JP3256649B2 - 固体高分子形燃料電池の製造方法及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents
固体高分子形燃料電池の製造方法及び固体高分子形燃料電池Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電気化学的な反
応を利用して発電を行う固体高分子形燃料電池の製造方
法及び固体高分子形燃料電池に関するものである。
応を利用して発電を行う固体高分子形燃料電池の製造方
法及び固体高分子形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、プロトン交換膜の両側に配した電
極の一方に燃料を、他方には酸化剤を供給し、燃料の酸
化を電池内で電気化学的に反応させることにより化学エ
ネルギーを電気エネルギーに直接変換する固体高分子形
燃料電池が知られている。
極の一方に燃料を、他方には酸化剤を供給し、燃料の酸
化を電池内で電気化学的に反応させることにより化学エ
ネルギーを電気エネルギーに直接変換する固体高分子形
燃料電池が知られている。
【０００３】図９は例えば第３４回電池討論会講演要旨
集１Ｂ０６（１９９３年）に示された従来の固体高分子
形燃料電池の概略の断面図である。図において、１は固
体高分子電解質膜、２は固体高分子電解質膜１の一方の
面上に設けられているアノード電極、３は固体高分子電
解質膜１の他方の面上に設けられているカソード電極、
４及び５は固体高分子電解質膜１と各電極２，３との間
に介在している第１及び第２の触媒層である。
集１Ｂ０６（１９９３年）に示された従来の固体高分子
形燃料電池の概略の断面図である。図において、１は固
体高分子電解質膜、２は固体高分子電解質膜１の一方の
面上に設けられているアノード電極、３は固体高分子電
解質膜１の他方の面上に設けられているカソード電極、
４及び５は固体高分子電解質膜１と各電極２，３との間
に介在している第１及び第２の触媒層である。
【０００４】図１０は図９の燃料電池の製造途中の状態
を示す断面図である。上記の触媒層４，５は、固体高分
子電解質膜１の両面に塗布されており、各電極２，３の
ホットプレスを行う際に、電極基材であるカーボンペー
パーが固体高分子電解質膜１に食い込むことによって凹
凸が発生する。また、電極基材が固体高分子電解質膜１
に食い込むことにより、各電極２，３の電極基材間の距
離が近接する。
を示す断面図である。上記の触媒層４，５は、固体高分
子電解質膜１の両面に塗布されており、各電極２，３の
ホットプレスを行う際に、電極基材であるカーボンペー
パーが固体高分子電解質膜１に食い込むことによって凹
凸が発生する。また、電極基材が固体高分子電解質膜１
に食い込むことにより、各電極２，３の電極基材間の距
離が近接する。
【０００５】次に、発電の動作について説明する。アノ
ード電極２に水素ガス、カソード電極３に酸素をそれぞ
れ供給し、外部回路を通して各電極２，３から電流を取
り出すと、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-（アノード反応）、２Ｈ+
＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ（カソード反応）という反
応が生じる。
ード電極２に水素ガス、カソード電極３に酸素をそれぞ
れ供給し、外部回路を通して各電極２，３から電流を取
り出すと、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-（アノード反応）、２Ｈ+
＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ（カソード反応）という反
応が生じる。
【０００６】このとき、アノード電極２上で水素がプロ
トンとなり、水を伴って固体高分子形電解質膜１中をカ
ソード電極３まで移動し、カソード電極３上で酸素と反
応して水を生じる。このときに流れる電流は、時には１
Ａ／ｃｍ2を超える大きなものとなり、触媒層４，５が
凹凸を持ち、実際に反応が行われる固体高分子電解質膜
１と各電極２，３との界面の面積が大きくなったこと、
及び電極２，３間の距離が短くなり抵抗が減少したこと
による特性の向上の効果が現れている。
トンとなり、水を伴って固体高分子形電解質膜１中をカ
ソード電極３まで移動し、カソード電極３上で酸素と反
応して水を生じる。このときに流れる電流は、時には１
Ａ／ｃｍ2を超える大きなものとなり、触媒層４，５が
凹凸を持ち、実際に反応が行われる固体高分子電解質膜
１と各電極２，３との界面の面積が大きくなったこと、
及び電極２，３間の距離が短くなり抵抗が減少したこと
による特性の向上の効果が現れている。
【０００７】また、燃料電池の１セル当たりの発生電圧
は１Ｖ以下であり、発電した電力で効率良く機器を動作
させるためには、多数のセル（単電池）を積層する必要
があり、ガスを流すセパレータ板や固体高分子電解質膜
１及び電極２，３の一体化物の厚さをできるだけ薄くす
る必要がある。
は１Ｖ以下であり、発電した電力で効率良く機器を動作
させるためには、多数のセル（単電池）を積層する必要
があり、ガスを流すセパレータ板や固体高分子電解質膜
１及び電極２，３の一体化物の厚さをできるだけ薄くす
る必要がある。
【０００８】図１１は特開平６−２１５７８１号公報に
示された固体高分子形燃料電池の一部を示す断面図であ
る。この例では、電池反応に寄与しない周辺部のカーボ
