(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性繊維Ａからなる、繊維配向度が１．５以上の基材層と、導電性繊維Ｂからなる、繊維配向度が１．５未満の補強層と、からなるガス拡散層であって、該基材層の厚さが３００μｍ以下であり、該基材層の厚さが該補強層の厚さより大きく、かつガーレー透気度が１００秒以下であり、
前記繊維配向度は二次元平面内の直交する２軸方向の電気抵抗比の比によって定義される、ガス拡散層。
【請求項２】
該補強層の厚さは２００μｍ以下である、請求項１に記載のガス拡散層。
【請求項３】
該基材層は、流路形成用部材を表面に有する、請求項１または２に記載のガス拡散層。
【請求項４】
電解質膜の両面にアノード触媒層およびカソード触媒層を備えてなる膜電極接合体と、該アノード触媒層およびカソード触媒層の外側にそれぞれ配置されるアノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層と、該アノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層の外側にそれぞれ配置されるアノード側のセパレータおよびカソード側のセパレータと、を有する燃料電池であって、
該アノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層の少なくとも一方が請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層である燃料電池。
【請求項５】
該セパレータにガス流路用溝が形成され、該ガス流路用溝の流路方向と該基材層の副軸が同一である、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層の基材層にガス流路用溝が形成される、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
該ガス流路用溝の流路方向と該基材層の主軸が同一である、請求項６に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散層およびそれを用いてなる燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、燃料電池用膜・電極接合体に用いられるガス拡散層およびそれを用いてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子形燃料電池は、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。この単セルは、高分子電解質膜、当該膜の両面に順次形成される一対の触媒層および一対のガス拡散層（ＧＤＬ）を有する膜−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、ＭＥＡと対向するセパレータの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。また、セパレータでガスの流れを確保するために用いる部材として、カーボン部材や金属部材が知られている。
【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】
【化１】
0005915283.tif 000002
【０００６】
上記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り、様々な提案がなされている。例えば、特許文献１には、面方向配向度が１．６以上となるように炭素短繊維を配向させたガス拡散電極基材が報告される。特許文献１のガス拡散電極基材は、ガス流路溝間部のガス拡散電極基材の面内方向におけるガス透過能を選択的に向上させ、触媒層での燃料ガスや酸化ガスの反応をより均一にできることが記載される。また、特許文献２には、炭素短繊維を含む紙料を抄紙し、炭素短繊維紙を得、フェノール樹脂を含浸、積層した後、フェノール樹脂を硬化、炭素化することにより、炭素短繊維の繊維配向度が２〜５である多孔質炭素電極基材を製造することが記載される。特許文献２で得られる多孔質炭素電極基材は、貫通方向と面方向のガス透過度が適正化されるため、燃料電池電極反応部に反応ガスを効率よく分配することができることが記載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２２２０２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２３７９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、特許文献１や２に記載のガス拡散電極基材は、ある程度の強度を確保するには薄膜化に限界があった。
【０００９】
したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、強度は確保しつつ薄膜化が可能であるガス拡散層を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、高い繊維配向を有する基材層に低い繊維配向を有する補強層を組み合わせることによって、上記目的を達成できることを知得した。上記知見に基づいて、本発明を完成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、繊維配向度の低い補強層を設けることにより強度は確保しつつ薄膜化が可能なガス拡散層を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池の基本構成を示す概略断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の基材層を示す斜視図であり、および図１（ｃ）は、図１（ａ）の補強層を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池の基本構成を示す概略断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の基材層を示す斜視図であり、および図２（ｃ）は、図２（ａ）の補強層を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第三実施形態に係るガス拡散層の基本構成を示す概略断面図である。
【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、本発明に係る基材層を円網形湿式連続抄紙装置を用いて作製する方法を説明するための概略図である。
【図６】図６は、本発明の第二及び第三実施形態に係る基材層を作製する方法を説明するための概略図である。
【図７】図７は、本発明に係る補強層を傾斜形湿式連続抄紙装置を用いて作製する方法を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、導電性繊維Ａからなる、繊維配向度が１．５以上の基材層（以下、単に「基材層」とも称する）と、導電性繊維Ｂからなる、繊維配向度が１．５未満の補強層（以下、単に「補強層」とも称する）と、からなるガス拡散層に関する。ここで、基材層の厚さは３００μｍ以下であり、基材層の厚さが該補強層の厚さより大きく、かつガス拡散層のガーレー透気度が１００秒以下である。なお、導電性繊維Ａは基材層を構成する導電性繊維であり、導電性繊維Ｂは補強層を構成する導電性繊維である。導電性繊維Ａおよび導電性繊維Ｂは、形状または材質が同じであってもあるいは異なるものであってもよい。
【００１４】
