(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性粒子とバインダー樹脂を主成分とする多孔質層と、
前記多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路と、
導電性繊維が複数集合して層状となっており、前記一方の主表面及び前記流体流路の表面の形状に沿って延在し、細孔を有する導電線部と、
を備え、
前記導電性繊維の長さは流体流路の深さより小さく、かつ、流体流路の最小幅より小さいことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記導電線部は前記導電性繊維同士を結着させるバインダー樹脂を備え、
前記導電線部を構成する部材の接触角は１３０度以上である請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
前記流体流路の深さ方向の中央部における前記流体流路の幅は、０．１〜１．０ｍｍであり、
前記導電性繊維はカーボンナノチューブである請求項１又は２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記多孔質層における前記導電性粒子の比率を５０ｗｔ％以上にし、
前記導電線部における前記導電性繊維の比率を７０ｗｔ％以上にした、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
前記導電線部の密度を前記多孔質層の密度よりも小さくした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
前記導電線部は、前記導電性粒子よりも導電率が高い材料で構成された請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項７】
電解質膜、前記電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び前記電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記カソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備え、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
少なくとも導電性粒子を含有する多孔質シートを用意する工程と、
前記多孔質シートの一方の主表面に、導電性繊維の層を形成する工程と、
前記多孔質シート及び前記導電性繊維の層を加熱及び加圧して変形させ、一方の主表面に溝状の流体流路を有する多孔質層を形成するとともに、前記導電性繊維の層で構成され前記多孔質層の前記一方の主表面と前記流体流路の表面に沿って延在し、細孔を有する導電線部を形成する工程と、
を含み、
前記導電性繊維の長さは流体流路の深さより小さく、かつ、流体流路の最小幅より小さいことを特徴とす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、燃料電池用ガス拡散層と、燃料電池用ガス拡散層を有する燃料電池と、燃料電池用ガス拡散層の製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を備えるため、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、また大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。【０００３】
特許文献１には、高分子電解質膜の両面に触媒層、ガス拡散層、及びセパレータが順に積層された燃料電池が開示されている。当該燃料電池のガス拡散層は、導電性カーボンシートで構成され、セパレータと当接する表面に流体流路を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第１１／０４５８８９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、上述した燃料電池について鋭意研究を重ねた結果、従来の燃料電池のガス拡散層には、ガス拡散層における導電性の向上を図る余地があることを認識するに至った。【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池用ガス拡散層における導電性の向上を図る技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、燃料電池用ガス拡散層である。当該燃料電池用ガス拡散層は、少なくとも導電性粒子を含有する多孔質層と、多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路と、導電性繊維が複数集合して層状となっており、一方の主表面及び流体流路の表面の形状に沿って延在し、細孔を有する導電線部と、を備える。【０００８】
