JP2019160696A - 燃料電池用ガス拡散層の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質基材層内部のガス拡散性の低下を抑制する、燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【解決手段】多孔質基材層と微細多孔質層とを備えた燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、前記多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布すること、前記撥水処理用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して乾燥させること、前記多孔質基材層の、前記撥水処理用塗工液を塗布した面に、微細多孔質層形成用塗工液を塗布すること、前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して焼成すること、を含み、凹凸形状を有する部材の凸部を、前記多孔質基材層の前記撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、前記撥水処理用塗工液の塗布を行う、燃料電池用ガス拡散層の製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法に関する。

燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素ガス）を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。この燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。

固体高分子電解質型燃料電池において、水素が供給されたアノード（燃料極）では下記（１）式の反応が進行する。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ・・・（１）

上記（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。他方で、上記（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。

一方、カソードでは下記（２）式の反応が進行する。
２Ｈ⁺ ＋ １／２Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）

従って、電池全体では下記（３）に示す化学反応が進行し、起電力が生じて外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
Ｈ₂ ＋ １／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（３）

アノード及びカソードの各電極は、一般的に、電解質膜側から順に触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有する。触媒層には、通常、上記電極反応を促進させるための白金や白金合金等の電極触媒、プロトン伝導性を確保するための高分子電解質、電子伝導性を確保するための導電性材料が含まれている。また、ガス拡散層は、通常、触媒層への反応ガスの供給、電極中の余剰の水分の排出等を可能とする導電性多孔質体を用いて形成される。

パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される固体高分子電解質膜を備えた燃料電池では、イオン伝導性を確保するために、電解質膜や触媒層の湿潤状態を維持することが重要である。そのため、一般的に、反応ガスを予め加湿した状態で電極に供給することが行われている。

一方で、燃料電池では、上記したように、発電に伴って水が生成する。生成した水の多くは、電極から排出される未反応ガス（電極反応に寄与しなかった反応ガス）や水蒸気として供給される加湿水と共に、セル外へと排出される。しかしながら、生成水や、反応ガスと共に電極に水蒸気として供給された加湿水の一部は、燃料電池内の環境によっては凝縮し、電極内に液体の状態で存在することになる。このとき、凝縮した水（液水）が電極内に滞留すると液水がつまり、いわゆるフラッディングが起きて、反応ガスの供給が妨げられ、発電性能が低下してしまう。特に、燃料電池を高加湿条件下で運転する場合には、液水が多く発生するため、電極の液水の排出性を確保する必要がある。

従って、電極内の液水を、速やかにセル外へと排出し、電極内での滞留を防止することが望まれている。

このフラッディングを抑制するためのガス拡散層として、多孔質構造を有する多孔質基材層に、多孔質基材層よりも小さな細孔径を有する微細多孔質層（マイクロポーラス層、以下ＭＰＬとも呼ぶ）が積層された構造を有するものが知られている。この微細多孔質層を設けることにより、微細多孔質層の極微細な多孔質構造が液水膜の形成を阻害し、ガス拡散層の排水性を向上させるとされている。

このような微細多孔質層は、微細多孔質層形成用塗工液（以下ＭＰＬ塗工液とも呼ぶ）を多孔質基材層に塗布し、焼成することによって形成されるが、この塗布の際にＭＰＬ塗工液が多孔質基材層中に浸透し、多孔質基材層を貫通する裏抜けという現象が発生することがある。このＭＰＬ塗工液の多孔質基材層への浸み込み及び裏抜けが発生すると、ガス拡散層のガス拡散性の低下を招くおそれがある。

このようなＭＰＬ塗工液の裏抜けを防止するため、多くの技術が提案されている。特許文献１には、多孔質基材層と微細多孔質層とを有する燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、多孔質基材層の一方の面にＭＰＬ塗工液を塗布するとともに、多孔質基材層の他方の面に撥水処理用の塗工液を塗布する工程を有する方法が提案されている。また、特許文献２には、多孔質基材層に撥水処理用の塗工液を塗布し、次いでＭＰＬ塗工液を塗布する工程を備え、多孔質基材層を搬送するローラーの多孔質基材層との接触面が撥水性である、燃料電池用ガス拡散層の製造方法が提案されている。

