(57)【要約】      （修正有）【課題】効率良くフラッディングを抑制する燃料電池の製造技術を提供する。【解決手段】燃料電池の製造方法であって、電解質膜２３と、該電解質膜２３に接して設けられた触媒層２４，２５と、該触媒層２４，２５にガスが供給され得る態様で設けられたガス流路３０Ｐ，３１Ｐとを有する燃料電池セル２０を用意し、ガス流路に冷却ガスを流通させながら触媒層の熱処理を行う。この方法では、触媒層のうち冷却ガスが供給されやすい部分は熱処理がされにくく、冷却ガスが供給されにくい部分は熱処理されやすいので、ガスの供給のされやすさに応じて触媒層に熱処理を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の製造方法であって、
電解質膜と、該電解質膜に接して設けられた触媒層と、該触媒層にガスが供給され得る態様で設けられたガス流路とを有する燃料電池セルを用意し、
前記ガス流路に冷却ガスを流通させながら前記触媒層の熱処理を行う
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、燃料電池を製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電性能を低下させる現象として、フラッディングが知られている。フラッディングは、燃料電池として発電を行っている際に燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により生成される水（以下、「生成水」とも呼ぶ）が電極としての触媒層付近に滞留する現象である。一般的に、フラッディングを抑制するため、燃料電池の製造工程において触媒層に熱処理を行うことによって排水性を向上させることが行われる。しかし、熱処理による触媒層の排水性の向上によって保水性が低下し、燃料電池の高温発電性能が低下するという問題があった。これを解決するために種々の熱処理方法が開発されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
しかし、かかる技術は排水性と保水性の分布を触媒層の厚さ方向にコントロールするものであるが、発電時に生じるフラッディングは触媒層へのガスの供給のされやすさに応じて分布するため、フラッディングを効率的に抑制することができないとの指摘がなされていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２６６７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、効率良くフラッディングを抑制することができる技術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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池の製造方法であって、電解質膜と、該電解質膜に接して設けられた触媒層と、該触媒層にガスが供給され得る態様で設けられたガス流路とを有する燃料電池セルを用意し、前記ガス流路に冷却ガスを流通させながら前記触媒層の熱処理を行う燃料電池の製造方法。
【０００８】
この燃料電池の製造方法によれば、触媒層のうち冷却ガスが供給されやすい部分は熱処理がされにくく、冷却ガスが供給されにくい部分は熱処理されやすい。従ってガスの供給のされやすさに応じて触媒層に熱処理を行うことができる。
【０００９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、触媒層製造方法および装置、触媒層製造システム、フラッディング抑制方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】触媒層に熱処理を行う様子を模式的に説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施例：
本発明の第１実施例としての燃料電池の製造方法について説明する。本実施例における燃料電池の製造方法は、燃料電池を構成する燃料電池セル（以下、「単セル」とも呼ぶ）が備える触媒層を熱処理することによって燃料電池を製造する方法である。
【００１２】
図１は、単セルが備える電極としての触媒層に熱処理を行う様子を模式的に説明する説明図である。本実施例においては、単セルが備える触媒層に熱処理を行う方法として、単セル全体に熱処理を行う。図１には、燃料電池セルとしての単セル２０と、単セル２０に熱処理を行うための加熱炉１０とを示している。加熱炉１０は、温風によって炉内の温度を制御する温風炉である。炉内を所定温度とすることで、炉内の物体は熱処理が施される。加熱炉１０の炉内には、燃料電池の単セル２０が入っている。単セル２０は、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化ガスとしての空気（酸素）との電気化学反応によって発電を行う固体高分子型燃料電池である。
【００１３】
