(57)【要約】第１多孔質層（４２）は、一方の主表面において開口した溝状の流体流路（４４）を有する。第２多孔質層（４６）は、第１多孔質層（４２）の他方の主表面側に配置される。ここで、第１多孔質層（４２）の断面における単位面積あたりの導電性繊維（２８）の占有面積率は、第２多孔質層（４６）の断面における導電性繊維（２８）の占有面積率よりも小さい。また、流体流路（４４）の表面の一部において第２多孔質層（４６）が露出している。
2016051633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主表面において開口した溝状の流体流路を有する第１多孔質層と、
前記第１多孔質層の他方の主表面側に配置される第２多孔質層とを備え、
前記第１多孔質層の断面における単位面積あたりの導電性繊維の占有面積率が前記第２多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さく、
前記流体流路の表面の一部において前記第２多孔質層が露出していることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記第１多孔質層の一方の主表面側から投影した場合において、前記第１多孔質層と前記第２多孔質層とが重なった部分の投影面積は、前記第２多孔質層が露出した部分の投影面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
電解質膜、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソード触媒層、及び前記電解質膜の他方の面に設けられたアノ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または２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４】
第１多孔質シートと第２多孔質シートとを重ね合わせてから加熱及び加圧するステップと、
前記第１多孔質シートの一方の主表面において開口した溝状の流体流路であって、かつ表面の一部において前記第２多孔質シートが露出した流体流路を形成するステップとを備え、
前記形成するステップにおいて流体流路が形成された前記第１多孔質シートの断面における単位面積あたりの導電性繊維の占有面積率は、前記第２多孔質シートの断面における当該占有面積率よりも小さいことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の形成方法。
【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形成方法とに関する。
【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よ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、排水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排水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】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用ガス拡散層は、一方の主表面において開口した溝状の流体流路を有する第１多孔質層と、第１多孔質層の他方の主表面側に配置される第２多孔質層とを備える。第１多孔質層の断面における単位面積あたりの導電性繊維の占有面積率が第２多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さく、流体流路の表面の一部において第２多孔質層が露出している。【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に設けられたアノード触媒層、及び電解質膜の他方の面に設けられた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、上述した態様の燃料電池用ガス拡散層で構成される。【０００９】
本発明の別の態様は、燃料電池用ガス拡散層の形成方法である。この方法は、第１多孔質シートと第２多孔質シートとを重ね合わせてから加熱及び加圧するステップと、第１多孔質シートの一方の主表面において開口した溝状の流体流路であって、かつ表面の一部において第２多孔質シートが露出した流体流路を形成するステップとを備える。形成するステップにおいて流体流路が形成された第１多孔質シートの断面における単位面積あたりの導電性繊維の占有面積率は、第２多孔質シートの断面における当該占有面積率よりも小さい。
【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排水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】燃料電池用ガス拡散層の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｂ）は、変形例に係る燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｂ）は、他の変形例に係る燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。
