JPH09274924A - 燃料電池用電極構造体の製造方法 - Google Patents
燃料電池用電極構造体の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電極ペースト中の有機溶媒を除去するととも
に、イオン導電性成分を所望の含水率に維持しつつ固定
させることを可能にする。 【解決手段】電極ペーストが塗布されたカーボンペーパ
１６を、乾燥装置２０を構成する槽体２８内で水平姿勢
に保持させ、第１ヒータ２４を介して水２６を沸騰させ
る。これにより、カーボンペーパ１６および電極ペース
トは、水蒸気流により強制的に加湿された状態で、この
電極ペースト中の有機溶媒の除去とイオン導電性成分の
固定とが遂行される。
に、イオン導電性成分を所望の含水率に維持しつつ固定
させることを可能にする。 【解決手段】電極ペーストが塗布されたカーボンペーパ
１６を、乾燥装置２０を構成する槽体２８内で水平姿勢
に保持させ、第１ヒータ２４を介して水２６を沸騰させ
る。これにより、カーボンペーパ１６および電極ペース
トは、水蒸気流により強制的に加湿された状態で、この
電極ペースト中の有機溶媒の除去とイオン導電性成分の
固定とが遂行される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、固体高分
子電解質膜を有する燃料電池用電極構造体の製造方法に
関する。
子電解質膜を有する燃料電池用電極構造体の製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、固体高分子電解質膜を挟んでア
ノード側電極とカソード側電極とを対設した電極構造体
をセパレータによって挟持し、複数積層することにより
構成された固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）が
開発され、種々の用途に実用化されつつある。
ノード側電極とカソード側電極とを対設した電極構造体
をセパレータによって挟持し、複数積層することにより
構成された固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）が
開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】この種の電極構造体は、通常、スルホン酸
基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜である固体高
分子電解質膜と、貴金属触媒（例えば、Ｐｔ）担持カー
ボン等の電極触媒およびナフィオン（登録商標）等のイ
オン導電性成分を含む電極触媒層と、多孔質カーボンペ
ーパ等のガス拡散層とから一体的に構成されている（特
開平７−２９５７６号公報参照）。
基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜である固体高
分子電解質膜と、貴金属触媒（例えば、Ｐｔ）担持カー
ボン等の電極触媒およびナフィオン（登録商標）等のイ
オン導電性成分を含む電極触媒層と、多孔質カーボンペ
ーパ等のガス拡散層とから一体的に構成されている（特
開平７−２９５７６号公報参照）。
【０００４】ところで、上記電極構造体を製造する際に
は、先ず、電極触媒およびイオン導電性成分等を塗布用
有機溶媒に混合して電極ペーストを形成した後、この電
極ペーストを電子導電性触媒支持体である撥水化処理済
のカーボンペーパ上または固体高分子電解質膜上に印刷
処理により塗布する。次いで、電極ペーストが塗布され
たカーボンペーパあるいは固体高分子電解質膜を乾燥処
理することにより、該電極ペーストから有機溶媒を除去
するとともに、イオン導電性成分を固定する。
は、先ず、電極触媒およびイオン導電性成分等を塗布用
有機溶媒に混合して電極ペーストを形成した後、この電
極ペーストを電子導電性触媒支持体である撥水化処理済
のカーボンペーパ上または固体高分子電解質膜上に印刷
処理により塗布する。次いで、電極ペーストが塗布され
たカーボンペーパあるいは固体高分子電解質膜を乾燥処
理することにより、該電極ペーストから有機溶媒を除去
するとともに、イオン導電性成分を固定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
製造方法では、電極ペーストから塗布用有機溶媒を除去
するために、例えば、ヒータによる加熱乾燥処理が行わ
れており、イオン導電性成分中の含水率が低下し、ある
いはその含水率が回復不能な状態に至ってしまう。イオ
ン導電性成分は、有効な発電機能を発揮するために、常
時一定の湿潤状態に維持する必要があるが、このイオン
導電性成分中の含水率が回復不能な状態に至ると、イオ
ン交換速度能力が著しく低下するという問題が指摘され
ている。また、固体高分子電解質膜は、イオン導電性成
分と同一の成分を有しており、この固体高分子電解質膜
にヒータによる加熱乾燥処理が施されると、該固体高分
子電解質膜の機能低下が惹起されてしまう。
製造方法では、電極ペーストから塗布用有機溶媒を除去
するために、例えば、ヒータによる加熱乾燥処理が行わ
れており、イオン導電性成分中の含水率が低下し、ある
いはその含水率が回復不能な状態に至ってしまう。イオ
ン導電性成分は、有効な発電機能を発揮するために、常
時一定の湿潤状態に維持する必要があるが、このイオン
導電性成分中の含水率が回復不能な状態に至ると、イオ
ン交換速度能力が著しく低下するという問題が指摘され
ている。また、固体高分子電解質膜は、イオン導電性成
分と同一の成分を有しており、この固体高分子電解質膜
にヒータによる加熱乾燥処理が施されると、該固体高分
