JP2008243767A

JP2008243767A - 燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法

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Publication number: JP2008243767A
Application number: JP2007086590A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Otani; 淳大谷
Original assignee: Aisin Chemical Co Ltd
Current assignee: Aisin Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP5019926B2

Abstract

【課題】燃料電池用ガス拡散層において、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を高めて優れた拡散層特性を得ることができること。
【解決手段】固体高分子型燃料電池１は、固体高分子イオン交換膜２を中心として、その両側に白金を担持したカーボンブラックを主体としてなる触媒層４Ａ，４Ｂが密着しており、その外側に燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂが設けられていて、これらの触媒層４Ａ，４Ｂ及びガス拡散層７Ａ，７Ｂが一体となって、アノード電極（燃料電極）３Ａ，カソード電極（酸化剤電極）３Ｂが形成されている。従来のガス拡散層は、カーボン基材にカーボンブラック粉末とＰＴＦＥディスパージョンとを混合してなるペーストを塗工して作製されたベース拡散層６Ａ，６Ｂのみによって構成されているが、燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂは、ベース拡散層６Ａ，６Ｂに更に粉体拡散層５Ａ，５Ｂを塗工してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電極を形成する燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法に関し、特に固体高分子型燃料電池の高加湿運転条件、高利用率運転条件、高出力運転において性能向上を図ることができる燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法に関するものである。

固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜の両面にカソード側電極及びアノード側電極を形成しており、通常、これらのカソード側電極及びアノード側電極は、白金等の触媒を担持したカーボンブラックとイオン交換樹脂からなる触媒層と、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン基材に導電性を付与するためのカーボンブラック粉末と撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」ともいう。）ディスパージョンを混練したペーストを含浸したり塗布したりしてなるガス拡散層によって構成されている。しかし、ガス拡散層において、排水能力を高めて優れた拡散層特性を得るためには、ガス拡散層の細孔構造を均一に保つことが極めて重要である。

そこで、特許文献１に開示された発明においては、カーボン粉末を粉砕したものを使用して、このカーボン粉体とスルホン酸処理したフッ素系樹脂材料粉末の混合粉末を高分子電解質膜の両面に散布機で乾式塗工することによって、ガス拡散層を形成している。これによって、燃料電池用電極の強度を維持しつつ反応に必要な気体を十分に拡散させることができるとしている。

また、特許文献２に開示された発明においては、配合や触媒目付量の違い等によってセパレータのガス流路における透水圧をコントロールしている。これによって、燃料ガスの低流速時においても燃料ガス側のセパレータのガス流路に生成水が溜まる事態を防ぐことができ、フラッディングを防止することができるとしている。

更に、特許文献３に開示された発明においては、ガラス状カーボン微粒子、撥水性樹脂及び粘度調整剤を溶媒に分散させてスラリーを作製し、このスラリーを多孔質導電性基材面に被覆して被膜を形成した後、被膜から溶媒及び粘度調整剤を除去することによって燃料電池用ガス拡散層を製造している。これによって、ガス拡散層の貫通細孔径を制御して電解質膜を適切な湿潤状態に保持し、反応ガスによる消耗の少ない燃料電池用ガス拡散層が得られるとしている。
特開２００１−２４３９５９号公報特開２００５−１５８７２２号公報特開２００６−１００１７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、カーボン粉末を粉砕したものを使用しているため、大きさも揃わず形状も球形でないことから、良好な電池特性を得ることが困難である。しかも、混合粉末を散布機で乾式塗工していることから、従来の湿式塗工設備によっては製造することができない。また、特許文献２に記載された技術においては、配合や触媒目付量の違いによって透水圧を制御しているが、この方法によっては精密な透水圧の制御は困難である。更に、特許文献３に記載された技術においては、ガラス状カーボン微粒子を用いることによってガス拡散層の貫通細孔径を制御しているが、製造工程が複雑であり作業性が悪いという問題点があった。

そこで、本発明は、球状で大きさの揃った微粒子を湿式塗工して燃料電池用ガス拡散層を製造することによって、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を高めて優れた拡散層特性を得ることができる燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法の提供を課題とするものである。

請求項１の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層であって、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンとを混合したスラリーをスプレードライによって粉体化して、そのメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした微細粒子を用いて作製したものである。

