(57)【要約】【課題】ＧＤＬ基材の側面の炭素繊維の毛羽立ちに起因して発生するガスクロスリークや微小ショート等の性能劣化を抑制する。【解決手段】本発明の炭素繊維シートを用いたガス拡散層基材は、炭素繊維シートを構成する炭素繊維部材のうち、炭素繊維シートの外周縁部における炭素繊維部材は、外周縁部の外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維シートを用いたガス拡散層基材であって、
前記炭素繊維シートを構成する炭素繊維部材のうち、前記炭素繊維シートの外周縁部における前記炭素繊維部材は、前記外周縁部の外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向されている
ことを特徴とするガス拡散層基材。
【請求項２】
炭素繊維シートを用いたガス拡散層基材の製造方法であって、
（ａ）炭素繊維部材の分散水溶液から炭素繊維部材シートを抄造する工程と
（ｂ）前記炭素繊維部材シートの外周縁部について、スキージを用いて前記外周縁部の外周の辺に沿って前記外周縁部の面を掻き取って、前記外周縁部を構成する前記炭素繊維部材にせん断力を与えることにより、前記外周縁部を構成する前記炭素繊維部材を、前記外周縁部の外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向させる工程と、
（ｃ）前記外周縁部の炭素繊維部材が配向化された炭素繊維部材シートに熱硬化性樹脂を含浸させる工程と、
（ｄ）前記熱硬化性樹脂が含浸された炭素繊維部材シートを不活性ガスの雰囲気下において焼成して前記炭素繊維部材同士を結着させて、前記炭素繊維シートを得る工程と、
を備えることを特徴とするガス拡散層基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散層を構成するためのガス拡散層基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）には、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）の両面に触媒電極層およびガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が用いられている。
【０００３】
ガス拡散層（以下、「ＧＤＬ」とも略す）としては、ガス拡散性および導電性に優れた炭素繊維シートで構成されるガス拡散層基材（以下、「ＧＤＬ基材」とも略す）が利用されている。なお、ＧＤＬとしては、通常、ＧＤＬ基材に加えて、触媒層との間に、ＧＤＬの排水能力の向上や必要以上の水分分散の防止等を目的とした多孔質薄膜（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）が設けられる。
【０００４】
ここで、触媒層上に積層するＧＤＬのＧＤＬ基材の表面には、炭素繊維シートを構成する炭素繊維の毛羽立ちが存在し、触媒層、さらには、電解質膜に突き刺さる可能性がある。このように、炭素繊維の毛羽が触媒層や電解質膜に突き刺さり、電解質膜を貫通した場合、燃料ガスや酸化ガス（以下、単に「ガス」とも呼ぶ）のクロスリークや、アノードとカソードの両極間での微小ショート等の性能劣化を招くことがわかっている。この問題を低減するために、例えば、特許文献１に記載の製造方法が開示されている。これは、ＧＤＬ基材の両側表面を平滑な金属面で挟み、０．５ＭＰａ〜２ＭＰａの圧力で加圧することにより、炭素繊維の毛羽立ちを抑制するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５は、従来のＧＤＬ基材の問題点について示す説明図である。図５（Ａ）は従来のＧＤＬ基材１０Ｒの断面を模式的に示している。図５（Ｂ）は、従来のＧＤＬ基材１０Ｒを用いて構成されたＭＥＡの側面領域を拡大して模式的に示している。図５（Ａ）に示すように、従来技術のＧＤＬ基材１０Ｒでは、両側表面の炭素繊維部材ＣＦｓの毛羽立ちは抑制されているが、側面においては破線円領域に示すように炭素繊維部材ＣＦｓの毛羽立ちが存在する可能性が高い。