JP2006032004A

JP2006032004A - 燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP2006032004A
Application number: JP2004205936A
Authority: JP
Inventors: Takumi Taniguchi; 拓未谷口; Masafumi Kobayashi; 雅史小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: CN1985398A; US20080128948A1; WO2006008615A1; CA2579761A1; CA2579761C; EP1790029A1; EP1790029B1; US7727664B2; CN100474678C; JP4821096B2; WO2006008615A8

Abstract

【課題】接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を、製造工程の数を増やすことなく製造することが可能な、燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】電解質１と、電解質１の両側に設けられるアノード４及びカソード５と、アノード４及びカソード５の外側に設けられるセパレータ７、７と、を備える燃料電池８の製造方法であって、少なくとも触媒とイオン交換樹脂とを備えるアノード４及びカソード５を作製する第１の工程１０と、溶融状態の電解質１をアノード４とカソード５との間に配置する第２の工程２０と、を有する、燃料電池の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関し、特に、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池の製造方法に関する。

固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン伝導性膜として使用するものである。ＰＥＦＣのカチオン伝導性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ^＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性電解質として機能している。そして、電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。

ＰＥＦＣの主な構成要素は、電解質膜と、燃料極（「アノード」ともいう。）及び空気極（「カソード」ともいう。）と、セパレータ等である。これらの構成要素を含むＰＥＦＣは、通常、薄膜状に加工された電解質膜の両側にカソード及びアノードを接合して膜／電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）が形成され、かかるＭＥＡの両側に拡散層が接合され、さらに、セパレータが組み込まれて、モジュールとしてのＰＥＦＣが製造される。

しかし、このようにして製造されるＰＥＦＣでは、膜状に加工された電解質の両側にカソード及びアノードを接合する際に当該カソード及びアノードの多孔性が損なわれやすい他、膜状に加工された電解質とアノード及びカソードとの接合が不十分であること等に起因する接触抵抗により、ＰＥＦＣの発電性能が低下しやすいという問題があった。

これまでに、燃料電池内の接触抵抗を低減することを目的とした技術は開示されてきている。例えば、特許文献１には、イオン交換膜の片面又は両面に、イオン交換膜よりもガラス転移温度の低いイオン導電性の薄膜を形成することにより、イオン交換膜と電極との接合に必要な最小限の量のイオン交換樹脂を電極面に湿潤させることで、接触抵抗を低減する技術が開示されている。
特開平６−１７６７７１号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術によれば、接触抵抗を低減することは可能である反面、イオン交換膜を複数にする必要があるため、燃料電池の製造方法が煩雑になるという問題があった。

そこで本発明は、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を、製造工程の数を増やすことなく製造することが可能な、燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質と、当該電解質の両側に設けられるアノード及びカソードと、アノード及びカソードの外側に設けられるセパレータと、を備える燃料電池の製造方法であって、少なくとも触媒とイオン交換樹脂とを備えるアノード及びカソードを作製する第１の工程と、溶融状態の電解質をアノードとカソードとの間に配置する第２の工程と、を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、第２の工程において、アノードとカソードとの間隔は、間隔特定手段によって特定されることを特徴とする。
ここに、「間隔特定手段」とは、アノードとカソードとの間隔を特定できる手段であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、圧力を調整することにより間隔を特定する手段や、いわゆる位置決め部材により間隔を特定する手段等を挙げることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法において、第１の工程後に、アノード及びカソードとセパレータとを接合する工程を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法において、溶融状態の電解質は、溶融プレス成形又は溶融射出成形によって、アノードとカソードとの間に配置されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、溶融状態の電解質を薄膜状へと加工する前にアノードとカソードとの間に配置するため、製造工程が簡略化される。さらに、本発明において、電解質とアノード及びカソードとが接合される際、電解質は溶融状態であり、当該電解質はアノード及びカソードに接触した後に固まる。したがって、電解質と電極との接合状態が従来の燃料電池よりも良好になる結果、燃料電池内部の接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、アノードとカソードとが所定の間隔に特定されるため、アノードとカソードとの間に配置される電解質を特定の厚さにすることができる。したがって、特定の厚さの電解質を備える燃料電池の製造方法を提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、第１の工程において作製されたアノード及びカソードとセパレータとが接合される。したがって、アノード及びカソードと接合されたセパレータを、いわゆる位置決め部材として活用することが可能になるため、アノードとカソードとの間隔を容易に特定することができる。