【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。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の一方の面に設けられたアノード触媒層１４、及び電解質膜１２の他方の面に設けられたカソード触媒層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。また、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、第１多孔質層２２と、流体流路２４と、第２多孔質層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】
図３は、燃料電池用ガス拡散層の構造を模式的に示す断面図である。第１多孔質層２２は、複数の導電性粒子、及び当該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。図３では、導電性粒子とバインダー樹脂とを描き分けておらず、両者が混合された状態を図示している。
【００１９】
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。第１多孔質層２２の厚さは、例えば３０μｍ以上３００μｍ以下である。
【００２０】
第２多孔質層２６は、第１多孔質層２２の他方の主表面側、すなわち、アノード触媒層１４側の主表面側に配置される。第２多孔質層２６は、長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維２８、及び熱可塑性樹脂３０を含有する。導電性繊維２８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、金属繊維等を用いることができる。長さ３０μｍ以上の導電性繊維２８および熱可塑性樹脂３０の種類や組成を変え、導電性繊維２８が互いに接着する接着点の数を増減させることにより、第２多孔質層２６の透気度を広い範囲で制御することができる。これにより、第２多孔質層２６に所望の排水性を付与することができる。なお、第２多孔質層２６の厚さは、例えば２０μｍ以上２００μｍ以下である。
【００２１】
ここで、第１多孔質層２２は、第２多孔質層２６に含有される導電性繊維２８を含有していてもよいが、その含有量は、第２多孔質層２６における含有量よりも小さい。例えば、第１多孔質層２２の断面における単位面積あたりの導電性繊維２８の占有面積率が、第２多孔質層２６での導電性繊維２８の断面における当該占有面積率よりも小さい。導電性繊維２８の占有面積率は、以下のようにして求めることができる。すなわち、まず走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて第２多孔質層２６の断面が撮影される。そして、得られたＳＥＭ画像において、断面上における単位面積当たりの導電性繊維２８の面積が測定される。導電性繊維２８の面積は、画像処理によって針状の繊維を検出することによって測定される。そして、単位面積に対する導電性繊維２８の面積の割合が算出されて、導電性繊維２８の占有面積率が得られる。ＳＥＭ画像の倍率は例えば１００倍であり、この倍率で撮影されたＳＥＭ画像における測定領域の大きさは、１０００μｍ×１０００μｍである。
【００２２】
第２多孔質層２６における導電性繊維２８の占有面積率が、第１多孔質層２２における導電性繊維２８の占有面積率よりも大きいため、第２多孔質層２６は透気度の制御範囲が広く、相対的に透気度の高い第２多孔質層２６と、相対的に透気度の低い第１多孔質層２２とを実現することができる。すなわち、第２多孔質層２６は、第１多孔質層２２よりも透気度が高い。
【００２３】
流体流路２４は、溝状の形状を有し、第１多孔質層２２の一方の主表面に開口される。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から第１多孔質層２２及び第２多孔質層２６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。
【００２４】
流体流路２４の表面は、第１面８０、第２面８２、第３面８４、第４面８６、第５面８８によって構成される。第１面８０は、第１多孔質層２２の一方の主表面から、第１多孔質層２２の中にわたって設けられる。また、第５面８８は、第１面８０に対向するように設けられる。ここで、第１面８０と第５面８８との距離が、第１多孔質層２２の一方の主表面から離れるにしたがって狭くなるように、第１面８０及び第５面８８は、第１多孔質層２２の一方の主表面に垂直な軸（以下、「垂直軸」という）から傾斜する。
【００２５】
第２面８２は、第１面８０に続いて、第１多孔質層２２の中から、第２多孔質層２６にわたって設けられる。また、第４面８６は、第２面８２に対向するように設けられる。ここで、第２面８２及び第４面８６は、第１面８０及び第５面８８と同様に、垂直軸から傾斜するが、第２面８２及び第４面８６の傾斜の角度は、第１面８０及び第５面８８の傾斜の角度と異なっている。第３面８４は、第２多孔質層２６の表面に設けられており、第２面８２と第２多孔質層２６とが接する部分から、第４面８６と第２多孔質層２６とが接する部分までの幅を有する。このような構成によって、流体流路２４の表面の一部である第３面８４において第２多孔質層２６が露出している。
