(57)【要約】【課題】接触抵抗を低減できる好適な燃料電池部材の提供。【解決手段】まず、撥水層３２を形成する２種類のペースト材を調製し、基材としての金属平板９２の面上に、第１のペースト材を塗布する。その後、加熱して、冷却することで固化し、第１の撥水層３２ａを形成する。そして、第１の撥水層３２ａ上に第２のペースト材を塗布し、その面上に多孔体流路３４を配置する。そして、第２のペースト材を加熱、冷却することで固化し、第２の撥水層３２ｂを形成し、撥水層３２と多孔体流路３４を接着する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電気化学反応に供されるガスの流路となる多孔体流路と、ガス透過性を有する所定の層とを備えた燃料電池部材の製造方法であって、
前記所定の層を形成するペースト材を調製する調製工程と、
前記ペースト材を用いて第１の層を形成する第１層形成工程と、
前記形成された第１の層を固化させる工程と、
前記固化された第１の層上に、前記ペースト材を用いて第２の層を形成する第２層形成工程と、
前記形成された第２の層上に、前記多孔体流路の部材を配置する工程と、
前記形成された第２の層を固化させて、前記所定の層と前記多孔体流路とを接着させる工程と
を備えた燃料電池部材の製造方法。
【請求項２】
燃料電池の電気化学反応に供されるガスの流路となる多孔体流路と、ガス透過性を有する所定の層とを備えた燃料電池部材の製造方法であって、
前記所定の層を形成する、ペースト材を調製する調製工程と、
前記ペースト材を用いて第１の層を形成する第１層形成工程と、
前記形成された第１の層を固化させる工程と、
前記固化された第１の層上に、前記多孔体流路の部材を配置する工程と、
前記ペースト材を用いて、前記第１の層上に前記第２の層を形成する第２層形成工程と、
前記形成された第２の層を固化させて、前記所定の層と前記多孔体流路とを接着させる工程と
を備えた燃料電池部材の製造方法。
【請求項３】
前記所定の層は、撥水性を有する撥水層である請求項１または請求項２記載の燃料電池部材の製造方法。
【請求項４】
前記所定の層は、ガス拡散層である請求項１または請求項２記載の燃料電池部材の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、
前記調製工程は、粘性の異なる２種類のペースト材を調製する工程であり、
前記第１の層には、前記２種類のペースト材のうち、粘性の高い側のペースト材を用い、
前記第２の層には、前記２種類のペースト材のうち、粘性の低い側のペースト材を用いる
燃料電池部材の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか記載の製造方法によって製造される燃料電池部材によって構成される燃料電池。
【請求項７】
燃料電池であって、
燃料電池の電気化学反応に供されるガスの流路となる多孔体流路と、
ガス透過性を有する所定の層と
を備え、
前記多孔体流路の一部は、前記所定の層との接触深さが略一定となるように、前記所定の層に埋め込まれた
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電気化学反応に供されるガスの流路となる多孔体流路と、ガス透過性を有する所定の層とを備えた燃料電池部材の製造方法及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、電気化学反応が行われる電解質膜・電極接合体、水濃度の管理を行う撥水層、反応ガスの流路となる多孔体流路、隔壁として機能するセパレータが積層された最小の発電単位であるセルが、複数積層されて構成される。かかる燃料電池で効率的な発電を行うためには、上述の各層、例えば、撥水層と多孔体流路との接触抵抗を低減する必要があり、そのための種々の技術が開発されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５１２０号公報
【特許文献２】特開２００７−１４９３５７号公報
【０００４】
上記特許文献１では、セパレータに金メッキを施し、接触抵抗を低減する技術を開示している。また、上記特許文献２では、撥水層ペースト上に多孔体流路を押し付けてめり込ませた後、撥水層ペーストを固化させる技術を開示している。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、金メッキに要するコストが高価であった。また、特許文献２の技術では、めりこみ量の制御が難しく、めり込んだ多孔体流路が撥水層を貫通して、触媒層や電解質膜を損傷させるおそれや、箇所によって撥水層の厚みがばらつき、当該部品を使用した燃料電池の性能が安定しないおそれがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、接触抵抗を低減できる好適な燃料電池部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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なされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池の電気化学反応に供されるガスの流路となる多孔体流路と、ガス透過性を有する所定の層とを備えた燃料電池部材の製造方法であって、
