(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持する工程と、
アノード電極とカソード電極の外周からはみ出した固体高分子電解質膜を一対の額縁状のシートで挟持する工程と、
アノード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面と、カソード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面とを、アノード電極とカソード電極の少なくともいずれかの電極外周に対応する部分に通気孔を有する一対の耐熱性シートで挟持する工程と、
前記一対の耐熱性シートの両外側を一対の吸水性シートで挟持する工程と、
前記一対の吸水性シートの両外側を挟持してホットプレスを行う工程と
を有することを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極を接合した電解質膜・電極構造体の製造方法に係り、特に、固体高分子電解質膜に皺等が発生しないようにした電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子電解質膜の両面に電極を配設した電解質膜・電極構造体が、燃料電池、塩水の電解処理装置、あるいはオゾンの生成装置等に使用されている。例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード電極とカソード電極とを対設した電解質膜・電極構造体をセパレータによって扶持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池は、例えば、水素タンクから、あるいはメタノールの水蒸気改質により生成された水素ガス（燃料ガス）をアノード電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を移動し、これにより外部に電気エネルギーが得られるように構成されている。
【０００４】
ところで、上記電解質膜・電極構造体を製造する場合には、固体高分子電解質膜を２枚の触媒電極（アノード電極、カソード電極）で扶持した状態で、これをホットプレスにより一体化する作業が行われている。しかしながら、１００℃以上の温度でホットプレスを行うと、固体高分子電解質膜内の水分が蒸発し易く、これにより固体高分子電解質膜が劣化してしまうという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、特開平３−２９５１７１号公報に開示されている電解質膜・電極構造体の製造方法が採用されている。この製造方法では、図１２に示すように、固体高分子電解質膜２の両面に触媒電極４ａ，４ｂを配置し、この触媒電極４ａ，４ｂの周囲にこれらに対応する開口部３ａ，３ｂを有するスペーサ５ａ，５ｂを設け、このスペーサ５ａ，５ｂと共に上記触媒電極４ａ，４ｂを前記固体高分子電解質膜２とゴムシート６ａ，６ｂの間に介装した状態で、プレス型７ａ，７ｂによりホットプレスを行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来方法では、固体高分子電解質膜２に含まれる水分がホットプレスの際に加えられる熱により水蒸気となり、これが固体高分子電解質膜２の外周部分で偏ると水分の疎密部分を作ってしまう。その結果、水分の多い部分は、水分の少ない部分に比較して固体高分子電解質膜２の膨潤が進むため、このような状態でホットプレスを行うと、固体高分子電解質膜２に皺が発生してしまうという問題がある。このように固体高分子電解質膜２の外周部分に皺ができると、この皺は電解質膜・電極構造体の外周部分の両側にシールを設け、これを一対のセパレータで挟持する際のシール性を悪化させる虞がある。
そこで、この発明は、固体高分子電解質膜に皺が発生するのを防止できる電解質膜・電極構造体の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１２）をアノード電極（例えば、実施形態における第１カーボンペーパー１４ａと電極触媒層１３）とカソード電極（例えば、実施形態における第２カーボンペーパー１４ｂと電極触媒層１３）とで挟持して構成される電解質膜・電極構造体（例えば、実施形態における電解質膜・電極構造体１１）の製造方法であって、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持する工程と、アノード電極とカソード電極の外周からはみ出した固体高分子電解質膜を一対の額縁状のシート（例えば、実施形態における第１、第２枠状シート２２ａ，２２ｂ）で挟持する工程と、アノード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面と、カソード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面とを、アノード電極とカソード電極の少なくともいずれかの電極外周に対応する部分に通気孔（例えば、実施形態における通気孔２１）を有する一対の耐熱性シート（例えば、実施形態における第１、第２シート部材２０ａ，２０ｂ）で挟持する工程と、前記一対の耐熱性シートの両外側を一対の吸水性シート（例えば、実施形態における第１、第２ペーパーウエス１９ａ，１９ｂ）で挟持する工程と、前記一対の吸水性シートの両外側を挟持してホットプレスを行う工程とを有することを特徴とする。
