(57)【要約】【課題】ガス透過性の向上（圧力損失の抑制）と集電効率の向上とを両立でき、その結果として、固体高分子型燃料電池の発電効率及び出力を向上できる燃料電池用多孔質部材、その燃料電池用多孔質部材の製造方法、及び、その燃料電池用多孔質部材を用いた燃料電池を提供すること。【解決手段】本発明の燃料電池用多孔質部材によれば、金属多孔体の表面に配設される細孔層が、該金属多孔体の表面に堆積された導電性粒子から構成される導電性粒子部を含んでおり、かかる導電性粒子部の存在によって、細孔層の電子抵抗が低減されると共に、表面が好適に平滑化される。その結果、燃料電池用多孔質部材におけるガス透過性の向上（圧力損失の抑制）と集電効率の向上とを両立できるので、かかる燃料電池用多孔質部材を採用した燃料電池は優れた発電効率及び出力密度を発揮し得る。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性繊維から構成され、３次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体と、
その金属多孔体における面方向の表面側に接触され、導電性及び撥水性を有すると共に相互連通する多数の細孔を有する細孔層とを備え、
前記細孔層は、前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積された導電性粒子から形成される導電性粒子部と、その導電性粒子部を介して前記金属多孔体に圧着された材料から形成され相互連通する多数の細孔を有すると共に少なくとも撥水性を有する有機多孔質部とを含んでいることを特徴とする燃料電池用多孔質部材。
【請求項２】
前記導電性粒子部は、
前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積され、前記金属多孔体の孔径より大きな粒径の第１導電性粒子から構成される基部と、
その基部における前記第１導電性粒子の堆積高さ方向にさらに堆積され、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第２導電性粒子から構成される表面部とを有していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用多孔質部材。
【請求項３】
前記有機多孔質部は、撥水性と共に導電性を有しており、前記導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て、前記金属多孔体における面方向の表面から前記導電性繊維の直径相当の深さまで侵入していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用多孔質部材。
【請求項４】
固体高分子電解質膜と、
その固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有するアノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有するカソード触媒層と、
そのカソード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面、及び、前記アノード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面に、それぞれ、前記細孔層を接触させて配置される請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用多孔質部材とを備えていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
親水性表面を有する導電性繊維から構成され、３次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体と、その金属多孔体における面方向の表面側に接触され、導電性及び撥水性を有すると共に相互連通する多数の細孔を有する細孔層とを備えている燃料電池用多孔質部材の製造方法であって、
前記金属多孔体における面方向の表面に、導電性粒子を散布して堆積させる導電性粒子堆積工程と、
その導電性粒子堆積工程による前記導電性粒子の堆積によって形成された導電性粒子部と少なくとも撥水性を有し相互連通する多数の細孔を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを圧着し、前記導電性粒子部及び前記有機多孔質部を含んで構成される前記細孔層と前記金属多孔体との接合体を得る接合工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用多孔質部材の製造方法。
【請求項６】
前記導電性粒子堆積工程は、
前記金属多孔体における面方向の表面に堆積可能な粒径の第１導電性粒子を所定厚さに堆積させて基部を形成する第１堆積工程と、
その第１堆積工程による前記基部の形成後、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第２導電性粒子をさらに堆積させて表面部を形成する第２堆積工程とを含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法。
【請求項７】
前記材料は、相互連通する多数の細孔を有し撥水性及び導電性を有する有機多孔質部を形成可能な材料であり、
前記接合工程では、前記導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て該金属多孔体へ侵入する前記材料の侵入深さを制御する圧着高さ制御手段を使用することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型の燃料電池に使用可能な多孔質部材に関し、特に、固体高分子型燃料電池の発電効率及び出力密度を向上できる多孔質部材に関するものである。また、本発明は、かかる多孔質部材を用いた固体高分子型の燃料電池、及び、該多孔質部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、アノード電極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）とカソード電極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。
【０００３】
具体的には、固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極及びカソード電極でそれぞれ生じる以下の電極反応の結果として、全体として、水素と酸素とによる水生成反応が進行して起電力を発生する。
【０００４】
アノード電極：    Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード電極：  （１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
【０００５】
かかる固体高分子型燃料電池における電極（アノード電極、カソード電極）は、一般的に、電極反応の反応場となる触媒層と、その触媒層に当接し、外部から供給されるガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を各触媒層へ拡散させるガス拡散層とを含んで構成されている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００６】
ここで、特許文献２及び３には、ガス拡散層として金属多孔体を使用した電極が記載されている。例えば、特許文献２は、ガス拡散層として利用可能な多孔体部材として、３次元網目構造を有する金属多孔体と、撥水性を有する有機多孔体膜とを積層して成り、有機多孔体膜の表面の一部に金属多孔体が露出する多孔質部材を記載している。また、特許文献３は、ガス拡散層として利用可能な金属多孔体として、触媒層に接触する側に、中心側の気孔率より低気孔率となる層を設けた金属多孔体を記載している。
【０００７】
ガス拡散層を金属多孔体から構成した電極は、カーボン多孔体をガス拡散層とする場合に比べて、ガス透過性（ガス供給性）及び集電性に優れており、燃料電池の出力密度を向上させることができる。
