電解質膜とフィルムの接合方法、燃料電池の製造方法
【課題】本発明は、触媒電極層を備える電解質膜に補強フィルムを貼り付ける技術の容易化を図ることを目的とする。
【解決手段】触媒電極層を備える電解質膜と、電解質膜を補強するための第１のフィルムとの接合方法は、第１のフィルムと第２のフィルムとを積層した積層フィルムと、触媒電極層を備える電解質膜と、を用意する用意工程と、積層フィルムの第１のフィルムに設定される内側領域と、内側領域の外周部に形成される外側領域との境界に切り込みを設けるカット工程と、外側領域との境界に切り込みが設けられた内側領域と触媒電極層とを接触させた状態で、積層フィルムと電解質膜とを熱圧着する圧着工程と、熱圧着された積層フィルムと電解質膜の積層体から、第２のフィルムとともに第１のフィルムの内側領域を剥離する剥離工程と、を備える。
【解決手段】触媒電極層を備える電解質膜と、電解質膜を補強するための第１のフィルムとの接合方法は、第１のフィルムと第２のフィルムとを積層した積層フィルムと、触媒電極層を備える電解質膜と、を用意する用意工程と、積層フィルムの第１のフィルムに設定される内側領域と、内側領域の外周部に形成される外側領域との境界に切り込みを設けるカット工程と、外側領域との境界に切り込みが設けられた内側領域と触媒電極層とを接触させた状態で、積層フィルムと電解質膜とを熱圧着する圧着工程と、熱圧着された積層フィルムと電解質膜の積層体から、第２のフィルムとともに第１のフィルムの内側領域を剥離する剥離工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒電極層を備える電解質膜と、電解質膜を補強するためのフィルムとの接合方法、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、触媒電極層を備える電解質膜において、薄膜化による強度の低下やハンドリング性の低下を抑制するために、電解質膜の触媒電極層が形成されていない領域に額縁形状の補強フィルムを貼る技術が知られている。しかし、補強フィルムは非常に薄いため、予め額縁形状にカットされた補強フィルムを電解質膜に貼る場合には、電解質膜に形成されている触媒電極層との位置合わせが容易ではなかった。また、額縁形状の補強フィルムは、ロール状にできないなど取扱が容易ではなかった。一方、シート状の補強フィルムを電解質膜に貼り付けた後に額縁状にカットする場合には、カットの際に電解質膜に損傷が生じる虞があった。
【０００３】
この問題を解決するために、額縁形状にハーフカットを施した補強フィルムをハーフカットした面が電解質膜と接するようにして電解質膜に貼り付け、その後、ハーフカットを施していない面側からさらにハーフカットすることによって、電解質膜に額縁形状の補強フィルムを貼り付ける技術が知られている。（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２７２２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２０２９３号公報
【特許文献３】特開２００８−１４９６４２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、従来の技術は、例えば、電解質膜に貼り付けられた補強フィルムに対してハーフカットを施すため、ハーフカットの際に電解質膜に損傷が生じる虞が依然として残っていた。このように、電解質膜に対して補強フィルムを貼り付ける技術についてはなお改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、触媒電極層を備える電解質膜に補強フィルムを貼り付ける技術の容易化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
触媒電極層を備える電解質膜と、前記電解質膜を補強するための第１のフィルムとの接合方法であって、
前記第１のフィルムと、前記第１のフィルムと異なる第２のフィルムと、を積層した積層フィルムと、前記触媒電極層を備える電解質膜と、を用意する用意工程と、
前記積層フィルムの前記第１のフィルムに設定される内側領域と、前記内側領域の外周部に形成される外側領域との境界に切り込みを設けるカット工程と、
前記外側領域との境界に切り込みが設けられた前記内側領域と前記触媒電極層とを接触させた状態で、前記積層フィルムと前記電解質膜とを熱圧着する圧着工程と、
熱圧着された前記積層フィルムと前記電解質膜の積層体から、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する剥離工程と、を備える接合方法。
【０００９】
この構成によれば、積層フィルムと電解質膜とを熱圧着した後、第２のフィルムとともに第１のフィルムの内側領域を剥離するため、触媒電極層を備える電解質膜に補強フィルムを容易に貼り付けることができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１に記載の接合方法において、
前記用意工程は、主面の一部の領域に触媒電極層が形成されている電解質膜を用意する工程を含み、
前記カット工程は、前記電解質膜に形成されている前記触媒電極層の形状を前記内側領域の形状として前記第１のフィルムに切り込みを入れる工程を含み、
前記剥離工程は、前記電解質膜において前記触媒電極層が形成されていない領域に額縁形状の前記第１のフィルムの前記外側領域を残した状態で、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する工程を含む、接合方法。
【００１１】
この構成によれば、積層フィルムと電解質膜とを熱圧着した後、電解質膜の触媒電極層が形成されていない領域に第１のフィルムの内側領域を残した状態で、第２のフィルムとともに第１のフィルムの外側領域を剥離するため、触媒電極層を備える電解質膜に額縁形状の補強フィルムを容易に貼り付けることができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の接合方法において、
前記用意工程において用意する前記触媒電極層を備える電解質膜は、前記触媒電極層の表面に前記電解質膜とは異なる試験用の電解質膜を熱圧着し、前記試験用の電解質膜に対して１８０°剥離試験を実施したときの試験力が５Ｎ／ｍ以下であり、
前記圧着工程において前記積層フィルムと前記電解質膜との熱圧着は、圧着温度が１５０℃以下であり、圧着圧力が２ＭＰａ以下であり、圧着時間が０分より大きく２０分以下である、接合方法。
【００１３】
この構成によれば、第２のフィルムとともに第１のフィルムの一部を容易に剥離することができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の接合方法において、
前記第１のフィルムは、ポリエチレンナフタレートにより形成され、
前記第２のフィルムは、ポリエチレンテレフタラートにより形成されている、接合方法。
【００１５】
この構成によれば、電解質膜を第１のフィルムによって補強することにより、電解質膜の強度の低下やハンドリングの低下を抑制することができる。
【００１６】
［適用例５］
燃料電池の製造方法であって、
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の接合方法によって前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜を用意する工程と、
前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜の両側にガス拡散層を配置する工程と、
前記ガス拡散層と前記電解質膜との積層体の両側に一対のセパレータを配置する工程と、を備える燃料電池の製造方法。
【００１７】
この構成によれば、補強フィルムを貼り付けた電解質膜を備える燃料電池を容易に製造することができる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、膜電極接合体と補強フィルムとの接合方法や、膜電極接合体と補強フィルムとの接合方法を工程の一部に含む燃料電池の製造方法や、燃料電池に用いられる積層体の製造方法、製造装置、および、これらの方法を装置に実行させるための制御プログラムなどの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法の流れを示すフローチャートである。
【図２】触媒層付き電解質膜と２層フィルムの概略構成を説明するための説明図である。
【図３】２層フィルムをハーフカットした状態を説明するための説明図である。
【図４】触媒層付き電解質膜と２層フィルムとを接合した状態を説明するための説明図である。
【図５】積層体から搬送フィルムを剥離した状態を例示した説明図である。
【図６】従来例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。
【図７】第２実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。
【図８】変形例おける２層フィルムのハーフカット状態を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法の流れを示すフローチャートである。触媒層付き電解質膜と補強フィルムとを接合するにあたり、まず、接合対象となる触媒層付き電解質膜と、補強フィルムを一部に含む２層フィルムを用意する（ステップＳ１１０）。
【００２１】
図２は、触媒層付き電解質膜と２層フィルムの概略構成を説明するための説明図である。図２（ａ）は、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図２（ｂ）は、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００を横から見た状態を例示した説明図である。触媒層付き電解質膜２００は、電解質膜２１０と、触媒電極層２２０とを備えている。
