(57)【要約】【課題】固体高分子形燃料電池の膜電極接合体としてシール性の高い膜電極接合体を製造する。【解決手段】固体高分子形燃料電池の膜電極接合体を製造するに際して、触媒層の周囲に形成されるガスケット層４，５として、二軸延伸ポリエステルナフタレートからなり且つ電解質膜より一回り大きい２枚の樹脂フィルムを用い、両面に触媒層が形成された電解質膜を２枚の樹脂フィルムで挟んだ後、樹脂フィルムの周縁部を溶断して樹脂フィルムの端面にシール部７を形成する。【選択図】図２
2014067538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面のうち一方の表面上に形成されたカソード触媒層と、前記電解質膜の両面のうち他方の表面上に形成されたアノード触媒層と、を備えた膜電極接合体であって、前記電解質膜は、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の周囲に当該触媒層よりも一回り大きく形成されたカソード側ガスケット層及びアノード側ガスケット層と一体化されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記カソード触媒層の厚さが前記カソード側ガスケット層の厚さと等しく、かつ前記アノード触媒層の厚さが前記アノード側ガスケット層の厚さと等しいことを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記カソード側ガスケット層及び前記アノード側ガスケット層が単層の熱可塑性樹脂フィルムからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記熱可塑性樹脂フィルムがポリエステル系樹脂からなることを特徴とする請求項３に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記ポリエステル系樹脂が二軸延伸ポリエチレンナフタレートであることを特徴とする請求項４に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
前記カソード側ガスケット層及び前記アノード側ガスケット層が前記電解質膜よりも一回り大きく形成され、かつ前記電解質膜の端部側で互いに向き合って接触していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
電解質膜と、前記電解質膜の両面のうち一方の表面上に形成されたカソード触媒層と、前記電解質膜の両面のうち他方の表面上に形成されたアノード触媒層と、を備えた膜電極接合体の製造方法であって、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の周囲にガスケット層を当該ガスケット層の周縁部が前記電解質膜の端部側で互いに向き合って接触するように形成し、前記ガスケット層の周縁部を溶断して封止したことを特徴とす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、固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
脱炭素社会の構築に向けた動きの中で、エネルギー中間キャリアとして水素が注目されている。燃料電池は、水素エネルギーの利用形態の１つとして開発が進められている。特に、種々の燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池は、高出力密度や低温作動、電池本体がコンパクトであることから、自動車用途または家庭用途の電源として早期の実用化が期待されている。
【０００３】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスを電気化学的に反応させて電力を取り出す発電システムである。固体高分子形燃料電池における膜電極接合体は、電解質膜と触媒層、ガス拡散層、ガスケット層より構成される。膜電極接合体の一部を構成するガスケット層には、電解質膜を支持し、酸素及び水素のリークの抑制と電解質膜の湿度維持に寄与することが求められている。
【０００４】
製造の観点から、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極接合体構造が望ましく、積層工程が可能な膜電極接合体構造は、製造時間の短縮が期待できる。特に、印刷による積層工程を含むものは、大量生産、連続生産の点で望ましい。
特許文献１には、膜電極接合体のガスケット層端面を樹脂によりインジェクションモールドした固体高分子形燃料電池が記載されている。
また、特許文献２には、膜電極接合体のガスケット層として、バリア層と溶着層の二層からなる２枚の補強シートを用いて電解質膜の周縁部を補強する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７４２０４３号公報
【特許文献２】特開２００９−８１１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された固体高分子形燃料電池では、材料樹脂が多く必要であること、また、加工速度の点から生産性が悪く、コスト高になるという難点がある。