子電解質膜の機能低下が惹起されてしまう。
【０００６】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、電極ペースト中の有機溶媒を除去するとともに、
イオン導電性成分を所望の含水率に維持しつつ固定する
ことが可能な燃料電池用電極構造体の製造方法を提供す
ることを目的とする。
あり、電極ペースト中の有機溶媒を除去するとともに、
イオン導電性成分を所望の含水率に維持しつつ固定する
ことが可能な燃料電池用電極構造体の製造方法を提供す
ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、電極ペーストが電子導電性触媒支持体
上あるいは電解質膜上に設けられた後、この電子導電性
触媒支持体あるいは電解質膜を強制的に加湿しながら前
記電極ペースト中の有機溶媒の除去とイオン導電性成分
の固定とを行う。このため、イオン導電性成分は、その
含水率を維持することができ、燃料電池として有効な発
電機能を発揮することができる。
めに、本発明は、電極ペーストが電子導電性触媒支持体
上あるいは電解質膜上に設けられた後、この電子導電性
触媒支持体あるいは電解質膜を強制的に加湿しながら前
記電極ペースト中の有機溶媒の除去とイオン導電性成分
の固定とを行う。このため、イオン導電性成分は、その
含水率を維持することができ、燃料電池として有効な発
電機能を発揮することができる。
【０００８】また、加湿が水蒸気流中で行われるため、
イオン導電性成分中の含水率の低下を確実に阻止するこ
とができ、しかも電子導電性触媒支持体あるいは電解質
膜に対して水蒸気流が略直交する方向に向かうため、前
記水蒸気流が均一に行き渡るとともに、全体的に均一な
成分を有する電極触媒層を得ることが可能になる。さら
に、上記の工程を行う容器の気流方向に発生する温度分
布の影響を受け難く、電子導電性触媒支持体あるいは電
解質膜に温度分布が発生し難い。このため、均一な電極
構造体が得られ、性能の向上が図られる。その上、エチ
レングリコール、グリセリンまたはプロピレングリコー
ル等の高沸点有機溶媒の除去も容易に遂行される。
イオン導電性成分中の含水率の低下を確実に阻止するこ
とができ、しかも電子導電性触媒支持体あるいは電解質
膜に対して水蒸気流が略直交する方向に向かうため、前
記水蒸気流が均一に行き渡るとともに、全体的に均一な
成分を有する電極触媒層を得ることが可能になる。さら
に、上記の工程を行う容器の気流方向に発生する温度分
布の影響を受け難く、電子導電性触媒支持体あるいは電
解質膜に温度分布が発生し難い。このため、均一な電極
構造体が得られ、性能の向上が図られる。その上、エチ
レングリコール、グリセリンまたはプロピレングリコー
ル等の高沸点有機溶媒の除去も容易に遂行される。
【０００９】しかも、電極ペーストの周囲雰囲気温度
が、加熱手段や水蒸気流自体により連続的乃至段階的に
高められる。これにより、電極ペーストの表面付近の水
分や溶媒が突沸することがなく、電極表面を均一に維持
するとともに、電極触媒層の剥離や破損を阻止すること
ができる。
が、加熱手段や水蒸気流自体により連続的乃至段階的に
高められる。これにより、電極ペーストの表面付近の水
分や溶媒が突沸することがなく、電極表面を均一に維持
するとともに、電極触媒層の剥離や破損を阻止すること
ができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る製造方法が適用された電極構造体１０の分解斜視
図である。この電極構造体１０は、固体高分子電解質膜
１２と、それぞれ電極触媒層１４が、例えば、スクリー
ン印刷により設けられた一対のカーボンペーパ（電子導
電性触媒支持体）１６とを備える。なお、電子導電性触
媒支持体としては、カーボンペーパ１６の他、カーボン
フェルトや多孔性炭素焼結体等が使用される。
に係る製造方法が適用された電極構造体１０の分解斜視
図である。この電極構造体１０は、固体高分子電解質膜
１２と、それぞれ電極触媒層１４が、例えば、スクリー
ン印刷により設けられた一対のカーボンペーパ（電子導
電性触媒支持体）１６とを備える。なお、電子導電性触
媒支持体としては、カーボンペーパ１６の他、カーボン
フェルトや多孔性炭素焼結体等が使用される。
【００１１】固体高分子電解質膜１２は、スルホン酸基
を持つペルフルオロ系の陽イオン交換膜であり、好まし
くは、ナフィオンを電解質として使用する。電極触媒層
１４は、Ｐｔ担持カーボン等の電極触媒と、ナフィオン
溶液等のイオン導電性成分と、必要に応じて撥水剤とし
てのＰＴＦＥとを備える。カーボンペーパ１６は、ガス
拡散層であり、多孔質を有するとともに、その表面の細
孔が水によって閉塞されないように予め撥水化処理が施
されている。
を持つペルフルオロ系の陽イオン交換膜であり、好まし
くは、ナフィオンを電解質として使用する。電極触媒層
１４は、Ｐｔ担持カーボン等の電極触媒と、ナフィオン
溶液等のイオン導電性成分と、必要に応じて撥水剤とし
てのＰＴＦＥとを備える。カーボンペーパ１６は、ガス
拡散層であり、多孔質を有するとともに、その表面の細
孔が水によって閉塞されないように予め撥水化処理が施
されている。
【００１２】図２には、第１の実施形態に係る製造方法
を実施するための乾燥装置２０が示されている。この乾
燥装置２０は、第１温調器２２に接続されている第１ヒ
ータ２４と、水２６が貯留されてこの第１ヒータ２４に
より保持される槽体２８と、この槽体２８内でカーボン
ペーパ１６をその印刷面（電極触媒層１４側）を上にし
て水平姿勢に支持する吊り下げ手段３０と、前記吊り下
げ手段３０により水平姿勢に支持されたカーボンペーパ
