(57)【要約】【課題】触媒層に対する水やガスの移動量を容易に制御することができるようにすることにある。【解決手段】電解質膜１のカソード（触媒層）３に積層され、空気（ガス）をカソード３側に供給するものであって、第１多孔質層（一方の多孔質層）６１と第２多孔質層（他方の多孔質層）６２とからなり、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２のうち少なくとも一方は、表面６１ａ、６２ａに複数の穴６１ｂ、６２ｂが開口する平面穴空き構造Ｂに構成している。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に積層され、ガスを上記触媒層側に供給する燃料電池用ガス拡散層であって、
少なくとも２つの多孔質層によって構成されており、
上記多孔質層のうち少なくとも一方の多孔質層は、他方の多孔質層に接する表面に複数の穴が開口する平面穴空き構造に構成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２】
電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に積層され、ガスを上記触媒層側に供給する燃料電池用ガス拡散層であって、
少なくとも２つの多孔質層と、これらの多孔質層の間に配置された中間シート層とを有し、
上記中間シート層は、複数の貫通孔を有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３】
上記平面穴空き構造に構成された多孔質層の上記表面は、上記複数の穴によって、開口率が２０〜７０％となっている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４】
上記中間シート層は、上記複数の貫通孔によって、開口率が２０〜７０％となっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
上記触媒層側に配置される一方の多孔質層は、平均孔径および厚さがそれぞれ他方の多孔質層の平均孔径および厚さより小となっていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
上記触媒層側に配置される一方の多孔質層は、平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに形成され、他方の多孔質層は、平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に積層され、ガスを上記触媒層側に供給する燃料電池用ガス拡散層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料電池としては、例えば図７に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側にアノード（燃料電極層）２およびカソード（酸化剤電極層）３が積層され、これらのアノード２およびカソード３のそれぞれの外面に沿って設置されたセパレータ４、５を備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。
【０００３】
電解質膜１は、例えば０．１ｍｍ程度の厚さのもので構成されている。
アノード２およびカソード３は、図８に示すように、触媒としてＰｔ担持カーボンブラックＡを有する多孔質のカーボンペーパ（触媒層）によって形成されている。
【０００４】
一方のセパレータ４には、燃料ガス（水素を有する）をアノード２の表面全体に供給するための溝４ａが形成されており、他方のセパレータ５には、酸化剤ガス（酸素を有する）をカソード３の表面全体に供給するための溝５ａが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素や、天然ガスやメタノールなどの燃料を改質して水素が豊富となったガスが用いられ、酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いられる。
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、図８に示すような化学反応により電気を作ることができる。燃料となる水素（Ｈ２　）は、アノード２側の触媒Ａの作用で水素イオン（Ｈ＋　）と電子（ｅ−　）に分かれる。すなわち、
Ｈ２　→２Ｈ＋　＋２ｅ−　　…（１）
となる。
【０００５】
水素イオンは、電解質膜１中をカソード３側に移動し、触媒Ａの作用によって、外部電気回路から供給される電子とともに、カソード３に供給される酸素の還元に使われる。すなわち、
１／２Ｏ２　＋２Ｈ＋　＋２ｅ−　→Ｈ２　Ｏ　…（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される（以下、この水を生成水という）。そして、アノード２側の電子が例えば外部の負荷を通ってカソード３側に流れることから、これを電気エネルギとして使うことができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１とカソード３との境界部で発生することになる。
【０００６】
また、上記燃料電池においては、電解質膜１のイオン導電性を高めて内部抵抗を低減することから、当該電解質膜１を湿潤する必要がある。このため、アノード２側に水蒸気を供給することが行われている。
