(57)【要約】      （修正有）【課題】流体流路が形成されたガス拡散層を燃料電池に用いる場合にガス拡散層の排水性を高める。【解決手段】第１主面および第１主面の反対側の第２主面を有する多孔質導電性カーボンシートを具備し、多孔質導電性カーボンシートが、第１空隙率Ｐ１を有し、第１主面から第２主面に至る第１領域１２０Ｒと、第２空隙率Ｐ２を有し、第１主面から第２主面に至る第２領域１２０Ｇと、を有し、第２空隙率Ｐ２は、第１空隙率Ｐ１より大きく、第１領域の第１主面側に、複数のリブＲを有し、第２領域の第１主面側に、互いに隣接する前記リブ間に位置する流体流路Ｇを有する、燃料電池用ガス拡散層。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面および前記第１主面の反対側の第２主面を有する多孔質導電性カーボンシートを具備し、
前記多孔質導電性カーボンシートが、
第１空隙率Ｐ１を有し、前記第１主面から前記第２主面に至る第１領域と、
第２空隙率Ｐ２を有し、前記第１主面から前記第２主面に至る第２領域と、を有し、
前記第２空隙率Ｐ２は、前記第１空隙率Ｐ１より大きく、
前記第１領域の前記第１主面側に、複数のリブを有し、
前記第２領域の前記第１主面側に、互いに隣接する前記リブ間に位置する流体流路が設けられている、燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記複数のリブの少なくとも一部が、互いに平行に配されている、請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
前記第１空隙率Ｐ１が、５０％以上、７５％未満である、請求項１または２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記第２空隙率Ｐ２が、７５％以上、９０％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
電解質膜および前記電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と、
前記第１ガス拡散層および前記第２ガス拡散層をそれぞれ介して前記膜電極接合体を挟むように配置された第１セパレータおよび第２セパレータと、
を備える単セルが複数積層されたスタックを含む燃料電池であって、
前記複数の単セルのうちの少なくとも１つにおいて、前記第１ガス拡散層および前記第２ガス拡散層の少なくとも一方が、請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層である、燃料電池。
【請求項６】
前記少なくとも１つの単セルにおいて、前記第１ガス拡散層および前記第２ガス拡散層が、いずれも請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層であり、
前記単セルの積層方向において、前記第１ガス拡散層のリブの頂面の５０％〜９０％が、前記第２ガス拡散層のリブの頂面と重なっている、請求項５記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質導電性カーボンシートを備える燃料電池用ガス拡散層およびそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電し、水を生成する高効率でクリーンな発電装置である。例えば、電解質膜として高分子電解質膜を具備する高分子電解質型燃料電池は、耐衝撃性に優れることから、定置型のみならず、車載用への展開も期待されている。
【０００３】
高分子電解質型燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、燃料として水素が供給されるアノードと、酸化剤として酸素または空気が供給されるカソードとを具備する。アノードとカソードは、燃料または酸化剤が関与する電気化学反応を進行させる触媒層を含む。電解質膜と触媒層との接合体は、ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）とも略称される。
【０００４】
ＣＣＭは、一対のガス拡散層で挟持されることにより、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を構成する。ＭＥＡは、発電機能を有する最小単位であり、一対のセパレータで挟持されることにより単セルを構成する。単セルは、アノードおよびカソードに燃料または酸化剤を供給するとともに、生成水および余剰流体を単セルの外部へ排出するための流体流路を有する。特許文献１は、ガス拡散層のセパレータと当接する表面に流体流路を形成することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０４５８８９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】
