(57)【要約】【課題】  連続大量生産可能な燃料電池用膜電極アセンブリの製造方法を提供する。【解決手段】  膜電極アセンブリ（４４）を製造するためのリール・ツー・リール法を提供する。プロトン交換膜フィルム（１０）の第１の側に繰り返しセルパターンにて第１の触媒（１２）を付着させる。前記プロトン交換膜（１０）の裏側に第２の触媒を付着させる。前記プロトン交換膜フィルム（１０）に接着フィルム（２４）を介して付着している支持フィルム（１６）上に電子伝導材料（２０）を付着させる。種々の層を位置合わせし、一緒にラミネート加工することによって、当該膜電極アセンブリ（４４）を形成する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アセンブリ（４４）を製造する方法であって、
表側及び裏側を有する細長いプロトン交換膜フィルム（１０）を設けるステップと、
前記フィルムの前記表側に、第１の触媒物質（１２）を繰り返しセルパターンにて付着させて、複数の単位セルの空気極領域（４８）を形成するステップと、
前記フィルムの前記裏側に、第２の触媒物質を前記繰り返しパターンにて付着させて、前記単位セルの燃料極領域（４６）を形成するステップと、
前記繰り返しセルパターンにて穿孔（１８）されている細長い支持フィルム（１６）を設けるステップと、
前記支持フィルム（１６）上に、電気接点ナブ（２２）と共に前記繰り返しセルパターンにて電子伝導材料（２０）を付着させるステップと、
前記繰り返しセルパターンにてプレカットされた接着フィルム（２４）を設けるステップと、
前記プロトン交換膜（１０）の前記表側及び裏側に、前記支持フィルム（１６）及び前記接着フィルム（２４）を、前記フィルムの前記繰り返しパターンが位置合わせされ且つ前記単位セルが電気的に接続されるように組み合わせるステップと、
を包含する方法。
【請求項２】
前記プロトン交換膜フィルム（１０）が、Ｎａｆｉｏｎである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の触媒物質が、白金である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の触媒物質が、白金−ルテニウムである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記支持フィルム（１６）が、Ｋａｐｔｏｎである請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記電子伝導材料（２０）が、薄膜炭素である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記電子伝導材料（２０）が、薄膜金属である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記単位セルが、直列に電気的に接続されている請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記単位セルが、並列に電気的に接続されている請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記組み合わせられたフィルムをホットローラ（４０，４２）に通して前記フィルムをラミネート加工するステップをさらに包含する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記プロトン交換膜フィルム（１０）、前記支持フィルム（１６）、及び前記接着フィルム（２４）が、各々のロールから供給される請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記完成した膜電極アセンブリ（４４）が、連続ロールの形態である請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
複数の電気的に接続されている膜電極アセンブリを含むつづら折りストリップと、
互い違いの燃料極チャンバ（４６）と空気極チャンバ（４８）を製造するための前記つづら折りストリップを支持する１対のエンドプレート（５２）と、
からなり、前記エンドプレート内に互い違いの燃料マニホルド（５４）と空気マニホルド（５６）が設けられている燃料電池。
