JP4350297B2 - 電解質膜・電極構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極を接合した電解質膜・電極構造体の製造方法に係り、特に、固体高分子電解質膜に皺等が発生しないようにした電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通常、固体高分子電解質膜の両面に電極を配設した電解質膜・電極構造体が、燃料電池、塩水の電解処理装置、あるいはオゾンの生成装置等に使用されている。例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極とを対設した電解質膜・電極構造体をセパレータによって扶持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【0003】
この種の燃料電池は、例えば、水素タンクから、あるいはメタノールの水蒸気改質により生成された水素ガス(燃料ガス)をアノード電極に供給するとともに、酸化剤ガス(空気)をカソード電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を移動し、これにより外部に電気エネルギーが得られるように構成されている。
【0004】
ところで、上記電解質膜・電極構造体を製造する場合には、固体高分子電解質膜を2枚の触媒電極(アノード電極、カソード電極)で扶持した状態で、これをホットプレスにより一体化する作業が行われている。しかしながら、100℃以上の温度でホットプレスを行うと、固体高分子電解質膜内の水分が蒸発し易く、これにより固体高分子電解質膜が劣化してしまうという不具合が指摘されている。
【0005】
そこで、特開平3−295171号公報に開示されている電解質膜・電極構造体の製造方法が採用されている。この製造方法では、図12に示すように、固体高分子電解質膜2の両面に触媒電極4a,4bを配置し、この触媒電極4a,4bの周囲にこれらに対応する開口部3a,3bを有するスペーサ5a,5bを設け、このスペーサ5a,5bと共に上記触媒電極4a,4bを前記固体高分子電解質膜2とゴムシート6a,6bの間に介装した状態で、プレス型7a,7bによりホットプレスを行っている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来方法では、固体高分子電解質膜2に含まれる水分がホットプレスの際に加えられる熱により水蒸気となり、これが固体高分子電解質膜2の外周部分で偏ると水分の疎密部分を作ってしまう。その結果、水分の多い部分は、水分の少ない部分に比較して固体高分子電解質膜2の膨潤が進むため、このような状態でホットプレスを行うと、固体高分子電解質膜2に皺が発生してしまうという問題がある。このように固体高分子電解質膜2の外周部分に皺ができると、この皺は電解質膜・電極構造体の外周部分の両側にシールを設け、これを一対のセパレータで挟持する際のシール性を悪化させる虞がある。
そこで、この発明は、固体高分子電解質膜に皺が発生するのを防止できる電解質膜・電極構造体の製造方法を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、固体高分子電解質膜(例えば、実施形態における固体高分子電解質膜12)をアノード電極(例えば、実施形態における第1カーボンペーパー14aと電極触媒層13)とカソード電極(例えば、実施形態における第2カーボンペーパー14bと電極触媒層13)とで挟持して構成される電解質膜・電極構造体(例えば、実施形態における電解質膜・電極構造体11)の製造方法であって、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持する工程と、アノード電極とカソード電極の外周からはみ出した固体高分子電解質膜を一対の額縁状のシート(例えば、実施形態における第1、第2枠状シート22a,22b)で挟持する工程と、アノード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面と、カソード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面とを、アノード電極とカソード電極の少なくともいずれかの電極外周に対応する部分に通気孔(例えば、実施形態における通気孔21)を有する一対の耐熱性シート(例えば、実施形態における第1、第2シート部材20a,20b)で挟持する工程と、前記一対の耐熱性シートの両外側を一対の吸水性シート(例えば、実施形態における第1、第2ペーパーウエス19a,19b)で挟持する工程と、前記一対の吸水性シートの両外側を挟持してホットプレスを行う工程とを有することを特徴とする。
このように工程を構成することで、固体高分子電解質膜に含まれる水分は、ホットプレスを行う際に気化して、前記耐熱性シートの通気孔から放出され、吸水性シートにて吸水される。その結果、固体高分子電解質膜に含まれる水分により固体高分子電解質膜に皺が発生するのを防止することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は、この発明の第1実施形態の製造方法に用いられるホットプレス装置10及び電解質膜・電極構造体11の分解斜視図、図2は、図1の電解質膜・電極構造体11を一体とした状態を示す正面図である。
前記電解質膜・電極構造体11は、固体高分子電解質膜12と、例えばスクリーン印刷により電極触媒層13が設けられた一対の第1、第2カーボンペーパー14a,14bを備えている。尚、第1、第2カーボンペーパー14a,14bに代えて、カーボンクロス、カーボンフェルト、多孔質炭素焼結体等を使用することができる。
