(57)【要約】【課題】ガス拡散部材を効率的および効果的に疎水化し、燃料電池における反応生成水の排水性を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】燃料電池において反応ガスを電極面において拡散させるためのガス拡散部材１５の製造方法であって、（ａ）ガス拡散部材１５の基材として、導電性を有する多孔質部材１５ａを準備する工程と、（ｂ）多孔質部材１５ａに、撥水性物質と、カーボン粒子と、界面活性剤とを混合した撥水カーボン溶液５０を塗布して乾燥させる工程と、（ｃ）多孔質部材１５ａにおいて他の領域より疎水性を低くしたい領域ＵＨＡ以外の領域を加熱することにより、界面活性剤を熱分解する工程とを備える、製造方法。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池において反応ガスを電極面において拡散させるためのガス拡散部材の製造方法であって、
（ａ）前記ガス拡散部材の基材として、導電性を有する多孔質部材を準備する工程と、
（ｂ）前記多孔質部材に、撥水性物質と、カーボン粒子と、界面活性剤とを混合した撥水カーボン溶液を塗布して乾燥させる工程と、
（ｃ）前記多孔質部材において他の領域より疎水性を低くしたい領域以外の領域を加熱することにより、前記界面活性剤を熱分解する工程と、
を備える、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は通常、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体を備える。膜電極接合体の発電部には、反応ガスを拡散させて電極面に行き渡らせるためのガス拡散部材が配置される。これまで、燃料電池では、燃料電池反応によって生じた反応生成水が効率的に発電部の外部へと排出されるように、ガス拡散部材に疎水化処理を施す場合があった（下記特許文献１等）。しかし、これまで、ガス拡散部材を、より効率的および効果的に疎水化することについて、十分な工夫がなされていないのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００６／０２５９０８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ガス拡散部材を効率的および効果的に疎水化し、燃料電池における反応生成水の排水性を向上させることができる技術を提供することを目的とする。
【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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
燃料電池において反応ガスを電極面において拡散させるためのガス拡散部材の製造方法であって、
（ａ）前記ガス拡散部材の基材として、導電性を有する多孔質部材を準備する工程と、
（ｂ）前記多孔質部材に、撥水性物質と、カーボン粒子と、界面活性剤とを混合した撥水カーボン溶液を塗布して乾燥させる工程と、
（ｃ）前記多孔質部材において他の領域より疎水性を低くしたい領域以外の領域を加熱することにより、前記界面活性剤を熱分解する工程と、
を備える、製造方法。
この製造方法によれば、ガス拡散部材において、反応生成水を誘導したい領域に界面活性剤を残留させることにより、当該領域の疎水性を他の領域より低くすることができる。即ち、ガス拡散部材の疎水性が部位ごとに異なるように、効率的および効果的に疎水化することができ、ガス拡散部材における水分の移動を制御して、燃料電池における反応生成水の排水性を容易に向上させることができる。
【０００７】
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、燃料電池に用いられるガス拡散部材の製造方法および製造装置、それらの製造方法または製造装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図３】セパレータの構成を示す概略図。
【図４】ガス拡散部材の製造工程を示すフローチャート。
【図５】ガス拡散部材の製造工程における撥水カーボン溶液の塗布工程を説明するための模式図。
【図６】部分加熱工程における非加熱領域の一例を説明するための説明図。
【図７】運転中の燃料電池のアノード側における水分移動を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
