JP4812331B2

JP4812331B2 - 燃料電池用接合体の製造方法及び燃料電池用接合体の製造装置

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Publication number: JP4812331B2
Application number: JP2005141668A
Authority: JP
Inventors: 聡角谷; 暢夫奥村; 竜也川原; 達也畑中; 恵一渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: JP2006318816A

Description

本発明は、電解質膜の表裏面に触媒層及び拡散層がそれぞれ電解質膜を挟んで対向するように順次形成された燃料電池用接合体の製造方法、燃料電池用接合体の製造装置及び燃料電池に関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設け、これらを原料供給用の通路を設けたセパレータで挟んで電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。

燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

このような燃料電池に用いられる電解質膜と触媒層及び拡散層との接合体を製造する方法としては、例えば、特許文献１に、高分子電解質膜の一方の面上に、静電的に帯電させた電極触媒粉末を付着させて電極を形成し、引き続きもう一方の面上にも同様に電極触媒粉末を付着させて電極を形成した後、カーボンペーパ等の拡散層でその電極を挟み込み、燃料電池セルを構成する方法が記載されている。

また、特許文献２には、電解質膜及び拡散層（ガス分配層）をロール状製品の形で用意し、（Ａ）電解質膜の第１の面上に触媒インキを塗布して第１の触媒層を形成し、さらに第１の拡散層を積層して乾燥、（Ｂ）第２の拡散層に触媒インキを塗布して第２の触媒層を形成して乾燥、（Ａ）の電解質膜の第２の面に（Ｂ）の第２の触媒層を載置した後、全体の接合体を加熱及び加圧する方法が記載されている。

特開平１１−２８８７２８号公報特開２００２−１８４４２５号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、２回の触媒粉末による電極形成、及び拡散層の形成の複数の工程が、電解質膜と触媒層及び拡散層との接合体を作製するまでに必要であるため、製造時間を要し、コストアップの要因となる。

また、特許文献２の方法では、連続的に接合体の製造が可能ではあるが、触媒インキを使用しているため電解質膜上への第１の触媒層の形成、及び第２の拡散層上への第２の触媒層の形成の後にそれぞれ乾燥工程が必要であり、さらに全体を一体化して接合するために加熱及び加圧しているため、３回の加熱工程を経ており、そのため製造時間を要し、コストアップの要因となる。

本発明は、電解質膜の表裏面に触媒層及び拡散層がそれぞれ電解質膜を挟んで対向するように順次形成された燃料電池用接合体を、簡易な方法で得ることができる燃料電池用接合体の製造方法、燃料電池用接合体の製造装置及びその燃料電池用接合体を含む燃料電池である。

本発明は、電解質膜の第１の面に第１触媒層及び第１拡散層が、前記電解質膜の第２の面に第２触媒層及び第２拡散層が、それぞれ前記電解質膜を挟んで対向するように順次形成された燃料電池用接合体を連続的に製造する燃料電池用接合体の製造方法であって、前記第１拡散層の一方の面に第１触媒粉体を所定のパターンに乾式塗布して第１触媒層を形成する工程と、前記第１拡散層の前記第１触媒層が形成された面に第１触媒層を挟んで電解質膜の第１の面が対向するように電解質膜を積層する工程と、前記電解質膜の第２の面に第２触媒粉体を前記第１触媒層と前記電解質膜を挟んで対向するように乾式塗布して第２触媒層を形成する工程と、前記電解質膜の第２の面に前記第２触媒粉体を挟んで第２拡散層の一方の面が対向するように第２拡散層を積層する工程と、前記各層が形成された電解質膜を１回の加熱及び加圧により接合する工程と、を含む。

また、前記燃料電池用接合体の製造方法では、前記乾式塗布において、前記第１触媒粉体あるいは前記第２触媒粉体に電荷を与えて塗布することが好ましい。

また、前記燃料電池用接合体の製造方法において、前記乾式塗布は、静電スクリーン方式及び電子写真方式のうち少なくともいずれかにより行われることが好ましい。

また、前記燃料電池用接合体の製造方法において、前記乾式塗布を行う前に、前記第１拡散層の一方の面あるいは前記電解質膜の第２の面の前記第１触媒粉体あるいは前記第２触媒粉体が形成される領域に密着性補助剤を塗布してもよい。

