(57)【要約】【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体の部分的なリサイクルを可能にする。【解決手段】膜電極接合体１１０は、電解質膜１１２の両面に、それぞれ、アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃが接合されており、さらに、アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃの表面には、それぞれ、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃが接合されている。そして、アノード側１１４ａ触媒層１１４ａと、アノード側ガス拡散層１１６ａとは、アノード側触媒層１１４ａの表面に備えられたループ部材と、アノード側ガス拡散層１１６ａの表面に備えられたフック部材とを互いに係合することによって、着脱可能に接合されている。また、カソード側触媒層１１４ｃと、カソード側ガス拡散層１１６ｃとの接合についても同様である。【選択図】図１
2008152943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜の両面に、それぞれ接合された触媒層と、
前記触媒層の表面に、それぞれ着脱可能に接合されたガス拡散層と、
を備える膜電極接合体。
【請求項２】
請求項１記載の膜電極接合体であって、
前記触媒層、および、前記ガス拡散層は、前記触媒層と前記ガス拡散層の互いに対向する２つの面のうち、一方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるループ部材を備え、他方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるフック部材を備え、
前記触媒層と、前記ガス拡散層とは、前記ループ部材と前記フック部材とを互いに係合させることによって接合されている、
膜電極性都合体。
【請求項３】
請求項２記載の膜電極接合体であって、
前記ループ部材、および、前記フック部材は、前記ループ部材と前記フック部材との接触面積が、前記触媒層、または、前記ガス拡散層の表面積よりも広くなるように形成されている、
膜電極接合体。
【請求項４】
請求項２または３記載の膜電極接合体であって、
前記ループ部材、および、前記フック部材の表面には、親水処理が施されている、
膜電極接合体。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の膜電極接合体であって、
前記ガス拡散層は、該ガス拡散層の厚さ方向について、前記触媒層との接合面との距離が近いほど、該ガス拡散層が有する空孔の空孔径が小さくなるように形成されている、
膜電極接合体。
【請求項６】
燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に、それぞれ接合された触媒層と、該触媒層の表面に、それぞれ接合されたガス拡散層と、を備える膜電極接合体の製造方法であって、
前記電解質膜の両面に、それぞれ前記触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記ガス拡散層を形成するガス拡散層形成工程と、
前記触媒層と前記ガス拡散層とを接合する接合工程と、を備え、
前記触媒層形成工程、および、前記ガス拡散層形成工程は、前記触媒層と前記ガス拡散層の互いに対向する２つの面のうち、一方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるループ部材を形成し、他方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるフック部材を形成する工程を含み、
前記接合工程は、前記ループ部材と前記フック部材とを互いに係合させる工程を含む、
製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の製造方法であって、
前記触媒層形成工程は、
前記電解質膜の両面に、触媒を含む触媒インクを塗布する触媒インク塗布工程と、
前記塗布された触媒インクに、カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込むことによって、前記ループ部材を形成するループ部材形成工程と、
前記触媒インクを乾燥させる工程と、
を含む製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の製造方法であって、
前記触媒インク塗布工程は、
前記電解質膜の両面に、前記触媒インクを塗布して乾燥させることによって、第１の触媒層を形成する工程と、
前記第１の触媒層の表面に、再度、前記触媒インクを塗布する工程と、を含み、
前記ループ部材形成工程は、
前記再度塗布された触媒インクに、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程を含む、
製造方法。
【請求項９】
請求項７または８記載の製造方法であって、
前記ガス拡散層形成工程は、
カーボンファイバと、バインダと、カーボンマイクロコイルとを含む液体を、前記カーボンマイクロコイルのコイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように所定の板状部材に塗布する工程と、
前記塗布された液体を乾燥させて、前記ガス拡散層を構成する、前記カーボンマイクロコイルが埋め込まれたカーボンペーパを製造する工程と、
前記カーボンペーパの一方の表面をエッチングすることによって、前記カーボンペーパの表面から、前記カーボンマイクロコイルの一部を露出させる工程と、
前記露出したカーボンマイクロコイルの一部を切断することによって、前記フック部材を形成する工程と、
を含む製造方法。
【請求項１０】
請求項７または８記載の製造方法であって、
前記ガス拡散層形成工程は、
カーボンファイバと、バインダとを含む液体を、所定の板状部材に塗布する工程と、
