JP2011029076A - 燃料電池用ガス拡散層、燃料電池用ガス拡散層の製造方法、燃料電池、および燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】流路ピッチを設定し易く、また、接触抵抗の抑制を図り得る燃料電池用ガス拡散層、および燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供し、また、発電性能の低下抑制を図り得る燃料電池、および燃料電池自動車を提供する。
【解決手段】燃料電池用ガス拡散層１００は、多孔質で導電性の集電層１２０と、集電層の面に並んだ複数の導電性の線材１１０とを有する。燃料電池用ガス拡散層はまた、集電層と線材とを電気的に接続する接合部１１４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層、燃料電池用ガス拡散層の製造方法、燃料電池、および燃料電池自動車に関する。

固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、一般的に、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構成を有する。そして、単セルはそれぞれ、高分子電解質膜、これの両面に設けられる触媒層、および触媒層に対向するように設けられるガス拡散層を有する。固体高分子形燃料電池については、現在、様々な研究・開発が行われており、例えば特許文献１では、板状セパレータに巻線体を並べたガス拡散層が提案されている。

特開２００８−２４３５７２号公報

しかし、複数の基材を重ねることによってガス拡散層を構成すると、基材同士の界面に酸化皮膜が生じてしまい接触抵抗が生じ、発電性能の低下を招く虞がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、流路ピッチを設定し易く、また、接触抵抗の抑制を図り得る燃料電池用ガス拡散層、および燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供することを目的とする。本発明はまた、発電性能の低下抑制を図り得る燃料電池、および燃料電池自動車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池用ガス拡散層は、多孔質で導電性の集電層と、集電層の面に並んだ複数の導電性の線材とを有する。本発明の燃料電池用ガス拡散層はまた、集電層と線材とを電気的に接続する接合部を有する。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、多孔質で導電性の集電層の面に複数の導電性の線材を並べて配置する配列工程を有する。本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法はまた、配列工程の後、集電層と線材とを接合する接合工程を有する。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池は、上記燃料電池用ガス拡散層を有する。燃料電池用ガス拡散層の線材はセパレータに対向し、燃料電池用ガス拡散層の集電層は、触媒層に対向する。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池自動車は、上記燃料電池を有する。

本発明の燃料電池用ガス拡散層は、集電層の面に並んだ複数の線材を有するので、線材と線材との間を流路にでき、そして、線材同士の間隔を変えることによって流路ピッチを変えられる。このため、例えば基材を彫り、または打ち抜くことによって流路を形成するような場合に比べ、基材の破損等、流路を形成する上での制約が小さく、本発明の燃料電池用ガス拡散層は流路ピッチを設定し易い。また、本発明の燃料電池用ガス拡散層は、接合部を有するので、線材と集電層とが電気的に接続され、接触抵抗の抑制を図り得る。

本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、配列工程が、集電層の面に複数の線材を並べて配置するので、線材と線材との間を流路にでき、そして、線材同士の間隔を変えることによって流路ピッチを変えられる。このため、例えば基材を彫り、または打ち抜くことによって流路を形成するような場合に比べ、基材の破損等、流路を形成する上での制約が小さく、本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は流路ピッチを設定し易い。また、本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、接合工程は集電層と線材とを接合するため、線材と集電層とを電気的に接続して接触抵抗の抑制を図り得る。

