(57)【要約】【課題】ＭＥＡにおいて、電解質膜と拡散層の剥離を抑制する技術を提供すること。【解決手段】燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、触媒層と、同一面上に、触媒層と接合している第１領域と、触媒層と接合していない第２領域を有する電解質膜と、備える触媒層−電解質膜接合体を用意する接合体用意工程と、拡散層を用意する拡散層用意工程と、電解質膜の第１領域上、および、電解質膜における第２領域であって、触媒層の所定辺に隣接する第３領域上に拡散層を配置する拡散層配置工程と、電解質膜において、第３領域のみを拡散層と接合させる接合工程と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
触媒層と、同一面上に、前記触媒層と接合している第１領域と、前記触媒層と接合していない第２領域を有する電解質膜と、備える触媒層−電解質膜接合体を用意する接合体用意工程と、
拡散層を用意する拡散層用意工程と、
前記電解質膜の前記第１領域上、および、前記電解質膜における前記第２領域であって、前記触媒層の所定辺に隣接する第３領域上に前記拡散層を配置する拡散層配置工程と、
前記電解質膜において、前記第３領域のみを前記拡散層と接合させる接合工程と、
を備えることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記接合工程において、
ホットプレスによって、前記第３領域を前記拡散層と接合させることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記電解質膜における前記第３領域は、前記触媒層の前記所定辺に沿ってライン状に形成されることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記電解質膜における前記第３領域は、スポット状であることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記触媒層は、長方形状であり、
前記触媒層の前記所定辺は、短辺であることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
膜電極接合体であって、
触媒層と、
同一面において、前記触媒層と接合している第１領域と、前記触媒層と接合しない第２領域とを有する電解質膜と、
前記電解質膜の前記第１領域上に配置されると共に、前記電解質膜における前記第２領域であって、前記触媒層の所定辺に隣接した第３領域のみと接合している拡散層と、
を備えることを特徴とする膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられ、拡散層を有する膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられる膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも呼ぶ）が知られている。このＭＥＡを製造する場合には、例えば、以下のように行う。電解質膜上に、電解質膜より一回り小さな触媒層を形成する。触媒層が形成された電解質膜上に、触媒層より一回り大きな拡散層を配置し、ホットプレスする。その結果、触媒層の外周縁において、電解質膜と拡散層とが接合されたＭＥＡが製造される（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０２７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のようなＭＥＡの製造方法では、ＭＥＡの製造後、電解質膜が収縮し、曲線状に変形した場合、電解質膜と拡散層が剥離してしまうおそれがあった。その結果、このようなＭＥＡを用いた燃料電池で、発電効率が低下するなどの不具合が生じるおそれがあった。なお、触媒層の外周縁において、電解質膜と拡散層との間に保護フィルムを設けるＭＥＡを製造する場合においても、上記問題は生じ得る。また、電解質膜と拡散層との接合を、ホットプレスにより行っているが、他の方法で接合した場合にも、上記問題は生じ得る。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＭＥＡにおいて、電解質膜と拡散層の剥離を抑制する技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
膜電極接合体の製造方法であって、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、触媒層と、同一面上に、前記触媒層と接合している第１領域と、前記触媒層と接合していない第２領域を有する電解質膜と、備える触媒層−電解質膜接合体を用意する接合体用意工程と、拡散層を用意する拡散層用意工程と、前記電解質膜の前記第１領域上、および、前記電解質膜における前記第２領域であって、前記触媒層の所定辺に隣接する第３領域上に前記拡散層を配置する拡散層配置工程と、前記電解質膜において、前記第３領域のみを前記拡散層と接合させる接合工程と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記膜電極接合体の製造方法によれば、製造された膜電極接合体において、電解質膜と拡散層の剥離を抑制することができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の膜電極接合体の製造方法において、前記接合工程において、ホットプレスによって、前記第３領域を前記拡散層と接合させることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【００１０】
