JP2005302538A - 燃料電池セルおよび電極基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】触媒層用ペーストを電極基板に塗布して電極触媒層を形成するものにおいて、製造工程における電極触媒層のひび割れの発生を回避する。
【構成】電極基板のカーボンペーパーの一面に触媒層用ペーストを塗布し、反対面より吸引して形成した複数の触媒層付きカーボンペーパー１０を、加湿・温度制御装置６によって約２５℃、７０〜９０％の高温、多湿条件に調整した真空乾燥機１内の棚２に収納し、全ての触媒層付きカーボンペーパー１０を一括して同一の水分量に保持したのち、真空排気装置８を投入して真空乾燥機１内を減圧することにより、触媒層内の水分を凍結し、昇華により除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、触媒層用ペーストをカーボンペーパー上に塗布したのち乾燥する方法によって電極触媒層が形成される燃料電池セルの製造方法に関する。

りん酸型燃料電池の単位セルは、電解質膜を燃料極と空気極で挟んで構成されており、各電極は電極触媒層、ガス拡散層、ガス流路付き基材よりなる。このうち、ガス拡散層とガス流路付き基材にはガス拡散性、電気伝導性、耐食性が要求され、通常、ガス拡散層にはカーボンペーパーが、またガス流路付き基材には多孔質カーボンが用いられている。このように構成された単位セルで得られる発電電圧は１Ｖに満たない低電圧であるため、所望の電圧に対応して必要となる複数の単位セルを積層し、電気的に直列に接続した電池スタックが使用される。このとき積層された単位セルの間には、反応ガスとして供給される水素と空気の混合を防止するためのカーボン製のセパレーターが配置される。また、単位セルを５〜８個積層するごとに、発電反応に伴う発熱を除去し、電池スタックを所定の温度に保持するための冷却板が挿入される。

上記の単位セルにおいて、発電反応に重要な役割を果す電極触媒層は、白金触媒とフッ素樹脂を混合して調整した触媒層用ペーストを多孔質のカーボンペーパーよりなる電極基板上に塗布あるいは散布したのち、溶媒や水分を乾燥除去し、さらに、適度な撥水性とカーボンペーパーの結着性を高めるために、フッ素樹脂の溶融温度、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の場合には約３３０℃で、プレス等によって熱圧着する方法によって形成されている。特許文献１に見られる真空乾燥装置は、この種の燃料電池の電極膜の製造に際し、電極基板上に塗布あるいは散布された触媒層用ペーストの溶媒や水分の乾燥除去に用いられる真空乾燥装置の一例である。この装置では、真空容器内部にヒーターや、冷却用媒体を通流させる配管、加熱用媒体を通流させる配管を備えることによって、電極膜の温度を均一に保持し、しわや亀裂を生じることなく乾燥処理ができるように構成されている。

なお、この種の燃料電池の電極膜は、上記のごとき製造方法のほかに、触媒ペーストをポリマーフィルム上に塗布したのち、電極基材を重ねて接合し、真空凍結乾燥、プレス加工を行って電極基材に触媒層を転写形成する方法（特許文献２参照）等の製造方法によっても製造されている。
特開平２−１９２６６０号公報 特開平２−２１５０４９号公報

