JP3423799B2 - Method for forming reaction layer of fuel cell - Google Patents
Method for forming reaction layer of fuel cellInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池の電解質膜
の表面に反応層を形成する燃料電池の反応層形成方法に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a reaction layer of a fuel cell in which a reaction layer is formed on the surface of an electrolyte membrane of the fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対
の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等
の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を
含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気
化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出
すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガ
スが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り
出すことができる。2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell has been known as a device for directly converting the energy of fuel into electrical energy. In a fuel cell, usually, a pair of electrodes are arranged with an electrolyte membrane sandwiched between them, a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the surface of one electrode, and an oxygen-containing gas containing oxygen is brought into contact with the surface of the other electrode. By utilizing the electrochemical reaction that occurs at this time, electric energy is taken out from between the electrodes. The fuel cell can extract electric energy with high efficiency as long as the fuel gas and the oxygen-containing gas are supplied.
【０００３】ところで、燃料電池は、電解質膜と電極と
の境に触媒層を備えており、電解質膜と触媒とガスとの
三相界面で電気化学反応を発生させている。このような
反応場を拡大させたいといった要求が燃料電池にはあ
り、この要求を満たすものとして、電解質膜の表面に表
面粗化処理を施し、その形成された凹凸の内の凹部に触
媒としての金属を堆積させる反応層形成方法が提案され
ていた（特開平５−２５８７５６号公報）。By the way, the fuel cell is provided with a catalyst layer at the boundary between the electrolyte membrane and the electrode, and an electrochemical reaction is generated at the three-phase interface between the electrolyte membrane, the catalyst and the gas. There is a demand for expanding such a reaction field in fuel cells, and as a requirement that meets this demand, the surface of the electrolyte membrane is subjected to a surface roughening treatment, and the concave portion of the formed concavities and convexities serves as a catalyst. A reaction layer forming method of depositing a metal has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-258756).
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の燃料電池の反応層形成方法で製造された反応層
では、電解質膜の凹部に堆積した多くの量の触媒金属の
内、膜表面付近の金属粒子が前記反応に寄与するだけ
で、その凹部に堆積した大部分の金属粒子は反応に寄与
するものではない。このため、触媒の利用率が低いとい
った問題を備えていた。特に、りん酸型、アルカリ型お
よび固体高分子型の各燃料電池では、触媒として白金
（または白金の合金）のような貴金属が使われているた
め、大幅なコストアップを招いていた。However, in the reaction layer manufactured by such a conventional method for forming a reaction layer of a fuel cell, among the large amount of catalyst metal deposited in the concave portion of the electrolyte membrane, the metal near the membrane surface is included. Most of the metal particles deposited in the recesses do not contribute to the reaction, only the particles contribute to the reaction. Therefore, there is a problem that the utilization rate of the catalyst is low. Particularly, in each of the phosphoric acid type, alkaline type and solid polymer type fuel cells, a precious metal such as platinum (or platinum alloy) is used as a catalyst, resulting in a significant cost increase.
【０００５】この発明の燃料電池の反応層形成方法は、
こうした問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池の触
媒の利用率を高めることを目的としている。The method for forming the reaction layer of the fuel cell of the present invention is
The present invention has been made in view of these problems, and aims to increase the utilization rate of the catalyst of the fuel cell.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。In order to achieve such an object, the following constitution is adopted as a means for solving the above problems.
【０００７】即ち、本発明の燃料電池の反応層形成方法
は、燃料電池の固体高分子電解質膜の表面に反応層を形
成する燃料電池の反応層形成方法であって、前記固体高
分子電解質膜の表面に粗化処理を施して凹凸を形成する
工程と、該凹凸が形成された表面に触媒としての金属
を、該凹凸に沿わして一様な厚さで付着させる工程と、
前記金属が付着した表面の凹部に所望の大きさに調整さ
れた複数のカーボン粒子を充填させる工程とを備えるこ
とを、要旨としている。Namely, the reaction layer formation method of a fuel cell of the present invention is a reaction layer formation method of a fuel cell to form a reaction layer on the surface of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell, the solid high
A step of forming irregularities by performing roughening treatment to the surface of the polymer electrolyte membrane, a step of depositing a metal as a catalyst to a surface unevenness is formed, and along the unevenness in uniform thickness,
And a step of filling a plurality of carbon particles adjusted to have a desired size in the concave portion of the surface to which the metal is attached.
