JP5345870B2

JP5345870B2 - 膜−電極接合体の製造方法

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Publication number: JP5345870B2
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Inventors: 隆夫福水; 顕一村上
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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の膜−電極接合体におけるガス拡散層とセパレータとの接合方法に関する。

近年、燃料電池は、地球温暖化や環境破壊の抑制手段として、また次世代の発電システムとして大いに期待されており、盛んに研究開発が行われている。燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応によりエネルギーを発生させるものであり、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池等を挙げることができる。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は、常温から起動が可能であるうえ小型で高出力であるため、自動車（二輪、四輪）やポータブル電源等の電力源として注目されている。

この固体高分子型燃料電池は、電解質膜−電極接合体をその基本構成単位とし、電解質膜−電極接合体をセパレータで挟持した単セルを数十個から数百個組み合わせてなるスタック（集合電池）として用いられる。スタックの基本構成単位である電解質膜−電極接合体は、アノード電極（燃料極）及びカソード電極（空気極）の二つの電極と、これら電極に挟持される電解質膜とから形成され、通常、両電極は、電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このような構成からなる固体高分子型燃料電池は、アノード電極（燃料極）側に水素を含む燃料を供給し、カソード電極（空気極）側に酸素又は空気を供給することで発電する。

固体高分子型燃料電池では、セパレータとガス拡散層との接触部分に接触抵抗が生じる。この接触抵抗は、単セル一つ分では微小な電気抵抗であるが、集合電池では非常に大きな電気抵抗になる。そこで、固体高分子型燃料電池の集合電池の性能向上のために、セパレータとガス拡散層との間の接触抵抗を改善する方法が求められている。

上記のセパレータとガス拡散層との間の接触抵抗を改善する方法として、例えば、セパレータとガス拡散層との間にカーボン粒子を介在させる技術が開示されている（特許文献１）。特許文献１に記載された技術によれば、カーボン粒子と溶媒とからなるペーストをセパレータのガス拡散層と接触する部分に塗布して、ガス拡散層とセパレータとを接合し、その後、溶媒を乾燥させる。その結果、ガス拡散層又はセパレータの表面の凹部にカーボン粒子が充填され、ガス拡散層とセパレータとの間の接触部分の通電面積が大きくなる。以上のような、特許文献１に記載の技術を用いることで、ガス拡散層とセパレータとの間の接触抵抗を抑えることができるとされている。

特開平０７−２２０４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法で作製した固体高分子型燃料電池では、電池性能が大幅に低下するか又は電池性能が改善しない場合がある。集合電池として用いる場合に、複数の単セルが電池性能の低下したものであると、集合電池の大幅な電池性能の向上が達成できないか、又は集合電池の電池性能が低下してしまう。そこで、電池性能が低下する等の単セルの不良品を減らす技術が求められている。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガス拡散層とセパレータとの間の接触抵抗を大幅に抑え、電池性能の高い固体高分子型燃料電池を、高い生産性で提供することにある。

本発明者らは、特許文献１に記載の方法では、ペーストをセパレータに塗布してから溶媒が蒸発するまでの間に、ペーストがガス拡散層に入り込んだりセパレータの流路に流れ込んだりするために固体高分子型燃料電池の電池性能が低下することを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には本発明は以下のものを提供する。

請求項１に記載の膜−電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜、触媒層、ガス拡散層、セパレータの順に積層される膜−電極接合体の製造方法であって、導電性物質と溶媒とを含むペーストを調製するペースト調製工程と、前記ペーストを、前記セパレータの前記ガス拡散層と接触する部分に塗工する塗工工程と、前記塗工工程後に、前記セパレータと前記ガス拡散層とを加圧して接合する接合工程と、を備え、前記接合工程は、前記ガス拡散層を前記溶媒の沸点を超える温度に加熱した状態で前記セパレータと接合することを特徴とする。

