JP2014222565A - 燃料電池用ガス拡散層の製造方法および燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用のガス拡散層において撥水性のムラが生じること抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池１０のガス拡散層５の製造方法を以下の工程１〜５によって製造する。ガス拡散層５を構成するカーボン繊維５ａを準備する（工程１）。カーボン繊維５ａの全体に撥水ペーストを含浸させる（工程２）。撥水ペースト２３が含浸されているカーボン繊維５ａを、撥水ペースト２３中の分散剤の熱分解温度以上の温度で乾燥させる（工程３）。カーボン繊維５ａの一方の面にＭＰＬペーストを塗布する（工程４）。カーボン繊維５ａを焼成する（工程５）。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）では、触媒電極の外側にガス拡散層が配置される。燃料電池の排水性を向上させるために、ガス拡散層の表層には、撥水層が設けられる場合がある。特許文献１には、２層構造の多孔質基材に撥水性樹脂を含むペーストを含浸させて乾燥マイグレーションを施した上で焼成し、各層の多孔質基材ごとに撥水層を形成する技術が記載されている。特許文献２には、撥水性樹脂を含むペーストが多孔質基材に浸透しないように塗布し、焼成することによって、多孔質基材の表層に撥水層を形成する技術が記載されている。

特開２０１０−２２５３０４号公報 特開２００９−０１６０５５号公報

ところで、燃料電池内部における排水性を適切に制御するためにも、ガス拡散層およびその撥水層には、撥水性のムラが生じていないことが望ましい。特許文献１に記載された技術であれば、一度に２層の撥水層を形成することができるため効率的ではあるが、ガス拡散層の撥水性についての所望の分布を得るためには乾燥マイグレーションの制御が複雑化してしまう可能性がある。特許文献２には、ペーストが多孔質基材に浸透しないようにするために、ペーストと多孔質基材の間の接触角や表面張力を調整することについての開示はあるが、ガス拡散層およびその撥水層における撥水性のムラを抑制することについては一切考慮されていない。

以上のように、燃料電池用のガス拡散層の製造工程では、ガス拡散層およびその撥水層において撥水性のムラが生じること抑制することについては依然として改良の余地があった。そのほか、従来の燃料電池用のガス拡散層の製造工程においては、各工程の簡易化や容易化、低コスト化、省資源化、製造装置や製造設備の小型化や使い勝手の向上等が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。

［１］本発明の一形態によれば、燃料電池用のガス拡散層の製造方法が提供される。この製造方法は、前記ガス拡散層を構成するガス拡散性基材を準備する基材準備工程と；撥水性樹脂と、分散剤と、を分散させた第１の撥水ペーストを、前記ガス拡散性基材に含浸させる撥水ペースト含浸工程と；前記ガス拡散性基材を、前記分散剤の熱分解温度以上の温度で乾燥させる乾燥工程と；前記ガス拡散性基材の一方の面に、撥水性樹脂と、導電性粒子と、を含む第２の撥水ペーストを塗布した後に焼成を行って撥水層を形成する撥水層形成工程と；を備える。この形態の製造方法によれば、第１の撥水ペーストによってガス拡散性基材全体の撥水性を確保した上で、ガス拡散性基材に、撥水層を形成するための第２の撥水ペーストを塗布することができる。従って、第２の撥水ペーストが必要以上にガス拡散性基材内部に浸透してしまうことが抑制される。また、乾燥工程によって第１の撥水ペーストに含まれる分散剤が残留してしまうことが抑制されるため、その分散剤の残留に起因してガス拡散性基材に撥水性のムラが生じてしまうことが抑制される。

［２］上記形態の製造方法において、前記乾燥工程は、前記熱分解温度以上の温度で加熱する本乾燥工程を行う前に、前記ガス拡散性基材を、前記熱分解温度よりも低い温度で乾燥する予備乾燥工程が含まれていても良い。この形態の製造方法によれば、予備乾燥工程においてマイグレーションの発生が抑制されるため、第２の撥水ペースト塗布前のガス拡散性基材に撥水性のムラが生じてしまうことが抑制される。

