JP2006228534A - 固体高分子型燃料電池の電極形成方法及び固体高分子型燃料電池の電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極表面のひび割れを無くすことのできる固体高分子型燃料電池の電極形成方法を提供する。
【解決手段】 基材３８に触媒又はカーボンなどの電極形成スラリー３９を塗布した後、塗布された電極形成スラリー３９をホットローラ４０で加熱しながら厚み方向に加圧し、その後、マイクロ波発生手段４４でマイクロ波を当てて電極形成スラリー３９を乾燥させることで、表層２５ａに硬い皮膜を形成した電極２５を形成することができる。本発明方法によれば、乾燥による収縮を厚み方向のみにさせることができるので、全方向での収縮が抑えられることにより、ひび割れを防止することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の電極形成方法及び固体高分子型燃料電池の電極構造に関する。

燃料電池の電極を製造する方法としては、例えば、次のような方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、触媒粉末に高分子電解液を含浸させ乾燥させたものにフッ素樹脂粉末を混合して粉砕し、その粉砕した触媒粉末とフッ素樹脂粉末を散布機で電極基材上に散布して材料堆積層を形成し、その材料堆積層をフッ素樹脂の溶融温度より低い温度で放置して乾燥させた後、その乾燥した材料堆積層の表面をローラにより圧縮して表面の平滑な触媒層を形成する。
特開２００１−１６０４０２号公報（第５頁〜第７頁、第１図及び図２）

しかしながら特許文献１に記載される方法では、触媒層及びカーボン層の塗布・乾燥回数を減らす目的で厚塗りを行った後に、材料堆積層を乾燥させているため、体積収縮状態により触媒層にひび割れが発生する虞がある。

そこで、本発明は、電極表面のひび割れを無くすことのできる固体高分子型燃料電池の電極形成方法及び固体高分子型燃料電池の電極構造を提供することを目的とする。

本発明に係る固体高分子型燃料電池の電極形成方法は、基材に触媒又はカーボンを塗布する塗布工程と、塗布された触媒又はカーボンを加熱しながら厚み方向に加圧する加熱加圧工程とを備える。

本発明によれば、基材上に塗布された触媒又はカーボンを加熱しながら厚み方向に加圧するので、乾燥による収縮が厚み方向のみとなり、全方向での収縮が抑えられ、ひび割れの発生を防止することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［燃料電池スタックの概略構成］
本発明に係る固体高分子型燃料電池の電極形成方法及びその方法により形成される電極構造を説明する前に、簡単に燃料電池スタックの構造について説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。なお、図１は燃料電池スタックの一構成例であるが、本発明がこの図１の構成に限定されるものではない。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とし、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２の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１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９および冷却水排出口２０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１５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路溝を流れ、燃料ガス排出口１６より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１７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、酸化剤ガス排出口１８より排出される。冷却水は、冷却水導入口１９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、冷却水排出口２０より排出される。

燃料電池単セル２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・）は、図２に示すように、膜電極接合体２１と、この膜電極接合体２１の両面にそれぞれ配置される第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２３とから構成される。なお、図２の中央に位置する燃料電池単セル２Ａを挟んで上下に設けられる燃料電池単セル２Ｂ、２Ｃは、第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２３の何れかのみを示しており、図示は省略するが膜電極接合体２１と他方の第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２３を有しているものとする。

膜電極接合体２１は、水素イオンを通す固体高分子電解質膜２４と、アノード電極２５と、カソード電極２６とからなる。かかる膜電極接合体２１は、アノード電極２５とカソード電極２６によって、固体高分子電解質膜２４をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。固体高分子電解質膜２４の外周縁部は、アノード電極２５およびカソード電極２６から突出しており、第１のセパレータ２２および第２のセパレータ２３と積層する際のシール部分として機能する。

第１のセパレータ２２には、膜電極接合体２１と接する面に水素ガスなどの燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路溝２７が形成されている。また、この第１のセパレータ２２には、燃料ガス流路溝２７から燃料ガスが漏れ出ないようにシールするための燃料ガスシール溝２８が形成されている。この燃料ガスシール溝２８は、アノード電極２５およびカソード電極２６から突出した固体高分子電解質膜２７と対向する位置に形成されている。

第２のセパレータ２３には、膜電極接合体２１と接する面に酸素などの酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路溝２９が形成されている。また、この第２のセパレータ２３には、膜電極接合体２１との接合面とは反対側の面には、冷却水を流通させるための冷却水流路溝３０が形成されている。さらに、この第２のセパレータ２３には、酸化剤ガス流路溝２９から酸化剤ガスが、または冷却水流路溝３０から冷却水が漏れ出ないようにシールするための酸化剤ガスシール溝３１と冷却水シール溝３２がそれぞれの面に形成されている。そして、前記燃料ガスシール溝２８、酸化剤ガスシール溝３１及び冷却水シール溝３２には、それぞれシール部材３３、３５が設けられている。