また、特許文献２に記載された技術では、溶着層を持つガスケット層を作製するためにバリア層と溶着層を貼り合わせる工程を必要とし、コストアップにつながる。また、溶着層として用いられるポリオレフィンは接着温度が１３０℃と発電温度に近く、軟化の可能性があること、加工性向上のため使用される、滑剤、帯電防止剤、可塑剤、酸化防止剤などの添加剤のブリードアウトによる電解質膜への影響が心配される。
【０００７】
本発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、シール性の向上を図ることのできる膜電極接合体を提供することを目的としている。また、本発明の他の目的は、固体高分子形燃料電池の膜電極接合体としてシール性の高い膜電極接合体を製造することのできる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面のうち一方の表面上に形成されたカソード触媒層と、前記電解質膜の両面のうち他方の表面上に形成されたアノード触媒層と、を備えた膜電極接合体であって、前記電解質膜は、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の周囲に当該触媒層よりも一回り大きく形成されたカソード側ガスケット層及びアノード側ガスケット層と一体化されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、前記カソード触媒層の厚さが前記カソード側ガスケット層の厚さと等しく、かつ前記アノード触媒層の厚さが前記アノード側ガスケット層の厚さと等しいことを特徴とする。
請求項３の発明は、前記カソード側ガスケット層及び前記アノード側ガスケット層が単層の熱可塑性樹脂フィルムからなることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、前記熱可塑性樹脂フィルムがポリエステル系樹脂からなることを特徴とする。
請求項５の発明は、前記ポリエステル系樹脂が二軸延伸ポリエチレンナフタレートであることを特徴とする。
請求項６の発明は、前記カソード側ガスケット層及び前記アノード側ガスケット層が前記電解質膜よりも一回り大きく形成され、かつ前記電解質膜の端部側で互いに向き合って接触していることを特徴とする。
【００１１】
請求項７の発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面のうち一方の表面上に形成されたカソード触媒層と、前記電解質膜の両面のうち他方の表面上に形成されたアノード触媒層と、を備えた膜電極接合体の製造方法であって、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の周囲にガスケット層を当該ガスケット層の周縁部が前記電解質膜の端部側で互いに向き合って接触するように形成し、前記ガスケット層の周縁部を溶断して封止したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電解質膜の端部側で互いに向き合って接触するガスケット層の接触部分に溶断シール部が形成され、この溶断シール部によってガスケット層の周縁部が気密に封止されることになるので、シール性の高い膜電極接合体を得ることができる。また、膜電極接合体のガスケット層として耐熱性フィルムである二軸延伸ポリエステルナフタレートを用いることによって、発電時の耐熱性が向上、添加剤のブリードアウトの恐れが無くなる。また、溶断シールを用いることにより、融点が約２７０℃と高温でも溶着層を設けずともフィルム端面の封止が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法の要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体１０は、電解質膜１、カソード触媒層２、アノード触媒層３、カソード側ガスケット層４およびアノード側ガスケット層５を備えている。
カソード触媒層２は膜電極接合体１０のカソードを形成するものであって、電解質膜１の両面のうち一方の表面（図中下面）上に形成されている。そして、アノード触媒層３は膜電極接合体１０のアノードを形成するものであって、電解質膜１の両面のうち他方の表面（図中上面）上に形成されている。
【００１５】
ガスケット層４，５は膜電極接合体１０の劣化を防止するためのものであって、触媒層２，３の周囲に形成されている。また、ガスケット層４，５は触媒層２，３よりも一回り大きく形成され、電解質膜１と一体化されている。
触媒層２，３が形成される電解質膜１としては、固体高分子形燃料電池で一般的に使用されるもの、例えばフッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜を用いることができる。その中でもフッ素系電解質膜を用いることが望ましい。
【００１６】
また、触媒層２，３としては、電解質膜１と同様に、固体高分子形燃料電池で一般的に使用されるものを用いることができる。例えば、白金または白金と他の金属（例えばＲｕ，Ｒｈ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ等）との合金の微粒子（平均粒径は１０ｎｍ以下が望ましい）が表面に担持されたカーボンブラックなどの導電性炭素微粒子（平均粒径：２０〜１００ｎｍ程度）と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液などの高分子溶液とが適当な溶剤（エタノールなど）中で均一に混合された触媒インクより作製されるものを使用できる。
