JP2016012537A - 燃料電池用ガス拡散シートおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード触媒層に効率よく空気を供給することができる燃料電池用ガス拡散シート、およびその燃料電池用ガス拡散シートを用いた燃料電池を提供すること。【解決手段】ガスを透過させるための気孔を有するカソード側ＧＤＬ７２と、カソード側ＧＤＬ７２に積層されるカソード側ＭＰＬ７３とを備え、燃料電池３のカソード電極６６に積層されるカソード側拡散シート６８において、カソード側ＭＰＬ７３の一方面（カソード電極６６に対向する面）に、カソード側ＭＰＬ７３を貫通しないように溝７４を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池に用いられる燃料電池用ガス拡散シート、およびその燃料電池用ガス拡散シートを用いた燃料電池に関する。

従来、燃料電池として、燃料が供給されるアノードと、空気が供給されるカソードとが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置されている固体高分子形燃料電池が知られている。

また、燃料電池に採用される電極として、電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合されたアノード電極（燃料側触媒層）と、電解質膜の他方の面に接合されたカソード電極（空気側触媒層）とを備える膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）が知られている。

このような膜電極接合体（ＭＥＡ）では、通常、触媒層にガス拡散層（Gas DiffusionLayer：ＧＤＬ）が積層されており、また、例えば、導電性やガス拡散性の向上を図るため、それら触媒層とガス拡散層との間に、中間層としてマイクロポーラス層（Micro Porous Layer：ＭＰＬ）を介在させることが知られている。

具体的には、例えば、鱗片状黒鉛、アセチレンブラックおよびポリテトラフルオロエチレンを含むＭＰＬインクを調製し、そのＭＰＬインクを耐熱性保持シート上に塗布し、乾燥および焼成することによって、ＭＰＬシートを作成し、その後、得られたＭＰＬシートと、撥水処理したカーボンペーパーからなるＧＤＬ基材上とを、ホットプレスによって接合し、ＧＤＬを形成することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

国際公開パンフレット２０１２／１７２９９３

ここで、通常、電解質膜としてアニオン交換型の固体高分子膜を用いる燃料電池のカソードでは、空気中の酸素と、外部から供給される水とが反応することによって、水酸化物イオンが生成される。生成された水酸化物イオンは、膜電極接合体を通過して、燃料電池のアノードにおいて燃料と反応し、起電力を生じさせる。

ここで、アノードに供給された燃料が、アノードにおいて反応することなく電解質膜を透過して、カソードに漏出する場合がある。

特許文献１では、ＭＰＬシートがカソードに密着しているので、カソードに漏出した燃料がＭＰＬシートとカソードとの間に保持されて、カソードへの空気の供給が阻害される場合がある。

そこで、本発明の目的は、カソード触媒層に効率よく空気を供給することができる燃料電池用ガス拡散シート、およびその燃料電池用ガス拡散シートを用いた燃料電池を提供することにある。

本発明の燃料電池用ガス拡散シートは、燃料電池のカソード触媒層に積層される燃料電池用ガス拡散シートであって、ガスを透過させるための気孔を有するガス拡散層と、前記ガス拡散層に積層されるマイクロポーラス層とを備え、前記マイクロポーラス層は、前記ガス拡散層に向かい合う第１面と、前記マイクロポーラス層の厚み方向において、前記第１面と反対側の第２面と、前記マイクロポーラス層を貫通しないように前記第２面から前記ガス拡散層へ向かって凹む凹部とを有することを特徴としている。

このような構成によれば、カソード触媒層に積層される燃料電池用ガス拡散シートの第２面に凹部が形成されている。

そのため、マイクロポーラス層の第２面をカソード触媒層に対向配置すれば、カソード触媒層に漏出した燃料を凹部内に流通させて、マイクロポーラス層とカソード触媒層との間から効率よく排出することができる。

その結果、カソード触媒層に効率よく空気を供給することができ、カソード触媒層において、確実に電気化学反応を生じさせて、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池用ガス拡散シートでは、前記凹部は、前記厚み方向と直交する面方向の一方向に延びていることが好適である。

