JP2001006699A - 固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜・電極接合体およびその製造方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜・電極接合体およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 内部抵抗の小さい固体高分子電解質膜・電極
接合体、および固体高分子電解質膜・電極接合体の簡易
な製造方法を提供すること。 【解決手段】 カーボン粉末を含有するペーストからガ
ス拡散層を形成することによって、固体高分子電解質膜
と触媒層とガス拡散層とを一体化させる。
接合体、および固体高分子電解質膜・電極接合体の簡易
な製造方法を提供すること。 【解決手段】 カーボン粉末を含有するペーストからガ
ス拡散層を形成することによって、固体高分子電解質膜
と触媒層とガス拡散層とを一体化させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電極の内部抵抗を
低減せしめた、固体高分子型燃料電池の固体高分子電解
質膜・電極接合体およびその製造方法に関し、さらに詳
しくは、固体高分子電解質膜、および、触媒層と、カー
ボン粉末を含有するペーストから形成されたガス拡散層
とから成る電極が、一体不可分である固体高分子電解質
膜・電極接合体およびその製造方法に関する。
低減せしめた、固体高分子型燃料電池の固体高分子電解
質膜・電極接合体およびその製造方法に関し、さらに詳
しくは、固体高分子電解質膜、および、触媒層と、カー
ボン粉末を含有するペーストから形成されたガス拡散層
とから成る電極が、一体不可分である固体高分子電解質
膜・電極接合体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３に従来の固体高分子型燃料電池の単
セル８１の構造を示す。これは、固体高分子電解質膜１
の両面に触媒を含むペーストを用いて触媒層２を形成し
た後、ガス拡散層３１を、各触媒層２の外側からホット
プレスすることにより接合した固体高分子電解質膜・電
極接合体５１を挟んでセパレータ７を配してなる。この
ガス拡散層３１は、反応ガスを供給し、さらに集電体と
しての機能を有するものであり、カーボンペーパーやカ
ーボンクロスなどからなる。セパレータ７には、ガス流
路となる凹状の溝が設けられている。
セル８１の構造を示す。これは、固体高分子電解質膜１
の両面に触媒を含むペーストを用いて触媒層２を形成し
た後、ガス拡散層３１を、各触媒層２の外側からホット
プレスすることにより接合した固体高分子電解質膜・電
極接合体５１を挟んでセパレータ７を配してなる。この
ガス拡散層３１は、反応ガスを供給し、さらに集電体と
しての機能を有するものであり、カーボンペーパーやカ
ーボンクロスなどからなる。セパレータ７には、ガス流
路となる凹状の溝が設けられている。
【０００３】固体高分子電解質膜１は、陽イオン交換樹
脂膜である。この膜に含水させると水素イオンが移動す
るプロトン導電性電解質として作用する。この膜を飽和
に含水させることで、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗
を示す。膜の飽和含水量は温度によって可逆的に変化す
る。
脂膜である。この膜に含水させると水素イオンが移動す
るプロトン導電性電解質として作用する。この膜を飽和
に含水させることで、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗
を示す。膜の飽和含水量は温度によって可逆的に変化す
る。
【０００４】固体高分子電解質膜の両外側のガス拡散層
３１において、酸素を主成分として含むガスと、水素を
主成分として含むガスとを、それぞれの触媒層２に供給
することにより、固体高分子電解質膜１と触媒層２との
界面において次式（１）及び（２）に示す反応が行わ
れ、その結果として、Ｈ2＋（１／２）Ｏ2＝Ｈ2Ｏの化
学反応エネルギーから直接電気エネルギーを取り出すこ
とができる。
３１において、酸素を主成分として含むガスと、水素を
主成分として含むガスとを、それぞれの触媒層２に供給
することにより、固体高分子電解質膜１と触媒層２との
界面において次式（１）及び（２）に示す反応が行わ
れ、その結果として、Ｈ2＋（１／２）Ｏ2＝Ｈ2Ｏの化
学反応エネルギーから直接電気エネルギーを取り出すこ
とができる。
【０００５】 酸素極（カソード）２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2⇒Ｈ2Ｏ ・…（１） 水素極（アノード）Ｈ2⇒２Ｈ+＋２ｅ- ……………（２） この固体高分子電解質膜・電極接合体５においては、高
分子電解質膜１は、上述のとおり含水して用いられるの
で膜内の水分の蒸発状態、および電解質膜の中央部分に
触媒層が接合されるために生じる接合部分とその周辺部
分との収縮率の違いに起因して変形が起こるので、セパ
レータで挟持する際にしわになり、運転時にガスのリー
クが生じる危険性があるという問題がある。
分子電解質膜１は、上述のとおり含水して用いられるの
で膜内の水分の蒸発状態、および電解質膜の中央部分に
触媒層が接合されるために生じる接合部分とその周辺部
分との収縮率の違いに起因して変形が起こるので、セパ
レータで挟持する際にしわになり、運転時にガスのリー
クが生じる危険性があるという問題がある。
【０００６】そこで、高分子電解質膜の両面に触媒層を
形成した後、ホットメルト層を有するカバーシートフィ
ルムを用いて、カーボンペーパーやカーボンクロスなど
からなるガス拡散層を、各触媒層の外側からホットプレ
