JP4774585B2

JP4774585B2 - Manufacturing method of fuel cell

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Publication number: JP4774585B2
Application number: JP2000302975A
Authority: JP
Inventors: 敏之松野; 雅貴中陳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2020-10-02
Also published as: JP2002110196A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池の製造方法に関し、特にイオン交換膜を介して酸素電極と燃料電極とが間接的に接続され、イオン交換膜によって燃料電極から酸素電極への水素分子のリークを防止する燃料電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料電極と酸素電極とを有し、燃料電極と酸素電極とがイオン交換膜を介して互いに間接的に接続された構成となっている。イオン交換膜は、燃料電極と酸素電極とを分離するセパレーターの役割を果たし、水素イオンを伝導し、実質的に水素分子や電子を通過不能に構成されている。
【０００３】
従来の燃料電池は、イオン交換膜をなす有機物系の固体高分子を液化し、この液化した固体高分子を燃料電極に塗布した後に、固体高分子が塗布された燃料電極の面に酸素電極を接続することによって製造されるか、或いは、予め燃料電極と酸素電極とイオン交換膜とを別個に製造しておき、これらを接続することによって製造される。
【０００４】
特開平５−３６４１８号公報には、予め製造した燃料電極に液化した固体高分子を塗布し、固体高分子層を介して、燃料電極と酸素電極とを一体化させる燃料電池の製造方法が記載されている。カーボン担体に白金等の貴金属を担持させた触媒粒子を撥水性のポリテトラフロロエチレンと混合し、触媒粒子を結合することによって、電極が製造される。製造した電極表面にパーフルオロスルホン酸樹脂（ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ等）からなる液状の有機物系高分子電解質を塗布し、その後、塗布した高分子電解質を介して２つの電極を一体化させることによって燃料電池が製造される。
【０００５】
また、同公報には、予め製造した２つの電極とイオン交換膜とを接続する燃料電池の製造方法が記載されている。同製造方法によれば、先ず、アセチレンブラックに白金を担持させた触媒粒子を湿潤させ、Ｎａｆｉｏｎと混練し凍結乾燥させる。次に、凍結乾燥することによって得られた生成物を粉砕し粉末とする。そして、粉末に三井デュポンフロロケミカル社製のファインパウダとイソプロピルアルコールとを添加して混練し、シート状にして乾燥させることによって、２つの電極を製造する。電極とは別個に製造しておいたＮａｆｉｏｎからなる固体高分子電解質膜を、２つの電極で挟むように接続することによって、燃料電池を製造するというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような燃料電池においては、電極表面にはミクロ的な凹凸を有しており、電極表面上にイオン交換膜を塗布すると、電極表面とイオン交換膜との接触が不十分で多くの間隙が残存し、十分なプロトンの伝導性が得られない、といった問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、イオン交換膜が均一の厚さで、かつ、電極と薄いイオン交換膜とを電気的に接続良好な状態に配置可能な燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電極を製造する燃料電極製造工程と、酸素電極を製造する酸素電極製造工程と、イオン交換膜を製造するイオン交換膜製造工程と、該燃料電極製造工程により製造された該燃料電極と該酸素電極製造工程により製造された該酸素電極とを該イオン交換膜製造工程により製造された該イオン交換膜を介して一体化させる一体化工程とからなる燃料電池の製造方法において、イオン交換膜製造工程では、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、前記母体にプロトン解離性の基が導入されてなるプロトン伝導体を、多孔質基体に含浸させて前記イオン交換膜を製造し、該燃料電極製造工程中に、若しくは該燃料電極製造工程の後に、イオン交換膜と対向する該燃料電極の対向面を平坦化する燃料電極平坦化工程を行う燃料電池の製造方法を提供している。
【０００９】
ここで、該燃料電極平坦化工程では、該燃料電極の該対向面に垂直の方向から該対向面を面一にプレスすることにより該対向面を平坦化すること
が好ましい。
【００１０】
また、該イオン交換膜製造工程では多孔質基体に該プロトン伝導体を含浸させることにより該イオン交換膜を製造することが好ましい。
【００１１】
また、該プロトン伝導体はパーフルオロスルホン酸樹脂によって構成されていることが好ましい。
【００１２】
また、該プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されてなるものによって構成されていることが好ましい。
【００１３】
ここで、「プロトンの解離」とは、電離によってプロトン（Ｈ^＋）が離脱することを意味し、「プロトン解離性の基」とは、電離によってプロトンが離れ得る官能基を意味する。
【００１４】
また、該多孔質基体はポリエチレン又はポリプロピレン又はポリテトラフルオロエチレンからなることが好ましい。
【００１５】
また、該酸素電極製造工程と同時に、若しくは該酸素電極製造工程の後に、イオン交換膜と対向する該酸素電極の対向面を平坦化する酸素電極平坦化工程を更に行うことが好ましい。
【００１６】
また、該酸素電極平坦化工程では、該酸素電極の該対向面に垂直の方向から該対向面を面一にプレスすることにより該対向面を平坦化することが好ましい。
【００１７】
また、該酸素電極平坦化工程におけるプレス圧力は、該燃料電極平坦化工程におけるプレス圧力の約３分の１乃至５分の１であることが好ましい。
【００１８】
また、該燃料電極平坦化工程の後であって該一体化工程の前に、該燃料電極にプロトン伝導体を塗布する燃料極側プロトン伝導体塗布工程を行い、該燃料極側プロトン伝導体塗布工程の後であって該一体化工程の前に、該燃料電極の該対向面に垂直の方向から該燃料電極を面一にプレスする燃料電極プレス工程を行うことが好ましい。
【００１９】
また、該プロトン伝導体はパーフルオロスルホン酸樹脂によって構成されていることが好ましい。
【００２０】
また、該プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されてなるものによって構成されていることが好ましい。
【００２１】
また、該酸素電極平坦化工程の後であって該一体化工程の前に、該酸素電極の該対向面にプロトン伝導体を塗布する酸素極側プロトン伝導体塗布工程を行い、該酸素極側プロトン伝導体塗布工程の後であって該一体化工程の前に、該酸素電極の該対向面に垂直の方向から該酸素電極を面一にプレスする酸素電極プレス工程を行うことが好ましい。
【００２２】
また、該プロトン伝導体はパーフルオロスルホン酸樹脂によって構成されていることが好ましい。
【００２３】
また、該プロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されてなるものによって構成されていることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による燃料電池１及び燃料電池１の製造方法について図１に基づき説明する。先ず、本実施の形態による燃料電池１の構成について説明する。図１に示すように燃料電池１は、各々が円形の板状をした燃料電極１０、イオン交換膜２０、酸素電極３０から構成されている。イオン交換膜２０の両面に燃料電極１０と酸素電極３０とがそれぞれ圧着され、これら３つが接続された状態となっている。燃料電極１０と酸素電極３０とは、燃料電池１によって発生した電力によって動作等を行う図示せぬ電気的な負荷、即ち、外部回路を介して接続されており、燃料電池１と電気的な負荷とからなる回路を構成している。
【００２５】
燃料電極１０、酸素電極３０は、それぞれ白金等の触媒を担持した多数のカーボン粒子片を、ポリテトラフロロエチレン等の撥水性樹脂で接合することにより構成したものであり、燃料である水素分子や酸素ガスとの接触面積を増大させるため、間隙の形成された状態で接合されており、多孔質の板となっている。更に、触媒により生じたイオンをイオン交換膜２０に導くべく、間隙の形成されたカーボン片間にはプロトン伝導体たるイオン伝導体が入込み、電極にプロトン伝導体を含浸させた状態となっている。
【００２６】
燃料電極１０には、炭素を主成分とする炭素質材料にプロトン解離性の基が導入されたプロトン伝導体としてフラーレン誘導体系のプロトン伝導体が含浸させられている。
【００２７】
