JP2003059505A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents
燃料電池の製造方法Info
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 リーク不良がなくサイクル寿命が向上する、
高品質な高分子電解質型燃料電池を製造する方法を提供
する。 【解決手段】 触媒を担持する固形物を攪拌する工程Ｓ
１と、固形物と水素イオン伝導性を有する樹脂とを混合
する工程Ｓ２とを経てペーストを作製し、次にこのペー
ストを、導電性を有する基体に塗布して電極を作製し、
この電極を高分子電解質膜の両面に接着して単電池を作
製する。工程Ｓ１における攪拌の剪断速度を、工程Ｓ２
における混合の剪断速度より高くする。
高品質な高分子電解質型燃料電池を製造する方法を提供
する。 【解決手段】 触媒を担持する固形物を攪拌する工程Ｓ
１と、固形物と水素イオン伝導性を有する樹脂とを混合
する工程Ｓ２とを経てペーストを作製し、次にこのペー
ストを、導電性を有する基体に塗布して電極を作製し、
この電極を高分子電解質膜の両面に接着して単電池を作
製する。工程Ｓ１における攪拌の剪断速度を、工程Ｓ２
における混合の剪断速度より高くする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池の製造方法に関する。
料電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、燃料ガスと、酸素等エアー
を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力エネ
ルギーを発生させるものである。高分子電解質型燃料電
池は、燃料電池の一種である。高分子電解質型燃料電池
を構成する単電池の一例を図２に示す。
を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力エネ
ルギーを発生させるものである。高分子電解質型燃料電
池は、燃料電池の一種である。高分子電解質型燃料電池
を構成する単電池の一例を図２に示す。
【０００３】図２において、１は高分子膜であり、水素
イオン導電性膜として使用される。２は燃料極であり、
カーボンシートと撥水層よりなるガス拡散層と触媒層よ
り構成される。３は空気極であり、燃料極と同様のガス
拡散層と、触媒層より構成される。５はセパレータであ
り、単電池を接合して燃料電池を構成するときに燃料極
に入る水素と空気極に入る空気とが混じるのを防ぐ役割
を果たすものである。
イオン導電性膜として使用される。２は燃料極であり、
カーボンシートと撥水層よりなるガス拡散層と触媒層よ
り構成される。３は空気極であり、燃料極と同様のガス
拡散層と、触媒層より構成される。５はセパレータであ
り、単電池を接合して燃料電池を構成するときに燃料極
に入る水素と空気極に入る空気とが混じるのを防ぐ役割
を果たすものである。
【０００４】この高分子電解質型燃料電池は、次のよう
にして作製される。まず、貴金属触媒を担持したカーボ
ン粉末（以下、触媒担持カーボン粉末という）を触媒体
とし、これに結合剤樹脂を混合して触媒層用ペーストを
作製する。さらに、水素を含む燃料ガスの通気性と電子
導電性を併せ持った、例えば撥水処理を施したカーボン
ペーパー等でガス拡散層を形成し、このガス拡散層上に
前述したペーストを塗布して触媒層を形成して電極を作
製する（このため、ペーストを作製する工程を塗料化工
程と称することがある）。この触媒層を平滑で凝集塊の
ないものとするためには、触媒担持カーボン粉末の一次
粒子化を促進するため、ペーストを高い剪断速度で混合
処理することが必要となる。
にして作製される。まず、貴金属触媒を担持したカーボ
ン粉末（以下、触媒担持カーボン粉末という）を触媒体
とし、これに結合剤樹脂を混合して触媒層用ペーストを
作製する。さらに、水素を含む燃料ガスの通気性と電子
導電性を併せ持った、例えば撥水処理を施したカーボン
ペーパー等でガス拡散層を形成し、このガス拡散層上に
前述したペーストを塗布して触媒層を形成して電極を作
製する（このため、ペーストを作製する工程を塗料化工
程と称することがある）。この触媒層を平滑で凝集塊の
ないものとするためには、触媒担持カーボン粉末の一次
粒子化を促進するため、ペーストを高い剪断速度で混合
処理することが必要となる。
【０００５】次に、この電極を、水素イオンを選択的に
輸送する高分子電解質膜の片面または両面に接着して単
電池を作製する。ここで高分子電解質膜には、水素イオ
ン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸が
一般に使用される。
輸送する高分子電解質膜の片面または両面に接着して単
電池を作製する。ここで高分子電解質膜には、水素イオ
ン伝導性高分子電解質であるパーフルオロスルホン酸が
一般に使用される。
【０００６】前述した結合性樹脂は、触媒層と、ガス拡