請求項４に記載の発明によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を、製造工程の数を増やすことなく製造できる、燃料電池の製造方法を容易に提供することが可能になる。

ＰＥＦＣのモジュールは、通常、薄膜状に加工された電解質膜に、触媒層を備えるアノード及びカソード、並びに、セパレータ等の各構成要素を、接合するか、あるいは組み込むことにより、製造される。しかし、このような方法により製造されたＰＥＦＣの電解質膜は、歩留まりが悪い、及び／又は、耐久性に劣る等の課題を有していた。また、かかる方法により製造されたＰＥＦＣは、燃料電池内部の接触抵抗が比較的大きく、発電効率が低下しやすいという課題を有していた。

他方、従来の上記方法によりＰＥＦＣを製造する場合には、アノード及びカソードに備えられる触媒層を薄膜状の電解質膜に接合させる。ここに、電解質膜と触媒層とを接合させる代表的な方法としては、触媒層を電解質膜に転写することにより接合する方法（以下において、「転写法」と記述する。）や、電解質膜に触媒層をスプレー塗布する方法（以下において、「スプレー塗布法」と記述する。）等を、挙げることができる。ところが、転写法により触媒層と電解質膜とを接合する場合には、触媒層を薄膜状の電解質にプレスする必要があり、このプレス時に触媒層の多孔性が損なわれてしまうという問題があった。他方、スプレー塗布法により接合する場合には、触媒層の多孔性は損なわれ難いものの、塗布時に溶剤を使用するため、電解質に損傷を与えるおそれがあるという問題があった。

本発明は、従来の方法が抱えるこれらの問題を解決し得る、燃料電池の製造方法を提供することを目的としてなされたものである。本発明では、溶融状態の電解質を、触媒層を備えるアノード及びカソードの間に配置し、溶融状態の電解質とアノード及びカソードの触媒層とを接触させて接合する。このような方法で製造することで、燃料電池内部における接触抵抗の低減を図ることが可能な燃料電池を、製造工程の数を増やすことなく製造することが可能な、燃料電池の製造方法としている。なお、上記アノード及びカソードに備えられる触媒層は、少なくとも触媒とイオン交換樹脂とを含有している。

以下に図面を参照しつつ、本発明にかかる燃料電池の製造方法の各実施形態について、具体的に説明する。

まず、本発明の特徴を説明するため、図４に、従来の燃料電池の製造方法を概略的に示す。従来の製造方法では、例えば、溶融押出成形により溶融状態の電解質を薄膜状の電解質（以下において、「電解質膜」と記述することがある。）へと成形し、かかる電解質膜をロールで巻き取ることにより、電解質の薄膜ロールとする。その後、電解質膜は、その両面に、転写法やスプレー塗布法等により触媒層が接合されてＭＥＡとなる。そして、所定の大きさに切断されたＭＥＡの両側に拡散層が接合されることにより膜・電極・拡散層接合体（以下において、「ＭＥＧＡ」と記述する。）となり、このＭＥＧＡにセパレータが組み込まれることにより燃料電池モジュールが製造される。なお、以下において、従来の燃料電池の製造方法における、溶融押出成形から拡散層接合までの工程を、「薄膜の加熱加圧プロセス」と表現する。図４に、薄膜の加熱加圧プロセスに対応する箇所を破線で示す。

