極部材は、前記電極触媒層に対して直接接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して直接接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス拡散路と、を備え、多数の開孔が形成されると共に、波形形状に折り曲げた導電性の板状部材から構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に破線によって囲んだ領域１Ｂを拡大して示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１（ａ）の電極部材を示す斜視図、図２（ｂ）は電極部材を構成する板状部材の一例を拡大して示す平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、電極部材の波形形状の例を示す図であり、正弦曲線のような波形形状の電極部材を備えるＰＥＦＣを示す概略斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、電極部材の波形形状の例を示す図であり、三角形状のような波形形状の電極部材を備えるＰＥＦＣを示す概略斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、電極部材の波形形状の例を示す図であり、矩形形状のような波形形状の電極部材を備えるＰＥＦＣを示す概略斜視図である。
【図４】図４は、燃料電池スタックを搭載した車両を示す概略図である。
【図５】図５は、図１（ａ）の固体高分子形燃料電池から保護層を除いた構成を示す概略断面図である。
【図６】図６は、本発明の第二実施形態に係る固体高分子形燃料電池の一例を示す概略断面図である。
【図７】図７は、導電体の配置の一例を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明の第二実施形態に係る固体高分子形燃料電池の他の例を示す概略断面図である。
【図９】図９は、実施例及び比較例の各評価用単セルの発電試験を行った評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る固体高分子形燃料電池について、図面を用いて詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
［第一実施形態］
本実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）１０は、図１（ａ）に示すように、高分子電解質膜２０が備えられている。そして、高分子電解質膜２０の一方の面には、カソード電極触媒層９０ｃと、導電性を備え、ガスを遮断するためのカソードセパレータ８０ｃとが設けられている。さらに、カソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間には、カソード電極触媒層９０ｃと共にカソード６０ｃを形成する電極部材５０ｃが配置されている。また、高分子電解質膜２０の他方の面には、アノード電極触媒層９０ａと、カソードセパレータ８０ｃと同様に導電性を備え、ガスを遮断するためのアノードセパレータ８０ａとが設けられている。さらに、アノード電極触媒層９０ａとアノードセパレータ８０ａとの間には、アノード電極触媒層９０ａと共にアノード６０ａを形成するガス拡散層４０ａが配置されている。
【００１４】
そして、高分子電解質膜２０、アノード電極触媒層９０ａ、カソード電極触媒層９０ｃ、ガス拡散層４０ａ及び電極部材５０ｃは、積層された状態で膜電極接合体７０（ＭＥＡ）を構成する。さらに、複数のＭＥＡ７０をセパレータ８０ａ，８０ｃを介して順次積層することによって、燃料電池スタックを構成する。ここで、燃料電池スタックにおいて、セパレータ８０ａ，８０ｃと高分子電解質膜２０との間などにガスシール部を配置しても良いが、図１（ａ）では図示を省略してある。
【００１５】
ここで、後に詳述するが、上記電極部材５０ｃは、酸化剤ガスを電極触媒層９０ｃに供給するガス供給機能と、集電機能とを有している。電極部材５０ｃは、電極触媒層９０ｃに対して接触する第１の接触部１１１と、セパレータ８０ｃに対して接触する第２の接触部１１２と、酸化剤ガスが流れるガス拡散路１２１と、を備えている。電極部材５０ｃは、多数の開孔１３１が形成されると共に波形形状をなすように折り曲げられた導電性の板状部材１００から構成されている。
【００１６】
本実施形態のＰＥＦＣ１０において、電極触媒層９０ｃは、触媒成分を含有する触媒成分層３０ｃと、前記触媒成分層３０ｃの破損を防止する導電性の保護層１５０と、を備えている。上記保護層１５０は、触媒成分層３０ｃと電極部材５０ｃとの間に介在しており、さらに触媒成分層３０ｃに対して直接接触する第１の面１５１と、電極部材５０ｃの第１の接触部１１１に直接接触する第２の面１５２とを有している。
【００１７】
電極部材５０ｃは、アノード６０ａ及びカソード６０ｃの少なくともいずれか一方に適用できる。ただ、本実施形態ではカソード６０ｃにのみ電極部材５０ｃを適用し、アノード６０ａには一般的なガス拡散層４０ａを適用している。このため、以下の説明においては、カソード６０ｃの電極部材５０ｃを「カソード電極部材５０ｃ」と称し、アノード６０ａのガス拡散層４０ａを「アノードガス拡散層４０ａ」と称する。また、アノード６０ａの電極部材を指すときには「アノード電極部材」と称し、符号として「５０ａ」を用いることとする。以下、本実施形態のＰＥＦＣ１０の各部材について詳述する。
【００１８】
（電極部材）
図１及び図２に示すように、本実施形態においてカソード６０ｃに用いられているカソード電極部材５０ｃは、多数の開孔１３１が形成された導電性の板状部材１００を、波形形状に折り曲げることによって形成されている。そして、カソード電極部材５０ｃは、第１の接触部１１１においてカソード電極触媒層９０ｃに対して直接接触することによって、カソード電極部材５０ｃとカソード電極触媒層９０ｃとの間の導電性を確保している。また、カソード電極部材５０ｃは、第２の接触部１１２においてカソードセパレータ８０ｃに対して直接接触することによって、カソードセパレータ８０ｃとの間の導電性を確保している。
【００１９】
さらに、カソード電極部材５０ｃのガス拡散路１２１は、開孔１３１が形成された板状部材１００を波形形状に折り曲げることによって形成される。そのため、図１（ａ）に示すように、均等かつ規則的な第１の流路１２２と、開孔１３１からなる第２の流路１２３とを得ることができる。
【００２０】
上記構成のカソード電極部材５０ｃによれば、反応ガスの圧力損失を少なくしつつ、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高める効果を奏する。すなわち、カソード電極部材５０ｃのガス拡散路１２１は、従来のような発泡金属多孔体におけるランダムな流路に比べて格段に均等かつ規則的な流路であるので、ガス拡散路１２１の圧力損失が少なくなる。このため、ガス拡散速度が低下しないので、酸化剤ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。そして、電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。また、ガス拡散速度が低下しないことから、カソード６０ｃにおける生成水をガス拡散方向の下流側に押し出して排出し易くなり、その結果、生成水が滞留するフラッディング現象を十分に抑制することができる。この観点からも、電気化学的反応の進行を促進し、高出力化を図ることができる。さらに、反応ガスの圧力損失が少なくなるので、流量分布が均一になり、電圧の安定化を図ることもできる。
【００２１】