本発明の燃料電池は、上記燃料電池用ガス拡散層を有し、接触抵抗の抑制を図れるため、発電性能の低下抑制を図り得る。

本発明の燃料電池自動車は、上記燃料電池を有するので、これと同様、発電性能の低下抑制を図り得る。

（Ａ）は第１実施形態の燃料電池用ガス拡散層の概略断面図、（Ｂ）は第１実施形態の燃料電池用ガス拡散層の概略平面図、（Ｃ）は第１実施形態の燃料電池用ガス拡散層の部分拡大概略断面図である。 図１の２−２線に沿う部分拡大概略断面図である。 燃料電池の概略断面図である。 燃料電池を部分的に分解して示す概略斜視図である。 図４の矢印５の方向から見た燃料電池の部分拡大概略断面図である。 図４の矢印６の方向から見た燃料電池の部分拡大概略断面図である。 燃料電池自動車の概略図である。 燃料電池用ガス拡散層の製造方法を説明するためのフローチャートである。 配列工程を説明するための概略斜視図である。 接合工程を説明するための概略斜視図である。 抵抗測定の概要を説明するための概略構成図である。 発電性能の例を比較して示す概略図である。 第２実施形態を説明するための概略平面図である。 変形例１を説明するための概略平面図である。 変形例２を説明するための概略平面図である。 実施形態と異なる線材および他の線材の例を示す概略平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態において、各実施形態で共通する機能を有する部材については類似の符号を付し、また、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池用ガス拡散層１００は、多孔質で導電性の集電層１２０、および集電層１２０の面に並んだ複数の導電性の線材１１０を有する。燃料電池用ガス拡散層１００はまた、集電層１２０と線材１１０とを電気的に接続する接合部１１４を有する。燃料電池用ガス拡散層１００は集電層１２０の一方の面に線材１１０を有する。そして集電層１２０の他方の面に金属１２２が被覆されている。燃料電池用ガス拡散層１００はまた、複数の線材１１０と交差する線材１１２（他の線材）を有する。燃料電池用ガス拡散層１００は線材１１２を複数有する。線材１１２の間隔は線材１１０の間隔以上である。

集電層１２０は、例えば、不職布、織布、編布、または網である。不職布、織布、編布、または網は、例えば導電性の細線によって構成される。細線を形成する材料として公知のものを用いることができ、細線を形成する材料は、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅またはチタンである。

複数の線材１１０は、略直線状で、略平行に並ぶ。複数の線材１１０は等間隔で並び、好ましくは、少なくとも線材１１０の直径以上の間隔で並ぶ。線材１１０を形成する材料として公知のものを用いることができる。線材１１０を形成する材料は、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅またはチタンである。

接合部１１４は、線材１１０が溶融してなり、線材１１０と集電層１２０とを一体的に接合する。線材１１０と集電層１２０との接合を考慮し、線材１１０を形成する材料と集電層１２０を形成する材料とは、好ましくは同じ金属を主成分とする合金、より好ましくは同一の金属である。

図２に示すように、線材１１２は、複数の線材１１０に対して交互に浮き沈みするように交差する。線材１１２は溶融して線材１１０と一体的に接合している。また図示しないが、線材１１２は溶融して集電層１２０と一体的に接合している。

図３において燃料電池１３０について述べる。燃料電池１３０は固体高分子型燃料電池である。燃料電池１３０は、発電機能を発揮する単セル１３５を含み、これが複数積層された構成を有する。積層する単セル１３５の数を適宜設定できる。

単セル１３５は、高分子電解質からなる電解質膜１３１、電解質膜１３１の両面に配置された触媒層１３２、および触媒層１３２の面に配置されたマイクロポーラス層１３３を有する。単セル１３５はまた、燃料電池用ガス拡散層１００を含み、燃料電池用ガス拡散層１００は、電解質膜１３１、触媒層１３２、およびマイクロポーラス層１３３をこれらの積層方向から挟む。集電層１２０は、マイクロポーラス層１３３を介して触媒層１３３に対向する。

単セル１３５はまた、平板状のセパレータ１３４を有する。セパレータ１３４は、電解質膜１３１、触媒層１３２、マイクロポーラス層１３３、および燃料電池用ガス拡散層１００を、これらの積層方向から挟む。セパレータ１３４は線材１１０に対向する。電解質膜１３１、触媒層１３２、マイクロポーラス層１３３、およびセパレータ１３４として公知のものを使用できる。

電解質膜１３１を構成する高分子電解質として、一般的に大別して、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とがある。

触媒層１３２は触媒を含む層である。触媒は、例えば白金である。また、触媒層１３２はアイオノマを含む。電解質膜１３１の両面に配置された触媒層１３２の一方は、プロトン、電子、および酸素から水を生成する反応（酸素還元反応）を促進する機能を有する。そして、触媒層１３２の他方は、水素をプロトンおよび電子に解離する反応（水素酸化反応）を促進する機能を有する。

マイクロポーラス層１３３は、樹脂と導電性材料とを主成分とする膜である。ここで樹脂は、撥水性樹脂であり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。導電性材料は、例えばカーボンブラックである。マイクロポーラス層１３３は、電解質膜１３１の水分を保持する役割、および余分な水分を排出する役割を果たす。集電層１２０は、反応によって発生する電子をマイクロポーラス層１３３から集電するため、ガスおよび水の拡散・排出性を確保しつつ、マイクロポーラス層１３３との接触面積を確保するのが好ましい。

