JP2010225463A

JP2010225463A - 燃料電池電極とその製造方法

Info

Publication number: JP2010225463A
Application number: JP2009072633A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchida; 浩幸内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】燃料電池電極の構成部材を積層する際の位置決め作業を可能な限り不要とする。
【解決手段】帯状の電解質膜１２Ｓの片面に触媒層１２Ａを連続的に塗布する工程（ａ）により、帯状の電解質膜１２Ｓに対する触媒層１２Ａの高度の位置決めが不要となる。又、帯状の電解質膜１２Ｓと拡散層１４Ａとを、触媒層１２Ａを介して接合する工程（ｂ）により、帯状の電解質膜１２Ｓを強化することができる。そして、帯状の電解質膜１２Ｓの拡散層１４Ａを接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜１２Ｓの長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層１２Ｃ（ｃ）と拡散層１４Ｃ（ｄ）とを積層し接合し、所定形状の触媒層１２Ｃ及び拡散層１４Ｃの外形線の外側で、帯状の電解質膜１２Ｓ及び拡散層１４Ａを打抜く。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池電極とその製造方法に関するものである。

燃料電池は、図４に示されるように、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、セル（単セル）１０が構成され、なおかつ、セル１０が複数枚積層された燃料電池スタック１１を構成することで、必要な電圧が確保されるものである。セル１０の構造例としては、図５に示されるように、膜電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、拡散層１４（アノード側/カソード側の拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２と拡散層１４とが一体となった形態を、膜電極拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion Layer Assembly）と称することもある。

ところで、ＭＥＡ１２は、図６に示されるように、電解質膜１２Ｓの両面にアノード触媒層１２Ａとカソード触媒層１２Ｃとが形成され、更に、アノード側/カソード側の拡散層１４Ａ、１４Ｃが積層された構造となっている。そして、電解質膜１２Ｓと触媒層１２Ａ、１２Ｃとの外形寸法が異なり、かつ、触媒層１２Ａ、１２Ｃと拡散層１４Ａ、１４Ｃとの外形寸法も異なっている。これは、アノード/カソード間の短絡を防止するために、あえて外形寸法を異なるようにしたものである。又、電解質膜１２Ｓ単体でのハンドリング性を向上させるために、保護フィルム２０を端部に配置している。そして、電解質膜１２Ｓに対しこれら各層を積層する際に、各層毎に位置決めを正確に行って、燃料電池電極が製造されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２３６９７１号公報

このように、従来の燃料電池電極を製造する工程では、電極を構成する各層毎に位置決めを正確に行う作業が必要となることから、製造工程の複雑化を招いている。又、電解質膜１２Ｓ単体でのハンドリング性を向上させるために、燃料電池の機能上は必要のない保護フィルム１９を端部に設置しており、このことも、材料コスト及び製造コストの上昇を招く一因となっている。
本発明は上記課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、電解質膜の製造に際して、燃料電池電極の構成部材を積層する際の位置決め作業を可能な限り不要とし、製造工程の簡略化を図ることにある。又、従来、電解質膜のハンドリング性を向上させるために用いられていた補強フィルムを用いることなしに、燃料電池電極を円滑に製造することを可能とすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池電極の製造方法は、複数のローラで構成された搬送路に沿って、帯状の電解質膜と帯状の触媒層とを流し、両者の固定を連続的に行う、いわゆるロール生産方式において、電解質膜の一方の面に触媒層及び拡散層を積層した電解質膜ロールを作成し、この電解質膜ロールから、帯状の電解質膜を巻き出して、触媒層及び拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し、所定形状の触媒層及び拡散層の外形線の外側で、前記帯状の電解質膜及び前記拡散層を打抜くことにより、製造工程中、電解質膜単体での取り扱いを無くすものである。
又、本発明に係る燃料電池電極は、アノード側とカソード側とで触媒層及び拡散層の外形寸法が異なることにより、アノード側/カソード側の燃料電池電極の構成部材間の短絡を防止するものである。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）帯状の電解質膜又は帯状の拡散層のいずれか一方の片面に触媒層を連続的に塗布する工程と、前記帯状の電解質膜と前記帯状の拡散層とを、前記触媒層を介して接合する工程と、前記帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程と、該所定形状の触媒層及び拡散層の外形線の外側で、前記帯状の電解質膜及び前記拡散層を打抜く工程とを含む燃料電池電極の製造方法（請求項１）。

