燃料電池用ガス拡散層および固体高分子型燃料電池
【課題】燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能な燃料電池用ガス拡散層を提供することである。
【解決手段】ガス拡散層３０は、セパレータ１５のガス流路１６と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層１４との間に設けられた層であって、ガス流路１６側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層３１と、触媒層１４側に設けられ、厚み方向の弾性率（Ｅｚａ）が硬質層３１の厚み方向の弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２未満である軟質層３２と、を備え、軟質層３２は、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みＴａを有する。
【解決手段】ガス拡散層３０は、セパレータ１５のガス流路１６と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層１４との間に設けられた層であって、ガス流路１６側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層３１と、触媒層１４側に設けられ、厚み方向の弾性率（Ｅｚａ）が硬質層３１の厚み方向の弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２未満である軟質層３２と、を備え、軟質層３２は、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みＴａを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス拡散層および固体高分子型燃料電池に係り、特に、触媒層とガス流路層との間に、両側から圧縮された状態で配置される燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単セル（以下、燃料電池セルとする）は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられる触媒層と、触媒層の外側に設けられ、ガス流路を有するセパレータとを備え、さらに、触媒層とセパレータのガス流路との間にガス拡散層を備えている。一般的に、自動車等の車両に搭載される燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとして使用されている。そして、燃料電池スタックは、各燃料電池セル内および各燃料電池セル間の接触抵抗を低く抑えるために、両側から予め定められた所定圧で圧縮されている。具体的には、各燃料電池セルを構成する各層の界面にかかる面圧が所定圧となるように、燃料電池スタックの両側に設けられるエンドプレートがボルト等の締結部材で強く締結されている。
【０００３】
近年、燃料電池セルの大面積化が進むにつれ締結部材の締結力も大きくなり、締結部材の大きさや重量の増大が問題視されてきている。そこで、この締結力を小さくすることが求められている。一方、ガス流路は、厚み方向に凹凸のある溝構造が一般的であるから、ガス流路の凸部に接触する部分の面圧が高くなり、ガス流路の凹部に対応する部分の面圧が低くなる。ゆえに、締結部材の締結力を小さくして燃料電池セルの面圧を低くすると、ガス流路の凹部に対応する部分では面圧が不足し、特にガス拡散層と触媒層との界面において局所的な触抵抵抗の増大が起こり易くなる。また、ガス拡散層および触媒層にも表面凹凸が存在し、この表面凹凸も低面圧条件における局所的な接触抵抗増大の要因となる。
【０００４】
本発明に関連する技術として、ガス流路側に設けられた硬質層と、触媒層側に設けられた圧縮性の層とを備えた燃料電池のガス拡散媒体が特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、典型的な拡散媒体は、圧縮荷重が０．３４〜２．７６ＭＰａの範囲のときに１０〜５０％の範囲の圧縮歪みを示すこと、そして、硬質層によって拡散媒体のガス流路中への浸入を防止できることが開示されている。さらに、特許文献１には、硬質層は、圧縮性の層よりも少なくとも６倍大きな弾性率を有すること、そして、硬質層の厚さは、拡散媒体の全厚さの８％であり、および７０％以下であることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９‐５０１４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、特許文献１の技術は、圧縮性の高い拡散媒体がガス流路に浸入することを防止するために硬質層を設けたものであって、例えば、０．３ＭＰａ以下のように、燃料電池セルの面圧を低く設定することについては考慮していない。したがって、特許文献１を含む従来の技術では、低面圧条件において、燃料電池セル、特にガス拡散層と触媒層との接触抵抗の増加を抑制するための有効な手段は開示されていない。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能な燃料電池用ガス拡散層を提供することである。また、当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層において、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、を備え、軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有することを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である厚み方向の弾性率と、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みとを有する軟質層によって、燃料電池セルの面圧を、例えば、０．３ＭＰａ以下のような低面圧に設定した場合であっても、硬質層、触媒層、およびガス流路層の表面凹凸の影響を十分に緩和することができる。即ち、軟質層は、低面圧条件であっても、硬質層および触媒層の表面凹凸部分に十分入り込み、硬質層および触媒層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層の軟質層と触媒層との界面、および軟質層と硬質層との界面において、面圧の均一化を図り、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止することが可能になる。
【００１０】
また、軟質層は、硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、絶縁性樹脂と、から構成されることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層を備える固体高分子型燃料電池において、前記ガス拡散層が、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、を備え、前記軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、特に触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、軟質層と触媒層との界面および軟質層と硬質層との界面の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧が０．１ＭＰａの低面圧条件下で、軟質層の厚みと接触抵抗との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧が０．１ＭＰａの低面圧条件下で、軟質層の弾性率と接触抵抗との関係を示す図である。
