特許 6467164 燃料電池の拡散層及び燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6467164

(24)【登録日】2019年1月18日

(45)【発行日】2019年2月6日

(54)【発明の名称】燃料電池の拡散層及び燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20190128BHJP

   H01M 4/96 20060101ALI20190128BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20190128BHJP

【ＦＩ】

   H01M4/86 M

   H01M4/86 B

   H01M4/96 M

   H01M4/96 B

   !H01M8/10 101

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-158992(P2014-158992)

(22)【出願日】2014年8月4日

(65)【公開番号】特開2016-35877(P2016-35877A)

(43)【公開日】2016年3月17日

【審査請求日】2017年6月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000111085

【氏名又は名称】ニッタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137800

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 正義

(74)【代理人】

【識別番号】100148253

【弁理士】

【氏名又は名称】今枝 弘充

(74)【代理人】

【識別番号】100148079

【弁理士】

【氏名又は名称】梅村 裕明

(72)【発明者】

【氏名】北原 辰巳

(72)【発明者】

【氏名】鬼塚 麻季

(72)【発明者】

【氏名】小向 拓治

(72)【発明者】

【氏名】輝平 広美

(72)【発明者】

【氏名】中井 勉之

【審査官】 前田 寛之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２６６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１０４７０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２２０５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２４４７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３０２３３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ４／９６

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と、前記基材の表面に形成され、親水性のカーボンナノチューブを含む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、
内部空間に前記カーボンナノチューブのみが露出している複数の第１細孔と、
内部空間に疎水性粒子が露出している複数の第２細孔とを有することを特徴とする燃料電池の拡散層。

【請求項2】

前記マイクロポーラス層が前記カーボンナノチューブによって形成された３次元網目構造をした骨格を含んでおり、前記内部空間に露出した前記カーボンナノチューブは前記骨格の一部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の拡散層。

【請求項3】

前記カーボンナノチューブは、水の接触角が３０度以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の拡散層。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の拡散層を備えることを特徴とする燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池の拡散層及び燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子型燃料電池は、セパレータ、拡散層、触媒層、電解質膜、触媒層、拡散層、セパレータの順で積層された電池セルを備えている。拡散層は、ガスを触媒層に均一に供給する機能を有している。発電時、アノード側の触媒層にはセパレータから拡散層を介して燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード側の触媒層にはセパレータから拡散層を介して酸化剤ガスである酸素ガスや空気が供給される。アノード側の触媒層では、水素が触媒の作用で化学反応し、水素イオンと電子とが放出される。電子は、拡散層、セパレータへと移動し、セパレータから外部回路を通じてカソード側の触媒層に到達する。水素イオンは電解質膜を通ってカソード側の触媒層に到達する。カソード側の触媒層では、水素イオンと電子と酸素とが化学反応して水を生成する。

【0003】

多量の電気を発電するために燃料電池に高負荷をかけると、燃料電池では、カソード側で多量の水が生じ、当該水により拡散層及び触媒層の細孔が閉塞し、燃料ガスや酸化剤ガスの供給が不足し、発電能力が低下するという問題（フラッディング）が生じる。また燃料電池は、化学反応により生じた熱によって高温になるため、電解質膜の水分が蒸発し、水素イオンが移動するための水が不足し、イオン伝導率が低下する。そのため燃料電池では、オーム過電圧が大きくなり、燃料電池の出力が低下するという問題（ドライアップ）が生じる。このような問題を解決するために、様々な燃料電池が研究・開発されている。

【0004】

例えば、特許文献１には、反応層と拡散層とを有する燃料極及び酸素極の間に固体高分子電解質層を挟んだ構造をした燃料電池が開示されている。特許文献1の燃料電池の拡散層は、カーボン繊維で形成された拡散層基材とカーボン粉末及び撥水性樹脂を含む多孔性マイクロポーラス層とを備え、反応層側に設けられたマイクロポーラス層が、ガスを通すが液体を通さない大きさの細孔を有している。特許文献１の燃料電池の拡散層は、反応層で生成した水がマイクロポーラス層を通ることができないので、反応層に水が液体として保持される。よって、特許文献1の燃料電池の拡散層は、固体高分子電解質層のドライアップを防ぐことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−２９３９３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に開示される燃料電池の拡散層は、マイクロポーラス層を液体の水が通ることができず、反応層と拡散層の界面に水が蓄積されるため、フラッディングが生じる可能性がある。

