JP2014235924A - 固体高分子型燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的に、固体高分子電解質膜に集中荷重が付与されることを抑制するとともに、量産に適することができる。【解決手段】開口部の開口面積が異なる第１マスクフィルム６４及び第２マスクフィルム６６を基材６０上に設ける工程と、前記第１マスクフィルム６４及び前記第２マスクフィルム６６の前記開口部から前記基材６０に触媒層用ペーストを塗布する工程と、前記第１マスクフィルム６４及び前記第２マスクフィルム６６を、前記基材６０から順次又は同時に除去するとともに、該基材６０に電極触媒層が形成された電極シートを得る工程と、前記電極触媒層を前記基材６０から固体高分子電解質膜１８に転写する工程と、を有する。【選択図】図９

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第２電極が、それぞれ配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池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一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・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。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

通常、アノード電極及びカソード電極は、固体高分子電解質膜の各面に設けられる電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを有している。電極触媒層は、例えば、白金粒子等の金属粒子を担持した触媒担体（カーボンブラック等）がイオン導伝性バインダを介して結合一体化されて構成されている。一方、ガス拡散層は、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロスから形成されている。

ＭＥＡは、例えば、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が塗布された後、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーで形成されたガス拡散層が、プレスにより一体化されている。その際、プレス圧力及び熱により、特に電極触媒層の端部に集中荷重が作用し、前記端部が固体高分子電解質膜内に入り込んでしまうおそれがある。これにより、固体高分子電解質膜の厚さが減少するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、電極触媒層の端部には、固体高分子電解質膜に対向する面とは反対の面が前記固体高分子電解質膜側に向かって傾斜することにより、厚さ方向の寸法が小さくなる先細り形状部が設けられている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池の製造方法が知られている。この製造方法は、電解質膜の端部に、枠型形状のマスク部材を配設するマスク工程と、当該マスク工程後に、マスク部材の上方から電解質膜の積層面に触媒成分を吹き付けて触媒層を形成する触媒層形成工程とを含んでいる。そして、マスク部材の内側面は、電解質膜の積層面に対して鋭角に形成されている。

特開２０１１−１３８６５７号公報 特開２００７−５９３４０号公報

上記の特許文献１に記載された技術では、電極触媒層の端部を傾斜させるために、例えば、トリミング加工を行っている。このため、加工作業が煩雑化するとともに、所望の先細り形状を効率的に形成することができないおそれがある。

一方、上記の特許文献２では、マスク部材の内側面が電解質膜の積層面に対して鋭角に形成されている。しかしながら、電極触媒層自体が相当に薄肉形状を有しており、マスク部材の内側面に所望のテーパ形状を形成することができないとい問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、固体高分子電解質膜に集中荷重が付与されることを抑制するとともに、量産に適した固体高分子型燃料電池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電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第２電極が、それぞれ配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池の製造方法に関するものである。

この製造方法は、それぞれ開口部の開口面積が異なる２以上のマスクを用意し、前記２以上のマスクを基材上に設ける工程と、前記２以上のマスクの前記開口部から前記基材に触媒層用ペーストを塗布する工程と、前記２以上のマスクを、前記基材から順次又は同時に除去するとともに、該基材に電極触媒層が形成された電極シートを得る工程と、前記電極触媒層を前記基材から固体高分子電解質膜に転写する工程と、を有している。

さらにまた、この製造方法では、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が転写された後、各電極触媒層に対してガス拡散層を積層して第１電極及び第２電極が設けられた電解質膜・電極構造体を得る工程を有することが好ましい。

本発明によれば、それぞれ開口部の開口面積が異なる２以上のマスクを用い、前記開口部から基材に触媒層用ペーストを塗布している。従って、触媒が完全に乾燥する前に最外方のマスクを剥がすと、前記触媒の角部が傾斜するとともに、他方のマスクは、例えば、ロール巻き取り時に前記触媒の擦れによる欠落を防止することができる。一方、触媒が完全に乾燥した後に全てのマスクを同時に剥がしても、触媒の端部の厚さを段階的に薄く形成することが可能になる。

