燃料電池
【課題】粗密構造を有するガス拡散層のガス拡散性の面内のばらつきを改善する。
【解決手段】ガス拡散層２８は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層６４と、細孔径が相対的に小さい第２の基材層６６とを含み、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られる微細孔層６２が第１の基材層６４に塗布されている。同様に、ガス拡散層３２は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４と、細孔径が相対的に小さい第２の基材層７６とを含み、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られる微細孔層７２が第１の基材層７４に塗布されている。
【解決手段】ガス拡散層２８は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層６４と、細孔径が相対的に小さい第２の基材層６６とを含み、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られる微細孔層６２が第１の基材層６４に塗布されている。同様に、ガス拡散層３２は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４と、細孔径が相対的に小さい第２の基材層７６とを含み、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られる微細孔層７２が第１の基材層７４に塗布されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池を構成するガス拡散層のガス拡散性能を改良する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（１）
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（２）
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００６】
ガス拡散層に関しては、ガス拡散性を向上させるべく開発が行われている。たとえば、特許文献１は、抄紙シートの内部の空隙に撥水性材料を含浸させて得たベースシート（カーボン基材）の表面に導電性物質を含む流動物（ガス拡散ペースト）を塗布することにより、粗層の表面に密層を積層させた複層構造が形成されたガス拡散部材を開示する。
【特許文献１】特開２００５−７１９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、燃料電池に用いられるガス拡散層では、単一構造のカーボン基材にガス拡散ペーストを塗布していたため、ガス拡散ペーストの塗布深さ、塗布分布がカーボン基材面内で不均一となりやすくなる傾向があった。これは、単一構造のカーボン基材では、ガス拡散ペーストが入り込める気孔の分布にばらつきが生じていることに起因する。この結果、ガス拡散層のガス拡散性が面内で不均一となり、電気化学反応が場所によって阻害され、燃料電池の動作安定性が損なわれるという課題があった。
【０００８】
また、カソードでは、酸化剤の流れに従って生成水が移動するなるため、酸化剤の流れの上流側ほどガス拡散層が乾燥しやすくなり、酸化剤の流れの下流側ほどガス拡散層が過加湿状態となる問題があった。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複層構造を有するガス拡散層のガス拡散性を向上させる技術の提供にある。また、本発明の他の目的は、カソード側のガス拡散層の水分の分布を均一化する技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、アノード触媒層の外面に配設されたアノードガス拡散層と、アノードガス拡散層の表面に沿って燃料を供給する燃料供給手段と、電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、カソード触媒層の外面に配設されたカソードガス拡散層と、カソードガス拡散層の表面に沿って酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備え、アノードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むアノード基材と、アノード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤の混練物で形成されたアノード微細孔層と、を有し、カソードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むカソード基材と、カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤との混練物で形成されたカソード微細孔層と、を有することを特徴とする。
【００１１】
この態様によれば、アノードおよびカソードのガス拡散層において、導電性粉末および撥水剤の混練物からなる微細孔層の厚さがカソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分によって規定される。この結果、微細孔層の厚さおよび分布のばらつきが抑制され、燃料電池の動作安定性が向上する。
【００１２】
上記態様において、カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の方がカソード基材中の細孔径が相対的に小さい部分に比べて撥水性が高くてもよい。
【００１３】
この態様によれば、カソードのガス拡散層において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層の撥水性がより高くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層が乾燥することがさらに抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層が過加湿状態になることがさらに抑制される。
【００１４】
上記態様において、カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の厚さが、酸化剤の流れの上流側の方が酸化剤の流れの下流側に対して厚くなっていてもよい。
【００１５】
