JP2008053011A - 固体高分子電解質型燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、固体電解質膜と触媒電極層との接合性が良好な燃料電池の製造方法を提供することを主目的とするものである。
【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、第１の炭化水素系電解質樹脂を主成分とする固体電解質膜を作製する固体電解質膜作製工程と、第１のフッ素系電解質樹脂を含む触媒電極層を作製する触媒電極層作製工程と、前記第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度が低い第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂を含む接着層を、前記固体電解質膜および前記触媒電極層の少なくとも一方に形成する接着層形成工程と、前記固体電解質膜および前記触媒電極層を、前記接着層を介して接合する接合工程とを有し、前記接合工程が、前記第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高い温度、かつ、前記第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で熱圧着することにより行われることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱圧着時に触媒電極層等が熱により劣化することのない固体高分子電解質型燃料電池の製造方法に関するものである。

固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側には拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。

燃料電池における膜電極複合体を製造する技術としては、例えば固体電解質膜と触媒電極層とを熱圧着させることにより接合させる熱圧着法が知られている。このような方法を用いた場合、固体電解質膜と触媒電極層との接合状態が悪いと、固体電解質膜−触媒電極層界面における接触抵抗が増大し、発電効率の低下につながるため、固体電解質膜と触媒電極層との接着性を良好とする必要がある。一般には、固体電解質膜と触媒電極層との接着性を良好とするために、熱圧着時の加熱温度を固体電解質膜等のガラス転移温度以上とする場合が多い。固体電解質膜のガラス転移温度以上とすることにより、材料の軟化が促進され、固体電解質膜と触媒電極層との接着性が高まるため、これらを強固に接合させることが可能となるからである。

一方、近年においては、固体電解質膜として炭化水素系電解質樹脂からなる炭化水素系電解質膜の開発が盛んに行われている。しかしながら、このような炭化水素系電解質膜と触媒電極層とを熱圧着法により接合させる場合、触媒電極層に含有される電解質材料は一般にフッ素系電解質樹脂が用いられることから、炭化水素系電解質樹脂とフッ素系電解質樹脂との異なる材料同士を接着させることとなり、接着性を十分に確保することは困難であった。
また、上述したように、炭化水素系電解質膜と触媒電極層との接合性を高めるために、熱圧着時の加熱温度を炭化水素系電解質膜のガラス転移温度以上とする方法もあるが、触媒電極層に一般的に用いられるフッ素系電解質樹脂の分解温度は、通常炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度を下回るため、炭化水素系電解質膜を用いる場合、熱圧着時の加熱温度を炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度以上とすることができず、接合性が不十分となるといった問題を有していた。

炭化水素系電解質膜と触媒電極層との接合性を向上させる方法としては、例えば特許文献１に、炭化水素系電解質膜と、フッ素系電解質樹脂を含む触媒電極層との間に、炭化水素系電解質樹脂およびフッ素系電解質樹脂を混合させた接着層を設けて、炭化水素系電解質膜と触媒電極層とを熱圧着する方法が開示されている。この文献によれば、接着層中に、固体電解質膜および触媒電極層それぞれと接着性の良好な材料を含有させ、固体電解質膜と触媒電極層との接合性を向上させることができるとしている。

通常、このような方法を用いる場合、接着層と固体電解質膜および触媒電極層との接着性を向上させるためには、接合時の加熱温度を接着層中に含有される炭化水素系電解質樹脂およびフッ素系電解質樹脂が共に軟化する温度とする必要がある。このため、炭化水素系電解質樹脂は、一般にフッ素系電解質樹脂よりもガラス転移温度が高いことから、炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高い温度で熱圧着が行われる。しかしながら、上述したようにフッ素系電解質樹脂の分解温度は、通常炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度を下回るため、フッ素系電解質樹脂が分解してしまい、フッ素系電解質樹脂を含む接着層および触媒電極層の劣化が起こるといった問題を有するものであった。
一方、このようなフッ素系電解質樹脂の熱による分解を回避するために、接合時の加熱温度を炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度より低くした場合においては、接着層中の炭化水素系電解質樹脂の軟化は促進されずにフッ素系電解質樹脂のみが軟化するため、フッ素系電解質樹脂と触媒電極層との接着性は得られるものの、炭化水素系電解質樹脂と炭化水素系電解質膜との接着性は悪く、炭化水素系電解質膜と接着層との界面で剥離が起こるといった問題があった。

