JP5628110B2 - 電解質膜・電極構造体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、前記固体高分子電解質膜の外周縁部から内方に離間して電極触媒層が設けられるとともに、各電極触媒層の外周部と重なり部位を有して前記固体高分子電解質膜の両側外周縁部に保護フイルムが設けられる電解質膜・電極構造体の製造装置に関する。

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両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。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。

この種の電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の表面積が、この固体高分子電解質膜の両面に積層されている触媒層の表面積よりも大きく構成され、前記固体高分子電解質膜の外周端面が、前記触媒層の外周端面よりも外方に突出する、所謂、膜突出型ＭＥＡを構成する場合がある。

また、この種の電解質膜・電極構造体では、一方の電極の面積が他方の電極の面積よりも大きく構成され、前記一方の電極の端部が前記他方の電極の端部から外方に突出する、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

上記のＭＥＡでは、固体高分子電解質膜の面方向外方に突出する外周部からのガス透過量が、面方向内方側の触媒層が塗布された部分のガス透過量に比べて多くなり易い。このため、固体高分子電解質膜の外周縁部では、該固体高分子電解質膜の両側に存在する燃料ガスと酸化剤ガスとの混在が惹起され易く、前記固体高分子電解質膜の劣化が促進されるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体が知られている。この電解質膜−電極接合体は、図１０に示すように、高分子電解質膜１と、前記高分子電解質膜１の一方の面に形成されるカソード触媒層２と、前記高分子電解質膜１の他方の面に形成されるアノード触媒層３と、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように、前記カソード触媒層２の端部の少なくとも一部に形成される第１のガスケット層４ａと、前記アノード触媒層３の端部の少なくとも一部に形成される第２ガスケット層４ｂとを有している。

そして、高分子電解質膜１の、少なくとも電解質膜−電極接合体の厚み方向に対してカソード触媒層２の端部と重複する部位には、前記高分子電解質膜１よりも強度の高い補強層５が配置されている。

特開２００６−３３８９３８号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、カソード触媒層２の端部に第１のガスケット層４ａの一部が重なり合うとともに、アノード触媒層３の端部に第２のガスケット層４ｂの一部が重なり合っている。

このため、高分子電解質膜１の両面には、積層方向の厚さが大きなラップ部が存在しており、ＭＥＡ製造時のプレス工程では、前記ラップ部に過大な荷重が付与されるおそれがある。従って、高分子電解質膜１が変形し易くなり、長期間の使用に際して、前記高分子電解質膜１に破損が惹起され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、積層方向の重なり部位に過剰な荷重が付与されることを阻止し、ＭＥＡ全体を均一且つ良好に押圧することが可能な電解質膜・電極構造体の製造装置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側に、前記固体高分子電解質膜の外周縁部から内方に離間して電極触媒層が設けられるとともに、各電極触媒層の外周部と重なり部位を有して前記固体高分子電解質膜の両側外周縁部に保護フイルムが設けられる電解質膜・電極構造体の製造装置に関するものである。

この製造装置は、電解質膜・電極構造体の両側にガス拡散層が配設された積層体を挟持し、前記積層体にホットプレスを行う第１プレス金型及び第２プレス金型を備えている。そして、第１プレス金型及び第２プレス金型は、電極触媒層の外周部と保護フイルムとの重なり部位に対向する部分に、それぞれプレス面から離間する逃げ部が設けられている。

また、この製造装置では、一方の電極触媒層と一方の保護フイルムとの重なり部位と、他方の電極触媒層と他方の保護フイルムとの重なり部位とは、固体高分子電解質膜と前記電極触媒層との積層方向に対し、互いにオフセットして設けられることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体の両側にガス拡散層が配設された積層体は、第１プレス金型及び第２プレス金型に挟持され、ホットプレスにより一体化される。その際、電極触媒層の外周部と保護フイルムとの重なり部位は、第１プレス金型及び第２プレス金型に設けられているそれぞれの逃げ部に配置されており、前記重なり部位に過剰な荷重が付与されることがない。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、積層方向の重なり部位に過剰な荷重が付与されることを阻止し、ＭＥＡ全体を均一且つ良好に押圧することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜は、変形することがなく、長期間にわたって良好且つ確実に使用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る製造装置により製造される電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部断面説明図である。 前記製造装置の概略構成説明図である。 前記電解質膜・電極構造体を構成する固体高分子電解質膜に電極触媒層を塗布する際の斜視説明図である。 前記固体高分子電解質膜に前記電極触媒層を塗布する際の断面説明図である。 前記固体高分子電解質膜の両側に保護フイルムが配置された状態の斜視説明図である。 前記固体高分子電解質膜に前記保護フイルムがラミネートされたラミネート体の断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る製造装置の概略構成説明図である。 前記製造装置により製造される電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る製造装置により製造される電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持する。

