JP2006351341A - 膜／電極アセンブリの製造方法および膜／電極アセンブリの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストを削減することができると共に、燃料電池の性能を向上させることができる膜／電極アセンブリの製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池の高分子電解質膜１１に触媒用微粒子を被着させて電極層１２を形成する膜／電極アセンブリの製造方法であって、前記高分子電解質膜１１に高分子電解質分散液３を塗布する分散液塗布工程と、前記触媒用微粒子を荷電させ、当該触媒用微粒子と逆極性の電位により、触媒用微粒子を前記高分子電解質膜１１の方向へ引き付けて、前記高分子電解質膜１１の高分子電解質分散液３が塗布された部位に、前記荷電された触媒用微粒子を被着させる触媒被着工程と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜／電極アセンブリの製造方法、および膜／電極アセンブリの製造装置に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができ、特にエネルギー変換効率に優れ、例えば内燃機関の駆動源として使用される。

燃料電池の膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜の一方の面に燃料の酸化のための電極層が設けられ、他方の面に酸化剤の還元のための電極層が設けられて形成される。この膜／電極アセンブリの外側には電極層と接してガス拡散層が設けられ、このガス拡散層が、発生した電流を集電し、燃料または酸化剤を電極層へ導く役割を果たしている。

電極層は、通常、高分子電解質膜上に、白金を担持させたカーボン粒子（触媒用微粒子）を混合した高分子電解質分散液を印刷して乾燥させることにより形成される（特許文献１参照）。

しかし、この印刷による方法では電極層を薄く形成することが困難であるため、高価な触媒金属を必要以上に使用することになり、コストが高くなるという問題がある。

また、この印刷による方法では電極層の厚さを均一にすることが困難であることから、電極層の面内で力が部分的に集中する部位が生じ易いため、この部位において劣化が生じ易く、また電極層の面内で部分的に電位差が生じ、燃料電池の性能の低下の原因となる。
特開２０００−２６８８２９号公報

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、電極層を薄く均一に形成することが可能な膜／電極アセンブリの製造方法、および膜／電極アセンブリの製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る膜／電極アセンブリの製造方法は、燃料電池の高分子電解質膜に触媒用微粒子を被着させて電極層を形成する膜／電極アセンブリの製造方法であって、前記高分子電解質膜に高分子電解質分散液を塗布する分散液塗布工程と、前記触媒用微粒子を荷電させ、当該触媒用微粒子と逆極性の電位により、触媒用微粒子を前記高分子電解質膜の方向へ引き付けて、前記高分子電解質膜の高分子電解質分散液が塗布された部位に、前記荷電された触媒用微粒子を被着させる触媒被着工程と、を有することを特徴とする。

上記目的を達成する本発明に係る膜／電極アセンブリの製造装置は、燃料電池の高分子電解質膜に触媒用微粒子を被着させて電極層を形成する膜／電極アセンブリの製造装置であって、前記高分子電解質膜に高分子電解質分散液を塗布する分散液塗布手段と、前記触媒用微粒子を荷電させる荷電手段と、前記高分子電解質膜を挟んで前記分散液塗布手段と反対側に設けられ、荷電される触媒用微粒子と逆極性の電位が付与される電極と、前記高分子電解質膜の触媒用微粒子が被着される面の反対面と接するローラと、を有することを特徴とする。

上記のように構成した本発明に係る膜／電極アセンブリの製造方法は、高分子電解質膜に塗布された高分子電解質分散液に、荷電された触媒用微粒子を電位により引き付けて被着させるため、高分子電解質分散液の量を調節することにより、電極層を薄く均一に形成させることができる。したがって、必要な触媒を減らしてコストを削減することができると共に、電極層が均一になるため燃料電池の性能を向上させることができる。

上記のように構成した本発明に係る膜／電極アセンブリの製造装置は、荷電手段により荷電された触媒用微粒子を電極よって引き付けて、高分子電解質膜に塗布された高分子電解質分散液に被着させることができるため、高分子電解質分散液の量を調節することにより、電極層を薄く均一に形成させることができる。したがって、必要な触媒を減らしてコストを削減することができると共に、電極層が均一になるため燃料電池の性能を向上させることができる。

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は本実施形態における膜／電極アセンブリを示す断面図である。

燃料電池は、水素（燃料）と酸素（酸化剤）とを反応させるための膜／電極アセンブリが、複数積層されて形成される。

膜／電極アセンブリ１は、図１に示すように、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１の両面に形成される電極層１２と、を有している。膜／電極アセンブリ１の外側には、ガス拡散層２が形成される。

