JP2010257943A - 複合膜、燃料電池および複合膜の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、セルの間隔を狭める。
【解決手段】基材１４に設けられた開口部１６にそれぞれ膜電極接合体２０が形成されている。膜電極接合体２０は、電解質膜２２、アノード触媒層２４、およびカソード触媒層２６を備える。隣接するアノード触媒層２４の間の基材１４の上に保護層３０ａが設けられている。また、隣接するカソード触媒層２６の間の基材１４の上に保護層３０ｂが設けられている。保護層３０ａ、ｂは基材１４に比べてＣ−Ｆ結合の数が多い樹脂を含むことが望ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、セルが平面配列された燃料電池に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている。また、複数の単セルを平面状に配列させる方法として非電解質である基材を用いて複数の貫通孔を設け、そこに電解質を充填することで作製した複合膜を用いた平面配列型の燃料電池もある(特許文献１参照)。基材を用いることで、プロトン伝導性は高いが機械的強度の弱い電解質を用いることが可能になるとともに、電解質の部分を極力減らすことでコストの削減になる。

平面配列型燃料電池の小型を図るためにはセルの間隔を狭める必要がある。特許文献２では、セル間隔を狭めるとしてレーザ加工を用いている。これを用いることにより、一般的な膜電極接合体の触媒層を、レーザを用いて一部除去を行うことにより平面配列型燃料電池を作製している。

基材として用いる材料として特許文献３に記載されているものが考えられる。

燃料としては、メタノールの他、水素吸蔵合金や水素ボンベに格納された水素を利用することが研究されている。

特開２００６−２４４７１５号公報 特開２００８−２５８１４２号公報 特開２００５−２１６７６９号公報

平面配列型の燃料電池では、電力は、電極の総面積に依存する。一方、電圧については、直列に接続されるセルの数に依存する。このため、燃料電池の小型化を図るとともに、必要な電力および電圧を得るためには、直列接続をするセルの数を増やすとともに、隣接する単セルの間隔をより短くする必要がある。ところが、単セル間の間隔が短くなるにつれて、隣接する触媒層間の短絡が問題になる。

ここで、複合膜を用いた平面配列型の燃料電池において微細な間隔の単セルを形成する際には、基材に設けられた隣接する貫通孔の間隔をできるだけ短くする必要がある。このため、基材の微細加工と触媒層の微細加工が必要である。基材の微細加工には、レーザ加工や金型などによる打ち抜きなどの方法が用いられる。一方、触媒層の微細加工を行う際にレーザ加工が有用であるが、触媒層にレーザを照射したときに基材が損傷を受け、時には亀裂が生じてしまうことがある。このように、基材に亀裂が生じると、燃料として水素を用いた場合には水素がリークし、燃料電池の性能低下が生じることが問題になる。

また、基材の厚みを厚くすることで水素リークを防ぐことはできるが、基材に充填させる電解質の厚みも増えてしまい燃料電池の性能低下を引き起こしてしまうという課題が生じる。触媒層を加工するために使用レーザ光が基材を透過すると片側からレーザ照射した場合でも、複合膜を挟んで裏側に形成した触媒層も除去してしまう。このことは、例えば、単セルのアノードとカソードの電極面積を変化させたい場合に課題となる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、セルの間隔を狭めることのできる技術の提供にある。また、本発明の他の目的は、複合膜を用いてセルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、基材のダメージを抑制しつつ、触媒層を片側だけ加工しセルの間隔を狭めることのできる技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池用の複合膜である。当該複合膜は、複数の開口部が設けられた絶縁性の基材と、開口部にそれぞれ設けられ、イオン交換体を含む電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた第１の触媒層と、電解質膜の他方の面に設けられた第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、隣接する膜電極接合体に関して、隣接する第１の触媒層の間、および隣接する第２の触媒層の間の少なくとも一方の基材の上に設けられた絶縁性の保護層と、を備えることを特徴とする。

この態様によれば、膜電極接合体が組み込まれた複合膜において、隣接する膜電極接合体の間の絶縁性を保護層によって高めることができる。この結果、隣接する膜電極接合体、言い換えると隣接するセルの間隔を狭めても、隣接するセル間で短絡が生じることを抑制することが可能となる。また、各セルの触媒層をレーザーを用いて微細加工する場合に、保護層の設けられた領域をレーザ照射することにより、基材がレーザにより損傷することを抑制することができる。さらに、保護層が触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光を遮断することにより、触媒層を片側のみ加工することが可能となる。

