JP2010205676A

JP2010205676A - 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池

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Publication number: JP2010205676A
Application number: JP2009052442A
Authority: JP
Inventors: Ryuta Fukui; 隆太福井
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
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Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP5439867B2

Abstract

【課題】触媒電極のロスを低減し、かつ位置精度よく高分子電解質膜と触媒電極との接合ができ、固体高分子形燃料電池を連続的に製造する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】転写基材１２上に触媒層１３を備え所定の大きさに切り出された触媒フィルム１０の転写基材１２側を連続搬送される支持シート６上に貼り合わせ、貼り合わせによって支持シート６上に固定された触媒フィルム１０上の触媒層１３を連続搬送される高分子電解質膜５に熱圧着し、支持シート６と転写基材１２とを一体として触媒層１３から剥離することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に用いられる膜電極接合体（ＭＥＡ）を得るための製造方法に関し、固体高分子形燃料電池に用いられる高分子電解質膜と電極触媒層とを精度良く接合する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池に関するものである。

水素と酸素を使用する燃料電池は、その反応生成物が原理的に水のみであり環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。近年、燃料電池のなかでも、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜を電解質として使用する固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、出力密度が高く、かつ、小型化が容易に可能なため、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されている。

固体高分子形燃料電池は、一般的に多数の単セルが積層されて構成されている。単セルは、図１１に示すように、アノード（燃料極）側のセパレータ５１、アノード側の電極５２、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜５３、カソード（空気極）側の電極５４及びカソード側のセパレータ５５を、この順に積層して構成されている。アノード側の電極（燃料極）５２は、電極基材５２１と触媒層５２２とで構成されており、カソード側の電極５２は電極基材５４２と触媒層５４１とで構成されている。アノード側電極基材５２１とカソード側電極基材５４２はガス拡散層と呼ばれており、いずれも、ガス拡散性と電子伝導性を有する材質から構成されており、例えば、カーボンペーパあるいはカーボンクロス等が利用されている。また、アノード側触媒層５２２とカソード側触媒層５４１は、いずれも、カーボン粒子に白金触媒を担持させて粒子状とし、これを水素イオン伝導性高分子電解質に固定して構成されている。

このうち、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜５３に、アノード側触媒層５２２とカソード側触媒層５４１とが接合されたものは一般的に膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙという。）と呼ばれる。

そして、アノード側のセパレータ５１に設けられた反応ガス流路５１ａから水素ガスを供給し、他方、カソード側のセパレータ５５に設けられた反応ガス流路５５ａから酸素ガスを供給する。これら水素ガスと酸素ガスが触媒層内の白金触媒上で次式のように反応することにより、両電極５２、５４の間に起電力を生じる。
アノード反応（燃料極）：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２e⁻
カソード反応（酸素極）：２Ｈ^＋＋２e⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

ＭＥＡを作製するにあたり、高分子電解質膜に触媒層を接合する方法としては、一般にホットプレス、ロールプレス、熱ラミネートといった方法が用いられる。例えば、特許文献１には、長尺の高分子電解質膜の両面に、長尺の転写基材上に触媒層を形成した触媒フィルムを用いて、所望の間隔を置いて断続的に転写する手段として、熱ロール、サーマルヘッド、シールバー、熱スタンパーを用いる方法が開示されている（特許文献１参照）。また、特許文献２には、あらかじめ所定のサイズに打ち抜かれた触媒フィルムをロール上に真空吸着して位置決めし、ラミネートしてＭＥＡ化する方法が開示されている（特許文献２参照）。

固体高分子形燃料電池の本格普及に対しては大幅なコストダウンがその課題の一つとなっているが、それは主にＭＥＡの材料に起因する。触媒には一般的に白金が使用されるほか、高分子電解質膜も非常に高価なものとなり、ＭＥＡを安価に製造する上で材料ロスの低減は非常に重要である。

