(57)【要約】【課題】排水性を向上させることが可能なガス拡散層及びその製造方法、並びに、当該ガス拡散層を備える燃料電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】炭素材料を含有する拡散層基材２と、該拡散層基材２の表面に形成された撥水層３と、を有し、撥水層３に、炭素材料及び撥水性樹脂が含有され、拡散層基材２及び撥水層３に、熱水処理が施されている、ガス拡散層１とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、
前記撥水層に、炭素材料及び撥水性樹脂が含有され、
前記拡散層基材及び前記撥水層に、熱水処理が施されていることを特徴とする、ガス拡散層。
【請求項２】
前記撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることを特徴とする、請求項１に記載のガス拡散層。
【請求項３】
炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を備えるガス拡散層を製造する方法であって、
前記拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、前記拡散層基材の前記表面に前記撥水層を形成して構造体を作製する、撥水層形成工程と、
前記撥水層形成工程によって作製した前記構造体を、熱水で処理する、熱水処理工程と、
を有することを特徴とする、ガス拡散層の製造方法。
【請求項４】
前記撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることを特徴とする、請求項３に記載のガス拡散層の製造方法。
【請求項５】
膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備え、
前記ガス拡散層が、請求項１又は２に記載のガス拡散層であることを特徴とする、燃料電池。
【請求項６】
膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備える燃料電池を製造する方法であって、
前記ガス拡散層が、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、
前記拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、前記拡散層基材の前記表面に前記撥水層を形成して構造体を作製する、構造体作製工程と、
前記構造体作製工程によって作製した前記構造体を熱水で処理することにより、ガス拡散層を作製する、ガス拡散層作製工程と、
前記膜電極構造体を作製する、膜電極構造体作製工程と、
前記膜電極構造体作製工程によって作製した前記膜電極構造体の少なくとも一方に、前記ガス拡散層作製工程によって作製した前記ガス拡散層を配設する、配設工程と、
を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散層及びその製造方法、並びに、当該ガス拡散層を備える燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（以下「ＭＥＡ」ということがある。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」ということがある。）は、低温領域での運転が可能という特徴を有している。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを狭持する一対の集電体とを備え、ＭＥＡには、含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下「空気」という。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下「アノード触媒層」ということがある。）に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下「カソード触媒層」ということがある。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。
【０００４】
ＰＥＦＣで電気エネルギーを取り出すには、アノード触媒層へ水素が、カソード触媒層へ酸素が、それぞれ供給されることが必要とされ、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、アノード触媒層へ水素が均一に供給されるとともに、カソード触媒層へ酸素が均一に供給されることが必要とされる。かかる観点から、ＰＥＦＣの単セルには、アノード触媒層と集電体との間、及び／又は、カソード触媒層と集電体との間に、電子伝導性及びガス透過性を有するガス拡散層が配設される。
【０００５】
一方、ＰＥＦＣを高負荷状態（高電流密度領域）で運転させると、単セル内で多量の水が生成される。単セル内で生成された水（水蒸気）は、単セルの過度の温度上昇を抑制する等の目的で冷却される熱交換部材（例えば、セパレータや冷却管等）と接触することにより結露して液滴の水となり、当該液滴の水は、ＭＥＡへと流入し得る。液滴の水が流入することによりＭＥＡが水浸しの状態（フラッディング）になると、反応ガスの拡散が阻害されてＰＥＦＣの性能が低下する。それゆえ、ＭＥＡの外側に配設されるガス拡散層には、上記性能に加え、さらに、水の流入を低減する性質（撥水性）が必要とされる。このように、ＰＥＦＣに備えられるガス拡散層には様々な性質が必要とされ、ガス拡散層の性能を制御することにより、ＰＥＦＣの性能を向上させることが可能になる。
