(57)【要約】【課題】  発電性能を向上することができる燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  燃料電池の製造方法は、発電反応に用いられるガスを拡散させるガス拡散層の一方の面に電極触媒層が形成され、ガス拡散層との間でガスを流通させ、ガス拡散層の細孔よりも大きい細孔を有する多孔質体がガス拡散層の他方の面に設けられた燃料電池の製造方法において、多孔質体をガス拡散層の他方の面に配置する工程と、ガス拡散層の一方の面に電極触媒層を形成するように触媒インクを塗布することにより塗膜を形成する工程と、ガス拡散層の他方の面側からガス拡散層及び多孔質体を介して塗膜中の溶媒を吸引する工程と、溶媒を吸引する工程でのガス拡散層と多孔質体の間の位置関係が維持されるようにガス拡散層と多孔質体を接合する工程とを含む方法である。【選択図】図２
2018181642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電反応に用いられるガスを拡散させるガス拡散層の一方の面に電極触媒層が形成され、前記ガス拡散層との間で前記ガスを流通させ、前記ガス拡散層の細孔よりも大きい細孔を有する多孔質体が前記ガス拡散層の他方の面に設けられた燃料電池の製造方法において、
前記多孔質体を前記ガス拡散層の前記他方の面に配置する工程と、
前記ガス拡散層の前記一方の面に前記電極触媒層を形成するように触媒インクを塗布することにより塗膜を形成する工程と、
前記ガス拡散層の前記他方の面側から前記ガス拡散層及び前記多孔質体を介して前記塗膜中の溶媒を吸引する工程と、
前記溶媒を吸引する工程での前記ガス拡散層と前記多孔質体の間の位置関係が維持されるように前記ガス拡散層と前記多孔質体を接合する工程とを含む、
燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素ガスと、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。
【０００３】
化学反応は、燃料電池内の膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）により行われる。ＭＥＡは一対の電極触媒層とその間の電解質膜により構成される。ＭＥＡは、水素ガス及び空気の少なくとも一方を拡散させるガス拡散層（GDL: Gus Diffusion Layer）に隣接する。ガス拡散層は、例えばカーボンペーパーなどの基材にマイクロポーラス層（MPL: Micro Porous Layer）を積層することにより構成される。
【０００４】
電解質膜は、発電に伴い湿潤状態と乾燥状態が繰り返されることにより寸法が変化しやすいため、電解質膜の一部に応力が集中して強度が低下するおそれがある。このため、電極触媒層と電解質膜は、ガス拡散層の基材に触媒インク及び電解質ゲルを塗布することにより一体化した状態で形成される。また、電極触媒層のクラックを防止するため、例えば特許文献１及び２に記載されているように、ガス拡散層の一方の面に触媒インクを塗布し、ガス拡散層の他方の面側から触媒インクの塗膜中の溶媒を吸引する方法が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−４１４６７号公報
【特許文献２】特開２００１−１１０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
触媒インクには、水素ガスと酸素の化学反応を促進するための触媒を担持する触媒担持カーボンが、溶質として含まれている。このため、電極触媒層の形成では、燃料電池の発電性能が向上するように触媒担持カーボンを電極触媒層内に適切に分布させることが重要である。