このような構成によれば、カソード触媒層に漏出した燃料を面方向の一方向に流通させて、マイクロポーラス層とカソード触媒層との間から効率よく排出することができる。

本発明の燃料電池は、膜・電極接合体を備える燃料電池であって、前記膜・電極接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に形成されるアノード触媒層と、前記電解質膜の他方面に形成されるカソード触媒層と、上記の燃料電池用ガス拡散シートとを備え、前記燃料電池用ガス拡散シートは、前記第２面が前記カソード触媒層に向かい合うように、前記電解質膜に積層されることを特徴としている。

このような構成によれば、凹部が形成された第２面がカソード触媒層に対向配置されている。

そのため、カソード触媒層に漏出した燃料を凹部内に流通させて、マイクロポーラス層とカソード触媒層との間から効率よく排出することができる。

その結果、カソード触媒層に効率よく空気を供給することができ、カソード触媒層において、確実に電気化学反応を生じさせて、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

本発明の燃料電池用ガス拡散シートおよび燃料電池によれば、カソード触媒層に効率よく空気を供給することができ、カソード触媒層において、確実に電気化学反応を生じさせて、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図を示す。 図２は、図１に示す燃料電池のセルを示す概略構成図である。 図３は、図２に示す燃料電池用ガス拡散シートを示す概略図である。 図４Ａ〜図４Ｄは、燃料電池用ガス拡散シートの製造方法を示す工程図であって、図４Ａは、ガス拡散層を用意する工程、図４Ｂは、ガス拡散層の表面にカーボンスラリーを塗布してカーボン層を形成する工程、図４Ｃは、カーボンスラリーが塗布されたガス拡散層を熱処理し、マイクロポーラス層を形成する工程、図４Ｄは、マイクロポーラス層に凹部を形成する工程を、それぞれ示す。 図５Ａ〜図５Ｃは、図２に示す燃料電池のセルを製造するための製造工程図であって、図５Ａは、膜・電極接合体を作製する工程、図５Ｂは、膜・電極接合体にアノード側拡散シートおよびカソード側拡散シートを積層する工程、図５Ｃは、膜・電極接合体に、燃料供給部材および空気供給部材を組み付ける工程を、それぞれ示す。

１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、燃料電池３およびバッテリー５３を選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、電動車両１の中央下側に配置されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。燃料給排部４は、燃料タンク２１と、燃料供給ライン２３と、燃料還流ライン２４と、排気ライン２５とを備えている。

燃料タンク２１は、燃料電池３の後側に間隔を隔てて配置されている。燃料タンク２１は、略ボックス形状を有し、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵するように構成されている。

燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。

ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、塩酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・ＨＣｌ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）などが挙げられる。

このようなヒドラジン類のうち、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、ＣＯおよびＣＯ_２の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。

このような燃料成分は、単独または２種類以上組み合わせて用いることができる。

燃料供給ライン２３は、燃料タンク２１から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン２３の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。燃料供給ライン２３の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料供給口８２（後述、図２参照）に接続されている。燃料供給ライン２３は、第１ポンプ２６を備えている。

第１ポンプ２６は、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。第１ポンプ２６としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。第１ポンプ２６は、駆動することにより、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。

燃料還流ライン２４は、燃料電池３から燃料タンク２１へ液体燃料を還流するための配管である。燃料還流ライン２４の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料排出口８３（後述、図２参照）に接続されている。燃料還流ライン２４の還流方向下流端は、燃料タンク２１の上端部に接続されている。燃料還流ライン２４は、気液分離器２７を備えている。

気液分離器２７は、燃料還流ライン２４の途中に介在されている。気液分離器２７は、液体燃料とガス（気体）とを分離する。

排気ライン２５は、気液分離器２７で分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２５の排気方向上流端は、気液分離器２７に接続されている。排気ライン２５の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２５の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、電動車両１において燃料電池３の前側に配置されている。空気給排部５は、空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。

空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気供給口８５（後述、図２参照）に接続されている。空気供給ライン４１は、第２ポンプ４３を備えている。

