JP5862598B2 - 多孔質層およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、多孔質層およびその製造方法に関する。
固体高分子電解質型燃料電池に用いられる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）において、触媒層とガス拡散層との間に多孔質層を積層した構造が知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。このような構造に用いられる多孔質層は、微細な連続気孔を形成する層であり、マイクロポーラス層（ＭＰＬ：Micro-Porous Layer）とも呼ばれる。
特許文献１には、導電性炭素粉末と金属繊維と非ポリマー系フッ素材料とを含有するペーストを、触媒層またはガス拡散層に塗布することによって、多孔質層を形成することが記載されている。
特許文献２には、導電性炭素粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粉末とを混合した混合物から、多孔質層を作製することが記載されている。特許文献２には、導電性炭素粉末とＰＴＦＥ粉末とを含有する混合液から得られる共沈物から、多孔質層を作製することも記載されている。
特開２０１１−７６８４８号公報 特開２００６−２５２９４８号公報
特許文献１の多孔質層では、燃料電池における発電量が比較的に高い状況で、電解質膜から水分が過剰に奪われる状態（いわゆるドライアップ状態）になるという課題があった。ドライアップ状態は、電解質膜の劣化を引き起こし、ひいては、燃料電池の発電性能の低下を引き起こす。
特許文献２における混合物から作製される多孔質層では、ＰＴＦＥ粉末の平均粒子径が導電性炭素粉末の平均粒子径と比較して非常に大きいことに起因して、混合物中にＰＴＦＥ粉末と導電性炭素粉末とを均一に分散させることが困難であるため、多孔質層の均質性を十分に確保できないという課題があった。特許文献２における共沈物から作製される多孔質層では、混合液におけるＰＴＦＥ粉末の均一性が時間の経過に応じて低下することに起因して、先に沈降した共沈物と後に沈降した共沈物との組成が異なるため、多孔質層の均質性を十分に確保できないという課題があった。均質性が不十分な多孔質層は、ＭＥＡにおける発電のばらつきを招き、ひいては、燃料電池の発電性能の低下を引き起こす。
また、特許文献２における共沈物から作製される多孔質層では、共沈物の沈降および乾燥に比較的に多くの時間を要するため、生産性が低いという課題があった。
そのため、燃料電池の発電性能を向上させることが可能な多孔質層が望まれていた。そのほか、多孔質層においては、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上、耐久性の向上などが望まれていた。
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、燃料電池の膜電極接合体における触媒層とガス拡散層との間に積層される多孔質層を製造する、多孔質層の製造方法が提供される。この製造方法は、（ａ）導電性炭素粉末と撥水性樹脂粉末とを含有する混合液を、噴霧乾燥法により乾燥させることによって、前記撥水性樹脂粉末で被覆された前記導電性炭素粉末を含む粉体を、作製する工程と；（ｂ）前記工程（ａ）によって作製される前記粉体から前記多孔質層を作製する工程であって、日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−０２０８に準じて測定される前記多孔質層の透湿度が、温度４０℃および相対湿度９０％ＲＨの条件で、１００００〜２５０００ｇ／ｍ2・２４ｈである、工程とを備える。この形態によれば、粉体中に撥水性樹脂粉末と導電性炭素粉末とを均一に分散させることができるため、多孔質層の均質性を向上させることができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることが可能な多孔質層を得ることができる。また、共沈物から多孔質層を作成する場合と比較して短時間で、撥水性樹脂粉末と導電性炭素粉末とを均一に分散させた粉体を得ることができる。その結果、多孔質層の生産性を向上させることができる。