前記塗布された液体に、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程と、
前記カーボンマイクロコイルの一部が埋め込まれた液体を乾燥させて、前記ガス拡散層を構成する、前記カーボンマイクロコイルの一部が埋め込まれたカーボンペーパを製造する工程と、
前記カーボンペーパの表面から露出した前記カーボンマイクロコイルの一部を切断することによって、前記フック部材を形成する工程と、
を含む製造方法。
【請求項１１】
請求項６記載の製造方法であって、
前記触媒層形成工程は、
前記電解質膜の両面に、触媒を含む触媒インクを塗布する触媒インク塗布工程と、
前記塗布された触媒インクに、カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込む埋込工程と、
前記触媒インクを乾燥させ、前記カーボンマイクロコイルの一部が埋め込まれた前記触媒層を形成する工程と、
前記触媒層の表面から露出した前記カーボンマイクロコイルの一部を切断することによって、前記フック部材を形成する工程と、
を含む製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の製造方法であって、
前記触媒インク塗布工程は、
前記電解質膜の両面に、前記触媒インクを塗布して乾燥させることによって、第１の触媒層を形成する工程と、
前記第１の触媒層の表面に、再度、前記触媒インクを塗布する工程と、を含み、
前記埋込工程は、
前記再度塗布された触媒インクに、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程を含む、
製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の製造方法であって、
前記ガス拡散層形成工程は、
カーボンファイバと、バインダと、カーボンマイクロコイルとを含む液体を、前記カーボンマイクロコイルのコイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように所定の板状部材に塗布する工程と、
前記塗布された液体を乾燥させて、前記ガス拡散層を構成する、前記カーボンマイクロコイルが埋め込まれたカーボンペーパを製造する工程と、
前記カーボンペーパの一方の表面をエッチングすることによって、前記カーボンペーパの表面から、前記カーボンマイクロコイルの一部を露出させ、前記ループ部材を形成する工程と、
を含む製造方法。
【請求項１４】
請求項１１または１２記載の製造方法であって、
前記ガス拡散層形成工程は、
カーボンファイバと、バインダとを含む液体を、所定の板状部材に塗布する塗布工程と、
前記塗布された液体に、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程と、
前記塗布された液体を乾燥させることによって、前記ループ部材が形成されたカーボンペーパを製造する工程と、
を含む製造方法。
【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接合体に関し、詳しくは、部分的にリサイクル可能な膜電極接合体、および、その製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。なお、アノード、および、カソードは、それぞれ上記電気化学反応を促進するための触媒層を備える。また、アノード、および、カソードは、それぞれ燃料電池の外部から供給された反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）を拡散させつつ、触媒層に供給するためのガス拡散層を備える場合もある。
【０００３】
そして、従来、膜電極接合体について、種々の技術が提案されている（下記特許文献１ないし３参照）。例えば、下記特許文献１には、第１の導電性繊維が配向された高分子電解質膜と、第２の導電性繊維が配向された拡散層とを備える膜電極接合体が記載されている。この膜電極接合体では、第１及び第２の導電性繊維の少なくとも一方に電極触媒金属が担持されており、第１の導電性繊維、および、第２の導電性繊維を、相互に絡み合わせることによって接合し、第１の導電性繊維、および、第２の導電性繊維の少なくとも一方が触媒層として機能する。また、下記特許文献２には、貴金属触媒を担持した螺旋状導電性部材を含む触媒層を有する燃料電池用基体が記載されている。この燃料電池用基体は、膜電極接合体に適用したときに、主として、触媒層として機能する。これら下記特許文献１，２に記載された技術によって、触媒（電極触媒金属、貴金属触媒）を上記電気化学反応に有効利用することができる。また、下記特許文献３には、使用済みの固体高分子型燃料電池の膜電極接合体から、貴金属（触媒）及び／または含フッ素ポリマーを効率よく回収し、再利用する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０２３０５号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４１０９号公報
【特許文献３】特開２００５−２８９００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極として、触媒層と、ガス拡散層とを、この順に接合した膜電極接合体では、これらのうちの一部のみで劣化が生じる場合がある。例えば、電解質膜や、触媒層のみが劣化する場合があった。この場合、例えば、電解質膜、および、触媒層のみを交換したい、すなわち、膜電極接合体の部分的なリサイクルを行いたいという要請が生じ得る。しかし、上記特許文献１ないし３に記載された技術では、膜電極接合体の部分的なリサイクルについては、考慮されていなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる膜電極接合体の部分的なリサイクルを可能に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】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。本発明の膜電極接合体は、燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、電解質膜の両面に、それぞれ接合された触媒層と、前記触媒層の表面に、それぞれ着脱可能に接合されたガス拡散層と、を備えることを要旨とする。なお、本明細書において、「膜電極接合体」という用語は、電解質膜の両面に、それぞれ、上記電気化学反応を促進するための触媒層と、燃料電池の外部から供給された反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）を拡散させつつ、触媒層に供給するためのガス拡散層とが、この順に接合されたものを意味するものとする。
