JP2012226844A - 燃料電池用ガス拡散層の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス拡散層の撥水性を発現させるために実行する界面活性剤の加熱分解時間の短時間化を実現する。
【解決手段】ガス拡散層基材に、撥水部材および界面活性剤を含む撥水層ペーストを塗工する。撥水層ペーストが塗工されたガス拡散層基材の撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる。撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有物が接触されたガス拡散層基材を加熱して、撥水層ペーストに含まれる界面活性剤を分解除去する。
【選択図】図1
【解決手段】ガス拡散層基材に、撥水部材および界面活性剤を含む撥水層ペーストを塗工する。撥水層ペーストが塗工されたガス拡散層基材の撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる。撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有物が接触されたガス拡散層基材を加熱して、撥水層ペーストに含まれる界面活性剤を分解除去する。
【選択図】図1
Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に用いられるガス拡散層の製造方法に関する。
燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素との電気化学反応によって発電する装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。燃料電池は、通常、燃料電池セルを、セパレータを介して複数個積層して構成される。1つの燃料電池セルは、プロトン(H+)伝導性を有する固体高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に触媒電極層(以下、単に「触媒層」とも呼ぶ)およびガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)を接合した構造体により構成される場合が多い。なお、この構造体は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)、あるいは、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と呼ばれる。
ガス拡散層は、ガス拡散層の外面に配置されるガス流路から触媒層に反応ガスを均一に供給するために、供給される反応ガスを拡散させる機能と、触媒層で生成された水をガス流路に排出する機能と、電気化学反応のための電子を導電する機能と、を有している。
上記機能を有するガス拡散層の製造方法として、カーボンペーパー等のガス拡散層基材上に、撥水部材としてのPTFEや、界面活性剤、導電部材としてのカーボンを含有するペーストを用いて撥水層となる層を形成し、形成した層中の界面活性剤を加熱分解して撥水性を得る製造方法が一般的に知られている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、上記製造方法における界面活性剤の加熱分解は、単純に製造コストの点のみを考慮すると、極力高温で短時間に行うことが望ましい。しかしながら、PTFEの特性を考慮すると、PTFEを変質もしくは分解させない程度の温度(300℃〜350℃)で界面活性剤の加熱分解を行う必要性がある。このため、界面活性剤の分解除去のために要する加熱時間(以下、「加熱分解時間」とも呼ぶ)は長くなることになり、製造工数の増加に伴って製造コストが高くなるという問題がある。
そこで、本発明は、ガス拡散層の撥水性を発現させるために実行する界面活性剤の加熱分解時間の短時間化を可能とする技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
a)ガス拡散層基材に、撥水部材および界面活性剤を含む撥水層ペーストを塗工する工程と、
b)前記撥水層ペーストが塗工されたガス拡散層基材の前記撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる工程と、
c)前記撥水層ペーストの前記塗工面に前記セリウム含有物が接触されたガス拡散層基材を加熱して、前記撥水層ペーストに含まれる前記界面活性剤を分解除去する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例1の製造方法によれば、セリウム含有酸化物が界面活性剤の分解を促進するため、加熱による界面活性剤の分解除去工程に要する時間の短縮化が可能であり、製造コストの低減を図ることができる。なお、セリウム含有酸化物は、例えば、酸化セリウム(CeO2)や、酸化セリウムに酸化ジルコニウム(ZrO2)をドープ等により固溶させた物質などの酸化セリウムを含む種々の酸化物である。
燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
a)ガス拡散層基材に、撥水部材および界面活性剤を含む撥水層ペーストを塗工する工程と、
b)前記撥水層ペーストが塗工されたガス拡散層基材の前記撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる工程と、
c)前記撥水層ペーストの前記塗工面に前記セリウム含有物が接触されたガス拡散層基材を加熱して、前記撥水層ペーストに含まれる前記界面活性剤を分解除去する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例1の製造方法によれば、セリウム含有酸化物が界面活性剤の分解を促進するため、加熱による界面活性剤の分解除去工程に要する時間の短縮化が可能であり、製造コストの低減を図ることができる。なお、セリウム含有酸化物は、例えば、酸化セリウム(CeO2)や、酸化セリウムに酸化ジルコニウム(ZrO2)をドープ等により固溶させた物質などの酸化セリウムを含む種々の酸化物である。
[適用例2]
適用例1記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、さらに、
d)前記工程c)の後、前記撥水層ペーストの前記塗工面に接触させていた前記セリウム含有酸化物を除去する工程
を備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例2の製造方法によれば、加熱におる界面活性剤の分解除去工程の後に、セリウム含有酸化物を除去・回収することができ、セリウム含有酸化物を再利用することが可能であるため、例えば、ガス拡散層内にセリウム含有酸化物を添加したままとする場合に比べて、より製造コストを低減することが可能である。
適用例1記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、さらに、
d)前記工程c)の後、前記撥水層ペーストの前記塗工面に接触させていた前記セリウム含有酸化物を除去する工程
を備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例2の製造方法によれば、加熱におる界面活性剤の分解除去工程の後に、セリウム含有酸化物を除去・回収することができ、セリウム含有酸化物を再利用することが可能であるため、例えば、ガス拡散層内にセリウム含有酸化物を添加したままとする場合に比べて、より製造コストを低減することが可能である。
[適用例3]
適用例2記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記工程b)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に、前記セリウム含有酸化物を表面に保持した保持部材を接触配置する工程であり、
前記工程d)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に接触配置した前記保持部材を取りはずす工程である
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例3の製造方法によれば、撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる工程と、撥水層ペーストの塗工面に接触させていたセリウム含有酸化物を除去する工程と、を容易に実施することができる。
適用例2記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記工程b)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に、前記セリウム含有酸化物を表面に保持した保持部材を接触配置する工程であり、
前記工程d)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に接触配置した前記保持部材を取りはずす工程である
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例3の製造方法によれば、撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる工程と、撥水層ペーストの塗工面に接触させていたセリウム含有酸化物を除去する工程と、を容易に実施することができる。
[適用例4]
適用例2記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記工程b)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に、前記セリウム含有酸化物の粉末を散布する工程であり、
