(57)【要約】【課題】電解質膜と保護シートの境目における段差の発生を抑制することを目的とする。【解決手段】膜・電極接合体２５０であって、電解質膜１００と、前記電解質膜の外縁部に埋設された保護フィルム１５０と、前記電解質膜１００の少なくとも一方に配置された触媒層２００とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜・電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の外縁部に埋設された保護フィルムと、
前記電解質膜の少なくとも一方に配置された触媒層と、
を備える、膜・電極接合体。
【請求項２】
請求項１に記載の膜・電極接合体において、
前記保護フィルムと前記電解質膜は面一である、膜・電極接合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の膜・電極接合体において、
前記保護フィルムの厚さは前記電解質膜の厚さ以下である、膜・電極接合体。
【請求項４】
膜・電極接合体の製造方法であって、
（ａ）保護フィルムを準備する工程と、
（ｂ）前記保護フィルム上に電解質膜を製膜すると同時に、前記電解質膜と前記保護フィルムとを接合する工程と、
を含む膜・電極接合体の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の膜・電極接合体の製造方法において、
前記工程（ａ）は、保護フィルムを基板上に配置する工程を含み、
前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）前記保護フィルムを配置した前記基板上に電解質を溶媒に溶かした溶液を塗布する工程と、
（ｂ−２）前記溶媒を乾燥させて前記保護フィルム上に前記電解質膜を製膜する工程とを含む、
膜・電極接合体の製造方法。
【請求項６】
膜・電極接合体の製造方法であって、
（ａ）最終的な電解質膜の膜厚よりも厚さが厚い電解質膜前駆体を準備する工程と、
（ｂ）前記電解質膜前駆体上に保護フィルムを配置する工程と、
（ｃ）前記電解質膜前駆体と前記保護フィルムとを加熱プレスして前記電解質膜前駆体を最終的な厚さの電解質膜に変形にするとともに前記電解質膜と前記保護フィルムとを熱圧着する工程と、
を含む、膜・電極接合体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の膜・電極接合体の製造方法において、
前記加熱プレスするときの温度は、前記電解質膜の軟化温度よりも高い温度である、膜・電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる膜・電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の外周に保護シートが配置されている膜・電極接合体が知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０８０５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の膜・電極接合体では、電解質膜に保護シートを熱圧着していたため、電解質膜と保護シートの境目に段差が生じ、後工程のガス拡散層接合において、膜・電極接合体とガス拡散層の間に隙間が生じるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、電解質膜と保護シートの境目における段差の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
膜・電極接合体であって、電解質膜と、前記電解質膜の外縁部に埋設された保護フィルムと、前記電解質膜の少なくとも一方に配置された触媒層と、を備える、膜・電極接合体。
この適用例によれば、保護フィルムが電解質膜の外縁部に埋設されているので、電解質膜と保護シートの境目における段差の発生を抑制することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の膜・電極接合体において、前記保護フィルムと前記電解質膜は面一である、膜・電極接合体。
この適用例によれば、保護フィルムと前記電解質膜は面一であるので、電解質膜と保護シートの境目において段差の発生を抑制することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の膜・電極接合体において、前記保護フィルムの厚さは前記電解質膜の厚さ以下である、膜・電極接合体。
保護フィルムの厚さが電解質膜の厚さ以下であれば、保護フィルムを電解質膜に埋設することが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
膜・電極接合体の製造方法であって、（ａ）保護フィルムを準備する工程と、（ｂ）前記保護フィルム上に電解質膜を製膜すると同時に、前記電解質膜と前記保護フィルムとを接合する工程と、を含む膜・電極接合体の製造方法。
