(57)【要約】【課題】塗工の際に、塗工の欠損部分が発生することを抑制する。【解決手段】カーボン多孔質体を用いた拡散層基材をロールツーロール方式で搬送しながら、燃料電池用ガス拡散層を製造する燃料電池用ガス拡散層の製造方法である。前記拡散層基材と同一の材料を用いて厚みが１８０［μｍ］の膜を準備し、前記膜に０．６［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第１厚みと、前記膜に１．７［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第２厚みと、の差を前記拡散層基材のバネ性Ｓと定義する。その上で、前記製造方法は、密度Ｄと前記バネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下である前記拡散層基材を準備する準備工程と、搬送されている前記拡散層基材の表面に、塗工ヘッドからマイクロポーラス層形成用ペーストを吐出する塗工工程と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン多孔質体を用いた拡散層基材をロールツーロール方式で搬送しながら、燃料電池用ガス拡散層を製造する方法であって、
前記拡散層基材と同一の材料を用いて厚みが１８０［μｍ］の膜を準備し、前記膜に０．６［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第１厚みと、前記膜に１．７［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第２厚みと、の差を前記拡散層基材のバネ性Ｓと定義したとき、
前記方法は、
密度Ｄと前記バネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下である前記拡散層基材を準備する準備工程と、
搬送されている前記拡散層基材の表面に、塗工ヘッドからマイクロポーラス層形成用ペーストを吐出する塗工工程と、
を備え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、燃料電池用ガス拡散層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カーボンペーパーやカーボンクロス等の拡散層基材の表面に、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）形成用のペーストを塗工して、燃料電池用のガス拡散層を製造していた（例えば、特許文献１参照）。ＭＰＬ形成用ペーストは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの撥水性樹脂と、カーボンブラックなどのカーボン粒子と、を主成分としている。ＭＰＬを形成したガス拡散層は、優れたガス拡散性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−９６３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願の発明者は、拡散層基材をロールツーロール方式で搬送しながら、塗工ヘッドから拡散層基材の表面にＭＰＬ形成用ペーストを吐出することによって塗工を行う方法を試みた。ところが、この塗工の際に、ＭＰＬ形成用ペーストの吐出圧によって基材が上下して、塗工の欠損部分（未塗工部）が発生する虞があることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
本発明の一形態によれば、カーボン多孔質体を用いた拡散層基材をロールツーロール方式で搬送しながら、燃料電池用ガス拡散層を製造する燃料電池用ガス拡散層の製造方法が提供される。前記拡散層基材と同一の材料を用いて厚みが１８０［μｍ］の膜を準備し、前記膜に０．６［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第１厚みと、前記膜に１．７［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第２厚みと、の差を前記拡散層基材のバネ性Ｓと定義する。その上で、前記製造方法は、密度Ｄと前記バネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下である前記拡散層基材を準備する準備工程と、搬送されている前記拡散層基材の表面に、塗工ヘッドからマイクロポーラス層形成用ペーストを吐出する塗工工程と、を備えることを特徴としている。
【０００７】
この形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によれば、拡散層基材のバネ性が高いため、ＭＰＬ形成用ペーストの吐出圧を拡散層基材内で吸収することができ、拡散層基材が振動することを抑制できる。したがって、この形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によれば、ＭＰＬ形成用ペーストの塗工の際に、塗工の欠損部分（未塗工部）の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】ガス拡散層製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図３】図２における塗工部の周辺を拡大して示す説明図である。
