燃料電池のガス拡散体
【課題】生成水を触媒層近傍からガス拡散層の表面に速やかに移動させ、ガス拡散層からの排水性を向上させる。
【解決手段】親水性を有するガス拡散層１０２ｃにおいて、比較的に大径のガス拡散孔ｈ１を形成するとともに、これよりも小径の排水孔ｈ２を形成する。排水孔ｈ２の直径φ２を毛管力の作用を生じさせ得る程度に設定することで、触媒層近傍からガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に生成水を吸い上げ、セル外に排出させる。
【解決手段】親水性を有するガス拡散層１０２ｃにおいて、比較的に大径のガス拡散孔ｈ１を形成するとともに、これよりも小径の排水孔ｈ２を形成する。排水孔ｈ２の直径φ２を毛管力の作用を生じさせ得る程度に設定することで、触媒層近傍からガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に生成水を吸い上げ、セル外に排出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス拡散層を形成するためのガス拡散体に関し、詳細には、固体高分子型燃料電池において、触媒層近傍からガス拡散層の表面へ向かう生成水の積極的な輸送作用を得ることにより、ガス拡散層からの排水性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池では、イオン伝導性確保の観点から電解質膜中に水分を保持させるため、反応ガスに水蒸気を含ませ、電解質膜の加湿を行う。発電に伴いカソード電極の触媒層上に水（以下「生成水」という。）が発生することとなるが、この生成水をセル外に排出させるための方法として、蒸気状態の生成水を酸化剤ガス中に対流又は拡散させたり、液状態の生成水を酸化剤ガス中に蒸発させ又は酸化剤ガスにより微小な液滴の状態で輸送する方法が一般的に知られている。ここで、酸化剤ガスの湿度が過度に高いと、蒸発又は持ち去り等による排水作用が良好に得られなくなるため、ガス拡散層内に液状態の生成水が停滞し、酸化剤ガスの拡散及び触媒層への円滑な供給が阻害される。
【０００３】
このようなフラッディングの問題を解消するための技術として、ガス拡散層からの排水性を考慮した次のような技術が知られている。すなわち、各セルを構成するセパレータにおいて、ガス拡散層に接触するリブの拡散層接触面の一部と、このリブの側面（反応ガスの流路を形成する。）とに連続して親水処理を施すことで、略Ｌ字状の親水部を形成するものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−１１６１７９号公報（段落番号００１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このものは、ガス拡散層の表面にある生成水を、親水部を介してリブの側面に移動させ、より広い面積に亘り反応ガスと接触させることで、生成水の蒸発及び持ち去りを促進させようとするものである。すなわち、このものは、触媒層近傍からガス拡散層の表面に至るまでの生成水の移動に関しては考慮しておらず、触媒層近傍にある生成水をガス拡散層の表面に移動させるための積極的な方策を提供するものではない。
【０００５】
以上より、本発明は、触媒層近傍からガス拡散層の表面へ向かう生成水の積極的な輸送作用を得ることにより、生成水を触媒層近傍からガス拡散層の表面に速やかに移動させ、ガス拡散層からの排水性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池のガス拡散体及びこれを含んで構成される燃料電池を提供するものである。
本発明に係る燃料電池のガス拡散体は、第１の表面と、この第１の表面とは反対側の第２の表面と、第１の表面及び第２の表面により定められる厚さの方向にこの媒体を貫通する、比較的に大きな第１の直径のガス拡散孔を形成する第１の内面と、前記厚さの方向にこの媒体を貫通する、第１の直径よりも小さな第２の直径の排水孔を形成する第２の内面とを含んで構成される。
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、このようなガス拡散体を含んで構成されるものであり、電解質膜と、この電解質膜上に形成された触媒層と、この触媒層に燃料ガス又は酸化剤ガスを拡散させて供給するためのガス拡散層とを含んで構成される。このガス拡散層は、ガス拡散体により形成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガス拡散体において、第１の内面により比較的に大径のガス拡散孔を形成したことで、この孔を介して触媒層に燃料ガス又は酸化剤ガスを円滑に供給することができる。また、第２の内面によりガス拡散孔よりも小径の排水孔を形成したことで、この孔を介して毛管力の作用により触媒層上又はガス拡散層内に発生した液水を吸い上げ、ガス拡散層の表面に移動させることができる。このため、触媒層近傍からガス拡散層の表面へ向かう生成水の積極的な輸送作用が得られるので、生成水を触媒層近傍からガス拡散層の表面に速やかに移動させて、セル外に排出することが可能となり、ガス拡散層からの排水性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】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１の構成を示している。本実施形態に係る燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、単位セルＣを積層したスタックとして構成される。
本実施形態において、各単位セルＣの電解質膜１０１には、プロトン伝導性の高分子イオン交換膜として代表的なパーフルオロスルホン酸系の電解質膜を採用している。この電解質膜１０１に対し、ガス拡散体１０２ａ，１０２ｃをアノード側及びカソード側のそれぞれに接合して、膜電極接合体を構成している。ガス拡散体１０２ａ，１０２ｃの素材には、親水性のものを採用している。アノード側に接合したガス拡散体１０２ａによりアノード側のガス拡散層（以下「アノードガス拡散層」という。）が形成されるとともに、このガス拡散体１０２ａと電解質膜１０１とに挟まれた触媒によりアノード側の触媒層（以下「アノード触媒層」という。）が形成される。他方、カソード側に接合したガス拡散体１０２ｃによりカソード側のガス拡散層（以下「カソードガス拡散層」という。）が形成されるとともに、このガス拡散体１０２ｃと電解質膜１０１とに挟まれた触媒によりカソード側の触媒層（以下「カソード触媒層」という。）が形成される。また、アノードガス拡散層及びアノード触媒層により単位セルＣのアノード電極が、カソードガス拡散層及びカソード触媒層により単位セルＣのカソード電極が構成される。このように構成される膜電極接合体を一対のセパレータ１０３，１０３により上下から挟持するとともに、膜電極接合体の両側をシール材１０４，１０４により封止して、単位セルＣが構成される。なお、ガス拡散体１０２ａ，１０２ｃは、電解質膜１０１上に触媒層を形成した後、触媒層に対して接合する。
