(57)【要約】【課題】細孔径の制御が可能であるとともに、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、導電性多孔体及びその製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも、複数の第１導電性繊維を平面状に配列して形成される第１繊維群と、複数の第１導電性繊維と交差するように複数の第２導電性繊維を平面状に配列して形成される第２繊維群と、を積層して構成される導電性多孔部と、該導電性多孔部の外縁に備えられて該導電性多孔部を固定する枠体と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体とする。【選択図】図１
2008027672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、複数の第１導電性繊維を平面状に配列して形成される第１繊維群と、複数の前記第１導電性繊維と交差するように複数の第２導電性繊維を平面状に配列して形成される第２繊維群と、を積層して構成される導電性多孔部と、該導電性多孔部の外縁に備えられて該導電性多孔部を固定する枠体と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体。
【請求項２】
前記枠体が、ガスケットとしての機能を兼ね備え、前記枠体に、凹部が備えられることを特徴とする、請求項１に記載の導電性多孔体。
【請求項３】
前記枠体の少なくとも一部に、高剛性物質が備えられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の導電性多孔体。
【請求項４】
複数の前記第１導電性繊維が配列される間隔と、複数の前記第２導電性繊維が配列される間隔とが異なることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電性多孔体。
【請求項５】
前記第１導電性繊維の径と、前記第２導電性繊維の径とが異なることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の導電性多孔体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の導電性多孔体を有する燃料電池用拡散層。
【請求項７】
電解質膜と、該電解質膜を狭持する形態で備えられる一対の触媒層と、該一対の触媒層を狭持する形態で備えられる一対の拡散層と、該一対の拡散層を狭持する形態で備えられる一対のセパレータと、を具備し、前記拡散層が、請求項６に記載の燃料電池用拡散層であることを特徴とする、燃料電池。
【請求項８】
少なくとも、複数の第１導電性繊維を平面状に配列して第１繊維群を形成する、第１繊維群形成工程と、
前記第１繊維群形成工程後に、複数の前記第１導電性繊維の繊維方向と交差するように、前記第１繊維群の上へ、複数の第２導電性繊維を平面状に配列して第２繊維群を形成する、第２繊維群形成工程と、を具備し、前記第１繊維群と前記第２繊維群とを備える導電性多孔部を形成する導電性多孔部形成工程と、
該導電性多孔部形成工程によって形成された前記導電性多孔部の外縁に枠体材料を配置して、前記導電性多孔部を固定する枠体を形成する枠体形成工程と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体の製造方法。
【請求項９】
さらに、前記導電性多孔部の厚み方向に圧縮圧力を加える、圧縮圧力付与工程が、前記導電性多孔部形成工程に備えられることを特徴とする、請求項８に記載の導電性多孔体の製造方法。
【請求項１０】
さらに、前記枠体形成工程に、前記枠体に凹部を形成する凹部形成工程が備えられることを特徴とする、請求項８又は９に記載の導電性多孔体の製造方法。
【請求項１１】
さらに、前記枠体形成工程に、前記枠体の少なくとも一部に高剛性物質を配設する高剛性物質配設工程が備えられることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の導電性多孔体の製造方法。
【請求項１２】
前記第１繊維群形成工程において平面状に配列される複数の前記第１導電性繊維の間隔と、前記第２繊維群形成工程において平面状に配列される複数の前記第２導電性繊維の間隔とが異なることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の導電性多孔体の製造方法。
【請求項１３】
前記第１導電性繊維の径と、前記第２導電性繊維の径とが異なることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の導電性多孔体の製造方法。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１項に記載の導電性多孔体の製造方法によって導電性多孔体を製造する工程を備えることを特徴とする、燃料電池用拡散層の製造方法。
【請求項１５】
電解質膜の表面及び裏面にそれぞれ触媒層を配設して膜電極構造体を作製する、膜電極構造体作製工程と、
該膜電極構造体作製工程によって作製された前記膜電極構造体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、拡散層を配設して積層体を作製する、積層体作製工程と、
該積層体作製工程によって作製された前記積層体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、セパレータを配設するセパレータ配設工程と、を備え、
前記拡散層が、請求項１４に記載の燃料電池用拡散層の製造方法によって製造されていることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性多孔体及びその製造方法に関し、具体的には、フィルターや燃料電池用拡散層等として用いることが可能な、導電性多孔体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述することがある。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述することがある。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、含水状態に保たれてプロトン伝導性能を発現する電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、接触抵抗を低減する等の観点から、スタック形態の燃料電池の両端側からは、締結圧力（以下、「圧縮圧力」ということがある。）が加えられる。
【０００４】
ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下、「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下、「酸素」という。）が、それぞれ供給される（以下、アノードへ供給される水素とカソードへ供給される酸素とをまとめて「反応ガス」ということがある。）。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下、「アノード触媒層」ということがある。）に含まれる触媒上でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下、「カソード触媒層」ということがある。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。
【０００５】
一方、多くのＰＥＦＣでは、アノード側に備えられるセパレータとアノード触媒層との間、及び／又は、カソード側に備えられるセパレータとカソード触媒層との間に、拡散層が配設され、拡散層の周囲には、樹脂等により構成されるフレーム材が配置される（以下、アノード側に備えられるセパレータとアノード触媒層との間に配設される拡散層を「アノード拡散層」、カソード側に備えられるセパレータとカソード触媒層との間に配設される拡散層を「カソード拡散層」といい、アノード拡散層とカソード拡散層とをまとめて「拡散層」ということがある。）。拡散層が備えられる形態のＰＥＦＣによれば、反応ガスを電極へ均一に供給すること、高負荷運転時等にＭＥＡで発生した水を単セル外へ排出する排水性を向上させること、及び、高温時等に電解質膜の保水性を向上させること、等が可能になる。そして、フレーム材により、単セル内の気密性等が保たれている。
【０００６】
これまでに、燃料電池用拡散層、又は、燃料電池用拡散層として利用可能な織布若しくは基材に関する技術がいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、メートル番手で１６〜１２０番手の糸繊度の炭素質繊維の糸で主として織成されている織布であって、炭素質繊維の含有量が６０重量％以上、目付量が５０〜１５０ｇ／ｍ２、織布厚さが０．０５ｍｍ〜０．３３ｍｍであり、かつ、面方向の体積固有抵抗が０．１Ωｃｍ以下である導電性炭素質繊維織布が開示されている。そして、この導電性炭素質繊維織布は、比較的細い糸を糸相互間の隙間が狭くなるように織った薄手の織布であり、燃料電池のガス拡散層に要求されるガス透過性、水排出性、保水性及び導電性等の諸特性を、高いレベルでバランスよく満足させる、としている。