ンペーパーの基材内にシール剤６を注入することで、厚
みを増すことなく、ガスや水の漏洩が防止され、かつガ
スや水の供給及び排出が効率良く行われる。
示された固体高分子形燃料電池の一部を示す断面図であ
る。この例では、電池反応に寄与しない周辺部のカーボ
ンペーパーの基材内にシール剤６を注入することで、厚
みを増すことなく、ガスや水の漏洩が防止され、かつガ
スや水の供給及び排出が効率良く行われる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来の固体高分子形燃料電池においては、電極基材で
あるカーボンペーパーの固体高分子電解質膜１への食い
込み具合が、ホットプレス時の圧力や温度分布によって
大きく変化し、またカーボンペーパーの凹凸にもばらつ
きがあるため、電極基材間の距離が部分的に近接し過ぎ
て、両電極２，３の電極基材相互が接触し、短絡電流が
流れることがあるという問題点があった。また、例えば
電気自動車の動力源として燃料電池を用いる場合には、
インバータ効率の高い２００Ｖ以上の電圧が必要となる
ため、セルの積層数が３００枚程度にもなり、単純に積
層すると２ｍ近くにもなってしまうという問題点もあっ
た。一方、出力は数１０ｋＷ程度であればよく、セルの
必要面積は３００枚積層する場合には、１枚当たり１０
０ｃｍ2となり、全体をコンパクトにまとめるために
は、平面に独立したセルを並べる等の方法の導入が必要
になるが、導電性のあるカーボンペーパーが周辺部にま
できていると絶縁が困難で、コンパクトで高電圧な燃料
電池の製造には不適当であるという問題点もあった。
た従来の固体高分子形燃料電池においては、電極基材で
あるカーボンペーパーの固体高分子電解質膜１への食い
込み具合が、ホットプレス時の圧力や温度分布によって
大きく変化し、またカーボンペーパーの凹凸にもばらつ
きがあるため、電極基材間の距離が部分的に近接し過ぎ
て、両電極２，３の電極基材相互が接触し、短絡電流が
流れることがあるという問題点があった。また、例えば
電気自動車の動力源として燃料電池を用いる場合には、
インバータ効率の高い２００Ｖ以上の電圧が必要となる
ため、セルの積層数が３００枚程度にもなり、単純に積
層すると２ｍ近くにもなってしまうという問題点もあっ
た。一方、出力は数１０ｋＷ程度であればよく、セルの
必要面積は３００枚積層する場合には、１枚当たり１０
０ｃｍ2となり、全体をコンパクトにまとめるために
は、平面に独立したセルを並べる等の方法の導入が必要
になるが、導電性のあるカーボンペーパーが周辺部にま
できていると絶縁が困難で、コンパクトで高電圧な燃料
電池の製造には不適当であるという問題点もあった。
【００１０】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題としてなされたものであり、電池性能を保
ったまま、短絡による損失を回避し、かつ固体高分子電
解質膜と電極との一体化物をコンパクトに維持しつつ、
ガスシール性能の優れた固体高分子形燃料電池の製造方
法及び固体高分子形燃料電池を得ることを目的とする。
ることを課題としてなされたものであり、電池性能を保
ったまま、短絡による損失を回避し、かつ固体高分子電
解質膜と電極との一体化物をコンパクトに維持しつつ、
ガスシール性能の優れた固体高分子形燃料電池の製造方
法及び固体高分子形燃料電池を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る固
体高分子形燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質膜
の一方の面上に第１の触媒層を設けるとともに、アノー
ド電極及びカソード電極のいずれか一方の電極の電極基
材の表面に第２の触媒層を設ける工程、及び第１の触媒
層上にアノード電極及びカソード電極のいずれか他方を
重ねるとともに、固体高分子電解質膜の他方の面上に一
方の電極の第２の触媒層を重ねて、各電極を固体高分子
電解質膜に圧着し一体化する工程を含み、第２の触媒層
は、一方の電極基材の表面に材料を塗布しレベリングし
た後、焼成することにより形成されるものである。
体高分子形燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質膜
の一方の面上に第１の触媒層を設けるとともに、アノー
ド電極及びカソード電極のいずれか一方の電極の電極基
材の表面に第２の触媒層を設ける工程、及び第１の触媒
層上にアノード電極及びカソード電極のいずれか他方を
重ねるとともに、固体高分子電解質膜の他方の面上に一
方の電極の第２の触媒層を重ねて、各電極を固体高分子
電解質膜に圧着し一体化する工程を含み、第２の触媒層
は、一方の電極基材の表面に材料を塗布しレベリングし
た後、焼成することにより形成されるものである。
【００１２】請求項２の発明に係る固体高分子形燃料電
池の製造方法は、第２の触媒層が設けられる一方の電極
をカソード電極としたものである。
池の製造方法は、第２の触媒層が設けられる一方の電極
をカソード電極としたものである。
【００１３】請求項３の発明に係る固体高分子形燃料電
池の製造方法は、固体高分子電解質膜の一方の面上に第
１の触媒層を設けるとともに、アノード電極及びカソー
ド電極のいずれか一方の電極の電極基材の表面に第２の
触媒層を設ける工程、及び第１の触媒層上にアノード電
極及びカソード電極のいずれか他方を重ねるとともに、
固体高分子電解質膜の他方の面上に一方の電極の第２の
