(57)【要約】【課題】燃料電池用ガス拡散層におけるガス拡散性の向上を図る技術を提供する。【解決手段】燃料電池用ガス拡散層は、長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維２８，４８、及び溶融粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂３０，５０を含有する多孔質層と、多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路２４，４４と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質層と、
前記多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記多孔質層を第１多孔質層とするとき、
前記第１多孔質層の他方の主表面側に配置される第２多孔質層をさらに備え、
前記第２多孔質層は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有し、その断面における単位面積当たりの前記導電性繊維の占有面積率が前記第１多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さい請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
一方の主表面に溝状の流体流路を有する第１多孔質層と、
前記第１多孔質層の他方の主表面側に配置される第２多孔質層と、
を備え、
前記第１多孔質層は、長さ３０μｍ以上の導電性繊維を含有し、
前記第２多孔質層は、その断面における単位面積当たりの前記導電性繊維の占有面積率が前記第１多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さいことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記第２多孔質層は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有し、
前記第１多孔質層は、前記第２多孔質層とは不連続の前記導電性粒子を含有しない請求項２又は３に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
前記第１多孔質層は、前記第２多孔質層よりも透気度が高い請求項２乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
電解質膜、前記電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び前記電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記カソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備え、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層で構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質シートを用意する工程と、
前記多孔質シートを加熱及び加圧して、多孔質シートの一方の主表面に溝状の流体流路を形成する工程と、
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８】
前記多孔質シートを第１多孔質シートとするとき、
前記流体流路を形成する工程の前、後又は同時に、第２多孔質シートを、前記第１多孔質シートの他方の主表面に積層する工程をさらに含み、
前記第２多孔質シートは、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有し、その断面における単位面積当たりの前記導電性繊維の占有面積率が前記第１多孔質シートの断面における当該占有面積率よりも小さい請求項７に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス拡散層と、燃料電池用ガス拡散層を有する燃料電池と、燃料電池用ガス拡散層の製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を備えるため、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、また大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
特許文献１には、高分子電解質膜の両面に触媒層、ガス拡散層、及びセパレータが順に積層された燃料電池が開示されている。当該燃料電池のガス拡散層は、導電性カーボンシートで構成され、セパレータと当接する表面に流体流路を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第１１／０４５８８９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、上述した燃料電池について鋭意研究を重ねた結果、従来の燃料電池のガス拡散層には、ガス拡散性の向上を図る余地があることを認識するに至った。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池用ガス拡散層におけるガス拡散性の向上を図る技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、燃料電池用ガス拡散層である。当該燃料電池用ガス拡散層は、長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質層と、多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路と、を備える。
