JP2637565B2 - 電解質膜と電極との接合方法及び装置 - Google Patents

電解質膜と電極との接合方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、固体高分子電解質膜とガス拡散電極とを接
合する方法及びその装置に関し、特に、この接合体は、
燃料電池、水電解装置、塩酸電解装置、食塩電解装置、
酸素又は水素の分離装置、各種ガスセンサー等の電気化
学セルに用いることができるものである。
(従来の技術) 固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜
とガス拡散電極とをホットプレスなどにより接合した電
気化学セルが使用される。このホットプレスによる接合
は、大気中で行われるために、固体高分子電解質膜が乾
燥し易く、短時間の間に硬くなり、接合を困難にしてい
る。また、固体高分子電解質膜は、湿潤すると接合時よ
りも膨張するが、ガス拡散電極は固体高分子電解質膜ほ
どには膨張せず、膨張率の差により界面に局部的な剥離
を生じ、該界面の電気抵抗を増加させるという問題があ
った。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記の問題を解消し、使用状態に準じた湿
潤状態で接合することにより、使用に際して固体高分子
電解質膜とガス拡散電極との膨張の差による剥離を防止
し、良好な接合状態を保持することのできる接合方法及
びその装置を提供しようとするものである。
(課題を解決するための手段) 本発明は、(1)固体高分子電解質膜とガス拡散電極
との接合方法において、2枚のガス拡散電極で固体高分
子電解質膜を挟んで密閉系に収容し、該密閉系に水を供
給し、加熱、加圧することにより飽和水蒸気圧の下で接
合することを特徴とする接合方法、(2)ガス拡散電極
の表面に、イオン交換基を導入した液状パーフルオロカ
ーボン樹脂を塗布し、該電極の細孔内に拡散させた後、
樹脂の溶媒を蒸発除去し、次いで、該電極により固体高
分子電解質膜を挟んで接合することを特徴とする上記
(1)記載の接合方法、及び、(3)固体高分子電解質
膜とガス拡散電極とを接合する装置において、ホットプ
レスの間に、2枚のガス拡散電極で挟んだ固体高分子電
解質膜を収容する密閉系を設け、該密閉系を形成する部
材に密閉系内に水を供給するための通路を設けたことを
特徴とする接合装置である。
(作用) 第1図及び第3図は、本発明の具体例である接合装置
の断面図であり、第2図は、第1図のピストンとシリン
ダの関係を示した説明図であって、(a)はシリンダの
平面図、(b)は(a)のA−A矢視のシリンダにピス
トンを加えたピストン・シリンダ断面図、(c)は
(a)のB−B矢視のシリンダ断面図である。
第1図は、ピストン1とシリンダ2の摺動面にOリン
グ3を配置して、2枚のガス拡散電極で挟んだ固体高分
子電解質膜4を収容するための密閉系を形成した装置で
ある。シリンダ2には密閉系に水を供給するための通路
5と温度センサー6を設けてある。
接合の手順は、2枚のガス拡散電極で挟んだ固体高分
子電解質膜4を直接シリンダ2内に収容するか、予め、
該ガス拡散電極表面、イオン交換基を導入した液状パー
フルオロカーボン樹脂を塗布し、該電極の細孔内に拡散
させた後、樹脂の溶媒を蒸発除去した2枚のガス拡散電
極で固体高分子電解質膜を挟み、これをシリンダ2内に
収容し、ピストンを載せて締め付けねじ9で固定してか
ら、ヒータ7を内蔵するホットプレス8の間に該ピスト
ン・シリンダを置き、密閉系に水を供給しながら加熱加
圧し、飽和水蒸気の下で両者を接合するものである。な
お、電極の細孔内に液状パーフルオロカーボン樹脂を拡
散させるときに、電極の背面より吸引して拡散を促進さ
せることも可能である。
このように、固体高分子電解質膜とガス拡散電極との
接合は飽和水蒸気圧の下で行われるので、該膜は膨潤し
て極めて薄い状態で電極と接合され、膜抵抗を低下させ
ることができ、また、該膜を構成するイオン交換樹脂を
ガス拡散電極の反応層細孔内に拡散することができ、水
素イオンの移動を容易にし、反応層の触媒利用率を向上
させることができる。
なお、この接合は、100〜200℃の温度範囲で5〜100k
gf/cm2の圧力で飽和水蒸気圧の下で行うことが好まし
い。
また、本発明で使用するガス拡散電極は、例えば、特
開昭62−154571号公報に記載の方法により作製されるも
のであり、白金族金属、その酸化物等及びカーボンブラ
ック及びポリ四フッ化エチレンを配合した微細な親水部
と疎水部とを有する反応層と、カーボンブラック及びポ
リ四フッ化エチレンを配合した疎水性ガス拡散層とを備
えたものである。
第3図は、アンビル14及び15の間にOリング16を置
き、2枚のガス拡散電極で挟んだ固体高分子電解質膜4
を収容するための密閉系を形成した装置である。アンビ
ルには、該密閉系に水を供給若しくは排出するための通
路17及び温度センサー6を設けてある。このようなアン
ビルは、第1図の装置の場合と同様に、ヒータ7を内蔵
するホットプレス8の間に置き、密閉系に水を供給して
加熱加圧し、飽和水蒸気の下で両者を接合することがで
き、位置の装置と同様に、上記の作用効果を有する。