散層や高分子電解質膜との結着性を高めるためのもので
ある。この結合剤樹脂には、高分子電解質膜と同様、パ
ーフルオロスルホン酸が一般に使用される。
散層や高分子電解質膜との結着性を高めるためのもので
ある。この結合剤樹脂には、高分子電解質膜と同様、パ
ーフルオロスルホン酸が一般に使用される。
【０００７】この結着性を更に高めるために、結合剤樹
脂としてポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニ
リデン樹脂等のフッ素系樹脂も配合される。
脂としてポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニ
リデン樹脂等のフッ素系樹脂も配合される。
【０００８】これらフッ素樹脂を添加した後、ペースト
の作製工程で、触媒担持カーボン粉末等の固形物の混合
が不十分な場合、強い剪断応力、即ち、高い剪断速度で
混合して固形物を一次粒子化させる必要が生じる。
の作製工程で、触媒担持カーボン粉末等の固形物の混合
が不十分な場合、強い剪断応力、即ち、高い剪断速度で
混合して固形物を一次粒子化させる必要が生じる。
【０００９】しかし、フッ素系樹脂は、一般に剪断応
力、温度、ｐＨ等の微小な変化により樹脂自体が凝集し
やすい性質があるため、そのように高い剪断速度を負荷
すると、精製工程や塗布工程中に凝集物が詰まってフィ
ルター圧力が増加したり、塗工スジが発生する原因とな
る凝集塊が生じてしまう。
力、温度、ｐＨ等の微小な変化により樹脂自体が凝集し
やすい性質があるため、そのように高い剪断速度を負荷
すると、精製工程や塗布工程中に凝集物が詰まってフィ
ルター圧力が増加したり、塗工スジが発生する原因とな
る凝集塊が生じてしまう。
【００１０】また、そのような凝集塊を含むペーストを
用いると、ペーストの作製工程において、混合機の機械
的な撹拌作用や粉体の湿潤によりペースト中に気泡が巻
き込まれ、この状態でガス拡散層に塗布すると、乾燥
後、電極の触媒層部分にピンホールやひび割れが生じる
ことがあった。さらに、ペーストをガス拡散層に塗布し
て触媒層を形成するとき、精製工程で結合剤樹脂がペー
スト中から除去されてしまい、電極から触媒が欠落する
こともあった。
用いると、ペーストの作製工程において、混合機の機械
的な撹拌作用や粉体の湿潤によりペースト中に気泡が巻
き込まれ、この状態でガス拡散層に塗布すると、乾燥
後、電極の触媒層部分にピンホールやひび割れが生じる
ことがあった。さらに、ペーストをガス拡散層に塗布し
て触媒層を形成するとき、精製工程で結合剤樹脂がペー
スト中から除去されてしまい、電極から触媒が欠落する
こともあった。
【００１１】さらに、このような触媒層を備える燃料電
池は、ピンホールへ電荷が集中して放電容量が低下した
り、ひび割れした部分から触媒層が欠落して電池のサイ
クル寿命が低下することもあった。
池は、ピンホールへ電荷が集中して放電容量が低下した
り、ひび割れした部分から触媒層が欠落して電池のサイ
クル寿命が低下することもあった。
【００１２】このような問題を解消するため、フッ素系
樹脂を固形物に効率よく被着するべく樹脂と固形物とを
混合してペーストを作製する前、即ち、塗料化の前に、
予めフッ素系樹脂を被着する技術がある。
樹脂を固形物に効率よく被着するべく樹脂と固形物とを
混合してペーストを作製する前、即ち、塗料化の前に、
予めフッ素系樹脂を被着する技術がある。
【００１３】しかし、このフッ素系樹脂が予め被着され
た固形物を用いると、塗料化の際、特に親水性の溶媒を
用いたときに溶媒と固形物との親和性が低下したり、塗
料に用いるペーストの分散性が低下してペースト中に気
泡が巻き込まれたり、凝集塊の砕壊が不十分となったり
していた。
た固形物を用いると、塗料化の際、特に親水性の溶媒を
用いたときに溶媒と固形物との親和性が低下したり、塗
料に用いるペーストの分散性が低下してペースト中に気
泡が巻き込まれたり、凝集塊の砕壊が不十分となったり
していた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題を解決し、リーク不良がなく、サイクル寿命が向上さ
れた、高品質な高分子電解質型燃料電池を製造する方法
を提供することを目的とする。
題を解決し、リーク不良がなく、サイクル寿命が向上さ
れた、高品質な高分子電解質型燃料電池を製造する方法
を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明の燃料電池の製造方法においては、触媒
を担持する固形物を攪拌する第一の工程と、その固形物
と水素イオン伝導性を有する樹脂とを混合する第二の工
程とを経てペーストを作製する。
ために、本発明の燃料電池の製造方法においては、触媒
を担持する固形物を攪拌する第一の工程と、その固形物
と水素イオン伝導性を有する樹脂とを混合する第二の工
程とを経てペーストを作製する。
【００１６】ここで、第一の工程における攪拌の剪断速
