JP2002184425A - 燃料電池用の膜電極ユニットの製造方法 - Google Patents
燃料電池用の膜電極ユニットの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ５０μｍを下回る厚さを有するポリマー電解
質膜を膜電極ユニットに加工することためのより確実な
方法を提供すること 【解決手段】 ポリマー電解質膜を有する燃料電池用の
膜電極ユニットを製造するにあたり、前記のポリマー電
解質膜は第１の面で第１の触媒層及び第１の疎水化され
たガス分配層と共に、及び第２の面で第２の触媒層及び
第２の疎水化されたガス分配層と共に強固な結合体を形
成し、前記の触媒層の製造のために、各電極触媒、１種
以上の溶剤、プロトン伝導性イオノマー及び場合により
疎水化剤及び気孔形成剤を含有するインキを使用する燃
料電池用の膜電極ユニットの製造方法において、両方の
触媒層をポリマー電解質膜上に順々に設置するか又は前
記の膜と接触させ、その際、設置又は接触の間に膜のそ
れぞれ反対側の面を支持することを特徴とする燃料電池
用の膜電極ユニットの製造方法。
質膜を膜電極ユニットに加工することためのより確実な
方法を提供すること 【解決手段】 ポリマー電解質膜を有する燃料電池用の
膜電極ユニットを製造するにあたり、前記のポリマー電
解質膜は第１の面で第１の触媒層及び第１の疎水化され
たガス分配層と共に、及び第２の面で第２の触媒層及び
第２の疎水化されたガス分配層と共に強固な結合体を形
成し、前記の触媒層の製造のために、各電極触媒、１種
以上の溶剤、プロトン伝導性イオノマー及び場合により
疎水化剤及び気孔形成剤を含有するインキを使用する燃
料電池用の膜電極ユニットの製造方法において、両方の
触媒層をポリマー電解質膜上に順々に設置するか又は前
記の膜と接触させ、その際、設置又は接触の間に膜のそ
れぞれ反対側の面を支持することを特徴とする燃料電池
用の膜電極ユニットの製造方法。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に膜電極ユニッ
トの連続的製造にも適した燃料電池用の膜電極ユニット
（ＭＥＡ）の製造方法に関する。
トの連続的製造にも適した燃料電池用の膜電極ユニット
（ＭＥＡ）の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】膜電極ユニットは、両面にそれぞれ触媒
層及び前記触媒層上にガス分配層が設けられているポリ
マー電解質膜からなる。触媒層の一方は水素の酸化のた
めのアノードとして構成されており、及び第２の触媒層
は酸素の還元のためのカソードとして構成されている。
ガス分配層は通常炭素繊維紙又は炭素繊維織物からな
り、このガス分配層は反応ガスの反応層への良好な近接
及びセル電流の良好な導出を可能にする。アノード及び
カソード用の触媒層はプロトン伝導性ポリマー及びいわ
ゆる電極触媒を含有し、この触媒はそれぞれの反応（水
素の酸化もしくは酸素の還元）を接触的に促進する。触
媒活性成分として有利に元素の周期表の白金族の金属が
使用される。導電性担体材料の表面上に高度に分散した
形で触媒活性の白金族金属を被着させた多数のいわゆる
担体触媒が使用される。担体材料として微細粒のカーボ
ンブラックが挙げられる。
層及び前記触媒層上にガス分配層が設けられているポリ
マー電解質膜からなる。触媒層の一方は水素の酸化のた
めのアノードとして構成されており、及び第２の触媒層
は酸素の還元のためのカソードとして構成されている。
ガス分配層は通常炭素繊維紙又は炭素繊維織物からな
り、このガス分配層は反応ガスの反応層への良好な近接
及びセル電流の良好な導出を可能にする。アノード及び
カソード用の触媒層はプロトン伝導性ポリマー及びいわ
ゆる電極触媒を含有し、この触媒はそれぞれの反応（水
素の酸化もしくは酸素の還元）を接触的に促進する。触
媒活性成分として有利に元素の周期表の白金族の金属が
使用される。導電性担体材料の表面上に高度に分散した
形で触媒活性の白金族金属を被着させた多数のいわゆる
担体触媒が使用される。担体材料として微細粒のカーボ
ンブラックが挙げられる。
【０００３】ポリマー電解質膜はプロトン伝導性ポリマ
ー材料からなる。この材料は以後短縮してイオノマーと
して表す。スルホン酸基を有するテトラフルオロエチレ
ン−フルオロビニルエーテル−コポリマーを使用するの
が有利である。この材料は、例えばDuPont社の商品名ナ
フィオン（Nafion（Ｒ））として市販されている。しか
しながら他の特にフッ素化されたイオノマー材料、例え
ばスルホン化されたポリエーテルケトン又はアリールケ
トン又はポリベンズイミダゾールも使用できる。燃料電
池中に使用するために、この膜は一般に１０〜２００μ
ｍの厚さを有する。
ー材料からなる。この材料は以後短縮してイオノマーと
して表す。スルホン酸基を有するテトラフルオロエチレ
ン−フルオロビニルエーテル−コポリマーを使用するの
が有利である。この材料は、例えばDuPont社の商品名ナ
フィオン（Nafion（Ｒ））として市販されている。しか
しながら他の特にフッ素化されたイオノマー材料、例え
ばスルホン化されたポリエーテルケトン又はアリールケ
トン又はポリベンズイミダゾールも使用できる。燃料電
池中に使用するために、この膜は一般に１０〜２００μ
ｍの厚さを有する。
【０００４】この触媒層はたいていはペースト状の調製
物を使用して、印刷、ブレード塗布、ローラー塗布又は
吹き付け塗布によりポリマー電解質膜上に設置される。
ペースト状の調製物は以後インキ又は触媒インキとして
表す。この調製物は担体触媒の他に一般に可溶性のプロ
トン伝導性材料、複数の溶剤及び場合により高分散性の
疎水性材料及び気孔形成剤を含有する。この触媒インキ
は使用する溶剤の種類に応じて区別することができる。
主に有機溶剤を含有するインキ及び溶剤として主に水を
使用するインキが存在する。ドイツ国特許出願公開（Ｄ
Ｅ−Ａ１）第１９６１１５１０号明細書は、主に有機溶
剤を含有する触媒インキを記載しており、欧州特許出願
公開（ＥＰ−Ａ１）第０７３１５２０号は溶剤としても
っぱら水を使用する触媒インキを記載している。
物を使用して、印刷、ブレード塗布、ローラー塗布又は
吹き付け塗布によりポリマー電解質膜上に設置される。
ペースト状の調製物は以後インキ又は触媒インキとして
表す。この調製物は担体触媒の他に一般に可溶性のプロ
トン伝導性材料、複数の溶剤及び場合により高分散性の
疎水性材料及び気孔形成剤を含有する。この触媒インキ
は使用する溶剤の種類に応じて区別することができる。
主に有機溶剤を含有するインキ及び溶剤として主に水を
使用するインキが存在する。ドイツ国特許出願公開（Ｄ
Ｅ−Ａ１）第１９６１１５１０号明細書は、主に有機溶
剤を含有する触媒インキを記載しており、欧州特許出願
公開（ＥＰ−Ａ１）第０７３１５２０号は溶剤としても
っぱら水を使用する触媒インキを記載している。
【０００５】ガス分配層は通常９０％までの気孔率を有
する粗大な気孔を有する炭素繊維紙又は炭素繊維織物か
らなる。カソードに生じる反応水がこの気孔系に溜まる
のを回避するために、この材料は疎水性材料、例えばポ
リテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の分散液で含浸
させられる。ＰＴＦＥ−材料を溶融させるために、含浸
に引き続き約３４０〜３７０℃で焼成する。触媒層とガ
ス分配層との間の電気的接触を改善するために、頻繁
に、ガス分配層のそれぞれの触媒層に向かう面を、多孔
性で防水性でかつ同じく導電性であり、さらにある程度
平滑な表面を有している、カーボンブラックとフッ素ポ
リマーとからなるいわゆる均衡層で被覆する。
する粗大な気孔を有する炭素繊維紙又は炭素繊維織物か
らなる。カソードに生じる反応水がこの気孔系に溜まる
のを回避するために、この材料は疎水性材料、例えばポ
リテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の分散液で含浸
させられる。ＰＴＦＥ−材料を溶融させるために、含浸
に引き続き約３４０〜３７０℃で焼成する。触媒層とガ
ス分配層との間の電気的接触を改善するために、頻繁
に、ガス分配層のそれぞれの触媒層に向かう面を、多孔
性で防水性でかつ同じく導電性であり、さらにある程度