【００２２】
電解質膜２１０は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（例えばナフィオン(登録商標)膜：ＮＲＥ２１２）であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。なお、電解質膜２１０としては、ナフィオン(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いてもよい。また、電解質膜２１０として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いてもよい。本実施例の電解質膜２１０は、矩形形状を有している。
【００２３】
触媒電極層２２０は、電解質膜２１０の一方の主面（図２の下方側）の一部の領域に形成され、電解質膜２１０よりも小さい矩形形状を有している。そのため、電解質膜２１０は、触媒電極層２２０が形成された主面（図２の下方側）において、触媒電極層２２０の外周部に触媒電極層２２０が配置されていない額縁形状の外周領域２１０ｆを有している。
【００２４】
触媒電極層２２０は、燃料電池に用いられたときにアノード電極もしくはカソード電極として機能する。触媒電極層２２０は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。導電性担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を用いることができる。
【００２５】
本実施例の触媒層付き電解質膜２００は、触媒電極層２２０の表面に電解質膜２１０とは異なる別個の電解質膜を熱圧着し、１８０°剥離試験を実施したときの試験力が５Ｎ／ｍ以下となる触媒層形成法（例えば、スピンコート法等）を用いて形成される。これは、後述するように、触媒層付き電解質膜２００に２層フィルムを接合させたときに、触媒電極層２２０と補強フィルム３１０との間の粘着力を調整するためである。本実施例の触媒層付き電解質膜２００は、上述した試験力が得られる作製方法であれば、触媒インクを基材に塗布・乾燥させて作製した触媒層シートを電解質膜２１０の表面に圧着する方法に限定されず、触媒インクを電解質膜２１０に直接塗布する方法であってもよい。
【００２６】
２層フィルム３００は、補強フィルム３１０と、搬送フィルム３２０とを備えている。補強フィルム３１０は、耐酸性を有し、電解質膜２１０のガラス転移点よりも高温環境下での耐熱性を有しているシートを使用することが好ましい。本実施例では、補強フィルム３１０は、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）により形成されている。補強フィルム３１０の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）以外のポリエステル系高分子化合物であってもよいし、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（硬質）、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、熱硬化性ガラス充填シリコーンなどであってもよい。
【００２７】
搬送フィルム３２０は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）を基材とした微粘着シートなどを使用することができる。搬送フィルム３２０の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）以外に、上記で示した補強フィルム３１０と同様の材料を使用することができる。補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０は、同種の材料であってもよいし、異種の材料であってもよい。２層フィルム３００は、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０とが搬送フィルム３２０が備える微粘着によって所定の粘着力で接合されている。なお、本実施例の補強フィルム３１０は、特許請求の範囲における「第１のフィルム」に該当する。また、搬送フィルム３２０は、特許請求の範囲における「第２のフィルム」に該当する。次に、用意した２層フィルム３００のハーフカットをおこなう（ステップＳ１２０）。
【００２８】
図３は、２層フィルムをハーフカットした状態を説明するための説明図である。図３（ａ）は、触媒層付き電解質膜２００とハーフカットされた２層フィルム３００を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図３（ｂ）は、触媒層付き電解質膜２００とハーフカットされた２層フィルム３００を横から見た状態を例示した説明図である。
【００２９】
２層フィルム３００のハーフカットは、搬送フィルム３２０に切り込み（カット）を入れず、補強フィルム３１０を２つの領域に分断するように切り込み（カット）を入れることによっておこなわれる。補強フィルム３１０は、中心部付近に位置する矩形形状の内側領域３１０ｐと、内側領域３１０ｐの外周部に位置する額縁状の外側領域３１０ｆとの境界に切り込みが設けられる。これにより、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと外側領域３１０ｆは分断される。内側領域３１０ｐの形状は、触媒層付き電解質膜２００に形成される触媒電極層２２０の形状と同じである。そのため、後述するように、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００とを積層したときに、内側領域３１０ｐは、触媒電極層２２０と外周が一致するように接する。補強フィルム３１０の切り込みは、例えば、トムソン刃、ロータリーダイカッター等を用いておこなうことができる。２層フィルム３００をハーフカットした後、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００とを熱圧着による接合をおこなう（ステップＳ１３０）。
【００３０】
図４は、触媒層付き電解質膜と２層フィルムとを接合した状態を説明するための説明図である。図４（ａ）は、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との積層体１００を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図４（ｂ）は、その積層体１００を横から見た状態を例示した説明図である。
【００３１】
積層体１００は、触媒層付き電解質膜２００の電解質膜２１０が形成されている主面（図３の下方側）と、２層フィルム３００の補強フィルム３１０側（図３の上方側）とが接するようにして、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００が積層されている。このとき、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００は、触媒層付き電解質膜２００の触媒電極層２２０の位置と、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐの位置が一致し、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆの位置と、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆの位置が一致するように接触している。
【００３２】
触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着は、図示しない熱圧着装置を用いて、積層体１００をその積層方向から加圧しつつ加熱することによっておこなわれる。熱圧着装置としては、例えば、熱圧平面プレス、熱圧ロールプレス等を用いることができる。熱圧着処理の処理条件としては、熱圧着によって生じる補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも小さくなり（ＦＡ１＜ＦＡ２）、また、熱圧着によって生じる補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆと電解質膜２１０の外周領域２１０ｆとの間の粘着力ＦＡ３が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも大きくなる（ＦＡ３＞ＦＡ２）ように積層体１００に対する加熱温度、加圧圧力、熱圧着処理時間が調整される。
【００３３】
例えば、本実施例では、積層体１００に対する加熱温度を１５０℃以下、加圧圧力を２ＭＰａ以下、熱圧着処理時間を０分より大きく２０分以下、より好ましくは、５秒以上５分以下とすることによって、上記の条件を満たすことができる。触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着をおこなった後、積層体１００から搬送フィルム３２０の剥離をおこなう（ステップＳ１４０）。
【００３４】
図５は、積層体から搬送フィルムを剥離した状態を例示した説明図である。図５（ａ）は、積層体１００と剥離した搬送フィルム３２０を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図５（ｂ）は、積層体１００と剥離した搬送フィルム３２０を横から見た状態を例示した説明図である。
【００３５】