【０００６】
ガス拡散層に関する技術として、例えば、特許文献１には、ガス拡散基材上に撥水層を有するガス拡散層において、前記撥水層の少なくとも一部に、水の浸透経路を有するガス拡散層が開示され、親水処理されたカーボン粒子からなる水の浸透経路が開示されている。そして、当該ガス拡散層によれば、排水性を向上させることが可能になる、としている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１７９３１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＰＥＦＣの単セルに備えられる電解質膜は、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するため、ＰＥＦＣの運転時には、通常、加湿された水素及び空気（以下これらをまとめて「反応ガス」ということがある。）が単セルへと供給され、単セルには多くの水が存在する。かかる状態において、特許文献１に開示されたガス拡散層を使用すると、親水処理されたカーボン粒子からなる水の浸透経路に水が留まり易く、ガス拡散層の排水性が低下しやすいという問題があった。また、特許文献１に開示されたガス拡散層を、排水性を向上可能な形態とするには、水の浸透経路の両端をガス拡散層の表面及び裏面へ開口させた形態とする必要があると考えられるが、ガス拡散層の製造時に、水の浸透経路の方向を制御することは困難であるという問題もあった。
【０００９】
そこで本発明は、排水性を向上させることが可能なガス拡散層及びその製造方法、並びに、当該ガス拡散層を備える燃料電池及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、撥水層に、炭素材料及び撥水性樹脂が含有され、拡散層基材及び撥水層に、熱水処理が施されていることを特徴とする、ガス拡散層である。
【００１１】
第１の本発明及び以下に示す本発明（以下「本発明」という。）において、「炭素材料を含有する拡散層基材」とは、換言すれば、拡散層基材を構成する物質に炭素が含有されることを意味する。本発明で使用可能な拡散層基材の具体例としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等を挙げることができる。さらに、本発明において、「撥水層」は、撥水性、電子伝導性、及び、ガス透過性を有する層であれば、その形態は特に限定されない。本発明において、撥水層（又は撥水層を構成すべき組成物）に含有される「炭素材料」の具体例としては、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を挙げることができる。また、撥水層（又は撥水層を構成すべき組成物）に含有される「撥水性樹脂」の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン樹脂（ＰＣＴＦＥ）、フルオロビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）等を挙げることができる。さらに、本発明において、「熱水処理」とは、拡散層基材及び撥水層を熱水に浸漬又は拡散層基材及び撥水層に熱水を塗布する等により、拡散層基材及び撥水層に熱水を接触させる処理を意味する。本発明において、「熱水」とは、拡散層基材及び撥水層を有する構造体の撥水性の程度を低減（見かけの接触角を低減）させ得る温度の熱水を意味する。本発明において、熱水の温度としては、４０℃以上８０℃以下を例示することができる。また、熱水を接触させる時間は、構造体の撥水性の程度を低減（見かけの接触角を低減）させ得る時間であれば特に限定されるものではないが、１時間以上２０時間以下とすることが好ましい。
【００１２】
上記第１の本発明において、撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることが好ましい。
【００１３】
第２の本発明は、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を備えるガス拡散層を製造する方法であって、拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、拡散層基材の表面に撥水層を形成して構造体を作製する撥水層形成工程と、撥水層形成工程によって作製した構造体を、熱水で処理する熱水処理工程と、を有することを特徴とする、ガス拡散層の製造方法である。
【００１４】
上記第２の本発明において、撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることが好ましい。
【００１５】
第３の本発明は、膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備え、ガス拡散層が、上記第１の本発明（変形例を含む）にかかるガス拡散層であることを特徴とする、燃料電池である。
【００１６】
本発明において、「膜電極構造体」とは、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜と、該固体高分子膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された触媒層（アノード触媒層及びカソード触媒層）と、を備えるＭＥＡを意味する。さらに、本発明において、「膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層」とは、本発明の燃料電池には、アノード触媒層の外側及び／又はカソード触媒層の外側に、上記第１の本発明にかかるガス拡散層が配設されることを意味する。なお、本発明の燃料電池は、ガス拡散層として、上記第１の本発明にかかるガス拡散層のみが備えられる形態に限定されるものではなく、例えば、カソード触媒層の外側に上記第１の本発明にかかるガス拡散層が備えられ、かつ、アノード触媒層の外側に従来のガス拡散層が備えられる形態とすることも可能である。
