JP2010061984A - ガス拡散層、燃料電池、および燃料電池の製造方法 - Google Patents

ガス拡散層、燃料電池、および燃料電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、適切な排水性と保湿性とを確保することができ、かつ、排水性と保湿性とを安定させることができるガス拡散層、燃料電池、および燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池の空気極に設けられ、集積された基材を有するガス拡散層であって、集積方向における前記基材の表面の濡れ性が変化していること、を特徴とするガス拡散層が提供される。また、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、を備え、前記空気極は、上記のガス拡散層を有すること、を特徴とする燃料電池が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス拡散層、燃料電池、および燃料電池の製造方法に関する。
近年の電子技術の進歩に伴い、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、これに使用される電池の小型化、高エネルギー密度化の要求が高まっている。そのような中、小型軽量でありながら高容量の燃料電池が注目されている。特に、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べて、水素ガスの取り扱いの困難さや有機燃料を改質して水素を作り出す装置などの必要がないため、小型化に適している。
この直接メタノール形燃料電池は、燃料極（アノード極）、高分子固体電解質膜、空気極（カソード極）がこの順に相互に隣接して設けられ膜電極接合体を形成している。そして、燃料極側に燃料（メタノール）を供給し、高分子固体電解質膜近傍の触媒層において燃料（メタノール）と水とを反応させて、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とを取り出している。
また、空気極（カソード極）、燃料極（アノード極）、触媒層の表面にはガス拡散層が設けられている。これらのガス拡散層のうち、空気極（カソード極）側に設けられたガス拡散層は、空気極（カソード極）側の触媒層に酸素を均一に供給する役割を果たすとともに、空気極（カソード極）側の触媒層で生成された水の透過の程度を調整する役割をも果たす。
ここで、空気極（カソード極）側の触媒層で生成された水は、空気極（カソード極）側のガス拡散層に透過し、ガス拡散層内部で気液平衡の状態となり、液体である水と気体である水蒸気とが存在するようになる。この場合、空気極（カソード極）側のガス拡散層に含まれる水が過多となると、空気極（カソード極）側のガス拡散層の空孔が塞がれて気体（酸化剤である酸素）の透過が阻害されるおそれがある。そのため、空気極（カソード極）側のガス拡散層には水（水蒸気）を排気させる性質、すなわち排気性が求められる。
一方、空気極（カソード極）側のガス拡散層を透過した水は、高分子固体電解質膜を透過することで燃料極（アノード極）側の触媒層に達する。そして、燃料極（アノード極）側の触媒層において燃料（メタノール）と水とが反応することで、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが生成される。そのため、空気極（カソード極）側のガス拡散層から排気される水（水蒸気）の量が多くなりすぎると、燃料極（アノード極）側の触媒層に達する水の量が不足するので、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）の生成が阻害されるおそれがある。このように、空気極（カソード極）側のガス拡散層には水（水蒸気）の排気を抑制する性質、すなわち保湿性も求められる。
そこで、排水性と保湿性とを考慮したガス拡散層が提案されている（特許文献１を参照）。特許文献１に開示がされた技術は、空気極（カソード極）側のガス拡散層を第一層と、当該第一層よりも厚みの厚い第二層とからなるものとし、第二層の空孔の平均孔径が第一層の空孔の平均孔径よりも大きくなるようにされている。また、第一層、第二層の形成は、カーボン粒子とＰＴＦＥディスパージョンとを混合してなるスラリーがともに用いられ、その混合比も同一とされている。すなわち、この特許文献１に開示された技術は、第一層、第二層の材質を同等とし、その空孔の平均孔径と厚みを変えることで排水性と保湿性とを確保するようにしている。
しかしながら、空孔の平均孔径と厚みを変えるだけでは適切な排水性と保湿性を確保することが困難となるおそれがあった。また、排水性と保湿性とが不安定となるおそれもあった。
特開２００１−３３８６５５号公報
本発明は、適切な排水性と保湿性とを確保することができ、かつ、排水性と保湿性とを安定させることができるガス拡散層、燃料電池、および燃料電池の製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、燃料電池の空気極に設けられ、集積された基材を有するガス拡散層であって、集積方向における前記基材の表面の濡れ性が変化していること、を特徴とするガス拡散層が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、を備え、前記空気極は、上記のガス拡散層を有すること、を特徴とする燃料電池が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、撥水性物質を含み、水とアルコール系溶媒からなる溶液中に、基材を分散させることで混合溶液を生成し、前記混合液を触媒層に塗布し、乾燥させることで、ガス拡散層を形成させる燃料電池の製造方法であって、前記撥水性物質の含有量を変化させることで、前記ガス拡散層の厚み方向における前記基材の表面の濡れ性を変化させること、を特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。