（２）上記形態の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）によって作製される前記粉体から、厚み５０〜１５０μｍの前記多孔質層を作製する工程であってもよい。この形態によれば、多孔質層の厚みを調整することによって、上記透湿度を満たす多孔質層を容易に作製できる。
（３）上記形態の製造方法において、前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）によって作製される前記粉体からペーストを作製する工程と；前記ペーストを薄板状に成形したシートを作製する工程と；前記シートを焼成することによって前記多孔質層を作製する工程とを含んでもよい。この形態によれば、上記透湿度を満たす多孔質層を容易に作製できる。
（４）上記形態の製造方法において、前記撥水性樹脂粉末は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粉末を含んでもよい。この形態によれば、上記透湿度を満たす多孔質層を容易に作製できる。
（５）本発明の一形態によれば、燃料電池の膜電極接合体における触媒層とガス拡散層との間に積層される多孔質層が提供される。この多孔質層では、日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−０２０８に準じて測定される前記多孔質層の透湿度が、温度４０℃および相対湿度９０％ＲＨの条件で、１００００〜２５０００ｇ／ｍ2・２４ｈである。この形態によれば、多孔質層によって燃料電池の発電性能を向上させることができる。
（６）上記形態の多孔質層は、導電性炭素粉末と撥水性樹脂粉末とを含有する混合液を噴霧乾燥法によって乾燥させた粉体から作製されてもよい。この形態によれば、多孔質層によって燃料電池の発電性能をいっそう向上させることができる。
本発明は、多孔質層およびそ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、本願発明は、上述の多孔質層を備える膜電極接合体、そのような膜電極接合体を備える燃料電池、ならびに、これらの製造方法などの形態で実現することができる。
多孔質層の製造方法を示す工程図である。 ＭＥＡの製造方法を示す工程図である。 ＭＥＡを作製する様子を示す説明図である。 ＭＥＡを作製する様子を示す説明図である。 ＭＥＡを作製する様子を示す説明図である。 ＭＥＡを作製する様子を示す説明図である。 多孔質層の評価試験の結果を示す表である。
Ａ．実施形態
Ａ−１．多孔質層の製造方法
図１は、多孔質層の製造方法を示す工程図である。多孔質層は、微細な連続気孔を形成する層であり、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）とも呼ばれる。多孔質層は、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる膜電極接合体（ＭＥＡ）において、触媒層とガス拡散層との間に積層される。
多孔質層を製造する際、製造者は、まず、溶媒に界面活性剤を加えた水溶液を作製する（工程Ｐ１１０）。本実施形態では、溶媒は、純水（例えば、イオン交換水、蒸留水）である。界面活性剤は、ｐＨの影響を受けにくい非イオン性界面活性剤が好ましく、本実施形態では、Ｔｒｉｔｏｎ Ｘである。本実施形態では、製造者は、濃度１０質量％になる量の界面活性剤を加えた溶媒を、攪拌器（スターラ）を用いて、１０分間、泡が発生しない程度の回転数にて十分に攪拌する。
