(57)【要約】【課題】燃料電池の適度な排水性と保水性とを両立させうる燃料電池用多孔体層を容易に作製する。【解決手段】樹脂基材５２の一部を第１の所定時間だけメッキ浴６２に浸漬させて多孔体部４８を形成する第１のメッキ処理工程と、樹脂基材５２の他部を第１の所定時間よりも長い第２の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて多孔体部５０を形成する第２のメッキ処理工程と、を含む。多孔体部５０は、多孔体部４８よりも平均気孔径が小さい。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の平均気孔径を有する樹脂基材を燃料電池用多孔体層材料とする燃料電池用多孔体層の製造方法であって、
前記樹脂基材の一部を第１の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第１の多孔体部を形成する第１のメッキ処理工程と、
前記樹脂基材の他部を前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第２の多孔体部を形成する第２のメッキ処理工程と、
を含む、燃料電池用多孔体層の製造方法。
【請求項２】
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、
前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、
前記酸化極多孔体層が、請求項１に記載の方法により作製された燃料電池用多孔体層であり、
前記第２の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向上流部側、前記第１の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向下流部側、となるように前記燃料電池用多孔体層を配置してなる、燃料電池。
【請求項３】
所定の平均気孔径を有する樹脂基材を燃料電池用多孔体層材料とする燃料電池用多孔体層の製造方法であって、
前記樹脂基材の一部に導電性材料を第３の所定時間だけ蒸着処理させて第３の多孔体部を形成する第１の蒸着処理工程と、
前記樹脂基材の他部に導電性材料を前記第３の所定時間よりも長い第４の所定時間だけ蒸着処理させて第４の多孔体部を形成する第２の蒸着処理工程と、
を含む、燃料電池用多孔体層の製造方法。
【請求項４】
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、
前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、
前記酸化極多孔体層が、請求項３に記載の方法により作製された燃料電池用多孔体層であり、
前記第４の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向上流部側、前記第３の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向下流部側、となるように前記燃料電池用多孔体層を配置してなる、燃料電池。
【請求項５】
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、
前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、
前記酸化極多孔体層が、請求項３に記載の方法により作製された燃料電池用多孔体層であり、
前記第３の多孔体部が酸化極拡散層側、前記第４の多孔体部が電解質膜側、となるように前記燃料電池用多孔体層を配置してなる、燃料電池。
【請求項６】
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、
前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、
前記酸化極多孔体層が、
所定の平均気孔径を有する第１の樹脂基材の一部を第１の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第１の多孔体部を形成し、前記第１の樹脂基材の他部を前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第２の多孔体部を形成してなる第１の多孔体層と、
所定の平均気孔径を有する第２の樹脂基材の一部に導電性材料を第３の所定時間だけ蒸着処理させて第３の多孔体部を形成し、前記第２の樹脂基材の他部に導電性材料を前記第３の所定時間よりも長い第４の所定時間だけ蒸着処理させて第４の多孔体部を形成してなる第２の多孔体層と、からなり、
前記第２の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向上流部側、前記第１の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向下流部側となるように前記第１の多孔体層を配置し、