ここで、電解質膜は、発電動作中における水分状態の変動（乾湿変動）によって、膨潤や収縮を繰り返し、サイズ変動や変形が発生することになる。このとき、図５（Ｂ）の破線円領域に示すように、電解質膜の両面に触媒層が形成された３層構造の膜電極接合体（以下、「ＣＣＭ」とも呼ぶ）３０の両面に、ＭＰＬ２０およびＧＤＬ基材１０ＲによるＧＤＬが形成されたＭＥＡにおいて、ＣＣＭ３０がＧＤＬ基材１０Ｒの側面近傍にまで拡大変形する可能性がある。この場合、ＧＤＬ基材１０Ｒの側面に存在する炭素繊維部材ＣＦｓの毛羽がＣＣＭ３０に突き刺さる可能性があり、結果として、ガスクロスリークや微小ショート等の性能劣化を招く場合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、ＧＤＬ基材の側面の炭素繊維の毛羽立ちに起因して発生するガスクロスリークや微小ショート等の性能劣化を抑制することが可能な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】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］
炭素繊維シートを用いたガス拡散層基材であって、
前記炭素繊維シートを構成する炭素繊維部材のうち、前記炭素繊維シートの外周縁部における前記炭素繊維部材は、前記外周縁部の外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向されている
ことを特徴とするガス拡散層基材。
このガス拡散層基材によれば、炭素繊維シートの外周縁部を構成する炭素繊維部材が外周の辺に沿った方向に配向されているので、ガス拡散層基材の側面における炭素繊維部材の毛羽立ちが抑制される。これにより、このガス拡散層基材を用いてＭＥＡを構成した場合に、ガス拡散層基材の側面の炭素繊維部材の毛羽立ちに起因して発生するガスクロスリークや微小ショート等の性能劣化を抑制することが可能となる。
【００１０】
［適用例２］
炭素繊維シートを用いたガス拡散層基材の製造方法であって、
（ａ）炭素繊維部材の分散水溶液から炭素繊維部材シートを抄造する工程と
（ｂ）前記炭素繊維部材シートの外周縁部について、スキージを用いて前記外周縁部の外周の辺に沿って前記外周縁部の面を掻き取って、前記外周縁部を構成する前記炭素繊維部材にせん断力を与えることにより、前記外周縁部を構成する前記炭素繊維部材を、前記外周縁部の外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向させる工程と、
（ｃ）前記外周縁部の炭素繊維部材が配向化された炭素繊維部材シートに熱硬化性樹脂を含浸させる工程と、
（ｄ）前記熱硬化性樹脂が含浸された炭素繊維部材シートを不活性ガスの雰囲気下において焼成して前記炭素繊維部材同士を結着させて、前記炭素繊維シートを得る工程と、
を備えることを特徴とするガス拡散層基材の製造方法。
このガス拡散層基材の製造方法によれば、外周縁部を構成する炭素繊維部材が外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向された炭素繊維シートを用いたガス拡散層基材を製造することができる。
【００１１】
なお、本発明は、ガス拡散層基材およびガス拡散層基材の製造方法だけでなく、ガス拡散層や膜電極接合体、ガス拡散層や膜電極接合体の製造方法等の種々の形態で実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例としてのガス拡散層基材について示す説明図である。
【図２】図１に示したガス拡散層基材の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】工程２について示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施例としてのガス拡散層基材について示す説明図である。