【０００６】
特許文献１のようにガス拡散層に流体流路を形成する場合、流路自体がガス透過性を有するため、流体の拡散性が向上する。また、セパレータに流体流路を形成する必要がなくなるため、燃料電池の小型化および低コスト化を図ることができる。しかし、車載用などの用途では、比較的高い電流密度で燃料電池を作動させる。このような条件では、カソードに多量の水が生成する。
【０００７】
そこで、本発明は、流体流路を有するガス拡散層の排水性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一局面は、第１主面および前記第１主面の反対側の第２主面を有する多孔質導電性カーボンシートを具備し、前記多孔質導電性カーボンシートが、第１空隙率Ｐ１を有し、前記第１主面から前記第２主面に至る第１領域と、第２空隙率Ｐ２を有し、前記第１主面から前記第２主面に至る第２領域と、を有し、前記第２空隙率Ｐ２は、前記第１空隙率Ｐ１より大きく、前記第１領域の前記第１主面側に、複数のリブを有し、前記第２領域の前記第１主面側に、互いに隣接する前記リブ間に位置する流体流路が設けられている、燃料電池用ガス拡散層に関する。
【０００９】
本発明の他の局面は、電解質膜および前記電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と、前記第１ガス拡散層および前記第２ガス拡散層をそれぞれ介して前記膜電極接合体を挟むように配置された第１セパレータおよび第２セパレータと、を備える単セルが複数積層されたスタックを含む燃料電池であって、前記複数の単セルのうちの少なくとも１つにおいて、前記第１ガス拡散層および前記第２ガス拡散層の少なくとも一方が、上記燃料電池用ガス拡散層である、燃料電池に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、良好な流体の拡散性と排水性とを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の単セルの構造を示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガス拡散層の構造を示す断面模式図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る燃料電池の単セルのアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の配置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る燃料電池用ガス拡散層は、第１主面および第１主面の反対側の第２主面を有する多孔質導電性カーボンシートを具備する。多孔質導電性カーボンシートは、炭素材料と結着剤とを含む組成物、カーボンペーパー、カーボンクロスなどから構成されたシートであり、シートの少なくとも一部が炭素材料と結着剤とを含む組成物で形成されていることが好ましい。
【００１３】
多孔質導電性カーボンシートは、第１空隙率Ｐ１を有し、前記第１主面から前記第２主面に至る第１領域と、第２空隙率Ｐ２を有し、前記第１主面から前記第２主面に至る第２領域と、を有する。ここで、第２空隙率Ｐ２は、第１空隙率Ｐ１より大きくなっている。第１領域の第１主面側には、複数のリブが形成され、第２領域の第１主面側には、互いに隣接するリブ間に位置する流体流路が設けられている。
【００１４】
すなわち、第１領域は、リブを形成する領域（主にリブの頂面の直下の領域）であり、相対的に空隙が少なく、高い構造的強度を有している。一方、第２領域は、リブ間の溝（流体流路）を形成する領域（主に溝の底面の直下の領域）であり、相対的に空隙が多く、高い流体の拡散性と排水性を備えている。
【００１５】
第１空隙率Ｐ１は、第１主面から第２主面に至る第１領域の平均的な空隙率であり、第１領域の厚さ方向において空隙率が変化してもよい。同様に、第２空隙率Ｐ２は、第１主面から第２主面に至る第２領域の平均的な空隙率であり、第１領域の厚さ方向において空隙率が変化してもよい。
【００１６】
なお、リブと溝との境界が明確ではない場合には、そのような不明瞭領域を除外して、リブを形成する第１領域と、溝に対応する第２領域とを確定してもよい。この場合、明確にリブを形成すると判断される第１領域から第１空隙率Ｐ１を求め、明確に溝に対応すると判断される第２領域から第２空隙率Ｐ２を求めてもよい。
