(57)【要約】【課題】低材料コストで生産性よく触媒層形成が可能な燃料電池の触媒層形成方法を提供する。【解決手段】外周端部に枠状保護層３３を積層接合した電解質膜３１に触媒成分３２ａを吹き付けて触媒層３２を積層形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、保護層表面に予め撥水処理層１１を施し、これに隣接する電解質膜外周側部分３１ａを専用塗布手段１２により、残余の電解質膜中央寄り部分３１ｂを主塗布手段１３により、各々触媒成分３２ａを吹き付けて全触媒層３２を形成する。撥水処理層１１の存在と専用塗布手段１２による触媒成分吹付けとで、保護層表面に付着する触媒成分３２ａのミストを微小、微量とし、保護層３３の絶縁機能を損なわせず、マスク部材なしで、電解質膜外周側部分３１ａに触媒層３２を形成可能とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周端部に保護層を枠状に積層接合してなる電解質膜に触媒成分を吹き付けて触媒層を積層形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、
前記保護層の表面に予め撥水処理を施しておき、
この撥水処理された前記保護層に隣接する側の電解質膜部分を端部専用塗布手段によって、残余の電解質膜部分を主塗布手段によって、各々触媒成分を吹き付けて前記電解質膜に触媒層を積層形成することを特徴とする燃料電池の触媒層形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜に触媒成分を吹き付けて触媒層を積層形成する燃料電池の触媒層形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質に高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温で動作し、出力密度が高く、電池寿命が長い等の特徴を有していることから、自動車用、可搬用の動力源として需要が高まっている。
このような燃料電池において、電解質膜に触媒成分を吹き付けて触媒層を形成する触媒層形成方法が知られている。
従来のこの種の触媒層形成方法としては特許文献１に記載の方法があった。
これは、電解質膜の端部に、枠型形状のマスク部材を配設し、マスク部材の上方から電解質膜の積層面に触媒成分を吹き付けて触媒層を形成するという方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０５９３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記従来技術では、マスク部材分の材料コストが必要となった。そこで、マスク部材の再利用が考えられるが、この場合はマスク部材の洗浄工程が必要となり、生産性が低くなった。
【０００５】
本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、低材料コストで生産性よく触媒層形成が可能な燃料電池の触媒層形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、燃料電池の触媒層形成方法を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。
【０００７】
以下の各項のうち、（１）項が請求項１に対応する。（２）項及び（３）項は請求項に係る発明ではない。
【０００８】
（１） 外周端部に保護層を枠状に積層接合してなる電解質膜に触媒成分を吹き付けて触媒層を積層形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、前記保護層の表面に予め撥水処理を施しておき、この撥水処理された前記保護層に隣接する側の電解質膜部分を端部専用塗布手段によって、残余の電解質膜部分を主塗布手段によって、各々触媒成分を吹き付けて前記電解質膜に触媒層を積層形成することを特徴とする燃料電池の触媒層形成方法。
電解質膜の外周端部に、枠状に保護層が積層接合されている場合には、保護層の絶縁機能を損なわせない限り、電解質膜に触媒成分を吹き付けて触媒層を形成する際のマスク部材として、この保護層を利用できる。
そこで、保護層の表面に撥水処理を施しておき、撥水処理された保護層に隣接する側の電解質膜部分を端部専用塗布手段で触媒成分を吹き付けて触媒層を形成する。これによれば、保護層表面に付着する触媒成分のミストは微小かつ微量となり、保護層の絶縁機能を損なわさせずに、マスク部材なしで、保護層に隣接する側の電解質膜部分の触媒層を形成できる。
残余の電解質膜中央寄り部分は主塗布手段によって触媒層を形成すればよい。
