(57)【要約】【課題】優れた発電性能を有する燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜と、電解質膜の両方の主面にそれぞれ配置された触媒層と、触媒層の電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層とを具備し、一対のガス拡散層の少なくとも一方は、その平均厚さが１５０μｍ以下であり、ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが、１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用ガス拡散層であって、
前記ガス拡散層の平均厚さが１５０μｍ以下であり、
前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが、１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下である、ガス拡散層。
【請求項２】
前記ガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを含み、
前記導電性材料が、粒子状材料と板状材料とを含む、請求項１に記載のガス拡散層。
【請求項３】
前記板状材料の長軸と、前記厚さ方向とが成す鋭角の角度が、６０°以上、９０°以下である、請求項２に記載のガス拡散層。
【請求項４】
前記板状材料が、グラフェンを含む、請求項２または３に記載のガス拡散層。
【請求項５】
前記ガス拡散層の平均厚さは、３０μｍ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス拡散層。
【請求項６】
燃料電池用ガス拡散層であって、
前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔよりも、前記厚さ方向に垂直な面方向における酸素の拡散係数Ｄｓが大きい、ガス拡散層。
【請求項７】
燃料電池用ガス拡散層であって、
前記ガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを含み、
前記導電性材料が、粒子状材料と板状材料とを含み、
前記板状材料の長軸と、前記ガス拡散層の厚さ方向とが成す鋭角の角度が、６０°以上、９０°以下である、ガス拡散層。
【請求項８】
電解質膜と、前記電解質膜の両方の主面にそれぞれ配置された触媒層と、前記触媒層の前記電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層と、を具備し、
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方が、請求項１〜７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９】
（i）導電性材料と、高分子樹脂と、界面活性剤と、分散媒と、を含む混合物を調製する工程と、
（ii）前記混合物をシートに成形する工程と、
（iii）前記シートを焼成して、前記界面活性剤および前記分散媒が除去された焼成シートを得る工程と、
（iv）前記焼成シートを、その平均厚さが１５０μｍ以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが、１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下になるように圧延する工程と、を備える、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、燃料電池におけるガス拡散挙動のシミュレーション結果を利用して設計されたガス拡散層およびその製造方法、並びに燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセルは、電解質膜および一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）と、ガスケットと、アノードに接触する導電性のアノードセパレータと、カソードに接触する導電性のカソードセパレータとを具備する。ガス拡散電極は、電解質膜側に配置される触媒層と、触媒層の電解質膜とは反対側に配置されるガス拡散層とで構成されている。
【０００３】
特許文献１は、導電性基材に撥水層を形成したガス拡散層を開示している。導電性基材には、カーボン繊維織布またはカーボンペーパーが用いられている。撥水層は、カーボンブラックなどの材料とフッ素樹脂とで構成されている。
【０００４】
一方、特許文献２〜４は、導電性基材を有さないガス拡散層を開示している。例えば、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量の炭素繊維を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１９７２０２号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０−０５０２１９号パンフレット
