JP2002367617A - 燃料電池用ガス拡散層の製造方法 - Google Patents
燃料電池用ガス拡散層の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ガス拡散層上の平滑性を維持し、かつガス拡
散層内にガス拡散用の気孔を均一に形成する。 【解決手段】 カーボンブラック粒子３２と、撥水性粒
子３４と、界面活性剤３６，３８を第１の溶媒である水
３０に分散させてスラリー状の一次分散液を生成したの
ち、水３０に対して非溶解性であって水３０より高沸点
の非水系溶媒４０と界面活性剤４２とを一次分散液に分
散又は乳化させペースト状の二次分散液を生成させ、こ
の二次分散液を電極基材上に塗布しガス拡散層用被膜を
形成し、次いで、ガス拡散用被膜より非水系溶媒４０が
揮発することのない乾燥温度で水３０を主に揮発させ、
その後乾燥温度を上げて、水３０が揮発し乾燥したガス
拡散用被膜より非水系溶媒４０を揮発させ、非水系溶媒
４０の揮発した部分に気孔を形成させる燃料電池用ガス
拡散層の製造方法である。
散層内にガス拡散用の気孔を均一に形成する。 【解決手段】 カーボンブラック粒子３２と、撥水性粒
子３４と、界面活性剤３６，３８を第１の溶媒である水
３０に分散させてスラリー状の一次分散液を生成したの
ち、水３０に対して非溶解性であって水３０より高沸点
の非水系溶媒４０と界面活性剤４２とを一次分散液に分
散又は乳化させペースト状の二次分散液を生成させ、こ
の二次分散液を電極基材上に塗布しガス拡散層用被膜を
形成し、次いで、ガス拡散用被膜より非水系溶媒４０が
揮発することのない乾燥温度で水３０を主に揮発させ、
その後乾燥温度を上げて、水３０が揮発し乾燥したガス
拡散用被膜より非水系溶媒４０を揮発させ、非水系溶媒
４０の揮発した部分に気孔を形成させる燃料電池用ガス
拡散層の製造方法である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に気孔が均一で
あるとともに、触媒層との密着性の良好なガス拡散層を
有する燃料電池に関する。
あるとともに、触媒層との密着性の良好なガス拡散層を
有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気化学反応による発電方式を用いた燃
料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから小
電力電池として近年脚光を浴びている。燃料電池の原理
は、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素が結び
ついて電子イオンと水とが生成する仕組みを利用してい
る。
料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから小
電力電池として近年脚光を浴びている。燃料電池の原理
は、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素が結び
ついて電子イオンと水とが生成する仕組みを利用してい
る。
【０００３】燃料電池としては、無機酸であるリン酸を
電解質とするリン酸型燃料電池と、炭酸リチウムと炭酸
カリウムとの混合炭酸塩を含浸させた電界質板を用いる
溶融炭酸塩型燃料電池と、リン酸水溶液や溶融炭酸塩の
ような液体上材料の代わりにイオン導電性を有する固体
の安定化ジルコニアを電解質とし作動温度１０００℃の
固体電解質型燃料電池と、水酸化カリウム水溶液を電解
質とするアルカリ型燃料電池と、水素イオン導電性のフ
ッ素樹脂系のイオン交換膜（例えばナフィオン（Nafion
デュポン社の登録商標））を電解質として作動温度８
０〜９０℃である固体高分子型燃料電池がある。
電解質とするリン酸型燃料電池と、炭酸リチウムと炭酸
カリウムとの混合炭酸塩を含浸させた電界質板を用いる
溶融炭酸塩型燃料電池と、リン酸水溶液や溶融炭酸塩の
ような液体上材料の代わりにイオン導電性を有する固体
の安定化ジルコニアを電解質とし作動温度１０００℃の
固体電解質型燃料電池と、水酸化カリウム水溶液を電解
質とするアルカリ型燃料電池と、水素イオン導電性のフ
ッ素樹脂系のイオン交換膜（例えばナフィオン（Nafion
デュポン社の登録商標））を電解質として作動温度８
０〜９０℃である固体高分子型燃料電池がある。
【０００４】近年、特に電解質の逸散・保持等の問題が
なく、常温で起動しかつ起動時間が極めて早い等の利点
を有する固体高分子型燃料電池が注目されている。この
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyt
e Fuel Cells）の構造は、固体高分子電解質膜を２枚の
ガス拡散電極で挟み、これらを一体として接合したセル
が少なくとも１つ以上が積層されスタックを形成してな
る。
なく、常温で起動しかつ起動時間が極めて早い等の利点
を有する固体高分子型燃料電池が注目されている。この
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyt
e Fuel Cells）の構造は、固体高分子電解質膜を２枚の
ガス拡散電極で挟み、これらを一体として接合したセル
が少なくとも１つ以上が積層されスタックを形成してな
る。
【０００５】上記固体高分子型燃料電池は、図５に示す
ように、電解質１１に上述した高分子イオン交換膜を用
い、この電解質１１の両側には、それぞれアノード側触
媒電極１２とカソード側触媒電極１６（いずれも例えば
