JP2014191867A - ガス拡散層、膜電極接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の炭素繊維基材を主成分としたガス拡散層では、その表面に視認性良くマーキングすることが難しかった。
【解決手段】導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状の燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、凹凸形状の生産管理記号が形成されているガス拡散層、およびその製造方法。ガス拡散層表面に凹凸状に刻印することで、視認性良く高精細なマーキングが可能となり、生産管理に役立つ。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料ガスとして、純水素、メタノールなどの液体燃料、あるいは、化石燃料などからの改質水素などの還元剤を用い、酸化剤ガスとして、空気（酸素）などを用いる燃料電池に関し、より詳しくは、当該燃料電池が備えるガス拡散層及びその製造方法に関する。

図１は、従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成を示す模式図である。高分子電解質形燃料電池の単電池（セルともいう）は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙという）と、ＭＥＡの両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータとを有している。

ＭＥＡは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（イオン交換樹脂膜）と、当該高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極層とを備えている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、当該触媒層に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層（ＧＤＬ）とを有している。ガス拡散層は、炭素繊維からなる多孔質な基材と、カーボンと撥水材からなるコーティング層（撥水カーボン層）とで構成されている。

ＭＥＡは、ハンドリング性の向上のため、その周縁部（外周領域ともいう）を額縁状に形成された枠体で保持されていてもよい。枠体の内縁部は、触媒層とガス拡散層との間に位置している。言い換えれば、ガス拡散層は枠体上に乗り上げるように構成されている。なお、ここでは、枠体を備えるＭＥＡを電極−膜−枠接合体という。

前記一対のセパレータには、ガス拡散層と当接する主面に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、前記一対のセパレータには、冷却水などが通る冷却水流路が設けられている。当該各ガス流路を通じて前記一対の電極層にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。

前記のように構成されるセルは、１つ以上積層され、互いに隣接するセルを電気的に直列に接続されて使用されるのが一般的である。なお、このとき、互いに積層されたセルは、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材により所定の締結圧にて加圧締結される。従って、ＭＥＡとセパレータとは所定の圧力で面接触することになる。このとき、セパレータは、互いに隣接するＭＥＡ同士を電気的に直列に接続するための集電性を有する。また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、一対のセパレータの間には、触媒層とガス拡散層の側面を覆うようにシール材（ガスケット）が配置されている。

このように燃料電池スタックを組み付ける際に、作業性の向上を図るため、あるいは製造工程（原材料ロット、中間製造品ロット）との紐付けを行うため、ＧＤＬ、ＭＥＡ、セパレータなどを個別にロット管理することが望まれている。そこで例えば、特許文献１には、ガス拡散層が炭素繊維基材を主成分とするカーボン不織布の場合に、カーボンペーストや鉛筆などを用いてマーキングを施す技術が開示されている。

特許第３９８９７７１号公報

近年、燃料電池の分野においては、より一層の低コスト化が求められており、各構成部材の単価の低減、部品点数の削減などの観点から、様々な低コスト化の技術が提案されている。

例えば、ガス拡散層は、ガス拡散性を備えるようにするために、多孔質部材で構成される。また、ガス拡散層は炭素繊維を基材とした多孔質部材で構成されるのが一般的である。しかしながら、炭素繊維を基材とした多孔質部材は、製造工程が複雑であり製造コストがかかるため、高価である。そこで、炭素繊維を基材とした多孔質部材を用いずにガス拡散層を構成することで、燃料電池の低コスト化を図る技術が提案されている。炭素繊維基材を多孔質部材として用いずにガス拡散層を構成する方法として、例えば、導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状のガス拡散層（以下、基材レスガス拡散層と呼ぶ）がある。

