(57)【要約】【課題】電解質膜の面積を縮小しつつ、短絡を防止可能な燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池用膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池用膜電極接合体１は、電解質膜２の両面に電極層３を設けた積層体１０の周縁１０Ａに樹脂製の枠７を設けた燃料電池用膜電極接合体１であって、周縁１０Ａの全周に亘り電解質膜２と電極層３の間に枠７を侵入させた構成とする。【選択図】図１
2013020804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極層を設けた積層体の周縁に樹脂製の枠を設けた燃料電池用膜電極接合体であって、
前記周縁の全周に亘り前記電解質膜と前記電極層の間に前記枠を侵入させたことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項２】
触媒電極層及び拡散層を備える電極層を電解質膜の両面に設けた積層体の周縁に射出成形により樹脂製の枠を設けた燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記射出成形時には、前記積層体の周縁に亘り縁端より内側を押圧して前記電極層の触媒電極層の縁端と前記電解質膜との間に隙間を形成し、射出された樹脂を前記隙間に侵入させたことを特徴とする燃料電池用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、周縁に樹脂製の枠を備えた燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池用膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly: MEA）は、電解質膜の両面に電極層を設けた積層体を備えている。電極層の一方はアノード、他方はカソードとなり、アノードに還元剤（燃料）ガス（例えば、水素）が供給され、カソードには酸化剤ガス（例えば、酸素）が供給され、電極層間で電気化学反応に基づいて発電される。電解質膜は両電極層に比べ面積が大きく形成されており、電解質膜の電極層より外側の部分は上記還元剤ガスまたは酸化剤ガスの流路と、これらガスが互いに混合するのを防ぐガスシール部とを兼ねている。このように構成された膜電極接合体においては、製造コストの低減が重要な問題になっている。
この問題を解決するため、積層体の周縁に安価な樹脂製の枠を設けることで、電解質膜の面積を小さくし、高価な電解質膜の利用量を減らして膜電極接合体の製造コストを低減した膜電極接合体が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、電解質膜の面積を小さくし、電極層の縁端が電解質膜の縁端に一致するように積層されていると、両電極層の縁端の位置が近いために、両電極層間で短絡するおそれがある。
そこで従来、電解質膜を両電極層よりも若干大きく形成し、電解質膜を両電極層よりも外側に延出させることで、両電極層間の沿面距離を確保し、両電極層間の短絡を防止した膜電極接合体が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２３４６０６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の構成においても、電解質膜を両電極層よりも大きく形成しているため、依然として電解質膜の使用量が多く製造コストが高い。電解質膜の使用量を低減するため、電極層から延出する電解質膜を除去すると、沿面距離が稼げなくなり短絡のおそれが生じる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電解質膜の面積を縮小しつつ、短絡を防止可能な燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池用膜電極接合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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜の両面に電極層を設けた積層体の周縁に樹脂製の枠を設けた燃料電池用膜電極接合体であって、前記周縁の全周に亘り、前記電解質膜と前記電極層の間に前記枠を侵入させたことを特徴とする。
上記構成によれば、周縁の全周に亘り電解質膜と電極層の間に枠が侵入しているため、両電極層間の沿面距離が枠の侵入部を含んだ距離となるので、沿面距離を確保できる。
【０００７】
また、本発明は、触媒電極層及び拡散層を備える電極層を電解質膜の両面に設けた積層体の周縁に射出成形により樹脂製の枠を設けた燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、前記射出成形時には、前記積層体の周縁に亘り縁端より内側を押圧して前記電極層の触媒電極層の縁端と前記電解質膜との間に隙間を形成し、射出された樹脂を前記隙間に侵入させたことを特徴とする。
