JP2005322531A - 印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法の提供。
【解決手段】 洗浄し裁断したイオン交換膜を薄板基板上に位置決めし、さらに薄板基板をスクリーン印刷台上に置く。選定した印刷板材を該スクリーン印刷台のスクリーン固定フレームに固定する。スキージで触媒剤に印刷板材パターン上を均一に被覆させ、更に印刷板材パターンを被覆した触媒剤を薄板基板上に置いたイオン交換膜に印刷する。スクリーン印刷完成後に、イオン交換膜を加熱板上に置いて摂氏７０度から８０度に加熱し、イオン交換膜を平坦に回復させてイオン交換膜上に均一な触媒層を形成する。完成したイオン交換膜に熱圧工程を実行した後、裁断した拡散層カーボンクロスをイオン交換膜の正反両面の触媒層上に置いて陽極気体拡散層及び陰極気体拡散層となし、以上で膜電極アセンブリの製造を完成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は一種の燃料電池の膜電極アセンブリの製造方法に係り、特に、印刷技術を用いた燃料電池の膜電極アセンブリの製造方法であり、イオン交換膜及び両極触媒層の一般のスプレーコーティング工程中での膨張及び亀裂の問題を克服する方法に関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は電気化学反応により、直接水素含有燃料と空気を利用して電力を発生させる装置である。燃料電池は低汚染、高効率、高エネルギー密度等の長所を有するために、近年、各国で研究開発と推奨の対象となっている。

燃料電池の構造は一般に複数層の基本構造で組成されている。その中間層はイオンを伝送するイオン交換膜であり、イオン交換膜の両側が触媒層とされ、陽極と陰極の電気化学反応は該触媒層で行なわれる。二層の触媒層の外側は気体拡散層とされ、ほとんどは良好な排水性を具えたカーボンペーパー或いはカーボンクロス材料で製造され、陽極と陰極の反応物はこの二層の拡散層より触媒反応層に至り、生成物もまたこの二層を通り拡散排出される。二層の拡散層の外側は導流板とされ、ほとんどはカーボンプレート、金属板或いは複合石墨繊維板を加工して形成され、その拡散層との隣接側に気体導流溝が設けられ、陽極と陰極の反応物と生成物がこの二層の導流板を通り燃料電池を出入りする。上述の燃料電池の基本構造により電池ユニットが形成される。

図１は典型的なイオン交換膜燃料電池ユニットの側面図である。この燃料電池ユニット１は膜電極アセンブリ１０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を具え、それはイオン交換膜１１、陽極触媒層１２、及び陰極触媒層１３で構成されている。膜電極アセンブリ１０の陽極は陽極気体拡散層２と陽極導流板３を具え、膜電極アセンブリの陰極は陰極気体拡散層４と陰極導流板５を具えている。

図２に示されるように、実際の応用中、燃料電池セット１００は複数の燃料電池ユニット１が結合され、並びに陽極集電板６１、陽極端板６２、陰極集電板６３、陰極端板６４、及び複数のシールパッキングと固定部品が組み合わされてなる。このほか、実用化された燃料電池セット１００中、該陽極端板６２の外側に空気入口７１ａと空気出口７１ｂが設けられて、燃料電池セット１００の反応に必要な酸素ガスの供給に用いられる。該陽極端板６２の外側には更に水素ガス入口７２ａと水素ガス出口７２ｂが設けられ、燃料電池セット１００の反応に必要な水素ガスの供給に用いられる。該陽極端板６２の外部には更に冷却剤入口７３ａと冷却剤出口７３ｂが設けられ、これにより燃料電池セット１００が適当な温度下で操作されうる。

前述のイオン交換膜燃料電池の組成構造中、膜電極アセンブリは全体の燃料電池セット中で最も重要な部品であり、その陽極触媒層と陰極触媒層がイオン交換膜の両側に均一に形成されているか否かが、該膜電極アセンブリが応用性能を発揮できるか否かの鍵を握る。膜電極アセンブリの製造時には、その材料が比較的脆弱であり、材料コストも高いため、製造工程の設計もまた極めて重要である。