車載性、生産性及びコストの改善のため、燃料電池の小型化が要求され、触媒面積あたりの容積出力密度を改善するには、燃料電池単セルを薄くすることが有効である。ここで、燃料電池単セルは、一般的に、電解質膜、当該膜の両面に順次形成される一対の触媒層、ガス拡散層及びガス流路を備える。このうち、触媒層及び電解質膜の厚さは、発電機能を考慮すると、０．１ｍｍ程度となる。また、ガス流路の高さは０．５〜２ｍｍ程度、ガス拡散層の厚さは０．２〜０．５ｍｍ程度必要となる。すなわち、燃料電池単セルの厚さの大部分をガス流路及びガス拡散層が占めるため、ガス流路の高さやガス拡散層の厚さを低減することが、燃料電池の小型化を達成する上で重要である。しかし、従来の構造では、発電に伴う生成水を効率的に除去しかつ発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスを供給するためには、上記したようなガス流路高さやガス拡散層の厚さが必要であった。このため、従来の燃料電池では小型化には限界があった。また、従来のガス拡散層は、導電性多孔質体としてグラファイト繊維を焼結したカーボンペーパーなどが用いられており、一般的に紙抄きの要領で作製される。このため、従来はあまり繊維配向を考慮せず、意図的に繊維を揃えないので、繊維配向の縦横比はほぼ１となる。加えて、複雑な形状の成型が困難でありもろく壊れやすいことから、一般に使用されるガス拡散層としては平滑にプレス加工された物が使用されている。
【００１５】
一方、上記したように、同じ触媒面積で容積出力密度を改善するために、特許文献１、２に記載のガス拡散層が報告される。しかしながら、上記特許文献１に記載のガス拡散電極基材は、繊維配向が揃いすぎて、繊維配向主軸方向の引裂き強度が低下する傾向がある。このため、薄くすると特に縦方向に引裂けやすくなるため、材料のハンドリング性が大幅に悪化するという問題点があった。また、上記特許文献２に記載の多孔質炭素電極基材は、２枚以上の炭素短繊維紙が積層されているだけで、配向比は変化しない。このため、上記特許文献１と同様、引裂き強度、特に繊維配向主軸方向の引裂き強度が低下する傾向は改善できない。このため、薄くすると特に縦方向に引裂けやすくなり、材料のハンドリング性が大幅に悪化するという問題点がやはりあった。すなわち、従来のガス拡散層では、ある程度の強度を確保するには薄膜化に限界があり、薄膜化すると燃料電池単セル組み立て時の割れの問題を避けられなかった。
【００１６】
これに対して、本発明のガス拡散層は、高い繊維配向度を有する基材層に、低い繊維配向度を有する補強層を組み合わせることを特徴とする。基材層をガス供給側に設けることにより、繊維配向主軸方向（配向方向；以下同様）の引張強度を上げ、面抵抗を小さくし、さらに、面内方向のガス透過度を向上できる。一方、高い繊維配向度を有する基材層は、繊維配向主軸方向の引裂き強度に劣る。このため、基材層に繊維配向度の低い補強層を組み合わせることによって、強度、特に繊維配向主軸方向の引裂き強度を改善できる。ゆえに、従来の配向度の高いもののみを使用した場合に比して、薄いガス拡散層であっても、十分なガス透過性および強度（引張強度及び引裂き強度）を達成できる。
【００１７】
また、発電に伴う生成水の除去能や発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスの供給能は、隣接する導電性繊維Ａのピッチを調整することで適切な範囲に調節できる。このため、導電性線材Ａのピッチを適宜選択することによって、発電に伴う生成水の除去能や発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスの供給能を達成できる。
【００１８】
上記に加えて、基材層および補強層は双方とも導電性繊維からなる（即ち、導電性を有する）ので、触媒層及びセパレータ間で電気を効率よく伝えることができる。また、上記したように、本発明のガス拡散層は、発電に伴う生成水の除去能や発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスの供給能を十分に発揮できる。このため、本発明のガス拡散層を有する燃料電池は、発電性能に優れる。
【００１９】
以下、本発明に係る燃料電池について、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。
【００２０】
本発明の燃料電池の種類としては、特に限定されない。具体的には、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池、リン酸型燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子形燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動／停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。
【００２１】
このため、以下では、高分子電解質形燃料電池を例に挙げて本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００２２】
本実施形態に係る燃料電池１０は、図１（ａ）に示されるように、高分子電解質膜２０が備えられている。この高分子電解質膜２０の一方の面には、カソード触媒層３０ｃと、酸化剤ガスが流れるカソードガス流路用溝１００ｃを備えたカソードセパレータ７０ｃとが設けられている。また、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ７０ｃとの間には、カソード基材層６０ｃ及びカソード補強層５０ｃからなるカソードガス拡散層９０ｃが、カソード補強層５０ｃがカソード触媒層３０ｃに近接した状態で配置される。ここで、カソードガス拡散層９０ｃを構成するカソード基材層６０ｃは、図１（ｂ）に示されるように、導電性繊維Ａ（６１ｃ）からなり、繊維配向度が１．５以上である。隣接するカソード導電性繊維Ａ（６１ｃ）間の空間が、酸化剤ガスをカソード触媒層３０ｃに供給するガス流路空間となる。また、カソードガス拡散層９０ｃを構成するカソード補強層５０ｃは、図１（ｃ）に示されるように、導電性繊維Ｂ（５１ｃ）からなり、繊維配向度が１．５未満である。このカソード補強層５０ｃにより、カソード基材層６０ｃの強度、特に繊維配向主軸方向の引張強度を向上できる。
【００２３】
本実施形態では、カソード基材層６０ｃの副軸（導電性繊維Ａ（６１ｃ）の繊維配向副軸）が、カソードセパレータ７０ｃのカソードガス流路用溝１００ｃの流路方向と同一である。換言すると、本実施形態では、セパレータにガス流路用溝が形成され、該ガス流路用溝の流路方向と該基材層の副軸が同一である。なお、本明細書において、「基材層の副軸」とは、基材層を構成する導電性繊維の配向方向に対して直角方向軸を意味する。また、本明細書において、「ガス流路用溝の流路方向と基材層の副軸が同一である」とは、ガス流路用溝の流路方向と、基材層の副軸方向と、の角度が、０〜４５°（好ましくは０〜３０°、特に好ましくは０°）であることを意味する。
【００２４】
高分子電解質膜２０の他方の面には、アノード触媒層３０ａと、燃料ガスが流れるアノードガス流路用溝１００ａを備えたアノードセパレータ１２０ａとが設けられている。また、アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ７０ａとの間には、アノード基材層６０ａ及びアノード補強層５０ａからなるアノードガス拡散層９０ａが、アノード補強層５０ａがアノード触媒層３０ａに近接した状態で配置される。ここで、アノードガス拡散層９０ａを構成するアノード基材層６０ａは、図１（ｂ）に示されるように、導電性繊維Ａ（６１ａ）からなり、繊維配向度が１．５以上である。隣接するアノード導電性繊維Ａ（６１ａ）間の空間が、燃料ガスをアノード触媒層３０ａに供給するガス流路空間となる。また、アノードガス拡散層９０ａを構成するアノード補強層５０ａは、図１（ｃ）に示されるように、導電性繊維Ｂ（５１ａ）からなり、繊維配向度が１．５未満である。このアノード補強層５０ａにより、アノード基材層６０ａの強度、特に繊維配向主軸方向の引張強度を向上できる。