【特許文献３】特開２００３−１８７８０９号公報
【特許文献４】特開２００７−１４１７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス拡散層のガス拡散性を高めるには、ガス拡散層ができるだけ多孔質であり、かつ必要な機械的強度を維持できることが望ましい。そこで、ガス拡散層の空隙率や細孔径分布を制御する様々な技術の開発が進められている。しかし、細孔の制御によってガス拡散層のガス拡散性を高めるのには限界がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記に鑑み、本発明の一側面は、燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層の平均厚さが１５０μｍ以下であり、前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが、１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下である、ガス拡散層に関する。
【０００８】
本発明の別の側面は、燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔよりも、前記厚さ方向に垂直な面方向における酸素の拡散係数Ｄｓが大きい、ガス拡散層に関する。
【０００９】
本発明の更に別の側面は、燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを含み、前記導電性材料は、粒子状材料と板状材料とを含み、前記板状材料の長軸が、前記ガス拡散層の厚さ方向と成す鋭角の角度が、６０°以上、９０°以下である、ガス拡散層に関する。
【００１０】
本発明の更に別の側面は、電解質膜と、前記電解質膜の両方の主面にそれぞれ配置された触媒層と、前記触媒層の前記電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層と、を具備し、前記一対のガス拡散層の少なくとも一方が上記のいずれかのガス拡散層である、燃料電池に関する。
【００１１】
本発明の更に別の側面は、（i）導電性材料と、高分子樹脂と、界面活性剤と、分散媒との混合物を調製する工程と、（ii）前記混合物をシートに成形する工程と、（iii）前記シートを焼成して、前記界面活性剤および前記分散媒が除去された焼成シートを得る工程と、（iv）前記焼成シートを、その平均厚さが１５０μｍ以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが、１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下になるように圧延する工程と、を備える、燃料電池用ガス拡散層の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池のセルの構造を示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る板状材料を含むガス拡散層の構造を示す断面模式図である。
【図３】シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性とガス拡散層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図４】複数の並走する流体流路に直交する方向に沿って、触媒層とガス拡散層（厚さ１００μｍ）との界面における酸素濃度変化をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図５】複数の並走する流体流路に直交する方向に沿って、触媒層とガス拡散層（厚さ２００μｍ）との界面における酸素濃度変化をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図６】シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性と拡散係数比との関係を示すグラフである。
【図７】シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性と拡散係数比との関係を示す別のグラフである。
【図８】厚さ１５０μｍ、酸素の拡散係数Ｄｔ＝６．０×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃのガス拡散層を具備する燃料電池について、シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性と実測値との関係を示すグラフである。
【図９】厚さ１００μｍ、酸素の拡散係数Ｄｔ＝６．０×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃのガス拡散層を具備する燃料電池について、シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性と実測値との関係を示すグラフである。
