(57)【要約】【課題】発電性能に優れた固体高分子型燃料電池を得るための燃料電池用セルおよびその製造方法を提供する。また、発電性能に優れた固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池用セル１ａは、電解質膜３０と、電解質膜３０を挟むように積層され、少なくとも電解質膜３０側にイオン化触媒を含むシート状または板状の導電性多孔質体２０ａ，４０と、電解質膜３０および導電性多孔質体２０ａ，４０を挟むように積層され、流体の供給口および排出口が形成されたシート状のセパレータ１０，５０とを具備し、少なくとも一方の導電性多孔質体２０ａが、結着樹脂と導電性繊維とを含む導電性繊維含有多孔質体であり、該導電性繊維含有多孔質体が、導電性繊維が流体の流動方向に沿って配向している配向層２１ａを備える。本発明の固体高分子型燃料電池１は、上述した燃料電池用セル１ａを有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜を挟むように積層され、少なくとも電解質膜側にイオン化触媒を含むシート状または板状の導電性多孔質体と、前記電解質膜および該導電性多孔質体を挟むように積層され、流体の供給口および排出口が形成されたシート状のセパレータとを具備する燃料電池用セルであって、
少なくとも一方の導電性多孔質体が、結着樹脂と導電性繊維とを含む導電性繊維含有多孔質体であり、該導電性繊維含有多孔質体が、導電性繊維が流体の流動方向に沿って配向している配向層を備えることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項２】
導電性繊維含有多孔質体が、電解質膜側に配置され、イオン化触媒と導電性物質と結着樹脂とを含む触媒層、および、セパレータ側に配置され、導電性物質を含むガス拡散層を有し、
ガス拡散層が前記配向層を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項３】
導電性繊維含有多孔質体が、電解質膜側に配置され、イオン化触媒と導電性物質と結着樹脂とを含む触媒層、および、セパレータ側に配置され、導電性物質を含むガス拡散層を有し、
触媒層が前記配向層を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項４】
導電性繊維含有多孔質体が、イオン化触媒を含む配向層からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項５】
電解質膜の両面に、少なくとも電解質膜側にイオン化触媒を含むシート状または板状の各導電性多孔質体を形成し、各導電性多孔質体に、流体の供給口および排出口が形成されたシート状のセパレータを積層する燃料電池用セルの製造方法であって、
少なくとも一方の導電性多孔質体が、導電性繊維と結着樹脂と分散媒とを含む導電性繊維含有スラリーを用いて導電性繊維を一方向に配向させることにより形成した導電性繊維含有層を備える導電性繊維含有多孔質体であり、
該導電性繊維含有多孔質体にセパレータを積層する際には、導電性繊維含有層中の導電性繊維が流体の流動方向に沿って配向するように積層することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セルを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に備えられる燃料電池用セルおよびその製造方法、燃料電池用セルを有する固体高分子型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含む燃料と酸素を含む酸化剤とを連続的に供給し、これらが反応したときの化学エネルギーを電力として取り出す発電システムである。燃料電池としては様々な種類のものが知られているが、中でも、燃料電池を構成する電解質膜が固体高分子である固体高分子型燃料電池が普及しつつある。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、燃料電池用セルを有している。燃料電池用セルとしては、例えば、酸化剤の供給口および排出口が形成された第１のセパレータと、酸化剤を拡散させる第１の導電性多孔質体と、イオン伝導性を有する電解質膜と、燃料を拡散させる第２の導電性多孔質体と、燃料の供給口および排出口が形成された第２のセパレータとを具備するものが知られている。前記第１の導電性多孔質体としては、例えば、電解質膜側に設けられ、酸化剤から酸素イオンを生成させるイオン化触媒を含有する第１の触媒層と、第１のセパレータ側に設けられた第１のガス拡散層とを有するものが使用されている。また、前記第２の導電性多孔質体としては、例えば、電解質膜側に設けられ、燃料から水素イオンを生成させるイオン化触媒を含む第２の触媒層と、第２のセパレータ側に設けられた第２のガス拡散層とを有するものが使用されている。
燃料電池用セルの導電性多孔質体としては、発電性能を高くするために、ガス拡散性および導電性が高いものが要求されている。その要求を満たすために、例えば、特許文献１では、炭素繊維を含むものが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２９４１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の導電性多孔質体を具備する燃料電池用セルを用いた固体高分子型燃料電池は、発電性能が充分に高いとはいえなかった。例えば、電流密度を上げようとすると急激に電圧が低下することがあった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、発電性能に優れた固体高分子型燃料電池を得るための燃料電池用セルおよびその製造方法を提供することを目的とする。また、発電性能に優れた固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らが、特許文献１に記載の導電性多孔質体を具備する燃料電池用セルの発電性能が不充分である理由について検討した結果、発電によって生成した水が充分に排出されずに導電性多孔質体内に蓄積してしまい、電荷やイオンの移動を妨げるためであることを見出した。そして、その知見に基づき、検討した結果、以下の燃料電池用セルおよびその製造方法と固体高分子型燃料電池を発明した。
【０００６】
［１］  電解質膜と、該電解質膜を挟むように積層され、少なくとも電解質膜側にイオン化触媒を含むシート状または板状の導電性多孔質体と、前記電解質膜および該導電性多孔質体を挟むように積層され、流体の供給口および排出口が形成されたシート状のセパレータとを具備する燃料電池用セルであって、
少なくとも一方の導電性多孔質体が、結着樹脂と導電性繊維とを含む導電性繊維含有多孔質体であり、該導電性繊維含有多孔質体が、導電性繊維が流体の流動方向に沿って配向している配向層を備えることを特徴とする燃料電池用セル。
［２］  導電性繊維含有多孔質体が、電解質膜側に配置され、イオン化触媒と導電性物質と結着樹脂とを含む触媒層、および、セパレータ側に配置され、導電性物質を含むガス拡散層を有し、ガス拡散層が前記配向層を備えることを特徴とする［１］に記載の燃料電池用セル。
［３］  導電性繊維含有多孔質体が、電解質膜側に配置され、イオン化触媒と導電性物質と結着樹脂とを含む触媒層、および、セパレータ側に配置され、導電性物質を含むガス拡散層を有し、触媒層が前記配向層を備えることを特徴とする［１］に記載の燃料電池用セル。
［４］  導電性繊維含有多孔質体が、イオン化触媒を含む配向層からなることを特徴とする［１］に記載の燃料電池用セル。