【図４】燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示す工程図である。
【図５】参考例における塗工部の周辺を拡大して示す説明図である。
【図６】基材の密度とバネ性の比の値と未塗工部発生率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法を採用して製造した燃料電池の概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）１６と、アノード側セパレータ１７と、カソード側セパレータ１８と、を備えている。アノード側セパレータ１７とカソード側セパレータ１８とは、ＭＥＡ１６を挟み込むように配置されている。
【００１０】
ＭＥＡ１６は、電解質膜１１と、アノード側触媒層１２と、カソード側触媒層１３と、アノード側基材層１４ａおよびアノード側マイクロポーラス層（ＭＰＬ）１４ｂを含むアノード側ガス拡散層１４と、カソード側基材層１５ａおよびカソード側マイクロポーラス層（ＭＰＬ）１５ｂを含むカソード側ガス拡散層１５と、を備えている。アノード側触媒層１２は、電解質膜１１上に形成されている。アノード側ガス拡散層１４は、アノード側触媒層１２の外側に、アノード側ＭＰＬ１４ｂが接するように形成されている。なお、カソード側の構成は、アノード側の構成と電解質膜１１を挟んで対称になっている。
【００１１】
電解質膜１１は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、デュポン社のナフィオン（登録商標）や、旭化成（株）のアシプレックス（登録商標）や、旭硝子（株）のフレミオン（登録商標）等を用いることができる。なお、電解質膜１１としては、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基（電解質成分）を含む膜を用いることができる。
【００１２】
アノード側触媒層１２およびカソード側触媒層１３は、触媒として機能する白金等の白金族金属や白金族元素の合金が、導電性物質として機能するカーボンブラック等の炭素系材料に担持された触媒担持カーボンと、電解質膜１１と同様の電解質成分と、から構成される。
【００１３】
アノード側ガス拡散層１４のアノード側基材層１４ａ、およびカソード側ガス拡散層１５のカソード側基材層１５ａは、複数の炭素繊維(カーボンファイバ)がバインダによって結着された構造を有するカーボン多孔質体を用いることができる。炭素繊維としては、ガス拡散層を形成する繊維状炭素として利用可能なものであれば、特に限定されずに使用することができる。また、バインダとしては、炭素繊維を結着させることが可能な樹脂であれば特に限定されず、例えばポリテトラフルオロエチレン等を使用することができる。
【００１４】
カーボン多孔質体は、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等として構成される。また、撥水性を得るために、カーボン基材を、撥水ペーストでコーティング（撥水処理）したものを用いることができる。なお、撥水ペーストとしては、例えば、カーボン粉末と撥水性樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）との混合溶液を用いることができる。
【００１５】
アノード側ガス拡散層１４のアノード側ＭＰＬ１４ｂおよびカソード側ガス拡散層１５のカソード側ＭＰＬ１５ｂは、アノード側基材層１４ａおよびカソード側基材層１５ａよりも微細な気孔を有している。アノード側ＭＰＬ１４ｂおよびカソード側ＭＰＬ１５ｂは、例えば、導電性部材としてのカーボンブラックと、撥水性樹脂としてのＰＴＦＥと、を主成分としている。
【００１６】
以上のように、ＭＥＡ１６はガス拡散層も含むことから、ＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas. Diffusion Layer Assembly）と呼ぶこともできる。
【００１７】
アノード側セパレータ１７およびカソード側セパレータ１８は、ガス不透過の導電性部材、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、プレス成型した金属板によって構成することができる。アノード側セパレータ１７の表面は凸凹形状となっており、アノード側ガス拡散層１４のアノード側基材層１４ａとの間には、燃料ガスが流れる燃料ガス流路１７ａが形成されている。同様にして、カソード側セパレータ１８とカソード側ガス拡散層１５のカソード側基材層１５ａとの間には、酸化ガスが流れる酸化ガス流路１８ａが形成されている。なお、図１の例では、アノード側セパレータ１７は、互いに平行な複数の溝から成る凸凹形状を有しているが、これに限らず、アノード側セパレータ１７とアノード側基材層１４ａとの間に燃料ガスの流路を形成可能な任意の形状とすることができる。また、カソード側セパレータ１８についても同様に、カソード側セパレータ１８とカソード側基材層１５ａとの間に酸化ガスの流路を形成可能な任意の形状とすることができる。
【００１８】