【００１７】
第１空隙率Ｐ１および第２空隙率Ｐ２は、例えば、多孔質導電性カーボンシートの第１領域および第２領域のリブまたは溝の長さ方向に垂直な断面を走査型電子顕微鏡で撮影し、得られた画像を二値化処理することで求められる。二値化処理された画像では、空隙に対応する面積（Ｓｐ）と、それ以外の面積（Ｓc）とを区別することができる。空隙率Ｐ（％）は、式：Ｐ＝１００×Ｓｐ／（Ｓｐ＋Ｓc）から求められる。
【００１８】
流体流路を形成する第２領域には、流体流路に導入される燃料または酸化剤が、第１領域よりも多く分布している。そのため、第２領域である溝の直下の領域には、燃料電池の反応物が多く分布する。すなわち、カソード側のガス拡散層の第２領域には、第１領域よりも水が多く分布する。Ｐ２＞Ｐ１が満たされる場合、第２領域には、水が通過する三次元経路がより多く形成される。第２領域内の水は、このような三次元経路を移動して流体流路に到達するため、排水性が向上する。よって、高い電流密度で燃料電池を用いる場合でも、カソードのフラッディングが抑制される。
【００１９】
一方、特許文献１では、流体流路を有するガス拡散層は、導電性カーボンシートを部分的に押圧し、流体流路に相当する溝を形成することで作製される。この場合、押圧により導電性カーボンシートが圧縮されるため、溝の底面の直下の領域では空隙率が小さくなる。そのため、高い電流密度で燃料電池を用いる場合に、カソードで生成する水を効率よく外部へ排出することが困難になる。
【００２０】
本発明の実施形態において、複数のリブは、それぞれが均一な幅を有する帯状であり、流体流路（溝）も均一な幅を有する帯状であることが望ましい。これにより、単セル内における発電分布のバラツキが抑制される。複数のリブまたは溝の幅が均一である場合、全てのリブ幅（または溝幅）の平均（ｍ１）と標準偏差（σ１）とが０．９≦（ｍ１−σ１）／ｍ１を満たすことが好ましい。また、１本のリブまたは溝に着眼するとき、任意の１０箇所で測定される幅の平均（ｍ２）と標準偏差（σ２）とが０．９≦（ｍ２−σ２）／ｍ２を満たすことが好ましい。なお、リブ幅が、リブの頂面から溝の底面に至るまでの間で変化する場合には、リブの最も高い点と溝の最も低い（深い）点との中間におけるリブ幅を採用すればよい。
【００２１】
リブの断面（長さ方向に垂直な断面）形状は、特に限定されないが、例えば直方体や台形である。リブの断面形状が台形である場合、リブの側面と第１主面とが成す角度は、例えば４５゜以上９０゜未満である。一方、溝の断面（長さ方向に垂直な断面）形状は、溝を挟む一対のリブの断面形状に依存する。リブの断面形状が台形である場合には、溝の断面形状は対応するテーパー形状になる。
【００２２】
第１空隙率Ｐ１は、５０％以上、７５％未満が好ましく、６５％以上、７４％以下がより好ましい。これにより、第１領域に十分なガス拡散性を持たせるとともに、ガス拡散層の厚さ方向における構造的強度を十分に確保することができる。よって、構造的強度に優れ、かつ接触抵抗の小さい燃料電池を設計し易くなる。
【００２３】
第２空隙率Ｐ２は、７５％以上、９０％以下が好ましく、７５％以上、８５％以下がより好ましい。これにより、第２領域に十分なガス拡散性を持たせるとともに、カソード側では良好な排水性を持たせることができる。よって、単セル内における発電分布のバラツキが高度に抑制されるとともに、発電性能の劣化が抑制される。
【００２４】
複数のリブの少なくとも一部（好ましくは９０％以上）は、互いに平行に配されていることが好ましい。このとき、隣接するリブ間に位置する複数の流体流路も互いに平行に配される。互いに平行に配された複数のリブは、それぞれ直線状でもよく、少なくとも一部が曲線状でもよく、これらの組み合わせでもよい。各リブの少なくとも一部を曲線状とすることで、サーペンタイン型の燃料流路を形成してもよい。これにより、ガス拡散層に形成される流体の流路長を長くすることができ、発電効率を高めることができる。
【００２５】
複数のリブは、厳密に平行に配されるものではなく、実質的に平行であればよい。すなわち、互いに平行なリブの一方の長手方向は、他方の長手方向と５°以下の微小な角度を成してもよい。
【００２６】
単セル内における発電分布のバラツキをより小さくする観点からは、リブ幅（Ｗ１）は小さいほど望ましい。ただし、製造プロセスの制限を考慮すると、リブ幅は０．１ｍｍ〜０．６ｍｍが好ましく、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍがより好ましい。これにより、ガス拡散層の第１主面において、リブの頂面の占める面積を十分に確保することができ、ガス拡散層および単セルの構造的強度を確保しやすくなる。