【００１０】
セパレータ１０３には、アノードガス拡散層１０２ａ又はカソードガス拡散層１０２ｃとの接合面に溝を形成しており、この溝により燃料ガス又は酸化剤ガスの通路ｐａ，ｐｃが形成される。通路ｐａを流通する燃料ガスがアノードガス拡散層１０２ａにより拡散されて、アノード触媒層全体に供給される。他方、通路ｐｃを流通する酸化剤ガスがカソードガス拡散層１０２ｃにより拡散されて、カソード触媒層全体に供給される。燃料ガス及び酸化剤ガスには、イオン伝導性確保の観点から電解質膜１０１中に水分を保持させるために水蒸気を含ませており、これにより電解質膜１０１の加湿を行う。発電に伴い電解質膜１０１中を移動したプロトンがカソード触媒層上で酸化剤ガスと反応して液水を生成することから、酸化剤ガスの湿度が過度に高いと、カソードガス拡散層１０２ｃ内に生成水が滞留して、酸化剤ガスの拡散及びカソード触媒層への円滑な供給が阻害される。本実施形態では、このフラッディングの問題を回避するため、ガス拡散層（特に、カソードガス拡散層１０２ｃ）からの排水性を向上させる。以下、本実施形態に係るガス拡散体の構成について、カソードガス拡散層１０２ｃにより代表して説明する。
【００１１】
図２は、本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの構成を模式的に示しており、同図（ａ）は、この構成を上方斜視により、同図（ｂ）は、縦方向の部分断面により示している。
本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、排水性向上のため、酸化剤ガスを流通させるための比較的に大径の孔（すなわち、ガス拡散孔）ｈ１以外に、これよりも小径の孔（すなわち、排水孔）ｈ２を形成している。カソードガス拡散層１０２ｃに親水性を持たせたことから、カソードガス拡散層１０２ｃに接触する生成水は、９０°よりも小さなぬれ角を形成する。このため、排水孔ｈ２の直径を適切な値（すなわち、第２の直径φ２）に設定することにより毛管力の作用を生じさせ、カソード触媒層上に発生した生成水を、排水孔ｈ２を介してカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に移動させることができる。他方、ガス拡散孔ｈ１の直径を第２の直径φ２よりも大きな第１の直径φ１に設定することにより、ガス拡散孔ｈ１に生じる毛管力を排水孔ｈ２に生じるものよりも低下させて、排水孔ｈ２へ向かう生成水の流れを促し、ガス拡散孔ｈ１への生成水の浸入及びガス拡散孔ｈ１における生成水の存在を抑制する。本実施形態では、第１の直径φ１を数マイクロメートルから数百マイクロメートルのオーダに設定し、第２の直径φ２を数ナノメートルから数百ナノメートルのオーダに設定している。
【００１２】
また、本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、ガス拡散孔ｈ１及び排水孔２に対して垂直な方向に延伸させて連通孔ｈ３を形成し、この孔ｈ３によりガス拡散孔ｈ１と排水孔ｈ２とを連通させている。本実施形態では、連通孔ｈ３の直径φ３を排水孔ｈ２と略同等に設定しているが、これに限らず、この孔ｈ３に実質的な毛管力を生じさせ得る範囲で第２の直径φ２よりも大きな直径φ３（φ２＜φ３＜φ１）に設定してもよい。
【００１３】
更に、本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１において、第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径φ４の溝ｇａを形成している。溝ｇａに代え、φ４に相当する直径の孔を形成することも可能である。本実施形態では、溝ｇａを酸化剤ガスの流れに関する上流から下流に延伸させて形成するとともに、排水孔ｈ２の周縁に接するか、又はこれを横断させて形成している。
【００１４】
図４は、本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの具体的な構成例を示している。
本実施形態では、第１の直径φ１に相当する直径の第１の粒子Ｐ１と、第２の直径φ２に相当する直径の第２の粒子Ｐ２とをバインダ等の接着手段により接着して、カソードガス拡散層１０２ｃを構成している。
【００１５】
カソードガス拡散層１０２ｃの基材であるガス拡散体は、第１及び第２の粒子Ｐ１，Ｐ２をカソードガス拡散層１０２ｃの幅及び厚さｔにより定められる平面内で交互に積層させて形成する。まず、図４の紙面に向かって左側の側面を底面として、第２の粒子Ｐ２をこの底面全体に亘り所定の厚さで敷き詰め、バインダにより接着した後、この第２の粒子Ｐ２の層上に第１の粒子Ｐ１を分散させ、更にバインダにより接着する。この工程をカソードガス拡散層１０２ｃの必要な長さｌが得られるまで繰り返すのである。なお、第１の粒子Ｐ１の層を形成した後、この層を形成する第１の粒子Ｐ１の間に第２の粒子Ｐ２が侵入するのを防ぐには、第１の粒子Ｐ１の隙間を埋める程度の直径φ５（φ２＜φ５＜φ１）の粒子を第１の粒子Ｐ１の層上に分散させればよい。このような工程を経て形成されるカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、ガス拡散孔ｈ１は、隣り合う第１の粒子Ｐ１の間の空間として形成され、排水孔ｈ２は、隣り合う第２の粒子Ｐ２の間の空間として形成される。
【００１６】
連通孔ｈ３は、第１の粒子Ｐ１を分散させる際に、隣り合う（図４において、上下に重なり合う）第１の粒子Ｐ１の隙間を調整することにより形成する。第１の粒子Ｐ１の間に第２の粒子Ｐ２を介在させることで、排水孔ｈ２と略同径の連通孔ｈ３を形成することができる。
溝ｇａは、ガス拡散体の一方の表面ｓｆ１に機械加工を施すことにより形成することができる。しかしながら、溝ｇａに代えて孔を形成してもよく、図４は、この一方の表面ｓｆ１上に、第２の粒子Ｐ２よりも小径の第３の粒子Ｐ３を積層させて、重なり合う第３の粒子Ｐ３の間の空間として孔を形成するものを示している。
【００１７】
以上のようにして構成されたガス拡散体に対し、溝ｇａ又は孔を設けた表面ｓｆ１とは反対側の表面ｓｆ２上に触媒を担持させ、触媒層ｃｌを形成する。ガス拡散体は、電解質膜１０１に対し、触媒層ｃｌを介して熱圧着等により接合する。
本実施形態において、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１が「第１の表面」に、その反対側の表面ｓｆ２が「第２の表面」に相当する。また、ガス拡散孔ｈ１を形成するカソードガス拡散層１０２ｃの内面（図４の例において、第１の粒子Ｐ１の表面）が「第１の内面」に、排水孔ｈ２を形成するカソードガス拡散層１０２ｃの内面（図４の例において、第２の粒子Ｐ２の表面）が「第２の内面」に、連通孔ｈ３を形成するカソードガス拡散層１０２ｃの内面（図４の例において、上下に重なり合う第１の粒子Ｐ１の間に介在させた第２の粒子Ｐ２の表面）が「第３の内面」に相当する。