【図５】従来のＧＤＬ基材の問題点について示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施例としてのガス拡散層基材について示す説明図である。図１（Ａ）はガス拡散層（ＧＤＬ）基材１０の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ切断面を拡大して示す概略断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の一点鎖線で示す外周縁領域Ｃを示す概略拡大図、図１（Ｄ）は図１（Ａ）の一点鎖線で示す外周縁領域Ｄを示す概略拡大図、図１（Ｅ）は図１（Ａ）の一転鎖線で示す外周縁領域Ｅを示す概略拡大図である。
【００１４】
ガス拡散層基材（ＧＤＬ基材）１０は、図１（Ａ）の破線で示した枠の内側の主体部１０ａと外側の外周縁部１０ｂとに概ね区分される。図１（Ｂ）に示すように、主体部１０ａは、従来のＧＤＬ基材として用いられる多孔質な炭素繊維シートと同様に、炭素繊維部材ＣＦｓが分散して無作為な方向で絡まりあった構造を有している。これに対して、外周縁部１０ｂは、炭素繊維部材ＣＦｓが外周の辺に平行に並ぶように配向されている。例えば、図１（Ｃ）に示すように、辺１０ｅ１を有する外周辺縁部１０ｂの外周縁領域Ｃでは、炭素繊維部材ＣＦｓは外周の辺１０ｅ１に平行に並ぶように配向されている。また、図１（Ｄ）に示すように、辺１０ｅ２を有する外周縁部１０ｂの外周縁領域Ｄでは、炭素繊維部材ＣＦｓは外周の辺１０ｅ２に平行に並ぶように配向されている。そして、図１（Ｅ）に示すように、辺１０ｅ１と辺１０ｅ２の交わる角部では、角部の曲線状の辺に沿って平行に並ぶように配向されている。
【００１５】
この構成のＧＤＬ基材１０は、外周縁部１０ｂを構成する炭素繊維部材ＣＦｓが外周の辺に平行に並ぶように配向されていることにより、側面における炭素繊維部材の毛羽立ちを抑制することが可能であり、これを用いて構成したＭＥＡにおいて、ＣＣＭに対して炭素繊維部材が突き刺さってガスクロスリークや微小ショート等が発生することを抑制することができ、発電性能の向上を図ることが可能である。
【００１６】
なお、外周縁部１０ｂの幅Ｗｅは、炭素繊維部材ＣＦｓの長さの最大値（以下、「最大長」とも呼ぶ）Ｌｃｆ（ｍａｘ）以上に設定されていることが好ましい。このようにすれば、仮に、最大長Ｌｃｆ（ｍａｘ）の炭素繊維部材ＣＦｓが主体部１０ａと外周縁部１０ｂの境界に存在して、垂直方向に飛び出したとしても、ＧＤＬ基材１０の側面から飛び出さないようにすることができる。また、炭素繊維部材ＣＦｓの平行状態は、少なくとも、炭素繊維部材ＣＦｓの最大長Ｌｃｆ（ｍａｘ）以上であることが好ましい。このようにすれば、外周縁部１０ｂ中の炭素繊維部材ｃｆｓがＧＤＬ１０の側面から飛び出さないようにすることができる。
【００１７】
図２は、図１に示したガス拡散層基材の製造方法の一例を示すフローチャートである。まず、工程１では、炭素繊維分散液から帯状の炭素繊維部材シートを抄造するとともに、得られた炭素繊維部材シートを有機質バインダーの水性分散液に浸漬し乾燥させる。なお、炭素繊維分散液は、炭素繊維部材を水媒体に分散させたものである。
【００１８】
炭素繊維部材を構成する炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ，以下、「ＰＡＮ」と略す）系の炭素繊維や、ピッチ系の炭素繊維、レーヨン系の炭素繊維、フェノール系の炭素繊維等の種々の炭素繊維等を用いることができる。なお、これらの炭素繊維のうち、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維は、機械的強度や適度な柔軟性の点で優れており、ガス拡散層基材の材料として好ましく、ＰＡＮ系炭素繊維のほうがより好ましい。本例では、ＰＡＮ系炭素繊維が用いられているものとする。
【００１９】