［３］上記形態の製造方法において、前記乾燥工程は、前記ガス拡散性基材を両面から加熱して乾燥させる工程であっても良い。この形態の製造方法によれば、第２の撥水ペースト塗布前のガス拡散性基材に撥水性のムラが生じてしまうことを、さらに抑制できる。

［４］上記形態の製造方法において、前記乾燥工程における乾燥のための加熱と、前記撥水層形成工程における焼成とは、同じ加熱炉において実行されても良い。この形態の製造方法によれば、単一の加熱炉によって、第１の撥水ペースト塗布後の乾燥工程と、第２の撥水ペースト塗布後の焼成工程とを実行できるため効率的である。

［５］本発明の他の形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、電解質膜に両面に触媒電極を配置した膜電極接合体を準備する膜電極接合体準備工程と；前記膜電極接合体の前記触媒電極の上に、上記形態のいずれか一つに記載の製造方法によって準備されたガス拡散層を配置するガス拡散層配置工程と、を備える。この形態の燃料電池の製造方法によれば、良好な排水性が確保された燃料電池を得ることができる。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、上記の製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記の製造方法によって製造された燃料電池用ガス拡散層や、燃料電池、燃料電池用ガス拡散層の製造装置や燃料電池の製造装置、それら製造装置の制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

ガス拡散層が用いられている燃料電池の構成を示す概略図。 ガス拡散層の製造工程を示す工程図。 撥水ペーストの含浸工程を実行する第１のペースト塗工部の構成を示す概略図。 基材の乾燥工程を実行する加熱炉の構成を示す概略図。 ＭＰＬペーストの含浸工程を実行する第２のペースト塗工部の構成を示す概略図。 カーボン繊維の焼成工程を示す概略図。 乾燥工程において撥水ペーストに含まれる分散剤が熱分解されずに残留している場合の不具合を説明するための模式図。 カーボン繊維の流路対向面に染み出し領域が形成されているときと形成されていないときの電極対向面における撥水性の相違を示す説明図。 本乾燥工程における乾燥温度と撥水層の撥水性との関係を確認した実験を説明するための説明図。 本乾燥工程における乾燥温度と撥水層の撥水性との関係を確認した実験を説明するための説明図。 本乾燥工程における乾燥温度と撥水層の撥水性との関係を確認した実験を説明するための説明図。

A．実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての製造方法によって製造されたガス拡散層が用いられている燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１０は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セル１１が直列に積層されたスタック構造を有する。各単セル１１は、膜電極接合体３と、２つのガス拡散層５と、２枚のセパレータ８と、を備える。

膜電極接合体３は、電解質膜１と、２つの触媒電極層２と、を備える。電解質膜１は、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜１は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。２つの触媒電極層２はそれぞれ、燃料電池反応を促進する触媒（図示は省略）を備えており、電解質膜１の各面に配置されている。各触媒電極層２は、触媒を担持する導電性粒子（例えば白金担持カーボンなど）と、電解質膜１と同種または類似の固体電解質樹脂との分散溶液の乾燥塗膜として形成される。

２つのガス拡散層５はそれぞれ、触媒電極層２とセパレータ８との間に配置されており、各触媒電極層２に圧着されて膜電極接合体３と一体化されている。以後、本明細書では、ガス拡散層５の触媒電極層２と対向する側の面を「電極対向面ＥＳ」と呼び、セパレータ８のガス流路溝８ｐと対向する側の面を「流路対向面ＰＳ」と呼ぶ。

