JP6175356B2 - 燃料電池用膜電極複合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池用膜電極複合体の製造方法に関する。

燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置であり、中でも、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

固体高分子形燃料電池スタックは、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体（ＭＥＡ）の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成し、この単セル電池を複数個積層した積層体である。

一般的に燃料極と酸化剤極であるガス拡散電極は、ガス拡散層と触媒層とからなる。触媒層は、炭素などの担持体に白金などの貴金属を担持した触媒と、イオン交換成分である電解質により構成される。このようなガス拡散電極と電解質膜は、積層して加熱および加圧することで一体化され、膜電極複合体（ＭＥＡ）を構成する。以上の構成要素のうち、ガス拡散層と電解質膜は厚さ１０〜４００μｍの薄いシートであり、ロール状に形成され、供給される。一方、触媒層は強度が低く、単体のシートとして供給することは難しい。そこで電解質膜上に湿式塗布等して形成するか、他の基板フィルム上に湿式塗布等して形成した後に電解質膜上に転写する方法が一般的である。

固体高分子電解質膜は、強度やガスバリア性に優れるが、環境湿度に応じて含水し、膨潤や収縮する特性がある。このため、触媒層を電解質膜上に湿式塗布する方法だと、乾燥による収縮で触媒層のヒビ割れや膜の皺を生じるという課題があった。他の基板フィルム上に湿式塗布等して形成したあとに電解質膜上に転写する方法においても、フィルム同士を合わせるため、膜の皺を生じやすいという課題が残った。

一方、電解質膜をマスキングフィルムで挟み、触媒層形成部分だけマスキングフィルムを取り除いて触媒層を塗布し、反対側のマスキングフィルムを残すことで膜の皺の発生を防止する方法が提案されている。しかし、この方法では反対側に触媒層を形成する場合にマスキングフィルムが残らず、皺が発生しやすいという課題が残っている。

特開２００６−１２０４３３号公報

本発明が解決しようとする課題は、膜の皺を生じず、安価でかつ高速に膜電極複合体（ＭＥＡ）を形成することを可能とする燃料電池用膜電極複合体の製造方法を提供することである。

一実施形態に係る燃料電池用膜電極複合体の製造方法は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードの２層の電極触媒層で狭持し、当該２層の電極触媒層のそれぞれにガス拡散層を配置して形成される燃料電池用膜電極複合体の製造方法において、固体高分子電解質膜を、供給手段により、固定手段上に固定されたアノードとカソードのいずれか一方の電極触媒層上に供給し、加圧手段により固体高分子電解質膜上から加圧して張合わせを行うことにより、当該電極触媒層の表面の凹凸に沿って前記固体高分子電解質膜が配置されるようにすることを特徴とする。

一実施形態に係る膜電極複合体（ＭＥＡ）を備える固体高分子形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 実施例１に係る膜電極複合体（ＭＥＡ）の製造方法を示す図である。 実施例２に係る膜電極複合体（ＭＥＡ）の製造方法を示す図である。 実施例３に係る膜電極複合体（ＭＥＡ）の製造方法を示す図である。 実施例４に係る膜電極複合体（ＭＥＡ）の製造方法を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施形態により製造される膜電極複合体（ＭＥＡ）を備える固体高分子形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。図１において、単位電池１０は、高分子電解質膜１１をアノード１２とカソード１３とで狭持してなる膜電極複合体（ＭＥＡ）２０の両面に、燃料セパレータ１４及び酸化剤・冷却水セパレータ１５を配置することにより構成されている。燃料セパレータ１４の膜電極複合体（ＭＥＡ）２０に隣接する面には燃料ガス流通路１４ａが設けられ、酸化剤・冷却水セパレータ１５の膜電極複合体（ＭＥＡ）２０に隣接する面には酸化剤ガス流通路１５ａが、他方の面には冷却水流通路１５ｂが設けられている。以上のように構成される単位電池１０は、複数個積層されて燃料電池スタックを構成する。

アノード１２は、アノード触媒層１２ａとアノードガス拡散層１２ｂとからなり、カソード１３は、カソード触媒層１３ａとカソードガス拡散層１３ｂとからなる。アノード触媒層１２ａ及びカソード触媒層１３ａがそれぞれ高分子電解質膜１１の両面に接している。

