(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜の損傷を可及的に抑制することができ、しかもガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを強固に接合することを可能にする。【解決手段】電解質膜・電極構造体１０の製造方法は、第１ガス拡散層２７ａの外周部に第１樹脂含浸部２８ａを形成した後、前記第１ガス拡散層２７ａの外周部に外周トリミング加工を行う工程と、前記第１ガス拡散層２７ａ、第１電極触媒層２３ａ、固体高分子電解質膜１８、第２電極触媒層２３ｂ及び第２樹脂含浸部２８ｂを形成した第２ガス拡散層２７ｂを一体化する工程と、前記第２ガス拡散層２７ｂの外周に外周トリミング加工を行う工程とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも小さな平面寸法に設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記第１ガス拡散層の外周部に樹脂を含浸させて第１樹脂含浸部を形成した後、前記第１ガス拡散層の外周部に、前記第１樹脂含浸部に沿って外周トリミング加工を行う工程と、
外周トリミング加工された前記第１ガス拡散層、前記第１触媒層、前記固体高分子電解質膜、前記第２触媒層及び外周部に樹脂を含浸させて第２樹脂含浸部を形成した前記第２ガス拡散層を、ホットプレスにより一体化する工程と、
ホットプレス後の前記第２ガス拡散層の外周に、前記第２樹脂含浸部に沿って外周トリミング加工を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・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、固体高分子電解質膜の両側に、第１電極及び第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の第１ガス拡散層は、前記第２電極の第２ガス拡散層よりも小さな平面寸法に設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の又は小さな平面寸法で且つ前記一方のガス拡散層よりも大きな平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。
【０００４】
この種の段差ＭＥＡとして、例えば、特許文献１に開示されている膜・電極構造体（ＭＥＡ）が知られている。この膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜が、触媒層とガス拡散層とを備える一対のガス拡散電極層により、前記固体高分子電解質膜の両面に前記触媒層が当接するようにして挟持され、前記固体高分子電解質膜が、一方の前記ガス拡散電極層で覆われるとともに、他方の前記ガス拡散電極層からはみ出している。
【０００５】
そして、一方のガス拡散電極層の触媒層の端面が、他方のガス拡散電極層の触媒層の端面に対して位置がずれて設置され、固体高分子電解質膜を覆う前記一方のガス拡散電極層の前記触媒層の外周に、前記一方のガス拡散電極層の前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを接着する第１接着層を形成し、当該第１接着層にて前記固体高分子電解質膜の前記一方のガス拡散電極層が設けられている面上における周縁部を覆っている、ことを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８１８５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、通常、ＭＥＡの製造工程において、ガス拡散層は、例えば、トムソン刃によりロール状のカーボンペーパ等から所定の寸法に切り取られている。その際、カーボンペーパの炭素繊維の一部が欠落して飛散したり、前記カーボンペーパ上に残存したりする場合がある。このため、炭素繊維の塊がＭＥＡ内に混入されてしまい、固体高分子電解質膜に押し込まれて前記固体高分子電解質膜の耐久性が低下するという問題がある。
【０００８】
さらに、ガス拡散層の切断端部には、ばり等の変形部位が発生し易い。従って、特に小サイズのガス拡散層では、変形部位が固体高分子電解質膜に押し込まれてしまうとともに、前記固体高分子電解質膜との接着性が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、ガス拡散層の製造時に繊維が飛散することがなく、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に抑制することができ、しかも前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを強固に接合することが可能な燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、前記第１ガス拡散層の平面寸法は、前記第２ガス拡散層の平面寸法よりも小さな平面寸法に設定される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。
【００１１】
この製造方法は、第１ガス拡散層の外周部に樹脂を含浸させて第１樹脂含浸部を形成した後、前記第１ガス拡散層の外周部に、前記第１樹脂含浸部に沿って外周トリミング加工を行う工程と、外周トリミング加工された前記第１ガス拡散層、第１触媒層、固体高分子電解質膜、第２触媒層及び外周部に樹脂を含浸させて第２樹脂含浸部を形成した第２ガス拡散層を、ホットプレスにより一体化する工程と、ホットプレス後の前記第２ガス拡散層の外周に、前記第２樹脂含浸部に沿って外周トリミング加工を行う工程と、を有している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１ガス拡散層の外周部に第１樹脂含浸部が形成された後、前記第１樹脂含浸部に沿って前記第１ガス拡散層の外周部がトリミングされている。このため、第１ガス拡散層から繊維が飛散することがなく、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に抑制することができる。しかも、第１ガス拡散層と固体高分子電解質膜とを、強固に接合することが可能になる。
【００１３】
一方、第２ガス拡散層の外周部には、第２樹脂含浸部が設けられるとともに、前記第２樹脂含浸部に沿って外周トリミング加工が行われている。従って、第２ガス拡散層から繊維が飛散することがなく、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に抑制することができる。しかも、第２ガス拡散層と固体高分子電解質膜とを、強固に接合することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記電解質膜・電極構造体を構成する接合体の断面説明図である。