平滑な表面を有している、カーボンブラックとフッ素ポ
リマーとからなるいわゆる均衡層で被覆する。
【０００６】燃料電池を電気的エネルギー源として利用
するためには、多数の膜電極ユニットを相互に積層して
配置して燃料電池スタックをにする。個々の膜電極ユニ
ットの間にはいわゆる双極プレートが挿入され、この双
極プレートは相応する通路を介して反応ガスを燃料電池
の電極に供給し、生じる反応生成物を搬出する。さら
に、この双極プレートはセル電流の供給及び導出を行
う。
するためには、多数の膜電極ユニットを相互に積層して
配置して燃料電池スタックをにする。個々の膜電極ユニ
ットの間にはいわゆる双極プレートが挿入され、この双
極プレートは相応する通路を介して反応ガスを燃料電池
の電極に供給し、生じる反応生成物を搬出する。さら
に、この双極プレートはセル電流の供給及び導出を行
う。
【０００７】自動車の電気駆動のためにこの燃料電池を
使用することは、膜電極ユニット用の大規模工業的生産
方法が必要となる。
使用することは、膜電極ユニット用の大規模工業的生産
方法が必要となる。
【０００８】ドイツ国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１
９５０９７４９号明細書には、電極材料、触媒材料及び
固体電解質膜からなる結合体の連続的製造方法が記載さ
れており、この場合、電極材料、触媒材料及び固体電解
質材料を有する触媒粉末から担体上の触媒層を製造す
る。この触媒層の担体上に向かう側は、固体の軟化のた
めに加熱され、加圧しながら固体電解質膜上へドラムを
用いて設置する。この工程は固体電解質膜の両側に対し
て行われるため、この方法は完全な膜電極ユニットを供
給する。触媒層のための担体は、仕上がった膜電極ユニ
ット中でガス分配層として用いられる。
９５０９７４９号明細書には、電極材料、触媒材料及び
固体電解質膜からなる結合体の連続的製造方法が記載さ
れており、この場合、電極材料、触媒材料及び固体電解
質材料を有する触媒粉末から担体上の触媒層を製造す
る。この触媒層の担体上に向かう側は、固体の軟化のた
めに加熱され、加圧しながら固体電解質膜上へドラムを
用いて設置する。この工程は固体電解質膜の両側に対し
て行われるため、この方法は完全な膜電極ユニットを供
給する。触媒層のための担体は、仕上がった膜電極ユニ
ット中でガス分配層として用いられる。
【０００９】ＷＯ９７／５０１４２では、ポリマー電解
質膜を電極で連続的に被覆する方法が記載されており、
この場合、帯状のポリマー膜を白金塩溶液を有する浴に
通す。付着する塩を引き続きガス流中で又はもう一つの
浴中で還元し貴金属にする。この方法は完全な膜電極ユ
ニットを提供しない。
質膜を電極で連続的に被覆する方法が記載されており、
この場合、帯状のポリマー膜を白金塩溶液を有する浴に
通す。付着する塩を引き続きガス流中で又はもう一つの
浴中で還元し貴金属にする。この方法は完全な膜電極ユ
ニットを提供しない。
【００１０】ＷＯ９７／２３９１６では、同様に材料結
合体の連続的製造方法が記載されており、この場合、材
料結合体は複数の機能性材料からなる。この結合体は例
えば燃料電池に使用することができる。触媒層の製造の
ために、触媒材料を含有する特に液状の調製物（触媒イ
ンキ）を使用することができる。
合体の連続的製造方法が記載されており、この場合、材
料結合体は複数の機能性材料からなる。この結合体は例
えば燃料電池に使用することができる。触媒層の製造の
ために、触媒材料を含有する特に液状の調製物（触媒イ
ンキ）を使用することができる。
【００１１】さらに、ＷＯ９７／２３９１９では膜電極
ユニットの製造方法を記載しており、ポリマー電解質
膜、電極層及びガス分配層の結合体は連続的にロール法
（Walzverfahren）で実施される。
ユニットの製造方法を記載しており、ポリマー電解質
膜、電極層及びガス分配層の結合体は連続的にロール法
（Walzverfahren）で実施される。
【００１２】米国特許第６０７４６９２号明細書は、同
様に、相応する触媒インキを使用してポリマー電解質膜
の両面を同時に触媒層で被覆する連続的方法を記載して
いるが、ガス分配層は設置していない。
様に、相応する触媒インキを使用してポリマー電解質膜
の両面を同時に触媒層で被覆する連続的方法を記載して
いるが、ガス分配層は設置していない。
【００１３】膜電極ユニットの電気化学的出力は特にポ
リマー電解質膜の厚さに依存する。この膜が薄くなれば
それだけその電気抵抗は少なくなる。現在では５０〜１
００μｍの厚さを有する膜が膜電極ユニット用に使用さ
れる。この膜はその厚さが薄くなると共に次第に取扱が
困難になるため、部分的に片面支持シートを用いて供給
される。
リマー電解質膜の厚さに依存する。この膜が薄くなれば
それだけその電気抵抗は少なくなる。現在では５０〜１
００μｍの厚さを有する膜が膜電極ユニット用に使用さ
れる。この膜はその厚さが薄くなると共に次第に取扱が
困難になるため、部分的に片面支持シートを用いて供給
される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、特に
５０μｍを下回る厚さを有するポリマー電解質膜を膜電
極ユニットに加工することためのより確実な方法を提供
することであった。
５０μｍを下回る厚さを有するポリマー電解質膜を膜電
極ユニットに加工することためのより確実な方法を提供
することであった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】前記課題は、ポリマー電
解質膜を有する燃料電池用の膜電極ユニットを製造する
にあたり、前記ポリマー電解質膜は第１の面で第１の触
媒層及び第１の疎水化されたガス分配層と共に及び第２
の面で第２の触媒層及び第２の疎水化されたガス分配層
と共に強固な結合体を形成し、その際、触媒層の製造の
ために、それぞれの電極触媒、１以上の溶剤、プロトン
伝導性のイオノマー及び場合により疎水化剤及び気孔形
成剤を含有するインキを使用する、ポリマー電解質膜を
有する燃料電池用の膜電極ユニットの製造方法により解
決される。この方法は、両方の触媒層をポリマー電解質
膜上に順々に設置するか又はポリマー電解質膜と接触さ
せ、その際、設置又は接触の間に膜のそれぞれの反対側
の面を支持することを特徴とする。
解質膜を有する燃料電池用の膜電極ユニットを製造する
にあたり、前記ポリマー電解質膜は第１の面で第１の触
媒層及び第１の疎水化されたガス分配層と共に及び第２
の面で第２の触媒層及び第２の疎水化されたガス分配層
と共に強固な結合体を形成し、その際、触媒層の製造の
ために、それぞれの電極触媒、１以上の溶剤、プロトン
伝導性のイオノマー及び場合により疎水化剤及び気孔形
成剤を含有するインキを使用する、ポリマー電解質膜を
有する燃料電池用の膜電極ユニットの製造方法により解
決される。この方法は、両方の触媒層をポリマー電解質
膜上に順々に設置するか又はポリマー電解質膜と接触さ
せ、その際、設置又は接触の間に膜のそれぞれの反対側
の面を支持することを特徴とする。
【００１６】この方法は、ポリマー電解質膜とその両面
に設置された電極とからなる膜電極ユニットの製造に関
する。このポリマー電解質膜は以後短縮して膜として表
す。この膜はプロトン伝導性イオノマーからなり、特定
の厚さを有する。この膜は主に２つの向かい合う面によ
り規定され、この面に膜電極ユニットの電極を設置す
る。膜の２つの向かい合う面は本発明の範囲内で膜の第
１の面及び第２の面として表す。膜電極ユニットの電極
は触媒層、及び、高多孔性の導電性炭素繊維織物又は炭
素繊維紙からなるいわゆるガス分配層を有する。このガ
ス分配層の厚さは通常１００〜４００μｍの間にある。
アノード用の湿潤水及びカソードで反応水が気孔に溜ま
るのを回避するため、並びに反応媒体を触媒層へ供給及
び搬出を保障するために、ガス分配層は疎水化されてい
る。この疎水化はＰＴＦＥ分散液（例えばDyneon社のHo
staflon TF5235）で含浸し、乾燥し及び３４０℃を上回
る温度で焼成することにより行われる。
に設置された電極とからなる膜電極ユニットの製造に関
する。このポリマー電解質膜は以後短縮して膜として表
す。この膜はプロトン伝導性イオノマーからなり、特定
の厚さを有する。この膜は主に２つの向かい合う面によ
り規定され、この面に膜電極ユニットの電極を設置す
