(57)【要約】【課題】本発明は、ガス拡散層の面内温度の分布、または、面内における水（液体である水）の分布が偏在していても適切な排水と保湿とを行うことができるガス拡散層、燃料電池、ガス拡散層の製造方法、および燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池の空気極に設けられるガス拡散層であって、前記ガス拡散層において温度が相対的に高くなる部分の気体の透過性と、温度が相対的に低くなる部分の気体の透過性と、が異なること、を特徴とするガス拡散層、または、燃料電池の空気極に設けられるガス拡散層であって、前記ガス拡散層において水の含有量が相対的に多い部分の気体の透過性と、水の含有量が相対的に少ない部分の気体の透過性と、が異なること、を特徴とするガス拡散層が提供される。【選択図】図１
2009081031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の空気極に設けられるガス拡散層であって、
前記ガス拡散層において温度が相対的に高くなる部分の気体の透過性と、温度が相対的に低くなる部分の気体の透過性と、が異なること、を特徴とするガス拡散層。
【請求項２】
前記温度が相対的に低くなる部分のほうが、前記ガス拡散層に設けられた空孔の径、または前記ガス拡散層を構成する粒子の寸法が大きいこと、を特徴とする請求項１記載のガス拡散層。
【請求項３】
燃料電池の空気極に設けられるガス拡散層であって、
前記ガス拡散層において水の含有量が相対的に多い部分の気体の透過性と、水の含有量が相対的に少ない部分の気体の透過性と、が異なること、を特徴とするガス拡散層。
【請求項４】
前記水の含有量が相対的に多い部分のほうが、前記ガス拡散層に設けられた空孔の径、または前記ガス拡散層を構成する粒子の寸法が大きいこと、を特徴とする請求項３記載のガス拡散層。
【請求項５】
燃料が供給される燃料極と、
酸化剤が供給される空気極と、
前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、
を備え、
前記空気極は、請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス拡散層を有すること、を特徴とする燃料電池。
【請求項６】
燃料電池の空気極に設けられ、前記燃料電池の動作時に温度が相対的に高くなる第１の部分と、温度が相対的に低くなる第２の部分と、を有するガス拡散層の製造方法であって、
前記第１の部分と、前記第２の部分と、に、それぞれ粒径が異なるカーボンブラックが分散された混合溶液を塗布し、乾燥させること、を特徴とするガス拡散層の製造方法。
【請求項７】
燃料電池の空気極に設けられ、前記燃料電池の動作時に水の含有量が相対的に多い第１の部分と、水の含有量が相対的に少ない第２の部分と、を有するガス拡散層の製造方法であって、
前記第１の部分と、前記第２の部分と、にそれぞれ粒径が異なるカーボンブラックが分散された混合溶液を塗布し、乾燥させること、を特徴とするガス拡散層の製造方法。
【請求項８】
燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、を有する燃料電池の製造方法であって、
前記空気極に設けられるガス拡散層を、請求項６または７に記載のガス拡散層の製造方法により製造すること、を特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散層、燃料電池、ガス拡散層の製造方法、および燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子技術の進歩に伴い、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、これに使用される電池の小型化、高エネルギー密度化の要求が高まっている。そのような中、小型軽量でありながら高容量の燃料電池が注目されている。特に、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べて、水素ガスの取り扱いの困難さや有機燃料を改質して水素を作り出す装置などの必要がないため、小型化に適している。
【０００３】
この直接メタノール形燃料電池においては、燃料極（アノード極）、高分子固体電解質膜、空気極（カソード極）がこの順に相互に隣接して設けられ膜電極接合体を形成している。そして、燃料極側に燃料（メタノール）を供給し、高分子固体電解質膜近傍の触媒層において燃料（メタノール）を反応させて、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とを取り出している。
【０００４】
また、空気極（カソード極）、燃料極（アノード極）において、触媒層の表面にはガス拡散層が設けられている。これらのガス拡散層のうち、空気極（カソード極）側に設けられたガス拡散層は、空気極（カソード極）側の触媒層に酸素を均一に供給する役割を果たすとともに、空気極（カソード極）側の触媒層において生成された水の透過の程度を調整する役割をも果たす。