特開２０１５−０７６３７１号公報 特開２０１５−０５００７３号公報

特許文献１及び特許文献２に記載のガス拡散層の製造方法によれば、多孔質基材層に撥水処理用の塗工液を塗布することにより、あるいは多孔質基材層の搬送ローラーの表面を撥水性とすることにより、ＭＰＬ塗工液の多孔質基材層からの裏抜け量を低減することができるが、多孔質基材層内部へのＭＰＬ塗工液の浸み込みを十分に抑制することができない。その結果、このような従来の方法においては、多孔質基材層にＭＰＬ塗工液を塗布する際に、ＭＰＬ塗工液が多孔質基材層内部に浸み込み、多孔質基材層内部のガス拡散性を阻害させることにより、得られるガス拡散層を組み込んだ燃料電池の発電性能を低下させるという問題がある。

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、ＭＰＬ塗工液の多孔質基材層内部への浸み込みを抑制し、多孔質基材層内部のガス拡散性の低下を抑制するガス拡散層の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の手段により上記目的を達成するものである。

多孔質基材層と微細多孔質層とを備えた燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布すること、
前記撥水処理用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して乾燥させること、
前記多孔質基材層の、前記撥水処理用塗工液を塗布した面に、微細多孔質層形成用塗工液を塗布すること、
前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して焼成すること、
を含み、凹凸形状を有する部材の凸部を、前記多孔質基材層の前記撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、前記撥水処理用塗工液の塗布を行う、燃料電池用ガス拡散層の製造方法。

本発明の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によれば、ＭＰＬ塗工液の多孔質基材層内部への浸み込みを抑制し、多孔質基材層内部のガス拡散性の低下を抑制することができる。そして得られるガス拡散層を用いて燃料電池を構成することにより、この燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。

燃料電池の単セルの構成を示す断面図である。 本発明のガス拡散層の製造方法を示す説明図である。 撥水処理用塗工液の塗布工程を示す説明図である。 撥水処理用塗工液の塗布後の撥水剤の移動を示す説明図である。 従来の方法により製造されたガス拡散層を備えた単セル中の撥水剤の分布を示す説明図である。 ＭＰＬ塗工液の塗布工程における撥水剤の分布を示す説明図である。 本発明の方法により製造されたガス拡散層を備えた単セル中の撥水剤の分布を示す説明図である。 プレス工程を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

＜ガス拡散層の製造方法＞
本発明のガス拡散層の製造方法は、
多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布すること、
撥水処理用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して乾燥させること、
前記多孔質基材層の、前記撥水処理用塗工液を塗布した面に、ＭＰＬ塗工液を塗布すること、
前記ＭＰＬ塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して焼成すること、
を含み、凹凸形状を有する部材の凸部を、前記多孔質基材層の前記撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、前記撥水処理用塗工液の塗布を行う。

上記したように従来のガス拡散層の製造方法においては、ＭＰＬ塗工液の多孔質基材層からの裏抜け量を低減することができるが、多孔質基材層内部へのＭＰＬ塗工液の浸み込みを十分に抑制することができず、この多孔質基材層内部に過剰に浸み込んだＭＰＬ塗工液が、多孔質基材層内部のガス拡散性を阻害させることにより、得られるガス拡散層を組み込んだ燃料電池の発電性能を低下させてしまう。

これに対して本発明の方法によると、凹凸形状を有する部材の凸部を、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、多孔質基材層の一方の面への撥水処理用塗工液の塗布を行っている。その結果、撥水処理用塗工液中の撥水剤が、多孔質基材層の所定の位置に、具体的には、多孔質基材層のうちの、凹凸形状を有する部材の凸部と接触している位置周囲に偏在することになり、ＭＰＬ塗工液の塗布後に、この多孔質基材層中の、撥水剤が偏在している所定の位置へのＭＰＬ塗工液の浸み込みを特に抑制することができる。得られたガス拡散層を燃料電池に組み込んだ際に、この多孔質基材層中の撥水剤が偏在する位置を、燃料電池内のセパレータと接する位置に位置合わせすることにより、燃料電池における多孔質基材層内の、ガス拡散性の低下、特にガス流路間のガス拡散性の低下を抑制することができる。