A．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、発電体である複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、シール一体型膜電極接合体１０と、アノードセパレータ２０と、カソードセパレータ３０とを備える。
【００１０】
図２（Ａ），（Ｂ）は、シール一体型膜電極接合体１０の構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側の面を示しており、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断におけるシール一体型膜電極接合体１０の概略断面を示している。なお、シール一体型膜電極接合体１０のカソード側の面の構成は、アノード側の面の構成と同様であるため、図示および説明は省略する。
【００１１】
シール一体型膜電極接合体１０は、反応ガスが供給され、発電反応が行われる発電部１１と、発電部１１の外周に設けられた外周シール部１２とを有する（図２（Ａ））。発電部１１には、膜電極接合体５が含まれる（図２（Ｂ））。膜電極接合体５は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１と、電解質膜１の両面にそれぞれ配置されたアノード２およびカソード３とを備える。アノード２およびカソード３は、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持された導電性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー）によって構成される。なお、膜電極接合体５の外周端は、外周シール部１２によって被覆されている。
【００１２】
アノード２およびカソード３の外表面にはそれぞれ、ガス拡散部材１５が配置される。ガス拡散部材１５は、導電性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー）によって構成される。ガス拡散部材１５は、反応ガスを拡散して電極面に行き渡らせるためのガス拡散層として機能するとともに、膜電極接合体５において発電された電気の導電パスとして機能する。ところで、ガス拡散部材１５には、燃料電池反応によって生成された反応生成水を発電部１１の外部へと効率的に誘導するための排水流路として機能させるための疎水処理が施されているが、その詳細については後述する。
【００１３】
外周シール部１２は、シール一体型膜電極接合体１０が、アノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０によって狭持されたときに、各セパレータ２０，３０に押圧され、流体の漏洩を抑制するためのシールラインを形成する。外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールド４１〜４４が貫通孔として形成されている。具体的には、水素供給用マニホールド４１および酸素排出用マニホールド４４が、発電部１１を挟んで、水素排出用マニホールド４２および酸素供給用マニホールド４３と対向するように形成されている（図２（Ａ））。なお、各マニホールド４１〜４４の配置構成は、他の配置構成であっても良い。
【００１４】
図３（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、アノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０の構成を示す概略図である。図３（Ａ）には、アノードセパレータ２０のシール一体型膜電極接合体１０と接する側の面が図示されており、図３（Ｂ）には、カソードセパレータ３０のシール一体型膜電極接合体１０と接する側の面が図示されている。なお、図３（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、シール一体型膜電極接合体１０の発電部１１と重なる領域を一点鎖線で図示してある。
【００１５】
各セパレータ２０，３０はそれぞれ、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成される。各セパレータ２０，３０には、シール一体型膜電極接合体１０と同様に、反応ガスのためのマニホールド４１〜４４が貫通孔として形成されている。また、各セパレータ２０，３０には、反応ガスのための流路溝が発電部１１全体に渡って形成されている。