スすることにより接合した固体高分子電解質膜・電極接
合体が開発されている（特開平１１−４５７２９号公
報）。
形成した後、ホットメルト層を有するカバーシートフィ
ルムを用いて、カーボンペーパーやカーボンクロスなど
からなるガス拡散層を、各触媒層の外側からホットプレ
スすることにより接合した固体高分子電解質膜・電極接
合体が開発されている（特開平１１−４５７２９号公
報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池の性能を向上
させるためには、上述の燃料電池反応（１）および
（２）を連続かつ円滑に行い、電気エネルギーを効率よ
く外部に取り出すことが要求されるが、内部抵抗を小さ
くすることによっても高効率な燃料電池を提供すること
ができる。
させるためには、上述の燃料電池反応（１）および
（２）を連続かつ円滑に行い、電気エネルギーを効率よ
く外部に取り出すことが要求されるが、内部抵抗を小さ
くすることによっても高効率な燃料電池を提供すること
ができる。
【０００８】しかしながら、従来のガス拡散層は、導電
性を有するカーボンペーパーあるいはカーボンクロスか
らなり、電解質膜の両面に接合された触媒層に両外側か
ら重ね合わされて、ホットプレスにより接合されてい
る。したがって、触媒層とガス拡散層との接触抵抗が比
較的大きい。
性を有するカーボンペーパーあるいはカーボンクロスか
らなり、電解質膜の両面に接合された触媒層に両外側か
ら重ね合わされて、ホットプレスにより接合されてい
る。したがって、触媒層とガス拡散層との接触抵抗が比
較的大きい。
【０００９】本発明の課題は、効率よく安定な電池出力
を提供することができる固体高分子型燃料電池の固体高
分子電解質膜・電極接合体およびその製造方法を提供す
ることにある。詳しくは、本発明の課題は、触媒層とガ
ス拡散層との接触抵抗を低減せしめることにより、内部
抵抗の小さい固体高分子型燃料電池を実現できる固体高
分子電解質膜・電極接合体、および固体高分子電解質膜
・電極接合体の簡易な製造方法を提供することにある。
を提供することができる固体高分子型燃料電池の固体高
分子電解質膜・電極接合体およびその製造方法を提供す
ることにある。詳しくは、本発明の課題は、触媒層とガ
ス拡散層との接触抵抗を低減せしめることにより、内部
抵抗の小さい固体高分子型燃料電池を実現できる固体高
分子電解質膜・電極接合体、および固体高分子電解質膜
・電極接合体の簡易な製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
課題を解決するために、触媒層とガス拡散層とから成る
電極において、ガス拡散層を、カーボン粉末を含有する
ペーストから形成することによって、触媒層とガス拡散
層とを一体化し、それによって、触媒層とガス拡散層と
の接触抵抗を低減でき、効率よく安定な電池出力を提供
できることを見出した。
課題を解決するために、触媒層とガス拡散層とから成る
電極において、ガス拡散層を、カーボン粉末を含有する
ペーストから形成することによって、触媒層とガス拡散
層とを一体化し、それによって、触媒層とガス拡散層と
の接触抵抗を低減でき、効率よく安定な電池出力を提供
できることを見出した。
【００１１】すなわち、本発明の固体高分子型燃料電池
の固体高分子電解質膜・電極接合体は、固体高分子電解
質膜、およびその固体高分子電解質膜の両面に、触媒層
とガス拡散層とから成る電極を具え、その電極におい
て、触媒層と、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有する
ペーストから形成されたガス拡散層とは一体であり、さ
らに固体高分子電解質膜と電極とが一体であることを特
徴とする。
の固体高分子電解質膜・電極接合体は、固体高分子電解
質膜、およびその固体高分子電解質膜の両面に、触媒層
とガス拡散層とから成る電極を具え、その電極におい
て、触媒層と、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有する
ペーストから形成されたガス拡散層とは一体であり、さ
らに固体高分子電解質膜と電極とが一体であることを特
徴とする。
【００１２】本発明の他の形態は、上記の固体高分子電
解質膜・電極接合体において、フッ素樹脂がポリテトラ
フルオロエチレンであることを特徴とする。
解質膜・電極接合体において、フッ素樹脂がポリテトラ
フルオロエチレンであることを特徴とする。
【００１３】また、本発明の他の形態である固体高分子
電解質膜・電極接合体の製造方法は、 Ａ．（１）剥離性シート上に、カーボン粉末とフッ素樹
脂とを含有するペーストを塗布して、ガス拡散層を形成
し、（２）該ガス拡散層上に、触媒を含有するペースト
を塗布して、触媒層を形成する、ことにより電極を形成
する工程、 Ｂ．前記電極を、触媒層と固体高分子電解質膜とが接す
るように、固体高分子電解質膜の両面に接合する工程、
および Ｃ．前記電極のガス拡散層から剥離性シートを剥離する
工程、を具えることを特徴とする。
電解質膜・電極接合体の製造方法は、 Ａ．（１）剥離性シート上に、カーボン粉末とフッ素樹
脂とを含有するペーストを塗布して、ガス拡散層を形成
し、（２）該ガス拡散層上に、触媒を含有するペースト
を塗布して、触媒層を形成する、ことにより電極を形成
する工程、 Ｂ．前記電極を、触媒層と固体高分子電解質膜とが接す
るように、固体高分子電解質膜の両面に接合する工程、
および Ｃ．前記電極のガス拡散層から剥離性シートを剥離する
工程、を具えることを特徴とする。
【００１４】さらに、発明の他の形態である固体高分子
電解質膜・電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質
