(57)【要約】【課題】  非導電性の多孔質樹脂材料から形成しても導電性を良好に確保できる燃料電池用ガス拡散層を提供すること。【解決手段】  ガス拡散層２０は、非導電性の多孔質樹脂材料から形成された本体２１と、本体２１のＭＥＡ１０に対向する対向面に形成されたカーボン薄膜層２２と、カーボン薄膜層２２と一体的に接合された複数のカーボン棒２３とで構成される。これにより、ＭＥＡ１０の電極反応によって生じた電子は、導電性に優れるカーボンから形成されたカーボン薄膜層２２に極めて容易に移動することができるとともにカーボン薄膜層２２に一体的に接合されたカーボン棒２３に損失なく移動することができる。そして、電子はカーボン棒２３から集電板３０に移動することができる。このとき、カーボン棒２３が複数設けられているため、カーボン棒２３と集電板３０との間の接触抵抗を大幅に低減することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極構造体を構成する電極触媒層と前記電極構造体によって発電された電気を集電する集電体との間に配置されて、前記電極触媒層に対して所定のガスを拡散して供給するための燃料電池用ガス拡散層において、
非導電性の多孔質樹脂材料から形成されて、前記所定のガスを拡散させて導通する平板状の本体と、
前記本体の前記電極触媒層に対向する対向面に形成されて、この対向面における開口の半径よりも小さな膜厚とされた導電性を有する薄膜層と、
前記薄膜層と同一材料から形成されて、前記本体を貫通して前記電極触媒層と接触する前記薄膜層と前記集電体とを電気的に接続する導電部材とを備えていて、
前記薄膜層と前記導電部材とを一体的に接合したことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
請求項１に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記薄膜層は、
前記導電部材が前記本体を貫通した状態で、前記本体の前記対向面に形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
請求項２に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記薄膜層は、
前記本体の前記対向面に蒸着によって形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
請求項１に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記導電部材は、前記本体に対して複数設けられることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
請求項４に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記導電部材は、棒状に形成されており、
前記本体に形成された複数の貫通孔に対して圧入されて複数設けられることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
請求項１に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記薄膜層と前記導電部材とは、カーボンから形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項７】
請求項１に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記電極触媒層が層内で電気的に分割されており、
前記薄膜層および前記集電体を、前記分割された電極触媒層に対応して電気的に分割したことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項８】
請求項１に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記本体は、
前記集電体から前記電極触媒層に向けて開口の半径が大きくなる多孔質樹脂材料から形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項９】
請求項８に記載した燃料電池用ガス拡散層において、
前記本体は、
前記電極触媒層側に配置されて開口の半径の大きい第１の多孔質樹脂材料から形成される第１層と、