この適用例によれば、保護フィルム上に電解質膜を製膜すると同時に前記電解質膜と前記保護フィルムとを接合するので、電解質膜と保護シートの境目における段差の発生を抑制した膜・電極接合体を製造することが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例４に記載の膜・電極接合体の製造方法において、前記工程（ａ）は、保護フィルムを基板上に配置する工程を含み、前記工程（ｂ）は、（ｂ−１）前記保護フィルムを配置した前記基板上に電解質を溶媒に溶かした溶液を塗布する工程と、（ｂ−２）前記溶媒を乾燥させて前記保護フィルム上に前記電解質膜を製膜する工程とを含む、膜・電極接合体の製造方法。
この適用例によれば、基板上に保護フィルムを配置してその上に電解質膜を製膜するので、基板により電解質膜と保護シートの境目における段差の発生を抑制することが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
膜・電極接合体の製造方法であって、（ａ）最終的な電解質膜の膜厚よりも厚さが厚い電解質膜前駆体を準備する工程と、（ｂ）前記電解質膜前駆体上に保護フィルムを配置する工程と、（ｃ）前記電解質膜前駆体と前記保護フィルムとを加熱プレスして前記電解質膜前駆体を最終的な厚さの電解質膜に変形にするとともに前記電解質膜と前記保護フィルムとを熱圧着する工程と、を含む、膜・電極接合体の製造方法。
この適用例によれば、加熱プレスにより保護フィルムを電解質膜の中に埋設することが可能となる。
【００１３】
［適用例７］
適用例６に記載の膜・電極接合体の製造方法において、前記加熱プレスするときの温度は、前記電解質膜の軟化温度よりも高い温度である、膜・電極接合体の製造方法。
この適用例によれば、電解質膜が軟化するので、保護フィルムを電解質膜の中に埋設させ易くすることが可能である。  
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、膜・電極接合体、膜・電極接合体の製造方法の他、燃料電池、燃料電池の製造方法等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１の実施形態：
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１０は、発電ユニット２０と、エンドプレート３０を備える。本実施形態では、複数の発電ユニット２０が積層されているが、発電ユニット２０は１つであってもよい。エンドプレート３０は積層された発電ユニット２０の外側に配置されている。燃料電池１０には、発電ユニット２０及びエンドプレートを貫く複数のマニホールド４０が形成されている。これらのマニホールド４０は、発電ユニット２０に燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒を供給し、排出するために用いられる。
【００１６】
図２は、発電ユニット２０の断面図である。発電ユニット２００は、電解質膜１００と、触媒層２００と、ガス拡散層３００と、セパレータ４００と、シールガスケット５００（フレーム５００とも言う）とを備える。電解質膜１００として、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。
【００１７】
電解質膜１００の外縁部には保護フィルム１５０が配置されている。保護フィルム１５０は、ガス拡散層３００やシールガスケット５００が電解質膜１００の外縁部を傷つけることを抑制するために設けられている。ここで、保護フィルム１５０は、電解質膜１００と面一（つらいち）となるように、電解質膜１００に埋設されている。また、保護フィルム１５０の厚さＬ１は、電解質膜１００の厚さＬ２以下である。これにより、保護フィルム１５０と、電解質膜１００との間に段差が生じ難くなっている。そのため、燃料電池１００を製造する際の次の工程のガス拡散層接合工程において、膜・電極接合体とガス拡散層の間に隙間が生じ難くすることが可能となる。なお、本実施形態では、保護フィルム１５０として、ポリエチレンナフタレート（以下「ＰＥＮ」と呼ぶ。）フィルムを用いている。また、保護フィルム１５０の材料の例としては、ＰＥＮ以外に、例えば、非孔質プロピレン、ポリスチレン、硬質ポリ塩化ビニル、ポリアミド、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）コポリマー、アクリル、アセタール、硬いセルロース、ポリカーボネート、ポリエステル、フェノール樹脂、尿素−メラミン、エポキシ、ウレタン、及びガラス充填シリコーン熱硬化物が含まれるが、これらに限られない。
【００１８】
