(57)【要約】【課題】燃料ガスや酸化剤ガスを均一に拡散して固体高分子膜に接触させると共に、導電性および耐食性に優れた燃料電池用ガス拡散層、およびその製造方法、ならびに係るガス拡散層を用いた固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなり且つ線径が約２〜１５μｍの金属細線２，３を平織りにより織り込んで形成され、且つ多数の開口部４を有する金属繊維シートＳと、上記金属細線２，３ごとの表面に被覆したＡｕメッキ層（貴金属薄膜）６と、を含む、燃料電池用ガス拡散層１。【選択図】  図１
2008103142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属細線を織り込んで形成され、且つ多数の開口部を有する金属繊維シート、あるいは、多数の金属細線をランダムに絡め、且つ多数の開口部を有する金属繊維シートと、
上記金属細線の表面に被覆した貴金属薄膜と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
表面および裏面を有し、３次元的に連なる連続気孔を有する多孔質金属体と、
上記多孔質金属体の表面、裏面、および連続気孔の内面に被覆した貴金属薄膜と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
金属薄板からなり、係る金属薄板に一定幅の波板部を位相をずらして複数個並列に形成し、隣接する波板部の間に複数の貫通孔を有すると共に、係る波板部を含む上記金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜が被覆されている、
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
金属薄板からなり、多数の貫通孔を有する平板または波板か、あるいは、前記金属薄板の表面および裏面の少なくとも一方に突出し且つその傾斜部に貫通孔を有する多数の凸部を有すると共に、
多数の貫通孔を有する上記金属薄板、または多数の凸部を含む上記金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜が被覆されている、
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
多数の金属細線の表面に貴金属薄膜を被覆する工程と、
上記多数の金属細線を互いに平織り、畝織り、または綾織りによって金属繊維シートに織り込む工程と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項６】
金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜を被覆する工程と、
上記貴金属薄膜が被覆された金属薄板に対し、放電加工、プレス加工、孔明けを含むプレス加工、あるいは、千鳥状に多数のスリットを形成し、係る多数のスリットと直交する方向に伸張させるエキスパンド加工、または上記スリットに沿って位相が異なる複数の波板加工を施して、多数の凹凸を有する波板、中心部に貫通孔を有する多数の凸部を有する多孔板、あるいは、エキスパンド板を形成する工程と、を含む、
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項７】
固体高分子膜と、係る固体高分子膜の両側面にそれぞれ積層した請求項１〜４の何れかの前記燃料電池用ガス拡散層と、
上記ガス拡散層を含む上記固体高分子膜の両側面にそれぞれ積層し且つ上記ガス拡散層に対向して反応ガス流路を有するセパレータと、を含む、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層、およびその製造方法、ならびに係るガス拡散層を用いた固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質で形成した電解質層を、触媒層およびガス拡散層を含む燃料電極と酸化剤電極とで挟み込み、更にこれらを外側から一対のセパレータで挟持した単位セルを形成し、係る単位セルを厚み方向に沿って複数個積層したスタック形燃料電池として用いられている。
