JP2007149357A - 燃料電池用導電性多孔体、それを備えた燃料電池およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部性状を変化させることなく膜電極接合体との接触抵抗を低減させることができる燃料電池用導電性多孔体、それを備えた燃料電池およびそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池用導電性多孔体は、金属多孔体（４０）と、金属多孔体（４０）の一面側に配置されガス透過性を有する導電性層（２０）とを備え、金属多孔体（４０）の一面側の少なくとも一部は、導電性層（２０）の他面に埋め込まれ、導電性層（２０）の一面側の平面度は、金属多孔体（４０）の一面側の平面度よりも高いことを特徴とする。金属多孔体（４０）に圧力をかけなくても、膜電極接合体（１０）との間に十分な接触面積が得られる。したがって、金属多孔体（４０）の内部性状を変化させることなく、膜電極接合体（１０）との接触抵抗を低減させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用導電性多孔体、それを備えた燃料電池およびそれらの製造方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合して構成された膜電極接合体の両面に、集電体が密に接するように配置されている。この集電体には多孔質の導電体が用いられることが多い。燃料電池の発電効率を向上させるために、この集電体と膜電極接合体との接触抵抗を低減させる必要がある。そこで、集電体として用いるチタン焼結体の表面を研磨および切削する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、集電体と膜電極接合体との接触面積比率を向上させることができる。

特開２００４−７１４５６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、研磨および切削の際に、集電体の内部性状が変化してしまうおそれがある。この場合、集電体の品質管理を行うことが困難になる。

本発明は、内部性状を変化させることなく膜電極接合体との接触抵抗を低減させることができる燃料電池用導電性多孔体、それを備えた燃料電池およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用導電性多孔体は、金属多孔体と、金属多孔体の一面側に配置されガス透過性を有する導電性層とを備え、金属多孔体の一面側の少なくとも一部は導電性層の他面に埋め込まれ、導電性層の一面側の平面度は金属多孔体の一面側の平面度よりも高いことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池用導電性多孔体においては、導電性層の平面度が高いことから、金属多孔体に圧力をかけなくても燃料電池用導電性多孔体と膜電極接合体との間に十分な接触面積が得られる。したがって、金属多孔体の内部性状を変化させることなく、燃料電池用導電性多孔体と膜電極接合体との接触抵抗を低減させることができる。また、金属多孔体の一部が導電性層に埋め込まれていることから、金属多孔体と導電性層との間の接触抵抗が低下する。その結果、本発明に係る燃料電池用導電性多孔体を用いた燃料電池の発電効率を向上させることができる。

一般的に、平面度が高い金属多孔体の製造コストは非常に高くなり、品質管理が困難になる。金属多孔体の平面度を向上させるためには、金属多孔体に対して研磨または切削を行う等の二次加工を施す必要があるからである。また、二次加工の際には、金属多孔体の表面および内部の形状が変化するおそれがあるからである。しかしながら、本発明によれば、平面度が高い金属多孔体を使用する必要が無い。したがって、生産コストを低減させることができるとともに、品質管理が容易になる。

金属多孔体は、導電性層との間に隙間がない程度に導電性層に埋め込まれていてもよい。この場合、金属多孔体に圧力をかけなくても、燃料電池用導電性多孔体と膜電極接合体との間に十分な接触面積が得られる。また、金属多孔体と導電性層との間の接触点に流動ガスに含まれる塵等の付着が防止される。それにより、金属多孔体と導電性層との間の低接触抵抗を維持することができる。

また、導電性層の一面側の平面度は１０μｍ以下であってもよい。この場合、燃料電池用導電性多孔体と膜電極接合体との間に十分な接触面積が得られる。また、膜電極接合体と導電性層との間の面圧がほぼ均一になる。それにより、膜電極接合体に局部圧力がかかることが抑制される。その結果、膜電極接合体の破損が防止されるとともに、膜電極接合体の耐久性が向上する。さらに、金属多孔体は、発泡焼結金属体であってもよい。