【００２５】
本実施形態では、アノード基材層６０ａの副軸（導電性繊維Ａ（６１ａ）の繊維配向副軸）が、アノードセパレータ７０ａのアノードガス流路用溝１００ａの流路方向と同一である。換言すると、本実施形態では、セパレータにガス流路用溝が形成され、該ガス流路用溝の流路方向と該基材層の副軸が同一である。
【００２６】
このような構造によって、十分な強度及びガス流路空間を確保しつつガス拡散層を薄膜化でき、その結果、燃料電池単セルを薄くすることができ、燃料電池を小型化できる。
【００２７】
ここで、高分子電解質膜２０、アノード触媒層３０ａ、アノードガス拡散層９０ａ、カソード触媒層３０ｃ、カソードガス拡散層９０ｃは、積層された状態で膜電極接合体（ＭＥＡ）８０を構成する。さらに、複数のＭＥＡ８０をアノードセパレータ７０ａ及びカソードセパレータ７０ｃ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。なお、高分子電解質膜２０、アノード触媒層３０ａ及びカソード触媒層３０ｃが積層された状態を「ＣＣＭ」とも称する。また、燃料電池スタックにおいて、セパレータ７０ａ、７０ｃ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よいが、図１では図示を省略している。
【００２８】
以下では、本発明の他の好ましい実施形態を説明するが、特記しない限りは、カソード側およびアノード側の部材を同一の部材として記載する。このような場合には、カソードおよびアノードの記載を省略してその部材名のみを記載する。例えば、カソード触媒層３０ｃおよびアノード触媒層３０ａを総称する場合には、「触媒層３０」と称する。
【００２９】
上記図１では、通常の燃料電池と同様のセパレータ７０が使用されているが、ガス拡散層９０の基材層６０にガス流路用溝が形成されてもよい。この場合には、ガス流路用溝がガス拡散層の基材層にあるので、セパレータは板状でありうる。具体的には、図２〜３に示されるような実施形態もまた本発明に包含される。
【００３０】
即ち、図２の燃料電池１０では、高分子電解質膜２０面に触媒層３０および板状のセパレータ７１が設けられている。また、触媒層３０と板状のセパレータ７１との間には、基材層６０及び補強層５０からなるガス拡散層９０が、補強層５０が触媒層３０に近接した状態で配置される。ここで、ガス拡散層９０ｃを構成する補強層５０は、図１（ｃ）と同様、図２（ｃ）に示されるように、導電性繊維Ｂ（５１）からなり、繊維配向度が１．５未満である。一方、ガス拡散層９０を構成する基材層６０に、流路形成用部材６３が形成される。ガス拡散層９０を構成する基材層６０は、図２（ｂ）に示されるように、導電性繊維Ａ（６１）からなる板状または膜状の基材６２および上記基材６２上に導電性繊維Ａ（６１）からなる流路形成用部材６３から構成される。図２では、流路形成用部材６３は線状であるが、この形状に限定されることはなく、例えば、点状や破線状であってもよい。本実施形態では、ガス流路用溝の流路方向と基材層の主軸が同一である。即ち、基材６２を構成する導電性繊維Ａ（６１）および流路形成用部材６３を構成する導電性繊維Ａ（６１）双方の主軸とも、ガス流路用溝の流路方向と同一であるように配置される。なお、本明細書において、「基材層の主軸」とは、基材層を構成する導電性繊維の配向方向軸を意味する。また、本明細書において、「ガス流路用溝の流路方向と基材層の主軸が同一である」とは、ガス流路用溝の流路方向と、基材層の主軸方向と、の角度が、０〜４５°（好ましくは０〜３０°、特に好ましくは０°）であることを意味する。また、隣接する流路形成用部材６３間の空間ならびに流路形成用部材６３及び基材６２中の隣接する導電性繊維Ａ（６１）間の空間が、酸化剤ガスまたは燃料ガスを触媒層３０に供給するガス流路空間となる。
【００３１】
図２では、基材６２及び流路形成用部材６３双方を構成する導電性繊維Ａ（６１）の配向方法がガス流路用溝の流路方向と同一であるが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、図３に示されるように、基材の副軸がガス流路用溝の流路方向と同一であってもよい。即ち、基材６２を構成する導電性繊維Ａ（６１）が、ガス流路用溝の流路方向に対して実質的に直交するように配置されてもよい。これに対して、流路形成用部材の主軸はガス流路用溝の流路方向と同一である。即ち、流路形成用部材６３を構成する導電性繊維Ａ（６１）は、ガス流路用溝の流路方向と実質的に同一であるように配置される。本形態においても、隣接する流路形成用部材６３間の空間ならびに流路形成用部材６３及び基材６２中の隣接する導電性繊維Ａ（６１）間の空間が、酸化剤ガスまたは燃料ガスを触媒層３０に供給するガス流路空間となる。
【００３２】
図１〜図３では、カソードおよびアノード双方の側で、本発明のガス拡散層９０ｃ，９０ａがそれぞれ配置される。しかしながら、本発明のガス拡散層は、アノード及びカソードの少なくともいずれか一方に適用されていればよい。すなわち、本発明の好ましい実施形態によると、燃料電池は、電解質膜の両面にアノード触媒層およびカソード触媒層を備えてなる膜電極接合体と、前記アノード電極層およびカソード電極層の外側にそれぞれ配置されるアノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層と、前記アノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層の外側にそれぞれ配置されるアノード側のセパレータおよびカソード側のセパレータと、を有する燃料電池であって、前記アノード側のガス拡散層およびカソード側のガス拡散層の少なくとも一方が本発明のガス拡散層である。具体的には、本発明の燃料電池において、（１）カソード及びアノード双方の側に本発明のガス拡散層を配置してもよい。また、（２）カソード側に本発明のガス拡散層を配置し、アノード側に従来と同様のガス拡散層を配置してもよい。さらに、（３）アノード側に本発明のガス拡散層を配置し、カソード側に従来と同様のガス拡散層を配置してもよい。なお、上記（１）において、カソード及びアノード側に配置する本発明のガス拡散層は、同一であってもあるいは異なるものであってよい。例えば、カソード及びアノード側の双方に図１のガス拡散層を配置する、カソード側に図１のガス拡散層をかつアノード側に図２または図３のガス拡散層を配置する、および上記逆の構成などが挙げられる。
【００３３】
ここで、カソードは、燃料電池性能に対する感度が高い。このため、少なくともカソード側に本発明のガス拡散層を配置することが好ましい。このように、カソード側に本発明のガス拡散層を配置することによって、優れたガス拡散性及び強度を有するコンパクトなＭＥＡおよび燃料電池が提供できる。
【００３４】
また、上記形態のうち、図１及び図２の形態が特に好ましい。当該構成では、両極でのガス拡散性及び強度を十分確保しつつ、ガス流路の高さを両極で低減でき、燃料電池単セル厚さの低減をより有効に達成でき、燃料電池をより小型化できる。
【００３５】
以下、本実施形態の燃料電池１０の各部材について詳述する。なお、下記説明において、特記しない限り、アノード側およびカソード側の各部材の構成は同様の定義である。このため、以下でも、アノード側およびカソード側の各部材の構成が同様である場合には、付号を一括して記載する。例えば、カソード側の基材層５０ｃとアノード側の基材層５０ａとが同様の構成である場合には、これらを一括して「基材層５０」と称する。なお、各部材は、アノード側およびカソード側で、同じであってもあるいは異なるものであってもよい。