【0007】

また従来のマイクロポーラス層を有する拡散層では、マイクロポーラス層の細孔の径を適度に大きくすることで、水がマイクロポーラス層を通過しやすくなり、拡散層の耐フラッディング性は向上する。しかし、水がマイクロポーラス層の細孔を通って外部へ排出されるので、拡散層の耐ドライアップ性は低下する。

【0008】

このように、燃料電池の拡散層の耐ドライアップ性と耐フラッディング性とを両立することは難しかった。

【0009】

そこで、本発明は、耐ドライアップ性と耐フラッディング性とを両立することができる燃料電池の拡散層及び当該拡散層を備える燃料電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の燃料電池の拡散層は、基材と、前記基材の表面に形成され、親水性のカーボンナノチューブを含むマイクロポーラス層とを備え、前記マイクロポーラス層が複数の第１細孔を有し、前記複数の第１細孔の内部空間に前記カーボンナノチューブが露出していることを特徴とする。

【0011】

本発明の燃料電池は、本発明の燃料電池の拡散層を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の燃料電池の拡散層は、基材と、基材の表面に形成され、親水性のカーボンナノチューブを含むマイクロポーラス層とを備え、マイクロポーラス層が複数の第１細孔を有し、複数の第１細孔の内部空間にカーボンナノチューブが露出しているので、第１細孔の内部空間に露出する親水性のカーボンナノチューブによって水の接触角が小さくなり、透水圧が低下して第１細孔に水が浸入し易くなるので、第１細孔を介して水を十分に排出できると共に、カーボンナノチューブの周辺に水を保持できる。よって、本発明の拡散層を燃料電池に用いた場合、燃料ガスや酸化剤ガスの供給路が確保され、耐フラッディング性を向上できると共に、カーボンナノチューブの周辺に保持された水を電解質膜に供給できるので、耐ドライアップ性を向上できる。

【0013】

本発明の燃料電池は、本発明の燃料電池の拡散層を備えるので、耐ドライアップ性と耐フラッディング性とを両立できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池の拡散層を示す概略図であり、図１Ａは拡散層の断面を模式的に示す端面図であり、図１Ｂはマイクロポーラス層の一部を拡大して模式的に示す概略図である。

【図2】実施例の燃料電池の拡散層の第１細孔を示すＳＥＭ写真である。

【図3】実施例の燃料電池の拡散層の第２細孔を示すＳＥＭ写真である。

【図4】図３に示す第２細孔を拡大して示すＳＥＭ写真である。

【図5】実施例及び比較例の拡散層を用いた燃料電池のドライアップ条件での電流電圧特性を示す図である。

【図6】実施例及び比較例の拡散層を用いた燃料電池のフラッディング条件での電流電圧特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0016】

１．燃料電池の構成
燃料電池（図示しない）は一般に、アノード側からカソード側に向かって、セパレータ、拡散層、触媒層、電解質膜、触媒層、拡散層、セパレータの順で積層された燃料電池セルで構成される。燃料電池は、燃料電池セル１つでも発電能力を有するが、目的の出力に合わせて当該燃料電池セルを複数個組み合わせてもよい。燃料電池は、アノード側のセパレータに外部回路の一端が、カソード側のセパレータに外部回路の他端が接続されて電気が取り出される。

【0017】

セパレータは、導電性を有する部材で形成され、拡散層へガスを供給するためのガス流路が表面に設けられている。例えば、セパレータとしてはガス流路が表面に設けられ、金属又はカーボンで形成された板状の部材が用いられる。

【0018】

触媒層は、導電性を有する表面積の大きい部材で形成され、触媒が担持されている。触媒層は、例えば、炭素繊維で形成された網目状の部材であり、網目に触媒が担持されている。カーボンブラックに触媒を担持し、電解質膜と同成分のイオノマー及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で結着して成形した板状の部材であってもよい。触媒層用の触媒としては、白金、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀等が用いられる。

【0019】

電解質膜は、フッ素樹脂系のイオン交換膜が用いられる。例えば、電解質膜としては、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）、セレミオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）等が用いられる。

【0020】

拡散層は、導電性を有する部材で形成され、多数の細孔を有している。例えば、拡散層は、炭素繊維で形成された不織布である。本実施形態の場合、拡散層はマイクロポーラス層（以下、ＭＰＬと呼ぶ。）を有している。拡散層は、ＭＰＬが触媒層と接するように、配置される。以下、本実施形態の燃料電池の拡散層について説明する。