【図６】軟質層の厚みが式（２）の条件を見たさない構成において、軟質層と触媒層との界面および軟質層と硬質層との界面の状態を示す断面図である。
【図７】軟質層の厚みが式（２）の条件を見たさない構成において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を用いて、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池の実施形態につき、以下詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、車両用燃料電池スタック１０（以下、燃料電池スタック１０とする）を構成する各燃料電池セル１１に適用されるガス拡散層３０として説明するが、適用範囲は車両用の燃料電池に限定されない。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、積層された複数の燃料電池セル１１、燃料電池セル１１の両側に配置された一対のエンドプレート１２、および図示しない締結部材やマニホールド等から構成されている。エンドプレート１２は、各燃料電池セル１１内および各燃料電池セル１１間の接触抵抗を低く抑えるために、図示しない締結部材を用いて燃料電池セル１１の積層体を圧縮している。なお、圧縮状態で燃料電池セル１１の各層にかかる面圧としては、０．０５ＭＰａ〜０．５ＭＰａが例示でき、０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａであることがより好ましい。以下では、燃料電池セル１１は、０．３Ｍｐａ以下の面圧で圧縮されているものとして説明する。
【００１６】
また、燃料電池スタック１０には、いずれも図示しない、燃料ガスである水素ガスの供給装置、酸化ガスである空気の供給流路、および冷却水の供給装置等がマニホールドを介して接続されている。
【００１７】
燃料電池セル１１は、固体高分子型燃料電池であって、高分子膜である電解質膜１３と、電解質膜１３の両側に設けられる触媒層１４と、触媒層１４の外側に設けられるセパレータ１５と、触媒層１４とセパレータ１５との間に設けられるガス拡散層３０とを備える。そして、セパレータ１５は、ガス拡散層３０と接する面に、水素ガス又は空気を流すためのガス流路１６を有している。
【００１８】
電解質膜１３は、湿潤状態で水素イオン（以下、プロトンとする）を選択的に透過するイオン交換膜であって、アノード電極で生成したプロトンをカソード電極へと移動させる機能を有する。電解質膜１３としては、例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標）等のスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体などの高分子膜を用いることができる。
【００１９】
触媒層１４は、電解質膜１３の両側に設けられる層であって、アノード電極側とカソード電極側とでは関与する反応が異なる。アノード電極側の触媒層１４は、ガス流路１６からガス拡散層３０を通って供給された水素ガスをプロトンと電子とに電離させる機能を有する。一方、カソード電極側の触媒層１４では、アノード電極側で電離したプロトンおよび電子が、ガス流路１６からガス拡散層３０を通って供給された空気中の酸素と反応して水が生成される。そして、この一連の反応により起電力が発生する。なお、いずれの触媒層１４も、例えば、白金、ルテニウム、又はロジウム等の貴金属触媒を担持した、カーボンブラック、アセチレンブラック、又はカーボンナノチューブ等のカーボン（以下、担持カーボンとする）を主成分とする。触媒層１４は、溶媒中に分散させた担持カーボンを電解質膜１３の両面に塗布した後、例えば、ホットプレス等を用いて形成することができる。
【００２０】
触媒層１４は、例えば、５μｍ〜３０μｍ程度の厚みを有し、特に１０μｍ程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、触媒層１４のガス拡散層３０側の面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。
【００２１】
セパレータ１５は、水素ガスと空気との混流を防止する機能と、電解質膜１３および触媒層１４における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。また、一般的に、セパレータ１５には、図示しない冷却水流路が形成されており、燃料電池セル１１を冷却する機能も有している。また、セパレータ１５は、例えば、ステンレス薄板から構成されており、ガス拡散層３０を介して電解質膜１３および触媒層１４を挟持するように燃料電池セル１１の両端に設けられている。
【００２２】
ガス流路１６は、上記のように、水素ガス又は空気を流すため流路であって、セパレータ１５のガス拡散層３０に接する面に形成される。具体的には、アノード電極側のガス流路１６に水素ガスが流れ、カソード電極側のガス流路１６に空気が流れる。また、いずれのガス流路１６も、厚み方向に凹凸を有する溝が形成された構造、例えば、サーペンタイン流路構造やストレート流路構造を採用することができ、凸部がガス拡散層３０と接触している。
【００２３】
ガス拡散層３０は、セパレータ１５の表面のガス流路１６を流れる水素ガス又は空気を触媒層１４に拡散させて供給（拡散供給）する機能を有し、ガス流路層であるガス流路１６と、触媒層１４との間に設けられている。また、ガス拡散層３０は、触媒層１４とセパレータ１５との間の電子伝達媒体としての役割も担う。ゆえに、ガス拡散層３０は、触媒層１４とセパレータ１５との間、特に接触抵抗が上昇し易い触媒層１４との間の接触抵抗を低く維持するために、予め定められた所定の圧力で圧縮されて配置されている。具体的には、上記のように、一対のエンドプレート２２により燃料電池セル１１の全体が圧縮されている。
【００２４】
また、ガス拡散層３０は、例えば、０．３ＭＰａ以下のような低面圧条件であっても、面圧の均一化を図り、特に触媒層１４との界面において局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止する機能を有する。この機能を実現するために、ガス拡散層３０は、ガス流路１６側に設けられる硬質層３１と、触媒層１４側に設けられる軟質層３２とから構成された２層構造を有し、軟質層３２の厚み方向の弾性率および厚みを後述するように規定している。
【００２５】
