JP6055007B2 - 膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に採用される膜電極接合体の製造方法に関する。

自動車の動力源として、ガソリン等を燃料とするエンジン、電気により駆動するモータ、エンジンとモータを組み合わせたものが実用化されている。近年、環境考慮の点から、燃料電池により発電された電気でモータを駆動する燃料電池車が注目されている。燃料電池は、アノード電極とカソード電極が電解質膜を挟んで構成される膜電極接合体に、空気と水素を供給し、電気エネルギーと水を生成するものである。このような燃料電池に採用される膜電極接合体の製造方法として以下のものが提案されている。

図５（ａ）に示すように、基材１００に所定形状にカットされたマスク１０１を設け、図５（ｂ）に示すように、基材１００に電極層となる電極層用ペースト１０２を塗布する。電極層用ペースト１０２で覆われた基材１００及びマスク１０１を乾燥機内に収容し、所定の温度で乾燥させる。乾燥により電極層用ペースト１０２が固化する。

次に、マスク１０１を基材１００から剥離する。図５（ｃ）に示すように、所定形状の固体の電極層１０３が得られる。ここで、電極層用ペースト１０２が固体となった後に、基材１００からマスク１０１を剥離すると、電極層１０３の外周縁に鋭利な頂点を有する盛り上がり形状１０４が形成される。

図５（ｄ）に示すように、電極層１０３を電解質膜１０５の一方面に熱圧着により転写する。同様に、電極層を電解質膜１０５の他方面に熱圧着により転写し、さらに両面の電極層上にガス拡散層を形成することで、膜電極接合体が得られる。しかし、盛り上がり形状１０４が形成された電極層１０３を電解質膜１０５に転写すると、盛り上がり形状１０４が電解質膜１０５に食い込み、電解質膜１０５にダメージが与えられる。この対策が講じられた膜電極接合体の製造方法が各種提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図６（ａ）に示すように、長方形の基材１１０を準備し、図６（ｂ）に示すように、この基材１１０に所定形状にカットされたマスク１１１を設ける。図６（ｃ）に示すように、電極層用ペースト１１２を基材１１０に塗布し、図６（ｄ）に示すように、基材１１０を温室に放置して半乾燥し、電極層用ペースト１１２を半固化物にする。半乾燥は、電極層用ペースト１１２の粘度が、マスク１１１を除去した際に形状を保てる程度に行われる。図６（ｅ）に示すように、電極層用ペースト１１２が溶媒を含んで湿潤状態にあるうちに、マスク１１１を基材１１０から剥離する。マスク１１１の除去によって、電極層用ペースト１１２の外周縁部も除去され、電極層用ペースト１１２が所望の形状となる。

図７に示すように、電極層用ペースト１１２の外周縁部１１３は、半乾燥状態のため自重で外周側に流動し、厚み方向の寸法が外周側に向かって小さくなるように傾斜し先細りとなる。

次に図６（ｆ）に示すように、電極層用ペースト１１２を基材１１０ごと乾燥機１１４に収容し本乾燥し、図６（ｇ）に示すように、基材１１０上に固体となった電極層１１５が得られる。図６（ｈ）に示すように、電解質膜１１６にアノード電極側の電極層１１５及びカソード電極側の電極層１１７が接触するように基材１１０、１１０で電解質膜１１６を挟み、プレス機１１８で熱圧着する。図６（ｉ）に示すように、電極層１１５、１１７から基材１１０、１１０を剥離させると、電極層１１５、１１７が両面に設けられた電解質膜１１６を得る。

しかし、電極層用ペースト１１２を湿潤状態（半固化状態）にあるうちにマスク１１１を除去するため、電極層１１５、１１７の外周縁の形状が若干変わるおそれがある。そこで、電解質膜に機械的ダメージを与えることなく、電極層の形状を正確に形成することができる膜電極接合体の製造方法が求められている。