触媒として白金を含む）が配置され、更に両触媒電極１
２，１６の外側には、それぞれアノード側ガス拡散電極
１４とカソード側ガス拡散電極１８が配置され、セル１
０が形成されている。
ように、電解質１１に上述した高分子イオン交換膜を用
い、この電解質１１の両側には、それぞれアノード側触
媒電極１２とカソード側触媒電極１６（いずれも例えば
触媒として白金を含む）が配置され、更に両触媒電極１
２，１６の外側には、それぞれアノード側ガス拡散電極
１４とカソード側ガス拡散電極１８が配置され、セル１
０が形成されている。
【０００６】更に、カソード側ガス拡散電極１８の構造
を図６に示す。図６に示すように、カソード側ガス拡散
電極１８は、カーボンペーパーやカーボンシートからな
る電極基材５２上に撥水カーボン層２４を形成したガス
拡散層からなる。そして、撥水カーボン層２４は、酸化
ガスが拡散可能な気孔を複数有するように、カーボンブ
ラック粒子と撥水性樹脂粒子が分散されている分散液を
塗布し、乾燥、焼成させて形成している。そして、撥水
カーボン層２４の上面は、触媒層からなるカソード側触
媒電極１６に密着するように配置されている。なお、こ
こでは、カソード側ガス拡散電極について説明したが、
アノード側ガス拡散電極も同様の構造を有する。
を図６に示す。図６に示すように、カソード側ガス拡散
電極１８は、カーボンペーパーやカーボンシートからな
る電極基材５２上に撥水カーボン層２４を形成したガス
拡散層からなる。そして、撥水カーボン層２４は、酸化
ガスが拡散可能な気孔を複数有するように、カーボンブ
ラック粒子と撥水性樹脂粒子が分散されている分散液を
塗布し、乾燥、焼成させて形成している。そして、撥水
カーボン層２４の上面は、触媒層からなるカソード側触
媒電極１６に密着するように配置されている。なお、こ
こでは、カソード側ガス拡散電極について説明したが、
アノード側ガス拡散電極も同様の構造を有する。
【０００７】一般に、上記撥水性樹脂粒子として用いら
れるポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」と
いう）粒子は水に分散された状態で市販されている。そ
こで、ＰＴＦＥ粒子の水分散液にカーボンブラック粒子
を分散させ、水系撥水カーボン層用分散液を生成した
後、この水系撥水カーボン層用分散液を電極基材５２に
塗布し、乾燥、焼成させて撥水カーボン層２４を製造し
ていた。
れるポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」と
いう）粒子は水に分散された状態で市販されている。そ
こで、ＰＴＦＥ粒子の水分散液にカーボンブラック粒子
を分散させ、水系撥水カーボン層用分散液を生成した
後、この水系撥水カーボン層用分散液を電極基材５２に
塗布し、乾燥、焼成させて撥水カーボン層２４を製造し
ていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
水系撥水カーボン層用分散液は粘度が低いため、電極基
材に塗布すると該基材中に浸透してしまい、基材表面に
十分な量の撥水カーボン層を形成することができない。
そのため、ガス拡散電極と接触する撥水カーボン層の面
積が小さくなり燃料電池の出力が小さくなる。
水系撥水カーボン層用分散液は粘度が低いため、電極基
材に塗布すると該基材中に浸透してしまい、基材表面に
十分な量の撥水カーボン層を形成することができない。
そのため、ガス拡散電極と接触する撥水カーボン層の面
積が小さくなり燃料電池の出力が小さくなる。
【０００９】上記のような、水系撥水カーボン層用分散
液の電極基材への浸透を防止するため、該分散液に増粘
剤を添加して粘性を増大させることも提案されている。
液の電極基材への浸透を防止するため、該分散液に増粘
剤を添加して粘性を増大させることも提案されている。
【００１０】この場合には、塗布後の電極基材表面には
十分な分散液が保持できるものの、その後の乾燥による
溶媒の除去、焼成による撥水カーボン層の形成の過程で
撥水カーボン層に大きな亀裂が生ずる。亀裂の存在によ
りガスの拡散が不均一となり、やはり燃料電池としての
出力が小さくなってしまう。
十分な分散液が保持できるものの、その後の乾燥による
溶媒の除去、焼成による撥水カーボン層の形成の過程で
撥水カーボン層に大きな亀裂が生ずる。亀裂の存在によ
りガスの拡散が不均一となり、やはり燃料電池としての
出力が小さくなってしまう。
【００１１】そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、ガス拡散層に均一な気孔を
形成するとともに触媒層との密着性を向上させた燃料電
池用ガス拡散層の製造方法を提供することである。
たものであり、その目的は、ガス拡散層に均一な気孔を
形成するとともに触媒層との密着性を向上させた燃料電
池用ガス拡散層の製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、以下
の特徴を有する。
に、本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、以下
の特徴を有する。
【００１３】（１）少なくともガス拡散用基材粒子と、
撥水性粒子と、を第１の溶媒に分散させて一次分散液を
生成させる一次分散液生成工程と、前記第１の溶媒に対
して非溶解性であって前記第１の溶媒より高沸点の第２
の溶液を前記一次分散液に分散させ二次分散液を生成さ
せる二次分散液生成工程と、前記二次分散液を電極基材