触媒層を重ねて、各電極を固体高分子電解質膜に圧着し
一体化する工程を含み、第２の触媒層は、フッ素系ポリ
マー及びその懸濁液のいずれか一方と触媒粒子とを混練
したものを電極基材の表面に塗布し、フッ素系ポリマー
の融点以上の温度で熱処理を行い、さらに電極基材の表
面に固体高分子電解質膜の分散液を塗布することにより
設けられるものである。
池の製造方法は、固体高分子電解質膜の一方の面上に第
１の触媒層を設けるとともに、アノード電極及びカソー
ド電極のいずれか一方の電極の電極基材の表面に第２の
触媒層を設ける工程、及び第１の触媒層上にアノード電
極及びカソード電極のいずれか他方を重ねるとともに、
固体高分子電解質膜の他方の面上に一方の電極の第２の
触媒層を重ねて、各電極を固体高分子電解質膜に圧着し
一体化する工程を含み、第２の触媒層は、フッ素系ポリ
マー及びその懸濁液のいずれか一方と触媒粒子とを混練
したものを電極基材の表面に塗布し、フッ素系ポリマー
の融点以上の温度で熱処理を行い、さらに電極基材の表
面に固体高分子電解質膜の分散液を塗布することにより
設けられるものである。
【００１４】請求項４の発明に係る固体高分子形燃料電
池は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜
の一方の面上に圧着されているアノード電極と、固体高
分子電解質膜の他方の面上に圧着されているカソード電
極と、固体高分子電解質膜と各電極との間の界面にそれ
ぞれ設けられている第１及び第２の触媒層とを備え、第
１及び第２の触媒層のいずれか一方の触媒層が凹凸を有
して固体高分子電解質膜に食い込んでいるとともに、他
方の触媒層は、焼成されており、固体高分子電解質膜側
が平滑で電極側に凹凸のある形状となっているものであ
る。
池は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜
の一方の面上に圧着されているアノード電極と、固体高
分子電解質膜の他方の面上に圧着されているカソード電
極と、固体高分子電解質膜と各電極との間の界面にそれ
ぞれ設けられている第１及び第２の触媒層とを備え、第
１及び第２の触媒層のいずれか一方の触媒層が凹凸を有
して固体高分子電解質膜に食い込んでいるとともに、他
方の触媒層は、焼成されており、固体高分子電解質膜側
が平滑で電極側に凹凸のある形状となっているものであ
る。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態１． 図１はこの発明の実施の形態１による固体高分子形燃料
電池の概略の断面図、図２は図１の燃料電池の製造途中
の状態を示す断面図である。
について説明する。 実施の形態１． 図１はこの発明の実施の形態１による固体高分子形燃料
電池の概略の断面図、図２は図１の燃料電池の製造途中
の状態を示す断面図である。
【００１６】図において、１１は固体高分子電解質膜で
あり、この例では、厚さ５０μｍのＤｕＰｏｎｔ社製ナ
フィオン１１２膜を２０ｃｍ角に切り出したものが使用
されている。１２は固体高分子電解質膜１１の一方の面
上に設けられているアノード電極、１３は固体高分子電
解質膜１１の他方の面上に設けられているカソード電極
であり、ここでは、各電極１２，１３の基材として厚さ
２７０μｍの東レ社製カーボンペーパーを、アノード電
極１２では１５．４ｃｍ角に、カソード電極１３では１
５ｃｍ角に切り出したものが使用されている。１４及び
１５は固体高分子電解質膜１１と各電極１２，１３との
間の界面にそれぞれ設けられている第１及び第２の触媒
層である。
あり、この例では、厚さ５０μｍのＤｕＰｏｎｔ社製ナ
フィオン１１２膜を２０ｃｍ角に切り出したものが使用
されている。１２は固体高分子電解質膜１１の一方の面
上に設けられているアノード電極、１３は固体高分子電
解質膜１１の他方の面上に設けられているカソード電極
であり、ここでは、各電極１２，１３の基材として厚さ
２７０μｍの東レ社製カーボンペーパーを、アノード電
極１２では１５．４ｃｍ角に、カソード電極１３では１
５ｃｍ角に切り出したものが使用されている。１４及び
１５は固体高分子電解質膜１１と各電極１２，１３との
間の界面にそれぞれ設けられている第１及び第２の触媒
層である。
【００１７】次に、製造方法について説明する。酸化剤
極側のカソード電極１３には、白金触媒とテフロン（商
標名）ディスパージョンとを混練したものを塗布し、レ
ベリングした後に３５０℃で焼成し、徐冷後、ナフィオ
ン（商標名）液を塗布し乾燥させた。一方、燃料極側で
あるアノード側は、白金触媒とナフィオン液との懸濁液
を固体高分子電解質膜１１に直接塗り、真空乾燥を施し
た。これらを図２に示すように重ね、加熱圧着装置にセ
ットし、接合温度１７０℃で面圧５０ｋｇ／ｃｍ2を２
分間保持し、徐冷後に圧力を保持すると、全体の厚みが
４７０μｍになった。
極側のカソード電極１３には、白金触媒とテフロン（商
標名）ディスパージョンとを混練したものを塗布し、レ
ベリングした後に３５０℃で焼成し、徐冷後、ナフィオ
ン（商標名）液を塗布し乾燥させた。一方、燃料極側で
あるアノード側は、白金触媒とナフィオン液との懸濁液
を固体高分子電解質膜１１に直接塗り、真空乾燥を施し
た。これらを図２に示すように重ね、加熱圧着装置にセ
ットし、接合温度１７０℃で面圧５０ｋｇ／ｃｍ2を２
分間保持し、徐冷後に圧力を保持すると、全体の厚みが
４７０μｍになった。
【００１８】このようにして製造されたセルでは、カソ
