JP5836060B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するMEAの構成を示す平面図(a)及び断面図(b)である。図1(a)に示すように、MEAは、反応部Aとシール部Bとから構成される。また、図1(b)に示すように、MEAは、電解質膜1の両面に、燃料極2及び酸化剤極3を配置して構成される。燃料極2はガス拡散層2a及び触媒層2bにより構成され、酸化剤極3は、ガス拡散層3a及び触媒層3bにより構成される。これらガス拡散層2a,3aおよび触媒層2b,3bの製造方法について、以下に説明する。
燃料極2のガス拡散層2aは、次のようにして形成される。まず、カーボンペーパー2c(厚さ190μm)上に、アセチレンブラックとPTFEを乾式混合して得られた粉末を乾式塗布し、ローラーで圧着してカーボン多孔質層2d(厚さ40μm)を形成した。次いで、反応ガスのシール機能を持たせるため、このカーボン多孔質層2dの外周(シール部B)に、電解質膜1との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材2e(HDPEフィルム、厚さ100μm、融点150℃)を配置し、150℃で12.5kgf/cm2の圧力で熱圧着を行い、含浸処理した。また、電解質膜1との接着面側から熱可塑性接着剤2f(軟化温度120℃、シート状、厚さ50μm)を90℃で熱圧着し、仮付けした。
次に、触媒層2b,3bの形成工程について説明する。まず、ケッチェンブラックを担体とするPt系貴金属触媒に純水を加えて得られたスラリーに5%の電解質溶液を加え、さらに2−プロパノールを加えて固形分を10%に調整した触媒インクを製造した。このインクを、55℃の窒素雰囲気中で3〜5時間乾燥して触媒フロックを形成した。得られた触媒フロックを粉砕器にて粉砕し、触媒・電解質混合粉末を作成した。
得られた燃料極2および酸化剤極3を電解質膜1の両面に配置し、圧着ローラーにて圧着を行うと、接着剤が電解質膜1に吸着し、MEAの形態に仮接着される。このように仮接着された仮MEA10について、図2に示すMEA一体化装置11を用いて仮MEA10の一体化を実施した。
以上のようにして第1の実施形態に係るMEAを製作し、その評価を行った。また、比較参照のため、従来の加圧成形機を用いて製造したMEA(従来例1)、含浸材として熱圧着温度よりも高い融点を有するPVDFシート(厚さ100μm)を用いて得たMEA(比較性1)、接着シートの厚さを2倍に増加させて得た(厚さ100μm)MEA(比較例2)、熱圧着装置を平板プレス方式から圧着ローラー方式に変えて得たMEA(比較例3)においても同様の評価を行った。これらのMEAの仕様一覧を下記表1に示す。
感圧紙(圧力測定フィルムLLLW:富士フィルム社製)を用いて、仮MEAの熱圧着前および熱圧着後の各加圧条件下でのMEA平面内の面圧分布を測定した。
実施例1ではCCS方式により製造したMEAについて説明したが、本実施例ではCCM方式により製造した場合の実施例について説明する。
燃料極2のガス拡散層2aは、次のようにして形成される。まず、カーボンペーパー2c(厚さ190μm)上に、アセチレンブラックとPTFEを乾式混合して得られた粉末を乾式塗布し、ローラーで圧着してカーボン多孔質層2d(厚さ40μm)を形成した。次いで、反応ガスのシール機能を持たせるため、このカーボン多孔質層2dの外周(シール部B)に、電解質膜1との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材2e(HDPEフィルム、厚さ100μm、融点150℃)を配置し、150℃で12.5kgf/cm2の圧力で熱圧着を行い、含浸処理した。また、電解質膜1との接着面側から熱可塑性接着剤2f(軟化温度120℃、シート状、厚さ50μm)を90℃で熱圧着し、仮付けした。
次に、触媒層2b,3bの形成工程について説明する。まず、ケッチェンブラックを担体とするPt系貴金属触媒に純水を加えて得られたスラリーに5%の電解質溶液を加え、さらに2−プロパノールを加えて固形分を10%に調整した触媒インクを製造した。このインクをPETフィルム上にダイコーターを用いて所定量塗布し、55℃の窒素雰囲気中で1時間乾燥して、触媒フィルムを形成した。
得られた触媒層付き電解質膜1の両面に燃料極ガス拡散層2aおよび酸化剤極ガス拡散層3aを配置し、圧着ローラーにて圧着を行うと、接着剤2f,3fが電解質膜1に吸着し、MEAの形態に仮接着される。このように仮接着されたMEA10について実施形態1と同様に、図2に示すMEA一体化装置11を用いて仮MEA10の一体化を実施した。本実施形態では、熱圧着時間1秒〜90秒間、基板全体の平均面圧が16kgf/cm2となる条件で熱圧着を実施した。
以上のようにして第2の実施形態に係るMEAを製作し、その評価を行った。また、比較参照のため、含浸材の融点が熱圧着温度よりも高い樹脂であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)シート(厚さ100μm)を用いて得たMEA(比較性4)についても同様の評価を行った。これらのMEAの仕様一覧を下記表2に示す。
感圧紙(圧力測定フィルムLLLW:富士フィルム社製)を用いて、仮MEAの熱圧着前および熱圧着後の加圧条件下でのMEA平面内の面圧分布を測定した。
Claims (2)
- 電解質膜と、その両面に配置された、それぞれ触媒層およびガス拡散層を含む一対のガス拡散電極とからなる積層体を熱圧着により一体化してなり、反応部とその周辺のシール部とを有する電解質膜・電極接合体を具備する燃料電池の製造方法であって、
前記一対のガス拡散電極を構成するそれぞれの前記ガス拡散層の前記シール部に、前記電解質膜との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材を配置し、前記電解質膜との接着面側から熱可塑性接着剤を配置する工程であって、前記含浸材および前記熱可塑性接着剤の融点が前記熱圧着の温度以下である工程、
前記一対のガス拡散電極を構成するそれぞれの前記ガス拡散層の反応部に前記触媒層を形成して、前記一対のガス拡散電極を作製する工程、
前記電解質膜の両面に、前記一対のガス拡散電極を配置する工程、及び
前記電解質膜及び一対のガス拡散電極からなる積層体を、平板プレス方式の熱圧着装置により、前記電解質膜・電極接合体の反応部の厚さがシール部の厚さより厚くなるように熱圧着し、一体化して電解質膜・電極接合体を形成する工程
を具備することを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 前記電解質膜の両面に、前記一対のガス拡散電極を配置した、熱圧着前の前記電解質膜・電極接合体は、反応部の厚さよりシール部の厚さが厚いことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の製造方法。
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