この態様によれば、カソードのガス拡散層において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層の撥水性が高くなる。言い換えると、酸化剤の流れの上流側の微細孔層の水分透過性が低くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層が乾燥することが抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層が過加湿状態になることが抑制される。ひいては、ガス拡散層および電解質膜の水分が適度に保たれ、燃料電池の動作安定性が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガス拡散層のガス拡散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】
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電極触媒およびこれを用いた燃料電池１０の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。燃料電池１０は、平板状のセル５０を備え、このセル５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けらている。この例では一つのセル５０のみを示すが、セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池１０が構成されてもよい。セル５０は、固体高分子電解質膜２０、燃料極（アノード）２２および空気極（カソード）２４とを有する。燃料極２２は、触媒層２６およびガス拡散層２８からなる積層体を有する。同様に、空気極２４は、触媒層３０およびガス拡散層３２からなる積層体を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。
【００１８】
燃料極２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４側に設けられるセパレータ３６にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池１０の運転時、燃料ガス、例えば水素ガスがガス流路３８内をガス拡散層２８の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、燃料極２２に燃料ガスが供給される。一方、燃料電池１０の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路４０内をガス拡散層３２の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、空気極２４に酸化剤ガスが供給される。これにより、セル５０内で反応が生じる。ガス拡散層２８を介して触媒層２６に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜２０中を空気極２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路から空気極２４に流れ込む。一方、ガス拡散層３２を介して触媒層３０に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極２２から空気極２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【００１９】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、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等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
【００２０】
燃料極２２を構成する触媒層２６は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００２１】
燃料極２２を構成するガス拡散層２８は、アノード基材６０およびアノード基材６０に塗布された微細孔層６２を有する。ガス拡散層２８の製造方法については後述する。
【００２２】
アノード基材６０は、第１の基材層６４および第２の基材層６６を有する。第１の基材層６４および第２の基材層６６は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。第１の基材層６４は、固体高分子電解質膜２０側に位置し、平均細孔径が相対的に大きい部分である。第２の基材層６６は、固体高分子電解質膜２０の反対側に位置し、平均細孔径が相対的に小さい部分である。
【００２３】
平均細孔径が相対的に小さい第２の基材層６６の平均細孔径は１０〜１００μｍが好ましい。第２の基材層６６の平均細孔径が１０μｍより小さいと微細孔層６２の平均細孔径と同等以下になってしまい、ガス拡散性が極端に悪くなる。逆に、第２の基材層６６の平均細孔径が１００μｍより大きいと、第２の基材層６６の細孔径が大きくなり過ぎ、第１の基材層６４に塗布される微細孔層６２の表面の平坦度が悪くなる危険性がある。平均細孔径が相対的に大きい第１の基材層６４の平均細孔径は、２００μｍを超えない範囲で、第２の基材層６６の平均細孔径の２倍以上が好ましい。第１の基材層６４の平均細孔径を第２の基材層６６の平均細孔径の２倍以上とすることにより、微細孔層６２の透過性に明確な差をつけることができ、第２の基材層６６への微細孔層６２の進入を防ぐ効果が高くなる。また、第１の基材層６４の平均細孔径が２００μｍを超えると微細孔層６２の表面の平坦度が悪くなる可能性が高くなる。
【００２４】
微細孔層６２は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペースト状の混練物を得ることができる。
【００２５】
微細孔層６２は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層６４に塗布されている。このため、微細孔層６２は、第１の基材層６４の形状によって規定され、厚さや分布にばらつきが少なくなっている。この結果、ガス拡散層２８のガス拡散性が場所によってばらつくことが抑制され、ひいては、電気化学反応に供される燃料電池１０の動作安定性が向上する。
【００２６】
空気極２４を構成する触媒層３０は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００２７】
空気極２４を構成するガス拡散層３２は、カソード基材７０およびカソード基材７０に塗布された微細孔層７２を有する。ガス拡散層３２の製造方法については後述する。
【００２８】
