JP5050294B2

JP5050294B2 - 固体高分子電解質型燃料電池の拡散層とその製造方法

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Publication number: JP5050294B2
Application number: JP2000316012A
Authority: JP
Inventors: 竜也川原; 克彦木下; 喜隆木野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2020-10-17
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐クリープ性を向上させた、燃料電池の電極拡散層と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
これらの反応が正常に行われるには、拡散層とセパレータの接触面圧が適正な面圧に維持される必要がある。そのためには、カーボン織布またはカーボン不織布を基材とした拡散層が、締結部材による締め付け荷重を受けた時に、クリープを生じにくいものでなければならない。何故ならば、もしも拡散層に過度のクリープが発生すると、定圧荷重では、セパレータ当り部の拡散層内のガス拡散性が低下し酸素供給不足になって上記反応が生じにくくなるし、定寸荷重では、圧抜けによる接触電気抵抗の増大が生じ、内部抵抗が増大して電圧低下が生じるからである。
特開平８−７８９７号公報は、炭素の短繊維からなる基材に炭素粒子および撥水性樹脂（テフロン）を塗布または含浸させた拡散層と、電解質膜とを、触媒層を介してホットプレス（１２０℃）にて一体化したＭＥＡを開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池の拡散層には、炭素粒子および撥水性樹脂が基材の炭素繊維と強固に絡みあっていないため、耐クリープ性に劣るという課題がある。そして、クリープが生じると上記のガス拡散性低下や接触電気抵抗増大の問題を生じる。
本発明の目的は、耐クリープ性を向上させる、固体高分子電解質型燃料電池の拡散層と、その製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）通気性をもつカーボン織布またはカーボン不織布からなる基材（１３ｂ、１６ｂ）と通気性をもつ撥水層（１３ａ、１６ａ）を有する、ＭＥＡを含む固体高分子電解質型燃料電池の、拡散層であって、
前記撥水層（１３ａ、１６ａ）が、前記基材（１３ｂ、１６ｂ）のＭＥＡに対向する側の面に形成された、カーボンと樹脂との混合からなり、
前記撥水層（１３ａ、１６ａ）が、粘着力と強度において互いに異なる、基材側の内層部（Ａ）とＭＥＡ側の表層部（Ｂ）との複数の積層構造からなり、
前記内層部（Ａ）は前記表層部（Ｂ）の強度より大きい強度を有し、
前記表層部（Ｂ）は前記内層部（Ａ）の粘着力より強い粘着力を有している、
固体高分子電解質型燃料電池の拡散層。
（２）カーボン織布またはカーボン不織布からなる基材（１３ｂ、１６ｂ）上にカーボンと樹脂の混合物からなる層（１３ａ、１６ａ）を塗布し、前記層（１３ａ、１６ａ）を固化することを、固化条件を各回で異ならせて複数回繰り返す固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法であって、
前記固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法が、
カーボンと樹脂との混合物からなる第１の撥水層（１３ａ、１６ａ）を基材（１３ｂ、１６ｂ）上に塗布し、ついで前記第１の撥水層（１３ａ、１６ａ）を前記樹脂の融点よりも高い第１の温度で固化する工程と、
前記カーボンと前記樹脂との混合物からなる第２の撥水層（１３ａ、１６ａ）を前記第１の撥水層（１３ａ、１６ａ）上に塗布し、ついで前記第２の撥水層（１３ａ、１６ａ）を前記樹脂の融点近傍の温度で固化する工程と、
を有する固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法。
【０００５】
上記（１）、（２）の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層とその製造方法は、基材と撥水層とからなる拡散層のうち撥水層の強度向上による拡散層の耐クリープ性の向上に係るものである。
上記（１）の拡散層では、樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とカーボンとからなる撥水カーボン層を２層に形成し、下層を樹脂の融点を越える高温にて焼成するので、高剛性層を形成でき、拡散層の撥水層の耐クリープ性を向上させることができる。また、その上に再度前記樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートした上で前記樹脂の融点近傍の低温にて焼成するので、外力が加わった時に剪断力によって樹脂は糸を引いて表面に粘着層を形成でき、ＭＥＡの触媒層への粘着性を向上させることができる。１層のみの拡散層では、撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を同時にはかることができないが、２層にして焼成温度を異ならせたことにより撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を達成できる。
