JP5181469B2

JP5181469B2 - 膜電極接合体の製造方法

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Publication number: JP5181469B2
Application number: JP2006315332A
Authority: JP
Inventors: 英世大森; 達央川畑; 修浜野井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008130416A

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法に関するものである。

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。そして、アノード、および、カソードは、それぞれ、上記電気化学反応を促進するための触媒層と、燃料電池の外部から供給された反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）を拡散させつつ、触媒層に供給するためのガス拡散層とを備える。

そして、膜電極接合体には、上述した各層間における接触抵抗の低減等が要求されており、従来、膜電極接合体の製造方法について、種々の技術が提案されている（下記特許文献１，２参照）。例えば、下記特許文献１には、電極（例えば、カソード）の触媒層側の面に対して高分子電解質の溶液をスクリーン印刷により塗布して乾燥させ、予め作製しておいた電極（例えば、アノード）の触媒層側の面を当接させ、ホットプレスすることによって、膜電極接合体を製造する技術が記載されている。また、下記特許文献２には、多孔性基材に電解質溶液を含浸させて電解質膜を製造し、電解質溶液が未乾燥状態の電解質膜の少なくとも一方の面に、電極触媒溶液を塗布し、ホットプレスすることによって、膜電極接合体を製造する技術が記載されている。

特開平９−１８０７４０号公報特開２００６−１４７２５７号公報

ところで、膜電極接合体において、ガス拡散層としては、ガス拡散性、および、導電性が要求されるため、一般に、カーボンクロスや、カーボンペーパ等が用いられる。そして、カーボンペーパは、カーボンクロスと比較して、カーボン繊維が整っており、表面が滑らかである。換言すれば、カーボンクロスは、カーボンペーパと比較して、カーボン繊維が整っておらず、表面からカーボン繊維が飛び出しており、表面がざらついている。

このため、ガス拡散層としてカーボンクロスを用いる場合には、カーボンペーパを用いる場合と比較して、ガス拡散層（カーボンクロス）と触媒層との密着性が高くなり、ガス拡散層と触媒層との間の接触抵抗が低くなる。しかし、ガス拡散層としてカーボンクロスを用い、ホットプレスによって膜電極接合体を製造した場合には、カーボンクロスの表面から飛び出したカーボン繊維によって、電解質膜が物理的な損傷を受けやすいため、電解質膜において、クロスリークが発生しやすく、クロスリークに対する耐久性が低いという課題があった。

一方、ガス拡散層としてカーボンペーパを用いる場合には、カーボンクロスを用いる場合と比較して、ホットプレスによって膜電極接合体を製造した場合であっても、電解質膜は、上述した損傷を受けにくいため、電解質膜において、クロスリークは発生しにくく、クロスリークに対する耐久性が高い。しかし、この場合には、ガス拡散層（カーボンペーパ）と触媒層との密着性が低くなり、ガス拡散層と触媒層との間の接触抵抗が高くなるという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体において、ガス拡散層と触媒層との間の接触抵抗の低減と、電解質膜のクロスリークに対する耐久性の向上とを両立することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。本発明の膜電極接合体の製造方法は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、第１のガス拡散層としての第１のカーボンペーパの一方の面に、第１の触媒を含む第１の液体を塗布して、第１の触媒層を形成する第１の触媒層形成工程と、前記第１の触媒層の表面に、ゲル化する材料を含むゾルであって、固体電解質が分散したゾルを塗布してゲル化することによって、前記第１の触媒層の表面に第１の電解質層が形成された第１の積層部材を製造する第１の積層部材製造工程と、第２のガス拡散層としての第２のカーボンペーパの一方の面に、第２の触媒を含む第２の液体を塗布して、第２の触媒層を形成する第２の触媒層形成工程と、前記第２の触媒層の表面に、ゲル化する材料を含むゾルであって、固体電解質が分散したゾルを塗布してゲル化することによって、前記第２の触媒層の表面に第２の電解質層が形成された第２の積層部材を製造する第２の積層部材製造工程と、前記第１の電解質層、および、前記第２の電解質層がゲル化している状態で、前記第１の電解質層と、前記第２の電解質層とを対向させて、前記第１の積層部材と、前記第２の積層部材とを接合する接合工程と、前記接合された第１の電解質層、および、第２の電解質層を乾燥させて、電解質膜を形成する工程と、を備えることを要旨とする。

本発明では、第１のガス拡散層（例えば、アノード側のガス拡散層）、および、第２のガス拡散層（例えば、カソード側のガス拡散層）として、カーボンペーパを用い、これらの一方の表面に、それぞれ第１の触媒（アノード用の触媒）を含む第１の液体、および、第２の触媒（カソード用の触媒）を含む第２の液体を塗布して、第１の触媒層（アノード側の触媒層）、および、第２の触媒層（カソード側の触媒層）を形成する。第１の触媒を含む第１の液体、および、第２の触媒を含む第２の液体としては、例えば、いわゆる触媒インクを用いることができる。こうすることによって、触媒インクの一部がカーボンペーパに染み込むので、ガス拡散層と触媒層との密着性を向上させることができる。