カソード基材７０は、第１の基材層７４および第２の基材層７６を有する。第１の基材層７４および第２の基材層７６は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。第１の基材層７４は、固体高分子電解質膜２０側に位置し、細孔径が相対的に大きい部分である。第２の基材層７６は、固体高分子電解質膜２０の反対側に位置し、細孔径が相対的に小さい部分である。
【００２９】
平均細孔径が相対的に小さい第２の基材層７６の平均細孔径は１０〜１００μｍが好ましい。第２の基材層７６の平均細孔径が１０μｍより小さいと微細孔層７２の平均細孔径と同等以下になってしまい、ガス拡散性が極端に悪くなる。逆に、第２の基材層７６の平均細孔径が１００μｍより大きいと、第２の基材層７６の細孔径が大きくなり過ぎ、第１の基材層７４に塗布される微細孔層７２の表面の平坦度が悪くなる危険性がある。平均細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４の平均細孔径は、２００μｍを超えない範囲で、第２の基材層７６の平均細孔径の２倍以上が好ましい。第１の基材層７４の平均細孔径を第２の基材層７６の平均細孔径の２倍以上とすることにより、微細孔層７２の透過性に明確な差をつけることができ、第２の基材層７６への微細孔層７２の進入を防ぐ効果が高くなる。また、第１の基材層７４の平均細孔径が２００μｍを超えると微細孔層７２の表面の平坦度が悪くなる可能性が高くなる。
【００３０】
微細孔層７２は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（PTFE）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペースト状の混練物を得ることができる。
【００３１】
微細孔層７２は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４に塗布されている。このため、微細孔層７２は、第１の基材層７４の形状によって規定され、厚さや分布にばらつきが少なくなっている。この結果、ガス拡散層３２のガス拡散性が場所によってばらつくことが抑制され、ひいては、電気化学反応に供される燃料電池１０の動作安定性が向上する。
【００３２】
（ガス拡散層の作製方法）
図１および図２に示した燃料極２２を構成するガス拡散層２８および空気極２４を構成するガス拡散層３２は、以下の手順により作製することができる。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は同様な手順で作製できるため、ガス拡散層３２の作製手順を中心に説明し、必要に応じてガス拡散層２８の作製手順を説明する。
【００３３】
まず、図３に示すような、カーボンペーパからなる第１の基材層７４および第２の基材層７６を有するカソード基材７０を用意する。第１の基材層７４の厚さは、特に限定されないが、たとえば５０μｍとすることができる。また、第２の基材層７６の厚さは、特に限定されないが、たとえば１５０μｍとすることができる。
【００３４】
次に、重量比でカーボンペーパ：ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）＝９５：５となるように、カソード基材７０をＦＥＰ分散液に浸漬した後、３８０℃を２時間保持して熱処理（ＦＥＰ撥水処理）を行う。カソード基材７０をＦＥＰ分散液に浸漬することにより、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６よりＦＥＰ分散液の含浸量が多くなる。これにより、熱処理後の撥水性は、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６より高くなる。言い換えると、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６より水分透過性が低くなる。
【００３５】
なお、アノード基材６０については、カーボンペーパ：ＦＥＰ＝６０：４０となるように、アノード基材６０をＦＥＰ分散液に浸漬する。
【００３６】
次に、カーボンブラックと溶媒としてテルピネオールと非イオン性界面活性剤のトリトンとを、重量比がカーボンブラック：テルピネオール：トリトン＝２０：１５０：３となるように、万能混合機にて常温で６０分間、均一になるように混合し、カーボンペーストを作製する。
【００３７】
次に、カーボンペーストとフッ素樹脂とを混練する。具体的には、ハイブリッドミキサ用容器に上記カーボンペーストを投入し、カーボンペーストが１０〜１２℃になるまで冷却する。冷却したカーボンペーストに撥水剤としてフッ素樹脂を含むフッ素樹脂分散液を投入し、重量比をカーボンペースト：フッ素樹脂（分散液中に含まれるフッ素樹脂成分）＝３１：１にする。フッ素樹脂分散液は、分散液中のフッ素樹脂の重量比を低分子ＰＴＦＥ：高分子ＰＴＦＥ＝２０：３としたものを用いることができる。
【００３８】
続いて、ハイブリッドミキサ（キーエンス社製：ＥＣ５００）の混合モードにてカーボンペーストとフッ素樹脂との混合物を１２〜１８分間混合した後、脱泡モードにて１〜３分間脱泡を行う。脱泡を終えたペーストを自然冷却することにより、微細孔層６２を形成するカソード用のガス拡散層ペーストが得られる。
【００３９】
なお、アノード用のガス拡散層ペーストの場合には、ハイブリッドミキサ用容器に上記ガーボンペーストと低分子ＰＴＦＥとを、重量比がカーボンペースト：低分子ＰＴＦＥ＝２６：３となるように投入し、ハイブリッドミキサの混合モードにて１５分間混合する。混合した後、ハイブリッドミキサを脱泡モードに切り替え、４分間脱泡を行う。脱泡を終えたペーストの上部に上澄み液が溜まった場合には、この上澄み液を廃棄し、ペーストを自然冷却して、アノード用のガス拡散層ペーストを得る。
【００４０】
カソード用のガス拡散層ペーストを、カソード基材７０の第１の基材層７４に塗布する。本実施の形態では、第１の基材層７４は第２の基材層７６に比べて細孔径が大きいため、ガス拡散層ペーストが塗布される領域を第１の基材層７４に限定し、ガス拡散層ペーストの塗布厚さを制御することができる。このため、第１の基材層７４と第２の基材層７６との界面を平滑にすることにより、ガス拡散層ペースト、すなわち、微細孔層６２の塗布厚さおよび分布のばらつきを低減することが可能となる。
【００４１】
ガス拡散層ペーストが塗布されたカソード基材７０を熱風乾燥機などを用いて６０℃で６０分間乾燥した後、３６０℃で２時間熱処理を行うことにより、空気極２４を構成するガス拡散層３２が得られる。
【００４２】
