(57)【要約】【課題】燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する触媒層形成方法において、触媒層と固体高分子電解質膜との間の界面における密着性を増し、界面抵抗による電圧降下を改善して、発電性能を向上させる。【解決手段】本発明の燃料電池の触媒層形成方法は、ショットピーニング装置１によって触媒担持カーボン粒子２を所定の速度で噴射し、固体高分子電解質膜３の表面に打ち込むことによって触媒層４を形成することにより、触媒層４と固体高分子電解質膜３との間の界面を密着させるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、
触媒担持カーボン粒子を所定の速度で噴射し、電解質膜の表面に打ち込んで当該電解質膜上に触媒層を形成することを特徴とする燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項２】
前記触媒担持カーボン粒子は、その表面に固体高分子電解質膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項３】
前記触媒担持カーボン粒子を加圧流体によって噴射することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項４】
固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体であって、
前記触媒層は、触媒担持カーボン粒子を前記固体高分子電解質膜の表面に慣性力で打ち込むことによって形成されたものであることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項５】
記触媒担持カーボン粒子は、その表面に固体高分子電解質膜が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する触媒層形成方法に係り、特に触媒担持カーボン粒子を固体高分子電解質膜の表面に打ち込んで触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法及びその方法によって形成された膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池の発電セルの製造工程において、固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する方法の一つとして、触媒微粒子粉末を電解質溶液中へ粉砕分散して触媒インクを作り、この触媒インクを固体高分子電解質膜上へ塗布する方法があった。このような燃料電池の製造方法の従来例として、例えば特開２００１−６８１１９号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００３】
ところが、固体高分子電解質膜は、極めて親水性であり、触媒インクを電解質膜上へ直接塗布する場合、インク組成中の溶媒を吸液することによって電解質膜は膨潤及び変形し、その後の燃料電池セルの積層工程で、高精度な組み立てができなくなる。
【０００４】
そのため、従来では膨潤がなく表面に剥離処理を施した剥離基材上に触媒インクを塗布して触媒層を形成し、この触媒層を電解質膜上へ転写することによって電解質膜に触媒層を形成することが行なわれている。
【０００５】
ここで、図４（ａ）〜（ｃ）に基づいて従来の触媒層の形成方法を説明する。従来の触媒層の形成方法では、図４（ａ）に示すように、剥離基材１０１の上に触媒インクを塗布して触媒層１０２を形成して触媒層転写シート１０４を作成する。そして、図４（ｂ）に示すように、この触媒層転写シート１０４を固体高分子電解質膜１０３の両面に配置して触媒層１０２を転写し、さらに図４（ｃ）に示すように、剥離基材１０１を剥離させて膜電極接合体１０５を作成していた。
【０００６】
このような燃料電池の製造方法の従来例として、例えば特開２００４−３１１４８号公報（特許文献２）及び特開２００２−６３９１１号公報（特許文献３）が開示されている。
【０００７】
また、別の方法としてはガス拡散層を形成する基材上に触媒インクを塗布してガス拡散層の上に触媒層を形成して触媒電極を作っておき、その触媒電極で固体高分子電解質膜を両側から挟んで燃料電池単セルを形成することが行なわれている。
【０００８】
ここで、上述した従来の触媒層の形成方法を図５（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。まず、図５（ａ）に示すように、ガス拡散基材１０６の上に触媒インクを塗布して触媒層１０２を形成してガス拡散電極１０７を作成する。そして、図５（ｂ）に示すように、このガス拡散電極１０７を固体高分子電解質膜１０３の両面に密着させて、図５（ｃ）に示すような燃料電池セル１０８を作成していた。
【０００９】
このような燃料電池の製造方法の従来例として、例えば特開平８−８８００８号公報（特許文献４）が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−６８１１９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１４８号公報
【特許文献３】特開２００２−６３９１１号公報
【特許文献４】特開平８−８８００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した従来の燃料電池の製造方法では、いずれの方法も固体高分子電解質膜の上に触媒層を直接形成するのではなく、別の基材上に形成した後に固体高分子電解質膜の上に重ねて接合していたので、触媒層と固体高分子電解質膜との間の界面に密着不良の空隙が生じ、発電時に界面抵抗損失によって電圧降下が発生してしまうという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池の触媒層形成方法は、燃料電池の電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、触媒担持カーボン粒子を所定の速度で噴射し、電解質膜の表面に打ち込んで当該電解質膜上に触媒層を形成することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体であって、前記触媒層は、触媒担持カーボン粒子を前記固体高分子電解質膜の表面に慣性力で打ち込むことによって形成されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法では、触媒担持カーボン粒子を所定の速度で噴射し、電解質膜の表面に打ち込んで触媒層を形成するので、触媒層と電解質膜との界面が密着し、界面抵抗による電圧降下が改善され、発電性能の向上した膜電極接合体を提供することができる。
【００１４】
また、本発明に係る膜電極接合体についても、触媒担持カーボン粒子を固体高分子電解質膜の表面に慣性力で打ち込むことによって触媒層が形成されているので、触媒層と固体高分子電解質膜との界面が密着し、界面抵抗による電圧降下が改善され、発電性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法及び膜電極接合体の実施例を説明する。
【００１６】
まず、燃料電池を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の構成を図３に基づいて説明する。
【００１７】
図３に示すように、膜電極接合体１４は、水素イオンを透過させるための固体高分子電解質膜１６と、この固体高分子電解質膜１６のアノード側に配置されるアノード電極１７と、カソード側に配置されるカソード電極１８とから構成されている。
【００１８】