これにより、簡単且つ経済的に、固体高分子電解質膜に集中荷重が付与されることを抑制するとともに、量産に適するという効果が得られる。

本発明の実施形態に係る製造方法が適用される固体高分子型燃料電池の要部分解斜視図である。 前記固体高分子型燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の積層方向に沿う要部拡大断面図である。 第１電極触媒層（又は第２電極触媒層）の平面図である。 前記固体高分子型燃料電池の、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記製造方法において、基材にマスクフィルムを貼り付ける際の説明図である。 図５の動作を説明する側面説明図である。 マスク付き基材に触媒層用ペーストを塗布する際の説明図である。 図７の動作を説明する側面説明図である。 固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を転写する際の説明図である。 触媒層用ペーストの両面にガス拡散層を一体化する際の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る製造方法が適用される固体高分子型燃料電池１０は、水平方向（矢印Ｘ方向）又は鉛直方向（矢印Ｚ方向）に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持するアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とを備える。アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ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。

電解質膜・電極構造体１２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を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２とを備える。固体高分子電解質膜１８は、アノード電極２０及びカソード電極２２よりも大きな平面寸法に設定される。なお、固体高分子電解質膜１８は、アノード電極２０及びカソード電極２２と同一の平面寸法に設定してもよく、又は、前記アノード電極２０と前記カソード電極２２とを異なる平面寸法に設定してもよい。

図２に示すように、アノード電極２０は、第１ガス拡散層２４と、前記第１ガス拡散層２４と固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａとの間に配置される第１電極触媒層２６とを有する。カソード電極２２は、第２ガス拡散層２８と、前記第２ガス拡散層２８と固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂとの間に配置される第２電極触媒層３０とを有する。

第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２８は、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロスからなる。第１電極触媒層２６及び第２電極触媒層３０は、例えば、白金粒子等の触媒を担持した触媒担体（カーボンブラック等）がイオン導伝性バインダを介して結合一体化されることにより形成される。

第１電極触媒層２６の外周端部の位置と第２電極触媒層３０の外周端部の位置とは、積層方向（矢印Ｘ方向）に対し互いに長さＳだけずれて設定される。本実施形態では、第１電極触媒層２６の平面寸法が第２電極触媒層３０の平面寸法よりも大きな寸法に設定される。

第１電極触媒層２６の外周を周回する端部２６ａ及び第２電極触媒層３０の外周を周回する端部３０ａは、それぞれ固体高分子電解質膜１８側に向かって先細り形状に構成される。

具体的には、第１電極触媒層２６の端部２６ａは、固体高分子電解質膜１８とは反対側の端面が前記固体高分子電解質膜１８の厚さ方向に向って階段状に厚さが小さくなるように形成される（図２及び図３参照）。第２電極触媒層３０の端部３０ａは、固体高分子電解質膜１８とは反対側の端面が前記固体高分子電解質膜１８の厚さ方向に向って階段状に厚さが小さくなるように形成される。

各端部２６ａ、３０ａは、それぞれ先細り形状を有しているが、段差を有することもできる。第１電極触媒層２６の端部２６ａ及び第２電極触媒層３０の端部３０ａは、第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２８により囲繞される。なお、端部２６ａ及び３０ａは、第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２８より外方に伸びていてもよい。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｙ方向（矢印Ｘ方向に交差する水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｘ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３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａ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３６ｂが、矢印Ｚ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｙ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３６ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂ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３２ｂが、矢印Ｚ方向に配列して設けられる。

図１及び図４に示すように、カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３２ａと酸化剤ガス出口連通孔３２ｂとに連通する酸化剤ガス流路３８が設けられる。

アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３６ａと燃料ガス出口連通孔３６ｂとに連通する燃料ガス流路４０が形成される。アノード側セパレータ１４の面１４ｂとカソード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路４２が形成される。

図１に示すように、アノード側セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３６ａを燃料ガス流路４０に連通する供給孔部４４と、前記燃料ガス流路４０を燃料ガス出口連通孔３６ｂに連通する排出孔部４６とが形成される。

図１及び図４に示すように、アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４８が一体化される。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材５０が一体化される。

