(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、多孔質の膜を通してガス拡散性を良好にし、電池特性を良好に保ち得るガス拡散電極を提供することにある。また、本発明の別の目的は、圧力損失が少なく均一なガス透過が可能で触媒層に均一に水素ガスや酸素ガスを供給することが可能なガス拡散電極を提供することにある。【解決手段】  少なくとも導電性不織布の片面に非対称多孔質樹脂層が積層された固体高分子燃料電池用電極シートであって、前記非対称多孔質樹脂層はバインダー樹脂に導電性フィラー及び／または導電性繊維を含み、前記非対称多孔質樹脂層の導電性不織布に接する側の孔径が１０μｍ以上１００μｍ以下の連通孔を有し、且つ非対称多孔質樹脂層の表面側の孔径が０．５μｍ以上１０μｍ未満の連通孔を有する固体高分子燃料電池用電極シート。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも導電性不織布の片面に非対称多孔質樹脂層が積層された固体高分子燃料電池用電極シートであって、前記非対称多孔質樹脂層はバインダー樹脂に導電性フィラー及び／または導電性繊維を含み、前記非対称多孔質樹脂層の導電性不織布に接する側の孔径が１０μｍ以上１００μｍ以下の連通孔を有し、且つ非対称多孔質樹脂層の表面側の孔径が０．５μｍ以上１０μｍ未満の連通孔を有することを特徴とする固体高分子燃料電池用電極シート。
【請求項２】
前記導電性フィラー及び／または導電性繊維が、カーボン、黒鉛、耐食性処理を施した金属から選ばれた１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子燃料電池用電極シート。
【請求項３】
前記バインダー樹脂が、フッ素系樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子燃料電池用電極シート。
【請求項４】
前記フッ素系樹脂が、ポリフッ化ビニリデン及び／またはその共重合体であることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子燃料電池用電極シート。
【請求項５】
前記導電性不織布が、繊維径の異なる２層以上の多層構造であり、非対称多孔質樹脂層に接する側の層における繊維径が別の層の繊維径よりも細いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体高分子燃料電池用電極シート。
【請求項６】
前記導電性不織布おいて、非対称多孔質樹脂層に接しない最下層における繊維径が５〜５０００μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体高分子燃料電池用電極シート。
【請求項７】
前記導電性不織布が、カーボン繊維または樹脂繊維にカーボン粒子がコーティングされた導電性繊維であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の固体高分子燃料電池用電極シート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子燃料電池用のガス拡散性を有する電極シート（以下、電極シートと略す）に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を連続的に供給し、これが電気化学反応したときの化学エネルギーを電力として取り出す発電システムである。この電気化学反応による発電方式を用いた燃料電池は、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素が結びついて電子と水が生成する仕組みを利用しており、高効率と優れた環境特性を有することから近年脚光を浴びている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の種類によって、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池および固体高分子型燃料電池に分別される。近年、特に常温で起動し、かつ起動時間が極めて短い等の利点を有する固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池を構成する単セルの基本構造は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有するガス拡散電極を接合し、その外側の両面にセパレータを配したものである。
【０００４】
このような固体高分子型燃料電池では、まず、燃料極側に供給された水素がセパレータ内のガス流路を通ってガス拡散電極に導かれる。次いで、その水素は、ガス拡散電極にて均一に拡散された後に、燃料極側の触媒層に導かれ、白金などの触媒によって水素イオンと電子とに分離される。そして、水素イオンは電解質膜を通って電解質膜を挟んで反対側の酸素極における触媒層に導かれる。一方、燃料極側に発生した電子は、負荷を有する回路を通って、酸素極側のガス拡散電極に導かれ、更には酸素側の触媒層に導かれる。これと同時に、酸素極側のセパレータから導かれた酸素は、酸素極側のガス拡散電極を通って、酸素極側の触媒層に到達する。そして、酸素、電子、水素イオンとから水を生成して発電サイクルを完結する。なお、固体高分子型燃料電池に用いられる水素以外の燃料としては、メタノールおよびエタノール等のアルコールがあげられ、それらを直接燃料として用いることもできる。