【０００５】
ここで、空気極（カソード極）側の触媒層において生成された水は、空気極（カソード極）側のガス拡散層に透過し、ガス拡散層内部で気液平衡の状態となり、液体である水と気体である水蒸気とが存在するようになる。そして、空気極（カソード極）側のガス拡散層に含まれる水が過多となると、空気極（カソード極）側のガス拡散層の空孔が塞がれて気体（酸素）の透過が阻害されるという問題がある。      
また、高分子固体電解質膜を湿潤させないと高いプロトン導電性が得られないので、ガス拡散層に適度な保湿性を持たせる必要もある。  
そこで、排水性と保湿性とを有するガス拡散層が提案されている（特許文献１、２を参照）。      
しかしながら、特許文献１、２に開示をされた技術においては、空気極（カソード極）側のガス拡散層の面内温度の分布、または、面内における水（液体である水）の分布が考慮されておらず、適切な排水と保湿とを行うことができないおそれがあった。
【特許文献１】特開２００６−３２４１０４号公報
【特許文献２】特開２００１−５７２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ガス拡散層の面内温度の分布、または、面内における水（液体である水）の分布が偏在していても適切な排水と保湿とを行うことができるガス拡散層、燃料電池、ガス拡散層の製造方法、および燃料電池の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、燃料電池の空気極に設けられるガス拡散層であって、前記ガス拡散層において温度が相対的に高くなる部分の気体の透過性と、温度が相対的に低くなる部分の気体の透過性と、が異なること、を特徴とするガス拡散層が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の一態様によれば、燃料電池の空気極に設けられるガス拡散層であって、前記ガス拡散層において水の含有量が相対的に多い部分の気体の透過性と、水の含有量が相対的に少ない部分の気体の透過性と、が異なること、を特徴とするガス拡散層が提供される。
【０００９】
また、本発明の他の一態様によれば、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、を備え、前記空気極は、上記のいずれかのガス拡散層を有すること、を特徴とする燃料電池が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一態様によれば、燃料電池の空気極に設けられ、前記燃料電池の動作時に温度が相対的に高くなる第１の部分と、温度が相対的に低くなる第２の部分と、を有するガス拡散層の製造方法であって、前記第１の部分と、前記第２の部分と、に、それぞれ粒径が異なるカーボンブラックが分散された混合溶液を塗布し、乾燥させること、を特徴とするガス拡散層の製造方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の他の一態様によれば、燃料電池の空気極に設けられ、前記燃料電池の動作時に水の含有量が相対的に多い第１の部分と、水の含有量が相対的に少ない第２の部分と、を有するガス拡散層の製造方法であって、前記第１の部分と、前記第２の部分と、にそれぞれ粒径が異なるカーボンブラックが分散された混合溶液を塗布し、乾燥させること、を特徴とするガス拡散層の製造方法が提供される。
【００１２】
また、本発明の他の一態様によれば、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、を有する燃料電池の製造方法であって、前記空気極に設けられるガス拡散層を、上記のガス拡散層の製造方法により製造すること、を特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス拡散層の面内温度の分布、または、面内における水（液体である水）の分布が偏在していても適切な排水と保湿とを行うことができるガス拡散層、燃料電池、ガス拡散層の製造方法、および燃料電池の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。      
図１は、本発明の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。  尚、図１（ａ）はガス拡散層の模式平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図である。    
図１に示すように、ガス拡散層１には、気体の透過性が異なる第１の領域１ａと、第２の領域１ｂとが設けられている。また、ガス拡散層１は、後述する空気極（カソード極）側の触媒層４の表面に設けられ、触媒層４は、高分子固体電解質膜５の表面に設けられている。
【００１５】
まず、ガス拡散層１の排水性と保湿性について説明をする。    