各ガス拡散層５は、セパレータ８に設けられているガス流路溝８ｐを介して供給された反応ガスを各触媒電極層２の全体に行き渡らせる。また、各ガス拡散層５は、膜電極接合体３とセパレータ８との間の導電経路として機能する。ガス拡散層５は、導電性およびガス拡散性を有する多孔質のガス拡散性基材によって構成される。より具体的には、ガス拡散層５は、カーボン繊維などの繊維基材によって構成される。燃料電池１０の運転中には、ガス拡散層５に供給された反応ガスは、ガス拡散層５の全体に分布している貫通細孔内を流通し、ガス拡散層５の厚み方向に移動しつつ、ガス拡散層５の表面に沿った方向へ拡散され、触媒電極層２に到達する。

各ガス拡散層５は、燃料電池１０の運転中に、燃料電池１０の内部で生成された液水によって、反応ガスの流路である細孔が閉塞されてしまうことを抑制するために、全体に撥水処理が施されている。また、各ガス拡散層５の膜電極接合体３側の表層には、いわゆるマイクロポーラス層（以後、「ＭＰＬ層」とも呼ぶ）である撥水層６が形成されている。

ガス拡散層５の電極対向面ＥＳは、撥水層６によって構成される。撥水層６には、種々の機能があるが、主な機能は、触媒電極層２とガス拡散層５との接触界面におけるガス拡散性および排水性を確保することである。また、撥水層６の機能には、ガス拡散層５と触媒電極層２との間の電気的接続性を確保することや、ガス拡散層５の凹凸に対する触媒電極層２の保護性を確保することなどがある。

２枚のセパレータ８は導電性およびガス不透過性を有する板状部材であり、例えば、金属板によって構成される。各セパレータ８は各ガス拡散層５の表面に積層配置されている。セパレータ８のガス拡散層５と接する側の面には、反応ガスをガス拡散層５の全体に行き渡らせるためのガス流路溝８ｐが形成されている。

さらに、図示および詳細な説明は省略するが、燃料電池１０には、各単セル１１の膜電極接合体３およびガス拡散層５の外周に、反応ガス等の流体の漏洩やセパレータ８同士の短絡を防止するための絶縁性シール部が設けられる。また、各単セル１１の膜電極接合体３およびガス拡散層５の外周には、各単セル１１に反応ガスを供給するためのマニホールドが設けられる。

ところで、燃料電池１０の運転中には各単セル１１の膜電極接合体３において多量の水分が生成される。しかし、本実施形態の燃料電池１０では、ガス拡散層５が、以下に説明する製造工程によって製造されていることによって、撥水層６に撥水性のムラが生じることが抑制されているため、良好な排水性が確保されている。

図２は、本実施形態のガス拡散層５の製造工程を示す工程図である。この製造工程では、ガス拡散層５を構成するガス拡散性基材の全体に撥水性を付与した上で、当該ガス拡散性基材の一方の面にＭＰＬ層である撥水層６が形成される。工程１では、ガス拡散層５を構成するガス拡散性基材としてのカーボン繊維が準備される。工程２では、当該カーボン繊維の全体に撥水性を付与するための撥水ペースト（第１の撥水ペースト）が含浸される。

図３は、工程２における撥水ペーストの含浸工程を実行する第１のペースト塗工部２０の構成を示す概略図である。図３には、ガス拡散層５を構成するカーボン繊維５ａが、その厚み方向に沿って切断されたときの概略断面図によって図示されている。また、図３では、第１のペースト塗工部２０におけるカーボン繊維５ａの搬送方向を白抜き矢印によって図示してある。第１のペースト塗工部２０は、第１と第２のダイコーター２１ａ，２１ｂを備えている。第１と第２のダイコーター２１ａ，２１ｂはそれぞれ、カーボン繊維５ａの幅方向にわたって開口するスリット状の吐出口を有しており、カーボン繊維５ａの搬送路を挟んで、当該吐出口が互いに対向するように配置されている。