前記工程d)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に散布された前記セリウム含有酸化物の粉末を吸引により回収する工程である
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例4の製造方法によっても、撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる工程と、撥水層ペーストの塗工面に接触させていたセリウム含有酸化物を除去する工程と、を容易に実施することができる。
適用例2記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記工程b)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に、前記セリウム含有酸化物の粉末を散布する工程であり、
前記工程d)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に散布された前記セリウム含有酸化物の粉末を吸引により回収する工程である
ことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
適用例4の製造方法によっても、撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる工程と、撥水層ペーストの塗工面に接触させていたセリウム含有酸化物を除去する工程と、を容易に実施することができる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用ガス拡散層の製造方法だけでなく、この製造方法を含む膜電極接合体の製造方法、この膜電極接合体の製造方法を含む燃料電池の製造方法等の種々の形態で実現することが可能である。
本発明の実施の形態及び実施例を以下の順序で説明する。
A.第1実施形態:
B.第2実施形態:
C.実施例:
D.変形例:
A.第1実施形態:
B.第2実施形態:
C.実施例:
D.変形例:
A.第1実施形態:
図1は、第1実施形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示す説明図である。本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、3つの工程部20,30,40を備える製造装置により実行される。この製造装置では、ローラー12にロール形状で装着されている長尺シート状のガス拡散層基材10が、ローラー12から巻き出されて、第1工程部20、第2工程部30、第3工程部40へ順に送り込まれることにより、各工程部に対応する工程1、工程2、工程3が順に実行される。なお、ガス拡散層基材10としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン繊維による多孔性基材を用いることができる。
図1は、第1実施形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示す説明図である。本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、3つの工程部20,30,40を備える製造装置により実行される。この製造装置では、ローラー12にロール形状で装着されている長尺シート状のガス拡散層基材10が、ローラー12から巻き出されて、第1工程部20、第2工程部30、第3工程部40へ順に送り込まれることにより、各工程部に対応する工程1、工程2、工程3が順に実行される。なお、ガス拡散層基材10としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン繊維による多孔性基材を用いることができる。
<工程1>
工程1に対応する第1工程部20は、撥水層ペースト塗工装置22を備え、以下で説明する処理を実行する。撥水層ペースト塗工装置22には、撥水層ペースト24が充填されている。工程1では、第1工程部20に送り込まれるガス拡散層基材10上に、撥水層ペースト塗工装置22によって撥水層ペースト24の塗工が実行される。塗工される撥水層ペースト24の厚さは、ガス拡散層基材10が撥水層ペースト塗工装置22下を移動する速度および撥水層ペースト塗工装置22から吐出される撥水層ペースト24の吐出速度によって決定される。なお、撥水層ペースト24は、例えば、撥水性部材である撥水性樹脂(PTFEやPFA等のフッ素系樹脂)の水性分散液を界面活性剤により安定化したものに、導電性部材であるカーボンを混合し、混練することにより作製することができる。