請求項２に記載の膜−電極接合体の製造方法は、請求項１記載の膜−電極接合体の製造方法において、前記ペースト調製工程において、前記溶媒として水を用い、前記接合工程において、前記ガス拡散層を１２０℃以上に加熱した状態で前記セパレータと接合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によれば、ガス拡散層とセパレータとの接合において、ガス拡散層を、接合に用いるペースト内の溶媒の沸点を超える温度に加熱した状態で、セパレータとガス拡散層との接合を行う。このため、接合の際に溶媒は、セパレータとガス拡散層との間から素早く蒸発し、導電性物質がセパレータとガス拡散層との間で固まる。その結果、ペーストがガス拡散層に入り込むことや、流路に流れ込むことを防ぐことができる。即ち、本発明の製造方法によれば、セパレータとガス拡散層との界面、界面付近にのみカーボン粒子等の導電性物質が存在する状態を容易に実現でき、セパレータとガス拡散層との間の接触抵抗の極めて小さい固体高分子型燃料電池を、電池性能を低下させずに容易に製造することができる。

請求項２に記載の発明によれば、溶媒として水を用い、ガス拡散層を１２０℃以上に加熱した状態で、ガス拡散層とセパレータとを接合する。このように、溶媒の沸点を大きく超える温度までガス拡散層を加熱することで、接合の際に、ペーストに含まれる溶媒の蒸発速度が高まる。その結果、セパレータとガス拡散層との界面、界面付近にのみカーボン粒子等の導電性物質が存在する状態をより実現しやすい。さらに、水は安価なため、低コストで膜−電極接合体を製造することができる。

本発明の製造方法の一例を示す図である。セパレータとガス拡散層との接合後の状態を示す図である。本発明の製造方法により製造した膜−電極接合体のガス拡散層の構造を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

＜膜−電極接合体の製造方法＞
本発明の膜−電極接合体の製造方法は、導電性物質と溶媒とを含むペーストを調製するペースト調製工程と、上記ペーストを、セパレータがガス拡散層と接触する部分に塗工する塗工工程と、上記塗工工程後に、上記セパレータと上記ガス拡散層とを加圧して接合する接合工程とを備え、上記接合工程は、上記ガス拡散層を上記溶媒の沸点を超える温度に加熱した状態で上記セパレータと接合することを特徴とする。以下、本発明の膜−電極接合体の製造方法の一例について説明する。先ず、電解質膜−電極接合体（ＣＣＭ）を作製する。次いで、ペーストを調製し、ガス拡散層とセパレータとを接合する。最後に、膜−電極接合体を作製する。

［触媒ペースト調製工程］
触媒ペースト調製工程は、空気極触媒層及び燃料極触媒層の作製に必要な触媒ペーストを調製する工程である。触媒ペーストの調製は、特に限定されず従来公知の方法で行うことができる。従来公知の触媒ペーストの調製方法としては、例えば、触媒と純水とを混合後、イオン伝導性物質、エタノールをそれぞれ添加し撹拌する方法が挙げられる。

本発明の膜−電極接合体の製造に用いられる触媒は、触媒金属粒子又は触媒金属粒子を導電性担体に担持してなる電極触媒、イオン伝導性物質からなり、必要に応じて炭素繊維、分散剤、撥水剤等の他の成分を含んでいてもよい。

触媒金属粒子としては、触媒活性を有するものであれば特に限定されないが、白金ブラック等の貴金属微粒子そのものからなるメタルブラックを使うことができる。

触媒金属粒子を担持させる導電性担体としては、導電性と適度な耐食性を備えていれば特に限定されないが、触媒金属粒子を高分散させるための十分な比表面積を有し、かつ十分な電子伝導性を有することから、カーボン（炭素）を主成分とするものを使用することが望ましい。電極を構成する触媒担体は、触媒金属粒子を担持するだけではなく、電子を外部回路に取り出す、あるいは外部回路から取り入れるための集電体としての機能を果たさなければならない。触媒担体の電気抵抗が高いと電池の内部抵抗が高くなり、結果として電池の性能を低下させることになる。そのため、電極に含まれる触媒担体の電子導電率は十分に高くなければならない。つまり、電極触媒担体として十分な電子導電性を持っていれば利用可能で、好適には細孔の発達したカーボン材料が用いられる。細孔の発達したカーボン材料としては、カーボンブラックや活性炭等が好ましく使用できる。カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が挙げられ、また活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理して得られる。また、電子導電性を有する金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物や高分子化合物を含むことも可能である。なお、ここで言う主成分とは、６０％以上の炭素質を含有することを意味する。

