JP2011154969A - 膜−電極構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の厚さに形成できると共に、固体高分子電解質膜とガス拡散層との間で優れた接着強度が得られる膜−電極構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】１対の電極３，４により挟持された固体高分子電解質膜２を押圧して接着剤層９を硬化させて膜−電極構造体１を形成する第１の押圧工程と、前記第１の押圧工程よりも大きな圧力で膜−電極構造体１を押圧して膜−電極構造体１を所定の厚さに成形する第２の押圧工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜−電極構造体の製造方法に関する。

従来、燃料電池等に用いられる膜−電極構造体として、触媒層とガス拡散層とを備える１対の電極と、両電極の該触媒層により挟持された固体高分子電解質膜とを備えるものが知られている。前記膜−電極構造体は、例えば、前記両電極の触媒層とガス拡散層とが前記高分子電解質膜と同一の大きさに形成されており、該両電極の外周縁が該高分子電解質膜の外周縁に一致するように積層されている。

ところが、前記両電極の外周縁が前記高分子電解質膜の外周縁に一致するように積層されていると、前記各ガス拡散層に供給されたガスが該高分子電解質膜の外周縁から反対側に回り込み、互いに混合するとの問題がある。また、両電極の外周縁同士の位置が近いために、両電極が電気的に短絡する虞があるという問題もある。

前記問題を解決するために、前記高分子電解質膜を両電極よりも大きく形成し、両電極の外周縁が高分子電解質膜２の外周縁よりも内周側に位置するようにして積層した膜−電極構造体が知られている。このような構成を備える膜−電極構造体によれば、各ガス拡散層に供給されたガスを、前記高分子電解質膜の両電極の外周縁から外方に張り出した部分により遮蔽して、その混合を防止することができる。また、前記高分子電解質膜の前記張り出した部分により、両電極の電気的短絡を防止することができる。

しかし、前記膜−電極構造体を用いる燃料電池において、出力を向上するために前記高分子電解質膜の膜厚を薄くすると、該高分子電解質膜の機械的強度が低下し、前記両電極の外周縁から張り出した部分が破損しやすくなる。そこで、本出願人により、前記触媒層が、前記固体高分子電解質膜の外周縁よりも内周側に位置するとともに、少なくとも一方の電極のガス拡散層が、該固体高分子電解質膜を被覆すると共に、外周縁に全周に亘って設けられた接着剤層を介して該固体高分子電解質膜に接着されている膜−電極構造体が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１記載の膜−電極構造体では、前記接着剤層により、前記触媒層の外周縁から外方に張り出して延在する高分子電解質膜が保護され、破損を防止することができると期待される。

特許文献１記載の膜−電極構造体は、前記１対の電極の触媒層により挟持された前記固体高分子電解質膜をホットプレスし、前記各電極と前記固体高分子電解質膜とを一体化することにより製造される。

ところで、燃料電池は、多数の膜−電極構造体を互いにセパレータを介して積層することにより構成される。このとき、各膜−電極構造体の厚さにバラツキがあると、前記燃料電池において所定の性能が得られないことがある。そこで、前記ホットプレスは、前記１対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を、１．５〜４．５ＭＰａ程度の圧力で一挙動で押圧することにより、形成される膜−電極構造体を塑性変形させて所定の厚さとすることが行われている。

特開２００３−６８３２３号公報

しかしながら、前記１対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を、前記範囲の圧力で一挙動で押圧すると、前記接着剤層を構成する接着剤が前記ガス拡散層に過度に浸透し、該固体高分子電解質膜と該ガス拡散層との間で十分な接着強度が得られないという不都合がある。

