(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基材Ｂ上に流路形成用の導電性線材Ａが平行に配置されてなる流路付ガス拡散層であって、
前記導電性線材Ａによって形成される流路の高さが３００μｍ以下であり、
隣接する導電性線材Ａで構成される流路の等価直径が３００μｍ以下であり、
前記導電性基材Ｂが、前記導電性線材Ａと直交するが交差はしない１層の導電性線材Ｃから形成されることを特徴とする、流路付ガス拡散層。
【請求項２】
前記導電性線材Ａが配置されていない側の導電性基材Ｂ上にさらに触媒層が配置される場合の、隣接する導電性線材Ｃ間のピッチが、下記式（１）：
【数１】
0005893970.tif 000004
ただし、ρは、触媒層の抵抗率（Ω・ｃｍ）であり、ｒは、隣接する導電性線材Ｃ間のピッチの半値（ｃｍ）であり、ｔは、触媒層の厚さ（ｃｍ）である、
を満たす、請求項１に記載の流路付ガス拡散層。
【請求項３】
前記導電性線材Ａが、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、または金属から構成される、請求項１または２に記載の流路付ガス拡散層。
【請求項４】
前記導電性線材Ａが配置されていない側の導電性基材Ｂ上に、導電性粒子層が形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路付ガス拡散層。
【請求項５】
前記流路付ガス拡散層の、前記導電性線材Ａと平行方向の長さをＬと、および前記導電性線材Ａと垂直方向の長さをＷと、それぞれした場合の、Ｌ／Ｗが２以下である矩形を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の流路付ガス拡散層。
【請求項６】
電解質膜の両面にアノードの電極層およびカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層した積層体を有する燃料電池であって、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路付ガス拡散層が、アノードおよびカソードの少なくとも一方の側の前記セパレータと前記膜電極接合体の電極層との間に配置され、
前記導電性線材Ａと前記セパレータとが、および前記導電性基材Ｂと前記膜電極接合体の電極層とが、それぞれ、電気的に接触していることを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路付ガス拡散層に関する。特に、本発明は、発電性能に優れ、高さの低い流路を有する流路付ガス拡散層に関する。
【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。セパレータは、通常、金属板をプレス加工するまたは黒鉛板を切削加工することによって作製されている。
【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】
0005893970.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、アノード触媒層と燃料供給部との間またはカソード触媒層と酸化剤供給部との間に、特定のマクロ空間を形成する導電性部材（ワイヤ）を触媒層及び供給部と接するように設置した燃料電池が報告される。すなわち、特許文献１には、導電性ワイヤで流路を形成し、アノード極で生じたガス及びカソード極で生じた水をこのマクロ空間を介して外部に迅速に排出し、電気抵抗性を低減できると、記載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２７２１０１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に記載の燃料電池は、ガス拡散層を持たず、また、電気抵抗低減のため、導電性部材（ワイヤ）を触媒層中に埋設させているため、触媒層に十分なガスを供給できず、発電性能が十分でない。
【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、発電性能に優れた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、触媒層側に配置される導電性基材上に、特定の等価直径を有する導電性線材を配置して流路を形成することによって、上記目的を達成できることを知得した。
【発明の効果】
【００１１】
導電性線材によってガス流路を形成するため、発電性能に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は、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）の導電性基材Ｂ及び導電性線材Ａを示す斜視図および破線で囲んだ領域の拡大斜視図である。
【図２】図２は、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る。
【図３】図３は、第三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、実施例１ならびに比較例１及び２で作製したサブスケール燃料電池単セルの発電評価結果を示す図である。
【図６】図６は、別の実施形態に係る導電性基材Ｂを示す概略斜視図である。
【図７】図７は、導電性基材Ｂの構成を説明するための概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、導電性基材Ｂ上に流路形成用の導電性線材Ａが並行に配置されてなる流路付ガス拡散層であって、前記導電性線材Ａによって形成される流路の高さが３００μｍ以下であり；隣接する導電性線材Ａで構成される流路の等価直径が３００μｍ以下である、ことを特徴とする、流路付ガス拡散層に関する。
【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、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、０．０１〜０．１ｍｍ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が占めるため、ガス流路の高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。
【００１５】