高分子電解質膜１１の一方の面に形成される電極層１２は、水素の酸化のためのアノードとして構成され、他方の面に形成される電極層１２は、酸素の還元のためのカソードとして構成される。ガス拡散層２は、電極層１２へ水素または酸素を良好に導き、また化学反応により発生する水を排出すると共に、発生する電流の集電を行う。

電極層１２には、通常、触媒活性成分として元素周期系の白金族の金属が使用されており、例えば、数十ｎｍ程度の大きさのカーボン粒子の表面に、数ｎｍ程度の大きさの白金の粒子が複数分散して設けられた触媒用微粒子である白金担持カーボン粒子が用いられている。触媒用微粒子は、プロトン電導性を有し、バインダとしての機能を有する高分子電解質分散液３と共に高分子電解質膜１１上に塗布され、乾燥されることによって膜状に形成される。

ガス拡散層２は、例えば、電極層１２に用いられる白金担持カーボン粒子よりも白金の含有量の少ないカーボン粒子、または白金を含有しないカーボン粒子が膜状に形成されるマイクロカーボン層２１と、カーボン繊維からなるカーボン繊維層２２と、を有している。なお、マイクロカーボン層２１に白金を含有しないカーボン粒子を使用する場合には、カーボン繊維層２２を設けずに、マイクロカーボン層２１のみでガス拡散層２とし、部品点数を減らすこともできる。

次に、膜／電極アセンブリ１の製造装置４について説明する。

図２は本実施形態に係る膜／電極アセンブリの製造装置を示す側面図である。

製造装置４は、図２に示すように、分散液塗布手段４１と、電極４２と、ローラ４３と、加熱手段４４と、触媒用微粒子供給手段４５と、カーボン粒子供給手段４６と、を有している。この製造装置４には、高分子電解質膜１１が巻き取られた繰り出し側ロール５と、巻き取り側ロール６とが設置される。繰り出し側ロール５から略水平方向に繰り出される高分子電解質膜１１は、ローラ４３に沿って、繰り出された高分子電解質膜１１の上側で略反対方向へ方向を変えて、巻き取り側ロール６で巻き取られる。

分散液塗布手段４１は、本実施形態ではグラビア印刷によるものであり、高分子電解質分散液３が収容される容器４１ａと、容器４１ａ内から、互いに接しつつ上方へ並んで設置される複数の分散液用ローラ４１ｂと、を有している。なお、本実施形態では３つの分散液用ローラ４１ｂが用いられているが、１つ以上であればよく、高分子電解質分散液３の高分子電解質膜１１への塗布量等の条件により設定される。この分散液塗布手段４１の最上段の分散液用ローラ４１ｂが、繰り出し側ロール５から繰り出される高分子電解質膜１１の下面に接するように設置されており、複数の分散液用ローラ４１ｂの表面を介して所定の厚さに設定された高分子電解質分散液３を、高分子電解質膜１１の下面に塗布することができる。また、グラビア印刷ではなく、スクリーン印刷、ステンシル印刷、オフセット印刷、またはパッド印刷等の他の印刷法を用いることもできる。

触媒用微粒子供給手段４５およびカーボン粒子供給手段４６は、分散液塗布手段４１とローラ４３の間の高分子電解質膜１１の下側に設けられる。触媒用微粒子供給手段４５は、繰り出し側ロール５に近い側に設けられ、カーボン粒子供給手段４６は、繰り出し側ロール５から遠い側に設けられる。触媒用微粒子供給手段４５は、内部に触媒用微粒子を荷電する荷電手段（不図示）が設けられており、荷電された触媒用微粒子を、高分子電解質膜１１の下面近傍に供給する。ここで供給される触媒用微粒子は、電極層を形成するものである。

カーボン粒子供給手段４６は、触媒用微粒子供給手段４５と同様に、内部にカーボン粒子を荷電する荷電手段（不図示）が設けられており、荷電されたカーボン粒子を、高分子電解質膜１１の下面近傍に供給する。ここで供給されるカーボン粒子は、ガス拡散層２のマイクロカーボン層２１を形成するものである。

電極４２は、高分子電解質膜１１を挟んで、触媒用微粒子供給手段４５およびカーボン粒子供給手段４６の上側に設置され、荷電された触媒用微粒子およびカーボン粒子と逆極性の電位が付与される。

加熱手段４４は、例えばヒータ４４であり、ローラ４３からローラ４３の半径方向に所定距離離間して、ローラ４３の周方向を部分的に覆って設けられる。ヒータ４４は、高分子電解質膜１１上に塗布される高分子電解質分散液３を乾燥させることができる温度に設定される。

