JPWO2018124039A1 - 燃料電池の製造方法および加工装置 - Google Patents
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Abstract
平面配列型の燃料電池における隣接する単位セル同士を電気的に接続するインターコネクタ部を容易に形成し得る燃料電池の製造方法を提供する。インターコネクタ部(30)は、電解質膜(12)に局所的に熱をかけてプロトン伝導性樹脂を炭化させる局所加熱工程を経て形成され、局所加熱工程では、電解質膜(12)の一部分を第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する第1の加熱ステップと、第1の加熱ステップ後に電解質膜(12)の一部分を第1の昇温速度よりも大なる昇温速度で第1の温度よりも高い第2の温度以上に加熱する第2の加熱ステップとを含む。
Description
本発明は、単位セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池の製造方法およびインターコネクタ部形成用加工装置に関する。
燃料電池は、水素と酸素とから電力を得る装置である。発電に伴い水を生成するのみなのでクリーンな電力源として近年注目されている。このような燃料電池の単位セルの電圧は0.6〜0.8V程度と低いため、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)とセパレータよりなる単位セルを複数積層して直列に接続し高出力を得る燃料電池スタックが実用化されている。この燃料電池スタックは、積層するに当たり作業工程が多いため手間がかかるという問題がある。
一方、1枚の電解質膜に平面状に複数の単位セルを形成するとともに、隣接する単位セル同士を接続するためのインターコネクタ部を形成し、複数の単位セルを直列に接続した燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような構成では1枚の電解質膜で高電圧化することができるということや、単位セルを積層する必要がないといったメリットがある。
しかしながら、特許文献1に記載のような燃料電池においては、インターコネクタ部は、電解質膜の一部に空隙部を形成し、その空隙部にアノード触媒層用材料またはカソード触媒層用材料を充填して形成される。このような構成では、インターコネクタ部を形成するに当たり、いくつかの工程を経る必要があり時間と手間がかかるという問題がある。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、平面配列型の燃料電池において、隣接する単位セル同士を電気的に接続するインターコネクタ部を容易に形成し得る燃料電池の製造方法およびインターコネクタ部形成用加工装置を提供することにある。
かかる課題を解決するため、本発明の燃料電池の製造方法は、プロトン伝導性樹脂よりなる電解質膜の両面に電極層を備え、
前記両面の電極層は、分割溝により分割された複数の電極領域を有し、前記両面の一方の面側における一つの電極領域と、前記一つの電極領域に対向する他方の面側における一つの電極領域と、前記電解質膜と、を含む積層構造により単位セルが構成され、
前記単位セルが複数配列されてなり、
一つの前記単位セルの前記一方の面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクタ部を前記電解質膜内に備え、
前記インターコネクタ部が前記電解質膜の前記プロトン伝導性樹脂由来の導電性炭化物からなる燃料電池の製造方法であって、
前記インターコネクタ部は、前記電解質膜に局所的に熱をかけて前記プロトン伝導性樹脂を炭化させる局所加熱工程を経て形成され、
前記局所加熱工程は、前記電解質膜の一部分を第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する第1の加熱ステップと、前記第1の加熱ステップ後に前記電解質膜の前記一部分を前記第1の昇温速度よりも大なる昇温速度で前記第1の温度よりも高い第2の温度以上に加熱する第2の加熱ステップと、を含むことを特徴とする。
前記両面の電極層は、分割溝により分割された複数の電極領域を有し、前記両面の一方の面側における一つの電極領域と、前記一つの電極領域に対向する他方の面側における一つの電極領域と、前記電解質膜と、を含む積層構造により単位セルが構成され、
前記単位セルが複数配列されてなり、
一つの前記単位セルの前記一方の面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクタ部を前記電解質膜内に備え、
前記インターコネクタ部が前記電解質膜の前記プロトン伝導性樹脂由来の導電性炭化物からなる燃料電池の製造方法であって、
前記インターコネクタ部は、前記電解質膜に局所的に熱をかけて前記プロトン伝導性樹脂を炭化させる局所加熱工程を経て形成され、