【００２６】
流体流路２４は、主として第１多孔質層２２中に形成されている。第１多孔質層２２は、導電性繊維２８をほとんど含有せず、かつ導電性粒子とバインダー樹脂を含むので、成型性が高い。そのため、流体流路２４が容易に成型される。
【００２７】
第２多孔質層２６に含まれた導電性繊維２８の長軸が、電解質膜１２の主表面に垂直な方向よりも、電解質膜１２の主表面に沿った方向に近づくように傾きながら、導電性繊維２８が配置される。そのため、第２多孔質層２６において、電解質膜１２の主表面に沿った方向の導電性が向上する。導電性が向上することは、抵抗が減少することに相当する。また、第２多孔質層２６に第１多孔質層２２が重ね合わせられるので、第１多孔質層２２が第２多孔質層２６の中に入り込む。このことによって、両者の接点が増加するので、第２多孔質層２６同士を重ねた場合よりも抵抗が減少する。
【００２８】
さらに、図３のごとく、第１多孔質層２２の一方の主表面側から投影した場合において、第１多孔質層２２と第２多孔質層２６とが重なった部分である第１領域９０の投影面積は、第２多孔質層２６が露出した部分である第２領域９２の投影面積よりも大きい。第２領域９２は、前述の第３面８４に相当する。第１領域９０の投影面積が第２領域９２の投影面積よりも大きくされるので、第２領域９２を設けた場合であっても、第１多孔質層２２と第２多孔質層２６との接触面積の減少が抑制され、抵抗の増加が抑制される。
【００２９】
流体流路２４の幅が大きいと、電子の移動経路が長くなることによって、抵抗が増大する。一方、流体流路２４の幅が小さいと、ガスの圧損が大きくなり、ガスが流れにくくなるので、流体流路２４の寸法は、例えば、深さが５００μｍ以上１０００μｍ以下、幅が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下、隣り合う流体流路２４間の距離が５００μｍ以上１０００μｍ以下である。また、第２領域９２の幅が大きいと、第１多孔質層２２と第２多孔質層２６との接触面積が小さくなるので、抵抗が大きくなる。一方、第２領域９２の幅が小さいと、後述の流体流路４４における排水性が低下するので、第２領域９２の幅は、０．０２ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下が好ましい。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の大きさ等に応じて適宜設定することができる。
【００３０】
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、第１多孔質層４２と、流体流路４４と、第２多孔質層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。
【００３１】
第１多孔質層４２は、複数の導電性粒子、及び当該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。導電性粒子及びバインダー樹脂としては、第１多孔質層２２に用いられるものと同じものを用いることができる。また、第１多孔質層４２の組成及び寸法は、第１多孔質層２２と同様である。
【００３２】
第２多孔質層４６は、第１多孔質層４２の他方の主表面側、すなわち、カソード触媒層１６側の主表面側に配置される。第２多孔質層４６は、長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維４８、及び熱可塑性樹脂５０を含有する。導電性繊維４８及び熱可塑性樹脂５０としては、アノードガス拡散層２０に含まれる導電性繊維２８及び熱可塑性樹脂３０と同じものを挙げることができる。また、第２多孔質層４６の組成及び寸法は、第２多孔質層２６と同様である。第１多孔質層４２の断面における単位面積当たりの導電性繊維４８の占有面積率は、第２多孔質層４６の断面における当該占有面積率よりも小さい。また、第２多孔質層４６は、第１多孔質層４２よりも透気度が高い。
【００３３】
流体流路４４は、溝状の形状を有し、第１多孔質層４２の一方の主表面に設けられる。流体流路４４は、流体流路２４と同様に構成される。流体流路４４は、酸化剤ガスの流路として機能する。また、流体流路４４は、カソード触媒層１６で生成された水の排水路としても機能する。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から第２多孔質層４６を通って、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６に供給されるだけでなく、流体流路４４から第１多孔質層４２を経た後に第２多孔質層４６を通って、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６に供給される。したがって、第１多孔質層４２の一方の主表面側から投影した場合に、第１多孔質層４２から露出した第２多孔質層４６の露出面（すなわち、第３面８４）と重なるカソード触媒層１６の第２部分だけでなく、第１多孔質層４２と重なるカソード触媒層１６の第１部分にも、酸化剤ガスが十分に供給される。なお、流体流路４４の寸法は、流体流路２４と同様である。
