(57)【要約】【課題】燃料電池におけるガス拡散層と触媒層の密着性を上げて接触抵抗を下げつつ、排水性を確保する。【解決手段】燃料電池１は、電解質膜１０の両面に設けられた触媒層１１と、触媒層１１の外側に設けられたガス拡散層１３とを有している。ガス拡散層１３の触媒層１１と接する表面には、開口が形成されている。ガス拡散層１３の表面が触媒層１１の表面形状に追従可能であり、追従後のガス拡散層１３の表面の開口率が０．２５％以上である。ガス拡散層１３の表面層２１は、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布して形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に設けられた触媒層と、
前記触媒層の外側に設けられたガス拡散層と、を有し、
前記ガス拡散層の前記触媒層と接する表面には、開口が形成されており、
前記ガス拡散層の表面が前記触媒層の表面形状に追従可能であり、追従後の前記ガス拡散層の表面の開口率が０．２５％以上である、燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層の表面層は、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布して形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
燃料電池のガス拡散層の製造方法であって、
ガス拡散性基材の表面に撥水ペーストを塗布し乾燥させて、ガス拡散性基材の表面に撥水膜を形成する工程と、
前記撥水膜が形成されたガス拡散性基材の表面に、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布し乾燥させて、ガス拡散性基材の表面に表面層を形成する工程と、
前記表面層が形成されたガス拡散性基材を焼成する工程と、を有する、燃料電池の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、燃料電池、及び燃料電池のガス拡散層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の各セルは、例えばイオン透過性の電解質膜と当該電解質の両面に接着された触媒層とからなる膜／電極接合体（ＭＥＡ）と、当該ＭＥＡの両面に接するガス拡散層と、各ガス拡散層の外側に接するガス流路を有するセパレータを有している。
【０００３】
上記各セルでは、一方のアノード側のセパレータのガス流路に燃料ガスが供給され、他方のカソード側のセパレータのガス流路に酸化ガスが供給され、ガス拡散層で拡散されたガスが、ＭＥＡを通じて電気化学反応を起こし、発電が行われる。
【０００４】
ところで、燃料電池の性能は、セルの各層の境界面の接触抵抗に影響を受ける。このため、ガス拡散層と触媒層との境界面においてガス拡散層の剛性を下げて、ガス拡散層と触媒層の密着性を上げ、接触抵抗を下げることが行われている。特許文献１には、触媒層と補強層及び触媒層と電解質膜の界面の接着力を向上する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−３０１７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のようにガス拡散層の剛性を下げて密着性を向上する場合、触媒層と密着（圧着）した時にガス拡散層の境界面が密になり、通水性が低下する。これにより、電気化学反応により生成された水の排水性が低下し、セル内に水が滞留して、燃料電池の性能が低下する。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ガス拡散層と触媒層の密着性を上げて接触抵抗を下げつつ、排水性を確保する燃料電池を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、電解質膜の両面に設けられた触媒層と、前記触媒層の外側に設けられたガス拡散層と、を有し、前記ガス拡散層の前記触媒層と接する表面には、開口が形成されており、前記ガス拡散層の表面が前記触媒層の表面形状に追従可能であり、追従後の前記ガス拡散層の表面の開口率が０．２５％以上である、燃料電池である。
【０００９】
本発明によれば、ガス拡散層の表面が触媒層の表面形状に追従可能であるので、ガス拡散層と触媒層の密着性を上げて接触抵抗を下げることができる。また、追従後のガス拡散層の表面の開口率が０．２５％以上であるので、排水性も確保できる。
【００１０】
前記ガス拡散層の表面層は、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布して形成されていてもよい。
【００１１】
別の観点による本発明は、燃料電池のガス拡散層の製造方法であって、ガス拡散性基材の表面に撥水ペーストを塗布し乾燥させて、ガス拡散性基材の表面に撥水膜を形成する工程と、前記撥水膜が形成されたガス拡散性基材の表面に、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布し乾燥させて、ガス拡散性基材の表面に表面層を形成する工程と、前記表面層が形成されたガス拡散性基材を焼成する工程と、を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガス拡散層と触媒層の密着性を上げて接触抵抗を下げつつ、排水性を確保できるので、燃料電池の性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池のセル構造を模式的に示す説明図である。
【図２】ガス拡散層の表面層の拡大図である。
【図３】ガス拡散層の製造方法の主な工程を示すフローチャートである。
【図４】追従時に表面層の動きを示す説明図である。