また、本発明は、電解質膜の第１の面に第１触媒層及び第１拡散層が、前記電解質膜の第２の面に第２触媒層及び第２拡散層が、それぞれ前記電解質膜を挟んで対向するように順次形成された燃料電池用接合体を連続的に製造する燃料電池用接合体の製造装置であって、前記第１拡散層の一方の面に第１触媒粉体を所定のパターンに乾式塗布して第１触媒層を形成する第１触媒層形成手段と、前記第１拡散層の前記第１触媒層が形成された面に第１触媒層を挟んで電解質膜の第１の面が対向するように電解質膜を積層する電解質膜積層手段と、前記電解質膜の第２の面に第２触媒粉体を前記第１触媒層と前記電解質膜を挟んで対向するように乾式塗布して第２触媒層を形成する第２触媒層形成手段と、前記電解質膜の第２の面に前記第２触媒粉体を挟んで第２拡散層の一方の面が対向するように第２拡散層を積層する第２拡散層積層手段と、前記各層が形成された電解質膜を加熱及び加圧して接合する１つの接合手段と、を含む。

さらに、本発明は、前記燃料電池用接合体の製造方法により得られる燃料電池用接合体を含む燃料電池である。

本発明において、電解質膜の表裏面に触媒層（燃料極及び空気極）及び拡散層がそれぞれ電解質膜を挟んで対向するように順次形成された燃料電池用接合体の製造方法及び製造装置において、触媒層を乾式塗布により形成し、電解質膜、触媒層及び拡散層を１回の加熱加圧工程で接合することにより、高性能の燃料電池用接合体を連続的に簡易に製造することができる。

また、本発明において、上記燃料電池用接合体の製造方法及び製造装置により得られる燃料電池用接合体を使用することにより、高効率の燃料電池を得ることができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本発明の実施形態に係る燃料電池用接合体の製造方法により製造される燃料電池１の構成の一例の断面図を図１に示し、その構成について説明する。燃料電池１は、電解質膜１０、第１触媒層である燃料極（アノード触媒層）１２、第２触媒層である空気極（カソード触媒層）１４、第１拡散層１６ａ、第２拡散層１６ｂ、セパレータ１８により構成される。

図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０の第１の面に燃料極１２が、第２の面に空気極１４が電解質膜１０を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜電極複合体２０（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、燃料極１２の外側に形成された第１拡散層１６ａ及び空気極１４の外側に形成された第２拡散層１６ｂとを備える接合体２２、及び拡散層１６（第１拡散層１６ａ及び第２拡散層１６ｂ）の両外側を挟持する櫛型状のセパレータ１８を備える。櫛型状のセパレータ１８の空洞部は、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための原料供給路２４，２６となっている。

このような燃料電池１において、第１拡散層１６ａ及び第２拡散層１６ｂを外部回路に電気的に接続し、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ原料を供給して運転すれば、電池として機能させることができる。

次に、このような燃料電池１が備える接合体２２を製造する接合体製造装置３の一例の概略を図２に示し、その構成について説明する。接合体製造装置３は、電解質膜積層手段である電解質膜供給ローラ３０と、第１拡散層積層手段である第１拡散層供給ローラ３２と、第２拡散層積層手段である第２拡散層供給ローラ３４と、ガイドローラ３６ａ，３６ｂ，３６ｃと、一体化用ローラ３８ａ，３８ｂと、接合手段である加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂと、第１触媒層形成手段４２と、第２触媒層形成手段４４と、巻取ローラ４６とを備える。

