(57)【要約】【課題】固体高分子形燃料電池における膜電極構造体の電解質膜の端部の露出を防ぎ、ガスリーク防止に優れた膜電極構造体を提供する。【解決手段】膜電極構造体２０は、電解質膜２１と、電解質膜２１を挟持した一対の触媒層２２ａ、２２ｂと、触媒層２２ａ、２２ｂの周囲に配置したガスケット２６とを備える膜電極構造体であって、ガスケット２６が、電解質膜２１の端部を額縁状に覆う形状を有している。また、ガスケット２６は、２つのガスケット層を溶断することで形成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜を挟持した一対の触媒層と、前記触媒層の周囲に配置したガスケットとを備える膜電極構造体であって、
前記ガスケットが、前記電解質膜の端部を額縁状に覆う形状を有していることを特徴とする膜電極構造体。
【請求項２】
前記ガスケットが、熱可塑性樹脂からなるフィルムであることを特徴とする請求項１に記載の膜電極構造体。
【請求項３】
前記ガスケットと前記電解質膜の端部とが、粘着層または接着層を介して密着していることを特徴とする請求項１または２に記載の膜電極構造体。
【請求項４】
前記ガスケットが、前記電解質膜の端部から０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲ではみ出した２つのガスケット層を熱溶着することで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の膜電極構造体。
【請求項５】
電解質膜と、前記電解質膜を挟持した一対の触媒層と、前記触媒層の周囲に配置したガスケットとを備える膜電極構造体の製造方法であって、
前記ガスケットが、前記触媒層の周囲に配置した第一のガスケット層と第二のガスケット層の外周部を溶断することで、前記電解質膜の端部を額縁状に覆うように形成されることを特徴とする膜電極構造体の製造方法。
【請求項６】
電解質膜と、前記電解質膜を挟持した一対の触媒層と、前記触媒層の周囲に配置したガスケットとを備える膜電極構造体の製造方法であって、
前記ガスケットが、前記触媒層の周囲に配置した第一のガスケット層と第二のガスケット層の外周部をヒートシールすることで、前記電解質膜の端部を額縁状に覆うように形成されることを特徴とする膜電極構造体の製造方法。
【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おける膜電極構造体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素などの燃料と酸素などの酸化剤を反応させ、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池は、電解質の種類によってアルカリ形、リン酸形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。固体高分子形燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ；ＰＥＦＣ）は、他の燃料電池と比べて起動までの時間が短く、また、低温作動が可能で高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、膜電極構造体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）と呼ばれる電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた構造体を、前記電極触媒層の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極触媒層の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレータ板で挟持した電池である。この一対のセパレータ板で挟持した電池を単電池セルと呼ぶ。
【０００４】
膜電極構造体の一部を構成するガスケットには、電解質膜を支持し、酸素およ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。プロセスコストの観点から、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極構造体が望まれており、積層プロセスが可能な膜電極構造体は、製造上有利である。
【０００５】
固体高分子形燃料電池は、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、単電池セルを複数積層（スタック）して用いられる。スタックする枚数は、必要な電力により異なり、一般的な携帯電気機器のポータブル電源では数枚から１０枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では６０〜９０枚程度、自動車用途では２５０〜４００枚程度である。高出力化をするためにはスタック枚数を増やすことが必要となり、単電池セルのコストが燃料電池全体のコストに大きく影響する。プロセスコストの観点から、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極構造体が望まれている。
【０００６】