図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の製造方法を概略的に示す図である。図１に示す製造方法により製造される燃料電池において、電極としてのアノード及びカソードは、触媒層と拡散層とを備え、触媒層は、触媒とイオン交換樹脂とを備えている。なお、本実施形態は、溶融プレス成形工程を備える燃料電池の製造方法により、燃料電池モジュールを製造する形態である。

図１に示すように、第１実施形態にかかる燃料電池の製造方法は、拡散層３ａ及び３ｂに触媒層２ａ及び２ｂを塗布することにより、触媒層２ａ、２ｂ及び拡散層３ａ、３ｂを備えるアノード４並びにカソード５を作製する第１の工程１０と、当該工程１０により作製されたアノード４及びカソード５の間に、溶融状態の電解質１を配置させる第２の工程２０とを有している。本実施形態にかかる第２の工程２０において、アノード４及びカソード５の間に配置された溶融状態の電解質１は、当該電解質１の両側に配置されているアノード４及びカソード５の間隔が特定値になるまでプレス（溶融プレス成形）されることで、特定の厚さを備える電解質１へと成形される。このようにして特定の厚さへと成形された電解質１は、その後、温度が融点以下へと低下すると、膜状（固体状）の電解質１となる。本実施形態にかかる製造方法では、この工程２０により、膜状の電解質１を備えるＭＥＧＡ６が成形される。そして、続くセパレータ組込工程３０において、溶融プレス成形工程を備える第２の工程２０において成形されたＭＥＧＡ６の両側にセパレータ７、７が組み込まれることにより、燃料電池モジュール８が製造される。

図１に示す第１実施形態にかかる本発明の製造方法によれば、膜状に加工される前の溶融状態の電解質１を直接成形するため、従来の製造方法における薄膜の加熱加圧プロセスが存在しない。したがって、本実施形態にかかる製造方法によれば、製造工程の簡略化を図ることができる。さらに、従来の薄膜の加熱加圧プロセスでは、電解質膜が、熱的、力学的、又は化学的ストレスを受けていたため、電解質膜の寿命が短くなりやすいという傾向が見受けられたが、当該プロセスを経ない本製造方法では、電解質に与えられるストレスが低減されている。したがって、本発明によれば、長寿命の電解質膜を備える燃料電池を提供することができる。

また、本実施形態にかかる製造方法は、薄膜の加熱加圧プロセスを経ず、融点以上の高温環境下にて存在し得る溶融状態の電解質１がプレスされるため、融点未満の温度環境下にて存在する電解質膜と触媒層とが圧着されることはない。通常、融点以上の温度を有する電解質は、融点未満の温度を有する電解質よりも柔らかく、溶融状態の電解質は、電解質膜よりも柔らかい。そのため、本製造方法においてプレス時に溶融状態の電解質１が触媒層２ａ、２ｂへと与える力は、電解質膜が触媒層へと与える力よりも弱いことから、本実施形態にかかる製造方法では触媒層２ａ、２ｂの多孔性が損なわれ難い。ここに、上記薄膜の加熱加圧プロセスを経た触媒層を備えるＭＥＡは、当該プロセスの過程において加えられる力により触媒層の多孔性が損なわれるため、水やガスの閉塞を起してフラッディングを生じやすいとともにロバスト性が低い傾向が見受けられる。これに対し、本製造方法により製造される燃料電池８に備えられるＭＥＡは、良好な多孔性を維持し得る触媒層２ａ、２ｂを備えるため、フラッディングが生じ難く、ロバスト性が高い。したがって、本実施形態にかかる製造方法によれば、フラッディングが生じ難くロバスト性が高いＭＥＡを備える燃料電池８を製造することができる。
ところで、触媒層が良好な多孔性を有すると、反応ガスが触媒層内を流れやすくなり、触媒層内に存在する多くの触媒が反応に寄与することが可能になることから、優れた多孔性の触媒層を備える燃料電池は、触媒層の多孔性が低下している燃料電池よりも発電効率が高い。したがって、本製造方法により、触媒層２ａ、２ｂの良好な多孔性を維持することで、優れた発電効率を有する燃料電池を提供することができる。

