JP2003303596A - 高分子電解質型燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
高分子電解質型燃料電池およびその製造方法Info
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電極基材に用いられるカーボンペーパーやカ
ーボンクロスの針状突起物が高分子電解質膜を貫通して
微小短絡が発生する。このように微小短絡した電池は微
小短絡部での局所発熱、水素リークによる燃焼反応など
により経時劣化しやすく耐久性が低い。また全く電極基
材の微小突起がめり込まない触媒層の場合は、ＭＥＡの
接合性が悪く、積層電池を作成することが非常に困難で
ある。 【解決手段】 触媒層を多層にする。特に電解質膜に接
する側触媒層を緻密な層とし、拡散層に接する層を粗な
層とする。これにより、電極基材による微小短絡を防止
し、ＭＥＡ接合性を向上する。
ーボンクロスの針状突起物が高分子電解質膜を貫通して
微小短絡が発生する。このように微小短絡した電池は微
小短絡部での局所発熱、水素リークによる燃焼反応など
により経時劣化しやすく耐久性が低い。また全く電極基
材の微小突起がめり込まない触媒層の場合は、ＭＥＡの
接合性が悪く、積層電池を作成することが非常に困難で
ある。 【解決手段】 触媒層を多層にする。特に電解質膜に接
する側触媒層を緻密な層とし、拡散層に接する層を粗な
層とする。これにより、電極基材による微小短絡を防止
し、ＭＥＡ接合性を向上する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、
高分子電解質膜を挟む電極の改良に関する。
料電池およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、
高分子電解質膜を挟む電極の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、水素などの
燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって
電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させ
るものである。このような高分子電解質型燃料電池の一
般的な構成を図１に示す。１１は水素イオンを選択的に
輸送する高分子電解質膜を表す。この電解質膜１１の両
面には、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成
分とする触媒層１２が、ホットプレスなどにより密着し
て配置されている。触媒層１２の外面には、通気性と導
電性を兼ね備えた一対の拡散層１３が、ホットプレスな
どにより触媒層に密着して配置されている。この拡散層
１３と触媒層１２により、電極１４が構成される。電極
１４の外側には、導電性セパレータ板１６が配置されて
いる。導電性セパレータ板１６は、電極１４と高分子電
解質膜１１とで形成される膜−電極接合体（ＭＥＡ）を
機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互い
に電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給
し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去
るための、ガス流路１７を電極と対向する面に有する。
燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって
電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させ
るものである。このような高分子電解質型燃料電池の一
般的な構成を図１に示す。１１は水素イオンを選択的に
輸送する高分子電解質膜を表す。この電解質膜１１の両
面には、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成
分とする触媒層１２が、ホットプレスなどにより密着し
て配置されている。触媒層１２の外面には、通気性と導
電性を兼ね備えた一対の拡散層１３が、ホットプレスな
どにより触媒層に密着して配置されている。この拡散層
１３と触媒層１２により、電極１４が構成される。電極
１４の外側には、導電性セパレータ板１６が配置されて
いる。導電性セパレータ板１６は、電極１４と高分子電
解質膜１１とで形成される膜−電極接合体（ＭＥＡ）を
機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互い
に電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給
し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去