本項に記載の燃料電池電極の製造方法は、帯状の電解質膜又は帯状の拡散層のいずれか一方の片面に触媒層を連続的に塗布する工程により、触媒層の高度の位置決めが不要となる。又、帯状の電解質膜と拡散層とを、触媒層を介して接合する工程により、帯状の電解質膜を、その片面に積層され接合された触媒層及び拡散層によって強化する。そして、以後の製造工程におけるハンドリングに際し、補強フィルムによる電解質膜の補強を不要とするものである。又、帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程と、該所定形状の触媒層及び拡散層の外形線の外側で、帯状の電解質膜及び前記拡散層を打抜く工程とにより、アノード側とカソード側とで触媒層及び拡散層の外形寸法が異なる燃料電池電極を製造するものである。
なお、「一定間隔」は、所定形状の触媒層及び拡散層の外形線の外側で、帯状の電解質膜及び前記拡散層を打抜くことを可能とする必要最小限の間隔であれば良い。又、「所定形状」は矩形であり、所定形状の範囲が実際に発電に寄与する部分となる。更に、「所定形状の触媒層及び拡散層の外形線の外側」は、後述の如く、アノード側とカソード側とで触媒層及び拡散層の外形寸法が異なることにより、アノード側/カソード側の燃料電池電極の構成部材間の短絡を防止するために必要な寸法差を確保する外側位置であれば良い。

（２）上記（１）項の、帯状の電解質膜又は帯状の拡散層のいずれか一方の片面に触媒層を連続的に塗布する工程において、バックシートを備える帯状の電解質膜に触媒層を連続的に塗布し、前記帯状の拡散層に撥水ペーストを連続的に塗布する燃料電池電極の製造方法（請求項２）。
本項に記載の燃料電池電極の製造方法は、帯状の電解質膜がバックシートを備えることにより強化され、ハンドリング性が向上した状態で、触媒層を連続的に塗布するものである。一方、帯状の拡散層に撥水ペーストを連続的に塗布することで、高度の位置決めが不要となり、かつ、本方法により製造される燃料電池電極が、燃料電池に組み込まれ実際に発電を行う際に必要となる、排水性を確保するものである。

（３）上記（１）、（２）項の、前記帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程において、前記帯状の電解質膜の表面に触媒層を塗布した後、該触媒層の位置に合わせて、予め所定形状に切断した拡散層を積層する燃料電池電極の製造方法（請求項３）。
本項に記載の燃料電池電極の製造方法は、燃料電池電極の構成部材の位置決めが必要な工程を、帯状の電解質膜の表面に触媒層を塗布した後、該触媒層の位置に合わせて、予め所定形状に切断した拡散層を積層する１工程のみとするものである。

（４）上記（１）、（２）項の、前記帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程において、予め、帯状の拡散層の片面に触媒層を連続的に塗布した後、前記所定形状に切断して、前記帯状の電解質膜の表面に、切断した触媒層及び拡散層の積層体を、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて接合する燃料電池電極の製造方法（請求項４）。
本項に記載の燃料電池電極の製造方法は、燃料電池電極の構成部材の位置決めが必要な工程を、予め、帯状の拡散層の片面に触媒層を連続的に塗布した後前記所定形状に切断したものを、前記帯状の電解質膜の表面に、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて接合する１工程のみとするものである。

（５）上記（４）項において、帯状の拡散層の片面に撥水ペーストを連続的に塗布した後に、触媒層を連続的に塗布する燃料電池電極の製造方法（請求項５）。
本項に記載の燃料電池電極の製造方法は、帯状の拡散層に撥水ペーストを連続的に塗布することで、高度の位置決めが不要となり、かつ、本方法により製造される燃料電池電極が、燃料電池に組み込まれ実際に発電を行う際に必要となる、排水性を確保するものである。