炭素繊維部材シートとしては、炭素繊維部材が均一に分散され無作為な方向で絡み合っており、また、強度や柔軟性が高いことが好ましい。このため、炭素繊維部材の長さとしては、平均繊維長が３ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内のものを用いることが好ましい。さらに、上記したように、本例では、外周縁部１０ｂの幅Ｗｅが構成する炭素繊維部材ＣＦｓの長さの最大値Ｌｃｆ（ｍａｘ）以上に設定されていることが好ましいと規定している。そこで、利用する炭素繊維部材を所定の長さを有す炭素繊維部材と規定することがこのましく、このような所定の長さを有する炭素繊維部材は、例えば、選択した炭素繊維を所定の長さにカットすることにより得ることができる。本例においては、所定の長さを１０ｍｍでカットすることとして、処理のバラツキを考慮しても最大でも２０ｍｍ（＝Ｌｃｆ（ｍａｘ））より大きくならないようにカットした炭素繊維部材を用いるものとする。なお、炭素繊維の単繊維の平均径も、強度や柔軟性を考慮して５μｍ〜２０μｍの範囲内にあるものを選択するのが好ましい。また、炭素繊維部材の目付けが１５ｇ／ｍ2〜６０ｇ／ｍ2の範囲内にあるものが好ましい。
【００２０】
有機質バインダーとしては、ポリビニルアルコールや、セルロース、ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等の種々の有機質バインダーを用いることができる。なお、抄造した炭素繊維部材シートに有機質バインダーを付与するのは、形態保持性やハンドリング性を向上させるためであり、省略することも可能である。
【００２１】
図３は、工程２について示す説明図である。工程２では、図３に示すように工程部１で得られた帯状の炭素繊維部材シートにおいて、各ＧＤＬ基材として分割する領域１０Ｍ１毎に、外周の辺に相当する境界線から内側の幅Ｗｅの外周縁部１０Ｍｂについて、スキージＳＱを用いて外周の辺に沿って外周縁部１０Ｍｂの表面を掻き取ることによって炭素繊維部材にせん断力を与え、外周縁部１０Ｍｂを構成する炭素繊維部材を、外周縁部の外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向させる。外周縁部１０Ｍｂの幅Ｗｅは、上記炭素繊維部材の長さのバラツキを考慮して２０ｍｍ以下とならないように設定するものとする。また、辺にそった平行状態は、炭素繊維部材の長さ以上の長さで平行状態が保たれるようにすることが好ましい。例えば、本例の場合、炭素繊維部材を１０ｍｍでカットしたものを用いているので、最低でも１０ｍｍ程度は平行状態が保たれていることが好ましい。さらに、最大長Ｌｃｆ（ｍａｘ）を考慮すると、本例ではＬｃｆ≦２０ｍｍとしているので、２０ｍｍ程度は平行状態が保たれていることがより好ましい。角部分については、所定のＲの曲線に沿って炭素繊維部材が並ぶように配向させる。なお、各角部分については、後述する工程４を経てＧＤＬ基材が帯状に作製された後に各ＧＤＬ基材を分割する際において、炭素繊維部材の曲線状の配向に沿って外形が曲線状となるように切断すればよい。ただし、工程１において１枚単位で炭素繊維部材シートが抄造される場合には、先に曲線状に切断された角部のＲ（曲線）に沿って炭素繊維部材を配向させるようにしてもよい。
【００２２】
なお、スキージＳＱとしては、ウレタンスキージやメタルスキージ等の種々のスキージを用いることができるが、先端の形状が櫛歯形状となっているものを用いるほうが好ましい。
【００２３】
工程３では、工程２で得られた外周縁部が配向化された炭素繊維部材シート（以下、「配向化炭素繊維部材シート」とも呼ぶ）に、熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱および加圧して熱硬化性樹脂を硬化させるとともに成型する。このように成型すれば、シートの厚みや空孔率を適切化することが可能である。
【００２４】
熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の種々の熱硬化性樹脂を用いることができるが、焼成による炭素化に優れるフェノール樹脂を用いることが好ましい。また、熱硬化性樹脂には、カーボンブラックや黒鉛等の導電性粉末を混入させて、作製されたＧＤＬ基材となる炭素繊維シートの電気的特性を向上させるようにしてもよい。加熱温度としては１００℃〜２５０℃の範囲内、および、加圧力としては０，０１ＭＰａ〜２ＭＰａの範囲内で適切な加熱温度および加圧力に設定すればよい。またん熱硬化性樹脂の含浸は、炭素繊維部材の目付けが１５ｇ／ｍ2〜６０ｇ／ｍ2の範囲内となるように、目付けが１３ｇ／ｍ2〜１５０ｇ／ｍ2の範囲内となるように実行する。