前記第３の多孔体部が酸化極拡散層側、前記第４の多孔体部が電解質膜側となるように前記第２の多孔体層を配置し、
前記第１の多孔体層と前記第２の多孔体層を積層してなる、燃料電池。
【請求項７】
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、
前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、
前記酸化極多孔体層が、
所定の平均気孔径を有する第１の樹脂基材の一部に導電性材料を第１の所定時間だけ蒸着処理させて第１の多孔体部を形成し、前記第１の樹脂基材の他部に導電性材料を前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間だけ蒸着処理させて第２の多孔体部を形成してなる第１の多孔体層と、
所定の平均気孔径を有する第２の樹脂基材の一部に導電性材料を第３の所定時間だけ蒸着処理させて第３の多孔体部を形成し、前記第２の樹脂基材の他部に導電性材料を前記第３の所定時間よりも長い第４の所定時間だけ蒸着処理させて第４の多孔体部を形成してなる第２の多孔体層と、からなり、
前記第２の多孔体部が酸化剤ガス流れ方向上流部側、前記第１の多孔体部が酸化剤ガス流れ方向下流部側となるように前記第１の多孔体層を配置し、
前記第３の多孔体部が酸化極拡散層側、前記第４の多孔体部が電解質膜側となるように前記第２の多孔体層を配置し、
前記第１の多孔体層と前記第２の多孔体層を積層してなる、燃料電池。
【請求項８】
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、前記酸化極が、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極拡散層と、を含み、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池において、前記酸化極触媒層と、前記酸化極拡散層との間に設けられる酸化極多孔体層であって、
電解質膜側の気孔径が酸化極拡散層側の気孔径よりも小さい第１の多孔体部と、
前記酸化剤ガスの流れ方向上流部の気孔径が下流部の気孔径よりも小さい第２の多孔体部と、
を積層させてなる、酸化極多孔体層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用多孔体層の製造方法、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の最小単位に相当する、一般的な燃料電池セル（単セルとも称する）の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図１４に例示するように、酸化極触媒層１２と燃料極触媒層１４を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。また、酸化極触媒層１２の外側には酸化極拡散層１６が、燃料極触媒層１４の外側には燃料極拡散層１８が、それぞれ設けられている。電解質膜１０の一方側に配置された酸化極触媒層１２および酸化極拡散層１６を総じて酸化極（またはカソード）３２とも称し、電解質膜１０の他方側に配置された燃料極触媒層１４および燃料極拡散層１８を総じて燃料極（またはアノード）３４とも称する。
【０００３】
さらに、酸化極拡散層１６の外側には、酸化剤ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成された酸化極側セパレータ２６が、燃料極拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成された燃料極側セパレータ２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、燃料電池セル５００が形成される。
【０００４】
所望の起電力が得られるように複数の燃料電池セル５００を積層させたセルスタックを備える燃料電池は一般に、酸化剤ガス流路２０を流通する酸素ガスや空気等の酸化剤ガスを酸化極触媒層１２に、燃料ガス流路２４を流通する水素ガスや改質ガス等の燃料ガスを燃料極触媒層１４に、それぞれ供給し、電解質膜１０を介しての酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。酸化剤ガス流路２０および燃料ガス流路２４の上流側から酸化極３２および燃料極３４内部に流入した酸化剤ガスおよび燃料ガスがそれぞれ、電池反応に供される。その後、酸化剤ガスおよび燃料ガスのオフガスはそれぞれ、酸化剤ガス流路２０および燃料ガス流路２４の下流側に送られて、燃料電池セル５００または燃料電池の外部に排出される。
【０００５】
