JP2002124266A - 燃料電池の拡散層とその製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡散層の耐クリープ性を向上できるる燃料電
池の拡散層の製造方法の提供。 【解決手段】 織布化した基材に樹脂のバインダを含浸
させる第１の工程と、バインダを含浸させた基材を炭化
処理する第２の工程と、からなる燃料電池の拡散層の製
造方法。織布化した基材を炭化処理する第１の工程と、
炭化処理した基材に導電性樹脂または樹脂を含浸させる
第２の工程と、基材に含浸させた導電性樹脂または樹脂
を硬化させる第３の工程と、からなる燃料電池の拡散層
の製造方法。少なくともカーボンと樹脂とからなるペー
ストに剪断力を付与する第１の工程と、剪断力が付与さ
れたペーストを基材に塗布する第２の工程と、ペースト
を基材に塗布後ペーストが塗布された基材を焼成する第
３の工程と、からなる燃料電池の拡散層の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐クリープ性を向
上させた、燃料電池の電極拡散層と、その製造方法およ
び製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレ
ータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジ
ュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群と
し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、
インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを
構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方
向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）
にて締め付け、固定したものからなる。固体高分子電解
質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオン
と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を
カソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオン
および電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子が
セパレータを通してくる）から水を生成する反応が行わ
れる。 アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ これらの反応が正常に行われるには、拡散層とセパレー
タの接触面圧が適正な面圧に維持される必要がある。そ
のためには、カーボン織布またはカーボン不織布を基材
とした拡散層が、締結部材による締め付け荷重を受けた
時に、クリープを生じにくいものでなければならない。
何故ならば、もしも拡散層に過度のクリープが発生する
と、定圧荷重では、セパレータ当り部の拡散層内のガス
拡散性が低下し酸素供給不足になって上記反応が生じに
くくなるし、定寸荷重では、圧抜けによる接触電気抵抗
の増大が生じ、内部抵抗が増大して電圧低下が生じるか
らである。特開平８−７８９７号公報は、炭素の短繊維
からなる基材に炭素粒子および撥水性樹脂（テフロン
（登録商標））を塗布または含浸させた拡散層と、電解
質膜とを、触媒層を介してホットプレス（１２０℃）に
て一体化したＭＥＡを開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池の拡散層には、炭素粒子および撥水性樹脂が基材の炭
素繊維と強固に絡みあっていないため、耐クリープ性に
劣るという課題がある。そして、クリープが生じると上
記のガス拡散性低下や接触電気抵抗増大の問題を生じ
る。本発明の目的は、耐クリープ性を向上させる、燃料
電池の拡散層と、その製造方法および製造装置を提供す
ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。これら発明は課題を同一とす
る。 （１） 基材を有し、該基材が、プリカーサの織布の炭
化処理されたヤーンと、ヤーンのフィラメント間に含浸
してフィラメントを結合している炭化処理されたバイン
ダとからなっている、燃料電池の拡散層。 （２） 織布化した基材に樹脂のバインダを含浸させる
第１の工程と、バインダを含浸させた基材を炭化処理す
る第２の工程と、からなる燃料電池の拡散層の製造方
法。 （３） 織布化した基材に含浸させる樹脂の液状バイン
ダを入れたバインダ含浸処理容器と、バインダを含浸さ
せた基材を炭化処理する炭化焼成炉と、を備えた燃料電
池の拡散層の製造装置。 （４） 基材を有し、該基材が、プリカーサの織布の炭
化処理されたヤーンと、炭化されたヤーンのフィラメン
ト間に含浸してフィラメントを結合している溶融凝固さ
れた未炭化の導電性樹脂バインダとからなっている、燃
料電池の拡散層。 （５） 織布化した基材を炭化処理する第１の工程と、
炭化処理した基材に導電性樹脂バインダを含浸させる第
２の工程と、基材に含浸させた導電性樹脂バインダを溶
融凝固させる第３の工程と、からなる燃料電池の拡散層
の製造方法。 （６） 織布化した基材を炭化処理する炭化焼成炉と、
炭化処理された織布化基材に含浸させる導電性樹脂の液
状バインダを入れた含浸処理容器と、バインダを溶融凝
固させる樹脂溶融凝固焼成炉と、を備えた燃料電池の拡
散層の製造装置。 （７） 撥水層兼用の基材を有し、該基材が、プリカー
サの織布の炭化処理されたヤーンと、炭化されたヤーン
のフィラメント間に含浸してフィラメントを結合してい
る溶融凝固された未炭化の非導電性樹脂バインダとから
なっている、燃料電池の拡散層。 （８） 織布化した基材を炭化処理する第１の工程と、
炭化処理した基材にフッ素系樹脂またはシリコン系樹脂
を含浸させる第２の工程と、基材に含浸させたフッ素系
樹脂またはシリコン系樹脂を硬化または熱溶着させる第
３の工程と、からなる燃料電池の拡散層の製造方法。 （９） 織布化した基材を炭化処理する炭化焼成炉と、
炭化処理された織布化基材に含浸させる非導電性樹脂の
液状バインダを入れた含浸処理容器と、バインダを溶融
凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉と、を備えた燃料電池の
拡散層の製造装置。 （１０） 基材を有し、該基材が、不織布化したカーボ
ン繊維の抄紙と該抄紙に含浸量に分布をもたせて含浸さ
れ炭化された炭化樹脂バインダとからなり、バインダ量
が多い部位は耐クリープ性のある剛直部位となりバイン
ダ量が少ない部位は可撓性のある柔軟部位となってい
る、燃料電池の拡散層。 （１１） 湿式で不織布化したカーボン繊維の抄紙に樹
脂のバインダを不均一に含浸させる第１の工程と、バイ
ンダを不均一に含浸させた抄紙を炭化処理する第２の工
程と、からなる燃料電池の拡散層の製造方法。 （１２） 湿式で不織布化したカーボン繊維の抄紙に樹
脂のバインダを含浸量に分布をもたせて不均一に含浸さ
せる樹脂バインダ不均一含浸装置と、バインダを含浸し
た抄紙を炭化処理する炭化焼成炉と、を備えた燃料電池
の拡散層の製造装置。 （１３） 乾式で不織布化した基材とその全域に含浸さ
れた樹脂バインダとが、プレスされ、一括完全炭化処理
された燃料電池の拡散層。 （１４） 乾式で不織布化した基材に樹脂のバインダを
含浸させる第１の工程と、バインダを含浸させた基材を
プレスする第２の工程と、プレスされたバインダ含浸の
基材を完全炭化処理する第３の工程と、からなる燃料電
池の拡散層の製造方法。 （１５） 乾式で不織布化した基材に樹脂のバインダを
含浸させる樹脂バインダ含浸装置と、バインダを含浸さ
せた基材をプレスするプレス装置と、プレスされたバイ
ンダ含浸の基材を完全炭化処理する炭化処理炉と、を有
する燃料電池の拡散層の製造装置。 （１６） 基材の片側に形成された、カーボンと樹脂と
の混合からなる撥水カーボン層を有し、該撥水カーボン
層が、粘着力に乏しいが強度の強い内層部と、該内層部
の上に塗布された柔軟で粘着力に優れた表層部との、複
数の積層構造からなる燃料電池の拡散層。 （１７） 基材に複数回樹脂を塗布、焼成のプロセスを
行い、それぞれのプロセスで条件を異ならせた燃料電池
の拡散層の製造方法。 （１８） カーボン織布もしくはカーボン不織布に樹脂
とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートした上で
前記樹脂の融点を越える高温にて焼成する第１の工程
と、第１の工程後に前記樹脂とカーボンとからなる撥水
カーボン層を再度コートした上で前記樹脂の融点近傍の
低温にて焼成する第２の工程と、からなる（１７）の燃
料電池の拡散層の製造方法。 （１９） カーボン織布もしくはカーボン不織布に塗布
された樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層を前記
樹脂の融点を越える高温にて焼成し、ついで前記撥水カ
ーボン層の上に再度塗布された前記樹脂とカーボンとか
らなる撥水カーボン層を前記樹脂の融点近傍の低温にて
焼成する、樹脂溶融凝固焼成炉を備えた燃料電池の拡散
層の製造装置。 （２０） 拡散層に形成される撥水カーボン層のバイン
ダとして２種類のバインダを用いた燃料電池の拡散層。 （２１） 拡散層に形成される撥水カーボン層のバイン
ダとして粘着性のある樹脂と該樹脂より剛性が高い材料
を用いた（２０）記載の燃料電池の拡散層。 （２２） 拡散層に形成される撥水カーボン層を、カー
ボンに２種類のバインダを含む液を基材に塗布し、つい
でバインダの融点近傍の温度で溶融凝固させて形成する
燃料電池の拡散層の製造方法。 （２３） 拡散層に形成される撥水カーボン層を、カー
ボンに粘着性のある樹脂と該樹脂より剛性が高い材料か
らなるバインダを基材に塗布し、ついでバインダの融点
近傍の温度で溶融凝固させて形成する（２２）記載の燃
料電池の拡散層の製造方法。 （２４） 基材に塗布された、カーボンと２種類の樹脂
バインダを含む撥水カーボン層を、バインダ樹脂の融点
近傍の温度で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉を備え
た燃料電池の拡散層の製造装置。 （２５） 基材に少なくともカーボンと樹脂とからなる
ペーストを塗布焼成した撥水層を有し、該撥水層が塗布
焼成前に剪断力を付与されている燃料電池の拡散層。 （２６） 少なくともカーボンと樹脂とからなるペース
トに剪断力を付与する第１の工程と、剪断力が付与され
たペーストを基材に塗布する第２の工程と、ペーストを
基材に塗布後基材に塗布されたペーストを前記樹脂の融
点近傍の温度で焼成する第３の工程と、からなる燃料電
池の拡散層の製造方法。 （２７） 少なくともカーボンと樹脂とからなるペース
トに剪断力を付与するミキサと、該剪断力が付与された
ペーストを基材に塗布する塗布装置と、基材に塗布され
たペーストを前記樹脂の融点近傍の温度で溶融凝固させ
る樹脂溶融凝固焼成炉と、を有する燃料電池の拡散層の
製造装置。 （２８） 基材に少なくともカーボンと樹脂とからなる
ペーストを塗布焼成した撥水層を有し、該撥水層が焼成
後剪断力を付与されている燃料電池の拡散層。 （２９） 少なくともカーボンと樹脂とからなる撥水カ
ーボン層を基材に塗布形成する第１の工程と、基材に塗
布形成された撥水カーボン層を前記樹脂の融点近傍の温
度で焼成する第２の工程と、焼成後のペーストを基材ご
と基材幅方向に応力を発生させるロール間に通して撥水
カーボン層に剪断力を付与する第３の工程と、からなる
燃料電池の拡散層の製造方法。 （３０） 少なくともカーボンと樹脂とからなるペース
トを基材に塗布する塗布装置と、基材に塗布されたペー
ストを前記樹脂の融点近傍の温度で溶融凝固させる樹脂
溶融凝固焼成炉と、焼成後のペーストが基材ごと通され
た時に焼成後のペーストに剪断力を発生させる一対の剪
断力付与ロールと、を有する燃料電池の拡散層の製造装
置。