１６の近傍の雰囲気温度を調整するための第２温調器３
２と、前記第２温調器３２に接続されている第２ヒータ
（加熱手段）３４とを備える。
を実施するための乾燥装置２０が示されている。この乾
燥装置２０は、第１温調器２２に接続されている第１ヒ
ータ２４と、水２６が貯留されてこの第１ヒータ２４に
より保持される槽体２８と、この槽体２８内でカーボン
ペーパ１６をその印刷面（電極触媒層１４側）を上にし
て水平姿勢に支持する吊り下げ手段３０と、前記吊り下
げ手段３０により水平姿勢に支持されたカーボンペーパ
１６の近傍の雰囲気温度を調整するための第２温調器３
２と、前記第２温調器３２に接続されている第２ヒータ
（加熱手段）３４とを備える。
【００１３】槽体２８の上部には、蓋体３６が装着され
るとともに、吊り下げ手段３０および水温検出用の第１
温度検出手段３８がこの蓋体３６に設けられ、前記第１
温度検出手段３８が第１温調器２２に接続される。槽体
２８内には、カーボンペーパ１６の近傍の雰囲気温度を
検出するための第２温度検出手段４０が配設され、この
第２温度検出手段４０が第２温調器３２に接続される。
るとともに、吊り下げ手段３０および水温検出用の第１
温度検出手段３８がこの蓋体３６に設けられ、前記第１
温度検出手段３８が第１温調器２２に接続される。槽体
２８内には、カーボンペーパ１６の近傍の雰囲気温度を
検出するための第２温度検出手段４０が配設され、この
第２温度検出手段４０が第２温調器３２に接続される。
【００１４】本発明の第１の実施形態に係る製造方法
を、図３に示すプロセスに沿って以下に説明する。
を、図３に示すプロセスに沿って以下に説明する。
【００１５】先ず、ナフィオン溶液等のイオン導電性成
分と、塗布用有機溶媒であるエチレングリコールと、必
要に応じて撥水剤としてのＰＴＦＥとが混合され（ＳＴ
ＰＡ）、この混合液が減圧分留されて低沸点物質が除去
される（ＳＴＰＢ）。この分留後の混合液は、ＳＴＰＣ
で電極触媒であるＰｔ担持カーボンと混合され、電極触
媒層形成ペースト（以下、電極ペーストという）が作製
される（ＳＴＰＤ）。
分と、塗布用有機溶媒であるエチレングリコールと、必
要に応じて撥水剤としてのＰＴＦＥとが混合され（ＳＴ
ＰＡ）、この混合液が減圧分留されて低沸点物質が除去
される（ＳＴＰＢ）。この分留後の混合液は、ＳＴＰＣ
で電極触媒であるＰｔ担持カーボンと混合され、電極触
媒層形成ペースト（以下、電極ペーストという）が作製
される（ＳＴＰＤ）。
【００１６】一方、カーボンペーパ１６は、予めＰＴＦ
Ｅ溶液中に漬けられて撥水化処理が施されており、この
カーボンペーパ１６上に、電極ペーストがスクリーン印
刷法にて塗布される（ＳＴＰＥ）。
Ｅ溶液中に漬けられて撥水化処理が施されており、この
カーボンペーパ１６上に、電極ペーストがスクリーン印
刷法にて塗布される（ＳＴＰＥ）。
【００１７】ＳＴＰＥで電極ペーストがスクリーン印刷
されたカーボンペーパ１６に対して、スチーム乾燥処理
が施される（ＳＴＰＦ）。すなわち、図２に示すよう
に、槽体２８内に水２６が貯留された状態で、吊り下げ
手段３０を介してカーボンペーパ１６がその電極ペース
ト面を上にしかつ水平姿勢に維持されて蓋体３６により
保持される。これにより、加湿は、電極ペーストがスク
リーン印刷されたカーボンペーパ１６の面に対して略直
交する方向（鉛直上方向）に向かう水蒸気流中で行われ
ることになる。
されたカーボンペーパ１６に対して、スチーム乾燥処理
が施される（ＳＴＰＦ）。すなわち、図２に示すよう
に、槽体２８内に水２６が貯留された状態で、吊り下げ
手段３０を介してカーボンペーパ１６がその電極ペース
ト面を上にしかつ水平姿勢に維持されて蓋体３６により
保持される。これにより、加湿は、電極ペーストがスク
リーン印刷されたカーボンペーパ１６の面に対して略直
交する方向（鉛直上方向）に向かう水蒸気流中で行われ
ることになる。
【００１８】次いで、第１温調器２２を介して第１ヒー
タ２４が駆動され、水２６が沸騰してカーボンペーパ１
６および電極ペーストが強制的に加湿される。その際、
第２温調器３２が駆動され、電極ペーストがスクリーン
印刷されたカーボンペーパ１６の周囲雰囲気温度が連続
的乃至段階的に高められる。
タ２４が駆動され、水２６が沸騰してカーボンペーパ１
６および電極ペーストが強制的に加湿される。その際、
第２温調器３２が駆動され、電極ペーストがスクリーン
印刷されたカーボンペーパ１６の周囲雰囲気温度が連続
的乃至段階的に高められる。
【００１９】この場合、短い時間で確実に乾燥させて生
産性を向上させるためには、カーボンペーパ１６の周囲
雰囲気温度が高い方がよい。具体的には、温度が１００
℃を超えると、乾燥速度が向上する。一方、温度が１２
０℃以上になると、カーボンペーパ１６上の電極ペース
トが損傷を受けてしまう。また、急激に温度を上げる
と、カーボンペーパ１６上の電極ペーストの表面付近が
突沸して電極表面にクレータ状の穴が形成され、表面が
不均一になってしまう。
産性を向上させるためには、カーボンペーパ１６の周囲
雰囲気温度が高い方がよい。具体的には、温度が１００
℃を超えると、乾燥速度が向上する。一方、温度が１２
０℃以上になると、カーボンペーパ１６上の電極ペース
トが損傷を受けてしまう。また、急激に温度を上げる
と、カーボンペーパ１６上の電極ペーストの表面付近が
突沸して電極表面にクレータ状の穴が形成され、表面が
不均一になってしまう。
【００２０】従って、温度制御は、実際上、以下に示す
３段階の制御で行われる。すなわち、第１段階は、１０
分間で１００℃±５℃の温度制御であり、第２段階は、
１０分間で１０７℃±５℃の温度制御であり、さらに第
３段階は、１０分間で１１３℃±５℃の温度制御であ
