JP2008041352A - ガス拡散層及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能を低下させることなく、高温時の排水性を制御することが可能なガス拡散層、及び、当該ガス拡散層を備える燃料電池を提供する。
【解決手段】ガス拡散層１０は、表面層３と導電性多孔質基材層１から成り、導電性多孔質基材層１においては、表面層３とは反対側に気孔径可変層２が備えられた構成であり、導電性多孔質基材１よりも熱膨張率が高い高熱膨張材料が、導電性多孔質基材１の一部に備えられている。ガス拡散層１０に備えられる高熱膨張材料として、ＥＰＤＭを使用し、ＥＰＤＭとカーボンブラック粒子とを含むペーストを導電性多孔質基材に塗布し乾燥させることにより気孔径可変層２が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス拡散層及び燃料電池に関し、特に、高温時の排水性を制御することが可能なガス拡散層、及び、当該ガス拡散層を備える燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述することがある。）は、電解質膜と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述することがある。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用されるＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。

ＰＥＦＣの単セルは、プロトン伝導性能を有するアイオノマーを備える電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、接触抵抗を低減する等の観点から、スタック形態の燃料電池の両端側からは、締結圧力が加えられる。

ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下、「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下、「酸素」という。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下、「アノード触媒層」ということがある。）に含まれる触媒上でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下、「カソード触媒層」ということがある。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、ＰＥＦＣでは、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。

ＰＥＦＣの運転時に生成された水は、例えば、電解質膜等を含水状態に保つために利用され得る。一方で、ＰＥＦＣが高負荷で運転されると、単セルの温度が上昇し、水が蒸発しやすい。蒸発した水は、単セルへと供給される水素及び／又は酸素とともに、単セル外へと排出されやすいため、単セルの温度が上昇すると電解質膜等が乾燥しやすい。ここで、少なくとも電解質膜に備えられる上記アイオノマーは、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するため、電解質膜等が乾燥すると、プロトン伝導性能が低下し、ＰＥＦＣの発電性能が低下する。そのため、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるには、高負荷運転時等における電解質膜等の乾燥を抑制することが重要である。

電解質膜等の乾燥を抑制することを目的とした技術は、これまでに開示されてきている。例えば、特許文献１には、膜電極アセンブリ、および膜電極アセンブリと共に配置された多孔性ガス拡散材料層を備え、多孔性ガス拡散層上の局在領域での多孔性ガス拡散材料の孔隙率が、多孔性ガス拡散層に隣接する膜電極アセンブリ上の対応領域でのトリガ状態に応じて第１の値から第２の値まで変化する、燃料電池が開示されている。そして、この燃料電池によれば、燃料電池膜電極アセンブリに生じる傾向があるホットスポットを抑制できる、としている。
特表２００５−５０８０６９号公報

特許文献１に開示されている技術によれば、ガスの供給を抑制することで過剰昇温の抑制が可能になると考えられる。しかし、ガスの供給が抑制されると、ガスの供給が抑制された箇所で電気化学反応が生じ難くなるため、特許文献１に開示されている技術では、燃料電池の発電性能が低下しやすいという問題があった。

そこで本発明は、発電性能を低下させることなく、高温時の排水性を制御することが可能なガス拡散層、及び、当該ガス拡散層を備える燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、導電性多孔質基材を備え、導電性多孔質基材よりも熱膨張率が高い高熱膨張材料が、導電性多孔質基材の一部に備えられることを特徴とする、ガス拡散層である。

ここに、「導電性多孔質基材よりも熱膨張率が高い高熱膨張材料」とは、ＪＩＳ Ｃ２１６１：１９９７「電気絶縁用粉体塗料試験方法」に規定される方法で測定される、高熱膨張材料の熱膨張率の値が、導電性多孔質基材の熱膨張率の値よりも大きいことを意味する。換言すれば、高温時（例えば、８０℃以上等）に、導電性多孔質基材よりも膨張しやすい材料（高熱膨張材料）を意味する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス拡散層において、導電性多孔質基材に炭素材料が備えられ、高熱膨張材料が有機高分子材料であることを特徴とする。