【０００８】
本発明によって、電解質膜と触媒層との接合体と、ガス拡散層とを、容易に接合したり、剥離したりすることができる。したがって、電解質膜と触媒層との接合体、および、ガス拡散層のうちのいずれか一方が劣化した場合に、いずれか一方のみを交換するようにすることができる。つまり、膜電極接合体の部分的なリサイクルを可能にすることができる。
【０００９】
具体的には、例えば、上記膜電極接合体において、前記触媒層、および、前記ガス拡散層は、前記触媒層と前記ガス拡散層の互いに対向する２つの面のうち、一方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるループ部材を備え、他方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるフック部材を備え、前記触媒層と、前記ガス拡散層とは、前記ループ部材と前記フック部材とを互いに係合させることによって接合されているようにしてもよい。こうすることによって、電解質膜と触媒層との接合体と、ガス拡散層とを、容易に接合したり、剥離したりすることができる。
【００１０】
上記膜電極接合体において、前記ループ部材、および、前記フック部材は、前記ループ部材と前記フック部材との接触面積が、前記触媒層、または、前記ガス拡散層の表面積よりも広くなるように形成されているようにすることが好ましい。こうすることによって、触媒層と、ガス拡散層とを直接接合する場合よりも、触媒層と、ガス拡散層との接触抵抗を低減することができる。
【００１１】
また、上述した触媒層、および、ガス拡散層が、触媒層とガス拡散層の互いに対向する２つの面のうち、一方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるループ部材を備え、他方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるフック部材を備える膜電極接合体において、前記ループ部材、および、前記フック部材の表面には、親水処理が施されているようにすることが好ましい。
【００１２】
燃料電池では、水素と酸素との電気化学反応によって、カソード側の触媒層において、水（生成水）が生成される。この生成水は、電解質膜を介して、アノード側の触媒層にも透過する。そして、触媒層に生成水が過剰に滞留すると、フラッディングが生じ、燃料電池の発電性能の低下を招く。本発明では、ループ部材、および、フック部材の表面に、親水処理が施されているので、触媒層からガス拡散層への排水性を向上させ、フラッディングを抑制することができる。
【００１３】
上述したいずれかの膜電極接合体において、前記ガス拡散層は、該ガス拡散層の厚さ方向について、前記触媒層との接合面との距離が近いほど、該ガス拡散層が有する空孔の空孔径が小さくなるように形成されているようにすることが好ましい。換言すれば、前記ガス拡散層は、該ガス拡散層の厚さ方向について、前記触媒層との接合面との距離が遠いほど、該ガス拡散層が有する空孔の空孔径が大きくなるように形成されているようにすることが好ましい。こうすることによって、ガス拡散層中における上記生成水の排水性を向上させることができる。
【００１４】
本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法の発明として構成することもできる。すなわち、本発明の膜電極接合体の製造方法は、燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に、それぞれ接合された触媒層と、該触媒層の表面に、それぞれ接合されたガス拡散層と、を備える膜電極接合体の製造方法であって、前記電解質膜の両面に、それぞれ前記触媒層を形成する触媒層形成工程と、前記ガス拡散層を形成するガス拡散層形成工程と、
前記触媒層と前記ガス拡散層とを接合する接合工程と、を備え、前記触媒層形成工程、および、前記ガス拡散層形成工程は、前記触媒層と前記ガス拡散層の互いに対向する２つの面のうち、一方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるループ部材を形成し、他方に、導電性、および、弾性を有する材料からなるフック部材を形成する工程を含み、前記接合工程は、前記ループ部材と前記フック部材とを互いに係合させる工程を含むことを要旨とする。こうすることによって、先に説明した部分的にリサイクル可能な本発明の膜電極接合体を製造することができる。
【００１５】
上記製造方法において、前記触媒層形成工程は、前記電解質膜の両面に、触媒を含む触媒インクを塗布する触媒インク塗布工程と、前記塗布された触媒インクに、カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込むことによって、前記ループ部材を形成するループ部材形成工程と、前記触媒インクを乾燥させる工程と、を含むようにしてもよい。こうすることによって、上記ループ部材を備える触媒層を、比較的容易に形成することができる。
【００１６】
さらに、上記製造方法において、前記触媒インク塗布工程は、前記電解質膜の両面に、前記触媒インクを塗布して乾燥させることによって、第１の触媒層を形成する工程と、前記第１の触媒層の表面に、再度、前記触媒インクを塗布する工程と、を含み、前記ループ部材形成工程は、前記再度塗布された触媒インクに、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程を含むようにすることが好ましい。こうすることによって、カーボンマイクロコイルが、直接、電解質膜に接触することを防止し、電解質膜の損傷を抑制することができる。