［５］  電解質膜の両面に、少なくとも電解質膜側にイオン化触媒を含むシート状または板状の各導電性多孔質体を形成し、各導電性多孔質体に、流体の供給口および排出口が形成されたシート状のセパレータを積層する燃料電池用セルの製造方法であって、
少なくとも一方の導電性多孔質体が、導電性繊維と結着樹脂と分散媒とを含む導電性繊維含有スラリーを用いて導電性繊維を一方向に配向させることにより形成した導電性繊維含有層を備える導電性繊維含有多孔質体であり、
該導電性繊維含有多孔質体にセパレータを積層する際には、導電性繊維含有層中の導電性繊維が流体の流動方向に沿って配向するように積層することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
［６］  ［１］〜［４］のいずれかに記載の燃料電池用セルを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【０００７】
なお、本発明において、積層とは、層同士を直接重ねることを意味するだけでなく、層の間に別の層を介在させて重ねることも意味する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池用セルによれば、発電性能に優れた固体高分子型燃料電池を得ることができる。
本発明の燃料電池用セルの製造方法によれば、発電性能に優れた燃料電池を得るための燃料電池用セルを製造できる。
本発明の固体高分子型燃料電池は、発電性能に優れたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
＜燃料電池用セル＞
（第１の実施形態例）
本発明の燃料電池用セル（以下、セルと略す。）の第１の実施形態例について説明する。本実施形態例は、導電性多孔質体がガス拡散層と触媒層とを有し、ガス拡散層が配向層を備える例である。
図１に、本実施形態例のセルを示す。本実施形態例のセル１ａは、第１のセパレータ１０と、第１の導電性多孔質体２０ａ、電解質膜３０と、第２の導電性多孔質体４０ａと、第２のセパレータ５０とを具備し、これらが積層されたものである。すなわち、電解質膜３０と、電解質膜３０を挟むように積層された第１の導電性多孔質体２０ａおよび第２の導電性多孔質体４０ａと、電解質膜３０および第１の導電性多孔質体２０ａおよび第２の導電性多孔質体４０ａを挟むように積層された第１のセパレータ１０および第２のセパレータ５０とを具備するものである。
なお、一般に、セルにおいて、酸化剤が供給される側をカソード側といい、燃料が供給される側をアノード側という。
【００１０】
［第１のセパレータ］
第１のセパレータ１０は、図２に示すように、矩形状のシートからなり、長手方向の一方の縁に幅方向に沿う略矩形状の酸化剤の供給口１１ａが形成され、他方の縁に幅方向に沿う略矩形状の酸化剤の排出口１１ｂが形成され、供給口１１ａから排出口１１ｂに向けて（すなわち、長手方向に沿って）直線状の溝１２が複数形成されたものである。このように、長手方向に沿って直線状の溝１２が複数形成されたセパレータは、一般に、ストレート型セパレータと称されるものである。
この第１のセパレータ１０では、供給口１１ａから供給された酸化剤が溝１２に沿って流動し、発電に使用されなかった酸化剤が排出口１１ｂにて排出されるようになっている。ここで、酸化剤としては、例えば、酸素、空気などが挙げられる。
【００１１】
第１のセパレータ１０は、電極としての機能を持たせるために導電性を有していることが好ましい。また、第１のセパレータ１０は耐食性に優れることが好ましい。導電性および耐食性を有する第１のセパレータ１０としては、たとえば、黒鉛、ステンレス等の金属などからなるセパレータが挙げられる。
【００１２】
［第１の導電性多孔質体］
第１の導電性多孔質体２０ａは、第１のセパレータ１０側に配置された第１のガス拡散層２１と、電解質膜３０側に配置された第１の触媒層２２とを有するものであり、結着樹脂と導電性繊維を含む導電性繊維含有多孔質体である。
【００１３】
・第１のガス拡散層
本実施形態例における第１のガス拡散層２１は、結着樹脂と、流体である酸化剤の流動方向に沿って配向している導電性繊維とを含む配向層２１ａ、および、導電性繊維を含まない多孔質性の非配向層２１ｂを備えるものである。この第１のガス拡散層２１は、第１のセパレータ１０の供給口１１ａから供給された酸化剤を拡散させるものである。
ここで、「酸化剤の流動方向に沿って配向している導電性繊維」とは、酸化剤の流動方向に対して角度０〜３５度で配置されている導電性繊維のことを意味する。
【００１４】
配向層２１ａは、結着樹脂中に導電性繊維が含まれることにより、多孔質になっている。
配向層２１ａを構成する結着樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ポリフッ化ビニリデン、ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）などが挙げられる。
【００１５】
配向層２１ａに含まれる導電性繊維としては、例えば、炭素繊維、金属繊維などが挙げられる。
炭素繊維としては、例えば、気相成長炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などが挙げられる。
金属繊維としては、例えば、ステンレス繊維、金繊維、銀繊維などが挙げられるが、酸化雰囲気中で酸化しにくいものであればどのような材質でも構わない。金属繊維としては、導電性が特に高い上に、セル１ａ内の酸性雰囲気に耐えられることから、上記例示の中でも、ステンレス繊維が好ましい。
導電性繊維の中でも、電気抵抗率が低く、電荷をより効率的に集電でき、発電性能がより高くなることから、炭素繊維が好ましい。
【００１６】
導電性繊維のアスペクト比は５０〜１００００であることが好ましく、１００〜２０００であることがより好ましい。導電性繊維のアスペクト比が５０以上であれば、燃料電池の発電性能がより高くなり、１００００以下であれば、容易に配向させることができる。
【００１７】
配向層２１ａは、導電性物質である上記導電性繊維を含有することによって導電性が発現するが、導電性繊維以外の導電性物質（以下、他の導電性物質という。）を含有して、導電性を高めてもよい。他の導電性物質としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、フラーレンなどが挙げられる。
【００１８】
配向層２１ａにおける導電性繊維および他の導電性物質の合計量ａと結着樹脂の量ｂの質量比（ａ／ｂ）は、０．５〜３．０であることが好ましい。ａ／ｂが０．５以上であれば、配向している導電性繊維の量が多くなり、セル１ａを用いる燃料電池の発電性能がより向上し、ａ／ｂが３．０以下であれば、配向層２１ａを容易に形成できるようになる。
【００１９】
非配向層２１ｂとしては、例えば、酸化剤の流動方向に沿って配向している導電性繊維を含まない以外は配向層２１ａと同じ構成の層、結着樹脂と他の導電性物質を含む層、カーボンペーパー、カーボンクロスなどが挙げられる。
【００２０】
第１のガス拡散層２１の厚さは、１００〜４００μｍであることが好ましい。厚さが１００μｍ以上であれば、破断しにくくなり、４００μｍ以下であれば、厚さ方向の電気抵抗値が小さくなる。なお、第１のガス拡散層２１の厚さは、マイクロメーター（打点式厚み計）を用いて測定した値である。
【００２１】
・第１の触媒層
第１の触媒層２２は、イオン化触媒と導電性物質と結着樹脂とを含有する層であり、導入された酸化剤から酸素イオンを生成させるものである。第１の触媒層２２は、結着樹脂中にイオン化触媒および導電性物質が含まれることにより、多孔質になっている。