度を、第二の工程における混合の剪断速度より高くす
る。
度を、第二の工程における混合の剪断速度より高くす
る。
【００１７】次に得られたペーストを、導電性を有する
基体に塗布して電極を作製し、さらにその電極を高分子
電解質膜の両面に接着して単電池を作製する。
基体に塗布して電極を作製し、さらにその電極を高分子
電解質膜の両面に接着して単電池を作製する。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、以下、図
面を用いて説明する。
面を用いて説明する。
【００１９】図１に、触媒層に用いるペーストの作製工
程の一例を示す。第一の工程Ｓ１で、貴金属触媒を担持
したカーボン粉末と、イソプロピルアルコールを溶剤と
して混合して、混合攪拌機で剪断応力をかけながら攪拌
して触媒担持カーボン粉末を作製する。
程の一例を示す。第一の工程Ｓ１で、貴金属触媒を担持
したカーボン粉末と、イソプロピルアルコールを溶剤と
して混合して、混合攪拌機で剪断応力をかけながら攪拌
して触媒担持カーボン粉末を作製する。
【００２０】ここに貴金属としては白金を、カーボン粉
末としてはケッチェンブラック、アセチレンブラック等
の導電性カーボンブラックを用いることができる。ま
た、溶剤としては、イソプロピルアルコールの他、水、
エチルアルコール、メチルアルコール、エチレングリコ
ール、メチレングリコール、プロピレングリコール、メ
チルエチルケトン、アセトン、トルエン、キシレン、ｎ
メチル−２−ピロリドン等をそれぞれ単独、又は複数種
混合して用いることもできる。
末としてはケッチェンブラック、アセチレンブラック等
の導電性カーボンブラックを用いることができる。ま
た、溶剤としては、イソプロピルアルコールの他、水、
エチルアルコール、メチルアルコール、エチレングリコ
ール、メチレングリコール、プロピレングリコール、メ
チルエチルケトン、アセトン、トルエン、キシレン、ｎ
メチル−２−ピロリドン等をそれぞれ単独、又は複数種
混合して用いることもできる。
【００２１】次の第二の工程Ｓ２では、フッ素系樹脂
と、溶媒としてイソプロピルアルコールを配合し、フッ
素系樹脂の凝集を抑えつつ、かつその繊維化を促進する
ため、第一の工程Ｓ１でのそれより低い剪断速度で、触
媒担持カーボン粉末とフッ素系樹脂とを混合攪拌機で混
合処理してペーストを作製する。
と、溶媒としてイソプロピルアルコールを配合し、フッ
素系樹脂の凝集を抑えつつ、かつその繊維化を促進する
ため、第一の工程Ｓ１でのそれより低い剪断速度で、触
媒担持カーボン粉末とフッ素系樹脂とを混合攪拌機で混
合処理してペーストを作製する。
【００２２】ここにフッ素系樹脂としては、パーフルオ
ロスルホン酸、ポリエチレンフタレート、ポリフッ化ビ
ニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロ
ピレン共重合体等をそれぞれ単独、又は複数種を混合し
たものを用いることができる。
ロスルホン酸、ポリエチレンフタレート、ポリフッ化ビ
ニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロ
ピレン共重合体等をそれぞれ単独、又は複数種を混合し
たものを用いることができる。
【００２３】本実施形態では、混合攪拌機によりペース
トを攪拌・混合した。この混合攪拌機には、例えば、特
殊機化（株）製２０ｌミキサーを用いることができる。
これは、自転と公転機能を有する２つのブレード（羽
根）が１対となったプラネタリーミキサー部と、プラネ
タリー部と同様、自転しながら公転するディゾルバー部
を有する混合攪拌機である。
トを攪拌・混合した。この混合攪拌機には、例えば、特
殊機化（株）製２０ｌミキサーを用いることができる。
これは、自転と公転機能を有する２つのブレード（羽
根）が１対となったプラネタリーミキサー部と、プラネ
タリー部と同様、自転しながら公転するディゾルバー部
を有する混合攪拌機である。
【００２４】特殊機化（株）製２０ｌミキサーでは、ペ
ーストを混合する際、プラネタリーミキサー部のブレー
ド回転数（プラネタリー撹拌速度）が４０ｒｐｍの時、
剪断速度（周速）は約１０ｍ／ｓである。また、ディゾ
ルバー部のディスク回転数（ディゾルバー撹拌速度）が
１６００ｒｐｍの時、剪断速度（周速）は約１０ｍ／ｓ
である。
ーストを混合する際、プラネタリーミキサー部のブレー
ド回転数（プラネタリー撹拌速度）が４０ｒｐｍの時、
剪断速度（周速）は約１０ｍ／ｓである。また、ディゾ
ルバー部のディスク回転数（ディゾルバー撹拌速度）が
１６００ｒｐｍの時、剪断速度（周速）は約１０ｍ／ｓ
である。
【００２５】ディゾルバー撹拌速度が１６００ｒｐｍ未
満であると結合剤樹脂が繊維化して良好なペーストが得
られやすいが、１６００ｒｐｍ以上であると結合剤樹脂
の繊維化の成長が促進され、凝集しやすくなる。
満であると結合剤樹脂が繊維化して良好なペーストが得
られやすいが、１６００ｒｐｍ以上であると結合剤樹脂