本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜、電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、膜電極接合体のカソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備える。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方は、上記態様の燃料電池用ガス拡散層で構成される。【０００９】
本発明の他の態様は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法である。当該燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、少なくとも導電性粒子を含有する多孔質シートを用意する工程と、多孔質シートの一方の主表面に、導電性繊維の層を形成する工程と、多孔質シート及び導電性繊維の層を加熱及び加圧して変形させ、一方の主表面に溝状の流体流路を有する多孔質層を形成するとともに、導電性繊維の層で構成され多孔質層の一方の主表面と流体流路の表面に沿って延在し、細孔を有する導電線部を形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池用ガス拡散層における導電性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、導電線部の構造の一例を模式的に示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、導電線部の構造の他の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｂ）は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法の他の一例を模式的に示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１３】
図１は、実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。なお、図１では導電線部２６，４６の図示を省略している。本実施の形態の燃料電池１は、略平板状の膜電極接合体１０と、燃料電池用ガス拡散層としてのアノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０とを備える。以下、アノードガス拡散層２０とカソードガス拡散層４０とを区別しない場合には、まとめて燃料電池用ガス拡散層と称する。アノードガス拡散層２０とカソードガス拡散層４０とは、膜電極接合体１０を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。また、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０それぞれの膜電極接合体１０とは反対の主表面側には、セパレータ２，４が設けられる。本実施の形態では、一組の膜電極接合体１０、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０を示すが、セパレータ２，４を介して複数組が積層され、燃料電池スタックが構成されてもよい。
【００１４】
膜電極接合体１０は、電解質膜１２、電解質膜１２の一方の面側に配置されるアノード触媒層１４、及び電解質膜１２の他方の面側に配置されるカソード触媒層１６で構成される。
【００１５】
電解質膜１２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード触媒層１４とカソード触媒層１６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２は、例えば含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成される。電解質膜１２の材料としては、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例としては、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２等が挙げられる。非フッ素重合体の例としては、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトンやポリスルホン等が挙げられる。電解質膜１２の厚さは、例えば１０μｍ以上２００μｍ以下である。
【００１６】
アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６は、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を有する。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜１２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜１２と同様の高分子材料から形成することができる。触媒粒子としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。また、炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等を用いることができる。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６の厚さは、それぞれ、例えば１０μｍ以上４０μｍ以下である。
【００１７】
アノードガス拡散層２０は、膜電極接合体１０のアノード触媒層１４側に配置される。アノードガス拡散層２０は、多孔質層２２と、流体流路２４と、導電線部２６とを有する。アノードガス拡散層２０の厚さは、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００１８】
多孔質層２２は、導電性繊維及び導電性粒子の少なくとも一方を含有し（「少なくとも導電性粒子を含有する」と言うこともできる）、多数の微細な空孔を有する層である。また、多孔質層２２は、含有する導電性繊維及び／又は導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有する。多孔質層２２の厚さは、例えば４０μｍ以上４９０μｍ以下である。
【００１９】
導電性繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーや、金属繊維、あるいは炭素で被覆された金属繊維などの金属と炭素の複合材料等を用いることができる。導電性繊維の長さは、３０μm以上であることが好ましい。導電性繊維の長さが３０μｍ以上とすることで、導電性繊維同士の接触点の増加を抑えて、多孔質層２２の導電性及び引張強度の低下を抑制することができる。また、導電性繊維の長さを３０μｍ以上とすることで、多孔質層２２に所望のガス拡散性をより確実に付与することができる。
【００２０】
導電性繊維の長さの測定方法は以下の通りである。すなわち、まず多孔質層が切断されて断面が形成される。当該断面が研磨された後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面が撮像される。そして、得られた断面の画像において、導電性繊維の長さが測定される。また、他の測定方法としては以下の方法を挙げることができる。すなわち、多孔質層の一部が切り出され、当該一部が熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒に投入される。これにより、多孔質層２２中の熱可塑性樹脂が溶解される。そして、ろ過などの公知の操作により、互いに分離された導電性繊維が溶媒中から回収される。分離された導電性繊維が無作為に例えば４００本抽出され、光学顕微鏡もしくはＳＥＭを用いて各導電性繊維の長さが測定される。導電性繊維を分離する方法としては、熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒を用いない方法を採用することもできる。この方法では、切り出された多孔質層２２の一部が、例えば温度５００℃で３０分間加熱される。これにより、熱可塑性樹脂が焼き飛ばされて、導電性繊維が分離される。
【００２１】
導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛などのカーボン粒子や、金属粒子等を用いることができる。導電性粒子の平均粒子径は、例えば一次粒子で０．０１μm以上５０μm以下である。バインダー樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、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）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等のフッ素系樹脂を用いることができる。
【００２２】
流体流路２４は、溝状の形状を有し、多孔質層２２の一方の主表面２２ａに設けられる。流体流路２４は、多孔質層２２の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路２４は、セパレータ２側に配置され、燃料ガスの流路として機能する。水素ガス等の燃料ガスは、燃料供給用のマニホールド（図示せず）から流体流路２４に分配され、流体流路２４から多孔質層２２を経て、膜電極接合体１０のアノード触媒層１４に供給される。流体流路２４の寸法は、例えば、深さが３０μｍ以上４５０μｍ以下、幅が１００μｍ以上１０００μｍ以下、隣り合う流体流路２４間の距離が１００μｍ以上１０００μｍ以下である。なお、本実施の形態では、流体流路２４は５つ設けられているが、その数は特に限定されず、アノードガス拡散層２０や流体流路２４の大きさ等に応じて適宜設定することができる。