【0009】
固体高分子電解質膜12は、スルホン酸基を持つペルフルオロ系の陽イオン交換膜であり、好ましくは、ナフィオン(商品名:Dupontの商標)を電解質膜として使用する。
電極触媒層13は、Pt担持カーボン等の電極用触媒と、ナフィオン溶液等のイオン導電性成分と必要に応じて撥水剤としてのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)とを含んでいる。第1、第2カーボンぺーパー14a,14bはガス拡散層であり、多孔質を有すると共にその表面の細孔が水によって閉塞されないように予め撥水化処理が施されている。第1カーボンペーパー14aと電極触媒層13とで、アノード電極が構成される。また、第2カーボンペーパー14bと電極触媒層13とでカソード電極が構成される。
【0010】
図2に基づいて、この発明に係る電解質膜・電極構造体11の製造方法を実施するホットプレス装置について説明する。
ホットプレス装置10は、下型15の上部に下型プレス部16が設けられ、上型17の下部に上型プレス部18が設けられている。更に、下型プレス部16の上面にはガラスのメッシュ等の第1ペーパーウエス19aが、また、上型プレス部18の下面には同様の構成の第2ペーパーウエス19bが配置されている。これら第1、第2ペーパーウエス19a,19bは吸水性があり、ホットプレスの温度に耐えられる材質であればよい。
【0011】
下側の第1ペーパーウエス19aの上面には、厚さ0.1mm程度でPTFE製の第1シート部材20aが配置されている。この第1シート部材20aは、電解質膜・電極構造体11の第1カーボンペーパー14aの周囲に対応する部分に複数の通気孔21を備えた耐熱性のシートである。また、上側の第2ペーパーウエス19bの下面にも同様の構成の第2シート部材20bが配置されている。
このような位置に通気孔21を設けるのは、固体高分子電解質膜12に含まれホットプレスの際に加えられる熱により気化した水分を外部に放出できるようにして当該部分に皺が発生しないようにし、電解質膜・電極構造体11の外周部分の両側にシール部材を設け、これを一対のセパレータで挟持する際のシール性の悪化を防止するためである。
電解質膜・電極構造体11は、固体高分子電解質膜12を両側から電極触媒層13を設けた第1、第2カーボンペーパー14a,14bで挟持し、かつ両カーボンペーパー14a,14bからはみ出した固体高分子電解質膜12の周囲を挟持する額縁状の第1、第2枠状シート22a、22bを備えている。尚、これら第1、第2枠状シート22a,22bの内周縁と第1、第2カーボンペーパー14a,14bの外周縁との間には隙間23が形成されている。
このようにして構成された、ホットプレス装置10により、型温度100〜200℃、荷重10〜50kg/cm2、加熱時間30sec〜5minの条件でホットプレスが行われる。
【0012】
次に、図3〜図11に基づいてこの発明の実施形態の製造方法を説明する。
図3に示すように、下型15の下型プレス部16上面に第1ペーパーウエス19aを載置し、更にその上面に第1シート部材20aを載置する。
次に、図4に示すように、第1シート部材20aの上面に額縁状の第1枠状シート22aを載置する。このとき、第1枠状シート22aの内周縁を第1シート部材20aの通気孔21の位置に整合させる。
【0013】
そして、図5に示すように、第1枠状シート22aの開口部220内で露出している第1シート部材20aの上面に第1カーボンペーパー14aを載置する。
ここで、第1カーボンペーパー14aは、電極触媒層13を上側にして載置する。このとき、第1カーボンペーパー14aと額縁状の第1枠状シート22aとの間の隙間23を一定にする。
更に、図6に示すように、固体高分子電解質膜12を第1カーボンペーパー14aと第1枠状シート22aとの上に載置する。このとき、固体高分子電解質膜12の外周縁と第1枠状シート22aの外周縁とを一致させる。
【0014】
次いで、図7に示すように、固体高分子電解質膜12の上面に額縁状の第2枠状シート22bを載置する。この工程により、固体高分子電解質膜12を第1枠状シート22aと第2枠状シート22bとで覆うため、固体高分子電解質膜12に蒸気が直接触れるのを防止できる。また、固体高分子電解質膜12を第1枠状シート22aと第2枠状シート22bとで両側から押さえることで、平らに矯正できる。この工程が、「アノード電極とカソード電極の外周からはみ出した固体高分子電解質膜を一対の額縁状のシートで挟持する工程」を構成する。
【0015】
そして、図8に示すように、第2枠状シート22bの開口部220内で露出している固体高分子電解質膜12の上面に第2カーボンペーパー14bを載置する。このとき、第2カーボンペーパー14bの外周縁と第2枠状シート22bの開口部220の内周縁との間の隙間23を一定にする。
図8に示す工程が、「固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持する工程」を構成する。
【0016】
そして、図9に示すように、第2カーボンペーパー14bと第2枠状シート22bの上面に第2シート部材20bを載置する。このとき、第2シート部材20bの通気孔21の位置を第2カーボンペーパー14bの外周縁と第2枠状シート22bの開口部220の内周縁との間の隙間23に整合させる。
図9に示す工程が、「アノード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面と、カソード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面とを、アノード電極外周とカソード電極外周に対する通気孔を有する一対の耐熱性シートで挟持する工程」を構成する。