後述するように、燃料電池の一種である直接メタノール形燃料電池３（図７を参照）においては、燃料極側に燃料（メタノール）を供給し、高分子固体電解質膜５近傍の触媒層６において燃料（メタノール）を反応させて、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とを取り出している。この際、空気極（カソード極）の触媒層４においては水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
【００１６】
そして、生成された水（Ｈ２Ｏ）は、空気極（カソード極）のガス拡散層１に透過し、ガス拡散層１の内部で気液平衡の状態となる。この際、気液平衡状態に達することで、液体である水と気体である水蒸気とがガス拡散層１の内に存在するようになる。    
また、外気中から取り込まれた酸素をガス拡散層１で拡散して触媒層４に到達させるために、ガス拡散層１には、気体（酸素）の透過経路となる空孔が設けられている。
【００１７】
ここで、ガス拡散層１の内部に含まれる水（液体である水）が過多となると、気体（酸素）の透過経路である空孔が塞がれてしまい気体（酸素）の透過が阻害される。そして、気体（酸素）の透過が阻害されると、後述する電気化学的反応が妨げられ、燃料電池の性能低下を招くことになる。    
そのため、ガス拡散層１には、過剰な水を排水（蒸散）させるという排水性が求められる。
【００１８】
一方、高分子固体電解質膜５が適度に湿潤していないと、後述するプロトン（Ｈ＋）の伝導性が悪化して、燃料電池の性能低下を招くことになる。そのため、ガス拡散層１には、適度な水を保持して、高分子固体電解質膜５を適度に湿潤させるという保湿性が求められる。
【００１９】
ここで、触媒層４における電気化学的反応により生じた熱により、ガス拡散層１の温度が上昇するが、放熱量の違いなどにより面内温度の分布にバラツキ（偏在）が生じる。  
図２は、ガス拡散層の面内温度のバラツキを例示するための模式図である。    
尚、図２においては、色の濃い部分ほど温度が低いことを示している。
【００２０】
図２に示すように、ガス拡散層１の外周部分においては、外部への放熱量が多いので温度の低下が起こる。一方、中央部分においては、外部への放熱量が少ないので温度の低下が起こりにくい。そのため、ガス拡散層１の中央部分の温度が高温となり、外周部分に行くにしたがい低温となるような面内温度のバラツキが生じる。
【００２１】
このような面内温度のバラツキが生じると、ガス拡散層１の内部における水の気液平衡状態に違いが生じる。すなわち、温度が高い部分においては気体である水蒸気の量の方が液体である水の量よりも多くなる。一方、温度が低い部分においては液体である水の量の方が気体である水蒸気の量よりも多くなる。  
そのため、温度が高い中央部分においては、液体である水の量が少ないので、ガス拡散層１の空孔が塞がれるおそれが低くなる。一方、温度が低い外周部分においては、液体である水の量が多いので、ガス拡散層１の空孔が塞がれるおそれが高くなる。
【００２２】
図３は、ガス拡散層の面内温度のバラツキによる影響を例示するための模式図である。  尚、図３（ａ）は、模式平面図であり、図３（ｂ）は、空孔部分の模式拡大断面図である。  
図３に示すように、ガス拡散層１００の面内には、同じ径を有する空孔１００ａが均一に設けられている。図３（ａ）に示すように、温度が高い中央部分においては、液体である水の量が少ないので、ガス拡散層１の空孔１００ａが水１０１で塞がれる割合が少なくなる。これに対し、温度が低い外周部分においては、液体である水の量が多いので、ガス拡散層１の空孔１００ａが水１０１で塞がれる割合が多くなる。図３（ｂ）に示すように、ガス拡散層１の空孔１００ａが水１０１で塞がれると、酸素の透過が阻害されて電気化学的反応が進まなくなる。その結果、発電量が低下するなどの燃料電池の性能低下を招くことになる。
【００２３】
この場合、排水性を高めるために空孔１００ａの径を一律に大きくするものとすれば、ガス拡散層１００に保持される水の量が少なくなり前述の保湿性が悪化するおそれがある。
【００２４】
ここで、特許文献１、２には、排水性と保湿性とを両立可能とする空孔や排水性に優れた空孔を、ガス拡散層の面内に均一に設ける技術が開示されている。しかしながら、ガス拡散層の面内温度にはバラツキがあり、このバラツキに起因する水（液体である水）の分布の偏在が存在する。そのため、所定の大きさや所定の形状を有する空孔をガス拡散層の面内に均一に設けても、その条件は一部においてのみ適合でき得るだけのため、充分な効果を発揮させることができないおそれがあった。
【００２５】
本発明者は検討の結果、ガス拡散層１の面内温度の分布、または、面内における水の分布に基づいて、気体の透過性を選択するようにすれば、最適な排水性と保湿性を有するガス拡散層１を得ることができるとの知見を得た。  
ここで、気体の透過性は、ガス拡散層１に設けられる空孔の大きさ（例えば、径の大きさ）やガス拡散層１を構成する材料の粒子の寸法により選択することができる。例えば、空孔の大きさ（例えば、径の大きさ）を大きくしたり、材料の粒子の寸法（粒子径）を大きくすることで粒子間に形成される隙間の寸法を大きくしたりすることで、気体の透過性を高めることができる。その一方、これらを小さくすることで、気体の透過性を低めることができる。