このように工程を構成することで、固体高分子電解質膜に含まれる水分は、ホットプレスを行う際に気化して、前記耐熱性シートの通気孔から放出され、吸水性シートにて吸水される。その結果、固体高分子電解質膜に含まれる水分により固体高分子電解質膜に皺が発生するのを防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、この発明の第１実施形態の製造方法に用いられるホットプレス装置１０及び電解質膜・電極構造体１１の分解斜視図、図２は、図１の電解質膜・電極構造体１１を一体とした状態を示す正面図である。
前記電解質膜・電極構造体１１は、固体高分子電解質膜１２と、例えばスクリーン印刷により電極触媒層１３が設けられた一対の第１、第２カーボンペーパー１４ａ，１４ｂを備えている。尚、第１、第２カーボンペーパー１４ａ，１４ｂに代えて、カーボンクロス、カーボンフェルト、多孔質炭素焼結体等を使用することができる。
【０００９】
固体高分子電解質膜１２は、スルホン酸基を持つペルフルオロ系の陽イオン交換膜であり、好ましくは、ナフィオン（商品名：Ｄｕｐｏｎｔの商標）を電解質膜として使用する。
電極触媒層１３は、Ｐｔ担持カーボン等の電極用触媒と、ナフィオン溶液等のイオン導電性成分と必要に応じて撥水剤としてのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とを含んでいる。第１、第２カーボンぺーパー１４ａ，１４ｂはガス拡散層であり、多孔質を有すると共にその表面の細孔が水によって閉塞されないように予め撥水化処理が施されている。第１カーボンペーパー１４ａと電極触媒層１３とで、アノード電極が構成される。また、第２カーボンペーパー１４ｂと電極触媒層１３とでカソード電極が構成される。
【００１０】
図２に基づいて、この発明に係る電解質膜・電極構造体１１の製造方法を実施するホットプレス装置について説明する。
ホットプレス装置１０は、下型１５の上部に下型プレス部１６が設けられ、上型１７の下部に上型プレス部１８が設けられている。更に、下型プレス部１６の上面にはガラスのメッシュ等の第１ペーパーウエス１９ａが、また、上型プレス部１８の下面には同様の構成の第２ペーパーウエス１９ｂが配置されている。これら第１、第２ペーパーウエス１９ａ，１９ｂは吸水性があり、ホットプレスの温度に耐えられる材質であればよい。
【００１１】
下側の第１ペーパーウエス１９ａの上面には、厚さ０．１ｍｍ程度でＰＴＦＥ製の第１シート部材２０ａが配置されている。この第１シート部材２０ａは、電解質膜・電極構造体１１の第１カーボンペーパー１４ａの周囲に対応する部分に複数の通気孔２１を備えた耐熱性のシートである。また、上側の第２ペーパーウエス１９ｂの下面にも同様の構成の第２シート部材２０ｂが配置されている。
このような位置に通気孔２１を設けるのは、固体高分子電解質膜１２に含まれホットプレスの際に加えられる熱により気化した水分を外部に放出できるようにして当該部分に皺が発生しないようにし、電解質膜・電極構造体１１の外周部分の両側にシール部材を設け、これを一対のセパレータで挟持する際のシール性の悪化を防止するためである。
電解質膜・電極構造体１１は、固体高分子電解質膜１２を両側から電極触媒層１３を設けた第１、第２カーボンペーパー１４ａ，１４ｂで挟持し、かつ両カーボンペーパー１４ａ，１４ｂからはみ出した固体高分子電解質膜１２の周囲を挟持する額縁状の第１、第２枠状シート２２ａ、２２ｂを備えている。尚、これら第１、第２枠状シート２２ａ，２２ｂの内周縁と第１、第２カーボンペーパー１４ａ，１４ｂの外周縁との間には隙間２３が形成されている。
このようにして構成された、ホットプレス装置１０により、型温度１００〜２００℃、荷重１０〜５０ｋｇ／ｃｍ2、加熱時間３０ｓｅｃ〜５ｍｉｎの条件でホットプレスが行われる。
【００１２】
次に、図３〜図１１に基づいてこの発明の実施形態の製造方法を説明する。
図３に示すように、下型１５の下型プレス部１６上面に第１ペーパーウエス１９ａを載置し、更にその上面に第１シート部材２０ａを載置する。
次に、図４に示すように、第１シート部材２０ａの上面に額縁状の第１枠状シート２２ａを載置する。このとき、第１枠状シート２２ａの内周縁を第１シート部材２０ａの通気孔２１の位置に整合させる。
【００１３】
そして、図５に示すように、第１枠状シート２２ａの開口部２２０内で露出している第１シート部材２０ａの上面に第１カーボンペーパー１４ａを載置する。
ここで、第１カーボンペーパー１４ａは、電極触媒層１３を上側にして載置する。このとき、第１カーボンペーパー１４ａと額縁状の第１枠状シート２２ａとの間の隙間２３を一定にする。
更に、図６に示すように、固体高分子電解質膜１２を第１カーボンペーパー１４ａと第１枠状シート２２ａとの上に載置する。このとき、固体高分子電解質膜１２の外周縁と第１枠状シート２２ａの外周縁とを一致させる。
【００１４】
次いで、図７に示すように、固体高分子電解質膜１２の上面に額縁状の第２枠状シート２２ｂを載置する。この工程により、固体高分子電解質膜１２を第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂとで覆うため、固体高分子電解質膜１２に蒸気が直接触れるのを防止できる。また、固体高分子電解質膜１２を第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂとで両側から押さえることで、平らに矯正できる。この工程が、「アノード電極とカソード電極の外周からはみ出した固体高分子電解質膜を一対の額縁状のシートで挟持する工程」を構成する。
【００１５】
そして、図８に示すように、第２枠状シート２２ｂの開口部２２０内で露出している固体高分子電解質膜１２の上面に第２カーボンペーパー１４ｂを載置する。このとき、第２カーボンペーパー１４ｂの外周縁と第２枠状シート２２ｂの開口部２２０の内周縁との間の隙間２３を一定にする。
