JP2023066214A - 燃料電池用ガス拡散層および燃料電池用ガス拡散層の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維層を含む燃料電池用ガス拡散層を容易に薄く形成することのできる燃料電池用ガス拡散層および燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供する。【解決手段】カソード側ガス拡散層３０はＭＰＬ３２と炭素繊維層３１とが積層された積層構造をなす。炭素繊維層３１を構成する炭素繊維７１は、平均繊維長が３０μｍ以上５００μｍ以下のものである。この炭素繊維７１は、少なくとも一部が、ＭＰＬ３２の主成分をなす合成樹脂材料を介して、ＭＰＬ３２に結合されている。カソード側ガス拡散層３０の製造工程は、補助フィルム６１にＭＰＬ塗工液６２Ａを塗工する塗工工程と、補助フィルム６１に対してＭＰＬ塗工液６２Ａの表面を覆うようになる態様で、炭素繊維７１を振り掛ける振り掛け工程とを含む。製造工程は、塗工工程および振り掛け工程の後に、炭素繊維７１によって表面が覆われた状態のＭＰＬ塗工液６２Ａを硬化させる硬化工程を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層および燃料電池用ガス拡散層の製造方法に関するものである。

固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体と、一対のガス拡散層と、一対のセパレータとを備えている。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された触媒電極層であるアノードおよびカソードとを備えている。燃料電池は、膜電極接合体が一対のガス拡散層の間に挟まれた構造をなすとともに、それら膜電極接合体および一対のガス拡散層が厚さ方向の両側から一対のセパレータによって挟持されている。

特許文献１には、ガス拡散層が開示されている。このガス拡散層は、基材と多孔体薄膜（Micro Porous Layer、以下ＭＰＬ）とが積層された積層構造をなしている。基材は、炭素繊維と炭素繊維を結合するバインダーとによって多孔質シート状に形成されたものである。ＭＰＬは、合成樹脂材料および導電性材料（カーボンブラックなど）を主成分とする多孔質状の薄膜である。

国際公開第２０２０／２１３３２４号

上記燃料電池では、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスが、ガス拡散層を通過した後に、膜電極接合体に到達するようになっている。そのため、ガス拡散層を薄くすることにより、同ガス拡散層を反応ガスが通過し易くなって、燃料電池の発電性能を向上させることが可能になる。また、ガス拡散層を薄くすることにより、燃料電池の小型化を図ることなども可能になる。

ここで、上記ガス拡散層では、炭素繊維を含む基材は剛性が高いのに対して、炭素繊維を含まないＭＰＬは剛性が低い。
ガス拡散層を薄くするためには、基材を省略してＭＰＬのみによってガス拡散層を構成することが考えられる。この場合には、ガス拡散層の剛性が低くなってしまうため、ガス拡散層の耐久性能の低下を招いたり、同ガス拡散層の変形による発電性能の低下を招いたりしてしまう。

また、ガス拡散層を薄くするためには、同ガス拡散層を構成する基材を薄くすることなども考えられる。基材が薄くなるほど、同基材を、炭素繊維を用いて多数の細孔を有する多孔質シート状に形成することが困難になる。しかも、基材が薄くなるほど、同基材の剛性が低くなるため、製造過程における基材の取り扱いが困難になる。したがって、ガス拡散層を薄くするべく基材を薄くする場合には、ガス拡散層の製造にかかる工程が繁雑になってしまう。

上記課題を解決するための燃料電池用ガス拡散層は、合成樹脂材料および導電性材料を主成分とする多孔質層状をなすマイクロポーラス層と、炭素繊維が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層と、が積層された積層構造の燃料電池用ガス拡散層において、前記炭素繊維は、平均繊維長が３０μｍ以上５００μｍ以下のものであり、且つ、少なくとも一部が前記合成樹脂材料を介して前記マイクロポーラス層に結合されている。

多孔質層状をなす炭素繊維層を形成する場合には、繊維長の短い炭素繊維を形成材料として利用することが難しい。この場合において繊維長の短い炭素繊維を利用すると、炭素繊維同士を絡ませて互いに保持させることが難しいため、炭素繊維を層状にすることが困難になる。

上記構成によれば、マイクロポーラス層の主成分である合成樹脂材料を利用して同マイクロポーラス層に個々の炭素繊維を固定（結合）することができる。これにより、炭素繊維が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層をマイクロポーラス層と一体に形成することができるようになる。しかも、炭素繊維層を形成するうえで、炭素繊維の一部がマイクロポーラス層（具体的には、その主成分である合成樹脂材料）に接していればよいため、この炭素繊維として、繊維長の短いものを利用することができるようになる。また、炭素繊維の一部がマイクロポーラス層に接していればよいため、同炭素繊維を含む炭素繊維層を薄くすることもできる。このように上記構成によれば、炭素繊維層を含む燃料電池用ガス拡散層を容易に薄く形成することができる。

上記燃料電池用ガス拡散層において、前記炭素繊維は、前記合成樹脂材料を含む部分に埋め込まれた状態になっていることが好ましい。
上記構成によれば、合成樹脂材料により、炭素繊維の外面がマイクロポーラス層に対して広い範囲にわたって固定（結合）されるようになる。これにより、炭素繊維層を構成する炭素繊維をマイクロポーラス層に確実に固定することができるため、炭素繊維層を安定した構造にすることができる。