本発明によれば、適切な排水性と保湿性とを確保することができ、かつ、排水性と保湿性とを安定させることができるガス拡散層、燃料電池、および燃料電池の製造方法が提供される。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、第１の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。 まず、ガス拡散層１の排水性と保湿性について例示をする。
後述するように、燃料電池の一種である直接メタノール形燃料電池３（図４を参照）は、燃料極側に燃料（メタノール）を供給し、高分子固体電解質膜５近傍の触媒層６において燃料（メタノール）と水（Ｈ２Ｏ）とを反応させて、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とを取り出している。この際、空気極（カソード極）の触媒層４においては水が生成される。
そして、生成された水は、空気極（カソード極）のガス拡散層１に透過し、ガス拡散層１の内部で気液平衡の状態となる。この際、気液平衡状態に達することで、液体である水と気体である水蒸気とがガス拡散層１の内に存在するようになる。
また、外気中から取り込まれた酸化剤である酸素をガス拡散層１で拡散して触媒層４に到達させるために、ガス拡散層１には、気体（酸素）の透過経路となる空孔が設けられている。
ここで、ガス拡散層１の内部に含まれる水（液体である水）が過多となると、気体（酸素）の透過経路である空孔が塞がれてしまい気体（酸素）の透過が阻害される。そして、気体（酸素）の透過が阻害されると、後述する電気化学的反応が妨げられ、燃料電池の性能低下を招くことになる。
そのため、ガス拡散層１には、過剰な水を排水（蒸散）させるという排水性が求められる。
一方、空気極（カソード極）の触媒層４において生成された水の一部は、高分子固体電解質膜５を透過して、燃料極（アノード極）の触媒層６において燃料（メタノール）と反応することでプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが生成される。また、高分子固体電解質膜５が適度に湿潤していないと、プロトン（Ｈ＋）の伝導性が悪化するおそれもある。すなわち、生成された水が過剰に排水（蒸散）されると燃料電池の性能低下を招くおそれがある。
そのため、ガス拡散層１には、適度な水を保持することで燃料極（アノード極）側に水を供給するとともに高分子固体電解質膜５を適度に湿潤させるという保湿性が求められる。
ここで、ガス拡散層の厚み方向に空孔の平均孔径が異なる複数の層を設け、空孔の平均孔径が大きい層により排水性を確保し、空孔の平均孔径が小さい層により保湿性を確保するようにすることも考えられる。このような場合、平均孔径が小さい空孔に毛細管現象により水が入り込み保持されることで保湿性の確保が図られる。しかしながら、空孔の平均孔径を均一にすることは困難であるため、水の保持を毛細管現象のみに頼るものとすれば水の保持量、ひいては保湿性が不安定となるおそれがある。
本発明者の得た知見によれば、ガス拡散層の厚み方向における濡れ性を変化させるようにすれば適切な排水性と保湿性とを確保することができ、かつ、排水性と保湿性とを安定させることができる。
ここで、ガス拡散層１の濡れ性を高くすれば水の保持力を強めることができる。そのため、ガス拡散層１の濡れ性を高くすれば保湿性を高くすることができる。この場合、水の保持力が強まれば排水（蒸散）される水の量が少なくなるので排水性は低くなることになる。そのため、ガス拡散層１の濡れ性を高くすれば排水性を低くすることができることにもなる。
またこれとは逆に、ガス拡散層１の濡れ性を低くすれば水の保持力を弱めることができる。そのため、ガス拡散層１の濡れ性を低くすれば保湿性を低くすることができる。この場合、水の保持力が弱まれば排水（蒸散）される水の量が多くなるので排水性は高くなることになる。そのため、ガス拡散層１の濡れ性を低くすれば排水性を高くすることができることにもなる。
このように、濡れ性を適宜選択するようにすれば所望の排水性、保湿性を得ることができる。また、濡れ性は、物質表面の性状を制御することで変化させることができるので均一化が容易である。そのため、空孔の平均孔径を変化させることにより排水性、保湿性の適切化を図る場合に比べて安定性を向上させることができる。
次に、図１に戻って第１の実施の形態に係るガス拡散層１についてさらに例示をする。 図１に示すように、ガス拡散層１の厚み方向には、濡れ性が異なる領域１ａと領域１ｂとが積層されるようにして設けられている。また、ガス拡散層１は、後述する空気極（カソード極）側の触媒層４の表面に設けられ、触媒層４は、高分子固体電解質膜５の表面に設けられている。
前述したように、濡れ性を適宜選択するようにすれば所望の排水性、保湿性を得ることができる。そのため、領域１ａと領域１ｂの濡れ性を選択することで排水性、保湿性の適切化を図ることができる。
この場合、領域１ｂの濡れ性が、領域１ａの濡れ性よりも高くなるようにすることができる。