る。
３段階の制御で行われる。すなわち、第１段階は、１０
分間で１００℃±５℃の温度制御であり、第２段階は、
１０分間で１０７℃±５℃の温度制御であり、さらに第
３段階は、１０分間で１１３℃±５℃の温度制御であ
る。
【００２１】これにより、電極ペースト中のエチレング
リコールが除去されるとともに、イオン導電性成分中の
含水率を有効に維持しつつこのイオン導電性成分の固定
が遂行される。
リコールが除去されるとともに、イオン導電性成分中の
含水率を有効に維持しつつこのイオン導電性成分の固定
が遂行される。
【００２２】そして、固体高分子電解質膜である陽イオ
ン交換膜（ナフィオン膜）は、ＳＴＰＧで脱脂処理が施
された後、ホットプレス（１６０℃で数分間）によりス
チーム乾燥後のカーボンペーパ１６と一体化される（Ｓ
ＴＰＨ）。これによって、電極構造体１０が製造される
に至る。
ン交換膜（ナフィオン膜）は、ＳＴＰＧで脱脂処理が施
された後、ホットプレス（１６０℃で数分間）によりス
チーム乾燥後のカーボンペーパ１６と一体化される（Ｓ
ＴＰＨ）。これによって、電極構造体１０が製造される
に至る。
【００２３】この場合、第１の実施形態では、カーボン
ペーパ１６に電極ペーストが塗布された後、この電極ペ
ーストに含まれる高沸点有機溶媒であるエチレングリコ
ールを除去する際に、前記カーボンペーパ１６および前
記電極ペーストを強制的に加湿している。
ペーパ１６に電極ペーストが塗布された後、この電極ペ
ーストに含まれる高沸点有機溶媒であるエチレングリコ
ールを除去する際に、前記カーボンペーパ１６および前
記電極ペーストを強制的に加湿している。
【００２４】これにより、電極ペースト中からエチレン
グリコールが確実に除去される一方、イオン導電性成分
中の含水率を有効に維持し、この含水率が低下し、ある
いは該含水率が回復不能な状態に至ることを阻止するこ
とができ、電極構造体１０の発電機能を効果的に向上維
持させることが可能になる。
グリコールが確実に除去される一方、イオン導電性成分
中の含水率を有効に維持し、この含水率が低下し、ある
いは該含水率が回復不能な状態に至ることを阻止するこ
とができ、電極構造体１０の発電機能を効果的に向上維
持させることが可能になる。
【００２５】しかも、第２温調器３２の駆動作用下に、
電極ペーストがスクリーン印刷されたカーボンペーパ１
６の周囲雰囲気温度が段階的に、実際上、３段階に高め
られる。このため、乾燥処理が短時間で効率的に遂行さ
れ、生産性が有効に向上するという利点が得られる。
電極ペーストがスクリーン印刷されたカーボンペーパ１
６の周囲雰囲気温度が段階的に、実際上、３段階に高め
られる。このため、乾燥処理が短時間で効率的に遂行さ
れ、生産性が有効に向上するという利点が得られる。
【００２６】ところで、第１の実施形態により製造され
た電極構造体１０を用いて、実際に電流密度とセル電圧
との関係を測定した。発電条件は、セル温度が７５℃に
設定されるとともに、セル出口側圧力（作動圧）が１ａ
ｔｍであった。
た電極構造体１０を用いて、実際に電流密度とセル電圧
との関係を測定した。発電条件は、セル温度が７５℃に
設定されるとともに、セル出口側圧力（作動圧）が１ａ
ｔｍであった。
【００２７】その結果が、図４中の実線に示されてい
る。図４中の破線は、従来の製造方法により製造された
電極構造体による電流密度とセル電圧の関係図である。
この従来法は、具体的には、図３中のＳＴＰＥでスクリ
ーン印刷が行われた後、カーボンペーパ１６に対して、
乾燥Ｎ2 ガス中の大気圧下で１００℃に加熱されたヒー
タを用いて３０分間、その後に１００℃に加熱されたヒ
ータを用いて１０分間の乾燥処理を行った。
る。図４中の破線は、従来の製造方法により製造された
電極構造体による電流密度とセル電圧の関係図である。
この従来法は、具体的には、図３中のＳＴＰＥでスクリ
ーン印刷が行われた後、カーボンペーパ１６に対して、
乾燥Ｎ2 ガス中の大気圧下で１００℃に加熱されたヒー
タを用いて３０分間、その後に１００℃に加熱されたヒ
ータを用いて１０分間の乾燥処理を行った。
【００２８】上記従来法では、有機溶媒を除去する際
に、イオン導電性成分中の含水率が低下してしまい、こ
の含水率が回復しない部分が発生した。このため、特
に、電流密度が高い領域では、セル電圧が著しく低下し
てしまい、有効な発電機能を得ることができなかったの
に対し、第１の実施形態では、低密度から高密度にわた
り有効な圧電機能を発揮することができた。
に、イオン導電性成分中の含水率が低下してしまい、こ
の含水率が回復しない部分が発生した。このため、特
に、電流密度が高い領域では、セル電圧が著しく低下し
てしまい、有効な発電機能を得ることができなかったの
に対し、第１の実施形態では、低密度から高密度にわた
り有効な圧電機能を発揮することができた。
【００２９】また、第１の実施形態では、図２に示すよ
うに、吊り下げ手段３０を介してカーボンペーパ１６が
水平状態に維持されている。このため、このカーボンペ
ーパ１６に塗布された電極ペーストの成分が重力に影響
されて片寄りすることがなく、全体にわたり均一な成分
を有する電極触媒層を得ることができた。
うに、吊り下げ手段３０を介してカーボンペーパ１６が
水平状態に維持されている。このため、このカーボンペ
ーパ１６に塗布された電極ペーストの成分が重力に影響
されて片寄りすることがなく、全体にわたり均一な成分
を有する電極触媒層を得ることができた。
【００３０】さらに、カーボンペーパ１６が水平状態に
維持された状態で、鉛直上方向に向かって水蒸気流が発
生する。従って、水蒸気流は、カーボンペーパ１６の面
に対して略直交する方向に向かうことになり、前記水蒸