このようにすれば、触媒層−電解質膜接合体を拡散層で挟持した状態で、第３領域と拡散層とを接合することができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の膜電極接合体の製造方法において、前記電解質膜における前記第３領域は、前記触媒層の前記所定辺に沿ってライン状に形成されることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。このようにすれば、電解質膜と拡散層とをしっかりと接合させることができる。
【００１２】
[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、前記電解質膜における前記第３領域は、スポット状であることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【００１３】
このようにすれば、膜電極接合体において、電解質膜と拡散層との接合面積を低減させることができ、電解質膜と拡散層の剥離を抑制することができる。
【００１４】
[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、前記触媒層は、長方形状であり、前記触媒層の前記所定辺は、短辺であることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【００１５】
[適用例６]
膜電極接合体であって、触媒層と、同一面において、前記触媒層と接合している第１領域と、前記触媒層と接合しない第２領域とを有する電解質膜と、前記電解質膜の前記第１領域上に配置されると共に、前記電解質膜における前記第２領域であって、前記触媒層の所定辺に隣接した第３領域のみと接合している拡散層と、を備えることを特徴とする膜電極接合体。上記構成の膜電極接合体によれば、電解質膜と拡散層の剥離を抑制することができる。
【００１６】
［適用例７］
燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、触媒層と、同一面に、前記触媒層と接合している第１領域と、前記触媒層と接合していない第２領域を有する電解質膜と、備える触媒層−電解質膜接合体を用意する接合体用意工程と、拡散層を用意する拡散層用意工程と、前記電解質膜において、前記第２領域であって前記触媒層の所定辺に隣接する第３領域上に、保護フィルムを配置する保護フィルム配置工程と、前記電解質膜の前記第１領域上、および、前記保護フィルム上に前記拡散層を配置する拡散層配置工程と、前記保護フィルムにおいて、前記電解質膜の第３領域と対応する部分のみを前記拡散層と接合させる接合工程と、を備えることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【００１７】
上記構成の膜電極接合体の製造方法によれば、製造された膜電極接合体は、電解質膜と拡散層の剥離を抑制することができる。
【００１８】
なお、本発明は、上記した膜電極接合体の製造方法に限ることなく、燃料電池、または、燃料電池システムの製造方法など、他の方法発明の態様で実現することも可能である。また、上記した膜電極接合体に限られず、燃料電池、または、燃料電池システムなど、他の装置発明の態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
Ａ．実施例：
Ａ１．ＭＥＡの製造方法：
図１および図２は、本発明の一実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。本実施例のＭＥＡの製造方法では、まず、触媒層２０と電解質膜１０との接合体である触媒層−電解質膜接合体Ｘを用意する（ステップＳ１０）。
【００２０】
図１（Ａ）は、触媒層−電解質膜接合体Ｘの断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）を上から見た図である。図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、電解質膜１０は、長方形状であり、フッ素系樹脂や炭化水素系樹脂などの固体高分子材料によって形成される。
【００２１】
触媒層２０は、長方形状であり、白金担持カーボン（図示せず）と、電解質（図示せず）とから構成される。電解質膜１０は、触媒層２０より面積が大きい。
【００２２】
電解質膜１０は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、触媒層２０と接合する第１領域ａｒ１と、触媒層２０と接合しない第２領域ａｒ２とを有する。第２領域ａｒ２は、後述する拡散層３０と接合させる第３領域ａｒ３を有する。第３領域ａｒ３は、触媒層２０の辺のうち、短辺に沿ってライン状に形成される。なお、本実施例において、「接合」とは、例えば、重力程度の力で、引き離そうとしても引き離すことができない状態、若しくは、重力程度のせん断力が生じてもずれない状態をいう。