（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池１０の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、同様な構成については実施の形態１と同一の符号を付して、説明を適宜省略する。実施の形態１では、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さが均等にしていたが、実施の形態２では、図４に示すように、細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４の厚さは、酸化剤の流れの上流側の方が酸化剤の流れの下流側に対して厚くなっている。たとえば、カソード基材７０全体の厚さを２００μｍとした場合には、第１の基材層７４の最上流側（図４の最上部）の厚さを１５０μｍとし、第１の基材層７４の最下流側（図４の最下部）の厚さを２０μｍとすることができる。
【００４３】
これによれば、カソードのガス拡散層３２において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２の撥水性が高くなる。言い換えると、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２の水分透過性が低くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２が乾燥することが抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層７２が過加湿状態になることが抑制される。ひいては、ガス拡散層３２および固体高分子電解質膜２０の水分が適度に保たれ、燃料電池１０の動作安定性が向上する。
【００４４】
なお、カソード基材７０をＦＥＰ分散液に浸漬することにより、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６よりＦＥＰ分散液の含浸量が多くなる。これにより、熱処理後の撥水性は、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６より高くなる。本実施の形態では、酸化剤の流れの上流側ほど、第１の基材層７４の割合が高くなっているため、カソードのガス拡散層３２において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２の撥水性がより高くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２が乾燥することがさらに抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層７２が過加湿状態になることがさらに抑制される。
【００４５】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００４６】
例えば、上述の各実施の形態では、アノード側の第１の基材層６４およびカソード側の第１の基材層７４の方が、それぞれアノード側の第２の基材層６６およびカソード側の第２の基材層７６に比べて細孔径が大きくなっているが、これに限られない。たとえば、アノード側の第１の基材層６４とアノード側の第２の基材層６６との関係、およびカソード側の第１の基材層７４とカソード側の第２の基材層７６との関係は下記の表のとおりであってもよい。
【００４７】
【表１】
【００４８】
なお、かさ密度とは、単位体積あたりのカーボン繊維の重量をいう。また、目付量とは、単位面積あたりのカーボン繊維の重量をいう。気孔率は、単位面積あたりの気孔の割合をいう。
【００４９】
かさ密度および目付量は、細孔径と大小関係が逆である。一方、気孔率は、細孔径と大小関係が同じであり、細孔径に代えて気孔率により、アノードおよびカソードの第１の基材層、第２の基材層を定義することも可能である。
【００５０】
また、実施の形態２では、酸化剤の流れの上流側から下流側に向けて、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さが徐々に減少しているが、これに限られない。たとえば、図５に示すように、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さは、段階的に減少してもよい。
【００５１】
また、カソード用のガス流路４０は途中で屈曲していてもよく、この場合には、ガス流路４０の経路に沿って、酸化剤の流れの上流側から下流側に向けて、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さを減少させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図３】カソード用のガス拡散層の作製に用いられるカソード基材の構成を示す図である。
【図４】実施の形態２に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図５】変形例に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 燃料電池、２０ 固体高分子電解質膜、２２ 燃料極、２４ 空気極、２６、３０ 触媒層、２８、３２ ガス拡散層、３４、３６ セパレータ、５０ セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池を構成するガス拡散層のガス拡散性能を改良する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（１）
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（２）
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００６】
ガス拡散層に関しては、ガス拡散性を向上させるべく開発が行われている。たとえば、特許文献１は、抄紙シートの内部の空隙に撥水性材料を含浸させて得たベースシート（カーボン基材）の表面に導電性物質を含む流動物（ガス拡散ペースト）を塗布することにより、粗層の表面に密層を積層させた複層構造が形成されたガス拡散部材を開示する。
【特許文献１】特開２００５−７１９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、燃料電池に用いられるガス拡散層では、単一構造のカーボン基材にガス拡散ペーストを塗布していたため、ガス拡散ペーストの塗布深さ、塗布分布がカーボン基材面内で不均一となりやすくなる傾向があった。これは、単一構造のカーボン基材では、ガス拡散ペーストが入り込める気孔の分布にばらつきが生じていることに起因する。この結果、ガス拡散層のガス拡散性が面内で不均一となり、電気化学反応が場所によって阻害され、燃料電池の動作安定性が損なわれるという課題があった。