【図５】透水圧、ＭＰＬペーストの粘度及び開口率の関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）が開口率０．２％となった表面層の写真であり、（ｂ）が開口率が０．２６％となった表面層の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、燃料電池１内のセル構造を模式的に示す説明図である。燃料電池１は、積層された多数のセル２を有している。燃料電池１の各セル２は、例えば電解質膜１０と当該電解質膜１０の両面に接着された触媒層１１とからなる膜／電極接合体（ＭＥＡ）１２と、ＭＥＡ１２の両面に接するガス拡散層１３と、各ガス拡散層１３の外側に接するガス流路１４を有するセパレータ１５を有している。
【００１６】
電解質膜１０には、イオン交換膜が用いられ、例えばフッ素系樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーや、非フッ素系樹脂であるのＢＰＳＨ（ポリアリーレンエーテルスルホン酸共重合体）などを有するプロトン伝導性のものを用いることができる。
【００１７】
触媒層１１は、触媒が担持された導電性担体や電解質などから構成されている。触媒の材料としては白金などが用いられ、導電性担体としてはカーボンブラック、カーボンナノチューブなどが用いられる。
【００１８】
セパレータ１５は、ガス不透過性の材質で形成され、その面内の全体に溝状のガス流路１４が形成されている。ガス不透過性の材質としては、カーボン材料、チタンやステンレスなどが用いられる。
【００１９】
ガス拡散層１３は、例えばガス拡散性基材２０と、触媒層１１側に面するガス拡散性基材２０の表面層２１を有している。ガス拡散性基材２０は、電気抵抗が低い、不織布により形成されたカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。表面層２１は、ガス拡散性基材２０に、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布して形成されている。表面層２１には、図２に示すように開口Ａが形成されている。表面層２１は、触媒層１１の表面形状に追従可能であり、追従後の表面層２１の開口率は、０．２５％以上である。
【００２０】
次に、以上のように構成された燃料電池１のガス拡散層１３の製造方法について説明する。図３は、当該ガス拡散層１３の製造方法の主な工程を示すフローチャートである。
【００２１】
先ず、ガス拡散性基材２０の表面に撥水ペーストを塗布し乾燥させて、ガス拡散性基材２０の表面に撥水膜を形成する（図３の工程Ｓ１）。撥水ペーストには、ＰＴＦＥなどの撥水性材料を主成分とする材料が用いられる。撥水ペーストの塗布は、ガス拡散性基材２０上を、ノズルが撥水ペーストを吐出しながら移動することによって行う。また、撥水ペーストの乾燥は、ガス拡散性基材２０を赤外線加熱炉で加熱することによって行う。
【００２２】
次に、撥水膜が形成されたガス拡散性基材２０の表面に、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布し乾燥させて、ガス拡散性基材２０の表面に表面層２１を形成する（図３の工程Ｓ２）。ＭＰＬは、マイクロポーラス層であり、ＭＰＬペーストは、ＰＴＦＥなどの撥水性材料とカーボンブラック（ＣＢ）などの導電性材料を主成分とする。ＭＰＬペーストの塗布は、ガス拡散性基材２０上を、ダイヘッドがＭＰＬペーストを吐出しながら移動することによって行う。また、ＭＰＬペーストの乾燥は、熱処理室でガス拡散性基材２０を垂直に吊るして行う。
【００２３】
次に、例えばバッチ式焼成炉において、表面層２１が形成されたガス拡散性基材２０を焼成する（図３の工程Ｓ３）。この焼成により、表面層２１に撥水性が付与される。こうして、ガス拡散性基材２０の表面には、触媒層１１の表面形状に追従可能な表面層２１が形成される。ガス拡散性基材２０の表面層２１が追従すると、図４に示すように表面の開口面積が狭くなるが、表面層２１の追従後の開口率が０．２５％以上に維持される。
【００２４】
本実施の形態によれば、ガス拡散層１３の表面（表面層２１）が触媒層１１の表面形状に追従可能であるので、ガス拡散層１３と触媒層１１の密着性を上げて接触抵抗を下げることができる。また、追従後のガス拡散層１３の表面の開口率が０．２５％以上であるので、排水性も確保できる。
【００２５】
ガス拡散層１３の表面層２１は、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布して形成されている。図５には、透水圧、ＭＰＬペーストの粘度、及びガス拡散層１３の表面の開口率の関係を示すグラフを示す。また、図６の（ａ）には、１６００ｍＰａのＭＰＬペーストを塗布した場合のガス拡散層１３の表面写真を示し、図６の（ｂ）には、約１９６０ｍＰａのＭＰＬペーストを塗布した場合のガス拡散層１３の表面写真を示す。１６００ｍＰａのＭＰＬペーストを塗布した場合のガス拡散層１３の表面の開口率は、０．２％であり、約１９６０ｍＰａのＭＰＬペーストを塗布した場合のガス拡散層１３の表面の開口率は、０．２６％であった。図５のグラフにおいて、前者は点Ａであり、後者は点Ｂである。よって、粘度が１７００ｍＰａ以上のＭＰＬペーストを塗布してガス拡散層１３の表面層２１を形成することにより、ガス拡散層１３の表面の開口率が０．２５％以上になり、排水性が向上する。
【００２６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、燃料電池においてガス拡散層と触媒層の密着性を上げて接触抵抗を下げつつ、排水性を確保する際に有用である。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池
１０  電解質膜
１１  触媒層
１２  ＭＥＡ
１３  ガス拡散層
２０  ガス拡散性基材
２１  表面層
【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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