この燃料電極１０には、図示せぬ導入口から燃料である水素が供給され、供給された水素は燃料電極１０中の図示せぬ白金触媒に接触し、水素イオンと電子とに分けられる。フラーレン誘導体系イオン伝導体がイオン伝導体として用いられ燃料電極１０に含浸させられるため、燃料無加湿状態においても電極内のイオン伝導を良好に保つことができる。また、白金触媒にフラーレン誘導体系プロトン伝導体をなじませることができる。
【００２８】
ここで用いられるフラーレン誘導体系プロトン伝導体は、球状クラスター分子をなすフラーレン分子を母体とする。通常は、Ｃ_３６、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８０、Ｃ_８２、Ｃ_８４等から選ばれるが、本実施の形態においてはＣ_６０及びＣ_７０が選ばれる。フラーレンの構成炭素原子にプロトン解離性の基が導入されて、フラーレン誘導体系プロトン伝導体が構成される。更に、電子吸引基が導入されることによって、前記基のプロトン解離性がいっそう助長される。プロトン解離性の基とは、電離により水素イオン（プロトン（Ｈ^＋））が離脱し得る官能基を意味し、−ＯＨ、−ＯＳＯ_３Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ_３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）_２が好まれるが、本実施の形態においては、−ＯＨ、又は−ＯＳＯ_３Ｈが好適に用いられる。特に、プロトン解離性の基として−ＯＨを有するポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）により形成した膜は、従来より用いられていたパーフルオロスルホン酸樹脂により形成されたものに比べて成膜性等に優れており、またプロトンの伝導に水分子の介在を必要としないため、加湿器等が不要である。更に、動作温度領域が−４０°Ｃ〜１６０°Ｃと広い等の利点があり、本発明の電気化学デバイス（燃料電池）には好適である。又、電子吸引基としては、ニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子（フッ素、塩素等）の内の、いずれか一つ又は複数が選択されて構成されている。
【００２９】
酸素電極３０にも、フラーレン誘導体系プロトン伝導体が含浸させられている。この酸素電極３０には、図示せぬ導入口からの酸素が接触可能に構成され、酸素は酸素電極３０の図示せぬ触媒に接触し、燃料電極１０で発生し酸素電極３０に伝導してきた水素イオンと、酸素分子と、外部回路（図示せず）から供給される電子とから水が生成される。フラーレン誘導体系プロトン伝導体がイオン伝導体として用いられ含浸させられるため、燃料無加湿状態においても電極内のイオン伝導を良好に保つことができる。また、白金触媒にフラーレン誘導体系プロトン伝導体をなじませることができる。
【００３０】
イオン交換膜２０自体にもフラーレン誘導体系のプロトン伝導体が用いられる。具体的には、イオン交換膜２０は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）により構成される多孔質基体に、フラーレン誘導体系のプロトン伝導体が含浸させられることにより構成されている。
【００３１】
次に、本実施の形態による燃料電池１の製造方法について説明する。先ず、燃料電極製造工程と酸素電極製造工程とを行い、燃料電極１０と酸素電極３０とを製造する。燃料電極製造工程、酸素電極製造工程では、それぞれ白金を担持させた複数のカーボン片を撥水性樹脂により結合、固定することによって、円形の板状をした電極材を製造する。そして、電極材は、燃料電極平坦化工程、酸素電極平坦化工程において、それぞれプレスされる。プレスは、イオン交換膜と対向する燃料電極１０、酸素電極３０の対向面１０Ａ、３０Ａに対して垂直な方向から、それぞれの対向面１０Ａ、３０Ａ全体に面一に圧力を加えることによって行われる。酸素電極平坦化工程におけるプレスの圧力は、燃料電極平坦化工程におけるプレスの圧力の約４分の１である。より具体的には、燃料電極１０を構成する電極材に加えるプレスの圧力は、約２１０ｋｇ／ｃｍ^２であり、酸素電極３０を構成する電極材に加えるプレスの圧力は、約５５ｋｇ／ｃｍ^２である。次に、粉末状のフラーレン誘導体系プロトン伝導体を有機溶媒であるテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）と混合してスラリーとし、これを、燃料電極製造工程においては燃料電極１０を構成する電極材に塗布する燃料極側プロトン伝導体塗布工程を行い、酸素電極製造工程では酸素電極３０を構成する電極材に塗布する酸素極側プロトン伝導体塗布工程を行う。
【００３２】
次に、イオン交換膜製造工程を行う。イオン交換膜製造工程では、フラーレン誘導体系プロトン伝導体を、有機溶媒であるテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）と混合しスラリーとし、これを予め用意した多孔質基体に塗布し、乾燥させることによりイオン交換膜２０を製造する。多孔質基体は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）により構成されている。
【００３３】
ここでフラーレン誘導体系プロトン伝導体としては、ポリ水酸化フラーレン、硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレンの全エステル化したもの、硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレンの部分エステル化したものの内のいずれか一つ又は２つ以上を混合して用いる。ポリ水酸化フラーレンの合成は次のようにして行われる。Ｃ_７０を約１５％含むＣ_６０／Ｃ_７０の混合物の粉末２ｇを、発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中で６０℃に保ちながら３日間攪拌する。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下する。得られた沈殿物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、及びジエチルエーテルとアセトニトリルとを２：１で混合した混合液で２回洗浄した後で、４０℃の温度にて減圧中で乾燥させる。さらに、この乾燥物を６０ｍｌのイオン交換水中に入れ、８５℃で窒素によるバブリングを行いながら１０時間攪拌する。そして反応生成物を遠心分離によって沈殿物を分離し、さらに純水で数回洗浄し、遠心分離を繰返した後に、４０℃の温度下で減圧乾燥する。以上の工程を経て、ポリ水酸化フラーレンの合成が行われる。
【００３４】
硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレンの全エステル化したものの合成は次のようにして行われる。ポリ水酸化フラーレンの粉末１ｇを６０ｍｌの発煙硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下で３日間攪拌する。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下する。得られた沈殿物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、及びジエチルエーテルとアセトニトリルとを２：１に混合した混合液で２回洗浄した後、４０℃の温度にて減圧下で乾燥させる。以上の工程を経て、硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレンの全エステル化したものの合成が行われる。
【００３５】
硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレンの部分エステル化したものの合成は次のようにして行われる。フラーレンの粉末（Ｃ６０及びＣ７０の混合体）２ｇを、発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲気中で６０℃に保ちながら３日間攪拌する。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下する。但し、この場合のジエチルエーテルとしては、脱水処理が行われていないものを用いる。得られた沈殿物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３回、及びジエチルエーテルとアセトニトリルとを２：１に混合した混合液で２回洗浄した後で、４０℃の温度にて減圧下で乾燥させる。以上の工程を経て、硫酸水素エステル化ポリ水酸化フラーレンの部分エステル化したものの合成が行われる。
【００３６】
上述の合成方法によれば、フラーレン誘導体系プロトン伝導体は粉体の状態で生成されるため、上述のようにフラーレン誘導体系プロトン伝導体を有機溶媒と混合してスラリーとする。製造された燃料電極１０、酸素電極３０においては、多孔質中に入込んだフラーレン誘導体系プロトン伝導体の部分でイオンが伝導する。