界面活性剤を含有する水溶液を作製した後（工程Ｐ１１０）、製造者は、水溶液に導電性炭素粉末を分散させた混合物であるカーボンスラリを作製する（工程Ｐ１２０）。本実施形態では、導電性炭素粉末は、アセチレンブラック（電気化学工業株式会社製「ＨＳ−１００」）である。導電性炭素粉末は、アセチレンブラック、バルカンＸＣ、ケッチェンブラックであることが好ましく、ファーネスブラック、サーマルブラック、グラファイトであってもよい。導電性炭素粉末は、１種類であってもよいし、２種類以上の混合物であってもよい。
本実施形態では、製造者は、１０００ｃｃ（立方センチメートル）の水溶液に対して、１００ｇ（グラム）の導電性炭素粉末を添加する。本実施形態では、製造者は、導電性炭素粉末を添加した水溶液を、混合器（プライミクス株式会社製プラネタリミキサ）を用いて攪拌することによって、水溶液中に導電性炭素粉末を分散させたカーボンスラリを作製する。均質なカーボンスラリを得るために、混合器によって攪拌する時間は、１〜３時間であることが好ましい。本実施形態では、製造者は、必要に応じて、カーボンスラリに対して減圧脱泡処理を行う。
カーボンスラリを作製した後（工程Ｐ１２０）、製造者は、カーボンスラリを用いて、導電性炭素粉末と撥水性樹脂粉末とを含有する混合液を作製する（工程Ｐ１３０）。本実施形態では、撥水性樹脂粉末は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粉末である。他の実施形態では、撥水性樹脂粉末は、ＰＦＡ樹脂、ＥＴＦＥ樹脂などの他の撥水性樹脂の粉末であってもよい。
本実施形態では、製造者は、ＰＴＦＥ分散液（ダイキン工業株式会社製「Ｄ−１Ｅ」）をカーボンスラリに添加する。本実施形態では、製造者は、ＰＴＦＥ分散液を添加したカーボンスラリを、混合器（プライミクス株式会社製プラネタリミキサ）を用いて、１０分間、攪拌することによって、導電性炭素粉末と撥水性樹脂粉末とを含有する混合液を作製する。本実施形態では、混合液に含まれる導電性炭素粉末とＰＴＦＥ粉末との質量比は、６０：４０である。
混合液を作製した後（工程Ｐ１３０）、製造者は、導電性炭素粉末と撥水性樹脂粉末とを含有する混合液を、噴霧乾燥法（スプレードライ法）により乾燥させることによって、撥水性樹脂粉末で被覆された導電性炭素粉末を含む粉体を、作製する（工程Ｐ１４０）。本実施形態では、製造者は、噴霧乾燥機（藤崎電機株式会社製スプレードライヤ）を用いて、温風温度２００℃、混合液の滴下速度５０ｃｃ毎分の条件で、混合液から粉体を作製した。本実施形態では、混合液から得られる粉体は、ＰＴＦＥ粉末に被覆された導電性炭素粉末を含む。本実施形態では、粉体の平均粒径は、３〜５μｍ（マイクロメートル）である。
噴霧乾燥法によって粉体を作製した後（工程Ｐ１４０）、製造者は、粉体からペーストを作製する（工程Ｐ１５０）。本実施形態では、粉体から作製されるペーストは、粉体と潤滑剤とを混合した混合物である。本実施形態では、粉体に混合される潤滑剤は、エクソン化学株式会社製「アイソパーＭ」（「アイソパー」は登録商標）である。本実施形態では、製造者は、濃度４０質量％になる量の潤滑剤を加えた粉体を、混合器（ポットミル）を用いて、１時間、混合した後、その混合物を８時間、室温に放置することによって、ペーストを得る。
ペーストを作製した後（工程Ｐ１５０）、製造者は、押出成形によってペーストを円柱状に成形した成形品を作製する（工程Ｐ１６０）。本実施形態では、製造者は、ラム押出機（田端機械工業株式会社製）を用いてペーストから成形品を作成する。成形品の直径は、５〜２０ｍｍ（ミリメートル）が好ましく、本実施形態では、１０ｍｍ（ミリメートル）である。ペーストを押し出すシリンダの温度は、室温よりも３０℃以上高い温度が好ましく、本実施形態では、室温よりも７０℃高い温度である。ペーストを押し出す速度は、１〜２０ｍｍ毎分が好ましく、本実施形態では、５ｍｍ毎分である。