上述した態様の複合膜において、保護層は基材に比べてＣ−Ｆ結合の数が多くてもよい。保護層は、触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光の透過率が２３％以下の樹脂からなっていてもよい。また、保護層は、基材に比べて触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光の透過率が低くてもよい。

本発明の他の態様は燃料電池である。当該燃料電池は、上述したいずれかの態様の複合膜を有することを特徴とする。

本発明のさらに他の態様は、燃料電池用の複合膜の作製方法である。当該燃料電池用の複合膜の作製方法は、絶縁性の基材に設けられた複数の開口部にそれぞれ電解質膜を形成する工程と、隣接する開口部の間に絶縁性の保護層を形成する工程と、を順不同に行い、基材の少なくとも一方の面に、複数の電解質膜を跨ぐように触媒層を形成する工程の後、隣接する開口部の間に設けられた保護層の領域にあたる触媒層をレーザ光を照射して除去する工程と、を実施することを特徴とする。

この態様の複合膜の作製方法によれば、レーザ加工される触媒層の領域において、触媒層と基材との間に保護層が介在しているため、レーザ照射により基材が損傷することが抑制される。

上記態様の複合膜の作製方法において、保護層は基材に比べてＣ−Ｆ結合の数が多い樹脂を含んでもよい。また、保護層は、触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光を遮蔽してもよい。

この態様によれば、隣接する触媒層間において短絡が生じることが抑制されるため、触媒層間の距離をより短くすることができる。すなわち、平面配列されたセル間の距離を短くすることが可能になるため、平面配列型の膜電極接合体をよりコンパクトにすることができる。

本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、上述したいずれかの膜電極接合体を備えることを特徴とする。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、セルの間隔を狭めることができる。

実施の形態１に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った燃料電池の断面図である。 実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。 保護層の評価に用いた複合膜の模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１および図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ、触媒塗布プロトン交換膜（ＣＣＭ）ともいう）２０が組み込まれた複合膜１２、アノード用ハウジング４０およびカソード用ハウジング４２を備える。また、複合膜１２の周縁部に後述する封止部材５０が設けられている。

複合膜１２は、基材１４および複数の膜電極接合体２０を含む。

基材１４は、ポリアクリレートなどの絶縁性の材料により形成されている。基材１４には、膜電極接合体２０と同数の開口部１６が設けられている。

膜電極接合体２０は、電解質膜２２、電解質膜２２の一方の面に設けられたアノード触媒層（第１の触媒層）２４、電解質膜２２の他方の面に設けられたカソード触媒層（第２の触媒層）２６を備える。電解質膜２２は、基材１４に設けられた開口部１６を充填するように設けられている。アノード触媒層２４には、燃料ガスとして水素が供給される。一方、カソード触媒層２６には酸化剤として空気が供給される。一対のアノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間に電解質膜２２が狭持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。

このように、本実施の形態の燃料電池では、アノード触媒層２４にカソード触媒層２６が対となり、複数のセルが平面状に形成されている。

インターコネクタ１８は、隣接する膜電極接合体２０の間において、基材１４を貫通して設けられている。隣接するセルにおいて、一方のセルの電解質膜２２に被覆されたアノード触媒層２４は、インターコネクタ１８の方へ延在して設けられており、インターコネクタ１８と一方のセルの電解質膜２２との間の基材１４を被覆し、インターコネクタ１８に接続されている。また、隣接するセルにおいて、他方のセルの電解質膜２２に被覆されたカソード触媒層２６は、インターコネクタ１８の方へ延在して設けられており、インターコネクタ１８と他方のセルの電解質膜２２との間の基材１４を被覆し、インターコネクタ１８に接続されている。インターコネクタ１８は導電性の材料で形成され、たとえば、カーボンなどが用いられる。以上の構成により、隣接するセル同士はインターコネクタ１８により直列接続されている。

電解質膜２２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。

アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６は、イオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。

アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜２２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、電解質膜２２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。

なお、アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６が有するイオン交換樹脂は、たとえば、炭化水素系イオン交換樹脂のように、基材１４に含まれる樹脂に比べてＣ−Ｆ結合の数が少なくてもよい。