さらに詳細に説明すると、接合体製造装置３において、電解質膜供給ローラ３０の下方に、第１拡散層供給ローラ３２が配置されている。電解質膜供給ローラ３０の下流側（図２における右側）にはガイドローラ３６ａ，３６ｂが配置され、第１拡散層供給ローラ３２の下流上方（図２における右上方）にはガイドローラ３６ｃが配置されている。ガイドローラ３６ａ，３６ｂの下流上方（図２における右上方）には第２拡散層供給ローラ３４が配置され、その下流下方（図２における右下方）に一体化用ローラ３８ａ，３８ｂ、さらにその下流側（図２における右側）に加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂ、さらにその下流側（図２における右側）に巻取ローラ４６配置されている。また、ガイドローラ３６ａ，３６ｂの下流側（図２における右側）に第２触媒層形成手段４４、ガイドローラ３６ｃの下流側（図２における右側）に第１触媒層形成手段４２が配置されている。

次に、本実施形態に係る燃料電池用接合体の製造方法及び上記接合体製造装置３の動作について図２に基づいて説明する。第１拡散層供給ローラ３２はロール状の第１拡散層１６ａを巻き出して供給する。ガイドローラ３６ｃを経た後、供給された第１拡散層１６ａの一方の面（上面）に、第１触媒層形成手段４２により第１触媒粉体４８が例えば四角形状等のパターンに乾式塗布されて第１触媒層である燃料極１２が形成される。一方、電解質膜供給ローラ３０は、ロール状の電解質膜１０を巻き出して供給する。供給された電解質膜１０は、ガイドローラ３６ａ，３６ｂにより位置が合わされて、第１拡散層１６ａの燃料極１２（第１触媒層）が形成された面に燃料極１２を挟んで電解質膜１０の第１の面が対向するように積層される。積層された電解質膜１０の第２の面（上面）に第２触媒層形成手段４４により第２触媒粉体５０が燃料極１２と電解質膜１０を挟んで対向するように例えば四角形状等のパターンに乾式塗布されて第２触媒層である空気極１４が形成される。また、第２拡散層供給ローラ３４はロール状の第２拡散層１６ｂを巻き出して供給する。供給された第２拡散層１６ｂは、一体化用ローラ３８ａ，３８ｂにより位置が合わされて、電解質膜１０の空気極１４（第２触媒層）が形成された面に空気極１４を挟んで積層される。電解質膜１０、燃料極１２、空気極１４、第１拡散層１６ａ、第２拡散層１６ｂが一体化用ローラ３８ａ，３８ｂにより一体化された後、加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂにより加熱及び加圧されて接合される。接合された接合体２２は、自然放冷された後、巻取ローラ４６により巻き取られる。接合体２２は、巻取ローラ４６により巻き取られた後に、裁断工程において触媒層のない部分で裁断され、単セル分の各接合体とされる。なお、接合体２２の形成後、接合体２２を巻取ローラ４６により巻き取らずにそのまま裁断してもよい。この場合は、巻取ローラ４６は不要である。

このようにして、連続的に、電解質膜１０の第１の面に燃料極１２及び第１拡散層１６ａが、電解質膜１０の第２の面に空気極１４及び第２拡散層１６ｂが電解質膜１０を挟んで対向するように順次形成された接合体２２が形成される。

なお、上記説明において、第１触媒層を燃料極１２、第２触媒層を空気極１４として説明したが、もちろん第１触媒層を空気極１４、第２触媒層を燃料極１２としてもよい。

ガイドローラ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ及び一体化用ローラ３８ａ，３８ｂは、それぞれ加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの回転による接合体２２の搬送速度と同期するよう回転する。