このとき前記、特許文献１の構成のカーボンペーストを用いて基材レスガス拡散層にマーキングしようとすると、基材レスガス拡散層とカーボンペーストがほぼ同一成分（導電性粒子）であるため見えづらく、視認性が著しく低下した。また鉛筆でマーキングしようとすると、炭素繊維基材からなるガス拡散層に比べて柔らかく弾力性が高いため、文字を記載することが困難であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、導電性粒子と高分子樹脂を主成分とするガス拡散層において、簡易で確実な手段を使い、ガス拡散層に高精細にマーキングを施すことを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状の燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、凹凸形状の生産管理記号が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状のガス拡散層は、粒子を主成分としているため従来の炭素繊維主体のガス拡散層に比べて形態加工が容易である。さらに最終工程で圧延プレスを行うために平滑性に優れている。以上より、直接ガス拡散層に凹凸形状を形成することが可能なことを見出した。

さらに手段としてレーザーマーカー、刻印スタンプ等が適用可能であり、高精細かつ認識性良くバーコードや記号を凹凸形状に加工することが可能であることを見出した。

簡易な方法でガス拡散層自体に認識性が高い識別マークが設けられているため、確実にガス拡散層の原材料ロット、中間製造品ロットとの紐付けが可能となる。またスタック、システムとの紐付けが可能となる。また表裏の判別も容易になる。

従来の燃料電池の構成図 本発明の実施の形態１におけるガス拡散層の製造フロー図 本発明の実施の形態２における燃料電池の製造フロー図 本発明の実施の形態２のおけるガス拡散層の正面図 本発明の実施の形態２における膜−電極接合体の断面模式図 本発明の実施の形態３における燃料電池の製造フロー図 本発明の実施の形態３における膜−電極−枠体接合体の断面模式図 本発明の実施の形態４における燃料電池の製造フロー図 本発明の実施の形態４における膜−電極−枠体接合体の断面模式図 本発明の実施の形態５における燃料電池の製造フロー図 本発明の実施の形態５のステップＳ１におけるガス拡散層の正面図 本発明の実施の形態５のステップＳ２におけるガス拡散層の正面図 本発明の実施の形態６における燃料電池の製造フロー図

本発明の第１態様によれば、導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状の燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、凹凸形状の生産管理記号が形成されている、ことを特徴とする。

この構成により、ガス拡散層に直接凹凸形状を施すことにより、記述するためのインクが不要となり、インク由来のコンタミ劣化が抑制される。また物理的に表面が凹凸しているため、燃料電池発電によって生じた生成水が生産管理記号を洗い流す恐れがない。また物理的に表面が凹凸しているため、水素ガスによる還元作用、または空気による酸化作用によって、生産管理記号が反応消失する恐れがない。

本発明の第２態様によれば、前記生産管理記号は、発電領域以外の部分である非発電領域に形成されている、ことを特徴とする。

この構成により、発電領域に凹凸部がないので、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗の増加が抑制され、発電領域の電子伝導性が阻害されない。また凹凸部に生成水が滞留することによって、ガス拡散性が低下し発電性能が低下する（＝フラッディング）ことを防止できる。

本発明の第３態様によれば、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むように配置された第１触媒層及び第２触媒層と、前記第１触媒層の前記高分子電解質膜と反対の面側に配置された、請求項２に記載の前記ガス拡散層と、を備え、前記生産管理記号は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層のうち前記第１触媒層と重ならない部分である前記非発電領域に形成されている膜電極接合体である、ことを特徴とする。

この構成により、生産管理記号が触媒層と重ならない部分のガス拡散層に形成されているため、この部分は確実に非発電領域とすることが可能となる。

本発明の第４態様によれば、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むように配置された第１触媒層及び第２触媒層と、前記第１触媒層の前記高分子電解質膜と反対の面側に配置された、請求項２に記載の前記ガス拡散層と、前記高分子電解質膜の周縁部を覆う環状の枠体と、を備え、前記生産管理記号は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層のうち前記枠体と重なる部分である前記非発電領域に形成されている、膜電極接合体である、ことを特徴とする。