ード電極１３の表面に強固な第２の触媒層１５が設けら
れているため、ホットプレスによるカソード電極１３の
固体高分子電解質膜１１への食い込みが殆どない。この
ため、カソード側の第２の触媒層１５は、固体高分子電
解質膜１１側が平滑で、カソード電極１３側に凹凸を有
する断面形状となっている。
ード電極１３の表面に強固な第２の触媒層１５が設けら
れているため、ホットプレスによるカソード電極１３の
固体高分子電解質膜１１への食い込みが殆どない。この
ため、カソード側の第２の触媒層１５は、固体高分子電
解質膜１１側が平滑で、カソード電極１３側に凹凸を有
する断面形状となっている。
【００１９】一方、アノード側は、アノード電極１２の
カーボンペーパーがホットプレス時に固体高分子電解質
膜１１に食い込むため、カーボンペーパーの凹凸が反映
された厚みが均一な第１の触媒層１４が形成された。な
お、カソード電極１３は、固体高分子電解質膜１１に殆
ど食い込んでいないが、第２の触媒層１５と固体高分子
電解質膜１１とが融着しているので、剥がれが生じるこ
とはない。また、アノード電極１２は、カソード電極１
３が食い込まない分、電極間が接触するぎりぎりまで深
く食い込ませることができるだけ、固体高分子電解質膜
１１との密着度が高く、剥がれにくくなっている。
カーボンペーパーがホットプレス時に固体高分子電解質
膜１１に食い込むため、カーボンペーパーの凹凸が反映
された厚みが均一な第１の触媒層１４が形成された。な
お、カソード電極１３は、固体高分子電解質膜１１に殆
ど食い込んでいないが、第２の触媒層１５と固体高分子
電解質膜１１とが融着しているので、剥がれが生じるこ
とはない。また、アノード電極１２は、カソード電極１
３が食い込まない分、電極間が接触するぎりぎりまで深
く食い込ませることができるだけ、固体高分子電解質膜
１１との密着度が高く、剥がれにくくなっている。
【００２０】次に、この実施の形態１の燃料電池の性能
について説明する。図３は実施の形態１による燃料電池
の性能を他の燃料電池と比較して示す電流と電圧の関係
図である。図において、Ａ：実施の形態１による燃料電
池、Ｂ：固体高分子電解質膜の表面のみに触媒層を形成
して圧着した従来例の燃料電池、Ｃ：両電極の電極基材
表面に触媒層を形成して圧着した燃料電池の電流電圧曲
線をそれぞれ示している。
について説明する。図３は実施の形態１による燃料電池
の性能を他の燃料電池と比較して示す電流と電圧の関係
図である。図において、Ａ：実施の形態１による燃料電
池、Ｂ：固体高分子電解質膜の表面のみに触媒層を形成
して圧着した従来例の燃料電池、Ｃ：両電極の電極基材
表面に触媒層を形成して圧着した燃料電池の電流電圧曲
線をそれぞれ示している。
【００２１】まず、ＢとＣとを比較すると、Ｂは電流基
材の食い込みによって電極面積が増大した分、負荷をか
けたときの特性が高い。しかし、負荷がかからない場合
には、逆に電圧が低く、短絡によりガスを無駄に消費し
ていることがわかる。一方、Ａでは、開回路電圧はＣと
同様に高く、しかもアノード側の電極基材の十分な食い
込みによって、電極面積の拡大効果も高く、また抵抗が
低いため、負荷をかけたときの特性も優れている。負荷
をかけたときのＡとＢとの差は、短絡電流によりＢの電
流効率が低下していることが原因である。
材の食い込みによって電極面積が増大した分、負荷をか
けたときの特性が高い。しかし、負荷がかからない場合
には、逆に電圧が低く、短絡によりガスを無駄に消費し
ていることがわかる。一方、Ａでは、開回路電圧はＣと
同様に高く、しかもアノード側の電極基材の十分な食い
込みによって、電極面積の拡大効果も高く、また抵抗が
低いため、負荷をかけたときの特性も優れている。負荷
をかけたときのＡとＢとの差は、短絡電流によりＢの電
流効率が低下していることが原因である。
【００２２】なお、図１の逆の構成、即ちアノード電極
に触媒を直接塗り、カソード側は固体高分子電解質膜に
触媒を直接塗った場合、カソード側の触媒層が大きく屈
曲するが、反応により発生した水が酸素の流通を阻害す
るため、カソード側の触媒層の働きが悪く、上記実施の
形態１程には高い特性を得ることはできなかった。
に触媒を直接塗り、カソード側は固体高分子電解質膜に
触媒を直接塗った場合、カソード側の触媒層が大きく屈
曲するが、反応により発生した水が酸素の流通を阻害す
るため、カソード側の触媒層の働きが悪く、上記実施の
形態１程には高い特性を得ることはできなかった。
【００２３】また、上記実施の形態１において燃料にＣ
Ｏを混入させた場合、アノード側の触媒層の面積の拡大
により特性の低下が抑制できた。
Ｏを混入させた場合、アノード側の触媒層の面積の拡大
により特性の低下が抑制できた。
【００２４】参考例１． 次に、図４は参考例１による固体高分子形燃料電池の概
略の断面図、図５は図４の平面図である。この例では、
固体高分子電解質膜１１及び各電極１２，１３の材料
は、上記実施の形態１と同様であるが、各電極１２，１
３の大きさが固体高分子電解質膜１１よりも小さくなっ
ている。そして、固体高分子電解質膜１１の両面の電極
１２，１３により覆われていない部分には、各電極１
２，１３よりも薄い非圧縮性の枠状のフィルム１６，１
７が各電極１２，１３と重ならないように設けられてい
る。
略の断面図、図５は図４の平面図である。この例では、
固体高分子電解質膜１１及び各電極１２，１３の材料
は、上記実施の形態１と同様であるが、各電極１２，１
３の大きさが固体高分子電解質膜１１よりも小さくなっ