これに対して、上記流路付ガス拡散層では、導電性線材Ａを導電性基材Ｂ上に平行に配置することにより、流路を形成する。すなわち、導電性線材Ａ及び導電性基材Ｂが、従来の燃料電池単セルのガス拡散層及びセパレータのガス流路部分の役割を果たす。この際、導電性線材Ａがガス流路の形成に寄与するため、微細加工が必要であった従来のセパレータに比して、ガス流路の高さを低く抑えることができ、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。また、導電性線材Ａの直径がガス流路の高さとなるため、ガス流路の高さを自由に選択することができる。
【００１６】
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、隣接する導電性線材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、十分な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。さらに、上記流路付ガス拡散層では、導電性線材Ａを導電性基材Ｂとは独立して配置する。このため、燃料ガスや酸化ガスを流す方向を自由に選択できる、導電性線材Ａを導電性基材Ｂの設計（線径、ピッチなど）を別個に自由に選択できる、など選択の幅が非常に大きい。
【００１７】
これに加えて、特に、上記流路付ガス拡散層を用いて燃料電池を作製する場合には、導電性線材Ａおよび導電性基材Ｂは双方とも導電性を有するので、触媒層で生じた電気を効率よくセパレータ側に流すことができる。また、上述したように、上記流路付ガス拡散層は、十分な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発揮できる。このため、上記流路付ガス拡散層を有する燃料電池は、発電性能に優れる。
【００１８】
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、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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好ましい実施形態を説明する。
【００２１】
本実施形態（第一実施形態）に係る燃料電池１０は、図１に示すように、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、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８０ｃとの間には、カソード導電性基材Ｂ５０ｃがカソード触媒層３０ｃに近接した状態で配置される。カソードセパレータ７０ｃ側のカソード導電性基材Ｂ５０ｃ上に、複数のカソード導電性線材Ａ６０ｃが平行に配置され、カソード流路付ガス拡散層９０ｃを形成する。隣接するカソード導電性線材Ａ６０ｃ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１００ｃとなる。また、高分子電解質膜２０の他方の面には、アノード触媒層３０ａと、カソードセパレータ７０ｃ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７０ａ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、アノード導電性基材Ｂ５０ａがアノード触媒層３０ａに近接した状態で配置される。アノードセパレータ７０ａ側のアノード導電性基材Ｂ５０ａ上に、複数の導電性線材からなるアノード導電性線材Ａ６０ａが平行に配置され、アノード流路付ガス拡散層９０ａを形成する。隣接するアノード導電性線材Ａ６０ｃ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１００ａとなる。このような構造によって、十分なガス流路空間を確保しつつガス流路の高さを低くでき、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。また、通常、セパレータは金属板のプレス加工によって製造されるが、この方法では、加工に伴うセパレータのたわみ、微細加工に伴うセパレータの割れやひずみ硬化の問題があった。これに対して、本発明の流路付ガス拡散層は平滑なセパレータを用いることができるため、上記の問題が生じない。さらに、本発明の流路付ガス拡散層は、触媒層と導電性線材Ａとの間に、ガス拡散層として導電性基材Ｂが配置される。このため、このような流路付ガス拡散層を用いてなる燃料電池は、厚み方向にも触媒層全体にガスを供給でき、発電性能に優れる。燃料電池単セルを積層する際にかかる荷重による面外方向の圧縮力に対しても、導電性基材Ｂが、導電性線材Ａが触媒層側にめり込むことを抑制・防止する。このため、良好なガス拡散性および圧損の低減が達成できる。
【００２２】
ここで、高分子電解質膜２０、アノード触媒層３０ａ、アノード導電性基材Ｂ５０ａ、アノード導電性線材Ａ６０ａ、カソード触媒層３０ｃ、カソード導電性基材Ｂ５０ｃ及びカソード導電性線材Ａ６０ｃ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。
【００２３】
図１では、カソードおよびアノード双方の側で、導電性線材Ａ及び導電性基材Ｂからなる流路付ガス拡散層が配置される。しかしながら、このような形態は、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、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の電極層およびカソードの電極層を備える膜電極接合体と、セパレータとを積層した積層体を有する。そして、流路付ガス拡散層が、アノードおよびカソードの少なくとも一方の側の前記セパレータと前記膜電極接合体の電極層との間に配置される。さらに、前記導電性線材Ａと前記セパレータとが、および前記導電性基材Ｂと前記膜電極接合体の電極層とが、それぞれ、電気的に接触している。これにより、触媒層とセパレータとの間の導電性は、導電性基材Ｂ及び導電性線材Ａを介して十分確保でき、カソード触媒層において発生した電流を容易にカソードセパレータ側に通電させることができる。ゆえに、十分なガス拡散性及び導電性は確保しつつ、燃料電池の薄層化を図ることができる。
【００２４】