高分子電解質膜に触媒層を圧着してＭＥＡ化するに際しては、特許文献１に記載のような触媒層を連続的に形成させたウェブ状の触媒フィルムをそのまま用いて転写を行う方法、触媒層を所定の位置・間隔で断続的に形成させたウェブ状の触媒フィルムを用いて連続的に転写を行う方法、特許文献２に記載のような触媒フィルムを所定の大きさに切り出して使用する方法が考えられる。

例えば特許文献１のように触媒層を連続的に形成させたウェブ状の触媒フィルムをそのまま用いて転写を行う場合、転写される触媒層の進行方向後端部では必ず中途半端に加熱される領域が発生するため、転写自体が不安定となるほか、ＭＥＡ上の触媒層の面内において熱履歴が不均一な部分ができることになる。触媒層の転写後に一定距離、触媒フィルムを送り出し、所望の間隔をあけて再度転写を行うという方法を取ることにより触媒層の面内不均一という問題を回避することができるが、送り出された分の転写されない触媒層が触媒フィルム上に残ることになり、触媒層のロスが発生する。

触媒層を所定の位置・間隔で断続的に形成させたウェブ状の触媒フィルムを用いて転写を行う方法では、断続的に精度よく転写基材上に触媒層を形成する必要があり、転写基材上への触媒層の形成工程でのスタートロス、エンドロスが発生しやすくなるという点において、連続的に触媒層を形成させるよりは不利となる。

触媒フィルムを所定の大きさに切り出して使用する場合には、連続的に触媒層が形成された転写基材を触媒フィルムに用いることができるため、触媒層形成時のロスが少ない、またＭＥＡにおける触媒層のサイズ、形状をある程度自由に決めることができるといった点では優れているが、ＭＥＡ化時の触媒フィルムの高分子電解質膜への位置決めが問題となる。すなわち、切り出された触媒フィルムを別のウェブ状支持シートにて搬送する必要があり、特に固定がされていなければその際に容易に位置ズレが発生し、そのままＭＥＡ化が行われるとアノードとカソードで触媒層の位置がずれるという問題が発生する。

そこで、特許文献２ではこのような問題を鑑み、触媒フィルムをロール上にあらかじめ位置決めし真空吸着しながらロールプレスを行うという方法をとっているが、この方法では触媒フィルムのサイズが大きくなると、それに応じてロールを大きくしなければならず、設備的な制約、改造への負荷が大きい。また加熱しながらバキューム（真空吸着）と排気を同時に行うことができるロールが必要であり、ロールプレスとしては装置的に非常に特殊なものが必要となる。

特開２００６−１８５７６２号公報特表２００８−５２００７１号公報

本発明は、触媒層のロスを低減し、かつ位置精度よく高分子電解質膜と触媒層との接合ができ、固体高分子形燃料電池を連続的に製造する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を提供することにある。

本発明者は、膜電極接合体の製造方法について鋭意検討を繰り返した結果、あらかじめ所定の大きさに切り出した触媒フィルムを支持シートに貼り合わせておき、熱圧着によりＭＥＡ化を行うという手順を経ることによって上記課題を解決できることを見出した。

本発明の請求項１に係る発明は、転写基材上に触媒層を備え所定の大きさに切り出された触媒フィルムの転写基材側を連続搬送される支持シート上に貼り合わせ、貼り合わせによって支持シート上に固定された触媒フィルム上の触媒層を連続搬送される高分子電解質膜に熱圧着し、支持シートと転写基材とを一体として触媒層から剥離することを特徴とする膜電極接合体の製造方法としたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、貼り合わせの際には、触媒フィルムはあらかじめ支持シート上の少なくとも一部に設けられた接着剤層によって貼り合わせることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、貼り合わせの際には、触媒フィルムはあらかじめ触媒フィルムの触媒層と逆側に設けられた接着剤層により支持シート上に貼り合わせることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、剥離の際には、転写基材を冷却することを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法により製造されることを特徴とする膜電極接合体としたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、請求項６に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で挟持され、さらに、一対のガス拡散層は一対のセパレータで挟持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。