【０００８】上記構成において、前記凹凸が形成された
固体高分子電解質膜の表面に前記金属を付着させる工程
は、該凹凸が形成された表面に金属粒子をスパッタする
ことにより行なう構成とすることが好ましい。 In the above structure, the step of depositing the metal on the surface of the solid polymer electrolyte membrane having the irregularities may be performed by sputtering metal particles on the surface having the irregularities. Preferred .
【０００９】[0009]
【作用】以上のように構成された本発明の燃料電池の反
応層形成方法によれば、固体高分子電解質膜の表面に形
成された凹凸に沿わして一様な厚さで触媒としての金属
が沿わされていることから、その触媒としての金属は大
部分が電解質膜と接する。このため、触媒の利用率が向
上する。また、触媒としての金属は極めて薄くすること
ができることから、電解質膜とガスとの接触性が向上す
る。According to the reaction layer forming method of the fuel cell of the present invention configured as described above [action], and along the irregularities formed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane in uniform thickness as a catalytic metal Since most of the metal as a catalyst is in contact with the electrolyte membrane. Therefore, the utilization rate of the catalyst is improved. Further, since the metal as the catalyst can be made extremely thin, the contact property between the electrolyte membrane and the gas is improved.
【００１０】さらに、この燃料電池の反応層形成方法に
よれば、触媒としての金属が付着した電解質膜の表面の
凹部に、その凹部に適合する大きさの複数のカーボン粒
子が充填されていることから、電解質膜と電極との導電
性を確保するように作用する。Further, according to this method for forming a reaction layer of a fuel cell, a plurality of carbon particles having a size suitable for the recesses are filled in the recesses on the surface of the electrolyte membrane to which the metal as the catalyst is attached. Therefore, it acts to secure the conductivity between the electrolyte membrane and the electrode.
【００１１】[0011]
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。Preferred embodiments of the present invention will be described below in order to further clarify the structure and operation of the present invention described above.
【００１２】図１は、本発明の一実施例としての燃料電
池の反応層形成方法を適用した固体高分子型の燃料電池
１のセル構造の模式図である。この図に示すように、燃
料電池１は、その単一セル構造として、電解質膜１０
と、この電解質膜１０を両側から挟んでサンドイッチ構
造とするガス拡散電極としてのアノード２０およびカソ
ード３０と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつ
アノード２０およびカソード３０とで燃料ガスおよび酸
素含有ガスの流路を形成するセパレータ４０，５０と、
セパレータ４０，５０の外側に配置されアノード２０お
よびカソード３０の集電極となる集電板６０，７０とか
ら構成されている。さらに、アノード２０と電解質膜１
０との間、およびカソード３０と電解質膜１０との間に
は、触媒反応層８０，９０が形成されている。この触媒
反応層８０，９０の詳しい構成、およびその形成方法に
ついては、後ほど詳しく説明する。FIG. 1 is a schematic diagram of a cell structure of a solid polymer type fuel cell 1 to which a method for forming a reaction layer of a fuel cell as an embodiment of the present invention is applied. As shown in this figure, the fuel cell 1 has an electrolyte membrane 10 as its single cell structure.
And an anode 20 and a cathode 30 as gas diffusion electrodes that sandwich the electrolyte membrane 10 from both sides to form a sandwich structure, and a flow of a fuel gas and an oxygen-containing gas between the anode 20 and the cathode 30 while sandwiching the sandwich structure from both sides. Separators 40 and 50 forming a path,
It is composed of collector plates 60 and 70 which are arranged outside the separators 40 and 50 and serve as collector electrodes of the anode 20 and the cathode 30. Furthermore, the anode 20 and the electrolyte membrane 1
Catalytic reaction layers 80 and 90 are formed between 0 and between the cathode 30 and the electrolyte membrane 10. The detailed structure of the catalytic reaction layers 80 and 90 and the forming method thereof will be described later in detail.
【００１３】アノード２０側のセパレータ４０には、複
数のリブが形成されており、このリブとアノード２０の
表面とで燃料ガスの流路溝４１を形成する。一方、カソ
ード３０側のセパレータ５０にも、複数のリブが形成さ
れており、このリブとカソード３０の表面とで酸素含有
ガスの流路溝５１を形成する。A plurality of ribs are formed in the separator 40 on the anode 20 side, and the ribs and the surface of the anode 20 form a fuel gas passage groove 41. On the other hand, a plurality of ribs are also formed on the separator 50 on the cathode 30 side, and the ribs and the surface of the cathode 30 form a flow channel 51 for the oxygen-containing gas.