【００２７】
次に、リブ間に位置する流体流路の幅（Ｗ２）は、ガス拡散層の構造的強度とガス拡散能力とのバランスを考慮すると、０．１ｍｍ〜０．６ｍｍが好ましく、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍがより好ましい。これにより、流体流路の容積を十分に確保することができるとともに、単セルの構造的強度を確保しやすくなる。
【００２８】
以上より、互いに平行なリブと流体流路（溝）とが交互に配される領域において、リブと溝との合計幅（ピッチ）は０．２ｍｍ〜１．２ｍｍが好ましく、０．４ｍｍ〜０．８ｍｍがより好ましい。なお、ピッチは、リブの頂面の中央と溝の底面の中央との距離（ｄ）の２倍（２ｄ）に相当し、２ｄ＝Ｗ１＋Ｗ２が成立すると考えてよい。リブ幅Ｗ１および溝幅Ｗ２は、リブまたは溝の任意の１０箇所の幅を測定し、その平均値を用いればよい。また、距離ｄは、隣接するリブと溝の任意の１０箇所で測定し、その平均値を用いればよい。
【００２９】
ガス拡散層の厚さは、燃料電池の小型化を考慮すると薄いことが望ましい。一方、ガス拡散層が薄くなり過ぎると、構造的強度が低下するとともにリブの高さが小さくなり、流体の拡散性も低下する。よって、ガス拡散層の厚さ（Ｔ）は、０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍが好ましく、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍがより好ましい。ここで、ガス拡散層の厚さ（Ｔ）は、第１主面（リブの頂面）から第２主面までの距離である。
【００３０】
リブの高さ（ｈ）は、流体流路の容積を十分に確保する観点から０．０３〜０．３ｍｍが好ましく、０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍがより好ましい。リブの高さは、流体流路（溝）の深さにも対応する。なお、ガス拡散層の十分に高い強度を確保する観点から、ガス拡散層の厚さ（Ｔ）に対して、ｈは２５％以上、７５％以下とすることが望ましい。
【００３１】
次に、本発明の実施形態に係るガス拡散層の製造方法の例について説明する。
Ｐ２＞Ｐ１を満たすガス拡散層は、多孔質導電性カーボンシートを用いて作製される。多孔質導電性カーボンシートは、全体として、炭素材料と結着剤とを含む組成物をシートに成形したものであることが好ましい。これにより、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることなく、ガス拡散層を得ることができる。ガス拡散層の全体を炭素材料と結着剤とを含む組成物をシートに成形して形成することにより、導電性と適度な強度を併せ持つガス拡散層を容易に得ることができる。よって、ガス拡散層の加工が容易であり、ガス拡散層にリブを形成して流体流路を形成することも容易である。また、通常はセパレータに流体流路の機能を持たせる必要があるのに対し、ガス拡散層に流体流路の機能を取り込むことができる。よって、流体流路の構造が簡便になり、コスト低減を実現しやすくなる。
【００３２】
炭素材料と結着剤とを含む組成物において、炭素材料１００質量部あたり、結着剤は、例えば５質量部〜３０質量部が好ましく、１０質量部〜２０質量部がより好ましい。
【００３３】
炭素材料としては、炭素粉末、炭素繊維などが用いられる。炭素粉末としては、特に限定されないが、導電性と成形性に優れるカーボンブラックが好ましい。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが挙げられる。炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料とするＰＡＮ系炭素繊維、コールタールを原料とするピッチ系炭素繊維などが挙げられる。炭素材料は、リブもしくは溝の成形性を考慮すると、炭素繊維よりも炭素粉末を主成分とすることが望ましく、炭素材料全体に占める炭素粉末の割合は７０質量％以上であることが望ましい。
【００３４】
結着剤の種類は、特に限定されないが、ガス拡散層の排水性を向上させる観点からは、フッ素樹脂などの撥水性樹脂が好ましい。フッ素樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、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（ＦＥＰ）、ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体などが挙げられる。