第２ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。第２ポンプ４３としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。第２ポンプ４３は、駆動することにより、電動車両１外からの空気を燃料電池３に供給する。

空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気排出口８６（後述、図２参照）に接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ５１を備えている。

ＥＣＵ５１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

ＥＣＵ５１は、第１ポンプ２６および第２ポンプ４３のそれぞれと電気的に接続されている。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ５２と、バッテリー５３とを備えている。

モータ５２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ５２は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ５２としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。

バッテリー５３は、燃料電池３とモータ５２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー５３としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。
２．燃料電池
燃料電池３は、図２に示すように、膜・電極接合体６１、膜・電極接合体６１の一方側（アノード側）に配置された燃料供給部材６２、および、膜・電極接合体６１の他方側（カソード側）に配置された空気供給部材６３を有する燃料電池セル（単位セル）が、複数積層されたスタック構造に形成されている。なお、図２では、複数の単位セルのうち１つだけを燃料電池３として表し、その他の単位セルについては省略している。

膜・電極接合体６１は、電解質膜６４、電解質膜６４の厚み方向一方側の面（以下、単に一方面と記載する。）に形成されるアノード触媒層の一例としてのアノード電極６５、電解質膜６４の厚み方向他方側の面（以下、単に他方面と記載する。）に形成されるカソード触媒層の一例としてのカソード電極６６、アノード電極６５に積層されるアノード側拡散シート６７、および、カソード電極６６に積層される燃料電池用ガス拡散シートの一例としてのカソード側拡散シート６８を備えている。

電解質膜６４は、アニオン交換型の高分子電解質膜（アニオン交換膜）から形成されている。

電解質膜６４の厚みは、例えば、５μｍ以上、好ましくは、１０μｍ以上であり、例えば、５０μｍ以下、好ましくは、３５μｍ以下である。

アノード電極６５は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。また、触媒担体を用いずに、触媒を、直接、アノード電極６５として形成してもよい。

アノード電極６５の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、１００μｍ以下である。

カソード電極６６は、例えば、アノード電極６５と同様に、触媒を担持した触媒担体により形成されている。

また、カソード電極６６は、例えば、錯体形成有機化合物および／または導電性高分子とカーボンとからなる複合体（以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。）に、遷移金属が担持されている材料により形成されてもよい。

カソード電極６６の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上であり、例えば、３００μｍ以下、好ましくは、１５０μｍ以下である。

カソード側拡散シート６８は、ガスを透過させるための気孔を有するガス拡散層（ＧＤＬ）としてのカソード側ＧＤＬ７２と、カソード側ＧＤＬ７２に積層されるマイクロポーラス層（ＭＰＬ）としてのカソード側ＭＰＬ７３とを備えている。

カソード側ＧＤＬ７２は、ガス透過性材料から形成されている。

ガス透過性材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維不織布などが挙げられる。好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。また、ガス透過性材料は、必要によりフッ素処理されていてもよい。

また、カソード側ＧＤＬ７２は、ガスを透過させるための気孔を有している。例えば、ガス透過性材料として用いられるカーボンクロスは、カーボン繊維の束を、織ることにより得られる。そのため、カーボン繊維を束ねることにより生じる繊維間の空隙（比較的小さい孔）や、さらには、編み目（比較的大きい孔）などとして、気孔を有する。

カソード側ＧＤＬ７２の最小気孔径は、例えば、１μｍ以上、好ましくは、５μｍ以上であり、例えば、５０μｍ以下、好ましくは、３０μｍ以下である。

また、カソード側ＧＤＬ７２の最大気孔径は、例えば、５０μｍ以上、好ましくは、７５μｍ以上であり、例えば、５００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以下である。

また、このようなカソード側ＧＤＬ７２は、集電体としても作用する。

また、カソード側ＧＤＬ７２は、市販品として入手可能であり、例えば、Ｂ−１ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｌｏｔｈ Ｔｙｐｅ Ａ Ｎｏ ｗｅｔ ｐｒｏｏｆｉｎｇ（ＢＡＳＦ社製）、ＥＬＡＴ（登録商標） ＬＴ １４００−Ｗ（ＢＡＳＦ社製）などが挙げられる。

