JP5201349B2

JP5201349B2 - 燃料電池用膜−電極接合体製造方法

Info

Publication number: JP5201349B2
Application number: JP2008320923A
Authority: JP
Inventors: 拓男柳
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: JP2010146794A

Description

本発明は、固体高分子形の燃料電池に用いられる膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の製造方法に関するものである。

従来、この種の技術としては特許文献１に記載のものがあった。
これは、電解質膜の両面に、所望の開口部が形成されたマスクフィルムを配置し、それらの外側に触媒層形成用フィルムを配置するように、電解質膜、マスクフィルム及び触媒層形成用フィルムを連続的に供給し、熱プレス転写を連続的に施し、連続的に供給されている電解質膜上に間欠的に触媒層を形成した後、切り出す（裁断する）ことにより、ＭＥＡを連続的に製造するというものである。

特開２００６−２４４９３０号

しかしながら上記従来技術では、次のような課題があった。
すなわち、上記従来技術のように電解質膜上に間欠的に触媒層を形成する理由の一つは、個々のＭＥＡに裁断した後において、触媒層が電解質膜の端部まで達しないようにすることにある。触媒層が電解質膜の端部まで達すると、同端部において触媒が電解質膜表裏面に回り込み、燃料極と空気極を電子的に短絡させてしまう虞があることによる。

しかし、上記従来技術のような電解質膜上に間欠的に触媒層を形成するという間欠塗工法においては、塗工以降の工程において膜が膨潤・収縮するために、膜及び触媒層の寸法・形状にバラツキが生じやすく、ＭＥＡの性能や組付け上の問題が発生しやすかった。
例えば、ＭＥＡの性能上の問題としては、触媒層面積が小さすぎる場合には発電面積が小さくなるのでセル出カが低くなることが挙げられる。
ＭＥＡの組付け上の問題としては、ＭＥＡ裁断後に収縮した場合にはＭＥＡ端部とセルの端部シール部間に隙間が生じて内部リ−クを生じさせることが挙げられる。また、触媒層面積が大きすぎる場合には、触媒層がガス拡散層からはみ出したり、ＭＥＡの端部シール（シールのための接着やガスケット組付け等）の際に気密不良を起こして外部リ−クを生じさせることが挙げられる。

本発明は、触媒層の寸法・形状にバラツキが発生せず、したがってバラツキ発生に起因する膜−電極接合体（ＭＥＡ）の性能上や組付け上の問題を解消でき、しかも生産性の高い燃料電池用膜−電極接合体製造方法を提供することを課題とする。

上記課題は、燃料電池用膜−電極接合体製造方法を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、各々対応する。（４）項及び（５）項は請求項に係る発明ではない。

（１）一方向に搬送される帯状の電解質膜に触媒を連続塗工する第１工程と、前記触媒が塗工されてなる触媒層上に間隔をおいてガス拡散層を接合する第２工程と、隣接する前記ガス拡散層相互間の定位置で前記触媒が塗工済みの電解質膜を切断する第３工程と、前記切断により分離された、前記触媒が塗工済みでその触媒層上にガス拡散層が接合された電解質膜の少なくとも前記触媒層が露出する端部分を、その触媒層を電解質膜から除去可能な触媒除去液中に浸漬する第４工程とを、備えることを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体製造方法。
拡散層としては、電極の形状を安定化させる役割を持たせるため、剛性の高い基材を持つものが好適である。
触媒層上へのガス拡散層の接合には圧着接合ないし熱圧接合が好適である。
触媒除去液としては、電解質膜に塗工された触媒を溶解等により除去可能な液体であればそのいずれでもよい。白金を含む触媒が用いられた場合における王水がその典型例である。また、一種類の触媒除去液で除去が困難である場合には、複数種類の触媒除去液を順に用いてもよい。
ガス拡散層は一般に撥水性を有するので、触媒層が露出する電解質膜端部分からガス拡散層に亘って触媒除去液中に浸漬されても、触媒除去液はガス拡散層中に浸透し難く、また触媒層除去後に触媒除去液中から引き上げれば、触媒除去液はガス拡散層から容易に滴下排出される。
（２）前記第４工程における触媒除去液中への前記電解質膜の浸漬は、複数の前記電解質膜について一括して行うことを特徴とする（１）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体製造方法。
（３）前記第４工程における触媒除去液中への前記電解質膜の浸漬は、複数の前記電解質膜について一括して、かつその全体に対して行うことを特徴とする（１）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体製造方法。
本項に記載の発明では、触媒が塗工済みでその触媒層上にガス拡散層が接合された電解質膜を複数一括して、かつその全体を触媒除去液中へ浸漬するので、ガス拡散層の撥水性を高くし、また浸漬時間を短時間にすることが望ましい。
（４）前記触媒は白金を含む触媒であり、前記触媒除去液は王水であることを特徴とする（１）項、（２）項又は（３）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体製造方法。
本項に記載の発明によれば、燃料電池用膜−電極接合体における触媒として一般的な白金を含む触媒について、その除去を可能とする。
（５）前記電解質膜はフッ素系電解質膜であり、前記ガス拡散層はフッ素系樹脂による撥水性を有するガス拡散層であることを特徴とする（４）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体製造方法。
フッ素系電解質膜は、炭化水素系電解質膜より耐王水性の観点から望ましい。また、ガス拡散層は一般に撥水性を有するが、フッ素系樹脂による撥水性は撥水効果が大きく、したがって、王水中への触媒塗工済み電解質膜の浸漬時において、ガス拡散層で覆われた触媒層への王水の影響を最小限にとどめることができる。すなわち、電解質膜及びガス拡散層で覆われた触媒層への王水の影響を最小限にとどめながら、（４）項に記載の燃料電池用膜−電極接合体製造方法を実施できる。