工程1に対応する第1工程部20は、撥水層ペースト塗工装置22を備え、以下で説明する処理を実行する。撥水層ペースト塗工装置22には、撥水層ペースト24が充填されている。工程1では、第1工程部20に送り込まれるガス拡散層基材10上に、撥水層ペースト塗工装置22によって撥水層ペースト24の塗工が実行される。塗工される撥水層ペースト24の厚さは、ガス拡散層基材10が撥水層ペースト塗工装置22下を移動する速度および撥水層ペースト塗工装置22から吐出される撥水層ペースト24の吐出速度によって決定される。なお、撥水層ペースト24は、例えば、撥水性部材である撥水性樹脂(PTFEやPFA等のフッ素系樹脂)の水性分散液を界面活性剤により安定化したものに、導電性部材であるカーボンを混合し、混練することにより作製することができる。
<工程2>
工程2に対応する第2工程部30は、乾燥処理装置32を備え、以下で説明する処理を実行する。乾燥処理装置32は、加熱機34を有する加熱処理装置により構成されている。工程2では、撥水層ペースト24が塗工された順に乾燥処理装置32に送り込まれたガス拡散層基材10を、その後第3工程部40へ送り出すまでの間加熱することにより、撥水層ペースト24の乾燥処理が実行される。これにより、塗工された撥水層ペースト24が撥水層となるべき層としてガス拡散層基材10上に定着される。乾燥処理装置32における乾燥のための加熱時間は、撥水層ペースト24が塗工された順に乾燥処理装置32に送り込まれたガス拡散層基材10が、第3工程部40へ順に送り出されるまでの時間に相当する。この時間は、撥水層ペースト24が塗工された順に乾燥処理装置32に送り込まれたガス拡散層基材10が、乾燥処理装置32内を移動する速度および移動する長さで決定される。なお、乾燥処理装置32における乾燥のための加熱温度および乾燥時間は、例えば、加熱温度が300℃〜350℃の範囲で、乾燥時間が1min〜3min程度の範囲の適切な条件に適宜設定される。
工程2に対応する第2工程部30は、乾燥処理装置32を備え、以下で説明する処理を実行する。乾燥処理装置32は、加熱機34を有する加熱処理装置により構成されている。工程2では、撥水層ペースト24が塗工された順に乾燥処理装置32に送り込まれたガス拡散層基材10を、その後第3工程部40へ送り出すまでの間加熱することにより、撥水層ペースト24の乾燥処理が実行される。これにより、塗工された撥水層ペースト24が撥水層となるべき層としてガス拡散層基材10上に定着される。乾燥処理装置32における乾燥のための加熱時間は、撥水層ペースト24が塗工された順に乾燥処理装置32に送り込まれたガス拡散層基材10が、第3工程部40へ順に送り出されるまでの時間に相当する。この時間は、撥水層ペースト24が塗工された順に乾燥処理装置32に送り込まれたガス拡散層基材10が、乾燥処理装置32内を移動する速度および移動する長さで決定される。なお、乾燥処理装置32における乾燥のための加熱温度および乾燥時間は、例えば、加熱温度が300℃〜350℃の範囲で、乾燥時間が1min〜3min程度の範囲の適切な条件に適宜設定される。
<工程3>
工程3に対応する第3工程部40は、分解除去装置42を備え、後述する処理を実行する。分解除去装置42は、乾燥処理装置32と同様に、加熱機44を有する加熱処理装置により構成されている。撥水層ペースト24の定着された層(以下、「定着層」とも呼ぶ)が形成された順に分解除去装置42に送り込まれたガス拡散層基材10が分解除去装置42内を移動する長さ(分解除去装置42の長さ)は、撥水層ペースト24に含まれる界面活性剤を分解除去するために要する加熱時間に対応するように設定される。また、撥水層ペースト24の定着層を有するガス拡散層基材10が分解除去装置42内を移動する間において、撥水層ペースト24の定着層の表面に接するようにステンレス鋼板46が配置されている。ステンレス鋼板46は、セリウム含有酸化物49、例えば、酸化セリウム(CeO2)や、酸化セリウムに酸化ジルコニア(ZrO2)をドープ等により固溶させた物質等でコーティングされている。従って、撥水層ペースト24の定着層を有するガス拡散層基材10が分解除去装置42内を移動する間において、撥水層ペースト24の定着層の表面には、セリウム含有酸化物49が接触することになる。
工程3に対応する第3工程部40は、分解除去装置42を備え、後述する処理を実行する。分解除去装置42は、乾燥処理装置32と同様に、加熱機44を有する加熱処理装置により構成されている。撥水層ペースト24の定着された層(以下、「定着層」とも呼ぶ)が形成された順に分解除去装置42に送り込まれたガス拡散層基材10が分解除去装置42内を移動する長さ(分解除去装置42の長さ)は、撥水層ペースト24に含まれる界面活性剤を分解除去するために要する加熱時間に対応するように設定される。また、撥水層ペースト24の定着層を有するガス拡散層基材10が分解除去装置42内を移動する間において、撥水層ペースト24の定着層の表面に接するようにステンレス鋼板46が配置されている。ステンレス鋼板46は、セリウム含有酸化物49、例えば、酸化セリウム(CeO2)や、酸化セリウムに酸化ジルコニア(ZrO2)をドープ等により固溶させた物質等でコーティングされている。従って、撥水層ペースト24の定着層を有するガス拡散層基材10が分解除去装置42内を移動する間において、撥水層ペースト24の定着層の表面には、セリウム含有酸化物49が接触することになる。