そしてさらに、カソード３側から水分が過剰に蒸発するのを防止して内部抵抗の低減を図るため、カソード３に接するように設けたガス拡散層（図示せず）を２層構造とし、カソード３側の第１層の空孔の平均孔径を第２層の空孔の平均孔径より小さく構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
上記ガス拡散層を用いた場合には、第１層の空孔を通ることによる流体抵抗によって、酸化剤ガス側に移動する生成水の流量を規制し、これによってカソード３側の生成水が過剰に蒸発するのを防止することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−３３８６５５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したガス拡散層を用いた場合には、生成水の流体抵抗が第１層の空孔の径、開口率および長さの３つの要素の影響を受けるため、当該生成水の蒸発量を制御することが難しいという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、触媒層に対する水やガスの移動量を容易に制御することのできる燃料電池用ガス拡散層を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層は、電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に積層され、ガスを上記触媒層側に供給する燃料電池用ガス拡散層であって、少なくとも２つの多孔質層によって構成されており、上記多孔質層のうち少なくとも一方の多孔質層は、他方の多孔質層に接する表面に複数の穴が開口する平面穴空き構造に構成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の燃料電池用ガス拡散層は、電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に積層され、ガスを上記触媒層側に供給する燃料電池用ガス拡散層であって、少なくとも２つの多孔質層と、これらの多孔質層の間に配置された中間シート層とを有し、上記中間シート層は、複数の貫通孔を有していることを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の燃料電池用ガス拡散層は、請求項１に記載の発明において、上記平面穴空き構造に構成された多孔質層の上記表面は、上記複数の穴によって、開口率が２０〜７０％となっていることを特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載の燃料電池用ガス拡散層は、請求項２に記載の発明において、上記中間シート層は、上記複数の貫通孔によって、開口率が２０〜７０％となっていることを特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載の燃料電池用ガス拡散層は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、上記触媒層側に配置される一方の多孔質層は、平均孔径および厚さがそれぞれ他方の多孔質層の平均孔径および厚さより小となっていることを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載の燃料電池用ガス拡散層は、請求項１〜５の何れかに記載の発明において、上記触媒層側に配置される一方の多孔質層は、平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに形成され、他方の多孔質層は、平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに形成されていることを特徴としている。
【００１６】
請求項１、３、５および６に記載の発明においては、例えば２つの多孔質層のうち一方の多孔質層が平面穴空き構造に構成されている場合には、平面穴空き構造における穴以外の表面の部分が一方および他方の多孔質層の間の流路の遮蔽壁として作用することになる。したがって、一方の多孔質層と他方の多孔質層との境界部に水やガスの移動抵抗を増大させる絞り面を構成することができる。そして、この絞り面の移動抵抗は、一方の多孔質層である平面穴空き構造の穴の径および開口率と、他方の多孔質層の空孔の孔径とによってほぼ決まることになる。
【００１７】
また、各多孔質層の双方が平面穴空き構造に構成されている場合には、双方の穴が一致した状態で重なることがないので、その重なり合う部分の穴が小径化されるとともに当該穴の開口率が低下する。すなわち、各多孔質層の双方が平面穴空き構造に構成されている場合には、その境界部に、より移動抵抗の大きな絞り面を構成することができる。そして、この場合の絞り面の移動抵抗は、双方の平面穴空き構造の穴の径および開口率によってほぼ決まることになる。
【００１８】
このため、カソードとしての一方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、その触媒層側で発生する生成水の移動が上述した絞り面によって制限されることになるので、生成水の移動抵抗に関して、各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がない。したがって、水やガスの移動量を正確かつ簡単に規制することができるので、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００１９】
