(57)【要約】【課題】触媒層と隣接する側のガス拡散層表面の充分なる平滑化を安定的に図ることを可能とし、もって、燃料電池の安定した長時間連続運転を可能とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜を挟んで両主面に配設した触媒層と、この触媒層の両外側に配設した多孔質のガス拡散層とを備えた固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法において、ガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質基材からなるものとし、この基材を所定寸法に形成した後、触媒層と隣接する側の前記基材表面を、放電のアーク熱により平滑化処理する。例えば、基材１１を陽極、グラファイト電極１５を陰極として、加工液１６中で両電極間にアーク発生装置１７からパルス電圧を印加し、これにより放電のアーク熱を発生させ、基材表面から突出したカーボン繊維を溶融させて平滑化する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟んで両主面に配設した触媒層と、この触媒層の両外側に配設した多孔質のガス拡散層とを備えた固体高分子型燃料電池の前記ガス拡散層の製造方法において、
前記ガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質基材からなるものとし、この導電性多孔質基材を所定寸法に形成した後、前記触媒層と隣接する側の前記基材表面を、放電のアーク熱により平滑化処理することを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、前記平滑化処理は、前記導電性多孔質基材を一方の電極とし、かつグラファイト電極を他方の電極として、電気絶縁性の加工液中で前記両電極間にパルス電圧を印加し、これにより放電のアーク熱を発生させ、このアーク熱により、導電性多孔質基材の前記基材表面から突出したカーボン繊維を溶融させて平滑化する処理とすることを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の製造方法において、前記パルス電圧を印加する両電極面の間隙は、１０〜５００μｍとすることを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の製造方法において、前記平滑化処理後に、カーボン撥水剤層を前記基材表面に形成することを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の製造方法において、予めカーボン撥水剤層を前記基材表面に形成した後に、前記平滑化処理を行なうことを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子型燃料電池におけるガス拡散層の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素と酸素を利用し、電解質を介在して発電する装置である。固体高分子型燃料電池は、電解質として、高分子膜が含水することでイオン導電性を示す樹脂膜を用いたもので、その燃料電池セルの構成の斜視図を図４に示し、その一部拡大断面図を図３に示す。
【０００３】
図３および図４において、固体高分子電解質膜１の両面には、触媒層２と、多孔質のガス拡散層３とを備え、さらに、一方のガス拡散層に反応ガスとしての水素を含む燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス流路を有し，他方の拡散層に反応ガスとしての酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤ガス流路を有してなるセパレータ５を備える。なお、図４においてセパレータは、一つのセパレータの両側に反応ガス流路を有するものを示したが、製造上の理由から、図３に示すように片側に流路を有するものを背中合わせに積層する場合もある。上記セルを多数積層したものをスタックという。
【０００４】
固体高分子電解質膜１としては、例えばパーフルオロスルホン酸ポリマー膜（米国，デュポン社，商品名Ｎａｆｉｏｎ膜）が用いられる。この膜は、飽和に含水させることで、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性電解質として機能する。膜の飽和含水量は温度によって可逆的に変化する。
【０００５】
固体高分子電解質膜１の両側に接合しているガス拡散層３の片方より水素、もう一方より酸素あるいは空気を供給することにより、固体高分子電解質膜１と触媒層２の界面における水素の酸化反応、酸素の還元反応によってプロトン，電子の移動が起こり、電気を得ることができる。
【０００６】
触媒層２は、粒子状の白金黒あるいは白金担持カーボンと撥水性を有するフッ素樹脂とから形成される。触媒層２としては、触媒の反応面積を拡大するため、触媒層の中に固体高分子電解質樹脂を混合した構成の電解質樹脂付触媒がよく用いられる。
【０００７】