上記燃料電池用ガス拡散層において、前記燃料電池用ガス拡散層の厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
前記課題を解決するための燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、合成樹脂材料および導電性材料を主成分とする多孔質層状をなすマイクロポーラス層と、炭素繊維が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層と、が積層された積層構造の燃料電池用ガス拡散層を製造する製造方法であって、補助フィルムに、前記合成樹脂材料および前記導電性材料を主成分とする前記マイクロポーラス層の形成材料を塗工する塗工工程と、前記補助フィルムに対して、前記形成材料の表面を覆うようになる態様で、平均繊維長が３０μｍ以上５００μｍ以下の前記炭素繊維を振り掛ける振り掛け工程と、前記塗工工程および前記振り掛け工程の後に、前記炭素繊維によって表面が覆われた状態の前記形成材料を硬化させる硬化工程と、を含む。

上記製造方法によれば、塗工工程および振り掛け工程を通じて、ばらばらの状態の炭素繊維を、硬化前の形成材料の表面を覆うように配置することができる。そして、この状態で形成材料を硬化させることで、同形成材料を利用して、マイクロポーラス層に個々の炭素繊維を固定（結合）することができる。これにより、炭素繊維が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層をマイクロポーラス層と一体に形成することができる。

上記製造方法では、ばらばらの状態の炭素繊維がマイクロポーラス層に固定されて、炭素繊維層が形成される。これにより、炭素繊維を層状にするために炭素繊維同士を絡ませて互いに保持させる必要がなくなる。そのため、炭素繊維層を構成する炭素繊維として繊維長の短いものを用いることができ、同炭素繊維を含む炭素繊維層を薄くすることができる。しかも、ばらばらの状態の炭素繊維を振り掛けるといった簡単な作業を通じて炭素繊維層を形成することができる。これにより、予め形成した薄い炭素繊維層を用いる場合と比較して、燃料電池用ガス拡散層の製造過程における炭素繊維層の取り扱いが容易になる。このように上記製造方法によれば、炭素繊維層を含む燃料電池用ガス拡散層を容易に薄く形成することができる。

上記製造方法において、前記塗工工程は、前記補助フィルムに前記形成材料を塗工する工程であり、前記振り掛け工程は、前記塗工工程の後に、前記形成材料の表面に前記炭素繊維を振り掛ける工程である。

上記製造方法によれば、補助フィルムに形成材料を塗工した後に、この形成材料に炭素繊維を振り掛けるといった作業を通じて、ばらばらの状態の炭素繊維を硬化前の形成材料の表面を覆うように配置することができる。

上記製造方法において、前記合成樹脂材料としては熱硬化性のものが用いられ、前記硬化工程は、熱プレス加工を通じて前記形成材料を硬化させる工程であることが好ましい。
上記製造方法によれば、炭素繊維を形成材料に埋め込んだ状態にするとともに、その状態で形成材料を硬化させることができる。この場合には、合成樹脂材料によって、炭素繊維の外面がマイクロポーラス層に対して広い範囲にわたって固定されるようになる。これにより、炭素繊維層を構成する炭素繊維をマイクロポーラス層に確実に固定することができるため、炭素繊維層を安定した構造にすることができる。

上記製造方法において、前記振り掛け工程は、前記補助フィルム上に前記炭素繊維を振り掛ける工程であり、前記塗工工程は、前記振り掛け工程の後に、前記補助フィルムにおける前記炭素繊維が振り掛けられた部分に前記形成材料を塗工する工程である。

上記製造方法によれば、補助フィルムに炭素繊維を振り掛けた後に、その炭素繊維を覆い隠すように形成材料を塗工するといった作業を通じて、ばらばらの状態の炭素繊維を硬化前の形成材料の表面を覆うように配置することができる。

上記製造方法において、前記塗工工程と前記硬化工程との間において、前記補助フィルムに塗工された前記形成材料に膜電極接合体を重ね合わせる重ね合わせ工程を含む。
上記製造方法によれば、燃料電池用ガス拡散層を、膜電極接合体と一体に形成することができる。

上記製造方法において、前記合成樹脂材料としては熱硬化性のものが用いられ、前記硬化工程は、前記補助フィルムと前記炭素繊維と前記形成材料と前記膜電極接合体とからなる中間製品を、前記補助フィルム側の外面を加熱するとともに前記膜電極接合体側の外面を冷却しつつ、前記中間製品の厚さ方向においてプレスする工程であることが好ましい。

上記製造方法によれば、中間製品を厚さ方向においてプレスすることにより、炭素繊維が形成材料に埋め込まれた状態にすることができる。そして、中間製品における補助フィルム側の外面を加熱しつつプレスすることにより、熱硬化性の合成樹脂材料を含む形成材料を炭素繊維が埋め込まれた状態で硬化させることができるようになる。しかも、中間製品における膜電極接合体側の外面を冷却しつつプレスすることにより、このとき中間製品における補助フィルム側の外面が加熱されるとはいえ、この加熱による膜電極接合体の温度上昇を抑えることができる。これにより、膜電極接合体の温度上昇による性能低下を抑えることができる。