上に塗布しガス拡散層用被膜を形成する塗布工程と、前
記ガス拡散用被膜より前記第１の溶媒を揮発させる第１
の除去工程と、前記ガス拡散用被膜より前記第２の溶媒
を揮発させる第２の除去工程と、を有する燃料電池用ガ
ス拡散層の製造方法である。
撥水性粒子と、を第１の溶媒に分散させて一次分散液を
生成させる一次分散液生成工程と、前記第１の溶媒に対
して非溶解性であって前記第１の溶媒より高沸点の第２
の溶液を前記一次分散液に分散させ二次分散液を生成さ
せる二次分散液生成工程と、前記二次分散液を電極基材
上に塗布しガス拡散層用被膜を形成する塗布工程と、前
記ガス拡散用被膜より前記第１の溶媒を揮発させる第１
の除去工程と、前記ガス拡散用被膜より前記第２の溶媒
を揮発させる第２の除去工程と、を有する燃料電池用ガ
ス拡散層の製造方法である。
【００１４】上記第１の溶媒に非溶解性の第２の溶媒を
分散させることにより、二次分散液を増粘させることが
できる。これにより、例えば水を第１の溶媒として用い
た場合の乾燥収縮を抑制することができ、ガス拡散層の
ひび割れを防止することができる。その結果、触媒層と
の密着性が向上し、導電性を高めることができる。ま
た、第２の溶媒は、第１の溶媒より高沸点の溶媒を用い
ているため、第１の溶媒を揮発させたのち除去温度を上
げることによって、拡散用被膜内に分散されていた第２
の溶媒が揮発し、その揮発した部分に気孔を形成させる
ことができる。すなわち、第２の溶媒を造孔材として機
能させることができる。これにより、製造されたガス拡
散層には、複数の気孔が形成されているため、ガス拡散
性が向上する。従って、燃料電池の出力を向上させるこ
とができる。
分散させることにより、二次分散液を増粘させることが
できる。これにより、例えば水を第１の溶媒として用い
た場合の乾燥収縮を抑制することができ、ガス拡散層の
ひび割れを防止することができる。その結果、触媒層と
の密着性が向上し、導電性を高めることができる。ま
た、第２の溶媒は、第１の溶媒より高沸点の溶媒を用い
ているため、第１の溶媒を揮発させたのち除去温度を上
げることによって、拡散用被膜内に分散されていた第２
の溶媒が揮発し、その揮発した部分に気孔を形成させる
ことができる。すなわち、第２の溶媒を造孔材として機
能させることができる。これにより、製造されたガス拡
散層には、複数の気孔が形成されているため、ガス拡散
性が向上する。従って、燃料電池の出力を向上させるこ
とができる。
【００１５】（２）上記（１）に記載の燃料電池用ガス
拡散層の製造方法において、前記第２の溶媒の添加量を
制御することにより、前記二次分散液の粘度及び製造さ
れたガス拡散層の気孔率の少なくとも一方を制御する燃
料電池用ガス拡散層の製造方法である。
拡散層の製造方法において、前記第２の溶媒の添加量を
制御することにより、前記二次分散液の粘度及び製造さ
れたガス拡散層の気孔率の少なくとも一方を制御する燃
料電池用ガス拡散層の製造方法である。
【００１６】第２の溶媒は、上述したように第１の溶媒
に非溶解であるため、第２の溶媒の添加量を変えること
によって、二次分散液の分散状態又は乳化状態を変える
ことができる。この分散状態又は乳化状態によって、二
次分散液の粘度を変えることができ、これにより、第１
及び第２の溶媒の除去後の乾燥収縮を抑制することがで
きるとともに、電極基材への塗布性を向上させることが
できる。また、第２の溶媒の添加量を変えることによっ
て、製造されたガス拡散層の気孔率、例えば気孔量を制
御することができる。
に非溶解であるため、第２の溶媒の添加量を変えること
によって、二次分散液の分散状態又は乳化状態を変える
ことができる。この分散状態又は乳化状態によって、二
次分散液の粘度を変えることができ、これにより、第１
及び第２の溶媒の除去後の乾燥収縮を抑制することがで
きるとともに、電極基材への塗布性を向上させることが
できる。また、第２の溶媒の添加量を変えることによっ
て、製造されたガス拡散層の気孔率、例えば気孔量を制
御することができる。
【００１７】（３）上記（１）に記載の燃料電池用ガス
拡散層の製造方法において、更に、前記二次分散液生成
工程では、前記一次分散液に界面活性剤が添加される燃
料電池用ガス拡散層の製造方法である。
拡散層の製造方法において、更に、前記二次分散液生成
工程では、前記一次分散液に界面活性剤が添加される燃
料電池用ガス拡散層の製造方法である。
【００１８】界面活性剤を一次分散液に添加させること
によって、第１の溶媒中に第２の溶媒を均一に分散又は
乳化させることができる。このように生成された二次分
散液を電極基材に塗布した後、第１の溶媒に続き第２の
溶媒を揮発させることによって、ガス拡散層における気
孔を均一に形成させることができる。
によって、第１の溶媒中に第２の溶媒を均一に分散又は
乳化させることができる。このように生成された二次分
散液を電極基材に塗布した後、第１の溶媒に続き第２の
溶媒を揮発させることによって、ガス拡散層における気
孔を均一に形成させることができる。
【００１９】（４）上記（３）に記載の燃料電池用ガス
拡散層の製造方法において、前記界面活性剤の添加量を
制御することにより、前記二次分散液の粘度及び製造さ
れたガス拡散層の気孔率の少なくとも一方を制御する燃
料電池用ガス拡散層の製造方法である。
拡散層の製造方法において、前記界面活性剤の添加量を
制御することにより、前記二次分散液の粘度及び製造さ
れたガス拡散層の気孔率の少なくとも一方を制御する燃
料電池用ガス拡散層の製造方法である。
