(57)【要約】【課題】ガス拡散層と触媒層、高分子電解質膜と触媒層の界面密着性を改善できる膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】第１ガス拡散層１１と第１基材１４との間に、触媒と分散媒を含む第１触媒インクからなる第１触媒インク層１２を、第１ガス拡散層１１との間と第１基材１４との間に隙間が生じないように形成する触媒インク層形成工程と、触媒インク層形成工程によって第１触媒インク層１２を形成したものを乾燥炉２２に入れて、第１触媒インク層１２に含まれる分散媒を除去することによって第１ガス拡散層１１と第１基材１４との間に第１触媒層１３を形成する乾燥工程と、乾燥工程で第１触媒インク層１２を乾燥させることによって得られた第１触媒層１３から第１基材１４を、剥離部材２０を用いて剥離する剥離工程と、第１触媒層１３における剥離工程で第１基材１４が剥離された方の面に高分子電解質膜１５を接着する接着工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
板状の第１ガス拡散層と板状の第１基材との間に、触媒と分散媒を含む第１触媒インクからなる第１触媒インク層を、前記第１ガス拡散層との間と前記第１基材との間に隙間が生じないように形成する触媒インク層形成工程と、
前記第１触媒インク層を乾燥させることによって第１触媒層を形成する乾燥工程と、
前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する剥離工程と、
前記第１触媒層における前記剥離工程で前記第１基材が剥離された方の面に高分子電解質膜を接着する接着工程と、
を備える、膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記触媒インク層形成工程の前に、前記第１ガス拡散層と前記第１基材のうちのどちらか一方の片面に前記第１触媒インクを塗布する塗布工程をさらに備え、
前記触媒インク層形成工程は、前記塗布工程で塗布された前記第１触媒インクに前記第１ガス拡散層と前記第１基材のうちのどちらか他方を重ねて、前記第１触媒インクを前記第１ガス拡散層と前記第１基材とで挟むことにより前記第１触媒インク層を形成する工程である、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記触媒インク層形成工程の前に、前記第１ガス拡散層の片面に前記第１触媒インクを塗布する塗布工程をさらに備え、
前記触媒インク層形成工程は、前記塗布工程で前記第１ガス拡散層に塗布された前記第１触媒インクに前記第１基材を重ねて、前記第１触媒インクを前記第１ガス拡散層と前記第１基材とで挟むことにより前記第１触媒インク層を形成する工程である、請求項１に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記塗布工程は、前記第１触媒インクを、ダイコーターを用いて塗布する工程である、請求項２または３に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項５】
前記第１触媒層は、前記第１基材側の面の表面エネルギーが、前記第１基材の第１触媒層側の面の表面エネルギーより低くなるよう構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
前記剥離工程は、前記第１基材を加熱して前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する工程である、請求項１から５のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項７】
前記接着工程の前に、前記高分子電解質膜における前記第１触媒層と接着する方の面とは反対側の面に、第２触媒層を形成する工程をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項８】
前記接着工程は、前記高分子電解質膜における前記第１触媒層と接着する方の面とは反対側の面に、第２触媒層が形成された第２ガス拡散層を接着する工程を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項９】
燃料電池用の膜電極接合体の製造装置であって、
板状の第１ガス拡散層と板状の第１基材との間に、前記第１ガス拡散層との間と前記第１基材との間に隙間が生じないように形成された、触媒と分散媒を含む第１触媒インクからなる第１触媒インク層を乾燥させて第１触媒層を形成する乾燥炉と、
前記第１触媒層における前記第１基材が剥離された方の面に高分子電解質膜を接着する接着機構と、
を備える、膜電極接合体の製造装置。
【請求項１０】
前記第１ガス拡散層の片面に前記第１触媒インクを塗布する塗布部と、
前記第１ガス拡散層に塗布された前記第１触媒インクに接触するように前記第１基材を配置する基材配置部と、
前記乾燥炉で形成された前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する基材剥離部と、
をさらに備える、請求項９に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項１１】
前記第１基材の片面に第１触媒インクを塗布する塗布部と、