従来の膜電極構造体では、膜の保護あるいは水素リークの抑制のために、膜端部を封止した構造をとる（例えば、特許文献１）。樹脂モールドは、膜電極構造体を形成した後、射出成形といった工法により、エラストマーのような液状シーリング材を用いて、電解質膜端部の周縁部を包み込むことで封止する。
【０００７】
また、上記の封止形態と異なる他の電解質膜端部の封止法も知られている（例えば、特許文献２）。ガスケット上に、両端に溶着層を備える補強シートを形成し、膜電極構造体と溶着させることで電解質膜端部の封止を果たしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−９２９２４号公報
【特許文献２】特開２００９−８１１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、樹脂モールドに用いられるエラストマーは、ガスケットとしては高価であり、さらに、電解質膜の周辺部を包み込むようにガスケットを配置するためには、射出成形等といった工程をとる必要があるため、大量生産には不向きである。
【００１０】
また、フィルム状のガスケットに溶着層を形成する工法では、ガスケットの他に補強シートおよび溶着層といった、部品数の増加が避けられないため、プロセスコストの観点から不利である。
【００１１】
このように、従来の膜電極構造体における電解質膜の端部の封止には部品数が多い、組み立てが複雑、高価という問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するための手段として、本発明の一態様は、電解質膜と、電解質膜を挟持した一対の触媒層と、触媒層の周囲に配置したガスケットとを備える膜電極構造体であって、ガスケットが、電解質膜の端部を額縁状に覆う形状を有していることを特徴とする膜電極構造体である。
【００１３】
また、膜電極構造体のガスケットが、熱可塑性樹脂からなるフィルムであることを特徴とする。
【００１４】
また、膜電極構造体のガスケットと電解質膜の端部とが、粘着層または接着層を介して密着していることを特徴とする。
【００１５】
また、膜電極構造体のガスケットが、電解質膜の端部から０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲ではみ出した２つのガスケット層を熱溶着することで形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の別の態様は、電解質膜と、電解質膜を挟持した一対の触媒層と、触媒層の周囲に配置したガスケットとを備える膜電極構造体の製造方法であって、ガスケットが、触媒層の周囲に配置した第一のガスケット層と第二のガスケット層の外周部を溶断することで、電解質膜の端部を額縁状に覆うように形成されることを特徴とする膜電極構造体の製造方法である。
【００１７】
また、本発明のさらに別の態様は、電解質膜と、電解質膜を挟持した一対の触媒層と、触媒層の周囲に配置したガスケットとを備える膜電極構造体の製造方法であって、
ガスケットが、触媒層の周囲に配置した第一のガスケット層と第二のガスケット層の外周部をヒートシールすることで、電解質膜の端部を額縁状に覆うように形成されることを特徴とする膜電極構造体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電解質膜の幅寸法よりも大きいガスケットを溶着することで、露出される電解質膜の端部を額縁状に封止し、ガスリーク防止に優れた膜電極構造体を提供することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、ガスケットを溶着するだけで露出される電解質膜の端部を封止することができるため、膜電極構造体を簡易且つ安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】固体高分子形燃料電池の単電池セルの概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池における膜電極構造体の概略上面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池における膜電極構造体の概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る膜電極構造体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
【００２２】
本発明の実施形態について説明する前に、本発明に関連する固体高分子形燃料電池について、図１を参照してまず説明する。
図１に示すように、固体高分子形燃料電池の単電池セル１００は、膜電極構造合体１０と、これを挟持する一対のセパレータ１７とを備える。膜電極構造体１０は、電解質膜１１の一方の面に、アノード側触媒層１２ｂと、アノード側ガス拡散層１３ｂと、アノード側ガスケット層１６ｂとを備え、他方の面に、カソード側触媒層１２ａと、カソード側ガス拡散層１３ａと、カソード側ガスケット層１６ａとを備えている。
【００２３】