一方、アノードとしての他方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、そのガス拡散層における上述した絞り面より触媒層側に水蒸気を供給することにより、当該触媒層の表面における水蒸気の分圧を高めることができる。そして、この場合も、上記絞り面によって水蒸気の分圧を正確かつ容易に制御することができるという利点がある。すなわち、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００２０】
以上の結果、電解質膜の湿潤が阻害されることによって内部抵抗が増大するのを防止することができるとともに、生成水がカソードとしての触媒層側に過剰に滞留し、例えば酸化剤ガスがカソード側へ移動するのが阻害されるのを防止することができる。よって、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００２１】
請求項２、４、５および６に記載の発明においては、中間シート層における各貫通孔以外のシート部が例えば２つの各多孔質層の間において遮蔽壁として作用することになる。したがって、中間シート層は、一方の多孔質層と他方の多孔質層との間を流れる水やガスの移動抵抗を増大させる絞り面として作用することになる。そして、この絞り面の移動抵抗は、中間シート層における貫通孔の径および開口率と、各多孔質層の空孔の孔径とによってほぼ決まることになる。
【００２２】
このため、水やガスの移動抵抗が中間シート層によって決まることになり、当該中間シート層や各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がないので、上述した請求項１、４および５に記載の発明で示した作用効果と同様の作用効果を奏する。
【００２３】
請求項３または４に記載の発明においては、平面穴空き構造に構成された多孔質層の上記表面の開口率または上記中間シート層の開口率が２０〜７０％となっているので、カソードとしての一方の触媒層からの生成水の蒸発量を適度な値に制御することができるとともに、アノードとしての他方の触媒層の近傍の水蒸気分圧を適度な値に制御することができる。したがって、電解質膜を内部抵抗の少ない最適な状態に湿潤させることができる。
【００２４】
なお、上記開口率を２０〜７０％に構成したのは、２０％未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、７０％超では、上述した絞り面としての機能が極端に低下してしまうからである。
【００２５】
また、中間シート層の厚さとしては、０．０２〜０．１ｍｍに構成することが好ましい。その理由は、０．０２ｍｍ未満では、中間シート層の強度が低下し、水やガスの圧力により変形して、所定の開口率を有する絞り面として機能しなくなるからであり、０．１ｍｍ超では、強度的に過剰となってコストアップの原因になるとともに、燃料電池の小型化を図る上で不利になるからである。
さらに、貫通孔の孔径としては、２０μｍ〜１ｍｍに構成することが好ましい。その理由は、２０μｍ未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、１ｍｍ超では、上述した絞り面としての機能が極端に低下してしまうからである。
【００２６】
請求項５に記載の発明においては、触媒層側に配置される一方の多孔質層の平均孔径が小となっているので、例えば電解質膜と触媒層とガス拡散層とを層状に一体化したものを製造する場合、触媒層としてペースト状の触媒を多孔質層の表面に塗ることがあるが、この触媒を多孔質層の表面に塗りやすくなるという利点がある。
また、触媒層側に配置される一方の多孔質層の厚さが小となっているので、絞り面から触媒層側の容積が小さくなり、所定の湿潤状態に即座に到達させることができるという利点がある。
【００２７】
請求項６に記載の発明においては、一方の多孔質層における平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに構成され、他方の多孔質層における平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに構成されているので、上述した絞り面によって、触媒層に対する水やガスの移動量を適度に制御することができる。したがって、電解質膜を最適な湿潤状態に維持することができる。
【００２８】
なお、上記のように数値を限定したのは、上述した効果を損なう上に次にような理由があるからである。
すなわち、一方の多孔質層の平均孔径を２０〜２００μｍに構成したのは、２０μｍ未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、２００μｍ超では、ペースト状の触媒が塗りにくくなるからである。
また、一方の多孔質層の厚さを２５〜２００μｍに構成したのは、２５μｍ未満では、製造が困難になりコストの上昇をきたすことになるからであり、２００μｍ超では、燃料電池の小型化を図る上で不利になるからである。
一方、他方の多孔質層の平均孔径を５０〜６００μｍに構成したのは、５０μｍ未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、６００μｍ超では、強度的に低下してくるからである。