上記構成によれば、射出成形時には、積層体の周縁に亘り縁端より内側を押圧して電極層の触媒電極層の縁端と電解質膜との間に隙間を形成し、射出された樹脂を隙間に侵入させるため、周縁の全周に亘り電解質膜と触媒電極層の間に枠が侵入し、両触媒電極層間の沿面距離が枠の侵入部を含んだ距離となるので、沿面距離を確保できる。また、射出成形時に、積層体の周縁に亘り縁端より内側を押圧するだけで、周縁の全周に亘り電解質膜と触媒電極層の間に侵入する枠を容易に形成できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、周縁の全周に亘り電解質膜と電極層の間に枠が侵入しているため、両電極層間の沿面距離が枠の侵入部を含んだ距離となるので、沿面距離を確保でき、その結果、電解質膜の面積を縮小しつつ、短絡を防止できる。
また、射出成形時には、積層体の周縁に亘り縁端より内側を押圧して電極層の触媒電極層の縁端と電解質膜との間に隙間を形成し、射出された樹脂を隙間に侵入させるため、周縁の全周に亘り電解質膜と触媒電極層の間に枠が侵入し、両触媒電極層間の沿面距離が枠の侵入部を含んだ距離となるので、沿面距離を確保でき、その結果、電解質膜の面積を縮小しつつ、短絡を防止できる。また、射出成形時に、積層体の周縁に亘り縁端より内側を押圧するだけで、周縁の全周に亘り電解質膜と触媒電極層の間に侵入する枠を容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）を示す側面図である。
【図２】積層体の形成行程を示す側面図であり、（Ａ）は積層体の接合行程を示す図であり、（Ｂ）は積層体の切断行程を示す図である。
【図３】射出前の枠の成形行程を示す側面図である。
【図４】射出後の枠の成形行程を示す側面図であり、（Ａ）は本実施の形態の成形行程を示す側面図であり、（Ｂ）は従来の成形行程を示す側面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の変形例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）を示す側面図である。
膜電極接合体１は、電解質膜２の両面に電極層３，３を接合した積層体１０を備えている。電極層３，３は、多孔質の拡散層４と、この拡散層４の一側面に撥水層５を介して形成される触媒電極層６とを有し、触媒電極層６が電解質膜２に接合される。この膜電極接合体１を使用した燃料電池においては、上記電極層３，３の一方がアノード、他方がカソードとなる。
【００１１】
電解質膜２としては、パーフルオロスルホン酸高分子等の高分子電解質を好適に用いることができる。拡散層４としては、導電性と耐酸性を兼ね備えた多孔性の材料を用いることができ、例えばカーボンペーパーが好適である。撥水層５は、微細気孔層（micro porous layer: MPL）とも呼ばれ、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維等の炭素材料とポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどの撥水材を混合して構成される。触媒電極層６は、白金もしくはその合金などの触媒または触媒をカーボンなどの担持体に担持させたもの、電解質高分子（例えば、電解質膜２に用いられるもの）、及び上記炭素材料などの導電材を混合して構成される。
積層体１０の周縁１０Ａには、樹脂製の枠７が射出成形によって設けられている。枠７は、積層体１０の周縁１０Ａの全周に亘り、電解質膜２と触媒電極層６の間に侵入する侵入部７Ａを有する。
【００１２】
次に、膜電極接合体１の製造方法について説明する。
図２は積層体１０の形成行程を示す側面図であり、図２（Ａ）は積層体１０の接合行程を示す図であり、図２（Ｂ）は積層体１０の切断行程を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、カーボンペーパーよりなる多孔質の拡散層４の一面に炭素材料と撥水材を溶媒に分散させた液を塗工して撥水層５を形成する。以下、撥水層５が形成された拡散層４をガス拡散層（gas diffusion layer: GDL）１１と言う。
【００１３】
また、触媒と電解質高分子及び導電材を溶媒に分散または溶解させて形成した液を、拡散層４に形成された撥水層５の上に塗工して触媒電極層６を形成する。以下、撥水層５及び触媒電極層６が形成された拡散層４をガス拡散電極（gas diffusion electrode: GDE）１２と言う。図２（Ａ）においては、拡散層４は、カーボンペーパーロール４Ａから巻きだされ、撥水層５、触媒電極層６が順次塗工されてガス拡散電極１２が形成される。また、図示しないが、撥水層５及び触媒電極層６がそれぞれ塗工された後、それぞれ塗工された液を乾燥するために適宜熱処理が施される。