【０００８】
また、カソードでは、酸化剤の流れに従って生成水が移動するなるため、酸化剤の流れの上流側ほどガス拡散層が乾燥しやすくなり、酸化剤の流れの下流側ほどガス拡散層が過加湿状態となる問題があった。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複層構造を有するガス拡散層のガス拡散性を向上させる技術の提供にある。また、本発明の他の目的は、カソード側のガス拡散層の水分の分布を均一化する技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、アノード触媒層の外面に配設されたアノードガス拡散層と、アノードガス拡散層の表面に沿って燃料を供給する燃料供給手段と、電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、カソード触媒層の外面に配設されたカソードガス拡散層と、カソードガス拡散層の表面に沿って酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備え、アノードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むアノード基材と、アノード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤の混練物で形成されたアノード微細孔層と、を有し、カソードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むカソード基材と、カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤との混練物で形成されたカソード微細孔層と、を有することを特徴とする。
【００１１】
この態様によれば、アノードおよびカソードのガス拡散層において、導電性粉末および撥水剤の混練物からなる微細孔層の厚さがカソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分によって規定される。この結果、微細孔層の厚さおよび分布のばらつきが抑制され、燃料電池の動作安定性が向上する。
【００１２】
上記態様において、カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の方がカソード基材中の細孔径が相対的に小さい部分に比べて撥水性が高くてもよい。
【００１３】
この態様によれば、カソードのガス拡散層において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層の撥水性がより高くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層が乾燥することがさらに抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層が過加湿状態になることがさらに抑制される。
【００１４】
上記態様において、カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の厚さが、酸化剤の流れの上流側の方が酸化剤の流れの下流側に対して厚くなっていてもよい。
【００１５】
この態様によれば、カソードのガス拡散層において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層の撥水性が高くなる。言い換えると、酸化剤の流れの上流側の微細孔層の水分透過性が低くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層が乾燥することが抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層が過加湿状態になることが抑制される。ひいては、ガス拡散層および電解質膜の水分が適度に保たれ、燃料電池の動作安定性が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガス拡散層のガス拡散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】
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電極触媒およびこれを用いた燃料電池１０の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。燃料電池１０は、平板状のセル５０を備え、このセル５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けらている。この例では一つのセル５０のみを示すが、セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池１０が構成されてもよい。セル５０は、固体高分子電解質膜２０、燃料極（アノード）２２および空気極（カソード）２４とを有する。燃料極２２は、触媒層２６およびガス拡散層２８からなる積層体を有する。同様に、空気極２４は、触媒層３０およびガス拡散層３２からなる積層体を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。
【００１８】
燃料極２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４側に設けられるセパレータ３６にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池１０の運転時、燃料ガス、例えば水素ガスがガス流路３８内をガス拡散層２８の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、燃料極２２に燃料ガスが供給される。一方、燃料電池１０の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路４０内をガス拡散層３２の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、空気極２４に酸化剤ガスが供給される。これにより、セル５０内で反応が生じる。ガス拡散層２８を介して触媒層２６に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜２０中を空気極２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路から空気極２４に流れ込む。一方、ガス拡散層３２を介して触媒層３０に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極２２から空気極２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【００１９】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、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等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
