(57)【要約】【課題】多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つガス拡散層を、より簡単な処理でもって、かつ基材の多孔度を低下させることなく製造する。【解決手段】撥水処理を施さない基材１の一方面にマイクロポーラスレイヤー構成材である少なくとも繊維状または細長い形状の導電性材料と撥水剤との混合溶液２を塗布し、塗布した前記混合溶液の乾燥処理を混合溶液の溶剤の蒸散除去割合がマイクロポーラスレイヤー側に比べて基材側で高くするようにして行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、撥水処理を施さない基材の一方面にマイクロポーラスレイヤー構成材である少なくとも繊維状または細長い形状の導電性材料と撥水剤との混合溶液を塗布し、塗布した前記混合溶液の乾燥処理を混合溶液の溶剤の蒸散除去割合がマイクロポーラスレイヤー側に比べて基材側で高くするようにして行うことを特長とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項２】
基材としてカーボンペーパーまたはカーボンクロスを用いることを特長とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項３】
マイクロポーラスレイヤー構成材である繊維状または細長い形状の導電性材料としてカーボンファイバーまたはアスペトク比が１を越えるカーボンを用いることを特長とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項４】
マイクロポーラスレイヤー構成材である撥水剤としてＰＴＦＥを用いることを特長とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項５】
前記塗布した前記混合溶液の乾燥処理をマイクロポーラスレイヤー側をシールドした状態で行うことを特長とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項６】
前記塗布した前記混合溶液の乾燥処理をマイクロポーラスレイヤー側を高湿度環境とし基材側を比較して低湿度環境として行うことを特長とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜電極接合体で用いられるガス拡散層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一形態として固体高分子型燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は他の形態の燃料電池と比較して作動温度が低く（−３０℃〜１２０℃程度）、また、低コスト、コンパクト化が可能なことから、自動車の動力源等として期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、図２に示すように、発電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）５０を主要な構成要素とし、それを燃料（水素）ガス流路５１ａおよび空気ガス流路５１ｂを備えたセパレータ５２ａ、５２ｂで挟持し、加圧締結することで、１つの燃料電池セル５３としている。膜電極接合体５０は、イオン交換膜である電解質膜５５と、その両面に形成した触媒層５６，５６と触媒層の外側に積層したガス拡散層５７，５７とからなる電極５８，５８とで構成される。
【０００４】
触媒層５６は、白金のような触媒金属をカーボン粒子のような導電性材料の表面に担持させた粒子状の触媒物質と電解質樹脂とを、水または有機溶媒系の溶液内で分散させながら混合溶液（触媒物質含有インク）を作り、この混合溶液を固体高分子電解質膜に塗布した後、加熱乾燥して定着する等の手法により形成される。
【０００５】
ガス拡散層５７は、ガス透過性と電子伝導性を合わせ備えるものであり、従来から、カーボンペーパーまたはカーボンクロスのような多孔性カーボン支持体が主に用いられている。また、ガス拡散層は発電時に生成する水の排水性を良好にするために高い撥水性を備えることが望ましく、特許文献１に記載のように、カーボンペーパーまたはカーボンクロスのような導電性多孔質材料からなる基材にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂溶液またはペーストを含浸またはコーティングした後、乾燥させる撥水化処理が施される。
【０００６】
他のガス拡散層として、多孔質材料からなる基材（ＧＤＬ）とマイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）の２層構造を持つガス拡散層が知られている（特許文献２など参照）。この拡散層では、多孔質材料からなる基材はセパレータ側に接触し、マイクロポーラスレイヤーは触媒層側に接触する。この２層構造からなるガス拡散層では、多孔質材料からなる基材は主にガス拡散層としての機能を果たし、マイクロポーラスレイヤーは主に集電層としての機能を果たす。いずれの層でも発電時に生成する水の排水性を良好にするために撥水性を備えることは必要であり、双方に適宜の撥水化処理が施される。
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−７１６９１号公報