【0021】

２．燃料電池の拡散層の構成
図１Ａに示すように、本発明の燃料電池の拡散層１は、基材２とＭＰＬ３とを備える。基材２は、導電性を有する部材で２００〜３００μｍの厚さに形成され、径が数十μｍ〜１００μｍの多数の細孔を有している。基材２は、導電性を有し、燃料ガスや酸化剤ガスを拡散できれば特に限定されない。基材２は、例えば、導電性を有する繊維で形成された織物（カーボンクロス）や不織布（カーボンペーパー）、多孔質体（多孔質金属）等の板状の部材である。

【0022】

ＭＰＬ３は、カーボンナノチューブ４と、炭素粒子と、疎水性粒子とを含む混合物によって基材２の表面に板状に形成されている。ＭＰＬ３は本実施形態の場合、厚さが９０〜２４０μｍに形成されている。ＭＰＬ３は、その一部が基材２の細孔に入り込んでいてもよい。図１Ａは拡散層１を模式的に表した図であるため、カーボンナノチューブ４は、直線状に描かれ、均等な編み目を形成しているが、実際にはＭＰＬ３内で互いに絡み合って、３次元網目構造をした骨格５を形成している。カーボンナノチューブ４は、親水性を有していれば特に限定されないが、接触角計を用いて測定した水との接触角が３０度以下であることが望ましい。また、カーボンナノチューブ４は、チューブの長さや径等も特に限定されず、単層カーボンナノチューブであってもよく、多層カーボンナノチューブであってもよい。

【0023】

炭素粒子は、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛等が用いられる。疎水性粒子は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、四フッ化エチレン六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素樹脂を原料として形成されている。疎水性粒子の含有量は特に限定されないが、ＭＰＬ３は１０〜４０ｗｔ％の割合で疎水性粒子を含有しているのが好ましい。ＭＰＬ３は、疎水性粒子の含有量が１０ｗｔ％未満であると、カーボンナノチューブ４、炭素粒子及び疎水性粒子を含む混合物が十分に結着されない。一方、ＭＰＬ３は疎水性粒子の含有量が４０ｗｔ％より多いと導電性が低下する。

【0024】

図１Ｂに示すように、ＭＰＬ３は、骨格５に形成された複数の第１細孔６Ａ及び第２細孔６Ｂを有している。図１ＢがＭＰＬ３の一部を拡大して模式的に示す図であるため、第１細孔６Ａ及び第２細孔６Ｂは平面的な網目として表されているが、実際には３次元網目構造をした骨格５に形成された空間である。骨格５には、疎水性粒子７及び炭素粒子９が疎の部分と密の部分とが存在する。疎水性粒子７及び炭素粒子９が密の部分では、疎水性粒子７と炭素粒子９とが混ざり合って凝集している。

【0025】

第１細孔６Ａは、骨格５の疎水性粒子７が疎の部分にあり、カーボンナノチューブ４によって囲まれた領域に形成されている。第１細孔６Ａの内部空間には、網目状に絡まったカーボンナノチューブ４のみが露出しており、疎水性粒子７及び炭素粒子９が露出していない。

【0026】

第２細孔６Ｂは、骨格５の疎水性粒子７が密の部分にあり、疎水性粒子７及び炭素粒子９が付着したカーボンナノチューブ４によって囲まれた領域に形成されている。第２細孔６Ｂの内部空間の大部分には疎水性粒子７及び炭素粒子９が露出しており、一部にはカーボンナノチューブ４が露出している。また、カーボンナノチューブ４同士の間には、凝集した疎水性粒子７及び炭素粒子９が露出している。

【0027】

また、第１細孔６Ａ及び第２細孔６Ｂは、第１細孔６Ａ同士、第２細孔６Ｂ同士、及び第１細孔６Ａと第１細孔６Ｂとが接続されており、厚さ方向に水やガスが流通できる。

【0028】

３．燃料電池の拡散層の製造方法
拡散層１の製造方法について説明する。まず、カーボンナノチューブ４と、炭素粒子９と、疎水性粒子７の原料とが所定の割合となるように計量する。計量したカーボンナノチューブ４等に界面活性剤を加え、撹拌機を用いて毎分数千回転の速度で所定時間撹拌してＭＰＬスラリーを作製する。次いで、マイクロメータ付き塗工機を用い、基材２の表面にＭＰＬスラリーを所定の厚さに塗布する。最後に、ＭＰＬスラリーを塗布した基材２をマッフル炉や焼成器等に入れ、所定温度で所定時間焼成処理する。このとき、カーボンナノチューブ４により骨格５が形成される。ＭＰＬスラリーに含まれる疎水性粒子７の原料が乾燥する過程で凝集するため、骨格５内部には疎水性粒子７が疎な部分と密な部分とが形成される。疎水性粒子７が疎な部分には第１細孔６Ａが形成され、疎水性粒子７が密な部分には第２細孔６Ｂが形成される。以上の工程を経て、拡散層１が製造される。