第１セパレータ１４及び第２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等の金属セパレータの他、カーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体１０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２０及びカソード電極２２とを備える。

固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。固体高分子電解質膜１８は、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖を有する構造でもよい。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに塗布され、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周縁部を額縁状に露呈させる電極触媒層２０ａと、前記固体高分子電解質膜１８の外周縁部を覆うガス拡散層２０ｂとを設ける。電極触媒層２０ａは、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されて形成される。ガス拡散層２０ｂは、カーボンペーパやカーボンクロス等からなる。

カソード電極２２は、上記のアノード電極２０と同様に、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに塗布され、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周縁部を額縁状に露呈させる電極触媒層２２ａと、前記固体高分子電解質膜１８の外周縁部を覆うガス拡散層２２ｂとを設ける。電極触媒層２０ａと電極触媒層２２ａとは、同一の表面積に設定される。

固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂには、額縁状の保護フイルム２４、２６が設けられる。保護フイルム２４、２６は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等で構成される。

保護フイルム２４、２６は、電極触媒層２０ａ、２２ａの外方で固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂに直接設けられるとともに、前記電極触媒層２０ａ、２２ａの外周部と積層方向（矢印Ａ方向）に重なり合う重なり部位２４ａ、２６ａを有する。保護フイルム２４、２６は、固体高分子電解質膜１８とガス拡散層２０ｂ、２２ｂとの間に介装される。固体高分子電解質膜１８と保護フイルム２４、２６との間には、接着層（図示せず）を設けてもよい。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、アノード電極２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路２８が形成される。第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、カソード電極２２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３０が形成される。互いに当接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路３２が形成される。

第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６には、シール部材（図示せず）が一体又は個別に設けられる。シール部材は、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が用いられる。少なくとも第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を積層方向に流通させるための連通孔が形成され、内部マニホールドを構成する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る製造装置４０の概略構成説明図である。製造装置４０は、ホットプレス装置であり、互いに近接及び離間する第１プレス金型４２及び第２プレス金型４４を備える。第１プレス金型４２及び第２プレス金型４４には、図示しないが、加熱用プレート（ヒータ）が設けられる。

第１プレス金型４２のプレス面４２ａには、電極触媒層２０ａの外周部と保護フイルム２４との重なり部位２４ａに対向する部分に、前記プレス面４２ａから離間する逃げ溝（逃げ部）４６が設けられる。第２プレス金型４４のプレス面４４ａには、電極触媒層２２ａの外周部と保護フイルム２６との重なり部位２６ａに対向する部分に、前記プレス面４４ａから離間する逃げ溝（逃げ部）４８が設けられる。

逃げ溝４６、４８は、１０μｍ〜２００μｍ程度の深さに設定される。逃げ溝４６、４８は、重なり部位２４ａ、２６ａが前記逃げ溝４６、４８の内側に入る程度の幅寸法が全周にわたって設定される。逃げ溝４６、４８の角部には、滑らかなＲが設けられることが好ましい。

次いで、電解質膜・電極構造体１０を製造する方法について以下に説明する。

先ず、図３及び図４に示すように、固体高分子電解質膜１８が長方形状に作製された後、この固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂには、それぞれ触媒ペーストを塗布することにより、電極触媒層２０ａ及び電極触媒層２２ａが形成される。