【００１７】
第４の本発明は、膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備える燃料電池を製造する方法であって、上記ガス拡散層が、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、拡散層基材の表面に撥水層を形成して構造体を作製する構造体作製工程と、該構造体作製工程によって作製した構造体を熱水で処理することにより、ガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程と、膜電極構造体を作製する膜電極構造体作製工程と、該膜電極構造体作製工程によって作製した膜電極構造体の少なくとも一方に、上記ガス拡散層作製工程によって作製したガス拡散層を配設する配設工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
第１の本発明によれば、炭素材料を含有する拡散層基材及び撥水層に熱水処理が施されているので、拡散層基材及び撥水層に含有される炭素材料の撥水性を低減でき、その結果、ガス拡散層の撥水性の程度を低減できる。ガス拡散層の撥水性の程度を低減させると、撥水性の程度が低減される前と比較して、水蒸気及び液滴の水がガス拡散層の内部にまで入り込みやすくなり、水蒸気及び液滴の水との接触面積を増大させた撥水性のガス拡散層を得ることができる。かかる形態のガス拡散層は、多くの水蒸気及び液滴の水と接触することができるので、排水性を向上させることが可能になる。したがって、第１の本発明によれば、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を提供できる。
【００１９】
第１の本発明において、撥水層に含有される撥水性樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂であることにより、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を容易に得ることができる。
【００２０】
第２の本発明によれば、炭素材料を含有する拡散層基材及び撥水層を備える構造体を熱水で処理する熱水処理工程が備えられるので、撥水性の程度が低減されたガス拡散層を製造できる。撥水性の程度を低減することにより、水との接触面積を増大させて排水性を向上させることが可能になるので、第２の本発明によれば、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を製造し得る、ガス拡散層の製造方法を提供できる。
【００２１】
第２の本発明において、撥水層に含有される撥水性樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂であることにより、排水性を容易に向上させることが可能なガス拡散層を製造し得る、ガス拡散層の製造方法を提供できる。
【００２２】
第３の本発明にかかる燃料電池には、上記第１の本発明にかかるガス拡散層が備えられる。それゆえ、第３の本発明によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。
【００２３】
第４の本発明にかかる燃料電池の製造方法には、炭素材料を含有する拡散層基材及び撥水層を備える構造体を熱水で処理してガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程が備えられ、当該ガス拡散層作製工程で作製したガス拡散層を備える燃料電池が製造される。構造体を熱水で処理することにより、排水性を向上させたガス拡散層を作製できるので、第４の本発明によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
１．ガス拡散層
図１は、本発明のガス拡散層の形態例を概略的に示す断面図である。以下、図１を参照しつつ、本発明のガス拡散層について具体的に説明する。
【００２５】
図１に示すように、本発明のガス拡散層１は、拡散層基材２と、当該拡散層基材２の表面に形成された撥水層３を備える（以下において熱水処理を施される前の拡散層基材２及び撥水層３を、「拡散層基材２’」及び「撥水層３’」という）。拡散層基材２には、炭素材料が含有され、例えば、カーボンペーパーにより構成される。撥水層３には、炭素材料（例えば、ＶＧＣＦ）及び撥水性樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂）が含有される。そして、拡散層基材２及び撥水層３には、熱水処理（例えば、６０℃の熱水に１０時間浸漬する処理）が施されている。
【００２６】
熱水処理を施すことにより、熱水又は当該熱水から発生する水蒸気に触れた炭素材料の表面自由エネルギーを増大させることができるので、拡散層基材２’及び撥水層３’の撥水性の程度を低減することが可能になり、撥水性の程度を低減させたガス拡散層１とすることができる。このようにして撥水性の程度を低減させると、撥水性であるガス拡散層１の、水又は水蒸気との接触面積を増大させることができる。水又は水蒸気との接触面積を増大させると、撥水性であるガス拡散層１に、多くの水又は水蒸気を接触させることができるので、ガス拡散層１へ気体を別途供給する等により、ガス拡散層１の表面と接触した多量の水を排出すること（排水性を向上させること）ができる。したがって、本発明によれば、排水性を向上させることが可能な、ガス拡散層１を提供することができる。