前記第１基材に塗布された前記第１触媒インクに接触するように前記第１ガス拡散層を配置するガス拡散層配置部と、
前記乾燥炉で形成された前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する基材剥離部と、
をさらに備える、請求項９に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項１２】
前記塗布部は、ダイコーターを用いて前記第１触媒インクを塗布するよう構成されている、請求項１０または１１に記載の膜電極接合体の製造装置。
【請求項１３】
前記剥離部は、前記第１基材を加熱する加熱装置を備える、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の膜電極接合体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の膜電極接合体の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素等を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力エネルギーを発生させるものであり、使用する電解質の種類によって主に、燐酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、および固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の４方式の燃料電池の研究開発が進められている。
【０００３】
その中で、固体高分子形燃料電池は、一般的に複数のセルを積層し、それらをボルトやバンドなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡという）を１対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。
【０００４】
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に配置された１対の電極層によって構成されている。１対の電極層の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。
【０００５】
１対の電極層はそれぞれ、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、当該触媒層の上に配置される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。
【０００６】
そして、アノード電極に燃料ガスが接触するとともに、カソード電極に酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱とが発生する。
【０００７】
燃料電池の性能を向上させるには、触媒層と電解質膜の界面と、触媒層とガス拡散層の界面が、それぞれ密着された状態で形成されることが非常に重要である。
【０００８】
一般にＭＥＡを作製する方法としては、まず、樹脂製フイルム等からなる仮基材の片面に触媒ペーストを塗布し乾燥させて触媒層を形成し、次に、この触媒層が形成された仮基材を、その触媒層を電解質膜側に向けて、電解質膜と共に、一対の転写ロール間に通し、仮基材に形成した触媒層を電解質膜に転写することにより連続生産する方法がある。
【０００９】
密着性を高めるための従来の方法としては、触媒層が電解質膜に転写される前に、触媒層の電解質膜に密着する側の面に平滑化工程を設け、平滑化処理を、仮基材と仮基材に塗工された触媒層を、一対のロール間に通すことによって行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
この方法によれば、仮基材と仮基材に塗工された触媒層を、一対のロール間に通すことによって行うので、ロールを用いることにより平滑性を確保することが出来、しかも連続的に行うことが出来る。
【００１１】
また、他の方法としては、基材上に触媒インクを塗布し、塗布した触媒インクを半乾燥させて、半乾燥させた触媒インクと電解質膜とを重ね合わせて加圧接合する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
この方法によれば、触媒インクを半乾燥状態にすることで、加熱を伴わない加圧接合が
可能になり、触媒インクと電解質膜との密着性を確保することが出来、加熱に起因する電解質膜の劣化を防止することが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第４８６２３３０号公報
【特許文献２】特開２００９−４３６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に開示された従来の方法では、平滑処理をロールプレスで行うことにより触媒層が潰され、触媒層内の空隙が小さくなりガス拡散性の低下から電極反応が十分に起こらなくなる可能性や、平滑処理工程を新たに設けることによる工程数増加による生産性の低下といった課題がある。
【００１５】
さらに、平滑性が低いガス拡散層と電解質膜に接合された触媒層を接合する場合には、触媒層と接する面のガス拡散層の表面の平滑処理を行う工程を新たに設ける必要があり、工程数が増加するといった課題が生じてしまう。
