JP2007294183A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を向上させることが可能な、燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】電解質膜１と当該電解質膜１の両面側に形成される触媒層と、を備える、燃料電池の製造方法であって、溶媒と上記触媒層に備えられるべき触媒とを含む組成物３を作製する、組成物作製工程と、溶媒が透過可能であるとともに触媒の透過を防止可能な被覆部材２を、電解質膜１の非触媒層形成部位に配置する、被覆部材配置工程と、該被覆部材配置工程後に、被覆部材２が配置された電解質膜１に組成物３を塗布し乾燥させて触媒層４を形成する、触媒層形成工程と、を備える、燃料電池の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関し、特に、生産性を向上させることが可能な、燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両側にそれぞれ配置される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」という。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」という。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。

ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるアノード及びカソードと、を含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。ＰＥＦＣでは、アノードに水素含有ガスが、カソードに酸素含有ガスが、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下、アノード触媒層という。）に含まれる触媒上でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下、カソード触媒層という。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。

すなわち、電気エネルギーを取り出すためには、アノード触媒層、電解質膜、及び、カソード触媒層をプロトンが伝導可能であることが必要とされる。かかる観点から、電解質膜、アノード触媒層、及び、カソード触媒層には、プロトンの通り道となり得るイオン交換基を具備する電解質成分が備えられる。そして、アノード触媒層及びカソード触媒層には、当該電解質成分に加え、さらに、電気化学反応の触媒として機能する金属粒子（例えば、Ｐｔ等）が備えられている。

上記特徴を有するＰＥＦＣの製造方法を以下に概説する。例えば、溶解した電解質成分に触媒を分散させる等の方法により作製されるインク状物質（以下、「触媒インク」という。）を、電解質膜の一方の面に塗布し乾燥させることにより触媒層を形成した後、該電解質膜の他方の面に上記触媒インクを塗布し乾燥させる等の工程を経て、ＭＥＡが作製される。このようにしてＭＥＡを作製したら、当該ＭＥＡを、例えば、カーボンペーパー等からなる一対の拡散層の間に配置して圧着させることにより積層体を作製し、当該積層体を一対のセパレータで狭持する等の工程を経ることにより、ＰＥＦＣが製造される。

このようなＰＥＦＣの製造方法に関する技術として、例えば、特許文献１には、触媒粒子を分散させたインクを高分子電解質膜上または多孔質導電性電極基材上に微粒子化して吹き付けることにより多孔質触媒層を形成する工程を有する高分子電解質型燃料電池用電極の製造法に関する技術が開示されている。そして、かかる技術によれば、高分子電解質あるいは多孔質導電性電極基材にインクが付着する前にインク中の溶剤の大部分が蒸発しやすいので、高分子電解質あるいは多孔質導電性電極基材上でインクの微粒子が広がりにくく、触媒粒子が堆積するように付着して多孔質触媒層が形成され、ガス拡散性の高い電極を得ることができる。また、溶剤の大部分が蒸発するため、高分子電解質膜を膨潤させることがなく、高分子電解質膜と触媒層との接合性が強くなる、としている。
特開２００１−６８１１９号公報

しかし、特許文献１に開示された技術によっても、高分子電解質膜の膨潤を防ぐのは困難であるという問題があった。また、触媒粒子を分散させたインクを吹き付ける際には、通常、電解質膜の非触媒層形成部位に、溶剤をほとんど透過させない被覆部材が配置される。それゆえ、被覆部材が配置される箇所であるか否かによって、電解質膜内で溶媒量の偏りが生じやすい。このように、電解質膜内で溶媒量の偏りが発生すると、電解質膜の膨潤・収縮の度合いに差が生じ、被覆部材が配置されていた箇所に皺が発生しやすいという問題があった。ここで、皺が生じている電解質膜を燃料電池に組み込むと、発電効率が低下する。それゆえ、インクを吹き付ける上記工程後の電解質膜に皺が発生すると、当該皺を伸ばすための工程が必要とされ、これによって、燃料電池の生産性が低下しやすいという問題があった。