本発明のガス拡散層の製造方法は、例えば、図２に示すように、第１の塗工装置２０と、第１の加熱装置３０と、第２の塗工装置４０と、第２の加熱装置５０と、を備える製造装置１００により実行される。この製造装置１００では、ガス拡散層の多孔質基材層の形成に用いられる長尺シート状の多孔質基材層１１が、搬送ローラー１２によって搬送されて、第１の塗工装置２０、第１の加熱装置３０、第２の塗工装置４０、第２の加熱装置５０へ順に送り込まれることにより、各装置に対応する撥水処理用塗工液塗布工程（工程１）、乾燥工程（工程２）、ＭＰＬ塗工液塗布工程（工程３）、焼成工程（工程４）が順に実行される。従って、第１の塗工装置２０、第１の加熱装置３０、第２の塗工装置４０、及び第２の加熱装置５０は、基材１１が搬送される搬送路中に順に配置されている。以下、本発明のガス拡散層の製造方法の各工程について説明する。

＜撥水処理用塗工液塗布工程（工程１）＞
撥水処理用塗工液塗布工程では、多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布する。そして、凹凸形状を有する部材の凸部を、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、この撥水処理用塗工液の塗布を行う。

例えば図２に示すように、撥水処理用塗工液塗布工程に対応する第１の塗工装置２０は、ダイ方式のコーターにより構成されていてよい。第１の塗工装置２０は、ダイヘッド２１を備えていてよい。ダイヘッド２１には、撥水処理用塗工液が充填されていてよい。撥水処理用塗工液塗布工程では、多孔質基材層１１の一方の面に、ダイヘッド２１によって、撥水処理用塗工液が塗布される。塗工目付は、例えば０．１〜１ｍｇ／ｃｍ²である。

塗布された撥水処理用塗工液は、その塗布面から多孔質基材層１１内へ浸透する。これにより、多孔質基材層１１の表面および内部に対して撥水剤を分布させて撥水性を付与する撥水処理を施すことが可能となる。

この撥水処理用塗工液塗布工程の詳細を図３に示す。上記のように、撥水処理用塗工液塗布工程において、多孔質基材層１１の一方の面にダイヘッド２１から撥水処理用塗工液２２が塗布される。ここで、多孔質基材層１１は搬送ベルト１３と接した状態で第１の塗工装置２０に搬送され、搬送ベルト１３は、単セルを構成するセパレータ７の形状を模した凹凸形状を有している（すなわち、凹凸形状を有する部材である）。そして、この搬送ベルト１３の凸部が、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対の面と接触している状態で、撥水処理用塗工液２２が塗布される。

この塗布された撥水処理用塗工液は、多孔質基材層内に浸透するが、図４に示すように、撥水処理用塗工液中の水は、多孔質基材層１１内を、多孔質基材層１１と搬送ベルト１３の凸部との接触部に向かって毛管力によって移動する。その際、撥水処理用塗工液２２中の撥水剤２３も移動し、多孔質基材層１１と搬送ベルト１３の凸部との接触部に多く偏在することになる。

ここで、多孔質基材層１１としては、燃料電池のガス拡散層の基材に一般的に用いられている導電性および多孔質性を有するシート状材料、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス、カーボン不織布等のカーボン繊維による多孔性シート材料を用いることができる。

また、撥水処理用塗工液は、撥水剤の分散液である。撥水剤としては、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、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等のフッ素系の高分子材料や、ポリプロピレン、ポリエチレン等が利用可能である。そして、これらの材料のうち、フッ素系の高分子材料、特に、ＰＴＦＥが好ましく用いられる。例えば、撥水剤としてＰＴＦＥを用い、ＰＴＦＥ（粒径：１００〜４００ｎｍ）のディスパージョンを希釈する（濃度：３〜５質量％）ことにより、撥水処理用塗工液の粘度がずり速度５０ｓ^-1において１〜１００ｍＰａ・ｓとなるように調整することができる。

＜乾燥工程（工程２）＞
乾燥工程では、撥水処理用塗工液を塗布した多孔質基材層を、加熱して乾燥させる。

再び図２を参照して示すように、乾燥工程に対応する第１の加熱装置３０は、一般的な加熱炉により構成してよい。乾燥工程では、撥水処理用塗工液２２の塗工済み多孔質基材層１１が、第１の塗工装置２０から順に送り込まれて装置内を順に移動し、外部へ送り出されるまでの間に、塗工済み多孔質基材層１１をヒーター３１により加熱することにより、撥水処理用塗工液２２の乾燥が行われる。これにより、撥水処理用塗工液２２に含まれる撥水剤２３によって多孔質基材層１１に撥水性が付与される。