セパレータ１３４は、導電性を有する。セパレータ１３４を形成する材料は、例えば、金属またはカーボンである。セパレータ１３４を形成する金属は、例えば、ステンレス、アルミニウム、またはチタンである。

複数の導電性の線材１１６が、隣り合う単セル１３５同士の間、つまりセパレータ１３４とセパレータ１３４との間に位置する。線材１１６は、略直線状で、略平行に並ぶ。複数の線材１１６は等間隔で並び、好ましくは、線材１１６は少なくとも線材１１６の直径以上の間隔で並ぶ。線材１１６を形成する材料として公知のものを用いることができ、線材１１６を形成する材料は、例えば、ステンレス、アルミニウム、またはチタンである。

図４に示すように、セパレータ１３４は、厚み方向に貫通したマニホールド孔１３７を有する。ガス、または冷却水がマニホールド孔１３７を流れる。ガスは、例えば、水素を含む燃料ガス、または酸素を含む酸化剤ガスである。

セパレータ１３４はまた、ガス、または冷却水をセパレータ１３４の面方向に流すためのディフューザ１３６を有する。ディフューザ１３６は、同種のガス、または冷却水が流れる、セパレータ１３４の面方向に離隔した対をなすマニホールド孔１３７、およびこの対をなすマニホールド孔１３７の間の面を囲んでいる。ディフューザ１３６は複数の線材１１０を囲む。セパレータ１３４の面は平坦である。

線材１１０は溶融してセパレータ１３４と一体的に接合する。セパレータ１３４と線材１１０との導電性を高め、またこれらの接合をより強固にするため、線材１１０とセパレータ１３４とを接合する接合部（不図示）は線材１１０に沿って伸びることが好ましい。また、導電性を高め、また接合をより強固にする観点から、線材１１０を形成する材料とセパレータ１３４を形成する材料とは、同じ金属を主成分とする合金であることが好ましく、より好ましくは同一の金属である。以上のことは、線材１１６およびセパレータ１３４についても同様である。

ガス、または冷却水は、対をなすマニホールド孔１３７の一方から流入し、セパレータ１３４の面を流れた後、マニホールド孔１３７の他方から流出する。ガスは線材１１０と線材１１０との間を流れる。また冷却水は線材１１６と線材１１６との間を流れる。すなわち、線材１１０と線材１１０との間がガスの流路１１８となり、線材１１６と線材１１６との間が、冷却水の流路１１９となる。なお、流路１１８は生成する水を排出する役割も果たす。

線材１１０または線材１１６の直径を大きくし、流路の等価直径を大きくする、つまり流路を広くすることによって、流路１１８、または流路１１９を流れる際の圧力損失を抑え、流れを円滑にできる。ここで、等価直径とは、ある断面形状を持つ流路が、流動の点から、直径いくらの円管の集合と等価であるかを示す代表長さである。一方で、線材１１０または線材１１６の直径を大きくすると、燃料電池用ガス拡散層１００の厚みの増大、燃料電池１３０の大型化を招く虞がある。

そこで、圧力損失を抑え、かつ燃料電池全体の厚みを抑える観点から、線材１１０および線材１１６の直径は、好ましくは、１０μｍ以上３００μｍ以下であり、より好ましくは、２０μｍ以上２００μｍ以下である。市販されている細い線材１１０および線材１１６で、現在、実用可能性のあるものの直径はおよそ２０μｍ程度であり、また、線材１１０および線材１１６の直径が２０μｍより大きい方が、細線化による加工硬化によって機械特性が低下せず、十分な強度を得られる。また、線材１１０および線材１１６の直径が２００μｍより小さいと、線材高さ（線径）自身が、電池の単位ユニットあたりの厚さを薄くできる。現在市販されるガス拡散層であるカーボンペーパーの厚みは２００μｍ程度である。線材の太さを２００μｍ以上とした場合は、逆に電池の単位ユニット厚さが大きくなってしまう。よって、本発明で用いる線材は、細くて強度の高い中実のものが最も好ましい。

また、線材１１０および線材１１６の配置を適宜設定できるが、ガスまたは水が円滑に流れるように線材１１０および線材１１６を配置するのが好ましい。例えば、線材１１０および線材１１６は、ガスおよび冷却水が流入する側のマニホールド孔１３７と、ガスおよび冷却水が流出する側のマニホールド孔１３７との離隔方向に平行である。