の繊維化の成長が促進され、凝集しやすくなる。
【００２６】このようにディゾルバーで混合する場合、
結合剤樹脂が凝集する度合は、ペーストの液面高さや粘
性に依存してペーストに与えられる負荷の影響も受け、
混合時の剪断速度のみに左右されるわけではない。特に
気泡が巻き込まれる状態で混合撹拌している時には、結
合剤樹脂の凝集が発生し易いと考えられる。例えば、撹
拌混合機として、本実施形態の撹拌混合機をスケールア
ップした特殊機化（株）製５０ｌミキサーを用いた場合
では、ディゾルバー部の剪断速度（周速）が１０ｍ／ｓ
であっても結合剤樹脂の凝集は見られなかった。
結合剤樹脂が凝集する度合は、ペーストの液面高さや粘
性に依存してペーストに与えられる負荷の影響も受け、
混合時の剪断速度のみに左右されるわけではない。特に
気泡が巻き込まれる状態で混合撹拌している時には、結
合剤樹脂の凝集が発生し易いと考えられる。例えば、撹
拌混合機として、本実施形態の撹拌混合機をスケールア
ップした特殊機化（株）製５０ｌミキサーを用いた場合
では、ディゾルバー部の剪断速度（周速）が１０ｍ／ｓ
であっても結合剤樹脂の凝集は見られなかった。
【００２７】以上のような燃料電池の製造方法によっ
て、リーク不良がなく、サイクル寿命が向上する、高品
質な高分子電解質型燃料電池が提供できる。
て、リーク不良がなく、サイクル寿命が向上する、高品
質な高分子電解質型燃料電池が提供できる。
【００２８】本発明では、前述した工程Ｓ１では、溶剤
の配合量は、重量比で、貴金属触媒粉末１００に対して
１０〜４００とするのが好ましい。また、前述した混合
撹拌機の代わりに、連続式二軸混練装置やバッチ式混練
装置等を用いることもできる。
の配合量は、重量比で、貴金属触媒粉末１００に対して
１０〜４００とするのが好ましい。また、前述した混合
撹拌機の代わりに、連続式二軸混練装置やバッチ式混練
装置等を用いることもできる。
【００２９】工程Ｓ１、工程Ｓ２では、減圧状態で混合
することにより、触媒担持カーボン粉末や、さらにこれ
とフッ素系樹脂とが混合されたペーストの脱泡処理もさ
れる。脱泡処理は、図１に示すように、両方の工程で行
うのが好ましいが、Ｓ１、Ｓ２のいずれか一方の工程で
行えば良い。また、この脱泡処理は、１００ｔｏｒｒ以
下、好ましくは６０ｔｏｒｒ以下で行うのが良い。１０
０ｔｏｒｒを越えるとエアーが十分に除去されないこと
があり、得られるペーストにピンホールが発生しやすく
なる。さらに、脱泡処理は、図１に示すように、独立し
た脱泡工程Ｓ３を付加して行うこともできる。
することにより、触媒担持カーボン粉末や、さらにこれ
とフッ素系樹脂とが混合されたペーストの脱泡処理もさ
れる。脱泡処理は、図１に示すように、両方の工程で行
うのが好ましいが、Ｓ１、Ｓ２のいずれか一方の工程で
行えば良い。また、この脱泡処理は、１００ｔｏｒｒ以
下、好ましくは６０ｔｏｒｒ以下で行うのが良い。１０
０ｔｏｒｒを越えるとエアーが十分に除去されないこと
があり、得られるペーストにピンホールが発生しやすく
なる。さらに、脱泡処理は、図１に示すように、独立し
た脱泡工程Ｓ３を付加して行うこともできる。
【００３０】本発明では、触媒担持カーボン粉末に、フ
ッ素系樹脂、例えば、パーフルオロスルホン酸、ポリエ
チレンフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化
ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等を、
例えば三井鉱山（株）製ヘンシェルミキサ等を用いて、
工程Ｓ１の前で予め被着する処理を行っても良い。
ッ素系樹脂、例えば、パーフルオロスルホン酸、ポリエ
チレンフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化
ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等を、
例えば三井鉱山（株）製ヘンシェルミキサ等を用いて、
工程Ｓ１の前で予め被着する処理を行っても良い。
【００３１】このように予めフッ素系樹脂が被着された
触媒担持カーボン粉末を用いる場合は、工程Ｓ２におい
て、さらにフッ素系樹脂を配合することもできるが、フ
ッ素系樹脂の配合を省略しても良い。
触媒担持カーボン粉末を用いる場合は、工程Ｓ２におい
て、さらにフッ素系樹脂を配合することもできるが、フ
ッ素系樹脂の配合を省略しても良い。
【００３２】また、工程Ｓ２の後、得られたペースト中
でのカーボン粉末の分散性をさらに高め、ペースト中の
エアーを除去するために、図１に示すように、超高圧分
散装置を用いてペーストを処理する工程Ｓ４を設けるこ
ともできる。この超高圧分散装置には、例えば、日本精
機（株）製、圧力式ホモジナイザーを用いることができ
る。この装置は、ペーストをオリフィス細孔から吐出さ
せ、その細孔と対面する板面に衝突させてペーストを分
散させるものである。