上記（２）の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法では、樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とカーボンとからなる撥水カーボン層を２層に形成し、下層を樹脂の融点を越える高温にて焼成するので、高剛性層を形成でき、拡散層の撥水層の耐クリープ性を向上させることができる。また、その上に再度前記樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートした上で前記樹脂の融点近傍の低温にて焼成するので、外力が加わった時に剪断力によって樹脂は糸を引いて表面に粘着層を形成でき、ＭＥＡの触媒層への粘着性を向上させることができる。１層のみの拡散層では、撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を同時にはかることができないが、２層にして焼成温度を異ならせたことにより撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を達成できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の拡散層とその製造方法を、その製造装置と共に、図１〜図１６を参照して、説明する。
本発明の方法で製造された拡散層が用いられる燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０のような、低温型の燃料電池である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１５、図１６、図１に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９を構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付け燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
【０００８】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を担持したカーボン（Ｃ）からなる。
拡散層１３、１６は、通常、カーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６は、図１に示すように、たとえば、カーボン粒子（たとえば、カーボンブラック）２８を樹脂（たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂等）２９のバインダで結合した撥水（カーボン）層１３ａ、１６ｂと、撥水層１３ａ、１６ａよりセパレータ１８側にある、カーボン繊維３０（織布または不織布）からなる基材（基材層）１３ｂ、１６ｂと、からなる。撥水層１３ａ、１６ａも基材１３ｂ、１６ｂも通気性をもたせてあり、流体通路２７を流れる水素、空気を触媒層１２、１５に通す。撥水層１３ａ、１６ａは基材１３ｂ、１６ｂよりも撥水性をもたせてある。拡散層１３、１６の厚さは約２００μｍであり、撥水層１３ａ、１６ａの厚さは約５０μｍであり、基材１３ｂ、１６ｂの厚さは約１５０μｍである。
セパレータ１８は、ガス・流体不透過性でかつ導電性を有し、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）または金属または導電性樹脂（たとえば、樹脂にカーボンブラック等の導電性粒子・繊維等を混合して導電性を付与したものを含む）の何れかからなる。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
【０００９】
燃料電池の拡散層１３、１６の製造においては、拡散層１３、１６が耐クリープ性をもつように製造されることが必要である。何となれば、拡散層１３、１６のクリープが生じると、定圧荷重ではセパレータ当り部のガス拡散性が低下し、定寸荷重では圧抜けによる接触抵抗増大が生じるからである。
【００１０】
つぎに、本発明の各実施例の燃料電池の拡散層１３、１６とその製造方法を、その製造装置と共に、説明する。以下では、参考例も説明するが、実施例の番号と参考例の番号には通し番号を付してある。
本発明の参考例１の燃料電池の拡散層１３、１６は、図１、図２に示すように、基材１３ｂ、１６ｂを有し、基材１３ｂ、１６ｂは、プリカーサの織布の炭化処理されたヤーン１（フィラメント２をよりあわせたもの）と、ヤーンのフィラメント２間に含浸してフィラメント２を結合している炭化処理されたバインダ３とからなっている。
