燃料电池的制造方法与流程

1.本发明涉及燃料电池的制造方法。


背景技术：

2.在燃料电池堆的制造工序中，使催化剂层和扩散层接合于电解质膜的两面来形成电解质膜-电极结构体。然后，在具有阳极流路的隔板与具有阴极流路的隔板之间夹入电解质膜-电极结构体来形成发电单电池。此外，使发电单电池层叠数十层至数百层。而且，在一对端面板之间夹入层叠的发电单电池，并施加厚度方向的紧固载荷，使得一体化。经过上述的工序来制造燃料电池堆。
3.之后，进行使燃料电池堆内的电解质膜-电极结构体活性化的处理。作为活性化处理，例如提出了向燃料电池堆供给氢气并以大电流进行重复发电的方法(发电陈化法)。也提出了一边供给少量的氢气一边向燃料电池堆施加既定的波形图案的电压的方法(专利文献1)。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本专利第5587286号公报


技术实现要素：

7.发明所要解决的问题
8.根据专利文献1的活性化方法，与一般的发电陈化法相比，有能够大幅度削减氢消耗量和处理时间的优点。但是，对于变更使催化剂层和扩散层与电解质膜的两面接合的工序而成的不同规格的电解质膜-电极结构体，在专利文献1的活性化方法中，判明了无法在期待的处理时间内获得充分的活性化效果。即，在专利文献1的活性化方法中，存在如下情况，虽然阳极电极中的氢的脱离吸附反应的活性化效果优异，但阴极电极的氧化还原反应的活性化效果并不充分。
9.为了获得期望的活性化效果，考虑进行发电陈化法。但是，存在需要大量的氢气的问题。
10.因而，本发明的目的在于提供即使在变更电解质膜-电极结构体的制造工序的情况下也抑制氢气的消耗量并且在短时间内获得充分的活性化效果的燃料电池的制造方法。
11.用于解决问题的方案
12.本发明的一观点涉及燃料电池的制造方法，包括：在电解质膜层叠气体扩散层和催化剂层并进行加压和加热烧成来形成电解质膜-电极结构体的工序；预备处理工序，使过热水蒸气与所述电解质膜-电极结构体接触；以及陈化工序，对进行了所述预备处理工序的所述电解质膜-电极结构体的阳极电极与阴极电极之间施加周期性变动的电压。
13.发明的效果
14.上述观点的燃料电池的制造方法包括供给过热水蒸气的预备处理工序。因此，能
够将通过形成电解质膜-电极结构体的工序而产生的阴极电极的障壁层去除，从而提高阴极电极的气体扩散层的生成水的排出性能。其结果是，上述观点的燃料电池的制造方法能够消除氧向阴极电极侧的催化剂层的扩散阻碍，从而对于阴极电极的氧化还原反应发挥充分的活性化效果。
15.参照附图来说明以下的实施方式，基于对该实施方式的说明，能够容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
16.图1是表示实施方式涉及的在电解质膜形成催化剂的工序的剖视图。
17.图2是表示在图1的电解质膜层叠阳极扩散层和阴极扩散层的工序的剖视图。
18.图3是表示使图2的层叠结构物一体化来形成电解质膜-电极结构体的工序的剖视图。
19.图4是表示向图3的电解质膜-电极结构体的两面供给过热水蒸气的工序的剖视图。
20.图5是表示在图4的电解质膜-电极结构体接合框构件的工序的说明图。
21.图6是表示将带框的电解质膜-电极结构体与隔板层叠来形成燃料电池堆的工序的说明图。
22.图7是表示对燃料电池堆施加既定波形的电压来进行陈化的工序的说明图。
具体实施方式
23.本实施方式的燃料电池的制造方法按照图1～图7的顺序进行各工序。首先，说明图1～图3所示的形成电解质膜-电极结构体12的工序。
24.如图1所示，在最初的工序中，在电解质膜14的一方的面形成阳极催化剂层16，在电解质膜14的另一方的面形成阴极催化剂层18。电解质膜14例如由具有氢传导性的氟系树脂等高分子固体电解质形成。电解质膜14是作为卷成卷状的片体来提供的。卷状的电解质膜14被拉长。在电解质膜14的一方的面涂布包含阳极催化剂的墨水。在电解质膜14的另一方的面涂布包含阴极催化剂的墨水。被涂布了包含催化剂的墨水而成的电解质膜14在加热炉中被烧成为既定温度，形成阳极催化剂层16以及阴极催化剂层18。而且，包含阳极催化剂的墨水以及包含阴极催化剂的墨水除了包含承载有金属催化剂的碳粒子(催化剂粒子)以外，至少还包含质子传导树脂(电解质成分)。在之后的工序中，将形成有阳极催化剂层16和阴极催化剂层18的电解质膜14卷绕成卷状。