【００２３】
図１（Ｃ）は、拡散層３０の断面図であり、図１（Ｄ）は、図１（Ｃ）を上から見た図である。次に、拡散層３０を用意する（ステップＳ２０）。拡散層３０は、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）に示すように、長方形状であり、カーボンフェルトやカーボンペーパ等で構成される。拡散層３０は、面積が、触媒層２０より大きく、電解質膜１０より小さく形成されている。拡散層３０は、触媒層２０と同程度の大きさの凹部３０Ａと凸部３０Ｂを有する。すなわち、凹部３０Ａの深さと触媒層２０の厚さは、同程度である。
【００２４】
図２（Ａ）は、触媒層−電解質膜接合体Ｘを拡散層３０で挟持した積層体Ｙの断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）を上から見た図である。続いて、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、触媒層−電解質膜接合体Ｘを拡散層３０で挟持するように配置し、積層体Ｙを形成する（ステップＳ３０）。この場合、拡散層３０の凸部３０Ｂと第３領域ａｒ３を含む第２領域ａｒ２が接触し、拡散層３０の凹部３０Ａに、触媒層２０が挿入された状態となる。
【００２５】
図２（Ｃ）は、積層体Ｙにおいて、電解質膜１０と拡散層３０とをホットプレスしている際の断面図であり、図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）を上から見た図である。次に、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）に示すように、積層体Ｙにおいて、電解質膜１０の第３領域ａｒ３と拡散層３０の凹部３０Ａとを、ホットプレス装置２００を用いて、ホットプレスする（ステップＳ４０）。
【００２６】
図３（Ａ）は、ＭＥＡの断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）を上から見た図である。以上のようにして、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、電解質膜１０において、第３領域ａｒ３のみが拡散層３０と接合しているＭＥＡを製造する。
【００２７】
なお、製造したＭＥＡを、さらに、パンチングメタルなどの多孔体（図示せず）、セパレータ（図示せず）の順に挟持することで、燃料電池用セル（図示せず）を製造することができる。また、このようにして製造した燃料電池セルを複数積層することで、燃料電池を製造することができる。
【００２８】
以上のように、本実施例のＭＥＡの製造方法では、電解質膜１０において、第３領域ａｒ３のみ拡散層３０と接合させるようにしている。このようにすれば、製造されたＭＥＡにおいて、電解質膜１０が収縮し、曲線状に変形しても、拡散層３０は、電解質膜１０の変形に追従して変形することが可能となり、電解質膜１０と拡散層３０との間にせん断力が生じることを抑制することができる。その結果、電解質膜１０と拡散層３０が剥離することを抑制することができる。また、電解質膜１０と拡散層３０とを接合しているので、ＭＥＡのハンドリング性を向上させることができる。
【００２９】
本実施例のＭＥＡの製造方法では、電解質膜１０における第３領域ａｒ３は、ライン状に形成される。このようにすれば、電解質膜１０と拡散層３０とをしっかり接合することができる。
【００３０】
なお、本実施例において、触媒層２０は、特許請求の範囲における触媒層に該当し、電解質膜１０は、特許請求の範囲における電解質膜に該当し、第１領域ａｒ１は、特許請求の範囲における第１領域に該当し、第２領域ａｒ２は、特許請求の範囲における第２領域に該当し、第３領域ａｒ３は、特許請求の範囲における第３領域に該当し、触媒層−電解質膜接合体Ｘは、特許請求の範囲における触媒層−電解質膜接合体に該当し、拡散層３０は、特許請求の範囲における拡散層に該当し、ＭＥＡは、特許請求の範囲における膜電極接合体に該当する。
【００３１】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
【００３２】
Ｂ１．変形例１：
図４は、一変形例としてのＭＥＡを示す図である。上記実施例のＭＥＡの製造方法では、電解質膜１０において触媒層２０の短辺に沿って形成された第３領域ａｒ３と、拡散層３０の凸部３０Ｂとをホットプレスすることで、電解質膜１０において、第３領域ａｒ３のみ凸部３０Ｂ（拡散層３０）と接合させるようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、触媒層２０の短辺の両端に形成されるスポット状領域ａｒ３ａと、凸部３０Ｂとを、拡散層３０を押圧する押圧面がスポット形状をしたホットプレス装置を用いて、ホットプレスすることで、図４に示すように、電解質膜１０において、スポット状領域ａｒ３ａのみ凸部３０Ｂと接合させるようにしてもよい。
【００３３】
