(57)【要約】【課題】透水圧が効果的に低減された拡散層を作製することが可能な拡散層の作製方法を提供する。【解決手段】拡散層基材２１に純水Ｗを含浸させる含水工程と、純水Ｗを含浸させた拡散層基材２１に多孔体薄膜ペースト２２を塗布する塗布工程と、多孔体薄膜ペースト２２を塗布した拡散層基材２１を焼成する焼成工程と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散層基材に水を含浸させる含水工程と、
水を含浸させた拡散層基材に多孔体薄膜材を塗布する塗布工程と、
多孔体薄膜材を塗布した拡散層基材を焼成する焼成工程と、
を含む拡散層の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を構成する拡散層の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、ＭＥＡを挟持するセパレータとを備えるセルを積層して構成される。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の両側上に形成された触媒層と、各触媒層上に形成されたガス拡散層と、を備えている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４１５８８号公報
【特許文献２】特開２００５−３２６８１号公報
【特許文献３】特許第４８２４２９８号公報
【特許文献４】特開２００７−２０７６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池を構成するセルのカソード側の拡散層には、反応で生成した水を速やかに外部へ排出する機能が要求される。その指標の一つとして拡散層の透水圧が挙げられており、規格で定められた所定の透水圧以下とすることが要求されている。
【０００５】
例えば、拡散層の透水圧をコントロールする手法として、拡散層に形成する多孔体薄膜層となる多孔体薄膜ペーストの拡散層基材への塗布後の焼成工程において、焼成温度を高めたり、多孔体薄膜ペーストの塗面への面直温風の風量を多くすることが考えられる。しかし、このような手法では、多孔体薄膜ペーストと触媒層との密着力の低下、多孔体薄膜ペーストの目付の面内ばらつき、あるいは風量アップによる拡散層基材のばたつきの発生等の不具合が生じるおそれがある。このように、有効な透水圧のコントロール手法が確立されていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、透水圧が効果的に低減された拡散層を作製することが可能な拡散層の作製方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の拡散層の作製方法は、
拡散層基材に水を含浸させる含水工程と、
水を含浸させた拡散層基材に多孔体薄膜材を塗布する塗布工程と、
多孔体薄膜材を塗布した拡散層基材を焼成する焼成工程と、
を含む。
【０００８】
この構成によれば、焼成によって形成される多孔体薄膜の表面のヒビを多く発生させることができ、よって、拡散層の透水圧を効果的に低減させることができる。これにより、拡散層の透水圧を、規格で定められた所定の透水圧以下に容易にコントロールすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の拡散層の作製方法によれば、透水圧が効果的に低減された拡散層を作製することが可能な拡散層の作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池セルの概略構成を示す断面図である。
【図２】拡散層の作製手順を説明する図であって、（ａ）から（ｄ）は、それぞれ拡散層基材の断面図である。
【図３】異なるモードで作製した拡散層における透水圧を示すグラフである。
【図４】走査型電子顕微鏡で観察した拡散層の表面状態を示す図であって、（ａ）は実施例１における拡散層の表面を示す図、（ｂ）は比較例１における拡散層の表面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る拡散層の作製方法の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、燃料電池セルの概略構成を示す断面図である。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池を構成するセル１０は、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」（Membrane-Electrode Assembly）とも呼ぶ）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。
【００１４】
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、アノード側ガス拡散層１４と、カソード側ガス拡散層１５と、を備えている。アノード側ガス拡散層１４は、アノード側拡散基材層１４ａおよびアノード側多孔体薄膜層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）１４ｂを含んでおり、カソード側ガス拡散層１５は、カソード側拡散基材層１５ａおよびカソード側多孔体薄膜層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）１５ｂを含んでいる。
【００１５】
アノード側触媒層１２は、電解質膜１１上に形成されており、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、アノード側多孔体薄膜層１４ｂが接するように形成されている。同様に、カソード側触媒層１３は、電解質膜１１上に形成されており、カソード側ガス拡散層１５は、カソード側触媒層１３の外側に、カソード側多孔体薄膜層１５ｂが接するように形成されている。