加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの表面材質は、耐熱性の高い材料であれば特に制限はなく、鋼、ステンレス、銅等の熱容量及び熱伝導性の高い金属材料、あるいはそれらの金属材料にＣｒ，Ｎｉ等をメッキしたもの、それらの金属材料をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性樹脂でコーティングしたものや、各種天然ゴム、各種合成ゴム、またはそれらを加硫したゴム等の弾性体等が挙げられる。また、弾性体の弾性は高すぎても低すぎても均一に圧力をかけることができず、接合が十分に行われないので、適度な弾性の弾性体を選択することが好ましい。また、弾性体には、機械的強度、弾性等を調整するために必要に応じてフィラー等を添加してもよい。加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの表面への拡散層１６の貼り付きを防止するためには、加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの表面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等でコーティングを施すことが好ましい。また、加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの表面材質の樹脂とした場合に、静電気の発生等を防止するために、樹脂中にカーボン等の導電性フィラーを添加してもよい。

加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの表面材質は、第１拡散層１６ａ、第２拡散層１６ｂの材質等に応じて選択すればよく、２本の加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの両方を金属材料あるいは弾性体としてもよく、２本の加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂのうちの一方を金属材料、もう一方を弾性体としてもよい。金属材料の場合はロールの加工精度が弾性体に比べて高いことから、加熱加圧時に接合体２２にしわが発生しにくいという利点がある。一方、弾性体の場合は、表面に適度な弾性を有するように弾性体を選択すれば粉体として塗布された触媒層に多少の膜厚むらが生じても均一に加圧することができるという利点がある。

加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂを加熱する加熱手段としては、加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂを加熱することができる手段であれば特に制限はないが、電気抵抗、赤外線、ＩＨ等の各種ヒータ、蒸気、オイル等の各種熱媒等を使用することができる。この場合、蒸気、各種オイル等の熱媒は外部より供給することができる。

加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂより接合体２２を加熱する時の加熱温度は、加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂの表面温度で表され、使用する燃料極１２及び空気極１４の触媒材料の種類や、使用する電解質膜１０の種類及びガラス転移温度、拡散層１６の材料の種類、定着速度等に応じて決めればよい。電解質膜１０がパーフルオロスルホン酸系等の固体高分子電解質膜の場合、定着速度にもよるが電解質膜にダメージを及ぼさない範囲、例えば、１００℃〜１９０℃の範囲であり、好ましくは１３０℃〜１６０℃の範囲である。加熱温度が１００℃未満であると接合体の接合が不十分の場合がある。

本実施形態においては、触媒層への加熱及び加圧は１回であり、また、触媒層への加熱は拡散層１６を介して行われるので拡散層１６の厚み分だけ伝熱に時間がかかるため、加熱温度を１４０℃〜１７０℃の範囲と、従来よりも高い温度に設定することもできる。これにより、触媒層と電解質膜１０及び拡散層１６との密着性や、電池性能をより向上させることができる。

加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂにより接合体２２に作用させる圧力は、使用する燃料極１２及び空気極１４の触媒材料の種類や、電解質膜１０の種類、拡散層１６の材料の種類等に応じて設定すればよく、通常、１０ｋｇｆ／ｃｍ〜６０ｋｇｆ／ｃｍの範囲であり、好ましくは３０ｋｇｆ／ｃｍ〜５０ｋｇｆ／ｃｍの範囲である。加圧は、加圧装置（図示せず）により作用させる。圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ未満であると接合体の接合が不十分の場合があり、６０ｋｇｆ／ｃｍを超えると膜へのダメージが大きくなり、電極がショート（短絡）したり、電池の耐久性が低下したりする場合がある。

加熱及び加圧された接合体２２は、通常、自然冷却される。なお、必要に応じて、冷却ローラ、冷却装置等の冷却手段を用いてもよい。

電解質膜１０としては、プロトン（Ｈ^＋）のイオン伝導性の高い材料であれば特に制限はなく、パーフルオロスルホン酸系や炭化水素系等の固体高分子電解質膜が用いられる。具体的には、ジャパンゴアテックス（株）のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、デュポン社（ＤｕＰｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、旭化成（株）のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、登録商標）、旭硝子（株）のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜を使用することができる。電解質膜１０の膜厚は例えば、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０μｍ〜５０μｍの範囲である。