工程3では、撥水層ペースト24の定着層を有するガス拡散層基材10が分解除去装置42に送り込まれた順に、その表面にセリウム含有酸化物49がコーティングされたステンレス鋼板46を接触させることにより、撥水層ペースト24の定着層の表面にセリウム含有酸化物49を接触させた状態とし、これを加熱することにより、撥水層ペースト24に含まれる界面活性剤の分解除去処理が実行される。これにより、撥水層ペースト24の定着層に撥水性が発現し、この定着層が撥水層となる。そして、撥水層ペースト24の定着層が撥水層となったガス拡散層基材10が、分解除去装置42から送り出されることによって、ステンレス鋼板46への接触が解除される。これにより、撥水層ペースト24の定着層に接触させていたセリウム含有酸化物が除去される。なお、分解除去装置42における界面活性剤の分解除去のための加熱温度および加熱分解理時間は、例えば、加熱温度が300℃〜350℃の範囲で、加熱分解理時間が1.5min〜4.5min程度の範囲の適切な条件に適宜設定される。
なお、工程40の後の図示しない工程では、例えば、裁断装置を用いて長尺板状のガス拡散層を所望の形状に裁断することにより、所望の形状のガス拡散層が形成される。
以上説明した本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、工程3における界面活性剤の分解除去処理において、撥水層ペースト24の定着層に接触しているセリウム含有酸化物49が界面活性剤の分解除去を促進する。この結果、セリウム含有酸化物を接触させていない場合に比べて、分解除去に要する時間の短時間化が図られると考えられる。また、分解除去装置42から送り出される際に、撥水層ペースト24の定着層の表面に接触させていたステンレス鋼板46への接触を解除することにより、撥水層ペースト24の定着層の表面へのセリウム含有酸化物49の接触が除去されるので、再利用が可能であり、例えば、撥水層ペーストにセリウム含有酸化物を添加して、形成された撥水層内に残留させた場合等に比べて、製造コストの点で有利である。
なお、以上説明からわかるように、工程3が本実施形態における本発明の工程b)〜工程d)に対応し、ステンレス鋼板46が本発明の保持部材に対応する。セリウム含有酸化物をコーティングした保持部材としては、ステンレス鋼板に限定されるものではなく、界面活性剤の分解除去のための加熱温度に対する耐熱性があり、また、セリウム含有酸化物のコーティングが可能なものであればよい。
B.第2実施形態:
図2は、第2実施形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示す説明図である。本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、第1実施形態の第3工程部40を第3−1工程部40Aa、第3−2工程部40Ab、および、第3−3工程部40Acの3つの工程部に変更した製造装置により実行される。第3−1工程部40Aaは、第1実施形態の工程3を3つに区分した工程3−1、工程3−2、および、工程3−3のうち、工程3−1に対応する。また、第3−2工程部40Abは工程3−2に対応し、第3−3工程部40Acは工程3−3に対応する。なお、工程1および工程2については、第1実施形態と全く同じであるので、以下では、工程3−1、工程3−2、および、工程3−3についてのみ説明する。
図2は、第2実施形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示す説明図である。本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、第1実施形態の第3工程部40を第3−1工程部40Aa、第3−2工程部40Ab、および、第3−3工程部40Acの3つの工程部に変更した製造装置により実行される。第3−1工程部40Aaは、第1実施形態の工程3を3つに区分した工程3−1、工程3−2、および、工程3−3のうち、工程3−1に対応する。また、第3−2工程部40Abは工程3−2に対応し、第3−3工程部40Acは工程3−3に対応する。なお、工程1および工程2については、第1実施形態と全く同じであるので、以下では、工程3−1、工程3−2、および、工程3−3についてのみ説明する。
<工程3−1>
工程3−1に対応する第3−1工程部40Aaは、セリウム含有酸化物散布装置48を備え、後述する処理を実行する。このセリウム含有酸化物散布装置48は、例えば、スクリーンメッシュ上のセリウム含有酸化物49の粉末を、スクリーンメッシュ上をローラーが移動する際に、メッシュの開口から粉末を押し出すことにより散布する装置である。ただし、これに限定されるものではなく、粉末を散布可能な装置であればよい。