一般に燃料電池が良好な発電を行うためには、例えばパーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる電解質膜１０に対して所定の水分量（含水量）を維持させて、プロトン透過性膜としての機能を発揮させることが好適である。電解質膜１０の含水量の不足に伴う、いわゆるドライアップの発生を防止するため、例えば燃料電池内に供給する反応ガスのいずれか一方、または両方を加湿させ、電解質膜１０の水分調節を行う。
【０００６】
一方、燃料電池内に過剰量の水分が滞留すると、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が発生し、反応に必要な原料ガスの供給が不十分となり、発電効率の低下や、運転状態が不安定となる要因ともなり得る。特に酸化極側では、発電により水が生成するため、良好な排水性能が要求される。
【０００７】
ガス流路および／または燃料電池内部の水分量を適度な状態に維持／調節し得る燃料電池として、例えば特許文献１〜４が開示されている。
【０００８】
特許文献１には、セパレータ側から触媒層側へ向かって開口径が減少するように、開口径の異なる多孔質層が積層された拡散層を備える燃料電池について記載されている。
【０００９】
特許文献２には、ガス下流部の平均気孔径が、ガス上流部位の平均気孔径よりも大きいガス拡散層について記載されている。
【００１０】
特許文献３には、孔径１０ｎｍ〜５００ｎｍの連通孔を有する炭素質からなる多孔質材料層と、該多孔質材料層の表面に形成された触媒金属メッキ層と、を有し、触媒金属メッキ層の表面が、固体高分子膜に接している燃料電池用電極について記載されている。
【００１１】
特許文献４には、ガス拡散層の電解質膜側に、含水状態に応じて細孔径が変化するように、吸水性樹脂材料が分散された溶液を噴霧またはスクリーン印刷により含浸または付着させることにより形成させた吸水性樹脂を配置してなる燃料電池について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−０５８０７３号公報
【特許文献２】特開２００１−０５７２１８号公報
【特許文献３】特開２００６−１０００５６号公報
【特許文献４】特開２００８−１４７１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、燃料電池のより安定した運転には、運転条件や電極の特性に応じた好適な水分量の維持が要求され、この要求に適した燃料電池セルの構造が提案されている。
【００１４】
しかしながら、例えば特許文献４に記載のような方法によりガス拡散層を作製するにあたり、細孔径を精度よく制御することは困難である。また、例えば、ガス拡散層の作製時にひび割れが発生する等により、所望の排水性や保水性が得られず、適切な発電性能が発揮されない場合もありえた。
【００１５】
本発明は、燃料電池の適度な排水性と保水性とを両立させうる燃料電池用多孔体層を容易に作製することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１７】
（１）所定の平均気孔径を有する樹脂基材を燃料電池用多孔体層材料とする燃料電池用多孔体層の製造方法であって、前記樹脂基材の一部を第１の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第１の多孔体部を形成する第１のメッキ処理工程と、前記樹脂基材の他部を前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第２の多孔体部を形成する第２のメッキ処理工程と、を含む、燃料電池用多孔体層の製造方法である。
【００１８】
上記構成によれば、第１の多孔体部の気孔径が、第２の多孔体部の気孔径よりも大きくなるように制御でき、気孔径が面内方向に傾斜した燃料電池用多孔体層を作製することができる。
【００１９】
（２）電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、前記酸化極多孔体層が、上記（１）に記載の方法により作製された燃料電池用多孔体層であり、前記第２の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向上流部側、前記第１の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向下流部側、となるように前記燃料電池用多孔体層を配置してなる、燃料電池である。
【００２０】
上記構成によれば、酸化剤ガスの流れ方向上流部側の気孔径が、下流部側の気孔径よりも小さくなるように燃料電池用多孔体層を配置することにより、酸化剤ガスの流れ方向上流部側で対向する電解質膜を含むＭＥＡの乾燥を抑制することができ、特に高温運転時の発電性能が向上する。
【００２１】
（３）所定の平均気孔径を有する樹脂基材を燃料電池用多孔体層材料とする燃料電池用多孔体層の製造方法であって、前記樹脂基材の一部に導電性材料を第３の所定時間だけ蒸着処理させて第３の多孔体部を形成する第１の蒸着処理工程と、前記樹脂基材の他部に導電性材料を前記第３の所定時間よりも長い第４の所定時間だけ蒸着処理させて第４の多孔体部を形成する第２の蒸着処理工程と、を含む、燃料電池用多孔体層の製造方法である。