本発明の請求項７に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方法により膜電極接合体を製造することを特徴とする膜電極接合体の製造装置としたものである。

本発明によれば、触媒電極のロスを低減し、かつ位置精度よく高分子電解質膜と触媒層との接合ができ、固体高分子形燃料電池を連続的に製造する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を提供することができる。

（ａ）は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡの拡大断面図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略説明図である。従来の固体高分子形燃料電池を示す概略分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置及びその製造方法について、図１乃至図１０を参照して説明する。図１乃至図１０は、それぞれ、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の構成例を示す概略断面図である。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置の一例を示す概略説明図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡを示す拡大概略断面図である。図１（ａ）に示すように、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造装置は、触媒フィルム１０が支持シート６上に接着剤層８によって設置・固定され、保護フィルム１５が剥離された高分子電解質膜５とともにロールプレス１１にて加熱・加圧されることによりＭＥＡ（膜電極接合体）化される。

より具体的には、巻き出されたウェブ状の支持シート６が接着剤層形成装置７によって接着剤層８が設けられ、触媒フィルム搬送装置９によって接着剤層８が設けられた位置に触媒フィルム１０が設置され、一対のロールプレス１１へと搬送されていく。同様の工程が高分子電解質膜５を挟んで反対側においても実施される。触媒フィルム１０はあらかじめ触媒層１３を転写基材１２上に形成した後、所定のサイズに切り出されたものである。図１（ａ）中では触媒フィルム１０と接着剤層８が一体となった状態をＡとし、Ａの拡大図を図１（ｂ）に示す。高分子電解質膜５は保護フィルム１５と一体となった状態で搬送され、ロールプレス１１の直前にて保護フィルム１５が剥離される。保護フィルム１５は、膜電極接合体の製造装置とは別途設けられた巻取り装置により、保護フィルム剥離ローラ１６を介して連続的に巻き取られる。保護フィルム１５の巻き取り速度は、ロールプレス１１の速度と同期させる必要がある。上記の手順を経てロールプレス１１の直前まで搬送された触媒フィルム１０及び高分子電解質膜５は、ロールプレス１１にて加熱・加圧されることにより互いに圧着され、ＭＥＡ化される。ロールプレス１１におけるＭＥＡ化の後、転写基材１２は支持シート６と一体化された状態で転写基材剥離ローラ１４を介し、別途設けられた巻取り装置によって剥離される。転写基材１２と一体化された支持シート６の巻き取り速度に関してはロールプレス１１の速度よりも遅ければ良く、ロールプレス１１と同期させる必要は必ずしもないが、支持シート６の滞留による不具合を防止するためには、同期させることがより望ましい。以上の工程を経て、ＭＥＡが連続的に製造される。

転写基材１２の剥離に関しては、図１に示すように転写基材剥離ローラ１４を介して支持シート６を適宜巻き取り、支持シート６と転写基材１２とを一体として巻き取る方法が有効である。この際、支持シート６の転写基材剥離ローラ１４に対する抱き角が大きいほど触媒層１３の転写基材１２への残留量を少なくできるため、転写基材剥離ローラ１４には可能な限り径の小さなローラを用いることが望ましい。

次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の触媒層１３について説明する。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の触媒層１３の形成には、例えば分散媒に触媒材料とバインダーとなる水素イオン伝導性高分子を分散させた分散液を、転写基材１２上に塗工し、それを乾燥させるといった方法がとられる。分散媒としてはアルコール、エーテル、ケトン等の溶媒を、単体もしくは水等との混合液のような形で用いることができ、中でもメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールと言った炭素数１〜４程度のアルコール類と水との混合溶液が材料の分散性や溶液の安定性、安全性、材料コストの観点より好ましい。触媒材料は各種炭素材料に白金もしくは白金系合金との金属微粒子を分散担持させたものを用いることができる。炭素材料としてはカーボンブラック、バルカン、ケッチェンブラックなどの多孔質粉末が適している。また金属微粒子には白金単体、もしくは白金とルテニウム、鉄、コバルト、パラジウム、ニッケルなどとの合金を使用することができる。バインダーとしての水素イオン伝導性高分子には、ナフィオン（デュポン社、登録商標）に代表されるパーフルオロカーボン骨格にスルホン酸基が導入されたものが一般的に用いられるが、触媒材料同士の結合力、触媒電極内の微細構造保持力を維持、強化する目的で、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが添加されたものを用いても良い。

