(57)【要約】【課題】膜・電極・ガス拡散層接合体において、接着層によるガス拡散性の低下を改善する。【解決手段】高分子電解質膜の両面上に触媒電極層形成用の触媒インクを塗布した触媒インク塗布済み電解質膜、２つのガス拡散層のそれぞれの一方の面上に触媒インクを塗布した２つの触媒インク塗布済みガス拡散層を用意する。触媒インク塗布済み電解質膜と２つの触媒インク塗布済みガス拡散層とを、それぞれの触媒インクの塗布面が向かいあうように積層し、さらに、積層した触媒インク塗布済みガス拡散層の少なくとも一方の外側に、ＰＢＩ／リン酸複合膜および吸水性シートを積層した積層体を作製する。作製した積層体をホットプレスする。【選択図】図１
2010218866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面上に形成された２つの触媒電極層と、前記２つの触媒電極層のそれぞれの上に形成される２つのガス拡散層と、で構成される膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法であって
前記高分子電解質膜の両面上に前記触媒電極層の形成用の触媒インクを塗布した触媒インク塗布済み電解質膜を用意するとともに、前記２つのガス拡散層のそれぞれの一方の面上に前記触媒インクを塗布した２つの触媒インク塗布済みガス拡散層を用意する工程と、
前記触媒インク塗布済み電解質膜と前記２つの触媒インク塗布済みガス拡散層とを、それぞれの前記触媒インクの塗布面が向かいあうように積層し、さらに、積層した前記触媒インク塗布済みガス拡散層の少なくとも一方の外側に、ＰＢＩ／リン酸複合膜および吸水性シートを積層した積層体を作製する工程と、
作製した前記積層体をホットプレスすることにより、前記高分子電解質膜に塗布された前記触媒インクと、前記ガス拡散層に塗布された前記触媒インクとを接合する工程と、
を備えることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）を用いた発電体として、電解質膜の両面上にそれぞれ、触媒電極層（以下、単に「電極」あるいは「触媒層」とも呼ぶ）とガス拡散層（以下、単に「ＧＤＬ」とも呼ぶ）とを接合させた膜・電極・ガス拡散層接合体が用いられている。
【０００３】
そして、電解質膜と触媒電極層との接合は、電解質膜の面上に触媒インクを塗布することにより実現されている。一方、触媒電極層とＧＤＬとの間の接合は、特許文献１に記載されているように、接着層を介して実現されている場合が多い。触媒電極層とＧＤＬとの間に存在する接着層は、ＧＤＬを介して供給される反応ガスの拡散性を低下させる要因となっている、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２１４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池に利用される発電体である膜・電極・ガス拡散層接合体において、従来問題となっていたガス拡散性の低下を改善する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面上に形成された２つの触媒電極層と、前記２つの触媒電極層のそれぞれの上に形成される２つのガス拡散層と、で構成される膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法であって
前記高分子電解質膜の両面上に前記触媒電極層の形成用の触媒インクを塗布した触媒インク塗布済み電解質膜を用意するとともに、前記２つのガス拡散層のそれぞれの一方の面上に前記触媒インクを塗布した２つの触媒インク塗布済みガス拡散層を用意する工程と、
前記触媒インク塗布済み電解質膜と前記２つの触媒インク塗布済みガス拡散層とを、それぞれの前記触媒インクの塗布面が向かいあうように積層し、さらに、積層した前記触媒インク塗布済みガス拡散層の少なくとも一方の外側に、ＰＢＩ／リン酸複合膜および吸水性シートを積層した積層体を作製する工程と、
作製した前記積層体をホットプレスすることにより、前記高分子電解質膜に塗布された前記触媒インクと、前記ガス拡散層に塗布された前記触媒インクとを接合する工程と、
を備えることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法。