【０００７】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、発電性能を向上することができる燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書に記載の燃料電池の製造方法は、発電反応に用いられるガスを拡散させるガス拡散層の一方の面に電極触媒層が形成され、前記ガス拡散層との間で前記ガスを流通させ、前記ガス拡散層の細孔よりも大きい細孔を有する多孔質体が前記ガス拡散層の他方の面に設けられた燃料電池の製造方法において、前記多孔質体を前記ガス拡散層の前記他方の面に配置する工程と、前記ガス拡散層の前記一方の面に前記電極触媒層を形成するように触媒インクを塗布することにより塗膜を形成する工程と、前記ガス拡散層の前記他方の面側から前記ガス拡散層及び前記多孔質体を介して前記塗膜中の溶媒を吸引する工程と、前記溶媒を吸引する工程での前記ガス拡散層と前記多孔質体の間の位置関係が維持されるように前記ガス拡散層と前記多孔質体を接合する工程とを含む方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発電性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】比較例の燃料電池の製造方法を示す図である。
【図２】実施例の燃料電池の製造方法を示す図である。
【図３】吸引力による触媒担持カーボンの分布を示す図である。
【図４】燃料電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】カソード側の積層体に電解質膜が形成された状態を示す図である。
【図６】カソード側の積層体とアノード側の積層体が一体化された状態を示す図である。
【図７】燃料電池の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、比較例の燃料電池の製造方法を示す図である。図１には、積層体シートとして形成されたガス拡散層１の上面１ａに、燃料電池の電極触媒層が形成されるように触媒インクの塗布により塗膜３１ａを形成する様子が、積層体シートの搬送方向Ｄａに対する側面視で示されている。
【００１２】
触媒インクは、例えばアルコールなどの溶媒に、プラチナなどの触媒を担持した触媒担持カーボン及びプロトン伝導性を有するアイオノマーを溶質として混合することにより形成される。ここで、触媒の種類は、触媒インクがカソードとアノードの何れの電極触媒層として形成されるかに応じて適切なものが選択される。なお、本例において、触媒インクは、カソードの電極触媒層として形成されると仮定するが、アノードの電極触媒層として形成されてもよい。
【００１３】
ガス拡散層１は、燃料電池において空気を拡散させる。より具体的には、ガス拡散層１は、燃料電池内で空気を供給路から膜電極接合体に導き、発電反応に用いられた空気を膜電極接合体から排出路へ導く。なお、ガス拡散層１は、アノード側に設けられる場合、水素ガスを拡散させる。空気及び水素ガスは、発電反応に用いられるガスの一例である。
【００１４】
ガス拡散層１は、基材であるカーボンペーパー１０に撥水性のマイクロポーラス層１１を積層することにより形成される。カーボンペーパー１０は、カーボンファイバをバインダにより結着することにより抄紙形成されている。なお、ガス拡散層１の基材は、カーボンペーパー１０に限定されず、例えばカーボンペーパーなどの、導電性とガス透過性を有する他の素材であってもよい。
【００１５】
また、マイクロポーラス層１１としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料から形成される。なお、マイクロポーラス層１１は、電解質膜の湿度管理の必要性に応じてガス拡散層１に設けられるため、ガス拡散層１にマイクロポーラス層１１が設けられていない場合もあり得る。
【００１６】
シート状のガス拡散層１は、複数組のローラー９０，９１に挟まれた状態でローラー９０，９１の回転により搬送方向Ｄａに搬送される。マイクロポーラス層１１の上部には、触媒インクを塗布する塗工ヘッド８０が設置されており、カーボンペーパー１０の下部には、触媒インクの塗膜３１ａ中の溶媒を吸引するノズル８１が設置されている。なお、ノズル８１は、例えばプラスチックなどの樹脂などにより形成される。
【００１７】
このため、ガス拡散層１の搬送に伴い、マイクロポーラス層１１の表面、つまりガス拡散層１の上面１ａには触媒インクが塗布され、塗布された触媒インクの塗膜３１ａ中の溶媒がノズル８１により吸引方向Ｄｂに吸引される。なお、吸引された溶媒は不図示の容器に貯留される。
【００１８】
このように、触媒インクの塗布とともにその塗膜３１ａ中の溶媒を吸引することにより、塗膜３１ａが乾燥したときの収縮量が減少する。したがって、塗膜３１ａが乾燥することにより電極触媒層が形成されたとき、電極触媒層のクラックの発生が抑制される。