硬質層３１は、ガス流路１６と接触する層であって、軟質層３２よりも硬く弾性率が高い層である。なお、本明細書において、弾性率とは、圧縮力をひずみで除して得られるヤング率を意味する。硬質層３１としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの繊維状の導電性材料から構成され、好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂でコーティングされた導電性材料が用いられる。また、硬質層３１は、カーボンブラックなどの粒子状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成することもできる。また、繊維状の導電性材料に、粒子状の導電性材料、さらには絶縁性材料を混練したペーストを塗布してもよい。硬質層３１は、例えば、繊維状の導電性材料を軟質層３２の構成材料とラミネートする、或いは硬質層３１又は軟質層３２の一方の構成材料を他方の構成材料に塗布することで作製される。
【００２６】
硬質層３１は、例えば、１００μｍ〜３００μｍ程度の厚みを有し、特に１５０μｍ〜２００μｍ程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、硬質層３１の表面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。
【００２７】
軟質層３２は、触媒層１４と接触する層であって、硬質層３１よりも柔軟性があり圧縮し易い層である。また、軟質層３２は、触媒層１４よりも柔軟性が高い。即ち、軟質層３２の弾性率は、硬質層３１および触媒層１４よりも低く、特に厚み方向の弾性率（Ｅｚａ）は、式（１）に示すように、硬質層３１の厚み方向の弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２未満であることが要求される。
Ｅｚａ＜Ｅｚｂ／１２・・・・・（１）
なお、弾性率（Ｅｚａ）の好ましい範囲としては、弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２未満〜１／２４が例示でき、例えば、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲で設定される。
【００２８】
軟質層３２の弾性率（Ｅｚａ）を規定する式（１）は、ホルムの接触抵抗理論等に基づく演算結果、また、種々の弾性率におけるシミュレーション結果および実際の実験結果によって導出されたものである。即ち、実験結果等によれば、軟質層３２は、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、且つ後述するように、厚みＴａが式（２）を満たす場合に、０．３ＭＰａ以下のような低面圧条件においても接触抵抗の増大を防止することができる。一方、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たさない場合、即ち弾性率（Ｅｚａ）が硬質層３１の弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２以上である場合は、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。
【００２９】
なお、軟質層３２としては、硬質層３１と同様の繊維状又は粒子状の導電性材料から構成することができる。但し、弾性率（Ｅｚａ）を硬質層３１よりも小さくするために、例えば、繊維密度の低い材料や柔軟性の高い材料が用いられ、特にカーボンブラック等の粒子状の導電性材料が好適である。また、軟質層３２は、面圧の均一化等の観点から、硬質層３１の表面凹凸深さＨｂの１／１０未満で、且つ触媒層１４の表面凹凸深さＨｃよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層３１の表面凹凸深さＨｂの１／１０未満で、且つ触媒層１４の表面凹凸深さＨｃよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成されることが好ましい。なお、当該粒子径および繊維径の条件も、上記の演算結果、また、シミュレーション結果および実験結果によって導出されたものである。
【００３０】
ここで、図２を用いて、ガス拡散層３０の構成、特に軟質層３２の構成をさらに説明する。なお、図２は、軟質層３２と触媒層１４との界面および軟質層３２と硬質層３１との界面の状態を示す断面図であり、図２（ａ）は未圧縮状態、図２（ｂ）が圧縮状態をそれぞれ示している。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、軟質層３２が接触する触媒層１４の表面および硬質層３１の表面には、表面凹凸が存在する。触媒層１４の表面凹凸深さＨｃおよび硬質層３１の表面凹凸深さＨｂは、それぞれの厚みによっても異なるが、通常、硬質層３１の方が分厚いので、表面凹凸深さはＨｃ＜Ｈｂの関係となる。なお、後述の式（２）で用いられる表面凹凸深さＨｃ，Ｈｂとは、未圧縮状態或いは非常に低い圧縮状態（以下、微圧縮状態と略記）における厚み方向の表面凹凸の長さであって、例えば、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、プローブの針先端圧を０．０１〜０．１ＭＰａに制御した先端径１０μｍ以下の表面粗さ計や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などを用いて測定することができる。
【００３２】
そして、軟質層３２は、触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸に基づいて、式（２）の条件を満たす厚みＴａを有している。なお、厚みＴａとは、未圧縮状態或いは微圧縮状態における厚みを意味する。
Ｔａ＞｛Ｈｃ×（Ｅｘｃ／Ｅｚｃ）｝+｛Ｈｂ×（Ｅｘｂ／Ｅｚｂ）｝・・・（２）
ここで、Ｅｘ１は、触媒層１４の面方向の弾性率、Ｅｘ２：硬質層３１の面方向の弾性率である。また、Ｈｃ，Ｈｂは、上記のように、未圧縮状態或いは微圧縮状態における触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸深さであり、式（２）においては、例えば、表面凹凸深さの最大値、中央値、最頻値、又は平均値などを用いることができる。これらのうち、中央値、最頻値、又は平均値を用いることが好ましく、平均値を用いることがより好ましい。
【００３３】
軟質層３２の厚みＴａを規定する式（２）は、ポアソン比に基づく演算により導出され、種々の厚みにおけるシミュレーションおよび実際の実験によって裏付けられたものである。式（２）の（Ｅｘｃ／Ｅｚｃ）および（Ｅｘｂ／Ｅｚｂ）は、触媒層１４および硬質層３１の圧縮状態において、各層の面方向への伸びと厚み方向への伸びとの比率を表すものである。そして、未圧縮状態或いは微圧縮状態の表面凹凸深さに当該比率を乗じることにより、圧縮状態における各層の表面凹凸深さを推定することができる。即ち、軟質層３２の厚みＴａは、圧縮状態における触媒層１４の表面凹凸深さと硬質層３２の表面凹凸深さとの和を超える厚みを有することが要求される。
【００３４】
即ち、軟質層３２は、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、厚みＴａが式（２）を満たす場合に限り、図２（ｂ）に示すように、０．３ＭＰａ以下のような低面圧条件においても触媒層１４の表面凹凸と硬質層３１の表面凹凸に対応し、両層と隙間なく接触する。一方、厚みＴａが式（２）の条件を満たさない場合は、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たしている場合でも、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。
【００３５】