【００３６】
［ガス拡散層］
本発明のガス拡散層は、導電性繊維Ａからなる、繊維配向度が１．５以上の基材層と、導電性繊維Ｂからなる、繊維配向度が１．５未満の補強層と、からなる。また、本発明のガス拡散層は、ガーレー透気度が１００秒以下と、優れたガス透過・拡散性を発揮する。なお、ガス拡散層のガーレー透気度が１００秒を超えると、ガスの拡散性が低下する。ガス拡散層のガーレー透気度は、８０秒以下が好ましく、７０秒以下がより好ましく、６０秒以下がさらにより好ましく、５０秒以下が特に好ましい。なお、ガス拡散層のガーレー透気度は低いほど好ましいため、下限は特に限定されないが、１秒以上が好ましく、５秒以上がより好ましく、１０秒以上がさらに好ましく、２０秒以上がより一層好ましく、３０秒以上が特に好ましい。なお、本明細書において、「ガーレー透気度」は、ＪＩＳ  Ｐ８１１７（１９９８年）に準拠し、０．８７９ｇ／ｍｍ２圧で１００ｃｃの空気が膜を透過する秒数を示す。
【００３７】
本発明のガス拡散層の厚さは、特に制限されないが、燃料電池の小型化、発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスの供給能、高出力密度化などを考慮すると、５５〜６００μｍが好ましく、１００〜３５０μｍがより好ましく、１２０〜２５０μｍが特に好ましい。
【００３８】
（導電性繊維Ａおよび導電性繊維Ｂ）
導電性繊維Ａは基材層を構成し、導電性繊維Ｂは補強層を構成する。ここで、導電性繊維Ａ及びＢは、同一であってもあるいは異なるものであってもよい。また、以下では、導電性繊維Ａ及びＢを一括して「導電性繊維」と称する。
【００３９】
導電性繊維を構成する導電性材料は、特に制限はない。具体的には、導電性繊維は、非導電性の芯材および前記非導電性の芯材を被覆する導電性の表層材から構成される、または炭素材料もしくは金属材料から構成されることが好ましい。前者の場合に使用される芯材としては、特に制限されないが、ポリエステル樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート）、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等のポリアルキレン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリアミド樹脂など樹脂材料が挙げられる。これらは１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。また、上記芯材を被覆する導電性の表層材としては、導電性を有する材料であれば特に制限されない。具体的には、金、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、銀、銅、鉄、チタン及びアルミニウム、ならびにこれらの合金等の金属；導電性の高分子材料、導電性炭素材料などが挙げられる。これらは１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。また、後者の場合に使用される炭素材料としては、特に制限されないが、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、グラファイト繊維などが挙げられる。また、後者の場合に使用される金属材料としては、特に制限されないが、上記芯材を被覆する導電性の表層材で例示された金属が同様にして好ましく使用できる。上記のうち、導電性繊維が非導電性の芯材を金属（特に、金、パラジウム）で被覆してなるあるいは金やパラジウムで構成される場合には、腐食を抑制・防止して、セルの耐久性を高めることができるため、好ましい。これらのうち、導電性繊維は、非導電性の芯材および前記非導電性の芯材を被覆する導電性の表層材から構成されることがより好ましい。導電性繊維の中心部は非導電性の芯材で作製されるため、ガス拡散層全体の重さを軽くすることができ、また、コストを低減できる。このため、導電性繊維Ａとして特に好ましく使用される。また、導電性繊維Ｂとしては、上記炭素材料が好ましく使用される。
【００４０】
あるいは、導電性繊維の表面を別途導電性の防食処理を施してもよい。または、導電性繊維Ａからなる基材層（即ち、導電性繊維Ａを用いて基材層を形成した後）もしくは導電性繊維Ｂからなる補強層（即ち、導電性繊維Ａを用いて基材層を形成した後）、これらの表面を別途導電性の防食処理を施してもよい。導電性の防食処理によって、導電性繊維、基材層または補強層の腐食を抑制・防止して、セルの耐久性を高めることができる。上記導電性防食処理としては、金、白金等の貴金属によるメッキ、クラッド及びスパッタ、ならびにＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の導電性炭素材料によるコーティング（スパッタ、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ））など、従来公知の手段を好適に用いることができる。上記防食処理は、導電性線材Ａに、導電性基材Ｂに、または導電性基材Ｂ上に導電性線材Ａを配置した後に、行われてもよい。電気抵抗の低減を考慮すると、導電性基材Ｂ上に導電性線材Ａを配置した後に防食処理を行うことが好ましい。
【００４１】
導電性繊維の直径は、特に制限されない。燃料電池の小型化、発電に伴う生成水の除去能、発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスの供給能、高出力密度化などを考慮すると、基材層を構成する導電性繊維Ａの直径は、０．１〜３００μｍであることが好ましく、０．５〜２００μｍであることがより好ましく、１〜１００μｍであることが特に好ましい。また、補強層を構成する導電性繊維Ｂの直径は、０．１〜１００μｍであることが好ましく、０．５〜２０μｍであることがより好ましく、１〜１０μｍであることが特に好ましい。なお、導電性繊維の断面が円形である場合には、導電性繊維の直径は導電性繊維を構成する導電性線材の直径になる。導電性繊維の断面形状は上記円形に限られず、ラグビーボール形、円盤形、不定形、矩形、三角形などであってもよい。このような場合の「導電性繊維の直径」は、導電性繊維の断面の最大長さである。好ましくは、導電性繊維の断面形状は円形である。
【００４２】
導電性繊維の長さもまた、特に制限されない。具体的には、導電性繊維の長さは、１００μｍ以上であることが好ましく、５００μｍ以上であることがより好ましく、１ｍｍ以上であることが更に好ましい。また、導電性繊維の長さの上限もまた、特に制限されないが、１５ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがより好ましく、６ｍｍ以下であることが更に好ましい。ここで、導電性繊維Ａ及び導電性繊維Ｂの長さは、同じであってもあるいは異なるものであってもよい。好ましくは、導電性繊維Ａの長さは、導電性繊維Ｂの長さと同等以下であることが好ましく、導電性繊維Ｂの長さより短いことがより好ましい。このように導電性繊維Ｂの長さを長くすることによって、補強層の強度が向上し、割れにくくなる。または、補強層は、導電性繊維Ｂからなる不織布であることも好ましい。ここで、不織布とは、長さ１５ｍｍ超の導電性繊維Ｂから構成されるものを意味する。なお、この場合でも、基材層は上記したような長さの導電性繊維Ａからなることが好ましい。
【００４３】
（基材層）