【００２０】上記界面活性剤の添加量を調整するとによ
って、第１の溶媒中の第２の溶媒の分散滴又は乳化滴の
大きさを調整することができる。これにより、製造され
たガス拡散層の気孔率、例えば気孔径や気孔量を制御す
ることができる。
って、第１の溶媒中の第２の溶媒の分散滴又は乳化滴の
大きさを調整することができる。これにより、製造され
たガス拡散層の気孔率、例えば気孔径や気孔量を制御す
ることができる。
【００２１】（５）上記（２）又は（４）に記載の燃料
電池用ガス拡散層の製造方法において、前記二次分散液
生成工程における分散時の機械的応力を制御することに
よって、前記二次分散液の粘度及び製造されたガス拡散
層の気孔率の少なくとも一方を制御する燃料電池用ガス
拡散層の製造方法である。
電池用ガス拡散層の製造方法において、前記二次分散液
生成工程における分散時の機械的応力を制御することに
よって、前記二次分散液の粘度及び製造されたガス拡散
層の気孔率の少なくとも一方を制御する燃料電池用ガス
拡散層の製造方法である。
【００２２】二次分散液の生成の際の分散時に機械的応
力、例えば攪拌力を変えることによって、二次分散液の
分散状態又は乳化状態を調整することができる。これに
より、二次分散液の粘度や製造されたガス拡散層の気孔
率、例えば気孔径を変化させることができる。
力、例えば攪拌力を変えることによって、二次分散液の
分散状態又は乳化状態を調整することができる。これに
より、二次分散液の粘度や製造されたガス拡散層の気孔
率、例えば気孔径を変化させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
説明する。なお、先に説明した従来の燃料電池と同じ構
成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。
説明する。なお、先に説明した従来の燃料電池と同じ構
成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２４】図１には、本実施の形態の燃料電池用ガス
拡散層の製造に用いる分散液の模式図が示されている。
また、図２には、本実施の形態のガス拡散層の製造方法
のフローチャートが示されている。
拡散層の製造に用いる分散液の模式図が示されている。
また、図２には、本実施の形態のガス拡散層の製造方法
のフローチャートが示されている。
【００２５】図１，２に示すように、本実施の形態の製
造方法は、次の通りである。まず、撥水性粒子３４とカ
ーボンブラック粒子３２を第１の溶媒である水３０に添
加し、更に、界面活性剤３６，３８を用いて分散させ、
一次分散液を生成させる（Ｓ１００）。ここで、一次分
散液は粘性の少ないスラリー状である。次いで、一次分
散液内に、水３０には非溶解性の第２の溶媒である非水
系溶媒４０を界面活性剤４２を用いて分散又は乳化さ
せ、二次分散液を生成させる（Ｓ１０２）。ここで、二
次分散液は、チクソトロピー性を有するペースト状にな
る。このペースト状の二次分散液を電極基材上に塗布
し、ガス拡散用被膜を形成する（Ｓ１０４）。その後、
ガス拡散用被膜から主に水３０だけを揮発させための乾
燥温度で、ガス拡散用被膜を乾燥させる（Ｓ１０６）。
この乾燥工程では、後述するように、非水系溶媒４０は
揮発することなく、ガス拡散用被膜内に残留している。
次いで、温度を上昇させて、ガス拡散用被膜から主に非
水系溶媒４０を揮発させるための焼成温度において、非
水系溶媒４０を揮発させる（Ｓ１０８）。この焼成工程
では、乾燥したガス拡散用被膜から非水系溶媒４０が揮
発するため、非水系溶媒４０が揮発した部分に気孔が形
成されることとなる。これにより、製造されたガス拡散
層内には、気孔が均一に形成される。
造方法は、次の通りである。まず、撥水性粒子３４とカ
ーボンブラック粒子３２を第１の溶媒である水３０に添
加し、更に、界面活性剤３６，３８を用いて分散させ、
一次分散液を生成させる（Ｓ１００）。ここで、一次分
散液は粘性の少ないスラリー状である。次いで、一次分
散液内に、水３０には非溶解性の第２の溶媒である非水
系溶媒４０を界面活性剤４２を用いて分散又は乳化さ
せ、二次分散液を生成させる（Ｓ１０２）。ここで、二
次分散液は、チクソトロピー性を有するペースト状にな
る。このペースト状の二次分散液を電極基材上に塗布
し、ガス拡散用被膜を形成する（Ｓ１０４）。その後、
ガス拡散用被膜から主に水３０だけを揮発させための乾
燥温度で、ガス拡散用被膜を乾燥させる（Ｓ１０６）。
この乾燥工程では、後述するように、非水系溶媒４０は
揮発することなく、ガス拡散用被膜内に残留している。
次いで、温度を上昇させて、ガス拡散用被膜から主に非
水系溶媒４０を揮発させるための焼成温度において、非
水系溶媒４０を揮発させる（Ｓ１０８）。この焼成工程
では、乾燥したガス拡散用被膜から非水系溶媒４０が揮
発するため、非水系溶媒４０が揮発した部分に気孔が形
成されることとなる。これにより、製造されたガス拡散
層内には、気孔が均一に形成される。
【００２６】本実施の形態の特徴は、第２の溶媒が第１
の溶媒に溶解することなく、また第２の溶媒の沸点は、
第１の溶媒の沸点より高いという点である。従って、乾
燥工程と焼成工程の２段の溶媒除去工程によって、第２
の溶媒を造孔材として機能させることができる。
の溶媒に溶解することなく、また第２の溶媒の沸点は、
第１の溶媒の沸点より高いという点である。従って、乾
燥工程と焼成工程の２段の溶媒除去工程によって、第２
の溶媒を造孔材として機能させることができる。