ている。そして、固体高分子電解質膜１１の両面の電極
１２，１３により覆われていない部分には、各電極１
２，１３よりも薄い非圧縮性の枠状のフィルム１６，１
７が各電極１２，１３と重ならないように設けられてい
る。
【００２５】ここでは、アノード側のフィルム１６とし
て、厚さ１７５μｍのポリフェニレンサルファイド（Ｐ
ＰＳ）フィルムを２１ｃｍ角に切り出し、中央に１５．
５ｃｍ角の穴を開けたものを使用した。カソード側のフ
ィルム１７としては、厚さ２５０μｍのＰＰＳフィルム
を２１ｃｍ角に切り出し、中央に１５．１ｃｍ角の穴を
開けたものを使用した。
て、厚さ１７５μｍのポリフェニレンサルファイド（Ｐ
ＰＳ）フィルムを２１ｃｍ角に切り出し、中央に１５．
５ｃｍ角の穴を開けたものを使用した。カソード側のフ
ィルム１７としては、厚さ２５０μｍのＰＰＳフィルム
を２１ｃｍ角に切り出し、中央に１５．１ｃｍ角の穴を
開けたものを使用した。
【００２６】上記のような積層体に対して１９０℃の温
度、５０ｋｇ／ｃｍ2の面圧でホットプレスを行った
後、一体化物をプレス装置から取り出し、その厚みを測
定した結果、４７５μｍの一様な厚みを有していた。こ
のように、上記実施の形態１における圧着条件よりも強
い条件でありながら、僅かではあるが厚みが大きくなっ
ており、最終厚みが非圧縮性のＰＰＳフィルム１６，１
７により規定されたことがわかる。
度、５０ｋｇ／ｃｍ2の面圧でホットプレスを行った
後、一体化物をプレス装置から取り出し、その厚みを測
定した結果、４７５μｍの一様な厚みを有していた。こ
のように、上記実施の形態１における圧着条件よりも強
い条件でありながら、僅かではあるが厚みが大きくなっ
ており、最終厚みが非圧縮性のＰＰＳフィルム１６，１
７により規定されたことがわかる。
【００２７】また、上記実施の形態１では厚み分布が２
０μｍ程度あったが、参考例１における厚み分布は１０
μｍ以内であり、より均一な接合を行うことができた。
さらに、この参考例１の製造方法によれば、精度のそれ
ほど高くないプレス装置であっても同様の結果が得ら
れ、安価な装置での製造が可能である。
０μｍ程度あったが、参考例１における厚み分布は１０
μｍ以内であり、より均一な接合を行うことができた。
さらに、この参考例１の製造方法によれば、精度のそれ
ほど高くないプレス装置であっても同様の結果が得ら
れ、安価な装置での製造が可能である。
【００２８】なお、上記参考例１では実施の形態１と同
様の触媒層１４，１５を設けたが、従来例と同様に触媒
層を設けても、また各電極１２，１３中に触媒を分散さ
せるものについても、フィルム１６，１７による効果は
得られる。
様の触媒層１４，１５を設けたが、従来例と同様に触媒
層を設けても、また各電極１２，１３中に触媒を分散さ
せるものについても、フィルム１６，１７による効果は
得られる。
【００２９】参考例２． 次に、図６は参考例２による固体高分子形燃料電池の固
体高分子電解質膜及び電極の一体化物を示す平面図、図
７は図６の一体化物の底面図、図８は図６及び図７の一
体化物及びセパレータの要部断面図であり、図６及び図
７のＶIII−ＶIII線に沿う矢視断面図に相当する。
体高分子電解質膜及び電極の一体化物を示す平面図、図
７は図６の一体化物の底面図、図８は図６及び図７の一
体化物及びセパレータの要部断面図であり、図６及び図
７のＶIII−ＶIII線に沿う矢視断面図に相当する。
【００３０】図において、１８，１９はフィルム１６，
１７及び固体高分子電解質膜１１を貫通している燃料供
給口及び燃料排出口、２０，２１は同様にフィルム１
６，１７及び固体高分子電解質膜１１を貫通している空
気供給口及び空気排出口、２２，２３は冷却水供給口及
び冷却水排出口、２４は燃料ガス，空気及び冷却水をシ
ールするシール材である。また、図８の２５，２６は一
体化物に接合されるセパレータであり、これらのセパレ
ータ２５，２６は、フィルム１６，１７に対向する周辺
部の厚さが電極１２，１３に接合される中央部の厚さよ
りも寸法Ｄだけ小さくなっている。さらに、セパレータ
２５，２６には、燃料通路（図示せず），空気通路２５
ａ，２６ａ及び冷却水通路（図示せず）が設けられてい
る。
１７及び固体高分子電解質膜１１を貫通している燃料供
給口及び燃料排出口、２０，２１は同様にフィルム１
６，１７及び固体高分子電解質膜１１を貫通している空
気供給口及び空気排出口、２２，２３は冷却水供給口及
び冷却水排出口、２４は燃料ガス，空気及び冷却水をシ
ールするシール材である。また、図８の２５，２６は一
体化物に接合されるセパレータであり、これらのセパレ
ータ２５，２６は、フィルム１６，１７に対向する周辺
部の厚さが電極１２，１３に接合される中央部の厚さよ
りも寸法Ｄだけ小さくなっている。さらに、セパレータ
２５，２６には、燃料通路（図示せず），空気通路２５
ａ，２６ａ及び冷却水通路（図示せず）が設けられてい
る。
【００３１】上記のシール材２４は、フッ素ゴム系の旭
硝子社製エイトシール（商標名）を注入機に入れて押し
出すことにより、幅３ｍｍ、高さ（図８のＳ）１００μ
ｍで図６及び図７のようなパターンを描いた。これを５
０℃で２時間乾燥させた後、１２０℃で１時間硬化させ
た。また、セパレータ２５，２６の段差寸法Ｄは、５０
μｍとした。
硝子社製エイトシール（商標名）を注入機に入れて押し
出すことにより、幅３ｍｍ、高さ（図８のＳ）１００μ
ｍで図６及び図７のようなパターンを描いた。これを５
０℃で２時間乾燥させた後、１２０℃で１時間硬化させ