基材層は、導電性繊維Ａからなり、繊維配向度が１．５以上である。ここで、導電性繊維Ａは、１種の導電性繊維Ａから構成されてもあるいは２種以上の導電性繊維Ａから構成されてもよい。基材層の繊維配向度が１．５未満であると、セパレータから供給されるガス（酸化剤ガスや燃料ガス）を十分量触媒層に供給できない。基材層の繊維配向度は、２〜１０であることが好ましく、３〜５であることがより好ましい。このような範囲であれば、薄いガス拡散層が達成できる。また、繊維配向主軸方向の引張強度を上げ、面抵抗を小さくし、さらに、面内方向のガス透過度を向上できるため、十分量のガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を触媒層に供給することができる。ゆえに、燃料電池は、コンパクトでかつ優れた発電性能を発揮できる。
【００４４】
本明細書において、「繊維配向度」は、二次元平面内の直交する２軸方向の電気抵抗比の比によって定義される。以下に、繊維配向度の具体的な測定方法を示す。ここで、導電性繊維が平行に配置された場合は、繊維配向度が１０となる。一方、一方、導電性繊維がランダムに配列された場合は、繊維配向度が１となる。
【００４５】
＜繊維配向度の測定方法＞
ｍΩテスタ−（ＦＬＵＫＥ社製、商品名：８７）を用いて、金箔で表面処理を施したＳＵＳ材２個で基材層または補強層を上下から挟み込み、１５ｍｍの間隔を開けて縦・横方向の電気抵抗を測定し、これらの電気抵抗の比を求め、これを繊維配向度とする。
【００４６】
また、上記図２及び図３に示したように、導電性繊維Ａ（６１）からなる板状または膜状の基材６２および上記基材６２上に導電性繊維Ａ（６１）からなる流路形成用部材６３から構成されてもよい。ここで、流路形成用部材６３間がガス流路用溝となる。本形態において、流路形成用部材は、実質的に平行に配置されるが、隣接する流路形成用部材の形状や配置は特に制限されない。例えば、流路形成用部材の幅（図２中の「Ｗ」）は、好ましくは１０〜１０００μｍ、より好ましくは２０〜５００μｍ、さらに好ましくは５０〜３００μｍである。また、隣接する流路形成用部材のピッチは、好ましくは２０〜２０００μｍ、より好ましくは４０〜１０００μｍ、さらに好ましくは１００〜６００μｍである。このような範囲であれば、十分量のガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を触媒層に供給・拡散することができ、また、発電エリアにおいて流路が占める比率を十分確保できるため、ガス輸送抵抗を抑制できる。ゆえに、燃料電池は優れた発電性能を発揮できる。また、隣接する流路形成用部材同士が上記した程度に短いピッチで配置される場合には、積層荷重による面外方向の圧縮力に対する塑性変形をも十分抑制・防止できる。
【００４７】
本明細書中、「隣接する流路形成用部材のピッチ」は、隣接する流路形成用部材の中心間の距離（図２中の「Ｐ」）である。また、流路形成用部材の高さもまた、特に限定されず、通常の一般的なセパレータのガス流路高さが同様にして適用できる。しかしながら、ＭＥＡの薄膜化、ひいては燃料電池の小型化を考慮すると、流路形成用部材の高さは、３００μｍ以下であることが好ましく、５０〜３００μｍがより好ましく、７０〜２００μｍが特に好ましい。
【００４８】
基材層の厚さは、３００μｍ以下である。具体的には、基材層の厚さは、１０〜３００μｍであることが好ましく、１４〜２００μｍであることがより好ましく、２０〜１００μｍが特に好ましい。このような厚さにより、ＭＥＡの薄膜化、ひいては燃料電池の小型化が達成できる。また、ＭＥＡ内部において、ガス流路空間から供給されるガスを導電性繊維直下のエリアまで十分量拡散できるため、燃料電池は発電性能に優れる。また、基材層の大きさは、特に制限されず、通常、触媒層と実質的に同等の大きさである。
【００４９】
（基材層の作製方法）
基材層は、繊維配向度が１．５以上となるように導電性繊維Ａを用いて形成され、その方法は特に制限されないが、機械方向に主軸を形成する方法が使用できる。例えば、適当な金型を用いて、上記したような所望のピッチで導電性繊維Ａを金型に並べてもよい。または、例えば、抄紙による場合には、特開２００６−２２２０２４号公報や特開２０１０−１９２３７９号公報に記載される抄紙方法など、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾して適用してもよい。以下、本発明に係る基材層の好ましい作製方法（湿式抄紙法）を図５を参照しながら説明するが、本発明は下記方法に限定されるものではない。
【００５０】
導電性繊維Ａ及び糊剤を適当な媒体中に均一に分散させ後、繊維配向度が１．５以上となるように、図５の湿式連続抄紙装置３００により連続的に抄紙した後、必要であれば乾燥する。本実施形態の円網形湿式連続抄紙装置３００は、ベルト３４５、タンク３１０、円筒形の抄紙用スクリーン３２０からなる。また、図示しないが、ベルト３４５の搬送方向にベルトを加熱するための加熱手段を設けてもよい。
【００５１】
タンク３１０には、導電性繊維Ａの分散液３１１が仕込まれている。分散液３１１を調製するための媒体としては、特に制限されないが、例えば、水などが挙げられる。また、分散液３１１は、導電性繊維Ａ（６１）に加えて、抄紙により導電性繊維Ａ紙（６０’）中で導電性繊維Ａ同士をつなぎとめる糊剤を含む。ここで、糊剤は、紙料を形成できれば、特に制限されない。例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が、抄紙工程での結着力に優れるため導電性繊維Ａの脱落が少なく、好ましく使用される。また、媒体中に分散させる導電性繊維Ａ及び糊剤の質量比（導電性繊維Ａ／糊剤の質量比）は、特に制限されないが、７０／３０〜９５／５程度であることが好ましい。媒体中の導電性繊維Ａの濃度もまた、特に制限されないが、０．１〜１０質量％程度であることが好ましい。上記抄紙工程において、抄紙条件（特に抄紙用スクリーン３２０の回転速度）は、特に制限されず、所望の導電性繊維Ａの繊維配向度に応じて適宜設定できる。ここで、抄紙速度（即ち、抄紙用スクリーン３２０の回転速度）を上げるほど、導電性繊維Ａは一方向に（即ち、高い繊維配向度で）配置される。
【００５２】
上記乾燥工程前に、抄紙工程により得られた導電性繊維Ａ紙を２枚のフェルトなどで挟んで押圧して媒体を除去してよい。これにより、乾燥条件を緩和することができる。また、乾燥は、ベルト３４５の搬送方向にベルトを加熱するための加熱手段によって行われうる。乾燥条件は、媒体が十分除去できる条件であれば特に制限されず、使用される媒体によって適宜設定できる。具体的には、ベルト３４５の温度を好ましくは５０〜１５０℃に設定する。
【００５３】
次に、このようにして得られた導電性繊維Ａ紙（６０’）をフェノール樹脂溶液に含浸する（含浸工程）。ここで、フェノール樹脂は、特に制限されないが、アルカリ触媒存在下においてフェノール類とアルデヒド類の反応によって得られるレゾールタイプフェノール樹脂が好ましく使用できる。レゾールタイプフェノール樹脂は、公知の方法によって酸性触媒下においてフェノール類とアルデヒド類の反応によって生成する、固体の熱融着性を示すノボラックタイプのフェノール樹脂を溶解混入させることもできる。この場合は硬化剤、例えばヘキサメチレンジアミンを含有した、自己架橋タイプのものが好ましい。フェノール類としては、例えば、フェノール、レゾルシン、クレゾール、キシレノール等が用いられる。前記アルデヒド類としては、例えばホルムアルデヒド（ホルマリン）、パラホルムアルデヒド、フルフラール等が用いられる。また、これらを混合物として用いることができる。または、フェノール樹脂として市販品を利用することも可能であり、例えば、「フェノライトＪ−３２５」（商品名、ＤＩＣ株式会社製）、「レヂトップＰＬ−２２１１」（商品名、レゾール型フェノール樹脂、群栄化学工業株式会社製）等を用いることができる。
【００５４】