【０００７】
また、特許文献２及び特許文献３にはガス拡散層に関する技術が、特許文献４には炭素質繊維織布に関する技術が、特許文献５には多孔質炭素電極基材およびその製造方法に関する技術が、それぞれ開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３３６１４５号公報
【特許文献２】特許第３５９６７７３号
【特許文献３】特開２００３−１７３７８９号公報
【特許文献４】特開２００４−１００１０２号公報
【特許文献５】特開２００４−２８８４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示されている導電性炭素質繊維織布は、織布であるため、経糸と横糸とを織って布にする工程が必要とされ製造工程が複雑化しやすいほか、細孔径を制御し難いという問題があった。また、特許文献２及び特許文献３に開示されているガス拡散層は、いずれも、糸を編んで製造されるため、特許文献１に開示されている導電性炭素質繊維織布と同様に、製造工程が複雑化しやすく、細孔径を制御し難いという問題があった。さらに、特許文献４に開示されている炭素質繊維織布も、織布であるため、製造工程が複雑化しやすく、細孔径を制御し難いという問題があった。加えて、特許文献５に開示されている多孔質炭素電極基材は、少なくとも１２００℃まで昇温して焼成する工程が含まれるため、製造時に多量のエネルギーを消費し、製造コストが増加しやすいという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、細孔径の制御が可能であるとともに、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、導電性多孔体及びその製造方法を提供することを第１の課題とする。さらに、本発明の導電性多孔体は、特に、燃料電池用拡散層として好適に使用されるため、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、燃料電池用拡散層及びその製造方法を提供することを第２の課題とする。加えて、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、燃料電池及びその製造方法を提供することを第３の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、少なくとも、複数の第１導電性繊維を平面状に配列して形成される第１繊維群と、複数の第１導電性繊維と交差するように複数の第２導電性繊維を平面状に配列して形成される第２繊維群と、を積層して構成される導電性多孔部と、該導電性多孔部の外縁に備えられて該導電性多孔部を固定する枠体と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体である。
【００１１】
ここに、第１導電性繊維及び第２導電性繊維を始めとする、導電性多孔部を構成する導電性繊維（以下、第１導電性繊維や第２導電性繊維に代表される、導電性多孔部を構成する導電性繊維を、単に「導電性繊維」ということがある。）としては、炭素繊維や金属繊維等を例示することができる。さらに、枠体の構成材料としては、現在のＰＥＦＣに備えられるフレーム材を構成し得る材料を用いることができ、その具体例としては、シリコーンゴムやフッ素ゴム等を挙げることができる。枠体を構成し得るシリコーンゴムとしては、ビニルメチルシリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素化シリコーンゴム（ＦＶＭＱ）等を例示することができる。また、枠体を構成し得るフッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデン系ゴム（ＦＫＭ）、テトラフルオロエチレン−プロピレン系ゴム（ＦＥＰＭ）、テトラフルオロエチレン−パープルオロビニルエーテル系ゴム（ＦＦＫＭ）等を例示することができる。加えて、「導電性多孔部の外縁に備えられて導電性多孔部を固定する枠体」とは、導電性多孔部の外縁が枠体によって囲まれ、導電性多孔部と枠体とが一体になるように、導電性多孔部が枠体によって固定されていることを意味する。以下の本発明においても同様である。
【００１２】
上記第１の本発明において、枠体が、ガスケットとしての機能を兼ね備え、枠体に、凹部が備えられることが好ましい。
【００１３】
また、上記第１の本発明（変形例を含む。以下同じ。）において、枠体の少なくとも一部に、高剛性物質が備えられることが好ましい。
【００１４】
ここに、「高剛性物質」とは、枠体の構成材料（枠体に高剛性物質が備えられる場合には、高剛性物質以外の枠体構成材料を意味する。）よりも外力によって変形し難い物質を意味し、「枠体の少なくとも一部に高剛性物質が備えられる」とは、枠体の表面に高剛性物質が備えられる形態のほか、枠体の内部に埋没する形態で高剛性物質が備えられる形態をも含む概念である。以下の本発明においても同様である。
【００１５】
また、上記第１の本発明において、複数の第１導電性繊維が配列される間隔と、複数の第２導電性繊維が配列される間隔とが異なることが好ましい。以下の本発明においても同様である。
【００１６】
また、上記第１の本発明において、第１導電性繊維の径と、第２導電性繊維の径とが異なることが好ましい。
【００１７】
第２の本発明は、上記第１の本発明の導電性多孔体を有する燃料電池用拡散層である。
【００１８】
ここで、第２の本発明にかかる燃料電池用拡散層の枠体に凹部が備えられる場合、当該凹部と導電性多孔部との間に位置する枠体を、枠体の「内側部分」、当該凹部に対して導電性多孔部と反対側に位置する枠体を、枠体の「外側部分」というとき、導電性多孔部を構成する導電性繊維は、枠体の内側部分で固定される。第２の本発明にかかる燃料電池用拡散層の枠体に凹部が備えられる場合、枠体の内側部分が備えられる形態（すなわち、枠体の一部で導電性繊維を固定可能な形態）で設けられていれば、凹部の形態は特に限定されない。凹部の形態の具体例としては、枠体全周に設けられる形態（内側部分及び外側部分によって狭持される凹部によって導電性多孔部が取り囲まれる形態）のほか、枠体の一部にのみ設けられる形態等を挙げることができる。
【００１９】
第３の本発明は、電解質膜と、該電解質膜を狭持する形態で備えられる一対の触媒層と、該一対の触媒層を狭持する形態で備えられる一対の拡散層と、該一対の拡散層を狭持する形態で備えられる一対のセパレータと、を具備し、拡散層が、上記第２の本発明の燃料電池用拡散層であることを特徴とする、燃料電池である。
【００２０】
ここに、セパレータの構成材料としては、炭化水素系樹脂や金属等を例示することができる。さらに、触媒層とは、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、電気化学反応の触媒として機能する触媒物質とを備える層を意味する。プロトン伝導性を有するアイオノマーの具体例としては、フッ素系のアイオノマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等。「Ｎａｆｉｏｎ」は、米国デュポン社の登録商標。以下、単に「Ｎａｆｉｏｎ」という。）のほか、炭化水素系のアイオノマー（例えば、セレミオン等。「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標。以下、単に「セレミオン」という。）等を例示することができる。加えて、電解質膜とは、プロトン伝導性を有する固体高分子膜を意味し、固体高分子膜に含まれるプロトン伝導性を有するアイオノマーとしては、上記フッ素系のアイオノマーや上記炭化水素系のアイオノマー等を例示することができる。
【００２１】
第４の本発明は、少なくとも、複数の第１導電性繊維を平面状に配列して第１繊維群を形成する、第１繊維群形成工程と、該第１繊維群形成工程後に、複数の第１導電性繊維の繊維方向と交差するように、第１繊維群の上へ、複数の第２導電性繊維を平面状に配列して第２繊維群を形成する第２繊維群形成工程と、を具備し、第１繊維群と第２繊維群とを備える導電性多孔部を形成する導電性多孔部形成工程と、該導電性多孔部形成工程によって形成された導電性多孔部の外縁に枠体材料を配置して、導電性多孔部を固定する枠体を形成する枠体形成工程と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体の製造方法である。
【００２２】
ここに、「複数の第１導電性繊維の繊維方向と交差するように、第１繊維群の上へ、複数の第２導電性繊維を平面状に配列して第２繊維群を形成する」とは、第１繊維群を構成する各第１導電性繊維の軸方向と、第２繊維群を構成する各第２導電性繊維の軸方向とが交差する形態で、第１繊維群の上に第２繊維群が積層されることを意味する。さらに、「第１繊維群と第２繊維群とを備える導電性多孔部を形成する」とは、例えば、導電性多孔部に第１繊維群から第Ｎ繊維群（Ｎは３以上の自然数とする。）までが備えられる場合には、第１繊維群の上へ第２繊維群を形成し、第２繊維群の上へ第３繊維群を形成する工程を以下同様に繰り返して第Ｎ繊維群までを形成することにより、導電性多孔部が形成されることを意味する。加えて、「導電性多孔部の外縁に枠体材料を配置して、導電性多孔部を固定する枠体を形成する」とは、例えば、枠体材料がシリコーン樹脂の場合には、溶融又は溶解状態のシリコーン樹脂を、導電性多孔体の外縁に配置した型へ流入させ、冷却・乾燥させる等の方法により枠体を形成することを意味する。以下の本発明においても同様である。