【００２７】
なお、ガス拡散層の、水又は水蒸気との接触面積を増大させるという観点からは、撥水性の程度が低い（親水性の程度が高い）炭素材料を含有する、拡散層基材及び撥水層からなる形態のガス拡散層とすることも考えられる。しかし、かかる形態のガス拡散層は、撥水性が不十分であるため、排水性を向上させることができない。したがって、本発明では、十分な撥水性を有する構造体を作製した後に、熱水処理を施して当該構造体の撥水性の程度を低減することにより、必要とされる撥水性を確保しつつ排水性を向上させることが可能な、ガス拡散層１とする。
【００２８】
２．ガス拡散層の製造方法
図２は、本発明のガス拡散層の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。図３は、撥水層形成工程の形態例を示す概念図である。以下、図１乃至図３を参照しつつ、本発明のガス拡散層の製造方法によってガス拡散層１を製造する方法について具体的に説明する。
【００２９】
図２に示すように、本発明のガス拡散層の製造方法は、撥水層形成工程（工程Ｓ１１）と、熱水処理工程（工程Ｓ１２）と、を備え、工程Ｓ１１及び工程Ｓ１２を経て、ガス拡散層１が製造される。
【００３０】
２．１．撥水層形成工程（工程Ｓ１１）
工程Ｓ１１は、拡散層基材２’の表面へ、炭素材料（例えば、ＶＧＣＦ）及び撥水性樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂）を含有する組成物を塗布し、撥水性樹脂を溶解させる等の目的で当該組成物に含有される溶剤を揮発させることにより、拡散層基材２’の表面へ撥水層３’を形成し、拡散層基材２’及び撥水層３’を備える構造体４を作製する工程である（図３参照）。工程Ｓ１１において、拡散層基材２’の表面へ組成物を塗布する際の方法は特に限定されるものではない。工程Ｓ１１では、例えば、拡散層基材２’の表面へ、流動状態の上記組成物を、スプレー塗布、刷毛塗り、スクリーン印刷等の方法により塗布することができる。図３では、スプレー塗布法により、拡散層基材２’の表面に撥水層３’が形成される様子を示している。
【００３１】
２．２．熱水処理工程（工程Ｓ１２）
工程Ｓ１２は、上記工程Ｓ１１で作製した構造体４に、熱水処理を施すことにより、ガス拡散層１を製造する工程である。工程Ｓ１２で使用する熱水の温度は、拡散層基材２’及び撥水層３’に含有される炭素材料の表面自由エネルギーを増大させて構造体４の撥水性の程度を低減させ得る温度であれば、特に限定されるものではない。ただし、適度な時間内で炭素材料の表面自由エネルギーを増大させるという観点からは、４０℃以上とすることが好ましい。これに対し、炭素材料の表面自由エネルギーの変化の度合いを制御して撥水性の程度を制御しやすい形態とする等の観点からは、８０℃以下とすることが好ましい。
【００３２】
一方、熱水処理の時間は、拡散層基材２’及び撥水層３’に含有される炭素材料の表面自由エネルギーを増大させ得る時間であれば、特に限定されるものではなく、使用する熱水の温度に応じて適宜変更することができる。工程Ｓ１２における熱水処理時間は、例えば、１時間以上２０時間以下とすることができる。
【００３３】
工程Ｓ１２において、構造体４に施す熱水処理の形態は、構造体４に備えられる拡散層基材２’及び撥水層３’に熱水を接触させることが可能であれば、特に限定されるものではない。ただし、容易かつ確実に拡散層基材２’及び撥水層３’へ熱水を接触可能な形態とする等の観点からは、所定の容器に入れた熱水へ、所定時間（例えば、１時間以上２０時間以下）に亘って構造体４を浸漬させる等の形態とすることが好ましい。
【００３４】
３．燃料電池
図４は、本発明の燃料電池に備えられる単セルの形態例を概略的に示す断面図である。図４において、図１と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図１及び図４を参照しつつ、本発明の燃料電池について具体的に説明する。
【００３５】
図４に示すように、単セル１０は、電解質膜５、電解質膜５の一方の面に形成されたアノード触媒層６、及び、アノード触媒層６と反対側の面に形成されたカソード触媒層７、を備えるＭＥＡ８と、当該ＭＥＡ８の一方の側及び他方の側にそれぞれ配設されたガス拡散層１、１（以下においてアノード触媒層６側に配設されたガス拡散層１を「ガス拡散層１ａ」といい、カソード触媒層７側に配設されたガス拡散層１を「ガス拡散層１ｂ」ということがある。）と、ガス拡散層１ａ及びガス拡散層１ｂの外側に配設されたセパレータ９、９（以下においてガス拡散層１ａ側に配設されたセパレータ９を「セパレータ９ａ」といい、ガス拡散層１ｂ側に配設されたセパレータ９を「セパレータ９ｂ」ということがある。）と、を備える。ガス拡散層１ａは、撥水層３とアノード触媒層６とが接触するとともに、拡散層基材２とセパレータ９ａとが接触する形態で配設され、ガス拡散層１ｂは、撥水層３とカソード触媒層７とが接触するとともに、拡散層基材２とセパレータ９ｂとが接触する形態で配設される。そして、セパレータ９ａには、ガス拡散層１ａ側の面に溝９ｘ、９ｘ、…が備えられ、セパレータ９ｂには、ガス拡散層１ｂ側の面に溝９ｙ、９ｙ、…が備えられる。