本発明によれば、炭素繊維層を含む燃料電池用ガス拡散層を容易に薄く形成することができる。

第１実施形態にかかる燃料電池の単セルの側断面図である。 第１実施形態のアノード側ガス拡散層の概略構成を示す断面図である。 第１実施形態のカソード側ガス拡散層の概略構成を示す断面図である。 同カソード側ガス拡散層の製造手順を示すフローチャートである。 同カソード側ガス拡散層の製造手順を説明するための説明図である。 同カソード側ガス拡散層の概略構成を示す斜視図である。 第２実施形態のカソード側ガス拡散層の製造手順を示すフローチャートである。 第２実施形態のカソード側ガス拡散層の製造手順を説明するための説明図である。

（第１実施形態）
以下、図１～図６を参照して、燃料電池用ガス拡散層および燃料電池用ガス拡散層の製造方法の第１実施形態について説明する。

各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については実際と異なる場合がある。
本実施形態の燃料電池用ガス拡散層（以下、ガス拡散層と称する）は、固体高分子形燃料電池のスタックに用いられるものである。固体高分子形燃料電池のスタックは、複数の単セルが積層された構造を有している。

＜単セル１０＞
図１に示すように、燃料電池の単セル１０は、アノード側の第１セパレータ４０と、カソード側の第２セパレータ５０とにより挟持された発電部１１を備えている。

発電部１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、ＭＥＡ１２）と、ＭＥＡ１２を挟持するアノード側ガス拡散層２０およびカソード側ガス拡散層３０とにより構成されている。アノード側ガス拡散層２０は、ＭＥＡ１２と第１セパレータ４０との間に設けられている。カソード側ガス拡散層３０は、ＭＥＡ１２と第２セパレータ５０との間に設けられている。

ＭＥＡ１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料からなる電解質膜１３と、電解質膜１３を挟持する一対の電極触媒層１４とを備えている。各電極触媒層１４には、燃料電池における反応ガスの電気化学反応を促進するために、例えば白金などの触媒が担持されている。

＜セパレータ４０，５０＞
セパレータ４０，５０は、ステンレス鋼板によって形成されている。
第１セパレータ４０は、互いに間隔をおいて並列して延在する複数の突条４１と、互いに隣り合う２つの突条４１の間において突条４１に沿って延在するとともに反応ガスが流れるガス流路４２とを有している。各突条４１は、アノード側ガス拡散層２０に当接している。なお、突条４１およびガス流路４２は、図１の紙面に直交する方向に延びている。

第２セパレータ５０は、互いに間隔をおいて並列して延在する複数の突条５１と、互いに隣り合う２つの突条５１の間において突条５１に沿って延在するとともに反応ガスが流れるガス流路５２とを有している。各突条５１は、カソード側ガス拡散層３０に当接している。なお、突条５１およびガス流路５２は、図１の紙面に直交する方向に延びている。

第１セパレータ４０のガス流路４２とアノード側ガス拡散層２０とで区画される部分には、反応ガスとしての燃料ガスが流通する燃料ガス流路が形成されている。第２セパレータ５０のガス流路５２とカソード側ガス拡散層３０とで区画される部分には、反応ガスとしての酸化ガスが流通する酸化ガス流路が形成されている。本実施形態において、燃料ガス流路を流通する燃料ガスは水素であり、酸化ガス流路を流通する酸化ガスは空気である。

＜アノード側ガス拡散層２０＞
図２に示すように、アノード側ガス拡散層２０は、基材層２１とマイクロポーラス層（Micro Porous Layer、以下ＭＰＬ２２）とが積層された積層構造をなしている。図１および図２に示すように、アノード側ガス拡散層２０は、基材層２１が第１セパレータ４０に接するとともにＭＰＬ２２がＭＥＡ１２に接する態様で、ＭＥＡ１２と第１セパレータ４０との間に設けられている。

基材層２１は、炭素繊維２３と同炭素繊維２３を結合するバインダーとによって多孔質シート状に形成されたものである。基材層２１は、カーボンペーパーによって形成されている。基材層２１を構成する炭素繊維２３は、平均繊維長が数ｍｍ～数百ｍｍ（本実施形態では、１０ｍｍ）のものであり、且つ、平均繊維径が５μｍ～２０μｍのものである。基材層２１の厚さは、数百μｍ（本実施形態では、２００μｍ）である。

ＭＰＬ２２は、合成樹脂材料および導電性材料（例えばカーボン粒子、金属繊維、金属粒子）を主成分とする多孔質層状をなしている。ＭＰＬ２２の厚さは、数十μｍ（本実施形態では、３０μｍ）である。

ＭＰＬ２２は、次のように形成される。先ず、基材層２１（詳しくは、カーボンペーパー）の表面にＭＰＬ形成用塗工液を塗布する。このＭＰＬ形成用塗工液は、カーボン粒子や分散剤、増粘剤を含むものである。その後、このＭＰＬ形成用塗工液を乾燥させる。これにより、基材層２１の表面に多孔質膜状のＭＰＬ２２が形成される。このアノード側ガス拡散層２０を用いて、単セル１０は組み立てられる。

