(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガス拡散層の形成に用いられる拡散層形成ペーストであって、
溶媒と、該溶媒に分散した導電性の粒子と第１界面活性剤と前記第１界面活性剤より分解温度の低い第２界面活性剤とを備え、
前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とは、前記第１界面活性剤の重量が少ない重量比で、前記溶媒に分散されている
拡散層形成ペースト。
【請求項２】
前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤の前記重量比は、前記分解温度の温度差が大きいほど前記第１界面活性剤の重量が少なくなる重量比とされている請求項１に記載の拡散層形成ペースト。
【請求項３】
前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とを、前記分解温度の温度差が２０〜５０℃の温度差域に含まれる二種類の界面活性剤として含む請求項１または請求項２に記載の拡散層形成ペースト。
【請求項４】
前記分解温度の温度差が３０〜４０℃であると、前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤の前記重量比は、６：１〜８：１とされている請求項１または請求項３に記載の拡散層形成ペースト。
【請求項５】
燃料電池のガス拡散層形成に用いられる拡散層形成ペーストの製造方法であって、
第１界面活性剤と前記第１界面活性剤より分解温度の低い第２界面活性剤とを準備する準備工程と、
導電性の粒子と前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とを溶媒に分散する分散工程とを備え、
前記準備工程では、前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とを、前記第１界面活性剤の重量が少ない重量比であって、前記分解温度の温度差が大きいほど前記第１界面活性剤の重量が少なくなる重量比範囲の重量比で、準備する
拡散層形成ペーストの製造方法。
【請求項６】
燃料電池のガス拡散層の製造方法であって、
導電性の粒子と第１界面活性剤と前記第１界面活性剤より分解温度の低い第２界面活性剤とを溶媒に分散して備えた拡散層形成ペーストを拡散層基材に塗工する塗工工程と、
該塗工済みの前記拡散層基材を加熱処理する乾燥工程とを備え、
前記塗工工程では、前記第１界面活性剤の重量が少ない重量比であって、前記分解温度の温度差が大きいほど前記第１界面活性剤の重量が少なくなる重量比範囲の前記重量比で前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とが前記溶媒に分散された前記拡散層形成ペーストを、塗工する
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、拡散層形成ペーストとその製造方法およびガス拡散層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス拡散層（Gas Diffusion Layer／ＧＤＬ）は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を挟持してＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas. Diffusion Layer Assembly）を構成し、このＭＥＧＡは燃料電池の基幹部材となる。そして、ＧＤＬは、拡散層基材へのペースト塗工とその後の加熱処理を経て形成され、ガス拡散層の製造に用いるペーストは、ガス拡散層を良導電性とするための導電性粒子たるカーボンを、界面活性剤にて溶媒に分散させている。界面活性剤は、ペースト塗工後の加熱処理にて溶媒と共に分解・除去する必要があり、この加熱時間の短縮化を図るための手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５８３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガス拡散層には、導電性やＭＥＡのアノード・カソードの電極触媒層へのガスの拡散供給の他、ＭＥＧＡとしての形状維持のための電極触媒層との接合性が求められる。ガス拡散層の導電性は、ペーストに界面活性剤にて分散含有されたカーボンにて発現される。ガス拡散層の撥水性や接合性は、ペースト塗工後の加熱処理にて分解・除去されることなく残った拡散層内の残留界面活性剤にて発現され、界面活性剤の残留量の影響を受ける。塗工されたペーストからの界面活性剤の分解・除去状況は、加熱温度と界面活性剤の分解温度の差分温度と加熱時間で規定される加熱状況で概ね規定され、差分算出を大きくするほど進むことから、加熱時間の短縮化は、差分温度を大きくすることでも達成可能となる。ところが、以下に説明するように、一概に差分温度を大きくすることができないのが実情である。
