JP5993987B2

JP5993987B2 - 燃料電池の製造方法

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Publication number: JP5993987B2
Application number: JP2015124079A
Authority: JP
Inventors: 洋知沢; 菊池　勇; 勇菊池
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: JP2015164144A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池及びその製造方法に関する。

燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置であり、中でも、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

この固体高分子形燃料電池発電システムは、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、および発電に伴う発熱を回収する熱利用系等から構成されている。

以上のような構成を有する燃料電池発電システムの発電効率を高めるために、高い性能や耐久性を発揮する燃料電池スタックが要求されている。

燃料電池スタックは、電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極を配置して構成される電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、このＭＥＡにガス供給を行うと共に燃料と酸化剤を分離する機能を有するセパレータで構成される単電池を、発電により得られた熱量を熱利用源に供給するための冷却板を介して複数積層して構成される。

ＭＥＡの製造方法としては、電解質膜側に触媒層を形成した後、ガス拡散層と接合する方法（ＣＣＭ方式：Catalyst Coated Membrane）や、ガス拡散層側に触媒層を形成した後、電解質膜と接合する方法（ＣＣＳ方式：Catalyst Coated Substrate）が知られている。また、ガス拡散層は反応ガスのシール機能を持たせるために、外周部分の気孔を熱可塑性樹脂等で含浸する手法が広く採用されている。

特開平１１−４５７２９号公報特開２００２−５３３９０４号公報

しかしながら、ＣＣＳ方式を採用した場合には、ＭＥＡを一体化する際に、予め触媒層が電解質膜に接着されていないため、触媒層が形成された反応部と含浸材や接着剤が配置された外周部分のシール部とを同時に接着する必要がある。したがって、厚さや変形量の異なる反応部とシール部の双方の面圧を確保する観点から、適正厚さとなるようにエッジ部と反応部に段差を設けた加圧成形機を用いて一体化する必要があり、加圧成形機への厳格な位置合わせが必須であって、装置の簡素化やタクトタイム低減が困難であるという課題があった。

また、ＣＣＭ方式を採用した場合においても、電解質膜と触媒層の接着性は十分確保されているが、ガス拡散層と触媒層の接着性が低下することにより性能低下が生じるという課題があった。

発明が解決しようとする課題は、簡単な方法及び装置によりタクトタイム低減を可能にした高性能の燃料電池及びその製造方法を提供することにある。

一実施形態によれば、電解質膜の両面に配置された一対のガス拡散電極からなる積層体を熱圧着により一体化してなり、反応部とその周辺のシール部とを有する電解質膜・電極接合体を具備する燃料電池が提供される。

前記ガス拡散電極は、前記熱圧着の温度以下の融点を有する熱可塑性樹脂を前記シール部に含むとともに、反応部に触媒層を備え、前記電解質膜・電極接合体の反応部の厚さはシール部の厚さより厚い。

他の実施形態によれば、電解質膜の両面に触媒層を有する触媒−電解質膜接合体の両面に一対のガス拡散層を配置した積層体を熱圧着により一体化してなり、反応部とその周辺のシール部とを有する電解質膜・電極接合体を具備する燃料電池が提供される。

前記ガス拡散層は、前記シール部に前記熱圧着の温度以下の融点を有する熱可塑性樹脂を含み、前記電解質膜・電極接合体の反応部の厚さはシール部の厚さより厚い。

第１の実施形態に係るＭＥＡの構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。第１の実施形態で用いたＭＥＡ一体化装置を示す図である。第１の実施形態の効果を示す図である。第２の実施形態に係るＭＥＡの構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。第２の実施形態の効果を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

一実施形態に係る燃料電池は、電解質膜の両面に配置された一対のガス拡散電極からなる積層体を熱圧着により一体化してなる電解質膜・電極接合体を具備する燃料電池であって、ガス拡散電極は、ガス拡散層とこのガス拡散層に設けられた触媒層とを備える、いわゆるＣＣＳ方式により電解質膜・電極接合体を形成した燃料電池である。