＜カソード側ガス拡散層３０＞
図３に示すように、カソード側ガス拡散層３０は、炭素繊維層３１とマイクロポーラス層（以下、ＭＰＬ３２）とが積層された積層構造をなしている。図１および図３に示すように、カソード側ガス拡散層３０は、炭素繊維層３１が第２セパレータ５０に接するとともにＭＰＬ３２がＭＥＡ１２に接する態様で、ＭＥＡ１２と第２セパレータ５０との間に設けられている。

ＭＰＬ３２は、熱硬化性の合成樹脂材料および導電性材料（例えばカーボン粒子、金属繊維、金属粒子）を主成分とする多孔質層状をなしている。ＭＰＬ３２の厚さは「１５μｍ」程度に設定されている。

炭素繊維層３１は、炭素繊維７１が不規則に並んだ多孔質層状をなしている。炭素繊維層３１を構成する炭素繊維７１は、平均繊維長が３００μｍ程度のもの（例えば、ミルドファイバー）であり、且つ、平均繊維径が５μｍ～２０μｍのものである。炭素繊維層３１の厚さは数μｍ（本実施形態では、７μｍ）程度に設定されている。炭素繊維層３１は、ＭＰＬ３２と同一の材料からなる層状部分に炭素繊維７１が埋め込まれた構造になっている。炭素繊維層３１では、ＭＰＬ３２の主成分をなす合成樹脂材料を介して、同ＭＰＬ３２に炭素繊維７１が結合されている。炭素繊維層３１の厚さは「５μｍ」程度に設定されている。

カソード側ガス拡散層３０は、厚さが１５μｍ程度のＭＰＬ３２と、厚さが５μｍ程度の炭素繊維層３１とが積層された積層構造をなしている。したがって、カソード側ガス拡散層３０の厚さは「２０μｍ」程度になっている。

通常、ガス拡散層用の炭素繊維としては、上記アノード側ガス拡散層２０（図２参照）の炭素繊維２３のように、平均繊維長が比較的長いもの（数ｍｍ以上のもの）が用いられる。これに対して本実施形態では、カソード側ガス拡散層３０用の炭素繊維７１として、平均繊維長の短いもの、具体的には平均繊維長が３００μｍのものが用いられる。多孔質層状をなす炭素繊維層を形成する場合には、繊維長の短い炭素繊維７１を利用すると、炭素繊維７１同士を絡ませて互いに保持させることが難しいため、炭素繊維７１を層状にすることが困難になる。

この点をふまえて本実施形態では、カソード側ガス拡散層３０が、以下のように製造される。
＜塗工工程＞
図４に示すように、カソード側ガス拡散層３０の製造に際しては、先ず、［塗工工程］が実行される（ステップＳ１１）。この工程では、図５に示すように、塗工機６０を用いて、補助フィルム６１の上面に、ＭＰＬ３２形成用の塗工液からなる塗工液層６２が形成される。詳しくは、補助フィルム６１が搬送装置（図示略）によって搬送されるとともに、搬送される補助フィルム６１の上面に対して、塗工機６０の塗工ヘッド６３からＭＰＬ塗工液６２Ａが供給されて塗工される。なお本実施形態では、ＭＰＬ塗工液６２Ａが、合成樹脂材料および導電性材料を主成分とするＭＰＬ３２の形成材料に相当する。

＜振り掛け工程＞
図４に示すように、［塗工工程］の後には、［振り掛け工程］が実行される（ステップＳ１２）。この工程では、図５に示すように、振り掛け装置７０を用いて、ＭＰＬ塗工液６２Ａが塗工された補助フィルム６１に対して、上方から、平均繊維長が３００μｍの炭素繊維７１が振り掛けられる。詳しくは、搬送装置（図示略）によって搬送される補助フィルム６１の上面に対して、同補助フィルム６１の上方に設けられた振り掛け装置７０のホッパー７２から炭素繊維７１が放出される。こうして振り掛けられる炭素繊維７１は、硬化前の塗工液層６２の表面を覆う態様で、同塗工液層６２の上面に付着する。

＜硬化工程＞
図４に示すように、［振り掛け工程］の後には、［硬化工程］が実行される（ステップＳ１３）。この工程では、図５に示すように、熱圧延装置８０を用いて、補助フィルム６１と炭素繊維７１と塗工液層６２とからなる中間製品８１が加熱されつつ圧延される。詳しくは、熱圧延装置８０は一対の圧延ローラ８２，８３を有している。これら圧延ローラ８２，８３は加熱されている。そして、この工程では、補助フィルム６１と炭素繊維７１と塗工液層６２とからなる中間製品８１を、一対の圧延ローラ８２，８３の間を通過させることで加熱しつつ圧延する。