【０００５】
まず第１に、ガス拡散層の撥水性は、界面活性剤の残存量が多いと損なわれがちとなり、接合性は、界面活性剤がある程度残存していないと発揮されない。このため、撥水性の発現の上からは、界面活性剤の残存量の低減が望まれ、接合性の発現の上からは、界面活性剤の残存量の低減回避が望まれる。つまり、撥水性の発現の上からは差分温度を大きくすることが要請され、接合性の発現の上からは差分温度を過大としないようにすることが要請される。
【０００６】
また、塗工されたペーストからの界面活性剤の分解・除去状況は、差分温度と加熱時間で規定される加熱状況のみならず、ペースト塗工厚等のいわゆるＧＤＬスペックの影響を受ける。一般に、ペースト塗工厚等のＧＤＬスペックは、ＧＤＬとしての或いはＭＥＧＡとしての製品規格を満たす一定の製造バラツキが許容される。よって、ＧＤＬの加熱に際しては、この製造バラツキに含まれるＧＤＬに対して、ＧＤＬとしての撥水性と接合性の両性状を満足し得る界面活性剤の残存量（以下、適正残存量）が得られる加熱状況となるよう、差分温度と加熱時間を規定する必要がある。ところが、差分温度が大きいほど界面活性剤の分解・除去が進んで加熱時間は短くなるので、界面活性剤の適正残存量が得られるようにするための適用条件幅が狭くなる。こうしたことから、一概に加熱温度を高温化することができず、加熱温度の高温化による加熱時間の短縮化に改善の余地が残されている。この他、ＧＤＬの製造設備の小型化や、製造コストの低減を可能とすることも要請されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
【０００８】
（１）本発明の一形態によれば、拡散層形成ペーストが提供される。この拡散層形成ペーストは、燃料電池のガス拡散層の形成に用いられる拡散層形成ペーストであって、溶媒と、該溶媒に分散した導電性の粒子と分解温度の高い第１界面活性剤と分解温度の低い第２界面活性剤とを備え、前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とは、前記第１界面活性剤の重量が少ない重量比で、前記溶媒に分散されている。上記形態の拡散層形成ペーストが拡散層基材に塗工されてその拡散層基材と共に加熱処理を受ける場合、加熱温度は第１界面活性剤の分解温度より高温とされることから、この加熱温度と第２界面活性剤の分解温度との差分温度は大きくなる。こうした加熱処理により、第１、第２の両界面活性剤は分解・除去される。この際、仮に、分解温度の低い第２界面活性剤しか含まないとすれば、界面活性剤の適正残存量が得られるようにするための加熱状況の適用条件幅は、加熱温度と第２界面活性剤の分解温度との差分温度が大きければ狭いままである。ところが、上記形態の拡散層形成ペーストは分解温度の高い第１界面活性剤を含んでいるので、第２界面活性剤しか含まない場合の適用条件幅に対応する加熱状況での加熱温度と第１界面活性剤の分解温度との差分温度は、小さくなる。このため、第２界面活性剤しか含まない場合の適用条件幅であっても、第２界面活性剤に加えて第１界面活性剤も残存して界面活性剤の残存量は増える。よって、第１界面活性剤が第２界面活性剤に加えて残存する分だけ、第２界面活性剤しか含まない場合の適用条件幅を広くでき、界面活性剤の残存量確保により、ガス拡散層の接合性を発揮し得る。しかも、上記形態の拡散層形成ペーストでは、第１界面活性剤の重量が少ない重量比で第１界面活性剤が含まれていることから、第１界面活性剤の過大な残存も抑制されるので、ガス拡散層の撥水性も発揮し得る。これらの結果、上記形態の拡散層形成ペーストによれば、ＧＤＬを形成する際の加熱温度の高温化による加熱時間の短縮化、延いてはＧＤＬの形成時間の短縮化、低コスト化が可能となる。加熱時間の短縮化は、ペースト塗工済みの拡散層基材を搬送しつつ加熱する加熱炉における搬送経路の短縮化に寄与することから、上記形態の拡散層形成ペーストによれば、加熱炉設備の小型化、設備費用の低減化も図ることができる。
【０００９】
（２）上記形態の拡散層形成ペーストにおいて、前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤の前記重量比は、前記分解温度の温度差が大きいほど前記第１界面活性剤の重量が少なくなる重量比とされているようにしてもよい。こうすれば、第２界面活性剤しか含まない場合に比しての界面活性剤の残存量確保によるガス拡散層の接合性の発揮と、第１界面活性剤の過大残存の抑制によるガス拡散層の撥水性の発揮とを図った上で、第１、第２の界面活性剤の選択、組み合わせの汎用性を高めることができる。
【００１０】
