JP5257590B2 - 燃料電池の膜−電極接合体製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池の膜−電極接合体製造方法、特に膜周縁部に補強層を接合する補強層接合工程を含む膜−電極接合体製造方法に関するものである。

電解質に高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池は、出力密度が高く、電池寿命が長い等の特徴を有している。
図４は、このような固体高分子型燃料電池のセルの一例を示す断面図である。
図示するようにセル４０は、高分子電解質膜４１の両面に電極となる触媒層４２が接合され、各触媒層４２の周囲、つまり高分子電解質膜４１の周縁部にはフィルム等からなる補強層（保護層とも称する。）４３が枠状に形成されて、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）４４を構成している。
触媒層４２及び補強層４３上には、集電及びガスを拡散するための拡散層４５が接合され、更にその外側には、ガス流通溝４６ａを有するセパレータ４６が各々配設されて、膜−電極接合体４４、拡散層４５部分を両面側から狭持するように、セル４０を構成している。そして、このようなセル４０を複数個積層して燃料電池スタックが構成され、燃料電池として発電を行う（特許文献１、２参照）。

特開２００４−３１９１５３号公報 特開２００７−３５６１２号公報

上記従来技術において、枠状の補強層４３は、膜−電極接合体４４の構成に原理上、必須のものではないが、高分子電解質膜４１を、必要な強度をもたせながらできるだけ薄く形成するために有効である。
しかしながら、上記従来技術においては、高分子電解質膜４１は薄くて剛性がなく、かつ伸縮性が大きいため、補強層４３との接合時に補強層４３との間に入り込んだ空気が、接合後に補強層４３との間に気泡４７として残留することがあった。
図４に示す膜−電極接合体を連続加工する場合の膜−電極接合体製造形態の要部を図５に示す。図５においては、図４に示す高分子電解質膜４１及び補強層４３の原材料５１，５２を各々巻いた状態から帯状に繰り出し、補強層原材料５２についてはロータリカッタ５３を通して無用部分５４を切除した、はしご状に連続する補強層５５を得る（図５中の部分拡大図５Ａ参照）工程を備える。そして、このはしご状に連続する補強層（連続補強層）５５を高分子電解質膜原材料５１と重ねて一対の熱圧プレス５６間に通すことにより、高分子電解質膜原材料５１上に連続補強層５５が接合された、帯状に連続する高分子電解質膜（補強層接合済みの連続高分子電解質膜）５７を得る工程を備えている。
図６は、上記のような連続加工工程により得られた補強層接合済みの連続高分子電解質膜５７内に気泡４７が残留している様子を示す。上記のような連続加工工程によると、生産性は上がるが、監視がされなかった場合において一度、気泡４７の混入、残留が発生するとそれが短時間で多数連続する。
なお図５は、高分子電解質膜の片面に補強層を接合する場合の連続高分子電解質膜５７を得る連続加工工程を示しているが、高分子電解質膜の両面に補強層を接合するように、図示加工工程においては高分子電解質膜原材料５１の両面に連続補強層５５を接合するように、してもよい。図４は高分子電解質膜４１の両面に補強層４３を接合した例を示している。

本発明の課題は、高分子電解質膜の周縁部への補強層の接合を気泡の残留なくして容易に行え、特に補強層を接合した高分子電解質膜の連続加工に顕著な効果を発揮できる燃料電池の膜−電極接合体製造方法を提供することにある。

上記課題は、燃料電池の膜−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、（４）項が請求項４に、各々対応する。

（１） 触媒層とで膜−電極接合体を構成する高分子電解質膜の周縁部に枠状の補強層を接合する補強層接合工程を含む燃料電池の膜−電極接合体製造方法において、前記補強層接合工程の前段側に前記補強層にエアー抜き用の切込みを施す切込み工程を備え、前記切込みは、自由端をなす一端側が固定端をなす他端側を支点として補強層面と交差する方向に変位動可能な、一部を固定端として開いた面形状に施されることを特徴とする燃料電池の膜−電極接合体製造方法。
補強層はフィルム、シート、プレートあるいは膜等のいずれであってもよい。
補強層接合工程としては、例えば加圧プレス、平板熱圧プレスや熱圧ロール等の熱圧プレス等が用いられる。切込み工程としては、ロータリカッタ等が用いられる。
（２） 切込みは、補強層の複数箇所に、各々自由端をなす一端側を同方向側に位置するように施されることを特徴とする（１）項に記載の燃料電池の膜−電極接合体製造方法。
（３） 切込みが施されてなる面形状の固定端をなす他端側を、自由端をなす一端側に先立って前記補強層接合工程に進入させることを特徴とする（１）項又は（２）に記載の燃料電池の膜−電極接合体製造方法。
（４） 高分子電解質膜及び補強層の原材料を各々巻いた状態から帯状に繰り出し、補強層原材料の無用部分を切除するカット工程を経て得られたはしご状に連続する補強層を高分子電解質膜原材料と重ねて前記補強層接合工程に通し、補強層接合済みの連続する高分子電解質膜を得る連続加工工程を備え、前記切込み工程は前記カット工程に兼用され、このカット工程で前記補強層原材料の無用部分を切除する際に前記切込みを施すことを特徴とする（１）項〜（３）項のいずれか１の項に記載の燃料電池の膜−電極接合体製造方法。
無用部分とは、枠状の補強層の枠内開口部分に相当する補強層原材料部分を指す。無用部分は、帯状の補強層原材料上に所定間隔で存在するので、無用部分が切除された補強層原材料ははしご状に連続する補強層となる。