上記のように、りん酸型燃料電池の単位セルの電極触媒層を形成する際には、触媒層用ペーストをカーボンペーパーよりなる電極基材上に塗布あるいは散布したのち、溶媒や水分を乾燥除去し、さらに、適度な撥水性を付与し、カーボンペーパーの結着性を高めるために熱圧着する方法が採られており、触媒層用ペーストを塗布あるいは散布して電極膜として成型した基材を複数個まとめて乾燥機中に投入して溶媒や水分を除去し、続いてプレス装置あるいは連続焼成炉により溶着させている。本製造方法では、層内に残存する水分に起因する電極触媒層のひび割れの発生を防止するために、通常、真空乾燥機が用いられており、水分は凍結され昇華により除去されている。
しかしながら、効率的に乾燥処理を行うために、真空乾燥機には触媒層用ペーストを塗布あるいは散布した電極基板が複数個まとめて投入されるので、各電極基板の塗布あるいは散布完了から乾燥処理開始までの放置時間が異なり、放置時の水分の蒸発量に差が生じる。したがって、真空乾燥機に投入される各電極基板の水分保持量には、乾燥処理開始時に既に差があるので、同一時間の真空乾燥処理では、水分の凍結、昇華量が不足して、形成した電極触媒層にひび割れが生じる電極基板の発生を回避できないという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、触媒層用ペーストを電極基板上に塗布あるいは散布したのち、溶媒や水分を乾燥除去し、さらに、適度な撥水性を付与し、カーボンペーパーの結着性を高めるために熱圧着して電極触媒層を形成する燃料電池セルの製造方法において、塗布あるいは散布完了から乾燥処理開始までの放置時間が異なる複数の電極基板を乾燥処理する場合にも、各基材に形成された電極触媒層に残存水分に起因するひび割れを引起す恐れがなく、安定した特性で運転可能な燃料電池セルの製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、
電解質層と、この電解質層を挟持する燃料極触媒層および空気極触媒層と、これらの触媒層の外面に接して配されるガス拡散層と、これらのガス拡散層の外面に接して配されるガス流路付き基材とにより構成される燃料電池セルで、白金触媒とフッ素樹脂を混合して調整した触媒層用ペーストを前記燃料極触媒層および空気極触媒層の電極基板に塗布したのち、乾燥して水分を除去することによって前記の燃料極触媒層および空気極触媒層が形成されるものにおいて、
（１）前記触媒層用ペーストを塗布した、複数の燃料電池セルの電極基板をほぼ同一の水分量に保持したのち、真空乾燥して水分を除去することとする。
（２）さらに、上記（１）において、触媒層用ペーストを塗布した電極基板をほぼ同一の水分量に保持する処理を、温度と湿度を一定に保持することが可能な真空乾燥機内に前記電極基板を収納することによって実施することとする。

（３）さらに、上記（１）または（２）において、電極基板を同一の水分量に保持する処理を実施する複数の燃料電池セルを、同一の電池スタックを構成する燃料電池セルよりなるものとする。

燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの燃料極触媒層、空気極触媒層を上記の（１）のごとく形成して燃料電池セルを製造することとすれば、触媒層用ペーストを塗布した後の放置時間の長さ如何にかかわらず、真空乾燥処理に供されるすべての電極基板はほぼ同一の水分量に保持されるので、凍結、昇華を同一条件で実施でき、乾燥条件の不具合によるひび割れの発生を防止できる。特に上記の（２）のごとき方法を用いれば、同一装置内で、電極基板を同一の水分量に保持し、真空乾燥処理できるので、水分の凍結、昇華処理が効果的に制御され、効率的に行われることとなる。また、同一の電池スタックを構成する複数の燃料電池セルにおいては同一の燃料極触媒層、空気極触媒層が用いられるので、上記の（３）のごとくとすれば、特に効果的である。

本発明の燃料電池セルの製造方法の最良の実施形態は、
電解質層と、これを挟持する燃料極触媒層および空気極触媒層と、これらの触媒層の外面に順次配されるガス拡散層とガス流路付き基材とにより構成される燃料電池セルで、上記の各触媒層が、白金触媒とフッ素樹脂を混合して調整した触媒層用ペーストを電極基板に塗布し、水分を除去することによって形成されるものにおいて、触媒層用ペーストを塗布した、複数の燃料電池セルの電極基板を、温度と湿度を一定に保持することが可能な真空乾燥機内に収納し、同一の水分量に保持したのち、真空乾燥して水分を除去し、各触媒層を形成する燃料電池セルの製造方法にある。