第１の加熱装置３０における乾燥のための加熱時間（乾燥時間）は、第１の加熱装置３０に送り込まれた塗工済み多孔質基材層１１が、外部へ送り出されるまでの時間に相当する。この時間は、塗工済み多孔質基材層１１が加熱装置３０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、第１の加熱装置３０における加熱温度（乾燥温度）は、撥水処理用塗工液２２を乾燥させるための温度であり、好ましくは、この乾燥温度は５０℃〜９０℃である。また、加熱時間（乾燥時間）は、塗工液の塗布量および加熱温度等に応じて、適切な時間、例えば、１分〜１２０分程度の時間に設定される。なお、加熱時間の上限にも特に制限はない。

＜ＭＰＬ塗工液塗布工程（工程３）＞
ＭＰＬ塗工液塗布工程では、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布した面に、ＭＰＬ塗工液を塗布する。

図２に示すように、ＭＰＬ塗工液塗布工程に対応する第２の塗工装置４０は、例えばダイ方式のコーターにより構成されている。第２の塗工装置４０は、ダイヘッド４１を備えていてよい。ダイヘッド４１には、多孔質基材層１１の一方の面に微細多孔質層を形成するための、ＭＰＬ塗工液４２が充填されていてよい。なお、微細多孔質層は、多孔質基材層１１よりも小さな細孔径を有している。塗工目付は、例えば２〜６ｍｇ／ｃｍ²である。塗布されたＭＰＬ塗工液４２の塗膜の厚さは、多孔質基材層１１がダイヘッド４１の下を通過する速度及びダイヘッド４１から吐出されるＭＰＬ塗工液４２の吐出速度によって決定される。

従来技術の方法のように、多孔質基材層１１の、ＭＰＬ塗工液４２を塗布する面とは反対面を撥水性とする場合、ＭＰＬ塗工液４２を多孔質基材層１１に塗布すると、図５に示すように、このＭＰＬ塗工液４２には、（１）ダイヘッド４１からの吐出圧力、（２）多孔質基材層１１内部への毛管力、（３）ＭＰＬ塗工液４２の自重、の３つの力が作用し、多孔質基材層１１内部への物理的な空間内への過剰な浸み込みが発生する。

このＭＰＬ塗工液４２の多孔質基材層１１内部への浸み込みは、多孔質基材層１１内部の空間の閉塞を引き起こし、ガス透過性の低下を引き起こす。特に、図５に示すように、多孔質基材層１１の、セパレータ７のリブ９との接触部位においては、矢印に示すような、多孔質基材層１１を通過してセパレータ７のガス流路溝８間を移動するガスの移動が妨げられるため、ガス透過性の低下は顕著になる。その結果、多孔質基材層１１の、セパレータ７のリブ９との接触部位においてガス供給不足が引き起こされ、発電性能の低下につながる。

これに対して、本発明においては、図６に示すように、ＭＰＬ塗工液４２を塗布する際に、多孔質基材層１１内には、撥水処理用塗工液塗布工程によって浸透させた撥水剤２３が偏在している。この撥水剤２３が偏在してより多く存在する位置１４は、撥水処理用塗工液塗布工程において、多孔質基材層１１中の搬送ベルト１３の凸部等の、凹凸形状を有する部材の凸部と接していた位置に対応している。この凹凸形状は、単セルを構成するセパレータ７の形状を模しており、従ってこの撥水剤２３が多く偏在する位置１４は、単セルにおいてセパレータ７のガス流路溝８間のリブ９と接する位置に相当することになる。この位置に撥水剤２３を多く偏在させることにより、図７に示すように、ＭＰＬ塗工液４２を塗布した際、このＭＰＬ塗工液４２は多孔質基材層１１の内部にも浸透するが、撥水剤２３が多く偏在している位置１４へは、撥水剤２３によって、のＭＰＬ塗工液４２の浸み込みが抑制される。その結果、矢印に示すような、多孔質基材層１１を通過してセパレータ７のガス流路溝８間を移動するガスの移動が妨げられることがなく、ガス透過性の低下を抑制することができる。

ここで、ＭＰＬ塗工液４２は、主に導電性粒子とバインダーと溶剤とを混合分散させたペースト状あるいはスラリー状のものであってよい。ＭＰＬ塗工液４２には、必要に応じて分散剤等の添加剤を加えることができるが、コンタミネーションを回避するために金属を含まないことが好ましい。