本発明に係る燃料電池は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体と、電解質膜の両面に触媒層が形成され少なくとも一方の触媒層と燃料電池用導電性多孔体の一面とが対向するように配置されたＭＥＡとを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、金属多孔体に圧力をかけなくても、燃料電池用導電性多孔体と触媒層との間に十分な接触面積が得られる。この場合、金属多孔体の内部性状を変化させることなく、接触抵抗を低減させることができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率を向上させることができる。

導電性層は、ＭＥＡに対して撥水性を有していてもよい。この場合、ＭＥＡにおける発電に伴って生成された水が金属多孔体側に効率よく排水される。それにより、ＭＥＡにおける発電生成水の滞留を抑制することができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

本発明に係る他の燃料電池は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体と、電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成され少なくとも一方のガス拡散層と燃料電池用導電性多孔体の一面とが対向するように配置されたＭＥＡとを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、金属多孔体に圧力をかけなくても、燃料電池用導電性多孔体とガス拡散層との間に十分な接触面積が得られる。この場合、金属多孔体の内部性状を変化させることなく、接触抵抗を低減させることができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率を向上させることができる。

導電性層は、ガス拡散層に対して親水性を有していてもよい。この場合、ガス拡散層によって排水された発電生成水がＭＥＡに逆流することが抑制される。それにより、ＭＥＡにおける発電生成水の滞留を抑制することができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池用導電性多孔体の製造方法は、平面プレート上に導電性スラリーを所定厚となるように配置する工程と、導電性スラリー上に導電性多孔体を積層する工程と、導電性スラリーを乾燥させてガス透過性を有する導電性層を形成する工程と、導電性層と平面プレートとを分離する工程とを含むことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池用導電性多孔体の製造方法においては、平面プレート上に導電性スラリーが所定厚となるように配置され、導電性スラリー上に導電性多孔体が積層され、導電性スラリーが乾燥してガス透過性を有する導電性層が形成され、導電性層と平面プレートとが分離される。この場合、導電性層の平面度が向上する。それにより、導電性多孔体に圧力をかけなくても燃料電池用導電性多孔体と膜電極接合体との間に十分な接触面積が得られる。したがって、導電性多孔体の内部性状を変化させることなく、燃料電池用導電性多孔体と膜電極接合体との接触抵抗を低減させることができる。また、導電性多孔体の一部が導電性層に埋め込まれていることから、導電性多孔体と導電性層との間の接触抵抗が低下する。その結果、本発明に係る燃料電池用導電性多孔体を用いた燃料電池の発電効率を向上させることができる。

平面プレートの上面の平面度は１０μｍ以下であってもよい。この場合、燃料電池用導電性多孔体と膜電極接合体との間に十分な接触面積が得られる。また、膜電極接合体と導電性層との間の面圧がほぼ均一になる。それにより、膜電極接合体に局部圧力がかかることが抑制される。その結果、膜電極接合体の破損が防止されるとともに、膜電極接合体の耐久性が向上する。また、導電性多孔体は、金属多孔体であってもよい。さらに、金属多孔体は、発泡焼結金属体であってもよい。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体を、プロトン導電性電解質膜の両面に触媒層が形成されたＭＥＡ上に、導電性層と少なくとも一方の触媒層とが対向するように積層する工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法においては、燃料電池用導電性多孔体が、プロトン導電性電解質膜の両面に触媒層が形成されたＭＥＡ上に、導電性層と少なくとも一方の触媒層とが対向するように積層される。この場合、導電性多孔体に圧力をかけなくても、燃料電池用導電性多孔体と触媒層との間に十分な接触面積が得られる。それにより、導電性多孔体の内部性状を変化させることなく、接触抵抗を低減させることができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率を向上させることができる。

導電性層は、ＭＥＡに対して撥水性を有していてもよい。この場合、ＭＥＡにおける発電に伴って生成された水が金属多孔体側に効率よく排水される。それにより、ＭＥＡにおける発電生成水の滞留を抑制することができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