（１）項に記載の発明によれば、触媒層の寸法・形状は拡散層の形状により規定されるため、にバラツキが発生せず、したがってバラツキ発生に起因する膜−電極接合体の性能上や組付け上の問題を解消でき、しかも生産性の高い燃料電池用膜−電極接合体製造方法を提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、（１）項に記載の発明よりも生産性の高い膜−電極接合体製造方法を提供できる。
（３）項に記載の発明によれば、更に生産性の高い膜−電極接合体製造方法を提供できる。
なお、（４）項及び（５）項に記載の発明は、本発明（特許請求の範囲に記載した発明）ではないので、上記課題を解決するための手段の欄に、その効果を述べた。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明による燃料電池用膜−電極接合体製造方法の一実施形態の説明図で、同膜−電極接合体を連続的に製造する工程の一例を側方から示している。図２は、図１中の一点鎖線で囲んだ部分アの拡大図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池用膜−電極接合体製造方法は、第１工程Ｉ〜第４工程IＶを備える。

第１工程Ｉは、例えばロール状に巻いた状態から繰り出され、一方向イ、図示例では右方向に搬送される帯状の電解質膜１１に触媒１２を連続塗工（べた塗り）する工程である。
ここでは、電解質膜１１としてフッ素系電解質膜が、触媒１２として白金を含む触媒、具体的にはカーボン粒子に白金を担持させてなる触媒が、各々用いられている。電解質膜１１、触媒１２の材質はこれらのみに限定されない。
触媒１２の塗工は、帯状の電解質膜１１の表裏各面の全領域（全面）に対して連続して行う。この際、塗工厚が一様にされることは勿論である。このような塗工が可能ならばどのような塗工手段でもよいが、ここではダイコータ１３が好例として用いられている。ダイコータ１３は帯状の電解質膜１１の表裏各面側に各々配置されるが、図示例では帯状の電解質膜１１の搬送方向に適宜間隔置いて配置されている。

第２工程IIは、第１工程Ｉによって帯状の電解質膜１１の表裏両面に触媒１２が塗工されてなる触媒層１４上に間隔をおいてガス拡散層１５を接合、ここでは熱圧接合する工程である。
上記ガス拡散層１５は、カーボン材からなり撥水性を有するが、ここではフッ素系樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等によって更なる撥水性と耐王水性が付与されている。

第３工程IIIは、第２工程IIによって触媒層１４上にガス拡散層１５が接合された、触媒１２（触媒層１４）塗工済みの帯状の電解質膜１１を切断、詳しくは隣接するガス拡散層１５，１５相互間の中央位置で裁断する工程である。図１中の１６は、この際用いられる裁断刃を示し、一点鎖線矢印ハは次工程（第４工程IＶ）への繋がりを示す。