また、本発明では、第１の触媒層、および、第２の触媒層の表面に、それぞれゲル化する材料を含むゾルであって、固体電解質が分散したゾルを塗布してゲル化することによって、第１の電解質層、および、第２の電解質層を形成し、これらがゲル化している状態で、第１の電解質層と、第２の電解質層とを対向させて接合し、乾燥させて電解質膜を形成する。なお、「固体電解質を含む溶液」は、固体電解質が分散した液体であってもよいし、固体電解質が溶解した液体であってもよい。こうすることによって、第１の電解質層と、第２の電解質層とを、ホットプレスすることなく、容易に密着させることができる。したがって、上述した電解質膜の損傷を抑制し、クロスリークに対する耐久性を向上させることができる。つまり、本発明によって、膜電極接合体において、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層との間の接触抵抗を低減と、電解質膜のクロスリークに対する耐久性の向上とを両立することができる。

上記製造方法において、前記第１の成層部材製造工程と、前記第２の積層部材製造工程と、前記接合工程とのうちの少なくとも１つは、前記第１の電解質層の内部、前記第２の電解質層の内部、前記第１の電解質層と前記第２の電解質層と間のうちの少なくとも一部に、前記電解質膜の機械的強度を向上させるための補強層を埋め込む工程を含むようにしてもよい。こうすることによって、膜電極接合体の強度を向上させることができる。

本発明は、上述の膜電極接合体の製造方法としての構成の他、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例の膜電極接合体１００の製造工程を示す説明図である。本実施例の膜電極接合体１００は、燃料電池に用いられ、電解質膜の一方の面に、アノードとして、触媒層、および、ガス拡散層が接合され、他方の面にカソードとして、触媒層、および、ガス拡散層が接合されたものである。

まず、図１（ａ），（ｂ）に示したように、アノード側のガス拡散層としてのカーボンペーパ１０と、カソード側のガス拡散層としてのカーボンペーパ２０とを用意する。カーボンペーパ１０、および、カーボンペーパ２０は、本発明における第１のカーボンペーパ、および、第２のカーボンペーパに相当する。

次に、図１（ｃ）に示したように、カーボンペーパ１０の一方の表面に、アノード用の触媒インクを塗布して乾燥させ、アノード側の触媒層１２を形成する。また、図１（ｄ）に示したように、カーボンペーパ２０の一方の表面にも、カソード用の触媒インクを塗布して乾燥させ、カソード側の触媒層２２を形成する。こうすることによって、各触媒インクの一部が、カーボンペーパ１０，２０にそれぞれ染み込み、カーボン繊維と絡み合うため、カーボンペーパ１０，２０と、触媒層１２，２２との密着性をそれぞれ向上させ、カーボンペーパ１０，２０と触媒層１２，２２との間の接触抵抗を低減することができる。アノード用の触媒インク、および、カソード用の触媒インクは、それぞれ本発明における第１の液体、および、第２の液体に相当する。また、触媒層１２、および、触媒層２２は、それぞれ本発明における第１の触媒層、および、第２の触媒層に相当する。なお、各触媒インクの成分、および、混合割合は、任意に設定可能である。

次に、図１（ｅ）に示したように、アノード側の触媒層１２の表面に、固体高分子電解質が分散したゾル（例えば、ナフィオン分散溶液（ナフィオンは登録商標））を塗布し、これをゲル化して、電解質層１４を形成する。また、図１（ｆ）に示したように、カソード側の触媒層２２の表面にも、電解質が分散したゾルを塗布し、これをゲル化して、電解質層２４を形成する。こうすることによって、上記ゾルの一部が触媒層１２，２２にそれぞれ染み込むため、触媒層１２，２２と、電解質層１４，２４との密着性をそれぞれ向上させ、触媒層１２，２２と電解質層１４，２４との間の接触抵抗を低減することができる。電解質層１４、および、電解質層２４は、それぞれ本発明における第１の電解質層、および、第２の電解質層に相当する。また、触媒層１２上に電解質層１４が形成された部材、および、触媒層２２上に電解質層２４が形成された部材は、それぞれ本発明における第１の積層部材、および、第２の積層部材に相当する。なお、本実施例では、固体高分子電解質としてフッ素系の電解質であるナフィオン（登録商標）を用いるものとしたが、他のフッ素系の固体高分子電解質や、炭化水素系の固体高分子電解質等、他の固体高分子電解質を用いるものとしてもよい。