【００３５】
組成物は、例えば、炭素材料と結着剤とを液状の分散媒（水、シクロヘキサノン、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなど）と混合して、第１インクとして調製される。次に、第１インクを適当な転写用基材シートの表面に、均一な厚さで塗布し、塗膜を乾燥して、多孔質導電性カーボンシートの主要部を形成する。第１インクの塗布方法は、特に限定されないが、スプレー法、スクリーン印刷法などが挙げられる。基材シートには、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレンなどの平滑表面を有するシートを用いることができる。
【００３６】
次に、多孔質導電性カーボンシートの主要部の表面に、複数のリブに対応する所望のパターンの開口を有するマスクを配し、マスクを介して第１インクを塗布し、塗膜を乾燥して、多孔質導電性カーボンシートの主要部の表面に複数のリブ前駆体を形成する。あるいは、インクジェット方式で、多孔質導電性カーボンシートの主要部の表面に、同様の複数のリブ前駆体を形成してもよい。
【００３７】
次に、複数のリブ前駆体を保護シートで覆い、保護シートを介して複数のリブ前駆体をプレスする。これにより、リブ前駆体とともに、その直下の多孔質導電性カーボンシートの主要部の一部が圧縮されて、第１領域が形成される。多孔質導電性カーボンシートの主要部のうちのリブ前駆体を形成しなかった領域には、プレスの際にほとんど圧力がかからないため、空隙率の大きな第２領域が形成される。
【００３８】
リブ前駆体を形成する際に、第１インクよりも固形分濃度が大きい第２インクを用いてもよい。この場合、第１領域の密度を更に高めることができるため、Ｐ１とＰ２との差を大きくすることができる。
【００３９】
なお、第２インクを用いる場合には、必ずしも、第２インクの塗膜をプレスする必要はない。第１インクを用いて多孔質導電性カーボンシートの主要部を形成した後、第１インクよりも固形分濃度が大きい第２インクを用いて、多孔質導電性カーボンシートの主要部の表面に複数のリブに対応する塗膜を形成するだけでもよい。塗膜を圧縮しなくても、第１領域の全体における平均的な空隙率は、他の部分（第２領域）よりも大きくなる。すなわち、第１空隙率Ｐ１は、ガス拡散層の第１主面から第２主面に至る第１領域の平均的な空隙率であるため、Ｐ２＞Ｐ１の関係は達成される。
【００４０】
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜および電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を含む膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むように配置された第１ガス拡散層および第２ガス拡散層と、第１ガス拡散層および第２ガス拡散層をそれぞれ介して膜電極接合体を挟むように配置された第１セパレータおよび第２セパレータと、を備える単セルが複数積層されたスタックを含む燃料電池に関し、複数の単セルのうちの少なくとも１つが、第１ガス拡散層および第２ガス拡散層の少なくとも一方として、上記Ｐ２＞Ｐ１を満たすガス拡散層を具備する。
【００４１】
また、複数の単セルのうちの少なくとも１つが、第１ガス拡散層として上記Ｐ２＞Ｐ１を満たすガス拡散層を具備し、第２ガス拡散層としても上記Ｐ２＞Ｐ１を満たすガス拡散層を具備することが望ましい。このとき、単セルの積層方向において、第１ガス拡散層のリブの頂面の５０％〜７０％が、第２ガス拡散層のリブの頂面と重なっていることが望ましい。
【００４２】
以下、図面を参照しながら、上記単セルの構造の一例について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る単セルの構造を示す断面模式図である。通常は、複数の単セルが積層されてスタックを形成しているが、ここでは１つの単セルを単独で示す。
【００４３】