この構成により、生産管理記号が枠体に乗り上げている部分のガス拡散層に形成されているため、この部分は確実に非発電領域とすることが可能となる。

本発明の第５態様によれば、ガス拡散層の周縁部に配置された環状のシール部材をさらに備え、前記生産管理記号は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記シール部材
と重ならない部分に形成されている、請求項３又は４に記載の膜電極接合体。

この構成により、ガス拡散層がシール部材と重なって圧縮されることによる凹凸形状の生産管理記号の変形、消滅を防止することが可能となる。

本発明の第６態様によれば、前記ガス拡散層に設けた生産管理記号は、バーコード、文字及び識別記号のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする。

この構成により、機械による読み取り、または人による読み取りが可能となり、生産管理記号としての有用性が高まる。

本発明の第７態様によれば、前記膜電極接合体に設けた生産管理記号は、バーコード、文字及び記号のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする。

この構成により、機械による読み取り、または人による読み取りが可能となり、生産管理記号としての有用性が高まる。

本発明の第８態様によれば、導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、前記ガス拡散層を圧延する工程と、その後、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、凹凸形状の生産管理記号が形成する工程とを備えるガス拡散層の製造方法である、ことを特徴とする。

この構成により、ガス拡散層を圧延して表面を十分に平滑にした後に凹凸形状の生産管理記号を形成するので、高精細で視認性を高めることが可能となる。

本発明の第９態様によれば、前記生産管理記号を形成する工程は、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、レーザーを照射して凹凸形状の生産管理記号を形成する工程である、ことを特徴とする。

この構成により、レーザーマーカーを利用してガス拡散層に素早く記号を形成することが可能であるので、一枚当たりの加工時間が短く、製造工程上の時間ロスにならない。また２次元バーコードなどの複雑な模様も簡単に形成可能である。

本発明の第１０態様によれば、前記生産管理記号を形成する工程は、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、刻印を押し付けて凹凸形状の生産管理記号を形成する工程である、ことを特徴とする。

この構成により、刻印を利用してガス拡散層に素早く記号を形成することが可能であるので、インクが不要となり、インク由来のコンタミ劣化が抑制される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、先に説明した実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１におけるガス拡散層の製造フロー図である。本実施の形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。

本発明の実施の形態にかかるガス拡散層５の構成について詳細に説明する。ガス拡散層５は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、シート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されている。また追加で、基材としては成立しない重量（例えば導電性粒子及び高分子樹脂よりも少ない重量）の炭素繊維が添加されていても良い。

前記導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。なお、それらの中でもカーボンブラックの主成分としてアセチレンブラックが用いられることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。

また、前記導電性粒子は、平均粒子径が異なる２種類のカーボン材料を混合して構成されることが好ましい。これにより、ガス拡散層全体の多孔度を低くすることが可能になる。充填構造を作製しやすい導電性粒子としてはグラファイトが挙げられる。従って、導電性粒子は、アセチレンブラックとカーボンブラックとを混合して構成されることが好ましい。

なお、前記導電性粒子を３種類以上のカーボン材料を混合して構成すると、分散、混練、圧延条件などの最適化が困難である。このため、前記導電性粒子は、２種類のカーボン材料を混合して構成することが好ましい。

また、カーボン材料の原料形態としては、例えば、粉末状、繊維状、粒状などが挙げられる。それらの中でも粉末状がカーボン材料の原料形態として採用されることが、分散性、取り扱い性の観点から好ましい。

前記高分子樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などが挙げられる。これらの中でも前記高分子樹脂としてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。

前記高分子樹脂は、前記導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。

前記炭素繊維を追加する場合、その材料としては、例えば、気相成長法炭素繊維（以下、ＶＧＣＦという）、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどが挙げられる。前記炭素繊維としてＶＧＣＦを使用する場合、例えば、繊維径が約０．１５μｍ、繊維長が約１５μｍのものを使用すればよい。また、前記炭素繊維としてミルドファイバー又はカットファイバー、チョップファイバーを使用する場合、例えば、繊維径が約５〜２０μｍ、繊維長が約２０μｍ〜１００μｍであるものを使用すればよい。