適用例１の膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜とガス拡散層とを触媒電極層を介して接合することができるので、従来の接着層を不要とすることができ、従来問題となっていたガス拡散性の低下を改善することが可能である。また、吸水性シートに含まれる水により、触媒電極層同士の接着力を高めて接合強度を高めるとともに、さらに、ＰＢＩ／リン酸複合膜中のリン酸が触媒電極層中に注入されることによって、触媒層同士の接着力を高めて接合強度を高めることが可能となる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法、製造された膜・電極・ガス拡散層接合体・この膜・これを備える燃料電池などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の作製工程の実施形態を示す説明図である。
【図２】比較例として燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の作製工程の実施形態を示す説明図である。
【図３】ＰＢＩ／リン酸複合膜中のリン酸吸着量と触媒層強度の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の作製工程の実施形態を示す説明図である。図１に示すように、高分子電解質膜１００を用意し、この電解質膜１００の両面に膜側触媒電極層（以下、単に「触媒層」と略す）１０２，１０４となる触媒インクを塗布して触媒インク塗布済み電解質膜１００Ａを用意する。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）２００，３００の一方の面にＧＤＬ側触媒層２０２，３０２となる触媒インクを塗布して触媒インク塗布済みガス拡散層２００Ａ，３００Ａを用意する。そして、用意した触媒インク塗布済み電解質膜１００Ａに対して、アノード側の触媒電極層となる触媒インク塗布済み電解質膜１００Ａの膜側触媒層１０２と触媒インク塗布済みガス拡散層２００のＧＤＬ側触媒層２０２とが向かい合うように、積層する。同様に、用意した触媒インク塗布済み電解質膜１００Ａに対して、カソード側の触媒電極層となる触媒インク塗布済み電解質膜１００Ａの膜側触媒層１０４と触媒インク塗布済みガス拡散層３００のＧＤＬ側触媒層３０２とが向かい合うように、積層する。さらに、カソード側のガス拡散層３００の外側に、ＰＢＩ／リン酸複合膜４００および十分に水を含ませた吸水性シート５００と、を積層する。こうして作製された積層体を、テフロン（デュポン社の登録商標）等の保護シートを介して配置されたステンレス板で両側から挟んで、ホットプレスする。これにより、カソード側の触媒電極となる膜側触媒層１０２とＧＤＬ側触媒層２０２およびアノード側の触媒電極となる膜側触媒層１０４とＧＤＬ側触媒層２０４がそれぞれ接合され、膜・電極・ガス拡散層接合体が作製される。
【００１１】
図２は、比較例として、燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の作製工程の実施形態を示す説明図である。実施形態と比較例の作製工程の異なる点は、図１と図２とを比較すればわかるように、比較例は、ＰＢＩ／リン酸複合膜４００を備えていない点を除いて全く同じである。
【００１２】
この比較例の作製工程においては、ホットプレスする際に、吸水性シートに含有する水分が水蒸気となって、電解質膜および触媒電極層の乾燥を抑制することができる。これにより、ホットプレスによって発生する膜の乾湿持における面内寸法変化を抑制することができるので、電解質膜とガス拡散層との間の接合の機能も果たす触媒電極層同士の接合性を向上させることが可能となる。
【００１３】
比較例の場合においては、上述したように、ホットプレス時において水蒸気を供給することにより、膜や触媒電極層の乾燥を抑制して、膜・電極・ガス拡散層接合体の接合強度の向上を図っている。
【００１４】
しかしながら、ホットプレスによる電解質膜の乾燥度が大きく寸法変化の大きな電解質膜の場合には、膜側触媒層とＧＤＬ側触媒層との間の接合強度を十分に確保できない場合がある。
【００１５】
本実施の形態の作成工程においては、ＰＢＩ／リン酸複合膜中のリン酸が、熱が加えることで架橋構造を形成するため、ホットプレス時において、このリン酸が膜側触媒層およびＧＤＬ側触媒層に注入されることになる。この結果、２つの触媒層の海面における接合性が高められることになり、より、膜・電極・ガス拡散層接合体の接合強度の向上を図ることが可能である。
【００１６】
以下では、まず、比較例の作製工程による比較例１および実施形態の作製工程による実施例１について説明する。
【００１７】
［比較例１］
