JP2016143468A - 燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜に毛羽が刺さることを可及的に抑制することができ、所望の耐久性を確保することを可能にする。【解決手段】本発明の製造方法では、カーボンペーパー４６を、一対の弾性ロール４８ａ、４８ｂ間に圧入することにより、前記カーボンペーパー４６の表面の毛羽を除去する工程を有している。この製造方法では、毛羽が除去されたカーボンペーパー４６からガス拡散層を形成し、前記ガス拡散層を固体高分子電解質膜及び触媒層と一体化することにより、電解質膜・電極構造体を製造する工程を有している。【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両方の面に電極が設けられた燃料電池用電解質膜・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、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）がイオン導電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、反応ガスの供給、生成水の排出及び導電性の観点から、例えば、カーボンペーパーから形成されている。

カーボンペーパーは、多孔質カーボン繊維からなるため、表面にカーボン繊維の毛羽立ちが発生し易い。このため、電極触媒層を介して固体高分子電解質膜にカーボン繊維が突き刺さり、反応ガスのクロスリークや電極間でのマイクロショートが発生するおそれがある。

そこで、固体高分子電解質膜のダメージを低減することを目的として、例えば、特許文献１に開示されている多孔質炭素電極基材の製造方法が知られている。この製造方法では、炭素短繊維を炭素により結着した、嵩密度が０．２７ｇ／ｃｍ³以下の炭素シートを平滑な金属面で挟む加圧手段で０．５ＭＰａ〜２ＭＰａの圧力で加圧することを特徴としている。そして、平滑な金属面で挟む加圧手段は、バッチプレス装置や連続式ロールプレスであることを特徴としている。

特許第５３１１５３８号公報

上記のバッチプレス装置では、金属平板でカーボンペーパー全体を押圧することにより、毛羽を前記カーボンペーパーの内部に押し込めている。しかしながら、カーボンペーパーの厚さには、ある程度のばらつきが存在している。このため、金属平板が使用されると、厚さの大きな部分に荷重が集中するおそれがある。従って、毛羽の無い通常部に繊維の折れが発生し易く、剛性の変化（低下）が大きくなってしまう。しかも、処理作業が煩雑化するとともに、設備費が高騰するという問題がある。

一方、金属ロールを用いた連続式ロールプレスでは、カーボンペーパーの厚さのばらつきに対応する際、厚さの大きな部分には、他の部分よりもかなり大きな荷重が作用している。これにより、厚さの大きな部分では、繊維の過剰な折れが惹起し易くなり、剛性が低下するという問題がある。しかも、所望の挟持力（拘束力）が付与されず、固体高分子電解質膜の膨潤収縮を抑制する効果が低減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、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜に毛羽が刺さることを可及的に抑制することができ、所望の耐久性を確保することが可能な燃料電池用電解質膜・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両方の面に、それぞれ触媒層及びガス拡散層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。この製造方法では、カーボンペーパーを、一対の弾性ロール間に圧入することにより、前記カーボンペーパーの表面の毛羽を除去する工程を有している。この製造方法では、毛羽が除去されたカーボンペーパーからガス拡散層を形成し、前記ガス拡散層を固体高分子電解質膜及び触媒層と一体化することにより、電解質膜・電極構造体を製造する工程を有している。

また、この製造方法では、弾性ロールは、デュロメーター硬さがＤ５０〜Ｄ８５の範囲内の材料で形成されることが好ましい。

本発明によれば、カーボンペーパーは、一対の弾性ロール間に圧入されることにより、前記カーボンペーパーの表面の毛羽が除去されている。その際、弾性ロールは、カーボンペーパーの厚さのばらつきに追随して弾性変形することができ、前記カーボンペーパーに均一な荷重を付与することが可能になる。従って、カーボンペーパーには、均等な圧力がかかるため、カーボン繊維が必要以上に折れることがなく、前記カーボンペーパーの剛性を有効に保持することができる。