【0029】

４．作用及び効果
本発明の燃料電池の発電時の作用を説明する。まず、燃料電池のアノード側の作用について説明する。アノード側では、セパレータに設けられた流路を通して燃料ガスである水素ガスが拡散層１に供給される。拡散層１に供給された水素ガスは、基材２に形成された細孔を通り、ＭＰＬ３に到達する。水素ガスはさらに、ＭＰＬ３の第１細孔６Ａ及び第２細孔６Ｂを通り、触媒層に到達する。水素ガスは、拡散層１の基材２及びＭＰＬ３の細孔を通ることで拡散し、触媒層に均一に供給される。

【0030】

触媒層では、水素ガスが触媒と作用して化学反応し、水素イオンと電子とが生成される。水素イオンは、電解質膜へ供給され、電解質膜内を通ってカソード側に移動する。電子は、触媒層で集められてセパレータへと伝導し、セパレータから外部回路へ供給される。

【0031】

次に、燃料電池のカソード側の作用について説明する。カソード側では、セパレータに設けられた流路を通して酸化剤ガスである空気が拡散層１に供給される。酸化剤ガスとして、空気のかわりに酸素ガスを供給してもよい。拡散層１に供給された空気は、基材２に形成された細孔を通り、ＭＰＬ３に到達する。空気はさらに、ＭＰＬ３の第１細孔６Ａ及び第２細孔６Ｂを通り、触媒層に到達する。空気は、拡散層１の基材２及びＭＰＬ３の細孔を通ることで拡散し、触媒層に均一に供給される。

【0032】

触媒層では、空気に含まれる酸素と、電解質膜から供給された水素イオンと、外部回路から供給された電子とが、触媒と作用して化学反応し、水が生成される。

【0033】

水は、表面張力が高くて接触角が大きいので水滴となりやすく、開口が微小な細孔には浸入し難い。また、撥水性の細孔は透水圧が高い。そして細孔は、開口が小さい程透水圧が高く、水が浸入し難い。

【0034】

第１細孔６Ａは、親水性のカーボンナノチューブ４が内部空間に露出しているので、その部分では水の接触角が小さくなっている。そのため、水がその部分から第１細孔６Ａに浸入し易く、結果として第１細孔６Ａは透水圧が低下する。よって第１細孔６Ａは、同程度の大きさの細孔と比較して、透水圧が低く、水が内部に浸入し易い。したがって、発電により生成された水は第１細孔６Ａに浸入し、第１細孔６Ａを通って外部に排出される。また、カーボンナノチューブ４は親水性を有しているので、カーボンナノチューブ４が露出している部分に水が保持され易い。そのため、生成された水が少なく、水の圧力が第１細孔６Ａの透水圧よりも小さい場合には、第１細孔６Ａのカーボンナノチューブ４の周辺に水が保持される。

【0035】

一方で、第２細孔６Ｂは内部空間に疎水性粒子７が露出しており、疎水性粒子７は接触角が大きいので、透水圧が高く、水が内部に浸入し難い。そして、第２細孔６Ｂは、疎水性粒子７が露出した部分から水が離れ易く、内部空間を水が移動し易いので排水性が高い。そのため、第２細孔６Ｂに水が浸入した場合にも水はすぐに排出される。また、第２細孔６Ｂは、内部空間の一部にカーボンナノチューブ４が露出しているので、その部分には水が保持される。しかし、カーボンナノチューブ４が露出しているのは第２細孔６Ｂの内部空間の一部のみであるので、第２細孔６Ｂは、カーボンナノチューブ４の周辺に保持された水によって閉塞されない。したがって、第２細孔６Ｂは、水素ガスや空気等ガスの供給路として機能できる。