本発明の参考例１の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、拡散層１３、１６のうち、基材１３ｂ、１６ｂの耐クリープ性を向上させる拡散層１３、１６の製造方法であり、図１〜図３に示すように、プリカーサ（前駆体、炭化処理する前のもの）を織布化するか、もしくはプリカーサを半焼成した繊維で織布化する工程１０１と、織布化した基材１３ｂ、１６ｂに樹脂（たとえば、フッ素系樹脂、フェノール樹脂）のバインダ（樹脂を溶媒に溶かして液状、またはスラリー状になっている）を含浸させる第１の工程１０２と、バインダを含浸させた基材１３ｂ、１６ｂをバインダごと炭化処理する第２の工程１０３と、からなる。バインダはカーボン粒子を含み、バインダ含浸時、基材１３ｂ、１６ｂの表面に炭化処理後撥水カーボン層１３ａ、１６ａとなる部分の層が形成される。工程１０３では、約２０００℃で炭化処理を行う。図３の工程１０３の焼成は炭化処理である。
本発明の参考例１の燃料電池の拡散層の製造装置は、織布化した基材１３ｂ、１６ｂに含浸させる樹脂の液状バインダ３を入れたバインダ含浸処理容器１０４と、バインダを含浸させた基材１３ｂ、１６ｂを炭化処理する炭化焼成炉１０５と、を備えている。
本発明の参考例１では、完全に炭化を行うことで、導電性を向上させつつ、バインダ３により基材１３ｂ、１６ｂのヤーン１（フィラメント２を束ねたもの）の強度を強化し、基材１３ｂ、１６ｂとしての耐クリープ性を向上させる。図２はヤーンの強度向上、耐クリープ性向上の原理を示したものであり、従来（図２の左側部分に示す）はスタックに締結荷重をかけてヤーンに荷重がかかるとフィラメント同士の拘束が弱いので荷重方向と直交する方向にヤーンが変形し、クリープ量が大となるが、本発明（図２の右側部分に示す）はバインダ３で拘束されたまま炭化処理されるので、スタックに締結荷重をかけてヤーン１に荷重がかかった時、フィラメント２同士の拘束が強いので荷重方向と直交する方向のヤーン１の変形は小さく、クリープ量も小である。
図６は、スタックを定寸締めして時間経過による圧抜けによる燃料電池の接触抵抗増大を測定したものであるが、参考例１の場合は、従来に比べて内部抵抗の増大が小さく、耐クリープ性が向上していることがわかる。
【００１１】
参考例２の燃料電池の拡散層１３、１６は、図１、図２に示すように、基材１３ｂ、１６ｂを有し、該基材が、プリカーサの織布の炭化処理されたヤーン１と、炭化されたヤーン１のフィラメント２間に含浸してフィラメントを結合している溶融凝固された未炭化の導電性樹脂バインダ３とからなっている．
参考例２の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、図１、図２、図４に示すように、織布化した基材を約２０００℃で炭化処理する第１の工程２０１と、炭化処理した基材１３ｂ、１６ｂにバインダとしての導電性樹脂を含浸させる第２の工程２０２と、基材に含浸させた導電性樹脂を樹脂硬化温度（たとえば、約３２０℃）で溶融凝固させる第３の工程２０３と、からなる。第２の工程２０２における導電性樹脂は、カーボンブラックを含んだ反応硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を用いる。たとえば、導電性樹脂としてはフェノール樹脂にカーボンブラックを混合したものが用いられる。第３の工程の樹脂の硬化は３５０℃以下での溶融硬化焼成であり、炭化処理ではない。
参考例２の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、織布化した基材１３ｂ、１６ｂを炭化処理する炭化焼成炉２０４と、炭化処理された織布化基材１３ｂ、１６ｂに含浸させる導電性樹脂の液状バインダ３を入れた含浸処理容器２０５と、バインダを樹脂硬化温度（約３２０℃）で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉２０６と、を備えている。
参考例２では、基材を先に炭化処理しておいて、その後に導電性樹脂を含浸させるもので、導電性樹脂は炭化処理されない。バインダ樹脂により炭化後の基材１３ｂ、１６ｂのヤーン１（フィラメント２を束ねたもの）の強度を強化し、基材１３ｂ、１６ｂとしての耐クリープ性を向上させる。図２はヤーン１の強度向上、耐クリープ性の原理を示したものであり、参考例１での説明に準じる。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。参考例２は、参考例１と比べて、バインダ樹脂を炭化処理しないので、導電性向上の利点は少ないが、既存の炭化織布を後加工で処理可能である利点がある。
【００１２】
参考例３の燃料電池の拡散層１３、１６は、図１、図２に示すように、撥水層兼用の基材１３ｂ、１６ｂを有し、該基材が、プリカーサの織布の炭化処理されたヤーン１と、炭化されたヤーン１のフィラメント２間に含浸してフィラメントを結合している溶融凝固された未炭化の非導電性樹脂バインダ３とからなっている。
参考例３の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、図１、図２、図５に示すように、織布化した基材１３ｂ、１６ｂを約２０００℃で炭化処理する第１の工程３０１と、炭化処理した基材１３ｂ、１６ｂにフッ素系樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ，ＥＴＦＥ）またはシリコン系樹脂３を溶媒に溶かした状態で含浸させる第２の工程３０２と、基材に含浸させたフッ素系樹脂またはシリコン系樹脂３を硬化または熱溶着させる第３の工程３０３と、からなる。第３の工程の樹脂の硬化または溶着は３００℃以下での硬化または溶着であり、炭化処理ではない。