単セル１００は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１を挟むように配置された第１電極層１１１および第２電極層１１２と、を含む膜電極接合体１１０と、膜電極接合体１１０を挟むように配置された第１ガス拡散層１２１および第２ガス拡散層１２２と、第１ガス拡散層１２１および第２ガス拡散層１２２をそれぞれ介して膜電極接合体１１０を挟むように配置された第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２とを備える。第１電極層１１１および第２電極層１１２のうちの一方はアノードであり、他方はカソードである。電解質膜１０１には、高分子電解質膜が用いられる。電解質膜１０１は、第１電極層１１１および第２電極層１１２より一回り大きいため、電解質膜１０１の周縁部は、第１電極層１１１および第２電極層１１２からはみ出している。電解質膜１０１の周縁部は、一対のシール部材１４１，１４２で挟持されている。
【００４４】
なお、一般に、膜電極接合体とは、ＣＣＭと、これを挟持するガス拡散層との接合体をいうが、ここでは、電解質膜および電解質膜を挟むように配置された一対の電極層を膜電極接合体と称し、既に述べたガス拡散層は膜電極接合体から除外する。ただし、一対の電極層の構造は特に限定されず、電極層がその内部にガス拡散層と見なせる層を更に有してもよい。
【００４５】
以下、各構成要素について具体的に説明する。
本発明の特徴は、ガス拡散層の構造にあり、それ以外の構成要素については公知のものが特に制限なく使用できる。
【００４６】
（膜電極接合体）
第１電極層１１１および第２電極層１１２は、それぞれ、例えば、イオン交換樹脂および触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を含む。イオン交換樹脂としては、例えば、電解質膜（高分子電解質膜）１０１を構成する高分子材料が使用できる。
【００４７】
電解質膜１０１としては、高分子電解質膜が好ましい。高分子電解質膜としては、例えば、燃料電池で従来から使用されているプロトン伝導性高分子膜を特に制限なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが挙げられる。電解質膜１０１の厚みは、例えば５〜２５μｍである。
【００４８】
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。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。第１電極層１１１および第２電極層１１２の厚さは、それぞれ、例えば１０μｍ〜４０μｍである。
【００４９】
（ガス拡散層）
本発明に係る燃料電池においては、複数の単セルのうちの少なくとも１つが、第１ガス拡散層１２１および／または第２ガス拡散層１２２として、上記のＰ２＞Ｐ１を満たすガス拡散層を具備する。第１ガス拡散層１２１および第２ガス拡散層１２２の一方は、アノード側ガス拡散層として機能し、他方はカソード側ガス拡散層として機能する。Ｐ２＞Ｐ１を満たすガス拡散層は、少なくともカソード側ガス拡散層に用いられる。
【００５０】
第１ガス拡散層１２１の第１セパレータ１３１と当接する側の面には、流体流路Ｇ１が形成されている。一方、第２ガス拡散層１２２の第２セパレータ１３２と当接する側の面には、流体流路Ｇ２が形成されている。
【００５１】
図２は、ガス拡散層１２１（１２２）の構造を模式的に示す断面図であり、ガス拡散層の一部を拡大して示している。ガス拡散層１２１（１２２）は、第１主面１２０Ａおよび第１主面１２０Ａの反対側の第２主面１２０Ｂを有し、かつ第１主面１２０Ａに所定の凹凸を有する多孔質導電性カーボンシート１２０により形成されている。
【００５２】
多孔質導電性カーボンシート１２０は、第１空隙率Ｐ１を有し、第１主面１２０Ａから第２主面１２０Ｂに至る第１領域１２０Ｒと、第２空隙率Ｐ２を有し、第１主面１２０Ａから第２主面１２０Ｂに至る第２領域１２０Ｇとを有する。第１領域１２０Ｒの第１主面１２０Ａ側には、複数のリブＲが形成されている。その結果として、第２領域１２０Ｇの第１主面１２０Ａ側には、互いに隣接するリブＲ間に位置する流体流路（溝）Ｇ（Ｇ１，Ｇ２）が設けられている。既に述べたように、第２空隙率Ｐ２は、第１空隙率Ｐ１より大きくなっている。すなわち、第１領域１２０Ｒには、より多くの炭素材料が充填され、高密度になっている。なお、ガス拡散層１２１の厚さ（Ｔ）は、第１主面１２０Ａのリブの頂面から第２主面１２０Ｂまでの距離である。リブＲの高さ（ｈ）は、流体流路（溝）Ｇの深さに対応する。
【００５３】
（セパレータ）