【図４】前記製造方法において、ガス拡散層を構成するカーボンペーパの説明図である。
【図５】前記製造方法において、前記カーボンペーパに下地層を設けて前記ガス拡散層を製造する際の説明図である。
【図６】前記製造方法において、前記ガス拡散層に樹脂含浸部を設ける際の説明図である。
【図７】前記製造方法において、前記ガス拡散層に外周トリミング加工を施す際の説明図である。
【図８】前記製造方法において、前記電解質膜・電極構造体を一体化する際の説明図である。
【図９】前記製造方法において、前記電解質膜・電極構造体の前記ガス拡散層に外周トリミング加工を施す際の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池１２は、矢印Ａ方向に積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。
【００１６】
燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。
【００１７】
図２に示すように、電解質膜・電極構造体１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２とを有する。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに設けられる一方、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに設けられる。
【００１８】
アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａに接合される第１電極触媒層２３ａと、前記第１電極触媒層２３ａに第１下地層２４ａを介して積層される第１カーボンペーパ２６ａとを設ける。第１下地層２４ａと第１カーボンペーパ２６ａとにより、第１ガス拡散層（多孔質拡散層）２７ａが構成される。第１下地層２４ａは、カーボンブラックとＰＴＦＥ粒子との混合物をエチレグリコールに均一に分散させたスラリーを、カーボンペーパに塗布、乾燥させて得られる。
【００１９】
カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２３ｂと、前記第２電極触媒層２３ｂに第２下地層２４ｂを介して積層される第２カーボンペーパ２６ｂとを設ける。第２下地層２４ｂと第２カーボンペーパ２６ｂとにより、第２ガス拡散層（多孔質拡散層）２７ｂが構成される。なお、第１下地層２４ａ及び第２下地層２４ｂは、必要に応じて設ければよく、不要にすることも可能である。
【００２０】
アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２３ａは、第１下地層２４ａと同一の平面寸法（表面積）に設定されるとともに、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法を有する。カソード電極２２を構成する第２電極触媒層２３ｂは、第２下地層２４ｂと同一の平面寸法に設定されるとともに、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法を有する。なお、アノード電極２０とカソード電極２２との大小関係は、逆に設定されてもよい。
【００２１】
第１ガス拡散層２７ａ（第１下地層２４ａ及び第１カーボンペーパ２６ａ）は、第２ガス拡散層２７ｂ（第２下地層２４ｂ及び第２カーボンペーパ２６ｂ）よりも小さな平面寸法に設定される。なお、第１ガス拡散層２７ａは、第２ガス拡散層２７ｂよりも大きな平面寸法に設定されてもよい。
【００２２】
固体高分子電解質膜１８は、面１８ａ側に第１電極触媒層２３ａ及び第１下地層２４ａの外周端部から外方に延在する外周縁部１８ａｅを有する。
【００２３】
第１カーボンペーパ２６ａの外周縁部には、第１樹脂含浸部２８ａの一部が設けられるとともに、第２カーボンペーパ２６ｂの外周縁部には、第２樹脂含浸部２８ｂの一部が設けられる。第１樹脂含浸部２８ａ及び第２樹脂含浸部２８ｂは、積層方向に沿って略同一の位置に設定される。
【００２４】
第１樹脂含浸部２８ａ及び第２樹脂含浸部２８ｂは、例えば、液状フッ素エラストマー、エポキシ接着剤、オレフィン接着剤、アクリル接着剤又はウレタン接着剤、又はシリコーン接着剤等を使用することができる。
【００２５】
また、第１樹脂含浸部２８ａ及び第２樹脂含浸部２８ｂは、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等、あるいは、これらの複合材で構成してもよい。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２７】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２８】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。
【００２９】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。
【００３０】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。
【００３１】
図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１０を構成する固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ａｅに当接する第１凸状シール４２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第１凸状シール４２ａと当接する面にセパレータ面方向に沿って平坦状の平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設け、第１シール部材４２を平面シールで構成してもよい。
【００３２】
第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００３３】
図１に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。
【００３４】
次いで、電解質膜・電極構造体１０を製造する方法について、以下に説明する。
【００３５】
先ず、図３に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ、１８ｂに、第１電極触媒層２３ａ及び第２電極触媒層２３ｂを設けることにより、接合体（ＣＣＭ）５０が製造される。具体的には、触媒と溶媒との混合物にバインダー溶液を投入し、所定のインク粘度まで混合した電極インクを、ＰＥＴフィルムからなるＰＥＴシートにスクリーン印刷により塗工した電極シートを用意する。