【００３７】
次に、燃料電極プレス工程と酸素電極プレス工程とを行う。燃料電極プレス工程、酸素電極プレス工程では、イオン交換膜と対向する燃料電極１０、酸素電極３０の対向面１０Ａ、３０Ａに対して垂直な方向から、燃料極側対向面１０Ａ全体、酸素極側対向面３０Ａ全体に面一に圧力を加えることによって行われる。加える圧力は、それぞれ２８０ｋｇ／ｃｍ^２程度である。
【００３８】
次に、水素分子がイオン交換膜２０を通過してしまういわゆる水素分子のリークが生じていないことを確認した後に、燃料電極１０と酸素電極３０とイオン交換膜２０とを接続することにより、燃料電極１０と酸素電極３０とをイオン交換膜２０を介して一体化させる一体化工程を行い、燃料電池１を製造する。
【００３９】
電極材をプレスすることにより、電極表面の凹凸を少なくして電極表面を平坦化することができる。また、電極の密度を高めることができ、電極内のイオン及び電子伝導性をより高めた燃料電池を製造することができる。また、酸素電極材をプレスする圧力を、燃料電極材をプレスする圧力の約４分の１としたため、酸素電極中で発生する水が酸素電極３０内において通り易い燃料電池を製造することができる。
【００４０】
次に、本実施の形態による燃料電池の性能試験を行った。性能試験では、本発明による燃料電池１、２の２種類、即ち、本実施の形態による燃料電池の製造方法により製造された燃料電池１と、本実施の形態による燃料電池の製造方法の、燃料電極平坦化工程における電極材に付加される圧力のみを変え、他は全て本実施の形態による燃料電池の製造方法と同一の方法により製造された燃料電池２との２種類を用意した。燃料電池２の製造方法における燃料電極平坦化工程では、電極材に対して約７０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力が付加され、酸素電極平坦化工程では、電極材に対して約５５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力が付加される。また、本実施の形態による燃料電池の製造方法の全工程の内の、燃料電極平坦化工程と酸素電極平坦化工程とのみを除いた工程により製造された燃料電池を比較例として用意した。これらの燃料電池の、円形の板状をした燃料電極はφ３０であり、円形の板状をした酸素電極はφ３４である。
【００４１】
これらの本発明による燃料電池と比較例の燃料電池とを、温度２３℃、湿度７５％の条件下で、それぞれ２回ずつ実験を行い、出力電圧に対する出力電力を求めた。実験では、燃料として水素を用い、酸素極側は大気と接触可能な構造として、燃料電池として作動させた。この際、加湿機等による強制的な加湿は行わない。
【００４２】
図２のグラフに示すように、比較例の燃料電池を動作させた場合には、２回の実験の内のより良好な結果が得られた方に着目すると、出力電圧が５００ｍＶでは約２９ｍＷの出力電力を得ており、出力電圧が６００、７００、８００ｍＶであるときには、それぞれ１７、７、１ｍＷの出力電力を得た。
【００４３】
一方、本発明による燃料電池２を動作させた場合には、図２のグラフに示すように、２回の実験の内のより良好な結果が得られた方に着目すると、出力電圧が５００ｍＶでは約３９ｍＷの出力電力を得ており、出力電圧が６００、７００、８００ｍＶであるときには、それぞれ２２、８、１ｍＷの出力電力を得た。本発明による燃料電池１を動作させた場合には、図２のグラフに示すように、２回の実験の内のより良好な結果が得られた方に着目すると、出力電圧が５００ｍＶでは約５１ｍＷの出力電力を得ており、出力電圧が６００、７００、８００ｍＶであるときには、それぞれ３５、１７、５ｍＷの出力電力を得た。
【００４４】
以上の実験結果より、燃料電極平坦化工程、酸素電極平坦化工程を行うことによって、出力電力を高めることができることが分かる。また、酸素電極平坦化工程において電極材をプレスする圧力を、燃料電極平坦化工程において電極材をプレスする圧力の約４分の１とすることによって、燃料電池の出力電力を更に高めることができることが分かる。
【００４５】
本発明による燃料電池の製造方法は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、本実施の形態による燃料電池の製造方法では、プロトン伝導体をフラーレン誘導体系プロトン伝導体により構成したが、パーフルオロスルホン酸樹脂等の有機物系材料からなるプロトン伝導体により構成してもよい。但し、パーフルオロスルホン酸樹脂を用いる場合には、加湿器等によって燃料に水分を含ませる必要がある。
【００４６】
また、本実施の形態による燃料電池の製造方法では、酸素電極平坦化工程において酸素電極材に対して付加されるプレスの圧力を、燃料電極平坦化工程において燃料電極材に対して付加されるプレスの圧力の約４分の１としたが、３分の１乃至５分の１であればよい。より具体的には、燃料電極１０を構成する電極材に対して付加されるプレスの圧力を約１５０乃至３５０ｋｇ／ｃｍ^２とし、酸素電極３０を構成する電極材に対して付加されるプレスの圧力を、約３０乃至７０ｋｇ／ｃｍ^２とし、更に、酸素電極材に対して付加されるプレスの圧力を燃料電極材に対して付加されるプレスの圧力の約３分の１乃至５分の１とする関係が保たれていれば、本実施の形態による燃料電池の製造方法によって製造された燃料電池と同様に、出力電力を高めることができる。
【００４７】
また、上述した実施の形態においては、燃料として水素ガスを供給したが、メタノールなどのアルコールや他の化石燃料等を液体若しくは気体の状態で供給するダイレクト型も採用できる。その場合には、燃料電極において、触媒により燃料材料からプロトンを得る。
【００４８】
また、本実施の形態では、無加湿状態でプロトン伝導可能なイオン交換膜を構成するプロトン伝導体に、ポリ水酸化フラーレン（通称、フラレノール）をイオン交換膜を構成するプロトン伝導体として用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。ポリ水酸化フラーレンは、図３に示したようなフラーレン分子を母体とし、その構成炭素原子に水酸基を導入したものであるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分とする炭素質材料であればよい。この炭素質材料には、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個から数百個結合して形成されている集合体である炭素クラスターや、チューブ状炭素質（通称カーボンナノチューブ）が含まれていてよい。前者の炭素クラスターには、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスター（図４）や、それらの球構造の一部が欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスター（図５）、大部分の炭素原子がｓｐ^３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスター（図６）、さらにはこれらのクラスターどうしが種々に結合した炭素クラスター（図７）が含まれていてよい。
【００４９】
またこの種の母体に導入する基としては水酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表されるプロトン解離性の基であればよい。ここで、Ｘ及びＹは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であり、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的には、前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ_３Ｈ、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他にスルホン基−ＳＯ_３Ｈ、リン酸基−ＯＰＯ（ＯＨ）_２のいずれかであることが好ましい。
【００５０】
上記のいずれの変形例によっても、プロトンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には変わりはない。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１記載の燃料電池の製造方法によれば、イオン交換膜と対向する燃料電極の対向面を平坦化する燃料電極平坦化工程を行うため、燃料電極材表面の凹凸を少なくし、平坦化することができる。このため、燃料電極と酸素電極との間において、平坦化された燃料電極の表面に倣った状態で形成されるイオン交換膜の厚さも均一にすることができ、イオン交換膜を容易により薄くすることができる。また、製品としての燃料電池の信頼性・性能の向上を図ることができる。
【００５２】
請求項２記載の燃料電池の製造方法によれば、燃料電極平坦化工程では、燃料電極の対向面に垂直の方向から対向面を面一にプレスすることにより対向面を平坦化するようにしたため、燃料電極材表面の凹凸をより少なくし、より平坦化することができる。
【００５３】