気流が前記カーボンペーパ１６全体に均一に行き渡る。
しかも、上記の工程を行う槽体２８の気流方向に発生す
る温度分布の影響を受け難く、カーボンペーパ１６に温
度分布が発生し難い。このため、均一な電極構造体１０
が得られ、性能の向上が図られた。
維持された状態で、鉛直上方向に向かって水蒸気流が発
生する。従って、水蒸気流は、カーボンペーパ１６の面
に対して略直交する方向に向かうことになり、前記水蒸
気流が前記カーボンペーパ１６全体に均一に行き渡る。
しかも、上記の工程を行う槽体２８の気流方向に発生す
る温度分布の影響を受け難く、カーボンペーパ１６に温
度分布が発生し難い。このため、均一な電極構造体１０
が得られ、性能の向上が図られた。
【００３１】なお、第１の実施形態では、塗布用有機溶
媒としてエチレングリコールを用いて説明したが、これ
に限定されるものではなく、例えば、グリセリン、プロ
ピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレ
ングリコールまたはベンジルアルコールのいずれを用い
ても同様の効果が得られた。
媒としてエチレングリコールを用いて説明したが、これ
に限定されるものではなく、例えば、グリセリン、プロ
ピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレ
ングリコールまたはベンジルアルコールのいずれを用い
ても同様の効果が得られた。
【００３２】次に、本発明の第２の実施形態に係る製造
方法を、図５に示すプロセスに沿って以下に説明する。
なお、第１の実施形態と同様のプロセスについては、そ
の詳細な説明を省略する。
方法を、図５に示すプロセスに沿って以下に説明する。
なお、第１の実施形態と同様のプロセスについては、そ
の詳細な説明を省略する。
【００３３】この第２の実施形態では、脱脂処理工程
（ＳＴＰＧ′）が施された陽イオン交換膜、すなわち、
固体高分子電解質膜１２に電極ペーストがスクリーン印
刷により塗布される（ＳＴＰＥ′）。次いで、電極ペー
ストが塗布された固体高分子電解質膜１２は、図２に示
す乾燥装置２０によって第１の実施形態と同様に、スチ
ーム乾燥が施される（ＳＴＰＦ′）。
（ＳＴＰＧ′）が施された陽イオン交換膜、すなわち、
固体高分子電解質膜１２に電極ペーストがスクリーン印
刷により塗布される（ＳＴＰＥ′）。次いで、電極ペー
ストが塗布された固体高分子電解質膜１２は、図２に示
す乾燥装置２０によって第１の実施形態と同様に、スチ
ーム乾燥が施される（ＳＴＰＦ′）。
【００３４】ここで、固体高分子電解質膜１２は、イオ
ン導電性成分と同様に、ナフィオンを電解質として使用
しており、有機溶媒を除去する際に、この固体高分子電
解質膜１２を強制的に加湿している。従って、第２の実
施形態では、第１の実施形態と同様に、有機溶媒を除去
する際にイオン導電性成分中の含水率を低下させること
がない他、固体高分子電解質膜１２自体の含水率を有効
に維持することができる。これによって、燃料電池とし
て使用する際に、固体高分子電解質膜１２およびイオン
導電性成分を一定の湿潤状態に維持することが可能にな
り、有効な発電機能を発揮させることができる。
ン導電性成分と同様に、ナフィオンを電解質として使用
しており、有機溶媒を除去する際に、この固体高分子電
解質膜１２を強制的に加湿している。従って、第２の実
施形態では、第１の実施形態と同様に、有機溶媒を除去
する際にイオン導電性成分中の含水率を低下させること
がない他、固体高分子電解質膜１２自体の含水率を有効
に維持することができる。これによって、燃料電池とし
て使用する際に、固体高分子電解質膜１２およびイオン
導電性成分を一定の湿潤状態に維持することが可能にな
り、有効な発電機能を発揮させることができる。
【００３５】図６Ａは、本発明の第３および第４の実施
形態に係る製造方法を実施するための乾燥装置６０の概
略構成図である。乾燥装置６０は、ヒータ６２に保持さ
れる槽体６４を備え、この槽体６４内に水６６が貯留さ
れるとともに、前記槽体６４の両側部には、それぞれ所
定の高さ位置に設定された導入口６８および導出口７０
が形成される。導入口６８および導出口７０の近傍に
は、搬入コンベア７２および搬出コンベア７４が配設さ
れている。
形態に係る製造方法を実施するための乾燥装置６０の概
略構成図である。乾燥装置６０は、ヒータ６２に保持さ
れる槽体６４を備え、この槽体６４内に水６６が貯留さ
れるとともに、前記槽体６４の両側部には、それぞれ所
定の高さ位置に設定された導入口６８および導出口７０
が形成される。導入口６８および導出口７０の近傍に
は、搬入コンベア７２および搬出コンベア７４が配設さ
れている。
【００３６】槽体６４内には、電極ペーストが塗布され
たカーボンペーパ１６、または電極ペーストが塗布され
た固体高分子電解質膜１２を、導入口６８から導出口７
０に搬送する搬送手段７６が設けられる。この搬送手段
７６は、槽体６４内を矢印Ａ方向に移動しながら、水蒸
気流を発生させている沸騰水面７８に近接する方向（矢
印Ｂ方向）に移動した後、導出口７０の高さまで上昇す
るように駆動制御される。
たカーボンペーパ１６、または電極ペーストが塗布され
た固体高分子電解質膜１２を、導入口６８から導出口７
０に搬送する搬送手段７６が設けられる。この搬送手段
７６は、槽体６４内を矢印Ａ方向に移動しながら、水蒸
気流を発生させている沸騰水面７８に近接する方向（矢
印Ｂ方向）に移動した後、導出口７０の高さまで上昇す
るように駆動制御される。
【００３７】本発明の第３の実施形態に係る製造方法
は、第１の実施形態と同様に、図３に示すプロセスに沿
