(57)【要約】【課題】ガス拡散層の製造における加工費や設備費を抑制する。【解決手段】  ガス拡散層の製造方法は、カーボン粒子と撥水性樹脂と水とを混合することによって、固形分比率が４８％以上で５５％以下である湿潤カーボンを調製する工程と、湿潤カーボンを拡散層基材に転写する工程と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散層の製造方法であって、
カーボン粒子と撥水性樹脂と水とを混合することによって、固形分比率が４８％以上で５５％以下である湿潤カーボンを調製する工程と、
前記湿潤カーボンを拡散層基材に転写する工程と、
を備える、
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、固体高分子形燃料電池の膜電極ガス拡散層接合体に使われる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）は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly）の表面と裏面にそれぞれ配置されて膜電極ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode＆Gas Diffusion Layer Assembly）を構成する。ガス拡散層は、拡散層基材に拡散層形成ペーストを塗工して乾燥することによって形成される。拡散層形成ペーストは、カーボン粒子とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）と界面活性剤とを水に分散させて調合される（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２０１５−６４９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、拡散層形成ペーストに親水基を有する界面活性剤が使用されている。一方、ガス拡散層は、撥水性を有することが望まれている。従って、ガス拡散層の撥水性を確保するために、当該界面活性剤を加熱分解させる必要がある。しかしながら、加熱分解の工程は、高温で長時間の加熱（焼成）が必要であり、加工費や設備費が増加するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題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】
（１）本発明の一形態によれば、ガス拡散層の製造方法が提供される。このガス拡散層の製造方法は、カーボン粒子と撥水性樹脂と水とを混合することによって、固形分比率が４８％以上で５５％以下である湿潤カーボンを調製する工程と、前記湿潤カーボンを拡散層基材に転写する工程と、を備える。
この形態のガス拡散層の製造方法によれば、カーボン粒子と撥水性樹脂と水とを用いて湿潤カーボンを調製するので、界面活性剤を加熱分解させるための構成を省略でき、加工費や設備費を抑制できる。また、湿潤カーボンは固形分比率が４８％以上で５５％以下となるように調製されるので、カーボン粒子が過度に凝集又は分散せず、湿潤カーボンを拡散層基材に転写できる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ガス拡散層製造装置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】本発明の一実施形態におけるガス拡散層製造装置の一例を示す概略図。
【図２】ガス拡散層の製造方法のフローチャート。
【図３】湿潤カーボンの調製を模式的に示す図。
【図４】固形分比率が異なる湿潤カーボンに対する評価結果を示す図。
【図５】撹拌時間が異なる湿潤カーボンに対する評価結果を示す図。
【図６】第３ローラの回転速度が異なる転写工程に対する評価結果を示す図。
【図７】ガス拡散層製造装置の運転条件を従来技術と比較する図。