また、他の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を有する触媒−電解質膜接合体の両面に一対のガス拡散層を配置した積層体を熱圧着により一体化してなる電解質膜・電極接合体を具備する、いわゆるＣＣＭ方式により電解質膜・電極接合体を形成した燃料電池である。

なお、電解質膜・電極接合体は、電池反応が行われる反応部と、その周辺のシール部とを有し、前記ＣＣＳ方式による電解質膜・電極接合体においては、触媒層はガス拡散層の電解質膜側の反応部に形成され、前記ＣＣＭ方式による電解質膜・電極接合体においては、触媒層は電解質膜の両面の反応部に形成されている。

以上の燃料電池の特徴は、ガス拡散層のシール部に熱圧着の温度より低い融点を有する熱可塑性樹脂を含むこと、及び電解質膜・電極接合体の反応部の厚さはシール部の厚さより厚いことである。

なお、熱圧着の温度は、１５５〜１７５℃程度であり、熱可塑性樹脂の融点は、１５０〜１７０℃であるのが好ましい。また、熱可塑性樹脂の融点は、熱圧着の温度よりも５℃以上低いことが望ましい。熱可塑性樹脂の融点が熱圧着の温度とそれほど変わらない場合には、一体化時に十分に融解せずに、ガス拡散層の気孔への含浸や接着剤との馴染みが不十分であるという問題が発生し、熱圧着の温度より低すぎる場合には、流動性が大きく、樹脂が配置されたシール部からＭＥＡ外部や反応部への樹脂の浸み出しが発生するため、望ましくない。

このような融点を有する熱可塑性樹脂としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を挙げることが出来る。これらの中では、ＨＤＰＥが特に好ましい。

ガス拡散層のシール部に熱圧着の温度以下の融点を有する熱可塑性樹脂を含むとは、例えば、多孔質のガス拡散層のシール部に熱可塑性樹脂を含浸させる形態とすることが出来る。ガス拡散層のシール部への熱可塑性樹脂の含浸は、例えばカーボン多孔質層の周縁部（シール部）に熱可塑性樹脂フィルムを配置し、熱圧着することにより行うことが出来る。

また、ガス拡散層のシール部に熱圧着の温度以下の融点を有する熱可塑性樹脂を含むとは、例えば、ガス拡散層のシール部の電解質膜側の面に、熱可塑性樹脂からなる接着剤層を形成した形態とすることができる。ガス拡散層のシール部の電解質膜側の面への接着剤層の形成は、例えば、ガス拡散層のシール部の電解質膜側の面に熱可塑性樹脂フィルムを熱圧着することにより行うことが出来る。

この場合、ガス拡散層のシール部に含浸した熱可塑性樹脂と、ガス拡散層のシール部の電解質膜側の面に形成した接着剤層を構成する熱可塑性樹脂とは、同一のものであっても、異なるものであってもよい。

以上のように、ガス拡散層のシール部に熱圧着の温度以下の融点を有する熱可塑性樹脂を含むことにより、積層体を熱圧着すると、熱可塑性樹脂は軟化ないし溶融して、シール部の厚さが減少して、電解質膜・電極接合体の反応部の厚さがシール部の厚さよりも厚くなる。その結果、反応部には高い圧力が加わり、反応部の密着性が良好となる。これに対し、熱圧着前ないし熱圧着温度未満での熱圧着時（熱圧着開始直後）では、熱可塑性樹脂は軟化ないし溶融しないため、シール部の厚さは反応部の厚さよりも厚い。

なお、熱圧着後の電解質膜・電極接合体の反応部の厚さは、シール部の厚さよりも、例えば５〜３０μｍ程度厚いことが望ましい。

以上の実施形態に係る燃料電池は、次のようにして製造することができる。

ＣＣＳ方式により電解質膜・電極接合体を形成する場合は、まず、電解質膜の両面に、シール部に熱圧着の温度以下の融点を有する熱可塑性樹脂を含む一対のガス拡散電極を配置する。次に、電解質膜及び一対のガス拡散電極からなる積層体を、電解質膜・電極接合体の反応部の厚さがシール部の厚さより厚くなるように熱圧着し、一体化して電解質膜・電極接合体を形成する。