膜の両面に、触媒を含有するペーストを塗布して触媒層
を形成し、該触媒層の上に、カーボン粉末とフッ素樹脂
とを含有するペーストを塗布してガス拡散層を形成する
ことにより、固体高分子電解質膜に電極を接合すること
を特徴とする。
電解質膜・電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質
膜の両面に、触媒を含有するペーストを塗布して触媒層
を形成し、該触媒層の上に、カーボン粉末とフッ素樹脂
とを含有するペーストを塗布してガス拡散層を形成する
ことにより、固体高分子電解質膜に電極を接合すること
を特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体高分子電解
質膜・電極接合体の断面図である。
質膜・電極接合体の断面図である。
【００１６】本発明の固体高分子型燃料電池の固体高分
子電解質膜・電極接合体５は、その電極４において、触
媒層２と、ペーストから形成されたガス拡散層３とは一
体であり、さらに固体高分子電解質膜１と電極４とが一
体である。カーボンペーパーやカーボンクロスなどに代
えて、ペーストから形成されたガス拡散層３を用いてい
るため、触媒層２とガス拡散層３との接触抵抗を低減す
ることができる。
子電解質膜・電極接合体５は、その電極４において、触
媒層２と、ペーストから形成されたガス拡散層３とは一
体であり、さらに固体高分子電解質膜１と電極４とが一
体である。カーボンペーパーやカーボンクロスなどに代
えて、ペーストから形成されたガス拡散層３を用いてい
るため、触媒層２とガス拡散層３との接触抵抗を低減す
ることができる。
【００１７】図２は、触媒層とガス拡散層とが一体の電
極を示した断面図である。
極を示した断面図である。
【００１８】本発明の固体高分子電解質膜・電極接合体
５を製造するためには、まず、剥離性シート上６に、カ
ーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペーストを塗布し
て、ガス拡散層３を形成する。
５を製造するためには、まず、剥離性シート上６に、カ
ーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペーストを塗布し
て、ガス拡散層３を形成する。
【００１９】剥離性シート６は、シート上に形成された
ガス拡散層から剥離することができるシートであればよ
く、具体的には、ポリテトラフルオロエチレンのシート
を挙げることができる。
ガス拡散層から剥離することができるシートであればよ
く、具体的には、ポリテトラフルオロエチレンのシート
を挙げることができる。
【００２０】ガス拡散層３を形成するためのペースト
は、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペーストで
ある。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレ
ン（ＰＴＦＥ）などが挙げられる。
は、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペーストで
ある。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレ
ン（ＰＴＦＥ）などが挙げられる。
【００２１】本明細書において、カーボン粉末およびフ
ッ素樹脂を含有するペーストとは、水と、少なくとも、
カーボン粉末およびフッ素樹脂粉末とを混合して調製し
たペーストをいう。
ッ素樹脂を含有するペーストとは、水と、少なくとも、
カーボン粉末およびフッ素樹脂粉末とを混合して調製し
たペーストをいう。
【００２２】フッ素樹脂としてＰＴＦＥを用いる場合
は、カーボン粉末とＰＴＦＥとを含有するペーストは、
カーボン粉末とＰＴＦＥディスパージョンと、さらに必
要であれば水を混合することによっても、カーボン粉末
と粉体のＰＴＦＥと水とを混合することによっても調製
できる。
は、カーボン粉末とＰＴＦＥとを含有するペーストは、
カーボン粉末とＰＴＦＥディスパージョンと、さらに必
要であれば水を混合することによっても、カーボン粉末
と粉体のＰＴＦＥと水とを混合することによっても調製
できる。
【００２３】カーボン粉末の粒径は、０．０１〜０．１
μｍであり、好ましくは０．０２〜０．０６μｍであ
る。また、フッ素樹脂の粒径は、０．０５〜０．５μｍ
であり、好ましくは０．１〜０．３μｍである。
μｍであり、好ましくは０．０２〜０．０６μｍであ
る。また、フッ素樹脂の粒径は、０．０５〜０．５μｍ
であり、好ましくは０．１〜０．３μｍである。
【００２４】カーボンとフッ素樹脂とは、重量比で２：
１〜２０：１の範囲で用いられる。好ましくは５：１〜
１０：１の重量比で混合される。
１〜２０：１の範囲で用いられる。好ましくは５：１〜
１０：１の重量比で混合される。
【００２５】また、ペースト中の水と溶質との重量比
は、１：２〜５：１であり、好ましくは１：１〜２：１
である。
は、１：２〜５：１であり、好ましくは１：１〜２：１
である。
【００２６】剥離性シートへのペーストの塗布は、慣用
のいかなる方法により行なってもよいが、好ましくは、
刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷であ
る。ペーストは、約０．０５〜０．５ｍｍ、好ましくは
約０．１〜０．３ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを
塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度およ
び加熱時間で加熱し、ガス拡散層３を形成する。フッ素