特開２０１４−６７４８３号公報

本発明は、燃料電池用電解質膜に機械的ダメージを与えることなく、電極層の形状を正確に形成することができる膜電極接合体の製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、基材に燃料電池用電極層を形成し、この燃料電池用電極層を燃料電池用電解質膜に転写する膜電極接合体の製造方法において、第１基材層と第２基材層を主接着層を介して積層した前記基材を準備する基材準備工程と、前記第１基材層上に前記燃料電池用電極層を形成する電極層形成工程と、切れ込み手段で前記燃料電池用電極層側から前記第２基材層まで達するように切り込み、前記燃料電池用電極層及び前記第１基材層に所定形状の切れ込みを形成する切れ込み工程と、前記所定形状の外側部分を、前記第２基材層から剥がして除去する除去工程と、前記所定形状の燃料電池用電極層を、前記基材から前記燃料電池用電解質膜に転写する転写工程と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、第１基材層は、第１副基材層と第２副基材層を副接着層を介して貼り合わされており、副接着層の接着強度は、主接着層の接着強度よりも大きいことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、第１基材層と第２基材層を主接着層を介して積層した基材を準備し、第１基材層上に燃料電池用電極層を形成する。切れ込み手段で燃料電池用電極層側から第２基材層まで達するように切り込み、燃料電池用電極層及び第１基材層に所定形状の切れ込みを形成する。所定形状の外側部分を第２基材層から剥がして除去すると、燃料電池用電極層及び第１基材層が共に第２基材層から剥がされて除去されるので、従来技術のようにマスク端で燃料電池用電極層のみが剪断されて電極層の外周縁に盛り上がり形状が形成されることがない。結果、燃料電池用電極層を燃料電池用電解質膜に転写する際、電極層の外周縁が燃料電池用電解質膜に食い込まず、燃料電池用電解質膜に機械的ダメージを与えることがない。

また、燃料電池用電極層を乾燥させて固体に形成してから切れ込み手段で切り込むので、従来技術のように半乾燥状態の電極層用ペーストの外周縁部が自重で外周側に流動することもなく、電極層の形状を正確に形成することができる。

請求項２に係る発明では、第１基材層は、第１副基材層と第２副基材層を副接着層を介して貼り合わされている。副接着層の接着強度は、第２副基材層と第２基材層の間の主接着層の接着強度よりも大きいので、バックアップ用の第２基材層から第２副基材層を容易に剥がすことができる。

本発明に係る膜電極接合体の概略断面図である。 基材準備工程から転写工程までを説明する図である。 燃料電池を構成する単位セルの要部分解斜視図である。 図２の別態様を説明する図である。 従来の基材準備工程から転写工程までを説明する図である。 従来の膜電極接合体の製造方法の概略フロー図である。 従来のマスクを除去した状態の基材及び電極層の要部断面図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、燃料電池に採用される膜電極接合体１０は、燃料電池用電解質膜１１と、この燃料電池用電解質膜１１の一方の面１２に設けられるアノード電極２１と、燃料電池用電解質膜１１の他方の面１３に設けられるカソード電極３１とからなる。燃料電池用電解質膜１１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高分子電解質膜である。

燃料電池用電解質膜１１の面積は、アノード電極２１及びカソード電極３１の面積よりも大きく設定されている。なお、燃料電池用電解質膜１１の面積を、アノード電極２１及びカソード電極３１の面積と同じに設定してもよい。また、アノード電極２１の面積とカソード電極３１の面積を相違させてもよい。

アノード電極２１は、燃料電池用電解質膜１１の一方の面１２に設けられた第１の燃料電池用電極層２２と、この第１の燃料電池用電極層２２を覆うように設けられた第１のガス拡散層２３とから構成される。カソード電極３１は、燃料電池用電解質膜１１の他方の面１３に設けられた第２の燃料電池用電極層３２と、この第２の燃料電池用電極層２３を覆うように設けられた第２のガス拡散層３３とから構成される。

第１の燃料電池用電極層２２と第２の燃料電池用電極層３２は、例えば、白金粒子等の触媒を担持したカーボン、高分子電解質、溶媒（水、アルコール、又はその混合液）、炭素繊維からなる電極層用スラリーを作成し、転写基材に塗工した後に高分子電解質膜に熱圧着したものである（詳細後述）。なお、スラリーは、固体と液体を機械的に混合し,流体化したものである。第１のガス拡散層２３と第２のガス拡散層３３は、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロスから構成されたものである。

第１の燃料電池用電極層２２の外周縁２４は、燃料電池用電解質膜１１に食い込むことなく、一方の面１２上に位置する。第２の燃料電池用電極層３２の外周縁３４は、燃料電池用電解質膜１１に食い込むことなく、他方の面１３上に位置する。なお、燃料電池用電解質膜１１、第１の燃料電池用電極層２２の外周縁２４等の形状は、便宜上、誇張している。また、これ以降においても、燃料電池用電解質膜１１、第１の燃料電池用電極層２２等の形状は誇張した図を用いて説明する。

次に基材準備工程から転写工程までを説明する。
図２（ａ）に示すように、転写基材としての第１基材層４１とバックアップ基材としての第２基材層４２を、主接着層４３を介して積層し基材４０を得る。この基材４０を台５１上に準備する（基材準備工程）。

第１基材層４１は、第１副基材層４１ａと第２副基材層４１ｂを副接着層４４を介して貼り合わされている。副接着層４４の接着強度は、主接着層４３の接着強度よりも大きい。このため、後述する除去工程でバックアップ用の第２基材層４２から第２副基材層４１ｂを容易に剥がすことができる。