また、他方の多孔質層の厚さを５０〜１０００μｍに構成したのは、５０μｍ未満では、平均孔径との関係で、製造が困難になりコストの上昇をきたすことになるからであり、１０００μｍ超では、燃料電池の小型化を図る上で不利になるからである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ただし、従来例で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
まず、この発明の第１の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。この実施の形態で示すガス拡散層６は、図１〜図３に示すように、固体高分子型燃料電池における他方のセパレータ５と、電解質膜１の一方の面に積層された一方の触媒層としてのカソード（酸化剤電極層）３との間に設置されるようになっている。
【００３１】
ガス拡散層６は、第１多孔質層（一方の多孔質層）６１と第２多孔質層（他方の多孔質層）６２とによって一体に積層された構造になっている。これらの第１多孔質層６１および第２多孔質層６２はそれぞれ三次元網状構造をもつ発泡焼結金属によって構成されており、これらの双方が平滑な表面６１ａ、６２ａに複数の穴６１ｂ、６２ｂが開口する平面穴空き構造Ｂ（図３参照）によって構成されている。各表面６１ａ、６２ａの開口率は、それぞれ２０〜７０％となっている。なお、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の一方のみを平面穴空き構造Ｂに構成してもよい。
【００３２】
また、第１多孔質層６１は、カソード３に接すべく配置されており、その発泡空孔６１ｃの平均孔径および厚さがそれぞれ第２多孔質層６２の発泡空孔６２ｃの平均孔径および厚さより小となっている。すなわち、第１多孔質層６１は、平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに形成されており、第２多孔質層６２は、平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに形成されている。
【００３３】
そして、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を１〜３重量％、発泡剤としてのヘキサンを０．５〜３重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる発泡性スラリーを原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が１０μｍのものである。
【００３４】
なお、図１においては、電解質膜１等を水平方向に向けた状態のものを示しているが、通常は電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用する場合もある。
【００３５】
上記ガス拡散層６は、図４に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、発泡スラリーを投入するホッパ９、乾燥室１０ａ、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５を備えたもので構成されている。
上記キャリヤーシート７は、ＰＥＴ製のシートによって構成されたものであり、酸素ガス中プラズマ処理を行うことにより、水との接触角を２０〜７０度に調製し、親水性の向上が図られている。
【００３６】
次に、上記成形装置を用いてガス拡散層６を製造する方法を説明する。まず、上記発泡スラリーをホッパ９に投入する。そして、この発泡スラリーをキャリヤーシート７上にドクターブレード８により薄板状に成形し、まず乾燥室１０ａを通してから、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下でスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させて第１多孔質層６１のスポンジ状グリーン板を製造する。
【００３７】
一方、ヘキサンの量を変えた発泡性スラリーを用いて上記と同様の製造工程により、第２多孔質層６２のスポンジ状グリーン板を製造する。
そして、上記各グリーン板を重ね合わせ、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下で焼結することにより、例えば第１多孔質層６１の厚さが０．１ｍｍ、第２多孔質層６２の厚さが０．２ｍｍ、合計の厚さが０．３ｍｍの焼結により一体化されたガス拡散層６が完成する。この時、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２は、平面穴空き構造Ｂとなる。
【００３８】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２とを重ね合わせた場合、双方の表面６１ａ、６２ａの各穴６２ｂ、６２ｂが互いに完全に一致することがないので、その重なり合う部分の穴６１ｂ、６２ｂが小径化されるとともに当該穴６１ｂ、６２ｂの開口率が低下することになる。すなわち、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との境界部において、カソード３側で発生した生成水や、空気（酸化剤ガス）の移動抵抗の大きな絞り面が構成されることになる。そして、この場合の絞り面の移動抵抗は、双方の平面穴空き構造Ｂの穴６１ｂ、６２ｂの径および開口率によって定まることになる。
【００３９】
このため、生成水の流体抵抗に関し、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の厚さの影響を考慮する必要がないので、生成水の移動量をより簡単に制御することが可能になる。すなわち、カソード３側からの生成水の蒸発量を容易に制御することができる。