【００２３】
上記第４の本発明において、さらに、導電性多孔部の厚み方向に圧縮圧力を加える、圧縮圧力付与工程が、導電性多孔部形成工程に備えられることが好ましい。
【００２４】
また、上記第４の本発明（変形例を含む。以下同じ。）において、さらに、枠体形成工程に、枠体に凹部を形成する凹部形成工程が備えられることが好ましい。
【００２５】
ここに、「枠体に凹部を形成する凹部形成工程」とは、枠体が形成された後に、枠体に切り欠き等を入れることで凹部を形成する工程のほか、枠体に形成される凹部と対応する凸部を有する型に、例えば、上記シリコーン樹脂等を流入させ、冷却・乾燥させることで、凹部を備える枠体が形成される形態をも含む概念である。以下の本発明においても同様である。
【００２６】
また、上記第４の本発明において、さらに、枠体形成工程に、枠体の少なくとも一部に高剛性物質を配設する高剛性物質配設工程が備えられることが好ましい。
【００２７】
また、上記第４の本発明において、第１繊維群形成工程において平面状に配列される複数の第１導電性繊維の間隔と、第２繊維群形成工程において平面状に配列される複数の第２導電性繊維の間隔とが異なることが好ましい。
【００２８】
また、上記第４の本発明において、第１導電性繊維の径と、第２導電性繊維の径とが異なることが好ましい。
【００２９】
第５の本発明は、上記第４の本発明によって導電性多孔体を製造する工程を備えることを特徴とする、燃料電池用拡散層の製造方法である。
【００３０】
第６の本発明は、電解質膜の表面及び裏面にそれぞれ触媒層を配設して膜電極構造体を作製する、膜電極構造体作製工程と、該膜電極構造体作製工程によって作製された膜電極構造体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、拡散層を配設して積層体を作製する、積層体作製工程と、該積層体作製工程によって作製された積層体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、セパレータを配設するセパレータ配設工程と、を備え、拡散層が、上記第５の本発明の燃料電池用拡散層の製造方法によって製造されていることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
【００３１】
ここに、膜電極構造体作製工程としては、例えば、触媒を担持させた担体を、溶剤に溶解させたプロトン伝導性を有するアイオノマーへ分散させることにより作製した、インク状の触媒層組成物を、電解質膜の表面及び裏面へスクリーン印刷することにより、膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」という。）を作製する工程等を挙げることができる。このほか、触媒層組成物を電解質膜へスプレー塗布する等して、ＭＥＡを作製することも可能である。さらに、積層体作製工程としては、例えば、一対の拡散層の間にＭＥＡを配置して、一対の拡散層とＭＥＡとを熱圧着することにより、積層体を作製する工程等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００３２】
第１の本発明又は第４の本発明によれば、平面状に配列される導電性繊維群の間隔を制御することで、導電性多孔部の細孔径を制御することができる。そのため、第１の本発明によれば、細孔径の制御が可能な導電性多孔体を提供できる。一方、第４の本発明によれば、細孔径の制御が可能な導電性多孔体の製造方法を提供できる。さらに、第１の本発明又は第４の本発明によれば、導電性繊維群を積層することにより導電性多孔部を形成し、該導電性多孔部の外縁に配置される枠体によって導電性多孔部を固定することにより、導電性多孔体を形成できる。すなわち、導電性繊維を編み込んだり焼き付けたりする必要がない。そのため、第１の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な導電性多孔体を提供できる。一方、第４の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、導電性多孔体の製造方法を提供できる。
【００３３】
また、第１の本発明又は第４の本発明において、枠体がガスケットとしての機能を兼ね備えていれば、本発明の導電性多孔体を備える機器における部品数の増加を低減することができる。さらに、枠体に凹部が備えられていれば、導電性多孔部の寸法が、平面状の第１繊維群や第２繊維群と平行な方向（以下、「面方向」という。）へ変化した場合であっても、凹部により、当該寸法変化を引き起こす応力が枠体の最外周部へ伝播することを抑制できる。
【００３４】
また、第１の本発明又は第４の本発明において、枠体に備えられる高剛性物質は、例えば、導電性多孔部の面方向への寸法変化を抑制し得る形態で備えられることができ、かかる形態で備えられていれば、導電性多孔部の面方向への寸法変化を抑制できる。それゆえ、高剛性物質が備えられる形態とすることで、導電性多孔部を備える導電性多孔体の寸法変化を抑制でき、枠体のガスケットとしての機能を確保することも可能になる。
【００３５】
また、第１の本発明又は第４の本発明において、複数の第１導電性繊維が配列される間隔と、複数の第２導電性繊維が配列される間隔とが異なっていれば、導電性多孔部を積層方向の上方（又は下方）から見た場合の、細孔の大きさを、当該積層方向で傾斜化させることができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体の流通形態を制御することができる。
【００３６】
また、第１の本発明又は第４の本発明において、第１導電性繊維の径と、第２導電性繊維の径とが異なっていれば、導電性繊維が積層されることにより形成される導電性多孔部を側面から見た場合の、導電性繊維の積層方向における繊維群の間隔（例えば、第１繊維群の上に第２繊維群が配置され、該第２繊維群の上に第３繊維群が配置されている場合には、導電性繊維の積層方向における、第１繊維群と第３繊維群との間隔）を、傾斜化することができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体の流通しやすさを制御することができる。
【００３７】
第２の本発明又は第５の本発明によれば、平面状に配列される導電性繊維群の間隔を制御することで、導電性多孔部の細孔径を制御することができる。そのため、第２の本発明によれば、細孔径の制御が可能な燃料電池用拡散層を提供できる。一方、第５の本発明によれば、細孔径の制御が可能な燃料電池用拡散層の製造方法を提供できる。さらに、第２の本発明又は第５の本発明によれば、導電性繊維群を積層することにより導電性多孔部を形成し、該導電性多孔部の外縁に配置される枠体によって導電性多孔部を固定することにより、燃料電池用拡散層を形成できる。すなわち、導電性繊維を編み込んだり焼き付けたりする必要がないため、第２の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池用拡散層を提供できる。一方、第５の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池用拡散層の製造方法を提供できる。
【００３８】
また、第２の本発明又は第５の本発明において、枠体がガスケットとしての機能を兼ね備えていれば、本発明の燃料電池用拡散層を備える燃料電池における部品数の増加を低減することができる。さらに、枠体の凹部の深さ方向と導電性繊維群の積層方向（以下、「積層方向」という。）とが略平行の形態、又は、凹部の深さ方向と積層方向とが鋭角で交差する形態で凹部が備えられていれば、導電性多孔部の寸法が、面方向へ変化した場合であっても、凹部により、当該寸法変化を引き起こす応力が凹部よりも外側に位置する枠体の部位（枠体の外側部分）へ伝播することを抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、枠体の外側部分によって単セルの気密性を維持することが可能な、燃料電池用拡散層を提供できる。
【００３９】
また、第２の本発明又は第５の本発明において、枠体に備えられる高剛性物質は、例えば、導電性多孔部の面方向への寸法変化を抑制し得る形態で備えられることができ、かかる形態で備えられていれば、ＭＥＡと接触する導電性多孔部の面方向への寸法変化が抑制される。そのため、ＭＥＡの表面への皺の発生を抑制でき、当該皺の存在に起因する燃料電池の発電性能低下を抑制し得る燃料電池用拡散層を提供できる。さらに、導電性多孔部の面方向への寸法変化が抑制されれば、導電性多孔体の面方向への寸法変化も抑制されるので、単セルの気密性を維持しやすい燃料電池用拡散層を提供できる。
【００４０】