例えば、高分子固体電解質膜５や燃料極（アノード極）の触媒層６に近い領域１ｂの濡れ性を高くすることで水の保持力を強めてこの部分の保湿性を高め、外気に近い領域１ａの濡れ性を低くすることで水の保持力を弱めてこの部分の排水性を高めるようにすることができる。すなわち、触媒層４に設けられる側（領域１ｂ）の濡れ性が、酸化剤である酸素が供給される側（領域１ａ）の濡れ性よりも高くなるようにすることができる。
このようにすれば、高分子固体電解質膜５や燃料極（アノード極）の触媒層６により近いところに生成された水を保持することができる。そのため、高分子固体電解質膜５や燃料極（アノード極）の触媒層６に効率よく水を供給することができる。また、外気に近いところの排水性を高めることができるので、効率のよい排水（蒸散）を行うことができる。そして、領域１ａ、領域１ｂの濡れ性を適宜選択することで、ガス拡散層１全体として適切な排水性、保湿性を確保するようにする。なお、濡れ性を変化させることに関しては後述する。
ここで、燃料電池の形式、用途などによっては生成される水の量が大きく変わる場合がある。また、使用する燃料の濃度などによっては、燃料極（アノード極）側に供給される水の必要量が変わってくる場合がある。
例えば、燃料電池にはアクティブ型とパッシブ型とがあるが、燃料となるメタノールや空気（酸素）をポンプやファンを使用して燃料電池に供給・循環させるアクティブ型は、生成される水の量の制御を行うことができる。これに対し、燃料となるメタノールや空気（酸素）を対流や濃度勾配等を利用して供給するパッシブ型は、生成される水の量の制御を行う装置が設けられていないので生成される水の量が多くなりやすい。
また、使用温度が高ければ反応性が高まるため生成される水の量が多くなりやすく、空気極（カソード極）の性能が高ければ生成される水の量が多くなりやすい。このように、生成される水の量が多くなる場合には、濡れ性を変化させて排水性が高まるようにすることが好ましい。また、これとは逆に使用温度が低かったり、空気極（カソード極）の性能が低ければ生成される水の量が少なくなるので、濡れ性を変化させて保湿性が高まるようにすることが好ましい。
また、燃料に高濃度のメタノールを使用する場合には、燃料極（アノード極）における反応を促進させるために、空気極（カソード極）で生成された水を燃料極（アノード極）の触媒層６へ供給する必要がある。そのため、このような場合は濡れ性を変化させて保湿性が高まるようにすることが好ましい。一方、燃料に低濃度のメタノールを使用する場合には、燃料自体に水が含有されているので高濃度のメタノール程には水の供給が必要とされない。
このように、燃料電池の形式、使用環境、空気極（カソード極）の性能などによっては、生成される水の量が大きく変わる場合がある。また、燃料となるメタノールの濃度などによっては、燃料極（アノード極）側に供給される水の必要量が変わってくる場合がある。 そのため、燃料電池の形式や用途などによっては濡れ性の組合せを適宜変更するようにすることが好ましい。
例えば、領域１ａの濡れ性を低くし、領域１ｂの濡れ性を高くする場合を例示したが、領域１ａの濡れ性を高くし、領域１ｂの濡れ性を低くした方が好ましい場合もあり得る。
また、図１に例示をしたものは、濡れ性の異なる２つの領域を積層するようにして設けているが、これに限定されるわけではない。積層される領域の数は適宜変更することができる。また、積層される領域の境目は必ずしも明確である必要はなく、濡れ性が漸次変化（例えば、漸減、漸増）するようにしてもよい。また、濡れ性が段階的に変化するようにすることもできる。
すなわち、集積された基材（例えば、カーボンブラックなど）を有するガス拡散層であって、集積方向（厚み方向）における基材の表面の濡れ性が変化しているようにすればよい。この場合、ガス拡散層を複数の層からなるものとする場合には、基材（例えば、カーボンブラックなど）が複数の層ごとに集積され、各層ごとに濡れ性が変化しているようにすればよい。
ガス拡散層１の厚み寸法（領域１ａと領域１ｂとの合計寸法）は、特に制限されないが、排水性と保水性とを考慮すると２０μｍ以上、５００μｍ以下とするのが好ましい。
ここで、ガス拡散層１の基材としては、例えば、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック（工業的に品質制御して製造された炭素の微粒子）を例示することができる。なお、カーボンブラックは、前述のものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。また、ガス拡散層１の基材はカーボンブラックに限定されるわけではなく、例えば、カーボンファイバーにするなど適宜変更することができる。
そして、基材表面（カーボンブラック表面）の性状を制御することでその濡れ性を変化させることができる。
この場合、基材の表面（例えば、カーボンブラックの表面）に撥水性物質を付着させ、その付着量により濡れ性を変化させることができる。例えば、撥水性物質の付着量を多くすれば撥水性が高まるので濡れ性を低下させることができる。一方、撥水性物質の付着量を少なくすれば撥水性が高まることを抑制することができるので濡れ性の低下を抑制することができる。
撥水性物質としては、フッ素樹脂を例示することができる。フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、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）などを例示することができる。なお、撥水性物質は例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、基材表面の性状の制御は、撥水性物質の付着量制御に限定されるわけではなく、例えば、表面改質などを行って濡れ性を変化させるようにすることもできる。ただし、生産コスト、濡れ性の制御性などを考慮すると、撥水性物質の付着量を制御することで濡れ性を変化させるようにすることが好ましい。