そこで本発明は、生産性を向上させることが可能な、燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の本発明は、電解質膜と当該電解質膜の両面側に形成される触媒層と、を備える、燃料電池の製造方法であって、溶媒と上記触媒層に備えられるべき触媒とを含む組成物を作製する、組成物作製工程と、溶媒が透過可能であるとともに触媒の透過を防止可能な被覆部材を、電解質膜の非触媒層形成部位に配置する、被覆部材配置工程と、該被覆部材配置工程後に、被覆部材が配置された電解質膜に組成物を塗布し乾燥させて触媒層を形成する、触媒層形成工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。

ここに、本発明で用いられる電解質膜は、ＰＥＦＣで用いられるプロトン伝導性能を有する高分子膜であれば特に限定されない。電解質膜の具体例としては、パーフルオロスルホン酸系のポリマーや炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。さらに、「溶媒」とは、触媒層に備えられる電解質成分を溶解させて当該電解質成分中に触媒を分散させやすくする等の目的で使用される溶媒を意味し、その具体例としては、水とメタノールと２−プロパノールとの混合液や、エタノール、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、ホルムアミド等を挙げることができる。

加えて、「触媒」とは、燃料電池の作動時に、ＭＥＡの内部における電気化学反応の触媒として機能するものを意味し、その具体例としては、Ｐｔのほか、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗからなる群より選択される１以上の金属とＰｔとを備えるＰｔ合金等を挙げることができる。

さらにまた、「組成物」とは、いわゆる触媒インクを意味している。さらに、「電解質膜の非触媒層形成部位」とは、ガスシール性確保等の観点から燃料電池に備えられるシール部材等を配置可能な、触媒層が形成されない部位（非発電領域）を意味し、具体的には、電解質膜の外縁部等を例示することができる。

加えて、本発明に係る被覆部材は、溶媒を電解質膜側へ透過可能であるとともに、組成物に備えられる触媒の透過を防止可能な、多数の細孔を備えるものであれば、特に限定されない。本発明に係る被覆部材の具体例としては、触媒層形成用の開口部を有する、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）製の枠型部材や、セルロース製枠型部材等を挙げることができ、ポリテトラフルオロエチレン製の枠型部材の具体例としては、テフロン濾紙製の枠型部材（「テフロン」は米国デュポン社の登録商標。以下同じ。）等を挙げることができる。また、本発明において、当該被覆部材に備えられる細孔の径（以下、「細孔径」という。）は、組成物の触媒が、導電性を有する担体（例えば、カーボンブラック等）に担持された形態で存在する場合には、触媒が担持された担体の透過を防止し得る径とし、触媒が担体に担持されない形態（例えば、白金黒粒子等の形態）で存在する場合には、当該触媒の透過を防止し得る径とする。被覆部材の細孔径としては、１μｍ以下等を例示することができる。

さらに、本発明で使用可能な組成物の塗布法は、被覆部材が配置された電解質膜に適用可能なものであれば特に限定されない。塗布法の具体例としては、スプレー塗布法、スピン塗布法、ドクターブレード法等を挙げることができる。なお、本発明に係る燃料電池の製造方法は、組成物作製工程と、被覆部材配置工程と、触媒層形成工程と、が備えられ、燃料電池を製造可能であれば、他の工程は特に限定されない。当該他の工程の具体例としては、燃料電池に拡散層が備えられる場合には、電解質膜の両面側へ触媒層を形成してＭＥＡを作製した後に、該ＭＥＡを一対の拡散層の間に配設して積層体を作製する積層体作製工程や、該積層体作製工程後に上記積層体の両面側へセパレータを配設するセパレータ配設工程等、を挙げることができる。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、被覆部材の構成材料が、ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする。

請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法の、触媒層形成工程において、組成物をスプレー塗布法で塗布し、乾燥させることにより、触媒層が形成されることを特徴とする。