ペーストから成形品を作成した後（工程Ｐ１６０）、製造者は、圧延によって円柱状の成形品を薄板状に成形したシートを作製する（工程Ｐ１７０）。製造者は、シートから作製される完成時の多孔質層について、日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−０２０８に準じて測定される透湿度が、温度４０℃および相対湿度９０％ＲＨの条件で、１００００〜２５０００ｇ／ｍ2・２４ｈを満たすように、シートを作製する。本実施形態では、製造者は、シートから作製される完成時の多孔質層の厚みが５０〜１５０μｍになるように、シートを作製する。
本実施形態では、製造者は、圧延機を用いて円柱状の成形品を圧延することによって、シートを作成する。本実施形態では、圧延機のロール温度は、５０℃である。本実施形態では、圧延の送り速度は、０．５ｍ（メートル）毎分である。
シートを作製した後（工程Ｐ１７０）、製造者は、シートを乾燥させる（工程Ｐ１８０）。これによって、シートから潤滑剤が除去される。本実施形態では、製造者は、１５０℃の乾燥炉の中で１時間、シートを乾燥させる。
シートを乾燥させた後（工程Ｐ１８０）、製造者は、シートを焼成する（工程Ｐ１９０）。これによって、界面活性剤が除去され、多孔質層が完成する。本実施形態では、３５０℃の焼成炉の中で１０分間、シートを焼成する。他の実施形態では、製造者は、シートの乾燥（工程Ｐ１８０）を省略し、シートの焼成（工程Ｐ１９０）において界面活性剤とともに潤滑剤を除去してもよい。
これらの工程を経て作製される多孔質層について、日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−０２０８に準じて測定される透湿度は、温度４０℃および相対湿度９０％ＲＨの条件で、１００００〜２５０００ｇ／ｍ2・２４ｈを満たす。本実施形態では、多孔質層の厚さは、５０〜１５０μｍである。
Ａ−２．膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法
図２は、ＭＥＡの製造方法を示す工程図である。図３、図４、図５および図６は、ＭＥＡを作製する様子を示す説明図である。本実施形態では、製造者は、ＭＥＡを作製する複数の工程を同時進行で実施する。他の実施形態では、製造者は、ＭＥＡを作製する複数の工程の少なくとも一部を順次実施してもよい。ＭＥＡを製造する際、製造者は、予め、上述した製造方法で多孔質層を作製する（工程Ｐ２１０）。
多孔質層を作製した後（工程Ｐ２１０）、製造者は、電解質膜１１０にアノード触媒層１２０を形成する（工程Ｐ２２０）。図３に示すように、本実施形態では、電解質膜１１０は、電解質膜１１０を搬送可能に補強する薄板状のキャリアフィルム１１５に形成されている。本実施形態では、製造者は、電解質膜１１０をキャリアフィルム１１５とともに巻き取ったロール２１０を用意する。
本実施形態では、製造者は、製造装置５００を用いて、電解質膜１１０にアノード触媒層１２０を形成する。製造装置５００は、引き出し機構５１０と、吐出機構５３０と、乾燥機５５０と、巻き取り機構５７０とを備える。
製造装置５００の引き出し機構５１０は、ロール２１０から電解質膜１１０をキャリアフィルム１１５とともに引き出す。製造装置５００の吐出機構５３０は、触媒層の材料（触媒担持カーボン）を含有するインクを、ロール２１０から引き出された電解質膜１１０に塗布する。製造装置５００の乾燥機５５０は、電解質膜１１０に塗布されたインクを乾燥させる。これによって、電解質膜１１０にアノード触媒層１２０が形成される。製造装置５００の巻き取り機構５７０は、アノード触媒層１２０が形成された電解質膜１１０をキャリアフィルム１１５とともに巻き取る。これによって、ロール２２０が作製される。
