(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極インクから形成される電極層と、
前記電極層が接合され、前記電極層の周囲に余白部を有する電解質膜と、
前記余白部に接合される第１検査用電極および第２検査用電極とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
前記電極インクを調製する電極インク調製工程と、
前記電極インクを順次塗工することにより、前記電解質膜の少なくとも一方の面に、前記第１検査用電極、前記電極層、前記第２検査用電極を形成する電極形成工程とを備えることを特徴とする、膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法により得られた膜電極接合体の良否を検査する検査工程と、
前記検査工程により、良品とされた前記膜電極接合体を積層する積層工程とを含むことを特徴とする、セルスタックの製造方法。
【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セルスタックの製造方法、詳しくは、燃料電池に備えられる膜電極接合体の製造方法、および、その膜電極接合体を積層してなるセルスタックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に採用される電極として、電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合される燃料側の電極層と、電解質膜の他方の面に接合される空気側の電極層とを備える膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）が知られている。
【０００３】
膜電極接合体は、１つの発電単位（単セル）として形成されており、複数の膜電極接合体が、セパレータを介して積層されることにより、膜電極接合体を積み重ねたセルスタックが組み立てられる。
【０００４】
このような膜電極接合体は、通常、量産過程において、製造した膜電極接合体の一部を抜き取り、破壊検査により、その発電性能が判定される。
【０００５】
しかし、膜電極接合体は、一般的に高価であるため、膜電極接合体を破壊することなく、その性能を検査することが求められている。
【０００６】
そこで、アノード用触媒層と、カソード用触媒層と、それら触媒層と同一の組成を有する材料でできた、組成検査に使用できる識別マークとを備える膜電極接合体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
このような識別マークを検査することにより、触媒部（アノード用触媒層あるいはカソード用触媒層）を非破壊的に検査することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１７９８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、膜電極接合体の性能は、電極層の材料の経時劣化や、電極層の形成条件などの種々の要因により、影響を受けるため、特許文献１に記載の識別マークを検査しても、電極層に対する識別マークの形成条件のばらつきに起因して、膜電極接合体の性能不良が看過される場合がある。その結果、膜電極接合体を積み重ねて製造されるセルスタックの不良率の低減を効果的に図れないという不具合がある。
【００１０】
そこで、本発明は、精度に優れた性能検査を実施できる膜電極接合体の製造方法、および、不良率が低く、生産効率に優れたセルスタックの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の膜電極接合体の製造方法は、電極インクから形成される電極層と、前記電極層が接合され、前記電極層の周囲に余白部を有する電解質膜と、前記余白部に接合される第１検査用電極および第２検査用電極とを備える膜電極接合体の製造方法であって、前記電極インクを調製する電極インク調製工程と、前記電極インクを順次塗工することにより、前記電解質膜の少なくとも一方の面に、前記第１検査用電極、前記電極層、前記第２検査用電極を形成する電極形成工程とを備えることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明のセルスタックの製造方法は、上記した膜電極接合体の製造方法により得られた膜電極接合体の良否を検査する検査工程と、前記検査工程により、良品とされた前記膜電極接合体を積層する積層工程とを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の膜電極接合体の製造方法では、電極インクを順次塗工することにより、電解質膜の少なくとも一方の面に、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成する。そのため、第１検査用電極は、電極層の塗工開始時の状態に相当し、第２検査用電極は、電極層の塗工終了時の状態に相当する。その結果、第１検査用電極および第２検査用電極の両方の性能を検査することで、電極層全体の性能を精度良く判定することができ、膜電極接合体の検査精度の向上を図ることができる。
【００１４】
したがって、本発明の膜電極接合体の製造方法によれば、精度に優れた性能検査を実施できる膜電極接合体を製造することができる。
【００１５】
また、本発明のセルスタックの製造方法では、上記した膜電極接合体の製造方法により得られた膜電極接合体の良否を検査し、良品とされた膜電極接合体を積層する。そのため、精度に優れた性能検査を実施することができる。その結果、セルスタックの不良率を低減することができ、セルスタックの生産効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のセルスタックの製造方法の一実施形態の工程を説明するためのフロー図である。
【図２】本発明の膜電極接合体の製造方法の電極形成工程の一実施形態を説明するための概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のセルスタックの製造方法について説明する。
【００１８】
本発明のセルスタックを製造するには、まず、膜電極接合体を作製する。