請求項１に記載の本発明によれば、電解質膜の非触媒層形成部位に、溶媒を透過可能な被覆部材が配置される。そのため、電解質膜の全面に均一に溶媒を浸透させることができるので、電解質膜内における溶媒量の偏りに起因する皺の発生を防止できる。したがって、本発明によれば、皺を伸ばす工程を省略することができるので、生産性を向上させることが可能な、燃料電池の製造方法を提供できる。さらに、本発明によれば、電解質膜の皺の存在による発電効率の低下を防止できる。

請求項２に記載の本発明によれば、被覆部材が、ポリテトラフルオロエチレンにより構成されるため、電解質膜の全面に溶媒を均一に浸透させることができる。請求項３に記載の本発明によれば、被覆部材が配置された電解質膜へスプレー塗布法により触媒層が形成されるので、生産性を容易に向上させることが可能になる。

ＰＥＦＣの作動時には、アノードに水素含有ガスが、カソードに酸素含有ガスが、それぞれ供給され、単セル内で水が生成される。ＰＥＦＣでは、これらの物質が外部へ漏洩することを防止するため、単セルにシール部材が備えられ、多くの場合、電解質膜の外縁部（非触媒層形成部位。電解質膜の中央部に形成される触媒層の周囲の少なくとも一部。）にシール部材が配置される。ここで、当該外縁部を含む電解質膜の全面に触媒層を形成させると、シール部材が触媒層に配設され、ガスシール性等が低下しやすい。それゆえ、電解質膜上に触媒層が形成されない箇所を確保するため、電解質膜の外縁部に被覆部材が配置され、電解質膜の外縁部以外の部位（電解質膜の中央部）に触媒層が形成されている。

スプレー塗布法等により電解質膜上に触媒インクを塗布し乾燥させて触媒層を形成させる場合、従来の被覆部材は、触媒のみならず、触媒インクに含まれる溶媒をも透過させない材料（例えば、金属）により構成されていたため、被覆部材によって被覆されていない電解質膜の箇所に多くの溶媒が浸透し、電解質膜内に溶媒量の偏りが生じていた。このようにして溶媒量の偏りが生じると、溶媒が多く浸透した箇所ほど膨潤し、その後の乾燥時には、当該箇所ほど収縮するため、電解質膜の外縁部に皺が発生するという問題があった。電解質膜に皺が発生すると、当該皺を伸ばす工程が必要とされるため、燃料電池の生産性が低下しやすい。電解質膜の皺は、電解質膜内に発生する、溶媒量の偏りに起因すると考えられるため、かかる溶媒量の偏りの発生を防止できれば、皺の発生も防止することが可能になる。

本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、溶媒を透過可能であるとともに触媒の透過を防止可能な被覆部材を電解質膜上に配置して触媒層を形成することで、電解質膜の皺の発生を防止し、生産性を向上させ得る燃料電池の製造方法を提供することにある。

本発明の理解を容易にするため、まず、従来の燃料電池の製造方法（以下、「従来の製造方法」という。）について概説する。従来の製造方法に関する説明において、触媒インクが塗布される前の電解質膜を電解質膜４１、触媒インクを塗布して溶媒が浸透している電解質膜を４１ｘと表記し、溶媒を揮発させた後の電解質膜を電解質膜４１ｙと表記する。

図４は、従来の製造方法の形態例を概略的に示す断面図である。図４において、電解質膜４１へ浸透する溶媒を、直線矢印で示す。
図４に示すように、従来の製造方法では、電解質膜４１の上に、被覆部材４２が配置され、当該被覆部材４２の上方から、触媒インク３がスプレー塗布される。ここで、被覆部材４２は、触媒インク３に含まれる触媒及び溶媒を透過させない材料（例えば、金属等）により構成されている。かかる材料により構成される被覆部材４２が配置された電解質膜４１に、触媒インク３を塗布して触媒層４４を形成すると、被覆部材４２が配置されていない電解質膜部位４１ａに溶媒が浸透する一方、触媒インク３の溶媒は被覆部材４２を透過できないので、被覆部材４２が配置される電解質部位４１ｂ、４１ｂには、溶媒がほとんど浸透しない。それゆえ、電解質膜４１ｘ内には、溶媒量の偏りが発生する。かかる形態の電解質膜４１ｘを乾燥させると、電解質膜部位４１ａから多くの溶媒が揮発し、電解質膜部位４１ｂ、４１ｂに対して電解質膜４１ａが収縮する。その結果、乾燥後の電解質膜４１ｙでは、電解質膜部位４１ｂ、４１ｂに皺が発生する。