でのカーボン粉末の分散性をさらに高め、ペースト中の
エアーを除去するために、図１に示すように、超高圧分
散装置を用いてペーストを処理する工程Ｓ４を設けるこ
ともできる。この超高圧分散装置には、例えば、日本精
機（株）製、圧力式ホモジナイザーを用いることができ
る。この装置は、ペーストをオリフィス細孔から吐出さ
せ、その細孔と対面する板面に衝突させてペーストを分
散させるものである。
【００３３】ここで、装置からペーストを吐出する際の
圧力としては、５０〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2、好ましく
は１００〜３００ｋｇｆ／ｃｍ2が良い。５００ｋｇｆ
／ｃｍ 2を越えると、ペーストが過度に高温となり、フ
ッ素樹脂が変性して塗料の安定性が低下することがあ
り、５０ｋｇｆ／ｃｍ2より低いと、凝集塊を十分に砕
壊できず、凝集塊による塗工スジが発生することがあ
る。
圧力としては、５０〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2、好ましく
は１００〜３００ｋｇｆ／ｃｍ2が良い。５００ｋｇｆ
／ｃｍ 2を越えると、ペーストが過度に高温となり、フ
ッ素樹脂が変性して塗料の安定性が低下することがあ
り、５０ｋｇｆ／ｃｍ2より低いと、凝集塊を十分に砕
壊できず、凝集塊による塗工スジが発生することがあ
る。
【００３４】工程Ｓ４により、前の工程の直前で凝集し
ていたペースト中のカーボン粉末の再分散や、ペースト
に混入したエアーがより効果的に除去されるようにな
り、いわゆる塗工スジやピンホールの発生が防止され
る。
ていたペースト中のカーボン粉末の再分散や、ペースト
に混入したエアーがより効果的に除去されるようにな
り、いわゆる塗工スジやピンホールの発生が防止され
る。
【００３５】なお、本発明は、上述した実施形態に示
す、いわゆるアノードタイプの触媒層だけでなく、カソ
ードタイプの触媒層についても同様に適用できる。
す、いわゆるアノードタイプの触媒層だけでなく、カソ
ードタイプの触媒層についても同様に適用できる。
【００３６】
【実施例】以下、実施例により、本発明をより詳細に説
明する。
明する。
【００３７】（実施例１）図１に示すように、第一の工
程Ｓ１で、ケッチェンブラックの上に白金触媒を５０重
量％担持したものと、イソプロピルアルコールを溶剤に
用い、両者を混合攪拌機で攪拌して触媒担持カーボン粉
末を作製した。ここでは、混合攪拌機のプラネタリー撹
拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバー撹拌速度を２０００
ｒｐｍとし、同時に圧力を５０ｔｏｒｒに設定した状態
で１０分間保持して脱泡させた。
程Ｓ１で、ケッチェンブラックの上に白金触媒を５０重
量％担持したものと、イソプロピルアルコールを溶剤に
用い、両者を混合攪拌機で攪拌して触媒担持カーボン粉
末を作製した。ここでは、混合攪拌機のプラネタリー撹
拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバー撹拌速度を２０００
ｒｐｍとし、同時に圧力を５０ｔｏｒｒに設定した状態
で１０分間保持して脱泡させた。
【００３８】次に、第二の工程Ｓ２で、得られた触媒担
持カーボン粉末と、そのカーボン成分に対して１０％の
パーフルオロスルホン酸と、イソプロピルアルコールと
を混合攪拌機で混合して固形物の濃度が２０重量％のペ
ーストを作製した。ここでは、混合攪拌機のプラネタリ
ー撹拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバー撹拌速度を６０
０ｒｐｍとし、工程Ｓ１同様、同時に圧力を５０ｔｏｒ
ｒに設定した状態で１０分間保持して脱泡させた。
持カーボン粉末と、そのカーボン成分に対して１０％の
パーフルオロスルホン酸と、イソプロピルアルコールと
を混合攪拌機で混合して固形物の濃度が２０重量％のペ
ーストを作製した。ここでは、混合攪拌機のプラネタリ
ー撹拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバー撹拌速度を６０
０ｒｐｍとし、工程Ｓ１同様、同時に圧力を５０ｔｏｒ
ｒに設定した状態で１０分間保持して脱泡させた。
【００３９】なお、本実施例では、混合攪拌機として特
殊機化（株）製２０ｌミキサーを用いた。
殊機化（株）製２０ｌミキサーを用いた。
【００４０】さらに工程Ｓ２の後に、超高圧分散装置と
して圧力ホモジナイザーを用い、その吐出圧力を１００
ｋｇｆ／ｃｍ2として、ペースト中でカーボン粉末を分
散させ、アノードペーストを作製した。
して圧力ホモジナイザーを用い、その吐出圧力を１００
ｋｇｆ／ｃｍ2として、ペースト中でカーボン粉末を分
散させ、アノードペーストを作製した。
【００４１】一方、電極のベースとなるガス拡散層は、
次のようにして作製した。まず、アセチレンブラック
（カーボン粉末）とポリテトラフルオロエチレンの水性