25.然后，在图2所示的工序中，将电解质膜14拉长为片状。在后续的工序中，在阳极催化剂层16上层叠阳极扩散层20，在阴极催化剂层18上层叠阴极扩散层22。在使氟系的防水剂固着于由碳纸等多孔质片形成的主扩散层20a的表面之后，涂布和烧成微孔层20b来形成阳极扩散层20。微孔层20b是具有与主扩散层20a相比为小径的气孔的层。阳极扩散层20以微孔层20b与阳极催化剂层16邻接的方式层叠于阳极催化剂层16。
26.另外，与阳极扩散层20同样地制作阴极扩散层22。即，使防水剂固着于由碳纸等多孔质片形成的主扩散层22a的表面。之后，在主扩散层22a的表面涂布和烧成微孔层22b来形成阴极扩散层22。也可以是，阴极扩散层22的微孔层22b由气孔径不同的多个层构成。阴极
扩散层22以微孔层22b与阴极催化剂层18邻接的方式层叠于电解质膜14。
27.通过以上的工序，图2所示的层叠结构物24完成。而且，阳极扩散层20以及阴极扩散层22的层叠的顺序并不限于上述说明的顺序。也可以是，与阳极扩散层20的层叠相比，先进行阴极扩散层22的层叠，也可以是，同时层叠两方。之后，具有图2所示的截面结构的片状的层叠结构物24被切断为与燃料电池的尺寸一致的、既定尺寸的矩形形状的既定形状从而成形。
28.然后，如图3所示，使用加压装置29对层叠结构物24进行加压并且加热。由此，使阳极扩散层20和阴极扩散层22与电解质膜14一体化来形成电解质膜-电极结构体12。在该工序中，电解质膜14与阳极催化剂层16的接合强度、电解质膜14与阴极催化剂层18的接合强度增加。即，阳极催化剂层16包含的电解质成分渗透到阳极扩散层20的空隙。另外，阴极催化剂层18包含的电解质成分向阴极扩散层22的空隙渗透。而且，所渗透的电解质成分如粘接剂那样发挥作用。其结果是，阳极扩散层20和阴极扩散层22与电解质膜14牢固地接合而一体化。由此，在电解质膜14的一方的面形成依次层叠阳极催化剂层16和阳极扩散层20而成的阳极电极26。另外，在电解质膜14的另一方的面形成依次层叠阴极催化剂层18和阴极扩散层22而成的阴极电极28，电解质膜-电极结构体12完成。
29.在以上的工序中形成的电解质膜-电极结构体12中，在阳极催化剂层16与阳极扩散层20的微孔层20b之间的界面附近形成包含大量固体电解质的接合界面层30a。在阴极催化剂层18与阴极扩散层22的微孔层22b之间的界面附近形成包含大量固体电解质的接合界面层30c。这样，根据本实施方式的燃料电池的制造方法，与在阳极扩散层20的微孔层20b上形成阳极催化剂层16之后接合于电解质膜14的情况相比较，容易在微孔层20b与阳极催化剂层16之间的界面形成阻碍物质移动的接合界面层30a(障壁层)。另外，在阴极催化剂层18的界面，接合界面层30c也会形成为障壁层。
30.因而，在本实施方式中，如图4所示，进行预备处理工序，对电解质膜-电极结构体12供给过热水蒸气。在预备处理工序中，向电解质膜-电极结构体12的阳极电极26和阴极电极28分别供给过热水蒸气。在加压和加温状态下供给过热水蒸气。另外，过热水蒸气作为仅由h2o分子构成的流体，以吹到阳极电极26以及阴极电极28的方式被喷射供给。
31.在过热水蒸气的热处理中，对过热水蒸气的喷射嘴(未图示)和电解质膜-电极结构体12的配置方面下功夫。因此，即使不进行气体置换也能够在低氧或无氧的状态下进行热处理。具体来讲，用防止来自周围的大气(氧)流入的罩(未图示)来覆盖电解质膜-电极结构体12。以使该罩内的压力高于周围(大气)的方式进行调整并且从喷射嘴供给过热水蒸气。由此，即使不进行气体置换也能够在低氧或无氧的状态下进行热处理。