また、電解質膜１０には、必要に応じて補強膜として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、超高分子量ポリエチレン、ポリイミド等の、好ましくはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の延伸多孔質膜を設けてもよい。この場合、溶液キャスト法等の方法により補強膜の表裏面に電解質膜１０を形成する。補強膜の表裏面に電解質膜１０が形成された３層構造であってもよいが、５層構造、あるいはそれ以上の層構造であってもよい。補強膜の膜厚は通常、５μｍ〜１００μｍである。

燃料極１２を形成するための第１触媒粉体４８は、白金（Ｐｔ）を担持した、あるいは白金（Ｐｔ）等をルテニウム（Ｒｕ）等の他の金属と共に担持したカーボン粉体等の触媒と、固体高分子電解質等の樹脂とを含んで構成される。

空気極１４を形成するための第２触媒粉体５０は、白金（Ｐｔ）等を担持したカーボン粉体等の触媒と、固体高分子電解質等の樹脂とを含んで構成される。

触媒粉体（第１触媒粉体４８及び第２触媒粉体５０）の平均粒径はそれぞれ、４μｍ〜１５μｍの範囲のもの、好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲のものを用いることができる。触媒粉体の平均粒径が４μｍ未満であると、触媒粉体粒子同士の接触点数増加に伴う接触抵抗増大による電池性能の低下が起こる場合があり、１５μｍを超えると、触媒粉体粒子が電解質膜に食い込むことによる電解質膜へのダメージ等により電池の耐久性が低下する場合がある。

第１触媒粉体４８及び第２触媒粉体５０に含まれる固体高分子電解質等の樹脂としては、上記電解質膜１０に使用するものと同様の固体高分子電解質等の樹脂が挙げられる。固体高分子電解質等の樹脂と触媒との混合割合は、各種電池性能を考慮しつつ、触媒の担持割合等に応じて決めればよい。

形成される燃料極１２及び空気極１４の接合後の膜厚は例えば、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲である。

固体高分子電解質等の樹脂を混合した触媒粉体は、例えば、上記固体高分子電解質等の樹脂をメタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒等に溶解させた溶液をスプレドライヤによりスプレしながらミストを乾燥して触媒粉体を得るスプレドライヤ法、超音波噴霧乾燥法や、メカノケミカル法、超臨界流体を用いた粒子製造法等によって得ることができる。

燃料極１２及び空気極１４は、第１触媒粉体４８あるいは第２触媒粉体５０を第１触媒層形成手段４２あるいは第２触媒層形成手段４４により乾式塗布することにより形成される。第１触媒層形成手段４２及び第２触媒層形成手段４４としては、例えば、静電圧により所定パターンのスクリーンを通して触媒粉体を落下させ乾式塗布する静電スクリーン方式、帯電した触媒粉体を所定パターンに帯電した感光ドラム上に静電付着させ、該静電付着した感光ドラム上の触媒粉体を転写する電子写真方式、所定パターンのマスクを使用してスプレにより触媒粉体を乾式塗布するスプレ方式等が挙げられるが、マスキングなしで所定のパターンに塗布できる点から静電スクリーン方式、電子写真方式が好ましい。第１触媒層形成手段４２及び第２触媒層形成手段４４には、同じ方式を使用してもよいし、異なる方式を使用してもよいが、通常は同じ方式を使用する。

本実施形態において、触媒ペーストを用いた湿式塗布ではなく、触媒粉体を用いた乾式塗布により触媒層を塗布することにより、乾燥工程が不要となり、電解質膜、触媒層及び拡散層を１回の加熱加圧工程で接合して接合体を形成することが可能となる。

また、静電スクリーン方式及び電子写真方式においては触媒粉体に電荷を与えて、電解質膜１０上あるいは拡散層１６上へ乾式塗布されるが、触媒粉体に電荷が与えられることにより膜上への付着が強固となり、触媒粉体の乾式塗布後に仮定着を行わなくても、例えば、搬送時に触媒粉体の位置がずれにくく、あるいは触媒粉体が飛散しにくくなる。これによって、単に触媒粉体を乾式塗布した場合に比べて、より確実に電解質膜、触媒層及び拡散層の接合を１回の加熱加圧工程で行うことができる。この点においても静電スクリーン方式あるいは電子写真方式が好ましい。