また、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１がカソード電極触媒層９０ｃに直接接触し、第２の接触部１１２がカソードセパレータ８０ｃに直接接触している。そのため、カソード電極部材５０ｃを介してカソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の導電性が確保されることから、カーボンペーパ等のガス拡散層を設けなくてもセル抵抗が低くなる。よって、カソード電極触媒層９０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ８０ｃ側に通電させることができる。
【００２２】
より詳細に説明すると、従来は、カソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間のガス拡散性及び導電性を確保すべく、炭素製の織布や不織布からなり、導電性及び多孔質性を有するシート状材料のガス拡散層が必要とされていた。しかし、本実施形態では、ガス拡散層を設けず、カソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃの間にカソード電極部材５０ｃが直接介在している。そのため、カソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間のガス拡散性及び導電性を確保しつつ、ＭＥＡ全体の薄層化を図ることが可能となる。
【００２３】
ここで、カソード電極部材５０ｃは、多数の微細な開孔１３１を有しており、カソード電極触媒層９０ｃに接している部位に開孔１３１が臨んでいる。そのため、カソード電極触媒層９０ｃに接している部位において、カソード電極触媒層９０ｃに酸化剤ガスを直接供給することができる。よって、カソード電極触媒層９０ｃの全面を均一に利用することができ、その結果、セル電圧を高めることができる。
【００２４】
ガス拡散路１２１は、具体的には、波形形状をなす板状部材１００とカソード電極触媒層９０ｃ及びカソードセパレータ８０ｃとの間に形成される第１の流路１２２と、開孔１３１によって形成される第２の流路１２３と、を有している。これら第１及び第２の流路１２２，１２３を有することによって、より一層均等かつ規則的な流路を形成することができ、ガス拡散路１２１の圧力損失をより少なくできる。
【００２５】
第１の流路１２２は、図１（ａ）においては紙面に直交する方向、図２（ａ）においては左斜め方向に伸長している。第２の流路１２３は、波形形状をなす板状部材１００の法線方向に向かって形成されている。なお、図２（ａ）の矢印１２５は、カソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の空間における酸化剤ガスの流下方向を示している。酸化剤ガスの流下方向は、ガス供給用マニホールド（図示せず）から、ガス排出用マニホールド（図示せず）に向かう方向である。
【００２６】
カソード電極部材５０ｃは、カソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の空間における酸化剤ガスの流下方向（図２（ａ）の矢印１２５）に第１の流路１２２を沿わせて配置することが好ましい。これにより、第１の流路１２２が伸長する方向と、酸化剤ガスの流下方向とが平行となるので、ガス拡散路１２１の圧力損失を少なくできる。その結果、酸化剤ガスが効率的に拡散するため、電気化学的反応の進行を促進し、高出力化を図ることができる。また、ガス拡散路１２１における圧力損失が少なくなるため、フラッディング現象をより一層抑制することもできる。
【００２７】
ここで、「ガスの流下方向に第１の流路１２２を沿わせる」とは、ガスの流下方向と、第１の流路１２２が伸びる方向とを平行にする場合に限定することを意図したものではない。発泡金属多孔体のランダムな流路との対比において、流路全体として圧力損失を少なくできる限り、ガスの流下方向と第１の流路１２２が伸びる方向とが交差する部位が生じていても何ら支障はない。この文言は、ガスの主流方向に第１の流路１２２を沿わせるように電極部材５０ａ，５０ｃを配置すれば足りることを意味している。
【００２８】
カソード電極部材５０ｃは、カソード電極触媒層９０ｃの表面全体に接触するように、カソード電極触媒層９０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間に敷詰めることが好ましい。これによりセル抵抗が低くなるため、カソード電極触媒層９０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ８０ｃ側に通電させることができる。なお、カソード電極部材５０ｃを、カソード電極触媒層９０ｃの表面の一部に配置しても構わない。
【００２９】
板状部材１００を構成する導電性材料は特に制限はなく、金属セパレータの構成材料として用いられているものが適宜用いられる。板状部材１００の構成材料としては、例えば、鉄、チタン及びアルミニウム並びにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンス及び加工容易性などの観点から好ましく用いられる。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。なかでも、板状部材１００は、ステンレス、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成することが好ましい。
【００３０】
板状部材１００は、図２（ｂ）に示されるように、メタルメッシュ１０１を使用することが好ましい。使用するメタルメッシュ１０１の寸法は適宜選択できるが、例えば、メッシュ数が１００〜５００メッシュ、線径が２５〜４０μｍ、ピッチＰが５０〜８０μｍである。メタルメッシュ１０１の織り方は特に限定されず、平織、綾織、平畳織、綾畳織など何れでも良い。メタルメッシュ１０１の場合、交錯した線材１０２同士の間の網目１０３が、開孔１３１に相当する。なお、上記メッシュ数及び線径は、ＪＩＳ  Ｇ３５５５に従い、測定することができる。さらに、ピッチＰは、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、隣接する凸部の頂点間距離を測定することにより求めることができる。
【００３１】
板状部材１００は、多数の開孔１３１が形成され、導電性を有し、さらに波形形状に折り曲げることができる限りにおいて、図示したメタルメッシュ１０１以外のものも使用することができる。例えば、板状部材１００は、パンチングメタル、エッチングメタル又はエキスパンドメタルから形成することもできる。これらの材料を板状部材１００に適用することによって、カソード電極部材５０ｃに多数の微細な開孔１３１を形成することができる。そのため、上述したように、カソード電極触媒層９０ｃに接している部位において、カソード電極触媒層９０ｃに酸化剤ガスを直接供給することができる。その結果、カソード電極触媒層９０ｃの全面を均一に利用することができ、セル電圧を高めることができる。
【００３２】
板状部材１００をメタルメッシュ１０１から形成する場合には、メッシュ数が１００メッシュ以上であることが好ましい。網目１０３が比較的多いので、カソード電極触媒層９０ｃの全面に容易に酸化剤ガスを供給することができ、セル電圧を高めることができる。また、孔径が比較的小さいので、単位面積あたりのカソード電極触媒層９０ｃやカソードセパレータ８０ｃとの接触面積が多くなる。そのため、セル内の電気抵抗を低くなり、アノード電極触媒層９０ａで発生した電子が容易にカソード電極触媒層９０ｃに伝達される。
【００３３】
板状部材１００をエッチングメタルから形成する場合には、開孔率が５０％以上であり、さらに開孔１３１の孔径が２００μｍ以下であることが好ましい。これにより、上記と同様にセル電圧を高め、セル抵抗を低くすることができる。なお、板状部材１００をパンチングメタルやエキスパンドメタルから形成する場合にも同様に、カソード電極部材５０ｃのガス供給機能及び集電機能が好適に発揮されるように、開孔１３１の多さや孔径を定めることが好ましい。
【００３４】
板状部材１００の折り曲げ加工に関しては、板状部材１００をエンボスロール成型することによって、波形形状を賦形することが好ましい。エンボスロール成型は、コストが比較的安く、大量生産に適しているからである。波形形状の寸法についても適宜選択できるが、例えば、高さｈを２００μｍ程度、波形ピッチＰを２００μｍ程度にすることができる（図２（ａ）を参照）。