また、導電性担体に担持させる触媒金属粒子としては、白金又は白金合金を用いるが、白金合金を使用すると、電極触媒としての安定性や活性をさらに付与させることもできる。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、コバルト、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群から選ばれる１種以上と白金との合金が好ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。

本発明の膜−電極接合体の製造に使用可能な触媒は、調整したものを用いてもよいし、市販のものを用いてもよい。触媒を調整する場合に、その調整方法は特に限定されず従来公知の調整方法で調整した触媒を使用することが可能である。従来公知の触媒の調整方法としては、例えば、出発材料である白金化合物の溶液、又は懸濁液を担体粉末に加え、蒸発乾固させたあと、酸又はアルカリで不溶化させ、次いで還元処理して担持成分を活性化させることにより調整する方法等が挙げられる。

イオン伝導性物質とは、従来公知の高分子電解質により形成されるものである。従来公知の高分子電解質としては、例えば、高分子骨格の少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系高分子体、又は、高分子骨格にフッ素を含まない炭化水素系高分子体であって、イオン交換基を備えたもの等が挙げられる。また、イオン交換基の種類は特に限定されず、用途に応じて任意に選択することができる。本発明においては、例えば、スルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸等のイオン交換基のうち少なくとも一種を備えた高分子電解質を用いることができる。

［触媒層作製工程］
触媒層作製工程とは、空気極の触媒層及び燃料極の触媒層を作製する工程である。触媒層の作製方法は、特に限定されず、例えば、上記空気極用の触媒ペースト及び燃料極用の触媒ペーストを、それぞれテフロン（登録商標）シート等の撥水シート等に塗布することで作製することができる。触媒ペーストを撥水シート等に塗布する方法は、特に限定されず従来公知の塗布方法を用いることができる。従来公知の塗布方法としては、例えば、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布等が挙げられる。

［電解質膜−電極接合体（ＣＣＭ）作製工程］
ＣＣＭ作製工程とは、空気極用の触媒層と燃料極用の触媒層とで電解質膜を挟み、空気極用触媒層と電解質膜と燃料極用触媒層との接合体を作製する工程である。ＣＣＭの作製は、従来公知の方法で行うことができ、例えば、温度、圧力をかけて接合する方法で行うことができる。

電解質膜とは、高分子電解質により形成されるものであり、上述の触媒ペースト調製工程で用いられるものと同様の高分子電解質を用いることが好ましい。

［ペースト調製工程］
ペースト調製工程は、導電性物質と溶媒とを含むペーストを調製する工程である。ペースト調製工程で得られるペーストは、セパレータとガス拡散との界面に当たるセパレータ側の部分に塗工される。本発明は、このペーストが、セパレータの流路に流れ落ちることを抑えることが特徴の一つである。ペーストを塗工した段階でセパレータ流路にペーストが流れ落ちないように粘度を調整する必要がある。粘度は、セパレータの塗工面の形状等により適宜設定することができる。粘度は、例えば、導電性物質の分散濃度により調整することができる。

導電性物質とは、ガス拡散層とセパレータとの接触部分に介在し、ガス拡散層とセパレータとの間の接触抵抗を抑えることが可能な導電性物質であればよい。本発明に使用可能な導電性物質としては、カーボンブラックが挙げられる。カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等を挙げることができる。

導電性物質は、粒径の小さい物質であることが好ましい。ガス拡散層は、通常、直径がおよそ７μｍ程度の繊維で構成される多孔質形状である。この繊維によって形成される細孔に導電性物質が充填されることで、通電面積が大きくなる。その結果、セパレータとガス拡散層との間の接触抵抗が抑えられる。このため、細孔に充填されやすいような粒径をもつ導電性物質が好ましい。導電性物質の好ましい粒径は、ガス拡散層の種類等によって適宜変更できるが、およそ１０ｎｍから５０ｎｍの粒径であることが好ましい。なお、導電性物質が、上記カーボンブラックの場合には、粒径が上記の好ましい範囲に含まれる。