前記集電体側に配置されて前記第１の多孔質材料よりも開口の半径の小さい第２の多孔質樹脂材料から形成される第２層とを含んで構成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池に採用されるガス拡散層に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、下記特許文献１に示すような燃料電池は知られている。この従来の燃料電池においては、カーボンまたは金属から形成されてガス導入機能を有するとともに発電された電気を集電する集電体から電極・電解質接合体を構成する触媒層に向かって、開口径が減少するようにカーボンまたは金属から形成される多孔質層を積層した積層体を拡散層として用いるようになっている。これにより、触媒層全体に反応ガスを効率よく供給することができ、高出力、高エネルギー効率の燃料電池が得られるようになっている。
【０００３】
ところで、燃料電池に関しては、発電向上させることはいうまでもなく、耐久性を十分に確保しつつ安価で軽量な電池を開発することも盛んに研究されている。ここで、上記従来の燃料電池においては、集電体がガス導入機能を有するために、例えば、金属製の集電体を採用した場合には燃料電池の重量増加が懸念される。また、拡散層を金属製の多孔質層を用いて形成した場合には、触媒層に対して溶出した金属イオンによって燃料電池の耐久性が損なわれる可能性がある。一方、集電体および拡散層をカーボン製とすることにより、これら懸念事項は解消するものの、例えば、カーボン製の多孔質材料を製造するためには、高温雰囲気が必要となるために製造コストが増大し、その結果、燃料電池自体が高価となる場合がある。
【０００４】
このような問題に対して、例えば、下記特許文献２および下記特許文献３に示すように、ガス導入機能を有するセパレータと拡散層とを多孔質樹脂材料を用いて形成することが有効である。これにより、耐久性を確保できて、安価で軽量な燃料電池が得られると考えられる。
【特許文献１】特開２０００−５８０７３号公報
【特許文献２】特開２００７−１２８８０３号公報
【特許文献３】特開平１１−２０４１１４号公報
【発明の開示】
【０００５】
ところで、一般的に、樹脂材料の導電性は金属材料やカーボン材料に比して劣るといわれている。この場合、例えば、上記特許文献３に示されているように、樹脂材料中に導電体を添加することにより、樹脂材料の導電性は幾分改善されるものの、十分な導電性を有するとはいい難い。さらに、樹脂材料を用いて拡散層とセパレータを形成した場合には、電極・電解質接合体（電極構造体）における電極反応によって発電された電気が触媒層（電極触媒層）から拡散層およびセパレータを介して出力されるため、各部材間の接触抵抗が加わり、発電された電気を効率よく出力することができない可能性がある。なお、上記特許文献２には、セパレータに対して導電性ピンを設けておき、発電された電気を外部に効率よく出力することが示されているが、この場合、導電性ピンは、ガス拡散材（カーボンペーパーやカーボンクロス）と集電板との両方に接触することになる。特に、薄いガス拡散材と導電性ピンとの接触は、触媒層（電極触媒層）の表面状態に起因して接触面積が小さくなる可能性が高く、その結果、接触抵抗がより増大する可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、非導電性の多孔質樹脂材料から形成しても導電性を良好に確保することができる燃料電池用ガス拡散層を提供することにある。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極触媒層と前記電極構造体によって発電された電気を集電する集電体との間に配置されて、前記電極触媒層に対して所定のガスを拡散して供給するための燃料電池用ガス拡散層において、非導電性の多孔質樹脂材料から形成されて、前記所定のガスを拡散させて導通する平板状の本体と、前記本体の前記電極触媒層に対向する対向面に形成されて、この対向面における開口の半径よりも小さな膜厚とされた導電性を有する薄膜層と、前記薄膜層と同一材料から形成されて、前記本体を貫通して前記電極触媒層と接触する前記薄膜層と前記集電体とを電気的に接続する導電部材とを備えていて、前記薄膜層と前記導電部材とを一体的に接合したことにある。この場合、前記薄膜層と前記導電部材とは、例えば、カーボンから形成されるとよい。
【０００８】
これらによれば、ガス拡散層を安価で軽量な非導電性の多孔質樹脂材料を用いて形成することができる。これにより、金属イオンの溶出がなく、燃料電池の耐久性を十分に確保することができる。また、非導電性の多孔質樹脂材料から形成されるガス拡散層の導電性を確保するために、本体の電極触媒層に対向する対向面上にて、例えば、優れた導電性を有するカーボンを用いた薄膜層を形成することができる。ここで、対向面に対して導電性を有する薄膜層を形成することにより、電極触媒層と薄膜層との接触状態（接触面積）を良好に確保することができる。これにより、発電された電気（より詳しくは、電極反応によって発生した電子）を、電極触媒層から薄膜層に、または、薄膜層から電極触媒層に損失を低減して伝達することができる。
【０００９】