【００２０】
燃料極２２を構成する触媒層２６は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００２１】
燃料極２２を構成するガス拡散層２８は、アノード基材６０およびアノード基材６０に塗布された微細孔層６２を有する。ガス拡散層２８の製造方法については後述する。
【００２２】
アノード基材６０は、第１の基材層６４および第２の基材層６６を有する。第１の基材層６４および第２の基材層６６は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。第１の基材層６４は、固体高分子電解質膜２０側に位置し、平均細孔径が相対的に大きい部分である。第２の基材層６６は、固体高分子電解質膜２０の反対側に位置し、平均細孔径が相対的に小さい部分である。
【００２３】
平均細孔径が相対的に小さい第２の基材層６６の平均細孔径は１０〜１００μｍが好ましい。第２の基材層６６の平均細孔径が１０μｍより小さいと微細孔層６２の平均細孔径と同等以下になってしまい、ガス拡散性が極端に悪くなる。逆に、第２の基材層６６の平均細孔径が１００μｍより大きいと、第２の基材層６６の細孔径が大きくなり過ぎ、第１の基材層６４に塗布される微細孔層６２の表面の平坦度が悪くなる危険性がある。平均細孔径が相対的に大きい第１の基材層６４の平均細孔径は、２００μｍを超えない範囲で、第２の基材層６６の平均細孔径の２倍以上が好ましい。第１の基材層６４の平均細孔径を第２の基材層６６の平均細孔径の２倍以上とすることにより、微細孔層６２の透過性に明確な差をつけることができ、第２の基材層６６への微細孔層６２の進入を防ぐ効果が高くなる。また、第１の基材層６４の平均細孔径が２００μｍを超えると微細孔層６２の表面の平坦度が悪くなる可能性が高くなる。
【００２４】
微細孔層６２は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペースト状の混練物を得ることができる。
【００２５】
微細孔層６２は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層６４に塗布されている。このため、微細孔層６２は、第１の基材層６４の形状によって規定され、厚さや分布にばらつきが少なくなっている。この結果、ガス拡散層２８のガス拡散性が場所によってばらつくことが抑制され、ひいては、電気化学反応に供される燃料電池１０の動作安定性が向上する。
【００２６】
空気極２４を構成する触媒層３０は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００２７】
空気極２４を構成するガス拡散層３２は、カソード基材７０およびカソード基材７０に塗布された微細孔層７２を有する。ガス拡散層３２の製造方法については後述する。
【００２８】
カソード基材７０は、第１の基材層７４および第２の基材層７６を有する。第１の基材層７４および第２の基材層７６は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。第１の基材層７４は、固体高分子電解質膜２０側に位置し、細孔径が相対的に大きい部分である。第２の基材層７６は、固体高分子電解質膜２０の反対側に位置し、細孔径が相対的に小さい部分である。
【００２９】
平均細孔径が相対的に小さい第２の基材層７６の平均細孔径は１０〜１００μｍが好ましい。第２の基材層７６の平均細孔径が１０μｍより小さいと微細孔層７２の平均細孔径と同等以下になってしまい、ガス拡散性が極端に悪くなる。逆に、第２の基材層７６の平均細孔径が１００μｍより大きいと、第２の基材層７６の細孔径が大きくなり過ぎ、第１の基材層７４に塗布される微細孔層７２の表面の平坦度が悪くなる危険性がある。平均細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４の平均細孔径は、２００μｍを超えない範囲で、第２の基材層７６の平均細孔径の２倍以上が好ましい。第１の基材層７４の平均細孔径を第２の基材層７６の平均細孔径の２倍以上とすることにより、微細孔層７２の透過性に明確な差をつけることができ、第２の基材層７６への微細孔層７２の進入を防ぐ効果が高くなる。また、第１の基材層７４の平均細孔径が２００μｍを超えると微細孔層７２の表面の平坦度が悪くなる可能性が高くなる。
【００３０】
微細孔層７２は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（PTFE）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペースト状の混練物を得ることができる。
【００３１】
微細孔層７２は、細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４に塗布されている。このため、微細孔層７２は、第１の基材層７４の形状によって規定され、厚さや分布にばらつきが少なくなっている。この結果、ガス拡散層３２のガス拡散性が場所によってばらつくことが抑制され、ひいては、電気化学反応に供される燃料電池１０の動作安定性が向上する。
【００３２】
（ガス拡散層の作製方法）
図１および図２に示した燃料極２２を構成するガス拡散層２８および空気極２４を構成するガス拡散層３２は、以下の手順により作製することができる。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は同様な手順で作製できるため、ガス拡散層３２の作製手順を中心に説明し、必要に応じてガス拡散層２８の作製手順を説明する。
【００３３】
まず、図３に示すような、カーボンペーパからなる第１の基材層７４および第２の基材層７６を有するカソード基材７０を用意する。第１の基材層７４の厚さは、特に限定されないが、たとえば５０μｍとすることができる。また、第２の基材層７６の厚さは、特に限定されないが、たとえば１５０μｍとすることができる。