【００３５】
このように、板状部材１００に波形形状を賦形するときには、板状部材１００を規則的に折り曲げ加工することが好ましい。これによって、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１をカソード電極触媒層９０ｃに対して均等に接触させることができ、さらに第２の接触部１１２をカソードセパレータ８０ｃに対して均等に接触させることができる。また、ガス拡散路１２１における第１の流路１２２を、板状部材１００とカソード電極触媒層９０ｃとの間及び板状部材１００とカソードセパレータ８０ｃとの間に均等に形成することができる。
【００３６】
電極部材５０ａ，５０ｃの波形形状は、特に限定されるものではなく、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高める効果を奏する限りにおいて、適宜の形状に折り曲げることができる。つまり、電極部材５０ａ，５０ｃは、板状部材を連続的に曲折したものであれば良く、断面形状は如何なるものでも良い。例えば、電極部材５０ａ，５０ｃの波形形状として、図２（ａ）及び図３Ａに示すように、断面が正弦曲線のような波形形状にしても良い。また、図３Ｂに示すように、三角形が連続した波形形状にしても良く、図３Ｃに示すように、略矩形が連続した波形形状にしても良い。なお、図３Ａ〜図３Ｃは、アノード電極部材５０ａもカソード電極部材５０ｃと同様の波形形状を有しているが、図１のようにカソード６０ｃのみに上記形状の電極部材を使用しても良く、アノード６０ａのみに使用しても良い。
【００３７】
図１（ｂ）に示すように、カソード電極部材５０ｃの表面は導電性の防食処理が施されていることが好ましい。カソード電極部材５０ｃに導電性防食処理を施すことによって、カソード電極部材５０ｃが腐食せず、セルの耐久性を高めることができる。
【００３８】
上記導電性防食処理としては、金又は導電性炭素のコーティングであることが好ましい。金コーティングとしては、金メッキを用いることができる。また、金コーティングとしては、金を板状部材の表面に張り合わせた金クラッドを用いることができる。さらに、導電性炭素のコーティングとしては、図１（ｂ）に示すように、板状部材１００の表面に導電性炭素層１４０を設けることが好ましい。このように、導電性腐食処理が金メッキ、金クラッド又は導電性炭素層１４０である場合には、板状部材１００が燃料電池内の環境下で腐食しにくくなるため、セルの耐久性を高めることができる。
【００３９】
上記導電性防食処理が導電性炭素層１４０の場合について、さらに詳細に説明する。導電性炭素層１４０が有する結晶構造は、耐食性を付与できる限り、如何なるものでも構わない。しかし、炭素層の結晶構造が異なると、これに起因して耐食性や導電性も変動する。そのため、導電性炭素層１４０の優れた導電性を十分に確保しつつ耐食性を向上させるためには、導電性炭素層１４０に含まれる炭素の結晶構造を制御することが重要である。そこで、導電性炭素層１４０は、ラマン散乱分光分析により測定される、Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）が１．３以上であることが好ましい。
【００４０】
炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常１３５０ｃｍ−１付近及び１５８４ｃｍ−１付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、１５８４ｃｍ−１付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Ｇバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる、つまり結晶構造欠陥が増し、グラファイト構造が乱れるにつれて、１３５０ｃｍ−１付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Ｄバンド」と称される。なお、ダイヤモンドのピークは厳密には１３３３ｃｍ−１であり、上記Ｄバンドとは区別される。Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）は、炭素材料のグラファイトクラスタサイズやグラファイト構造の乱れ具合（結晶構造欠陥性）、ｓｐ２結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本実施形態においては、Ｒ値を導電性炭素層１４０の接触抵抗の指標とすることができ、さらに導電性炭素層１４０の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。
【００４１】
Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Ｄバンドと呼ばれる１３００〜１４００ｃｍ−１ のピーク強度（ＩＤ）と、Ｇバンドと呼ばれる１５００〜１６００ｃｍ−１ のピーク強度（ＩＧ）との相対的強度比（ピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ））を算出することにより求められる。
【００４２】
上述したように、本実施形態において、Ｒ値は１．３以上であることが好ましい。また、当該Ｒ値は、好ましくは１．４〜２．０であり、より好ましくは１．４〜１．９であり、さらに好ましくは１．５〜１．８である。このＲ値が１．３以上であれば、燃料電池の積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層１４０が得られる。また、Ｒ値が２．０以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制することができる。さらに、導電性炭素層１４０自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である板状部材１００との密着性を一層向上させることができる。
【００４３】
導電性炭素層１４０における導電性炭素としては、カーボンブラック、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどを使用することができる。また、カーボンブラックの具体例として、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック又はサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていても良い。上記炭素材料は１種単独で用いてもよく、２種以上を併用しても良い。また、上記導電性炭素層１４０は、上記導電性炭素のみから形成されていても良いが、後述するように、撥水剤又は親水剤を含有していても良い。
【００４４】
上記導電性炭素層１４０の製造方法としては、まず、鉄、チタン及びアルミニウム等からなる板状部材１００を、適当な溶媒を用いて表面の脱脂及び洗浄処理を行う。溶媒としては、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレン及び苛性アルカリ剤などを用いることができる。脱脂及び洗浄処理としては、超音波洗浄などが挙げられる。続いて、板状部材１００の表面に形成されている酸化皮膜の除去を行う。酸化皮膜を除去するための手法としては、酸による洗浄処理、電位印加による溶解処理、又はイオンボンバード処理などが挙げられる。
【００４５】
そして、上記導電性炭素層１４０は、導電性炭素からなるターゲット材をターゲットとして、板状部材１００の表面に成膜することにより上記導電性炭素層１４０を形成することができる。その際、スパッタ法もしくはアークイオンプレーティング法などの物理的蒸着（ＰＶＤ）法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク（ＦＣＶＡ）法などのイオンビーム蒸着法を利用することが好ましい。前記スパッタ法として、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法、デュアルマグネトロンスパッタ法などが挙げられる。このような形成方法を用いることにより、水素含有量の少ない導電性炭素層１４０を形成することができる。したがって、炭素原子同士の結合（ｓｐ２）の割合を増加させることができ、優れた導電性が得られる。