第４工程IＶは、第３工程IIIにおける裁断によって分離された、触媒塗工済みでその触媒層１４上にガス拡散層１５が接合された電解質膜１１の少なくとも触媒層１４が露出する端部分を、その触媒層１４を電解質膜１１から除去可能な触媒除去液１６中に浸漬する工程である。
触媒除去液１６は、電解質膜１１に塗工された触媒１２（触媒層１４）を溶解等により除去可能な液体であればそのいずれでもよい。本実施形態では、触媒１２として白金を含む触媒が用いられているので、触媒除去液１６には王水、つまり濃塩酸と濃硝酸とを３：１の体積比で混合した液体が用いられている。図中１７は、触媒除去液１６を収容した槽（触媒除去液槽）である。
なお、上記裁断によって分離された、触媒塗工済みでその触媒層１４上にガス拡散層１５が接合された電解質膜１１は、概ね膜−電極−ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）を構成する接合体であり、以下、これをＭＥＧＡ素体１８と記す。このＭＥＧＡ素体１８からガス拡散層１５を除いた構成部分が概ね膜−電極接合体（ＭＥＡ）を構成する接合体であり、以下、これをＭＥＡ素体１９と記す。

この第４工程IＶでは、図２に拡大して示すように、上記ＭＥＡ素体１９（全体としてはＭＥＧＡ素体１８）の触媒層１４が露出する部分を含む端部分を触媒除去液１６中に浸漬して同ＭＥＡ素体１９端部分に露出する触媒層１４部分を溶解し、電解質膜１１から除去するもので、これによりＭＥＡ２０が製造（全体としてはＭＥＧＡ２１が製造）される。

この第４工程IＶを加えた理由を以下に述べる。
第３工程III、すなわちＭＥＡ素体１９（ＭＥＧＡ素体１８）の裁断工程を経ただけでは、図３に示すようにＭＥＡ素体１９の端部分には触媒層１４が露出している。この触媒層１４は、厚さｔ１＝数μｍ〜数十μｍ程度という極薄い電解質膜１１の両面に接合形成されている。このため、ＭＥＡ素体１９の端部分に触媒層１４が露出していると、両触媒層１４，１４間、換言すれば燃料極と空気極間が至近距離Ｌ１で近接することになり、触媒１２の回り込みによって両極間に短絡を生じさせる虞がある。
第４工程IＶにより、ＭＥＡ素体１９の端部分に露出する触媒層１４を除去すれば、図４に示すように両触媒層１４，１４（燃料極及び空気極）間の距離は上記Ｌ１より長いＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）となって、上記触媒１２の回り込みによる両極間の短絡を防止できる。

ＭＥＡ２０（ＭＥＧＡ２１）は、通常、触媒層１４とガス拡散層１５は同寸法・形状、同位置に設定されるので、図５に例示するように四角形のＭＥＡ素体１９（ＭＥＧＡ素体１８）の４辺５１〜５４の全てについて第４工程が実施される。
したがって、第３工程で裁断された後の触媒層塗工済みの電解質膜１１（ＭＥＡ素体１９）の、第４工程における触媒除去液１６中への浸漬を、触媒層１４が露出する端部分のみならず、図６に示すようにＭＥＡ素体１９の全体に対して行ってもよく、これによれば生産性を高めることができる。なお図６では、複数のＭＥＡ素体１９について一括して触媒除去液槽１７内の触媒除去液１６中へ浸漬する例を示しており、更に生産性を高めることができる。
裁断された後の触媒層塗工済みの電解質膜１１（ＭＥＡ素体１９）の全体ではなく、各辺別の触媒除去液１６中への浸漬ではあるが、複数のＭＥＡ素体１９を一括して触媒除去液１６中に浸漬するようにしてもよい。
触媒除去液１６中への浸漬時に、ガス拡散層１５が触媒層１４から剥がれないように支持するようにしてもよい。

本実施形態によれば、図３及び図４を参照して述べたように、ＭＥＡ素体１９の端部分において触媒１２の回り込みによる両触媒層１４，１４（燃料極と空気極）間の短絡を、電解質膜上に間欠的に触媒層を形成するという従来の間欠塗工法におけると同様に防止できる。
その一方で、従来の間欠塗工法における、触媒層の寸法・形状のバラツキは生じない。本実施形態では、ＭＥＡ２０は、帯状の電解質膜１１に触媒１２を連続塗工（べた塗り）した後に、無用部分であるＭＥＡ素体１９の端部分の触媒層１４を除去して、触媒層１４の寸法・形状を揃えるようにしたからである。
したがって本実施形態によれば、触媒層１４の寸法・形状のバラツキ発生に起因するＭＥＡ２０の性能上や組付け上の問題を解消できる。すなわち、ＭＥＡ２０の性能上の問題としては、触媒層１４面積が小さすぎる場合の発電面積の縮小によるセル出カの低下を防止できる。また、ＭＥＡ２０の組付け上の問題としては、前述したような、触媒層１４の面積が小さすぎる場合の内部リ−クや大きすぎる場合の外部リ−クの発生を防止できる。しかも、このような効果を有するＭＥＡ２０を、第１工程Ｉ〜第４工程IＶと連続する工程により連続して製造できるので、生産性を高めることができる。