（２） 端部専用塗布手段はスプレーガンであって、前記保護層の表面に対して面直から１５度〜４５度程度のガン角度で触媒層形成側に向けた状態で、前記保護層内周側四方のエッジ見切り塗装をすることにより、前記保護層に隣接する側の電解質膜部分に触媒層を積層形成することを特徴とする（１）項に記載の燃料電池の触媒層形成方法。
本項に記載の発明によれば、触媒成分の塗着効率を低下させずに、保護層表面に付着する触媒成分を微小かつ微量にできる。
（３） 前記撥水処理は、ポリテトラフルオロエチレン溶液のコーティングによることを特徴とする（１）又は（２）項に記載の燃料電池の触媒層形成方法。
本項に記載の発明では、撥水処理にポリテトラフルオロエチレン溶液を用いている。このポリテトラフルオロエチレン溶液は液状の撥水剤として一般的なものであって調達し易く、また撥水効果に優れる。
【発明の効果】
【０００９】
（１）項に記載の発明によれば、保護層表面に付着する触媒成分のミストを微小、微量として、保護層の絶縁機能を損なわせず、マスク部材なしで電解質膜外周側部分に触媒層を形成できる。したがって、低材料コストで、またマスク部材の洗浄工程を必要とせずに生産性よく、触媒層形成が可能となる。
なお、（２）項及び（３）項に記載の発明は、本発明（特許請求の範囲に記載した発明）ではないので、上記課題を解決するための手段の欄に、その効果を述べた。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による燃料電池の触媒層形成方法の一実施形態の説明図である。
【図２】同上実施形態により触媒層形成されたＭＥＡの断面を模式的に示す図である。
【図３】保護層付きの電解質膜を備えた燃料電池の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
まず、実施の形態の説明に先立ち、本発明をするに至った経緯について述べる。
固体高分子形の燃料電池においては、電解質膜が薄くて弱いために、その外周端部にフィルムやプレート等からなる保護層を接合したものがある。
図３は、このように外周端部に保護層を積層接合してなる電解質膜を用いた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備える燃料電池のセルの概略を示す断面図である。
図示するようにセル３０は、高分子膜からなる電解質膜３１の両面に電極となる触媒層３２が積層形成され、各触媒層３２の周囲、つまり電解質膜３１の外周端部にはフィルム等からなる保護層３３が枠状に積層接合されてなるＭＥＡ３４を備える。
触媒層３２及び保護層３３上には、集電及びガスを拡散するための拡散層３５が接合され、更にその外側には、ガス流路３６ａを有するセパレータ３６が各々配設され、ＭＥＡ３４及び拡散層３５部分を両面側から狭持するようにしてセル３０が構成されている。
そして、このようなセル３０が複数個積層されて燃料電池スタックが構成され、燃料電池として発電を行う。
【００１２】
このような保護層付きの電解質膜３１を用いたＭＥＡ３４では、保護層３３は電気的に絶縁する機能をもつが、保護層３３の表面に、電極となる触媒成分がミスト状に付着しても微量であれば上記絶縁機能は損なわれない。
したがって、このようなＭＥＡ３４において、保護層３３が電解質膜３１の外周端部に枠状に積層接合されていることは、保護層３３の絶縁機能を損なわせない限り、電解質膜３１に触媒成分を吹き付けて触媒層３２を形成する際のマスク部材として、この保護層３３を利用できることを意味する。
【００１３】
そこで本発明者等は、鋭意実験、検討の結果、上記保護層３３の表面に撥水処理を施しておき、この撥水処理された保護層３３に隣接する側の電解質膜部分を端部専用の塗布手段で触媒成分を吹き付けて触媒層３２を形成すれば、保護層３３表面に付着する触媒成分のミストは微小かつ微量となることを見い出すに至った。
したがって、上記のような方法で触媒層３２を形成すれば、保護層３３の絶縁機能を損なわさせずに、しかもマスキングプレートやマスキングフィルム等のマスク部材なしで、保護層３３に隣接する側の電解質膜部分の触媒層３２を形成できる。
残余の電解質膜部分、つまり保護層３３に隣接する側よりも中央寄りの電解質膜部分は、外周形状に特段の注意を払う必要は少ないので、一般的な塗布手段によって触媒成分を吹き付け、触媒層３２を形成すればよい。
【００１４】
次に、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明による燃料電池の触媒層形成方法の一実施形態の説明図であり、図２は、本実施形態により触媒層が形成されたＭＥＡの断面を模式的に示す図である。
図１に示すように、本実施形態は、外周端部に保護層３３を枠状に積層接合してなる電解質膜３１に後述する触媒成分を吹き付けて触媒層３２を積層形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、電解質膜３１の外周端部に枠状に積層接合してある保護層３３の表面に、予め撥水処理を施しておく。