なお、ガス拡散層３０の厚みは、ガス拡散性等の観点から、５０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、１００μｍ〜３００μｍであることがより好ましい。そして、軟質層３２の厚みＴａとしては、ガス拡散層３０全体の厚みによっても異なるが、５０〜２００μｍであることが好ましく、７０〜１００μｍであることがより好ましい。
【００３６】
ここで、図２と、比較例として図６とを用いて、上記構成を備えるガス拡散層３０の作用効果、特に軟質層３２の作用効果について説明する。なお、図６は、図２に対応する図であり、軟質層３２に代えて、式（２）の条件を満たさない軟質層５１を用いた場合の界面状態を示す図である。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、且つ厚みＴａが式（２）の条件を満たす軟質層３２は、図２（ｂ）に示すように、例えば、０．３ＭＰａのような低面圧条件であっても、触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸部分に十分入り込むことができる。即ち、軟質層３２は、触媒層１４および硬質層３１と隙間なく接触して、低面圧条件においても両層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層３０を用いれば、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。
【００３８】
一方、図６（ａ）に示すように、軟質層５１の厚みが式（２）の条件を満たさない場合には、図６（ｂ）に示すように、軟質層５１が触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸部分に十分入り込まず、両層との間に大きな隙間が生じて、特に低面圧条件では大きな接触面積を確保することができない。したがって、図６に示すガス拡散層５０を用いた場合には、面圧が不均一となり、局所的な接触抵抗の増大を引き起こす。
【００３９】
次に、図３〜図５と、比較例として図７とを用いて、ガス拡散層３０の作用効果をさらに説明する。各図では、▲が実測値、点線が計算値をそれぞれ示している。
【００４０】
なお、図３は、ガス拡散層３０と触媒層１４との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図であり、図４および図５は、ガス拡散層３０と触媒層１４との界面における面圧が０．１ＭＰａの条件下で、軟質層３２の厚みと接触抵抗との関係および軟質層３２の弾性率と接触抵抗との関係をそれぞれ示す図である。また、図７は、図３に対応する図であり、軟質層３２に代えて、式（２）の条件を満たさない軟質層５１を用いた場合を示す図である。
【００４１】
図３に示すように、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、且つ厚みＴａが式（２）の条件を満たす軟質層３２（Ｅｚａ＝１ＭＰａ，Ｔａ＝９８μｍ）を用いた場合には、０．３ＭＰａのような低面圧条件であっても、接触抵抗の増大が殆どなく、低接触抵抗を維持できている。一方、図７に示すように、式（１）および式（２）の条件を満たさない軟質層５２を用いた場合には、面圧が０．３ＭＰａより小さくなると、接触抵抗の急激な上昇を引き起こす。
【００４２】
また、図４に示すように、式（１）および式（２）の条件を満たす軟質層３２（Ｅｚａ＝１ＭＰａ）を用いた場合には、その厚みＴａが厚くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、厚みＴａを５２μｍから９８μｍに変化させると、接触抵抗が８５ｍΩ・ｃｍ2から４０ｍΩ・ｃｍ2に変化し、厚みＴａを約２倍にすると接触抵抗が約１／２になるという結果が得られた。なお、図４に例示する傾向は、厚みＴａが５０μｍ〜１００μｍ程度において、軟質層３２が式（１）および（２）の条件を満たす範囲で、触媒層１４の表面凹凸深さＨｃ、硬質層３２の表面凹凸深さＨｂ、又は硬質層３１の弾性率（Ｅｚｂ）を変化させても殆ど変化しない。
【００４３】
また、図５に示すように、式（１）および式（２）の条件を満たす軟質層３２（Ｔａ＝９８μｍ）を用いた場合には、その弾性率（Ｅｚａ）が低くなる、即ち柔軟性が高くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、弾性率（Ｅｚａ）を１０ＭＰａから１ＭＰａに変化させると、接触抵抗が５０ｍΩ・ｃｍ2から４０ｍΩ・ｃｍ2に変化するという結果が得られた。なお、図５に例示する傾向は、弾性率（Ｅｚａ）が１ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度において、軟質層３２が式（１）および（２）の条件を満たす範囲で、触媒層１４の表面凹凸深さＨｃ、硬質層３２の表面凹凸深さＨｂ、又は硬質層３１の弾性率（Ｅｚｂ）を変化させても殆ど変化しない。
【００４４】
以上のように、固体高分子型燃料電池のガス拡散層として、硬質層３１と、式（１）および式（２）の条件を満たす軟質層３２とを備えたガス拡散層３０を用いれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。
【００４５】
なお、上記では、セパレータ１５にガス流路１６が形成されるものとして説明したが、本発明のガス拡散層が適用される燃料電池としては、セパレータと別部材のガス流路層を備える燃料電池であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 燃料電池スタック、１１ 燃料電池セル、１２ エンドプレート、１３ 電解質膜、１４ 触媒層、１５ セパレータ、１６ ガス流路、３０ ガス拡散層、３１ 硬質層、３２ 軟質層、Ｈｃ 触媒層の表面凹凸深さ、Ｈｂ 硬質層の表面凹凸深さ、Ｔａ 軟質層の厚み。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス拡散層および固体高分子型燃料電池に係り、特に、触媒層とガス流路層との間に、両側から圧縮された状態で配置される燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単セル（以下、燃料電池セルとする）は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられる触媒層と、触媒層の外側に設けられ、ガス流路を有するセパレータとを備え、さらに、触媒層とセパレータのガス流路との間にガス拡散層を備えている。一般的に、自動車等の車両に搭載される燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとして使用されている。そして、燃料電池スタックは、各燃料電池セル内および各燃料電池セル間の接触抵抗を低く抑えるために、両側から予め定められた所定圧で圧縮されている。具体的には、各燃料電池セルを構成する各層の界面にかかる面圧が所定圧となるように、燃料電池スタックの両側に設けられるエンドプレートがボルト等の締結部材で強く締結されている。
【０００３】
