JP2001319663A - 固体高分子型燃料電池とその製造方法 - Google Patents

固体高分子型燃料電池とその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒層として電解質樹脂付触媒を用いる燃料
電池において、ガス拡散阻害の発生の防止を図った固体
高分子型燃料電池とその製造方法を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜を挟んで両主面に配
設した触媒層11と、ガス拡散層3と、反応ガス流路を
有してなるセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池
において、触媒層11は触媒粉末および電解質を含むも
のとして構成し、この触媒層内の電解質量を、触媒層の
厚さ方向および面方向に沿って変化させるものとし、最
も好適には、触媒層11の厚さ方向の電解質量を、ガス
拡散層3側を小・固体高分子電解質膜側を大とし、か
つ、面方向の電解質量を、反応ガスの出口側を小・入口
側を大とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子型燃
料電池とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は水素と酸素を利用し、電解質
を介在して直流電気を発電する装置である。固体高分子
型燃料電池は、電解質として、高分子膜が含水すること
でイオン導電性を示す樹脂膜を用いたもので、その燃料
電池セルの構成の斜視図を図4に示し、その一部拡大断
面図を図3に示す。
【0003】図3および図4において、固体高分子電解
質膜1の両面には、触媒層2と、多孔質のガス拡散層3
とを備え、さらに、一方のガス拡散層に反応ガスとして
の水素を含む燃料ガスを供給・排出するための燃料ガス
流路を有し,他方の拡散層に反応ガスとしての酸化剤ガ
スを供給・排出するための酸化剤ガス流路を有してなる
セパレータ5とを備える。なお、図4においてセパレー
タは、一つのセパレータの両側に反応ガス流路を有する
ものを示したが、製造上の理由から、図3に示すように
片側に流路を有するものを背中合わせに積層する場合も
ある。上記セルを多数積層したものをスタックという。
【0004】固体高分子電解質膜1としては、パーフル
オロスルホン酸ポリマー膜(米国,デュポン社,商品名
Nafion膜)が用いられる。この膜は、飽和に含水させる
ことで、常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示し、プロトン
伝導性電解質として機能する。膜の飽和含水量は温度に
よって可逆的に変化する。
【0005】固体高分子電解質膜1の両側に接合してい
るガス拡散層3の片方より水素、もう一方より酸素ある
いは空気を供給することにより、固体高分子電解質膜1
と触媒層2の界面における水素の酸化反応、酸素の還元
反応によってプロトン,電子の移動が起こり、電気を得
ることができる。
【0006】触媒層2は、粒子状の白金黒あるいは白金
担持カーボンと撥水性を有するフッ素樹脂とから形成さ
れる。触媒層2としては、触媒の反応面積を拡大するた
め、触媒層の中に固体高分子電解質樹脂を混合した構成
の電解質樹脂付触媒がよく用いられる。
【0007】ガス拡散層3としては、導電性のカーボン
ペーパーあるいはカーボンクロスを用いる。通常、固体
高分子電解質膜1と触媒層2の接合体を作製したのち、
ガス拡散層3をホットプレスにて接合する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、固体高
分子型燃料電池の触媒層としては、触媒の反応面積拡大
のため、電解質樹脂付触媒がよく用いられるが、従来の
触媒層は、触媒と固体高分子電解質のアルコール溶液を
混合したペーストをそのまま導電性のカーボンペーパー
あるいはカーボンクロスからなるガス拡散層上に、均一
に塗布形成して作成していた。この場合、触媒層内の電
解質量分布が略均一となるため、部分的に反応ガスの拡
散阻害が生じて、燃料電池の特性が低下する問題があっ
た。
【0009】電解質量が多すぎると、触媒間の空隙が小
となり、反応ガス通路を閉塞し、ガス拡散性を阻害す
る。さらに、電解質は水分を吸収して膨潤する性質があ
るので、水分過多となる反応ガス出口側、特に酸化剤ガ
ス出口側では、電解質の膨潤に基づくガス拡散阻害が起
きやすい。
【0010】この発明は、上記の点に鑑みてなされたも
ので、この発明の課題は、触媒層として電解質樹脂付触
媒を用いる場合において、ガス拡散阻害の発生の防止を
図った固体高分子型燃料電池とその製造方法を提供する
ことにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明は、固体高分子電解質膜を挟んで両主面
に配設した触媒層と、この触媒層の両外側に配設した多
孔質のガス拡散層と、一方のガス拡散層に水素を含む燃
料ガスを供給・排出するための燃料ガス流路を有してな
るセパレータと、他方のガス拡散層に酸化剤ガスを供給
