JP4930821B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。
燃料電池システムは、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた電極用の触媒層と、を有する燃料電池を備えており、この燃料電池の一方の触媒層（アノード側電極）にアノードガスを、他方の触媒層（カソード側電極）にカソードガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。
燃料電池システムの運転時には、燃料電池における電気化学反応に起因して水分が生成される。このように生成された水分（以下「生成水」という）には、過酸化水素等の劣化要因物質が含まれているため、生成水が燃料電池の電解質膜の触媒層形成領域から触媒層非形成領域（周縁部）に向けて移動して触媒層の端部近傍に溜まると、触媒層の端部が劣化するおそれがある。近年においては、かかる問題を解決する可能性のある技術として、電解質膜の周縁部にシリコンゴムやフッ素ゴムで構成したシール材を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２２０７４２号公報
しかし、前記特許文献１に記載の技術で採用されているシール材の圧縮率は、触媒層の圧縮率と異なるため、燃料電池製作の際にこれらシール材及び触媒層に共通の圧縮力を作用させて締結すると触媒層の端部近傍に間隙が生じ、かかる間隙に生成水が溜まるおそれがある。従って、前記特許文献１に記載の技術を採用しても、触媒層の端部の劣化を防ぐには不充分であった。
本発明は、燃料電池の電解質膜に設けられた触媒層の端部の劣化を防止することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた触媒層と、電解質膜の触媒層が形成されていない領域の少なくとも一部に設けられ触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する非触媒層と、を備える燃料電池の製造方法であって、触媒層を構成する材料を電解質膜の中央部に塗布し乾燥させることにより触媒層を形成する工程と、触媒層を構成する材料のうち触媒を除いた材料を電解質膜の周縁部の触媒層非形成領域に液滴吐出法により塗布し乾燥させることにより非触媒層を形成する工程と、を含むものである。
かかる方法によれば、触媒層を構成する材料の塗布作業と、非触媒層を構成する材料（触媒層を構成する材料のうち触媒を除いた材料）の塗布作業と、を略同時に一挙に実施することができ、塗布後の乾燥も同時に実施することができるので、短時間で触媒層及び非触媒層を形成することができる。また、かかる方法により製造される燃料電池によれば、電解質膜の周縁部の触媒層非形成領域に、電解質膜の中央部の触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する非触媒層が設けられているので、これら触媒層及び非触媒層に共通の圧縮力を作用させた場合に、触媒層の端部近傍に間隙が生じるのを阻止することができる。従って、劣化要因物質を含む生成水が触媒層の端部近傍に溜まることを阻止することができるので、触媒層の端部の劣化を効果的に防止することができ、触媒層の耐久性を向上させることができる。
なお、本発明において「圧縮率」とは、触媒層及び非触媒層に作用する圧縮力の変化と、かかる圧縮力変化に対応する触媒層及び非触媒層の圧縮力作用方向における寸法の変化と、の比を意味し、「触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する」とは、触媒層と同一の圧縮力を作用させた場合に略同一寸法だけ圧縮力作用方向に収縮することを意味する。
本発明によれば、燃料電池の電解質膜に設けられた触媒層の端部の劣化を効果的に防止することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。以下の実施形態に係る燃料電池は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池である。
まず、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池１の構成について説明する。燃料電池１は、複数の単電池１０を積層したスタック本体２を備えており、スタック本体２の両端に位置する単電池１０の外側に、出力端子付の集電板３、絶縁板４及びエンドプレート５がこの順に配置されて構成されている。各エンドプレート５の外側には図示していないテンションプレートが配置され、これらテンションプレートが各々エンドプレート５にボルト固定されることにより、単電池１０の積層方向に所定の圧縮力が加えられるようになっている。
次に、図２及び図３を用いて、単電池１０の構成について説明する。単電池１０は、図２及び図３に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、電解質膜１１の触媒層非形成領域１１ａに設けられたダミー層１３、触媒層１２の外側に配設される拡散層１４、反応ガス流路が設けられたセパレータ１５、拡散層１４とセパレータ１５との間をシールするシール部材１６等から構成されている。
