JP2010192363A

JP2010192363A - 膜電極接合体

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Publication number: JP2010192363A
Application number: JP2009037555A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Kawahara; 光泰川原; Wataru Otsu; 亘大津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】電解質膜に保護シートを熱圧着することにより生じる電解質膜の歪の発生を抑制した膜電極接合体を可能とする技術を提供することを目的とする。
【解決手段】電解質膜の両面上に触媒インクを塗工することにより形成された膜・触媒塗工部材と、ガス拡散層の外周部で触媒電極層の外周を覆うための保護シートが、その表面に熱圧着された２つのガス拡散層・保護シート接合部材と、を備え、膜・触媒塗工部材が、２つのガス拡散層・保護シート接合部材により、圧着挟持されることにより、電解質膜の両面上に触媒電極層およびガス拡散層が順に積層された膜電極接合体を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる膜電極接合体の構造に関する。

図３は、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる膜電極接合体１０の構造を示す概略断面図である。この膜電極接合体１０は、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）２０の両面の発電領域に対応する部分に、それぞれ、触媒電極層３０，４０が積層され、触媒電極層３０，４０の上面にガス拡散層５０，６０が積層された構造を有している。また、ガス拡散層５０，６０が電解質膜２０に接触するなどの不具合を防止するために、触媒電極層３０，４０の外周部を覆うように保護シート７０，８０が設けられている。

ここで、上記保護シート７０，８０は、通常、電解質膜の周辺部に、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルムのような保護フィルムを熱圧着することにより、形成される。

しかしながら、上記のように、保護フィルムを電解質膜に熱圧着した場合には、圧力により電解質膜に圧縮クリープが生じる場合がある。また、電解質膜が熱収縮することにより、電解質膜に歪が生じる場合がある。このような不具合の生じた電解質膜による膜電極接合体を用いた場合、クロスリーク等の種々の性能劣化が生じる、という問題がある。

特開２００７−３５４５９号公報

本発明は、従来のような熱収縮による電解質膜の歪の発生を抑制して、触媒電極層の外周部である電解質膜の周辺部に保護シートが接合された膜電極接合体を実現することが可能な技術を提供することを目的とする。

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。

［適用例１］
電解質膜の両面上に触媒電極層およびガス拡散層が順に積層された膜電極接合体であって、
前記電解質膜の両面上に触媒インクを塗工することにより形成された膜・触媒塗工部材と、
前記ガス拡散層の外周部で前記触媒電極層の外周を覆うための保護シートが、その表面に熱圧着された２つのガス拡散層・保護シート接合部材と、
を備え、
前記膜・触媒塗工部材が、２つの前記ガス拡散層・保護シート接合部材により、圧着挟持されている
ことを特徴とする膜電極接合体。
適用例１の膜電極接合体は、ガス拡散層に保護シートが熱圧着された２つのガス拡散層・保複シート部材で、膜・触媒塗工部材を圧着挟持することにより形成されるので、従来例のように、電解質膜が熱によって収縮して歪んでしまって、これを用いた膜電極接合体によって、クロスリーク等の種々の性能劣化が生じてしまう、という問題を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、膜電極接合体や、これを用いた燃料電池、膜電極接合体の製造方法等の種々の形態で実現することが可能である。

第１の実施形態の膜電極接合体の作製工程を示す説明図である。第２の実施形態の膜電極接合体の作製工程を示す説明図である。固体高分子電解質型燃料電池に用いられる膜電極接合体１０の構造を示す概略断面図である。

本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施形態：
Ｂ．第２の実施形態：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１の実施形態：
図１は、第１の実施形態の膜電極接合体の作製工程を示す説明図である。なお、図は見やすくするため、膜電極接合体の概略断面を示している。

まず、ガス拡散層（以下、「ＧＤＬ」と略す）５０，６０の周辺部、すなわち、接合体出来上がり時において触媒電極層に接する領域を覆う部位に、保護シート７０，８０となる保護フィルムを熱圧着することにより、２つのＧＤＬ・保護シート接合部材３００，４００を作製する（工程１）。なお、ＧＤＬ５０，６０を構成する部材としては、カーボン性の多孔体、カーボンクロスやカーボンペーパ等が用いられる。

