JP2017054598A - 膜電極構造体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高分子電解質膜の周縁部に額縁状の補強層を配置し、電極触媒層と補強層との間からの高分子電解質膜の露出を抑制し、実質的に発電に寄与しない触媒層の割合を低減し、電極触媒層形成後にしわの発生を抑制できる膜電極構造体を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜11の一方の面に少なくとも第1補強基材14Aを含む第1補強層13Aを額縁状に配置する第1工程と、前記第1補強層13Aで囲まれた開口部分に第1電極触媒層12Aを成膜する第2工程と、第2補強層13Cを含む転写用部材及び第2電極触媒層12Cとを有する層状体を前記高分子電解質膜11の他方の面に押し付けて、前記第2補強層13Cおよび前記第2電極触媒層12Cを圧着する第3工程と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、膜電極構造体の製造方法に関する。
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。燃料電池の方式の一つに、プロトン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる固体高分子形燃料電池がある。
固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、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おり、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極構造体(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレーター板と、電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレーター板とで挟持した電池である。以降では、燃料ガスを供給する電極側を燃料極側(アノード)、酸化剤を供給する電極側を空気極側(カソード)と呼ぶ。
膜電極構造体は、膜厚が100μmから500μm程度の薄膜であることが一般的である。そのため強度が低く、膜電極構造体成形時や、その後の組み立て工程の際にハンドリング性に乏しく、しわ等の欠陥が発生する原因となることがあった。
これを解決するために、例えば特許文献1では、電極触媒層が積層された高分子電解質膜の両面に、電極触媒層と同形の開口を持つ額縁状の補強層を配置することが記載されている。高分子電解質膜の周縁部に額縁状の補強層を配置することで、膜電極構造体全体の強度を向上させている。
特開2006−100267号公報
しかし、特許文献1のように電極触媒層を形成した後に同形の開口を有する補強層を配置する場合、両者の位置合わせを高精度に行うことは非常に難しい。そのため、特許文献1に記載の方法では、電極触媒層と補強層の間に隙間が形成される場合がある。この隙間を通じて反応ガスが直接高分子電解質膜に到達すると反応ガスの短絡が生じる問題や、発電時の高分子電解質膜の膨潤や収縮に伴う応力が隙間部分に集中するといった問題があった。このように、補強層と電極触媒層の間に隙間が存在すると高分子電解質膜の劣化を進める要因となるが、従来の方法では、位置合わせや材料寸法の精度の限界により、補強層と電極触媒層の間に隙間のない膜電極構造体を製造することは困難であった。
一方で、補強層を高分子電解質膜に取り付けた後に、補強層の内側に電極触媒層を塗工する方法がある。これによれば、補強層と電極触媒層の位置合わせを行う必要がないため、接合箇所に重なりも隙間も生じない。しかしながら、高分子電解質膜は溶媒等により伸縮するものがあり、高分子電解質膜に直接電極触媒層を塗工するとしわが生じて問題となる場合がある。
この問題を解決する方法として、高分子電解質膜の一方の面を保持基材で固定した後に、もう一方の面に電極触媒層を塗工することでしわの発生を抑制する方法が挙げられる。しかしながらこの方法であっても、保持基材を取り除いた際に高分子電解質膜の伸縮によりしわが生じる場合がある。
さらに、電極触媒層は高分子電解質膜の両面に形成する必要があるが、上記方法で一方の面に電極触媒層を形成後、同様に保持基材で固定して他方の面に塗工法で電極触媒層を形成する場合、一方の面に形成した電極触媒層上に直接保持基材を積層することとなる。保持基材を積層するには粘着剤が必要であることから、保持基材除去後に電極触媒層に粘着剤が付着し、触媒の効率が低下する問題もある。