周知の各種の膜電極アセンブリ製造方法中、一部の製造方法は、工程の安定性の面で理想的でなく、触媒剤のスプレーコーティング工程で局部重複コーティングの現象が発生しやすく、工程時間を掌握しにくく、且つ厚さが不均一となる現象が発生し、このため製造された膜電極アセンブリの触媒層の局部の厚さ誤差が大きくなり、厚さと面積の制御が容易でない等の欠点を有している。また一部の周知の製造方法は、比較的良好な品質を達成するが、自動化生産に不適合で、産業上の利用性が低い。

更に膜電極アセンブリの触媒剤スプレーコーティング工程で、イオン交換膜が触媒剤スプレーコーティング後に、触媒剤内の溶剤を吸収して膨張（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象を発生し、この現象により触媒層に亀裂が発生する問題がある。

良好な特性の膜電極アセンブリを製造し、触媒剤に発生する膨張亀裂の問題を克服するために各種の技術が研究されている。例えば特許文献１には、溶剤でイオン交換膜を処理する燃料電池の製造方法が記載され、高分子膜コーティング時に変形しやすい問題を克服するものとされる。その採用する方法によると、先ずイオン交換膜を溶剤中に浸すか或いは先にアルコール類等の溶剤を用いてイオン交換膜のプレ膨張処理を行ない、イオン交換膜を十分に膨張させる。次に、触媒スラリーを均一にイオン交換膜の表面に塗布し、この時、高分子膜は変形しない。更に触媒スラリーをベークしてイオン交換膜を均一に収縮させ、ベーク時にコーティング後の高分子膜を均一に収縮させて良好な膜電極アセンブリ製品を得る。最後に、触媒層をコーティングしたイオン交換膜を二つの拡散層の間に挟み、並びに熱圧して燃料電池の膜電極アセンブリを完成する。

また、特許文献２には、溶剤でイオン交換膜を処理する燃料電池製造方法が記載され、その方法によると、アルコール類等の溶剤で燃料電池の電解質膜を膨張処理し、その後、更に触媒スラリーをその両表面にスプレーコーティングし、更に触媒層をコーティングした電解質膜を二つの拡散層の間に挟み、並びに熱圧ベークし、燃料電池の膜電極アセンブリを完成する。この周知の技術中、更に二種類の異なるアルコール類溶剤でツーステップの浸漬を行ない該電解質膜の膨張処理を完成し、それによると、先ず高揮発性モノアルコール類溶剤にある時間浸漬させた後、低揮発性多価アルコールに浸漬させる。そのうち高揮発性モノアルコールは、メタノール、エタノール、アセトン或いはその混合物とされ、低揮発性多価アルコールは、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、グリセリン、或いはその混合物とされる。

しかし、これらの周知の技術は、事実上、膜電極アセンブリの触媒剤が発生する膨張と亀裂の問題に対する有効な改善がなされていない。且つその技術を採用する時、イオン交換膜は多種類のアルコール類溶剤でプレ膨張処理され、品質制御面で容易でなく、製造方法は産業上の利用価値を有するとは言えない。

台湾特許公告第４４７１６０号明細書 台湾特許公告第５２９１９５号明細書

本発明の主要な目的は、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの新規な製造方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、燃料電池膜電極アセンブリの安定した製造方法を提供し、全体の膜電極アセンブリの製造工程にあって、膜電極アセンブリの触媒層の局部厚さ誤差を小さくし、厚さと面積の制御を容易とすることにある。

本発明のまた別の目的は、燃料電池膜電極アセンブリの自動化生産に適合する製造方法を提供し、膜電極アセンブリの触媒層コーティングを自動化の生産システムに適用できるようにすることにある。

本発明のさらにまた別の目的は、膜電極アセンブリの触媒層コーティング時に発生する膨張と亀裂現象を効果的に改善できる製造方法を提供し、良好な膜電極アセンブリの製品品質を提供できるようにすることにある。

