JP2010161039A - 膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 裁断時に発生するガス拡散層の毛羽状の端部による対極間の短絡を回避し、さらには、燃料電池の発電時に、ガス利用効率の低下を抑制できる膜電極接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】電解質膜１１の両面に、触媒層１２ａ，１２ｂと、ガス拡散層１３ａ，１３ｂと、を順に積層した拡散層付きのガス拡散層付きの膜電極接合体１０を、積層方向Ｔに裁断面が形成されるように裁断する膜電極接合体の製造方法であって、該製造方法は、積層方向Ｔに対して垂直方向に裁断刃３０を移動させながら、膜電極接合体１０を裁断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両面に、触媒層と、導電性繊維を含むガス拡散層とを順次積層した膜電極接合体の製造方法に係り、特に、定型に裁断するに好適な膜電極接合体の製造方法に関する。

電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。

固体高分子型燃料電池（燃料電池）は、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１に、アノード側の触媒層１２ａと、カソード側の触媒層１２ｂとを積層し、積層した積層体の両面に、ガス拡散層１３ａ、１３ｂをさらに積層している。このようにして積層されたガス拡散層付きの膜電極接合体（以下、膜電極接合体という）１０を２枚のセパレータ（図示せず）で挟持した構造を単セルとして燃料電池は構成される。

アノード側では、セパレータを通じてガス拡散層に供給された水素ガスが、アノード側の触媒層１２ａに向けて拡散される。アノード側の触媒層１２ａでは、アノードの触媒作用により、水素ガスが、水素イオンと電子に解離される。

アノードの触媒作用により生成した水素イオンは、プロトン電導性を有する電解質膜を透過して、カソード側へ送られる。また、アノードの触媒作用により生成した電子は、外部回路を通じてカソード側へ送られる。

一方、カソード側では、セパレータを通じてガス拡散層に供給された酸素ガスが、カソード側の触媒層１２ｂに向けて拡散される。カソード側の触媒層１２ｂでは、電解質膜１１を透過した水素イオンと、外部回路を通じて供給された電子とが、カソードの触媒作用により酸素と反応し、水を生成する。

この一連の電気化学反応により、セルは外部へ電力供給が可能となる。なお、通常使用される燃料電池システムは、セルを積層方向に多数積層させたセルスタックとして、所望の起電力が得られる。

ところで、このような膜電極接合体１０は、電解質膜１１に、触媒層及びガス拡散層を積層後、定型に裁断すべく、図３（ａ）に示すように、裁断刃４０によって裁断される。裁断時には、積層方向に沿って裁断面が形成されるべく、この裁断刃４０を、膜電極接合体１０を積層方向に沿って移動させることにより、膜電極接合体１０を裁断する。

しかしながら、このようにして得られた膜電極接合体１０の裁断面は、図３（ｂ）に示すような断面となる。具体的には、裁断刃４０を積層方向に沿って移動させているので、図３（ｂ）に示すアノード側のガス拡散層を構成する導電性繊維（例えばカーボン繊維）や、ガス拡散層そのものの切断時のダレにより、ガス拡散層の端部が、毛羽状の端部１４ａとなって、カソード側の電極に接触する場合がある。この結果、毛羽状の端部１４ａにより、アノードとカソードの触媒層（電極）が電気的に接続され、これにより発電時に短絡を生じる場合があった。

このような点を鑑みて、膜電極接合体を湾曲させた状態で、この膜電極接合体の湾曲面を横切る方向に裁断する裁断し、端面となる裁断面が、積層方向において傾斜させた膜電極接合体を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような方法によれば、膜電極接合体の裁断面が、積層方向に対して傾斜しており、図３（ｂ）に示すものに比べて、アノード側とカソード側との触媒層間の距離も広がるため、切断時に毛羽状の端部の発生による短絡を抑制することができる。

特開２００７−２１３８３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法で、膜電極接合体を裁断した場合には、確かに、対極間（触媒層間）の距離を、従来の方法に比べて広げることができるが、ガス拡散層において発生する毛羽状の端部の長さが、対極間の距離よりも長くなる場合もあり、対極間の短絡を確実に回避することができない。

また、切断面を積層方向に対して傾斜させているので、アノード側の触媒層と、カソード側の触媒層は、電極としての大きさが異なってしまうため、大きい側の触媒層におけるガスの利用効率が、下がってしまうおそれがある。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、裁断時に発生するガス拡散層の毛羽状の端部による対極間の短絡を回避し、さらには、燃料電池の発電時に、ガス利用効率の低下を抑制できる膜電極接合体の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質膜の両面に、触媒層と、導電性繊維を含むガス拡散層と、を順に積層したガス拡散層付きの膜電極接合体を、積層方向に裁断面が形成されるように裁断する膜電極接合体の製造方法であって、該製造方法は、積層方向に対して垂直方向に裁断刃を移動させながら、膜電極接合体を裁断することを特徴とする。