ところで、上記燃料電極および酸化剤電極に含まれるガス拡散層は、セパレータを流れる燃料ガスまたは酸化剤ガスを均一に拡散して、触媒層に接触させると共に、これらのガスの電気化学的反応により生じる高密度の電流を流し易くするため、例えば、多孔質炭素繊維紙を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３８７８３号公報（第１〜１５頁、図１〜１０）
【０００４】
しかしながら、前記多孔質炭素繊維紙からなる前記燃料電極や酸化剤電極に含まれるガス拡散層は、体積抵抗率が比較的高いため、発電用の電流に対する抵抗が高く、スタック形燃料電池とした場合、全体の発電効率が低下する、という問題があった。
一方、燃料電極や酸化剤電極に含まれるガス拡散層を金属繊維シートにより形成しようとすると、導電性は向上するが、使用環境が硫酸酸性雰囲気であるため、例えば、耐食性に優れたステンレス鋼の繊維を用いても、簡単に腐食してまう、という問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、背景技術で説明した問題点を解決し、セパレータを流れる燃料ガスや酸化剤ガスを均一に拡散して固体高分子膜に接触させると共に、導電性および耐食性に優れた燃料電池用ガス拡散層、およびその製造方法、ならびに係るガス拡散層を用いた固体高分子形燃料電池を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するため、燃料ガスなどを均一に拡散できる構造を有する金属素材を用い、且つその表面などに貴金属薄膜を被覆した金属素材を基に燃料電池用ガス拡散層を形成する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明による第１の燃料電池用ガス拡散層（請求項１）は、金属細線を織り込んで形成され、且つ多数の開口部を有する金属繊維シート、あるいは、多数の金属細線をランダムに絡め、且つ多数の開口部を有する金属繊維シートと、上記金属細線の表面に被覆した貴金属薄膜と、を含む、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、縦横に織り込まれた多数の金属細線および開口部を有する網目状繊維シート、あるいは、多数の金属細線をランダムに絡め多数の開口部を有する不織布状のシートとし、且つこれらの金属細線ごとの表面には、Ａｕなどの貴金属薄膜が被覆されている。このため、セパレータを流れる燃料ガスや酸化剤ガスを均一に拡散して、併設する触媒層に接触させた後、固体高分子膜に接触させることができる。更に、導電性および耐食性にも優れているので、上記ガスの電気化学的反応により生じる電流による固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることに貢献できる。
因みに、同じ線径のステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）の細線と炭素繊維とからなり、同様に平織りにて形成した金属繊維シートと炭素繊維シートとでは、前者の電流密度が後者の電流密度よりも約５〜１５％程度増加（抵抗が減る）する。
尚、前記金属細線（繊維）は、線径が約１〜１００μｍであり、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）を極細に伸線加工などして得られたものである。
また、前記貴金属薄膜は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくとも一種または二種以上の元素を含むメッキ膜またはスパッタ膜などからなり、厚みが０．００１〜０．１μｍである（以下、同じ）。
更に、金属繊維シートの開口部全体の面積率は、少なくとも５０％以上である。
【０００８】
また、本発明による第２の燃料電池用ガス拡散層（請求項２）は、表面および裏面を有し、３次元に連なる連続気孔を有する多孔質金属体と、係る多孔質金属体の表面、裏面、および連続気孔の内面に被覆した貴金属薄膜と、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、３次元のランダムな連続気孔が内部に含まれた多孔質金属体の表面、裏面、および連続気孔の内面に貴金属薄膜が被覆されているため、セパレータを流れる燃料ガスや酸化剤ガスを均一に拡散し、且つ触媒層に接触させつつ透過させて固体高分子膜に接触させ得る。しかも、導電性および耐食性にも優れるため、固体高分子形燃料電池の発電効率の向上に貢献できる。