参考例３の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図５に示すように、織布化した基材１３ｂ、１６ｂを約２０００℃で炭化処理する炭化焼成炉３０４と、炭化処理された織布化基材１３ｂ、１６ｂに含浸させる非導電性樹脂を溶媒に溶かした液状バインダを入れた含浸処理容器３０５と、バインダをバインダ樹脂の融点近傍（たとえば、３２０℃）で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉３０６と、を備えている。
参考例３では、基材１３ｂ、１６ｂを先に炭化処理しておいて、その後にバインダ樹脂３を含浸させるもので、樹脂３は炭化処理されない。バインダ樹脂３により炭化後の基材１３ｂ、１６ｂのヤーン（フィラメントを束ねたもの）の強度を強化し、基材１３ｂ、１６ｂとしての耐クリープ性を向上させる。図２はヤーンの強度向上、耐クリープ性の原理を示したものであり、参考例１での説明に準じる。参考例３は、参考例１と比べて、バインダ樹脂を炭化処理しないので、導電性向上の効果は無いが、既存の炭化織布を後加工で処理可能である利点がある。また、樹脂３に撥水性を付与することで耐水性を改善することが可能である。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。
【００１３】
本発明の参考例４の燃料電池の拡散層１３、１６は、図７、図８に示すように、基材１３ｂ、１６ｂを有し、該基材１３ｂ、１６ｂが、不織布化したカーボン繊維の抄紙と該抄紙に含浸量に分布をもたせて（たとえば、縞状に）含浸され炭化された炭化樹脂バインダとからなる。バインダ量が多い部位は耐クリープ性のある剛直部位４となりバインダ量が少ない部位は可撓性のある柔軟部位５となっている。ロールに巻く場合は、湾曲の軸芯と平行方向に柔軟部位５は延びており、巻付けを可能にしている。
本発明の参考例４の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、図７、図８に示すように、カーボン繊維で湿式で抄紙（不織布、基材１３ｂ、１６ｂとなる）を作製する工程４０１と、湿式で不織布化したカーボン繊維の抄紙に樹脂のバインダ３を不均一に含浸させる第１の工程４０２と、バインダを不均一に含浸させた抄紙を炭化処理（焼成）しバインダを炭化する第２の工程４０３と、からなる。
本発明の参考例４の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図７に示すように、湿式で不織布化したカーボン繊維の抄紙に樹脂のバインダを含浸量に分布をもたせて不均一に含浸させる樹脂バインダ不均一含浸装置４０６と、バインダを含浸した抄紙１３ｂ、１６ｂを炭化処理する炭化焼成炉４０７と、を備えている。
本発明の参考例４では、湿式カーボン不織布（カーボンペーパ）を作製する工程４０１ではバインダ量はミニマムにしておく。工程４０２ではバインダ樹脂を不均一、たとえばスプライン状に含浸させる。これは、たとえば多数の平行スリットをもつマスキング４０４をカーボンペーパの上に置きバインダ樹脂をスプレー４０５するか、ディスペンサ（ロボット）で塗布するか、スクリーン印刷などで塗布する。その後、バインダを焼成炭化させる。図８に示すように、バインダ含浸部分は強度が向上し剛直部位４となって耐クリープ性を発現するが、バインダが含浸していない部分またはバインダの含浸量が少ない部分である柔軟部位５では柔軟性、可撓性を維持する。
これによってバインダスプラインと直交方向に、炭化処理カーボンペーパは曲げ処理可能となり、ロール巻きが可能になって、連続生産が可能になる。その結果、耐クリープ性の向上と良好な生産性の両方が満足される。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。
【００１４】
本発明の参考例５の燃料電池の拡散層１３、１６は、図９に示すように、乾式で不織布化した基材１３ｂ、１６ｂとその全域に含浸された樹脂バインダ（ピッチ等）３とが、プレスされ、一括完全炭化処理されたものからなる。
本発明の参考例５の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、図９に示すように、乾式でプリカーサをフェルト状に不織布化して基材１３ｂ、１６ｂを形成する工程５０１と、乾式で不織布化した基材１３ｂ、１６ｂに樹脂のバインダ３を溶媒に溶かしたものを含浸させる第１の工程５０２と、バインダを含浸させた基材１３ｂ、１６ｂをプレスして厚み方向に圧縮する第２の工程５０３と、プレスされたバインダ含浸の基材１３ｂ、１６ｂを約１５００〜２０００℃で完全炭化処理する第３の工程５０４と、からなる。
本発明の参考例５の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図９に示すように、乾式で不織布化した基材１３、１６ｂに樹脂のバインダ３を含浸させる樹脂バインダ含浸装置５０５と、バインダを含浸させた基材１３、１６ｂをプレスするプレス装置５０６と、プレスされたバインダ含浸の基材１３、１６ｂを完全炭化処理する炭化処理炉５０７と、を有する。
プリカーサによる乾式不織布は生産性に優れ、低コストで大量に連続生産が可能であり、拡散層基材として有望な材料であるが、嵩高く、過度のクッション性を有し、また、強度的にも劣り、クリープしやすい点が問題である。