【0017】
更に、図10に示すように、第2シート部材の20b上面に第2ペーパーウエス19bを載置する。この工程が、「一対の耐熱性シートの両外側を一対の吸水性シートで挟持する工程」を構成する。
【0018】
次に、図11に示すように型締めして、下型15の下型プレス部16と、上型17の上型プレス部18との間で上記各部材を挟持し、下型15及び上型17の型温度150℃、荷重25kg/cm2、加熱時間60secの条件でホットプレスを行う。この工程が、「一対の吸水性シートの両外側を挟持してホットプレスを行う工程」を構成する。
そして、ホットプレス後に、型開きを行い、第1カーボンペーパー14aと第2カーボンペーパー14bとで固体高分子電解質膜12を挟持した電解質膜・電極構造体11を得る。
【0019】
上記実施形態によれば、図11において、ホットプレスを行っている際に、固体高分子電解質膜12に含まれる水分はホットプレスの際に加えられる熱により気化して水蒸気となるが、この水蒸気は第1、第2カーボンペーパー14a,14bの外周縁と第1、第2枠状シート22a,22bの開口部220の内周縁との間に形成された各隙間23から下型15,上型17側に排出される。そして、隙間23から排出された水蒸気は、隙間23に整合する第1、第2シート部材20a,20bに形成された通気孔21から、第1、第2ペーパーウエス19a,19bに向かって排出される。そして、第1、第2ペーパーウエス19a,19bに吸水される。
【0020】
したがって、固体高分子電解質膜12から発生した水蒸気は、隙間23から適量が外部に排出される。よって、固体高分子電解質膜12の外周に水分の疎密部分が形成された場合のように、ホットプレス後に第1、第2カーボンペーパー14a,14bからはみ出した固体高分子電解質膜12の周囲に皺が発生せず、平らな固体高分子電解質膜12とすることができる。
その結果、製造された電解質膜・電極構造体11の外周部分の両側にシール部材を設けこれを一対のセパレータで挟持して、燃料電池を製造する際に、固体高分子電解質膜12の周囲の皺が原因でシール性を悪化させることはない。
【0021】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、上述した実施形態では、下型15側がアノード極側、上型17側がカソード極側として説明したが、下型15側をカソード極側、上型17側をアノード極側としてもよい。
【0022】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項1に記載した発明によれば、固体高分子電解質膜に含まれる水分は、ホットプレスを行う際に気化して、前記耐熱性シートの通気孔から放出され、吸水性シートにて吸水されるため、固体高分子電解質膜に含まれる水分により固体高分子電解質膜に皺が発生するのを防止することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施形態の製造方法に用いられるホットプレス装置及び電解質膜・電極構造体の分解斜視図である。
【図2】 図1の電解質膜・電極構造体を一体とした状態を示す分解正面図である。
【図3】 この発明の実施形態の第1ペーパーウエスと第1シート部材を載置する工程図である。
【図4】 この発明の実施形態の第1枠状シートを載置する工程図である。
【図5】 この発明の実施形態の第1カーボンペーパーを載置する工程図である。
【図6】 この発明の実施形態の固体高分子電解質膜を載置する工程図である。
【図7】 この発明の実施形態の第2枠状シートを載置する工程図である。
【図8】 この発明の実施形態の第2カーボンペーパーを載置する工程図である。
【図9】 この発明の実施形態の第2シート部材を載置する工程図である。
【図10】 この発明の実施形態の第2ペーパーウエスを載置する工程図である。
【図11】 この発明の実施形態のホットプレスを行う工程図である。
【図12】 従来技術の断面図である。
【符号の説明】
11 電解質膜・電極構造体
12 固体高分子電解質膜
13 電極触媒層
14a 第1カーボンペーパー(アノード電極)
14b 第2カーボンペーパー(カソード電極)
19a 第1ペーパーウエス(吸水性シート)
19b 第2ペーパーウエス(吸水性シート)
20a 第1シート部材(耐熱性シート)
20b 第2シート部材(耐熱性シート)
21 通気孔
22a 第1枠状シート(額縁状のシート)
22b 第2枠状シート(額縁状のシート)
Claims (1)
- 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持する工程と、
アノード電極とカソード電極の外周からはみ出した固体高分子電解質膜を一対の額縁状のシートで挟持する工程と、
アノード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面と、カソード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面とを、アノード電極とカソード電極の少なくともいずれかの電極外周に対応する部分に通気孔を有する一対の耐熱性シートで挟持する工程と、
前記一対の耐熱性シートの両外側を一対の吸水性シートで挟持する工程と、
前記一対の吸水性シートの両外側を挟持してホットプレスを行う工程と
を有することを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
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