た。また、セパレータ２５，２６の段差寸法Ｄは、５０
μｍとした。
【００３２】次に、動作について説明する。上下のセパ
レータ２５，２６を一体化物に押し付けると、シール材
２４が変形してセパレータ２５，２６と密着する。シー
ル材２４の幅は３ｍｍであるが、実質的にセパレータ２
５，２６と接触するのは２ｍｍ程度である。また、シー
ル材２４の長さは約８０ｃｍであり、面積はセパレータ
面積（４００ｃｍ2）の５％以下であるため、シール材
２４の厚みを１００μｍから寸法Ｄと同様の５０μｍに
変形させるのに要する力では、各電極１２，１３を押さ
え付ける面圧を減少させることはなく、各電極１２，１
３には一定の面圧をかけることができ、接触抵抗を最小
限に抑えることができ、電圧降下が少なく、セル電圧が
高くなる。
レータ２５，２６を一体化物に押し付けると、シール材
２４が変形してセパレータ２５，２６と密着する。シー
ル材２４の幅は３ｍｍであるが、実質的にセパレータ２
５，２６と接触するのは２ｍｍ程度である。また、シー
ル材２４の長さは約８０ｃｍであり、面積はセパレータ
面積（４００ｃｍ2）の５％以下であるため、シール材
２４の厚みを１００μｍから寸法Ｄと同様の５０μｍに
変形させるのに要する力では、各電極１２，１３を押さ
え付ける面圧を減少させることはなく、各電極１２，１
３には一定の面圧をかけることができ、接触抵抗を最小
限に抑えることができ、電圧降下が少なく、セル電圧が
高くなる。
【００３３】このとき、セパレータ２５の空気通路２５
ａから流れてきた酸化剤ガスである空気は、シール材２
４により囲まれた空間を移動し、アノード電極１２側や
外部に漏れることなく、空気供給口２０を経て、一部は
カソード電極１３を通って空気排出口２１へと行き、残
りはセパレータ２６の空気通路２６ａへと流れ、無駄な
漏洩はなくなった。また、燃料ガスについても、シール
材２４により囲まれた空間を移動して流れ、アノード電
極１２に供給される。
ａから流れてきた酸化剤ガスである空気は、シール材２
４により囲まれた空間を移動し、アノード電極１２側や
外部に漏れることなく、空気供給口２０を経て、一部は
カソード電極１３を通って空気排出口２１へと行き、残
りはセパレータ２６の空気通路２６ａへと流れ、無駄な
漏洩はなくなった。また、燃料ガスについても、シール
材２４により囲まれた空間を移動して流れ、アノード電
極１２に供給される。
【００３４】なお、上記参考例２では実施の形態１と同
様の触媒層１４，１５を設けたが、従来例と同様に触媒
層を設けても、また各電極１２，１３中に触媒を分散さ
せるものについても、シール材２４による効果は得られ
る。
様の触媒層１４，１５を設けたが、従来例と同様に触媒
層を設けても、また各電極１２，１３中に触媒を分散さ
せるものについても、シール材２４による効果は得られ
る。
【００３５】また、段差を２００μｍよりも大きくとる
と、ガスの供給・排出口と電極とのガスの取り合いがス
ムーズでなくなり、逆に段差が小さいと電極に加える面
圧が不十分となる。これらのことから、段差の範囲を４
０〜１５０μｍとし、シール材の厚みを段差の寸法より
も３０μｍ以上１００μｍ以下の範囲で厚くするのが好
適である。
と、ガスの供給・排出口と電極とのガスの取り合いがス
ムーズでなくなり、逆に段差が小さいと電極に加える面
圧が不十分となる。これらのことから、段差の範囲を４
０〜１５０μｍとし、シール材の厚みを段差の寸法より
も３０μｍ以上１００μｍ以下の範囲で厚くするのが好
適である。
【図１】 この発明の実施の形態１による固体高分子形
燃料電池の概略の断面図である。
燃料電池の概略の断面図である。
【図２】 図１の燃料電池の製造途中の状態を示す断面
図である。
図である。
【図３】 実施の形態１による燃料電池の性能を他の燃
料電池と比較して示す電流と電圧の関係図である。
料電池と比較して示す電流と電圧の関係図である。
【図４】 参考例１による固体高分子形燃料電池の概略
の断面図である。
の断面図である。
【図５】 図４の平面図である。
【図６】 参考例２による固体高分子形燃料電池の固体
高分子電解質膜及び電極の一体化物を示す平面図であ
る。
高分子電解質膜及び電極の一体化物を示す平面図であ
る。
【図７】 図６の一体化物の底面図である。
【図８】 図６及び図７の一体化物及びセパレータの要
部断面図である。
部断面図である。
【図９】 従来の固体高分子形燃料電池の一例を示す概
略の断面図である。
略の断面図である。
【図１０】 図９の燃料電池の製造途中の状態を示す断
面図である。
面図である。
【図１１】 従来の固体高分子形燃料電池の他の例を示
す断面図である。
す断面図である。
１１ 固体高分子電解質膜、１２ アノード電極、１３
カソード電極、１４第１の触媒層、１５ 第２の触媒
層、１６，１７ フィルム、１８ 燃料供給口、１９
燃料排出口、２０ 空気供給口、２１ 空気排出口、２
４ シール材、２５，２６ セパレータ。
カソード電極、１４第１の触媒層、１５ 第２の触媒
層、１６，１７ フィルム、１８ 燃料供給口、１９
燃料排出口、２０ 空気供給口、２１ 空気排出口、２