【０００５】上記（１）〜（１５）の燃料電池の拡散層
とその製造方法および製造装置は、基材と撥水層とから
なる拡散層のうち基材の強度向上による拡散層の耐クリ
ープ性の向上に係るものであり、上記（１６）〜（３
０）は拡散層のうち撥水層の強度向上による拡散層の耐
クリープ性の向上に係るものである。上記（１）〜
（３）の燃料電池の拡散層とその製造方法および製造装
置では、織布系拡散層未炭化基材に樹脂バインダを添加
し炭化処理を行うので、バインダ添加によりヤーンのフ
ィラメントを拘束できるとともにヤーンの強度を強化で
き、拡散層の基材の耐クリープ性を向上させることがで
きる。また、樹脂バインダも基材とともに炭化処理する
ので、拡散層全体が炭化し拡散層の導電性を向上させる
ことができる。上記（４）〜（６）の燃料電池の拡散層
とその製造方法および製造装置では、炭化処理を行った
織布に導電性樹脂（たとえば、カーボンブラックを含ん
だ熱可塑性もしくは熱硬化性の樹脂）を含浸するので、
樹脂含浸によりヤーンのフィラメントを拘束できるとと
もにヤーンの強度を強化でき、拡散層の基材の耐クリー
プ性を向上させることができる。導電性樹脂を炭化処理
していないので、（１）〜（３）と比較し導電性向上の
点で劣るが、既存の炭化織布を後加工で処理可能である
という利点がある。上記（７）〜（９）の燃料電池の拡
散層とその製造方法および製造装置では、炭化処理を行
った織布に樹脂（たとえば、フッ素系樹脂またはシリコ
ン系樹脂）を含浸し硬化または熱溶着させるので、樹脂
含浸によりヤーンのフィラメントを拘束できるとともに
ヤーンの強度を強化でき、拡散層の基材の耐クリープ性
を向上させることができる。バインダ樹脂を炭化処理し
ていないので、（１）〜（３）と比較し導電性向上の利
点はまったく無いが、ヤーンに撥水性を付与して拡散層
の耐水性を改善することができ、また、既存の炭化織布
を後加工で処理可能であるという利点がある。上記（１
０）〜（１２）の燃料電池の拡散層とその製造方法およ
び製造装置では、湿式で不織布化したカーボン繊維の抄
紙に樹脂のバインダを不均一に含浸させ、炭化処理する
ので、バインダ添加により拡散層の基材の耐クリープ性
を向上させることができる。また、バインダ含浸後炭化
処理するので、基材全体が炭化され、導電性が向上す
る。また、バインダを不均一に（たとえば、スプライン
状に）含浸させるので、バインダを含浸させていない部
分またはバインダの含浸が少ない部分は可撓性を有し、
基材が長くてもロールへの巻付け等が可能になって、連
続生産が可能になる。上記（１３）〜（１５）の燃料電
池の拡散層とその製造方法および製造装置では、乾式で
不織布化した基材に樹脂のバインダを含浸させ、プレス
し、その後完全炭化処理するので、バインダ添加とプレ
スによる圧縮変形付与により拡散層の基材の耐クリープ
性を向上させることができる。また、バインダ含浸後炭
化処理するので、基材全体が炭化され、導電性が向上す
る。また、炭化処理前にプレスするので、炭化処理後に
プレスすると生じるであろうカーボン繊維の破壊はな
い。上記（１６）〜（１９）の燃料電池の拡散層とその
製造方法および製造装置では、樹脂（たとえば、ＰＴＦ
Ｅ）とカーボンとからなる撥水カーボン層を２層に形成
し、下層を樹脂の融点を越える高温にて焼成するので、
高剛性層を形成でき、拡散層の撥水層の耐クリープ性を
向上させることができる。また、その上に再度前記樹脂
とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートした上で
前記樹脂の融点近傍の低温にて焼成するので、外力が加
わった時に剪断力によって樹脂は糸を引いて表面に粘着
層を形成でき、ＭＥＡの触媒層への粘着性を向上させる
ことができる。１層のみの拡散層では、撥水層の耐クリ
ープ性の向上と粘着層の向上の両方を同時にはかること
ができないが、２層にして焼成温度を異ならせたことに
より撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方
を達成できる。上記（２０）〜（２４）の燃料電池の拡
散層とその製造方法および製造装置では、拡散層に形成
される撥水カーボン層のバインダとして粘着性のある樹
脂（たとえば、ＰＴＦＥ）と該樹脂より剛性が高い材料
を用いるので、剛性が高い材料の添加により撥水層の強
度を向上させることができ、撥水層の耐クリープ性を向
上させることができる。上記（２５）〜（２７）の燃料
電池の拡散層とその製造方法および製造装置では、少な
くともカーボンと樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とからな
るペーストに剪断力を付与するので、剪断力付与により
樹脂の繊維化が促進されてバインダの結着力が増し、撥
水カーボン層の強度が向上して拡散層の耐クリープ性を
向上させることができる。上記（２８）〜（３０）の燃
料電池の拡散層とその製造方法および製造装置では、焼
成後、基材を基材幅方向に応力を発生させるロール間に
通して撥水カーボン層に剪断力を付与するので、剪断力
付与により樹脂の繊維化が促進されてバインダの結着力
が増し、撥水カーボン層の強度が向上して拡散層の耐ク
リープ性を向上させることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池の拡散
層とその製造方法および製造装置を、図１〜図１６を参
照して、説明する。本発明の方法で製造された拡散層が
用いられる燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃
料電池１０のような、低温型の燃料電池である。該燃料
電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。た
だし、自動車以外に用いられてもよい。

