JPH04329264A - イオン交換膜式燃料電池の製造方法 - Google Patents

イオン交換膜式燃料電池の製造方法

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JPH04329264A
JPH04329264A JP3098537A JP9853791A JPH04329264A JP H04329264 A JPH04329264 A JP H04329264A JP 3098537 A JP3098537 A JP 3098537A JP 9853791 A JP9853791 A JP 9853791A JP H04329264 A JPH04329264 A JP H04329264A
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JP
Japan
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electrode
ion
exchange membrane
fuel cell
ion exchange
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Pending
Application number
JP3098537A
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English (en)
Inventor
Minoru Kaneko
金 子   実
Shuzo Murakami
村 上  修 三
Toshihiko Saito
齋 藤  俊 彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の製造方法に
関し、詳しくは電極とイオン交換膜との接合方法の改良
に関する。
【0002】
【従来の技術】イオン交換膜式燃料電池では、電極とイ
オン交換膜が正確に接合されていないと、円滑な電気化
学反応が行われない。従来、イオン交換膜式燃料電池に
おいては、電極とイオン交換膜を接合する手段として高
圧ホットプレス法が行われてきた。高圧ホットプレス法
は、電極とイオン交換膜を170〜200kg/cm2
 の高圧でホットプレスを行し、接合する方法である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記接合方
法によればホットプレスの際の加圧圧力が高いため、例
えば、低圧縮強度の電極基材を用いた電極とイオン交換
膜とを接合した場合、電極基材が破壊されることがある
。このため電極反応物質としてガスを使用する燃料電池
において、ガス拡散性が低下し、燃料電性能の低下を引
き起こすという大きな問題が発生する。
【0004】一方、電極基材として圧縮強度の高い材料
であるエキスパンデットメタル、メッシュ、或いは高強
度の多孔質カーボンを使用すると、電極基材のつぶれ、
破壊は解消できるが、この場合は、イオン交換膜が損傷
し、次のような問題を引き起こす。即ち、燃料電池にお
いてイオン交換膜は電解質としてだけでなく燃料ガスと
酸化剤ガスの分離をする機能も果たしているため、この
イオン交換膜の損傷によって燃料ガス、酸化剤ガスのク
ロスリークが発生し燃料電池特性が大きく低下するとい
う問題点を引き起こした。
【0005】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、電極とイオン交換膜との接合の際の
圧力による電極基材の破壊、及びイオン交換膜の損傷を
防止し、それでいてイオン交換膜と電極との十分な接合
を補償し得るイオン交換膜式燃料電池の製造方法を提供
することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、電極触媒層を含む電極とイオン交換膜と
をイオン交換体を含む溶液を用いて接合したことを特徴
とする。
【0007】
【作用】電極とイオン交換膜との接合の際にイオン交換
体を含む溶液を電極触媒層とイオン交換膜との間に介在
させると、このイオン交換体を含む溶液が接合剤として
作用するので接合時に必要な圧力を低減しても、十分な
接合力が得られ電極基材の破壊、つぶれや、イオン交換
膜の損傷を防ぐ。
【0008】
【実施例】〔実施例1〕以下、本発明の一実施例を説明
する。最初に、低圧縮強度な電極基材を用いた電極とイ
オン交換膜との接合体の作成方法の概略を説明する。先
ず、導電性炭素であるカーボンブラックに20wt%白
金を担持した触媒を用意し、これとPTFEとをPTF
Eの含有量が20wt%となるように混合した。次いで
、前記混合物を10%イソプロピルアルコールとを混合
し、白金が0.5mg/cm2 となるように、防水加
工を施した電極基材であるカーボンペーパ1上へ塗布し
た。これを350℃で30分間アルゴン雰囲気中で焼成
し電極基材1と電極触媒層2とが接合されてなる電極基
材つき電極3を作成した。次ぎに前記電極基材つき電極
3の表面に市販の5%ナフィオン溶液(アルドリッチケ
ミカル社)を塗布した後、イオン交換膜であるナフィオ
ン117(デュポン社)の両面に30kg/cm2 、
125℃でホットプレスを行ない電極基材つき電極とイ
オン交換膜との接合体を得た。ここで、電極基材つき電
