JP2008053167A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接触抵抗を低減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】第1炭化水素系電解質膜の一方の面に第1触媒層を作製する第1触媒層作製工程S3と、第2炭化水素系電解質膜の一方の面に第2触媒層を作製する第2触媒層作製工程S4と、第1触媒層が作製された第1炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び/又は、第2触媒層が作製された第2炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程S5と、該溶媒塗布工程S5後に、第1炭化水素系電解質膜の他方の面と第2炭化水素系電解質膜の他方の面とを接合させる電解質膜接合工程S6と、を備える、燃料電池の製造方法とする。
【選択図】図1
【解決手段】第1炭化水素系電解質膜の一方の面に第1触媒層を作製する第1触媒層作製工程S3と、第2炭化水素系電解質膜の一方の面に第2触媒層を作製する第2触媒層作製工程S4と、第1触媒層が作製された第1炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び/又は、第2触媒層が作製された第2炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程S5と、該溶媒塗布工程S5後に、第1炭化水素系電解質膜の他方の面と第2炭化水素系電解質膜の他方の面とを接合させる電解質膜接合工程S6と、を備える、燃料電池の製造方法とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池の製造方法に関し、特に、接触抵抗を低減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、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(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)」と記述することがある。)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(例えば、セパレータ)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(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述することがある。)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、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
PEFCの単セルは、含水状態に保たれてプロトン伝導性能を発現する電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は1.23Vである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、接触抵抗を低減する等の観点から、スタック形態の燃料電池の両端側からは、締結圧力(以下、「圧縮圧力」ということがある。)が加えられる。
現在、PEFCの電解質膜としては化学的安定性や耐久性等に優れるフッ素系電解質膜が多く用いられている。しかし、フッ素系電解質膜には、高温(例えば、80℃以上等)での使用が困難であるとともに、高価である等の問題がある。それゆえ、近年、フッ素系電解質膜に代わる電解質膜として、炭化水素系電解質膜の開発が進められている。
PEFCに関する技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、触媒とプロトン導電性ポリマー、あるいは、触媒とプロトン導電性ポリマーと撥水材を溶媒に分散させてペーストを作製し、該ペーストをガス拡散基材の上に塗布してガス拡散基材/触媒層の接合体を作製し、該ガス拡散基材/触媒層の接合体の触媒層の上にプロトン導電性ポリマーを塗布してガス拡散基材/触媒層/電解質層の接合体を作製し、次いで、2枚の該ガス拡散基材/触媒層/電解質層の接合体を互いに電解質層を面して重ね合わせて、固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散基材/触媒層/電解質膜接合体を作製することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法が開示されている。かかる発明によれば、ガス拡散基材と触媒層の間の接触抵抗を低く抑え、触媒層と電解質膜との間のプロトン導電性を高くすることが可能となり、高い電池特性を有する固体高分子電解質型燃料電池が得られる、としている。
また、特許文献2には、電解質膜とガス拡散層とを用意する工程と、前記電解質膜と前記ガス拡散層とを触媒層を介して重ねた状態で加圧して膜電極接合体を形成する接合工程とを実施する膜電極接合体の製造方法において、前記接合工程は、前記電解質膜の表出面の表層を一時的に液相化または軟化させた状態で行うことを特徴とする膜電極接合体の製造方法が開示されている。かかる発明によれば、電解質膜とガス拡散層との界面の接合性を高めつつ、電解質膜の損傷を抑制するのに有利である、としている。
特開2002−208414号公報
特開2005−222894号公報