【図１０】厚さ８０μｍ、酸素の拡散係数Ｄｔ＝６．０×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃのガス拡散層を具備する燃料電池について、シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性と実測値との関係を示すグラフである。
【図１１】図８〜１０の実測されたＶ−Ｉ特性を重ねて表示した図である。
【図１２】厚さ１００μｍ、酸素の拡散係数Ｄｔ＝１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃのガス拡散層を具備する燃料電池について、シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性と実測値との関係を示すグラフである。
【図１３】厚さ５０〜１００μｍ、酸素の拡散係数Ｄｔ＝１．２×１０-3ｃｍ2／ｓｅｃのガス拡散層を具備する燃料電池について、シミュレーションにより求めたＶ−Ｉ特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、燃料電池の構造について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接触するカソードと、電解質膜の他方の主面に接触するアノードと、を有する膜電極接合体（以下、ＭＥＡ）と、カソードと接触する導電性のカソードセパレータと、アノードと接触する導電性のアノードセパレータとを備える。ＭＥＡと一対のセパレータは、１つのセルを構成している。通常、カソードセパレータとアノードセパレータとが隣接するように複数セルを積層することで、セル同士が直列接続されたスタックが形成される。
【００１５】
具体的には、図１に示すように、セル１は、アノード２、カソード３およびアノード２とカソード３との間に介在する電解質膜４を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）５を有する。ＭＥＡ５は、アノードセパレータ１０およびカソードセパレータ１１に挟持されている。アノード２は、電解質膜４に接するアノード触媒層６およびアノードセパレータ１０に接するアノードガス拡散層７を含む。カソード３は、電解質膜４に接するカソード触媒層８およびカソードセパレータ１１に接するカソードガス拡散層９を含む。ＭＥＡ５の一方の側面には、アノード２を封止するようにガスケット１４が配置され、他方の側面には、カソード３を封止するようにガスケット１５が配置されている。
【００１６】
アノードセパレータ１０は、アノード２に燃料を供給する燃料流路１２を有する。カソードセパレータ１１は、カソード３に酸化剤を供給する酸化剤流路１３を有する。図１のようなセルの複数を電気的に直列に積層することで、スタックが構成される。スタックでは、一枚のセパレータの一方の面側をアノードセパレータ、他方の面側をカソードセパレータとしてもよい。また、一枚のセパレータの一方の面側をアノードセパレータまたはカソードセパレータとし、他方の面側を冷却媒体流路に利用してもよい。セルもしくはスタックの外側に、それぞれ集電板１６，１７を配してもよく、端板１８，１９を配して、端板同士を締結して燃料電池を固定してもよい。
【００１７】
なお、図示例では、燃料流路１２は、アノードセパレータ１０の主面に形成され、酸化剤流路１３は、カソードセパレータ１１の主面に形成されているが、燃料流路はアノードガス拡散層の主面に形成してもよく、酸化剤流路はカソードガス拡散層の主面に形成してもよい。
【００１８】
電解質膜４は、プロトン導電性を有すればよく、特に限定されないが、高分子電解質膜が好ましく、中でもパーフルオロカーボンスルホン酸の構造を含む重合体が好ましい。
【００１９】
アノード触媒層６およびカソード触媒層８は、それぞれ触媒粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを含む。触媒粒子は、炭素材料に担持されていることが好ましい。触媒粒子には、白金などの貴金属が好ましく用いられる。炭素材料には、カーボンブラックのような比表面積の大きい炭素材料が好ましく用いられる。
【００２０】
燃料電池内を流通する燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（例えば空気、酸素）の拡散に関する挙動は、計算ソフトを用いてシミュレーションすることができる。上記シミュレーションでは、フィックの拡散方程式の差分法による数値解析が行われる。数値解析では、平衡状態の触媒層における酸化剤ガスおよびプロトンの濃度が求められる。このとき、各ガスの所定箇所における濃度、拡散係数、飽和濃度がパラメータとして用いられる。酸化剤ガスとして空気を用いる場合、ガス拡散層における空気の飽和濃度は、ガス拡散層に最大限含まれる空気量（ｍＬ／ｃｍ3・ａｔｍ）であり、ガス拡散層の空隙率（ｍＬ／ｃｍ3）を飽和濃度として用いてよい。