【０００８】
本発明の他の態様は、燃料電池用ガス拡散層である。当該燃料電池用ガス拡散層は、一方の主表面に溝状の流体流路を有する第１多孔質層と、第１多孔質層の他方の主表面側に配置される第２多孔質層と、を備える。第１多孔質層は、長さ３０μｍ以上の導電性繊維を含有する。第２多孔質層は、その断面における単位面積当たりの導電性繊維の占有面積率が第１多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さい。
【０００９】
本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜、電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、膜電極接合体のカソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備える。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方は、上述した態様の燃料電池用ガス拡散層で構成される。
【００１０】
本発明の他の態様は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法である。当該燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質シートを用意する工程と、多孔質シートを加熱及び加圧して、多孔質シートの一方の主表面に溝状の流体流路を形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池用ガス拡散層におけるガス拡散性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図３】燃料電池用ガス拡散層の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１４】
図１は、実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。本実施の形態の燃料電池１は、略平板状の膜電極接合体１０と、燃料電池用ガス拡散層としてのアノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０とを備える。以下、アノードガス拡散層２０とカソードガス拡散層４０とを区別しない場合には、まとめて燃料電池用ガス拡散層と称する。アノードガス拡散層２０とカソードガス拡散層４０とは、膜電極接合体１０を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。また、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０それぞれの膜電極接合体１０とは反対の主表面側には、セパレータ２，４が設けられる。本実施の形態では、一組の膜電極接合体１０、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０を示すが、セパレータ２，４を介して複数組が積層され、燃料電池スタックが構成されてもよい。
【００１５】
膜電極接合体１０は、電解質膜１２、電解質膜１２の一方の面側に配置されるアノード触媒層１４、及び電解質膜１２の他方の面側に配置されるカソード触媒層１６で構成される。
【００１６】
電解質膜１２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード触媒層１４とカソード触媒層１６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２は、例えば含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成される。電解質膜１２の材料としては、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例としては、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２等が挙げられる。非フッ素重合体の例としては、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトンやポリスルホン等が挙げられる。電解質膜１２の厚さは、例えば１０μｍ以上２００μｍ以下である。
【００１７】
アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６は、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を有する。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜１２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜１２と同様の高分子材料から形成することができる。触媒粒子としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。また、炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等を用いることができる。アノード触媒層１４及びカソード触媒層１６の厚さは、それぞれ、例えば１０μｍ以上４０μｍ以下である。