・排出するための酸化剤ガス流路を有してなるセパレー
タとを備えた固体高分子型燃料電池において、前記触媒
層は触媒粉末および電解質を含むものとして構成し、こ
の触媒層内の電解質量を、触媒層の厚さ方向および面方
向に沿って変化させてなるものとする(請求項1の発
明)。
【0012】上記における最も好適な実施態様として
は、請求項1記載の燃料電池において、前記触媒層の厚
さ方向の電解質量を、前記ガス拡散層側を小・固体高分
子電解質膜側を大とし、かつ、前記面方向の電解質量
を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の出口
側を小・入口側を大とする(請求項2の発明)。
【0013】上記によれば、触媒層のガス拡散層側のガ
ス拡散性を良好に保ち、また燃料電池の反応生成水によ
って水分過多となるガス出口側のガス拡散阻害を良好に
防止することができる。
【0014】また、上記燃料電池の製造方法としては、
請求項3および4の発明が好適である。即ち、触媒と電
解質樹脂と揮発性有機溶剤とを混合したペーストを乾燥
・粉末化してなる電解質樹脂付き触媒を、電解質樹脂の
配合割合を変えて、複数種類作製する工程と、この複数
種類の電解質樹脂付き触媒を揮発性有機溶剤により各々
再度ペースト化する工程と、前記複数種類のペースト
を、導電性のカーボンペーパーあるいはカーボンクロス
からなるガス拡散層上に、触媒層内の電解質量が触媒層
の厚さ方向および/または面方向に沿って変化するよう
に触媒層として塗布形成する工程と、この触媒層を固体
高分子電解質膜の両面に接合する工程とを含むこととす
る(請求項3の発明)。
【0015】さらに、前記請求項3記載の製造方法にお
いて、前記触媒層の厚さ方向の電解質量を、前記ガス拡
散層側を小、固体高分子電解質膜側を大とし、および/
または、前記面方向の電解質量を、燃料ガスまたは酸化
剤ガスの少なくとも一方の出口側を小、入口側を大とす
ることとする(請求項4の発明)。
【0016】上記製造方法によれば、所望の複数の電解
質の割合を有する触媒層をあらかじめ製作し、再度ペー
スト化してガス拡散層上に塗布して順次触媒層を形成す
るので、触媒層の厚さ方向、面方向を問わず、任意の部
分において触媒層中の電解質樹脂含有量を調整できるの
で、ガス拡散性を高めたい個所には電解質樹脂を少なく
する等、所望の触媒層が容易に形成できる。
【0017】さらに、燃料電池を容易に製作する上で、
請求項4の発明が好適である。即ち、請求項3記載の製
造方法において、前記揮発性有機溶剤はアルコール溶液
とし、触媒層と固体高分子電解質膜との接合は熱圧着に
より行うこととする。
【0018】
【発明の実施の形態】図面に基づき、この発明の実施例
について以下にのべる。
【0019】図1は、この発明の実施例に関わる電解質
樹脂付き触媒およびその製造過程を示す模式図である。
触媒7と固体高分子電解質のアルコール溶液8を混合し
ペーストにしたものを、真空乾燥し粉末化させて、電解
質樹脂付き触媒9とした。この方法により、触媒と電解
質のアルコール溶液を1:3〜10:1の範囲で変え、数種
の電解質樹脂付き触媒9を作製した。この電解質樹脂付
き触媒を同種のアルコールあるいは低揮発性の溶媒を用
いて再度ペーストにし、導電性のあるカーボンペーパー
あるいはカーボンクロスからなるガス拡散層上に、刷毛
あるいはスクリーン印刷で厚さおよそ0.1〜0.3mmに塗布
形成した。
【0020】図2は、ガス拡散層の上に形成された触媒
層の一例を示す。図2において、ガス拡散層3の上に形
成された触媒層11は、触媒層の厚さ方向で二分割、面
方向で二分割し、それぞれ電解質樹脂量を変えたペース
トを塗布・積層して形成されている。触媒層11の電解
質樹脂量は反応ガス入口側および固体高分子電解質膜に
近い層を多くし、ガス出口側およびガス拡散層に近い側
を少なくした。この触媒層11を自然乾燥させ、固体高
分子電解質膜1の両面に触媒層側から配し、80℃〜160
℃の範囲で熱圧着した。この後、この接合体の両側にガ
ス溝付きセパレータ5を配して単セルを形成した。
【0021】上記のようにして製作した固体高分子型燃
料電池に関して、70℃にてH2/Airで燃料電池の発電試験
を行った結果、0.4A/cm2の電流密度において0.7Vを示
し、従来の0.65Vよりも特性が向上した。また、従来、
セル温度70℃において加湿70℃以上は運転不可能であっ
たのに対して、実施例の場合加湿75℃まで安全運転がで
き、水蒸気の凝縮防止の観点からも改善効果が確認され
た。
【0022】
【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、固体
高分子電解質膜を挟んで両主面に配設した触媒層と、こ
の触媒層の両外側に配設した多孔質のガス拡散層と、一
方のガス拡散層に水素を含む燃料ガスを供給・排出する
ための燃料ガス流路を有してなるセパレータと、他方の
ガス拡散層に酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤
ガス流路を有してなるセパレータとを備えた固体高分子