近年、燃料電池セルの大面積化が進むにつれ締結部材の締結力も大きくなり、締結部材の大きさや重量の増大が問題視されてきている。そこで、この締結力を小さくすることが求められている。一方、ガス流路は、厚み方向に凹凸のある溝構造が一般的であるから、ガス流路の凸部に接触する部分の面圧が高くなり、ガス流路の凹部に対応する部分の面圧が低くなる。ゆえに、締結部材の締結力を小さくして燃料電池セルの面圧を低くすると、ガス流路の凹部に対応する部分では面圧が不足し、特にガス拡散層と触媒層との界面において局所的な触抵抵抗の増大が起こり易くなる。また、ガス拡散層および触媒層にも表面凹凸が存在し、この表面凹凸も低面圧条件における局所的な接触抵抗増大の要因となる。
【０００４】
本発明に関連する技術として、ガス流路側に設けられた硬質層と、触媒層側に設けられた圧縮性の層とを備えた燃料電池のガス拡散媒体が特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、典型的な拡散媒体は、圧縮荷重が０．３４〜２．７６ＭＰａの範囲のときに１０〜５０％の範囲の圧縮歪みを示すこと、そして、硬質層によって拡散媒体のガス流路中への浸入を防止できることが開示されている。さらに、特許文献１には、硬質層は、圧縮性の層よりも少なくとも６倍大きな弾性率を有すること、そして、硬質層の厚さは、拡散媒体の全厚さの８％であり、および７０％以下であることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９‐５０１４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、特許文献１の技術は、圧縮性の高い拡散媒体がガス流路に浸入することを防止するために硬質層を設けたものであって、例えば、０．３ＭＰａ以下のように、燃料電池セルの面圧を低く設定することについては考慮していない。したがって、特許文献１を含む従来の技術では、低面圧条件において、燃料電池セル、特にガス拡散層と触媒層との接触抵抗の増加を抑制するための有効な手段は開示されていない。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能な燃料電池用ガス拡散層を提供することである。また、当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層において、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、を備え、軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有することを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である厚み方向の弾性率と、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みとを有する軟質層によって、燃料電池セルの面圧を、例えば、０．３ＭＰａ以下のような低面圧に設定した場合であっても、硬質層、触媒層、およびガス流路層の表面凹凸の影響を十分に緩和することができる。即ち、軟質層は、低面圧条件であっても、硬質層および触媒層の表面凹凸部分に十分入り込み、硬質層および触媒層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層の軟質層と触媒層との界面、および軟質層と硬質層との界面において、面圧の均一化を図り、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止することが可能になる。
【００１０】
また、軟質層は、硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、絶縁性樹脂と、から構成されることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層を備える固体高分子型燃料電池において、前記ガス拡散層が、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、を備え、前記軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、特に触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、軟質層と触媒層との界面および軟質層と硬質層との界面の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧が０．１ＭＰａの低面圧条件下で、軟質層の厚みと接触抵抗との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧が０．１ＭＰａの低面圧条件下で、軟質層の弾性率と接触抵抗との関係を示す図である。
【図６】軟質層の厚みが式（２）の条件を見たさない構成において、軟質層と触媒層との界面および軟質層と硬質層との界面の状態を示す断面図である。
【図７】軟質層の厚みが式（２）の条件を見たさない構成において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を用いて、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池の実施形態につき、以下詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、車両用燃料電池スタック１０（以下、燃料電池スタック１０とする）を構成する各燃料電池セル１１に適用されるガス拡散層３０として説明するが、適用範囲は車両用の燃料電池に限定されない。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、積層された複数の燃料電池セル１１、燃料電池セル１１の両側に配置された一対のエンドプレート１２、および図示しない締結部材やマニホールド等から構成されている。エンドプレート１２は、各燃料電池セル１１内および各燃料電池セル１１間の接触抵抗を低く抑えるために、図示しない締結部材を用いて燃料電池セル１１の積層体を圧縮している。なお、圧縮状態で燃料電池セル１１の各層にかかる面圧としては、０．０５ＭＰａ〜０．５ＭＰａが例示でき、０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａであることがより好ましい。以下では、燃料電池セル１１は、０．３Ｍｐａ以下の面圧で圧縮されているものとして説明する。
【００１６】
また、燃料電池スタック１０には、いずれも図示しない、燃料ガスである水素ガスの供給装置、酸化ガスである空気の供給流路、および冷却水の供給装置等がマニホールドを介して接続されている。
【００１７】
燃料電池セル１１は、固体高分子型燃料電池であって、高分子膜である電解質膜１３と、電解質膜１３の両側に設けられる触媒層１４と、触媒層１４の外側に設けられるセパレータ１５と、触媒層１４とセパレータ１５との間に設けられるガス拡散層３０とを備える。そして、セパレータ１５は、ガス拡散層３０と接する面に、水素ガス又は空気を流すためのガス流路１６を有している。
【００１８】
電解質膜１３は、湿潤状態で水素イオン（以下、プロトンとする）を選択的に透過するイオン交換膜であって、アノード電極で生成したプロトンをカソード電極へと移動させる機能を有する。電解質膜１３としては、例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標）等のスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体などの高分子膜を用いることができる。
【００１９】