樹脂としてＰＴＦＥを用いた場合には、加熱温度および
時間は、それぞれ、１００℃以上、３０分以下、好まし
くは１２０〜１６０℃で５〜１５分である。
のいかなる方法により行なってもよいが、好ましくは、
刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷であ
る。ペーストは、約０．０５〜０．５ｍｍ、好ましくは
約０．１〜０．３ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを
塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度およ
び加熱時間で加熱し、ガス拡散層３を形成する。フッ素
樹脂としてＰＴＦＥを用いた場合には、加熱温度および
時間は、それぞれ、１００℃以上、３０分以下、好まし
くは１２０〜１６０℃で５〜１５分である。
【００２７】次に、形成されたガス拡散層３の上に、触
媒を含有するペーストを塗布して、触媒層２を形成す
る。
媒を含有するペーストを塗布して、触媒層２を形成す
る。
【００２８】触媒を含有するペーストは、触媒と適当な
媒体とを混合して調製される。媒体は、固体高分子型燃
料電池の性能を害さずに触媒と混合されてペーストを調
製できる媒体であればいかなるものを用いてもよい。好
ましい媒体は、高分子電解質である。
媒体とを混合して調製される。媒体は、固体高分子型燃
料電池の性能を害さずに触媒と混合されてペーストを調
製できる媒体であればいかなるものを用いてもよい。好
ましい媒体は、高分子電解質である。
【００２９】触媒と高分子電解質とを含有するペースト
は、高分子電解質を、アルコール、またはアルコールと
水との混合溶媒に溶解させ、触媒を混合することにより
調製される。
は、高分子電解質を、アルコール、またはアルコールと
水との混合溶媒に溶解させ、触媒を混合することにより
調製される。
【００３０】触媒は、白金を主成分とする貴金属触媒で
あり、ロジウム、パラジウム等の他の貴金属を含有する
こともできる。
あり、ロジウム、パラジウム等の他の貴金属を含有する
こともできる。
【００３１】高分子電解質は、パーフルオロカーボンス
ルホン酸が一般的である。
ルホン酸が一般的である。
【００３２】高分子電解質とアルコールとは、１：５〜
１：１００の重量比で用いられ、好ましくは１：１０〜
５：１００である。触媒と高分子電解質とは、１０：１
〜１：２の重量比で用いられ、好ましくは３：１〜１：
１である。
１：１００の重量比で用いられ、好ましくは１：１０〜
５：１００である。触媒と高分子電解質とは、１０：１
〜１：２の重量比で用いられ、好ましくは３：１〜１：
１である。
【００３３】ガス拡散層への、触媒を含有するペースト
の塗布は、慣用のいかなる方法により行なわれてもよい
が、好ましくは、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスク
リーン印刷である。ガス拡散層３と触媒層２とは、同じ
塗布方法を用いて、連続的に形成されることが好まし
い。
の塗布は、慣用のいかなる方法により行なわれてもよい
が、好ましくは、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスク
リーン印刷である。ガス拡散層３と触媒層２とは、同じ
塗布方法を用いて、連続的に形成されることが好まし
い。
【００３４】触媒を含有するペーストは、約０．０１〜
０．１ｍｍ、好ましくは約０．０１〜０．０５ｍｍの厚
さに塗布される。ペーストを塗布した後、自然乾燥する
ことにより、ガス拡散層の上に触媒層が一体的に形成さ
れた電極が作られる。
０．１ｍｍ、好ましくは約０．０１〜０．０５ｍｍの厚
さに塗布される。ペーストを塗布した後、自然乾燥する
ことにより、ガス拡散層の上に触媒層が一体的に形成さ
れた電極が作られる。
【００３５】触媒を効率よく利用するためには、触媒層
２が、多孔質構造を有する高分子電解質の表層部分に担
持された触媒、および該触媒と電気的に接触している電
子電導体微粒子のネットワーク構造を具えることが好ま
しい。
２が、多孔質構造を有する高分子電解質の表層部分に担
持された触媒、および該触媒と電気的に接触している電
子電導体微粒子のネットワーク構造を具えることが好ま
しい。
【００３６】電子電導体微粒子は、導電性カーボン微粒
子、白金黒などの白金を主成分とする貴金属微粒子、Ｌ
ａＭｎＯ3のような複酸化物の微粒子などであり、白金
黒およびＬａＭｎＯ3は触媒作用があるため好ましい
が、経済性という点からは導電性カーボン微粒子が好ま
しい。電子電導体微粒子の粒径は、１μｍより小さく、
好ましくは０．１μｍより小さく、さらに好ましくは
０．０５μｍより小さい。
子、白金黒などの白金を主成分とする貴金属微粒子、Ｌ
ａＭｎＯ3のような複酸化物の微粒子などであり、白金
黒およびＬａＭｎＯ3は触媒作用があるため好ましい
が、経済性という点からは導電性カーボン微粒子が好ま
しい。電子電導体微粒子の粒径は、１μｍより小さく、
好ましくは０．１μｍより小さく、さらに好ましくは
０．０５μｍより小さい。
【００３７】電子電導体微粒子は、触媒担持高分子電解
質と電子電導体微粒子とを併せた体積に基づいて、２０
〜８０％を占める。
質と電子電導体微粒子とを併せた体積に基づいて、２０
〜８０％を占める。
【００３８】高分子電解質に担持される触媒の量は、高
分子電解質の体積に基づいて１％程度以下である。
分子電解質の体積に基づいて１％程度以下である。
【００３９】触媒を担持する多孔質構造を有する高分子
電解質は、高分子電解質微粉末から形成される。高分子
電解質微粉末は、粒径０．１〜１００μｍ、好ましくは