イオン化触媒としては、酸化剤から酸素イオン（Ｏ２−）を高い効率で生成できることから、白金触媒が好ましい。
【００２２】
また、イオン化触媒は、触媒効率が高くなることから、炭素材料に担持されていることが好ましい。触媒担持に使用される炭素材料としては、ファーネスブラックやチャネルブラックなどのカーボンブラックを用いることができる。
カーボンブラックとしては、比表面積や粒子径の大きさによらずいずれのグレードのものも使用可能であるが、触媒層の性能と生産性の両立の点では、比表面積が大きく、かつ二次凝集粒子の大きさが大きい高ストラクチャーのものが好ましい。高ストラクチャーのカーボンブラックとしては、例えば、ライオンアクゾ社製商品名：ケッチェンＥＣ、キャボット社製商品名：ＶｕｌｃａｎＸＣ７２Ｒなどが挙げられる。これらの高ストラクチャーのカーボンブラックは、イオン化触媒を含有するスラリー中での分散性の高さと、電気抵抗の低さからも、好ましく用いられる。
また、カーボンブラック以外の炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、黒鉛、フラーレンなどが挙げられる。
【００２３】
導電性物質としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、フラーレンなどが挙げられる。
【００２４】
第１の触媒層２２に含まれる結着樹脂としては、電解質膜３０からの水素イオンの伝達が容易になることから、イオン伝導性樹脂が好ましい。イオン伝導性樹脂としては、プロトン（水素イオン）交換基を有するものが用いられる。プロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、などが好適に用いられる。中でも、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖から構成されるプロトン交換基を有する樹脂、例えば、デュポン社製  商品名：ナフィオン等がより好ましく用いられる。
【００２５】
第１の触媒層２２は、発電性能がより高くなることから、酸化剤の流動方向に沿って配向している導電性繊維を含むことが好ましい。導電性繊維としては、配向層２１ａに含まれるものと同じものが挙げられる。
【００２６】
第１の触媒層２２におけるイオン化触媒および導電性物質の合計量ｃと結着樹脂の量ｄの質量比（ｃ／ｄ）は、０．５〜３．５であることが好ましい。ｃ／ｄが０．５以上であれば、セル１ａを用いる燃料電池の発電性能がより向上し、ｃ／ｄが３．５以下であれば、第１の触媒層２２を容易に形成できるようになる。
また、触媒量としては、第１の触媒層２２中の１５〜４０質量％であることが好ましい。触媒量が１５質量％未満であると、セル１ａを用いる燃料電池の発電性能が低下することがある。また、触媒量が４０質量％を超えても、セル１ａを用いる燃料電池の発電性能が低下することがある。この理由は明らかではないが、触媒量を増加させた場合には、相対的にイオン伝導樹脂の含有量が低下し、触媒層内のイオン輸送性が低下するためであると考えられる。
【００２７】
第１の触媒層２２の厚さは、１０〜５０μｍであることが好ましい。厚さが１０μｍ以上であれば、破断しにくくなり、５０μｍ以下であれば、厚さ方向のイオン移動距離が小さくなる。なお、第１の触媒層２２の厚さも、マイクロメーター（打点式厚み計）を用いて測定した値である。
【００２８】
第１の導電性多孔質体２０ａの空隙率は、１５〜７５％であることが好ましい。空隙率が１５％以上であれば、充分な空隙を有するために流体が流れやすくなり、７５％以下であれば、充分な強度を有するものとなる。ここで、空隙率は、ユアサアイオニクス株式会社製水銀圧入式細孔分布測定装置ポアマスター３３Ｐを用いて、６ｎｍ〜９００μｍの細孔容積を測定して求めた値である。
【００２９】
［電解質膜］
電解質膜３０としては、イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜からなるものを用いることができ、例えば、デュポン社製  商品名：ナフィオン１１７、同社製  商品名：ナフィオン１１２等が挙げられる。
【００３０】
［第２の導電性多孔質体］
第２の導電性多孔質体４０ａは、第２のガス拡散層４１と第２の触媒層４２とを備えるものである。
【００３１】
・第２のガス拡散層
第２のガス拡散層４１としては、第１のガス拡散層２１と同様のものを用いてもよいし、第１のガス拡散層２１の非配向層２１ｂと同様のもののみを用いてもよい。
【００３２】
・第２の触媒層
第２の触媒層４２としては、第１の触媒層２２と同様のものを用いることができる。ただし、第２の触媒層４２に含まれるイオン化触媒としては、燃料から水素イオン（Ｈ＋）を高効率で生成できることから、白金とルテニウムからなる合金触媒が好ましい。
【００３３】
［第２のセパレータ］
第２のセパレータ５０は第１のセパレータ１０と同様のものを使用することができる。
この第２のセパレータ５０では、供給口１１ａから供給された燃料が溝１２に沿って流動し、発電に使用されなかった燃料が排出口１１ｂから排出されるようになっている。ここで、燃料としては、例えば、水素、メタノールやエタノール等のアルコールなどが挙げられる。
【００３４】
［製造方法］
上述したセル１ａの製造方法の一例について説明する。
セル１ａを製造するためには、あらかじめ、第１のガス拡散層２１、第２のガス拡散層４１、第１の触媒層２２、第２の触媒層４２を形成しておく。
【００３５】
第１のガス拡散層２１を形成するためには、導電性繊維含有層を形成する。導電性繊維含有層を形成するためには、まず、導電性繊維と結着樹脂と分散媒とを含む導電性繊維含有スラリーを調製する。
導電性繊維含有スラリー用の分散媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルホルムアミド、アセトン、メチルエチルケトン、トルエン、Ｎ−メチルピロリドンなどが挙げられる。
【００３６】
次いで、導電性繊維含有スラリーに配向処理を施して、最終的に配向層２１ａになる導電性繊維含有層を形成する。ここで、配向処理とは、導電性繊維を一方向に配向させる処理のことである。配向処理の方法としては、導電性繊維含有スラリーに一方向に剪断力をかける処理方法が適用され、例えば、ロールコート法、ドクターブレード法などの導電性繊維含有スラリーを一方向に引き伸すように塗工する方法、導電性繊維含有スラリーをシートの上に塗布した後、ロールにより圧延する方法、スクリーン印刷法などが挙げられる。
【００３７】
次いで、導電性繊維含有層に非配向層２１ｂを積層して第１のガス拡散層２１を得る。その際の積層方法としては、ロールプレスによって圧着する方法などが挙げられる。
【００３８】
第２のガス拡散層４１を形成するためには、まず、導電性物質と結着樹脂と分散媒とを含む第２のガス拡散層形成用スラリーを調製する。
第２のガス拡散層形成用スラリー用の分散媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルホルムアミド、アセトン、メチルエチルケトン、トルエン、Ｎ−メチルピロリドンなどが挙げられる。
次いで、第２のガス拡散層形成用スラリーを支持体上に塗布、乾燥して第２のガス拡散層４１を得る。支持体としては、触媒層２２，４２の形成に用いたものを使用でき、塗布、乾燥方法についても触媒層２２，４２の形成と同じ方法が適用できる。
【００３９】
第１の触媒層２２および第２の触媒層４２を形成するためには、まず、イオン化触媒と導電性物質と結着樹脂と分散媒とを含み、必要に応じて導電性繊維をさらに含む触媒層形成用スラリーを調製する。ここで、触媒層形成用スラリー用の分散媒としては、水が好ましく、水の中でもイオン交換水がより好ましい。また、分散媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどを使用することもできる。
