JP5330060B2 - 膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，固体高分子型燃料電池の，高分子電解質膜及び電極よりなる膜電極接合体の製造方法の改良に関する。

従来，膜電極接合体の製造方法として，種々の手法が提案されている。例えば，（１）基材に電極層（触媒層）を一旦塗工した後，その電極層を高分子電解質膜に転写する方法（特許文献１参照）や，（２）高分子電解質膜に電極ペーストを塗工する方法（特許文献２参照）や，（３）ガス拡散層に電極触媒層を形成した後，それを高分子電解質膜に積層する方法（特許文献３参照）がある。
特開２００３−３３１８６３号公報 特開２００６−３４４５１７号公報 特開２００５−２０３３０８号公報

しかしながら，上記（１）の方法では，転写用の電極層を形成するための基材が必要である上，高分子電解質膜への転写工程を要するので，製造上の工程数が多く，設備の大型化を招き，製造コストが高くつく欠点がある。また上記（２）の方法では，高分子電解質膜に電極ペーストを塗工する際，高分子電解質膜が電極ペースト中の溶媒を吸収することから，高分子電解質膜において電極ペーストの塗工部分と非塗工部分との間に内部応力が生じ，高分子電解質膜に皺を発生させる原因となる。また上記（３）の方法では，ガス拡散層として，カーボンペーパーなど，高分子電解質膜に比して剛性の高い材料を用いるので，膜電極接合体の製造を比較的容易にできて好ましいが，その反面，高分子電解質膜及び電極の接合強度が低いという問題があり，それらの接合強度が低いことは，膜電極接合体の性能を低下させる一因となる。

本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，高分子電解質膜及び電極の接合強度が高く，且つ高品質の膜電極接合体を簡単に製造し得る膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，ガス拡散層に電極触媒層を形成して電極を得る工程と，高分子電解質膜の両面に，一対の前記電極の電極触媒層を対面させて，その三者の積層体をつくる工程と，前記積層体をプレス手段で熱圧着して膜電極接合体を得る工程とを実行する膜電極接合体の製造方法において， 前記積層体を熱圧着する前に，前記積層体のガス拡散層にのみ水を塗布し，前記積層体の熱圧着時には，前記プレス手段の熱で前記水を蒸気にして前記高分子電解質膜まで浸透させつつ，前記プレス手段で前記積層体を熱圧着することを第１の特徴とする。

また，本発明は，請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法において，前記プレス手段としてホットプレス用の固定及び可動金型を準備し，これら固定及び可動金型の少なくとも一方に，前記積層体との対向面に開口する複数のノズルを有する水路を設け，両金型の型閉め前に前記ノズルから，両金型間にセットした前記積層体のガス拡散層に向かって水を噴出させることを第２の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば，積層体の熱圧着時，ガス拡散層にのみ塗布した水が蒸気となってガス拡散層から電極触媒層を経て高分子電解質膜へと浸透するため，電極と高分子電解質膜との密着性が向上し，密着面相互の熱圧着を強固にすることができる。しかも，上記水蒸気は，高分子電解質膜に均一に吸収，分散されるので，高分子電解質膜での皺の発生を防ぐことができ，高品質の膜電極接合体を簡単に得ることができる。

本発明の第２の特徴によれば，ガス拡散層への水の塗布を，ホットプレス機の固定金型上で行うことができるので，水の塗布工程を特別に設ける必要がなくなり，生産能率の向上を図ることができる。また，ホットプレスの熱を利用して蒸気を生じさせることができるので，蒸気発生のための他の熱源を必要とせず，簡易に電極と電解質膜との密着性を向上させることができる。

本発明方法で製造される膜電極接合体の縦断面図。 本発明の第１実施例に係る膜電極接合体の製造方法を示す工程説明図。 本発明の第２実施例に係る膜電極接合体製造方法の要部の工程説明図。

本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて以下に説明する。

先ず，図１において，本発明方法で製造される，固体高分子型燃料電池の膜電極接合体１は，高分子電解質膜２（以下，単に電解質膜という。）と，この電解質膜２の両面に接合される一対の電極３，３とからなっており，また電極３，３は，多孔質のガス拡散層５と，このガス拡散層５の一側面に撥水層６を介して形成される電極触媒層７とで構成され，その電極触媒層７が電解質膜２に接合される。この膜電極接合体１を使用した燃料電池においては，上記電極３，３の一方がアノード，他方がカソードとなる。

電解質膜２としては，ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸高分子を好適に用いることができる。また，ガス拡散層５としては導電性と耐酸性とを兼ね備えた多孔性の材料を用いることができ，例えばカーボンペーパーが好適である。

撥水層６は微細気孔層（micro porous layer；MPL ）とも呼ばれ，黒鉛，カーボンブラック，炭素繊維などの炭素材料とポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどの撥水材を混合して構成される。

電極触媒層７は，白金もしくはその合金などの触媒または触媒をカーボンなどの担持体に担持させたもの，電解質高分子（例えば，電解質膜２に用いられるもの），および上記炭素材料などの導電材を混合して構成される。