次に、触媒層１３を形成させる転写基材１２としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）をフィルム状に成型したものなどを用いることができる。転写基材１２には安価で、取扱いが容易であり、さらに触媒層１３を高分子電解質膜５へ圧着させた後、剥離する必要があるため剥離性に優れるといった性質が求められることから、コスト、取扱いを重視するのであればポリエチレンテレフタレートなど入手しやすいもの、一方剥離性を重視するのであればポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系高分子材料が好ましい。また、ポリエチレンテレフタレートの表面に剥離材をコートして剥離性を向上させたものなどを転写基材１２に用いても良い。

高分子電解質膜５としては、例えばナフィオン（デュポン社、登録商標）、ゴアセレクト（ジャパンゴアテックス社、登録商標）、フレミオン（旭硝子、登録商標）、アシプレックス（旭化成、登録商標）などのパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜５を使用することができる。水素イオン伝導性の高さのほか、取り回しのしやすさや機械強度などが特性としては求められるが、水素イオン伝導性は膜厚に反比例し、機械強度は膜厚に比例するため、両者はトレードオフの関係にある。したがって取り回しを考慮すると膜厚としては５０μｍ〜１００μｍ程度が好ましいが、より薄い高分子電解質膜５に補強材としてポリテトラフルオロエチレン、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）などが添加されたものを用いても良い。補強材が添加された高分子電解質膜５の厚みは、例えば２５μｍ〜５０μｍ程度である。

ロールプレス１１での加圧力、温度、ロール材質については、ＭＥＡに求められる特性により異なる設定を採用することが望ましいが、あまり低圧力、低温条件でロールプレスを行うと、触媒層１３が高分子電解質膜５へ接着せず、ＭＥＡ化できない場合が生じてくる。したがって、実効圧力１．５ＭＰａ以上、１２０℃以上の加圧力および温度で接着を行うことが望ましい。しかし、高分子電解質膜５の軟化温度などの性質に応じて適宜変更する必要がある。

なお、触媒層１３を高分子電解質膜５へ圧着する手段としては、必ずしもロールプレスを用いる必要はない。原理的には、触媒層１３と高分子電解質膜５とを接触させた状態で加熱され、触媒層１３と高分子電解質膜５のそれぞれに含まれる高分子成分が軟化することによって両者が接合される。したがって、ロールプレス以外にも例えばホットプレス、ヒートシールといった方法も有効である。例えばホットプレスにより触媒層１３を高分子電解質膜５へ圧着する場合には、実施条件として圧力０．５ＭＰａ〜５ＭＰａ、温度は１２０℃〜２００℃程度、時間は５分〜６０分程度が望ましく、より望ましくは圧力１ＭＰａ〜２ＭＰａ、温度は１３０℃〜１６０℃、時間は１０分〜３０分程度である。

また、ロールプレスと異なり原理上間欠的な運転を行う必要があるため、膜電極接合体の製造装置全体を間欠で運転するか、図２に示すように、ホットプレス機構１７の手前にダンサー機構１８を設置するなどして連続的な運転を間欠的な運転に切り替える機構が必要となる。ダンサー機構１８を設置する場合には、触媒層１３へのダメージを回避するため、触媒フィルム１０を支持シート６に貼り合わせる位置よりも手前にダンサー機構１８を設置することがより望ましい。ダンサー機構１８を導入することにより触媒フィルム１０の支持シート６上への設置も、支持シート６が止まったタイミングで実施できるため、より位置正確性が高められる。