【００２７】更に、本実施の形態を詳説すると、上記の
第１の溶媒は、例えば水が好ましいが、沸点１００℃程
度又はそれ以下の水系溶媒であってもよい。
第１の溶媒は、例えば水が好ましいが、沸点１００℃程
度又はそれ以下の水系溶媒であってもよい。
【００２８】また、上記第２の溶媒は、第１の溶媒に溶
解しない非水系の溶媒であって、上述したように、第１
の溶媒より高沸点の溶媒が好ましい。例えば、第１の溶
媒を水とした場合には、第２の溶媒は、沸点が１１０℃
以上、好ましくは１５０℃以上、更に２００℃以上であ
ればより好ましい。第２の溶媒としては、上記沸点を考
慮して、例えばパラフィンやイソパラフィン等の脂肪族
炭化水素類、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、又はこれ
らの誘導体を用いることができる。
解しない非水系の溶媒であって、上述したように、第１
の溶媒より高沸点の溶媒が好ましい。例えば、第１の溶
媒を水とした場合には、第２の溶媒は、沸点が１１０℃
以上、好ましくは１５０℃以上、更に２００℃以上であ
ればより好ましい。第２の溶媒としては、上記沸点を考
慮して、例えばパラフィンやイソパラフィン等の脂肪族
炭化水素類、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、又はこれ
らの誘導体を用いることができる。
【００２９】また、上記撥水性粒子としては、例えばフ
ッ素系樹脂粒子が好ましく、フッ素系樹脂粒子として
は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が
好ましい。
ッ素系樹脂粒子が好ましく、フッ素系樹脂粒子として
は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が
好ましい。
【００３０】また、撥水性粒子とカーボンブラック粒子
とは、固形分重量比で１：１で添加されていることが好
ましいが、比率はこれに限定されるものではなく、所望
の撥水性等を考慮し必要に応じて比率を変化させてもよ
い。
とは、固形分重量比で１：１で添加されていることが好
ましいが、比率はこれに限定されるものではなく、所望
の撥水性等を考慮し必要に応じて比率を変化させてもよ
い。
【００３１】上記電極基材は、多孔体が好ましく、例え
ばカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン抄紙等
を用途に応じて選択される。
ばカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン抄紙等
を用途に応じて選択される。
【００３２】また、図２のＳ１０６に示す乾燥工程にお
ける乾燥温度は、第１の溶媒が蒸発できる温度であれば
よいが、第１の溶媒の沸点温度近傍、第２の溶媒の沸点
以下であることが好ましく、例えば第１の溶媒が水の場
合には、乾燥温度は５０℃以上、更に１００℃を越える
高温で行うことにより乾燥時間を短縮することができ
る。
ける乾燥温度は、第１の溶媒が蒸発できる温度であれば
よいが、第１の溶媒の沸点温度近傍、第２の溶媒の沸点
以下であることが好ましく、例えば第１の溶媒が水の場
合には、乾燥温度は５０℃以上、更に１００℃を越える
高温で行うことにより乾燥時間を短縮することができ
る。
【００３３】一方、図２のＳ１０８に示す焼成工程にお
ける焼成温度は、第２の溶媒の沸点以上、例えば１１０
℃以上、好ましくは１５０℃以上、更に２００℃以上で
あればより好ましいが、上記フッ素系樹脂の耐熱温度以
下に焼成温度を保つことがより好適である。
ける焼成温度は、第２の溶媒の沸点以上、例えば１１０
℃以上、好ましくは１５０℃以上、更に２００℃以上で
あればより好ましいが、上記フッ素系樹脂の耐熱温度以
下に焼成温度を保つことがより好適である。
【００３４】また、上記界面活性剤３６，３８，４２
は、金属イオンを含まない界面活性剤が好適であり、例
えばノニオン系界面活性剤、金属イオンを含まないアニ
オン系界面活性剤又はカチオン系界面活性剤を用いるこ
とができる。また、上記界面活性剤３６，３８，４２
は、上記焼成温度において揮発するものであることが好
ましい。
は、金属イオンを含まない界面活性剤が好適であり、例
えばノニオン系界面活性剤、金属イオンを含まないアニ
オン系界面活性剤又はカチオン系界面活性剤を用いるこ
とができる。また、上記界面活性剤３６，３８，４２
は、上記焼成温度において揮発するものであることが好
ましい。
【００３５】更に、本実施の形態の製造方法において、
第２の溶媒の添加量を制御することにより、上記二次分
散液の粘度や製造されたガス拡散層の気孔率を制御する
ことができる。
第２の溶媒の添加量を制御することにより、上記二次分
散液の粘度や製造されたガス拡散層の気孔率を制御する
ことができる。
【００３６】すなわち、第２の溶媒は、上述したように
第１の溶媒に非溶解であるため、第２の溶媒の添加量を
変えることによって、二次分散液の分散状態又は乳化状
態を変えることができる。この分散状態又は乳化状態に
よって、ペースト状の二次分散液の粘度を変えることが
できる。これにより、第１の溶媒及び第２の溶媒を揮発
させた後の乾燥収縮を抑制することができ、ガス拡散層
の表面の平滑性を保つことができる。その結果、ガス拡
散層と触媒層と密着性が向上し、導電性が高くなり、燃
料電池の出力が向上する。また、第２の溶媒の添加量を
変えることによって、上記ガス拡散用被膜に含有される