したがって、電解質膜１の湿潤が阻害されることによって内部抵抗が増大するのを防止することができるとともに、生成水がカソード３側に過剰に滞留することによって空気がカソード３側へ移動するのが阻害されるのを防止することができる。よって、固体高分子型燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００４０】
しかも、表面６１ａ、６２ａの開口率が２０〜７０％となっているので、カソード３からの生成水の蒸発量を適度な値に制御することができる。したがって、電解質膜を内部抵抗の少ない最適な状態に湿潤させることができる。
【００４１】
また、第１多孔質層６１の平均孔径および厚さがそれぞれ第２多孔質層６２の平均孔径および厚さより小となっているので、絞り面からカソード３側の容積が小さくなり、所定の湿潤状態に即座に到達させることができるという利点がある。
【００４２】
さらに、カソード３側に配置される第１多孔質層６１の平均孔径が小となっているので、例えば電解質膜１とカソード３とガス拡散層６とを層状に一体化したものを製造する場合、カソード３としてペースト状の触媒を第１多孔質層６１の表面に塗ることがあるが、この触媒を第１多孔質層６１の表面に塗りやすくなるという利点がある。なお、後述するアノード２にガス拡散層６を積層する場合も同様のことがいえる。このため、電解質膜１の両側にカソード３およびアノード２を一体的に積層し、さらにその外側にガス拡散層６、６を一体的に積層したものを容易に製造することも可能になる。
【００４３】
そして、第１多孔質層６１における平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに構成され、第２多孔質層６２における平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに構成されているので、カソード３側で発生した生成水の多少に応じて、上記平均孔径および厚さを上記の範囲で選定することにより、適量の水分を酸化剤ガス側に蒸発させることができる。したがって、種々の大きさの電解質膜１についても最適な湿潤状態に維持することができる。
【００４４】
なお、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２のうち一方、例えば第２多孔質層６２を平面穴空き構造Ｂで構成した場合には、平面穴空き構造Ｂにおける穴６２ｂ以外の平面の部分が第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間の流路の遮蔽壁として作用することになる。したがって、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との境界部に生成水や空気の移動抵抗を増大させる絞り面が構成されることになる。そして、絞り面の移動抵抗は、第２多孔質層６２の穴６２ｂの径および開口率と、第１多孔質層６１の発泡空孔６１ｃの孔径とによってほぼ決まることになる。
【００４５】
このため、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２のうち一方を平面穴空き構造Ｂで構成した場合も、生成水の流体抵抗に関し、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の厚さの影響を考慮する必要がないので、生成水の移動量をより簡単に制御することが可能になる。すなわち、カソード側からの生成水の蒸発量を容易に制御することができる。
【００４６】
なお、上記実施の形態においては、溝５ａを有するセパレータ５を用いて説明したが、このセパレータ５は溝のないものであってもよい。すなわち、ガス拡散層６の端面からセパレータ５に沿って、空気を供給するようにしてもよい。この場合、空気は、絞り面よりセパレータ５側に供給することになる。
さらに、スタック構造型ではない平面構造型の燃料電池のように、セパレータのないものであってもよい。
【００４７】
また、ガス拡散層６は、電解質膜１の他方の面に積層した他方の触媒層としてのアノード２の表面に積層させてもよい。この場合には、ガス拡散層６における絞り面よりアノード２側に水蒸気を供給することにより、当該アノード２の表面における水蒸気の分圧を高めることができる。そして、この場合も、絞り面によって水蒸気の分圧を正確かつ容易に制御することができるという利点がある。すなわち、アノード２に対する水や水素ガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。しかも、各表面６１ａ、６２ａの開口率がそれぞれ２０〜７０％となっているので、アノード２の近傍の水蒸気分圧を適度な値に制御することができる。
【００４８】
さらに、第１および第２多孔質層６１、６２は、それぞれを焼結させた後に、拡散接合してもよい。
また、第１および第２多孔質層６１、６２の厚さは、グリーンの状態あるいは焼結後の状態で、圧延による厚さを調製することが好ましい。
【００４９】
（第２の実施の形態）
次に、この発明の第２の実施の形態を図５および図６を参照して説明する。ただし、第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付し、その説明を簡略化する。