そこで、本発明の参考例５では、カーボン繊維に事前に圧縮荷重を付与し、クリープさせた状態の材料を基材として拡散層を形成することで、耐クリープ性に優れた拡散層１３、１６を得る。
ただし、完全に炭化させた状態で荷重（プレス）をかけるとカーボン繊維が破壊されてしまうため、プリカーサまたは半焼成状態の炭化繊維で乾式不織布を形成し、完全に炭化する前にバインダを含浸させて繊維が柔軟性を維持している状態で、荷重を付与し、圧縮した状態で完全炭化処理を施す。
バインダ含浸により、拡散層基材の耐クリープ性を向上でき、しかも低コストで生産できる。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。
参考例１〜参考例５までは拡散層の基材の耐クリープ性の向上であるが、実施例６以降は拡散層の撥水層の耐クリープ性の向上である。
【００１５】
本発明の実施例６の燃料電池の拡散層１３、１６は、図１０に示すように、炭化処理された基材１３ｂ、１６ｂの片側に形成された、カーボンと樹脂（撥水性をもつ樹脂、たとえばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン））との混合からなる撥水カーボン層１３ａ、１６ａを有し、該撥水カーボン層１３ａ、１６ａが、粘着力に乏しいが強度の強い内層部（高剛性層Ａ）と、該内層部の上に塗布された柔軟で粘着力に優れた表層部（粘着層Ｂ）との、複数の積層構造からなる。撥水カーボン層１３ａ、１６ａは炭化処理されないままである。拡散層１３、１６の厚さは約２００μｍで、このうち撥水カーボン層１３ａ、１６ａの厚さが約５０〜１００μｍで、粘着層Ｂの厚さは約１０μｍである。高剛性層Ａと粘着層Ｂとは、同じカーボン、樹脂の混合物でよく（ただし、混合比を変えてもよい）、それを、２度塗りして、それぞれの層の硬化温度を変えて形成されている。カーボンブラックとＰＴＦＥの混合物を約３５０℃以上で焼成するとバルク状となり高剛性となるが、ＰＴＦＥの融点近傍（約３２０℃）で焼成するとＰＴＦＥの半溶融粒子から糸を引いて粘着力を有するものとなる。燃料電池組立て時には、粘着層Ｂ側を燃料電池の電極対向側にする。
本発明の実施例６の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、図１０に示すように、炭化処理されている基材１３ｂ、１６ｂに複数回撥水層１３ａ、１６ａとしての樹脂を塗布、焼成（この焼成は樹脂の硬化または溶着の焼成で、炭化の焼成ではない）のプロセスを行い、それぞれのプロセスで条件（たとえば、硬化または溶着などの焼成温度）を異ならせたものである。
本発明の実施例６の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、たとえば、カーボン繊維を織布化または不織布化して基材１３ｂ、１６ｂを作製する工程６０１と、カーボン織布もしくはカーボン不織布に樹脂（たとえば、ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂、フェノール樹脂等）とカーボンとからなる撥水カーボン層１３ａ、１６ａをコートした上で前記樹脂の融点を越える高温（たとえば、３５０℃）にて焼成する第１の工程６０２と、第１の工程後に前記樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層１３ａ、１６ａを再度コートした上で前記樹脂の融点近傍の低温（前記高温よりは低温の意味、たとえば、３２０℃）にて焼成する第２の工程６０３と、からなる。
本発明の実施例６の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図１０に示すように、カーボン織布もしくはカーボン不織布に塗布された樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とカーボンとからなる撥水カーボン層Ａを樹脂の融点を越える高温（３５０℃以上）にて焼成し、ついで撥水カーボン層Ａの上に再度塗布された樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層Ｂ（材料はＡと同じでよい、ただし焼成温度が異なる）を樹脂の融点近傍の低温（約３２０℃）にて焼成する、樹脂溶融凝固焼成炉６０１を備えている。樹脂溶融凝固焼成炉６０１は、焼成温度を変えることにより、高温焼成と低温焼成の両方に使用できる。
撥水層の機械的特性は焼成温度によって変化する。これはＰＴＦＥ等の樹脂の溶着状態が変わるためである。ＰＴＦＥの融点近傍での焼成を行った場合、界面活性剤などの除去は可能であるが、ＰＴＦＥ粒子は完全には融解しておらず、粒子間の接点でわずかに溶着するのみである。この場合、外部から何らかの荷重がかかった場合、その剪断力によってＰＴＦＥは容易に繊維化して（糸を引いて）粘着力を発生する。しかし、融点を越えた温度で焼成を行った場合、完全に溶解して結合力は高まるものの、繊維化は発生しにくくなり、粘着性は消失する。拡散層の望ましい特性として強度（耐クリープ）と表面の触媒層に対する粘着性とがあり、これを同時に実現することは、従来、困難であった。本発明では、１層目を高温で焼成して内層Ａの高剛性層を形成し、それによって対クリープ性を得、その後第２層目を塗布、低温焼成することで表層Ｂの粘着層を得る。