【０００５】
従来、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極としては、カーボン繊維からなるカーボンペーパーやカーボンクロスが用いられている。このカーボンペーパーやカーボンクロスにおいては、燃料電池運転時の加湿水やカソードでの電極反応で生成した水によるフラッディングを防止する目的で、表面またはその空隙内部に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性バインダーによって撥水処理が施されている。しかしながら、これらのカーボンペーパーやカーボンクロスは、空孔径が非常に大きいため、十分な撥水効果が得られずに空孔中に水が滞留することがあった。
【０００６】
この点を改善するためのものとして、例えば、カーボンペーパーに炭素等からなる導電性フィラーを含む有孔性樹脂を含有させたガス拡散電極が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなガス拡散電極は、カーボンペーパー表面上に直接、炭素などからなる導電性フィラーを含む有孔性樹脂を構成する塗料を塗布し、微多孔質層を形成することが一般的に行われているが、含浸・溶媒抽出・乾燥して作製するために、カーボンペーパーの空隙を多く塞いでしまい、そのため、空隙内部のガス透過性が悪くなり、電池性能を低下させるという問題を有していた。
また、かかる微多孔質層は、カーボンペーパーの目開きや粗さ、膜厚などのバラツキによって、孔径や撥水性の制御が困難であるため、運転条件に応じた表面物性の設計自由度が低い他、表面の強度が低くカーボン粒子が脱落するなどの問題を有する場合がある。
【０００７】
また、別の提案として、粒子径の分布中心の異なる少なくとも２種類の炭素粒子を混合したガス拡散電極を備えた固体高分子膜型燃料電池が記載され、粒子径の大きい方の炭素粒子として黒鉛を用いること、フッ素樹脂で被覆して撥水性を付与した炭素粒子を用いて拡散層を形成することが記載されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この固体高分子膜型燃料電池は、形成された拡散層の強度が低く、ガス拡散電極を触媒相に圧着する際に多孔質が潰れやすいほか、拡散層の撥水性も十分でないという問題があった。
【０００８】
一方、かかるガス拡散電極は、前記のように、一般的には流路を有するセパレータに接して配置される。カーボンペーパーは硬直な板状であるため、流路上に設置しても、流路の凹凸によって潰れることがなく、かかる流路との組み合わせにおいて好適に使用されているが、その一方で、セパレータの流路設計は水素や酸素などのガスを、ガス拡散電極に均一に供給する必要から、複雑な流路パターンを精密に形成する必要があり、高度な加工技術が必要である。よって、生産性が低く、従来の流路を有するセパレータの使用は、燃料電池の課題であるコスト低減の大きなネックとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３０３５９５号公報
【特許文献２】特開２００１−５７２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来のガス拡散電極における上記のような問題点を改善することを目的としてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、多孔質の膜を通してガス拡散性を良好に保ち、それによって電池特性を良好に保ち得るガス拡散性を有する電極シートを提供することにある。また、本発明の別の目的は、圧力損失が少なく均一なガス透過が可能で触媒層に均一に水素ガスや酸素ガスを供給することが可能な電極シートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の電極シートは、少なくとも導電性不織布の片面に非対称多孔質樹脂層が積層された固体高分子燃料電池用電極シートであって、前記非対称多孔質樹脂層はバインダー樹脂に導電性フィラー及び／または導電性繊維を含み、前記非対称多孔質樹脂層の導電性不織布に接する側の孔径が１０μｍ以上１００μｍ以下の連通孔を有し、且つ非対称多孔質樹脂層の表面側の孔径が０．５μｍ以上１０μｍ未満の連通孔を有することを特徴とする。
また、前記導電性フィラー及び／または導電性繊維が、カーボン、黒鉛、耐食性処理を施した金属から選ばれた１種以上であることが好ましい。
また、前記バインダー樹脂が、フッ素系樹脂であり、該フッ素系樹脂が、ポリフッ化ビニリデン及び／またはその共重合体であることが好ましい。
また、前記導電性不織布が、繊維径の異なる２層以上の多層構造であり、非対称多孔質樹脂層に接する側の層における繊維径が別の層の繊維径よりも細いことが好ましく、該導電性不織布おいて、非対称多孔質樹脂層に接しない最下層における繊維径が５〜５０００μｍであることが好ましい。
