JP2006164790A - 燃料電池用触媒層の形成装置及び燃料電池用触媒層の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルを構成する膜電極接合体において、電解質膜表面に塗布される触媒層にひび割れが生じないようにする。
【解決手段】触媒スラリー２２ａが塗布されたガス拡散層２１を保持する保持面２５ａをもち、且つ板厚方向に通気性を有する網状支持板２５と、この網状支持板２５の下方からガス拡散層２１側の空気を吸引するブロアー２８とを備えた構成とし、触媒スラリー２２ａの表面と裏面にそれぞれ空気を流すようにより、触媒スラリー２２ａの両面で乾燥が進行するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は高分子電解質膜を用いた燃料電池の製造技術に関し、詳しくは、燃料電池セルを構成する膜電極接合体において、電解質膜表面における触媒層の形成装置及びその形成方法に関する。

高分子電解質膜を用いた燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極と空気極とを接合一体化した膜電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータで挟み込んで燃料電池単セルを構成し、この燃料電池単セルの複数個を積層することで燃料電池スタックとしている。

この膜電極接合体は、ガス拡散層（多孔質支持層）の表面に触媒層を形成し、これを高分子電解質膜の両面に貼り合わせて接合一体化した構成（あるいは高分子電解質膜の両面に触媒層を形成し、さらにその外側にガス拡散層を取り付けて接合一体化した構成）となっている。

触媒層の形成方法としては、電着方式、ダイコータ方式、スプレー方式などの塗装方法が用いられる。そして、これらの塗装方法に使用できるように、水やプロピルアルコールなどの溶媒と、高分子電解質膜との活性度を高めるために添加された高分子材料と、白金などの触媒粒子を担持したカーボン材料などをミル装置により粒径１μｍ程度に粉砕しながら混合、分散して触媒スラリーを作製し、この触媒スラリーを上記塗装方法により高分子電解質膜またはガス拡散層に塗布している。このような触媒層の形成に関する従来例として、膜厚の薄い高分子電解質膜を破損することなしに電解質膜−電極接合体を製造する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２１６７８９号公報

ところで、ガス拡散層の表面に触媒層を塗布した場合、その表面を乾燥させる必要がある。この乾燥段階において、触媒層では、内部に含まれる溶媒が揮発することにより、体積が徐々に収縮することになる。しかしながら、乾燥は触媒層の片面から行われ、また、塗布された触媒層の厚みは層全体にわたって必ずしも均一でないため、収縮が不均一になる箇所が発生し、その部分では触媒層にひび割れが発生するという問題点があった。

本発明に係わる燃料電池用触媒層の形成装置は、触媒スラリーが塗布されたガス拡散層を保持する保持面をもち、且つ板厚方向に通気性を有する支持手段と、前記支持手段の下方から前記ガス拡散層側の空気を吸引する吸引手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係わる燃料電池用触媒層の形成方法は、触媒スラリーが塗布されたガス拡散層を、板厚方向に通気性を有する支持手段上に保持し、前記支持手段の下方から前記ガス拡散層側の空気を吸引することにより、前記ガス拡散層の表面に塗布された触媒スラリーを乾燥させることを特徴とする。

本発明によれば、触媒スラリーの両面で乾燥が進行するため、収縮によりひび割れが始まる前に触媒スラリーを固化させることができ、また片面のみで乾燥させる場合に比べて収縮をほぼ均一にすることができるため、触媒層の表面におけるひび割れを防止することができる。

以下、本発明に係わる燃料電池用触媒層の形成装置及び燃料電池用触媒層の形成方法の実施例について説明する。

まず、燃料電池を構成する燃料電池スタックの構造について簡単に説明する。図５は、燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。

燃料電池スタック１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層することにより積層体３とし、この積層体３の両端に集電板４、絶縁板５及びエンドプレート６を配置した構成となっている。そして、積層体３の内部に貫通した図示しない貫通孔にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部に図示しないナットを螺合させることで全体が一体化されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２の図示しないセパレータに形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２及び冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流通路を流れた後、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れた後、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れた後、冷却水排出口１３より排出される。