【００２２】
上記構成によれば、第３の多孔体部の気孔径が、第４の多孔体部の気孔径よりも大きくなるように制御でき、気孔径が面内または面厚方向（積層方向）に傾斜した燃料電池用多孔体層を作製することができる。
【００２３】
（４）電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、前記酸化極多孔体層が、上記（３）に記載の方法により作製された燃料電池用多孔体層であり、前記第４の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向上流部側、前記第３の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向下流部側、となるように前記燃料電池用多孔体層を配置してなる、燃料電池である。
【００２４】
上記構成によれば、酸化剤ガスの流れ方向上流部側の気孔径が、下流部側の気孔径よりも小さくなるように燃料電池用多孔体層を配置することにより、酸化剤ガスの流れ方向上流部側で対向する電解質膜を含むＭＥＡの乾燥を抑制することができ、特に高温運転時の発電性能が向上する。
【００２５】
（５）電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、前記酸化極多孔体層が、上記（３）に記載の方法により作製された燃料電池用多孔体層であり、前記第３の多孔体部が酸化極拡散層側、前記第４の多孔体部が電解質膜側、となるように前記燃料電池用多孔体層を配置してなる、燃料電池である。
【００２６】
上記構成によれば、電解質膜側の気孔径が、酸化極拡散層側の気孔径よりも小さくなるように燃料電池用多孔体層を配置することにより、適切な毛管力を生じさせることができ、酸化極側の排水性能が向上する。
【００２７】
（６）電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、前記酸化極多孔体層が、所定の平均気孔径を有する第１の樹脂基材の一部を第１の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第１の多孔体部を形成し、前記第１の樹脂基材の他部を前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間だけメッキ浴に浸漬させて第２の多孔体部を形成してなる第１の多孔体層と、所定の平均気孔径を有する第２の樹脂基材の一部に導電性材料を第３の所定時間だけ蒸着処理させて第３の多孔体部を形成し、前記第２の樹脂基材の他部に導電性材料を前記第３の所定時間よりも長い第４の所定時間だけ蒸着処理させて第４の多孔体部を形成してなる第２の多孔体層と、からなり、前記第２の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向上流部側、前記第１の多孔体部が前記酸化剤ガスの流れ方向下流部側となるように前記第１の多孔体層を配置し、前記第３の多孔体部が酸化極拡散層側、前記第４の多孔体部が電解質膜側となるように前記第２の多孔体層を配置し、前記第１の多孔体層と前記第２の多孔体層を積層してなる、燃料電池である。
【００２８】
（７）電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池であって、前記酸化極は、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極多孔体層と、酸化極拡散層と、を含み、前記酸化極多孔体層が、所定の平均気孔径を有する第１の樹脂基材の一部に導電性材料を第１の所定時間だけ蒸着処理させて第１の多孔体部を形成し、前記第１の樹脂基材の他部に導電性材料を前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間だけ蒸着処理させて第２の多孔体部を形成してなる第１の多孔体層と、所定の平均気孔径を有する第２の樹脂基材の一部に導電性材料を第３の所定時間だけ蒸着処理させて第３の多孔体部を形成し、前記第２の樹脂基材の他部に導電性材料を前記第３の所定時間よりも長い第４の所定時間だけ蒸着処理させて第４の多孔体部を形成してなる第２の多孔体層と、からなり、前記第２の多孔体部が酸化剤ガス流れ方向上流部側、前記第１の多孔体部が酸化剤ガス流れ方向下流部側となるように前記第１の多孔体層を配置し、前記第３の多孔体部が酸化極拡散層側、前記第４の多孔体部が電解質膜側となるように前記第２の多孔体層を配置し、前記第１の多孔体層と前記第２の多孔体層を積層してなる、燃料電池である。
【００２９】