また、前記導電性不織布が、カーボン繊維または樹脂繊維にカーボン粒子がコーティングされた導電性繊維であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電極シートは、ガス導入、ガス拡散およびガス微分散の機能を併せ持つものであり、圧力損失が少なく均一なガス透過が可能で触媒層に均一にガスを供給することが可能である。更に、他の機能として、機械的強度に優れるために耐久性が良好であり、また、撥水制御に優れるため、フラッディングやドライアップなどを起さないガス拡散性の電極シートである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の固体高分子燃料電池用電極シートの断面層構成を示す説明図である。
【図２】非対称多孔質樹脂層の孔径について示す説明図である。
【図３】導電性不織布の断面層構成を示す説明図である。
【図４】多槽傾斜型湿式抄紙機の構成を示す断面図である。
【図５】他の多槽傾斜型湿式抄紙機の構成を示す断面図である。
【図６】他の多槽傾斜型湿式抄紙機の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の電極シートは、図１の断面層構成に示すように少なくとも導電性不織布１に非対称多孔質樹脂層２が積層されてなるものである。また、非対称多孔質樹脂層２は、図２に示すように、導電性不織布に接する側Ａから表面側Ｂにガスを透過するための連通孔を有するものであるが、導電性不織布に接する側Ａにおける孔径と表面側Ｂの孔径が異なるものである。本発明における非対称とは、多孔質樹脂層の表裏において孔径が異なることを意味する。
また、導電性不織布１の好ましい形態は、図３の断面層構成に示すように２層以上が積層されてなるものであり、非対称多孔質樹脂層２に接する側の層４と非対称多孔質樹脂層に接しない最下層３からなる。導電性不織布１は、図３ように２層以上なくてもよく単層であってもよい。
【００１５】
非対称多孔質樹脂層２は、導電性不織布に接する側Ａの孔径が１０μｍ以上１００μｍ以下の連通孔を有し、且つ表面側Ｂの孔径が０．５μｍ以上１０μｍ未満の連通孔を有していなければならない。
ここでいう孔径は、非対称多孔質樹脂層の断面を電子顕微鏡で観察し、表面近傍と導電性不織布と接する側の近傍のそれぞれにおいて、３０個の孔の孔径を計測し平均した値である。尚、孔が円形でなく楕円形や不定形の場合、最も長い径を孔径として計測する。
【００１６】
本発明の非対称多孔質樹脂層は、電極シートとして燃料ガスを効率よく拡散する目的、且つ、燃料電池運転時の加湿水やカソードでの電極反応で生成した水によるフラッディングを防止する目的で配置されるものであり、その孔径は、燃料ガスの通気性と拡散性、生成水の通液性の点から非常に重要である。これら特性をバランスよく両立するための非対称多孔質樹脂層における孔径は、導電性不織布に接する側の孔径が１０μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは１５μｍ以上６０μｍ以下であり、１０μｍより小さい孔径では通液性、通気性が悪く発電効率が低下する。１００μｍより大きい孔径では、非対称多孔質樹脂層の強度不足を引き起こし運転時にかかる圧力によって孔が潰れ易くなり、結果として通液性、通気性が悪くなり発電効率が低下するなどの問題を生じる。また、表面側の孔径が０．５μｍ以上１０μｍ未満、好ましくは０．５μｍ以上８μｍ以下の緻密な連通孔を有することは、充分な燃料ガスの拡散を行い均一に電極触媒に燃料を供給するために重要であり、またフラッディング防止のためにも重要な孔径となる。０．５μｍ未満ではフラッディングを生じやすく、また１０μｍ以上では燃料の拡散が充分でない問題を生ずる。
【００１７】
本発明の電極シートは、高い導電性を有することが必要であり、そのため非対称多孔質樹脂層は、バインダー樹脂に導電性フィラー及び／または導電性繊維を含有させたものである。これら導電性フィラー及び／または導電性繊維の材質としては、導電性が高い材料なら使用可能であるが、カーボン、黒鉛または耐食性処理を施した金属およびこれらの混合物が好ましい。カーボンフィラーの例としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンなどが挙げられる。また、カーボン繊維としては、パン系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維などが挙げられる。黒鉛の例としては、塊状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛、人造黒鉛などがある。これら材料は高い導電性と高い耐腐食性を有しており好ましく使用される。一方で、金属を導電性材料として使用する場合、耐腐食性の処理を施すことが必要となる。金属としては導電性があれば何れも使用することが可能であり、ステンレス、アルミ、鉄などが挙げられるが、導電性、強度、耐腐食性の点からステンレスが好ましい。ステンレスを用いる場合であっても、その表面に耐腐食性処理は必要であり、その方法は、貴金属メッキが主な例として挙げられる。他の導電性素材として導電性高分子が上げられるが、燃料電池内の高い酸性条件下での耐久性の点で好ましくない。
【００１８】