ディスパージョンとを混合し、乾燥重量としてポリテト
ラフルオロエチレン２０重量％含む撥水インクを調製し
た。次に、この撥水インクをガス拡散層の骨材となるカ
ーボンペーパーに塗布して含浸させ、次いで熱風乾燥機
を用いて３００℃で熱処理して撥水性のあるガス拡散層
を形成した。
次のようにして作製した。まず、アセチレンブラック
（カーボン粉末）とポリテトラフルオロエチレンの水性
ディスパージョンとを混合し、乾燥重量としてポリテト
ラフルオロエチレン２０重量％含む撥水インクを調製し
た。次に、この撥水インクをガス拡散層の骨材となるカ
ーボンペーパーに塗布して含浸させ、次いで熱風乾燥機
を用いて３００℃で熱処理して撥水性のあるガス拡散層
を形成した。
【００４２】このガス拡散層上に、前述した方法で得ら
れたアノードペーストを塗布して触媒層を形成して電極
を作製し、次いで、この電極を高分子電解質膜の両面に
接着して単電池を作製した。
れたアノードペーストを塗布して触媒層を形成して電極
を作製し、次いで、この電極を高分子電解質膜の両面に
接着して単電池を作製した。
【００４３】次に、この電極の外周部にゴム製のガスケ
ット板を接合し、冷却水とガスの流通用のマニホールド
穴を形成した。
ット板を接合し、冷却水とガスの流通用のマニホールド
穴を形成した。
【００４４】次いで、外寸２０ｃｍ×３２ｃｍ×１．３
ｍｍ、深さ０．５ｍｍの冷却水とガスの流通用の流路を
備えた、フェノール樹脂を含浸した黒鉛板からなる導電
性セパレータ板を２枚準備した。
ｍｍ、深さ０．５ｍｍの冷却水とガスの流通用の流路を
備えた、フェノール樹脂を含浸した黒鉛板からなる導電
性セパレータ板を２枚準備した。
【００４５】このセパレータ板の内１枚は燃料ガス流通
用の流路を、もう１枚は酸化剤ガス流通用の流路を備え
たものとし、これらセパレータ板を、その流路と、電極
のマニホールド穴とが接合するようにして、前述した電
極の表面と裏面からそれぞれ重ね合わせ、最終的に図２
に示す単電池を作製した。
用の流路を、もう１枚は酸化剤ガス流通用の流路を備え
たものとし、これらセパレータ板を、その流路と、電極
のマニホールド穴とが接合するようにして、前述した電
極の表面と裏面からそれぞれ重ね合わせ、最終的に図２
に示す単電池を作製した。
【００４６】（実施例２）工程Ｓ１での、混合攪拌機の
プラネタリ−撹拌速度を４０ｒｐｍ、ディゾルバ−撹拌
速度を２０００ｒｐｍとし、工程Ｓ２での、混合攪拌機
のプラネタリ−撹拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバ−撹
拌速度を６００ｒｐｍとしたこと、および、工程Ｓ２で
脱泡処理を行わなかった以外は、実施例１と同様にして
アノードペースト、電極、単電池を作製した。
プラネタリ−撹拌速度を４０ｒｐｍ、ディゾルバ−撹拌
速度を２０００ｒｐｍとし、工程Ｓ２での、混合攪拌機
のプラネタリ−撹拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバ−撹
拌速度を６００ｒｐｍとしたこと、および、工程Ｓ２で
脱泡処理を行わなかった以外は、実施例１と同様にして
アノードペースト、電極、単電池を作製した。
【００４７】（実施例３）工程Ｓ２の後、ペーストを分
散させる圧力ホモジナイザーの吐出圧力を３００ｋｇｆ
／ｃｍ2とした以外は、実施例１と同様にしてアノード
ペースト、電極、単電池を作製した。
散させる圧力ホモジナイザーの吐出圧力を３００ｋｇｆ
／ｃｍ2とした以外は、実施例１と同様にしてアノード
ペースト、電極、単電池を作製した。
【００４８】（実施例４）触媒担持カーボン粉末とし
て、この粉末のカーボン成分に対してパーフルオロスル
ホン酸を１０％になるよう予め被着させたものを用いた
以外は、実施例１と同様にしてアノードペースト、電
極、単電池を作製した。
て、この粉末のカーボン成分に対してパーフルオロスル
ホン酸を１０％になるよう予め被着させたものを用いた
以外は、実施例１と同様にしてアノードペースト、電
極、単電池を作製した。
【００４９】（実施例５）工程Ｓ１で脱泡処理をしなか
った以外は、実施例１と同様にしてアノードペースト、
電極、単電池を作製した。
った以外は、実施例１と同様にしてアノードペースト、
電極、単電池を作製した。
【００５０】（比較例１）工程Ｓ２での、混合攪拌機の
プラネタリー撹拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバー撹拌
速度を２０００ｒｐｍとして両工程で負荷される剪断速
度を同等とし、さらに工程Ｓ２の後、ペーストを分散さ
せる圧力ホモジナイザの吐出圧力を６００ｋｇｆ／ｃｍ
2とした以外は、実施例１と同様にしてアノードペース
ト、電極、単電池を作製した。
プラネタリー撹拌速度を２０ｒｐｍ、ディゾルバー撹拌
速度を２０００ｒｐｍとして両工程で負荷される剪断速
度を同等とし、さらに工程Ｓ２の後、ペーストを分散さ
せる圧力ホモジナイザの吐出圧力を６００ｋｇｆ／ｃｍ