極とイオン交換膜との接合時の接合圧力は圧縮強度以下
である。
【0009】この接合体を用いてイオン交換膜式電池燃
料電池を作成した。この燃料電池の模式的断面図が図1
に示されている。電極基材1と電極触媒層2とが接合さ
れてなる電極基材付き電極3と、イオン交換膜4とが、
ガス分離板5で挟んだ状態で締めつけられた構造をして
いる。  以下この燃料電池をA1 と称する。 〔比較例1〕ナフィオン117(デュポン社)の両面に
200kg/cm2 、125℃の条件でホットプレス
を行なった、電極基材付き電極とイオン交換膜との接合
体を用いた以外は上記燃料電池A1 と同様に、燃料電
池を作成した。以下この燃料電池をB1 と称する。 〔比較例2〕5%ナフィオン溶液を使用しないでナフィ
オン117(デュポン社)の両面に200kg/cm2
 、125℃でホットプレスを行なった電極基材付き電
極とイオン交換膜との接合体を用いた以外は上記燃料電
池A1 と同様に、燃料電池を作成した。以下この燃料
電池をB2 と称する。 〔実験1〕本発明燃料電池A1 と比較例1、2の燃料
電池B1 、B2 の燃料電池特性を比較した。その結
果が図2に示されている。
【0010】燃料電池B1 とB2 を比較するとホッ
トプレスの際の圧力は同一であるのに電気特性の差は大
きい。これは、燃料電池B1 においては、接合剤とし
て使用したイオン交換体を含む溶液中のイオン交換体が
、イオン交換膜と同様に電解質として作用するため電極
構造の3次元化に寄与し、電極触媒層中の触媒利用率が
向上したのに対し、燃料電池B2 においては、イオン
交換体を含む溶液を用いていないので、電極構造の3次
元化が図られなかったためと考えられる。
【0011】ここで、電極構造の3次元化とは、電極触
媒層が多孔質であるのでイオン交換体がその中に入り込
んで、イオン交換膜と電極が接合されている状態をいい
、このイオン交換体がイオン交換膜と同様の働きをする
ため、実際の電極面積すなわち、電気化学反応の反応サ
イトの数を向上しさせこれにより、燃料電池特性を向上
させることができると考えられる。
【0012】又、本発明燃料電池A1 と燃料電池B1
 とは、ナフィオン溶液(アルドリッチケミカル社)を
同様に用いており圧力に起因する電気特性の差を比較で
きるものである。燃料電池A1 、B1 共に電極基材
として低圧縮強度なものが用いてられており、燃料電池
B1 に用いられている電極とイオン交換膜との接合体
は、ホットプレスの際の圧力が高いので、電極機材のガ
ス拡散層につぶれが生じているものと思われる。これに
より、ガス拡散性が低下してしまう。
【0013】一方、燃料電池A1 の場合は、従来の圧
力より低い圧力、で電極とイオン交換膜との接合の際の
ホットプレスを行っているが、イオン交換溶液中のイオ
ン交換体が接合剤として働くため、十分な接合性を持つ
ことができ、電極機材のガス拡散層のつぶれ、破壊が防
止され、拡散抵抗が減少したと考えられる。上記のよう
な理由により電池特性の差が生じ、イオン交換体溶液を
用いる事により電池特性を上げる事ができた。 〔実施例2〕次ぎに、本発明の他の実施例として圧縮強
度の高い電極基材を用いた電極とイオン交換体との接合
体の作成方法の概略を説明する。
【0014】先ず、カーボンブラックに20wt%白金
を担持した触媒を用意し、これとPTFEとをPTFE
の含有量が20wt%となるように混合した。次いで、
前記混合物を10%イソプロピルアルコールとを混合し
、白金が0.5mg/cm2 となるように圧延ローラ
によりシート化した。前記シートと防水加工を施した電
極基材であるカーボンペーパとをプレスすることにより
接合を行った。これを350℃で30分間アルゴン雰囲
気中で焼成し電極基材と電極触媒層とが接合されてなる
電極基材付き電極を作成した。この電極を使用した以外
は、上記実施例1の燃料電池A1 と同様に電池を作成
した。以下この燃料電池をA2 と称する。 〔比較例3〕ナフィオン117(デュポン社)の両面に
200kg/cm2 、125℃の条件でホットプレス
を行ない接合した電極基材付き電極とイオン交換膜との
接合体を用いた以外は上記燃料電池A2 と同様に、燃
料電池を作成した。以下この燃料電池をB3 と称する
。 〔比較例4〕5%ナフィオン溶液(アルドリッチケミカ
ル社)を使用しないで、ナフィオン117(デュポン社
)の両面に200kg/cm2 、125℃でホットプ
レスを行ない接合した電極基材付き電極とイオン交換膜
との接合体を用いた以外は上記燃料電池A2 と同様に
、燃料電池を作成した。以下この燃料電池をB4 と称
する。 〔実験2〕本発明燃料電池A2 と比較例3、4の燃料
電池B3 、B4 の燃料電池特性を比較した。その結
果が図3に示されている。
【0015】燃料電池B3 とB4 を比較するとホッ
トプレスの際の圧力は同一であるのに電気特性の差は大
きい。これは、上記実験1の燃料電池B1 、B2 の
電池特性の差が生じているのと同じ理由である。又、本
発明燃料電池A2 と燃料電池B3 は、ナフィオン溶
液を同様に用いており圧力に起因する電気特性の差を比
較できるものである。燃料電池A2 、B3 共に電極
基材として圧縮強度の高いものを用いている。燃料電池
B3 の電極とイオン交換膜との接合体は、高い圧力で