また、薄膜層を形成するにあたっては、その膜厚が対向面における開口の半径よりも小さくなるように形成される。これにより、形成された薄膜層が対向面における開口を塞ぐことを防止でき、本体内を導通する所定のガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を電極触媒層に対して十分に供給することができる。
【００１０】
また、形成される薄膜層に対して、同一材料（例えばカーボン）から形成される導電部材を一体的に接合することができるため、薄膜層と導電部材との間の接触抵抗をほぼ「０」とすることができる。したがって、発電された電気（より詳しくは、電極反応によって発生した電子）を、薄膜層から導電部材に、または、導電部材から薄膜層に損失なく伝達することができる。そして、導電部材は、本体を貫通して薄膜層と集電体とを電気的に接続できるため、集電体を介して、発電された電気を効率よく出力することができる。
【００１１】
また、前記薄膜層は、例えば、前記導電部材が前記本体を貫通した状態で、前記本体の前記対向面に形成されるとよい。これによれば、導電部材に対して確実に一体的に接合させて薄膜層を形成することができる。したがって、ガス拡散層の導電性を良好に確保することができる。
【００１２】
そして、この場合には、前記薄膜層は、前記本体の前記対向面に蒸着によって形成されるとよい。これによれば、薄膜層と導電部材とを確実に一体的に接合させることができるとともに、均一の層厚を有する平滑な薄膜層を形成することができる。したがって、電極触媒層と薄膜層の接触状態（接触面積）をより良好に確保できて、ガス拡散層の導電性を良好に確保することができる。また、均一の層厚を確保できるため、薄膜層が対向面の開口を塞ぐことをより確実に防止することもできる。
【００１３】
また、前記導電部材は、前記本体に対して複数設けられるとよい。これによれば、導電部材と集電体との接触部位、言い換えれば、接触面積を増加させることができるため、導電部材と集電体との間の接触抵抗をより低減することができる。したがって、集電体を介して、発電された電気をより効率よく出力することができる。
【００１４】
そして、この場合には、前記導電部材は、例えば、棒状に形成されており、前記本体に形成された複数の貫通孔に対して圧入されて複数設けられるとよい。これによれば、例えば、棒状に形成された導電部材を本体に形成された貫通孔に圧入することができるため、導電部材の本体に対する変位を規制することができる。これにより、燃料電池を形成した場合であっても、薄膜層と集電体とに対する導電部材の接触状態（特に、導電部材と集電体との間の接触状態）を良好に維持することができる。したがって、発電された電気を長期間に渡り、効率よく出力することができる。
【００１５】
また、前記本体は、前記集電体から前記電極触媒層に向けて開口の半径が大きくなる多孔質樹脂材料から形成されるとよい。これによれば、本体は、電極構造体における電極反応によって、特にカソード電極側で生成される余分な水を電極触媒層から離れた位置まで吸水することができる。また、本体の対向面における開口の半径が大きくなることにより、薄膜層が形成されても、開口が塞がれることを効果的に防止することもできる。したがって、本体は、電極触媒層に対して所定のガスを良好に供給することができ、その結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００１６】
そして、この場合には、前記本体は、前記電極触媒層側に配置されて開口の半径の大きい第１の多孔質樹脂材料から形成される第１層と、前記集電体側に配置されて前記第１の多孔質材料よりも開口の半径の小さい第２の多孔質樹脂材料から形成される第２層とを含んで構成されるとよい。これによれば、極めて容易にかつ安価に電極触媒層側と集電体側とで、本体における開口の半径を異ならせることができる。したがって、この場合においても、本体は、電極触媒層に対して所定のガスを良好に供給することができ、その結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００１７】
また、本発明の他の特徴は、前記電極触媒層が層内で電気的に分割されており、前記薄膜層および前記集電体を、前記分割された電極触媒層に対応して電気的に分割することにもある。これによれば、燃料電池内にて電気的に直列、並列に接続したり、燃料電池内にて電圧を異ならせたりすることが可能となる。したがって、例えば、燃料電池の設置スペースなどに制限がある場合であっても、１つの燃料電池で要求される電気を供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係るガス拡散層を採用した固体高分子型燃料電池の単セルＴの主要部分を概略的に示している。単セルＴは、電極構造体としてのＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly：膜−電極アッセンブリ）１０と、燃料電池の外部から導入された燃料ガス（例えば、水素ガス）および酸化剤ガス（例えば、空気）を導通するとともに拡散してＭＥＡ１０に供給するガス拡散層２０と、ＭＥＡ１０による電極反応によって発電された電気を集電する集電体としての集電板３０と、図示しない樹脂フレーム（ガスケット）から構成されている。