導電性粒子としては、カーボン粒子、特に平均粒径が２０〜１５０ｎｍのカーボン粒子、例えば、導電性に優れ、比表面積が大きいカーボンブラックを用いることができ、特に、導電性が高いアセチレンブラックが好ましい。バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、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等のフッ素系の高分子材料や、ポリプロピレン、ポリエチレン等を用いることができる。そして、これらの材料のうち、フッ素系の高分子材料、特に、ＰＴＦＥが好ましく用いられる。溶剤としては、特に制限されず、水、メタノール、エタノール等の種々の液剤を用いることができる。分散剤である界面活性剤も、特に制限されず、エステル型やエーテル型、エステル・エーテル型等の種々の非イオン系界面活性剤等の種々の界面活性剤を用いることができる。

ＭＰＬ塗工液４２の組成は、例えば、導電性粒子とバインダーと分散剤の全固形分を１００質量％として、導電性粒子が７０〜９０質量％、バインダーが１５〜２５質量％、分散剤が５〜１５質量％となるように調整する。また、ＭＰＬ塗工液４２の物性は、固形分の割合が１５〜２５質量％で、粘度がずり速度５０ｓ^-1において５００〜２５００ｍＰａ・ｓ（５０／ｓ）で、貯蔵弾性率が５００〜５５００Ｐａとなるように設定してよい。

ＭＰＬ塗工液４２が塗布済みの多孔質基材層１１は、第２の加熱装置５０に搬送される。

＜焼成工程（工程４）＞
焼成工程では、ＭＰＬ塗工液を塗布した多孔質基材層を加熱して焼成する。

再び図２を参照して示すように、焼成工程に対応する第２の加熱装置５０は、一般的な加熱炉により構成してよい。焼成工程では、ＭＰＬ塗工液４２の塗工済み多孔性基材層１１が、第２の塗工装置４０から順に送り込まれて装置内を順に移動し、外部へ送り出されるまでの間に、塗工済み基材１１をヒーター５１により加熱することにより、ＭＰＬ塗工液４２による塗膜の焼成処理を実行する。これにより、ＭＰＬ塗工液４２の塗膜が微細多孔質層として多孔性基材層１１上に定着され、多孔性基材層と微細多孔質層とが積層された長尺シート状のガス拡散層が形成される。

加熱装置５０における焼成のための加熱時間（焼成時間）は、焼成装置５０に送り込まれた塗工済み多孔性基材層１１が、外部へ送り出されるまでの時間に相当する。この時間は、塗工済み多孔性基材層１１が加熱装置５０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、加熱装置５０における加熱温度（焼成温度）は、ＭＰＬ塗工液４２中の導電性粒子とバインダーとを熱融着するための温度であり、好ましくは２５０℃以上、より好ましくは４００℃以上の温度に設定される。なお、加熱温度の上限に特に制限はない。また、加熱時間（焼成時間）は、ＭＰＬ塗工液の塗工量および加熱温度等に応じて、適切な時間、例えば、１分〜１２０分程度の時間に設定される。なお、加熱時間の上限にも特に制限はない。

焼成工程において製造された、多孔性基材層と微細多孔質層とが積層された長尺シート状のガス拡散層は、図示しない一般的な裁断機により、所望の形状に裁断することにより、所望形状のガス拡散層が形成される。

本発明においては、乾燥工程の後、ＭＰＬ塗工液塗布工程の前に、プレス装置６０においてプレス工程を行うことが好ましい。このプレス工程においては、例えば図８に示すように、乾燥工程の乾燥装置３０において乾燥された多孔性基材層１１が、搬送ベルト１３と接した状態でプレス装置６０に送り込まれ、所定の位置において２枚のプレス板６１によりプレスされる。この際、搬送ベルト１３には、所定の位置に位置決め用の突起１５が設けられており、プレスによって多孔性基材層の所定の位置に凹部を形成することができる。

上記のように、撥水処理用塗工液塗布工程において、多孔性基材層１１は搬送ベルト１３と接した状態で撥水処理用塗工液が塗布され、その結果、多孔性基材層１１の、搬送ベルト１３の凸部との接触部に撥水剤２３が多く偏在することになる。この搬送ベルト１３の凹凸形状は、セパレータのガス流路溝８を構成する凹凸形状を模したものであり、多孔性基材層１１の、搬送ベルト１３の凸部との接触部、すなわち撥水剤が多く偏在している位置に、セパレータのガス流路溝８を構成するリブの凸部を配置させるようにすることが必要である。

上記のように、プレス工程において多孔性基材層の所定の位置に凹部を形成することにより、その後に単セルを構成する段階において、この凹部を目印にして、セパレータとの正確な位置決めが可能となる。