本発明に係る他の燃料電池の製造方法は、請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体を、プロトン導電性電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成されたＭＥＡ上に、少なくともいずれか一方の導電性層とガス拡散層とが対向するように積層する工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法においては、燃料電池用導電性多孔体が、プロトン導電性電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成されたＭＥＡ上に、少なくともいずれか一方の導電性層とガス拡散層とが対向するように積層される。この場合、導電性多孔体に圧力をかけなくても、燃料電池用導電性多孔体とガス拡散層との間に十分な接触面積が得られる。それにより、導電性多孔体の内部性状を変化させることなく、接触抵抗を低減させることができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率を向上させることができる。

導電性層は、ガス拡散層に対して親水性を有していてもよい。この場合、ガス拡散層によって排水された発電生成水がＭＥＡ側に逆流することが抑制される。それにより、ＭＥＡにおける発電生成水の滞留を抑制することができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

本発明によれば、内部性状を変化させることなく膜電極接合体との接触抵抗を低減させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０、撥水層２０，３０、多孔体層４０，５０およびセパレータ６０，７０を含む。ＭＥＡ１０は、電解質層１１および触媒層１２，１３から構成される。電解質層１１は、例えば、プロトン導電性を有する固体高分子からなる。触媒層１２，１３は、例えば、白金を担持したカーボンから構成される。触媒層１２，１３中の白金は、水素のプロトン化およびプロトンと酸素との反応のための触媒として用いられる。触媒層１２は電解質層１１上に形成され、触媒層１３は電解質層１１下に形成されている。

撥水層２０，３０は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、カーボン等の撥水性、導電性およびガス透過性を備えた材料から構成される。撥水層２０，３０の撥水性、電気導電性およびガス透過性向上のためには、カーボンナノチューブを用いることが好ましい。ここで、撥水性を備えるとは、接触角が９０°以上であることをいう。撥水層２０，３０の膜厚は、例えば、５０μｍ程度である。撥水層２０は触媒層１２上に形成され、撥水層３０は触媒層１３下に形成されている。撥水層２０，３０のＭＥＡ１０側の面は、多孔体層４０，５０の平面度よりも高い平面度を有するように形成されている。撥水層２０，３０それぞれのＭＥＡ１０側の面の平面度は、例えば、１０μｍ以下である。

多孔体層４０，５０は、発泡焼結金属体等の導電性多孔体から構成される。多孔体層４０，５０は、ガスが流動するためのガス流路および触媒層にガスを供給するためのガス拡散層として機能する。本実施例においては、多孔体層４０，５０として、チタン発泡焼結金属体が用いられている。例えば、多孔体層４０，５０の膜厚は０．５ｍｍ程度であり、多孔体層４０，５０の発泡空孔の平均孔径は０．０５ｍｍ〜３ｍｍ程度であり、粒子間空孔の平均孔径は０．１μｍ〜４０μｍ程度であり、気孔率は４０％〜９９％程度である。多孔体層４０，５０は、ドクターブレード法等によって作製することができる。多孔体層４０は撥水層２０上に形成され、多孔体層５０は撥水層３０下に形成されている。

多孔体層４０の下面側の一部は、撥水層２０に埋め込まれ、固定されている。多孔体層４０の下面側の一部は、多孔体層４０の下面と撥水層２０の上面との間に空隙がない程度に撥水層２０に埋め込まれていることが好ましい。多孔体層５０の上面側の一部は、撥水層３０に埋め込まれ、固定されている。多孔体層５０の上面側の一部は、多孔体層５０の上面と撥水層３０の下面との間に空隙がない程度に撥水層３０に埋め込まれていることが好ましい。

セパレータ６０，７０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ６０は多孔体層４０上に形成され、セパレータ７０は多孔体層５０下に形成されている。セパレータ６０，７０の膜厚は、例えば、０．３ｍｍ程度である。図１においては説明の簡略化のために単セルが記載されているが、実際の燃料電池においてはこの単セルが複数積層されている。

続いて、燃料電池１００の作用について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが多孔体層５０に供給される。燃料ガスは、多孔体層５０を流動しつつ、撥水層３０を透過して触媒層１３に到達する。触媒層１３に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質層１１を伝導し、触媒層１２に到達する。

