JP2004022254A

JP2004022254A - 燃料電池および燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP2004022254A
Application number: JP2002173509A
Authority: JP
Inventors: Manabu Sugino; 杉野　学
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】接触電気抵抗を低減した燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】先ず、ステップＳ１〜Ｓ３により、ガス拡散電極１の触媒層４を撥水処理前のガス拡散層２の表面に形成し、次いで、ステップＳ４〜Ｓ６により、触媒層４を除くガス拡散層２を撥水処理してガス拡散電極１を形成する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、特に、ガス拡散電極におけるガス拡散層の接触電気抵抗の低減に好適な燃料電池およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からガス拡散電極におけるガス拡散層の接触電気抵抗を低減し、発電出力の取り出し効率を改善する燃料電池は知られており、例えば、特開平６−８４５２９号公報に開示されたものがある。
【０００３】
これは、撥水処理によりガス拡散層の接触表面に付着された撥水剤に対し、スパッタ等による除去、耐リン酸性を備えた導電性粉体の付着、若しくは、付着撥水剤を耐リン酸性および電気伝導性の粉体で置換することで、ガス拡散層とガスセパレータ間の接触電気抵抗を低減するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、撥水処理後のガス拡散層の接触表面を対象として、その除去や導電性の粉体の付着・置換を行っているため、撥水剤を完全には除去できずに部分的に残り、接触部での接触電気抵抗が増大するという不具合があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、撥水処理を行うも接触電気抵抗を低減可能な燃料電池および燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池において、ガス拡散層の固体高分子電解質膜へ接触する表面に撥水処理前に形成して撥水剤を含まない触媒層と、触媒層を除いて撥水処理された撥水剤を含むガス拡散層と、からガス拡散電極を構成したことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、燃料電池の製造方法において、先ず、ガス拡散電極の触媒層を撥水処理前のガス拡散層の表面に形成し、次いで、触媒層を除くガス拡散層を撥水処理することを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、ガス拡散電極の触媒層表面をマスクして撥水処理を行うことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第２または第３の発明において、ガス拡散電極の触媒層表面を固体高分子電解質膜によりマスクして撥水処理を行うことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第２の発明において、固体高分子電解質膜の両側の表面に触媒ペーストを塗布し、固体高分子電解質膜に各ガス拡散層の素材を当接させることでガス拡散電極の触媒層を形成し、前記接触状態で各ガス拡散層に撥水処理することを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
したがって、第１および第２の発明では、ガス拡散電極の触媒層をガス拡散層への撥水処理前に形成して、ガス拡散層と触媒層との間に撥水剤を含まないよう構成されているため、ガス拡散層と触媒層の界面には電気的に接触抵抗を増大させる撥水剤が含まれなくでき、発電特性の優れた燃料電池を形成することができる。
【００１２】
第３の発明では、第２の発明の効果に加えて、撥水処理をガス拡散電極の触媒層表面をマスクして行うため、電極触媒層側表面に撥水剤が付着せず、固体高分子電解質膜との間でも電気的抵抗を低減でき、発電特性の優れた燃料電池を提供する事ができる。
【００１３】