溶媒は、特に限定されず、用いる導電性物質に合わせて適宜変更することができる。本発明に使用可能な溶媒としては、水、エチルアルコール等のアルコール系、フェノール樹脂系、ポリエステル系、エポキシ系、アクリル系、ポリアミド系、ポリフルオロ系などの樹脂、接着剤が挙げられる。これらの溶媒の中では、水が好ましい。不活性溶媒であり、低コストだからである。導電性物質としてカーボンブラックを用いた場合、溶媒として水を用い、さらに好ましくは、分散性を向上させるためにエタノールを添加することが望ましい。

［塗工工程］
塗工工程は、上記ペースト調製工程で調製したペーストを、セパレータのガス拡散層と接触する部分に塗工する工程である。塗工には、従来公知の塗工方法を用いることができる。従来公知の塗工方法としては、例えば、塗工機により塗工する方法、印刷により渡航する方法、はけ塗りやへら塗りにより塗工する方法、溶液状のものを噴霧して塗工する方法等が挙げられる。図１（ａ）、（ｂ）には、塗工機Ａを用いて、ペースト２をセパレータ１５に塗工する様子を示した。

本発明の膜−電極接合体の製造方法においては、ペーストをセパレータのガス拡散層と接触する部分に塗工すればよいが、上記接触する部分の全てに上記ペーストを塗工することが好ましい。セパレータのガス拡散層と接触する部分の全てにペーストを塗工することで、本発明により製造された膜−電極接合体は、セパレータとガス拡散層との接触する部分の全てに導電性物質が存在することになる。その結果、セパレータとガス拡散層との間の接触抵抗を大きく抑えることができるからである。

また、塗工量は、特に限定されずセパレータの流路にペーストが流れ込むこと等の不具合が生じなければよい。なお、塗工量は、塗工されるセパレータの形状、塗工する面積等により適宜変更される。

［接合工程］
接合工程は、セパレータとガス拡散層とを加圧して接合する工程である。本発明の膜−電極接合体の製造方法においては、接合工程を、ペーストに含まれる溶媒の沸点を超える温度にガス拡散層を加熱した状態で行うことを特徴とする。このようにして、セパレータとガス拡散層との接合を行うことで、ペーストに含まれる溶媒は、高温のガス拡散層に接することで直ちに蒸発する。その結果、ペーストがセパレータ流路に流れ落ちたり、ガス拡散層内にペーストが染み込み過ぎたりすることを抑えることができる。このように、本発明の膜−電極接合体の製造方法によれば、ペーストがセパレータ流路に流れ込み導電性物質がセパレータ流路を塞いだり、ガス拡散層に上記ペーストが流れ込みすぎ、ガス拡散層の機能を低下させたりすることがほとんど起こり得ない。図１（ｃ）、（ｄ）には、接合工程の一例を示した。加熱したガス拡散層１４を、図示しない加圧手段により加圧して、ガス拡散層１４は、セパレータ１５に接合される。

上記接合工程においては、ガス拡散層を予めガス拡散層を加熱しておく。予めガス拡散層を加熱しておけば、接合工程で、溶媒の蒸発が素早く起こり、ペーストがセパレータ流路に流れ込んだり、ガス拡散層に染み込みすぎたりすることを抑えることができるからである。特に、接合前に予めガス拡散層をペーストに含まれる溶媒の沸点を超える温度に加熱しておき、この高い温度のままガス拡散層とセパレータとを接合させることで本発明の効果はより高まる。

ガス拡散層の加熱の程度は、特に限定されず、ペーストに含まれる溶媒の沸点を超える温度に加熱されていればよい。例えば、ペーストの溶媒として水を用いた場合には１２０℃以上に加熱することが好ましい。より好ましくは１２５℃以上である。

セパレータとガス拡散層との接合は加圧して行う。加圧の程度は、特に限定されず使用する材料等に応じて適宜変更することができるが、例えば、１０ｋｇ／ｃｍ^２程度の加圧であることが好ましい。