【００２６】
図４は、ガス拡散層１に設けられる空孔の大きさを例示するための模式図である。    
図５は、気体の透過性を例示するための模式断面図である。    
前述したように、温度が高いガス拡散層１の中央部分においては、水の量が少ないので、空孔の径を小さくしても水で空孔が塞がれるおそれが少ない。一方、温度が低く水の量が多いガス拡散層１の外周部分においては、空孔の径を大きくすることにより水で空孔が塞がれることを抑制することができる。
【００２７】
例えば、図１に例示をした第１の領域１ａには、図４（ａ）に例示をした小さな径を有する空孔を設けるようにすることができる。また、第２の領域１ｂには、図４（ｂ）に例示をした大きな径を有する空孔を設けるようにすることができる。
【００２８】
ここで、空孔の径が小さいと、水の表面張力により空孔は完全に水で塞がれてしまう（図３（ｂ）を参照）。しかしながら、図５に示すように、空孔の径を大きくすれば、表面張力により水２０が空孔の周面１ｃに付着することがあっても完全に空孔が塞がれてしまうことはない。そのため、温度が低く水の量が多い領域であっても、気体（酸素）の透過を確保することができる。
【００２９】
尚、説明の便宜上、空孔の径を変更することで気体の透過性を選択する場合を説明したが、例えば、ガス拡散層１を構成する材料の粒子径を変えることで気体の透過性を選択することもできる。尚、空孔の断面形状は、図示した円形に限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００３０】
本発明者が得た知見によれば、ガス拡散層１の温度が高い部分（例えば、５０℃程度になる部分）に設ける空孔の径は、５ｎｍ以上２００ｎｍ未満とすることが好ましい。空孔の径を２００ｎｍ以上とすれば、空孔の径が大きくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な保湿性を付与できなくなるおそれがあるからである。また、空孔の径を５ｎｍ未満とすれば、空孔の径が小さくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な排水性を付与できなくなり、水で空孔が塞がれるおそれが高くなるからである。
【００３１】
また、ガス拡散層１の温度が低い部分（例えば、４５℃程度になる部分）に設ける空孔の径は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ未満とすることが好ましい。空孔の径を２００ｎｍ以上とすれば、空孔の径が大きくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な保湿性を付与できなくなるおそれがあるからである。また、空孔の径を５０ｎｍ未満とすれば、空孔の径が小さくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な排水性を付与できなくなり、水で空孔が塞がれるおそれが高くなるからである。
ここで、空孔の径を５０ｎｍ以上２００ｎｍ未満とすれば、温度が高い部分と温度の低い部分との双方に適用させることができる。しかしながら、温度の低い部分においては、空孔の周面に付着する水の量が多くなるので、その分空孔の断面積が減り気体の透過が阻害されることになる。
【００３２】
そのため、空孔の径を５０ｎｍ以上２００ｎｍ未満とする場合においても、すべての空孔の径を同一とするのではなく、温度の低い部分の空孔の径を、温度の高い部分の空孔の径よりも大きくすることが好ましい。この際、付着する水により減少する断面積を考慮して温度の低い部分の空孔の径を決めるようにすることができる。
また、ガス拡散層１を構成する材料の粒子径を変えることで気体の透過性を選択する場合には、ガス拡散層１の温度が高い部分（例えば、５０℃程度になる部分）における材料の粒子径を０．５μｍ以上２．０μｍ未満とすることが好ましい。粒子径を２．０μｍ以上とすれば、粒子間に形成される隙間が大きくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な保湿性を付与できなくなるおそれがあるからである。また、粒子径を０．５μｍ未満とすれば、隙間が小さくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な排水性を付与できなくなり、水で隙間が塞がれるおそれが高くなるからである。
【００３３】
また、ガス拡散層１の温度が低い部分（例えば、４５℃程度になる部分）における材料の粒子径は、２．０μｍ以上１０μｍ未満とすることが好ましい。粒子径を１０μｍ以上とすれば、粒子間に形成される隙間が大きくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な保湿性を付与できなくなるおそれがあるからである。また、粒子径を２．０μｍ未満とすれば、隙間が小さくなりすぎて、ガス拡散層１に適度な排水性を付与できなくなり、水で隙間が塞がれるおそれが高くなるからである。