るための、ガス流路１７を電極と対向する面に有する。
【０００３】電極に反応ガスを供給するガス流路は、セ
パレータ板１６と別に設けることもできるが、セパレー
タ板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。セパレータ板１６の他方の面には、電池温度を一
定に保つための冷却水を循環させる冷却流路１８が設け
られる。このように冷却水を循環させることにより、反
応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用
することができる。このような積層型の電池では、ガス
の供給孔および排出孔、並びに冷却水の供給孔および排
出孔を、積層電池内部に確保したいわゆる内部マニホル
ド型が一般的である。
パレータ板１６と別に設けることもできるが、セパレー
タ板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。セパレータ板１６の他方の面には、電池温度を一
定に保つための冷却水を循環させる冷却流路１８が設け
られる。このように冷却水を循環させることにより、反
応により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用
することができる。このような積層型の電池では、ガス
の供給孔および排出孔、並びに冷却水の供給孔および排
出孔を、積層電池内部に確保したいわゆる内部マニホル
ド型が一般的である。
【０００４】電極１４の周縁部には、それぞれ対極への
ガス漏れあるいは外部へのガスの漏れを防止するため
に、シール機能を有するガスケット１５が設けられる。
ガスケットには、Ｏリング、ゴム状シート、弾性樹脂と
剛性樹脂との複合シートなどが用いられる。ＭＥＡの取
り扱い性の観点からは、ある程度剛性を有する複合材系
のガスケットをＭＥＡと一体化させることが多い。上記
のような高分子電解質型燃料電池スタックでは、バイポ
ーラ板等の構成部品の電気的接触抵抗を低減するため、
電池全体を恒常的に締め付けることが必要である。この
ためには、多数の単電池を一方向に積み重ね、その両端
にそれぞれ端板を配置し、その２つの端板の間を、締結
用部材を用いて固定することが効果的である。締め付け
方式としては、単電池を面内でできるだけ均一に締め付
けることが望ましい。機械的強度の観点から、端板等の
締結用部材にはステンレス鋼などの金属材料が通常用い
られる。
ガス漏れあるいは外部へのガスの漏れを防止するため
に、シール機能を有するガスケット１５が設けられる。
ガスケットには、Ｏリング、ゴム状シート、弾性樹脂と
剛性樹脂との複合シートなどが用いられる。ＭＥＡの取
り扱い性の観点からは、ある程度剛性を有する複合材系
のガスケットをＭＥＡと一体化させることが多い。上記
のような高分子電解質型燃料電池スタックでは、バイポ
ーラ板等の構成部品の電気的接触抵抗を低減するため、
電池全体を恒常的に締め付けることが必要である。この
ためには、多数の単電池を一方向に積み重ね、その両端
にそれぞれ端板を配置し、その２つの端板の間を、締結
用部材を用いて固定することが効果的である。締め付け
方式としては、単電池を面内でできるだけ均一に締め付
けることが望ましい。機械的強度の観点から、端板等の
締結用部材にはステンレス鋼などの金属材料が通常用い
られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】これまで、接触抵抗を
低下し、ガスのシール性の保持のため、ＭＥＡ接合はホ
ットプレスで行なわれていた。ところが、電池の積層方
向に恒常的に締結圧をかけていると、図３のように電極
基材として通常用いられるカーボンペーパーやカーボン
クロスの針状突起物２２が、高分子電解質膜１１を貫通
して微小短絡が発生する。微小短絡した電池は、微小短
絡部での局所発熱、水素リークによる燃焼反応などによ
り、経時劣化しやすく、耐久性が低い。また、図４のよ
うに、全く電極基材の微小突起がめり込まない触媒層を
作ると、ホットプレスするときの接合性が悪く、積層電
池を作成することが非常に困難である。
低下し、ガスのシール性の保持のため、ＭＥＡ接合はホ
ットプレスで行なわれていた。ところが、電池の積層方
向に恒常的に締結圧をかけていると、図３のように電極
基材として通常用いられるカーボンペーパーやカーボン
クロスの針状突起物２２が、高分子電解質膜１１を貫通
して微小短絡が発生する。微小短絡した電池は、微小短
絡部での局所発熱、水素リークによる燃焼反応などによ
り、経時劣化しやすく、耐久性が低い。また、図４のよ
うに、全く電極基材の微小突起がめり込まない触媒層を
作ると、ホットプレスするときの接合性が悪く、積層電
池を作成することが非常に困難である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質
膜、前記高分子電解質膜を挟む触媒層を有する一対の電
極と、および前記電極の一方に燃料ガスを供給し前記電