［固体高分子型燃料電池の電極構造］
次に、本発明の固体高分子型燃料電池の電極構造について説明する。図３は本実施の形態の電極構造の要部拡大断面図である。

本実施の形態の電極２５は、図３に示すように、表層２５ａとそれ以外の他の部分２５ｂとで硬度が異なっており、表層２５ａの方が他の部分２５ｂよりもその硬度が高くなっている。また、かかる電極２５は、凹凸が無くひび等が一切無い平滑面とされている。電極２５としては、Ｐｔ担持カーボンと電解質と溶媒の混合スラーを塗布し乾燥して形成される触媒層、または、前記触媒層及びこの触媒層の上に積層される、導電性カーボン粒子と溶媒と添加剤の混合スラリーを塗布し乾燥して形成されるカーボン層の積層体からなる。

［固体高分子型燃料電池の電極形成方法］
次に、固体高分子型燃料電池の電極形成方法について説明する。図４は本実施の形態の固体高分子型燃料電池の電極形成方法の一例を示す模式図である。ここでは、アノード電極２５を形成する例とするが、カソード電極２６もアノード電極２５と同様に形成されるのでそのカソード電極２６の形成方法についてはその説明は省略する。

電極２５を形成するには、図示を省略するコンベア上に設けられた載置台３７の上に基材３８を載せる。載置台３７は、例えばコンベアによって図４中右から左に矢印Ａで示すように、一定速度で移動するようになっている。基材３８としては、固体高分子電解質膜２４であってもよく、または、シートであってもよい。固体高分子電解質膜２４を基材３８として使用した場合は、この基材３８ごと燃料電池単セル２として使用される。シートを基材３８として使用した場合は、このシートの上に触媒またはカーボンを塗布乾燥して形成された電極２５を固体高分子電解質膜２４の上に転写させて燃料電池単セル２として使用される。

次に、この基材３８の表面に電極形成スラリー３９を塗布する。電極形成スラリー３９は、塗布乾燥後の最終製品膜厚よりも厚めに基材３８上に、矢印Ｂで示すように供給して塗布する。触媒層を形成する場合は、Ｐｔ担持カーボンと電解質と溶媒の混合スラーを、電極形成スラリー３９として使用する。カーボン層を形成する場合は、導電性カーボン粒子と溶媒と添加剤の混合スラリーを、電極形成スラリー３９として使用する。

前記基材３８を移動させながら電極形成スラリー３９を塗布した後、ホットローラ４０で電極形成スラリー３９の表面を加圧しながら乾燥させる。ホットローラ４０は、円筒体または円柱状の表面が平滑なローラからなる。そして、このホットローラ４０は、図示を省略した加熱ヒータをローラ温度調整手段４１で温度調整して所定温度に加熱され、やはり図示を省略した回転駆動手段で回転駆動される。

また、このホットローラ４０は、図示を省略したローラ高さ調整手段４２によって、前記基材３８に対する高さ位置が任意に調整自在とされている。すなわち、かかるホットローラ４０は、ローラ高さ調整手段４２によって矢印Ｃで示す電極形成スラリー３９の厚み方向に上下動するようになっている。ホットローラ４０は、基材３８上に塗布されて乾燥されることによる電極形成スラリー３９の体積収縮率を見込んで乾燥後の電極２５の厚みと同じ寸法だけ基材３８の表面から所定クリアランスＨを持って上方に配置されている。

前記ローラ温度調整手段４１及びローラ高さ調整手段４２は、何れも制御部４３によって制御されるようになっている。

本実施の形態では、約８０℃〜１１０℃でローラを加熱したホットローラ４０を回転させながら塗布された電極形成スラリー３９の表面を、圧力１ＭＰａ程度の加圧力で加圧する。ホットローラ４０で電極形成スラリー３９を加圧すると、加熱によって電極形成スラリー３９の表面が乾燥し表面に硬い皮膜（表層２５ａ）が形成される。また、ホットローラ４０によって電極形成スラリー３９が所定加圧力でその厚み方向に加圧されるため、当該電極形成スラリー３９の乾燥による収縮が厚み方向のみとなる。