４ シール材、２５，２６ セパレータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−325983（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−275282（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−174845（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−315000（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−68884（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−109266（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/10 H01M 8/02 H01M 4/86 H01M 4/88
Claims (4)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜の一方の面上に第１
の触媒層を設けるとともに、アノード電極及びカソード
電極のいずれか一方の電極の電極基材の表面に第２の触
媒層を設ける工程、及び上記第１の触媒層上に上記アノ
ード電極及び上記カソード電極のいずれか他方を重ねる
とともに、上記固体高分子電解質膜の他方の面上に上記
一方の電極の第２の触媒層を重ねて、上記各電極を上記
固体高分子電解質膜に圧着し一体化する工程を含み、上
記第２の触媒層は、上記一方の電極基材の表面に材料を
塗布しレベリングした後、焼成することにより形成され
ることを特徴とする固体高分子形燃料電池の製造方法。 - 【請求項２】 第２の触媒層が設けられる一方の電極が
カソード電極であることを特徴とする請求項１記載の固
体高分子形燃料電池の製造方法。 - 【請求項３】 固体高分子電解質膜の一方の面上に第１
の触媒層を設けるとともに、アノード電極及びカソード
電極のいずれか一方の電極の電極基材の表面に第２の触
媒層を設ける工程、及び上記第１の触媒層上に上記アノ
ード電極及び上記カソード電極のいずれか他方を重ねる
とともに、上記固体高分子電解質膜の他方の面上に上記
一方の電極の第２の触媒層を重ねて、上記各電極を上記
固体高分子電解質膜に圧着し一体化する工程を含み、上
記第２の触媒層は、フッ素系ポリマー及びその懸濁液の
いずれか一方と触媒粒子とを混練したものを上記電極基
材の表面に塗布し、上記フッ素系ポリマーの融点以上の
温度で熱処理を行い、さらに上記電極基材の表面に上記
固体高分子電解質膜の分散液を塗布することにより設け
られることを特徴とする固体高分子形燃料電池の製造方
法。 - 【請求項４】 固体高分子電解質膜と、 この固体高分子電解質膜の一方の面上に圧着されている
アノード電極と、 上記固体高分子電解質膜の他方の面上に圧着されている
カソード電極と、 上記固体高分子電解質膜と上記各電極との間の界面にそ
れぞれ設けられている第１及び第２の触媒層とを備え、
上記第１及び第２の触媒層のいずれか一方の触媒層が凹
凸を有して上記固体高分子電解質膜に食い込んでいると
ともに、他方の触媒層は、焼成されており、上記固体高
分子電解質膜側が平滑で電極側に凹凸のある形状となっ
ていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22077895A JP3256649B2 (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 固体高分子形燃料電池の製造方法及び固体高分子形燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22077895A JP3256649B2 (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 固体高分子形燃料電池の製造方法及び固体高分子形燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0963622A JPH0963622A (ja) | 1997-03-07 |
| JP3256649B2 true JP3256649B2 (ja) | 2002-02-12 |
Family
ID=16756426
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22077895A Expired - Fee Related JP3256649B2 (ja) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | 固体高分子形燃料電池の製造方法及び固体高分子形燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3256649B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| CA2356008C (en) | 2000-09-01 | 2010-01-05 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Membrane electrode assembly for fuel cell and method for producing the same |
| JP3579886B2 (ja) * | 2000-09-01 | 2004-10-20 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池用電極構造体およびその製造方法 |