また、触媒粉体を電解質膜１０上あるいは拡散層１６上へ乾式塗布する前に、電解質膜１０あるいは拡散層１６の触媒層が形成される面の触媒層が形成される領域に、スプレ等により密着性補助剤を吹き付けて、その後に触媒粉体を乾式塗布することにより触媒粉体と電解質膜１０上あるいは拡散層１６との密着性を向上することができる。密着性補助剤としては、例えば、水や、触媒と反応しないアルコール等の溶剤、上記固体高分子電解質等の樹脂を含む水溶液、あるいは樹脂粉末等を挙げることができる。これによって、単に触媒粉体を乾式塗布した場合に比べて、より確実に電解質膜、触媒層及び拡散層の接合を１回の加熱加圧工程で行うことができる。また、個々の接合体への裁断時や燃料電池とした後の使用時等において、触媒層と電解質膜及び拡散層との膜剥がれ等を防止することができる。さらに、触媒層と電解質膜及び拡散層との界面の密着性向上によりイオン伝導性が向上するため、電池性能をより向上させることができる。

拡散層１６としては、導電性が高く、燃料及び空気等の原料の拡散性が高い材料であれば特に制限はないが、多孔質導電体材料であることが好ましい。導電性の高い材料としては、例えば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられ、カーボンクロス、カーボンペーパ、ガラス状カーボン等のカーボン材料が好ましく、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料であることがより好ましい。拡散層１６の膜厚は例えば、５０μｍ〜１０００μｍ、好ましくは１００μｍ〜６００μｍの範囲である。

また、拡散層１６は、拡散層１６の撥水性の向上のために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂と、電子伝導性を有する、例えばカーボンブラック等との混合溶液である撥水ペーストにより撥水処理がされてもよい。

このようにして得た接合体２２を用いて上記図１に示す燃料電池１を構成する。

セパレータ１８は、耐食処理が施された金属板または焼成カーボン等のカーボン系材料で構成され、櫛形形状である。櫛型形状のセパレータ１８の空洞部は、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための原料供給路２４，２６となっている。

このようにして製造された燃料電池１において、燃料極１２側の第１拡散層１６ａと空気極１４側の第２拡散層１６ｂとを外部回路に電気的に接続し、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ原料を供給して運転すれば、電池として機能させることができる。

燃料極１２側に供給する原料としては、水素等の還元性ガス（燃料ガス）が挙げられる。空気極１４側に供給する原料としては、酸素や空気等の酸化性ガス等が挙げられる。

燃料電池１において、例えば、燃料極１２に供給する原料を水素ガス、空気極１４に供給する原料を空気として運転した場合、燃料極１２において、
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
で示される反応式を経て、水素ガス（Ｈ_２）から水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とが発生する。電子（ｅ⁻）は第１拡散層１６ａから外部回路を通り、第２拡散層１６ｂから空気極１４に到達する。空気極１４において、供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と、電解質膜１０を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と、外部回路を通じて空気極１４に到達した電子（ｅ⁻）により、
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ
で示される反応式を経て、水が生成する。このように燃料極１２及び空気極１４において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。

従来は接合体の形成において、第１の拡散層上への第１の触媒層の形成、及び電解質膜上への第２の触媒層の形成の後にそれぞれ乾燥工程が必要であり、さらに全体を接合するために加熱及び加圧する必要があったが、本実施形態に係る燃料電池用接合体の製造方法のように、１回の加熱加圧工程で接合して接合体を形成することができる。