本発明の膜−電極接合体の製造に用いるガス拡散層は、従来公知のガス拡散層と同様の構成でよい。従来公知のガス拡散層としては、例えば、カーボン・テフロン（登録商標）層と、このカーボン・テフロン（登録商標）層に接するカーボンペーパー層とから形成されているガス拡散層等が挙げられる。カーボンペーパー層は、多孔質の支持層であり、従来公知のカーボンペーパーを用いることができる。なお、表面に撥水処理が施されているカーボンペーパーを用いてもよい。カーボン・テフロン（登録商標）層は、テフロン（登録商標）等の粒状の撥水性樹脂と、カーボン粒子とを含有する層である。ガス拡散層は上記の構成には限定されず、燃料極側のガス拡散層は、燃料の水素ガスが触媒層に均等に到達できるような構成であればよい。空気極側のガス拡散層は、酸素ガスを含有する空気が触媒層に均等に到達できる構成であればよい。また、燃料極側と空気極側のガス拡散層は異なる構成でもよく、同一の構成でもよい。

セパレータは溝を有し、反応ガスの供給通路として利用されるものである。具体的には、セパレータは、山部と谷部とが交互に連続する断面波形に形成されている。山部の上面部分とガス拡散層とを、接合することで反応ガスの流路が形成される。セパレータとしては、炭素系又は金属系の材質のものを適宜組み合わせて用いることができる。

［膜−電極接合体作製工程］
膜−電極接合体作製工程とは、上記ＣＣＭと、セパレータとガス拡散層との接合体と、を接合する工程である。一対のセパレータとガス拡散層との接合体で、ＣＣＭの両極を挟持した後、例えば１３０℃〜１６０℃のホットプレスで一体化することにより、膜−電極接合体（ＭＥＡ）を得ることができる。

＜膜−電極接合体＞
本発明の膜−電極接合体の製造方法により得られる膜−電極接合体について図を用いて説明する。図２には、本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体の一例を示す。図１に示すように、膜−電極接合体１は、電解質膜１１、空気極用触媒層１２、燃料極用触媒層１３、一対のガス拡散層１４、１４、一対のセパレータ１５、１５を備える。セパレータ１５は、流路１５１を有する。本発明の製造方法により得られる膜−電極接合体１は、セパレータ１５の流路１５１に導電性物質が付着する場合が極めて少ないこと、ガス拡散層の内部に導電性物質が存在しないこと、ガス拡散層の性能が向上することに特徴を有する。

従来の方法では、ガス拡散層１４、１４とセパレータ１５、１５との接合の際にセパレータの流路１５１にペースト２が流れ込みやすい。セパレータ１５の流路１５１に流れ込んだペースト２及びガス拡散層１４、１４とセパレータ１５、１５との界面に存在するペースト２から、乾燥により溶媒が蒸発する。セパレータ１５、１５とガス拡散層１４、１４との間には、図２（ａ）に示すように、導電部２１が形成される。そして、セパレータ１５の流路１５１には図２（ａ）に示すように、ガスの流れを阻害する導電性物質の塊２２が形成される。この塊２２により、流路１５１内のガスの流れが阻害されると、燃料電池の電池性能は低下する。一方、本発明の膜−電極接合体の製造方法によれば、ガス拡散層１４、１４に接したペースト２からは素早く溶媒が蒸発する。このため、ガス拡散層１４、１４とセパレータ１５、１５との接合の際にペースト２が流路１５１に流れ落ちることがない。その結果、図２（ｂ）に示すように、導電性物質が流路１５１を塞ぐことは無く、流路１５１内でガスの流れが阻害されることによる電池性能の低下はない。