電解質膜１１は、イオン伝導性とともにガスバリア性が必要であり、反応ガスの混合を防ぐため、セパレータと同じ大きさまで延長されている。触媒層１２ａ，１３ａ及びガス拡散層１２ｂ，１３ｂの外側側面には、反応ガスをシールするエッジシール材１６が配置されている。

以上のように構成される固体高分子形燃料電池スタックの膜‐電極複合体（ＭＥＡ）２０を製造する実施例について、以下に説明する。

実施例１
本実施例における膜‐電極複合体（ＭＥＡ）２０の製造工程について、図２を参照して説明する。なお、以下の実施例では、電解質膜１１の一方の面に最初にアノード１２を接合し、次いで、他方の面にカソード１３を接合したが、その順序は逆でもよい。

まず、アノードガス拡散層１２ｂ上にアノード触媒層１２ａを積層し、アノード１２を形成する。アノードガス拡散層１２ｂ上にアノード触媒層１２ａを積層する方法としては、炭素などの担持体に白金などの貴金属を担持した触媒とイオン交換成分からなる電解質を溶媒とを混合してペースト状の触媒インクを製造し、これを炭素などからなるアノードガス拡散層１２ｂ上に湿式塗布し、その後乾燥してアノード触媒層１２ａを積層する方法や、ペースト状の触媒インクをアノードガス拡散層１２ｂにスプレードライしてアノード触媒層１２ａを積層する方法、触媒インクを乾燥して紛体とし、これをアノードガス拡散層１２ｂに乾式塗布してアノード触媒層１２ａを積層する方法などがある。

このようにして製造されたアノード１２を、図２に示すように、アノード触媒層１２ａを上にして吸着テーブル３１上に設置し、裏面からの吸気により固定・保持する。

一方、高分子電解質膜１１は基板フィルム３２上に保持され、電解質膜−基板フィルム積層体３３としてロール状に巻回され、電解質膜供給ロール３４とされる。本実施例では、電解質膜１１が外側、基板フィルム３２が内側となるように電解質膜供給ロール３４を形成する。電解質膜供給ロール３４から供給された電解質膜−基板フィルム積層体３３は、電解質膜供給ロール３４の近傍の電解質膜１１側に設けられた切断刃３５によりハーフカットされ、電解質膜１１のみが切断される。その後、電解質膜１１は、基板フィルム３２が剥離され、吸着テーブル３１上に固定されたアノード１２のアノード触媒層１２ａ上に搬送される。搬送された電解質膜１１は、矢印Ａの方向に回転移動する加圧ローラー３６により押圧され、触媒層１２ａと接合される。剥離された基板フィルム３２は、回収ロール３７により回収される。

このように、表面に電解質膜１１が配置されたアノード１２は、吸着テーブル３１上に固定された状態で、図２の矢印Ｂの方向に移動し、カソード１３と接合する位置に配置される。そこでは、矢印Ｃの方向から、カソード触媒層１３ａとカソードガス拡散層１３ｂからなるカソード１３が、カソード触媒層１３ａを下にして下降し、電解質膜１１上に載置され、電解質膜１１をアノード１２とカソード１３とで挟んだ積層体が得られる。その後、この積層体は、熱プレスや熱ローラー（図示せず）で加圧・加熱され、膜電極複合体（ＭＥＡ）が得られる。

本実施例では、アノード１２−電解質膜１１−カソード１３をすべて重ねた後に加圧するのではなく、一方の電極、例えばアノード１２を吸着テーブル３１上に固定した状態で、このアノード１２上に電解質膜１１を載置し、電解質膜１１上から加圧しているため、電解質膜１１の皺を発生させることなく、アノード触媒層１２ａと電解質膜１１を接合することができる。即ち、触媒層表面に凹凸があったとしても、その凹凸に沿ってローラーによる加圧がされるため、電解質膜１１の皺の発生を防止することができるとともに、電解質膜１１の寸法変化を抑制することができる。

また、電解質膜−基板フィルム積層体３３をロール状に巻回して電解質膜供給ロール３４とし、積層体３３をハーフカットして電解質膜１１のみを切断し、電解質膜１１を独立させるとともに、基板フィルム３２を剥離して回収することで、連続生産が可能であり、安価な製造コストで量産化を行うことができる。

