(57)【要約】      （修正有）【課題】高分子電解質膜と電極触媒層との短時間での接合を可能にし、固体高分子形燃料電池を高い生産性のもと製造することができる膜電極接合体の製造方法および膜電極接合体並びに固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質膜３と電極触媒層とを接合するに際して、２つの基材１２のうち一方の基材１２の電極触媒層を高分子電解質膜３の一方の面に当接し、かつ、２つの基材１２のうち他方の基材１２の電極触媒層を高分子電解質膜３の他方の面に当接する。２つの基材１２と高分子電解質膜３を配置した状態で、２つの基材１２のうち少なくとも一方の基材の電極触媒層と反対側の面から超音波を付与することにより、２つの基材１２の各電極触媒層と高分子電解質膜３とを、超音波振動以外に加熱する手段を用いる必要がない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面にそれぞれ電極触媒層を備える膜電極接合体の製造方法であって、
厚さ方向の一方の面に前記電極触媒層を有する基材を２つ用意し、前記２つの基材のうち一方の基材の前記電極触媒層を前記高分子電解質膜の一方の面に当接し、かつ、前記２つの基材のうち他方の基材の前記電極触媒層を前記高分子電解質膜の他方の面に当接する配置工程と、
前記２つの基材と前記高分子電解質膜を配置した状態で、前記２つの基材のうち少なくとも一方の前記基材の前記電極触媒層と反対側の面から超音波を付与することにより、前記２つの基材の各電極触媒層と前記高分子電解質膜とを接合する超音波工程と、
を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記超音波工程において、前記高分子電解質膜と前記電極触媒層とが接触する接触面に対し単位面積あたり５００Ｊ／ｃｍ２以上３０００Ｊ／ｃｍ２以下の超音波を付与する、
ことを特徴とする請求項１記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記超音波工程において、前記２つの基材のうちの一方の基材の前記電極触媒層と反対の面に弾性体を配置し、前記２つの基材のうちの他方の基材の前記電極触媒層と反対の面から超音波を付与する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記弾性体が、コルク材もしくはゴム材からなる、
ことを特徴とする請求項３記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項５】
前記弾性体のショア硬度Ａが６０以上８０以下の範囲内である、
ことを特徴とする請求項３または４記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかの製造方法により製造された、
ことを特徴とする膜電極接合体。
【請求項７】
請求項７記載の膜電極接合体を、１組のガス拡散層で挟持し、さらに１組のセパレータで挟持したことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜電極接合体の製造方法および膜電極接合体並びに固体高分子形燃料電池に関し、より詳細には、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に用いられる膜電極接合体（ＭＥＡ）を得るための接合技術に係わり、固体高分子形燃料電池に用いられる電解質膜と触媒電極の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素を使用する燃料電池は、その反応生成物が原理的に水のみであり環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。
近年、燃料電池のなかでも、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜を電解質として使用する固体高分子型燃料電池は、作動温度が低く、出力密度が高く、かつ、小型化が容易に可能なため、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池のうち、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜に、アノード側電極触媒層とカソード側電極触媒層が接合されたものは膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれる。
【０００４】
そして、アノード側から水素ガスを供給し、他方、カソード側から酸素ガスを供給して、これら水素ガスと酸素ガスとを電極触媒層内の白金触媒の存在下で反応させることにより、両電極の間に起電力を生じさせることができる。
【０００５】
高分子電解質膜に触媒電極を接合するには、一般にホットプレスが用いられる。
高分子電解質膜を触媒電極で挟持した積層体を、ホットプレス機を用いて加圧・加熱を行った場合、触媒電極内に含まれる高分子成分が加熱によって軟化し、高分子電解質膜との接着剤として働くことで両者が接合される。
加熱する際の温度によっては、高分子電解質膜と触媒電極内の高分子成分の双方が軟化して接合される場合もありうる。