【００３４】
次に、重量比でカーボンペーパ：ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）＝９５：５となるように、カソード基材７０をＦＥＰ分散液に浸漬した後、３８０℃を２時間保持して熱処理（ＦＥＰ撥水処理）を行う。カソード基材７０をＦＥＰ分散液に浸漬することにより、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６よりＦＥＰ分散液の含浸量が多くなる。これにより、熱処理後の撥水性は、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６より高くなる。言い換えると、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６より水分透過性が低くなる。
【００３５】
なお、アノード基材６０については、カーボンペーパ：ＦＥＰ＝６０：４０となるように、アノード基材６０をＦＥＰ分散液に浸漬する。
【００３６】
次に、カーボンブラックと溶媒としてテルピネオールと非イオン性界面活性剤のトリトンとを、重量比がカーボンブラック：テルピネオール：トリトン＝２０：１５０：３となるように、万能混合機にて常温で６０分間、均一になるように混合し、カーボンペーストを作製する。
【００３７】
次に、カーボンペーストとフッ素樹脂とを混練する。具体的には、ハイブリッドミキサ用容器に上記カーボンペーストを投入し、カーボンペーストが１０〜１２℃になるまで冷却する。冷却したカーボンペーストに撥水剤としてフッ素樹脂を含むフッ素樹脂分散液を投入し、重量比をカーボンペースト：フッ素樹脂（分散液中に含まれるフッ素樹脂成分）＝３１：１にする。フッ素樹脂分散液は、分散液中のフッ素樹脂の重量比を低分子ＰＴＦＥ：高分子ＰＴＦＥ＝２０：３としたものを用いることができる。
【００３８】
続いて、ハイブリッドミキサ（キーエンス社製：ＥＣ５００）の混合モードにてカーボンペーストとフッ素樹脂との混合物を１２〜１８分間混合した後、脱泡モードにて１〜３分間脱泡を行う。脱泡を終えたペーストを自然冷却することにより、微細孔層６２を形成するカソード用のガス拡散層ペーストが得られる。
【００３９】
なお、アノード用のガス拡散層ペーストの場合には、ハイブリッドミキサ用容器に上記ガーボンペーストと低分子ＰＴＦＥとを、重量比がカーボンペースト：低分子ＰＴＦＥ＝２６：３となるように投入し、ハイブリッドミキサの混合モードにて１５分間混合する。混合した後、ハイブリッドミキサを脱泡モードに切り替え、４分間脱泡を行う。脱泡を終えたペーストの上部に上澄み液が溜まった場合には、この上澄み液を廃棄し、ペーストを自然冷却して、アノード用のガス拡散層ペーストを得る。
【００４０】
カソード用のガス拡散層ペーストを、カソード基材７０の第１の基材層７４に塗布する。本実施の形態では、第１の基材層７４は第２の基材層７６に比べて細孔径が大きいため、ガス拡散層ペーストが塗布される領域を第１の基材層７４に限定し、ガス拡散層ペーストの塗布厚さを制御することができる。このため、第１の基材層７４と第２の基材層７６との界面を平滑にすることにより、ガス拡散層ペースト、すなわち、微細孔層６２の塗布厚さおよび分布のばらつきを低減することが可能となる。
【００４１】
ガス拡散層ペーストが塗布されたカソード基材７０を熱風乾燥機などを用いて６０℃で６０分間乾燥した後、３６０℃で２時間熱処理を行うことにより、空気極２４を構成するガス拡散層３２が得られる。
【００４２】
（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池１０の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、同様な構成については実施の形態１と同一の符号を付して、説明を適宜省略する。実施の形態１では、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さが均等にしていたが、実施の形態２では、図４に示すように、細孔径が相対的に大きい第１の基材層７４の厚さは、酸化剤の流れの上流側の方が酸化剤の流れの下流側に対して厚くなっている。たとえば、カソード基材７０全体の厚さを２００μｍとした場合には、第１の基材層７４の最上流側（図４の最上部）の厚さを１５０μｍとし、第１の基材層７４の最下流側（図４の最下部）の厚さを２０μｍとすることができる。
【００４３】
これによれば、カソードのガス拡散層３２において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２の撥水性が高くなる。言い換えると、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２の水分透過性が低くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２が乾燥することが抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層７２が過加湿状態になることが抑制される。ひいては、ガス拡散層３２および固体高分子電解質膜２０の水分が適度に保たれ、燃料電池１０の動作安定性が向上する。
【００４４】
なお、カソード基材７０をＦＥＰ分散液に浸漬することにより、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６よりＦＥＰ分散液の含浸量が多くなる。これにより、熱処理後の撥水性は、第１の基材層７４の方が第２の基材層７６より高くなる。本実施の形態では、酸化剤の流れの上流側ほど、第１の基材層７４の割合が高くなっているため、カソードのガス拡散層３２において、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２の撥水性がより高くなる。この結果、酸化剤の流れの上流側の微細孔層７２が乾燥することがさらに抑制されるとともに、酸化剤の流れの下流側の微細孔層７２が過加湿状態になることがさらに抑制される。
【００４５】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００４６】
例えば、上述の各実施の形態では、アノード側の第１の基材層６４およびカソード側の第１の基材層７４の方が、それぞれアノード側の第２の基材層６６およびカソード側の第２の基材層７６に比べて細孔径が大きくなっているが、これに限られない。たとえば、アノード側の第１の基材層６４とアノード側の第２の基材層６６との関係、およびカソード側の第１の基材層７４とカソード側の第２の基材層７６との関係は下記の表のとおりであってもよい。