尚、説明の便宜上、ガス拡散層１を２つの領域に分ける場合を説明したが、これに限定されるわけではなく、３つ以上の領域に分けることもできる。その場合には、温度の高い領域から低い領域に向かって、段階的に空孔の径、または、粒子径を大きくすればよい。また、温度の高い領域から低い領域に向かって、空孔の径、または、粒子径を漸増させるようにすることもできる。
【００３４】
また、図１において、高温領域、低温領域がほぼ対称に形成される場合を例示したが、これに限定されるわけではない。例えば、使用環境や保温の状態などにより高温領域、低温領域が偏在したり、領域の形がいびつになる場合もある。そのような場合においても、それぞれの温度領域に適合した、空孔の径、粒子径を選択することで適切な排水と保湿とを行うことができる。
【００３５】
また、ガス拡散層１の厚みは、酸素の透過性を考慮すると２５μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。    
ガス拡散層１の材料としては、例えば、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック（工業的に品質制御して製造された炭素の微粒子）を例示することができる。尚、カーボンブラックは、前述のものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。
【００３６】
図６は、ガス拡散層１の作用を例示するための模式グラフ図である。      
縦軸は、酸素の透過性を表し、上に行くほど酸素の透過がされやすいことを表している。横軸は、ガス拡散層に含まれる水分の量を表し、右に行くほど含まれる水分の量が多い（温度が低い）ことを表している。    
また、グラフ図中の実線は、本実施の形態に係るガス拡散層１の場合を表している。この場合、温度が低い領域（第２の領域１ｂ）におけるカーボンブラックの粒子径を５．０μｍ、温度が高い領域（第１の領域１ａ）におけるカーボンブラックの粒子径を１．０μｍとしている。尚、ガス拡散層１の厚みは５０μｍとしている。
【００３７】
また、グラフ図中の破線は、均一な粒子径のカーボンブラックからなるガス拡散層１０２を表している。この場合、カーボンブラックの粒子径を１．０μｍとしている。尚、ガス拡散層１０２の厚みは５０μｍとしている。
【００３８】
図６に示すように、ガス拡散層１０２においては、水分量が多くなると粒子間に形成された隙間が水で塞がれてしまう。そのため、水分量が多くなるとともに、温度の低い外周部分において水で隙間が徐々に塞がれていく。そして、最終的には、温度が高く水で隙間が塞がれるおそれの少ない中央部分の隙間による酸素の透過量となる。
【００３９】
一方、本実施の形態に係るガス拡散層１によれば、水分量が多くなるとともに温度の低い外周部分において隙間に水分が付着していくので、酸素の透過量が徐々に低下する。しかしながら、水分量が増加しても水で隙間が完全に塞がれることがないので、ガス拡散層１０２の場合に比べて酸素の透過性を大幅に向上させることができる。
【００４０】
次に、本実施の形態に係るガス拡散層１を備える燃料電池について例示をする。  
図７は、本発明の実施の形態に係る燃料電池について例示をするための模式図である。  尚、説明の便宜上、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の場合を例にとって説明をする。
【００４１】
図７に示すように、燃料電池３は、触媒層６とガス拡散層７とからなる燃料極と、触媒層４と本実施の形態に係るガス拡散層１とからなる空気極と、燃料極の触媒層６と空気極の触媒層４との間に挟持された高分子固体電解質膜５と、を有する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１２を起電部として備えている。
【００４２】
ここで、燃料極の触媒層６としては、有機燃料を酸化できるものであればよく、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と白金との固溶体からなる微粒子などを含むものとすることができる。
【００４３】
また、空気極の触媒層４としては、例えば、白金族元素を含むものとすることができる。例えば、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、パラジウム等の単体金属、白金族元素を含有する固溶体などを含んだものとすることができる。白金族元素を含有する固溶体としては、例えば、白金−ニッケル固溶体などを例示することができる。ただし、これらに限定されるわけではなく適宜変更することができる。    
尚、燃料極の触媒層６、空気極の触媒層４に含まれる触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒としてもよい。
【００４４】