なお、ホットローラ４０による加熱温度は、余り高すぎると電極形成スラリー３９の溶剤が沸騰してしまい、電極２５が破壊されてしまう。

電極形成スラリー３９を基材３８上に塗布し乾燥させただけでは、乾燥による収縮が膜厚方向だけでなく面内方向を含む全方向となるため、表面から生じたクラックが次第に全体に入り込んでしまう。しかしながら、ホットローラ４０で加圧しながら電極形成スラリー３９の表面を乾燥させるため、乾燥による収縮を厚み方向のみとすることができ、全方向での収縮が抑えられることによるひび割れを回避できる。また、電極形成スラリー３９の表層２５ａが硬くなるので、ひび割れが生じなくなる。

また、凹凸の無い平滑なローラ面としたホットローラ４０で電極形成スラリー３９を加圧するので、加熱加圧された表層２５ａは平滑面となる。電極２５の表層２５ａが平滑面であると、図２に示したようにセパレータ２２、２３と積層したときに界面での密着力がアップし発電性能が向上する。さらに、ホットローラ４０の高さを調整して加圧力を可変させることで、電極２５の細孔密度をコントロールすることができる（この電極の細孔密度をコントロールすることができるとは、どのようなことかご教示ください）。

次に、ホットローラ４０によって電極形成スラリー３９を加熱しながら加圧した後、マイクロ波発生手段４４で電極形成スラリー３９の内部を乾燥させる。ここでは、マイクロ波発生手段４４から所定周波数のマイクロ波を電極形成スラリー３９に当てて、硬化した表層２５ａを除くそれ以外の内部（他の部分２５ｂ）を硬化させる。マイクロ波は、例えば電子レンジで使用されている原理と同じで、周波数２５００ＭＨｚ程度のマイクロ波を約５分程度当てる。

マイクロ波を当てると、ホットローラ４０では乾燥し切れなかった表層２５ａ以外の他の部分２５ｂが乾燥する。その結果、表層２５ａの方が他の部分２５ｂよりもその硬度が高くなった電極構造となる。

以上のように、本実施の形態によれば、基材３８上に塗布された電極形成スラリー３９を加熱しながら厚み方向に加圧するので、乾燥による収縮が厚み方向のみとなり、全方向での収縮が抑えられ、ひび割れの発生を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、加熱したローラを回転させながら押し付けるホットローラ４０にて電極形成スラリー３９を加圧させているので、生産性の向上を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、加熱加圧工程後に塗布された電極形成スラリー３９にマイクロ波を当てているので、表層２５ａを除くその他の部分２５ｂを乾燥させることができる。

また、本実施の形態によれば、ホットローラ４０の高さを調整して塗布された電極形成スラリー３９に対する加圧力を可変することで、触媒層又はカーボン層の細孔密度をコントロールすることができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

上述の実施の形態では、ホットローラ４０で加熱加圧させたが、加熱した平板形状のプレス板で電極形成スラリー３９をホットプレスしてもよい。かかるプレス板で電極形成スラリー３９を加熱しながら加圧すれば、基材３８をコンベアで送ることなくそのままプレス板で加圧することができ、より一層の生産性の向上を図ることができる。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池単セルの構成を示す要部拡大断面図である。 本実施の形態の電極構造の要部拡大断面図である。 本実施の形態の固体高分子型燃料電池の電極形成方法の一例を示す模式図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）…燃料電池単セル
２１…膜電極接合体
２２…第１のセパレータ
２３…第２のセパレータ
２４…固体高分子電解質膜
２５…アノード電極（電極）
２６…カソード電極（電極）
３７…載置台
３８…基材
３９…電極形成スラリー
４０…ホットローラ
４１…ローラ温度調整手段
４２…ローラ高さ調整手段
４３…制御部
４４…マイクロ波発生手段

Claims (6)

1. 基材に触媒又はカーボンを塗布する塗布工程と、
   塗布された触媒又はカーボンを加熱しながら厚み方向に加圧する加熱加圧工程とを備えた
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極形成方法。
2. 請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の電極形成方法であって、
   前記加熱加圧工程は、加熱したプレス板を押し付けるホットプレスにて行う
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極形成方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の電極形成方法であって、
   前記加熱加圧工程は、加熱したローラを回転させながら押し付けるホットローラにて行う
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極形成方法。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の固体高分子型燃料電池の電極形成方法であって、
   前記加熱加圧工程後に、塗布された触媒又はカーボンにマイクロ波を当てる
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極形成方法。
5. 請求項３に記載の固体高分子型燃料電池の電極形成方法であって、
   前記ホットローラの高さを調整して前記塗布された触媒又はカーボンに対する加圧力を可変する
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極形成方法。
6. 基材に触媒又はカーボンを塗布した後、その塗布された触媒又はカーボンを加熱しながら厚み方向に加圧し、さらにマイクロ波で乾燥させて形成されてなり、表層の硬度が他の部分よりも高い
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極構造。