図２の説明に戻り、電解質膜１１０にアノード触媒層１２０を形成した後（工程Ｐ２２０）、製造者は、アノード触媒層１２０に多孔質層１３０を接合する（工程Ｐ２３０）。図４に示すように、本実施形態では、製造者は、工程Ｐ２２０によって作製されるロール２２０を用意するとともに、工程Ｐ２１０によって作製される多孔質層１３０を巻き取ったロール３１０を用意する。
本実施形態では、製造者は、製造装置６００を用いて、アノード触媒層１２０に多孔質層１３０を接合する。製造装置６００は、引き出し機構６１０と、引き出し機構６３０と、ロールプレス機構６５０と、巻き取り機構６７０とを備える。
製造装置６００の引き出し機構６１０は、ロール２２０から、アノード触媒層１２０が形成された電解質膜１１０を引き出す。製造装置６００の引き出し機構６３０は、ロール３１０から多孔質層１３０を引き出す。製造装置６００のロールプレス機構６５０は、引き出し機構６１０によって電解質膜１１０およびキャリアフィルム１１５とともに引き出されたアノード触媒層１２０と、引き出し機構６３０によって引き出された多孔質層１３０とを重ね合わせながら、熱圧ロールプレスを行う。これによって、アノード触媒層１２０に多孔質層１３０が接合される。本実施形態では、ロールプレス機構６５０による圧力Ｆ１は、３ＭＰａ（メガパスカル）である。製造装置６００の巻き取り機構６７０は、多孔質層１３０がアノード触媒層１２０に接合された電解質膜１１０をキャリアフィルム１１５とともに巻き取る。これによって、ロール２３０が作製される。
図２の説明に戻り、アノード触媒層１２０に多孔質層１３０を接合した後（工程Ｐ２３０）、製造者は、電解質膜１１０にカソード触媒層１４０を形成する（工程Ｐ２４０）。図５に示すように、本実施形態では、製造者は、工程Ｐ２３０によって作製されるロール２３０を用意する。
本実施形態では、製造者は、製造装置７００を用いて、電解質膜１１０にカソード触媒層１４０を形成する。製造装置７００は、引き出し機構７１０と、引き剥がし機構７２２と、巻き取り機構７２４と、吐出機構７３０と、乾燥機７５０と、巻き取り機構７７０とを備える。
製造装置７００の引き出し機構７１０は、ロール２３０から、多孔質層１３０がアノード触媒層１２０に接合された電解質膜１１０をキャリアフィルム１１５とともに引き出す。製造装置７００の引き剥がし機構７２２は、引き出し機構７１０によってロール２３０から引き出された電解質膜１１０からキャリアフィルム１１５を引き剥がす。製造装置７００の巻き取り機構７２４は、引き剥がし機構７２２によって引き剥がされたキャリアフィルム１１５を回収する。
製造装置７００の吐出機構７３０は、触媒層の材料（触媒担持カーボン）を含有するインクを、電解質膜１１０におけるキャリアフィルム１１５を引き剥がした面に塗布する。製造装置７００の乾燥機７５０は、電解質膜１１０に塗布されたインクを乾燥させる。これによって、電解質膜１１０にカソード触媒層１４０が形成される。製造装置７００の巻き取り機構７７０は、アノード触媒層１２０および多孔質層１３０に加えカソード触媒層１４０が形成された電解質膜１１０を巻き取る。これによって、ロール２４０が作製される。
図２の説明に戻り、電解質膜１１０にカソード触媒層１４０を形成した後（工程Ｐ２４０）、製造者は、カソード触媒層１４０に多孔質層１５０を接合する（工程Ｐ２５０）。図６に示すように、本実施形態では、工程Ｐ２４０によって作成されるロール２４０を用意するとともに、工程Ｐ２１０によって作製される多孔質層１５０を巻き取ったロール３２０を用意する。
本実施形態では、製造者は、製造装置８００を用いて、カソード触媒層１４０に多孔質層１５０を接合する。製造装置８００は、引き出し機構８１０と、引き出し機構８３０と、ロールプレス機構８５０とを備える。