こうして製造されたガス拡散層を用いることにより、燃料電池を構成する単セルを製造することができる。

＜燃料電池の構成＞
図１は、本発明の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単セルの概略構成を示す説明図である。図１において、単セル１０は、膜電極接合体３と２つのガス拡散層６と、一対のセパレータ７とを備えている。膜電極接合体３は、電解質膜１と、電解質膜１の両面に設けられた２つの触媒電極層２とを備えている。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。触媒電極層２のそれぞれは、水素と酸素との化学反応を促進する触媒（図示は省略）を有する。触媒電極層２のそれぞれは、触媒を担持する導電性粒子（例えば、白金担持カーボン）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。

ガス拡散層６のそれぞれは、膜電極接合体３の両面に形成されている。ガス拡散層６のそれぞれは、微細多孔質層４と多孔性基材層５を備えており、微細多孔質層４は触媒電極層２と接しており、多孔性基材層５はセパレータ７と接している。単セル１０が積層方向に圧縮されることで、ガス拡散層６のそれぞれは、各触媒電極層２に圧着されて膜電極接合体３と一体化している。

ガス拡散層６のそれぞれは、セパレータ７に形成されているガス流路溝８を介して供給された反応ガスを触媒電極層２の全体に行き渡らせる。また、ガス拡散層６のそれぞれは、膜電極接合体３とセパレータ７との間の導電経路として機能する。燃料電池の運転中には、ガス拡散層６に供給された反応ガスは、ガス拡散層６の内部の貫通細孔内を流通し、ガス拡散層６の積層方向に直交する面方向に沿って拡散されながら、触媒電極層２に到達する。

膜電極接合体３の触媒電極層２と接する面に設けられた微細多孔質層４は、極微細な多孔質構造が液水膜の形成を阻害することにより、反応ガスの化学反応によって生成された水が反応ガスの流路を閉塞してしまうことを抑制し、その結果、膜電極接合体３と接する面におけるガス拡散性および排水性を確保する。セパレータと接する面に設けられた多孔性基材層５は、導電性多孔体から構成され、前記ガス流路溝８を通じて供給された反応ガスを分散させ、触媒層２に対して均一に供給し、触媒層２における酸化反応により生じた生成水を単セル外部に排出する役割を有する。

一対のセパレータ７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。セパレータ７のそれぞれは、ガス拡散層６のそれぞれの表面に積層して配置されている。セパレータ７のそれぞれには、反応ガスの水素または酸素が流れるガス流路溝８が形成されている。

図示及び詳細な説明は省略するが、各単セル１０の膜電極接合体３及びガス拡散層６の外側に、反応ガス等の流体の漏洩やセパレータ７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、単セル１０の膜電極接合体３及びガス拡散層６の外側には、単セル１０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。

本実施形態では、単セル１０の膜電極接合体３において多量の水分が生成された場合にも、上記に説明する製造方法によってガス拡散層６が製造されていることによって、多孔性基材層内のガス拡散性の低下を抑制し、そしてこのガス拡散層を組み込んだ単セルの発電性能の低下を抑制することができる。

１ 固体高分子電解質膜
２ 触媒電極層
３ 膜電極接合体
４ 微細多孔質層
５ 多孔質基材層
６ ガス拡散層
７ セパレータ
８ ガス流路溝
１０ 単セル
１１ 多孔質基材層
１２ 搬送ローラー
１３ 搬送ベルト
１５ 突起
２０ 撥水処理用塗工装置
２１ ダイヘッド
２２ 撥水処理用塗工液
２３ 撥水剤
３０ 第１の加熱装置
３１ ヒーター
４０ 第２の塗工装置
４１ ダイヘッド
４２ 微細多孔質層形成用塗工液
５０ 第２の加熱装置
５１ ヒーター
６０ プレス装置
６１ プレス板

Claims (1)

1. 多孔質基材層と微細多孔質層とを備えた燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
   前記多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布すること、
   前記撥水処理用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して乾燥させること、
   前記多孔質基材層の、前記撥水処理用塗工液を塗布した面に、微細多孔質層形成用塗工液を塗布すること、
   前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して焼成すること、
   を含み、凹凸形状を有する部材の凸部を、前記多孔質基材層の前記撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、前記撥水処理用塗工液の塗布を行う、燃料電池用ガス拡散層の製造方法。

Images