第１と第２のダイコーター２１ａ，２１ｂはそれぞれ、搬送ローラー（図示は省略）によって搬送されていくカーボン繊維５ａの各面に向かって撥水ペースト２３を吐出する。撥水ペースト２３は、撥水性樹脂であるＰＴＦＥを、有機溶媒または無機溶媒に分散剤を用いて分散させた分散溶液である。カーボン繊維５ａの両面に吐出された撥水ペースト２３は、カーボン繊維５ａの細孔に含浸し、カーボン繊維５ａの内部全体に行き渡る。工程３では、撥水ペースト２３が含浸されたカーボン繊維５ａを乾燥させる乾燥工程が実行される。

図４は、工程３における基材の乾燥工程を実行する加熱炉３０の構成を示す概略図である。図４では、図３と同様に、カーボン繊維５ａが、その厚み方向に沿って切断されたときの概略断面図によって図示されている。加熱炉３０は、複数の発熱部３１と、複数の温風送出部３２と、を備えている。各発熱部３１および各温風送出部３２は、カーボン繊維５ａの各面側に配置されている。加熱炉３０では、カーボン繊維５ａは、発熱部３１によって両面から加熱されるとともに、温風送出部３２によって、各面に温風が吹き付けられて乾燥される。

工程３では、加熱炉３０において、予備乾燥工程（工程３ａ）と、本乾燥工程（工程３ｂ）の２段階の乾燥工程が実行される（図２）。工程３ａの予備乾燥工程は、後述する本乾燥工程における加熱温度よりも低く、撥水ペースト２３の水分を蒸発させることができる加熱温度（例えば、１００〜１３０°程度）で実行される。この予備乾燥工程はマイグレーションの発生を抑制するために実行される。

ここで、「マイグレーション」とは、樹脂ペーストの乾燥の際に、当該樹脂ペースト中の水分の急速な蒸発に伴って生じる水分の流れに従って樹脂成分が移動して偏在してしまう現象を言う。即ち、本実施形態の製造工程では、予備乾燥工程によって、カーボン繊維５ａに含浸している撥水ペースト２３が徐々に乾燥されるため、カーボン繊維５ａ中に撥水成分が偏在してしまうことが抑制される。

工程３ｂの本乾燥工程は、撥水ペースト２３に含まれる分散剤の熱分解温度以上の加熱温度（例えば２３０℃以上）で実行される。詳細は後述するが、カーボン繊維５ａ中に撥水ペースト２３の分散剤が残留していると、カーボン繊維５ａの内部における撥水性にムラが生じてしまう原因となる。

そこで、本実施形態の製造工程では、撥水ペースト２３に含まれている分散剤を確実に熱分解して除去するために、上記の加熱温度での本乾燥工程が実行される。なお、本乾燥工程における加熱温度は、カーボン繊維５ａの撥水性を確保するために、撥水ペースト２３に含まれている撥水性樹脂の熱分解温度以下（撥水性樹脂がＰＴＦＥである場合には、例えば、４００℃以下）であることが望ましい。工程４では、カーボン繊維５ａに撥水層６を形成するためのＭＰＬペースト（第２の撥水ペースト）がカーボン繊維５ａの一方の面に塗布される。

図５は、工程４におけるＭＰＬペースト４３の塗布工程を実行する第２のペースト塗工部４０の構成を示す概略図である。図５では、図４と同様に、カーボン繊維５ａがその厚み方向に沿って切断されたときの概略断面図によって図示されている。第２のペースト塗工部４０は、ダイコーター４１と、バックローラー４２と、を備えている。ダイコーター４１はカーボン繊維５ａの幅方向にわたって開口するスリット状の吐出口を有しており、その吐出口がバックローラー４２の側面に向かって開口するように配置されている。

第２のペースト塗工部４０は、カーボン繊維５ａの流路対向面ＰＳとなる側の面をバックローラー４２の側面に沿わせて、バックローラー４２の回転駆動によって、カーボン繊維５ａを搬送する。そして、カーボン繊維５ａの電極対向面ＥＳとなる側の面の全体にＭＰＬペースト４３を吐出して塗布する。