イオン化触媒と導電性物質と結着樹脂と分散媒とを混合する際には、イオン化触媒の分散性を高めるために、超音波分散装置を用いることが好ましい。
【００４０】
そして、触媒層形成用スラリーを支持体に塗布、乾燥して支持体付きの第１の触媒層２２および第２の触媒層４２を形成する。
支持体としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリ四フッ化エチレン、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等からなるフィルムが挙げられる。また、表面が離型処理された樹脂フィルムを用いることもできる。
触媒層形成用スラリーの塗布方法としては、例えば、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法などが挙げられる。ただし、第１の触媒層２２を一方向に配向している導電性繊維を含む触媒層とする場合には、ロールコート法、ドクターブレード法などの触媒層形成用スラリーを一方向に引き伸ばすように塗工する方法、スクリーン印刷法を適用することが好ましい。
乾燥は、自然乾燥であってもよいし、ドライヤー等を用いた加熱乾燥であってもよい。
【００４１】
次いで、電解質膜３０の一方の面に支持体付きの第１の触媒層２２を積層し、他方の面に支持体付きの第２の触媒層４２を積層し、各支持体を各触媒層２２，４２から剥離する。
次いで、第１の触媒層２２に第１のガス拡散層２１を、導電性繊維含有層２１ａが接するように積層して、導電性繊維含有多孔質体である第１の導電性多孔質体２０ａを形成し、第２の触媒層４２に第２のガス拡散層４１を積層して第２の導電性多孔質体４０ａを形成する。
そして、第１のガス拡散層２１に第１のセパレータ１０を、導電性繊維含有層中の導電性繊維が酸化剤の流動方向に沿って配向するように積層する。この積層により導電性繊維含有層が配向層２１ａになる。
また、第２のガス拡散層４１に第２のセパレータ５０を積層して、セル１ａを得る。
【００４２】
本実施形態例のセル１ａでは、配向層２１ａ中の導電性繊維が、酸化剤の流動方向に沿って配向しているため、発電の際に第１の触媒層２２にて生成した水が、酸化剤の流れに伴って第１のセパレータ１０の排出口１１ｂに移送されやすくなっている。したがって、このセル１ａを用いれば、発電の際に生成した水を排出口１１ｂから容易に排出でき、水による酸化剤の移動の阻害を防止できるため、発電性能が向上するものと考えられる。
【００４３】
（第２の実施形態例）
本発明のセルの第２の実施形態例について説明する。本実施形態例は、導電性多孔質体がガス拡散層と触媒層とを有し、触媒層が配向層である例である。
図３に、本実施形態例のセルを示す。本実施形態例のセル１ｂは、第１のセパレータ１０と、第１の導電性多孔質体２０ｂ、電解質膜３０と、第２の導電性多孔質体４０ａと、第２のセパレータ５０とを具備し、これらが積層されたものである。すなわち、電解質膜３０と、電解質膜３０を挟むように積層された第１の導電性多孔質体２０ｂおよび第２の導電性多孔質体４０ａと、電解質膜３０および第１の導電性多孔質体２０ｂおよび第２の導電性多孔質体４０ａを挟むように積層された第１のセパレータ１０および第２のセパレータ５０とを具備するものである。
なお、本実施形態例において第１の実施形態例と同じ構成のものは図１と同じ符号を付して説明を省略する。
【００４４】
［第１の導電性多孔質体］
本実施形態例における第１の導電性多孔質体２０ｂは、第１のセパレータ１０側に配置された第１のガス拡散層２３と、電解質膜３０側に配置された第１の触媒層２４とを有するものであり、結着樹脂と導電性繊維を含む導電性繊維含有多孔質体である。
本実施形態例における第１の導電性多孔質体２０ｂの空隙率は、第１の実施形態例の第１の導電性多孔質体２０ａと同様である。
【００４５】
・第１のガス拡散層
本実施形態例の第１のガス拡散層２３は、導電性物質を含み、酸化剤の流動方向に沿って配向している導電性繊維を含まない層からなる。第１のガス拡散層２３としては、例えば、第１の実施形態例における非配向層２１ｂと同様のものを使用することができる。
本実施形態例の第１のガス拡散層２３の厚さは、第１の実施形態例の第１のガス拡散層２１と同様である。
【００４６】
・第１の触媒層
第１の触媒層２４は、イオン化触媒と酸化剤の流動方向に沿って配向している導電性繊維と結着樹脂とを必須成分として含有し、任意成分として導電性物質を含有する配向層である。イオン化触媒および導電性繊維としては、第１の実施形態例と同じものを使用できる。また、結着樹脂としては、第１の実施形態例の第１の触媒層２２と同様のものを使用できる。
第１の触媒層２４におけるイオン化触媒および導電性繊維の合計量ｅと結着樹脂の量ｆの質量比（ｅ／ｆ）は、０．５〜３．５であることが好ましい。ｅ／ｆが０．５以上であれば、セル１ｂを用いる燃料電池の発電性能がより向上し、ｅ／ｆが３．５以下であれば、第１の触媒層２４を容易に形成できるようになる。
また、触媒量としては、第１の触媒層２４中の１５〜４０質量％であることが好ましい。触媒量が１５質量％未満であると、セル１ｂを用いる燃料電池の発電性能が低下することがある。また、触媒量が４０質量％を超えても、セル１ｂを用いる燃料電池の発電性能が低下することがある。この理由は明らかではないが、触媒量を増加させた場合には、相対的にイオン伝導樹脂の含有量が低下し、触媒層内のイオン輸送性が低下するためであると考えられる。
本実施形態例の第１の触媒層２４の厚さは、第１の実施形態例の第１の触媒層２２と同様である。
【００４７】
［製造方法］
上述したセル１ｂの製造方法の一例について説明する。
セル１ｂを製造するためには、あらかじめ、第１のガス拡散層２３、第２のガス拡散層４１、第１の触媒層２４、第２の触媒層４２を形成しておく。
【００４８】
第１の触媒層２４を形成するためには、まず、イオン化触媒と導電性繊維と結着樹脂と分散媒と、必要に応じて導電性物質を含む導電性繊維含有スラリーを調製する。ここで、導電性繊維含有スラリー用の分散媒として水が好ましく、水の中でもイオン交換水がより好ましい。また、分散媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどを使用することもできる。
イオン化触媒と導電性繊維と結着樹脂と分散媒とを混合する際には、イオン化触媒の分散性を高めるために、超音波分散装置を用いることが好ましい。
【００４９】
次いで、導電性繊維含有スラリーに配向処理を施して、導電性繊維が一方向に配向している導電性繊維含有層を形成し、この導電性繊維含有層を第１の触媒層２４として用いる。配向処理としては、第１の実施形態例と同様の方法を適用することができる。
次いで、第１のガス拡散層２３として、第１の実施形態例の非配向層２１ｂと同様のものを用意し、また、第１の実施形態例と同様にして第２のガス拡散層４１および第２の触媒層４２を形成する。
【００５０】
次いで、電解質膜３０の一方の面に導電性繊維含有層である第１の触媒層２４を積層し、他方の面に第２の触媒層４２を積層する。また、第１の触媒層２４に第１のガス拡散層２３を積層して、導電性繊維含有多孔質体である第１の導電性多孔質体２０ｂを形成し、第２の触媒層４２に第２のガス拡散層４１を積層して第２の導電性多孔質体４０ａを形成する。
次いで、第１のガス拡散層２３に第１のセパレータ１０を、第１の触媒層２４中の導電性繊維が酸化剤の流動方向に沿って配向するように積層する。この積層により第１の触媒層２４が配向層になる。