【００１９】
しかし、ノズル８１とカーボンペーパー１０の接触部Ｐでは、ノズル８１とカーボンペーパー１０の表面、つまりガス拡散層１の下面１ｂが擦れることにより摩擦力が生じる。カーボンペーパー１０はカーボンファイバから抄紙形成されているため、摩擦力によりカーボンファイバ、またはカーボンファイバ同士を結着しているバインダが破壊される。これにより、カーボンペーパー１０の表面には、カーボンファイバの毛羽１００が生ずる。
【００２０】
このとき、カーボンペーパー１０からカーボンファイバの毛羽１００が遊離することにより、例えば毛羽１００が電解質膜に接触して電解質膜を破損するおそれがある。電解質膜が破損すると、燃料電池のアノード及びカソードの間でクロスリークが生じることにより、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。
【００２１】
図２は、実施例の燃料電池の製造方法を示す図である。図２において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００２２】
実施例の燃料電池の製造方法では、カーボンペーパー１０の下部にシート状の多孔質体４１が配置され、ガス拡散層１の下部側から多孔質体４１を介して塗膜３１ａ中の溶媒が吸引される。このため、ノズル８１とカーボンペーパー１０は直接的に接触しないので、摩擦力が抑制されて、カーボンペーパー１０におけるカーボンファイバの毛羽１００の発生が抑制される。したがって、電解質膜の破損による燃料電池の発電性能の低下が抑制される。
【００２３】
多孔質体４１は、カーボンペーパー１０の下方に設けられたローラー９２の回転によりローラー９２とカーボンペーパー１０の間に引き込まれ、さらに後段のローラー９０，９１の回転によりカーボンペーパー１０の表面に押し当てられる。これにより、多孔質体４１は、ガス拡散層１の下面１ｂに配置される。このとき、多孔質体４１及びカーボンペーパー１０の少なくとも一方の表面に接着剤を塗布しておき、多孔質体４１とカーボンペーパー１０を触媒インクの塗布前に接合してもよい。なお、ガス拡散層１の上面１ａは一方の面の一例であり、ガス拡散層１の下面１ｂは他方の面の一例である。
【００２４】
多孔質体４１としては、例えば発泡焼結体や３Ｄファインメッシュなどの三次元的な微細格子構造を備える素材が用いられる。発泡焼結体は、金属に発泡体を入れて焼結したものであり、例えばセルメット（住友電気工業株式会社製、登録商標）が挙げられる。多孔質体４１は、格子間に形成された細孔を有する。
【００２５】
多孔質体４１は、後述するように空気または水素ガスを燃料電池の入口から出口まで流通させる流路として機能する。多孔質体４１の流路内をガスが流通する際の圧力損失が大きくならないように、多孔質体４１の細孔はガス拡散層１の細孔よりも大きく、多孔質体４１の格子はガス拡散層１の格子より太い。
【００２６】
これにより、多孔質体４１は高い通気性を有しているため、ノズル８１は、多孔質体４１を介しても比較例と同様の吸引力を発揮することができる。このため、塗膜３１ａ中の溶媒がノズル８１により吸引される。このとき、多孔質体４１は、ノズル８１と接触するが、上述したように、カーボンペーパー１０のような抄紙形成された素材ではないため、その接触で生ずる摩擦力により毛羽が生ずることはない。したがって、毛羽による電解質膜の破損によって燃料電池の発電性能が低下することはない。
【００２７】
多孔質体４１は燃料電池の一部を構成する。このため、ノズル８１の後方に配置されたブレード８２によって、ガス拡散層１と乾燥後の塗膜３１ａ（つまり電極触媒層）とともに裁断される。ブレード８２は、方形状をなすように搬送方向Ｄａに対し一対の刃が垂直及び平行にそれぞれ配置され、裁断方向Ｄｃに移動する。これにより、ガス拡散層１、電極触媒層、及び多孔質体４１の積層体シートから、燃料電池の一部を構成する積層体が切り出される。
【００２８】
多孔質体４１は、燃料電池においてガス拡散層１との間で空気を流通させる。より具体的には、多孔質体４１は、燃料電池内に導入された空気をガス拡散層１経由で膜電極接合体に供給する供給路、及び膜電極接合体で発電に用いられた空気をガス拡散層１経由で排出する排出路として機能する。すなわち、多孔質体４１は空気の流路を形成する。なお、多孔質体４１は、アノード側に設けられる場合、ガス拡散層１との間で水素ガスを流通させる流路を形成する。