極の他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する一対
の導電性セパレータを具備し、前記電極は前記高分子電
解質膜に接した触媒層と、前記導電性セパレータに接し
たガス拡散層とを有し、前記電極の少なくとも一方の触
媒層は多層構造であることを特徴とする。前記電極のガ
ス拡散層は、電気導電性多孔質基材からなり、その一部
が触媒層の途中までめり込んでいるのが好ましい。前記
触媒層は、導電性セパレータに接する側から高分子電解
質膜に接する側に向かって空隙率が減少しているのが好
ましい。
め本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質
膜、前記高分子電解質膜を挟む触媒層を有する一対の電
極と、および前記電極の一方に燃料ガスを供給し前記電
極の他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する一対
の導電性セパレータを具備し、前記電極は前記高分子電
解質膜に接した触媒層と、前記導電性セパレータに接し
たガス拡散層とを有し、前記電極の少なくとも一方の触
媒層は多層構造であることを特徴とする。前記電極のガ
ス拡散層は、電気導電性多孔質基材からなり、その一部
が触媒層の途中までめり込んでいるのが好ましい。前記
触媒層は、導電性セパレータに接する側から高分子電解
質膜に接する側に向かって空隙率が減少しているのが好
ましい。
【０００７】本発明は、高分子電解質膜、および前記高
分子電解質膜を挟む一対の触媒層を有し、少なくとも一
方の触媒層が多層からなる高分子電解質型燃料電池の製
造方法であって、触媒材料とこれを分散する分散媒とで
調製した触媒インクを樹脂フィルムに塗布し、その塗布
層を前記高分子電解質膜に張り合わせ、加熱加圧した
後、前記樹脂フィルムを剥離することで前記少なくとも
一方の触媒層の１つの層を形成する高分子電解質型燃料
電池の製造方法を提供する。
分子電解質膜を挟む一対の触媒層を有し、少なくとも一
方の触媒層が多層からなる高分子電解質型燃料電池の製
造方法であって、触媒材料とこれを分散する分散媒とで
調製した触媒インクを樹脂フィルムに塗布し、その塗布
層を前記高分子電解質膜に張り合わせ、加熱加圧した
後、前記樹脂フィルムを剥離することで前記少なくとも
一方の触媒層の１つの層を形成する高分子電解質型燃料
電池の製造方法を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】上記のように本発明の高分子電解
質型燃料電池は、少なくとも一方の電極の触媒層が２層
以上の多層から構成されている。図２は本発明によるＭ
ＥＡの要部の構成を模式的に示す。触媒層１２は、ガス
拡散層１３に接する層３１と、電解質膜１１に接する層
３２との２層からなる。電解質膜１１に接する層３２
は、触媒を担持したカーボン粒子４２とこれに被着した
電解質５２とが比較的密に詰まっている層であることが
好ましい。一方、ガス拡散層１３に接する層３１は、触
媒を担持し電解質５１を被着したカーボン粒子４１が比
較的疎に集合している層が好ましい。そのような層は、
ガス拡散層を構成するカーボンペーパーやカーボンクロ
スの針状突起が容易に侵入しやすい。
質型燃料電池は、少なくとも一方の電極の触媒層が２層
以上の多層から構成されている。図２は本発明によるＭ
ＥＡの要部の構成を模式的に示す。触媒層１２は、ガス
拡散層１３に接する層３１と、電解質膜１１に接する層
３２との２層からなる。電解質膜１１に接する層３２
は、触媒を担持したカーボン粒子４２とこれに被着した
電解質５２とが比較的密に詰まっている層であることが
好ましい。一方、ガス拡散層１３に接する層３１は、触
媒を担持し電解質５１を被着したカーボン粒子４１が比
較的疎に集合している層が好ましい。そのような層は、
ガス拡散層を構成するカーボンペーパーやカーボンクロ
スの針状突起が容易に侵入しやすい。
【０００９】触媒層３２は、カーボンペーパーやカーボ
ンクロスの針状突起が容易には侵入しない構成とするの
がよい。そのような比較的密な層を得るには、触媒材料
とその分散媒とで調製した触媒インクを転写フィルムと
なる樹脂フィルムに塗布し、その塗布層を高分子電解質
膜に張り合わせ、加熱加圧した後、前記樹脂フィルムを
剥離することで形成するのが好ましい。従来の図３に示
す触媒層は、層３１のみから構成され、図４に示す触媒
層は層３２のみから構成されている例である。
ンクロスの針状突起が容易には侵入しない構成とするの
がよい。そのような比較的密な層を得るには、触媒材料
とその分散媒とで調製した触媒インクを転写フィルムと
なる樹脂フィルムに塗布し、その塗布層を高分子電解質
膜に張り合わせ、加熱加圧した後、前記樹脂フィルムを
剥離することで形成するのが好ましい。従来の図３に示
す触媒層は、層３１のみから構成され、図４に示す触媒
層は層３２のみから構成されている例である。