フェノール樹脂溶液を作製するための溶剤は、フェノール樹脂を溶解できるものであれば特に制限されない。具体的には、水、メタノール、エタノールなどが挙げられる。これらは単独で使用されてもあるいは２種以上の混合液の形態で使用されてもよい。また、導電性繊維Ａ紙に含浸するフェノール樹脂溶液量は、特に制限されないが、導電性繊維Ａ紙に含まれる導電性繊維Ａ１００質量部に対し、フェノール樹脂量が７０〜１５０質量部となるような量であることが好ましい。
【００５５】
導電性繊維Ａ紙にフェノール樹脂を含浸する方法としては、導電性繊維Ａ紙にフェノール樹脂を含浸させることができればよく、特に制限されない。例えば、導電性繊維Ａ紙にフェノール樹脂を含浸する方法がある。また、コーターを用いて導電性繊維Ａ紙表面にフェノール樹脂溶液を均一に塗布する方法（例えば、キスコート）、絞り装置を用いるｄｉｐ−ｎｉｐ方法、導電性繊維Ａ紙及びフェノール樹脂フィルムを重ねてフェノール樹脂を炭素短繊維紙に転写する方法等もある。
【００５６】
上記含浸工程後、導電性繊維Ａ紙をフェノール樹脂溶液から引き揚げて、加熱によりフェノール樹脂を硬化させる（硬化工程）。ここで、フェノール樹脂の硬化方法は、特に制限されない。例えば、上下両面から平滑な剛板にて熱プレスする方法、連続ベルトプレス装置を用いてプレスする方法などが使用できる。これにより、フェノール樹脂を硬化させ、補強層表面を平滑にすることができる。後者の方法には、（ア）ロールプレスによりベルトに線圧で圧力を加える方法及び（イ）液圧ヘッドプレスにより面圧でプレスする方法がある。これらのうち、（イ）の方法がより平滑な補強層が得られるという点で好ましい。表面平滑性の観点からは、フェノール樹脂が最も軟化する温度でプレスし、その後加熱又は冷却によりフェノール樹脂を固定する方法がより好ましい。また、剛板やベルトにフェノール樹脂が付着しないようにあらかじめ剥離剤を塗ってもよい。または、導電性繊維Ａ紙と剛板やベルトとの間に離型紙を挟んでプレスを行ってもよい。これにより、表面の平滑化をより効果的に達成できる。
【００５７】
上記硬化工程後、フェノール樹脂を炭素化させる（炭素化工程）。ここで、炭素化条件は、特に制限されない。例えば、不活性雰囲気下で、１０００〜３０００℃で焼成処理できる。炭素化を不活性雰囲気中で行うことにより、補強層の導電性を高めることができる。なお、炭素化工程前に、３００〜８００℃の程度の不活性雰囲気下で前処理を行ってもよい。
【００５８】
このようにして、本発明に係る基材層が得られる。なお、導電性繊維Ｂの抄紙速度を下げる以外は上記と同様の方法を適用することによって、本発明に係る補強層を形成してもよい。
【００５９】
また、上記図２及び図３に示したように、基材層は、導電性繊維Ａ（６１）からなる板状または膜状の基材６２および上記基材６２上に導電性繊維Ａ（６１）からなる流路形成用部材６３から構成されてもよい。この場合の基材層の形成方法は、特に制限されない。例えば、図６に示されるように、上記したように形成されたシート状の基材層６４に、流路形成用金型１２０を押圧することによって、流路形成用部材６３が表面に形成された基材層６０が得られる。
【００６０】
（補強層）
補強層は、導電性繊維Ｂからなり、繊維配向度が１．５未満である。ここで、導電性繊維Ｂは、１種の導電性繊維Ｂから構成されてもあるいは２種以上の導電性繊維Ｂから構成されてもよい。補強層の繊維配向度が１．５以上であると、引裂き強度、特に繊維配向主軸方向の引裂き強度が十分でなく、十分な強度を有するガス拡散層の薄膜化が達成できない。補強層の繊維配向度は、１〜１．４であることが好ましく、１〜１．３であることがより好ましい。このような範囲であれば、配向方向の引裂き強度を向上できる。ゆえに、薄いガス拡散層であっても、十分なガス透過性および強度（引張強度及び引裂き強度）を達成できる。このような繊維配向度の補強層としては、以下に制限されないが、導電性繊維Ｂからなる紙、不織布、織布、編布もしくは網がある。
【００６１】
補強層の厚さは、特に制限されないが、基材層の厚さより小さい。具体的には、補強層の厚さは、２００μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ未満であることがより好ましく、１〜１５０μｍであることがさらにより好ましく、７〜１００μｍであることがさらに好ましく、１０〜５０μｍが特に好ましい。また、基材層の厚さと補強層の厚さとの比は、基材層の厚さが補強層の厚さより大きければ特に制限されない。具体的には、基材層の厚さに対する補強層の厚さの比［＝（補強層の厚さ（μｍ））／（基材層の厚さ（μｍ））］は、１未満であり、０．７５以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましい。なお、基材層の厚さに対する補強層の厚さの比の下限は、補強層の厚さを１μｍ以上であれば、特に制限されない。このような厚さや厚さの割合により、面方向での十分な強度を確保しつつ、ＭＥＡの薄膜化、ひいては燃料電池の小型化が達成できる。また、ＭＥＡ内部において、ガス流路空間から供給されるガスを導電性繊維直下のエリアまで十分量拡散できるため、燃料電池は発電性能に優れる。また、補強層の大きさは、特に制限されず、通常、触媒層と実質的に同等の大きさである。
【００６２】
（補強層の作製方法）
補強層は、繊維配向度が１．５未満となるように導電性繊維Ｂを用いて形成され、その方法は特に制限されない。例えば、抄紙による場合には、特開２００６−２２２０２４号公報や特開２０１０−１９２３７９号公報に記載される抄紙方法など、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾して適用してもよい。以下、本発明に係る補強層の好ましい作製方法（湿式抄紙法）を図７を参照しながら説明するが、本発明は下記方法に限定されるものではない。
【００６３】
導電性繊維Ｂ及び糊剤を適当な媒体中に均一に分散させ後、繊維配向度が１．５未満となるように、図７の湿式連続抄紙装置４００により連続的に抄紙した後、必要であれば乾燥する。本実施形態の傾斜形湿式連続抄紙装置４００は、ベルト４４５、タンク４１０、円筒形の抄紙用ロール４２０からなる。また、図示しないが、ベルト４４５の搬送方向にベルトを加熱するための加熱手段を設けてもよい。
【００６４】
タンク４１０には、導電性繊維Ｂの分散液４１１が仕込まれている。分散液４１１を調製するための媒体としては、特に制限されないが、例えば、水などが挙げられる。また、分散液４１１は、導電性繊維Ｂ（５１）に加えて、抄紙により導電性繊維Ｂ紙（５０’）中で導電性繊維Ｂ同士をつなぎとめる糊剤を含む。ここで、糊剤は、紙料を形成できれば、特に制限されない。例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が、抄紙工程での結着力に優れるため導電性繊維Ｂの脱落が少なく、好ましく使用される。また、媒体中に分散させる導電性繊維Ｂ及び糊剤の質量比（導電性繊維Ｂ／糊剤の質量比）は、特に制限されないが、７０／３０〜９５／５程度であることが好ましい。媒体中の導電性繊維Ｂの濃度もまた、特に制限されないが、０．１〜１０質量％程度であることが好ましい。上記抄紙工程において、抄紙条件（特に抄紙用ロール４２０の回転速度）は、特に制限されず、所望の導電性繊維Ｂの繊維配向度に応じて適宜設定できる。ここで、抄紙速度（即ち、抄紙用ロール４２０の回転速度）を下げるほど、導電性繊維Ｂはランダムに配置され、導電性繊維Ｂの繊維配向度は１に近づく。
【００６５】
上記乾燥工程前に、抄紙工程により得られた導電性繊維Ｂ紙を２枚のフェルトなどで挟んで押圧して媒体を除去してよい。これにより、乾燥条件を緩和することができる。また、乾燥は、ベルト４４５の搬送方向にベルトを加熱するための加熱手段によって行われうる。乾燥条件は、媒体が十分除去できる条件であれば特に制限されず、使用される媒体によって適宜設定できる。具体的には、ベルト４４５の温度を好ましくは５０〜１５０℃に設定する。
【００６６】
