(57)【要約】【課題】  高分子電解質膜に皺を発生させずに電極触媒層を塗布・形成する。【解決手段】  固体高分子電解質膜にカソード電極触媒層およびアノード電極触媒層をそれぞれ形成した燃料電池用電極構造体の製造方法であって、固体高分子電解質膜を粘着シート上に設置する第１固定工程と、固定された固体高分子電解質膜上にカソード電極触媒層ペーストまたはアノード電極触媒層ペーストの一方を塗布する第１塗布工程と、粘着シートを固体高分子電解質膜から除去する第１除去工程とを有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜にカソード電極触媒層およびアノード電極触媒層をそれぞれ形成した燃料電池用電極構造体の製造方法であって、
上記固体高分子電解質膜を粘着シート上に設置する第１固定工程と、
固定された上記固体高分子電解質膜上にカソード電極触媒層ペーストまたはアノード電極触媒層ペーストの一方を塗布する第１塗布工程と、
上記粘着シートを上記固体高分子電解質膜から除去する第１除去工程とを有することを特徴とする燃料電池用電極構造体の製造方法。
【請求項２】
前記第１塗布工程と前記第１除去工程との間に、前記固体高分子電解質膜上に前記電極触媒層が設けられてなる複合体の第１乾燥工程を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極構造体の製造方法。
【請求項３】
前記第１除去工程の後に、前記複合体を裏返して前記粘着シート上に上記複合体の電極触媒層側を設置する第２固定工程と、
固定された上記複合体の固体高分子電解質膜側にアノード電極触媒層ペーストまたはカソード電極触媒層ペーストの他方を塗布する第２塗布工程と、
上記粘着シートを上記複合体から除去する第２除去工程とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用電極構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第２塗布工程と前記第２除去工程との間に、前記複合体の第２乾燥工程を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極構造体の製造方法に係り、特に、電解質膜に触媒を形成する際に発生する皺を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、石油資源の枯渇が重大な問題となっており、さらに、化石燃料の消費による大気汚染や地球温暖化等の環境問題が深刻化している。このような状況にあって、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目されて広範に開発されるとともに、一部では実用化され始めている。
【０００３】
燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。固体高分子型燃料電池に用いる電極構造体として、イオン導伝可能な高分子電解質膜を一対の電極触媒層の間に挟持し、各電極触媒層の上に、拡散層を積層したものが知られている。電極触媒層は、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持され、イオン導伝性高分子バインダーにより一体化されることにより形成されている。この電極構造体は、さらに各電極触媒層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成する。
【０００４】
このような固体高分子型燃料電池では、一方の電極触媒層を燃料極として、拡散層を介して水素、メタノール等の還元性ガスを導入するとともに、他方の電極触媒層を酸素極として、拡散層を介して空気、酸素等の酸化性ガスを導入する。燃料極側では、電極触媒層に含まれる触媒の作用により、還元性ガスからプロトン（Ｈ＋）及び電子が生成し、プロトンは高分子電解質膜を介して、酸素極側の電極触媒層に移動する。そして、プロトンは、酸素極側の電極触媒層で、電極触媒層に含まれる触媒の作用により、酸素極に導入される酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。したがって、燃料極と酸素極とを導線により接続することにより、燃料極で生成した電子を酸素極に送る回路が形成され、電流を取り出すことができる。
【０００５】
このような電極構造体を作製するには、従来、別途支持体上に電極触媒層を形成し、これと高分子電解質膜を貼り合わせて熱圧着する方法が一般的であった。しかしながら、この方法では、電極触媒層を固化・形成した後に電解質膜上に貼り合わせるので、互いに密着させることが難しく、接触抵抗が高いという問題を有していた。
【０００６】
このような問題に対し、電解質膜上にスクリーン印刷、バーコータ、ドクターブレード等によって電極触媒ペーストを直接印刷し、乾燥させて電極構造体を製造する技術（例えば、特許文献１参照）や、多孔板上に真空引きによって固体高分子電解質膜を吸着保持しながら電極触媒層スラリーを塗布する技術（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２６８８２９号公報