【００４６】
ここで、上述のように、カソード電極部材５０ｃは撥水処理がされていても良い。カソード電極部材５０ｃに撥水処理を施すことによって、開孔１３１内、波形形状の間、あるいはカソード電極部材５０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間における水の滞留が減少し、水によるガス供給の阻害がなくなる。また、電極部材における水のフラッディングが抑えられるため、カソード電極触媒層９０ｃへ酸化剤ガスが滞りなく供給される。これにより、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることが可能となる。
【００４７】
撥水処理としては、カソード電極部材５０ｃに撥水剤を被覆させる方法や上記導電性炭素層１４０に撥水剤を含有させる方法がある。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、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（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。ＰＴＦＥやＰＶｄＦなどは、燃料電池内の環境下での劣化が少ないことから、カソード電極部材５０ｃの撥水性を保って、セルの耐久性を高めることができる。
【００４８】
また、カソード電極部材５０ｃは、撥水処理の代わりに親水処理がされていても良い。カソード電極部材５０ｃに親水処理を施すことによって、カソード電極触媒層９０ｃからの液水を流路側に引き寄せるため、カソード電極触媒層９０ｃ内の水詰まりを低減できる。この結果、セル電圧の急激な低下を抑えて、セル電圧を安定させることができる。
【００４９】
親水処理としては、カソード電極部材５０ｃに親水剤を被覆させる方法や上記導電性炭素層１４０に親水剤を含有させる方法がある。親水剤としては、特に限定されないが、シランカップリング剤やポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）などが挙げられる。
【００５０】
なお、１枚のカソード電極部材５０ｃに親水処理と撥水処理の両方を施すようにしても良い。つまり、板状部材１００の一方の面には親水処理を施し、他方の面には撥水処理を施すようにしても良い。この場合には、板状部材１００におけるセパレータ側の面に親水処理を施し、電極触媒層側の面に撥水処理を施すのが好ましい。
【００５１】
（保護層）
図１（ａ）に示すように、カソード電極触媒層９０ｃは、上記触媒成分層３０ｃに加え、導電性の保護層１５０を備えることが好ましい。本実施形態において、前記保護層１５０は単層であり、さらに触媒成分層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間に配置されている。つまり、上記保護層１５０は、触媒成分層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間に介在し、第１の面１５１が触媒成分層３０ｃに対して直接接触し、第２の面１５２がカソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１に対して直接接触する。そのため、触媒成分層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間の導電性を高めて集電性能を向上させることができる。さらに、保護層１５０は、触媒成分層３０ｃの表面を覆っているため、金属製のカソード電極部材５０ｃが圧接することによる触媒成分層３０ｃの破損を防止することができる。
【００５２】
保護層１５０を構成する材料は、触媒成分層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間の導電性を確保でき、かつ、触媒成分層３０ｃが破損することを防止できる限りにおいて任意の材料を選択することができる。例えば、保護層１５０として、ポリテトラフルオロエチレンの多孔体にカーボン粒子を含浸させて焼結させたシート体を用いることができる。シート体とすることによって、製造工程が簡易になり、また、ＰＥＦＣ１０の各部材を積層する際の取り扱い及び組み立てが容易になる。
【００５３】
保護層１５０を有する場合には、カソード電極部材５０ｃの波形形状のピッチをＰ、保護層１５０及び触媒成分層３０ｃの合計の厚さをｔ’とすると、Ｐ＜１０ｔ’を満たすことが好ましい。例えば、触媒成分層３０ｃの厚さが１０μｍ、保護層１５０の厚さが２０μｍのときには、合計の厚さｔ’が３０μｍであり、ピッチＰはＰ＜３００μｍであることが好ましい。Ｐ＜１０ｔ’を満たすことによって、カーボンペーパ（ガス拡散層）を使わずとも集電することが可能となる。
【００５４】
また、カソード電極部材５０ｃのピッチＰをやや大きくすることによって保護層１５０との接触面積が減少するような場合には、Ｐ＜１０ｔ’を満たすように触媒成分層３０ｃの厚さｔを厚くすれば良い。触媒成分層３０ｃの厚さｔが厚くなるため、触媒成分層３０ｃの水平方向の電気抵抗が減少することからピッチＰが大きくなっても効率的な集電が可能になる。また比較的高価で作製も煩雑なカーボンペーパを用いなくて良いことから、カソード６０ｃの作製コストを低減することができる。またカーボンペーパを必要としないため厚さ方向のサイズを低減することができる。
【００５５】
なお、上述のように、電極部材のピッチＰは、隣接する凸部の頂点間距離を測定することにより求めることができる。つまり、図２（ａ）及び図３Ａに示すように正弦曲線のような波形形状や図３Ｂに示すように三角形が連続した波形形状の場合、カソードセパレータ８０ｃ又はカソード電極触媒層９０ｃに接触する凸部の頂点間距離がピッチＰとなる。また、図３Ｃに示すように略矩形が連続した波形形状の場合、カソードセパレータ８０ｃ又はカソード電極触媒層９０ｃに接触する凸部の中心間距離がピッチＰとなる。
【００５６】
（カーボン粒子層）
図１（ａ）に示すように、アノード触媒成分層３０ａとアノードガス拡散層４０ａとの間にはカーボン粒子層１６０を配置しても良い。カーボン粒子層（マイクロポーラス層）は、集電性向上のため、アノード触媒成分層３０ａ上に圧着によって設けている。
【００５７】
カーボン粒子層は、ＰＴＦＥ多孔体に、アセチレンブラックと、ＰＴＦＥ微粒子と、増粘剤とからなる水分散液を含侵し、焼成処理を行うことにより作製することができる。
【００５８】
（セパレータ）
セパレータ８０ａ，８０ｃは、単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列接続する機能を有する。また、セパレータ８０ａ，８０ｃは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却剤を互いに遮断する隔壁としての機能も有する。
【００５９】
セパレータ８０ａ，８０ｃを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜用いられる。本実施形態では、アノードセパレータ８０ａ及びカソードセパレータ８０ｃは、ともにカーボン製である。
【００６０】
そして、アノードセパレータ８０ａは、燃料ガスが流れる流路となる溝状のリブ８１を備えている。しかし、カソードセパレータ８０ｃは、カソード電極部材５０ｃの第２の接触部１１２が接触する側の面８２を平面に形成してある。つまり、カソード電極部材５０ｃによって十分なガス供給機能を得ることができるので、カソードセパレータ８０ｃにリブを形成する必要がない。このため、カソードセパレータ８０ｃを簡単かつ安価に製造することができる。具体的には、カーボン製セパレータの場合にはリブを切削加工によって形成する必要があり、金属製セパレータの場合にはリブをプレス加工によって形成する必要がある。しかし、本実施形態のカソードセパレータ８０ｃの場合には、リブを形成する必要がないため、コスト低減を図ることができる。さらに、リブを形成する必要がないため、カソードセパレータ８０ｃの厚さ方向のサイズ、延いてはＰＥＦＣ１０の厚さ方向のサイズを小さくすることができる。