【００２３】
導電線部２６は、多孔質層２２の一方の主表面２２ａ及び流体流路２４の表面の形状に沿って延在する。導電線部２６は、アノード触媒層１４において発生する電子の、アノード触媒層１４からセパレータ２への導電経路として機能する。導電線部２６が設けられることで、アノードガス拡散層２０の導電性を向上させることができる。導電線部２６の厚さは、例えば１μｍ以上４０μｍ以下である。
【００２４】
導電線部２６は、アノードガス拡散層２０におけるガス拡散性の低下を抑制するために、多孔質層２２の主表面２２ａ及び流体流路２４の表面を部分的に被覆するように設けられる。図３（Ａ）は、導電線部の構造の一例を模式的に示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、導電線部の構造の他の一例を模式的に示す断面図である。例えば図３（Ａ）に示すように、導電線部２６は、複数の導電線が網状に結合してなるメッシュ状部材２８で構成される。メッシュ状部材２８を構成する材料としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーや、金属繊維、あるいは炭素で被覆された金属繊維などの金属と炭素の複合材料等を用いることができる。導電線部２６をメッシュ状部材２８で構成することで、アノードガス拡散層２０におけるガス拡散性の低下を抑制しながら、アノードガス拡散層２０における電気伝導度を向上させることができる。
【００２５】
また、例えば図３（Ｂ）に示すように、導電線部２６は、導電性繊維３０で構成される。導電性繊維３０としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーや、金属繊維、あるいは炭素で被覆された金属繊維などの金属と炭素の複合材料等を用いることができる。図３（Ｂ）に示す例では、多孔質層２２は導電性粒子とバインダー樹脂とを主成分とする層であり、多孔質層２２の主表面に導電性繊維３０の層が形成されている。導電性繊維３０の層は、個々の導電性繊維（導電線）が複数集合して層状となったものであり、層内に多数の微細な細孔を有する。このため、アノードガス拡散層２０におけるガス拡散性の低下を抑制しながら、アノードガス拡散層２０における電気伝導度を向上させることができる。
【００２６】
図３（Ｂ）の導電線部２６を構成する導電性繊維３０の長さは流体流路２４の深さより小さく、かつ、流体流路２４の最小幅（例えば、図２における底面２４ｂの長さ）より小さいのが好ましい。これにより、流体流路２４の深さや幅が微小である場合や、リブ部（隣り合う流体流路２４の間に形成される凸部）の高さや幅が微小である場合であっても、設計に基づいた所望の形状（流体流路やリブ部の表面に沿う形状）をした導電線部２６を形成することが可能となる。また、導電性繊維３０が絡まり合うことによって引き起こされる、導電線部２６の性状(均質分布性・ガス拡散性)が変ることを抑制することができる。また、図３（Ｂ）の導電線部２６は導電性繊維同士を結着させるバインダー樹脂を備え、導電線部２６の接触角は１３０度以上であり、導電線部２６は撥水性を有しているのが好ましい。これにより、導電線部２６における生成水詰まりが抑制されるため、ガス拡散性能が向上している。バインダー樹脂としては多孔質層２２の説明で挙げたものを用いることができる。
【００２７】
図３（Ｂ）の構成における他の特徴について以下に説明する。導電線部２６の密度は多孔質層２２の密度よりも小さいのが好ましい。これにより、アノードガス拡散層２０の表面付近におけるガス拡散性の低下を抑制することができる。また、多孔質層２２における導電性粒子の比率は５０ｗｔ％以上とするのが好ましい。これにより、微細なリブ部を加工成型（製造方法については後述する）することが可能となる。また、導電線部２６における導電性繊維３０の比率は７０ｗｔ％以上とするのが好ましい。これにより、流体流路２４の表面形状に沿う方向の電気抵抗を低減することができる。
【００２８】
図３（Ｂ）の構成において、流体流路２４の深さ方向の中央部における流体流路２４の幅は、０．１〜１．０ｍｍであるのが好ましい。当該流体流路２４の幅が０．１ｍｍ未満であると流体流路での水つまりが発生しやすくなるという問題が発生し、１．０ｍｍを超えると流体流路２４同士の距離も長くする必要があるため流体流路２４間のガス拡散性が低下するという問題が発生するからである。また、導電性繊維３０としてカーボンナノチューブを用いるのが好ましい。カーボンナノチューブは形状加工性が良好であり、導電線部２６の低抵抗特性が得られるという有利な効果を奏することができるからである。
【００２９】
導電線部２６は、多孔質層２２に含まれる導電性繊維及び導電性粒子よりも導電率が高い材料、例えば金（Ａｕ）等で構成されることがより好ましい。これにより、アノードガス拡散層２０の導電性をより一層向上させることができる。なお、多孔質層２２が導電性繊維を含む場合には、この導電性繊維が、導電線部２６を構成する導電性繊維３０として兼用されてもよい。この場合、導電線部２６を設けることによる部品点数や製造工程数の増加を回避することができる。