０．５〜１０μｍ、さらに好ましくは１〜５μｍのパー
フルオロカーボンスルホン酸の微粉末である。適当な粒
径を有するパーフルオロカーボンスルホン酸微粉末は、
従来公知の方法により製造することができる。
電解質は、高分子電解質微粉末から形成される。高分子
電解質微粉末は、粒径０．１〜１００μｍ、好ましくは
０．５〜１０μｍ、さらに好ましくは１〜５μｍのパー
フルオロカーボンスルホン酸の微粉末である。適当な粒
径を有するパーフルオロカーボンスルホン酸微粉末は、
従来公知の方法により製造することができる。
【００４０】多孔質構造を有する高分子電解質の表層部
分に担持された触媒、および該触媒と電気的に接触して
いる電子電導体微粒子のネットワーク構造を具える触媒
層を形成するためには、高分子電解質に触媒を担持させ
た後に、電子電導体微粒子を混合してペーストを調製す
る。
分に担持された触媒、および該触媒と電気的に接触して
いる電子電導体微粒子のネットワーク構造を具える触媒
層を形成するためには、高分子電解質に触媒を担持させ
た後に、電子電導体微粒子を混合してペーストを調製す
る。
【００４１】生成ガスである水の凝縮による細孔の目づ
まりを防止するためには、電子電導体微粒子の一部ある
いは全部をＰＴＦＥなどのフッ素樹脂であらかじめコー
ティングされたものにすることで、撥水性を高めてもよ
い。
まりを防止するためには、電子電導体微粒子の一部ある
いは全部をＰＴＦＥなどのフッ素樹脂であらかじめコー
ティングされたものにすることで、撥水性を高めてもよ
い。
【００４２】ガス拡散層３と触媒層２とが一体となって
構成された電極４は、触媒層２が、固体高分子電解質膜
１に接するように、固体高分子電解質膜１の両面に接合
され、電極４と固体高分子電解質膜１とが一体となる。
構成された電極４は、触媒層２が、固体高分子電解質膜
１に接するように、固体高分子電解質膜１の両面に接合
され、電極４と固体高分子電解質膜１とが一体となる。
【００４３】高分子電解質膜は、陽イオン交換樹脂膜で
あり、パーフルオロカーボンスルホン酸膜が一般的であ
る。例えば、デュポン社製商品名「ナフィオン」などを
挙げることができる。電解質膜の厚さは、２０〜２００
μｍであり、好ましくは２０〜１００μｍである。
あり、パーフルオロカーボンスルホン酸膜が一般的であ
る。例えば、デュポン社製商品名「ナフィオン」などを
挙げることができる。電解質膜の厚さは、２０〜２００
μｍであり、好ましくは２０〜１００μｍである。
【００４４】電極４と固体高分子電解質膜１との接合
は、１００℃以上、好ましくは１２０℃〜１６０℃の温
度、および１．０ＭＰａ以上、好ましくは、１．５〜
５．０ＭＰａの圧力の下で、ホットプレスにより行なわ
れる。
は、１００℃以上、好ましくは１２０℃〜１６０℃の温
度、および１．０ＭＰａ以上、好ましくは、１．５〜
５．０ＭＰａの圧力の下で、ホットプレスにより行なわ
れる。
【００４５】電極４を、固体高分子電解質膜１の両面に
接合した後に、ガス拡散層３から剥離性シート６を剥離
して、固体高分子電解質膜・電極接合体５ができる。
接合した後に、ガス拡散層３から剥離性シート６を剥離
して、固体高分子電解質膜・電極接合体５ができる。
【００４６】また、本発明の固体高分子電解質膜・電極
接合体は、固体高分子電解質膜１の両面に、触媒を含有
するペースト、好ましくは触媒と高分子電解質とを含有
するペーストを塗布して触媒層２を形成し、形成された
触媒層２の上に、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有す
るペーストを塗布してガス拡散層３を形成することによ
り、固体高分子電解質膜１の両面に、直接、電極を形成
してもよい。
接合体は、固体高分子電解質膜１の両面に、触媒を含有
するペースト、好ましくは触媒と高分子電解質とを含有
するペーストを塗布して触媒層２を形成し、形成された
触媒層２の上に、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有す
るペーストを塗布してガス拡散層３を形成することによ
り、固体高分子電解質膜１の両面に、直接、電極を形成
してもよい。
【００４７】この場合は、触媒層もガス拡散層も、ペー
ストを塗布した後に自然乾燥することにより形成され、
固体高分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層とを
形成した後に、１００℃以上、好ましくは１２０℃〜１
６０℃の温度、および１．０ＭＰａ以上、好ましくは、
１．５〜５．０ＭＰａの圧力の下で、ホットプレスし
て、電極４を、固体高分子電解質膜１の両面に接合した
固体高分子電解質膜・電極接合体５ができる。
ストを塗布した後に自然乾燥することにより形成され、
固体高分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層とを
形成した後に、１００℃以上、好ましくは１２０℃〜１
６０℃の温度、および１．０ＭＰａ以上、好ましくは、
１．５〜５．０ＭＰａの圧力の下で、ホットプレスし
て、電極４を、固体高分子電解質膜１の両面に接合した
固体高分子電解質膜・電極接合体５ができる。
【００４８】
【実施例】本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明
は本実施例にのみ限定されるものではない。
は本実施例にのみ限定されるものではない。
【００４９】（実施例１）図２は、本実施例における製
造工程で形成された触媒層とガス拡散層とが一体の電極
を示した断面図である。
造工程で形成された触媒層とガス拡散層とが一体の電極
を示した断面図である。
【００５０】平均粒径０．０３μｍのカーボン粉末と、