請求項１、３記載の燃料電池の製造方法によれば、イオン交換膜は多孔質基体にプロトン伝導体を含浸させることによって製造されるため、成膜性の悪いプロトン伝導体をイオン交換膜のプロトン伝導体として用いる場合にも、容易に製造可能なイオン交換膜とすることができる。
【００５４】
イオン交換膜のプロトン伝導体は、パーフルオロスルホン酸樹脂によって構成されているため、イオン交換膜内のプロトン伝導をより高めた燃料電池とすることができる。
【００５５】
請求項１記載の燃料電池の製造方法によれば、イオン交換膜のプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されてなるものによって構成されているため、燃料無加湿状態でも良好なプロトン伝導を行う燃料電池とすることができる。
【００５６】
請求項４、５記載の燃料電池の製造方法によれば、イオン交換膜と対向する酸素電極の対向面を平坦化する酸素電極平坦化工程を行うため、酸素電極材表面の凹凸を少なくし、平坦化することができる。このため、酸素電極と酸素電極との間において、平坦化された酸素電極の表面に倣った状態で形成されるイオン交換膜の厚さも均一にすることができ、イオン交換膜を容易により薄くすることができる。また、製品としての燃料電池の信頼性の向上を図ることができる。
【００５７】
請求項６記載の燃料電池の製造方法によれば、酸素電極平坦化工程におけるプレス圧力を、燃料電極平坦化工程におけるプレス圧力の約３分の１乃至５分の１としたため、酸素電極中に十分間隙が形成されている状態を保つことができ、酸素電極中で発生する水が酸素電極内で通り易い燃料電池を製造することができる。
【００５８】
燃料電極の対向面に垂直の方向から燃料電極を面一にプレスする燃料電極プレス工程を行うようにしたため、燃料電極を細密充填化することができ、プロトン及び電子の伝導性を高めることができる。
【００５９】
燃料電極のプロトン伝導体は、パーフルオロスルホン酸樹脂によって構成されているため、燃料電極内のプロトンをより高めた燃料電池とすることができる。
【００６０】
燃料電極のプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されてなるものによって構成されているため、燃料無加湿状態でも良好なプロトン伝導を行う燃料電池とすること
ができる。
【００６１】
請求項８記載の燃料電池の製造方法によれば、酸素電極の対向面に垂直の方向から酸素電極を面一にプレスする酸素電極プレス工程を行うようにしたため、酸素電極を細密充填化することができ、プロトン及び電子の伝導性を高めることができる。
【００６２】
酸素電極のプロトン伝導体は、パーフルオロスルホン酸樹脂によって構成されているため、酸素電極内のプロトンをより高めた燃料電池とすることができる。
【００６３】
酸素電極のプロトン伝導体は、炭素を主成分とする炭素質材料を母体とし、プロトン解離性の基が導入されてなるものによって構成されているため、燃料無加湿状態でも良好なプロトン伝導を行う燃料電池とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の本実施の形態による燃料電池の要部を示す側面図。
【図２】本発明による燃料電池１、２を用いて行った実験における出力電力を示すグラフ。
【図３】本発明の実施の形態による燃料電池に用いられるプロトン伝導体を構成する、フラーレンを示す分子構造図。
【図４】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に用いられるプロトン伝導体を構成する、球体又は長球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスターを示す分子構造図。
【図５】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に用いられるプロトン伝導体を構成する、球構造の一部が欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスターを示す分子構造図。
【図６】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に用いられるプロトン伝導体を構成する、大部分の炭素原子がｓｐ^３結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターを示す分子構造図。
【図７】本発明の実施の形態による燃料電池の変形例に用いられるプロトン伝導体を構成する、複数のクラスターどうしが種々に結合した炭素クラスターを示す分子構造図。
【符号の説明】
１燃料電池
１０燃料電極
２０イオン交換膜
３０酸素電極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell, and in particular, a fuel cell in which an oxygen electrode and a fuel electrode are indirectly connected via an ion exchange membrane, and the leakage of hydrogen molecules from the fuel electrode to the oxygen electrode is prevented by the ion exchange membrane. It relates to the manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell has a fuel electrode and an oxygen electrode, and the fuel electrode and the oxygen electrode are indirectly connected to each other through an ion exchange membrane. The ion exchange membrane functions as a separator that separates the fuel electrode and the oxygen electrode, conducts hydrogen ions, and is substantially impermeable to hydrogen molecules and electrons.
[0003]
In a conventional fuel cell, an organic solid polymer forming an ion exchange membrane is liquefied, and this liquefied solid polymer is applied to a fuel electrode, and then an oxygen electrode is provided on the surface of the fuel electrode to which the solid polymer is applied. The fuel electrode, the oxygen electrode, and the ion exchange membrane are separately manufactured in advance and connected to each other.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-36418 describes a method of manufacturing a fuel cell in which a liquefied solid polymer is applied to a previously manufactured fuel electrode, and the fuel electrode and the oxygen electrode are integrated via a solid polymer layer. Has been. An electrode is manufactured by mixing catalyst particles in which a noble metal such as platinum is supported on a carbon support with water-repellent polytetrafluoroethylene and bonding the catalyst particles. By applying a liquid organic polymer electrolyte made of perfluorosulfonic acid resin (Du Pont Nafion etc.) to the manufactured electrode surface, and then integrating the two electrodes via the applied polymer electrolyte A fuel cell is manufactured.