【００１８】
本実施形態によれば、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、比較的に大きな第１の直径φ１のガス拡散孔ｈ１を介してカソード触媒層ｃｌ全体に酸化剤ガスを円滑に供給するとともに、第１の直径φ１よりも小さな第２の直径φ２の排水孔ｈ２を介して毛管力の作用によりカソード触媒層ｃｌ上に発生した生成水を吸い上げ、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に移動させることができる。このため、カソード触媒層ｃｌ近傍からカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１へ生成水を速やかに移動させて、単位セルＣ外に排出することができ、カソードガス拡散層１０２ｃからの排水性を向上させ、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００１９】
図８は、本実施形態に係る燃料電池１の電圧‐電流密度曲線を示している。本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃにより排水孔ｈ２を形成した場合のものを曲線Ａにより、排水孔ｈ２に対応する構成を持たない場合のものを、比較例として曲線Ｂにより示している。同図から、曲線Ａにおいて、高電流密度側の領域で内部損失の減少を確認することができる。また、電流密度の増大に従いカソードガス拡散層１０２ｃの採用による効果が顕著に見られることから、この内部損失の減少は、拡散分極による損失の減少を示すものと考えられる。
【００２０】
また、本実施形態によれば、排水孔ｈ２と略同径の連通孔ｈ３を形成し、この孔ｈ３によりガス拡散孔ｈ１と排水孔ｈ２を連通させたことで、ガス拡散孔ｈ１に浸入した生成水を毛管力の作用により、この孔ｈ３を介して排水孔ｈ２に移動させ、カソード触媒層ｃｌ近傍から吸い上げた生成水とともにカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に移動させ、単位セルＣ外に排出することができる。
【００２１】
更に、本実施形態によれば、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径φ４の溝ｇａ（又は孔）を形成したことで、カソード触媒層ｃｌ近傍からこの表面ｓｆ１に吸い上げた生成水を、溝ｇａを伝わらせて単位セルＣ外に排出することができる。溝ｇａを伝う移動の過程で生成水と酸化剤ガスとが広い面積で接触することとなるため、蒸発又は持ち去りによる排水作用を促進させることができる。
【００２２】
図５は、本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの他の具体的な構成例を示している。
図５（ａ）に示すカソードガス拡散層１０２ｃは、第１の粒子Ｐ１を積層させ、バインダにより接着して多孔体を形成するとともに、この多孔体を第２の粒子Ｐ２を分散させたスラリーに浸漬させ、及び乾燥させて形成したものである。第１の粒子Ｐ１に囲まれた空間としてガス拡散孔ｈ１が形成され、隣り合う第２の粒子Ｐ２，Ｐ２の間、又は第１及び第２の粒子Ｐ１，Ｐ２の間の空間として排水孔ｈ２が形成される。
【００２３】
図５（ｂ）に示すカソードガス拡散層１０２ｃは、第１の粒子Ｐ１の表面に第２の粒子Ｐ２をバインダにより予め接着した後、第１の粒子Ｐ１を積層させ、及び接着して形成したものである。同図（ａ）のものと同様に、第１の粒子Ｐ１に囲まれた空間としてガス拡散孔ｈ１が形成され、隣り合う第２の粒子Ｐ２の間の空間等として排水孔ｈ２が形成される。
【００２４】
図５（ｃ）に示すカソードガス拡散層１０２ｃは、複数の第２の粒子Ｐ２をバインダにより予め略球状に接着して、第１の直径φ１に相当する直径の球状体又は擬似球状体Ｓを形成し、この球状体Ｓを積層させ、及び接着して形成したものである。球状体Ｓ（簡単のため、二点鎖線によりその外形を示す。）に囲まれた空間としてガス拡散孔ｈ１が形成され、隣り合う第２の粒子Ｐ２の間の空間として排水孔ｈ２が形成される。
【００２５】
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの構成を示している。同図（ａ）は、カソードガス拡散層１０２ｃを厚さｔの方向に切断した状態で示し、同図（ｂ）は、貫通孔ｔｂの内面を平面に展開した状態で示している。
本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、第１の直径φ１に相当する直径の孔（以下「貫通孔」という。）ｔｂを厚さｔの方向に貫通させて形成するとともに、この孔ｔｂの内壁ｉｗに、第２の直径φ２に相当する等価水力直径の溝ｇｂを全周に亘り形成している。第１の実施形態におけると同様に、表面ｓｆ１に第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径の溝ｇａ又は孔を形成するとよい。
【００２６】
本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、カソードガス通路ｐｃを流通する酸化剤ガスは、貫通孔ｔｂを介してカソード触媒層ｃｌ全体に供給される。他方、カソード触媒層ｃｌ上に発生した生成水は、内壁ｉｗに形成された溝ｇｂに毛管力の作用が生じることで、この溝ｇｂを伝ってカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に吸い上げられる。すなわち、本実施形態では、貫通孔ｔｂが「ガス拡散孔」として機能し、溝ｇｂが「排水孔」として機能する。
【００２７】
図７は、本発明の第３の実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの構成を示している。同図（ａ）は、カソードガス拡散層１０２ｃを平面視により示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示すｘ−ｘ線による断面を示している。
本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃを、カーボン繊維ｃｆを織り重ねて形成している。厚さｔの方向に対して垂直な各段の配列において、隣り合うカーボン繊維ｃｆの間隔を、第１の直径φ１に相当する間隔ｓ１と、第２の直径φ２に相当する間隔ｓ２とで交互に設定している。このように構成されるカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、表面ｓｆ１に第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径の溝ｇａ等を形成し得ることは、以上と同様である。