【００１７】
本発明の上記触媒層がループ部材を備えるいずれかの膜電極接合体の製造方法において、前記ガス拡散層形成工程は、カーボンファイバと、バインダと、カーボンマイクロコイルとを含む液体を、前記カーボンマイクロコイルのコイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように所定の板状部材に塗布する工程と、前記塗布された液体を乾燥させて、前記ガス拡散層を構成する、前記カーボンマイクロコイルが埋め込まれたカーボンペーパを製造する工程と、前記カーボンペーパの一方の表面をエッチングすることによって、前記カーボンペーパの表面から、前記カーボンマイクロコイルの一部を露出させる工程と、前記露出したカーボンマイクロコイルの一部を切断することによって、前記フック部材を形成する工程と、を含むようにしてもよい。こうすることによって、上記フック部材を備えるガス拡散層を、比較的容易に形成することができる。
【００１８】
また、前記ガス拡散層形成工程は、カーボンファイバと、バインダとを含む液体を、所定の板状部材に塗布する工程と、前記塗布された液体に、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程と、前記カーボンマイクロコイルの一部が埋め込まれた液体を乾燥させて、前記ガス拡散層を構成する、前記カーボンマイクロコイルの一部が埋め込まれたカーボンペーパを製造する工程と、前記カーボンペーパの表面から露出した前記カーボンマイクロコイルの一部を切断することによって、前記フック部材を形成する工程と、を含むようにしてもよい。こうすることによっても、上記フック部材を備えるガス拡散層を、比較的容易に形成することができる。
【００１９】
本発明の膜電極接合体の製造方法において、前記触媒層形成工程は、前記電解質膜の両面に、触媒を含む触媒インクを塗布する触媒インク塗布工程と、前記塗布された触媒インクに、カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込む埋込工程と、前記触媒インクを乾燥させ、前記カーボンマイクロコイルの一部が埋め込まれた前記触媒層を形成する工程と、前記触媒層の表面から露出した前記カーボンマイクロコイルの一部を切断することによって、前記フック部材を形成する工程と、を含むようにしてもよい。こうすることによって、上記フック部材を備える触媒層を、比較的容易に形成することができる。
【００２０】
さらに、上記製造方法において、前記触媒インク塗布工程は、前記電解質膜の両面に、前記触媒インクを塗布して乾燥させることによって、第１の触媒層を形成する工程と、前記第１の触媒層の表面に、再度、前記触媒インクを塗布する工程と、を含み、前記埋込工程は、前記再度塗布された触媒インクに、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記電解質膜の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程を含むようにしてもよい。こうすることによって、カーボンマイクロコイルが、直接、電解質膜に接触することを防止し、電解質膜の損傷を抑制することができる。
【００２１】
本発明の上記触媒層がフック部材を備えるいずれかの膜電極接合体の製造方法において、前記ガス拡散層形成工程は、カーボンファイバと、バインダと、カーボンマイクロコイルとを含む液体を、前記カーボンマイクロコイルのコイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように所定の板状部材に塗布する工程と、前記塗布された液体を乾燥させて、前記ガス拡散層を構成する、前記カーボンマイクロコイルが埋め込まれたカーボンペーパを製造する工程と、前記カーボンペーパの一方の表面をエッチングすることによって、前記カーボンペーパの表面から、前記カーボンマイクロコイルの一部を露出させ、前記ループ部材を形成する工程と、を含むようにしてもよい。こうすることによって、上記ループ部材を備えるガス拡散層を、比較的容易に形成することができる。
【００２２】
また、前記ガス拡散層形成工程は、カーボンファイバと、バインダとを含む液体を、所定の板状部材に塗布する塗布工程と、前記塗布された液体に、前記カーボンマイクロコイルの一部を、コイル面が前記ガス拡散層の表面に対して略垂直になるように埋め込む工程と、前記塗布された液体を乾燥させることによって、前記ループ部材が形成されたカーボンペーパを製造する工程と、を含むようにしてもよい。こうすることによっても、上記フック部材を備えるガス拡散層を、比較的容易に形成することができる。
【００２３】
本発明は、上述の膜電極接合体、膜電極接合体の製造方法としての構成の他、上述の膜電極接合体を備える燃料電池、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。また、上述の膜電極接合体を構成する電解質膜と触媒層との接合体、および、その製造方法の発明として構成することもできる。また、上述の膜電極接合体を構成するガス拡散層、および、その製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略断面構造を模式的に示す説明図である。図示するように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１１０の両面を、アノード側セパレータ１２０、および、カソード側セパレータ１３０で挟持することによって構成されている。膜電極接合体１１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合したものである。膜電極接合体１１０については、後から詳述する。
【００２５】
