JP2017502457A

JP2017502457A - 補強材を含む膜電極組立体の製造方法

Info

Publication number: JP2017502457A
Application number: JP2016534129A
Authority: JP
Inventors: レミヴァンサン; ジュリアンタルド; デニストランブレー
Original assignee: コミサリアアレネルジアトミクエオウエネルジアルタナティヴ
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2017-01-19
Also published as: US20160380278A1; EP3075020B1; US9972851B2; FR3014247A1; WO2015079189A1; FR3014247B1; EP3075020A1

Abstract

本発明は、第１の側に第１の電極（１１１）及び第２の側に第２の電極（１１２）を有するプロトン交換膜を設け、第１の補強材（１３１）の重複部（１３３）がプロトン交換膜の周縁に重なるとともに、ポリマー材料で形成された第１の補強材の延長部（１３５）がプロトン交換膜を超えて外側に延びるように第１の補強材を配置し、第２の補強材（１３２）の重複部（１３４）がプロトン交換膜の周縁に重なるとともに、第２の補強材の延長部（１３６）がプロトン交換膜を超えて外側に延び、第１の補強材の延長部に重なるように第２の補強材を配置し、接着されない第１及び第２の補強材の延長部の間の接触を維持し、延長部を通る開口部（４０）の境界を定めるとともに、この開口部の端部で延長部を溶接するように、延長部の重なりにレーザ光（２０）を適用する、膜電極組立体（１１０）の製造方法に関する。【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、燃料電池スタックまたは電解槽に使用されるプロトン交換膜（Proton exchange membranes:ＰＥＭｓ）に関する。

燃料電池スタックは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学デバイスである。二水素は、燃料電池スタックの燃料として使用される。スタックの一方の電極で二水素は酸化及びイオン化され、スタックの他方の電極で空気由来の二酸素は減少する。酸素が陽子と反応して減少する結果、化学反応によりカソードで水が生成される。燃料電池スタックの主な利点は、発電箇所において大気汚染化合物の放出を避けているということである。

プロトン交換膜、またはＰＥＭというが、及び、燃料電池スタックは、特に注目すべきコンパクト特性を有している。各セルは、プロトンだけを通過させ、電子を排除する電解質膜を含んでいる。膜は、膜電極組立体（membrane/electrode assembly）、またはＭＥＡというが、を形成するために、第１の側のアノード及び第２の側のカソードを含んでいる。

アノードにおいて、膜を通過するプロトンを生成するために、二水素はイオン化される。この反応により生成された電子は、流動プレートに向かって移動し、その後、電流を形成するためにセルの外部にある電気回路を通って流れる。

燃料電池スタックは、バイポーラプレートと呼ばれるプレートによって分離された複数のセルを含んでもよい。ＭＥＡは、２つのバイポーラプレートの間に配置される。バイポーラプレートは、反応物及び生成物をＭＥＡに向かうように／または離れるように導くための経路及び穴を含んでもよい。プレートはまた導電性であるので、アノードで生成された電子を収集するためのコレクタを形成する。

燃料電池スタックを組み立てるための方法、及び、特に、ＭＥＡを製造するための方法は、燃料電池スタックの性能と寿命に極めて重要である。

米国特許出願公開第２００８／０１０５３５４号明細書は、燃料電池スタックにおける膜電極組立体を組み立てるためのそのような方法を記載している。形成された膜電極組立体は、補強材を含んでいる。各補強材は、電極を取り囲んでいる。補強材は、ポリマーフィルムを基に形成され、例えば、ガス及び冷媒の入り口において、膜電極組立体を補強している。補強材は、流動プレートの流路に対向して配置された種々の流体のための流路を有している。補強材は、膜電極組立体が破損することを避けるように、膜電極組立体の取り扱いを容易にする。補強材は、また、膜の寸法における温度および湿度依存性の変動を制限する。実際には、補強材は、膜電極組立体を劣化させるガス透過現象を制限するために、電極の周縁に重ねられる。

この方法によれば、第１の補強材は、ポリマーフィルムの中央部分に予め開口部を形成することにより製造される。第１の補強材は、一方の側に、感圧性接着剤を含んでいる。膜電極組立体はさらに覆われ、第１の補強材の開口部は、膜電極組立体のちょうど第1の電極上に配置される。第１の補強材は、この第１の電極の周縁を覆う。