請求項２の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層は、請求項１の構成において、前記スプレードライによって得られた粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理した後に水溶液中に分散させて粉体ペーストとし、カーボン基材にカーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレンディスパージョンとを混合してなるペーストを含浸させて乾燥させたベース拡散層に前記粉体ペーストを塗工して加熱乾燥してなるものである。

請求項３の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層は、請求項１または請求項２の構成において、前記スプレードライの条件を変化させることによって得られる粉体のメジアン粒径を前記２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させて生成水の排水能力を制御するものである。

請求項４の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法であって、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンとを混合して均一なスラリーを得る工程と、前記スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程と、前記粉体を水溶液に分散させて粉体ペーストを得る工程と、カーボン基材にカーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレンディスパージョンとを混合してなるペーストを含浸させて乾燥させる工程と、その上から前記粉体ペーストを塗工する工程と、加熱乾燥する工程とを具備するものである。

請求項５の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、請求項４の構成において、前記スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程の後に、前記粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理する工程を追加して、該熱処理した粉体を水溶液に分散させて粉体ペーストを得るものである。

請求項６の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、請求項４または請求項５の構成において、前記スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程において、前記スプレードライの条件を変化させることによって得られる粉体のメジアン粒径を前記２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させて生成水の排水能力を制御するものである。

請求項７の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層または燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つまたは請求項４乃至請求項６のいずれか１つの構成において、前記燃料電池用ガス拡散層はカソード電極側のガス拡散層であるものである。

請求項１の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層であって、カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンとを混合したスラリーをスプレードライによって粉体化して、そのメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内、より好ましくは１０μｍ〜５０μｍの範囲内とした微細粒子を用いて作製したものである。

スラリーをスプレードライによって粉体化して得られる微細粒子はほぼ球状であり、また粒子径も揃っている。従って、かかる微細粒子を用いて、例えば水溶液中に分散させてスラリーを作製し、カーボン基材に湿式塗工することによって、燃料電池用ガス拡散層を作製することができる。ここで、メジアン粒径が２μｍ〜１００μｍの範囲内、より好ましくは１０μｍ〜５０μｍの範囲内であるため、ガス拡散層の貫通細孔径がガス拡散及び生成水の排水に有効な大きさに保たれ、優れた透気性及び排水性を得ることができる。従って、燃料電池の高加湿運転、高利用率、高出力の運転条件下においても、高性能化を図ることができる。

このようにして、球状で大きさの揃った微粒子を湿式塗工して燃料電池用ガス拡散層を製造することによって、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を高めて優れた拡散層特性を得ることができる燃料電池用ガス拡散層となる。

請求項２の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層は、スプレードライによって得られた粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理した後に水溶液中に分散させて粉体ペーストとし、カーボン基材にカーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレンディスパージョンとを混合してなるペーストを含浸させて乾燥させたベース拡散層に粉体ペーストを塗工して加熱乾燥してなる。

このようにスプレードライによって得られた粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理することによって、粉体強度を高めることができ、水溶液中に分散させてスラリーを作製する際に超音波分散を行っても球状の粉体が破壊されることなく所定の粒子径を保持できるので、より効率的にかつより均一に分散させることができる。こうして作製した粉体ペーストを、カーボン基材にカーボンブラックとＰＴＦＥを含浸させてなるベース拡散層に湿式塗工することによって、ガス拡散層の貫通細孔径がガス拡散及び生成水の排水に有効な大きさに保たれ、優れた透気性及び排水性を得ることができる。従って、燃料電池の高加湿運転、高利用率、高出力の運転条件下においても、高性能化を図ることができる。

請求項３の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層は、スプレードライの条件を変化させることによって得られる粉体のメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させて生成水の排水能力を制御するものである。

スプレードライ装置（スプレードライヤー）には、アトマイザーがスプレー噴霧式のものやディスク回転式のもの等、様々な種類のものがある。そして、スプレー噴霧式の場合には霧化圧を変化させることによって、またディスク回転式の場合にはディスク回転数を変化させることによって、またはスラリー固形分を変化させることによって、得られる粉体の粒径を任意に制御することができる。従って、このようなスプレードライ条件を変化させて得られる粉体のメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させることによって、ガス拡散層の貫通細孔径の大きさを制御して生成水の排水能力を調整することができる。