【００１４】以上説明したのが燃料電池１の単一セルの
構成であるが、実際には、セパレータ４０，アノード２
０，触媒反応層８０，電解質膜１０，触媒反応層９０，
カソード３０，セパレータ５０をこの順に複数組積層し
て、その外側に集電板６０，７０を配置することによ
り、燃料電池１のスタックは構成されている。Although the structure of the single cell of the fuel cell 1 has been described above, the separator 40 and the anode 2 are actually used.
0, catalytic reaction layer 80, electrolyte membrane 10, catalytic reaction layer 90,
The stack of the fuel cell 1 is configured by stacking a plurality of sets of the cathode 30 and the separator 50 in this order and disposing the current collectors 60 and 70 on the outside thereof.
【００１５】電解質膜１０は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。ここでは、電解質膜１０
として、ナフィオン１１７（デュポン社の商標）を用い
ている。アノード２０およびカソード３０は、炭素繊維
からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されて
いる。セパレータ４０，５０は、ち密質のカーボンプレ
ートにより形成されている。集電板６０，７０は、銅
（Ｃｕ）により形成されている。触媒反応層８０，９０
は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合
金等から構成されている。なお、ここで言う他の金属と
しては、バラジウム、ルビジウム、ルテニウム、チタ
ン、クロム、コバルトなどが該当する。The electrolyte membrane 10 is an ion exchange membrane formed of a polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electric conductivity in a wet state. Here, the electrolyte membrane 10
As the above, Nafion 117 (trademark of DuPont) is used. The anode 20 and the cathode 30 are formed of carbon cloth woven with a yarn made of carbon fiber. The separators 40 and 50 are formed of a dense carbon plate. The collector plates 60, 70 are made of copper (Cu). Catalytic reaction layers 80, 90
Is composed of platinum as a catalyst or an alloy of platinum and another metal. It should be noted that examples of the other metal referred to here include palladium, rubidium, ruthenium, titanium, chromium, and cobalt.
【００１６】こうして構成される固体高分子型の燃料電
池１における触媒反応層８０，９０の形成方法について
次に説明する。図２は、その反応層形成方法の工程を示
すフローチャートである。図２に示すように、まず、
「ナフィオン１１７」のフィルム（厚さ１７５［μ
ｍ］）を用意して、このフィルムに対してプラズマエッ
チング処理を施す（ステップＳ１００）。プラズマエッ
チング処理は、低圧のガスの雰囲気下において、電極間
に直流あるいは交流を印加して持続する放電に電解質膜
をさらし、放電により生成した電子、イオンなどの種々
の活性粒子で電解質膜を処理するもので、スパッタ装置
を用いて行なわれる。このスパッタ装置の運転条件は、
次のようなものである。スパッタ装置内のガス圧力は、
１×１０-3〜１×１０-2［Ｔｏｒｒ］の範囲内、ここで
は、５×１０-3［Ｔｏｒｒ］であり、装置内の雰囲気と
しては、アルゴン（Ａｒ）が用いられている。印加電力
は、５０［Ｗ］の高周波電力であり、処理時間は１０分
間である。A method of forming the catalytic reaction layers 80 and 90 in the solid polymer fuel cell 1 thus constructed will be described below. FIG. 2 is a flowchart showing the steps of the reaction layer forming method. As shown in FIG. 2, first,
"Nafion 117" film (thickness 175 [μ
m]) is prepared and plasma etching is performed on this film (step S100). Plasma etching is a low-pressure gas atmosphere in which direct current or alternating current is applied between electrodes to expose the electrolyte membrane to continuous discharge, and the electrolyte membrane is treated with various active particles such as electrons and ions generated by the discharge. This is done by using a sputtering device. The operating conditions of this sputtering device are
It looks like this: The gas pressure in the sputtering system is
The pressure is in the range of 1 × 10 −3 to 1 × 10 −2 [Torr], here 5 × 10 −3 [Torr], and argon (Ar) is used as the atmosphere in the apparatus. The applied power is a high frequency power of 50 [W], and the processing time is 10 minutes.