図５に示すように、ガスは、線材１１０に沿って流れ、また、このとき、マイクロポーラス層１３３および触媒層１３２に向かって集電層１２０を拡散する。また図６に示すように、集電層１２０を構成する細線の直径や細線同士の間隔が線材１１０のそれらと異なると、ガスは、隣り合う流路１１８と流路１１８との間を移動し易い。このようなガスの移動は、面方向全体への均一なガスの拡散につながり、好ましい。

集電層１２０に被覆される金属１２２として、電解質膜１３１がスルホン基等を含む強酸性で、また触媒層１３２が１Ｖ程度の高電位となる環境においても耐えられるものが好ましい。また、金属１２２の種類によっては溶解してイオンが溶出し、電解質膜１３１を劣化させる虞があるため、このことを考慮して金属１２２の種類を選択するのが好ましい。被覆する金属１２２は、好ましくは金である。

次に燃料電池自動車１５０について述べる。

図７に示すように、燃料電池自動車１５０は、燃料電池１３０を駆動用電源として搭載している。燃料電池１３０が発生する電力によってモータ（不図示）が駆動され、燃料電池自動車１５０は走行する。

燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法を説明する。

図８において述べると、燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法は、線材１１０の表面の酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程Ｓ１１０を有する。燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法はまた、酸化皮膜除去工程Ｓ１１０の後、集電層１２０の面に線材１１０を並べて配置する配列工程Ｓ１２０と、配列工程Ｓ１２０の後、集電層１２０と線材１１０とを接合する接合工程Ｓ１３０と、を有する。また燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法は、接合工程Ｓ１３０の後、集電層１２０の面に金属１２２を被覆する被覆工程Ｓ１４０を有する。

酸化皮膜除去工程Ｓ１１０として公知の技術を利用でき、酸化皮膜除去工程Ｓ１１０は例えば酸洗浄である。

図９に示すように、配列工程Ｓ１２０は、複数の線材１１０を平行に並べ、これを集電層１２０およびセパレータ１３４によって挟んで、集電層１２０の面に線材１１０を配置する。このとき、複数の線材１１０はセパレータ１３４のディフューザ１３６内に収まる。また線材１１２を複数の線材１１０に交差させる。

図１０において説明すると、接合工程Ｓ１３０は、線材１１０を加熱するとともに集電層１２０に対して押圧する。接合工程Ｓ１３０は、線材１１０を溶融させて集電層１２０に接合する。より具体的には、接合工程Ｓ１３０は、集電層１２０およびセパレータ１３４によって線材１１０を挟んだ状態で荷重を加え、これらをそのまま非酸化性ガス雰囲気下で加熱する。この場合の温度、および時間は、例えば１０００℃、１０分である。また、炉内にＮ_２を適宜充填することによって、酸素等の混入を防止できる。また部材表面の酸化防止のため、微量のＨ_２を添加してもよい。

被覆工程Ｓ１４０は、公知の技術を利用でき、液体を用いて被覆するめっき、真空蒸着、およびスパッタリング等を含む。被覆工程Ｓ１４０は、種々の金属１２２を被覆できるが、耐食性および導電性の点から、好ましくは金を集電層１２０の面に被覆する。

また、被覆工程Ｓ１４０を、接合工程Ｓ１３０の前に行ってもよいが、接合工程Ｓ１３０の前に被覆工程Ｓ１４０を行うと、セパレータ１３４と線材１１０との間、または線材１１０と集電層１２０との間等に金属が介在し、部材同士の接合が妨げられる虞がある。さらに、被覆した金属によるマイグレーションが生ずる虞がある。したがって、好ましくは接合工程Ｓ１３０の後、被覆工程Ｓ１４０を行う。

第１実施形態の効果を述べる。

燃料電池用ガス拡散層１００は、集電層１２０の面に並んだ複数の線材１１０を有するので、線材１１０と線材１１０との間を流路１１８にでき、そして、線材１１０同士の間隔を変えることによって隣り合う流路同士のピッチＰ（図３参照。以下流路ピッチＰと称す。）を変えられる。このため、例えばカーボンの多孔体からなる基材を彫り、または打ち抜くことによって流路を形成するような場合に比べ、基材の破損等、流路を形成する上での制約が小さく、燃料電池用ガス拡散層１００は流路ピッチＰを設定し易い。また、燃料電池用ガス拡散層１００は接合部１１４を有するので、線材１１０と集電層１２０とが電気的に接続され、単に線材１１０と集電層１２０とが接しているような場合に比べ、接触抵抗の抑制を図り得る。