以下、図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法（以下、「本発明の製造方法」という。）について具体的に説明する。

図１は、本発明の製造方法の形態例を概略的に示す断面図である。図１において、電解質膜１へ浸透する溶媒を、直線矢印で示す。
図１に示すように、本発明の製造方法では、電解質膜１の上に、被覆部材２が配置され、当該被覆部材２の上方から、触媒インク３がスプレー塗布される。ここで、被覆部材２は、触媒インク３に含まれる溶媒を透過可能であるとともに、当該触媒インク３に含まれる触媒の透過を防止可能な材料（例えば、テフロン濾紙等）により構成されている。かかる材料により構成される被覆部材２が配置された電解質膜１に触媒インク３を塗布して触媒層４を形成すれば、被覆部材２が配置されていない電解質膜部位１ａのみならず、被覆部材２が配置されている電解質膜部位１ｂ、１ｂにも溶媒を浸透させることができるので、触媒インク３に含まれる溶媒を、電解質膜１へ均一に浸透させることが可能になる。それゆえ、電解質膜１へ触媒インク３を塗布した後に、触媒インクが塗布された電解質膜を乾燥させても、被覆部材２が配置されていた電解質膜部位１ｂ、１ｂにおける皺の発生を防止できる。このようにして、皺の発生が防止されれば、当該皺を伸ばすための工程が不要になるので、燃料電池の生産性を向上させることが可能になる。

図２は、本発明の製造方法の形態例を概略的に示すフローチャートである。以下、図１で使用した符号を適宜用いつつ、説明する。図２に示すように、本発明の製造方法では、例えば、パーフルオロスルホン酸系のポリマー（Ｎａｆｉｏｎ等。Ｎａｆｉｏｎは米国デュポン社の登録商標。以下、単に「Ｎａｆｉｏｎ」と記すことがある。）等の電解質成分（以下、「電解質樹脂」ということがある。）を溶解させるため、水とメタノールと２−プロパノールとの混合液を入れた容器に電解質樹脂を入れ、溶解させる。そして、当該容器に、白金担持カーボン等を加えて混錬することにより、組成物（触媒インク３）を作製する（組成物作製工程Ｓ１）。その後、Ｎａｆｉｏｎ等の電解質膜１の上に、テフロン濾紙等からなり、触媒層形成範囲を特定可能な開口部を有する被覆部材２を配置し（被覆部材配置工程Ｓ２）、被覆部材２を配置された電解質膜１へ、被覆部材２の上方から触媒インク３をスプレー塗布し乾燥させることにより、触媒層４を形成する（触媒層形成工程Ｓ３）。当該触媒層形成工程Ｓ３により、電解質膜１の両面側に触媒層４、４を形成することによりＭＥＡを作製したら、当該ＭＥＡを、カーボンペーパー等からなる一対の拡散層の間に配置し、熱圧着等により接合させることで、一対の拡散層の間に狭持されたＭＥＡを備える積層体を作製する（積層体作製工程Ｓ４）。そして、工程Ｓ４により作製された積層体の両側へ、カーボンや金属等からなるセパレータを配設して（セパレータ配設工程Ｓ５）、単セルを作製する。本発明によれば、上記工程Ｓ１〜Ｓ３の後に、上記工程Ｓ４、Ｓ５等を経ることにより、燃料電池を製造することができる。燃料電池をこのように製造すれば、電解質膜への皺の発生を防止することができるので、触媒層形成工程Ｓ３の後に、電解質膜の皺を伸ばすための工程を経る必要がない。したがって、本発明によれば、生産性を向上させることが可能な、燃料電池の製造方法を提供できる。また、本発明によれば、電解質膜の皺の発生を防止できるので、皺を有する電解質膜が燃料電池に組み込まれる頻度を低減できる。したがって、皺の存在に起因する電解質膜の外周部分におけるシール性の低下を抑制でき、その結果、燃料電池の発電効率を向上させることが可能になる。