また、ＣＣＭ方式により電解質膜・電極接合体を形成する場合は、まず、触媒−電解質膜接合体の両面に、シール部に熱圧着の温度以下の融点を有する熱可塑性樹脂を含む一対のガス拡散層を配置する。次に、触媒−電解質膜接合体及び一対のガス拡散層からなる積層体を、電解質膜・電極接合体の反応部の厚さがシール部の厚さより厚くなるように熱圧着し、一体化して電解質膜・電極接合体を形成する。

以上の燃料電池の製造方法において、積層体を熱圧着し一体化する工程は、平板プレス装置による平板プレス方式により行うことが出来る。平板プレス装置は簡単な構成であり、これを用いたプレス工程も、何ら位置合わせを要することなく、簡易に行うことが可能である。

このような平板プレス装置を用いた平板プレス方式による熱圧着は、平板プレス装置の前後に搬送・搬出手段を配置した装置により行うことが出来る。即ち、積層体の両面をベルトで挟持して平板プレス装置に搬送する搬送手段を平板プレス装置の上流に配置し、平板プレス装置により熱圧着することにより前記積層体が一体化されてなる電解質膜・電極接合体を平板プレス装置から搬出する搬出手段を平板プレス装置の下流に配置した装置により行うことが出来る。

以下、本発明の第１及び第２の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するＭＥＡの構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１（ａ）に示すように、ＭＥＡは、反応部Ａとシール部Ｂとから構成される。また、図１（ｂ）に示すように、ＭＥＡは、電解質膜１の両面に、燃料極２及び酸化剤極３を配置して構成される。燃料極２はガス拡散層２ａ及び触媒層２ｂにより構成され、酸化剤極３は、ガス拡散層３ａ及び触媒層３ｂにより構成される。これらガス拡散層２ａ，３ａおよび触媒層２ｂ，３ｂの製造方法について、以下に説明する。

（ガス拡散層の形成工程）
燃料極２のガス拡散層２ａは、次のようにして形成される。まず、カーボンペーパー２ｃ（厚さ１９０μｍ）上に、アセチレンブラックとＰＴＦＥを乾式混合して得られた粉末を乾式塗布し、ローラーで圧着してカーボン多孔質層２ｄ（厚さ４０μｍ）を形成した。
次いで、反応ガスのシール機能を持たせるため、このカーボン多孔質層２ｄの外周（シール部Ｂ）に、電解質膜１との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材２ｅ（ＨＤＰＥフィルム、厚さ１００μｍ、融点１５０℃）を配置し、１５０℃で１２．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で熱圧着を行い、含浸処理した。また、電解質膜１との接着面側から熱可塑性接着剤２ｆ（軟化温度１２０℃、シート状、厚さ５０μｍ）を９０℃で熱圧着し、仮付けした。

同様の方法で、酸化剤極３のガス拡散層３ａを製造した。即ち、カーボンペーパー３ｃ（厚さ１９０μｍ）上にアセチレンブラックとＰＴＦＥを乾式混合して得られた粉末を乾式塗布し、ローラーで圧着してカーボン多孔質層３ｄ（厚さ２０μｍ）を形成した。次いで、反応ガスのシール機能を持たせるため、このカーボン多孔質層３ｄの外周（シール部Ｂ）に、電解質膜１との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材３ｅ（ＨＤＰＥフィルム、厚さ１００μｍ、融点１５０℃）を配置し、１５０℃で１２．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で熱圧着を行い、含浸処理した。また、電解質膜１との接着面側から熱可塑性接着剤３ｆ（軟化温度１２０℃、シート状、厚さ５０μｍ）を９０℃で熱圧着し、仮付けした。