（８）電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟持する酸化極および燃料極を備え、前記酸化極が、電解質膜側から順に酸化極触媒層と、酸化極拡散層と、を含み、酸化極側に供給される酸化剤ガスと燃料極側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池において、前記酸化極触媒層と、前記酸化極拡散層との間に設けられる酸化極多孔体層であって、電解質膜側の気孔径が酸化極拡散層側の気孔径よりも小さい第１の多孔体部と、前記酸化剤ガスの流れ方向上流部の気孔径が下流部の気孔径よりも小さい第２の多孔体部と、を積層させてなる、酸化極多孔体層である。
【発明の効果】
【００３０】
適度な排水性と保水性とを両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】燃料電池セル１００の構成の概略を示した図である。
【図２】酸化極多孔体層３６の構成について説明するための断面拡大図である。
【図３】燃料電池セル２００の構成の概略を示した図である。
【図４】酸化極多孔体層４０の構成について説明するための断面拡大図である。
【図５】燃料電池セル３００の構成の概略を示した図である。
【図６】酸化極多孔体層４６の構成について説明するための断面拡大図である。
【図７】酸化極多孔体層４０の製造方法の一例について説明するための図である。
【図８】酸化極多孔体層４０の製造方法の変形例について説明するための図である。
【図９】酸化極多孔体層４６の製造方法の一例について説明するための図である。
【図１０】酸化極多孔体層４６の製造方法の他の例について説明するための図である。
【図１１】酸化極多孔体層４６の製造方法の別の例について説明するための図である。
【図１２】酸化極多孔体層４６の製造方法のさらに別の例について説明するための図である。
【図１３】酸化極多孔体層４６の製造方法の変形例について説明するための図である。
【図１４】従来の燃料電池セルの構成の概略を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に示す各実施の形態において、同様の構成については同一の符号を付し、その説明については省略するか、または簡単な説明にとどめることがある。また、図面中の各部材の寸法は必ずしも実際の各部材の寸法に対応していない。
【００３３】
［燃料電池セル１００］
図１に示す燃料電池セル１００は、酸化極触媒層１２と酸化極拡散層１６との間に酸化極多孔体層３６を設けるとともに、燃料極触媒層１４と燃料極拡散層１８との間に、場合によっては燃料極多孔体層３８を設けることができることを除き、図１４に示す燃料電池セル５００と同様の構成を有している。
【００３４】
図２に例示するように、所定の平均気孔径を有する多孔質の樹脂基材５２を導電処理して導電性膜５４を形成することにより、気孔５６の平均気孔径および／または気孔径分布を調整した多孔体層を酸化極多孔体層３６として適用することができる。
【００３５】
本発明の実施の形態において、酸化極拡散層１６は、例えば、平均気孔径を１０μｍ以上、より具体的には１０μｍ〜２００μｍ、さらに具体的には１０μｍ〜１００μｍとすることができる。酸化極拡散層１６の平均気孔径が１０μｍ未満だと、排水性が低下する場合があり得て、また、ガス拡散が阻害され、発電性能が低下する場合もあり得る。
【００３６】
また、酸化極多孔体層３６は、例えば、テトラフルオロエチレンその他のフッ素樹脂からなる多孔性の樹脂基材５２に、例えば、下地処理によるＮｉメッキなどを含み、さらに金メッキなどのメッキ浴または金スパッタなど蒸着処理を施して導電性膜５４を形成することにより、酸化極拡散層１６が有する気孔径よりも小さく、例えば、気孔５６の存在に伴う酸化極多孔体層３６の平均気孔径を、概ね０．１μｍ〜１０μｍ程度とすることができる。なお、酸化極多孔体層３６は、撥水性を有することが一般的である。
【００３７】
より具体的には、図１に示す燃料電池セル１００を、例えば２５℃〜６０℃程度の比較的低温で動作させる場合には、酸化極多孔体層３６の平均気孔径を、例えば、１μｍ〜１０μｍ程度とすることができる。酸化極多孔体層３６の平均気孔径が１μｍ未満だと、例えば排水性が低下する場合があり得て、また、ガス拡散抵抗が増大し、発電性能が低下する場合もあり得る。また、酸化極多孔体層３６の平均気孔径が１０μｍを超えると、例えばガス拡散抵抗が低下し、電解質膜１０の含有する水分量が低下する場合があり得る。
【００３８】
一方、図１に示す燃料電池セル１００を６０℃〜１００℃程度の比較的高温で動作させる場合には、酸化極多孔体層３６の平均気孔径を、例えば、０．１μｍ〜１μｍ程度とすることができる。酸化極多孔体層３６の平均気孔径が０．１μｍ未満だと、例えば酸化極からの排水性が低下する場合があり得る。また、酸化極多孔体層３６の平均気孔径が１μｍを超えると、例えば拡散抵抗が低下し、保水性が低下する場合があり得る。ここで、「平均気孔径」とは、気孔の形状を円柱形状または円錐形状とみなしたときの円相当直径の平均値である。なお、酸化極多孔体層３６の平均気孔径の測定には、例えば、水銀ポロシメータなどを用いることができる。
【００３９】