2とした以外は、実施例１と同様にしてアノードペース
ト、電極、単電池を作製した。
【００５１】こうして得られたアノードペースト、電
極、単電池について、次に示す評価を行った。なお、表
１にアノードペーストの製造条件を示し、表２にアノー
ドペースト、電極、単電池の評価結果を示す。
極、単電池について、次に示す評価を行った。なお、表
１にアノードペーストの製造条件を示し、表２にアノー
ドペースト、電極、単電池の評価結果を示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【表２】
【００５４】（１）フィルター目詰まり
目開き８０メッシュのフィルターを用いて、一定体積の
ペーストを濾過し、フィルターの目詰まり状態をフィル
ターの重量変化で評価した。ここでは、実施例５の値を
基準として％で評価した。
ペーストを濾過し、フィルターの目詰まり状態をフィル
ターの重量変化で評価した。ここでは、実施例５の値を
基準として％で評価した。
【００５５】（２）ピンホール、塗工スジ
電極を観察して、ピンホール、塗工スジの発生個数で評
価した。ここでは、実施例５の値を基準として％で評価
した。
価した。ここでは、実施例５の値を基準として％で評価
した。
【００５６】（３）電極のひび割れ
電極を二値化処理し、一定面積に存在する極板のひび割
れ面積を全体の面積に対する占有率で評価した。ここで
は、実施例５の値を基準として％で評価した。
れ面積を全体の面積に対する占有率で評価した。ここで
は、実施例５の値を基準として％で評価した。
【００５７】（４）放電率、寿命特性
電極の内、燃料極に純水素ガスを、空気極にエアーをそ
れぞれ供給し、電池温度を７５℃、燃料ガス利用率Ｕｆ
を７０％、空気利用率Ｕｏを４０％とし、ガスの加湿に
ついては燃料ガスは７０℃、エアーは５０℃のバブラー
を通して行って、単電池の放電試験を行った。
れぞれ供給し、電池温度を７５℃、燃料ガス利用率Ｕｆ
を７０％、空気利用率Ｕｏを４０％とし、ガスの加湿に
ついては燃料ガスは７０℃、エアーは５０℃のバブラー
を通して行って、単電池の放電試験を行った。
【００５８】図３に、単電池の電流密度−電圧特性のグ
ラフを示す。なお、表２に示す放電率は実施例５の０．
７ｍＡ／ｃｍ2における電圧を基準として％で評価し
た。
ラフを示す。なお、表２に示す放電率は実施例５の０．
７ｍＡ／ｃｍ2における電圧を基準として％で評価し
た。
【００５９】図４に、単電池の寿命特性のグラフを示
す。ここで、寿命特性は実施例５において５０００ｈｒ
経過後における電圧を基準として％で評価した。
す。ここで、寿命特性は実施例５において５０００ｈｒ
経過後における電圧を基準として％で評価した。
【００６０】
【発明の効果】本発明の燃料電池の製造方法によれば、
リーク不良がなく、サイクル寿命が向上する、高品質な
高分子電解質型燃料電池が提供できる。
リーク不良がなく、サイクル寿命が向上する、高品質な
高分子電解質型燃料電池が提供できる。
【図１】ペーストの作製工程の一例を示す図
【図２】燃料電池を構成する単電池の概略図
【図３】単電池の電流密度−電圧特性を示すグラフ
【図４】単電池の寿命特性を示すグラフ
Ｓ１ 第一の工程
Ｓ２ 第二の工程
Ｓ３ 脱泡工程
Ｓ４ 超高圧分散処理工程
１ 高分子膜
２ 燃料極
３ 空気極
４、５ セパレーター
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB03 BB08
BB12 HH09
5H026 AA06 BB02 BB08 HH09
Claims (7)
- 【請求項１】 触媒を担持する固形物を攪拌する第一の
工程と、前記固形物と水素イオン伝導性を有する樹脂と
を混合する第二の工程とを経てペーストを作製し、次に
前記ペーストを、導電性を有する基体に塗布して電極を
作製し、さらに前記電極を高分子電解質膜の両面に接着
して単電池を作製する燃料電池の製造方法であって、前
記第一の工程における攪拌の剪断速度を、前記第二の工
程における混合の剪断速度より高くすることを特徴とす
る燃料電池の製造方法。 - 【請求項２】 前記ペーストを、１００ｔｏｒｒ以下の
圧力下で作製することを特徴とする請求項１に記載の燃
料電池の製造方法。 - 【請求項３】 前記第一の工程と前記第二の工程の少な
くとも一方を、１００ｔｏｒｒ以下の圧力下で行うこと
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。 - 【請求項４】 水素イオン伝導性を有する樹脂が被着さ
れることのある、触媒を担持する固形物を攪拌する第一
の工程と、前記固形物と水素イオン伝導性を有する樹脂
とを混合する第二の工程とを経てペーストを作製し、次
に前記ペーストを、導電性を有する基体に塗布して電極
を作製し、さらに前記電極を高分子電解質膜の両面に接
着して単電池を作製する燃料電池の製造方法であって、
前記第一の工程における攪拌の剪断速度を、前記第二の