る。膜の２つの向かい合う面は本発明の範囲内で膜の第
１の面及び第２の面として表す。膜電極ユニットの電極
は触媒層、及び、高多孔性の導電性炭素繊維織物又は炭
素繊維紙からなるいわゆるガス分配層を有する。このガ
ス分配層の厚さは通常１００〜４００μｍの間にある。
アノード用の湿潤水及びカソードで反応水が気孔に溜ま
るのを回避するため、並びに反応媒体を触媒層へ供給及
び搬出を保障するために、ガス分配層は疎水化されてい
る。この疎水化はＰＴＦＥ分散液（例えばDyneon社のHo
staflon TF5235）で含浸し、乾燥し及び３４０℃を上回
る温度で焼成することにより行われる。
【００１７】膜の両面の電極は相互に異なることができ
る。これは異なる触媒層並びに異なるガス分配層を有す
ることができる。従って、本発明の範囲内で第１の触媒
層及び第２の触媒層並びに第１のガス分配層及び第２の
ガス分配層は相互に異なる。アノードガス分配層は、カ
ソードガス分配層よりもより高いＰＴＦＥ濃度を有する
のが有利である。アノードガス分配層中のＰＴＦＥ濃度
は、カソードガス分配層中のＰＴＦＥ濃度の約２倍高い
のが有利である。アノードガス分配層用のＰＴＦＥの典
型的な濃度は１６質量％であり、カソードガス分配層用
は８質量％である。
る。これは異なる触媒層並びに異なるガス分配層を有す
ることができる。従って、本発明の範囲内で第１の触媒
層及び第２の触媒層並びに第１のガス分配層及び第２の
ガス分配層は相互に異なる。アノードガス分配層は、カ
ソードガス分配層よりもより高いＰＴＦＥ濃度を有する
のが有利である。アノードガス分配層中のＰＴＦＥ濃度
は、カソードガス分配層中のＰＴＦＥ濃度の約２倍高い
のが有利である。アノードガス分配層用のＰＴＦＥの典
型的な濃度は１６質量％であり、カソードガス分配層用
は８質量％である。
【００１８】触媒層は多孔性であり、それぞれの電極触
媒、一般に貴金属担体触媒、例えばカソード用にカーボ
ンブラック上の白金（Ｐｔ／Ｃ）及びアノード用にカー
ボンブラック上の白金及びルテニウム（ＰｔＲｕ／Ｃ）
及びプロトン伝導性イオノマーからなる。貴金属担体触
媒の代わりに又はこれと組み合わせて貴金属黒粉（Edel
metall-Mohr）を使用することもできる。触媒層の製造
のために貴金属触媒及びイオノマーを溶剤の使用下で注
意深く混合してペーストにする。このペーストを以後イ
ンキとして表す。触媒インキはさらになお気孔形成剤及
び疎水化剤、例えばＰＴＦＥ分散液を含有することがで
きる。本発明の範囲内で、主に、つまりインキの総質量
に対して５０質量％より多くの有機溶剤を含有するイン
キと、主に水を含有するようなインキとは区別される。
主に有機溶剤を含有するインキは例えばドイツ国特許出
願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９６１１５１０号明細書及び
ドイツ国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９８１０４８
５号明細書及びドイツ国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第
１９８３７６６９号明細書に記載されている。「水性」
インキは、欧州特許出願公開（ＥＰ−Ａ１）及び公開前
のドイツ国特許出願Ｐ１００３７０７４．８号明細書に
開示されている。
媒、一般に貴金属担体触媒、例えばカソード用にカーボ
ンブラック上の白金（Ｐｔ／Ｃ）及びアノード用にカー
ボンブラック上の白金及びルテニウム（ＰｔＲｕ／Ｃ）
及びプロトン伝導性イオノマーからなる。貴金属担体触
媒の代わりに又はこれと組み合わせて貴金属黒粉（Edel
metall-Mohr）を使用することもできる。触媒層の製造
のために貴金属触媒及びイオノマーを溶剤の使用下で注
意深く混合してペーストにする。このペーストを以後イ
ンキとして表す。触媒インキはさらになお気孔形成剤及
び疎水化剤、例えばＰＴＦＥ分散液を含有することがで
きる。本発明の範囲内で、主に、つまりインキの総質量
に対して５０質量％より多くの有機溶剤を含有するイン
キと、主に水を含有するようなインキとは区別される。
主に有機溶剤を含有するインキは例えばドイツ国特許出
願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９６１１５１０号明細書及び
ドイツ国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９８１０４８
５号明細書及びドイツ国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第
１９８３７６６９号明細書に記載されている。「水性」
インキは、欧州特許出願公開（ＥＰ−Ａ１）及び公開前
のドイツ国特許出願Ｐ１００３７０７４．８号明細書に
開示されている。
【００１９】触媒層はインキの使用下で、印刷、刷毛塗
り、吹き付け塗布又は他の公知の被覆技術によって膜上
に設置することができる。この場合、本発明の範囲内で
膜の被覆という。その後にガス分配層を触媒層と接触さ
せる。これとは別に、触媒層をガス分配層上に設置し、
引き続きこの触媒層を膜上に載置することもできる。こ
の場合、以後触媒層と膜との接触という。
り、吹き付け塗布又は他の公知の被覆技術によって膜上
に設置することができる。この場合、本発明の範囲内で
膜の被覆という。その後にガス分配層を触媒層と接触さ
せる。これとは別に、触媒層をガス分配層上に設置し、
引き続きこの触媒層を膜上に載置することもできる。こ
の場合、以後触媒層と膜との接触という。
【００２０】本発明による方法において重要であるの
は、反対側の面を触媒層で被覆するか又は触媒層と接触
させる場合に、ポリマー電解質膜がそれぞれ一方の面で
支持されていることである。それにより、膜は少なくと
も後の電極の領域内で支持体と共に少なくとも一時的に
固体の結合体を形成することを意味する。この支持体は
反対側を触媒層で被覆する間に膜の反りを十分に抑制す
るという課題を有する。従って、この支持体は方法にお
いて使用する溶剤に対して安定性でなければならず、溶
剤によりわずかに膨潤を有するだけでなければならな
い。一時的な支持体は例えばポリエステルからなる支持
シート（支持シートの厚さは約５０〜１００μｍ）であ
り、この支持シートは第１の触媒層の設置の間この膜を
安定化し、かつ第２の触媒層の設置の前に取り外され
る。第２の触媒層の設置の際に、第１の触媒層上に設置
されたガス分配層が支持体の機能を果たすことができ
る。このため、第２の触媒層の設置の前に、膜、第１の
触媒層及び第１のガス分配層の間に固体の結合体が製造
される必要がある。
は、反対側の面を触媒層で被覆するか又は触媒層と接触
させる場合に、ポリマー電解質膜がそれぞれ一方の面で
支持されていることである。それにより、膜は少なくと
も後の電極の領域内で支持体と共に少なくとも一時的に
固体の結合体を形成することを意味する。この支持体は
反対側を触媒層で被覆する間に膜の反りを十分に抑制す
るという課題を有する。従って、この支持体は方法にお
いて使用する溶剤に対して安定性でなければならず、溶
剤によりわずかに膨潤を有するだけでなければならな
い。一時的な支持体は例えばポリエステルからなる支持
シート（支持シートの厚さは約５０〜１００μｍ）であ
り、この支持シートは第１の触媒層の設置の間この膜を
安定化し、かつ第２の触媒層の設置の前に取り外され
る。第２の触媒層の設置の際に、第１の触媒層上に設置
されたガス分配層が支持体の機能を果たすことができ
る。このため、第２の触媒層の設置の前に、膜、第１の
触媒層及び第１のガス分配層の間に固体の結合体が製造
される必要がある。
【００２１】この方法の実施のために、第１の面が自由
に近接可能でありかつ第２の面が支持シートより支持さ
れている膜から出発するのが有利である。この方法はこ
の場合次の工程を有する： ａ） 膜の第１の面に第１の触媒層及び第１の疎水化さ
れたガス分配層からなる結合体を製造する工程、 ｂ） 膜の第２の面から支持シートを除去する工程、 ｃ） 膜の第２の面に第２の触媒層及び第２のガス分配
層からなる結合体を製造する工程。
に近接可能でありかつ第２の面が支持シートより支持さ
れている膜から出発するのが有利である。この方法はこ