【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１
５、図１６、図１に示すように、イオン交換膜からなる
電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触
媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノー
ド、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触
媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソー
ド、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥ
Ａ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１
７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空
気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却
用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレー
タ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層して
モジュール１９を構成し（たとえば、２セルから１モジ
ュールを構成し）、モジュール１９を積層してモジュー
ル群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層
方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、
エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、
スタック２３を積層方向に締め付け燃料電池積層体積層
方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレ
ート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで
固定したものからなる。

【０００８】触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を担持し
たカーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６は、通
常、カーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６は、図
１に示すように、たとえば、カーボン粒子（たとえば、
カーボンブラック）２８を樹脂（たとえば、ポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂等）２
９のバインダで結合した撥水（カーボン）層１３ａ、１
６ｂと、撥水層１３ａ、１６ａよりセパレータ１８側に
ある、カーボン繊維３０（織布または不織布）からなる
基材（基材層）１３ｂ、１６ｂと、からなる。撥水層１
３ａ、１６ａも基材１３ｂ、１６ｂも通気性をもたせて
あり、流体通路２７を流れる水素、空気を触媒層１２、
１５に通す。撥水層１３ａ、１６ａは基材１３ｂ、１６
ｂよりも撥水性をもたせてある。拡散層１３、１６の厚
さは約２００μｍであり、撥水層１３ａ、１６ａの厚さ
は約５０μｍであり、基材１３ｂ、１６ｂの厚さは約１
５０μｍである。セパレータ１８は、ガス・流体不透過
性でかつ導電性を有し、通常は、カーボン（黒鉛である
場合を含む）または金属または導電性樹脂（たとえば、
樹脂にカーボンブラック等の導電性粒子・繊維等を混合
して導電性を付与したものを含む）の何れかからなる。
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷
却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するととも
に、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れ
る電気の通路を形成している。

【０００９】燃料電池の拡散層１３、１６の製造におい
ては、拡散層１３、１６が耐クリープ性をもつように製
造されることが必要である。何となれば、拡散層１３、
１６のクリープが生じると、定圧荷重ではセパレータ当
り部のガス拡散性が低下し、定寸荷重では圧抜けによる
接触抵抗増大が生じるからである。

【００１０】つぎに、本発明の各実施例の燃料電池の拡
散層１３、１６とその製造方法および製造装置を説明す
る。本発明の実施例１の燃料電池の拡散層１３、１６
は、図１、図２に示すように、基材１３ｂ、１６ｂを有
し、基材１３ｂ、１６ｂは、プリカーサの織布の炭化処
理されたヤーン１（フィラメント２をよりあわせたも
の）と、ヤーンのフィラメント２間に含浸してフィラメ
ント２を結合している炭化処理されたバインダ３とから
なっている。本発明の実施例１の燃料電池の拡散層１
３、１６の製造方法は、拡散層１３、１６のうち、基材
１３ｂ、１６ｂの耐クリープ性を向上させる拡散層１
３、１６の製造方法であり、図１〜図３に示すように、
プリカーサ（前駆体、炭化処理する前のもの）を織布化
するか、もしくはプリカーサを半焼成した繊維で織布化
する工程１０１と、織布化した基材１３ｂ、１６ｂに樹
脂（たとえば、フッ素系樹脂、フェノール樹脂）のバイ
ンダ（樹脂を溶媒に溶かして液状、またはスラリー状に
なっている）を含浸させる第１の工程１０２と、バイン
ダを含浸させた基材１３ｂ、１６ｂをバインダごと炭化
処理する第２の工程１０３と、からなる。バインダはカ
ーボン粒子を含み、バインダ含浸時、基材１３ｂ、１６
ｂの表面に炭化処理後撥水カーボン層１３ａ、１６ａと
なる部分の層が形成される。工程１０３では、約２００
０℃で炭化処理を行う。図３の工程１０３の焼成は炭化
処理である。本発明の実施例１の燃料電池の拡散層の製
造装置は、織布化した基材１３ｂ、１６ｂに含浸させる
樹脂の液状バインダ３を入れたバインダ含浸処理容器１
０４と、バインダを含浸させた基材１３ｂ、１６ｂを炭
化処理する炭化焼成炉１０５と、を備えている。本発明
の実施例１では、完全に炭化を行うことで、導電性を向
上させつつ、バインダ３により基材１３ｂ、１６ｂのヤ
ーン１（フィラメント２を束ねたもの）の強度を強化
し、基材１３ｂ、１６ｂとしての耐クリープ性を向上さ
せる。図２はヤーンの強度向上、耐クリープ性向上の原
理を示したものであり、従来（図２の左側部分に示す）
はスタックに締結荷重をかけてヤーンに荷重がかかると
フィラメント同士の拘束が弱いので荷重方向と直交する
方向にヤーンが変形し、クリープ量が大となるが、本発
明（図２の右側部分に示す）はバインダ３で拘束された
まま炭化処理されるので、スタックに締結荷重をかけて
ヤーン１に荷重がかかった時、フィラメント２同士の拘
束が強いので荷重方向と直交する方向のヤーン１の変形
は小さく、クリープ量も小である。図６は、スタックを
定寸締めして時間経過による圧抜けによる燃料電池の接
触抵抗増大を測定したものであるが、実施例１の場合
は、従来に比べて内部抵抗の増大が小さく、耐クリープ
性が向上していることがわかる。