第４の発明では、第２または第３の発明の効果に加えて、撥水処理をガス拡散電極の触媒層表面を固体高分子電解質膜によりマスクして行うため、撥水処理を燃料電極および酸化剤電極同時に行え、撥水処理後に燃料電池単セルへの組立も容易となる。
【００１４】
第５の発明では、第４の発明の効果に加えて、ガス拡散電極の触媒層を固体高分子電解質膜に各ガス拡散層の素材に当接させる際に固体高分子電解質膜の両側の表面に塗布した触媒ペーストが各ガス拡散層表面に滲入することで形成するため、撥水処理を燃料電極および酸化剤電極同時に行え、撥水処理後に燃料電池単セルへの組立も容易となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１〜４は、本発明を適用した燃料電池の製造方法の一例を示し、図１は燃料電池の製造工程を示す工程図、図２〜４は前記製造の各工程での処理の詳細を示す処理状態図である。
【００１７】
本実施の形態の燃料電池の製造方法は、夫々のガス拡散電極１を製造するガス拡散電極１の製造工程（ステップＳ１〜Ｓ３）と、ガス拡散電極１への撥水処理工程（ステップＳ４〜Ｓ６）と、ガス拡散電極１を用いての（単セル）組立工程（ステップＳ７〜Ｓ９）とから構成している。
【００１８】
前記ガス拡散電極１の製造工程は、図１のステップＳ１〜Ｓ３に示すように、ガス拡散層２の準備（ステップＳ１）、ペースト状の触媒３の調整（ステップＳ２）、および、触媒ペーストのガス拡散層２への塗布（ステップＳ３）からなる。
【００１９】
前記ガス拡散層２の準備（ステップＳ１）では、図２（Ａ）に示すように、市販されているカーボンペーパまたはカーボンクロス等のガス拡散層２の素材を撥水処理されていない状態で所定の大きさに準備する。
【００２０】
次いで、図２（Ｂ）に示すように、ペースト状の触媒３を調整（ステップＳ２）する。ペースト状の触媒３は、白金等の金属触媒３Ａを担持させた炭素粉末３Ｂとナフィオン等の固体高分子電解質のアルコール溶液３Ｃとを混合して作製し、電極触媒ペースト３とする。
【００２１】
次に、図２（Ｃ）に示すように、図２（Ａ）で作製したガス拡散層２の素材の一方の面に、ステップＳ２で準備した電極触媒ペースト３を、刷毛塗りやスクリーン印刷法等により塗布しガス拡散電極１とする。電極触媒ペースト３はガス拡散層２を形成しているカーボンペーパまたはカーボンクロスの繊維間の隙間に塗り込まれて、その表面および表面から所定深さに亙って触媒層４を構成し、触媒層４はガス拡散層２との界面は電気的に良好な導通状態となる。また、触媒層４の表面は固体高分子電解質膜６に対する接触層４Ａとなる。
【００２２】
前記撥水処理工程は、図１のステップＳ４〜Ｓ６に示すように、ガス拡散電極１のマスク材装着（ステップＳ４）、撥水処理（ステップＳ５）、および、マスク材除去（ステップＳ６）の処理工程からなる。また、撥水処理（ステップＳ１０）の工程としてもよい。
【００２３】
前記マスク材装着（Ｓ４）工程では、図３（Ａ）に示すように、テフロン（登録商標）シート等をマスク材５として用い、ガス拡散層２の電極触媒層４の固体高分子電解質膜６に対する接触層４Ａの表面をマスクする。
【００２４】
次いで、上記マスク状態において、撥水処理（ステップＳ５）がなされる。撥水処理は、所定の濃度に調整した、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系溶液中にマスク状態のガス拡散電極１を浸漬して撥水処理する。
【００２５】
次いで、マスク材５を除去（ステップＳ６）し、その後、ガス拡散電極１を大気中または窒素雰囲気中で乾燥させる。
【００２６】
撥水処理の方法は、上記方法に限定されるものでなく、例えば、ステップＳ１０に示すように、マスク状態のガス拡散電極１の接触層４Ａを形成したマスク側とは反対の面から、同じく所定濃度のＰＴＦＥ溶液をスプレー等により噴霧することによりガス拡散電極１を撥水処理してもよい。その後、ガス拡散電極１を大気中または窒素雰囲気中で乾燥させる。
【００２７】
これにより、燃料電池の電流経路となる電極触媒層４および固体高分子電解質膜６に対する接触層４Ａを除いた部分に撥水処理が行なわれた電極触媒付きガス拡散電極１を形成することができる。
【００２８】
前記組立工程は、図１のステップＳ７〜Ｓ９に示すように、前記ガス拡散電極１により電解質膜６を挟んで一体化させるＭＥＡ化工程（ステップＳ７）、これにシール材８およびセパレータ９を追加して単セルを形成する単セル形成工程（ステップＳ８）から構成され、これらの工程を経て燃料電池単セルが完成（ステップＳ９）する。