また、第２の本発明又は第５の本発明において、複数の第１導電性繊維が配列される間隔と、複数の第２導電性繊維が配列される間隔とが異なっていれば、導電性多孔部を積層方向の上方（又は下方）から見た場合の、細孔の大きさを、導電性繊維の積層方向で傾斜化させることができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体（例えば、反応ガス、水等）の流通形態を制御することができる。
【００４１】
また、第２の本発明又は第５の本発明において、第１導電性繊維の径と、第２導電性繊維の径とが異なっていれば、導電性繊維が積層されることにより形成される導電性多孔部を側面から見た場合の、積層方向における繊維群の間隔（例えば、第１繊維群の上に第２繊維群が配置され、該第２繊維群の上に第３繊維群が配置されている場合には、導電性繊維の積層方向における、第１繊維群と第３繊維群との間隔）を、傾斜化することができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体（例えば、反応ガス、水等）の流通形態を制御することができる。
【００４２】
第３の本発明によれば、第２の本発明にかかる燃料電池用拡散層が備えられるので、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池を提供できる。さらに、第２の本発明によって得られる上記効果と同様の効果を奏することが可能な、燃料電池を提供できる。一方、第６の本発明によれば、第５の本発明にかかる燃料電池用拡散層の製造方法によって製造された燃料電池用拡散層を用いて、燃料電池が製造されるため、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池を提供できる。さらに、第５の本発明によって得られる上記効果と同様の効果を奏することが可能な、燃料電池の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
１．燃料電池用拡散層（導電性多孔体）
本発明の導電性多孔体は、上述のように、燃料電池用拡散層として好適に用いることができる。ここで、本発明の導電性多孔体を構成する部材の構成材料として、本発明の燃料電池用拡散層を構成する部材の構成材料と同様のものを用いることが可能であり、本発明の燃料電池用拡散層に関する全記述は、本発明の導電性多孔体にも該当する。そこで、本発明の燃料電池用拡散層に関する以下の説明をもって、本発明の導電性多孔体の説明に代え、本発明の燃料電池用拡散層に関する説明の最後に、本発明の導電性多孔体が燃料電池用拡散層以外の用途で用いられる場合に使用可能な、本発明の導電性多孔体及び枠体の構成材料について言及する。以下、本発明の導電性多孔体の一形態である燃料電池用拡散層について説明する。
【００４４】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層（以下、「第１実施形態にかかる拡散層」という。）の形態例を概略的に示す正面図であり、図２は、図１のＸ−Ｘ断面を示す図である。以下、図１及び図２を参照しつつ、本発明の燃料電池用拡散層について説明する。なお、以下の説明において、導電性多孔部を構成する繊維群に共通の性質について言及する場合には、「各繊維群」と表記し、各繊維群に備えられる導電性繊維に共通の性質について言及する場合には、「各導電性繊維」と表記する。
【００４５】
図１に示すように、第１実施形態にかかる拡散層１０（以下、単に「拡散層１０」という。）は、導電性多孔部８と、該導電性多孔部８の外縁に備えられて導電性多孔部８を固定する枠体９と、を備えている。導電性多孔部８に備えられる各導電性繊維は炭素繊維であり、各繊維群を構成する各導電性繊維は、略平行、略等間隔、及び、平面状形態で配列されている。導電性多孔部８は、第１繊維群１と、該第１繊維群１の上に積層される第２繊維群２と、該第２繊維群２の上に積層される第３繊維群３と、該第３繊維群３の上に積層される第４繊維群４と、該第４繊維群４の上に積層される第５繊維群５と、該第５繊維群５の上に積層される第６繊維群６と、該第６繊維群６の上に積層される第７繊維群７と、を備えている。第１繊維群１は、第１導電性繊維１ａ、１ａ、…を配列することにより形成され、第２繊維群２は、第２導電性繊維２ａ、２ａ、…と第１導電性繊維１ａ、１ａ、…とが略直交するように、第２導電性繊維２ａ、２ａ、…を配列することにより形成されている。さらに、第３繊維群３は、第３導電性繊維３ａ、３ａ、…と第２導電性繊維２ａ、２ａ、…とが略直交するように、第３導電性繊維３ａ、３ａ、…を配列することにより形成され、第４繊維群４は、第４導電性繊維４ａ、４ａ、…と第３導電性繊維３ａ、３ａ、…とが略直交するように、第４導電性繊維４ａ、４ａ、…を配列することにより形成されている。以下、同様に、第５繊維群５を形成する第５導電性繊維５ａ、５ａ、…は、第４導電性繊維４ａ、４ａ、…と略直交するように、第６繊維群６を形成する第６導電性繊維６ａ、６ａ、…は、第５導電性繊維５ａ、５ａ、…と略直交するように、第７繊維群７を形成する第７導電性繊維７ａ、７ａ、…は、第６導電性繊維６ａ、６ａ、…と略直交するように、それぞれ配列されている。
【００４６】
一方、図１に示すように、枠体９には、凹部９ａが備えられ、凹部９ａと導電性多孔部８との間に位置する枠体（以下、「繊維固定部９ｂ」という。）によって導電性多孔部８を構成する各導電性繊維が固定されている。さらに、凹部９ａよりも外縁の部位に、シール用ガスケット部９ｃが備えられ、枠体９の一の面（図２の紙面下方側の面）に高剛性物質（以下、「高剛性材料」ということがある。）９ｄが備えられている。
【００４７】
このように、導電性多孔部８は、第１繊維群１の上に第２繊維群２を配置し、第１繊維群１の上に配置された第２繊維群２の上に第３繊維群３を配置し、以後、第３繊維群３の上に第４繊維群４、第５繊維群５、第６繊維群６、及び、第７繊維群７を順に配置することにより形成される。それゆえ、各導電性繊維を編み込む必要がなく、各繊維群を積層する工程によって導電性多孔部８を形成することができるので、導電性多孔部８の生産性を向上させることができる。さらに、繊維群を積層することにより構成される導電性多孔部８は、その外縁に備えられる枠体９によって固定される。それゆえ、導電性繊維（炭素繊維）同士を結着させる必要がなく、炭素繊維同士を結着するための加熱処理を経る必要がなく、加熱処理に費やされる製造コストを低減することができる。したがって、拡散層１０によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
【００４８】
さらに、拡散層１０は、枠体９がシリコーン樹脂によって構成され、枠体９にシール用ガスケット部９ｃが備えられる。そのため、かかる形態の拡散層１０によれば、ガスケットとして使用することが可能になる。
【００４９】
加えて、拡散層１０は、枠体９に凹部９ａが備えられる。そのため、導電性多孔部８に圧力が加わることにより、導電性多孔部８の寸法が図１の紙面左右方向や紙面上下方向等に変化した場合であっても、凹部９ａにより、当該寸法変化を導電性多孔部８及び繊維固定部９ｂに止めることができる。すなわち、拡散層１０によれば、シール用ガスケット部９ｃの位置が図１の紙面左右方向や紙面上下方向等にずれることを防止できるので、シール材としての機能を維持することが可能になる。
【００５０】
さらにまた、拡散層１０は、枠体９に高剛性材料９ｄが備えられる。そのため、導電性多孔部８へ圧力が加わっても、高剛性材料９ｄにより、導電性多孔部８の寸法変化を抑制することができる。
【００５１】
図３は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層（以下、「第２実施形態にかかる拡散層」という。）の形態例を概略的に示す正面図であり、図４は、図２のＹ−Ｙ断面を示す図である。図３、図４において、図１、図２に示す部材と同様の構成を採るものには、図１、図２で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図３及び図４を参照しつつ、本発明の燃料電池用拡散層について説明する。
【００５２】
図３に示すように、第２実施形態にかかる拡散層２０は、導電性多孔部２８と、該導電性多孔部２８の外縁に備えられて導電性多孔部２８を固定する枠体９と、を備えている。導電性多孔部８に備えられる各導電性繊維は炭素繊維であり、各繊維群を構成する各導電性繊維は、略平行に、かつ、導電性多孔部２８の一端から他端に向かって同一の繊維群を構成する導電性繊維間の間隔が徐々に大きく（又は小さく）なる形態で、平面状に配列されている。導電性多孔部２８は、第１繊維群２１と、該第１繊維群２１の上に積層される第２繊維群２２と、該第２繊維群２２の上に積層される第３繊維群２３と、該第３繊維群２３の上に積層される第４繊維群２４と、該第４繊維群２４の上に積層される第５繊維群２５と、該第５繊維群２５の上に積層される第６繊維群２６と、該第６繊維群２６の上に積層される第７繊維群２７と、を備えている。第１繊維群２１は、第１導電性繊維２１ａ、２１ａ、…を配列することにより形成され、第２繊維群２２は、第２導電性繊維２２ａ、２２ａ、…と第１導電性繊維２１ａ、２１ａ、…とが略直交するように、第２導電性繊維２２ａ、２２ａ、…を配列することにより形成されている。さらに、第３繊維群２３は、第３導電性繊維２３ａ、２３ａ、…と第２導電性繊維２２ａ、２２ａ、…とが略直交するように、第３導電性繊維２３ａ、２３ａ、…を配列することにより形成され、第４繊維群２４は、第４導電性繊維２４ａ、２４ａ、…と第３導電性繊維２３ａ、２３ａ、…とが略直交するように、第４導電性繊維２４ａ、２４ａ、…を配列することにより形成されている。以下、同様に、第５繊維群２５を形成する第５導電性繊維２５ａ、２５ａ、…は、第４導電性繊維２４ａ、２４ａ、…と略直交するように、第６繊維群２６を形成する第６導電性繊維２６ａ、２６ａ、…は、第５導電性繊維２５ａ、２５ａ、…と略直交するように、第７繊維群２７を形成する第７導電性繊維２７ａ、２７ａ、…は、第６導電性繊維２６ａ、２６ａ、…と略直交するように、それぞれ配列されている。このように、炭素繊維を編みこんだり焼き付けたりする必要がない本発明の拡散層によれば、配列される炭素繊維のピッチを制御することで、導電性多孔部２８に備えられる細孔の大きさを容易に制御することができる。