上述したように、積層体１００は、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも小さく（ＦＡ１＜ＦＡ２）、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆと電解質膜２１０外周領域２１０ｆとの間の粘着力ＦＡ３が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも大きい（ＦＡ３＞ＦＡ２）ため、積層体１００から搬送フィルム３２０を剥離すると、搬送フィルム３２０の剥離にともに補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐも剥離する。これにより、触媒層付き電解質膜２００は、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆに補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆのみが貼られた状態となる。すなわち、補強フィルムによって補強された触媒層付き電解質膜が完成する。以後、この完成品を触媒層付きフィルム補強電解質膜とも呼ぶ。
【００３６】
以上の説明からわかるように、本実施例の積層体１００は、
（１）搬送フィルム３２０が備える微粘着の程度
（２）電解質膜２１０に形成した触媒電極層２２０の形成方法
（３）触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着条件
の３つが調整されることによって、まず、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２が、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１よりも大きく（ＦＡ２＞ＦＡ１）なっている。そのため、積層体１００から搬送フィルム３２０を剥離したときに、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐが搬送フィルム３２０から剥離することを抑制している。
【００３７】
また、上記（１）〜（３）が調整されることによって、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２が、電解質膜２１０外周領域２１０ｆと補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆとの間の粘着力ＦＡ３よりも小さく（ＦＡ２＜ＦＡ３）なっている。そのため、積層体１００から搬送フィルム３２０を剥離したときに、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆが電解質膜２１０の外周領域２１０ｆから剥離することを抑制している。
【００３８】
図６は、従来例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。図６（ａ）に示す触媒層付き電解質膜５００は、本実施例の触媒層付き電解質膜２００と同様の構成を備えている。すなわち、触媒層付き電解質膜５００は、触媒電極層２２０と対応する触媒電極層５２０と、外周領域２１０ｆと対応する外周領域５１０ｆを備えている。補強フィルム６００は、本実施例の補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆと同様の構成を備えている。すなわち、補強フィルム６００は、触媒電極層５２０と対応する形状の開口部を備えた額縁状の単層フィルムである。
【００３９】
従来、触媒層付き電解質膜に補強フィルムを貼り付ける工程では、額縁状の補強フィルム６００の単体を直接、図６（ｂ）のように触媒層付き電解質膜５００の外周領域５１０ｆに貼り付けていた。しかし、この場合、補強フィルム６００と触媒層付き電解質膜５００との位置合わせが難しく、補強フィルム６００に凹凸が発生しやすかった。また、熱圧着時に加熱による寸法変化によって、シワや折れが発生しやすかった。また、補強フィルム６００は、額縁状のため、ロール状に巻き取ることができず、また搬送が容易ではなかった。このように従来の補強フィルム６００は、ハンドリング性が悪かった。
【００４０】
一方、本実施例の本実施例の補強フィルム３１０は、搬送フィルム３２０によって形状が維持されるため、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆに貼り付けるときのハンドリング性がよく、補強フィルム３１０に凹凸が発生しにくい。また、熱圧着時にシワや折れが発生しにくい。また、補強フィルム３１０は、ロール状に巻き取ることができ、搬送も容易となる。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、所定の大きさに裁断された枚葉状の触媒層付き電解質膜２００と、枚葉状の２層フィルム３００との接合方法について説明したが、第２実施例では、未裁断の帯状の触媒層付き電解質膜２００と、帯状の２層フィルム３００との接合方法について説明する。第２実施例の触媒層付き電解質膜２００や帯状の２層フィルム３００は、第１実施例の触媒層付き電解質膜２００や帯状の２層フィルム３００と同じ材料により形成され、形状のみが異なる。
【００４２】
図７は、第２実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。図７（ａ）は、２層フィルムのハーフカット工程を例示した説明図である。図７（ｂ）は、触媒層付き電解質膜と２層フィルムとの熱圧着工程を例示した説明図である。図７（ｃ）は、搬送フィルムの剥離工程を例示した説明図である。図７（ａ）に示すように、まず、帯状の２層フィルム３００を図示しないロールから順次引き出し、搬送方向（図７（ａ）矢印方向）に搬送しつつ、搬送路上のロータリーダイカッター７１０によってハーフカットをおこなう。これにより、帯状の２層フィルム３００には、所定の間隔ごとに内側領域３１０ｐが複数形成される。
【００４３】
２層フィルム３００にハーフカットを施した後、図７（ｂ）に示すように、熱圧ロールプレス７２０によって、帯状の２層フィルム３００と帯状の触媒層付き電解質膜２００とを熱圧着する。このとき、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００は、触媒層付き電解質膜２００の触媒電極層２２０の位置と、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐの位置が一致し、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆの位置と、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆの位置が一致するように接合される。これにより、２層フィルム３００と触媒層付き電解質膜２００とが接合された積層体１００が形成される。
【００４４】
積層体１００を形成した後、図７（ｃ）に示すように、スリッター７３０によって、積層体１００から搬送フィルム３２０の剥離をおこなう。このとき、搬送フィルム３２０の剥離とともに、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐが剥離する。搬送フィルム３２０と、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐを剥離した帯状の積層体１００を所定の大きさに順次裁断することによって、触媒層付きフィルム補強電解質膜が完成する。
【００４５】
Ｃ．評価例：
本実施例によって製造された触媒層付きフィルム補強電解質膜についての初期発電性能および耐クロスリーク性についての評価をおこなうため、初期発電性能試験およびサイクル耐久試験をおこなった。評価試験は３つのサンプル（実験例１、比較例１、比較例２）に対してそれぞれおこなった。実施例１の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、第２実施例で示した接合方法を用いて製造した。
【００４６】
比較例１の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、以下の手順で製造した。
（１）帯状の単層の補強フィルムの一方の主面に対して、内側領域の外周のハーフカットを施す。
（２）ハーフカットを施した加工側主面が電解質膜と接するようにして、補強フィルムと触媒層付き電解質膜とを熱圧着する。
（３）熱圧着された補強フィルムに対して、加工側主面と反対側の主面となる表側主面からハーフカットをおこなって、補強フィルムの内側領域を取り除く。
（４）補強フィルムの内側領域が取り除かれた帯状の積層体を枚葉状となるように裁断する。
【００４７】
比較例２の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、上述の比較例（図６）で示した接合方法を用いて製造した。すなわち、単層の額縁形状の補強フィルムを枚葉状の触媒層付き電解質膜に貼り付けることによって製造した。
【００４８】
実施例１、比較例１および比較例２の触媒層付きフィルム補強電解質膜を用いてそれぞれ燃料電池セルを構成し、初期発電性能試験（セル温度８０℃、過加湿条件、電流密度１．０Ａ／ｃｍ２）における出力電位（Ｖ）を測定した。その結果、
実施例１：０．５８６（Ｖ）、比較例１：０．５６９（Ｖ）、比較例２：０．５７４（Ｖ）、となった。
【００４９】