第１の補強材と同様に、第２の補強材は適用される。この第２の補強材の開口部は、ちょうど第２の電極上に配置される。この第２の補強材は、第２の電極の周縁を覆う。膜の縁は、それによって二つのポリマーフィルムの間に挟まれている。各ポリマーフィルムは、感圧性接着剤を含んでいる。各フィルムの接着剤は、膜の端部の一方の側であるとともに電極の端部において、他のフィルムの接着剤と接触して配置される。

ホットプレスは、その後、以下のように行われる。すなわち、接着剤は、
−補強材を膜及び電極の端で固定する。
−補強材を相互に固定する。

流路は、その後、流体が流れるようにするために、補強材の周縁に形成される。

第１及び第２のガス拡散層は、その後、それぞれ第１及び第２の電極と接触するように配置される。

複数の理由から、膜の端部は、外側の補強材の端部にまで延びていない。具体的には、より小さな表面積を有する膜は、このように、その有効性に影響を与えることなく、そのコストを低減するために用いられてもよい。また、毛細管作用によって補強材に形成された開口部からの冷媒によって、膜の活性領域を汚染する危険性は制限される。冷媒は、しばしば、水とグリコールの混合物である。
補強材のフィルムの接着剤は、その後、これらのフィルムの固定を確実にするだけでなく、冷媒の流路と、膜の端部と、の間の気密性を確保するため、及び、ガス拡散層を通るガスに対する気密性を確保するためにも機能する。

米国特許出願公開第２００８／０１０５３５４号明細書

このような方法は、燃料電池スタック及び電解槽の両方にとって、複数の欠点がある。接着剤の選択は重要である。また、製造方法は、比較的複雑であり、多数のステップを必要とし、膜電極組立体の不合格につながるおそれがある。

また、燃料電池スタックのために、ガス拡散層は、補強材の開口部に関してまずい位置に配置されるかもしれない。ガス拡散層は、潜在的に、流路の接合部に重なるかもしれず、それによって漏れに至るかもしれない。この問題を克服するために、流路とガス拡散層との間の距離はしばしば大きくされ、燃料電池スタックの容積出力密度を犠牲にされる。
よって、1つまたはそれ以上のこれらの欠点の解決策を提供する補強材を備えた膜電極組立体の製造方法が必要である。

従って、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義されるような、第１の側に第１の電極及び第２の側に第２の電極を有するプロトン交換膜を設け、第１の補強材の重複部が前記プロトン交換膜の周縁に重なるとともに、ポリマー材料で形成された前記第１の補強材の延長部が前記プロトン交換膜を超えて外側に延びるように前記第１の補強材を配置し、第２の補強材の重複部が前記プロトン交換膜の周縁に重なるとともに、前記第２の補強材の延長部が前記プロトン交換膜を超えて外側に延び、前記第１の補強材の前記延長部に重なるように前記第２の補強材を配置し、接着されない前記第１及び前記第２の補強材の前記延長部の間の接触を維持し、前記延長部を通る開口部の境界を定めるとともに、前記開口部の端部で前記延長部を溶接するように、前記延長部の重なりにレーザ光を適用する、膜電極組立体の製造方法に関する。

本発明の他の特徴及び利点は、以下に与えられる記述及び添付の図面の完全に非限定的な表示により明らかとなる。
燃料電池スタックへ適用した特定の場合における本発明の膜電極組立体の製造方法の一例の種々のステップを図示している。燃料電池スタックへ適用した特定の場合における本発明の膜電極組立体の製造方法の一例の種々のステップを図示している。燃料電池スタックへ適用した特定の場合における本発明の膜電極組立体の製造方法の一例の種々のステップを図示している。燃料電池スタックへ適用した特定の場合における本発明の膜電極組立体の製造方法の一例の種々のステップを図示している。燃料電池スタックへ適用した特定の場合における本発明の膜電極組立体の製造方法の一例の種々のステップを図示している。燃料電池スタックへ適用した特定の場合における本発明の膜電極組立体の製造方法の一例の種々のステップを図示している。これらのステップから得られた膜電極組立体の平面図である。