触媒層１４は、電解質膜１３の両側に設けられる層であって、アノード電極側とカソード電極側とでは関与する反応が異なる。アノード電極側の触媒層１４は、ガス流路１６からガス拡散層３０を通って供給された水素ガスをプロトンと電子とに電離させる機能を有する。一方、カソード電極側の触媒層１４では、アノード電極側で電離したプロトンおよび電子が、ガス流路１６からガス拡散層３０を通って供給された空気中の酸素と反応して水が生成される。そして、この一連の反応により起電力が発生する。なお、いずれの触媒層１４も、例えば、白金、ルテニウム、又はロジウム等の貴金属触媒を担持した、カーボンブラック、アセチレンブラック、又はカーボンナノチューブ等のカーボン（以下、担持カーボンとする）を主成分とする。触媒層１４は、溶媒中に分散させた担持カーボンを電解質膜１３の両面に塗布した後、例えば、ホットプレス等を用いて形成することができる。
【００２０】
触媒層１４は、例えば、５μｍ〜３０μｍ程度の厚みを有し、特に１０μｍ程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、触媒層１４のガス拡散層３０側の面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。
【００２１】
セパレータ１５は、水素ガスと空気との混流を防止する機能と、電解質膜１３および触媒層１４における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。また、一般的に、セパレータ１５には、図示しない冷却水流路が形成されており、燃料電池セル１１を冷却する機能も有している。また、セパレータ１５は、例えば、ステンレス薄板から構成されており、ガス拡散層３０を介して電解質膜１３および触媒層１４を挟持するように燃料電池セル１１の両端に設けられている。
【００２２】
ガス流路１６は、上記のように、水素ガス又は空気を流すため流路であって、セパレータ１５のガス拡散層３０に接する面に形成される。具体的には、アノード電極側のガス流路１６に水素ガスが流れ、カソード電極側のガス流路１６に空気が流れる。また、いずれのガス流路１６も、厚み方向に凹凸を有する溝が形成された構造、例えば、サーペンタイン流路構造やストレート流路構造を採用することができ、凸部がガス拡散層３０と接触している。
【００２３】
ガス拡散層３０は、セパレータ１５の表面のガス流路１６を流れる水素ガス又は空気を触媒層１４に拡散させて供給（拡散供給）する機能を有し、ガス流路層であるガス流路１６と、触媒層１４との間に設けられている。また、ガス拡散層３０は、触媒層１４とセパレータ１５との間の電子伝達媒体としての役割も担う。ゆえに、ガス拡散層３０は、触媒層１４とセパレータ１５との間、特に接触抵抗が上昇し易い触媒層１４との間の接触抵抗を低く維持するために、予め定められた所定の圧力で圧縮されて配置されている。具体的には、上記のように、一対のエンドプレート２２により燃料電池セル１１の全体が圧縮されている。
【００２４】
また、ガス拡散層３０は、例えば、０．３ＭＰａ以下のような低面圧条件であっても、面圧の均一化を図り、特に触媒層１４との界面において局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止する機能を有する。この機能を実現するために、ガス拡散層３０は、ガス流路１６側に設けられる硬質層３１と、触媒層１４側に設けられる軟質層３２とから構成された２層構造を有し、軟質層３２の厚み方向の弾性率および厚みを後述するように規定している。
【００２５】
硬質層３１は、ガス流路１６と接触する層であって、軟質層３２よりも硬く弾性率が高い層である。なお、本明細書において、弾性率とは、圧縮力をひずみで除して得られるヤング率を意味する。硬質層３１としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの繊維状の導電性材料から構成され、好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂でコーティングされた導電性材料が用いられる。また、硬質層３１は、カーボンブラックなどの粒子状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成することもできる。また、繊維状の導電性材料に、粒子状の導電性材料、さらには絶縁性材料を混練したペーストを塗布してもよい。硬質層３１は、例えば、繊維状の導電性材料を軟質層３２の構成材料とラミネートする、或いは硬質層３１又は軟質層３２の一方の構成材料を他方の構成材料に塗布することで作製される。
【００２６】
硬質層３１は、例えば、１００μｍ〜３００μｍ程度の厚みを有し、特に１５０μｍ〜２００μｍ程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、硬質層３１の表面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。
【００２７】
軟質層３２は、触媒層１４と接触する層であって、硬質層３１よりも柔軟性があり圧縮し易い層である。また、軟質層３２は、触媒層１４よりも柔軟性が高い。即ち、軟質層３２の弾性率は、硬質層３１および触媒層１４よりも低く、特に厚み方向の弾性率（Ｅｚａ）は、式（１）に示すように、硬質層３１の厚み方向の弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２未満であることが要求される。
Ｅｚａ＜Ｅｚｂ／１２・・・・・（１）
なお、弾性率（Ｅｚａ）の好ましい範囲としては、弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２未満〜１／２４が例示でき、例えば、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲で設定される。
【００２８】
軟質層３２の弾性率（Ｅｚａ）を規定する式（１）は、ホルムの接触抵抗理論等に基づく演算結果、また、種々の弾性率におけるシミュレーション結果および実際の実験結果によって導出されたものである。即ち、実験結果等によれば、軟質層３２は、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、且つ後述するように、厚みＴａが式（２）を満たす場合に、０．３ＭＰａ以下のような低面圧条件においても接触抵抗の増大を防止することができる。一方、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たさない場合、即ち弾性率（Ｅｚａ）が硬質層３１の弾性率（Ｅｚｂ）の１／１２以上である場合は、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。
【００２９】
なお、軟質層３２としては、硬質層３１と同様の繊維状又は粒子状の導電性材料から構成することができる。但し、弾性率（Ｅｚａ）を硬質層３１よりも小さくするために、例えば、繊維密度の低い材料や柔軟性の高い材料が用いられ、特にカーボンブラック等の粒子状の導電性材料が好適である。また、軟質層３２は、面圧の均一化等の観点から、硬質層３１の表面凹凸深さＨｂの１／１０未満で、且つ触媒層１４の表面凹凸深さＨｃよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層３１の表面凹凸深さＨｂの１／１０未満で、且つ触媒層１４の表面凹凸深さＨｃよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成されることが好ましい。なお、当該粒子径および繊維径の条件も、上記の演算結果、また、シミュレーション結果および実験結果によって導出されたものである。