電解質膜１１は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成されている。触媒層１２は、白金やコバルト等の電極触媒が担持されたシート状成形体であって、アノード側電極とカソード側電極とを構成する。電解質膜１１及び触媒層１２は何れも平面視で矩形形状を呈しており、図２及び図３に示すように、電解質膜１１は触媒層１２よりも広い面積を有している。
ダミー層１３は、本発明における非触媒層であり、燃料電池製作の際の締結時に触媒層１２の端部近傍に間隙が生じることを阻止して、触媒層１２の端部を保護するものである。ダミー層１３は、触媒層１２を構成する材料のうち白金等の触媒を除いた材料で構成され、圧縮力が作用していない状態で触媒層１２の厚さと略同一の厚さを有するとともに、触媒層１２の圧縮率と略同一の圧縮率を有している。本実施形態においては、電解質膜１１の触媒層非形成領域１１ａに液滴吐出法（インクジェット法）で所定の溶液を塗布して固化させることにより、ダミー層１３を形成している。
拡散層１４は、カーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池１の外部からセパレータ１５を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２に流すものである。セパレータ１５は、ガス不透過の導電性材料で構成され、その電極側の面には反応ガス流路１５ａが形成されている。また、セパレータ１５には、反応ガスの入口及び出口となるマニホールド１５ｂが設けられており、マニホールド１５ｂは反応ガス流路１５ａに連通するようになっている。
次に、図３等を用いて、本実施形態に係る燃料電池１の製造方法について説明する。
まず、電解質膜１１を準備する（電解質膜準備工程）。次いで、白金担持カーボン粉末とナフィオン溶液とを酢酸ブチル溶媒に分散させることにより、ペースト状の電極触媒スラリーを調製する。また、かかる電極触媒スラリーから触媒である白金を除いたペースト状の非触媒スラリーを調製する（スラリー調製工程）。
次いで、電極触媒スラリーを電解質膜１１の中央部に塗布するとともに、非触媒スラリーを電解質膜１１の周縁部（触媒層非形成領域１１ａ）に塗布し、これら電極触媒スラリー及び非触媒スラリーを乾燥させることにより、触媒層１２及びダミー層を形成する（触媒層・ダミー層形成工程）。
続いて、図３に示すように、触媒層１２及びダミー層１３の上にカーボンペーパを接合して拡散層１４を形成する（拡散層形成工程）。そして、これら電解質膜１１、触媒層１２、ダミー層１３及び拡散層１４からなる積層体を、シール部材１６を介してセパレータ１５で挟持することにより、単電池１０を構成する。その後、単電池１０を複数積層してスタック本体２を構成し、このスタック本体２の端部に集電板３、絶縁板４及びエンドプレート５を配置し、エンドプレート５にテンションプレートをボルト固定することにより、燃料電池１を得る。
以上説明した実施形態に係る燃料電池１においては、電解質膜１１の触媒層非形成領域１１ａに、触媒層１２の圧縮率と略同一の圧縮率を有するダミー層１３が設けられているので、これら触媒層１２及びダミー層１３に共通の圧縮力を作用させた場合に、触媒層１２の端部近傍に間隙が生じるのを阻止することができる。従って、劣化要因物質を含む生成水が触媒層１２の端部近傍に溜まることを阻止することができるので、触媒層１２の端部の劣化を効果的に防止することができ、触媒層１２の耐久性を向上させることができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１の製造方法においては、触媒層１２を構成する材料の塗布作業と、ダミー層１３を構成する材料（触媒層１２を構成する材料のうち触媒を除いた材料）の塗布作業と、を共通の工程で略同時に一挙に実施することができ、塗布後の乾燥も同時に実施することができる。従って、短時間で触媒層１２及びダミー層１３を形成することができる。
なお、以上の実施形態においては、電極触媒スラリーから触媒（白金）を除いた非触媒スラリー（カーボン粉末とナフィオン溶液とを酢酸ブチル溶媒に分散させたもの）を用いてダミー層１３を構成した例を示したが、ダミー層１３を構成する非触媒スラリーに撥水性材料又は不透水性材料を含有させることもできる。
撥水性材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、テトラフルオロエチレンーペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレンーエチレン共重合体等を採用することができる。
１…燃料電池、１１…電解質膜、１１ａ…触媒層非形成領域、１２…触媒層、１３…ダミー層（非触媒層）
Claims (1)
- 電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた触媒層と、前記電解質膜の前記触媒層が形成されていない領域の少なくとも一部に設けられ、前記触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する非触媒層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
前記触媒層を構成する材料を前記電解質膜の中央部に塗布し乾燥させることにより前記触媒層を形成する工程と、
前記触媒層を構成する材料のうち触媒を除いた材料を前記電解質膜の周縁部の触媒層非形成領域に液滴吐出法により塗布し乾燥させることにより前記非触媒層を形成する工程と、を含む、
燃料電池の製造方法。
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