電極触媒層２０ａ及び電極触媒層２２ａは、例えば、イオン導電性バインダと、Ｐｔを担持したカーボン粒子からなる触媒粒子とを、アルコール系溶媒、例えば、水とｎ−プロピルアルコールとエタノールとの混合液に、一定の割合で混合して触媒ペーストを作成する。さらに、この触媒ペーストを固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにスクリーン印刷等により直接塗布した後、前記触媒ペーストを乾燥させることにより形成される。

次いで、図５に示すように、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに対向して保護フイルム２４、２６が配置される。保護フイルム２４、２６は、それぞれ電極触媒層２０ａ、２２ａの外形寸法よりも小さな開口寸法を有する開口部２４ｂ、２６ｂを設ける。

図６に示すように、保護フイルム２４、２６は、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにラミネートされることにより、前記固体高分子電解質膜１８に一体化されてラミネート体５０が得られる。その際、ラミネート体５０には、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周部と保護フイルム２４、２６との重なり部位２４ａ、２６ａが設けられる。重なり部位２４ａ、２６ａは、電極触媒層２０ａ、２２ａの全外周にわたって設けられる。

さらに、図２に示すように、製造装置４０を構成する第１プレス金型４２と第２プレス金型４４との間には、ラミネート体５０の両側にガス拡散層２０ｂ、２２ｂが配設された積層体５２が配置される。第１プレス金型４２と第２プレス金型４４とは、互いに型締めされるとともに、ガス拡散層２０ｂ、２２ｂを加熱して積層体５２をホットプレスする。

具体的には、プレス圧力は、例えば、０．０５ＭＰａ〜４．０ＭＰａ、好ましくは、０．１ＭＰａ〜２．０ＭＰａであり、プレス時間は、１秒〜６００秒、好ましくは、１０秒〜６０秒である。温度は、５０℃〜１７０℃、好ましくは、９０℃〜１５０℃である。

このため、図７に示すように、電解質膜・電極構造体１０が製造される。電解質膜・電極構造体１０では、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周部と保護フイルム２４、２６との重なり部位２４ａ、２６ａに対応する部位が、厚さ方向に肉厚に形成される。

保護フイルム２４とガス拡散層２０ｂとの厚さＷ１は、電極触媒層２０ａと前記ガス拡散層２０ｂとの厚さＷ２と略同一の寸法に設定される。保護フイルム２６とガス拡散層２２ｂとの厚さＷ３は、電極触媒層２２ａと前記ガス拡散層２２ｂとの厚さＷ４と略同一の寸法に設定される。電解質膜・電極構造体１０は、全体として均一な厚さを有する。

なお、図１に示すように、電解質膜・電極構造体１０が第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間に挟持されて燃料電池１２が構成される際には、積層方向の締め付け荷重により前記電解質膜・電極構造体１０が厚さ方向に加圧される。従って、電解質膜・電極構造体１０の両面（ガス拡散層２０ｂ、２２ｂの表面）は、略平面状に維持される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、製造装置４０を構成する第１プレス金型４２と第２プレス金型４４との間には、ラミネート体５０の両側にガス拡散層２０ｂ、２２ｂが配設された積層体５２が配置され、ホットプレスにより前記積層体５２が一体化されている。

その際、電極触媒層２０ａ、２２ａの外周部と保護フイルム２４、２６との重なり部位２４ａ、２６ａは、第１プレス金型４２及び第２プレス金型４４に設けられている逃げ溝４６、４８に配置されている。このため、ホットプレス処理時に、重なり部位２４ａ、２６ａに過剰な荷重が付与されることがない。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、積層方向の重なり部位２４ａ、２６ａに過剰な荷重が付与されることを阻止し、電解質膜・電極構造体１０全体を均一且つ良好に押圧することが可能になる。従って、特に固体高分子電解質膜１８は、変形することがなく、長期間にわたって良好且つ確実に使用することができるという効果が得られる。

このように構成される電解質膜・電極構造体１０が組み込まれる燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、燃料ガス流路２８には、水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路３０には、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体流路３２には、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、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１０のアノード電極２０に供給される一方、酸化剤ガスは、前記電解質膜・電極構造体１０のカソード電極２２に供給される。従って、電解質膜・電極構造体１０では、アノード電極２０に供給される燃料ガスと、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層２０ａ、２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る製造装置６０の概略構成説明図である。この製造装置６０により、電解質膜・電極構造体６２が製造される（図９参照）。なお、第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図９に示すように、電解質膜・電極構造体６２は、固体高分子電解質膜１８をアノード電極２０及びカソード電極２２により挟持する。アノード電極２０を構成する電極触媒層２０ａＬは、カソード電極２２を構成する電極触媒層２２ａＳよりも大きな表面積に設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。