（触媒層の形成工程）
次に、触媒層２ｂ，３ｂの形成工程について説明する。まず、ケッチェンブラックを担体とするＰｔ系貴金属触媒に純水を加えて得られたスラリーに５％の電解質溶液を加え、さらに２−プロパノールを加えて固形分を１０％に調整した触媒インクを製造した。このインクを、５５℃の窒素雰囲気中で３〜５時間乾燥して触媒フロックを形成した。得られた触媒フロックを粉砕器にて粉砕し、触媒・電解質混合粉末を作成した。

その後、上述のようにして得られたガス拡散層２ａ，３ａをチャンバー内に設置すると共に、チャンバー内で触媒・電解質混合粉末を窒素気流中で噴霧状とし、チャンバー内のガス拡散層２ａ，３ａの下流よりブロワで吸引を行うことで、ガス拡散層２ａ，３ａの反応部Ａ上に乾式塗布した。その後、圧着ローラーを用いて塗布部分を圧着し、触媒層２ｂ，３ｂを形成した。なお、燃料極２の触媒層２ｂの貴金属担持量を０．３ｍｇＰｔ／ｃｍ^２、酸化剤極３の触媒層３ｂの貴金属担持量を０．５５ｍｇ／ｃｍ^２とした。

（ＭＥＡの熱圧着方法）
得られた燃料極２および酸化剤極３を電解質膜１の両面に配置し、圧着ローラーにて圧着を行うと、接着剤が電解質膜１に吸着し、ＭＥＡの形態に仮接着される。このように仮接着された仮ＭＥＡ１０について、図２に示すＭＥＡ一体化装置１１を用いて仮ＭＥＡ１０の一体化を実施した。

図２に示すように、仮ＭＥＡ１０は、上下に配置されたガラスクロスシート（厚さ１５０μｍ）製のベルト１２ａ，１２ｂにより熱圧着装置１３に搬送され、熱圧着装置１３に搬送された仮ＭＥＡ１０は熱圧着装置１３にて所定の圧力、温度で熱圧着され、ＭＥＡ２０が得られる。

本実施形態では、熱圧着時間１秒〜９０秒間、基板全体の平均面圧が１６ｋｇｆ／ｃｍ^２となる条件で熱圧着を実施した。

（ＭＥＡの評価）
以上のようにして第１の実施形態に係るＭＥＡを製作し、その評価を行った。また、比較参照のため、従来の加圧成形機を用いて製造したＭＥＡ（従来例１）、含浸材として熱圧着温度よりも高い融点を有するＰＶＤＦシート（厚さ１００μｍ）を用いて得たＭＥＡ（比較性１）、接着シートの厚さを２倍に増加させて得た（厚さ１００μｍ）ＭＥＡ（比較例２）、熱圧着装置を平板プレス方式から圧着ローラー方式に変えて得たＭＥＡ（比較例３）においても同様の評価を行った。これらのＭＥＡの仕様一覧を下記表１に示す。

（加圧変形時の厚さ分布評価）
感圧紙（圧力測定フィルムＬＬＬＷ：富士フィルム社製）を用いて、仮ＭＥＡの熱圧着前および熱圧着後の各加圧条件下でのＭＥＡ平面内の面圧分布を測定した。

実施例１においては、熱圧着前における仮ＭＥＡ平面内の面圧分布はシール部Ｂで高く、反応部Ａで低い結果となった。その後、熱圧着一体化後に再度面圧分布の測定を実施したところ、熱圧着時間が１秒、１５秒、３０秒、６０秒、９０秒の５種類の条件でＭＥＡを製作したが、いずれの条件においてもシール部Ｂの面圧よりも反応部Ａの面圧の方が高くなった。

すなわち、熱圧着前における仮ＭＥＡ平面内の面圧分布から、熱圧着前の熱圧着温度未満での厚さは、反応部Ａよりもシール部Ｂの方が大きいことがわかる。また、熱圧着一体化後の面圧分布から、熱圧着後の熱圧着温度における加圧変形による厚さは、シール部Ｂよりも反応部Ａの方が大きいことがわかる。