燃料電池単セル２は、図６の拡大断面図に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成されている。ただし、図６に示す燃料電池単セル２の構成は一例を示すものであり、本発明の実施はこの構成に限定されるものではない。

膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）１６と、この電解質膜１６の両面にアノード側に配置されるアノード電極１７と、カソード側に配置されるカソード電極１８とから構成されている。かかる膜電極接合体１４は、電解質膜１６の両面にアノード電極１７とカソード電極１８とを配置して、ホットプレスすることにより接合一体化される。

アノード電極１７は、図７の拡大断面図に示すように、アノード触媒層１７ａとガス拡散層１７ｂとから構成され、カソード電極１８は、カソード触媒層１８ａとガス拡散層１８ｂとからそれぞれ構成されている。

アノード側に配置されるセパレータ１５は、電解質膜１６に燃料ガスを供給するための図示しない燃料ガス流路を備えている。またカソード側に配置されるセパレータ１５は、電解質膜１６に酸化剤ガスを供給するための図示しない酸化剤ガス流路を備えている。そして、セパレータ１５には、前述した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２及び冷却水排出口１３と連通するそれぞれの図示しないマニホールドが形成されている。さらにセパレータ１５には、タイロッド７を貫通させるためのスタッキング孔が形成されている。

このように構成された膜電極接合体１４とセパレータ１５とは、膜電極接合体１４の両面にセパレータ１５を積層し、図６に示すように、これらの間をシール部材１９でシールすることで燃料電池単セル２を構成し、その各燃料電池単セル２の複数個を積層することで燃料電池スタック１が構成される。

次に、アノード電極１７、カソード電極１８において、それぞれのガス拡散層の表面に塗布した触媒スラリーを乾燥させて触媒層を形成する乾燥工程について説明する。

以下、アノード、カソードいずれの電極にも共通の実施例として、各電極の構成要素を「ガス拡散層２１」、「触媒層２２」として説明する。

図１は、実施例１に係わる燃料電池用触媒層の形成装置（乾燥装置）２０の構成図である。

本実施例に係わる形成装置２０は、ガス拡散層２１を保持する網状支持板（支持手段）２５と、この網状支持板２５を載せるための受け台２６と、受け台２６の下方を覆うように形成された密閉治具２７と、密閉治具２７の底部に連結されたブロアー（吸引手段）２８と、網状支持板２５の上部においてガス拡散層２１を所定位置に保持するための押さえ治具２９とを備えて構成されている。また、網状支持板２５の上方にはヒータ（加熱手段）３０が配置されている。

網状支持板２５は、触媒スラリー２２ａが塗布されたガス拡散層２１を保持するための保持面２５ａをもち、且つ内部は網状に形成されて板厚方向に通気性を有する構造となっている。

密閉治具２７は、受け台２６の下方を覆うことで密閉した空間を形成しており、この密閉治具２７と連結されたブロアー２８を駆動して内部の空気を吸引することにより、装置上部に滞在する空気がガス拡散層２１から網状支持板２５の内部を通過して密閉治具２７に流れ込み、外部に排出されるように構成されている。

また、図１には示していないが、本実施例の形成装置２０は、外部から空気を吸入、排出可能に構成された容器内に収容されていてもよい。

上記のように構成された形成装置２０において、ガス拡散層２１の表面に塗布された触媒スラリー２２ａを乾燥させるには、まず、網状支持板２５の保持面２５ａ上に、表面に触媒スラリー２２ａが塗布されたガス拡散層２１を載せて、押さえ治具２９により所定位置に保持させる。次に、この状態でブロアー２８を駆動して内部の空気を吸引するとともに、ヒータ３０に通電して上方から触媒スラリー２２ａの表面を加熱する。