接合部１１４がないと、線材１１０は、複数の接点で多孔質の集電層１２０に接する。つまり、線材１１０と多孔質の集電層１２０とは点で接する。一方、燃料電池用ガス拡散層１００は線材１１０が溶融して形成された接合部１１４を有するため、例えば単に線材１１０と集電層１２０とが接しているような場合に比べ、線材１１０と集電層１２０との接触面積が大きい。したがって燃料電池用ガス拡散層１００は接触抵抗の抑制を図り得る。

また、接触抵抗増加の要因として、線材１１０と集電層１２０との界面の酸化皮膜が挙げられる。これに対し、本実施形態では、線材１１０が溶融して形成された接合部１１４によって、線材１１０と集電層１２０とが一体的に接合しているため、燃料電池用ガス拡散層１００は酸化皮膜の影響を抑えて接触抵抗の抑制を図り得る。

燃料電池用ガス拡散層１００は線材１１２を有するので、複数の線材１１０をつないで線材１１０のばらつきを防止できる。

また、線材１１２と線材１１２との間隔が、線材１１０と線材１１０との間隔以上であるため、ガスが流れるときの摩擦抵抗を抑え、圧力損失を抑制できる。

集電層１２０が導電性の不織布、織布、編布、または網を含むので、導電性とともに、ガスおよび水の拡散・排出性やクッション性を確保できる。

集電層１２０の面に金属１２２が被覆されているので、耐食性および導電性が優れる。

燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法では、配列工程Ｓ１２０が集電層１２０の面に複数の線材１１０を並べて配置するので、線材１１０と線材１１０との間を流路１１８にでき、そして、線材同士の間隔を変えることによって流路ピッチＰを変えられる。このため、例えば基材を彫り、または打ち抜くことによって流路を形成するような場合に比べ、基材の破損等、流路を形成する上での制約が小さく、燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法は流路ピッチＰを設定し易い。また燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法では、接合工程Ｓ１３０が線材１１０と集電層１２０とを接合するため、線材１１０と集電層１２０とが電気的に接続され、単に線材１１０と集電層１２０とを接触させただけの場合に比べ接触抵抗の抑制を図り得る。

接合工程Ｓ１３０は線材１１０を溶融させて集電層１２０に接合するので、例えば単に線材１１０と集電層１２０とを接触させるだけの場合に比べ、線材１１０と集電層１２０との接触面積が増大し、接触抵抗の抑制を図り得る。

また、接合工程Ｓ１３０は線材１１０を溶融させるので、線材１１０と集電層１２０とが一体的に接合する。このため燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法は、線材１１０と集電層１２０との界面の酸化皮膜の影響を抑えて接触抵抗の抑制を図り得る。

接合工程Ｓ１３０は、線材１１０を加熱するとともに集電層１２０に対して押圧する。このため、線材１１０と集電層１２０との接合部１１４が増え、接触抵抗の抑制を図り得る。 燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法は酸化皮膜除去工程Ｓ１１０を有するので、線材表面の酸化皮膜が除去され、線材１１０と集電層１２０との間の接触抵抗抑制を図り得る。また、燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法は酸化皮膜除去工程Ｓ１１０を有するので、線材表面の酸化皮膜が除去され、セパレータ１３４と重ねた場合、線材１１０とセパレータ１３４との間の接触抵抗の抑制を図り得る。

燃料電池用ガス拡散層１００の製造方法は被覆工程Ｓ１４０を有し、集電層１２０の面に金属１２２を被覆するので、耐食性および導電性を向上できる。

燃料電池１３０は、燃料電池用ガス拡散層１００を有し、接触抵抗の抑制を図れるため、発電性能の低下抑制を図り得る。

また燃料電池１３０では、線材１１０が溶融してセパレータ１３４に一体的に接合しているので、線材１１０とセパレータ１３４と間の接触抵抗抑制を図り得る。

燃料電池自動車１５０は、燃料電池１３０を有するので、これと同様、発電性能の低下抑制を図り得る。

次に実施例および比較例について説明する。

＜実施例＞
表１に示すように、実施例１では、集電層１２０として３００メッシュのＳＵＳ３１６製の金網を用いた。また、線材１１０としてＳＵＳ３１６製のものを用いた。実施例１では線材１１０の直径を１００μｍとし、線材１１０と線材１１０との間隔を２００μｍとした。また、セパレータ１３４としてＳＵＳ３１６製のものを用いた。