（３）上記いずれかの形態の拡散層形成ペーストにおいて前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とを、前記分解温度の温度差が２０〜５０℃の温度差域に含まれる二種類の界面活性剤として含むようにしてもよい。こうすれば、第１、第２の界面活性剤の選択、組み合わせの汎用性をより高めることができる。
【００１１】
（４）上記の形態の拡散層形成ペーストにおいて、前記分解温度の温度差が３０〜４０℃であると、前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤の前記重量比は、６：１〜８：１とされているようにしてもよい。こうすれば、第２界面活性剤しか含まない場合に比しての界面活性剤の残存量確保と第１界面活性剤の過大残存の抑制とが確実となり、ＧＤＬとしての撥水性と接合性とを高い実効性で確保できる。
【００１２】
（５）本発明の他の形態によれば、拡散層形成ペーストの製造方法が提供される。この拡散層形成ペーストの製造方法は、燃料電池のガス拡散層形成に用いられる拡散層形成ペーストの製造方法であって、分解温度の高い第１界面活性剤と分解温度の低い第２界面活性剤とを準備する準備工程と、導電性の粒子と前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とを溶媒に分散する分散工程とを備える。そして、前記準備工程では、前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とを、前記第１界面活性剤の重量が少ない重量比であって、前記分解温度の温度差が大きいほど前記第１界面活性剤の重量が少なくなる重量比範囲の重量比で、準備する。この形態の拡散層形成ペーストの製造方法によれば、界面活性剤の残存量確保によるガス拡散層の接合性の発揮と、第１界面活性剤の過大残存の抑制によるガス拡散層の撥水性の発揮とを両立できる拡散層形成ペーストを容易に得ることができる。
【００１３】
（６）本発明のまた別の形態によれば、ガス拡散層の製造方法の製造方法が提供される。このガス拡散層の製造方法の製造方法は、燃料電池のガス拡散層の製造方法であって、導電性の粒子と分解温度の高い前記第１界面活性剤と分解温度の低い前記第２界面活性剤とを溶媒に分散して備え拡散層形成ペーストを拡散層基材に塗工する塗工工程と、該塗工済みの前記拡散層基材を加熱処理する乾燥工程とを備える。そして、前記塗工工程では、前記第１界面活性剤の重量が少ない重量比であって、前記分解温度の温度差が大きいほど前記第１界面活性剤の重量が少なくなる重量比範囲の前記重量比で前記第１界面活性剤と前記第２界面活性剤とが前記溶媒に分散された前記拡散層形成ペーストを、塗工する。この形態のガス拡散層の製造方法の製造方法によれば、接合性と撥水性とを発揮できるガス拡散層を容易に得ることができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、拡散層形成ペーストを用いて形成したガス拡散層を有する燃料電池やその製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態としての燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。
【図２】燃料電池１０の製造手順を示す説明図である。
【図３】ＧＤＬの形成手順を単セル１５の構成部材準備の状況と合わせて示す説明図である。
【図４】高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを所定重量比で含むＭＰＬペーストをＧＤＬ形成時の加熱温度（３２８℃）で加熱した場合の界面活性剤残存の様子を示す説明図である。
【図５】高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを各種重量比で含むＭＰＬペーストをＧＤＬ形成時の加熱温度で加熱した場合のＧＤＬ性状推移を示す説明図である。
【図６】界面活性剤として低温度分解界面活性剤ｂのみを含むＭＰＬペーストをＧＤＬ形成時の加熱温度で加熱した場合のＧＤＬ性状推移を示す説明図である。
【図７】高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの重量比と分解温度差との対応を示す説明図である。
【図８】分解温度差が２０℃の高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを用いた場合に採択できる種重量比範囲とＧＤＬ性状推移とを示す説明図である。
【図９】分解温度差が４０℃の高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを用いた場合に採択できる種重量比範囲とＧＤＬ性状推移とを示す説明図である。