【００１０】このように触媒層１２を疎な層３１と緻密
な３２で構成し、ガス拡散層の電極基材の一部が触媒層
の途中まで、例えば層３１にめり込んでいるのが好まし
い。触媒層の途中まで電極基材がめり込んでいること
で、ＭＥＡの接合力が向上し、積層電池を作成する際の
ハンドリングが非常に良好である。また、電極基材は高
分子電解質膜にまで到達していないことから、微小短絡
が起こりにくく、耐久性の高いＭＥＡを実現できる。多
層触媒層において、電極基材側から高分子電解質膜側に
向かって触媒層の空隙率を減少させることにより、上記
の構造を容易に実現できる。また、膜に接する触媒層
は、誘電率が高いかあるいは高分子電解質に対する溶解
度パラメーターが大きい分散媒で調製された触媒インク
から、樹脂基材に一旦形成することにより、高分子電解
質のネットワークが発達した緻密で電極基材が貫通しに
くい触媒層が実現できる。
な３２で構成し、ガス拡散層の電極基材の一部が触媒層
の途中まで、例えば層３１にめり込んでいるのが好まし
い。触媒層の途中まで電極基材がめり込んでいること
で、ＭＥＡの接合力が向上し、積層電池を作成する際の
ハンドリングが非常に良好である。また、電極基材は高
分子電解質膜にまで到達していないことから、微小短絡
が起こりにくく、耐久性の高いＭＥＡを実現できる。多
層触媒層において、電極基材側から高分子電解質膜側に
向かって触媒層の空隙率を減少させることにより、上記
の構造を容易に実現できる。また、膜に接する触媒層
は、誘電率が高いかあるいは高分子電解質に対する溶解
度パラメーターが大きい分散媒で調製された触媒インク
から、樹脂基材に一旦形成することにより、高分子電解
質のネットワークが発達した緻密で電極基材が貫通しに
くい触媒層が実現できる。
【００１１】
【実施例】本発明に好適の実施例を、図面を参照しなが
ら詳細に説明する。 実施例１ ３０ｎｍの平均一次粒子径を持つ導電性カ−ボン粒子で
あるケッチェンブラックＥＣ（オランダ国、ＡＫＺＯ
Ｃｈｅｍｉｅ社）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を５
０重量％担持したものを触媒担持粒子ａとした。つい
で、この触媒担持粒子を高分子電解質溶液に高分子電解
質とカーボンとの重量比が１：１となるように分散さ
せ、スラリー化した。ここで高分子電解質溶液は、１０
重量％濃度のパーフルオロカーボンスルホン酸（デュポ
ン社製ＳＥ１００７２）の水溶液ｂを用いた。上記スラ
リーを厚さ５０μｍのポリプロピレンシートに、白金量
が０．３５mg/ｃｍ2となるようバーコーターで塗工し、
室温で乾燥した。次に、上記塗工シートを打ち抜き型
で、所定の電極サイズ（６０ｍｍ角）に切断した。切断
したシートの触媒層面を高分子電解質膜（ゴア社製Gore
select膜）の裏表両面に重ね合わせ、１３０℃に加熱
し、５０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で加圧した後、ポリプロピ
レンシートを剥がすことで、高分子電解質膜に触媒層を
熱転写した。
ら詳細に説明する。 実施例１ ３０ｎｍの平均一次粒子径を持つ導電性カ−ボン粒子で
あるケッチェンブラックＥＣ（オランダ国、ＡＫＺＯ
Ｃｈｅｍｉｅ社）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を５
０重量％担持したものを触媒担持粒子ａとした。つい
で、この触媒担持粒子を高分子電解質溶液に高分子電解
質とカーボンとの重量比が１：１となるように分散さ
せ、スラリー化した。ここで高分子電解質溶液は、１０
重量％濃度のパーフルオロカーボンスルホン酸（デュポ
ン社製ＳＥ１００７２）の水溶液ｂを用いた。上記スラ
リーを厚さ５０μｍのポリプロピレンシートに、白金量
が０．３５mg/ｃｍ2となるようバーコーターで塗工し、
室温で乾燥した。次に、上記塗工シートを打ち抜き型
で、所定の電極サイズ（６０ｍｍ角）に切断した。切断
したシートの触媒層面を高分子電解質膜（ゴア社製Gore
select膜）の裏表両面に重ね合わせ、１３０℃に加熱
し、５０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で加圧した後、ポリプロピ
レンシートを剥がすことで、高分子電解質膜に触媒層を
熱転写した。
【００１２】一方、スプレードライ装置を用い、触媒担
持粒子ａの表面に高分子電解質の溶液ｂを噴霧しながら
乾燥し、触媒担持粒子の表面に高分子電解質を被覆した
触媒体（ドライプロセス粉末：以下DP粉末という）を得
た。この触媒体を窒素雰囲気中でエチレングリコ−ルと
混合し、電極触媒層用のペースト状のインクを調製し
た。次に、熱転写により裏表両面に触媒層を形成した高
分子電解質膜の裏表両面に、上記電極触媒層用ペースト
をスクリーン印刷法により塗布した。形成後の電極中に
含まれる総白金量は、０．５ｍｇ／ｃｍ2となるよう調
製した。
持粒子ａの表面に高分子電解質の溶液ｂを噴霧しながら
