JP2013258096A - 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で、固体高分子電解質膜へのダメージを良好に抑制して組み付けることを可能にする。
【解決手段】樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の製造方法は、触媒付き電解質膜を形成する工程と、第２ガス拡散層２２ｂよりも平面寸法の大きな接着シートの内周縁部を、前記第２ガス拡散層２２ｂの外周縁部に含浸させて接着シート付き第２ガス拡散層を形成する工程と、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａに、前記接着シート付き第２ガス拡散層、前記触媒付き電解質膜及び第１ガス拡散層２０ｂの順に積層して積層体を得る工程と、前記積層体を一体化させる工程とを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、段差ＭＥＡと樹脂製枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂製枠部材を組み込んだ枠付きＭＥＡが採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体が知られている。この電解質膜−電極接合体では、図７に示すように、膜１の一方の側には、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層２ｂとが配置されるとともに、前記膜１の他方の側には、カソード触媒層３ａとカソードガス拡散層３ｂとが配置されて段差ＭＥＡ４が構成されている。

アノードガス拡散層２ｂは、カソードガス拡散層３ｂよりも大きな面積に設定されており、前記カソードガス拡散層３ｂ側の膜１の外周部とガスケット構造体５とは、接着層６を介して接合されている。

特開２００７−６６７６６号公報

ところで、上記の特許文献１では、面積の小さなカソードガス拡散層３ｂの外周角部３ｂｅ及びガスケット構造体５の内周端角部５ａは、膜１上に配置されている。このため、段差ＭＥＡ４とガスケット構造体５とを、互いに位置決め配置する際、又は、運転時に電解質膜−電極接合体に荷重が付与される際、カソードガス拡散層３ｂの外周角部３ｂｅ及びガスケット構造体５の内周端角部５ａは、膜１に押し込まれるおそれがある。従って、膜１の厚さが減少する等のダメージが発生してしまい、前記膜１の耐久性が低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、固体高分子電解質膜へのダメージを良好に抑制して組み付けることが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し薄肉状に形成されて前記第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられる樹脂製枠部材と、を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。

この製造方法は、固体高分子電解質膜の一方の面に第１触媒層を設け、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第２触媒層を設けて触媒付き電解質膜を形成する工程と、第２ガス拡散層よりも平面寸法の大きな額縁形状の接着シートを作成し、前記接着シートの内周縁部を前記第２ガス拡散層の外周縁部に含浸させて接着シート付き第２ガス拡散層を形成する工程と、樹脂製枠部材の内周突部に、前記接着シート付き第２ガス拡散層、前記触媒付き電解質膜及び前記第１ガス拡散層の順に積層して積層体を得る工程と、前記積層体をホットプレスにより一体化させて樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得る工程と、を有している。

本発明によれば、接着シートは、第２ガス拡散層よりも平面寸法が大きく設定されている。従って、接着シートは、樹脂製枠部材と触媒付き電解質膜とを接合する接着剤として使用されるため、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造工程が簡素化されるとともに、組み付け精度が良好に向上する。

しかも、樹脂製枠部材の内周突部の内側角部及び第２ガス拡散層の外周端角部は、直接、固体高分子電解質膜の面に接することがない。これにより、内周突部の内側角部や第２ガス拡散層の外周端角部は、固体高分子電解質膜に押し込まれることがなく、簡単な工程で、固体高分子電解質膜へのダメージを良好に抑制することが可能になる。

本発明の実施形態に係る製造方法により製造される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のアノード電極側の正面説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造する方法の説明図である。 特許文献１に開示された電解質膜−電極接合体の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る製造方法により製造される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。燃料電池１２は、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。

燃料電池１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、電解質膜・電極構造体１０ａを備える。電解質膜・電極構造体１０ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極（第１電極）２０及びアノード電極（第２電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２０よりも小さな平面寸法（表面積）を有する。なお、カソード電極２０は、アノード電極２２よりも小さな平面寸法（表面積）を有していてもよい。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、アノード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

カソード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層（第１触媒層）２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを有する。第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとは、同一の平面寸法に設定される。

アノード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層（第２触媒層）２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを有する。第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定される。第１電極触媒層２０ａは、第２電極触媒層２２ａよりも大きな平面寸法を有しているが、前記第１電極触媒層２０ａと前記第２電極触媒層２２ａとは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む下地層をカーボンペーパに塗布して形成される。下地層は、カーボンペーパと同じ平面寸法に設定されている。なお、下地層は、必要に応じて設ければよい。第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法は、第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法よりも大きな寸法に設定される。

図１及び図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２２及びカソード電極２０に接合される樹脂製枠部材２４を備える。樹脂製枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。

樹脂製枠部材２４は、枠形状を有しており、段部を介して薄肉状に形成されてアノード電極２２の外周側に突出し、固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅに当接する内周突部２４ａを有する。固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅは、アノード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂの外周端から外方に延在する。

内周突部２４ａは、アノード電極２２と同一の肉厚Ｌ１を有する。固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２０の合計の厚さは、樹脂製枠部材２４の段部の厚さ（樹脂製枠部材２４全体の厚さから内周突部２４ａの厚さを引いた寸法）と同一の厚さＬ２に設定される。

固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ｂｅと樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａとの間には、接着層２６が設けられる。接着層２６は、後述するように、接着シートであるホットメルトシートｈｓにより構成される。ホットメルトシートｈｓは、加熱により溶融し、冷却により固化して接着力を得るシート状の接着剤である。