アノード側セパレータ１２０のアノードとの接触面は、図示するように、溝部１２２を備える凹凸形状を有しており、溝部１２２は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスが流れるガス流路を形成する。
【００２６】
また、カソード側セパレータ１３０のカソードとの接触面も、図示するように、溝部１３２を備える凹凸形状を有しており、溝部１３２は、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスが流れるガス流路を形成する。
【００２７】
なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ１２０、および、カソード側セパレータ１３０には、冷却水を流すための流路も形成されている。アノード側セパレータ１２０、および、カソード側セパレータ１３０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００２８】
Ａ２．膜電極接合体：
図１に示したように、膜電極接合体１１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１１２の一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層１１４ａと、アノード側ガス拡散層１１６ａとを、この順に積層し、他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層１１４ｃと、カソード側ガス拡散層１１６ｃとを、この順に積層することによって構成されている。本実施例では、電解質膜１１２として、固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。電解質膜１１２として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃとして、カーボンペーパを用いるものとした。アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃとして、カーボンクロス等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。
【００２９】
なお、本実施例の膜電極接合体１１０は、電解質膜１１２と、アノード側触媒層１１４ａおよびカソード側触媒層１１４ｃとは、容易に剥離しないように、密着して互いに接合されている。一方、アノード側触媒層１１４ａとアノード側ガス拡散層１１６ａとは、容易に接合したり、剥離したりすることが可能なように、互いに接合されている。また、カソード側触媒層１１４ｃとカソード側ガス拡散層１１６ｃとも、容易に接合したり、剥離したりすることが可能なように、互いに接合されている。これは、後述する他の実施例においても同様である。以下、このような膜電極接合体１１０の製造方法について説明する。
【００３０】
Ａ３．膜電極接合体の製造工程：
上述した膜電極接合体１１０は、以下に説明する製造工程によって製造される。図２は、膜電極接合体１１０の製造工程の全体の流れを示す説明図である。
【００３１】
まず、電解質膜１１２の両面に、それぞれ、アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃを形成する（ステップＳ１００）。次に、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃを製造する（ステップＳ１１０）。これらの工程については、後から詳述する。そして、アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃの表面に、それぞれ、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃを接合する（ステップＳ１２０）。以上の製造工程によって、膜電極接合体１１０は製造される。
【００３２】
図３は、第１実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１００（図２参照）の詳細について説明する説明図である。
【００３３】
まず、図３（ａ）に示したように、電解質膜１１２の一方の面に、アノード用触媒インクを塗布して乾燥させ、第１のアノード側触媒層１１４ａ１を形成する。アノード用触媒インクは、例えば、白金（Ｐｔ）等の水素と酸素との電気化学反応を促進する触媒金属を担持したカーボンと、電解質溶液としてのナフィオン分散溶液（ナフィオンは登録商標）と、溶媒（例えば、水、エタノール、ポリエチレングリコール）とを混合したものである。これらの混合割合は、任意に設定可能である。
【００３４】
次に、図３（ｂ）に示したように、第１のアノード側触媒層１１４ａ１の表面に、再度、アノード用触媒インクを塗布し、未乾燥状態の第２のアノード側触媒層１１４ａ２を形成する。
【００３５】
次に、図３（ｃ）に示したように、未乾燥状態の第２のアノード側触媒層１１４ａ２に、カーボンマイクロコイル１１５の一部を、コイル面が、電解質膜１１２の表面に対して略垂直になるように、未乾燥状態の第２のアノード側触媒層１１４ａ２の全面に、ほぼ均一に配置して埋め込む。カーボンマイクロコイルは、導電性、および、弾性を有する部材であり、周知の技術（例えば、アセチレンを原料とした気相成長）によって製造される。本実施例では、コイル径が数ミクロン程度のカーボンマイクロコイル１１５を用いるものとした。なお、このカーボンマイクロコイル１１５には、親水処理が施されている。
【００３６】
そして、図３（ｄ）に示したように、第２のアノード側触媒層１１４ａ２を乾燥させることによって、ループ部材１１５ａｌを備えるアノード側触媒層１１４ａを、電解質膜１１２上に形成する。
【００３７】
なお、図示、および、説明は省略するが、カソード側についても、上述したアノード側触媒層１１４ａと同様にして、ループ部材を備えるカソード側触媒層１１４ｃが形成される。
【００３８】
図４は、第１実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１１０（図２参照）の詳細について説明する説明図である。なお、ここでは、アノード側ガス拡散層１１６ａの製造工程についてのみ説明するが、カソード側ガス拡散層１１６ｃの製造工程も、アノード側ガス拡散層１１６ａの製造工程と同じである。