高分子固体電解質膜５としては、プロトン伝導性材料を主成分として含むものを例示することができ、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂などを例示することができる。ただし、これらに限定されるわけではなく適宜変更することができる。    
この場合、高分子固体電解質膜５は、多孔質材料からなる膜の貫通孔や無機材料からなる膜に設けられた開孔などに高分子固体電解質材料を充填させたものとすることもできるし、高分子固体電解質材料からなる膜とすることもできる。
【００４５】
燃料極の触媒層６の表面に設けられたガス拡散層７は、触媒層６に燃料を均一に供給する役割を果たす。      
また、空気極の触媒層４の表面に設けられた本実施の形態に係るガス拡散層１は、触媒層４に酸素を均一に供給する役割を果たすとともに、触媒層４において生成された水の透過の程度を調整する役割（排水性、保湿性）をも果たす。
【００４６】
そして、燃料極のガス拡散層７には、導電層８が積層されるようにして設けられ、空気極のガス拡散層１には、導電層２が積層されるようにして設けられている。導電層８および導電層２は、例えば、金などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層や複数の開孔を有する金箔などで構成することができる。そして、導電層２と導電層８とが、図示しない負荷を介して電気的に接続されている。
【００４７】
燃料極側の導電層８は、気液分離膜９を介して、燃料供給部として機能する液体燃料タンク１０と接続されている。気液分離膜９は、液体燃料の気化成分のみを透過し液体燃料を透過させない気相燃料透過膜として機能する。  
この気液分離膜９は、液体燃料タンク１０内の液体燃料の気化成分を導出するために設けられた図示しない開口を塞ぐように配設されている。気液分離膜９は、燃料の気化成分と、液体燃料とを分離し、さらに液体燃料を気化させるもので、例えば、シリコーンゴムなどの材料で構成されたものを例示することができる。
【００４８】
また、この気液分離膜９のさらに液体燃料タンク１０側に、気液分離膜９と同様の気液分離機能を有し、燃料の気化成分の透過量を調整する図示しない透過量調整膜を設けてもよい。この透過量調整膜による気化成分の透過量の調整は、透過量調整膜の開口率を変更することで行われる。この透過量調整膜は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの材料で構成させることができる。この透過量調整膜を設けることで、燃料の気液分離を可能とするとともに、燃料極の触媒層６側に供給される燃料の気化成分の供給量を調整することができる。
【００４９】
ここで、液体燃料タンク１０に貯留される液体燃料は、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールとすることができる。この場合、純メタノールの純度は、９５重量％以上、１００重量％以下とすることができる。また、液体燃料の気化成分とは、例えば、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。
【００５０】
一方、空気極の導電層２には、カバー１１が積層されるようにして設けられている。カバー１１には、酸化剤である空気（酸素）を取り入れるための図示しない空気導入口が複数個設けられている。カバー１１は、膜電極接合体１２を加圧して、その密着性を高める役割をも果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属により形成させることができる。
【００５１】
次に、本実施の形態に係る燃料電池３の作用について説明をする。    
液体燃料タンク１０内のメタノール水溶液（液体燃料）が気化し、それにより発生した気化したメタノールと水蒸気との混合気が、気液分離膜９を透過する。そして、混合気は、さらに導電層８を通過し、ガス拡散層７で拡散されて触媒層６に供給される。触媒層６に供給された混合気は、次の式（１）に示す酸化反応を生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）
尚、液体燃料として、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク１０からの水蒸気の供給がないため、後述する空気極の触媒層４で生成された水や高分子固体電解質膜５中の水などとメタノールとで前述の式（１）の酸化反応を生じることになる。
【００５２】
前述の式（１）の酸化反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、高分子固体電解質膜５を伝導し、空気極の触媒層４に到達する。また、前述の式（１）の酸化反応で生成された電子（ｅ−）は、導電層８から図示しない負荷に供給され、図示しない負荷において仕事をした後、導電層２、ガス拡散層１を介して触媒層４に到達する。
【００５３】