の場合次の工程を有する： ａ） 膜の第１の面に第１の触媒層及び第１の疎水化さ
れたガス分配層からなる結合体を製造する工程、 ｂ） 膜の第２の面から支持シートを除去する工程、 ｃ） 膜の第２の面に第２の触媒層及び第２のガス分配
層からなる結合体を製造する工程。
【００２２】この方法の特別な実施態様において、方法
工程ａ）は次の工程から構成される： ａ１） 膜の第１の面を第１のインキを使用して第１の
触媒層で被覆する工程、及び ａ２） なお湿った触媒層上に第１のガス分配層を載置
しかつこの結合体を乾燥する工程。
工程ａ）は次の工程から構成される： ａ１） 膜の第１の面を第１のインキを使用して第１の
触媒層で被覆する工程、及び ａ２） なお湿った触媒層上に第１のガス分配層を載置
しかつこの結合体を乾燥する工程。
【００２３】この場合、第１の触媒層の製造のために主
に有機溶剤を含有するインキを使用するのが有利であ
る。この有機溶剤は水をベースとするインキよりも膜を
より強く膨潤させる。このより強い膨潤は、膜と触媒層
との間の結合をさらに改善する。この理由から、本発明
の範囲内で、膜に触媒層を直接被覆する全ての方法工程
では主に有機溶剤を含有するインキを使用する。
に有機溶剤を含有するインキを使用するのが有利であ
る。この有機溶剤は水をベースとするインキよりも膜を
より強く膨潤させる。このより強い膨潤は、膜と触媒層
との間の結合をさらに改善する。この理由から、本発明
の範囲内で、膜に触媒層を直接被覆する全ての方法工程
では主に有機溶剤を含有するインキを使用する。
【００２４】結合体の乾燥は、５０〜１００、有利に７
０℃の温度で行い、膜、第１の触媒層及び第１のガス分
配層間に強固な結合体が生じる。乾燥後にこの結合体は
水浴中で高めた温度で、有利に８０℃で潅水させ、場合
によりなお完全に除去されていない溶剤を触媒層から洗
い流す。
０℃の温度で行い、膜、第１の触媒層及び第１のガス分
配層間に強固な結合体が生じる。乾燥後にこの結合体は
水浴中で高めた温度で、有利に８０℃で潅水させ、場合
によりなお完全に除去されていない溶剤を触媒層から洗
い流す。
【００２５】方法工程ｃ）は工程ａ）と同様に２つの方
法から構成される、つまり次の工程から構成される： ｃ１） 膜の第２の面を第２のインキを使用して第２の
触媒層で被覆する工程、及び ｃ２） なお湿った触媒層上に第２のガス分配層を載置
しかつこの結合体を乾燥する工程。
法から構成される、つまり次の工程から構成される： ｃ１） 膜の第２の面を第２のインキを使用して第２の
触媒層で被覆する工程、及び ｃ２） なお湿った触媒層上に第２のガス分配層を載置
しかつこの結合体を乾燥する工程。
【００２６】この場合でも、第２の触媒層の製造のため
に主に有機溶剤を含有するインキを使用するのが推奨さ
れる。
に主に有機溶剤を含有するインキを使用するのが推奨さ
れる。
【００２７】触媒層で膜を被覆することに関して上記し
た対称的方法の代わりに、若干の適用の場合には、第２
の触媒層を膜に直接設置するのではなく、第２の触媒層
をまず第２のガス分配層に設置し、次いでなお湿った触
媒層を膜の第２の面に載置するのが有利である。従っ
て、この方法工程ｃ３）及びｃ４）は次のようになる： ｃ３） 第２のガス分配層を、第２のインキを使用して
第２の触媒層で被覆し、及び ｃ４） 膜の第２の面になお湿った触媒層を載置しかつ
この結合体を乾燥する。
た対称的方法の代わりに、若干の適用の場合には、第２
の触媒層を膜に直接設置するのではなく、第２の触媒層
をまず第２のガス分配層に設置し、次いでなお湿った触
媒層を膜の第２の面に載置するのが有利である。従っ
て、この方法工程ｃ３）及びｃ４）は次のようになる： ｃ３） 第２のガス分配層を、第２のインキを使用して
第２の触媒層で被覆し、及び ｃ４） 膜の第２の面になお湿った触媒層を載置しかつ
この結合体を乾燥する。
【００２８】この方法の場合、第２の触媒層の製造のた
めに溶剤として主に水を含有するインキを使用するのが
有利である。それにより、疎水性のガス分配層の被覆の
際にインクがガス分配層の気孔系に侵入せず、後の燃料
電池の出力に不利な影響を及ぼすことを阻止する。
めに溶剤として主に水を含有するインキを使用するのが
有利である。それにより、疎水性のガス分配層の被覆の
際にインクがガス分配層の気孔系に侵入せず、後の燃料
電池の出力に不利な影響を及ぼすことを阻止する。
【００２９】上記のように、有機溶剤ベースのインキを
使用して両方の触媒層で膜を対称的に直接被覆する場合
に、まず最初に後のアノードに対する触媒層又は後のカ
ソードに対する触媒層を設置しても、最終的な燃料電池
の出力には影響ない。それに対して、非対称の方法バリ
エーションの場合には、方法の工程ａ）においてアノー
ド触媒ではなくカソード触媒をポリマー電解質膜に直接
設置する場合に最終的な燃料電池はより良好な電気的出
力を示すことが観察された。このアノード触媒はつまり
この場合工程ｃ）において第２のガス分配層上に設置さ
れる。
使用して両方の触媒層で膜を対称的に直接被覆する場合
に、まず最初に後のアノードに対する触媒層又は後のカ
ソードに対する触媒層を設置しても、最終的な燃料電池
の出力には影響ない。それに対して、非対称の方法バリ
エーションの場合には、方法の工程ａ）においてアノー
ド触媒ではなくカソード触媒をポリマー電解質膜に直接
設置する場合に最終的な燃料電池はより良好な電気的出
力を示すことが観察された。このアノード触媒はつまり
この場合工程ｃ）において第２のガス分配層上に設置さ
れる。
【００３０】もう一つの方法バリエーションの場合、方
法工程ｃ）は次の工程ｃ５）及びｃ６）から構成され
る： ｃ５） 第２のガス分配層を第２のインキを使用して第
２の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程及び ｃ６） 膜の第２の面に前記の触媒層を載置する工程 ｄ） 全体の結合体を高めた温度でプレスする工程。
法工程ｃ）は次の工程ｃ５）及びｃ６）から構成され
る： ｃ５） 第２のガス分配層を第２のインキを使用して第
２の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程及び ｃ６） 膜の第２の面に前記の触媒層を載置する工程 ｄ） 全体の結合体を高めた温度でプレスする工程。
【００３１】このバリエーションは、第２のガス分配層
を先行する作業工程において第２の触媒層で被覆し、後
の使用のためにここで提案された方法において中間貯蔵
することができる。膜との結合体はこの場合、圧力及び
温度の適用により製造される。適用すべき圧力は有利に
１〜１００ｂａｒである。良好な結果は７０ｂａｒの圧
力で、１３０℃の温度で達成される。
を先行する作業工程において第２の触媒層で被覆し、後
の使用のためにここで提案された方法において中間貯蔵
することができる。膜との結合体はこの場合、圧力及び
温度の適用により製造される。適用すべき圧力は有利に
１〜１００ｂａｒである。良好な結果は７０ｂａｒの圧
力で、１３０℃の温度で達成される。
【００３２】この場合にも、触媒インキについての溶剤
の選択に関してなされた記載及びアノード−及びカソー
ド触媒の設置の順序に関する記載が通用する。
の選択に関してなされた記載及びアノード−及びカソー
ド触媒の設置の順序に関する記載が通用する。
【００３３】膜と第２の触媒で被覆された第２のガス分
配層との間の結合体の製造のために圧力及び温度の適用
は、第２の触媒層をイオノマー溶液で湿らせる場合に行
わなくてもよい。この場合、結合体の製造のために高め
た温度での乾燥工程が必要なだけである。
配層との間の結合体の製造のために圧力及び温度の適用
は、第２の触媒層をイオノマー溶液で湿らせる場合に行
わなくてもよい。この場合、結合体の製造のために高め
た温度での乾燥工程が必要なだけである。
【００３４】この方法は、この場合、両方の触媒層をま
ずそれぞれのガス分配層上に設置し、その後で膜との結
合体を製造することに拡張できる。この方法バリエーシ
ョンの場合、従って、方法工程ａ）及びｃ）が次の工程
から構成される： ａ３） 第１のガス分配層を第１のインキを使用して第
１の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程、 ａ４） 第１の触媒層を有機イオノマー溶液で湿らせる
工程、 ａ５） 膜の第１の面に湿らせた第１の触媒層を載置し