製造装置８００の引き出し機構８１０は、ロール２４０から、カソード触媒層１４０が形成された電解質膜１１０を引き出す。製造装置８００の引き出し機構８３０は、ロール３２０から多孔質層１５０を引き出す。製造装置８００のロールプレス機構８５０は、引き出し機構８１０によって電解質膜１１０、アノード触媒層１２０、多孔質層１３０とともに引き出されたカソード触媒層１４０と、引き出し機構８３０によって引き出された多孔質層１５０とを重ね合わせながら、熱圧ロールプレスを行う。これによって、カソード触媒層１４０に多孔質層１５０が接合される。本実施形態では、ロールプレス機構８５０による圧力Ｆ２は、３ＭＰａである。
図２の説明に戻り、カソード触媒層１４０に多孔質層１３０を接合した後（工程Ｐ２５０）、製造者は、多孔質層１５０にガス拡散層１６０を接合し、多孔質層１３０にガス拡散層１７０を接合する（工程Ｐ２６０）。本実施形態では、製造者は、多孔質層１５０の接合（工程Ｐ２５０）と、ガス拡散層１６０，１７０の接合（工程Ｐ２６０）とを連続的に実施する。
本実施形態では、製造者は、ガス拡散層１６０を巻き取ったロール４１０と、ガス拡散層１７０を巻き取ったロール４２０とを用意する。本実施形態では、ガス拡散層１６０，１７０は、ポリアクロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維である。他の実施形態では、ガス拡散層１６０，１７０は、ピッチ系カーボン繊維、セルロース系カーボン繊維、ポリノジリック系カーボン繊維などの他のカーボン繊維であってもよい。
本実施形態では、製造者は、製造装置９００を用いて、ガス拡散層１６０，１７０を接合する（工程Ｐ２６０）。製造装置９００は、引き出し機構９１０と、切断機構９１５と、引き出し機構９２０と、切断機構９２５と、ロールプレス機構９５０と、ホットプレス機構９７０とを備える。
製造装置９００の引き出し機構９１０は、ロール４１０からガス拡散層１６０を引き出す。製造装置９００の切断機構９１５は、引き出し機構９１０によって引き出されたガス拡散層１６０を、必要な長さに切断する。製造装置９００の引き出し機構９２０は、ロール４２０からガス拡散層１７０を引き出す。製造装置９００の切断機構９２５は、引き出し機構９２０によって引き出されたガス拡散層１７０を、必要な長さに切断する。
製造装置９００のロールプレス機構９５０は、多孔質層１３０，１５０が接合された電解質膜１１０を、引き出し機構９１０によって引き出されたガス拡散層１６０と、引き出し機構９２０によって引き出されたガス拡散層１７０との間に挟み込みながら、熱圧ロールプレスを行う。これによって、多孔質層１５０にガス拡散層１６０が接合され、多孔質層１３０にガス拡散層１７０が接合される。ロールプレス機構９５０による圧力Ｆ３は、ロールプレス機構６５０の圧力Ｆ１、および、ロールプレス機構８５０の圧力Ｆ２よりも弱い圧力である。本実施形態では、ロールプレス機構９５０による圧力Ｆ３は、１Ｍｐａである。これによって、ガス拡散層１６０，１７０が電解質膜１１０に突き刺さることを防止できる。
製造装置９００のホットプレス機構９７０は、ガス拡散層１６０，１７０が接合された電解質膜１１０を、ホットプレスによって成形する。これによって、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０が完成する。
Ａ−３．評価試験
図７は、多孔質層の評価試験の結果を示す表である。図７の評価試験では、試験者は、複数の多孔質層を試料として作製し、各多孔質層の透湿度を測定した。その後、試験者は、各多孔質層を用いたＭＥＡから燃料電池を作製し、各燃料電池の発電性能を評価した。
試料Ａ１〜試料Ａ６は、図１に示した多孔質層の製造方法によって作製された多孔質層であり、各試料の厚さは、２０μｍ、５０μｍ、８０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、３２０μｍである。