前記所定の層を形成するペースト材を調製する調製工程と、
前記ペースト材を用いて第１の層を形成する第１層形成工程と、
前記形成された第１の層を固化させる工程と、
前記固化された第１の層上に、前記ペースト材を用いて第２の層を形成する第２層形成工程と、
前記形成された第２の層上に、前記多孔体流路の部材を配置する工程と、
前記形成された第２の層を固化させて、前記所定の層と前記多孔体流路とを接着させる工程と
を備えた燃料電池部材の製造方法。
【０００９】
かかる燃料電池部材の製造方法は、固化した第１の層上に、第２の層を形成し、その層上に多孔体流路の部材を配置した後、第２の層を固化して、第２の層と多孔体流路とを接着させるので、多孔体流路と所定の層とは、多孔体流路の底部が概ね第１の層に当接する位置までめり込んで、接着する。かかる製造方法により製造された燃料電池部材は、多孔体流路と所定の層とを単に押し付ける等の手法により接着する場合と比べて、多孔体流路と所定の層との接触面積が大きくなり、接触抵抗を低減することができるとともに、安定的な構造とすることができる。また、かかる製造方法は、第２の層の層厚を制御することにより、多孔体流路が所定の層にめり込む量を簡単に制御できる。さらに、かかる製造方法により製造された燃料電池部材は、めり込み量を均一化することができ、製品毎のばらつきが少ないので、当該部材を用いた燃料電池の性能を安定化させることができる。
【００１０】
［適用例２］燃料電池の電気化学反応に供されるガスの流路となる多孔体流路と、ガス透過性を有する所定の層とを備えた燃料電池部材の製造方法であって、所定の層を形成する、ペースト材を調製する調製工程と、ペースト材を用いて第１の層を形成する第１層形成工程と、形成された第１の層を固化させる工程と、固化された第１の層上に、多孔体流路の部材を配置する工程と、ペースト材を用いて、第１の層上に第２の層を形成する第２層形成工程と、形成された第２の層を固化させて、所定の層と多孔体流路とを接着させる工程とを備えた燃料電池部材の製造方法。
かかる製造方法によっても、適用例１と同様の効果を奏することができる。
【００１１】
［適用例３］所定の層は、撥水性を有する撥水層である適用例１または適用例２記載の燃料電池部材の製造方法。
適用例１または適用例２の製造方法は、多孔体流路と撥水層とを備えた燃料電池部材にも適用することができる。
【００１２】
［適用例４］所定の層は、ガス拡散層である適用例１または適用例２記載の燃料電池部材の製造方法。
適用例１または適用例２の製造方法は、多孔体流路とガス拡散層とを備えた燃料電池部材にも適用することができる。
【００１３】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、調製工程は、粘性の異なる２種類のペースト材を調製する工程であり、第１の層には、２種類のペースト材のうち、粘性の高い側のペースト材を用い、第２の層には、２種類のペースト材のうち、粘性の低い側のペースト材を用いる燃料電池部材の製造方法。
【００１４】
かかる製造方法は、多孔体流路が第２の層にめり込みやすく、多孔体流路が確実に第１の層に略当接するので、多孔体流路の所定の層へのめり込む量をより均一化することができる。
【００１５】
また、本発明は、適用例１ないし適用例５のいずれか記載の方法で製造された燃料電池部材の他、適用例６及び適用例７に示す燃料電池としても構成することができる。
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれか記載の燃料電池部材を用いて形成した燃料電池。
【００１６】
［適用例７］燃料電池であって、燃料電池の電気化学反応に供されるガスの流路となる多孔体流路と、ガス透過性を有する所定の層とを備え、多孔体流路の一部は、所定の層との接触深さが略一定となるように、所定の層に埋め込まれた燃料電池。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．実施例：
本発明の実施例について説明する。
Ａ−１．燃料電池の概略構成：