【００１１】本発明の実施例２の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図１、図２に示すように、基材１３ｂ、１
６ｂを有し、該基材が、プリカーサの織布の炭化処理さ
れたヤーン１と、炭化されたヤーン１のフィラメント２
間に含浸してフィラメントを結合している溶融凝固され
た未炭化の導電性樹脂バインダ３とからなっている．本
発明の実施例２の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方
法は、図１、図２、図４に示すように、織布化した基材
を約２０００℃で炭化処理する第１の工程２０１と、炭
化処理した基材１３ｂ、１６ｂにバインダとしての導電
性樹脂を含浸させる第２の工程２０２と、基材に含浸さ
せた導電性樹脂を樹脂硬化温度（たとえば、約３２０
℃）で溶融凝固させる第３の工程２０３と、からなる。
第２の工程２０２における導電性樹脂は、カーボンブラ
ックを含んだ反応硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を用い
る。たとえば、導電性樹脂としてはフェノール樹脂にカ
ーボンブラックを混合したものが用いられる。第３の工
程の樹脂の硬化は３５０℃以下での溶融硬化焼成であ
り、炭化処理ではない。本発明の実施例２の燃料電池の
拡散層１３、１６の製造装置は、織布化した基材１３
ｂ、１６ｂを炭化処理する炭化焼成炉２０４と、炭化処
理された織布化基材１３ｂ、１６ｂに含浸させる導電性
樹脂の液状バインダ３を入れた含浸処理容器２０５と、
バインダを樹脂硬化温度（約３２０℃）で溶融凝固させ
る樹脂溶融凝固焼成炉２０６と、を備えている。本発明
の実施例２では、基材を先に炭化処理しておいて、その
後に導電性樹脂を含浸させるもので、導電性樹脂は炭化
処理されない。バインダ樹脂により炭化後の基材１３
ｂ、１６ｂのヤーン１（フィラメント２を束ねたもの）
の強度を強化し、基材１３ｂ、１６ｂとしての耐クリー
プ性を向上させる。図２はヤーン１の強度向上、耐クリ
ープ性の原理を示したものであり、実施例１での説明に
準じる。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制について
も、実施例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）
がある。実施例２は、実施例１と比べて、バインダ樹脂
を炭化処理しないので、導電性向上の利点は少ないが、
既存の炭化織布を後加工で処理可能である利点がある。

【００１２】本発明の実施例３の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図１、図２に示すように、撥水層兼用の基
材１３ｂ、１６ｂを有し、該基材が、プリカーサの織布
の炭化処理されたヤーン１と、炭化されたヤーン１のフ
ィラメント２間に含浸してフィラメントを結合している
溶融凝固された未炭化の非導電性樹脂バインダ３とから
なっている。本発明の実施例３の燃料電池の拡散層１
３、１６の製造方法は、図１、図２、図５に示すよう
に、織布化した基材１３ｂ、１６ｂを約２０００℃で炭
化処理する第１の工程３０１と、炭化処理した基材１３
ｂ、１６ｂにフッ素系樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ（ポリ
テトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ，ＥＴＦＥ）また
はシリコン系樹脂３を溶媒に溶かした状態で含浸させる
第２の工程３０２と、基材に含浸させたフッ素系樹脂ま
たはシリコン系樹脂３を硬化または熱溶着させる第３の
工程３０３と、からなる。第３の工程の樹脂の硬化また
は溶着は３００℃以下での硬化または溶着であり、炭化
処理ではない。本発明の実施例３の燃料電池の拡散層１
３、１６の製造装置は、図５に示すように、織布化した
基材１３ｂ、１６ｂを約２０００℃で炭化処理する炭化
焼成炉３０４と、炭化処理された織布化基材１３ｂ、１
６ｂに含浸させる非導電性樹脂を溶媒に溶かした液状バ
インダを入れた含浸処理容器３０５と、バインダをバイ
ンダ樹脂の融点近傍（たとえば、３２０℃）で溶融凝固
させる樹脂溶融凝固焼成炉３０６と、を備えている。本
発明の実施例３では、基材１３ｂ、１６ｂを先に炭化処
理しておいて、その後にバインダ樹脂３を含浸させるも
ので、樹脂３は炭化処理されない。バインダ樹脂３によ
り炭化後の基材１３ｂ、１６ｂのヤーン（フィラメント
を束ねたもの）の強度を強化し、基材１３ｂ、１６ｂと
しての耐クリープ性を向上させる。図２はヤーンの強度
向上、耐クリープ性の原理を示したものであり、実施例
１での説明に準じる。実施例３は、実施例１と比べて、
バインダ樹脂を炭化処理しないので、導電性向上の効果
は無いが、既存の炭化織布を後加工で処理可能である利
点がある。また、樹脂３に撥水性を付与することで耐水
性を改善することが可能である。また、燃料電池の内部
抵抗増大抑制についても、実施例１と同様の作用、効果
（図６の作用、効果）がある。

【００１３】本発明の実施例４の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図７、図８に示すように、基材１３ｂ、１
６ｂを有し、該基材１３ｂ、１６ｂが、不織布化したカ
ーボン繊維の抄紙と該抄紙に含浸量に分布をもたせて
（たとえば、縞状に）含浸され炭化された炭化樹脂バイ
ンダとからなる。バインダ量が多い部位は耐クリープ性
のある剛直部位４となりバインダ量が少ない部位は可撓
性のある柔軟部位５となっている。ロールに巻く場合
は、湾曲の軸芯と平行方向に柔軟部位５は延びており、
巻付けを可能にしている。本発明の実施例４の燃料電池
の拡散層１３、１６の製造方法は、図７、図８に示すよ
うに、カーボン繊維で湿式で抄紙（不織布、基材１３
ｂ、１６ｂとなる）を作製する工程４０１と、湿式で不
織布化したカーボン繊維の抄紙に樹脂のバインダ３を不
均一に含浸させる第１の工程４０２と、バインダを不均
一に含浸させた抄紙を炭化処理（焼成）しバインダを炭
化する第２の工程４０３と、からなる。本発明の実施例
４の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図７に
示すように、湿式で不織布化したカーボン繊維の抄紙に
樹脂のバインダを含浸量に分布をもたせて不均一に含浸
させる樹脂バインダ不均一含浸装置４０６と、バインダ
を含浸した抄紙１３ｂ、１６ｂを炭化処理する炭化焼成
炉４０７と、を備えている。本発明の実施例４では、湿
式カーボン不織布（カーボンペーパ）を作製する工程４
０１ではバインダ量はミニマムにしておく。工程４０２
ではバインダ樹脂を不均一、たとえばスプライン状に含
浸させる。これは、たとえば多数の平行スリットをもつ
マスキング４０４をカーボンペーパの上に置きバインダ
樹脂をスプレー４０５するか、ディスペンサ（ロボッ
ト）で塗布するか、スクリーン印刷などで塗布する。そ
の後、バインダを焼成炭化させる。図８に示すように、
バインダ含浸部分は強度が向上し剛直部位４となって耐
クリープ性を発現するが、バインダが含浸していない部
分またはバインダの含浸量が少ない部分である柔軟部位
５では柔軟性、可撓性を維持する。これによってバイン
ダスプラインと直交方向に、炭化処理カーボンペーパは
曲げ処理可能となり、ロール巻きが可能になって、連続
生産が可能になる。その結果、耐クリープ性の向上と良
好な生産性の両方が満足される。また、燃料電池の内部
抵抗増大抑制についても、実施例１と同様の作用、効果
（図６の作用、効果）がある。