一方、比較例１及び比較例２については、いずれも熱圧着前の仮ＭＥＡの平面内の面圧分布は、実施例１と同様にシール部Ｂで高く、反応部Ａで低い結果となったが、熱圧着後も面圧分布の大小関係に変化が見られず、反応部Ａの面圧よりもシール部Ｂの面圧の方が高くなった。すなわち、熱圧着による加圧変形後の厚さはシール部Ｂの方が反応部Ａよりも厚く、反応部Ａへの圧着が不十分であるという結果となった。

比較例３は、平板プレス機の代わりに熱圧着ローラーを使用して仮ＭＥＡを熱圧着一体したものである。熱圧着ローラーを使用する場合、荷重を線圧により管理し、予め、平板プレスの面圧と同等の荷重がかかるように線圧を設定した。ローラー速度を０．７ｍ／秒に設定したところ、加熱保持時間は実施例１での最低の熱圧着時間（１秒）よりも長い３秒であった。

比較例３においても、熱圧着前での仮ＭＥＡ平面内の面圧分布は実施例１及び比較例１，２と同様にシール部Ｂで高く、反応部Ａで低い結果となったが、熱圧着一体化後も面圧の大小関係に変化が見られず、比較例１、２と同様に、反応部Ａの面圧よりもシール部Ｂの面圧の方が高い結果となった。ＭＥＡに荷重がかかる部分が線上で移動していくため、シール部Ｂでの加圧変形による厚さ低減効果が十分でないためと考えられる。

なお、加圧成形機で９０秒間加圧成形した従来例のＭＥＡと場合には、比較例１〜３と同様の傾向を示した。

以上の結果は、次のような作用によるものと考えられる。

実施例１では、一体化時の熱圧着開始直後の加圧変形による厚さは、加圧変形が未だ不十分であるため、反応部よりもシール部の方が厚く、シール部に荷重がかかる。熱可塑性樹脂として熱圧着温度よりも低い融点のものを採用したことにより、シール部に配置した熱可塑性樹脂からなる含浸材の融解により、熱圧着時の加圧変形による厚さ低減が生じる。

なお、加圧変形後のシール部の厚さを反応部よりも小さくなるように、予め熱可塑性樹脂の量または熱圧着時のＭＥＡ内の圧力分布を最適化することにより、熱圧着によるＭＥＡの温度上昇に伴い、荷重のかかる領域がシール部から反応部に移動する。すなわち段差なしの平板プレス機においても、加圧変形量の異なるシール部および反応部を確実に接着させることができる。

一方、比較例１〜３では、熱圧着時間が実施例１と同等以上であるにもかかわらず、シール部の厚さは低減せず、その結果、荷重はシール部にのみかかることにより、反応部の接着性が低下してしまう。

本実施形態の効果を示すために、上述のＭＥＡを搭載した内部加湿型の固体高分子形燃料電池を製作し、燃料極に改質模擬ガス（燃料組成７０％Ｈ_２、３０％ＣＯ_２、１０ｐｐｍＣＯ＋０．５％エアブリード）、酸化剤極に空気を、燃料利用率８０％、酸素利用率６０％となるようにそれぞれ供給し、電池温度７０〜７５℃で駆動し、電流−電圧特性を測定した。その結果を図３に示す。なお、図３では、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ^２における電池電圧の平均値を示す。

図３から明らかなように、実施例１のＭＥＡを搭載した燃料電池は、従来例と同等の性能が維持されていることがわかる。これに対し、比較例１〜３では、特性の低下が観測されている。なお、特性低下の原因は、分極解析の結果、反応部での接着性低下に伴うプロトン伝導性の低下により、抵抗分極が増加すること、及び酸素溶解性の低下による拡散分極が増加することによるものであることが確認されている。

すなわち本実施形態によれば、ＣＣＳ方式のＭＥＡ形成法を採用した場合においても、含浸材及び／又は接着剤として熱圧着温度よりも融点が低い熱可塑性樹脂を用い、熱圧着後のＭＥＡの反応部の厚さをシール部の厚さよりも厚くすることにより、シール部だけでなく反応部の接着性を向上させることができる。その結果、従来のシール部と反応部に段差を設けた加圧成形機を用いることなく、位置合わせが不要な簡素な装置、例えば平板プレス装置を用いることによっても、高い性能、例えば、優れた電流−電圧特性を発揮する燃料電池を提供することができる。