本発明は、高分子電解質膜の周縁部に額縁状の補強層を配置した膜電極構造体にあって、電極触媒層と補強層との間からの高分子電解質膜の露出を抑制し、電極触媒層形成後にしわが生じない膜電極構造体の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る膜電極構造体の製造方法は、高分子電解質膜の一方の面に少なくとも第1補強基材を含む第1補強層を額縁状に配置する第1工程と、前記第1補強層で囲まれた開口部分に第1電極触媒層を成膜する第2工程と、第2補強層を含む転写用部材及び第2電極触媒層とを有する層状体を前記高分子電解質膜の他方の面に押し付けて、前記第2補強層および前記第2電極触媒層を圧着する第3工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係る膜電極構造体の製造方法によれば、高分子電解質膜の周縁部に額縁状の補強層を配置した膜電極構造体にあって、電極触媒層と補強層との間からの高分子電解質膜の露出を抑制し、実質的に発電に寄与しない触媒層の割合を低減することができ、電極触媒層形成後にしわが生じず、形成時間の短縮も可能な膜電極構造体の製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態における膜電極構造体の断面構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態における膜電極構造体の製造工程における補強部材を配置した状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態における膜電極構造体の製造工程における第1電極触媒層を成膜した状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態における膜電極構造体の製造工程における(a)転写用部材を含む層状体に第2電極触媒層を成膜した状態を示す断面図と、(b)転写用部材を含む層状体を所望の形状に加工し切り込み部を形成した状態を示す断面図と、(c)転写用部材を含む層状体から加工外周縁部の転写用部材を除去した状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態における膜電極構造体の製造工程における(a)第2電極触媒層を含む層状体と高分子電解質膜を接合した状態を示す断面図(b)第2電極触媒層および第2補強層を転写した後の状態を示す断面図である。 固体高分子形燃料電池を示す分解斜視図である。
以下に、本発明の実施形態について各図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下に記載の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。また、各図面は説明の理解を容易にするため適宜誇張して示している。
(全体構成)
図6は、固体高分子形燃料電池の構造の一例を示す分解斜視図である。図6に示されるように、膜電極構造体10として、高分子電解質膜11の両面に第1電極触媒層12A、第2電極触媒層12Cがそれぞれ形成されている(以下では第1電極触媒層12Aと第2電極触媒層12Cを合わせて電極触媒層12と呼ぶこともある)。固体高分子形燃料電池6は膜電極構造体10の第一電極触媒層12Aと対向するように配置される燃料極側のガス拡散層4と、第2電極触媒層12Cと対向するように配置される空気極側のガス拡散層5とを備える。
また、ガス流通用のガス流路8と、冷却水流通用の冷却水流路9とを備えた、導電性でかつ不透過性の材料よりなる一組のセパレーター7が、ガス拡散層4及び5の外側にそれぞれ配置される。
図6に示した固体高分子形燃料電池6は単セル構造の燃料電池であるが、セパレーター7を介して複数のセルを積層して固体高分子形燃料電池を構成しても良い。
第1電極触媒層12Aには、アノード側のセパレーター7に形成されたガス流路8から水素を含む燃料ガスが供給される。第2電極触媒層12Cには、カソード側のセパレーター7に形成されたガス流路8から酸素を含む酸化剤ガスが供給される。そして、触媒の存在下で酸化剤ガスと燃料ガスとが電極反応を進めることによって、カソードとアノードとの間に起電力が生じる。
(膜電極構造体)
以下、図1を参照して、本発明の膜電極構造体10を構成する各部について説明する。図1は膜電極構造体10の断面構造を示している。高分子電解質膜11のアノード側の面には額縁状に形成された第1補強層13Aが、カソード側の面には額縁状に形成された第2補強層13Cがそれぞれ形成されている(以下では第1補強層13Aと第2補強層13Cを合わせて補強層13と呼ぶこともある)。第1補強層13Aは、第1接合層15Aを介して第1補強基材14Aが形成されている。また、第2補強層13Cは、第2接合層15Cを介して第2補強基材14Cが形成されている。額縁状の補強層13の開口部には電極触媒層12が形成されている。ここで、補強層13の額縁状とは、正方形や長方形、円形等の形状でも良い。
(高分子電解質膜)