【００１７】このステップＳ１００の処理の結果、図３
に示すように、「ナフィオン１１７」からなる電解質膜
１０の表面に凹凸が形成されることになる。この凹凸
は、凹部の深さｄが５０〜５００［ｎｍ］の範囲内、こ
こでは８０［ｎｍ］であり、凸部間のピッチｐが５０〜
５００［ｎｍ］の範囲内、ここでは１００［ｎｍ］であ
る。As a result of the processing in step S100, as shown in FIG.
As shown in FIG. 5, unevenness is formed on the surface of the electrolyte membrane 10 made of “Nafion 117”. The depth of the recesses is 50 to 500 [nm], here 80 [nm], and the pitch p between the protrusions is 50 to 500 [nm].
It is in the range of 500 [nm], here 100 [nm].
【００１８】次いで、凹凸が形成された電解質膜１０の
表面に、白金（Ｐｔ）の薄膜を形成する処理を施す（ス
テップＳ２００）。この処理は、いわゆるスパッタリン
グと呼ばれるもので、スパッタ装置を用いて行なわれ
る。このスパッタ装置の運転条件は、次のようなもので
ある。スパッタ装置内のガス圧力は、１×１０-3〜１×
１０-2［Ｔｏｒｒ］の範囲内、ここでは、２×１０
-3［Ｔｏｒｒ］であり、装置内の雰囲気としては、アル
ゴン（Ａｒ）が用いられ、ターゲットは白金である。印
加電力は１００［Ｗ］の高周波電力であり、処理時間は
１０分間である。Then, a treatment for forming a platinum (Pt) thin film is performed on the surface of the electrolyte membrane 10 having the irregularities (step S200). This process is so-called sputtering, and is performed using a sputtering device. The operating conditions of this sputtering apparatus are as follows. The gas pressure in the sputtering device is 1 × 10 −3 to 1 ×
Within the range of 10 −2 [Torr], here, 2 × 10
-3 [Torr], argon (Ar) is used as the atmosphere in the apparatus, and the target is platinum. The applied power is a high frequency power of 100 [W], and the processing time is 10 minutes.
【００１９】このステップＳ２００の処理の結果、図４
に示すように、ステップＳ１００で形成された電解質膜
１０の表面には、その表面の凹凸に沿った形でほぼ一様
な厚さの白金層８１が形成される。この白金層８１の膜
厚ｔは、１〜２０［ｎｍ］の範囲内、ここでは１０［ｎ
ｍ］（白金量としては０．０５〜０．１［ｍｇ／ｃｍ
2 ］）である。As a result of the processing in step S200, as shown in FIG.
As shown in FIG. 5, a platinum layer 81 having a substantially uniform thickness is formed on the surface of the electrolyte membrane 10 formed in step S100 along the irregularities of the surface. The film thickness t of the platinum layer 81 is in the range of 1 to 20 [nm], here 10 [n].
m] (The amount of platinum is 0.05 to 0.1 [mg / cm
2 ]).
【００２０】続いて、粒径が１０〜２００［ｎｍ］の範
囲内、ここでは５０［ｎｍ］のカーボン粒子を、電解質
膜１０と同じ「ナフィオン１１７」の溶液中に混練しペ
ースト状にし、そのペーストをステップＳ２００で形成
された白金層８１の表面に印刷（塗り込むこと）する
（ステップＳ３００）。Subsequently, carbon particles having a particle diameter in the range of 10 to 200 [nm], here 50 [nm], are kneaded into the same solution of "Nafion 117" as the electrolyte membrane 10 to form a paste, The paste is printed (painted) on the surface of the platinum layer 81 formed in step S200 (step S300).
【００２１】その後、その白金層８１の表面にアノード
２０もしくはカソード３０となるカーボンクロスを接合
する（ステップＳ４００）。この接合は、１００℃ない
し１６０℃の範囲内、ここでは、１２０℃の温度で、１
ＭＰａ｛１０．２kgf／cm2｝ないし１０ＭＰａ｛１０２
kgf／cm2｝の範囲内、ここでは５ＭＰａ｛３１kgf／c
m2｝の圧力を作用させて、１０分間、接合するホットプ
レス法により行なわれる。この結果、「ナフィオン１１
７」の溶液が固化する過程で、いわば接着剤のような役
目を果たしながら、カーボンクロスは白金層８１の表面
に固着される。Thereafter, carbon cloth to be the anode 20 or the cathode 30 is bonded to the surface of the platinum layer 81 (step S400). This joining is within the range of 100 ° C to 160 ° C, here at a temperature of 120 ° C, 1
MPa {10.2 kgf / cm 2 } to 10 MPa {102
Within the range of kgf / cm 2 }, here 5 MPa {31 kgf / c
It is carried out by a hot pressing method in which a pressure of m 2 } is applied to bond for 10 minutes. As a result, "Nafion 11
During the process of solidifying the 7 "solution, the carbon cloth is fixed to the surface of the platinum layer 81 while playing a role as an adhesive.