【０００６】
また、単セルを構成する場合には、基材上に形成された触媒電極で高分子電解質膜を挟んでホットプレスしてＭＥＡを形成した後、基材を排除してカーボンクロス等の電極基材を改めて積層してからセパレータを積層する方法と、あらかじめ触媒電極を形成させた電極基材で高分子電解質膜を挟んでホットプレスし、両者を接合させてからセパレータを積層する方法の双方が知られている。
前者では、ガス拡散性を有するがゆえに一般に多孔体である電極基材の上に触媒電極を形成するための工夫が必要ないというメリットの一方、いったん別の基材上に触媒電極を形成したあとそれを除去してから電極基材を積層しなければならないため工程が増えてしまうことがデメリットとなる。
一方後者では、前者とは相反して工程が少ないが、多孔体である電極基材上に触媒電極を形成する必要がある。
【０００７】
ホットプレスの方法に関しては非常に多くの報告がなされているが、例えば特許文献１では、カーボンフェルト上に電子伝導性微細孔層を設け、さらにその上に触媒層を形成したガス拡散電極で高分子電解質膜を挟持し、１３０℃にて５分間ホットプレスする、あるいは、１１０℃にて５分間ホットプレスするといった方法が記載されている。
また、特許文献２には、あらかじめ１６０℃、ゲージ圧５ＭＰａにて５分間ホットプレスした撥水性を有するカーボンクロス上に、触媒分散液を塗布・乾燥してガス拡散電極を作成、これを２枚用意してポリイミドフィルムで補強した高分子電解質膜を挟持してＳＵＳ板、シリコンゴム、ポリイミドフィルムの構成材に挟み、１６０℃、ゲージ圧３ＭＰａにて４分間ホットプレスするという方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００６−３３１８４４号公報
【特許文献２】特開２００３−３６８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のようなホットプレスによる高分子電解質膜と触媒電極の接合は様々な条件で行なわれるが、通常は、高分子電解質膜と触媒電極に含まれる高分子成分のガラス転移温度（Ｔｇ）付近の温度にプレス板を設定してプレス処理するものである。
【０００９】
高分子電解質膜と触媒電極との接合性が不十分な場合、高分子電解質膜から触媒電極が剥離する、あるいは燃料電池単セルの発電特性に悪影響を与えるといった問題が発生することが知られており、一般的にプレス温度を低く、プレス時間を短く設定すると十分な接合性が得られない。
したがって、十分な接合性を確保するためには、プレス時間を長く、プレス温度をある程度高く設定してホットプレスを行う必要がある。
【００１０】
その一方で、プレス温度を高くしすぎると、高分子電解質膜または触媒電極内の高分子成分が過剰に昇温して高分子電解質膜がダメージを受けるなどの弊害が発生するため、プレス温度を高く設定することに関しては限界がある。
したがって、高分子電解質膜と触媒電極の機能を維持しながら接合性を十分に確保するためには、プレス時間を長くする必要性が生じるが、その場合には単セル作成に要する時間が長くなることとなり、生産性という観点では不利となる。
【００１１】
本発明は、従来の固体高分子形燃料電池における高分子電解質膜と触媒電極との接合に関する上記課題に着目してなされたものであって、その目的は、高分子電解質膜と触媒電極との短時間での接合を可能にしつつ、出力性能及び信頼性の高い固体高分子形燃料電池を高い生産性のもとに製造することができる膜電極接合体の製造方法および膜電極接合体並びに固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、接合方法について鋭意検討を繰り返した結果、高分子電解質膜と電極触媒層に超音波振動を与えることにより、上記目的を達成できることを見出した。
すなわち、高分子電解質膜と電極触媒層の接合にあたっては、適切な圧力を印加した状態で熱を与えることが接合の可否を左右する要素であり、勾配を緩やかに加熱するといった昇温プロフィールは必ずしも重要ではないとの結論を見出すに至った。
【００１３】
請求項１に記載の方法によれば、高分子電解質膜及び電極触媒層の少なくとも一方を超音波振動させることによってその接触面を瞬時に加熱し、特に超音波振動を与える以外には加熱を行うための機構、装置などを用いることなく高分子電解質膜と電極触媒層を接合することが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の方法によれば、前記超音波工程において、前記高分子電解質膜と前記電極触媒層とが接触する接触面に対し単位面積あたり５００Ｊ／ｃｍ２以上３０００Ｊ／ｃｍ２以下の超音波を付与することにより、高分子電解質膜と電極触媒層を良好に接合させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の方法によれば、高分子電解質膜と電極触媒層を弾性体上に設置し、上方もしくは下方より加圧しながら前記高分子電解質膜と電極触媒層に超音波を付与することで、超音波振動を付与することにより電極触媒層と高分子電解質膜との位置がずれることを防止しつつ、加熱の面分布を均一にし、高分子電解質膜と電極触媒層をムラなく接合することが可能となる。