炭化水素系電解質膜であるＢＰＳＨ（ポリアリーレンエーテルスルホン酸共重合体、ガラス転移点：２３０℃，２００ｍｍ×１００ｍｍ，膜厚：２０μｍ）に触媒インクをスプレー法により塗工した。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）の電解質膜側にも触媒インクを塗工した。これらを、図２に示すように配置してホットプレスを行なって、膜・電極・ガス拡散層接合体を作製した。なお、吸水性シートには、十分な水を含水させたものを用いた。また、ホットプレスの条件は１３０℃，３ＭＰａであった。
【００１８】
このようにして作製した比較例の膜・電極・ガス拡散層接合体について、カソード側における電解質膜とガス拡散層との間の剥離強度を引張試験により測定した結果、３．０×１０-3ＭＰａであった。
【００１９】
［実施例１］
上記比較例の作製工程（図１参照）に加えて、ＰＢＩ（ポリ［ベンズイミダゾール］）／リン酸複合膜を配置し、図１に示すように配置してホットプレスを行なって、膜・電極・ガス拡散層接合体を作製した。なお、ＰＢＩ／リン酸複合膜は、例えば、ＰＢＩ膜をリン酸／メタノール溶液（酸濃度８５ｗｔ％）に常温で８０時間浸漬した後、表面をメタノールで洗浄することにより得ることができる。
【００２０】
このようにして作製した実施例の膜・電極・接合体について、カソード側における電解質膜とガス拡散層との間の剥離強度を引張試験により測定した結果、８．０×１０-3ＭＰａであった。すなわち、比較例の結果の約２．６倍の強度を得ることができることがわかった。
【００２１】
図３は、ＰＢＩ／リン酸複合膜中のリン酸吸着量と触媒層強度の関係を示す説明図である。図３に示すように、リン酸吸着が多い、すなわち、リン酸濃度が高いほうが、ＰＢＩ／リン酸複合膜を用いることで、触媒層の接合強度は向上することがわかった。これはＰＢＩ／リン酸複合膜かららホットプレス時において流出したリン酸量の増加により、触媒層中でのリン酸分子を介したネットワーク構造（架橋構造）がより強固に構成されるためと考えられる。
【００２２】
［比較例２］
ＢＰＳＨ（ガラス転移点：２３０℃，２００ｍｍ×１００ｍｍ，膜厚：２０μｍ）に触媒インクをスプレー法で塗工した。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）の電解質膜側にも触媒インクを塗工した。図２に示すように配置するとともに、吸水性シートとガス拡散層との間に、リン酸溶液を滴下してホットプレスを行なって、膜・電極・ガス拡散層接合体を作製した。
【００２３】
得られた膜・電極・ガス拡散層接合体の表面には穴が開いていた。これは、高濃度のリン酸がリン酸溶液を滴下した部分に偏在したために、生じたものと考えられる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態の製造工程によれば、高分子電解質膜とガス拡散層とを触媒電極層を介して接合することができるので、従来の接着層を不要とすることができるので、従来問題となっていたガス拡散性の低下を改善することが可能である。また、吸水性シートに含まれる水により、触媒電極層同士の接着力を高めて接合強度を高めるとともに、さらに、ＰＢＩ／リン酸複合膜中のリン酸が触媒電極層中に注入されることによって、触媒層同士の接着力を高めて接合強度を高めることが可能となる。
【００２５】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００２６】
上記実施の形態では、カソード側にのみ、ＰＢＩ／リン酸複合膜および吸水性シートを配置する場合を例に説明しているが、これに加えて、アノード側にもＰＢＩ／リン酸複合膜および吸水性シートを配置するようにしてもよい。このようにすれば、アノード側の触媒電極層による接合強度を向上させることが可能である。
【００２７】
上記実施例では、ＰＢＩ／リン酸複合膜を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、弾性率が高く、かつ、ＰＢＩ（ポリ［ベンズイミダゾール］）、ポリ［ベンズオキサゾール］等の塩基性官能基（Ｎ原子を有するもの）を電解質とする種々の電解質／強酸複合膜を用いることが望ましい。
【符号の説明】
【００２８】
１００…高分子電解質膜
１００Ａ…触媒インク塗布済み電解質膜
１０２…膜側触媒層
１０４…膜側触媒層
２００…ガス拡散層
２００Ａ…触媒インク塗布済みガス拡散層
２０２…ＧＤＬ側拡散層
３００…ガス拡散層
３０２…ＧＤＬ側拡散層
４００…ＰＢＩ／リン酸複合膜
５００…吸水性シート
【図１】
2010218866.tif 000003
【図２】
2010218866.tif 000004
【図３】
2010218866.tif 000005