次に、電解質膜２０の両面のうち、接合体出来上がり時において発電領域となる部位が触媒電極層３０，４０となるように、触媒インクを塗工して、膜・触媒塗工部材２００を作製する（工程２）。電解質膜としては、高弾性かつ高ＴＧな固体高分子電解質膜であるエンジニアリングプラスチック系炭化水素膜（例えば、ＢＰＳＨ）や、低弾性かつ低ガＴＧなフッ素系電解質膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ：デュポン社の商法）が用いられる。なお、高弾性な電解質膜とは、周囲温℃８０℃で相対湿℃５％以下における貯蔵弾性率が１．０Ｅ^+0.9Ｐａ以上の膜のことを指し、高ＴＧな膜とはガラス転移点が１５０℃以上の膜のことを示す。また、触媒インクとしては、例えば、インク調合カーボンブラックに、平均流ｋ離３ｍｍの白金系触媒粒子を４５重量％担持した触媒粉末に、パーフルオロスルホンサン樹脂溶液を、カーボンブラック；パーフルオロスルホン酸樹脂＝１：１となるように混合することにより作製したものが用いられる。

そして、作製した膜・触媒塗工部材２００を、２つのＧＤＬ・保護シート接合部材３００，４００により、両面側から熱圧着することにより、第１の実施形態としての膜電極接合体１００が作製される。

以下では、まず、従来の作製工程による比較例１について説明した後、上記第１実施形態の工程の手順で実際に作製した２つの実施例１，２について説明する。

（比較例１）
固体高分子電解質膜としてのＢＰＳＨ膜(ガラス転移点２３０℃，２００ｍｍ×１００ｍｍ，膜厚２０μｍ)に触媒インクをスプレー法により塗工して、膜・触媒塗工部材を作製した。そして、表面にアクリル系接着剤が塗布された厚さ１５μｍのＰＥＮ(ポリエチレンタフタレート)フィルムを、膜・触媒塗工部材の周囲端部に額縁状に配置し、ＧＤＬの周囲端部に額縁状に配置し、１３０℃，０．４ＭＰａの条件にてロールプレス機を用いて熱圧着を行った。作製した膜・電極・保護シート接合部材は、初期の膜サイズ（２００ｍｍ×１００ｍｍ）に対して大きく歪んでいた（膜サイズ：１９５ｍｍ×９７ｍｍ）。

その後、作製した膜・電虚・保護シート接合部材に、ＧＤＬを１００℃，１．２Ｍｐａにて熱圧着した後、さらに、ガス流路付きセパレータを、８０℃，２Ｍｐａで熱圧着することにより、燃料電池モジュールを作製した。この燃料電池モジュールの外部リーク量を測定したところ、１００−５０ｋＰａの水素封入に対して、水素のリーク量が１５０ｎｍｏｌ／ｃｍ²／ｓｅｃ／ａｔｍもあった。

（実施例１）
表面にアクリル系接着剤が塗布された厚さ１５μｍのＰＥＮフィルムを、ＧＤＬの周囲端部に額縁状に配置し、１３０℃，０．４ＭＰａの条件にてロールプレス機を用いて熱圧着を行って、ＧＤＬ・保護シート接合部材を作製した。これと並行して、固体高分子電解質膜としてのＢＰＳＨ膜(ガラス転移点２３０℃，２００ｍｍ×１００ｍｍ，膜厚２０μｍ)に触媒インクをスプレー法により塗工して、膜・触媒塗工部材を作製した。そして、ＧＤＬ・保護シート接合部材と膜・触媒塗工部材を１３０℃，１．２ＭＰａにて熱プレスすることにより、膜電極接合体を作製した。

作製した膜電極接合体は、初期の膜サイズ（２００ｍｍ×１００ｍｍ）に対して若干歪んでいた（膜サイズ：１９８ｍｍ×９９ｍｍに収縮）。そこで、その後、膜電極接合体にガス流路付きセパレータと、８０℃，２Ｍｐａで熱圧着することにより、燃料電池モジュールを作製し、この燃料電池モジュールの外部リーク量を測定した。この結果、１００−５０ｋＰａの水素封入に対して、３０ｎｍｏｌ／ｃｍ²／ｓｅｃ／ａｔｍの水素のリーク量程℃であり、比較例１に比べて１／５程℃に改善することが確認できた。