特開２００４−２５３３９９号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、炭化水素系電解質樹脂を含む固体電解質膜と触媒電極層とを熱圧着により接合させた場合であっても、熱圧着時に部材が熱により劣化することがなく、かつ固体電解質膜と触媒電極層との接合性を良好とすることが可能な燃料電池の製造方法を提供することを主目的とするものである。

本発明は、上記目的を達成するために、第１の炭化水素系電解質樹脂を主成分とする固体電解質膜を作製する固体電解質膜作製工程と、第１のフッ素系電解質樹脂を含む触媒電極層を作製する触媒電極層作製工程と、上記第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度が低い第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂を含む接着層を、上記固体電解質膜および上記触媒電極層の少なくとも一方に形成する接着層形成工程と、上記固体電解質膜および上記触媒電極層を、上記接着層を介して接合する接合工程とを有し、上記接合工程が、上記第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高い温度、かつ、上記第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で熱圧着することにより行われることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法を提供する。

本発明によれば、接着層に第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度の低い第２の炭化水素系電解質樹脂を含有させていることにより、熱圧着時の加熱温度を第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度に合わせて低く設定することができるため、フッ素系電解質樹脂が熱分解等を起こすことなく、熱圧着を行うことが可能となる。
また、本発明によれば、接合工程において、上記接着層を介して固体電解質膜および触媒電極層を熱圧着する際の加熱温度を、上記接着層に含まれる第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高くすることにより、接着層に含まれる第２の炭化水素系電解質樹脂と、一般に第２の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度が低いとされる第２のフッ素系電解質樹脂とを共に軟化させることが可能なため、固体電解質膜−接着層間、および触媒電極層−接着層間の接着性を良好なものとすることができる。したがって、固体電解質膜および触媒電極層の接合性の高い燃料電池を得ることが可能となる。

上記発明においては、上記第１の炭化水素系電解質樹脂と上記第２の炭化水素系電解質樹脂とのＳＰ値の差が５以下であることが好ましい。これにより、第１の炭化水素系電解質樹脂と第２の炭化水素系電解質樹脂との相溶性を良好なものとすることができ、固体電解質膜と接着層との接着性がより向上するからである。

また上記発明においては、上記第１のフッ素系電解質樹脂と上記第２のフッ素系電解質樹脂とのＳＰ値の差が５以下であることが好ましい。これにより、第１のフッ素系電解質樹脂と第２のフッ素系電解質樹脂との相溶性を良好なものとすることができ、触媒電極層と接着層との接着性がより向上するからである。

本発明によれば、炭化水素系電解質樹脂を含む固体電解質膜と触媒電極層とを熱圧着により接合させた場合であっても、熱圧着時に部材が熱により劣化することがなく、かつ固体電解質膜と触媒電極層との接合性が高い燃料電池を得ることが可能となるといった効果を奏する。

以下、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法について説明する。
まず、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池の製造方法の一例を示す工程図である。本発明の燃料電池の製造方法は、第１の炭化水素系電解質樹脂を主成分とする固体電解質膜１を作製する固体電解質膜作製工程（図１（ａ））と、第１のフッ素系電解質樹脂を含む触媒電極層２を作製する触媒電極層作製工程（図１（ｂ））と、上記第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度が低い第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂を含む接着層３を、例えば上記触媒電極層２上に形成する接着層形成工程（図１（ｃ））と、上記第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高い温度、かつ、上記第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で熱圧着することにより上記固体電解質膜１および上記触媒電極層２を、上記接着層３を介して接合する接合工程（図１（ｄ））とを有するものである。

本発明においては、固体電解質膜中の第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度の低い第２の炭化水素系電解質樹脂を接着層中に含有させていることから、熱圧着時における加熱温度を第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度に関係なく設定することが可能となる。すなわち、加熱温度が第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高い温度であれば、第２の炭化水素系電解質樹脂を軟化させることができるため、加熱温度を第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高くすることなく、固体電解質膜と接着層との接着性を十分確保することができる。その結果、固体電解質膜にガラス転移温度の高い炭化水素系電解質樹脂を用いた場合であっても、従来のように固体電解質膜のガラス転移温度よりも高温で加熱することなく、低温で熱圧着を行うことが可能となる。したがって、第１のフッ素系電解質樹脂や第２のフッ素系電解質樹脂の熱分解等による触媒電極層の劣化等の不具合がなく、固体電解質膜および触媒電極層の接合性が良好な燃料電池を製造することが可能となるのである。