図２は、本発明の一実施形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法を実行するためのガス拡散層製造装置２００の概略構成を示す説明図である。ガス拡散層製造装置２００は、カソード側ガス拡散層１５を製造する。カソード側ガス拡散層１５に換えて、アノード側ガス拡散層１４を製造することもできる。
【００１９】
ガス拡散層製造装置２００は、繰出ロール２１０と、複数のロール２２０〜２８０と、巻取ロール２９０と、塗工部３００と、焼成炉４００と、を備える。繰出ロール２１０は、カソード側基材層１５ａに対応する基材Ｗ１を繰り出す。基材Ｗ１は、カソード側基材層１５ａと同一の材料であり、長尺状である。基材Ｗ１が「拡散層基材」である。複数のロール２２０〜２８０は、繰出ロール２１０から巻取ロール２９０までのロールツーロール方式による連続搬送を実現するためのものである。ロールの数は、図中では８つであるが、これに限らず、他の数としてもよい。
【００２０】
図３は、図２における塗工部３００の周辺を拡大して示す説明図である。塗工部３００は、塗工ヘッド３１０を備える。塗工ヘッド３１０は、いわゆるダイである。塗工ヘッド３１０は、搬送中の基材Ｗ１の表面に対して吐出口の向きが交差（本実施形態では、直交）するように配置されており、マイクロポーラス層形成用のペーストＰを基材Ｗ１の表面に向けて吐出する。具体的には、タンク（図示せず）に貯溜したペーストＰをポンプ（図示せず）によって圧送することによって、塗工ヘッド３１０からペーストＰを基材Ｗ１の表面に吐出する。ペーストＰは、カソード側ＭＰＬ１５ｂおよびアノード側ＭＰＬ１４ｂ形成用のペーストである。具体的には、ペーストＰは、例えば、導電性部材としてのカーボンブラックや、バインダー（撥水性樹脂）としてのＰＴＦＥ等を混合分散させたペースト状の部材である。撥水性樹脂としては、ＰＴＦＥの他に、ポリエチレンやポリプロピレン等の他のフッ素系樹脂を用いることもできる。ペーストＰの吐出の結果、基材Ｗ１の表面にペーストＰが塗工される。
【００２１】
図２における焼成炉４００は、塗工ヘッド３１０による塗工済の基材Ｗ２を加熱することによって、塗工済の基材Ｗ２に対して、乾燥および焼成処理を実行する。巻取ロール２９０は、焼成炉４００による焼成済の基材Ｗ２を巻き取る。
【００２２】
図４は、本発明の一実施形態としての燃料電池用ガス拡散層の製造方法を示す工程図である。この燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、上述したガス拡散層製造装置２００により実行される。この製造方法は、工程１、工程２、工程３、工程４の順に実行される。
【００２３】
工程１では、基材Ｗ１を準備する。具体的には、ガス拡散層製造装置２００（図２）の有する繰出ロール２１０に基材Ｗ１をセットする。基材Ｗ１は、カソード側基材層１５ａと同一の材料である。基材Ｗ１は、「拡散層基材」である。
【００２４】
基材Ｗ１の厚さは、例えば、１５０［μｍ］以上が好ましく、１７０［μｍ］以上がより好ましい。また、基材Ｗ１の厚さは、例えば、２００［μｍ］以下が好ましく、１９０［μｍ］以下がより好ましい。本実施形態では、基材Ｗ１の厚さは１８０［μｍ］とした。
【００２５】
更に、基材Ｗ１は、密度Ｄとバネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下であるという特徴を有する。密度Ｄは、基材Ｗ１の単位体積あたりの質量であり、単位は［ｍｇ／ｃｍ３］である。密度Ｄは、同じ厚さで炭素繊維やバインダの量を増減させることにより、変更できる。具体的には、同じ厚さで炭素繊維やバインダの量を増やすことによって、密度Ｄを増やすことができる。
【００２６】
「バネ性」とは、基材Ｗ１の厚さ方向の弾性率である。具体的には、基材Ｗ１と同一の材料を用いて、圧力を印加しない状態で厚みが１８０［μｍ］の膜を準備し、その膜に０．６［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第１厚みＴ１と、その膜に１．７［ＭＰａ］の圧力を印加したときの第２厚みＴ２と、の差（＝Ｔ１−Ｔ２）を「バネ性」と定義した。バネ性Ｓの単位は「μｍ」である。バネ性Ｓの測定は、２０［℃］で行われる。バネ性Ｓは、基材Ｗ１におけるバインダの比率を増減させることにより、変更できる。具体的には、基材Ｗ１におけるバインダの比率を高めることによって、バネ性Ｓを低下することができる。
【００２７】
本実施形態では、Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下である基材Ｗ１を準備して、繰出ロール２１０にセットする。工程１が、「準備工程」に相当する。
【００２８】
工程２では、マイクロポーラス層形成用のペーストＰを準備する。具体的には、マイクロポーラス層形成用のペーストＰを準備し、ガス拡散層製造装置２００（図２）の有する塗工部３００にペーストＰをセットする。
【００２９】
工程３では、工程１で準備した基材Ｗ１を塗工部３００（図２）に搬入して、基材Ｗ１の一方の面に対して、工程２で準備したマイクロポーラス層形成用のペーストＰを塗工する。工程３が、「塗工工程」に相当する。
【００３０】
工程４では、ペーストＰが塗工された基材Ｗ２（図２）を焼成炉４００（図２）に搬入して、基材Ｗ２を乾燥、焼成処理する。工程４の結果、カソード側ガス拡散層１５の製造が完了する。
【００３１】