以下、本発明の燃料電池セルの製造方法による触媒層の形成処理の一実施例を示す。
まず、白金触媒とポリテトラフルオロエチレン樹脂を混合、調整して触媒層用ペーストを作製する。次いで、この触媒層用ペーストを電極基板となるカーボンペーパーの一方の面の上に塗布し、反対面側から吸引することによって、カーボンペーパーの一方の面に触媒層を形成する。燃料電池スタックに組込まれる燃料電池セルの個数を加味して、このカーボンペーパーへの触媒層の形成作業を、数十枚のカーボンペーパーに対して実施する。触媒層が形成されたカーボンペーパーは真空乾燥機内に設置された棚へと収納される。
図１は、この真空乾燥機の基本構成を示す縦断面図である。図において、１は真空乾燥機、２は触媒層が形成されたカーボンペーパーが収納される棚、３はヒーター、４は温度センサー、５は湿度センサーである。また、６は、真空乾燥機１の内部の湿度、温度を調整する加湿・温度制御装置、７は開閉バルブであり、８は真空排気装置、９は開閉バルブである。触媒層が形成されたカーボンペーパーを真空乾燥機１に収納する際には、真空乾燥機１の内部はヒーター３で加熱され、加湿・温度制御装置６より送られる水蒸気により加湿されて、温度が約２５℃、湿度が７０〜９０％に設定されている。したがって、棚２に収納された触媒層付きカーボンペーパー１０は、高温多湿条件下に置かれることによって含有水分量が増大する。このため、触媒層付きカーボンペーパー１０をすべて棚２に収納したのち、３０分から１時間にわたってこの高温多湿条件下におくことにより、全ての触媒層付きカーボンペーパー１０はほぼ同一の水分量に、望ましくは同一の水分量に保持されることとなる。

このように棚２に収納した触媒層付きカーボンペーパー１０をすべて同一の水分量に保持したのち、開閉バルブ７を閉じて加湿・温度制御装置６からの水蒸気の供給を停止するとともに、真空排気装置８を作動させ、開閉バルブ９を開けて真空乾燥機１の内部を排気し、0.1 〜 0.5 kPa程度の真空度まで急激に減圧する。この減圧処理によって触媒層内の水分は均一に凍結し、昇華現象によって外部へと放出され、触媒層内の水分が除去される。この処理方法においては、触媒層付きカーボンペーパー１０をすべて同一の水分量に保持して処理されるので、減圧処理による水分の凍結、昇華条件がすべての触媒層付きカーボンペーパー１０について同一となる。したがって、触媒層にひび割れをもたらす条件を回避して水分の凍結、昇華処理を行うことが容易となり、優れた特性の燃料極触媒層および空気極触媒層が得られる。

以上述べたように、本発明の請求項１、さらには請求項２のごとき製造方法を用いて燃料電池セルを製造することとすれば、多数の燃料電池セルの電極触媒層をひび割れを生じることなく形成できるので、この種のりん酸型燃料電池を構成する燃料電池セルの製造方法として有効である。また、請求項３のごとく製造することとすれば、燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池セルの電極触媒層が均質に製造でき、ひび割れが回避されるので、燃料電池セルの製造方法として極めて有効である。

本発明の実施例に用いられている真空乾燥機の基本構成を示す縦断面図

符号の説明

１ 真空乾燥機
２ 棚
３ ヒーター
６ 加湿・温度制御装置
８ 真空排気装置
１０ 触媒層付きカーボンペーパー

Claims (4)

1. 電解質層と、この電解質層を挟持する燃料極触媒層および空気極触媒層と、これらの触媒層の外面に接して配されるガス拡散層と、これらのガス拡散層の外面に接して配されるガス流路付き基材とにより構成される燃料電池セルで、白金触媒とフッ素樹脂を混合して調整した触媒層用ペーストを前記燃料極触媒層および空気極触媒層の電極基板に塗布したのち、乾燥して水分を除去することによって前記の燃料極触媒層および空気極触媒層が形成されるものにおいて、前記触媒層用ペーストを塗布した、複数の燃料電池セルの電極基板をほぼ同一の水分量に保持したのち、真空乾燥して水分を除去することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法において、前記触媒層用ペーストを塗布した電極基板をほぼ同一の水分量に保持する前記処理が、温度と湿度を一定に保持することが可能な真空乾燥機内に前記電極基板を収納することによって実施されることを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池セルの製造方法において、電極基板をほぼ同一の水分量に保持する処理が実施される複数の燃料電池セルが、同一の電池スタックを構成する燃料電池セルよりなることを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
4. 電解質層を挟持する複数の燃料極触媒層または空気極触媒層の電極基板の製造方法において、白金触媒とフッ素樹脂を混合して調整した触媒層用ペーストを前記複数の電極基板に塗布し、該複数の電極基板をほぼ同一の水分量に保持したのち、真空乾燥して水分を除去することを特徴とする電極基板の製造方法。
   

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