(57)【要約】【課題】膜−電極接合体の製造時、電解質膜に生じうる皺を抑制する効果をさらに向上させる。【解決手段】電解質膜３１の両面に触媒電極３２ａ，３２ｂを配した膜−電極接合体３０の製造時、繊維間に隙間を有する耐熱性シート４１にて電解質膜３１および触媒電極３２ａ，３２ｂを挟み込んだ状態でホットプレスを行う。プレス時に電解質膜３１や触媒電極３２ａ，３２ｂから生じる水分を吸い上げ、電解質膜３１における水分の残量を減少させることができる。耐熱性シート４１のうち少なくとも一方の外側に吸水性シート４２を配することが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒電極を配した膜−電極接合体の製造方法において、
繊維間に隙間を有する耐熱性シートにて前記電解質膜および前記触媒電極を挟み込んだ状態でホットプレスを行う
ことを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記耐熱性シートのうち少なくとも一方の外側に吸水性シートを配して行う請求項１に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記耐熱性シートとして、ガラス繊維にフッ素樹脂をコーティングしたものを用いる請求項１または２に記載の膜−電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記耐熱性シートとして、ポリテトラフルオロエチレンを含浸したガラスシートを用いる請求項３に記載の膜−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、膜−電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池が備える膜−電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ）は、電解質膜を一対の電極、すなわちアノードおよびカソードで挟んだものである。従来、電解質膜の両面に各電極（触媒電極）を熱を加えながら加圧して膜−電極接合体を製造するいわゆるホットプレス法においては、当該膜−電極接合体を耐熱性シートで挟み込みながら加圧することが行われている。
【０００３】
ところで、このようなホットプレス法により膜−電極接合体を製造する際、ホットプレス時に膜−電極接合体や触媒電極から発生した水分（水蒸気等）が電解質膜に皺を生じさせる場合があるので、これを極力回避することが望まれている。皺が生じるのを防止できるようにした先行例として、耐熱性シートの所定箇所に通気孔を設けておき、その外側に吸水性シートを配置し、通気孔から放出した水分を吸水性シートで吸収するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１５１０９９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、電解質膜に生じうる皺を抑制する効果のさらなる向上が求められている。
【０００５】
そこで、本発明は、電解質膜に生じうる皺を抑制する効果をさらに向上させることが可能な膜−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】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば上述した従来例は、耐熱シートに通気孔を設けて当該孔から水分を排出させるというものであるが、このような構成だと、当該通気孔の周辺以外に水分が留まることがあり、電解質膜における水分の分布に偏りが生じることが避け難い。この点につきさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。
【０００７】
本発明はかかる着想に基づくものであり、電解質膜の両面に触媒電極を配した膜−電極接合体の製造方法において、繊維間に隙間を有する耐熱性シートにて電解質膜および触媒電極を挟み込んだ状態でホットプレスを行うというものである。繊維間に隙間を有するシートは通気性を有し、毛細管現象を生じさせうる。したがって、かかる耐熱性シートを電解質膜および触媒電極を挟み込んだ状態でホットプレスを行えば、プレス時に電解質膜や触媒電極から生じる水分を吸い上げ、電解質膜における水分の残量を減少させることができる。しかも、耐熱性シートにおける毛細管現象によって当該耐熱性シートの厚み方向、面方向（面に沿った方向）の両方に水分を拡散させることが可能であるから、局所的にではなく全体的に水分を吸い上げ、これによって特に触媒電極の周縁近傍に溜まることのある水分（水蒸気）を減少させることができる。
【０００８】
また、かかる膜−電極接合体の製造方法においては、耐熱性シートのうち少なくとも一方の外側に吸水性シートを配して行うことが好ましい。こうした場合、耐熱性シートによって吸い上げた水分を当該吸水性シートに吸収させることができる。
【０００９】
耐熱性シートとして、ガラス繊維にフッ素樹脂をコーティングしたもの（フロログラスシート）を用いることも好ましい。さらには、耐熱性シートとして、ポリテトラフルオロエチレンを含浸したガラスシートを用いることも好ましい。ガラス繊維の毛細管現象により、ホットプレス時に電解質膜や触媒電極から発生する水分を十分に吸い上げることが可能である。また、例えばポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂は、ガラス繊維の通気性を阻害することなくコーティングすることができる。したがって、通気性を確保しつつ耐熱性シートの離型性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、膜−電極接合体の製造時に電解質膜に生じうる皺をさらに効果的に抑制することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１〜図３に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる膜−電極接合体３０は例えば一対のセパレータ２０ａ，２０ｂに挟持された状態となり、燃料電池のセル（燃料電池セル）２を構成する（図１参照）。以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池を構成するセル２の概略構成について説明し、その後、電解質膜に生じうる皺を効果的に抑制しうる製造方法について説明することとする。
【００１３】
図１に本実施形態における燃料電池のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体を構成する。特に図示していないが、セル積層体等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレートで挟まれ、さらにこれらエンドプレートどうしを繋ぐようにテンションプレートからなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される。
【００１４】
なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。
【００１５】
セル２は、電解質、具体例として膜−電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０ａ，２０ｂ等で構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。
【００１６】
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の触媒電極（アノード側触媒電極およびカソード側触媒電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各触媒電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各触媒電極３２ａ，３２ｂが後述するようにホットプレス法によって接合される。