平板プレス装置によると、簡単な構成であっても熱圧着時のＭＥＡ内の圧力分布を最適化することができ、本実施形態に係るＭＥＡを形成するのに好適である。

［第２の実施形態］
実施例１ではＣＣＳ方式により製造したＭＥＡについて説明したが、本実施例ではＣＣＭ方式により製造した場合の実施例について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するＭＥＡの構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図４（ａ）に示すように、ＭＥＡは、反応部Ａとシール部Ｂとから構成される。また、図４（ｂ）に示すように、ＭＥＡは、電解質膜１の両面に、燃料極２及び酸化剤極３を配置して構成される。燃料極２はガス拡散層２ａ及び触媒層２ｂにより構成され、酸化剤極３は、ガス拡散層３ａ及び触媒層３ｂにより構成される。これらガス拡散層２ａ，３ａおよび触媒層２ｂ，３ｂの製造方法について、以下に説明する。

（ガス拡散層の製造方法）
燃料極２のガス拡散層２ａは、次のようにして形成される。まず、カーボンペーパー２ｃ（厚さ１９０μｍ）上に、アセチレンブラックとＰＴＦＥを乾式混合して得られた粉末を乾式塗布し、ローラーで圧着してカーボン多孔質層２ｄ（厚さ４０μｍ）を形成した。
次いで、反応ガスのシール機能を持たせるため、このカーボン多孔質層２ｄの外周（シール部Ｂ）に、電解質膜１との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材２ｅ（ＨＤＰＥフィルム、厚さ１００μｍ、融点１５０℃）を配置し、１５０℃で１２．５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で熱圧着を行い、含浸処理した。また、電解質膜１との接着面側から熱可塑性接着剤２ｆ（軟化温度１２０℃、シート状、厚さ５０μｍ）を９０℃で熱圧着し、仮付けした。

このようにガス拡散層２ａ，３ａに予め熱可塑性樹脂を含浸・仮付することにより、ＭＥＡ一体化の際における各部材の位置ずれを防止することができる。

（触媒層付き電解質膜の製造方法）
次に、触媒層２ｂ，３ｂの形成工程について説明する。まず、ケッチェンブラックを担体とするＰｔ系貴金属触媒に純水を加えて得られたスラリーに５％の電解質溶液を加え、さらに２−プロパノールを加えて固形分を１０％に調整した触媒インクを製造した。このインクをＰＥＴフィルム上にダイコーターを用いて所定量塗布し、５５℃の窒素雰囲気中で１時間乾燥して、触媒フィルムを形成した。

得られた触媒フィルムを触媒転写する形状に加工し、燃料極用と酸化剤極用として電解質膜１の両面に配置し、１６５℃で４分間熱圧着し、その後ＰＥＴフィルムを剥離し、両面に触媒層２ｂ，３ｂが形成された、触媒層付き電解質膜を製造した。なお、燃料極用の触媒層２ｂの貴金属担持量を０．３ｍｇＰｔ／ｃｍ^２、酸化剤極用の触媒層３ｂの貴金属担持量を０．５５ｍｇ／ｃｍ^２とした。

（ＭＥＡ熱圧着方法）
得られた触媒層付き電解質膜１の両面に燃料極ガス拡散層２ａおよび酸化剤極ガス拡散層３ａを配置し、圧着ローラーにて圧着を行うと、接着剤２ｆ，３ｆが電解質膜１に吸着し、ＭＥＡの形態に仮接着される。このように仮接着されたＭＥＡ１０について実施形態１と同様に、図２に示すＭＥＡ一体化装置１１を用いて仮ＭＥＡ１０の一体化を実施した。本実施形態では、熱圧着時間１秒〜９０秒間、基板全体の平均面圧が１６ｋｇｆ／ｃｍ^２となる条件で熱圧着を実施した。