【特許文献１】特開平３−２９５１７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２７２６３８号公報
【特許文献３】特開２００３−２８２０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載される多孔質部材は、集電抵抗が金属多孔体の繊維間距離（ピッチ）に依存することになる。金属多孔体の気孔率の増大は、ガス透過性を向上する（ガスの圧力損失を抑制する）という点において有効であるが、その一方で、繊維間距離が増大することとなり、集電抵抗が増大して集電効率を低下させる。よって、特許文献２に記載される多孔質部材は、ガス透過性の向上と集電効率の向上との両立が困難であるという問題点があった。
【０００９】
また、特許文献３に記載される金属多孔体は、触媒層に接触する側の層が低気孔率に構成されているので、集電抵抗を低減することができる。しかし、その一方で、金属から構成されている金属多孔体は、その全体が親水性を有しているので、当然、触媒層と接触する低気孔率層もまた親水性を有している。そのため、かかる金属多孔体は、触媒層にて生成された水の排出性に劣っており、金属多孔体の空孔内に水膜が形成され易いという問題点があった。金属多孔体の空孔内に水膜が形成されると、該空孔内に水の滞留が生じるので、ガス透過性を悪化させて、燃料電池の発電性能を低下させる。
【００１０】
これに対し、特許文献３に記載される金属多孔体とは異なり、表面に撥水性の細孔層が形成された金属多孔体は、触媒層にて生成された水を金属多孔体側へ排出し易く、水膜の形成によるガス透過性の悪化を抑制できる。しかし、金属多孔体の気孔率が増大する程、金属多孔体の表面はより粗くなる。そして、一般的には、細孔層を厚くすることによって表面粗さを吸収し、細孔層表面（触媒層と接触される側の表面）を平滑化することが行われている。
【００１１】
撥水性の細孔層は、組成分である疎水性樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）に起因して、その厚みが厚くなるに従って電子抵抗も大きくなるので、金属多孔体の気孔率を増大させると、背反的に電子抵抗が増大して集電効率を低下させてしまうことになる。よって、表面に撥水性の細孔層が形成された金属多孔体は、水の排出性に優れるものの、ガス透過性の向上と集電効率の向上との両立が困難であるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ガス透過性の向上（圧力損失の抑制）と集電効率の向上とを両立でき、その結果として、固体高分子型燃料電池の発電効率及び出力密度を向上できる燃料電池用多孔質部材を提供することを目的としている。さらに、本発明は、該燃料電池用多孔質部材を用いた固体高分子型の燃料電池、及び、該燃料電池用多孔質部材の製造方法を提供することもまた目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池用多孔質部材は、導電性繊維から構成され、３次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体と、その金属多孔体における面方向の表面側に接触され、導電性及び撥水性を有すると共に相互連通する多数の細孔を有する細孔層とを備え、前記細孔層は、前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積された導電性粒子から形成される導電性粒子部と、その導電性粒子部を介して前記金属多孔体に圧着された材料から形成され相互連通する多数の細孔を有すると共に少なくとも撥水性を有する有機多孔質部とを含んでいる。
【００１４】
請求項２記載の燃料電池用多孔質部材は、請求項１記載の燃料電池用多孔質部材において、前記導電性粒子部は、前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積され、前記金属多孔体の孔径より大きな粒径の第１導電性粒子から構成される基部と、その基部における前記第１導電性粒子の堆積高さ方向にさらに堆積され、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第２導電性粒子から構成される表面部とを有している。
【００１５】
請求項３記載の燃料電池用多孔質部材は、請求項１又は２に記載の燃料電池用多孔質部材において、前記有機多孔質部は、撥水性と共に導電性を有しており、前記導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て、前記金属多孔体における面方向の表面から前記導電性繊維の直径相当の深さまで侵入している。
【００１６】
請求項４記載の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、その固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有するアノード触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有するカソード触媒層と、そのカソード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面、及び、前記アノード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面に、それぞれ、前記細孔層を接触させて配置される請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用多孔質部材とを備えている。
【００１７】
請求項５記載の製造方法は、親水性表面を有する導電性繊維から構成され、３次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体と、その金属多孔体における面方向の表面側に接触され、導電性及び撥水性を有すると共に相互連通する多数の細孔を有する細孔層とを備えている燃料電池用多孔質部材を製造するための方法であって、前記金属多孔体における面方向の表面に、導電性粒子を散布して堆積させる導電性粒子堆積工程と、その導電性粒子堆積工程による前記導電性粒子の堆積によって形成された導電性粒子部と少なくとも撥水性を有し相互連通する多数の細孔を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを圧着し、前記導電性粒子部及び前記有機多孔質部を含んで構成される前記細孔層と前記金属多孔体との接合体を得る接合工程とを備えている。
【００１８】
請求項６記載の製造方法は、請求項５記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法において、前記導電性粒子堆積工程は、前記金属多孔体における面方向の表面に堆積可能な粒径の第１導電性粒子を所定厚さに堆積させて基部を形成する第１堆積工程と、その第１堆積工程による前記基部の形成後、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第２導電性粒子をさらに堆積させて表面部を形成する第２堆積工程とを含む。
【００１９】
請求項７記載の製造方法は、請求項５又は６に記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法において、前記材料は、相互連通する多数の細孔を有し撥水性及び導電性を有する有機多孔質部を形成可能な材料であり、前記接合工程では、前記導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て該金属多孔体へ侵入する前記材料の侵入深さを制御する圧着高さ制御手段を使用する。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１記載の燃料電池用多孔質部材によれば、導電性繊維から３次元網目構造に形成され、相互に連通する多数の空孔を有する金属多孔体を有している。よって、かかる金属多孔体を有する燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用した場合、即ち、金属多孔体を有する燃料電池用多孔質部材を反応場となる触媒層とガス遮断性を有する導電性のプレートとの間に配設された場合には、金属多孔体の内部に存在する多数の空孔をガス（酸化剤ガス、燃料ガス）の流路として機能させることができる。