【００３４】
第２多孔質層４６は、第１多孔質層４２よりも透気度が高いため、電気化学反応によりカソード触媒層１６で生成された水や、電解質膜１２からカソード触媒層１６に移動した水が、通り抜けやすい。そのため、第２多孔質層４６は、第１多孔質層４２よりも排水性が高い。このような第２多孔質層４６が、第１多孔質層４２よりもカソード触媒層１６の近くに配置されているので、カソード触媒層１６近傍の排水性が向上する。カソード触媒層１６近傍の排水性が向上すると、カソード触媒層１６近傍の水が少なくなり、ガス拡散性が向上する。また、第３面８４において第２多孔質層４６が露出しているので、カソード触媒層１６からの水が第１多孔質層４２を経由せずに流体流路４４へ直接排出される。その結果、排水性がさらに向上する。なお、本実施の形態では、流体流路４４は５つ設けられているが、その数は特に限定されず、カソードガス拡散層４０の大きさ等に応じて適宜設定することができる。
【００３５】
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。
【００３６】
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、外部回路（図示せず）に移動し、外部回路からカソード触媒層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及びカソード触媒層１６で起こる反応は以下の通りである。
【００３７】
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）
（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について説明する。図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法を模式的に示す工程断面図である。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。
【００３８】
まず、図４（Ａ）に示すように、第１多孔質シート２１と、第２多孔質シート２５とを用意する。第２多孔質シート２５は、複数の導電性繊維２８（図３参照）及び熱可塑性樹脂３０（図３参照）を含有するシートである。第１多孔質シート２１は、複数の導電性粒子及びバインダー樹脂を含有し、上述した導電性繊維２８の占有面積率が第２多孔質シート２５の断面における当該占有面積率よりも小さいシートである。
【００３９】
次に、図４（Ｂ）に示すように、第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とを重ね合わせて、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。
【００４０】
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、重ね合わせた第１多孔質シート２１及び第２多孔質シート２５を、所定の温度及び圧力で加熱及び加圧する。これにより、第１多孔質シート２１の一方の主表面に、溝状の流体流路２４が形成される。この流体流路２４では、表面の一部において第２多孔質シート２５が露出する。熱可塑性樹脂３０がＰＴＦＥの場合、成型時の圧力及び温度は、１０ＭＰａ、２００℃である。また、これと同時に、第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とが互いに圧着される。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。
【００４１】
以上の工程により、図４（Ｄ）に示すように、一方の主表面に流体流路２４を有する第１多孔質層２２と、第１多孔質層２２の他方の主表面に積層された第２多孔質層２６とを備えるアノードガス拡散層２０が得られる。
（変形例）
図５（Ａ）〜図５（Ｂ）、図６（Ａ）〜図６（Ｂ）は、変形例に係る燃料電池１の構造を模式的に示す断面図である。図５（Ａ）〜図５（Ｂ）、図６（Ａ）〜図６（Ｂ）は、これまでと流体流路２４の形状または第２多孔質層４６の性質が異なる。図５（Ａ）では、カソードガス拡散層４０、カソード触媒層１６が示される。流体流路４４の表面は、第１面１１０、第２面１１２、第３面１１４、第４面１１６によって構成される。第１面１１０は、第１多孔質層４２の一方の主表面から、第２多孔質層４６にわたって設けられる。また、第４面１１６は、第１面１１０に対向するように設けられる。ここで、第１面１１０と第４面１１６との距離が、第１多孔質層４２の一方の主表面から離れるにしたがって狭くなるように、第１面１１０及び第４面１１６は、垂直軸から傾斜する。
【００４２】
第２面１１２は、第１面１１０に続いて、第２多孔質層４６の一方の主表面から、第２多孔質層４６の中にわたって設けられる。また、第３面１１４は、第２面１１２に対向するように設けられ、第２多孔質層４６の中において第２面１１２につながる。第２面１１２及び第３面１１４は、第１面１１０及び第４面１１６と同様に、垂直軸から傾斜するが、第２面１１２及び第３面１１４の傾斜の角度は、第１面１１０及び第４面１１６の傾斜の角度と同じでもよく、異なっていてもよい。このような構成によって、流体流路４４の表面の一部である第２面１１２、第３面１１４において第２多孔質層４６が露出している。第２面１１２、第３面１１４を形成するために、第２多孔質層４６にも溝が掘られているので、排水性が向上する。
