(57)【要約】【課題】下地層であるガス拡散層において平滑性と通気性及び排水性との両立を図ることが可能な、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法、及び、燃料電池に用いられるガス拡散層が形成されたカーボンペーパを提供すること。【解決手段】カーボンペーパＣＰの表面に撥水層Ｌ１を形成する工程と、撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成する工程と、亀裂ＣＲが形成された撥水層Ｌ１の上にガス拡散層Ｌ２を形成する工程と、を有する、燃料電池に用いられるカーボンペーパＣＰにガス拡散層Ｌ２を形成する方法である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンペーパの表面に撥水層を形成する工程と、
前記撥水層に亀裂を形成する工程と、
亀裂が形成された前記撥水層の上にガス拡散層を形成する工程と、を有する、燃料電池に用いられるカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法。
【請求項２】
前記亀裂を形成する工程では、前記撥水層の撥水材料物質に亀裂が生じる速度で前記撥水層を乾燥させることにより前記撥水層に亀裂を形成する請求項１記載の、燃料電池に用いられるカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法。
【請求項３】
カーボンペーパと、
前記カーボンペーパの表面に形成された撥水層と、
前記撥水層の上に形成されたガス拡散層と、を備え、
前記撥水層には、亀裂が形成され、
前記撥水層の亀裂には、前記撥水層において亀裂を形成している前記撥水層の部分に覆い被さるようにして前記ガス拡散層の一部が入り込んでいる、燃料電池に用いられるガス拡散層が形成されたカーボンペーパ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられるカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法、及び、ガス拡散層が形成されたカーボンペーパに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より燃料電池は、カーボンペーパに撥水層が形成され乾燥させられた後に、ガス拡散層が形成されたカーボンペーパを有している（例えば、特許文献１）燃料電池において発電の際に発生した水分は、ガス拡散層及び撥水層を通してカーボンペーパへ排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６２−１２２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の下地層であるガス拡散層には、通気性及び排水性が求められる一方で、電極層形成のための平滑性も求められる。しかし、下地層に求められる平滑性と通気性及び排水性とは相反するため、両立させて安定生産することは容易ではなく、歩留り悪化を招いていた。
【０００５】
本発明は、下地層であるガス拡散層において平滑性と通気性及び排水性との両立を図ることが可能な、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法、及び、燃料電池に用いられるガス拡散層が形成されたカーボンペーパを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明は、カーボンペーパ（例えば、後述のカーボンペーパＣＰ）の表面に撥水層（例えば、後述の撥水層Ｌ１）を形成する工程と、前記撥水層に亀裂（例えば、後述の亀裂ＣＲ）を形成する工程と、亀裂が形成された前記撥水層の上にガス拡散層（例えば、後述のガス拡散層Ｌ２）を形成する工程と、を有する、燃料電池に用いられるカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の下地層であるガス拡散層には、電極層形成のための平滑性が担保される。更に、ガス拡散層の一部が亀裂に入り込んだ状態でガス拡散層にも亀裂が生じた状態とすることが可能となる。この結果、ガス拡散層及び撥水層に排水性が担保され、ガス拡散層及び撥水層において平滑性及び排水性を両立させて安定生産することが可能となり、歩留りを向上させることが可能となる。
【０００８】
そして、前記亀裂を形成する工程では、前記撥水層の撥水材料物質に亀裂が生じる速度で前記撥水層を乾燥させることにより前記撥水層に亀裂を形成する。このため、撥水層を乾燥させると同時に撥水層に亀裂を形成することができるため、撥水層に亀裂を形成することを容易とすることが可能となる。
【０００９】