前記ミルドファイバー又はカットファイバー、チョップファイバーの原料は、ＰＡＮ系、ピッチ系、レイヨン系のいずれでもよい。また、前記ファイバーは、原糸（長繊維フィラメント又は短繊維ステーブル）を切断、裁断することにより作製された短繊維の束を分
散させて使用することが好ましい。

また、ガス拡散層には、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維以外に、ガス拡散層の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノールやエタノールなどのアルコール類、エチレングリコールなどのグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量及び界面活性剤の量が多いほど、導電性粒子と高分子樹脂とが均一に分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、ガス拡散層には、本発明の目的を達成できる範囲内の量（微量）であれば、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維と界面活性剤と分散溶媒以外の材料が含まれていてもよい。

なお、高分子電解質膜は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであればよい。高分子電解質膜の形状は、特に限定されるものではないが、本実施の形態では略矩形とする。

触媒層は、好ましくは、水素又は酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層は、好ましくは、外縁が、高分子電解質膜の厚さ方向から見て、シール部材の中心部よりも内側に位置するように設けられる。触媒層の外縁がシール部材の中心部よりも外側にあると、多孔質な触媒層の内部を通過した反応ガスが外側に抜けやすくなり、（外部リーク）ガスロスが生じる。また、触媒層は、特に限定されるものではないが、例えば、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質部材により構成することができる。触媒層は、導電性を有し、且つ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであればよい。触媒層の形状は、特に限定されるものではないが、本実施の形態では略矩形とする。触媒層は、高分子電解質膜の表面に触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして形成することができる。また、一般的な転写法により作製しても良い。

なお、枠体は、ＭＥＡのハンドリング性の向上のために設けられる部材である。枠体の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、枠体の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。枠体の形状は、特に限定されるものではないが、本実施の形態では略矩形環状とする。

またシール部材は、好ましくは、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂で構成される。シール部材を構成する材料としては、例えば、ゴム材料や熱可塑性エラストマーや接着剤等の化合物を使用することができる。シール部材を構成するシール材の具体例としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、あるいはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテック
スを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム、フッ素ゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。また、これらの化合物を単体で用いても、あるいは２種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。また、シール部材を構成するシール材として、具体的には、ポリプロピレン及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８１０１−５５等を用いることができる。シール部材の形状は、特に限定されるものではないが、本実施の形態では略矩形環状とする。

次に、図２の燃料電池製造フロー図を参照しつつ、本発明の実施の形態１にかかるガス拡散層の製造方法について説明する。

まず、ステップＳ１では、導電性粒子と高分子樹脂を主成分とするシート状のガス拡散層を作製する。具体的には、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混錬する。より具体的には、導電性粒子と界面活性剤と分散溶媒とを攪拌・混錬機に投入し、それらを混錬して粉砕及び造粒する。この後、それらの混錬物の中に高分子樹脂材料を添加してさらに分散させる。なお、高分子樹脂材料を他の材料と別に混錬機に投入せずに、高分子樹脂材料を含む全ての材料を同時に混練機に投入しても良い。混錬して得た混錬物をロールプレス機などで縦横に圧延してシート状に成形する。なお、このときにシートにせん断力を加えるように成形することによって、シート内の高分子樹脂をフィブリル化（繊維化）させることが好ましい。フィブリル化させることによって、シート強度が増加し、ガス流路へのガス拡散層の落ち込みを抑制することが可能となる。シートにせん断力を加える方法は、一軸、または２軸の一般的なロールプレス機を使えば良い。シートとして薄層化させるためには、片側は平板で片側にのみ円筒状のロールプレスを配置した、一軸型ロールプレス機が好ましい。高分子樹脂のフィブリル化に関しては、製造工程において肉眼での観察は不可能であるが、たとえば高分解能型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで拡大観察すると、観察可能である。高分子樹脂を含むシートにロールプレス機でせん断力をかけると、糸くず状に絡まっていた高分子樹脂が引き伸ばされて、絡み合いが解け、繊維状に延伸すると考えている。ロールプレス機のプレス圧力（線圧）、ギャップ、回転速度などはガス拡散層を作製する組成や、プレス前の厚み、プレス後の狙い厚み、多孔度などで適宜、選択可能である。参考までにプレス圧（線圧）が高すぎると、薄くなりすぎたり、シートを破壊してしまうため好ましくない。プレス圧（線圧）が低すぎると、厚み調整が困難であったり、十分なせん断力をシートに印加させることが出来ずに繊維化が不十分となるため、好ましくない。次にシート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。界面活性剤と分散溶媒とを除去したシートを製品に適した規格サイズ（＝実製品サイズ）に裁断する。