【００１６】
また、特許文献２に開示された従来の方法では、触媒インクが半乾き状態で電解質膜と接合するため、電解質膜がインクの溶媒を吸収することで膨潤し、皺を発生させてしまうといった課題が生じてしまう。さらに電解質膜に形成された触媒層とガス拡散層との密着は、ガス拡散層の平滑性が低いために低くなるといった課題もある。
【００１７】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み、ガス拡散層と触媒層の界面と、触媒層と高分子電解質膜の界面の密着性が高く、比較的少ない工程で膜電極接合体を得ることができる膜電極接合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】
【００１８】
上記目的を達成するために本発明は、板状の第１ガス拡散層と板状の第１基材との間に、触媒と分散媒を含む第１触媒インクからなる第１触媒インク層を、前記第１ガス拡散層との間と前記第１基材との間に隙間が生じないように形成する触媒インク層形成工程と、前記第１触媒インク層を乾燥させることによって第１触媒層を形成する乾燥工程と、前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する剥離工程と、前記第１触媒層における前記剥離工程で前記第１基材が剥離された方の面に高分子電解質膜を接着する接着工程と、を備えるのである。
【００１９】
これにより、平滑性が低いガス拡散層と触媒インク層が共存した状態と、平滑性が高い基材と触媒インク層がそれぞれ接触した状態で乾燥することにより、ガス拡散層と密着した触媒層と、基材と密着した触媒層が表裏で形成される。その後、基材を剥離した触媒層表面は平滑性が確保されるため、平滑性がある電解質膜との密着の高い接合を可能にする。
【００２０】
また、触媒インクと高分子電解質膜が直接接触することがないため、触媒インクに含まれる溶媒を吸収することによる電解質膜の膨潤を抑えることが出来、電解質膜の皺発生は起こらなくなる。
【００２１】
そして、平滑処理工程を行わなくても電解質膜と触媒層や、ガス拡散層と触媒層との界面の密着性を確保することができ、燃料電池に適用すると発電機能を十分に引き起こすことが出来る。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、比較的少ない工程で、ガス拡散層と触媒層の界面と、触媒層と高分子電解質膜の界面の密着性が高い膜電極接合体を得ることができ、また、電解質膜の膨潤、電解質膜の皺発生を抑えることができる。そして本発明で得られた膜電極接合体を燃料電池に適用すると発電機能を十分に引き起こすことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施の形態による膜電極接合体の製造方法の工程を簡単に示した工程図
【図２】本発明の一実施の形態による膜電極接合体の製造方法の工程を具体的に示した工程図
【図３】本発明の一実施の形態による膜電極接合体の製造装置を示した概略図
【図４】本発明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（ＭＥＡ）の実施例の要部拡大断面図
【図５】比較例１の膜電極接合体（ＭＥＡ）の要部拡大断面図
【図６】比較例２の膜電極接合体（ＭＥＡ）の要部拡大断面図
【図７】比較例３の膜電極接合体（ＭＥＡ）の要部拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の発明は、燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、板状の第１ガス拡散層と板状の第１基材との間に、触媒と分散媒を含む第１触媒インクからなる第１触媒インク層を、前記第１ガス拡散層との間と前記第１基材との間に隙間が生じないように形成する触媒インク層形成工程と、前記第１触媒インク層を乾燥させることによって第１触媒層を形成する乾燥工程と、前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する剥離工程と、前記第１触媒層における前記剥離工程で前記第１基材が剥離された方の面に高分子電解質膜を接着する接着工程と、を備えている。
【００２５】
上記方法において、第１ガス拡散層との間と第１基材との間に隙間が生じないように板状の第１ガス拡散層と板状の第１基材との間に形成した第１触媒インク層を乾燥させることによって第１触媒層を形成するので、第１ガス拡散層と第１基材の両方に隙間無く密着した第１触媒層を得ることが出来る。
【００２６】
そして、第１基材における第１触媒インク層と接触する面の平滑性が高い場合には（第１触媒インク層と接触する面の平滑性が高い第１基材を用いることによって）、第１触媒層における剥離工程で第１基材が剥離された方の面は、平滑性が高い面になるので、表面が平滑な高分子電解質膜との密着性の高い接合を可能にする。
【００２７】
また、触媒インクと高分子電解質膜が直接接触することがないため、触媒インクに含まれる溶媒を吸収することによる高分子電解質膜の膨潤を抑えることが出来、高分子電解質膜の皺発生は起こらなくなる。
【００２８】