しかも、カーボンペーパーの厚さを計測する必要がなく、前記カーボンペーパーに均等に圧力をかけることが可能になる。これにより、生産効率が向上するとともに、コストの削減が容易に図られる。このため、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜に毛羽が刺さることを可及的に抑制することができ、所望の耐久性を確保することが可能になる。

本発明に係る製造方法が適用される燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 弾性ロールによりカーボンペーパーの毛羽取りを行う際の説明図である。 固体高分子電解質膜にアノード電極シート及びカソード電極シートを配置する際の説明図である。 固体高分子電解質膜にガス拡散層を配置する際の説明図である。 電解質膜・電極構造体の拡大説明図である。 突き破り荷重を計測する際の説明図である。 弾性ロールの素材と硬さ及び効果の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る製造方法が適用される燃料電池１０は、膜・触媒層構造体（ＣＣＭ）（Ｃａｔａｌｙｓｔ・Ｃｏａｔｅｄ・Ｍｅｍｂｒａｎｅ）１２を有する電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１４を備える。電解質膜・電極構造体１４は、カソードセパレータ１６及びアノードセパレータ１８に挟持されて矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に積層される。

燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、複数の前記燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックを構成するとともに、図示しない燃料電池電気自動車等に搭載される。なお、燃料電池１０は、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に積層してもよい。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（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、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔２０ａ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２２ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔２４ｂ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２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０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、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔２２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソードセパレータ１６及びアノードセパレータ１８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、チタン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で構成される。カソードセパレータ１６及びアノードセパレータ１８は、金属材料に代えて、例えば、カーボン部材等で構成してもよい。

カソードセパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝を有する。酸化剤ガス流路２６と酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとは、連結通路部２８ａ、２８ｂを介して連通する。

アノードセパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路３０が設けられる。燃料ガス流路３０は、酸化剤ガス流路２６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝を有する。燃料ガス流路３０と燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂとは、連結通路部３２ａ、３２ｂを介して連通する。

カソードセパレータ１６とアノードセパレータ１８とは、互いに対向する面１６ｂ、１８ｂ間に冷却媒体流路３４を一体的に形成する。冷却媒体流路３４と冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂとは、連結通路部３４ａ、３４ｂを介して連通する。

カソードセパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソードセパレータ１６の外周縁部を周回して第１シール部材３６が一体的又は個別に設けられる。アノードセパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノードセパレータ１８の外周縁部を周回して第２シール部材３８が一体的又は個別に設けられる。

第１シール部材３６及び第２シール部材３８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２に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４４とを備える。固体高分子電解質膜４０は、カソード電極４２及びアノード電極４４の外周端部よりも外方に突出する。

図１に示すように、固体高分子電解質膜４０には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂが形成される。

図２に示すように、カソード電極４２は、固体高分子電解質膜４０の一方の面４０ａに形成される第１電極触媒層（触媒層）４２ａと、前記第１電極触媒層４２ａに固着される第１ガス拡散層４２ｂとを有する。アノード電極４４は、固体高分子電解質膜４０の他方の面４０ｂに形成される第２電極触媒層（触媒層）４４ａと、前記第２電極触媒層４４ａに固着される第２ガス拡散層４４ｂとを有する。

第１電極触媒層４２ａ及び第２電極触媒層４４ａ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）がイオン導電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４２ａの平面寸法（外形寸法）と第２電極触媒層４４ａの平面寸法とは、同一寸法であってもよく、また、互いに異なる寸法であってもよい。

第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂは、カーボンペーパー又はこれにカーボン粉末やイオン導電性バインダからなるマイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）を塗布したものから構成される。第１ガス拡散層４２ｂの平面寸法と第２ガス拡散層４４ｂの平面寸法とは、同一寸法であってもよく、また、互いに異なる寸法であってもよい。第１電極触媒層４２ａの平面寸法と第１ガス拡散層４２ｂの平面寸法とは、同一寸法に設定されるが、異なる寸法であってもよい。第２電極触媒層４４ａの平面寸法と第２ガス拡散層４４ｂの平面寸法とは、同一寸法に設定されるが、異なる寸法であってもよい。