【００１４】本発明の実施例５の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図９に示すように、乾式で不織布化した基
材１３ｂ、１６ｂとその全域に含浸された樹脂バインダ
（ピッチ等）３とが、プレスされ、一括完全炭化処理さ
れたものからなる。本発明の実施例５の燃料電池の拡散
層１３、１６の製造方法は、図９に示すように、乾式で
プリカーサをフェルト状に不織布化して基材１３ｂ、１
６ｂを形成する工程５０１と、乾式で不織布化した基材
１３ｂ、１６ｂに樹脂のバインダ３を溶媒に溶かしたも
のを含浸させる第１の工程５０２と、バインダを含浸さ
せた基材１３ｂ、１６ｂをプレスして厚み方向に圧縮す
る第２の工程５０３と、プレスされたバインダ含浸の基
材１３ｂ、１６ｂを約１５００〜２０００℃で完全炭化
処理する第３の工程５０４と、からなる。本発明の実施
例５の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図９
に示すように、乾式で不織布化した基材１３、１６ｂに
樹脂のバインダ３を含浸させる樹脂バインダ含浸装置５
０５と、バインダを含浸させた基材１３、１６ｂをプレ
スするプレス装置５０６と、プレスされたバインダ含浸
の基材１３、１６ｂを完全炭化処理する炭化処理炉５０
７と、を有する燃料電池の拡散層の製造装置。プリカー
サによる乾式不織布は生産性に優れ、低コストで大量に
連続生産が可能であり、拡散層基材として有望な材料で
あるが、嵩高く、過度のクッション性を有し、また、強
度的にも劣り、クリープしやすい点が問題である。そこ
で、本発明の実施例５では、カーボン繊維に事前に圧縮
荷重を付与し、クリープさせた状態の材料を基材として
拡散層を形成することで、耐クリープ性に優れた拡散層
１３、１６を得る。ただし、完全に炭化させた状態で荷
重（プレス）をかけるとカーボン繊維が破壊されてしま
うため、プリカーサまたは半焼成状態の炭化繊維で乾式
不織布を形成し、完全に炭化する前にバインダを含浸さ
せて繊維が柔軟性を維持している状態で、荷重を付与
し、圧縮した状態で完全炭化処理を施す。バインダ含浸
により、拡散層基材の耐クリープ性を向上でき、しかも
低コストで生産できる。また、燃料電池の内部抵抗増大
抑制についても、実施例１と同様の作用、効果（図６の
作用、効果）がある。実施例１〜実施例５までは拡散層
の基材の耐クリープ性の向上であるが、実施例６以降は
拡散層の撥水層の耐クリープ性の向上である。

【００１５】本発明の実施例６の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図１０に示すように、炭化処理された基材
１３ｂ、１６ｂの片側に形成された、カーボンと樹脂
（撥水性をもつ樹脂、たとえばＰＴＦＥ（ポリテトラフ
ルオロエチレン））との混合からなる撥水カーボン層１
３ａ、１６ａを有し、該撥水カーボン層１３ａ、１６ａ
が、粘着力に乏しいが強度の強い内層部（高剛性層Ａ）
と、該内層部の上に塗布された柔軟で粘着力に優れた表
層部（粘着層Ｂ）との、複数の積層構造からなる。撥水
カーボン層１３ａ、１６ａは炭化処理されないままであ
る。拡散層１３、１６の厚さは約２００μｍで、このう
ち撥水カーボン層１３ａ、１６ａの厚さが約５０〜１０
０μｍで、粘着層Ｂの厚さは約１０μｍである。高剛性
層Ａと粘着層Ｂとは、同じカーボン、樹脂の混合物でよ
く（ただし、混合比を変えてもよい）、それを、２度塗
りして、それぞれの層の硬化温度を変えて形成されてい
る。カーボンブラックとＰＴＦＥの混合物を約３５０℃
以上で焼成するとバルク状となり高剛性となるが、ＰＴ
ＦＥの融点近傍（約３２０℃）で焼成するとＰＴＦＥの
半溶融粒子から糸を引いて粘着力を有するものとなる。
燃料電池組立て時には、粘着層Ｂ側を燃料電池の電極対
向側にする。本発明の実施例６の燃料電池の拡散層１
３、１６の製造方法は、図１０に示すように、炭化処理
されている基材１３ｂ、１６ｂに複数回撥水層１３ａ、
１６ａとしての樹脂を塗布、焼成（この焼成は樹脂の硬
化または溶着の焼成で、炭化の焼成ではない）のプロセ
スを行い、それぞれのプロセスで条件（たとえば、硬化
または溶着などの焼成温度）を異ならせたものである。
本発明の実施例６の燃料電池の拡散層１３、１６の製造
方法は、たとえば、カーボン繊維を織布化または不織布
化して基材１３ｂ、１６ｂを作製する工程６０１と、カ
ーボン織布もしくはカーボン不織布に樹脂（たとえば、
ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂、フェノール樹脂等）とカ
ーボンとからなる撥水カーボン層１３ａ、１６ａをコー
トした上で前記樹脂の融点を越える高温（たとえば、３
５０℃）にて焼成する第１の工程６０２と、第１の工程
後に前記樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層１３
ａ、１６ａを再度コートした上で前記樹脂の融点近傍の
低温（前記高温よりは低温の意味、たとえば、３２０
℃）にて焼成する第２の工程６０３と、からなる。本発
明の実施例６の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置
は、図１０に示すように、カーボン織布もしくはカーボ
ン不織布に塗布された樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とカ
ーボンとからなる撥水カーボン層Ａを樹脂の融点を越え
る高温（３５０℃以上）にて焼成し、ついで撥水カーボ
ン層Ａの上に再度塗布された樹脂とカーボンとからなる
撥水カーボン層Ｂ（材料はＡと同じでよい、ただし焼成
温度が異なる）を樹脂の融点近傍の低温（約３２０℃）
にて焼成する、樹脂溶融凝固焼成炉６０１を備えてい
る。樹脂溶融凝固焼成炉６０１は、焼成温度を変えるこ
とにより、高温焼成と低温焼成の両方に使用できる。撥
水層の機械的特性は焼成温度によって変化する。これは
ＰＴＦＥ等の樹脂の溶着状態が変わるためである。ＰＴ
ＦＥの融点近傍での焼成を行った場合、界面活性剤など
の除去は可能であるが、ＰＴＦＥ粒子は完全には融解し
ておらず、粒子間の接点でわずかに溶着するのみであ
る。この場合、外部から何らかの荷重がかかった場合、
その剪断力によってＰＴＦＥは容易に繊維化して（糸を
引いて）粘着力を発生する。しかし、融点を越えた温度
で焼成を行った場合、完全に溶解して結合力は高まるも
のの、繊維化は発生しにくくなり、粘着性は消失する。
拡散層の望ましい特性として強度（耐クリープ）と表面
の触媒層に対する粘着性とがあり、これを同時に実現す
ることは、従来、困難であった。本発明では、１層目を
高温で焼成して内層Ａの高剛性層を形成し、それによっ
て対クリープ性を得、その後第２層目を塗布、低温焼成
することで表層Ｂの粘着層を得る。この時、樹脂は層Ａ
とＢとで同一組成（混合比）でもよいが、組成を変える
とより効果的である。たとえば、内層部は強度をより増
大させるためＰＴＦＥ比率を増加し、表層部は接触抵抗
を維持するためＰＴＦＥ比率を減少させることが有効で
ある。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、
実施例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）があ
る。