これにより、ガス拡散層２１側に滞在する空気は触媒スラリー２２ａの表面と、通気性の良いガス拡散層２１をそれぞれ通り抜け、さらに、通気性を有する網状支持板２５の内部を通過して密閉治具２７に流れ込むことになる。

このとき、触媒スラリー２２ａは表面を移動する空気により乾燥（揮発）するだけでなく、同時に裏面を通り抜ける空気によっても乾燥することになる。このように、本実施例では触媒スラリー２２ａの両面で乾燥が進行することになるため、収縮によりひび割れが始まる前に触媒スラリー２２ａを固化させることができ、また触媒層２２の厚みが層全体で均一でないとしても、片面のみで乾燥させる場合に比べて収縮をほぼ均一にすることができるため、触媒層２２の表面におけるひび割れを防止することができる。

また、ヒータ３０に通電することによって、触媒スラリー２２ａの表面が加熱されるとともに、ヒータ３０で温められた空気が触媒スラリー２２ａの表裏面を通り抜けることになるため、乾燥時間を短縮することができる。

図２は、実施例２に係わる燃料電池用触媒層の形成装置２０Ａの構成図であり、図１と同等部分には同一符号を付している。以下、実施例１との相違点について説明し、重複する部分については適宜に説明を省略する。

本実施例に係わる形成装置２０Ａは、ガス拡散層２１の表面に触媒スラリー２２ａを塗布するスプレー装置（触媒スラリー塗布手段）３１を備えている。このスプレー装置３１は、白金などの触媒粒子を担持したカーボン材料、溶媒及び高分子材料などを攪拌することにより生成した触媒スラリーを収容したタンク部と、これをスプレーヘッドに送り出すために加圧するポンプ部などを備えて構成されている。図２では、スプレー装置３１のスプレーヘッドのみを示している。

上記のように構成された形成装置２０Ａでは、まず、網状支持板２５の保持面２５ａ上にガス拡散層２１を載せて、押さえ治具２９により所定位置に保持させる。次に、この状態でスプレー装置３１を駆動してスプレーヘッドから触媒スラリー２２ａをガス拡散層２１の表面に塗布するとともに、ブロアー２８を駆動して内部の空気を吸引する。

本実施例において、ガス拡散層２１の表面に塗布された触媒スラリー２２ａは表面を移動する空気により乾燥するだけでなく、同時に裏面を通り抜ける空気によっても乾燥するため、収縮によりひび割れが始まる前に触媒スラリー２２ａを固化させることができる。また、片面のみで乾燥させる場合に比べて収縮をほぼ均一にすることができるため、触媒層２２の表面におけるひび割れを防止することができる。とくに、本実施例では、吸引によりガス拡散層２１の表面が平坦化した状態で触媒スラリー２２ａが塗布されるため、触媒層２２の厚みが層全体でほぼ均一になり、乾燥時の収縮をより均一にすることができる。

図３は、実施例３に係わる燃料電池用触媒層の形成装置２０Ｂの構成図であり、図１と同等部分には同一符号を付している。以下、実施例１との相違点について説明し、重複する部分については適宜に説明を省略する。

本実施例に係わる形成装置２０Ｂは、外部から空気を取り込む図示しない通気口が設けられた容器３２の内部に、網状支持板２５、受け台２６、密閉治具２７、押さえ治具２９が収容されている。この容器３２の下方にはブロアー２８が連結されており、ブロアー２８を駆動して内部の空気を吸引すると、前記通風口から取り込まれた空気がガス拡散層２１から網状支持板２５の内部を通過して密閉治具２７に流れ込み、外部に排出されるように構成されている。

また、容器３２の上部には空気温度制御装置（温度制御手段）３３が取り付けられている。この空気温度制御装置３３は、内部の空気温度を０℃〜１００℃の範囲で制御するためのもので、ここで温度制御された空気は触媒スラリー２２ａの表面に吐出供給される。乾燥時には、この空気温度制御装置３３によって内部が低温状態となるように温度制御されるが、その温度は製品仕様や作業条件（乾燥時間ほか）などにより適宜に定められる。一例として、およそ０℃〜６０℃の範囲に設定される。