以上、詳述した本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、工程１によって準備される基材Ｗ１が、密度Ｄとバネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下であることから、バネ性が高い。このため、ＭＰＬ形成用ペーストの吐出圧を基材Ｗ１内で吸収することができ、基材Ｗ１が振動することを抑制できる。
【００３２】
図５は、参考例における塗工部の周辺を拡大して示す説明図である。参考例では、基材Ｘ１として、密度Ｄとバネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］を上回るものを用いた。この比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］を上回ると、基材Ｘ１のバネ性は低くなる。搬送中の基材Ｘ１は、塗工部において、塗工ヘッド３１０から吐出されたＭＰＬ形成用ペーストの吐出圧を受けるが、基材Ｘ１のバネ性が低いと、受けた力によって、基材Ｘ１がたわみ、搬送方向に垂直な方向に上下する。基材Ｘ１が上下すると、塗工ヘッド３１０と基材Ｘ１とが接触したり、塗工ヘッド３１０から基材Ｘ１までの距離が大きくなり、ペーストＰが塗工できない状態になってしまう。
【００３３】
これに対して、本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、前述したように、基材Ｗ１のバネ性が高いため、ＭＰＬ形成用ペーストＰの吐出圧を基材Ｗ１内で吸収することができる。このため、基材Ｗ１は、搬送方向に垂直な方向に上下することが抑制される。したがって、本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によれば、ＭＰＬ形成用ペーストＰの塗工の際に、塗工の欠損部分（未塗工部）の発生を抑制することができる。
【００３４】
図６は、基材の密度Ｄとバネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓと未塗工部発生率との関係を示すグラフである。グラフの横軸には、密度Ｄとバネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓを示した。密度の単位が［ｍｇ／ｃｍ３］であり、バネ性の単位が［μｍ］であるから、比の値Ｄ／Ｓの単位は、［×１０４ｍｇ／ｃｍ４］である。グラフの縦軸には、未塗工部発生率を示した。未塗工部発生率は、基材の塗工する側の表面の大きさに対する未塗工部の大きさの割合である。未塗工部発生率の単位は［％］である。グラフに示すように、比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］を上回ると、未塗工部発生率が急激に高くなる。一方、比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下の場合には、未塗工部発生率が低い。したがって、このグラフからも、本実施形態によって製造されたカソード側ガス拡散層１５やアノード側ガス拡散層１４は、未塗工部が少なく、塗工品質に優れていることが判る。
【００３５】
前記実施形態では、密度Ｄと前記バネ性Ｓの比の値Ｄ／Ｓが３２×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下とした。これに対して、変形例として、比の値Ｄ／Ｓが３０×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下としてもよい。図６から判るように、比の値Ｄ／Ｓが３０×１０４［ｍｇ／ｃｍ４］以下とすることで、未塗工部発生率をより一層低下することができる。
【００３６】
前記実施形態では、塗工ヘッドは、ダイ塗工用のものであった。これに対して、変形例として、塗工ヘッドは、リップ塗工用のものであってもよいし、グラビア塗工用のものであってもよい。
【００３７】
本発明は、上述の実施形態や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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、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、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…燃料電池
１１…電解質膜
１２…アノード側触媒層
１３…カソード側触媒層
１４…アノード側ガス拡散層
１４ａ…アノード側基材層
１４ｂ…アノード側ＭＰＬ
１５…カソード側ガス拡散層
１５ａ…カソード側基材層
１５ｂ…カソード側ＭＰＬ
１７…アノード側セパレータ
１７ａ…燃料ガス流路
１８…カソード側セパレータ
１８ａ…酸化ガス流路
２００…ガス拡散層製造装置
２１０…繰出ロール
２２０〜２８０…ロール
２９０…巻取ロール
３００…塗工部
３１０…塗工ヘッド
４００…焼成炉
Ｐ…ＭＰＬ形成用ペースト
Ｐ１…第１の圧力
Ｐ２…第２の圧力
Ｗ…基材
Ｗ１…基材
Ｗ２…基材
【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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