【0036】

このような燃料電池は、カソード側の触媒層から多量の水が生成された場合も、第１細孔６Ａを介して水を十分に排出できるので、耐フラッディング性が高い。また、燃料電池では、第２細孔６Ｂには水が浸入しにくく、水が浸入した場合もすぐに排出されるので、空気の供給路を確保できる。よって、燃料電池は、空気がカソード側の触媒層に十分に供給されるので、燃料電池の性能が低下しにくく、耐フラッディング性が高い。

【0037】

また、燃料電池は、第１細孔６Ａの内部空間や第２細孔６Ｂの内部空間の一部に親水性のカーボンナノチューブ４が露出しているので、その部分に水が保持され易い。よって、燃料電池が高温になった場合も、カーボンナノチューブ４の周辺に保持された水が電解質膜へ十分に供給されるので、燃料電池の性能が低下し難い。よって、燃料電池は耐ドライアップ性が高い。

【0038】

以上の構成において、本発明の燃料電池の拡散層１は、基材２と、基材２の表面に形成され、親水性のカーボンナノチューブ４を含むＭＰＬ（マイクロポーラス層）３とを備え、ＭＰＬ３が、複数の第１細孔６Ａを有し、複数の第１細孔６Ａの内部空間にカーボンナノチューブ４が露出しているように構成した。

【0039】

よって本発明の燃料電池の拡散層１は、親水性のカーボンナノチューブ４によって水の接触角が小さくなり、第１細孔６Ａの透水圧が低下して第１細孔６Ａに水が浸入し易くなるので、第１細孔６Ａを介して水を十分に排出できる。その結果、拡散層１は、燃料電池に用いた場合、酸化剤ガスの供給路が確保され、耐フラッディング性を向上できる。

【0040】

さらに拡散層１は、第１細孔６Ａがカーボンナノチューブ４の周辺に水を保持できる。そのため、拡散層１は、燃料電池に用いた場合、カーボンナノチューブ４の周辺に保持された水を電解質膜に供給できるので、耐ドライアップ性を向上できる。

【0041】

よって、燃料電池の拡散層１は、耐ドライアップ性と耐フラッディング性を両立できる。

【0042】

また本発明の燃料電池の拡散層１は、内部空間に疎水性粒子７が露出している第２細孔をさらに有するようにすることで、第２細孔６Ｂに水が浸入し難くでき、さらに、排水性を高くでき、第２細孔６Ｂに水が浸入したような場合にもすぐに水を排出できる。よって、拡散層１は、燃料電池に用いた場合、燃料ガスや酸化剤ガスの供給路を確保でき、耐フラッディング性をさらに向上できる。

【0043】

また、拡散層１は、第２細孔６Ｂの内部空間の一部に親水性のカーボンナノチューブ４が露出するようにすることで、第２細孔６Ｂにおいてもカーボンナノチューブ４の周辺に水を保持できる。その結果、拡散層１は、燃料電池に用いた場合、第２細孔６Ｂの内部空間に露出したカーボンナノチューブ４の周辺に保持された水も電解質膜に供給できるので、さらに耐ドライアップ性を向上できる。

【実施例】

【0044】

（１）拡散層の作製
実施例として、カーボンナノチューブを４ｗｔ％の割合で含有するＭＰＬを備える拡散層を作製した。

【0045】

まず、カーボンナノチューブ４ｗｔ％と、炭素粒子としてカーボンブラック（電気化学工業株式会社製）７６ｗｔ％と、疎水性粒子の原料としてＰＴＦＥ（ダイキン工業株式会社製）２０ｗｔ％とを、界面活性剤（ＴｒｉｔｏｎＸ（登録商標））に加えてインペラー羽撹拌タイプ撹拌機で１時間撹拌し、ＭＰＬスラリーを作製した。次いで、マイクロメータ付き塗工機を用い、基材としてのカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製、製品名：２４ＢＡ）の表面にＭＰＬスラリーを拡散層の仕上がり膜厚が２５０〜３００μｍとなるように塗布した。最後に、ＭＰＬスラリーを塗布したカーボンペーパーをマッフル炉で３５０℃で３０分、焼成処理し、実施例の拡散層を作製した。