ステップＳ２では、ステップＳ１で製造したガス拡散層に、凹凸形状の生産管理記号１１を形成する。本発明の燃料電池用ガス拡散層において、前記凹凸形状の生産管理記号１１は、光学的、若しくは機械的に読み取り可能なコードであるか、又は人が読み取り可能なコードであることが好ましい。

また前記コードを併記しても良い。ここで光学的若しくは機械的に読み取り可能なコードとしては、例えば一次元バーコードや二次元バーコードなどのコードパターンを形成する凹凸形状などが挙げられる。人が読み取り可能なコードとしては、文字、図形、記号、識別マーク、絵文字、顔文字、商標、認証マークなどのパターンを形成する凹凸形状などが挙げられる。ガス拡散層表面に凹凸パターンを形成する方法としては、レーザーマーカー、金型などを使った刻印スタンプ、マーク棒などが考えられる。レーザーマーカーの場合、使用するレーザー装置としては、ＹＡＧ方式、ＣＯ２方式、ファイバ方式、ＩＲ方式、ＶＩＳ方式、ＵＶ方式、ＳＰ方式などの一般的なレーザーマーカーが適宜使用可能であ
る。特に低出力調整が容易なＣＯ２レーザーマーカーが好ましい。マークを刻む場所は、例えば実製品サイズのうち、発電領域以外の部分である非発電領域に形成されていることが好ましい。

本発明の燃料電池用ガス拡散層において、凹凸形状の生産管理記号１１は、例えば、ガス拡散層を製造したときの原材料ロット、製造プロセス管理項目、製造日時、製造場所、製造装置、製造者などのうちの少なくとも１つであることが好ましい。もしくはそれらに関する情報に対応付けられていることが好ましい。このようにすることで、工程管理時の製造上発生した不良解析に役立つ。また製品出荷後の年数が経過した後に、スタックを分解した際に、ガス拡散層の素性判明に役立つ。

（実施の形態２）
次に、図３の燃料電池製造フロー図を参照しつつ、本発明の実施の形態２にかかるガス拡散層、および膜−電極接合体の製造方法について説明する。図４に実施の形態２にかかるガス拡散層の正面図を示す。また図５に実施の形態２にかかる膜−電極接合体の断面模式図を示す。

まず、ステップＳ１は、本発明の実施の形態１と同じである。

ステップＳ２では、凹凸形状の生産管理記号１１を、触媒層と重ならない部分である非発電領域に形成する。具体的には、ガス拡散層の外縁部であることが好ましい。形成方法は、本発明の実施の形態１と同じで構わない。