ここに、「炭素材料」の具体例としては、炭素繊維やカーボンブラック等を挙げることができる。さらに、「有機高分子材料」とは、上記炭素材料よりも熱膨張率が高く、かつ、燃料電池運転時における単セル内の環境に耐え得る材料を意味する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のガス拡散層において、有機高分子材料が、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（以下、「ＥＰＤＭ」という。）であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、電解質膜、該電解質膜の一方の側に備えられるアノード触媒層、及び、該電解質膜の他方の側に備えられるカソード触媒層、を備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」ということがある。）と、該膜電極構造体の一方の側に備えられる第１集電体、及び、該膜電極構造体の他方の側に備えられる第２集電体と、第１集電体と膜電極構造体との間に配設される第１ガス拡散層、及び／又は、第２集電体と膜電極構造体との間に配設される第２ガス拡散層と、を具備し、第１ガス拡散層、及び／又は、第２ガス拡散層が、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層であることを特徴とする、燃料電池である。

ここに、「電解質膜」は、プロトンを伝導するポリマー（プロトン伝導性ポリマー）を有していれば特に限定されるものではないが、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するポリマーを有することが好ましい（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等（Ｎａｆｉｏｎは米国デュポン社の登録商標）。このほか、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とするポリマーを有していても良い。加えて、触媒層はプロトン伝導性ポリマーと触媒材料とを備えていれば、その形態は特に限定されない。触媒材料は、アノード及びカソードにおいて水素の酸化反応及び酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものでなく、具体例としては、担体としての炭素（例えば、カーボンブラック等）に担持された白金のほか、白金黒粒子、又はこれらの合金等を例示することができる。さらに、触媒層に含まれるプロトン伝導性ポリマーは、電解質膜に含まれるプロトン伝導性ポリマーと同等のものを使用することができる。加えて、「第１集電体」及び「第２集電体」の具体例としては、セパレータ等を挙げることができ、「第１集電体」及び「第２集電体」を構成する材料の具体例としては、カーボン材料、導電性樹脂のほか、チタン合金やステンレス鋼等に代表される金属を挙げることができる。

また、「第１集電体と膜電極構造体との間に配設される第１ガス拡散層、及び／又は、第２集電体と膜電極構造体との間に配設される第２ガス拡散層」とは、第１集電体とＭＥＡとの間、及び、第２集電体とＭＥＡとの間にガス拡散層が備えられる場合（以下、「形態Ａ」という。）には、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層を意味する。このほか、第１集電体とＭＥＡとの間にのみガス拡散層が備えられ、第２集電体とＭＥＡとの間にガス拡散層が備えられない場合（以下、「形態Ｂ」という。）には、第１ガス拡散層を意味し、第１集電体とＭＥＡとの間にガス拡散層が備えられず、第２集電体とＭＥＡとの間にのみガス拡散層が備えられる場合（以下、「形態Ｃ」という。）には、第２ガス拡散層を意味する。さらに、「第１ガス拡散層、及び／又は、第２ガス拡散層が、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層である」とは、上記形態Ａの場合には、第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層（以下、「形態Ａ１」という。）、又は、第１ガス拡散層のみ（以下、「形態Ａ２」という。）、若しくは、第２ガス拡散層のみ（以下、「形態Ａ３」という。）が、上記請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層であることを意味する。これに対し、上記形態Ｂの場合には、第１ガス拡散層が上記請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層であることを意味し、上記形態Ｃの場合には、第２ガス拡散層が上記請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層であることを意味する。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池において、第１ガス拡散層の第１集電体側、及び／又は、第２ガス拡散層の第２集電体側に、高熱膨張材料が備えられることを特徴とする。

ここに、「第１ガス拡散層の第１集電体側、及び／又は、第２ガス拡散層の第２集電体側に、高熱膨張材料が備えられる」とは、上記形態Ａ１の場合には、第１ガス拡散層の第１集電体側及び第２ガス拡散層の第２集電体側に、高熱膨張材料が備えられることを意味する。このほか、上記形態Ａ２又は上記形態Ｂの場合には、第１ガス拡散層の第１集電体側に高熱膨張材料が備えられ、上記形態Ａ３又は上記形態Ｃの場合には、第２ガス拡散層の第２集電体側に高熱膨張材料が備えられることを意味する。

請求項１に記載の発明によれば、高熱膨張材料が導電性多孔質基材の一部に備えられる。そのため、高温時におけるガスの拡散性を確保しつつ、膨張した高熱膨張材料によって排水性を制御することが可能な、ガス拡散層を提供できる。

請求項２に記載の発明によれば、導電性多孔質基材に炭素繊維等の炭素材料が備えられ、高熱膨張材料として有機高分子材料が用いられる。そのため、上記効果を奏するガス拡散層を容易に得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、有機高分子材料としてＥＰＤＭが用いられる。ＥＰＤＭは、熱膨張率が大きく、導電性多孔質基材に備えられる炭素材料の熱膨張率との差が大きいため、高温時の水の移動を容易に制御し得るガス拡散層を提供できる。