【００２８】
本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、カソードガス通路ｐｃを流通する酸化剤ガスは、間隔ｓ１の隙間ｈ１を介してカソード触媒層ｃｌ全体に供給され、カソード触媒層ｃｌ上に発生した生成水は、間隔ｓ２の隙間ｈ２を介して毛管力の作用により表面ｓｆ１に吸い上げられる。すなわち、本実施形態では、隙間ｈ１が「ガス拡散孔」として機能し、隙間ｈ２が「排水孔」として機能する。
【００２９】
本実施形態では、カーボン繊維の間隔を調整することにより異なる機能の隙間ｈ１，ｈ２を形成することとしたが、これに限らず、たとえば、第２の直径φ２に相当する太さの複数のカーボン繊維を束ねて繊維材を形成し、これを織り重ねることで、間隔の調整等を要することなく同様な機能の隙間を形成することができる。この場合は、繊維材の隙間として「ガス拡散孔」が形成されるとともに、各束におけるカーボン繊維の隙間として「排水孔」が形成される。
【００３０】
なお、以上で述べたカソードガス拡散層１０２ｃの構成は、同様な構成のガス拡散体を基材として採用することにより、アノードガス拡散層１０２ａについて適用することもできる。
以上では、ガス拡散体に親水性を持たせる場合を例に説明したが、ガス拡散体には、疎水性を持たせることも可能である。
【００３１】
アノード側及びカソード側の各触媒層には、疎水性を持たせるとよい。また、これらの触媒層は、触媒を担持させたカーボン粒子により構成することで、第２の直径φ２と略同等又はこれよりも小さな孔径の多孔体として形成するとよい。触媒層の撥水性を高め、ガス拡散層からの排水性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成
【図２】同上実施形態に係るカソードガス拡散層の外観
【図３】同上カソードガス拡散層の拡大断面
【図４】同上カソードガス拡散層の具体的な構成例
【図５】同上カソードガス拡散層の他の具体的な構成例
【図６】本発明の第２の実施形態に係るカソードガス拡散層の構成
【図７】本発明の第３の実施形態に係るカソードガス拡散層の構成
【図８】本発明に係る燃料電池により得られる効果の一例
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池、１０１…電解質膜、１０２ａ…アノードガス拡散層（ガス拡散体）、１０２ｃ…カソードガス拡散層（ガス拡散体）、１０３…セパレータ、１０４…シール材、Ｃ…単位セル、ｈ１…ガス拡散孔、ｈ２…排水孔、ｈ３…連通路、ｇａ…溝、ｓｆ１…「第１の表面」としてのカソードガス拡散層の表面、ｐａ…アノードガス通路、ｐｃ…カソードガス通路、ｃｌ…触媒層、ｉｗ…「第１の内面」としてのカソードガス拡散層の内壁、ｔｂ…貫通孔、ｇｂ…溝、ｃｆ…カーボン繊維、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…粒子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス拡散層を形成するためのガス拡散体に関し、詳細には、固体高分子型燃料電池において、触媒層近傍からガス拡散層の表面へ向かう生成水の積極的な輸送作用を得ることにより、ガス拡散層からの排水性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池では、イオン伝導性確保の観点から電解質膜中に水分を保持させるため、反応ガスに水蒸気を含ませ、電解質膜の加湿を行う。発電に伴いカソード電極の触媒層上に水（以下「生成水」という。）が発生することとなるが、この生成水をセル外に排出させるための方法として、蒸気状態の生成水を酸化剤ガス中に対流又は拡散させたり、液状態の生成水を酸化剤ガス中に蒸発させ又は酸化剤ガスにより微小な液滴の状態で輸送する方法が一般的に知られている。ここで、酸化剤ガスの湿度が過度に高いと、蒸発又は持ち去り等による排水作用が良好に得られなくなるため、ガス拡散層内に液状態の生成水が停滞し、酸化剤ガスの拡散及び触媒層への円滑な供給が阻害される。
【０００３】
このようなフラッディングの問題を解消するための技術として、ガス拡散層からの排水性を考慮した次のような技術が知られている。すなわち、各セルを構成するセパレータにおいて、ガス拡散層に接触するリブの拡散層接触面の一部と、このリブの側面（反応ガスの流路を形成する。）とに連続して親水処理を施すことで、略Ｌ字状の親水部を形成するものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−１１６１７９号公報（段落番号００１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このものは、ガス拡散層の表面にある生成水を、親水部を介してリブの側面に移動させ、より広い面積に亘り反応ガスと接触させることで、生成水の蒸発及び持ち去りを促進させようとするものである。すなわち、このものは、触媒層近傍からガス拡散層の表面に至るまでの生成水の移動に関しては考慮しておらず、触媒層近傍にある生成水をガス拡散層の表面に移動させるための積極的な方策を提供するものではない。
【０００５】
以上より、本発明は、触媒層近傍からガス拡散層の表面へ向かう生成水の積極的な輸送作用を得ることにより、生成水を触媒層近傍からガス拡散層の表面に速やかに移動させ、ガス拡散層からの排水性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池のガス拡散体及びこれを含んで構成される燃料電池を提供するものである。
本発明に係る燃料電池のガス拡散体は、第１の表面と、この第１の表面とは反対側の第２の表面と、第１の表面及び第２の表面により定められる厚さの方向にこの媒体を貫通する、比較的に大きな第１の直径のガス拡散孔を形成する第１の内面と、前記厚さの方向にこの媒体を貫通する、第１の直径よりも小さな第２の直径の排水孔を形成する第２の内面とを含んで構成される。
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、このようなガス拡散体を含んで構成されるものであり、電解質膜と、この電解質膜上に形成された触媒層と、この触媒層に燃料ガス又は酸化剤ガスを拡散させて供給するためのガス拡散層とを含んで構成される。このガス拡散層は、ガス拡散体により形成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガス拡散体において、第１の内面により比較的に大径のガス拡散孔を形成したことで、この孔を介して触媒層に燃料ガス又は酸化剤ガスを円滑に供給することができる。また、第２の内面によりガス拡散孔よりも小径の排水孔を形成したことで、この孔を介して毛管力の作用により触媒層上又はガス拡散層内に発生した液水を吸い上げ、ガス拡散層の表面に移動させることができる。このため、触媒層近傍からガス拡散層の表面へ向かう生成水の積極的な輸送作用が得られるので、生成水を触媒層近傍からガス拡散層の表面に速やかに移動させて、セル外に排出することが可能となり、ガス拡散層からの排水性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】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１の構成を示している。本実施形態に係る燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、単位セルＣを積層したスタックとして構成される。