【図１０】は分解温度差が５０℃の高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを用いた場合に採択できる種重量比範囲とＧＤＬ性状推移とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０を構成する単セル１５を断面視して概略的に示す説明図である。本実施形態の燃料電池１０は、図１に示す構成の単セル１５を対向するセパレーター２５、２６で挟持して、この単セル１５を複数積層したスタック構造の固体高分子型燃料電池である。
【００１７】
単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、例えば白金、あるいは白金合金等の触媒を担持した導電性の担体、例えばカーボン粒子（以下、触媒担持カーボン粒子と称する）を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層であり、電解質膜２０の両膜面に接合され電解質膜２０と共に膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する。通常、アイオノマーは、電解質膜２０と同質の固体高分子材料である高分子電解質樹脂（例えばフッ素系樹脂）であり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。
【００１８】
この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極（アノード２１またはカソード２２）に接合されている。アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を拡散層基材とし、この拡散層基材への後述の拡散層形成ペースト（以下、ＭＰＬペーストと称する）の塗工・乾燥を経て形成される。そして、本実施形態では、ＭＥＡをアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４で挟持したＭＥＧＡを、単セル１５の基幹部位として製造する。以下、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４の両ガス拡散層については、適宜、ＧＤＬと称する。
【００１９】
セパレーター２５は、アノード側ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。セパレーター２６は、カソード側ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施形態では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
【００２０】
図１では図示していないが、セパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、セパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２１】
本実施形態の燃料電池１０は、セパレーター２５のセル内燃料ガス流路４７からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層２３で拡散ししつつ、アノード２１に供給する。空気については、セパレーター２６のセル内酸化ガス流路４８からの空気を、カソード側ガス拡散層２４で拡散ししつつカソード２２に供給する。こうしたガス供給を受けて、燃料電池１０は、発電し、その発電電力を外部の負荷に与える。
【００２２】
次に、燃料電池１０の製造方法について説明する。図２は燃料電池１０の製造手順を示す説明図である。図示するように、燃料電池１０を製造するに当たっては、まず、その構成単位である単セル１５を作製する。
【００２３】
単セル１５の作製に当たり、その構成部材たるＭＥＡと、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４のＧＤＬと、セパレーター２５およびセパレーター２６を準備する（ステップＳ１００）。ＧＤＬは、その形成を経て準備されるが、その詳細については後述する。単セル１５の上記構成部材が準備されると、ＭＥＡをアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４で挟持したＭＥＧＡを作製する（ステップＳ２００）。このＭＥＧＡ作製では、例えばシート状のＭＥＡの表裏面にアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４を、ホットプレス等の手法にて接合し、ガス拡散層接合済みのシート状のＭＥＡを矩形形状に切断して、ＭＥＡをその両側でアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４で挟持した矩形状のＭＥＧＡを得る。シート状のＭＥＡを予め矩形形状に切断しておいて、上記の両ガス拡散層を接合するようにすることもできる。また、切断しないまま、或いは切断した状態のＭＥＧＡを、燃料電池製造ラインに出荷することもできる（ステップＳ２５０）。