【００１９】
ＭＥＡ１０は、図１に示すように、電解質膜１１を備えている。電解質膜１１は、水素イオン（Ｈ＋）を選択的に透過するイオン交換膜（例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標）など）から形成されるものである。そして、電解質膜１１の燃料ガスが供給される面すなわちアノード電極側における電極触媒層としての触媒層１２が形成され、酸化剤ガスが供給される面すなわちカソード電極側における電極触媒層としての触媒層１３が形成されている。
【００２０】
アノード電極側の触媒層１２およびカソード電極側の触媒層１３は、貴金属触媒（例えば、白金など）を担持したカーボン（以下、担持カーボンという）を主成分として形成されるものである。そして、触媒層１２，１３は、溶媒中に分散させた担持カーボンを電解質膜１１の両面に塗布した後、例えば、ホットプレスなどによって層状に形成される。このように形成される触媒層１２は、供給された燃料ガスすなわち水素ガスを水素イオン（Ｈ＋）と電子とに電離させる。また、触媒層１３は、供給された酸化剤ガスすなわち空気中の酸素と、アノード電極側から電解質膜１１を透過した水素イオン（Ｈ＋）と、アノード電極側の触媒層１２から供給される電子とから水を生成する。
【００２１】
カス拡散層２０は、図２にて一部を拡大して示すように、本体２１と、薄膜層としてのカーボン薄膜層２２と、導電部材としてのカーボン棒２３とから構成されている。本体２１は、非導電性の多孔質樹脂材料（例えば、三菱樹脂株式会社製フィルダス（登録商標）など）から形成され、例えば、２ｍｍ程度の厚みを有するものである。そして、本体２１は、図２に示すように、第１層２１ａと第２層２１ｂとを有する積層構造とされている。ＭＥＡ１０側に配置される第１層２１ａは、開口の半径（平均半径）が大きな（例えば、１０μｍ程度）第１多孔質樹脂材料から形成されており、集電板３０側に配置される第２層２１ｂは、開口の半径が第１多孔質樹脂の開口の半径よりも小さな（例えば、１μｍ程度）第２多孔質樹脂材料から形成されている。また、本体２１には、第１層２１ａと第２層２１ｂの積層方向にて開口する複数の貫通孔２１ｃが形成されている。
【００２２】
カーボン薄膜層２２は、例えば、周知のスパッタリング法により、本体２１を構成する第１層２１ａのＭＥＡ１０に対向する面（対向面）上にカーボンを蒸着して形成され、例えば、２μｍ程度の膜厚を有するものである。ここで、形成されるカーボン薄膜層２２の膜厚は、第１多孔質樹脂材料における開口の半径に比して小さく設定されている。このため、カーボン薄膜層２２が形成された後であっても、対向面における開口が完全に塞がれることが防止されるようになっている。
【００２３】
カーボン棒２３は、本体２１に形成された貫通孔２１ｃに比して僅かに大きな外形寸法を有するとともに、本体２１の厚み寸法に比して僅かに大きな長さを有している。そして、カーボン棒２３は、本体２１の貫通孔２１ｃに対して圧入されるようになっている。そして、カーボン棒２３は、カーボン薄膜２２と一体的に接合されるようになっている。以下、この接合について説明しておく。
【００２４】
ガス拡散層２０を作製するにあたっては、まず、カーボン棒２３を本体２１の貫通孔２１ｃのそれぞれに圧入しておく。次に、カーボン棒２３が圧入された本体２１に対して、スパッタリング法により、カーボンを対向面上に蒸着してカーボン薄膜層２２を形成する。ここで、スパッタリング法によれば、カーボン母材をターゲットとすることにより、このカーボン母材の表面から炭素原子が弾き飛ばされ、本体２１の対向面に到達した炭素原子はカーボン薄膜層２２を形成することができる。このとき、飛来する炭素原子がカーボン棒２３と同一であるため、カーボン棒２３と衝突した炭素原子は一体化しながらカーボン薄膜層２２を形成する。すなわち、カーボン薄膜層２２とカーボン棒２３とが同一材料（カーボン）であるため、カーボン薄膜層２２とカーボン棒２３との間に界面を形成することなく一体化して接合することができる。
【００２５】
なお、本実施形態においては、スパッタリング法を用いてカーボンを蒸着させてカーボン薄膜層２２を形成するように実施するが、他の方法（例えば、イオンプレーティング法など）を用いて、本体２１の対向面上にカーボン薄膜層２２を蒸着によって形成するように実施することも可能である。このように、他の方法を用いて蒸着によりカーボン薄膜層２２を形成する場合であっても、カーボン薄膜層２２とカーボン棒２３との間に界面を形成することなく一体化して接合することができる。