次に、このようにして得られた導電性繊維Ｂ紙（５０’）をフェノール樹脂溶液に含浸する（含浸工程）。本実施形態において、含浸工程は、上記基材層の作製方法で記載したのと同様の工程が適用できるため、ここでは説明を省略する。
【００６７】
このようにして、本発明に係る補強層が得られる。なお、導電性繊維Ａの抄紙速度を上げる以外は上記と同様の方法を適用することによって、本発明に係る基材層を形成してもよい。
【００６８】
上記したようにして得られる基材層及び補強層を積層することによって、本発明のガス拡散層を製造できる。なお、基材層及び補強層を共に湿式抄紙法によって作製する場合には、導電性繊維Ａを含む分散液のタンクおよび導電性繊維Ｂを含む分散液のタンクを順次並べる以外は、上記と同様にすることによって連続的に基材層及び補強層を作製・積層できる。
【００６９】
このようにして本発明のガス拡散層は、製造できる。ここで、ガス拡散層は、本発明の目的を損なわない範囲で、表層もしくは内部もしくはその両方に他の部材（層）をさらに含んでもよい。例えば、カソード触媒層３０ｃとカソード補強層５０ｃとの間および／またはアノード触媒層３０ａとアノード補強層５０ａとの間に、導電性粒子層を設けてもよい。このような導電性微粒子層の配置によって、触媒層と補強層との密着性が上がるため、ＭＥＡと補強層間の接触抵抗が下がり、ＭＥＡ内部での面内方向の電気伝導性を高めて集電性能を向上することができる。また、ガス拡散層に溜まった液水をより容易に排出できる。加えて、導電性粒子層が保護層として機能して、補強層の耐食性を向上でき、また、補強層の圧接による触媒層３０の破損を防止することができる。導電性微粒子層の形成方法は、特に制限されないが、導電性微粒子層を触媒層上に圧着するなどの方法が使用できる。
【００７０】
導電性微粒子層は、必要であれば撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなる。ここで、カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、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。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、９０：１０〜４０：６０程度とするのがよい。前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。また、カーボン粒子層は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔体に、アセチレンブラック、ＰＴＦＥ微粒子及び増粘剤を含む水分散液を含侵し、焼成処理を行うことにより作製することができる。
【００７１】
（セパレータ）
セパレータは、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。加えて、アノード側の触媒層３０ａからガス拡散層９０ａへ取り出された電子を集電して外部負荷回路へ送り出す機能、もしくは、外部負荷回路から戻ってきた電子をガス拡散層９０ｃへ配電してカソード側の触媒層３０ｃへ伝える機能をも有する。セパレータを構成する材料としては、特に制限されないが、セパレータの表裏の間に導電性を有する非多孔質体が好ましい。具体的には、天然黒鉛、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、アルミニウム、金、ニッケル、銅等、ステンレスなどの金属（特に金属箔）など、従来公知の材料が適宜用いられる。
【００７２】
また、図１におけるセパレータ７０は、特に制限されず、通常、燃料電池で使用されるセパレータを同様にして使用できる。セパレータ７０は、ガスが流れる流路となる溝状のリブを備えている。なお、図２におけるセパレータ７１は、基材層６０の流路形成用部材６３によって十分なガス供給機能を得ることができるので、従来のセパレータに形成されるような溝状のリブを形成する必要がない。このため、セパレータ７１を簡単かつ安価に製造することができる。具体的には、セパレータ７０では、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、本実施形態のセパレータ７１の場合には、溝状の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、溝状のリブを形成する必要がないため、セパレータの厚さ方向のサイズ、さらには燃料電池１０の厚さ方向のサイズを小さくすることができる。
【００７３】
（高分子電解質膜）
高分子電解質膜２０は、燃料電池１０の運転時にアノード触媒層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、アノード側に供給される燃料ガスとカソード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。
【００７４】
高分子電解質膜２０としては、特に限定されず、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。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ーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子形電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。
【００７５】
高分子電解質膜２０の厚さとしては、得られるＭＥＡの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは５〜３００μｍ、より好ましくは１０〜２００μｍである。製膜時の強度やＭＥＡ作動時の耐久性の観点から５μｍ以上であることが好ましく、ＭＥＡ作動時の出力特性の観点から３００μｍ以下であることが好ましい。
【００７６】
また、高分子電解質膜２０として、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、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）などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。
【００７７】
（触媒層）
触媒層３０は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層３０ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層３０ｃでは酸素の還元反応が進行する。触媒層は、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む。
【００７８】
カソード触媒層３０ｃに用いられる触媒成分は、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同様にして使用できる。また、アノード触媒層３０ａに用いられる触媒成分もまた、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同様にして使用できる。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、モ導電性繊維デン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、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。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する金属が１０〜７０原子％とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する他の金属が１０〜７０原子％とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。