本発明によれば、切断刃を用いて膜電極接合体を裁断するには、触媒層及びガス拡散層の積層方向に対して、積層された膜電極接合体の側面から、垂直方向に、切断刃（平板状の刃）を移動させながら、膜電極接合体を前記積層方向に沿って裁断面が形成されるように裁断するので、ガス拡散層のうち切断面から伸びる毛羽状の端部は、切断刃の移動方向に向かって発生する。

この結果、裁断された裁断面の対極する触媒層の端面同士が、毛羽状の端部により接触することがないので、発電時に電極間（触媒層間）における短絡を回避することができる。このようにして、膜電極接合体の裁断時のよる不良品の発生確率を低減することが可能となり、膜電極接合体の歩留まりを向上させることができる。

また、このような平板状の切断刃は、刃の中央から端部に向かって凸状に湾曲した三日月状の刃形状であり、切断刃の中央を電解質膜に接触させながら膜電極接合体１０の裁断を行うことがより好ましい。

このような刃を用いて、切断刃の中央が電解質膜に接触するように裁断すれば、切断時に電解質膜からガス拡散層に向かって材料が流動しやすくなるので、裁断性が向上するばかりでなく、さらに、ガス拡散層の端部も、材料の流動方向に流れ易くなり、前記毛羽状の端部による電極間の短絡をさらに抑制することができる。

なお、本発明にいう「膜電極接合体」とは、電解質膜の両面に触媒層を積層させ、さらにその両側からガス拡散層を積層させたガス拡散層付きの膜電極接合体をいう。

本発明によれば、裁断時におけるガス拡散層を構成する導電性繊維による短絡を回避し、さらには、燃料電池の発電時に、ガス利用効率の低下を抑制できる。

本実施形態に係る膜電極接合体を製造する方法のうち、裁断刃で膜電極接合体の裁断する方法を説明するための図であり、（ａ）は、膜電極接合体の裁断方法を説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す方法により裁断された膜電極接合体の裁断面を説明するための図。 固体高分子型燃料電池（単セル）のうち、ガス拡散層付きの膜電極接合体の一例を説明する模式図。 従来の膜電極接合体を製造する方法のうち、裁断刃で膜電極接合体の裁断する方法を説明するための図であり、（ａ）は、膜電極接合体の裁断方法を説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す方法により裁断された膜電極接合体の裁断面を説明するための図。

以下に、図面を参照して、本発明に係る膜電極接合体の製造方法の一実施形態に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る膜電極接合体を製造する方法のうち、裁断刃で膜電極接合体の裁断する方法を説明するための図であり、図１（ａ）は、膜電極接合体の裁断方法を説明するための図であり、図１（ｂ）は、（ａ）に示す方法により裁断された膜電極接合体の裁断面を説明するための図である。

以下に本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法について簡単に示す。まず、裁断前の膜電極接合体は以下のようにして製造される。

まず、図１（ａ）に示す電解質膜として、所定の大きさの高分子の電解質樹脂（パーフルオロ系プロトン交換樹脂）を含む電解質膜１１を準備する。この電解質膜１１に含まれる高分子電解質は、イオン交換機能を有するものであり、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製ナフィオン（商標名）、旭化成製アシプレックス（商標名）、旭硝子製フレミオン（商標名）、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト（商標名）等が例示される。

次に、図１（ａ）に示すように、電解質膜１１の両面に触媒層１２を積層した膜電極接合体１０を成形する。具体的には、電解質（前駆体ポリマ）と触媒担持導電体として白金担持カーボンを含むエタノールなどの揮発性を有した溶液を準備する。電解質の種類は、上述した電解質膜を構成する高分子電解質が挙げられ、電解質膜１１と同種の電解質を選定することが好ましい。これにより、後述するアノード側及びカソード側の触媒層１２ａ，１２ｂと電解質膜１１との密着性等を確保することができる。

触媒担持導電体として白金担持カーボンを例に挙げたが、触媒は、触媒反応が生じるものであるならば、特に限定されるものではなく、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、２種以上の元素が含まれていても構わない。さらに、導電体は、電気的に導電可能な物質であれば特に限定されるものではなく、たとえば、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましい。

準備した溶液を、スプレー等を用いて、電解質膜１１の両面に吹き付け、電解質膜１１の表面にアノード側及びカソード側の触媒層１２ａ，１２ｂを積層し、これらの触媒層を乾燥させることにより、電解質膜１１にこれら触媒層１２ａ，１２ｂを接合することができる。ここでは、直接、触媒層となる溶液を電解質膜１１に吹き付けたが、予め触媒層を離型性のある有シートに形成し、このシートと共に電解質膜１１に熱圧をかけて触媒層を形成してもよい。