また、第２のガス拡散層４１に第２のセパレータ５０を積層して、セル１ｂを得る。
【００５１】
本実施形態例のセル１ｂでは、第１の触媒層２４中の導電性繊維が、酸化剤の流動方向に沿って配向しているため、発電の際に第１の触媒層２４にて生成した水が酸化剤の流れに伴って第１のセパレータ１０の排出口１１ｂに移送されやすくなっている。したがって、このセル１ｂを用いれば、発電の際に生成した水を排出口１１ｂから容易に排出でき、水による酸化剤の移動の阻害を防止できるため、発電性能が向上するものと考えられる。
【００５２】
（第３の実施形態例）
本発明のセルの第３の実施形態例について説明する。本実施形態例は導電性多孔質体が配向層からなる例である。
図４に、本実施形態例のセルを示す。本実施形態例のセル１ｃは、第１のセパレータ１０と、第１の導電性多孔質体２０ｃと、電解質膜３０と、第２の導電性多孔質体４０ｂと、第２のセパレータ５０とを具備し、これらが積層されたものである。すなわち、電解質膜３０と、電解質膜３０を挟むように積層された第１の導電性多孔質体２０ｃおよび第２の導電性多孔質体４０ｂと、電解質膜３０および第１の導電性多孔質体２０ａおよび第２の導電性多孔質体４０ｂを挟むように積層された第１のセパレータ１０および第２のセパレータ５０とを具備するものである。
なお、本実施形態例において第１の実施形態例と同じ構成のものは図１と同じ符号を付して説明を省略する。
【００５３】
［第１の導電性多孔質体］
第１の導電性多孔質体２０ｃは、イオン化触媒と酸化剤の流動方向に沿って配向している導電性繊維と結着樹脂とを含む配向層であり、導電性繊維含有多孔質体である。イオン化触媒および導電性繊維としては、第１の実施形態例と同じものを使用できる。また、結着樹脂としては、第１の実施形態例の第１の触媒層２２と同様のものを使用できる。
【００５４】
［第２の導電性多孔質体］
第２の導電性多孔質体４０ｂは、イオン化触媒と結着樹脂と導電性物質とを含むものである。イオン化触媒および導電性物質としては、第１の実施形態例と同じものを使用できる。また、結着樹脂としては、第１の実施形態例の第１の触媒層２２と同様のものを使用できる。
【００５５】
第１の導電性多孔質体２０ｃおよび第２の導電性多孔質体４０ｂの厚さは、各々５０〜３００μｍであることが好ましい。厚さが５０μｍ以上であれば、破断しにくくなり、３００μｍ以下であれば、厚さ方向の電気抵抗値が小さくなる。
【００５６】
本実施形態例における第１の導電性多孔質体２０ｃおよび第２の導電性多孔質体４０ｂは、第１の実施形態例および第２の実施形態例におけるガス拡散層および触媒層の両方の機能を併せ持つものである。
【００５７】
［製造方法］
上述したセル１ｃの製造方法の一例について説明する。
セル１ｃを製造するためには、あらかじめ、第１の導電性多孔質体２０ｃ、第２の導電性多孔質体４０ｂを形成しておく。
【００５８】
第１の導電性多孔質体２０ｃを形成するためには、まず、イオン化触媒と結着樹脂と導電性繊維と分散媒とを含む導電性繊維含有スラリーを調製する。
次いで、導電性繊維含有スラリーに配向処理を施して、導電性繊維が一方向に配向している導電性繊維含有層を形成し、その導電性繊維含有層のみを第１の導電性多孔質体２０ｃとして用いる。配向処理としては、第１の実施形態例と同様の方法を適用することができる。
【００５９】
第２の導電性多孔質体４０ｂを形成するためには、まず、イオン化触媒と結着樹脂と導電性物質と分散媒とを含む第２の導電性多孔質体形成用スラリーを調製する。そして、第２の導電性多孔質体形成用スラリーを支持体に塗布し、乾燥して支持体付きの第２の導電性多孔質体４０ｂを形成する。
【００６０】
次いで、電解質膜３０の一方の面に、導電性繊維含有層からなる導電性繊維含有多孔質体である第１の導電性多孔質体２０ｃを積層し、他方の面に第２の導電性多孔質体４０ｂを積層し、支持体を剥離する。
次いで、第１の導電性多孔質体２０ｃに第１のセパレータ１０を、第１の導電性多孔質体２０ｃ中の導電性繊維が酸化剤の流動方向に沿って配向するように積層し、第２の導電性多孔質体４０ｂに第２のセパレータ５０を積層して、セル１ｃを得る。
【００６１】
本実施形態例のセル１ｃでは、第１の導電性多孔質体２０ｃ中の導電性繊維が、酸化剤の流動方向に沿って配向しているため、発電の際に第１の導電性多孔質体２０ｃにて生成した水が、酸化剤の流れに伴って第１のセパレータ１０の排出口１１ｂに移送されやすくなっている。したがって、このセル１ｃを用いれば、発電の際に生成した水を排出口１１ｂから容易に排出でき、水による酸化剤の移動の阻害を防止できるため、発電性能が向上するものと考えられる。
【００６２】
なお、本発明は上述した実施形態例に限定されない。例えば、第１の実施形態例では第１のガス拡散層が配向層を１層有していたが、配向層を２層以上有してよい。また、第１のガス拡散層が非配向層を有せず、配向層のみからなってもよい。
また、第２の実施形態例では触媒層が配向層からなっていたが、イオン化触媒を含む非配向層を備えてもよい。
【００６３】
また、上述した第１〜第３の実施形態例では、セパレータとして、例えば、ストレート型セパレータ（図２参照）を用いたが、例えば、サーペンタイン型セパレータ、格子型セパレータなどを使用することもできる。
【００６４】
サーペンタイン型セパレータとしては、例えば、図５に示すように、矩形状のシートからなり、四角形状のセパレータの一つのかど（第１のかど）付近に形成され、幅方向に沿う略矩形状の供給口１１ａと、前記第１のかどの対角線の位置にある第２のかど付近に形成され、幅方向に沿う略矩形状の排出口１１ｂと、供給口１１ａから排出口１１ｂにかけて、折り返し部分を有して流動方向が反復するようになっている溝１３とを有するものが挙げられる。
溝１３は、具体的には、長手方向に沿って形成された第１〜第３の主部１３ａ〜１３ｃと、幅方向に沿って形成され、第１の主部１３ａと第２の主部１３ｂとを接続して流動方向を反転させる第１の折り返し部１３ｄと、幅方向に沿って形成され、第２の主部１３ｂと第３の主部１３ｃとを接続して流動方向を反転させる第２の折り返し部１３ｄとを有するものである。
サーペンタイン型セパレータでは、供給口１１ａから供給された流体が、まず、第１の主部１３ａに沿って流動して第１の折り返し部１３ｄに達し、流動方向が反転するようになっている。次いで、第２の主部１３ｂに沿って流動して第２の折り返し部１３ｅに達し、流動方向がするようになっている。そして、第３の主部１３ｃに沿って流動して排出口１１ｂに達するようになっている。
【００６５】
第１の折り返し部１３ｄおよび第２の折り返し部１３ｅは、幅方向に沿って形成されているが、溝１３全体から見れば割合として小さいため、サーペンタイン型セパレータを用いた場合には、配向層中の導電性繊維が第１〜第３の主部１３ａ〜１３ｃに沿って配向していればよく、第１の折り返し部１３ｄおよび第２の折り返し部１３ｅに沿って配向していなくてもよい。
【００６６】
格子型セパレータとは、四角形状のセパレータの一辺の縁に、幅方向に沿う略矩形状の供給口１１ａが形成され、前記一辺に対向する他方の縁に、幅方向に沿う略矩形状の排出口１１ｂが形成され、供給口１１ａと排出口１１ｂとの間に格子状の溝１４が形成されたものである（図６参照）。
格子型セパレータでは、供給口１１ａから供給された流体のほとんどが排出口１１ｂに向けて直線的に流動する。
【００６７】
また、第１〜第３の実施形態例では、第２の導電性多孔質体が第１の導電性多孔質体と異なるものであったが、第２の導電性多孔質体が第１の導電性多孔質体と同じものであってもよい。