【００４３】
なお、図５（Ａ）においては、第２多孔質層４６とカソード触媒層１６の間に微多孔質層１００が積層されている。微多孔質層１００は、緻密で透気度が低いが撥水性が高く、カソード触媒層１６において発生した水を液体にすることなく水蒸気の状態で第２多孔質層４６へ移動させる。そのため、カソード触媒層１６における排水性がさらに向上する。
【００４４】
図５（Ｂ）でも、カソードガス拡散層４０、カソード触媒層１６が示される。流体流路４４の表面は、第１面１２０、第２面１２２、溝部１２４、第３面１２６、第４面１２８によって構成される。第１面１２０は、第１多孔質層４２の一方の主表面から、第１多孔質層４２の中にわたって設けられる。また、第４面１２８は、第１面１２０に対向するように設けられる。ここで、第１面１２０及び第４面１２８は、垂直軸に沿って配置される。
【００４５】
第２面１２２は、第１面１２０につながるとともに、第１多孔質層４２の一方の主表面に略平行に設けられ、第３面１２６は、第４面１２８につながるとともに、第１多孔質層４２の一方の主表面に略平行に設けられる。さらに、第２面１２２と第３面１２６とが近接した位置から、第２多孔質層４６の中へ溝部１２４が設けられる。このような構成によって、流体流路４４の表面の一部である溝部１２４の一部において第２多孔質層４６が露出している。
【００４６】
図６（Ａ）でも、カソードガス拡散層４０、カソード触媒層１６が示される。第２多孔質層４６は透気度の制御範囲が広く、相対的に透気度の高い第１多孔質層４２と、相対的に透気度の低い第２多孔質層４６とを実現することができる。図６（Ａ）では、第１多孔質層４２は、第２多孔質層４６よりも透気度が高い。このような構成により、第２多孔質層４６は、微多孔質層１００と同様、カソード触媒層１６において発生した水を水蒸気の状態で流体流路４４へ排出できる。
【００４７】
図６（Ｂ）でも、カソードガス拡散層４０、カソード触媒層１６が示される。第１多孔質層４２の一方の主表面側から投影した場合に、第１多孔質層４２と重なる第２多孔質層４６の第１部分４６ａの撥水性は、第１多孔質層４２から露出した露出面（すなわち、第３面８４）と重なる第２多孔質層４６の第２部分４６ｂの撥水性よりも高い。カソードガス拡散層４０で生成した水は、撥水性の低い第２多孔質層４６の第２部分４６ｂに引き寄せられる。一方、酸化剤ガスは、第１多孔質層４２、撥水性の高い第２多孔質層４６の第１部分４６ａを経て、カソード触媒層１６に供給される。さらに、余剰の酸化剤ガスが、撥水性の高い第２多孔質層４６の第１部分４６ａから撥水性の低い第２多孔質層４６の第２部分４６ｂへ流れ込み、第２多孔質層４６の第２部分４６ｂに引き寄せられた生成水を流体流路４４へ押し出すことで排出できる。このように、さまざまな形状の流体流路４４およびさまざまな性質の第２多孔質層４６が設けられる。図５（Ａ）〜図５（Ｂ）、図６（Ａ）〜図６（Ｂ）では、カソードガス拡散層４０に設けられる流体流路４４の形状および第２多孔質層４６を説明したが、アノードガス拡散層２０に設けられる流体流路２４および第２多孔質層２６が同様の形状であってもよい。さらに、図５（Ａ）〜図５（Ｂ）、図６（Ａ）〜図６（Ｂ）において、微多孔質層１００が設けられているが、これが省略されてもよく、図１、図２において微多孔質層１００が設けられてもよい。
【００４８】
本実施の形態によれば、導電性繊維の占有面積率が小さい第１多孔質層の一方の主表面において開口した溝状の流体流路が設けられるので、流体流路を容易に成形できる。また、流体流路の成形が容易になるので、プロセスが容易になり、コストを低減できる。また、第１多孔質層の他方の主表面側に、導電性繊維の占有面積率が大きい第２多孔質層が配置されるので、触媒層付近の排水性を向上できる。また、触媒層付近の排水性が向上されるので、ガス拡散性を向上できる。また、流体流路が部分的に第１多孔質層を貫通して、第２多孔質層が露出するので、触媒層での生成水を第１多孔質層に溜めずに流体流路に排出できる。また、触媒層での生成水を第１多孔質層に溜めずに流体流路に排出するので、排水性を向上できる。
【００４９】
また、第１多孔質層の他方の主表面側に、導電性繊維の占有面積率が大きい第２多孔質層が配置されるので、主表面に沿って配置される導電性繊維によって、主表面に沿った抵抗を低減できる。また、抵抗が低減するので、導電性を向上できる。また、第１多孔質層と第２多孔質層とを重ねるので、接触点を増加できる。また、接触点が増加するので、抵抗を低減できる。また、第１多孔質層と第２多孔質層とが重なった部分の投影面積が、第２多孔質層が露出した部分の投影面積よりも大きいので、第２多孔質層が露出した場合であっても、抵抗を低くできる。
【００５０】
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。
【００５１】
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、第１多孔質層２２，４２と、流体流路２４，４４と、第２多孔質層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。