ＭＰＬペースト４３は、撥水性樹脂であるＰＴＦＥと、導電性粒子であるカーボンブラックとが、分散剤を用いて分散された分散溶液である。カーボン繊維５ａの内部には、工程２，３によってほぼ均一な撥水性が付与されているため、ＭＰＬペースト４３は、カーボン繊維５ａの内部に深く含浸してしまうことが抑制される。続く工程５では、ＭＰＬペースト４３が塗布されたカーボン繊維５ａが焼成される。

図６は、工程５におけるカーボン繊維５ａの焼成工程を示す概略図である。図６は、撥水ペースト２３が含浸されているカーボン繊維５ａに換えて、一方の面にＭＰＬペースト４３が塗布されているカーボン繊維５ａが図示されている点以外は、図４とほぼ同じである。

工程５では、工程３において用いられていた加熱炉３０において、撥水ペースト２３が含浸されているカーボン繊維５ａが、３００〜３５０℃程度の加熱温度で焼成される。この焼成工程によって、ＭＰＬペースト４３の塗布層が撥水層６になる。なお、上述したように、本実施形態のガス拡散層５の製造工程では、本乾燥工程（工程３ｂ）における加熱温度が高い。そのため、工程５の焼成工程を、同じ加熱炉３０で実行することができる。

以上の工程によって、一方の面に撥水層６が形成されているガス拡散層５の帯状体が完成される。この帯状体を用いて、燃料電池１０が製造される。燃料電池１０の製造工程では、当該帯状体から所定のサイズで複数のガス拡散層５を切り出す工程と、切り出されたガス拡散層５を膜電極接合体３の触媒電極層２に圧着する工程と、が付加される。この燃料電池１０の製造工程によれば、燃料電池１０において良好な排水性を確保することができる。

ところで、本実施形態のガス拡散層５の製造工程では、上述したように、撥水ペースト２３の分散剤の熱分解温度以上の加熱温度で実行される本乾燥工程（工程３ｂ）を有する。この本乾燥工程によって、乾燥工程後に当該分散剤がカーボン繊維５ａ中に残留することが抑制されるが、乾燥工程後にカーボン繊維５ａ中の分散剤の残留が抑制されることによって得られる効果を以下に説明する。

図７は、乾燥工程（工程３）において撥水ペースト２３に含まれる分散剤が熱分解されずに残留している場合の不具合を説明するための模式図である。図７の上段には、第２のペースト塗工部４０において塗布されたＭＰＬペースト４３が流路対向面ＰＳに染み出している様子が模式的に図示されている。また、図７の下段には、ＭＰＬペースト４３が染み出したカーボン繊維５ａの流路対向面ＰＳの一例を示す正面模式図が図示されている。

乾燥工程（工程３）において撥水ペースト２３に含まれる分散剤の熱分解温度以上で加熱が行われなかった場合には、カーボン繊維５ａ中に当該分散剤の多くが残留してしまう可能性が高い。分散剤が残留していると、当該分散剤によってカーボン繊維５ａの撥水性が十分に確保されない部位が生じ、カーボン繊維５ａ中に撥水性のムラが生じる原因となる。

カーボン繊維５ａ中に撥水性のムラが生じていると、ＭＰＬペースト４３の塗布工程（工程４）において、ＭＰＬペースト４３が撥水性の低い部位に流れ、電極対向面ＥＳ側からカーボン繊維５ａの厚み方向に染み込んでしまう（図７の上段）。すると、カーボン繊維５ａの流路対向面ＰＳにはＭＰＬペースト４３が染み出した「染み出し領域ＥＡ」がまばらに形成されてしまう（図７の下段）。