【００６１】
（高分子電解質膜）
高分子電解質膜２０は、ＰＥＦＣ１０の運転時にアノード触媒成分層３０ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒成分層３０ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜２０は、アノード６０ａ側に供給される燃料ガスとカソード６０ｃ側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【００６２】
高分子電解質膜２０の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知の高分子電解質からなる膜が適宜採用できる。高分子電解質膜２０として、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマから構成されるフッ素系高分子電解質膜を用いることができる。
【００６３】
（触媒成分層）
触媒成分層（アノード触媒成分層３０ａ、カソード触媒成分層３０ｃ）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒成分層３０ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒成分層３０ｃでは酸素の還元反応が進行する。触媒成分層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体及び高分子電解質を含有する。
【００６４】
アノード触媒成分層３０ａに用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒が使用できる。また、カソード触媒成分層３０ｃに用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒が使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属及びこれらの合金などが使用できる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性及び耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。
【００６５】
触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体や、触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、かつ、充分な電子伝導性を有しているものであれば良い。触媒担体としては、主成分がカーボンであることが好ましく、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛及び人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。
【００６６】
高分子電解質は、特に限定されないが、例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂を使用することができる。
【００６７】
（ガス拡散層）
アノードガス拡散層４０ａは、アノードセパレータ８０ａのリブ８１を介して供給された燃料ガスのアノード触媒成分層３０ａへの拡散を促進する機能及び電子伝導パスとしての機能を有する。
【００６８】
アノードガス拡散層４０ａの基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照される。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるアノードガス拡散層４０ａの特性を考慮して適宜決定すれば良いが、３０〜５００μｍ程度とすれば良い。基材の厚さがこのような範囲内の値であれば、機械的強度と、ガス及び水などの拡散性とのバランスが適切に制御される。
【００６９】
アノードガス拡散層４０ａは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、上述したようにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを挙げることができる。
【００７０】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。また、燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、第１級ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【００７１】
さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータ８０ａ，８０ｃを介して膜電極接合体７０を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成しても良い。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すれば良い。
【００７２】
本実施形態のＰＥＦＣ１０やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載することができる。図４に示すように、燃料電池スタック２１０を燃料電池車２００のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車２００の車体中央部の座席下に搭載すれば良い。座席下に搭載すれば、車内空間及びトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック２１０を搭載する場所は座席下に限らず、後部トランクルームの下部でも良いし、車両前方のエンジンルームであっても良い。上述したＰＥＦＣ１０や燃料電池スタック２１０は出力特性及び耐久性に優れるため、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供される。
【００７３】
（変形例）
これまでは上記電極部材をカソード６０ｃにのみ適用した実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。図３Ａ〜図３Ｃに示したように、例えば、アノードガス拡散層４０ａに代えて、カソード電極部材５０ｃと同様に構成されるアノード電極部材５０ａを用いることができる。また、図１に示した実施形態とは逆に、アノード６０ａにのみ電極部材５０ａを適用し、カソード６０ｃには一般的なガス拡散層を適用することもできる。
【００７４】
また、上述では、多数の開孔１３１が均一に形成されると共に規則的に折り曲げた板状部材１００からカソード電極部材５０ｃを構成した実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、開孔１３１の開孔率を部分的に変えたり、波形形状のピッチを部分的に変えたりした板状部材１００から電極部材５０ａ，５０ｃを構成することもできる。開孔１３１の開孔率や波形形状のピッチが異なる複数種類の板状部材１００を並べて配置することによって、１つの電極部材５０ａ，５０ｃを構成しても良い。このような形態の電極部材５０ａ，５０ｃによれば、通気抵抗を部分的に変えたり、触媒成分層３０ａ，３０ｃやセパレータ８０ａ，８０ｃとの接触面積を部分的に変えたりすることができる。また、燃料電池スタックを構成する場合には、セパレータ８０ａ，８０ｃを介して積層した複数のＭＥＡ７０を均等に押圧するため、波形形状の高さｈを部分的に変えた板状部材１００から電極部材５０ａ，５０ｃを構成することもできる。