【００２１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスは、触媒粒子を覆う高分子電解質の膜を拡散し、触媒粒子の表面で反応する。このときの各ガスの挙動は、触媒層における酸化剤ガスおよびプロトンの濃度に依存する。高分子電解質における酸化剤ガスおよびプロトンの拡散係数と飽和濃度を用いて、触媒粒子の表面における反応化学種の濃度が計算され、吸着平衡を伴う反応速度式から反応速度が求められ、限界電流密度が計算される。各反応化学種の量論的取り扱いには化学工学の物質収支の考え方が適用される。触媒粒子の表面における反応化学種の濃度および触媒粒子の表面積から交換電流密度が求められる。限界電流密度と交換電流密度からバトラーボルマーの式により、それぞれ拡散過電圧と反応活性化過電圧とが計算される。ガス拡散層、触媒層、セパレータ等の電子抵抗を元に、抵抗過電圧が計算される。拡散過電圧、反応活性化過電圧および抵抗過電圧の合計から、全体の過電圧が計算され、発電電圧が求められる。
【００２２】
本発明の実施形態に係るガス拡散層は、上記手法で計算ソフトを用いて、ガスが、流体流路、ガス拡散層、触媒層の順に拡散する際の挙動をシミュレーションし、その結果に基づいて設計されたものである。シミュレーション結果によれば、ガス拡散層の厚さが小さいほど、燃料電池のＶ−Ｉ特性は向上する。ガス拡散層の厚さを小さくすることによるＶ−Ｉ特性の向上は、ガス拡散層のガス拡散性を高めることによるＶ−Ｉ特性の向上よりも顕著である。
【００２３】
しかし、ガス拡散層の厚さが所定の臨界値を超えて小さくなると、Ｖ−Ｉ特性の更なる向上が困難になる。Ｖ−Ｉ特性の向上が見込まれる臨界値をより小さくするためには、ガス拡散層の更なる改良が必要になる。
【００２４】
ここで、Ｖ−Ｉ特性とは、燃料電池が発現する電圧（Ｖ）と電流密度（Ｉ）との関係性を示す特性であり、一般に縦軸を電圧（Ｖ）、横軸を電流密度（Ｉ）とするグラフに表される。同じ電圧で得られる電流密度が高くなるほど、Ｖ−Ｉ特性が優れている。
【００２５】
以上に鑑み、本発明の第１実施形態に係るガス拡散層は、その平均厚さが１５０μｍ以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下に制限されている。
【００２６】
また、本発明の第２実施形態に係るガス拡散層は、その厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔよりも、厚さ方向に垂直な面方向における酸素の拡散係数Ｄｓが大きくなっている。
【００２７】
また、本発明の第３実施形態に係るガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを含み、導電性材料が、粒子状材料と板状材料とを含み、板状材料の長軸と、ガス拡散層の厚さ方向とが成す鋭角の角度は、６０°以上、９０°以下に制御されている。
【００２８】
第１〜第３実施形態に係るガス拡散層は、いずれも異なる側面から表現されているが、同様のコンセプトに基づき設計されている。ガス拡散層は多孔質であるため、第１実施形態のようにガス拡散層の平均厚さを１５０μｍ以下に制限すると、厚さ方向におけるガスの透過が促進される傾向がある。従って、酸素の拡散係数Ｄｔを小さく、具体的には６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下に制限することにより、厚さ方向におけるガスの透過を積極的に制限し、面方向におけるガス拡散を促す必要がある。
【００２９】
しかし、一般的にガス拡散層の酸素の拡散係数は、厚さ方向と面方向とで同程度になる。これに反して厚さ方向のガス透過を積極的に制限するには、例えば、ガス拡散層を厚さ方向に圧縮して緻密化し、ガス拡散層内に厚さ方向のガス移動に対する障壁を設ける必要がある。その結果、面方向の酸素の拡散係数Ｄｓは厚さ方向の酸素の拡散係数Ｄｔよりも相対的に大きくなる。従って、第２実施形態に係るガス拡散層は、通常、第１実施形態に係るガス拡散層の範疇に包含される。
【００３０】
また、ガス拡散層に板状材料を含ませるとともに、板状材料の長軸と厚さ方向とが成す鋭角の角度を大きくすれば、ガス拡散層内に、厚さ方向におけるガス移動に対する障壁を設けることができ、厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔよりも、面方向における酸素の拡散係数Ｄｓが大きくなる。すなわち、第３実施形態に係るガス拡散層は、第１および２実施形態に係るガス拡散層の範疇に包含される。
【００３１】
第１〜第３実施形態のいずれにおいても、ガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを主成分として構成すればよい。高分子樹脂は、導電性材料１００質量部に対して、２〜２０質量部が好ましく、５〜１２質量部がより好ましい。
【００３２】
導電性材料には、粒子状材料と板状材料とを含ませてもよく、更に繊維状材料を含ませてもよい。導電性材料に占める板状材料の割合は、２〜２０質量％が好ましく、５〜１０質量％がより好ましい。導電性材料に占める繊維状材料の割合は、０〜２５質量％が好ましく、５〜２０質量％がより好ましい。