固体高分子電解質膜４０に第１電極触媒層４２ａ及び第２電極触媒層４４ａが設けられることにより、膜・触媒層構造体１２が形成される。膜・触媒層構造体１２に第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂが設けられることにより、電解質膜・電極構造体１４が形成される。

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。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ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２４ａ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２２ａ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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａからカソードセパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１４のカソード電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａからアノードセパレータ１８の燃料ガス流路３０に導入される。この燃料ガス流路３０では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１４のアノード電極４４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、図２に示すように、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層４２ａ及び第２電極触媒層４４ａ内で電気化学反応により消費される。これにより、燃料電池１０の発電が行われる。

次いで、図１に示すように、カソード電極４２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２０ｂに排出される。同様に、アノード電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、カソードセパレータ１６とアノードセパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路３４に導入される。この冷却媒体流路３４では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。

次に、本発明の実施形態に係る膜・触媒層構造体１２の製造方法について、以下に説明する。

先ず、図３に示すように、カーボンペーパー４６が用意される。カーボンペーパー４６は、例えば、炭素繊維と炭素の複合材料（東レ製カーボンペーパー ＴＧＰ−Ｈ−０６０）からなり、前記カーボンペーパー４６は、２本の弾性ロール４８ａ、４８ｂによりプレス処理される。弾性ロール４８ａ、４８ｂは、それぞれシリコーンロール（デュロメーター硬さがＤ５０）であり、線圧１．２Ｎ／ｍｍ²、送り速度１．０ｍ／ｍｉｎ、温度２３℃及び湿度５０％の条件下で、プレス処理が行われる。

プレス処理が施されたカーボンペーパー４６は、エアーブローによりそれぞれ一方の面から他方の面に対して毛羽の除去を行った後、水槽内を通し、再度、エアーブローが行われる。このため、カーボンペーパー４６から折れたカーボン繊維が除去される。なお、エアーブローに代えて、静電吸着や溶媒浸漬等の他の手段により、毛羽の除去を行ってもよい。

次いで、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子とを混合して得られた混合物を、エチレングリコールに均一に分散させたスラリーを生成する。このスラリーを、カーボンペーパー４６の平坦面に塗布し、１００℃以下で１０分間だけ乾燥させて下地層を形成し、第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂが形成される。

一方、ＮＰＡ（ノルマルプロピルアルコール）と水の溶媒を、カソード触媒に加えた後、イオン導電性高分子バインダー溶液としてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物溶液を、投入する。さらに、所定のインク粘土になるまで、上記の溶媒を混ぜた後、遊星ボールミルにより均一化してカソード電極インク５０ａが作製される（図４参照）。そして、カソード電極インク５０ａは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム５０ｂ上に塗工され、加熱及び乾燥処理を施してカソード電極シート５０が形成される。

また、ＮＰＡと水の溶媒を、アノード触媒に加えた後、イオン導電性高分子バインダー溶液としてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物溶液を、投入する。さらに、所定のインク粘土になるまで、上記の溶媒を混ぜた後、遊星ボールミルにより均一化してアノード電極インク５２ａが作製される（図４参照）。

その後、アノード電極インク５２ａは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム５２ｂ上に塗工され、加熱及び乾燥処理を施してアノード電極シート５２が形成される。

次に、図４に示すように、固体高分子電解質膜４０は、カソード電極シート５０及びアノード電極シート５２に挟持される。固体高分子電解質膜４０の面４０ａ側には、カソード電極インク５０ａが対向する一方、前記固体高分子電解質膜４０の面４０ｂ側には、アノード電極インク５２ａが対向する。この積層体には、ホットプレス処理が行われた後、ポリエチレンテレフタレートフィルム５０ｂ、５２ｂが剥がされる。これにより、固体高分子電解質膜４０の面４０ａと４０ｂに、第１電極触媒層４２ａと第２電極触媒層４４ａが設けられた膜・触媒層構造体１２が得られる（図５参照）。