【００１８】
アノードガス拡散層２０は、膜電極接合体１０のアノード触媒層１４側に配置される。アノードガス拡散層２０は、第１多孔質層２２と、流体流路２４と、第２多孔質層２６とを有する。アノードガス拡散層２０の厚さは、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００１９】
図３は、燃料電池用ガス拡散層の構造を模式的に示す断面図である。第１多孔質層２２は、長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維２８、及び熱可塑性樹脂３０を含有する。導電性繊維２８としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーや、金属繊維等を用いることができる。導電性繊維２８の長さは３０μm以上である。導電性繊維２８の長さが３０μｍ未満であると、導電性繊維同士の接触点が増加し、第１多孔質層２２の導電性及び引張強度が低下するおそれがある。また、導電性繊維２８の長さを３０μｍ以上とすることで、第１多孔質層２２に所望のガス拡散性を付与することができる。
【００２０】
導電性繊維２８の長さの測定方法は以下の通りである。すなわち、まず第１多孔質層２２が切断されて断面が形成される。当該断面が研磨された後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面が撮像される。そして、得られた断面の画像において、導電性繊維２８の長さが測定される。また、他の測定方法としては以下の方法を挙げることができる。すなわち、第１多孔質層２２の一部が切り出され、当該一部が熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒に投入される。これにより、第１多孔質層２２中の熱可塑性樹脂が溶解される。そして、ろ過などの公知の操作により、互いに分離された導電性繊維２８が溶媒中から回収される。分離された導電性繊維２８が無作為に例えば４００本抽出され、光学顕微鏡もしくはＳＥＭを用いて各導電性繊維２８の長さが測定される。導電性繊維２８を分離する方法としては、熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒を用いない方法を採用することもできる。この方法では、切り出された第１多孔質層２２の一部が、例えば温度５００℃で３０分間加熱される。これにより、熱可塑性樹脂が焼き飛ばされて、導電性繊維２８が分離される。
【００２１】
熱可塑性樹脂３０は、導電性繊維同士を結着させる機能を有する。また、熱可塑性樹脂３０は、成形加工温度での溶融粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下である。このような熱可塑性樹脂３０としては、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）等を挙げることができる。前記「成形加工温度での溶融粘度」は、キャピラリーレオメーターで測定されたときの樹脂の粘度である。キャピラリーレオメーターにより、溶融した熱可塑性樹脂がキャピラリーを通して流出する際の、せん断速度、せん断応力が検出され、熱可塑性樹脂の溶融粘度が測定される。ＰＰＳの溶融粘度は、成形加工温度３１０℃で、約５００Ｐａ・ｓである。
【００２２】
熱可塑性樹脂３０によって導電性繊維２８を結着させることで、第１多孔質層２２中に多数の細孔が含まれた状態を保持することができる。このため、第１多孔質層２２のガス拡散性を向上させることができる。また、熱可塑性樹脂３０が上述した物性を有することで、流体流路２４の形成方法として、多孔質シートのプレス成形法を採用することができる。
【００２３】
第１多孔質層２２は、導電性繊維２８と熱可塑性樹脂３０とを主成分とする材料で構成される。第１多孔質層２２の全質量に対する導電性繊維２８及び熱可塑性樹脂３０の合計質量は、５０質量％以上、好ましくは８０質量％以上である。当該合計質量を５０質量％以上とすることで、第１多孔質層２２に所望のガス拡散性をより確実に付与することができる。第１多孔質層２２の厚さは、例えば３０μｍ以上４８０μｍ以下である。
【００２４】
流体流路２４は、溝状の形状を有し、第１多孔質層２２の一方の主表面に設けられる。流体流路２４は、第１多孔質層２２の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路２４は、セパレータ２側に配置され、燃料ガスの流路として機能する。水素ガス等の燃料ガスは、燃料供給用のマニホールド（図示せず）から流体流路２４に分配され、流体流路２４から第１多孔質層２２及び第２多孔質層２６を経て、膜電極接合体１０のアノード触媒層１４に供給される。流体流路２４の寸法は、例えば、深さが５００μｍ以上１０００μｍ以下、幅が５００μｍ以上１０００μｍ以下、隣り合う流体流路２４間の距離が５００μｍ以上１０００μｍ以下である。なお、本実施の形態では、流体流路２４は５つ設けられているが、その数は特に限定されず、アノードガス拡散層２０や流体流路２４の大きさ等に応じて適宜設定することができる。
【００２５】