（１）項に記載の発明によれば、高分子電解質膜の周縁部への補強層の接合を気泡の残留なくして容易に行え、特に補強層を接合した高分子電解質膜の連続加工に顕著な効果を発揮できる燃料電池の膜−電極接合体製造方法を提供できる。特に、切込みを単なる線状にするよりも効果的に気泡の残留を減少できる。
（２）項に記載の発明によれば、（１）項に記載の発明におけるよりも更に気泡の残留を減少できる。
（３）項に記載の発明によれば、補強層接合を行いながら空気の排出が行われ、気泡の残留を効率よく減少できる。
（４）項に記載の発明によれば、補強層接合済みの連続する高分子電解質膜を得る連続加工工程において、簡易迅速に切込みを施すことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、本明細書で参照される各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
本実施形態は、触媒層とで膜−電極接合体（ＭＥＡ）を構成する高分子電解質膜の周縁部に枠状の補強層を接合する補強層接合工程を含む燃料電池の膜−電極接合体製造方法において、次のように構成した。
すなわち、上記補強層接合工程の前段側に上記補強層にエアー抜き用の切込みを施す切込み工程を設け、補強層接合工程を経る際に、高分子電解質膜（周縁部）と補強層との間に入り込んだ空気を上記切込みから排出させ、高分子電解質膜と補強層との間に気泡として残留しないように構成した。

図１は、本発明による燃料電池の膜−電極接合体製造方法の一実施形態の要部説明図で、補強層を接合した高分子電解質膜を連続的に加工する工程に本発明を適用した例を示す。
図示するように本実施形態は、高分子電解質膜原材料５１及び補強層原材料５２を各々巻いた状態から帯状に繰り出し、補強層原材料５２については、カット工程をなすロータリカッタ１３を通して無用部分５４を切除し、所定間隔で枠状の補強層が連続する、つまりはしご状に連続する補強層（以下、連続補強層と記す。）１５を得る工程を備える。
そして、連続補強層１５を高分子電解質膜原材料５１と重ねて、補強層接合工程をなす熱圧プレス、ここでは一対の熱圧ロール５６間に通すことによって高分子電解質膜原材料５１上に連続補強層１５が接合された、帯状に連続する高分子電解質膜（補強層接合済みの連続高分子電解質膜）１７を得る連続加工工程を基本的な構成としている。
なお、上記無用部分５４とは、枠状の補強層の枠内開口部分に相当する補強層原材料部分である。

本実施形態では、上記のような基本的な構成に加えて、補強層接合工程をなす一対の熱圧ロール５６の前段側に、補強層、ここでは補強層原材料５２にエアー抜き用の切込み２１を施す切込み工程を備える。
この切込み工程は、図示例ではロータリカッタ１３を備えるカット工程に兼用されており、切込み２１は、ロータリカッタ１３によって補強層原材料５２の無用部分５４を切除する際に、その補強層原材料５２に施される。
具体的には、ロータリカッタ１３のカッタ面には補強層原材料５２の無用部分５４を切除する刃と切込み２１を施す刃が設けられていて、補強層原材料５２がロータリカッタ１３を通ることによって、切込み２１が施された連続補強層１５が得られる（図１中の部分拡大図１Ａ参照）。

切込み２１は、補強層の枠状部分に相当する補強層原材料５２部分の複数箇所に各々施され、切込み群２２を形成する。
また切込み２１は、自由端をなす一端側が固定端をなす他端側を支点として補強層面と交差する方向に変位動可能な、一部を固定端として開いた例えば逆コ字状、く字状等の面形状に施される。
図示例では、切込み２１が施されてなる面形状の固定端をなす他端側（図中、右側）が、自由端をなす一端側（図中、左側）に先立って補強層接合工程である一対の熱圧ロール５６間に進入するように、切込み２１が施されている。具体的には、切込み２１は各々逆コ字状であって、その自由端をなす開口端側が図中、左側に揃って向くように施されている。熱圧ロール５６を経て得られた補強層接合済みの連続高分子電解質膜１７面において、連続補強層１５上の切込み２１による面形状（逆コ字状片）の向きを、熱圧ロール５６を通るときの円滑な空気排出方向と一致させ、熱圧接合動作と共に効率よく空気排出を行い、気泡４７（図６参照）の残留を確実になくすためである。