次に、第２の実施の形態に係るガス拡散層について例示をする。
図２は、第２の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。 図２に示すように、ガス拡散層１０の厚み方向には、濡れ性が異なる領域１０ａと領域１０ｂとが積層されるようにして設けられている。また、ガス拡散層１０は、後述する空気極（カソード極）側の触媒層４の表面に設けられ、触媒層４は、高分子固体電解質膜５の表面に設けられている。また、ガス拡散層１０の厚み寸法、基材の材質、濡れ性を変化させる方法などは、ガス拡散層１の場合と同様とすることができる。
本実施の形態においては、領域１０ａと領域１０ｂとの気体の透過性も異なるものとなっている。すなわち、基材の集積方向（厚み方向）における気体の透過性が変化するようになっている。
そして、領域１０ａ、領域１０ｂにおける濡れ性と気体の透過性とを組み合わせることで適切な排水性、保湿性を確保することができるようになっている。このようにすれば、濡れ性と気体の透過性とに基づいて排水性、保湿性の制御を行うことができるので、制御範囲を拡大することができ、また、より細かな制御を行うこともできる。
例えば、触媒層４に設けられる側（領域１０ｂ）の濡れ性が、酸化剤である酸素が供給される側（領域１０ａ）の濡れ性よりも高くなるようにすることができる。そして、触媒層４に設けられる側（領域１０ｂ）の気体の透過性が、酸化剤である酸素が供給される側（領域１０ａ）の気体の透過性よりも低くなるようにすることができる。このようにすれば、触媒層４に設けられる側（領域１０ｂ）の保湿性を高め、酸化剤である酸素が供給される側（領域１０ａ）の排水性を高めることができる。ただし、このような組合せに限定されるわけではなく適宜変更することができる。なお、濡れ性と気体の透過性との組合せに関しては後述する。
気体の透過性は、例えば、基材を集積させることで形成された空孔の大きさ（例えば、空孔の平均孔径）により変化させることができる。この場合、空孔の大きさ（例えば、空孔の平均孔径）を大きくすることで気体の透過性を高くすれば、生成された水の排出（蒸散）が容易となるので排水性を高くすることができる。なお、この場合は保湿性が低くなることになる。一方、空孔の大きさ（例えば、空孔の平均孔径）を小さくすることで気体の透過性を低くすれば、生成された水の排出（蒸散）が阻害されるので排水性を低くすることができる。なお、この場合は保湿性が高くなることになる。
空孔の大きさ（例えば、空孔の平均孔径）は、例えば、基材（例えば、カーボンブラック）の粒径を変化させることにより変化させることができる。この場合、基材の粒径を大きくすれば、空孔の大きさ（例えば、空孔の平均孔径）は大きくなる。一方、基材の粒径を小さくすれば、空孔の大きさ（例えば、空孔の平均孔径）は小さくなる。そのため、基材の粒径を適宜選択すれば、所望の大きさ（例えば、平均孔径）を有する空孔を得ることができる。
例えば、領域１０ａにおける排水性を高めに設定する場合には、領域１０ａにおける基材の粒径を２μｍ以上、５０μｍ以下とすることができる。粒径が５０μｍを超える場合には、排水性が高くなりすぎて適切な保湿性を得られなくなるおそれがあるからである。また、粒径が２μｍ未満となる場合には、保湿性が高くなりすぎて適切な排水性を得られなくなるおそれがあるからである。
また、領域１０ｂにおける保湿性を高めに設定する場合には、領域１０ｂにおける基材の粒径を２μｍ未満とすることができる。２μｍ以上とすれば、排水性が高くなりすぎて適切な保湿性を得られなくなるおそれがあるからである。
なお、気体の透過性の制御は、空孔の大きさ（例えば、空孔の平均孔径）を変化させることに限定されるわけではない。例えば、基材が線状（例えば、カーボンファイバーなど）の場合には、基材の線径や線状の基材同士が取り得る間隔などによって気体の透過性を変化させることができる。すなわち、基材の形態や性状などによって気体の透過性を変化させる方法を適宜選択するようにすることができる。
また、気体の透過性の制御のために基材の粒径や線径などを小さくすれば、表面積が増加するのでより多くの撥水性物質を付着させることが可能となる。そのため、濡れ性の制御範囲を拡げることもできる。
図３は、濡れ性と気体の透過性とを組み合わせることで排水性、保湿性を制御する場合を例示するための模式図である。なお、ガス拡散層１０における水の分布をモノトーン色の濃淡で表し、存在する水が多いほどモノトーン色が濃く、存在する水が少ないほどモノトーン色が淡くなるように表示している。また、図中の矢印は水の移動方向を表している。
また、ガス拡散層１０の基材をカーボンブラックとし、その粒径を変化させることにより空孔の平均孔径、ひいては気体の透過性を変化させるようにしている。この場合、領域１０ａを形成するカーボンブラックの粒径を３０μｍ、領域１０ｂを形成するカーボンブラックの粒径を６μｍとした。
また、カーボンブラック表面に撥水性物質を付着させ、その付着量により濡れ性を変化させるようにしている。そして、撥水性物質をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とし、濡れ性は水に対する接触角で表すことにした。