例えば、図２に示されるような実施形態も挙げられる。即ち、図２に示す第二実施形態の燃料電池では、カソード側のみが、図１と同様、カソード導電性基材Ｂ５０ｃがカソード触媒層３０ｃに近接した状態で配置される。そして、カソード導電性線材Ａ６０ｃがカソード導電性基材Ｂ５０ｃとカソードセパレータ７０ｃとの間に配置される。アノード側には、通常の燃料電池と同様、アノードガス拡散層１１０ａおよび燃料ガスが流れる流路１２１ａを備えたアノードセパレータ１２０ａが配置される。また、図示はしないが、以下のような図２と逆の構成もまた本願発明に包含される。即ち、アノード側のみが、図１と同様、アノード導電性基材Ｂ５０ａがアノード触媒層３０ａに近接した状態で配置され、アノード導電性線材Ａ６０ａがアノード導電性基材Ｂ５０ａとアノードセパレータ７０ａとの間に配置される。カソード側は、通常の燃料電池と同様、カソードガス拡散層および酸化剤ガスが流れる流路を備えたカソードセパレータが配置されてもよい。
【００２５】
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、以下では、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、カソード側の導電性基材Ｂ５０ｃとアノード側の導電性基材Ｂ５０ａとが同様の構成である場合には、これらを一括して「導電性基材Ｂ５０」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。
【００２６】
（導電性線材Ａ）
複数の導電性線材Ａ６０が、導電性基材Ｂ５０上に平行に配置されて、流路付ガス拡散層９０を構成する。ここで、導電性線材Ａ６０は、セパレータ７０に直接接触して、セパレータ７０との間の導電性を確保している。ここで、導電性線材Ａ６０間の空間がガス流路空間１００となる。
【００２７】
導電性線材Ａ６０は、図１に示されるように、ＭＥＡを介して、実質的に相互に重なるような位置（実質的に同位置）に配置されても、あるいは異なる位置に配置されてもよい。このうち、積層荷重による面外方向の圧縮力に対する塑性変形の抑制・防止効果を考慮すると、導電性線材Ａ６０は、厚み方向で、ＭＥＡを介して、実質的に相互に重なるような位置（実質的に同位置）に配置されることが好ましい。
【００２８】
導電性線材Ａによって形成される流路の高さは、３００μｍ以下である。このため、導電性線材Ａ６０の直径（図１（ａ）中の「Ｄ１」）は、３００μｍ以下である。導電性線材Ａの直径が３００μｍ以下であれば、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線材Ａ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。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、導電性線材Ａ６０の直径（Ｄ１）は、１０〜３００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましく、１００〜１５０μｍが特に好ましい。なお、導電性線材Ａの断面が円形である場合には、導電性線材Ａ６０の直径（Ｄ１）は導電性線材Ａを構成する導電性線材の直径になる。導電性線材Ａの断面形状は上記円形に限られず、楕円形、円形、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「導電性線材Ａの直径（Ｄ１）」は、上記したように、ガス流路空間１００の高さを規定する長さである。好ましくは、導電性線材Ａの断面形状は円形もしくは矩形である。
【００２９】
また、隣接する導電性線材Ａで構成される流路の等価直径（図１（ａ）中の「Ｒ」）が３００μｍ以下である。このため、隣接する導電性線材Ａ６０のピッチ（図１（ａ）中の「Ｐ１」）は、導電性線材Ａ６０の直径によって適宜選択されるが、６００μｍ以下である。隣接する導電性線材Ａ６０のピッチ（Ｐ１）は、２０〜６００μｍが好ましく、１００〜４００μｍがより好ましく、２００〜３００μｍが特に好ましい。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３０に供給することができ、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。本明細書中、「隣接する導電性線材Ａ６０のピッチ」は、隣接する導電性線材Ａの中心間の距離（図１（ａ）中の「Ｐ１」の長さ）である。なお、「隣接する導電性線材Ａで構成される流路の等価直径」は、ガス流路空間１００を実質的に形成する隣接する導電性線材Ａの距離を意味し、図１（ａ）中の「Ｒ」の長さである。この「隣接する導電性線材Ａで構成される流路の等価直径（Ｒ）」は、隣接する導電性線材Ａ６０のピッチ（Ｐ１）から導電性線材Ａの直径（Ｄ１）を引いた値（μｍ）（Ｒ（μｍ）＝Ｐ１（μｍ）−Ｄ１（μｍ）」）で規定される。
【００３０】
このように、上記したような直径を有する導電性線材Ａを、上記したようなピッチで、実質的に平行に配置することによって、ガスを効率的に触媒層中に拡散して、十分なガス拡散速度および十分なガス供給機能を確保できる。したがって、本実施形態の燃料電池を使用すると、電気化学的反応の進行が促進され、その結果、高出力化を達成することができる。また、十分なガス拡散速度を確保できるため、特にカソード側に設置した場合には、カソード側で生成した水をガス拡散方向の下流側に排出し易くなる。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。
【００３１】
上記に加えて、導電性のある導電性基材Ｂ５０が触媒層３０に直接接触し、導電性のある導電性線材Ａ６０がセパレータ７０に直接接触していることが好ましい。これにより、触媒層３０とセパレータ７０との間の導電性は、導電性基材Ｂ５０及び導電性線材Ａ６０を介して十分確保でき、カソード触媒層３０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ７０ｃ側に通電させることができる。ゆえに、十分なガス拡散性及び導電性は確保しつつ、燃料電池の薄層化を図ることができる。
【００３２】
導電性線材Ａ６０の配置は特に制限されないが、導電性線材Ａ６０をガスの流下方向と平行になるように平行に配置されることが好ましい。すなわち、導電性線材Ａを燃料電池（単セル）内のガスの流れ方向に対して平行になるように配置することが好ましい。これにより、アノード側及びカソード側の流路設計を同一のものにでき、圧力損失を下げることができる。
【００３３】