【００２４】
次いで、このＭＥＧＡをセパレーター２５とセパレーター２６とで挟持して単セル１５を作製し（ステップＳ３００）、所定数の単セル１５を積層してスタック状に組み立て、これを積層方向に締結する（ステップＳ４００）。これにより、図１に示した燃料電池１０が得られる。
【００２５】
次に、ＧＤＬの形成について説明する。図３はＧＤＬの形成手順を単セル１５の構成部材準備の状況と合わせて示す説明図である。この図３に示すように、図２のステップＳ１００における構成部材準備では、ＭＥＡの作製または購入を経たＭＥＡ準備（ステップＳ１１０）と、最終的にアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４となるＧＤＬの形成を経たＧＤＬ準備（ステップＳ１２０）と、セパレーター２５，２６の作製または購入を経たセパレーター準備（ステップＳ１５０）とがなされる。これらは、逐次的になされてもよいほか、同時並行的になされてもよい。
【００２６】
ステップＳ１２０のＧＤＬの形成を経たＧＤＬ準備では、上記したカーボンペーパやカーボンクロス等の拡散層基材の作製または購入を経た拡散基剤準備（ステップＳ１２２）と、ＭＰＬの調製とを行う（ステップＳ１２４）。ＭＰＬ調製に当たっては、界面活性剤ａと界面活性剤ｂの二つの界面活性剤を購入等して調達する（ステップＳ１２６）。界面活性剤ａと界面活性剤ｂの両界面活性剤は、導電性の粒子たるカーボン粒子を後述の有機溶媒に分散させる性質を備え、界面活性剤ａは、界面活性剤ｂよりも高い分解温度で分解する。以下、界面活性剤ａを高温度分解界面活性剤ａと称し、界面活性剤ｂを低温度分解界面活性剤ｂと称して区別する。本実施形態では、高温度分解界面活性剤ａの分解温度は２８８℃であり、低温度分解界面活性剤ｂの分解温度は２５８℃である。そして、両界面活性剤の調達に当たっては、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを、高温度分解界面活性剤ａの重量が少ない重量比範囲（６：１〜８：１）に収まるよう秤量した。つまり、高温度分解界面活性剤ａの重量をＡ、低温度分解界面活性剤ｂの重量をＢと表すと、上記の重量比はＢ：Ａとなり、この６：１〜８：１に収まることになる。界面活性剤の調達に続き、カーボン粒子とその分散有機溶媒たるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）と上記両界面活性剤とを、水に配合して分散させ、ＭＰＬペーストを調合する（ステップＳ１２８）。このＭＰＬペースト調合の際、カーボン粒子とＰＴＦＥと上記両界面活性剤と水とは、８：２：１：４０の重量比で秤量され、界面活性剤重量については、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの加算重量とされる。よって、カーボン粒子に対する界面活性剤重量（本実施形態では、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの加算重量）の重量比は既存のＭＰＬペーストと同一である。
【００２７】
こうしてＭＰＬペーストが得られると、ステップＳ１２２で準備済みの拡散層基材の表面にＭＰＬペーストを塗工ダイ等を用いて塗工し（ステップＳ１３０）、次いで、ＭＰＬペースト塗工済みの拡散層基材を加熱炉に搬入して加熱処理する（ステップＳ１４０）。この加熱処理により、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの分解・除去が起き、当初配合した高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの一部が拡散層基材に残存し、カーボン粒子による導電性を備えたＧＤＬたるアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４とが得られる。得られたＧＤＬは、図２のステップＳ２００におけるＭＥＧＡ作製に供される。本実施形態では、ＭＰＬペースト塗工済みの拡散層基材の加熱に際し、高温度分解界面活性剤ａの分解温度より４０℃高く、低温度分解界面活性剤ｂの分解温度より７０℃高い、３２８℃で、ＭＰＬペースト塗工済みの拡散層基材を加熱した。
【００２８】