第１シール部材４８及び第２シール部材５０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。

このように構成される燃料電池１０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３２ａ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３６ａ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３４ａ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３２ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３８に導入され、矢印Ｙ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３６ａから供給孔部４４を通ってアノード側セパレータ１４の燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｙ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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２２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３２ｂに沿って矢印Ｘ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４６を通り燃料ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ｘ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｙ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂから排出される。

次に、本発明に係る燃料電池１０の製造方法について、以下に説明する。

先ず、図５に示すように、例えば、ポリテトラフルオロエチレン製のシートからなる基材６０が巻回された基材ロール６０Ｒが用意される。一方、一対のマスクフィルムロール６２Ｒが用意される。マスクフィルムロール６２Ｒは、第１マスクフィルム６４と第２マスクフィルム６６とが一体に又は離脱自在に接合される。

図５及び図６に示すように、第１マスクフィルム６４には、第１開口部６４ａが形成されるとともに、第２マスクフィルム６６には、第２開口部６６ａが形成される。第１開口部６４ａは、第２開口部６６ａよりも小さな開口寸法に設定される。第１マスクフィルム６４と第２マスクフィルム６６は、同一の厚さに設定されているが、端部２６ａ、３０ａの先細りの程度に応じてそれぞれの厚さを変えてもよい。なお、マスクフィルムロール６２Ｒは、それぞれ開口部の開口面積が異なる３以上のマスクフィルムにより構成してもよい。

一方のマスクフィルムロール６２Ｒでは、第１開口部６４ａと第２開口部６６ａとが重なり合って第１電極触媒層２６に対応する形状が形成される。他方のマスクフィルムロール６２Ｒでは、第１開口部６４ａと第２開口部６６ａとが重なり合って第２電極触媒層３０に対応する形状が形成される。第１電極触媒層２６には、端部２６ａに対応する段差部が設けられるとともに、第２電極触媒層３０には、端部３０ａに対応する段差部が設けられる。なお、アノード電極２０側の第１電極触媒層２６は、カソード電極２２側の第２電極触媒層３０よりも薄いため、マスクフィルムロール６２Ｒの厚さも、アノード側とカソード側とでは異なる厚さに設定される。

そこで、基材ロール６０Ｒから基材６０が巻き戻されるとともに、マスクフィルムロール６２Ｒが巻き戻されて第１マスクフィルム６４及び第２マスクフィルム６６が矢印方向に一体に繰り出される。その際、第２マスクフィルム６６側が、基材６０に貼り付けられるため、巻き取られてマスク付き基材ロール６８が得られる（図５参照）。

次いで、図７及び図８に示すように、マスク付き基材ロール６８が巻き戻されるとともに、触媒層用ペースト７０がダイ７２により第１開口部６４ａ及び第２開口部６６ａに一体に塗布される。この塗布方法としては、ダイ７２の他に、スクリーン印刷やインクジェット、ブレードコーター等が挙げられる。

触媒層用ペースト７０は、白金粒子等の触媒粒子を担持した触媒担体（カーボンブラック等）粒子が添加された溶媒に対し、イオン伝導性高分子バインダとなるポリマー溶液を混合することによって調製することができる。触媒層用ペースト７０は、触媒粒子（白金粒子等）が所定量となるように塗布される。

触媒層用ペースト７０が塗布された後に、前記触媒層用ペースト７０に対する熱処理（例えば、ヒータや熱風）が施される。この熱処理によって触媒層用ペースト７０が乾燥して固化物となり、第１電極触媒層２６が形成された第１電極シートロール７４と、第２電極触媒層３０が形成された第２電極シートロール７６とが得られる（図７参照）。

さらに、図９に示すように、固体高分子電解質膜１８が巻回されたＰＥＭロール１８Ｒが用意され、前記ＰＥＭロール１８Ｒから前記固体高分子電解質膜１８が繰り出される。固体高分子電解質膜１８の両面側には、第１電極シートロール７４と第２電極シートロール７６とが配置され、それぞれ第１マスクフィルム６４及び第２マスクフィルム６６が剥離されて各マスクフィルムロール６２Ｒが巻き取られる。