導電性線材Ａ６０の材質を構成する導電性材料は、特に制限はない。具体的には、導電性線材Ａ６０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、または導電性金属から構成されることが好ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
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、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の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。
【００３６】
また、後者の場合の金属としては、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。
【００３７】
ここで、金やパラジウムは、腐食の抑制・防止効果に優れる。このため、上記のうち、導電性線材Ａ６０が非導電性の芯材を金属（特に、金、パラジウム）で被覆してなる場合、あるいは導電性線材Ａ６０が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、導電性線材Ａ６０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。導電性線材Ａの中心部は非導電性の芯材で作製されるため、流路付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。
【００３８】
あるいは、導電性線材Ａ６０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、導電性線材Ａ６０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。
【００３９】
（導電性基材Ｂ）
導電性基材Ｂ５０上に、複数の導電性線材Ａが平行に配置されて、流路付ガス拡散層９０を構成する。本発明の流路付ガス拡散層は垂直方向の導電性を有する。このため、導電性線材Ａは、導電性基材Ｂ５０上に接触・固定されることが好ましい。
【００４０】
導電性基材Ｂ５０としては、導電性を有するものであれば、特に制限されない。好ましくは、導電性基材Ｂが、導電性線材Ａと直交するが交差はしない少なくとも１層の導電性線材Ｃから形成される、または不織布、発泡体若しくは多孔質発泡体である。より好ましくは、導電性基材Ｂが、導電性線材Ａと直交するが交差はしない少なくとも１層の導電性線材Ｃから形成される。これにより、燃料電池の小型化が可能である。
【００４１】
ここで、導電性基材Ｂ５０が導電性線材Ａと直交するが交差はしない少なくとも１層の導電性線材Ｃから形成される場合、導電性基材Ｂは、図６に示されるように、導電性線材Ａと交差しないが前記導電性線材Ｃとは交差する導電性線材Ｃ’をさらに有してもよい。このような構成をとることによって、導電性基材Ｂ５０の強度が増すため、積層荷重による面外方向の圧縮力に対する塑性変形を抑制・防止できる。
【００４２】
ここで、上記「導電性基材Ｂが、導電性線材Ａと直交するが交差はしない１層の導電性線材Ｃから形成される」とは、図１（ｂ）に示されるような形態を意味する。即ち、導電性基材Ｂ５０は複数の導電性線材Ｃ５１が１層の形態で平行に配置され、この際、各導電性線材Ｃ５１は導電性線材Ａ６０と、直交するが互い違いに交差しない（即ち、導電性線材Ａ６０が単に導電性線材Ｃ５１上に載置される）。一方、「導電性線材Ｃが導電性線材Ａと直交し交差する」とは、図７に示されるように、導電性線材Ｃ（図中の「Ｃ」）が導電性線材Ａと直交しかつ互い違いに交差することを意味する。なお、導電性基材Ｂ５０は、導電性線材Ａと直交するが交差はしない導電性線材Ｃから形成される１つの層から形成されてもあるいは当該層が２層以上の積層状態で形成されてもよい。ＭＥＡの厚さの低減（燃料電池の小型化）を考慮すると、導電性基材Ｂ５０は、導電性線材Ａと直交するが交差はしない導電性線材Ｃから形成される１つの層から形成されることが好ましい。
【００４３】
本実施形態において、導電性線材Ｃ５１の直径（図１（ｂ）中の「Ｄ２」）は、特に制限されない。積層荷重による面外方向の圧縮力に対する塑性変形の抑制・防止能、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などを考慮すると、３００μｍ以下であることが好ましい。導電性基材Ｂの直径（Ｄ２）が３００μｍ以下であれば、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基材Ｂ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。導電性線材Ｃ５１の直径（Ｄ２）は、１０〜３００μｍがより好ましく、３０〜１５０μｍが特に好ましい。このような範囲であれば、積層荷重による面外方向の圧縮力に対する塑性変形を抑制・防止でき、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、高出力密度化を達成できる。なお、導電性線材Ｃの断面が円形である場合には、導電性線材Ｃの直径（Ｄ２）は導電性線材Ｃを構成する導電性線材の直径になる。導電性線材Ｃの断面形状は上記円形に限られず、楕円形、円形、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「導電性線材Ｃの直径（Ｄ２）」は、ＭＥＡの厚み方向に対する導電性線材Ｃの全高さを規定する長さである。好ましくは、導電性基材Ｂの断面形状は円形もしくは矩形である。
【００４４】
また、隣接する導電性線材Ｃ５１のピッチ（Ｐ２）は、隣接する導電性線材Ａのピッチ（Ｐ１）より小さい（Ｐ２＜Ｐ１）ことが好ましい。この場合には、導電性線材Ｃ５１は、小さなピッチで（密に）平行に配置されるため、触媒層３０で発生した電気を効率よくセパレータ７０側に伝えることができる。一方、導電性線材Ａは、ある程度のピッチ（導電性線材Ｃ５１より大きなピッチ）で平行に配置されるため、セパレータ側からのガスの良好な流れを確保できる。具体的には、隣接する導電性線材Ａのピッチ（Ｐ１）に対する隣接する導電性線材Ｃ５１のピッチ（Ｐ２）の割合（Ｐ２／Ｐ１）は、好ましくは０．１〜０．８であり、より好ましくは０．２〜０．６である。
【００４５】