請求項４に記載の発明によれば、アノード側及び／又はカソード側に本発明のガス拡散層が備えられる。そのため、高温時におけるガスの拡散性を確保して発電性能の低下を抑制しつつ、膨張した高熱膨張材料によって排水性を制御して発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。

請求項５に記載の発明によれば、ガス拡散層の集電体側に、高熱膨張材料が備えられる。そのため、上記効果に加え、さらに、フラッディングの発生を抑制することが可能な燃料電池を提供できる。

ＰＥＦＣを用いて電気エネルギーを得るには、ＭＥＡで電気化学反応を生じさせる必要があり、電気化学反応を生じさせるためには、アノード触媒層で生じたプロトンがカソード触媒層へと移動する必要がある。かかる観点から、ＰＥＦＣの電解質膜、アノード触媒層、及び、カソード触媒層には、プロトン伝導性能を有する物質が備えられ、当該物質として、パーフルオロスルホン酸系のアイオノマー等が知られている。このアイオノマーは、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するため、ＰＥＦＣの運転時には、ＭＥＡを含水状態に保つことが必要とされる。ところが、高負荷運転時等には、単セルの温度が上昇し、特に、単セルのガス流路入口近傍においてＭＥＡが乾燥しやすい。ＭＥＡの乾燥を抑制する従来技術としては、例えば、ガスの供給を抑制する技術等が存在するが、ガスの供給が抑制されると電気化学反応が生じ難くなり、ＰＥＦＣの発電性能が低下しやすいという問題があった。そのため、ＰＥＦＣの発電性能を低下させることなくＭＥＡの乾燥を抑制可能な技術が求められている。

本発明は、かかる観点からなされたものであり、その第１の要旨は、基材の一部に高熱膨張材料が備えられる形態とすることで、ガスの拡散性を確保しつつ排水性を制御することが可能なガス拡散層を提供することにある。さらに、第２の要旨は、上記ガス拡散層が備えられる形態とすることで、ガスの拡散性を確保しつつ排水性を制御することが可能な燃料電池を提供することにある。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。

１．ガス拡散層
図１は、本発明のガス拡散層の形態例を拡大して示す概略図である。図２及び図３は、図１に破線で示す部位の拡大図であり、本発明を容易に理解可能とするため、高熱膨張材料が備えられる箇所の構造をより具体的に示し、それ以外の箇所の構造は簡略化して示している。なお、図２、図３は本発明の概念をわかり易く説明するための概略図であり、図２は６０℃の温度環境下におけるガス拡散層の形態を、図３は９０℃の温度環境下におけるガス拡散層の形態を、それぞれ示している。

図１に示すように、本発明のガス拡散層１０は、表面層３と基材層１から成り、基材層１においては、表面層３とは反対側に気孔径可変層２が備えられた構成である。
ここで、表面層３は撥水性並びに良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成することができる。具体例としては、撥水性樹脂と導電性物質の混合物等を挙げることができ、撥水性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）や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（ＦＥＰ）等のフッ素系樹脂を挙げることができる。また、導電性物質としてはカーボンブラックやグラファイト等を挙げることができる。ここで、表面層３は、ガス拡散層１０が燃料電池に組み込まれる際に、触媒層との接触を良好にする等の目的で形成される層である。
また、基材層１は、良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成することができる。具体例としては、カーボンペーパー等の導電性多孔質不織布、カーボンクロス等の導電性多孔質織布、その他、発泡金属、焼結金属等の導電性多孔質金属を挙げることができる。基材層１は、燃料電池を安定的に発電させるために、撥水性樹脂と導電性物質を含浸塗工されるものが好ましい。撥水性樹脂と導電性物質は、表面層３のものと同等のものを使用することができる。
また、気孔径可変層２は、粒子状のＥＰＤＭと導電性物質を基材層２に含浸塗布させること等により形成される。導電性物質は、表面層３のものと同等のものを使用することができる。

図２に示すように、気孔径可変層２には、カーボンペーパーを構成する炭素繊維２１、２１、…と、粒子状のＥＰＤＭ２２、２２、…と、カーボンブラック粒子２３、２３、…と、が備えられている。６０℃の温度環境下では、ＥＰＤＭ２２、２２、…はそれほど膨張しないため、ガス拡散層１０の厚み方向（図２の紙面上下方向）へ、ガス及び水が容易に移動できる。

これに対し、図３に示すように、９０℃の温度環境下では、ＥＰＤＭが膨張し、膨張したＥＰＤＭ２２ｘ、２２ｘ、…となる。このようにしてＥＰＤＭが膨張すると、気孔径可変層２に備えられる気孔が、図２の場合と比較して小さくなるため、ガス拡散層１０の厚み方向（図３の紙面上下方向）への水の移動を抑制できる。