| JP3579885B2 (ja) * | 2000-09-01 | 2004-10-20 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池用電極構造体およびその製造方法 |
| JP3604078B2 (ja) * | 2000-09-01 | 2004-12-22 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池用電極構造体およびその製造方法 |
| US20060257715A1 (en) * | 2005-05-16 | 2006-11-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Direct oxidation fuel cell and manufacturing method therefor |
| JP2004063099A (ja) | 2002-07-24 | 2004-02-26 | Honda Motor Co Ltd | 車載用燃料電池スタック |
| US20050181267A1 (en) * | 2002-10-29 | 2005-08-18 | Naoki Mitsuta | Membrane-electrode structure and method for producing the same |
| US20050014056A1 (en) * | 2003-07-14 | 2005-01-20 | Umicore Ag & Co. Kg | Membrane electrode unit for electrochemical equipment |
| WO2005006473A2 (de) * | 2003-07-14 | 2005-01-20 | Umicore Ag & Co. Kg | Membran-elektroden-einheit für elektrochemische vorrichtungen |
| JP2005174565A (ja) * | 2003-12-08 | 2005-06-30 | Hitachi Ltd | 燃料電池用高分子電解質膜と膜・電極接合体とその製造方法およびそれを用いた燃料電池 |
| JP2006004867A (ja) * | 2004-06-21 | 2006-01-05 | Dainippon Ink & Chem Inc | 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 |
| JP4940575B2 (ja) * | 2005-06-02 | 2012-05-30 | 大日本印刷株式会社 | 固体高分子形燃料電池用マスクフィルム付き電解質膜−電極接合体及びその製造方法 |
| JP5252408B2 (ja) * | 2005-12-27 | 2013-07-31 | 日産自動車株式会社 | 高耐久性燃料電池 |
| JP5082239B2 (ja) * | 2005-12-28 | 2012-11-28 | 大日本印刷株式会社 | 触媒層−電解質膜積層体及びその製造方法 |
| JP5108240B2 (ja) * | 2006-03-20 | 2012-12-26 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池及び燃料電池の製造方法 |
| JP5122149B2 (ja) * | 2006-06-09 | 2013-01-16 | 旭硝子株式会社 | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法 |
| JP4882541B2 (ja) | 2006-06-26 | 2012-02-22 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用電解質膜および膜電極接合体の製造方法 |
| JP5109502B2 (ja) * | 2007-06-29 | 2012-12-26 | 大日本印刷株式会社 | 触媒層付電解質膜 |
| JP2009080974A (ja) * | 2007-09-25 | 2009-04-16 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP5206074B2 (ja) * | 2008-03-31 | 2013-06-12 | 大日本印刷株式会社 | 燃料電池用膜・電極接合体およびその製造方法 |
| JP5280414B2 (ja) * | 2010-07-26 | 2013-09-04 | 本田技研工業株式会社 | 膜・電極構造体および燃料電池 |
| CN105047944B (zh) * | 2015-05-29 | 2018-03-27 | 武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司 | 一种基于石墨烯热电管理层的新型燃料电池 |
| JP6952543B2 (ja) * | 2017-03-22 | 2021-10-20 | 株式会社東芝 | 膜電極接合体、電気化学セル、スタック、燃料電池及び車両 |
-
1995
- 1995-08-29 JP JP22077895A patent/JP3256649B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH0963622A (ja) | 1997-03-07 |
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