（６）アノード側とカソード側とで触媒層及び拡散層の外形寸法が異なることを特徴とする、上記（１）から（５）のいずれか１項の燃料電池電極の製造方法により製造される燃料電池電極（請求項６）。
本項に記載の燃料電池電極は、アノード側とカソード側とで触媒層及び拡散層の外形寸法が異なることにより、アノード側/カソード側の燃料電池電極の構成部材間の短絡を防止するものである。

本発明はこのように構成したので、電解質膜の製造において、燃料電池電極の構成部材を積層する際の位置決め作業を可能な限り不要とし、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。又、電解質膜のハンドリング性を向上させるために用いられていた補強フィルムを用いることなしに、燃料電池電極を円滑に製造することが可能となり、材料コスト及び製造コストの低減を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池電極の製造方法に係る各工程を模式的に示すものであり、（ａ）は、帯状の電解質膜の片面に触媒層を連続的に塗布する工程、及び、帯状の拡散層に撥水ペーストを連続的に塗布する工程を示し、（ｂ）は、帯状の電解質膜と拡散層とを、触媒層を介して接合する工程を示し、（ｃ）は、帯状の電解質膜の拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、帯状の電解質膜の表面に触媒層を塗布する工程を示し、（ｄ）は、触媒層の位置に合わせて、予め所定形状に切断した拡散層を積層する工程、及び、所定形状の触媒層及び拡散層の外形線の外側で、帯状の電解質膜及び前記拡散層を打抜く工程を示すものである。図１に示される燃料電池電極の製造方法によって製造された燃料電池電極の断面図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池電極の製造方法の別例を模式的に示すものであり、（ａ）は、帯状の拡散層の片面に触媒層を連続的に塗布する工程を示し、（ｂ）は、（ａ）の工程に続き、片面に触媒層を連続的に塗布した帯状の拡散層を、所定形状に切断する工程を示し、（ｃ）は、図１（ｂ）の工程に続き、帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程を示すものである。燃料電池スタックの立体模式図である。図４に示される燃料電池スタックを構成するセルの、構成部材を示す模式図である。図５に示されるセルの構成部材のうち、電極を構成する部分の構造例を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略する。
本発明の実施の形態に係る燃料電池電極の製造方法は、図１（ａ）から（ｄ）に示される手順に沿ったものであり、以下、順を追って説明する。

まず、図１（ａ）に示されるように、帯状の電解質膜１２Ｓが巻き取られた電解質膜ロールから電解質膜１２Ｓを巻き出し、ダイコータ２２等の塗布手段により、帯状の電解質膜１２Ｓの片面に触媒層１２Ａを連続的に塗布する。なお、電解質膜１２Ｓはバックシート２０を備えるものである。又、帯状の拡散層１４Ａが巻き取られた拡散層ロールから拡散層１４Ａを巻き出し、ダイコータ２２等の塗布手段により、帯状の拡散層１４Ａの片面に、撥水ペースト２４を連続的に塗布する。

続いて、図１（ｂ）に示されるように、帯状の電解質膜１２Ｓと帯状の拡散層１４Ａとを、触媒層１２Ａを介して接合する。符号２６は、帯状の電解質膜１２Ｓと帯状の拡散層１４Ａとを熱圧着させるためのヒートロールである。
続いて、図１（ｃ）に示されるように、帯状の電解質膜１２Ｓの拡散層１４Ａを接合した面とは反対側の面からバックシート２０を剥がし、この面に、帯状の電解質膜１２Ｓの長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層１２Ｃを塗布する。触媒層１２Ｃは矩形に塗布され、触媒層１２Ｃが塗布された範囲が、実際に発電に寄与する部分となる。