本発明において、基材１の一部に気孔径可変層２が備えられていれば、基材１に占める気孔径可変層２の割合は特に限定されるものではない。ただし、気孔径可変層２の割合を過度に増加させると、排水性抑制効果を向上させることが可能になる反面、ガスの拡散性が低下する虞がある。そのため、ガスの拡散性を確保しつつ排水性抑制効果を向上させる等の観点からは、基材１に占める気孔径可変層２の割合の上限を５０％とすることが好ましい。なお、粒子状のＥＰＤＭ２２、２２、…、及びカーボンブラック粒子２３、２３、…を含有するペーストを基材１に塗布し乾燥させることにより気孔径可変層２が形成される場合には、基材１へ塗布するペーストの粘度を調整する等の方法により、基材１の内部へと浸入するペーストの度合いを制御することで、気孔径可変層２の上記割合を制御できる。

また、本発明において、基材１の一部に気孔径可変層２が備えられていれば、気孔径可変層２が備えられる部位は特に限定されない。ただし、本発明のガス拡散層１０がＰＥＦＣに備えられる場合には、上述のように、ＭＥＡの、ガスの入口側が乾燥しやすい。そのため、ガスの入口近傍に相当する箇所（例えば、図１の紙面右側がガス入口側、同左側がガス出口側であって、基材１の紙面左右方向の長さをＬとするとき、基材１の右端から、Ｌ／３の領域等）を含む、基材１の一部に、気孔径可変層２が備えられる形態とすることが好ましい。

さらに、本発明のガス拡散層に備えられる高熱膨張材料として、ＥＰＤＭを使用し、ＥＰＤＭとカーボンブラック粒子とを含むペーストを導電性多孔質基材に塗布し乾燥させることにより気孔径可変層が形成される場合、当該ペーストに含まれる、ＥＰＤＭとカーボンブラックとの比率は特に限定されるものではない。ただし、ＥＰＤＭは絶縁体であり、多量のＥＰＤＭを添加し過ぎるとガス拡散層の電子伝導性が低下する虞がある。そのため、ガス拡散層の電子伝導性の低下を抑制する等の観点からは、ペーストに含まれるＥＰＤＭとカーボンブラック粒子との総質量を１００質量部とするとき、ＥＰＤＭは４０質量部以下とすることが好ましい。

２．燃料電池
図４は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図であり、燃料電池の一部を拡大して示している。図４において、図１に示す部材と同様の構成を採るものには、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図１〜図４を参照しつつ、本発明の燃料電池について説明する。

図４に示すように、本発明の燃料電池４０（以下、「単セル４０」ということがある。）は、電解質膜４１と、該電解質膜４１の一方の側に備えられるアノード４２と、同他方の側に備えられるカソード４３と、アノード４２側に備えられる第１集電体（以下、「セパレータ」という。）４５と、カソード４３側に備えられる第２集電体（以下、「セパレータ」という。）４６と、を備えている。アノード４２には、アノード触媒層４２ａと第１ガス拡散層１０が、カソード４３には、カソード触媒層４３ａと第２ガス拡散層１０が、それぞれ備えられ、ＭＥＡ４４には、電解質膜４１と、アノード触媒層４２ａと、カソード触媒層４３ａが、備えられている。さらに、セパレータ４５には、水素が流通可能なガス流路４７、４７、…が備えられ、セパレータ４６には、酸素が流通可能なガス流路４８、４８、…が備えられている。以下、アノード４２に備えられる第１ガス拡散層１０を「アノード拡散層４２ｂ」、カソード４３に備えられる第２ガス拡散層１０を「カソード拡散層４３ｂ」と表記する。

燃料電池４０において、電解質膜４１は、例えば、パーフルオロスルホン酸系のアイオノマー（以下、単に「アイオノマー」という。）を備える固体高分子膜により構成されている。さらに、アノード触媒層４２ａ及びカソード触媒層４３ａには、例えば、担体としての炭素（例えば、カーボンブラック等）に担持された白金触媒と、アイオノマーが備えられている。かかる構成の燃料電池４０の運転時には、ガス流路４７、４７、…を介して供給された水素が、アノード触媒層４２ａに備えられる白金触媒上でプロトンと電子に分離し、このようにして生じたプロトンは、アノード触媒層４２ａ及び電解質膜４１を経て、カソード触媒層４３ａに備えられる白金触媒上へと達する。一方、アノード触媒層４２ａで生じた電子は、外部回路を経由してカソード触媒層４３ａに備えられる白金触媒上へと達する。そして、ガス流路４８、４８、…を介して供給された酸素と、上記プロトン及び電子がカソード触媒層４３ａに備えられる白金触媒上で反応することにより、水が生成される。