かつこの結合体を乾燥する工程、 ｃ７） 第２のガス分配層を第２のインキを使用して第
２の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程、 ｃ８） 第２の触媒層を有機イオノマー溶液で湿らせる
工程及び ｃ９） 膜の第２の面に湿らせた第２の触媒層を載置
し、この結合体を乾燥する工程。
ずそれぞれのガス分配層上に設置し、その後で膜との結
合体を製造することに拡張できる。この方法バリエーシ
ョンの場合、従って、方法工程ａ）及びｃ）が次の工程
から構成される： ａ３） 第１のガス分配層を第１のインキを使用して第
１の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程、 ａ４） 第１の触媒層を有機イオノマー溶液で湿らせる
工程、 ａ５） 膜の第１の面に湿らせた第１の触媒層を載置し
かつこの結合体を乾燥する工程、 ｃ７） 第２のガス分配層を第２のインキを使用して第
２の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程、 ｃ８） 第２の触媒層を有機イオノマー溶液で湿らせる
工程及び ｃ９） 膜の第２の面に湿らせた第２の触媒層を載置
し、この結合体を乾燥する工程。
【００３５】疎水化されたガス分配層に触媒層を直接被
覆するため、この場合、溶剤として主に水を含有するイ
ンキを使用することが推奨される。
覆するため、この場合、溶剤として主に水を含有するイ
ンキを使用することが推奨される。
【００３６】ガス分配層と触媒層との結合を改善するた
めに、疎水化されたガス分配層は触媒層と接触される面
に炭素含有の疎水化された均衡層を設けることが有利で
ある。均衡層の作成のために、カーボンブラックとＰＴ
ＦＥとからなるペーストを使用し、これをガス分配層上
に設置した後に乾燥し、焼成する。ＰＴＦＥを溶融させ
るこの焼成の際に、３４０〜３７０℃の温度が適用され
る。
めに、疎水化されたガス分配層は触媒層と接触される面
に炭素含有の疎水化された均衡層を設けることが有利で
ある。均衡層の作成のために、カーボンブラックとＰＴ
ＦＥとからなるペーストを使用し、これをガス分配層上
に設置した後に乾燥し、焼成する。ＰＴＦＥを溶融させ
るこの焼成の際に、３４０〜３７０℃の温度が適用され
る。
【００３７】さらに、触媒層の設置の前又は触媒層との
接触の前に膜を水又は有機溶剤中であらかじめ膨潤させ
る場合が触媒層と膜との間の結合にとって有利である。
接触の前に膜を水又は有機溶剤中であらかじめ膨潤させ
る場合が触媒層と膜との間の結合にとって有利である。
【００３８】この提案された方法は、使用すべき電解質
膜が５０μｍより薄い厚さを有する場合に燃料電池の膜
電極ユニットの個々の製造のために適している。しかし
ながら、この方法の利点は、薄い膜を用いて膜電極ユニ
ットを簡単に製造する点で、連続的な製造方法に移行さ
せる場合に特に有利である。
膜が５０μｍより薄い厚さを有する場合に燃料電池の膜
電極ユニットの個々の製造のために適している。しかし
ながら、この方法の利点は、薄い膜を用いて膜電極ユニ
ットを簡単に製造する点で、連続的な製造方法に移行さ
せる場合に特に有利である。
【００３９】提案された方法は次に実施例及び図面を用
いて詳細に説明する。
いて詳細に説明する。
【００４０】図１及び２は、提案された方法により製造
することができる膜電極ユニットの２つの異なる実施態
様である。触媒層は図面中でそれぞれ符号（１）及び
（２）で示されている。
することができる膜電極ユニットの２つの異なる実施態
様である。触媒層は図面中でそれぞれ符号（１）及び
（２）で示されている。
【００４１】図１は膜電極ユニットを示し、これは膜を
触媒層及びガス分配層と全面接触させた場合に得られ
る。これは例えば簡単な連続的プロセスにより作成でき
る。膜及びガス分配層はこの場合ロール状製品として使
用され、全面で触媒層で被覆され、相互に結合してい
る。この場合得られた、膜、触媒層及びガス分配層から
なる帯状のラミネートを引き続き所望の膜電極ユニット
のサイズに裁断する。燃料電池を組み立てる前に、膜電
極ユニットは取り囲む周辺区域（図１においてＲで示
す）においてポリマー又は接着剤で含浸させることによ
り密閉し、反応ガスが横方向へ漏れ出るのを防止する。
触媒層及びガス分配層と全面接触させた場合に得られ
る。これは例えば簡単な連続的プロセスにより作成でき
る。膜及びガス分配層はこの場合ロール状製品として使
用され、全面で触媒層で被覆され、相互に結合してい
る。この場合得られた、膜、触媒層及びガス分配層から
なる帯状のラミネートを引き続き所望の膜電極ユニット
のサイズに裁断する。燃料電池を組み立てる前に、膜電
極ユニットは取り囲む周辺区域（図１においてＲで示
す）においてポリマー又は接着剤で含浸させることによ
り密閉し、反応ガスが横方向へ漏れ出るのを防止する。
【００４２】図２は、膜が設置された触媒層及びガス分
配層よりも大きく、取り巻く周辺部（図２においてＲで
示す）が形成されている膜電極ユニットを示す。
配層よりも大きく、取り巻く周辺部（図２においてＲで
示す）が形成されている膜電極ユニットを示す。
【００４３】燃料電池を組み立てる前に、周辺部Ｒに封
止材を設置することにより膜電極ユニットを密封する。
提案された方法により図２に示す膜電極ユニットを連続
的に作成するために、帯状の膜上で燃料電池のために必
要な面積内で触媒層を印刷技術、例えばスクリーン印刷
を用いて設置し、ガス分配層をシートフィーダを用いて
触媒層に正確に適合するように載置し、触媒層との結合
体を製造しなければならない。
止材を設置することにより膜電極ユニットを密封する。
提案された方法により図２に示す膜電極ユニットを連続
的に作成するために、帯状の膜上で燃料電池のために必
要な面積内で触媒層を印刷技術、例えばスクリーン印刷
を用いて設置し、ガス分配層をシートフィーダを用いて
触媒層に正確に適合するように載置し、触媒層との結合
体を製造しなければならない。
【００４４】提案された方法を膜電極ユニットの連続的
製造に適用することを図３により詳説する。図３は特許
請求の範囲により定義された方法による膜電極ユニット
の連続的製造補ための製造装置の例示した構成を示すだ
けである。（３）により図３において支持体シートで支
持された帯状のポリマー電解質膜を表し、これはロール
（１０）により巻き出され、膜電極ユニットの製造後に
ロール（１１）により巻き取られる。（４）により膜の
自由に接近可能な第１の面を表し、第２の面はラミネー
トされた支持シートにより保護されている。（２０）〜
（２５）により処理ステーションを表し、この中で実現
化すべき方法に応じて多様な処理が行われる。
製造に適用することを図３により詳説する。図３は特許
請求の範囲により定義された方法による膜電極ユニット
の連続的製造補ための製造装置の例示した構成を示すだ
けである。（３）により図３において支持体シートで支
持された帯状のポリマー電解質膜を表し、これはロール
（１０）により巻き出され、膜電極ユニットの製造後に
ロール（１１）により巻き取られる。（４）により膜の
自由に接近可能な第１の面を表し、第２の面はラミネー
トされた支持シートにより保護されている。（２０）〜
（２５）により処理ステーションを表し、この中で実現
化すべき方法に応じて多様な処理が行われる。
【００４５】この方法の可能な実施態様において、支持
された膜を処理ステーション（２０）内でまず水浴中で
あらかじめ膨潤し、その後、自由に近接可能な第１の面
（４）上を第１の触媒層で全面被覆する。この処理の
間、この膜は膜の第２の面上の支持シートにより支持さ
れる。第１のガス分配層を帯状製品としてロール（１
２）から巻き出し、変向ドラム（１３）を用いてなお湿
った触媒層上に載置する。処理ステーション（２１）中
では、この触媒層を約７０℃の温度で乾燥させ、それに
より膜の第１の面、第１の触媒層及び第１のガス分配層
の間に結合体が製造される。
された膜を処理ステーション（２０）内でまず水浴中で
あらかじめ膨潤し、その後、自由に近接可能な第１の面
（４）上を第１の触媒層で全面被覆する。この処理の
間、この膜は膜の第２の面上の支持シートにより支持さ
れる。第１のガス分配層を帯状製品としてロール（１
２）から巻き出し、変向ドラム（１３）を用いてなお湿