【００１６】
また、請求項４の方法によれば、前記弾性体としてコルク材もしくはゴム材を使用することで、高分子電解質膜と電極触媒層に印加される圧力、付与される熱の分布を均等にすることが可能となる。
【００１７】
また、請求項５の方法によれば、弾性体のショア硬度Ａが６０以上８０以下の範囲内とすることで、高分子電解質膜と電極触媒層に印加される圧力、付与される熱の分布を均等にする上でより有利となる。
【００１８】
また、基材としてガス拡散層を用いた場合には、言い換えると、ガス拡散性を有する電極基材上に電極触媒層が設けられた形態の電極触媒層においても、高分子電解質膜と電極触媒層との接触面を瞬時に加熱し、両者を接合することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の膜電極接合体の製造方法では、電極触媒層で高分子電解質膜を挟持しながら、高分子電解質膜及び電極触媒層を超音波振動させて接触面を加熱することによりこれら高分子電解質膜及び電極触媒層を接合する。
本発明の膜電極接合体の製造方法では、従来ホットプレスでは温度、圧力条件に左右されるが１０分程度を要していた接合工程をわずか６秒程度に短縮することができる。
また、従来のホットプレスによる接合方法ではホットプレス板を適切なプレス温度まで昇温させるための時間を必要としていたが、本発明の超音波振動を使用する方法では装置の立ち上げに要する時間を必要としないため工程のさらなる時間短縮が可能となり、合わせて固体高分子形燃料電池の生産性を大幅に向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の膜電極接合体の製造方法について、さらに詳細を説明する。
本発明の膜電極接合体の製造方法においては、高分子電解質膜及び電極触媒層の一方又は両方を超音波を用いて振動させることで接合面が加熱されるため、特にホットプレスや熱風吹き付け、オーブン等の加熱手段を適用することなく、接合界面での接着が可能となる。
【００２１】
本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、超音波印加手段（図２のヘッド８）と電極触媒層と高分子電解質膜とが接触する接触面のサイズを一致させることにより、効率的に電極触媒層と高分子電解質膜の接触面の超音波を印加することが可能となる。
【００２２】
本発明にあっては、高分子電解質膜と電極触媒層の接触面に対し単位面積あたり５００Ｊ／ｃｍ２以上３０００Ｊ／ｃｍ２以下の範囲内の超音波を付与することが好ましい。
上記範囲内の超音波を、高分子電解質膜と電極触媒層の接触面に与えることで、高分子電解質膜と電極触媒層を良好に接合させることができる。
高分子電解質膜と電極触媒層の接触面に対し付与する超音波が５００Ｊ／ｃｍ２に満たない場合、高分子電解質膜と電極触媒層の間の接合強度が不足してしまう場合がある。
一方、高分子電解質膜と電極触媒層の接触面に対し付与する超音波が３０００Ｊ／ｃｍ２を超える場合、高分子電解質膜及び電極触媒層にダメージを与えてしまう場合がある。
本発明にあっては、高分子電解質膜と電極触媒層の接触面に対し単位面積あたり５００Ｊ／ｃｍ２以上３０００Ｊ／ｃｍ２以下の範囲内の超音波を付与することで、超音波の付与時間を１秒〜１０秒とすることができ、高分子電解質膜にダメージを与えることなく、極めて短時間で膜電極接合体を製造することができる。
【００２３】
本発明の膜電極接合体の製造方法を実施するにあたって、電極触媒層と高分子電解質膜の接触面に超音波振動を付与する必要があり、超音波振動しているヘッドを被接着体、すなわち、電極触媒層と高分子電解質膜に接触させて超音波を付与する際に、被接着体が激しく振動して逃げ、位置がずれてしまう場合がある。
また、剛体上に被接着体を設置して加圧し、両者（電極触媒層と高分子電解質膜）を押さえつける場合には、被接着体と剛体であるヘッドとの均一な面接触を取ることが非常に困難となり、超音波振動を接触面内に均一に付与することが難しい。
したがって、弾性体上に被接着体を設置して適切な加圧を行うことで被接着体を押さえつけることにより、上述した不具合の発生を防止することができる。
【００２４】
超音波振動するヘッドで被接着体を加圧する場合、接触領域内の面圧が不均一となると、被接着体への加熱も不均一となるため、接着性もまた不均一なものとなる。
請求項３に記載のように、電極触媒にて挟持した高分子電解質を弾性体上に乗せ、加圧しながら超音波振動を与えることにより、接触領域内での不均一な接着を防止できる。
有用な弾性体としてはコルク材、ゴム材などが挙げられる。
また、その際の硬度としてはショア硬度Ａ６０以上８０以下の範囲内であることが望ましい。
ショア硬度がＡ６０未満の硬度の低い弾性体を用いると、反発力が足りないためにヘッド端部と中央部が接触する被接着体上の位置に圧力・熱が集中し、均一な加熱ができない場合がある。
ショア硬度がＡ８０を超える硬度の高い弾性体を用いると、面内の圧力均一化に強い加圧が必要となり、強くヘッドが押さえつけられて超音波振動できなくなる場合がある。
【００２５】
本発明における膜電極接合体の製造方法は、触媒電極または高分子電解質膜の双方またはどちらか一方を超音波振動させることにより接合面を加熱し接合を行う。