このようにして、球状で大きさの揃った微粒子を湿式塗工して燃料電池用ガス拡散層を製造することによって、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を必要な特性に制御して優れた拡散層特性を得ることができる燃料電池用ガス拡散層となる。

請求項４の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法であって、カーボンブラック粉末とＰＴＦＥディスパージョンとを混合して均一なスラリーを得る工程と、スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内、より好ましくは１０μｍ〜５０μｍの範囲内とした粉体を得る工程と、粉体を水溶液に分散させて粉体ペーストを得る工程と、カーボン基材にカーボンブラック粉末とＰＴＦＥディスパージョンとを混合してなるペーストを含浸させて乾燥させる工程と、その上から粉体ペーストを塗工する工程と、加熱乾燥する工程とを具備する。

スラリーをスプレードライによって粉体化して得られる微細粒子はほぼ球状であり、また粒子径も揃っている。従って、かかる微細粒子を水溶液中に分散させてスラリーを作製し、カーボン基材に湿式塗工することによって、燃料電池用ガス拡散層を作製することができる。ここで、微細粒子のメジアン粒径が２μｍ〜１００μｍの範囲内、より好ましくは１０μｍ〜５０μｍの範囲内であるため、ガス拡散層の貫通細孔径がガス拡散及び生成水の排水に有効な大きさに保たれ、優れた透気性及び排水性を得ることができる。従って、燃料電池の高加湿運転、高利用率、高出力の運転条件下においても、高性能化を図ることができる。

このようにして、球状で大きさの揃った微粒子を湿式塗工して燃料電池用ガス拡散層を製造することによって、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を高めて優れた拡散層特性を得ることができる燃料電池用ガス拡散層の製造方法となる。

請求項５の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程の後に、粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理する工程を追加して、熱処理した粉体を水溶液に分散させて粉体ペーストを得るものである。

スプレードライによって得られた粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理することによって、粉体強度を高めることができ、水溶液中に分散させてスラリーを作製する際に超音波分散を行っても球状の粉体が破壊されることなく所定の粒子径を保持できるので、より効率的にかつより均一に分散させることができる。こうして作製した粉体ペーストを、カーボン基材にカーボンブラックとＰＴＦＥを含浸させてなるベース拡散層に湿式塗工することによって、ガス拡散層の貫通細孔径がガス拡散及び生成水の排水に有効な大きさに保たれ、優れた透気性及び排水性を得ることができる。従って、燃料電池の高加湿運転、高利用率、高出力の運転条件下においても、高性能化を図ることができる。

請求項６の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程において、スプレードライの条件を変化させることによって得られる粉体のメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させて生成水の排水能力を制御するものである。

スプレードライ装置（スプレードライヤー）には、アトマイザーがスプレー噴霧式のものやディスク回転式のもの等、様々な種類のものがある。そして、スプレー噴霧式の場合には霧化圧を変化させることによって、またディスク回転式の場合にはディスク回転数を変化させることによって、得られる粉体の粒径を任意に制御することができる。従って、このようなスプレードライ条件を変化させて得られる粉体のメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させることによって、ガス拡散層の貫通細孔径の大きさを制御して生成水の排水能力を制御することができる。

このようにして、球状で大きさの揃った微粒子を湿式塗工して燃料電池用ガス拡散層を製造することによって、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を必要な特性に制御して優れた拡散層特性を得ることができる燃料電池用ガス拡散層の製造方法となる。

請求項７の発明にかかる燃料電池用ガス拡散層または燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、燃料電池用ガス拡散層がカソード電極側のガス拡散層である。固体高分子型燃料電池においては、アノード電極（燃料電極）側ガス拡散層から燃料としての水素ガスが供給され、アノード側触媒層でイオン化されて固体高分子イオン交換膜を通過して、カソード側触媒層において酸化剤と反応して電流を発生するとともに、生成水が発生する。従って、カソード電極（酸化剤電極）側ガス拡散層により多くの生成水が溜まる。

そこで、カソード電極（酸化剤電極）側ガス拡散層に本発明にかかる粉体ガス拡散層を有する燃料電池用ガス拡散層を用いることによって、生成水の排水能力が著しく向上し、フラッディングを起こすこともなく長時間安定して電流を発生することができる。アノード電極側ガス拡散層にも生成水が流れ込むが、アノード電極側ガス拡散層においてはフラッディングが起こる恐れが少ないため、従来のガス拡散層を用いることができる。