【００５３】
図５は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層（以下、「第３実施形態にかかる拡散層」という。）の形態例を概略的に示す正面図であり、図６は、図５のＺ−Ｚ断面を示す図である。図５、図６において、図１、図２に示す部材と同様の構成を採るものには、図１、図２で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図５及び図６を参照しつつ、本発明の燃料電池用拡散層について説明する。
【００５４】
図５に示すように、第３実施形態にかかる拡散層３０は、導電性多孔部３８と、該導電性多孔部３８の外縁に備えられて導電性多孔部３８を固定する枠体９と、を備えている。導電性多孔部３８に備えられる各導電性繊維は炭素繊維である。各繊維群を構成する各導電性繊維は、略平行に配列され、図６の紙面下方から上方へいくほど繊維群を構成する導電性繊維の間隔が拡がるように、かつ、図６の紙面下方から上方へいくほど繊維群を構成する導電性繊維の径が大きくなるように、配置されている。
【００５５】
導電性多孔部３８は、第１繊維群３１と、該第１繊維群３１の上に積層される第２繊維群３２と、該第２繊維群３２の上に積層される第３繊維群３３と、該第３繊維群３３の上に積層される第４繊維群３４と、該第４繊維群３４の上に積層される第５繊維群３５と、該第５繊維群３５の上に積層される第６繊維群３６と、該第６繊維群３６の上に積層される第７繊維群３７と、を備えている。第１繊維群３１は、第１導電性繊維３１ａ、３１ａ、…を間隔Ｐ１で配列することにより形成され、第２繊維群３２は、第２導電性繊維３２ａ、３２ａ、…と第１導電性繊維３１ａ、３１ａ、…とが略直交するように、第２導電性繊維３２ａ、３２ａ、…を間隔Ｐ２で配列することにより形成されている。さらに、第３繊維群３３は、第３導電性繊維３３ａ、３３ａ、…と第２導電性繊維３２ａ、３２ａ、…とが略直交するように、第３導電性繊維３３ａ、３３ａ、…を間隔Ｐ３で配列することにより形成され、第４繊維群３４は、第４導電性繊維３４ａ、３４ａ、…と第３導電性繊維３３ａ、３３ａ、…とが略直交するように、第４導電性繊維３４ａ、３４ａ、…を間隔Ｐ４で配列することにより形成されている。以下、同様に、第５繊維群３５を形成する第５導電性繊維３５ａ、３５ａ、…は、第４導電性繊維３４ａ、３４ａ、…と略直交するように、間隔Ｐ５で配列され、第６繊維群３６を形成する第６導電性繊維３６ａ、３６ａ、…は、第５導電性繊維３５ａ、３５ａ、…と略直交するように、間隔Ｐ６で配列され、第７繊維群３７を形成する第７導電性繊維３７ａ、３７ａ、…は、第６導電性繊維３６ａ、３６ａ、…と略直交するように、間隔Ｐ７で配列されている。
【００５６】
そして、導電性多孔部３８は、Ｐ１＝Ｐ２、Ｐ３＝Ｐ４、Ｐ５＝Ｐ６であり、かつ、「Ｐ１（＝Ｐ２）＜Ｐ３（＝Ｐ４）＜Ｐ５（＝Ｐ６）＜Ｐ７」となるように、各導電性繊維が配列されている。さらに、第１導電性繊維３１ａ、３１ａ、…の繊維径を「Ｒ１」、第２導電性繊維３２ａ、３２ａ、…の繊維径を「Ｒ２」、第３導電性繊維３３ａ、３３ａ、…の繊維径を「Ｒ３」、第４導電性繊維３４ａ、３４ａ、…の繊維径を「Ｒ４」、第５導電性繊維３５ａ、３５ａ、…の繊維径を「Ｒ５」、第６導電性繊維３６ａ、３６ａ、…の繊維径を「Ｒ６」、及び、第７導電性繊維３７ａ、３７ａ、…の繊維径を「Ｒ７」とするとき、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、及びＲ７が「Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜Ｒ５＜Ｒ６＜Ｒ７」という関係が成立している。
【００５７】
導電性多孔部３８をかかる構成とすれば、各導電性繊維によって形成される細孔の大きさが、図６の紙面下方から上方へ向かって徐々に大きくなるように、細孔の大きさを制御することができる。
【００５８】
なお、第３実施形態にかかる拡散層に関する説明では、「Ｐ１（＝Ｐ２）＜Ｐ３（＝Ｐ４）＜Ｐ５（＝Ｐ６）＜Ｐ７」かつ「Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜Ｒ５＜Ｒ６＜Ｒ７」の形態を有する導電性多孔部３８を例示したが、本発明の拡散層は、当該形態に限定されない。例えば、「Ｐ１（＝Ｐ２）＜Ｐ３（＝Ｐ４）＜Ｐ５（＝Ｐ６）＜Ｐ７」であり、かつ、「Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒ７」の形態とすることもできるほか、「Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ３＝Ｐ４＝Ｐ５＝Ｐ６＝Ｐ７」であり、かつ、「Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜Ｒ５＜Ｒ６＜Ｒ７」の形態とすることもできる。
【００５９】
本発明の燃料電池用拡散層（以下、「本発明の拡散層」又は「拡散層」ということがある。）に関する上記説明では、枠体９に、凹部９ａ、シール用ガスケット部９ｃ、及び、高剛性材料９ｄが備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されず、これらの１以上が備えられない形態とすることも可能である。ただし、後述するように、本発明の拡散層を備える燃料電池の発電性能を向上させる等の観点からは、凹部９ａ、シール用ガスケット部９ｃ、及び、高剛性材料９ｄを具備する枠体９が備えられる形態の拡散層とすることが好ましい。
【００６０】
本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、それぞれの繊維群を形成する複数の導電性繊維が略平行に配列される形態を例示したが、本発明はかかる形態に限定されるものではない。上記形態のほか、例えば、それぞれの繊維群を形成する複数の導電性繊維が、交差しない範囲内でランダムに配列された形態とすることも可能である。
【００６１】
また、本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、７つの繊維群が積層されることにより形成される形態の導電性多孔部を例示したが、本発明の燃料電池用拡散層に備えられる導電性多孔部は、当該形態に限定されるものではない。導電性多孔部に備えられる繊維群の数は、燃料電池用拡散層に要求される性能等に応じて、適宜変更することができ、２以上の任意の数の繊維群が備えられる形態とすることが可能である。
【００６２】
さらに、本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、導電性繊維として炭素繊維が用いられる形態を例示したが、本発明の燃料電池用拡散層に備えられる導電性繊維は、炭素繊維に限定されるものではない。単セル内の環境に耐えることができる材料であれば、炭素以外の材料を用いることができ、例えば、ステンレス鋼等を母材とする高耐食性金属の繊維状物質を用いることが可能である。
【００６３】
加えて、本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、枠体としてシリコーン樹脂が用いられる形態を例示したが、本発明の燃料電池用拡散層に備えられる枠体を構成し得る材料は、シリコーン樹脂に限定されるものではない。枠体は、導電性多孔部を固定可能であるとともに、単セル内の環境に耐えることができる材料であれば、シリコーン樹脂以外の材料により形成することができ、当該材料の具体例としては、フッ素樹脂等を挙げることができる。
【００６４】
本発明の燃料電池用拡散層において、導電性多孔部を構成する導電性繊維を配列する際の間隔（例えば、上記Ｐ１〜Ｐ７）は、燃料電池用拡散層としての機能（ガス拡散性、湿潤環境下における排水性、乾燥環境下における保水性等）を発現可能な間隔であれば、特に限定されるものではない。当該間隔の具体例としては、１０μｍ以上１００μｍ以下等を挙げることができる。
【００６５】
さらに、本発明の燃料電池用拡散層において、導電性多孔部を構成する導電性繊維の径（例えば、上記Ｒ１〜Ｒ７）は、燃料電池用拡散層としての機能（ガス拡散性、湿潤環境下における排水性、乾燥環境下における保水性等）を発現可能な径であれば、特に限定されるものではない。当該径の具体例としては、２μｍ以上２０μｍ以下等を挙げることができる。