（実施例２）
表面にアクリル系接着剤が塗布された厚さ１５μｍのＰＥＮフィルムを、ＧＤＬの周囲端部に額縁状に配置し、１３０℃，０．４ＭＰａの条件にてロールプレス機を用いて熱圧着を行って、ＧＤＬ・保護シート接合部材を作製した。これと並行して、ＢＰＳＨ膜(ガラス転移点２３０℃，２００ｍｍ×１００ｍｍ，膜厚２０μｍ)に触媒インクをスプレー法により塗工して、膜・触媒塗工部材を作製した。ＧＤＬ・保護シート接合部材と膜・触媒塗工部材を１３０℃，３ＭＰａにて熱プレスすることにより、膜電電極接合体を作製した。

作製した膜電極接合体は、初期の膜サイズ（２００ｍｍ×１００ｍｍ）とかわらなかった。また、その後、膜電極接合体にガス流路付きセパレータと、８０℃，２Ｍｐａで熱圧着することにより、燃料電池モジュールを作製した。この燃料電池モジュールの外部リーク量を測定した。この結果、１００−５０ｋＰａの水素封入に対して、３０ｎｍｏｌ／ｃｍ²／ｓｅｃ／ａｔｍの水素のリーク量程℃であり、比較例１に比べて１／５程℃に改善することが確認できた。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、保護フィルムを熱圧着することにより発生する電解質膜の歪みを抑制した膜電極接合体を作製することができ、電解質膜の歪みによって生じるクロスリーク等の種々の性能劣化を抑制することが可能である。特に、エンジニアリングプラスチック系炭化水素膜、例えば、ＢＰＳＨ（ＢｉｐｈｅｎｙｌＳｕｌｆｏｎｅ：ＨＦｏｒｍ）膜のように、高弾性かつ高ＴＧ（高ガラス転移点は１５０℃以上）な固体高分子電解質膜を用いる場合に有効である。

Ｂ．第２実施例：
図２は、第２の実施形態の膜電極接合体の作製工程を示す説明図である。なお、図は見やすくするため、膜電極接合体の概略断面を示している。

まず、第１の実施形態と同様に、ＧＤＬ５０，６０の周辺部、すなわち、接合体出来上がり時において触媒電極層に接する領域を覆う部位に、保護シート７０，８０となる保護フィルムを熱圧着することにより、２つのＧＤＬ・保護シート接合部材３００，４００を作製する（工程１）。

そして、ＧＤＬ／保護シート接合部材３００，４００において、保護シートに触媒インクがかからないようにして、ＧＤＬの表面に触媒インクを塗工して、触媒付きＧＤＬ・保護シート接合部材３００ａ．４００ａを作製する（工程２）。

なお、ＧＤＬに保護フィルムを熱圧着した後で、触媒インクを塗工するのではなく、ＧＤＬに触媒インクを塗工した後で、ＧＤＬの周囲部に保護フィルムを熱圧着するようにしてもよい。すなわち、工程１と工程２は反対であってもよい。

次に、電解質膜２０の両面のうち、接合体出来上がり時において発電領域となる部位が触媒電極層３０，４０となるように、触媒インクを塗工して、膜・触媒塗工部材２００を作製する（工程３）。

電解質膜としては、第１の実施形態と同様に、高弾性かつ高ＴＧ（１５０℃以上）な固体高分子電解質膜であるエンジニアリングプラスチック系炭化水素膜（例えば、ＢＰＳＨ）や、低弾性かつ低Ｇ(１５０℃以下)なフッ素系電解質膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ：デュポン社の商法）が用いられる。

また、触媒インクも、１実施形態と同様に、例えば、インク調合カーボンブラックに、平均粒径３ｍｍの白金系触媒粒子を４５重量％担持した触媒粉末に、パーフルオロスルホンサン樹脂溶液を、カーボンブラック：パーフルオロスルホン酸樹脂＝１：１となるように混合することにより作製したものが用いられる。

そして、作製した膜・触媒塗工部材２００を、２つの触媒付きＧＤＬ・保護シート接合部材３００ａ，４００ａにより、両面側から熱圧着することにより、第２の実施形態としての膜電極接合体１００ａが作製される。