【００１４】
上記のように形成されたガス拡散電極１２，１２を、ガス拡散電極１２の触媒電極層６が電解質膜ロール２Ａから巻きだされた電解質膜２に直接対向するように、それぞれ配置する。このように配置されたガス拡散電極１２，１２及び電解質膜２は、図２（Ａ）の２つのローラ８，８間を通ることにより積層される。積層されたガス拡散電極１２，１２及び電解質膜２は、この後熱圧着され積層体１０を構成する。
積層体１０は、図２（Ｂ）に示すように、所定の大きさに切断され、枠７（図１）を射出成形する一対の金型２１，２１（図３参照）の間まで１枚ごとに搬送（枚葉搬送）される。なお、切断された各積層体１０の縁端１０Ｂは、全周に亘って熱圧着されていない。また、金型２１，２１が閉じられる前の積層体１０の厚さを符号ｔで示す。
【００１５】
図３は射出前の枠７の成形行程を示す側面図である。また、図４は射出後の枠７の成形行程を示す側面図であり、図４（Ａ）は本実施の形態の成形行程を示す側面図であり、図４（Ｂ）は従来の成形行程を示す側面図である。
図３に示すように、金型２１，２１は、それぞれ積層体１０の縁端１０Ｂより内側を押圧する押圧部２２を備えている。押圧部２２は、相手の金型２１，２１に向けて突出した突出部であり、互いに対向するように設けられている。押圧部２２は、金型２１，２１の対向方向に沿う端面２２Ａを有し、金型２１，２１内に段差を形成している。
【００１６】
枠７を設ける工程では、まず、積層体１０を、対向配置された金型２１，２１内の所定位置に配置する。このとき、積層体１０の縁端１０Ｂが位置合わせの基準となり、積層体１０は、その縁端１０Ｂが押圧部２２によって押圧されない位置に配置されることとなる。次いで、金型２１，２１を閉じる。これにより、積層体１０の縁端１０Ｂより内側が押圧され、熱圧着されていない積層体１０の縁端１０Ｂが口開きする。より詳細には、積層体１０の縁端１０Ｂにおいて、塗工されておらず接合力の弱い層の間、すなわち、ガス拡散電極１２と電解質膜２（触媒電極層６と電解質膜２）の間に隙間δ１，δ１が生じる。
【００１７】
この状態で、破線矢印のように樹脂を射出すると、図４（Ａ）に示すように、押圧部２２によって面圧が掛かった積層体１０の縁端１０Ｂより内側の部分は樹脂Ｐの侵入が抑制される。一方、押圧部２２によって面圧が掛からない積層体１０の縁端１０Ｂでは、隙間δ１，δ１に樹脂Ｐが略くさび状に侵入し、侵入部７Ａ，７Ａが形成される。このように、積層体１０の周縁１０Ａの全周に亘り、少なくとも触媒電極層６と電解質膜２の間の隙間δ１に優先的に樹脂Ｐが侵入するので、触媒電極層６，６間の沿面距離が枠７の侵入部７Ａ，７Ａ分だけ長くなる。すなわち、図４（Ｂ）に示す従来では、樹脂Ｐの侵入部が形成されずに沿面距離が電解質膜２の厚み分の距離Ｌとなるのに対し、本実施の形態の沿面距離は、電解質膜２から触媒電極層６が剥がれている部分（距離Ｌａ＋距離Ｌａ）分だけ長くなる（沿面距離＝距離Ｌ＋Ｌａ＋Ｌａ）ので、絶縁性を確保できるとともにガスシール性を確保できる。したがって、電解質膜２を他の層４〜６より大きく形成しなくとも絶縁性及びガスシール性を確保できるので、電解質膜２を他の層４〜６より大きく形成する必要がなくなり、電解質膜２の使用量を抑えることができる。
また、枠７の射出成形時に、積層体１０の縁端１０Ｂより内側を押圧して触媒電極層６の縁端６Ａを電解質膜２から剥離させた状態で樹脂Ｐを射出するため、枠７の成形と同時に侵入部７Ａを形成できるので、侵入部７Ａを設けることによる工程数の増加はない。
【００１８】
例えば、電解質膜を、拡散層、撥水層、及び触媒電極層よりも若干大きく形成し、電解質膜が拡散層、撥水層、及び触媒電極層よりも外側に延出する構成では、電解質膜が外側に延出するため、積層体の縁端を基準に積層体の位置合わせを行うことが困難であるため、積層体を位置合わせする行程を別途必要としていた。
本実施の形態では、電解質膜２、拡散層４、撥水層５、及び触媒電極層６は、同一の大きさであり、縁端１０Ｂが一致しているため、積層体１０の縁端１０Ｂを基準として、積層体１０を金型２１，２１内に配置すると同時に積層体１０の位置合わせを行うことができる。これにより、工程数を削減し、製造コストを低減できる。さらに、縁端１０Ｂが一致した構造とすることができるため、電解質膜２、拡散層４、撥水層５、及び触媒電極層６を積層した後、例えばプレス型で打ち抜くことで積層体１０を形成することができる。すなわち、従来必要であった電解質膜２の表裏の触媒電極層６等の精緻な位置合わせを行うことなく、積層体１０を容易に製造することができる。
【００１９】
また例えば、積層体の全面を均一に金型で加圧する（無加圧を含む）構成では、積層体の比較的弱い界面に樹脂が侵入し、樹脂が侵入する界面を制御できない。
本実施の形態では、積層体１０の縁端１０Ｂを熱圧着せず、積層体１０の縁端１０Ｂより内側を押圧し、塗工されていない少なくともガス拡散電極１２と電解質膜２（触媒電極層６と電解質膜２）の間に隙間δ１，δ１を形成することにより、触媒電極層６と電解質膜２の間に積極的に樹脂Ｐを侵入させ、樹脂Ｐが侵入する界面を制御している。