また、ローラ４３にも加熱手段が内蔵されており、ローラ自体が高温となって、ローラ４３上の高分子電解質膜１１に塗布された高分子電解質分散液３を乾燥させることができる。

次に、前述の製造装置４を用いて、膜／電極アセンブリ１の製造方法を説明する。

本実施形態に係る膜／電極アセンブリ１の製造方法は、繰り出し側ロール５から繰り出される高分子電解質膜１１に、電極層１２を連続的に設けることができるものである。

初めに、繰り出し側ロール５から高分子電解質膜１１を繰り出し、分散液塗布手段４１により、高分子電解質膜１１の下面に高分子電解質分散液３を塗布する。

次に、触媒用微粒子供給手段４５により、荷電された触媒用微粒子を、高分子電解質分散液３が塗布された高分子電解質膜１１の下面近傍に供給する。さらに、電極４２に触媒用微粒子と逆極性の電位を付与することにより、触媒用微粒子が電極４２に引っ張られる。このとき、触媒用微粒子が電極４２に引っ張られる方向は上方であるが、触媒用微粒子には、逆方向の重力も作用する。そのため、所定の重さの触媒用微粒子において電極４２による引張力と自重が釣り合い、触媒用微粒子が所定の重さよりも重い場合には、下方へ移動し、所定の重さよりも軽い場合には、上方へ移動する。したがって、電極４２に付与される電位を調整することにより、所定の重さ以下の触媒用微粒子のみが、高分子電解質膜１１に塗布された高分子電解質分散液３に被着される。

次に、カーボン粒子供給手段４６により、荷電されたカーボン粒子を高分子電解質膜１１の下面近傍に供給し、前述の触媒用微粒子と同様に電極４２により引っ張り、触媒用微粒子が被着された高分子電解質膜１１の上に、さらに、所定の重さ以下のカーボン粒子が被着される。

高分子電解質膜１１の下面には高分子電解質分散液３が塗布されているため、高分子電解質膜１１に被着した触媒用微粒子およびカーボン粒子は、高分子電解質分散液３によって保持され、ローラ４３まで運ばれる。

高分子電解質膜１１がローラ４３に到達すると、ローラ４３上で高分子電解質膜１１が湾曲し、外側面が引き延ばされる。さらに、ローラ４３を覆うヒータ４４およびローラ４３に内蔵される加熱手段により、高分子電解質分散液３が乾燥される。これにより、高分子電解質分散液３が有するバインダ機能によって触媒用微粒子および触媒用微粒子が高分子電解質膜１１に固定される。

この後、高分子電解質分散液３が乾燥された高分子電解質膜１１は、巻き取り側ロール６に巻き取られる。なお、巻き取り側ロール６により巻き取らずに、このまま所定の寸法に切断することもできる。

この後、必要に応じて、高分子電解質膜１１に設けられたカーボン粒子によるマイクロカーボン層２１の上に、さらにカーボン繊維層２２を設けてガス拡散層２が形成される。

図３は本実施形態に係る膜／電極アセンブリの製造装置の変形例を示す側面図である。

図３に示すように、前述した装置の構成を２つ連結することにより、高分子電解質膜１１の両面に、電極層１２を連続して設けることもできる。

以上のようにして、電極層１２に所定の大きさ以下の触媒用微粒子のみが塗布された膜／電極アセンブリ１が作製されるが、通常、発電においては、高分子電解質膜１１に近接する触媒用微粒子の寄与率が高く、高分子電解質膜１１から離れた触媒用微粒子は、あまり発電に寄与しない。したがって、高分子電解質膜１１に近接する触媒用微粒子の大きさが小さい方が、作用面積が広くなり好ましい。本実施形態では、所定の大きさ以下の触媒用微粒子のみを高分子電解質膜１１に塗布することができるため、発電性能を向上させることができる。

また、高分子電解質膜１１に塗布する高分子電解質分散液３の量を調整することにより、必要以上に触媒用微粒子が被着されることを抑制することができるため、電極層１２を薄く形成することができ、コストを削減することができる。また、膜／電極アセンブリ１全体の厚さも薄くすることができるため、燃料電池の出力密度を向上させることができる。

また、所定の大きさ以上の触媒用微粒子は電極層１２に用いられないため、電極層１２に隙間が生じ難く、隙間に入り込んだ水が凍ることにより生じる低温下での性能劣化も防止できる。