燃料電池１００の概略構成を図１に示す。図示するように、燃料電池１００は、電解質膜２１の両面にアノード２２、カソード２３が形成された電解質膜・電極接合体２０の両面を、撥水層３２，４２、多孔体流路３４，４４及びセパレータ６０，７０で挟持して形成される。なお、燃料電池１００は、図示する構成を複数積層した構成としてもよい。
【００１８】
電解質膜２１は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す固体高分子であり、本実施例では、Nafion（Perfluorosulfonic Acid/PTFE copolymer、登録商標）の膜よりなる。アノード２２及びカソード２３は、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２１を構成する高分子電解質と同質の電解質（ここではNafion）とを備えている。
【００１９】
撥水層３２及び４２は、カーボン粒子と撥水性を有する粒子（ここではＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン））からなり、電気化学反応に供されるガスの流路となる機能、電解質膜の水分を適正域に保つと共に、過剰な水分の排出を促す撥水機能、電解質膜・電極と後述する多孔体流路３４，４４との間で電子をやり取りする集電機能などを有している。
【００２０】
多孔体流路３４，４４は、多孔体からなり、それぞれ、水素を含有する燃料ガス、酸素を含有する酸化ガスの流路となる。本実施例においては、エキスパンドメタルを用いたが、これに限られる必要はなく、発泡金属やメッシュ金属などの金属多孔体、さらには、カーボン繊維など種々の多孔体による構成が可能である。本願においては、この撥水層３２または４２と多孔体流路３４または４４とからなる部材を、ガス流路部材３０，４０と呼ぶ。
【００２１】
セパレータ６０及び７０は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやチタン合金、ステンレス鋼などで形成される。本実施例のセパレータ６０及び７０は、平板形状であり、その内部には、多孔体流路３４，４４に燃料ガスや酸化ガスを供給する連絡通路（図示せず）が形成されている。
【００２２】
Ａ−２．燃料電池部材の製造方法：
上述したガス流路部材３０の製造方法について、図２及び図３を用いて説明する。なお、ガス流路部材４０の製造方法は、ガス流路部材３０と同様である。ガス流路部材３０の製造においては、図２に示すように、まず、第１のペースト材及び第２のペースト材を調製する（ステップＳ１１０）。第１のペースト材及び第２のペースト材は、いずれも形状保持材（ここではカーボン粒子）、撥水粒子（ここではＰＴＦＥ粒子）、溶媒（ここでは水）を混合して、調製した。本実施例における重量混合比率は、第１のペースト材が、水：ＰＴＦＥ：カーボン粒子＝８０：１：４、第２のペースト材が、水：ＰＴＦＥ：カーボン粒子＝９５：１：４とした。このような混合比とすることで、第２のペースト材は、第１のペースト材よりも粘性が小さいものとすることができる。
【００２３】
なお、本実施例では、撥水粒子として、ＰＴＦＥを用いたが、これに限るものではない。撥水粒子は、完成後に撥水性を有するものであればよく、例えば、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオリド）、ＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（パーフルオロエチレン−プロペン共重合体）、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン−炭化水素系共重合体、フルオロアクリレート共重合体、フルオロエポキシ化合物等を用いてもよい。
【００２４】
また、本実施例では、撥水層を形成するための形状保持材として、カーボン粒子を用いたが、これに限られるものではなく、導電性を有する種々の部材、例えば、粒子状、繊維状、筒状などの炭素または金属または樹脂部材を用いてもよい。
【００２５】
また、本実施例では、溶媒として、水を用いたが、溶媒の種類は、これに限られるものではなく、水と親水性を有する他の溶媒との組合せであってもよい。例えば、水と、メタノール、プロパノール、イソプロパノールなどアルコール系溶媒との組合せであってもよい。もとより、水との組合せに限られるものではなく、撥水粒子及び形状保持剤の均一分散性が確保できる溶媒であればよい。
【００２６】
また、上述の重量混合比率は、上述の例に限られるものではなく、求められる撥水層の性能等を考慮して、適宜設定すればよい。また、本実施例においては、第１のペーストと第２のペーストとで、同一の構成成分を用いているが、異なる構成成分であってもよい。
【００２７】