図３（ａ）は、領域１０ａ、領域１０ｂにおける接触角をともに１３５°にした場合である。水に対する接触角を１３５°と大きくすれば濡れ性が低くなるので（撥水性が高くなるので）、排水性が高くなる。そのため、生成された水は領域１０ｂよりも領域１０ａに多く存在するようになる。
この場合、領域１０ａと領域１０ｂとが同じ接触角とされているので、気体の透過性の影響が大きくなる。そのため、カーボンブラックの粒径の均一性や分布の均一性などの影響を受けやすくなり、生成された水が存在する領域や水量が不安定となるおそれがある。
図３（ｂ）は、領域１０ａにおける接触角を１３５°、領域１０ｂにおける接触角を４５°とした場合である。この場合は、領域１０ａにおける濡れ性が低く（撥水性が高く）、気体の透過性が高くなる。また、毛細管現象による水の保持力も弱くなる。そのため、領域１０ａにおける排水性が高くなることになる。
一方、領域１０ｂは濡れ性が高く（撥水性が低く）、気体の透過性が低くなる。また、毛細管現象による水の保持力も強くなる。そのため、領域１０ｂにおける保湿性が高くなることになる。
図３（ｂ）に例示をしたものの場合は、排水性、保湿性に対して同様の効果を有する濡れ性と気体の透過性との組合せとなる。そのため、それぞれの効果が足し合わされることになり、領域１０ａはより排水性が高く、領域１０ｂはより保湿性が高くなる。
図３（ｃ）は、領域１０ａにおける接触角を４５°、領域１０ｂにおける接触角を１３５°とした場合である。この場合は、領域１０ａにおける濡れ性は高く（撥水性が低く）なるが、気体の透過性は高くなる。また、毛細管現象による水の保持力は弱くなる。
一方、領域１０ｂは濡れ性は低く（撥水性が高く）なるが、気体の透過性は低くなる。また、毛細管現象による水の保持力が強くなる。
図３（ｃ）に例示をしたものの場合は、排水性、保湿性に対して相反する効果を有する濡れ性と気体の透過性との組合せとなる。そのため、それぞれの効果が打ち消し合う方向に作用することになる。なお、図３（ｃ）に例示をしたものの組合せにおいては、領域１０ｂにおける排水性が勝り、生成された水が領域１０ａ側に押し出されたものと考えられる。
前述したように、排水性、保湿性を空孔の平均孔径のみで制御するものとすれば、生成された水が存在する領域や水量が不安定となるおそれがある。これに対し、濡れ性と気体の透過性とを組み合わせるようにして制御を行えば、生成された水が存在する領域や水量を安定させることができる。
また、図３（ｂ）に例示をしたように同様の効果を有する濡れ性と気体の透過性との組合せとすることができるし、図３（ｃ）に例示をしたように相反する効果を有する濡れ性と気体の透過性との組合せとすることもできる。そのため、それぞれの効果や作用の程度を適宜組み合わせることで、制御範囲を広くすることができる。また、濡れ性は、物質表面の性状を制御することで変化させることができるので制御が容易である。そのため、より細かい制御を行うこともできる。
なお、図３に例示をしたものは、２つの領域を積層するようにして設けているが、これに限定されるわけではない。積層される領域の数は適宜変更することができる。また、積層される領域の境目は必ずしも明確である必要はなく、濡れ性や気体の透過性が漸次変化するようにしてもよい。
次に、本実施の形態に係るガス拡散層を備えた燃料電池について例示をする。
図４は、本実施の形態に係る燃料電池について例示をするための模式図である。
なお、一例として、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の場合を例にとって説明をする。
図４に示すように、燃料電池３は、触媒層６とガス拡散層７とからなる燃料極と、触媒層４と本実施の形態に係るガス拡散層１とからなる空気極と、燃料極の触媒層６と空気極の触媒層４との間に挟持された高分子固体電解質膜５と、を有する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１２を起電部として備えている。
ここで、燃料極の触媒層６としては、有機燃料を酸化できるものであればよく、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と白金との固溶体からなる微粒子などを含むものとすることができる。
また、空気極の触媒層４としては、例えば、白金族元素を含むものとすることができる。例えば、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、パラジウム等の単体金属、白金族元素を含有する固溶体などを含んだものとすることができる。白金族元素を含有する固溶体としては、例えば、白金−ニッケル固溶体などを例示することができる。ただし、これらに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
なお、燃料極の触媒層６、空気極の触媒層４に含まれる触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒としてもよい。
高分子固体電解質膜５としては、プロトン伝導性材料を主成分として含むものを例示することができ、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂などを例示することができる。ただし、これらに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
この場合、高分子固体電解質膜５は、多孔質材料からなる膜の貫通孔や無機材料からなる膜に設けられた開孔などに高分子固体電解質材料を充填させたものとすることもできるし、高分子固体電解質材料からなる膜とすることもできる。