【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におけるガス拡散層の製造方法を利用するガス拡散層製造装置１００の一例を示す概略図である。ガス拡散層製造装置１００は、湿潤カーボンＣｗを拡散層基材Ｄｂに転写することによってガス拡散層を形成可能である。ガス拡散層製造装置１００は、第１ローラ２１０と、第２ローラ２２０と、第３ローラ２３０と、巻出ローラ２４０と、巻取ローラ２５０と、乾燥炉３００と、を備える。ローラ２１０〜２５０は、それぞれモータ（図示せず）によって駆動され、図示矢印の方向に回転する。ローラ２１０〜２３０は、軸を平行にして配置されている。第１ローラ２１０と第２ローラ２２０との間には、湿潤カーボン投入口（図示せず）が設けられている。巻出ローラ２４０は、ローラ２１０〜２３０より下方に配置されている。巻出ローラ２４０には、予め拡散層基材Ｄｂが巻き付けられている。拡散層基材Ｄｂとしては、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採用可能である。湿潤カーボンＣｗの転写を行う前には、拡散層基材Ｄｂの一端が、巻出ローラ２４０から繰り出され、第３ローラ２３０及び乾燥炉３００を介して巻取ローラ２５０に固定されている。乾燥炉３００の内部には、乾燥機３０５が設けられている。
【００１０】
図２は、本発明の一実施形態におけるガス拡散層の製造方法のフローチャートである。ステップＳ１００では、カーボン粒子と撥水性樹脂と水とを混合することによって、湿潤カーボンＣｗ（図１）が調製される。ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で調製された湿潤カーボンＣｗがガス拡散層製造装置１００（図１）により拡散層基材Ｄｂ（図１）に転写される。
【００１１】
図３は、図２に示すステップＳ１００における湿潤カーボンの調製を模式的に示す図である。カーボン粒子１０と、撥水性樹脂２０と、水３０とは、撹拌子１２０を有する撹拌機１１０に投入されて混合される。具体的には、水３０にカーボン粒子１０と撥水性樹脂２０とが加えられ、撹拌によりカーボン粒子１０が解砕されて湿潤カーボンが生成される。カーボン粒子１０としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、グラファイト等を採用可能である。撥水性樹脂２０としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素系樹脂や、シリコーン樹脂等を採用可能である。水３０としては、例えば、イオン交換水等を採用可能である。
【００１２】
図４は、湿潤カーボンの固形分比率が図２に示すステップＳ１１０の湿潤カーボンの転写に与える影響についての評価結果を示す図である。図４の評価は、図３に示す水３０の比率を変えることによって得られた固形分比率が異なる湿潤カーボンサンプル１〜７に対して行われた。本明細書において、「固形分比率」とは、湿潤カーボン全体に対するカーボン粒子及び撥水性樹脂の質量パーセントのことを意味する。サンプル１〜７は、固形分比率のみが異なり、湿潤カーボンの調製条件、例えば撹拌回転数や撹拌時間は、同一である。また、湿潤カーボンの調製条件は、評価結果に影響しない程度に設定されている。図４の例では、カーボン粒子は粒径２０ｎｍ〜１５０ｎｍのカーボンブラックを採用し、撥水性樹脂はＰＴＦＥを採用し、水はイオン交換水を採用している。固形分比率の欄では、湿潤カーボンの固形分比率を示している。カーボン粒子、撥水性樹脂及び水の欄ではそれぞれ、湿潤カーボンのうちのカーボン粒子の質量、撥水性樹脂の質量及び水の質量を示している。評価の欄では、図２に示すステップＳ１１０の湿潤カーボンの転写を行えるものを○で示し、転写を行えないものを×で示している。湿潤カーボンの固形分比率が５７％以上であれば、カーボン粒子が過度に凝集してしまい、湿潤カーボンの転写を行えない。また、湿潤カーボンの固形分比率が４６％以下であれば、カーボン粒子が過度に分散してしまい、湿潤カーボンの転写を行えない。従って、図２に示すステップＳ１００において、湿潤カーボンは、固形分比率が４８％以上で５５％以下となるように調製される。
【００１３】
図５は、湿潤カーボンの撹拌時間が図２に示すステップＳ１１０の湿潤カーボンの転写に与える影響についての評価結果を示す図である。図５の評価は、固形分比率が同一で５２％であり、撹拌時間が異なる湿潤カーボンサンプルＡ〜Ｇに対して行われた。サンプルＡ〜Ｇは、撹拌時間のみが異なり、撹拌回数は同一で８００ｒｐｍある。評価の欄では、図２に示すステップＳ１１０の湿潤カーボンの転写が容易なものを○で示し、転写が困難なものを△で示している。撹拌時間が１０秒以下であれば、カーボン粒子が凝集してしまい、湿潤カーボンの転写が困難である。従って、図２に示すステップＳ１００において、撹拌回転数が８００ｒｐｍの場合、撹拌時間は１５秒以上に設定されることが好ましい。
【００１４】