一方、酸素を含有する酸化剤ガスは多孔体層４０に供給される。酸化剤ガスは、多孔体層４０を流動しつつ、撥水層２０を透過して触媒層１２に到達する。触媒層１２に到達した酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ６０，７０によって回収される。以上の動作によって、燃料電池１００は発電を行う。

発電に伴って生成された発電生成水は、撥水層２０を透過して多孔体層４０に到達する。撥水層２０は撥水性を有することから、発電生成水は、効率よく多孔体層４０側に排水される。それにより、発電生成水が触媒層１２に滞留することが抑制される。同様に、撥水層３０側の水も効率よく排水される。その結果、燃料電池１００の発電効率低下を抑制することができる。多孔体層４０に到達した発電生成水は、酸化剤ガスの流動圧力によって、酸化剤ガスの流動方向に流動する。以上のことから、燃料電池１００においては、発電生成水が効率良く排水される。

本実施例に係る燃料電池１００においては、撥水層２０，３０のＭＥＡ１０側の面の平面度が高いことから、撥水層２０，３０とＭＥＡ１０との接触面積が増加する。それにより、撥水層２０，３０とＭＥＡ１０との接触抵抗が低下する。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。また、撥水層２０，３０とＭＥＡ１０との間の面圧がほぼ均一になる。それにより、ＭＥＡ１０に局部圧力がかかることが防止される。その結果、ＭＥＡ１０の破損が防止されるとともに、ＭＥＡ１０の耐久性が向上する。

ここで、多孔体層４０，５０は、その製法に起因して表面に凹凸が形成されることが多い。しかしながら、多孔体層４０が撥水層２０に埋め込まれていることから、多孔体層４０に対して圧力をかけなくても多孔体層４０と撥水層２０との間に十分な接触面積が得られる。特に、多孔体層４０と撥水層２０との間に空隙がなければ接触面積がさらに大きくなる。それにより、多孔体層４０と撥水層２０との間の接触抵抗が低下する。多孔体層５０と撥水層３０との間においても同様である。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。

また、多孔体層４０と撥水層２０との間に十分な接触面積が得られると、発電に伴って発生する熱が多孔体層４０に伝達しやすくなる。多孔体層５０と撥水層３０との間においても同様である。それにより、効率良く燃料電池１００を冷却することができる。さらに、あらかじめ多孔体層４０が撥水層２０に埋め込まれていることから、多孔体層４０と撥水層２０との間の接触点に燃料ガスまたは酸化剤ガスに含まれる塵等の付着が防止される。それにより、多孔体層４０と撥水層２０との間の低接触抵抗を維持することができる。多孔体層５０と撥水層３０との間においても同様である。

また、凹凸を有する多孔体層４０，５０に圧力をかける必要がないことから、ＭＥＡ１０に局部圧力がかかることが防止される。その結果、ＭＥＡ１０の破損が防止されるとともに、ＭＥＡ１０の耐久性が向上する。また、多孔体層４０，５０に圧力をかける必要がないことから、多孔体層４０，５０の変形を抑制することができる。それにより、多孔体層４０，５０のガス透過度および排水性の低下を抑制することができる。

ここで、一般的に、平面度が高い多孔体層の製造コストは非常に高くなり、品質管理が困難になる。多孔体層の平面度を向上させるためには、多孔体層に対して研磨または切削を行う等の二次加工を施す必要があるからである。また、二次加工の際には、多孔体層の表面および内部の形状が変化するおそれがあるからである。しかしながら、平面度が高い多孔体層を用いなくても本発明の効果を得ることができる。したがって、本発明によれば、生産コストを低減させることができるとともに、品質管理が容易になる。