高分子電解質膜11は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜11の材料としては、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質が用いられる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製NAFION(登録商標)、旭硝子(株)製FLEMION(登録商標)、旭化成(株)製ACIPLEX(登録商標)、ゴア社製GORE−SELECT(登録商標)が用いられる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜が用いられる。なお、第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cと高分子電解質膜11との密着性を高めるためには、第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cに含まれる高分子電解質と高分子電解質膜11を構成する高分子電解質とが同一の材料であることが好ましい。
(電極触媒層)
電極触媒層12は、触媒とイオン交換樹脂とを含んでおり、触媒インクを用いて形成される。触媒インクは、高分子電解質と、触媒物質と、インク溶媒とを含む。触媒インクに含まれる高分子電解質としては、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質などのプロトン伝導性を有する高分子材料が用いられる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製NAFION(登録商標)、旭硝子(株)製FLEMION(登録商標)、旭化成(株)製ACIPLEX(登録商標)、ゴア社製GORE−SELECT(登録商標)などが挙げられる。炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質が挙げられる。
触媒物質としては、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、鉄(Fe)などが用いられる。特に、触媒物質として白金を用いることが好ましい。触媒物質は、導電性担体である炭素粒子に担持されることが好ましいが、単体の触媒物質が用いられてもよい。炭素粒子としては、例えば、カーボンブラックなどが用いられる。
なお、触媒インクには、分散媒としてインク溶媒が含まれているが、インク溶媒の材料については後述する。
(補強基材)
第1補強層13Aの第1補強基材14A及び第2補強層13Cの第2補強基材14Cは、熱可塑性樹脂の中で固体高分子形燃料電池に一般的に使用される樹脂から形成される。例えば、第1補強基材14A、第2補強基材14Cの材料としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)などが用いられる。
第1補強基材14A及び第2補強基材14Cの厚みは、強度や耐熱性が適正に確保されるように、材料に応じて適宜選択される。第1補強基材14A及び第2補強基材14Cの厚みは、1μm以上100μm以下であることが好ましい。
(接合層)
第1接合層15A及び第2接合層15Cとしては、対象の接合に際して固化を要しない粘着層が用いられてもよいし、対象の接合に際して固化を要する接着層が用いられてもよい。第1接合層15A及び第2接合層15Cは、所望の剥離強度を有していればよく、材料は特に限定されない。第1接合層15A及び第2接合層15Cの材料としては、例えば、エポキシ樹脂や、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ゴムなどが用いられる。第1接合層15A及び第2接合層15Cのそれぞれの材料は同じであっても良いし、異なっていても良い。
第1接合層15A及び第2接合層15Cの厚みは、特に限定されないが、0.1μm以上30μm以下であることが好ましい。これら接合層の厚みが0.1μm以上であると、層の形成時に塗工のムラが生じることが抑えられる。第1接合層15A及び第2接合層15Cの厚みは同じであっても良いし、異なっていても良い。
(膜電極構造体の製造方法)
図2から図5を参照して、本発明の膜電極構造体10の製造方法について説明する。
図2に示されるように、高分子電解質膜11の一方の面に第1補強層13Aが配置される。第1補強層13Aは第1接合層15Aを高分子電解質膜11に塗布後、予め額縁状に形成された第1補強基材14Aを圧着することで形成することができる。また、第1接合層15Aを第1補強基材14Aに塗布後、額縁状に形成し、高分子電解質膜11に圧着することで形成することも可能である。さらに、これらの方法に限定されず、その他公知の手法を採用することもできる。