ステップＳ３では、膜−触媒層接合体とガス拡散層を貼り合わせて膜−電極接合体（ＭＥＡ）を作製する。このとき、ガス拡散層の凹凸形状の生産管理記号１１が触媒層と重ならないように注意しながら貼り合わせる必要がある。貼り合わせ方法は、ホットプレス方法が好ましい。温度、圧力、貼り合わせ時間は適宜選択可能である。例えば、高分子膜の劣化を抑えつつ、十分な貼り合わせ強度を得るためには、８０℃〜１６０℃で、０．２〜１．５ＭＰａ、１分間〜２０分間が好ましい。凹凸形状の生産管理記号１１は触媒層と反対面にあるほうが、ＭＥＡ状態でも生産管理記号１１を視認することが可能であるので好ましい。

以上のようにして、本発明の実施の形態２にかかるガス拡散層、および膜−電極接合体は製造される。

（実施の形態３）
次に、図６の燃料電池製造フロー図を参照しつつ、本発明の実施の形態３にかかるガス拡散層、および膜−電極−枠体接合体の製造方法について説明する。図７に実施の形態３にかかる膜−電極−枠体接合体の断面模式図を示す。

まず、ステップＳ１は、本発明の実施の形態１と同じである。

ステップＳ２では、凹凸形状の生産管理記号１１を、枠体１４と重なる部分である非発電領域１２に形成する。具体的には、ガス拡散層の外縁部であることが好ましい。形成方法は、本発明の実施の形態１と同じで構わない。

ステップＳ３では、膜−触媒層−枠体接合体とガス拡散層を貼り合わせて膜−電極−枠体接合体を作製する。このとき、ガス拡散層の凹凸形状の生産管理記号１１が枠体１４と重なるように注意しながら貼り合わせる必要がある。貼り合わせ方法、条件は実施の形態２と同じで構わない。凹凸形状の生産管理記号１１は枠体１４と反対面にあるほうが、膜
−電極−枠体接合体状態でも生産管理記号１１を視認することが可能であるので好ましい。

以上のようにして、本発明の実施の形態３にかかるガス拡散層、および膜−電極−枠体接合体は製造される。

（実施の形態４）
次に、図８の燃料電池製造フロー図を参照しつつ、本発明の実施の形態４にかかるガス拡散層、および膜−電極−枠体接合体の製造方法について説明する。図９に実施の形態４にかかる膜−電極−枠体接合体の断面模式図を示す。

まず、ステップＳ１は、本発明の実施の形態１と同じである。

ステップＳ２では、凹凸形状の生産管理記号１１を、シール部材９と重ならない部分に形成する。具体的には、ガス拡散層の外縁部であることが好ましい。形成方法は、本発明の実施の形態１と同じで構わない。

ステップＳ３では、膜−触媒層−枠体接合体とガス拡散層を貼り合わせて膜−電極−枠体接合体を作製する。作製方法は、本発明の実施の形態３と同じで構わない。

ステップＳ４では、膜−電極−枠体接合体とシール部材９を、ガス拡散層に形成した生産管理記号１１がシール部材９と重ならないように配置する。具体的には、シール部材９の外端が生産管理記号１１を設けた部分のガス拡散層と重ならないようにして、スタックを締結すれば良い。

尚、本実施の形態では、シール部材９をセパレータ側に設ける構成を図示しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、シール部材９が枠体１４側に設置されていても良い。またシールが独立していて、枠体１４とセパレータの間に、はめ込む形式であっても良い。

尚、本実施の形態では、膜−電極−枠体接合体とシール部材９との位置関係を説明しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、枠体１４を使用せずに、膜−電極接合体とシール部材９の場合においても、凹凸形状の生産管理記号１１をシール部材９と重ならない部分のガス拡散層に形成すれば良い。

尚、本実施の形態では、ガス拡散層と触媒層は直接、接する構造を説明しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガス拡散層の一面に撥水カーボン層４（ｍｉｃｒｏ
ｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ，以下、ＭＰＬと呼ぶ）が形成されていても良い。ＭＰＬは従来の炭素繊維基材を主成分とするガス拡散層に形成する場合に公知な材料組成、製造プロセスで形成すれば良い。ＭＰＬはガス拡散層と触媒層の間に配置することが一般的である。