って行われ、ＳＴＰＦにおいて、乾燥装置６０によりス
チーム乾燥処理が施される。すなわち、図６Ａに示すよ
うに、先ず、電極ペーストが塗布（スクリーン印刷）さ
れたカーボンペーパ１６は、搬入コンベア７２を介して
導入口６８から槽体６４内に搬入され、搬送手段７６上
に支持される。一方、槽体６４内では、ヒータ６２が駆
動されて水６６が沸騰しており、この槽体６４内には鉛
直上方向に向かう水蒸気流が発生している。
は、第１の実施形態と同様に、図３に示すプロセスに沿
って行われ、ＳＴＰＦにおいて、乾燥装置６０によりス
チーム乾燥処理が施される。すなわち、図６Ａに示すよ
うに、先ず、電極ペーストが塗布（スクリーン印刷）さ
れたカーボンペーパ１６は、搬入コンベア７２を介して
導入口６８から槽体６４内に搬入され、搬送手段７６上
に支持される。一方、槽体６４内では、ヒータ６２が駆
動されて水６６が沸騰しており、この槽体６４内には鉛
直上方向に向かう水蒸気流が発生している。
【００３８】次いで、電極ペーストが塗布されたカーボ
ンペーパ１６は、水蒸気流を発生させている沸騰水面７
８から所定距離離間した位置に導入された後、搬送手段
７６の駆動作用下に、矢印Ａ方向に移動しながら下降
（矢印Ｂ方向）する。ここで、沸騰水面７８からの高さ
と雰囲気温度とは、図６Ｂに示すような関係を有してい
る。
ンペーパ１６は、水蒸気流を発生させている沸騰水面７
８から所定距離離間した位置に導入された後、搬送手段
７６の駆動作用下に、矢印Ａ方向に移動しながら下降
（矢印Ｂ方向）する。ここで、沸騰水面７８からの高さ
と雰囲気温度とは、図６Ｂに示すような関係を有してい
る。
【００３９】このように、第３の実施形態では、電極ペ
ーストが塗布されたカーボンペーパ１６が矢印Ｂ方向に
連続的乃至段階的に移動することにより、この電極ペー
ストの周囲雰囲気温度が連続的乃至段階的に高められ
る。このため、電極表面にクレータ状の穴が形成される
ことを阻止できる等、第１の実施形態と同様の効果が得
られる。
ーストが塗布されたカーボンペーパ１６が矢印Ｂ方向に
連続的乃至段階的に移動することにより、この電極ペー
ストの周囲雰囲気温度が連続的乃至段階的に高められ
る。このため、電極表面にクレータ状の穴が形成される
ことを阻止できる等、第１の実施形態と同様の効果が得
られる。
【００４０】さらに、第３の実施形態では、電極ペース
トが塗布されたカーボンペーパ１６が搬入コンベア７２
を介して導入口６８から槽体６４内に搬入された後、こ
の槽体６４の導出口７０から搬出コンベア７４に搬出さ
れる。このため、電極ペーストが塗布されたカーボンペ
ーパ１６を連続的かつ自動的に処理することが可能にな
るという利点がある。
トが塗布されたカーボンペーパ１６が搬入コンベア７２
を介して導入口６８から槽体６４内に搬入された後、こ
の槽体６４の導出口７０から搬出コンベア７４に搬出さ
れる。このため、電極ペーストが塗布されたカーボンペ
ーパ１６を連続的かつ自動的に処理することが可能にな
るという利点がある。
【００４１】なお、第３の実施形態では、搬送手段７６
が矢印Ａ方向に移動するように構成されているが、例え
ば、図２に示す乾燥装置２０を用い、この乾燥装置２０
内に昇降のみ可能な搬送手段を設けてもよい。
が矢印Ａ方向に移動するように構成されているが、例え
ば、図２に示す乾燥装置２０を用い、この乾燥装置２０
内に昇降のみ可能な搬送手段を設けてもよい。
【００４２】本発明の第４の実施形態に係る製造方法
は、第２の実施形態と同様に、図５に示すプロセスに沿
って行われ、乾燥装置６０によりスチーム乾燥処理が施
される。
は、第２の実施形態と同様に、図５に示すプロセスに沿
って行われ、乾燥装置６０によりスチーム乾燥処理が施
される。
【００４３】すなわち、図６Ａに示すように、先ず、電
極ペーストが塗布（スクリーン印刷）された固体高分子
電解質膜１２は、搬入コンベア７２を介して導入口６８
から槽体６４内に搬入され、搬送手段７６上に支持され
る。そして、搬送手段７６が矢印Ａ方向に移動しながら
下降（矢印Ｂ方向）し、導出口７０側に移動する。これ
により、第４の実施形態では、第２の実施形態と同様の
効果が得られることになる。
極ペーストが塗布（スクリーン印刷）された固体高分子
電解質膜１２は、搬入コンベア７２を介して導入口６８
から槽体６４内に搬入され、搬送手段７６上に支持され
る。そして、搬送手段７６が矢印Ａ方向に移動しながら
下降（矢印Ｂ方向）し、導出口７０側に移動する。これ
により、第４の実施形態では、第２の実施形態と同様の
効果が得られることになる。
【００４４】図７は、本発明の第５および第６の実施形
態に係る製造方法を実施するための乾燥装置１００を示
す。乾燥装置１００は、乾燥用容器１０２を備え、この
容器１０２内には、複数の孔部１０４が形成された仕切
板１０６が多段に設けられて上下方向に複数の載置部１
０８が構成される。容器１０２の下部には、ヒータ（加
熱手段）１１０が設けられるとともに、このヒータ１１
０に近接してガス循環用ファン１１２がモータ１１４を
介して回転自在に配設される。
態に係る製造方法を実施するための乾燥装置１００を示
す。乾燥装置１００は、乾燥用容器１０２を備え、この
容器１０２内には、複数の孔部１０４が形成された仕切
板１０６が多段に設けられて上下方向に複数の載置部１
０８が構成される。容器１０２の下部には、ヒータ（加
熱手段）１１０が設けられるとともに、このヒータ１１
０に近接してガス循環用ファン１１２がモータ１１４を
介して回転自在に配設される。
【００４５】容器１０２の下部側壁面に、管路１１６を
介して調湿器１１８が連通し、この調湿器１１８が管路
１２０を介して図示しない乾燥用キャリアガス供給源に