乾燥し、触媒担持粒子の表面に高分子電解質を被覆した
触媒体（ドライプロセス粉末：以下DP粉末という）を得
た。この触媒体を窒素雰囲気中でエチレングリコ−ルと
混合し、電極触媒層用のペースト状のインクを調製し
た。次に、熱転写により裏表両面に触媒層を形成した高
分子電解質膜の裏表両面に、上記電極触媒層用ペースト
をスクリーン印刷法により塗布した。形成後の電極中に
含まれる総白金量は、０．５ｍｇ／ｃｍ2となるよう調
製した。
【００１３】電極となる厚さ４００μｍのカーボンクロ
ス（日本カーボン（株）製、ＧＦ−２０−３１Ｅ）を、
フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業
（株）製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、乾燥し、
４００℃で３０分加熱することで、撥水性を与えた。さ
らに、このカーボン織布の一方の面に、導電性カーボン
粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微粉末
を分散させた水とを混合したインクを、スクリーン印刷
法を用いて塗布することで撥水層を形成した。このと
き、撥水層の一部を、カーボン織布の中に埋め込んだ。
これを電極サイズ（６０ｍｍ角）の打ち抜き型で打ち抜
いた。この打ち抜いた２枚のカーボン織布により、上記
の両面に触媒層を備えた高分子電解質膜を、撥水層を内
側にして挟持し、電極基材の外周部には、シリコンゴム
／ポリエチレンテレフタレート／シリコンゴムの３層に
積層した複合材料ガスケットを位置合わせした。そし
て、これらを１３０℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ2で１０分間
熱圧着してＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成した
単電池を電池Ａとする。
ス（日本カーボン（株）製、ＧＦ−２０−３１Ｅ）を、
フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業
（株）製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、乾燥し、
４００℃で３０分加熱することで、撥水性を与えた。さ
らに、このカーボン織布の一方の面に、導電性カーボン
粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微粉末
を分散させた水とを混合したインクを、スクリーン印刷
法を用いて塗布することで撥水層を形成した。このと
き、撥水層の一部を、カーボン織布の中に埋め込んだ。
これを電極サイズ（６０ｍｍ角）の打ち抜き型で打ち抜
いた。この打ち抜いた２枚のカーボン織布により、上記
の両面に触媒層を備えた高分子電解質膜を、撥水層を内
側にして挟持し、電極基材の外周部には、シリコンゴム
／ポリエチレンテレフタレート／シリコンゴムの３層に
積層した複合材料ガスケットを位置合わせした。そし
て、これらを１３０℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ2で１０分間
熱圧着してＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成した
単電池を電池Ａとする。
【００１４】《比較例１》実施例１と同じく触媒担持粒
子ａを高分子電解質溶液ｂに高分子電解質とカーボンと
の重量比が１：１となるように分散させ、スラリー化し
た。このスラリーを厚さ５０μｍのポリプロピレンシー
トに白金量が０．５mg／ｃｍ2となるようバーコーター
で塗工し、室温で乾燥した。次に、上記塗工シートを打
ち抜き型で所定の電極サイズ（６０ｍｍ角）に切断し、
切断したシートを実施例１と同じ高分子電解質膜の裏表
両面に１３０℃、５０kg／ｃｍ2で触媒層をポリプロピ
レンシートから高分子電解質膜に熱転写した。次に、電
極サイズ（６０ｍｍ角）に打ち抜いた撥水層を備えた撥
水化カーボンクロスで、上記の両面に触媒層を備えた高
分子電解質膜を両側より挟持し、電極基材の外周部に
は、シリコンゴム／ポリエチレンテレフタレート／シリ
コンゴムの３層に積層した複合材料ガスケットを位置合
わせし、１３０℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ2で１０分間熱圧
着してＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成した単電
池を電池Ｂとする。
子ａを高分子電解質溶液ｂに高分子電解質とカーボンと
の重量比が１：１となるように分散させ、スラリー化し
た。このスラリーを厚さ５０μｍのポリプロピレンシー
トに白金量が０．５mg／ｃｍ2となるようバーコーター
で塗工し、室温で乾燥した。次に、上記塗工シートを打