本実施形態において、各単位セルＣの電解質膜１０１には、プロトン伝導性の高分子イオン交換膜として代表的なパーフルオロスルホン酸系の電解質膜を採用している。この電解質膜１０１に対し、ガス拡散体１０２ａ，１０２ｃをアノード側及びカソード側のそれぞれに接合して、膜電極接合体を構成している。ガス拡散体１０２ａ，１０２ｃの素材には、親水性のものを採用している。アノード側に接合したガス拡散体１０２ａによりアノード側のガス拡散層（以下「アノードガス拡散層」という。）が形成されるとともに、このガス拡散体１０２ａと電解質膜１０１とに挟まれた触媒によりアノード側の触媒層（以下「アノード触媒層」という。）が形成される。他方、カソード側に接合したガス拡散体１０２ｃによりカソード側のガス拡散層（以下「カソードガス拡散層」という。）が形成されるとともに、このガス拡散体１０２ｃと電解質膜１０１とに挟まれた触媒によりカソード側の触媒層（以下「カソード触媒層」という。）が形成される。また、アノードガス拡散層及びアノード触媒層により単位セルＣのアノード電極が、カソードガス拡散層及びカソード触媒層により単位セルＣのカソード電極が構成される。このように構成される膜電極接合体を一対のセパレータ１０３，１０３により上下から挟持するとともに、膜電極接合体の両側をシール材１０４，１０４により封止して、単位セルＣが構成される。なお、ガス拡散体１０２ａ，１０２ｃは、電解質膜１０１上に触媒層を形成した後、触媒層に対して接合する。
【００１０】
セパレータ１０３には、アノードガス拡散層１０２ａ又はカソードガス拡散層１０２ｃとの接合面に溝を形成しており、この溝により燃料ガス又は酸化剤ガスの通路ｐａ，ｐｃが形成される。通路ｐａを流通する燃料ガスがアノードガス拡散層１０２ａにより拡散されて、アノード触媒層全体に供給される。他方、通路ｐｃを流通する酸化剤ガスがカソードガス拡散層１０２ｃにより拡散されて、カソード触媒層全体に供給される。燃料ガス及び酸化剤ガスには、イオン伝導性確保の観点から電解質膜１０１中に水分を保持させるために水蒸気を含ませており、これにより電解質膜１０１の加湿を行う。発電に伴い電解質膜１０１中を移動したプロトンがカソード触媒層上で酸化剤ガスと反応して液水を生成することから、酸化剤ガスの湿度が過度に高いと、カソードガス拡散層１０２ｃ内に生成水が滞留して、酸化剤ガスの拡散及びカソード触媒層への円滑な供給が阻害される。本実施形態では、このフラッディングの問題を回避するため、ガス拡散層（特に、カソードガス拡散層１０２ｃ）からの排水性を向上させる。以下、本実施形態に係るガス拡散体の構成について、カソードガス拡散層１０２ｃにより代表して説明する。
【００１１】
図２は、本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの構成を模式的に示しており、同図（ａ）は、この構成を上方斜視により、同図（ｂ）は、縦方向の部分断面により示している。
本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、排水性向上のため、酸化剤ガスを流通させるための比較的に大径の孔（すなわち、ガス拡散孔）ｈ１以外に、これよりも小径の孔（すなわち、排水孔）ｈ２を形成している。カソードガス拡散層１０２ｃに親水性を持たせたことから、カソードガス拡散層１０２ｃに接触する生成水は、９０°よりも小さなぬれ角を形成する。このため、排水孔ｈ２の直径を適切な値（すなわち、第２の直径φ２）に設定することにより毛管力の作用を生じさせ、カソード触媒層上に発生した生成水を、排水孔ｈ２を介してカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に移動させることができる。他方、ガス拡散孔ｈ１の直径を第２の直径φ２よりも大きな第１の直径φ１に設定することにより、ガス拡散孔ｈ１に生じる毛管力を排水孔ｈ２に生じるものよりも低下させて、排水孔ｈ２へ向かう生成水の流れを促し、ガス拡散孔ｈ１への生成水の浸入及びガス拡散孔ｈ１における生成水の存在を抑制する。本実施形態では、第１の直径φ１を数マイクロメートルから数百マイクロメートルのオーダに設定し、第２の直径φ２を数ナノメートルから数百ナノメートルのオーダに設定している。
【００１２】
また、本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、ガス拡散孔ｈ１及び排水孔２に対して垂直な方向に延伸させて連通孔ｈ３を形成し、この孔ｈ３によりガス拡散孔ｈ１と排水孔ｈ２とを連通させている。本実施形態では、連通孔ｈ３の直径φ３を排水孔ｈ２と略同等に設定しているが、これに限らず、この孔ｈ３に実質的な毛管力を生じさせ得る範囲で第２の直径φ２よりも大きな直径φ３（φ２＜φ３＜φ１）に設定してもよい。
【００１３】
更に、本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１において、第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径φ４の溝ｇａを形成している。溝ｇａに代え、φ４に相当する直径の孔を形成することも可能である。本実施形態では、溝ｇａを酸化剤ガスの流れに関する上流から下流に延伸させて形成するとともに、排水孔ｈ２の周縁に接するか、又はこれを横断させて形成している。
【００１４】
図４は、本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの具体的な構成例を示している。
本実施形態では、第１の直径φ１に相当する直径の第１の粒子Ｐ１と、第２の直径φ２に相当する直径の第２の粒子Ｐ２とをバインダ等の接着手段により接着して、カソードガス拡散層１０２ｃを構成している。
【００１５】