【0046】

また比較例として、カーボンナノチューブを含まない点のみ実施例と異なるＭＰＬを有する拡散層を作製した。

【0047】

（２）燃料電池の作製
上記で作製した実施例及び比較例の拡散層を有する燃料電池を作製した。実施例の燃料電池ではまず、触媒層及び電解質膜として、膜電極接合体（日本ゴア株式会社製、製品名：ＰＲＩＭＥＡ（登録商標）シリーズ５５８０）を用い、当該膜電極接合体とＭＰＬとが接するように実施例の拡散層で膜電極接合体を挟んだ。次いで、実施例の燃料電池では、グラファイトで形成され、ガス流路が設けられたセパレータで拡散層を挟み、ボルトでセパレータ同士を固定して燃料電池セルを作製した。また、同様の方法で比較例の拡散層を有する燃料電池セルを作製した。作製した燃料電池セルの特性を評価し、燃料電池の評価とした。

【0048】

（３）ＭＰＬの細孔の評価
ＭＰＬの細孔を評価するために、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下、ＳＥＭという。）により、実施例の拡散層のＭＰＬの表面を観察した。

【0049】

図２は第１細孔６ＡのＳＥＭ写真の一例である。図２に示す第１細孔６Ａは、細孔径が約１μｍである。第１細孔６Ａは内部空間にカーボンナノチューブ４が網目状に絡み合って露出している。また、第１細孔６Ａの内部空間以外の部分でも、カーボンナノチューブ４同士が網目状に絡み合っている。

【0050】

図３は第２細孔６ＢのＳＥＭ写真の一例である。図３に示す第２細孔６Ｂは、細孔径が約３μｍである。第２細孔６Ｂ以外の部分でも、カーボンナノチューブ４同士が網目状に絡み合っており、カーボンナノチューブ４は、３次元網目構造を形成している。

【0051】

図４は、図３の８の部分を拡大して示すＳＥＭ写真である。第２細孔６Ｂは内部空間に疎水性粒子７が露出し、一部にカーボンナノチューブ４が網目状に絡み合って露出している。また第２細孔６Ｂでは、疎水性粒子７がカーボンナノチューブ４に付着し、そして、疎水性粒子７が凝集して第２細孔６Ｂの内壁の一部を形成している。

【0052】

（４）燃料電池の性能評価
燃料電池の性能評価を行うために、作製した燃料電池セルの電流電圧特性を測定した。燃料電池セルの電流電圧特性の測定は、燃料電池セルに直流電子負荷器を接続し、当該直流電子負荷の値を変えていったときの燃料電池の出力電圧と電流密度とを測定していくことで行った。燃料電池には、アノードに燃料ガスとして水素ガスを、カソードに酸化剤ガスとして空気を供給し、測定を行った。

【0053】

測定は、水素ガス及び空気の相対湿度を１００％とした場合と、水素ガスの相対湿度を６０％、空気の相対湿度を０％とした場合との２種類の条件で行った。前者はＭＰＬを有さない燃料電池がフラッディングを起こす条件（以下、フラッディング条件という。）であり、後者はＭＰＬを有さない燃料電池がドライアップを起す条件（以下、ドライアップ条件という。）である。

【0054】

図５は、実施例の拡散層を有する燃料電池（図中に示す黒塗り丸印）と比較例の拡散層を有する燃料電池（図中に示す白抜き丸印）とについてのドライアップ条件での電流電圧特性を示す。図５の横軸は電流密度を、縦軸は出力電圧を示している。実施例の燃料電池は、比較例の燃料電池と比較して電流密度の増加に対して出力電圧の低下が緩やかであり、比較例の燃料電池ではドライアップが生じるような状況でも燃料電池の性能の低下が少ないことがわかる。よって、実施例の燃料電池は耐ドライアップ性が高いことがわかる。

【0055】

図６は、実施例の拡散層を有する燃料電池（図中に示す黒塗り丸印）と比較例の拡散層を有する燃料電池（図中に示す白抜き丸印）とについてのフラッディング条件での電流電圧特性を図５と同様に示す。実施例の燃料電池は、比較例の燃料電池と比較して電流密度の増加に対して出力電圧の低下が緩やかであり、比較例の燃料電池ではフラッディングが生じるような状況でも燃料電池の性能の低下が少ないことがわかる。よって、実施例の燃料電池は耐フラッディング性が高いことがわかる。

【0056】

以上から、本発明の拡散層を用いた燃料電池は、耐フラッディング性と耐ドライアップ性とを両立できることを確認できた。

【符号の説明】

【0057】

１ 拡散層
２ 基材
３ ＭＰＬ（マイクロポーラス層）
４ カーボンナノチューブ
５ 骨格
６Ａ 第１細孔
６Ｂ 第２細孔
７ 疎水性粒子
９ 炭素粒子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】