第２多孔質層２６は、第１多孔質層２２の他方の主表面側、すなわち、アノード触媒層１４側の主表面側に配置される。第２多孔質層２６は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有する。図３では、導電性粒子とバインダー樹脂とを描き分けておらず、両者が混合された状態を図示している。
【００２６】
導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛などのカーボン粒子や、金属粒子等を用いることができる。導電性粒子の平均粒子径は、例えば一次粒子で０．０１μm以上５０μm以下である。バインダー樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等のフッ素系樹脂を用いることができる。なお、ＰＴＦＥの溶融粘度は、成形加工温度３８０℃で、約１×１０１０Ｐａ・ｓである。ＰＦＡの溶融粘度は、成形加工温度３６０℃で、４０００〜３００００Ｐａ・ｓである。ＦＥＰの溶融粘度は、成形加工温度３８０℃で、７０００〜５００００Ｐａ・ｓである。ＥＴＦＥの溶融粘度は、成形加工温度３００℃で、約２０００である。
【００２７】
第２多孔質層２６は、導電性粒子とバインダー樹脂とを主成分とする材料で構成される。第２多孔質層２６の全質量に対する導電性粒子とバインダー樹脂の合計質量は、５０質量％以上、好ましくは８０質量％以上である。当該合計質量を５０質量％以上とすることで、燃料電池１に所望の集電性能をより確実に付与することができる。また、第２多孔質層２６を設けることで、第１多孔質層２２中の導電性繊維２８によってアノード触媒層１４が損傷するおそれを抑制することができ、燃料電池１の発電効率の低下を抑制することができる。第２多孔質層２６の厚さは、例えば２０μｍ以上２００μｍ以下である。
【００２８】
第２多孔質層２６における導電性繊維２８の含有量は、第１多孔質層２２における含有量よりも小さい。例えば、第２多孔質層２６は、その断面における単位面積当たりの導電性繊維２８の占有面積率が第１多孔質層２２の断面における当該占有面積率よりも小さい。第１多孔質層２２における導電性繊維２８の占有面積率は、例えば５０％以上９５％以下であり、第２多孔質層２６における導電性繊維２８の占有面積率は、例えば０％以上５０％未満である。第２多孔質層２６における導電性繊維２８の占有面積率が、第１多孔質層２２における導電性繊維２８の占有面積率よりも小さいため、第１多孔質層２２は、第２多孔質層２６よりも透気度が高い。このように、透気度の高い第１多孔質層２２と透気度の低い第２多孔質層２６とを組み合わせることで、アノードガス拡散層２０のガス拡散性を向上させるとともに、燃料電池１の集電性能を向上させることができる。
【００２９】
導電性繊維２８の占有面積率は、以下のようにして求めることができる。すなわち、まず走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて第１多孔質層２２の断面が撮影される。そして、得られたＳＥＭ画像において、断面上の所定の測定領域内における導電性繊維２８の面積が測定される。導電性繊維２８の面積は、画像処理によって繊維を検出し、断面上での繊維の面積を算出することで測定される。そして、測定領域の面積に対する導電性繊維２８の面積の割合が算出されて、導電性繊維２８の単位面積当たりの占有面積率が得られる。ＳＥＭ画像の倍率は例えば１００倍であり、この倍率で撮影されたＳＥＭ画像における測定領域の大きさは、１０００μｍ×１０００μｍである。
【００３０】
さらに、第１多孔質層２２は、第２多孔質層２６由来の導電性粒子であって、第２多孔質層２６とは不連続の導電性粒子を含有しない。このため、第１多孔質層２２が有する細孔が第２多孔質層２６由来の導電性粒子によって塞がれておらず、第１多孔質層２２に高いガス拡散性を付与することができる。また、第１多孔質層２２と第２多孔質層２６の界面における接触抵抗を低減でき、アノードガス拡散層２０の高い導電性を確保することができる。
【００３１】
図１，２に示すように、カソードガス拡散層４０は、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６側に配置される。カソードガス拡散層４０は、第１多孔質層４２と、流体流路４４と、第２多孔質層４６とを有する。カソードガス拡散層４０の厚さは、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００３２】
図３に示すように、第１多孔質層４２は、長さが３０μｍ以上の複数の導電性繊維４８、及び熱可塑性樹脂５０を含有する。導電性繊維４８及び熱可塑性樹脂５０としては、アノードガス拡散層２０に含まれる導電性繊維２８及び熱可塑性樹脂３０と同じものを挙げることができる。また、第１多孔質層４２の組成及び寸法は、第１多孔質層２２と同様である。
【００３３】
流体流路４４は、溝状の形状を有し、第１多孔質層４２の一方の主表面に設けられる。流体流路４４は、第１多孔質層４２の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路４４は、酸化剤ガスの流路として機能する。空気等の酸化剤ガスは、酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）から流体流路４４に分配され、流体流路４４から第１多孔質層４２及び第２多孔質層４６を経て、膜電極接合体１０のカソード触媒層１６に供給される。また、流体流路４４は、カソード触媒層１６で生成される水の排水路としても機能する。流体流路４４の寸法は、流体流路２４と同様である。なお、本実施の形態では、流体流路４４は５つ設けられているが、その数は特に限定されず、カソードガス拡散層４０や流体流路４４の大きさ等に応じて適宜設定することができる。