工程3−1に対応する第3−1工程部40Aaは、セリウム含有酸化物散布装置48を備え、後述する処理を実行する。このセリウム含有酸化物散布装置48は、例えば、スクリーンメッシュ上のセリウム含有酸化物49の粉末を、スクリーンメッシュ上をローラーが移動する際に、メッシュの開口から粉末を押し出すことにより散布する装置である。ただし、これに限定されるものではなく、粉末を散布可能な装置であればよい。
セリウム含有酸化物散布装置48にはセリウム含有酸化物の粉末が充填されている。セリウム含有酸化物は、第1実施形態のステンレス鋼板46にコーティングされたもの、例えば、CeO2や、CeO2にZrO2をドープ等して固溶させた物質等と同様のものあり、それを粉末状にしたものが用いられる。
工程3−1では、工程2の乾燥処理装置32において乾燥されて撥水層ペースト24が定着された定着層を有するガス拡散層基材10が、セリウム含有酸化物散布装置48の下を通過する際に、セリウム含有酸化物散布装置48から撥水層ペースト24の定着層の表面にセリウム含有酸化物49の粉末を散布して、セリウム含有酸化物49で覆うことにより、撥水層ペースト24の定着層の表面にセリウム含有酸化物49を接触させる。
<工程3−2>
工程3−2に対応する第3−2工程部40Abは、分解除去装置42Aを備え、以下で説明する処理を実行する。なお、分解除去装置42Aは、第1実施形態の第3工程部40の分解除去装置42からその内部に配置されたステンレス鋼板46を無くした装置である。
工程3−2に対応する第3−2工程部40Abは、分解除去装置42Aを備え、以下で説明する処理を実行する。なお、分解除去装置42Aは、第1実施形態の第3工程部40の分解除去装置42からその内部に配置されたステンレス鋼板46を無くした装置である。
工程3−2では、撥水層ペースト24の定着層の表面にセリウム含有酸化物49を接触させたガス拡散層基材10が、順に分解除去装置42に送り込まれて加熱されることにより、撥水層ペースト24に含まれる界面活性剤の分解除去処理が実行される。これにより、撥水層ペースト24の定着層に撥水性が発現し、この定着層が撥水層となる。
<工程3−3>
工程3−3に対応する第3−3工程部40Acは、セリウム含有酸化物回収装置52を備え、以下で説明する処理を実行する。なお、セリウム含有酸化物回収装置52は、掃除機のような吸引装置により構成されている。
工程3−3に対応する第3−3工程部40Acは、セリウム含有酸化物回収装置52を備え、以下で説明する処理を実行する。なお、セリウム含有酸化物回収装置52は、掃除機のような吸引装置により構成されている。
工程3−3では、撥水層となった撥水層ペースト24の表面を覆っているセリウム含有酸化物の粉末が吸引される。これにより、撥水層ペースト24の定着層に接触させていたセリウム含有酸化物が除去される。なお、図2では、セリウム含有酸化物回収装置52を、セリウム含有酸化物の粉末で覆われた面から離して記載されているが、粉末の吸引効果を高めるためには表面に接触させた方が好ましい。
以上説明した本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法においても、第1実施形態と同様に、工程3−2における界面活性剤の分解除去処理において、撥水層ペースト24の定着層に接触しているセリウム含有酸化物49が界面活性剤の分解除去を促進する。この結果、セリウム含有酸化物を接触させていない場合に比べて、分解除去に要する時間の短時間化が図られると考えられる。また、工程3−3において、撥水層ペースト24の定着層の表面に接触させていたセリウム含有酸化物が除去されるので、再利用が可能であり、例えば、撥水層ペーストにセリウム含有酸化物を添加して、形成された撥水層内に残留させた場合等に比べて、製造コストの点で有利である。
C.実施例:
図3は、第1実施形態および第2実施形態における燃料電池用ガス拡散層の製造方法により製造された実施例のガス拡散層および比較例のガス拡散層の撥水性能について比較して示すグラフである。図は、撥水性能として、第1実施形態により製造されたガス拡散層の例である実施例1、第2実施形態により製造されたガス拡散層の例である実施例2、および、比較例において、それぞれ、撥水層表面に純水を滴下した際の接触角を比較して示している。
図3は、第1実施形態および第2実施形態における燃料電池用ガス拡散層の製造方法により製造された実施例のガス拡散層および比較例のガス拡散層の撥水性能について比較して示すグラフである。図は、撥水性能として、第1実施形態により製造されたガス拡散層の例である実施例1、第2実施形態により製造されたガス拡散層の例である実施例2、および、比較例において、それぞれ、撥水層表面に純水を滴下した際の接触角を比較して示している。
<実施例1>