図１の下部に示すように、単セル２０は、電解質を含む膜電極接合体（以下、ＭＥＡとも呼ぶ）２２と、ＭＥＡ２２を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成する一対のガス拡散層２６，２７と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持する一対のセパレータ３０，３１とをから構成されている。
【００１４】
ＭＥＡ２２は、電解質膜２３を備える。ＭＥＡ２２はさらに、電解質膜２３を間に挟んでその表面に形成された電極であるアノード（燃料極）２４およびカソード（酸素極）２５を備える。電解質膜２３は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、電解質膜２３として、パーフルオロスルホン酸膜であるナフィオン（登録商標）を用いる。
【００１５】
アノード２４およびカソード２５は触媒として機能する電極である。アノード２４およびカソード２５は、電気化学反応を促進する触媒を含有する触媒インクを電解質膜２３上に塗布し、所定時間乾燥させ触媒層として形成したものである。本実施例では、触媒インクは、触媒担持カーボンとしての白金担持カーボンと、アイオノマーと、所定の溶媒とを混合したものを用いる。本実施例においては、電解質膜２３に触媒インクを塗布することによって触媒層を形成するが、所定の基材上に触媒インクを塗布して触媒層を形成した後、形成した触媒層を電解質膜２３に載置するなど、別途形成した触媒層を用いるとしてもよい。
【００１６】
ガス拡散層２６，２７は、ガス透過性および導電性を有する部材によって構成されている。本実施例では、ガス拡散層２６，２７は、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン多孔質部材によって形成されている。ガス拡散層２６，２７を設けることによって、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、セパレータ３０，３１と電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜２３を保護することができる。なお、ガス拡散層２６，２７は、カーボン多孔質部材に換えて、チタンやステンレスなどの金属多孔質材等の他の導電性多孔質部材により形成する構成としてもよい。
【００１７】
セパレータ３０，３１は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、金属製部材などにより形成される。セパレータ３０，３１は、その表面に所定の形状のリブ部を形成しており、隣接するガス拡散層２６，２７との間に単セル内流路３０Ｐ、３１Ｐを形成する。
【００１８】
また単セル２０は、図１上部に示すように、燃料電池として発電を行う際に単セル２０内に水素ガスを供給するための供給口３２と、アノードから排出されるアノードオフガスを排出するための排出口３４とを備える。さらに単セル２０は、発電を行う際に単セル２０内に空気を供給するための供給口３３と、カソードから排出されるカソードオフガスを排出するための排出口３５を備える。発電時には、燃料ガス（水素）は、供給口３２から単セル内流路３０Ｐに導入され、ガス拡散層２６を介してアノード２４に供給される。そして、アノード２４から排出されるアノードオフガスは、単セル内流路３０Ｐから排出口３４へ排出される。また、酸化ガス（空気）は、供給口３３から単セル内流路３１Ｐに導入され、ガス拡散層２７を介してカソード２５に供給される。そして、カソード２５から排出されるカソードオフガスは、単セル内流路３１Ｐから排出口３５へ排出される。なお、図に示した供給口３２、排出口３４、供給口３３、排出口３５は、説明の便宜上模式的に示したものであり、その位置は図示した位置に限られるものではない。本実施例においては、かかる構成の単セル２０に対して熱処理を行う。
【００１９】
次に、加熱炉１０を用いて単セル２０に熱処理を行う方法について説明する。単セル２０の熱処理は、供給口３３から単セル２０内に冷却ガスを供給しながら、加熱炉１０の炉内を高温にすることによって行う。以下、具体的に説明する。
【００２０】
熱処理を行うにあたり、加熱炉１０の炉内に単セル２０を入れる。そして、冷却ガスとしての窒素ガスを、供給口３３を介して単セル２０内に供給する。本実施例においては、単セル２０に供給する窒素ガスの温度は略０℃である。窒素ガスは、窒素ボンベを用いて供給口３３に導入する。窒素ガスを導入する流量は、発電時に空気を導入する流量に近い値とする。加熱炉１０は、炉の外部と内部とを貫通する接続管を備え、窒素ボンベと供給口３３とはこの接続管を介して接続されている。
【００２１】
供給口３３を介して単セル２０に供給された窒素ガスは、単セル内流路３１Ｐを通って排出口３５から排出される。加熱炉１０は、炉の内部と外部とを貫通し排出口３５から排出される窒素ガスを炉の外部に排出するための排出管を備える。
【００２２】
窒素ガスを供給口３３から導入後、単セル２０に窒素ガスを供給した状態で、加熱炉１０の炉内の温度を所定の温度まで上昇させ、所定時間、単セル２０を加熱する。本実施例においては、炉内温度を５０℃にして１０分間加熱する。１０分の加熱後、単セル２０の温度が常温に低下するまで放置し、その後、単セル２０への窒素ガスの供給を停止し、単セル２０の熱処理を終了する。燃料電池として使用する際は、熱処理後の単セル２０を複数積層してスタック構造で用いる。このようにして燃料電池を製造する。