図８は、カーボン繊維５ａの流路対向面ＰＳに染み出し領域ＥＡが形成されているときと形成されていないときの、電極対向面ＥＳ（撥水層６）における撥水性の相違を示す説明図である。図８には、流路対向面ＰＳに染み出し領域ＥＡが確認されたガス拡散層５と、流路対向面ＰＳに染み出し領域ＥＡが確認されたガス拡散層５とについて実際に測定された、電極対向面ＥＳにおける転落角を示す棒グラフが図示されている。なお、この転落角は、複数の所定のポイントにおける測定値の平均値である。

この実験では、流路対向面ＰＳに染み出し領域ＥＡが確認されたガス拡散層５の方が、電極対向面ＥＳにおける転落角が大きく、撥水性が低下してしまっていることが確認された。このように、乾燥工程の後にも撥水ペースト２３の分解剤がカーボン繊維５ａ中に残留していると、カーボン繊維５ａ中に撥水性のムラが生じ、撥水層６の撥水性が低下してしまう原因となる。

図９，図１０，図１１は、本乾燥工程における加熱温度（乾燥温度）と撥水層６の撥水性との関係を確認した実験を説明するための説明図である。図９には、この実験に用いた撥水ペーストの組成をまとめた表を図示してある。

撥水ペーストは、撥水性樹脂としてのＰＴＦＥの濃度が３重量％となるように純水で希釈して作成した。なお、撥水ペーストの作成の際には、分散剤として、ＬＩＯＮ社製のレオコール（登録商標）ＴＤＮ−９０−８０を用いた。この分散剤の熱分解温度は２３２℃であった。この撥水ペーストを用いて、図２に示された工程の手順で、工程３ａの本乾燥工程における乾燥条件のみを変えたガス拡散層のサンプルｓ１〜ｓ３が作成された。

図１０には、ガス拡散層の各サンプルｓ１〜ｓ３を製造する際の乾燥工程における乾燥条件をまとめた表を図示してある。なお、表中の「ヒーター温度」は加熱炉３０（図４）の発熱部３１による加熱温度であり、「温風温度」は温風送出部３２が送出する温風の温度である。各サンプルｓ１〜ｓ３はそれぞれ、本乾燥工程において、１５０℃、２００℃、２５０℃の加熱温度で発熱部３１および温風送出部３２によって加熱された。

図１１には、各サンプルｓ１，ｓ２，ｓ３の流路対向面ＰＳの撮影画像をそれぞれ、紙面左側の上段、中段、下段に配置してあり、各撮影画像の下には、その流路対向面ＰＳにおける接触角の測定結果を示してある。また、図１１には、各サンプルｓ１〜ｓ３の撮影画像の右隣に、各サンプルｓ１〜ｓ３の撥水層６の電極対向面ＥＳにおける撥水性の分布を示すヒストグラムと転落角の測定結果をまとめた表とを図示してある。図１１のヒストグラムは、各サンプルｓ１〜ｓ３の撥水層６の表面（電極対向面ＥＳ）内における所定の３０カ所のポイントの転落角の測定結果に基づいて作成されたものである。

（１）サンプルｓ１について：
本乾燥工程における加熱温度が最も低く１５０℃であったサンプルｓ１では、流路対向面ＰＳの外観はＭＰＬペーストの染み出しによってまだらになっていた。また、サンプルｓ１の流路対向面ＰＳは、その接触角が０℃であり、親水性を示してしまっていた。サンプルｓ１の電極対向面ＥＳでは、転落角が２５〜７５°の広範囲にわたって分布しており、そのばらつきが大きく、撥水性にムラが生じていることが確認された。

（２）サンプルｓ２について：
本乾燥工程における加熱温度が比較的高い２００℃であったサンプルｓ２においては、流路対向面ＰＳの外観は、ＭＰＬペーストの染み出しによって多少まだらになっていた。また、サンプルｓ２の流路対向面ＰＳは、サンプルｓ１と同様にその接触角が０℃であり、親水性を示してしまっていた。サンプルｓ２の電極対向面ＥＳでは、転落角が３５〜７５°の広範囲にわたって分布しており、そのばらつきは、サンプルｓ１よりも小さかった。これは、加熱温度が高い分だけ、撥水ペーストの残留量が低減されたためである。