ガス拡散層３としては、導電性のカーボンペーパーあるいはカーボンクロスを用いる。通常、固体高分子電解質膜１と触媒層２の接合体を作製したのち、ガス拡散層３をホットプレスにて接合するが、ガス拡散層３上に触媒層２を塗布して接合した後、固体高分子電解質膜１との接合体を作成する場合もある。
【０００８】
前記ガス拡散層３に関して、さらに詳述する。高い発電効率を得るためには、前記反応ガス流路から触媒層２へ反応ガス（Ｈ２、Ｏ２）が拡散により移動して、触媒層中の白金表面で反応させる際に、触媒層面内へ均等に反応ガスを供給する必要がある。そのために、前述のように、反応ガス流路と触媒層２との間にガス拡散層３を設けている。このガス拡散層３は、導電性多孔質材料からなり、一般に、数μｍのカーボン繊維からなる厚さ数百μｍのクロスやペーパーから形成される。
【０００９】
図２にガス拡散層の模式的構成図を示す。ガス拡散層としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質基材のみで形成する場合（図２（ａ））と、基材の上に、カーボン撥水剤層を形成する場合（図２（ｂ））とがある。
【００１０】
図２（ａ）の場合、多数のカーボン繊維１３が絡み合って導電性多孔質の基材１１を構成し、この基材を所定寸法に形成してガス拡散層とする。図２（ｂ）のガス拡散層は、触媒層とガス拡散層との接触抵抗を下げるために、カーボン粒子と撥水剤とからなる、例えば厚さ数十μｍのカーボン撥水剤層１２を、触媒層側の基材１１表面に形成してなる。
【００１１】
ところで、前述のように、ガス拡散層に、数μｍのカーボン繊維からなる厚さ数百μｍのクロスやペーパーを用いたような場合、その基材表面から、カーボン繊維が突出する場合がある。燃料電池スタックにおいては、ガス拡散層を含む電極部材間の接触抵抗増加による出力の損失を防ぐために、スタックの各積層部材は、その積層方向に加圧して締付けられる。
【００１２】
電池スタックを締付けた際に、基材１１の表面から突出したカーボン繊維１３により、触媒層２や固体高分子電解質膜１が損傷し、ピンホールができる場合がある。この場合には、燃料極と空気極の反応ガスのクロスリークが生じ、安定した運転ができなくなる可能性がある。また、触媒層側にカーボン撥水剤層１２が形成された場合においても、カーボン繊維１３がカーボン撥水剤層１２の表面から突出した場合には、同様の問題が生ずる。
【００１３】
上記の問題を解消するために、特許文献１は、下記の製造方法を開示している。即ち、「カーボンクロスの表面に撥水性カーボン層を形成した後、ホットプレスを施し表面を平坦化したものをガス拡散層とし、次いで撥水性カーボン層に隣接して触媒層を配置することにより電極を構成する製造方法」である（詳細は、特許文献１参照）。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−８５０１９号公報（第２−３頁）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の特許文献１に記載された電極、主として、ガス拡散層の製造方法によれば、ホットプレスにより、ある程度の基材表面の平坦化を図ることができるものの、基材表面から突出したカーボン繊維は、反り返りがあるので、所期の平坦化もしくは平滑化がなされず、前記触媒層や固体高分子電解質膜の損傷が発生する可能性が残る。
【００１６】
また、特許文献１の方法のように、ホットプレスにより平坦化を図る場合、ホットプレスによりガス拡散層の少なくとも一部は塑性変形が生ずるので、寸法精度を安定して得るために相応の管理が必要となる。
【００１７】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、触媒層と隣接する側のガス拡散層表面の充分なる平滑化を安定的に図ることを可能とし、もって、燃料電池の安定した長時間連続運転を可能とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、固体高分子電解質膜を挟んで両主面に配設した触媒層と、この触媒層の両外側に配設した多孔質のガス拡散層とを備えた固体高分子型燃料電池の前記ガス拡散層の製造方法において、前記ガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質基材からなるものとし、この導電性多孔質基材を所定寸法に形成した後、前記触媒層と隣接する側の前記基材表面を、放電のアーク熱により平滑化処理することとする（請求項１の発明）。
【００１９】
上記によれば、触媒層側のガス拡散層表面から突出したカーボン繊維を、放電のアーク熱加工により焼失させることができ、これにより前記ガス拡散層表面が平滑化する。その結果、スタックを締付けた際に、ガス拡散層が原因となって触媒層や固体高分子膜が損傷することが防止され、空気極と燃料極の反応ガスクロスリークが起こりにくくなり、長時間安定した連続運転が可能となる。
【００２０】