実施例１の出力電位は、比較例１の出力電位よりも高い値となっていることから、本発明に係る接合方法を使用すれば、従来の接合方法を使用した場合よりも、発電性能の高い触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造することができることがわかる。また、実施例１の出力電位は、比較例２の出力電位と同程度の値となっていることから、本発明に係る接合方法を使用すれば、帯状の積層体を順次裁断する連続工程によって触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造した場合であっても、従来の接合方法で非連続的に製造した触媒層付きフィルム補強電解質膜と同程度以上の発電性能を備えていることがわかる。このことから、本発明を適用した連続工程よっても、剥離面のバリや剥離カス等による初期ダメージや、フィルムの複層化によるコンタミの影響は少ないと考えられる。
【００５０】
次に、実施例１、比較例１および比較例２の触媒層付きフィルム補強電解質膜を用いた燃料電池セルに対してサイクル耐久試験を実施し、クロスリークの発生に至るまでの耐久時間（ｈｒ）を測定した。サイクル耐久試験では、セル温度を８０℃とし、開回路状態と電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２となる状態とを９０秒ずつ繰り返した。クロスリークの発生の有無は、触媒層付きフィルム補強電解質膜の一方の主面と接する密閉空間側を加圧し、他方の主面と接する密閉空間側の圧力の上昇の有無から検出した。その結果、各耐久時間は、
実施例１：２３０（ｈｒ）、比較例１：６０（ｈｒ）、比較例２：２１５（ｈｒ）、
となった。
【００５１】
実施例１の耐久時間は、比較例１の耐久時間よりも長いことから、本発明に係る接合方法を使用すれば、従来の接合方法を使用した場合よりも、発電性能の高い触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造することができることがわかる。なお、比較例１の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、耐久試験により額縁状の補強フィルムの開口端付近に裂けが生じることによって、６０（ｈｒ）の比較的短時間でクロスリークが生じた。これは、触媒層付きフィルム補強電解質膜の製造時に電解質膜と補強フィルムとの積層体に対して、補強フィルムの表側主面からハーフカットをおこなったときに、刃によって電解質膜に損傷が生じためと考えられる。また、実施例１の耐久時間は、比較例２の耐久時間と同程度となっていることから、本発明に係る接合方法を使用すれば、帯状の積層体を順次裁断する連続工程によって触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造した場合であっても、従来の接合方法で非連続的に製造した触媒層付きフィルム補強電解質膜と同程度以上の耐久性を備えていることがわかる。
【００５２】
Ｄ．変形例：
なお、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、例えば次のような変形も可能である。
【００５３】
Ｄ−１．変形例１：
図８は、変形例おける２層フィルムのハーフカット状態を説明するための説明図である。本実施例では、２層フィルム３００のハーフカットは、搬送フィルム３２０に切り込み（カット）を入れず、補強フィルム３１０を２つの領域に分断するように切り込み（カット）を入れるものとして説明したが、図８（ａ）の２層フィルム３００ｂのように、補強フィルム３１０のみではなく、搬送フィルム３２０の一部にも切り込みが設けられてもよい。また、図８（ｂ）に示す層フィルム３００ｃのように、補強フィルム３１０が２つに分断されない程度に切り込みが設けられてもよい。また、２層フィルム３００のハーフカットは、ミシン目状に切り込みが設けられてもよい。
【００５４】
Ｄ−２．変形例２：
本実施例では、触媒層付き電解質膜２００は、電解質膜２１０の一方の主面のみに触媒電極層２２０が形成されているものとして説明したが、触媒層付き電解質膜２００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）のように、電解質膜の両側に触媒電極層が形成されていてもよい。
【００５５】
Ｄ−３．変形例３：
本実施例では、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０により構成された２層のフィルムを使用したが、補強フィルム３１０を一部に含む複層フィルムであれば、２層に限定されず３層以上のフィルムであってもよい。また、実施例では、フィルムによって電解質膜２１０を補強する構成について説明したが、本発明はフィルム以外の補強用面材を電解質膜２１０に接合する方法に対しても適用することができる。
【００５６】
Ｄ−４．変形例４：
本実施例では、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００とを積層したときに、内側領域３１０ｐの外周と触媒電極層２２０と外周とが一致するものとして説明したが、内側領域３１０ｐの外周と触媒電極層２２０と外周とは必ずしも一致しなくてもよい。例えば、内側領域３１０ｐの外周は、触媒電極層２２０の外周の内側もしくは外側に位置してもよい。また、触媒電極層２２０と内側領域３１０ｐはともに矩形形状を有しているものとして説明したが、それぞれ矩形以外の形状を有していてもよい。
【００５７】
Ｄ−５．変形例５：
補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１は、電解質膜２１０に形成した触媒電極層２２０の形成方法や、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着条件以外の要素によってその粘着力が調整されてもよい。例えば、熱圧プレスの形状を内側領域３１０ｐと対応する部分がプレスされないような形状とすることによって粘着力ＦＡ１を低下させてもよい。
【００５８】
Ｄ−６．変形例６：
本実施例で説明した接合方法を工程の一部に含んだ燃料電池の製造方法としても実現することができる。例えば、まず、ＭＥＡに対して本実施例の接合方法を用いて補強フィルムを貼り付け、補強フィルム付きＭＥＡを製造する。その補強フィルム付きＭＥＡの両側をガス拡散層で挟持し、さらに、その両側を一対のセパレータによって挟持して燃料電池セルを作成する。この燃料電池セルを複数積層することによってスタック構造を有する燃料電池を製造することができる。
【００５９】
なお、ガス拡散層は、多孔質のガス拡散層基材により構成することができる。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。また、ガス拡散層は、撥水性を得るために、ガス拡散層基材が、撥水ペーストによりコーティング（撥水処理）され、撥水層が形成されていてもよい。なお、撥水ペーストとしては、例えば、カーボン粉末と撥水性樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン等）との混合溶液を用いることができる。
【００６０】
また、セパレータは、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成することができる。セパレータとしては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１００…積層体
２００…触媒層付き電解質膜
２１０…電解質膜
２２０…触媒電極層
３００…２層フィルム
３１０…補強フィルム
３２０…搬送フィルム
５００…電解質膜
５２０…触媒電極層
６００…補強フィルム
７１０…ロータリーダイカッター
７２０…熱圧ロールプレス
７３０…スリッター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒電極層を備える電解質膜と、電解質膜を補強するためのフィルムとの接合方法、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、触媒電極層を備える電解質膜において、薄膜化による強度の低下やハンドリング性の低下を抑制するために、電解質膜の触媒電極層が形成されていない領域に額縁形状の補強フィルムを貼る技術が知られている。しかし、補強フィルムは非常に薄いため、予め額縁形状にカットされた補強フィルムを電解質膜に貼る場合には、電解質膜に形成されている触媒電極層との位置合わせが容易ではなかった。また、額縁形状の補強フィルムは、ロール状にできないなど取扱が容易ではなかった。一方、シート状の補強フィルムを電解質膜に貼り付けた後に額縁状にカットする場合には、カットの際に電解質膜に損傷が生じる虞があった。
【０００３】
この問題を解決するために、額縁形状にハーフカットを施した補強フィルムをハーフカットした面が電解質膜と接するようにして電解質膜に貼り付け、その後、ハーフカットを施していない面側からさらにハーフカットすることによって、電解質膜に額縁形状の補強フィルムを貼り付ける技術が知られている。（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２７２２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２０２９３号公報
【特許文献３】特開２００８−１４９６４２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、従来の技術は、例えば、電解質膜に貼り付けられた補強フィルムに対してハーフカットを施すため、ハーフカットの際に電解質膜に損傷が生じる虞が依然として残っていた。このように、電解質膜に対して補強フィルムを貼り付ける技術についてはなお改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、触媒電極層を備える電解質膜に補強フィルムを貼り付ける技術の容易化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