したがって、第１触媒インク層（第１触媒層）の表面を平滑にする平滑処理工程を省いて、比較的少ない工程で、ガス拡散層と触媒層の界面と、触媒層と高分子電解質膜の界面の密着性が高い膜電極接合体を得ることができ、また、電解質膜の膨潤、電解質膜の皺発生を抑えることができる。そしてこの製造方法で得られた膜電極接合体を燃料電池に適用すると発電機能を十分に引き起こすことが出来る。
【００２９】
第２の発明は、第１の発明における前記触媒インク層形成工程の前に、前記第１ガス拡散層と前記第１基材のうちのどちらか一方の片面に前記第１触媒インクを塗布する塗布工
程をさらに備え、前記触媒インク層形成工程が、前記塗布工程で塗布された前記第１触媒インクに前記第１ガス拡散層と前記第１基材のうちのどちらか他方を重ねて、前記第１触媒インクを前記第１ガス拡散層と前記第１基材とで挟むことにより前記第１触媒インク層を形成する工程であるので、ロールＴｏロールでの生産を可能にすることが出来る。
【００３０】
第３の発明は、第１の発明における前記触媒インク層形成工程の前に、前記第１ガス拡散層の片面に前記第１触媒インクを塗布する塗布工程をさらに備え、前記触媒インク層形成工程は、前記塗布工程で前記第１ガス拡散層に塗布された前記第１触媒インクに前記第１基材を重ねて、前記第１触媒インクを前記第１ガス拡散層と前記第１基材とで挟むことにより前記第１触媒インク層を形成する工程である。
【００３１】
上記方法により、ロールＴｏロールでの生産を可能にすることが出来る。
【００３２】
また、第１ガス拡散層に第１触媒インクを塗布することで、分散媒と触媒を含んだ第１触媒インクが第１ガス拡散層の表面に浸み込むため、第１触媒インクを第１ガス拡散層と第１基材とで挟むことにより形成される第１触媒インク層と第１ガス拡散層との界面が密接され隙間の発生を抑えることが出来る。さらに、第１触媒インクの分散媒の表面張力により第１触媒インクに重ねる第１基材１４と第１触媒インクとの密着性が確保される。その結果、第１基材における第１触媒インク層と接触する面の平滑性が高い場合には（第１触媒インク層と接触する面の平滑性が高い第１基材を用いることによって）、第１触媒層における剥離工程で第１基材が剥離された方の面は、平滑性が高い面になる可能性が高まるので、表面が平滑な高分子電解質膜との密着性の高い接合になる。
【００３３】
また、第１触媒層における剥離工程で第１基材が剥離された方の面に高分子電解質膜を接着する接着工程が、第１基材に第１触媒インクを塗布し乾燥することで形成される第１触媒層を高分子電解質膜に転写する方法よりも、第１触媒インク層と第１ガス拡散層との界面が密接され隙間の発生を抑え易く、信頼性、生産性に優れる。
【００３４】
第４の発明は、第２または第３の発明における前記塗布工程が、前記第１触媒インクを、ダイコーターを用いて塗布する工程であり、ダイコーターを用いて第１触媒インクの塗布を行うことにより、ロールＴｏロールでの生産を容易に可能にすることが出来る。
【００３５】
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明における前記第１触媒層は、前記第１基材側の面の表面エネルギーが、前記第１基材の第１触媒層側の面の表面エネルギーより低くなるよう構成されている。
【００３６】
この方法により、第１触媒層から第１基材を剥離する工程で、第１基材が第１触媒層から剥がれやすくなりロールＴｏロールの生産を実現することもできる。
【００３７】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明における前記剥離工程が、前記第１基材を加熱して前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する工程であり、第１基材を加熱することで、第１基材を第１触媒層から剥離しやすくなる。
【００３８】
第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明における前記接着工程の前に、前記高分子電解質膜における前記第１触媒層と接着する方の面とは反対側の面に、第２触媒層を形成する工程をさらに備えるものである。
【００３９】
第８の発明は、第１から第６のいずれかの発明における前記接着工程が、前記高分子電解質膜における前記第１触媒層と接着する方の面とは反対側の面に、第２触媒層が形成された第２ガス拡散層を接着する工程を含むものである。
【００４０】
第９の発明は、燃料電池用の膜電極接合体の製造装置であって、板状の第１ガス拡散層と板状の第１基材との間に、前記第１ガス拡散層との間と前記第１基材との間に隙間が生じないように形成された、触媒と分散媒を含む第１触媒インクからなる第１触媒インク層を乾燥させて第１触媒層を形成する乾燥炉と、前記第１触媒層における前記第１基材が剥離された方の面に高分子電解質膜を接着する接着機構と、を備えるものである。
【００４１】
これにより、板状の第１ガス拡散層や第１基材を連続シート状にすることで、ロールＴｏロールでの連続生産を実現することが出来る装置になる。
【００４２】
第１０の発明は、第９の発明に加えて、前記第１ガス拡散層の片面に前記第１触媒インクを塗布する塗布部と、前記第１ガス拡散層に塗布された前記第１触媒インクに接触するように前記第１基材を配置する基材配置部と、前記乾燥炉で形成された前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する基材剥離部と、をさらに備えるものである。