【００１６】
アノードセパレータ２０（図３（Ａ））には、流路壁を介して互いに分離された水素供給用の流路溝（「一次流路」とも呼ぶ）と、水素排出用の流路溝（「二次流路」とも呼ぶ）とが設けられている。具体的には、一次流路としては、供給側連通流路溝２１０と、水素分配流路溝２１１と、供給側並列流路溝２１３とが設けられ、二次流路としては、排出側連通流路溝２２０と、水素集合流路溝２２１と、排出側並列流路溝２２３とが設けられている。
【００１７】
供給側連通流路溝２１０は、水素供給用マニホールド４１と発電部１１とを連通するための流路溝である。水素分配流路溝２１１は、発電部１１の一辺に沿って、紙面上下方向に直線的に延びる流路溝であり、供給側連通流路溝２１０と接続している。供給側並列流路溝２１３は、紙面左右方向に延びる直線状の流路溝であり、複数本が並列に設けられている。供給側並列流路溝２１３のそれぞれの一端は、水素分配流路溝２１１と接続しており、他端は閉塞している。
【００１８】
排出側連通流路溝２２０は、発電部１１と水素排出用マニホールド４２とを連通するための流路溝である。水素集合流路溝２２１は、発電部１１の一辺に沿って、紙面上下方向に直線的に延びる流路溝であり、排出側連通流路溝２２０と接続する。排出側並列流路溝２２３は、紙面左右方向に延びる直線状の流路溝であり、複数本が並列に設けられている。排出側並列流路溝２２３のそれぞれの一端は、水素集合流路溝２２１と接続しており、他端は閉塞している。
【００１９】
ここで、供給側並列流路溝２１３と排出側並列流路溝２２３とは、並列方向に互いに交互に配列されている。以後、供給側並列流路溝２１３と排出側並列流路溝２２３との間に存在する複数の並列な流路壁を「並列流路壁２２」と呼ぶ。また、排出側並列流路溝２２３のそれぞれの閉塞端部と、水素分配流路溝２１１との間の流路壁を「始端流路壁２１」と呼び、供給側並列流路溝２１３のそれぞれの閉塞端部と水素集合流路溝２２１との間の流路壁を「終端流路壁２３」と呼ぶ。これらの流路壁２１〜２３は、燃料電池１００を構成したときに、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散部材１５と接触する。
【００２０】
燃料電池１００では、外部から水素供給用マニホールド４１へと供給された水素は、供給側連通流路溝２１０を介して、各単セル１１０のアノード側の発電部１１へと流入する。発電部１１において、水素は、供給側連通流路溝２１０から水素分配流路溝２１１へと流れ、水素分配流路溝２１１において、各供給側並列流路溝２１３へと流れる。ここで、各供給側並列流路溝２１３は、それぞれの終端が閉塞しているため、一次流路を構成する各流路溝２１１，２１３の水素は、シール一体型膜電極接合体１０のガス拡散部材１５を介して二次流路を構成する各流路溝２２１，２２３へと流れることとなる。即ち、始端流路壁２１や、並列流路壁２２、終端流路壁２３は、一次流路の水素をガス拡散部材１５の内部へと誘導するための誘導壁面として機能する。これによって、燃料電池１００では、各単セル１１０に供給された全ての水素を、ガス拡散部材１５の内部に供給することが可能となる。
【００２１】
ガス拡散部材１５へと流入した水素の一部は、さらに、アノード２へと拡散し、燃料電池反応に供される。また、ガス拡散部材１５へと流入した水素の一部は、カソード側で生成され、水分濃度勾配に従ってアノード側へと移動してきた反応生成水によって加湿され、二次流路を構成する各流路溝２２１，２２３へと流れる。二次流路を構成する各流路溝２２１，２２３へと流入した水素は、排出側連通流路溝２２０を介して水素排出用マニホールド４２へと排出される。
【００２２】
カソードセパレータ３０（図３（Ｂ））には、酸素のための流路溝として、供給側連通流路溝３１と、酸素分配流路溝３２と、並列流路溝３３と、酸素集合流路溝３４と、排出側連通流路溝３５とが設けられている。供給側連通流路溝３１および排出側連通流路溝３５はそれぞれ、酸素供給用マニホールド４３および酸素排出用マニホールド４４のそれぞれとカソード側の発電部１１とを連通するための流路溝である。酸素分配流路溝３２および酸素集合流路溝３４はそれぞれ、発電部１１の対向する二辺に沿って、紙面上下方向に延びる直線状の流路溝であり、供給側連通流路溝３１および排出側連通流路溝３５のそれぞれと接続されている。並列流路溝３３は、酸素分配流路溝３２と酸素集合流路溝３４とを接続する、紙面左右方向に延びる直線状の流路溝であり、複数本が並列に設けられている。燃料電池１００の各単セル１１０では、酸素は、これらの流路溝３１〜３５に誘導され、発電部１１において燃料電池反応に用いられつつ、酸素供給用マニホールド４３から酸素排出用マニホールド４４へと流れる。