図１に戻り、ガス拡散層製造装置１００が運転し始めると、図２に示すステップＳ１００で調製された湿潤カーボンＣｗは、第１ローラ２１０と第２ローラ２２０の間の投入口に投入され、圧延されて湿潤カーボンロールＣＬ１を形成する。湿潤カーボンロールＣＬ１は、第２ローラ２２０に付着して第２ローラ２２０と第３ローラ２３０との間に移動すると、第３ローラ２３０によって搬送される拡散層基材Ｄｂに転写されて、湿潤カーボン層ＣＬ２を形成する。湿潤カーボン層ＣＬ２は、拡散層基材Ｄｂの移動とともに乾燥炉３００の内部に搬入されると、乾燥機３０５によって乾燥されて湿潤カーボン中の水分が除去される。なお、湿潤カーボンロールＣＬ１を形成せずに、湿潤カーボンＣｗを直接に拡散層基材Ｄｂに転写してもよい。また、乾燥炉３００が省略されてもよい。
【００１５】
図６は、ガス拡散層製造装置１００（図１）の第３ローラ２３０の回転速度が図２に示すステップＳ１１０の湿潤カーボンの転写に与える影響についての評価結果を示す図である。図６の評価は、第３ローラ２３０の回転速度が異なるガス拡散層製造装置１００のサンプルＩ〜ＶＩＩに対して行われた。サンプルＩ〜ＶＩＩは、固形分比率が５２％で撹拌回転数が８００ｒｐｍ、撹拌時間が１５秒の湿潤カーボンを使用している。「ローラ間クリアランス」とは、第１ローラ２１０と第２ローラ２２０との間の距離、及び、第２ローラ２２０と第３ローラ２３０との間の距離を意味する。サンプルＩ〜ＶＩＩは、第３ローラ２３０の回転速度のみが異なり、ローラ間クリアランス及び第１、第２ローラの回転速度は同一である。評価の欄では、湿潤カーボンの転写が容易なものを○で示し、転写が困難なものを△で示している。第３ローラ２３０の回転速度が第１ローラ２１０及び第２ローラ２２０の回転速度の１．５倍以下であれば、第３ローラ２３０が第２ローラ２２０に付着している湿潤カーボンロールＣＬ１（図１）から湿潤カーボンを削り取ることが困難である。この結果、湿潤カーボンを拡散層基材に転写することが困難である。従って、図２に示すステップＳ１１０において、ローラ間クリアランスが８０μｍの場合、第３ローラ２３０の回転速度は、第１ローラ２１０及び第２ローラ２２０の回転速度の２倍以上に設定されることが好ましい。
【００１６】
図７は、図１に示すガス拡散層製造装置１００の運転条件を従来技術におけるガス拡散層製造装置の運転条件と比較する図である。搬送速度の欄は、湿潤カーボン層ＣＬ２（図１）の搬送速度を示している。乾燥炉長の欄は、乾燥炉３００（図１）の長さを示している。乾燥温度の欄は、乾燥炉３００の内部温度を示している。焼成炉長及び焼成温度の欄は、従来技術における拡散層形成ペーストに含まれる界面活性剤を加熱分解させるための焼成炉の長さ及び内部温度を示している。ガス拡散層製造装置１００には、界面活性剤を加熱分解させるための焼成炉を設ける必要がないので、加工費や設備費を抑制できる。
【００１７】
以上説明したように、本発明の一実施形態では、界面活性剤を使用することなく、カーボン粒子１０と撥水性樹脂２０と水３０とを用いて湿潤カーボンＣｗを調製し、湿潤カーボンＣｗを拡散層基材Ｄｂに転写してガス拡散層を形成するので、界面活性剤を加熱分解させるための構成を省略でき、加工費や設備費を抑制できる。また、湿潤カーボンＣｗは固形分比率が４８％以上で５５％以下となるように調製されるので、湿潤カーボンＣｗを拡散層基材Ｄｂに転写できる。なお、湿潤カーボンＣｗの調製においては、撹拌回転数が８００ｒｐｍの場合に撹拌時間が１５秒以上に設定され、湿潤カーボンＣｗの転写においては、ローラ間クリアランスが８０μｍの場合に第３ローラ２３０の回転速度が第１ローラ２１０及び第２ローラ２２０の回転速度の２倍以上に設定されるので、湿潤カーボンＣｗを容易に拡散層基材Ｄｂに転写できる。
【００１８】
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、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】
【００１９】
１０…カーボン粒子
２０…撥水性樹脂
３０…水
１００…ガス拡散層製造装置
１１０…撹拌機
１２０…撹拌子
２１０…第１ローラ
２２０…第２ローラ
２３０…第３ローラ
２４０…巻出ローラ
２５０…巻取ローラ
３００…乾燥炉
３０５…乾燥機
ＣＬ１…湿潤カーボンロール
ＣＬ２…湿潤カーボン層
Ｃｗ…湿潤カーボン
Ｄｂ…拡散層基材
【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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【図７】
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