特に、燃料がメタノール等の液体である場合には、燃料が第２の導電性多孔質体中のイオン化触媒に供給されやすくなることから、第２の導電性多孔質体として第１の導電性多孔質体と同じものを用いて、第２の導電性多孔質体中の導電性繊維を燃料の流動方向に沿って配向させることが好ましい。
【００６８】
＜燃料電池＞
次に、本発明の固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と略す。）について、第１の実施形態例のセル１ａを有するものを例にとって説明する。
図７に、本例の燃料電池を示す。本例の燃料電池１は、上記セル１ａを有し、第１のセパレータ１０と第２のセパレータ５０とが、負荷６１を有する外部回路６０を介して接続されたものである。
【００６９】
以下、燃料電池による発電方法を、燃料として水素、酸化剤として酸素を例に挙げて説明する。
まず、第２のセパレータ５０の供給口から水素を供給して第２のガス拡散層４１に導入して全体に行き渡るように拡散させる。次いで、水素を第２の触媒層４２に導き、イオン化触媒によって水素イオンと電子に解離させる。なお、第２の触媒層４２に達せず、使用されなかった水素は第２のセパレータ５０の排出口から排出させる。
また、第１のセパレータ１０の供給口から酸素を供給して第１のガス拡散層２１に導入して全体に行き渡るように拡散させた後、第１の触媒層２２に導く。なお、第１の触媒層２２に達せず、使用されなかった酸素は第１のセパレータ１０の排出口から排出させる。
【００７０】
第２の触媒層４２にて生成した水素イオンは電解質膜３０を透過して第１の触媒層２２に達し、一方、電子（ｅ−）は、第２のガス拡散層４１および第２のセパレータ５０を通って外部回路６０を流れる。この外部回路６０での電子の流れ（電流）が発電された電気である。
その後、外部回路６０を流れた電子は、第１のセパレータ１０および第１のガス拡散層２１を通って第１の触媒層２２に達する。第１の触媒層２２中に達した電子は、イオン化触媒により、酸素と結合して酸素イオンを生成する。そして、その酸素イオンと、電解質膜３０を透過した水素イオンとが結合することにより、水を生成する。
上記のことが連続的に繰り返されて、発電が行われる。
【００７１】
本発明の燃料電池は、上述したセル１ａ〜１ｃのいずれかを有するものであるから、発電の際に生成した水を、第１のセパレータ１０の排出口から容易に排出できる。したがって、水によるイオンや電荷の移動の阻害を防止できるため、発電性能が向上するものと考えられる。
【実施例】
【００７２】
（実施例１）
［第１の導電性多孔質体（カソード側の導電性多孔質体）］
・第１のガス拡散層Ａ（カソード側のガス拡散層）の作製
導電性物質である１０ｇのアセチレンブラックと、１０ｇの気相成長炭素繊維（アスペクト比；２００）と、結着樹脂である１５ｇのポリ四フッ化エチレン（以下、ＰＴＦＥともいう。）とを混合し、メタノールを滴下して混練して導電性繊維含有スラリーを得た。この導電性繊維含有スラリーをＰＴＦＥのシート上に塗布し、乾燥させた後、ＰＴＦＥから剥離し、ロールプレスにて厚さ５０μｍになるまで圧延し、気相成長炭素繊維を一方向に配向させて導電性繊維含有層を作製した。
次いで、導電性繊維含有層を、厚さ２００μｍのカーボンペーパー（非配向層）にロールプレスにより圧着させ、さらに、大気中３７０℃で加熱して第１のガス拡散層Ａを得た。
【００７３】
・第１の触媒層Ａ（カソード側の触媒層）の作製
イオン化触媒である１ｇの白金担持カーボンブラックと、イオン伝導性樹脂である２．５ｇのデュポン社製ナフィオン溶液ＤＥ２０２０と、０．３ｇの気相成長炭素繊維と、０．２ｇのアセチレンブラックを８ｇの水に添加し、乳鉢中で混合し、さらに、超音波分散装置を用いて混合して導電性繊維含有スラリーを得た。この導電性繊維含有スラリーをポリ四フッ化エチレン製シートに、白金触媒担持量が１ｍｇ／ｃｍ２になるように、ドクターブレード法により塗布し、５０℃で乾燥し、気相成長炭素繊維を一方向に配向させて、導電性繊維含有層である第１の触媒層Ａを得た。
【００７４】
［第２の導電性多孔質体（アノード側の導電性多孔質体）］
・第２のガス拡散層（アノード側のガス拡散層）の作製
アセチレンブラックを結着樹脂であるポリフッ化ビニリデンのＮ−メチルピロリドン溶液に、アセチレンブラックとポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを質量比が２：１となるように、分散させて導電性多孔質シート形成用スラリーを調製した。次いで、その導電性多孔質シート形成用スラリーをポリエチレンナフタレートのフィルム上に、ドクターブレード法により塗工し、１５０℃で１時間乾燥させて、厚さ５０μｍの導電性多孔質シートを作製した。
この導電性多孔質シートを、厚さ２００μｍのカーボンペーパーに、２００℃の加熱ロールプレスによって熱圧着させて第２のガス拡散層を得た。
【００７５】
・第２の触媒層（アノード側の触媒層）の作製
１ｇの白金担持カーボンブラックと、２．５ｇのデュポン社製ナフィオン溶液ＤＥ２０２０と、０．５ｇのアセチレンブラックとを８ｇの水に添加し、乳鉢中で混合し、さらに、超音波分散装置を用いて混合して触媒層形成用スラリーを得た。この触媒層形成用スラリーをポリ四フッ化エチレン製シートに、白金触媒担持量が１ｍｇ／ｃｍ２になるように、ドクターブレード法により塗布し、５０℃で乾燥して第２の触媒層を得た。
【００７６】
［第１のセパレータおよび第２のセパレータ］
第１のセパレータおよび第２のセパレータとして、黒鉛製の矩形状の板からなり、長手方向の一方の縁に幅方向に沿う略矩形状の供給口１１ａが形成され、他方の縁に幅方向に沿う排出口１１ｂが形成され、供給口１１ａから排出口１１ｂに向けて（すなわち、長手方向に沿って）直線状の溝１２が複数形成されたストレート型セパレータを用いた。
【００７７】
第１のガス拡散層Ａ、第１の触媒層Ａ、第２のガス拡散層、第２の触媒層をそれぞれ２．３ｃｍ角に裁断した。
次いで、電解質膜（デュポン製ナフィオン１１７）の一方の面に第１の触媒層Ａを積層し、他方の面に第２の触媒層を積層し、温度１２０℃でのホットプレスにより圧着して膜電極接合体を得た。
次いで、この膜電極接合体の第１の触媒層Ａに第１のガス拡散層Ａを、第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向と、第１のガス拡散層Ａの導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向との角度が０度（平行）になるように、かつ、第１の触媒層Ａに導電性繊維含有層が接するように積層して第１の導電性多孔質体を形成した。
次いで、第１の導電性多孔質体の第１のガス拡散層Ａに第１のセパレータを、導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が０度になるように積層した。
また、第２の触媒層に第２のガス拡散層を、第２の触媒層に導電性多孔質シートが接するように積層して第２の導電性多孔質体を形成した。次いで、第２の導電性多孔質体の第２のガス拡散層に第２のセパレータを積層して、セルを得た。
【００７８】
（実施例２）
第１のガス拡散層Ａに第１のセパレータを積層する際に、導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が３０度になるように積層したこと以外は実施例１と同様にしてセルを得た。この場合、第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度も３０度となる。
【００７９】
（実施例３）