このようにして、球状で大きさの揃った微粒子を湿式塗工して燃料電池用ガス拡散層を製造することによって、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を高めて優れた拡散層特性を得ることができる燃料電池用ガス拡散層またはその製造方法となる。

以下、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法について、図面を参照しつつ説明する。

まず、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層を有する固体高分子型燃料電池の全体構造について、図１を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層を用いた固体高分子型燃料電池の全体構造を示す模式図である。

図１に示されるように、本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層を有する固体高分子型燃料電池（単セル）１は、固体高分子イオン交換膜２を中心として、その両側に白金を担持したカーボンブラックを主体としてなる触媒層４Ａ，４Ｂが密着しており、その外側に本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂが設けられていて、これらの触媒層４Ａ，４Ｂ及びガス拡散層７Ａ，７Ｂが一体となって、アノード電極（燃料電極）３Ａ，カソード電極（酸化剤電極）３Ｂが形成されている。

ここで、従来のガス拡散層は、カーボン基材（カーボンペーパー、カーボンクロス、等）にカーボンブラック粉末とＰＴＦＥディスパージョンとを混合してなるペーストを塗工して作製されたベース拡散層６Ａ，６Ｂのみによって構成されているが、本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂは、ベース拡散層６Ａ，６Ｂに更に粉体拡散層５Ａ，５Ｂを塗工してなるものである。燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂの外側には、導電性のセパレータ８Ａ，８Ｂが設けられている。

次に、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂの製造方法について、図２乃至図４を参照して説明する。図２は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示すフローチャートである。図３は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造条件と粒径の関係を示すグラフである。図４は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造に用いられる４種類のペーストの粒度分布を示すグラフである。

図２に示されるように、まずイオン交換水にカーボンブラック（電気化学工業（株）製デンカブラック）と撥水剤としてのＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン（株）製Ｄ−１）を分散した水溶液（固形分比がデンカブラック／Ｄ−１＝６／４）を調整する（ステップＳ１０）。次に、この水溶液をスプレードライ装置でスプレードライして、粒径の揃った粉体として（ステップＳ１１）、焼成炉で熱処理して強度の高い粉体を得た（ステップＳ１２）。この粉体を、界面活性剤を加えたイオン交換水に攪拌しながら重量濃度１５％になるまで加えた後、超音波分散機（ＳＴＭ社製ＵＨ−３）を用いて超音波分散して粉体ペーストを作製した（ステップＳ１３）。

一方、カーボンペーパー基材（東レ（株）製ＴＧＰ−０６０）に固形分比がデンカブラック／Ｄ−１＝６／４のＮＶ１０％ペーストを含浸して（ステップＳ１４）、乾燥してベース拡散層を作製し（ステップＳ１５）、このベース拡散層にステップＳ１３で得られた粉体ペーストをギャップ１５０μｍのドクターブレードで塗工し（ステップＳ１６）、３５０℃で３０分間熱処理を行って（ステップＳ１７）、本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂを得た。

ここで、ステップＳ１１におけるスプレードライに用いられる、スプレードライ装置の種類及びスプレードライ条件について説明する。まず、スプレードライ装置の種類について、表１に示す。

表１に示されるように、本実施の形態においては、ヤマトラボテック（株）製のＧＡ３２と大川原化工機（株）製のＣＬ−８の２種類のスプレードライ装置を用いている。このように、２種類のスプレードライ装置を用いて分級することによって、メジアン粒径が２μｍ〜１００μｍまでの粉体を任意に取り出すことができる。そして、図２のステップＳ１６においてベース拡散層にドクターブレードで塗工するペーストとして、粉体ペーストであるペーストＡ，ペーストＢ，ペーストＣと、通常のペーストであるペーストＤの４種類のペーストを作製して試験を行った。４種類のペーストのスプレードライ条件について、表２に示す。

表２に示されるように、３種類の粉体作製条件で３種類の粉体Ａ，粉体Ｂ，粉体Ｃを作製した。粉体Ａはメジアン粒径が８．７３μｍ、粉体Ｂはメジアン粒径が１４．８５μｍ、粉体Ｃはメジアン粒径が３０．４１μｍ、とそれぞれ大きく異なる。このように、粉体作製条件（スプレードライ条件）によって得られる粒子径を制御することができ、最終的に得られる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂの排水特性、拡散特性等を調整することができる。