った触媒層上に載置する。処理ステーション（２１）中
では、この触媒層を約７０℃の温度で乾燥させ、それに
より膜の第１の面、第１の触媒層及び第１のガス分配層
の間に結合体が製造される。
【００４６】この方法の所望の製造深さに応じて、ガス
分配層を処理ステーション（２４）中で疎水化し、及び
場合により均衡層を設置するか又は疎水化剤及び場合に
より均衡層を用いてあらかじめ完成させたロール状製品
としてロール（１２）からこの方法に供給することがで
きる。
分配層を処理ステーション（２４）中で疎水化し、及び
場合により均衡層を設置するか又は疎水化剤及び場合に
より均衡層を用いてあらかじめ完成させたロール状製品
としてロール（１２）からこの方法に供給することがで
きる。
【００４７】膜、第１の触媒層及び第１のガス分配層の
間に結合体を製造することにより、この膜を第１の面で
支持する。従って、膜の第２の面の支持シートを変向ド
ラム（１４）を用いて膜から取り外し、ロール（１５）
に巻き取る。その後、処理ステーション（２２）中で第
２の触媒層を膜の第２の面に設置する。この被覆の間
に、膜は第１のガス分配層を用いてすでに製造された結
合体により支持される。変向ドラム（１７）により第２
のガス分配層をなお湿った第２の触媒層上に載置する。
処理ステーション（２３）中で第２の触媒層を約７０℃
で乾燥することにより、膜、第２の触媒層及び第２のガ
ス分配層の間の結合体を製造する。
間に結合体を製造することにより、この膜を第１の面で
支持する。従って、膜の第２の面の支持シートを変向ド
ラム（１４）を用いて膜から取り外し、ロール（１５）
に巻き取る。その後、処理ステーション（２２）中で第
２の触媒層を膜の第２の面に設置する。この被覆の間
に、膜は第１のガス分配層を用いてすでに製造された結
合体により支持される。変向ドラム（１７）により第２
のガス分配層をなお湿った第２の触媒層上に載置する。
処理ステーション（２３）中で第２の触媒層を約７０℃
で乾燥することにより、膜、第２の触媒層及び第２のガ
ス分配層の間の結合体を製造する。
【００４８】第２のガス分配層は帯状の形でロール（１
６）から巻き出される。第１のガス分配層の場合と同様
に、第２のガス分配層はあらかじめ完成させてロール
（１６）から巻き出すか又はロール状の炭素紙又は炭素
繊維から疎水化により及び場合により均衡層で被覆する
ことにより処理ステーション（２５）中で製造すること
ができる。
６）から巻き出される。第１のガス分配層の場合と同様
に、第２のガス分配層はあらかじめ完成させてロール
（１６）から巻き出すか又はロール状の炭素紙又は炭素
繊維から疎水化により及び場合により均衡層で被覆する
ことにより処理ステーション（２５）中で製造すること
ができる。
【００４９】図３の製造装置は特許請求の範囲内で、前
記した方法の多様な変更が可能である。第２の触媒層を
膜の第２の面に直接設置する必要はない。むしろ請求項
７に従って、第２の触媒層をガス分配層上に印刷し、次
いでなお湿った状態で膜と接触させることができる。こ
の場合には、ガス分配層用の処理ステーション（２５）
は第２の触媒をガス分配層上に設置することも内容とす
る。
記した方法の多様な変更が可能である。第２の触媒層を
膜の第２の面に直接設置する必要はない。むしろ請求項
７に従って、第２の触媒層をガス分配層上に印刷し、次
いでなお湿った状態で膜と接触させることができる。こ
の場合には、ガス分配層用の処理ステーション（２５）
は第２の触媒をガス分配層上に設置することも内容とす
る。
【００５０】同様に両方のガス分配層は先行する製造工
程でそれぞれの触媒層で被覆し、乾燥することができ
る。この触媒を設置したガス分配層をロール状製品（ロ
ール（１２）及び（１６））として図３の製造装置に供
給する。処理ステーション（２４）及び（２５）中で触
媒層を有機イオノマー溶液で湿らせ、引き続きドラム
（１３）及び（１７）を用いて膜上に載置する。処理ス
テーション（２１）及び（２３）は乾燥ステーションを
有するだけである。処理ステーション（２２）は無くて
もよく、処理ステーション（２０）はこの場合、膜の予
備膨潤のための水浴を有するだけである。
程でそれぞれの触媒層で被覆し、乾燥することができ
る。この触媒を設置したガス分配層をロール状製品（ロ
ール（１２）及び（１６））として図３の製造装置に供
給する。処理ステーション（２４）及び（２５）中で触
媒層を有機イオノマー溶液で湿らせ、引き続きドラム
（１３）及び（１７）を用いて膜上に載置する。処理ス
テーション（２１）及び（２３）は乾燥ステーションを
有するだけである。処理ステーション（２２）は無くて
もよく、処理ステーション（２０）はこの場合、膜の予
備膨潤のための水浴を有するだけである。
【００５１】図３の製造装置を用いて図２に示した膜電
極ユニットを製造する場合、触媒層は所望のパターンで
膜上に設置される。一方で部材（１２）、（１３）及び
（２４）を用いて、かつ他方で部材（１６）、（１７）
及び（２５）を用いたガス分配層の供給は、あらかじめ
裁断されたガス分配層の適当なシートフィーダに代えら
れ、この裁断されたガス分配層を触媒層上に正確に適合
するように載置する。
極ユニットを製造する場合、触媒層は所望のパターンで
膜上に設置される。一方で部材（１２）、（１３）及び
（２４）を用いて、かつ他方で部材（１６）、（１７）
及び（２５）を用いたガス分配層の供給は、あらかじめ
裁断されたガス分配層の適当なシートフィーダに代えら
れ、この裁断されたガス分配層を触媒層上に正確に適合
するように載置する。
【００５２】これとは別に、すでに触媒で被覆されかつ
裁断されたガス分配層を使用することができ、このガス
分配層は膜上に載置する前にイオノマーの有機溶液で湿
らせ、それによりイオノマー溶液の乾燥後に膜と触媒付
与したガス分配層との間に強固な結合体が製造される。
裁断されたガス分配層を使用することができ、このガス
分配層は膜上に載置する前にイオノマーの有機溶液で湿
らせ、それによりイオノマー溶液の乾燥後に膜と触媒付
与したガス分配層との間に強固な結合体が製造される。
【００５３】
【実施例】次の例により本発明による方法をさらに詳説
する。
する。
【００５４】例１：提案された方法により膜電極ユニッ
トを製造するために、次の組成を有する触媒インキを製
造する： カソードインキの組成： Ｐｔ担体触媒（カーボンブラック上Ｐｔ４０質量％、Dmc２社） １３．０ｇ Nafion（Ｒ）溶液（水中１０質量％） ４１．０ ｇ 水（脱塩水） ３６．０ｇ ジプロピレングリコール １０．０ｇ １００．０ｇ アノードインキの組成： ＰｔＲｕ担体触媒（カーボンブラック上ＰｔＲｕ４０質量％：Ｐｔ ２６．４ 質量％、Ｒｕ １３．６質量％；ＵＳ６００７９３４による触媒） １１．０ｇ Nafion（Ｒ）溶液（ジプロピレングリコール（ＰＧ）中１０質量％） ３６． ０ｇ 水（脱塩水） １１ｇ ジプロピレングリコール ４２．０ｇ １００．０ｇ 上記のカソードインキは溶剤として主に水を含有し、ア
ノードインキは溶剤として主にジプロピレングリコール
を含有する。
トを製造するために、次の組成を有する触媒インキを製
造する： カソードインキの組成： Ｐｔ担体触媒（カーボンブラック上Ｐｔ４０質量％、Dmc２社） １３．０ｇ Nafion（Ｒ）溶液（水中１０質量％） ４１．０ ｇ 水（脱塩水） ３６．０ｇ ジプロピレングリコール １０．０ｇ １００．０ｇ アノードインキの組成： ＰｔＲｕ担体触媒（カーボンブラック上ＰｔＲｕ４０質量％：Ｐｔ ２６．４ 質量％、Ｒｕ １３．６質量％；ＵＳ６００７９３４による触媒） １１．０ｇ Nafion（Ｒ）溶液（ジプロピレングリコール（ＰＧ）中１０質量％） ３６． ０ｇ 水（脱塩水） １１ｇ ジプロピレングリコール ４２．０ｇ １００．０ｇ 上記のカソードインキは溶剤として主に水を含有し、ア
ノードインキは溶剤として主にジプロピレングリコール
を含有する。
【００５５】ジプロピレングリコール中のNafion溶液
（Nafion：プロトン形のスルホン酸基を有するテトラフ
ルオロエチレン−フルオロビニルエーテル−コポリマ
ー）を、市販の低沸点アルコール中のNafion溶液（DuPo
nt社）からアルコールを留去し、ジプロピレングリコー
ル中のNafionの溶液を製造する。この溶液中に触媒を懸
濁させる。
（Nafion：プロトン形のスルホン酸基を有するテトラフ