本実施形態においては、ガス拡散層１５の撥水性が高められているので、上記のように触媒層１４が露出する電解質膜１１の端部分を触媒除去液１６中に浸漬しても、触媒除去液１６はガス拡散層１５中に浸透し難く、また触媒層１４除去後に触媒除去液１６中から引き上げれば触媒除去液１６はガス拡散層１５から容易に滴下排出される。
したがって、触媒除去液１６中への触媒塗工済み電解質膜１１の浸漬時において、ガス拡散層１５で覆われた触媒層１４への触媒除去液１６の影響を最小限にとどめることができる。つまり、電解質膜１１及びガス拡散層１５で覆われた触媒層１４への触媒除去液１６、本実施形態では王水の影響を最小限にとどめながらＭＥＡ素体１９（全体としてはＭＥＧＡ素体１８）を製造できる。

なお上述実施形態において、電解質膜は剛性が低いので、図７に示すように、帯状の電解質膜１１を挟んでダイコータ１３と対向する位置に支持ローラ７１を各々配置すれば、電解質膜１１を支えながら触媒１２を塗工できる。
この場合、搬送方向イの下流側（図中、右側）に位置するダイコータ１３に対応する支持ローラ７１は上流側（図中、左側）に位置するダイコータ１３によって塗工された触媒１２を介して電解質膜１１を支えることになる。したがって、上流側に位置するダイコータ１３によって触媒１２が塗工された電解質膜１１部分が、下流側に位置するダイコータ１３（支持ローラ７１）に達するまでに、上流側に位置するダイコータ１３によって塗工された触媒１２が乾くようになされる。例えば、上下流側のダイコータ１３，１３相互間の距離を離したり、上下流側のダイコータ１３，１３相互間に上流側に位置するダイコータ１３によって塗工された触媒１２の乾燥を促進させる手段を配置する。
塗工された触媒１２が乾ききると、第２工程II（図１参照）における触媒層１４へのガス拡散層１５の接合がされにくくなるので、この場合は、触媒層１４又はガス拡散層１５の、ガス拡散層１５又は触媒層１４との接合面に接着剤を塗布する等、両層１４，１５の接合を容易にする処理が施される。

本発明による燃料電池用膜−電極接合体製造方法の一実施形態の説明図である。図１中の一点鎖線で囲んだ部分アの拡大図である。本実施形態における第３工程を経た後のＭＥＡ素体（ＭＥＧＡ素体）の端部分を示す側面図である。同じく第４工程を経た後のＭＥＡ端部分（ＭＥＧＡ端部分）を示す側面図である。同じく第３工程を経た後のＭＥＡ素体（ＭＥＧＡ素体）の平面図である。他の実施形態の説明図である。図６とは異なる他の実施形態の説明図である。

符号の説明

Ｉ：第１工程、II：第２工程、III：第３工程、IＶ：第４工程、１１：帯状の電解質膜、１２：触媒、１３：ダイコータ、１４：触媒層、１５：ガス拡散層、１６：触媒除去液（王水）、１８：ＭＥＧＡ素体、１９：ＭＥＡ素体、２０：ＭＥＡ、２１：ＭＥＧＡ。

Claims

一方向に搬送される帯状の電解質膜に触媒を連続塗工する第１工程と、
前記触媒が塗工されてなる触媒層上に間隔をおいてガス拡散層を接合する第２工程と、
隣接する前記ガス拡散層相互間の定位置で前記触媒が塗工済みの電解質膜を切断する第３工程と、
前記切断により分離された、前記触媒が塗工済みでその触媒層上にガス拡散層が接合された電解質膜の少なくとも前記触媒層が露出する端部分を、その触媒層を電解質膜から除去可能な触媒除去液中に浸漬する第４工程とを、
備えることを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体製造方法。
前記第４工程における触媒除去液中への前記電解質膜の浸漬は、複数の前記電解質膜について一括して行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜−電極接合体製造方法。
前記第４工程における触媒除去液中への前記電解質膜の浸漬は、複数の前記電解質膜について一括して、かつその全体に対して行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜−電極接合体製造方法。