電解質膜１００の両面には、触媒層２００が形成されている。触媒として、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。これらの触媒は、例えばカーボン粒子上に担持されて、電解質膜１００上に塗布されている。電解質膜１００と触媒層２００とを合わせて膜・電極接合体２５０とも呼ぶ。膜・電極接合体２５０の外側には、ガス拡散層３００が配置されている。ガス拡散層３００として、カーボン繊維を用いて形成されたカーボン不織布やカーボンペーパーを用いることが可能である。ガス拡散層３００の外側には、セパレータ４００が配置されている。セパレータ４００は金属製あるいはカーボン製の板状部材であり、燃料ガスと酸化ガスとを分離するために用いられる。シールガスケット５００は膜・電極接合体２５０の外縁を囲うように形成されており、膜・電極接合体２５０を支持すると共に、燃料ガスや酸化ガスのリークを抑制する。シールガスケット５００は、例えば、射出成形により、膜・電極接合体２５０と一体に成形される。
【００１９】
図３は、膜・電極接合体２５０の製造工程を示す説明図である。図３（ａ）に示すように、基板６００上に額縁状の保護フィルム１５０を配置する。基板６００としては、例えばガラス基板を用いることが可能である。本実施形態では、保護フィルム１５０としてＰＥＮフィルムを用いたが、ＰＥＮフィルム以外に、例えば上述した材料製の保護フィルム１５０を用いてもよい。また、保護フィルム１５０の厚さは、１０μｍ〜５０μｍであり、製造しようとする電解質膜１００の膜厚以下であることが好ましい。
【００２０】
図３（ｂ）に示すように、保護フィルム１５０を配置した基板６００上に電解質溶液１００ａを塗布する。このとき、電解質溶液１００ａは、保護フィルム１５０を覆うように塗布する。なお、電解質溶液１００ａの流動性が大きい場合には、保護フィルムの外側に枠６５０を配置してもよい。ここで、電解質溶液１００ａは、電解質膜を形成するための電解質を溶媒に溶かしたものである。電解質として、パーフルオロ系電解質や炭化水素系電解質を用いることができる。また、溶媒としては、電解質を溶かすことができ、保護フィルム１５０を侵さない溶媒であればよく、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、メタノール・エタノール等のアルコール、アセトン等のケトン、エステルや、これらの混合液を用いることができるが、これらに限られない。
【００２１】
図３（ｃ）に示すように、溶媒を乾燥させて、電解質膜１００を製膜する。たとえば、電解質溶液１００ａを塗布した基板６００を恒温層にて５０〜１５０℃に加熱して溶媒を乾燥させる。なお、加熱温度は、使用した溶媒の沸点以下であることが好ましい。このように、溶質（電解質）を溶媒に溶かした溶液を塗布し、乾燥させることにより製膜する方法を、キャスト法と言う。
【００２２】
図３（ｄ）に示すように、保護フィルム１５０から外側にはみ出た電解質膜部分１００ｂを削除する。次に、図３（ｅ）に示すように、電解質膜１００と保護フィルム１５０の一体物を水または熱水で洗浄する。次に、図３（ｆ）に示すように、電解質膜１００の表面に触媒層２００を形成し、膜・電極接合体２５０を製造する。触媒層２００の形成は、電解質膜１００表面に、例えばスプレー法により、触媒インクを塗布し・乾燥させることにより行う。なお、触媒層２００の形成は、転写、静電塗行、アプリケータ塗行により行っても良い。
【００２３】
製造した膜・電極接合体２５０は、上述したように、射出成形により、シールガスケット５００（図２参照）と一体に成形し、さらに、膜・電極接合体２５０の両面にガス拡散層３００、セパレータ４００を順次配置して発電ユニット２００を製造し、発電ユニットを積層して燃料電池１０（図１）を製造する。
【００２４】
以上、本実施形態によれば、保護フィルム１５０が、電解質膜１００の外縁部に埋設されているので、保護フィルム１５０と電解質膜１００の境目において段差の発生を抑制することが可能となっている。さらに、保護フィルム１５０と電解質膜１００は、面一であるので、保護フィルム１５０と電解質膜１００の境目において段差の発生を抑制することが可能となっている。そのため、膜・電極接合体２５０の両面にガス拡散層３００を配置したときに、膜・電極接合体２５０とガス拡散層３００の間に隙間が生じにくい。また、本実施形態では、保護フィルム１５０の厚さＬ１が電解質膜１００の厚さＬ２以下であるので、保護フィルム１５０を電解質膜１００に埋設することが可能となっている。
【００２５】
また、本実施形態によれば、保護フィルム１５０上に電解質膜１００を製膜すると同時に、電解質膜１００と保護フィルム１５０とを接合しているので、製膜後の電解質膜の収縮等により、電解質膜１００と保護フィルム１５０の境目に段差が生じることを抑制できる。
【００２６】
さらに、本実施形態では、基板６００に額縁状の保護フィルム１５０を配置し、電解質を溶媒に溶かした電解質溶液１００ａを塗布したのち、溶媒を乾燥させて電解質膜１００を製膜している。そのため、基板６００により電解質膜１００と保護フィルムの境目に段差を生じさせることなく保護フィルム１５０上に電解質膜１００を製膜すると同時に電解質膜１００と保護フィルム１５０とを接合することを、容易に行うことが可能となる。
【００２７】
第２の実施形態：