さらに、本実施形態にかかる製造方法によれば、溶融状態の電解質１と触媒層２ａ及び２ｂとが接触するため、溶融状態の電解質１の表面は、触媒層２ａ及び２ｂの表面の凹凸に沿って形成される。そして、このように形成された表面形状を有する電解質１が冷えて触媒層２ａ及び２ｂと接合することにより、電解質１と触媒層２ａ及び２ｂとは良好な接合状態を備えるため、電解質１と触媒層２ａ及び２ｂとの間の接触抵抗を低減することができる。したがって、本実施形態にかかる製造方法によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を提供することができる。
ここに、本発明にかかる製造方法において、電解質１と触媒層２ａ及び２ｂとの間の接合状態は、電解質１の粘度及び溶融プレスを行う際の圧力により調整することができ、電解質１の粘度は当該電解質１の温度により変化する。したがって、溶融プレスを行う際の温度及び圧力を適宜調整することにより、接触抵抗がより一層低減した燃料電池を提供し得る製造方法とすることが好ましい。

加えて、本実施形態にかかる製造方法では、溶融状態の電解質１とアノード４及びカソード５とをプレスし、当該プレス時には、スプレー塗布法において使用されるような溶剤を使用しない。したがって、本製造方法によれば、電解質に与える損傷を低減することができるため、電解質の耐久性を向上させることが可能になる。

なお、本製造方法における溶融プレス成形では、プレス成形時にショートが生じることを防止する等の観点から、溶融状態の電解質１と接触する触媒層２ａ及び２ｂの表面粗さを予め十分に調整しておくことが好ましい。このように表面粗さを調整された触媒層２ａ及び２ｂを用いて溶融プレス成形を行うことにより、歩留まりの良い電解質１を備える燃料電池を製造することが可能になる。

また、本製造方法にかかる溶融プレス成形は、溶融状態の電解質と拡散層及び触媒層を備えるアノード並びにカソードとをプレス成形することによりＭＥＧＡを形成し得る方法であれば、その成形の形態は特に限定されるものではない。本製造方法にかかる溶融プレス成形で利用可能な成形形態の具体例としては、図１に示すように、燃料電池モジュール８を構成し得る大きさへと切断された拡散層３ａ及び３ｂに触媒層２ａ及び２ｂを塗布して構成されるアノード４及びカソード５と、溶融状態の電解質１とをプレスする形態を挙げることができる。

この他、第１実施形態の製造方法における溶融プレス成形は、溶融状態の電解質と、拡散層及び触媒層を備えるアノード並びにカソードとの溶融プレス成形を連続的に行ってＭＥＧＡを形成する形態を備えていても良い。本製造方法が備え得る連続的な溶融プレス成形の態様を図２に概略的に示す。
図２に示す連続的な溶融プレス成形２１では、触媒層供給ロール５１ｂから供給される触媒層２ｂの上に、電解質槽５３から供給される溶融状態の電解質１が配置され、引き続き、当該溶融状態の電解質１の上に触媒層供給ロール５１ａ及び拡散層供給ロール５２ａから供給される触媒層２ａ及び拡散層３ａが配置される。そして、上記ロール５１ｂから供給された触媒層２ｂの下面に、拡散層供給ロール５２ｂから供給される拡散層３ｂが配置されて、触媒層及び拡散層を備えるアノード並びにカソードの間に溶融状態の電解質１が配置された形態になる。このようにしてアノード及びカソードの間に配置された溶融状態の電解質１は、その後、両面からロールプレス６０ａ、６０ｂでプレスされ、ＭＥＧＡ６が形成される。
溶融プレス成形２１によりＭＥＧＡ６を形成した場合は、このＭＥＧＡ６を燃料電池モジュールに備えられるべき大きさへと切断した後、上記セパレータ組込工程３０においてセパレータを組み込み、燃料電池モジュール８を製造すれば良い。なお、図２において、矢印は、ＭＥＧＡ６の進行方向を示している。