【００７９】
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、１〜３０ｎｍ、より好ましくは１．５〜２０ｎｍ、さらにより好ましくは２〜１０ｎｍ、特に好ましくは２〜５ｎｍの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から１ｎｍ以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から３０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、Ｘ線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。
【００８０】
触媒粒子は導電性担体に担持されて電極触媒となる。ここで、導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、２〜３質量％程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。
【００８１】
導電性担体のＢＥＴ比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは２０〜１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ２／ｇとするのがよい。このような比表面積であれば、導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性を確保して十分な発電性能が得られ、また、触媒成分および高分子電解質の十分な有効利用率をも確保できる。また、導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚さを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が５〜２００ｎｍ、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。
【００８２】
また、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは１０〜８０質量％、より好ましくは３０〜７０質量％とするのがよい。このような担持量であれば、触媒成分が導電性担体上に良好に分散し、単位質量あたりの触媒活性を確保して発電性能を向上でき、また、経済的に有利である。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって調べることができる。
【００８３】
触媒層３０は、電極触媒の他に、高分子電解質を含む。ここで、高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する材料であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、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ー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、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）などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。
【００８４】
また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル（マイクロエマルジョン法）などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。
【００８５】
（燃料電池のメカニズム）
燃料電池のメカニズムは、以下のとおりである。すなわち、アノード触媒層３０ａに供給された水素からプロトンと電子が生成される。アノードで生成されたプロトンは、電解質膜２０内部を移動してカソード触媒層３０ｃに達する。一方、アノードで生成された電子は、導線（導体）を伝って燃料電池から取り出され、外部負荷回路で電気エネルギーを消費した後、導線（導体）を伝ってカソードに戻り、カソード触媒層３０ｃに供給された酸素と反応して水を生成する。
【００８６】
（燃料電池の製造方法）
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。
【００８７】
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７０または７１を介して膜電極接合体（ＭＥＡ）８０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よい。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よい。
【００８８】
本実施形態の燃料電池１０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よい。上述した燃料電池１０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。
【００８９】
（燃料電池の作動）
燃料電池の作動は、一方の電極に水素を、他方の電極に酸素又は空気を供給することによって行われる。燃料電池の作動温度は高温であるほど触媒活性が上がるために好ましいが、通常は水分管理が容易な５０℃〜１００℃で作動させることが多い。
【００９０】
また、本発明に係る燃料電池２１０を搭載した車両２００（図４参照）も、本発明の技術的範囲に包含される。例えば、本発明を適用した固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やスタック型燃料電池は、出力性能に非常に優れているため、高出力を要求される車両用途に適している。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の燃料電池用ガス拡散層は、強度を確保・維持しつつ小型薄型化されており、車載性、生産性、コストに優れていることから、特に電気自動車の電源として好適に用いることが出来る。
【符号の説明】
【００９２】
１０…燃料電池、
２０…高分子電解質膜、
３０ａ…アノード触媒層、
３０ｃ…カソード触媒層、
５０ａ…アノード補強層、
５０ｃ…カソード補強層、
５１ａ，５１ｃ…導電性繊維Ｂ、
６０ａ…アノード基材層、
６０ｃ…カソード基材層、
６１ａ，６１ｃ…導電性繊維Ａ、
６２ａ…アノード基材、
６２ｃ…カソード基材、
６３ａ…アノード流路形成用部材、
６３ｃ…カソード流路形成用部材、
７０ａ…アノードセパレータ、
７０ｃ…カソードセパレータ、
７１ａ…アノード側の板状のセパレータ、
７１ｃ…カソード側の板状のセパレータ、
８０…膜電極接合体（ＭＥＡ）、
１００ａ…アノード側のガス流路用溝、
１００ｃ…カソード側のガス流路用溝、
２００…燃料電池車、
２１０…燃料電池スタック、
３００…円網形湿式連続抄紙装置、
３１０…タンク、
３１１…分散液、
３２０…抄紙用スクリーン、
４００…傾斜形湿式連続抄紙装置、
４１０…タンク、
４１１…分散液、
４２０…抄紙用ロール。
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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