【００２６】
また、本実施形態においては、カーボンを蒸着させてカーボン薄膜層２２を形成するように実施するが、例えば、カーボンを塗布することにより、本体２１の対向面上にカーボン薄膜層２２を形成するように実施することも可能である。この場合には、塗布されたカーボンとの間に界面が形成される場合があるが、同一材料であるため、カーボン薄膜層２２とカーボン棒２３とを一体的に接合することができる。
【００２７】
集電板３０は、燃料電池の外部から導入される燃料ガスおよび酸化剤ガスとの混流を防止する機能と、ＭＥＡ１０における電極反応によって発電された電気を集電する機能とを有するものである。また、構成によっては、燃料電池を冷却する冷却水が単セルＴ内に浸入することを防止する機能をも有する。このため、集電板３０は、例えば、ステンレス薄板から形成されていて、ガス拡散層２０を介装した状態でＭＥＡ１０を挟持するようになっている。このようにＭＥＡ１０およびガス拡散層２０を挟持することにより、集電板３０は、図１に示したように、ガス拡散層２０のカーボン棒２３と当接した状態となる。これにより、集電板３０は、ガス拡散層２０の導電性に優れたカーボン薄膜層２２およびカーボン棒２３を介してＭＥＡ１０と電気的に接続されるため、発電された電気を効率よく集電して外部に出力することができる。
【００２８】
なお、集電板３０としては、上述したステンレス薄板に代えて、例えば、金めっきやニッケルめっきなどの防食処理を施した薄板鋼板などから形成することも可能である。また、集電板３０は、金属に代えて、例えば、導電性に優れたカーボンなど非金属の薄板から形成することも可能である。
【００２９】
このように構成された単セルＴは、燃料電池の要求出力に応じて複数積層され、燃料電池のスタックを形成する。そして、燃料電池スタックに対して、燃料ガスと酸化剤ガスが導入されると、各単セルＴのＭＥＡ１０のアノード電極側とカソード電極側にて電極反応が生じることによって発電する。以下、この電極反応について説明する。
【００３０】
上述したように、ＭＥＡ１０の電解質膜１１が水素イオン（Ｈ＋）を選択的に透過するイオン交換膜で形成された固体高分子型燃料電池においては、燃料ガス（水素ガス）および酸化剤ガス（空気）が供給されると、アノード電極側の触媒層１２とカソード電極側の触媒層１３にて、それぞれ下記の化学反応式１，２で示される反応が起きる。
アノード電極側：H2→2H++2e−  …化学反応式１
カソード電極側：2H++2e−+(1/2)O2→H2O  …化学反応式２
【００３１】
具体的に、アノード電極側の触媒層１２における電極反応から説明すると、燃料電池の外部から導入された水素ガスは、集電板３０によって空気との混流が防止された状態で、ガス拡散層２０の本体２１内を導通する。このとき、本体２１は多孔質樹脂材料から形成されているため、燃料ガスは本体２１内を導通することによって適切に拡散されて、対向面からＭＥＡ１０の触媒層１２に供給される。ここで、本体２１の対向面においては、カーボン薄膜層２２の膜厚が対向面における開口の半径よりも小さくなるように、言い換えれば、開口を塞がないように形成されているため、水素ガスは、触媒層１２の全面に渡って供給される。これにより、前記化学反応式１が生じて、水素ガスは水素イオン（Ｈ＋）と電子に電離される。そして、電離した水素イオン（Ｈ＋）はＭＥＡ１０の電解質膜１１を透過してカソード電極側に移動し、電離した電子は、図示しない外部回路を介してカソード電極側の触媒層１３に供給される。
【００３２】
ところで、触媒層１２はガス拡散層２０のカーボン薄膜層２２の全面と接触している。このため、電離した電子は、触媒層１２から導電性に優れるカーボン薄膜層２２に極めて容易に移動することができる。また、カーボン薄膜層２２とカーボン棒２３とは、ともにカーボンから形成されるものであり、かつ、一体化して接合されている。これにより、カーボン薄膜層２２に移動した電子は極めて容易にカーボン棒２３を移動して集電板３０まで移動することができる。そして、カーボン棒２３は複数設けられているため、カーボン棒２３と集電板３０との間の接触状態（接触面積）が良好に確保されている。このため、カーボン棒２３と集電板３０との間の接触抵抗が小さくなり、電子はカーボン棒２３から集電板３０に向けて容易に移動し、外部回路を介してカソード電極側の触媒層１３における電極反応に十分な電子を移動させることができる。
【００３３】