【００３０】
ここで、図２を用いて、ガス拡散層３０の構成、特に軟質層３２の構成をさらに説明する。なお、図２は、軟質層３２と触媒層１４との界面および軟質層３２と硬質層３１との界面の状態を示す断面図であり、図２（ａ）は未圧縮状態、図２（ｂ）が圧縮状態をそれぞれ示している。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、軟質層３２が接触する触媒層１４の表面および硬質層３１の表面には、表面凹凸が存在する。触媒層１４の表面凹凸深さＨｃおよび硬質層３１の表面凹凸深さＨｂは、それぞれの厚みによっても異なるが、通常、硬質層３１の方が分厚いので、表面凹凸深さはＨｃ＜Ｈｂの関係となる。なお、後述の式（２）で用いられる表面凹凸深さＨｃ，Ｈｂとは、未圧縮状態或いは非常に低い圧縮状態（以下、微圧縮状態と略記）における厚み方向の表面凹凸の長さであって、例えば、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、プローブの針先端圧を０．０１〜０．１ＭＰａに制御した先端径１０μｍ以下の表面粗さ計や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などを用いて測定することができる。
【００３２】
そして、軟質層３２は、触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸に基づいて、式（２）の条件を満たす厚みＴａを有している。なお、厚みＴａとは、未圧縮状態或いは微圧縮状態における厚みを意味する。
Ｔａ＞｛Ｈｃ×（Ｅｘｃ／Ｅｚｃ）｝+｛Ｈｂ×（Ｅｘｂ／Ｅｚｂ）｝・・・（２）
ここで、Ｅｘ１は、触媒層１４の面方向の弾性率、Ｅｘ２：硬質層３１の面方向の弾性率である。また、Ｈｃ，Ｈｂは、上記のように、未圧縮状態或いは微圧縮状態における触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸深さであり、式（２）においては、例えば、表面凹凸深さの最大値、中央値、最頻値、又は平均値などを用いることができる。これらのうち、中央値、最頻値、又は平均値を用いることが好ましく、平均値を用いることがより好ましい。
【００３３】
軟質層３２の厚みＴａを規定する式（２）は、ポアソン比に基づく演算により導出され、種々の厚みにおけるシミュレーションおよび実際の実験によって裏付けられたものである。式（２）の（Ｅｘｃ／Ｅｚｃ）および（Ｅｘｂ／Ｅｚｂ）は、触媒層１４および硬質層３１の圧縮状態において、各層の面方向への伸びと厚み方向への伸びとの比率を表すものである。そして、未圧縮状態或いは微圧縮状態の表面凹凸深さに当該比率を乗じることにより、圧縮状態における各層の表面凹凸深さを推定することができる。即ち、軟質層３２の厚みＴａは、圧縮状態における触媒層１４の表面凹凸深さと硬質層３２の表面凹凸深さとの和を超える厚みを有することが要求される。
【００３４】
即ち、軟質層３２は、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、厚みＴａが式（２）を満たす場合に限り、図２（ｂ）に示すように、０．３ＭＰａ以下のような低面圧条件においても触媒層１４の表面凹凸と硬質層３１の表面凹凸に対応し、両層と隙間なく接触する。一方、厚みＴａが式（２）の条件を満たさない場合は、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たしている場合でも、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。
【００３５】
なお、ガス拡散層３０の厚みは、ガス拡散性等の観点から、５０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、１００μｍ〜３００μｍであることがより好ましい。そして、軟質層３２の厚みＴａとしては、ガス拡散層３０全体の厚みによっても異なるが、５０〜２００μｍであることが好ましく、７０〜１００μｍであることがより好ましい。
【００３６】
ここで、図２と、比較例として図６とを用いて、上記構成を備えるガス拡散層３０の作用効果、特に軟質層３２の作用効果について説明する。なお、図６は、図２に対応する図であり、軟質層３２に代えて、式（２）の条件を満たさない軟質層５１を用いた場合の界面状態を示す図である。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、且つ厚みＴａが式（２）の条件を満たす軟質層３２は、図２（ｂ）に示すように、例えば、０．３ＭＰａのような低面圧条件であっても、触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸部分に十分入り込むことができる。即ち、軟質層３２は、触媒層１４および硬質層３１と隙間なく接触して、低面圧条件においても両層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層３０を用いれば、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。
【００３８】
一方、図６（ａ）に示すように、軟質層５１の厚みが式（２）の条件を満たさない場合には、図６（ｂ）に示すように、軟質層５１が触媒層１４および硬質層３１の表面凹凸部分に十分入り込まず、両層との間に大きな隙間が生じて、特に低面圧条件では大きな接触面積を確保することができない。したがって、図６に示すガス拡散層５０を用いた場合には、面圧が不均一となり、局所的な接触抵抗の増大を引き起こす。
【００３９】
次に、図３〜図５と、比較例として図７とを用いて、ガス拡散層３０の作用効果をさらに説明する。各図では、▲が実測値、点線が計算値をそれぞれ示している。
【００４０】
なお、図３は、ガス拡散層３０と触媒層１４との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図であり、図４および図５は、ガス拡散層３０と触媒層１４との界面における面圧が０．１ＭＰａの条件下で、軟質層３２の厚みと接触抵抗との関係および軟質層３２の弾性率と接触抵抗との関係をそれぞれ示す図である。また、図７は、図３に対応する図であり、軟質層３２に代えて、式（２）の条件を満たさない軟質層５１を用いた場合を示す図である。
【００４１】
図３に示すように、弾性率（Ｅｚａ）が式（１）の条件を満たし、且つ厚みＴａが式（２）の条件を満たす軟質層３２（Ｅｚａ＝１ＭＰａ，Ｔａ＝９８μｍ）を用いた場合には、０．３ＭＰａのような低面圧条件であっても、接触抵抗の増大が殆どなく、低接触抵抗を維持できている。一方、図７に示すように、式（１）および式（２）の条件を満たさない軟質層５２を用いた場合には、面圧が０．３ＭＰａより小さくなると、接触抵抗の急激な上昇を引き起こす。
【００４２】