アノード用ハウジング４０により、燃料貯蔵用の燃料貯蔵部３７が形成されている。なお、アノード用ハウジング４０に燃料供給口（図示せず）を設置することにより、燃料カートリッジなどから燃料を適宜補充可能である。

一方、カソード用ハウジング４２には、外部から空気を取り込むための空気取入口４４が設けられている。

アノード用ハウジング４０とカソード用ハウジング４２とは、複合膜１２の周縁部に設けられた封止部材５０を介して、ボルト、ナットなどの締結部材（図示せず）を用いて締結されている。これにより、封止部材５０に圧力が加えられ、封止部材５０によるシール性が高められる。

本実施の形態に係る複合膜１２では、アノード触媒層２４の周囲、特に隣接するアノード触媒層２４の間の基材１４の上に絶縁性の保護層３０ａが設けられている。また、カソード触媒層２６の周囲、特に隣接するカソード触媒層２６の間の基材１４の上に保護層３０ｂが設けられている。以下、保護層３０ａ、ｂをまとめて保護層３０という場合がある。保護層３０としては、たとえばポリイミド、ナフィオンなどを用いることができる。

保護層３０により、隣接する膜電極接合体２０の間の絶縁性が高められている。この結果、隣接する膜電極接合体２０、言い換えると隣接するセルの間隔を狭めても、隣接するセル間で短絡が生じることが抑制される。

（複合膜の作製方法）
実施の形態１に係る燃料電池に用いられる複合膜１２の作製方法について、図３乃至図７を参照して説明する。図３乃至図７は、実施の形態１に係る複合膜１２を作製する方法を示す工程図である。なお、図３乃至図７において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

まず、図３（Ａ）に示すように、基材１４を用意する。基材１４の厚さは、２０−１５０μｍである。基材１４として、たとえば、ポリアクリレートを用いることができる。

次に、図３（Ｂ）に示すように、基材に複数の開口部１６、１７を作製する。開口部１７は、隣接する開口部１６の間に形成される。開口部１６と開口部１７との間隔は５００μｍ以下である。開口部１６、１７を形成する方法として例えば、赤外レーザ、可視光レーザ、紫外レーザによるレーザ加工あるいは金型を用いた打ち抜き法などの手法を用いることができる。

基材１４の準備と並行して、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、保護層３０ａ、保護層３０ｂを用意する。保護層３０ａには、アノード触媒層が設けられる領域に対応する開口部３１ａが設けられている。一方、保護層３０ｂには、カソードが設けられる領域に対応する開口部３１ｂが設けられている。保護層３０ａ、３０ｂの作製方法として、たとえば、シート状の保護層にレーザや金型を用いて開口部を設ける方法が挙げられる。

次に、図５（Ａ）に示すように、基材１４の一方の面（アノード形成側）に保護層３０ａを重ね合わせ、基材１４の他方の面（カソード形成側）に保護層３０ｂを重ね合わせた後、ホットプレスなどを用いて基材１４に保護層３０ａ、ｂを接着する。なお、本作製方法では、開口部が予め形成された保護層３０を基材１４に貼り付ける手順が取られているが、保護層３０を形成する領域が開口となるようなマスクを用いて、保護層の材料となる樹脂をスプレー法などを用いて基材１４に塗布する手順も適用可能である。

次に、図５（Ｂ）に示すように、基材１４に設けられた開口部１６（図５（Ａ）参照）に電解質膜２２を形成する。具体的には、ナフィオン溶液を開口部１６に充填した後、溶媒を蒸発させることにより電解質膜２２を形成することができる。この手法は、開口部１６が微小である場合に有効である。また、開口部１６に、開口部１６の大きさに予め成形された電解質膜２２を嵌め込んでもよい。この場合には、開口部１６に電解質膜２２を嵌め込んだ後、基材１４と電解質膜２２との界面にナフィオン溶液を流し込むことが好ましい。これによれば、ナフィオン溶液が接着剤として機能するため、基材１４と電解質膜２２との密着性を高めることができる。

次に図６（Ａ）に示すように、基材１４に設けられた開口部１７（図５（Ｂ）参照）にたとえばカーボンペーストなどのペーストを充填させる。ペーストを充填した後に乾燥させることによりインターコネクタ１８が形成される。

次に、図６（Ｂ）に示すように、基材１４の一方の面側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８０を形成する。具体的には、水１０ｇ、ナフィオン溶液５ｇ、白金ブラックまたは白金担持カーボン５ｇ、１−プロパノール５ｇを十分撹拌することにより触媒スラリーを調整し、この触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８０を形成する。同様に、基材１４の他方の主表面側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８２を形成する。具体的には、上述した触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８２を形成する。