触媒電極層を備える電解質膜と、前記電解質膜を補強するための第１のフィルムとの接合方法であって、
前記第１のフィルムと、前記第１のフィルムと異なる第２のフィルムと、を積層した積層フィルムと、前記触媒電極層を備える電解質膜と、を用意する用意工程と、
前記積層フィルムの前記第１のフィルムに設定される内側領域と、前記内側領域の外周部に形成される外側領域との境界に切り込みを設けるカット工程と、
前記外側領域との境界に切り込みが設けられた前記内側領域と前記触媒電極層とを接触させた状態で、前記積層フィルムと前記電解質膜とを熱圧着する圧着工程と、
熱圧着された前記積層フィルムと前記電解質膜の積層体から、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する剥離工程と、を備える接合方法。
【０００９】
この構成によれば、積層フィルムと電解質膜とを熱圧着した後、第２のフィルムとともに第１のフィルムの内側領域を剥離するため、触媒電極層を備える電解質膜に補強フィルムを容易に貼り付けることができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１に記載の接合方法において、
前記用意工程は、主面の一部の領域に触媒電極層が形成されている電解質膜を用意する工程を含み、
前記カット工程は、前記電解質膜に形成されている前記触媒電極層の形状を前記内側領域の形状として前記第１のフィルムに切り込みを入れる工程を含み、
前記剥離工程は、前記電解質膜において前記触媒電極層が形成されていない領域に額縁形状の前記第１のフィルムの前記外側領域を残した状態で、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する工程を含む、接合方法。
【００１１】
この構成によれば、積層フィルムと電解質膜とを熱圧着した後、電解質膜の触媒電極層が形成されていない領域に第１のフィルムの内側領域を残した状態で、第２のフィルムとともに第１のフィルムの外側領域を剥離するため、触媒電極層を備える電解質膜に額縁形状の補強フィルムを容易に貼り付けることができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の接合方法において、
前記用意工程において用意する前記触媒電極層を備える電解質膜は、前記触媒電極層の表面に前記電解質膜とは異なる試験用の電解質膜を熱圧着し、前記試験用の電解質膜に対して１８０°剥離試験を実施したときの試験力が５Ｎ／ｍ以下であり、
前記圧着工程において前記積層フィルムと前記電解質膜との熱圧着は、圧着温度が１５０℃以下であり、圧着圧力が２ＭＰａ以下であり、圧着時間が０分より大きく２０分以下である、接合方法。
【００１３】
この構成によれば、第２のフィルムとともに第１のフィルムの一部を容易に剥離することができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の接合方法において、
前記第１のフィルムは、ポリエチレンナフタレートにより形成され、
前記第２のフィルムは、ポリエチレンテレフタラートにより形成されている、接合方法。
【００１５】
この構成によれば、電解質膜を第１のフィルムによって補強することにより、電解質膜の強度の低下やハンドリングの低下を抑制することができる。
【００１６】
［適用例５］
燃料電池の製造方法であって、
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の接合方法によって前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜を用意する工程と、
前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜の両側にガス拡散層を配置する工程と、
前記ガス拡散層と前記電解質膜との積層体の両側に一対のセパレータを配置する工程と、を備える燃料電池の製造方法。
【００１７】
この構成によれば、補強フィルムを貼り付けた電解質膜を備える燃料電池を容易に製造することができる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、膜電極接合体と補強フィルムとの接合方法や、膜電極接合体と補強フィルムとの接合方法を工程の一部に含む燃料電池の製造方法や、燃料電池に用いられる積層体の製造方法、製造装置、および、これらの方法を装置に実行させるための制御プログラムなどの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法の流れを示すフローチャートである。
【図２】触媒層付き電解質膜と２層フィルムの概略構成を説明するための説明図である。
【図３】２層フィルムをハーフカットした状態を説明するための説明図である。
【図４】触媒層付き電解質膜と２層フィルムとを接合した状態を説明するための説明図である。
【図５】積層体から搬送フィルムを剥離した状態を例示した説明図である。
【図６】従来例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。
【図７】第２実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。
【図８】変形例おける２層フィルムのハーフカット状態を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法の流れを示すフローチャートである。触媒層付き電解質膜と補強フィルムとを接合するにあたり、まず、接合対象となる触媒層付き電解質膜と、補強フィルムを一部に含む２層フィルムを用意する（ステップＳ１１０）。
【００２１】
図２は、触媒層付き電解質膜と２層フィルムの概略構成を説明するための説明図である。図２（ａ）は、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図２（ｂ）は、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００を横から見た状態を例示した説明図である。触媒層付き電解質膜２００は、電解質膜２１０と、触媒電極層２２０とを備えている。
【００２２】
電解質膜２１０は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（例えばナフィオン(登録商標)膜：ＮＲＥ２１２）であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。なお、電解質膜２１０としては、ナフィオン(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いてもよい。また、電解質膜２１０として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いてもよい。本実施例の電解質膜２１０は、矩形形状を有している。
【００２３】
触媒電極層２２０は、電解質膜２１０の一方の主面（図２の下方側）の一部の領域に形成され、電解質膜２１０よりも小さい矩形形状を有している。そのため、電解質膜２１０は、触媒電極層２２０が形成された主面（図２の下方側）において、触媒電極層２２０の外周部に触媒電極層２２０が配置されていない額縁形状の外周領域２１０ｆを有している。
【００２４】
触媒電極層２２０は、燃料電池に用いられたときにアノード電極もしくはカソード電極として機能する。触媒電極層２２０は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。導電性担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を用いることができる。
【００２５】
本実施例の触媒層付き電解質膜２００は、触媒電極層２２０の表面に電解質膜２１０とは異なる別個の電解質膜を熱圧着し、１８０°剥離試験を実施したときの試験力が５Ｎ／ｍ以下となる触媒層形成法（例えば、スピンコート法等）を用いて形成される。これは、後述するように、触媒層付き電解質膜２００に２層フィルムを接合させたときに、触媒電極層２２０と補強フィルム３１０との間の粘着力を調整するためである。本実施例の触媒層付き電解質膜２００は、上述した試験力が得られる作製方法であれば、触媒インクを基材に塗布・乾燥させて作製した触媒層シートを電解質膜２１０の表面に圧着する方法に限定されず、触媒インクを電解質膜２１０に直接塗布する方法であってもよい。
【００２６】
２層フィルム３００は、補強フィルム３１０と、搬送フィルム３２０とを備えている。補強フィルム３１０は、耐酸性を有し、電解質膜２１０のガラス転移点よりも高温環境下での耐熱性を有しているシートを使用することが好ましい。本実施例では、補強フィルム３１０は、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）により形成されている。補強フィルム３１０の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）以外のポリエステル系高分子化合物であってもよいし、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（硬質）、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、熱硬化性ガラス充填シリコーンなどであってもよい。
【００２７】