このように、燃料電池４０の運転時には水が生成されるが、水の生成反応を生じさせるためには、プロトンが、アノード触媒層４２ａからカソード触媒層４３ａへと伝導される必要がある。アノード触媒層４２ａ、電解質膜４１、及び、カソード触媒層４３ａに備えられるアイオノマーは、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するため、通常、ガス流路４７、４７、…には加湿された水素が供給され、ガス流路４８、４８、…には加湿された酸素が供給される。そして、燃料電池４０の運転時に生成された水は、ガス流路４８、４８、…を介して供給される酸素と共に、ガス流路４８、４８、…の出口から排出され得る。さらに、電解質膜４１を介してカソード触媒層４３ａからアノード触媒層４２ａへと浸透した水は、ガス流路４７、４７、…を介して供給される水素と共に、ガス流路４７、４７、…の出口から排出され得る。燃料電池４０から排出された水は、その後、例えば、単セル４０の外部に備えられる加湿器（不図示）へと回収され、ガス流路４７、４７、…を介して供給される水素、及び／又は、ガス流路４８、４８、…を介して供給される酸素を加湿する際に利用され得る。

ここで一般に、燃料電池の運転時に生成された水は、ガス流路内を流通する水素や酸素とともに、ガス流路の入口側から出口側へと移動する。一方で、ＭＥＡに過剰の水が含まれると、アノード触媒層及びカソード触媒層におけるガスの拡散が阻害され、発電性能が低下する。そのため、燃料電池の定常運転時には、相対湿度１００％未満の水素及び酸素が供給される。したがって、ガス流路の出口側と比較して、ガス流路の入口側は乾燥しやすく、入口側から移動してきた水が排出されるガス流路の出口側には水が溜まりやすい。この傾向は、特に、燃料電池の高負荷運転時に顕著となる。それゆえ、本発明の燃料電池４０では、アノード４２及びカソード４３に、アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂが備えられている。燃料電池４０に、アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂが備えられていれば、高温時に、アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂの厚み方向（図４の紙面上下方向）への水の移動が抑制される。そのため、ガス流路４７、４７、…へと供給される水素、及び／又は、ガス流路４８、４８、…へと供給される酸素とともに単セル４０の外へと持ち去られる水の量を低減する（排水性を制御する）ことが可能になり、高温時におけるＭＥＡ４４の乾燥を抑制することが可能になる。また、アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂには、基材１の一部にＥＰＤＭ２２、２２、…が備えられているので、従来の燃料電池のようにアノード拡散層及び／又はカソード拡散層の全体が熱膨張することに起因する、ガス拡散性の低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、ガス拡散性を確保しつつ高温時の排水性を制御することが可能な、燃料電池４０を提供できる。

アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂに備えられるＥＰＤＭ２２、２２、…は、アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂを構成する基材１、１の一部のみに備えられていれば、備えられるべき箇所は特に限定されるものではない。ただし、上述のように、ＭＥＡ４４は、ガス流路入口側が特に乾燥しやすいため、少なくとも、ガス流路４７、４７、…の入口側、及び、ガス流路４８、４８、…の入口側を含む箇所に、ＥＰＤＭ２２、２２、…が備えられることが好ましい。ここで、「ガス流路入口側」とは、セパレータ４５、４６に備えられるガス流路の全長をＬとするとき、例えば、ガス流路の入口から長さＬ／３迄の領域と対向する、ガス拡散層の部位を意味する。

さらに、基材１、１の一部のみにＥＰＤＭ２２、２２、…が備えられていれば、ＥＰＤＭ２２、２２、…が備えられるべきアノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂの厚さ方向の位置は、特に限定されない。ただし、ＭＥＡ４４と接触する側の面にＥＰＤＭ２２、２２、…が備えられると、ＭＥＡ４４からアノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂへの水の移動が抑制されるため、ＭＥＡ４４が、いわゆるフラッディング状態になりやすい。そのため、ガス拡散性を確保しつつ高温時の排水性を制御可能という上記効果に加えて、さらに、フラッディングの発生を抑制可能とする等の観点からは、アノード拡散層４２ｂのセパレータ４５側の面、及び、カソード拡散層４３ｂのセパレータ４６側の面に、ＥＰＤＭ２２、２２、…を備える気孔径可変層２、２が備えられる形態とすることが好ましい。