図８に示す工程が、「固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持する工程」を構成する。
【００１６】
そして、図９に示すように、第２カーボンペーパー１４ｂと第２枠状シート２２ｂの上面に第２シート部材２０ｂを載置する。このとき、第２シート部材２０ｂの通気孔２１の位置を第２カーボンペーパー１４ｂの外周縁と第２枠状シート２２ｂの開口部２２０の内周縁との間の隙間２３に整合させる。
図９に示す工程が、「アノード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面と、カソード電極の固体高分子電解質膜と反対側の面とを、アノード電極外周とカソード電極外周に対する通気孔を有する一対の耐熱性シートで挟持する工程」を構成する。
【００１７】
更に、図１０に示すように、第２シート部材の２０ｂ上面に第２ペーパーウエス１９ｂを載置する。この工程が、「一対の耐熱性シートの両外側を一対の吸水性シートで挟持する工程」を構成する。
【００１８】
次に、図１１に示すように型締めして、下型１５の下型プレス部１６と、上型１７の上型プレス部１８との間で上記各部材を挟持し、下型１５及び上型１７の型温度１５０℃、荷重２５ｋｇ／ｃｍ2、加熱時間６０ｓｅｃの条件でホットプレスを行う。この工程が、「一対の吸水性シートの両外側を挟持してホットプレスを行う工程」を構成する。
そして、ホットプレス後に、型開きを行い、第１カーボンペーパー１４ａと第２カーボンペーパー１４ｂとで固体高分子電解質膜１２を挟持した電解質膜・電極構造体１１を得る。
【００１９】
上記実施形態によれば、図１１において、ホットプレスを行っている際に、固体高分子電解質膜１２に含まれる水分はホットプレスの際に加えられる熱により気化して水蒸気となるが、この水蒸気は第１、第２カーボンペーパー１４ａ，１４ｂの外周縁と第１、第２枠状シート２２ａ，２２ｂの開口部２２０の内周縁との間に形成された各隙間２３から下型１５，上型１７側に排出される。そして、隙間２３から排出された水蒸気は、隙間２３に整合する第１、第２シート部材２０ａ，２０ｂに形成された通気孔２１から、第１、第２ペーパーウエス１９ａ，１９ｂに向かって排出される。そして、第１、第２ペーパーウエス１９ａ，１９ｂに吸水される。
【００２０】
したがって、固体高分子電解質膜１２から発生した水蒸気は、隙間２３から適量が外部に排出される。よって、固体高分子電解質膜１２の外周に水分の疎密部分が形成された場合のように、ホットプレス後に第１、第２カーボンペーパー１４ａ，１４ｂからはみ出した固体高分子電解質膜１２の周囲に皺が発生せず、平らな固体高分子電解質膜１２とすることができる。
その結果、製造された電解質膜・電極構造体１１の外周部分の両側にシール部材を設けこれを一対のセパレータで挟持して、燃料電池を製造する際に、固体高分子電解質膜１２の周囲の皺が原因でシール性を悪化させることはない。
【００２１】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、上述した実施形態では、下型１５側がアノード極側、上型１７側がカソード極側として説明したが、下型１５側をカソード極側、上型１７側をアノード極側としてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、固体高分子電解質膜に含まれる水分は、ホットプレスを行う際に気化して、前記耐熱性シートの通気孔から放出され、吸水性シートにて吸水されるため、固体高分子電解質膜に含まれる水分により固体高分子電解質膜に皺が発生するのを防止することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施形態の製造方法に用いられるホットプレス装置及び電解質膜・電極構造体の分解斜視図である。
【図２】  図１の電解質膜・電極構造体を一体とした状態を示す分解正面図である。
【図３】  この発明の実施形態の第１ペーパーウエスと第１シート部材を載置する工程図である。
【図４】  この発明の実施形態の第１枠状シートを載置する工程図である。
【図５】  この発明の実施形態の第１カーボンペーパーを載置する工程図である。
【図６】  この発明の実施形態の固体高分子電解質膜を載置する工程図である。
【図７】  この発明の実施形態の第２枠状シートを載置する工程図である。
【図８】  この発明の実施形態の第２カーボンペーパーを載置する工程図である。
【図９】  この発明の実施形態の第２シート部材を載置する工程図である。
【図１０】  この発明の実施形態の第２ペーパーウエスを載置する工程図である。
【図１１】  この発明の実施形態のホットプレスを行う工程図である。
【図１２】  従来技術の断面図である。
【符号の説明】
１１  電解質膜・電極構造体
１２  固体高分子電解質膜
１３  電極触媒層
１４ａ  第１カーボンペーパー（アノード電極）
１４ｂ  第２カーボンペーパー（カソード電極）
１９ａ  第１ペーパーウエス（吸水性シート）
１９ｂ  第２ペーパーウエス（吸水性シート）
２０ａ  第１シート部材（耐熱性シート）
２０ｂ  第２シート部材（耐熱性シート）
２１  通気孔
２２ａ  第１枠状シート（額縁状のシート）
２２ｂ  第２枠状シート（額縁状のシート）
【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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