試料Ｂは、遠心分離機による沈殿物から作製される多孔質層である。試料Ｂを作製する際、試験者は、工程Ｐ１３０によって得られる混合液を、遠心分離機を用いて遠心分離させることによって、沈殿物を作製した。沈殿物を作製した後、試験者は、１５０℃の乾燥炉の中で沈殿物を乾燥させることによって、粉体を作製した。沈殿物から得られる粉体は、ＰＴＦＥ粉末に被覆された導電性炭素粉末を含む。粉体の平均粒径は、４〜７μｍであった。粉末を作製した後、試験者は、工程Ｐ１５０からの工程と同様の工程を経て、試料Ｂとなる多孔質層を作製した。試料Ｂの厚みは、８０μｍである。
試料Ｃは、導電性炭素粉末とＰＴＦＥ粉末とを混合した粉体から作製される多孔質層である。試料Ｃを作製する際、試験者は、アセチレンブラック（電気化学工業株式会社製「ＨＳ−１００」）と、ＰＴＦＥ粉末（ダイキン工業株式会社製「Ｍ−１１１」、平均粒径３０μｍ）とを、混合機（Ｖブレンダ）を用いて、３０分間、混合することによって、粉体を作製した。粉体に含まれるアセチレンブラックとＰＴＦＥ粉末との質量比は、６０：４０である。粉末を作製した後、試験者は、工程Ｐ１５０からの工程と同様の工程を経て、試料Ｃとなる多孔質層を作製した。試料Ｃの厚みは、８０μｍである。
試料Ｄは、ガス拡散層に塗布することによって形成した多孔質層である。試料Ｄを作製する際、試験者は、工程Ｐ１３０によって得られる混合液を、ガス拡散層となるカーボンペーパ上に塗布した。試験者は、カーボンペーパ上に塗布した混合液を、１５０℃の乾燥炉の中で乾燥させた後、３５０℃の焼成炉の中で焼成することによって、試料Ｄとなる多孔質層を作製した。試料Ｄの作製に用いられる混合液の組成が、試料Ａ１〜Ａ６と同じである場合、試料Ｄを用いた燃料電池の発電性能が著しく低下した。そこで、試験者は、試料Ｄの作製に用いられる混合液に含まれる導電性炭素粉末とＰＴＦＥ粉末との質量比を、８０：２０とした。試料Ｃの厚みは、５０μｍである。
試験者は、カーボンペーパ上に形成した試料Ｄを除く、試料Ａ１〜Ａ６，Ｂ，Ｃの各試料について、日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−０２０８に準じてた測定法（カップ法）によって透湿度を測定した。試験者は、吸湿剤（無水塩化カルシウム）を入れた容器に、各試料の試験片（直径６０ｍｍ）を密着させ、温度４０℃および相対湿度９０％ＲＨの条件で、２４時間の間に吸湿剤に吸収される水分量を、各試料の透湿度とした。
試験者は、各試料を用いたＭＥＡから燃料電池を作製し、各燃料電池の発電性能として、燃料電池の温度が異なる場合における燃料電池の電圧を測定した。試験者は、燃料電池の温度を発電に適した８０℃に調整し、燃料ガスおよび酸化ガスの相対湿度９０％ＲＨの条件で、電流密度１．０Ａ／ｃｍ2となる時点の電圧を測定した。その後、試験者は、燃料電池の温度を始動時を想定した５０℃に低下させ、同様に電圧を測定した。
試験者は、次の評価基準で発電性能を評価した。
◎：電池温度８０℃の電圧が６５０ｍＶ以上、かつ、電池温度５０℃の電圧が５６０ｍＶ以上
○：電池温度８０℃の電圧が６３０ｍＶ以上、かつ、電池温度５０℃の電圧が３２０ｍＶ以上
×：電池温度８０℃の電圧が６３０ｍＶ未満、または、電池温度５０℃の電圧が３２０ｍＶ未満
図７の評価試験の結果によれば、噴霧乾燥法によって得られる粉体から作製された多孔質層の透湿度を１２０００〜２４０００ｇ／ｍ2・２４ｈにすることによって、燃料電池の発電性能が向上することが分かる。また、透湿度１２０００〜２４０００ｇ／ｍ2・２４ｈを実現可能な多孔質層の厚みは、５０〜１５０μｍであることが分かる。また、試料Ａ２〜試料Ａ５にわたる各電圧値の推移、試料Ａ１と試料Ａ２との関係、および、試料Ａ５と試料Ａ６との関係によれば、多孔質層の透湿度が少なくとも１００００〜２５０００ｇ／ｍ2・２４ｈの範囲であれば、燃料電池の発電性能が向上すると推測できる。
Ａ−４．効果
以上説明した実施形態における多孔質層の製造方法によれば、粉体中にＰＴＦＥ粉末と導電性炭素粉末とを均一に分散させることができるため、多孔質層の均質性を向上させることができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることが可能な多孔質層を得ることができる。
