(57)【要約】【課題】排水性とガス流通性を向上させてフラッディングの発生を未然に防止することができる燃料電池用膜電極複合体を提供する。【解決手段】固体電解質膜の両面に、電極触媒層と、多孔質の下地層３と、下地層３よりも気孔が粗い多孔質の拡散層４とをこの順に積層した燃料電池用膜電極複合体であって、下地層３および拡散層４には、それらの層間方向に向けて撥水部３ａ，４ａと親水部３ｂ，４ｂとが互いに分離して形成され、撥水部３ａ，４ａおよび親水部３ｂ，４ｂは、下地層３および拡散層４に亘って連続している。【選択図】図２
2010238534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜の両面に、電極層と、多孔質の下地層と、前記下地層よりも気孔が粗い多孔質の拡散層とをこの順に積層してなる燃料電池用膜電極複合体であって、前記下地層および前記拡散層には、それらの層間方向に向けて撥水部と親水部とが互いに分離して形成され、前記撥水部および前記親水部は、前記下地層および前記拡散層に亘って連続していることを特徴とする燃料電池用膜電極複合体。
【請求項２】
拡散層構成部材の一表面の一部に、撥水性成分を含む第１下地ペーストを塗布し、前記拡散層構成部材の一表面であって前記第１下地ペーストが塗布されていない部分に、親水性成分を含む第２下地ペーストを塗布し、前記撥水性成分および前記親水性成分を前記拡散層構成部材に浸透させる工程と、
前記第１、第２下地ペーストが塗布された前記拡散層構成部材を乾燥する工程を備えたことを特徴とする燃料電池用膜電極複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜電極複合体とその製造方法に係り、特に、電極触媒層と拡散層との間に中間層を設けた構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、平板状の膜電極複合体の両側にセパレータが積層されて構成され、膜電極複合体は、正極側の電極触媒層と負極側の電極触媒層との間に高分子電解質膜が挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積層された積層体である。このような燃料電池によると、例えば、負極側に配されたセパレータのガス通路に水素ガスを流し、正極側に配されたセパレータのガス通路に酸化性ガスを流すと、電気化学反応が起こって電流が発生する。燃料電池の作動中においては、ガス拡散層は電気化学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータとの間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化性ガスを拡散させる。また、負極側の電極触媒層は燃料ガスに化学反応を起こさせプロトン（Ｈ＋）と電子を発生させ、正極側の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、電解質膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の電極触媒層を通して電力が取り出される。  
【０００３】
発生した水は、拡散層を通して外部へ排出されるが、排水が良好に行われないと拡散層の細孔内に水が溜まり、燃料ガスや空気の供給が阻害されるフラッディングと呼ばれる現象が生じる。したがって、拡散層では、水の排水が良好に行われることが燃料電池の性能を向上させるためには不可欠である。
【０００４】
上記のような課題を解決するものとして、たとえば特許文献１には、ガス拡散層と電極触媒層の間に、カーボン粒子と撥水剤を混合してなる微細気孔層（下地層）を形成することが記載されている。この微細気孔層の役割は、燃料ガス及び酸化剤ガスをアノード側ガス拡散電極及びカソード側ガス拡散電極に移動し易くし、あるいは電極反応の際にカソード側ガス拡散電極で生成する水を酸化剤ガス流通溝に排出し易くするものである。
さらに、特許文献２には、ガス拡散層と電極触媒層との間に微多孔質層（撥水層）として、撥水処理されたカーボン粒子と親水処理されたカーボン粒子とが撥水層の厚さ方向に連続するように構成したものが開示されている。これにより、撥水層の一部に水の浸透経路を設け、排水性を向上させる。
また、特許文献３には、排水性等の向上を目的とし、ガス拡散層そのものの面内に撥水性の高い部分を分布させたものも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２０９５号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９３１７号公報
【特許文献３】特開２００３−１３２８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の技術では、撥水性カーボン粒子と親水性カーボン粒子を混合して撥水層を形成しているため、厚さ方向に連続して同一種のカーボン粒子を効率的に並べることは困難である。さらに、特許文献２と特許文献３に記載の技術を組み合わせたとしても、撥水層とガス拡散層は別々に作成されるので、撥水層の水の流路とガス拡散層の水の流路とをが充分に連通させることが困難であり、排水性とガス流通性は不充分である。