搬送フィルム３２０は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）を基材とした微粘着シートなどを使用することができる。搬送フィルム３２０の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）以外に、上記で示した補強フィルム３１０と同様の材料を使用することができる。補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０は、同種の材料であってもよいし、異種の材料であってもよい。２層フィルム３００は、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０とが搬送フィルム３２０が備える微粘着によって所定の粘着力で接合されている。なお、本実施例の補強フィルム３１０は、特許請求の範囲における「第１のフィルム」に該当する。また、搬送フィルム３２０は、特許請求の範囲における「第２のフィルム」に該当する。次に、用意した２層フィルム３００のハーフカットをおこなう（ステップＳ１２０）。
【００２８】
図３は、２層フィルムをハーフカットした状態を説明するための説明図である。図３（ａ）は、触媒層付き電解質膜２００とハーフカットされた２層フィルム３００を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図３（ｂ）は、触媒層付き電解質膜２００とハーフカットされた２層フィルム３００を横から見た状態を例示した説明図である。
【００２９】
２層フィルム３００のハーフカットは、搬送フィルム３２０に切り込み（カット）を入れず、補強フィルム３１０を２つの領域に分断するように切り込み（カット）を入れることによっておこなわれる。補強フィルム３１０は、中心部付近に位置する矩形形状の内側領域３１０ｐと、内側領域３１０ｐの外周部に位置する額縁状の外側領域３１０ｆとの境界に切り込みが設けられる。これにより、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと外側領域３１０ｆは分断される。内側領域３１０ｐの形状は、触媒層付き電解質膜２００に形成される触媒電極層２２０の形状と同じである。そのため、後述するように、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００とを積層したときに、内側領域３１０ｐは、触媒電極層２２０と外周が一致するように接する。補強フィルム３１０の切り込みは、例えば、トムソン刃、ロータリーダイカッター等を用いておこなうことができる。２層フィルム３００をハーフカットした後、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００とを熱圧着による接合をおこなう（ステップＳ１３０）。
【００３０】
図４は、触媒層付き電解質膜と２層フィルムとを接合した状態を説明するための説明図である。図４（ａ）は、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との積層体１００を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図４（ｂ）は、その積層体１００を横から見た状態を例示した説明図である。
【００３１】
積層体１００は、触媒層付き電解質膜２００の電解質膜２１０が形成されている主面（図３の下方側）と、２層フィルム３００の補強フィルム３１０側（図３の上方側）とが接するようにして、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００が積層されている。このとき、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００は、触媒層付き電解質膜２００の触媒電極層２２０の位置と、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐの位置が一致し、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆの位置と、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆの位置が一致するように接触している。
【００３２】
触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着は、図示しない熱圧着装置を用いて、積層体１００をその積層方向から加圧しつつ加熱することによっておこなわれる。熱圧着装置としては、例えば、熱圧平面プレス、熱圧ロールプレス等を用いることができる。熱圧着処理の処理条件としては、熱圧着によって生じる補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも小さくなり（ＦＡ１＜ＦＡ２）、また、熱圧着によって生じる補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆと電解質膜２１０の外周領域２１０ｆとの間の粘着力ＦＡ３が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも大きくなる（ＦＡ３＞ＦＡ２）ように積層体１００に対する加熱温度、加圧圧力、熱圧着処理時間が調整される。
【００３３】
例えば、本実施例では、積層体１００に対する加熱温度を１５０℃以下、加圧圧力を２ＭＰａ以下、熱圧着処理時間を０分より大きく２０分以下、より好ましくは、５秒以上５分以下とすることによって、上記の条件を満たすことができる。触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着をおこなった後、積層体１００から搬送フィルム３２０の剥離をおこなう（ステップＳ１４０）。
【００３４】
図５は、積層体から搬送フィルムを剥離した状態を例示した説明図である。図５（ａ）は、積層体１００と剥離した搬送フィルム３２０を斜めから見た状態を例示した説明図であり、触媒層付き電解質膜２００を半透明で示している。図５（ｂ）は、積層体１００と剥離した搬送フィルム３２０を横から見た状態を例示した説明図である。
【００３５】
上述したように、積層体１００は、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも小さく（ＦＡ１＜ＦＡ２）、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆと電解質膜２１０外周領域２１０ｆとの間の粘着力ＦＡ３が、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２よりも大きい（ＦＡ３＞ＦＡ２）ため、積層体１００から搬送フィルム３２０を剥離すると、搬送フィルム３２０の剥離にともに補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐも剥離する。これにより、触媒層付き電解質膜２００は、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆに補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆのみが貼られた状態となる。すなわち、補強フィルムによって補強された触媒層付き電解質膜が完成する。以後、この完成品を触媒層付きフィルム補強電解質膜とも呼ぶ。
【００３６】
以上の説明からわかるように、本実施例の積層体１００は、
（１）搬送フィルム３２０が備える微粘着の程度
（２）電解質膜２１０に形成した触媒電極層２２０の形成方法
（３）触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着条件
の３つが調整されることによって、まず、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２が、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１よりも大きく（ＦＡ２＞ＦＡ１）なっている。そのため、積層体１００から搬送フィルム３２０を剥離したときに、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐが搬送フィルム３２０から剥離することを抑制している。
【００３７】
また、上記（１）〜（３）が調整されることによって、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０との間の粘着力ＦＡ２が、電解質膜２１０外周領域２１０ｆと補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆとの間の粘着力ＦＡ３よりも小さく（ＦＡ２＜ＦＡ３）なっている。そのため、積層体１００から搬送フィルム３２０を剥離したときに、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆが電解質膜２１０の外周領域２１０ｆから剥離することを抑制している。
【００３８】
図６は、従来例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。図６（ａ）に示す触媒層付き電解質膜５００は、本実施例の触媒層付き電解質膜２００と同様の構成を備えている。すなわち、触媒層付き電解質膜５００は、触媒電極層２２０と対応する触媒電極層５２０と、外周領域２１０ｆと対応する外周領域５１０ｆを備えている。補強フィルム６００は、本実施例の補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆと同様の構成を備えている。すなわち、補強フィルム６００は、触媒電極層５２０と対応する形状の開口部を備えた額縁状の単層フィルムである。
【００３９】