保護フイルム２４、２６は、電極触媒層２０ａＬ、２２ａＳの外周部と積層方向（矢印Ａ方向）に重なり合う重なり部位２４ａａ、２６ａａを有する。重なり部位２４ａａと重なり部位２６ａａとは、積層方向に対して互いにオフセット（重なり合わない状態）して設けられる。

保護フイルム２４とガス拡散層２０ｂとの厚さＷ１ａは、電極触媒層２０ａＬと前記ガス拡散層２０ｂとの厚さＷ２ａと略同一の寸法に設定される。保護フイルム２６とガス拡散層２２ｂとの厚さＷ３ａは、電極触媒層２２ａＳと前記ガス拡散層２２ｂとの厚さＷ４ａと略同一の寸法に設定される。電解質膜・電極構造体６２は、全体として均一な厚さを有する。

図８に示すように、製造装置６０は、互いに近接及び離間する第１プレス金型６４及び第２プレス金型６６を備える。第１プレス金型６４のプレス面６４ａには、電極触媒層２０ａＬの外周部と保護フイルム２４との重なり部位２４ａａに対向する部分に、前記プレス面６４ａから離間する逃げ溝（逃げ部）６８が設けられる。

第２プレス金型６６のプレス面６６ａには、電極触媒層２２ａＳの外周部と保護フイルム２６との重なり部位２６ａａに対向する部分に、前記プレス面６６ａから離間する逃げ溝（逃げ部）７０が設けられる。逃げ溝６８と逃げ溝７０とは、積層方向に対して互いにオフセットして配置される。

このように構成される第２の実施形態では、電解質膜・電極構造体６２を構成する保護フイルム２４、２６は、電極触媒層２０ａＬ、２２ａＳの外周部と積層方向に重なり合う重なり部位２４ａａ、２６ａａを有するとともに、前記重なり部位２４ａａと前記重なり部位２６ａａとは、積層方向に対して互いにオフセットして設けられている。

このため、製造装置６０では、重なり部位２４ａａ、２６ａａに対して過剰な荷重が付与されることがなく、一層良好に荷重を付与することができる。これにより、固体高分子電解質膜１８の損傷がより低減され、長期間にわたって良好且つ確実に使用することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６２…電解質膜・電極構造体 １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極
２０ａ、２２ａ、２０ａＬ、２２ａＳ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２４、２６…保護フイルム
２４ａ、２６ａ、２４ａａ、２６ａａ…重なり部位
２８…燃料ガス流路 ３０…酸化剤ガス流路
３２…冷却媒体流路 ４０、６０…製造装置
４２、４４、６４、６６…プレス金型 ４２ａ、４４ａ、６４ａ、６６ａ…プレス面
４６、４８、６８、７０…逃げ溝 ５０…ラミネート体
５２…積層体

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の両側に、前記固体高分子電解質膜の外周縁部から内方に離間して電極触媒層が設けられるとともに、各電極触媒層の外周部と重なり部位を有して前記固体高分子電解質膜の両側外周縁部に保護フイルムが設けられる電解質膜・電極構造体の製造装置であって、
   前記電解質膜・電極構造体の両側にガス拡散層が配設された積層体を挟持し、前記積層体にホットプレスを行う第１プレス金型及び第２プレス金型を備え、
   前記第１プレス金型及び前記第２プレス金型は、前記電極触媒層の外周部と前記保護フイルムとの重なり部位に対向する部分に、それぞれプレス面から離間する逃げ部が設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造装置。
2. 請求項１記載の製造装置において、一方の電極触媒層と一方の保護フイルムとの前記重なり部位と、他方の電極触媒層と他方の保護フイルムとの前記重なり部位とは、前記固体高分子電解質膜と前記電極触媒層との積層方向に対し、互いにオフセットして設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造装置。

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