第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２の材質としては、気密性、電子伝導性および電気化学的安定性を有すればよく、材質は特に限定されない。このような材質としては、炭素材料、金属材料などが好ましい。金属材料には、カーボンを被覆してもよい。例えば、金属板を所定形状に打ち抜き、表面処理を施すことにより、第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２が得られる。本実施形態においては、ガス拡散層が流体流路を有することから、第１セパレータ１３１および第２セパレータ１３２に流体流路を形成する必要がない。ただし、第１ガス拡散層１２１または第２ガス拡散層１２２が流体流路を有さない場合には、対応するセパレータのガス拡散層に対向する面に、流体流路が形成される。なお、各セパレータのガス拡散層に対向する面とは反対側の面に、冷却媒体用の流路（図示せず）を形成してもよい。
【００５４】
（シール部材）
シール部材１４１，１４２は、弾性を有する材料であり、流体流路Ｇ１，Ｇ２から燃料および／または酸化剤がリークすることを防止している。シール部材１４１，１４２は、例えば、第１電極層１１１および第２電極層１１２の周縁部をループ状に取り囲むような枠状の形状を有する。シール部材１４１，１４２としては、それぞれ、公知の材質および公知の構成が採用できる。
【００５５】
次に、図３に、本発明の別の実施形態に係る単セルのアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の配置を模式図で示す。
【００５６】
第１ガス拡散層１２１ａおよび第２ガス拡散層１２２ａが、いずれもＰ２＞Ｐ１を満たす場合、燃料電池の構造的強度を高める観点からは、複数の単セルの積層方向において、第１ガス拡散層１２１ａのリブＲの頂面と、第２ガス拡散層１２２ａのリブＲの頂面との重なりは、大きいほど望ましい。ただし、第１ガス拡散層１２１ａのリブＲの頂面と第２ガス拡散層１２２ａのリブＲの頂面との重なりが大きすぎると、膜電極接合体１１０に高密度の第１領域１２０Ｒ（リブＲ）からの圧力が集中し、ガス拡散層中のカーボン粒子間の空隙に歪みが生じ、発電時の生成水が流体流路へ抜けにくくなり、燃料電池の発電性能が低下することがある。
【００５７】
一方、Ｐ２＞Ｐ１を満たすガス拡散層は、既に積層方向の構造的強度が十分に高められている。したがって、燃料電池の全体的な発電性能を向上させる観点からは、単セルの積層方向において、第１ガス拡散層のリブの頂面の５０％〜９０％が第２ガス拡散層のリブの頂面と重なる程度とすることが望ましい。
【００５８】
図３に示す単セルでは、複数の単セルの積層方向において、第１ガス拡散層１２１ａのリブの頂面の一部（５０％〜６０％程度）が、第２ガス拡散層１２２ａのリブの頂面の一部（５０％〜６０％程度）と重なるように配置されている。すなわち、第１ガス拡散層１２１ａおよび第１ガス拡散層１２２ａを、これらの第１主面１２０Ａまたは第２主面１２０Ｂの法線方向から見た投影図では、図中に参照のために示す破線ＤＬで挟まれたハッチング領域だけが重なっている。よって、膜電極接合体１１０に対して印加される荷重のバランスがよく、長期間に亘って優れた発電性能が発揮されやすい。
【００５９】
以下、本発明を実施例に基づいて、更に詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
＜ガス拡散層の作製＞
まず、炭素材料であるカーボンブラック１００質量部と、気相成長炭素繊維（平均繊維径１００ｎｍ、平均繊維長１０μｍ）５質量部と、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粉末１２質量部と、水４０質量部とを混合し、固形分が７５質量％のガス拡散層用インクを調製した。
【００６０】
次に、スクリーン印刷法を用いて、ＰＥＴシートの平滑な表面にガス拡散層用インクを均一な厚さで塗布し、塗膜を乾燥して、厚さ３００μｍの多孔質導電性カーボンシートの主要部を形成した。次に、多孔質導電性カーボンシートの主要部の表面に所定パターンの開口を有するマスクを配し、マスクを介してガス拡散層用インクを更に塗布し、塗膜を乾燥させて、多孔質導電性カーボンシートの主要部の表面に複数のリブ前駆体を形成した。複数のリブ前駆体は、直線状かつストライプ状に形成した。このとき、リブ前駆体は、高さ０．３ｍｍ、幅０．３ｍｍ、隣接するリブ前駆体間の溝幅は０．３ｍｍであった。
【００６１】
次に、複数のリブ前駆体を、平滑表面を有するＰＥＴシートで覆い、ＰＥＴシートを介して複数のリブ前駆体を３０００Ｐａでプレスした。その結果、リブ前駆体とともにその直下の多孔質導電性カーボンシートの主要部の一部が圧縮され、リブを有する第１領域が形成された。
【００６２】