【００１９】
膜電極接合体を作製するには、まず、電極層を形成するための電極インクを調製する（電極インク調製工程、図１参照）。
【００２０】
電極インクには、燃料側電極層を形成するための燃料側電極インクと、空気側電極層を形成するための空気側電極インクとが含まれる。
【００２１】
燃料側電極インクを調製するには、まず、触媒と触媒担体とを混合し、混合物を得る。
【００２２】
触媒としては、例えば、白金族元素（ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ））、鉄族元素（鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ））などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの周期表第１１（ＩＢ）族元素などが挙げられる。
【００２３】
これら触媒は、単独で使用してもよく、あるいは、併用することもできる。
【００２４】
触媒担体としては、例えば、カチオン交換基を有するカチオン交換樹脂、アニオン交換基を有するアニオン交換樹脂などの樹脂、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。
【００２５】
これら触媒担体は、単独で使用してもよく、あるいは、併用することもできる。
【００２６】
触媒の混合割合は、触媒担体１００質量部に対して、例えば、１〜６０質量部、好ましくは、１０〜３０質量部である。
【００２７】
また、触媒と触媒担体の混合方法としては、例えば、乾式混合、湿式混合が挙げられ、好ましくは、触媒および触媒担体を直接混合する乾式混合が挙げられる。
【００２８】
次いで、得られた混合物に、溶媒を加え、攪拌することによって、燃料側電極インクを調製する。
【００２９】
溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどの低級アルコール、水、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などが挙げられる。
【００３０】
これら溶媒は、単独で使用してもよく、あるいは、併用することもできる。
【００３１】
このときの攪拌条件としては、攪拌温度が、例えば、５〜５０℃、好ましくは、１０〜３０℃であり、攪拌時間が、例えば、１〜１２０分、好ましくは、１〜６０分である。
【００３２】
以上のように、触媒と触媒担体とを混合し、得られた混合物に溶媒を加えて攪拌することによって、燃料側電極インクが得られる。
【００３３】
得られた燃料側電極インクにおける触媒の濃度は、例えば、０．０１〜０．５ｇ／ｍＬ、好ましくは、０．０１〜０．１ｇ／ｍＬである。
【００３４】
また、空気側電極インクを調製するには、燃料側電極インクを調製する場合と同様に、まず、触媒と触媒担体とを混合し、混合物を得る。
【００３５】
触媒としては、例えば、上記した触媒や、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などの遷移金属などが挙げられる。
【００３６】
これら触媒は、単独で使用してもよく、あるいは、併用することもできる。
【００３７】
触媒担体としては、例えば、上記した触媒担体や、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどの導電性高分子、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリンなどの錯体形成有機化合物またはこれらの重合体などが挙げられる。
【００３８】
また、触媒と触媒担体の混合方法としては、例えば、乾式混合、湿式混合が挙げられ、好ましくは、湿式混合が挙げられる。
【００３９】
なお、触媒担体として導電性高分子および／または錯体形成有機化合物の重合体を用いる場合には、それらに相当するモノマーを、他の成分とともに、混合した後、重合させることもできる。
【００４０】
また、触媒と触媒担体との混合物には、さらに、必要に応じて、還元剤溶液を適宜の割合で添加することもできる。
【００４１】
還元剤溶液に含有される還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素リチウム、ヒドラジンなどが挙げられる。
【００４２】
次いで、得られた混合物に、溶媒を加え、攪拌することによって、空気側電極インクを調製する。
【００４３】
溶媒としては、例えば、上記した溶媒などが挙げられる。
【００４４】
これら溶媒は、単独で使用してもよく、あるいは、併用することもできる。
【００４５】
このときの攪拌条件としては、攪拌温度が、例えば、５〜５０℃、好ましくは、１０〜３０℃であり、攪拌時間が、例えば、１〜１２０分、好ましくは、１〜６０分である。
【００４６】
以上のように、触媒と触媒担体とを混合し、得られた混合物に溶媒を加えて攪拌することによって、空気側電極インクが得られる。
【００４７】
次いで、得られた電極インク（燃料側電極インクあるいは空気側電極インク）を順次塗工することにより、電解質膜の一方の面に、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成する（電極形成工程、図１参照）。
【００４８】
電解質膜の一方の面に、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成するには、まず、電解質膜あるいは転写シートを用意する。
【００４９】
電解質膜としては、公知の固体高分子膜が挙げられ、例えば、カチオン交換膜、アニオン交換膜などが挙げられる。
【００５０】
カチオン交換膜としては、カチオン（とりわけ、水素イオン（Ｈ＋））が移動できる膜であれば、特に制限されず、例えば、パーフルオロスルホン酸膜など挙げられる。
【００５１】
アニオン交換膜としては、アニオン（とりわけ、水酸化物イオン（ＯＨ−））が移動できる膜であれば、特に制限されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜が挙げられる。
【００５２】
また、電解質膜の厚みは、例えば、１０〜１００μｍ、好ましくは、２０〜８０μｍである。
【００５３】