燃料極の触媒層６の表面に設けられたガス拡散層７は、触媒層６に燃料を均一に供給する役割を果たす。
また、空気極の触媒層４の表面に設けられた本実施の形態に係るガス拡散層１は、触媒層４に酸素を均一に供給する役割を果たすとともに、触媒層４生成された水の透過の程度を制御する役割（排水性、保湿性を制御する役割）をも果たす。
そして、燃料極のガス拡散層７には、導電層８が積層されるようにして設けられ、空気極のガス拡散層１には、導電層２が積層されるようにして設けられている。導電層８および導電層２は、例えば、金などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層や複数の開孔を有する金箔などで構成することができる。そして、導電層２と導電層８とが、図示しない負荷を介して電気的に接続されている。
燃料極側の導電層８は、気液分離膜９を介して、燃料供給部として機能する液体燃料タンク１３と接続されている。気液分離膜９は、液体燃料の気化成分のみを透過し液体燃料を透過させない気相燃料透過膜として機能する。
この気液分離膜９は、液体燃料タンク１３に設けられた液体燃料の気化成分を導出するための図示しない開口を塞ぐように配設されている。気液分離膜９は、燃料の気化成分と、液体燃料とを分離し、さらに液体燃料を気化させるもので、例えば、シリコーンゴムなどの材料で構成されたものを例示することができる。
また、この気液分離膜９のさらに液体燃料タンク１３側に、気液分離膜９と同様の気液分離機能を有し、燃料の気化成分の透過量を調整する図示しない透過量調整膜を設けてもよい。この透過量調整膜による気化成分の透過量の調整は、透過量調整膜の開口率を変えることで行うようにすることができる。この透過量調整膜は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの材料で構成させることができる。この透過量調整膜を設けることで、燃料の気液分離を可能とするとともに、燃料極の触媒層６側に供給される燃料の気化成分の供給量を調整することができる。
ここで、液体燃料タンク１３に貯留される液体燃料は、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールとすることができる。この場合、純メタノールの純度は、９５重量％以上、１００重量％以下とすることができる。また、液体燃料の気化成分とは、例えば、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。
一方、空気極の導電層２には、カバー１１が積層されるようにして設けられている。カバー１１には、酸化剤である空気（酸素）を取り入れるための図示しない空気導入口が複数個設けられている。カバー１１は、膜電極接合体１２を加圧して、その密着性を高める役割をも果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属により形成するようにすることができる。
次に、本実施の形態に係る燃料電池３の作用について例示をする。
液体燃料タンク１３内のメタノール水溶液（液体燃料）が気化し、それにより発生した気化したメタノールと水蒸気との混合気が、気液分離膜９を透過する。そして、混合気は、さらに導電層８を通過し、ガス拡散層７で拡散されて触媒層６に供給される。触媒層６に供給された混合気は、次の式（１）に示す酸化反応を生じる。

ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …（１）

なお、液体燃料として、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク１３からの水蒸気の供給がないため、空気極の触媒層４で生成された水や高分子固体電解質膜５中の水などとメタノールとで前述の式（１）の酸化反応を生じることになる。
前述の式（１）の酸化反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、高分子固体電解質膜５を伝導し、空気極の触媒層４に到達する。また、前述の式（１）の酸化反応で生成された電子（ｅ−）は、導電層８から図示しない負荷に供給され、図示しない負荷仕事をした後、導電層２、ガス拡散層１を介して触媒層４に到達する。
カバー１１の図示しない空気導入口から取り入れられた空気（酸素）は、導電層２を透過し、ガス拡散層１で拡散されて、触媒層４に供給される。触媒層４に供給された空気中の酸素と、触媒層４に到達したプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが、次の式（２）に示す反応を生じて、水が生成される。

（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ …（２）

この反応によって空気極の触媒層４中で生成された水の一部は、ガス拡散層１に透過して、ガス拡散層１の内部で気液平衡の状態となる。そして、気体となった水はカバー１１の図示しない空気導入口から蒸散される。また、液体としての水は、空気極の触媒層４中に残留する。
前述したように、本実施の形態に係るガス拡散層を備えるようにすれば、燃料電池の形式、用途などに応じて適切な排水性、保湿性を確保することができる。また、排水性と保湿性とを安定させることができる。
式（２）の反応が進行すると、生成される水の量が増し、空気極の触媒層４中の水分量が増加する。そして、式（２）の反応の進行にともなって、空気極の触媒層４中の水分量が、燃料極の触媒層６中の水分量よりも多い状態となる。