以下で説明する条件で第1実施形態の製造方法を実行して、実施例1のガス拡散層を製造した。ガス拡散層基材10として、カーボンペーパー(東レ株式会社のTGPH060H)を用いた。撥水層ペースト24としては、下記のようにして作製したものを用いた。具体的には、撥水性部材である撥水性樹脂(PTFEのフッ素系樹脂)の水性分散液を界面活性剤により安定化したものとして、ダイキン工業株式会社製のPTFEの水性ディスパージョンであるポリフロン PTFE D−1E(「ポリフロン」はダイキン工業株式会社の登録商標である)を用いた。また、導電性部材であるカーボンとして、アセチレンブラックである電気化学工業株式会社製のデンカ ブラック(「デンカ ブラック」は電気化学工業株式会社の登録商標である)を用いた。そして、上記アセチレンブラックに、上記PTFEの水性ディスパージョンを、アセチレンブラックの重量に対するPTFEの水性ディスパージョン中の固形成分の割合が30重量%となるように混合し、30分間コロイドミルを用いて30分間分散させることにより、これらを混練して撥水層ペースト24を作製した。
以下で説明する条件で第1実施形態の製造方法を実行して、実施例1のガス拡散層を製造した。ガス拡散層基材10として、カーボンペーパー(東レ株式会社のTGPH060H)を用いた。撥水層ペースト24としては、下記のようにして作製したものを用いた。具体的には、撥水性部材である撥水性樹脂(PTFEのフッ素系樹脂)の水性分散液を界面活性剤により安定化したものとして、ダイキン工業株式会社製のPTFEの水性ディスパージョンであるポリフロン PTFE D−1E(「ポリフロン」はダイキン工業株式会社の登録商標である)を用いた。また、導電性部材であるカーボンとして、アセチレンブラックである電気化学工業株式会社製のデンカ ブラック(「デンカ ブラック」は電気化学工業株式会社の登録商標である)を用いた。そして、上記アセチレンブラックに、上記PTFEの水性ディスパージョンを、アセチレンブラックの重量に対するPTFEの水性ディスパージョン中の固形成分の割合が30重量%となるように混合し、30分間コロイドミルを用いて30分間分散させることにより、これらを混練して撥水層ペースト24を作製した。
工程1における撥水層ペースト24の塗工は、工程3の後の重量が4mg/cm2となるように実行した。工程2における撥水層ペースト24の乾燥は、処理温度を大気中350℃、処理時間を1.5minとして、実行した。工程3における界面活性剤の分解除去は、処理温度を大気中350℃、処理時間を2minとして、実行した。なお、ステンレス鋼板46としては、セリウム含有酸化物49としてCeO2にZrO2を固溶させたものを用い、その表面をセリウム含有酸化物49でコーティングされたものを用いることとした。
<実施例2>
以下で説明する条件で第2実施形態の製造方法を実行して、実施例2のガス拡散層を製造した。ガス拡散層基材10および撥水層ペースト24は実施例1と同じものを用いた。また、工程1における撥水層ペースト24の塗工および工程2における撥水層ペースト24の乾燥は、実施例1と同じ条件で実行した。工程3−1におけるセリウム含有酸化物49の粉末の散布は、1mg/cm2となるように実行した。なお、セリウム含有酸化物49の粉末としては、実施例1と同じ、CeO2にZrO2を固溶させたものの粉末を用いることとした。
以下で説明する条件で第2実施形態の製造方法を実行して、実施例2のガス拡散層を製造した。ガス拡散層基材10および撥水層ペースト24は実施例1と同じものを用いた。また、工程1における撥水層ペースト24の塗工および工程2における撥水層ペースト24の乾燥は、実施例1と同じ条件で実行した。工程3−1におけるセリウム含有酸化物49の粉末の散布は、1mg/cm2となるように実行した。なお、セリウム含有酸化物49の粉末としては、実施例1と同じ、CeO2にZrO2を固溶させたものの粉末を用いることとした。
<比較例>
比較例は、第1実施形態の工程3において、ステンレス鋼板46を用いないで界面活性材の分解除去を実行する製造方法を実行して、実施例1と同じ条件でガス拡散層を製造した。
比較例は、第1実施形態の工程3において、ステンレス鋼板46を用いないで界面活性材の分解除去を実行する製造方法を実行して、実施例1と同じ条件でガス拡散層を製造した。
図3に示すように、比較例において、処理温度を大気中350℃および所持時間を2minとして実行した界面活性剤の分解除去処理では、その除去ができておらず、PTFEの撥水性が発現していない。一方、実施例1および実施例2においては、同じ処理温度および処理時間として実行した界面活性剤の分解除去処理では、完全にその除去ができているため、接触角が150°以上を示し、高いPTFEの撥水性が発現している。従って、上記第1実施形態および第2実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によれば、界面活性剤の加熱分解時間の短縮化が可能であることがわかる。
D.変形例:
なお、上記実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
なお、上記実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
上記実施形態では、乾燥工程と分解除去工程とを区分けしているが、乾燥処理工程を省略して、分解除去工程に乾燥処理工程を含むようにしてもよい。