前記局所加熱工程は、前記電解質膜の一部分を第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する第1の加熱ステップと、前記第1の加熱ステップ後に前記電解質膜の前記一部分を前記第1の昇温速度よりも大なる昇温速度で前記第1の温度よりも高い第2の温度以上に加熱する第2の加熱ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明の燃料電池の製造方法では、第1および第2の加熱ステップにより、インターコネクタ部を、電解質膜のプロトン伝導性樹脂由来の導電性炭化物とすることで、煩雑な工程を要することなく容易に形成することができる。電解質膜の一部を炭化することのみで導電性炭化物、すなわちインターコネクタ部が得られるからである。また、2つの加熱ステップを備えることで、良好なインターコネクタ部を確実に形成できる。
一方、本発明の加工装置は、プロトン伝導性樹脂よりなる電解質膜の両面に電極層を備え、前記両面の電極層は、分割溝により分割された複数の電極領域を有し、前記一方の面側における一つの電極領域と、前記一つの電極領域に対向する他方の面側における一つの電極領域と、前記電解質膜と、を含む積層構造により単位セルが構成され、前記単位セルが複数配列されてなり、一つの前記単位セルの前記一方の面側における電極領域と前記一つの単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクタ部を前記電解質膜内に備え、前記インターコネクタ部が前記電解質膜の前記プロトン伝導性樹脂由来の導電性炭化物からなる燃料電池の前記インターコネクタ部を形成する加工装置であって、
前記電解質膜の主面に沿って相対的に移動する加工ヘッドを備え、
前記加工ヘッドは、レーザー光照射により前記電解質膜の一部分を第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する第1のレーザー光照射ヘッドと、レーザー光照射により前記電解質膜の前記一部分を前記第1の昇温速度よりも大なる昇温速度で前記第1の温度よりも高い第2の温度以上に加熱する第2のレーザー光照射ヘッドと、を備えていることを特徴とする。
前記電解質膜の主面に沿って相対的に移動する加工ヘッドを備え、
前記加工ヘッドは、レーザー光照射により前記電解質膜の一部分を第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する第1のレーザー光照射ヘッドと、レーザー光照射により前記電解質膜の前記一部分を前記第1の昇温速度よりも大なる昇温速度で前記第1の温度よりも高い第2の温度以上に加熱する第2のレーザー光照射ヘッドと、を備えていることを特徴とする。
本発明の加工装置では、第1および第2のレーザー光照射ヘッドにより、プロトン伝導性樹脂の電解質膜の一部分を局所的に加熱し、該一部分のプロトン伝導性樹脂を炭化して導電性炭化物とすることのみでインターコネクタ部を形成することができ、煩雑な工程を要することなく容易にかつ確実に形成することができる。
前記プロトン伝導性樹脂としては、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類等の炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入した芳香族系高分子化合物が好ましい。このような化合物は加熱により導電性炭化物に変化しやすい。
本発明によれば、平面配列型の燃料電池における隣接する単位セル同士を電気的に接続するインターコネクタ部を容易に形成し得る燃料電池の製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明に実施の形態についてさらに詳しく説明する。
<燃料電池>
図1は、本発明を適用した燃料電池の一実施形態を示す模式断面図であり、図2は図1の要部を拡大して示す図であり、上側がアノード、下側がカソードである。図2に示す燃料電池10の膜電極接合体(MEA)11は、電解質膜12(PEM:polymer electrolyte membrane)の両面側に、ガス拡散層18を備え、下側には電極層として触媒層16が設けられ、上側には電極層として触媒層16と電解質膜12に接する保護層14が設けられている。すなわち、本実施形態では上側の電極層は触媒層16と保護層14の2層で構成されている。さらに、上側のガス拡散層18の上方には上板20が設けられ、下側のガス拡散層18の下方には下板22が設けられ、上板20と下板22とが膜電極接合体11を挟持するように構成されている。なお、図1においては、中央に位置する積層構造を省略して描いている。
<燃料電池>