リブは、高さ０．２ｍｍ、幅０．３ｍｍ、隣接するリブ間の溝幅は０．３ｍｍであった。第１領域の第１空隙率Ｐ１は７３％であった。同時に、隣接するリブ間（第１領域間）には、ほとんど圧縮されていない第２領域が形成された。第２領域の第２空隙率Ｐ２は８１％であった。
【００６３】
＜膜電極接合体の作製＞
電解質膜として、厚さ１５μｍのＮａｆｉｏｎ膜（ゴア社製）を準備した。電解質膜の一方の表面にカソードを、他方の表面にアノードを形成した。カソードは、Ｐｔ微粒子を担持したカーボンブラックと高分子電解質であるＮａｆｉｏｎ（ゴア社製）とを分散させたカソードインクを、電解質膜の一方の表面にスクリーン印刷して形成した。アノードは、Ｐｔ微粒子を担持したカーボンブラックとＮａｆｉｏｎ（ゴア社製）とを分散させたアノードインクを、電解質膜の他方の表面にスクリーン印刷して形成した。
【００６４】
＜単セルの作製＞
まず、アノードおよびカソードを囲むように枠状シール部材を配置した。次に、シール部材の内側でアノードが覆われるようにガス拡散層のリブ形成面（流体流路を有する第１主面）の反対側の面をアノードに当接させた。同様に、シール部材の内側でカソードが覆われるようにガス拡散層のリブ形成面の反対側の面をカソードに当接させた。このとき、アノード側ガス拡散層のリブの頂面のほとんど１００％が、カソード側ガス拡散層のリブの頂面のほとんど１００％と重なるように、両者を配置した。次に、電解質膜に予め形成されているマニホールド近傍に、燃料または酸化剤を各ガス拡散層まで導くブリッジプレートを配置し、一対のステンレス鋼製平板（セパレータ）で全体を挟持して、試験用単セルＡ１を完成させた。
【００６５】
＜評価＞
実施例１の燃料電池の単セルＡ１の発電性能を評価した。
具体的には、アノードに７０％の利用率となるように燃料ガスを供給した。燃料ガスの露点は、約５５℃であった。また、カソードに５０％の利用率となるように酸化剤ガス（空気）を供給した。酸化剤ガスの露点は、６５℃であった。そして、電流が一定に流れるように負荷制御装置を制御し、アノードおよびカソードの電極面積に対する電流密度を２．０Ａ／ｃｍ2とした。この状態で燃料電池の単セルの電圧（初期電圧）を測定した。結果を表１に示す。
【００６６】
《比較例１》
実施例１と同様に調製したガス拡散層用インクを用い、スクリーン印刷法を用いて、ＰＥＴシートの平滑な表面にガス拡散層用インクを均一な厚さで塗布し、塗膜を乾燥して、厚さ６００μｍの多孔質導電性カーボンシートを形成した。次に、多孔質導電性カーボンシートの表面に所定パターンの凹凸を有する金型を当接させて、多孔質導電性カーボンシートをプレスし、実施例１と同じパターンのリブと溝（流体流路）を有するガス拡散層を形成した。ガス拡散層の厚さ、リブの高さと幅、隣接するリブ間の溝幅は実施例１と同じとした。ただし、ガス拡散層のリブの頂面の直下の空隙率は７４％であり、溝の直下の空隙率は７０％であった。得られたガス拡散層を用いたこと以外、実施例１と同様に単セルＢ１を作製し、同様に評価した。結果を表１に示す。
【００６７】
《実施例２》
単セルを作製する際に、アノード側ガス拡散層のリブの頂面の約５０％が、カソード側ガス拡散層のリブの頂面の約５０％と重なるように両者を配置したこと以外、実施例１と同様に単セルＡ２を作製し、同様に評価した。結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2017162750.tif 000003
【００６９】
表１より、実施例１および実施例２の燃料電池の単セルＡ１およびＡ２は、比較例１の燃料電池の単セルＢ１よりも、発電時の電圧が高く、高効率であり、発電性能が向上することが理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る燃料電池は、定置型の家庭用コジェネレーションシステム用電源や、車両用電源として、好適に用いることができる。本発明は、高分子電解質型燃料電池への適用に好適であるが、これに限定されるものではなく、燃料電池一般に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１００：単セル、１０１：電解質膜、１１０：膜電極接合体、１１１：第１電極層、１１２：第２電極層、１２０：多孔質導電性カーボンシート、１２０Ｒ：第１領域、１２０Ｇ：第２領域、１２０Ａ：第１主面、１２０Ｂ：第２主面、１２１，１２１ａ：第１ガス拡散層、１２２，１２２ａ：第２ガス拡散層、１３１：第１セパレータ、１３２：第２セパレータ、１４１，１４２：シール部材
【図１】
2017162750.tif 000004
【図２】
2017162750.tif 000005
【図３】
2017162750.tif 000006