【００６６】
なお、これまで、本発明の導電性多孔体が燃料電池用拡散層として用いられる場合について説明したが、本発明の導電性多孔体は、燃料電池用拡散層以外の用途（例えば、フィルター等）で使用することも可能である。この場合、本発明の導電性多孔体に備えられる導電性繊維の構成材料としては、上記炭素及び金属のほか、炭素や金属等の導電性材料を表面にコーティングした無機繊維等を例示することができる。さらに、本発明の導電性多孔体が、燃料電池用拡散層以外の用途で使用される場合、本発明の導電性多孔体に備えられる枠体の構成材料としては、上記シリコーン樹脂及びフッ素樹脂等を例示することができる。
【００６７】
２．燃料電池
図７は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池に備えられる単セルの一部断面を拡大して示している。図７において、図１、図２に示す部材と同様の構成を採るものには、図１、図２で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図７では、セパレータに備えられるガス流路の記載を省略している。以下、図７を参照しつつ、本発明の燃料電池について説明する。
【００６８】
図７に示すように、本発明の燃料電池に備えられる単セル（以下、「本発明の燃料電池」又は「燃料電池」ということがある。）１００は、電解質膜１０１と、該電解質膜１０１の一方の面に備えられるアノード触媒層１０２及び他方の面に備えられるカソード触媒層１０３と、を有するＭＥＡ１０４と、ＭＥＡ１０４を狭持するように配設される一対の拡散層３０、３０と、一対の拡散層３０、３０の外側に配設されるセパレータ１０５、１０６と、を備えている。そして、セパレータ１０５には、水素を流通させ得るガス流路が備えられ、セパレータ１０６には、酸素を流通させ得るガス流路が備えられている。燃料電池１００において、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２ａ、及び、カソード触媒層１０３ａには、例えば、Ｎａｆｉｏｎ等に代表される、フッ素系のアイオノマーが備えられ、アノード触媒層１０２ａ及びカソード触媒層１０３ａには、さらに、電気化学反応の触媒として機能する白金等の金属粒子を担持した炭素が備えられている。また、セパレータ１０５、１０６は、例えば、炭化水素樹脂により形成されている。
【００６９】
燃料電池１００は、図７の紙面上下方向に締結圧力が加えられている。そのため、導電性多孔部３８が、図７の紙面上下方向に圧縮され、導電性多孔部３８を構成する各導電性繊維が撓む。このようにして、各導電性繊維が撓むと、一の導電性繊維の上下に位置する導電性繊維によって、当該一の導電性繊維の移動が制限されるため、導電性多孔部３８の中央部等において、各導電性繊維が移動し難い拡散層３０とすることができる。
【００７０】
燃料電池１００の作動時には、セパレータ１０５に備えられるガス流路、及び、拡散層３０（以下、セパレータ１０５とアノード触媒層１０２との間に配設される拡散層３０を「拡散層３０ａ」といい、セパレータ１０６とカソード触媒層１０３との間に配設される拡散層３０を「拡散層３０ｂ」という。）を経て供給された水素が、アノード触媒層１０２の触媒上で、プロトンと電子とに分離する。このようにして生じたプロトンは、アノード触媒層、電解質膜１０１、及び、カソード触媒層１０３に備えられるフッ素系のアイオノマーを伝って、カソード触媒層１０３の触媒上へと達する。一方、アノード触媒層１０２で生じた電子は、電解質膜１０１を通過できない。そのため、電子は、外部回路を経て、カソード触媒層１０３の触媒上へと達する。そして、セパレータ１０６に備えられるガス流路、及び、拡散層３０ｂを経て供給された酸素が、カソード触媒層１０３の触媒上で、プロトン及び電子と反応（電気化学反応）することにより水が生成される。このほか、当該電気化学反応の副反応により、ＯＨラジカルやＯＯＨラジカル等が生成され得る。燃料電池１００で、ＯＨラジカルやＯＯＨラジカルが生成されると、炭素繊維により構成される導電性多孔部が、ＯＨラジカルやＯＯＨラジカル等によって損傷され、導電性多孔部３８の寸法が変化する（収縮する）虞がある。
【００７１】
ところが、燃料電池１００の拡散層３０、３０（以下、「拡散層３０」という。）には、ＭＥＡ１０４側の面に、高剛性材料９ｄが備えられている。そのため、当該高剛性材料９ｄにより、導電性多孔部３８の寸法変化を抑制することができる。導電性多孔部３８の寸法変化が抑制されると、導電性多孔部３８の寸法変化等に起因する、ＭＥＡ１０４表面への皺の発生が抑制されるため、当該皺の発生による燃料電池の性能低下を抑制することができる。
【００７２】
一方、本発明の燃料電池１００に備えられる枠体９は、シリコーン樹脂により構成され、枠体９にシール用ガスケット部９ｃが備えられる。そのため、拡散層３０を拡散層として機能させるのみならず、ガスケットとして機能させることができる。したがって、従来のＰＥＦＣでは、それぞれの異なる部材として備えられていた拡散層とガスケットとを、本発明の燃料電池１００では、一体化させることができるので、従来のＰＥＦＣよりも部材数を低減することが可能になる。
【００７３】
さらに、燃料電池１００の拡散層３０には、凹部９ａが備えられている。このように、凹部９ａが備えられる形態の拡散層３０であれば、仮に導電性多孔部３８の寸法が変化したとしても、凹部９ａにより、シール用ガスケット部９ｃの寸法変化を抑制することができるので、拡散層３０のガスケットとしての機能を維持することができる。
【００７４】
さらに、燃料電池１００の拡散層３０は、ＭＥＡ１０４から離れるにつれて、導電性多孔部３８の細孔が大きくなるように、細孔の大きさが制御されている。そのため、例えば、燃料電池１００に多量の水が存在する環境であっても、ＭＥＡ１０４で生成される水をセパレータ１０５、１０６へ容易に排出することができる。このほか、ＭＥＡ１０４で発生した水が、図示されていない熱媒体流路内を流れる冷却媒体等によって冷却されているセパレータ１０５、１０６に触れて結露することにより生じる液滴の水が、セパレータ１０５、１０６からＭＥＡ１０４へ移動することを抑制できる。したがって、拡散層３０が備えられる形態とすることで、フラッディングの発生を抑制することが可能な燃料電池を提供できる。
【００７５】
さらに、燃料電池１００の拡散層３０は、ＭＥＡ１０４から離れるにつれて、それぞれの繊維群を形成する複数の導電性繊維の径が徐々に大きくなるように構成されている。それゆえ、ＭＥＡ１０４からの距離が遠くなるほど、導電性多孔部３８の細孔が大きくなるので、フラッディングの発生を容易に抑制し得る燃料電池を提供できる。
【００７６】
また、本発明の燃料電池１００において、セパレータ１０５、１０６と接触する、拡散層３０ａ、３０ｂの導電性多孔部３８を形成する導電性繊維（以下、「最表面導電性繊維」という。）の配列形態と、拡散層３０ａ、３０ｂの外側に配設されるセパレータ１０５、１０６に備えられるガス流路の形態は、特に限定されない。ただし、例えば、セパレータ１０５に備えられるガス流路が、拡散層３０ａの最表面導電性繊維と平行に備えられると、隣接する当該ガス流路によって挟まれている部分（以下、「ガス流路凸部」という。）と接触する最表面導電性繊維の数が減り（又は、ガス流路の開口部と対向する位置に存在する最表面導電性繊維の数が増え）、拡散層３０ａへと加えられる締結圧力が不均一になる結果、燃料電池１００の接触抵抗が増加する虞がある。そこで、当該接触抵抗の増加を抑制又は防止する等の観点から、セパレータ１０５に備えられるガス流路と交差する形態で、拡散層３０ａの最表面導電性繊維が配列されていることが好ましい。このようにすれば、全ての最表面導電性繊維を、セパレータ１０５のガス流路凸部と接触させることが可能になるので、接触抵抗の増加を抑制又は防止することが可能になる。ここで、セパレータ１０５に備えられるガス流路と拡散層３０ａの最表面導電性繊維とが交差する際の角度（以下、「交差角」という。）は特に限定されるものではないが、ガス流路凸部を介して締結圧力を最表面導電性繊維へ効率良く伝達可能とすることにより、接触抵抗の増加抑制効果を得る等の観点からは、交差角を３０°以上とすることが好ましく、交差角を９０°とすることがさらに好ましい。なお、接触抵抗の増加抑制効果を得る等の観点からは、セパレータ１０６に備えられるガス流路と、拡散層３０ｂの最表面導電性繊維との交差角についても、セパレータ１０５に備えられるガス流路と拡散層３０ａの最表面導電性繊維との上記交差角と同様の構成とすることが好ましい。
【００７７】
本発明の燃料電池に関する上記説明において、拡散層３０が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る拡散層は、当該形態に限定されず、拡散層１０や拡散層２０等、他の形態を有する本発明の拡散層が備えられていても良い。
【００７８】