続いて、燃料電池１００の製造方法について説明する。図２は、燃料電池１００の製造方法を説明するための製造フロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、型２０２の上にスラリー状の撥水剤２０１を塗布する。撥水剤２０１としては、スラリー状のＰＴＦＥ、カーボン等を用いることができる。この場合の型２０２として、良好な離型性を有し、平面度が１０μｍ程度のものを用いることが好ましい。例えば、ＰＴＦＥを用いることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、スクリーニング等により、撥水剤２０１の膜厚を調整する。なお、撥水剤２０１として揮発性の低い材料を用いる場合には、時間をかけて撥水剤２０１の膜厚を調整することができる。したがって、スクリーニング等により膜厚調整を行わなくても、所定容積の金型に撥水剤を所定量流し込むことによって撥水剤の膜厚を調整することが可能になる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、多孔体層４０の下面側の一部が撥水剤２０１に浸るように、多孔体層４０を撥水剤２０１上に配置する。この場合、多孔体層４０の下面と撥水剤２０１の上面との間に空隙が存在しないように多孔体層４０を撥水剤２０１に対して押し付けることが好ましい。なお、多孔体層４０は、金属で構成されていることから、スラリー状の撥水剤２０１よりも変形しにくい。それにより、多孔体層４０を撥水剤２０１に対して押し付ける場合でも、スラリー状の撥水剤２０１の粘度が低くなるように調整する必要がない。

次に、図２（ｄ）に示すように、撥水剤２０１を乾燥させ、撥水剤２０１の不要な部分をカットする。乾燥させた撥水剤２０１が図１の撥水層２０に対応する。次いで、図２（ｅ）に示すように、撥水層２０および多孔体層４０を脱型する。撥水層３０および多孔体層５０は、図２（ａ）〜図２（ｅ）と同様の方法により作製することができる。

次に、図２（ｆ）に示すように、ＭＥＡ１０上に撥水層２０および多孔体層４０を配置し、ＭＥＡ１０下に撥水層３０および多孔体層５０を配置する。次いで、図２（ｇ）に示すように、多孔体層４０上にセパレータ６０を配置し、多孔体層５０下にセパレータ７０を配置する。以上の工程により、燃料電池１００が完成する。

図２の製造方法によれば、多孔体層４０が撥水剤２０１に浸されていることから、多孔体層４０に対して圧力をかけなくても多孔体層４０と乾燥後の撥水層２０との間に十分な接触面積が得られる。特に、多孔体層４０と撥水剤２０１との間に空隙がなければ、さらに大きな接触面積が得られる。それにより、多孔体層４０と撥水層２０との間の接触抵抗が低下する。同様に、多孔体層５０と撥水層３０との間の接触抵抗が低下する。

また、多孔体層４０と撥水層２０との間に十分な接触面積が得られることから、接触抵抗低減のために多孔体層４０に圧力をかける必要がなくなる。多孔体層５０に対しても同様である。それにより、ＭＥＡ１０に局部圧力がかかることが防止される。その結果、ＭＥＡ１０の破損が防止されるとともに、ＭＥＡ１０の耐久性が向上する。さらに、多孔体層４０，５０の変形を抑制することができる。それにより、多孔体層４０，５０のガス透気度および排水性の低下を抑制することができる。また、平面度が高い多孔体層を用いなくても本発明の効果を得ることができる。したがって、本実施例に係る製造方法によれば、生産コストを低減させることができるとともに、品質管理が容易になる。

また、撥水層２０，３０のＭＥＡ１０側の平面度を向上させることができる。それにより、撥水層２０，３０とＭＥＡ１０との接触抵抗が低下する。また、撥水層２０，３０とＭＥＡ１０との間の面圧がほぼ均一になる。それにより、ＭＥＡ１０に局部圧力がかかることが防止される。その結果、ＭＥＡ１０の破損が防止されるとともに、ＭＥＡ１０の耐久性が向上する。

なお、本実施例においては多孔体層４０，５０としてチタン発泡焼結金属体が用いられているが、それに限られない。例えば、ステンレス、ニッケル等の良好な耐食性を有する金属の発泡焼結体を用いることができる。また、金属炭化物が均一に分散した金属発泡体を用いることができる。例えば、ステンレス中にＣｒ炭化物、ＦｅＣｒ炭化物等が均一に分散した金属発泡体を用いることができる。