気相成長炭素繊維を配合しなかったこと以外は、第１の触媒層Ａと同様にして第１の触媒層Ｂを作製し、その第１の触媒層Ｂを第１の触媒層Ａの代わりに用いたこと以外は実施例１と同様にしてセルを得た。
【００８０】
（実施例４）
第１のガス拡散層Ａに第１のセパレータを積層する際に、導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が３０度になるように積層したこと以外は実施例３と同様にしてセルを得た。
【００８１】
（実施例５）
１５ｇのアセチレンブラックと、結着樹脂である１５ｇのポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）とを混合し、メタノールを滴下して混練して導電性多孔質シート形成用スラリーを得た。この導電性多孔質シート形成用スラリーをＰＴＦＥのシート上に塗布し、乾燥させた後、ＰＴＦＥから剥離し、ロールプレスにて厚さ５０μｍになるまで圧延して導電性多孔質シートを作製した。この導電性多孔質シートを、厚さ２００μｍのカーボンペーパーにロールプレスにより圧着させ、大気中３７０℃で加熱して第１のガス拡散層Ｂを得た。そして、この第１のガス拡散層Ｂを第１のガス拡散層Ａの代わりに用い、第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が０度になるように積層したこと以外は実施例１と同様にしてセルを得た。
【００８２】
（実施例６）
実施例５で得た第１のガス拡散層Ｂを介して、第１の触媒層Ａと第１のセパレータとを、第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が３０度になるように積層したこと以外は実施例１と同様にしてセルを得た。
【００８３】
（実施例７）
１０ｇのアセチレンブラックと、１０ｇの気相成長炭素繊維を、１０％のポリフッ化ビニリデンのＮ−メチルピロリドン溶液１５０ｇに添加して導電性繊維含有スラリーを調製した。次いで、その導電性繊維含有スラリーをポリエチレンナフタレートのフィルム上に、ドクターブレード法により塗工し、１５０℃で１時間乾燥させて、気相成長炭素繊維が一方向に配向している厚さ５０μｍの導電性繊維含有層を作製した。
この導電性繊維含有層を、厚さ２００μｍのカーボンペーパーに、２００℃の加熱ロールプレスによって熱圧着させて第１のガス拡散層Ｃを得た。
そして、第１のガス拡散層Ａの代わりに第１のガス拡散層Ｃを用いたこと以外は実施例１と同様にしてセルを得た。
【００８４】
（実施例８）
第１の触媒層Ａの代わりに第１の触媒層Ｂを用い、また、第１のガス拡散層Ｃに第１のセパレータを積層する際に、導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が３０度になるように積層したこと以外は実施例７と同様にしてセルを得た。
【００８５】
（実施例９）
１５ｇのアセチレンブラックを、１０％のポリフッ化ビニリデンのＮ−メチルピロリドン溶液１５０ｇに添加して導電性多孔質シート形成用スラリーを調製した。次いで、その導電性多孔質シート形成用スラリーをポリエチレンナフタレートのフィルム上に、ドクターブレード法により塗工し、１５０℃で１時間乾燥させて導電性多孔質シートを作製した。この導電性多孔質シートに、厚さ２００μｍのカーボンペーパーにロールプレスにより圧着させて第１のガス拡散層Ｄを得た。そして、この第１のガス拡散層Ｄを第１のガス拡散層Ａの代わりに用いた以外は実施例１と同様にしてセルを得た。
【００８６】
（実施例１０）
１０ｇのアセチレンブラックと、１２ｇのＰＡＮ系炭素繊維（アスペクト比；９００）とを、１０％のポリフッ化ビニリデンのＮ−メチルピロリドン溶液２００ｇに添加して導電性繊維含有スラリーを調製した。次いで、その導電性繊維含有スラリーをポリエチレンナフタレートのフィルム上に、ドクターブレード法により塗工し、１５０℃で１時間乾燥させて、ＰＡＮ系炭素繊維が一方向に配向している厚さ１００μｍの導電性繊維含有層を作製した。この導電性繊維含有層を第１のガス拡散層Ｅとした。
そして、電解質膜（デュポン製ナフィオン１１７）の一方の面に第１の触媒層Ａを積層し、他方の面に第２の触媒層を積層し、温度１２０℃でのホットプレスにより圧着して膜電極接合体を得た。
次いで、この膜電極接合体の第１の触媒層Ａに第１のガス拡散層Ｅを、第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向と第１のガス拡散層Ｅ中のＰＡＮ系炭素繊維の配向方向との角度が３０度になるように積層した。次いで、第１のガス拡散層Ｅに第１のセパレータを、第１のガス拡散層Ｅ中のＰＡＮ系炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が０度になるように積層した。
また、第２の触媒層に第２のガス拡散層を、第２の触媒層にカーボンペーパーが接するように積層した。次いで、第２のガス拡散層に第２のセパレータを積層して、セルを得た。
【００８７】
（実施例１１）
第１の触媒層Ａの代わりに第１の触媒層Ｂを用いたこと以外は実施例１０と同様にしてセルを得た。
【００８８】
（実施例１２）
第１のガス拡散層ＥにＰＡＮ系炭素繊維を配合しない以外は第１のガス拡散層Ｅと同様にして第１のガス拡散層Ｆを得た。また、第１の触媒層Ａにおいて気相成長炭素繊維の代わりにＰＡＮ系炭素繊維を用いた導電性繊維含有層である第１の触媒層Ｃを作製した。
そして、電解質膜の一方の面に、第１の触媒層Ｃを積層し、第１のガス拡散層Ｆを介して第１の触媒層Ｃに第１のセパレータを、第１の触媒層Ｃ中のＰＡＮ系炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が０度になるように積層したこと以外は実施例１０と同様にしてセルを得た。
【００８９】
（実施例１３）
電解質膜（デュポン製ナフィオン１１７）の一方の面に第１の触媒層Ａを積層し、他方の面に第２の触媒層を積層し、温度１２０℃でのホットプレスにより圧着して膜電極接合体を得た。本例では、第１の触媒層Ａのみを第１の導電性多孔質体として用い、第２の触媒層のみを第２の導電性多孔質体として用いた。
次いで、この膜電極接合体の第１の触媒層Ａに第１のセパレータを、第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向の角度が０度（平行）になるように積層した。また、第２の触媒層に第２のセパレータを積層して、セルを得た。
【００９０】
（実施例１４）
第１の触媒層Ａの代わりに第１の触媒層Ｃを用い、第１の触媒層Ｃに第１のセパレータを、第１の触媒層Ｃ中のＰＡＮ系炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向の角度が３０度になるように積層したこと以外は実施例１３と同様にしてセルを得た。
【００９１】
（比較例１）
第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向および第１のガス拡散層Ａの導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向と、酸化剤の流動方向との角度が６０度になるように、第１の触媒層Ａと第１のガス拡散層Ａと第１のセパレータとを積層したこと以外は実施例１と同様にして、セルを得た。
【００９２】
（比較例２）
第１の触媒層Ａ中の気相成長炭素繊維の配向方向と、酸化剤の流動方向との角度が３０度になるように、かつ、第１のガス拡散層Ｃの導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向と、酸化剤の流動方向との角度が９０度になるように、第１の触媒層Ａと第１のガス拡散層Ｃと第１のセパレータとを積層したこと以外は実施例７と同様にして、セルを得た。