中間製品８１を圧延することで、同中間製品８１が所定の厚さになるとともに、炭素繊維７１がＭＰＬ塗工液６２Ａに押し付けられてＭＰＬ塗工液６２Ａに埋め込まれた状態になる。また、中間製品８１の圧延ローラ８２，８３への接触に際して、同中間製品８１、詳しくは熱硬化性の合成樹脂材料を含む塗工液層６２が加熱されて硬化するようになる。

「硬化工程」では、塗工液層６２の表面が炭素繊維７１によって覆われた状態であって、且つ塗工液層６２に炭素繊維７１が埋め込まれた状態で、同塗工液層６２が硬化されるようになる。そして、塗工液層６２が硬化した部分のうち、厚さ方向における炭素繊維７１が含まれる側の部分が「炭素繊維層３１」になるとともに、炭素繊維７１が含まれない側の部分が「ＭＰＬ３２」になる。

図６に示すように、本実施形態では、このようにして炭素繊維層３１とＭＰＬ３２とが積層された積層構造のカソード側ガス拡散層３０が製造される。実際には、カソード側ガス拡散層３０は、所定のサイズに切断されるとともに補助フィルム６１が剥がされた後に、単セル１０の組み立てに用いられる。

＜作用効果＞
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
（１－１）カソード側ガス拡散層３０は、ＭＰＬ３２と炭素繊維層３１とが積層された積層構造である。炭素繊維層３１を構成する炭素繊維７１は、平均繊維長が３００μｍのものであり、且つ、ＭＰＬ３２の形成材料に含まれる合成樹脂材料を介して同ＭＰＬ３２に結合されている。

本実施形態によれば、ＭＰＬ３２の主成分である合成樹脂材料を利用して同ＭＰＬ３２に個々の炭素繊維７１を固定することができる。これにより、炭素繊維７１が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層３１をＭＰＬ３２と一体に形成することができる。また本実施形態のカソード側ガス拡散層３０では、炭素繊維層３１を形成するうえで、炭素繊維７１の一部がＭＰＬ３２（具体的には、その主成分である合成樹脂材料）に接していればよい。そのため、炭素繊維７１を層状にするために炭素繊維７１同士を絡ませて互いに保持させる必要がなく、炭素繊維７１として、繊維長の短いものを利用することができるようになる。さらに、炭素繊維７１を層状にするために炭素繊維７１同士を絡ませて互いに保持させる必要がないことから、炭素繊維７１を含む炭素繊維層３１を薄くすることもできる。このように上記実施形態によれば、炭素繊維層３１を含むカソード側ガス拡散層３０を容易に薄く形成することができる。

なお、炭素繊維層３１を薄くすることにより、同炭素繊維層３１を反応ガスが通過し易くなるため、燃料電池の発電性能を向上させることが可能になる。また、炭素繊維層３１を薄くすることにより、炭素繊維７１の使用量を低減することや、単セル１０の小型化を図ることなども可能になる。

（１－２）炭素繊維７１は、ＭＰＬ３２と同一の材料からなる層状部分に埋め込まれた状態になっている。そのため、ＭＰＬ３２の主成分である合成樹脂材料により、炭素繊維７１の外面をＭＰＬ３２に対して広い範囲にわたって固定することができる。これにより、炭素繊維層３１を構成する炭素繊維７１をＭＰＬ３２に確実に固定することができるため、炭素繊維層３１を安定した構造にすることができる。

（１－３）塗工工程、振り掛け工程、および硬化工程を通じて、カソード側ガス拡散層３０を製造するようにした。
本実施形態によれば、塗工工程および振り掛け工程を通じて、ばらばらの状態の炭素繊維７１を、硬化前の塗工液層６２の表面を覆うように配置することができる。そして、この状態で塗工液層６２を硬化させることで、ＭＰＬ塗工液６２Ａを利用して、ＭＰＬ３２に個々の炭素繊維を固定することができる。これにより、炭素繊維７１が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層３１をＭＰＬ３２と一体に形成することができる。

本実施形態では、ばらばらの状態の炭素繊維７１がＭＰＬ３２に固定されて炭素繊維層３１が形成される。これにより、炭素繊維７１を層状にするために炭素繊維７１同士を絡ませて互いに保持させる必要がなくなる。そのため、炭素繊維層３１を構成する炭素繊維７１として繊維長の短いものを用いることができ、同炭素繊維７１を含む炭素繊維層３１を薄くすることができる。このように本実施形態によれば、従来は利用が困難であった繊維長の短い炭素繊維を用いて、薄いながらも高い剛性を有するカソード側ガス拡散層３０を形成することができる。

しかも本実施形態によれば、ばらばらの状態の炭素繊維７１を振り掛けるといった簡単な作業を通じて炭素繊維層３１を形成することができる。これにより、予め形成した薄い炭素繊維層（例えば、極薄のカーボンペーパー）を用いる場合と比較して、カソード側ガス拡散層３０の製造過程における炭素繊維層３１の取り扱いが容易になる。

（１－４）補助フィルム６１にＭＰＬ塗工液６２Ａを塗工する［塗工工程］を実行した後に、ＭＰＬ塗工液６２Ａからなる塗工液層６２の表面に炭素繊維７１を振り掛ける［振り掛け工程］を実行するようにした。これにより、補助フィルム６１にＭＰＬ塗工液６２Ａを塗工した後に、このＭＰＬ塗工液６２Ａに炭素繊維７１を振り掛けるといった作業を通じて、ばらばらの状態の炭素繊維７１を硬化前の塗工液層６２の表面を覆うように配置することができる。

