JP6551261B2 - 燃料電池のセルの製造方法 - Google Patents

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本発明は、燃料電池のセルの製造方法に関する。
特許文献１には、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の外周にシール部材としての樹脂フレームが配置されたフレーム付きのＭＥＡを用いた燃料電池のセルが開示されている。樹脂フレームはＭＥＡの周縁端部に接着剤にて接着されてＭＥＡと一体化されている。
特開２０１５−２１５９５８号公報
特許文献１の燃料電池のセルでは、ＭＥＡの外周部にシール部材を設けるために、ＭＥＡの周縁端部に接着剤で樹脂フレームを貼り合わせる工程を要している。また、樹脂フレーム及び接着剤は高価な部材である。このため、製造の容易化、低コスト化、省資源化等が望まれていた。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池のセルの製造方法が提供される。この燃料電池のセルの製造方法は、多孔性を有する樹脂製の補強基材の中央部に電解質膜前駆体を配置する工程と；熱プレスにより、前記補強基材の中央部に電解質前駆体を含浸させるとともに、前記補強基材の中央部の外側の外周部の空孔を閉塞させることにより、前記補強基材の外周部を樹脂フレームに変質させる工程と；前記補強基材の中央部に含浸された前記電解質前駆体を電解質に変換することによって、前記樹脂フレームを有する補強された電解質膜を作製する工程と；前記電解質膜の両面に触媒層と拡散層とセパレータとを積層して燃料電池のセルを組み立てる工程と；を備える。
この形態の燃料電池のセルの製造方法によれば、補強基材の中央部の外側の外周部の空孔を、熱プレスによって閉塞させることにより、補強された電解質膜の外周部に樹脂製フレームが一体に形成されたフレーム付きの電解質膜を作製し、これを用いて燃料電池のセルを組み立てることにより、従来技術のような高価な樹脂フレームを高価な接着剤を用いて膜電極接合体に貼り合わせる工程を省略することができるので、製造の容易化、低コスト化、省資源化を図ることができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池のセル、フレーム付きの膜電極接合体、フレーム付きの電解質膜、及びこれらの製造方法等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての燃料電池のセルの構成を示す説明図である。 実施形態の燃料電池のセルの製造の手順を示す説明図である。 比較例の燃料電池のセルの製造の手順を示す説明図である。
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池のセルの構成を示す説明図である。図１では、燃料電池のセル（以下、「単セル」とも呼ぶ）２００の断面構成の周縁端部を図示している。単セル２００は、樹脂フレーム１０４が一体形成されたフレーム付きのＭＥＡ１５０と、フレーム付きのＭＥＡ１５０を挟持する一対のセパレータ１６０，１７０と、を備えている。単セル２００は、樹脂フレーム１０４にセパレータ１６０，１７０が圧着されて一体化されることによってシール性が確保されている。なお、燃料電池は、通常、単セル２００を複数積層したスタック構造とされる。
ＭＥＡ１５０は、補強された電解質膜１００のアノード側の面にアノード側触媒層１１０及びアノード側拡散層１３０が順に積層され、カソード側の面にカソード側触媒層１２０及びカソード側拡散層１４０が順に積層されている。
電解質膜１００は、補強層１０２と、補強層１０２の両面に設けられた電解質層１０６，１０８とを有する補強された電解質膜である。電解質層１０６，１０８を形成する材料としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を発揮する高分子電解質、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系の高分子電解質が用いられる。補強層１０２は、多孔性を有する樹脂製の補強基材の空孔に電解質が充填された構造を有している。補強層１０２を形成するための補強基材としては、多孔性を有する樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）で構成された基材を用いることができる。また、空孔に充填された電解質は、電解質層１０６，１０８と同じである。