【００７５】
図３Ａ〜図３Ｃに示したように、アノード６０ａ、カソード６０ｃともに電極部材５０ａ，５０ｃを用いる場合、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとが同一構造である必要はない。波形形状やそのピッチなどが異なる板状部材を適宜用いることができる。
【００７６】
また、カソード電極部材５０ｃの第２の接触部１１２が接触する側の面を平面に形成したカソードセパレータ８０ｃを図示したが、本発明はリブを備えるセパレータを除外するものではない。リブを備えるセパレータに電極部材５０ａ，５０ｃを接触させる形態としても、何ら支障はない。
【００７７】
さらに、図１（ａ）に示すＰＥＦＣ１０では、電極触媒層９０ｃは、触媒成分層３０ｃ及び保護層１５０を備えている。そして、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１は、保護層１５０の第２の面１５２と直接接触している。しかし、本実施形態のＰＥＦＣは、図５に示すように、保護層１５０を設けなくても良い。つまり、図５のＰＥＦＣ１１において、電極触媒層９１ｃは、触媒成分を含有する触媒成分層３０ｃを備えている。そして、カソード電極部材５０ｃの第１の接触部１１１は、触媒成分層３０ｃと直接接触している。
【００７８】
上記導電性の保護層１５０は、触媒成分層３０ｃの破損を防止すると共に触媒成分層３０ｃとカソード電極部材５０ｃとの間の導電性を高める機能を有する。しかし、触媒成分層３０ｃ自体が十分な強度を有しつつも高い導電性を確保できるならば、保護層１５０を設けなくても良い。保護層を設けない場合には、カソード６１ｃを厚さを薄くでき、延いては膜電極接合体７１を小型化することができる。
【００７９】
ここで、第１の流路１２２が伸長する方向から観察した場合、カソード電極部材５０ｃがカソード触媒成分層３０ｃと接する部分の中心間隔、つまり図５においてカソード電極部材５０ｃの波形形状のピッチをＰとし、カソード触媒成分層３０ｃの厚さをｔとする。この場合、中心間隔Ｐと厚さｔが、Ｐ＜５０ｔの関係を満たすことが好ましい。例えば、カソード触媒成分層３０ｃの厚さｔが１０μｍのときには、ピッチＰはＰ＜５００μｍであることが好ましい。発泡金属多孔体を用いた場合には、細孔径が比較的大きいので集電性を向上させるべくカーボンペーパを必要とする。しかし、上記中心間隔Ｐと厚さｔの関係がＰ＜５０ｔを満たすことによって、カーボンペーパ（ガス拡散層）を使わずとも効率的に集電することが可能となる。
【００８０】
なお、カソード電極部材５０ｃの波形形状のピッチＰを小さくした場合、カソード触媒成分層３０ｃとの接触面積が大きくなるため、集電性は向上するが第１の流路１２２の断面積が小さくなることから、反応ガスが拡散しにくくなる場合がある。その場合には、カソード電極部材５０ｃのピッチＰをやや大きくすることによって反応ガスが拡散しやすくなるが、カソード触媒成分層３０ｃとの接触面積が減少してしまう。このような場合には、Ｐ＜５０ｔを満たすようにカソード触媒成分層３０ｃの厚さｔを大きくすれば良い。カソード触媒成分層３０ｃの厚さｔが大きくなるため、カソード触媒成分層３０ｃの水平方向の電気抵抗が減少することからピッチＰが大きくなっても効率的な集電が可能になる。また上記電極部材を用いた場合、比較的高価で作製も煩雑なカーボンペーパ（ガス拡散層）を用いなくて良いことから、カソード６０ｃの作製コストを低減することができる。さらにカーボンペーパを必要としないため、厚さ方向のサイズを低減することができる。
【００８１】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る固体高分子形燃料電池について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８２】
図６に示すように、本実施形態の固体高分子形燃料電池は、第一実施形態と同様に、高分子電解質膜２０の一方の面には、カソード触媒成分層３０ｃと、カソード触媒成分層３０ｃの表面上に形成された保護層１５０と、導電性を備え、ガスを遮断するためのカソードセパレータ８０ｃとが設けられている。さらに、カソード電極触媒層９２ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間には、カソード電極触媒層９２ｃと共にカソード６２ｃを形成する電極部材５０ｃが配置されている。
【００８３】
そして、本実施形態の固体高分子形燃料電池では、上記保護層１５０と電極部材５０ｃとの間に導電体１７０が設けられている。つまり、本実施形態におけるカソード電極触媒層９２ｃは、カソード触媒成分層３０ｃ及び保護層１５０に加え、前記保護層１５０の表面上に設けられ、前記保護層１５０と電極部材５０ｃとの間を電気的に接続する導電体１７０を備える。
【００８４】
上述の第一実施形態では、前記電極部材の第１の接触部が、電極触媒層の保護層又は触媒成分層に対して直接接触する構成となっている。このような構成でも電極部材と電極触媒層と間の電気抵抗が十分に低減し、セル電圧を高めることができる。しかし本実施形態では、電極部材と電極触媒層と間の電気抵抗をさらに低減させるために、導電体を設けたことを特徴とする。このような構成により、アノード電極触媒層９０ａで発生した電子が、アノードセパレータ８０ａ、外部負荷、カソードセパレータ８０ｃ、電極部材５０ｃ及び導電体１７０を介して、容易に保護層１５０及びカソード触媒成分層３０ｃに伝達される。さらに、このような導電体１７０を保護層１５０の表面に設けることにより、保護層１５０の面方向（水平方向）の伝導度が向上する。そのため、簡易な構成で保護層１５０と電極部材５０ｃとの間の界面抵抗を減少させ、セル電圧の向上を図ることができる。
【００８５】
ここで、上記導電体１７０は、保護層１５０よりも電気伝導度が高いことが好ましい。これにより、電極部材５０ｃと保護層１５０との間の界面抵抗をより減少させ、電極部材５０ｃから保護層１５０に対して、電子を円滑に伝達することができる。
【００８６】
上記導電体１７０は、図６及び図７に示すように、複数の線状導電部材からなることが好ましい。導電体１７０が線状の導電部材からなることによって、導電パスを形成しつつも、第１の流路１２２から保護層１５０及びカソード触媒成分層３０ｃへの酸化剤ガスの供給を効率的に行うことが可能となる。つまり、後述するように、本実施形態の導電体１７０は、遷移金属や導電性炭素により形成されるため、ガス透過性が乏しい。そのため、保護層１５０の全面に導電体１７０を形成した場合、カソード触媒成分層３０ｃに対する酸化剤ガスの供給が不十分となり、セル電圧が低下する虞がある。しかし、導電体１７０を線状導電部材とすることによって、十分なガス透過性を確保することが可能となる。なお、導電体１７０の形状は、線状に限らず、保護層１５０及びカソード触媒成分層３０ｃへ酸化剤ガスを供給することが可能ならば如何なる形状であっても構わない。例えば、導電体１７０は、網目状であっても良い。
【００８７】
上記導電体１７０が線状導電部材からなる場合、図７に示すように、導電部材を保護層１５０の長辺方向に沿って配置しても良い。また、線状導電部材を保護層１５０の短辺方向に沿って配置しても良い。ここで、隣接する線状導電部材の間隔ｄは、良好な導電性を確保しつつも酸化剤ガスの供給が阻害されない範囲で設定すれば良いが、例えば１００μｍとすることができる。また、図６に示すように、線状導電部材の厚さＴや幅Ｗも良好な導電性を確保できる範囲で設定すれば良いが、例えば厚さＴを１μｍとし、幅Ｗを１０μｍとすることができる。
【００８８】