本発明は、意図された構造、特に、燃料電池スタックにおける膜電極組立体の製造方法を一例として詳細に説明される。もちろん、本発明は、意図された他の用途、例えば、電解槽における膜電極組立体の製造方法にも適用される。

図1において、膜電極組立体１１０が設けられている。膜電極組立体１１０は、以下のようなものを含んでいる。
−プロトン交換膜１１３、又はポリマー電解質膜。
−膜１１３の第１の側に位置する第１の電極１１１（例えば、アノード）
−膜１１３の第２の側に位置する第２の電極１１２（例えば、カソード）。

膜１１３は、セル内に存在するガスに対して不透過性でありながらプロトンは透過可能な半透膜を形成する。膜１１３は、電極１１１と電極１１２との間を電子が通過することも妨げる。

この例では、膜１１３の周縁は、電極１１１及び電極１１２を越えて延びている。この例では、電極１１１及び電極１１２は、例えば、一つまたはそれ以上のホットプレス工程により、予め膜１１３に固定されている。

図２において、第１の補強材１３１が適用される。補強材１３１は、重複部１３３と延長部１３５を含んでいる。中央開口部１３７は、ここでは、重複部１３３に形成されている。重複部１３３は、膜１１３の周縁に重なるとともに、延長部１３５は、プロトン交換膜１１３を越えて外側に延びるように、補強材１３１は配置されている。電極１１１は、また、中央開口部１３７を介してアクセス可能であるように、補強材１３１は配置されている。

この例では、補強材１３１は、膜１１３及び電極１１１の両方に接触している。また、重複部１３３が、膜１１３または電極１１１とだけ接するように備え付けられてもよい。

図３において、第２の補強材１３２が適用される。補強材１３２は、重複部１３４と延長部１３６を含んでいる。開口部１３８は、ここでは、重複部１３４に形成されている。重複部１３４は、膜の周縁に重なるとともに、延長部１３６は、プロトン交換膜１１３を超えて外側に延びるように、補強材１３２は配置されている。電極１１２は、中央開口部１３８を介してアクセス可能であるように、補強材１３２は、配置されている。また、延長部１３６は、補強材１３１の延長部１３５上に重畳されている。

この例では、補強材１３２は、膜及び電極１１２の両方に接触されている。また、重複部１３４が、膜または電極１１２とだけ接するように備え付けられてもよい。

燃料電池スタックにおける膜電極組立体１１０を製造するこの方法では、図４に示すように、中央開口部１３７を介して電極１１１と接触したガス拡散層２１（及び潜在的に中央開口部１３８を介して電極１１２と接触したガス拡散層２２）も有利に配置される。ガス拡散層２１は、例えば、ホットプレス工程により、電極１１１に固定されてもよい。このようなホットプレスの場合には、重複部１３３及び重複部１３５は、有利に、膜１１３及び／または電極１１１、１１２にそれぞれ固定される。

補強材１３１に対するガス拡散層２１の端部の位置が有利に決定される。ガス拡散層２１の一つ以上の角部の位置は、例えば、カメラによって決定されてもよい。カメラによる位置の測定は、典型的には、１００μｍのオーダーの測定精度を得ることができる。補強材１３１及び１３２の延長部を通る1つまたはそれ以上の開口部が形成されるべき、ガス拡散層２１の決定された位置に対する位置は、その後の計算により決定される。１つまたはそれ以上の開口部の位置は、例えば、ガス拡散層２１の端部に対して与えられたオフセットを使用して定義される。補強材１３１及び１３２の周囲輪郭が形成されるべき、ガス拡散層２１の決定された位置に対する位置も有利に決定される。有利には、ガス拡散層２１及び２２の位置は、開口部及び／または周囲輪郭の位置を決定するために考慮されてもよい。

このように、開口部並びに補強材１３１及び１３２の周囲輪郭の位置は調整されるので、ガス拡散層２１及び２２の位置が分散することがあっても、ガス拡散層は、補強材１３１及び１３２が接触して配置されたあわせ目に重ならない。このような位置決めは、開口部とガス拡散層との間の距離を、設計段階で抑制できる。膜電極組立体の体積出力密度がそれによって増大する。