そして酸化皮膜除去工程Ｓ１１０、配列工程Ｓ１２０、および接合工程Ｓ１３０によって、燃料電池用ガス拡散層を作製した。接合工程Ｓ１３０は、非酸化性ガス雰囲気下で加熱し、この場合の温度、および時間を、１０００℃、１０分とした。実施例１では被覆工程Ｓ１４０を行わない。つまり、集電層１２０の面に金属１２２が被覆されていない。

実施例２は、実施例１と略同様であるが、被覆工程Ｓ１４０によって集電層１２０の面に、金属１２２として金を被覆した。接合工程Ｓ１３０の後に被覆工程Ｓ１４０を行った。被覆した金の厚みは１００ｎｍである。また実施例２では、実施例１と異なり、線材１１０として直径３０μｍのものを用い、線材１１０と線材１１０との間隔を３０μｍとした。

実施例３は、実施例２と略同様であるが、線材１１０の直径および線材同士の間隔が、実施例２と異なる。実施例３では、線材１１０の直径を１００μｍとし、線材１１０と線材１１０との間隔を２００μｍとした。

＜比較例＞
比較例１は実施形態と異なり、燃料電池用ガス拡散層がカーボンペーパーからなる基材を２つ重ねた構成を有する。カーボンペーパーとして、東レ株式会社製、ＴＧＰ−Ｈ−６０を用いた。比較例１では、酸化皮膜除去工程Ｓ１１０、配列工程Ｓ１２０、接合工程Ｓ１３０、および被覆工程Ｓ１４０を行わず、２つのカーボンペーパーを重ね合わせることによって燃料電池用ガス拡散層を作製した。したがって、重なったカーボンペーパー同士は接合しておらず、また、カーボンペーパーの面に金属１２２が被覆されていない。

比較例２では、集電層１２０として比較例１と同様のカーボンペーパーを用いた。また、線材１１０としてＳＵＳ３１６製のものを用いた。線材１１０の直径を１００μｍとし、線材１１０と線材１１０との間隔を２００μｍとした。比較例２では接合工程Ｓ１３０および被覆工程Ｓ１４０を行わない。したがって、比較例２の燃料電池用ガス拡散層は、セパレータ１３４、線材１１０、および集電層１２０がこの順で重なった構成を有するが、これらの各部材が互いに接合しておらず、また、集電層１２０の面に金属１２２が被覆されていない。セパレータ１３４としてＳＵＳ３１６Ｌ製のものを用いた。

比較例３は、比較例２と略同様であるが、集電層１２０として３００メッシュのＳＵＳ３１６Ｌ製の金網を用いた点で比較例２と異なる。

以上説明した実施例および比較例について、抵抗値および発電性能の比較を行った。

図１１に示すように、触媒層１３２、マイクロポーラス層１３３、集電層１２０、線材１１０（またはカーボンペーパー）、およびセパレータ１３４を重ね、これらを２つの電極１６０によって挟持し、電極１６０に１Ａを流した場合のセパレータ１３４と集電層１２０との間の電圧降下から抵抗値を算出した。電極１６０の圧縮荷重を変えることによって、圧縮荷重に対する抵抗値の変化を確認できる。ここで表１に示す抵抗値は、算出した抵抗値に電極１６０の面積Ｓを掛け合わせたものであり、単位はｍΩｃｍ^２である。

例えば比較例３と実施例１とを比較すると、部材同士の接合（ここでは、図１１を参照して、セパレータ１３４と線材１１０との接合、および線材１１０と集電層１２０との接合である。）によって接触抵抗を抑制できることが確認できる。

接触抵抗増加の要因として部材表面に形成される酸化皮膜の形成がある。実施例のように部材同士の接合、特に部材を溶融させて一体的に接合させることによって、酸化物被膜が部材同士の接点に存在しなくなり、界面における接触抵抗を低減できる。また、実施例１と実施例３との比較から、集電層１２０の面に金属１２２、ここでは金を被覆することによって接触抵抗を抑制し得ることが確認できる。なお抵抗値は、０．０１ｍΩｃｍ^２以上、１００ｍΩｃｍ^２以下であることが好ましい。