【００２１】
また、請求項１記載の燃料電池用多孔質部材によれば、金属多孔体における面方向の表面側には、相互連通する多数の細孔を有する細孔層が形成されている。ここで、かかる細孔層は、金属多孔体における面方向の表面側に堆積された導電性粒子から形成される導電性粒子部と、その導電性粒子部を介して金属多孔体に圧着された材料から形成され相互連通する多数の細孔を有すると共に少なくとも撥水性を有する有機多孔質部とを含んでいる。
【００２２】
かかる細孔層を有する燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用した場合には、その導電性によって電極反応の反応場となる触媒層と金属多孔体との間における電子移動を可能とする。また、有機多孔質部が有する撥水性により、電極反応の反応場となる触媒層にて生成された水が金属多孔体の側へ移動（排出）され易い。よって、集電性及びガス透過性（ガス供給性）に優れており、かかる細孔層を有する燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用した場合には、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができる。
【００２３】
よって、気孔率を増大させてガス透過性を向上（圧力損失の低減）させたとしても、気孔率の増大に背反して生じる集電効率の悪化が抑制されるので、ガス透過性の向上と集電効率の向上とを両立させることができるという効果がある。
【００２４】
請求項２記載の燃料電池用多孔質部材によれば、請求項１記載の燃料電池用多孔質部材の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。細孔層における導電性粒子部は、金属多孔体における面方向の表面側に堆積され、金属多孔体の孔径より大きな粒径の第１導電性粒子から構成される基部と、その基部における第１導電性粒子の堆積高さ方向にさらに堆積された第２導電性粒子から構成される表面部とを含んでいる。なお、第２導電性粒子は、金属多孔体の孔径より小さい粒径の導電性粒子である。
【００２５】
まず、基部を構成する第１導電性粒子が、金属多孔体の表面粗さを吸収すると共に、細孔層における厚さ方向の導電性を高める。そして、表面部を構成する第２導電性粒子が、金属多孔体の孔径より小さな粒径の導電性粒子であるので、基部を構成する導電性粒子の面方向の電気的な接続を補強し、その結果として、細孔層における面方向の導電性を高める（面方向の抵抗を低減する）。このように、請求項２記載の燃料電池用多孔質部材によれば、細孔層における高さ方向及び面方向の導電性を向上させることができる。
【００２６】
また、導電性粒子部における表面部は、金属多孔体の孔径より小さな粒径の第２導電性粒子から構成されているので、導電性粒子部の表面に位置する導電性粒子（主に、表面部を構成する第２導電性粒子）の頂部間のピッチが、金属多孔体の繊維間距離に比べて短いピッチとされる。よって、集電抵抗が改善される。さらに、導電性粒子部の表面には、表面部を構成する小径の第２導電性粒子が主に並ぶので、凹凸が生じ難く、細孔層表面は好適に平滑化される。
【００２７】
従って、請求項２記載の燃料電池用多孔質部材によれば、集電効率に優れると共に、触媒層との作用面積を増大させることができるという効果がある。かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することによって、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができるので、燃料電池への適用に有用である。
【００２８】
また、基部を構成する第１導電性粒子が金属多孔体の孔径より大きな粒径であることにより、導電性粒子部を構成する導電性粒子（第１導電性粒子、及び、第１導電性粒子の上に堆積される第２導電性粒子）が金属多孔体の空孔を通過して脱落することを抑制できる。
【００２９】
請求項３記載の燃料電池用多孔質部材によれば、請求項１又は２に記載の燃料電池用多孔質部材の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。細孔層の一部であり撥水性と共に導電性を有する有機多孔質部が、導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て、金属多孔体における面方向の表面から導電性繊維の直径相当の深さまで侵入されているので、細孔層と金属多孔体との間に十分な接触を確保することができる。
【００３０】
また、有機多孔質部が金属多孔体における面方向の表面から導電性繊維の直径相当の深さまで侵入されたことにより、細孔層における水パス（水の経路）となる有機多孔質部の細孔と、金属多孔体の水パスとなる導電性繊維表面との接触確率を高めることができるので、細孔層と金属多孔体との間において水パスの連通性が高まり、細孔層が液体水によって閉塞されることを好適に防止できる。
【００３１】
よって、請求項３記載の燃料電池用多孔質部材によれば、細孔層が、触媒層と金属多孔体との間における電子移動を好適に中継できると共に、液体水を好適に金属多孔体側へ排出することができるので、かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することにより、燃料電池の発電効率及び出力効率を向上させることができるという効果がある。
【００３２】
請求項４記載の燃料電池は、請求項１から３のいずれかに記載される燃料電池用多孔質部材を使用するので、請求項１から３のいずれかに記載される燃料電池用多孔質部材が奏する効果と同様の効果を奏する。特に、燃料電池用多孔質部材における細孔層表面が、導電性粒子層の存在によって好適に平滑化されていることにより、触媒層との作用面積が増大して触媒利用率が向上するので、発電効率及び出力密度を向上できるという効果がある。
【００３３】
請求項５記載の製造方法（燃料電池用多孔部材の製造方法）によれば、導電性粒子堆積工程によって、親水性表面を有する導電性繊維から構成され３次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体における面方向の表面に導電性粒子を散布して、該導電性粒子を金属多孔体における面方向の表面に堆積させてから、導電性粒子の堆積によって形成された導電性粒子部と、少なくとも撥水性を有し相互連通する多数の細孔を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを、接合工程によって圧着させて、導電性粒子部及び有機多孔質部を含んで構成される細孔層と金属多孔体との接合体を得る。
【００３４】
ここで、金属多孔体における面方向の表面に導電性粒子（例えば、金属粒子や、金属の被覆によって導電性が付与された粒子や、導電性材料から構成される粒子など）を予め堆積させるので、金属多孔体の表面粗さを導電性粒子によって吸収させることができ、その結果として、細孔層表面を好適に平滑化することができる。従って、金属多孔体の気孔率を増大させた場合であっても、電子抵抗となる有機多孔質部の厚さの増大に頼ることなく細孔層表面を平滑化することができる。
【００３５】
よって、気孔率を増大させてガス透過性を向上（圧力損失の低減）させたとしても、気孔率の増大に背反して生じる集電効率の悪化が抑制されるので、ガス透過性の向上と集電効率の向上とを両立させることができるという効果がある。
【００３６】
また、導電性粒子が金属多孔体における面方向の表面側に堆積されることにより、細孔層における厚さ方向の抵抗が低減されて導電性が高まるという効果がある。
【００３７】