また、図４に示すように、式（１）および式（２）の条件を満たす軟質層３２（Ｅｚａ＝１ＭＰａ）を用いた場合には、その厚みＴａが厚くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、厚みＴａを５２μｍから９８μｍに変化させると、接触抵抗が８５ｍΩ・ｃｍ2から４０ｍΩ・ｃｍ2に変化し、厚みＴａを約２倍にすると接触抵抗が約１／２になるという結果が得られた。なお、図４に例示する傾向は、厚みＴａが５０μｍ〜１００μｍ程度において、軟質層３２が式（１）および（２）の条件を満たす範囲で、触媒層１４の表面凹凸深さＨｃ、硬質層３２の表面凹凸深さＨｂ、又は硬質層３１の弾性率（Ｅｚｂ）を変化させても殆ど変化しない。
【００４３】
また、図５に示すように、式（１）および式（２）の条件を満たす軟質層３２（Ｔａ＝９８μｍ）を用いた場合には、その弾性率（Ｅｚａ）が低くなる、即ち柔軟性が高くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、弾性率（Ｅｚａ）を１０ＭＰａから１ＭＰａに変化させると、接触抵抗が５０ｍΩ・ｃｍ2から４０ｍΩ・ｃｍ2に変化するという結果が得られた。なお、図５に例示する傾向は、弾性率（Ｅｚａ）が１ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度において、軟質層３２が式（１）および（２）の条件を満たす範囲で、触媒層１４の表面凹凸深さＨｃ、硬質層３２の表面凹凸深さＨｂ、又は硬質層３１の弾性率（Ｅｚｂ）を変化させても殆ど変化しない。
【００４４】
以上のように、固体高分子型燃料電池のガス拡散層として、硬質層３１と、式（１）および式（２）の条件を満たす軟質層３２とを備えたガス拡散層３０を用いれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。
【００４５】
なお、上記では、セパレータ１５にガス流路１６が形成されるものとして説明したが、本発明のガス拡散層が適用される燃料電池としては、セパレータと別部材のガス流路層を備える燃料電池であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 燃料電池スタック、１１ 燃料電池セル、１２ エンドプレート、１３ 電解質膜、１４ 触媒層、１５ セパレータ、１６ ガス流路、３０ ガス拡散層、３１ 硬質層、３２ 軟質層、Ｈｃ 触媒層の表面凹凸深さ、Ｈｂ 硬質層の表面凹凸深さ、Ｔａ 軟質層の厚み。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層において、
ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、
触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、
を備え、
軟質層は、
触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、
硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、
Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有する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に記載の燃料電池用ガス拡散層において、
軟質層は、
硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構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】
ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層を備える固体高分子型燃料電池において、
前記ガス拡散層が、
ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、
触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、
を備え、
前記軟質層は、
触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、
硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、
Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池において、
固体高分子型燃料電池が有する拡散層の軟質層は、
硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項１】
ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層において、
ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、
触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、
を備え、
軟質層は、
触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、
硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、
Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有する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に記載の燃料電池用ガス拡散層において、
軟質層は、
硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構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】
ガス流路層と、表面凹凸深さＨｃを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層を備える固体高分子型燃料電池において、
前記ガス拡散層が、
ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さＨｂを有する硬質層と、
触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の１／１２未満である軟質層と、
を備え、
前記軟質層は、
触媒層の厚み方向の弾性率をＥｚｃ、面方向の弾性率をＥｘｃとし、
硬質層の厚み方向の弾性率をＥｚｂ、面方向の弾性率をＥｘｂとして、
Ｈｃ×（Ｅｚｃ／Ｅｘｃ）＋Ｈｂ×（Ｅｚｂ／Ｅｘｂ）を超える厚みを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池において、
固体高分子型燃料電池が有する拡散層の軟質層は、
硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの１／１０未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−５９６１５（Ｐ２０１２−５９６１５Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３２６１（Ｐ２０１０−２０３２６１）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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