次に、図２のステップＳ１２における粉体の熱処理条件について、図３を参照して説明する。図３における熱処理条件と粒度分布の関係を調べるには、表２に示される３種類の粉体Ａ，粉体Ｂ，粉体Ｃのうち、最もメジアン粒径の大きい粉体Ｃを使用した。実験条件について、表３に示す。

表３に示されるように、粉体原料の粒度分布の測定試料としては、図２のステップＳ１０において作製されるデンカブラック（カーボンブラック）とＤ−１（ＰＴＦＥディスパージョン）の分散水溶液（ペーストＤ）を用いた。他の４種類の測定試料としては、粉体Ｃをそれぞれ表３に示される熱処理温度で１０分間熱処理した後、熱処理なしの測定試料についてはディゾルバー攪拌のみでペーストを作製し、熱処理した残りの３種類については、攪拌とともに超音波分散を行って得られたペーストを測定試料とした。

その結果、図３に示されるように、３１０℃で熱処理した測定試料と３２０℃で熱処理した測定試料については、ほぼ１０μｍから１００μｍの間の粒度分布が得られ、表３に示されるようにメジアン粒径も３０．３μｍ、３０．４μｍと良好であったが、２５０℃で熱処理した測定試料は、図３に示されるように、粉体原料の粒度分布に近い粒度分布に戻ってしまっている。

この原因は、熱処理温度が低すぎたため、粉体の強度が余り向上せず、超音波分散を行うことによって粉体が分解されて、元の原料の粒度に戻ってしまったためと考えられる。また、熱処理なしの測定試料についても、図３に示されるように、良好な粒度分布を得ることはできなかった。従って、スプレードライによって得られた粉体については、少なくとも３００℃以上の熱処理を行って、超音波分散を行っても粉体が破壊することのない強度の向上を図る必要がある。

一方、熱処理温度の上限としては、ＰＴＦＥの分解や変性が起きることがない３９０℃以下とする必要があるものと考えられる。このように、３００℃〜３９０℃の温度範囲内で熱処理することによって、粉体の強度が向上して、ペースト作製時の攪拌や超音波分散によってもスプレードライによって得られた粒度分布を保つことができる。

そして、表２に示される４種類のペースト（ペーストＡ，ペーストＢ，ペーストＣ及びペーストＤ）の粒度分布を測定した結果を、図４に示す。図３及び表３に示される結果に基づいて、ペーストＡ，ペーストＢ，ペーストＣについては、いずれも図２のステップＳ１２において３２０℃で１０分間熱処理を行った。図４に示されるように、図２の製造工程に従って作製した粉体ペーストであるペーストＡ，ペーストＢ，ペーストＣについては、いずれも良好な粒度分布が得られたが、特にペーストＣが最もメジアン粒径が大きく、続いてペーストＢ、ペーストＡの順となっている。

次に、これら４種類のペーストをベース拡散層の上に塗工して得られた４種類のガス拡散層の特性について説明する。ベース拡散層の上にペーストＡを塗工して３５０℃で３０分間熱処理して得られたガス拡散層を拡散層Ａとし、ペーストＢを塗工して得られたガス拡散層を拡散層Ｂ、ペーストＣを塗工して得られたガス拡散層を拡散層Ｃ、ペーストＤを塗工して得られたガス拡散層を拡散層Ｄとした。これら４種類のガス拡散層の特性について、表４及び図５，図６，図７に示す。

図５は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層の法線方向透気度を示す棒グラフである。図６は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層の体積固有抵抗を示す棒グラフである。図７は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層の透水開始圧を示す棒グラフである。なお、これらの表４及び図５，図６，図７においては、拡散層Ｄにおける測定値を１００として、拡散層Ａ，拡散層Ｂ，拡散層Ｃにおける測定値については、拡散層Ｄに対する相対値で示されている。

表４及び図５に示されるように、ガス拡散層の法線方向の透気性を示す法線方向透気度は、拡散層Ｄと比較して拡散層Ａ，拡散層Ｂ，拡散層Ｃが際立って高く、特に拡散層Ｃが最も高い値を示している。また、表４及び図６に示されるように、体積固有抵抗（荷重２０ｋｇ／ｃｍ² で測定した値）についても、拡散層Ｄと比較して拡散層Ａ，拡散層Ｂ，拡散層Ｃが一段低くなっている。