[0005]
The publication also describes a method of manufacturing a fuel cell in which two electrodes manufactured in advance and an ion exchange membrane are connected. According to the production method, first, catalyst particles in which platinum is supported on acetylene black are wetted, kneaded with Nafion, and freeze-dried. Next, the product obtained by freeze-drying is pulverized into a powder. Then, two electrodes are produced by adding fine powder and isopropyl alcohol manufactured by Mitsui Dupont Fluoro Chemical Co. to the powder, kneading them, and drying them in a sheet form. A fuel cell is manufactured by connecting solid polymer electrolyte membranes made of Nafion separately from electrodes so as to be sandwiched between two electrodes.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fuel cell as described above, the electrode surface has micro unevenness, and when an ion exchange membrane is applied on the electrode surface, the contact between the electrode surface and the ion exchange membrane is not sufficient. There remains a problem that a sufficient gap of protons cannot be obtained.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a fuel cell in which the ion exchange membrane has a uniform thickness, and the electrode and the thin ion exchange membrane can be arranged in a good electrical connection state. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel electrode manufacturing process for manufacturing a fuel electrode, an oxygen electrode manufacturing process for manufacturing an oxygen electrode, an ion exchange membrane manufacturing process for manufacturing an ion exchange membrane, and the fuel electrode. An integrated step of integrating the fuel electrode manufactured by the manufacturing process and the oxygen electrode manufactured by the oxygen electrode manufacturing process through the ion exchange membrane manufactured by the ion exchange membrane manufacturing process. In the fuel cell manufacturing method, In the ion exchange membrane manufacturing process, a carbonaceous material containing carbon as a main component is used as a base material, and a proton conductor in which a proton dissociable group is introduced into the base material is impregnated into a porous substrate to form the ion exchange membrane. Manufacture and Provided is a fuel cell manufacturing method for performing a fuel electrode flattening step of flattening a facing surface of the fuel electrode facing an ion exchange membrane during the fuel electrode manufacturing step or after the fuel electrode manufacturing step. .
[0009]
Here, in the fuel electrode flattening step, the facing surface is flattened by pressing the facing surface in a direction perpendicular to the facing surface of the fuel electrode.
Is preferred.
[0010]
In the ion exchange membrane production process, it is preferable to produce the ion exchange membrane by impregnating the proton conductor into a porous substrate.
[0011]
The proton conductor is preferably composed of a perfluorosulfonic acid resin.
[0012]
The proton conductor is preferably composed of a carbonaceous material containing carbon as a main component and a proton dissociable group introduced therein.
[0013]
Here, “proton dissociation” means protons (H ⁺ ) Is released, and the “proton dissociable group” means a functional group capable of leaving a proton by ionization.
[0014]
The porous substrate is preferably made of polyethylene, polypropylene, or polytetrafluoroethylene.
[0015]
Further, it is preferable to further perform an oxygen electrode flattening step of flattening the facing surface of the oxygen electrode facing the ion exchange membrane simultaneously with the oxygen electrode manufacturing step or after the oxygen electrode manufacturing step.
[0016]
In the oxygen electrode flattening step, it is preferable to flatten the facing surface by pressing the facing surface in a direction perpendicular to the facing surface of the oxygen electrode.
[0017]
Further, the press pressure in the oxygen electrode flattening step is The fuel electrode It is preferably about one third to one fifth of the press pressure in the flattening step.
[0018]
Further, after the fuel electrode flattening step and before the integration step, a fuel electrode side proton conductor coating step is performed to apply a proton conductor to the fuel electrode, and the fuel electrode side proton conductor coating is performed. It is preferable to perform a fuel electrode pressing step of pressing the fuel electrode flush from a direction perpendicular to the facing surface of the fuel electrode after the step and before the integration step.
[0019]
The proton conductor is preferably composed of a perfluorosulfonic acid resin.
[0020]
The proton conductor is preferably composed of a carbonaceous material containing carbon as a main component and a proton dissociable group introduced therein.
[0021]
Further, after the oxygen electrode flattening step and before the integration step, an oxygen electrode side proton conductor coating step is performed to apply a proton conductor to the facing surface of the oxygen electrode, and the oxygen electrode side It is preferable to perform an oxygen electrode pressing step of pressing the oxygen electrode flush from a direction perpendicular to the facing surface of the oxygen electrode after the proton conductor coating step and before the integration step.
[0022]
The proton conductor is preferably composed of a perfluorosulfonic acid resin.
[0023]
The proton conductor is preferably composed of a carbonaceous material containing carbon as a main component and a proton dissociable group introduced therein.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A fuel cell 1 and a method for manufacturing the fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, the configuration of the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a fuel electrode 10, an ion exchange membrane 20, and an oxygen electrode 30 each having a circular plate shape. The fuel electrode 10 and the oxygen electrode 30 are respectively pressure-bonded to both surfaces of the ion exchange membrane 20, and these three are connected. The fuel electrode 10 and the oxygen electrode 30 are connected to each other via an electric load (not shown) that operates by the electric power generated by the fuel cell 1, that is, an external circuit. The circuit which consists of is comprised.
[0025]
The fuel electrode 10 and the oxygen electrode 30 are formed by joining a large number of carbon particle pieces each supporting a catalyst such as platinum with a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene. In order to increase the contact area with oxygen gas, it is joined in a state where a gap is formed, resulting in a porous plate. Further, in order to guide ions generated by the catalyst to the ion exchange membrane 20, an ion conductor as a proton conductor enters between the carbon pieces in which gaps are formed, and the electrode is impregnated with the proton conductor. .
[0026]
The fuel electrode 10 is impregnated with a fullerene derivative-based proton conductor as a proton conductor in which a proton dissociable group is introduced into a carbonaceous material containing carbon as a main component.
[0027]
Hydrogen, which is fuel, is supplied to the fuel electrode 10 from an inlet (not shown). The supplied hydrogen contacts a platinum catalyst (not shown) in the fuel electrode 10 and is divided into hydrogen ions and electrons. Since the fullerene derivative-based ionic conductor is used as the ionic conductor and impregnated in the fuel electrode 10, the ionic conduction in the electrode can be maintained well even in a fuel-free humidified state. Moreover, a fullerene derivative proton conductor can be made to adapt to a platinum catalyst.