この第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間に中間シート層６３を一体に積層させている点である。
【００５０】
すなわち、中間シート層６３は、上記第１多孔質層６１および上記第２多孔質層６２の表面に開口する各穴６１ｂ、６２ｂの径より大径の複数の貫通孔６３ａを有している。そして、中間シート層６３の厚さは０．０２〜０．１ｍｍに形成され、貫通孔６３ａの孔径は２０μｍ〜１ｍｍに形成されている。また、中間シート層６３は、貫通孔６３ａによって開口率が２０〜７０％となっている。
【００５１】
また、中間シート層６３は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる無発泡性スラリーを原料として焼結により成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が１０μｍのものである。
【００５２】
また、中間シート層６３は、図６に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形される。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、中間シート層６３の原料である無発泡性スラリーを投入するホッパ９、乾燥室１０ａ、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５、パンチングロール１７を備えたもので構成されている。
【００５３】
次に、上記成形装置を用いてガス拡散層６を製造する方法を説明する。まず、ホッパ９に投入した無泡性スラリーを当該ホッパ９の下端開口部からキャリヤーシート７上に供給する。この際、ドクターブレード８によって、無泡性スラリーを薄板状に成形しながら、キャリヤーシート７に供給する。このようにして薄板状に形成された無泡性スラリーを、乾燥室１０ａ内を通過させることにより、例えば温度５０〜７０℃、滞留時間１０分の条件下で乾燥させる。これにより、中間シート層６３の緻密グリーン板を製造する。
【００５４】
そして、上記緻密グリーン板に、パンチングロール１７によって貫通孔を千鳥状に形成する。パンチングロール１７は、円筒ロール面から上記貫通孔を形成するための複数の針１７ａが突出したもので構成されている。
【００５５】
次に、上述した第１多孔質層６１のスポンジ状グリーン板と、第２多孔質層６２のスポンジ状グリーン板との間に中間シート層６３の緻密グリーン板を積層させて、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下で焼結することにより、例えば第１多孔質層６１の厚さが０．１ｍｍ、第２多孔質層６２の厚さが０．２ｍｍ、中間シート層６３の厚さが０．０５ｍｍ、合計の厚さが０．３５ｍｍの焼結により一体化されたガス拡散層６が完成する。
【００５６】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、中間シート層６３における各貫通孔６３ａ以外のシート部が第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間の流路の遮蔽壁として作用することになる。したがって、中間シート層６３が第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間の生成水や空気の移動抵抗を増大させる絞り面として作用することになる。そして、この絞り面の移動抵抗は、中間シート層６３における貫通孔６３ａの径および開口率と、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の穴６１ｂ、６２ｂの径とによってほぼ決まることになる。
したがって、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。
【００５７】
なお、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２を平面穴空き構造Ｂのもので構成したが、これらの第１多孔質層６１および第２多孔質層６２は平面穴空き構造Ｂのもので構成されたものでなくてもよい。この場合、この絞り面の移動抵抗は、中間シート層６３における貫通孔６３ａの径および開口率と、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の発泡空孔６１ｃ、６２ｃの各孔径とによってほぼ決まることになる。
したがって、この場合も、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。
【００５８】
また、第１または第２の実施の形態で示したガス拡散層６は、例えばダイレクトメタノール型の燃料電池の触媒層の表面に積層させるようにしてもよい。
そしてさらに、第１の実施の形態においては、ガス拡散層６を２つの多孔質層によって構成したが、このガス拡散層６は、３つ以上の複数の多孔質層によって層状に構成してもよい。また、第２の実施の形態で示したガス拡散層６についても、３つ以上の複数の多孔質層を設け、これらの多孔質層の各間あるいは所定の多孔質層の間に中間シート層を配置するように構成してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、３、５および６に記載の発明によれば、一方の多孔質層と他方の多孔質層との境界部に水やガスの移動抵抗を増大させる絞り面を構成することができる。そして、この絞り面による移動抵抗は、平面穴空き構造の穴の径、開口率、多孔質層の空孔の孔径等の境界部の要素によってほぼ決まることになる。