なお、切込み２１による連続補強層１５上の上記逆コ字状片の部分は、熱圧ロール５６を通るときに高分子電解質膜原材料５１面に密着接合されるので、後工程において何ら支障を来たさない。
図２は、熱圧ロール５６を経て得られた補強層接合済みの連続高分子電解質膜１７の一例を示す平面図で、この図において破線で示す逆コ字状の切込み２１は、上記逆コ字状片の部分が高分子電解質膜原材料５１面に密着接合されている様子を示す。

上記補強層接合済みの連続高分子電解質膜１７は、分離工程に送られて所定間隔で切断分離されることにより、個々の補強層接合済みの高分子電解質膜として作製される。図１に示す例では、この切断分離は補強層接合済みの連続高分子電解質膜１７上に触媒層を接合形成してから行われる。

なお図１では、高分子電解質膜の上面（片面）に補強層を接合する場合の連続高分子電解質膜１７を得る連続加工工程を示しているが、高分子電解質膜の上，下面（両面）に補強層を接合するように、図示加工工程においては高分子電解質膜原材料５１の上，下面に連続補強層１５を接合するように、してもよい。この場合は、熱圧ロール５６に連続補強層１５を送り、これを高分子電解質膜原材料５１の下面に接合させるための機構を高分子電解質膜原材料５１の繰り出し搬送ラインの下方側に配置する。
後掲図３は高分子電解質膜４１の両面に補強層４３を接合した例を示している。

以上述べた実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち本実施形態では、補強層接合工程をなす一対の熱圧ロール５６の前段側に補強層にエアー抜き用の切込み２１を施す切込み工程を設けた。そして本実施形態では、切込み２１を逆コ字状に複数個施し、しかも切込み２１による面形状（逆コ字状片）の向きを、熱圧ロール５６を通るときの円滑な空気排出方向と一致させた。したがって本実施形態によれば、熱圧接合動作と共に効率よく空気排出が行われ、図３に示すように、高分子電解質膜４１と補強層４３との間に気泡４７（図６参照）の残留のない固体高分子型燃料電池（セル４０）を製造できる。
また本実施形態によれば、上記切込み工程を補強層原材料の無用部分を切除するカット工程に兼用させたので、切込み２１を簡易迅速に施すことができる。

なお本実施形態において、高分子電解質膜４１、触媒層４２、拡散層４５及びセパレータ４６等は、固体高分子型燃料電池において一般的に用いられている材質からなる。
補強層４３としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート(ＰＥＮ)等のポリエステル系のフィルム、シート、プレートあるいは膜等が用いられる。本実施形態ではＰＥＮフィルムが用いられているが、高分子電解質膜４１、触媒層４２及び拡散層４５の機能を損なわせることなく、高分子電解質膜４１を補強、保護するものであれば、その他の材質を用いてもよい。

本発明による燃料電池の膜−電極接合体製造方法の一実施形態の要部説明図である。 図１中の熱圧ロールを経て得られた補強層接合済みの連続高分子電解質膜の一例を示す平面図である。 本実施形態による固体高分子型燃料電池のセルの一例を示す断面図である。 従来技術による固体高分子型燃料電池のセルの一例を示す断面図である。 従来の膜−電極接合体製造形態の要部説明図である。 図５に示す製造形態による補強層接合済みの連続高分子電解質膜内に気泡が残留している様子を示す平面図である。

符号の説明

１３：ロータリカッタ（カット工程；切込み工程）、１５：連続補強層、１７：補強層接合済みの連続高分子電解質膜、２１：エアー抜き用の切込み、２２：切込み群、４０：セル、４１：高分子電解質膜、４２：触媒層、４３：補強層、４４：膜−電極接合体、４５：拡散層、４６：セパレータ、５１：高分子電解質膜原材料、５２：補強層原材料、５６：熱圧プレス（補強層接合工程）。

Claims (4)

1. 触媒層とで膜−電極接合体を構成する高分子電解質膜の周縁部に枠状の補強層を接合する補強層接合工程を含む燃料電池の膜−電極接合体製造方法において、
   前記補強層接合工程の前段側に前記補強層にエアー抜き用の切込みを施す切込み工程を備え、
   前記切込みは、自由端をなす一端側が固定端をなす他端側を支点として補強層面と交差する方向に変位動可能な、一部を固定端として開いた面形状に施されることを特徴とする燃料電池の膜−電極接合体製造方法。
2. 切込みは、補強層の複数箇所に、各々自由端をなす一端側を同方向側に位置するように施されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の膜−電極接合体製造方法。
3. 切込みが施されてなる面形状の固定端をなす他端側を、自由端をなす一端側に先立って前記補強層接合工程に進入させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の膜−電極接合体製造方法。
4. 高分子電解質膜及び補強層の原材料を各々巻いた状態から帯状に繰り出し、補強層原材料の無用部分を切除するカット工程を経て得られたはしご状に連続する補強層を高分子電解質膜原材料と重ねて前記補強層接合工程に通し、補強層接合済みの連続する高分子電解質膜を得る連続加工工程を備え、
   前記切込み工程は前記カット工程に兼用され、このカット工程で前記補強層原材料の無用部分を切除する際に前記切込みを施すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の膜−電極接合体製造方法。

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