本発明は、かかる不都合を解消して、触媒層の外周縁から外方に延在する固体高分子電解質膜の破損を防止でき、膜−電極構造体を所定の厚さに形成することができると共に、固体高分子電解質膜とガス拡散層との間で優れた接着強度を得ることができる製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、触媒層とガス拡散層を備える１対の電極と、両電極の該触媒層により挟持された固体高分子電解質膜とを備える膜−電極構造体であって、該触媒層は、該固体高分子電解質膜の外周縁よりも内周側に位置し、少なくとも一方の電極のガス拡散層は、該固体高分子電解質膜を被覆すると共に、外周縁に全周に亘って設けられた接着剤層を介して該固体高分子電解質膜に接着されている膜−電極構造体の製造方法において、前記１対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を押圧して前記接着剤層を硬化させて膜−電極構造体を形成する第１の押圧工程と、前記第１の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧して該膜−電極構造体を所定の厚さに成形する第２の押圧工程とを備えることを特徴とする。

本発明の製造方法によれば、１対の電極により挟持された固体高分子電解質膜を押圧して前記各電極と前記固体高分子電解質膜とを一体化する際に、まず、第１の押圧工程で前記接着剤層を硬化させる。そして、前記接着剤層が硬化した後、第２の押圧工程で、前記第１の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧して該膜−電極構造体を所定の厚さに成形する。

従って、本発明の製造方法によれば、前記接着剤層を形成する接着剤が前記ガス拡散層に過度に浸透することを防止して、前記固体高分子電解質膜と該ガス拡散層との間で優れた接着強度を得ることができる。また、この結果、本発明の製造方法によれば、触媒層の外周縁から外方に延在する前記固体高分子電解質膜を前記ガス拡散層により保護することができ、該固体高分子電解質膜の破損を防止することができる。

さらに、本発明の製造方法によれば、前記接着剤層が硬化して前記固体高分子電解質膜と前記ガス拡散層とが接着された後、第１の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧することにより、該膜−電極構造体を塑性変形させて確実に所定の厚さに成形することができる。

本発明の製造方法において、前記第１の押圧工程は、０．１５〜０．７５ＭＰａの範囲の圧力で行うと共に、前記第２の押圧工程は、１．５〜４．５ＭＰａの範囲の圧力で行うことが好ましい。

前記第１の押圧工程における圧力が０．１５ＭＰａ未満では、前記接着剤層を硬化させることが難しくなることがある。また、前記第１の押圧工程における圧力が０．７５ＭＰａを超えると、前記接着剤層を形成する接着剤が前記ガス拡散層に浸透しやすくなる。

一方、前記第２の押圧工程における圧力が１．５ＭＰａ未満では、前記第１の押圧工程で形成された膜−電極構造体を塑性変形させるに至らないことがある。また、前記第２の押圧工程における圧力が４．５ＭＰａを超えると、前記膜−電極構造体が過度に塑性変形することがある。

本発明の製造方法により得られる膜−電極構造体の一構成例を示す説明的断面図。 図１に示す膜−電極構造体に用いる電極の構成を示す平面図。 図１に示す膜−電極構造体の製造方法を示す説明的断面図。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の製造方法は、例えば、図１に示す構成を備える膜−電極構造体１の製造に用いられる。膜−電極構造体１は、高分子電解質膜２と、高分子電解質膜２を挟持する１対の電極３，４とを備えている。電極３，４はそれぞれ、触媒層５，６と、ガス拡散層７，８とを備えており、高分子電解質膜２は触媒層５，６により挟持されている。

膜−電極構造体１において、一方の電極３は、固体高分子電解質膜２の外周縁よりも内周側に位置しており、触媒層５とガス拡散層７とは同一の大きさを備えている。これに対して、他方の電極４は、触媒層６は固体高分子電解質膜２の外周縁よりも内周側に位置しているが、ガス拡散層８は固体高分子電解質膜２と同一の大きさを備えており、外周縁に設けられた接着剤層９を介して固体高分子電解質膜２に接着されている。接着剤層９は、ガス拡散層８の外周縁の全周に亘って形成されており、内周縁が触媒層６の外周縁に接している。