尚、上記多孔質金属体は、例えば、シート状の発泡金属に対して電気メッキを施すプロセス、あるいは、シート状の発泡樹脂に対し、導電処理、電気メッキ、熱処理、および、必要に応じて合金化処理を施すプロセスによって製造される。
【０００９】
更に、本発明による第３の燃料電池用ガス拡散層（請求項３）は、金属薄板からなり、係る金属薄板に一定幅の波板部を位相をずらして複数個並列に形成し、隣接する波板部の間に複数の貫通孔を有すると共に、係る波板部を含む上記金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜が被覆されている、ことを特徴とする。
これによれば、複数の波板部を位相をずらして並列に形成し、隣接する波板部の間に多数の貫通孔を有する波形状またはエキスパンド形状の金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜が被覆されている。このため、セパレータを流れる燃料ガスや酸化剤ガスを均一に拡散し、且つ触媒層に接触させつつ、透過させて固体高分子膜に接触させ得る。しかも、導電性および耐食性にも優れているので、固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることに貢献できる。
尚、金属薄板は、ステンレス鋼板（ＳＵＳ３１６Ｌなど）や、その他のＦｅ−Ｃｒ系などの耐食性に優れた金属薄板、およびこれらの金属箔（厚みが０．１ｍｍ以下、望ましくは、５０μｍ以下、より望ましくは、２０μｍ以下）も含まれる（以下についても同じ）。
【００１０】
更に、本発明による第４の燃料電池用ガス拡散層（請求項４）は、金属薄板からなり、多数の貫通孔を有する平板または波板、あるいは、上記金属薄板の表面および裏面の少なくとも一方に突出し且つその傾斜部に貫通孔を有する多数の凸部を有すると共に、多数の貫通孔を有する上記金属薄板または多数の凸部を含む上記金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜が被覆されている、ことを特徴とする。凸部は、ほぼドーム形を含み、傾斜部は、円弧形状にカーブした側面も含む。
これによれば、多数の貫通孔を有するパンチングメタルの形態、多数の貫通孔を有する波板、あるいは、傾斜部に貫通孔を有する凸部を含む上記金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜が被覆されている。このため、セパレータを流れる燃料ガスや酸化剤ガスを均一に拡散し、且つ触媒層に接触させつつ透過して固体高分子膜に接触させる得ると共に、導電性および耐食性にも優れているので、固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることに貢献できる。
尚、傾斜部に貫通孔を有する多数の凸部は、金属薄板の同じ表面に、格子状または千鳥状に配置するほか、隣接する凸部が同じ金属薄板の表面と裏面とに交互に突出する形態も含んでいる。また、上記凸部は、ほぼ円錐形状、ほぼ楕円錐形状、ほぼ長円錐形状、ほぼ四角錐形状、あるいは、ほぼ六角錐形状に突出する形態としても良い。更に、金属薄板に対する前記貫通孔全体の面積率は、少なくとも２０％以上である。
【００１１】
一方、本発明による第１の燃料電池用ガス拡散層の製造方法（請求項５）は、多数の金属細線の表面に貴金属薄膜を被覆する工程と、前記多数の金属細線を互いに平織り、畝織り、または綾織りによって金属繊維シートに織り込む工程と、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、縦・横に織り込まれた多数の金属細線から繊維シートであり、且つ金属細線ごとの表面には、Ａｕなどの貴金属薄膜が被覆された前記第１の燃料電池用ガス拡散層を確実に提供することが可能である。