【００２９】
ノズル８１の吸引力は、空気または水素ガスの流路となる多孔質体４１内の細孔を介して電極触媒層に伝搬する。ここで、多孔質体４１の細孔はガス拡散層１の細孔よりも大きいため、塗膜３１ａ中の触媒担持カーボンは、ノズル８１の吸引力により、電極触媒層の面内において多孔質体４１内の細孔の直上付近に集中する。
【００３０】
図３は、吸引力による触媒担持カーボンの分布を示す図である。多くの触媒担持カーボン３１０は、符号Ｓで示されるように、ノズル８１の吸引力（矢印参照）によって多孔質体４１内の格子４１１の直上付近よりも細孔４１０の直上付近に移動する。このため、触媒担持カーボン３１０は、電極触媒層３１の面内において細孔４１０の直上付近に多く分布する。
【００３１】
また、上述したように、細孔４１０は空気または水素ガスの流路であるため、電極触媒層３１の面内において、細孔４１０の直上付近には、格子４１１の直上付近よりも多くの空気または水素ガスが供給される。したがって、上記のような触媒担持カーボン３１０の分布によって、多くの酸素または水素が電極触媒層３１の触媒により活性化されるため、燃料電池の発電性能が向上する。
【００３２】
もっとも、上記の効果を得るには、塗膜３１ａ中の溶媒を吸引するときの電極触媒層３１と多孔質体４１の位置関係が燃料電池が完成するまで維持される必要がある。例えば、触媒インクの塗布前にガス拡散層１と多孔質体４１を接着剤により接合すれば、電極触媒層３１と多孔質体４１の位置関係は維持される。また、図２に示されるように、ブレード８２が、積層体シートをガス拡散層１から多孔質体４１に向かう裁断方向Ｄｃに裁断すれば、積層体の裁断面においてガス拡散層１の外周部分のバリが多孔質体４１に食い込むことによりガス拡散層１と多孔質体４１が接合されるので、電極触媒層３１と多孔質体４１の位置関係が維持される。
【００３３】
図４は、燃料電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。まず、多孔質体４１がローラー９０〜９２によりガス拡散層１の下面１ｂに配置される（ステップＳｔ１）。このとき、多孔質体４１の表面に接着剤を予め塗布しておくことにより、多孔質体４１とガス拡散層１を接合してもよい。
【００３４】
次に、電極触媒層３１を形成するように、塗工ヘッド８０によって触媒インクがガス拡散層１の上面１ａに塗布されることにより塗膜３１ａが形成される（ステップＳｔ２）。次に、塗膜３１ａ中の溶媒が、ノズル８１によりガス拡散層１の下面１ｂ側からガス拡散層１及び多孔質体４１を介して吸引される（ステップＳｔ３）。
【００３５】
このように、触媒インクの塗布とともに塗膜３１ａ中の溶媒を吸引することにより、塗膜３１ａが乾燥したときの収縮量が減少する。したがって、塗膜３１ａが乾燥することにより電極触媒層３１が形成されたとき、電極触媒層３１のクラックの発生が抑制される。
【００３６】
また、ノズル８１は、塗膜３１ａ中の溶媒を吸引するとき、カーボンペーパー１０と直接的に接触しないので、カーボンペーパー１０との間の摩擦力が抑制されて、カーボンペーパー１０におけるカーボンファイバの毛羽１００の発生が抑制される。したがって、電解質膜の破損による燃料電池の発電性能の低下が抑制される。
【００３７】
さらに、ノズル８１の吸引力は、空気または水素ガスの流路となる多孔質体４１内の細孔４１０を介して電極触媒層３１に伝搬するため、触媒担持カーボン３１０は、ノズル８１の吸引力により、電極触媒層３１の面内において多孔質体４１内の細孔４１０の直上付近に集中的に分布する。したがって、多くの酸素または水素が電極触媒層３１の触媒により活性化されるため、燃料電池の発電性能が向上する。
【００３８】
次に、塗膜３１ａは、不図示の乾燥機により乾燥する（ステップＳｔ４）。これにより、塗膜３１ａから電極触媒層３１が形成される。
【００３９】
次に、電極触媒層３１、ガス拡散層１、及び多孔質体４１を含む積層体シートは、ブレード８２により裁断される（ステップＳｔ５）。これにより、燃料電池の一部を構成する積層体が積層体シートから得られる。
【００４０】
このとき、積層体の裁断面においてガス拡散層１の外周部分のバリが多孔質体４１に食い込むことによりガス拡散層１と多孔質体４１が接合されるので、電極触媒層３１と多孔質体４１の位置関係が維持される。