図1は、本発明を適用した燃料電池の一実施形態を示す模式断面図であり、図2は図1の要部を拡大して示す図であり、上側がアノード、下側がカソードである。図2に示す燃料電池10の膜電極接合体(MEA)11は、電解質膜12(PEM:polymer electrolyte membrane)の両面側に、ガス拡散層18を備え、下側には電極層として触媒層16が設けられ、上側には電極層として触媒層16と電解質膜12に接する保護層14が設けられている。すなわち、本実施形態では上側の電極層は触媒層16と保護層14の2層で構成されている。さらに、上側のガス拡散層18の上方には上板20が設けられ、下側のガス拡散層18の下方には下板22が設けられ、上板20と下板22とが膜電極接合体11を挟持するように構成されている。なお、図1においては、中央に位置する積層構造を省略して描いている。
上板20および下板22のガス拡散層18側の面には水素ガスおよび酸素含有ガス(空気)のための複数の流路溝20Tおよび22T(図中の凹部分)が対向するように、それぞれ設けられている。電解質膜12の上面(アノード側)の周縁部と上板20との間にはシール24が設けられる。シール24は電解質膜12と上板20とに当接し、上板20と電解質膜12との間の空間を密封する。なお上板20には、図示しない水素供給手段から供給される水素を、上板20と電解質膜12との間に導入する、図示しない水素導入口が設けられている。一方、電解質膜12の下面(カソード側)は上面のように密封されることなく、周囲の空気から酸素を取り入れる構造となっている。
また、電解質膜12の下面(カソード側)では、膜電極接合体11の両端部(図1中左端および右端)下面のガス拡散層18と下板22との間には黒鉛シート26が配され、黒鉛シート26はガス拡散層18に当接するよう構成される。それぞれの黒鉛シート26には導線28が接続され、燃料電池10にて生じた電力は導線28を通じて外部に取り出されることになる。なお、電解質膜12と、その下面側の触媒層16、およびガス拡散層18は、上板20と下板22とにより一定の圧力(例えば、2MPa以下)で押圧され挟持される。
電解質膜12の上面側の保護層14、触媒層16、およびガス拡散層18、並び電解質膜12の下面側の触媒層16およびガス拡散層18は複数の分割溝17により分割され、複数の領域(以下、「電極領域」と呼ぶ。)が形成されている。これら電極領域は、前記分割溝17の延伸方向を長辺とし2つの分割溝間を短辺とする矩形状である。また、電解質膜12の上面側における電極領域は、下面側の電極領域と対向するように配置されている。
膜電極接合体11において、電解質膜12の上面側の一つの電極領域と、この電極領域の一部に対向する下面側における電極領域と、それらの電極領域の間に位置する電解質膜12とを含む積層構造により単位セル(発電セル)が構成されている。つまり、図1において、電解質膜12、その上面側の保護層14、触媒層16、およびガス拡散層18、ならびに、下面側の触媒層16およびガス拡散層18からなる積層構造が単位セルである。図1において最も左に位置する単位セルのみを破線Aで示す。
電解質膜12の内部には、一つの単位セルの上面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣の単位セルの下面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクタ部30を有する。インターコネクタ部30により、隣接する単位セル同士が電気的に直列接続される。
図1、図2において、各電極領域の幅(2つの分割溝17の間隔)は、例えば、約5mmとすることができ、インターコネクタ部30の幅は約0.1mmであってもよい。
以上の構成において、アノード側に水素ガスが供給され、カソード側に酸素含有ガス(空気)が供給されることで各単位セルにおいて発電され、2つの黒鉛シート26に接続した導線28を通じて電力を取り出すことができる。そして、各単位セルは直列接続されているため、各単位セルの電圧の和が燃料電池10の電圧となる。
燃料電池10の構成要素について、以下に詳述する。
[電解質膜]
本発明の燃料電池10における電解質膜12に特に限定はなく、種々の電解質膜を採用することができる。そして、上記の通り、電解質膜12内に、隣接する単位セル同士を電気的に直列接続するインターコネクタ部30を備える。インターコネクタ部30は、後述するように、電解質膜12の一部分を局所的に加熱して炭化することで形成される。
本発明の燃料電池10における電解質膜12に特に限定はなく、種々の電解質膜を採用することができる。そして、上記の通り、電解質膜12内に、隣接する単位セル同士を電気的に直列接続するインターコネクタ部30を備える。インターコネクタ部30は、後述するように、電解質膜12の一部分を局所的に加熱して炭化することで形成される。