次に、図７（Ａ）に示すように、基材１４の一方の面側に設けられた触媒層８０の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に位置する保護層３０ａに対応する触媒層８０をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する（触媒層８０を除去する幅は、１−５００μｍ好ましくは５０−２００μｍ）。触媒層８０が分断されることで、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に保護層３０ａが露出し、アノード触媒層２４が形成される。

また、基材１４の他方の面側に設けられた触媒層８２の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に位置する保護層３０ｂに対応する触媒層８２をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する（触媒層８２を除去する幅は、１−５００μｍ好ましくは５０−２００μｍ）。触媒層８２が分断されることで、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に保護層３０ｂが露出し、カソード触媒層２６が形成される。

なお、触媒層除去に用いるレーザにはエキシマレーザの他にその発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であるＹＡＧ第３高周波レーザやＹＶＯ_４第４高周波グリーンレーザなどを用いてもよい。レーザの出力は、レーザ照射部分の触媒層を完全に除去するのに十分であればよく、触媒層の材質や厚さに応じて適宜調整すればよい。

これによれば、レーザ加工により触媒層８０を部分的に除去する際に、基材１４が保護層３０ａにより保護されるため、基材１４の劣化が抑制される。また、レーザ加工により触媒層８２を部分的に除去する際に、基材１４が保護層３０ｂにより保護されるため、基材１４の劣化が抑制される。

以上の製造工程により、実施の形態１に係る膜電極接合体２０が組み込まれた複合膜１２が作製される。なお、上述した製造工程では、各工程でアノードおよびカソードに同様な工程を実施した後、次の工程に移行しているが、たとえば、アノードに一連の工程を施した後、カソードに一連の工程を施してもよい。また、保護層３０を形成する工程は、基材１４に電解質膜２２を予め充填させた後でもよい。

以上のようにレーザ加工により保護層３０を形成する場合に、保護層３０に望まれる特性を挙げる。

（１）保護層３０として含フッ素重合体を用い、保護層３０に含まれる含フッ素重合体のＣ−Ｆ結合の数は、基材１４に含まれるＣ−Ｆ結合の数より多いことが望ましい。ここで、Ｃ−Ｆ結合の数とは、単位重量当たりに存在するＣ−Ｆ結合の数であり、たとえば、ＸＰＳ（X線光電子分光：X-ray photoelectron spectroscopy）を用いて評価することができる。なお、Ｃ−Ｆ結合の結合エネルギは、レーザ加工用に用いられるエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）のエネルギよりも高いため、Ｃ−Ｆ結合の数が多いほど、エキシマレーザによる構造変化を受けにくくなる。

具体的には、保護層３０にナフィオンを用いた場合には、保護層３０よりＣ−Ｆ結合の数が少ない基材１４として、ポリイミドなどの材料が挙げられる。

これによれば、レーザ加工により触媒層８０を部分的に除去する際に、保護層３０ａにレーザが照射されても、保護層３０ａを構成する分子に構造変化が生じにくくなる。また、レーザ加工により触媒層８０ｂを部分的に除去する際に、保護層３０ｂにレーザが照射されても、保護層３０ｂを構成する分子に構造変化が生じにくくなる。

なお、触媒層８０、触媒層８２に含まれるイオン交換体のＣ−Ｆ結合の数は、保護層３０に含まれる含フッ素重合体のＣ−Ｆ結合の数より少ないことが望ましい。これによれば、触媒層８０、触媒層８２がレーザ加工しやすくなり、アノード触媒層２４、カソード触媒層２６の加工精度が向上する。

（２）保護層３０は、基材１４に比べて耐熱性が高いことが望ましい。このような保護層３０として、フェノール樹脂、ポリイミドが挙げられる。

これによれば、レーザ加工により触媒層８０を部分的に除去する際に、保護層３０ａにレーザが照射されても、保護層３０ａが劣化しにくくなる。また、レーザ加工により触媒層８２を部分的に除去する際に、保護層３０ｂにレーザが照射されても、保護層３０ｂが劣化しにくくなる。