ルオロエチレン−フルオロビニルエーテル−コポリマ
ー）を、市販の低沸点アルコール中のNafion溶液（DuPo
nt社）からアルコールを留去し、ジプロピレングリコー
ル中のNafionの溶液を製造する。この溶液中に触媒を懸
濁させる。
【００５６】一方の面がポリエステルからなるラミネー
トされたシートにより支持されている３０μｍの厚さの
ポリマー電解質膜を、まず自由に接近可能な面にアノー
ドインキで被覆した。まだ湿っているアノード層上に疎
水化した炭素繊維紙（TorarTGPH-060;厚さ２００μｍ）
を載置した。その後、膜、アノード層及びガス分配層の
間の結合体を７０℃と９０℃で２段階の乾燥により製造
した。引き続きこの結合体を８０℃の熱水中で潅水し
た。最終的なアノード層の白金負荷量は０．２１ｍｇ
Ｐｔ／ｃｍ２であった。
トされたシートにより支持されている３０μｍの厚さの
ポリマー電解質膜を、まず自由に接近可能な面にアノー
ドインキで被覆した。まだ湿っているアノード層上に疎
水化した炭素繊維紙（TorarTGPH-060;厚さ２００μｍ）
を載置した。その後、膜、アノード層及びガス分配層の
間の結合体を７０℃と９０℃で２段階の乾燥により製造
した。引き続きこの結合体を８０℃の熱水中で潅水し
た。最終的なアノード層の白金負荷量は０．２１ｍｇ
Ｐｔ／ｃｍ２であった。
【００５７】別の作業工程で、第２のガス分配層（疎水
化された炭素繊維紙；Toray TGPH-060）をカソードイン
キで被覆し、７０℃と９０℃との２段階で乾燥した。引
き続きこのカソード層を支持シートの除去後に膜の第２
の面上に載置し、この結合体を１３０℃及び７０ｂａｒ
の圧力でのホットプレスにより製造した。この触媒層は
０．３７ｍｇ／ｃｍ２の白金負荷量を示した。
化された炭素繊維紙；Toray TGPH-060）をカソードイン
キで被覆し、７０℃と９０℃との２段階で乾燥した。引
き続きこのカソード層を支持シートの除去後に膜の第２
の面上に載置し、この結合体を１３０℃及び７０ｂａｒ
の圧力でのホットプレスにより製造した。この触媒層は
０．３７ｍｇ／ｃｍ２の白金負荷量を示した。
【００５８】例２：この例中では、カソードインキを主
に有機溶剤（ジプロピレングリコール）で調製し、アノ
ードインキを主に水で調製した。これらのインキの組成
は次の表に示した。
に有機溶剤（ジプロピレングリコール）で調製し、アノ
ードインキを主に水で調製した。これらのインキの組成
は次の表に示した。
【００５９】 カソードインキの組成： Ｐｔ担体触媒（カーボンブラック上Ｐｔ４０質量％、Degussa-Huels社） １１．０ｇ Nafion（Ｒ）溶液（ジプロピレングリコール（ＰＧ）中１０質量％） ３６．０ｇ 水（脱塩水） １１ｇ ジプロピレングリコール ４２．０ｇ １００．０ｇ アノードインキの組成： ＰｔＲｕ担体触媒（カーボンブラック上ＰｔＲｕ４０質量％：Ｐｔ ２６．４ 質量％、Ｒｕ １３．６質量％；ＵＳ６００７９３４による触媒） １１．０ｇ Nafion（Ｒ）溶液（水中１０質量％） ４１．０ ｇ 水（脱塩水） ３６．０ｇ ジプロピレングリコール １０．０ｇ １００．０ｇ 一方の面がポリエステルからなるラミネートされたシー
トにより支持されている３０μｍの厚さのポリマー電解
質膜を、まず自由に接近可能な面にカソードインキで被
覆した。まだ湿っているカソード層上に疎水化した炭素
繊維紙（TorarTGPH-060）を載置した。その後、膜、カ
ソード層及びガス分配層の間の結合体を７０℃と９０℃
で２段階の乾燥により製造した。引き続きこの結合体を
８０℃の熱水中で潅水した。最終的なカソード層の白金
負荷量は０．２６ｍｇ Ｐｔ／ｃｍ２であった。
トにより支持されている３０μｍの厚さのポリマー電解
質膜を、まず自由に接近可能な面にカソードインキで被
覆した。まだ湿っているカソード層上に疎水化した炭素
繊維紙（TorarTGPH-060）を載置した。その後、膜、カ
ソード層及びガス分配層の間の結合体を７０℃と９０℃
で２段階の乾燥により製造した。引き続きこの結合体を
８０℃の熱水中で潅水した。最終的なカソード層の白金
負荷量は０．２６ｍｇ Ｐｔ／ｃｍ２であった。
【００６０】別の作業工程で、第２のガス分配層（疎水
化された炭素繊維紙；Toray TGPH-060）をアノードイン
キで被覆し、７０℃と９０℃との２段階で乾燥した。引
き続きこのアノード層を支持シートの除去後に膜の第２
の面上に載置し、この結合体を１３０℃及び７０ｂａｒ
の圧力でのホットプレスにより製造した。この触媒層は
０．２６ｍｇ／ｃｍ２の白金負荷量を示した。
化された炭素繊維紙；Toray TGPH-060）をアノードイン
キで被覆し、７０℃と９０℃との２段階で乾燥した。引
き続きこのアノード層を支持シートの除去後に膜の第２
の面上に載置し、この結合体を１３０℃及び７０ｂａｒ
の圧力でのホットプレスにより製造した。この触媒層は
０．２６ｍｇ／ｃｍ２の白金負荷量を示した。
【００６１】電気化学的試験 例１及び例２により製造した膜電極ユニットを、５０ｃ
ｍ２の活性セル面積でＰＥＭ−燃料電池−試験セルに取
り付けた。
ｍ２の活性セル面積でＰＥＭ−燃料電池−試験セルに取
り付けた。
【００６２】出力テストの場合、アノードガスとしてＨ
２ ４５％、Ｎ２ ３１％、ＣＯ２２１％、ＣＯ ５０
ｐｐｍのガス混合物を、３％の空気のエアブリードを用
いて使用した。カソードガスとして空気を使用した。セ
ル温度は７０℃であった。アノードの湿潤を８５℃で、
カソードの湿潤を５５℃で行った。運転ガスの圧力は１
ｂａｒ（絶対）であった。ガスの化学量論は１．１（ア
ノードガス）及び２．０（カソードガス）であった。
２ ４５％、Ｎ２ ３１％、ＣＯ２２１％、ＣＯ ５０
ｐｐｍのガス混合物を、３％の空気のエアブリードを用
いて使用した。カソードガスとして空気を使用した。セ
ル温度は７０℃であった。アノードの湿潤を８５℃で、
カソードの湿潤を５５℃で行った。運転ガスの圧力は１
ｂａｒ（絶対）であった。ガスの化学量論は１．１（ア
ノードガス）及び２．０（カソードガス）であった。
【００６３】電流密度に依存する空気運転で測定したセ
ル電圧を図４に示した。ポリマー膜をカソード側（例
２）に直接被覆した場合に、セルの出力データは全体の
電流密度領域にわたり、アノード側（例１）に直接被覆
した場合よりも良好であることが明らかである。この効
果は、例２の触媒インキの貴金属負荷量が例１のものよ
りも少ないのでよりいっそう有効である。触媒インキの
溶剤によって、ポリマー膜に直接被覆する場合にポリマ
ー膜はあらかじめ膨潤し、この膨潤が隣接する触媒粒子
の良好な包み込みもしくは接触を生じさせる。カソード
での過電圧ポテンシャルにより水素を用いて運転する燃
料電池の著しい出力損失のために、触媒と膜との間の改
善された結合のセル出力に関する影響はカソード触媒の
場合がアノード触媒の場合よりも大きい。
ル電圧を図４に示した。ポリマー膜をカソード側（例
２）に直接被覆した場合に、セルの出力データは全体の
電流密度領域にわたり、アノード側（例１）に直接被覆
した場合よりも良好であることが明らかである。この効
果は、例２の触媒インキの貴金属負荷量が例１のものよ
りも少ないのでよりいっそう有効である。触媒インキの
溶剤によって、ポリマー膜に直接被覆する場合にポリマ
ー膜はあらかじめ膨潤し、この膨潤が隣接する触媒粒子
の良好な包み込みもしくは接触を生じさせる。カソード
での過電圧ポテンシャルにより水素を用いて運転する燃
料電池の著しい出力損失のために、触媒と膜との間の改
善された結合のセル出力に関する影響はカソード触媒の
場合がアノード触媒の場合よりも大きい。
【図１】張り出している膜がない膜電極ユニットの構造
の断面図
の断面図
【図２】張りだしている膜がある膜電極ユニットの構造
の断面図
の断面図
【図３】膜電極ユニットの連続的製造のための原則的な
装置を示す略図
装置を示す略図
【図４】本発明により製造された膜電極ユニットの電気
化学的出力をグラフで示す図
化学的出力をグラフで示す図
１，２ 触媒層、 ３ ポリマー電解質膜、 ４ 膜の
第１の面、 ５ 膜の第２の面、 １０，１１，１２，
１５，１６ ロール、 １３，１４，１７ ドラム、
２０，２１，２２，２３，２４，２５ 処理ステーショ
ン
第１の面、 ５ 膜の第２の面、 １０，１１，１２，