【００２２】図５にそのカーボンクロスの白金層８１へ
の固着状態を示した。この図に示すように、ステップＳ
３００で塗り込まれたカーボン粒子８３が白金層８１の
表面の凹部に堆積した状態で、電解質膜１０上の白金層
８１の表面にカーボンクロスからなるアノード２０が接
合される。なお、図５中、８５は、ステップＳ３００で
塗り込んだ「ナフィオン１１７」の溶液である。こうし
て白金層８１、カーボン粒子８３および溶液８５からな
る触媒反応層８０が形成される。FIG. 5 shows the adhered state of the carbon cloth to the platinum layer 81. As shown in this figure, step S
The anode 20 made of carbon cloth is bonded to the surface of the platinum layer 81 on the electrolyte membrane 10 in a state where the carbon particles 83 coated with 300 are deposited in the recesses on the surface of the platinum layer 81. In FIG. 5, 85 is the solution of “Nafion 117” applied in step S300. Thus, the catalytic reaction layer 80 including the platinum layer 81, the carbon particles 83 and the solution 85 is formed.
【００２３】なお、カソード３０側の触媒反応層９０に
ついても、前述したアノード２０側の触媒反応層８０と
同じ方法で形成される。The catalytic reaction layer 90 on the cathode 30 side is also formed by the same method as the catalytic reaction layer 80 on the anode 20 side.
【００２４】以上詳述した燃料電池１では、アノード２
０に水素ガスを、カソード３０に酸素含有ガスを供給す
ると、電解質膜１０の中を水素イオンが（Ｈ+・ｘＨ
2Ｏ）の形で移動することにより、次式に示すように、
アノード２０では水素ガスを水素イオンと電子にする反
応が、カソードで３０は酸素含有ガスと水素イオンおよ
び電子から水を生成する反応が行なわれる。In the fuel cell 1 described in detail above, the anode 2
When hydrogen gas is supplied to 0 and oxygen-containing gas is supplied to the cathode 30, hydrogen ions in the electrolyte membrane 10 become (H + · xH
By moving in the form of 2 O), as shown in the following equation,
At the anode 20, a reaction of converting hydrogen gas into hydrogen ions and electrons is carried out, and at the cathode 30, a reaction of producing water from the oxygen-containing gas and hydrogen ions and electrons is carried out.
【００２５】アノード反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- カソード反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2ＯAnode reaction: H 2 → 2H + + 2e − Cathode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
【００２６】こうして、燃料電池１では、アノード２０
とカソード３０との間から電気エネルギを取り出すよう
にしている。Thus, in the fuel cell 1, the anode 20
The electric energy is taken out from between the cathode 30 and the cathode.
【００２７】以上詳述したように、この実施例に用いら
れた触媒反応層８０，９０の形成方法によれば、電解質
膜１０の表面に形成された凹凸に沿わしてほぼ一様な厚
さで触媒反応層８０，９０が沿わされて形成されてい
る。このため、その触媒としての白金は大部分が電解質
膜１０と接することになり、触媒の利用率を高めること
ができるといった効果を奏する。なお、この効果から、
白金の使用量を低減して、コストダウンを図ることがで
きるといった副次的な効果を奏する。As described above in detail, according to the method of forming the catalytic reaction layers 80 and 90 used in this embodiment, the thickness of the electrolyte membrane 10 is substantially uniform along the irregularities formed on the surface of the electrolyte membrane 10. Thus, the catalytic reaction layers 80 and 90 are formed along. For this reason, most of the platinum as the catalyst comes into contact with the electrolyte membrane 10, and there is an effect that the utilization rate of the catalyst can be increased. From this effect,
The secondary effect is that the amount of platinum used can be reduced and the cost can be reduced.