【００３０】
流体流路２４の表面は、底面２４ｂと、底面２４ｂを挟んで位置する２つの側面２４ａとを含む。導電線部２６は、複数の導電線の少なくとも一部が、少なくとも一方の側面２４ａにおいて、底面２４ｂと多孔質層２２の主表面２２ａとを結ぶ方向に延在することが好ましい。また、導電線部２６の導電線は、流体流路２４の側面２４ａにおいて、流体流路２４の底面２４ｂから多孔質層２２の主表面２２ａに向けて延在することが好ましい。さらに、導電線部２６の導電線は、側面２４ａにおいて底面２４ｂから主表面２２ａにかけて延在することが好ましい。ここで、多孔質層２２の主表面２２ａは、アノードガス拡散層２０のセパレータ２に接する領域である。また、流体流路２４の底面２４ｂは、流体流路２４の最深部を含む所定幅の領域、あるいは主表面２２ａと略平行な領域である。流体流路２４の側面２４ａは、主表面２２ａと底面２４ｂとの間の領域である。
【００３１】
アノードガス拡散層２０は、多孔質層２２の主表面２２ａにおいてセパレータ２に接触し、流体流路２４の底面２４ｂ及び側面２４ａはセパレータ２に接触しない。このため、アノードガス拡散層２０のセパレータ２と非接触の部分、特に、膜電極接合体１０とセパレータ２との間で流体流路２４の底面２４ｂが介在する領域において、電子の移動が阻害される。これに対し、流体流路２４の側面２４ａに導電線部２６を設けて、底面２４ｂと多孔質層２２の主表面２２ａとを電気的に接続することで、流体流路２４の底面２４ｂから多孔質層２２の主表面２２ａまでの導電経路の抵抗を小さくすることができる。よって、アノードガス拡散層２０の導電性をより効率よく向上させることができる。
【００３２】
また、導電線部２６は、複数の導電線の少なくとも一部が、流体流路２４の底面２４ｂにおいて、底面２４ｂと側面２４ａとを結ぶ方向に延在することが好ましい。また、導電線部２６の導電線は、流体流路２４の底面２４ｂにおいて、両側の側面２４ａに向けて延在することが好ましい。さらに、導電線部２６の導電線は、底面２４ｂにおいて一方の側面２４ａから他方の側面２４ａにかけて延在することが好ましい。これにより、流体流路２４の底面２４ｂから側面２４ａまでの導電経路の抵抗を小さくすることができる。したがって、流体流路２４の底面２４ｂ側から多孔質層２２の主表面２２ａ側へ電子をより流れやすくすることができる。よって、アノードガス拡散層２０の導電性をより効率よく向上させることができる。
【００３３】
また、導電線部２６は、複数の導電線の少なくとも一部が、多孔質層２２の主表面２２ａにおいて、主表面２２ａと流体流路２４の側面２４ａとを結ぶ方向に延在することが好ましい。また、導電線部２６の導電線は、多孔質層２２の主表面２２ａにおいて、流体流路２４の側面２４ａに向けて延在することが好ましい。さらに、導電線部２６の導電線は、主表面２２ａにおいて一方の側面２４ａから他方の側面２４ａにかけて延在することが好ましい。これにより、流体流路２４の側面２４ａから主表面２２ａまでの導電経路の抵抗を小さくすることができる。したがって、流体流路２４の底面２４ｂ側から多孔質層２２の主表面２２ａ側へ電子を流れやすくすることができる。よって、アノードガス拡散層２０の導電性をより効率よく向上させることができる。
【００３４】
導電線部２６がメッシュ状部材２８で構成される場合、一部材で構成される導電線が流体流路２４の底面２４ｂから側面２４ａを経て多孔質層２２の主表面２２ａまで延在する（図２では、導電線部２６として、一本の導電線の断面が図示されていると解釈することができる）。このため、アノードガス拡散層２０の導電性をより効率よく向上させることができる。
【００３５】
図１，２に示すように、カソードガス拡散層４０は、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６側に配置される。カソードガス拡散層４０は、多孔質層４２と、流体流路４４と、導電線部４６とを有する。カソードガス拡散層４０の厚さは、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００３６】
多孔質層４２は、導電性繊維及び導電性粒子の少なくとも一方を含有する（「少なくとも導電性粒子を含有する」と言うこともできる）。多孔質層４２の構成は、アノードガス拡散層２０の多孔質層２２と同様であるため、詳細な説明は省略する。流体流路４４は、溝状の形状を有し、多孔質層４２の一方の主表面４２ａに設けられる。流体流路４４は、多孔質層４２の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路４４は、セパレータ４側に配置され、酸化剤ガスの流路として機能する。空気等の酸化剤ガスは、酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）から流体流路４４に分配され、流体流路４４から多孔質層４２を経て、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６に供給される。また、流体流路４４は、カソード触媒層１６で生成される水の排水路としても機能する。流体流路４４の寸法、設置数等は、アノードガス拡散層２０の流体流路２４と同様である。