尚、凹凸形状の生産管理記号１１を形成した後に、ガス拡散層を切断し、所定の形状に加工する工程を備えていてもよい。この場合、例えば、切り出したガス拡散層の表面に生産管理記号１１が残るように切断されてもよく、切断したガス拡散層の切れ端に生産管理記号１１が残るように切断されてもよい。切断したガス拡散層の切れ端に生産管理記号１１を残す工程の場合には、前記生産管理記号１１に含まれている情報が、例えば、切断後のガス拡散層を搬送するための受け皿や、貼り合せた時の高分子膜、枠体、積層後のセパレータ、スタック、システムに付与した生産管理記号に引き継いでいることが望ましい。

（実施の形態５）
次に、図１０の燃料電池製造フロー図を参照しつつ、本発明の実施の形態５にかかるガス拡散層、および膜−電極−接合体の製造方法について説明する。本実施の形態では、実製品サイズより大きなガス拡散層を製造し、実製品サイズより外縁部に凹凸形状の生産管理記号１１を形成し、形成後のガス拡散層を実製品サイズに裁断と同時に膜−電極接合体と貼り合わせることが特徴である。

まず、ステップＳ１は、ガス拡散層を製造する工程までは、本発明の実施の形態１と同じである。但し、実施の形態５においては、実製品サイズ１３に対して２枚以上裁断可能な大きさのガス拡散層を製造する。図１１にステップＳ１におけるガス拡散層の正面図を示す。

ステップＳ２では、ガス拡散層の実製品サイズ１３より外縁部に凹凸形状の生産管理記号１１を形成する。形成する方法は、本発明の実施の形態１と同じである。図１２にステップＳ２におけるガス拡散層の正面図を示す。

ステップＳ３では、凹凸形状の生産管理記号１１を形成後のガス拡散層にＭＰＬを形成する。生産管理記号１１の識別性を保持するために、ＭＰＬは生産管理記号１１と反対面のガス拡散層の一面に形成することが好ましい。

ステップＳ４では、ＭＰＬ形成後のガス拡散層を実製品サイズに裁断と同時に膜−触媒層接合体と貼り合せる。貼り合わせ方法は、本発明の実施の形態２と同じで構わない。このとき、切断したガス拡散層の生産管理記号１１に含まれている情報を、貼り合わせた後の膜−電極接合体に付与した生産管理記号と関連付かせるようにしておく。このようにしておけば、ガス拡散層に生産管理記号１１が残っていない場合でも、膜−電極接合体に付与した生産管理記号から、ガス拡散層の素状が調査可能である。

（実施の形態６）
次に、図１３の燃料電池製造フロー図を参照しつつ、本発明の実施の形態６にかかるガス拡散層、および膜−電極−接合体の製造方法について説明する。本実施の形態では、実製品サイズより大きなガス拡散層を製造し、実製品サイズより外縁部に凹凸形状の生産管理記号１１を形成し、形成後のガス拡散層を実製品サイズに裁断と同時に番号管理した受け皿に置くことが特徴である。

ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３は本発明の実施の形態５と同じである。

ステップＳ４では、ＭＰＬ形成後のガス拡散層を実製品サイズに裁断と同時に番号管理した受け皿に置く。貼り合わせ方法は、本発明の実施の形態２と同じで構わない。このとき、切断したガス拡散層の生産管理記号１１に含まれている情報を、受け皿の管理番号と関連付かせるようにしておく。このようにしておけば、ガス拡散層に生産管理記号１１が残っていない場合でも、受け皿に付与した生産管理記号から、ガス拡散層の素状が調査可能である。

受け皿の番号管理の記載は、例えば、光学的、若しくは機械的に読み取り可能なコードであるか、又は人が読み取り可能なコードであれば良い。また前記コードを併記しても良い。ここで光学的若しくは機械的に読み取り可能なコードとしては、例えば一次元バーコードや二次元バーコードなどのコードパターンがある。人が読み取り可能なコードとしては、文字、図形、記号、識別マーク、絵文字、顔文字、商標、認証マークなどがある。