または、隣接する導電性線材Ｃ間のピッチの半値が、導電性線材Ａが配置されていない側の導電性基材Ｂ上にさらに触媒層が配置される場合に、下記式（１）：
【００４６】
【数１】
0005893970.tif 000003
【００４７】
を満たしてもよい。導電性線材Ａが配置されていない側の導電性基材Ｂ上にさらに触媒層が配置される場合の、隣接する導電性線材Ｃ間のピッチが、上記式（１）を満たすことが好ましい。
【００４８】
上記式（１）において、ｒは、隣接する導電性線材Ｃ間のピッチの半値（ｃｍ）である。また、ρは、触媒層の抵抗率（Ω・ｃｍ）である。ｔは、触媒層の厚さ（ｃｍ）である。このように、隣接する導電性線材Ｃ間のピッチを触媒層の抵抗率ρと厚さｔに応じて適宜選択することによって、内部抵抗の低い燃料電池を構成することができる。ここで、上記式（１）：ρ×ｒ／ｔで求められる値は、５以下が好ましく、２以下がより好ましく、１以下が更により好ましく、０．５以下が特に好ましい。
【００４９】
このように、上記したような直径を有する導電性線材Ｃを、上記したようなピッチで、実質的に平行に配置して、導電性基材Ｂを形成することによって、触媒層３０で発生した電気を効率よくセパレータ７０側に伝える。また、セパレータ側から供給されたガスを効率よく触媒層側に供給できる。したがって、上記流路付ガス拡散層を用いた燃料電池では、電気化学的反応の進行が促進され、その結果、高出力化を達成することができる。また、導電性基材Ｂ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十分抑制・防止できる。
【００５０】
導電性基材Ｂ５０が導電性線材Ａと直交するが交差はしない少なくとも１層の導電性線材Ｃから形成される場合の導電性線材Ｃの材質を構成する導電性材料は、特に制限はなない。具体的には、導電性線材Ｃ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、または金属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の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、後者の場合の金属としては、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、特に導電性基材Ｂ５０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、導電性線材Ｃ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。導電性線材Ｃの中心部は非導電性の芯材で作製されるため、流路付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。
【００５１】
あるいは、導電性基材Ｂまたは導電性線材Ｃ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、導電性基材Ｂまたは導電性線材Ｃ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。
【００５２】
また、導電性基材Ｂが不織布、発泡体または多孔質発泡体である場合には、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、撥水化処理または親水化処理を施してもよい。ここで撥水化処理に使用されうる撥水剤としては、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。ここで、撥水処理方法は特に制限されず、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、導電性基材Ｂを撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）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、燃料電池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】
導電性基材Ｂの厚さは、特に制限されない。積層荷重による面外方向の圧縮力に対する塑性変形の抑制・防止能、燃料電池の小型化などを考慮すると、導電性基材Ｂの厚さは、３００μｍ以下であることが好ましく、５〜２００μｍであることがより好ましく、１０〜１００μｍであることが特に好ましい。
【００５４】
（流路付ガス拡散層の製造方法）
流路付ガス拡散層の製造方法は、導電性基材Ｂ上に流路形成用の導電性線材Ａを平行に配置する方法であれば特に制限されない。なお、以下では、導電性基材Ｂが、導電性線材Ａと直交するが交差はしない１層の導電性線材Ｃから形成される場合の好ましい形態を説明するが、下記の方法に限定されない。また、他の形態に係る導電性基材Ｂも同様の方法あるいは適宜修飾した方法が適用できる。
【００５５】
例えば、導電性線材Ｃを適当なピッチで平行に配置して、導電性基材Ｂを形成した後、この導電性基材Ｂ上に導電性線材Ａ６０をそのまま配置してもよいし、または、上記導電性基材Ｂ上に固定してもよいが、後者の方法が好ましい。当該構成により、均一なガス供給が可能になる。また、組み立て時の導電性線材Ａのずれ、および運転中の面圧変動やガス圧変動などによる導電性線材Ａのずれを抑制・防止できる。また、導電性線材Ａ６０を導電性基材Ｂ５０上に固定することによって、導電性基材Ｂの曲げ剛性を向上できる。
【００５６】
ここで、導電性基材Ｂ（導電性線材Ｃ）上への導電性線材Ａの固定方法は特に制限されない。例えば、導電性線材Ａが樹脂または金属で形成される場合には、熱接合などが挙げられる。このうち、熱接合方法としては、以下に制限されないが、導電性基材Ｂと導電性線材Ａとの接点を、溶接、焼結、溶着等によって固定する方法などがある。熱接合によると、導電性基材Ｂ及び導電性線材Ａに面圧が掛からない部位や非接触の部位があっても電気伝導性を確保できる。また、熱接合は、操作の容易性などの点から有利である。
【００５７】
または、導電性線材ＡおよびＣが導電性の表層材で非導電性の芯材を被覆してなる場合には、以下のような方法が好ましく使用される。すなわち、導電性線材Ｃの非導電性の芯材部分をまず適当なピッチで整列させて基材Ｂ’を形成した後、上記基材Ｂ’上に、導電性線材Ａの非導電性の芯材部分（線材Ａ’）を線材Ｃと直交するが互いに交差させないように並列させ、線材Ａ’付基材Ｂ’を形成する［工程（ａ）］。さらに、この線材Ａ’付基材Ｂ’を導電性の表層材で被覆する［工程（ｂ）］ことによって、導電性基材Ｂ上に流路形成用の導電性線材Ａが平行に配置されてなる流路付ガス拡散層が作製できる。