カソード側ＧＤＬ７２の厚みは、例えば、５０μｍ以上、好ましくは、１００μｍ以上であり、例えば、６００μｍ以下、好ましくは、５００μｍ以下である。

カソード側ＭＰＬ７３は、例えば、カーボン粒子およびバインダ樹脂から形成されている。

カーボン粒子としては、特に制限されないが、例えば、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラックなどのカーボンブラック、例えば、黒鉛、炭素繊維などが挙げられる。

これらカーボン粒子は、単独使用または２種類以上併用することができる。

カーボン粒子の一次粒子の平均粒子径（測定方法：レーザー回折式粒度分布測定法）は、例えば、５ｎｍ以上であり、例えば、１００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以下である。

バインダ樹脂は、カーボン粒子間を結着させ、カソード側ＭＰＬ７３の強度を確保することができれば、特に制限されないが、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−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、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）などが挙げられる。好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。

これらバインダ樹脂は、単独使用または２種類以上併用することができる。

カソード側ＭＰＬ７３において、カーボン粒子とバインダ樹脂との含有割合は、それらの総量１００質量部に対して、カーボン粒子が、例えば、５０質量部以上、好ましくは、５５質量部以上であり、例えば、９０質量部以下、好ましくは、８０質量部以下である。また、バインダ樹脂が、例えば、１０質量部以上、好ましくは、２０質量部以上であり、例えば、５０質量部以下、好ましくは、４５質量部以下である。

カソード側ＭＰＬ７３の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、５０μｍ以上であり、例えば、５００μｍ以下、好ましくは、３００μｍ以下である。

また、カソード側ＭＰＬ７３には、図３に示すように、複数の凹部の一例としての溝７４が、形成されている。

複数の溝７４のそれぞれは、カソード側ＭＰＬ７３を貫通しないように、カソード側ＭＰＬ７３の第２面の一例としての一方面から他方へ向かって凹み、上下方向に延びている。複数の溝７４は、幅方向において、互いに間隔を隔てて並列配置されている。なお、カソード側ＭＰＬ７３の他方面は、第１面の一例である。

複数の溝７４のそれぞれの溝幅（幅方向内寸）は、例えば、２０μｍ以上、好ましくは、５０μｍ以上であり、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、１００μｍ以下である。

複数の溝７４のそれぞれの溝幅が上記範囲内であると、カソード電極６６に漏出した液体燃料を、カソード電極６６とカソード側ＭＰＬ７３との間から効率よく排出し、カソード電極６６に効率よく空気を供給することができる。また、複数の溝７４のそれぞれの溝幅が上記下限値未満であると、カソード電極６６に漏出した液体燃料を排出することが困難となり、カソード電極６６への空気の供給量が低下する場合がある。

複数の溝７４のそれぞれの開口面積の合計は、例えば、カソード側ＭＰＬ７３の総面積の１．３％以上、好ましくは、４．０％以上であり、例えば、４０％以下、好ましくは、１４％以下である。

複数の溝７４のそれぞれの深さ（厚み方向内寸）は、例えば、カソード側ＭＰＬ７３の厚みの１０％以上、好ましくは、２０％以上であり、例えば、６０％以下、好ましくは、５０％以下であり、具体的には、１０μｍ以上、好ましくは、１５μｍ以上であり、例えば、４０μｍ以下、好ましくは、３５μｍ以下である。

複数の溝７４のそれぞれの深さが上記範囲内であると、カソード電極６６に漏出した液体燃料を、カソード電極６６とカソード側ＭＰＬ７３との間から効率よく排出し、カソード電極６６に効率よく空気を供給することができる。複数の溝７４のそれぞれの深さが上記下限値未満であると、カソード電極６６に漏出した液体燃料を排出することが困難となり、カソード電極６６への空気の供給量が低下する場合がある。