（ＭＥＡ評価）
以上のようにして第２の実施形態に係るＭＥＡを製作し、その評価を行った。また、比較参照のため、含浸材の融点が熱圧着温度よりも高い樹脂であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）シート（厚さ１００μｍ）を用いて得たＭＥＡ（比較性４）についても同様の評価を行った。これらのＭＥＡの仕様一覧を下記表２に示す。

（加圧変形時の厚さ分布評価）
感圧紙（圧力測定フィルムＬＬＬＷ：富士フィルム社製）を用いて、仮ＭＥＡの熱圧着前および熱圧着後の加圧条件下でのＭＥＡ平面内の面圧分布を測定した。

実施例２においては、熱圧着前における仮ＭＥＡ平面内の面圧分布はシール部Ｂで高く、反応部Ａで低い結果となった。その後、熱圧着後に再度面圧分布の測定を実施したところ、熱圧着時間が９０秒の条件でＭＥＡを製作したが、シール部Ｂの面圧よりも反応部Ａの面圧の方が高くなった。すなわち、実施例１と同様に熱圧着前の熱圧着温度未満での厚さは、反応部Ａよりもシール部Ｂの方が大きく、熱圧着後の熱圧着温度における加圧変形による厚さは、シール部Ｂよりも反応部Ａの方が大きいという結果になった。

一方、比較例４については、熱圧着前の仮ＭＥＡの平面内の面圧分布は、実施例２と同様にシール部Ｂで高く、反応部Ａで低い結果となったが、熱圧着後も面圧分布の大小関係に変化が見られず、反応部Ａの面圧よりもシール部Ｂの面圧の方が高くなった。すなわち、熱圧着による加圧変形後の厚さはシール部Ｂの方が反応部Ａよりも厚く、反応部Ａへの圧着が不十分であるという結果となった。

以上の結果は、次のような作用によるものと考えられる。

実施例２では、一体化時の熱圧着開始直後（熱圧着温度未満）の加圧変形による厚さは、加圧変形が未だ不十分であるため、反応部よりもシール部の方が厚く、シール部に荷重がかかる。熱可塑性樹脂として熱圧着温度よりも低い融点のものを採用したことにより、シール部に配置した熱可塑性樹脂からなる含浸材の融解により、熱圧着時の加圧変形による厚さ低減が生じる。

なお、加圧変形後のシール部の厚さを反応部よりも小さくなるように、予め熱可塑性樹脂の量または熱圧着時のＭＥＡ内の圧力分布を最適化することにより、熱圧着によるＭＥＡの温度上昇に伴い、荷重のかかる領域がシール部から反応部に移動する。

一方、比較例４では、熱圧着時間が実施例２と同等であるにもかかわらず、シール部の厚さは低減せず、その結果、荷重はシール部Ｂにのみかかることにより、反応部Ａの接着性が低下してしまう。

本実施形態の効果を示すために、上述のＭＥＡを搭載した内部加湿型の固体高分子形燃料電池を製作し、燃料極に改質模擬ガス（燃料組成７０％Ｈ_２、３０％ＣＯ_２、１０ｐｐｍＣＯ＋０．５％エアブリード）、酸化剤極に空気を、燃料利用率８０％、酸素利用率６０％となるようにそれぞれ供給し、電池温度７０〜７５℃で駆動し、電流−電圧特性を測定した。その結果を図５に示す。なお、図５では、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ^２における電池電圧の平均値を示す。

図５から明らかなように、実施例２のＭＥＡを搭載した燃料電池は、比較例４のＭＥＡを搭載した燃料電池よりも特性が向上している。なお、分極解析の結果、この特性の向上は、反応部での接着性向上に伴うプロトン伝導性の向上により、抵抗分極が改善されていることによるものであることが確認されている。