【００４１】
このように、実施例の燃料電池の製造方法にはステップＳｔ１〜Ｓｔ５の工程が含まれている。ステップＳｔ１は、多孔質体４１をガス拡散層１の下面１ｂに配置する工程の一例であり、ステップＳｔ２は、ガス拡散層１の上面１ａに電極触媒層３１を形成するように触媒インクを塗布することにより塗膜３１ａを形成する工程の一例である。
【００４２】
また、ステップＳｔ３は、ガス拡散層１の下面１ｂ側からガス拡散層１及び多孔質体４１を介して塗膜３１ａ中の溶媒を吸引する工程の一例であり、ステップＳｔ５は、溶媒を吸引する工程でのガス拡散層１と多孔質体４１の間の位置関係が維持されるようにガス拡散層１と多孔質体４１を接合する工程の一例である。なお、ガス拡散層１と多孔質体４１を接合する工程は、上述したように、ステップＳｔ１の工程において多孔質体４１及びカーボンペーパー１０の少なくとも一方に接着剤を塗布しておくことにより行われてもよい。
【００４３】
次に、上記の工程により得られた積層体に、電解質膜、アノード側の積層体、及びセパレータが積層されることにより燃料電池が形成される。
【００４４】
図５は、カソード側の積層体５０に電解質膜３０が形成された状態を示す図である。上記の工程で得られたカソード側の積層体５０には、カソード側の電極触媒層３１、ガス拡散層１、及び、多孔質体４１が含まれる。電解質膜３０は、例えば熱プレスなどにより積層体と一体化されてもよい。電解質膜３０は、例えば、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。なお、電解質膜３０は、電極触媒層３１の表面に、固体高分子電解質が分散されたゾルを塗布することにより形成されてもよい。
【００４５】
図６は、カソード側の積層体５０とアノード側の積層体５１が一体化された状態を示す図である。アノード側の積層体５１には、カーボンペーパー２０及びマイクロポーラス層２１から構成されるアノード側のガス拡散層２と、アノード側の電極触媒層３２とが含まれる。なお、アノード側の積層体５１は、図２に示される製造方法により形成された場合、カソード側の積層体５０と同様の多孔質体４１を有する。
【００４６】
アノード側の積層体５１は、電解質膜３０のカソード側の積層体５０とは反対側の面に積層される。その後、積層体５０，５１にセパレータが積層されることにより燃料電池が形成される。
【００４７】
図７は、燃料電池の一例を示す断面図である。アノード側のセパレータ４２とカソード側のセパレータ４０は、例えば金属板をプレス加工することにより生成される。アノード側のセパレータ４２はガス拡散層２に積層され、カソード側のセパレータ４０はガス拡散層１に多孔質体４１を介して積層される。アノード側のガス拡散層２は水素ガスを拡散させ、カソード側のガス拡散層は空気を拡散させる。なお、ガス拡散層１，２は、アノード側及びカソード側の一方だけに設けられてもよい。
【００４８】
アノード側のセパレータ４２は、凸凹形状に加工されることにより水素ガスの流路４２０が形成されている。水素ガスは、流路４２０からガス拡散層２経由でＭＥＡ３に供給される。ＭＥＡ３は、アノード側の電極触媒層３２、カソード側の電極触媒層３１、及び電解質膜３０とを含み、空気中の酸素と水素ガスの化学反応が行われる。
【００４９】
また、カソード側のセパレータ４０は、平板形状を有しており、空気の流路が形成されていない。空気の流路は、上述したように、多孔質体４１の細孔４１０に該当する。多孔質体４１は、ガス拡散層１との間で空気を流通させる。なお、多孔質体４１は、アノード側の積層体５１に形成されている場合、ガス拡散層２との間で水素ガスを流通させる。
【００５０】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１，２     ガス拡散層
３１，３２     電極触媒層
３１ａ     塗膜
４１      多孔質体
８１      ノズル
【図１】
2018181642.tif 000003
【図２】
2018181642.tif 000004
【図３】
2018181642.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018181642.tif 000009