支持シート６には、接着剤層８の濡れ性が適度に良好で、かつロールプレス１１での加熱・加圧に耐えうる性質が必要である。例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリスルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などをフィルム状に成型したもの、上記各種フィルムに適宜補強材を添加したものなどを用いることができる。

接着剤層形成装置７としては、触媒フィルム１０を設置する位置にのみ限定的に接着剤層８を塗布できるものでなければならない。例えば、ディスペンサー、各種インクジェット、ロールコーター、ダイコーター、グラビアコーター、スクリーン印刷機などを用いることができる。

接着剤層８には、触媒フィルム１０を設置した後速やかに乾燥あるいは硬化できることが、よりラインをコンパクト化する上で望ましい。例えば、接着剤として熱硬化性樹脂、ＵＶ硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂などを用い、その後硬化処理を施すといった手段をとることが望ましい。

触媒フィルム搬送装置９は、触媒フィルム１０をハンドリングする際になるべく触媒層１３への接触を抑えつつ、かつ位置正確に設置できることが望ましい。より具体的には、あらかじめ所定のサイズに切り抜かれ、スタッカーあるいはマガジン内に設置された触媒フィルム１０を、真空グリッパやピンセットなどピックアップする機構を先端に設けたロボットアームにて１枚ずつ接着剤層８が設けられた箇所に搬送するといった方法を用いることができる。

触媒フィルム１０の接着剤層８上への設置からロールプレス１１にてラミネートされるまでの間の搬送については、位置ズレを防止するという観点からできるだけ短く、かつ単純な搬送路であることが望ましい。もしくは、接着剤層８上への触媒フィルム１０の設置完了後、その接着剤層８に応じ適切な硬化方法でもって触媒フィルム１０を速やかに支持シート６上へ固定することがより望ましい。その場合、図３に示すように、触媒フィルム搬送装置９の後、可能な限り近い位置に乾燥炉や露光装置などの接着剤層硬化装置１９を設置することによって実現可能である。また、触媒フィルム搬送装置９自体に接着剤層８を硬化させるような機構が付設されていてもよい。触媒フィルム搬送装置９のグリッパ部分にＵＶランプやＩＲランプといった機構を直接組み込む、あるいは下側からＵＶやＩＲを放射、熱風を吹きつける機構などを付設することで、触媒フィルム１０の設置後、極めて速やかにその位置を固定することができる。

高分子電解質膜５のロールプレス１１への搬送に関して、高分子電解質膜５は通常時は両面に保護フィルム１５が設置され、汚染の防止が図られており、ＭＥＡ化する際にはこれらの保護フィルム１５を剥離して高分子電解質膜５自体を露出させ、転写基材１２上に形成された触媒層１３と接触させる必要性が生じる。一方で、保護フィルム１５と一体化されていることにより高分子電解質膜５はより変形に対して強度が得られるため、搬送を行う際には保護フィルム１５と一体化しておくほうが有利である。したがって、保護フィルム１５の剥離はできる限りロールプレス１１の直前にて行う方がより望ましい。また、図４に示すように、保護フィルム１５を片面のみ剥離して触媒フィルム１０とラミネートした後、一旦触媒フィルム１０をラミネートした面を第２保護フィルム２０と貼り合わせ、剥離せずにロールプレス１１を通過させたもう一方の面の保護フィルムを剥離してから触媒フィルム１０をラミネートしてもよい。この場合、常に片面には保護フィルムが設置されているため高分子電解質膜５の強度をある程度維持でき、特に高分子電解質膜５が熱により軟化しやすい材質であるような場合に有効な手段となる。さらに図５に示すように、片側の触媒層１３の圧着を完了させた後、支持シート６を剥離して一度搬送方向を１８０度逆転させ上下を反対にすることにより、触媒層１３が圧着されていないもう一方の面に対して接着剤層８の形成からＭＥＡ化までの搬送をより単純化することもできる。