本発明では、非対称多孔質樹脂層の主たる構成材料として、導電性フィラー及び／または導電性繊維を結着させるためにバインダー樹脂が必要である。バインダー樹脂としては１２０℃以上の融点を有した耐熱性、柔軟、強靭性、耐腐食性かつ耐薬品性等が必要であり、なかでもフッ素系樹脂が耐腐食性、強度およびフラッディング防止の撥水性を兼ね備えるために好適に用いられる。フッ素系樹脂以外の樹脂材料を使用する場合には、上記の特性を満たすための樹脂選定が難しいばかりか、フラッディング防止のための撥水性効果を付与するための材料が更に必要となり好ましくない。前記フッ素系樹脂としてはポリフッ化ビニリデン及び／またはその共重合体であることが好ましい。具体的なフッ素系樹脂の例としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶｄＦ）、フッ化ビニリデン−四フッ化エチレン共重合樹脂（Ｐ(ＶｄＦ−ＴＦＥ)）、フッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン共重合樹脂（Ｐ(ＶｄＦ−ＨＦＰ)）、フッ化ビニリデン−四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合樹脂（Ｐ(ＶｄＦ-ＴＦＥ−ＨＦＰ)）などが挙げられる。
【００１９】
次に本発明の非対称多孔質樹脂層の作製方法について説明する。
非対称多孔質樹脂層の作製方法は乾式法や湿式法などの公知の技術を広く使用することができる。乾式法の例として、樹脂を溶解した溶液中に、溶解した溶媒よりも高い沸点を持つ樹脂を溶解しない溶媒、すなわち貧溶媒を適度に添加混合し、基材上にキャスト後、段階的に乾燥させる方法により、非対称の多孔質膜を作製することができる。また、湿式法の例としては、樹脂を溶解した溶液を基材上にキャストし、必要に応じて表面のみの溶媒を除去する程度に乾燥を行った後に、樹脂は溶解しないが樹脂を溶解した溶媒とは均一混合する貧溶媒の中に浸し、充分溶剤が置換したところで基材ごと引き上げ乾燥することで、非対称の多孔質膜を作製することができる。本発明においてはこれら作製方法をそのままもしくは応用することで、簡便に非対称多孔質樹脂層を得ることができるが、本発明においては樹脂を溶解する溶液を作製する手順において、導電性フィラー及び／または導電性繊維を分散混合させることが必要となる。また、この場合、界面活性剤、粘度調整剤などの併用により、孔径をより厳密に制御することが可能となる。
本発明においては、上記作製手順の中で、基材として導電性不織布を用いて直接的に導電性不織布の表面に非対称多孔質樹脂層を積層することが可能である。一方、離型性のある基材上に非対称多孔質樹脂層を作製しておき、導電性不織布と熱圧着などにより積層することも可能である。熱圧着する場合には、多孔質層が潰れない程度の熱と圧力の制御が必要となるため、直接的に導電性不織布の表面に非対称多孔質樹脂層を積層する方が簡便で効率的であり好ましい。
【００２０】
本発明における導電性不織布は、単層の不織布でもよいが、繊維径の異なる２層以上の多層構造であり、非対称多孔質樹脂層に接する側の層における繊維径が別の層の繊維径よりも細いものが好ましい。
ここでいう繊維径とは、導電性不織布の繊維を電子顕微鏡で確認し、確認した視野内の繊維をサンプリングした１００箇所の繊維における繊維径の平均をいうものである。また、下記で述べる導電性不織布における繊維長とは、導電性不織布の繊維を電子顕微鏡で確認し、確認した視野内の繊維をサンプリングした１００箇所の繊維における繊維長さの平均をいうものである。
【００２１】
導電性不織布おいて、非対称多孔質樹脂層に接する側の層における繊維径（以下、最上層の繊維径という）は、１μｍ以上１０μｍ以下であって、かつ、平均繊維長が１０ｍｍ以下であることが望ましい。最上層の導電性不織布が形成する孔径は、フラッディングの防止から１０μｍ〜１００μｍ程度の場合が好適であり、最上層の繊維径が１μｍ以上１０μｍ以下の場合が、上記の孔径範囲に制御しやすい。
【００２２】
一方、本発明では非対称多孔質樹脂層に接しない最下層から非対称多孔質樹脂層に接する側の層の断面に向かってほぼ直角に、Ｈ２やＯ２ガスを流入する。最下層の導電性不織布における平均繊維径は、５μｍ〜５０００μｍが望ましい。平均繊維径が５μｍ未満である場合は、繊維どうしの重なりあいが形成する間隙が狭くなり、Ｈ２やＯ２などのガス流量が多い場合は、流入抵抗が大きくなり、面方向で圧力差が生ずることで、ガス流量の面内バラツキが大きくなる。一方、平均繊維径が５０００μｍより大きい場合は、ガス流量が多くても面方向での圧力損失が少なくなり、電極シートの面方向への気体流量のバラツキは小さくなる反面、繊維径が太くなることで表面の凹凸が過大となり内層部への圧力が不均一となり、その結果、最上層部への圧力も不均一となるために、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡという）へのガス流入量が面方向で不均一となるほか、ＭＥＡを局所的に圧迫し、損壊する場合もあるため、発電性能に面内バラツキを発生する原因となるため好ましくない。
【００２３】
以上記したように、本発明では、上記のように最下層部を形成する繊維を太くすることで空隙率を大きくし、しかも耐圧縮性が高い剛直な層を設けることで、ガス流入時の圧力損失が小さく、最下層部のいずれの部位においても、内圧が一定であることから、電極シート内のガス流量が面方向で均一となる。