このようにすれば、ＭＥＡにおいて、電解質膜１０と拡散層３０との接合面積を低減させることができる。従って、電解質膜１０が収縮し、曲線状に変形しても、拡散層３０は、電解質膜１０の変形に対して、より追従して変形することが可能となり、電解質膜１０と拡散層３０との間にせん断力が生じることをより抑制することができる。その結果、電解質膜１０と拡散層３０が剥離することをより抑制することができる。
【００３４】
図５は、一変形例としてのＭＥＡを示す図である。例えば、触媒層２０の短辺の一部に形成されるスポット状領域ａｒ３ｂと、凸部３０Ｂとを、拡散層３０を押圧する押圧面がスポット形状をしたホットプレス装置を用いて、ホットプレスすることで、図５に示すように、電解質膜１０において、スポット状領域ａｒ３ｂのみ凸部３０Ｂと接合させるようにしてもよい。
【００３５】
このようにすれば、ＭＥＡにおいて、電解質膜１０と拡散層３０との接合面積をさらに低減させることができる。従って、電解質膜１０が収縮し、曲線状に変形しても、拡散層３０は、電解質膜１０の変形に対して、より追従して変形することが可能となり、電解質膜１０と拡散層３０との間にせん断力が生じることをより抑制することができる。その結果、電解質膜１０と拡散層３０が剥離することをより抑制することができる。
【００３６】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例のＭＥＡの製造方法では、ホットプレス装置２００を用いて、ホットプレスすることで、電解質膜１０の第３領域ａｒ３と拡散層３０の凸部３０Ｂとを、接合するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、電解質膜１０の第３領域ａｒ３と拡散層３０の凸部３０Ｂとを、接着剤を用いて、接合するようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
【００３７】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例のＭＥＡの製造方法では、電解質膜１０において、第３領域ａｒ３を、触媒層２０の短辺に沿って形成するようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、第３領域ａｒ３を、触媒層２０の長辺に沿って形成するにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
【００３８】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例のＭＥＡの製造方法では、電解質膜１０における第３領域ａｒ３と、拡散層３０の凸部３０Ｂとを接合するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、以下のようにして、ＭＥＡを製造するようにしてもよい。
【００３９】
すなわち、触媒層−電解質膜接合体Ｘおよび拡散層（図示せず）を用意する。次に、電解質膜１０において、第２領域ａｒ２上に、電解質膜１０を保護するための保護フィルム（図示せず）を配置する。続いて、この積層体Ｈ１（図示せず）を、拡散層３０Ｈで挟持するように配置し、積層体Ｈ２（図示せず）を形成する。そして、積層体Ｈ２において、電解質膜１０の第３領域ａｒ３と拡散層３０Ｈとを、ホットプレス装置２００を用いて、ホットプレスする。その結果、保護フィルムにおいて、電解質膜１０の第３領域ａｒ３に対応する部分のみが拡散層と接合したＭＥＡを製造することができる。
【００４０】
このようにすれば、製造されたＭＥＡにおいて、電解質膜１０が収縮し、曲線状に変形しても、拡散層は、電解質膜１０の変形に追従して変形することが可能となり、電解質膜１０と拡散層との間にせん断力が生じることを抑制することができる。その結果、電解質膜１０と拡散層が剥離することを抑制することができる。
【００４１】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例では、触媒層２０は、長方形状としているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、触媒層２０を多角形状としてもよい。この場合、ＭＥＡの製造方法では、電解質膜１０において、触媒層２０の所定の一辺に沿って第３領域ａｒ３と、拡散層３０の凸部３０Ｂとをホットプレスすることで、電解質膜１０において、第３領域ａｒ３のみ凸部３０Ｂ（拡散層３０）と接合させるようにすればよい。このようにしても、上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】一変形例としてのＭＥＡを示す図である。
【図５】一変形例としてのＭＥＡを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…電解質膜
２０…触媒層
３０…拡散層
３０Ａ…凹部
３０Ｂ…凸部
３０Ｈ…拡散層
２００…ホットプレス装置
Ｙ…積層体
Ｘ…触媒層−電解質膜接合体
ａｒ１…第１領域
ａｒ２…第２領域
ａｒ３…第３領域
【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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