次に、ガス拡散層１３ａ，１３ｂを触媒層１２ａ，１２ｂの上に積層させ、熱圧をかけてガス拡散層１３ａ，１３ｂを形成する。ガス拡散層１３ａ，１３ｂは、ガス透過性の点から繊維状導電性無機物質（無機導電性繊維、無機導電性粒子）、より好ましくは炭素繊維、炭素粒子が用いられ、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能であり、疎水性樹脂をさらに含んでいる。疎水性樹脂としては、ＰＴＦＥ樹脂、フッ素樹脂等の疎水性を有する樹脂が挙げられ、ガス拡散層に撥水性をもたせ、触媒層やガス拡散層内での水分の滞留によるフラッティングを防止することができるものであれば、特に限定されるものではない。尚、本実施形態では、触媒層、ガス拡散層を順次熱圧により積層させたが、これらの層を積層後一度に熱圧により定着させてもよい。

そして、このように、電解質膜１１の両面に、触媒層１２ａ，１２ｂと、ガス拡散層１３ａ，１３ｂと、を順に積層した拡散層付きのガス拡散層付き膜電極接合体１０を、積層方向Ｔに裁断面が形成されるように裁断する。

具体的には、本実施形態では、積層方向Ｔに対して垂直方向に裁断刃３０を移動させながら、膜電極接合体１０を裁断する。ここで、平板状の切断刃３０は、刃の中央３１から端部３２に向かって凸状に湾曲した三日月状の刃形状であり、切断刃３０の中央を電解質膜１１に接触させながら膜電極接合体１０の裁断を行う。

このように、切断刃３０を用いて膜電極接合体１０を裁断するには、触媒層１２ａ，１２ｂ及びガス拡散層１３ａ，１３ｂの積層方向Ｔに対して、垂直方向Ｄに、切断刃（平板状の刃）３０を移動させながら、膜電極接合体１０を積層方向Ｔに沿って裁断面が形成されるように裁断するので、ガス拡散層１３ａ，１３ｂのうち切断面から伸びる毛羽状の端部１４ｂは、切断刃の移動方向である垂直方向Ｄに向かって発生する。

この結果、裁断された裁断面の対極する触媒層１２ａ，１２ｂの端面同士が、毛羽状の端部により接触することがないので、発電時に電極間（触媒層間）における短絡を回避することができる。このようにして、膜電極接合体１０の裁断時における不良品の発生確率を低減することが可能となり、膜電極接合体１０の歩留まりを向上させることができる。

このような裁断刃３０を用いて、切断刃３０の中央３１が電解質膜１１に接触するように裁断すれば、切断時に電解質膜１１からガス拡散層１３ａ，１３ｂに向かって材料が流動しやすくなるので、裁断性が向上するばかりでなく、さらに、ガス拡散層１３ａ，１３ｂも、材料の流動方向に流れ易くなり、毛羽状の端部による電極間の短絡をさらに抑制することができる。

固体高分子電解質膜を準備した。次に、表１に示す割合で、電解質、白金担持カーボンと、電解質膜の電解質とを含む水及びエタノールを、混合して超音波又はミルにより分散して触媒層用複合粉体スラリーを得た。このスラリーをテフロンシート上に、ドクターブレードを用いて、アノード及びカソードの両極が０．５（ｍｇＰｔ／ｃｍ^２）となるように、塗布・乾燥させて、触媒層を製作した。

次に、カーボンペーパー（例えば三菱レーヨン製TKK−０１など）に撥水化のためのＰＴＦＥとその分散剤を含んだインクを塗布・乾燥して、ガス拡散層を製作した。

そして、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層を重ねて、面プレス機によって、１４０℃、４ＭＰａ、４分の条件で、これらの触媒層を定着後、カソード側及びアノード側のガス拡散層をさらに挟み込み、１００℃、１．２ＭＰａ、４分の条件でさらにガス拡散層を定着させて、ガス拡散層付き膜電極接合体を製造した。

そして、拡散層付きのガス拡散層付きの膜電極接合体１０を、積層方向Ｔに裁断面が形成されるように、積層方向Ｔに対して垂直方向Ｄに裁断刃４０を移動させながら裁断した。

（結果）
裁断時におけるガス拡散層の毛羽状の端部により、アノード側及びカソード側の両極のショートは起こらなかった。これにより、裁断工程における製品の歩留まりが大幅に向上するといえる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１１：電解質膜、１２ａ：アノード側の触媒層、１２ｂ：カソード側の触媒層、１３ａ：アノード側のガス拡散層、１３ｂ：カソード側のガス拡散層、１０：（ガス拡散層付きの）膜電極接合体、１４ａ，１４ｂ：毛羽状の端部

Claims (1)

1. 電解質膜の両面に、触媒層と、導電性繊維を含むガス拡散層と、を順に積層したガス拡散層付きの膜電極接合体を、積層方向に裁断面が形成されるように裁断する膜電極接合体の製造方法であって、
   該製造方法は、積層方向に対して垂直方向に裁断刃を移動させながら、膜電極接合体を裁断することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。

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