さらに、本発明の燃料電池に関する上記説明では、凹部９ａ、シール用ガスケット部９ｃ、及び、高剛性材料９ｄを具備する拡散層３０が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る拡散層は、当該形態に限定されず、例えば、凹部９ａ及び／又はシール用ガスケット部９ｃが備えられない形態であっても良い。ただし、燃料電池に備えられる部品数を低減する等の観点からは、シール用ガスケット部を有する枠体を具備する形態の拡散層が備えられる構成とすることが好ましく、拡散層にガスケットとしての機能が兼ね備えられる場合には、導電性多孔部の寸法が変化した場合であっても、当該ガスケットとしての機能を維持する等の観点から、凹部を有する形態の拡散層が備えられる構成とすることが好ましい。さらに、導電性多孔部３８の寸法変化を抑制してＭＥＡ１０４の表面への皺の発生を抑制することで、本発明の燃料電池の発電性能を向上させる等の観点からは、高剛性材料を具備する形態の拡散層が備えられる構成とすることが好ましい。
【００７９】
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、フッ素系のアイオノマーを備える電解質膜を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る電解質膜は、当該形態に限定されず、例えば、セレミオン等の炭化水素系のアイオノマーを有する電解質膜が備えられていても良い。さらに、本発明の燃料電池に関する上記説明得は、炭化水素系樹脂により構成されるセパレータを例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得るセパレータは、当該形態に限定されず、例えば、ステンレス鋼を母材とし、その表面に高耐食性の被膜を形成させた金属によりセパレータが構成されていてもよい。
【００８０】
さらに、本発明の燃料電池に関する上記説明では、触媒として白金を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る触媒は白金に限定されず、例えば、組成にＣｏ及び／又はＲｕ等が含まれる白金合金であっても良い。さらに、上記説明では、担体に担持された触媒が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されず、例えば、担体に担持されていない触媒（例えば、白金黒粒子等）がアノード触媒層及び／又はカソード触媒層に備えられていても良い。
【００８１】
３．燃料電池用拡散層の製造方法（導電性多孔体の製造方法）
本発明の導電性多孔体は、上述のように、燃料電池用拡散層として好適に用いることができる。ここで、本発明の導電性多孔体は、本発明の燃料電池用拡散層の製造方法と同様の方法で製造することができる。そこで、本発明の燃料電池用拡散層の製造方法に関する以下の説明をもって、本発明の導電性多孔体の説明に代える。以下、本発明の導電性多孔体の製造方法の一形態である燃料電池用拡散層の製造方法について説明する。
【００８２】
図８は、本発明にかかる燃料電池用拡散層の製造方法（以下、「本発明の製造方法」ということがある。）の形態例を概略的に示すフローチャートである。以下、図１〜図６で使用した符号を用いつつ、導電性多孔部に、第１繊維群、第２繊維群、第３繊維群、第４繊維群、第５繊維群、第６繊維群、及び第７繊維群が備えられる形態の燃料電池用拡散層を製造する場合について説明する。
【００８３】
図８に示すように、本発明の燃料電池用拡散層の製造方法には、導電性多孔部形成工程Ｓ１（以下、「工程Ｓ１」という。）、及び、枠体形成工程Ｓ２（以下、「工程Ｓ２」という。）が備えられる。導電性多孔部形成工程Ｓ１は、第１導電性繊維１ａ、１ａ、…を平面状に配列して第１繊維群１を形成する第１繊維群形成工程Ｓ１１（以下、「工程Ｓ１１」という。）と、工程Ｓ１１終了後に、工程Ｓ１１によって形成された第１繊維群１の上へ、第１導電性繊維１ａ、１ａ、…と第２導電性繊維２ａ、２ａ、…とが交差するように、第２導電性繊維２ａ、２ａ、…を平面状に配列して第２繊維群２を形成する第２繊維群形成工程Ｓ１２（以下、「工程Ｓ１２」という。）と、が備えられる。そして、工程Ｓ１２終了後に、第２導電性繊維２ａ、２ａ、…と交差するように、第２繊維群２の上へ、第３導電性繊維３ａ、３ａ、…を平面状に配列して第３繊維群３を形成する第３繊維群形成工程Ｓ１３（以下、「工程Ｓ１３」という。）と、工程Ｓ１３終了後に、第３導電性繊維３ａ、３ａ、…と交差するように、第３繊維群３の上へ、第４導電性繊維４ａ、４ａ、…を平面状に配列して第４繊維群４を形成する第４繊維群形成工程Ｓ１４（以下、「工程Ｓ１４」という。）と、が備えられ、以下同様にして、第５繊維群５を形成する第５繊維群形成工程Ｓ１５（以下、「工程Ｓ１５」という。）、第６繊維群６を形成する第６繊維群形成工程Ｓ１６（以下、「工程Ｓ１６」という。）、及び、第７繊維群７を形成する第７繊維群形成工程Ｓ１７（以下、「工程Ｓ１７」という。）が備えられる。すなわち、工程Ｓ１には、工程Ｓ１１、工程Ｓ１２、工程Ｓ１３、工程Ｓ１４、工程Ｓ１５、工程Ｓ１６、及び、工程Ｓ１７が備えられ、これらの工程において各導電性繊維を等間隔で配列することにより、導電性多孔部８が形成される。
【００８４】
工程Ｓ１によって導電性多孔部８が形成されたら、引き続き、工程Ｓ２により、導電性多孔部８の外縁へ枠体９を形成し、該枠体９により導電性多孔部８を固定する。図８に示すように、工程Ｓ２には、枠体９に凹部を形成する凹部形成工程Ｓ２１（以下、「工程Ｓ２１」という。）と、枠体９に高剛性物質を配設する高剛性物質配設工程Ｓ２２（以下、「工程Ｓ２２］という。）と、が備えられている。ここで、工程Ｓ２の具体例としては、工程Ｓ１によって形成された導電性多孔部８の外縁に金型を配置し、当該金型へ、枠体９を構成する枠体材料（例えば、ゲル状のシリコーン樹脂等）を流入して乾燥させて硬化させる等の方法により、枠体９を形成する形態等を挙げることができる。一方、工程Ｓ２１の具体例としては、硬化した枠体９に溝を形成することにより凹部９ａを形成する形態のほか、凹部９ａと対応する形状の凹部を金型に設けることにより、当該凹部を有する金型へ流入させた樹脂を硬化させると凹部９ａが形成される形態等を挙げることができる。一方、高剛性物質配設工程Ｓ２２の具体例としては、上記金型へ枠体材料を流入させる前に、金型へ高剛性物質を配置する形態等を挙げることができる。
【００８５】
本発明の製造方法に関する上記説明では、拡散層１０を製造する方法について記載したため、工程Ｓ１１〜工程Ｓ１７において配列される各導電性繊維の間隔を等間隔としたが、本発明の製造方法は当該形態に限定されない。例えば、上記拡散層３０を製造する場合には、工程Ｓ１１、工程Ｓ１２、工程Ｓ１３、工程Ｓ１４、工程Ｓ１５、工程Ｓ１６、工程Ｓ１７における間隔を、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７とするとき、「Ｐ１＝Ｐ２、Ｐ３＝Ｐ４、Ｐ５＝Ｐ６」とし、かつ、「Ｐ１（＝Ｐ２）＜Ｐ３（＝Ｐ４）＜Ｐ５（＝Ｐ６）＜Ｐ７」とすれば良い。
【００８６】
また、上記拡散層３０を製造する場合には、例えば、第１導電性繊維の繊維径が最小であり、かつ、第７導電性繊維の繊維径が最大であって、第１繊維群から第７繊維群に向かって、繊維群を形成する導電性繊維の径が大きくなるような導電性繊維を用いて、導電性多孔部を形成すれば良い。
【００８７】
一方、本発明の製造方法に関する上記説明では、工程Ｓ１に、導電性多孔部の厚み方向（＝積層方向）に圧縮圧力を加える、圧縮圧力付与工程が備えられない形態を示したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、第１繊維群から第７繊維群までが備えられる導電性多孔部を具備する拡散層を形成する際に、工程Ｓ１７の後に、圧力付与工程を加え、その後、工程Ｓ２を行うことも可能である。このようにすれば、拡散層の製造時に、導電性多孔部の積層方向へ圧縮圧力が加えられるので、両端を枠体によって固定された導電性繊維の動きの自由度を低減することができ、その結果、製造時に形成された細孔の大きさを維持することが可能な、拡散層を得ることができる。
【００８８】
図９は、工程Ｓ１１の形態例を示す概略図、図１０は、図９に示される櫛状板９３、９６、９８を概略的に示す拡大図であり、図１０（ａ）は櫛状板９３の一部を概略的に示す断面図、図１０（ｂ）は櫛状板９６の一部を概略的に示す正面図、図１０（ｃ）は櫛状板９８の一部を概略的に示す断面図である。図９において、直線矢印は、導電繊維の進行方向を示している。図９、図１０において、図２で示す部材と同様の構成を採るものには、図２で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図が煩雑になることを防ぐため、図９では、３つのロールのみを示しているが、工程Ｓ１１で使用されるロールの数は、これに限定されるものではない。以下、図２、図９及び図１０を参照しつつ、工程Ｓ１１について説明する。
【００８９】
