(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、ガス拡散層の針状突起物による固体高分子電解質膜への突き差しを防止する。【解決手段】本発明の燃料電池の電極形成方法は、固体高分子電解質膜４の表面にグラファイト系の白金担持カーボン粒子１を吹き付けて触媒層５を形成し、この触媒層５の上にグラファイト系の白金担持カーボン粒子１と白金を担持しない通常のカーボン粒子２とを同時に吹き付けて混合層６を形成し、この混合層６の上に白金を担持しない通常のカーボン粒子２を吹き付けてマイクロカーボン層７を形成することを特徴とする。【選択図】      図１
2007026722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の固体高分子電解質膜上に電極を形成する燃料電池の電極形成方法であって、
前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子を吹き付けて触媒層を形成し、この触媒層の上に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子と白金を担持しないカーボン粒子とを同時に吹き付けて混合層を形成し、この混合層の上に白金を担持しないカーボン粒子を吹き付けてマイクロカーボン層を形成することを特徴とする燃料電池の電極形成方法。
【請求項２】
前記白金を担持しないカーボン粒子は、多孔質構造のカーボン粒子であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の電極形成方法。
【請求項３】
前記白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子と、前記白金を担持しないカーボン粒子とを同一のノズルから吹き付け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電極形成方法。
【請求項４】
固体高分子電解質膜の両面に電極が形成された膜電極接合体であって、
前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された触媒層と、この触媒層の上に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子と白金を担持しないカーボン粒子とを同時に吹き付けることによって形成された混合層と、この混合層の上に白金を担持しないカーボン粒子を吹き付けることによって形成されたマイクロカーボン層とが形成されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項５】
前記白金を担持しないカーボン粒子は、多孔質構造のカーボン粒子であ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電極を形成する電極形成方法に係り、特にグラファイト系のカーボン粒子によって電極を形成し、カーボンペーパーの針状突起物による突き刺しを防止する燃料電池の電極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】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され、さらにその外側にガス拡散層やセパレータが形成されている。このように形成された燃料電池セルは、さらに複数積層されて燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックでは、構成部品の電気的接触抵抗を低減するため、並びにガスのシール性を保持するために積層方向へ恒常的に締結圧をかけている。
【０００３】
しかしながら、恒常的に締結圧をかけていると、ガス拡散層を構成するカーボンペーパーやマイクロカーボン層の針状突起物が固体高分子電解質膜まで貫通して微小短絡を発生させてしまうことがあった。
【０００４】
そこで、触媒層を多層にすることにより針状突起物の侵入を防止するようにした燃料電池が提案されている。この従来例では、多層にした触媒層において、固体高分子電解質膜に接する側の層を緻密な層にすることによって微小短絡を防止するとともに、ガス拡散層に接する側の層を粗密な層にしてガス拡散層との接合性を向上させている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３０３５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の燃料電池の製造方法では、通常のカーボン粒子とこれに付着した電解質を緻密にすることによってガス拡散層による針状突起物の突き刺しを防止しているが、それだけでは固体高分子電解質膜へのダメージを完全に防ぐことはできず、その効果は低いものとなっていた。
【０００６】
また、触媒層を多層にしているので、触媒層が厚くなって電気抵抗が大きくなり、導電性が低下してしまうという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明に係る燃料電池の電極形成方法は、燃料電池の固体高分子電解質膜上に電極を形成する燃料電池の電極形成方法であって、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子を吹き付けて触媒層を形成し、この触媒層の上に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子と白金を担持しないカーボン粒子とを同時に吹き付けて混合層を形成し、この混合層の上に白金を担持しないカーボン粒子を吹き付けてマイクロカーボン層を形成することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に電極が形成された膜電極接合体であって、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された触媒層と、この触媒層の上に白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子と白金を担持しないカーボン粒子とを同時に吹き付けることによって形成された混合層と、この混合層の上に白金を担持しないカーボン粒子を吹き付けることによって形成されたマイクロカーボン層とが形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池の電極形成方法では、グラファイト系のカーボンによって触媒層を形成するので、触媒層を硬くすることができ、これによってカーボンペーパーの針状突起物による突き刺しを防いで固体高分子電解質膜へのダメージを防止することができる。