したがって、触媒電極がガス拡散性を有する電極基材上に設けられていたとしても接合は可能である。
【００２６】
次に、本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法についてさらに詳細に説明する。
本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、基材の一方の面に触媒を担持させた粒子と高分子電解質と溶媒を含む触媒インクを塗布し、電極触媒層を形成する工程と、一組の電極触媒層が形成された基材と高分子電解質膜を、前記触媒インク塗布面と該高分子電解質膜が相対するように挟持する工程と、１組の基材により挟持された高分子電解質膜及び電極触媒層の少なくとも一方の面から超音波を付与し、高分子電解質膜と電極触媒層を接合する工程とを順におこなうことにより膜電極接合体が製造される。
言い換えると、本発明の膜電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜の両面にそれぞれ電極触媒層を備える膜電極接合体の製造方法であって、厚さ方向の一方の面に前記電極触媒層を有する基材を２つ用意し、前記２つの基材のうち一方の基材の前記電極触媒層を前記高分子電解質膜の一方の面に当接し、かつ、前記２つの基材のうち他方の基材の前記電極触媒層を前記高分子電解質膜の他方の面に当接する配置工程と、前記２つの基材と前記高分子電解質膜を配置した状態で、前記２つの基材のうち少なくとも一方の前記基材の前記電極触媒層と反対側の面から超音波を付与することにより、前記２つの基材の各電極触媒層と前記高分子電解質膜とを接合する超音波工程とを含む。
【００２７】
本発明の触媒インクを塗布する基材としては、高分子フィルム及びシートを用いることができる。
このとき、高分子フィルム及びシートとしては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレートを用いることができる。
また、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性フッ素樹脂を高分子フィルム及びシートとして用いることもできる。
【００２８】
また、基材としてはガス拡散層を用いることができる。
基材としてガス拡散層を用いた場合には、１組の基材で挟持する形で膜電極接合体を形成後、形成された膜電極接合体と基材は剥離しなくてもよい。
【００２９】
本発明の膜電極接合体に用いられる高分子電解質膜としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。
フッ素系高分子電解質膜としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料などを用いることができる。
炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。
中でも、高分子電解質膜としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。
【００３０】
本発明の触媒インクとしては、少なくとも触媒粒子を担持させた粒子、高分子電解質、溶媒を含有するものを用いることができる。
【００３１】
触媒を担持させた粒子に用いる触媒としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。
中でも、白金もしくは白金合金を好適に用いることができる。白金及び白金合金にあっては、タングステン、スズ、レニウムなどが添加物として含まれていてもよい。該添加物を添加することによりＣＯ耐被毒性が高まる。
【００３２】
触媒を担持するための粒子としては、カーボン粒子が好適に使用される。
カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。
カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、１０〜１０００ｎｍ程度が好ましい。更に好ましくは、１０〜１００ｎｍが良い。
【００３３】
本発明の触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜と同様の材料を用いることができる。
フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができ、フッ素系高分子電解質としては、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子（株）製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ゴア社製Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）などを用いることができる。
炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。
なお、電極触媒層と高分子電解質膜の密着性を考慮すると、触媒インクに含まれる高分子電解質として高分子電解質膜と同一の材料を用いることが好ましい。