カソードガス拡散層１０２ｃの基材であるガス拡散体は、第１及び第２の粒子Ｐ１，Ｐ２をカソードガス拡散層１０２ｃの幅及び厚さｔにより定められる平面内で交互に積層させて形成する。まず、図４の紙面に向かって左側の側面を底面として、第２の粒子Ｐ２をこの底面全体に亘り所定の厚さで敷き詰め、バインダにより接着した後、この第２の粒子Ｐ２の層上に第１の粒子Ｐ１を分散させ、更にバインダにより接着する。この工程をカソードガス拡散層１０２ｃの必要な長さｌが得られるまで繰り返すのである。なお、第１の粒子Ｐ１の層を形成した後、この層を形成する第１の粒子Ｐ１の間に第２の粒子Ｐ２が侵入するのを防ぐには、第１の粒子Ｐ１の隙間を埋める程度の直径φ５（φ２＜φ５＜φ１）の粒子を第１の粒子Ｐ１の層上に分散させればよい。このような工程を経て形成されるカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、ガス拡散孔ｈ１は、隣り合う第１の粒子Ｐ１の間の空間として形成され、排水孔ｈ２は、隣り合う第２の粒子Ｐ２の間の空間として形成される。
【００１６】
連通孔ｈ３は、第１の粒子Ｐ１を分散させる際に、隣り合う（図４において、上下に重なり合う）第１の粒子Ｐ１の隙間を調整することにより形成する。第１の粒子Ｐ１の間に第２の粒子Ｐ２を介在させることで、排水孔ｈ２と略同径の連通孔ｈ３を形成することができる。
溝ｇａは、ガス拡散体の一方の表面ｓｆ１に機械加工を施すことにより形成することができる。しかしながら、溝ｇａに代えて孔を形成してもよく、図４は、この一方の表面ｓｆ１上に、第２の粒子Ｐ２よりも小径の第３の粒子Ｐ３を積層させて、重なり合う第３の粒子Ｐ３の間の空間として孔を形成するものを示している。
【００１７】
以上のようにして構成されたガス拡散体に対し、溝ｇａ又は孔を設けた表面ｓｆ１とは反対側の表面ｓｆ２上に触媒を担持させ、触媒層ｃｌを形成する。ガス拡散体は、電解質膜１０１に対し、触媒層ｃｌを介して熱圧着等により接合する。
本実施形態において、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１が「第１の表面」に、その反対側の表面ｓｆ２が「第２の表面」に相当する。また、ガス拡散孔ｈ１を形成するカソードガス拡散層１０２ｃの内面（図４の例において、第１の粒子Ｐ１の表面）が「第１の内面」に、排水孔ｈ２を形成するカソードガス拡散層１０２ｃの内面（図４の例において、第２の粒子Ｐ２の表面）が「第２の内面」に、連通孔ｈ３を形成するカソードガス拡散層１０２ｃの内面（図４の例において、上下に重なり合う第１の粒子Ｐ１の間に介在させた第２の粒子Ｐ２の表面）が「第３の内面」に相当する。
【００１８】
本実施形態によれば、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、比較的に大きな第１の直径φ１のガス拡散孔ｈ１を介してカソード触媒層ｃｌ全体に酸化剤ガスを円滑に供給するとともに、第１の直径φ１よりも小さな第２の直径φ２の排水孔ｈ２を介して毛管力の作用によりカソード触媒層ｃｌ上に発生した生成水を吸い上げ、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に移動させることができる。このため、カソード触媒層ｃｌ近傍からカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１へ生成水を速やかに移動させて、単位セルＣ外に排出することができ、カソードガス拡散層１０２ｃからの排水性を向上させ、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００１９】
図８は、本実施形態に係る燃料電池１の電圧‐電流密度曲線を示している。本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃにより排水孔ｈ２を形成した場合のものを曲線Ａにより、排水孔ｈ２に対応する構成を持たない場合のものを、比較例として曲線Ｂにより示している。同図から、曲線Ａにおいて、高電流密度側の領域で内部損失の減少を確認することができる。また、電流密度の増大に従いカソードガス拡散層１０２ｃの採用による効果が顕著に見られることから、この内部損失の減少は、拡散分極による損失の減少を示すものと考えられる。
【００２０】
また、本実施形態によれば、排水孔ｈ２と略同径の連通孔ｈ３を形成し、この孔ｈ３によりガス拡散孔ｈ１と排水孔ｈ２を連通させたことで、ガス拡散孔ｈ１に浸入した生成水を毛管力の作用により、この孔ｈ３を介して排水孔ｈ２に移動させ、カソード触媒層ｃｌ近傍から吸い上げた生成水とともにカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に移動させ、単位セルＣ外に排出することができる。
【００２１】
更に、本実施形態によれば、カソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径φ４の溝ｇａ（又は孔）を形成したことで、カソード触媒層ｃｌ近傍からこの表面ｓｆ１に吸い上げた生成水を、溝ｇａを伝わらせて単位セルＣ外に排出することができる。溝ｇａを伝う移動の過程で生成水と酸化剤ガスとが広い面積で接触することとなるため、蒸発又は持ち去りによる排水作用を促進させることができる。
【００２２】
図５は、本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの他の具体的な構成例を示している。
図５（ａ）に示すカソードガス拡散層１０２ｃは、第１の粒子Ｐ１を積層させ、バインダにより接着して多孔体を形成するとともに、この多孔体を第２の粒子Ｐ２を分散させたスラリーに浸漬させ、及び乾燥させて形成したものである。第１の粒子Ｐ１に囲まれた空間としてガス拡散孔ｈ１が形成され、隣り合う第２の粒子Ｐ２，Ｐ２の間、又は第１及び第２の粒子Ｐ１，Ｐ２の間の空間として排水孔ｈ２が形成される。
【００２３】
図５（ｂ）に示すカソードガス拡散層１０２ｃは、第１の粒子Ｐ１の表面に第２の粒子Ｐ２をバインダにより予め接着した後、第１の粒子Ｐ１を積層させ、及び接着して形成したものである。同図（ａ）のものと同様に、第１の粒子Ｐ１に囲まれた空間としてガス拡散孔ｈ１が形成され、隣り合う第２の粒子Ｐ２の間の空間等として排水孔ｈ２が形成される。
【００２４】
図５（ｃ）に示すカソードガス拡散層１０２ｃは、複数の第２の粒子Ｐ２をバインダにより予め略球状に接着して、第１の直径φ１に相当する直径の球状体又は擬似球状体Ｓを形成し、この球状体Ｓを積層させ、及び接着して形成したものである。球状体Ｓ（簡単のため、二点鎖線によりその外形を示す。）に囲まれた空間としてガス拡散孔ｈ１が形成され、隣り合う第２の粒子Ｐ２の間の空間として排水孔ｈ２が形成される。
【００２５】
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの構成を示している。同図（ａ）は、カソードガス拡散層１０２ｃを厚さｔの方向に切断した状態で示し、同図（ｂ）は、貫通孔ｔｂの内面を平面に展開した状態で示している。
