JP2003086200A - 電解質膜／電極接合体の製造方法および高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高分子電解質膜と拡散層をホットプレスによ
り直接接合させてＭＥＡを作製する。しかし、拡散層に
より電解質膜に非常に微細な損傷あるいは穴が発生する
恐れがあった。その結果、微少短絡が初期あるいは連続
運転時に発生する課題があった。 【解決手段】 両面に電極を設けた高分子電解質膜を熱
処理した後に、高分子電解質膜と拡散層を接合すること
によりＭＥＡを作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する高分子電解質膜を用いた燃料電池とそれ用いる電解
質膜／電極接合体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水
素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化
剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱
とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面
に、白金系の金属触媒を担持した導電性炭素粒子を主成
分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層
の外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ
拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて
電極とする。

【０００３】次に、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガス
が外にリークしたり、これら二種類の反応ガスが互いに
混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟
んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール
材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化し
てあらかじめ組み立て、これをＭＥＡ（電解質膜／電極
接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固
定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列
に接続するための導電性のセパレータ板を配置する。セ
パレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応
ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガ
ス流路を形成する。ガス流路はセパレータ板と別に設け
ることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス
流路とする方式が一般的である。

【０００４】この溝に燃料ガスを供給するためは、燃料
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。

【０００５】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。

【０００６】このような高分子電解質型の燃料電池で
は、ＭＥＡには高いガス気密性を保ち続ける必要があ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のＭＥＡでは、高
分子電解質膜の両面に形成した触媒反応層の外面に、拡
散層およびガスケットをホットプレスにより直接接合さ
せていた。しかし、拡散層として主に使用されているカ
ーボンペーパ等により高分子電解質膜に非常に微細な損
傷あるいは穴が発生する恐れがあった。その結果、微少
短絡が初期あるいは連続運転時に発生する課題があっ
た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の電解質膜／電極接合体の製造方法は、高分
子電解質膜の少なくとも一方の面に触媒層を設ける工程
と、前記触媒層を設けた高分子電解質膜を熱処理する工
程と、前記熱処理を行った高分子電解質膜に拡散層およ
び／またはガスケットをホットプレス接合する工程とを
備えることを特徴とする。

【０００９】また、本発明の高分子電解質型燃料電池
は、上述の製造方法により得られた電解質膜／電極接合
体と、前記電解質膜／電極接合体の両面に配置されたガ
ス流路を有する導電性セパレータとを有する単電池の積
層体を備えることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００１１】

【実施例】アセチレンブラック系炭素粒子に、平均粒径
約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを反応電
極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分
散させた溶液に、（化１）で示したパーフルオロカーボ
ンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディ
スパージョン溶液を混合し、ペースト状にした。

【００１２】

【化１】

【００１３】このペーストを原料としスクリ−ン印刷法
をもちいて、プロトン伝導性高分子電解質膜の両面に、
電極触媒層を形成した。プロトン伝導性高分子電解質と
して、（化２）に示したパーフルオロカーボンスルホン
酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。

【００１４】

【化２】

【００１５】形成後の反応電極中に含まれる白金量は
０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸
の量は１．２ｍｇ／ｃｍ２となるよう調整した。

【００１６】電極触媒を印刷したプロトン伝導性高分子
電解質膜を、負荷のある状態で熱処理を行った。具体的
には、前記プロトン伝導性高分子電解質膜をフッ素樹脂
シ−トで保護しながら熱プレスに挟んだ状態で所定の温
度まで昇温し、１０分間その温度に保った。本実施例で
は加熱温度は１３５、１６０、１７５℃である。冷却
は、プレスに挟んだまま徐冷させた。あるいは、加熱終
了後にプレスからはずして冷却することも可能である。
この熱処理工程により、高分子電解質膜と触媒中の被覆
樹脂が界面で均一に融着して高分子電解質膜の強度を高
める。その結果、拡散層との接合時におけるダメージを
軽減できる。

【００１７】その後、プロトン伝導性高分子電解質膜の
中心部の両面に、印刷した触媒層と拡散層であるカ−ボ
ン不織布が接するようにホットプレスによって接合し
て、電解質膜／電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。プレ
ス温度は１３０℃、圧力は、２ＭＰａである。