尚、金属細線（繊維）の表面に貴金属薄膜を被覆する工程の後に、金属繊維シートに織り込み工程を行う順序のほか、先に金属繊維シートに織り込む工程を行った後に、係る金属繊維シートの金属細線の表面に貴金属薄膜を被覆する工程を行う順序としても良い。また、金属細線は、予め一定ピッチで凹凸のカーブを連続して付与した後に、被覆工程および織り込み工程を施すようにしても良い。
【００１２】
また、本発明による第３，４の燃料電池用ガス拡散層の製造方法（請求項６）は、金属薄板の表面および裏面に貴金属薄膜を被覆する工程と、前記貴金属薄膜が被覆された金属薄板に対し、放電加工、プレス加工、孔明けを含むプレス加工、あるいは、千鳥状に多数のスリットを形成し、係る多数のスリットと直交する方向に伸張させるエキスパンド加工、または上記スリットに沿って位相が異なる複数の波板加工を施して、多数の凹凸を有する波板、中心部に貫通孔を有する多数の凸部を有する多孔板、あるいは、エキスパンド板を形成する工程と、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、パンチングメタル、エキスパンドメタル、あるいは波板の形態を有し、表面および裏面にＡｕなどの貴金属薄膜が被覆された前記第３，４の燃料電池用ガス拡散層を確実に提供することが可能である。
【００１３】
加えて、本発明の固体高分子形燃料電池（請求項７）は、固体高分子膜と、係る固体高分子膜の両側面にそれぞれ積層した前記燃料電池用ガス拡散層と、係るガス拡散層を含む上記固体高分子膜の両側面にそれぞれ積層し且つ上記ガス拡散層に対向して反応ガス流路を有するセパレータと、を含む、  ことを特徴とする。
これによれば、貴金属皮膜を有する金属細線からなる金属繊維シート、あるいは、パンチングメタル、エキスパンドメタル、あるいは波板の形態を有し、表面および裏面にＡｕなどの貴金属薄膜が被覆された前記第１〜４の燃料電池用ガス拡散層の何れかを固体高分子膜の両側面に積層している。従って、セパレータを流れる燃料ガスや酸化剤ガスは、ガス拡散層により均一に拡散しつつ固体高分子膜に接触すると共に、ガス拡散層が導電性および耐食性にも優れるので、高い電流密度の電流により発電効率に優れた固体高分子形燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明による第１の燃料電池用ガス拡散層１を示す概略図、図２は、図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った断面図である。
燃料電池用ガス拡散層１は、図１，図２に示すように、線径が約２０μｍで、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）を極細に伸線加工などして得られた多数の金属細線（繊維糸）２，３を、縦横に平織りで織り込んだ金属繊維シートＳで、縦横の金属細線２，３間にほぼ正方形の開口部（貫通孔）４が位置している。上記シートＳに対する開口部４全体の開口（面積）率は、約４０〜９５％である。
【００１５】
図３の拡大断面図で例示するように、金属細線２（３）は、その素材であるステンレス鋼の極細線５の表面に、例えば、Ａｕメッキ膜またはＡｕスパッタリング膜（貴金属薄膜）６が厚み０．００１〜０．１μｍの範囲で被覆されている。
尚、上記Ａｕに替えて、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕの何れかを用いたり、あるいは、これらを主たる元素とする合金としても良い。
燃料電池用ガス拡散層１は、予め、金属細線２，３に対し、一定ピッチで凹凸のカーブ（ほぼサインカーブ形状）を連続して付与し、電解Ａｕメッキ槽で電解Ａｕメッキを被覆する工程を行った後に、これらの金属細線２，３を平織りにして織り込む工程を施す製造される（第１の燃料電池用ガス拡散層の製造方法）。尚、畝織り、または綾織りによって、上記金属細線２，３を織り込んでも良い。
【００１６】
以上のような金属繊維シートＳからなる燃料電池用ガス拡散層１によれば、金属細線２，３および開口部４を有する網目状の繊維シートで、且つ各金属細線２，３の表面には、Ａｕメッキ膜などの貴金属薄膜６が被覆されている。このため、セパレータを流れる燃料ガスや酸化剤ガスを均一に拡散し、触媒層に接触させつつ透過して固体高分子膜に接触させ得る。しかも、導電性および耐食性にも優れているので、後述する固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