ホットプレスされており、電極基材のガス拡散層のつぶ
れはないが、イオン交換膜の損傷が起こっているものと
思われる。一方、燃料電池A2 は従来のホットプレス
より低い圧力で電極とイオン交換膜の接合を行われてい
るが、イオン交換溶液中のイオン交換体が接合剤として
働くため、十分な接合性を持つことができ、イオン交換
膜の損傷を防ぐ事ができた。
【0016】上記のような理由でA2 とB3 の電気
特性の差が生じイオン交換体を用いることで電気特性を
上げることができたと考えることができる。尚、上記実
施例1、2において電極基材付き電極とイオン交換膜と
の接合方法について記載したが、本発明による接合方法
は電極基材付きでない電極にも適応できる。
【0017】又、イオン交換膜とイオン交換体溶液に含
まれるイオン交換体は、同一のイオン交換体でなくてよ
い。更に、電極触媒層は、上記実施例では、導電性炭素
である担体に、活性触媒金属粒子である白金を担持させ
てなる電極触媒をふくんでいるものを用いたが、担体に
担持されていない活性触媒金属粒子を用いることもでき
、又材質としては、白金合金も用いることができる。
【0018】そして、上記実施例では、イオン交換膜の
両面に電極を接合していたが、イオン交換膜の少なくと
も一方に電極を接合する場合も用いられる。
【0019】
【発明の効果】以上、説明したように本発明では、電極
とイオン交換膜の接合の際にイオン交換体を含む溶液を
接合剤として用いることによりホットプレスの際の圧力
を下げることができ、圧力によるガス拡散層のつぶれや
損傷、イオン交換膜の破壊を防止し電池性能の優れた燃
料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明燃料電池の模式的断面図である。
【図2】本発明燃料電池A1 及び比較例燃料電池B1
 、B2 の燃料電池特性を示した図である。
【図3】本発明燃料電池A2 及び比較例燃料電池B3
 、B4 の燃料電池特性を示した図である。
【符号の説明】
1  電極基材 2  電極触媒層 4  イオン交換膜

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  電極触媒層を含む電極とイオン交換膜
    とをイオン交換体を含む溶液を用いて接合したことを特
    徴とするイオン交換膜式燃料電池の製造方法。
JP3098537A 1991-04-30 1991-04-30 イオン交換膜式燃料電池の製造方法 Pending JPH04329264A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0629015A1 (en) * 1993-04-30 1994-12-14 De Nora Permelec S.P.A. Electrochemical cell provided with ion exchange membranes and bipolar plates
KR100459886B1 (ko) * 1998-12-31 2005-01-15 삼성전자주식회사 수소이온교환막(pem)연료전지의촉매층형성용슬러리의제조방법,이를이용한pem연료전지의제조방법및이방법에의해제조되는pem연료전지
US7537852B2 (en) 2002-02-15 2009-05-26 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Composite ion exchange membrane and electrolyte membrane electrode assembly
WO2014013879A1 (ja) 2012-07-20 2014-01-23 株式会社トクヤマ 陰イオン交換膜型燃料電池用の触媒層及び膜-電極接合体並びにこれらを用いる陰イオン交換膜型燃料電池及びその運転方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0629015A1 (en) * 1993-04-30 1994-12-14 De Nora Permelec S.P.A. Electrochemical cell provided with ion exchange membranes and bipolar plates
KR100459886B1 (ko) * 1998-12-31 2005-01-15 삼성전자주식회사 수소이온교환막(pem)연료전지의촉매층형성용슬러리의제조방법,이를이용한pem연료전지의제조방법및이방법에의해제조되는pem연료전지
US7537852B2 (en) 2002-02-15 2009-05-26 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha Composite ion exchange membrane and electrolyte membrane electrode assembly
WO2014013879A1 (ja) 2012-07-20 2014-01-23 株式会社トクヤマ 陰イオン交換膜型燃料電池用の触媒層及び膜-電極接合体並びにこれらを用いる陰イオン交換膜型燃料電池及びその運転方法

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