樹脂フレーム１０４は、補強層１０２の外周部で補強層１０２と一体に形成されている。樹脂フレーム１０４は、後述するように、補強層１０２を形成するための多孔性を有する樹脂製の補強基材のうち、補強層１０２に対応する中央部よりも外側の外周部の空孔を閉塞することにより、補強層１０２と一体に形成されている。
アノード側触媒層１１０及びカソード側触媒層１２０は、いずれも白金や白金合金等の触媒を担持した触媒担持カーボンを含んでいる。
アノード側拡散層１３０は、拡散基材層１３２とマイクロポーラス層１３４とを備えており、マイクロポーラス層１３４がアノード側触媒層１１０に接するように配置されている。カソード側拡散層１４０も、拡散基材層１４２とマイクロポーラス層１４４とを備えており、マイクロポーラス層１４４がカソード側触媒層１２０に接するように配置されている。拡散基材層１３２，１４２は、例えば、カーボン多孔質体（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等）によって構成される。マイクロポーラス層１３４，１４４は、ＰＴＦＥ等の撥水性樹脂及び炭素粒子等の導電性材料を主成分とするコーティング薄膜によって構成される。なお、マイクロポーラス層は省略可能である。
図２は、実施形態の燃料電池のセルの製造の手順を示す説明図である。なお、図２は、電解質膜１００と触媒層１１０，１２０と拡散層１３０，１４０の積層方向の断面を表している。実施形態の単セル２００は、以下の工程１〜工程５によって作製される。
工程１において、延伸によって多孔性となる樹脂材料（例えば、ＰＴＦＥ材）を延伸して、補強層１０２及び樹脂フレーム１０４を形成するための多孔性の補強基材ＢＰを作製する。そして、工程２において、補強基材ＢＰの両面の中央部に電解質膜前駆体を配置して、補強基材ＢＰの全体を熱プレスすることにより、電解質前駆体を補強基材ＢＰの空孔に溶融含浸させるとともに、補強基材ＢＰの中央部の外側の外周部の空孔を閉塞させて、補強基材ＢＰの外周部を樹脂フレーム１０４に変質させる。なお、熱プレスの温度は、電解質膜前駆体を配置した補強基材ＢＰの中央部を熱プレスする中央熱プレス部材３１０については、電解質前駆体のガラス転移温度以上で補強基材ＢＰのガラス転移温度よりも低い温度、例えば、２００℃に設定される。一方、電解質膜前駆体を配置した中央部よりも外側の外周部を熱プレスする外周熱プレス部材３２０ついては、補強基材ＢＰの空孔を閉塞可能な温度、例えば、３８０℃に設定される。なお、中央熱プレス部材３１０と外周熱プレス部材３２０の間には、中央部の温度と外周部の温度とを異なった温度に設定可能とするための非加熱部材３３０を設けることが好ましい。工程３では、加水分解処理及び酸処理することにより電解質前駆体を電解質に変換させる。この変換は、例えば、電解質前駆体のＳＯ２Ｆ基をＳＯ３Ｈ基に変換させる処理である。以上により、補強層１０２のアノード側及びカソード側の両面に電解質層１０６，１０８を有する補強された電解質膜１００を形成するとともに、電解質膜１００の外周部に補強層１０２と一体に形成された樹脂フレーム１０４を有するフレーム付きの電解質膜１００を作製する。
次に、工程４において、電解質膜１００のアノード側の面にアノード側触媒層１１０を塗工し、アノード側触媒層１１０の上にアノード側拡散層１３０を圧着するとともに、電解質膜１００のカソード側の面にカソード側触媒層１２０を塗工し、カソード側触媒層１２０の上にカソード側拡散層１４０を圧着する。これにより、電解質膜１００の両面に触媒層１１０，１２０及び拡散層１３０，１４０が積層されたＭＥＡ１５０を作製する。
そして、工程５において、フレーム付きのＭＥＡ１５０を一対のアノード側セパレータ１６０及びカソード側セパレータ１７０で挟持し、熱プレスによって、フレーム付きのＭＥＡ１５０と一対のアノード側セパレータ１６０及びカソード側セパレータ１７０を一体化することにより、単セル２００を組み立てる。
図３は、比較例の燃料電池のセルの製造の手順を示す説明図である。なお、図３は図２と同様に、電解質膜１００Ｒと触媒層１１０，１２０と拡散層１３０，１４０の積層方向の断面を表している。比較例の単セル２００Ｒは、以下の工程１〜工程６によって作製される。