【００３３】
板状材料は、巨視的に見ると粒子状であるが、微視的に見ると板状粒子で構成されている。板状粒子の最小幅（厚さ）をＴとするとき、厚さＴの方向と平行な方向から見た板状粒子の最大径（長径）Ｌと、最大径に直交する最大径（短径）Ｗとは、Ｌ≧Ｗを満たし、ＴはＷよりも十分小さい。板状材料のアスペクト比：Ｌ／Ｔは、１０＜Ｌ／Ｔを満たすことが好ましく、２０≦Ｌ／Ｔを満たすことがより好ましい。
【００３４】
板状材料の具体例としては、鱗片状黒鉛、黒鉛化ポリイミドフィルム粉砕物、グラフェンなどが挙げられる。中でも、黒鉛化ポリイミドフィルム粉砕物やグラフェンは、ガス拡散層の面方向に配向しやすく、ガス拡散層を薄く形成するのに有利であり、かつガス拡散層の厚さ方向におけるガス拡散性Ｄｔを積極的に小さく制限するのに適している。
【００３５】
粒子状材料は、微視的に見ると、球状粒子または不定形粒子で構成されている。ただし球状粒子も、通常は完全に方向性を有さない球体として存在するものではなく、長径と短径とを有している。球状粒子または不定形粒子の最大径（長径）Ｌと、最大径に直交する最大径（短径）Ｗとは、Ｌ≧Ｗを満たす。粒子状材料のアスペクト比：Ｌ／Ｗは、１≦Ｌ／Ｗ≦５を満たすことが好ましく、１≦Ｌ／Ｗ＜２を満たすことがより好ましい。
【００３６】
粒子状材料としては、カーボンブラック、球状黒鉛、活性炭などが挙げられる。中でも、導電性が高く、細孔容積が大きい点で、カーボンブラックを使用することが好ましい。カーボンブラックとしては、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などが使用できる。
【００３７】
高分子樹脂は、導電性材料同士を結着するバインダとしての機能を有する。ガス拡散層内の細孔での水の滞留を抑制する観点から、高分子樹脂の５０質量％以上、更には９０質量％以上が撥水性を有するフッ素樹脂であることが好ましい。フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶｄＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（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）などが挙げられる。中でも、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から、フッ素樹脂はＰＴＦＥであることが好ましい。
【００３８】
第１〜第３実施形態のいずれにおいても、ガス拡散層の平均厚さは１５０μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下がより好ましく、８０μｍ以下もしくは５０μｍ以下が更に好ましい。上記のように設計されたガス拡散層は、その平均厚さが大きすぎると、厚さ方向におけるガス拡散の経路長が長くなり、発電性能が向上しにくい傾向がある。ただし、ガス拡散層の平均厚さは３０μｍ以上が好ましい。これにより、厚さ方向および面方向におけるガス拡散の経路長をバランスよく確保しやすい。
【００３９】
ガス拡散層の第１主面およびその反対側の第２主面が、切削やプレス加工による凹凸を有さず、目視で平坦である場合、ガス拡散層の平均厚さは、例えば任意の１０箇所でガス拡散層の厚さを測定し、その平均値としてガス拡散層の厚さが求められる。一方、ガス拡散層が凹凸のパターンを有する場合には、ガス拡散層の最大厚さおよび最小厚さを求め、その面積割合を乗じて加算すればよい。ガス拡散層の最大厚さは、例えば凸部の任意の１０箇所の最も厚い部分の厚さの平均値として求められ、ガス拡散層の最小厚さは、例えば凹部の任意の１０箇所の最も薄い部分の厚さの平均値として求められる。ガス拡散層の厚さが１５０μｍ以下、更には１００μｍ以下である場合には、ガス拡散層の２つの主面は、上記のような凹凸を有さず、目視では平坦であることが好ましい。
【００４０】
ガス拡散層の第１主面側または第２主面側には、流体流路を形成してもよい。これにより、セパレータに流体流路を形成する必要がなくなり、燃料電池の製造コストを低減しやすくなる。また、流体流路を流れるガスとガス拡散層との接触面積が大きくなり、触媒層により均一にガスを供給しやすくなる。流体流路を有するガス拡散層は、流体流路を形成する溝と溝間のリブとを有する。溝は凹部に対応し、リブは凸部に対応する。
【００４１】
ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔは、１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上であればよく、酸素の拡散係数Ｄｔは、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下に制限され、１．２×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下が好ましい。