連通する。容器１０２の上部側壁面には、管路１２２を
介して水および溶媒回収部１２４が連結されている。な
お、調湿器１１８は、ガスをバブリングする方式の他、
膜加湿方式、超音波加湿方式または多孔質体による加湿
方式等、種々の方式を採用することができる。
介して調湿器１１８が連通し、この調湿器１１８が管路
１２０を介して図示しない乾燥用キャリアガス供給源に
連通する。容器１０２の上部側壁面には、管路１２２を
介して水および溶媒回収部１２４が連結されている。な
お、調湿器１１８は、ガスをバブリングする方式の他、
膜加湿方式、超音波加湿方式または多孔質体による加湿
方式等、種々の方式を採用することができる。
【００４６】本発明の第５の実施形態に係る製造方法で
は、電極ペーストが塗布されたカーボンペーパ１６が容
器１０２内の各載置部１０８に載置された後、調湿器１
１８の作用下に所定の加湿状態に調整されたキャリアガ
スが管路１１６から容器１０２内に導入される。一方、
モータ１１４を介してガス循環用ファン１１２が駆動さ
れるとともに、ヒータ１１０が駆動され、容器１０２内
の温度が連続的乃至段階的に高められる。
は、電極ペーストが塗布されたカーボンペーパ１６が容
器１０２内の各載置部１０８に載置された後、調湿器１
１８の作用下に所定の加湿状態に調整されたキャリアガ
スが管路１１６から容器１０２内に導入される。一方、
モータ１１４を介してガス循環用ファン１１２が駆動さ
れるとともに、ヒータ１１０が駆動され、容器１０２内
の温度が連続的乃至段階的に高められる。
【００４７】このため、加湿されたキャリアガスは、仕
切板１０６の孔部１０４を通って容器１０２の下方側か
ら上方側に向かって移動し、各載置部１０８に載置され
ている電極ペーストが塗布されたカーボンペーパ１６を
強制的に加湿する。その際、容器１０２内の温度が、ヒ
ータ１１０を介し時間の経過に伴って連続的乃至段階的
に高められるため、電極ペーストの表面が突沸すること
がなく、イオン導電性成分中の含水率を有効に維持する
ことができる。また、必要に応じて調湿器１１８を制御
することにより、容器１０２内の湿度の調整も併せて行
えば、一層精密な制御が遂行可能になる。
切板１０６の孔部１０４を通って容器１０２の下方側か
ら上方側に向かって移動し、各載置部１０８に載置され
ている電極ペーストが塗布されたカーボンペーパ１６を
強制的に加湿する。その際、容器１０２内の温度が、ヒ
ータ１１０を介し時間の経過に伴って連続的乃至段階的
に高められるため、電極ペーストの表面が突沸すること
がなく、イオン導電性成分中の含水率を有効に維持する
ことができる。また、必要に応じて調湿器１１８を制御
することにより、容器１０２内の湿度の調整も併せて行
えば、一層精密な制御が遂行可能になる。
【００４８】本発明の第６の実施形態に係る製造方法で
は、第５の実施形態と同様に、電極ペーストが塗布され
た固体高分子電解質膜１２が容器１０２内の各載置部１
０８に載置される。従って、調湿器１１８およびヒータ
１１０を介して固体高分子電解質膜１２を強制的に加湿
した状態で、有機溶媒の除去を確実に遂行することがで
きる。
は、第５の実施形態と同様に、電極ペーストが塗布され
た固体高分子電解質膜１２が容器１０２内の各載置部１
０８に載置される。従って、調湿器１１８およびヒータ
１１０を介して固体高分子電解質膜１２を強制的に加湿
した状態で、有機溶媒の除去を確実に遂行することがで
きる。
【００４９】
【発明の効果】本発明に係る燃料電池用電極構造体の製
造方法では、電極触媒層構成材および有機溶媒を用いて
形成された電極ペーストが、電子導電性触媒支持体上ま
たは電解質膜上に設けられた後、この電子導電性触媒支
持体または電解質膜を強制的に加湿しながら、前記有機
溶媒の除去とイオン導電性成分の固定とを行う。このた
め、イオン導電性成分および電解質膜が乾燥して所望の
含水率に回復不能となることがなく、所定の湿潤状態を
維持して有効な発電機能を発揮することができる。
造方法では、電極触媒層構成材および有機溶媒を用いて
形成された電極ペーストが、電子導電性触媒支持体上ま
たは電解質膜上に設けられた後、この電子導電性触媒支
持体または電解質膜を強制的に加湿しながら、前記有機
溶媒の除去とイオン導電性成分の固定とを行う。このた
め、イオン導電性成分および電解質膜が乾燥して所望の
含水率に回復不能となることがなく、所定の湿潤状態を
維持して有効な発電機能を発揮することができる。
【図１】本発明の第１の実施形態に係る製造方法が適用
される電極構造体の分解斜視図である。
される電極構造体の分解斜視図である。
【図２】前記第１の実施形態に係る製造方法に使用され
る乾燥装置の概略構成図である。
る乾燥装置の概略構成図である。
【図３】前記第１の実施形態に係る製造方法のプロセス
説明図である。
説明図である。
【図４】前記第１の実施形態に係る製造方法により製造
された電極構造体と、従来例により製造された電極構造
体の電流密度とセル電圧の関係図である。
された電極構造体と、従来例により製造された電極構造
体の電流密度とセル電圧の関係図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る製造方法のプロ
セス説明図である。
セス説明図である。
【図６】図６Ａは、本発明の第３および第４の実施形態
に係る製造方法に使用される乾燥装置の概略構成図であ
り、図６Ｂは、前記乾燥装置の内部温度分布を示す説明
図である。
に係る製造方法に使用される乾燥装置の概略構成図であ
り、図６Ｂは、前記乾燥装置の内部温度分布を示す説明
図である。
【図７】本発明の第５および第６の実施形態に係る製造
方法に使用される乾燥装置の概略構成図である。