図４は、異なる第１の燃料電池用ガス拡散層７を示す概略の断面図である。
燃料電池用ガス拡散層７は、図４に示すように、前記同様の線径を有する多数の金属細線８を互いにランダムに絡めたシート状を呈し、厚み方向に沿った貫通する多数のランダムな開口部９を有している。金属細線８の表面には、前記同様のＡｕメッキ膜などの貴金属薄膜が被覆されている。係る燃料電池用ガス拡散層７は、表面に貴金属薄膜を電解メッキで被覆した多数の金属細線８を互いにランダムに絡めた後、対向する２方向から圧縮（プレス）することで、不織布状の金属繊維シートＳに形成される。
以上のような燃料電池用ガス拡散層７によっても、前記燃料電池用ガス拡散層１と同様な作用・効果が得られる。
【００１８】
図５は、本発明による第２の燃料電池用ガス拡散層Ｍを模式的に示す概略断面図、図６は、その部分拡大図である。
燃料電池用ガス拡散層Ｍは、図５，図６に示すように、表面ａおよび裏面ｂを有するシート状を呈し、その内部に３次元的に連なり、且つ表面ａおよび裏面ｂに開口する連続気孔ｐを内蔵する多孔質金属体ｍと、表面ａ、裏面ｂ、および連続気孔ｐの内面に被覆した前記同様の貴金属薄膜６と、を備えている。
多孔質金属体ｍは、例えば、発泡金属からなり、連続気孔ｐの容積率を８０％以上、望ましくは９０％以上としたものである。係る発泡金属に対し、Ａｕなどの貴金属薄膜を電解メッキすることで、上記ガス拡散層Ｍを得ることができる。
以上のような燃料電池用ガス拡散層Ｍによっても、前記燃料電池用ガス拡散層１，７と同様な作用・効果を得ることが可能である。
【００１９】
図７は、本発明による第３の燃料電池用ガス拡散層１０を示す概略図、図８は、図７中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った断面図、図９は、図７の部分的な斜視図である。
燃料電池用ガス拡散層１０は、厚みが約１０〜５０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）からなるステンレス箔（金属薄板）からなり、図７，図８に示すように、一定幅の波板部１１，１４を位相をずらして複数個並列に形成し、隣接する波板部１１，１４の間に、これらの凸部１２，１５および凹部１３，１６に沿った複数の貫通孔１８を有する。上記波板部１１，１４を含む上記ステンレス箔の表面および裏面には、前記同様のＡｕメッキ膜またはＡｕスパッタリング膜（貴金属薄膜）が被覆されている。
尚、上記Ａｕに替えて、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕの何れかを用いたり、あるいは、これらを主たる元素とした合金としても良い（以下、同じ）。
【００２０】
第３の燃料電池用ガス拡散層１０は、以下のようにして製造される。
先ず、ステンレス箔（金属薄板）に対し、千鳥状に多数のスリットを形成し、係るスリットに沿って位相が異なる複数の波板加工を施して、多数の凹部１３，１６および凸部１２，１５を有する一定幅の波板部１１，１４を位相をずらして複数個並列に形成する工程を行う。次に、係るステンレス箔の表面および裏面に対し、Ａｕメッキ膜など（貴金属薄膜）を被覆する工程を行うことで得られる。
以上のような燃料電池用ガス拡散層１０によれば、一定幅の波板部１１，１４を位相をずらして複数個並列に配置され、隣接する波板部１１，１４間に複数の貫通孔１８が形成されている。このため、燃料ガスなどを一層均一に拡散し、且つ触媒層に接触させると共に、導電性および耐食性にも優れているので、後述する固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることも可能である。
【００２１】
図１０は、本発明による第３の燃料電池用ガス拡散層２０を示す概略図、図１１は、図１０中のＺ−Ｚ線の矢視に沿った断面図である。
燃料電池用ガス拡散層２０は、前記同様のステンレス箔（金属薄板）からなり、図１０，図１１に示すように、凸部２２および凹部２３を交互に有する波板２１であり、凸部２２と凹部２３との間（ほぼ傾斜面：傾斜部）に、これらの長手方向沿って、断面が円形である複数の貫通孔２４，２５が形成されている。