また、本発明によれば、固体電解質膜が第１の炭化水素系電解質樹脂を含み、触媒電極層が第１のフッ素系電解質樹脂を含み、接着層が第２のフッ素系電解質樹脂および第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度の低い第２の炭化水素系電解質樹脂を含む構成とし、さらに所定の加熱温度で接合工程を行うことにより、固体電解質膜および触媒電極層の接合性を強固なものとすることができる。
すなわち、本発明における接合工程は、上記接着層を介して固体電解質膜および触媒電極層を熱圧着する際の加熱温度を、接着層に含まれる第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高く、かつ、固体電解質膜に含まれる第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低くして行われる。ここで、接着層中に含まれる第２のフッ素系電解質樹脂のガラス転移温度は、一般に第２の炭化水素系電解質膜のガラス転移温度よりも低いことから、熱圧着時においては、接着層中に含まれる第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂のガラス転移温度以上の温度で加熱されることとなり、これらを共に軟化させることが可能となる。したがって、接着層中の第２の炭化水素系電解質樹脂と、固体電解質膜に含まれる第１の炭化水素系電解質膜との接着、および接着層中の第２のフッ素系電解質樹脂と、触媒電極層中の第１のフッ素系電解質樹脂との接着を同時に満たすことが可能となり、固体電解質膜−接着層−触媒電極層間の接合性が高く、発電効率の優れた燃料電池を得ることが可能となるのである。
以下、本発明の燃料電池の製造方法について、各工程ごとに詳しく説明する。

１．固体電解質膜作製工程
まず、本発明における固体電解質膜作製工程について説明する。本発明における固体電解質膜作製工程は、第１の炭化水素系電解質樹脂を主成分とする固体電解質膜を作製する工程である。

本工程に用いられる第１の炭化水素系電解質樹脂としては、後述する第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高いガラス転移温度のものであれば特に限定されるものではなく、一般に燃料電池における固体電解質に用いられる炭化水素系電解質樹脂を用いることができる。このような炭化水素系電解質樹脂として具体的には、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール等を挙げることができる。

本工程において、固体電解質膜を作製する方法としては、特に限定されるものではないが、一般に用いられる燃料電池における固体電解質膜の作製方法と同様とすることができる。具体的には、撥液性を有する基材上に、第１の炭化水素系電解質樹脂を溶媒に分散させた固体電解質膜形成用塗工液を塗布し、乾燥させる方法（キャスト法）等とすることができる。

また、本工程により作製される固体電解質膜の厚みとしては、特に限定されるものではなく、一般に燃料電池に用いられる固体電解質膜の厚みと同様とすることができる。このような固体電解質膜の厚みとして具体的には、通常５〜２００μｍの範囲内、中でも１０〜６０μｍの範囲内であることが好ましい。固体電解質膜の厚さが上記範囲に満たない場合、燃料ガスが固体電解質膜を透過しやすくなり、セル内でガスのクロスリークが生じるおそれがあるからである。また、固体電解質膜の厚さが上記範囲を超えると、膜抵抗が高くなってしまい、発電性能が低下してしまう場合があるからである。

２．触媒電極層作製工程
次に、本発明における触媒電極層作製工程について説明する。本発明における触媒電極層作製工程は、第１のフッ素系電解質樹脂を含む触媒電極層を作製する工程である。

本工程に用いられる第１のフッ素系電解質樹脂としては、特に限定されるものではなく、一般に燃料電池における触媒電極層に用いられるフッ素系電解質樹脂と同様とすることができる。このような第１のフッ素系電解質樹脂としては、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーのようなフッ素系の樹脂等が挙げられ、具体的には、ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）、アシプレックス（商品名、旭化成社製）等を挙げることができる。

また、本工程において、触媒電極層の形成材料としては、第１のフッ素系電解質樹脂の他、通常、触媒を担持した導電性材料が用いられる。上記触媒を担持した導電性材料としては、特に限定されるものではなく、燃料電池に一般的に用いられているものと同様とすることができる。具体的には、触媒として白金や白金合金が用いられ、導電性材料としてカーボンブラック等のカーボン粉末が用いられたものを使用することができる。