【００３９】
まず、カーボンペーパの原料となるカーボンファイバと、カーボンファイバを結合するためのバインダと、カーボンマイクロコイル１１７とを含むペーストを用意する。カーボンマイクロコイル１１７のコイル径は、先に説明したカーボンマイクロコイル１１５のコイル径とほぼ同じである。また、カーボンマイクロコイル１１７には、カーボンマイクロコイル１１５と同様に、親水処理が施されている。そして、このペーストを、図４（ａ）に示したように、板状部材２００に塗布して乾燥させることによって、内部にカーボンマイクロコイル１１７全体が埋め込まれたカーボンペーパ１１６ａｐを作製する。このとき、カーボンマイクロコイル１１７は、コイル面が、カーボンペーパ１１６ａｐの表面に対して略垂直になるように配置される。また、カーボンマイクロコイル１１７は、カーボンペーパ１１６ａｐの全面に、ほぼ均一に配置される。
【００４０】
次に、図４（ｂ）に示したように、カーボンペーパ１１６ａｐの一方の表面をエッチングすることによって、カーボンペーパ（アノード側ガス拡散層１１６ａ）の表面からカーボンマイクロコイル１１７の一部を、ループ状に露出させる。
【００４１】
次に、カーボンペーパの表面からループ状に露出したカーボンマイクロコイル１１７の一部を、カッタによって切断することによって、フック部材１１７ａｈを作製する。
【００４２】
そして、図４（ｄ）に示したように、これらを板状部材２００から剥離することによって、一方の面にフック部材１１７ａｈを備えるアノード側ガス拡散層１１６ａを製造することができる。
【００４３】
なお、先に図２を用いて説明したステップＳ１２０では、図示は省略するが、アノード側触媒層１１４ａに備えられたループ部材１１５ａｌと、アノード側ガス拡散層１１６ａに備えられたフック部材１１７ａｈとを互いに係合させることによって、また、カソード側触媒層１１４ｃに備えられたループ部材と、カソード側ガス拡散層１１６ｃに備えられたフック部材とを互いに係合させることによって、アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃに、それぞれ、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃを接合する。
【００４４】
以上の製造工程によって、第１実施例の膜電極接合体１１０を製造することができる。また、さらに、この膜電極接合体１１０を、アノード側セパレータ１２０、および、カソード側セパレータ１３０によって挟持することによって、図１に示した燃料電池１００を製造することができる。
【００４５】
以上説明した第１実施例の膜電極接合体１１０によれば、アノード側触媒層１１４ａと、カソード側ガス拡散層１１６ｃとは、弾性を有するループ部材１１５ａｌと、弾性を有するフック部材１１７ａｈとを互いに係合させることによって接合されるので、アノード側触媒層１１４ａと、アノード側ガス拡散層１１６ａとを、容易に接合したり、剥離したりすることができる。これは、カソード側触媒層１１４ｃと、カソード側触媒層１１４ｃとの接合についても同様である。したがって、電解質膜１１２と触媒層（アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃ）との接合体と、アノード側ガス拡散層１１６ａと、カソード側ガス拡散層１１６ｃとのうちのいずれかが劣化した場合に、いずれかのみを交換するようにすることができる。つまり、膜電極接合体１１０の部分的なリサイクルを可能にすることができる。
【００４６】
また、本実施例の膜電極接合体１１０では、ループ部材、および、フック部材には、先に説明したように、親水処理が施されているので、この膜電極接合体１１０を燃料電池１００に適用して、発電を行ったときに、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水を、アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃから、それぞれ、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃに、速やかに排出させ、フラッディングを抑制することができる。
【００４７】
また、本実施例の膜電極接合体１１０では、触媒層と、ガス拡散層とは、導電性を有するループ部材、および、導電性を有するフック部材を、三次元的に接触させて接合している。したがって、触媒層と、ガス拡散層とを直接接合させる場合よりも、接触面積を大きくするようにすることができる。この結果、触媒層とガス拡散層との接触抵抗を低減することができる。
【００４８】
また、本実施例の膜電極接合体１１０では、図３を用いて説明したように、電解質膜１１２の表面に第１のアノード側触媒層１１４ａ１を形成した後に、この第１のアノード側触媒層１１４ａ１上に第２のアノード側触媒層１１４ａ２を形成し、カーボンマイクロコイル１１５を埋め込むので、カーボンマイクロコイル１１５が、直接、電解質膜１１２に接触することを防止し、電解質膜１１２の損傷を抑制することができる。これは、カソード側についても同様である。
【００４９】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例の膜電極接合体１１０では、触媒層にループ部材を備え、ガス拡散層にフック部材を備えるものとしたが、第２実施例の膜電極接合体１１０では、触媒層にフック部材を備え、ガス拡散層にループ部材を備える。第２実施例の燃料電池１００の構成、および、膜電極接合体１１０の製造工程の全体の流れは、第１実施例と同じである（図１，２参照）。以下、第２実施例の膜電極接合体１１０の製造工程の詳細について説明する。
【００５０】
図５は、第２実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１００（図２参照）の詳細について説明する説明図である。
【００５１】