【００３６】
電解質膜５は、８０℃程度の温度環境下で含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜である。一方、アノード触媒層６及びカソード触媒層７は、単セル１０の運転時に電気化学反応を生じさせる際の触媒として機能する金属粒子（例えば、Ｐｔ等。以下において単に「触媒」という。）と、プロトン伝導性ポリマーとを含有する。他方、セパレータ９ａ及びセパレータ９ｂは、ガス不透過性、電子伝導性、及び耐熱性等を有する物質（例えば、金属や炭素材料等）により構成されている。
【００３７】
単セル１０の運転時には、セパレータ９ａの溝９ｘ、９ｘ、…を介して水素が供給されるとともに、セパレータ９ｂの溝９ｙ、９ｙ、…を介して空気が供給され、セパレータ９ａ及びセパレータ９ｂは、冷媒流路（不図示）を流通する冷媒によって冷却される。溝９ｘ、９ｘ、…を介して供給されることにより、ガス拡散層１ａを通過してアノード触媒層６へと達した水素は、アノード触媒層６に含有される触媒の作用下でプロトン及び電子に分離する。アノード触媒層６で生じたプロトンは、アノード触媒層６、電解質膜５、及び、カソード触媒層７に含有されるプロトン伝導性ポリマーを伝って、カソード触媒層７へと達し、アノード触媒層６で生じたプロトンは、外部回路及びガス拡散層１ｂを経由してカソード触媒層７へと達する。そして、溝９ｙ、９ｙ、…を介して供給されることにより、ガス拡散層１ｂを通過してカソード触媒層７へと達した空気に含有される酸素と、アノード触媒層６からカソード触媒層７へと移動してきたプロトン及び電子とが、カソード触媒層７に含有される触媒の作用下で反応することにより、カソード触媒層７で水が生成される。なお、アノード触媒層６における上記反応に利用されなかった水素は、溝９ｘ、９ｘ、…を介して単セル１０の外へと排出されて回収され、カソード触媒層７における上記反応に利用されなかった空気は、溝９ｙ、９ｙ、…を介して単セル１０の外へと排出される。
【００３８】
このように、単セル１０の運転時には、プロトン及び電子が移動するため、当該移動の際の抵抗等に起因する熱が発生する。ＭＥＡ８に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、例えば８０℃程度等の温度環境下で含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するため、単セル１０の性能を向上させるためには、単セル１０の過度の温度上昇を防止する必要がある。かかる観点から、セパレータ９ａ及びセパレータ９ｂは、図示されていない冷媒流路内を流れる冷媒によって冷却される。それゆえ、上記反応によってカソード触媒層７で生じた水（水蒸気）は、冷却されているセパレータ９ｂ及び／又はセパレータ９ａに接触すると、結露して、液滴の水となる。
【００３９】
単セル１０において、セパレータ９ａとＭＥＡ８との間に配設されたガス拡散層１ａ、及び、セパレータ９ｂ及びＭＥＡ８との間に配設されたガス拡散層１ｂはガス透過性を有するカーボンペーパー等により構成されるため、液滴の水が通過し得る。ガス拡散層１ｂ及び／又はガス拡散層１ａを通過した液滴の水がＭＥＡ８へと達することにより、ＭＥＡ８が水浸しになると、アノード触媒層６及びカソード触媒層７への反応ガスの拡散が阻害されるため、単セル１０の性能が低下する。それゆえ、単セル１０の性能低下を防止するために、ガス拡散層１ｂ及びガス拡散層１ａには排水性が必要とされる。
【００４０】
上述のように、ガス拡散層１ｂ及びガス拡散層１ａは、熱水処理が施された拡散層基材２及び撥水層３を備える。かかる拡散層基材２及び撥水層３には、熱水処理を施されることにより撥水性の程度が低減された炭素材料が含有される。撥水性の程度が低減された撥水性のガス拡散層１ｂ及びガス拡散層１ａは、水との接触面積が増大された形態であるため、ガス拡散層１ｂ及びガス拡散層１ａは、多量の水と接触することができる。ここで、セパレータ９ａのガス拡散層１ａ側の面には、水素を流通させる溝９ｘ、９ｘ、…が備えられ、セパレータ９ｂのガス拡散層１ｂ側の面には、空気を流通させる溝９ｙ、９ｙ、…が備えられる。それゆえ、単セル１０では、ガス拡散層１ａの表面と接触した多量の水を、溝９ｘ、９ｘ、…を流通する水素とともに単セル１０の外へと排出することができ、ガス拡散層１ｂの表面と接触した多量の水を、溝９ｙ、９ｙ、…を流通する空気とともに単セル１０の外へと排出することができる。したがって、本発明のガス拡散層１ａ及び本発明のガス拡散層１ｂを備える単セル１０によれば、排水性を向上させることができる。したがって、単セル１０を備える本発明の燃料電池によれば、排水性を向上させることができ、性能を向上させることができる。
【００４１】
４．燃料電池の製造方法
図５は、本発明の燃料電池の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。以下、図４及び図５を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法によって単セル１０を備える燃料電池を製造する方法について具体的に説明する。
【００４２】
図５に示すように、本発明の燃料電池の製造方法は、構造体作製工程（工程Ｓ２１）と、ガス拡散層作製工程（工程Ｓ２２）と、膜電極構造体作製工程（工程Ｓ２３）と、配設工程（工程Ｓ２４）と、積層工程（工程Ｓ２５）と、を備え、工程Ｓ２１乃至工程Ｓ２５を経て、単セル１０を備える燃料電池が製造される。
【００４３】
４．１．構造体作製工程（工程Ｓ２１）