(実施例) 平均粒径250ÅのRuO2+IrO2触媒と、平均粒径450Åの
疎水性カーボンブラックと平均粒径0.3μmのポリ四フ
ッ化エチレンとを3:3:2の割合で配合した厚さ0.1mmの反
応層と、平均粒径420Åの疎水性カーボンブラックと平
均粒径0.3μmのポリ四フッ化エチレンとを7:3の割合で
配合した厚さ0.5mmのガス拡散層とを備えたガス拡散電
極を用い、該電極の表面にデュポン社製の液状ナフィオ
ンを塗布し、電極細孔内に拡散させた後、樹脂の溶媒を
蒸発除去し、次いで、一辺11cmの正方形のデュポン社製
のナフィオン117で作製した固体高分子電解質膜の両面
に、該ガス拡散電極を重ねて第1図の装置のシリンダ内
に置き、Oリングを置いてピストンを載せ、締め付けね
じで固定した後、ホットプレスにセットした。次いで、
シリンダの通路を介して水を供給し、ホットプレスのヒ
ータに通電して密閉系内を130℃に加熱してから、50kgf
/cm2の圧力で加圧して接合した。
このようにして得た電解質膜と電極の接合体にガスセ
パレータを密着させて燃料電池セルを構成し、性能テス
トを行った。燃料電池には、水素圧と酸素圧はともに1k
gf/cm2とし、水素ガスは加湿してから供給した。セル温
度は77℃で発電させたところ、電流密度−セル電圧特性
は、第3図に示す通りであり、例えば、0.5A/cm2の電流
密度で0.5Vのセル電圧を継続的に安定して得ることがで
きた。
比較のために、上記の装置でOリングを用いず、水を
供給しないで大気中で電解質膜とガス拡散電極とを接合
し、上記と同様の燃料電池を構成して発電させたとこ
ろ、第3図に示すように急激に電圧降下を起こし、0.2A
/cm2の電流密度で0.2Vのセル電圧しか得ることができな
かった。
(発明の効果) 本発明は、上記の構成を採用することにより、電気化
学セルとしての使用条件に近い膨潤状態で固体高分子電
解質膜とガス拡散電極を接合することができるので、該
電解質膜と電極との接合状態を常時良好に保つことがで
き、両者の界面に剥離等を発生させることもない。その
結果、膜抵抗を低くして、電極性能を十分に引き出すこ
とができ、安定した高性能セルとして使用することがで
きるようになった。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第3図は、本発明の具体例である接合装置の
断面図であり、第2図は、第1図のピストンとシリンダ
の関係を示した説明図であって、(a)はシリンダの平
面図、(b)は(a)のA−A矢視のシリンダにピスト
ンを加えたピストン・シリンダ断面図、(c)は(a)
のB−B矢視のシリンダ断面図であり、第4図は実施例
及び比較例で得た電気化学セルを燃料電池として用いた
ときの、電流密度−セル電圧特性図である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体高分子電解質膜とガス拡散電極との接
    合方法において、2枚のガス拡散電極で固体高分子電解
    質膜を挟んで密閉系に収容し、該密閉系に水を供給し、
    加熱、加圧することにより飽和水蒸気圧の下で接合する
    ことを特徴とする接合方法。
  2. 【請求項2】ガス拡散電極の表面に、イオン交換基を導
    入した液状パーフルオロカーボン樹脂を塗布し、該電極
    の細孔内に拡散させた後、樹脂の溶媒を蒸発除去し、次
    いで、該電極により固体高分子電解質膜を挟んで接合す
    ることを特徴とする請求項(1)記載の接合方法。
  3. 【請求項3】固体高分子電解質膜とガス拡散電極とを接
    合する装置において、ホットプレスの間に、2枚のガス
    拡散電極で挟んだ固体高分子電解質膜を収容する密閉系
    を設け、該密閉系を形成する部材に密閉系内に水を供給
    するための通路を設けたことを特徴とする接合装置。
  4. 【請求項4】2つのアンビルの間にOリングを置いて密
    閉系を形成し、Oリングの内側に連通する水供給通路を
    一方のアンビルに設け、ホットプレスの間に配置したこ
    とを特徴とする請求項(3)記載の接合装置。
  5. 【請求項5】ピストンとシリンダの摺動面にOリングを
    配置して密閉系を形成し、該密閉系に水を供給するため
    の通路を上記ピストン又はシリンダに設け、ホットプレ
    スの間に上記のピストンとシリンダとを配置したことを
    特徴とする請求項(3)記載の接合装置。
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WO2006082195A1 (de) 2005-02-07 2006-08-10 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur dauerhaften verbindung einer polymer-elektrolyt-membran mit zumindest einer gasdiffusionselektrode
JP4948815B2 (ja) * 2005-10-20 2012-06-06 株式会社フジクラ 色素増感太陽電池の製造方法
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