ここで、ＭＰＬペーストに含まれる高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの分解・除去の様子について説明する。図４は高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを所定重量比で含むＭＰＬペーストをＧＤＬ形成時の加熱温度（３２８℃）で加熱した場合の界面活性剤残存の様子を示す説明図である。図４に示したグラフは、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを既述した重量比（例えば、Ｂ：Ａ＝６：１）でカーボン粒子をＰＴＦＥに分散させたＭＰＬペーストにおける界面活性剤の残存挙動を模式的に示している。
【００２９】
図４の上段は、上記重量比で含まれる低温度分解界面活性剤ｂについての残存挙動を示しており、この低温度分解界面活性剤ｂは、その分解温度が低いことから、加熱温度との差分温度ΔＴが７０℃と大きくなる。よって、図４の上段に示すように、低温度分解界面活性剤ｂは、短時間の内に急激に分解・除去され、ＧＤＬに求められる撥水性と接合性が両立し得る残存量（適正残存量）である焼成時間ｔｂは短時間に限られる。つまり、低温度分解界面活性剤ｂしか含まないＭＰＬペーストであれば、界面活性剤の適正残存量が得られるようにするための加熱状況の適用条件幅は、加熱温度と低温度分解界面活性剤ｂの分解温度との差分温度が大きいので、焼成時間ｔｂは短時間に限られる。図４の中段は、上記重量比で含まれる高温度分解界面活性剤ａについての残存挙動を示しており、この高温度分解界面活性剤ａは、その分解温度が高いことから、加熱温度との差分温度ΔＴは４０℃と小さい。よって、図４の中段に示すように、高温度分解界面活性剤ａは、ＭＰＬに含まれる重量が少ないこともあって、加熱当初から適正残存量であり、適正残存量に収まっている焼成時間ｔａは低温度分解界面活性剤ｂについての焼成時間ｔｂより長い。図４の下段は、上記した重量比で低温度分解界面活性剤ｂと高温度分解界面活性剤ａとが含まれている場合の残存挙動であり、上記の両界面活性剤を含むＭＰＬペーストでは、適正残存量である焼成時間ｔａｂとして約０．７５ｍｉｎ（４５ｓｅｃ）が確保できた。この焼成時間ｔａｂは、低温度分解界面活性剤ｂについての焼成時間ｔｂに比して３〜４倍ほど長い。こうした現象は、図４の中段に斜線で示した高温度分解界面活性剤ａについての残存量が上段の低温度分解界面活性剤ｂに上乗せされて増えることで説明できる。つまり、本実施形態のＭＰＬペーストは、高温度分解界面活性剤ａを含んでおり、低温度分解界面活性剤ｂしか含まない場合の適用条件幅に対応する加熱状況での加熱温度と高温度分解界面活性剤ａの分解温度との差分温度は小さくなり、低温度分解界面活性剤ｂしか含まない場合の焼成時間ｔｂを図４下段のように拡張できる。
【００３０】
図５は高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを各種重量比で含むＭＰＬペーストをＧＤＬ形成時の加熱温度で加熱した場合のＧＤＬ性状推移を示す説明図、図６は界面活性剤として低温度分解界面活性剤ｂのみを含むＭＰＬペーストをＧＤＬ形成時の加熱温度で加熱した場合のＧＤＬ性状推移を示す説明図である。この両図において、加熱温度は３２８℃であり、高温度分解界面活性剤ａの分解温度は２８２℃（差分温度ΔＴ＝４０℃）、低温度分解界面活性剤ｂの分解温度は２５２℃（差分温度ΔＴ＝７０℃）である。そして、両図では、ＧＤＬに求められる撥水性については、ＧＤＬに水滴を滴下した際の接触角が１４０°以上であれば◎（適正）と判定し、１３０〜１４０°の範囲の接触角であれば○（良）と判定し、１２５〜０３°の範囲を△（採用可）、１２５°未満をＸ（不可）と判定した。接合性については、所定の剥離試験（９０°：９Ｎ／ｍ以上）に処した場合の剥離強度が１５Ｎ以上であれば◎（適正）と判定し、１２〜１５Ｎの範囲の接触角であれば○（良）と判定し、９〜１２Ｎの範囲を△（採用可）、９Ｎ未満をＸ（不可）と判定した。そして、撥水性と接合性の両者が、△か○或いは◎のいずれかであるものを良品とし、この良品が得られる焼成時間を良品条件とした。
【００３１】
この良品条件は、加熱温度（３２８℃）が一定であることから、本実施形態のＭＰＬペーストをＧＤＬ形成時の加熱温度で加熱した場合の適用条件幅（焼成時間長）を規定する。そうすると、界面活性剤として低温度分解界面活性剤ｂのみを含むＭＰＬペーストでは、図６に示すように、良品条件に合致する焼成時間長は６０ｓｅｃに限られる。これに対し、図５に示すように、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを６：１〜８：１の重量比範囲で含む本実施形態のＭＰＬペーストであれば、４５〜９０ｓｅｃの広範囲の焼成時間長を採ることができることになる。そして、この図５から、上記の本実施形態のいずれのＭＰＬペーストであっても、４５ｓｅｃという短時間での加熱処理で、撥水性と接合性とを両立したＧＤＬを得ることができる。