（３）サンプルｓ３について：
本乾燥工程における加熱温度が、撥水ペーストの分散剤の熱分解温度より高い２５０℃であったサンプルｓ３においては、流路対向面ＰＳには、ＭＰＬペーストの染み出しは見られなかった。また、流路対向面ＰＳは、その接触角が１４３°であり、撥水性が確保されていた。サンプルｓ３の電極対向面ＥＳでは、転落角は２０〜４５°の最も狭い範囲に分布しており、そのばらつきが最も小さかった。このように、本乾燥工程を撥水ペーストの分散剤の熱分解温度以上の加熱温度で実行することによって、ガス拡散層における撥水性にムラが生じることを抑制でき、良好な撥水性を確保することができた。

以上のように、本実施形態のガス拡散層５の製造工程によれば、カーボン繊維５ａの良好な撥水性を確保した上でＭＰＬペースト４３を塗布して撥水層６が形成される。また、ＭＰＬペースト４３の塗布前の本乾燥工程において、余分な分散剤が除去・低減される。従って、ガス拡散層５およびその撥水層６において撥水性のムラが生じることが抑制され、良好な撥水性が確保される。

B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、ガス拡散層５の撥水層６は電極対向面ＥＳ側に設けられていた。しかし、ガス拡散層５の撥水層６は流路対向面ＰＳ側に設けられていても良い。また、上記実施形態の燃料電池１０は、膜電極接合体３の両側にガス拡散層５が配置されていた。しかし、燃料電池１０では、いずれか一方のガス拡散層５が省略されても良い。上記実施形態では、ガス拡散層５は触媒電極層２に圧着されていた。しかし、ガス拡散層５は触媒電極層２に圧着されていなくても良い。ガス拡散層５は触媒電極層２の面上に配置されていれば良い。

B2．変形例２：
上記実施形態の加熱炉３０は、加熱部として、発熱部３１と、温風送出部３２と、を備えていた。しかし、加熱炉３０は、発熱部３１と温風送出部３２の両方を備えていなくても良く、いずれか一方のみを備えていても良いし、加熱炉３０は、発熱部３１と温風送出部３２以外の他の加熱手段を備えていても良い。また、上記実施形態の加熱炉３０は、カーボン繊維５ａの両側に配置された発熱部３１と温風送出部３２によって、カーボン繊維５ａを両面から加熱していた。しかし、加熱炉３０は、カーボン繊維５ａを片面側から加熱するのみであっても良い。ただし、カーボン繊維５ａを両面から加熱すれば、カーボン繊維５ａに含浸されている撥水ペースト２３の撥水性樹脂の偏析をさらに抑制できるとともに、撥水ペースト２３の分散剤をより確実に除去することができる。

B3．変形例３：
上記実施形態の乾燥工程（図２の工程３）では、本乾燥工程（工程３ｂ）の前に予備乾燥工程（工程３ａ）が設けられていた。しかし、予備乾燥工程（工程３ａ）は省略されても良い。ただし、上記実施形態において説明したように、本乾燥工程（工程３ｂ）の前に予備乾燥工程（工程３ａ）を設けておくことによって、マイグレーションの発生が抑制され、撥水性樹脂が偏析してしまうことを抑制できる。

B4．変形例４：
上記実施形態では、本乾燥工程（図２の工程３ｂ）と焼成工程（工程５）とが、同じ加熱炉３０において実行されていた（図４，図６）。しかし、本乾燥工程と焼成工程とは、それぞれ別の加熱炉において実行されても良い。ただし、本乾燥工程と焼成工程とで共通の加熱炉を使用すれば、製造設備の大型化を抑制することができる。