【特許文献２】特開２００３−１００３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、印刷された電極触媒ペーストに含まれる溶媒成分によって高分子電解質膜が膨潤し、また、印刷後の乾燥によって電極触媒層および高分子電解質膜が収縮することによって、高分子電解質膜に皺が発生するという問題があった。さらに、高分子電解質膜上に所望の形状・寸法を確保した電極触媒層を塗布によって形成するのが困難であるという問題を有していた。また、特許文献２に記載の方法では、真空引きを行っている多孔板から固体高分子電解質膜を乾燥工程に移し替える際の取扱いが困難であり、固体高分子電解質膜を破損する虞があった。
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、高分子電解質膜に皺を発生させることなく高分子電解質膜上に電極触媒層を塗布によって形成することができ、しかも所望の形状の電極触媒層を形成することができる燃料電池用電極構造体の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固体高分子電解質膜にカソード電極触媒層およびアノード電極触媒層をそれぞれ形成した燃料電池用電極構造体の製造方法であって、固体高分子電解質膜を粘着シート上に設置する第１固定工程と、固定された固体高分子電解質膜上にカソード電極触媒層ペーストまたはアノード電極触媒層ペーストの一方を塗布する第１塗布工程と、粘着シートを固体高分子電解質膜から除去する第１除去工程とを有することを特徴としている。
【００１１】
本発明の燃料電池用電極構造体の製造方法によれば、カソード（またはアノード）電極触媒層ペースト塗布時において、固体高分子電解質膜が粘着シートの固着によって、ペースト塗布面の裏側から固定されているので、ペーストに含まれる溶媒による固体高分子電解質膜の膨潤に起因する高分子電解質膜の皺の発生を抑制することができる。
【００１２】
本発明は、第１塗布工程と第１除去工程との間に、固体高分子電解質膜上に電極触媒層が設けられてなる複合体の第１乾燥工程を有することを好ましい形態としている。
【００１３】
電極触媒層ペースト塗布後の複合体の乾燥工程は任意の段階に行うことができるが、特に、このような形態によれば、第１塗布工程と第１除去工程との間においては、固体高分子電解質膜が粘着シートの固着によって固定されているので、乾燥時における固体高分子電解質膜の収縮を抑制するだけでなく、乾燥時に工程の上流から下流にかけて前後に移動させて扱う際の破損を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明は、第１除去工程の後に、複合体を裏返して粘着シート上に複合体の電極触媒層側を設置する第２固定工程と、固定された複合体の固体高分子電解質膜側にアノード電極触媒層ペーストまたはカソード電極触媒層ペーストの他方を塗布する第２塗布工程と、粘着シートを複合体から除去する第２除去工程とを有することを好ましい形態としている。
【００１５】
このような形態によれば、電極触媒層ペースト塗布時において、すでに形成された電極触媒層が粘着シートの固着によって固定され、この電極触媒層がさらに固体高分子電解質膜を固定しているので、ペーストに含まれる溶媒による固体高分子電解質膜の膨潤に起因する固体高分子電解質膜の皺の発生を抑制することができる。
【００１６】
本発明は、第２塗布工程と第２除去工程との間に、複合体の第２乾燥工程を有することを好ましい形態としている。
【００１７】
このような形態によれば、第１塗布工程と第１除去工程との間における乾燥工程と同様に、第２塗布工程と第２除去工程との間においても、すでに塗布された電極触媒層が粘着シートの固着によって固定されているので、固体高分子電解質膜の収縮を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態を示す模式図である。図１において符号１は、一連の工程を行うための例えばアルミニウム製やＳＵＳ製の保持基材である。保持基材１上には、粘着性を有する粘着シート２が固定されている。
【００１９】
まず、固体高分子電解質膜３を粘着シート２上に貼り付ける（第１固定工程）。続いて、バーコータやドクターブレード等の任意の塗布手段５によって、カソード電極触媒層ペースト４を固体高分子電解質膜３上に塗布し（第１塗布工程）、粘着シート２によって固着させたままの状態で固体高分子電解質膜３およびカソード電極触媒層４を乾燥させる。乾燥後、これらを粘着シート２から剥離し（第１除去工程）、裏返し、カソード電極触媒層４側を粘着シート２に貼り付ける（第２固定工程）。塗布手段５によってアノード電極触媒層ペースト６を固体高分子電解質膜３上に塗布し（第２塗布工程）、粘着シート２によって固着させたままの状態で固体高分子電解質膜３およびアノード電極触媒層６を乾燥させる。乾燥後、粘着シート２から剥離し（第２除去工程）、固体高分子電解質膜３の両面にカソード電極触媒層４およびアノード電極触媒層６が形成された膜−電極複合体を得る。
【００２０】
高分子電解質膜にカソード電極触媒層ペーストおよびアノード電極触媒層ペーストを塗布する手段としては、スクリーン印刷や、バーコーター、ドクターブレードによる印刷等、特に限定されない。
【００２１】