次に、図3に示されるように、第1補強層13Aで囲まれた開口部に触媒インクを塗工後、乾燥させることで第1電極触媒層12Aを成膜することができる。このとき、第1補強基材14Aの上面に、第1補強基材14Aと同形の開口を有するマスク材を配置し、触媒インクを塗工することで所望の形状の第1電極触媒層12Aを得ても良く、高分子電解質膜11の全面に触媒インクを塗工後、第1補強基材14A上に成膜された第1電極触媒層を除去することで所望の形状の第1電極触媒層12Aを得ても良い。以降では、第1電極触媒層12Aと第1補強層13Aを合わせてアノード側層状体18Aと呼ぶ。
このとき、高分子電解質膜11の他方の面には予め、図示しない保持基材で保持していても良い。保持基材は高分子電解質膜11から離形可能な接合層を有する。保持基材の厚みは、強度や耐熱性が適正に確保されるように、材料に応じて適宜選択される。この保持基材は第1電極触媒層12Aを成膜した後に除去される。
次にカソード側の形成を行う。本発明ではカソード側の形成に転写工程を採用している。図4(a)に示されるように、支持基材17の上面には第2補強基材14C、第2接合層15Cおよび転写用部材16の順に配置されている。転写用部材16の上部に触媒インクを塗工後、乾燥工程を経て乾燥させることで第2電極触媒層12Cを得る。
続いて、図4(b)に示されるように、第2補強基材14C、第2接合層15C、転写用部材16、第2電極触媒層12Cに対して所望の形状の加工を行い、切り込み部を形成する。このとき、第2補強基材14C、第2接合層15Cおよび転写用部材16は触媒インクの塗工前に所望の形状の加工がなされても良く、また、転写用部材の上にマスク材を配置した後に所望の形状を加工し、その後、触媒インクを塗工しても良い。
その後、図4(c)に示されるように、加工外周縁部の転写用部材16とその上面に形成されている第2電極触媒層12Cを除去する。以上の工程によって、所望の形状の第2電極触媒層12Cが成膜された第2補強層13Cを含むカソード側層状体18Cが構成される。
支持基材17は、第2補強基材14Cを再剥離可能な材料から形成されたシートである。支持基材17の厚みは、強度や耐熱性が適正に確保されるように、材料に応じて適宜選択される。
転写用部材16は、第2電極触媒層12Cを剥離可能な材料から形成されたシートである。転写用部材16の材料としては、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂やポリスチレン系樹脂、シリコーン等の離形層が形成された樹脂が用いられる。
転写用部材16の厚みは、強度や耐熱性が適正に確保されるように、材料に応じて適宜選択される。転写用部材16の厚みは、1μm以上100μm以下であることが好ましい。
電極触媒層12を形成する触媒インクは、高分子電解質と、触媒物質と、インク溶媒とを含む。
インク溶媒としては、触媒物質を担持した炭素粒子である触媒物質担持炭素体と高分子電解質とを浸食しない溶媒であって、流動性を有した状態で高分子電解質を溶解するか、もしくは、微細ゲルとして高分子電解質を分散する溶媒を用いることが好ましい。このようなインク溶媒は、揮発性の有機溶媒を含むことが好ましく、インク溶媒に含まれる有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、及び、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなどの極性溶剤が挙げられる。また、これらの有機溶媒のうち二種類以上の溶媒が混合されてインク溶媒として用いられてもよい。
触媒インクの混合方法としては、遊星ボールミル、ビーズミル、ホモジナイザをはじめとする公知の方法が挙げられるが特に限定しない。
触媒インクの塗工方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法が用いられる。これらの塗布法のうち、加圧スプレー法、超音波スプレー法、静電噴霧法などのスプレー法が用いられることが好ましい。これらの方法によれば、塗工された触媒インクが乾燥する際に触媒インクの凝集が起こり難いため、空孔率の高い均質な電極触媒層12を得ることが可能となる。
最後の工程として、図5(a)に示されるように、高分子電解質膜11のアノード側層状体18Aを形成していない側の面に対し、第2接合層15Cと第2電極触媒層12Cとを接合するように配置する。この状態で、カソード側層状体18Cと高分子電解質膜11とを加熱するとともに加圧することで熱圧着する。これにより、第2電極触媒層12Cと第2補強層15Cとが接合されたまま、高分子電解質膜11の接合面に圧着される。
このとき、第1補強層13Aと第2補強層13Cの開口部(即ち第1電極触媒層12Aと第2電極触媒層12C)とが対向する状態で高分子電解質膜11を挟んで配置される。