複数の溝７４のそれぞれの幅方向間隔は、例えば、３００μｍ以上、好ましくは、６５０μｍ以上であり、例えば、１４８０μｍ以下、好ましくは、１２００μｍ以下である。

アノード側拡散シート６７は、ガスを透過させるための気孔を有するガス拡散層（ＧＤＬ）としてのアノード側ＧＤＬ６９を備えている。

アノード側ＧＤＬ６９としては、例えば、カソード側ＧＤＬ７２として例示した、ガス透過性材料などが挙げられる。アノード側ＧＤＬ６９として、好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。

また、アノード側ＧＤＬ６９は、カソード側ＧＤＬ７２と同様に、ガスを透過させるための気孔を有している。

アノード側ＧＤＬ６９の最小気孔径は、例えば、１μｍ以上、好ましくは、５μｍ以上であり、例えば、５０μｍ以下、好ましくは、３０μｍ以下である。

また、アノード側ＧＤＬ６９の最大気孔径は、例えば、５０μｍ以上、好ましくは、７５μｍ以上であり、例えば、５００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以下である。

また、アノード側ＧＤＬ６９は、カソード側ＧＤＬ７２と同様に、集電体としても作用する。

アノード側ＧＤＬ６９の厚みは、例えば、５０μｍ以上、好ましくは、１００μｍ以上であり、例えば、６００μｍ以下、好ましくは、５００μｍ以下である。

図２に示すように、燃料供給部材６２は、ガス不透過性の導電性部材からなり、アノード電極６５に液体燃料を供給する。燃料供給部材６２には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、燃料供給部材６２は、溝の形成された表面が、アノード側拡散シート６７を介して、アノード電極６５に対向接触されている。これにより、アノード電極６５の一方面と燃料供給部材６２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極６５全体に燃料成分を接触させるための燃料供給路８１が形成される。

燃料供給路８１には、燃料成分を燃料供給部材６２内に流入させるための燃料供給口８２が一端側（図２における紙面下側）に形成され、燃料成分を燃料供給部材６２から排出するための燃料排出口８３が他端側（図２における紙面上側）に形成されている。

空気供給部材６３は、ガス不透過性の導電性部材からなり、カソード電極６６に空気を供給する。空気供給部材６３には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、空気供給部材６３は、溝の形成された表面が、カソード側拡散シート６８を介して、カソード電極６６に対向接触されている。これにより、カソード電極６６の他方面と空気供給部材６３の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極６６全体に空気を接触させるための空気供給路８４が形成される。

空気供給路８４には、空気を空気供給部材６３内に流入させるための空気供給口８５が他端側（図２における紙面上側）に形成され、空気を空気供給部材６３から排出するための空気排出口８６が一端側（図２における紙面下側）に形成されている。
２．燃料電池用ガス拡散シートの製造方法
次に、カソード側拡散シート６８の製造方法について説明する。

まず、この方法では、図４Ａに示すように、カソード側ＧＤＬ７２を用意する。なお、カソード側ＧＤＬ７２は、必要により、撥水処理されていてもよい。

次いで、この方法では、図４Ｂに示すように、カソード側ＧＤＬ７２の表面に、カーボンスラリーを塗布し、カーボン層９１を形成する。

カーボンスラリーは、例えば、上記したカーボン粒子（カソード側ＭＰＬ７３を形成するためのカーボン粒子）と、上記したバインダ樹脂（カソード側ＭＰＬ７３を形成するためのバインダ樹脂）とを、水に分散させることにより得ることができる。

カーボンスラリーにおけるカーボン粒子の濃度は、カーボンスラリーの総量に対して、例えば、３質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１０質量％以下である。

また、カーボンスラリーにおけるバインダ樹脂の濃度は、カーボンスラリーの総量に対して、例えば、３質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１０質量％以下である。

また、カーボンスラリーには、公知の界面活性剤、公知の増粘剤などの添加剤を配合することもできる。なお、添加剤の配合割合は、特に制限されず、適宜設定される。

また、塗布方法としては、特に制限されないが、例えば、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法などによる塗布や、バーコーター、アプリケーターなどを用いたキャスティングなどが挙げられる。