図４は、第２の実施形態に係る膜・電極接合体の製造工程を示す説明図である。図４（ａ）に示すように、電解質膜前駆体１００ｃを準備する。ここで、電解質膜前駆体１００ｃの組成と電解質膜１００の組成は同じである。また、電解質膜前駆体１００ｃの厚さは、最終的な電解質膜１００の厚さよりも厚い。次に、図４（ｂ）に示すように、額縁状の保護フィルム１５０を配置する。次に図４（ｃ）に示すように、加熱プレスする。加熱プレスの条件については後述する。
【００２８】
加熱プレスすると、図４（ｄ）に示すように、保護フィルム１５０は電解質膜１００に埋設される。このとき、電解質膜１００の端部（電解質膜部分１００ｂ）は、保護フィルム１５０の外側にはみ出る。以後、図４（ｄ）〜（ｆ）に示す工程では、図３（ｄ）〜（ｆ）に示す工程と同様に、電解質膜部分１００ｂの削除、洗浄、触媒層の塗布を行う。
【００２９】
実施例：
電解質膜前駆体１００ｃとして厚さ５０μｍのＮａｆｉｏｎ１１２（登録商標、デュポン社）を用いた。Ｎａｆｉｏｎ１１２の軟化温度は約１３０℃である。保護フィルム１５０として、電解質膜前駆体１００ｃの外周に厚さ１５μｍのＰＥＮフィルムを配置した。ＰＥＮフィルムの耐熱温度は１６０℃である。電解質膜前駆体１００ｃと保護フィルムとを１５０℃、８ＭＰａにて加熱プレスした。その結果、電解質膜１００の膜厚は３７μｍとなった。なお、保護フィルム１５０は電解質膜１００にめり込んだ状態、すなわち埋設状態となり、電解質膜１００と保護フィルム１５０の間には段差は生じなかった。
【００３０】
比較例：
実施例と同一の材料を用い、１００℃、１．２ＭＰａの条件で加熱プレスを行った。電解質膜１００の膜厚は５０μｍであった。なお、保護フィルム１５０は電解質膜１００にめり込んではおらず、電解質膜１００と保護フィルム１５０の境目には、段差が生じていた。
図５は、加熱プレス後の状態を模式的に示す説明図である。
【００３１】
実施例と比較例の比較から、加熱プレスの温度は、電解質膜１００の軟化温度よりも高い温度であればよく、軟化温度よりもやや高い温度（例えば＋２０℃）以上が好ましい。本実施例のように、Ｎａｆｉｏｎ１１２を用いた場合には、１３０℃以上がよく、好ましくは、１５０℃以上である。なお、加熱温度の上限は、保護フィルム１５０の耐熱温度に依存する。本実施例のように保護フィルム１５０にＰＥＮフィルムを用いた場合には、加熱プレスの温度は１６０℃以下が好ましい。プレス圧については、本実施例の材料を用いた場合には、８ＭＰａが好ましいが、その上下、５〜１０ＭＰａであればよい。なお、加熱プレスの温度、圧力については、本実施例のようにＮａｆｉｏｎ１１２とＰＥＮフィルムを用いた場合には、加熱温度１３０℃〜１６０℃、圧力５〜１０ＭＰａが良かったが、電解質膜１００の材料、保護フィルム１５０の材料により加熱温度、圧力の最適な値は異なる。
【００３２】
図６は、第２の実施形態の変形例である。この変形例では、電解質膜１００の両面の外縁部に保護フィルム１５０が埋設されている。このように、第２の実施形態の変形例によれば、電解質膜１００の両面の外縁部に保護フィルム１５０を埋設することが可能である。これにより、ガス拡散層３００やシールガスケット５００からのダメージを抑制することができる。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、最終的な電解質膜１００の膜厚よりも厚さが厚い電解質膜前駆体１００ｃを準備し、電解質膜前駆体１００ｃ上に保護フィルム１５０を配置して加熱プレスすることにより、電解質膜前駆体１００ｃを最終的な厚さの電解質膜１００に変形にするとともに電解質膜１００と保護フィルム１５０とを熱圧着することができる。これにより、保護フィルム１５０を電解質膜１００の中にめり込ませ、保護フィルム１５０と電解質膜１００との間の段差の発生を抑制することが可能となる。
【００３４】
また、プレスするときの加熱温度は、電解質膜１００の軟化温度よりも高い温度であれば、保護フィルム１５０を電解質膜１００の中に埋設することが可能である。
【００３５】
以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】発電ユニット２０の断面図である。
【図３】膜・電極接合体２５０の製造工程を示す説明図である。
【図４】第２の実施形態に係る膜・電極接合体の製造工程を示す説明図である。
【図５】加熱プレス後の状態を模式的に示す説明図である。
【図６】第２の実施形態の変形例である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池
２０…発電ユニット
３０…エンドプレート
４０…マニホールド
１００…電解質膜
１００ａ…電解質溶液
１００ｂ…電解質膜部分
１００ｃ…電解質膜前駆体
１５０…保護フィルム
２００…触媒層
２５０…電極接合体
３００…ガス拡散層
４００…セパレータ
５００…シールガスケット
６００…基板
６５０…枠
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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