しかし、特許文献1に開示されている発明では、電解質膜同士を熱圧着のみで接着しているため、接触抵抗が増加して発電性能が低下しやすいという問題があった。さらに、特許文献1に開示されている発明では、ガス拡散層の上にペーストが塗布されるため、ガス拡散層のガス拡散性能が低下しやすいという問題もあった。また、特許文献2に開示されている発明では、触媒層とガス拡散層との界面で接触抵抗が増加して発電性能が低下しやすいという問題があった。
そこで本発明は、接触抵抗を低減す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に記載の発明は、第1炭化水素系電解質膜の一方の面に第1触媒層を作製する第1触媒層作製工程と、第2炭化水素系電解質膜の一方の面に第2触媒層を作製する第2触媒層作製工程と、第1触媒層が作製された第1炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び/又は、第2触媒層が作製された第2炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程と、該溶媒塗布工程後に、第1炭化水素系電解質膜の上記他方の面と第2炭化水素系電解質膜の上記他方の面とを接合させる電解質膜接合工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
請求項1に記載の発明は、第1炭化水素系電解質膜の一方の面に第1触媒層を作製する第1触媒層作製工程と、第2炭化水素系電解質膜の一方の面に第2触媒層を作製する第2触媒層作製工程と、第1触媒層が作製された第1炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び/又は、第2触媒層が作製された第2炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程と、該溶媒塗布工程後に、第1炭化水素系電解質膜の上記他方の面と第2炭化水素系電解質膜の上記他方の面とを接合させる電解質膜接合工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
ここで、「炭化水素系電解質膜」とは、プロトン伝導性を有する炭化水素系アイオノマーを備える固体高分子膜を意味し、炭化水素系電解質膜の具体例としては、セレミオン等(「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)を挙げることができる。また、本発明では、ガラス転移温度(Tg)が180℃以上の炭化水素系電解質膜を用いることが好ましい。さらに、「一方の面」及び「他方の面」は、炭化水素系電解質膜表面の一対の面を意味し、例えば、「一方の面」が「上面」である場合、「他方の面」は「下面」を意味し、「一方の面」が「右側面」の場合、「他方の面」は「左側面」を意味する。加えて、「第1触媒層」及び「第2触媒層」(以下、これらをまとめて単に「触媒層」ということがある。)に備えられるアイオノマーの具体例としては、パーフルオロスルホン酸系アイオノマー(フッ素系アイオノマー)や炭化水素系アイオノマー等を挙げることができる。さらにまた、触媒層に備えられる触媒の具体例としては、白金、白金合金、白金黒粒子等を挙げることができる。さらに、「第1触媒層が作製された第1炭化水素系電解質膜の他方の面」とは、第1触媒層が作製された第1炭化水素系電解質膜の一方の面の反対側の面を意味する。「第2触媒層が作製された第2炭化水素系電解質膜の他方の面」も同様である。加えて、「炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒」とは、PEFCの電解質膜として利用可能な炭化水素系電解質膜(上記第1炭化水素系電解質膜及び第2炭化水素系電解質膜を含む。)を溶解させることが可能な溶媒を意味し、その具体例としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等を挙げることができる。以下、第1炭化水素系電解質膜と第2炭化水素系電解質膜とをまとめて、単に「炭化水素系電解質膜」ということがある。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池の製造方法の、第1触媒層作製工程において、第1触媒層は、第1炭化水素系電解質膜の中央部に作製されるとともに、上記第2触媒層作製工程において、第2触媒層は、第2炭化水素系電解質膜の中央部に作製され、上記溶媒塗布工程において、第1炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁、及び/又は、第2炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る上記溶媒が塗布されることを特徴とする。
ここで、「第1炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁」とは、第1炭化水素系電解質膜の一方の面の中央部(例えば、上面中央部)に作製された第1触媒層の周囲(例えば、第1炭化水素系電解質膜の上面外縁)の反対側の面(例えば、下面)の外縁を意味する。「第2炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁」も同様である。さらに、「第1炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒が塗布される」とは、第1炭化水素系電解質膜の他方の面(例えば、下面)の外縁全体に亘って、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒(以下、「溶解溶媒」ということがある。)が塗布される形態のみならず、第1炭化水素系電解質膜の他方の面(例えば、下面)の外縁の一部にのみ、溶解溶媒が塗布される形態をも含む概念である。「第2炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒が塗布される」についても同様である。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池の製造方法において、第1触媒層及び第2触媒層に、フッ素系アイオノマーが備えられ、第1触媒層作製工程において、流動状態の第1触媒層を第1炭化水素系電解質膜の一方の面に配置した後、該流動状態の第1触媒層と第1拡散層とを接触させて作製された第1積層体を乾燥することにより、第1触媒層が作製され、第2触媒層作製工程において、流動状態の第2触媒層を第2炭化水素系電解質膜の一方の面に配置した後、該流動状態の第2触媒層と第2拡散層とを接触させて作製された第2積層体を乾燥することにより、第2触媒層が作製されることを特徴とする。