上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし５の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の製造方法において、前記平滑化処理は、前記導電性多孔質基材を一方の電極とし、かつグラファイト電極を他方の電極として、電気絶縁性の加工液中で前記両電極間にパルス電圧を印加し、これにより放電のアーク熱を発生させ、このアーク熱により、導電性多孔質基材の前記基材表面から突出したカーボン繊維を溶融させて平滑化する処理とする（請求項２の発明）。
【００２１】
上記のように、グラファイト電極を用いることなしに、金属電極を用いた場合には、電極材料の溶融物が導電性多孔質基材に付着して、ガス拡散層の性能に悪影響を及ぼす問題が発生する恐れがあるが、導電性多孔質基材と同系統の電極材料を用いることにより前記悪影響は抑制される。なお、前記電気絶縁性の加工液としては、例えば、一般的な放電加工において使用される灯油が使用できる。
【００２２】
また、前記請求項２に記載の製造方法において、前記パルス電圧を印加する両電極面の間隙は、１０〜５００μｍとする（請求項３の発明）のが好ましい。
【００２３】
さらに、カーボン撥水剤層を備える場合には、下記請求項４または５とする。即ち、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の製造方法において、前記平滑化処理後に、カーボン撥水剤層を前記基材表面に形成する（請求項４の発明）。または、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の製造方法において、予めカーボン撥水剤層を前記基材表面に形成した後に、前記平滑化処理を行なう（請求項５の発明）。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、この発明の実施例について以下にのべる。
【００２５】
図１は、この発明の実施例に関わるガス拡散層の表面処理方法の模式的説明図を示し、ガス拡散層としては図２（ａ）に示したものに適用した例を示す。図１において、１１は基材、１４は放電加工反応槽、１５はグラファイト電極、１６は加工液、１７はアーク発生装置を示す。
【００２６】
放電加工反応槽１４の中には、電気絶縁性の加工液６（例えば、灯油）が満たされ、基材１１とグラファイト電極１５とが対面して配置される。基材１１を例えば陽極、グラファイト電極１５を陰極として、パルス電源を備えるアーク発生装置１７により、基材１１とグラファイト電極１５との間に、放電によりアークを発生させる。発生したアークにより、基材１１の表面から突出したカーボン繊維が焼失する。
【００２７】
基材１１とグラファイト電極１５との間の表面間距離は、基材表面から突出したカーボン繊維の状態により調整するが、電極表面にグラファイト電極５が接触すると、基材１１の表面が焼失する可能性があり、距離が長すぎると基材表面から突出したカーボン繊維が焼失する効果が得られない可能性がある。上記観点から、好ましい両電極の間隙の範囲は、１０〜５００μｍとする。
【００２８】
なお、本実施例では、基材１１のみでガス拡散層が形成される場合の表面処理について説明したが、図２（ｂ）に示したカーボン撥水剤層を有するガス拡散層に関しても、その表面処理方法は同様である。また、前述のように、カーボン撥水剤層を上記図１の表面処理後に形成することもできる。
【００２９】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、固体高分子電解質膜を挟んで両主面に配設した触媒層と、この触媒層の両外側に配設した多孔質のガス拡散層とを備えた固体高分子型燃料電池の前記ガス拡散層の製造方法において、前記ガス拡散層が、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質基材のみからなるものとする場合には、この導電性多孔質基材を所定寸法に形成した後、前記触媒層と隣接する側の前記基材表面を、放電のアーク熱により平滑化処理することとし、
前記ガス拡散層が、カーボン撥水剤層を備えるものとする場合には、前記平滑化処理後にカーボン撥水剤層を形成する、もしくは予めカーボン撥水剤層を形成した後に前記平滑化処理を行なうこととしたので、
触媒層と隣接する側のガス拡散層表面の充分なる平滑化を安定的に図ることを可能とし、もって、燃料電池の安定した長時間連続運転を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わるガス拡散層の表面処理方法の模式的説明図
【図２】この発明に関わるガス拡散層の模式的構成図
【図３】固体高分子型燃料電池セルの一部拡大断面図
【図４】固体高分子型燃料電池セルの構成の斜視図
【符号の説明】
１：固体高分子電解質膜、２：触媒層、３：ガス拡散層、５：セパレータ、１１：基材、１２：カーボン撥水剤層、１３：カーボン繊維、１４：放電加工反応槽、１５：グラファイト電極、１６：加工液、１７：アーク発生装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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