そして、第2電極触媒層12Cと第2補強層13Cとが高分子電解質膜11に圧着された後、図5(b)に示されるように、第2電極触媒層12C及び第2補強層13Cから不要な支持基材17と加工内周縁部の第2補強層13Cおよび転写部材16を剥離し、本発明の膜電極構造体10が完成する。
上記実施形態ではアノード側層状体を塗工法により作成し、カソード側層状態を転写法により作成したがこれに限定されず、アノード側層状体を転写法により作成し、カソード側層状態を塗工法により作成してもかまわない。いずれにしても、塗工法による工程を先に実施後、転写法による工程を行うことで下記の効果を得られる。
本発明の膜電極構造体の製造方法によれば、第1補強層13Aの配置された高分子電解質膜11の表面に第1電極触媒層12Aが成膜されるため、第1電極触媒層12Aの成膜時に、第1補強層13Aの内周縁と第1電極触媒層12Aの外周縁との寸法が合わせられる。
また、第2補強層13Cと同一の切り込み部を有する様に加工された転写用部材16の表面に第2電極触媒層12Cが成膜されるため、第2電極触媒層12Cの成膜時に、第2補強層13Cの内周縁と第2電極触媒層12Cの外周縁との寸法が合わせられる。そして、第2電極触媒層12Cと第2補強層13Cとは、高分子電解質膜11の接合面に転写される。
したがって、第1電極触媒層12Aと第1補強層13Aとの間や、第2電極触媒層12Cと第2補強層13Cとの間に隙間が形成されることが抑えられる。その結果、第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cと第1補強層13A及び第2補強層13Cとの間から高分子電解質膜11が露出せず、高分子電解質膜の劣化を抑えることができる。
また、電極触媒層12を高分子電解質膜の両面に塗工により製造した場合、上述のように支持基材除去後に触媒層に粘着物質が残留する恐れがあったが、本発明では片面のみを塗工により行い、第2電極触媒層12Cは転写によって成膜されるので、粘着物質が残留する恐れがなく、高分子電解質膜11への過度の溶媒の浸漬が抑えられる。さらに、第2電極触媒層12Cの成膜後には高分子電解質膜11が第2電極触媒層12Cおよび第2補強層13Cで固定されることで、しわの発生を抑制できる。
また、塗工法による工程後に転写法による工程を行っているので、転写法実施時には塗工法により形成した触媒層も一緒に熱圧着される。そのため、塗工法により形成した触媒層と電解質膜の界面密着度がさらに向上し、発電性能が向上する効果を奏する。
さらに、従来では、電極触媒層の面上に補強層を配置することによって、電極触媒層と補強層との間からの高分子電解質膜の露出を抑えようとする構造が提案されていた。こうした構造と比較して、本実施形態の膜電極構造体10では、平面視した場合に、第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cが第1補強層13A及び第2補強層13Cと重ならない。このため、ガスの拡散が妨げられて第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cに発電に寄与しない部分が生じることが抑えられる。その結果、第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cに、高価な白金族の貴金属が使用される場合であっても、膜電極構造体10の製造に要するコストの増大が抑えられる。また、膜電極構造体10を平面視した方向において電極触媒層と補強層とが重なる部分と重ならない部分とが存在することに起因して膜電極構造体11の厚みにばらつきが生じることもない。
以下に、本発明に係る膜電極接合体の製造方法の具体的な実施例を説明する。尚、本発明はこの実施例に限定されず、種々の変形が可能である。
(実施例1)
白金担持量が50%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、混合比1:2の水−エタノール混合溶媒中で混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調整した。
高分子電解質膜11に対し離形層を有するPETフィルムをマスク材とした第1補強層13Aを配置した。この多層体の開口部サイズは50mm四方である。ドクターブレード法により触媒インクを作製した多層体の面に塗布し、塗布された触媒インクを温度が80℃の大気雰囲気中で5分間乾燥させ、マスク材を剥離することで第1電極触媒層12Aを成膜した。電解質膜としては、Nafion(登録商標)212(デュポン社製)を用いた。
弱粘着層付きの支持基材17にPETフィルム(第2補強基材14C)と粘着層(第2接合層15C)および離形層を有するPETフィルム(転写用部材16)を貼合した4層構造の多層体を作製した。その後支持基材17を除く3層の中央部をハーフカットし、枠状の加工を施した多層体を作製した。この多層体の開口部サイズは50mm四方である。続いて、触媒インクをドクターブレード法により転写用部材16に塗布し、塗布された触媒インクを温度が80℃の大気雰囲気中で5分間乾燥させ、第2電極触媒層12Cを成膜した。