また、本発明は、カーボンペーパ（例えば、後述のカーボンペーパＣＰ）と、前記カーボンペーパの表面に形成された撥水層（例えば、後述の撥水層Ｌ１）と、前記撥水層の上に形成されたガス拡散層（例えば、後述のガス拡散層Ｌ２）と、を備え、前記撥水層には、亀裂（例えば、後述の亀裂ＣＲ）が形成され、前記撥水層の亀裂には、前記撥水層において亀裂を形成している前記撥水層の部分に覆い被さるようにして前記ガス拡散層の一部が入り込んでいる、燃料電池に用いられるガス拡散層が形成されたカーボンペーパを提供する。
【００１０】
本発明によれば、ガス拡散層においても撥水層と同様に亀裂が生じた状態となるため、撥水層及びガス拡散層における排水性が図られたガス拡散層が形成されたカーボンペーパとすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、下地層であるガス拡散層において平滑性と通気性及び排水性との両立を図ることが可能な、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法、及び、燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法を実施するためのカーボンペーパの加工装置を示す概略図である。
【図２】本発明のカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法において、カーボンペーパ上に撥水層を形成した様子を示す概略図である。
【図３】本発明のカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法において、カーボンペーパ上に形成した撥水層に亀裂を形成した様子を示す概略図である。
【図４】本発明のカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法において、カーボンペーパ上に形成した撥水層の上にガス拡散層を形成した様子を示す概略図である。
【図５】カーボンペーパに形成された撥水層及びガス拡散層に亀裂が生じている場合の透水圧を確認する試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法を実施するためのカーボンペーパの加工装置１を示す概略図である。
【００１４】
図１に示すように、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法を実施するためのカーボンペーパの加工装置１は、燃料電池を構成するカーボンペーパＣＰに対して、電極や撥水層Ｌ１を形成する塗工を行い、電解質膜等を形成するための装置であり、繰り出し用ローラ１０と巻き取り用ローラ２０と、加熱加工を行う加熱炉としての乾燥炉３０と、ダイヘッド４０または下地層形成部５０と、を備えている。
【００１５】
繰り出し用ローラ１０には、カーボンペーパＣＰが予め巻回されており、繰り出し用ローラ１０は、巻き取り用ローラ２０に向けてカーボンペーパＣＰを繰り出す。ダイヘッド４０は、繰り出し用ローラ１０から繰り出されたカーボンペーパＣＰに対して、撥水層Ｌ１を形成する塗工を行う。乾燥炉３０の内部は、例えば、２００℃程度の高温の雰囲気とされている。乾燥炉３０の内部を、ダイヘッド４０により撥水層Ｌ１の塗工が行われたカーボンペーパＣＰが通されることにより、塗工された撥水層Ｌ１が短時間で乾燥させられて、亀裂ＣＲが形成された撥水層Ｌ１が形成される。カーボンペーパＣＰ上に形成された撥水層Ｌ１が乾燥させられた後に、巻き取り用ローラ２０は、撥水層Ｌ１が形成されたカーボンペーパＣＰを巻き取る。
同様に、撥水層Ｌ１が形成されたカーボンペーパＣＰを繰り出し用ローラ１０として巻き取り用ローラ２０に向けてカーボンペーパＣＰを繰り出す。下地層形成部５０は、カーボンペーパＣＰ上に形成された、亀裂ＣＲが形成された撥水層Ｌ１の上に塗工を行い、下地層としてのガス拡散層Ｌ２を形成する。カーボンペーパＣＰ上に形成されたガス拡散層Ｌ２が乾燥炉３０によって乾燥させられた後に、巻き取り用ローラ２０は、撥水層Ｌ１、及び、ガス拡散層Ｌ２が形成されたカーボンペーパＣＰを巻き取る。
【００１６】
繰り出し用ローラ１０から繰り出されるカーボンペーパＣＰの先端部には、耐熱性リードＬＥが接続される。耐熱性リードＬＥは、カーボンペーパＣＰの幅と同一の幅を有するポリイミド素材の樹脂フィルムにより構成されている。耐熱性リードＬＥの一端部は、巻き取り用ローラ２０に固定されており、巻き取り用ローラ２０に巻回される。またカーボンペーパＣＰの後端部にも同様の耐熱性リードＬＥが接続される。
【００１７】