実施例２
本実施例は、実施例１の変形例であり、本実施例に係る膜‐電極複合体（ＭＥＡ）の製造工程を図３に示す。図３に示すように、一方の電極のガス拡散層、例えばアノード１２のガス拡散層１２ｂの代わりに連続した基板フィルム４２を用い、この連続した基板フィルム４２上に所定の寸法に切断された触媒層１２ａを形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４３とし、これを吸着テーブル３１上に供給して、裏面からの吸気により固定・保持する。

アノード触媒層１２ａと電解質膜１１の接合は、実施例１と同様にして行われる。即ち、高分子電解質膜１１は基板フィルム３２上に保持され、電解質膜−基板フィルム積層体３３としてロール状に巻回され、電解質膜供給ロール３４とされ、この電解質膜供給ロール３４から供給された電解質膜−基板フィルム積層体３３は、切断刃３５によりハーフカットされ、電解質膜１１のみが切断される。その後、基板フィルム３２から剥離され、吸着テーブル３１上に固定されたアノード１２のアノード触媒層１２ａ上に搬送され、加圧ローラー３６により押圧され、アノード１２と密着される。剥離された基板フィルム３２は、回収ロール３７により回収される。なお、回収ロール３７は、図２に示す実施例１の場合とは異なり、後述する基板フィルム４２の走行を妨げないように、電解質膜供給ロール３４に隣接して配置されている。

触媒層１２ａ上に電解質膜１１が接合された基板フィルム４２は、他方の電極、例えばカソードが配置される位置まで延長して走行し、吸着テーブル４１上に供給されて、裏面からの吸気により固定・保持される。即ち、基板フィルム４２は、実施例１とは異なり、吸着テーブル３１上に固定された状態で移動するのではなく、吸着テーブル３１から離れ、そのまま別途設けられた吸着テーブル４１上に走行し、カソード１３と接合する位置に配置される。そして、基板フィルム４２は、電解質膜１１上にカソード１３が形成された後に、フィルム回収ロール４８において回収される。

電解質膜１１上へのカソード１３の積層は、実施例１とは異なり、ガス拡散層１３ｂの代わりに連続した基板フィルム４４を用い、この連続した基板フィルム４４上に所定のサイズの触媒層１３ａを所定の間隔で形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４５とし、この触媒層フィルム供給ロール４５から電解質膜１１上に、触媒層フィルムが供給される。

その結果、触媒層フィルムが電解質膜１１上に載置され、電解質膜１１をアノード１２とカソード１３とで挟んだ積層体が得られる。その後、この積層体は、熱ローラー４６で加圧・加熱され、膜電極複合体（ＭＥＡ）が得られる。

その後、得られた膜電極複合体（ＭＥＡ）は製品として回収され、アノード側の基板フィルム４２は、上述したように、フィルム回収ロール４８において回収され、カソード側の基板フィルム４４もまた、フィルム回収ロール４７において回収される。

本実施例においても、アノード１２−電解質膜１１−カソード１３をすべて重ねた後に加圧するのではなく、一方の電極、例えばアノード１２を固定した状態で、このアノード１２上に電解質膜１１を載置し、加圧しているため、電解質膜１１の皺を発生させることなく、アノード触媒層１２ａと電解質膜１１を接合することができる。即ち、触媒層表面に凹凸があったとしても、その凹凸に沿ってローラー３６による加圧がされるため、電解質膜１１の皺の発生を防止することができるとともに、電解質膜１１の寸法変化を抑制することができる。

また、電解質膜−基板フィルム積層体３３をロール状に巻回して電解質膜供給ロール３４とするだけでなく、基板フィルム４２上にアノード触媒層１２ａを形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４３とし、また基板フィルム４４上にカソード触媒層１３ａを形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４５とし、基板フィルム３２，４２，４４をフィルム回収ロール３７，４７，４８において回収しているため、連続生産が可能であり、安価な製造コストで量産化を行うことができる。

実施例３
本実施例における膜‐電極複合体（ＭＥＡ）の製造工程について、図４を参照して説明する。

本実施例では、実施例１と同様に、アノードガス拡散層１２ｂ上にアノード触媒層１２ａを積層し、アノード１２を形成している。アノード１２は、図４に示すように、アノード触媒層１２ａを上にして吸着テーブル３１上に設置され、裏面からの吸気により固定・保持される。