前記構成を備える膜−電極構造体１によれば、固体高分子電解質膜２が触媒層５，６の外周縁から外方に延在しているので、ガス拡散層７，８に供給されるガスが相互に混合することを防止することができる。また、電極３，４が電気的に短絡することを防止することができる。さらに、固体高分子電解質膜２は接着剤層９を介してガス拡散層８に接着されてガス拡散層８に支持されているので、破損することを防止することができる。

尚、膜−電極構造体１において、電極４の触媒層６は、電極３の触媒層５よりも小さく、触媒層５の外周縁よりも内周側に位置している。このようにすることにより、触媒層５，６の端縁が固体高分子電解質膜２に対して異なる位置に配されることとなり、触媒層５，６の端縁により固体高分子電解質膜２にかかる応力を低減することができる。

次に、膜−電極構造体１の製造方法について説明する。

まず、固体高分子電解質膜２を準備する。固体高分子電解質膜２としては、パーフルオロスルホン酸高分子化合物（例えば、デュポン社製ナフィオン（商品名））、スルホン化ポリアリーレン化合物等の高分子電解質からなる膜を用いることができる。固体高分子電解質膜２は、常法により、例えば前記高分子電解質の有機溶媒溶液からキャスト法等により製膜することができる。

次に、電極３，４を作製する。電極３，４は、カーボンクロス、カーボンペーパー等の多孔質体からなるガス拡散層７，８上に、触媒層５，６を積層することにより形成される。触媒層５，６は、触媒ペーストをガス拡散層７，８上に塗布または蒸着することにより形成することができる。前記触媒ペーストは、例えば、白金粒子をカーボンブラックに担持させた触媒粒子と、イオン導伝性バインダーとからなる。

ここで、電極３は、図２（ａ）に示すように、固体高分子電解質膜２の外周縁よりも内周側に納まる大きさのガス拡散層７上の全面に前記触媒ペーストを塗布または蒸着することにより触媒層５を形成する。一方、電極４は、図２（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜２と同一の大きさのガス拡散層８上に、ガス拡散層８の外周縁よりも内周側に納まる大きさに前記触媒ペーストを塗布または蒸着することにより触媒層６を形成する。

また、電極４は、その外周縁の全周に亘って接着剤を塗布し、触媒層６に接して接着剤層９を形成する。接着剤層９を形成する前記接着剤としては、例えば、エポキシ樹脂系接着剤、オレフィン樹脂系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、ウレタン樹脂系接着剤、フッ素樹脂系接着剤等の接着剤を用いることができる。

次に、図３に示すように、電極３，４を触媒層５，６の側で固体高分子電解質膜２に接するように、固体高分子電解質膜２の表裏両面に積層する。

次に、電極３，４が積層された固体高分子電解質膜２に対し、第１のホットプレス処理を施すことにより、図１に示す構成を備える膜−電極構造体１を形成する。前記第１のホットプレス処理は、例えば、１００〜２００℃の範囲の温度、０．１５〜０．７５ＭＰａの範囲の圧力、６０秒以内の時間で行う。この結果、触媒層５，６が固体高分子電解質膜２に熱圧着されると共に、接着剤層９が硬化して電極４側のガス拡散層８を固体高分子電解質膜２に確実に接着する。

次に、前記第１のホットプレス処理により形成された膜−電極構造体１に対し、第２のホットプレス処理を施すことにより、膜−電極構造体１を所定の厚さに成形する。前記第２のホットプレス処理は、例えば、１００〜２００℃の範囲の温度、１．５〜４．５ＭＰａの範囲の圧力、５０〜５００秒以内の時間で行う。この結果、膜−電極構造体１を塑性変形せしめて、所定の厚さに成形することができる。また、このとき、接着剤層９は前記第１のホットプレス処理により既に硬化しているので、前記接着剤がガス拡散層８に浸透することを防止することができる。