上記凸部２２および凹部２３を交互に有する波板２１および複数の貫通孔２４，２５の内面には、前記同様のＡｕメッキ膜またはＡｕスパッタリング膜（貴金属薄膜）が被覆されている。尚、燃料電極などやセパレータとの接触が良好な範囲では、凸部２２の頂部や凹部２３の底部に貫通孔２４，２５を設けても良い。
【００２２】
第３の燃料電池用ガス拡散層２０は、以下のようにして製造される。
先ず、ステンレス箔（金属薄板）に対し、孔明け加工、プレス加工、放電加工、または放電加工により、複数の貫通孔２４，２５を形成する。次に、複数の貫通孔２４，２５を有するステンレス箔を凹凸のプレス型により波板２１に成形する。そして、係る波板２１の表面および裏面ならびに貫通孔２４，２５に対し、Ａｕメッキ膜など（貴金属薄膜）を被覆する工程を行うことで前記ガス拡散層２０が得られる。あるいは、貴金属薄膜の被覆を行った後、孔明けやプレス加工を行っても良い。
以上のような燃料電池用ガス拡散層２０によれば、多数の貫通孔２４，２５を有する波板２１で、その全面にＡｕメッキ膜などが被覆されているため、燃料ガスなどを一層均一に拡散させ、且つ触媒層に接触させ得る。しかも、導電性および耐食性にも優れるので、後述する固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることが可能である。
【００２３】
図１２は、異なる形態の第３の燃料電池用ガス拡散層２６，２８の一部分を示す。
第３の燃料電池用ガス拡散層２６は、前記同様のステンレス箔（金属薄板）の平板からなり、図１２の左側に示すように、円形を呈する多数の貫通孔２７を千鳥状に形成したもので、その表面、裏面、および貫通孔２７の内面には、前記同様のＡｕメッキ膜など（貴金属薄膜）が被覆されている。
一方、第３の燃料電池用ガス拡散層２８も、前記同様のステンレス箔（金属薄板）の平板からなり、図１２の右側に示すように、ほぼ正方形を呈する多数の貫通孔２９を千鳥状に形成したもので、その表面、裏面、および貫通孔２９の内面には、前記同様のＡｕメッキ膜など（貴金属薄膜）が被覆されている。
【００２４】
第３の燃料電池用ガス拡散層２６，２８は、以下のようにして製造される。
先ず、ステンレス箔（金属薄板）に対し、孔明け加工、プレス加工、放電加工、または放電加工により、複数の貫通孔２７，２９を形成する。次に、複数の貫通孔２７，２９を有するステンレス箔の表面および裏面に対し、Ａｕメッキ膜など（貴金属薄膜）を被覆する工程を行うことで、前記ガス拡散層２６，２８が得られる。
以上のような燃料電池用ガス拡散層２６，２８によれば、多数の貫通孔２７，２９を有し、その全面にＡｕメッキ膜などが被覆されているため、燃料ガスなどを均一に拡散させ、且つ触媒層に接触させ得る。しかも、導電性および耐食性にも優れるので、後述する固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることが可能である。
尚、互いの中心をずらした貫通孔２７，２７を連通させた複数のガス拡散層２６，２６を積層したり、互いの中心をずらして貫通孔２９，２９を連通させた複数のガス拡散層２８，２８を積層した形態としても良い。
【００２５】
図１３は、本発明による第４の燃料電池用ガス拡散層４０を示す部分概略図、図１４は、図１３中のＵ−Ｕの矢視に沿った断面図である。
燃料電池用ガス拡散層４０は、図１３，図１４に示すように、前記同様のステンレス箔（金属薄板）４２からなり、係るステンレス箔４２の表面（図１０の手前側）側にほぼ円錐形状に突出し、且つその傾斜面（傾斜部）に４個の貫通孔４４をほぼ対称に有する多数の凸部４３を千鳥状に配設している。また、係る凸部４３を含む上記ステンレス箔４２の表面および裏面には、前記同様のＡｕメッキ膜など（貴金属薄膜）が被覆されている。
尚、上記凸部４３は、ほぼ楕円錐形状、ほぼ長円錐形状、ほぼ四角錐形状、ほぼ六角錐形状、あるいは、ほぼドーム形状に突出する形態としたり、あるいは、これらを併存させせた形態としても良い。また、上記凸部４３は、ステンレス箔４２の表面に対し、格子状に配置しても良い。更に、凸部４３の傾斜面に設ける前記貫通孔４４は、２個または３個、あるいは５個以上としても良い。加えて、ステンレス箔４２に対する貫通孔４４全体の面積率は、２０％以上である。