工程Ｓ２１は、拡散層基材２’の表面へ、撥水層３’を形成することにより、拡散層基材２’及び撥水層３’を備える構造体４を作製する工程である。工程Ｓ２１は、上記工程Ｓ１１と同様の形態とすることができる。
【００４４】
４．２．ガス拡散層作製工程（工程Ｓ２２）
工程Ｓ２２は、上記工程Ｓ２１で作製した構造体４に、熱水処理を施すことにより、ガス拡散層１を作製する工程である。工程Ｓ２２は、上記工程Ｓ１２と同様の形態とすることができる。
【００４５】
４．３．膜電極構造体作製工程（工程Ｓ２３）
工程Ｓ２３は、電解質膜５の一方の面へアノード触媒層６を形成し、かつ、当該アノード触媒層６が形成されるべき面と反対側の面へカソード触媒層７を形成することにより、電解質膜５とアノード触媒層６とカソード触媒層７とを備えるＭＥＡ８を作製する工程である。工程Ｓ２３は、ＭＥＡ８を作製可能であれば、その形態は特に限定されるものではない。工程Ｓ２３において、アノード触媒層６を形成する方法の具体例としては、触媒とプロトン伝導性ポリマーとを含有する流動状態の組成物（以下「触媒インク」という。）を、スプレー塗布、刷毛塗り、スクリーン印刷等の方法により電解質膜５の表面へ塗布し、触媒インクに含有される溶剤を揮発させることにより、電解質膜５の表面へアノード触媒層６を形成する形態を挙げることができる。工程Ｓ２３において、カソード触媒層７は、アノード触媒層６と同様の方法により形成することができる。
【００４６】
４．４．配設工程（工程Ｓ２４）
工程Ｓ２４は、上記工程Ｓ２３で作製したＭＥＡ８の両側に、上記工程Ｓ２２で作製したガス拡散層１、１を配設することにより、ＭＥＡ８が一対のガス拡散層１、１によって狭持された形態の第１積層体を作製する工程である。
【００４７】
４．５．積層工程（工程Ｓ２５）
工程Ｓ２５は、複数の単セル１０、１０、…を備える燃料電池を製造する工程である。工程Ｓ２５では、例えば、セパレータ９と、上記工程Ｓ２４で作製した第１積層体とを交互に積層することにより、複数の単セル１０、１０、…を備える第２積層体を作製する。その後、当該第２積層体における単セル１０、１０、…の積層方向両端側に集電板等を積層することにより第３積層体を形成する。そして、当該第３積層体をケース部材へ収容することにより、複数の単セル１０、１０、…を備える本発明の燃料電池を製造することができる。
このように、本発明の燃料電池の製造方法によって製造される燃料電池には、本発明のガス拡散層１、１を備える単セル１０、１０、…が備えられる。したがって、本発明の燃料電池の製造方法によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池を製造することができる。
【００４８】
本発明に関する上記説明では、拡散層基材２として、カーボンペーパーを例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、カーボンクロス等を用いることも可能である。本発明で用いられる拡散層基材は、電子伝導性及びガス透過性と、固体高分子膜を備えるＰＥＦＣやダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等の運転時における環境に耐え得る性質（以下「耐環境性」という。）と、を備え、かつ、その構成材料に炭素が含有されていれば良い。
【００４９】
また、本発明に関する上記説明では、撥水層３を構成する炭素材料として、ＶＧＣＦを例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明で用いられる撥水層に含有され得る他の炭素材料としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を例示することができる。さらに、本発明に関する上記説明では、撥水層３を構成する撥水性樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明で用いられる撥水層に含有され得る他の撥水性樹脂としては、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン樹脂（ＰＣＴＦＥ）、フルオロビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）等を例示することができる。ただし、排水性を向上させ得るガス拡散層を容易に製造可能とする等の観点からは、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を用いることが好ましい。
【００５０】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法において、電解質膜５は、ＰＥＦＣやＤＭＦＣ等で使用可能な、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であれば、その形態は特に限定されない。電解質膜５に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜５の具体例としては、Ｎａｆｉｏｎ（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標。）やフレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜５の具体例としては、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）を挙げることができる。