【００２４】
また、本発明の電極シートでは、導電性不織布の各層を構成する繊維が、カーボン繊維、または、樹脂繊維にカーボン粒子がコーティングされた導電性繊維により形成されていることが好ましい。本発明では、いずれも好適に使用することが可能であり、両者を混合して使用しても良い。カーボン繊維としては、ポリアクリロニトリル系カーボン繊維、フェノール系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維、カーボンナノチューブの少なくとも１種類以上からなることが好ましいが、必ずしもこれらに限定されるものではない。また、カーボン粒子をコーティングする樹脂繊維の樹脂成分としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、半芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリエステル、ポリアリレート、メラミン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニルサルホン、ポリアセタール、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリケトンの少なくとも１種類以上が挙げられるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００２５】
また、本発明では、導電性不織布に、フッ素系樹脂や、カーボン粒子とフッ素系樹脂の混合物を塗布し、導電性や撥水性の制御を行うことが可能である。カーボン粒子としては、いわゆる導電性カーボンブラックと呼ばれる比較的比表面積が大きいものが初期性能を向上する上では好適であるが、適度な撥水性を付与したアセチレンブラックは、導電性と耐久性の両立から、より好適に用いられる。
【００２６】
本発明で用いる上記導電性不織布に用いるフッ素系樹脂としては、ＰＶｄＦ及び／またはその共重合体であることが好ましい、特にフッ素系樹脂が、Ｐ（ＶｄＦ−ＨＦＰ）および／またはＰ（ＶｄＦ−ＴＦＥ−ＨＦＰ）であることが好ましい。
本発明における導電性不織布に用いるフッ素系樹脂は、撥水性と接着性の両立が可能な上記にあげるものが好ましく使用されるが、アノード側の電極シートと、カソード側の電極シートにおいて、撥水性を各種フッ素系樹脂の混合比率により調整することが可能である。即ち、カーボン粒子の樹脂繊維に対する固定化に関しては、ＰＶｄＦやＰ（ＶｄＦ−ＨＦＰ）が好適であるが、撥水性の向上からは、Ｐ（ＶｄＦ−ＴＦＥ−ＨＦＰ）が好適である。これら複数の樹脂の混合比率を最適化することで、カーボン粒子の樹脂繊維への定着や、アノードとカソードの撥水性をそれぞれ制御することが可能となる。また、上記フッ素系樹脂は、質量平均分子量が１０万〜１２０万の範囲にあることが好ましい。質量平均分子量が１０万未満の場合は、強度が低くなる場合があり、一方、１２０万を越えると、溶媒への溶解性が劣ることから、塗料化が困難となりやすく、塗料の粘度ムラが生じて、最終的な電極シートの厚さ精度が低下し、触媒層との密着性が不均一となる場合がある。
【００２７】
本発明においては、１２０℃、１０ＭＰａ、５分の加圧による膜厚変化率が１０％以内の電極シートが好ましい。ここでいう膜厚変化率とは下記式（１）から得られる。
膜厚変化率（％）＝１−加圧後膜厚／加圧前膜厚×１００    （１）
燃料電池のアセンブリングにおいて、電極シートと触媒層とは、ガス供給や電熱、集電の目的から圧着させることが望ましい。また、電極シートは燃料電池を作動中の内圧変化にも耐えられる構造が求められる。本発明においては、上記の条件にて膜厚変化率は１０％以内であることが望ましい。１０％を超える範囲で膜厚が変化する場合は、ガス透過性や、排水性に問題を生ずる他、長期使用における耐久性に問題を生ずる場合がある。
【００２８】
本発明の電極シートにおいては、さらに上記の炭素材料以外のフィラーが含まれてもよい。このフィラーの添加によって、ガス・水の排出、多孔質膜の孔径および、炭素材料の分散をコントロールすることが可能になり、燃料電池性能に影響をおよぼすことになる。上記炭素材料以外のフィラーとしては、親水性を有するものが好ましく、無機微粒子または有機微粒子のいずれのものも用いることが可能であるが、燃料電池中の電極シート内部の環境を考慮すると、無機微粒子の方が好ましい。撥水性を有するフッ素樹脂に、親水性のフィラーが添加されることによって、撥水部と親水部が微視的に入り組むことにより、および炭素材料と凝集体を形成して多孔質膜の孔径が拡大されることにより、ガス・水の排出が良好に行なわれるからである。その結果、フラッディング現象に起因する電池性能低下を防止することが可能となる。親水性のフィラーとしては、二酸化チタン及び二酸化ケイ素等の無機酸化物微粒子が好ましい。これらは、燃料電池中のガス拡散電極内部の環境に耐え、且つ、十分な親水性を持ち合わせているからである。上記フィラーの粒子径としては、いずれの大きさのものでも使用可能であるが、非常に微小の場合は、塗料中での分散が困難になり、また、非常に大きい場合は、多孔質の空孔を塞いでしまうという問題が発生する。したがって、一般には、粒子状の炭素材料の粒子径と同程度の粒径範囲、すなわち、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲のものが用いられる。
【００２９】
また、本発明においては、極度の撥水性が求められる場合、上記炭素材料以外のフィラーとしてポリテトラフルオロエチレンの粒子を添加することがある。このとき、本発明の電極シートは超撥水膜として働く。
また、上記フィラーとフッ素系樹脂の質量比は、フッ素系樹脂１質量部に対して、フィラー３質量部以下が好ましい。さらに好ましくは、１．５質量部以下である。上記フィラーの配合量が３質量部より多いと、電極シートの内部に充填され過ぎてしまい、ガス拡散能力の低下および導電性の低下の原因となる。結果的には、燃料電池性能の低下を引き起こしやすい。
【００３０】
本発明において、電極シートの厚みとしては、５μｍ乃至５０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ乃至４０００μｍであり、さらに好ましくは１５μｍ乃至３０００μｍである。厚みが５μｍより小さいと、保水効果が十分でなく、５０００μｍより大きいと、厚すぎてガス拡散能力、排水能力が低下し、電池性能低下を引き起こしやすい。
【００３１】
本発明の電極シートにおける空隙率は、６０％〜９５％の範囲が好適であり、より好ましくは７０％以上、特に好ましくは８０％以上の範囲である。空隙率が６０％未満では、ガス拡散能および水の排出が不十分であり、９５％を超えると、機械的強度が著しく低下し、燃料電池を組み上げるまでの工程で破損しやすくなる。
また、密度は、下記式（２）に示すように、電極シートの膜厚および単位面積当たりの質量で決定でき、０．１０ｇ／ｃｍ３乃至０．６５ｇ／ｃｍ３の範囲が上記と同様の理由で好適である。
密度（ｇ／ｃｍ３）＝単位面積当たりの質量／（膜厚×単位面積）    （２）
【００３２】
また、電極シートの孔径は、０．５μｍ〜１０μｍの範囲が好適であり、より好ましくは３μｍ以上、更に好ましくは５μｍ以上である。孔径が０．５μｍ以下であると、ガス拡散能および水の排出が不十分である。ここで、孔径とは、バブルポイント法による平均孔径をいう。
【００３３】
次に本発明における導電性不織布の製造方法について詳述する。
本発明の導電性不織布の製造方法に関しては、各種の不織布製造方法が用いられるが、特に地合や膜厚制御等の均一性の確保から湿式抄造法が好適に用いられる。特に本発明で用いる導電性不織布の各層が一体的に形成することが望ましい。このような各層を一体的に形成する製造方法としては、斜め上方に走行する抄紙ネットの傾斜走行部上に、第１のフローボックスから繊維スラリーを流し出すと共に、該第１のフローボックス内の吃水線と傾斜走行部との交差部近傍にフローボックスの下部が位置する第２のフローボックスから繊維スラリーを流し出すことにより、複数層の不織布を形成する製造方法が好ましい。
【００３４】
上記不織布の製造方法は、図４で示した多槽傾斜型湿式抄紙機を用いる。図４の多槽傾斜型湿式抄紙機においては、抄紙ネット１０は、複数のガイドローラーによって矢印α方向に走行される。ガイドローラー１１からガイドローラー１２の間の傾斜した抄紙ネット１０を傾斜走行部１３という。本発明においては、第１のフローボックス１４内の吃水線ＷＬと傾斜走行部１３との交差部近傍Ａに第２のフローボックス１５の下部が位置する。該交差部近傍Ａでは、第１のフローボックス１４内の繊維スラリー１６と第２のフローボックス１５内の繊維スラリー１７が、隔壁１８を隔てて隣接している。
交差部近傍Ａにおける隔壁１８と傾斜走行部１３との間は、間隙を有し、抄紙ネット１０の走行にともない第１のフローボックス１４から流れ出された繊維スラリー１６は、この間隙を通って第２のフローボックス１５内の繊維スラリー１７と混合される。
本発明において、図４の例ではフローボックスが２段となっているが、図５のように第３のフローボックス２０を加えた３段以上の多数のフローボックスを有してもよい。
【００３５】
本発明においては、上記の多槽傾斜型湿式抄紙機を用いて不織布を製造するものである。すなわち、図４において斜め上方に走行する抄紙ネット１０の傾斜走行部１３上に、第１のフローボックス１４から繊維スラリー１６を流し出すと共に、該第１のフローボックス１４内の吃水線ＷＬと傾斜走行部１３との交差部近傍Ａに、フローボックスの下部が位置する第２のフローボックス１５から繊維スラリー１７を流し出すことにより、複数層の不織布からなる抄紙シートを形成することができる。
交差部近傍Ａで第１のフローボックス１４の繊維スラリー１６と第２のフローボックス１５の繊維スラリー１７とが湿潤状態で混合されるため、繊維どうしが絡み合い、得られた抄紙シートの積層間は、層間剥離がおこりにくい。交差部近傍Ａにおける第１のフローボックス１４内の吃水線ＷＬは、抄紙ネット１０の傾斜走行部１３に接触させないことが好ましい。吃水線ＷＬが、傾斜走行部１３に接触させた場合は、繊維スラリー１６が傾斜走行部１３に流れ出された際に抄紙ネット内部に水分が吸収され、第２のフローボックス１５の繊維スラリー１７との繊維どうしの絡み合いが十分得られにくくなる。
【００３６】