（１－５）ＭＰＬ３２の主成分をなす合成樹脂材料として熱硬化性のものを採用した。［硬化工程］において、加熱した状態の一対の圧延ローラ８２，８３の間に中間製品８１を通すことで、熱硬化性の合成樹脂材料を含む塗工液層６２を硬化させるようにした。

これにより、炭素繊維７１を塗工液層６２に埋め込んだ状態にするとともに、その状態で塗工液層６２を硬化させることができる。この場合には、ＭＰＬ塗工液６２Ａを利用して、炭素繊維７１の外面がＭＰＬ３２に対して広い範囲にわたって固定されるようになる。これにより、炭素繊維層３１を構成する炭素繊維７１をＭＰＬ３２に確実に固定することができるため、炭素繊維層３１を安定した構造にすることができる。

（第２実施形態）
以下、図７および図８に示すように、燃料電池用ガス拡散層および燃料電池用ガス拡散層の製造方法の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については実際と異なる場合がある。
本実施形態と第１実施形態とは、カソード側ガス拡散層の製造方法のみが異なる。本実施形態の燃料電池の各構成と第１実施形態の燃料電池の各構成とは同様である。そのため以下では、本実施形態の各構成のうち、第１実施形態と同様の構成については同一の符号もしくは対応する符号を付すとともに、それら構成についての重複する説明は省略する。

以下、本実施形態にかかるカソード側ガス拡散層の製造方法について説明する。
＜振り掛け工程＞
図７に示すように、カソード側ガス拡散層３０の製造に際しては、先ず、［振り掛け工程］が実行される（ステップＳ２１）。この工程では、図８に示すように、振り掛け装置７０を用いて、平均繊維長が３００μｍの炭素繊維７１が補助フィルム６１上に振り掛けられる。詳しくは、搬送装置（図示略）によって搬送される補助フィルム６１の上面に対して、同補助フィルム６１の上方に設けられた振り掛け装置７０のホッパー７２から炭素繊維７１が放出される。

＜塗工工程＞
図７に示すように、［振り掛け工程］の後には、［塗工工程］が実行される（ステップＳ２２）。図８に示すように、この工程では、塗工機６０を用いて、補助フィルム６１の上面における炭素繊維７１が振り掛けられた部分に、ＭＰＬ塗工液６２Ａからなる塗工液層６２が形成される。詳しくは、搬送装置（図示略）によって搬送される補助フィルム６１の上面に対して、塗工機６０の塗工ヘッド６３からＭＰＬ塗工液６２Ａが供給されて塗工される。このように、炭素繊維７１が振り掛けられた補助フィルム６１上にＭＰＬ塗工液６２Ａを塗工することで、炭素繊維７１は、硬化前の塗工液層６２の表面（詳しくは、補助フィルム６１側の面である下面）を覆うように同塗工液層６２に付着する。

＜重ね合わせ工程＞
図７に示すように、［塗工工程］の後には、［重ね合わせ工程］が実行される（ステップＳ２３）。この工程では、図８に示すように、重ね合わせ装置９０を用いて、補助フィルム６１に塗工されたＭＰＬ塗工液６２Ａの上に、ＭＥＡ１２（詳しくは、ＭＥＡシート９１）が重ね合わされる。

ＭＥＡシート９１は、電解質膜１３と一対の電極触媒層１４とからなる三層構造の長尺シート状をなすものである。重ね合わせ装置９０は送り出しローラ９２を有している。送り出しローラ９２は、補助フィルム６１の上方に配置されている。送り出しローラ９２には、ＭＥＡシート９１が巻き付けられている。

この工程では、詳しくは、搬送装置（図示略）による補助フィルム６１の搬送に合わせて、上記送り出しローラ９２からＭＥＡシート９１が送り出される。これにより、補助フィルム６１上の塗工液層６２の上面を覆う態様で、同塗工液層６２にＭＥＡシート９１が重ね合わされる。

＜硬化工程＞
図７に示すように、［重ね合わせ工程］の後には、［硬化工程］が実行される（ステップＳ２４）。この工程では、図８に示すように、補助フィルム６１と炭素繊維７１と塗工液層６２とＭＥＡシート９１とからなる中間製品１０１を、補助フィルム６１側の外面を加熱するとともにＭＥＡシート９１側の外面を冷却しつつ、厚さ方向においてプレスする。

本実施形態では、硬化工程において用いる装置として、一対の圧延ローラ１０２，１０３を有する圧延装置１００を備えている。この工程では、詳しくは、中間製品１０１を、一対の圧延ローラ１０２，１０３の間を通過させることで圧延する。これにより、中間製品１０１が所定の厚さになるとともに、炭素繊維７１が塗工液層６２に押し付けられて同塗工液層６２に埋め込まれた状態になる。