また、通常、高分子電解質膜１１上の高分子電解質分散液３を乾燥させると、高分子電解質分散液３が収縮することにより、ひび割れや、触媒用微粒子の凝縮が生じ易い。しかし、本実施形態のように高分子電解質分散液３をローラ４３上で湾曲させて乾燥させることにより、高分子電解質分散液３が高分子電解質膜１１上で引き延ばされて乾燥されるため、収縮力に対抗しつつ熱入力を均一にすることができる。このため、電極層１２のひび割れの発生を防止でき、また、収縮が生じ難くなることにより触媒用微粒子が凝縮されず、触媒用微粒子の量や膜の厚さが面内で均一な電極層１２を形成することができる。そのため、電極層１２を、高分子電解質膜１１およびガス拡散層２と界面密着させることができ、したがって、電極層１２の面内での電位差が抑制されて、発電性能を向上できる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、加熱手段は、ローラ４３に内蔵される加熱手段、またはローラ４３を覆う加熱手段４４のいずれか一方のみであってもよい。また、触媒用微粒子およびカーボン粒子の両方を、本実施形態の方法により高分子電解質膜１１に塗布するのではなく、触媒用微粒子のみを本実施形態の方法により塗布しても良い。また、触媒用微粒子供給手段４５およびカーボン粒子供給手段４６のそれぞれに対応して、２つの電極４２を別々に設けることもでき、この場合には、触媒用微粒子とカーボン粒子の大きさを異ならせることができる。また、触媒微粒子は、白金担持カーボン粒子でなくてもよい。

本実施形態における膜／電極アセンブリを示す断面図である。 本実施形態に係る膜／電極アセンブリの製造装置を示す側面図である。 本実施形態に係る膜／電極アセンブリの製造装置の変形例を示す側面図である。

符号の説明

１ 膜／電極アセンブリ、
２ ガス拡散層、
３ 高分子電解質分散液、
４ 製造装置、
５ 繰り出し側ロール、
６ 巻き取り側ロール、
１１ 高分子電解質膜、
１２ 電極層、
２１ マイクロカーボン層、
２２ カーボン繊維層、
４１ 分散液塗布手段、
４２ 電極、
４３ ローラ、
４４ ヒータ（加熱手段）、
４５ 触媒用微粒子供給手段、
４６ カーボン粒子供給手段。

Claims (8)

1. 燃料電池の高分子電解質膜に触媒用微粒子を被着させて電極層を形成する膜／電極アセンブリの製造方法であって、
   前記高分子電解質膜に高分子電解質分散液を塗布する分散液塗布工程と、
   前記触媒用微粒子を荷電させ、当該触媒用微粒子と逆極性の電位により、触媒用微粒子を前記高分子電解質膜の方向へ引き付けて、前記高分子電解質膜の高分子電解質分散液が塗布された部位に、前記荷電された触媒用微粒子を被着させる触媒被着工程と、を有することを特徴とする膜／電極アセンブリの製造方法。
2. 前記触媒被着工程において、前記荷電された触媒用微粒子が受ける重力の方向は、当該触媒用微粒子が前記高分子電解質膜から遠ざかる方向であることを特徴とする請求項１に記載の膜／電極アセンブリの製造方法。
3. 前記触媒被着工程の後、高分子電解質膜を、触媒用微粒子が被着された側を外側にして湾曲させ、高分子電解質膜の湾曲された部位を加熱する乾燥工程を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の膜／電極アセンブリの製造方法。
4. 前記分散液塗布工程は、グラビア印刷により高分子電解質分散液を塗布することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜／電極アセンブリの製造方法。
5. 燃料電池の高分子電解質膜に触媒用微粒子を被着させて電極層を形成する膜／電極アセンブリの製造装置であって、
   前記高分子電解質膜に高分子電解質分散液を塗布する分散液塗布手段と、
   前記触媒用微粒子を荷電させる荷電手段と、
   前記高分子電解質膜を挟んで前記分散液塗布手段と反対側に設けられ、荷電される触媒用微粒子と逆極性の電位が付与される電極と、
   前記高分子電解質膜の触媒用微粒子が被着される面の反対面と接するローラと、を有することを特徴とする膜／電極アセンブリの製造装置。
6. 前記荷電された触媒用微粒子が受ける重力の方向は、当該触媒用微粒子が前記高分子電解質膜から遠ざかる方向であることを特徴とする請求項５に記載の膜／電極アセンブリの製造装置。
7. 前記ローラから当該ローラの半径方向に所定距離離間して、ローラの周方向を部分的に覆って設けられる第１加熱手段と、前記ローラの内部に内蔵される第２加熱手段と、の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項５または６に記載の膜／電極アセンブリの製造装置。
8. 前記分散液塗布手段は、グラビア印刷により高分子電解質分散液を塗布することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の膜／電極アセンブリの製造造装置。

Images