JP2015022858A - 固体高分子型燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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ことで、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。
【解決手段】転写シート６０の熱変形温度よりも低温の熱変形温度に設定されたマスクシート６２を用意し、前記マスクシート６２の開口部６４から前記転写シート６０に触媒層用ペースト７０が塗布される。マスクシート６２の熱変形温度以上で且つ転写シート６０の熱変形温度未満の乾燥温度で、触媒層用ペースト７０が乾燥された後、前記マスクシート６２が前記転写シート６０から除去される。さらに、触媒層用ペースト７０は、固体高分子電解質膜の両面に転写される。
【選択図】図７

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）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。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、転写シートの熱変形温度よりも低温の熱変形温度に設定されたマスクシートを用意し、前記転写シートに前記マスクシートを設ける工程を有している。この製造方法は、マスクシートの開口部から転写シートに触媒層用ペーストを塗布する工程を有している。この製造方法は、マスクシートの熱変形温度以上で且つ転写シートの熱変形温度未満の乾燥温度で、触媒層用ペーストを乾燥させる工程を有している。この製造方法は、マスクシートを転写シートから除去するとともに、ホットプレスにより触媒層用ペーストを固体高分子電解質膜の両面に転写する工程を有している。

また、この製造方法は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層用ペーストが転写されて電極触媒層が形成された後、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、転写シートの熱変形温度よりも低温の熱変形温度に設定されたマスクシートが用いられている。そして、マスクシートの開口部から転写シートに触媒層用ペーストが塗布された後、前記マスクシートの熱変形温度以上で且つ前記転写シートの熱変形温度未満の乾燥温度で、前記触媒層用ペーストが乾燥されている。

このため、触媒層用ペーストの乾燥処理時に、マスクシートが熱変形して収縮することにより、前記マスクシートの開口部が拡大される。従って、開口部に塗布されている触媒層用ペーストは、完全に乾燥する前に前記開口部の変形に伴って外方に広がるため、先細り形状の端部が得られる。

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・電極構造体の要部拡大断面図である。 第２電極触媒層側からの平面図である。 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、転写シートにマスクシート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。 マスク付き転写シートに触媒層用ペーストを塗布し、さらに乾燥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。 前記触媒層用ペーストの乾燥処理時、マスクシートの収縮による触媒層用ペーストの動作説明図である。 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。

図１及び図２に示すように、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。

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（図２及び図３参照）。図２に示すように、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Ｓ１だけずれて設定される。第２電極触媒層３０の先端位置と第１電極触媒層２６のテーパ開始部とは、積層方向に対して互いに長さＳ２だけずれて設定される。

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、全周に亘って先細り形状を有し、先端に向かって固体高分子電解質膜１８の厚さ方向に厚さが小さくなるように形成される。第２電極触媒層３０の端部３０ａは、全周に亘って先細り形状を有し、先端に向かって固体高分子電解質膜１８の厚さ方向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、段差形状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、矢印Ｘ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔３４ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３６ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂは、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、燃料ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３２ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３６ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３４ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３２ｂは、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及び図６に示すように、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のシートからなる転写シート６０を巻回し転写シートロール６０Ｒが用意される。また、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）製のシートからなるマスクシート６２を巻回した一対のマスクシートロール６２Ｒが用意される。マスクシート６２には、触媒層塗布用の開口部６４が形成されている。一方のマスクシートロール６２Ｒには、第１電極触媒層２６に対応する形状を有する開口部６４が設けられるとともに、他方のマスクシートロール６２Ｒには、第２電極触媒層３０に対応する形状を有する開口部６４が設けられる。

本実施形態では、マスクシート６２の熱変形温度は、転写シート６０の熱変形温度よりも低温に設定される。上記の場合、ＰＴＦＥの熱変形温度は、２４０℃であり、ＰＥの熱変形温度は、９０℃である。

なお、転写シート６０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）（熱変形温度が２４０℃）、ポリイミド（ＰＩ）（熱変形温度が２３０℃）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）（熱変形温度が２６０℃）又はフッ素樹脂（ＰＦＡ）（熱変形温度が２６０℃）を用いることができる。マスクシート６２は、ポリプロピレン（ＰＰ）（熱変形温度が１３０℃）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）（熱変形温度が８０℃）又はＥＶＡ樹脂（ＥＶＡＣ）（熱変形温度が９０℃）を用いることができる。