【００３７】
導電線部４６は、多孔質層４２の一方の主表面４２ａ及び流体流路４４の表面の形状に沿って延在する。導電線部４６は、アノード触媒層１４側から移動してきた電子の、セパレータ４からカソード触媒層１６への導電経路として機能する。導電線部４６が設けられることで、カソードガス拡散層４０の導電性を向上させることができる。導電線部４６の厚さは、例えば１μｍ以上４０μｍ以下である。
【００３８】
導電線部４６は、カソードガス拡散層４０におけるガス拡散性の低下を抑制するために、多孔質層４２の主表面４２ａ及び流体流路４４の表面を部分的に被覆するように設けられる。例えば、図３（Ａ）に示すように、導電線部４６は、導電性のメッシュ状部材２８で構成される。また、例えば図３（Ｂ）に示すように、導電線部４６は、導電性繊維３０で構成される。これらにより、カソードガス拡散層４０におけるガス拡散性の低下の抑制と電気伝導度の向上とを両立することができる。図３（Ｂ）の導電線部４６は、図３（Ｂ）の導電線部２６と同様の特徴（例えば、導電性繊維の長さ、接触角、密度、導電性繊維の比率）を備えることができる。また、図３（Ｂ）の多孔質層４２は、図３（Ｂ）の多孔質層２２と同様の特徴（例えば、導電性粒子の比率）を備えることができる。なお、導電線部４６は、多孔質層４２に含まれる導電性繊維及び導電性粒子よりも導電率が高い材料で構成されることがより好ましい。また、多孔質層４２が導電性繊維を含む場合には、この導電性繊維が、導電線部４６を構成する導電性繊維３０として兼用されてもよい。
【００３９】
アノードガス拡散層２０における導電線部２６と同様に、導電線部４６は、複数の導電線の少なくとも一部が、少なくとも一方の側面４４ａにおいて、底面４４ｂと多孔質層４２の主表面４２ａとを結ぶ方向に延在することが好ましい。また、導電線は、流体流路４４の側面４４ａにおいて、流体流路４４の底面４４ｂから多孔質層４２の主表面４２ａに向けて延在することが好ましい。さらに、導電線は、側面４４ａにおいて底面４４ｂから主表面４２ａにかけて延在することが好ましい。
【００４０】
また、導電線部４６は、複数の導電線の少なくとも一部が、流体流路４４の底面４４ｂにおいて、底面４４ｂと側面４４ａとを結ぶ方向に延在することが好ましい。また、導電線は、流体流路４４の底面４４ｂにおいて、両側の側面４４ａに向けて延在することが好ましい。さらに、導電線は、底面４４ｂにおいて一方の側面４４ａから他方の側面４４ａにかけて延在することが好ましい。
【００４１】
また、導電線部４６は、複数の導電線の少なくとも一部が、多孔質層４２の主表面４２ａにおいて、主表面４２ａと流体流路４４の側面４４ａとを結ぶ方向に延在することが好ましい。また、導電線は、多孔質層４２の主表面４２ａにおいて、流体流路４４の側面４４ａに向けて延在することが好ましい。さらに、導電線は、主表面４２ａにおいて一方の側面４４ａから他方の側面４４ａにかけて延在することが好ましい。多孔質層４２の主表面４２ａ、流体流路４４の側面４４ａ及び底面４４ｂの定義は、多孔質層２２の主表面２２ａ、流体流路２４の側面２４ａ及び底面２４ｂと同様である。これらにより、導電線部２６の場合と同様に、カソードガス拡散層４０の導電性をより効率よく向上させることができる。
【００４２】
なお、アノード触媒層１４とアノードガス拡散層２０とが積層された構造をアノードと称し、カソード触媒層１６とカソードガス拡散層４０とが積層された構造をカソードと称する場合がある。
【００４３】
上述した固体高分子形の燃料電池１では、以下の反応が起こる。すなわち、アノードガス拡散層２０を介してアノード触媒層１４に燃料ガスとしての水素ガスが供給されると、アノード触媒層１４において下記式（１）で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子に分解される。プロトンは、電解質膜１２中をカソード触媒層１６側へ移動する。電子は、アノードガス拡散層２０及びセパレータ２を経由して外部回路（図示せず）に移動し、外部回路からセパレータ４及びカソードガス拡散層４０を経由してカソード触媒層１６に流れ込む。一方、カソードガス拡散層４０を介してカソード触媒層１６に酸化剤ガスとしての空気が供給されると、カソード触媒層１６において下記式（２）で示す反応が起こり、空気中の酸素がプロトン及び電子と反応して水になる。この結果、外部回路においてアノードからカソードに向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