[0028]
The fullerene derivative proton conductor used here is based on a fullerene molecule forming a spherical cluster molecule. Usually C ₃₆ , C ₆₀ , C ₇₀ , C ₇₆ , C ₇₈ , C ₈₀ , C ₈₂ , C ₈₄ In the present embodiment, C is selected. ₆₀ And C ₇₀ Is selected. A fullerene derivative proton conductor is constructed by introducing a proton-dissociable group into the constituent carbon atoms of fullerene. Furthermore, introduction of an electron withdrawing group further promotes proton dissociation of the group. The proton dissociable group is a hydrogen ion (proton (H ⁺ )) Means a functional group capable of leaving, -OH, -OSO ₃ H, -COOH, -SO ₃ H, -OPO (OH) ₂ In the present embodiment, —OH or —OSO is preferred. ₃ H is preferably used. In particular, a film formed of polyhydroxyl fullerene (commonly referred to as fullerenol) having —OH as a proton dissociable group has a film forming property, etc., compared with a film formed from a perfluorosulfonic acid resin that has been conventionally used. In addition, since a water molecule is not required for proton conduction, a humidifier or the like is unnecessary. Furthermore, there are advantages such as a wide operating temperature range of −40 ° C. to 160 ° C., which is suitable for the electrochemical device (fuel cell) of the present invention. Further, as the electron withdrawing group, any one or more of a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group, and a halogen atom (fluorine, chlorine, etc.) are selected. Yes.
[0029]
The oxygen electrode 30 is also impregnated with a fullerene derivative proton conductor. The oxygen electrode 30 is configured so that oxygen from an inlet (not shown) can come into contact with the oxygen. The oxygen contacts a catalyst (not shown) of the oxygen electrode 30, and is generated in the fuel electrode 10 and conducted to the oxygen electrode 30. Water is generated from the ions, oxygen molecules, and electrons supplied from an external circuit (not shown). Since the fullerene derivative-based proton conductor is used and impregnated as an ionic conductor, the ionic conduction in the electrode can be kept good even in a fuel-free humidified state. Moreover, a fullerene derivative proton conductor can be made to adapt to a platinum catalyst.
[0030]
A fullerene derivative proton conductor is also used for the ion exchange membrane 20 itself. Specifically, in the ion exchange membrane 20, a porous substrate composed of polyethylene (PE), polypropylene (PP), or polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with a fullerene derivative-based proton conductor. It is comprised by.
[0031]
Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described. First, the fuel electrode manufacturing process and the oxygen electrode manufacturing process are performed to manufacture the fuel electrode 10 and the oxygen electrode 30. In the fuel electrode manufacturing process and the oxygen electrode manufacturing process, a plurality of carbon pieces carrying platinum are bonded and fixed with a water-repellent resin to manufacture a circular plate-shaped electrode material. The electrode material is pressed in the fuel electrode flattening step and the oxygen electrode flattening step. The pressing is performed by applying a pressure to the entire facing surfaces 10A and 30A from the direction perpendicular to the facing surfaces 10A and 30A of the fuel electrode 10 and the oxygen electrode 30 facing the ion exchange membrane. The pressure of the press in the oxygen electrode flattening step is about one quarter of the pressure of the press in the fuel electrode flattening step. More specifically, the pressure of the press applied to the electrode material constituting the fuel electrode 10 is about 210 kg / cm. ² The pressure of the press applied to the electrode material constituting the oxygen electrode 30 is about 55 kg / cm. ² It is. Next, a powdered fullerene derivative proton conductor is mixed with tetrahydrofuran (THF) as an organic solvent to form a slurry, which is applied to an electrode material constituting the fuel electrode 10 in the fuel electrode manufacturing process. A side proton conductor coating step is performed, and in the oxygen electrode manufacturing step, an oxygen electrode side proton conductor coating step for coating the electrode material constituting the oxygen electrode 30 is performed.
[0032]
Next, an ion exchange membrane manufacturing process is performed. In the ion exchange membrane manufacturing process, the fullerene derivative proton conductor is mixed with tetrahydrofuran (THF), which is an organic solvent, to form a slurry, which is applied to a porous substrate prepared in advance and dried to form the ion exchange membrane 20. To manufacture. The porous substrate is made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), or polytetrafluoroethylene (PTFE).
[0033]
Here, as the fullerene derivative-based proton conductor, any one of polyhydroxide fullerene, hydrogenated esterified polysulfurized fullerene, and partially esterified hydrogensulfated polyhydric fullerene is used. One or a mixture of two or more is used. The synthesis of polyhydroxy fullerene is performed as follows. C ₇₀ Containing about 15% ₆₀ / C ₇₀ 2 g of the mixture is poured into 30 ml of fuming sulfuric acid and stirred for 3 days while maintaining the temperature at 60 ° C. in a nitrogen atmosphere. The obtained reaction product is dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath. The resulting precipitate was separated by centrifugation, further washed three times with diethyl ether and twice with a mixture of diethyl ether and acetonitrile 2: 1, and then under reduced pressure at a temperature of 40 ° C. Dry with. Further, this dried product is put into 60 ml of ion-exchanged water and stirred for 10 hours while bubbling with nitrogen at 85 ° C. Then, the precipitate is separated from the reaction product by centrifugation, further washed with pure water several times, repeated centrifugation, and then dried under reduced pressure at a temperature of 40 ° C. Through the above steps, the synthesis of polyhydroxyl fullerene is performed.
[0034]
Synthesis of a fully esterified hydrogen sulfate esterified polyhydroxyl fullerene is carried out as follows. 1 g of polyhydroxy fullerene powder is dropped into 60 ml of fuming sulfuric acid and stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 3 days. The obtained reaction product is dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath. The resulting precipitate was separated by centrifugation, washed three times with diethyl ether and twice with a mixture of diethyl ether and acetonitrile 2: 1, and then under reduced pressure at a temperature of 40 ° C. dry. Through the above-described steps, synthesis of a fully esterified hydrogen sulfate esterified polyhydroxy fullerene is performed.
[0035]
The synthesis of the partially esterified hydrogen sulfate esterified polyhydroxy fullerene is carried out as follows. 2 g of fullerene powder (mixture of C60 and C70) is poured into 30 ml of fuming sulfuric acid and stirred for 3 days while maintaining at 60 ° C. in a nitrogen atmosphere. The obtained reaction product is dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath. However, as the diethyl ether in this case, one that has not been dehydrated is used. The resulting precipitate was separated by centrifugation, washed three times with diethyl ether and twice with a mixture of diethyl ether and acetonitrile 2: 1, and then under reduced pressure at a temperature of 40 ° C. Dry with. Through the above steps, the partial esterification of the hydrogen sulfate esterified polyhydroxy fullerene is synthesized.
[0036]
According to the above-described synthesis method, the fullerene derivative proton conductor is produced in a powder state, and thus the fullerene derivative proton conductor is mixed with an organic solvent to form a slurry as described above. In the manufactured fuel electrode 10 and oxygen electrode 30, ions are conducted in the portion of the fullerene derivative proton conductor that has entered the porous material.
[0037]
Next, a fuel electrode pressing step and an oxygen electrode pressing step are performed. In the fuel electrode pressing step and the oxygen electrode pressing step, the entire fuel electrode side facing surface 10A and the oxygen electrode side facing from the direction perpendicular to the facing surfaces 10A and 30A of the fuel electrode 10 and oxygen electrode 30 facing the ion exchange membrane. This is done by applying a pressure on the entire surface 30A. The applied pressure is 280 kg / cm each. ² Degree.