【請求項１４】
請求項１の方法によって製造された膜電極アセンブリ（４４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池の分野に関し、より詳細には、燃料電池用膜電極アセンブリ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、周知のプロトン交換媒体燃料電池などの燃料電池の根幹を成すものである。例えば、参照することでその内容を本明細書に取り入れることとする「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｅｘｐｌａｉｎｅｄ」Ｌａｒｍｉｎｉｅ  ＆  Ｄｉｃｋｓ，  Ｊｏｈｎ  Ｗｙｌｉｅ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｌｔｄ．  （２０００）を参照されたい。膜電極アセンブリは、電子コレクタ、触媒、及びプロトン交換媒体を構成要素として含む。現在、ＭＥＡの製造方法は、電子コレクタ及びプロトン交換媒体に触媒が化学的に析出又は塗布されている個別ユニットを用いるものが中心となっている。この場合、ユニットを構成する要素に熱及び圧力を加えて一緒にラミネート加工することで、１つのＭＥＡが製造される。この従来技術の方法は、高価であり、且つ大量生産にスケールアップするのが困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、連続大量生産可能な燃料電池用膜電極アセンブリの製造方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一形態では、本発明は膜電極アセンブリを製造する方法であり、それは、表側及び裏側を有する細長いプロトン交換膜フィルムを設けるステップを包含する。前記フィルムの表側に第１の触媒物質を繰り返しセルパターンにて付着させて、複数の単位セルの空気極領域を形成させる。前記フィルムの裏側に第２の触媒物質を繰り返しパターンにて付着させて、単位セルの燃料極領域を形成させる。繰り返しセルパターンにて穿孔されている細長い支持フィルムを設け、電子伝導材料を電気接点ナブと共に繰り返しセルパターンにて支持フィルム上に付着させる。また、繰り返しセルパターンにてプレカットした接着フィルムを設け、支持フィルム及び接着フィルムを、プロトン交換膜フィルムの表側及び裏側に、それぞれのフィルムの繰り返しパターンにて位置合わせされるように且つ単位セルが電気的に接続されるように、組み合わせる。次いで、組み合わせたフィルムをホットローラに通し、前記フィルムをラミネート加工し、前記アセンブリを製造する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、連続生産可能な燃料電池用膜電極アセンブリの製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
前述のように、膜電極アセンブリを製造する方法は、表側及び裏側を有する細長いプロトン交換膜フィルムを設けるステップを包含する。第１の触媒物質をこのフィルムの表側に繰り返しセルパターンにて付着させ、複数の単位セルの空気極領域を形成させる。第２の触媒物質をフィルムの裏側に繰り返しパターンにて付着させ、単位セルの燃料極領域を形成させる。繰り返しセルパターンにて穿孔されている細長い支持フィルムを設け、該支持フィルム上に、電子伝導材料を電気接点ナブ（ｎｕｂ）と共に繰り返しセルパターンにて付着させる。また、繰り返しセルパターンにてプレカットした接着フィルムを設け、支持フィルムと接着フィルムを、それぞれのフィルムの繰り返しパターンが整合され且つ単位セルが電気的に接続されるように、プロトン交換膜フィルムの表側及び裏側に組み合わせる。
【０００７】
適切なプロトン交換膜フィルムは、デュポンケミカル社から入手可能なＮａｆｉｏｎ（登録商標）である。Ｎａｆｉｏｎは、基本的にスルホン化ポリテトラフルオロエチレンである。適切な第１の触媒物質は白金であり、適切な第２の触媒物質は白金−ルテニウムである。
【０００８】
好ましい実施形態では、適切な支持フィルムはＫａｐｔｏｎである。適切な電子伝導材料は、薄膜炭素及び薄膜金属である。本発明により製造される単位セルは、直列あるいは並列に電気的に接続することができる。