請求項１の発明は、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、
（ａ）イオン交換膜、陽極触媒剤及び陰極触媒剤溶液を準備する工程、
（ｂ）必要な面積に裁断したイオン交換膜を薄板基板上に位置決めし、更に該薄板基板をスクリーン印刷台上に置く工程、
（ｃ）選定した印刷板材を該スクリーン印刷台のスクリーン固定フレームに固定する工程、
（ｄ）スキージで触媒剤に印刷板材パターン上を均一に被覆させ、この印刷板材パターン上の触媒剤を薄板基板上のイオン交換膜に印刷する工程、
（ｅ）スクリーン印刷完成後にイオン交換膜を加熱板上に置き加熱する工程、
（ｆ）イオン交換膜が平坦に回復するのを待ち、即ちイオン交換膜上に均一な触媒層を形成する工程、
以上の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ａ）の工程中に、更にイオン交換膜に対する洗浄の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項３の発明は、請求項２記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、前記洗浄工程が、
（ａ）イオン交換膜を摂氏８０度の純水中で一時間洗浄する工程、
（ｂ）摂氏８０度の１体積モル濃度の過酸化水素水溶液中で一時間洗浄する工程、
（ｃ）摂氏８０度の純水中で一時間洗浄する工程、
（ｄ）摂氏８０度の１Ｍの硫酸中に放置する工程、
（ｅ）摂氏８０度の純水で２−３回洗浄する工程、
以上の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の陽極側に陽極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なってから、イオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なうことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項５の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なってから、イオン交換膜の陽極側に陽極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なうことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項６の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を、陽極側に陽極触媒剤を、同時に印刷して加熱する工程を行なうことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項７の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ａ）の工程中で準備する陽極触媒剤はＰｔ−Ｒｕ−Ｃを含有し、陰極触媒剤はＰｔ−Ｃを含有することを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項８の発明は、請求項７記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、陽極触媒剤の準備は、
（ａ）重量比２：１：２のＰｔ−Ｒｕ−Ｃのナノ触媒粒子を使用し、容器中で１グラムを調合する工程、
（ｂ）４〜８ミリリットルのナフィオンソリューション（Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を加える工程、
（ｃ）調合した陽極触媒剤材料を超音波振動或いは高速攪拌して陽極触媒剤を製造する工程、
を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項９の発明は、請求項７記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、調合した陽極触媒剤材料を更に高速攪拌して均一な陽極触媒剤を製造することを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１０の発明は、請求項７記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、陰極触媒剤の準備は、
（ａ）重量比１：１のＰｔ−Ｃのナノ触媒粒子を使用し、容器中で１グラムを調合する工程、
（ｂ）４〜８ミリリットルのナフィオンソリューション（Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を加える工程、
（ｃ）調合した陰極触媒剤材料を超音波振動して陰極触媒剤を製造する工程、
以上の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１１の発明は、請求項１０記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、調合した陰極触媒剤材料を更に高速攪拌して均一な陰極触媒剤を製造することを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１２の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ａ）の工程で準備する陽極触媒剤はＰｔ−Ｃを含有するものとされ、陰極触媒剤もＰｔ−Ｃを含有するものとされることを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１３の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ｅ）の工程中、イオン交換膜を加熱板上に置いて加熱する時の温度は摂氏７０〜８０度、時間は１〜５分間とされることを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１４の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ｆ）の工程の後、スクリーン印刷工程を既に完成したイオン交換膜を熱圧機に置いて熱圧加工する工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１５の発明は、請求項１４記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の熱圧加工を行なう時、イオン交換膜の受ける圧力は２０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ² 、温度は摂氏１１０〜１４０度、時間は１〜３分間であることを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１６の発明は、請求項１５記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、陽極触媒層と陰極触媒層を具え既に熱圧加工されたイオン交換膜の正反両面に、必要面積に裁断された拡散層カーボンクロスを置いて、陽極気体拡散層と陰極気体拡散層となす工程を更に具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１７の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、印刷板材が網径と網目を具えたスクリーンとされたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。
請求項１８の発明は、請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、印刷板材が渡り幅と間隙を具えた鋼板とされたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法としている。