ここで、「フッ素系アイオノマー」の具体例としては、Nafion(「Nafion」は米国デュポン社の登録商標。以下において同じ。)やフレミオン(「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)等に含まれる高分子を挙げることができる。さらに、「流動状態の第1触媒層」とは、フッ素系アイオノマーを溶解させ得る溶媒(例えば、水−アルコール混合溶液)中に、少なくとも、第1触媒層を構成する物質(フッ素系アイオノマーや触媒等)を分散させることによりインク状にした、インク状の第1触媒層を意味する。「流動状態の第2触媒層」も同様である。加えて、「第1拡散層」及び「第2拡散層」の具体例としては、カーボンペーパー等を挙げることができ、流動状態の第1触媒層と接触する側の第1拡散層表面や、流動状態の第2触媒層と接触する側の第2拡散層表面に、撥水層が備えられる構成とすることも可能である。第1拡散層及び/又は第2拡散層に撥水層が備えられる場合、当該撥水層の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の層等を挙げることができる。さらにまた、「乾燥」の具体例としては、160℃等の温度環境下で行われる真空乾燥を挙げることができる。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池の製造方法において、第1触媒層は、第1炭化水素系電解質膜の一方の面の中央部に作製されるとともに、第2触媒層作製工程において、第2触媒層は、第2炭化水素系電解質膜の一方の面の中央部に作製され、溶媒塗布工程において、第1炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁、及び/又は、第2炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒が塗布されることを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、少なくとも、炭化水素系電解質膜の他方の面(例えば、下面)の一部が溶解溶媒によって溶解されるので、当該溶解された箇所を介して、第1炭化水素系電解質膜と第2炭化水素系電解質膜とを接合することができる。それゆえ、電解質膜同士を強固に接合できるので、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池の製造方法を提供できる。
請求項2に記載の発明によれば、炭化水素系電解質膜の他方の面(例えば、下面)の中央部が溶解溶媒によって溶解されないので、さらに、炭化水素系電解質膜のプロトン伝導性能低下を抑制できる。
請求項3に記載の発明によれば、炭化水素系電解質膜並びに第1拡散層及び第2拡散層の表面を溶融又は溶解させずに、炭化水素系電解質膜と触媒層と第1拡散層及び第2拡散層との密着性を向上させることができる。しがって、かかる構成とすることにより、容易に接触抵抗を低減させることが可能な燃料電池の製造方法を提供できる。
請求項4に記載の発明によれば、炭化水素系電解質膜の他方の面(例えば、下面)の中央部が溶解溶媒によって溶解されないので、さらに、炭化水素系電解質膜のプロトン伝導性能低下を抑制できる。
多部材が積層されることにより構成される形態のPEFCでは、部材数が増加するほど積層界面における接触抵抗が増加しやすいため、当該接触抵抗を低減することにより、PEFCの発電性能を向上させることが望まれている。そして、この接触抵抗の増加は、拡散層が備えられる形態のPEFCにおいて顕著であり、特に、炭化水素系電解質膜が備えられる形態のPEFCにおいて顕著である。そのため、接触抵抗を低減することが可能な、炭化水素系電解質膜を備えるPEFCの製造方法の開発が望まれている。
本発明は、かかる観点からなされたものであり、その第1の要旨は、他方の面(例えば、下面)の少なくとも一部を溶解させた2枚の炭化水素系電解質膜を接合する工程を経て燃料電池を製造することにより、炭化水素系電解質膜の接触抵抗を低減し得る燃料電池の製造方法を提供することにある。さらに、本発明の第2の要旨は、流動状態の触媒層を挟む形態で電解質膜と拡散層とを配置して、電解質膜と触媒層と拡散層とを接合することにより、電解質膜と触媒層と拡散層との界面の接触抵抗を低減し得る燃料電池の製造方法を提供することにある。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、以下の説明では、「一方の面」が「上面」であり、「他方の面」が「下面」である形態について説明するが、本発明は当該形態に限定されるものではない。