また、共沈物から多孔質層を作成する場合と比較して短時間で、ＰＴＦＥ粉末と導電性炭素粉末とを均一に分散させた粉体を得ることができる。その結果、多孔質層の生産性を向上させることができる。
また、多孔質層の厚みを厚み５０〜１５０μｍに調整することによって、上記透湿度を満たす多孔質層を容易に作製できる。また、粉体からペーストを経て成形したシートを焼成することによって多孔質層を作製するため（工程Ｐ１５０〜Ｐ１９０）、上記透湿度を満たす多孔質層を容易に作製できる。
Ｂ．他の実施形態：
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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。
１１０…電解質膜
１１５…キャリアフィルム
１２０…アノード触媒層
１３０…多孔質層
１４０…カソード触媒層
１５０…多孔質層
１６０…ガス拡散層
１７０…ガス拡散層
２１０…ロール
２２０…ロール
２３０…ロール
２４０…ロール
３１０…ロール
３２０…ロール
４１０…ロール
４２０…ロール
５００…製造装置
５１０…引き出し機構
５３０…吐出機構
５５０…乾燥機
５７０…巻き取り機構
６００…製造装置
６１０…引き出し機構
６３０…引き出し機構
６５０…ロールプレス機構
６７０…巻き取り機構
７００…製造装置
７１０…引き出し機構
７２２…引き剥がし機構
７２４…巻き取り機構
７３０…吐出機構
７５０…乾燥機
７７０…巻き取り機構
８００…製造装置
８１０…引き出し機構
８３０…引き出し機構
８５０…ロールプレス機構
９００…製造装置
９１０…引き出し機構
９１５…切断機構
９２０…引き出し機構
９２５…切断機構
９５０…ロールプレス機構
９７０…ホットプレス機構

Claims (4)

  1. 燃料電池の膜電極接合体における触媒層とガス拡散層との間に積層される多孔質層を製造する、多孔質層の製造方法であって、
    （ａ）導電性炭素粉末と撥水性樹脂粉末とを含有する混合液を、噴霧乾燥法により乾燥させることによって、前記撥水性樹脂粉末で被覆された前記導電性炭素粉末を含む粉体を、作製する工程と、
    （ｂ）前記工程（ａ）によって作製される前記粉体から前記多孔質層を作製する工程であって、日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−０２０８に準じて測定される前記多孔質層の透湿度が、温度４０℃および相対湿度９０％ＲＨの条件で、１００００〜２５０００ｇ／ｍ2・２４ｈである、工程と
    を備える、多孔質層の製造方法。
  2. 前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）によって作製される前記粉体から、厚み５０〜１５０μｍの前記多孔質層を作製する工程である、請求項１に記載の多孔質層の製造方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載の多孔質層の製造方法であって、
    前記工程（ｂ）は、
    前記工程（ａ）によって作製される前記粉体からペーストを作製する工程と、
    前記ペーストを薄板状に成形したシートを作製する工程と、
    前記シートを焼成することによって前記多孔質層を作製する工程と
    を含む、多孔質層の製造方法。
  4. 前記撥水性樹脂粉末は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粉末を含む、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の多孔質層の製造方法。
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