（３）保護層３０は、基材１４に比べて熱伝導性が低いことが望ましい。このような保護層３０として、ポリイミド、セルロースが挙げられる。

これによれば、レーザ加工により触媒層８０を部分的に除去する際に、保護層３０ａを介して基材１４に熱が伝わりにくくなるため、基材１４の劣化が抑制される。また、レーザ加工により触媒層８２を部分的に除去する際に、保護層３０ｂを介して基材１４に熱が伝わりにくくなるため、基材１４の劣化が抑制される。

（４）保護層３０は、基材１４に比べて触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光の透過率が低く、触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光を遮蔽できることが望ましい。レーザの発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の場合、このようなレーザ光を遮断する保護層３０として、ポリイミド、スルホン化ポリイミド、ポリカーボネート、メタクリル樹脂などが挙げられる。これによれば、レーザ加工により触媒層８０を部分的に除去する際に、保護層３０ａが触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光を遮蔽することで、基材１４を透過して触媒層８２が除去されてしまうことを防止できる。また、レーザ加工により触媒層８２を部分的に除去する際に、保護層３０ｂが触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光を遮蔽することで、基材１４を透過して触媒層８０が除去されてしまうことを防止できる。

（実施の形態２）
図８は、実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜１２の断面図である。実施の形態２の複合膜１２の基本的な構成は実施の形態１と同様である。以下、実施の形態２に係る複合膜１２について実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

実施の形態２の複合膜１２では、電解質膜２２の厚さが基材１４の厚さと同等となっている。このため、電解質膜２２の形状が基材１４によって維持されやすくなり、電解質膜２２の変形が抑制される。

（複合膜の作製方法）
実施の形態２に係る燃料電池に用いられる複合膜１２の作製方法について、図９乃至図１１を参照して説明する。図９乃至図１１は、実施の形態２に係る複合膜１２を作製する方法を示す工程図である。なお、図９乃至図１１において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

まず、実施の形態１の複合膜の作製方法と同様に、基材１４および保護層３０ａ、３０ｂを用意する（図３（Ａ）、（Ｂ）、図４（Ａ）、（Ｂ）参照）。なお、基材１４の厚さは、後述する電解質膜の厚さと同等である。

次に、図９（Ａ）に示すように、基材１４に設けられた開口部１６（図３（Ｂ）参照）に電解質膜２２を形成する。電解質膜２２の形成方法は、図５（Ｂ）と同様である。

次に、図９（Ｂ）に示すように、基材１４の一方の面（アノード形成側）に保護層３０ａを重ね合わせ、基材１４の他方の面（カソード形成側）に保護層３０ｂを重ね合わせた後、ホットプレスなどを用いて基材１４に保護層３０ａ、ｂを接着する。

次に、図１０（Ａ）に示すように、基材１４に設けられた開口部１７（図３（Ｂ）参照）にたとえばカーボンペーストなどのペーストを充填させる。ペーストを充填した後に乾燥させることによりインターコネクタ１８が形成される。

次に、図１０（Ｂ）に示すように、基材１４の一方の面側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８０を形成する。同様に、基材１４の他方の主表面側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８２を形成する。

次に、図１１（Ａ）に示すように、基材１４の一方の面側に設けられた触媒層８０の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に位置する保護層３０ａに対応する触媒層８０をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する。触媒層８０が分断されることで、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に保護層３０ａが露出し、アノード触媒層２４が形成される。

また、基材１４の他方の面側に設けられた触媒層８２の所定領域、すなわち、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に位置する保護層３０ｂに対応する触媒層８２をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去する。触媒層８２が分断されることで、隣接する電解質膜２２に挟まれた領域に保護層３０ｂが露出し、カソード触媒層２６が形成される。

以上の工程により、実施の形態２に係る複合膜１２が作製される。本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、レーザ加工により触媒層８０を部分的に除去する際に、基材１４が保護層３０ａにより保護されるため、基材１４の劣化が抑制される。また、レーザ加工により触媒層８２を部分的に除去する際に、基材１４が保護層３０ｂにより保護されるため、基材１４の劣化が抑制される。

（実験１：光透過率測定）
保護層としてポリイミドを用い、膜厚の異なる試料１〜５のフィルムを分光光度計（ＨＩＴＡＣＨＩ製 Ｕ−３０１０ Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて１９０〜５５０ｎｍの透過率を測定した。このうち、一般的なレーザ光の波長である５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２４８ｎｍにおける透過率測定結果を表１に示す。試料３は試料１と試料２を重ねたものである。なお、一般的なレーザとして、ＹＶＯ４第４高周波グリーンレーザ（５３２ｎｍ）、ＹＡＧ第３高周波レーザ（３５５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）が挙げられる。