【００５８】
上記工程（ａ）において、線材Ａ’及び基材Ｂ’はそのまま次の工程（ｂ）に供されてもよいが、線材Ａ’を基材Ｂ’に固定した後に工程（ｂ）を行うことが好ましい。このような方法により、均一なガス供給が可能になり、組み立て時の導電性線材Ａずれ、および運転中の面圧変動やガス圧変動などによる導電性線材Ａずれを抑制・防止できる。また、導電性線材Ａ６０を導電性基材Ｂ５０上に固定することによって、導電性基材Ｂの曲げ剛性を向上できる。加えて、導電性線材Ａ６０がストレート形状でない場合であっても、導電性基材Ｂとの接点を固定することによって、導電性基材Ｂの面内縦横両方向の曲げ剛性を向上できる。ここで、線材Ａ’の基材Ｂ’への固定方法は、特に制限されない。例えば、線材Ａ’および基材Ｂ’が上記したような樹脂材料である場合には、上記次工程（ａ）で、基材Ｂ’上に線材Ａ’を直交するが互いに交差させないように並列させた後、樹脂材料の融点以上の温度で加熱融着する方法が使用できる。なお、この場合には、基材Ｂ’と線材Ａ’とが融着するため、流路付ガス拡散層の厚みは、基材Ｂ’及び線材Ａ’の大きさの合計（線材Ａ及びＣが円形の場合には直径の合計）より若干小さくなる。同様にして、線材Ａ’および線材Ｃ’の大きさ（線材Ａ’及びＣ’が円形の場合には直径）は、導電性線材Ａおよび導電性線材Ｃの大きさ（導電性線材Ａ及びＣが円形の場合には直径）より若干小さくなる。
【００５９】
また、上記工程（ｂ）において、線材Ａ’付基材Ｂ’の導電性の表層材による被覆もまた特に制限されない。具体的には、導電性の表層材の薄膜を張り合わせる方法；導電性の表層材でメッキする（金属メッキする）方法などが挙げられる。
【００６０】
特に好ましくは、導電性線材Ｃの非導電性の芯材部分を整列させて基材Ｂ’を形成した後、基材Ｂ’上に線材Ａ’を直交するが交差させないように並列させ、非導電性の線材Ａ’付基材Ｂ’を形成する。その後、この線材Ａ’付基材Ｂ’を金属（特に金、パラジウム）でメッキする。当該方法によると、導電性線材ＡおよびＣの中心部は非導電性の芯材で作製されるため、流路付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。
【００６１】
本発明の流路付ガス拡散層は、厚み方向の（燃料電池の厚み方向の）貫通抵抗（電気抵抗）が３０ｍΩ／ｃｍ２以下であり、導電性基材Ｂのガーレー透気度が３００秒以下である。当該貫通抵抗およびガーレー透気度は、隣接する導電性線材Ｃ５１のピッチによって規定できる。すなわち、隣接する導電性線材Ｃ５１のピッチ（図１（ｂ）中の「Ｐ２」）は、４８０μｍ以下であり、５〜４８０μｍが好ましく、２０〜３００μｍがより好ましく、３０〜１５０μｍが特に好ましい。このような範囲であれば、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、触媒層３０で発生した電気を効率よくセパレータ７０側に伝えることができる。ゆえに、燃料電池は優れた発電性能を発揮できる。また、隣接する導電性線材Ｃ同士が密に配置されているため、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。本明細書中、「隣接する導電性線材Ｃ５１のピッチ」は、隣接する導電性線材Ｃの中心間の距離（図１（ｂ）中の「Ｐ２」の長さ）である。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。
【００６２】
流路付ガス拡散層の厚さは、特に制限されない。しかし、積層荷重による面外方向の圧縮力に対する塑性変形の抑制・防止効果燃料電池の小型化、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、５５〜６００μｍが好ましい。より好ましくは、１００〜３５０μｍ。
【００６３】
また、流路付ガス拡散層の大きさもまた、特に制限されない。好ましくは、流路付ガス拡散層は、導電性線材Ａと平行方向の長さをＬと、および導電性線材Ａと垂直方向の長さをＷと、それぞれ、した場合の、Ｌ／Ｗの割合が２以下である矩形を有することが好ましい。このような構成によって、ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を効率よく、セパレータに分配できる。上記Ｌ／Ｗの割合は、０．０５〜２がより好ましく、０．１〜１．５がさらにより好ましく、０．２〜１．２が特に好ましい。
【００６４】
流路付ガス拡散層１０は、導電性基材Ｂ５０ｃおよび導電性線材Ａ６０ｃまたは導電性基材Ｂ５０ａおよび導電性線材Ａ６０ａを必須に含む。上記構成部材に加えて、図３（第三実施形態の燃料電池）に示されるように、導電性線材Ａ６０が配置されていない側の導電性基材Ｂ５０上に、導電性粒子層４０が形成されてもよい。このような導電性粒子層４０の配置によって、触媒層３０と導電性基材Ｂ５０との密着性が上がるため、ＭＥＡ８０と導電性基材Ｂ５０との間の接触抵抗が下がり、ＭＥＡ８０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。このため、導電性基材Ｂ５０が導電性線材Ａ６０と直交するが交差はしない少なくとも１層の導電性線材Ｃから形成される場合には、導電性線材Ｃのピッチを広く設定することができる。また、導電性基材Ｂ５０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４０が保護層として機能して、導電性基材Ｂ５０とＭＥＡ８０とが直接接触することを避け、導電性基材Ｂ５０の耐食性を向上でき、また、導電性基材Ｂ５０の圧接による触媒層３０の破損を防止することができる。導電性粒子層４０の形成方法は、特に制限されないが、導電性粒子層４０を触媒層３０上に圧着するなどの方法が使用できる。
【００６５】
なお、図３では、カソード導電性微粒子層４０ｃおよびアノード導電性微粒子層４０ａ双方を設けているが、いずれか一方のみを設けてもよい。また、図３の形態は、図１の形態に対応するが、他の形態に適応することもできる。
【００６６】
導電性粒子層４０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。
【００６７】
（セパレータ）