図1は、本発明の燃料電池の製造方法の工程を概略的に示すフローチャートである。図2は、第1触媒層作製工程の形態例を示す概略図である。図3は、本発明の燃料電池の製造方法により製造される、燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。図3は、紙面両側から締結圧力が加えられている状態の燃料電池を概略的に示しており、図3では、セパレータに備えられる反応ガス流路及び熱媒体流路の記載、並びに、単セル内に備えられるシール部材等の記載を省略している。ここで、本発明の燃料電池の製造方法に備えられる第1触媒層作製工程及び第2触媒層作製工程は、同様の手順を経る工程であるため、図2では、第1触媒層作製工程に備えられる各工程及び当該工程で使用される各部材・物質の符号とともに、対応する第2触媒層作製工程に備えられる各工程及び当該工程で使用される各部材・物質の符号を括弧書きで付記している。以下、図1〜図3を適宜参照するとともに、図3で用いた符号を使用しつつ、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。
図1に示すように、本発明の燃料電池の製造方法には、第1炭化水素系電解質膜1aを作製する第1電解質膜作製工程S1(工程S1)と、第2炭化水素系電解質膜1bを作製する第2電解質膜作製工程S2(工程S2)と、第1触媒層作製工程S3(工程S3)と、第2触媒層作製工程S4(工程S4)と、溶媒塗布工程S5(工程S5)と、電解質膜接合工程S6(工程S6)と、が備えられ、上記工程S1〜工程S6を経て作製された積層体の両側にセパレータ6、7を配設する、セパレータ配設工程S7(工程S7)等を経ることにより、燃料電池10が製造される。
<第1電解質膜作製工程S1>
工程S1は、上面に第1触媒層2が作製される第1炭化水素系電解質膜(以下、「第1電解質膜」ということがある。)1aを作製する工程である。工程S1の具体例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)等により構成される平滑な基材の上に、NMP等に代表される非プロトン性極性溶媒に溶解させた炭化水素系アイオノマーを塗布し、乾燥させた後、温水等で洗浄することにより非プロトン性極性溶媒を除去して、上記基材上に第1電解質膜1aを作製する形態等を挙げることができる。
工程S1は、上面に第1触媒層2が作製される第1炭化水素系電解質膜(以下、「第1電解質膜」ということがある。)1aを作製する工程である。工程S1の具体例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)等により構成される平滑な基材の上に、NMP等に代表される非プロトン性極性溶媒に溶解させた炭化水素系アイオノマーを塗布し、乾燥させた後、温水等で洗浄することにより非プロトン性極性溶媒を除去して、上記基材上に第1電解質膜1aを作製する形態等を挙げることができる。
<第2電解質膜作製工程S2>
工程S2は、上面に第2触媒層3が作製される第2炭化水素系電解質膜(以下、「第2電解質膜」ということがある。)1bを作製する工程である。工程S2の具体例としては、上記工程S1で例示した形態等を挙げることができる。
工程S2は、上面に第2触媒層3が作製される第2炭化水素系電解質膜(以下、「第2電解質膜」ということがある。)1bを作製する工程である。工程S2の具体例としては、上記工程S1で例示した形態等を挙げることができる。
<第1触媒層作製工程S3>
工程S3は、上記工程S1で平滑な基材上に作製された第1電解質膜1aの上面中央部に、第1触媒層2を作製する工程である。図2に示すように、工程S3には、第1電解質膜1aの上面中央部に流動状態の第1触媒層(以下、流動状態の第1触媒層を「第1触媒層2’」ということがある。)を配置する第1触媒層配置工程S31(工程S31)と、第1触媒層2’の上へ予め高温で焼成された第1拡散層4を配置して積層体を作製する第1拡散層配置工程S32(工程S32)と、上記積層体を乾燥することにより第1触媒層2’から溶媒を揮発させて多孔体形態の第1触媒層2を備える第1積層体(以下、「第1積層体8」という。)を作製する乾燥工程S33(工程S33)と、が備えられる。そして、工程S31〜工程S33を経ることにより、第1電解質膜1aと第1拡散層4との間に第1触媒層2が作製される。このように、工程S3では、第1電解質膜1a及び第1拡散層4によって挟まれた第1触媒層2を乾燥することで、多孔体形態の第1触媒層2が作製されるので、第1電解質膜1aと第1触媒層2とを良好に接合でき、さらに、第1触媒層2と第1拡散層4とを良好に接合できる。したがって、工程S3を備える本発明によれば、第1電解質膜1aと第1触媒層2との界面における接触抵抗、及び、第1触媒層2と第1拡散層4との界面における接触抵抗を低減することができる。
工程S3は、上記工程S1で平滑な基材上に作製された第1電解質膜1aの上面中央部に、第1触媒層2を作製する工程である。図2に示すように、工程S3には、第1電解質膜1aの上面中央部に流動状態の第1触媒層(以下、流動状態の第1触媒層を「第1触媒層2’」ということがある。)を配置する第1触媒層配置工程S31(工程S31)と、第1触媒層2’の上へ予め高温で焼成された第1拡散層4を配置して積層体を作製する第1拡散層配置工程S32(工程S32)と、上記積層体を乾燥することにより第1触媒層2’から溶媒を揮発させて多孔体形態の第1触媒層2を備える第1積層体(以下、「第1積層体8」という。)を作製する乾燥工程S33(工程S33)と、が備えられる。そして、工程S31〜工程S33を経ることにより、第1電解質膜1aと第1拡散層4との間に第1触媒層2が作製される。このように、工程S3では、第1電解質膜1a及び第1拡散層4によって挟まれた第1触媒層2を乾燥することで、多孔体形態の第1触媒層2が作製されるので、第1電解質膜1aと第1触媒層2とを良好に接合でき、さらに、第1触媒層2と第1拡散層4とを良好に接合できる。したがって、工程S3を備える本発明によれば、第1電解質膜1aと第1触媒層2との界面における接触抵抗、及び、第1触媒層2と第1拡散層4との界面における接触抵抗を低減することができる。