このような膜電極接合体１の製造方法の実施例について，以下に説明する。
［第１実施例］（図２参照）
第１工程（Ａ）
カーボンペーパーよりなる多孔質のガス拡散層５の一側面に炭素材料と撥水材を溶媒に分散させた液を塗工し，撥水層６を形成する。次いで，触媒と電解質高分子および導電材を溶媒に分散または溶解させて形成した液を，前記撥水層６の上に塗工して電極触媒層７を形成する。このようにして電極３を得る。

第２工程（Ｂ）
電解質膜２を用意し，その両面に，第１工程（Ａ）で得た一対の電極３，３の電極触媒層７，７を対向させて，三者２，３，３の積層体１０をつくる。

第３工程（Ｃ）
前記積層体１０の上部のガス拡散層５にのみ，水１１を，刷毛塗り又は吹きつけにより塗布する。

第４工程（Ｄ）
水１１を塗布したガス拡散層５を上方に向けて前記積層体１０をホットプレス機の固定金型１２上にセットして，加熱しつゝ可動金型１３を閉じる。このときの積層体１０に対する加熱温度は水１１が蒸発できると共に膜電極接合体１の各構成要素に損害を与えない範囲であればよく，好ましくは１３０〜１８０°とすることができる。また，積層体１０に対する圧力は４〜７Ｍｐａが好ましい。

このようなホットプレスによれば，積層体１０のガス拡散層５にのみ塗布した水が両金型１２，１３からの加熱により蒸気となって，上部のガス拡散層５から電極触媒層７を経て電解質膜２まで浸透するため，各電極３，３と電解質膜２との密着性が向上し，密着面相互の熱圧着が強固に行われることになる。しかも，上記水蒸気は，電解質膜２に均一に吸収，分散されるので，電解質膜２での皺の発生を防ぐことができ，高品質の膜電極接合体１を得ることができる。また，ホットプレスの熱を利用して蒸気を生じさせるため，蒸気発生のための他の熱源を必要とせず，簡易に電極と電解質膜との密着性を向上させることができる。
［第２実施例］（図３参照）
この第２実施例では，積層体１０のホットプレスの際，次のような可動金型１３を使用する。即ち，可動金型１３には，その下面に開口する多数のノズル１５，１５…を有する水路１６が形成されており，この水路１６の入口には，弁１７を介して水の供給源１８が接続され，弁１７を開くことにより，多数のノズル１５，１５…から水を噴射し得るようになっている。その他，積層体１０の構成は前実施例と同様であるので，図３中，前実施例と対応する部分には同一の参照符号を付して，重複する説明を省略する。

而して，積層体１０を熱圧着すべく，固定金型１２上にセットしたとき，弁１７を開いて，水の供給源１８から送られた水１１を多数のノズル１５，１５…から噴出させ，積層体１０の上部のガス拡散層５にのみ均一に水を塗布する。

その後，直ちに可動金型１３を固定金型１２に対して閉じて，積層体１０を熱圧着する。この場合も，上部のガス拡散層５にのみ塗布した水１１が蒸気となって各電極３，３及び電解質膜２に均一に浸透，分散し，各電極３，３と電解質膜２との密着性が向上し，密着面相互の熱圧着強度を高めると共に，電解質膜２での皺の発生を防ぐことができ，高品質の膜電極接合体１を得ることができる。

この第２実施例によれば，ガス拡散層５への水の塗布を，ホットプレス機の固定金型１２上で行うことができるので，水の塗布工程を特別に設ける必要がなくなり，生産能率の向上を図ることができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば，積層体１０の上下両方のガス拡散層５，５に水を塗布することもできる。その場合，第２実施例では，固定金型１２に，その上面に開口する多数のノズルを持った水路を設けることになる。

１・・・・・膜電極接合体
６・・・・・高分子電解質膜
３・・・・・電極
５・・・・・ガス拡散層
７・・・・・電極触媒層
１０・・・・積層体
１１・・・・水
１２・・・・プレス手段（固定金型）
１３・・・・プレス手段（可動金型）
１５・・・・ノズル
１６・・・・水路

Claims (2)

1. ガス拡散層（５）に電極触媒層（７）を形成して電極（３）を得る工程と，高分子電解質膜（２）の両面に一対の前記電極（３，３）の電極触媒層（７）を対面させて，その三者（２，３，３）の積層体（１０）をつくる工程と，前記積層体（１０）をプレス手段（１２，１３）で熱圧着して膜電極接合体（１）を得る工程とを実行する膜電極接合体の製造方法において，
   前記積層体（１０）を熱圧着する前に，前記積層体（１０）のガス拡散層（５）にのみ水を塗布し，前記積層体（１０）の熱圧着時には，前記プレス手段（１２，１３）の熱で前記水を蒸気にして前記高分子電解質膜（２）まで浸透させつつ，前記プレス手段（１２，１３）で前記積層体（１０）を熱圧着することを特徴とする，膜電極接合体の製造方法。
2. 前記プレス手段（１２，１３）としてホットプレス用の固定及び可動金型（１２，１３）を準備し，これら固定及び可動金型（１２，１３）の少なくとも一方に，前記積層体（１０）との対向面に開口する複数のノズル（１５）を有する水路（１６）を設け，両金型（１２，１３）の型閉め前に前記ノズル（１５）から，両金型（１２，１３）間にセットした前記積層体（１０）のガス拡散層（５）に向かって水を噴出さ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。

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