その結果、浸透圧現象によって、空気極の触媒層４で生成された水が、高分子固体電解質膜５を通過して燃料極の触媒層６に移動する。そのため、燃料極の触媒層６への水分の供給を液体燃料タンク１３から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式（１）の反応を促進させることができる。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。
すなわち、液体燃料として、メタノールの濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、空気極の触媒層４から燃料極の触媒層６に移動してきた水を前述した式（１）の反応に使用することができることになる。また、前述した式（１）の反応の反応抵抗をさらに低下させることができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料タンク１３の小型化を図ることも可能となる。また、高分子固体電解質膜５を湿潤させることができるので、高いプロトン（Ｈ＋）の導電性を得ることもできる。
本実施の形態に係るガス拡散層を備えるようにすれば、このような水の移動の適切化を図ることができる。すなわち、適切な排水性、保湿性を有するガス拡散層とすることができるので生成された水を効率よく燃料極の触媒層６に供給するとともに、過剰となる水を効率よく排出（蒸散）させることができる。
次に、本実施の形態に係る燃料電池３の製造方法について例示をする。
図５は、本実施の形態に係る燃料電池の製造方法について例示をするためのフローチャートである。
まず、相分離法、発泡法、ゾルゲル法などの化学的、物理的方法を用いて多孔質材料膜を作成する。尚、多孔質材料膜は、市販の多孔質材料を適宜用いるようにしてもよい。例えば、厚さ２５μｍ、開孔率４５%のポリイミド多孔膜（宇部興産製ユーピレックスＰＴ）などを用いることができる。
そして、この多孔質材料膜に高分子固体電解質を充填して、高分子固体電解質膜５を作成する（ステップＳ１）。高分子固体電解質を充填する方法としては、多孔質材料膜を電解質溶液中に浸漬させ、これを引き上げて乾燥させ、溶媒を除去する方法を例示することができる。電解質溶液としてはナフィオン（登録商標、デュポン社製）溶液を例示することができる。なお、高分子固体電解質膜５を高分子電解質材料からなる膜としてもよい。その場合は、多孔質材料膜の作成や高分子固体電解質の充填は不要となる。
次に、白金の微粒子と、活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンと、溶剤とを混合してペースト状にしたものを常温乾燥させることで空気極の触媒層４を作成する。そして、触媒層４の表面に本実施の形態に係るガス拡散層を形成させることで空気極を作成する（ステップＳ２）。
ここで、本実施の形態に係るガス拡散層の形成に関してさらに例示をする。
まず、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性物質を含み、水とアルコール系溶媒からなる溶液中に、所定の大きさの基材（例えば、所定の粒径のカーボンブラック）を分散させることにより、混合溶液を生成する。
この際、排水性と保湿性とを考慮して、基材の大きさを選定し、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性物質の含有量を決めるようにする。
例えば、排水性を高める場合には、所定の範囲内において大きな基材を選定し、またポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性物質の含有量を多くするようにする。また、保湿性を高める場合には、所定の範囲内小さな基材を選定し、またポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性物質の含有量を少なくするようにする。
なお、以上は、濡れ性と気体の透過性とを組み合わせることで排水性、保湿性を制御する場合（ガス拡散層１０の場合）であるが、濡れ性を変化させることで排水性、保湿性を制御する場合（ガス拡散層１の場合）には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性物質の含有量を変化させるようにすればよい。
次に、空気極の触媒層４の表面に混合溶液を塗布し、これを乾燥させることによりガス拡散層を形成させる。
この際、必要な排水性、保湿性が得られるように基材の大きさや撥水性物質の含有量を変えたものを順次塗布するようにする。また、濡れ性、気体の透過性を漸次変化させる場合には、基材の大きさや撥水性物質の含有量を少しずつ変えたものを塗布するようにすればよい。また、濡れ性、気体の透過性を段階的に変化させる場合には、基材の大きさや撥水性物質の含有量を段階的に変えたものを順次塗布するようにすればよい。
すなわち、撥水性物質の含有量を変化させることで、ガス拡散層の厚み方向における基材の表面の濡れ性を変化させるようにすればよい。また、基材の大きさを変化させることで、ガス拡散層の厚み方向における気体の透過性を変化させるようにすればよい。
なお、塗布と乾燥させる工程を複数回繰り返すようにすることもできる。