なお、ＧＤＬに塗工される触媒インクおよいび電解質膜に塗工される触媒インクの厚さは、圧着接合後の触媒電極層に要求される特性に応じて適宜決定される。

以下では、まず、従来の作製工程による比較例１，２，３について説明した後、上記第２の実施形態の工程の手順で実際に作製した実施例１について説明する。

（比較例１）
アクリル系接着剤が塗布されたＰＥＮ(ポリエチレンタフタレート)フィルムを、固体高分子電解質膜としてのＮａｆｉｏｎ膜の周囲端部に額縁状に配置して、８０℃、０．５Ｍｐａの条件でロールプレス機により熱圧着した。
作製された膜・保護シート接合部材は水平℃が高く歪みが生じなかった。

（比較例２）
アクリル系接着剤が塗布されたＰＥＮフィルムを、固体高分子電解質膜としてのＢＰＳＨ膜の周囲端部に額縁状に配置して、８０℃、０．５Ｍｐａの条件でロールプレス機により熱圧着した。
作製された膜・保護シート接合部材はＢＰＳＨ膜が熱収縮したため、歪みを生じた。

（比較例３）
アクリル系接着剤が塗布されたＰＥＮフィルムを、固体高分子電解質膜としてのＢＰＳＨ膜の周囲端部に額縁状に配置して、１３０℃、０．５Ｍｐａの条件でロールプレス機により熱圧着した。
作製された膜・保護シート接合部材はＢＰＳＨ膜が熱収縮したため、大きく歪みを生じた。

以上の比較例からわかるように、ＢＰＳＨ膜のような、高弾性かつ高ガラス転移点（１５０℃以上）を有する固体高分子電解質膜では、保護フィルムの熱圧着により熱収縮し、歪みが発生することがわかる。一方、以下で説明するように、本第２の実施形態による実施例１では、以下で説明するように、歪みを抑制することが可能である。

（実施例１）
表面にアクリル系接着剤が塗布されたＰＥＮフィルムを、ＧＤＬの周囲端部に額縁状に配置して熱圧着した。そして、保護シートに触媒インクがかからないようにして、ＧＤＬ表面に触媒インクをスプレー法により塗工して、触媒付きＧＤＬ・保護シート接合部材を作製した。また、固体高分子電解質膜としてのＢＰＳＨ膜に触媒インクをスプレー法により塗工して、膜・触媒塗工部材を作製した。そして、触媒付きＧＤＬ・保護シート接合部材と膜・触媒塗工部材を１５０℃，５ＭＰａにて熱プレスすることにより、膜電極接合体を作製した。
作製された膜電極接合体には、全く歪みは発生していなかった。

以上説明したように、本第２の実施形態によれば、保護フィルムを熱圧着することにより発生する電解質膜の歪みを抑制した膜電極接合体を作製することができ、電解質膜の歪みによって生じるクロスリーク等の種々の性能劣化を抑制することが可能である。特に、エンジニアリングプラスチック系炭化水素膜、例えば、ＢＰＳＨ膜のように、高弾性かつ高ガラス転移点（１５０℃以上）を有する固体高分子電解質膜を用いる場合に有効である。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

１０…膜電極接合体
２０…電解質膜
３０，４０…触媒電極層
５０，６０…ガス拡散層（ＧＤＬ）
７０、８０…保護シート
１００…膜電極接合体
１００ａ…膜電極接合体
２００…膜・触媒塗工部材
３００，４００…ＧＤＬ・保護シート接合部材
３００ａ，４００ａ…触媒付きＧＤＬ・保護シート接合部材

Claims

電解質膜の両面上に触媒電極層およびガス拡散層が順に積層された膜電極接合体であって、
前記電解質膜の両面上に触媒インクを塗工することにより形成された膜・触媒塗工部材と、
前記ガス拡散層の外周部で前記触媒電極層の外周を覆うための保護シートが、その表面に熱圧着された２つのガス拡散層・保護シート接合部材と、
を備え、
前記膜・触媒塗工部材が、２つの前記ガス拡散層・保護シート接合部材により、圧着挟持されている
ことを特徴とする膜電極接合体。