ガス拡散層１４は、通常、多孔質形状であり無数の細孔を有する。従来の方法では、セパレータ１５、１５とガス拡散層１４、１４との接合の際に、毛細管現象等により、ペースト２がガス拡散層１４内部に入り込んでしまう。ガス拡散層１４に入り込んだペースト２からは、乾燥により溶媒が蒸発する。その結果、図２（ｃ）に示すように、ガス拡散層１４内部に導電性物質が残り細孔を塞ぐ。一方、本発明の膜−電極接合体の製造方法によれば、上述の通りペースト２の溶媒が素早く蒸発する。即ち、ガス拡散層１４内部にペースト２が入り込む前にペースト２に含まれる溶媒が素早く蒸発する。その結果、本発明の製造方法によれば、図２（ｂ）に示すように、導電性物質により形成される導電部２１が、セパレータとガス拡散層との界面、やその界面付近にのみ存在する。このように、ガス拡散層１４の性能低下による燃料電池の性能低下を引き起こすことなく、セパレータ１５とガス拡散層１４との間の接触抵抗を抑えることができる。なお、本発明の膜−電極接合体の製造方法によれば、接合工程において、ガス拡散層１４は、予め加熱されている。このため、高温のガス拡散層１４において、細孔は膨張している。ガス拡散層１４内の細孔が膨張すると、ペースト２は、ガス拡散層１４内部に入り込みやすくなると通常考えられる。しかし、ガス拡散層１４を溶媒の沸点を超える温度に加熱した状態でセパレータ１５と接合することで、ペースト２の溶媒は素早く蒸発する。このため、ガス拡散層１４の細孔が拡がった状態でペースト２に接触させても、ペースト２がガス拡散層１４内に入り込み、ガス拡散層１４の性能を低下させることを防ぐことができる。

上述の通り、本発明の膜−電極接合体の製造方法において、ガス拡散層１４は、接合工程時に、加熱され高温状態になる。高温状態のガス拡散層１４では、ガス拡散層１４内の細孔は膨張し拡がっている。ガス拡散層１４とセパレータ１５の接合後、ガス拡散層１４が常温に戻ると、通常、細孔も拡がった状態からもとの大きさの細孔に戻る。ところが、ガス拡散層１４とセパレータ１５との界面付近の細孔は、ガス拡散層１４が常温に戻っても図３（ａ）に示すように、拡がった状態のまま保持される。細孔が膨張した状態で導電性物質により固められてしまうからである。その結果、図３（ｂ）に示すようにセパレータ１５の流路１５１を流れるガスは、その拡がった細孔からガス拡散層１４内に入り込みやすくなる（図３（ｂ）中の破線矢印）。ガス拡散層１４内に入り込んだガスは、細孔の拡がった部分まで容易に進む。その後、細孔の大きさが通常の大きさに戻った箇所に当たると、それ以上は進み難くなる。そして、ガスはガス拡散層内に拡散される。上記の通り、細孔の拡がった部分から、ガスが多量にガス拡散層１４内に入る。多量のガスが、ガス拡散層１４内で拡散することにより、ガス拡散層１４の面方向にもガスが良く流れる。ガス拡散層１４の面方向にガスが流れやすくなることで、燃料電池の電池性能は向上する。

＜材料＞
触媒：白金触媒（「ＨｉＳＰＥＣ１０００」、ＪｏｈｎｓｏｎＭａｔｔｈｅｙ社製）
イオン伝導性物質：含フッ素イオン交換樹脂（「ＮａｆｉｏｎＤＥ２０２０」、ＤｕＰｏｎｔ社製）
電解質膜：フッ素系高分子体（「ＮａｆｉｏｎＮＲＥ２１２」、ＤｕＰｏｎｔ社製）
導電性物質：カーボンブラック（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）

＜触媒ペースト調製工程＞
触媒と純水とを混合後、含フッ素イオン交換樹脂溶液、溶媒としてエタノールをそれぞれ添加し撹拌することで、粘度７６ｍＰａ・ｓの触媒ペーストを得た。ここで、エタノールは、触媒ペースト中の固形分濃度が２０質量％になるように添加した。イオン導電性物質は、触媒ペースト全量に対するイオン導電性物質の質量が１５質量％になるように添加した。

＜触媒層作製工程＞
空気極側触媒層及び燃料極側触媒層は、上記触媒ペーストを撥水シート上にＰｔ塗布量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２になるように塗工することで作製した。