【００５１】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法において、アノード触媒層６及びカソード触媒層７に含有される触媒は、ＰＥＦＣやＤＭＦＣの運転時における温度環境下で上記電気化学反応を生じさせることが可能であり、かつ、耐環境性を有する金属粒子であれば、特に限定されない。アノード触媒層６及びカソード触媒層７に含有される触媒の具体例としては、Ｐｔのほか、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗからなる群より選択される１以上の金属とＰｔとを有するＰｔ合金等を挙げることができる。また、アノード触媒層６及びカソード触媒層７に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、電解質膜５に含有され得る上記プロトン伝導性ポリマー等を挙げることができる。
【００５２】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法において、セパレータ９は、電子伝導性及びガス不透過性を有し、かつ、耐環境性を有する材料により構成されていれば、その形態は特に限定されない。セパレータ９としては、エンジニアリングプラスチック等からなるカーボン製のセパレータや、金属製のセパレータ等を例示することができる。
【００５３】
なお、本発明の燃料電池及びその製造方法に関する上記説明では、アノード触媒層６とセパレータ９ａとの間、及び、カソード触媒層７とセパレータ９ａとの間にガス拡散層１、１が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、少なくとも一方に本発明のガス拡散層が備えられていれば良い。ただし、上述のように、燃料電池の運転時にはカソード触媒層７で水が生成されるため、排水性向上効果が得られやすい形態とする等の観点からは、カソード側のみ、又は、アノード側及びカソード側に、本発明のガス拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。
【実施例】
【００５４】
以下、実施例を参照しつつ、本発明についてさらに説明する。
【００５５】
１．接触角測定試験
１．１．ガス拡散層の製造
拡散層基材（ＴＧＰ−Ｈ−０６０、東レ株式会社製）の表面に、２０質量部のＶＧＣＦと８０質量部のポリテトラフルオロエチレン樹脂とを含有する撥水層が形成されるように調整した、流動状態の組成物をスプレー塗布し、当該組成物に含有される溶剤を揮発させることにより、拡散層基材及び撥水層を備える構造体を作製した。その後、ビーカーに入れた６０℃の熱水４００ｍｌ中に、当該構造体を所定時間浸漬する熱水処理を施した後、ビーカーから取り出すことにより、ガス拡散層を製造した（以下において当該ガス拡散層を「実施例１にかかるガス拡散層」という。）。浸漬時間は、１５時間、２５時間、４５時間、及び、７５時間とした。
これに対し、熱水処理を施さないほかは実施例１にかかるガス拡散層と同様の工程を経ることにより、比較例１にかかるガス拡散層を製造した。
【００５６】
一方、ＶＧＣＦに代えてデンカ ブラック（電気化学工業株式会社製。「デンカ ブラック」は電気化学工業株式会社の登録商標。以下同じ。）を使用したほかは、上記実施例１にかかるガス拡散層と同様の方法により実施例２にかかるガス拡散層を製造した。
これに対し、ＶＧＣＦに代えてデンカ ブラックを使用したほかは、上記比較例１にかかるガス拡散層と同様の工程を経ることにより、比較例２にかかるガス拡散層を製造した。
【００５７】
１．２．接触角の測定
作製した上記ガス拡散層（実施例１、比較例１、実施例２、及び、比較例２）の表面に３μＬの水滴を静置し、接触角測定器（ＣＡ−Ｗ１５０、協和界面科学株式会社製）を用いてθ／２を測定し、これを２倍することにより接触角θを算出した。θ／２の測定は、ＪＩＳ  Ｒ３２５７：１９９９「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」に記載された静滴法により測定した。実施例１にかかるガス拡散層及び実施例２にかかるガス拡散層の浸漬時間と接触角θとの関係、並びに、比較例１にかかるガス拡散層及び比較例２にかかるガス拡散層の接触角θの測定結果を、図６に併せて示す。図６の縦軸は接触角［°］、同横軸は浸漬時間［ｈ］である。
【００５８】
１．３．結果
図６より、熱水に浸漬する熱水処理を経て製造した実施例１にかかるガス拡散層の接触角は、熱水処理を施していない比較例１にかかるガス拡散層の接触角よりも小さく、かつ、実施例１にかかるガス拡散層の接触角は９０［°］よりも大きかった。同様に、図６より、熱水に浸漬する熱水処理を経て製造した実施例２にかかるガス拡散層の接触角は、熱水処理を施していない比較例２にかかるガス拡散層の接触角よりも小さく、かつ、実施例２にかかるガス拡散層の接触角は９０［°］よりも大きかった。すなわち、熱水処理を施すことで、撥水性の程度が低減された撥水性のガス拡散層を製造できた。
【００５９】
２．発電性能評価試験
２．１．単セルの作製
フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の一方の面に、炭素粒子に白金を担持させた白金担持カーボンとフッ素系のポリマーとを含有する流動状態の触媒インクを塗布し、当該触媒インクに含有される溶媒を揮発させることにより、電解質膜の一方の面にアノード触媒層を形成した。さらに、アノード触媒層を形成すべき面と反対側の電解質膜表面に、白金黒粒子とフッ素系のポリマーとを含有する流動状態の触媒インクを塗布し、当該触媒インクに含有される溶媒を揮発させることにより、電解質膜の他方の面にカソード触媒層を形成し、ＭＥＡを作製した。なお、当該ＭＥＡに備えられるアノード触媒層及びカソード触媒層の電極面積は、何れも１３［ｃｍ２］であった。