一方、白金−ニッケル固溶体などの微粒子と、活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンと、溶剤とを混合してペースト状にしたものを常温乾燥させることで燃料極の触媒層６を作成する。触媒層６の表面にガス拡散層７を形成させることで燃料極を作成する（ステップＳ３）。なお、ガス拡散層７は、例えば、カーボンブラックの粒径を１．０μｍとし、これを水とアルコール系溶媒からなる溶液中に分散させることにより生成した混合溶液を、触媒層６の表面に塗布、乾燥させることで形成させることができる。
次に、高分子固体電解質膜５と、空気極（触媒層４、ガス拡散層１）と、燃料極（触媒層６、ガス拡散層７）とで膜電極接合体１２を形成させ、これを挟み込むようにして、気化したメタノールまたは空気を取り入れるための複数の開孔を有する金箔などからなる導電層８、導電層２を設ける（ステップＳ４）。
次に、導電層８に、気液分離膜９を介して、液体燃料タンク１３を取り付ける（ステップＳ５）。気液分離膜９には、例えば、シリコーンシートを用いることができる。
次に、導電層２に、カバー１１を取り付ける（ステップＳ６）。カバー１１は、例えば、空気取り入れのための図示しない空気導入口が形成されたステンレス板（ＳＵＳ３０４）とすることができる。
最後に、これを適宜ケースに収納するなどして燃料電池３を形成させる（ステップＳ７）。
以上、本発明の実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、前述した燃料電池の各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、燃料についてもメタノールを例示したが、これに限定されるものではない。他の燃料としては、メタノールの他にも、エタノール、プロパノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン類、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基などの親水基を有するシクロパラフィン類などを例示することができる。なお、このような燃料は、通常５〜９０重量％程度の水溶液として用いられる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限り組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
第１の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。 第２の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。 濡れ性と気体の透過性とを組み合わせることで排水性、保湿性を制御する場合を例示するための模式図である。 本実施の形態に係る燃料電池について例示をするための模式図である。 本実施の形態に係る燃料電池の製造方法について例示をするためのフローチャートである。
符号の説明
１ ガス拡散層、１ａ 領域、１ｂ 領域、３ 燃料電池、４ 触媒層、５ 高分子固体電解質膜、６ 触媒層、７ ガス拡散層、１０ ガス拡散層、１０ａ 領域、１０ｂ 領域、１２ 膜電極接合体

Claims (10)

  1. 燃料電池の空気極に設けられ、集積された基材を有するガス拡散層であって、
    集積方向における前記基材の表面の濡れ性が変化していること、を特徴とするガス拡散層。
  2. 前記基材の表面に付着した撥水性物質と、を有し、
    前記撥水性物質の付着量により、前記濡れ性を変化させること、を特徴とする請求項１記載のガス拡散層。
  3. 前記基材は複数の層ごとに集積され、
    前記層ごとに、前記濡れ性が変化していること、を特徴とする請求項１または２に記載のガス拡散層。
  4. 前記集積方向における気体の透過性が変化していること、を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス拡散層。
  5. 前記基材を集積させることで形成された空孔の大きさにより、前記気体の透過性を変化させること、を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス拡散層。
  6. 触媒層に設けられる側の濡れ性が、酸化剤が供給される側の濡れ性よりも高いこと、を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス拡散層。
  7. 触媒層に設けられる側の気体の透過性が、酸化剤が供給される側の気体の透過性よりも低いこと、を特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のガス拡散層。
  8. 燃料が供給される燃料極と、
    酸化剤が供給される空気極と、
    前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、
    を備え、
    前記空気極は、請求項１〜７のいずれか１つに記載のガス拡散層を有すること、を特徴とする燃料電池。
  9. 撥水性物質を含み、水とアルコール系溶媒からなる溶液中に、基材を分散させることで混合溶液を生成し、前記混合液を触媒層に塗布し、乾燥させることで、ガス拡散層を形成させる燃料電池の製造方法であって、
    前記撥水性物質の含有量を変化させることで、前記ガス拡散層の厚み方向における前記基材の表面の濡れ性を変化させること、を特徴とする燃料電池の製造方法。
  10. 前記基材の大きさを変化させることで、前記ガス拡散層の厚み方向における気体の透過性を変化させること、を特徴とする請求項９記載の燃料電池の製造方法。
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