【００６０】
このため、カソードとしての一方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、その触媒層側で発生する生成水の移動が上述した絞り面によって制限されることになるので、生成水の移動抵抗に関して、各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がない。したがって、水やガスの移動量を正確かつ簡単に規制することができるので、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００６１】
一方、アノードとしての他方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、そのガス拡散層における上述した絞り面より触媒層側に水蒸気を供給することにより、当該触媒層の表面における水蒸気の分圧を高めることができる。そして、この場合も、上記絞り面によって水蒸気の分圧を正確かつ容易に制御することができるという利点がある。すなわち、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００６２】
以上の結果、電解質膜の湿潤が阻害されることによって内部抵抗が増大するのを防止することができるとともに、生成水がカソードとしての触媒層側に過剰に滞留し、例えば酸化剤ガスがカソード側へ移動するのが阻害されるのを防止することができる。よって、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００６３】
請求項２、４、５および６に記載の発明によれば、中間シート層における各貫通孔以外のシート部が各多孔質層の間において遮蔽壁として作用することになる。したがって、中間シート層は、一方の多孔質層と他方の多孔質層との間を流れる水やガスの移動抵抗を増大させる絞り面として作用することになる。そして、この絞り面の移動抵抗は、中間シート層における貫通孔の径および開口率と、各多孔質層の空孔の孔径とによってほぼ決まることになる。
【００６４】
このため、水やガスの移動抵抗が中間シート層によって決まることになり、当該中間シート層や各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がないので、上述した請求項１、３、５および６に記載の発明で示した作用効果と同様の作用効果を奏する。
【００６５】
請求項３または４に記載の発明によれば、平面穴空き構造に構成された多孔質層の上記表面の開口率または上記中間シート層の開口率が２０〜７０％となっているので、カソードとしての一方の触媒層からの生成水の蒸発量を適度な値に制御することができるとともに、アノードとしての他方の触媒層の近傍の水蒸気分圧を適度な値に制御することができる。したがって、電解質膜を内部抵抗の少ない最適な状態に湿潤させることができる。
【００６６】
請求項５に記載の発明によれば、触媒層側に配置される一方の多孔質層の平均孔径が小となっているので、例えば電解質膜と触媒層とガス拡散層とを層状に一体化したものを製造する場合、触媒層としてペースト状の触媒を多孔質層の表面に塗ることがあるが、この触媒を多孔質層の表面に塗りやすくなるという利点がある。
また、触媒層側に配置される一方の多孔質層の厚さが小となっているので、絞り面から触媒層側の容積が小さくなり、所定の湿潤状態に即座に到達させることができるという利点がある。
【００６７】
請求項６に記載の発明によれば、一方の多孔質層における平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに構成され、他方の多孔質層における平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに構成されているので、上述した絞り面によって、触媒層に対する水やガスの移動量を適度に制御することができる。したがって、電解質膜を最適な湿潤状態に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態としてのガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図２】同ガス拡散層の要部断面図である。
【図３】同ガス拡散層の第１多孔質層等を構成する平面穴空き構造を示す要部斜視図である。
【図４】同ガス拡散層の成形装置を示す説明図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態として示したガス拡散層の要部断面図である。
【図６】同ガス拡散層の成形装置を示す説明図である。
【図７】従来の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図８】同固体高分子型燃料電池の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１　電解質膜
２　アノード（触媒層）
３　カソード（触媒層）
６　ガス拡散層
６１　第１多孔質層（一方の多孔質層）
６１ａ、６２ａ　表面
６１ｂ、６２ｂ　穴
６２　第２多孔質層（他方の多孔質層）
６３　中間シート層
６３ａ　貫通孔
Ｂ　平面穴空き構造
【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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