ち抜き型で所定の電極サイズ（６０ｍｍ角）に切断し、
切断したシートを実施例１と同じ高分子電解質膜の裏表
両面に１３０℃、５０kg／ｃｍ2で触媒層をポリプロピ
レンシートから高分子電解質膜に熱転写した。次に、電
極サイズ（６０ｍｍ角）に打ち抜いた撥水層を備えた撥
水化カーボンクロスで、上記の両面に触媒層を備えた高
分子電解質膜を両側より挟持し、電極基材の外周部に
は、シリコンゴム／ポリエチレンテレフタレート／シリ
コンゴムの３層に積層した複合材料ガスケットを位置合
わせし、１３０℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ2で１０分間熱圧
着してＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成した単電
池を電池Ｂとする。
【００１５】《比較例２》上記DP粉末を窒素雰囲気中で
エチレングリコ−ルと混合し、電極触媒層用のペースト
状のインクを調製した。次に、実施例１と同じ高分子電
解質膜の裏表両面に前記電極触媒層用ペーストをスクリ
ーン印刷法により塗布した。形成後の電極中に含まれる
総白金量は、０．５ｍｇ／ｃｍ2となるよう調製した。
次に、電極サイズ（６０ｍｍ角）に打ち抜いた撥水層を
備えた撥水化カーボンクロスで、上記の両面に触媒層を
備えた高分子電解質膜を両側より挟持し、電極基材の外
周部には、シリコンゴム／ポリエチレンテレフタレート
／シリコンゴムの３層に積層した複合材料ガスケットを
位置合わせし、１３０℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ2で１０分
間熱圧着してＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成し
た単電池を電池Ｃとする。
エチレングリコ−ルと混合し、電極触媒層用のペースト
状のインクを調製した。次に、実施例１と同じ高分子電
解質膜の裏表両面に前記電極触媒層用ペーストをスクリ
ーン印刷法により塗布した。形成後の電極中に含まれる
総白金量は、０．５ｍｇ／ｃｍ2となるよう調製した。
次に、電極サイズ（６０ｍｍ角）に打ち抜いた撥水層を
備えた撥水化カーボンクロスで、上記の両面に触媒層を
備えた高分子電解質膜を両側より挟持し、電極基材の外
周部には、シリコンゴム／ポリエチレンテレフタレート
／シリコンゴムの３層に積層した複合材料ガスケットを
位置合わせし、１３０℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ2で１０分
間熱圧着してＭＥＡを得た。このＭＥＡを用いて構成し
た単電池を電池Ｃとする。
【００１６】以上の単電池Ａ、ＢおよびＣについて、電
池温度７５℃において、アノードに露点が７０℃となる
ように加湿した水素を１気圧で供給し、カソードに露点
が６５℃となるように加湿した空気を１気圧で供給し、
水素利用率７０％、酸素利用率５０％で初期の電流−電
圧特性を測定した。その結果を、図５に示す。図５よ
り、単電池ＡおよびＢの開回路電圧Ｖｏｃはそれぞれ
０．９９５Ｖおよび１．０００Ｖと高いことが確認され
た。これと比較して、電池Ｃは０．８９５Ｖと低かっ
た。これは図３に示したように、電極基材の針状突起物
２２が高分子電解質膜１１を貫通して、微小短絡が発生
しているためである。初期の電流−電圧特性において
は、開回路電圧Ｖｏｃ以外、電流を流しているときの電
圧値に大きな差は見られなかった。次に、各電池の耐久
試験を行った。電流密度を０．３Ａ／ｃｍ2とした他は
前記と同様の条件で測定した電圧の経時変化を図６に示
す。微小短絡が発生していた電池Ｃは、徐々に電圧が低
下していき、１００００時間ぐらいから急激に電圧が低
下した。電池ＡおよびＢは１００００時間経過後も電圧
の低下は増加せず、電圧低下率は０．５ｍＶ/１０００
ｈで推移した。
池温度７５℃において、アノードに露点が７０℃となる
ように加湿した水素を１気圧で供給し、カソードに露点
が６５℃となるように加湿した空気を１気圧で供給し、
水素利用率７０％、酸素利用率５０％で初期の電流−電
圧特性を測定した。その結果を、図５に示す。図５よ
り、単電池ＡおよびＢの開回路電圧Ｖｏｃはそれぞれ
０．９９５Ｖおよび１．０００Ｖと高いことが確認され
た。これと比較して、電池Ｃは０．８９５Ｖと低かっ
た。これは図３に示したように、電極基材の針状突起物
２２が高分子電解質膜１１を貫通して、微小短絡が発生
しているためである。初期の電流−電圧特性において
は、開回路電圧Ｖｏｃ以外、電流を流しているときの電
圧値に大きな差は見られなかった。次に、各電池の耐久
試験を行った。電流密度を０．３Ａ／ｃｍ2とした他は
前記と同様の条件で測定した電圧の経時変化を図６に示
す。微小短絡が発生していた電池Ｃは、徐々に電圧が低
下していき、１００００時間ぐらいから急激に電圧が低
下した。電池ＡおよびＢは１００００時間経過後も電圧
の低下は増加せず、電圧低下率は０．５ｍＶ/１０００