また、上記導電体１７０が線状導電部材からなる場合、前記線状導電部材は、電極部材５０ｃの第１の流路１２２と平行又は直交していることが好ましい。電極部材５０ｃの第１の流路１２２は、図６（ａ）及び（ｂ）においては紙面に直交する方向が流路方向であるが、導電体１７０はこの流路方向に平行に配置されていることが好ましい。または、図６（ｂ）に示すように、導電体１７０は、第１の流路１２２の流路方向に直交に配置されていることが好ましい。これにより、保護層１５０上に必要最小限の導電性パスのみが形成される。そのため、第１の流路１２２から保護層１５０及びカソード触媒成分層３０ｃへ酸化剤ガスの供給が阻害されなくなり、セル電圧の低下を抑制することができる。さらに、図６（ｂ）のように導電体１７０を直交に配置した場合、隣接する第１の接触部１１１の間の導電性も確保できるため、保護層１５０への電子の移動がさらに容易になる。なお、導電体１７０の配置は、図６（ａ）及び（ｂ）に示す配置に限られない。つまり、電極部材５０ｃの第１の流路１２２が曲線形状である場合、この曲線に沿うようにして導電体１７０を配置しても良い。
【００８９】
前記導電体１７０は、遷移金属及び導電性炭素の少なくともいずれか一方を含有していることが好ましい。遷移金属及び導電性炭素は、導電性が高いため、多くの電流が流れると共に、燃料電池内部の環境下においても腐食しにくい。そのため、電極部材５０ｃと保護層１５０との間の界面抵抗を減少させることができる。さらに導電性炭素は安価であるため、燃料電池のコスト削減を図ることもできる。なお、導電体１７０は、遷移金属又は導電性炭素のみからなっていても良いし、遷移金属又は導電性炭素の粒子同士を結びつける結合剤が含有されていても良い。また、導電体１７０は、遷移金属又は導電性炭素のほかに、他の導電材料が含有されていても良い。
【００９０】
上記導電体１７０に使用される遷移金属としては、金、銀及び銅を挙げることができる。これらは導電性が高く、さらに燃料電池内部でも腐食しにくい。さらに後述するように、これらの材料を使用した場合、めっきやエッジングにより導電体を形成することができるため、加工性に優れる。また、これらの遷移金属の中でも銀や銅を主成分とすることにより、コストを削減することができる。
【００９１】
また、上記導電体１７０に使用される材料としては、上記遷移金属と樹脂とからなる導電性ペーストを用いることができる。具体的には、銀と樹脂を混合した導電性銀ペーストを用いることができる。導電性ペーストは、遷移金属の粒子が樹脂によりコーティングされているため、遷移金属粒子の腐食を防止し、長期にわたる導電性を確保することができる。また、導電性ペーストを用いることにより、印刷技術により導電体１７０を形成できるため、製造コストを抑えることができる。
【００９２】
さらに、上記導電体１７０に使用される導電性炭素としては、第一実施形態における導電性炭素層１４０で説明した導電性炭素を使用することができる。また、この導電性炭素の結晶構造も導電性炭素層１４０と同様の結晶構造を有していても良いが、導電性及び耐食性を兼ね備える限り、任意の結晶構造とすることができる。さらに、導電体１７０に使用される導電性炭素としては、導電性のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を用いることもできる。
【００９３】
また、図７に示すように、上記導電体１７０の表面、つまり電極部材５０ｃの第１の接触部１１１と接触する面には金メッキ１７１が施されていても良い。具体的には、導電体１７０が銅からなる場合、銅の表面に金メッキを設けても良い。これにより導電性が向上するため、電極部材５０ｃと導電体１７０との間の接触抵抗をさらに低減することができる。また、導電体１７０の表面を金メッキで覆うようにした場合、導電体の腐食を抑制することもできる。さらに、導電体１７０全体を貴金属で作成した場合には高価となってしまうが、導電体１７０を銅とし、表面に金メッキを設ける構成とした場合には貴金属量を低減できるため、コスト低減を図ることができる。
【００９４】
上記導電体１７０の製造方法について説明する。導電体１７０が遷移金属からなる場合には、遷移金属の薄膜を保護層１５０上に貼り付け、その後、エッジングすることにより、上記形状を備えた導電体１７０を形成することができる。さらに、導電体上への金メッキの形成は、公知の方法により行うことができる。
【００９５】
また、上記導電性ペーストを用いる場合には、印刷により導電体１７０を形成することができる。具体的には、スクリーン印刷法を用いて導電性ペーストを保護層１５０上に塗布することにより、導電体を形成することができる。印刷法を用いた場合には、高速で安定的に導電体を形成できるため、製造コストを抑えることができる。
【００９６】
上述では、カソード６２ｃに導電体１７０を設けた場合について説明したが、アノードに上記電極部材５０ａを使用し、さらに導電体を形成しても良い。これにより、アノードにおける接触抵抗を低減することができる。また、図８に示すように、触媒成分層３０ｃ上に保護層を設けず、導電体１７０を触媒成分層３０ｃの表面に直接接触するように形成しても良い。これにより、電極の厚さを薄くしつつも、電極部材５０ｃと触媒成分層３０ｃとの間の導電性を高めることができる。
【００９７】
次に、本発明の効果を実施例及び比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲は実施例に限定されない。
【００９８】
（実施例）
固体高分子電解質膜として、ナフィオンＣＳ（登録商標、デュポン株式会社製）を用いた。この電解質膜に、白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製  ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、白金含量５０質量％）を塗布したテフロン（登録商標）シートをホットプレス法にて両面に転写し、アノード触媒成分層及びカソード触媒成分層を形成した。白金触媒使用量は、アノード触媒成分層及びカソード触媒成分層ともに０．４ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００９９】
次に、アノード触媒成分層及びカソード触媒成分層の保護及び集電性向上のため、カーボン粒子層及び保護層をアノード触媒成分層及びカソード触媒成分層上にそれぞれ圧着した。これにより、固体高分子電解質膜、アノード触媒成分層、カソード触媒成分層、カーボン粒子層及び保護層の接合体を作製した。なお、カーボン粒子層及び保護層は、ＰＴＦＥの多孔体であるポアフロン（登録商標、住友電気工業株式会社製）に、アセチレンブラック（電気化学工業株式会社製）と、ＰＴＦＥの微粒子であるＰｏｌｙｆｌｏｎ（登録商標、ダイキン工業株式会社製）と、適量の増粘剤とからなる水分散液を含侵し、３５０℃、３０分間焼成処理を行ったものである。
【０１００】
さらに、メッシュ数５００のステンレスメッシュ（綾織、線径２５μｍ、目開き２６μｍ）を、エンボスロールによって折り曲げ加工し、溝深さ２００μｍ、ピッチ２００μｍの波形形状の板状部材に加工した。この板状部材に１００μｍの厚さの金メッキを施して、電極部材を作製した。
【０１０１】
カーボン粒子層及び保護層上にそれぞれ電極部材を配置し、一対のセパレータによって挟持し、評価用単セルとした。なお、セパレータとして、切削カーボン（メカニカルカーボン工業株式会社製）を用いた。また、セパレータの形状はリブのない平面状とした。本実施例のＰＥＦＣは、図３Ａに示したように、アノード及びカソードをともに、電極触媒層と電極部材とから構成し、カーボンペーパ製、カーボン不織布製あるいはカーボンファイバー製のガス拡散層は用いなかった。
【０１０２】
（比較例）
実施例と同様に、固体高分子電解質膜、電極触媒層、カーボン粒子層及び保護層の接合体を作製した。
【０１０３】
次に、カーボン粒子層及び保護層上にカーボンファイバ製のガス拡散層（東レ株式会社製）をそれぞれ圧着し、一対のセパレータによって挟持し、比較例の評価用単セルとした。なお、セパレータとして、切削カーボン（メカニカルカーボン工業株式会社製）を用いた。また、セパレータはリブ（ガス拡散路）を有する形状とした。なお、リブの幅は１ｍｍ、流路深さ１ｍｍである。
【０１０４】
（評価）
実施例及び比較例の各評価用単セルの発電試験を行った。アノードに水素、カソードに空気を供給し、相対湿度をアノード１００％ＲＨ、カソード１００％ＲＨとした。さらに、セル温度７０℃にし、水素及び空気の供給圧力を大気圧とした。