上記繊維スラリーは、前記導電性不織布を構成する繊維を水などの液体に混合したものである。具体的には、第１のフローボックス１４の繊維スラリー１６としては、カット繊維や低叩解繊維などを用いる。また、第２のフローボックス１５の繊維スラリー１７としては、ミクロフィブリル化繊維などを用いる。
次に、カーボン粒子に対してＰＶｄＦ樹脂及びＰ（ＴＦＥ−ＶｄＦ−ＨＦＰ）などを混合し溶解・分散した塗料を作成する。溶媒はアミド系溶媒を用いて、攪拌機で混合し塗料化する。該塗料をポリエチレンテレフタレートフィルム上にキャスティングし、乾燥工程に投入する前に上記の操作で得られた抄紙シートを該塗料上に敷き伏せて、抄紙シート全体に塗料が染み込むように塗料と抄紙シートを一体化後、オーブンで乾燥する。乾燥後に取り出して、ポリエチレンテレフタレートフィルムを剥離後に得られるシートが導電性不織布となる。
【００３７】
前記本発明の導電性不織布では、非対称多孔質樹脂層に接しない最下層から非対称多孔質樹脂層に接する側の層に向かって繊維径が連続的に細くなることで、内径が最上層に向かって連続的に小さくなるように不織布を形成することが可能となる。このことによって、最下層から流入するガスは非対称多孔質樹脂層に接する側の層にいたる経路を連続的に小さく均一にすることでガスの流動抵抗を小さくすることが可能となり、電極シートの非対称多孔質樹脂層に接する側の層から、触媒相に向かって面方向のバラツキが少ない極めて均一なガスを供給することが可能となる。また、かかる製造方法を用いることで、非対称多孔質樹脂層に接する側の層とその他の層の繊維が交絡することにより、両層の界面が実質上なくなるか、または、界面において非対称多孔質樹脂層に接する側の層の繊維がその他の層の繊維に絡むことでアンカー効果により両層の界面をバインダーレスで結着することが可能となる。
【００３８】
また、本発明の導電性不織布の製造方法は、図６で示した多槽傾斜型湿式抄紙機を用いてもよい。図６の多槽傾斜型湿式抄紙機においては、複数のガイドローラーによって矢印α方向に走行される抄紙ネット１０の傾斜走行部１３上に、予め不織布を巻回された巻き出しロール３０から不織布３１を走行させる。そして、走行させた不織布３１上には、第１のフローボックス１４内の繊維スラリー１６と第２のフローボックス１５内の繊維スラリー１７が流し出されて、２層の不織布からなる層が形成される。
以上にように、非対称多孔質樹脂層に接しない最下層から非対称多孔質樹脂層に接する側の層まで、異なる材質からなる繊維や不織布を互いに交絡させることで、孔径の大きさが非対称多孔質樹脂層に接しない最下層から非対称多孔質樹脂層に接する側の層に向かって連続的に小さくすることが可能となり、しかも、一工程で形成できることで、生産性に向上にも寄与することが可能となる。
本発明を実施例によってより具体的に説明する。以下のように電極シートを作製し、続いて該電極シートを燃料極側および酸素極側の何れにも配備した固体高分子型燃料電池を作製し評価した。
【実施例１】
【００３９】
ＰＶｄＦ３０質量部及びＰ（ＴＦＥ−ＶｄＦ−ＨＦＰ）１０質量部を６００質量部の１−メチル−２−ピロリドンに溶解し、平均一次粒子径４０ｎｍのアセチレンブラック１００質量部を分散し、混合溶媒を得た。次いで、６０質量部のジエチレングリコールを混合、撹拌して塗料１を得た。
繊維径３０μｍのポリアクリロニトリル系炭素繊維と平均繊維径２０μｍのポリアリレート繊維を６：４の質量比で混合して得た導電性不織布１（坪量５０ｇ／ｍ２）上に、塗料１をアプリケーターを用いて塗工して、１００℃で1分間乾燥後、水槽中に含浸し溶媒を置換した。これを引き上げ、５０℃で２４時間乾燥し、導電性不織布上に非対称多孔質膜が積層された本発明の電極シート１を得た。
【実施例２】
【００４０】
実施例１の塗料１において、ＰＶｄＦ２０質量部及びＰ（ＴＦＥ−ＶｄＦ−ＨＦＰ）２０質量部にした以外は塗料１と同様にして塗料２を得た。
次に、実施例１において、塗料１の代わりに塗料２を用いた以外は同様にして本発明の電極シート２を得た。
【実施例３】
【００４１】
図４の多槽傾斜型湿式抄紙機において、第１のフローボックス１４内の繊維スラリー１６として繊維径３０μｍのポリアクリロニトリル系炭素繊維と繊維径２０μｍのポリアリレート繊維を６：４の質量比で混合したスラリーを導入し、また、第２のフローボックス１５内の繊維スラリー１７として平均繊維径５μｍのポリアクリロニトリル系炭素繊維のスラリーを導入した。そして、３種類の繊維を一体化した導電性不織布２を得た。
次に、実施例１において、導電性不織布１の代わりに導電性不織布２を用いた以外は同様にして本発明の電極シート３を得た。
【実施例４】
【００４２】
実施例３において、塗料１の代わりに実施例２で得た塗料２を用いた以外は同様にして本発明の電極シート４を得た。
【実施例５】
【００４３】
ＰＶｄＦ３０質量部及びＰ（ＴＦＥ−ＶｄＦ−ＨＦＰ）１０質量部を６００質量部の１−メチル−２−ピロリドンに溶解し、繊維系５μｍのポリアクリロニトリル系炭素繊維８０質量部を分散し、混合溶媒を得た。次いで、６０質量部のジエチレングリコールを混合・撹拌して塗料３を得た。
次に、実施例３で用いた導電性不織布２上に、塗料３をアプリケーターを用いて塗工して、１００℃で１分間乾燥後、水槽中に含浸し溶媒を置換した。これを引き上げ、５０℃で２４時間乾燥し、導電性不織布上に非対称多孔質膜が積層された本発明の電極シート５を得た。
【実施例６】
【００４４】