【００３６】
さらに、一対の電極シート間には、固体高分子電解質膜１８が挟持されてホットプレスを行う。その後、ＰＥＴシートを剥がすことにより、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ及び面１８ｂには、第１電極触媒層２３ａ及び第２電極触媒層２３ｂが形成され、接合体５０が得られる。
【００３７】
一方、第１ガス拡散層２７ａ及び第２ガス拡散層２７ｂの製造工程では、図４に示すように、所定の寸法を有する第１カーボンペーパ２６ａ及び第２カーボンペーパ２６ｂが用意される。
【００３８】
次に、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーが形成される。このスラリーは、第１カーボンペーパ２６ａ及び第２カーボンペーパ２６ｂにそれぞれ塗布されて乾燥される。このため、第１カーボンペーパ２６ａと第１下地層２４ａとからなる第１ガス拡散層２７ａ、及び第２カーボンペーパ２６ｂと第２下地層２４ｂとからなる第２ガス拡散層２７ｂが作製される（図５参照）。
【００３９】
さらに、図６に示すように、第１ガス拡散層２７ａ及び第２ガス拡散層２７ｂの外周縁部には、第１下地層２４ａ及び第２下地層２４ｂ側から接着剤がスクリーン印刷により塗工される。接着剤は、第１ガス拡散層２７ａ及び第２ガス拡散層２７ｂの厚さ方向の全てに亘って浸透されることが好ましい。そして、接着剤が第１カーボンペーパ２６ａ及び第２カーボンペーパ２６ｂに浸透するように放置した後、乾燥（加熱）処理されることにより、第１樹脂含浸部２８ａ及び第２樹脂含浸部２８ｂが形成される。
【００４０】
そこで、図７に示すように、第１ガス拡散層２７ａでは、トムソン刃５２を用いて、第１樹脂含浸部２８ａの内周側から所定の距離Ｓ１だけ外方に離間する位置で切断される。すなわち、第１ガス拡散層２７ａの外周部には、第１樹脂含浸部２８ａに沿って外周トリミング加工が行われる。
【００４１】
次いで、図８に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に、すなわち、第１電極触媒層２３ａに第１ガス拡散層２７ａが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに、すなわち、第２電極触媒層２３ｂに第２ガス拡散層２７ｂが配置される。これらが一体に積層されてホットプレス処理されることにより、接合体５０と第１ガス拡散層２７ａ及び第２ガス拡散層２７ｂとが一体化されて電解質膜・電極構造体１０が得られる。
【００４２】
さらに、図９に示すように、電解質膜・電極構造体１０では、第２ガス拡散層２７ｂの外周が、第２樹脂含浸部２８ｂの内周側から所定の距離Ｓ２だけ外方に離間する位置で、トムソン刃５４を用いて切断される。すなわち、第２ガス拡散層２７ｂの外周には、第２樹脂含浸部２８ｂに沿って外周トリミング加工が行われる。
【００４３】
この場合、本実施形態では、第１ガス拡散層２７ａの外周部に第１樹脂含浸部２８ａが形成された後、前記第１樹脂含浸部２８ａに沿って前記第１ガス拡散層２７ａの外周部がトリミングされている。このため、第１ガス拡散層２７ａから繊維（炭素繊維）が飛散することがなく、固体高分子電解質膜１８の損傷を可及的に抑制することができるという効果が得られる。しかも、第１ガス拡散層２７ａと固体高分子電解質膜１８とを、強固に接合することが可能になる。
【００４４】
一方、第２ガス拡散層２７ｂの外周部には、第２樹脂含浸部２８ｂが設けられるとともに、前記第２樹脂含浸部２８ｂに沿って外周トリミング加工が行われている。従って、第２ガス拡散層２７ｂから繊維（炭素繊維）が飛散することがなく、固体高分子電解質膜１８の損傷を可及的に抑制することができるという効果が得られる。しかも、第２ガス拡散層２７ｂと固体高分子電解質膜１８とを、強固に接合することが可能になる。
【００４５】
このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。
【００４６】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４７】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１０のカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通って第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１０のアノード電極２０に供給される。
【００４８】
従って、各電解質膜・電極構造体１０では、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層２３ａ及び第２電極触媒層２３ｂ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４９】
次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５０】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【符号の説明】
【００５１】
１０…電解質膜・電極構造体              １２…燃料電池
１４、１６…セパレータ                  １８…固体高分子電解質膜
１８ａ、１８ｂ…面                      １８ａｅ…外周縁部
２０…アノード電極                      ２２…カソード電極
２３ａ、２３ｂ…電極触媒層              ２４ａ、２４ｂ…下地層
２６ａ、２６ｂ…カーボンペーパ          ２７ａ、２７ｂ…ガス拡散層
２８ａ、２８ｂ…樹脂含浸部              ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔            ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔              ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔              ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路                      ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材                  ５０…接合体
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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