セパレータ７０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７０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。セパレータ７０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７０ａ及びカソードセパレータ７０ｃは、ともにカーボン製である。
【００６８】
また、図２におけるセパレータ１２０ａ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１２０ａは、ガスが流れる流路となる溝状の導電性線材Ａ１２１ａを備えている。なお、セパレータ７０は、導電性線材Ａ６０または導電性基材Ｂ５０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導電性線材Ａ１２１ａを形成する必要がない。このため、セパレータ７０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１２０ａでは、カーボン製セパレータの場合には導電性線材Ａ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導電性線材Ａ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７０の場合には、溝状の導電性線材Ａ１２１ａ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、溝状の導電性線材Ａ１２１ａを形成する必要がないため、セパレータ７０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。
【００６９】
（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。
【００７０】
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。
【００７１】
高分子電解質膜２０の厚みとしては、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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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。
【００７４】
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、モリブデン、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、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。
【００７５】
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、「触媒粒子の平均粒子径」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。
【００７６】
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、「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。
【００７７】
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、触媒層の厚み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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【実施例】
【００８４】
上記流路付ガス拡散層の効果を、以下の実施例および比較例を用いて詳細に説明するが、以下の実施例のみに制限されるわけではない。
【００８５】
［実施例１］
表面が融着性樹脂で被覆された線材Ａ’（ポリエステル製、７５デニール／２４フィラメント、撚糸１０００ｔ／ｍ：直径約１５０μｍ）および線材Ｃ’（ポリエステル製、２５デニールモノフィラメント：直径５０μｍ）を用意した。線材Ｃ’を間隔２００メッシュ（線材Ｃ’間のピッチ約７５μｍ）で整列させて基材Ｂ’を作製した。この基材Ｂ’上に、線材Ａ’を、線材Ｃ’と直交するが互いに交差しないように、間隔６５メッシュ（線材Ａ’間のピッチ約２００μｍ）で整列させた。その後、これを１００℃以上に加熱融着することによって、線材Ａ’と線材Ｃ’とが直交するが互いに交差しない線材Ａ’付基材Ｂ’を作製した。次に、この線材Ａ’付基材Ｂ’表面に、無電解パラジウムメッキ（目付約１ｇ／ｍ２）、さらに、電解金メッキ（厚さ約２０ｎｍ）を施すことによって電子伝導性を付与し、流路付ガス拡散層（流路付ＧＤＬ）を作製した。当該流路付ガス拡散層では、隣接する導電性線材Ａの間隙が、燃料電池発電時の酸素流路もしくは水素流路の機能を果たし、整列した導電性線材Ａが前記流路の形状保持およびガス拡散層としての機能を有する。この流路付ガス拡散層を、幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍの矩形に切り出して、線材Ａに対して垂直に切断した端面を観察した。その結果、流路付ガス拡散層の厚さは、１３０〜１３５μｍであり、導電性線材Ａの高さは約１００μｍであり、隣接する導電性線材Ａ６０のピッチ（Ｐ１）は約２００μｍであり、狙い通りの流路構造が形成されていた。
【００８６】
次に、電解質膜（デュポン株式会社製、高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ２１１）の両面に白金担持カーボンを含む触媒層を塗工してＣＣＭを作製した。触媒層の形状は、幅４９ｍｍ×長さ５０ｍｍの矩形であった。すなわち、アスペクト比は約１であった。
【００８７】
次に、１組の流路溝を有さない平滑セパレータ（黒鉛製）、１組の集電板（銅製）、１組のエンドプレート（ＳＵＳ製）を準備した。平滑セパレータには、流路付ガス拡散層を嵌め込むための幅５０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×深さ１００μｍのプール状の段差が備えられた。また、長さ方向の対向する２辺に接して幅５０ｍｍ×長さ４ｍｍ×深さ５ｍｍのマニホールドがそれぞれ平滑セパレータに設けられた。更に、当該マニホールドの右端もしくは左端にはプール上の段差の中心から点対称となるようにそれぞれ１つのガス供給用の穴（直径３ｍｍ）が設けられた。さらに、プール状の段差と一対のマニホールドを含む外周には圧縮ゴムシールを嵌め込むためのシール溝が設けられた。シール溝の幅は２ｍｍ、矩形の溝および一対のマニホールドの外周からシール溝までのオフセット距離は１ｍｍであった。