上記説明では、組成物作製工程Ｓ１後に、被覆部材２を電解質膜１の上へ配置する被覆部材配置工程Ｓ２が備えられる形態を例示したが、本発明の製造方法は、当該形態に限定されず、被覆部材配置工程の後に、組成物作製工程が備えられていても良い。また、上記説明では、電解質成分としてＮａｆｉｏｎを例示したが、本発明で使用され得る電解質成分はＮａｆｉｏｎに限定されるものではなく、フレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマーや、セレミオン（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等の炭化水素系のポリマー等を使用することができる。さらに、触媒白金が担体炭素に担持された白金担持カーボンが組成物に備えられる形態を例示したが、組成物に備えられる触媒の形態はこれに限定されず、例えば、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗからなる群より選択される１以上の金属とＰｔとを備えるＰｔ合金が炭素に担持された形態や、白金黒粒子の形態で、溶解した電解質成分に分散されていても良い。

加えて、上記説明では、溶媒として、水とメタノールと２−プロパノールとの混合液を例示したが、電解質成分を溶解させる際に使用される溶媒は、これに限定されない。本発明で使用され得る溶媒としては、他に、エタノール、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、ホルムアミド等を例示することができる。さらに、上記説明では、テフロン濾紙からなる被覆部材を例示したが、本発明で使用可能な被覆部材は、テフロン濾紙製のものに限定されない。被覆部材を構成する材料の他の具体例としては、セルロース等を挙げることができる。

テフロン濾紙製の被覆部材２を電解質膜１の上に配置し、被覆部材２の上方から触媒インク３をスプレー塗布し乾燥させることにより、電解質膜１に触媒層４を形成した（実施例）。これに対し、金属製の被覆部材４２をＮａｆｉｏｎ等からなる電解質膜４１の上に配置し、金属製被覆部材の上方から触媒インク３をスプレー塗布し乾燥させることにより、電解質膜４１に触媒層４４を形成した（比較例）。実施例及び比較例の結果を、図３に示す。

図３に示すように、本発明の製造方法を適用して触媒層４が形成された、実施例に係る電解質膜１には、皺がほとんど発生しなかった。これに対し、従来の製造方法を適用して触媒層４４が形成された、比較例に係る電解質膜４１ｙには、皺が発生した。したがって、本発明により、電解質膜への皺の発生を防止できることが確認された。

本発明の製造方法の形態例を概略的に示す断面図である。 本発明の製造方法の形態例を概略的に示すフローチャートである。 本発明の製造方法及び従来の製造方法の適用結果を示す図である。 従来の製造方法の形態例を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１ 電解質膜
２ 被覆部材
３ 触媒インク（組成物）
４ 触媒層

Claims (3)

1. 電解質膜と該電解質膜の両面側に形成される触媒層と、を備える、燃料電池の製造方法であって、
   溶媒と前記触媒層に備えられるべき触媒とを含む組成物を作製する、組成物作製工程と、
   前記溶媒が透過可能であるとともに前記触媒の透過を防止可能な被覆部材を、前記電解質膜の非触媒層形成部位に配置する、被覆部材配置工程と、
   前記被覆部材配置工程後に、前記被覆部材が配置された前記電解質膜に前記組成物を塗布し乾燥させて前記触媒層を形成する、触媒層形成工程と、
   を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
2. 前記被覆部材の構成材料が、ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記触媒層形成工程において、前記組成物をスプレー塗布法で塗布し乾燥させることにより、前記触媒層が形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。