【００３４】
触媒インクにあっては、触媒粒子を担持させた粒子、高分子電解質を分散させるために溶媒を用いる。
溶媒としては、触媒を担持した粒子、高分子電解質が反応することがない揮発性の有機溶媒が含まれることが望ましい。
これらの溶媒は、触媒粒子を担持させた粒子、高分子電解質の分散性を考慮して選択される。また、その量は、触媒インクの粘度等を考慮して決定される。
有機溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ペンタノール、２−ヘプタノール、ベンジルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノール等が使用される。
また、溶媒として、水を用いることもできる。また、これらの溶媒のうち二種以上を混合させたものも使用できる。
【００３５】
また、触媒インクにあっては、触媒物質を担持したカーボン担体を分散させるために、分散剤が含まれていても良い。
分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを用いることができる。
【００３６】
また、触媒インクに造孔剤が含まれても良い。
造孔剤は、電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することが出来る。
造孔剤としては、酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを挙げることが出来る。
造孔剤が温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。
【００３７】
高分子電解質、触媒を担持した粒子、溶媒は分散処理され、触媒インクとすることができる。
分散の手順は、触媒を担持した粒子を溶媒へあらかじめプレ分散処理し、次いで高分子電解質を投入して遊星ボールミルにより分散処理をおこなうことが好ましい。
【００３８】
まず、基材の一方の面に、触媒を担持させた粒子と高分子電解質と溶媒を含む触媒インクが塗布される。
触媒インクの塗工方法は、刷毛塗り、筆塗り、バーコータ塗工、ナイフコータ塗工、ダイコータ塗工、スクリーン印刷、スプレー塗工などの塗工方法を用いることができる。
ベース基材上に触媒インクを塗布した後には、必要に応じて乾燥工程が設けられ、基材上に電極触媒層が形成される。
【００３９】
次に、触媒インクが塗布されたベース基材を２枚用意し、触媒インク塗布面と該高分子電解質膜が相対するように狭持し、さらに、基材上に塗布された触媒インクを高分子電解質膜の両面に転写する。
言い換えると、厚さ方向の一方の面に電極触媒層を有する基材を２つ用意し、それら２つの基材のうち一方の基材の電極触媒層を高分子電解質膜の一方の面に当接し、かつ、２つの基材のうち他方の基材の電極触媒層を高分子電解質膜の他方の面に当接させる。
そして、２つの基材と高分子電解質膜を配置した状態で２つの基材の各電極触媒層と高分子電解質膜とを接合する。
本発明にあっては超音波により高分子電解質膜と電極触媒層が接合される。
基材として、高分子フィルム及びシートを用いた場合には、高分子電解質膜と電極触媒層が超音波により接合されたあと、基材は剥離される。一方、基材としてガス拡散層を用いた場合には、基材を剥離する必要は無い。
【００４０】
以下に、本発明の燃料電池について説明する。
【００４１】
固体高分子型燃料電池は、多数の単セルが積層されて構成されている。
単セルは、図１に示すように、アノード側のセパレータ１、アノード側触媒電極２、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜３、カソード側の触媒電極４及びカソード側のセパレータ５を、この順に積層して構成されている。
アノード側触媒電極２は、ガス拡散層２１とこの表面に積層された電極触媒層２２とで構成されている。
カソード側触媒電極４は、ガス拡散層４１とこの表面に積層された電極触媒層４２とで構成されている。
アノード側ガス拡散層２１とカソード側ガス拡散層４１とは、いずれも、ガス拡散性と電子伝導性を有する材質から構成されている。
【００４２】
アノード側のセパレータ１からはガス流路１ａを通じて、燃料ガスである水素が供給される。
一方、カソード側のセパレータ５からはガス流路５ａを通じて、空気または酸素ガスが供給される。
そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを、触媒の存在下で電極反応させることにより、アノードとカソードの間に起電力を生じることができる。
【００４３】
本発明に用いられるガス拡散層２１、４１およびセパレータ１、５としては通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。
具体的にはガス拡散層２１、４１としてはカーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材が用いられる。
セパレータ１、５としては、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。
【００４４】