上記のように構成された成形装置２０Ｂでは、まず、網状支持板２５の保持面２５ａ上に、表面に触媒スラリー２２ａが塗布されたガス拡散層２１を載せて、押さえ治具２９により所定位置に保持させる。次に、この状態で空気温度制御装置３３を起動して、容器３２内の空気温度を低温状態に保つとともに、ブロアー２８を駆動して内部の空気を吸引する。

本実施例において、ガス拡散層２１の表面に塗布された触媒スラリー２２ａは表面を移動する空気により乾燥するだけでなく、同時に裏面を通り抜ける空気によっても乾燥するため、収縮によりひび割れが始まる前に触媒スラリー２２ａを固化させることができる。また片面のみで乾燥させる場合に比べて収縮をほぼ均一にすることができるため、触媒層２２の表面におけるひび割れを防止することができる。

とくに、本実施例では、内部が低温状態に保たれているので、触媒スラリー２２ａの熱による急激な体積変化が緩和され、乾燥時の収縮をほぼ均一にすることができる。また、ブロアー２８で吸引して空気の流通性を良くすると、低い温度で乾燥させることができ、乾燥時間も短縮することができる。したがって、ブロアー２８の吸引と、空気温度制御装置３３による乾燥温度、乾燥時間との関係を適切に制御することにより、最適な乾燥条件を作り出すことができる。これによれば、触媒スラリーの成分や膜厚等の条件に応じて、よりきめ細かく乾燥条件を設定することができるため、ひび割れの発生を効果的に防止することができる。

図４は、実施例４に係わる燃料電池用触媒層の形成装置２０Ｃの構成図であり、図３と同等部分には同一符号を付している。以下、実施例３との相違点について説明し、重複する部分については適宜に説明を省略する。

本実施例に係わる形成装置２０Ｃでは、容器３２の上部にはファン装置（送風手段）３４が取り付けられている。このファン装置３４は、ガス拡散層２１の表面に塗布された触媒スラリー２２ａに送風するためのもので、送風のためのプロペラと、このプロペラを回転させるためのプロペラシャフトと、プロペラシャフトの回転機構とを備えて構成されている。図４ではファン装置３４のうちのプロペラとプロペラシャフトのみを示している。

上記のように構成された形成装置２０Ｃでは、まず、網状支持板２５の保持面２５ａ上に、表面に触媒スラリー２２ａが塗布されたガス拡散層２１を載せて、押さえ治具２９により所定位置に保持させる。次に、この状態でファン装置３４を駆動してガス拡散層２１の表面に塗布された触媒スラリー２２ａに送風するとともに、ブロアー２８を駆動して内部の空気を吸引する。

本実施例においては、ファン装置３４の送風により触媒スラリー２２ａの表面で乾燥が進行し、同時にブロアー２８の吸引により触媒スラリー２２ａの裏面でも乾燥が進行するため、収縮によりひび割れが始まる前に触媒スラリー２２ａを固化させることができるとともに、片面のみで乾燥させる場合に比べて収縮をほぼ均一にすることができるため、触媒層２２の表面におけるひび割れを防止することができる。

とくに、本実施例では、ファン装置３４で送風するようにしているため、吸引による触媒スラリー２２ａ内部の揮発成分の拡散を促進することができ、乾燥時間を短縮することができる。

以上説明したように、各実施例に示す燃料電池用触媒層の形成装置では、触媒スラリー２２ａの両面で乾燥が進行するため、収縮によりひび割れが始まる前に触媒スラリー２２ａを固化させることができ、また片面のみで乾燥させる場合に比べて収縮をほぼ均一にすることができるため、触媒層２２の表面におけるひび割れを防止することができる（請求項１、６の効果）。