型燃料電池において、前記触媒層は触媒粉末および電解
質を含むものとして構成し、この触媒層内の電解質量
を、触媒層の厚さ方向および面方向に沿って変化させる
ものとし、最も好適な実施態様として、前記触媒層の厚
さ方向の電解質量を、前記ガス拡散層側を小、固体高分
子電解質膜側を大とし、かつ、前記面方向の電解質量
を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の出口
側を小・入口側を大とすることにより、触媒層のガス拡
散層側のガス拡散性を良好に保ち、また燃料電池の反応
生成水によって水分過多となるガス出口側のガス拡散阻
害を良好に防止することができる。
【0023】さらに、上記燃料電池の製造方法として
は、触媒と電解質樹脂と揮発性有機溶剤とを混合したペ
ーストを乾燥・粉末化してなる電解質樹脂付き触媒を、
電解質樹脂の配合割合を変えて、複数種類作製する工程
と、この複数種類の電解質樹脂付き触媒を揮発性有機溶
剤により各々再度ペースト化する工程と、前記複数種類
のペーストを、導電性のカーボンペーパーあるいはカー
ボンクロスからなるガス拡散層上に、触媒層内の電解質
量が触媒層の厚さ方向および/または面方向に沿って変
化するように触媒層として塗布形成する工程と、この触
媒層を固体高分子電解質膜の両面に接合する工程とを含
むこととしたので、触媒層の厚さ方向、面方向を問わ
ず、任意の部分において触媒層中の電解質樹脂含有量の
調整、ひいてはガス拡散性の調整が容易となり、所望の
触媒層が容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例に関わる電解質付き触媒およ
びその製造過程を示す模式図
【図2】ガス拡散層の上に形成された触媒層の実施例を
示す図
【図3】固体高分子型燃料電池セルの一部拡大断面図
【図4】固体高分子型燃料電池セルの構成の斜視図
【符号の説明】
1:固体高分子電解質膜、2,11:触媒層、3:ガス
拡散層、5:セパレータ、7:触媒、8:固体高分子電
解質のアルコール溶液、9:電解質樹脂付き触媒。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体高分子電解質膜を挟んで両主面に配
    設した触媒層と、この触媒層の両外側に配設した多孔質
    のガス拡散層と、一方のガス拡散層に水素を含む燃料ガ
    スを供給・排出するための燃料ガス流路を有してなる第
    1のセパレータと、他方のガス拡散層に酸化剤ガスを供
    給・排出するための酸化剤ガス流路を有してなる第2の
    セパレータとを備えた固体高分子型燃料電池において、
    前記触媒層は触媒粉末および電解質を含むものとして構
    成し、この触媒層内の電解質量を、触媒層の厚さ方向お
    よび面方向に沿って変化させてなることを特徴とする固
    体高分子型燃料電池。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の燃料電池において、前記
    触媒層の厚さ方向の電解質量を、前記ガス拡散層側を
    小、固体高分子電解質膜側を大とし、かつ、前記面方向
    の電解質量を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも
    一方の出口側を小、入口側を大とすることを特徴とする
    固体高分子型燃料電池。
  3. 【請求項3】 触媒と電解質樹脂と揮発性有機溶剤とを
    混合したペーストを乾燥・粉末化してなる電解質樹脂付
    き触媒を、電解質樹脂の配合割合を変えて、複数種類作
    製する工程と、この複数種類の電解質樹脂付き触媒を揮
    発性有機溶剤により各々再度ペースト化する工程と、前
    記複数種類のペーストを、導電性のカーボンペーパーあ
    るいはカーボンクロスからなるガス拡散層上に、触媒層
    内の電解質量が触媒層の厚さ方向および/または面方向
    に沿って変化するように触媒層として塗布形成する工程
    と、この触媒層を固体高分子電解質膜の両面に接合する
    工程とを含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の製造方法において、前記
    触媒層の厚さ方向の電解質量を、前記ガス拡散層側を
    小、固体高分子電解質膜側を大とし、および/または、
    前記面方向の電解質量を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの
    少なくとも一方の出口側を小、入口側を大とすることを
    特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項3記載の製造方法において、前記
    揮発性有機溶剤はアルコール溶液とし、触媒層と固体高
    分子電解質膜との接合は熱圧着により行うことを特徴と
    する固体高分子型燃料電池の製造方法。
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