【０００７】
上記の課題に鑑み、本発明は、下地層および拡散層において撥水部と親水部とが連続することにより、排水性とガス流通性を向上させることができるとともに、そのような構成を簡単に製造することができる燃料電池用膜電極複合体およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池用膜電極複合体は、固体電解質膜の両面に、電極層と、多孔質の下地層と、前記下地層よりも気孔が粗い多孔質の拡散層とをこの順に積層してなる燃料電池用膜電極複合体であって、前記下地層および前記拡散層には、それらの層間方向に向けて撥水部と親水部とが互いに分離して形成され、前記撥水部および前記親水部は、前記下地層および前記拡散層に亘って連続していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法は、拡散層構成部材の一表面の一部に、撥水性成分を含む第１下地ペーストを塗布し、前記拡散層構成部材の一表面であって前記第１下地ペーストが塗布されていない部分に、親水性成分を含む第２下地ペーストを塗布し、前記撥水性成分および前記親水性成分を前記拡散層構成部材に浸透させる工程と、前記第１、第２下地ペーストが塗布された前記拡散層構成部材を乾燥する工程を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記燃料電池用膜電極複合体にあっては、撥水部および親水部が下地層および拡散層に亘って連続しているから、下地層および拡散層に亘って親水部を水が流通し、下地層および拡散層に亘って撥水部をガスが流通する。このように、本発明では、下地層および拡散層の間で水およびガスの流路が遮断されることがないので、それらを円滑に流通させることができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法にあっては、拡散層構成部材の一表面に、撥水性の第１下地ペーストと親水性の第２下地ペーストを塗布し浸透させるから、下地層の形成と同時に拡散層構成部材に撥水部と親水部とを形成することができる。したがって、撥水部および親水部が下地層および拡散層で連続した構成を単純な工程で形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、下地層および拡散層において撥水部と親水部とが連続することにより、良好な排水性とガス流通性を得ることができ、フラッディングの発生を未然に防止することができる。また、本発明によれば、下地層および拡散層において撥水部と親水部とが連続する構成を簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の膜電極複合体を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の膜電極複合体の製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例で製造した膜電極複合体の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１および図２を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は実施形態の膜電極複合体Ａを示す断面図である。この膜電極複合体Ａは、固体電解質膜１の両面に正極側の電極触媒層２ａと負極側の電極触媒層２ｂとが積層され、各電極触媒層２ａ，２ｂの外側に下地層３がそれぞれ積層されるとともに、下地層３の外側に拡散層４がそれぞれ積層されて構成されている。
【００１５】
高分子電解質膜１と電極触媒層２ａ，２ｂの積層構造は、例えば触媒を分散させた触媒ペーストをシートに塗布・乾燥して電極シートを作製し、この電極シートをデカール法にて高分子電解膜１の面に転写することで構成されている。また、拡散層４は、例えば多孔質のカーボンペーパーなどによって構成され、下地層３は、黒鉛やアセチレンブラックあるいは気相成長炭素繊維などのカーボン材料とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレン・プロピレン共重合体（ＦＥＰ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの撥水成分を混合して構成されている。
【００１６】
次に、図２を参照して拡散層４と下地層３との積層構造を構成する手順を説明する。まず、拡散層４の一面にマスクを設ける。このマスクとしては、例えば格子状にマスク部が断続するものを用いることができる。次いで、マスクの上から例えば筆やローラ等で撥水性ペーストを塗布する。この撥水性ペーストには撥水成分が含まれている。
【００１７】
撥水性ペーストを拡散層４に塗布すると、図２（Ａ）に示すように、撥水性ペーストに含まれる撥水成分が拡散層４の内部に浸み込む。そして、浸み込んだ撥水成分が拡散層４の裏面に達するまで放置し、その後、乾燥する。次いで、マスクを拡散層４から剥がし、別のマスクを拡散層４に設けて撥水性ペーストを塗布した部分を覆う。
【００１８】