図２（ｂ）に示すように、白金粒子等の触媒を担持したカーボン、高分子電解質、溶媒、炭素繊維からなる電極層用スラリー２２ａを作成し、基材４０の第１基材層４１上に塗工する。電極層用スラリー２２ａを基材４０ごと乾燥手段５２で乾燥させる。これで第１基材層４１上に第１の燃料電池用電極層２２が形成される（電極層形成工程）。
なお、電極層用スラリー２２ａが乾燥して固化したものを燃料電池用電極層２２とする。

図２（ｃ）に示すように、台５１に対して移動可能に設けられた切れ込み手段５３を準備する。切れ込み手段５３を矢印（１）のように移動させ、第１の燃料電池用電極層２２側から第２基材層４２の途中まで達するように切り込む。結果、第１の燃料電池用電極層２２及び第１基材層４１に所定の切れ込みが形成される（切れ込み工程）。

第１の燃料電池用電極層２２側から切れ込み手段５３で切断することで、第１の燃料電池用電極層２２の切断面の上端部が若干図下方に食い込み、湾曲する。第１の燃料電池用電極層２２を燃料電池用電解質膜１１（図１参照）に転写する際、第１の燃料電池用電極層２２の湾曲部側が燃料電池用電解質膜１１に接するので、燃料電池用電解質膜１１に与える機械的ダメージをより一層低減することができる。

図２（ｄ）に示すように、切れ込み手段５３を矢印（２）のように退避させる。所定形状の外側部分４５、４５を、矢印（３）のように第２基材層４２から剥がして除去する（除去工程）。

このように、所定形状の外側部分４５、４５が第２基材層４２から剥がされる。第１の燃料電池用電極層２２及び第１基材層４１が共に第２基材層４２から剥がされて除去されるので、従来技術のようにマスク端で燃料電池用電極層のみが剪断されて電極層の外周縁に盛り上がり形状が形成されることがない。結果、第１の燃料電池用電極層２２を燃料電池用電解質膜１１（図１参照）に転写する際、第１の燃料電池用電極層２２の外周縁２４が燃料電池用電解質膜１１に食い込まず、燃料電池用電解質膜１１に機械的ダメージを与えることを防止できる。

また、第１の燃料電池用電極層２２を乾燥させて固体に形成してから切れ込み手段５３で切り込むので、従来技術のように半乾燥状態の電極層用ペーストの外周縁部が自重で外周側に流動することもなく、第１の燃料電池用電極層２２の外周縁の形状を正確に形成することができる。なお、同様にして第２の燃料電池用電極層３２（図１参照）を形成した基材を得る。

次に図６（ｈ）に示した従来技術と同様に、燃料電池用電解質膜１１に、アノード電極側の第１の燃料電池用電極層２２及びカソード電極側の第２の燃料電池用電極層３２が接するように、基材４０で燃料電池用電解質膜１１を挟み、プレス機で熱圧着する。プレス機を退避させた後、第１の燃料電池用電極層２２及び第２の燃料電池用電極層３２から第１基材４１を剥離させると、第１の燃料電池用電極層２２及び第２の燃料電池用電極層３２が両面に設けられた燃料電池用電解質膜１１を得る（転写工程）。

さらに、第１の燃料電池用電極層２２側に第１のガス拡散層２３を形成し、第２の燃料電池用電極層３２側に第２のガス拡散層３３を形成することで膜電極接合体１０（図１参照）が得られる。本発明では、従来技術のように、半乾燥と本乾燥の２回の乾燥工程が必要になく、一回の乾燥工程で済むので工数を低減することができる。また、燃料電池用電解質膜１１への機械的ダメージを低減するので、いわゆるクロスリークの発生を抑制し、耐久性に優れた燃料電池を製造することができる。

次に以上に述べた膜電極接合体１０を採用した燃料電池の作用を述べる。
図３に示すように、燃料電池を構成する単位セル６０は、燃料電池用電解質膜１１と、燃料電池用電解質膜１１の両側に設けられる第１セパレータ６１及び第２セパレータ７１とからなる。なお、便宜上、単位セル６０の分解斜視図によって説明する。

酸化剤ガス入口連通孔６２に空気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６３に水素等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔６４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。

燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔６３から供給孔部４６を通って第１セパレータ６１の燃料ガス流路６６に導入され、その後、燃料ガス流路６６に沿って矢印Ｙ方向に移動し、膜電極接合体１０のアノード電極２１に供給される。アノード電極２１では、燃料ガスは、第１のガス拡散層２３（図１参照）を拡散しながら通過し、第１の燃料電池用電極層２２に到達する。