【０００９】
プロトン交換膜、支持フィルム及び接着フィルムは、それら各々のロールから送り出されることが好ましく、また完成した膜電極アセンブリは、材料の連続ロール形態であることが好ましい。
【００１０】
他の形態においては、本発明は、前述のような複数の電気的に接続されている膜電極アセンブリを含むつづら折り（Ｚ−ｆｏｌｄｅｄ）ストリップを構成要素として含む燃料電池である。１対のエンドプレート（ｅｎｄ  ｐｌａｔｅ）が、つづら折りストリップを支持して、互い違いの燃料極チャンバと空気極チャンバを作成する。互い違いの燃料マニホルドと空気マニホルドがエンドプレートに設けられて、燃料電池が完成する。
【００１１】
このように、本発明は、リール・ツー・リール処理により膜電極アセンブリを製造する。本発明による方法は、ＭＥＡを連続工程で構成することができ、各セルは、必要に応じて直列あるいは並列で互いに電気的に接続される。直列接続の場合、所望の電圧は、セルの数に比例し、それによって、単純に適切な数のセルを選択し切断してスタックに構成するだけである。あるいはまた、スタック自体を直列又は平行に接続することができる。本発明の連続的な製造工程は、低コストであり、且つ極大量生産にスケールアップ可能である。セルは、直列又は並列に内部で接続され、適切な数のセルを使用することによって、任意の所望の電圧を選択することができる。
【００１２】
図１を参照すると、プロトン交換膜（ＰＥＭ）フィルム１０は、ポリマー電解質膜である。適切な膜は、デュポンケミカル社から入手可能な、商標登録されているＮａｆｉｏｎなどのスルホン化フッ素ポリマーであり、多くの場合フルオロエチレンである。触媒１２は、ＰＥＭフィルム膜１０の表面に繰り返しパターンにて付着される。フィルム１０の裏面にもまた、触媒が付着される。接点ビア（ｃｏｎｔａｃｔ  ｖｉａ）１４として、膜１０に穴があけられている。例えば、ＰＥＭ１０が、直接メタノール燃料電池用のものである場合、適切な触媒１２は、空気極領域を形成する白金であり、ＰＥＭ１０の他方の側の適切な触媒は、燃料極領域を形成する白金−ルテニウムである。触媒は、当業者に既知の任意の適切な技法によって付着される。本明細書で明らかにするように、触媒パターンは、完成した膜電極アセンブリ内の単位セルを画定する。
【００１３】
図２を参照すると、支持フィルム１６は、Ｋａｐｔｏｎあるいは他の種類のポリイミド材料あるいは他の適切なプラスチック材料から製造されることが好ましい。Ｋａｐｔｏｎフィルム１６は、図１に示した触媒１２と同じような繰り返しパターンの穿孔１８を備えている。膜電極アセンブリの組み立て後、穿孔１８によって、燃料及び空気は触媒に達することができる。Ｋａｐｔｏｎフィルム１６は、ロールから供給され且つロールから展開されることが好ましい。次に、図３及び図４に示すように、電子伝導材料２０及び任意選択の触媒が、Ｋａｐｔｏｎフィルム１６に付着される。適切な電子伝導材料２０は、炭素、又はステンレス鋼などの薄膜金属である。必要に応じて、任意選択の触媒を、電子伝導材料上に付着させることができる。電子伝導体及び任意選択の触媒の付着は、例えばシャドウマスクを介してスパッタリングすることによって達成することができる。図３及び図４から見てとれるように、Ｋａｐｔｏｎフィルム１６をＰＥＭフィルムの表側にラミネート加工するか又は裏側にラミネート加工するかに応じて、接点ナブ２２はセルパターンの右側又は左側に配置される。後に説明するように、接点ナブ２２は、最終的に、電気接点となる。そのため、ナブ２２は、リール上の完成膜電極アセンブリに沿って存在するセル間に連続的な直列の電気接続を形成する。当業者は、並列接続が同様に可能であると理解するであろうし、また以下に検討している。
【００１４】
次に図５を参照すると、接着フィルム２４は、Ｋａｐｔｏｎフィルム１６上の電子伝導体／触媒並びに接点ビア１４を露出させるようにプレカットされている。適切な温度／圧力感応性接着フィルム２４は、エポキシ、ウレタン、シリコンもしくはアクリレート接着剤化学物質を主成分とするものである。接着材料２４は、Ｋａｐｔｏｎフィルム１６上に位置合わせされラミネート加工される際は、低粘着性形態である。接着フィルム２４は、後に説明するように、当該工程の後段にて熱硬化される。