【００２３】
なお、燃料電池１００のアノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０の流路溝の構成は、他の構成であるものとしても良い。例えば、カソードセパレータ３０の流路溝の構成を、アノードセパレータ２０と同様な、一次流路と二次流路とを有する流路溝の構成としても良い。また、アノードセパレータ２０の流路溝の構成を、一次流路および二次流路を有する流路溝の構成に換えて、カソードセパレータ３０と同様な流路溝の構成としても良い。
【００２４】
図４は、燃料電池１００において用いられるガス拡散部材１５の製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、ガス拡散部材１５の基材として導電性および通気性を有する多孔質部材１５ａを準備する。ここで、ガス拡散部材１５には、内部を通過する反応ガスによって、反応生成水が発電部１１の外部へと誘導されやすくするための疎水化処理が施される。ステップＳ２０〜Ｓ４０では、準備された多孔質部材１５ａに対してその疎水化処理を施す。
【００２５】
図５は、ステップＳ２０における多孔質部材１５ａに対する撥水カーボン溶液の塗布工程を説明するための模式図である。この工程では、まず、シリコン系の粒子やフッ素系の粒子などの撥水性物質と、カーボン粒子とを水に分散させた溶液である撥水カーボン溶液５０を準備する。ここで、撥水カーボン溶液５０には、さらに、撥水性物質とカーボン粒子とを均一に混合させるために界面活性剤を混合する。なお、界面活性剤は、撥水カーボン溶液５０中においては、図に示すような疎水基を内側とし、親水基を外側とする分子集合体５１を構成する。この工程では、撥水カーボン溶液５０を、例えば、スプレー６０を用いて多孔質部材１５ａに塗布し、撥水カーボン溶液５０中のカーボン粒子および撥水性物質を多孔質部材１５ａの細孔中に含浸させる。
【００２６】
ステップＳ３０（図４）では、撥水カーボン溶液５０が塗布された多孔質部材１５ａを乾燥させる。これにより、多孔質部材１５ａの細孔内には、カーボン粒子と撥水性物質とが付着する。このように、多孔質部材１５ａの細孔内にカーボン粒子を付着させることによって、多孔質部材１５ａの電気抵抗が低減させることができる。また、多孔質部材１５ａの細孔内に撥水性物質を付着させることによって、多孔質部材１５ａの撥水性（疎水性）を向上させることができる。
【００２７】
ところで、撥水カーボン溶液５０に含まれる界面活性剤は、ステップＳ３０の乾燥工程完了後の多孔質部材１５ａの細孔内に、カーボン粒子や撥水性物質とともに付着している。界面活性剤は親水基を有しているため、多孔質部材１５ａに界面活性剤を残留させると、撥水性物質による多孔質部材１５ａの撥水性向上効果が減殺されてしまう可能性がある。界面活性剤は、加熱処理により熱分解することが可能である。
【００２８】
ここで、ガス拡散部材１５は、疎水性が他の部位より低い部位を設けることにより、その部位へと反応生成水が誘導されるように構成できる。そこで、本実施例では、ステップＳ４０において、多孔質部材１５ａに対して、加熱領域と非加熱領域とを設ける部分的な加熱処理を実行し、多孔質部材１５ａにおいて、界面活性剤を熱分解して減少させた疎水性の高い部位と、界面活性剤を残留させた疎水性の低い部位とを設ける。この加熱処理工程によって、内部の疎水性の差異による反応生成水の誘導路が予め形成されたガス拡散部材１５が完成する。なお、この部分的な加熱方法としては、例えば、レーザーによる点加熱や線加熱を採用することが可能である。
【００２９】
図６（Ａ），（Ｂ）は、ステップＳ４０において設けられる非加熱領域の一例を示す説明図である。図６（Ａ）には、アノード側に配置されるガス拡散部材１５が図示されており、非加熱領域ＵＨＡを二点鎖線で囲むとともにハッチングを付して示してある。また、図６（Ａ）には、便宜上、ガス拡散部材１５が配置されるシール一体型膜電極接合体１０を破線で図示するとともに、ガス拡散部材１５に隣接する一次流路および二次流路を破線で図示してある。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における単セル１１０の一部の概略断面図示である。なお、図６（Ｂ）では、カソードセパレータ３０の図示が省略されている。