カバー１１の図示しない空気導入口から取り入れられた空気（酸素）は、導電層２を透過し、ガス拡散層１で拡散されて、触媒層４に供給される。触媒層４に供給された空気中の酸素と、触媒層４に到達したプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが、次の式（２）に示す反応を生じて、水が生成される。
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）
この反応によって空気極の触媒層４中で生成された水の一部は、ガス拡散層１に透過して、ガス拡散層１の内部で気液平衡の状態となる。そして、気体となった水はカバー１１の図示しない空気導入口から蒸散される。また、液体としての水は、空気極の触媒層４中に貯蔵される。この際、一部の水がガス拡散層１に残留するが、本実施の形態に係るガス拡散層１においては、空孔や粒子間の隙間が水で塞がれることを抑制することができる。そのため、酸素の透過性を向上させることができる。また、前述した保湿性をも確保することができる。
【００５４】
式（２）の反応が進行すると、生成される水の量が増し、空気極の触媒層４中の水分貯蔵量が増加する。そして、式（２）の反応の進行にともなって、空気極の触媒層４中の水分貯蔵量が、燃料極の触媒層６中の水分貯蔵量よりも多い状態となる。  
その結果、浸透圧現象によって、空気極の触媒層４で生成された水が、高分子固体電解質膜５を通過して燃料極の触媒層６に移動する。そのため、燃料極の触媒層６への水分の供給を液体燃料タンク１０から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式（１）の反応を促進させることができる。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。
【００５５】
すなわち、液体燃料として、メタノールの濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、空気極の触媒層４から燃料極の触媒層６に移動してきた水を前述した式（１）の反応に使用することができることになる。また、前述した式（１）の反応の反応抵抗をさらに低下させることができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料タンク１０の小型化を図ることも可能となる。また、高分子固体電解質膜５を湿潤させることができるので、高いプロトン（Ｈ＋）の導電性を得ることもできる。
【００５６】
次に、本発明の実施の形態に係るガス拡散層１の製造方法について例示をする。    
図８は、本発明の実施の形態に係るガス拡散層の製造方法について例示をするためのフローチャートである。  
まず、カーボンブラックを水とアルコール系溶媒からなる溶液中に分散させることにより、カーボンブラックの混合溶液を生成する。この際、ガス拡散層１の面内温度の分布の領域毎、または、水の分布の領域毎に、所定の粒径のカーボンブラックが分散された混合溶液を生成する（ステップＳ１）。
【００５７】
例えば、温度の高い（水分量の少ない）第１の領域１ａを形成させるものとして、カーボンブラックの粒径を１．０μｍとし、これを水とアルコール系溶媒からなる溶液中に分散させることにより混合溶液３０ａを生成する。同様に、温度の低い（水分量の多い）第２の領域１ｂを形成させるものとして、カーボンブラックの粒径を５．０μｍとし、これを水とアルコール系溶媒からなる溶液中に分散させることにより混合溶液３０ｂを生成する。
【００５８】
次に、空気極の触媒層４の表面に混合溶液を塗布し、これを乾燥させることによりガス拡散層１を形成させる。この際、面内温度の分布の領域毎、または、水の分布の領域毎に所定の混合溶液を塗布し、これを乾燥させるようにする（ステップＳ２）。  
例えば、温度の高い（水分量の少ない）第１の領域１ａには粒径の小さいカーボンブラックを含む混合溶液３０ａを、温度の低い（水分量の多い）第２の領域１ｂには粒径の大きいカーボンブラックを含む混合溶液３０ｂを所定の厚み（例えば、５０μｍ程度）塗布し、これを乾燥させるようにする。尚、塗布と乾燥させる工程を複数回繰り返すようにすることもできる。
【００５９】
次に、本実施の形態に係る燃料電池３の製造方法について例示をする。  
図９は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法について例示をするためのフローチャートである。
【００６０】
まず、相分離法、発泡法、ゾルゲル法などの化学的、物理的方法を用いて多孔質材料膜を作成する。尚、多孔質材料膜は、市販の多孔質材料を適宜用いるようにしてもよい。例えば、厚さ２５μｍ、開孔率４５%のポリイミド多孔膜（宇部興産製ユーピレックスＰＴ）などを用いることができる。    
そして、この多孔質材料膜に高分子固体電解質を充填させて、高分子固体電解質膜５を作成する（ステップＳ２０）。高分子固体電解質を充填させる方法としては、多孔質材料膜を電解質溶液中に浸漬させ、これを引き上げて乾燥させ、溶媒を除去する方法を例示することができる。電解質溶液としてはナフィオン（登録商標、デュポン社製）溶液を例示することができる。尚、高分子固体電解質膜５を高分子電解質材料からなる膜としてもよい。その場合は、多孔質材料膜の作成や高分子固体電解質の充填は不要となる。  