従って、請求項５記載の製造方法によって製造された燃料電池用多孔質部材は、集電効率及びガス透過性（ガス供給性）に優れているので、かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することによって、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができる。また、細孔層表面が平滑化されたことにより、触媒層との作用面積（接触面積）が増大するので、触媒利用率が向上し、その点においても、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができる。よって、燃料電池への適用に有用である。
【００３８】
請求項６記載の製造方法（燃料電池用多孔部材の製造方法）によれば、請求項５記載の製造方法の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。導電性粒子堆積工程によって導電性粒子を金属多孔体における面方向の表面に堆積させる場合には、まず、第１堆積工程により、金属多孔体における面方向の表面に堆積可能な粒径の第１導電性粒子を所定厚さに堆積させて基部の形成を行った後、第２堆積工程により、金属多孔体の孔径より小さな粒径の第２導電性粒子をさらに堆積させて表面部の形成を行う。
【００３９】
ここで、第１堆積工程によって先に散布され、金属多孔体における面方向の表面側に形成された基部を構成する第１導電性粒子が、金属多孔体の表面粗さを吸収すると共に、細孔層における厚さ方向の導電性を高める。一方で、第１堆積工程の後に行われる第２堆積工程によって形成される表面部は、金属多孔体の孔径より小さな粒径の第２導電性粒子から構成されているので、基部を構成する導電性粒子の面方向の電気的な接続を補強し、その結果として、細孔層における面方向の導電性を高める（面方向の抵抗を低減する）。従って、請求項６記載の製造方法によって製造される燃料電池用多孔質部材によれば、細孔層における高さ方向及び面方向の導電性に優れている。
【００４０】
また、表面部を構成する第２導電性粒子は、金属多孔体の孔径より小さな粒径の導電性粒子であるので、導電性粒子部の表面に位置する導電性粒子（主に、表面部を構成する第２導電性粒子）の頂部間のピッチを、金属多孔体の繊維間距離に比べて短いピッチにすることができ、集電抵抗を改善することができる。さらに、導電性粒子部の表面には、表面部を構成する小径の第２導電性粒子が主に並ぶので、凹凸が生じ難く、細孔層表面は好適に平滑化される。
【００４１】
よって、導電性粒子の粒径に応じて、導電性粒子堆積工程を２段階の工程（第１堆積工程、第２堆積工程）に分けることによって、集電効率を向上させることができると共に、触媒層との作用面積を増大させることができるという効果がある。かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することによって、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができるので、燃料電池への適用に有用である。
【００４２】
また、第１堆積工程において散布する第１導電性粒子の粒径が、金属多孔体における面方向の表面側に堆積可能な粒径、即ち、金属多孔体の繊維間距離程度（もしくは、金属多孔体の空孔の直径程度）又はそれ以上の粒径であることにより、導電性粒子部を構成する導電性粒子（第１導電性粒子、及び、第１導電性粒子の上に堆積される第２導電性粒子）が金属多孔体の空孔を通過して脱落することを抑制できる。
【００４３】
請求項７記載の製造方法（燃料電池用多孔部材の製造方法）によれば、請求項５又は６に記載の製造方法の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。接合工程では、金属多孔体と、相互連通する多数の細孔を有し撥水性及び導電性を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを圧着する際に、圧着高さ制御手段を使用し、導電性粒子層の間隙を経て該金属多孔体へ侵入する該材料の侵入深さの制御を行う。
【００４４】
よって、細孔層の一部である有機多孔質部を、導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て、金属多孔体における面方向の表面から侵入させる深さを最適な侵入深さに制御できるので、細孔層と金属多孔体との間における接触抵抗と、細孔層から金属多孔層への水の移動を最適に制御できるという効果がある。その結果、かかる製造方法によって製造された燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することにより、燃料電池の発電効率及び出力効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態における燃料電池単セル１０（以下、「燃料電池１０」と称する）を含む燃料電池スタック５０から構成される燃料電池システム１を示す模式図である。
【００４６】
燃料電池システム１は、図２を参照しつつ後述する燃料電池スタック５０と、水素タンク３３と、空気ファン３４と、循環ポンプ３６を介して燃料電池スタック５０の所定箇所（例えば、下部）に接続されるラジエータ３７とから主に構成される。
【００４７】
この燃料電池システム１において、水素タンク３３は、燃料ガス（本実施形態では、水素）を貯蔵するタンクであり、バルブ３２を介して、燃料電池スタック５０における燃料ガス供給口５０ｃ（図２参照）に接続されている。バルブ３２を開放することにより、水素タンク３３に貯蔵されている水素を燃料電池スタック５０の内部へ供給することができる。
【００４８】
空気ファン３４は、酸化剤ガス（本実施形態では、空気）を外界から取り込み、酸化剤供給口５０ａ（図２参照）へ送風することにより、酸化剤ガスを燃料電池スタック５０の内部へ供給するものである。
【００４９】
詳細は後述するが、空気ファン３４を作動させて酸化剤ガスが酸化剤供給口５０ａへ供給され、一方で、バルブ３２の開放によって水素タンク３３から燃料ガスが燃料ガス供給口５０ｃへ供給されると、燃料電池スタック５０を構成する各燃料電池１０（図２参照）が発電する。
【００５０】
燃料電池スタック５０は、各燃料電池１０で発電された電気を集電し、電流取り出し部である集電端子５０ｅ，５０ｆ（いずれも図２参照）から直流電流を取り出すことができる。燃料電池スタック５０から取り出された直流電流は、燃料電池スタック５０と電気的に接続される負荷３５（例えば、自動車のモータなど）へ供給され、その結果として、負荷３５を駆動することができる。
【００５１】
図２は、本実施形態における燃料電池１０を含む燃料電池スタック５０を模式的に示す斜視図である。図２に示すように、燃料電池スタック５０は、後述する燃料電池１０の複数個が矢印Ｘ−Ｘ方向に積層された積層体である。
【００５２】
燃料電池スタック５０において、隣接する燃料電池１０は、一方の燃料電池１０における導電性のカソード側セパレータ１１（図３参照）と、他方の燃料電池１０における導電性のアノード側セパレータ１２（図３参照）との接触によって、電気的に直列接続されている。
【００５３】
燃料電池スタック５０において、図２における最も手前側に位置する燃料電池１０の露出表面には、燃料電池スタック５０の内部に形成される酸化剤ガス流路（図示せず）に連通する酸化剤ガス供給口５０ａが開口されている。
【００５４】
空気ファン３４（図１参照）の作動により外界から取り込まれた酸化剤ガス（空気）は、この酸化剤ガス供給口５０ａを介して燃料電池スタック５０内部へ供給され、図示されない酸化剤ガス流路を経由して、各燃料電池１０のカソード電極１３（図３参照）の上流側へ供給される。
【００５５】
なお、図示はしないが、燃料電池スタック５０におけるカソード電極１３（図３参照）の下流側の端部が露出されるように構成されており、カソード電極１３の上流側へ供給された酸化剤ガスは、その露出端から外界へ排出されるように構成されている。
【００５６】
また、図２に示す燃料電池スタック５０における最も手前側に位置する燃料電池１０の露出表面には、燃料電池スタック５０の内部に形成される燃料ガス流路（図示せず）に連通する燃料ガス供給口５０ｂが形成されている。バルブ３２（図１参照）を開放すると、燃料ガスが、水素タンク３３（図１参照）から燃料ガス供給口５０ｂを介して燃料電池スタック５０内部へ供給され、図示されない燃料ガス流路を経由して、各燃料電池１０のアノード電極１４（図３参照）へ供給される。