上記実施形態において、ローラー12から巻き出される長尺シート状のガス拡散層基材に対して、順に各工程に対応する工程部において順にそれぞれの処理が実行される製造装置を用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、あらかじめ所望の形状に裁断されたガス拡散層基材を、各工程に対応する工程部に備える処理装置に搬送し、各工程部の処理装置がそれぞれの処理を実行するようにしてもよい。すなわち、本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法の各工程を順に実行するものであれば、どのような構成であってもよい。
10…ガス拡散層基材
12…ローラー
20…第1工程部
22…撥水層ペースト塗工装置
24…撥水層ペースト
30…第2工程部
32…乾燥処理装置
34…加熱機
40…第3工程部
40Aa…第3−1工程部
40Ab…第3−2工程部
40Ac…第3−3工程部
42…分解除去装置
42A…分解除去装置
44…加熱機
46…ステンレス鋼板
48…セリウム含有酸化物散布装置
49…セリウム含有酸化物
52…セリウム含有酸化物回収装置
12…ローラー
20…第1工程部
22…撥水層ペースト塗工装置
24…撥水層ペースト
30…第2工程部
32…乾燥処理装置
34…加熱機
40…第3工程部
40Aa…第3−1工程部
40Ab…第3−2工程部
40Ac…第3−3工程部
42…分解除去装置
42A…分解除去装置
44…加熱機
46…ステンレス鋼板
48…セリウム含有酸化物散布装置
49…セリウム含有酸化物
52…セリウム含有酸化物回収装置
Claims (4)
- 燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
a)ガス拡散層基材に、撥水部材および界面活性剤を含む撥水層ペーストを塗工する工程と、
b)前記撥水層ペーストが塗工されたガス拡散層基材の前記撥水層ペーストの塗工面にセリウム含有酸化物を接触させる工程と、
c)前記撥水層ペーストの前記塗工面に前記セリウム含有物が接触されたガス拡散層基材を加熱して、前記撥水層ペーストに含まれる前記界面活性剤を分解除去する工程と、
を備え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1記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、さらに、
d)前記工程c)の後、前記撥水層ペーストの前記塗工面に接触させていた前記セリウム含有酸化物を除去する工程
を備え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記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記工程b)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に、前記セリウム含有酸化物を表面に保持した保持部材を接触配置する工程であり、
前記工程d)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に接触配置した前記保持部材を取りはずす工程である
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記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記工程b)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に、前記セリウム含有酸化物の粉末を散布する工程であり、
前記工程d)は、前記撥水層ペーストの前記塗工面に散布された前記セリウム含有酸化物の粉末を吸引により回収する工程である
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)
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---|---|---|---|
JP2011090674A JP2012226844A (ja) | 2011-04-15 | 2011-04-15 | 燃料電池用ガス拡散層の製造方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018186293A1 (ja) * | 2017-04-03 | 2018-10-11 | 東レ株式会社 | ガス拡散電極基材の製造方法、および燃料電池 |
-
2011
- 2011-04-15 JP JP2011090674A patent/JP2012226844A/ja not_active Withdrawn
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