次に、カソード電極側の触媒層１３における電極反応を説明する。燃料電池の外部から導入された空気は、集電板３０によって水素ガスとの混流が防止された状態で、ガス拡散層２０の本体２１内を導通する。このとき、本体２１は多孔質樹脂材料から形成されているため、アノード電極側に供給される燃料ガスと同様に、空気は本体２１内を導通することによって適切に拡散されて、対向面からＭＥＡ１０の触媒層１３の全面に渡って供給される。これにより、前記化学反応式２が生じて、供給された空気中の酸素と、アノード電極側から電解質膜１１を透過した水素イオン（Ｈ＋）と、アノード電極側の触媒層１２から供給される電子とから水を生成する。
【００３４】
ここで、カソード電極側においても、ガス拡散層２０は、アノード電極側と同一の構成とされている。このため、外部回路を介して供給された電子は、集電板３０からカーボン棒２３に向けて容易に移動できる。また、カーボン棒２３とカーボン薄膜層２２とは一体化して接合されているため、電子はカーボン棒２３からカーボン薄膜層２２に極めて容易に移動することができる。さらに、カーボン薄膜層２２は触媒層１３の全面と接触している。このため、アノード電極側の触媒層１２から供給された電子は、カーボン薄膜層２２から触媒層１３に極めて容易に移動することができる。これにより、前記化学反応式１，２によって表わされる電極反応は、水素ガスおよび空気が供給される限り、適切に生じ、その結果、燃料電池は電気を発電することができる。
【００３５】
ところで、前記化学反応式１によって表わされる電極反応が生じると、アノード電極側の触媒層１２で電離される水素イオン（Ｈ＋）は、カソード電極側に向けて電解質膜１１中を水とともに移動する。言い換えれば、水素イオン（Ｈ＋）は、電解質膜１１中に保水されている水と水和することにより、アノード電極側からカソード電極側に移動する。このため、上述した電極反応の進行に伴って、アノード電極側における電解質膜１１の含水率は減少する。
【００３６】
このように、電解質膜１１の含水率が減少した状態（所謂、ドライアップ状態）となると、水素イオン（Ｈ＋）が移動するための水が不足する。この結果、水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１１を透過するときの電気抵抗が大きくなって、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。したがって、一般的に、アノード電極に水素ガスを供給するときには、電解質膜１１のドライアップ状態を解消するために、例えば、別途設けた加湿装置により加湿水（水蒸気やミスト）を付与した水素ガスが供給されるようになっている。
【００３７】
一方、カソード電極側の触媒層１３においては、前記化学反応式２によって表される電極反応が生じると、水が生成するため、この生成した水（以下、生成水という）を排水する必要がある。すなわち、生成水が触媒層１３の近傍に溜まると、空気が触媒層１３まで到達し難くなって、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。
【００３８】
これらのことに関し、ガス拡散層２０の本体２１は、上述したように、ＭＥＡ１０に対向する対向面側に開口の半径が大きい第１層２１ａを配置し、集電板３０側に開口の半径が小さい第２層２１ｂを配置するようにしている。これにより、アノード電極側に加湿水の付与された水素ガスが供給された場合には、対向面すなわち第１層２１ａの開口の半径が大きいため、水素ガスとともに加湿水を供給することができ、上述したドライアップ状態を適切に抑制することができる。一方、カソード電極側にて生成水が生じた場合には、まず、第１層２１ａに形成された多数の孔によって生成水が吸水され、その後、開口の半径が小さな第２層２１ｂに形成された多数の孔によって生成水が吸水される。
【００３９】
すなわち、触媒層１３の表面に生成水が存在する状況においては、まず、第１層２１ａによる毛細管現象が生じて、触媒層１３の表面から第１層２１ａ内に生成水が移動する。そして、第１層２１ａ内に生成水が移動すると、開口の半径が小さくより強く毛細管現象が生じる第２層２１ｂによって、第１層２１ａ内の生成水が第２層２１ｂに向けて移動するようになる。これにより、触媒層１３の表面および第１層２１ａ内に存在する生成水は、第２層２１ｂによって吸水されるため、外部から導入される空気を触媒層１３に対して良好に供給することができる。なお、第２層２１ｂによって吸水された生成水は、図１に示したように、導入される空気の圧力によって、本体２１から外部に排水される。このように、アノード電極側の保水とカソード電極側の排水が適切に行うことができるため、燃料電池における発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００４０】