【００２６】
図１５は、別異な形態の第４の燃料電池用ガス拡散層４１を示す部分概略図、図１６は、図１５中のＶ−Ｖの矢視に沿った断面図である。
燃料電池用ガス拡散層４１も、図１５，図１６に示すように、前記同様のステンレス箔（金属薄板）４２からなり、係るステンレス箔４２の表面（図１５の手前側）側にほぼ円錐形状に突出し且つ傾斜部に４個の貫通孔４４をほぼ対称に有する多数の凸部４３と、ステンレス箔４２の表面（図１５の奥側）側にほぼ円錐形状に突出し且つ傾斜面（傾斜部）に４個の貫通孔４６をほぼ対称に有する多数の凸部４５とを、それぞれ交互に且つ千鳥状に配設している。
更に、係る凸部４３，４５を含む上記ステンレス箔４２の表面および裏面には、前記同様のＡｕメッキ膜など（貴金属薄膜）が被覆されている。
尚、上記凸部４３，４５も、ほぼ楕円錐形状、ほぼ長円錐形状、ほぼ四角錐形状、ほぼ六角錐形状、あるいは、ほぼドーム形状に突出する形態としたり、あるいは、これらを併存させた形態としても良い。また、凸部４３，４５ごとに設ける上記貫通孔４４，４６の数も、前記同様に変更できる。
【００２７】
前記燃料電池用ガス拡散層４０，４１は、以下のようにして製造される。
先ず、ステンレス箔（金属薄板）４２に対し、孔明け加工、プレス加工、または放電加工により、複数の貫通孔４４，４６を千鳥状などに形成する。次に、複数の貫通孔４４，４６を有するステンレス箔４２に対し、各貫通孔４４を中心としてプレス加工を施して、表面側に突出する凸部４３を千鳥状に成形する。尚、上記ガス拡散層４１の場合には、各貫通孔４６を中心としてプレス加工を施して、裏面側に突出する凸部４５を一つ置きで且つ千鳥状にして成形する。そして、係る凸部４３，４５を含むステンレス箔４２の表面および裏面に対し、Ａｕメッキ膜など（貴金属薄膜）を被覆する工程を行うことで前記ガス拡散層４０，４１が得られる。
以上のような燃料電池用ガス拡散層４０，４１によれば、貫通孔４４，４６を有する多数の凸部４３，４５を有し、それらの全面にＡｕメッキ膜などが被覆されているため、燃料ガスなどを一層均一に拡散させ、且つ触媒層に接触させ得る。しかも、導電性および耐食性にも優れるので、後述する固体高分子形燃料電池の発電効率を向上させることが可能である。
【００２８】
図１７は、前記ガス拡散層１などを用いた本発明の固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池と称する）５０に関する。
図１７の左側の概略図で示すように、固体高分子膜２２の両側面に、図示しない触媒層と共に前記ガス拡散層（アノードまたはカソード）１，１を積層する。尚、固体高分子膜５２は、例えば、スルホン酸基を含むフッ素樹脂からなる。
上記固体高分子膜５２の両側には、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）の薄板からなり、ヘッダー部を含む複数の反応ガス流路５４と、これらを隔てる複数の凸条５５およびその裏面側の凹溝５６とを有し、表面を対向させた一対の金属セパレータ（セパレータ）５３，５３が対称に配置される。図１７中の矢印で示すように、固体高分子膜５２の両側面に、各ガス拡散層１を覆うようにして、金属セパレータ５３を積層する。
尚、固体高分子膜５２および一対の金属セパレータ５３は、周辺部を図示しないボルト・ナットなどで、上記積層状態を保って固定される。また、ガス拡散層１に替え、前記ガス拡散層７，Ｍ，１０，２０，２６，２８，４０，４１の何れかを用いても良い。
【００２９】
その結果、図１７の右側の概略図で示すように、一対の金属セパレータ５３，５３間に、前記ガス拡散層１，１を有する固体高分子膜５２の両側面が挟まれて積層された単位セルの燃料電池５０が形成される。
更に、単位セルの上記燃料電池５０を、複数個厚み方向に沿って積層し且つ固定することによって、図１８に示すように、スタック形の燃料電池５１が形成される。
尚、固体高分子膜５２を挟んで隣接するガス拡散層１，１間の外側には、発電用の外部回路が位置している。また、隣接する金属セパレータ５３，５３の前記反応ガス流路５４，５４間や、固体高分子膜５２を挟んだ金属セパレータ５３，５３の反応ガス流路５４，５４間は、図示しない迂回流路を介して連通している。更に、反応ガス流路５４を表面および裏面に形成した金属セパレータ５３を用いると、厚みを薄くしたスタック形の燃料電池５１を形成することも可能である。