【００３０】
アノード側に配置されるガス拡散部材１５では、アノードセパレータ２０の供給側並列流路溝２１３の閉塞端部から水素集合流路溝２２１までの終端流路壁２３を含む部位と接触する領域を非加熱領域ＵＨＡとすることが好ましい。これによって、供給側並列流路溝２１３の閉塞端部の水分を、ガス拡散部材１５の非加熱領域ＵＨＡを介して、水素集合流路溝２２１へと誘導することが可能となる。
【００３１】
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、運転中の燃料電池１００のアノード側における水分移動を説明するための模式図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）には、アノードセパレータ２０が図３（Ａ）と同様に図示されるとともに、アノードセパレータ２０の流路溝における液水ＷＬの移動の態様が段階的に図示されている。前記したとおり、運転中の燃料電池１００では、カソード３側で生成された反応生成水が、水分濃度勾配に従って、電解質膜１を介してアノード２側へと移動する。アノード２側へと移動した水分は、さらに、ガス拡散部材１５を介して、アノードセパレータ２０の各ガス流路溝２１１，２１３，２２１，２２３へと移動する。
【００３２】
ここで、一次流路は水素排出用マニホールド４２と直接的には接続されていない閉塞した流路であるため、液水ＷＬが、供給側並列流路溝２１３に滞留してしまう可能性がある（図７（Ａ））。供給側並列流路溝２１３に滞留した液水ＷＬは、水素の流れに従って、さらに端部側へと誘導される（図７（Ｂ））。しかし、ガス拡散部材１５に、図６で説明した非加熱領域ＵＨＡが形成されている場合には、供給側並列流路溝２１３の端部に誘導された液水ＷＬは、非加熱領域ＵＨＡを介して終端流路壁２３を越え、水素集合流路溝２２１へと移動することができ、水素排出用マニホールド４２から排出される。
【００３３】
このように、本実施例のガス拡散部材１５の製造工程によれば、ガス拡散部材１５の疎水性を向上させるための疎水化処理工程において、局所的に疎水性の低い部位を設けておくことが可能となる。この製造工程によって効率的および効果的に疎水化処理が施されたガス拡散部材１５を用いれば、燃料電池１００における反応生成水の排水性を向上させることができる。なお、ガス拡散部材１５における非加熱領域ＵＨＡは、図６で説明した部位以外に設けることも可能である。また、カソード３側に配置されるガス拡散部材１５とアノード２側に配置されるガス拡散部材１５とでは、接触するセパレータの流路溝の構成に合わせて非加熱領域ＵＨＡの形成部位が異なるものとしても良い。さらに、ステップＳ４０（図４）における部分的な加熱処理における加熱温度や加熱時間を調整することによって、ガス拡散部材１５における界面活性剤の残留分布の勾配を設けるものとしても良い。この場合には、ガス拡散部材１５の内部に疎水性の勾配が形成され、反応生成水の流れをより適切に制御することが可能となる。
【符号の説明】
【００３４】
１…電解質膜
２…アノード
３…カソード
５…膜電極接合体
１０…シール一体型膜電極接合体
１１…発電部
１２…外周シール部
１５…ガス拡散部材
１５ａ…多孔質部材
２０…アノードセパレータ
２１…始端流路壁
２２…並列流路壁
２３…終端流路壁
３０…カソードセパレータ
３１…供給側連通流路溝
３２…酸素分配流路溝
３３…並列流路溝
３４…酸素集合流路溝
３５…排出側連通流路溝
４１…水素供給用マニホールド
４２…水素排出用マニホールド
４３…酸素供給用マニホールド
４４…酸素排出用マニホールド
５０…撥水カーボン溶液
５１…分子集合体
６０…スプレー
１００…燃料電池
１１０…単セル
２１０…供給側連通流路溝
２１１…水素分配流路溝
２１３…供給側並列流路溝
２２０…排出側連通流路溝
２２１…水素集合流路溝
２２３…排出側並列流路溝
ＵＨＡ…非加熱領域
ＷＬ…液水
【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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