本実施形態では、一対の圧延ローラ１０２，１０３のうちの下方に配置されるもの、すなわち中間製品１０１の圧延に際して補助フィルム６１の下面に接触する圧延ローラ１０２は加熱されている。また、一対の圧延ローラ１０２，１０３のうちの上方に配置されるもの、すなわち中間製品１０１の圧延に際してＭＥＡシート９１の上面に接触する圧延ローラ１０３は冷却されている。

圧延装置１００による中間製品１０１の圧延に際しては、加熱状態の圧延ローラ１０２が補助フィルム６１の下面に接触するため、この圧延ローラ１０２からの熱伝導によって、熱硬化性の合成樹脂材料を含む塗工液層６２が加熱されて硬化するようになる。したがって、この工程では、塗工液層６２の表面が炭素繊維７１によって覆われた状態であって、且つ塗工液層６２に炭素繊維７１が埋め込まれた状態で、塗工液層６２が硬化されるようになる。そして、塗工液層６２が硬化した部分のうち、厚さ方向における炭素繊維７１が含まれる側の部分が「炭素繊維層３１」になるとともに、炭素繊維７１が含まれない側の部分が「ＭＰＬ３２」になる。

一方、圧延装置１００による中間製品１０１の圧延に際しては、冷却された状態の圧延ローラ１０３がＭＥＡシート９１の上面に接触するため、この圧延ローラ１０３によってＭＥＡシート９１が冷却されるようになる。そのため、このとき中間製品１０１における補助フィルム６１側の外面が圧延ローラ１０２によって加熱されているとはいえ、この加熱によるＭＥＡシート９１の温度上昇が抑えられる。

本実施形態では、このようにして炭素繊維層３１とＭＰＬ３２とが積層された積層構造のカソード側ガス拡散層３０がＭＥＡ１２と一体に製造される。実際には、カソード側ガス拡散層３０およびＭＥＡ１２は、所定のサイズに切断されるとともに補助フィルム６１が剥がされた後に、単セル１０の組み立てに用いられる。

＜作用効果＞
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
（２－１）本実施形態によれば、第１実施形態の作用効果（１－１）～（１－３）と同様の作用効果を奏することができる。

（２－２）補助フィルム６１上に炭素繊維７１を振り掛ける［振り掛け工程］を実行した後に、補助フィルム６１における炭素繊維７１が振り掛けられた部分にＭＰＬ塗工液６２Ａを塗工する［塗工工程］を実行するようにした。これにより、補助フィルム６１に炭素繊維７１を振り掛けた後に、その炭素繊維７１を覆い隠すようにＭＰＬ塗工液６２Ａを塗工するといった作業を通じて、ばらばらの状態の炭素繊維７１を硬化前の塗工液層６２の表面を覆うように配置することができる。

（２－３）［塗工工程］と［硬化工程］との間に、補助フィルム６１に塗工されたＭＰＬ塗工液６２Ａ（詳しくは、塗工液層６２）にＭＥＡシート９１を重ね合わせる［重ね合わせ工程］を実行するようにした。これにより、カソード側ガス拡散層３０をＭＥＡ１２と一体に形成することができる。

（２－４）ＭＰＬ３２の主成分をなす合成樹脂材料として熱硬化性のものを採用した。［硬化工程］においては、補助フィルム６１と炭素繊維７１と塗工液層６２とＭＥＡシート９１とからなる中間製品１０１を、補助フィルム６１側の外面を冷却するとともにＭＥＡシート９１側の外面を加熱しつつ、厚さ方向においてプレスするようにした。

これにより、中間製品１０１が厚さ方向においてプレスされるため、炭素繊維７１が塗工液層６２に埋め込まれた状態にすることができる。そして、中間製品１０１における補助フィルム６１側の外面を加熱しつつプレスすることにより、熱硬化性の合成樹脂材料を含む塗工液層６２を炭素繊維７１が埋め込まれた状態で硬化させることができる。しかも、中間製品１０１におけるＭＥＡシート９１側の外面を冷却しつつプレスすることにより、このとき中間製品１０１における補助フィルム６１側の外面が加熱されるとはいえ、この加熱によるＭＥＡシート９１の温度上昇を抑えることができる。これにより、ＭＥＡシート９１の温度上昇によって、ＭＥＡ１２の性能低下を招くことが抑えられる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記各実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・第２実施形態において、［硬化工程］でのＭＥＡシート９１の温度上昇に起因するＭＥＡ１２の性能低下が抑えられるのであれば、圧延装置１００の圧延ローラ１０３を冷却する構成を省略してもよい。

・各実施形態において、カソード側ガス拡散層３０の厚さは任意に変更することができる。なお、カソード側ガス拡散層３０の厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲で設定することが好ましく、２０μｍ以上３０μｍ以下の範囲で設定することがより好ましい。なお、カソード側ガス拡散層３０を薄くするほど、燃料電池の発電性能を向上させたり、燃料電池を小型化したりすることが可能になる。また、単セル１０の組み立て時におけるカソード側ガス拡散層３０の取り扱いを容易にするためには、同カソード側ガス拡散層３０の厚さは２０μｍ以上であることが好ましい。