従来、触媒層付き電解質膜に補強フィルムを貼り付ける工程では、額縁状の補強フィルム６００の単体を直接、図６（ｂ）のように触媒層付き電解質膜５００の外周領域５１０ｆに貼り付けていた。しかし、この場合、補強フィルム６００と触媒層付き電解質膜５００との位置合わせが難しく、補強フィルム６００に凹凸が発生しやすかった。また、熱圧着時に加熱による寸法変化によって、シワや折れが発生しやすかった。また、補強フィルム６００は、額縁状のため、ロール状に巻き取ることができず、また搬送が容易ではなかった。このように従来の補強フィルム６００は、ハンドリング性が悪かった。
【００４０】
一方、本実施例の本実施例の補強フィルム３１０は、搬送フィルム３２０によって形状が維持されるため、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆに貼り付けるときのハンドリング性がよく、補強フィルム３１０に凹凸が発生しにくい。また、熱圧着時にシワや折れが発生しにくい。また、補強フィルム３１０は、ロール状に巻き取ることができ、搬送も容易となる。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、所定の大きさに裁断された枚葉状の触媒層付き電解質膜２００と、枚葉状の２層フィルム３００との接合方法について説明したが、第２実施例では、未裁断の帯状の触媒層付き電解質膜２００と、帯状の２層フィルム３００との接合方法について説明する。第２実施例の触媒層付き電解質膜２００や帯状の２層フィルム３００は、第１実施例の触媒層付き電解質膜２００や帯状の２層フィルム３００と同じ材料により形成され、形状のみが異なる。
【００４２】
図７は、第２実施例における触媒層付き電解質膜と補強フィルムとの接合方法を説明するための説明図である。図７（ａ）は、２層フィルムのハーフカット工程を例示した説明図である。図７（ｂ）は、触媒層付き電解質膜と２層フィルムとの熱圧着工程を例示した説明図である。図７（ｃ）は、搬送フィルムの剥離工程を例示した説明図である。図７（ａ）に示すように、まず、帯状の２層フィルム３００を図示しないロールから順次引き出し、搬送方向（図７（ａ）矢印方向）に搬送しつつ、搬送路上のロータリーダイカッター７１０によってハーフカットをおこなう。これにより、帯状の２層フィルム３００には、所定の間隔ごとに内側領域３１０ｐが複数形成される。
【００４３】
２層フィルム３００にハーフカットを施した後、図７（ｂ）に示すように、熱圧ロールプレス７２０によって、帯状の２層フィルム３００と帯状の触媒層付き電解質膜２００とを熱圧着する。このとき、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００は、触媒層付き電解質膜２００の触媒電極層２２０の位置と、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐの位置が一致し、電解質膜２１０の外周領域２１０ｆの位置と、補強フィルム３１０の外側領域３１０ｆの位置が一致するように接合される。これにより、２層フィルム３００と触媒層付き電解質膜２００とが接合された積層体１００が形成される。
【００４４】
積層体１００を形成した後、図７（ｃ）に示すように、スリッター７３０によって、積層体１００から搬送フィルム３２０の剥離をおこなう。このとき、搬送フィルム３２０の剥離とともに、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐが剥離する。搬送フィルム３２０と、補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐを剥離した帯状の積層体１００を所定の大きさに順次裁断することによって、触媒層付きフィルム補強電解質膜が完成する。
【００４５】
Ｃ．評価例：
本実施例によって製造された触媒層付きフィルム補強電解質膜についての初期発電性能および耐クロスリーク性についての評価をおこなうため、初期発電性能試験およびサイクル耐久試験をおこなった。評価試験は３つのサンプル（実験例１、比較例１、比較例２）に対してそれぞれおこなった。実施例１の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、第２実施例で示した接合方法を用いて製造した。
【００４６】
比較例１の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、以下の手順で製造した。
（１）帯状の単層の補強フィルムの一方の主面に対して、内側領域の外周のハーフカットを施す。
（２）ハーフカットを施した加工側主面が電解質膜と接するようにして、補強フィルムと触媒層付き電解質膜とを熱圧着する。
（３）熱圧着された補強フィルムに対して、加工側主面と反対側の主面となる表側主面からハーフカットをおこなって、補強フィルムの内側領域を取り除く。
（４）補強フィルムの内側領域が取り除かれた帯状の積層体を枚葉状となるように裁断する。
【００４７】
比較例２の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、上述の比較例（図６）で示した接合方法を用いて製造した。すなわち、単層の額縁形状の補強フィルムを枚葉状の触媒層付き電解質膜に貼り付けることによって製造した。
【００４８】
実施例１、比較例１および比較例２の触媒層付きフィルム補強電解質膜を用いてそれぞれ燃料電池セルを構成し、初期発電性能試験（セル温度８０℃、過加湿条件、電流密度１．０Ａ／ｃｍ２）における出力電位（Ｖ）を測定した。その結果、
実施例１：０．５８６（Ｖ）、比較例１：０．５６９（Ｖ）、比較例２：０．５７４（Ｖ）、となった。
【００４９】
実施例１の出力電位は、比較例１の出力電位よりも高い値となっていることから、本発明に係る接合方法を使用すれば、従来の接合方法を使用した場合よりも、発電性能の高い触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造することができることがわかる。また、実施例１の出力電位は、比較例２の出力電位と同程度の値となっていることから、本発明に係る接合方法を使用すれば、帯状の積層体を順次裁断する連続工程によって触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造した場合であっても、従来の接合方法で非連続的に製造した触媒層付きフィルム補強電解質膜と同程度以上の発電性能を備えていることがわかる。このことから、本発明を適用した連続工程よっても、剥離面のバリや剥離カス等による初期ダメージや、フィルムの複層化によるコンタミの影響は少ないと考えられる。
【００５０】
次に、実施例１、比較例１および比較例２の触媒層付きフィルム補強電解質膜を用いた燃料電池セルに対してサイクル耐久試験を実施し、クロスリークの発生に至るまでの耐久時間（ｈｒ）を測定した。サイクル耐久試験では、セル温度を８０℃とし、開回路状態と電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２となる状態とを９０秒ずつ繰り返した。クロスリークの発生の有無は、触媒層付きフィルム補強電解質膜の一方の主面と接する密閉空間側を加圧し、他方の主面と接する密閉空間側の圧力の上昇の有無から検出した。その結果、各耐久時間は、
実施例１：２３０（ｈｒ）、比較例１：６０（ｈｒ）、比較例２：２１５（ｈｒ）、
となった。
【００５１】
実施例１の耐久時間は、比較例１の耐久時間よりも長いことから、本発明に係る接合方法を使用すれば、従来の接合方法を使用した場合よりも、発電性能の高い触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造することができることがわかる。なお、比較例１の触媒層付きフィルム補強電解質膜は、耐久試験により額縁状の補強フィルムの開口端付近に裂けが生じることによって、６０（ｈｒ）の比較的短時間でクロスリークが生じた。これは、触媒層付きフィルム補強電解質膜の製造時に電解質膜と補強フィルムとの積層体に対して、補強フィルムの表側主面からハーフカットをおこなったときに、刃によって電解質膜に損傷が生じためと考えられる。また、実施例１の耐久時間は、比較例２の耐久時間と同程度となっていることから、本発明に係る接合方法を使用すれば、帯状の積層体を順次裁断する連続工程によって触媒層付きフィルム補強電解質膜を製造した場合であっても、従来の接合方法で非連続的に製造した触媒層付きフィルム補強電解質膜と同程度以上の耐久性を備えていることがわかる。
【００５２】
Ｄ．変形例：
なお、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、例えば次のような変形も可能である。
【００５３】
Ｄ−１．変形例１：
図８は、変形例おける２層フィルムのハーフカット状態を説明するための説明図である。本実施例では、２層フィルム３００のハーフカットは、搬送フィルム３２０に切り込み（カット）を入れず、補強フィルム３１０を２つの領域に分断するように切り込み（カット）を入れるものとして説明したが、図８（ａ）の２層フィルム３００ｂのように、補強フィルム３１０のみではなく、搬送フィルム３２０の一部にも切り込みが設けられてもよい。また、図８（ｂ）に示す層フィルム３００ｃのように、補強フィルム３１０が２つに分断されない程度に切り込みが設けられてもよい。また、２層フィルム３００のハーフカットは、ミシン目状に切り込みが設けられてもよい。
【００５４】
Ｄ−２．変形例２：
本実施例では、触媒層付き電解質膜２００は、電解質膜２１０の一方の主面のみに触媒電極層２２０が形成されているものとして説明したが、触媒層付き電解質膜２００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）のように、電解質膜の両側に触媒電極層が形成されていてもよい。
【００５５】
Ｄ−３．変形例３：