【００３４】
第２多孔質層４６は、第１多孔質層４２の他方の主表面側、すなわち、カソード触媒層１６側の主表面側に配置される。第２多孔質層４６は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有する。導電性粒子及びバインダー樹脂としては、第２多孔質層２６に用いられるものと同じものを用いることができる。また、第２多孔質層４６の組成及び寸法は、第２多孔質層２６と同様である。
【００３５】
カソードガス拡散層４０が第２多孔質層４６を有することで、カソードガス拡散層４０に所望の集電性能をより確実に付与することができ、また、導電性繊維４８によってカソード触媒層１６が損傷するおそれを抑制することができる。また、第２多孔質層４６によって、電気化学反応によりカソード触媒層１６で生成される水や、電解質膜１２からカソード触媒層１６に移動した水を、毛細管現象により効率よく第１多孔質層４２や流体流路４４に汲み上げることができる。汲み上げられた水は、第１多孔質層４２や流体流路４４を流れる酸化剤ガスによって排出される。これにより、フラッディング現象の発生をより確実に抑制することができる。
【００３６】
アノードガス拡散層２０の場合と同様に、第２多孔質層４６は、その断面における単位面積当たりの導電性繊維４８の占有面積率が第１多孔質層４２の断面における当該占有面積率よりも小さい。また、第１多孔質層４２は、第２多孔質層４６よりも透気度が高い。さらに、第１多孔質層４２は、第２多孔質層４６由来の導電性粒子であって、第２多孔質層４６とは不連続の導電性粒子を含有しない。
【００３７】
なお、アノード触媒層１４とアノードガス拡散層２０とが積層された構造をアノードと称し、カソード触媒層１６とカソードガス拡散層４０とが積層された構造をカソードと称する場合がある。
【００３８】
上述した固体高分子形の燃料電池１では、以下の反応が起こる。すなわち、アノードガス拡散層２０を介してアノード触媒層１４に燃料ガスとしての水素ガスが供給されると、アノード触媒層１４において下記式（１）で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子に分解される。プロトンは、電解質膜１２中をカソード触媒層１６側へ移動する。電子は、外部回路（図示せず）に移動し、外部回路からカソード触媒層１６に流れ込む。一方、カソードガス拡散層４０を介してカソード触媒層１６に酸化剤ガスとしての空気が供給されると、カソード触媒層１６において下記式（２）で示す反応が起こり、空気中の酸素がプロトン及び電子と反応して水になる。この結果、外部回路においてアノードからカソードに向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
アノード触媒層１４：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−      （１）
カソード触媒層１６：２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ      （２）
【００３９】
（燃料電池用ガス拡散層の製造工程）
続いて、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法について説明する。図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法を模式的に示す工程断面図である。ここでは、アノードガス拡散層２０を例に、燃料電池用ガス拡散層の製造方法を説明する。
【００４０】
まず、図４（Ａ）に示すように、第１多孔質シート２１と、第２多孔質シート２５とを用意する。第１多孔質シート２１は、複数の導電性繊維２８（図３参照）及び熱可塑性樹脂３０（図３参照）を含有するシートである。第２多孔質シート２５は、複数の導電性粒子及びバインダー樹脂を含有し、導電性繊維２８の占有面積率が第１多孔質シート２１の断面における当該占有面積率よりも小さいシートである。
【００４１】
次に、図４（Ｂ）に示すように、第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とを重ねて、第１金型７０と第２金型７２との間に配置する。第１多孔質シート２１は第１金型７０側に、第２多孔質シート２５は第２金型７２側に配置される。第１金型７０には、流体流路２４の形状に対応する凸部７４が設けられている。凸部７４と対向する第２金型７２の表面は、平坦である。
【００４２】
次に、図４（Ｃ）に示すように、第１金型７０と第２金型７２とを型閉じし、第１多孔質シート２１及び第２多孔質シート２５を、所定の温度及び圧力で加熱及び加圧する。これにより、第１多孔質シート２１中の熱可塑性樹脂３０が塑性変形して、第１多孔質シート２１の一方の主表面に、溝状の流体流路２４が形成される。熱可塑性樹脂３０がＰＰＳの場合、成型時の温度及び圧力は、１０ＭＰａ、３００℃である。また、これと同時に、第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とが互いに圧着される。所定時間の経過後、第１金型７０と第２金型７２とを型開きする。
【００４３】