【００１５】
図６を参照すると、触媒領域１２が穿孔２０と整合するように、接着フィルム２４及びＫａｐｔｏｎフィルム１６の組み合せの上に、ＰＥＭフィルム１０は位置合わせされている。後に説明するように、第２の接着フィルムも位置合わせされる。図７に示すように、図３及び図４に示した第２の処理済みＫａｐｔｏｎフィルムが、接着フィルム２４上に位置合わせされラミネート加工される。
【００１６】
図８に、全体の工程を概括的に示す。図解のように、カプトン支持フィルム１６は、ロール３０及び３２によって支持されている。同様に、接着フィルム２４は、ロール３４及び３６によって支持されている。最後に、ＰＥＭフィルム１０は、ロール３８によって支持されている。また、前述のように、これらの種々の層は、整合され位置合わせされ、ホットローラ４０及び４２の咬合部（ｎｉｐ）を通されて、図７に示すような完成した膜電極アセンブリ４４が製造される。個々のセルが、電気的に直列に接続されていることが理解されよう。完成した膜電極アセンブリ４４は、巻取りロール（図示せず）を用いて巻き取ることができる。
【００１７】
図９は、互い違いの燃料極チャンバ４６と空気極チャンバ４８を形成するためにつづら折りされている、完成したＭＥＡからなる５セルストリップを示す。燃料極電気接点が５０位置に作製され、外部空気極接点が下側燃料極チャンバ４６の下の領域５２に作製されている。図９のつづら折りＭＥＡ内のセルは、直列に接続され、それによって、個々のセル電圧が加算される。
【００１８】
図１０に示すように、つづら折りストリップは、エンドプレート５２に結合される。当業者は、燃料電池構造を完成させるためにもう１つのエンドプレート（明瞭にするために示していない）があることを理解するであろう。図１１に示すように、ＭＥＡアセンブリ４４は、エンドプレート５２内の溝に結合される。互い違いの燃料マニホルド５４と空気マニホルド５６が、エンドプレート５２（プラスチックから製造し得る）内に成形される。このようにして、燃料は、ユニット内の各セルの燃料極と接触し、空気は空気極と接触する。当業者は、２つのエンドプレートの他に、追加の包囲プレートによって燃料電池スタックが完成することを理解するであろう。
【００１９】
図１２に、ロールトランスファーラミネーション（ｒｏｌｌ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）法と称される代替方法を示す。本実施形態では、先の実施形態と同様に、接着フィルム２４は各セルのあたりをプレカットされている。本実施形態では、ＰＥＭ材料１０もまた、接着フィルム２４にあけられているセル開口内に正確に適合するように設計された正方形形状にプレカットされている。プレカットされているＰＥＭ材料１０は、トランスファーローラ６２上を通り巻取りロール６４により処分される支持フィルム６０によって支持されている。プレカットされているＰＥＭ材料１０は、圧縮ローラ６６の位置でＫａｐｔｏｎ支持フィルム１６に転写され、接着フィルム２４にあけられている開口内に挿入される。接着フィルム２４の厚さは、ＰＥＭ材料１０の厚さに対応するように調整される。本実施形態では、必要な接着フィルムが１つだけであることに注意されたい。先の実施形態と同様に、材料は、ホットローラ４０及び４２の咬合部を通る。
【００２０】
図１２に示した方法には、いくつかの利点がある。まず第１に、高価なＰＥＭ材料はより少ない量しか使用しない。第２に、本方法では、１つの接着フィルムが不必要となり、より厚いだけでなく特定の厚さを有するフィルムを使用することが必要とされる。最後に、先の実施形態と異なり、接着フィルムをＰＥＭ材料に接着する必要がない。
【００２１】
図１２のロールトランスファーラミネーション法は、個々のセルの並列電気接続を例示ために使用される。図１３は、図１の実施形態と類似しているが、並列電気接続のための接点ビアがないことに注意されたい。図１４では、図４の実施形態とは異なり、隣接するセルが互いに接続されていることに注意されたい。従って、図１４では、燃料極が全て接続され、空気極が全て接続されており、その結果、並列電気接続となる。直列の実施形態とは異なり、燃料極と空気極が互いに接続されていないため、図１４に示すように、燃料極及び空気極のどちらかに、一種類の適切な薄膜形態のＫａｐｔｏｎフィルムだけが必要とされる。この並列型の接続は、工程を複雑にする可能性のある内部接続を必要としないという大きな利点を有する。図１５及び図１６に、完成した並列接続ＰＥＭ材料を示す。  