この時、樹脂は層ＡとＢとで同一組成（混合比）でもよいが、組成を変えるとより効果的である。たとえば、内層部は強度をより増大させるためＰＴＦＥ比率を増加し、表層部は接触抵抗を維持するためＰＴＦＥ比率を減少させることが有効である。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。
【００１６】
本発明の参考例７の燃料電池の拡散層１３、１６は、図１１に示すように、炭化処理されている基材１３ｂ、１６ｂと、その燃料電池電極側に形成される撥水カーボン層１３ａ、１６ａとからなり、撥水カーボン層１３ａ、１６ａが、図１１に示すように、カーボン（たとえば、カーボンブラック）とバインダ（樹脂やセルロース）とからなり、バインダが２種類のバインダＣ、Ｄを含む。
２種類のバインダのうち一種のバインダＣは、粘着性のある樹脂、たとえばＰＴＦＥ（ＰＴＦＥの粒子とその粒子から糸を引いた繊維状のもの）であり、もう一種のバインダは、バインダＣを構成する樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）より剛性が高い材料（たとえば、セルロース）であり、これらバインダＣ、Ｄは溶媒（たとえば、エタノール）に溶かしてスラリー状または液状になった状態で、基材１３ｂ、１６ｂに塗布され、樹脂の融点温度（約３２０℃）近傍で溶融凝固焼成される。
本発明の参考例７の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法では、図１１に示すように、拡散層１３、１６に形成される撥水カーボン層１３ａ、１６ａが２種類のバインダにより形成される。
本発明の参考例７の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法では、拡散層１３、１６に形成される撥水カーボン層１３ａ、１６ａのバインダとして粘着性のある樹脂Ｃと該樹脂より剛性が高い材料Ｄを用いる。粘着性のある樹脂は、たとえばＰＴＦＥであり、剛性が高い材料は油溶性セルロース等である。バインダは炭化処理されている基材に塗布され、樹脂の融点近傍の温度で、一括、溶融凝固される。
本発明の参考例７の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図１１に示すように、基材１３ｂ、１６ｂに塗布された、カーボンと２種類の樹脂バインダを含む撥水カーボン層１３ａ、１６ａを、バインダ樹脂の融点近傍の温度（たとえば、約３２０℃）で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉７０１を備えている。
ＰＴＦＥは比較的剛性が弱い樹脂であるが、剛性の高い材料（たとえば、セルロース）を添加することにより、粘着性を維持したまま、撥水カーボン層１３ａ、１６ａの強度、耐クリープ性を向上できる。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。
【００１７】
本発明の参考例８の燃料電池の拡散層１３、１６は、図１２に示すように、炭化処理されている基材１３ｂ、１６ｂに，少なくともカーボン（たとえば、カーボンブラック）と樹脂（たとえばＰＴＦＥ）とからなるペーストを塗布焼成した撥水層１３ａ、１６ａを有し、該撥水層１３ａ、１６ａが塗布焼成前に剪断力を付与されて繊維化が促進されたものからなる。
本発明の参考例８の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、図１２に示すように、少なくともカーボンと樹脂（たとえばＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂）とからなるペーストに剪断力を付与する第１の工程と、剪断力が付与されたペーストを基材１３ｂ、１６ｂに塗布する第２の工程と、ペーストを基材に塗布後ペースト（撥水層１３ａ、１６ａとなる部分）が塗布された基材を焼成（樹脂の硬化または溶着）する第３の工程と、からなる。
本発明の参考例８の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図１２に示すように、少なくともカーボンと樹脂とからなるペーストに剪断力を付与するミキサ３１と、該剪断力が付与されたペーストを炭化処理されている基材１３ｂ、１６ｂに塗布する塗布装置（吐出ヘッド）３３と、基材に塗布されたペーストを前記樹脂の融点近傍の温度で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉（この炉は他の参考例のものに準じる）と、を有する。
第１の工程は、図１２において、メインタンク３０からのペーストをミキサ３１に供給し、ミキサにてミキシングすることによりペーストに剪断力を付与することにより行う。剪断力付与により、ペーストに粘着性を発現させる。この場合、樹脂の繊維化を促進させるためミキサ３１周囲にヒータ３２を配置してミキサを加熱する。第２の工程は、剪断力を付与されたペーストを吐出ヘッド３３から吐出させて基材１３ｂ、１６ｂ上に塗布し、撥水カーボン層１３ａ、１６ａを形成する。第３の工程における焼成は、たとえば３２０℃で行い、樹脂を溶着または硬化させる。