次に、図１（ｇ）に示したように、ゲル化した電解質層１４の表面と、電解質層２４の表面とを当接させて乾燥させることによって、電解質層１４と電解質層２４とが一体化した電解質膜を形成し、膜電極接合体１００が完成する。こうすることによって、物理的な損傷を与えることなく、容易に電解質膜を形成することができる。

以上説明した第１実施例の膜電極接合体１００の製造工程によれば、膜電極接合体１００において、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層との間の接触抵抗を低減と、電解質膜のクロスリークに対する耐久性の向上とを両立することができる。

Ｂ．第２実施例
図２は、第２実施例の膜電極接合体１００Ａの製造工程を示す説明図である。本実施例では、図２（ａ）〜（ｆ）は、先に説明した第１実施例（図１（ａ）〜（ｆ））と同じである。第２実施例の膜電極接合体１００Ａの製造工程では、図２（ｇ）に示したように、電解質層１４と、電解質層２４との間に、プロトン伝導性を有する補強材３０を介装する。この補強材３０は、例えば、多孔質の基材に固体高分子電解質が溶解した溶液を含浸させて乾燥させることによって製造される。補強材３０は、本発明における補強層に相当する。

以上説明した第２実施例の１００Ａの製造工程によっても、膜電極接合体１００Ａにおいて、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層との間の接触抵抗を低減と、電解質膜のクロスリークに対する耐久性の向上とを両立することができる。また、電解質層１４と、電解質層２４との間に補強材３０が介装されているので、膜電極接合体１００Ａの機械的強度を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、図１（ｅ）、（ｆ）に示した工程において、触媒層１２，２２の表面に、それぞれ固体高分子電解質が分散したゾルを塗布し、これらをゲル化して、電解質層１４，２４を形成し、図１（ｇ）に示した工程において、ゲル化した電解質層１４の表面と、電解質層２４の表面とを当接させて乾燥させることによって、電解質層１４と電解質層２４とが一体化した電解質膜を形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。この代わりに、触媒層１２，２２の表面に、それぞれ固体高分子電解質が溶解した溶液を塗布し、これらが未乾燥の状態で、電解質層１４の表面と、電解質層２４の表面とを当接させて乾燥させるものとしてもよい。これは、上記第２実施例においても同様である。

Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例では、電解質層１４と、電解質層２４と間に、補強材３０を介装するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、補強材３０を電解質層１４内に埋め込むようにしてもよいし、電解質層２４内に埋め込むようにしてもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例では、補強材３０として、プロトン伝導性を有する部材を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。補強材３０として、例えば、金属メッシュ等、電解質膜中で、プロトンが通過可能な部材を用いるようにしてもよい。

Ｃ４．変形例４：
上記第１実施例の製造工程によって製造された膜電極接合体１００、または、第２実施例の製造工程によって製造された膜電極接合体１００Ａを、セパレータによって挟持することによって、燃料電池を製造することができる。

第１実施例の膜電極接合体１００の製造工程を示す説明図である。第２実施例の膜電極接合体１００Ａの製造工程を示す説明図である。

符号の説明

１００，１００Ａ...膜電極接合体
１０...カーボンペーパ（アノード側）
１２...触媒層（アノード側）
１４...電解質層
２０...カーボンペーパ（カソード側）
２２...触媒層（カソード側）
２４...電解質層
３０...補強材

Claims

燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
第１のガス拡散層としての第１のカーボンペーパの一方の面に、第１の触媒を含む第１の液体を塗布して、第１の触媒層を形成する第１の触媒層形成工程と、
前記第１の触媒層の表面に、ゲル化する材料を含むゾルであって、固体電解質が分散したゾルを塗布してゲル化することによって、前記第１の触媒層の表面に第１の電解質層が形成された第１の積層部材を製造する第１の積層部材製造工程と、
第２のガス拡散層としての第２のカーボンペーパの一方の面に、第２の触媒を含む第２の液体を塗布して、第２の触媒層を形成する第２の触媒層形成工程と、
前記第２の触媒層の表面に、ゲル化する材料を含むゾルであって、固体電解質が分散したゾルを塗布してゲル化することによって、前記第２の触媒層の表面に第２の電解質層が形成された第２の積層部材を製造する第２の積層部材製造工程と、
前記第１の電解質層、および、前記第２の電解質層がゲル化している状態で、前記第１の電解質層と、前記第２の電解質層とを対向させて、前記第１の積層部材と、前記第２の積層部材とを接合する接合工程と、
前記接合された第１の電解質層、および、第２の電解質層を乾燥させて、電解質膜を形成する工程と、
を備える製造方法。
請求項１記載の製造方法であって、
前記第１の積層部材製造工程と、前記第２の積層部材製造工程と、前記接合工程とのうちの少なくとも１つは、前記第１の電解質層の内部、前記第２の電解質層の内部、前記第１の電解質層と前記第２の電解質層との間のうちの少なくとも一部に、前記電解質膜の機械的強度を向上させるための補強層を埋め込む工程を含む、
製造方法。