続いて、図１（ｄ）に示されるように、予め触媒層１２Ｃと同じく所定形状に切断された拡散層１４Ｃを触媒層１２Ｃに積層し、ヒートロール２６によって帯状の電解質膜１２Ｓと拡散層１４Ｃとを熱圧着する。そして、所定形状の触媒層１２Ｃ及び拡散層１４Ｃの外形線の外側で、カッターユニット２８により、帯状の電解質膜１２Ｓ及び拡散層１２Ａを打抜くことで、図２に示されるように、アノード側とカソード側とで触媒層１２Ａ、１２Ｃ及び拡散層１４Ａ、１４Ｃの外形寸法が異なり、拡散層１４Ａ、１４Ｃが一体化された燃料電池電極が製造されるものである。

なお、図１（ａ）の工程において、帯状の拡散層１４Ａの片面に、撥水ペースト２４を連続的に塗布し、更に、この拡散層１４Ａに触媒層１２Ａを連続的に塗布して積層した状態、即ち、帯状の拡散層１４Ａ側に触媒層１２Ａを塗布した状態で、図１（ｂ）に示されるように、帯状の電解質膜１２Ｓと帯状の拡散層１４Ａとを接合することとしても良い。

又、図１（ｃ）以降の工程を、図３に示される工程に置き換えることも可能である。すなわち、図３（ａ）に示されるように、予め、帯状の拡散層１４Ｃの片面に撥水ペースト２４を連続的に塗布し、更に、この帯状の拡散層１４Ｃに触媒層１２Ｃを連続的に塗布して帯状の積層体とする。
続いて、図３（ｂ）に示されるように、カッターユニット２８によって、触媒層１２Ｃ及び拡散層１４Ｃの帯状の積層体を、所定形状に切断する。

その後、図３（ｃ）に示されるように、帯状の電解質膜１２Ｓの拡散層１４Ａを接合した面とは反対側の表面に、切断した触媒層１２Ｃ及び拡散層１４Ｃの帯状の積層体を、一定間隔を空けて積層して、ヒートロール２６によって帯状の電解質膜１２Ｓと拡散層１４Ｃとを熱圧着することとしても良い。
なお、本発明の実施の形態では、帯状の電解質膜１２Ｓに対しアノード側の触媒層１２Ａ及び拡散層１４Ａを連続的に積層し、その後に、カソード側の触媒層１２Ｃ及び拡散層１４Ｃを接合する手順を採用したが、アノード側/カソード側の施工手順を逆にすることも可能である。

上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、本項に記載の燃料電池電極の製造方法は、帯状の電解質膜１２Ｓ又は帯状の拡散層１４Ａのいずれか一方の片面に触媒層１２Ａを連続的に塗布する工程（図１（ａ））により、帯状の電解質膜１２Ｓに対する触媒層１２Ａの高度の位置決めが不要となる。又、帯状の電解質膜１２Ｓと拡散層１４Ａとを、触媒層１２Ａを介して接合する工程（図１（ｂ））により、帯状の電解質膜１２Ｓを、その片面に積層され接合された触媒層１２Ａ及び拡散層１４Ａによって強化することができる。従って、従来のように、以後の製造工程における帯状の電解質膜１２Ｓのハンドリングを向上させるための、補強フィルム１９（図６参照）による電解質膜１２Ｓの補強が不要となる。

なお、帯状の電解質膜１２Ｓの片面に触媒層１２Ａを連続的に塗布する工程では、帯状の電解質膜１２Ｓがバックシート２０によって補強され、ハンドリング性が向上した状態となっていることから、触媒層１２Ａを連続的に塗布することができる。なお、バックシート２０は、製造過程において取り除かれるものであり（図１（ｃ））、セル１０（図４）の構成部材とならないので、セル１０の大型化を来たすものでもなく、燃料電池の運転環境を考慮した材質を選択する必要もない。
又、帯状の拡散層１４Ａに撥水ペースト２４を連続的に塗布することで、高度の位置決めが不要となり、かつ、本方法により製造される燃料電池電極が、燃料電池に組み込まれ実際に発電を行う際に必要となる、排水性を確保することができる。