B5．変形例５：
上記実施形態では、工程２において、ダイコーター２１ａ，２１ｂを用いてカーボン繊維５ａに撥水ペースト２３を含浸させていた（図３）。しかし、工程２では、他の方法によって、カーボン繊維５ａに撥水ペースト２３を含浸させても良い。工程２では、カーボン繊維５ａ全体を撥水ペースト２３に浸漬させることによって、カーボン繊維５ａに撥水ペースト２３を含浸させても良い。

B6．変形例６：
上記実施形態では、撥水性樹脂としてＰＴＦＥが用いられていたが、他の撥水性樹脂が用いられても良い。また、分散剤としては、ＬＩＯＮ社製のレオコール（登録商標）に限定されず、それ以外の他の界面活性剤が用いられても良い。この場合には、本乾燥工程における加熱温度は、その界面活性剤の熱分解温度以上に設定される。

B7．変形例７：
上記実施形態では、本乾燥工程（工程３ｂ）において、カーボン繊維５ａは、撥水ペースト２３の分散剤の熱分解温度以上の温度で乾燥されていたが、「分散剤の熱分解温度」は、分散剤の物性値としての熱分解温度に限定して解釈されるものではない。「分散剤の熱分解温度」は、分散剤がガス拡散性基材中に配置されているときに熱分解される温度であると解釈されても良い。この解釈に従えば、例えば、分散剤が触媒物質とともにガス拡散性基材中に配置されることにより、物性値としての熱分解温度よりも低い温度で熱分解される場合には、当該低い温度が熱分解温度に該当する。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…電解質膜
２…触媒電極層
３…膜電極接合体
５…ガス拡散層
５ａ…カーボン繊維
６…撥水層
８…セパレータ
８ｐ…ガス流路溝
１０…燃料電池
１１…単セル
２０…第１のペースト塗工部
２１ａ，２１ｂ…第１と第２のダイコーター
２３…撥水ペースト
３０…加熱炉
３１…発熱部
３２…温風送出部
４０…第２のペースト塗工部
４１…ダイコーター
４２…バックローラー
４３…ＭＰＬペースト
ＥＡ…染み出し領域
ＥＳ…電極対向面
ＰＳ…流路対向面

Claims (5)

1. 燃料電池用のガス拡散層の製造方法であって、
   前記ガス拡散層を構成するガス拡散性基材を準備する基材準備工程と、
   撥水性樹脂と、分散剤と、を分散させた第１の撥水ペーストを、前記ガス拡散性基材に含浸させる撥水ペースト含浸工程と、
   前記第１の撥水ペーストが含浸されている前記ガス拡散性基材を、前記分散剤の熱分解温度以上の温度で乾燥させる乾燥工程と、
   前記ガス拡散性基材の一方の面に、撥水性樹脂と、導電性粒子と、を含む第２の撥水ペーストを塗布した後に焼成を行って撥水層を形成する撥水層形成工程と、
   を備える、製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法であって、
   前記乾燥工程は、前記熱分解温度以上の温度で加熱する本乾燥工程を行う前に、前記ガス拡散性基材を、前記熱分解温度よりも低い温度で乾燥する予備乾燥工程を含む、製造方法。
3. 請求項１または２記載の製造方法であって、
   前記乾燥工程は、前記ガス拡散性基材を両面から加熱して乾燥させる工程である、製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法であって、
   前記乾燥工程における乾燥のための加熱と、前記撥水層形成工程における焼成とは、同じ加熱炉において実行される、製造方法。
5. 燃料電池の製造方法であって、
   電解質膜に両面に触媒電極を配置した膜電極接合体を準備する膜電極接合体準備工程と、
   前記膜電極接合体の前記触媒電極の上に、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法によって準備されたガス拡散層を配置するガス拡散層配置工程と、
   を備える、燃料電池の製造方法。