【００１６】
これにより、アノード側の構成とカソード側の構成は、電解質膜１１を挟んで対称になっている。
【００１７】
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のアノード側拡散基材層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、カソード側セパレータ１８とカソード側ガス拡散層１５のカソード側拡散基材層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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
アノード側ガス拡散層１４のアノード側拡散基材層１４ａおよびカソード側ガス拡散層１５のカソード側拡散基材層１５ａは、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスやガラス状カーボン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用いることができる。
【００２１】
アノード側ガス拡散層１４のアノード側多孔体薄膜層１４ｂおよびカソード側ガス拡散層１５のカソード側多孔体薄膜層１５ｂは、微細な気孔を有しており、過酸化水素分解のための酸化セリウムと、導電性部材としてのカーボンブラックと、撥水性部材としてのＰＴＦＥと、から構成される。
【００２２】
ところで、燃料電池を構成するセル１０のカソード側ガス拡散層１５には、発電時の反応で生成した水を速やかに外部へ排出する機能が要求される。
【００２３】
次に、透水圧を有効にコントロールしてカソード側ガス拡散層１５を作製する本発明の拡散層の製作方法について詳述する。
【００２４】
（含水工程）
まず、図２（ａ）に示すように、カソード側拡散基材層１５ａとなる拡散層基材２１を用意し、図２（ｂ）に示すように、拡散層基材２１の空隙を満たす量の純水Ｗを拡散層基材２１に含水させる。
【００２５】
（塗布工程）
次に、図２（ｃ）に示すように、拡散層基材２１にカソード側多孔体薄膜層１５ｂとなる多孔体薄膜ペースト（多孔体薄膜材）２２を塗布する。
【００２６】
（焼成工程）
その後、多孔体薄膜ペースト２２を塗布した拡散層基材２１の表裏両面を、赤外線ヒータによって２９０℃で９．５分間焼成する。
【００２７】
このようにすると、拡散層基材２１内部の水分が多孔体薄膜ペースト２２を通って蒸発することで、図２（ｄ）に示すように、多孔体薄膜ペースト２２に微細なヒビＨが多く発生する。
【００２８】
そして、このようにして形成されたカソード側ガス拡散層１５では、多孔体薄膜ペースト２２を焼成してなるカソード側多孔体薄膜層１５ｂの表面に形成された多くのヒビＨによって透水圧が低減することとなる。
【００２９】
このように、本実施形態に係る燃料電池の拡散層の作製方法によれば、カソード側ガス拡散層１５の透水圧を容易にコントロールして作製することができる。
【００３０】
これにより、発電時の反応で生成した水を速やかに外部へ排出する機能が要求されるカソード側ガス拡散層１５の透水圧を、規格で定められた所定の透水圧（４４ｋＰａ）以下にすることができる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、多孔体薄膜ペースト２２の塗布後に赤外線ヒータによって２９０℃で９．５分間焼成したが、この赤外線ヒータによる焼成前に、多孔体薄膜ペースト２２を塗布した拡散層基材２１の表裏両面へ１５０℃の温風を２分間吹き付けるプレ焼成を行っても良い。
【実施例】
【００３２】
（１）評価方法
表１に示すように、異なる条件で拡散層を作製し、それぞれの透水圧の測定及び表面状態の観察を行った。
【表１】
2013206621.tif 000003
【００３３】
（２）拡散層の作製
（実施例１）
拡散層基材に純水を含水させ（工程１）、拡散層基材に多孔体薄膜ペーストを塗布し（工程２）、その後、拡散層基材の表裏両面を赤外線ヒータによって２９０℃で９．５分間焼成した（工程３）。
（実施例２）
拡散層基材に純水を含水させ（工程１）、拡散層基材に多孔体薄膜ペーストを塗布し（工程２）、その後、拡散層基材の表裏両面へ１５０℃の温風を２分間吹き付けるプレ焼成を行い（工程３）、拡散層基材の表裏両面を赤外線ヒータによって２９０℃で９．５分間焼成した（工程４）。
（比較例１）
拡散層基材に純水を含水させることなく、拡散層基材に多孔体薄膜ペーストを塗布し（工程２）、その後、拡散層基材の表裏両面を赤外線ヒータによって２９０℃で９．５分間焼成した（工程３）。
【００３４】
（３）評価結果
図３に示すように、実施例１では、拡散層の透水圧が規格で定められた所定の透水圧（４４ｋＰａ）に対して大幅に低減され、その表面には、図４（ａ）に示すように、多くのヒビが発生していることが確認された。また、実施例２の場合も、規格で定められた所定の透水圧（４４ｋＰａ）に対して十分に低い透水圧が得られた。
【００３５】
これに対して、含水工程を行わない比較例１では、拡散層の透水圧が規格で定められた所定の透水圧（４４ｋＰａ）よりも僅かに低い程度に留まり、また、図４（ｂ）に示すように、実施例１よりも表面に発生したヒビが少なかった。
【符号の説明】
【００３６】
１０  セル
１５  カソード側ガス拡散層（拡散層）
２１  拡散層基材
２２  多孔体薄膜ペースト（多孔体薄膜材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013206621.tif 000006
【図４】
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