【００２２】
図１７及び図１８は、従来のフラッド型（ｆｌｏｏｄｅｄ）燃料極スタックの設計を示す。この設計では、各セルはロールから切断され、ガスケット材料７０に結合され、図１８に示すようなスタックに組み込まれる。この設計には、単純であるという利点があるが、図１８において７２で示すように、全ての電気接続を外部から行わなければならないという欠点がある。
【００２３】
次に図１９を参照すると、各燃料極チャンバに燃料極ウィッキング（ｗｉｃｋｉｎｇ）媒体７２が備え付けられている点を除き、スタックは図１８に示したものと類似している。図１９のスタック設計は、燃料を燃料極チャンバに送るために毛管材料７２を使用する。本設計には、同時係属且つ本願の所有者が所有する特許出願番号１０／２５１、２４４に示した多数の利点があり、参照することでこの出願の内容を本明細書に取り入れることとする。
【００２４】
本明細書に開示した本発明の修正及び変形は当業者に想起され、そのようなすべての修正及び変形は、併記の特許請求の範囲に含まれるものと意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態における、触媒が付着しているプロトン交換膜フィルムの平面図
【図２】本発明の一実施形態における、穿孔されているＫａｐｔｏｎ支持フィルムの平面図
【図３】本発明の一実施形態における、電子伝導材料が付着しているＫａｐｔｏｎ支持フィルムの平面図
【図４】本発明の一実施形態における、電子伝導材料が付着しているＫａｐｔｏｎ支持フィルムの平面図
【図５】本発明の一実施形態における、接着フィルムが位置合わせされラミネート加工されているＫａｐｔｏｎ支持フィルムの平面図
【図６】本発明の一実施形態における、接着フィルム上のプロトン交換媒体の位置合わせ及びラミネート加工を示す平面図
【図７】本発明の一実施形態における、本発明の完成した膜電極アセンブリの平面図
【図８】本発明の一実施形態における、本発明のリール・ツー・リール法を示す概略図
【図９】本発明の一実施形態における、つづら折り膜電極アセンブリの斜視図
【図１０】本発明の一実施形態における、エンドプレートに挿入されたつづら折り膜電極アセンブリの概略斜視図
【図１１】本発明の一実施形態における、膜電極アセンブリを使用する燃料電池の概略断面図
【図１２】本発明の一実施形態における、ロールトランスファーラミネーション法の概略図
【図１３】本発明の一実施形態における、触媒が付着しているプロトン交換膜フィルムの平面図
【図１４】本発明の一実施形態における、並列接続用のセルの平面図
【図１５】本発明の一実施形態における、完成した並列接続ＰＥＭ材料セルの平面図
【図１６】本発明の一実施形態における、並列接続セルの平面図
【図１７】本発明の一実施形態における、従来のフラッド式（ｆｌｏｏｄｅｄ）燃料極スタック設計の平面図
【図１８】本発明の一実施形態における、フラッド式燃料極スタック設計の概略図
【図１９】本発明の一実施形態における、燃料極ウィッキング媒体を利用するスタック設計の概略図
【符号の説明】
【００２６】
１０  プロトン交換膜フィルム
１２  触媒物質
１６  支持フィルム
１８  穿孔
２０  電子伝導材料
２２  電気接点ナブ
２４  接着フィルム
４０、４２  ホットローラ
４４  膜電極アセンブリ
４６  燃料極領域
４８  空気極領域
５２  エンドプレート
５４  燃料マニホルド
５６  空気マニホルド
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2004335466.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2004335466.tif 000018
【図１７】
2004335466.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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