【００５２】
上述した実施の形態では、流体流路２４を形成する工程と、第２多孔質シート２５を第１多孔質シート２１に積層する工程とが同時に実施されている。このため、両工程を別々に実施する場合に比べて、燃料電池用ガス拡散層の製造工程を簡略化することができる。しかしながら、特にこの製造工程に限定されず、第２多孔質シート２５を第１多孔質シート２１に積層する工程は、流体流路２４を形成する工程の前又は後であってもよい。
【００５３】
第２多孔質シート２５の積層工程が流体流路２４の形成工程の後に実施される場合、まず第１多孔質シート２１のみが第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形されて流体流路２４が形成される。次いで、流体流路２４が設けられた第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とが重ね合わされて第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形されて第２多孔質シート２５が第１多孔質シート２１に積層される。
【００５４】
第２多孔質シート２５の積層工程が流体流路２４の形成工程の前に実施される場合、まず第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とが重ね合わされて、第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形される。このとき、第１金型７０は、凸部７４を有しない平坦状の金型である。これにより、第１多孔質シート２１に第２多孔質シート２５が積層される。次いで、得られた積層体が、第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形される。このとき、第１金型７０は、凸部７４を有する金型である。これにより、第１多孔質シート２１に流体流路２４が形成される。
【符号の説明】
【００５５】
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、  ２２，４２  第１多孔質層、  ２４，４４  流体流路、  ２６，４６  第２多孔質層、  ２８，４８  導電性繊維、  ３０，５０  熱可塑性樹脂、  ４０  カソードガス拡散層。
【図１】
2016051633.tif 000003
【図２】
2016051633.tif 000004
【図３】
2016051633.tif 000005
【図４】
2016051633.tif 000006
【図５】
2016051633.tif 000007
【図６】
2016051633.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月21日(2015.12.21)
【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】
一方の主表面において開口した溝状の流体流路を有する第１多孔質層と、
前記第１多孔質層の他方の主表面側に配置される第２多孔質層とを備え、
前記第１多孔質層の断面における単位面積あたりの導電性繊維の占有面積率が前記第２多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さく、
前記流体流路の表面の一部において前記第２多孔質層が露出しており、前記流体流路は前記第２多孔質層にも掘られていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記第１多孔質層の一方の主表面側から投影した場合において、前記第１多孔質層と前記第２多孔質層とが重なった部分の投影面積は、前記第２多孔質層が露出した部分の投影面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
電解質膜、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソード触媒層、及び前記電解質膜の他方の面に設けられたアノ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または２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４】
第１多孔質シートと第２多孔質シートとを重ね合わせてから加熱及び加圧するステップと、
前記第１多孔質シートの一方の主表面において開口した溝状の流体流路であって、かつ表面の一部において前記第２多孔質シートが露出した流体流路を形成するステップとを備え、
前記形成するステップにおいて流体流路が形成された前記第１多孔質シートの断面における単位面積あたりの導電性繊維の占有面積率は、前記第２多孔質シートの断面における当該占有面積率よりも小さいことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の形成方法。
【国際調査報告】
2016051633.tif 000009
2016051633.tif 000010
2016051633.tif 000011
2016051633.tif 000012