アノード触媒層１４：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−      （１）
カソード触媒層１６：２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ      （２）
【００４４】
（燃料電池用ガス拡散層の製造工程）
続いて、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法の一例について説明する。図４（Ａ）〜図４（Ｄ）及び図５（Ａ）〜図５（Ｂ）は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。この例では、メッシュ状部材２８を用いて導電線部２６が形成される。また、ここでは、アノードガス拡散層２０を例に、燃料電池用ガス拡散層の製造方法を説明する。
【００４５】
まず、図４（Ａ）に示すように、多孔質シート２１を用意する。多孔質シート２１は、導電性繊維及び／又は導電性粒子（「少なくとも導電性粒子」と言うこともできる）と、バインダー樹脂とを含有するシートである。次に、図４（Ｂ）に示すように、多孔質シート２１を第１金型７０と第２金型７２との間に配置する。第１金型７０には、流体流路２４の形状に対応する凸部７４が設けられている。凸部７４と対向する第２金型７２の表面は、平坦である。
【００４６】
次に、図４（Ｃ）に示すように、第１金型７０と第２金型７２とを型閉じし、多孔質シート２１を、所定の温度及び圧力で加熱及び加圧する。成型時の温度及び圧力は、例えば２〜３ＭＰａ、１００〜２００℃である。これにより、多孔質シート２１が凸部７４の形状に合わせて変形する。所定時間の経過後、第１金型７０と第２金型７２とを型開きする。この結果、図４（Ｄ）に示すように、一方の主表面２２ａに流体流路２４を有する多孔質層２２が形成される。
【００４７】
続いて、図５（Ａ）に示すように、多孔質層２２の主表面２２ａと流体流路２４の表面（すなわち、図２に示す側面２４ａ及び底面２４ｂ）とに、メッシュ状部材２８を被覆する。好ましくは、メッシュ状部材２８を多孔質層２２の主表面２２ａと流体流路２４の表面とに沿うように敷設した後、加熱及び加圧して多孔質層２２と導電線部２６とを圧着する。以上の工程により、図５（Ｂ）に示すように、一方の主表面２２ａに流体流路２４が形成された多孔質層２２と、多孔質層２２の主表面２２ａと流体流路２４の表面とに沿って延在する導電線部２６とを備えるアノードガス拡散層２０が得られる。
【００４８】
さらに、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法の他の一例について説明する。図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法の他の一例を模式的に示す工程断面図である。この例では、導電性繊維３０を用いて導電線部２６が形成される。また、ここでは、アノードガス拡散層２０を例に、燃料電池用ガス拡散層の製造方法を説明する。
【００４９】
まず、図６（Ａ）に示すように、多孔質シート２１を用意する。多孔質シート２１は、導電性繊維及び／又は導電性粒子（「少なくとも導電性粒子」と言うこともできる）と、バインダー樹脂とを含有するシートである。また、導電性繊維３０とバインダー樹脂とのスラリーを用意する。そして、当該スラリーを、多孔質シート２１の一方の主表面２１ａに塗布する。スラリーの塗布方法としては、ロールコート法やスプレー塗布法等の従来公知の方法を用いることができる。この結果、多孔質シート２１の主表面２１ａに、導電性繊維３０の層が形成される。
【００５０】
次に、図６（Ｂ）に示すように、多孔質シート２１を第１金型７０と第２金型７２との間に配置する。多孔質シート２１は、導電性繊維３０の層が第１金型７０側を向くように配置される。第１金型７０には、流体流路２４の形状に対応する凸部７４が設けられている。凸部７４と対向する第２金型７２の表面は、平坦である。
【００５１】
次に、図６（Ｃ）に示すように、第１金型７０と第２金型７２とを型閉じし、多孔質シート２１及び導電性繊維３０の層を、所定の温度及び圧力で加熱及び加圧する。成型時の温度及び圧力は、例えば３〜４ＭＰａ、１００〜２００℃である。これにより、多孔質シート２１及び導電性繊維３０の層が凸部７４の形状に合わせて変形する。多孔質シート２１における導電性粒子の比率は５０ｗｔ％以上とするのが好ましい。これにより、微細なリブ部を加工成型することが可能となる。所定時間の経過後、第１金型７０と第２金型７２とを型開きする。以上の工程により、図６（Ｄ）に示すように、一方の主表面２２ａに流体流路２４を有する多孔質層２２と、多孔質層２２の主表面２２ａと流体流路２４の表面とに沿って延在する導電線部２６とを備えるアノードガス拡散層２０が得られる。個々の導電性繊維３０の長さは流体流路２４の深さより小さく、かつ、流体流路２４の最小幅より小さいのが好ましい。これにより、設計に基づいた所望の形状をした導電線部２６を形成することが可能となる。