従来の方法では、第１の拡散層上への第１の触媒層の形成、及び電解質膜上への第２の触媒層の形成の後にそれぞれ乾燥工程を行うため、触媒層の表面が平滑化され、他の基材と接合したときの接着性が劣り、界面抵抗が大きくなるために電池性能が低下していたが、本方法により、加熱工程による電池性能の低下を抑制することができ、高効率の燃料電池を簡易に製造することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池用接合体の製造方法では、連続的に接合体の製造が可能であり、加熱加圧工程が１回なので、製造工程の簡略化、製造時間の短縮化を行うことができ、燃料電池のコストを下げることができる。

本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図２に示す接合体製造装置３を使用して接合体の製造を行った。電解質膜１０としてはナフィオン〔Ｎａｆｉｏｎ、登録商標、デュポン社（ＤｕＰｏｎｔ社）製、膜厚５０μｍ〕、第１拡散層１６ａ及び第２拡散層１６ｂとしては、カーボンクロスに撥水ペーストを塗工したものを使用した。燃料極１２を構成する第１触媒粉体４８及び空気極１４を構成する第２触媒粉体５０としては、５０重量％白金担持カーボン及び固体高分子電解質樹脂（ナフィオン（登録商標））で構成したもの（樹脂に対して白金担持カーボンが２００重量％）を使用した。第１触媒層形成手段４２及び第２触媒層形成手段４４としては、静電スクリーン方式を使用し、第１触媒層１２（０．４ｍｇＰｔ／ｃｍ^２）及び第２触媒層１４（０．３ｍｇＰｔ／ｃｍ^２）を形成した。加熱加圧ローラ４０ａ，４０ｂとしては、表面材質がＳＵＳで表面をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）でコーティングしたものを使用した。搬送速度は、３００ｍｍ／ｍｉｎとし、加熱加圧条件は、加熱温度１３０℃、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍとした。冷却は室温（２３℃）にて自然冷却とした。

上記のようにして作製した接合体の電池性能を評価した。結果を図３に示す。

（比較例１）
図４に示す接合体製造装置５を使用し、電解質膜１０上への第２触媒粉体５０の塗布後に仮定着（加熱温度１００℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ）を行った以外は実施例１と同様にして接合体を作製し、電池性能の評価を行った。図４に示すように、仮定着ローラ５２ａ，５２ｂが第２触媒層形成手段４４の下流側（図４における右側）に設けられている。仮定着結果を図３に示す。

（比較例２）
図５に示す接合体製造装置７を使用し、第１拡散層１６ａ上への第１触媒粉体４８の塗布後に仮定着（加熱温度１００℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ）を行った以外は実施例１と同様にして接合体を作製し、電池性能の評価を行った。図５に示すように、仮定着ローラ５２ｃ，５２ｄが第１触媒層形成手段４２の下流側（図５における右側）に設けられている。結果を図３に示す。

（比較例３）
図６に示す接合体製造装置９を使用し、電解質膜１０上への第２触媒粉体５０の塗布後に仮定着（加熱温度１００℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ）、及び第１拡散層１６ａ上への第１触媒粉体４８の塗布後に仮定着（加熱温度１００℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ）をそれぞれ行った以外は実施例１と同様にして接合体を作製し、電池性能の評価を行った。図６に示すように、仮定着ローラ５２ａ，５２ｂが第２触媒層形成手段４４の下流側（図６における右側）に、仮定着ローラ５２ｃ，５２ｄが第１触媒層形成手段４２の下流側（図６における右側）にそれぞれ設けられている。結果を図３に示す。

図３からわかるように、仮定着を行わずに１回の加熱加圧工程で接合して接合体を形成した実施例１は、仮定着を行った比較例１〜３よりも電池性能が向上している。また、比較例１〜３の中でも、電解質膜１０上への第２触媒粉体５０の塗布後及び第１拡散層１６ａ上への第１触媒粉体４８の塗布後に２回の仮定着を行った比較例３は、仮定着が１回の比較例１，２に比べて電池性能が低下している。また、実施例１では仮定着を行わなくても、触媒粉体により触媒層を形成してから加熱及び加圧により接合する間に触媒層の位置がずれることなく、接合体を作製することができた。