＜ＣＣＭ作製工程＞
燃料極触媒層と空気極触媒層とで電解質膜を挟み、燃料極側及び空気極側から１００℃、圧力４０ｋｇ／ｃｍ^２で転写することにより、ＣＣＭを作製した。

＜ペースト調製工程＞
カーボンブラックと水とを同質量（５ｇ）になるように測り取り、エタノールを２ｇ添加した後、混合撹拌してペーストを作製した。ここで、混合撹拌には、遊星ボールミルを用いた。

＜塗工工程＞
図５に示すように、セパレータの凸部にペーストを塗工した。塗工の際には、塗工機を用いて塗工した。

＜接合工程＞
セパレータとガス拡散層との接合は、ガス拡散層に高温ガスを５分間吹き付けて、表１に示す温度までガス拡散層を加熱後、表１に示す圧力がセパレータとガス拡散層との間にかかるように５分間加圧することで、セパレータとガス拡散層との接合を行った。なお、比較例４においては、セパレータを表１に示す温度まで加熱し、ペーストから溶媒を蒸発後、表１に示す条件で加圧し、セパレータとガス拡散層とを接触させた。比較例４では、セパレータとガス拡散層とは接合しなかった。

＜膜−電極接合体作製工程＞
上記ＣＣＭ作製工程で作製したＣＣＭの両極を、一対の実施例１から３及び比較例１から４のセパレータ付きのガス拡散層で挟んだ状態で、圧力３０ｋｇ／ｃｍ^２で転写することにより、実施例１から３、比較例１から４の膜−電極接合体を作製した。

＜発電性能の評価＞
実施例１から３、比較例１から４の膜−電極接合体について、以下の運転条件により、印加電流１Ａ／ｃｍ^２におけるセル電圧、抵抗過電圧を測定した。測定結果を表２に示した。
［運転条件］
セル温度：８０℃
水素極湿度、空気極湿度：５０％
水素利用率、空気利用率：５０％
水素圧、空気圧：１００ｋＰａ

表２の結果から明らかなように、実施例の膜−電極接合体の製造方法により作製した膜−電極接合体は、非常に高いセル電圧を備え、抵抗過電圧を低く抑えることが確認された。比較例１は、ガス拡散層とセパレータとの接合の際に加熱していないため、ガス拡散層とセパレータとが接合せず、１Ａ／ｃｍ^２の条件では、燃料電池として使用することができなかった。比較例２は、セパレータとガス拡散層との接合の際に、ガス拡散層をペーストに含まれる溶媒の沸点未満までしか加熱していないため、セパレータの流路に導電性物質の塊が形成されてしまい１Ａ／ｃｍ^２の条件では、燃料電池として使用することができなかった。比較例３は、セパレータとガス拡散層との接合の際に、ガス拡散層をペーストに含まれる溶媒の沸点までしか加熱していないため、セパレータの流路に導電性物質の塊が形成されてしまい電池性能が低下した。比較例４は、セパレータを加熱し、セパレータ上でペーストの溶媒を蒸発させ、その後、セパレータとガス拡散層とを加圧して密着させるためガス拡散層とセパレータとは接合せず、電池性能も低くなった。

１膜−電極接合体
１１電解質膜
１２空気極用触媒層
１３燃料極用触媒層
１４ガス拡散層
１５セパレータ
１５１流路
２ペースト

Claims

高分子電解質膜、触媒層、ガス拡散層、セパレータの順に積層される膜−電極接合体の製造方法であって、
導電性物質と溶媒とを含むペーストを調製するペースト調製工程と、
前記ペーストを、前記セパレータの前記ガス拡散層と接触する部分に塗工する塗工工程と、
前記塗工工程後に、前記セパレータと前記ガス拡散層とを加圧して接合する接合工程と、を備え、
前記接合工程は、前記ガス拡散層を前記溶媒の沸点を超える温度に予め加熱した後に、前記セパレータと接合することを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
前記ペースト調製工程において、前記溶媒として水を用い、
前記接合工程において、前記ガス拡散層を１２０℃以上に加熱した状態で前記セパレータと接合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。