次に発電性能について述べる。発電性能の比較のため、比較例１、および実施例２、３について単セル１３５を作製し、電流・電圧曲線を測定した。

図１２に示すように、実施例２、３に比べ比較例１では発電性能が低いことが確認できた。比較例１では、高電流密度側での排水性が実施例に比べて低いためにフラッディングが生じ、発電性能が低下したと考えられる。

また、実施例２の発電性能が実施例３に比べて低いことが確認できた。これは、実施例２では実施例３に比べて圧力損失が大きいこと、およびフラッディングの発生によるものと考えられる。

＜第２実施形態＞
図１３において説明すると、第２実施形態は第１実施形態と略同様であるが、線材全てが等間隔に並ぶのではなく、異なる間隔で並ぶ複数の線材２１０を有する点で、第２実施形態は第１実施形態と異なる。

第２実施形態では、３つの線材２１０が等間隔に並び、そして、この等間隔に並ぶ３つの線材２１０と等間隔に並ぶ３つの線材２１０との間の間隔Ｌ２が、等間隔に並ぶ線材２１０の間の間隔Ｌ１より大きい（Ｌ２＞Ｌ１）。このため、間隔Ｌ１の流路２１８に比べ間隔Ｌ２の流路２１８は圧力損失が低く、ガスまたは水が流れ易い。

本実施形態は異なる間隔で並ぶ複数の線材２１０を有するため、流路の幅に応じて流れるガスまたは水の流量が変わり、第１実施形態の効果に加え、ガスまたは水の流量を調整できるという効果を奏する。

例えば、第１実施形態のように線材同士の間隔が全て等しいと、マニホールド孔から離れた流路に比べ、マニホールド孔の近くの流路をガスまたは水が流れ易く、流路全体に均一に流れ難くなる虞がある。これに対し、本実施形態のように線材同士の間隔が異なり、例えばマニホールド孔から離れた流路の幅をマニホールド孔の近くの流路の幅に比べて広く設定することによって、ガスまたは水の流量を流路全体で略均一にできる。

また、異なる間隔で並ぶ線材２１０だけでなく、等間隔に並ぶ線材２１０も有するので、ガスまたは水の流量をより適切に調整できる。

＜変形例１＞
図１４において説明すると、変形例１は実施形態１と略同様であるが、線材３１０および線材３１２の配置が線材１１０および線材１１２と異なる。変形例１の燃料電池用ガス拡散層は、ガス分圧の低くなる下流ほど間隔が密になるように配置された線材３１０を有する。この線材３１０と線材３１０との間隔は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入するマニホールド孔３３７から燃料ガスまたは酸化剤ガスが流出するマニホールド孔３３７に向かうに従って狭まる。

また変形例１では、線材３１０に交差する他の線材３１２は、ガス分圧の低くなる下流ほど間隔が密になるように配置されており、線材３１２と線材３１２との間隔は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流出するマニホールド孔３３７に近いほど狭い。

また、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流出するマニホールド孔３３７と線材３１２との距離は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入するマニホールド孔３３７と線材３１２との距離に比べて短い。すなわち線材３１２は、ガス分圧の低くなる下流側に配置されている。線材３１２は、好ましくは線材３１０より細い。

変形例１の効果を述べる。

変形例１は、ガス分圧の低くなる下流ほど間隔が密になるように配置された線材３１０を有するため、第１実施形態の効果に加え、上流でのガス分圧の低下を抑制し、電気化学反応の円滑な進行を図り得るという効果を奏する。

また、ガス分圧の低くなる下流ほど間隔が密になるように他の線材３１２が配置されているため、上流でのガス分圧の低下を抑制し、電気化学反応の円滑な進行を図り得る。

また、線材３１２が下流側に配置されているため、上流でのガス分圧の低下を抑制し、電気化学反応の円滑な進行を図り得る。

また、線材３１２を線材３１０より細くすることによって、ガスの圧力損失を抑えられる。

＜変形例２＞
図１５において説明すると、変形例２は実施形態１と略同様であるが、線材４１０に交差する他の線材４１２が、触媒層に対向する反応領域（図１５の斜線で示す領域）の外側に設けられる点で異なる。具体的には、線材４１２は反応領域とマニホールド４３７との間に設けられる。