【０１０５】
評価結果を図９に示す。図９に示すように、フラッディングが生じやすい高加湿条件において、実施例の電極部材を用いたセルは、フラッディング現象が発生せず、セル抵抗が低いため、高電流密度においてもセル電圧が高く、良好な性能を示した。一方、比較例のガス拡散層を用いたセルは、リブ下で発生していると思われるフラッディング現象のために、電圧が大きく低下した。
【０１０６】
以上から、電極部材を用いた燃料電池セルは、従来のガス拡散層を用いたセルに比べて、高電流密度においてもフラッディングを生じることなく、高い電圧を維持でき、良好な性能を示すことがわかった。
【０１０７】
特願２００８−３０５００２号 (出願日：２００８年１１月２８日)の全内容は、ここに援用される。
【０１０８】
以上、実施の形態及び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、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の電極部材は、多数の開孔が形成されると共に波形形状に折り曲げた導電性の板状部材から構成してあるので、ガス拡散路が均等かつ規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。そして、電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。また、電極部材を介して電極触媒層とセパレータとの間の導電性が確保されるので、セル抵抗が低くなる。さらに、電極部材が電極触媒層に接している部位においても、開孔を介して、電極触媒層にガスを直接供給することができる。このため、電極触媒層の全面を均一に利用することができ、セル電圧を高めることが可能となる。【０１１０】
また、従来は電極触媒層とセパレータとの間のガス拡散性及び導電性を確保すべく、炭素製の織布や不織布からなり、導電性及び多孔質性を有するシート状材料のガス拡散層が必要とされていた。しかし、本発明では、ガス拡散層を設けず、電極触媒層とセパレータの間に電極部材が直接介在している。そのため、電極触媒層とセパレータとの間のガス拡散性及び導電性を確保しつつ、ＭＥＡ全体の薄層化を図ることが可能となる。【０１１１】
従来のガス拡散層では、黒鉛化処理まで行った導電性の高いカーボンファイバ等を用いたシート状の基材を使用している。しかし、カーボンファイバを黒鉛化処理するためには、２０００℃以上の高温処理をするため、コストが大幅に上がる。これに対し、本発明では、高価なガス拡散層の代わりに、安価な電極部材を用いているため、低コスト化を図ることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１０    固体高分子形燃料電池
２０    高分子電解質膜
５０ｃ    カソード電極部材
８０ｃ    カソードセパレータ
９０ｃ    カソード電極触媒層
１００    板状部材
１１１    第１の接触部
１１２    第２の接触部
１２１    ガス拡散路
【図１】
2010061703.tif 000003
【図２】
2010061703.tif 000004
【図３Ａ】
2010061703.tif 000005
【図３Ｂ】
2010061703.tif 000006
【図３Ｃ】
2010061703.tif 000007
【図４】
2010061703.tif 000008
【図５】
2010061703.tif 000009
【図６】
2010061703.tif 000010
【図７】
2010061703.tif 000011
【図８】
2010061703.tif 000012
【図９】
2010061703.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月29日(2010.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の面に設けられる電極触媒層と、
導電性を備え、ガスを遮断するためのセパレータと、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置され、前記電極触媒層と共に電極を形成する電極部材と、を備え、
前記電極部材は、前記電極触媒層に対して直接接触する第１の接触部と、前記セパレータに対して直接接触する第２の接触部と、前記ガスが流れるガス拡散路と、を備え、
前記電極部材は、多数の開孔が形成されると共に、波形形状に折り曲げた導電性の板状部材から構成され、
前記電極触媒層は、触媒成分を含有する触媒成分層と、前記触媒成分層と電極部材との間に介在し、前記触媒成分層の破損を防止する導電性の保護層と、前記保護層の表面上に設けられ、前記電極部材の第１の接触部と接触することにより前記保護層と電極部材との間を電気的に接続する導電体と、を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記電極部材のガス拡散路は、前記板状部材と前記電極触媒層及び前記セパレータとの間に形成される第１の流路と、前記開孔によって形成される第２の流路と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記電極部材は、前記電極触媒層と前記セパレータとの間の空間における前記ガスの流下方向に前記第１の流路を沿わせて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは、前記電極部材の前記第２の接触部が接触する側の面が平面であることを特徴とする請求項１，３及び４のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記電極部材の表面は、導電性防食処理が施されていることを特徴とする請求項１，３乃至５のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記導電性防食処理は、金又は導電性炭素のコーティングであることを特徴とする請求項６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記板状部材は、メタルメッシュ、パンチングメタル、エッチングメタル又はエキスパンドメタルから形成されることを特徴とする請求項１，３乃至７のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
前記導電体は、前記保護層よりも電気伝導度が高いことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
前記電極部材のガス拡散路は、前記板状部材と前記電極触媒層及び前記セパレータとの間に形成される第１の流路と、前記開孔によって形成される第２の流路と、を有しており、
前記導電体は、複数の線状導電部材からなり、
前記線状導電部材は、前記第１の流路と平行又は直交していることを特徴とする請求項１又は１１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１３】
前記導電体は、遷移金属又導電性炭素を含有することを特徴とする請求項１，１１及び１２のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１４】
前記導電体は、金、銀、銅又は銀と樹脂とからなる導電性ペーストを含有することを特徴とする請求項１及び１１乃至１３のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１５】
前記導電体が遷移金属を含有する場合、前記導電体における電極部材と接触する面には金メッキが施されていることを特徴とする請求項１及び１１乃至１４のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池。
【国際調査報告】
2010061703.tif 000014
2010061703.tif 000015
2010061703.tif 000016
2010061703.tif 000017