【００４２】
＜酸素の拡散係数の測定＞
酸素の拡散係数Ｄｔは、以下の方法で測定することができる。既に組み立てられた燃料電池を分解してガス拡散層を取り出す場合には、ガス拡散層を純水などで洗浄して触媒層を除去してから酸素の拡散係数Ｄｔを測定すればよい。
【００４３】
ガス拡散係数は、ガス拡散層の表裏に圧力差を設け、単位時間に透過するガス量を測定して得られる透過係数、透過面積、ガス拡散層の厚さ、飽和濃度から求めることができる。ただし、ガス拡散層は、相当に多孔質であるので、分子拡散領域に近く、ガス透過係数の測定装置を用いて拡散係数を求めるのは難しい。そのため、ＪＩＳ  Ｐ８１１７：２００９に準拠して決定されるガーレーの透気度を測定し、これに基づいて拡散係数を求める。ガーレーの透気度は、１００ｍＬの空気が透過するのに要する時間である。ガーレーの透気度、ガス拡散層の厚さ、上記ＪＩＳ規格に基づく透過面積と錘によりガス供給側に印加される圧力を用いて、透過係数を求めることができる。透過係数とガス拡散層の空隙率（すなわち飽和濃度）から拡散係数を求めることができる。具体的には、計算式：拡散係数＝透過係数／飽和濃度により拡散係数を求めることができる。
【００４４】
ガス拡散層の面方向における酸素の拡散係数Ｄｓは、例えば、一枚のガス拡散層を切断して複数枚の小片に分割し、小片を隙間なく重ねて断面を揃えて固定し、当該断面に対して垂直方向にガスを拡散させて測定すればよい。
【００４５】
酸素の拡散係数Ｄｔおよび酸素の拡散係数Ｄｓは、Ｄｔ＜Ｄｓを満たせばよいが、酸素の拡散係数比：Ｄｓ／Ｄｔは、２≦Ｄｓ／Ｄｔが好ましく、３≦Ｄｓ／Ｄｔがより好ましい。Ｄｓ／Ｄｔを過度に大きくすることは困難であるため、Ｄｓ／Ｄｔの上限値は５程度である。
【００４６】
板状材料の長軸が、ガス拡散層の厚さＴの方向と成す鋭角の角度θは、６０°以上であればよいが、８０°以上が好ましく、８８〜９０°が最も好ましい。角度θは、ガス拡散層の断面写真を撮影し、画像上で任意に１０個の板状材料を選択し、それらの長軸が厚さＴの方向と成す鋭角の平均値として求めればよい。
【００４７】
図２に、板状材料を含むガス拡散層の断面を模式的に示す。断面写真には、板状材料を構成する板状粒子２０が複数観測される。その中から任意に１０個の板状粒子２０を選択し、それぞれの板状粒子２０について長軸の両側の端部２０ｔを結ぶ直線（長軸線）を描けば、長軸線と厚さＴの方向とが成す鋭角の角度θを求めることができる。
【００４８】
板状材料の長軸Ｌの大きさは、１〜５００μｍが好ましく、５〜３０μｍがより好ましい。長軸Ｌの大きさは、ガス拡散層の断面写真を撮影し、任意に１００個の板状材料を選択し、それらの長軸Ｌの大きさの平均値として求めればよい。
【００４９】
＜ガス拡散層の製造方法＞
工程（i）
まず、導電性材料と、高分子樹脂と、界面活性剤と、分散媒とを含む混合物を調製する。混合装置には、混練機もしくはミキサーを用いればよい。このとき、混合装置に、導電性材料、界面活性剤および分散媒を投入して導電性材料を分散媒に均一に分散させた後、高分子樹脂を添加して更に分散させることが好ましい。高分子樹脂には、適度なせん断力を付与して、高分子樹脂をフィブリル化させることが好ましい。分散媒としては、例えば、水、アルコール、グリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル、アルキルアミンオキシドなどが挙げられる。
【００５０】
工程（ii）
次に、得られた混合物を押し出し成形などの成形方法でシートに成形する。得られたシートを更に圧延してもよい。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は、特に限定されないが、線圧０．００１ｔｏｎ／ｃｍ〜４ｔｏｎ／ｃｍで圧延することで強度の高いガス拡散層を得やすくなる。
【００５１】
工程（iii）
次に、シートを焼成して界面活性剤および分散媒が除去された焼成シートとする。焼成温度は、高分子樹脂が劣化せず、かつ界面活性剤や分散媒が分解もしくは揮発する温度であればよい。高分子樹脂としてＰＴＦＥを用いる場合、焼成温度は３１０〜３４０℃が好ましい。焼成雰囲気は、不活性雰囲気であればよく、例えば窒素、アルゴンなどの雰囲気や、減圧雰囲気が好ましい。界面活性剤および分散媒は、その大半がシートから除去されればよく、必ずしも完全に除去する必要はない。
【００５２】
工程（iv）
次に、焼成シートを、その平均厚さが１５０μｍ以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが、１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃ以上、６×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃ以下になるように圧延する。圧延におけるプレス圧力を高くするほど、酸素の拡散係数Ｄｔは小さくなる。また、酸素の拡散係数比：Ｄｓ／Ｄｔは大きくなり、板状材料の長軸が厚さＴの方向と成す鋭角の角度θは９０°に近づく。