【００４３】
これにより、板状の第１ガス拡散層や第１基材を連続シート状にすることで、ロールＴｏロールでの連続生産を実現することが出来る装置になる。
【００４４】
第１１の発明は、第９の発明に加えて、前記第１基材の片面に第１触媒インクを塗布する塗布部と、前記第１基材に塗布された前記第１触媒インクに接触するように前記第１ガス拡散層を配置するガス拡散層配置部と、前記乾燥炉で形成された前記第１触媒層から前記第１基材を剥離する基材剥離部と、をさらに備えるものである。
【００４５】
これにより、板状の第１ガス拡散層や第１基材を連続シート状にすることで、ロールＴｏロールでの連続生産を実現することが出来る装置になる。
【００４６】
第１２の発明は、第１０または第１１の発明における前記塗布部が、ダイコーターを用いて前記第１触媒インクを塗布するよう構成されているものであり、ダイコーターを用いて第１触媒インクの塗布を行うことにより、ロールＴｏロールでの生産を容易に可能にすることが出来る。
【００４７】
第１３の発明は、第１０から第１２のいずれかの発明における前記剥離部が、前記第１基材を加熱する加熱装置を備えるものであり、第１基材を加熱することで、第１基材を第１触媒層から剥離しやすくなる。
【００４８】
以下、図面を参照しながら本発明の膜電極接合体の製造方法と膜電極接合体の製造装置の一実施の形態を説明するが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【００４９】
図１は、第１の発明に関連する燃料電池用の膜電極接合体の製造方法の一実施の形態の工程を簡単に示したものであり、板状の第１ガス拡散層１１と板状の第１基材１４との間に、触媒と分散媒を含む第１触媒インクからなる第１触媒インク層１２を、第１ガス拡散層１１との間と第１基材１４との間に隙間が生じないように形成する図１の左端に示す触媒インク層形成工程と、触媒インク層形成工程によって板状の第１ガス拡散層１１と板状の第１基材１４との間に第１触媒インク層１２を形成したものを乾燥炉２２に入れて、第１触媒インク層１２を乾燥させる（第１触媒インク層１２に含まれる分散媒を除去する）ことによって第１ガス拡散層１１と第１基材１４との間に第１触媒層１３を形成する図１の左から２番目に示す乾燥工程と、乾燥工程で第１触媒インク層１２を乾燥させることによって得られた第１触媒層１３から第１基材１４を、剥離部材２０を用いて剥離する図１の左から３番目に示す剥離工程と、第１触媒層１３における剥離工程で第１基材１４が剥離された方の面に高分子電解質膜１５を接着する図１の右端に示す接着工程と、を備えて
いる。
【００５０】
上記方法において、第１ガス拡散層１１との間と第１基材１４との間に隙間が生じないように板状の第１ガス拡散層１１と板状の第１基材１４との間に形成した第１触媒インク層１２を乾燥させる（第１触媒インク層１２に含まれる分散媒を除去する）ことによって第１触媒層１３を形成するので、第１ガス拡散層１１と第１基材１４の両方に隙間無く密着した第１触媒層１３を得ることが出来る。
【００５１】
そして、第１基材１４における第１触媒インク層１２と接触する面の平滑性が高い場合には（第１触媒インク層１２と接触する面の平滑性が高い第１基材１４を用いることによって）、第１触媒層１３における剥離工程で第１基材１４が剥離された方の面は、平滑性が高い面になるので、表面が平滑な高分子電解質膜１５との密着性の高い接合を可能にする。
【００５２】
また、第１触媒インク層１２を構成する触媒インクと高分子電解質膜１５が直接接触することがないため、触媒インクに含まれる溶媒を吸収することによる高分子電解質膜１５の膨潤を抑えることが出来、高分子電解質膜１５の皺発生は起こらなくなる。
【００５３】
したがって、第１触媒インク層１２（第１触媒層１３）の表面を平滑にする平滑処理工程を省いて、比較的少ない工程で、第１ガス拡散層１１と第１触媒層１３の界面と、第１触媒層１３と高分子電解質膜１５の界面の密着性が高い膜電極接合体を得ることができ、また、高分子電解質膜１５の膨潤、高分子電解質膜１５の皺発生を抑えることができる。そしてこの製造方法で得られた膜電極接合体を燃料電池に適用すると発電機能を十分に引き起こすことが出来る。
【００５４】
図２は、第２、第３、第６の発明に関連する燃料電池用の膜電極接合体の製造方法の一実施の形態の工程を示したものであり、触媒インク層形成工程の前に、第１ガス拡散層１１の片面（上面）に第１触媒インク１２を塗布する図２の左端に示す塗布工程を備え、図２の左から２番目に示す触媒インク層形成工程では、塗布工程で第１ガス拡散層１１に塗布された第１触媒インク１２に第１基材１４を重ねて、第１触媒インク１２を第１ガス拡散層１１と第１基材１４とで挟むことにより第１触媒インク層１２を形成する。
【００５５】
図２の左から３番目に示す乾燥工程では、触媒インク層形成工程によって板状の第１ガス拡散層１１と板状の第１基材１４との間に第１触媒インク層１２を形成したものを乾燥炉２２に入れて、第１触媒インク層１２を乾燥させる（第１触媒インク層１２に含まれる分散媒を除去する）ことによって第１ガス拡散層１１と第１基材１４との間に第１触媒層１３を形成する。
【００５６】