【００５７】
一方で、図２に示す燃料電池スタック５０における最も奥側に位置する燃料電池１０の露出表面には、燃料電池スタック５０の内部に形成される燃料ガス流路（図示せず）に連通する燃料ガス供給口５０ｃ（図２では燃料電池スタック５０の裏面側となるため、手前側に隠れ線により図示）が形成されている。燃料ガス供給口５０ｂから燃料電池スタック５０の内部へ供給された燃料ガスは、最終的に、この燃料ガス排出口５０ｃから排出される。
【００５８】
よって、酸化剤ガス供給口５０ａ及び燃料ガス供給口５０ｂから、それぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック５０の内部へ供給することにより、各燃料電池１０を発電させることができ、その結果として、燃料電池スタック５０から直流電流を取り出すことができる。燃料電池スタック５０には、上部に集電端子５０ｄ，５０ｅが設けられており、各燃料電池１０の発電の結果生じた電流は、これらの集電端子５０ｄ，５０ｅから直流電流として取り出すことができる。
【００５９】
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態の燃料電池１０について説明する。図３は、燃料電池１０の主要部分を示す模式的な部分断面図である。
【００６０】
図３に示すように、燃料電池１０は、固体高分子電解質膜１５と、その固体高分子電解質１５の両面に配設されたカソード電極１３及びアノード電極１４と、これらの一対の電極１３，１４の外面側にそれぞれ配された導電性のカソード側セパレータ１１及びアノード側セパレータ１２とから構成される積層体である。
【００６１】
固体高分子電解質膜１５としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。
【００６２】
カソード電極１３は、図３に示すように、カソード側セパレータ１１に当接する第１多孔体２３と、固体高分子電解質１５に当接する触媒層３３とから構成される多孔体電極である。
【００６３】
触媒層３３は、固体高分子電解質膜１５に当接されてカソード電極１３における電極反応を促進するための層であり、固体高分子電解質膜１５における他方の面に当接するアノード電極１４の触媒層１４ｃと共に、酸素と水素との電気化学反応を促進する。この触媒層３３としては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。
【００６４】
第１多孔体２３は、図３に示すように、カソード側セパレータ１１に当接される第１網材２３ａと、その第１網材２３ａにおける一方の面（図３における左側の面）に形成され、触媒層３３に当接される細孔層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）２３ｂとから構成される板状の部材である。この第１多孔体２３の詳細については、図４を参照しつつ後述する。
【００６５】
アノード電極１４もまた、カソード電極１３と同様の多孔体電極であり、アノード側セパレータ１２に当接する第２多孔体２４と、固体高分子電解質１５に当接する触媒層３４とから構成される。触媒層３４は、固体高分子電解質膜１５に当接されてアノード電極１４における電極反応を促進するための層である。なお、この触媒層３４は、カソード電極１３の触媒層３３と同様に構成されている。
【００６６】
第２多孔体２４は、図３に示すように、アノード側セパレータ１２に当接される第２網材２４ａと、その第２網材２４ａにおける一方の面（図３における右側の面）に形成され、触媒層３４に当接される細孔層２４ｂとから構成される板状の部材である。なお、この第２多孔体２４は、図４を参照しつつ後述する第１多孔体２３と同様に構成されている。
【００６７】
ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、第１多孔体２３についてより詳細に説明する。図４（ａ）は、本実施形態の第１多孔体２３を模式的に示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＥ部の構造を模式的に示す拡大図である。
【００６８】
第１網材２３ａは、導電性を有する繊維（導電性繊維）から３次元網目構造に形成され、相互に連通する空孔を有する板状の部材である。この第１網材２３ａとしては、例えば、９０μｍ〜１３０μｍ程度の繊維間距離（ピッチ）に構成された、厚さ５００〜１５００μｍ程度の網材を採用できる。なお、第１網材２３ａを構成する導電性繊維としては、チタン繊維以外にも、例えば、ＳＵＳ、タンタル、又はハステロイなどの腐食性及び導電性を有する金属繊維や、ニッケル又はカーボンなどの導電性繊維を採用することができる。
【００６９】
相互の連通する多くの空孔を有する第１網材２３ａをカソード電極１３に採用することによって、かかる空孔が、酸化剤ガス（例えば、空気）の流路の一部として機能する。即ち、本実施形態のカソード電極１３は、カソード電極としての機能と、気体流路（酸化剤ガス流路）としての機能との両方を兼ね備えている。
【００７０】
また、第１網材２３ａは、導電性繊維の表面に親水性を有することが好ましい。第１網材２３ａを、親水性表面を有する導電性繊維から構成することによって、反応により生成した水が第１網材２３ａの厚さ方向に拡散し易くなり、第１多孔体２３の孔が液体水によって閉塞されることを防止できる。
【００７１】
細孔層２３ｂは、導電性及び撥水性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔を有する層である。本実施形態における細孔層２３ｂは、図４（ｂ）に示すように、第１網材２３ａの表面に堆積された金属粒子部２３ｂ１と、その金属粒子部２３ｂ１を介して第１網材２３ａに圧着された有機多孔質部２３ｂ２とから構成される。
【００７２】
金属粒子部２３ｂ１は、第１網材２３ａの表面に金属粒子Ｍ１が堆積されて形成された基層２３ｂ１１と、その基層２３ｂ１１の上（即ち、基層２３ｂ１１における第１網材２３ａとは反対側）に堆積されて形成された表層２３ｂ１２とから構成されている。なお、表層２３ｂ１２を構成する金属粒子Ｍ２は、基層２３ｂ１１を構成する金属粒子Ｍ１より小さく、第１網材２３ａを構成する導電性繊維の繊維間距離（又は第１網材２３ａの孔径）より小さな粒径の金属粒子である。
【００７３】
このように、第１網材２３ａの表面に金属粒子部２３ｂ１を形成することにより、細孔層２３ｂにおける少なくとも厚さ方向（金属粒子Ｍ１，Ｍ２の堆積高さ方向）の抵抗が低減されて導電性が高まる。
【００７４】
特に、本実施形態における細孔層２３ｂでは、第１網材２３ａの表面に堆積された大径の金属粒子Ｍ１（基層２３ｂ１１）によって、細孔層２３ｂにおける厚さ方向の導電性が向上されている上に、その金属粒子Ｍ１の堆積高さ方向にさらに堆積された小径の金属粒子Ｍ２（表層２３ｂ１２）によって、細孔層２３ｂにおける面方向の導電性が向上されている。よって、本実施形態における細孔層２３ｂは、金属粒子部を含まない従来の細孔層に比べ、優れた導電性を有している。
【００７５】
また、細孔層２３ｂの表面側に位置する金属粒子は、主に、表層２３ｂ１２を構成する小径の金属粒子Ｍ２であるので、細孔層２３ｂの表面側に位置する金属粒子のピッチを、第１網材２３ａを構成する導電性繊維の繊維間距離（繊維間の平均距離）に比べ、集電抵抗を低減し改善することができる。
【００７６】
さらに、第１網材２３ａの表面に金属粒子部２３ｂ１を形成することによって、第１網材２３ａの表面粗さが吸収され、細孔層２３ｂの表面の平滑性を向上させる（改善する）ことができる。従って、第１網材２３ａの気孔率を増大させたことによって表面がより粗面化されたとしても、細孔層２３ｂの厚さ、特に、電子抵抗となる撥水性の有機多孔質部２３ｂ２の厚さの増大に頼ることなく、細孔層２３ｂの表面を平滑化することができる。
【００７７】
一般的に、細孔層２３ｂは、その厚さが厚くなるに従って電子抵抗が増大する。よって、第１網材２３ａの表面に金属粒子部２３ｂ１を形成することにより、電子抵抗の増大を抑制しつつ、第１網材２３ａの気孔率を増大する（即ち、ガス透過性を向上する）ことができる。即ち、ガス透過性の向上と集電効率の向上とを両立させることができる。