すなわち、図１に示す固体高分子形燃料電池の単電池セル１００は、電解質膜１１（主にフッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜からなる）を、それぞれカーボンブラック粒子に触媒物質（主として白金（Ｐｔ）あるいは他の金属（例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ等））を担持したカソード側触媒層１２ａとアノード側触媒層１２ｂとで挟持し、このカソード側触媒層１２ａとアノード側触媒層１２ｂとをそれぞれカソード側ガス拡散層１３ａとアノード側ガス拡散層１３ｂで挟持してカソード１４およびアノード１５とし、ガスのシールの機能を有するカソード側ガスケット層１６ａとアノード側ガスケット層１６ｂにて膜電極構造体１０を構成している。そして、膜電極構造体１０を一組のセパレータ１７により挟持して単電池セル１００が構成される。
【００２４】
次に、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池における膜電極構造体２０およびその製造方法について、図２乃至図４を用いて詳細に説明する。なお、図１において、膜電極構造体１０はカソード側ガス拡散層１３ａとアノード側ガス拡散層１３ｂとを含む構成として説明したが、図２乃至図４を用いて説明する本発明の実施形態にかかる膜電極構造体２０は、カソード側ガス拡散層とアノード側ガス拡散層とを含まない構成として説明する。
【００２５】
図２は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池における膜電極構造体２０の概略上面図であり、図３は、その膜電極構造体２０のＩ−Ｉ線に沿った概略断面図である。
図３に示すように、本発明の実施形態にかかる膜電極構造体２０は、電解質膜２１と、この電解質膜２１の一方の面（図３において上面）に配置されたカソード側触媒層２２ａと、電解質膜２１の他方の面（図３において下面）に配置されたアノード側触媒層２２ｂとを備える。図２、３に示すように、これらカソード側触媒層２２ａおよびアノード側触媒層２２ｂの周縁部には、溶着により額縁状の形状をしたガスケット２６が設けられている。すなわち、ガスケット２６は、電解質膜２１のカソード側触媒層２２ａおよびアノード側触媒層２２ｂの周縁部を囲み、かつ、電解質膜２１の端部を覆うように設けられている。
【００２６】
電解質膜２１は、両触媒層２２ａ、２２ｂよりも一回り大きく形成されている。そして、ガスケット２６は、両触媒層２２ａ、２２ｂの端部の周囲に配置される２つのガスケット層（第一のガスケット層、第二のガスケット層）が、両触媒層２２ａ、２２ｂよりも一回り大きい電解質膜２１の端部を覆うようにして一体化して配置されている。
【００２７】
本実施形態においては、ガスケット２６は、電解質膜２１よりも一回り大きく配置された２つのガスケット層のはみ出し部を溶着することで一体化して、電解質膜２１端部を封止している。ここで、両触媒層２２ａ、２２ｂの端部の周囲に配置される２つのガスケット層は、後述する熱可塑性樹脂からなる層であれば特に限定されないが、溶融により溶着する性質を示し、熱可塑性樹脂からなるフィルムを用いることが望ましい。フィルムの場合、射出成形が必要なエラストマーに比べ、安価で枚葉による製造が可能であり、膜電極構造体を簡易且つ安価に製造することできる。
【００２８】
また、ガスケット２６は、２つのガスケット層が一体化する部分（２つのガスケット層が溶融により溶着する性質を示すフィルムからなる場合は、溶融部分）が電解質膜２１と接触していることが望ましい。また、ガスケット２６と電解質膜２１の端部とが、粘着層または接着層２８を介して隙間なく密着していることが望ましい。これにより、電解質膜をより強固に支持することができる。
【００２９】
本実施形態で用いられる電解質膜２１は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が好適に使用でき、特にフッ素系電解質膜が望ましい。
【００３０】
カソード側触媒層２２ａ、アノード側触媒層２２ｂについても、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。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（平均粒径は２０〜１００ｎｍ程度が望ましい。）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インクにより作製されるものが使用できる。
【００３１】
ガスケット２６は、熱可塑性樹脂であることが望ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＩ（ポリイミド）等が使用できる。特に、弾性率の高い熱可塑性樹脂が望ましい。熱可塑樹脂として繊維強化されたものを用いてもよい。
【００３２】
ガスケット２６は、繊維状材料の繊維間に粘着材料または接着材料を含浸させた粘着層または接着層２８を用いて、電解質膜２１の表面および端部に配置されている。なお、粘着層または接着層２８は、必要に応じて用いられる。
粘着層または接着層２８に含まれる粘着材料または接着材料としては、主鎖骨格がポリシロキサン骨格やポリエーテル骨格、フルオロエーテル骨格、ポリオレフィン骨格等の材料が使用できる。また、電解質膜２１上に配置されることから、粘着層または接着層２８に含まれる溶媒によって電解質膜２１が膨潤することを避けるために、粘着層または接着層２８は、無溶媒系であることが望ましい。