【００８８】
以上の部品を、エンドプレート（カソード）−集電板−セパレータ−流路付ガス拡散層−ＣＣＭ−流路付ガス拡散層−セパレータ−集電板−エンドプレート（アノード）の順序で積層し、サブスケール燃料電池単セルを構成した。ここで、それぞれの流路付ガス拡散層は導電性基材ＢがＣＣＭの触媒層に接するように配置された。上記エンドプレートの表面にラバーヒーターを密着させて８０℃に温調したあと、次のような条件で発電評価を行った。すなわち、ストイキ比を１．５（アノード）、２．０（カソード）、ガスの入口相対湿度をアノード４０％ＲＨおよびカソード７０％ＲＨとし、運転圧２００ｋＰａ（絶対圧）、電流密度１．２Ａ／ｃｍ２で運転した。結果を図１に示す。
【００８９】
実施例１のサブスケール燃料電池単セルは、公知の燃料電池のようにセパレータが流路を備えないにもかかわらず電圧０．６２Ｖで安定して運転することができた。このときのセパレータ間距離（燃料電池単セル厚さ）は２９０μｍであった。
【００９０】
また、上記線材Ｃ’（ポリエステル製、２５デニールモノフィラメント：直径５０μｍ）を間隔２００メッシュ（線材Ｃ’間のピッチ約７５μｍ）で整列させて基材Ｂ’を作製した。次に、この基材Ｂ’表面に、無電解パラジウムメッキ（目付約１ｇ／ｍ２）、さらに、電解金メッキ（厚さ約２０ｎｍ）を施して、導電性基材Ｂを得た。得られた導電性基材Ｂについて貫通抵抗およびガーレー透気度を測定したところ、それぞれ、３０ｍΩ／ｃｍ２以下および３００秒以下であった。
【００９１】
［比較例１］
実施例１において、流路付ガス拡散層の代わりに、流路付ではない従来のガス拡散層として、線材Ｃ’からなる平織りのメッシュ（厚さ１００μ）を用いた以外は、実施例１と同じ方法でサブスケール燃料電池単セルを作製し、その発電評価を試みた。
【００９２】
しかし、比較例１のサブスケール燃料電池単セルは、セパレータにもガス拡散層にも燃料電池発電時に十分な酸素もしくは水素を流通させる流路機能を持たないため、圧力損失が過大となり発電評価を実施することは不可能であった。このときのセパレータ間距離（燃料電池単セル厚さ）は２３０μｍであった。
【００９３】
［比較例２］
実施例１において、流路付ガス拡散層の代わりに、流路付ではない従来のガス拡散層として、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍで切り出した東レ株式会社製カーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−０６０（厚さ２００μｍ）を使用した。また、流路溝を有さない平滑セパレータの代わりに、流路高１ｍｍ、リブ幅１ｍｍ、チャネル幅１ｍｍ、リブピッチ２ｍｍ、流路方向５０ｍｍ、幅方向５０ｍｍのサーペンタイン流路を備える流路付セパレータ（黒鉛製）を用いた。これら以外は、実施例１と同様の方法でサブスケール燃料電池単セルを作製し、その発電評価を行った。結果を図１に示す。
【００９４】
比較例２のサブスケール燃料電池単セルは、セパレータが流路を備えるため発電評価は可能であり、電圧０．６０Ｖであった。このときのセパレータ間距離（燃料電池単セル厚さ）は２４３０μｍであった。
【００９５】
［比較例３］
実施例１において、流路付ガス拡散層の代わりに、流路付ではない従来のガス拡散層として、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍで切り出した東レ株式会社製カーボンペーパーＴＧＰ−Ｈ−０６０（厚さ２００μｍ）を使用した。また、流路溝を有さない平滑セパレータの代わりに、流路高１００μｍ、リブ幅１５０μｍ、チャネル幅２５０μｍ、リブピッチ４００μｍ、流路方向５０ｍｍ、幅方向５０ｍｍの直線流路を備える流路付きセパレータ（黒鉛製）を用いた。これら以外は、実施例１と同様の方法でサブスケール燃料電池単セルを作製し、その発電評価を行った。
【００９６】
比較例２のサブスケール燃料電池単セルは、セパレータが流路を備えるため発電評価が可能であり、電圧は０．６４Ｖであった。このときのセパレータ間距離（燃料電池単セル厚さ）は６３０μｍであった。
【００９７】
図５に示される結果より、流路付ガス拡散層を有する実施例１の燃料電池の発電特性は、流路付セパレータと流路付ではないガス拡散層を用いた通常の燃料電池の発電特性と同等以上の電圧を得たことが分かる。
【００９８】
一方、実施例１と比較例３を較べると、実施例１の出力は０．６２Ｖ×１．２Ａ／ｃｍ２＝０．７４４Ｗ／ｃｍ２であるのに対して、比較例３の出力は０．６４Ｖ×１．２／ｃｍ２＝０．７６８Ｗ／ｃｍ２とほぼ同等である。しかし、実施例１のセパレータ間距離（燃料電池単セル厚さ）が２９０μｍであるのに対して、比較例３のセパレータ間距離（燃料電池単セル厚さ）が６３０μｍである。この点を合わせて考慮すると、流路付ガス拡散層を用いることでセパレータ間距離あたり２．１倍相当の出力を取り出せることが考察される。すなわち、流路付ガス拡散層は、例えば小型高出力化が強く求められる車載用燃料電池用途などに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９９】
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、
４０ａ…アノード側の導電性粒子層、
４０ｃ…カソード側の導電性粒子層、
５０ａ…アノード導電性基材Ｂ、
５０ｃ…カソード導電性基材Ｂ、
６０ａ…アノード導電性線材Ａ、
６０ｃ…カソード導電性線材Ａ、
７０ａ…アノードセパレータ、
７０ｃ…カソードセパレータ、
８０…膜電極接合体（ＭＥＡ）、
１００ａ…アノード側のガス流路空間、
１００ｃ…カソード側のガス流路空間、
１１０ａ…アノードガス拡散層、
１２０ａ…セパレータ、
１２１ａ…溝状の導電性線材Ａ、
２００…燃料電池車、
２１０…燃料電池スタック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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