【００２０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、積層体１０の周縁１０Ａの全周に亘り電解質膜２と電極層３の間に７枠を侵入させた構成とした。この構成により、両電極層３間の沿面距離が枠７の侵入部７Ａ，７Ａを含んだ距離となり、沿面距離を大きく確保でき、その結果、電解質膜２の面積を縮小しつつ、短絡を防止できる。
【００２１】
また、本実施の形態によれば、射出成形時には、積層体１０の周縁１０Ａに亘り縁端１０Ｂより内側を押圧して電極層３の触媒電極層６の縁端６Ａと電解質膜２との間に隙間δ１，δ１を形成し、射出された樹脂Ｐを隙間δ１，δ１に侵入させた。これにより、積層体１０の周縁１０Ａの全周に亘り電解質膜２と触媒電極層６の間に枠７が侵入し、両触媒電極層６間の沿面距離が枠７の侵入部７Ａ，７Ａを含んだ距離となるので、沿面距離を確保でき、その結果、電解質膜２の面積を縮小しつつ、短絡を防止できる。また、射出成形時に、積層体１０の周縁１０Ａに亘り縁端１０Ｂより内側を押圧するだけで、周縁１０Ａの全周に亘り電解質膜２と触媒電極層６の間に侵入する枠７を容易に形成できる。
【００２２】
但し、上記実施の形態は本発明の一態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、電解質膜２の両面にそれぞれガス拡散電極１２を接合して積層体１０を構成していたが、電解質膜２の一面に触媒電極層６を設け（塗工し）て電解質膜２及び触媒電極層６からなる触媒被覆膜（catalyst coated membrane: CCM）１３を形成し、ガス拡散層１１、ガス拡散電極１２、及び触媒被覆膜１３で積層体１０を構成してもよい。触媒被覆膜１３は、電解質膜２の一面に触媒と電解質高分子及び導電材を溶媒に分散または溶解させて形成した液を塗工して触媒電極層６を形成してなる。ガス拡散層１１、ガス拡散電極１２、及び触媒被覆膜１３は、ガス拡散層１１の触媒電極層６が電解質膜２に直接対向するように、ガス拡散電極１２の撥水層５が触媒被覆膜１３の触媒電極層６に対向するようにそれぞれ積層されて熱圧着される。
【００２３】
この場合、図５に示すように、塗工されておらず接合力の弱い層の間、すなわち、ガス拡散層１１と触媒被覆膜１３（撥水層５と触媒電極層６）の間、及び、ガス拡散電極１２と触媒被覆膜１３（触媒電極層６と電解質膜２）の間に隙間δ１，δ２が形成され、これらの隙間δ１，δ２のそれぞれに樹脂Ｐが侵入して侵入部７Ａ，７Ｂが形成される。これによれば、樹脂Ｐの侵入部が形成されずに沿面距離が電解質膜２の厚み分の距離Ｌとなる場合（図２（Ｂ））に比べ、触媒電極層６，６間の沿面距離が電解質膜２から触媒電極層６が剥がれている部分（距離Ｌａ）分だけ長くなる（沿面距離＝距離Ｌ＋Ｌａ）ので、絶縁性を確保できる。
【００２４】
また、上記実施の形態では、押圧部２２は、金型２１，２１の対向方向に沿う端面２２Ａを有して段状に形成されていたが、積層体１０の縁端１０Ｂを口開きできる形状であれば、これに限定されない。
また、上記実施の形態では、電解質膜２に拡散層４、撥水層５、及び触媒電極層６を接合した積層体１０を所定の大きさに切断したが、電解質膜２に拡散層４、撥水層５、及び触媒電極層６を所定の大きさに切断した後に接合して積層体１０を形成してもよい。
【００２５】
また、上記実施の形態では、金型２１に平板状の押圧部２２を設け、積層体１０の縁端１０Ｂより内側に面圧を掛けることで、積層体１０の縁端１０Ｂを口開きさせていたが、押圧部２２を枠状に形成し、積層体１０の縁端１０Ｂより内側に局部的に圧力を掛けて、積層体１０の縁端１０Ｂを口開きさせてもよい。
また、上記実施の形態では、金型２１に押圧部２２を設けることで、積層体１０の縁端１０Ｂを加圧しないようにしていたが、積層体１０の縁端１０Ｂを加圧しない構成は押圧部２２に限定されない。例えば、金型２１に押圧部２２を設けることに代えて、積層体１０の縁端１０Ｂに拡散層４を形成しない、あるいは、積層体１０の縁端１０Ｂに拡散層４を薄くすることで、積層体１０の縁端１０Ｂを加圧しないようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１  膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）
２  電解質膜
３  電極層
４  拡散層
６  触媒電極層
６Ａ  縁端
７  枠
１０  積層体
１０Ａ  周縁
１０Ｂ  縁端
Ｌ  沿面距離
Ｐ  樹脂
δ１  隙間
【図１】
2013020804.tif 000003
【図２】
2013020804.tif 000004
【図３】
2013020804.tif 000005
【図４】
2013020804.tif 000006
【図５】
2013020804.tif 000007