図２の左から４番目に示す剥離工程では、乾燥工程で第１触媒インク層１２を乾燥させることによって得られた第１触媒層１３から第１基材１４を加熱装置２５で加熱しながら剥離部材２０を用いて剥離する。
【００５７】
そして、図２の右端に示す接着工程では、第１触媒層１３における剥離工程で第１基材１４が剥離された方の面に高分子電解質膜１５を接着する。
【００５８】
図２に示す製造方法では、第１ガス拡散層１１に第１触媒インク１２を塗布することで、分散媒と触媒を含んだ第１触媒インク１２が第１ガス拡散層１１の表面に浸み込むため、第１触媒インク１２を第１ガス拡散層１１と第１基材１４とで挟むことにより形成される第１触媒インク層１２と第１ガス拡散層１１との界面が密接され隙間の発生を抑えることが出来る。さらに、第１触媒インク１２の分散媒の表面張力により第１触媒インク１２
に重ねる第１基材１４と第１触媒インク１２との密着性が確保される。その結果、第１基材１４における第１触媒インク層１２と接触する面の平滑性が高い場合には（第１触媒インク層１２と接触する面の平滑性が高い第１基材１４を用いることによって）、第１触媒層１３における剥離工程で第１基材１４が剥離された方の面は、平滑性が高い面になる可能性が高まるので、表面が平滑な高分子電解質膜１５との密着性の高い接合になる。
【００５９】
第１基材１４の片面に第１触媒インク１２を塗布した後で、第１触媒インク１２に第１ガス拡散層１１を重ねても構わないが、図２に示すように、第１ガス拡散層１１の片面に第１触媒インク１２を塗布した後で、第１触媒インク１２に第１基材１４を重ねる方が、第１触媒インク層１２と第１ガス拡散層１１との界面が密接され隙間の発生を抑え易く、信頼性、生産性に優れる。
【００６０】
また、剥離部材２０を用いて第１触媒層１３から第１基材１４を剥離する時に、第１基材１４を加熱装置２５で加熱することにより、加熱しない場合と較べて、第１触媒層１３から第１基材１４を剥離し易くなる。
【００６１】
図３の左端に示すように、塗布工程を、第１触媒インク１２を、ダイコーター２４を用いて塗布する工程にする場合は、板状の第１ガス拡散層１１や第１基材１４を連続シート状にすることで、ロールＴｏロールでの連続生産を実現することもできる。
【００６２】
第１触媒層１３は、第１基材１４と第１触媒層１３との間の界面張力が第１ガス拡散層１１と第１触媒層１３との間の界面張力よりも小さくなるように構成されている。
【００６３】
これにより、第１触媒層１３から第１基材１４を剥離する工程で、第１基材１４が第１触媒層１３から剥がれやすくなりロールＴｏロールの生産を実現することもできる。
【００６４】
塗布工程において、グイコーター法、スクリーン印刷法、スプレー塗工法、ドクターブレード法、又はロールコーター法を用いて、第１触媒インク１２を、第１基材１４に塗布、又は第１ガス拡散層１１に塗布しても構わない。
【００６５】
この方法は、燃料極、空気極どちらの極側でも構わない。
【００６６】
なお、接着工程の前に、高分子電解質膜１５における第１触媒層１３と接着する方の面とは反対側の面に、第２触媒層を形成する工程をさらに備えても構わない。
【００６７】
また、接着工程に、高分子電解質膜１５における第１触媒層１３と接着する方の面とは反対側の面に、第２触媒層が形成された第２ガス拡散層を接着する工程を含んでも構わない。この方法は、燃料極、空気極どちらの極側でも構わない。
【００６８】
図３は、ロール状の第１ガス拡散層１１とロール状の第１基材１４との間を埋めるように、触媒と分散媒を含む第１触媒インク１２を配置し、第１触媒インク層１２を形成する第１触媒インク層１２の形成工程と、第１触媒インク層１２を乾燥し、第１触媒層１３を形成する乾燥工程と、第１触媒層１３から第１基材１４を剥離する工程と、第１基材１４が剥離された第１触媒層１３の面に高分子電解質膜１５を接着する接着工程とを備える、膜電極接合体の製造装置を示している。
【００６９】
本実施の形態の膜電極接合体の製造装置は、ロール状の（板状の）第１ガス拡散層１１とロール状の（板状の）第１基材１４との間に、第１ガス拡散層１１との間と第１基材１４との間に隙間が生じないように形成された、触媒と分散媒を含む第１触媒インク１２からなる第１触媒インク層１２を乾燥させて第１触媒層１３を形成する乾燥炉２２と、第１
触媒層１３における第１基材１４が剥離された方の面に高分子電解質膜１５を接着する接着機構とを備える。
【００７０】
また、本実施の形態の膜電極接合体の製造装置は、第１ガス拡散層１１の片面（上面）に第１触媒インク１２を塗布する塗布部と、第１ガス拡散層１１に塗布された第１触媒インク１２に接触するように第１基材１４を配置する基材配置部と、乾燥炉２２で形成された第１触媒層１３から第１基材１４を剥離する基材剥離部を備えるものである。塗布部で第１基材１４の片面に第１触媒インクを塗布し、基材配置部の代わりに、第１基材１４に塗布された第１触媒インク１２に接触するように第１ガス拡散層１１を配置するガス拡散層配置部を設けた構成にしても構わないが、第１ガス拡散層１１の片面（上面）に第１触媒インク１２を塗布する塗布部と、第１ガス拡散層１１に塗布された第１触媒インク１２に接触するように第１基材１４を配置する基材配置部と、乾燥炉２２で形成された第１触媒層１３から第１基材１４を剥離する基材剥離部を備える構成の方が、第１ガス拡散層１１に塗布された第１触媒インク１２に接触するように配置した第１基材１４を、第１触媒層１３から剥離することになる（第１ガス拡散層１１の片面（上面）側で、第１基材１４の接触配置操作と、第１基材１４の剥離操作の両方を行える）ため膜電極接合体の製造装置を簡単な構成にできる。