図３は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の製造方法を概略的に示す図である。図３に示す製造方法により製造される燃料電池において、電極としてのアノード及びカソードは、触媒層と拡散層とを備え、触媒層は、触媒とイオン交換樹脂とを備えている。なお、本実施形態は、溶融射出成形工程を備える燃料電池の製造方法により、燃料電池モジュールを製造する形態である。

図３に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の製造方法は、第１の工程１０と、セパレータ接合工程１５と、第２の工程２５とを備えている。本実施形態にかかる第１の工程１０では、拡散層３ａ及び３ｂに触媒層２ａ及び２ｂを塗布することにより、触媒層２ａ、２ｂ及び拡散層３ａ、３ｂを備えるアノード４並びにカソード５が作製される。当該工程１０により作製されたアノード４及びカソード５には、続くセパレータ接合工程１５において、セパレータ７、７が接合され、セパレータ付きアノード４’及びセパレータ付きカソード５’となる。そして、本実施形態にかかる第２の工程２５では、所定の間隔となるように位置が特定されたセパレータ付きアノード４’及びセパレータ付きカソード５’の間に、溶融状態の電解質１が流し込まれ、当該電解質１が冷えて膜状の電解質１となることにより、ＭＥＧＡ６を備える燃料電池モジュール８が製造される。

図３に示すように、第２実施形態にかかる本発明の製造方法は、第１実施形態にかかる本発明の製造方法と同様に、膜状に加工される前の溶融状態の電解質１を直接成形するため、従来の製造方法における薄膜の加熱加圧プロセスが存在しない。したがって、第２実施形態にかかる製造方法によれば、触媒層の良好な多孔性を維持すること、接触抵抗を低減すること、及び、電解質の耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。

さらに、第２実施形態にかかる本発明の製造方法では、セパレータ付きアノード４’及びセパレータ付きカソード５’を作製した後に、特定の間隔で配置された当該アノード４’及びカソード５’の間に溶融状態の電解質１を流し込む。そのため、第１実施形態にかかる製造方法により得られる効果に加えて、電解質１の寸法精度をより一層向上させることが可能になるほか、製造工程の更なる簡略化を図ることが可能になる。

なお、便宜上、本発明の燃料電池の製造方法にかかる上記第１及び第２実施形態の説明では、触媒層と拡散層とを備えるアノード及びカソードの形態を想定したが、本発明の製造方法により製造される燃料電池が備え得るアノード及びカソードの形態は、かかる形態に限定されるものではなく、少なくとも触媒とイオン交換樹脂とを備えていればよい。

第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の製造方法を概略的に示す図である。第１実施形態にかかる溶融プレス成形の他の態様を概略的に示す図である。第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の製造方法を概略的に示す図である。従来の燃料電池の製造方法を概略的に示す図である。

符号の説明

１電解質
４アノード
５カソード
７セパレータ
８燃料電池（燃料電池モジュール）
１０第１の工程
１５セパレータ接合工程
２０、２５第２の工程

Claims

電解質と、前記電解質の両側に設けられるアノード及びカソードと、前記アノード及び前記カソードの外側に設けられるセパレータと、を備える燃料電池の製造方法であって、
少なくとも触媒とイオン交換樹脂とを備える前記アノード及び前記カソードを作製する第１の工程と、
溶融状態の前記電解質を前記アノードと前記カソードとの間に配置する第２の工程と、
を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法。
前記第２の工程において、前記アノードと前記カソードとの間隔は、間隔特定手段によって特定されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
前記第１の工程後に、前記アノード及び前記カソードと前記セパレータとを接合する工程を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
溶融状態の前記電解質は、溶融プレス成形又は溶融射出成形によって、前記アノードと前記カソードとの間に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。