なお、図５に示す結果から、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの重量比が６：１を下回ると、高温度分解界面活性剤ａの重量が増す分、高温度分解界面活性剤ａの残存量が増えて撥水性が損なわれ、良品条件に合致する焼成時間長も短くなると想定される。高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの重量比が８：１を上回ると、高温度分解界面活性剤ａの重量が少なくなるので、高温度分解界面活性剤ａの残存量も低温度分解界面活性剤ｂと同様に小さくなって接合性が損なわれ、良品条件に合致する焼成時間長も短くなると想定される。
【００３２】
図６に示す適用条件幅（焼成時間長）を広くするには、加熱温度の低温化が必要となるのに対して、図５に示す本実施形態のＭＰＬペーストでは、加熱温度を高くしても、適用条件幅（焼成時間長）を広くできる。
【００３３】
図７は高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの重量比と分解温度差との対応を示す説明図である。図７は、想定される重量比について、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの分解温度差を種々変えたときのＧＤＬの性状評価を示しており、ＧＤＬに求められる撥水性と接合性とが両立できた場合の適用条件幅（焼成時間）が、４５ｓｅｃ以上であれば適用条件幅が確保できたとして○（良）と判定し、３０〜４５ｓｅｃの範囲では適用条件幅がやや狭いとして△（不可）とし、０〜３０ｓｅｃの範囲では適用条件幅が狭すぎるとしてＸ（不良）と判定した。この図７から、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを、高温度分解界面活性剤ａの重量が少ない重量比で含めば、それぞれの分解温度差であっても、適用条件幅が確保できると言える。そして、分解温度差が大きいほど、高温度分解界面活性剤ａの重量が少なくなる重量比であっても、適用条件幅が確保できると言える。
【００３４】
次に、図７で示した分解温度差ごとの高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂについての採択可能な種重量比範囲と、ＧＤＬの性状推移について説明する。図８は分解温度差が２０℃の高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを用いた場合に採択できる種重量比範囲とＧＤＬ性状推移とを示す説明図、図９は分解温度差が４０℃の高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを用いた場合に採択できる種重量比範囲とＧＤＬ性状推移とを示す説明図、図１０は分解温度差が５０℃の高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂを用いた場合に採択できる種重量比範囲とＧＤＬ性状推移とを示す説明図である。これらの図の結果を得るに当たってのペーストの加熱温度は、既述したように３２８℃であり、良品条件選択の基準は、図５で説明した通りである。
【００３５】
これらの図に示すように、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとの分解温度差が２０℃であると、既述した重量比Ｂ：Ａを５：１〜６：１に収めることで良品条件が得られ、既述した効果を奏することができる。他の分解温度も同様であり、分解温度差が４０℃であれば重量比Ｂ：Ａを７：１〜１０：１に、分解温度差が５０℃であれば重量比Ｂ：Ａを７：１〜１１：１に、それぞれ収めることで良品条件が得られ、既述した効果を奏することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態のＭＰＬペーストは、アノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４のＧＤＬに導電性を付与するカーボン粒子をＰＴＦＥに分散するための界面活性剤として、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを含む。その上で、本実施形態のＭＰＬペーストは、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを、高温度分解界面活性剤ａの重量が少ない重量比で、ＰＴＦＥに分散させている。この本実施形態のＭＰＬペーストを拡散層基材に塗工してその拡散層基材と共に加熱処理されると、その際の加熱温度は高温度分解界面活性剤ａの分解温度より高温であることから、この加熱温度と低温度分解界面活性剤ｂの分解温度との差分温度は大きくなる。