電解質膜12のプロトン伝導性樹脂としては、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類等の炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入した芳香族系高分子化合物が好ましい。ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸樹脂に比べ、炭化によるインターコネクタ部30の形成が容易にできるからである。理由は定かではないが、芳香族系高分子は分子構造中に炭素の6員環構造を含むため熱分解により黒鉛化しやすいものと考えられる。このような芳香族系高分子は例えば、約900℃で加熱することにより導電性を有する炭化物に変化する。
[触媒層]
触媒層16は、例えば、触媒金属を担持した炭素粒子(触媒粒子)を含んで構成される。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーおよびカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独でまたは2種以上組み合わせて使用することができる。
触媒層16は、例えば、触媒金属を担持した炭素粒子(触媒粒子)を含んで構成される。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーおよびカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独でまたは2種以上組み合わせて使用することができる。
触媒層16は前記触媒粒子の他、プロトン伝導性樹脂を含む。触媒層16は水素ガスまたは酸素含有ガスとの接触面積が大きくなるよう多孔性の構造をとる。そのため、プロトン伝導性樹脂の充填密度は後述の保護層14よりも小さく設定される。例えば、触媒層16におけるプロトン伝導性樹脂は30〜50wt%であってもよい。
[保護層]
電解質膜12、または電解質膜12内のインターコネクタ部30またはその近傍において、ガスがリークするいわゆるクロスリークを防止するために、電解質膜12の片面側または両面側のそれぞれに保護層14を設けることが好ましい。図1においては、電解質膜12の上面側に保護層14を設けている。
電解質膜12、または電解質膜12内のインターコネクタ部30またはその近傍において、ガスがリークするいわゆるクロスリークを防止するために、電解質膜12の片面側または両面側のそれぞれに保護層14を設けることが好ましい。図1においては、電解質膜12の上面側に保護層14を設けている。
保護層14は、クロスリークを防止できるのであればその形態について問わないが、ガスバリア性を備えつつ、さらに電気伝導性およびプロトン伝導性を備えた保護層14が好ましい。
保護層14は、プロトン伝導性樹脂と導電性カーボン(炭素)とから構成されていてもよい。ガスバリア性を高めるため、プロトン伝導性樹脂の充填密度は、触媒層16のそれよりも高く設定される。例えば、保護層14におけるプロトン伝導性樹脂は70wt%以上であってもよい。なお、プロトン伝導性樹脂は触媒層16と同じ材料であっても異なる材料であってもよい。
プロトン伝導性樹脂としては、ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸樹脂や前述の芳香族系高分子化合物を用いることができる。
導電性カーボンとしては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。
上記のような保護層14は、例えば、ナフィオン(登録商標)等のプロトン伝導性樹脂の分散液にケッチェンブラック等の導電性カーボンを添加して調製した塗布液を塗布し乾燥することで形成することができる。なお、保護層14の厚みは、例えば5〜50μmであってもよい。
[ガス拡散層]
ガス拡散層18は、基材と、多孔質層とが積層されて構成される。基材は、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。
ガス拡散層18は、基材と、多孔質層とが積層されて構成される。基材は、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。
[上板、下板]
上板20および下板22は、前述のようにガス拡散層18側にガスのための流路溝20Tおよび22T(凹部分)を備え、流路溝20T,20Tの間の部分および22T、22Tの間の部分(凸部分)でガス拡散層18を押圧する。膜電極接合体11の単位セル同士はインターコネクタ部30を通して直列に接続されるので、上板20および下板22は絶縁性の樹脂で形成することが好ましい。当該汎用樹脂としては、ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)等を挙げることができる。
<燃料電池の製造方法>
燃料電池10は、以下に説明する本発明の製造方法により製造することができる。