【００２８】また、前述した構成により、触媒反応層８
０，９０を極めて薄くすることができることから、ガス
拡散性が向上して、電解質膜１０と反応ガス（水素ガス
および酸素含有ガス）との接触性が向上する。このた
め、高電流密度域においても安定した出力特性を維持で
きることから、電池性能の向上を図ることができる。The catalytic reaction layer 8 has the above-mentioned structure.
Since 0 and 90 can be made extremely thin, the gas diffusivity is improved, and the contact between the electrolyte membrane 10 and the reaction gas (hydrogen gas and oxygen-containing gas) is improved. Therefore, the stable output characteristics can be maintained even in the high current density region, so that the battery performance can be improved.
【００２９】さらに、この実施例の触媒反応層の形成方
法によれば、触媒反応層８０が形成された電解質膜１０
の表面の凹部に、その凹部に適合する大きさのカーボン
粒子８３が充填されていることから、電解質膜１０とア
ノード２０，カソード３０との導電性を確保する。この
ため、電池性能の向上を一層図ることができる。Further, according to the method for forming the catalytic reaction layer of this embodiment, the electrolyte membrane 10 on which the catalytic reaction layer 80 is formed.
Since the recesses on the surface of the are filled with carbon particles 83 having a size suitable for the recesses, the conductivity between the electrolyte membrane 10 and the anode 20 and the cathode 30 is ensured. Therefore, the battery performance can be further improved.
【００３０】この実施例の燃料電池１の性能を従来の燃
料電池と比較評価したので、次に説明する。比較する燃
料電池は、一般的な従来品（従来技術の特開平５−２５
８７５６号公報で示した構成でない、ごく一般的なも
の）である。これら電池についての電流−電圧特性を調
べ、その結果を図６に示した。The performance of the fuel cell 1 of this example was compared and evaluated with that of a conventional fuel cell, and will be described below. The fuel cell to be compared is a general conventional product (see Japanese Patent Laid-Open No. 5-25 of the related art).
It is a very general one that does not have the configuration shown in Japanese Patent No. 8756). The current-voltage characteristics of these batteries were investigated, and the results are shown in FIG.
【００３１】図６から明らかなように、この実施例の燃
料電池１では、測定範囲の総ての電流密度に亘って比較
例の燃料電池よりその特性が優れ、特に、所定値Ｉ１以
上の高電流密度領域では、その差が顕著である。即ち、
この実施例では、触媒反応層８０を極めて薄くすること
ができることと、カーボン粒子８３により導電性を高め
ることができることとから、図６から明らかなように、
高い電池性能を得ることができた。As is apparent from FIG. 6, the fuel cell 1 of this embodiment is superior in characteristics to the fuel cell of the comparative example over the entire current density of the measurement range, and in particular, the fuel cell 1 having a predetermined value I1 or higher has a high characteristic. The difference is remarkable in the current density region. That is,
In this example, the catalytic reaction layer 80 can be made extremely thin, and the conductivity can be increased by the carbon particles 83.
We were able to obtain high battery performance.
【００３２】なお、前記実施例では、電解質膜の表面の
粗化処理として、プラズマエッチング処理が用いられて
いたが、これに換えて、サンドブラスト等の他の処理と
してもよく、電解質膜の表面に所望の凹凸を形成するこ
とができればどのようなものでもよい。Although plasma etching is used as the roughening treatment of the surface of the electrolyte membrane in the above embodiment, other treatment such as sand blasting may be used instead of the plasma etching treatment. Any material may be used as long as the desired unevenness can be formed.
【００３３】また、前記実施例では、粗化処理を施した
電解質膜の表面に触媒としての金属粒子を付着させる処
理として、スパッタリング処理が用いられていたが、こ
れに換えて、メッキにより触媒金属を付着させる構成と
してもよく、電解質膜の凹凸に沿わしてほぼ一様な厚さ
で付着することができればどのようなものでもよい。Further, in the above-mentioned embodiment, the sputtering treatment was used as the treatment for adhering the metal particles as the catalyst to the surface of the roughened electrolytic membrane, but instead of this, the catalyst metal by plating is used. May be attached, and any structure may be used as long as it can be attached with a substantially uniform thickness along the unevenness of the electrolyte membrane.
【００３４】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。The embodiment of the present invention has been described above.