【００２３】
以上説明したように、本実施例における燃料電池の製造方法は、供給口３３から窒素ガスを導入しながら単セル２０の熱処理を行う。このように熱処理を行うことによって、触媒層であるカソード２５のうち、燃料電池として使用時にフラッディングが生じやすい部分の排水性を向上させることができる。また、カソード２５のうち、フラッディングの生じにくい部分の保水性は保持することができる。以下、その原理について説明する。
【００２４】
フラッディングは、アノード２４およびカソード２５において、供給されるガス（燃料ガスおよび酸化ガス）の届きにくい部分で、生成水が除去されずに滞留することで生じる。本実施例では、カソード２５のうち、燃料電池として発電を行った際に酸化ガスの届きにくい部分と、熱処理を行った際に冷却ガスが届きにくい部分とが一致することを利用した熱処理を行う。すなわち、カソード２５において、発電時に酸化ガスが届きにくい部分は、熱処理時には冷却ガスが届きにくいので冷却が十分に行われず高温となり、空隙率の高い構造を形成し排水性が向上する。即ち、カソード２５において、酸化ガスが届きにくくフラッディングの生じやすい部分の排水性を向上させ、発電時にフラッディングを生じにくくすることができる。
【００２５】
一方、カソード２５において、発電時に酸化ガスの届きやすい部分は、熱処理時には冷却ガスが届きやすいので十分に冷却されて高温とならず、カソード２５が本来備える緻密な構造を維持することによって保水性を保持する。カソード２５のうち酸化ガスの届きやすい部分は、発電時にはフラッディングが生じにくく、かつ、供給される酸化ガスによって湿度が低下しやすい。そのため、燃料電池の高温性能を低下させやすい部分である。従って、この部分の保水性を保持することによって、適切な湿度を保ち発電時の高温性能の低下を抑制することができる。
【００２６】
このように、本実施例における燃料電池の製造方法としての熱処理は、燃料電池として発電を行った際のガス（燃料ガス、酸化ガス）の流れやすさに応じた熱処理温度分布を実現することができる。即ち、フラッディングの生じやすい部分と生じにくい部分との分布に応じて、排水性と保水性を分布させたカソード２５を備えた燃料電池を製造することができる。結果として、燃料電池の低温性能の低下の主な原因であるフラッディングを効率的に抑制しつつ、高温性能の低下の主な原因である湿度低下を抑制した燃料電池を製造することができる。
【００２７】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００２８】
（Ｂ１）変形例１：
上記実施例においては、冷却ガスを供給口３３を介してカソード２５にのみに供給したが、それに限ることなく、冷却ガスを供給口３２を介してアノード２４のみに供給しながら熱処理を行うとしてもよい。また、供給口３２と供給口３３の両方から供給しながら熱処理を行うとしてもよい。所望の電極（アノード２４、カソード２５）において、排水性と保水性の分布を制御することができる。
【００２９】
（Ｂ２）変形例２：
上記実施例においては、熱処理の方法として温風炉を用いたが、それに限ることなく、赤外線方式、ＩＨ（Induction Heating）方式、マイクロ波方式など、種々の熱源を利用した加熱炉を採用することができる。また、その他の熱処理の方法として、供給口３３から冷却ガスを供給しつつ、供給口３２から高温ガスを供給する方法を採用するとしてもよい。また、加熱炉と高温ガスとを併用した熱処理を採用するとしてもよい。
【００３０】
（Ｂ３）変形例３：
上記実施例においては、冷却ガスとして窒素ガスを採用したがそれに限ることなく、アルゴン、ヘリウムなど、触媒被毒の無い種々のガスを用いることができる。また、上記変形例２で用いた高温ガスについても、冷却ガスと同様に、アルゴン、ヘリウムなど、触媒被毒の無い種々のガスを用いることができる。
【００３１】
（Ｂ４）変形例４：
上記実施例においては、冷却ガスの温度は０℃、熱処理の温度は５０℃を採用したが、それに限らず、冷却ガス温度が熱処理温度より低い関係を満たすことを条件に、冷却ガスおよび熱処理の温度は種々の値を採用することができる。また、熱処理時間についても、種々の値を採用することができる。冷却ガス温度、熱処理温度、熱処理時間の組み合わせを制御することにより、触媒層の排水性と保水性の分布や、排水性と保水性の強弱を制御することができる。
【００３２】
（Ｂ５）変形例５：
上記実施例においては、加熱炉１０に単セル２０を入れて熱処理を行ったが、加熱炉１０として熱処理能力の高いものを採用し、単セル２０を複数積層しスタック構造としたものを加熱炉１０に入れて熱処理を行うとしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０…加熱炉
２０…単セル
２２…ＭＥＡ
２３…電解質膜
２４…アノード
２５…カソード
２６，２７…ガス拡散層
３０…セパレータ
３０Ｐ，３１Ｐ…単セル内流路
３２，３３…供給口
３４，３５…排出口
【図１】
2013122814.tif 000003