【００３０】
ここで、単位セルの前記燃料電池５０を例として、その作用を説明する。
図１７の右側において、左側の金属セパレータ５３の反応ガス流路５４を流れる燃料ガス、例えば、水素は、固体高分子膜５２側の隣接するガス拡散層（アノード）１に均一に接触して、水素イオンと電子とに分解される。係る電子は、導電性の高いガス拡散層１を経て外部回路（図示せず）を通過する際に発電を生じ、その後、固体高分子膜５２の反対側のガス拡散層（カソード）１に送られる。
一方、右側の金属セパレータ５３の反応ガス流路５４を流れる酸化剤ガス、例えば、空気は、上記ガス拡散層（カソード）１に均一に接触した際に、含有する酸素と固体高分子膜５２を通過した上記水素イオンと上記電子とが反応して水となる。係る水は、直ちに外部に排水される。
【００３１】
以上の水素や空気などの反応ガスが、金属セパレータ５３の反応ガス流路５４を流れた際に、生成される電子は、ステンレス細線のガス拡散層１を経て外部回路に電流としてスムースに流されるため、発電効率が向上する。また、同時に生成される水イオンは、均一に拡散されて固体高分子膜５２を通過し、反対側のガス拡散層１を貫通する際にも均一に拡散される。この結果、水素イオン、酸素、および電子の反応もスムーズに行われると共に、水素や空気などの送給・循環も効率良く行うことができる。
従って、前記燃料電池５０によれば、効率良く発電を行うことが可能となる。尚、この点については、スタック形の前記燃料電池５１も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による第１の燃料電池用ガス拡散層を示す概略図。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った断面図。
【図３】上記ガス拡散層に用いる金属細線を示す拡大断面図。
【図４】異なる形態の第１の燃料電池用ガス拡散層を示す概略断面図。
【図５】本発明による第２の燃料電池用ガス拡散層を示す概略断面図。
【図６】上記ガス拡散層の部分斜視図。
【図７】本発明による第３の燃料電池用ガス拡散層を示す概略図。
【図８】図７中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った断面図。
【図９】上記ガス拡散層の部分斜視図。
【図１０】異なる形態の第３の燃料電池用ガス拡散層を示す概略図。
【図１１】図１０中のＺ−Ｚ線の矢視に沿った断面図。
【図１２】更に異なる形態の第３の燃料電池用ガス拡散層を示す概略図。
【図１３】別なる形態の第３の燃料電池用ガス拡散層を示す部分概略図。
【図１４】図１３中のＵ−Ｕ線の矢視に沿った断面図。
【図１５】別異な形態の第３の燃料電池用ガス拡散層を示す部分概略図。
【図１６】図１５中のＶ−Ｖ線の矢視に沿った断面図。
【図１７】本発明の固体高分子形燃料電池を示す概略図。
【図１８】応用形態の固体高分子形燃料電池を示す概略図。
【符号の説明】
【００３３】
１,７,Ｍ,１０,２０,２６,２８,４０,４１…燃料電池用ガス拡散層
２，３，８………………………………………金属細線
４，９……………………………………………開口部
６…………………………………………………Ａｕメッキ膜（貴金属薄膜）
１１，１４………………………………………波板部
１８,２４,２５,２７,２９,４４,４６………貫通孔
４２………………………………………………ステンレス箔（金属薄板）
４３，４５………………………………………凸部
５０，５１………………………………………固体高分子形燃料電池
５３………………………………………………金属セパレータ（セパレータ）
５４………………………………………………反応ガス流路
Ｓ…………………………………………………金属繊維シート
ｐ…………………………………………………連続気孔
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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