【００５３】
圧延に用いる金型に、所定の流体流路パターンのリブを設けておくことにより、焼成シートの２つの主面の少なくとも一方に、流体流路となる溝を形成してもよい。また、流体流路を形成する方法は、上記のようなプレス加工に限らず、圧延されたシートの主面の切削加工などによって流体流路を形成してもよい。
【００５４】
次に、ガス拡散層の厚さおよび酸素の拡散係数が、燃料電池のＶ−Ｉ特性に与える影響のシミュレーション結果について具体的に説明する。また、シミュレーション結果に基づいて設計されたガス拡散層を作製し、これを具備する燃料電池を組み立て、実証試験を行った結果についても説明する。
【００５５】
《第１シミュレーション》
一般的な酸素の拡散係数を有するガス拡散層を具備する燃料電池において、ガス拡散層の厚さを変化させたときのＶ−Ｉ特性とガス拡散層の厚さとの関係を調べた。ここでは、厚さ方向の酸素の拡散係数Ｄｔと面方向の酸素の拡散係数Ｄｓとが、Ｄｔ＝Ｄｓ＝２×１０-1ｃｍ2／ｓｅｃの場合を想定し、ガス拡散層の厚さを２００μｍ〜８０μｍの範囲で変化させた。ガス拡散層は、一次粒子径が５０ｎｍのカーボンブラック１００質量部とＰＴＦＥ１０質量部とで構成することを想定した。
【００５６】
ここでは、電解質膜として厚さ１５μｍのＮａｆｉｏｎ膜（ゴア社製）を用い、Ｐｔ微粒子を担持したカーボンブラックと高分子電解質であるＮａｆｉｏｎ（ゴア社製）とを含むカソード触媒層（触媒量：０．１ｍｇ／ｃｍ2）と、Ｐｔ微粒子を担持したカーボンブラックとＮａｆｉｏｎ（ゴア社製）とを含むアノード触媒層とを用いる場合を想定した。アノードに７０％の利用率となるように燃料ガスとして水素（露点５５℃、無加圧）を供給し、カソードに５０％の利用率となるように酸化剤ガスとして空気（露点６５℃、圧力７０ｋＰａ）を供給し、電流が一定に流れるように負荷制御装置を制御して、アノードおよびカソードの電極面積に対する電流密度を最大２．５Ａ／ｃｍ2となるよう定電流で負荷をかけた場合を想定した。結果を図３に示す。
【００５７】
図３より、厚さ２００μｍのガス拡散層に比べて、厚さ１５０μｍ以下のガス拡散層を用いる場合に優れたＶ−Ｉ特性が得られることが理解できる。一方、厚さ１００μｍの場合と厚さ８０μｍの場合とでは、Ｖ−Ｉ特性に差が生じていない。これは、厚さ方向における酸素の拡散係数Ｄｔが大きく、面方向におけるガス拡散性が不十分なためであると考えられる。
【００５８】
《第２シミュレーション》
図４に、複数の並走する流体流路に直交する方向に沿って、触媒層とガス拡散層（厚さ１００μｍ）との界面の酸素濃度の変化を求めた結果を示す。グラフＡは、図３の条件と同じく、Ｄｔ＝Ｄｓ＝２×１０-1ｃｍ2／ｓｅｃの場合を想定したときの結果であり、グラフＢは、Ｄｔ＝Ｄｓ／５＝４×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃの場合を想定したときの結果である。図４のグラフＡでは、流体流路に面する領域と面しない領域とで、酸素濃度指数に大きな差があるのに対し、グラフＢでは、酸素濃度指数の差が小さくなっている。一方、図５に、複数の並走する流体流路に直交する方向に沿って、触媒層とガス拡散層（厚さ２００μｍ）との界面の酸素濃度指数の変化を求めた結果を示す。図５のグラフＣは、図３の条件と同じく、Ｄｔ＝Ｄｓ＝２×１０-1ｃｍ2／ｓｅｃの場合を想定したときの結果である。グラフＣの酸素濃度指数の差は、グラフＢと同程度である。
【００５９】
図４および図５の傾向は、厚さが薄くなるほど、流体流路に面する領域と面しない領域とで、酸素濃度のバラツキが大きくなることを示唆している。図３においてガス拡散層の厚さ１００μｍの場合と厚さ８０μｍの場合とでＶ−Ｉ特性に差が生じていないのは、厚さ８０μｍの場合には、上記のような酸素濃度のバラツキが大きいためであると考えられる。このような傾向が得られる理由としては、ガス拡散層の流体流路に面する領域では、厚さ方向の拡散が優先的に起こるため、触媒層の酸素濃度が不均一になりやすいことが一因であると考えられる。触媒層の酸素濃度が不均一になると、発電性能の低下を招くものと考えられる。発電性能を向上させるには、厚さ方向よりも面方向の拡散性を向上させ、触媒層に均一に酸素を拡散させることが重要であると考えられる。
【００６０】
《第３シミュレーション》
図６に、ガス拡散層の厚さを８０μｍとし、Ｄｔ＝Ｄｓ／５＝４×１０-3ｃｍ2／ｓｅｃとしたこと以外、第１シミュレーションと同様に求めたＶ−Ｉ特性を示す。図６には、Ｄｔ＝Ｄｓ＝２×１０-1ｃｍ2／ｓｅｃの場合のＶ−Ｉ特性（Ｒｅｆ）も示す。図６より、酸素の拡散係数Ｄｔを従来の一般的な数値の１／５０にした場合でも、Ｄｔ＜Ｄｓ（Ｄｔ＝Ｄｓ／５）とすれば、より優れたＶ−Ｉ特性が得られることを示している。
【００６１】
《第４シミュレーション》