転写基材１２のＭＥＡからの剥離に関して、転写基材１２がより冷めているほど触媒層１３は転写基材１２上に残留しにくくなるため、ロールプレス１１から剥離ロール１４までの距離を長く取るか、あるいは図６に示すように、ロールプレス１１から剥離ロール１４までの間に転写基材１２を冷却する冷却機構２１を設けることが望ましい。冷却機構２１は、冷却水や空気などを通じて低温に保持したロールに抱かせる、あるいは冷風を吹きつけるといった手段が具体的には有効である。

触媒フィルム１０を支持シート６に固定するにあたっては、あらかじめ接着剤層８が触媒フィルム１０の触媒層１３とは反対側に設けられていても良い。その場合、触媒フィルム搬送装置９にて所定の位置に触媒フィルム１０を設置した後、接着剤層８を溶融・硬化させ支持シート６上に触媒フィルム１０を固定させる方法が取られる。その際、触媒フィルム搬送装置９に付設された接着剤層加熱機構にてその場で接着剤層８を溶融させる方法が触媒フィルム１０の位置ズレを防止するという意味ではより望ましいが、あるいは図７に示すように、触媒フィルム１０を触媒フィルム搬送装置９にて設置後、保護シート２２を介して一対の加熱ロール２３にて加熱して接着剤層８を溶融させる方法も有効である。この場合、触媒層１３の保護シートへの貼りつきを防止するため、加熱ロール２３の接着剤層８側の温度は接着剤層８の軟化温度程度とし、触媒層１３側の温度は触媒層１３中の高分子成分のガラス転移温度よりも低くすることが望ましい。より望ましくは室温程度である。また、図８に示すように保護シート２２を介して発熱ブロック２４を押し当てることにより接着剤層８を溶融させる方法も有効である。この場合も図７と同様に、触媒層１３の保護シートへの貼りつきを防止するため、発熱ブロック２４の接着剤層８側の温度は接着剤層８の軟化温度程度とし、触媒層１３側の温度は触媒層１３中の高分子成分のガラス転移温度よりも低くすることが望ましい。より望ましくは加熱ロール２３を用いる場合と同様に室温程度である。また安定した搬送を行うためには、発熱ブロック２４の接着剤層８側は固定し、触媒層１３側を動作させて発熱ブロック２４と支持シート６とを密着させることが望ましい。具体的に発熱ブロック２４には、ヒートシーラー、熱スタンパー、サーマルヘッドなどを用いることができる。

さらに触媒フィルム１０を支持シート６に固定する方法として、図９に示すように、あらかじめ接着剤層８が支持シート６上の所定の位置に設けられていても良い。この場合、接着剤層８は支持シート６上に設けられた後、いったん巻き取りを行うために、例えば熱可塑性を有するような可逆的に軟化・硬化が可能な接着剤を用いる、あるいは接着剤層８上に保護層を設け触媒フィルム１０を接着剤層８上に設置する直前に剥離するといったことが必要である。支持シート６上に接着剤層８を設ける手段としては、例えばディスペンサー、各種インクジェット、ロールコーター、ダイコーター、グラビアコーター、スクリーン印刷機などを用いることができる。また触媒フィルム１０の接着剤層８上への設置および貼り合わせ方法としては、先の触媒フィルム１０側に接着剤層８が用いられている場合と同様、触媒フィルム搬送装置９に加熱機構を付設して用いる、保護シートを介して加熱ローラあるいは発熱ブロックにより加熱を行うといった方法により実施できる。

なお、これまでの本発明の実施の形態の中で、転写基材１２または支持シート６上に接着剤層８を設けて触媒フィルム１０を貼り合わせる工程については、圧着を行うロールプレス１１と同一の装置にて行うこととしているが、必ずしもこれらの工程を一体化する必要はない。例えば図１０に示すように、あらかじめ支持シート６と触媒フィルム１０とを接着剤層８を介して貼り合わせたシートロール２５を用意しておき、それを巻き出してロールプレス１１にかけるといった方法を用いても良い。また、適宜触媒フィルム１０の触媒層１３を保護するため、剥離が容易な保護層をつけ、圧着を行う直前に剥離するといった手段を用いても良い。