第２の溶媒の量を調整することができる。従って、第２
の溶媒を揮発させることによって、製造されたガス拡散
層の気孔率、例えば気孔量を制御することができる。こ
こで、気孔は、主にガス拡散時にガスの流通路となる。
第１の溶媒に非溶解であるため、第２の溶媒の添加量を
変えることによって、二次分散液の分散状態又は乳化状
態を変えることができる。この分散状態又は乳化状態に
よって、ペースト状の二次分散液の粘度を変えることが
できる。これにより、第１の溶媒及び第２の溶媒を揮発
させた後の乾燥収縮を抑制することができ、ガス拡散層
の表面の平滑性を保つことができる。その結果、ガス拡
散層と触媒層と密着性が向上し、導電性が高くなり、燃
料電池の出力が向上する。また、第２の溶媒の添加量を
変えることによって、上記ガス拡散用被膜に含有される
第２の溶媒の量を調整することができる。従って、第２
の溶媒を揮発させることによって、製造されたガス拡散
層の気孔率、例えば気孔量を制御することができる。こ
こで、気孔は、主にガス拡散時にガスの流通路となる。
【００３７】更に、第２の溶媒を第１の溶媒に分散させ
る際に界面活性剤を添加することによって、第１の溶媒
中に第２の溶媒を均一に分散又は乳化させることができ
る。このように生成された二次分散液を電極基材に塗布
した後、第１の溶媒に続き第２の溶媒を揮発させること
によって、ガス拡散層における気孔を均一に形成させる
ことができる。
る際に界面活性剤を添加することによって、第１の溶媒
中に第２の溶媒を均一に分散又は乳化させることができ
る。このように生成された二次分散液を電極基材に塗布
した後、第１の溶媒に続き第２の溶媒を揮発させること
によって、ガス拡散層における気孔を均一に形成させる
ことができる。
【００３８】また、前記界面活性剤の添加量を調整する
ことにより、第１の溶媒中の第２の溶媒の分散滴又は乳
化滴の大きさを調整することができる。これにより、製
造されたガス拡散層の気孔率、例えば気孔径や気孔量を
制御することができる。また、二次分散液の粘度を調整
することができる。
ことにより、第１の溶媒中の第２の溶媒の分散滴又は乳
化滴の大きさを調整することができる。これにより、製
造されたガス拡散層の気孔率、例えば気孔径や気孔量を
制御することができる。また、二次分散液の粘度を調整
することができる。
【００３９】更に、二次分散液の生成の際の分散時機械
的応力、例えば攪拌力を変えることによって、二次分散
液の分散状態又は乳化状態を調整することができる。こ
れにより、二次分散液の粘度を調整することができる。
また、機械的応力を調整して、分散滴又は乳化滴の大き
さを調整できるので、製造されたガス拡散層の気孔率を
変化させることができる。
的応力、例えば攪拌力を変えることによって、二次分散
液の分散状態又は乳化状態を調整することができる。こ
れにより、二次分散液の粘度を調整することができる。
また、機械的応力を調整して、分散滴又は乳化滴の大き
さを調整できるので、製造されたガス拡散層の気孔率を
変化させることができる。
【００４０】
【実施例】以下に、図３，４を用いて本発明の一実施例
及び比較例を説明する。
及び比較例を説明する。
【００４１】実施例：ＰＴＦＥ粒子とカーボンブラック
粒子と界面活性剤とを水に分散させ、ＰＴＦＥ粒子とカ
ーボンブラック粒子の固形分重量比が１：１のスラリー
状の一次分散液を作成した。ここで、一次分散液の粘度
は５００ｍＰａ・ｓ以下であることが望ましい。更に、
一次分散液にパラフィン（沸点：約２００℃）と界面活
性剤とを添加し攪拌し、パラフィン系溶媒をエマルショ
ンとして水中に微分散させた二次分散液を作成した。こ
のエマルションの効果により、二次分散液の粘度は上昇
し、チクソトロピー性を有した。このペースト状の二次
分散液を、電極基材に塗布し、常温で乾燥後、不活性ガ
ス雰囲気下３３０℃で焼成した。
粒子と界面活性剤とを水に分散させ、ＰＴＦＥ粒子とカ
ーボンブラック粒子の固形分重量比が１：１のスラリー
状の一次分散液を作成した。ここで、一次分散液の粘度
は５００ｍＰａ・ｓ以下であることが望ましい。更に、
一次分散液にパラフィン（沸点：約２００℃）と界面活
性剤とを添加し攪拌し、パラフィン系溶媒をエマルショ
ンとして水中に微分散させた二次分散液を作成した。こ
のエマルションの効果により、二次分散液の粘度は上昇
し、チクソトロピー性を有した。このペースト状の二次
分散液を、電極基材に塗布し、常温で乾燥後、不活性ガ
ス雰囲気下３３０℃で焼成した。
【００４２】得られたガス拡散層の断面模式図を図３
（ａ）に示す。ガス拡散層５０の電極基材５２上に形成
された撥水カーボン層６０の気孔は、均一に分散されて
いるとともに、拡散層５０上面の平滑性が保たれてい
た。
（ａ）に示す。ガス拡散層５０の電極基材５２上に形成
された撥水カーボン層６０の気孔は、均一に分散されて
いるとともに、拡散層５０上面の平滑性が保たれてい
た。
【００４３】比較例１：ＰＴＦＥ粒子とカーボンブラッ
ク粒子と界面活性剤とを水に分散させ、ＰＴＦＥ粒子と
カーボンブラック粒子の固形分重量比が１：１のスラリ
ー状の一次分散液を作成した。このスラリー状の一次分
散液を、電極基材に塗布し、常温で乾燥後、不活性ガス
雰囲気下３３０℃で焼成した。
ク粒子と界面活性剤とを水に分散させ、ＰＴＦＥ粒子と
カーボンブラック粒子の固形分重量比が１：１のスラリ
ー状の一次分散液を作成した。このスラリー状の一次分
散液を、電極基材に塗布し、常温で乾燥後、不活性ガス
雰囲気下３３０℃で焼成した。
【００４４】得られたガス拡散層の断面模式図を図３