平均粒径０．３μｍのＰＴＦＥディスパージョン（ディ
スパージョン中のＰＴＦＥの重量％：１０〜３０％）
と、水とを用いて、カーボンとフッ素樹脂との重量比が
５：１〜１０：１、水と溶質との重量比が１：１〜２：
１となるように混合し、ペーストを調製した。厚さ１０
０μｍのＰＴＦＥシート６上に、そのペーストをスクリ
ーン印刷により厚さ約０．１〜０．３ｍｍに塗布した。
これを１２０℃〜１６０℃のオーブン中で、１０分以上
加熱し、ガス拡散層３を形成した。次に、高分子電解質
であるパーフルオロカーボンスルホン酸と、アルコール
とを、１：１０〜５：１００の重量比で混合し、さら
に、白金を主成分とする貴金属触媒を、触媒と高分子電
解質とが、３：１〜１：１の重量比となるように混合
し、ペーストを調製した。ガス拡散層３の上に、そのペ
ーストをスクリーン印刷により厚さ約０．０１〜０．０
５ｍｍに塗布した。これを自然乾燥し、触媒層２を形成
することにより、ガス拡散層３と触媒層２とが一体であ
る電極４を連続的に形成した。シート６上に形成された
電極４を、図１に示すように、触媒層２が固体高分子電
解質膜１に接するように、厚さ２０〜１００μｍの固体
高分子電解質膜１の両面に配し、１２０℃〜１６０℃の
温度、１．５〜５．０ＭＰａの圧力の下で、ホットプレ
スした。そして、ガス拡散層３からＰＴＦＥシート６を
剥離し、固体高分子電解質膜・電極接合体５を製造し
た。得られた固体高分子電解質膜・電極接合体５を挟ん
でガス溝付きセパレータ（図示せず）を配して、単セル
を組み立てた。この単セルの電池出力を、７０℃にてＨ
2／空気で、０．４Ａ／ｃｍ2の電流密度において測定す
ると、７５０ｍＶであった。
平均粒径０．３μｍのＰＴＦＥディスパージョン（ディ
スパージョン中のＰＴＦＥの重量％：１０〜３０％）
と、水とを用いて、カーボンとフッ素樹脂との重量比が
５：１〜１０：１、水と溶質との重量比が１：１〜２：
１となるように混合し、ペーストを調製した。厚さ１０
０μｍのＰＴＦＥシート６上に、そのペーストをスクリ
ーン印刷により厚さ約０．１〜０．３ｍｍに塗布した。
これを１２０℃〜１６０℃のオーブン中で、１０分以上
加熱し、ガス拡散層３を形成した。次に、高分子電解質
であるパーフルオロカーボンスルホン酸と、アルコール
とを、１：１０〜５：１００の重量比で混合し、さら
に、白金を主成分とする貴金属触媒を、触媒と高分子電
解質とが、３：１〜１：１の重量比となるように混合
し、ペーストを調製した。ガス拡散層３の上に、そのペ
ーストをスクリーン印刷により厚さ約０．０１〜０．０
５ｍｍに塗布した。これを自然乾燥し、触媒層２を形成
することにより、ガス拡散層３と触媒層２とが一体であ
る電極４を連続的に形成した。シート６上に形成された
電極４を、図１に示すように、触媒層２が固体高分子電
解質膜１に接するように、厚さ２０〜１００μｍの固体
高分子電解質膜１の両面に配し、１２０℃〜１６０℃の
温度、１．５〜５．０ＭＰａの圧力の下で、ホットプレ
スした。そして、ガス拡散層３からＰＴＦＥシート６を
剥離し、固体高分子電解質膜・電極接合体５を製造し
た。得られた固体高分子電解質膜・電極接合体５を挟ん
でガス溝付きセパレータ（図示せず）を配して、単セル
を組み立てた。この単セルの電池出力を、７０℃にてＨ
2／空気で、０．４Ａ／ｃｍ2の電流密度において測定す
ると、７５０ｍＶであった。
【００５１】カーボンペーパーを用いて形成されたガス
拡散層３１を有する従来の単セル８１に比べて、内部抵
抗が３０％減少した。
拡散層３１を有する従来の単セル８１に比べて、内部抵
抗が３０％減少した。
【００５２】（実施例２）実施例１と同様に調製したパ
ーフルオロカーボンスルホン酸とアルコールと白金を主
成分とする貴金属触媒とからなるペーストを、厚さ２０
〜１００μｍの固体高分子電解質膜１の両面に、スクリ
ーン印刷により厚さ約０．０１〜０．０５ｍｍに直接塗
布した。これを自然乾燥し、触媒層２を形成した。次
に、実施例１と同様に調製したカーボン粉末とＰＴＦＥ
粉末とを含有するペーストを調製した。固体高分子電解
質膜１の両面に接合された触媒層２の上に、そのペース
トをスクリーン印刷により厚さ約０．１〜０．３ｍｍに
塗布した。これを、自然乾燥し、ガス拡散層３を形成す
ることにより、ガス拡散層３と触媒層２とが一体である
電極４を連続的に形成した。次に、両面に触媒層２およ
びガス拡散層３が形成された固体高分子電解質膜１を、
１２０℃〜１６０℃の温度、１．５〜５．０ＭＰａの圧
力の下で、ホットプレスして、固体高分子電解質膜・電
極接合体５を製造した。得られた固体高分子電解質膜・
電極接合体５を挟んでガス溝付きセパレータ（図示せ
ず）を配して、単セルを組み立てた。この単セルの電池
出力を、７０℃にてＨ2／空気で、０．４Ａ／ｃｍ2の電
流密度において測定すると、７５０ｍＶであった。
ーフルオロカーボンスルホン酸とアルコールと白金を主
成分とする貴金属触媒とからなるペーストを、厚さ２０
〜１００μｍの固体高分子電解質膜１の両面に、スクリ
ーン印刷により厚さ約０．０１〜０．０５ｍｍに直接塗
布した。これを自然乾燥し、触媒層２を形成した。次
に、実施例１と同様に調製したカーボン粉末とＰＴＦＥ
粉末とを含有するペーストを調製した。固体高分子電解
質膜１の両面に接合された触媒層２の上に、そのペース
トをスクリーン印刷により厚さ約０．１〜０．３ｍｍに
塗布した。これを、自然乾燥し、ガス拡散層３を形成す
ることにより、ガス拡散層３と触媒層２とが一体である
電極４を連続的に形成した。次に、両面に触媒層２およ
びガス拡散層３が形成された固体高分子電解質膜１を、
１２０℃〜１６０℃の温度、１．５〜５．０ＭＰａの圧
力の下で、ホットプレスして、固体高分子電解質膜・電
極接合体５を製造した。得られた固体高分子電解質膜・