本発明において、工程S31の具体例としては、水とアルコールの混合溶液と、フッ素系アイオノマーを含有する溶液(例えば、Nafion溶液等)と、界面活性剤(例えば、プロピレングリコール等)とを混錬することにより作製した触媒インクを第1電解質膜1aの上面中央部に配置し、アプリケータを用いて触媒インクを伸ばすことにより、第1電解質膜1aの上面中央部に第1触媒層2’を配置する形態等を挙げることができる。なお、第1電解質膜1aは炭化水素系電解質膜なので、上記混合溶液によっては溶解しない。そのため、当該形態の工程S31を備える工程S3によれば、溶解した第1電解質膜が第1触媒層内に侵入して第1触媒層の透気度を低下させることはない。
工程S32で第1触媒層2’の上へ配置される第1拡散層4の具体例としては、カーボンペーパーの表面に撥水層としてのPTFE層が設けられている形態等を挙げることができ、工程S32の具体例としては、第1触媒層2’とカーボンペーパーからなる基材層4aとの間にPTFEを備える撥水層4bが存在する形態で、基材層4a及び撥水層4bを備える第1拡散層4が配置される形態等を挙げることができる。
工程S33の具体例としては、工程S32で作製された積層体を、撥水層4bを構成するPTFEのガラス転移温度(Tg)よりも低温の160℃で、真空乾燥する形態等を挙げることができる。上述のように、本発明では、第1触媒層2’が第1電解質膜1aと第1拡散層4との間に配置する工程を経て、優れた接合界面を備える第1積層体8が作製されるため、電解質膜や拡散層の表面を流動状態にする必要がない。それゆえ、撥水層4bとしてPTFEが備えられる形態の燃料電池10を製造することができる。ここで、PTFEは良好な撥水性を有する。そのため、本発明によれば、接触抵抗の低減のみならず、フラッディングの抑制により発電性能を向上させることが可能な、燃料電池10を提供できる。なお、本発明では、炭化水素系電解質膜を用いているため、工程S33において第1電解質膜1aは流動状態にならない。そのため、流動状態の第1電解質膜が第1触媒層中に侵入して第1触媒層の多孔度を低下させることはない。
<第2触媒層作製工程S4>
工程S4は、上記工程S2で平滑な基材上に作製された第2電解質膜1bの上面中央部に、第2触媒層3を作製する工程である。図2に括弧書きで示すように、工程S4には、第2電解質膜1bの上面中央部に流動状態の第2触媒層(以下、流動状態の第2触媒層を「第2触媒層3’」ということがある。)を配置する第2触媒層配置工程S41(工程S41)と、第2触媒層3’の上へ予め高温で焼成された第2拡散層5を配置して積層体を作製する第2拡散層配置工程S42(工程S42)と、工程S42で作製された積層体を乾燥することにより第2触媒層3’から溶媒を揮発させて多孔体形態の第2触媒層3を備える第2積層体(以下、「第2積層体9」という。)を作製する乾燥工程S43(工程S43)と、が備えられる。そして、工程S41〜工程S43を経ることにより、第2電解質膜1bと第2拡散層5との間に多孔体形態の第2触媒層3が作製される。このように、工程S4では、工程S3と同様に、第2電解質膜1b及び第2拡散層5によって挟まれた第2触媒層3’を乾燥することで、多孔体形態の第2触媒層3が作製されるので、第2電解質膜1bと第2触媒層3とを良好に接合でき、さらに、第2触媒層3と第2拡散層5とを良好に接合できる。したがって、工程S4を備える本発明によれば、第2電解質膜1bと第2触媒層3との界面における接触抵抗、及び、第2触媒層3と第2拡散層5との界面における接触抵抗を低減することができる。
工程S4は、上記工程S2で平滑な基材上に作製された第2電解質膜1bの上面中央部に、第2触媒層3を作製する工程である。図2に括弧書きで示すように、工程S4には、第2電解質膜1bの上面中央部に流動状態の第2触媒層(以下、流動状態の第2触媒層を「第2触媒層3’」ということがある。)を配置する第2触媒層配置工程S41(工程S41)と、第2触媒層3’の上へ予め高温で焼成された第2拡散層5を配置して積層体を作製する第2拡散層配置工程S42(工程S42)と、工程S42で作製された積層体を乾燥することにより第2触媒層3’から溶媒を揮発させて多孔体形態の第2触媒層3を備える第2積層体(以下、「第2積層体9」という。)を作製する乾燥工程S43(工程S43)と、が備えられる。そして、工程S41〜工程S43を経ることにより、第2電解質膜1bと第2拡散層5との間に多孔体形態の第2触媒層3が作製される。このように、工程S4では、工程S3と同様に、第2電解質膜1b及び第2拡散層5によって挟まれた第2触媒層3’を乾燥することで、多孔体形態の第2触媒層3が作製されるので、第2電解質膜1bと第2触媒層3とを良好に接合でき、さらに、第2触媒層3と第2拡散層5とを良好に接合できる。したがって、工程S4を備える本発明によれば、第2電解質膜1bと第2触媒層3との界面における接触抵抗、及び、第2触媒層3と第2拡散層5との界面における接触抵抗を低減することができる。
本発明において、工程S41の具体例としては、上記工程S31で例示した形態等を、工程S42の具体例としては、上記工程S32で例示した形態等を、工程S43の具体例としては、上記工程S33で例示した形態等を、それぞれ挙げることができる。
<溶媒塗布工程S5>