[0038]
Next, after confirming that no so-called hydrogen molecule leakage that causes hydrogen molecules to pass through the ion exchange membrane 20 has occurred, the fuel electrode 10, the oxygen electrode 30, and the ion exchange membrane 20 are connected to form a fuel. An integration step of integrating the electrode 10 and the oxygen electrode 30 through the ion exchange membrane 20 is performed to manufacture the fuel cell 1.
[0039]
By pressing the electrode material, the surface of the electrode can be flattened with less irregularities on the surface of the electrode. Moreover, the density of an electrode can be raised and the fuel cell which raised ion and electronic conductivity in an electrode more can be manufactured. Further, since the pressure for pressing the oxygen electrode material is set to about one quarter of the pressure for pressing the fuel electrode material, a fuel cell in which water generated in the oxygen electrode can easily pass through the oxygen electrode 30 can be manufactured. .
[0040]
Next, the performance test of the fuel cell according to the present embodiment was performed. In the performance test, two types of fuel cells 1 and 2 according to the present invention, that is, the fuel cell 1 manufactured by the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment and the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment. Only the pressure applied to the electrode material in the electrode flattening step was changed, and the other two types were prepared: the fuel cell 2 manufactured by the same method as the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment. In the fuel electrode flattening step in the manufacturing method of the fuel cell 2, about 70 kg / cm with respect to the electrode material. ² In the oxygen electrode flattening step, about 55 kg / cm is applied to the electrode material. ² Pressure is applied. In addition, a fuel cell manufactured by a process excluding only the fuel electrode flattening process and the oxygen electrode flattening process, out of all the processes of the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment, was prepared as a comparative example. In these fuel cells, the circular plate-like fuel electrode has a diameter of φ30, and the circular plate-shaped oxygen electrode has a diameter of φ34.
[0041]
The fuel cell according to the present invention and the fuel cell of the comparative example were each subjected to an experiment twice under the conditions of a temperature of 23 ° C. and a humidity of 75%, and the output power with respect to the output voltage was obtained. In the experiment, hydrogen was used as the fuel, and the oxygen electrode side was operated as a fuel cell so that it could come into contact with the atmosphere. At this time, forced humidification by a humidifier or the like is not performed.
[0042]
As shown in the graph of FIG. 2, when the fuel cell of the comparative example is operated, when attention is paid to the better result of two experiments, the output voltage is about 29 mW at 500 mV. When the output power was obtained and the output voltages were 600, 700, and 800 mV, the output powers were 17, 7, and 1 mW, respectively.
[0043]
On the other hand, when the fuel cell 2 according to the present invention is operated, as shown in the graph of FIG. 2, when attention is paid to the better result of two experiments, the output voltage is 500 mV. When an output power of about 39 mW was obtained and the output voltages were 600, 700, and 800 mV, output powers of 22, 8, and 1 mW were obtained, respectively. When the fuel cell 1 according to the present invention is operated, as shown in the graph of FIG. 2, when attention is paid to the better result of the two experiments, the output voltage is about 51 mW at 500 mV. When the output voltage is 600, 700, and 800 mV, output powers of 35, 17, and 5 mW were obtained, respectively.
[0044]
From the above experimental results, it can be seen that the output power can be increased by performing the fuel electrode flattening step and the oxygen electrode flattening step. Further, the output power of the fuel cell can be further increased by setting the pressure for pressing the electrode material in the oxygen electrode flattening step to about one quarter of the pressure for pressing the electrode material in the fuel electrode flattening step. I understand.
[0045]
The method for manufacturing a fuel cell according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be made within the scope described in the claims. For example, in the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment, the proton conductor is composed of a fullerene derivative-based proton conductor, but may be composed of a proton conductor made of an organic material such as perfluorosulfonic acid resin. . However, when a perfluorosulfonic acid resin is used, it is necessary to add moisture to the fuel using a humidifier or the like.
[0046]
In the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment, the press pressure applied to the oxygen electrode material in the oxygen electrode flattening step is applied to the fuel electrode material in the fuel electrode flattening step. The pressure is set to about one quarter of the pressure, but may be one third to one fifth. More specifically, the pressure applied to the electrode material constituting the fuel electrode 10 is about 150 to 350 kg / cm. ² And press pressure applied to the electrode material constituting the oxygen electrode 30 is about 30 to 70 kg / cm. ² Furthermore, if the relationship that the press pressure applied to the oxygen electrode material is about one third to one fifth of the press pressure applied to the fuel electrode material is maintained, Similar to the fuel cell manufactured by the method of manufacturing the fuel cell according to the present embodiment, the output power can be increased.
[0047]
In the above-described embodiment, hydrogen gas is supplied as the fuel. However, a direct type that supplies alcohol such as methanol, other fossil fuels, or the like in a liquid or gaseous state can also be employed. In that case, protons are obtained from the fuel material by the catalyst at the fuel electrode.
[0048]
Further, in this embodiment, polyhydroxide fullerene (commonly called fullerenol) is used as a proton conductor constituting the ion exchange membrane as a proton conductor constituting an ion exchange membrane capable of conducting protons in a non-humidified state. However, the present invention is not limited to this. The polyhydroxylated fullerene is composed of a fullerene molecule as shown in FIG. 3 as a base and a hydroxyl group introduced into its constituent carbon atoms. The base is not limited to the fullerene molecule, but a carbonaceous material containing carbon as a main component. If it is. This carbonaceous material includes carbon clusters that are formed by bonding several to several hundred carbon atoms, regardless of the type of carbon-carbon bond, and tubular carbonaceous materials (commonly called carbon Nanotubes) may be included. In the former carbon cluster, various carbon clusters (Fig. 4) having a closed surface structure similar to spheres or spheroids composed of many carbon atoms (Fig. 4), or a part of the sphere structure. Is a carbon cluster with an open end in the structure (FIG. 5), most of the carbon atoms are sp ³ Carbon clusters having a bonded diamond structure (FIG. 6) and carbon clusters (FIG. 7) in which these clusters are variously bonded may be included.
[0049]
Further, the group to be introduced into this type of matrix is not limited to a hydroxyl group, but may be any proton dissociable group represented by -XH, more preferably -YOH. Here, X and Y are any atoms or atomic groups having a divalent bond, H is a hydrogen atom, and O is an oxygen atom. Specifically, in addition to the -OH, a hydrogen sulfate ester group -OSO ₃ H, carboxyl group -COOH, other sulfone group -SO ₃ H, phosphate group -OPO (OH) ₂ It is preferable that it is either.
[0050]
In any of the above-described modifications, humidification is unnecessary for proton conduction, and the effect in the present invention is not changed.
[0051]
【The invention's effect】
According to the fuel cell manufacturing method of claim 1, since the fuel electrode flattening step of flattening the facing surface of the fuel electrode facing the ion exchange membrane is performed, the unevenness of the surface of the fuel electrode material is reduced and flattened. can do. For this reason, the thickness of the ion exchange membrane formed in a state following the surface of the planarized fuel electrode can be made uniform between the fuel electrode and the oxygen electrode, and the ion exchange membrane can be easily made thinner. be able to. In addition, the reliability and performance of the fuel cell as a product can be improved.