また、酸化極多孔体層３６の空隙率を例えば、５０％〜８０％、より具体的には、７０％〜８０％とすることができる。酸化極多孔体層３６の空隙率が５０％未満だと、例えばフラッディングする場合がある一方、酸化極多孔体層３６の空隙率が８０％を超えると、例えばドライアップする場合があり得る。なお、空隙率の測定には、例えば、水銀ポロシメータやＳＥＭによる形態観察などを用いることができる。
【００４０】
また、酸化極多孔体層３６の積層方向の幅、つまり酸化極多孔体層３６の厚みを例えば、２００μｍ以下、より具体的には、２０μｍ〜２００μｍ、さらに具体的には、５０μｍ〜２００μｍとすることができる。酸化極多孔体層３６の厚みが２０μｍ未満だと酸化極多孔体層３６としての機能を十分に発揮することができない場合がある一方、酸化極多孔体層３６の厚みが２００μｍを超えると、例えば排水性が低下する場合があり得る。
【００４１】
一方、図１に示す燃料極拡散層１８は、例えば、酸化極拡散層１６と同様の構成とすることができるが、これに限定されるものではなく、公知のいかなる構成を適用することも可能である。また、必要に応じて任意に適用される燃料極多孔体層３８は、例えば、酸化極多孔体層３６と同様の構成とすることができるが、これに限定されるものではなく、公知のいかなる構成を適用することも可能である。
【００４２】
本構成によれば、酸化極多孔体層３６の厚みおよび平均気孔径を制御することにより、例えばガス拡散抵抗が増大し、電解質膜１０の含有する水分量の低下を抑制することができる。
【００４３】
［燃料電池セル２００］
図３に示す燃料電池セル２００は、酸化極多孔体層３６に代えて第１の多孔体部４２と、第２の多孔体部４４とを燃料電池セル２００の断面方向に積層させた酸化極多孔体層４０を備えることを除き、図１に示す燃料電池セル１００と同様の構成を有している。第１の多孔体部４２は、酸化極拡散層１６側に配置されており、図３に示す実施の形態では、酸化極拡散層１６に隣接している。一方、第２の多孔体部４４は、電解質膜１０側に配置され、図３に示す実施の形態では、酸化極触媒層１２に隣接している。
【００４４】
図４に例示するように、酸化極多孔体層４０には、多孔質の樹脂基材５２ａ，５２ｂをそれぞれ導電処理することにより導電性膜５４ａ，５４ｂが形成されている。また、導電性膜５４ａ，５４ｂの形成に伴い、気孔５６ａ，５６ｂの平均気孔径がそれぞれ調整されている。実施の形態において、樹脂基材５２ａ，５２ｂおよび導電性膜５４ａ，５４ｂはそれぞれ、図２に示す樹脂基材５２および導電性膜５４と同種の材料を適用することができる。
【００４５】
実施の形態において、第２の多孔体部４４に形成された気孔５６ｂの平均気孔径が第１の多孔体部４２に形成された気孔５６ａの平均気孔径よりも小さくなるように構成されている。より具体的には、第１の多孔体部４２に形成された気孔５６ａの平均気孔径を例えば、１０μｍ以下、より具体的には１０μｍ〜０．１μｍ程度、さらに具体的には、１０μｍ〜２μｍとすることができる。一方、第２の多孔体部４４に形成された気孔５６ｂの平均気孔径を例えば、１μｍ以下、より具体的には１μｍ〜０．０１μｍ程度、さらに具体的には、１μｍ〜０．１μｍとすることができる。第２の多孔体部４４側の平均気孔径を第１の多孔体部４２側の平均気孔径よりも小さくすることにより、電解質膜１０側から酸化剤ガス流路２０側に向けて気孔径、つまり流体流路の容積が段階的に大きくなる構成となる。したがって、本構成によれば、気孔５６ａ，５６ｂの毛管力差を利用して発電に伴う生成水を酸化剤ガス流路２０側に移動させることが容易となり、優れた排水性を有する燃料電池を提供することができる。
【００４６】
実施の形態において、第１の多孔体部４２の空隙率を例えば、５０％〜８０％、より具体的には、７０％〜８０％とすることができる。第１の多孔体部４２の空隙率が５０％未満だと、例えばフラッディングする場合がある一方、第１の多孔体部４２の空隙率が８０％を超えると、例えばドライアップする場合があり得る。
【００４７】
また、第２の多孔体部４４の空隙率を例えば、５０％〜８０％、より具体的には、７０％〜８０％とすることができる。第２の多孔体部４４の空隙率が５０％未満だと、例えばフラッディングする場合がある一方、第２の多孔体部４４の空隙率が８０％を超えると、例えばドライアップする場合があり得る。
【００４８】
実施の形態において、第１の多孔体部４２の厚みと第２の多孔体部４４の厚みは同じであってもよく、異なっていてもよい。より具体的には、第１の多孔体部４２の厚みを、例えば１０μｍ〜１００μｍ程度、第２の多孔体部４４の厚みを、例えば１０μｍ〜１００μｍ程度とすることができる。そして、酸化極多孔体層４０全体としての厚みを、例えば２０μｍ〜２００μｍ程度とすることができる。
【００４９】
＜酸化極多孔体層４０の製造方法＞