上述した本発明の膜電極接合体の製造方法は、転写基材１２上に触媒層１３が連続的に設けられた触媒フィルム１０を切り出して用いることができるため触媒フィルム１０の作製工程でのロスが抑えられるほか、転写を行う際の触媒フィルム１０の形態の自由度が高くなるため、圧着や剥離といった工程における実施方法の選択肢を増やすことができる。

さらに所定の大きさに切り出された触媒フィルム１０を支持シート６に貼り合わせた後、連続的にラミネートを行うため、圧着工程においても触媒層１３をロスせずに膜電極接合体（ＭＥＡ）を製造することができ、膜電極接合体を用いた後述する固体高分子形燃料電池を低コストで製造することができる。

次に、図示しないが、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池について説明する。本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池は、上述した膜電極接合体の一対の触媒層と対向してカソード（空気極）側のガス拡散層（電極基材）及びアノード（燃料極）側ガス拡散層（電極基材）が配置される。これによりそれぞれ電極である空気極及び燃料極が構成される。そしてガス流通用の反応ガス流路を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる１組のセパレータが配置される。燃料極側のセパレータの反応ガス流路からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極側のセパレータの反応ガス流路からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の２つの電極間に起電力を生じることができる。

固体高分子形燃料電池は一組のセパレータに高分子電解質膜、一対の触媒層、空気極側ガス拡散層、燃料極側ガス拡散層が狭持された、いわゆる単セル構造の固体高分子形燃料電池であるが、本発明の実施の形態にあっては、セパレータを介して複数のセルを積層して燃料電池とすることもできる。

５…高分子電解質膜、６…支持シート、７…接着剤層形成装置、８…接着剤層、９…触媒フィルム搬送装置、１０…触媒フィルム、１１…ロールプレス、１２…転写基材、１３…触媒層、１４…転写基材剥離ローラ、１５…保護フィルム、１６…保護フィルム剥離ローラ、１７…ホットプレス機構、１８…ダンサー機構、１９…接着剤層硬化装置、２０…第２保護フィルム、２１…冷却機構、２２…保護シート、２３…加熱ロール、２４…発熱ブロック、２５…シートロール、５１…アノード側のセパレータ、５１ａ…反応ガス流路、５２…アノード側電極、５２１…アノード側電極基材（ガス拡散層）、５２２…アノード側触媒層、５３…水素イオン伝導性高分子電解質膜、５４…カソード側電極、５４１…カソード側触媒層、５４２…カソード側電極基材（ガス拡散層）、５５…カソード側のセパレータ、５５ａ…反応ガス流路

Claims

転写基材上に触媒層を備え所定の大きさに切り出された触媒フィルムの転写基材側を連続搬送される支持シート上に貼り合わせ、
前記貼り合わせによって前記支持シート上に固定された前記触媒フィルム上の前記触媒層を連続搬送される高分子電解質膜に熱圧着し、
前記支持シートと前記転写基材とを一体として前記触媒層から剥離することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
前記貼り合わせの際には、前記触媒フィルムはあらかじめ前記支持シート上の少なくとも一部に設けられた接着剤層によって貼り合わせることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
前記貼り合わせの際には、前記触媒フィルムはあらかじめ前記触媒フィルムの前記触媒層と逆側に設けられた接着剤層により前記支持シート上に貼り合わせることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
前記剥離の際には、前記転写基材を冷却することを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法により製造されることを特徴とする膜電極接合体。
請求項６に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で挟持され、さらに、前記一対のガス拡散層は一対のセパレータで挟持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方法により膜電極接合体を製造することを特徴とする膜電極接合体の製造装置。