膜・触媒層構造体１２では、固体高分子電解質膜４０には、第１電極触媒層４２ａに下地層を対向させて第１ガス拡散層４２ｂが配置されるとともに、第２電極触媒層４４ａに下地層を対向させて第２ガス拡散層４４ｂが配置される。この積層体は、ホットプレス処理が行われることにより一体化し、電解質膜・電極構造体１４が製造される。

この場合、図６に示すように、電解質膜・電極構造体１４では、第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂは、多数のカーボン繊維５４を有している。その際、繊維端５４ｅが固体高分子電解質膜４０に突き刺さるように配置される毛羽立ち繊維５４ａが存在している。

ここで、本実施形態では、図３に示すように、カーボンペーパー４６は、所望の素材で形成された一対の弾性ロール４８ａ、４８ｂ間に圧入されることにより、前記カーボンペーパー４６の表面の毛羽を除去する作業が行われている。

具体的には、弾性ロール４８ａ、４８ｂとして種々の素材を採用し、前記弾性ロール４８ａ、４８ｂによる毛羽取り処理後に、固体高分子電解質膜４０が突き破られる荷重（毛羽立ちによるＰＥＭ突き破り荷重）を測定する実験を行った。この実験では、図７に示すように、電解質膜・電極構造体１４には、荷重検出器５６が接続されている。そして、電解質膜・電極構造体１４には、増加するプレス荷重が付与されており、導通が発生した時の荷重が検出された。

その結果が、図８に示されている。これにより、弾性ロール４８ａ、４８ｂは、デュロメーター硬さがＤ５０〜Ｄ８５の範囲内である素材が使用されると、毛羽取り効果が得られた。しかも、デュロメーター硬さがＤ５０〜Ｄ８５の範囲内である弾性ロール４８ａ、４８ｂは、カーボンペーパー４６の厚さのばらつきに追随して弾性変形することができ、前記カーボンペーパー４６に均一な荷重を付与することが可能になった。

これに対して、デュロメーター硬さがＤ４０の軟質塩化ビニールでは、所望の毛羽取り効果が得られなかった。また、ステンレス製ロールでは、カーボンペーパー４６の厚さのばらつきに追随することができず、短絡が発生するという問題があった。

従って、本実施形態では、カーボンペーパー４６には、均等な圧力がかかるため、カーボン繊維５４が必要以上に折れることがなく、前記カーボンペーパー４６の剛性を保持することができる。

さらに、カーボンペーパー４６の厚さを計測する必要がなく、前記カーボンペーパー４６に均等に圧力をかけることが可能になる。これにより、生産効率が向上するとともに、コストの削減が容易に図られる。このため、簡単且つ経済的な構成で、固体高分子電解質膜４０に毛羽が刺さることを可及的に抑制することができ、所望の耐久性を確保することが可能になる。

１０…燃料電池 １２…膜・触媒層構造体
１４…電解質膜・電極構造体 １６…カソードセパレータ
１８…アノードセパレータ ２６…酸化剤ガス流路
３０…燃料ガス流路 ３４…冷却媒体流路
４０…固体高分子電解質膜 ４２…カソード電極
４２ａ、４４ａ…電極触媒層 ４２ｂ、４４ｂ…ガス拡散層
４４…アノード電極

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の両方の面に、それぞれ触媒層及びガス拡散層が設けられる燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   カーボンペーパーを、一対の弾性ロール間に圧入することにより、前記カーボンペーパーの表面の毛羽を除去する工程と、
   前記毛羽が除去された前記カーボンペーパーから前記ガス拡散層を形成し、前記ガス拡散層を前記固体高分子電解質膜及び前記触媒層と一体化することにより、前記電解質膜・電極構造体を製造する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前記弾性ロールは、デュロメーター硬さがＤ５０〜Ｄ８５の範囲内の材料で形成されることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。

Images