図７に示すように、所定の平均気孔径（例えば、３μｍ）を有する樹脂基材５２を用意する。実施の形態において、樹脂基材５２の空隙率を例えば、５０％〜８０％とすることができる。また、樹脂基材５２は、気孔径２．５〜３．５μｍを有する気孔が、気孔全体の容積の９０％以上を占める、実質的に気孔径が揃った材料が好適である。金スパッタなどによる導電性材料の蒸着処理を、処理時間を異ならせて樹脂基材５２の両面からそれぞれ行うことにより、断面方向に平均気孔径の異なる第１の多孔体部４２および第２の多孔体部４４を有する酸化極多孔体層４０を作製することができる。一般に、第１の多孔体部４２作製時の導電性処理時間よりも第２の多孔体部４４作製時の導電性処理時間を長くすることにより、第２の多孔体部４４側の平均気孔径を第１の多孔体部４２側の平均気孔径よりも小さくすることができる。
【００５０】
一方、図８に示すように、それぞれ所望の断面厚さおよび平均気孔径を有し、所望の形状に加工された樹脂基材にそれぞれ導電性処理を施した、第１の多孔体部４２および第２の多孔体部４４に相当する材料を予め作製し、これらを例えば圧着その他の適切な方法で接合することによって酸化極多孔体層４０を作製することも可能である。
【００５１】
［燃料電池セル３００］
図５に示す燃料電池セル３００は、酸化極多孔体層３６に代えて第３の多孔体部４８と、第４の多孔体部５０とを燃料電池セル３００の面内方向に積層させた酸化極多孔体層４６を備えることを除き、図１に示す燃料電池セル１００と同様の構成を有している。実施の形態において、第４の多孔体部５０は、酸化剤ガス流路２０から分岐して酸化極３２側に酸化剤ガスを送り込み、該酸化剤のオフガスを送り出すための酸化極ガス流通経路（図示せず）のうち酸化剤ガスの供給側、つまり、酸化剤ガスの流れ方向上流部（図５では下方）側、第３の多孔体部４８は、酸化剤ガス流路２０のうちオフガスの排出側、つまり、酸化剤ガスの流れ方向下流部（図５では上方）側、となるようにそれぞれ配置されている。
【００５２】
図６に例示するように、第３の多孔体部４８には、多孔質の樹脂基材５２ｃ，５２ｄをそれぞれ導電処理することにより導電性膜５４ｃ，５４ｄが形成されている。また、導電性膜５４ｃ，５４ｄの形成に伴い、気孔５６ｃ，５６ｄの平均気孔径がそれぞれ調整されている。実施の形態において、樹脂基材５２ｃ，５２ｄおよび導電性膜５４ｃ，５４ｄはそれぞれ、図２に示す樹脂基材５２および導電性膜５４と同種の材料を適用することができる。
【００５３】
実施の形態において、第４の多孔体部５０に形成された気孔５６ｄの平均気孔径が第３の多孔体部４８に形成された気孔５６ｃの平均気孔径よりも小さくなるように構成されている。より具体的には、第３の多孔体部４８に形成された気孔５６ｃの平均気孔径を例えば、１０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ〜０．１μｍ程度、より具体的には５μｍ程度とすることができる。一方、第４の多孔体部５０に形成された気孔５６ｄの平均気孔径を例えば、１μｍ以下、より好ましくは１μｍ〜０．０１μｍ程度、より具体的には１μｍ程度とすることができる。第４の多孔体部５０側の平均気孔径を第３の多孔体部４８側の平均気孔径よりも小さくすることにより、燃料電池セルの面内方向における酸化剤ガスの入口側から出口側に向けて気孔径が段階的に大きくなる。
【００５４】
実施の形態において、第３の多孔体部４８の空隙率を例えば、５０％〜８０％、より具体的には、７０％〜８０％とすることができる。第３の多孔体部４８の空隙率が５０％未満だと、例えばフラッディングする場合がある一方、第３の多孔体部４８の空隙率が８０％を超えると、例えばドライアップする場合があり得る。
【００５５】
また、第４の多孔体部５０の空隙率を例えば、５０％〜８０％、より具体的には、７０％〜８０％とすることができる。第４の多孔体部５０の空隙率が５０％未満だと、例えばフラッディングする場合がある一方、第４の多孔体部５０の空隙率が８０％を超えると、例えばドライアップする場合があり得る。
【００５６】
実施の形態において、酸化極多孔体層４６の厚みを例えば２０μｍ〜２００μｍ程度とすることができる。酸化極多孔体層４６の厚みが２０μｍ未満であれば、保水性が低下する場合があり得る。また、酸化極多孔体層４６の厚みが２００μｍを超えると、排水性が低下する場合があり得る。
【００５７】
また、酸化極多孔体層４６における第３の多孔体部４８と第４の多孔体部５０との燃料電池セル面内方向の領域面積比は、例えば、酸化剤ガスの入口側に配置される第４の多孔体部５０の領域を酸化極多孔体層４６全体の１／２０〜１／３程度とし、出口側の残りの部分を第３の多孔体部４８の領域とするように酸化極多孔体層４６を作製することができる。
【００５８】
本実施の形態によれば、酸化剤ガスの入口側では比較的気孔径の小さい第４の多孔体部５０を配置することにより、例えば６０℃〜１００℃程度の比較的高温で動作させる場合であっても、電解質膜１０の含有する水分量の低下を抑制することができる一方、酸化剤ガスの出口側には比較的気孔径の大きい第３の多孔体部４８を配置することにより、優れた排水性を兼ね備えた燃料電池セルを提供することができる。
【００５９】