第１マスクフィルム６４及び第２マスクフィルム６６が剥離された第１電極触媒層２６と第２電極触媒層３０とは、転写用ローラ対７８ａ、７８ｂを介して固体高分子電解質膜１８に転写される。そして、各基材ロール６０Ｒが巻き取られることにより、両面に第１電極触媒層２６と第２電極触媒層３０とが設けられた電解質膜シート（所謂、ＣＣＭ）８０が得られる。電解質膜シート８０が巻回されることにより、電解質膜シートロール８０Ｒが形成される。

図１０に示すように、電解質膜シートロール８０Ｒの両側には、第１ガス拡散層２４が巻回された第１ガス拡散層ロール２４Ｒと、第２ガス拡散層２８が巻回された第２ガス拡散層ロール２８Ｒとが配置される。電解質膜シートロール８０Ｒから電解質膜シート８０が繰り出される一方、第１ガス拡散層ロール２４Ｒ及び第２ガス拡散層ロール２８Ｒからそれぞれシート状の第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２８が繰り出される。

第１ガス拡散層２４及び第２ガス拡散層２８は、一体化用ローラ対８２ａ、８２ｂを介して加熱と加圧とを行うことにより、電解質膜シート８０の両面に一体化される。その際、第１電極触媒層２６の段差部が加熱及び加圧されて変形し、先細り形状の端部２６ａが形成される。一方、第２電極触媒層３０の段差部が加熱及び加圧されて変形し、先細り形状の端部３０ａが形成される。そして、カッター８４により切断されることにより、電解質膜・電極構造体１２が製造される。

この場合、本実施形態では、開口面積が異なる第１開口部６４ａと第２開口部６６ａとを有する２つ（又は３つ以上）の第１マスクフィルム６４と第２マスクフィルム６６とが用いられている。そして、第１開口部６４ａ及び第２開口部６６ａから基材６０に触媒層用ペースト７０が塗布されている。

従って、触媒層用ペースト７０が完全に乾燥しない状態で、第１マスクフィルム６４のみを剥がすことも可能である。第１マスクフィルム６４が剥がされることにより、電極触媒層のエッジ部位が傾斜するとともに、第２マスクフィルム６６は、巻き取り時の前記電極触媒層の擦れによる欠落を抑制することができる。一方、触媒層用ペースト７０が完全に乾燥した後に、第１マスクフィルム６４及び第２マスクフィルム６６を同時に剥がしても、電極触媒層の端部の厚さを段階的に薄く形成することが可能になる。

これにより、本実施形態では、簡単且つ経済的に、固体高分子電解質膜１８に集中荷重が付与されることを抑制するとともに、量産に適するという効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極 ２２…カソード電極
２４、２８…ガス拡散層 ２６、３０…電極触媒層
２６ａ、３０ａ…端部 ３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６ａ…燃料ガス入口連通孔
３６ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３８…酸化剤ガス流路
４０…燃料ガス流路 ４２…冷却媒体流路
６０…基材 ６２Ｒ…マスクフィルムロール
６４、６６…マスクフィルム ６４ａ、６６ａ…開口部
７０…触媒層用ペースト ７４、７６…電極シートロール
８０…電解質膜シート

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に第１電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第２電極が、それぞれ配設される電解質膜・電極構造体を有する固体高分子型燃料電池の製造方法であって、
   それぞれ開口部の開口面積が異なる２以上のマスクを用意し、前記２以上のマスクを基材上に設ける工程と、
   前記２以上のマスクの前記開口部から前記基材に触媒層用ペーストを塗布する工程と、
   前記２以上のマスクを、前記基材から順次又は同時に除去するとともに、該基材に電極触媒層が形成された電極シートを得る工程と、
   前記電極触媒層を前記基材から前記固体高分子電解質膜に転写する工程と、
   を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前記固体高分子電解質膜の両面に前記電極触媒層が転写された後、各電極触媒層に対してガス拡散層を積層して前記第１電極及び前記第２電極が設けられた前記電解質膜・電極構造体を得る工程を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。

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