次いで、この方法では、図４Ｃに示すように、カーボンスラリーが塗布されたカソード側ＧＤＬ７２を熱処理し、カソード側ＭＰＬ７３を形成する。

熱処理条件としては、加熱温度が、例えば、２００℃以上、好ましくは、３００℃以上であり、例えば、４５０℃以下、好ましくは、４００℃以下である。また、加熱時間が、例えば、０．１時間以上、好ましくは、０．５時間以上であり、例えば、１０時間以下、好ましくは、５時間以下である。

これにより、カソード側ＧＤＬ７２の表面に、カーボン粒子およびバインダ樹脂からなるカソード側ＭＰＬ７３を形成することができる。

次いで、この方法では、図４Ｄに示すように、カソード側拡散シート６８のカーボン層９１に凹部９２を形成する。

凹部９２は、例えば、凹部９２に対応する形状の突条を有する型などをカソード側ＭＰＬ７３の上に積層して、プレスすることにより、形成される。

このようにして、カソード側拡散シート６８を得ることができる。
３．燃料電池の製造方法
図２に示される燃料電池３を製造するには、図５Ａに示すように、例えば、まず、電解質膜６４と、電解質膜６４を挟むように積層されるアノード電極６５およびカソード電極６６とを備える膜・電極接合体６１を作製する。

膜・電極接合体６１を作製するには、例えば、スプレー法、ダイコーター法、インクジェット法など公知の塗布方法により、電解質膜６４の一方面にアノード電極６５用の触媒インクを塗布し、電解質膜６４の他方面にカソード電極６６用の触媒インクを塗布し、乾燥させ、必要により、加圧する。これにより、アノード電極６５およびカソード電極６６が電解質膜６４に積層される膜・電極接合体６１が形成される。触媒インクには、触媒、電解質樹脂（アイオノマ）および溶媒などが含まれる。

次いで、この製造方法では、図５Ｂに示すように、膜・電極接合体６１に接触するように、アノード側拡散シート６７およびカソード側拡散シート６８を、積層する。

アノード側拡散シート６７およびカソード側拡散シート６８を膜・電極接合体６１に積層するには、膜・電極接合体６１の両側に、アノード側拡散シート６７がアノード電極６５の表面を被覆し、カソード側拡散シート６８のカソード側ＭＰＬ７３がカソード電極６６の表面を被覆するように、アノード側拡散シート６７およびカソード側拡散シート６８を配置して、必要により加圧する。また、必要に応じて、ガスケット（図示せず）などで固定する。

なお、このとき、アノード電極６５は、厚み方向に押圧されることによって、アノード側ＧＤＬ６９に埋設される。また、カソード側ＭＰＬ７３およびカソード電極６６は、厚み方向に押圧されることによって、カソード側ＧＤＬ７２に埋設される。

次いで、この製造方法では、図５Ｃに示すように、アノード側拡散シート６７のアノード側ＧＤＬ６９に接触するように、燃料供給部材６２を膜・電極接合体６１に組付けるとともに、カソード側拡散シート６８のカソード側ＧＤＬ７２に接触するように、空気供給部材６３を膜・電極接合体６１に組付ける。

燃料供給部材６２および空気供給部材６３の組付けでは、例えば、膜・電極接合体６１の両側に、燃料供給部材６２がアノード側拡散シート６７のアノード側ＧＤＬ６９を被覆し、空気供給部材６３がカソード側拡散シート６８のカソード側ＧＤＬ７２を被覆するように、燃料供給部材６２および空気供給部材６３を配置して、膜・電極接合体６１を挟むように、それらを固定具にて固定する。

これにより、燃料電池３の単位セルを作製することができる。

なお、必要に応じて、単位セルを複数スタックすることにより、燃料電池スタックを作製することもできる。単位セルをスタックする方法は、特に制限されず、公知の手法に準拠する。
４．燃料電池による発電
第１ポンプ２６および第２ポンプ４３が作動させると、図２に示すように、燃料成分が燃料供給口８２からアノード電極６５に供給される。また、空気が空気供給口８５からカソード電極６６に供給される。液体燃料は、、アノード電極６５と接触しながら燃料供給路８１を通過する。また、空気は、カソード電極６６と接触しながら空気供給路８４を通過する。