まず、図５（ａ）に示したように、電解質膜１１２の一方の面に、アノード用触媒インクを塗布して乾燥させ、第１のアノード側触媒層１１４ａ１を形成する。
【００５２】
次に、図５（ｂ）に示したように、第１のアノード側触媒層１１４ａ１の表面に、再度、アノード用触媒インクを塗布し、未乾燥状態の第２のアノード側触媒層１１４ａ２を形成する。
【００５３】
次に、図５（ｃ）に示したように、未乾燥状態の第２のアノード側触媒層１１４ａ２に、カーボンマイクロコイル１１５の一部を、コイル面が、電解質膜１１２の表面に対して略垂直になるように、未乾燥状態の第２のアノード側触媒層１１４ａ２の全面に、ほぼ均一に配置して埋め込む。
【００５４】
次に、図５（ｄ）に示したように、第２のアノード側触媒層１１４ａ２を乾燥させることによって、カーボンマイクロコイル１１５の一部が、アノード側触媒層１１４ａの表面からループ状に露出したアノード側触媒層１１４ａを、電解質膜１１２上に形成する。
【００５５】
そして、図５（ｅ）に示したように、アノード側触媒層１１４ａの表面からループ状に露出したカーボンマイクロコイル１１５の一部を、カッタによって切断することによって、フック部材１１５ａｈを作製する。
【００５６】
なお、図示、および、説明は省略するが、カソード側についても、上述したアノード側触媒層１１４ａと同様にして、フック部材を備えるカソード側触媒層１１４ｃが形成される。
【００５７】
図６は、第２実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１１０（図２参照）の詳細について説明する説明図である。なお、ここでは、アノード側ガス拡散層１１６ａの製造工程についてのみ説明するが、カソード側ガス拡散層１１６ｃの製造工程も、アノード側ガス拡散層１１６ａの製造工程と同じである。
【００５８】
まず、カーボンペーパの原料となるカーボンファイバと、カーボンファイバを結合するためのバインダとを含むペーストを用意する。そして、このペーストを、図４（ａ）に示したように、板状部材２００に塗布し、未乾燥のカーボンペーパ１１６ａｐを作製する。
【００５９】
次に、図６（ｂ）に示したように、未乾燥のカーボンペーパ１１６ａｐに、カーボンマイクロコイル１１７の一部を、コイル面が、未乾燥のカーボンペーパ１１６ａｐの表面に対して略垂直になるように、未乾燥状態の第２のアノード側触媒層１１４ａ２の全面に、ほぼ均一に配置して埋め込む。
【００６０】
そして、カーボンマイクロコイル１１７の一部が埋め込まれたカーボンペーパ１１６ａｐを乾燥させることによって、カーボンマイクロコイル１１７の一部がループ状に露出したカーボンペーパ（アノード側ガス拡散層１１６ａ）を作製する。
【００６１】
そして、図６（ｄ）に示したように、これらを板状部材２００から剥離することによって、一方の面にループ部材１１７ａｌを備えるアノード側ガス拡散層１１６ａを製造することができる。
【００６２】
なお、先に図２を用いて説明したステップＳ１２０では、図示は省略するが、アノード側触媒層１１４ａに備えられたフック部材１１５ａｈと、アノード側ガス拡散層１１６ａに備えられたループ部材１１７ａｌとを互いに係合させることによって、また、カソード側触媒層１１４ｃに備えられたフック部材と、カソード側ガス拡散層１１６ｃに備えられたループ部材とを互いに係合させることによって、アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃに、それぞれ、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃを接合する。
【００６３】
以上の製造工程によって、第２実施例の膜電極接合体１１０を製造することができる。また、さらに、この膜電極接合体１１０を、アノード側セパレータ１２０、および、カソード側セパレータ１３０によって挟持することによって、図１に示した燃料電池１００を製造することができる。
【００６４】
以上説明した第２実施例の膜電極接合体１１０によれば、アノード側触媒層１１４ａと、カソード側ガス拡散層１１６ｃとは、弾性を有するフック部材１１５ａｈと、弾性を有するループ部材１１７ａｌとを互いに係合させることによって接合されるので、アノード側触媒層１１４ａと、アノード側ガス拡散層１１６ａとを、容易に接合したり、剥離したりすることができる。これは、カソード側触媒層１１４ｃと、カソード側触媒層１１４ｃとの接合についても同様である。したがって、電解質膜１１２と触媒層（アノード側触媒層１１４ａ、および、カソード側触媒層１１４ｃ）との接合体と、アノード側ガス拡散層１１６ａと、カソード側ガス拡散層１１６ｃとのうちのいずれかが劣化した場合に、いずれかのみを交換するようにすることができる。つまり、膜電極接合体１１０の部分的なリサイクルを可能にすることができる。
【００６５】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６６】
Ｃ１．変形例１：
上記第２実施例では、アノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃとして、カーボンペーパを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。カーボンペーパの代わりに、例えば、カーボンクロスを用いるようにしてもよい。
【００６７】
図７は、変形例としてのアノード側ガス拡散層１１６Ａａ、および、カソード側ガス拡散層１１６Ａｃを示す説明図である。本変形例のアノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃでは、カーボンペーパの代わりに、カーボンクロスを用いており、図示するように、例えば、カーボンクロスに、カーボン繊維等の導電性、および、弾性を有する繊維を、一方の面にループ部材１１８が形成されるように、縫い付けることによって作製される。カーボンクロス自体を、ループ部材１１８が形成されるように織るようにしてもよい。こうすることによっても、第２実施例におけるアノード側ガス拡散層１１６ａ、および、カソード側ガス拡散層１１６ｃと同様の機能を有するアノード側ガス拡散層１１６Ａａ、および、カソード側ガス拡散層１１６Ａｃを作製することができる。