上板20および下板22は、前述のようにガス拡散層18側にガスのための流路溝20Tおよび22T(凹部分)を備え、流路溝20T,20Tの間の部分および22T、22Tの間の部分(凸部分)でガス拡散層18を押圧する。膜電極接合体11の単位セル同士はインターコネクタ部30を通して直列に接続されるので、上板20および下板22は絶縁性の樹脂で形成することが好ましい。当該汎用樹脂としては、ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)等を挙げることができる。
<燃料電池の製造方法>
燃料電池10は、以下に説明する本発明の製造方法により製造することができる。
まず、ガス拡散層18の素材となるカーボンペーパーを準備する。このカーボンペーパーのガス拡散層18の一面に対し触媒層16を形成すべく、触媒とプロトン伝導性樹脂とを含むインクを塗工する。これにより、図3に示すようにガス拡散層18上に、触媒層16からなる電極層が形成される。なお、本製造方法において、図3に示すように直交座標のxy方向の平面にカーボンペーパー(ガス拡散層)18の一面があり、当該一面からz方向において触媒層16の塗工がなされるものとする。
次に、図4に示すように、作成したガス拡散層18と電極層との積層体LB(以下、「拡散電極積層体」と呼ぶ。)に、所定の長さの複数の分割溝17をx方向に直線状に形成して、拡散電極積層体LBを複数の電極領域ERに区画する。分割溝の形成は、針状の刃具を用いて機械的に拡散電極積層体LBの部分を除去する方法やレーザー光を照射し当該部分を蒸発させる方法により行うことができる。
次に、図5に示すように、分割溝17を形成した拡散電極積層体LBの触媒層16上に電解質膜12を載置する。
次に、図6に示すように、電解質膜12のインターコネクタ部30の形成予定箇所30aが、加熱手段により局所的に加熱される(第1局所加熱ステップ)。当該加熱手段としては、電解質膜12の主面に沿ってx方向に直線状に相対的に移動するレーザー光照射加工ヘッドHDを使用する。レーザー光源としては、例えば、CO2レーザーを挙げることができる。レーザー光照射加工ヘッドHDは第1のレーザー光照射ヘッド29aを備え、そのレーザー光照射により電解質膜12の一部分30aを第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する。第1局所加熱ステップでは、例えばCO2レーザーを用いて炭化しない温度(例えば約400℃)まで電解質膜12の一部を昇温する。400℃(第1の温度)まで上昇させることでインターコネクタ部30となる部分30aの電解質膜12の水分を十分除去することができる。また、急激な水分の蒸発を防止するため、第1の昇温速度は3℃/msec以下とすることが好ましい。
次に、図7に示すように、第1局所加熱ステップの後に、電解質膜12の当該一部分(図6の30a)を再度加熱手段により局所的に加熱して炭化させ、インターコネクタ部30を形成する(第2局所加熱ステップ)。レーザー光照射加工ヘッドHDは第2のレーザー光照射ヘッド29bをも備え、第2のレーザー光照射ヘッド29bのレーザー光照射により当該一部分を第1の昇温速度(例えば3℃/msec)よりも大なる第2の昇温速度で第1の温度よりも高い第2の温度(例えば900℃)以上に加熱する。このように同一部分に第1、第2局所加熱ステップを実行することにより、水分を局所的に除去した後、当該部分を炭化させることで、厚みの増加のないインターコネクタ部30を作ることができる。
なお、電解質膜12の一部を炭化させる場合、第1局所加熱ステップを経ずに、第2局所加熱ステップのみで電解質膜12を900℃以上に熱する場合、出力照射強度の高いレーザーを電解質膜12に対して照射した時、電解質膜12が保持する水分が急激に蒸発するため、発泡した状態で炭化が起こり、当該部分の厚み(体積)が増大することを知見した。厚みが増大すると、触媒層16とインターコネクタ部30の接触が不充分となり、性能が低下する。本発明者らが鋭意研究を行ったところ、照射当初は低い強度で照射を行い電解質膜12の水を蒸発させ、その後高い強度で照射を行い、炭化を促進させることによって、厚みを増大させずにインターコネクタ部30を形成できることを見出した。
次に、図8に示すように、他の拡散電極積層体LBaを準備する。他の拡散電極積層体LBaは、ガス拡散層18上に電極層として触媒層16と保護層14とが作成され、所定の長さの複数の分割溝17がx方向に直線状に形成されて、複数の電極領域ERに区画されたものである。保護層14は導電材(ケッチェンブラック等)とプロトン伝導性樹脂とを含むインクを触媒層16に塗工して形成される。分割溝17の形成は、針状の刃具を用いて機械的に拡散電極積層体LBaの部分を除去する方法またはレーザー光を照射し当該部分を蒸発させる方法により行うことができる。