本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃにおいて、第１の直径φ１に相当する直径の孔（以下「貫通孔」という。）ｔｂを厚さｔの方向に貫通させて形成するとともに、この孔ｔｂの内壁ｉｗに、第２の直径φ２に相当する等価水力直径の溝ｇｂを全周に亘り形成している。第１の実施形態におけると同様に、表面ｓｆ１に第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径の溝ｇａ又は孔を形成するとよい。
【００２６】
本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、カソードガス通路ｐｃを流通する酸化剤ガスは、貫通孔ｔｂを介してカソード触媒層ｃｌ全体に供給される。他方、カソード触媒層ｃｌ上に発生した生成水は、内壁ｉｗに形成された溝ｇｂに毛管力の作用が生じることで、この溝ｇｂを伝ってカソードガス拡散層１０２ｃの表面ｓｆ１に吸い上げられる。すなわち、本実施形態では、貫通孔ｔｂが「ガス拡散孔」として機能し、溝ｇｂが「排水孔」として機能する。
【００２７】
図７は、本発明の第３の実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃの構成を示している。同図（ａ）は、カソードガス拡散層１０２ｃを平面視により示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示すｘ−ｘ線による断面を示している。
本実施形態では、カソードガス拡散層１０２ｃを、カーボン繊維ｃｆを織り重ねて形成している。厚さｔの方向に対して垂直な各段の配列において、隣り合うカーボン繊維ｃｆの間隔を、第１の直径φ１に相当する間隔ｓ１と、第２の直径φ２に相当する間隔ｓ２とで交互に設定している。このように構成されるカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、表面ｓｆ１に第２の直径φ２よりも小さな等価水力直径の溝ｇａ等を形成し得ることは、以上と同様である。
【００２８】
本実施形態に係るカソードガス拡散層１０２ｃにおいて、カソードガス通路ｐｃを流通する酸化剤ガスは、間隔ｓ１の隙間ｈ１を介してカソード触媒層ｃｌ全体に供給され、カソード触媒層ｃｌ上に発生した生成水は、間隔ｓ２の隙間ｈ２を介して毛管力の作用により表面ｓｆ１に吸い上げられる。すなわち、本実施形態では、隙間ｈ１が「ガス拡散孔」として機能し、隙間ｈ２が「排水孔」として機能する。
【００２９】
本実施形態では、カーボン繊維の間隔を調整することにより異なる機能の隙間ｈ１，ｈ２を形成することとしたが、これに限らず、たとえば、第２の直径φ２に相当する太さの複数のカーボン繊維を束ねて繊維材を形成し、これを織り重ねることで、間隔の調整等を要することなく同様な機能の隙間を形成することができる。この場合は、繊維材の隙間として「ガス拡散孔」が形成されるとともに、各束におけるカーボン繊維の隙間として「排水孔」が形成される。
【００３０】
なお、以上で述べたカソードガス拡散層１０２ｃの構成は、同様な構成のガス拡散体を基材として採用することにより、アノードガス拡散層１０２ａについて適用することもできる。
以上では、ガス拡散体に親水性を持たせる場合を例に説明したが、ガス拡散体には、疎水性を持たせることも可能である。
【００３１】
アノード側及びカソード側の各触媒層には、疎水性を持たせるとよい。また、これらの触媒層は、触媒を担持させたカーボン粒子により構成することで、第２の直径φ２と略同等又はこれよりも小さな孔径の多孔体として形成するとよい。触媒層の撥水性を高め、ガス拡散層からの排水性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成
【図２】同上実施形態に係るカソードガス拡散層の外観
【図３】同上カソードガス拡散層の拡大断面
【図４】同上カソードガス拡散層の具体的な構成例
【図５】同上カソードガス拡散層の他の具体的な構成例
【図６】本発明の第２の実施形態に係るカソードガス拡散層の構成
【図７】本発明の第３の実施形態に係るカソードガス拡散層の構成
【図８】本発明に係る燃料電池により得られる効果の一例
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池、１０１…電解質膜、１０２ａ…アノードガス拡散層（ガス拡散体）、１０２ｃ…カソードガス拡散層（ガス拡散体）、１０３…セパレータ、１０４…シール材、Ｃ…単位セル、ｈ１…ガス拡散孔、ｈ２…排水孔、ｈ３…連通路、ｇａ…溝、ｓｆ１…「第１の表面」としてのカソードガス拡散層の表面、ｐａ…アノードガス通路、ｐｃ…カソードガス通路、ｃｌ…触媒層、ｉｗ…「第１の内面」としてのカソードガス拡散層の内壁、ｔｂ…貫通孔、ｇｂ…溝、ｃｆ…カーボン繊維、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…粒子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面と、
前記第１の表面とは反対側の第２の表面と、
前記第１の表面及び前記第２の表面により定められる厚さの方向にこの媒体を貫通する、比較的に大きな第１の直径のガス拡散孔を形成する第１の内面と、
前記厚さの方向にこの媒体を貫通する、前記第１の直径よりも小さな第２の直径の排水孔を形成する第２の内面と、を含んで構成される燃料電池のガス拡散体。
【請求項２】
前記第１の直径は、数マイクロメートルから数百マイクロメートルのオーダである請求項１に記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項３】
前記第２の直径は、数ナノメートルから数百ナノメートルのオーダである請求項１又は２に記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項４】
前記ガス拡散孔と前記排水孔とを連通させる、前記ガス拡散孔よりも小径、かつ前記排水孔と略同径又はこれよりも大径の連通孔を形成する第３の内面を更に含んで構成される請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項５】
前記第１の表面に前記第２の直径よりも小さな等価水力直径の孔又は溝が形成された請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項６】
前記第１の表面の孔又は溝が電極上における燃料ガス又は酸化剤ガスの流れの方向に延伸させて形成された請求項５に記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項７】
前記第１の直径に相当する直径の第１の粒子と、前記第２の直径に相当する直径の第２の粒子とを前記厚さの方向とは垂直な方向に交互に分布させるとともに、これらの粒子を前記厚さの方向に積み重ねて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項８】