ペースト材を調製すると、次に、所定の基材上の所定範囲の一面に亘って、第１のペースト材を塗布する（ステップＳ１２０）。本実施例においては、図３に示すように、ベルトコンベヤ８８上で搬送される、基材としての金属平板９２の上に、ペーストタンク８１に貯留した第１のペースト材を、図示しない塗布用ノズルから５０μｍの厚みで塗布するものとした。なお、基材の材質は、後述する加熱温度に対して耐熱性を有しておればよく、特に限定されるものではない。また、基材は、必須のものではない。また、塗布方法は、ノズルによる塗布に限らず、ローラ、スクリーン印刷など、種々の方法が適用可能である。
【００２８】
第１のペースト材を塗布すると、加熱後、冷却することで固化して、第１の撥水層３２ａを形成する（ステップＳ１３０）。本実施例においては、図３に示すように、ベルトコンベヤ８８により搬送される金属平板９２上の第１のペースト材を電熱ヒータ８２で加熱し、第１のペースト材に含まれる溶媒を気化させるとともに、ＰＴＦＥ粒子をカーボン粒子に融着させた。加熱温度は、撥水材の融点以上であって、分解開始温度以下であればよく、本実施例では３３０℃（本実施例で用いたＰＴＦＥの融点は３２７℃、分解開始温度は３９０℃）とした。そして、冷却ファン８３で冷却し、融点に達したＰＴＦＥ粒子を固化して、第１の撥水層３２ａを形成する。冷却温度は、後述する第２のペースト材の水分を沸騰させないために、１００℃以下とした。なお、本実施例では、冷却ファン８３を用いて冷却を行ったが、冷却方法はこれに限るものではなく、水冷、自然冷却など、種々の方法を用いることができる。
【００２９】
第１の撥水層３２ａを形成すると、当該第１の撥水層３２ａ上に、第２のペースト材を塗布する（ステップＳ１４０）。本実施例においては、図３に示すように、ベルトコンベヤ８８で搬送される第１の撥水層３２ａ上に、ペーストタンク８４に貯留した第２のペースト材を、図示しない塗布用ノズルから５０μｍの厚みで塗布するものとした。
【００３０】
第２のペースト材を塗布すると、図３に示すように、第２のペースト層の上面に、多孔体流路３４を配置する（ステップＳ１５０）。
【００３１】
そして、多孔体流路３４を配置すると、プレス処理を行い、多孔体流路３４を第２のペースト材にめり込ませる（ステップＳ１６０）。本実施例においては、図３に示すように、プレス機８５を用いて、上面から、多孔体流路３４を押し付けてプレスした。なお、このプレス処理は、多孔体流路３４を確実に第２のペースト材にめり込ませるためのものであり、必須ではない。例えば、多孔体流路３４の自重により多孔体流路３４を第２のペースト材にめり込ませてもよい。
【００３２】
プレス処理を行うと、加熱後、冷却することで固化して、第２の撥水層３２ｂを形成する（ステップＳ１７０）。本実施例においては、図３に示すように、上記ステップ１３０と同様に、電熱ヒータ８６で加熱し、第２のペースト材に含まれる溶媒を気化させるとともに、融点に達したＰＴＦＥ粒子をカーボン粒子、多孔体流路３４及び第１の撥水層３２ａに融着させた後、冷却ファン８７で冷却し、ＰＴＦＥ粒子を固化して、第２の撥水層３２ｂを形成する。こうして、撥水層３２と多孔体流路３４とは接着され、ガス流路部材３０は完成となる。
【００３３】
かかる製造方法により製造されたガス流路部材３０は、金属平板９２を剥がして、図１に示したように、電解質膜・電極接合体２０、ガス流路部材４０、セパレータ６０，７０と共に積層することで、燃料電池１００を製造することができる。
【００３４】
かかる製造方法により製造されたガス流路部材３０は、第１の撥水層３２ａを固化した後に、第２のペースト材を塗布し、その上面に多孔体流路３４を配置した後、第２のペースト材を固化して、多孔体流路３４と撥水層３２とを接着させる。これにより、図４に示すように、多孔体流路３４の底部は、概ね第１の撥水層３２ａの上面に当接する位置で、撥水層３２と接着する。したがって、多孔体流路３４と撥水層とを押し付けるなどして、多孔体流路３４の底面のみが撥水層の上面と接触するように接着した場合と比べて、撥水層３２と多孔体流路３４との接触面積が大きくなり、接触抵抗を低減することができる。また、接触面積が大きくなることで、電解質膜・電極接合体２０で生成された生成水が接触面に付着し、接触面に沿って排出されるので、生成水の排出が促進される。
【００３５】
また、かかる製造方法により製造されたガス流路部材３０は、多孔体流路３４を第２の撥水層３２ｂにめり込ませた上で、撥水層３２と多孔体流路３４とを接着させた構造としているので、構造的にもより安定させることができる。また、金メッキ等の高価な部材を使用しないため、コスト上の問題も生じない。
【００３６】