以上の説明からも理解できるように、本実施形態によれば、ガス拡散層２０を安価で軽量な非導電性の多孔質樹脂材料を用いて形成することができる。これにより、金属イオンの溶出がなく、燃料電池の耐久性を十分に確保することができる。また、非導電性の多孔質樹脂材料から形成されるガス拡散層２０の導電性を確保するために、本体２１のＭＥＡ１０に対向する対向面上にて、優れた導電性を有するカーボンを用いたカーボン薄膜層２２を形成することができる。そして、対向面の全面に対して導電性を有するカーボン薄膜層２２を形成することにより、ＭＥＡ１０の触媒層１２，１３とカーボン薄膜層２２との接触状態（接触面積）を良好に確保することができる。これにより、発電された電気（より詳しくは、電極反応によって発生した電子）を、アノード電極側の触媒層１２からカーボン薄膜層２２に、または、カーボン薄膜層２２からカソード電極側の触媒層１３に損失を低減して伝達することができる。
【００４１】
また、カーボン薄膜層２２を形成するにあたっては、その膜厚が本体２１の対向面における開口の半径よりも小さくなるように形成される。これにより、形成されたカーボン薄膜層２２が対向面における開口を塞ぐことを防止でき、本体２１内を導通する燃料ガスおよび酸化剤ガスをＭＥＡ１０（より具体的には、触媒層１２，１３）に対して十分に供給することができる。
【００４２】
また、形成されるカーボン薄膜層２２に対して、同一材料であるカーボンから形成されるカーボン棒２３を一体化して接合することができるため、カーボン薄膜層２２とカーボン棒２３との間の接触抵抗をほぼ「０」とすることができる。したがって、発電された電気（より詳しくは、電極反応によって発生した電子）を、カーボン薄膜層２２からカーボン棒２３に、または、カーボン棒２３からカーボン薄膜層２２に損失なく伝達することができる。そして、カーボン棒２３は、本体２１を貫通してカーボン薄膜層２２と集電板３０とを電気的に接続できるため、集電板３０を介して、発電された電気を効率よく出力することができる。
【００４３】
また、カーボン薄膜層２２を形成するにあたっては、本体２１に対してカーボン棒２３を圧入した状態としておき、スパッタリング法によってカーボンを対向面に蒸着することによってカーボン薄膜層２２を形成することができる。これにより、カーボン薄膜層２２とカーボン棒２３とを確実に一体化して接合させることができるとともに、均一の層厚を有する平滑なカーボン薄膜層２２を形成することができる。したがって、ＭＥＡ１０の触媒層１２，１３とカーボン薄膜層２２との接触状態（接触面積）をより良好に確保できて、ガス拡散層２０の導電性を良好に確保することができる。また、均一の層厚を確保できるため、カーボン薄膜層２２が本体２１の対向面における開口を塞ぐことをより確実に防止することもできる。
【００４４】
また、カーボン棒２３を複数設けることができる。これにより、カーボン棒２３と集電板３０との接触部位、言い換えれば、接触面積を増加させることができるため、カーボン棒２３と集電板３０との間の接触抵抗をより低減することができる。したがって、集電板３０を介して、発電された電気をより効率よく出力することができる。
【００４５】
また、カーボン棒２３を本体２１に形成した貫通孔２１ｃ内に圧入することにより、カーボン棒２３の本体２１に対する変位を規制することができる。これにより、燃料電池スタックを形成した場合であっても、カーボン薄膜層２２と集電板３０とに対するカーボン棒２３の接触状態（特に、カーボン棒２３と集電板３０との間の接触状態）を良好に維持することができる。したがって、発電された電気を長期間に渡り、効率よく出力することができる。
【００４６】
また、本体２１を第１層２１ａと第２層２１ｂとから形成することができるため、極めて容易にかつ安価にＭＥＡ１０側と集電板３０側とで、本体２１における開口の半径を異ならせることができる。したがって、本体２１は、ＭＥＡ１０における電極反応によって、特にカソード電極側で生じた生成水を触媒層１３から離れた位置まで吸水することができる。また、本体２１の対向面における開口の半径が大きくなることにより、カーボン薄膜層２２が形成されても、開口が塞がれることを効果的に防止することもできる。したがって、本体２１は、触媒層１２，１３に対して燃料ガス（水素ガス）または酸化剤ガス（空気）を良好に供給することができ、その結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【００４７】
本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【００４８】
例えば、上記実施形態においては、単セルＴを形成するＭＥＡ１０の触媒層１２，１３に対して全面で接触するカーボン薄膜層２２を形成し、このカーボン薄膜層２２と集電板３０とをカーボン棒２３を介して電気的に接続して実施した。これに対して、本体２１が非導電性の多孔質樹脂材料から形成されるものであるため、図３に示すように、絶縁体を用いて１つの触媒層１２，１３分割し、この分割された触媒層１２１，１２２，１３１，１３２に接触するように、絶縁体を用いて１つのカーボン薄膜層２２を分割してカーボン薄膜層２２１，２２２を形成し、さらに、カーボン薄膜層２２１，２２２とカーボン棒２３を介して電気的に接続されるように、絶縁体を用いて１つの集電板３０を分割して集電板３０１，３０２を備えるようにして実施することも可能である。