【００２５】
工程４では、工程３で得られた熱硬化性樹脂が含浸、硬化および成型された炭素繊維部材シート（以下、「熱硬化性樹脂含浸炭素繊維部材シート」とも呼ぶ）を、不活性ガス（例えば、窒素ガス等）の雰囲気下にて焼成して、含有する有機質バインダーや熱硬化性樹脂等の樹脂を炭素化することにより、熱硬化性樹脂含浸炭素繊維部材シートに含まれる炭素繊維部材同士を結着させ、ＧＤＬ基材となる炭素繊維シートを得る。焼成温度としては例えば１２００℃〜３０００℃の範囲内で適切な焼成温度に設定すればよい。
【００２６】
以上のようにして作製されたＧＤＬ基材は、工程２において、外周縁部について、スキージを用いて外周の辺に沿って外周縁部の表面を掻き取ることによって炭素繊維部材にせん断力を与え、外周縁部を構成する炭素繊維部材を、外周縁部の外周の辺に沿った方向に平行に並ぶように配向させているので、作製されたＧＤＬ基材の側面から炭素繊維部材が飛び出すことを抑制することができ、ＧＤＬ基材の側面における炭素繊維の毛羽立ちを抑制することが可能となる。そして、こうして作製したＧＤＬ基材を用いたＭＥＡにおいて、ＧＤＬ基材の側面の炭素繊維の毛羽立ちに起因して発生するガスクロスリークや微小ショート等の性能劣化を抑制することができる。
【００２７】
図４は、本発明の他の実施例としてのガス拡散層基材について示す説明図である。図４（Ａ）はＧＤＬ基材１０Ｂの平面図を示している。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示したＧＤＬ基材１０Ｂに接する面に形成されたガス流路ＧＬを、ＧＤＬ基材１０Ｂに接する面とは反対側の面に投影して示した平面図である。なお、図４（Ａ）において、破線は主体部１０Ｂａと外周縁部１０ｂとの境界を示しており、一点鎖線はセパレータＳＰのガス流路ＧＬに対応する領域を示している。また、図４（Ｂ）において、一点鎖線はセパレータＳＰ接するＧＤＬ基材１０Ｂの外形を示しており、破線はＧＤＬ基材１０Ｂの主体部１０Ｂａと外周縁部１０ｂとの境界を示している。
【００２８】
ＧＤＬ基材１０Ｂの外周縁部１０ｂは、実施例（図１〜図３参照）と同様の構造を有しており、炭素繊維部材ＣＦｓが外周の辺に平行に並ぶように配向されている。これに対してＧＤＬ基材１０Ｂの主体部１０Ｂａは、図４（Ａ）に実線矢印で示すように、ガス流路ＧＬに対応する領域を構成する炭素繊維部材ＣＦｓが、ガス流路ＧＬに沿った方向に配向されている。このような炭素繊維部材の配向は、ガス拡散層基材の作製の際に、外周縁部と同様に、スキージを用いてガス流路に対応する領域の表面を、ガス流路に沿って掻き取ることによって実現される。
【００２９】
この構成のＧＤＬ基材１０Ｂは、外周縁部１０ｂを構成する炭素繊維部材ＣＦｓが外周の辺に平行に並ぶように配向されていることにより、側面における炭素繊維部材の毛羽立ちを抑制することが可能であり、これを用いた構成したＭＥＡのＣＣＭに対して炭素繊維部材が突き刺さってガスクロスリークや微小ショート等が発生することを抑制することができ、発電性能の向上を図ることが可能である。また、ＧＤＬ基材１０Ｂの主体部１０Ｂａ内において、炭素繊維部材ＣＦｓがガス流路に沿った方向に配向されていることにより、これに垂直な方向へのガスの流れ、いわゆるパスカットの発生を抑制することができ、発電性能の向上を図ることも可能である。
【００３０】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…ＧＤＬ基材
１０ａ…主体部
１０ｂ…外周縁部
１０Ｂａ…主体部
１０Ｍ１…ＧＤＬ基材に対応する領域
１０Ｍｂ…外周縁部
１０ｅ１…辺
１０ｅ２…辺
２０…ＭＰＬ
３０…ＣＣＭ
ＧＬ…ガス流路
ＳＰ…セパレータ
ＳＱ…スキージ
ＣＦｓ…炭素繊維部材
【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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