ここで、電解質膜３１及び触媒層３２は、固体高分子形燃料電池のＭＥＡ３４の製造に通常用いられる材料からなる。例えば、電解質膜３１はイオン交換樹脂材からなり、また触媒層３２は例えば白金等を含む電極触媒材からなる。触媒層３２は白金等を含む液状の触媒成分３２ａを電解質膜３１に吹き付けることにより形成される。保護層３３は例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルム等からなる。
撥水処理は、本実施形態では撥水剤としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）溶液を保護層３３の表面にコーティングする等により施される。ＰＴＦＥ溶液は液状の撥水剤として一般的なものであって調達し易く、また撥水効果に優れる。
図中、１１は、保護層３３の表面にＰＴＦＥ溶液をコーティングしてなる撥水処理層である。
【００１５】
本実施形態では、電解質膜３１への触媒成分３２ａの吹付けを、上記のように撥水処理を表面に施した保護層３３に隣接する側の電解質膜部分（以下、電解質膜外周側部分と記す。）３１ａと、その残余の部分、つまり保護層３３に隣接する側の部分を除いた残り全ての電解質膜部分（以下、電解質膜中央寄り部分と記す。）３１ｂとに分けて行う。
この場合、上記電解質膜外周側部分３１ａは端部専用塗布手段１２によって、残余の電解質膜中央寄り部分３１ｂは主塗布手段１３によって、各々容器１４内からの触媒成分３２ａを吹き付け、触媒層３２全体を形成する。塗布手段１２，１３はいずれもスプレーガンである。
【００１６】
両塗布手段１２，１３のうち、主塗布手段１３は、従来からこの種の触媒成分３２ａの吹付けに一般的に用いられている程度のスプレー角度を有する塗布手段である。
また端部専用塗布手段１２は、主塗布手段１３に比べてスプレー角度（吹付け広がり角度）が狭く、狙いを定め易い塗布手段であり、電解質膜３１の表面に対する吹付け角度等を適宜調整して触媒成分３２ａを吹き付け、触媒層３２を形成すれば、保護層３３の表面に付着する触媒成分３２ａのミストは微小かつ微量となる。
具体的には、保護層３３の表面に対して面直から１５度〜４５度程度のガン角度θ１で触媒層形成側に向けた（保護層３３の外周側に倒した）状態で、保護層内周側四方のエッジ見切り塗装をすることにより、電解質膜外周側部分３１ａに触媒層３２を積層形成する。
ガン角度θ１を、保護層３３の表面に対して面直から１５度〜４５度程度としたのは、１５度未満であると、電解質膜３１の表面における触媒成分３２ａの跳ね返りが多くなって保護層３３の表面に付着する触媒成分３２ａのミストを微小かつ微量とすることが困難になるからである。また、４５度を超えると触媒成分３２ａの電解質膜３１の表面への塗着効率が下がるからである。図１では、ガン角度θ１がぼぼ２０度である場合を例示している。
【００１７】
以上述べたように本実施形態では、外周端部に保護層３３を枠状に積層接合してなる電解質膜３１に触媒成分３２ａを吹き付けて触媒層３２を積層形成する燃料電池の触媒層形成方法において、上記保護層３３の表面に予め撥水処理層１１を施し、これに隣接する電解質膜外周側部分３１ａを端部専用塗布手段１２によって、残余の電解質膜中央寄り部分３１ｂを主塗布手段１３によって、各々触媒成分３２ａを吹き付けて全体の触媒層３２を形成した。
【００１８】
これによれば、保護層３３の表面に付着する触媒成分３２ａのミストを微小かつ微量として、保護層３３の絶縁機能を損なわせることなく、しかもマスク部材なしで電解質膜外周側部分３１ａに触媒層３２を形成できる。したがって、マスク部材にかかるコストを要せずに、またマスク部材の洗浄工程を必要としないので生産性よく、触媒層３２の形成が可能となる。
残余の電解質膜中央寄り部分３１ｂは主塗布手段１３によって従前通り触媒層３２を形成できるので、端部専用塗布手段１２による効果を有しつつ、触媒層全体を生産性よく形成できる。
【００１９】
特に、端部専用塗布手段１２のガン角度θ１を、保護層３３の表面に対して面直から１５度〜４５度程度、触媒層形成側に向けた状態で、保護層内周側四方のエッジ見切り塗装して電解質膜外周側部分３１ａの触媒層形成をしたことによれば、触媒成分３２ａの塗着効率を低下させずに、保護層３３の表面に付着する触媒成分３２ａを微小かつ微量にできる効果がある。
【符号の説明】
【００２０】
１１：撥水処理層、１２：端部専用塗布手段、１３：主塗布手段、３１：電解質膜、
３１ａ：電解質膜外周側部分（保護層に隣接する側の電解質膜部分）、３１ｂ：電解質膜中央寄り部分（残余の電解質膜部分）、３２：触媒層、３２ａ：触媒成分、３３：保護層、θ１：ガン角度。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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