また、本工程において、上記触媒電極層を作製する方法としては、特に限定されるものではないが、一般に用いられる燃料電池における触媒電極層の作製方法と同様とすることができる。具体的には、触媒電極層を構成する材料を含有する触媒電極層形成用塗工液を、撥液性を有する基材上に塗布し、乾燥させるキャスト法や、上記触媒電極層形成用塗工液を、後述するガス拡散層上にスプレー法または印刷法等により塗布し、乾燥する方法等を挙げることができる。

また、本工程により作製される触媒電極層の厚みとしては、特に限定されるものではなく、一般に燃料電池に用いられる触媒電極層の厚みと同様とすることができる。

３．接着層形成工程
次に、本発明における接着層形成工程について説明する。本発明における接着層形成工程は、上述した固体電解質膜に含まれる第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度が低い第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂を含む接着層を、上記固体電解質膜および上記触媒電極層の少なくとも一方に形成する工程である。

本工程に用いられる第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度は、上記第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低い温度であれば特に限定されるものではないが、通常、第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも２０℃以上、好ましくは３０℃以上低いことが好ましい。

このような第２の炭化水素系電解質樹脂の具体的なガラス転移温度としては、通常２００℃以下、好ましくは１６０℃以下、より好ましくは１２０℃〜１６０℃の範囲内である。第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度が高すぎると、後述する接合工程において、このガラス転移温度以上の温度で加熱することとなり、例えば接着層に含有される後述する第２のフッ素系電解質樹脂が分解するおそれがあるからである。

このような第２の炭化水素系電解質樹脂としては、軟化時に第１の炭化水素系電解質樹脂との接着性を発現し、かつプロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。このような第２の炭化水素系電解質樹脂は、第１の炭化水素系電解質樹脂と構造的な共通点を有するものであることが好ましく、その共通点として具体的には、主鎖骨格に３０ｍｏｌ％以上のベンゼン環部位を含む点等を挙げることができる。

また、本工程においては、上記第２の炭化水素系電解質樹脂のＳＰ値が、上記第１の炭化水素系電解質樹脂のＳＰ値の±５以内であることが好ましく、中でも±４．５以内、特に±４以内であることが好ましい。ＳＰ値が近い材料同士ほど相溶性が良好となるため、第１の炭化水素系電解質樹脂と第２の炭化水素系電解質樹脂との接着性、すなわち固体電解質膜と接着層との接着性をより高いものとすることができるからである。なお、本発明において、上記ＳＰ値は、分子団寄与法により求められたものである。

また、このような第２の炭化水素系電解質樹脂として具体的には、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等を挙げることができる。

また、本工程に用いられる第２のフッ素系電解質樹脂のガラス転移温度としては、一般に第２の炭化水素系電解質樹脂よりも低いものであるが、具体的には１５０℃以下、好ましくは１４０℃以下、より好ましくは９０℃〜１３０℃の範囲内である。第２のフッ素系電解質樹脂のガラス転移温度が、上記範囲内にあることにより、第２のフッ素系電解質樹脂を熱圧着時に適度に軟化させることが可能となるからである。

このような第２のフッ素系電解質樹脂としては、軟化時に第２の炭化水素系電解質樹脂との接着性を発現し、かつプロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。このような第２のフッ素系電解質樹脂は、第１のフッ素系電解質樹脂と構造的な共通点を有するものであることが好ましく、その共通点として具体的には、主鎖骨格中に２０ｍｏｌ％以上の−(ＣＦ_２)−部を有する点等を挙げることができる。

また、本工程においては、上記第２のフッ素系電解質樹脂のＳＰ値が、上記第１のフッ素系電解質樹脂のＳＰ値の±５以内であることが好ましく、中でも±４．５以内、特に±４以内であることが好ましい。ＳＰ値の差が小さいほど、第１のフッ素系電解質樹脂と第２のフッ素系電解質樹脂との相溶性が高くなり、触媒電極層と接着層との接着性が向上するからである。なお、本発明において、上記ＳＰ値は、分子団寄与法により求められたものである。

また、このような第２のフッ素系電解質樹脂として具体的には、パーフルオロスルホン酸系樹脂、および、ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）やＥＴＦＥ（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）を主骨格に持つスルホン酸樹脂等を挙げることができる。なお、本工程に用いられる第２のフッ素系電解質樹脂は、上述した第１のフッ素系電解質樹脂と同じものであってもよい。