電極接合体５を挟んでガス溝付きセパレータ（図示せ
ず）を配して、単セルを組み立てた。この単セルの電池
出力を、７０℃にてＨ2／空気で、０．４Ａ／ｃｍ2の電
流密度において測定すると、７５０ｍＶであった。
【００５３】この製造方法により得られた固体高分子電
解質膜・電極接合体を有する電池セルも、カーボンペー
パーを用いて形成されたガス拡散層３１を有する従来の
単セル８１に比べて、内部抵抗が３０％減少した。
解質膜・電極接合体を有する電池セルも、カーボンペー
パーを用いて形成されたガス拡散層３１を有する従来の
単セル８１に比べて、内部抵抗が３０％減少した。
【００５４】
【発明の効果】本発明の固体高分子型燃料電池の固体高
分子電解質膜・電極接合体は、電極のガス拡散層がカー
ボン粉末を含有するペーストから形成され、触媒層と、
ガス拡散層とが一体不可分である電極を用いているた
め、触媒層とガス拡散層との接触抵抗を低減せしめるこ
とができる。したがって、本発明の固体高分子電解質膜
・電極接合体を用いると、内部抵抗の小さい固体高分子
型燃料電池を提供することができる。
分子電解質膜・電極接合体は、電極のガス拡散層がカー
ボン粉末を含有するペーストから形成され、触媒層と、
ガス拡散層とが一体不可分である電極を用いているた
め、触媒層とガス拡散層との接触抵抗を低減せしめるこ
とができる。したがって、本発明の固体高分子電解質膜
・電極接合体を用いると、内部抵抗の小さい固体高分子
型燃料電池を提供することができる。
【００５５】また、本発明の製造方法によれば、触媒層
とガス拡散層とを同じ塗布方法を用いて連続的に形成す
ることができ、さらに、触媒層とガス拡散層とが一体化
しているために、固体高分子電解質膜との接合も容易で
ある。
とガス拡散層とを同じ塗布方法を用いて連続的に形成す
ることができ、さらに、触媒層とガス拡散層とが一体化
しているために、固体高分子電解質膜との接合も容易で
ある。
【００５６】さらにまた、本発明の他の製造方法によれ
ば、固体高分子電解質膜上に、直接、触媒層とガス拡散
層とを連続的に同じ塗布方法を用いて形成することがで
き、一層容易に固体高分子電解質膜・電極接合体を製造
することができる。
ば、固体高分子電解質膜上に、直接、触媒層とガス拡散
層とを連続的に同じ塗布方法を用いて形成することがで
き、一層容易に固体高分子電解質膜・電極接合体を製造
することができる。
【図１】本発明の固体高分子電解質膜・電極接合体を示
す模式断面図である。
す模式断面図である。
【図２】本発明の製造方法の工程で形成された電極を示
す模式断面図である。
す模式断面図である。
【図３】従来の固体高分子電解質膜・電極接合体を用い
た単セルを示す模式断面図である。
た単セルを示す模式断面図である。
１ 固体高分子電解質膜 ２ 触媒層 ３，３１ ガス拡散層 ４，４１ 電極 ５，５１ 固体高分子電解質膜・電極接合体 ６ シート ７ セパレータ ８１ 単セル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０９Ｄ 127/18 Ｃ０９Ｄ 127/18 Ｈ０１Ｍ 4/88 Ｈ０１Ｍ 4/88 Ｃ Ｋ 4/96 4/96 Ｍ 8/10 8/10 Ｆターム(参考） 4J002 BD151 DA016 FD116 GQ02 HA06 4J038 CD121 HA026 NA20 PB09 PC01 5H018 AA06 AS01 BB01 BB03 BB08 CC06 DD08 EE03 EE05 EE19 5H026 AA06 BB01 BB02 BB04 CC03 CX04 CX05 EE02 EE05 EE19
Claims (4)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜、および、該固体高
分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層とから成る
電極を具えた固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質
膜・電極接合体であって、前記電極において、触媒層
と、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペーストか
ら形成されたガス拡散層とは一体であり、さらに前記固
体高分子電解質膜と電極とが一体であることを特徴とす
る固体高分子電解質膜・電極接合体。 - 【請求項２】 前記フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロ
エチレンであることを特徴とする請求項１に記載の固体
高分子電解質膜・電極接合体。 - 【請求項３】Ａ．（１）剥離性シート上に、カーボン粉
末とフッ素樹脂とを含有するペーストを塗布して、ガス
拡散層を形成し、 （２）該ガス拡散層上に、触媒を含有するペーストを塗
布して、触媒層を形成する、 ことにより電極を形成する工程、 Ｂ．前記電極を、触媒層と固体高分子電解質膜とが接す
るように、固体高分子電解質膜の両面に接合する工程、
および Ｃ．前記電極のガス拡散層から剥離性シートを剥離する
工程、を具えることを特徴とする固体高分子電解質膜・
電極接合体の製造方法。 - 【請求項４】 固体高分子電解質膜の両面に、触媒を含
有するペーストを塗布して触媒層を形成し、該触媒層の
上に、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペースト
を塗布してガス拡散層を形成することにより、固体高分
子電解質膜に電極を接合することを特徴とする固体高分