32.过热水蒸气的传热性优异，能够在无氧状态下进行热处理。另外，在以将过热水蒸气吹到阳极电极26以及阴极电极28的方式进行喷射时，气体压力发挥作用。由此，不用使催化剂粒子氧化就能够进行热处理。当过热水蒸气被供给到接合界面层30a、30c时，过热水蒸气的水分使固体电解质的粒子膨润，并使固体电解质的流动性增大。而且，由流动性增大的固体电解质形成的接合界面层30a、30c因过热水蒸气的喷流而被挤压扩展向周围。
33.其结果是，接合界面层30a、30c的气孔率增大。即，在阳极扩散层20与阳极催化剂层16之间的接合界面层30a中，物质(氢气或者水分)可流通的空隙增加，从而改善阳极扩散层20与阳极催化剂层16之间的氢的扩散性。另外，在阴极扩散层22与阴极催化剂层18之间
的接合界面层30c中，物质(氧气、水分)可流通的空隙增加，从而改善阴极扩散层22与阴极催化剂层18之间的氧的扩散性。
34.然后，如图5所示，在预备处理工序之后使框构件32与电解质膜-电极结构体12接合。框构件32例如由树脂形成，并形成为包围电解质膜-电极结构体12的外周部。框构件32接合于电解质膜-电极结构体12的外周端附近。通过以上的工序，带框的电解质膜-电极结构体34完成。
35.然后，如图6所示，进行组装工序，将多个带框的电解质膜-电极结构体34与多个隔板36交替地层叠来组装燃料电池堆38。带框的电解质膜-电极结构体34的厚度方向的两侧被隔板36夹着，由此构成一个发电单电池40。将该发电单电池40重合数十层至数百层。还有，如图7所示，在由多个发电单电池40构成的层叠体的两端各自从内侧起依次配置未图示的集电板、绝缘板(insulator)以及端面板42。而且，将紧固单元44架设于两端的端面板42，紧固单元44对发电单电池40的层叠体施加紧固载荷。由此，燃料电池堆38的组装完成。
36.之后，如图7所示，对燃料电池堆38进行陈化处理。陈化处理包括如下工序：向多个阳极电极26供给少量的氢气，并且对燃料电池堆38施加从电源装置46供给的既定波形的电压。例如能够进行专利文献1中记载的活性化方法。由此，阳极催化剂层16以及阴极催化剂层18被活性化，从而改善发电性能。
37.通过以上的工序，本实施方式的燃料电池的制造方法完成。本实施方式的燃料电池的制造方法实现以下的效果。
38.本实施方式的燃料电池的制造方法包括：在电解质膜14层叠气体扩散层(例如，阳极扩散层20以及阴极扩散层22)和催化剂层(例如，阳极催化剂层16以及阴极催化剂层18)并进行加压和加热烧成来形成电解质膜-电极结构体12的工序；预备处理工序，使过热水蒸气与电解质膜-电极结构体12接触；以及陈化工序，对进行了预备处理工序的电解质膜-电极结构体12的阳极电极26与阴极电极28之间施加既定波形的电压。
39.根据上述的燃料电池的制造方法，进行供给过热水蒸气的预备处理工序，由此能够获得与一边消耗大量的氢气一边进行大电流发电的发电陈化法相当的陈化效果。
40.在上述的燃料电池的制造方法中，进行预备处理工序，向电解质膜-电极结构体12的阳极电极26侧和阴极电极28侧的两方供给过热水蒸气。由此，能够改善阳极催化剂层16与阳极扩散层20之间的接合界面层30a的扩散性以及阴极催化剂层18与阴极扩散层22之间的接合界面层30c的扩散性。
41.在上述的燃料电池的制造方法中，也可以是，进行预备处理工序，向电解质膜-电极结构体12的表面喷射过热水蒸气的喷流。除了过热水蒸气的膨润性作用以外，还有因喷流产生的气体压力的作用，由此能够更有效果地改善接合界面层30a、30c的扩散性。
42.在上述的燃料电池的制造方法中，也可以是，在无氧气氛中进行预备处理工序。根据该方法，能够防止催化剂表面的氧化。
43.在上述的燃料电池的制造方法中，还包括：在进行了预备处理工序的电解质膜-电极结构体12的两面接合隔板36来形成发电单电池40的工序；以及层叠工序，层叠多个发电单电池40来形成燃料电池堆38，也可以在层叠工序之后进行陈化工序。根据该结构，无论电解质膜-电极结构体12的制造工序如何，都能够获得稳定的陈化效果。
44.在上述中，列举优选的实施方式对本发明进行了说明。本发明并不限于上述实施
方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种改变。