また、上記第２の炭化水素系電解質樹脂および上記第２のフッ素系電解質樹脂の混合比率としては、触媒電極層と固体電解質膜との接着性をそれぞれ十分に満たすことが可能な比率であれば特に限定されるものではなく、第２の炭化水素系電解質樹脂の質量を１とした際、第２のフッ素系電解質樹脂の質量は、通常０．１〜９の範囲内、好ましくは０．２〜５の範囲内である。

なお、本工程において用いられる接着層の形成材料としては、上記第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂の他、接着性を阻害しない程度に他の材料が用いられていてもよい。使用可能な他の材料としては、例えば、ポリジメチルシロキ酸ポリマーやポリアクリルアミド、スチレン−ブタジエンポリマー等が挙げられる。

本工程において、接着層の形成方法としては、上記固体電解質膜および上記触媒電極層の少なくとも一方に形成することが可能な方法であれば特に限定されるものではなく、例えば接着層を構成する材料を溶媒に分散（溶解）させた接着層形成用塗工液を固体電解質膜または触媒電極層にスプレー法や印刷法等により塗布し、乾燥させる方法や、撥水性を有する基材上に、上記接着層形成用塗工液を塗布し、乾燥させたものを固体電解質膜または触媒電極層に転写する方法等を挙げることができる。

また、上記接着層形成用塗工液に用いられる溶媒としては、第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂を分散（溶解）させることが可能なものであれば特に限定されるものではなく、具体的には、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等を使用することができる。

また、本工程により形成される接着層の厚みとしては、接着層としての機能を保持できる厚みであれば特に限定されるものではないが、可能な限り薄いことが好ましい。具体的には、０．５μｍ〜１０μｍの範囲内程度、好ましくは０．５μｍ〜５μｍの範囲内である。

４．接合工程
次に、本発明における接合工程について説明する。本発明における接合工程は、上記固体電解質膜および上記触媒電極層を、上記接着層を介して熱圧着により接合する工程であって、熱圧着時の加熱温度を、上記第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高く、かつ、上記第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低い温度として行われる工程である。

本工程において、熱圧着時の加熱温度としては、上記第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高く、かつ、上記第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低い温度であれば特に限定されるものではないが、第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも１０℃〜５０℃の範囲内で高いことが好ましく、中でも１５℃〜４０℃の範囲内、特に２０℃〜３０℃の範囲内で高いことが好ましい。熱圧着時の加熱温度をこのような範囲とすることにより、上記第２の炭化水素系電解質樹脂が、第１の炭化水素系電解質樹脂に対する接着力を十分に発現させることができるからである。

また、本工程における加圧圧力としては、固体電解質膜等の種類、上記加熱温度等により異なるものであるが、具体的には１〜２０ＭＰａの範囲内、中でも２〜１５ＭＰａの範囲内、特に３〜１０ＭＰａの範囲内であることが好ましい。

また、本工程において、熱圧着を行う方法としては、特に限定されるものではなく、市販の熱圧着機を用いることができる。

なお、本工程においては、固体電解質膜および触媒電極層を、接着層を介して熱圧着により接合されるものであるので、触媒電極層−接着層−固体電解質膜−接着層−触媒電極層の積層体に対して熱圧着が行われればよい。したがって、例えば触媒電極層作製工程において、触媒電極層をガス拡散層上に形成した場合、ガス拡散層−触媒電極層−接着層−固体電解質膜−接着層−触媒電極層−ガス拡散層の積層体を熱圧着するものであってもよい。

５．その他
本発明の燃料電池の製造方法は、上記固体電解質膜作製工程、触媒電極層作製工程、接着層形成工程、および接合工程以外にも他の工程を有していてもよい。他の工程としては、例えばガス拡散層形成工程やセパレータ形成工程等を挙げることができる。

本発明において、上記ガス拡散層形成工程およびセパレータ形成工程は、燃料電池の製造に一般的に用いられている方法を用いることができる。また、このような工程に用いられるガス拡散層およびセパレータとしては、燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。具体的には、ガス拡散層としては、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられ、セパレータとしては、カーボンタイプのもの、金属タイプのもの等を用いることができる。