本実施例においては、多孔体層４０，５０が導電性多孔体層および金属多孔体に相当し、撥水層２０，３０が導電性層に相当し、多孔体層４０および撥水層２０または多孔体層５０および撥水層３０が燃料電池用導電性多孔体に相当し、撥水剤２０１が導電性スラリーに相当し、型２０２が平面プレートに相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。図３は、燃料電池１００ａの模式的断面図である。図３に示すように、燃料電池１００ａが燃料電池１００と異なる点は、多孔体層４０のセパレータ６０側に親水層８０が形成されている点および多孔体層５０のセパレータ７０側に親水層９０が形成されている点である。その他の点においては、燃料電池１００ａは燃料電池１００と同様の構成を有する。なお、実施例１と同様の部位には同一符号を付すことで重複する説明を省略する。

親水層８０，９０は、ＰＴＦＥにシリカ、チタニア等を混入させた親水性材料から構成され、導電性およびガス拡散性を有する。ここで、親水性を備えるとは、接触角が９０°未満であることをいう。親水層８０，９０の膜厚は、例えば、５０μｍ程度である。親水層８０のセパレータ６０側の面および親水層９０のセパレータ７０側の面は、平面度が１０μｍ以下になるように形成されている。多孔体層４０の上面側の一部は、親水層８０に埋め込まれ、固定されている。多孔体層４０の上面側の一部は、多孔体層４０の上面と親水層８０との間に空隙がない程度に親水層８０に埋め込まれていることが好ましい。多孔体層５０の下面側の一部も同様に、親水層９０に埋め込まれている。

本実施例に係る燃料電池１００ａにおいては、親水層８０とセパレータ６０との接触面積および親水層９０とセパレータ７０との接触面積が増加する。それにより、燃料電池１００ａの発電効率がより向上する。また、ＭＥＡ１０における発電反応に伴って発生する熱がセパレータ６０，７０に伝達しやすくなる。それにより、より効率良く燃料電池１００ａを冷却することができる。

さらに、あらかじめ多孔体層４０が親水層８０に埋め込まれていることから、多孔体層４０と親水層８０との間の接触点に燃料ガスまたは酸化剤ガスに含まれる塵等が付着することが防止される。それにより、多孔体層４０と親水層８０との間の低接触抵抗を維持することができる。多孔体層５０と親水層９０との間においても同様である。また、親水層８０は親水性を備えていることから、撥水層２０を透過した発電生成水をセパレータ６０側に効率良く排水することができる。同様に、撥水層３０側の水も親水層９０によって効率良く排水される。

図４は、燃料電池１００ａの製造方法を説明するための製造フロー図である。まず、図４（ａ）に示すように、型２０４上に所定厚になるように調整されたスラリー状の親水剤２０３と、図２（ｅ）で作製した撥水層２０および多孔体層４０とを準備する。型２０４は、図２の型２０２と同様の平面度を有することが好ましい。親水剤２０３としては、スラリー状でシリカ、チタニア等を含有するＰＴＦＥ、ＳＢＲ（スチレンブタジエンラバー）、カーボン等を用いることができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、多孔体層４０の撥水層２０と反対側の一部が親水剤２０３に浸るように、多孔体層４０を親水剤２０３上に配置する。この場合、多孔体層４０と親水剤２０３との間に空隙が存在しないように多孔体層４０を親水剤２０３に対して押し付けることが好ましい。次いで、図４（ｃ）に示すように、親水剤２０３を乾燥させ、親水剤２０３の不要な部分をカットする。乾燥させた親水剤２０１が図３の親水層８０に対応する。親水層９０および多孔体層５０は、図４（ａ）〜図４（ｃ）と同様の方法により作製することができる。

次に、図４（ｄ）に示すように、ＭＥＡ１０上に撥水層２０、多孔体層４０および親水層８０を配置し、ＭＥＡ１０下に撥水層３０、多孔体層５０および親水層９０を配置する。次いで、図４（ｅ）に示すように、親水層８０上にセパレータ６０を配置し、親水層９０下にセパレータ７０を配置する。以上の工程により、燃料電池１００ａが完成する。