【００１６】本発明の実施例７の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図１１に示すように、炭化処理されている
基材１３ｂ、１６ｂと、その燃料電池電極側に形成され
る撥水カーボン層１３ａ、１６ａとからなり、撥水カー
ボン層１３ａ、１６ａが、図１１に示すように、カーボ
ン（たとえば、カーボンブラック）とバインダ（樹脂や
セルロース）とからなり、バインダが２種類のバインダ
Ｃ、Ｄを含む。２種類のバインダのうち一種のバインダ
Ｃは、粘着性のある樹脂、たとえばＰＴＦＥ（ＰＴＦＥ
の粒子とその粒子から糸を引いた繊維状のもの）であ
り、もう一種のバインダは、バインダＣを構成する樹脂
（たとえば、ＰＴＦＥ）より剛性が高い材料（たとえ
ば、セルロース）であり、これらバインダＣ、Ｄは溶媒
（たとえば、エタノール）に溶かしてスラリー状または
液状になった状態で、基材１３ｂ、１６ｂに塗布され、
樹脂の融点温度（約３２０℃）近傍で溶融凝固焼成され
る。本発明の実施例７の燃料電池の拡散層１３、１６の
製造方法では、図１１に示すように、拡散層１３、１６
に形成される撥水カーボン層１３ａ、１６ａが２種類の
バインダにより形成される。本発明の実施例７の燃料電
池の拡散層１３、１６の製造方法では、拡散層１３、１
６に形成される撥水カーボン層１３ａ、１６ａのバイン
ダとして粘着性のある樹脂Ｃと該樹脂より剛性が高い材
料Ｄを用いる。粘着性のある樹脂は、たとえばＰＴＦＥ
であり、剛性が高い材料は油溶性セルロース等である。
バインダは炭化処理されている基材に塗布され、樹脂の
融点近傍の温度で、一括、溶融凝固される。本発明の実
施例７の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図
１１に示すように、基材１３ｂ、１６ｂに塗布された、
カーボンと２種類の樹脂バインダを含む撥水カーボン層
１３ａ、１６ａを、バインダ樹脂の融点近傍の温度（た
とえば、約３２０℃）で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼
成炉７０１を備えている。ＰＴＦＥは比較的剛性が弱い
樹脂であるが、剛性の高い材料（たとえば、セルロー
ス）を添加することにより、粘着性を維持したまま、撥
水カーボン層１３ａ、１６ａの強度、耐クリープ性を向
上できる。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制について
も、実施例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）
がある。

【００１７】本発明の実施例８の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図１２に示すように、炭化処理されている
基材１３ｂ、１６ｂに，少なくともカーボン（たとえ
ば、カーボンブラック）と樹脂（たとえばＰＴＦＥ）と
からなるペーストを塗布焼成した撥水層１３ａ、１６ａ
を有し、該撥水層１３ａ、１６ａが塗布焼成前に剪断力
を付与されて繊維化が促進されたものからなる。本発明
の実施例８の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法
は、図１２に示すように、少なくともカーボンと樹脂
（たとえばＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂）とからなるペー
ストに剪断力を付与する第１の工程と、剪断力が付与さ
れたペーストを基材１３ｂ、１６ｂに塗布する第２の工
程と、ペーストを基材に塗布後ペースト（撥水層１３
ａ、１６ａとなる部分）が塗布された基材を焼成（樹脂
の硬化または溶着）する第３の工程と、からなる。本発
明の実施例８の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置
は、図１２に示すように、少なくともカーボンと樹脂と
からなるペーストに剪断力を付与するミキサ３１と、該
剪断力が付与されたペーストを炭化処理されている基材
１３ｂ、１６ｂに塗布する塗布装置（吐出ヘッド）３３
と、基材に塗布されたペーストを前記樹脂の融点近傍の
温度で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉（この炉は他
の実施例のものに準じる）と、を有する。第１の工程
は、図１２において、メインタンク３０からのペースト
をミキサ３１に供給し、ミキサにてミキシングすること
によりペーストに剪断力を付与することにより行う。剪
断力付与により、ペーストに粘着性を発現させる。この
場合、樹脂の繊維化を促進させるためミキサ３１周囲に
ヒータ３２を配置してミキサを加熱する。第２の工程
は、剪断力を付与されたペーストを吐出ヘッド３３から
吐出させて基材１３ｂ、１６ｂ上に塗布し、撥水カーボ
ン層１３ａ、１６ａを形成する。第３の工程における焼
成は、たとえば３２０℃で行い、樹脂を溶着または硬化
させる。剪断力付与によりＰＴＦＥの繊維化が促進さ
れ、強度、耐クリープ性が向上する。また、燃料電池の
内部抵抗増大抑制についても、実施例１と同様の作用、
効果（図６の作用、効果）がある。

【００１８】本発明の実施例９の燃料電池の拡散層１
３、１６は、図１３、図１４に示すように、炭化処理さ
れている基材１３ｂ、１６ｂに少なくともカーボン（た
とえば、カーボンブラック）と樹脂（たとえば、ＰＴＦ
Ｅ）とからなるペーストを塗布焼成（この焼成は樹脂の
融点近傍で行われる樹脂の溶融凝固のための焼成）した
撥水層１３ａ、１６ａを有し、撥水層１３ａ、１６ａが
焼成後、室温から樹脂融点までの間にある温度（たとえ
ば、室温）で剪断力を付与されているものからなる。本
発明の実施例９の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方
法は、図１３、図１４に示すように、少なくともカーボ
ンと樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂）とか
らなる撥水カーボン層１３ａ、１６ａを基材１３ｂ、１
６ｂ上に形成する第１の工程と、撥水カーボン層１３
ａ、１６ａを形成した基材を焼成（約３２０℃で溶着ま
たは硬化）する第２の工程と、焼成後の基材を基材幅方
向に応力を発生させるプレスロール４０、４１間に通し
て撥水カーボン層に剪断力を付与する第３の工程と、か
らなる。本発明の実施例９の燃料電池の拡散層１３、１
６の製造装置は、図１３、図１４に示すように、少なく
ともカーボンと樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とからなる
ペーストを基材に塗布する塗布装置（図１２の塗布装置
に準じたものを使用できる）と、基材に塗布されたペー
ストを樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）の融点（約３２０
℃）近傍の温度で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉
（この炉は他の実施例のものに準じる）と、焼成後のペ
ーストが基材ごと通された時に焼成後のペーストに剪断
力を発生させる一対の剪断力付与ロール４０、４１と、
を有する。プレスロール４０、４１の各々に、プレスロ
ール中央の左右部に逆向きのスクリュウ状の溝を切って
おき、プレスロール４０、４１を回転させた時に、プレ
スロールによって挟まれた拡散層に幅方向に剪断力を付
与する。本発明の実施例９では、剪断力付与によりＰＴ
ＦＥの繊維化が促進され、強度、耐クリープ性が向上す
る。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、実
施例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）があ
る。