また、本発明の燃料電池の製造方法により製造される燃料電池について、図面を用いて具体的に説明する。図２は、本発明の燃料電池の製造方法により製造された燃料電池の最小単位である単位セルの構造の一例を示す概略断面図である。上記単位セルは、図２に示すように、固体電解質膜１の両側に触媒電極層２が接着層３を介して接合されている膜電極複合体４を有し、この膜電極複合体４の両側にはガス拡散層５が配され、さらに、その外側にはセパレータ６が配されたものである。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。

[実施例]
（固体電解質膜作製工程）
スルホン化ポリエーテルスルホンを、ジメチルスルホキシドに５ｗｔ％の濃度で溶解し、分散させ、十分に攪拌した後、ガラス基板上にキャストする。膜厚をブレードにより規定した後、６０℃（２ｈ）→８０℃（２ｈ）→１２０℃（８ｈ）で加熱して溶媒を除去し、最後に１２０℃の真空乾燥炉で一昼夜処理し、第１の炭化水素系電解質樹脂（ガラス転移温度＞２００℃、ＳＰ値１４．６）を主成分とする固体電解質膜を作製した。

（触媒電極層作製工程）
５０％白金担持カーボン１ｇと、第１のフッ素系電解質樹脂（ガラス転移温度１００℃、ＳＰ値２３．２、商品名ナフィオン、デュポン社製）１ｇと、溶媒（エタノール：水＝５０：５０の混合溶媒）１５ｍｌとを混合させ、触媒電極層形成用塗工液を調製した。次に、得られた触媒電極層形成用塗工液を基材（ポリテトラフルオロエチレン）上に塗布、乾燥し、触媒電極層付きシートを作製した。

（接着層形成工程）
第２の炭化水素系電解質樹脂（ガラス転移温度１１０℃、ＳＰ値１８．９、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンをベースとする電解質ポリマー）１ｇと、第２のフッ素系電解質樹脂（ガラス転移温度１００℃、ＳＰ値２３．２、商品名ナフィオン、デュポン社製）０．５ｇと溶媒（ジメチルアセトアミド）３０ｍｌとを混合し、接着層形成用塗工液を得た。なお、第２の炭化水素系電解質樹脂におけるガラス転移温度を測定した結果を図３に示す。測定は、粘弾性測定装置（アイティー計測制御（株）製ＤＶＡ−２２５）により行い、貯蔵弾性率（Ｅ´）、損失弾性率（Ｅ´´）の測定値から損失正接（ｔａｎδ）を算出し、これらの結果からガラス転移温度を求めた。
次いで、得られた接着層形成用塗工液を固体電解質膜上に、スプレー法により塗布し、接着層を形成した。

（接合工程）
次いで、固体電解質膜の接着層が形成された面と触媒電極層とが接するようにして、触媒電極層で固体電解質膜を挟み、加熱温度１４０℃、加圧圧力１０ＭＰａ／ｃｍ^２で熱圧着を行い、膜電極複合体を得た。

本発明の燃料電池の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明により製造された燃料電池の一例を示す概略断面図である。 本発明における実施例で用いた第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度を示す図である。

符号の説明

１…固体電解質膜
２…触媒電極層
３…接着層
４…膜電極複合体
５…ガス拡散層
６…セパレータ

Claims (3)

1. 第１の炭化水素系電解質樹脂を主成分とする固体電解質膜を作製する固体電解質膜作製工程と、
   第１のフッ素系電解質樹脂を含む触媒電極層を作製する触媒電極層作製工程と、
   前記第１の炭化水素系電解質樹脂よりもガラス転移温度が低い第２の炭化水素系電解質樹脂および第２のフッ素系電解質樹脂を含む接着層を、前記固体電解質膜および前記触媒電極層の少なくとも一方に形成する接着層形成工程と、
   前記固体電解質膜および前記触媒電極層を、前記接着層を介して接合する接合工程とを有し、
   前記接合工程が、前記第２の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも高い温度、かつ、前記第１の炭化水素系電解質樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で熱圧着することにより行われることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法。
2. 前記第１の炭化水素系電解質樹脂と前記第２の炭化水素系電解質樹脂とのＳＰ値の差が５以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法。
3. 前記第１のフッ素系電解質樹脂と前記第２のフッ素系電解質樹脂とのＳＰ値の差が５以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法。

Images