図４の製造方法によれば、多孔体層４０が親水剤２０３に浸されていることから、多孔体層４０に対して圧力をかけなくても多孔体層４０と乾燥後の親水層８０との間に十分な接触面積が得られる。特に、多孔体層４０と親水剤２０３との間に空隙がなければ、さらに大きな接触面積が得られる。それにより、多孔体層４０と親水層８０との間の接触抵抗が低下する。同様に、多孔体層５０と親水層９０との間の接触抵抗が低下する。

本実施例においては、多孔体層４０、撥水層２０および親水層８０または多孔体層５０、撥水層３０および親水層９０が燃料電池用導電性多孔体に相当し、親水層８０，９０が導電性層に相当し、親水剤２０４が導電性スラリーに相当し、型２０４が平面プレートに相当する。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。図５は、燃料電池１００ｂの模式的断面図である。図５に示すように、燃料電池１００ｂが図１の燃料電池１００と異なる点は、ＭＥＡ１０の代わりにＭＥＡ１０ｂが設けられている点、撥水層２０の代わりに親水層２１が設けられている点および撥水層３０の代わりに親水層３１が設けられている点である。ＭＥＡ１０ｂがＭＥＡ１０と異なる点は、触媒層１２上にガス拡散層１４が設けられている点および触媒層１３下にガス拡散層１５が設けられている点である。その他の点においては、燃料電池１００ｂは燃料電池１００と同様の構成を有する。なお、実施例１と同様の部位には同一符号を付すことで重複する説明を省略する。

ガス拡散層１４，１５は、例えば、カーボン繊維およびＰＴＦＥを含むカーボンペーパ、カーボンクロス等から構成され、撥水性、導電性およびガス拡散性を備える。ガス拡散層１４，１５の膜厚は、例えば、１５０μｍ程度である。親水層２１，３１は、ＰＴＦＥにシリカ、チタニア等を混入させた親水性材料から構成され、導電性およびガス拡散性を有する。親水層２１，３１の膜厚は、例えば、５０μｍ程度である。

多孔体層４０の下面側の一部は、親水層２１に埋め込まれ、固定されている。多孔体層４０の下面側の一部は、多孔体層４０の下面と親水層２１の上面との間に空隙がない程度に親水層２１に埋め込まれていることが好ましい。多孔体層５０の上面側の一部は、親水層３１に埋め込まれ、固定されている。多孔体層５０の上面側の一部は、多孔体層５０の上面と親水層３１の下面との間に空隙がない程度に親水層３１に埋め込まれていることが好ましい。親水層２１，３１は、図２に示した撥水層２０，３０の形成方法と同様の方法により形成することができる。

本実施例においては、ガス拡散層１４が撥水性を有しかつ親水層２１が親水性を有することから、発電生成水は、効率よく親水層２１側に排水される。それにより、発電生成水が触媒層１２に滞留することが抑制される。同様に、ガス拡散層１５側の水も親水層３１によって効率よく排水される。その結果、燃料電池１００ｂの発電効率低下を抑制することができる。

図６は、燃料電池１００ｂの製造方法を説明するための製造フロー図である。図６（ａ）に示すように、親水層２１および多孔体層４０、親水層３１および多孔体層５０ならびにＭＥＡ１０ｂを、ＭＥＡ１０ｂの上面と親水層２１とが対向しＭＥＡ１０ｂの下面と親水層３１とが対向するように配置する。次に、図６（ｂ）に示すように、多孔体層４０上にセパレータ６０を配置して多孔体層５０下にセパレータ７０を配置する。以上の工程により、燃料電池１００ｂが完成する。

続いて、本発明の第４実施例に係る燃料電池１００ｃについて説明する。図７は、燃料電池１００ｃの模式的断面図である。燃料電池１００ｃが図５の燃料電池１００ｂと異なる点は、多孔体層４０のセパレータ６０側に親水層８０ｃが形成されている点および多孔体層５０のセパレータ７０側に親水層９０ｃが形成されている点である。その他の点においては、燃料電池１００ｃは燃料電池１００ｂと同様の構成を有する。なお、実施例３と同様の部位には同一符号を付すことで重複する説明を省略する。