【００６０】
このようにして作製したＭＥＡのアノード触媒層側へ、比較例１にかかるガス拡散層を配設するとともに、カソード触媒層側へ、実施例１にかかるガス拡散層を配設することにより、実施例１にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、実施例１にかかる単セルを作製した。
これに対し、上記ＭＥＡのアノード触媒層側及びカソード触媒層側へ、比較例１にかかるガス拡散層をそれぞれ配設することにより、比較例１にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、比較例１にかかる単セルを作製した。
【００６１】
一方、上記ＭＥＡのアノード触媒層側へ、比較例２にかかるガス拡散層を配設するとともに、カソード触媒層側へ、実施例２にかかるガス拡散層を配設することにより、実施例２にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、実施例２にかかる単セルを作製した。
これに対し、上記ＭＥＡのアノード触媒層側及びカソード触媒層側へ、比較例２にかかるガス拡散層をそれぞれ配設することにより、比較例２にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、比較例２にかかる単セルを作製した。
【００６２】
２．２．発電性能評価
作製した上記単セル（実施例１、比較例１、実施例２、及び、比較例２）のアノード触媒層側に水素（温度：８０［℃］、相対湿度：１００［％］、背圧：１００［ｋＰａ］、流量：０．２７２［Ｌ／ｍｉｎ］）を供給するとともに、カソード触媒層側に空気（温度：８０［℃］、相対湿度：１００［％］、背圧：１００［ｋＰａ］、流量：０．８６６［Ｌ／ｍｉｎ］）を供給した状態で、単セルを運転し、その発電性能を評価した。実施例１にかかる単セルの結果及び比較例１にかかる単セルの結果を図７に、実施例２にかかる単セルの結果及び比較例２にかかる単セルの結果を図８に、併せて示す。図７及び図８の縦軸は電圧［Ｖ］、横軸は電流密度［Ａ／ｃｍ２］である。
【００６３】
２．３．結果
図７に示すように、低電流密度領域では、実施例１にかかる単セルと比較例１にかかる単セルの発電性能は同等であったが、多量の水が生成される高電流密度領域では、比較例１にかかる単セルよりも実施例１にかかる単セルの方が高性能であった。これは、実施例１にかかる単セルには、水が生成されるカソード触媒層側に、排水性を向上させることが可能な実施例１にかかるガス拡散層が備えられていたため、高電流密度領域においても多くの水を単セル外へと排出可能であった結果、いわゆるフラッディングが抑制されたためであると考えられる。
【００６４】
他方、図８に示すように、低電流密度領域では、実施例２にかかる単セルと比較例２にかかる単セルの発電性能は同等であったが、多量の水が生成される高電流密度領域では、比較例２にかかる単セルよりも実施例２にかかる単セルの方が高性能であった。これは、実施例２にかかる単セルには、水が生成されるカソード触媒層側に、排水性を向上させることが可能な実施例２にかかるガス拡散層が備えられていたため、高電流密度領域においても多くの水を単セル外へと排出可能であった結果、いわゆるフラッディングが抑制されたためであると考えられる。
【００６５】
以上より、本発明のガス拡散層によれば排水性を向上させることが可能であり、当該ガス拡散層を備える本発明の燃料電池によれば、特に高電流密度領域において、性能を向上させることが可能になる。さらに、当該結果から、本発明によれば、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を製造し得る、ガス拡散層の製造方法を提供でき、性能を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】ガス拡散層１の形態例を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明のガス拡散層の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。
【図３】撥水層形成工程の形態例を示す概念図である。
【図４】本発明の燃料電池に備えられる単セル１０の形態例を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。
【図６】浸漬時間と接触角θとの関係を示す図である。
【図７】発電性能評価試験の結果を示す図である。
【図８】発電性能評価試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１、１ａ、１ｂ…ガス拡散層
２、２’…拡散層基材
３、３’…撥水層
４…構造体
５…電解質膜
６…アノード触媒層
７…カソード触媒層
８…ＭＥＡ（膜電極構造体）
９、９ａ、９ｂ…セパレータ
１０…単セル
【図１】
2009004207.tif 000003
【図２】
2009004207.tif 000004
【図３】
2009004207.tif 000005
【図４】
2009004207.tif 000006
【図５】
2009004207.tif 000007
【図６】
2009004207.tif 000008
【図７】
2009004207.tif 000009
【図８】
2009004207.tif 000010