実施例５の塗料３において、ＰＶｄＦ２０質量部及びＰ（ＴＦＥ−ＶｄＦ−ＨＦＰ）２０質量部にした以外は塗料３と同様にして塗料４を得た。
次に、実施例５において、塗料３の代わりに塗料４を用いた以外は同様にして本発明の電極シート６を得た。
【００４５】
[比較例１]
ＰＶｄＦ４０質量部を６００質量部の１−メチル−２−ピロリドンに溶解し、平均一次粒子径４０ｎｍのアセチレンブラック１００質量部を分散し、混合を得た。次いで、４５質量部のジエチレングリコールを混合・撹拌して塗料５を得た。
繊維径３０μｍのポリアクリロニトリル系炭素繊維及び繊維径２０μｍのポリアリレート繊維を６：４の質量比で混合した導電性不織布（坪量５０ｇ／ｍ２）上に、塗料５をアプリケーターを用いて塗工して、１８０℃で５分間乾燥し、導電性不織布上に等方性多孔質膜が積層された比較用の電極シート７を得た。
【００４６】
（多孔質樹脂層の孔径の測定）
実施例１〜６及び比較例１で得られた電極シートの多孔質樹脂層の孔径を測定するため、各電極シートをミクロトームで切断し、断面を電子顕微鏡にて観察した。導電性不織布に接する側の孔と、表面側の孔についてそれぞれ任意に３０個の孔を選択し、孔径を測定した。孔が真円に近い場合には直径を、楕円や不定形の場合には最も長い距離を孔径として計測した。それぞれ３０個の孔径の平均値を、導電性不織布に接する側の孔径、表面側の孔径として表１に示した。
【００４７】
【表１】
2011028867.tif 000003
【００４８】
表１に示されるとおり、本発明の電極シートの多孔質樹脂層の孔径は、導電性不織布側と表面側で異なり、また、導電性不織布側の孔径＞表面側の孔径の関係にある非対称多孔質樹脂層であることが確認された。一方で、比較例１の多孔質樹脂層の孔径は、導電性不織布側と表面側とでほぼ同等であり等方性多孔質樹脂層であることが確認された。
【００４９】
（膜厚変化率）
実施例１〜６及び比較例１で得られた電極シートの単位面積当たり熱プレスによる、空隙潰れの程度を確認するため、熱プレス（１２０℃、１０ＭＰａ、５分）を行い膜厚変化率（％）を測定した。その結果を表２に示した。
【００５０】
【表２】
2011028867.tif 000004
【００５１】
（固体高分子型燃料電池）
（１）固体高分子型燃料電池の作製
燃料電池１用の電極シートとして、前記で得られた本発明の５０ｍｍ角の電極シート１及び電極シート２を各１枚用意した。また、燃料電池２用の電極シートとして、前記で得られた本発明の５０ｍｍ角の電極シート３及び電極シート４を各１枚用意した。燃料電池３用の電極シートとして、前記で得られた本発明の５０ｍｍ角の電極シート５及び電極シート６を各１枚用意した。燃料電池４用の電極シートとして、前記で得られた比較用の５０ｍｍ角の電極シート７を２枚用意した。白金触媒を担持させたカーボンとイオン伝導性樹脂および水とエタノールの混合溶媒からなる触媒塗料を上記の電極シートの多孔質樹脂層側の表面にそれぞれ塗布、乾燥し、触媒層を形成し、触媒層付き電極シートを得た。それぞれの白金触媒の量は０．３ｍｇ／ｃｍ２であった。次いで、触媒層付き電極シートを、触媒層面が電解質膜（デュポン社製、商品名：ナフィオン１１７）と接するように配し、熱プレス（１２０℃、１０ＭＰａ、１０分）にて触媒層付き電極シートと電解質膜とを接合し、膜−電極接合体を得た。得られた膜−電極接合体の両側に表面が平滑な黒鉛製セパレータを配し、単セルに組み込んで評価用の燃料電池１〜４を作製した。なお、燃料電池１では電極シート１を燃料極側に、また電極シート２を空気極側に配した。燃料電池２では、電極シート３を燃料極に、また電極シート４を空気極側に配した。燃料電池３では、電極シート５を燃料極に、また電極シート６を空気極側に配した。燃料電池４では、燃料極側、空気極側ともにそれぞれ電極シート７を用いた。
【００５２】
（２）固体高分子型燃料電池の評価
上記、燃料電池１〜４の発電特性を下記の要領で評価した。燃料電池の供給ガスとして、燃料極側に水素ガスおよび酸素極側に酸素ガスを用いた。水素ガスは８５℃の加湿温度で５００ｍＬ／ｍｉｎ、０．１ＭＰａとなるように供給し、酸素ガスは７０℃の加湿温度で１０００ｍＬ／ｍｉｎ、０．１ＭＰａとなるように供給した。この条件下で、電流密度１Ａ／ｃｍ２における電圧を測定した。その結果を表３に示す。
【００５３】
【表３】
2011028867.tif 000005
【００５４】
表３に示すように、実施例１〜６で得られた電極シートを備えた固体高分子型燃料電池は、比較例１のものより電流密度１Ａ／ｃｍ２における電圧は高く、発電特性が優れていた。また、燃料電池１〜３ともに電流密度１．８Ａ／ｃｍ２まで問題なく発電できたが、燃料電池４は等方性多孔質樹脂層の口径が小さいため、１．１Ａ／ｃｍ２近傍でフラッディングを生じた。
【符号の説明】
【００５５】
１  導電性不織布
２  非対称多孔質樹脂層
【図１】
2011028867.tif 000006
【図２】
2011028867.tif 000007
【図３】
2011028867.tif 000008
【図４】
2011028867.tif 000009
【図５】
2011028867.tif 000010
【図６】
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