【００７８】
また、金属粒子部２３ｂ１の存在によって細孔層２３ｂの表面の平滑性が向上された結果、触媒層３３の接触面積（作用面積）が増大するので、触媒利用率を向上させることができる。特に、表層２３ｂ１２を構成する金属粒子Ｍ２の粒径が、基層２３ｂ１１を構成する金属粒子Ｍ１の粒径より小さくされているので、細孔層２３ｂの表面に凹凸が生じ難く、細孔層２３ｂの表面が好適に平滑化される。
【００７９】
なお、基層２３ｂ１１を構成する金属粒子Ｍ１の粒径は、第１網材２３ａの表面に堆積可能な粒径、即ち、第１網材２３ａの繊維間距離（ピッチ）又はそれ以上の粒径（又は、第１網材２３ａの孔径又はそれ以上）を主とすることが好ましい。あるいは、第１網材２３ａの空孔の直径程度又はそれ以上の粒径を主とすることが好ましい。
【００８０】
金属粒子Ｍ１の粒径を、第１網材２３ａの繊維間距離又はそれ以上の粒径や、第１網材２３ａの空孔の直径程度又はそれ以上の粒径とすることによって、金属粒子Ｍ１が第１網材２３ａの空孔に対する目止めとして機能し、金属粒子層２３ａを構成する金属粒子（金属粒子Ｍ１、金属粒子Ｍ２）が第１網材２３ａの空孔を通過して脱落することを抑制できる。
【００８１】
ここで、基層２３ｂ１１を構成する金属粒子Ｍ１の粒径を第１網材２３ａの繊維間距離程度又は空孔の直径程度とした場合、１粒子の半分程度を第１網材２３ａの空孔に嵌合させることができるので、金属粒子Ｍ１が第１網材２３ａの表面粗さが吸収され易くなり、結果として、第１網材２３ａの表面を好適に平滑化できる。よって、金属粒子Ｍ１の粒径を、第１網材２３ａの繊維間距離（繊維間の平均距離）程度、あるいは、第１網材２３ａの空孔の直径（空孔の平均直径）程度とすることがより好ましい。
【００８２】
金属粒子部２３ｂ１（基層２３ｂ１１，表層２３ｂ１２）を構成する金属粒子Ｍ１，Ｍ２としては、種々の金属からなる粒子を採用できるが、第１網材２３ａが金属繊維からなる網材である場合には、その金属繊維と同種の金属からなる粒子とすることが好ましい。金属粒子Ｍ１，Ｍ２を、第１網材２３ａを構成する金属繊維と同種の金属からなる粒子とすることにより、金属間の酸化還元電位差による金属の腐食を防止することができる。
【００８３】
また、金属粒子Ｍ１及び金属粒子Ｍ２は、同種の金属粒子であっても異種の金属粒子であってもよいが、金属間に酸化還元電位差が生じないように同種の金属粒子であることが好ましい。
【００８４】
有機多孔質部２３ｂ２は、相互に連通する多くの空孔を有する多孔質体である。本実施形態では、有機多孔質部２３ｂ２として、例えば、カーボン粒子とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ））とを含んで構成される多孔質体を使用した。よって、本実施形態の有機多孔質部２３ｂ２は、カーボン粒子に起因する導電性と、ＰＴＦＥに起因する撥水性とを有する。なお、有機多孔質部２３ｂ２における空孔は、上述した第１網材２３ａの空孔より小さい細孔（例えば、最小内径が０．０１μｍ〜数μｍ程度の空孔）である。
【００８５】
よって、細孔層２３ｂは、有機多孔質部２３ｂ２の撥水性と有機多孔質部２３ｂ２が有する相互に連通する多くの細孔とによって、触媒層３３内の水を細孔層２３ｂへ移動させて、適度に触媒層３３を保水しつつ余剰水を系外に排出し、水によって触媒層３３での電気化学反応が阻害されることを抑制する機能を担う。
【００８６】
また、細孔層２３ｂは、金属粒子部２３ｂ１及び有機多孔質部２３ｂ２の導電性によって、電気化学反応（電極反応）の反応場となる触媒層３３（図３参照）から第１網材２３ａへ電子を移動させ易くする機能を担う。特に、本実施形態の第１多孔体２３における細孔層２３ｂは、上述したように、金属粒子部２３ｂ１を含むことによって高さ方向及び面方向の導電性が改善されており、優れた導電性を提供することができる。
【００８７】
さらに、図４（ｂ）に示すように、細孔層２３ｂでは、有機多孔質部２３ｂ２が、金属粒子部２３ｂ１の間隙を経て第１網材２３ａに侵入深さＤだけ侵入した状態で配置されている。よって、有機多孔質部２３ｂ２と第１網材２３ａとの間に十分な接触を確保することができる。
【００８８】
また、有機多孔質部２３ｂ２が第１網材２３ａに侵入深さＤだけ侵入されていることにより、細孔層２３ｂの水パス（水の経路）となる有機多孔質部２３ｂ２の細孔と、第１網材２３ａの水パスとなる導電性繊維表面の接触確率を高めることができる。よって、細孔層２３ｂと第１網材２３ａとの間において水パスの連通性が高まり、その結果として、細孔層２３ｂ（特に、有機多孔質部２３ｂ２）が液体水によって閉塞されることを好適に抑制できる。
【００８９】
第１網材２３ａに対する有機多孔質部２３ｂ２の侵入深さＤは、第１網材２３ａを構成する導電性繊維の繊維直径程度（導電性繊維の直径相当）又はそれ以上であることが好ましい。侵入深さＤを、少なくとも、第１網材２３ａを構成する導電性繊維の繊維直径程度（導電性繊維の直径相当）とすることにより、有機多孔質部２３ｂ２が、第１網材２３ａの導電性繊維の周囲を覆い、第１網材２３ａ（の導電性繊維）との間に十分な接触を確保することができる。また、細孔層２３ｂと第１網材２３ａとの間における水パスの連通性及びガス透過性を十分に確保される。
【００９０】
その一方で、第１網材２３ａに対する有機多孔質部２３ｂ２の侵入深さＤが浅い程、細孔層２３ｂの必要厚みが薄くなり、細孔層２３ｂのガス透過性が向上する。よって、侵入深さＤは、第１網材２３ａを構成する導電性繊維の繊維直径程度とすることが特に好ましい。
【００９１】
なお、細孔層２３ｂは、第１網材２３ａに侵入している（食い込んでいる）部分の厚み、即ち、上述した侵入深さＤを含め、全体の厚さが５０〜３００μｍ程度であることが好ましい。
【００９２】
第１多孔体２３において、細孔層２３ｂにおける触媒層３３側となる表面には、有機多孔質部２３ｂ２から、金属粒子部２３ｂ１の金属粒子（主に、表層２３ｂ１１を構成する金属粒子Ｍ２）が露出していることが好ましいが、必要に応じて、金属粒子部２３ｂ１が所定の深さで有機多孔質部２３ｂに埋没されている構成であってもよい。細孔層２３ｂの表面に金属粒子が露出することにより、触媒層３３との接触抵抗を低減できる。
【００９３】
以上、第１多孔体２３について説明したが、アノード電極１４の第２多孔体２４もまた、第１多孔体２３と同様に構成されている。即ち、上述した第１多孔体２３の説明における、（１）「第１多孔体２３」を「第２多孔体２４」に読み換え、（２）「第１網材２３ａ」を「第２網材２４ａ」に読み換え、（３）「細孔層２３ｂ」を「細孔層２４ｂ」に読み替え、（４）「触媒層３３」を「触媒層３４」に読み換え、（５）「カソード電極１３」を「アノード電極１４」に読み換え、（６）「酸化剤ガス」を「燃料ガス」と読み換えればよい。
【００９４】
また、カソード電極１３の細孔層２３を構成する、金属粒子部２３ｂ１（基層２３ｂ１１、表層１２ｂ１２）及び有機多孔質部２３ｂ２は、そのまま、アノード電極１４の細孔層２４に適用できる。即ち、アノード電極１４の細孔層２４もまた、カソード電極１３の細孔層２３と同様の金属粒子部（基層及び表層）と有機多孔質部とを有しており、細孔層２３と同様に、表面の平滑性及び導電性に優れている。
【００９５】
次に、図５から図７を参照し、上述した第１多孔体２３及び第２多孔体２４の製造方法について説明する。なお、以下では、第１多孔体２３について製造方法の説明を行うが、第２多孔体２４の製造方法についても同様である。
【００９６】
図５は、第１多孔体２３の製造フローを示す工程図である。図５に示すように、第１多孔体２３を製造する場合には、まず、有機多孔質部２３ｂ２を準備する有機多孔質部準備工程を行う（Ｓ１）。
【００９７】
この有機多孔質部準備工程（Ｓ１）は、原料混合工程（Ｓ１ａ）と、有機多孔質部形成工程（Ｓ１ｂ）と、乾燥工程（Ｓ１ｃ）とから構成される。原料混合工程（Ｓ１ａ）では、有機多孔質部２３ｂ２の原料となるＰＴＦＥの微粉末とカーボン粉末とを、所定の割合（例えば、ＰＴＥＦがカーボンに対して２０〜６０重量部％程度）で投入し、ハイブリッドミキサーなどの攪拌機によって所定時間（例えば、４〜８分程度）攪拌して、混合物（有機多孔質部２３ｂ２を形成可能な材料）を得る。