【００１０】
また、本発明に係る膜電極接合体についても、触媒層がグラファイト系のカーボンによって形成されているので、触媒層を硬くすることができ、これによってカーボンペーパーの針状突起物による突き刺しを防いで固体高分子電解質膜へのダメージを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る燃料電池の電極形成方法の実施例を説明する。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。
【００１２】
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。
【００１３】
さらに、アノード電極１７は、アノード触媒層１７ａとマイクロカーボン層１７ｂとカーボンペーパー１７ｃとから構成され、カソード電極１８はカソード触媒層１８ａとマイクロカーボン層１８ｂとカーボンペーパー１８ｃとから構成されている。ここで、マイクロカーボン層１７ｂ、１８ｂとカーボンペーパー１８ｂ、１８ｃによってガス拡散層が形成されている。
【００１４】
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、さらにそ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】
【００１５】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係る燃料電池の電極形成方法を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施例の燃料電池の電極形成方法では、白金を担持したグラファイト系のカーボン粒子（以下、グラファイト系の白金担持カーボン粒子）１と、白金を担持していない通常のカーボン粒子２とをノズル３から固体高分子電解質膜４の表面に吹き付けることによって触媒層５、混合層６及びマイクロカーボン層７を順に形成している。
【００１７】
まず、最初に固体高分子電解質膜４の表面にグラファイト系の白金担持カーボン粒子１のみをノズル３から吹き付けて触媒層５を形成する。次に、この触媒層５の上にグラファイト系の白金担持カーボン粒子１と白金を担持しない通常のカーボン粒子２とをノズル３から同時に吹き付けて混合層６を形成する。この混合層６は、グラファイト系の白金担持カーボン粒子１と白金を担持しない通常のカーボン粒子２とが混在する層であり、触媒層５とマイクロカーボン層７の機能を備えている。
【００１８】
さらに、この混合層６の上に白金を担持しない通常のカーボン粒子２のみを吹き付けてマイクロカーボン層７を形成する。このようにグラファイト系のカーボン粒子１と、通常のカーボン粒子２とを同一のノズル３から吹き付けるので、複数のカーボン粒子をコントロールして吹きつけることができ、塗布層の厚みを正確に調節することができる。
【００１９】
このようにして、固体高分子電解質膜４の片方の面に触媒層５、混合層６及びマイクロカーボン層７を形成した後、さらに、もう一方の面にも触媒層５と混合層６、マイクロカーボン層７を同様に形成する。そして、図２に示すように、両側のマイクロカーボン層７の外側からカーボンペーパー８を圧着することにより、膜電極接合体９が完成する。
【００２０】
本実施例に係わる燃料電池の電極形成方法によれば、グラファイト系のカーボン粒子１によって触媒層５を形成するようにしたので、触媒層５を硬くすることができ、これによってカーボンペーパー８の針状突起物による突き刺しを防いで固体高分子電解質膜４へのダメージを防止することのできる膜電極接合体９を提供することができる。また、グラファイト系のカーボン粒子１は硬いので触媒層５を薄くすることができ、これによって導電性を高めることができる。
【００２１】
また、本実施例の燃料電池の電極形成方法では、通常のカーボン粒子２として多孔質構造のカーボン粒子を用いたので、ガスの透過性がよくなり、燃料電池の出力を向上させることができる。
【００２２】
さらに、本実施例の燃料電池の電極形成方法では、グラファイト系のカーボン粒子１と通常のカーボン粒子２とを同一のノズル３から吹き付けるようにしたので、複数のカーボン粒子をコントロールして吹きつけることができ、塗布層の厚みを正確に調節することができる。
【００２３】
また、本実施例の燃料電池の電極形成方法によって作成された膜電極接合体９では、触媒層５がグラファイト系のカーボン粒子１によって形成されているので、触媒層５を硬くすることができ、これによってカーボンペーパー８の針状突起物による突き刺しを防いで固体高分子電解質膜４へのダメージを防止することができる。また、グラファイト系のカーボン粒子１は硬いので触媒層５を薄くすることができ、これによって導電性を高めることができる。
【００２４】
さらに、本実施例の膜電極接合体９では、通常のカーボン粒子２を多孔質構造のカーボン粒子にしたので、ガスの透過性がよくなり、燃料電池の出力を向上させることができる。
【００２５】
以上、本発明の燃料電池の電極形成方法について、図示した実施例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】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池の電極形成方法を説明するための図である。
【図２】実施例１の燃料電池の電極形成方法によって作成された膜電極接合体の構造を示す断面図である。
【図３】膜電極接合体の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  グラファイト系のカーボン粒子
２  通常のカーボン粒子
３  ノズル
４  固体高分子電解質膜
５  触媒層
６  混合層
７  マイクロカーボン層
８、１７ｃ、１８ｃ  カーボンペーパー
９、１４  膜電極接合体
１７  アノード電極
１７ａ  アノード触媒層
１７ｂ、１８ｂ  マイクロカーボン層
１８  カソード電極
１８ａ  カソード触媒層
【図１】
2007026722.tif 000003
【図２】
2007026722.tif 000004
【図３】
2007026722.tif 000005