【００５２】
なお、多孔質層２２に含まれる導電性繊維を用いて導電線部２６を形成する場合には、例えば次のようにしてアノードガス拡散層２０を製造することができる。すなわち、まず導電性繊維とバインダー樹脂とを含有する多孔質シートを用意する。当該多孔質シートは、導電性粒子を含有していてもよいが、少なくとも一方の主表面側は導電性繊維とバインダー樹脂のみからなることが好ましい。そして、上述した製造方法と同様に、第１金型７０と第２金型７２との間に多孔質シートをセットして型閉じし、多孔質シートを加熱及び加圧する。これにより、多孔質シートに流体流路２４が形成されると同時に、導電線部２６が形成される。以上の工程により、導電性繊維が多孔質層２２と導電線部２６とで兼用されるアノードガス拡散層２０を製造することができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、多孔質層２２，４２と、流体流路２４，４４と、多孔質層２２，４２の主表面２２ａ，４２ａ及び流体流路２４，４４の表面の形状に沿って延在する導電線部２６，４６とを備える。このように、燃料電池用ガス拡散層のセパレータ側のアウトラインに平行な導電線部２６，４６が設けられることで、燃料電池用ガス拡散層の導電性を向上させることができ、これにより燃料電池用ガス拡散層を介したセパレータ２，４と膜電極接合体１０との間の電気伝導度が向上する。このため、燃料電池１の性能を向上させることができる。また、導電線部２６，４６を設けることで、燃料電池用ガス拡散層の熱伝導度も向上させることができ、この点からも、燃料電池１の性能を向上させることができる。
【００５４】
さらに、燃料電池用ガス拡散層の電気伝導度を向上させることができることで、燃料電池用ガス拡散層の形状設計の自由度を高めることができる。例えば、流体流路２４，４４の深さを浅くして幅を拡大しようとする場合、隣り合う流体流路２４同士、あるいは流体流路４４同士の間隔が小さくなる。この結果、燃料電池用ガス拡散層とセパレータ２，４との間の電気伝導度が低下する。一方、燃料電池用ガス拡散層とセパレータ２，４との間の電気伝導度を低下させないようにするためには、隣り合う流体流路２４同士，あるいは流体流路４４同士の間隔を大きくすることが考えられる。しかしながら、当該間隔を大きくすると流体流路２４，４４の断面積が小さくなり、流体流路２４，４４における圧力損失の増大を招く。
【００５５】
一方、流体流路２４，４４における圧力損失の増大を抑制しようとすると、流体流路２４，４４の断面積を確保するために、流体流路２４，４４の深さを深くする必要がある。流体流路２４，４４の深さを増大させると、燃料電池用ガス拡散層の薄型化を図ることが困難になる。これらに対し、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、電気伝導度を向上させることができる。このため、流体流路２４，４４の深さを浅くして幅を拡大し、隣り合う流体流路２４同士、あるいは流体流路４４同士の間隔を小さくしても、燃料電池用ガス拡散層とセパレータ２，４との電気伝導度の低下を抑制することができる。これにより、燃料電池用ガス拡散層の電気抵抗を増大させることなく、また加圧された導入ガスの圧力損失を増大させることなく、燃料電池用ガス拡散層を薄型化することができ、ひいては燃料電池１自体の体積を削減することができる。
【００５６】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００５７】
上述した実施の形態では、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０がともに、多孔質層２２，４２と、流体流路２４，４４と、導電線部２６，４６とを含む構成を有する。しかしながら、特にこれに限定されず、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０のいずれか一方のみが上述した構成を有していてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１  燃料電池、  １０  膜電極接合体、  １２  電解質膜、  １４  アノード触媒層、１６  カソード触媒層、  ２０  アノードガス拡散層、  ２１  多孔質シート、  ２２，４２  多孔質層、  ２４，４４  流体流路、  ２６，４６  導電線部、  ２８  メッシュ状部材、  ３０  導電性繊維、  ４０  カソードガス拡散層。
【図１】
0006611056.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006611056.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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