[0052]
According to the fuel cell manufacturing method of the second aspect, in the fuel electrode flattening step, the facing surface is flattened by pressing the facing surface from the direction perpendicular to the facing surface of the fuel electrode. Further, the unevenness of the surface of the fuel electrode material can be reduced and the surface can be further flattened.
[0053]
Claims 1 and 3 According to the fuel cell manufacturing method described above, since the ion exchange membrane is manufactured by impregnating a porous substrate with a proton conductor, a proton conductor having poor film forming properties is used as the proton conductor of the ion exchange membrane. In some cases, the ion exchange membrane can be easily manufactured.
[0054]
I Since the proton conductor of the on-exchange membrane is made of perfluorosulfonic acid resin, a fuel cell with higher proton conduction in the ion-exchange membrane can be obtained.
[0055]
Claim 1 According to the described fuel cell manufacturing method, the proton conductor of the ion exchange membrane is composed of a carbonaceous material containing carbon as a main component and a proton dissociable group introduced therein. In addition, a fuel cell that performs good proton conduction even in a fuel-free humidified state can be obtained.
[0056]
Claims 4 and 5 According to the fuel cell manufacturing method described above, since the oxygen electrode flattening step is performed to flatten the facing surface of the oxygen electrode facing the ion exchange membrane, the surface of the oxygen electrode material can be reduced and flattened. it can. For this reason, the thickness of the ion exchange membrane formed in a state following the surface of the planarized oxygen electrode can be made uniform between the oxygen electrode and the oxygen electrode, and the ion exchange membrane can be easily made thinner. be able to. In addition, the reliability of the fuel cell as a product can be improved.
[0057]
Claim 6 According to the described fuel cell manufacturing method, since the press pressure in the oxygen electrode flattening step is set to about one third to one fifth of the press pressure in the fuel electrode flattening step, there is a sufficient gap in the oxygen electrode. A fuel cell can be produced in which the formed state can be maintained, and water generated in the oxygen electrode can easily pass through the oxygen electrode.
[0058]
Burning Since the fuel electrode pressing step is performed to press the fuel electrode flush from the direction perpendicular to the opposing surface of the fuel electrode, the fuel electrode can be finely packed, and the proton and electron conductivity can be increased. .
[0059]
Burning Since the proton conductor of the fuel electrode is made of perfluorosulfonic acid resin, a fuel cell with higher protons in the fuel electrode can be obtained.
[0060]
Burning The proton conductor of the electrode is composed of a carbonaceous material containing carbon as a main component and a proton dissociable group introduced therein, so that good proton conduction is achieved even in a fuel-free humidified state. Making it a fuel cell
Can do.
[0061]
Claim 8 According to the described fuel cell manufacturing method, since the oxygen electrode pressing step of pressing the oxygen electrode flush from the direction perpendicular to the opposing surface of the oxygen electrode is performed, the oxygen electrode can be finely packed, Proton and electron conductivity can be increased.
[0062]
acid Since the proton conductor of the elementary electrode is made of perfluorosulfonic acid resin, a fuel cell in which protons in the oxygen electrode are further increased can be obtained.
[0063]
acid The proton conductor of the elemental electrode is composed of a carbonaceous material containing carbon as a main component and a proton dissociable group introduced therein, and therefore performs good proton conduction even in a fuel-free humidified state. It can be a fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a main part of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing output power in an experiment conducted using fuel cells 1 and 2 according to the present invention.
FIG. 3 is a molecular structure diagram showing fullerene constituting a proton conductor used in a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a molecular structure showing various carbon clusters having a closed surface structure constituting a sphere or spheroid constituting a proton conductor used in a modification of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. Figure.
FIG. 5 is a molecular structure diagram showing carbon clusters constituting part of a proton conductor used in a modification of the fuel cell according to the embodiment of the present invention and having a part of a spherical structure missing and having an open end in the structure.
FIG. 6 shows that most of the carbon atoms constituting the proton conductor used in the modification of the fuel cell according to the embodiment of the present invention are sp ³ Molecular structure diagram showing carbon clusters with bonded diamond structures.
FIG. 7 is a molecular structure diagram showing a carbon cluster in which a plurality of clusters are variously combined to constitute a proton conductor used in a modification of the fuel cell according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
10 Fuel electrode
20 Ion exchange membrane
30 Oxygen electrode

Claims

A fuel electrode manufacturing process for manufacturing a fuel electrode;
An oxygen electrode manufacturing process for manufacturing an oxygen electrode;
An ion exchange membrane production process for producing an ion exchange membrane;
Integrating the fuel electrode produced by the fuel electrode production process and the oxygen electrode produced by the oxygen electrode production process through the ion exchange membrane produced by the ion exchange membrane production process And
In the ion exchange membrane manufacturing process, a porous substrate is impregnated with a proton conductor in which a carbonaceous material containing carbon as a main component and a proton dissociable group is introduced into the matrix, and the ion exchange membrane Manufacture and
A method of manufacturing a fuel cell, comprising performing a fuel electrode flattening step of flattening a facing surface of the fuel electrode facing the ion exchange membrane during the fuel electrode manufacturing step or after the fuel electrode manufacturing step.

2. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 1, wherein in the fuel electrode flattening step, the facing surface is flattened by pressing the facing surface in a direction perpendicular to the facing surface of the fuel electrode.

2. The fuel cell manufacturing method according to claim 1, wherein the porous substrate is made of polyethylene, polypropylene, or polytetrafluoroethylene.

2. The fuel cell manufacturing according to claim 1, further comprising an oxygen electrode flattening step of flattening an opposing surface of the oxygen electrode facing the ion exchange membrane simultaneously with the oxygen electrode manufacturing step or after the oxygen electrode manufacturing step. Method.

5. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 4, wherein, in the oxygen electrode flattening step, the facing surface is flattened by pressing the facing surface in a direction perpendicular to the facing surface of the oxygen electrode.

The method for producing a fuel cell according to claim 5 , wherein the press pressure in the oxygen electrode flattening step is one third to one fifth of the press pressure in the fuel electrode flattening step.

After the fuel electrode flattening step and before the integration step, a fuel electrode side proton conductor coating step for applying a proton conductor to the fuel electrode is performed, and the fuel electrode side proton conductor coating step is performed. 2. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 1, wherein a fuel electrode pressing step of pressing the fuel electrode flush from a direction perpendicular to the opposing surface of the fuel electrode is performed after the integration step.

After the oxygen electrode flattening step and before the integration step, an oxygen electrode side proton conductor coating step of applying a proton conductor to the facing surface of the oxygen electrode is performed, and the oxygen electrode side proton conduction is performed. 5. The fuel cell according to claim 4, wherein an oxygen electrode pressing step of pressing the oxygen electrode flush from a direction perpendicular to the facing surface of the oxygen electrode is performed after the body coating step and before the integration step. Manufacturing method.