図５に示す工程では、延長部１３５及び１３６は、まだ、独立している。延長部１３５及び１３６は、例えば、空気圧アクチュエータのような任意の適切な手段によって接触した状態に維持される。接触した状態に維持された延長部１３５及び１３６は、接着剤なしでもよい。切削ヘッド２によるレーザ光２０は、延長部１３５及び１３６の重なりに適用される。レーザ光２０は、同時に、
−延長部１３５及び１３６の重なりを貫く開口部４０を切断する。そして、
−開口部４０の端部で延長部１３５及び１３６を溶接する。

適切な場合には、開口部４０は、ガス拡散層２１及び／または２２の端部の位置に対して決定された位置で切断される。１つまたはそれ以上の開口部４０は、例えば、冷媒の流れ、ガス状反応物の流れ（または電解槽において電気分解される液体の流れ）、または、膜電極組立体のスタックに対してセンタリングするための要素の通過のために境界が定められる。

このような方法は、補強材１３１及び１３２を固定し、開口部４０の端部における気密性を得るための製造工程数を大幅に低減させる。

また、この方法は、補強材１３１及び１３２を互いに固定し、開口部４０の端部の気密性を確保することへの接着剤の使用を省略することができる。接着剤の不存在は、膜電極組立体１１０の製造コストを低減させ、補強材１３１及び１３２への接着剤の溶媒の適用を避けることができる。また、接着剤が使用される場合と対照的に、そのような方法による開口部４０の形成は、補強材１３１及び１３２の間の固定を弱くしないし、補強材を固定することで、接着剤が溢れて開口部４０の形状を変化させることもない。また、開口部４０の数が多くなるほど、補強材１３１及び１３２の間の結合の機械的強度が大きくなることも特筆すべきである。

図６に示す工程では、延長部１３５及び１３６は、まだ接触した状態に維持される。切削ヘッド２によるレーザ光２０は、延長部１３５及び１３６の重なりに適用される。レーザ光２０は、同時に：
−延長部１３５及び１３６の重なりを通る周囲輪郭１４０を切断する。そして、
−周囲輪郭１４０の端部で延長部１３５及び１３６を溶接する。

このように、この周囲輪郭１４０を切断する工程の間において、補強材１３１及び１３２の周囲輪郭１４０の全周の周りで気密性が得られる。

適切な場合には、周囲輪郭１４０は、ガス拡散層２１及び／または２２の端部の位置に対して決定された位置で切断される。

図７は、周囲輪郭１４０の切断により得られた膜電極組立体１１０の一例の上面図である。

一例では、周囲輪郭１４０は、開口部４０に続いて形成される。しかしながら、１つまたはそれ以上の開口部４０を形成する前に周囲輪郭１４０を形成することも可能である。

補強材１３１及び１３２は、開口部４０によって実施されるガス及び冷媒の入り口において特に膜電極組立体を強化する。補強材１３１及び１３２は、また燃料電池スタックの組み立て中に、膜電極組立体１１０の取り扱いを容易にする。補強材１３１及び１３２は、温度及び湿度に依存する膜１１３の寸法の変動を制限する。

溶接された延長部１３５及び１３６は、膜電極組立体を劣化させる原因となるガス透過現象を制限する。具体的には、開口部４０は、膜１１３を介さずに、延長部１３５及び１３６に形成される。

延長部１３５及び１３６は、レーザビーム２０による切断及び溶接を可能にするためにポリマー材料で形成されている。有利には、ポリマー材料は、ＰＥＴ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、ＰＶＦ（テドラーの商標名）の中から選択される。補強材１３１及び／または補強材１３２は、もちろん１体的に同じ材料で形成されてもよい。

使用される補強材１３１及び１３２は、有利には次のような性質を有している。
−厚さは２０μｍと１００μｍとの間であり、好ましくは４０μｍと６０μｍとの間であり、さらに好ましくは５０μｍである。試験は、そのような厚さがレーザ光２０による切断及び溶接にとって特に好ましいことを示している。
−前記延長部の接触が維持された側の粗さは、３μｍ未満、好ましくは１μm未満である。試験は、そのような粗さが、形成された開口部４０の端部を溶接するのに良好であったことを示している。

５０Ｗと１５０Ｗとの間、好ましくは、１００Ｗの出力のレーザ光は、開口部４０の端部及び／または周囲輪郭１４０の切断／溶接の工程を実施するために特に有利であることが見出されている。レーザ光２０を集光させるためのレンズは、有利には、全く同じ焦点距離を維持しながら、延長部１３５及び１３６の重なりから６ｍｍと８ｍｍとの間の距離に配置されているので、レーザ光の切断領域は増大する。レーザ光の焦点距離は、例えば、４ｍｍと６ｍｍとの間である。