本発明の燃料電池の製造方法で製造した膜電極アセンブリは以下のような長所を有している。
（１）工程が安定している。
本発明は触媒層をイオン交換膜に形成する時、スクリーン印刷工程を使用し、使用するスキージは均一で孔も均一であり、固定厚さの触媒剤をイオン交換膜に印刷することができ、ゆえに局部厚さ誤差が小さく、厚さと面積の制御が容易で、周知のスプレーコーティング技術における、局部重複スプレーコーティングが容易に発生し、工程時間が掌握しにくく、厚さが不均一となる問題を発生しない。
（２）自動化生産に適用される。
スクリーン印刷機は適当な濃度の触媒層を異なる網径及び網目数のスクリーン或いは適当な渡り幅及び間隙の鋼板を使用し、触媒層含有量と印刷厚さを制御でき、自動化の生産システムに適用できる。
（３）イオン交換膜の陽極触媒層の膨張及び亀裂の現象の解決に有効である。
本発明の工程中、イオン交換膜に陽極触媒剤を印刷後、イオン交換膜を加熱処理し、イオン交換膜が吸収しうる有機溶剤がイオン交換膜の加熱により揮発し、また触媒剤自体が加熱により凝固するため、イオン交換膜の陽極触媒層を加熱板で加熱処理する時、僅かな膨張変形しか発生せず、それも次第に平坦に回復し、亀裂の現象を発生せず、ゆえにその製品の品質は良好となる。

本発明が周知の技術の問題を解決するために採用する技術手段によると、まずイオン交換膜の洗浄工程と、陽極触媒剤溶液と陰極触媒剤溶液の準備工程を実行する。洗浄を終え適当な大きさに裁断したイオン交換膜を薄板基板上に位置決めし、さらに薄板基板をスクリーン印刷台上に置く。選定した印刷板材（例えば適当な網径と網目を有するスクリーン或いは或いは適当な渡り幅と間隙を具えた鋼板）を該スクリーン印刷台のスクリーン固定フレームに固定する。スキージで準備を終えた触媒剤に印刷板材パターン上を均一に被覆させ、更に印刷板材パターンを被覆した触媒剤を薄板基板上に置いたイオン交換膜に印刷する。スクリーン印刷完成後に、イオン交換膜を加熱板上に置いて摂氏７０度から８０度に加熱し、イオン交換膜を平坦に回復させてイオン交換膜上に均一な触媒層を形成する。

本発明の好ましい実施例によると、完成したイオン交換膜に熱圧工程を実行した後、適当な大きさに裁断した拡散層カーボンクロスをイオン交換膜の正反両面の触媒層上に置いて陽極気体拡散層及び陰極気体拡散層となす。

本発明の採用する技術により、膜電極アセンブリのイオン交換膜上にコーティングされた触媒層は、厚さが均一で、局部厚さ誤差が小さく、厚さ及び面積の制御が容易で、孔が均一であり、有効に周知のスプレーコーティング技術における、局部重複スプレーコーティングが発生しやすく、工程時間の掌握が容易でなく、厚さが不均一となる問題を解決する。本発明の製造方法により、イオン交換膜及び陽極触媒層を加熱処理する時、僅かな膨張現象を有し得るが、平坦な表面に回復し、並びに亀裂の現象を発生せず、ゆえに製品は良好な品質を有する。更に、本発明の技術は自動化生産に適合し、産業上の利用価値を提供する。

本発明の膜電極アセンブリ製造プロセスの前には、イオン交換膜の洗浄工程と、陽極触媒剤溶液と陰極触媒剤溶液の準備工程を行なう必要がある。
図３は本発明のイオン交換膜の洗浄工程のフローチャートである。まず、イオン交換膜を準備する（工程１０１）。該イオン交換膜はデュポン（Ｄｕ Ｐｏｎｔ）社製のＮａｆｉｏｎを使用可能である。好ましくは、本発明はメタノール透過性による陽極触媒層Ｐｔ（白金）毒化問題を考慮し、厚さが１７５μｍのＮａｆｉｏｎ １１７のイオン交換膜を使用する。