本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例の断面を示す図である。本発明の実施形態に係る接合体製造装置の一例の概略を示す図である。本発明の実施例及び比較例における接合体の電流密度と電圧の関係を示す図である。本発明の比較例１で使用した接合体製造装置の概略を示す図である。本発明の比較例２で使用した接合体製造装置の概略を示す図である。本発明の比較例３で使用した接合体製造装置の概略を示す図である。

符号の説明

１燃料電池、３，５，７，９接合体製造装置、１０電解質膜、１２燃料極（第１触媒層）、１４空気極（第２触媒層）、１６ａ第１拡散層、１６ｂ第２拡散層、１８セパレータ、２０膜電極複合体（ＭＥＡ）、２２接合体、２４，２６原料供給路、３０電解質膜供給ローラ、３２第１拡散層供給ローラ、３４第２拡散層供給ローラ、３６ガイドローラ、３８ａ，３８ｂ一体化用ローラ、４０ａ，４０ｂ加熱加圧ローラ、４２第１触媒層形成手段、４４第２触媒層形成手段、４６巻取ローラ、４８第１触媒粉体、５０第２触媒粉体、５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ仮定着ローラ。

Claims

電解質膜の第１の面に第１触媒層及び第１拡散層が、前記電解質膜の第２の面に第２触媒層及び第２拡散層が、それぞれ前記電解質膜を挟んで対向するように順次形成された燃料電池用接合体を連続的に製造する燃料電池用接合体の製造方法であって、
前記第１拡散層の一方の面に第１触媒粉体を所定のパターンに乾式塗布して第１触媒層を形成する工程と、
前記第１拡散層の前記第１触媒層が形成された面に第１触媒層を挟んで電解質膜の第１の面が対向するように電解質膜を積層する工程と、
前記電解質膜の第２の面に第２触媒粉体を前記第１触媒層と前記電解質膜を挟んで対向するように乾式塗布して第２触媒層を形成する工程と、
前記電解質膜の第２の面に前記第２触媒粉体を挟んで第２拡散層の一方の面が対向するように第２拡散層を積層する工程と、
前記各層が形成された電解質膜を１回の加熱及び加圧により接合する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用接合体の製造方法。
請求項１に記載の燃料電池用接合体の製造方法であって、
前記乾式塗布において、前記第１触媒粉体あるいは前記第２触媒粉体に電荷を与えて塗布することを特徴とする燃料電池用接合体の製造方法。
請求項２に記載の燃料電池用接合体の製造方法であって、
前記乾式塗布は、静電スクリーン方式及び電子写真方式のうち少なくともいずれかにより行われることを特徴とする燃料電池用接合体の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用接合体の製造方法であって、
前記乾式塗布を行う前に、前記第１拡散層の一方の面あるいは前記電解質膜の第２の面の前記第１触媒粉体あるいは前記第２触媒粉体が形成される領域に密着性補助剤を塗布することを特徴とする燃料電池用接合体の製造方法。
電解質膜の第１の面に第１触媒層及び第１拡散層が、前記電解質膜の第２の面に第２触媒層及び第２拡散層が、それぞれ前記電解質膜を挟んで対向するように順次形成された燃料電池用接合体を連続的に製造する燃料電池用接合体の製造装置であって、
前記第１拡散層の一方の面に第１触媒粉体を所定のパターンに乾式塗布して第１触媒層を形成する第１触媒層形成手段と、
前記第１拡散層の前記第１触媒層が形成された面に第１触媒層を挟んで電解質膜の第１の面が対向するように電解質膜を積層する電解質膜積層手段と、
前記電解質膜の第２の面に第２触媒粉体を前記第１触媒層と前記電解質膜を挟んで対向するように乾式塗布して第２触媒層を形成する第２触媒層形成手段と、
前記電解質膜の第２の面に前記第２触媒粉体を挟んで第２拡散層の一方の面が対向するように第２拡散層を積層する第２拡散層積層手段と、
前記各層が形成された電解質膜を加熱及び加圧して接合する１つの接合手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池用接合体の製造装置。