そして、各電極（アノード電極６５およびカソード電極６６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、電解質膜６４がアニオン交換型の固体高分子膜であり、燃料成分がヒドラジンである場合には、電気化学反応は、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極６５での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極６６での反応）
（３）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極６５では、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）とカソード電極６６での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して、窒素（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（１）参照）。

ここで、上記の発電において、アノード電極６５に供給された液体燃料が、アノード電極６５において反応することなく電解質膜６４を透過し、カソード電極６６に漏出する場合がある（クロスリーク）。

カソード電極６６に漏出した液地燃料は、カソード側ＭＰＬ７３の溝７４を介して、カソード電極６６とカソード側ＭＰＬ７３との間から排出される。

一方、カソード電極６６では、電子（ｅ⁻）と、外部からの供給もしくは燃料電池３での反応で生成した水（Ｈ_２Ｏ）と、空気供給路８４を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（上記式（２）参照）。

生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が、電解質膜６４を通過してアノード電極６５に到達し、上記式（１）の反応が生じる。

そして、このようなアノード電極６５およびカソード電極６６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。すなわち、燃料電池３は、燃料成分を消費して発電する。

なお、上記の電気化学的反応は、電解質膜６４がアニオン交換型の固体高分子膜であり、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（アノード電極６５での反応）
（５）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極６６での反応）
（６）ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
５．作用効果
このカソード側ＭＰＬ７３および燃料電池３によれば、図２に示すように、カソード電極６６に積層されるカソード側ＭＰＬ７３の一方面に溝７４が形成されている。

そのため、カソード電極６６に漏出した液体燃料を溝７４内に流通させて、カソード電極６６とカソード側ＭＰＬ７３との間から効率よく排出することができる。

その結果、カソード電極６６に効率よく空気を供給することができ、カソード電極６６において、確実に電気化学反応（上記式（２）、（５）参照）を生じさせて、燃料電池３の発電効率を向上させることができる。

また、カソード側ＭＰＬ７３および燃料電池３では、図３に示すように、溝７４は、厚み方向と直交する面方向に一方向、具体的には上下方向に延びている。

そのため、カソード電極６６に漏出した液体燃料をカソード側ＭＰＬ７３の面方向に流通させて、効率よく排出することができる。

なお、上記した説明では、燃料電池３の燃料として液体燃料を用いているが、燃料としては特に制限されず、例えば、水素ガスなどの気体燃料を用いることもできる。

また、上記した説明では、溝７４は、上下方向に延びているが、幅方向に延びてもよい。また、溝７４は、上下方向に延びる溝と幅方向に延びる溝とが互いに交差した格子状に形成されてもよい。

３ 燃料電池
６１ 膜・電極接合体
６４ 電解質膜
６５ アノード電極
６６ カソード電極
６８ カソード側拡散シート
７２ カソード側ＧＤＬ
７３ カソード側ＭＰＬ
７４ 溝

Claims (3)

1. 燃料電池のカソード触媒層に積層される燃料電池用ガス拡散シートであって、
   ガスを透過させるための気孔を有するガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に積層されるマイクロポーラス層とを備え、
   前記マイクロポーラス層は、
   前記ガス拡散層に向かい合う第１面と、
   前記マイクロポーラス層の厚み方向において、前記第１面と反対側の第２面と、
   前記マイクロポーラス層を貫通しないように前記第２面から前記ガス拡散層へ向かって凹む凹部とを有する
   ことを特徴とする、燃料電池用ガス拡散シート。
2. 前記凹部は、前記厚み方向と直交する面方向の一方向に延びていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散シート。
3. 膜・電極接合体を備える燃料電池であって、
   前記膜・電極接合体は、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の一方面に形成されるアノード触媒層と、
   前記電解質膜の他方面に形成されるカソード触媒層と、
   請求項１または２に記載の燃料電池用ガス拡散シートと
   を備え、
   前記燃料電池用ガス拡散シートは、前記第２面が前記カソード触媒層に向かい合うように、前記電解質膜に積層されることを特徴とする、燃料電池。

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