特に、ドクターブレード、バーコータを使用する場合、所望の形状に切り抜かれたラミネーティングフィルムを併用することで、電極触媒層を自由に成形した膜−電極複合体を得ることができる。具体的には、粘着シート上に固体高分子電解質膜を固着させた後、所望の形状に切り抜かれたラミネーティングフィルムを固体高分子電解質膜上に貼り付ける。このラミネーティングフィルムの切り抜かれた範囲内にカソード電極触媒層ペーストを塗布・乾燥し、固体高分子電解質膜を粘着シートから剥離して裏返し、カソード電極触媒層側を粘着シート上に固着させる。続いて所望の形状に切り抜かれた他のラミネーティングフィルムを個体高分子電解質膜上に貼り付け、同様にアノード電極触媒層ペーストを塗布・乾燥する。最後に両面のラミネーティングフィルムを除去することによって、電極触媒層を自由に成形した膜−電極複合体を得ることができる。なお、カソード電極触媒層のラミネーティングフィルムは、カソード電極触媒層の乾燥直後に除去してもよく、また、この実施形態においても、カソード・アノードの塗布順は逆にすることができる。
【００２２】
本発明で使用する粘着シートは、適切な範囲の粘着力を有することが要求される。この粘着力の測定方法は、ＪＩＳ  Ｚ０２３７に記載されており、図２に示すように被着体７に粘着シートの試片２（および保持基材１）を張り合わせ、その一端を剥離し、貼り合わせ方向に対して９０度の方向に引き剥がして、引き剥がしに要した力を測定するものである。具体的には、被着体７をステンレス板として測定を行い、粘着力が８４〜１０３ｇｆ／３０ｍｍであると好ましい。粘着力が８４ｇｆ／３０ｍｍ未満であると、固着効果が十分ではなく、電極触媒層ペーストの塗布および乾燥の際の膨潤・収縮を抑えることができず、部分的に剥離して皺が発生してしまう。また、粘着力が１０３ｇｆ／３０ｍｍを越えると、固着効果が強すぎて、保持されている固体高分子電解質膜または電極触媒層を剥離する際に、これらを破損してしまうおそれがある。
【００２３】
本発明においては、第１固定工程、第１塗布工程、第１乾燥工程および第１除去工程の後に複合体を裏返して第２固定工程、第２塗布工程、第２乾燥工程および第２除去工程を行うことによって膜−電極複合体を形成することを好ましい形態としているが、膜−電極複合体の作製方法としてはこの形態のみに限定されず、第１固定工程〜第１乾燥工程によって片方の電極触媒層を形成した後、他の公知の方法、例えば真空引きや静電吸着等により複合体を固定して第２塗布工程を行い、他方の電極触媒層を形成することもできる。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例および比較例を用いて本発明を具体的に説明する。
図２に示す試験方法において、被着体７としてステンレス板を用い、粘着シート２および保持基材１を貼り合わせたものを被着体７に貼り付けた。粘着シート２の一端にテンションゲージを取り付け、図２に示すように、テンションゲージを取り付けた一端から剥離して、貼り合わされた方向に対して９０度の方向に引き剥がし、剥離に要する張力を測定した。この測定を６回行い、平均値を取った。実施例および比較例の測定結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図１に示すように、実施例および比較例の各粘着シートをアルミニウム製の保持基材１上に製膜した。その上に固体高分子電解質膜３を設置し、カソード電極触媒層ペースト４を塗布・乾燥し、固体高分子電解質膜３を粘着シート２から剥離して裏返しにしてカソード電極触媒層側を粘着シート２に設置した。続いてアノード電極触媒層ペースト５を塗布・乾燥し、粘着シート２から剥離し、膜−電極複合体を得た。
【００２７】
実施例１〜３の粘着シートを使用した膜−電極複合体では、粘着シートが適正な範囲の粘着力を有していたため、固体高分子電解質膜および各電極触媒層に皺や破損は観察されなかった。一方、比較例１の粘着シートを使用した膜−電極複合体では、粘着力が不足していたため、乾燥工程において固体高分子電解質膜および電極触媒層の固着力が不足して、皺が発生していた。
【００２８】
以上、実施例によって本発明の効果を説明したが、本発明は、上記実施例の範囲のみに限定されず、上述したように、第１固定工程〜第１乾燥工程によって片方の電極触媒層を形成した後に他の公知の方法によって他方の電極触媒層を形成する形態をも含む。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
電極触媒層と高分子電解質膜の接触抵抗が改善され、膜−電極複合体の皺・変形が防止され、しかも任意の形状の電極触媒層を有する固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の膜−電極構造体の製造方法を示す模式図である。
【図２】本発明における粘着シートの粘着力測定方法の模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      保持基材
２      粘着シート
３      固体高分子電解質膜
４      電極触媒層（ペースト）
５      塗布手段
６      電極触媒層（ペースト）
７      被着体
【図１】
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【図２】
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