【００１９】

【発明の効果】請求項１の燃料電池の拡散層、請求項２
の燃料電池の拡散層の製造方法、請求項３の燃料電池の
拡散層の製造装置によれば、織布系拡散層基材に樹脂バ
インダを添加し炭化処理を行うので、拡散層の基材の耐
クリープ性を向上させることができるとともに、導電性
を向上させることができる。請求項４の燃料電池の拡散
層、請求項５の燃料電池の拡散層の製造方法、請求項６
の燃料電池の拡散層の製造装置によれば、炭化処理を行
った織布に導電性樹脂を含浸するので、拡散層の基材の
耐クリープ性を向上させることができる。また、既存の
炭化織布を後加工で処理可能であるという利点がある。
請求項７の燃料電池の拡散層、請求項８の燃料電池の拡
散層の製造方法、請求項９の燃料電池の拡散層の製造装
置によれば、炭化処理を行った織布に樹脂を含浸し硬化
または熱溶着させるので、拡散層の基材の耐クリープ性
を向上させることができる。また、撥水性を付与して拡
散層の耐水性を改善することができ、また、既存の炭化
織布を後加工で処理可能であるという利点がある。請求
項１０の燃料電池の拡散層、請求項１１の燃料電池の拡
散層の製造方法、請求項１２の燃料電池の拡散層の製造
装置によれば、湿式で不織布化したカーボン繊維の抄紙
に樹脂のバインダを不均一に含浸させ、炭化処理するの
で、バインダ添加により拡散層の基材の耐クリープ性を
向上させることができる。また、バインダを不均一に含
浸させるので、バインダを含浸させていない部分または
バインダの含浸が少ない部分は可撓性を有し、連続生産
が可能になる。請求項１３の燃料電池の拡散層、請求項
１４の燃料電池の拡散層の製造方法、請求項１５の燃料
電池の拡散層の製造装置によれば、乾式で不織布化した
基材に樹脂のバインダを含浸させ、プレスし、その後、
完全炭化処理するので、バインダ添加とプレスによる圧
縮変形付与により拡散層の基材の耐クリープ性を向上さ
せることができる。また、炭化処理前にプレスするの
で、カーボン繊維の破壊はない。請求項１６の燃料電池
の拡散層、請求項１７、１８の燃料電池の拡散層の製造
方法、請求項１９の燃料電池の拡散層の製造装置によれ
ば、樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層を２層に
形成し、下層を樹脂の融点を越える高温にて焼成するの
で、高剛性層を形成でき、拡散層の撥水層の耐クリープ
性を向上させることができる。また、その上に再度前記
樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートした
上で前記樹脂の融点近傍の低温にて焼成するので、外力
が加わった時に剪断力によって樹脂は糸を引いて表面に
粘着層を形成でき、ＭＥＡの触媒層への粘着性を向上さ
せることができる。請求項２０、２１の燃料電池の拡散
層、請求項２２、２３の燃料電池の拡散層の製造方法、
請求項２４の燃料電池の拡散層の製造装置によれば、拡
散層に形成される撥水カーボン層が２種類のバインダに
より形成されるので、剛性の高いほうの材料の添加によ
り、拡散層の撥水層の耐クリープ性を向上させることが
できる。請求項２５の燃料電池の拡散層、請求項２６の
燃料電池の拡散層の製造方法、請求項２７の燃料電池の
拡散層の製造装置によれば、少なくともカーボンと樹脂
とからなるペーストに焼成前に剪断力を付与するので、
剪断力付与により樹脂の繊維化が促進されてバインダの
結着力が増し、撥水カーボン層の強度が向上して拡散層
の耐クリープ性を向上させることができる。請求項２８
の燃料電池の拡散層、請求項２９の燃料電池の拡散層の
製造方法、請求項３０の燃料電池の拡散層の製造装置に
よれば、基材に塗布した少なくともカーボンと樹脂とか
らなるペーストを焼成後、基材とともに基材幅方向に応
力を発生させるロール間に通して撥水カーボン層に剪断
力を付与するので、剪断力付与により樹脂の繊維化が促
進されてバインダの結着力が増し、撥水カーボン層の強
度が向上して拡散層の耐クリープ性を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１、２、３の拡散層の製造方
法、製造装置で製造された実施例１、２、３の拡散層の
拡大断面図である。

【図２】本発明の実施例１、２、３の燃料電池の拡散層
の製造方法、製造装置で製造された実施例１、２、３の
拡散層と従来製法で製造された拡散層との、荷重付与時
のヤーンの拡大断面変形図である。

【図３】本発明の実施例１の燃料電池の拡散層の製造方
法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略
図である。

【図４】本発明の実施例２の燃料電池の拡散層の製造方
法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略
図である。

【図５】本発明の実施例３の燃料電池の拡散層の製造方
法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略
図である。

【図６】本発明実施例（何れの実施例でもよい）の燃料
電池の拡散層の製造方法で製造された拡散層を装着した
燃料電池の定寸締めスタックの内部抵抗の変化図であ
る。

【図７】本発明の実施例４の燃料電池の拡散層の製造方
法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略
図である。

【図８】本発明の実施例４の燃料電池の拡散層の製造方
法で製造された拡散層の拡大断面図である。

【図９】本発明の実施例５の燃料電池の拡散層の製造方
法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略
図である。

【図１０】本発明の実施例６の燃料電池の拡散層の製造
方法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概
略図である。

【図１１】本発明の実施例７の燃料電池の拡散層の製造
方法で製造された拡散層の拡大断面図およびその製造装
置の概略図である。

【図１２】本発明の実施例８の燃料電池の拡散層の製造
方法で用いる製造装置の側面図である。

【図１３】本発明の実施例９の燃料電池の拡散層の製造
方法で用いる製造装置の側面図である。

【図１４】本発明の実施例９の燃料電池の拡散層の製造
方法で用いる製造装置の正面図である。

【図１５】本発明実施例の燃料電池の拡散層の製造方法
で製造された拡散層が組み付けられた燃料電池の正面図
である。

【図１６】図１５の燃料電池のモジュールの拡大断面図
である。

【符号の説明】

１ ヤーン ２ フィラメント ３ バインダ ４ 剛直部位 ５ 柔軟部位 １０ （固体高分子電解質型）燃料電池 １１ 電解質膜 １２ 触媒層 １３ 拡散層 １３ａ 撥水カーボン層（撥水層） １３ｂ 基材 １４ 電極（アノード、燃料極） １５ 触媒層 １６ 拡散層 １６ａ 撥水カーボン層（撥水層） １６ｂ 基材 １７ 電極（カソード、空気極） １８ セパレータ １９ モジュール ２０ ターミナル ２１ インシュレータ ２２ エンドプレート ２３ スタック ２４ 締結部材（テンションプレート） ２５ ボルトまたはナット ２６ 冷却水流路 ２７ ガス流路 ３０ メインタンク ３１ ミキサ ３２ ヒータ３２ ３３ 吐出ヘッド ４０、４１ プレスロール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木野 喜隆 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS01 BB00 BB01 BB03 BB05 DD05 EE05 EE08 EE17 EE18 EE19 5H026 AA06 CC03