ｈで推移した。
【００１７】次に、実施例１および比較例１で作成した
ＭＥＡを、それぞれ単電池に組まない状態で、湿度の変
化に対する形状保持力を測定した。雰囲気温度を７５℃
に設定し、相対湿度２５％（露点４５℃相当）に２時
間、相対湿度８０％（露点７０℃相当）に２時間を１サ
イクルとしてサイクル試験を行った。比較例１のＭＥＡ
は１５サイクル目に剥離が生じたが、実施例１のＭＥＡ
は１００サイクルを越えても剥離は観察されなかった。
この結果から実施例１のＭＥＡの接合力が高いことがわ
かった。実際の積層電池作成時のハンドリング性および
積層電池での間欠作動試験、振動試験などでも実施例１
のＭＥＡが優れていると考えられる。
ＭＥＡを、それぞれ単電池に組まない状態で、湿度の変
化に対する形状保持力を測定した。雰囲気温度を７５℃
に設定し、相対湿度２５％（露点４５℃相当）に２時
間、相対湿度８０％（露点７０℃相当）に２時間を１サ
イクルとしてサイクル試験を行った。比較例１のＭＥＡ
は１５サイクル目に剥離が生じたが、実施例１のＭＥＡ
は１００サイクルを越えても剥離は観察されなかった。
この結果から実施例１のＭＥＡの接合力が高いことがわ
かった。実際の積層電池作成時のハンドリング性および
積層電池での間欠作動試験、振動試験などでも実施例１
のＭＥＡが優れていると考えられる。
【００１８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、微小短絡
がなく耐久性が高く、電解質膜と触媒層との接合力の強
い高分子電解質型燃料電池が実現できる。
がなく耐久性が高く、電解質膜と触媒層との接合力の強
い高分子電解質型燃料電池が実現できる。
【図１】高分子電解質型燃料電池の代表的な構成を示す
縦断面図である。
縦断面図である。
【図２】本発明の高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの実
施の形態を示す要部の断面図である。
施の形態を示す要部の断面図である。
【図３】従来例のＭＥＡの要部の断面図である。
【図４】他の従来例のＭＥＡの要部の断面図である。
【図５】実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池
の初期の電流−電圧特性を示す図である。
の初期の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】実施例および比較例の高分子電解質型燃料電池
の定電流密度での電圧の経時変化を示す図である。
の定電流密度での電圧の経時変化を示す図である。
１１ 高分子電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極
１５ ガスケット
１６ セパレータ板
１７ ガス流路
１８ 冷却水の流路
２２ 針状突起物
３１ 疎な触媒層
３２ 緻密な触媒層
４１、４２ 触媒担持粒子
５１、５２ 高分子電解質
フロントページの続き
(72)発明者 古佐小 慎也
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 安本 栄一
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 堀 喜博
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 武部 安男
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 有坂 伸一
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） 5H018 AA06 AS01 BB01 BB03 BB06
BB08 BB09 BB12 DD06 EE03
EE05 EE08 EE18 EE19 HH04
5H026 AA06 BB01 BB02 CC03 CX05
HH04
Claims (4)
- 【請求項１】 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を
挟む触媒層を有する一対の電極と、および前記電極の一
方に燃料ガスを供給し前記電極の他方に酸化剤ガスを供
給するガス流路を有する一対の導電性セパレータを具備
し、前記電極は前記高分子電解質膜に接した触媒層と、
前記導電性セパレータに接したガス拡散層とを有し、前
記電極の少なくとも一方の触媒層は多層構造であること
を特徴とする高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 前記電極のガス拡散層は電気導電性多孔
質基材からなり、前記ガス拡散層の一部が前記触媒層の
途中までめり込んでいる請求項１記載の高分子電解質型
燃料電池。 - 【請求項３】 前記触媒層は、導電性セパレータに接す
る側から高分子電解質膜に接する側に向かって空隙率が
減少している請求項１または２記載の高分子電解質型燃