親水層８０ｃ，９０ｃは、ＳＢＲにシリカ、チタニア等を混入させた親水性材料から構成され、導電性およびガス拡散性を有する。親水層２１の親水性よりも親水層８０ｃの親水性の方が高く設定され、親水層３１の親水性よりも親水層９０ｃの親水性の方が高く設定されている。

本実施例においては、ガス拡散層１４が撥水性を有しかつ親水層２１が親水性を有することから、発電生成水は、効率よく親水層２１側に排水される。さらに、親水層８０ｃが親水層２１よりも高い親水性を有することから、親水層２１から親水層８０ｃに水が吸引される。それにより、ＭＥＡ１０ｂにおける発電生成水の滞留を抑制することができる。その結果、燃料電池１００ｃの発電効率低下をより抑制することができる。ガス拡散層１５側においても、親水層３１および親水層９０ｃにより効率良く排水される。

なお、多孔体層４０、親水層２１および親水層８０ｃまたは多孔体層５０、親水層３１および親水層９０ｃが燃料電池用導電性多孔体に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 本発明の第１実施例に係る燃料電池の製造方法を説明するための製造フロー図である。 本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 本発明の第２実施例に係る燃料電池の製造方法を説明するための製造フロー図である。 本発明の第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 本発明の第３実施例に係る燃料電池の製造方法を説明するための製造フロー図である。 本発明の第４実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。

符号の説明

１０，１０ｂ ＭＥＡ
１１ 電解質膜
１２，１３ 触媒層
１４，１５ ガス拡散層
２０，３０ 撥水層
４０，５０ 多孔体層
６０，７０ セパレータ
２１，３１，８０，９０ 親水層
１００，１００ａ，１００ｂ 燃料電池
２０１ 撥水剤
２０３ 親水剤

Claims (16)

1. 金属多孔体と、
   前記金属多孔体の一面側に配置され、ガス透過性を有する導電性層とを備え、
   前記金属多孔体の一面側の少なくとも一部は、前記導電性層の他面に埋め込まれ、
   前記導電性層の一面側の平面度は、前記金属多孔体の一面側の平面度よりも高いことを特徴とする燃料電池用導電性多孔体。
2. 前記金属多孔体は、前記導電性層との間に隙間がない程度に前記導電性層に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用導電性多孔体。
3. 前記導電性層の一面側の平面度は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用導電性多孔体。
4. 前記金属多孔体は、発泡焼結金属体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体と、
   電解質膜の両面に触媒層が形成され、少なくとも一方の前記触媒層と前記燃料電池用導電性多孔体の一面とが対向するように配置されたＭＥＡとを備えることを特徴とする燃料電池。
6. 前記導電性層は、撥水性を有することを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
7. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体と、
   電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成され、少なくとも一方の前記ガス拡散層と前記燃料電池用導電性多孔体の一面とが対向するように配置されたＭＥＡとを備えることを特徴とする燃料電池。
8. 前記導電性層は、親水性を有することを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
9. 平面プレート上に導電性スラリーを、所定厚となるように配置する工程と、
   前記導電性スラリー上に導電性多孔体を積層する工程と、
   前記導電性スラリーを乾燥させてガス透過性を有する導電性層を形成する工程と、
   前記導電性層と前記平面プレートとを分離する工程とを含むことを特徴とする燃料電池用導電性多孔体の製造方法。
10. 前記平面プレートの上面の平面度は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用導電性多孔体の製造方法。
11. 前記導電性多孔体は、金属多孔体であることを特徴とする請求項９または１０記載の燃料電池用導電性多孔体の製造方法。
12. 前記金属多孔体は、発泡焼結金属体であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体の製造方法。
13. 請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体を、プロトン導電性電解質膜の両面に触媒層が形成されたＭＥＡ上に、前記導電性層と少なくとも一方の前記触媒層とが対向するように積層する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
14. 前記導電性層は、撥水性を有することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池の製造方法。
15. 請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池用導電性多孔体を、プロトン導電性電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成されたＭＥＡ上に、少なくともいずれか一方の前記導電性層と前記ガス拡散層とが対向するように積層する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
16. 前記導電性層は、親水性を有することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池の製造方法。
    
    

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