本発明方法は、２つのセパレータに固体高分子電解質膜、電極触媒層、ガス拡散層が挟持された、いわゆる単セル構造の固体高分子型燃料電池に適用できることは無論のこと、セパレータを介して複数のセルを積層して燃料電池に適用可能である。
また、このように構成された単セル構造あるいは複数のセルを積層した構造の燃料電池は、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより製造される。
【００４５】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００４６】
（実施例１）
図２は、実施例に用いた接合装置の構成を示す概略図である。
図２に示す接合装置６は、超音波振動機７にヘッド８が接続されており、上からのヘッド８による加圧により変形しない程度の剛性を有する鉄材などからなる土台９上に、コルク材よりなる下地１０を設置し、その上に２枚の電極触媒層１１にて挟持した高分子電解質膜３を設置して、上方からヘッド８を押し当てながら超音波を発振し、２枚の電極触媒層１１に挟持された高分子電解質膜３へ超音波を付与できるようになっている。
言い換えると、接合装置６は、２つの基材１２のうち一方の基材１２の電極触媒層１１を高分子電解質膜３の一方の面に当接し、かつ、２つの基材１２のうち他方の基材１２の電極触媒層１１を高分子電解質膜３の他方の面に当接させた状態で、２つの基材１２のうち少なくとも一方の基材１２の電極触媒層１１と反対側の面から超音波を付与できるようになっている。
【００４７】
高分子電解質膜３には市販のフッ素系水素イオン伝導膜であるデュポン株式会社製ナフィオン２１１を使用した。
電極触媒層１１は、田中貴金属株式会社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅを白金担持カーボン触媒として採用し、市販の水素イオン伝導性高分子（Ｎａｆｉｏｎ）溶液を水：メタノール：エタノール＝１：１：１の混合溶媒中で混合した後、遊星型ボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製  Ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｔｔｅ７）で分散処理をおこない調製した触媒インクをポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）素材の基材上に塗布して乾燥させ、基材１２上に電極触媒層１１を形成した。
一方の面に電極触媒層１１を備える基材１２を２枚用意し、高分子電解質膜３を挟持して厚み３ｍｍのコルク材よりなる下地５上に設置し、上からヘッド８を２５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力にて押し付けながら、周波数１９．１５ｋＨｚ、振幅２０μｍの超音波を５秒付与した。
このとき、高分子電解質膜３と電極触媒層１１とが接触する接触面に対して１０００Ｊ／ｃｍ２の超音波を付与している。
超音波付与後、ＰＴＦＥからなる基材１２を剥離したところ、基材側に電極触媒層１１の残りは確認されず、電極触媒層１１と高分子電解質膜３が良好に接合していることが確認された。また、接合装置６の立ち上げに際して、ウォーミングアップには時間を要しなかった。
【００４８】
（実施例２）
下地１０にショア硬度Ａ７０のゴムを使用したこと、また超音波を付与する時間を３秒としたこと以外は発明例１と同様の設定として超音波を付与したところ、ヘッド８が接触した領域内で抜け・欠け等なく電極触媒層１１と高分子電解質膜３の接合を確認した。
このとき、高分子電解質膜３と電極触媒層１１の接触面に対して６００Ｊ／ｃｍ２の超音波を付与している。
超音波付与後、ＰＴＦＥからなる基材１２を剥離したところ、基材側に電極触媒層１１の残りは確認されず、電極触媒層１１と高分子電解質膜３が良好に接合していることが確認された。
【００４９】
（実施例３）
下地１０にショア硬度Ａ５０のゴムを使用した以外は実施例２と同様の設定として超音波を付与した。
超音波付与後、ＰＴＦＥからなる基材１２を剥離したところ、基材側に電極触媒層１１の残りはほとんど確認されず電極触媒層１１と高分子電解質膜３が接合していることが確認されたが、基材１２上のごく一部で電極触媒層の残りが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】燃料電池の分解斜視図である。
【図２】本発明の高分子電解質膜と触媒電極の接合装置の構成例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１……アノード側のセパレータ、１ａ……反応ガス流路、２……アノード側触媒電極、２１……アノード側ガス拡散層、２２……アノード側電極触媒層、３……水素イオン伝導性高分子電解質膜、４……カソード側触媒電極、４１……カソード側ガス拡散層、４２……カソード側電極触媒層、５……カソード側のセパレータ、５ａ……反応ガス流路、６……接合装置、７……超音波振動機、８……ヘッド、９……土台、１０……下地、１１……電極触媒層、１２……基材。
【図１】
2010073350.tif 000003
【図２】
2010073350.tif 000004