更に、表４及び図７に示されるように、透水開始圧については、拡散層Ｄが拡散層Ａ，拡散層Ｂよりも低くなっているが、これは拡散層Ｄにクラックが生じているためであり、制御することができないものである。これに対して、拡散層Ａ，拡散層Ｂ，拡散層Ｃと順に低くなっていることによって、拡散層Ａは使用ペーストＡのメジアン粒径８．７３μｍであり、拡散層Ｂは使用ペーストＢのメジアン粒径１４．８５μｍであり、拡散層Ｃは使用ペーストＣのメジアン粒径３０．４１μｍである。

従って、図２のステップＳ１１に示されるスプレードライ工程において、表２に示されるように粉体作製条件を変化させることによって粉体のメジアン粒径を制御することができ、ひいては図７に示されるように、透水開始圧をも必要な値になるように自在に制御できることになる。

このようにして作製された４種類のガス拡散層を用いた燃料電池（ＭＥＡ）の出力特性について、４種類の実施例と１種類の比較例について実地試験を行った。実施例１としては、カソード側拡散層として拡散層Ａを用いて、アノード側拡散層として拡散層Ｄを用いたものを使用した。実施例２としてはカソード側拡散層として拡散層Ｂを、アノード側拡散層として拡散層Ｄを用いたものを、実施例３としてはカソード側拡散層として拡散層Ｃを、アノード側拡散層として拡散層Ｄを用いたものを使用した。

また、実施例４としては、カソード側拡散層として拡散層Ｂを用いて、アノード側拡散層として拡散層Ａを用いたものを使用した。そして、比較例１としては、カソード側拡散層、アノード側拡散層ともに、拡散層Ｄを用いたものを使用した。これらの拡散層の組み合わせについて、表５にまとめて示す。

こうして作製した５種類のＭＥＡを用いて、単セル電池放電試験を行い、性能を比較した。単セル電池の運転条件は、セル温度７５℃、アノード／カソードバブラー温度：７０℃／７０℃、燃料ガスとしては純水素を使用した。単セル電池放電試験の結果を、図８及び図９に示す。図８は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層を用いた単セル電池の電流密度と出力電圧の関係を示すグラフである。図９は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層を用いた単セル電池のカソード利用率と出力電圧の関係を示すグラフである。

図８及び図９に示されるように、本実施の形態にかかる実施例１〜実施例４においては従来例となる比較例１と比較して良好な電池性能を示しており、特に実施例３及び実施例４において出力特性が優れている。

特に、図９に示されるように、実施例１〜実施例４においてはカソード利用率が高くなっても、従来例となる比較例１のように急激に出力電圧が低下することがない。カソード利用率が高くなるということは、酸化剤ガスの流量が少なくなることに対応し、従って高加湿運転条件における出力電圧特性を示すことになる。このように、本実施の形態にかかる実施例１〜実施例４においては、高加湿運転条件においても出力電圧を維持することができることが判明した。

更に、本実施の形態にかかる単セル電池の固体高分子イオン交換膜２における内部水圧と排水量の関係について、図１０を参照して説明する。図１０は本発明の実施の形態の実施例１にかかる燃料電池用ガス拡散層を用いた単セル電池の固体高分子イオン交換膜２における内部水圧と排水量の関係について、比較例１と比較して示すグラフである。

図１に示される本実施の形態にかかる単電池１において、理想的には、アノード電極３Ａにおいては流水の形でアノード側のセパレータ８Ａには水分を出さず、カソード電極３Ｂからカソード側のセパレータ８Ｂに流水の形で水分を出すのが好ましい。その理由は、アノード側のセパレータ８Ａにおいてはガス流速が小さいことから、水が詰まり易いためである。本実施の形態にかかる単電池１においては、上述の如く、粒子径を制御することによって燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂの排水特性を制御している。

具体的には、図１０に示されるように、従来の燃料電池用ガス拡散層である比較例１を用いた単セル電池においては、固体高分子イオン交換膜２における内部水圧と排水量とは単純な正比例の関係にあるのに対して、本実施の形態の実施例１にかかる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂを用いた単セル電池１においては、固体高分子イオン交換膜２における内部水圧があるレベルまで上がった時点で、大量に流水を主にカソード側に排出する。このようにして、本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂにおいては、圧力弁効果を得ることができる。