工程S5は、上記工程S3で作製された第1積層体8から基材を剥離した面(第1電解質膜1aの下面)の少なくとも一部、及び/又は、上記工程S4で作製された第2積層体9から基材を剥離した面(第2電解質膜1bの下面)の少なくとも一部に、溶解溶媒を塗布する工程である。ここで、本発明の工程S5は、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bとを接合可能な形態で溶解溶媒が塗布されていれば良い。そのため、溶解溶媒は、第1電解質膜1a又は第2電解質膜1bの一方の下面にのみ塗布しても良く、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bの両方の下面に塗布しても良い。
工程S5は、上記工程S3で作製された第1積層体8から基材を剥離した面(第1電解質膜1aの下面)の少なくとも一部、及び/又は、上記工程S4で作製された第2積層体9から基材を剥離した面(第2電解質膜1bの下面)の少なくとも一部に、溶解溶媒を塗布する工程である。ここで、本発明の工程S5は、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bとを接合可能な形態で溶解溶媒が塗布されていれば良い。そのため、溶解溶媒は、第1電解質膜1a又は第2電解質膜1bの一方の下面にのみ塗布しても良く、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bの両方の下面に塗布しても良い。
また、本発明の工程S5において、溶解溶媒が塗布される第1電解質膜1a及び/又は第2電解質膜1bの下面部位は、特に限定されるものではない。ただし、溶解溶媒によって電解質膜が溶解されて電解質膜の構造が変化することによるプロトン伝導性能の低下や、電解質膜中に残存した溶解溶媒によるプロトン伝導性能の低下を抑制する等の観点からは、第1電解質膜1a及び/又は第2電解質膜1bの下面中央部以外の部位(下面外縁)に、溶解溶媒を塗布することが好ましい。下面外縁に溶解溶媒が塗布されれば、電解質膜1の上面中央部に作製された触媒層2、3から電解質膜1へのプロトンの移動、又は、電解質膜1から上記触媒層2、3へのプロトン移動が妨げられないので、プロトン伝導性能の低下を抑制することが可能になる。
<電解質膜接合工程S6>
工程S6は、上記工程S5の後に備えられ、上記第1電解質膜1aの下面と上記第2電解質膜1bの下面とを接合する工程である。上記工程S5において、少なくとも、第1電解質膜1aの下面の一部、及び/又は、第2電解質膜1bの下面の一部に、溶解溶媒によって溶解された溶解部が備えられるため、当該溶解部を介して、第1電解質膜1aの下面と第2電解質膜1bの下面とを接合させることができる。ここで、第1電解質膜1aの下面及び第2電解質膜1bの下面は、平滑な基材と接触していた平滑面であり、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bは共に炭化水素系電解質膜である。そのため、本発明では、上記溶接部を介して、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bを強固に接合することができる。したがって、本発明によれば、第1電解質膜と第2電解質膜とが単に熱圧着される形態と比較して、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bとを強固に接合することができ、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bとの界面における接触抵抗を低減することができる。
工程S6は、上記工程S5の後に備えられ、上記第1電解質膜1aの下面と上記第2電解質膜1bの下面とを接合する工程である。上記工程S5において、少なくとも、第1電解質膜1aの下面の一部、及び/又は、第2電解質膜1bの下面の一部に、溶解溶媒によって溶解された溶解部が備えられるため、当該溶解部を介して、第1電解質膜1aの下面と第2電解質膜1bの下面とを接合させることができる。ここで、第1電解質膜1aの下面及び第2電解質膜1bの下面は、平滑な基材と接触していた平滑面であり、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bは共に炭化水素系電解質膜である。そのため、本発明では、上記溶接部を介して、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bを強固に接合することができる。したがって、本発明によれば、第1電解質膜と第2電解質膜とが単に熱圧着される形態と比較して、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bとを強固に接合することができ、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bとの界面における接触抵抗を低減することができる。
<セパレータ配設工程S7>
工程S7は、上記工程S6の後に備えられ、上記工程S6において作製された、電解質膜1と第1触媒層2及び第2触媒層3と第1拡散層4及び第2拡散層5とを備える積層体の両側に、セパレータ6、7を配設する工程である。このようにして、積層体の両側にセパレータ6、7を配設することで、PEFCの単セルを作製することができる。
工程S7は、上記工程S6の後に備えられ、上記工程S6において作製された、電解質膜1と第1触媒層2及び第2触媒層3と第1拡散層4及び第2拡散層5とを備える積層体の両側に、セパレータ6、7を配設する工程である。このようにして、積層体の両側にセパレータ6、7を配設することで、PEFCの単セルを作製することができる。