その後、第１の燃料電池用電極層２２において、燃料ガス中の水素が電離してプロトンが生じる反応が起こる。このプロトンは、燃料電池用電解質膜１１のプロトン伝導作用によってカソード電極３１（図１参照）の第２の燃料電池用電極層３２に移動する。また、電子は、固体高分子形燃料電池に電気的に接続された外部負荷を付勢する電気エネルギ源として利用される。

一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔６２から第２セパレータ７１の酸化剤ガス流路７２に導入され、矢印Ｙ方向に移動して膜電極接合体１０のカソード電極３１に供給される。

カソード電極３１では、酸化剤ガスは、第２のガス拡散層３３（図１参照）を拡散しながら通過し、第２の燃料電池用電極層２３に到達する。その後、第２の燃料電池用電極層２３において、酸化剤ガス中の酸素と、燃料電池用電解質膜１１を移動してきたプロトンと、前記外部負荷を付勢してカソード電極３１に到達した電子とが反応し、水が生成する。

ここで、アノード電極２１に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部６７を通り燃料ガス出口連通孔６８に沿って矢印Ｘ方向に排出される。同様に、カソード電極３１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６９に沿って矢印Ｘ方向に排出される。

以上のようにして発電が行われている間、第１セパレータ６１と第２セパレータ７１との間の冷却媒体流路７３に、冷却媒体入口連通孔６４を介して冷却媒体が供給される。冷却媒体は、矢印Ｙ方向に流通することで膜電極接合体１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔７４から排出される。

次に、図２の別態様を図面に基づいて説明する。なお、図２に示した構成と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
図４（ａ）に示すように、転写基材としての第１基材層４１とバックアップ基材としての第２基材層４２を、主接着層４３を介して積層し基材４０を得る。この基材４０を台５１上に準備する（基材準備工程）。

図４（ｂ）に示すように、白金粒子等の触媒を担持したカーボン、高分子電解質、溶媒、炭素繊維からなる電極層用スラリー２２ａを作成し、基材４０の第１基材層４１上に塗工する。電極層用スラリー２２ａを基材４０ごと乾燥手段５２で乾燥させる。これで第１基材層４１上に第１の燃料電池用電極層２２が形成される（電極層形成工程）。

図４（ｃ）に示すように、台５１に対して移動可能に設けられた切れ込み手段５３を準備する。切れ込み手段５３を矢印（４）のように移動させ、第１の燃料電池用電極層２２側から第２基材層４２の途中まで達するように切り込む。結果、第１の燃料電池用電極層２２及び第１基材層４１に所定の切れ込みが形成される（切れ込み工程）。

図４（ｄ）に示すように、切れ込み手段５３を矢印（５）のように退避させる。所定形状の外側部分４５、４５を、矢印（６）のように第２基材層４２から剥がして除去する（除去工程）。第１基材層４１を一層とすることで基材４０全体を簡単な構成とすることができる。

尚、実施例では、第１の燃料電池用電極層２２及び第２の燃料電池用電極層３２を、第１のガス拡散層２３及び第２のガス拡散層３３でそれぞれ覆ったが、これに限定されず、フッ素形接着剤から形成される接着層で覆っても差し支えない。

本発明は、燃料電池用の膜電極接合体に好適である。

１０…膜電極接合体、１１…燃料電池用電解質膜、２２…第１の燃料電池用電極層、３２…第２の燃料電池用電極層、４０…基材、４１…第１基材層、４１ａ…第１副基材層、４１ｂ…第２副基材層、４２…第２基材層、４３…主接着層、４４…副接着層、４５…外側部分。

Claims (2)

1. 基材に燃料電池用電極層を形成し、この燃料電池用電極層を燃料電池用電解質膜に転写する膜電極接合体の製造方法において、
   第１基材層と第２基材層を主接着層を介して積層した前記基材を準備する基材準備工程と、
   前記第１基材層上に前記燃料電池用電極層を形成する電極層形成工程と、
   切れ込み手段で前記燃料電池用電極層側から前記第２基材層まで達するように切り込み、前記燃料電池用電極層及び前記第１基材層に所定形状の切れ込みを形成する切れ込み工程と、
   前記所定形状の外側部分を、前記第２基材層から剥がして除去する除去工程と、
   前記所定形状の燃料電池用電極層を、前記基材から前記燃料電池用電解質膜に転写する転写工程と、
   を備えることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
2. 前記第１基材層は、第１副基材層と第２副基材層を副接着層を介して貼り合わされており、
   前記副接着層の接着強度は、前記主接着層の接着強度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の膜電極接合体の製造方法。

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