方法に使用される乾燥装置の概略構成図である。
１０…電極構造体 １２…固体高分
子電解質膜 １４…電極触媒層 １６…カーボン
ペーパ ２０、６０、１００…乾燥装置 ２２、３２…温
調器 ２６、６６…水 ２４、３４、６
２、１１０…ヒータ ３０…吊り下げ手段 ２８、６４…槽
体 ６８…導入口 ７０…導出口 ７６…搬送手段 ７８…沸騰水面 １０２…容器 １０８…載置部 １１２…ファン １１８…調湿器
子電解質膜 １４…電極触媒層 １６…カーボン
ペーパ ２０、６０、１００…乾燥装置 ２２、３２…温
調器 ２６、６６…水 ２４、３４、６
２、１１０…ヒータ ３０…吊り下げ手段 ２８、６４…槽
体 ６８…導入口 ７０…導出口 ７６…搬送手段 ７８…沸騰水面 １０２…容器 １０８…載置部 １１２…ファン １１８…調湿器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川越 敬正 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 山本 晃生 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内
Claims (12)
- 【請求項１】電極触媒およびイオン導電性成分を含む電
極触媒層構成材と有機溶媒とから形成された電極ペース
トを、電子導電性触媒支持体上に設ける工程と、 前記電極ペーストが設けられた電子導電性触媒支持体を
強制的に加湿しながら、前記有機溶媒の除去と前記イオ
ン導電性成分および電極触媒の前記電子導電性触媒支持
体上への固定とを行う工程と、 を有することを特徴とする燃料電池用電極構造体の製造
方法。 - 【請求項２】請求項１記載の製造方法において、前記加
湿は、前記電極ペーストが設けられた電子導電性触媒支
持体の面に対して略直交する方向に向かう水蒸気流中で
行うことを特徴とする燃料電池用電極構造体の製造方
法。 - 【請求項３】請求項２記載の製造方法において、前記電
極ペーストの周囲雰囲気温度を加熱手段により連続的乃
至段階的に高めることを特徴とする燃料電池用電極構造
体の製造方法。 - 【請求項４】請求項２記載の製造方法において、前記電
極ペーストが設けられた電子導電性触媒支持体を、前記
水蒸気流を発生させている沸騰水面から所定距離離間し
た位置に導入した後、該電極ペーストが設けられた電子
導電性触媒支持体を前記沸騰水面に近接する方向に連続
的乃至段階的に移動させることにより、前記電極ペース
トの周囲雰囲気温度を高めることを特徴とする燃料電池
用電極構造体の製造方法。 - 【請求項５】請求項２記載の製造方法において、前記電
極ペーストが設けられた電子導電性触媒支持体を乾燥用
容器内に配置し、前記乾燥用容器内に加湿調整されたガ
スを供給するとともに、加熱手段により該乾燥用容器内
の温度を連続的乃至段階的に高めることを特徴とする燃
料電池用電極構造体の製造方法。 - 【請求項６】請求項１記載の製造方法において、前記有
機溶媒は、エチレングリコール、グリセリン、プロピレ
ングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレング
リコール、またはベンジルアルコールのいずれかを含む
ことを特徴とする燃料電池用電極構造体の製造方法。 - 【請求項７】電極触媒およびイオン導電性成分を含む電
極触媒層構成材と有機溶媒とから形成された電極ペース
トを、電解質膜上に設ける工程と、 前記電極ペーストが設けられた電解質膜を強制的に加湿
しながら、前記有機溶媒の除去と前記イオン導電性成分
および電極触媒の前記電解質膜上への固定とを行う工程
と、 を有することを特徴とする燃料電池用電極構造体の製造
方法。 - 【請求項８】請求項７記載の製造方法において、前記加
湿は、前記電極ペーストが設けられた電解質膜の面に対
して略直交する方向に向かう水蒸気流中で行うことを特
徴とする燃料電池用電極構造体の製造方法。 - 【請求項９】請求項８記載の製造方法において、前記電
極ペーストの周囲雰囲気温度を加熱手段により連続的乃
至段階的に高めることを特徴とする燃料電池用電極構造
体の製造方法。 - 【請求項１０】請求項８記載の製造方法において、前記
電極ペーストが設けられた電解質膜を、前記水蒸気流を
発生させている沸騰水面から所定距離離間した位置に導
入した後、該電極ペーストが設けられた電解質膜を前記
沸騰水面に近接する方向に連続的乃至段階的に移動させ
ることにより、前記電極ペーストの周囲雰囲気温度を高
めることを特徴とする燃料電池用電極構造体の製造方
法。 - 【請求項１１】請求項８記載の製造方法において、前記
電極ペーストが設けられた電解質膜を乾燥用容器内に配
置し、前記乾燥用容器内に加湿調整されたガスを供給す
るとともに、加熱手段により該乾燥用容器内の温度を連
続的乃至段階的に高めることを特徴とする燃料電池用電
極構造体の製造方法。 - 【請求項１２】請求項７記載の製造方法において、前記
有機溶媒は、エチレングリコール、グリセリン、プロピ
レングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレン
グリコール、またはベンジルアルコールのいずれかを含
むことを特徴とする燃料電池用電極構造体の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00789997A JP3273591B2 (ja) | 1996-02-05 | 1997-01-20 | 燃料電池用電極構造体の製造方法 |
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