また、かかる製造方法は、ペースト材の塗布量や性状を変化させるなどして第２の撥水層３２ｂの層厚を制御することにより、多孔体流路３４が撥水層３２にめり込む量を簡単に制御できる。また、かかる製造方法により製造されたガス流路部材３０は、めり込み量を概ね一定とすることができ、製品毎のばらつきが少ないので、ガス流路部材３０を用いた燃料電池１００の性能を安定化させることができる。
【００３７】
また、かかる製造方法は、第２のペースト材に、第１のペースト材よりも粘性が小さいペースト材を用いているので、多孔体流路３４が第２の撥水層３２ｂにめり込みやすく、多孔体流路３４が確実に第１の撥水層３２ａの上面に当接するので、めり込む量をより均一化することができる。
【００３８】
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｂ：変形例：
Ｂ−１．変形例１：
図２に示したガス流路部材３０の製造方法の変形例について説明する。ここでは、本変形例が、図２に示した工程と異なる点のみを図５に示して説明する。本変形例では、図示するように、第１のペースト層を加熱後、冷却により固化して、第１の撥水層３２ａを形成すると（図２，ステップ１３０）、その上面に多孔体流路３４を配置する（ステップＳ２４０）。そして、その上から、第２のペースト材を流し入れる（ステップＳ２５０）。その後、図２と同様に、プレス処理を行う（図２，ステップ１６０）。このようにしても、実施例と同様の効果を奏するガス流路部材３０を製造することができる。
【００３９】
Ｂ−２．変形例２：
本発明は、実施例で示した撥水層３２と多孔体流路３４とからなるガス流路部材３０の製造方法に限られるものではない。例えば、多孔体流路３４と、カーボン粒子などから形成され、ガスの拡散機能や集電機能を有するガス拡散層とが一体形成された部材を製造する方法とすることもできる。この場合、実施例で示したペースト材に代えて、ガス拡散層を形成する所定の部材のペースト材を塗布すればよい。なお、ガス拡散層は、撥水層の機能を併せ持っていてもよい。
【００４０】
あるいは、多孔体流路３４と、アノード２２やカソード２３とが一体形成された部材を製造する方法とすることもできる。この場合、実施例で示したペースト材に代えて、アノード２２やカソード２３を形成する所定の触媒ペーストを塗布することとすればよい。なお、触媒ペーストを塗布する基材として電解質膜２１を用いる場合には、電解質膜２１の耐熱性に配慮する必要がある。
【００４１】
Ｂ−３．変形例３：
本実施例においては、撥水層３２は、一面に同じ材質で同じ層厚の層として形成したが、このような態様に限られるものではない。例えば、撥水部材を有する撥水部分と、撥水部材を有しない親水部分とが一定の模様で形成される態様であってもよい。このような模様は、例えば、所定模様状に吹き付け可能な塗布ノズルによって塗布したり、スクリーン印刷を行ったりして、形成することができる。
【００４２】
Ｂ−４．変形例４：
本実施例においては、２種類のペースト材を調製し、それぞれを用いて、第１の撥水層３２ａと第２の撥水層３２ｂとを形成したが、同一種類のペースト材を用いて、第１の撥水層３２ａと第２の撥水層３２ｂとを形成してもよい。こうすれば、ペーストの調製工程を簡略化することができる。
【００４３】
Ｂ−５．変形例５：
本実施例においては、第１の撥水層３２ａ及び第２の撥水層３２ｂは、それぞれ、単一種類のペースト材で形成したが、そのいずれかまたは両方を、複数種類のペースト材で形成してもよい。例えば、ステップＳ１２０及びＳ１３０において、撥水粒子を含むペーストを塗布し、固化した後、さらに、撥水粒子を含まないペースト材を塗布し、固化してもよい。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】ガス流路部材３０の製造方法を示す工程図である。
【図３】ガス流路部材３０の製造装置を示す説明図である。
【図４】ガス流路部材３０の構造を示す説明図である。
【図５】変形例としてのガス流路部材３０の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００４６】
２０…電解質膜・電極接合体
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
３０…ガス流路部材
３２…撥水層
３２ａ…第１の撥水層
３２ｂ…第２の撥水層
３４…多孔体流路
４０…ガス流路部材
４２…撥水層
４４…多孔体流路
６０，７０…セパレータ
８１，８４…ペーストタンク
８２，８６…電熱ヒータ
８３，８７…冷却ファン
８５…プレス機
８８…ベルトコンベヤ
９２…金属平板
１００…燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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