さらに、アノード電極１７は、アノード触媒層１７ａとガス拡散層１７ｂとから構成され、カソード電極１８はカソード触媒層１８ａとガス拡散層１８ｂとから構成されている。
【００１９】
このように構成された膜電極接合体１４の両面にはセパレータが配置されて燃料電池単セルを構成し、さらにこの燃料電池単セルを複数積層させて燃料電池スタックが構成されている。
【実施例１】
【００２０】
次に、本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。図１（ａ）、（ｂ）は実施例１に係る燃料電池の触媒層形成方法を示す図である。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、ショットピーニング装置１によって触媒担持カーボン粒子２を所定の速度で噴射し、固体高分子電解質膜３の表面に打ち込んで触媒層４を形成している。このとき、触媒担持カーボン粒子２の打ち込み初速度は約７０ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓで、２Ｍｐａ〜５Ｍｐａのエア圧とした。
【００２２】
ここで、触媒担持カーボン粒子２は、図１（ａ）の部分拡大図に示すように、カーボン粒子５に白金触媒６を触媒として担持させたものであり、粒子径は約０．１μｍ〜１０μｍ程度である。また、固体高分子電解質膜３は、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸高分子膜などのフッ素系スルホン酸高分子樹脂から作成された電解質膜であり、通常の燃料電池で用いられる材料であればよい。
【００２３】
そして、触媒担持カーボン粒子２を固体高分子電解質膜３の表面に所定の膜厚、例えば１μｍ〜３０μｍまで形成するとともに、固体高分子電解質膜３の反対側の面にも同様に触媒担持カーボン粒子２を打ち込んで触媒層４を形成することで、両面に触媒層４が形成された膜電極接合体７が作成される。
【００２４】
ここで、図１（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜３と触媒層４の界面では、触媒担持カーボン粒子２が打ち込まれたことによって固体高分子電解質膜３に食い込んで密着することになる。したがって、従来例では別の基材上に形成した触媒層を電解質膜上に転写するなどしていたので、固体高分子電解質膜３と触媒層４との界面に空隙が生じていたのに対して、本実施例の方法で形成された触媒層４と固体高分子電解質膜３との間には空隙が生じることはなく、界面抵抗による電圧降下を防ぐことができる。
【００２５】
また、触媒インクを電解質膜上に塗布する場合と違って、本実施例では乾燥した状態で固体高分子電解質膜３の表面に触媒層４を形成することができるので、固体高分子電解質膜３が膨潤したり、変形したりすることがない。したがって、歩留まりを向上させることができる。
【００２６】
さらに、固体高分子電解質膜３に直接触媒層４を形成するので、別の基材に形成した触媒層を電解質膜表面に接合する工程を省略することができ、これによって製造コストを削減できるとともに、製造時間を大幅に短縮することができる。
【００２７】
このように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、触媒担持カーボン粒子２を所定の速度で噴射し、固体高分子電解質膜３の表面に打ち込んで触媒層４を形成するので、固体高分子電解質膜３に直接触媒層４を形成することができ、これによって触媒層４と固体高分子電解質膜３との間の界面が密着し、界面抵抗による電圧降下が改善され、発電性能の向上した膜電極接合体を提供することができる。
【００２８】
また、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、触媒担持カーボン粒子２を加圧流体によって噴射するようにしたので、触媒担持カーボン粒子２を触媒インクなどにすることなしに、直接に固体高分子電解質膜３に打ち込むことができるため、固体高分子電解質膜３が膨潤したり、変形したりすることがなく、発電性能の向上とともに歩留まりを向上させることができる。
【００２９】
さらに、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された膜電極接合体では、触媒担持カーボン粒子２を固体高分子電解質膜３の表面に慣性力で打ち込むことによって触媒層４が形成されているので、触媒層４と固体高分子電解質膜３との間の界面が密着し、界面抵抗による電圧降下が改善し、発電性能を向上させることができる。
【実施例２】
【００３０】
次に、本発明の実施例２を図２に基づいて説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【００３１】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、触媒担持カーボン粒子２の表面に固体高分子電解質膜の成分を付着させて固体高分子電解質膜８を形成し、このような構造の触媒担持カーボン粒子２を固体高分子電解質膜３の表面に打ち込むようにしたことが実施例１と異なっており、その他の点については実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００３２】
このように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、表面に固体高分子電解質膜８の形成された触媒担持カーボン粒子２を打ち込むようにしたので、実施例１の効果に加えて、触媒担持カーボン粒子２と固体高分子電解質膜３との密着性が高まるので、固体高分子電解質膜３のイオン伝導性を高めることが可能となり、発電性能を高めることができる。
【００３３】
また、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された膜電極接合体は、表面に固体高分子電解質膜８の形成された触媒担持カーボン粒子２を固体高分子電解質膜３の表面に慣性力で打ち込むことによって触媒層４が形成されているので、実施例１の効果に加えて、触媒担持カーボン粒子２と固体高分子電解質膜３との密着性が高まるので、固体高分子電解質膜３のイオン伝導性を高めることが可能となり、発電性能を高めることができる。
【００３４】
以上、本発明の燃料電池の触媒層形成方法について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（ａ）、（ｂ）は実施例１に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は実施例２に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図３】膜電極接合体の構造を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は従来の燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は従来の燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ショットピーニング装置
２  触媒担持カーボン粒子
３、８、１６、１０３  固体高分子電解質膜
４、１０２  触媒層
５  カーボン粒子
６  白金触媒
７、１４、１０５  膜電極接合体
１７  アノード電極
１７ａ  アノード触媒層
１７ｂ、１８ｂ  ガス拡散層
１８  カソード電極
１８ａ  カソード触媒層
１０１  剥離基材
１０４  触媒層転写シート
１０６  ガス拡散基材
１０７  ガス拡散電極
１０８  燃料電池セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007026835.tif 000006
【図５】
2007026835.tif 000007