（実験２：保護層としての機能評価）
試料１〜５に対して以下の実験を行い、保護層として機能するか否かを検討した。図１２は、保護層の評価に用いた複合膜の模式図である。厚さ約５０μｍのポリアクリレート製の基材３２０の一方の側に保護層３１０として試料１〜５のそれぞれのフィルムを接着させ、保護層３１０の表面、および基材３２０の他方の側に、それぞれ触媒層３００ａ、３００ｂを形成した。なお、触媒層３００ａ、３００ｂは、図６（Ｂ）と同様に、触媒スラリーのスプレー塗布により作製することができる。保護層３１０フィルムの上に設けられた厚さ約５μｍの触媒層３００ａを波長５３２ｎｍのグリーンレーザを用いて除去した。レーザ加工後にレーザ光を照射した側と反対側の触媒層３００ｂを確認し、触媒が除去されていないものを○、触媒が除去されているものを×として評価した結果を表２に示す。

以上の結果より、５３２ｎｍの波長において透過率が２３％以下のフィルムは保護層として機能することがわかった。

（実験３：保護層の種類検討）
次に、保護層として、表３に示す様な複数の材料を選択し、それぞれのフィルム（試料６〜１２）について、実験１と同様に１９０〜５５０ｎｍの透過率を測定した。この結果と、実験２の結果から、５３２ｎｍの波長において試料１０および１１は今回実験した膜厚で、また、その他の試料は今回実験した膜厚より厚くすることによって保護層としての機能を持つものと考えられる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の各実施の形態では、基材のアノード側およびカソード側の両方の触媒層間に上述したような保護層が設けられているが、基材のアノード側およびカソード側のいずれか一方のみに触媒層間に上述したような保護層が設けられていてもよい。

また、上述した各実施の形態では、基材と保護層とが別部材となっているが、上述した保護層に用いられる材料で、基材と保護層からなる部材を一体的に形成してもよい。これによれば、複合膜の部品点数を削減し、製造コストを低減することができる。

１０ 燃料電池、１２ 複合膜、１４ 基材、１６ 開口部、１７ 開口部、１８ インターコネクタ、２０ 膜電極接合体、２２ 電解質膜、２４ アノード触媒層、２６ カソード触媒層、３０ 保護層、３１ 開口部、３７ 燃料貯蔵部、４０ アノード用ハウジング、４２ カソード用ハウジング、４４ 空気取入口、５０ 封止部材、８０ 触媒層、８２ 触媒層

Claims (8)

1. 複数の開口部が設けられた絶縁性の基材と、
   前記開口部にそれぞれ設けられ、イオン交換体を含む電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられた第２の触媒層と、を有する膜電極接合体と、
   隣接する膜電極接合体に関して、隣接する第１の触媒層の間、および隣接する第２の触媒層の間の少なくとも一方の前記基材の上に設けられた絶縁性の保護層と、
   を備えることを特徴とする複合膜。
2. 前記保護層は前記基材に比べてＣ−Ｆ結合の数が多い樹脂を含む請求項１に記載の複合膜。
3. 前記保護層は、触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光の透過率が２３％以下の樹脂からなる請求項１または２に記載の複合膜。
4. 前記保護層は、前記基材に比べて触媒層を微細加工するのに使用するレーザ光の透過率が低い請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合膜。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合膜を有することを特徴とする燃料電池。
6. 燃料電池用の複合膜の作製方法であって、
   絶縁性の基材に設けられた複数の開口部にそれぞれ電解質膜を形成する工程と、
   隣接する前記開口部の間に絶縁性の保護層を形成する工程と、を順不同に行い、
   前記基材の少なくとも一方の面に、複数の前記電解質膜を跨ぐように触媒層を形成する工程の後、
   隣接する前記開口部の間に設けられた保護層の領域にあたる前記触媒層をレーザ光を照射して除去する工程と、
   を実施することを特徴とする複合膜の作製方法。
7. 前記保護層は前記基材に比べてＣ−Ｆ結合の数が多い樹脂を含む請求項６に記載の複合膜の作製方法。
8. 前記保護層は、前記レーザ光を遮蔽する請求項６または７に記載の複合膜の作製方法。

Images