剪断力付与によりＰＴＦＥの繊維化が促進され、強度、耐クリープ性が向上する。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。
【００１８】
本発明の参考例９の燃料電池の拡散層１３、１６は、図１３、図１４に示すように、炭化処理されている基材１３ｂ、１６ｂに少なくともカーボン（たとえば、カーボンブラック）と樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とからなるペーストを塗布焼成（この焼成は樹脂の融点近傍で行われる樹脂の溶融凝固のための焼成）した撥水層１３ａ、１６ａを有し、撥水層１３ａ、１６ａが焼成後、室温から樹脂融点までの間にある温度（たとえば、室温）で剪断力を付与されているものからなる。
本発明の参考例９の燃料電池の拡散層１３、１６の製造方法は、図１３、図１４に示すように、少なくともカーボンと樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂）とからなる撥水カーボン層１３ａ、１６ａを基材１３ｂ、１６ｂ上に形成する第１の工程と、撥水カーボン層１３ａ、１６ａを形成した基材を焼成（約３２０℃で溶着または硬化）する第２の工程と、焼成後の基材を基材幅方向に応力を発生させるプレスロール４０、４１間に通して撥水カーボン層に剪断力を付与する第３の工程と、からなる。
本発明の参考例９の燃料電池の拡散層１３、１６の製造装置は、図１３、図１４に示すように、少なくともカーボンと樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とからなるペーストを基材に塗布する塗布装置（図１２の塗布装置に準じたものを使用できる）と、基材に塗布されたペーストを樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）の融点（約３２０℃）近傍の温度で溶融凝固させる樹脂溶融凝固焼成炉（この炉は他の参考例のものに準じる）と、焼成後のペーストが基材ごと通された時に焼成後のペーストに剪断力を発生させる一対の剪断力付与ロール４０、４１と、を有する。
プレスロール４０、４１の各々に、プレスロール中央の左右部に逆向きのスクリュウ状の溝を切っておき、プレスロール４０、４１を回転させた時に、プレスロールによって挟まれた拡散層に幅方向に剪断力を付与する。
本発明の参考例９では、剪断力付与によりＰＴＦＥの繊維化が促進され、強度、耐クリープ性が向上する。また、燃料電池の内部抵抗増大抑制についても、参考例１と同様の作用、効果（図６の作用、効果）がある。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層によれば、樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とカーボンとからなる撥水カーボン層を２層に形成し、下層を樹脂の融点を越える高温にて焼成するので、高剛性層を形成でき、拡散層の撥水層の耐クリープ性を向上させることができる。また、その上に再度前記樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートした上で前記樹脂の融点近傍の低温にて焼成するので、外力が加わった時に剪断力によって樹脂は糸を引いて表面に粘着層を形成でき、ＭＥＡの触媒層への粘着性を向上させることができる。１層のみの拡散層では、撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を同時にはかることができないが、２層にして焼成温度を異ならせたことにより撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を達成できる。
請求項２の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法によれば、樹脂（たとえば、ＰＴＦＥ）とカーボンとからなる撥水カーボン層を２層に形成し、下層を樹脂の融点を越える高温にて焼成するので、高剛性層を形成でき、拡散層の撥水層の耐クリープ性を向上させることができる。また、その上に再度前記樹脂とカーボンとからなる撥水カーボン層をコートした上で前記樹脂の融点近傍の低温にて焼成するので、外力が加わった時に剪断力によって樹脂は糸を引いて表面に粘着層を形成でき、ＭＥＡの触媒層への粘着性を向上させることができる。１層のみの拡散層では、撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を同時にはかることができないが、２層にして焼成温度を異ならせたことにより撥水層の耐クリープ性の向上と粘着層の向上の両方を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例１、２、３の拡散層の製造方法で製造された参考例１、２、３の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の拡大断面図である。
【図２】本発明の参考例１、２、３の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で製造された参考例１、２、３の拡散層と従来製法で製造された拡散層との、荷重付与時のヤーンの拡大断面変形図である。