なお、本発明の燃料電池に関する上記説明では、アノード４２及びカソード４３に、本発明のガス拡散層（アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂ）が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、アノード又はカソードにのみ本発明のガス拡散層が備えられる形態とすることも可能である。ただし、単セルが高温状態にさらされると、ＭＥＡは、アノード側及びカソード側で乾燥しやすい。そのため、発電性能を低下させることなく、高温時の排水性を制御可能とする観点からは、アノード及びカソードに本発明のガス拡散層（アノード拡散層４２ｂ及びカソード拡散層４３ｂ）が備えられる形態の燃料電池４０とすることが好ましい。

１．サンプルの作製
１．１．実施例１
＜基材層の作製＞
カーボンブラック粒子（電気化学工業社製、アセチレンブラック）と繊維状カーボン（昭和電工株式会社製、ＶＧＣＦ（「ＶＧＣＦ」は昭和電工株式会社の登録商標。以下同じ。））とＰＴＦＥ粒子と分散剤（界面活性剤）を水に分散させることにより、ペーストを調整した。その後、このペーストを、カーボンペーパー（東レ株式会社製、ＴＧＰ−Ｈ−０６０）に含浸塗布し、２００μｍ厚の基材層を作製した。ペーストの塗布量は、１ｍｇ／ｃｍ^２とした。
＜表面層の作製＞
上記工程により作製した基材層の一方の面に、カーボンブラック粒子（電気化学工業社製、アセチレンブラック）と繊維状カーボン（昭和電工株式会社製、ＶＧＣＦ）とＰＴＦＥ粒子と分散剤（界面活性剤）を水に分散させることにより調整したペーストを塗布し、表面層を形成させた。ペーストの塗布量は、４ｍｇ／ｃｍ^２とした。その後、３６０℃の熱処理を実施し、基材層及び表面層を備えるガス拡散層を作製した。
＜気孔径可変層の作製＞
カーボンブラック粒子と有機高分子粒子（ＥＰＤＭラテックス）と分散剤（界面活性剤）を水に分散させることにより、ペーストを調整した。その後、表面層が形成されている面と反対側の基材層の面に、ペーストを含浸塗布し、１３０℃で乾燥させることにより、５０μｍ厚の気孔径可変層を備える、実施例１にかかるガス拡散層を作製した。ペーストの塗布量は、１．２ｍｇ／ｃｍ^２とした。

１．２．実施例２
上記実施例１と同様の手順で、基材層及び表面層を備えるガス拡散層を作製した。一方で、カーボンブラック粒子と有機高分子粒子（ＥＰＤＭラテックス）と分散剤（界面活性剤）を水に分散させることにより、ペーストを調整した。その後、表面層が形成されている面と反対側の基材層の面にペーストを含浸塗布し、１３０℃で乾燥させることにより、１００μｍ厚の気孔径可変層を備える、実施例２にかかるガス拡散層を作製した。ペーストの塗布量は、２．４ｍｇ／ｃｍ^２とした。

１．３．比較例１
上記実施例１と同様の手順で、基材層及び表面層を備えるガス拡散層を作製した。一方で、カーボンブラック粒子（電気化学工業社製、アセチレンブラック）とＰＴＦＥ粒子と分散剤（界面活性剤）を水に分散させることにより、ペーストを調整した。そして、実施例１にかかるガス拡散層と気孔率（ガス拡散層の全細孔体積をＶ１、細孔を含めての全体積をＶ２とするときのＶ１／Ｖ２の比。以下において同じ。）をそろえるため、表面層が形成されている面と反対側の基材層の面に、上記ペーストを含浸塗布し、３６０℃の熱処理を実施して、比較例１にかかる拡散層を作製した。ペーストの塗布量は、１．５ｍｇ／ｃｍ^２とした。

１．４．比較例２
上記実施例１と同様の手順で、基材層及び表面層を備えるガス拡散層を作製した。その後、実施例２にかかるガス拡散層と気孔率をそろえるため、表面層が形成されている面と反対側の基材層の面に、カーボンブラック粒子（電気化学工業社製、アセチレンブラック）とＰＴＦＥ粒子と分散剤（界面活性剤）を水に分散させて調整したペーストを含浸塗布し、３６０℃の熱処理を実施して、比較例２にかかる拡散層を作製した。ペーストの塗布量は、３．０ｍｇ／ｃｍ^２とした。