すなわち本実施形態によれば、ＣＣＭ方式のＭＥＡ形成法を採用した場合においても、含浸材及び／又は接着剤として熱圧着温度よりも融点が低い熱可塑性樹脂を用い、熱圧着後のＭＥＡの反応部の厚さをシール部の厚さよりも厚くすることにより、シール部だけでなく反応部の接着性を向上させることができる。その結果、従来のシール部と反応部に段差を設けた加圧成形機を用いることなく、位置合わせが不要な簡素な装置、例えば平板プレス装置を用いることによっても、高い性能、例えば、優れた電流−電圧特性を発揮する燃料電池、システム効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態の燃料電池及びその製造方法によれば、厳格な位置合わせが必要な加圧成形機を使用することなく、簡素な平板プレスによる熱圧着装置においても、ＭＥＡのシール部および反応部を同時に最適な状態で接着することができ、製造時のタクトタイムを低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ｃ・・・電解質膜、２・・・燃料極、２ａ・・・燃料極ガス拡散層、２ｂ・・・燃料極触媒層、２ｃ・・・カーボンペーパー（燃料極ガス拡散層用）、２ｃ・・・カーボン多孔質層（燃料極ガス拡散層用）、２ｄ・・・カーボン多孔質層（燃料極ガス拡散層用）、２ｅ，３ｅ・・・含浸材（熱可塑性樹脂）、２ｆ，３ｆ・・・熱可塑性接着シート、３・・・酸化剤極、３ａ酸化剤極ガス拡散層、３ｂ・・・酸化剤極触媒層、３ｃ・・・カーボンペーパー（酸化剤極ガス拡散層用）、３ｃ・・・カーボン多孔質層（酸化剤極ガス拡散層用）、３ｄ・・・カーボン多孔質層（酸化剤極ガス拡散層用）、１０・・・仮ＭＥＡ、１１・・・ＭＥＡ一体化装置、１２ａ，１２ｂ・・・ベルト、１３・・・熱圧着装置、２０・・・ＭＥＡ。

Claims

電解質膜の両面に触媒層を有する触媒−電解質膜接合体の両面に一対のガス拡散層を配置した積層体を熱圧着により一体化してなり、反応部とその周辺のシール部とを有する電解質膜・電極接合体を具備する燃料電池の製造方法であって、
それぞれの前記ガス拡散層の前記シール部に、前記電解質膜との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材を配置し、前記電解質膜との接着面側から熱可塑性接着剤を配置する工程であって、前記含浸材および前記熱可塑性接着剤の融点が前記熱圧着の温度以下である工程、
前記電解質膜の両面に触媒層を形成して前記触媒−電解質膜接合体を作製する工程、
前記触媒−電解質膜接合体の両面に、前記一対のガス拡散層を配置する工程、及び
前記触媒−電解質膜接合体及び前記一対のガス拡散層からなる積層体を、平板プレス方式の熱圧着装置により、前記電解質膜・電極接合体の反応部の厚さがシール部の厚さより５〜３０μｍ厚くなるように熱圧着し、一体化して電解質膜・電極接合体を形成する工程
を具備することを特徴とする燃料電池の製造方法。
電解質膜の両面に触媒層を有する触媒−電解質膜接合体の両面に一対のガス拡散層を配置した積層体を熱圧着により一体化してなり、反応部とその周辺のシール部とを有する電解質膜・電極接合体を具備する燃料電池の製造方法であって、
それぞれの前記ガス拡散層の前記シール部に、前記電解質膜との接着面の反対側から熱可塑性樹脂からなる含浸材を配置し、前記電解質膜との接着面側から熱可塑性接着剤を配置する工程であって、前記含浸材および前記熱可塑性接着剤の融点が前記熱圧着の温度以下である工程、
前記電解質膜の両面に触媒層を形成して前記触媒−電解質膜接合体を作製する工程、
前記触媒−電解質膜接合体の両面に、前記一対のガス拡散層を配置し、熱圧着前に前記反応部の厚さより前記シール部の厚さが厚くなるようにする工程、及び
前記触媒−電解質膜接合体及び前記一対のガス拡散層からなる積層体を、平板プレス方式の熱圧着装置により、前記電解質膜・電極接合体の反応部の厚さがシール部の厚さより厚くなるように熱圧着し、一体化して電解質膜・電極接合体を形成する工程
を具備することを特徴とする燃料電池の製造方法。