一方、高分子電解質膜１１は基板フィルム３２上に保持され、電解質膜−基板フィルム積層体３３としてロール状に巻回され、電解質膜供給ロール３４とされる。本実施例では、実施例１及び２とは異なり、電解質膜１１が内側、基板フィルム３２が外側となるように電解質膜供給ロール３４を形成する。電解質膜供給ロール３４から供給された電解質膜−基板フィルム積層体３３は、電解質膜１１の側に配置された切断刃３５によりハーフカットされ、電解質膜１１のみが切断される。その後、電解質膜１１は、実施例１及び２とは異なり、基板フィルム３２が剥離されることなく、電解質膜−基板フィルム積層体３３のまま、吸着テーブル３１上に固定されたアノード１２のアノード触媒層１２ａ上に搬送され、加圧ローラー３６により押圧され、アノード１２と密着される。その後、基板フィルム３２は剥離され、回収ロール３７により回収される。

表面に電解質膜１１が配置されたアノード１２は、実施例１と同様、吸着テーブル３１上に固定された状態で、図２の矢印Ｂの方向に移動し、カソード１３と接合する位置に配置され、以下、実施例１と同様にして、膜電極複合体（ＭＥＡ）が得られる。

本実施例においても、アノード１２−電解質膜１１−カソード１３をすべて重ねた後に加圧するのではなく、一方の電極、例えばアノード１２を固定した状態で、このアノード１２上に電解質膜１１を載置し、加圧しているため、電解質膜１１の皺を発生させることなく、アノード触媒層１２ａと電解質膜１１を接合することができる。即ち、触媒層表面に凹凸があったとしても、その凹凸に沿ってローラーによる加圧がされるため、電解質膜１１の皺の発生を防止することができるとともに、電解質膜１１の寸法変化を抑制することができる。

また、電解質膜−基板フィルム積層体３３をロール状に巻回して電解質膜供給ロール３４とし、積層体３３をハーフカットして電解質膜１１のみを切断し、電解質膜１１を独立させるとともに、基板フィルム３２を残すことで、連続生産が可能であり、安価な製造コストで量産化を行うことができる。

実施例４
本実施例は、実施例３の変形例であり、本実施例に係る膜‐電極複合体（ＭＥＡ）の製造工程を図５に示す。図５に示すように、一方の電極のガス拡散層、例えばアノード１２のガス拡散層１２ｂの代わりに連続した基板フィルム４２を用い、この連続した基板フィルム４２上に所定の寸法に切断された触媒層１２ａを形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４３としている。触媒層フィルム供給ロール４３は、吸着テーブル３１上に供給されて、裏面からの吸気により固定・保持される。

アノード触媒層１２ａと電解質膜１１の接合は、図４に示す実施例３と同様にして行われる。即ち、高分子電解質膜１１は基板フィルム３２上に保持され、電解質膜−基板フィルム積層体３３としてロール状に巻回され、電解質膜供給ロール３４とされる。この場合、電解質膜１１が内側、基板フィルム３２が外側となるように電解質膜供給ロール３４を形成する。電解質膜供給ロール３４から供給された電解質膜−基板フィルム積層体３３は、電解質膜１１の側に配置された切断刃３５によりハーフカットされ、電解質膜１１のみが切断される。その後、電解質膜１１は、基板フィルム３２が剥離されることなく、電解質膜−基板フィルム積層体３３のまま、吸着テーブル３１上に固定されたアノード１２のアノード触媒層１２ａ上に搬送され、加圧ローラー３６により押圧され、アノード１２と密着される。ここで、基板フィルム３２は剥離され、回収ロール３７により回収される。

電解質膜１１上へのカソード１３の形成は、実施例２と同様にして行う。即ち、ガス拡散層１３ｂの代わりに連続した基板フィルム４４を用い、この連続した基板フィルム４４上に所定のサイズの触媒層１３ａを所定の間隔で形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４５とし、この触媒層フィルム供給ロール４５から、アノード１２上に形成された電解質膜１１上に、触媒層フィルムが供給される。その結果、触媒層フィルムが電解質膜１１上に載置され、電解質膜１１をアノード１２とカソード１３とで挟んだ積層体が得られる。その後、この積層体は、熱ローラー４６で加圧・加熱され、膜電極複合体（ＭＥＡ）が得られる。