【００２９】
ＭＥＡ化工程（ステップＳ７）では、図３（Ｂ）に示すように、電極触媒付きガス拡散電極１をナフィオン膜等の固体高分子電解質膜６の両面に触媒層４の接触層４Ａが接するように配置する。この状態において、上記三者を圧着させる方向にホットプレスして熱圧着させ、膜／電解質接合体７（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　ＥＩｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ））を形成する。以下、膜／電解質接合体７をＭＥＡ７という。
【００３０】
この状態においては、ＭＥＡ７の固体高分子電解質膜６とガス拡散電極１の接触層４Ａとは、接触層４Ａに撥水剤が付着していないため、両者の電気的な接触抵抗は極めて低く維持される。
【００３１】
次いで、図４に示すように、固体高分子電解質膜６の周縁の両側面にシール材８を配置し、シール材８と共にＭＥＡ７を両側よりＭＥＡ７と接する側に予めガス流路９Ａが形成されたセパレータ９で挟み込む（ステップＳ８）ことで燃料電池の単セル（ステップＳ９）を形成することができる。
【００３２】
本実施形態にあっては、以下に記載する効果を奏することができる。即ち、ガス拡散電極１の触媒層４Ａをガス拡散層２への撥水処理前に形成して、ガス拡散層２と触媒層４との間に撥水剤を含まないよう構成されているため、ガス拡散層２と触媒層４の界面には電気的に接触抵抗を増大させる撥水剤が含まれなくでき、発電特性の優れた燃料電池を形成することができる。
【００３３】
撥水処理はガス拡散電極１の触媒層４表面をマスクして行うため、電極触媒層４側表面の接触層４Ａに撥水剤が付着せず、固体高分子電解質膜６との間でも電気的抵抗を低減でき、発電特性の優れた燃料電池を提供する事ができる。
【００３４】
（第２実施形態）
図５、図６は、本発明を適用した燃料電池の製造方法の第２の実施形態を示し、撥水処理工程を前実施形態においてはガス拡散電極個々に処理するものであるのに代えて、本実施形態においては固体高分子膜６の両面にガス拡散電極１を組合わせた状態で処理するようにしたものである。図５は燃料電池の製造工程を示す工程図、図６は前記製造工程において、第１実施形態と相違する工程での処理の詳細を示す処理状態図である。前実施形態と同一部分の説明は簡略にし、相違部分について詳細に説明する。
【００３５】
図５において、ガス拡散電極１の製造工程であるステップＳ１〜Ｓ３、および、（単セル）組立工程であるステップＳ８、Ｓ９は、前実施形態と同一の処理が行われる。
【００３６】
ステップＳ３で準備されたガス拡散電極１は燃料電池のアノード側およびカソード側となるよう二種類を製作した後、ステップＳ１１において、図６（Ａ）に示すように、固体高分子電解質膜６の両面に、カソード側およびアノード側のガス拡散電極１の触媒層４の接触層４Ａが接するように配置する。この状態において、上記三者を圧着させる方向にホットプレスして熱圧着させ、ＭＥＡ７（膜／電解質接合体）を作製する。
【００３７】
この状態においては、ＭＥＡ７の固体高分子電解質膜６とガス拡散電極１の接触層４Ａとは、撥水剤等の介在がなく、電気的な接触抵抗は極めて低い。また、ガス拡散電極１の触媒層４とガス拡散層２との界面の電気的な接触抵抗も極めて低い。
【００３８】
次いで、ステップＳ１２において、図６（Ｂ）に示すように、このＭＥＡ７のガス拡散層１に、例えば、所定の濃度に調整したＰＴＦＥ溶液中に浸漬するか、または、ＭＥＡ７の両面からスプレー等により噴霧して、ガス拡散層２に撥水処理を施す。撥水処理の後、ＭＥＡ７を大気中または窒素雰囲気中で乾燥させる。
【００３９】
この状態においても、ＭＥＡ７の固体高分子電解質膜６とガス拡散電極１の接触層４Ａとの間には、撥水剤等が浸入することがなく、電気的な接触抵抗は極めて低く維持される。勿論、既に接触している触媒層４とガス拡散層２との界面にも撥水剤は滲入しない。
【００４０】
引き続き、ステップＳ８、Ｓ９により、固体高分子電解質膜６の周縁の両側面にシール材８を配置し、シール材８と共にＭＥＡ７を両側よりＭＥＡ７と接する側に予めガス流路９Ａが形成されたセパレータ９で挟み込むことで燃料電池の単セルを形成することができる。
【００４１】
このようにして燃料電池を作製することにより、ガス拡散層２と触媒層４の接触部、および、触媒層４と固体高分子電解質膜６との接触層４Ａに撥水剤などの電気絶縁材を含まない電気的に良好な接触を持つ燃料電池を提供する事が可能となる。