【００１７】
ガスケット層４，５は、電解質膜１より一回り大きい熱可塑性樹脂フィルムから形成されている。これらの熱可塑性樹脂フィルムとしてはポリエステル系樹脂からなるものを用いることができ、特に二軸延伸ポリエチレンナフタレートからなるものが好ましい。このような熱可塑性樹脂フィルムは二軸延伸を行うことで、分子の配向が揃い、強度、耐薬品性、耐熱性に優れる。また、ポリエチレンナフタレートはガスバリア性、機械強度、耐薬品性に優れる汎用フィルムである。
【００１８】
次に、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法について説明する。
まず、電解質膜１の両面のうち一方の表面上にカソード触媒層２を形成し、他方の表面上にアノード触媒層３を形成する。触媒層２，３を形成するにあたっては、高分子電解質と触媒物質及び触媒を担持するカーボン担体と分散媒を含む触媒インクを調製する。調製された触媒インクは、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法や噴霧法を用いて電解質膜１の表面上に塗布し、触媒層２，３を形成する。また、転写基材を用い、転写基材上に触媒インクを塗布し、転写基材上に触媒層を一旦形成した後、転写法により電解質膜１の両面に触媒層２，３を形成しても良い。
【００１９】
次に、触媒層２，３が形成された電解質膜１を電解質膜１より一回り大きい２枚の熱可塑性樹脂フィルムで挟み、これら熱可塑性樹脂フィルムの形状が所望のガスケット形状となるように、過熱した金属刃６で熱可塑性樹脂フィルムの周縁部を押し切り、溶着幅のほぼ無いシール部７（図２参照）を熱可塑性樹脂フィルムの端面に形成する。
金属刃６の加熱方法は、特に限定されるものではないが、金属刃の材質を低熱伝導率のものを使用して通電による自己発熱による方法や、金属刃の根元部分に発熱ヒーターを埋め込んで、ヒーターからの伝熱による加熱方法が考えられる。
【００２０】
熱可塑性樹脂フィルムの溶着方法としては、上記以外の方法として幅広の加熱板を熱可塑性樹脂フィルムに押し当ててフィルム同士を溶着するヒートシール法があるが、押圧が分散すること、金属板を高温で加熱すると周囲の雰囲気温度が上がり、樹脂フィルムが収縮してしまうため、耐熱性の高いフィルムの溶着には向かない。
図２に示すように、ガスケット層４，５を形成する２枚の熱可塑性樹脂フィルムを溶断シールすることで、溶着幅の無いシール部７がガスケット層４，５の周縁部に形成される。これにより、セルスタックを組んだときに、膜電極接合体にかかる圧力にムラが生じることを極力抑えることができる。
【実施例】
【００２１】
以下に、本発明に係る膜電極接合体とその製造方法について、具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。
白金担持量が６０％である白金担持カーボン触媒と、２０質量％高分子電解質溶液であるＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）を、混合比１：２の水、エタノール混合溶媒で混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調整した。
【００２２】
プレート上に転写シートを固定し、ドクターブレードにより触媒インクを転写シート上に塗布した。触媒インクからなる塗膜が形成された転写シートをオーブン（熱風循環恒温乾燥機41-S5H/佐竹化学機械工業社製）に入れ、オーブンの温度を５０℃に設定し５分間乾燥させることで転写シート上に触媒層を作製した。このとき、白金担持量はカソード触媒層２が約０．５ｍｇ／ｃｍ2、アノード触媒層３が約０．３ｍｇ／ｃｍ2となるように調製した。
【００２３】
触媒層が形成された転写シートを２５ｃｍ2に２枚切り取り、触媒層が正対するように、電解質膜の両面に配置した。電解質膜としては、Ｎａｆｉｏｎ211（デュポン社製）を用いた。続いて、１３０℃、６０ＭＰａの条件でホットプレスを行い、転写基材のみを剥がした。
ガスケット層４，５として、２枚のポリエチレンナフタレートフィルム（厚さ３５μｍ）を用い、これらの樹脂フィルムに２５ｃｍ2の窓を切り抜き、正対するように電解質膜の触媒層２，３の形状に合わせて配置した。続いて、３６０℃の加熱刃で溶断シールを行い、ガスケット端面を封止した。
【００２４】
作製した膜電極接合体の両面に、触媒層２，３より大きい面積を持つＭＰＬ処理カーボンペーパー（東レ社製）ガス拡散層と、厚さ１５０μｍのＰＥＮフィルム、ガス流路を持つセパレータで挟み、燃料電池単セルを作製した。前記単セルのアノード側から水素ガス、カソード側から窒素ガスを供給し、リークチェックを行ったところ、ガスリークは確認されなかった。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は固体高分子形燃料電池、特に燃料電池自動車や家庭用燃料電池などにおける、固体高分子形燃料電池単セルやスタックに好適に活用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１…電解質膜
２…カソード触媒層
３…アノード触媒層
４…カソード側ガスケット層
５…アノード側ガスケット層
６…金属刃
７…シール部
１０…膜電極接合体
【図１】
2014067538.tif 000003
【図２】
2014067538.tif 000004