【００９３】
（比較例３）
１０ｇのアセチレンブラックと、１２ｇのＰＡＮ系炭素繊維とを、１０％のポリフッ化ビニリデンのＮ−メチルピロリドン溶液２００ｇに混合分散させて得たスラリーを支持体にスプレーして第１のガス拡散層Ｇを作製した。
また、１ｇの白金担持カーボンと、２．５ｇのデュポン社製ナフィオン溶液ＤＥ２０２０と、０．３ｇの気相成長炭素繊維と、０．２ｇのアセチレンブラックを８ｇの水に添加して得た触媒層形成用スラリーを支持体にスプレーして第１の触媒層Ｄを得た。なお、スプレーによる塗布では気相成長炭素繊維は配向しない。
そして、第１のガス拡散層Ａの代わりに第１のガス拡散層Ｇを用い、第１の触媒層Ａの代わりに第１の触媒層Ｄを用いたこと以外は実施例１０と同様にして、セルを得た。
【００９４】
（比較例４）
比較例３における第１の触媒層Ｄのみを第１の導電性多孔質体として用いたこと以外は実施例１３と同様にして、セルを得た。
【００９５】
（比較例５）
第１のガス拡散層Ａおよび第１の触媒層Ａに気相成長炭素繊維を配合しなかったこと以外は実施例１と同様にして、セルを得た。
【００９６】
なお、表１〜３に、各実施例および各比較例におけるセルのタイプ、第１のガス拡散層中の炭素繊維の種類およびその炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度（表中では配向角度と記載する。）、第１の触媒層中の炭素繊維の種類およびその炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度（表中では配向角度と記載する。）を示す。
表１〜３において、セルのタイプＡは、第１の導電性多孔質体が、２つの層からなるガス拡散層と第１の触媒層とを備えるものである。Ｂは、第１の導電性多孔質体が、１つの層からなる第１のガス拡散層と第１の触媒層とを備えるものである。Ｃは、第１の導電性多孔質体が１層のみからなるものである。また、表中では、気相成長炭素繊維をＶＧＣＦと表記し、ＰＡＮ系炭素繊維をＰＡＮＣＦと表記する。
【００９７】
【表１】
2007273269.tif 000003
【００９８】
【表２】
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【００９９】
【表３】
2007273269.tif 000005
【０１００】
（発電性能評価）
実施例１〜１４および比較例１〜５の各セルの第１のセパレータと第２のセパレータとを外部回路で接続して燃料電池を作製した。そして、その発電性能を以下の方法で評価した。その評価結果を表１〜３に示す。
［発電性能評価方法］
まず、温度８０℃の環境下、各セルの第１のセパレータの供給口から酸化剤である酸素を２００ｍｌ／分で供給すると共に、第２のセパレータの供給口から燃料である水素を１００ｍｌ／分で供給して発電した。その際の第１のセパレータと第２のセパレータとの間の開回路電圧を２時間測定した後に、電流走査速度０．２ｍＡ／（ｃｍ２・秒）で電流電圧特性を測定した。そして、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ２、１５０ｍＡ／ｃｍ２の際の電圧を読み取った。その電圧（セル電圧）を表１に示す。また、（１５０ｍＡ／ｃｍ２での電圧）／（１００ｍＡ／ｃｍ２での電圧）×１００（％）を低下率として求めた。低下率についても表１に示す。なお、低下率が高いほど、電流密度を上げても電圧が低下しにくいことを示す。
なお、測定は、ポテンショスタット/ガルバノスタットであるソーラトロン１２８７（ソーラトロン社製）を外部回路に接続することにより行った。
【０１０１】
酸素の流動方向に沿って配向している炭素繊維を含む配向層を備える実施例１〜１４のセルを適用した燃料電池は、電流密度を上げても電圧が低下しにくく、発電性能に優れていた。
配向層を備えていない比較例１〜５のセルを適用した燃料電池は、電流密度を上げると電圧が低下し、発電性能に劣っていた。
【０１０２】
（実施例１５）
実施例１の第１の導電性多孔質体と同じものを、第２の導電性多孔質体にも用いたこと以外は実施例１と同様にしてセルを得た。その際、第２の導電性多孔質体の導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向と酸化剤の流動方向との角度が０度になるように積層した。
【０１０３】
（実施例１６）
実施例１３の第１の導電性多孔質体と同じものを、第２の導電性多孔質体に用いたこと以外は実施例１３と同様にしてセルを得た。その際、第２の導電性多孔質体の導電性繊維含有層中の気相成長炭素繊維の配向方向が燃料の流動方向との角度が０度になるように積層した。
【０１０４】
（発電性能評価）
実施例１５，１６の各セルの第１のセパレータと第２のセパレータとを外部回路で接続して燃料電池を作製した。そして、その発電性能を以下の方法で評価した。その評価結果を表４に示す。
［発電性能評価方法］
まず、温度８０℃の環境下、各セルの第１のセパレータの供給口から酸化剤である酸素を２００ｍｌ／分で供給すると共に、実施例１５では第２のセパレータの供給口から燃料である水素を１００ｍｌ／分で供給し、実施例１６ではメタノールの５質量％水溶液を１ｍｌ／分で供給して発電した。そして、実施例１〜１４および比較例１〜５と同様にして、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ２、１５０ｍＡ／ｃｍ２の際の電圧（セル電圧）を測定し、低下率を求めた。それらの結果を表４に示す。
【０１０５】
【表４】
2007273269.tif 000006
【０１０６】
炭素繊維が流体の流動方向に沿って配向している配向層を第１の導電性多孔質体および第２の導電性多孔質体に備えた実施例１５，１６のセルを適用した燃料電池は、電流密度を上げても電圧が低下しにくく、発電性能に優れていた。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の燃料電池用セルの第１の実施形態例を示す断面図である。
【図２】セパレータの一例を示す平面図である。
【図３】本発明の燃料電池用セルの第２の実施形態例を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池用セルの第３の実施形態例を示す断面図である。
【図５】セパレータの他の例を示す平面図である。
【図６】セパレータの他の例を示す平面図である。
【図７】本発明の燃料電池の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１  燃料電池
１ａ，１ｂ，１ｃ  セル（燃料電池用セル）
１０  第１のセパレータ
１１ａ  供給口
１１ｂ  排出口
１２，１３，１４  溝
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  第１の導電性多孔質体
２１，２３  第１のガス拡散層
２２，２４  第１の触媒層
３０  電解質膜
４０ａ，４０ｂ  第２の導電性多孔質体
４１  第２のガス拡散層
４２  第２の触媒層
５０  第２のセパレータ
６０  外部回路
６１  負荷
【図１】
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【図２】
2007273269.tif 000008
【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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