とくに、実施例１の形成装置２０では、ヒータ３０により触媒スラリー２２ａの表面を加熱するようにしたので、触媒スラリー２２ａの表面はヒータ３０により加熱されるとともに、ヒータ３０で温められた空気が触媒スラリー２２ａの表裏面を通り抜けることになるため、乾燥時間を短縮することができる（請求項２の効果）。

また、実施例２の形成装置２０Ａでは、吸引によりガス拡散層２１の表面が平坦化した状態で触媒スラリー２２ａを塗布しているため、触媒層２２の厚みが層全体でほぼ均一になり、乾燥時の収縮をより均一にすることができる（請求項３の効果）。

また、実施例３の形成装置２０Ｂでは、空気温度制御装置３３により内部が低温状態に保たれているので、触媒スラリー２２ａの熱による急激な体積変化が緩和され、乾燥時の収縮をほぼ均一にすることができる。また、ブロアー２８の吸引と、空気温度制御装置３３による乾燥温度、乾燥時間との関係を適切に制御することにより、最適な乾燥条件を作り出すことができる。これによれば、触媒スラリーの成分や膜厚等の条件に応じて、よりきめ細かく乾燥条件を設定することができるため、ひび割れの発生を効果的に防止することができる（請求項４の効果）。

また、実施例４の形成装置２０Ｃでは、ファン装置３４で送風するようにしているため、吸引による触媒スラリー２２ａ内部の揮発成分の拡散を促進することができ、乾燥時間を短縮することができる（請求項５の効果）。

実施例１に係わる燃料電池用触媒層の形成装置の構成図。 実施例２に係わる燃料電池用触媒層の形成装置の構成図。 実施例３に係わる燃料電池用触媒層の形成装置の構成図。 実施例４に係わる燃料電池用触媒層の形成装置の構成図。 燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図。 燃料電池単セルの一例を示す拡大断面図。 膜電極接合体の一例を示す拡大断面図。

符号の説明

２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…形成装置
２１…ガス拡散層
２２…触媒層
２２ａ…触媒スラリー
２５…網状支持板
２５ａ…保持面
２６…受け台
２７…密閉治具
２８…ブロアー
２９…押さえ治具
３０…ヒータ
３１…スプレー装置
３２…容器
３３…空気温度制御装置
３４…ファン装置

Claims (6)

1. 触媒スラリーが塗布されたガス拡散層を保持する保持面をもち、且つ板厚方向に通気性を有する支持手段と、
   前記支持手段の下方から前記ガス拡散層側の空気を吸引する吸引手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用触媒層の形成装置。
2. 前記ガス拡散層の表面に塗布された触媒スラリーの表面を加熱する加熱手段を備え、
   前記加熱手段により前記触媒スラリーの表面を加熱しながら、前記吸引手段により前記ガス拡散層側の空気を吸引することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒層の形成装置。
3. 前記ガス拡散層の表面に触媒スラリーを塗布する触媒スラリー塗布手段を備え、
   前記触媒スラリー塗布手段により前記ガス拡散層の表面に触媒スラリーを塗布しながら、前記吸引手段により前記ガス拡散層側の空気を吸引することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒層の形成装置。
4. 前記触媒スラリーが塗布されたガス拡散層の周辺温度を制御する温度制御手段を備え、
   前記温度制御手段により前記ガス拡散層の周辺温度を低温状態に保ちながら、前記吸引手段により前記ガス拡散層側の空気を吸引することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒層の形成装置。
5. 前記ガス拡散層の表面に塗布された触媒スラリーに送風する送風手段を備え、
   前記送風手段により前記触媒スラリーの表面に送風しながら、前記吸引手段により前記ガス拡散層側の空気を吸引することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒層の形成装置。
6. 触媒スラリーが塗布されたガス拡散層を、板厚方向に通気性を有する支持手段上に保持し、前記支持手段の下方から前記ガス拡散層側の空気を吸引することにより、前記ガス拡散層の表面に塗布された触媒スラリーを乾燥させることを特徴とする燃料電池用触媒層の形成方法。
   

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