【００９８】
原料混合工程（Ｓ１ａ）に次いで行われる有機多孔質部形成工程（Ｓ１ｂ）では、原料混合工程（Ｓ１ａ）によって得られた混合物を、片面にポリイミドシートなどの離型シートが配設されたＳＵＳ板上にスクリーン印刷し、有機多孔質部２３ｂ２のシートを形成する。
【００９９】
有機多孔質部形成工程（Ｓ１ｂ）に次いで行われる乾燥工程（Ｓ１ｃ）では、形成された有機多孔質部２３ｂ２のシートを熱風乾燥に供する。このように、ＳＵＳ板上に形成された有機多孔質部２３ｂ２のシートを乾燥させることによって、有機多孔質部２３ｂ２の流動性が低下するので、有機多孔質部２３ｂ２の流出を防止できる。
【０１００】
上述のように有機多孔質部準備工程（Ｓ１）を行った後は、金属粒子散布工程を行う（Ｓ２）。ここで、図６を参照して、この金属粒子散布工程（Ｓ２）について説明する。図６（ａ）は、金属粒子散布工程（Ｓ２）においてまず行われる第１散布工程（Ｓ２ａ）を説明するための模式図であり、図６（ｂ）は、第１散布工程（Ｓ２ａ）に続いて行われる第２散布工程（Ｓ２ｂ）を説明するための模式図である。
【０１０１】
図６（ａ）に示すように、第１散布工程（Ｓ２ａ）では、第１網材２３ａの表面に、例えば１層程度（即ち、第１網材２３ａの表面を覆う程度）の厚さとなるように金属粒子Ｍ１を散布し、基層２３ｂ１１を形成する。
【０１０２】
ここで、第１散布工程（Ｓ２ａ）による金属粒子Ｍ１の散布量は、第１網材２３ａに堆積される金属粒子Ｍ１が１層程度またはそれ以上の厚みに堆積される量であることが好ましい。第１網材２３ａに堆積される金属粒子Ｍ１の厚みを１層程度以上とすることによって、金属粒子Ｍ１を第１網材２３ａの空孔に対する目止めとして十分に機能させることができると共に、第１網材２３ａの表面粗さを吸収して細孔層２３ｂの表面の平滑化に貢献する。
【０１０３】
図６（ｂ）に示すように、第２散布工程（Ｓ２ｂ）では、第１散布工程（Ｓ２ａ）において形成された基層２３ｂ１１の表面に、金属粒子Ｍ１より小さな粒径の金属粒子Ｍ２を、平滑な表面の金属粒子層２３ｂ１が得られる程度に散布して表層２３ｂ１２を形成する。なお、この第２散布工程（Ｓ２ｂ）において、金属粒子Ｍ２を少なくとも平滑な表面の金属粒子層２３ｂ１が得られる程度に散布することによって、細孔層２３ｂの表面を好適に平滑化することができる。
【０１０４】
なお、この金属粒子散布工程（Ｓ２）を始め、金属粒子Ｍ１及び金属粒子Ｍ２を取り扱う工程では、金属粒子Ｍ１及び金属粒子Ｍ２の表面に酸化皮膜が形成されることを抑制するために、雰囲気温度を１５０℃以下に保つか、必要に応じて、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下とする。金属粒子Ｍ１及び金属粒子Ｍ２の取り扱いを、粒子表面への酸化皮膜の形成が抑制される雰囲気下で行うことによって、酸化皮膜の成長を抑制でき、酸化皮膜に起因する接触抵抗の増大を抑制することができる。
【０１０５】
再び、図５に戻って説明する。金属粒子散布工程（Ｓ２）を行った後は、接合工程を行う（Ｓ３）。この接合工程（Ｓ３）では、有機多孔質部準備工程（Ｓ１）においてＳＵＳ板上に形成された有機多孔質部２３ｂ２のシートと、金属粒子散布工程（Ｓ２）において金属粒子部２３ｂ１が表面に配置された第１網材２３ａとを圧着する工程である。
【０１０６】
図７は、接合工程（Ｓ３）を説明するための模式図である。なお、図７において、細孔層２３ｂは簡略的に図示している。図７に示すように、接合工程（Ｓ３）では、表面（上面）に金属粒子部２３ｂ１が配置された第１網材２３ａを配置し、金属粒子部２３ｂ１の上方から、ＳＵＳ板上に形成された有機多孔質部２３ｂ２を合わせ、ＳＵＳ板の上方から荷重をかけて圧着（コールド接合）し、第１網材２３ａと細孔層２３ｂとの接合体を得る。
【０１０７】
図７に示すように、この接合工程（Ｓ３）では、定寸ガイド８０などの高さ指定可能な部材を使用し、接合体全体の高さを制御している。このように、高さ指定可能な部材を使用して接合体全体の高さを制御することによって、圧着（接合）時に、荷重によって第１網材２３ａが過大に潰れることを防止できると共に、第１網材２３ａへの有機多孔質部２３ｂ２の侵入深さＤ（図４参照）及び細孔層２３ｂ全体の厚みを確実に制御することができる。
【０１０８】
再び、図５に戻って説明する。接合工程（Ｓ３）を行った後は、ＰＴＦＥ溶融固定工程を行う（Ｓ４）。このＰＴＦＥ溶融固定工程（Ｓ４）では、接合工程（Ｓ３）において得られた、第１網材２３ａと細孔層２３ｂとの接合体を熱処理に供し、細孔層２３ｂ（有機多孔質部２３ｂ２）に含まれるＰＴＦＥを溶融して、細孔層２３ｂを固定する。細孔層２３ｂが固定された結果、第１多孔体２３が得られる。
【０１０９】
なお、このＰＴＦＥ溶融固定工程（Ｓ４）では、金属粒子Ｍ１及び金属粒子Ｍ２の表面上に酸化皮膜が形成され成長することを抑制するために、低酸素雰囲気下で熱処理を行う。例えば、第１網材２３ａと細孔層２３ｂとの接合体を、１０Ｔｏｒｒの窒素雰囲気下で、２時間、３４５℃の熱処理に供する。
【０１１０】
図５に示す製造フローに従って第１多孔体２３が作製されると、次に、第１多孔体２３における細孔層２３ｂ側の表面に、触媒担持カーボン（例えば、白金担持カーボン）と固体高分子電解質（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））とを含む触媒ペーストをスクリーン印刷により塗布して乾燥することによって触媒層３３を形成する。これによって、多孔体電極であるカソード電極１３が得られる。
【０１１１】
カソード電極１３と同様にアノード電極１４を作製し、触媒層３３，３４を対向させ、これらの触媒層３３，３４の間に固体高分子電解質膜１５を介在させて、ホットプレスにより圧着することにより、一対の多孔体電極（カソード電極１３，アノード電極１４）と固体高分子電解質膜１５との接合体が得られる。
【０１１２】
そして、一対の多孔体電極（カソード電極１３，アノード電極１４）と固体高分子電解質膜１５との接合体を、カソード側セパレータ１１とアノード側セパレータ１２とによって挟持することにより、燃料電池１０が得られる。
【実施例】
【０１１３】
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に基づいて限定されるものではない。
【０１１４】
第１網材２３ａ及び第２網材２４ａとして、親水的なチタン繊維（繊維直径：約１００μｍ）から形成されるチタン繊維焼結板（繊維間距離：約１００μｍ，厚さ：約１０００μｍ）を使用し、各片面に細孔層（第１多孔体２３の場合には細孔層２３ｂ）を形成し、第１多孔体２３及び第２多孔体を得た。
【０１１５】
なお、細孔層の金属粒子部（第１多孔体２３の場合には金属粒子部２３ｂ１）を構成する金属粒子Ｍ１として、粒径が繊維間距離に略等しい約１００μｍであるチタン粒子（Ｔｉ粒子）を使用し、金属粒子Ｍ２として、金属粒子Ｍ１の粒径の１／２程度の粒径のチタン粒子を使用した。
【０１１６】
また、細孔層の有機多孔質部（第１多孔体２３の場合には有機多孔質部２３ｂ２）を構成するカーボン粉末として、カーボンの一次粒子径が３０μｍであり、二次粒子径が一次粒子径の３０〜５０倍程度であるものを使用した。ＰＴＦＥの微粉末は、カーボン粉末に対して３５重量％となるように混合した。
【０１１７】
第１網材２３ａに対する有機多孔質部２３ｂ２の侵入深さＤを、第１網材２３ａを構成するチタン繊維の繊維直径（即ち、約１００μｍ）程度とした。また、第２網材に対する有機多孔質部の侵入深さＤもまた同様とした。また、細孔層（第１多孔体２３の場合には細孔層２３ｂ）の全体の厚みを約１５０μｍとした。
【０１１８】
ここで、図８を参照して、実施例の第１多孔体２３及び第２多孔体２４を採用した燃料電池１０のＩＶ性能を評価する。図８は、Ｉ−Ｖ特性を示すグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は、単位面積あたりの電流Ｉ（単位：Ａ／ｃｍ２）を示し、縦軸は、電圧（単位：Ｖ）を示す。
【０１１９】