こうした加熱処理により、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの両界面活性剤は分解・除去される。本実施形態のＭＰＬペーストは、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを上記した重量比で含む故に、図４に示すように、低温度分解界面活性剤ｂしか含まないＭＰＬペーストで撥水性と接合性とを両立し得る界面活性剤の残存量（適正残存量）とできる適用条件幅（焼成時間）を広くできる。そして、本実施形態のＭＰＬペーストによれば、界面活性剤の残存量確保により、ＧＤＬの接合性を発揮し得ると共に、上記した重量比規定により高温度分解界面活性剤ａの過大な残存を抑制することで、ＧＤＬの撥水性も発揮し得る。これらの結果、本実施形態のＭＰＬペーストによれば、ＧＤＬを形成する際の加熱温度の高温化による加熱時間の短縮化、延いてはＧＤＬの形成時間の短縮化、低コスト化が可能となる。加熱時間の短縮化は、ペースト塗工済みの拡散層基材を搬送しつつ加熱する加熱炉における搬送経路の短縮化に寄与することから、本実施形態のＭＰＬペーストによれば、加熱炉設備の小型化、設備費用の低減化も図ることができる。また、本実施形態のＭＰＬペーストによれば、適用条件幅（焼成時間）の拡張により、ＧＤＬの製造バラツキや加熱温度バラツキに対しても、ＧＤＬの撥水性と接合性を両立できる。
【００３７】
本実施形態のＭＰＬペーストは、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの重量比を、両界面活性剤の分解温度の温度差が大きいほど高温度分解界面活性剤ａの重量が少なくなる重量比とした（図７参照）。よって、低温度分解界面活性剤ｂしか含まない場合に比しての界面活性剤の残存量確保によるガス拡散層の接合性の発揮と、高温度分解界面活性剤ａの過大残存の抑制によるガス拡散層の撥水性の発揮とを図った上で、上記の両界面活性剤の選択、組み合わせの汎用性を高めることができる。
【００３８】
本実施形態のＭＰＬペーストは、両界面活性剤の分解温度の温度差が３０℃とした上で、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂの重量比を、６：１〜８：１の重量比範囲とした。よって、低温度分解界面活性剤ｂしか含まない場合に比しての界面活性剤の残存量確保と高温度分解界面活性剤ａの過大残存の抑制とが確実となり、ＧＤＬとしての撥水性と接合性とを高い実効性で発現できる。
【００３９】
本実施形態のＭＰＬペーストの製造方法では、図３に示すように、高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを上記したように重量比を調製して含むようにすることの他は、既存の分散手法を採っている。よって、本実施形態のＭＰＬペーストの製造方法によれば、界面活性剤の残存量確保によるＧＤＬの接合性の発揮と、高温度分解界面活性剤ａの過大残存の抑制によるＧＤＬの撥水性の発揮とを両立できるＭＰＬペーストを容易に得ることができる。
【００４０】
本実施形態のＧＤＬの製造方法では、用いるＭＰＬペーストを高温度分解界面活性剤ａと低温度分解界面活性剤ｂとを上記した重量比で含むものとすることの他は、図３において説明したようにペースト塗工、その後の加熱処理と云った既存の製造手法を採っている。よって、本実施形態のＧＤＬの製造方法によれば、接合性と撥水性とを発揮できるアノード側ガス拡散層２３とカソード側ガス拡散層２４の両ＧＤＬを容易に製造できる。
【００４１】
本発明は、上述の実施形態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の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又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。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池
１５…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…アノード側ガス拡散層
２４…カソード側ガス拡散層
２５…セパレーター
２６…セパレーター
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
ａ…高温度分解界面活性剤
ｂ…低温度分解界面活性剤
ΔＴ…差分温度
ｔａ…焼成時間
ｔｂ…焼成時間
ｔａｂ…焼成時間
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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