＜酸化極多孔体層４６の製造方法＞
図９に示すように、所定の平均気孔径（例えば、３μｍ）を有する樹脂基材５２を用意する。実施の形態において、樹脂基材５２の空隙率を例えば、５０％〜８０％とすることができる。また、樹脂基材５２は、気孔径２．５〜３．５μｍを有する気孔が、気孔全体の容積の９０％以上を占める、実質的に気孔径が揃った材料が好適である。金メッキなどのメッキ浴６２による導電性材料のメッキ処理を、処理時間を異ならせて樹脂基材５２の両端からそれぞれ行うことにより、面内方向に平均気孔径の異なる第３の多孔体部４８および第４の多孔体部５０を有する酸化極多孔体層４６を作製することができる。一般に、第３の多孔体部４８作製時の導電性処理時間よりも第４の多孔体部５０作製時の導電性処理時間を長くすることにより、第４の多孔体部５０側の平均気孔径を第３の多孔体部４８側の平均気孔径よりも小さくすることができる。
【００６０】
また、図１０に示すように、メッキ浴６２からの引き出し速度を制御することによってもまた、酸化極多孔体層４６を好適に作製することができる。つまり、メッキ浴６２に浸漬させた樹脂基材５２を所定の速度ｖ１（例えば、５ｃｍ／秒）で所定の長さだけ引き出し、ｖ１よりも遅い所定の速度ｖ２（例えば、１ｃｍ／秒）で残りの樹脂基材５２を引き出すことにより、面内方向に平均気孔径の異なる第３の多孔体部４８および第４の多孔体部５０を有する酸化極多孔体層４６を好適に作製することができる。
【００６１】
一方、図１１，１２に示すように、金スパッタなどの蒸着処理によっても、酸化極多孔体層４６を作製することができる。
【００６２】
図１１に示すように、樹脂基材５２の一方面の一部をマスク６４で覆い、露出部分に蒸着処理を施す（第１の蒸着処理）。次いで、樹脂基材５２の露出部分とマスク部分とを入れ替えて、マスク６６から露出させた樹脂基材５２の残りの部分に蒸着処理を施す（第２の蒸着処理）。このとき、第１の蒸着処理と第２の蒸着処理の処理時間を異ならせ、本実施の形態では第２の蒸着処理時間を第１の蒸着処理時間よりも長くすることにより、面内方向に平均気孔径の異なる第３の多孔体部４８および第４の多孔体部５０を有する酸化極多孔体層４６を好適に作製することができる。
【００６３】
図１２では、まず、樹脂基材５２の一方面の全体に所定時間蒸着処理を施し、マスク６８で樹脂基材５２の一部を覆ってさらに蒸着することにより、全体としての処理時間を異ならせ、図１１に例示する方法と同様に酸化極多孔体層４６を好適に作製することができる。
【００６４】
なお、図１１，１２に示すような、蒸着処理工程を含む酸化極多孔体層４６の製造方法では、樹脂基材５２の一方面（表）側だけでなく、他方面（裏）側（図示せず）も同様の蒸着処理を施すことが必要である（例えば、図７を参照のこと）。このとき、樹脂基材５２の一方面側と他方面側とで処理方法および／または処理時間を異ならせることにより、例えば酸化極多孔体層４６と酸化極多孔体層４０とを組み合わせたような、燃料電池セルの断面方向に異なる気孔径を有する酸化極多孔体層を作製することも可能である。
【００６５】
一方、図１３に示すように、所望の平均気孔径を有し、所望の形状に加工された樹脂基材にそれぞれ導電性処理を施した、第３の多孔体部４８および第４の多孔体部５０に相当する材料を予め作製し、これらを例えば圧着その他の適切な方法で接合することによって酸化極多孔体層４６を作製することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、車両その他の移動体に搭載可能なものや定置型など、種々の燃料電池に対して利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  電解質膜、１２  酸化極触媒層、１４  燃料極触媒層、１６  酸化極拡散層、１８  燃料極拡散層、２０  酸化剤ガス流路、２２  セル冷媒流路、２４  燃料ガス流路、２６  酸化極側セパレータ、２８  燃料極側セパレータ、３０  膜電極接合体（ＭＥＡ）、３２  酸化極、３４  燃料極、３６，４０，４６  酸化極多孔体層、３８  燃料極多孔体層、４２，４４，４８，５０  多孔体部、５２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ  樹脂基材、５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ  導電性膜、５６，５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ  気孔、６２  メッキ浴、６４，６６，６８  マスク、１００，２００，３００，５００  燃料電池セル。
【図１】
2012064481.tif 000003
【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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