（ｂ）に示す。ガス拡散層の電極基材５２上に形成され
た撥水カーボン層７０は、電極基材５２に含浸され、そ
のため、拡散層上面の平滑性が損なわれていた。また、
撥水カーボン層７０はマクロ的に粗密分布となってい
た。
（ｂ）に示す。ガス拡散層の電極基材５２上に形成され
た撥水カーボン層７０は、電極基材５２に含浸され、そ
のため、拡散層上面の平滑性が損なわれていた。また、
撥水カーボン層７０はマクロ的に粗密分布となってい
た。
【００４５】比較例２：ＰＴＦＥ粒子とカーボンブラッ
ク粒子と界面活性剤とを水に分散させ、ＰＴＦＥ粒子と
カーボンブラック粒子の固形分重量比が１：１のスラリ
ー状の一次分散液を作成した。更に、一次分散液に増粘
剤を添加し、粘度調整されたペースト状液を得た。次
に、このペースト状液を、電極基材に塗布し、常温で乾
燥後、不活性ガス雰囲気下３３０℃で焼成した。
ク粒子と界面活性剤とを水に分散させ、ＰＴＦＥ粒子と
カーボンブラック粒子の固形分重量比が１：１のスラリ
ー状の一次分散液を作成した。更に、一次分散液に増粘
剤を添加し、粘度調整されたペースト状液を得た。次
に、このペースト状液を、電極基材に塗布し、常温で乾
燥後、不活性ガス雰囲気下３３０℃で焼成した。
【００４６】得られたガス拡散層の断面模式図を図３
（ｃ）に示す。ガス拡散層の電極基材５２上に形成され
た撥水カーボン層８０の上面の平滑性は保たれていた
が、撥水性カーボン層８０は、緻密な凝集部と亀裂で構
成されていた。
（ｃ）に示す。ガス拡散層の電極基材５２上に形成され
た撥水カーボン層８０の上面の平滑性は保たれていた
が、撥水性カーボン層８０は、緻密な凝集部と亀裂で構
成されていた。
【００４７】上記実施例及び比較例１，２により製造さ
れたガス拡散層を有する燃料電池において、電流密度と
電圧との関係を測定した結果を図４に示す。
れたガス拡散層を有する燃料電池において、電流密度と
電圧との関係を測定した結果を図４に示す。
【００４８】通常、電流密度の低い場合では、触媒層に
対するガス拡散層の密着性の高いものほど導電性が高く
なり触媒活性が高くなるため電圧が高くなる。従って、
図４より、本発明の実施例のガス拡散層が触媒層に対す
る密着性が高いことが判明した。
対するガス拡散層の密着性の高いものほど導電性が高く
なり触媒活性が高くなるため電圧が高くなる。従って、
図４より、本発明の実施例のガス拡散層が触媒層に対す
る密着性が高いことが判明した。
【００４９】また、電流密度が高い場合では、ガス拡散
性が高いほど電池反応が促進されるため燃料電池セル温
度の上昇するため、電圧の低下を抑制することができ
る。従って、図４より、本発明の実施例のガス拡散層
は、ガス拡散性が高いことが判明した。
性が高いほど電池反応が促進されるため燃料電池セル温
度の上昇するため、電圧の低下を抑制することができ
る。従って、図４より、本発明の実施例のガス拡散層
は、ガス拡散性が高いことが判明した。
【００５０】
【発明の効果】以上の通り、本発明の製造方法によれ
ば、ガス拡散層の上面の平滑性を保ちつつ、ガス拡散層
内の気孔を均一に形成することができる。
ば、ガス拡散層の上面の平滑性を保ちつつ、ガス拡散層
内の気孔を均一に形成することができる。
【図１】 本発明のガス拡散層の製造方法の一例を示す
模式図である。
模式図である。
【図２】 本発明のガス拡散層の製造方法のフローチャ
ートである。
ートである。
【図３】 本発明の実施例及び比較例１，２の製造方法
により製造されたガス拡散層の断面模式図である。
により製造されたガス拡散層の断面模式図である。
【図４】 本発明の実施例及び比較例１，２により製造
されたガス拡散層を有する燃料電池の電流密度と電圧と
の関係を示すグラフ図である。
されたガス拡散層を有する燃料電池の電流密度と電圧と
の関係を示すグラフ図である。
【図５】 固体高分子型燃料電池の構成を説明するため
の図である。
の図である。
【図６】 固体高分子型燃料電池のガス拡散層の構成の
一例を示す断面模式図である。
一例を示す断面模式図である。
３０ 水、３２ カーボンブラック粒子、３４ 撥水性
粒子、３６，３８，４２ 界面活性剤、４０ 非水系溶
媒、５０ ガス拡散層、５２ 電極基材、６０撥水カー
ボン層、６２ 気孔。
粒子、３６，３８，４２ 界面活性剤、４０ 非水系溶
媒、５０ ガス拡散層、５２ 電極基材、６０撥水カー
ボン層、６２ 気孔。
Claims (5)
- 【請求項１】 少なくともガス拡散用基材粒子と、撥水
性粒子と、を第１の溶媒に分散させて一次分散液を生成
させる一次分散液生成工程と、 前記第１の溶媒に対して非溶解性であって前記第１の溶
媒より高沸点の第２の溶液を前記一次分散液に分散させ
二次分散液を生成させる二次分散液生成工程と、 前記二次分散液を電極基材上に塗布しガス拡散層用被膜
を形成する塗布工程と、 前記ガス拡散用被膜より前記第１の溶媒を揮発させる第
１の除去工程と、 前記ガス拡散用被膜より前記第２の溶媒を揮発させる第
２の除去工程と、を有することを特徴とする燃料電池用
ガス拡散層の製造方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層
の製造方法において、 前記第２の溶媒の添加量を制御することにより、前記二
次分散液の粘度及び製造されたガス拡散層の気孔率の少
なくとも一方を制御することを特徴とする燃料電池用ガ
ス拡散層の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層