その後、得られた膜電極複合体（ＭＥＡ）を製品として回収した後、アノード側の基板フィルム４２は、上述したように、フィルム回収ロール４８において回収され、カソード側の基板フィルム４４もまた、フィルム回収ロール４７において回収される。

本実施例においても、アノード１２−電解質膜１１−カソード１３をすべて重ねた後に加圧するのではなく、一方の電極、例えばアノード１２を固定した状態で、このアノード１２上に電解質膜１１を載置し、加圧しているため、電解質膜１１の皺を発生させることなく、アノード触媒層１２ａと電解質膜１１を接合することができる。即ち、触媒層表面に凹凸があったとしても、その凹凸に沿ってローラー３６による加圧がされるため、電解質膜１１の皺の発生を防止することができるとともに、電解質膜１１の寸法変化を抑制することができる。

また、電解質膜−基板フィルム積層体３３をロール状に巻回して電解質膜供給ロール３４とするだけでなく、基板フィルム４２上にアノード触媒層１２ａを形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４３とし、また基板フィルム４４上にカソード触媒層１３ａを形成したものをロール状に巻回して触媒層フィルム供給ロール４５とし、基板フィルム３２，４２，４４をフィルム回収ロール３７，４７，４８において回収しているため、連続生産が可能であり、安価な製造コストで量産化を行うことができる。

以上説明した実施例では、アノード１２上に電解質膜１１を載置した後の加圧をロールにより行っているが、これに限らず、プレスにより行うことも可能である。

以上説明した実施形態によれば、膜の皺を生じず、安価でかつ高速に膜電極複合体（ＭＥＡ）を形成することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…単位電池、１１…高分子電解質膜、１２…アノード、１２ａ…アノード触媒層、１２ｂ…アノードガス拡散層、１３…カソード、１３ａ…カソード触媒層、１３ｂ…カソードガス拡散層、１４…燃料セパレータ、１４ａ…燃料ガス流通路、１５…酸化剤・冷却水セパレータ、１５ａ…酸化剤ガス流通路、１５ｂ…冷却水流通路、１６…エッジシール材、２０…膜電極複合体（ＭＥＡ）、３１，４１…吸着テーブル、３２，４２，４４…基板フィルム、３３…電解質膜−基板フィルム積層体、３４…電解質膜供給ロール、３５…切断刃、３６…加圧ローラー、３７，４７，４８…フィルム回収ロール、４６…熱ローラー。

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜をアノードとカソードの２層の電極触媒層で狭持し、当該２層の電極触媒層のそれぞれにガス拡散層を配置して形成される燃料電池用膜電極複合体の製造方法において、
   固体高分子電解質膜を、供給手段により、固定手段上に固定されたアノードとカソードのいずれか一方の電極触媒層上に供給し、加圧手段により固体高分子電解質膜上から加圧して張合わせを行うことにより、当該電極触媒層の表面の凹凸に沿って前記固体高分子電解質膜が配置されるようにすることを特徴とする燃料電池用膜電極複合体の製造方法。
2. 前記いずれか一方の電極触媒層はガス拡散層上に形成されており、
   前記固体高分子電解質膜を、前記供給手段により前記ガス拡散層上に形成された電極触媒層上に供給し、前記加圧手段により加圧して張合わせを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複合体の製造方法。
3. 前記いずれか一方の電極触媒層は基板フィルム上に形成されており、
   前記固体高分子電解質膜を、前記供給手段により前記基板フィルム上に形成された電極触媒層上に供給し、前記加圧手段により加圧して張合わせを行い、その後に、前記基板フィルムを除去することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜電極複合体の製造方法。
4. 前記固体高分子電解質膜は基板フィルム上に切れ目なく連続して形成されており、
   当該基板フィルムを搬送することにより前記固体高分子電解質膜を電極触媒層上に供給すると共に、当該基板フィルム上の前記固体高分子電解質膜を所定の間隔で切断することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用膜電極複合体の製造方法。
5. 前記固体高分子電解質膜を電極触媒層上に配置する前に、前記基板フィルムを前記固体高分子電解質膜から剥離させて回収することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用膜電極複合体の製造方法。
6. 前記固体高分子電解質膜を電極触媒層上にて加圧して張合わせを行った後に、前記基板フィルムを前記固体高分子電解質膜から剥離させて回収することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用膜電極複合体の製造方法。

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