【００７１】
また、本実施の形態の膜電極接合体の製造装置は、塗布部において、ダイコーター２４を用いて第１触媒インク１２を塗布するよう構成されている。
【００７２】
また、本実施の形態の膜電極接合体の製造装置は、基材剥離部に、剥離部材２０によって第１触媒層１３から剥離しようとしている第１基材１４が、容易に第１触媒層１３から剥離するように、第１触媒層１３に密着している第１基材１４を加熱する加熱装置２５を備えており、第１基材１４を加熱装置２５で加熱することにより、加熱しない場合と較べて、第１触媒層１３から第１基材１４を剥離し易くなる。
【００７３】
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００７４】
（実施例１）
本実施例では、まず、導電性カーボンブラックであるケッチェンブラックＥＣに白金を担持させた触媒（白金５０重量％、田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０ｇと、９重量％濃度のパーフルオロカーボンスルホン酸（旭硝子（株）製のＦＳＳ−１）を高分子電解質として含むエタノール溶液４４．４ｇとを、容器内で混合し、その後、超音波攪拝を行った。
【００７５】
その後、溶媒を除去することによって、触媒と分散媒を含む第１触媒インクとなる資料粉末を得た。この時、資料粉末中の高分子電解質と炭素との乾燥重量比率は０．８であった。
【００７６】
次に、資料粉末と蒸留水とエチレングリコールとを混合して、ペースト状の第１触媒インクを調整した。
【００７７】
その後、厚みが１８０μｍ、外寸が幅２２ｃｍ、長さが５ｍの東レ（株）製のカーボンペーパーから９ｃｍずつ間隔をあけて、一辺が６ｃｍの正方形の３つの範囲部分を切り取って第１ガス拡散層１１を作成した。
【００７８】
次に、カーボンペーパーからなる第１ガス拡散層１１上にダイコーター２４を用いてペースト状の第１触媒インクを触媒目付量が０．３ｍｇ／ｃｍ２になるように塗布した。
【００７９】
以上よりカーボンペーパーからなる第１ガス拡散層１１の片面に第１触媒インク層１２を形成した。
【００８０】
次に、第１ガス拡散層１１に形成された第１触媒インク層１２に、第１基材１４として表面算術粗さが１μｍ以下の平滑性があり、厚さ５０μｍのポリエレンテレフタラートを配置し、第１ガス拡散層１１であるカーボンペーパーと第１基材１４であるポリエチレンテレフタラートとの間に、触媒と分散媒を含む第１触媒インク層１２を形成した。
【００８１】
この作製した第１触媒インク層１２を乾燥させて分散媒を揮発させた第１触媒層１３を形成した。
【００８２】
こうして形成された第１触媒層１３に配置された第１基材１４であるポリエチレンテレフタラートを剥離する。この時、１６０℃に加熱された剥離部材２０を用いた。
【００８３】
剥離により第１ガス拡散層１１に形成された第１触媒層１３の面に高分子電解質膜１５の表裏にそれぞれ接触させて温度１５０℃、圧力０．３ＭＰａで、５分間、加熱圧着機２６で加熱圧着した。これによりＭＥＡを作製した。この作製に要した加熱圧着工程数は１回であった。
【００８４】
製作した実施例１のＭＥＡの断面を観察すると図４に示す状態であった。
【００８５】
（比較例１）
実施例で作製したものと同様な条件で触媒インクを作製し、その後、厚みが１８０μｍ、外寸が幅２２ｃｍ、長さが５ｍの東レ（株）製のカーボンペーパーから９ｃｍずつ間隔をあけて、一辺が６ｃｍの正方形の３つの範囲部分を切り取って第１触媒層１３を形成した。
【００８６】
触媒目付量が０．３ｍｇ／ｃｍ２になるようにカーボンペーパー（第１ガス拡散層１１）上にダイコーター２４を用いて第１触媒インクを塗布した。以上より第１ガス拡散層１１であるカーボンペーパーの片面に第１触媒インク層１２を作製した。
【００８７】
この作製した第１触媒インク層１２を乾燥させて分散媒を揮発させた第１触媒層１３を形成した。第１ガス拡散層１１に形成された第１触媒層１３の面に高分子電解質膜１５の表裏にそれぞれ接触させて温度１５０℃、圧力０．３ＭＰａで５分間、加熱圧着機２６で加熱圧着した。これによりＭＥＡを作製した。この作製に要した加熱圧着工程数は１回であった。
【００８８】
作製した比較例１のＭＥＡの断面を観察すると図５に示す状態であった。
【００８９】
（比較例２）
本実施例で作製したものと同様な条件で触媒インクを作製し、その後、厚みが１８μｍ、外寸が幅２２ｃｍ、長さが５ｍの東レ（株）製のカーボンペーパーから９ｃｍずつ間隔をあけて、一辺が６ｃｍの正方形の３つの範囲部分を切り取って第１触媒層１３を形成した。
【００９０】
触媒目付量が０．３ｍｇ／ｃｍ２になるようにカーボンペーパー（第１ガス拡散層１１）上にダイコーター２４を用いて第１触媒インクを塗布した。以上より第１ガス拡散層１１であるカーボンペーパーの片面に第１触媒インク層１２を作製した。
【００９１】
作製した比較例２のＭＥＡの断面を観察すると図６に示す状態であった。
【００９２】
（比較例３）
本実施例で作製したものと同様な条件で触媒インクを作製し、その後、厚みｌ８０μｍ、外寸が幅２２ｃｍ、長さ５ｍの第１基材１４であるポリエチレンテレフタラート４０の範囲部分に第１触媒層１３を形成した。