【特許文献２】特表２００２−５２９８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した、多孔質材料からなる基材（ＧＤＬ）とマイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）の２層構造を持つガス拡散層を製造する場合、従来は、多孔質材料からなる基材に対して撥水処理を施しておき、その上に、撥水処理を施したマイクロポーラスレイヤーを積層して圧接するか、または、マイクロポーラスレイヤー構成材である導電性材料と撥水剤との混合溶液を塗布し乾燥させる処理を行っている。すなわち、基材とマイクロポーラスレイヤーとのそれぞれに別個に撥水処理を施しており、大きな作業負担となっている。また、マイクロポーラスレイヤーを基材に圧接する場合に、マイクロポーラスレイヤーを構成する導電性材料が基材表面に埋設して、基材の多孔度を低下させることも起こっている。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つガス拡散層を、より簡単な処理でもって、かつ基材の多孔度を低下させることなく製造することのできる新たな製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、撥水処理を施さない基材の一方面にマイクロポーラスレイヤー構成材である少なくとも繊維状または細長い形状の導電性材料と撥水剤との混合溶液を塗布し、塗布した前記混合溶液の乾燥処理を混合溶液の溶剤の蒸散除去割合がマイクロポーラスレイヤー側に比べて基材側で高くするようにして行うことを特長とする。
【００１１】
上記の製造方法では、基材の一方面に塗布したマイクロポーラスレイヤー用の混合溶液の乾燥処理を、混合溶液の溶剤の蒸散除去割合がマイクロポーラスレイヤー側に比べて基材側で高くするようにして行うようにしており、乾燥処理の過程で、混合溶液中の撥水剤は基材中に染み込んでいく。それにより、基材には所要の撥水処理が施される。すなわち、製造に当たり、基材として撥水処理を施していない基材を用いることができるので、従来の基材に撥水処理を施す工程を省略することができる。
【００１２】
また、本発明による製造方法では、マイクロポーラスレイヤー構成材である導電性材料として、繊維状または細長い形状の導電性材料を用いている。そのために、前記のように乾燥処理を、混合溶液の溶剤の蒸散除去割合がマイクロポーラスレイヤー側に比べて基材側で高くするようにして行っても、導電性材料が基材中に入り込むのを抑制することができ、基材の多孔度を低下させることはない。
【００１３】
本発明において、多孔質材料からなる基材には、従来のガス拡散層で用いられているガス透過性と導電性を備える任意の材料を用いることができる。例として、導電性無機材料が挙げられる。導電性無機材料としては、黒鉛および膨張黒鉛等の炭素材料やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。導電性無機材料の形態は特に限定されるものではなく、例えば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。織布あるいは不織布のいずれであってもよく、より具体的には、カーボンペーパーやカーボンクロスが好適な例として挙げられる。前記したように、それらの材料は撥水処理を施すことなく、基材として用いられる。
【００１４】
本発明において、マイクロポーラスレイヤー構成材である繊維状または細長い形状の導電性材料には、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀およびこれらの化合物または合金、さらには、導電性炭素材料が挙げられる。導電性炭素材料の例として、気相成長法で得られるカーボンファイバー（ＶＧＣＦ）、アセチレンブラック等が挙げられる。本発明において、繊維状または細長い形状とは、アスペクト比が１を越える形状をいっており、球状や縦横比が１（アスペクト比が１）の形状は含まない。本発明の製造方法において、マイクロポーラスレイヤー構成材である導電性材料が繊維状または細長い形状であることにより、乾燥処理の過程で導電性材料が基材の気孔中に入り込むことが大きく抑制され、基材の多孔度が低下するのを阻止している。
【００１５】
本発明において、撥水剤は、従来のガス拡散層を撥水処理するのに用いられている任意の撥水剤を用いることができる。好ましい例として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂を挙げることができる。
【００１６】
本発明において、マイクロポーラスレイヤー構成材である混合溶液は、適宜の溶剤を含む。溶剤は水系であってもよく、有機系溶剤であってもよい。水系溶剤の場合には、例えばカーボンである繊維状または細長い形状の導電性材料が水に濡れ難いことから、適宜の界面活性剤をさらに加えることが好ましい。界面活性剤を加える場合には、製造工程の最後に、ガス拡散層に対して界面活性剤を除去するために焼成処理を施すことが望ましい。有機系溶媒を用いる場合には、界面活性剤の添加は省略できる。
【００１７】
本発明において、基材に対する前記混合溶液の塗布は、刷毛塗り、筆塗り、ロールコーター塗布、バーコーター塗布、ダイコーター塗布、スクリーン印刷、スプレー塗布などの方法で行うことができる。
【００１８】
本発明において、塗布した前記混合溶液の乾燥処理を混合溶液の溶剤の蒸散除去割合がマイクロポーラスレイヤー側に比べて基材側で高くするようにして行う方法は、任意であり、適宜の方法を採用することができる。例えば、マイクロポーラスレイヤー側を高い湿度環境（例えば飽和状態）におき、基材側を比較して低い湿度環境におく方法や、マイクロポーラスレイヤー側をシールドし、基材側を開放した環境におく方法や、基材側から吸引する方法、等を挙げることができる。湿度差を与える方法の具体例として、マイクロポーラスレイヤーの表面に水蒸気を含む空気を走らせ、基材の表面に乾燥した空気を走らせるような方法が挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つガス拡散層を、より簡単な処理でもって、かつ基材の多孔度を低下させることなく製造することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、実施例と比較例により本発明を説明する。
［実施例１］