前記第１の直径に相当する孔径の多孔体の内壁上に、前記第２の直径に相当する直径の粒子を付着させて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項９】
前記第２の直径に相当する直径の複数の粒子を略球状に固めて形成した、前記第１の直径に相当する直径の球状体を積み重ねて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１０】
繊維を前記厚さの方向に織り重ねて形成され、前記厚さの方向に対して垂直な各段の配列において、隣り合う繊維の間隔を、前記第１の直径に相当する間隔と、前記第２の直径に相当する間隔とで交互に異ならせた請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１１】
前記第２の直径に相当する太さの複数の繊維を束ねて形成した繊維材を、前記厚さの方向に対して垂直な方向に、前記第１の直径に相当する隙間を設けて配列するとともに、前記厚さの方向に織り重ねて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１２】
前記第１の直径に相当する直径の貫通孔を形成する内壁に、前記厚さの方向に延伸させて、前記第２の直径に相当する等価水力直径の溝が形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１３】
親水性素材により形成された請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１４】
電解質膜と、
この電解質膜上に形成された触媒層と、
この触媒層に燃料ガス又は酸化剤ガスを拡散させて供給するためのガス拡散層を形成する、請求項１〜１３のいずれかに記載のガス拡散体と、を含んで構成される燃料電池。
【請求項１５】
前記触媒層が疎水性素材により形成された請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記触媒層が多孔質であり、かつその孔径が前記第２の直径と略同等又はこれよりも小さい請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１】
第１の表面と、
前記第１の表面とは反対側の第２の表面と、
前記第１の表面及び前記第２の表面により定められる厚さの方向にこの媒体を貫通する、比較的に大きな第１の直径のガス拡散孔を形成する第１の内面と、
前記厚さの方向にこの媒体を貫通する、前記第１の直径よりも小さな第２の直径の排水孔を形成する第２の内面と、を含んで構成される燃料電池のガス拡散体。
【請求項２】
前記第１の直径は、数マイクロメートルから数百マイクロメートルのオーダである請求項１に記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項３】
前記第２の直径は、数ナノメートルから数百ナノメートルのオーダである請求項１又は２に記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項４】
前記ガス拡散孔と前記排水孔とを連通させる、前記ガス拡散孔よりも小径、かつ前記排水孔と略同径又はこれよりも大径の連通孔を形成する第３の内面を更に含んで構成される請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項５】
前記第１の表面に前記第２の直径よりも小さな等価水力直径の孔又は溝が形成された請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項６】
前記第１の表面の孔又は溝が電極上における燃料ガス又は酸化剤ガスの流れの方向に延伸させて形成された請求項５に記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項７】
前記第１の直径に相当する直径の第１の粒子と、前記第２の直径に相当する直径の第２の粒子とを前記厚さの方向とは垂直な方向に交互に分布させるとともに、これらの粒子を前記厚さの方向に積み重ねて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項８】
前記第１の直径に相当する孔径の多孔体の内壁上に、前記第２の直径に相当する直径の粒子を付着させて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項９】
前記第２の直径に相当する直径の複数の粒子を略球状に固めて形成した、前記第１の直径に相当する直径の球状体を積み重ねて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１０】
繊維を前記厚さの方向に織り重ねて形成され、前記厚さの方向に対して垂直な各段の配列において、隣り合う繊維の間隔を、前記第１の直径に相当する間隔と、前記第２の直径に相当する間隔とで交互に異ならせた請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１１】
前記第２の直径に相当する太さの複数の繊維を束ねて形成した繊維材を、前記厚さの方向に対して垂直な方向に、前記第１の直径に相当する隙間を設けて配列するとともに、前記厚さの方向に織り重ねて形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１２】
前記第１の直径に相当する直径の貫通孔を形成する内壁に、前記厚さの方向に延伸させて、前記第２の直径に相当する等価水力直径の溝が形成された請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１３】
親水性素材により形成された請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池のガス拡散体。
【請求項１４】
電解質膜と、
この電解質膜上に形成された触媒層と、
この触媒層に燃料ガス又は酸化剤ガスを拡散させて供給するためのガス拡散層を形成する、請求項１〜１３のいずれかに記載のガス拡散体と、を含んで構成される燃料電池。
【請求項１５】
前記触媒層が疎水性素材により形成された請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記触媒層が多孔質であり、かつその孔径が前記第２の直径と略同等又はこれよりも小さい請求項１５に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−３２３９７５（Ｐ２００７−３２３９７５Ａ）
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５３３００（Ｐ２００６−１５３３００）
【出願日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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