次に、図9に示すように、上記のようにしてインターコネクタ部30が形成された電解質膜12の前記拡散電極積層体LBとは逆の面側に、さらに他の拡散電極積層体LBaをその電極層が電解質膜12側となるよう載置する。前記他の拡散電極積層体LBaも載置前に分割溝17が形成されており、該分割溝17が前記インターコネクタ部30に対し所定の位置となるよう(すなわち、インターコネクタ部30が当該拡散電極積層体LBの電極領域で被覆されるよう)、位置合わせして載置される。
このように拡散電極積層体LBと電解質膜12と他の拡散電極積層体LBaとを重ねた上で、その積層方向にホットプレスを行うことでこれらを一体化させて、膜電極接合体11が製造される。これにより、インターコネクタ部30を介して隣接する単位セル同士が電気的に直列接続される。
次に、図10に示すように、上板20を準備する。上板20の膜電極接合体11のアノード側のガス拡散層側になる面には水素ガス導入のための複数の流路溝20Tおよび隣接溝の間の凸部分20Pがx方向に直線状に平行に設けられている。凸部分20Pは、組み立て完了時に膜電極接合体11のアノード側のガス拡散層18を押圧するものである。さらに、上板20の複数の凸部分20Pがある領域を囲むようにシール24が設けられる。シール24の頂面は、組み立て完了時に膜電極接合体11に当接し、上板20と膜電極接合体11との間の流路溝20Tおよび凸部分20Pがある空間を密封する。
次に、図11に示すように、下板22を準備する。下板22の膜電極接合体11のカソード側のガス拡散層側になる面には酸素含有ガス(空気)導入のための複数の流路溝22Tおよび隣接する各対の流路溝22T、22Tの間の凸部分22Pがx方向に直線状に平行に設けられている。凸部分22Pは、組み立て完了時に膜電極接合体11のカソード側のガス拡散層18を押圧するものである。さらに、下板22の両端部にはそれぞれ黒鉛シート26が予め設けられている。
次に、再び図1に示すように、上板20および下板22のそれぞれの凸部分同士が膜電極接合体11のインターコネクタ部30を挟持するようにして、上板20と下板22とにより、電解質膜12、保護層14、触媒層16およびガス拡散層18を一定の圧力で押圧して挟持する。これにより、一対の黒鉛シート26は膜電極接合体11のカソード側のガス拡散層18に電気的に接続される。そして、それぞれの黒鉛シート26に導線28を接続して、組み立てが完了する。
上記の第1、第2局所加熱ステップ(図6、図7)においては、図12に示すように、低い出力照射強度の第1のレーザー光照射ヘッド29aと、これより高い出力照射強度の第2のレーザー光照射ヘッド29bとを備えたレーザー光照射加工ヘッドHDを、2つのレーザービームB1、B2が同一軌跡を描くように、x方向に直線状に送り出し、分割溝17毎に、図13に示すような温度プロファイルとなるようにレーザー光照射を行う。当該温度プロファイルにおいては、第1局所加熱ステップ1stにて電解質膜12の一部分を第1の昇温速度で400℃温度以下の温度に加熱して、第2局所加熱ステップ2ndにて当該一部分を第1の昇温速度よりも大なる第2の昇温速度で900℃に加熱している。
他の加熱変形例としては、電解質膜12の局所の水分を十分除去することができればよいので、第1のレーザー光照射ヘッド29aの出力照射強度を制御して図14に示す温度プロファイルのような第1局所加熱ステップ1stにおいて温度を一定となるようにレーザー光照射を行うこともできる。このとき、前述の一定の温度まで加熱する昇温速度は、第1の昇温速度以下となるようにする。
また、上記のようにレーザーを2回照射するのではなく、1回の照射で第1、第2局所加熱ステップを構成することもできる。例えば、図15に示すように、単一のレーザー光照射ヘッド29cのみを備えたレーザー光照射加工ヘッドHDをx方向に直線状に送り出し、レーザー光照射ヘッドの出力照射強度と送り速度を制御することで、レーザー光B3の照射を行い、2段階の加熱を行うこともできる。図16に示すように、レーザー光を電解質膜12に照射すると、照射部分は高温になるとともに、周辺部も熱伝導により照射部分よりゆるやかに加熱され温度が上昇する。よって、レーザー光中心付近の温度が第2の温度以上となるレーザー光の照射範囲およびレーザー光照射加工ヘッドHDと電解質膜12との相対移動速度を調整することで2つの局所加熱ステップを実行することができる。この場合、図17に示す温度プロファイルのように、レーザー光照射加工ヘッドHDの相対移動速度が速いときの温度プロファイルfastから同相対移動速度が遅いときの温度プロファイルslowに変化させることで第1局所加熱ステップ1stの期間の長さおよび第1の昇温速度を調整できる。
さらに、上記のようにレーザーを2回照射するのではなく、第1局所加熱ステップとして電熱線等をインターコネクタ部30となるべき部分に接近させて当該部分の水分を十分除去した後に、1回のレーザー光照射で第2局所加熱ステップを構成することもできる。
なお、上記図4のように、まず触媒層16と保護層14とを積層させ、次いで分割溝17を形成する製造方法では、容易に電極領域を形成することができるため、ロール・トゥ・ロール(Roll to Roll)方式で連続的に製造するのに適している。