図９に示すように、工程Ｓ１１では、ロール状に巻かれた第１導電性繊維１ａ、１ａ、…の先端が、チャック９４、９４、…で掴まれることにより、導電性繊維ロール９１、９１、…から積層作業台９７へと引き出される。導電性繊維ロール９１、９１、…から引き出された第１導電性繊維１ａ、１ａ、…の先端は、テンションロール９２、９２を経て、第１導電性繊維が配列される最終的な間隔よりも広い間隔の溝９３ｘ、９３ｘ、…が形成された櫛状板９３（図１０（ａ）参照）へと達する。当該櫛状板９３によって間隔を調整された第１導電性繊維１ａ、１ａ、…は、その後、図９の紙面左側から順に、チャック９４（以下、「チャック９４ａ」という。）、９４（以下、「チャック９４ｂ」という。）、櫛状板９６、積層作業台９７、及び、櫛状板９８を経て、チャック９４（以下、「チャック９４ｃ」という。）によってその先端を掴まれる。このようにして、第１導電性繊維１ａ、１ａ、…の先端が、チャック９４ｃによって掴まれると、ロール９１、９１、…とチャック９４ｃとの間に位置する第１導電性繊維１ａ、１ａ、…の一部がチャック９４ｂによって掴まれることにより、積層作業台９７の上に配置された、第１導電性繊維１ａ、１ａ、…が２箇所で固定される。その後、カッター９５によって、第１導電性繊維１ａ、１ａ、…が切断されると、積層作業台９７上に、両端をチャック９４ｂ、９４ｃによって固定された状態の第１導電性繊維１ａ、１ａ、…が、平面状に配列される。
【００９０】
一方、図１０（ｂ）に示すように、櫛状板９６は、一端から他端へ向けて、間隔が徐々に狭まるような形態の溝９６ｘ、９６ｘ、…が形成されている。また、櫛状板９８は、櫛状板９６の上記他端の間隔と同等の間隔を有する溝９８ｘ、９８ｘ、…が形成されている。すなわち、工程Ｓ１１では、櫛状板９３、９６、及び９８によって、第１繊維群１を形成する第１導電性繊維１ａ、１ａ、…の間隔が制御されている。
【００９１】
図１１は、工程Ｓ１３の形態例を示す概略図である。図１１において、図２、図９、又は、図１０に示す部材と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図が煩雑になるのを防ぐため、第２繊維群を構成する第２導電性繊維の両端を固定する固定手段（チャック）の記載を省略しているほか、図９と同様の理由から、図１１においても３つのロールのみを示しているが、工程Ｓ１３で使用されるロールの数は、これに限定されるものではない。以下、図２及び図１１を参照しつつ、工程Ｓ１３について説明する。
【００９２】
図１１に示すように、工程Ｓ１３では、ロール状に巻かれた第３導電性繊維３ａ、３ａ、…の先端が、チャック９４ａ、９４ｂ、…で掴まれることにより、導電性繊維ロール９１’、９１’、…から、積層作業台９７の上に形成された第２繊維群２の上へと引き出される。導電性繊維ロール９１’、９１’、…から引き出された第３導電性繊維３ａ、３ａ、…は、工程Ｓ１１における第１導電性繊維１ａ、１ａ、…と同様の工程を経ることにより、その間隔を調整され、第２繊維群２の上へ平面状に配列される。
【００９３】
図１２は、工程Ｓ２の形態例を概略的に示す断面図である。図１２において、図２又は図１１に示す部材と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図が煩雑になるのを防ぐため、導電性多孔部８を構成する一部の繊維群、及び、繊維群を構成する導電性繊維の両端を固定する一部の固定手段（チャック）の記載を省略している。以下、図２及び図１２を参照しつつ、工程Ｓ２について説明する。
【００９４】
図１２に示すように、工程Ｓ２では、積層作業台９７の上に形成された導電性多孔部８の外縁に、樹脂を流入させ得る金型９９が配置される。金型９９には、凹部９ａを形成するための凹部９９ａと、シール用ガスケット部９ｃを形成するための凸部９９ｂと、が備えられ、金型９９には、樹脂を流入する前に、高剛性材料９ｄが配置される。工程Ｓ２では、金型に凹部９９ａ及び凸部９９ｂを形成して金型９９とした後（工程Ｓ２１）、当該金型９９に高剛性材料９ｄが配置される（工程Ｓ２２）。そして、高剛性材料９ｄが配置された金型９９へ樹脂を流入した後、樹脂を乾燥させて硬化させることにより、枠体９を形成し、その後、枠体９からはみ出した各導電性繊維を切断することで、拡散層１０を製造する。かかる工程を経ることにより、工程Ｓ１で形成された導電性多孔部８の外縁に枠体９を配置することができ、さらに、当該枠体９により、導電性多孔部８を固定することができる。
【００９５】
４．燃料電池の製造方法
図１３は、本発明の燃料電池の製造方法の形態例を概略的に示すフローチャートである。以下、図１、図７、図８、及び図１３を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。
図１３に示すように、本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜１０１の表面及び裏面にそれぞれ触媒層１０２、１０３を配設してＭＥＡ１０４を作製する、ＭＥＡ作製工程Ｓ１３１と、該工程Ｓ１３１によって作製されたＭＥＡ１０４の一方の側及び他方の側のそれぞれに、拡散層３０、３０を配設して積層体を作製する、積層体作製工程Ｓ１３２と、該工程Ｓ１３２によって作製された積層体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、セパレータ１０５、１０６を配設するセパレータ配設工程Ｓ１３３と、を備えている。
【００９６】
本発明の燃料電池の製造方法において、ＭＥＡ作製工程Ｓ１３１の具体例としては、例えば、触媒を担持させた担体を、溶剤に溶解させたプロトン伝導性を有するアイオノマーへ分散させることにより作製した、インク状の触媒層組成物を、電解質膜１０１の表面及び裏面へスクリーン印刷することにより、ＭＥＡ１０４を作製する工程等を挙げることができる。このほか、上記触媒層組成物を電解質膜１０１へスプレー塗布する等して、ＭＥＡ１０４を作製することも可能である。一方、積層体作製工程Ｓ１３２の具体例としては、一対の拡散層３０、３０の間にＭＥＡ１０４を配置して、一対の拡散層３０、３０とＭＥＡ１０４とを熱圧着することにより、積層体を作製する工程等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層の形態例を概略的に示す正面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面を示す図である。
【図３】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層の形態例を概略的に示す正面図である。
【図４】図３のＹ−Ｙ断面を示す図である。
【図５】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層の形態例を概略的に示す正面図である。
【図６】図５のＺ−Ｚ断面を示す図である。
【図７】本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。
【図８】本発明にかかる燃料電池用拡散層の製造方法の形態例を概略的に示すフローチャートである。
【図９】第１繊維群形成工程Ｓ１１の形態を示す概略図である。
【図１０】図１０（ａ）は、櫛状板９３を概略的に示す正面図である。図１０（ｂ）は、櫛状板９６を概略的に示す正面図である。図１０（ｃ）は、櫛状板９８を概略的に示す正面図である。
【図１１】第３繊維群形成工程Ｓ１３の形態を示す概略図である。
【図１２】枠体形成工程Ｓ２の形態を示す概略図である。
【図１３】本発明にかかる燃料電池の製造方法の形態例を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１、２１、３１  第１繊維群
１ａ、２１ａ、３１ａ  第１導電性繊維
２、２２、３２  第２繊維群
２ａ、２２ａ、３２ａ  第２導電性繊維
３、２３、３３  第３繊維群
３ａ、２３ａ、３３ａ  第３導電性繊維
４、２４、３４  第４繊維群
４ａ、２４ａ、３４ａ  第４導電性繊維
５、２５、３５  第５繊維群
５ａ、２５ａ、３５ａ  第５導電性繊維
６、２６、３６  第６繊維群
６ａ、２６ａ、３６ａ  第６導電性繊維
７、２７、３７  第７繊維群
７ａ、２７ａ、３７ａ  第７導電性繊維
８、２８、３８  導電性多孔部
９  枠体
９ａ  凹部
９ｂ  繊維固定部
９ｃ  シール用ガスケット部
９ｄ  高剛性材料（高剛性物質）
１０、２０、３０  燃料電池用拡散層
１００  燃料電池
１０１  電解質膜
１０２  アノード触媒層
１０３  カソード触媒層
１０４  ＭＥＡ
１０５、１０６  セパレータ
１０７、１０８  ガス流路
【図１】
2008027672.tif 000003
【図２】
2008027672.tif 000004
【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】
2008027672.tif 000009
【図８】
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【図９】
2008027672.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2008027672.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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