続いて、前述のように準備したイオン交換膜に対して洗浄工程を行なう。本発明中、洗浄工程は、イオン交換膜を摂氏８０度の純水中で一時間洗浄する（工程１０２）。更に摂氏８０度の１体積モル濃度（Ｍ）の過酸化水素水溶液中で一時間洗浄する（工程１０３）。更に摂氏８０度の純水中で一時間洗浄する（工程１０４）。更に摂氏８０度の１Ｍの硫酸中に放置する（工程１０５）。最後に摂氏８０度の純水で２−３回洗浄する（工程１０６）。

前述の洗浄工程で洗浄完成後のイオン交換膜を常温下で乾燥させる（工程１０７）。

図４は本発明の触媒剤溶液製造のフローチャートである。このフロー中、先ず触媒剤の製造材料を準備する（工程２０１）。本発明の好ましい実施例によると、ＤＭＦＣ燃料電池システム中に応用される場合、該触媒剤の主要な製造材料としてデュポン社製のＮａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｅ５１１２とジョンソンマッシー（Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ）社製のＰｔ−Ｒｕ／Ｃを陽極触媒剤の主要な製造材料とし、陰極触媒剤にはＰｔ−Ｃを使用する。本発明の技術がＰＥＭＦＣ燃料電池システムに応用される時は、その使用する陽極触媒剤はＰｔ−Ｃを含有し、陰極触媒剤もＰｔ−Ｃを含有するものとする。

続いて陽極触媒剤製造工程を実行する（工程２０２）。この工程中、重量比２：１：２のＰｔ−Ｒｕ−Ｃのナノ触媒粒子を使用し、ガラスフラスコ中で１グラムを調合し、更に４〜８ミリリットルのＮａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎを加える。その後、調合した陽極触媒剤材料を超音波振動或いは高速攪拌して均一な陽極触媒剤を製造する（工程２０３）。

更に陰極触媒剤製造工程を実行する（工程２０４）。陰極触媒剤製造工程中、重量比１：１のＰｔ−Ｃのナノ触媒粒子を使用し、ガラスフラスコ中で１グラムを調合し、更に４〜８ミリリットルのＮａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎを加える。その後、調合した陰極触媒剤材料を超音波振動して均一な陰極触媒剤を製造する（工程２０５）。

上述のイオン交換膜の洗浄工程、陽極触媒剤溶液準備工程、陰極触媒剤溶液準備工程を終えた後、膜電極アセンブリの製造工程を行なう。図５は本発明の膜電極アセンブリ製造工程のフローチャートである。

先ず、イオン交換膜を適当な面積に裁断し、洗浄後に該イオン交換膜をステンレス薄板基板の上に位置決めする（工程３０１）。更にステンレス薄板基板をスクリーン印刷台の上に置く。本発明の実施例では、該イオン交換膜は７ｃｍ×７ｃｍの面積に裁断され、並びに８ｃｍ×８ｃｍ面積、０．２ｍｍ厚さのステンレス薄板基板の上に位置決めされる。

続いて、０．０５〜０．３ｍｍ網径、３０〜１６０網目（ｍｅｓｈ）のスチールスクリーン或いは類似の適当な渡り幅及び間隙を具えた鋼板を印刷板材として選定し、並びに該印刷板材をスクリーン印刷台のスクリーン固定フレームに固定する（工程３０２）。スキージで準備を終えた陽極触媒剤に５ｃｍ×５ｃｍ面積印刷板材パターン上を均一に被覆させる（工程３０３）。更に印刷板材パターンを被覆した陽極触媒剤をステンレス薄板基板上に置いたイオン交換膜に印刷する（工程３０４）。

イオン交換膜に陽極触媒剤を印刷した後、該イオン交換膜は触媒剤内の溶剤を吸収して膨張の現象を発生しやすいため、スクリーン印刷後に即時該イオン交換膜を加熱板上に置き（工程３０５）、イオン交換膜と陽極触媒剤を摂氏７０度から８０度に加熱し、加熱時間は１〜５分間である。