耐熱性リードＬＥは、ダイヘッド４０または下地層形成部５０、乾燥炉３０を通して繰り出し用ローラ１０から巻き取り用ローラ２０に至るまでの長さを有しており、耐熱性リードＬＥの他端部は、繰り出し用ローラ１０から繰り出されるカーボンペーパＣＰの先端部に、いわゆるワニスと呼ばれるポリイミドアミド系の熱硬化性樹脂により構成される接着剤により接着される。従って、耐熱性リードＬＥがダイヘッド４０または下地層形成部５０、乾燥炉３０を通過して、巻き取り用ローラ２０によって巻き取られた後に、カーボンペーパＣＰも同様に、ダイヘッド４０または下地層形成部５０、乾燥炉３０を通過して、巻き取り用ローラ２０によって巻き取られる。
【００１８】
次に、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法について説明する。
図２は、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法において、カーボンペーパＣＰ上に撥水層Ｌ１を形成した様子を示す概略図である。図３は、カーボンペーパＣＰにガス拡散層Ｌ２を形成する方法において、カーボンペーパＣＰ上に形成した撥水層Ｌ１に亀裂を形成した様子を示す概略図である。図４は、カーボンペーパＣＰにガス拡散層Ｌ２を形成する方法において、カーボンペーパＣＰ上に形成した撥水層Ｌ１の上にガス拡散層Ｌ２を形成した様子を示す概略図である。
【００１９】
カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法においては、先ず、カーボンペーパＣＰ上に撥水層Ｌ１を形成する工程を行う。具体的には、繰り出し用ローラ１０から繰り出されるカーボンペーパＣＰに対してダイヘッド４０による塗工を行い、図２に示すように、カーボンペーパＣＰ上に撥水層Ｌ１を形成する。塗工は、シート状のカーボンペーパＣＰの繊維表面にフッ素系撥水材料（高分子）をコーティングすることにより行われる。
【００２０】
次に、撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成する工程を行う。この亀裂ＣＲを形成する工程では、撥水層Ｌ１の撥水材料物質に亀裂ＣＲが生じる速度で撥水層Ｌ１を乾燥させることにより撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成する。
具体的には、ダイヘッド４０による塗工により、撥水層Ｌ１が形成されたカーボンペーパＣＰを乾燥炉３０に通すことにより、撥水層Ｌ１を乾燥させる。これにより、図３に示すように、撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成する。撥水層Ｌ１を乾燥は、２００℃の雰囲気の乾燥炉３０に３０秒〜１分程度、電極及び撥水層Ｌ１が形成されたカーボンペーパＣＰを通すことにより行われる。撥水層Ｌ１が形成されたカーボンペーパＣＰを巻き取り用ローラ２０で巻き取る。
【００２１】
次に、亀裂ＣＲが形成された撥水層Ｌ１の上にガス拡散層Ｌ２を形成する工程を行う。具体的には、撥水層Ｌ１が形成されたカーボンペーパＣＰを繰り出し用ローラ１０にセットし、巻き取り用ローラ２０に向けて繰り出す。亀裂ＣＲが形成された撥水層Ｌ１の上に、下地層形成部５０により塗工を行い、乾燥炉３０により乾燥させてガス拡散層Ｌ２を形成する。塗工は、構造材料としてのカーボン粒子にフッ素系撥水材料（高分子）をコーティングすることにより行われる。これにより、図４に示すように、撥水層Ｌ１に形成されている亀裂ＣＲには、ガス拡散層Ｌ２の一部が入り込んだ状態となっている。
【００２２】
即ち、燃料電池に用いられるガス拡散層Ｌ２が形成されたカーボンペーパＣＰは、図４に示すように、カーボンペーパＣＰと、カーボンペーパＣＰの表面に形成された撥水層Ｌ１と、撥水層Ｌ１の上に形成されたガス拡散層Ｌ２と、を備えている。そして、図４に示すように、撥水層Ｌ１に形成されている亀裂ＣＲには、撥水層Ｌ１において亀裂ＣＲを形成している撥水層Ｌ１の部分に覆い被さるようにして、ガス拡散層Ｌ２の一部が入り込んだ状態となっている。
【００２３】
次に、撥水層Ｌ１及びガス拡散層Ｌ２に形成された亀裂ＣＲ（クラック）と透水圧との関係を調べる実験を行った。実験では、撥水層Ｌ１及びガス拡散層Ｌ２に形成された亀裂ＣＲ（クラック）の数が所定の値にそれぞれ形成されたカーボンペーパＣＰのサンプルに対して水を押し当てて、圧力を上げながら、水が透過して圧力上昇が飽和したときの値を求めた。クラックス数についての単位「クラック数／１インチΦ」とは、サンプルの裏面から光を透過させたときに透過して見える部分をクラックと定義し、サンプルにおける１インチΦの範囲に存在するクラック数を意味する。試験結果は、図５のグラフに示すとおりである。
図５は、カーボンペーパＣＰに形成された撥水層Ｌ１及びガス拡散層Ｌ２に亀裂ＣＲが生じている場合の透水圧を確認する試験結果を示すグラフである。
【００２４】