１５，１６ ロール、 １３，１４，１７ ドラム、
２０，２１，２２，２３，２４，２５ 処理ステーショ
ン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カール−アントン シュタルツ ドイツ連邦共和国 ローデンバッハ アド ルフ−ライヒヴァイン−シュトラーセ 12 (72)発明者 ザンドラ ヴィットパール ドイツ連邦共和国 オーベルツハウゼン ビルケンヴァルトシュトラーセ 20ベー (72)発明者 マンフレート ディール ドイツ連邦共和国 フランクフルト ツォ イレッカー 40 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB03 BB06 BB08 BB12 CC06 EE03 EE08 EE18 HH08 5H026 AA06 BB01 BB02 BB03 BB04 EE05 EE18 HH08
Claims (21)
- 【請求項１】 ポリマー電解質膜を有する燃料電池用の
膜電極ユニットを製造するにあたり、前記のポリマー電
解質膜は第１の面で第１の触媒層及び第１の疎水化され
たガス分配層と共に、及び第２の面で第２の触媒層及び
第２の疎水化されたガス分配層と共に強固な結合体を形
成し、前記の触媒層の製造のために、各電極触媒、１種
以上の溶剤、プロトン伝導性イオノマー及び場合により
疎水化剤及び気孔形成剤を含有するインキを使用する燃
料電池用の膜電極ユニットの製造方法において、両方の
触媒層をポリマー電解質膜上に順々に設置するか又は前
記の膜と接触させ、その際、設置又は接触の間に膜のそ
れぞれ反対側の面を支持することを特徴とする燃料電池
用の膜電極ユニットの製造方法。 - 【請求項２】 第１の面が自由に接近可能でありかつ第
２の面が支持シートにより支持されているポリマー電解
質膜を使用し、かつ次の工程： ａ） 膜の第１の面に第１の触媒層及び第１の疎水化さ
れたガス分配層からなる結合体を製造する工程 ｂ） 膜の第２の面から支持シートを除去する工程 ｃ） 膜の第２の面に第２の触媒層及び第２のガス分配
層からなる結合体を製造する工程 を有する、請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 方法工程ａ）が次の工程 ａ１） 膜の第１の面を第１のインキを使用して第１の
触媒層で被覆する工程、及び ａ２） なお湿った触媒層上に第１のガス分配層を載置
しかつこの結合体を乾燥する工程 から構成される、請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 第１の触媒層を製造するためのインキは
主に有機溶剤を含有する、請求項３記載の方法。 - 【請求項５】 方法工程ｃ）が次の工程： ｃ１） 膜の第２の面を第２のインキを使用して第２の
触媒層で被覆する工程、及び ｃ２） なお湿った触媒層上に第２のガス分配層を載置
しかつこの結合体を乾燥する工程 から構成される、請求項４記載の方法。 - 【請求項６】 第２の触媒層を製造するためのインキは
主に有機溶剤を含有する、請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 方法工程ｃ）が次の工程： ｃ３） 第２のガス分配層を第２のインキを使用して第
２の触媒層で被覆する工程、及び ｃ４） 膜の第２の面になお湿った触媒層を載置しかつ
この結合体を乾燥する工程 から構成される、請求項４記載の方法。 - 【請求項８】 第２の触媒層を製造するためのインキは
溶剤として主に水を含有する、請求項７記載の方法。 - 【請求項９】 第１の触媒層が膜電極ユニットのカソー
ドを形成し、第２の触媒層が膜電極ユニットのアノード
を形成する、請求項８記載の方法。 - 【請求項１０】 方法工程ｃ）が次の工程： ｃ５） 第２のガス分配層を第２のインキを使用して第
２の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程及び ｃ６） 膜の第２の面に前記の触媒層を載置する工程 ｄ） 全体の結合体を高めた温度でプレスする工程 から構成される、請求項４記載の方法。 - 【請求項１１】 第２の触媒層を製造するためのインキ
は溶剤として主に水を含有する、請求項１０記載の方
法。 - 【請求項１２】 第１の触媒層が膜電極ユニットのカソ
ードを形成し、第２の触媒層が膜電極ユニットのアノー
ドを形成する、請求項１１記載の方法。 - 【請求項１３】 方法工程ａ）及びｃ）が次の工程 ａ３） 第１のガス分配層を第１のインキを使用して第
１の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程、 ａ４） 第１の触媒層を有機イオノマー溶液で湿らせる
工程、 ａ５） 膜の第１の面に湿らせた第１の触媒層を載置し
かつこの結合体を乾燥する工程、 ｃ７） 第２のガス分配層を第２のインキを使用して第
２の触媒層で被覆し、前記被覆を乾燥する工程、 ｃ８） 第２の触媒層を有機イオノマー溶液で湿らせる
工程及び ｃ９） 膜の第２の面に湿らせた第２の触媒層を載置し
かつこの結合体を乾燥する工程 から構成される、請求項２記載の方法。 - 【請求項１４】 触媒層の製造のためのインキは溶剤と
して主に水を含有する、請求項１３記載の方法。 - 【請求項１５】 ガス分配層を、それぞれの触媒層と接
触させる前に炭素を含有する疎水性均衡層で被覆する、
請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。 - 【請求項１６】 触媒層を高めた温度で乾燥させた後に
潅水させる、請求項１５記載の方法。 - 【請求項１７】 ポリマー電解質膜及びガス分配層をロ
ール状製品の形で使用し、全体の方法進行を連続的に行
う、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。 - 【請求項１８】 触媒層を高めた温度で乾燥させた後に
潅水させる、請求項１７記載の方法。 - 【請求項１９】 触媒層を、吹き付け、刷毛塗り又は印
刷によりポリマー電解質膜に設置しかつガス分配層を設
置する、請求項１記載の方法。 - 【請求項２０】 触媒層を、燃料電池のために必要な面
積で帯状のポリマー電解質膜上にスクリーン印刷を用い
て設置し、ガス分配層を触媒層上に正確に適合するよう
にシートフィーダを用いて載置する、請求項１記載の方
法。 - 【請求項２１】 ポリマー電解質膜を触媒層の設置又は
接触の前に水又は有機溶剤中で予備膨潤させる、請求項
１記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10050467.1 | 2000-10-12 | ||
| DE10050467A DE10050467A1 (de) | 2000-10-12 | 2000-10-12 | Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit für Brennstoffzellen |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002184425A true JP2002184425A (ja) | 2002-06-28 |
| JP3847597B2 JP3847597B2 (ja) | 2006-11-22 |
Family
ID=7659488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001315878A Expired - Fee Related JP3847597B2 (ja) | 2000-10-12 | 2001-10-12 | 燃料電池用の膜電極ユニットの製造方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1198021B1 (ja) |
| JP (1) | JP3847597B2 (ja) |
| KR (1) | KR100741299B1 (ja) |
| BR (1) | BR0104520B1 (ja) |
| CA (1) | CA2358636C (ja) |
| DE (1) | DE10050467A1 (ja) |
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