又、帯状の電解質膜１２Ｓの拡散層１４Ａを接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜１２Ｓの長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層１２Ｃと拡散層１４Ｃとを積層し接合する工程（図１（ｃ）、図１（ｄ）、図３（ｃ））と、所定形状の触媒層１２Ｃ及び拡散層１４Ｃの外形線の外側で、帯状の電解質膜１２Ｓ及び拡散層１４Ａを打抜く工程（図１（ｄ）、図３（ｃ））とにより、アノード側とカソード側とで触媒層１２及び拡散層１４の外形寸法が異なる燃料電池電極（図２）を製造することができる。
又、図１の例では、燃料電池電極の構成部材の位置決めが必要な工程を、帯状の電解質膜１２Ｓの表面に触媒層１２Ｃを塗布した後、触媒層１２Ｃの位置に合わせて、予め所定形状に切断した拡散層１４Ｃを積層する１工程（図１（ｄ））のみとすることができる。

一方、図３の例では、燃料電池電極の構成部材の位置決めが必要な工程を、予め、帯状の拡散層１４Ｃの片面に触媒層１２Ｃを連続的に塗布した後、所定形状に切断した積層体１２Ｃ、１４Ｃを、帯状の電解質膜１２Ｓの表面に、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて接合する１工程（図３（ｃ））のみとすることができる。この場合には、既に積層済みの触媒層１２Ｃ及び拡散層１４Ｃを、帯状の電解質膜１２Ｓの表面に載置する作業となり、設置間隔のみが問題となることから、要求される位置決め精度は、図１の例よりも低度のものとなる。
又、この場合も、帯状の拡散層に撥水ペースト２４を連続的に塗布することで（図３（ａ））、高度の位置決めが不要となり、かつ、本方法により製造される燃料電池電極が、燃料電池に組み込まれ実際に発電を行う際に必要となる、排水性を確保することができる。

以上の製造方法により得られる燃料電池電極は、図２に示されるように、アノード側とカソード側とで触媒層１２Ａ、１２Ｃ及び拡散層１４Ａ、１４Ｃの外形寸法が異なることにより、アノード側/カソード側の燃料電池電極の構成部材間の短絡を、確実に防止することができる。

１０：セル、１１：燃料電池スタック、１２：ＭＥＡ、１２Ａ、１２Ｃ：触媒層、１２Ｓ：電解質膜、１４、１４Ａ、１４Ｃ：拡散層２０：バックシート、２２：ダイコータ、２４：撥水ペースト、２６：ヒートロール、２８：カッターユニット

Claims

帯状の電解質膜又は帯状の拡散層のいずれか一方の片面に触媒層を連続的に塗布する工程と、
前記帯状の電解質膜と前記帯状の拡散層とを、前記触媒層を介して接合する工程と、
前記帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程と、
該所定形状の触媒層及び拡散層の外形線の外側で、前記帯状の電解質膜及び前記拡散層を打抜く工程とを含むことを特徴とする燃料電池電極の製造方法。
帯状の電解質膜又は帯状の拡散層のいずれか一方の片面に触媒層を連続的に塗布する工程において、バックシートを備える帯状の電解質膜に触媒層を連続的に塗布し、前記帯状の拡散層に撥水ペーストを連続的に塗布することを特徴とする請求項１記載の燃料電池電極の製造方法。
前記帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程において、
前記帯状の電解質膜の表面に触媒層を塗布した後、該触媒層の位置に合わせて、予め所定形状に切断した拡散層を積層することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池電極の製造方法。
前記帯状の電解質膜の前記拡散層を接合した面とは反対側の面に対し、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて、所定形状の触媒層と拡散層とを積層し接合する工程において、
予め、帯状の拡散層の片面に触媒層を連続的に塗布した後、前記所定形状に切断して、前記帯状の電解質膜の表面に、切断した触媒層及び拡散層の積層体を、帯状の電解質膜の長手方向に一定間隔を空けて接合することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池電極の製造方法。
帯状の拡散層の片面に撥水ペーストを連続的に塗布した後に、触媒層を連続的に塗布することを特徴とする請求項４記載の燃料電池電極の製造方法。
アノード側とカソード側とで触媒層及び拡散層の外形寸法が異なることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項記載の燃料電池電極の製造方法により製造される燃料電池電極。