図3に示すように、本発明の製造方法により製造される燃料電池10は、第1電解質膜1aの下面と第2電解質膜1bの下面とが接合されることにより一体化された電解質膜1と、電解質膜1の一方の側に備えられる第1触媒層2と、電解質膜1の他方の側に備えられる第2触媒層3と、第1触媒層2側に備えられる第1拡散層4と、第2触媒層3側に備えられる第2拡散層5と、第1拡散層4側に備えられる第1セパレータ6と、第2拡散層5側に備えられる第2セパレータ7と、を有している。燃料電池10において、第1拡散層4には、カーボンペーパーからなる基材層4aとPTFEからなる撥水層4bが備えられ、第2拡散層5には、カーボンペーパーからなる基材層5aとPTFEからなる撥水層5bが備えられている。
上記工程S1〜工程S7を経て製造される燃料電池10は、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bが上記溶解部を介して接合されているので、電解質膜1内部の接触抵抗を低減できる。さらに、第1電解質膜1aと第2電解質膜1bは、下面外縁に溶解溶媒が塗布されているので、第1触媒層2と第2触媒層3との間のプロトン伝導が、溶解溶媒によって妨げられることがない。加えて、第1電解質膜1aの上面に配置された流動状態の第1触媒層2’の上に第1拡散層4が積層された後、乾燥して多孔質形態の第1触媒層2とされているので、電解質膜1と第1触媒層2との界面における接触抵抗を低減できるほか、第1触媒層2と撥水層4bとの界面における接触抵抗を低減できる。また、同様にして、第2電解質膜1bの上面に配置された流動状態の第2触媒層3’の上に第2拡散層5が積層された後、乾燥して多孔質形態の第2触媒層3とされているので、電解質膜1と第2触媒層3との界面における接触抵抗を低減でき、さらに、第2触媒層3と撥水層5bとの界面における接触抵抗を低減できる。したがって、上記工程S1〜工程S7を経ることによって、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池10を製造できる。
上記説明では、拡散層4、5に撥水層4b、5bが備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されず、撥水層が備えられない形態であっても良い。ただし、排水性を向上させてフラッディングの発生頻度を低減することで発電性能を向上させる等の観点からは、撥水層が備えられる形態とすることが好ましい。また、これまで、第1拡散層4及び第2拡散層5が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。ただし、第1触媒層及び第2触媒層へ反応ガスを均一に供給して電気化学反応の効率を向上させる等の観点からは、第1拡散層及び第2拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。
以下、図2、図3で使用した符号を適宜付しつつ、本発明の実施例について説明する。
1.単セルの作製
非プロトン性極性溶媒に溶解させたスルホン化ポリアリーレンからなる炭化水素系電解質膜を、PET基材上にキャストして乾燥させた後、洗浄して溶媒を除去することにより、基材上に電解質膜1aを作製した。次に、この基材上に作製された電解質膜1aの上に、白金担持カーボン、Nafion溶液、水、及びアルコールを含有する触媒インクを塗布し、アプリケータを用いて伸ばすことにより、電解質膜1aの上面中央部に流動状態の触媒層2’を配置した。その後、カーボンペーパーからなる基材層4a、及び、炭素微粒子とPTFEからなる撥水層4bを備える拡散層4を、上記流動状態の触媒層2’の上へ静置することにより、基材上に積層体を作製した。そして、この積層体を160℃で真空乾燥して触媒層2’から溶媒を除去した後、基材を剥離して、第1積層体8を作製した。以下、第1積層体8と同様の手順により第2積層体9を作製した。そして、第1積層体8に備えられる電解質膜1aの下面外縁にNMPを塗布し、NMPが塗布された電解質膜1aの下面と、第2積層体9に備えられる電解質膜1bの下面とを張り合わせ、100℃、3MPaで全体を熱圧着した。その後、拡散層4及び拡散層5の外側へセパレータ6、7を配置して、実施例1にかかる単セルを作製した。
一方、電解質膜1aの下面全面に亘ってNMPを塗布したほかは、上記手順と同様の手順により、実施例2にかかる単セルを作製した。
非プロトン性極性溶媒に溶解させたスルホン化ポリアリーレンからなる炭化水素系電解質膜を、PET基材上にキャストして乾燥させた後、洗浄して溶媒を除去することにより、基材上に電解質膜1aを作製した。次に、この基材上に作製された電解質膜1aの上に、白金担持カーボン、Nafion溶液、水、及びアルコールを含有する触媒インクを塗布し、アプリケータを用いて伸ばすことにより、電解質膜1aの上面中央部に流動状態の触媒層2’を配置した。その後、カーボンペーパーからなる基材層4a、及び、炭素微粒子とPTFEからなる撥水層4bを備える拡散層4を、上記流動状態の触媒層2’の上へ静置することにより、基材上に積層体を作製した。そして、この積層体を160℃で真空乾燥して触媒層2’から溶媒を除去した後、基材を剥離して、第1積層体8を作製した。以下、第1積層体8と同様の手順により第2積層体9を作製した。そして、第1積層体8に備えられる電解質膜1aの下面外縁にNMPを塗布し、NMPが塗布された電解質膜1aの下面と、第2積層体9に備えられる電解質膜1bの下面とを張り合わせ、100℃、3MPaで全体を熱圧着した。その後、拡散層4及び拡散層5の外側へセパレータ6、7を配置して、実施例1にかかる単セルを作製した。
一方、電解質膜1aの下面全面に亘ってNMPを塗布したほかは、上記手順と同様の手順により、実施例2にかかる単セルを作製した。
2.I−V特性
実施例1にかかる単セル及び実施例2にかかる単セルを、それぞれ80℃に保ち、第1触媒層2へフル加湿の水素含有ガスを、第2触媒層3へフル加湿の酸素含有ガスをそれぞれ供給して、I−V特性を調べた。結果を図4に示す。図4において、縦軸が電圧[V]、横軸が電流密度[A/cm2]である。