接着層２６は、アノード電極２２の第２ガス拡散層２２ｂの外周端縁部と重なり部位（積層方向に互いに重なり合う部位）２６ａを有するとともに、前記重なり部位２６ａは、前記第２ガス拡散層２２ｂと第２電極触媒層２２ａとの間に設けられる。図３に示すように、接着層２６は、内周突部２４ａの形状に倣って額縁形状を有する。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第２セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

第１セパレータ１４の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａに当接する第１凸状シール４２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第２凸状シール４２ｂに当接する面が平面を有する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を製造する製造方法について、以下に説明する。

先ず、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１０ａが作製される。具体的には、触媒と溶媒との混合物にイオン交換成分を投入し、均一に混合した電極インクを、ＰＥＴフィルムからなるＰＥＴシートにスクリーン印刷により塗工した電極シートを形成し、一対の前記電極シート間に固体高分子電解質膜１８を挟持してホットプレスを行う。

その後、ＰＥＴシートを剥がすことにより、図４に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂには、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａが形成される。これにより、触媒付き電解質膜（ＣＣＭ）５０が形成される。

また、第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂの製造工程では、前記第１ガス拡散層２０ｂに対応する大サイズのカーボンペーパ（以下、大ＣＰともいう）と、前記第２ガス拡散層２２ｂに対応する小サイズのカーボンペーパ（以下、小ＣＰともいう）とが作製される。

一方、図５に示すように、ホットメルトシートｈｓが、接着層２６の形状に対応して枠状に形成される。このホットメルトシートｈｓは、外周寸法が第２ガス拡散層２２ｂの外周寸法よりも大きな寸法を有し、且つ、内周寸法が前記第２ガス拡散層２２ｂの外周端角部２２ｂｅと重なり部を有する程度に設定される。

次に、小ＣＰにホットメルトシートｈｓが配置された状態で、ホットプレスされる。このため、小ＣＰの外周縁部にホットメルトシートｈｓの内周縁部が含浸されて、ホットメルトシートｈｓ付き小ＣＰが作製される。

さらに、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーが形成される。このスラリーは、大ＣＰ及びホットメルトシートｈｓ付き小ＣＰの電極触媒層側に塗布して乾燥されることにより、前記大ＣＰと下地層とからなる第１ガス拡散層２０ｂ及び前記ホットメルトシートｈｓ付き小ＣＰと下地層とからなる接着シート付き第２ガス拡散層２２ｂｓが作製される（図５参照）。

さらにまた、樹脂製枠部材２４は、金型（図示せず）を用いて射出成形することにより、予め成形される。図６に示すように、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａ上には、ホットメルトシートｈｓを反対側にした接着シート付き第２ガス拡散層２２ｂｓ、触媒付き電解質膜５０及び第１ガス拡散層２０ｂの順に積層して積層体５２が得られる。

さらに、積層体５２にホットプレスを行うことにより、ホットメルトシートｈｓが溶融して接着層２６が形成され、前記積層体５２が一体化して樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０が得られる。

この場合、本実施形態では、ホットメルトシートｈｓは、第２ガス拡散層２２ｂよりも平面寸法が大きく設定されている。従って、ホットメルトシートｈｓは、樹脂製枠部材２４と触媒付き電解質膜５０とを接合する接着剤（接着層２６）として使用されている。これにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０の製造工程が簡素化されるとともに、組み付け精度が良好に向上するという効果が得られる。

しかも、図２に示すように、樹脂製枠部材２４の内周突部２４ａの内側角部２４ａｅ及び第２ガス拡散層２２ｂの外周端角部２２ｂｅは、直接、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂに接することがない。このため、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を組み付ける際や燃料電池１２の運転時に荷重が付与される際に、内周突部２４ａの内側角部２４ａｅや第２ガス拡散層２２ｂの外周端角部２２ｂｅは、固体高分子電解質膜１８に押し込まれることがない。

従って、本実施形態では、接着層２６を用いるだけでよく、簡単な工程で、固体高分子電解質膜１８へのダメージを良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１０ａのカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１０ａのアノード電極２２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１０ａでは、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 １０ａ…電解質膜・電極構造体
１２…燃料電池 １４、１６…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 ２０…カソード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２２…アノード電極 ２２ｂｅ…外周端角部
２４…樹脂製枠部材 ２４ａ…内周突部
２４ａｅ…内側角部 ２６…接着層
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４…シール部材
５０…触媒付き電解質膜 ５２…積層体

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される電解質膜・電極構造体と、
   前記固体高分子電解質膜の外周を周回する枠形状を有しており、段部を介し薄肉状に形成されて前記第２ガス拡散層側に突出する内周突部が設けられる樹脂製枠部材と、
   を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   前記固体高分子電解質膜の一方の面に前記第１触媒層を設け、前記固体高分子電解質膜の他方の面に前記第２触媒層を設けて触媒付き電解質膜を形成する工程と、
   前記第２ガス拡散層よりも平面寸法の大きな額縁形状の接着シートを作成し、前記接着シートの内周縁部を前記第２ガス拡散層の外周縁部に含浸させて接着シート付き第２ガス拡散層を形成する工程と、
   前記樹脂製枠部材の前記内周突部に、前記接着シート付き第２ガス拡散層、前記触媒付き電解質膜及び前記第１ガス拡散層の順に積層して積層体を得る工程と、
   前記積層体をホットプレスにより一体化させて樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得る工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。

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