なお、図８のグラフにおいて、実施例の第１多孔体２３及び第２多孔体２４を採用した燃料電池１０のＩ−Ｖ特性をシンボル「■」によって表している。一方で、比較例として、金属粒子部を含まない細孔層を有する従来の燃料電池のＩ−Ｖ特性をシンボル「◇」によって表している。
【０１２０】
図８のグラフから明らかなように、本実施形態の第１多孔体２３及び第２多孔体２４を採用した燃料電池１０の方が、従来の燃料電池に比べ、高電流領域における電圧降下が小さく、優れたＩ−Ｖ特性を示している。
【０１２１】
これは、本実施形態の燃料電池１０では、細孔層２３ｂ，２４ｂに含まれている金属粒子部（第１多孔体２３では金属粒子部２３ｂ１）によって、（１）細孔層２３ｂ，２４ｂの表面の平滑化、及び（２）細孔層２３ｂ，２４ｂの導電性が向上し、その結果として、第１多孔体２３及び第２多孔体２４の集電効率が向上して、燃料電池１０の発電効率及び出力密度が向上するためであると考えられる。また、第１多孔体２３の細孔層２３ｂ及び第２多孔体２４の細孔層２４ｂの表面が平滑化されたことによって、触媒層３３，３４との作用面積が増大し、その結果として、燃料電池１０の発電効率及び出力密度が向上するためであると考えられる。  
【０１２２】
以上説明したように、第１多孔体２３の細孔層２３ｂが金属粒子部２３ｂ１を含むので、電子抵抗となる有機多孔質部の厚さの増大に頼ることなく、金属粒子部２３ｂ１が気孔率の増大に伴う第１網材２３ａの表面粗さを吸収することができる。その結果として、細孔層２３ｂの表面を平滑化できる。
【０１２３】
よって、かかる第１多孔体２３は、第１網材２３ａの気孔率を増大させてガス透過性を向上（圧力損失の低減）させる一方で、そのような気孔率の増大に背反して生じる集電効率の悪化が抑制され、ガス透過性の向上と集電効率の向上との両立を図ることができる。なお、第２多孔体２４についても、第１多孔体２３と同様である。
【０１２４】
また、金属粒子部２３ｂ１が、金属粒子Ｍ１を第１網材２３ａに堆積させて形成される基層２３ｂ１１と、その金属粒子Ｍ１より小さな粒径の金属粒子Ｍ２を基層２３ｂ１１にさらに堆積させて形成される表層２３ｂ１２とから構成されるので、大径の金属粒子Ｍ１によって厚さ方向（堆積高さ方向）の導電性が向上されると共に、小径の金属粒子Ｍ２によって面方向の導電性が向上される。よって、細孔層２３ｂの導電性を好適に向上させることができる。
【０１２５】
従って、かかる第１多孔体２３及び第２多孔体２４を用いて構成される燃料電池１０は、平滑化されている細孔層２３ｂ，２４ｂによって触媒層３３，３４の作用面積が増大するので、触媒利用率が向上し、優れた発電効率及び出力密度を発揮する。さらに、細孔層２３ｂ，２４ｂが好適に平滑化されていることによって、触媒層３３，３４との接合強度を向上させることができる。
【０１２６】
また、金属粒子部２３ｂ１を設けることによって細孔層２３ｂの表面の平滑化を図るので、導電性繊維を用いて平滑化を図る場合のように毛羽立ちが細孔層の表面に生じることがない。よって、毛羽立ちのない細孔層２３ｂを含む第１多孔体２３を用いて構成される燃料電池１０では、細孔層２３ｂに隣接する触媒層２３や、触媒層２３に隣接する固体高分子電解質膜１５が、細孔層２３ｂの表面状態（毛羽立ちなど）によって損傷され難い。
【０１２７】
このように、本実施形態の第１多孔体２３及び第２多孔体２４は、集電効率及びガス透過性（ガス供給性）に優れているので、かかる第１多孔体２３及び第２多孔体２４を燃料電池１０の一部として採用することによって、燃料電池１０の発電効率及び出力密度を向上させることができる。また、細孔層（細孔層２３ｂ）の表面が平滑化されたことにより、触媒層（触媒層２３）との作用面積（接触面積）が増大するので、触媒利用率が向上し、その点においても、燃料電池１０の発電効率及び出力密度を向上させることができる。よって、本実施形態の第１多孔体２３及び第２多孔体２４は、燃料電池への適用に有用である。
【０１２８】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【０１２９】
例えば、上記実施形態では、第１網材２３ａに金属粒子Ｍ１，Ｍ２を堆積させて金属粒子部２３ｂ１を形成する構成としたが、金属粒子に換えて、導電性を有する粒子（例えば、金属の被覆によって導電性が付与された粒子や、導電性材料から構成される粒子など）を第１網材２３ａに堆積させてもよい。
【０１３０】
また、上記実施形態では、金属粒子部２３ｂ１を、異なる粒径の金属粒子Ｍ１，Ｍ２から構成したが、第１網材２３ａに堆積可能な金属粒子Ｍ１のみで金属粒子部を構成してもよい。また、金属粒子部２３ｂ１を構成する基層２３ｂ１１と表層２３ｂ１２との間に、金属粒子Ｍ１より小さく金属粒子Ｍ２より大きな金属粒子から構成される層を１層以上介在する構成であってもよい。
【０１３１】
また、上記実施形態では、カーボン粒子とＰＴＦＥとを含んで構成される有機多孔質部２３ｂ２を使用したが、カーボン粒子を含まずＰＴＦＥのみから構成される有機多孔質部を使用してもよい。即ち、撥水性及び導電性を有する有機多孔質部２３ｂ２に換えて、相互に連通する多くの細孔を有する撥水性の有機多孔質部を採用することもできる。この場合、金属粒子部２３ｂ１が、細孔層２３ｂの導電性を担う。
【０１３２】
また、上記実施形態では、第１網材２３ａ及び第２網材２４ａのそれぞれ片面に細孔層２３ｂ，２４ｂを形成する構成としたが、かかる細孔層２３ｂ，２４ｂを第１網材２３ａ及び第２網材２４ａの両面に形成する構成としてもよい。
【０１３３】
なお、上記実施形態として例示した本発明の燃料電池及び本発明の燃料電池から構成される燃料電池スタックは、電気自動車などの移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源、携帯電子機器用電源などの各種電源として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池スタックから構成される燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】燃料電池スタックを模式的に示す斜視図である。
【図３】燃料電池の主要部分を示す模式的な部分断面図である。
【図４】（ａ）は、本実施形態の第１多孔体を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＥ部の構造を模式的に示す拡大図である。
【図５】第１多孔体の製造フローを示す工程図である。
【図６】（ａ）は、第１散布工程を説明するための模式図であり、（ｂ）は、第２散布工程を説明するための模式図である。
【図７】接合工程を説明するための模式図である。
【図８】Ｉ−Ｖ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１３５】
１０          燃料電池
１５          固体高分子電解質膜
２３          第１多孔体（燃料電池用多孔性部材）
２３ａ        第１網材（金属多孔体）
２３ｂ        細孔層
２３ｂ１      金属粒子部
２３ｂ１１    基層（基部）
２３ｂ１２    表層（表面部）
２３ｂ２      有機多孔質部
２４          第２多孔体（燃料電池用多孔性部材）
２４ａ        第２網材（金属多孔体）
２４ｂ        細孔層
３３          触媒層
３４          触媒層
８０          定寸ガイド（圧着高さ制御手段）
Ｍ１          金属粒子（導電性粒子、第１導電性粒子）
Ｍ２          金属粒子（導電性粒子、第２導電性粒子）
Ｓ２          金属粒子堆積工程
Ｓ２ａ        第１散布工程（第１堆積工程）
Ｓ２ｂ        第２散布工程（第２堆積工程）
Ｓ３          接合工程
【図１】
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【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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