【００６８】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、カーボンマイクロコイル１１５，１１７に親水処理を施すものとしたが、本発明は、これに限られず、親水処理を施さないものとしてもよい。ただし、カーボンマイクロコイル１１５，１１７に親水処理を施すことによって、先に説明したように、触媒層からガス拡散層への生成水の排水効率を向上させることができる。
【００６９】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、膜電極接合体１１０の製造工程において、電解質膜１１２上にアノード側触媒層１１４ａを形成するときに、第１のアノード側触媒層１１４ａ１を形成した後に、第２のアノード側触媒層１１４ａ２を形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側触媒層１１４ａを単層で形成するものとしてもよい。これは、カソード側触媒層１１４ｃについても同様である。
【００７０】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、膜電極接合体１１０の製造工程において、アノード側ガス拡散層１１６ａの製造時に、カーボンペーパを単層構造としたが、本発明は、これに限られない。例えば、カーボンペーパを多層構造とし、カーボンペーパの厚さ方向について、アノード側触媒層１１４ａとの接合面との距離が遠いほど、カーボンペーパが有する空孔の空孔径、あるいは、空孔率が大きくなるように形成されているようにしてもよい。こうすることによって、アノード側ガス拡散層１１６ａ中における生成水の排水性を向上させることができる。これは、カソード側ガス拡散層１１６ｃについても同様である。
【００７１】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例では、膜電極接合体１１０の製造工程において、図４に示したように、アノード側ガス拡散層１１６ａの製造時に、カーボンマイクロコイル１１７全体が埋め込まれたカーボンペーパ１１６ａｐを作製し、この表面をエッチングすることによって、カーボンペーパの表面からカーボンマイクロコイル１１７の一部を、ループ状に露出させるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、図６に示した第２実施例と同様にアノード側ガス拡散層１１６ａを作製し、ループ部材１１７ａｌの一部を切断することによって、フック部材１１７ａｈを作製するようにしてもよい。
【００７２】
また、上記第２実施例では、膜電極接合体１１０の製造工程において、図６に示したように、未乾燥のカーボンペーパ１１６ａｐに、カーボンマイクロコイル１１７の一部を埋め込み、カーボンマイクロコイル１１７の一部がループ状に露出したアノード側ガス拡散層１１６ａを作製するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、図４に示した第１実施例と同様に、カーボンマイクロコイル１１７全体が埋め込まれたカーボンペーパ１１６ａｐを作製し、この表面をエッチングすることによって、カーボンペーパの表面からカーボンマイクロコイル１１７の一部を、ループ状に露出させて、ループ部材１１７ａｌを作製するようにしてもよい。
【００７３】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、ループ部材、および、フック部材を形成するために、カーボンマイクロコイル１１５，１１７を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。導電性、および、弾性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略断面構造を模式的に示す説明図である。
【図２】膜電極接合体１１０の製造工程の全体の流れを示す説明図である。
【図３】第１実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１００の詳細について説明する説明図である。
【図４】第１実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１１０の詳細について説明する説明図である。
【図５】第２実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１００の詳細について説明する説明図である。
【図６】第２実施例における膜電極接合体１１０の製造工程のステップＳ１１０の詳細について説明する説明図である。
【図７】変形例としてのアノード側ガス拡散層１１６Ａａ、および、カソード側ガス拡散層１１６Ａｃを示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００…燃料電池
１１０…膜電極接合体
１１２…電解質膜
１１４ａ…アノード側触媒層
１１４ａ１…第１のアノード側触媒層
１１４ａ２…第２のアノード側触媒層
１１４ｃ…カソード側触媒層
１１５…カーボンマイクロコイル
１１５ａｈ…フック部材
１１５ａｌ…ループ部材
１１６ａ，１１６Ａａ…アノード側ガス拡散層
１１６ｃ，１１６Ａｃ…カソード側ガス拡散層
１１６ａｐ…カーボンペーパ
１１７…カーボンマイクロコイル
１１７ａｈ…フック部材
１１７ａｌ…ループ部材
１１８…ループ部材
１２０…アノード側セパレータ
１２２…溝部
１３０…カソード側セパレータ
１３２…溝部
２００…板状部材
【図１】
2008152943.tif 000003
【図２】
2008152943.tif 000004
【図３】
2008152943.tif 000005
【図４】
2008152943.tif 000006
【図５】
2008152943.tif 000007
【図６】
2008152943.tif 000008
【図７】
2008152943.tif 000009