上記多層体のハーフカット外周縁部の転写用部材16及びその直上の第2電極触媒層12Cを除去し、カソード側層状態18Cを得た。そして、第1電極触媒層12Aの外周縁部と第2補強層13Cの開口内周縁部の各々が高分子電解質膜の2つの接触面の各々と互いに向い合うように、高分子電解質膜11と接合した。その後、カソード側層状体18Cと高分子電解質膜11の接合体を130℃に加熱するとともに加圧下で10分間保持するホットプレスを行うことで、第2電極触媒層12C並びに第2補強層13Cを高分子電解質膜11に転写し、実施例1の膜電極構造体10を得た。
(実施例2)
第2電極触媒層12Cを転写用部材16上に塗工し、乾燥した後にハーフカットすることで触媒層付多層体を作製した以外は実施例1と同様の操作を行い、実施例2の膜電極構造体10を得た。
(比較例1)
第1補強層及び第2補強層を高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成した。その後、第2補強層上に保持基材を配置し、高分子電解質膜の第1補強層を備える側の面にドクターブレード法により触媒インクを塗布し乾燥することで第1電極触媒層を形成した。そして、第2補強層上の保持基材を除去し、作成した第1電極触媒層上に新たに保持基材を固定し、高分子電解質膜の第2補強層側の面に触媒インクを塗布、乾燥することで第2電極触媒層を形成した。その後、第1補強層上の保持基材を除去し、比較例1の膜電極構造体を得た。
(比較例2)
実施例1において、第1電極触媒層及び第1補強層を転写法により形成した。その後、保持基材を第1電極触媒層上に設けて固定し、第2電極触媒層を塗布法により形成し、比較例2の膜電極構造体を得た。
(比較例3)
比較例2において、第1電極触媒層及び第1補強層を転写法により形成後、保持基材を設けない状態で第2電極触媒層を塗布法により形成し、比較例3の膜電極構造体を得た。
(目視結果)
作製された膜電極接合体10の電極触媒層12と補強層13を観察したところ、実施例1、2共に、電極触媒層12と補強層13の間に隙間は認められなかった。一方、比較例1、2では保持基材固定の際に使用した粘着物質が電極触媒層の一部に付着していることが確認された。また、比較例3では高分子電解質膜にしわが生じていることが確認された。高分子電解質膜や電極触媒層にしわや異物が存在する場合、燃料電池の発電性能に著しい低下が発生することになるので問題となる。
4、5 ガス拡散層
6 固体高分子形燃料電池
7 セパレーター
10 膜電極構造体
11 高分子電解質膜
12A 第1電極触媒層
12C 第2電極触媒層
13A 第1補強層
13C 第2補強層
14A 第1補強基材
14C 第2補強基材
15A 第1接合層
15C 第2接合層
16 転写用部材
17 支持基材
18A アノード側層状体
18C カソード側層状体

Claims (5)

  1. 高分子電解質膜の一方の面に少なくとも第1補強基材を含む第1補強層を額縁状に配置する第1工程と、
    前記第1補強層で囲まれた開口部分に第1電極触媒層を成膜する第2工程と、
    第2補強層を含む転写用部材及び第2電極触媒層を有する層状体を前記高分子電解質膜の他方の面に押し付けて、前記第2補強層および前記第2電極触媒層を圧着する第3工程と、
    を含むことを特徴とする膜電極構造体の製造方法。
  2. 前記転写用部材は支持基材上に前記第2補強層、転写基材層、前記第2電極触媒層の順に位置するように配置され、
    前記第2補強層は前記支持基材側から第2補強基材、接合層の順に配置されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の膜電極構造体の製造方法。
  3. 前記第3工程では、前記転写用部材に所望の形状を加工後、前記転写用部材上に前記第2電極触媒層を成膜し、加工外周側を剥離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極構造体の製造方法。
  4. 前記第3工程では、前記転写用部材上に前記第2電極触媒層を成膜後、前記転写用部材及び前記第2電極触媒層に所望の形状を加工し、加工外周側を剥離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極構造体の製造方法。
  5. 前記第3工程後に、前記高分子電解質膜の接触面に圧着されている前記第2補強層および前記第2電極触媒層以外の前記転写用部材を剥離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の膜電極構造体の製造方法。
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