このようにして、本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層においては、球状で大きさの揃った微粒子を湿式塗工して燃料電池用ガス拡散層を製造することによって、生産効率が良く従来の湿式塗工設備によって製造することができ、排水能力を高めて優れた拡散層特性を得ることができる。

本実施の形態にかかる固体高分子型燃料電池１の実施例１乃至実施例３においては、カソード電極３Ｂのみにベース拡散層６Ｂに粉体ペーストを塗布してなる燃料電池用ガス拡散層７Ｂを用いているが、これに限られるものではなく、固体高分子型燃料電池１の実施例４に示されるように、アノード電極３Ａ，カソード電極３Ｂの双方にベース拡散層６Ａ，６Ｂに粉体ペーストを塗布してなる燃料電池用ガス拡散層７Ａ，７Ｂを用いても良い。

また、本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法においては、スプレードライによって得られた粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理して粉体の強度を高めた上で、超音波分散機を用いて水溶液に超音波分散させた例について説明したが、超音波分散させないことを前提としてスプレードライによって得られた粉体を熱処理することなく粉体ペーストを作製することもできる。

本発明を実施するに際しては、燃料電池用ガス拡散層のその他の構成、成分、材料、配合、形状、大きさ、接続関係等についても、また燃料電池用ガス拡散層の製造方法のその他の工程についても、本実施の形態に限定されるものではない。

図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層を用いた固体高分子型燃料電池の全体構造を示す模式図である。図２は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示すフローチャートである。図３は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造条件と粒径の関係を示すグラフである。図４は本発明の実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層の製造に用いられる４種類のペーストの粒度分布を示すグラフである。図５は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層の法線方向透気度を示す棒グラフである。図６は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層の体積固有抵抗を示す棒グラフである。図７は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層の透水開始圧を示す棒グラフである。図８は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層を用いた単セル電池の電流密度と出力電圧の関係を示すグラフである。図９は本発明の実施の形態にかかる４種類の燃料電池用ガス拡散層を用いた単セル電池のカソード利用率と出力電圧の関係を示すグラフである。図１０は本発明の実施の形態の実施例１にかかる燃料電池用ガス拡散層を用いた単セル電池の固体高分子イオン交換膜２における内部水圧と排水量の関係について、比較例１と比較して示すグラフである。

符号の説明

１固体高分子型燃料電池（単電池）
２固体高分子イオン交換膜
３Ａアノード電極
３Ｂカソード電極
６Ａ，６Ｂベース拡散層
７Ａ，７Ｂ燃料電池用ガス拡散層

Claims

高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層であって、
カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンとを混合したスラリーをスプレードライによって粉体化して、そのメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした微細粒子を用いて作製したことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
前記スプレードライによって得られた粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理した後に水溶液中に分散させて粉体ペーストとし、カーボン基材にカーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレンディスパージョンとを混合してなるペーストを含浸させて乾燥させたベース拡散層に前記粉体ペーストを塗工して加熱乾燥してな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層。
前記スプレードライの条件を変化させることによって得られる粉体のメジアン粒径を前記２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させて生成水の排水能力を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法であって、
カーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンとを混合して均一なスラリーを得る工程と、
前記スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程と、
前記粉体を水溶液に分散させて粉体ペーストを得る工程と、
カーボン基材にカーボンブラック粉末とポリテトラフルオロエチレンディスパージョンとを混合してなるペーストを含浸させて乾燥させる工程と、
その上から前記粉体ペーストを塗工する工程と、
加熱乾燥する工程と
を具備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。
前記スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程の後に、前記粉体を３００℃〜３９０℃で熱処理する工程を追加して、該熱処理した粉体を水溶液に分散させて粉体ペーストを得ることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
前記スラリーをスプレードライしてメジアン粒径を２μｍ〜１００μｍの範囲内とした粉体を得る工程において、前記スプレードライの条件を変化させることによって得られる粉体のメジアン粒径を前記２μｍ〜１００μｍの範囲内で変化させて生成水の排水能力を制御することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
前記燃料電池用ガス拡散層はカソード電極側のガス拡散層であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層または請求項４乃至請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。