【００４２】
本実施形態にあっては、第１の実施形態における効果に加えて、撥水処理をガス拡散電極１の触媒層４表面を固体高分子電解質膜６によりマスクして行うため、撥水処理を燃料電極および酸化剤電極同時に行え、撥水処理後に燃料電池単セルへの組立も容易となる。
【００４３】
なお、上記実施形態において、白金等の貴金属触媒３Ａを担持させた炭素粉末３Ｂとナフィオン等の固体高分子電解質３Ｃのアルコール溶液を混合した電極触媒ペースト３をガス拡散層２の素材側に塗布するものについて説明しているが、図示しないが、ガス拡散層２に塗布することなく、スクリーン印刷、スプレー法等により固体高分子電解質膜７の両側に塗布し、その両側にガス拡散層２を配置して一体化させて撥水処理するものであっても良い。
【００４４】
この場合には、固体高分子電解質膜６にガス拡散層２を重ね合わせた際に固体高分子電解質膜６の表面と塗布されている電極触媒ペースト３がガス拡散層２の表面およびガス拡散層２の繊維間に滲入して、固体高分子電解質膜６と触媒層４およびガス拡散層２との間の電気的接触抵抗を低減して同様の効果を発揮させることができる。
【００４５】
しかも、この構成においては、ガス拡散電極１の触媒層４を固体高分子電解質膜６に各ガス拡散層２の素材に当接させる際に固体高分子電解質膜６の両側の表面に塗布した触媒ペースト３が各ガス拡散層２表面に滲入することで形成するため、各ガス拡散層２を形成する素材のハンドリングが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池の製造工程を示す工程図。
【図２】図１の製造工程の初期の工程での処理状態を（Ａ）〜（Ｃ）に分けて示す処理状態図。
【図３】図１の製造工程の図２に続く工程での処理状態を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す処理状態図。
【図４】図１の製造工程の図３に続く工程での処理状態と組立状態の燃料電池の単セルを示す断面図。
【図５】本発明の第２実施形態を示す燃料電池の製造工程を示す工程図。
【図６】図５における図１の製造工程と相違する工程を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す処理状態図。
【符号の説明】
１　ガス拡散電極
２　ガス拡散層
３　触媒ペースト
４　触媒層
４Ａ　接触層
５　マスク材
６　固体高分子電解質膜
７　ＭＥＡ
８　シール材
９　セパレータ
１０　撥水剤

Claims

触媒層と撥水化したガス拡散層からなるガス拡散電極で構成される燃料電極および酸化剤電極と、この一対の電極で挟持した固体高分子電解質膜からなる発電部および、燃料および酸化剤を隔離するセパレータからなる単位セルを複数段積層して構成する燃料電池において、
ガス拡散電極は、ガス拡散層の固体高分子電解質膜へ接触する表面に撥水処理前に形成して撥水剤を含まない触媒層と、触媒層を除いて撥水処理された撥水剤を含むガス拡散層と、から構成したことを特徴とする燃料電池。
触媒層と撥水化したガス拡散層からなるガス拡散電極で構成される燃料電極および酸化剤電極と、この一対の電極で挟持した固体高分子電解質膜からなる発電部および、燃料および酸化剤を隔離するセパレータからなる単位セルを複数段積層して構成する燃料電池の製造方法において、
先ず、ガス拡散電極の触媒層を撥水処理前のガス拡散層の表面に形成し、
次いで、触媒層を除くガス拡散層を撥水処理することを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記撥水処理は、ガス拡散電極の触媒層表面をマスクして行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
前記撥水処理は、ガス拡散電極の触媒層表面を固体高分子電解質膜によりマスクして行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池の製造方法。
前記ガス拡散電極の触媒層は、固体高分子電解質膜の両側の表面に触媒ペーストを塗布し、固体高分子電解質膜に各ガス拡散層の素材を当接させることで形成され、
前記接触状態で各ガス拡散層に撥水処理することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の製造方法。