実施形態の工程１〜工程４（図２）と同様に、比較例の工程１では補強基材ＢＰを作製し、比較例の工程２及び工程３では補強された電解質膜１００Ｒを作製し、比較例の工程４ではＭＥＡ１５０Ｒを作製する。但し、比較例の工程２及び工程３において作製される電解質膜１００Ｒは、実施形態の工程２及び工程３において作製される電解質膜１００と異なり、補強基材ＢＰの全体が補強層１０２とされている。また、比較例の工程４において作製されるＭＥＡ１５０Ｒは、実施形態の工程４において作製されるＭＥＡ１５０と異なり、アノード側触媒層１１０及びアノード側拡散層１３０が、平面視において、電解質膜１００Ｒと同様の大きさの矩形状に形成されており、カソード側触媒層１２０及びカソード側拡散層１４０が電解質膜１００Ｒよりも一回り小さい大きさの矩形状に形成されている。すなわち、断面視において、ＭＥＡ１５０Ｒの周縁端部の形状は、カソード側触媒層１２０及びカソード側拡散層１４０に対して電解質膜１００Ｒが外側に突出した段状となり、電解質膜１００Ｒが露出した形状となる。
次に、比較例の工程５では、樹脂フレーム１５２の内周縁部をＭＥＡ１５０Ｒのカソード側の電解質膜１００Ｒの外周縁部に接着層１５４を介して接着することにより、フレーム付きのＭＥＡ１５０Ｒを作製する。なお、樹脂フレーム１５２は、ＭＥＡ１５０Ｒの外周縁部に係合するような内周縁部を有する枠形状となっている。
そして、比較例の工程６では、実施形態の工程５（図２）と同様に、フレーム付きのＭＥＡ１５０Ｒを一対のアノード側セパレータ１６０Ｒ及びカソード側セパレータ１７０Ｒで挟持し、熱プレスによって、フレーム付きのＭＥＡ１５０Ｒと一対のアノード側セパレータ１６０Ｒ及びカソード側セパレータ１７０Ｒを一体化することにより、単セル２００Ｒを組み立てる。
以上説明したように、実施形態の単セル２００の製造の手順（図２）においては、補強された電解質膜１００を作製する場合において、補強層１０２に用いられる補強基材ＢＰの中央部に電解質前駆体を溶融含浸させるとともに、補強基材ＢＰの中央部よりも外側の外周部の空孔を熱プレスにより閉塞させている。これにより、シール部材となる樹脂フレーム１０４を補強層１０２と一体に形成している。従って、実施形態の単セル２００の製造の手順においては、比較例の単セル２００Ｒの製造の手順（図３）における工程５、すなわち、ＭＥＡ１５０Ｒにシール部材となる樹脂フレーム１５２を貼り合せてフレーム付きのＭＥＡ１５０Ｒを作成する工程を省略することができ、製造の容易化を図ることができる。
また、樹脂フレーム１５２用の樹脂フレーム部材及び接着層１５４用の接着剤が不要となるため、低コスト化、省資源化を図ることができる。また、補強層１０２に用いられる補強基材ＢＰには、ＰＰ，ＰＥＴ等の樹脂材料に比べて化学耐久性の高いＰＴＦＥが利用されているので、化学耐久性の向上を図ることができる。また、比較例の場合、別部材の樹脂フレーム１５２を、接着層１５４を介して電解質膜１００Ｒに貼り合せているが、電解質膜は水で膨潤するため、接着力が低下して、耐久性が低下する可能性がある。これに対して、実施形態の場合、樹脂フレーム１０４は補強層１０２と同一の補強基材ＢＰで一体に形成されているので、比較例のような問題は発生しない。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１００…電解質膜
１００Ｒ…電解質膜
１０２…補強層
１０４…樹脂フレーム
１０６，１０８…電解質層
１１０…アノード側触媒層
１２０…カソード側触媒層
１３０…アノード側拡散層
１３２…拡散基材層
１３４…マイクロポーラス層
１４０…カソード側拡散層
１４２…拡散基材層
１４４…マイクロポーラス層
１５０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１５０Ｒ…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１５２…樹脂フレーム
１５４…接着層
１６０…アノード側セパレータ
１６０Ｒ…アノード側セパレータ
１７０…カソード側セパレータ
１７０Ｒ…カソード側セパレータ
２００…単セル
２００Ｒ…単セル
３１０…中央熱プレス部材
３２０…外周熱プレス部材
３３０…非加熱部材
ＢＰ…補強基材

Claims (1)

  1. 燃料電池のセルの製造方法であって、
    多孔性を有する樹脂製の補強基材の中央部に電解質膜前駆体を配置する工程と、
    熱プレスにより、前記補強基材の中央部に電解質前駆体を含浸させるとともに、前記補強基材の中央部の外側の外周部の空孔を閉塞させることにより、前記補強基材の外周部を樹脂フレームに変質させる工程と、
    前記補強基材の中央部に含浸された前記電解質前駆体を電解質に変換することによって、前記樹脂フレームを有する補強された電解質膜を作製する工程と、
    前記電解質膜の両面に触媒層と拡散層とセパレータとを積層して燃料電池のセルを組み立てる工程と、
    を備える、燃料電池のセルの製造方法。
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