転写シートとしては、一般的に転写シートとして使用される公知のシートが挙げられる。
【００５４】
次いで、電解質膜あるいは転写シートの少なくとも一方面に、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成するように、電極インクを順次塗工する。
【００５５】
電極インクの塗工方法としては、公知の塗工方法が挙げられ、例えば、スプレー法、印刷法などが挙げられる。
【００５６】
次に、電極インクの塗工について、図２を参照して説明する。
【００５７】
図２は、電極形成工程の一実施形態を説明するための概略説明図である。
【００５８】
通常、電極形成工程では、複数の第１検査用電極、電極層および第２検査用電極を形成するように、電極インクの塗工が一度になされるが、図２では、便宜上、各１つずつの第１検査用電極、電極層および第２検査用電極を例示している。なお、図２では、塗工方向を矢印として示す。
【００５９】
塗工する順序としては、まず、第１検査用電極を形成するように、続いて、電極層を形成するように、続いて、第２検査用電極を形成するように、電極インクを順次塗工する。
【００６０】
このような塗工は、同一工程により一度に塗工する。
【００６１】
具体的には、スプレー法により塗工する場合、電解質膜あるいは転写シートの少なくとも一方面に、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成する部分が、露出するようにマスキングシートを貼着する。
【００６２】
マスキングシートとしては、電極インクを透過させないシートであれば、特に制限されず、例えば、一般的にマスキングシートとして使用される公知のシートが挙げられる。
【００６３】
次いで、図２の矢印で示す方向に沿って、電極インクを、電解質膜あるいは転写シートに噴射した後、マスキングテープを剥離する。
【００６４】
また、印刷法により塗工する場合、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成する部分に相当する位置に、開口部を有するスクリーンを用意する。
【００６５】
スクリーンとしては、電極インクを透過しないスクリーンであれば、特に制限されず、例えば、ナイロン、ポリエステルなどの繊維からなるスクリーンが挙げられる。
【００６６】
次いで、用意したスクリーンを用いて、図２の矢印で示す方向に沿って、電極インクを、電解質膜あるいは転写シートに印刷する。
【００６７】
第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成する部分は、それぞれ、例えば、１〜５ｃｍ、好ましくは、１．５〜２．５ｃｍ離間して形成される。
【００６８】
また、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成する部分は、それぞれ電極インクが塗工される塗工方向に沿って形成される。
【００６９】
次いで、電解質膜上に電極インクが塗工されている場合、その後、乾燥させる。
【００７０】
一方、転写シート上に電極インクが塗工されている場合、塗工された電極インクを転写シートから、上記した電解質膜上に転写した後、乾燥させる。
【００７１】
乾燥させる時間および温度は、電極インクの組成により、適宜決定される。
【００７２】
以上により、第１検査用電極と、電極層と、第２検査用電極とが、電解質膜の一方の面に形成される。また、同様にして、電解質膜の他方の面に、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成することもできる。電解質膜の両面に、第１検査用電極、電極層、第２検査用電極を形成する場合、一方の面には、燃料側電極インクを塗工し、他方の面には、空気側電極インクを塗工する。
【００７３】
得られた膜電極接合体の電解質膜は、電極層の周囲に余白部を有し、第１検査用電極および第２検査用電極は、余白部に接合されている。
【００７４】
形成された第１検査用電極、電極層および第２検査用電極の厚さは、例えば、１０〜１００μｍ、好ましくは、２０〜５０μｍである。
【００７５】
また、図２では、第１検査用電極および第２検査用電極の形状が、矩形状に、電極層の形状が六角形状に形成されているが、それらの形状としては、特に制限されず、例えば、円形状、矩形状、多角形状などが挙げられる。
【００７６】
また、電極層と、第１検査用電極あるいは第２検査用電極との大きさ（面積）の割合は、例えば、１：０．００１〜１：０．１、好ましくは、１：０．００２５〜１：０．００５である。
【００７７】
次いで、得られた膜電極接合体の良否を検査する（検査工程、図１参照）。
【００７８】
膜電極接合体の良否を検査する検査方法としては、公知の方法でよく、例えば、電極の組成を検査する組成検査、電極を用いた小型セルを作製して発電性能を検査する発電検査などが挙げられる。
【００７９】
検査においては、電極層を直接検査するのではなく、第１検査用電極および第２検査用電極を、図２に示す一点鎖線で切り抜き、それらを検査する。
【００８０】
このように、第１検査用電極および第２検査用電極の両方の性能を検査することにより、膜電極接合体の良否が判定される。
【００８１】
次いで、検査工程により、良品とされた膜電極接合体を積層する（積層工程）。
【００８２】
積層する膜電極接合体の枚数は、燃料電池に求められる性能により、適宜決定される。
【００８３】
以上のように、膜電極接合体の良否を検査し、良品とされた膜電極接合体を積層することにより、セルスタックが製造される。
【００８４】
このようなセルスタックに用いられる膜電極接合体は、電極層の塗工開始時の状態に相当する第１検査用電極と、電極層の塗工終了時の状態に相当する第２検査用電極とを備えている。そのため、第１検査用電極および第２検査用電極の両方の性能を検査することで、電極層全体の性能を精度良く判定することができる。
【００８５】
そのため、このような膜電極接合体の良否を検査し、良品とされた膜電極接合体を積層して製造されるセルスタックは、不良率が低い。その結果、本発明のセルスタックの製造方法は、生産効率の向上を図ることができる。
【図１】
0005492042.tif 000002
【図２】
0005492042.tif 000003