次に、白金の微粒子と、活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンと、溶剤とを混合してペースト状にしたものを常温乾燥させることで空気極の触媒層４を作成する。そして、前述したガス拡散層１の製造方法を用いて、触媒層４の表面にガス拡散層１を形成させることで空気極を作成する（ステップＳ２１）。
【００６１】
一方、白金−ニッケル固溶体などの微粒子と、活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンと、溶剤とを混合してペースト状にしたものを常温乾燥させることで燃料極の触媒層６を作成する。触媒層６の表面にガス拡散層７を形成させることで燃料極を作成する（ステップＳ２２）。尚、ガス拡散層７は、例えば、カーボンブラックの粒径を１．０μｍとし、これを水とアルコール系溶媒からなる溶液中に分散させることにより生成した混合溶液を、触媒層６の表面に塗布、乾燥させることで形成させることができる。
【００６２】
次に、高分子固体電解質膜５と、空気極（触媒層４、ガス拡散層１）と、燃料極（触媒層６、ガス拡散層７）とで膜電極接合体１２を形成させ、これを挟み込むようにして、気化したメタノールまたは空気を取り入れるための複数の開孔を有する金箔などからなる導電層８、導電層２を設ける（ステップＳ２３）。
【００６３】
次に、導電層８に、気液分離膜９を介して、液体燃料タンク１０を取り付ける（ステップＳ２４）。気液分離膜９には、例えば、シリコーンシートを用いることができる。
【００６４】
次に、導電層２に、カバー１１を取り付ける（ステップＳ２５）。カバー１１は、例えば、空気取り入れのための図示しない空気導入口が形成されたステンレス板（ＳＵＳ３０４）とすることができる。      
最後に、これを適宜ケースに収納するなどして燃料電池３を形成させる（ステップＳ２６）。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。  
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。  
例えば、前述したガス拡散層１や燃料電池３の各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。  
また、燃料についてもメタノール水溶液を例示したが、これに限定されるものではない。他の燃料としては、メタノールの他にも、エタノール、プロパノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン類、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基などの親水基を有するシクロパラフィン類などを例示することができる。尚、このような燃料は、通常５〜９０重量％程度の水溶液として用いられる。  
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。
【図２】ガス拡散層の面内温度のバラツキを例示するための模式図である。
【図３】ガス拡散層の面内温度のバラツキによる影響を例示するための模式図である。
【図４】ガス拡散層に設けられる空孔の大きさを例示するための模式図である。
【図５】気体の透過性を例示するための模式断面図である。
【図６】ガス拡散層の作用を例示するための模式グラフ図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る燃料電池について例示をするための模式図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るガス拡散層の製造方法について例示をするためのフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法について例示をするためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１  ガス拡散層、１ａ  第１の領域、１ｂ  第２の領域、２  導電層、３  燃料電池、４  触媒層、５  高分子固体電解質膜、６  触媒層、７  ガス拡散層、８  導電層、９  気液分離膜、１０  液体燃料タンク、１１  カバー、１２  膜電極接合体
【図１】
2009081031.tif 000003
【図３】
2009081031.tif 000004
【図４】
2009081031.tif 000005
【図５】
2009081031.tif 000006
【図６】
2009081031.tif 000007
【図７】
2009081031.tif 000008
【図８】
2009081031.tif 000009
【図９】
2009081031.tif 000010
【図２】
2009081031.tif 000011