The present invention is not limited to these examples, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
【００３５】[0035]
【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料電池の
反応層形成方法によれば、触媒の利用率を向上すること
ができるといった優れた効果を奏する。なお、この効果
から、白金の使用量を低減して、コストダウンを図るこ
とができるといった副次的な効果も奏する。また、反応
層を極めて薄くすることができることと、その反応層の
表面の凹部に複数のカーボン粒子が充填されていること
から、電池性能の向上を図ることができるといった効果
を奏する。As described above, according to the method for forming a reaction layer of a fuel cell of the present invention, there is an excellent effect that the utilization rate of the catalyst can be improved. From this effect, there is also a secondary effect that the amount of platinum used can be reduced and the cost can be reduced. Further, since the reaction layer can be made extremely thin and the recesses on the surface of the reaction layer are filled with a plurality of carbon particles, the battery performance can be improved.
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の反応層形
成方法を適用した燃料電池のセル構造の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a cell structure of a fuel cell to which a method for forming a reaction layer of a fuel cell according to an embodiment of the present invention is applied.
【図２】その反応層形成方法の工程を示すフローチャー
トである。FIG. 2 is a flowchart showing steps of the reaction layer forming method.
【図３】その反応層形成方法のステップＳ１００の処理
の結果形成される電解質膜１０の表面を示す拡大断面図
である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the surface of an electrolyte membrane 10 formed as a result of the process of step S100 of the reaction layer forming method.
【図４】その反応層形成方法のステップＳ２００の処理
の結果形成される電解質膜の表面を示す拡大断面図であ
る。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a surface of an electrolyte membrane formed as a result of the process of step S200 of the reaction layer forming method.
【図５】その反応層形成方法により形成される触媒反応
層付近の拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of a catalytic reaction layer formed by the reaction layer forming method.
【図６】実施例の燃料電池と従来の燃料電池とを比較評
価するために用いた電流−電圧特性を示すグラフであ
る。FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics used for comparative evaluation of the fuel cell of the example and the conventional fuel cell.
１…燃料電池 １０…燃料電池 ２０…アノード ３０…カソード ４０，５０…セパレータ ４１…燃料ガスの流路溝 ５１…酸素含有ガスの流路溝 ６０，７０…集電板 ８０，９０…触媒反応層 ８１…白金層 ８３…カーボン粒子 ８５…溶液 1 ... Fuel cell 10 ... Fuel cell 20 ... Anode 30 ... Cathode 40, 50 ... Separator 41 ... Fuel gas flow channel 51 ... Oxygen-containing gas channel groove 60, 70 ... Current collector 80, 90 ... Catalytic reaction layer 81 ... Platinum layer 83 ... Carbon particles 85 ... solution
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−258756（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−176765（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 4/86 - 4/96,8/02,8/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-5-258756 (JP, A) JP-A-6-176765 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 4/86-4 / 96,8 / 02,8 / 10
Claims (2)
反応層を形成する燃料電池の反応層形成方法であって、 前記固体高分子電解質膜の表面に粗化処理を施して凹凸
を形成する工程と、 該凹凸が形成された表面に触媒としての金属を、該凹凸
に沿わして一様な厚さで付着させる工程と、 前記金属が付着した表面の凹部に所望の大きさに調整さ
れた複数のカーボン粒子を充填させる工程とを備える燃
料電池の反応層形成方法。1. A method for forming a reaction layer of a fuel cell, comprising forming a reaction layer on the surface of a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell, wherein the surface of the solid polymer electrolyte membrane is roughened to form irregularities. And a step of depositing a metal as a catalyst on the surface having the unevenness so as to have a uniform thickness along the unevenness, and adjusting to a desired size in the concave part of the surface having the metal deposited thereon. Of a plurality of carbon particles prepared as described above, and a method for forming a reaction layer of a fuel cell.
法であって、 前記凹凸が形成された固体高分子電解質膜の表面に前記
金属を付着させる工程は、 該凹凸が形成された表面に金属粒子をスパッタすること
により行なう構成である燃料電池の反応層形成方法。2. The method for forming a reaction layer of a fuel cell according to claim 1, wherein the step of adhering the metal to the surface of the solid polymer electrolyte membrane having the unevenness includes the surface having the unevenness. 1. A method for forming a reaction layer of a fuel cell, which is configured by sputtering metal particles on the surface.
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