イオン交換膜が加熱後に吸収する有機溶剤は熱を受けて揮発し、更に触媒剤自体の加熱凝固により、イオン交換膜及び陽極触媒剤が加熱板上で加熱処理される時、僅かな膨張現象のみ発生しうる。しかし次第に平坦な表面に回復し、並びに亀裂の現象は発生しない。

イオン交換膜が平坦に回復すると、即ち、イオン交換膜の陽極側に均一な陽極触媒層が形成される。その後、さらにイオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤層の印刷工程を行なう（工程３０６）。陰極触媒剤層の製造工程は、ほぼ前述の陽極触媒層の印刷製造工程と同じであり、即ちその工程は前述の工程３０１から工程３０４を重複して行なうが、陽極触媒剤を陰極触媒剤に改める。

陰極触媒剤に陰極触媒剤を印刷製造した後、イオン交換膜を加熱板上に置き（工程３０７）、イオン交換膜と陰極触媒剤を摂氏７０度から８０度に加熱し、その加熱時間は１〜５分間である。

イオン交換膜の陽極側と陰極側にそれぞれ陽極触媒層と陰極触媒剤層を形成した後に、スクリーン印刷工程を終えたイオン交換膜を熱圧機に置いて熱圧工程を実行する（工程３０８）。熱圧工程の圧力は２０〜１００ｋｇ／ｃｍ² 、温度は摂氏１１０〜１４０度、時間は１〜３分間である。

熱圧工程完成後のイオン交換膜は、その正反両面に上述の工程処理により完成した陽極触媒層とイオン交換膜層を具えている。更に５ｃｍ×５ｃｍに裁断した拡散層カーボンクロスをイオン交換膜の正反両面の触媒層上に置き（工程３０９）陽極気体拡散層と陰極気体拡散層となし、以上で膜電極アセンブリを完成する（工程３１０）。

前述の処理工程中、先ずイオン交換膜の陽極側に陽極触媒剤を印刷してから加熱し、更にイオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を印刷して加熱している。しかし実際の製造時には先にイオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を印刷して加熱してから、イオン交換膜の陽極側に陽極触媒剤を印刷してから加熱してもよい。当然、イオン交換膜の陰極側と陽極側に同時に陰極及び陽極触媒剤を印刷し加熱してもよい。

以上の実施例は本発明の権利請求範囲を限定するものではなく、以上の説明及び図面に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の権利請求範囲に属するものとする。

典型的なイオン交換膜燃料電池ユニットの側面図である。 周知の燃料電池セットの、複数の燃料電池ユニットを組み立て、並びに陽極集電板、陽極端板、陰極集電板、陰極端板等関係部品を組み合わせた後の立体図である。 本発明のイオン交換膜の洗浄工程のフローチャートである。 本発明の触媒剤溶液製造のフローチャートである。 本発明の膜電極アセンブリ製造工程のフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池ユニット
１０ 膜電極アセンブリ
１００ 燃料電池セット
１１ イオン交換膜
１２ 陽極触媒層
１３ 陰極触媒層
２ 陽極気体拡散層
３ 陽極導流板
４ 陰極気体拡散層
５ 陰極導流板
６１ 陽極集電板
６２ 陽極端板
６３ 陰極集電板
６４ 陰極端板
７１ａ 空気入口
７１ｂ 空気出口
７２ａ 水素ガス入口
７２ｂ 水素ガス出口
７３ａ 冷却剤入口
７３ｂ 冷却剤出口

Claims (18)