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材を有し、該基材が、プリカーサの織
   布の炭化処理されたヤーンと、ヤーンのフィラメント間
   に含浸してフィラメントを結合している炭化処理された
   バインダとからなっている、燃料電池の拡散層。
2. 【請求項２】 織布化した基材に樹脂のバインダを含浸
   させる第１の工程と、バインダを含浸させた基材を炭化
   処理する第２の工程と、からなる燃料電池の拡散層の製
   造方法。
3. 【請求項３】 織布化した基材に含浸させる樹脂の液状
   バインダを入れたバインダ含浸処理容器と、バインダを
   含浸させた基材を炭化処理する炭化焼成炉と、を備えた
   燃料電池の拡散層の製造装置。
4. 【請求項４】 基材を有し、該基材が、プリカーサの織
   布の炭化処理されたヤーンと、炭化されたヤーンのフィ
   ラメント間に含浸してフィラメントを結合している溶融
   凝固された未炭化の導電性樹脂バインダとからなってい
   る、燃料電池の拡散層。
5. 【請求項５】 織布化した基材を炭化処理する第１の工
   程と、炭化処理した基材に導電性樹脂バインダを含浸さ
   せる第２の工程と、基材に含浸させた導電性樹脂バイン
   ダを溶融凝固させる第３の工程と、からなる燃料電池の
   拡散層の製造方法。
6. 【請求項６】 織布化した基材を炭化処理する炭化焼成
   炉と、炭化処理された織布化基材に含浸させる導電性樹
   脂の液状バインダを入れた含浸処理容器と、バインダを
   溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉と、を備えた燃料電
   池の拡散層の製造装置。
7. 【請求項７】 撥水層兼用の基材を有し、該基材が、プ
   リカーサの織布の炭化処理されたヤーンと、炭化された
   ヤーンのフィラメント間に含浸してフィラメントを結合
   している溶融凝固された未炭化の非導電性樹脂バインダ
   とからなっている、燃料電池の拡散層。
8. 【請求項８】 織布化した基材を炭化処理する第１の工
   程と、炭化処理した基材にフッ素系樹脂またはシリコン
   系樹脂を含浸させる第２の工程と、基材に含浸させたフ
   ッ素系樹脂またはシリコン系樹脂を硬化または熱溶着さ
   せる第３の工程と、からなる燃料電池の拡散層の製造方
   法。
9. 【請求項９】 織布化した基材を炭化処理する炭化焼成
   炉と、炭化処理された織布化基材に含浸させる非導電性
   樹脂の液状バインダを入れた含浸処理容器と、バインダ
   を溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉と、を備えた燃料
   電池の拡散層の製造装置。
10. 【請求項１０】 基材を有し、該基材が、不織布化した
    カーボン繊維の抄紙と該抄紙に含浸量に分布をもたせて
    含浸され炭化された炭化樹脂バインダとからなり、バイ
    ンダ量が多い部位は耐クリープ性のある剛直部位となり
    バインダ量が少ない部位は可撓性のある柔軟部位となっ
    ている、燃料電池の拡散層。
11. 【請求項１１】 湿式で不織布化したカーボン繊維の抄
    紙に樹脂のバインダを不均一に含浸させる第１の工程
    と、バインダを不均一に含浸させた抄紙を炭化処理する
    第２の工程と、からなる燃料電池の拡散層の製造方法。
12. 【請求項１２】 湿式で不織布化したカーボン繊維の抄
    紙に樹脂のバインダを含浸量に分布をもたせて不均一に
    含浸させる樹脂バインダ不均一含浸装置と、バインダを
    含浸した抄紙を炭化処理する炭化焼成炉と、を備えた燃
    料電池の拡散層の製造装置。
13. 【請求項１３】 乾式で不織布化した基材とその全域に
    含浸された樹脂バインダとが、プレスされ、一括完全炭
    化処理された燃料電池の拡散層。
14. 【請求項１４】 乾式で不織布化した基材に樹脂のバイ
    ンダを含浸させる第１の工程と、バインダを含浸させた
    基材をプレスする第２の工程と、プレスされたバインダ
    含浸の基材を完全炭化処理する第３の工程と、からなる
    燃料電池の拡散層の製造方法。
15. 【請求項１５】 乾式で不織布化した基材に樹脂のバイ
    ンダを含浸させる樹脂バインダ含浸装置と、バインダを
    含浸させた基材をプレスするプレス装置と、プレスされ
    たバインダ含浸の基材を完全炭化処理する炭化処理炉
    と、を有する燃料電池の拡散層の製造装置。
16. 【請求項１６】 基材の片側に形成された、カーボンと
    樹脂との混合からなる撥水カーボン層を有し、該撥水カ
    ーボン層が、粘着力に乏しいが強度の強い内層部と、該
    内層部の上に塗布された柔軟で粘着力に優れた表層部と
    の、複数の積層構造からなる燃料電池の拡散層。
17. 【請求項１７】 基材に複数回樹脂を塗布、焼成のプロ
    セスを行い、それぞれのプロセスで条件を異ならせた燃
    料電池の拡散層の製造方法。
18. 【請求項１８】 カーボン織布もしくはカーボン不織布
    に樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートし
    た上で前記樹脂の融点を越える高温にて焼成する第１の
    工程と、第１の工程後に前記樹脂とカーボンとからなる
    撥水カーボン層を再度コートした上で前記樹脂の融点近
    傍の低温にて焼成する第２の工程と、からなる請求項１
    ７の燃料電池の拡散層の製造方法。
19. 【請求項１９】 カーボン織布もしくはカーボン不織布
    に塗布された樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層
    を前記樹脂の融点を越える高温にて焼成し、ついで前記
    撥水カーボン層の上に再度塗布された前記樹脂とカーボ
    ンとからなる撥水カーボン層を前記樹脂の融点近傍の低
    温にて焼成する、樹脂溶融凝固焼成炉を備えた燃料電池
    の拡散層の製造装置。
20. 【請求項２０】 拡散層に形成される撥水カーボン層の
    バインダとして２種類のバインダを用いた燃料電池の拡
    散層。
21. 【請求項２１】 拡散層に形成される撥水カーボン層の
    バインダとして粘着性のある樹脂と該樹脂より剛性が高
    い材料を用いた請求項２０記載の燃料電池の拡散層。
22. 【請求項２２】 拡散層に形成される撥水カーボン層
    を、カーボンに２種類のバインダを含む液を基材に塗布
    し、ついでバインダの融点近傍の温度で溶融凝固させて
    形成する燃料電池の拡散層の製造方法。
23. 【請求項２３】 拡散層に形成される撥水カーボン層
    を、カーボンに粘着性のある樹脂と該樹脂より剛性が高
    い材料からなるバインダを基材に塗布し、ついでバイン
    ダの融点近傍の温度で溶融凝固させて形成する請求項２
    ２記載の燃料電池の拡散層の製造方法。
24. 【請求項２４】 基材に塗布された、カーボンと２種類
    の樹脂バインダを含む撥水カーボン層を、バインダ樹脂
    の融点近傍の温度で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉
    を備えた燃料電池の拡散層の製造装置。
25. 【請求項２５】 基材に少なくともカーボンと樹脂とか
    らなるペーストを塗布焼成した撥水層を有し、該撥水層
    が塗布焼成前に剪断力を付与されている燃料電池の拡散
    層。
26. 【請求項２６】 少なくともカーボンと樹脂とからなる
    ペーストに剪断力を付与する第１の工程と、剪断力が付
    与されたペーストを基材に塗布する第２の工程と、ペー
    ストを基材に塗布後基材に塗布されたペーストを前記樹
    脂の融点近傍の温度で焼成する第３の工程と、からなる
    燃料電池の拡散層の製造方法。
27. 【請求項２７】 少なくともカーボンと樹脂とからなる
    ペーストに剪断力を付与するミキサと、該剪断力が付与
    されたペーストを基材に塗布する塗布装置と、基材に塗
    布されたペーストを前記樹脂の融点近傍の温度で溶融凝
    固させる樹脂溶融凝固焼成炉と、を有する燃料電池の拡
    散層の製造装置。
28. 【請求項２８】 基材に少なくともカーボンと樹脂とか
    らなるペーストを塗布焼成した撥水層を有し、該撥水層
    が焼成後剪断力を付与されている燃料電池の拡散層。
29. 【請求項２９】 少なくともカーボンと樹脂とからなる
    撥水カーボン層を基材に塗布形成する第１の工程と、基
    材に塗布形成された撥水カーボン層を前記樹脂の融点近
    傍の温度で焼成する第２の工程と、焼成後のペーストを
    基材ごと基材幅方向に応力を発生させるロール間に通し
    て撥水カーボン層に剪断力を付与する第３の工程と、か
    らなる燃料電池の拡散層の製造方法。
30. 【請求項３０】 少なくともカーボンと樹脂とからなる
    ペーストを基材に塗布する塗布装置と、基材に塗布され
    たペーストを前記樹脂の融点近傍の温度で溶融凝固させ
    る樹脂溶融凝固焼成炉と、焼成後のペーストが基材ごと
    通された時に焼成後のペーストに剪断力を発生させる一
    対の剪断力付与ロールと、を有する燃料電池の拡散層の
    製造装置。