工程における混合の剪断速度より高くし、かつ、前記第
一の工程と前記第二の工程の少なくとも一方を、１００
ｔｏｒｒ以下の圧力下で行うことを特徴とする燃料電池
の製造方法。 - 【請求項５】 前記ペーストを加圧下で分散する工程を
含むことを特徴とする請求項１または４に記載の燃料電
池の製造方法。 - 【請求項６】 前記ペーストをオリフィス状細孔から加
圧下で吐出し、前記細孔と対面する板面に衝突させる第
三の工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料
電池の製造方法。 - 【請求項７】 前記加圧の圧力を５０〜５００ｋｇｆ／
ｃｍ2とすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電
池の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001243374A JP2003059505A (ja) | 2001-08-10 | 2001-08-10 | 燃料電池の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001243374A JP2003059505A (ja) | 2001-08-10 | 2001-08-10 | 燃料電池の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003059505A true JP2003059505A (ja) | 2003-02-28 |
Family
ID=19073481
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001243374A Withdrawn JP2003059505A (ja) | 2001-08-10 | 2001-08-10 | 燃料電池の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003059505A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1503439A2 (en) | 2003-07-30 | 2005-02-02 | JSR Corporation | Process of producing electrode paste and electrode paste composition |
| JP2006140062A (ja) * | 2004-11-12 | 2006-06-01 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池の電極用ペースト、電極及び膜電極接合体並びに燃料電池システムの製造方法 |
| JP2009245932A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-22 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用電極触媒インク、電極触媒層、膜電極接合体および固体高分子型燃料電池 |
| JP2019189766A (ja) * | 2018-04-26 | 2019-10-31 | 東レ株式会社 | 塗液の製造方法 |
-
2001
- 2001-08-10 JP JP2001243374A patent/JP2003059505A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1503439A2 (en) | 2003-07-30 | 2005-02-02 | JSR Corporation | Process of producing electrode paste and electrode paste composition |
| JP2006140062A (ja) * | 2004-11-12 | 2006-06-01 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池の電極用ペースト、電極及び膜電極接合体並びに燃料電池システムの製造方法 |
| JP2009245932A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-22 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用電極触媒インク、電極触媒層、膜電極接合体および固体高分子型燃料電池 |
| JP2019189766A (ja) * | 2018-04-26 | 2019-10-31 | 東レ株式会社 | 塗液の製造方法 |
| JP7067242B2 (ja) | 2018-04-26 | 2022-05-16 | 東レ株式会社 | 塗液の製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20081104 |