前記第２のホットプレス処理は、前記第１のホットプレス処理の後であればいつ行ってもよいが、第１のホットプレス処理に続いて直ちに行うことにより、固体高分子電解質膜２、触媒層５，６、ガス拡散層７，８の相互の位置のずれを防止することができる。また、前記第１のホットプレス処理の後、直ちに前記第２のホットプレス処理を行うことにより、サイクルタイムを短縮するという効果も得ることができる。

本実施形態の方法では、触媒層５，６はガス拡散層７，８に前記触媒ペーストを塗布または蒸着することにより形成しているが、他のフィルム等の基体上に該触媒ペーストを塗布して形成した触媒層５，６を固体高分子電解質膜２に熱転写するようにしてもよい。この場合には、触媒層５，６が転写された固体高分子電解質膜２に、ガス拡散層７と、接着剤層９が形成されたガス拡散層８とを積層し、前記第１及び第２のホットプレス処理を施せばよい。

次に、本発明の実施例及び比較例を示す。

本実施例では、接着剤層９を形成する接着剤としてエポキシ樹脂系接着剤（スリーボンド株式会社製、商品名：ＴＢ２２０４）を用いて、ガス拡散層８を作製した。

次に、電極３，４が積層された固体高分子電解質膜２に対し、第１のホットプレス処理を施すことにより、図１に示す構成を備える膜−電極構造体１を形成した。前記第１のホットプレス処理は、１６０℃の温度下、０．３ＭＰａの圧力で、３０秒間行った。

次に、前記第１のホットプレス処理により形成された膜−電極構造体１に対し、第２のホットプレス処理を施すことにより、膜−電極構造体１を所定の厚さに成形した。前記第２のホットプレス処理は、１６０℃の温度下、３ＭＰａの圧力で、４分３０秒間行った。

この結果、所定の厚さを備えると共に、電極４側のガス拡散層８が固体高分子電解質膜２に確実に接着されている膜−電極構造体１を得ることができた。
〔比較例〕
本比較例では、電極３，４が積層された固体高分子電解質膜２に対し、前記実施例における第１のホットプレス処理を行うことなく、第２のホットプレス処理のみを５分間行ったこと以外は、前記実施例と全く同一にして膜−電極構造体１を所定の厚さに成形した。

この結果、所定の厚さを備える膜−電極構造体１を得ることができたが、該膜−電極構造体１では、接着剤層９を形成している接着剤が電極４側のガス拡散層８に過度に浸透していた。このため、前記膜−電極構造体１では、電極４側のガス拡散層８と固体高分子電解質膜２との間で、十分な接着力を得ることができなかった。

１…膜−電極構造体、 ２…固体高分子電解質膜、 ３，４…電極、 ５，６…触媒層、 ７，８…ガス拡散層、 ９…接着剤層。

Claims (2)

1. 触媒層とガス拡散層を備える１対の電極と、両電極の該触媒層により挟持された固体高分子電解質膜とを備える膜−電極構造体であって、
   該触媒層は、該固体高分子電解質膜の外周縁よりも内周側に位置し、少なくとも一方の電極のガス拡散層は、該固体高分子電解質膜を被覆すると共に、外周縁に全周に亘って設けられた接着剤層を介して該固体高分子電解質膜に接着されている膜−電極構造体の製造方法において、
   前記１対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を押圧して前記接着剤層を硬化させて膜−電極構造体を形成する第１の押圧工程と、
   前記第１の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧して該膜−電極構造体を所定の厚さに成形する第２の押圧工程とを備えることを特徴とする膜−電極構造体の製造方法。
2. 請求項１記載の膜−電極構造体の製造方法において、前記第１の押圧工程は、０．１５〜０．７５ＭＰａの範囲の圧力で行うと共に、前記第２の押圧工程は、１．５〜４．５ＭＰａの範囲の圧力で行うことを特徴とする膜−電極構造体の製造方法。

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