なお、ここで、プロトン伝導性樹脂として芳香族系高分子を用いた場合の前記インターコネクタ部30の箇所の前記加熱前と加熱後とにおける、赤外線分光(FT−IR)と、ラマン分光の測定結果について示す。図18、図19はそれぞれ加熱前、加熱後のFT−IRスペクトルを示す。加熱前の図18ではプロトン伝導性樹脂中の原子間の結合由来の吸収線が見られるのに対し、加熱後の図19では前記吸収線が消失した。これは加熱によりプロトン伝導性樹脂が分解し、炭素質に変化したためと考えられる。
一方、ラマン分光の測定結果では、加熱前にはピークが現れていないものの、加熱後には1350cm-1付近と1600℃m-1付近にピークが出現していることが分かる(図20)。これらは炭素質材料由来のそれぞれDバンド、Gバンドと考えられ、前記加熱により当該箇所が炭素質に変化していると考えられる。
以上のようにプロトン伝導性樹脂を加熱により炭化させることで、当該箇所に対し体積抵抗率が0.1Ω・mm程度の導電性を容易に付与することができる。
10‥燃料電池、12‥電解質膜、14‥保護層、16‥触媒層、17‥分割溝、18‥ガス拡散層、20‥上板、22‥下板、24‥シール、26‥黒鉛シート、28‥導線、29a‥第1のレーザー光照射ヘッド、29b‥第2のレーザー光照射ヘッド、30‥インターコネクタ部、HD‥レーザー光照射加工ヘッド。
Claims (5)
- プロトン伝導性樹脂よりなる電解質膜の両面に電極層を備え、
前記両面の電極層は、分割溝により分割された複数の電極領域を有し、前記両面の一方の面側における一つの電極領域と、前記一つの電極領域に対向する他方の面側における一つの電極領域と、前記電解質膜と、を含む積層構造により単位セルが構成され、
前記単位セルが複数配列されてなり、
一つの前記単位セルの前記一方の面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクタ部を前記電解質膜内に備え、
前記インターコネクタ部が前記電解質膜の前記プロトン伝導性樹脂由来の導電性炭化物からなる燃料電池の製造方法であって、
前記インターコネクタ部は、前記電解質膜に局所的に熱をかけて前記プロトン伝導性樹脂を炭化させる局所加熱工程を経て形成され、
前記局所加熱工程は、前記電解質膜の一部分を第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する第1の加熱ステップと、前記第1の加熱ステップ後に前記電解質膜の前記一部分を前記第1の昇温速度よりも大なる昇温速度で前記第1の温度よりも高い第2の温度以上に加熱する第2の加熱ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 前記第1の加熱ステップおよび前記第2の加熱ステップにおいて、前記電解質膜にレーザー光を照射することにより熱をかける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。
- 前記第1の加熱ステップにおいて、第1の照射強度でレーザー光を前記電解質膜に照射し、前記第2の加熱ステップにおいて、前記第1の照射強度よりも高い第2の照射強度でレーザー光を前記電解質膜に照射することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記プロトン伝導性樹脂は、芳香族系高分子であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の製造方法。
- プロトン伝導性樹脂よりなる電解質膜の両面に電極層を備え、前記両面の電極層は、分割溝により分割された複数の電極領域を有し、前記両面の一方の面側における一つの電極領域と、前記一つの電極領域に対向する他方の面側における一つの電極領域と、前記電解質膜と、を含む積層構造により単位セルが構成され、前記単位セルが複数配列されてなり、一つの前記単位セルの前記一方の面側における電極領域と前記一つの単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクタ部を前記電解質膜内に備え、前記インターコネクタ部が前記電解質膜の前記プロトン伝導性樹脂由来の導電性炭化物からなる燃料電池の前記インターコネクタ部を形成する加工装置であって、
前記電解質膜の主面に沿って相対的に移動する加工ヘッドを備え、
前記加工ヘッドは、レーザー光照射により前記電解質膜の一部分を第1の昇温速度以下で第1の温度以下の温度に加熱する第1のレーザー光照射ヘッドと、レーザー光照射により前記電解質膜の前記一部分を前記第1の昇温速度よりも大なる昇温速度で前記第1の温度よりも高い第2の温度以上に加熱する第2のレーザー光照射ヘッドと、を備えていることを特徴とする加工装置。
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