他の線材４１２が反応領域の外側に設けられるため、第１実施形態の効果に加え、反応領域におけるガスの圧力損失を抑制し、電気化学反応の円滑な進行を図り得るという効果を変形例２は奏する。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。

例えば線材は、金属から形成されるものに限定されない。例として、線材は耐食性を向上させるために金属とセラミックスとを混ぜて形成したものでもよく、樹脂製の芯を導電性の材料によって被覆したものであってもよい。

また、接合部は、線材を溶融させたものに限定されず、例えば銀を含むような、導電性の接着剤であってもよい。

また、配列工程は、実施形態に限定されず、セパレータの両面に線材と集電層とを配置し、セパレータおよび集電層によって線材を挟んでもよい。このとき接合工程は、セパレータの両面に線材および集電層を配置したものを、これらの積層方向から押圧する。

また、接合工程は、実施形態に限定されず、線材を集電層に溶接してもよい。

また、集電層の面に被覆する金属は、金に限定されない。被覆する金属は、耐食性および導電性を向上できればよく、例えば金を主成分とする合金、銀、または銀を主成分とする合金であってもよい。

また、線材に交差する他の線材の本数は、一本であってもよい。また、図１６に示すように、複数の線材と複数の他の線材とが、例えば織物、または網目を形成するように交差してもよい。この場合、集電層と線材との接合部、およびセパレータと線材との接合部が増え、導電性を向上させる上で好ましい。一方で、流れるガスや水の圧力損失が増加する虞があるため、このことを考慮して線材と線材との間隔や各線材の直径を設定する。

また、燃料電池は、第１実施形態の燃料電池用ガス拡散の代わりに第２実施形態の燃料電池用ガス拡散層を有してもよい。

１００ 燃料電池用ガス拡散層、
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０ 線材、
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２ 線材（他の線材）、
１１４ 接合部、
１１８、１１９ 流路、
１２０ 集電層、
１２２ 金属、
１３０ 燃料電池、
１３１ 電解質膜、
１３２ 触媒層、
１３３ マイクロポーラス層、
１３４ セパレータ、
１３５ 単セル、
１３６ ディフューザ、
１３７ マニホールド孔、
１５０ 燃料電池自動車。

Claims (16)

1. 多孔質で導電性の集電層、
   前記集電層の面に並んだ複数の導電性の線材、および、
   前記集電層と前記線材とを電気的に接続する接合部を有する燃料電池用ガス拡散層。
2. 前記接合部は、前記線材が溶融してなる請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
3. ガス分圧の低くなる下流ほど間隔が密になるように配置された前記線材を有する請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
4. 複数の前記線材と交差する他の線材を有する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
5. 複数の前記交差する他の線材を有し、前記交差する他の線材は、ガス分圧の低くなる下流ほど間隔が密になるように配置された請求項４に記載の燃料電池用ガス拡散層。
6. 前記交差する他の線材は、触媒層に対向する反応領域の外側に設けられる請求項４または請求項５に記載の燃料電池用ガス拡散層。
7. 前記集電層は、導電性の不織布、織布、編布、または網を含む請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
8. 前記集電層の一方の面に前記線材が配置され、前記集電層の他方の面に金属が被覆された請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
9. 多孔質で導電性の集電層の面に複数の導電性の線材を並べて配置する配列工程と、
   前記配列工程の後、前記集電層と前記線材とを接合する接合工程と、を有する燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
10. 前記接合工程は、前記線材を溶融させて前記集電層に接合する請求項９に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
11. 前記接合工程は、前記線材を加熱するとともに前記集電層に対して押圧するか、または前記線材を前記集電層に溶接する請求項１０に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
12. 前記配列工程の前に、前記線材の表面の酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程を含む請求項９〜請求項１１のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
13. 前記配列工程は、前記集電層の一方の面に前記線材を配置し、前記配列工程および前記接合工程の前または後に、前記集電層の他方の面に金属を被覆する被覆工程を有する請求項９〜請求項１２のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
14. 請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層と、
    前記線材に対向するセパレータと、
    前記集電層に対向する触媒層と、を有する燃料電池。
15. 前記線材は溶融して前記セパレータに接合している請求項１４に記載の燃料電池。
16. 請求項１４または請求項１５に記載の前記燃料電池を搭載した燃料電池自動車。

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