1. 印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、
   （ａ）イオン交換膜、陽極触媒剤及び陰極触媒剤溶液を準備する工程、
   （ｂ）必要な面積に裁断したイオン交換膜を薄板基板上に位置決めし、更に該薄板基板をスクリーン印刷台上に置く工程、
   （ｃ）選定した印刷板材を該スクリーン印刷台のスクリーン固定フレームに固定する工程、
   （ｄ）スキージで触媒剤に印刷板材パターン上を均一に被覆させ、この印刷板材パターン上の触媒剤を薄板基板上のイオン交換膜に印刷する工程、
   （ｅ）スクリーン印刷完成後にイオン交換膜を加熱板上に置き加熱する工程、
   （ｆ）イオン交換膜が平坦に回復するのを待ち、即ちイオン交換膜上に均一な触媒層を形成する工程、
   以上の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
2. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ａ）の工程中に、更にイオン交換膜に対する洗浄の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
3. 請求項２記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、前記洗浄工程が、
   （ａ）イオン交換膜を摂氏８０度の純水中で一時間洗浄する工程、
   （ｂ）摂氏８０度の１体積モル濃度の過酸化水素水溶液中で一時間洗浄する工程、
   （ｃ）摂氏８０度の純水中で一時間洗浄する工程、
   （ｄ）摂氏８０度の１Ｍの硫酸中に放置する工程、
   （ｅ）摂氏８０度の純水で２−３回洗浄する工程、
   以上の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
4. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の陽極側に陽極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なってから、イオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なうことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
5. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なってから、イオン交換膜の陽極側に陽極触媒剤を印刷して加熱する工程を行なうことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
6. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の陰極側に陰極触媒剤を、陽極側に陽極触媒剤を、同時に印刷して加熱する工程を行なうことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
7. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ａ）の工程中で準備する陽極触媒剤はＰｔ−Ｒｕ−Ｃを含有し、陰極触媒剤はＰｔ−Ｃを含有することを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
8. 請求項７記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、陽極触媒剤の準備は、
   （ａ）重量比２：１：２のＰｔ−Ｒｕ−Ｃのナノ触媒粒子を使用し、容器中で１グラムを調合する工程、
   （ｂ）４〜８ミリリットルのナフィオンソリューション（Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を加える工程、
   （ｃ）調合した陽極触媒剤材料を超音波振動或いは高速攪拌して陽極触媒剤を製造する工程、
   を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
9. 請求項７記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、調合した陽極触媒剤材料を更に高速攪拌して均一な陽極触媒剤を製造することを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
10. 請求項７記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、陰極触媒剤の準備は、
    （ａ）重量比１：１のＰｔ−Ｃのナノ触媒粒子を使用し、容器中で１グラムを調合する工程、
    （ｂ）４〜８ミリリットルのナフィオンソリューション（Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を加える工程、
    （ｃ）調合した陰極触媒剤材料を超音波振動して陰極触媒剤を製造する工程、
    以上の工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
11. 請求項１０記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、調合した陰極触媒剤材料を更に高速攪拌して均一な陰極触媒剤を製造することを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
12. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ａ）の工程で準備する陽極触媒剤はＰｔ−Ｃを含有するものとされ、陰極触媒剤もＰｔ−Ｃを含有するものとされることを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
13. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ｅ）の工程中、イオン交換膜を加熱板上に置いて加熱する時の温度は摂氏７０〜８０度、時間は１〜５分間とされることを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
14. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、（ｆ）の工程の後、スクリーン印刷工程を既に完成したイオン交換膜を熱圧機に置いて熱圧加工する工程を具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
15. 請求項１４記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、イオン交換膜の熱圧加工を行なう時、イオン交換膜の受ける圧力は２０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ² 、温度は摂氏１１０〜１４０度、時間は１〜３分間であることを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
16. 請求項１５記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、陽極触媒層と陰極触媒層を具え既に熱圧加工されたイオン交換膜の正反両面に、必要面積に裁断された拡散層カーボンクロスを置いて、陽極気体拡散層と陰極気体拡散層となす工程を更に具えたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
17. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、印刷板材が網径と網目を具えたスクリーンとされたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
18. 請求項１記載の印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法において、印刷板材が渡り幅と間隙を具えた鋼板とされたことを特徴とする、印刷工程で製造する燃料電池膜電極アセンブリの製造方法。
    

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