【００１８】セパレータは厚さ４ｍｍのカーボン板を用
い、その中央部１０ｃｍ×９ｃｍの領域に、２ｍｍピッ
チ（溝幅約１ｍｍ）の溝を、切削加工によって形成し
た。このとき溝の深さは１ｍｍとした。ガス流通溝は複
数の平行直線とした。対抗する２辺にはそれぞれ水素ガ
ス、冷却水、空気を供給・排出するためのマニホールド
孔を設けた。

【００１９】空気側となるセパレータは隣り合う６個の
溝が、湾曲して連続したガス流通溝を形成するようにし
た。空気側と水素ガス側で構造を変えているのは、空気
側と水素ガス側とでガス流量が２５倍程度異なるからで
ある。

【００２０】２種類のセパレータとガスケットにより、
ＭＥＡをはさみ電池の構成単位とした。水素側のガス流
通溝と空気側のガス流通溝の位置は対応するように構成
し、電極に過剰なせんだん力がかからないようにした。
単電池を２セル積層ごとに冷却水を流す冷却部を設け
た。外周部とガスマニホルド部にフェノール樹脂製のガ
スケットを設けることによってシール部とした。ガスケ
ットとＭＥＡ、セパレータ板とセパレータ板、ガスケッ
トとセパレータ板などのガスシールが必要な部分はグリ
スを薄く塗布することによってあまり導電性を低下させ
ずにシール性を確保した。

【００２１】以上示したＭＥＡを５０セルを積層した
後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の単板と締結
ロッドで、２０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で締結した。締結
圧力は小さすぎるとガスがリークし、接触抵抗も大きい
ので電池性能が低くなるが、逆に大きすぎると電極が破
損したり、セパレータ板が変形したりするのでガス流通
溝の設計に応じて締結圧を変えることが重要であった。

【００２２】このように作製した本実施例の高分子電解
質型燃料電池を、８５℃に保持し、一方の電極側に８３
℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一
方の電極側に７８℃の露点となるように加湿・加温した
空気を供給した。比較例として、拡散層接合前の熱処理
を行っていないＭＥＡを使用した燃料電池も作製し、同
様の条件で運転した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。

【００２３】この電池を燃料利用率８０％、酸素利用率
４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電試
験を行った。、出力特性の時間変化を（図１）に示し
た。その結果、比較例の電池は駆動時間と共に出力の低
下率が増加するのに比べ、本実施例の電池（熱処理温度
１３５℃）は、８０００時間以上にわたって１０００Ｗ
（２２Ｖ−４５Ａ）以上の電池出力を維持することを確
認した。

【００２４】また、熱処理温度が１６０および１７５℃
の場合の出力特性の変化を（表１）にまとめた。

【００２５】

【表１】

【００２６】熱処理温度が１７５℃程度までは、比較的
出力特性の経時変化は小さかった。以上のように、高分
子電解質膜を熱処理する工程を設けることにより、耐久
性が向上した。これは、拡散層接合過程における高分子
電解質膜のダメージが低減し、経時変化による微小短絡
等の発生が減少したためと考えられる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると、電極触媒を両面に形成
した高分子電解質膜を熱処理することにより、拡散層に
よる高分子電解質膜へのダメージが低減できる。その結
果、燃料電池の耐久性の向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の燃料電池の出力特性を
示した図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保坂 正人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 BB02 CC03 CX05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子電解質膜の少なくとも一方の面に
   触媒層を設ける工程と、前記触媒層を設けた高分子電解
   質膜を熱処理する工程と、前記熱処理を行った高分子電
   解質膜に拡散層および／またはガスケットをホットプレ
   ス接合する工程とを備えることを特徴とする電解質膜／
   電極接合体の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の製造方法により得られ
   る電解質膜／電極接合体と、前記電解質膜／電極接合体
   の両面に配置されたガス流路を有する導電性セパレータ
   とを有する単電池の積層体を備える高分子電解質型燃料
   電池。