図５に示すように、「クラック数／１インチΦ」の値が０〜３０の範囲では、クラック数が増加するにつれて透水圧が大幅に減少することが分かる。このため、クラック数は多いほど、より多くの水を通過させることが可能であることが分り、本実施形態のように、乾燥炉３０において２００℃という高温で撥水層Ｌ１を乾燥させることにより、亀裂ＣＲ（クラック）を発生させると、撥水層Ｌ１及びガス拡散層Ｌ２を介して水が通過しやすくなり排水性を高めることが可能であることが分かる。但し、「クラック数／１インチΦ」の値が３０を超える範囲では、クラック数が増加しても透水圧はあまり変化せず、安定して透水圧が低いことからこの範囲が好ましい。
なお、「クラック数／１インチΦ」の値は、撥水層Ｌ１の乾燥時間が長い、もしくは乾燥させる温度が高い、などの方法によって増やすことが可能である。
【００２５】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、燃料電池に用いられるカーボンペーパにガス拡散層を形成する方法は、カーボンペーパＣＰの表面に撥水層Ｌ１を形成する工程と、撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成する工程と、亀裂ＣＲが形成された撥水層Ｌ１の上にガス拡散層Ｌ２を形成する工程と、を有する。
【００２６】
これにより、燃料電池の下地層であるガス拡散層Ｌ２には、電極層形成のための平滑性が担保される。更に、ガス拡散層Ｌ２の一部が亀裂ＣＲに入り込んだ状態でガス拡散層Ｌ２にも亀裂ＣＲが生じた状態とすることが可能となる。この結果、ガス拡散層Ｌ２及び撥水層Ｌ１に排水性を担保でき、ガス拡散層Ｌ２及び撥水層Ｌ１において平滑性及び排水性を両立させて安定生産することが可能となり、歩留りを向上させることが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態では亀裂ＣＲを形成する工程では、撥水層Ｌ１の撥水材料物質に亀裂ＣＲが生じる速度で撥水層Ｌ１を乾燥させることにより撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成する。このため、撥水層Ｌ１を乾燥させると同時に撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成することができるため、撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成することを容易とすることが可能となる。
【００２８】
また、本実施形態では、燃料電池に用いられるガス拡散層Ｌ２が形成されたカーボンペーパＣＰは、カーボンペーパＣＰと、カーボンペーパＣＰの表面に形成された撥水層Ｌ１と、撥水層Ｌ１の上に形成されたガス拡散層Ｌ２と、を備える。撥水層Ｌ１には、亀裂ＣＲが形成され、撥水層Ｌ１の亀裂ＣＲには、撥水層Ｌ１において亀裂ＣＲを形成している撥水層Ｌ１の部分に覆い被さるようにしてガス拡散層Ｌ２の一部が入り込んでいる。このため、ガス拡散層Ｌ２においても撥水層Ｌ１と同様に亀裂ＣＲが生じた状態となるため、撥水層Ｌ１及びガス拡散層Ｌ２における排水性が図られたガス拡散層Ｌ２が形成されたカーボンペーパＣＰとすることが可能となる。
【００２９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、本実施形態においては、亀裂ＣＲを形成する工程では、撥水層Ｌ１の撥水材料物質に亀裂ＣＲが生じる速度で撥水層Ｌ１を乾燥させることにより撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成したが、この方法に限定されない。例えば、機械的な加工により亀裂ＣＲを形成してもよい。
【００３０】
また、カーボンペーパ、撥水層、ガス拡散層等の材質や構成等は、本実施形態におけるカーボンペーパＣＰ、撥水層Ｌ１、ガス拡散層Ｌ２等の材質や構成等に限定されない。同様に、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法の各工程や、カーボンペーパにガス拡散層を形成する方法を実施するための装置は、本実施形態における各工程や、カーボンペーパの加工装置１に限定されない。
例えば、撥水層Ｌ１に亀裂ＣＲを形成する工程では、撥水層Ｌ１の乾燥を、２００℃の雰囲気の乾燥炉３０に３０秒〜１分程度、電極及び撥水層Ｌ１が形成されたカーボンペーパＣＰを通したが、これに限定されない。例えば、撥水層、ガス拡散層の材料等に応じて、適宜乾燥時間や温度を変えればよい。
【符号の説明】
【００３１】
ＣＰ…カーボンペーパ
ＣＲ…亀裂
Ｌ１…撥水層
Ｌ２…ガス拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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