繊維状材料は、粘着材料または接着材料を含浸させることから、粘着材料または接着材料との親和性が高いものが望ましい。さらに、２つのガスケット層同士を溶着させることから、溶融により溶着するものが望ましい。また、ガスケットとしての用途を考慮し、電気的短絡を防ぐために、電気絶縁性であることが求められることから、ガラスペーパー等のガラス繊維やアルミナ繊維が望ましい。
【００３３】
図４は、本発明の一実施形態に係る膜電極構造体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。図４に示すように、最初に、電解質膜２１上にカソード側触媒層２２ａ、アノード側触媒層２２ｂを形成する。カソード側触媒層２２ａ、アノード側触媒層２２ｂを形成するにあたっては、まず、高分子電解質と、触媒物質と、触媒を担持するカーボン担体と、分散媒とを含むインクを調製する。調製された触媒インクを、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、噴霧法を用い電解質膜２１上に塗布することで、カソード側触媒層２２ａ、アノード側触媒層２２ｂを形成する。また、転写基材を用いて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に、転写法により電解質膜２１上にカソード側触媒層２２ａ、アノード側触媒層２２ｂを形成しても良い。
【００３４】
次に、カソード側ガスケット層２６ａ（第一のガスケット層）を、カソード側触媒層２２ａの周囲である電解質膜２１上に形成する。カソード側ガスケット層２６ａを形成するには、まず、枠形状にカットした繊維状材料の繊維間に粘着材料または接着材料を含浸させた後、カソード側触媒層２２ａの周囲に配置することで、カソード側粘着層または接着層２８ａを形成する。次いで、カソード側粘着層または接着層２８ａの表面に、例えばフィルム状のカソード側ガスケット層２６ａを配置する。あるいは、粘着材料または接着材料が含浸された繊維状材料を、粘着材料または接着材料が固化しない状態で、カソード側触媒層２２ａの周囲に配置した後、その表面に、例えばフィルム状のカソード側ガスケット層２６ａを配置してもよい。
【００３５】
また、カソード側ガスケット層２６ａとなるガスケットフィルムを用意し、このガスケットフィルム上に、繊維状材料の繊維間に粘着材料または接着材料を含浸させた粘着層または接着層を形成する。次いで、この粘着層または接着層付ガスケットフィルムを枠形状にカットした後、カソード側触媒層２２ａの周囲に配置してもよい。
【００３６】
次に、アノード側ガスケット層２６ｂ（第二のガスケット層）を形成するために、上記工程により製造されたものを上下反転させ、枠形状にカットした繊維状材料の繊維間に粘着材料または接着材料を含浸させたアノード側粘着層または接着層２８ｂを形成した後、その表面に、例えばフィルム状のアノード側ガスケット層２６ｂを配置する。また、カソード側ガスケット層２６ａと同様に、粘着材料または接着材料が含浸された繊維状材料を、粘着材料または接着材料が固化しない状態で、アノード側触媒層２２ｂの周囲に配置した後、その表面に、例えばフィルム状のアノード側ガスケット層２６ｂを配置してもよい。
【００３７】
また、カソード側ガスケット層２６ａと同様に、アノード側ガスケット層２６ｂの部材となるガスケットフィルムを用意し、このガスケットフィルム上に、繊維状材料の繊維間に粘着材料または接着材料を含浸させた粘着層または接着層を形成する。次いで、この粘着層または接着層付ガスケットフィルムを枠形状にカットした後、アノード側触媒層２２ｂの周囲に配置してもよい。
【００３８】
最後に、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂを溶断により溶着する。通常、溶断溶着は、フィルムの溶融温度以上に加熱した溶断刃にて二枚に重ねたフィルムを切断し、その切断面を溶断刃との接触により溶着することにより実施される。そのため、溶断温度は、使用するカソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂの融点以上である必要があり、溶断シール部の機械強度を向上させるために、より高温長時間での実施が望ましい。また、このとき、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂの外周部、具体的には、電解質膜２１からはみ出した部分のみを、電解質膜２１の端部を噛まずに溶断する。好ましくは、溶断溶着部が、電解質膜２１の端部と、粘着層または接着層を介して密着するようにする。また、溶断ではなく、平面の電熱線を用いてヒートシールすることによって、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂの端部を溶着してもよい。
【００３９】