子電解質膜・電極接合体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11178762A JP2001006699A (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | 固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜・電極接合体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11178762A JP2001006699A (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | 固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜・電極接合体およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001006699A true JP2001006699A (ja) | 2001-01-12 |
Family
ID=16054173
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11178762A Pending JP2001006699A (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | 固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜・電極接合体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001006699A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100420068B1 (ko) * | 2002-02-21 | 2004-02-25 | 광주과학기술원 | 루테늄 금속 산화물을 이용한 고분자 전해질 연료전지제조방법 |
| JP2006032083A (ja) * | 2004-07-15 | 2006-02-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体および膜触媒層接合体 |
| JP2006092990A (ja) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Dainippon Printing Co Ltd | 触媒層−電解質膜積層体製造用転写シート及びその製造方法 |
| JP2007048701A (ja) * | 2005-08-12 | 2007-02-22 | Dainippon Printing Co Ltd | 転写シート、触媒層−電解質膜積層体、電極−電解質膜接合体及びこれらの製造方法 |
| JP2008305610A (ja) * | 2007-06-06 | 2008-12-18 | Dainippon Printing Co Ltd | 導電性多孔質シート及びその製造方法 |
| DE112007001498T5 (de) | 2006-07-28 | 2009-04-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi | Gerät und Verfahren zum Auftragen einer Paste, die eine wasserabweisende Substanz enthält, und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle |
| JP2009252560A (ja) * | 2008-04-07 | 2009-10-29 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層形成用塗工液および固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の形成方法 |
| US7820316B2 (en) | 2006-10-23 | 2010-10-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Membrane electrode assembly and fuel cell |
| JP2010257987A (ja) * | 2010-06-09 | 2010-11-11 | Dainippon Printing Co Ltd | 触媒層−電解質膜積層体製造用転写シート及びその製造方法 |
| JP2012503699A (ja) * | 2008-09-26 | 2012-02-09 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 組成物、組成物からなるシート及びシートからなる電極の製造方法 |
-
1999
- 1999-06-24 JP JP11178762A patent/JP2001006699A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US8904626B2 (en) | 2008-09-26 | 2014-12-09 | General Electric Company | Method of making an electrode |
| JP2010257987A (ja) * | 2010-06-09 | 2010-11-11 | Dainippon Printing Co Ltd | 触媒層−電解質膜積層体製造用転写シート及びその製造方法 |
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