２．燃料電池の作製
＜ＭＥＡの作製＞
触媒（全質量に対する白金質量の割合が６０％の白金担持カーボン）と電解質溶液（米国デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ溶液）を、水とエタノールとプロピレングリコールの混合溶媒に分散させることによりペーストを調整し、当該ペーストをＰＴＦＥシート上へ塗布した後、１００℃で乾燥させることにより、触媒層を備える触媒塗布シートを作製した。その後、電解質膜（米国デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ）の両面側に、上記触媒塗布シートの触媒層と電解質膜とが接触するように、触媒塗布シートを配置し、１３０℃で熱プレスをすることにより、電解質膜と触媒塗布シートとを接合させた。その後、触媒塗布シートからＰＴＦＥシートを剥がし、ＭＥＡを作製した。なお、電解質膜と触媒層との接触面の面積は、３６ｃｍ^２であった。
＜燃料電池の作製＞
上記工程により作製したＭＥＡの両側に、実施例１にかかるガス拡散層をそれぞれ配置して、ＭＥＡとガス拡散層とを備える積層体を作製し、当該積層体の両側に、サーペンタイン形状のガス流路を備えるセパレータを配置することにより、実施例１にかかる燃料電池を作製した。さらに、実施例１にかかるガス拡散層に代えて実施例２にかかるガス拡散層を配置したほかは、実施例１にかかる燃料電池の作製手順と同様にして、実施例２にかかる燃料電池を作製した。また、実施例１にかかるガス拡散層に代えて比較例１にかかるガス拡散層を配置したほかは、実施例１にかかる燃料電池の作製手順と同様にして、比較例１にかかる燃料電池を作製し、実施例１にかかるガス拡散層に代えて比較例２にかかるガス拡散層を配置したほかは、実施例１にかかる燃料電池の作製手順と同様にして、比較例２にかかる燃料電池を作製した。

３．ガス拡散層の物性評価
実施例１にかかるガス拡散層、実施例２にかかるガス拡散層、比較例１にかかるガス拡散層、及び、比較例２にかかるガス拡散層の気孔率を、水銀ポロシメータ（ユアサアイオニクス社製、型番ＰｏｒｅＭａｓｔｅｒ−６０）を用いて測定した。加えて、実施例１にかかるガス拡散層及び実施例２にかかるガス拡散層については、さらに、ＳＥＭ−ＥＤＸ（日本電子社製、型番ＪＳＭ−５６１０ＬＶ、ＪＥＤ−２２０１）を用いて、気孔径可変層の厚さを測定した。これらの結果を表１にあわせて示す。

４．燃料電池の性能評価
実施例１にかかる燃料電池を８０℃に保ち、相対湿度１００％の水素及び空気を当該燃料電池のアノード側及びカソード側へそれぞれ供給し、電流密度を１．０Ａ／ｃｍ^２に保持して、電圧を測定した（以下、当該条件の試験を「８０℃フル加湿試験」という。）。一方、実施例１にかかる燃料電池を９０℃に保ち、露点が６０℃となるように加湿した水素及び空気を当該燃料電池のアノード側及びカソード側へそれぞれ供給し、電流密度を１．０Ａ／ｃｍ^２に保持して、電圧を測定した（以下、当該条件の試験を「９０℃加湿試験」という。）。実施例２にかかる燃料電池、比較例１にかかる燃料電池、及び、比較例２にかかる燃料電池に対しても、上記８０℃フル加湿試験及び９０℃加湿試験をそれぞれ実施した。これらの結果を表２にあわせて示す。

５．結果
実施例１にかかる燃料電池と比較例１にかかる燃料電池の８０℃フル加湿試験の結果より、気孔径可変層を設けても、本発明の燃料電池によれば、従来の燃料電池と同様の発電性能を発現し得ることが確認された。さらに、実施例１にかかる燃料電池と比較例１にかかる燃料電池の９０℃加湿試験の結果より、本発明（実施例１）によれば、従来の燃料電池（比較例１）と比較して、９０℃運転時の発電性能が向上することが確認された。

一方、実施例２にかかる燃料電池と比較例２にかかる燃料電池の８０℃フル加湿試験の結果より、気孔径可変層を設けても、本発明の燃料電池によれば、従来の燃料電池と同等の発電性能を発現し得ることが確認された。さらに、実施例２にかかる燃料電池と比較例２にかかる燃料電池の９０℃加湿試験の結果より、本発明（実施例２）によれば、従来の燃料電池（比較例２）と比較して、９０℃運転時の発電性能が向上することが確認された。