図７に、ガス拡散層の厚さを８０μｍとし、Ｄｔ＝Ｄｓ／５＝２×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃとしたこと以外、第１シミュレーションと同様に求めたＶ−Ｉ特性を示す。図７には、Ｄｔ＝Ｄｓ＝２×１０-1ｃｍ2／ｓｅｃの場合のＶ−Ｉ特性（Ｒｅｆ）も示す。図７は、良好なＶ−Ｉ特性を得るためには、酸素の拡散係数比：Ｄｓ／Ｄｔを大きくすることが重要であることや、酸素の拡散係数比：Ｄｓ／Ｄｔを適切に制御できれば、酸素の拡散係数Ｄｔが１０倍程度変化してもＶ−Ｉ特性に大きな差が生じないことを示している。
【００６２】
《第５シミュレーション》
図８に、ガス拡散層の厚さを１５０μｍとし、Ｄｔ＝Ｄｓ＝６．０×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃとし、面積あたりの触媒量を４倍（触媒量：０．４ｍｇ／ｃｍ2）としたこと以外、第１シミュレーションと同様に求めたＶ−Ｉ特性（実線）を示す。また、図８には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数Ｄｔ＝Ｄｓを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのＶ−Ｉ特性を破線で示す。
【００６３】
《第６シミュレーション》
図９に、ガス拡散層の厚さを１００μｍとし、Ｄｔ＝Ｄｓ＝６．０×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃとし、面積あたりの触媒量を４倍（触媒量：０．４ｍｇ／ｃｍ2）としたこと以外、第１シミュレーションと同様に求めたＶ−Ｉ特性（実線）を示す。また、図９には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数Ｄｔ＝Ｄｓを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのＶ−Ｉ特性を破線で示す。
【００６４】
《第７シミュレーション》
図１０に、ガス拡散層の厚さを８０μｍとし、Ｄｔ＝Ｄｓ＝６．０×１０-2ｃｍ2／ｓｅｃとし、面積あたりの触媒量を４倍（触媒量：０．４ｍｇ／ｃｍ2）としたこと以外、第１シミュレーションと同様に求めたＶ−Ｉ特性（実線）を示す。また、図１０には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数Ｄｔ＝Ｄｓを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのＶ−Ｉ特性を破線で示す。
【００６５】
図８〜１０は、シミュレーションで得られたＶ−Ｉ特性と実測されたＶ−Ｉ特性とが高精度で一致することを示している。このことは、シミュレーションに用いた計算ソフトの信頼性の高さを示している。計算ソフトは、本発明者らが既に述べたアルゴリズムに従って独自にプログラミングしたものである。図１１に、図８、９および１０において破線で示したＶ−Ｉ特性（実測データ）を重ねて表示する。
【００６６】
《第８シミュレーション》
図１２に、ガス拡散層の厚さを１００μｍとし、Ｄｔ＝Ｄｓ／５＝１．２×１０-３ｃｍ2／ｓｅｃとし、面積あたりの触媒量を４倍（触媒量：０．４ｍｇ／ｃｍ2）としたこと以外、第１シミュレーションと同様に求めたＶ−Ｉ特性（実線）を示す。また、図１２には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数ＤｔおよびＤｓを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのＶ−Ｉ特性を破線で示す。ここでは、Ｖ−Ｉ特性を実際に測定するためのガス拡散層に鱗片状黒鉛を７．５質量％含有させることにより、ＤｔおよびＤｓを所望の数値に制御した。
【００６７】
《第９シミュレーション》
図１３に、ガス拡散層の厚さを１００μｍ、８０μｍまたは５０μｍとし、Ｄｔ＝Ｄｓ／５＝１．２×１０-3ｃｍ2／ｓｅｃとし、面積あたりの触媒量を４倍（触媒量：０．４ｍｇ／ｃｍ2）としたこと以外、第１シミュレーションと同様に求めたＶ−Ｉ特性を示す。ここでも、ガス拡散層に鱗片状黒鉛を７．５質量％含有させた場合を想定した。図１３より、Ｄｔを小さくするとともに、ガス拡散層の厚さをより小さくすることで、Ｖ−Ｉ特性が大きく向上することが理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によれば、優れた発電性能を有する燃料電池を得ることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  セル
２  アノード
３  カソード
４  電解質膜
５  膜電極接合体（ＭＥＡ）
６  アノード触媒層
１０  アノードセパレータ
７  アノードガス拡散層
８  カソード触媒層
１１  カソードセパレータ
９  カソードガス拡散層
１４, １５  ガスケット
１２  燃料流路
１３  酸化剤流路
１６,１７  集電板
１８,１９  端板
２０  板状粒子
２０ｔ  長軸の端部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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