JPH08148176A - 燃料電池の反応層形成方法 - Google Patents
燃料電池の反応層形成方法Info
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- JPH08148176A JPH08148176A JP6315502A JP31550294A JPH08148176A JP H08148176 A JPH08148176 A JP H08148176A JP 6315502 A JP6315502 A JP 6315502A JP 31550294 A JP31550294 A JP 31550294A JP H08148176 A JPH08148176 A JP H08148176A
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- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【目的】 触媒の利用率を高めるとともに、電池特性の
向上を図る。 【構成】 電解質膜１０としての「ナフィオン１１７」
のフィルムにプラズマエッチング処理を施すことによ
り、電解質膜１０の表面に凹凸を形成する。次いで、凹
凸が形成されたその表面にスパッタエッチング処理を施
すことにより、白金層８１を形成する。この白金層８１
は、電解質膜１０の表面の凹凸に沿った形でほぼ一様な
厚さとなる。続いて、粒径が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、白金層８１の表面に塗り込
む。その後、その表面にアノード２０となるカーボンク
ロスをホットプレスにより接合する。この結果、電解質
膜１０の凹凸の表面上に極めて白金層８１が形成され、
その凹部にカーボン粒子８３が充填された状態で、電解
質膜１０とアノード２０とが接合される。
向上を図る。 【構成】 電解質膜１０としての「ナフィオン１１７」
のフィルムにプラズマエッチング処理を施すことによ
り、電解質膜１０の表面に凹凸を形成する。次いで、凹
凸が形成されたその表面にスパッタエッチング処理を施
すことにより、白金層８１を形成する。この白金層８１
は、電解質膜１０の表面の凹凸に沿った形でほぼ一様な
厚さとなる。続いて、粒径が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、白金層８１の表面に塗り込
む。その後、その表面にアノード２０となるカーボンク
ロスをホットプレスにより接合する。この結果、電解質
膜１０の凹凸の表面上に極めて白金層８１が形成され、
その凹部にカーボン粒子８３が充填された状態で、電解
質膜１０とアノード２０とが接合される。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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）。
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）。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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、該凹凸に沿わしてほ
ぼ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。
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であって、前記電解質膜の表面に
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、該凹凸に沿わしてほ
ぼ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。
【０００８】上記構成において、前記凹凸が形成された
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。
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。
【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、電解質膜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。
応層形成方法によれば、電解質膜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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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）。
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）。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００２５】アノード反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- カソード反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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、例えば、固体高分子型の燃料電池に換えて、りん酸
型のもの、あるいは溶融炭酸塩型のものとした構成等、
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。
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、例えば、固体高分子型の燃料電池に換えて、りん酸
型のもの、あるいは溶融炭酸塩型のものとした構成等、
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。
【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。
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。
【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。
成方法を適用した燃料電池のセル構造の模式図である。
【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。
トである。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
層付近の拡大断面図である。
【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。
価するために用いた電流−電圧特性を示すグラフであ
る。
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
Claims (2)
- 【請求項１】 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であって、 前記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
に沿わしてほぼ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。 - 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池の反応層形成方
法であって、 前記凹凸が形成された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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31550294A JP3423799B2 (ja) | 1994-11-24 | 1994-11-24 | 燃料電池の反応層形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP31550294A JP3423799B2 (ja) | 1994-11-24 | 1994-11-24 | 燃料電池の反応層形成方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08148176A true JPH08148176A (ja) | 1996-06-07 |
| JP3423799B2 JP3423799B2 (ja) | 2003-07-07 |
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ID=18066131
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31550294A Expired - Fee Related JP3423799B2 (ja) | 1994-11-24 | 1994-11-24 | 燃料電池の反応層形成方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| US6749892B2 (en) | 2000-03-22 | 2004-06-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method for fabricating membrane-electrode assembly and fuel cell adopting the membrane-electrode assembly |
| KR100455281B1 (ko) * | 2000-03-22 | 2004-11-08 | 삼성전자주식회사 | 전극-막 어셈블리의 제조방법 및 이 방법에 따라 제조된전극-막 어셈블리를 채용하고 있는 연료전지 |
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| JP2005108822A (ja) * | 2003-09-12 | 2005-04-21 | Hitachi Ltd | 燃料電池用電解質膜とその製造方法及びそれを用いた燃料電池 |
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| JP2005535098A (ja) * | 2002-08-07 | 2005-11-17 | ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． | 補強構造を有する、金属でコーティングされた高分子電解質膜 |
| JP2006019298A (ja) * | 2004-06-30 | 2006-01-19 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用高分子電解質膜，膜−電極アセンブリー，燃料電池システム及び膜−電極アセンブリーの製造方法 |
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| US8703354B2 (en) | 2012-06-28 | 2014-04-22 | Hyundai Motor Company | Membrane electrode assembly with enhanced hydrophobicity and manufacturing method thereof |
| US9522427B2 (en) | 2012-06-01 | 2016-12-20 | Korea Institute Of Science And Technology | Perfluorinated sulfonic acid polymer membrane having porous surface layer and method for preparing the same |
| CN110970629A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-04-07 | 苏州卫鹏机电科技有限公司 | 燃料电池膜电极ccm及其制备方法、装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023101305A1 (ko) * | 2021-12-03 | 2023-06-08 | 코오롱인더스트리 주식회사 | 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 |
-
1994
- 1994-11-24 JP JP31550294A patent/JP3423799B2/ja not_active Expired - Fee Related
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