以上、本発明の実施の形態にかかる燃料電池によれば、導電性粒子と高分子樹脂を主成
分とした板状のガス拡散層からなる燃料電池において、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、凹凸形状の生産管理記号を形成することによって、視認性良く高精細なマーキングが可能となる。また、非発電領域に形成することによって、燃料電池性能を損なう恐れが無い。さらに、シール部材と重ならない部分に形成することによって、生産管理記号の変形、消滅を防ぐことができる。さらに、記号形成方法として、レーザーマーカーを使用することによって、高精細な凹凸形状を素早く製造できる。

なお、前記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる燃料電池用ガス拡散層、および本発明にかかるガス拡散層、膜−電極接合体、膜−電極−枠体接合体の製造方法は、ガス拡散層の少なくとも一方に凹凸形状の記号を形成することによって、視認性良く生産管理が可能となるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。

１ 高分子電解質膜
２、２Ａ、２Ｂ 触媒層
３、３Ａ、３Ｂ ガス拡散層基材
４、４Ａ、４Ｂ 撥水カーボン層
５、５Ａ、５Ｂ ガス拡散層
６、６Ａ、６Ｂ 導電性セパレータ板
７、７Ａ、７Ｂ ガス流路
８ 冷却水流路
９ シール部材
１０ 締結ボルト
１１ 生産管理記号
１２ 非発電領域
１３ 実製品サイズ
１４ 枠体
１５ ガス拡散層

Claims (10)

1. 導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状の燃料電池用ガス拡散層であって、
   前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、凹凸形状の生産管理記号が形成されている、ガス拡散層。
2. 前記生産管理記号は、発電領域以外の部分である非発電領域に形成されている、請求項１に記載のガス拡散層。
3. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜を挟むように配置された第１触媒層及び第２触媒層と、
   前記第１触媒層の前記高分子電解質膜と反対の面側に配置された、請求項２に記載の前記ガス拡散層と、
   を備え、
   前記生産管理記号は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層のうち前記第１触媒層と重ならない部分である前記非発電領域に形成されている、膜電極接合体。
4. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜を挟むように配置された第１触媒層及び第２触媒層と、
   前記第１触媒層の前記高分子電解質膜と反対の面側に配置された、請求項２に記載の前記ガス拡散層と、
   前記高分子電解質膜の周縁部を覆う環状の枠体と、
   を備え、
   前記生産管理記号は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層のうち前記枠体と重なる部分である前記非発電領域に形成されている、膜電極接合体。
5. 前記ガス拡散層の周縁部に配置された環状のシール部材をさらに備え、
   前記生産管理記号は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記シール部材と重ならない部分に形成されている、請求項３又は４に記載の膜電極接合体。
6. 前記生産管理記号は、バーコード、文字及び識別記号のうちの少なくとも１つである、請求項１又は２に記載のガス拡散層。
7. 前記生産管理記号は、バーコード、文字及び識別記号のうちの少なくとも１つである、請求項３〜５のいずれか１つに記載の膜電極接合体。
8. 導電性粒子と高分子樹脂を主成分とした板状の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
   前記ガス拡散層を圧延する工程と、
   その後、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、凹凸形状の生産管理記号が形成する工程と、
   を備える、ガス拡散層の製造方法。
9. 前記生産管理記号を形成する工程は、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、レーザーを照射して凹凸形状の生産管理記号を形成する工程である、請求項８に記載のガス拡散層の製造方法。
10. 前記生産管理記号を形成する工程は、前記ガス拡散層の少なくとも一方の表面に、刻印を押し付けて凹凸形状の生産管理記号が形成する工程である、請求項８に記載のガス拡散
    層の製造方法。

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