【００４９】
このように、絶縁体により分割して、触媒層１２１，１２２，１３１，１３２、カーボン薄膜層２２１，２２２および集電板３０１，３０２を形成することにより、単セルＴを電気的に分割することができる。これにより、例えば、外部回路による接続態様を適宜変更することによって、単セルＴ内にて電気的に直列、並列に接続したり、単セルＴ内にて電圧を異ならせたりすることが可能となる。したがって、上記実施形態における効果に加えて、例えば、燃料電池の設置スペースなどに制限がある場合であっても、１つの燃料電池で要求される電気を供給できるという効果が期待できる。
【００５０】
また、上記実施形態においては、電解質膜１１に触媒層１２，１３を一体的に形成するように実施した。しかし、ガス拡散層２０のカーボン薄膜層２２を形成した後、このカーボン薄膜層２２上に触媒層１２，１３を一体的に形成し、電解質膜１１を挟持するように実施することも可能である。なお、この場合には、触媒層１２，１３を予め、例えば、シート状に形成しておき、このシート状の触媒層１２，１３をカーボン薄膜層２２上に貼り付けるようにするとよい。これにより、触媒層１２，１３とカーボン薄膜層２２との間の接触抵抗をより低減することができる。
【００５１】
また、上記実施形態においては、電解質膜１１が水素イオン（Ｈ＋）を選択的に透過するイオン交換膜から形成されるように実施した。また、ガス拡散層２０の薄膜層として非金属のカーボン薄膜層２２を形成して実施した。これにより、電解質膜１１への金属イオンの溶出を防止して、燃料電池の耐久性を十分に確保するようにした。
【００５２】
ところで、電解質膜を、アニオン（より具体的には、水酸化物イオン（ＯＨ−））を選択的に透過するイオン交換膜（例えば、トクヤマ社製ネオセプタ（登録商標）など）から形成する場合には、ガス拡散層のアノード電極に対向する側の薄膜層および導電部材を水素吸蔵合金を用いて形成するように実施することも可能である。この場合には、電解質膜中を水酸化物イオン（ＯＨ−）が移動するため、ＭＥＡの周辺環境がアルカリ性となる。これにより、金属の腐食が抑制されるため、電解質膜への金属イオンの溶出を防止することができて、燃料電池の耐久性を十分に確保することができる。
【００５３】
また、上記実施形態においては、本体２１を第１層２１ａと第２層２１ｂとから形成するように実施した。すなわち、上記実施形態においては、第１層２１ａを形成する第１多孔質樹脂材料と第２層２１ｂを形成する第２多孔質材料とを用いて、本体２１を形成するように実施した。これに対して、本体２１を単一の多孔質樹脂材料から形成して実施可能であることはいうまでもない。この場合には、開口の半径が同一であり、上述したカソード電極側にて発生した水に対する本体２１の吸水特性が若干悪化する場合があるものの、上記実施形態と同様の効果が期待できる。なお、このように、単一の多孔質樹脂材料から本体２１を形成する場合においても、例えば、開口の半径を集電板３０側からＭＥＡ１０側に向けて大きくして実施することが好ましい。
【００５４】
また、上記実施形態においては、本体２１を第１層２１ａと第２層２１ｂの２層によって形成して実施した。しかしながら、第１層２１ａと第２層２１ｂを含むものであれば、本体２１を形成する層の数については２層に限定されるものではない。
【００５５】
さらに、上記実施形態におけるガス拡散層２０に関しては、例えば、外部から導入されたガスを流通させるための流路を形成して実施することも可能である。具体的には、ガス拡散層２０の本体２１における第１層２１ａに流路を形成するとよい。この場合、形成される流路としては、例えば、ガスの導入位置から導出位置に向けて延出する溝状の流路を形成するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る単セルの概略的な構成を示した断面図である。
【図２】図１のガス拡散層の構成を説明するための拡大図である。
【図３】本発明の変形例に係る単セルの概略的な構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…ＭＥＡ、１１…電解質膜、１２…触媒層（アノード電極側）、１３…触媒層（カソード電極側）、２０…ガス拡散層、２１…本体、２１ａ…第１層、２１ｂ…第２層、２２…カーボン薄膜層、２３…カーボン棒、３０…集電板
【図１】
2009230869.tif 000003
【図２】
2009230869.tif 000004
【図３】
2009230869.tif 000005