また、各燃料電池の８０℃フル加湿試験の結果及び９０℃加湿試験の結果を比較すると、実施例１にかかる燃料電池では、電圧の差が０．１２Ｖであり、実施例２にかかる燃料電池では、電圧の差が０．０７Ｖであった。これに対し、比較例１にかかる燃料電池では、電圧の差が０．２０Ｖであり、比較例２にかかる燃料電池では、電圧の差が０．１２Ｖであった。ガス拡散層の気孔率の値を揃えた、実施例１にかかる燃料電池の結果と比較例１にかかる燃料電池の結果を比較すると、実施例１にかかる燃料電池の方が、温度上昇に伴う性能低下が抑制された。同様に、実施例２にかかる燃料電池の結果と比較例２にかかる燃料電池の結果を比較すると、実施例２にかかる燃料電池の方が、温度上昇に伴う性能低下が抑制された。これは、気孔径可変層を備える、実施例１にかかる燃料電池及び実施例２にかかる燃料電池では、ＭＥＡの乾燥が抑制された結果、プロトン伝導性能の低下が抑制されたためであると考えられる。

他方、実施例１にかかる燃料電池と実施例２にかかる燃料電池の、８０℃フル加湿試験及び９０℃加湿試験の結果を比較すると、８０℃フル加湿試験の結果は実施例１にかかる燃料電池の方が優れており、９０℃加湿試験の結果は実施例２にかかる燃料電池の方が優れていた。これは、実施例２にかかる燃料電池には、実施例１にかかる燃料電池よりも多くのＥＰＤＭが含まれ、ＥＰＤＭは絶縁体であることから、実施例１にかかる燃料電池は実施例２にかかる燃料電池よりも良好な発電性能を示したと考えられる。これに対し、温度が９０℃へ上昇すると、ＭＥＡに含まれる水分が蒸発しやすくなってＭＥＡが乾燥しやすくなるが、実施例２にかかる燃料電池には実施例１にかかる燃料電池よりも多くのＥＰＤＭが備えられていたため、ＭＥＡの乾燥を抑制する効果が増し、その結果、実施例１にかかる燃料電池よりも良好な発電性能を示したと考えられる。

以上より、本発明によれば、発電性能を低下させることなく、高温時の排水性を制御することが可能なガス拡散層、及び、当該ガス拡散層を備える燃料電池を提供することができる。

本発明のガス拡散層の形態例を拡大して示す概略図である。 ６０℃の温度環境下におけるガス拡散層の形態例を拡大して示す概略図である。 ９０℃の温度環境下におけるガス拡散層の形態例を拡大して示す概略図である。 本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１ 基材（導電性多孔質基材）
２ 気孔径可変層
３ 表面層
１０ ガス拡散層
２１ 炭素繊維
２２、２２ｘ ＥＰＤＭ（高熱膨張材料）
２３ カーボンブラック粒子
４０ 燃料電池（単セル）
４１ 電解質膜
４２ アノード
４２ａ アノード触媒層
４２ｂ アノード拡散層（第１ガス拡散層）
４３ カソード
４３ａ カソード触媒層
４３ｂ カソード拡散層（第２ガス拡散層）
４４ ＭＥＡ（膜電極構造体）
４５ セパレータ（第１集電体）
４６ セパレータ（第２集電体）
４７、４８ ガス流路

Claims (5)

1. 導電性多孔質基材を備え、前記導電性多孔質基材よりも熱膨張率が高い高熱膨張材料が、前記導電性多孔質基材の一部に備えられることを特徴とする、ガス拡散層。
2. 前記導電性多孔質基材に炭素材料が備えられ、前記高熱膨張材料が有機高分子材料であることを特徴とする、請求項１に記載のガス拡散層。
3. 前記有機高分子材料が、エチレン−プロピレン−ジエンゴムであることを特徴とする、請求項２に記載のガス拡散層。
4. 電解質膜、前記電解質膜の一方の側に備えられるアノード触媒層、及び、前記電解質膜の他方の側に備えられるカソード触媒層、を備える膜電極構造体と、前記膜電極構造体の一方の側に備えられる第１集電体、及び、前記膜電極構造体の他方の側に備えられる第２集電体と、前記第１集電体と前記膜電極構造体との間に配設される第１ガス拡散層、及び／又は、前記第２集電体と前記膜電極構造体との間に配設される第２ガス拡散層と、を具備し、
   前記第１ガス拡散層、及び／又は、前記第２ガス拡散層が、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散層であることを特徴とする、燃料電池。
5. 前記第１ガス拡散層の前記第１集電体側、及び／又は、前記第２ガス拡散層の前記第２集電体側に、前記高熱膨張材料が備えられることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。

Images