の製造方法において、 更に、前記二次分散液生成工程では、前記一次分散液に
界面活性剤が添加されることを特徴とする燃料電池用ガ
ス拡散層の製造方法。 - 【請求項４】 請求項３に記載の燃料電池用ガス拡散層
の製造方法において、 前記界面活性剤の添加量を制御することにより、前記二
次分散液の粘度及び製造されたガス拡散層の気孔率の少
なくとも一方を制御することを特徴とする燃料電池用ガ
ス拡散層の製造方法。 - 【請求項５】 請求項２又は請求項４に記載の燃料電池
用ガス拡散層の製造方法において、 前記二次分散液生成工程における分散時の機械的応力を
制御することによって、前記二次分散液の粘度及び製造
されたガス拡散層の気孔率の少なくとも一方を制御する
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001175248A JP4487446B2 (ja) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | 燃料電池用ガス拡散層の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001175248A JP4487446B2 (ja) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | 燃料電池用ガス拡散層の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002367617A true JP2002367617A (ja) | 2002-12-20 |
| JP4487446B2 JP4487446B2 (ja) | 2010-06-23 |
Family
ID=19016422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001175248A Expired - Fee Related JP4487446B2 (ja) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | 燃料電池用ガス拡散層の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4487446B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005216511A (ja) * | 2004-01-27 | 2005-08-11 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池用ガス拡散部材の製造方法 |
| JP2005294123A (ja) * | 2004-04-01 | 2005-10-20 | Toyota Motor Corp | 膜電極接合体の製造方法 |
| JP2006031951A (ja) * | 2004-07-12 | 2006-02-02 | Tomoegawa Paper Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極の製造方法 |
| JP2008305610A (ja) * | 2007-06-06 | 2008-12-18 | Dainippon Printing Co Ltd | 導電性多孔質シート及びその製造方法 |
| DE112007001498T5 (de) | 2006-07-28 | 2009-04-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi | Gerät und Verfahren zum Auftragen einer Paste, die eine wasserabweisende Substanz enthält, und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle |
| CN105378992A (zh) * | 2013-09-24 | 2016-03-02 | 丰田自动车株式会社 | 扩散层形成用糊料及其制造方法和气体扩散层的制造方法 |
-
2001
- 2001-06-11 JP JP2001175248A patent/JP4487446B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| CN105378992A (zh) * | 2013-09-24 | 2016-03-02 | 丰田自动车株式会社 | 扩散层形成用糊料及其制造方法和气体扩散层的制造方法 |
| KR101733908B1 (ko) * | 2013-09-24 | 2017-05-08 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | 확산층 형성용 페이스트 및 그 제조 방법 및 가스 확산층의 제조 방법 |
| US9916915B2 (en) | 2013-09-24 | 2018-03-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Paste for diffusion layer formation and production method thereof and production method of gas diffusion layer |
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