【００４７】
【表１】
【００４８】
なお、かさ密度とは、単位体積あたりのカーボン繊維の重量をいう。また、目付量とは、単位面積あたりのカーボン繊維の重量をいう。気孔率は、単位面積あたりの気孔の割合をいう。
【００４９】
かさ密度および目付量は、細孔径と大小関係が逆である。一方、気孔率は、細孔径と大小関係が同じであり、細孔径に代えて気孔率により、アノードおよびカソードの第１の基材層、第２の基材層を定義することも可能である。
【００５０】
また、実施の形態２では、酸化剤の流れの上流側から下流側に向けて、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さが徐々に減少しているが、これに限られない。たとえば、図５に示すように、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さは、段階的に減少してもよい。
【００５１】
また、カソード用のガス流路４０は途中で屈曲していてもよく、この場合には、ガス流路４０の経路に沿って、酸化剤の流れの上流側から下流側に向けて、カソード基材７０の第１の基材層７４の厚さを減少させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図３】カソード用のガス拡散層の作製に用いられるカソード基材の構成を示す図である。
【図４】実施の形態２に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図５】変形例に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 燃料電池、２０ 固体高分子電解質膜、２２ 燃料極、２４ 空気極、２６、３０ 触媒層、２８、３２ ガス拡散層、３４、３６ セパレータ、５０ セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記アノード触媒層の外面に配設されたアノードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層の表面に沿って燃料を供給する燃料供給手段と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記カソード触媒層の外面に配設されたカソードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層の表面に沿って酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
を備え、
前記アノードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むアノード基材と、
前記アノード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤の混練物で形成されたアノード微細孔層と、
を有し、
前記カソードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むカソード基材と、
前記カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤との混練物で形成されたカソード微細孔層と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の方が前記カソード基材中の細孔径が相対的に小さい部分に比べて撥水性が高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の厚さが、前記酸化剤の流れの上流側の方が前記酸化剤の流れの下流側に対して厚くなっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記アノード触媒層の外面に配設されたアノードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層の表面に沿って燃料を供給する燃料供給手段と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記カソード触媒層の外面に配設されたカソードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層の表面に沿って酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
を備え、
前記アノードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むアノード基材と、
前記アノード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤の混練物で形成されたアノード微細孔層と、
を有し、
前記カソードガス拡散層は、細孔径が相対的に大きい部分と、細孔径が相対的に小さい部分とを含むカソード基材と、
前記カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分に塗布された導電性粉末および撥水剤との混練物で形成されたカソード微細孔層と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の方が前記カソード基材中の細孔径が相対的に小さい部分に比べて撥水性が高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード基材中の細孔径が相対的に大きい部分の厚さが、前記酸化剤の流れの上流側の方が前記酸化剤の流れの下流側に対して厚くなっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−３２３９３９（Ｐ２００７−３２３９３９Ａ）
【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２００６−１５２６５４（Ｐ２００６−１５２６５４）
【出願日】平成１８年５月３１日（２００６．５．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【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５月３１日（２００６．５．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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