料電池。 - 【請求項４】 高分子電解質膜、および前記高分子電解
質膜を挟む一対の触媒層を有し、少なくとも一方の触媒
層が多層からなる高分子電解質型燃料電池の製造方法で
あって、触媒材料とこれを分散する分散媒とで調製した
触媒インクを樹脂フィルムに塗布し、その塗布層を前記
高分子電解質膜に張り合わせ、加熱加圧した後、前記樹
脂フィルムを剥離することで前記少なくとも一方の触媒
層の１つの層を形成することを特徴とする高分子電解質
型燃料電池の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002108261A JP4346860B2 (ja) | 2002-04-10 | 2002-04-10 | 高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002108261A JP4346860B2 (ja) | 2002-04-10 | 2002-04-10 | 高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003303596A true JP2003303596A (ja) | 2003-10-24 |
| JP2003303596A5 JP2003303596A5 (ja) | 2007-09-06 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008013293A1 (fr) | 2006-07-24 | 2008-01-31 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Ensemble pour pile à combustible, pile à combustible et procédé de fabrication de pile à combustible |
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| JP2008243781A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-09 | Electric Power Dev Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池およびその膜電極接合体 |
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| CN110114924A (zh) * | 2016-12-22 | 2019-08-09 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于燃料电池的双极板和燃料电池 |
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|---|---|---|---|---|
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2002
- 2002-04-10 JP JP2002108261A patent/JP4346860B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2008519420A (ja) * | 2004-11-05 | 2008-06-05 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 膜電極アッセンブリの耐久性向上のための分割アーキテクチャ |
| WO2008013293A1 (fr) | 2006-07-24 | 2008-01-31 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Ensemble pour pile à combustible, pile à combustible et procédé de fabrication de pile à combustible |
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| WO2011074034A1 (ja) * | 2009-12-16 | 2011-06-23 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池の制御 |
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| CN110114924A (zh) * | 2016-12-22 | 2019-08-09 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于燃料电池的双极板和燃料电池 |
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