集光レンズと、延長部１３５及び１３６の重なりとの間のそのような距離は、ポリマーフィルムを切断するために使用される距離であって、通常、レーザビーム２０の焦点距離に等しい距離よりも大きい。有利には、レーザ光２０の焦点は、延長部１３５及び１３６の重なった部分の上、１ｍｍと３ｍｍとの間に位置している。次の不等式は使用されてもよく、すなわち、1.2*Df < Dl < 1.5*Df、ここで、Dfは、レーザビーム２０の焦点距離であり、Dlは、集光レンズと重なりとの間の距離である。このようなパラメータは、切断される端部での延長部１３５及び１３６の溶接を引き立てる。

Claims

第１の側に第１の電極（１１１）及び第２の側に第２の電極（１１２）を有するプロトン交換膜を設け、
第１の補強材（１３１）の重複部（１３３）が前記プロトン交換膜の第１の側の周縁に重なるとともに、ポリマー材料で形成された前記第１の補強材の延長部（１３５）が前記プロトン交換膜を超えて外側に延びるように前記第１の補強材を配置し、
第２の補強材（１３２）の重複部（１３４）が前記プロトン交換膜の第２の側の周縁に重なるとともに、前記第２の補強材の延長部（１３６）が前記プロトン交換膜を超えて外側に延び、前記第１の補強材の前記延長部に重なるように前記第２の補強材を配置し、
接着されない前記第１及び前記第２の補強材の前記延長部（１３４、１３６）の間の接触を維持し、前記延長部（１３４、１３６）の重なりを貫く開口部（４０）の境界を定めるとともに、前記開口部の端部で前記延長部を溶接するように、前記延長部の重なりにレーザ光（２０）を適用する、
膜電極組立体（１１０）の製造方法。
前記延長部（１３４、１３６）は、接着剤なしで接触が維持されている請求項１に記載の膜電極組立体の製造方法。
前記ポリマー材料は、ＰＥＴ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ及びＰＶＦのうちから選択される少なくとも１つを含む請求項１または２に記載の膜電極組立体の製造方法。
前記延長部（１３４、１３６）の接触が維持された側は、１μｍ未満の粗さを有している請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜電極組立体の製造方法。
前記補強材１３１及び前記補強材１３２は、２５μｍと１００μｍとの間、好ましくは４０μｍと６０μｍとの間の厚さを有している請求項１〜４のいずれか一項に記載の膜電極組立体の製造方法。
前記レーザ光（２０）の出力は、５０Ｗと１５０Ｗとの間である請求項１〜５のいずれか一項に記載の膜電極組立体の製造方法。
適用される前記レーザ光（２０）の焦点距離は、４ｍｍと６ｍｍとの間である請求項１〜６のいずれか一項に記載の膜電極組立体の製造方法。
適用される前記レーザ光（２０）の焦点は、前記補強材の前記延長部（１３４、１３６）の重なった部分の上、１ｍｍと３ｍｍとの間に位置している請求項７に記載の膜電極組立体の製造方法。
前記第１の補強材（１３１）の前記重複部（１３３）の中央開口部（１３７）を通り前記第１の電極（１１１）に接触するようにガス拡散層（２１）を配置させ、
前記第１の補強材（１３１）に対して、前記ガス拡散層（２１）の端部の位置を決定し、
前記ガス拡散層（２１）の前記端部の位置に対して決定された位置で前記開口部の切断位置を決定し、
決定された前記切断位置に前記開口部（４０）を形成するために用いられる前記レーザ光（２０）を適用する、
工程をさらに有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の膜電極組立体の製造方法。
前記端部の位置の決定は、前記ガス拡散層（２１）を前記第１の電極（１１１）に固定する工程に先んじて行われる請求項９に記載の膜電極組立体の製造方法。
前記延長部を通る周囲輪郭（１４０）を切断し、前記周囲輪郭の端部で前記延長部を溶接するように、前記延長部の重なりに前記レーザ光（２０）を適用する工程をさらに有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の膜電極組立体の製造方法。