実施例1にかかる単セル及び実施例2にかかる単セルを、それぞれ80℃に保ち、第1触媒層2へフル加湿の水素含有ガスを、第2触媒層3へフル加湿の酸素含有ガスをそれぞれ供給して、I−V特性を調べた。結果を図4に示す。図4において、縦軸が電圧[V]、横軸が電流密度[A/cm2]である。
図4より、本発明の製造方法により製造された実施例1にかかる単セル及び実施例2にかかる単セルは、いずれも良好なI−V特性を示した。また、電流密度を一定値とした場合の電圧値は、実施例1にかかる単セルが実施例2にかかる単セルよりも高い値を示した。したがって、溶解溶媒を下面外縁にのみ塗布することで、燃料電池の性能がより一層向上することが確認された。一方、電解質膜の下面に溶解溶媒を塗布しない場合(比較例)、100℃、3MPaの条件では、2枚の電解質膜を接合することができない。そのため、上記実施例1にかかる単セル及び上記実施例2にかかる単セルと同じ条件でI−V特性を調べても、接触抵抗値が大き過ぎ、比較例にかかる単セルでは電流が流れなかった。以上より、本発明によれば、炭化水素系電解質膜を備える燃料電池の接触抵抗を低減することが可能になる。
1 電解質膜
1a 第1電解質膜
1b 第2電解質膜
2 第1触媒層
3 第2触媒層
4 第1拡散層
4a 基材層
4b 撥水層
5 第2拡散層
5a 基材層
5b 撥水層
6、7 セパレータ
10 燃料電池
1a 第1電解質膜
1b 第2電解質膜
2 第1触媒層
3 第2触媒層
4 第1拡散層
4a 基材層
4b 撥水層
5 第2拡散層
5a 基材層
5b 撥水層
6、7 セパレータ
10 燃料電池
Claims (4)
- 第1炭化水素系電解質膜の一方の面に第1触媒層を作製する第1触媒層作製工程と、
第2炭化水素系電解質膜の一方の面に第2触媒層を作製する第2触媒層作製工程と、
前記第1触媒層が作製された前記第1炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び/又は、前記第2触媒層が作製された前記第2炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程と、
該溶媒塗布工程後に、前記第1炭化水素系電解質膜の前記他方の面と前記第2炭化水素系電解質膜の前記他方の面とを接合させる電解質膜接合工程と、
を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。 - 前記第1触媒層作製工程において、前記第1触媒層は、前記第1炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製されるとともに、前記第2触媒層作製工程において、前記第2触媒層は、前記第2炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製され、
前記溶媒塗布工程において、前記第1炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁、及び/又は、前記第2炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る前記溶媒が塗布され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。 - 前記第1触媒層及び前記第2触媒層に、フッ素系アイオノマーが備えられ、
前記第1触媒層作製工程において、流動状態の前記第1触媒層を前記第1炭化水素系電解質膜の前記一方の面に配置した後、該流動状態の前記第1触媒層と第1拡散層とを接触させて作製された第1積層体を乾燥することにより、前記第1触媒層が作製され、
前記第2触媒層作製工程において、流動状態の前記第2触媒層を前記第2炭化水素系電解質膜の前記一方の面に配置した後、該流動状態の前記第2触媒層と第2拡散層とを接触させて作製された第2積層体を乾燥することにより、前記第2触媒層が作製され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。 - 前記第1触媒層作製工程において、前記第1触媒層は、前記第1炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製されるとともに、前記第2触媒層作製工程において、前記第2触媒層は、前記第2炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製され、
前記溶媒塗布工程において、前記第1炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁、及び/又は、前記第2炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る前記溶媒が塗布されることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池の製造方法。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014087958A1 (ja) * | 2012-12-03 | 2014-06-12 | Jsr株式会社 | 膜-電極接合体の製造方法、膜-電極接合体、膜-電極接合体形成用積層体、固体高分子型燃料電池および水電解装置 |
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-
2006
- 2006-08-28 JP JP2006231026A patent/JP2008053167A/ja active Pending
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