・各実施形態において、カソード側ガス拡散層３０の製造に用いる炭素繊維７１としては、平均繊維長が３０μｍ以上５００μｍ以下の範囲のものであれば、任意の炭素繊維を採用することができる。

・各実施形態において、カソード側ガス拡散層３０を、炭素繊維７１が埋め込まれた状態に形成することに代えて、炭素繊維７１の一部が表面から突出した状態になるように形成してもよい。要は、炭素繊維７１の少なくとも一部が、ＭＰＬ３２の主成分である合成樹脂材料を介してＭＰＬ３２に結合された状態になっていればよい。この場合には、［硬化工程］において、熱圧延装置８０または圧延装置１００を用いて中間製品８１，１０１を加熱しつつ圧延することに代えて、中間製品８１，１０１を圧延することなくヒーター等を用いて加熱するようにしてもよい。

・各実施形態の［硬化工程］において、熱圧延装置８０または圧延装置１００を用いて中間製品８１，１０１を圧延することに代えて、熱プレス機を用いて中間製品８１，１０１を熱プレス加工するようにしてもよい。

・各実施形態において、ＭＰＬ３２の主成分をなす合成樹脂材料としては、熱硬化性のものを用いることに代えて、熱可塑性のものを用いることができる。この場合［硬化工程］においては、中間製品を所定時間にわたって乾燥させるようにすればよい。また、ＭＰＬ３２の主成分をなす合成樹脂材料としては、フッ素樹脂や、親水性を有する材料を含むものなど、任意の合成樹脂材料を採用することができる。

・上記各実施形態にかかる燃料電池用ガス供給層および燃料電池用ガス供給層の製造方法は、アノード側ガス拡散層２０にも適用することができる。

１０…単セル
１２…ＭＥＡ（膜電極接合体）
３０…カソード側ガス拡散層
３１…炭素繊維層
３２…ＭＰＬ（マイクロポーラス層）
６０…塗工機
６１…補助フィルム
６２…塗工液層
６２Ａ…ＭＰＬ塗工液
６３…塗工ヘッド
７０…振り掛け装置
７１…炭素繊維
７２…ホッパー
８０…熱圧延装置
８１，１０１…中間製品
８２，８３，１０２，１０３…圧延ローラ
９０…重ね合わせ装置
９１…ＭＥＡシート
９２…ローラ
１００…圧延装置

Claims (9)

1. 合成樹脂材料および導電性材料を主成分とする多孔質層状をなすマイクロポーラス層と、炭素繊維が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層と、が積層された積層構造の燃料電池用ガス拡散層において、
   前記炭素繊維は、平均繊維長が３０μｍ以上５００μｍ以下のものであり、且つ、少なくとも一部が前記合成樹脂材料を介して前記マイクロポーラス層に結合されている
   燃料電池用ガス拡散層。
2. 前記炭素繊維は、前記合成樹脂材料を含む部分に埋め込まれた状態になっている
   請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
3. 前記燃料電池用ガス拡散層の厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下である
   請求項１または２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
4. 合成樹脂材料および導電性材料を主成分とする多孔質層状をなすマイクロポーラス層と、炭素繊維が不規則に並んだ多孔質層状をなす炭素繊維層と、が積層された積層構造の燃料電池用ガス拡散層を製造する製造方法であって、
   補助フィルムに、前記合成樹脂材料および前記導電性材料を主成分とする前記マイクロポーラス層の形成材料を塗工する塗工工程と、
   前記補助フィルムに対して、前記形成材料の表面を覆うようになる態様で、平均繊維長が３０μｍ以上５００μｍ以下の前記炭素繊維を振り掛ける振り掛け工程と、
   前記塗工工程および前記振り掛け工程の後に、前記炭素繊維によって表面が覆われた状態の前記形成材料を硬化させる硬化工程と、を含む
   燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
5. 前記塗工工程は、前記補助フィルムに前記形成材料を塗工する工程であり、
   前記振り掛け工程は、前記塗工工程の後に、前記形成材料の表面に前記炭素繊維を振り掛ける工程である
   請求項４に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
6. 前記合成樹脂材料としては熱硬化性のものが用いられ、
   前記硬化工程は、熱プレス加工を通じて前記形成材料を硬化させる工程である
   請求項５に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
7. 前記振り掛け工程は、前記補助フィルム上に前記炭素繊維を振り掛ける工程であり、
   前記塗工工程は、前記振り掛け工程の後に、前記補助フィルムにおける前記炭素繊維が振り掛けられた部分に前記形成材料を塗工する工程である
   請求項４に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
8. 前記塗工工程と前記硬化工程との間において、前記補助フィルムに塗工された前記形成材料に膜電極接合体を重ね合わせる重ね合わせ工程を含む
   請求項７に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
9. 前記合成樹脂材料としては熱硬化性のものが用いられ、
   前記硬化工程は、前記補助フィルムと前記炭素繊維と前記形成材料と前記膜電極接合体とからなる中間製品を、前記補助フィルム側の外面を加熱するとともに前記膜電極接合体側の外面を冷却しつつ、前記中間製品の厚さ方向においてプレスする工程である
   請求項８に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。

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