本実施例では、補強フィルム３１０と搬送フィルム３２０により構成された２層のフィルムを使用したが、補強フィルム３１０を一部に含む複層フィルムであれば、２層に限定されず３層以上のフィルムであってもよい。また、実施例では、フィルムによって電解質膜２１０を補強する構成について説明したが、本発明はフィルム以外の補強用面材を電解質膜２１０に接合する方法に対しても適用することができる。
【００５６】
Ｄ−４．変形例４：
本実施例では、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００とを積層したときに、内側領域３１０ｐの外周と触媒電極層２２０と外周とが一致するものとして説明したが、内側領域３１０ｐの外周と触媒電極層２２０と外周とは必ずしも一致しなくてもよい。例えば、内側領域３１０ｐの外周は、触媒電極層２２０の外周の内側もしくは外側に位置してもよい。また、触媒電極層２２０と内側領域３１０ｐはともに矩形形状を有しているものとして説明したが、それぞれ矩形以外の形状を有していてもよい。
【００５７】
Ｄ−５．変形例５：
補強フィルム３１０の内側領域３１０ｐと触媒電極層２２０との間の粘着力ＦＡ１は、電解質膜２１０に形成した触媒電極層２２０の形成方法や、触媒層付き電解質膜２００と２層フィルム３００との熱圧着条件以外の要素によってその粘着力が調整されてもよい。例えば、熱圧プレスの形状を内側領域３１０ｐと対応する部分がプレスされないような形状とすることによって粘着力ＦＡ１を低下させてもよい。
【００５８】
Ｄ−６．変形例６：
本実施例で説明した接合方法を工程の一部に含んだ燃料電池の製造方法としても実現することができる。例えば、まず、ＭＥＡに対して本実施例の接合方法を用いて補強フィルムを貼り付け、補強フィルム付きＭＥＡを製造する。その補強フィルム付きＭＥＡの両側をガス拡散層で挟持し、さらに、その両側を一対のセパレータによって挟持して燃料電池セルを作成する。この燃料電池セルを複数積層することによってスタック構造を有する燃料電池を製造することができる。
【００５９】
なお、ガス拡散層は、多孔質のガス拡散層基材により構成することができる。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。また、ガス拡散層は、撥水性を得るために、ガス拡散層基材が、撥水ペーストによりコーティング（撥水処理）され、撥水層が形成されていてもよい。なお、撥水ペーストとしては、例えば、カーボン粉末と撥水性樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン等）との混合溶液を用いることができる。
【００６０】
また、セパレータは、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成することができる。セパレータとしては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１００…積層体
２００…触媒層付き電解質膜
２１０…電解質膜
２２０…触媒電極層
３００…２層フィルム
３１０…補強フィルム
３２０…搬送フィルム
５００…電解質膜
５２０…触媒電極層
６００…補強フィルム
７１０…ロータリーダイカッター
７２０…熱圧ロールプレス
７３０…スリッター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒電極層を備える電解質膜と、前記電解質膜を補強するための第１のフィルムとの接合方法であって、
前記第１のフィルムと、前記第１のフィルムと異なる第２のフィルムと、を積層した積層フィルムと、前記触媒電極層を備える電解質膜と、を用意する用意工程と、
前記積層フィルムの前記第１のフィルムに設定される内側領域と、前記内側領域の外周部に形成される外側領域との境界に切り込みを設けるカット工程と、
前記外側領域との境界に切り込みが設けられた前記内側領域と前記触媒電極層とを接触させた状態で、前記積層フィルムと前記電解質膜とを熱圧着する圧着工程と、
熱圧着された前記積層フィルムと前記電解質膜の積層体から、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する剥離工程と、を備える接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の接合方法において、
前記用意工程は、主面の一部の領域に触媒電極層が形成されている電解質膜を用意する工程を含み、
前記カット工程は、前記電解質膜に形成されている前記触媒電極層の形状を前記内側領域の形状として前記第１のフィルムに切り込みを入れる工程を含み、
前記剥離工程は、前記電解質膜において前記触媒電極層が形成されていない領域に額縁形状の前記第１のフィルムの前記外側領域を残した状態で、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する工程を含む、接合方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の接合方法において、
前記用意工程において用意する前記触媒電極層を備える電解質膜は、前記触媒電極層の表面に前記電解質膜とは異なる試験用の電解質膜を熱圧着し、前記試験用の電解質膜に対して１８０°剥離試験を実施したときの試験力が５Ｎ／ｍ以下であり、
前記圧着工程において前記積層フィルムと前記電解質膜との熱圧着は、圧着温度が１５０℃以下であり、圧着圧力が２ＭＰａ以下であり、圧着時間が０分より大きく２０分以下である、接合方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接合方法において、
前記第１のフィルムは、ポリエチレンナフタレートにより形成され、
前記第２のフィルムは、ポリエチレンテレフタラートにより形成されている、接合方法。
【請求項５】
燃料電池の製造方法であって、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合方法によって前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜を用意する工程と、
前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜の両側にガス拡散層を配置する工程と、
前記ガス拡散層と前記電解質膜との積層体の両側に一対のセパレータを配置する工程と、を備える燃料電池の製造方法。
【請求項１】
触媒電極層を備える電解質膜と、前記電解質膜を補強するための第１のフィルムとの接合方法であって、
前記第１のフィルムと、前記第１のフィルムと異なる第２のフィルムと、を積層した積層フィルムと、前記触媒電極層を備える電解質膜と、を用意する用意工程と、
前記積層フィルムの前記第１のフィルムに設定される内側領域と、前記内側領域の外周部に形成される外側領域との境界に切り込みを設けるカット工程と、
前記外側領域との境界に切り込みが設けられた前記内側領域と前記触媒電極層とを接触させた状態で、前記積層フィルムと前記電解質膜とを熱圧着する圧着工程と、
熱圧着された前記積層フィルムと前記電解質膜の積層体から、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する剥離工程と、を備える接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の接合方法において、
前記用意工程は、主面の一部の領域に触媒電極層が形成されている電解質膜を用意する工程を含み、
前記カット工程は、前記電解質膜に形成されている前記触媒電極層の形状を前記内側領域の形状として前記第１のフィルムに切り込みを入れる工程を含み、
前記剥離工程は、前記電解質膜において前記触媒電極層が形成されていない領域に額縁形状の前記第１のフィルムの前記外側領域を残した状態で、前記第２のフィルムとともに前記第１のフィルムの前記内側領域を剥離する工程を含む、接合方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の接合方法において、
前記用意工程において用意する前記触媒電極層を備える電解質膜は、前記触媒電極層の表面に前記電解質膜とは異なる試験用の電解質膜を熱圧着し、前記試験用の電解質膜に対して１８０°剥離試験を実施したときの試験力が５Ｎ／ｍ以下であり、
前記圧着工程において前記積層フィルムと前記電解質膜との熱圧着は、圧着温度が１５０℃以下であり、圧着圧力が２ＭＰａ以下であり、圧着時間が０分より大きく２０分以下である、接合方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接合方法において、
前記第１のフィルムは、ポリエチレンナフタレートにより形成され、
前記第２のフィルムは、ポリエチレンテレフタラートにより形成されている、接合方法。
【請求項５】
燃料電池の製造方法であって、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合方法によって前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜を用意する工程と、
前記第１のフィルムが接合された前記電解質膜の両側にガス拡散層を配置する工程と、
前記ガス拡散層と前記電解質膜との積層体の両側に一対のセパレータを配置する工程と、を備える燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３４７１３（Ｐ２０１２−２３４７１３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２６７９（Ｐ２０１１−１０２６７９）
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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