そこで、転写シートロール６０Ｒから転写シート６０が巻き戻されるとともに、マスクシートロール６２Ｒからマスクシート６２が巻き戻されて、矢印方向に繰り出される。従って、マスクシート６２は、転写シート６０に貼り付けられてマスク付き転写シート６８が形成され、前記マスク付き転写シート６８が巻き取られてマスク付き転写シートロール６８Ｒが得られる（図５参照）。

次いで、図７及び図８に示すように、マスク付き転写シートロール６８Ｒが巻き戻されてマスク付き転写シート６８が矢印方向に繰り出される。マスク付き転写シート６８では、触媒層用ペースト７０がダイ７２により開口部６４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）が所定の触媒塗布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、乾燥装置７３により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。この熱処理では、マスクシート６２の熱変形温度以上（好ましくは、マスクシート６２の熱変形温度よりも２０℃以上高い温度）で且つ転写シート６０の熱変形温度未満の乾燥温度に設定される。

この場合、本実施形態では、転写シート６０の熱変形温度よりも低温の熱変形温度に設定されたマスクシート６２が用いられている。そして、マスクシート６２の熱変形温度以上で且つ転写シート６０の熱変形温度未満の乾燥温度で、触媒層用ペースト７０が乾燥されている。

このため、触媒層用ペースト７０の乾燥処理時に、マスクシート６２は、熱変形して収縮することにより、前記マスクシート６２の開口部６４が拡大される。図９に示すように、開口部６４の端部６４ｅは、熱変形前の端部位置Ｐ１から熱変形後の端部位置Ｐ２に収縮移動する。従って、開口部６４に塗布されている触媒層用ペースト７０は、完全に乾燥する前に前記開口部６４の変形に伴って外方に広がるため、先細り形状部７０ａが得られる。

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る。これにより、第１電極触媒層２６が形成された第１電極シート７４と第２電極触媒層３０が形成された第２電極シート７６とが得られる。第１電極シート７４が巻回されて第１電極シートロール７４Ｒが形成される一方、第２電極シート７６が巻回されて第２電極シートロール７６Ｒが形成される（図７参照）。

さらに、図１０に示すように、固体高分子電解質膜１８を巻回した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７４Ｒと第２電極シートロール７６Ｒとが配置され、それぞれマスクシート６２が剥離されて各マスクシートロール６２Ｒに巻き取られる。

各マスクシート６２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、熱転写用ローラ対７８ａ、７８ｂを介して固体高分子電解質膜１８に熱転写（ホットプレス）される。そして、各転写シートロール６０Ｒに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１１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を巻回した第１ガス拡散層ロール２４Ｒと、第２ガス拡散層２８を巻回した第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の先細り形状部７０ａ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の先細り形状部７０ａ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、トムソン刃等のカッター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。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、第１電極触媒層２６の先端側に先細り形状の端部２６ａが形成される一方、第２電極触媒層３０の先端側に先細り形状の端部３０ａが形成されている。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、６４ｅ…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…転写シート ６２…マスクシート
６４…開口部 ６８…マスク付き転写シート
７０…触媒層用ペースト ７０ａ…先細り形状部
７３…乾燥装置 ７４、７６…電極シート
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、
   転写シートの熱変形温度よりも低温の熱変形温度に設定されたマスクシートを用意し、前記転写シートに前記マスクシートを設ける工程と、
   前記マスクシートの開口部から前記転写シートに触媒層用ペーストを塗布する工程と、
   前記マスクシートの前記熱変形温度以上で且つ前記転写シートの前記熱変形温度未満の乾燥温度で、前記触媒層用ペーストを乾燥させる工程と、
   前記マスクシートを前記転写シートから除去するとともに、ホットプレスにより前記触媒層用ペーストを前記固体高分子電解質膜の両面に転写する工程と、
   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触媒層用ペーストが転写されて電極触媒層が形成された後、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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