（ａ）多孔質材料からなる基材として、多孔度が８０％である撥水処理を施さないカーボンペーパーを用いた。マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）構成材として、アスペクト比がほぼ１０である気相成長法で得られたカーボンファイバー（ＶＧＣＦ）とＰＴＦＥと水と界面活性剤との混合溶液を用いた。
（ｂ）図１（ａ）に示すように基材１を平坦面上に置き、図１（ｂ）に示すようにその表面に混合溶液２をダイコーター法により塗布した。その後、塗布した混合溶液側をシールドした状態で一定時間放置して乾燥処理を行った。それにより、図１（ｃ）に示すように、塗布した混合溶液２の溶剤の蒸散除去割合を混合溶液（マイクロポーラスレイヤー）２側に比べて基材１側で高くした状態で、乾燥処理が進行した。蒸散割合は、基材側がほぼ１０であり、マイクロポーラスレイヤー側はほぼ０であった。
（ｃ）乾燥後、界面活性剤を除去するために焼成処理を行い、図１（ｄ）に示す多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層３を得た。
（ｄ）得られた燃料電池用ガス拡散層３における、基材側の多孔度を測定したところほぼ８０％であった。また、撥水性を確認するために、１３ｗｔ％のエタノール溶液を用いて基材面の転落角を測定したところ、５２度であった。
【００２１】
［比較例１］
実施例１で用いたカーボンペーパーにＰＴＦＥによる撥水処理を予め施した材料を基材として用いた。その基材の表面に実施例１で用いたと同じマイクロポーラスレイヤー用混合溶液を同じようにして塗布し、通常の方法で乾燥処理と焼成処理を行って多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層を得た。得られた燃料電池用ガス拡散層における、基材面の撥水性を、実施例１と同様に、１３ｗｔ％のエタノール溶液を用いて基材面の転落角を測定したところ、５２度であった。
【００２２】
［比較例２］
実施例１で用いたカーボンペーパーにＰＴＦＥによる撥水処理を予め施した材料を基材として用いた。マイクロポーラスレイヤー構成材として、アスペクト比がほぼ１であるアセチレンブラックとＰＴＦＥと水と界面活性剤との混合溶液を用い、前記基材の表面に実施例１と同様にして塗布した後、圧接した状態で乾燥処理を行い、焼成処理を行って多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層を得た。得られた燃料電池用ガス拡散層における、基材側の多孔度を測定したところほぼ７５％に低下していた。基材面の撥水性を確認するために、１３ｗｔ％のエタノール溶液を用いて基材面の転落角を測定したところ、５２度であった。
【００２３】
［比較例３］
マイクロポーラスレイヤー構成材として、アスペクト比がほぼ１であるアセチレンブラックとＰＴＦＥと水と界面活性剤との混合溶液を用いた以外は、実施例１と同様にして、多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層を得た。得られた燃料電池用ガス拡散層における、基材側の多孔度を測定したところほぼ７５％に低下していた。基材面の撥水性を確認するために、１３ｗｔ％のエタノール溶液を用いて基材面の転落角を測定したところ、５２度であった。
【００２４】
［比較例４］
乾燥処理を、基材側をシールドした状態で一定時間放置することにより行った以外は、実施例１と同様にして、多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層を得た。蒸散割合は、基材側がほぼ０であり、マイクロポーラスレイヤー側はほぼ１０であった。得られた燃料電池用ガス拡散層における、基材側の多孔度を測定したところほぼ８０％であった。また、撥水性を確認するために、１３ｗｔ％のエタノール溶液を用いて基材面の転落角を測定したところ、６５度であった。
【００２５】
［考察］
上記の結果を表１にまとめて示した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
実施例１に示すように、本発明により製造されたガス拡散層は、比較例１である従来法によって製造したガス拡散層とおなじ、撥水性と多孔度を有している。このことは、本発明による製造方法により基材に撥水処理を施す処理を省略することができることを示しており、本発明の優位性が示される。
【００２８】
比較例２では、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）側のカーボンとしてアスペクト比がほぼ１であるカーボンを用いたことから、圧接によりカーボンの一部が基材表面に押し込められてしまい、結果として多孔度が低下していることがわかる。
【００２９】
比較例３でも、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）側のカーボンとしてアスペクト比がほぼ１であるカーボンを用いたことから、乾燥処理時にカーボンの一部が基材表面に押し込められてしまい、結果として多孔度が低下していることがわかる。
【００３０】
比較例４では、実施例１とは蒸散方向を逆としたために、基材の撥水性が実施例１と比べて低下していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による製造方法を説明する図。
【図２】固体高分子型燃料電池の一例を説明する図。
【符号の説明】
【００３２】
１…多孔質材料からなる基材、
２…マイクロポーラスレイヤー構成材を含む混合溶液、
３…多孔質材料からなる基材とマイクロポーラスレイヤーの２層構造を持つ燃料電池用ガス拡散層
【図１】
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【図２】
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