ここで、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂのうち、電解質膜２１からはみ出した部分を溶断する際、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂの電解質膜２１からはみ出した部分は、電解質膜の端部から０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲であることが望ましい。これにより、ガスケットの余分な使用を低減し、かつ電解質を額縁状に封止することができる。
【００４０】
また、図４では、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂのうち、電解質膜２１からはみ出した部分には、カソード側粘着層または接着層２８ａおよびアノード側粘着層または接着層２８ｂが設けられているが、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂのみで溶着することができれば、このはみ出した部分には、カソード側粘着層または接着層２８ａおよびアノード側粘着層または接着層２８ｂが設けられていなくてもよい。
【００４１】
図４に示した上記の工程を経ることで、カソード側粘着層または接着層２８ａおよびアノード側粘着層または接着層２８ｂが、図３に示した粘着層または接着層２８となり、また、カソード側ガスケット層２６ａおよびアノード側ガスケット層２６ｂが、図３に示したガスケット２６となり、図３に示した膜電極構造体２０を形成することができる。また、上記の工程により、電解質膜２１の端部をガスケット２６で封止した膜電極構造体２０を容易に製造しやすいものにすることができる。
【実施例】
【００４２】
以下に、具体的な実施例により、本実施形態の固体高分子形燃料電池の膜電極構造体およびその製造方法を説明する。なお、後述する実施例は本発明の一実施形態の実施例であり、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
【００４３】
白金担持量が５０％である白金担持カーボン触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業製）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１：１の水（沸点：１００．０℃）、エチレングリコール（沸点：１９７．９℃）混合溶媒で混合した。尚、この時の固形分比率は１４％に設定した。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。
【００４４】
この触媒インクをドクターブレード法により転写シートに塗布し、転写シート上に塗布された触媒インクを、温度が８０℃の大気雰囲気中で５分間乾燥させることにより、実施例の触媒層を得た。この際、触媒物質Ｐｔの担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ２になるように、触媒層の厚さを調節した。
【００４５】
続いて、電解質膜としてナフィオン（登録商標）ＸＬ（デュポン社製）を用い、５ｃｍ２の正方形状に打ち抜かれた触媒層と電解質膜の両面とが互いに向い合うように、２つの転写シートと電解質膜とを配置した。その後、これら２つの転写シートで挟まれた電解質膜を１３０℃に加熱するとともに、加圧下で１０分間保持するホットプレスを行うことにより、電解質膜と触媒層の構造体を得た。
【００４６】
ポリエチレンナフタレートからなる繊維状材料にフルオロエーテルからなる接着材料を含浸させた接着層を有するガスケットフィルム（接着層付ガスケットフィルム）の中央部を打ち抜き、枠状の接着層付ガスケットフィルムを作製した。この接着層付ガスケットフィルムの開口部サイズは５０ｍｍ四方である。続いて、作製した枠状の接着層付ガスケットフィルムを上記の構造体の２つの触媒層に貼合した。最後に、電解質膜の端部からの接着層付ガスケットフィルムのはみ出し部を、卓上型シーラー（Ｐ−２００／富士インパルス製）を用いて溶断・溶着することで、本発明における膜電極構造体を得た。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
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】
【００４８】
１００・・・単電池セル
１０・・・膜電極構造体
１１・・・電解質膜
１２ａ・・・カソード側触媒層
１２ｂ・・・アノード側触媒層
１３ａ・・・カソード側ガス拡散層
１３ｂ・・・アノード側ガス拡散層
１４・・・カソード
１５・・・アノード
１６ａ・・・カソード側ガスケット層
１６ｂ・・・アノード側ガスケット層
１７・・・セパレータ
２０・・・膜電極構造体
２１・・・電解質膜
２２ａ・・・カソード側触媒層
２２ｂ・・・アノード側触媒層
２６・・・ガスケット
２６ａ・・・カソード側ガスケット層
２６ｂ・・・アノード側ガスケット層
２８・・・粘着層または接着層
２８ａ・・・カソード側粘着層または接着層
【図１】
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【図２】
2014191981.tif 000004
【図３】
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【図４】
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