【００１７】
ＭＥＡ３０を構成する触媒電極３２ａ，３２ｂは、拡散層と触媒層で形成されている。一方のアノード側触媒電極３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方のカソード側触媒電極３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００１８】
セパレータ２０ａ，２０ｂはガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の触媒電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００１９】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの触媒電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの触媒電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。
【００２０】
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。
【００２１】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１等参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。
【００２２】
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０での発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
【００２３】
なお、本実施形態においては、冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂとをそれぞれセパレータ２０の冷却水流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置している（図１参照）。すなわち、本実施形態においては冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂをセパレータ２０の対角線上に配置することとし、これによってセパレータ２０に対し冷却水が全面的に行き渡りやすくなるようにしている。
【００２４】
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
【００２５】
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
【００２６】
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
【００２７】
枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００２８】
続いて、電解質膜３１に生じうる皺を効果的に抑制しうる製造方法について説明する（図２、図３参照）。本実施形態では、ＭＥＡ３０を製造する際、繊維間に隙間を有する耐熱性シート４１にて電解質膜３１および触媒電極３２ａ，３２ｂを挟み込んだ状態でホットプレス（転写）を行う。
【００２９】
繊維間に隙間を有する耐熱性シート４１としては、例えばガラス繊維（織布）からなるシートが好適である。このようなシートは十分な耐熱性を備えるとともに、繊維間に隙間を有することにより水分（水蒸気）が透過可能な程度の通気性を備えている。
【００３０】
かかる耐熱性シート４１には、通気性を確保しつつ離型性を向上させるための処理が施されていることが好ましい。例えば本実施形態では、耐熱性・耐薬品性、耐衝撃性にすぐれたフッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（いわゆるテフロン（登録商標））をガラス繊維に含浸させてコーティングを施すこととしている。コーティング処理が施されたガラス繊維は撥水性が向上し、触媒電極３２ａ，３２ｂから剥離しやすいものとなる。
【００３１】
また、ＭＥＡ３０を挟み込む一対の耐熱性シート４１のうち少なくとも一方の外側、好ましくは両方の外側には吸水性シート４２を配することが好適である（図２参照）。このように配された吸水性シート４２は、耐熱性シート４１を透過した水分をさらに吸い上げることにより、ホットプレス時に電解質膜３１の周辺に残存する水分をさらに減少させることができる。このような吸水性シート４２としては例えば濾紙を用いることができる。
【００３２】
ホットプレス時には、電解質膜３１の両面にそれぞれ触媒電極３２ａ，３２ｂを配し、かかる触媒電極３２ａ，３２ｂの全面を覆う程度の大きさを有する一対の耐熱性シート４１で挟み込む（図２参照）。さらに、その外側両面に吸水性シート４２を配し、両面から例えば金属製のプレス板４３で加圧する（図２参照）。ホットプレスは、例えば１５０℃にまで加温し、１０ＭＰａの圧力を１分間作用させることによって行う。
【００３３】
このようにして行うホットプレス時、電解質膜３１や触媒電極３２ａ，３２ｂから生じる水分は、耐熱性シート４１が発揮する毛細管現象の作用によって吸い上げられる（図３参照）。また、耐熱性シート４１を水蒸気が透過することも可能である。また、この毛細管現象は耐熱性シート４１の全面においてほぼ均一に発揮されるものであるから、水分を局所的にではなく全体的かつ均一的に吸い上げることが可能である。しかも、耐熱性シート４１における毛細管現象によれば、当該耐熱性シート４１の厚み方向のみならず面方向（面に沿った方向）にも水分が拡散することになる。加えて、本実施形態の場合には、耐熱性シート４１を透過した水分を上述の吸水性シート４２によってさらに吸い上げることができる（図３参照）。一方、例えば上述した従来例においては、耐熱性シートに形成した円形等の通気孔のみから水蒸気を排出させ、吸水性シートで吸水するのみであり、毛細管現象を利用した場合のように全体的かつ均一的に水分を吸い上げることが困難である。
【００３４】
以上から、本実施形態のＭＥＡ３０の製造方法によれば、特に触媒電極３２ａ，３２ｂの周縁近傍に溜まることのある水分をより効果的に吸い上げて逃がしてやり、これによって電解質膜３１における水分の残量を減少させることができるから、電解質膜３１に生じうる皺をさらに効果的に抑制することが可能である。
【００３５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態においては符号３２ａ，３２ｂで触媒電極を示したが、かかる触媒電極には、触媒基材シートの表面に塗工触媒を施して担持させたようなものも含まれる。
【００３６】
また、本発明にかかる膜−電極接合体の製造方法は、上述した実施形態のみならず、この他たとえば触媒層を膜に転写する工程等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】燃料電池のセルの構造例を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す図で、膜−電極接合体の製造時における状態を側面図で表したものである。
【図３】図２の一部を拡大して示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
３０…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、３１…電解質膜、３２ａ，３２ｂ…触媒電極、４１…耐熱性シート、４２…吸水性シート
【図１】
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【図２】
2009110764.tif 000004
【図３】
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