【図３】本発明の参考例１の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略図である。
【図４】本発明の参考例２の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略図である。
【図５】本発明の参考例３の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略図である。
【図６】本発明実施例の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で製造された拡散層を装着した燃料電池の定寸締めスタックの内部抵抗の変化図である。
【図７】本発明の参考例４の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略図である。
【図８】本発明の参考例４の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で製造された拡散層の拡大断面図である。
【図９】本発明の参考例５の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略図である。
【図１０】本発明の実施例６の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法の工程図と、各工程での拡散層および製造装置の概略図である。
【図１１】本発明の参考例７の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で製造された拡散層の拡大断面図およびその製造装置の概略図である。
【図１２】本発明の参考例８の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で用いる製造装置の側面図である。
【図１３】本発明の参考例９の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で用いる製造装置の側面図である。
【図１４】本発明の参考例９の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で用いる製造装置の正面図である。
【図１５】本発明実施例の固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法で製造された拡散層が組み付けられた燃料電池の正面図である。
【図１６】図１５の固体高分子電解質型燃料電池のモジュールの拡大断面図である。
【符号の説明】
１ヤーン
２フィラメント
３バインダ
４剛直部位
５柔軟部位
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１３ａ撥水カーボン層（撥水層）
１３ｂ基材
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１６ａ撥水カーボン層（撥水層）
１６ｂ基材
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９モジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルトまたはナット
２６冷却水流路
２７ガス流路
３０メインタンク
３１ミキサ
３２ヒータ３２
３３吐出ヘッド
４０、４１プレスロール

Claims

通気性をもつカーボン織布またはカーボン不織布からなる基材（１３ｂ、１６ｂ）と通気性をもつ撥水層（１３ａ、１６ａ）を有する、ＭＥＡを含む固体高分子電解質型燃料電池の、拡散層であって、
前記撥水層（１３ａ、１６ａ）が、前記基材（１３ｂ、１６ｂ）のＭＥＡに対向する側の面に形成された、カーボンと樹脂との混合からなり、
前記撥水層（１３ａ、１６ａ）が、粘着力と強度において互いに異なる、基材側の内層部（Ａ）とＭＥＡ側の表層部（Ｂ）との複数の積層構造からなり、
前記内層部（Ａ）は前記表層部（Ｂ）の強度より大きい強度を有し、
前記表層部（Ｂ）は前記内層部（Ａ）の粘着力より強い粘着力を有している、
固体高分子電解質型燃料電池の拡散層。
カーボン織布またはカーボン不織布からなる基材（１３ｂ、１６ｂ）上にカーボンと樹脂の混合物からなる層（１３ａ、１６ａ）を塗布し、前記層（１３ａ、１６ａ）を固化することを、固化条件を各回で異ならせて複数回繰り返す固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法であって、
前記固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法が、
カーボンと樹脂との混合物からなる第１の撥水層（１３ａ、１６ａ）を基材（１３ｂ、１６ｂ）上に塗布し、ついで前記第１の撥水層（１３ａ、１６ａ）を前記樹脂の融点よりも高い第１の温度で固化する工程と、
前記カーボンと前記樹脂との混合物からなる第２の撥水層（１３ａ、１６ａ）を前記第１の撥水層（１３ａ、１６ａ）上に塗布し、ついで前記第２の撥水層（１３ａ、１６ａ）を前記樹脂の融点近傍の温度で固化する工程と、
を有する固体高分子電解質型燃料電池の拡散層の製造方法。