以上の工程により、図４（Ｄ）に示すように、一方の主表面に流体流路２４を有する第１多孔質層２２と、第１多孔質層２２の他方の主表面に積層された第２多孔質層２６とを備えるアノードガス拡散層２０が得られる。
【００４４】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、導電性繊維と、熱可塑性樹脂とを含有する第１多孔質層と、第１多孔質層の主表面に設けられる流体流路とを備える。また、燃料電池用ガス拡散層は、第１多孔質層よりも導電性繊維の含有量が少ないか、もしくは含まない第２多孔質層を備える。第２多孔質層は、第１多孔質層よりも導電性繊維の含有量が少ないため、第１多孔質層の方がより透気度が高い。
【００４５】
これにより、第１多孔質層、特に隣接する２つの流体流路の間の凸部とその下部へ、より確実にガスを拡散させることができる。よって、第２多孔質層を構成する材料のみからなる燃料電池用ガス拡散層に比べて、燃料電池用ガス拡散層の全体により均一にガスを拡散させることができる。このため、拡散過電圧を低減させることができる。また、第１多孔質層のガス拡散性が高いため、所望のガス拡散性を保持しながら、隣接する２つの流体流路の間隔を拡げることができる。これにより、セパレータと燃料電池用ガス拡散層との接触面積を増加させることができ、燃料電池の集電性能を高めることができる。また、第１多孔質層とカソード触媒層との間に配置される第２多孔質層によって、カソード触媒層で生成された水の排水性が高められる。したがって、高電流密度領域におけるセル電圧の高い燃料電池を得ることができる。
【００４６】
また、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、第１多孔質シートを加熱及び加圧して、流体流路を形成している。このため、より簡単に流体流路を形成することがでる。よって、燃料電池用ガス拡散層、ひいては燃料電池の製造工程を簡略化することができる。さらに、本実施の形態の製造方法では、第２多孔質シートが第１多孔質シートに積層されることで、第２多孔質層が形成される。このため、第１多孔質層は、第２多孔質層由来の導電性粒子であって、第２多孔質層とは不連続の導電性粒子を含有しない。よって、導電性粒子とバインダー樹脂とのスラリーが第１多孔質シートにスプレー塗布されて第２多孔質層が形成される場合に比べて、第１多孔質層をガス拡散性の高い状態に保つことができる。
【００４７】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００４８】
上述した実施の形態では、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０がともに、第１多孔質層２２，４２と、流体流路２４，４４と、第２多孔質層２６，４６とを含む構成を有する。しかしながら、特にこれに限定されず、アノードガス拡散層２０及びカソードガス拡散層４０のいずれか一方のみが上述した構成を有していてもよい。
【００４９】
上述した実施の形態では、流体流路２４を形成する工程と、第２多孔質シート２５を第１多孔質シート２１に積層する工程とが同時に実施されている。このため、両工程を別々に実施する場合に比べて、燃料電池用ガス拡散層の製造工程を簡略化することができる。しかしながら、特にこの製造工程に限定されず、第２多孔質シート２５を第１多孔質シート２１に積層する工程は、流体流路２４を形成する工程の前又は後であってもよい。
【００５０】
第２多孔質シート２５の積層工程が流体流路２４の形成工程の後に実施される場合、まず第１多孔質シート２１のみが第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形されて流体流路２４が形成される。次いで、流体流路２４が設けられた第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とが重ね合わされて第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形されて第２多孔質シート２５が第１多孔質シート２１に積層される。
【００５１】
第２多孔質シート２５の積層工程が流体流路２４の形成工程の前に実施される場合、まず第１多孔質シート２１と第２多孔質シート２５とが重ね合わされて、第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形される。このとき、第１金型７０は、凸部７４を有しない平坦状の金型である。これにより、第１多孔質シート２１に第２多孔質シート２５が積層される。次いで、得られた積層体が、第１金型７０と第２金型７２との間に配置され、プレス成形される。このとき、第１金型７０は、凸部７４を有する金型である。これにより、第１多孔質シート２１に流体流路２４が形成される。
【符号の説明】
【００５２】
１  燃料電池、  １０  膜電極接合体、  １２  電解質膜、  １４  アノード触媒層、  １６  カソード触媒層、  ２０  アノードガス拡散層、  ２２，４２  第１多孔質層、  ２４，４４  流体流路、  ２６，４６  第２多孔質層、  ２８，４８  導電性繊維、  ３０，５０  熱可塑性樹脂、  ４０  カソードガス拡散層。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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