次いで、マスクの上から親水性ペーストを塗布する。この親水性ペーストには親水成分が含まれている。親水性ペーストを拡散層４に塗布すると、図２（Ｂ）に示すように、親水性ペーストに含まれる親水成分が拡散層４の内部に浸み込む。そして、浸み込んだ親水性成分が拡散層４の裏面に達するまで放置し、その後、乾燥する。次いで、マスクを拡散層４から剥がし、拡散層４を焼成する。このようにして、拡散層４および下地層３の積層構造が構成される。なお、上記のようにマスクを用いる代わりに、例えばスクリーン印刷法で撥水性ペーストと親水性ペーストを順に塗布することもできる。
【００１９】
上記のようにして構成された拡散層４および下地層３の積層構造は、平面視では下地層３の撥水部３ａと親水部３ｂが格子状に配列されている。一方、断面視では、図２（Ｃ）に示すように、下地層３の撥水部３ａと撥水成分が浸み込んだ拡散層４の撥水部４ａが連続し、下地層３の親水部３ｂと親水成分が浸み込んだ拡散層４の親水部４ｂが連続している。そして、下地層３が電極触媒層２ａ，２ｂに接触するように積層され、これにより膜電極複合体Ａが構成される。下地層３は、拡散層４よりも細孔が細かい多孔質体であり、拡散層４から流れて来る燃料ガスおよび空気を均一にして電極触媒層２ａ，２ｂに送る。
【００２０】
上記構成の膜電極複合体Ａの両側にセパレータが積層されて燃料電池が構成される。このような燃料電池では、負極側の電極触媒層２ｂは燃料ガスに化学反応を起こさせてプロトン（Ｈ＋）と電子を発生させ、正極側の電極触媒層２ａは酸素とプロトンと電子から水を生成し、電解質膜はプロトンを正極側の電極触媒層２ａへイオン伝導させる。そして、正負の電極触媒層２ａ，２ｂを通して電力が取り出される。
【００２１】
ここで、図２（Ｃ）は、正極側の拡散層４および下地層３の積層構造を示している。正極側の電極触媒層２ａで生成された水は、下地層３および拡散層４の親水部３ｂ，４ｂを通ってセパレータに排出される。また、セパレータからは燃料ガスが下地層３および拡散層４の撥水部３ａ，４ａを通って正極側の電極触媒層２ａに供給される。この場合において、撥水部３ａ，４ａおよび親水部３ｂ，４ｂが下地層３および拡散層４で連続しているから、下地層３および拡散層４に亘って親水部３ｂ，４ｂを水が流通し、下地層３および拡散層４に亘って撥水部３ａ，４ａを燃料ガスが流通する。したがって、下地層３および拡散層４の間で水および燃料ガスの流路が遮断されることがないので、水および燃料ガスを円滑に流通させることができ、フラッディングの発生を未然に防止することができる。
【００２２】
また、上記した燃料電池用膜電極複合体の製造方法にあっては、下地層３の形成と同時に拡散層４に撥水部４ａと親水部４ｂとを形成することができるから、撥水部３ａ，４ａおよび親水部３ｂ，４ｂが下地層３および拡散層４で連続した構成を単純な工程で形成することができる。
【実施例】
【００２３】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
ＦＥＰ（撥水成分）を水に分散させたディスパージョンとエチレングリコールを混合し、ＦＥＰ溶液を作成した。この溶液１００重量部に気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を５重量部加えて攪拌・混練し、撥水性ペーストを作成した。
【００２４】
また、高分子電解質（デュポン社製ナフィオン、親水成分）をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に溶解して電解質溶液を作成し、この溶液１００重量部にケッチェンブラックとＶＧＣＦを混合したカーボン材５重量部を添加・混練して親水性ペーストを作成した。
【００２５】
上記撥水性ペーストおよび親水性ペーストを５ｍｍ角の格子状にカーボンペーパー上にスクリーン印刷により塗布した。その３０分間放置して撥水性ペーストの撥水成分と親水性ペーストの親水成分とをカーボンペーパーに浸み込ませた。その後、カーボンペーパーを乾燥して焼成し、下地層および拡散層の積層構造を得た。
【００２６】
下地層および拡散層の積層構造を、拡散層を下にして水に浸したところ、図３に示すように、親水性ペーストを塗布した部分に水の玉が形成された。このことは、親水成分がカーボンペーパーの裏面まで浸透していることを示している。
【００２７】
なお上記実施例では、各ペーストを５ｍｍ角の格子状としたが、格子の一辺は１〜５ｍｍであることが好ましい。また、格子状に限らず別の形態とすることもできる。例えば、セパレータのガス通路に相対するガス拡散層の部分を撥水性とし、その他の部分を親水性とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、水および燃料ガスを円滑に流通させてフラッディングの発生を未然に防止することができるので、高い信頼性が求められる自動車用燃料電池に適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００２９】
１  固体電解質膜
２ａ，２ｂ  電極触媒層（電極層）
３  下地層
４  拡散層
【図１】
2010238534.tif 000003
【図２】
2010238534.tif 000004
【図３】
2010238534.tif 000005