【００９３】
第１触媒層１３の第１基材１４であるポリエチレンテレフタラート４０上への形成は、触媒目付量が０．３ｍｇ／ｃｍ２になるようにポリエチレンテレフタラート上にダイコーター２４を用いて触媒インクを塗布した。以上より第１基材１４であるポリエチレンテレフタラートの片面に第１触媒インク層１２を作製した。
【００９４】
この作製した第１触媒インク層１２を乾燥させて分散媒を揮発させた第１触媒層１３を形成した。第１基材１４であるポリエチレンテレフタラートに形成された第１触媒層１３の面に高分子電解質膜１５の表裏にそれぞれ接触させて温度１５０℃、圧力０．５ＭＰａで５分間、加熱圧着機２６で加熱圧着した。これにより第１触媒層１３と高分子電解質膜１５と第１触媒層で構成された膜電極２７を作製した。
【００９５】
この作製した膜電極体２７の第１触媒層１３の表面とガス拡散層２８を接触させて温度１５０℃、圧力０．５ＭＰａで５分間、加熱圧着機２６で加熱圧着した。これによりＭＥＡを作製した。
【００９６】
この作製に要した加熱圧着工程数は２回であった。
【００９７】
製作した比較例３のＭＥＡの断面を観察すると図７に示す状態であった。
【００９８】
図４に示すように実施例１のＭＥＡは、第１触媒層１３と高分子電解質膜１５の界面、第１触媒層１３と第１ガス拡散層１１の界面が密着されており細孔が観察されなかった。
【００９９】
この理由は、第１触媒インク層１２が液体状態であるために第１ガス拡散層１１、第１基材１４であるポリエチレンテレフタラートと表面張力により密着することが出来、この状態で乾燥するので、それぞれの界面が密着されている状態が形成されたと考えられる。
【０１００】
一方、図５に示す比較例１は、平滑性が低い第１ガス拡散層１１に第１触媒インク層１２が塗工されると、第１触媒インク層１２は第１ガス拡散層１１の表面形状に追従するために平滑性失われてしまうことが想定される。よって、高分子電解質膜１５との密着性は低下し、第１触媒層１３と高分子電解質膜１５の界面に断続的に細孔が形成されてしまうと考えられる。
【０１０１】
図６に示すように比較例２は、高分子電解質膜１５全体が凹凸状に皺が発生している。第１触媒インク層１２と高分子電解質膜１５とを配置するので、吸水性である高分子電解質膜１５は膨潤することによって高分子電解質膜１５全体の凹凸が大きくなると考えられる。
【０１０２】
図７に示すように比較例３は、第１触媒層１３と高分子電解質膜１５の密着性は高くなっているが、平滑性が低い第１ガス拡散層１１と第１触媒層１３との界面は密着しておらず、この界面に細孔が形成されている。
【０１０３】
また、比較例１及び比較例２に界面に細孔が形成されていることが観察されている。界面の細孔の存在によりプロトンパスが細孔部では起こりにくいことから電極面内に反応分
布が生じたり、生成水の排水性が低下したりすることで膜分解物が触媒層に滞留し触媒の被毒が促進されて劣化が加速することが一部報告されているため細孔の存在は好ましいとは思えない。
【０１０４】
加熱圧着工程数の結果を（表１）に示す。
【０１０５】
【表１】
2015115257.tif 000003
【０１０６】
これより実施例１は、加熱圧着工程数が１回で収まっており、ロールＴｏロールでの作製を行うに当り加熱圧着工程が妨げになる中、生産性の低下を抑える可能性がある。触媒層と高分子電解質膜が化学的に密着しやすければ加熱圧着工程は負荷を低減することができ、次工程も引き続きロールＴｏロールでの可能性もある。
【０１０７】
以上のことから、本実施例で行った膜電極接合で作製した方法が、触媒層のガス拡散層の界面、触媒層と高分子電解質膜のそれぞれの界面が密着して形成しており、且つロールＴｏロール生産に妨げを及ぼす加熱圧着工程が少ないことが確認出来た。
【０１０８】
以上のように、本発明の膜電極接合体の製造方法の一実施の形態（実施例１）において、ガス拡散層と触媒層界面、触媒層と高分子電解質膜界面の密着性が高く、生産性に影響する加熱工程を少ない状態で作製できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の膜電極接合体の製造方法及び製造装置は、比較的少ない工程で、ガス拡散層と触媒層の界面と、触媒層と高分子電解質膜の界面の密着性が高い膜電極接合体を得ることができ、また、電解質膜の膨潤、電解質膜の皺発生を抑えることができる。そして本発明で得られた膜電極接合体を燃料電池に適用すると発電機能を十分に引き起こすことが出来るので、固体高分子形燃料電池を用いた、自動車などの移動体、分散発電システム及び家庭用コージェネレーションシステムなどに利用できる。
【符号の説明】
【０１１０】
１１  第１ガス拡散層
１２  第１触媒インク層（第１触媒インク）
１３  第１触媒層
１４  第１基材
１５  高分子電解質膜
２２  乾燥炉
２４  ダイコーター
２５  加熱装置
２６  加熱圧着機
【図１】
2015115257.tif 000004
【図２】
2015115257.tif 000005
【図３】
2015115257.tif 000006
【図４】
2015115257.tif 000007
【図５】
2015115257.tif 000008
【図６】
2015115257.tif 000009
【図７】
2015115257.tif 000010