(57)【要約】【課題】燃料電池の膜電極接合体を製造する際に、電解質膜上において、触媒電極の目付量を略均一に形成する技術を提供すること。【解決手段】燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、（Ａ）一方の面に略同形状な複数の凹部を有し、各凹部が、面においてほぼ一様に分布するように配置されている第１基材を用意する工程と、（Ｂ）第１基材の各凹部に、各凹部を満たすように触媒インクを注入し、インク形成物を形成する工程と、（Ｃ）各凹部に注入したインク形成物上に、電解質膜を配設する工程と、（Ｄ）電解質膜を配設後、電解質膜とインク形成物とを熱圧着し、インク形成物によって成る触媒電極ブロックを電解質膜上に形成する工程と、を備える。【選択図】図１
2008171645.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の製造方法であって、
（Ａ）一方の面に略同形状な複数の凹部を有し、各凹部が、前記面においてほぼ一様に分布するように配置されている第１基材を用意する工程と、
（Ｂ）前記第１基材の各凹部に、各凹部を満たすように触媒インクを注入し、インク形成物を形成する工程と、
（Ｃ）各凹部に注入した前記インク形成物上に、電解質膜を配設する工程と、
（Ｄ）前記電解質膜を配設後、前記電解質膜と前記インク形成物とを熱圧着し、前記インク形成物によって成る触媒電極ブロックを前記電解質膜上に形成する工程と、
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おいて、
前記工程（Ｂ）前において、電解質溶液を前記第１基材の各凹部の間に塗布する工程を備えることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記工程（Ｄ）前において、前記インク形成物を乾燥させる工程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４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記第１基材の各凹部は、前記一面に千鳥状または格子状に配置されていることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記第１基材の各凹部は、円柱状であることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記第１基材の各凹部の表面は、テフロン（登録商標）で形成されていることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記工程（Ｄ）後、前記第１基材を前記触媒電極ブロックから取り外す工程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８】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記第１基材と同様な第２基材を用意する工程と、
前記第２基材の各凹部に、前記触媒インクを注入し、前記インク形成物を形成する工程と、
を備え、
前記工程（Ｃ）において、前記第１基材の前記インク形成物と前記第２基材の前記インク形成物とが対向するように配置すると共に、それらの間に前記電解質膜を配設することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法において、
前記工程（Ｄ）後において、前記電解質膜上に蒸発抑制シートを配設する工程を備えることを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられ、電解質膜上に触媒電極が形成される膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素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、電解質膜上に触媒電極が形成された膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｅ）とも呼ぶ）を備えている。このＭＥＡを製造する場合には、例えば、分散媒（エタノールや水など）に、電解質（例えば、ナフィオン（登録商標）など）や触媒担持担体（例えば、白金担持カーボンなど）などの溶質を混合した分散液（以下では、触媒インクとも呼ぶ）を、電解質膜上に塗布することで、電解質膜上に、膜状の触媒電極を形成するようにしている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２９９１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のように、膜状な触媒電極を形成する場合において、その膜厚が、全体的にばらつき、すなわち、電解質膜上において、単位面積辺りの触媒電極の目付量［ｍｇ／ｃｍ２］がばらつくおそれがあった。そうすると、この触媒電極では、部分的に、発電が行なわれやすい箇所とそうでない箇所とが生じるおそれがあり、このような触媒電極を用いた燃料電池では、発電効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の膜電極接合体を製造する際に、電解質膜上において、触媒電極の目付量を略均一に形成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】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の膜電極接合体の製造方法では、
燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
（Ａ）一方の面に略同形状な複数の凹部を有し、各凹部が、前記面においてほぼ一様に分布するように配置されている第１基材を用意する工程と、
（Ｂ）前記第１基材の各凹部に、各凹部を満たすように触媒インクを注入し、インク形成物を形成する工程と、
（Ｃ）各凹部に注入した前記インク形成物上に、電解質膜を配設する工程と、
（Ｄ）前記電解質膜を配設後、前記電解質膜と前記インク形成物とを熱圧着し、前記インク形成物によって成る触媒電極ブロックを前記電解質膜上に形成する工程と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
上記構成の膜電極接合体の製造方法によれば、電解質膜上において、上記第１基材を用いて触媒電極（ブロック）を形成するので、触媒電極の目付量を略均一に形成することができる。また、電解質膜上において、単位面積辺りの触媒電極の目付量を正確に測定することが可能となる。
【０００８】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記工程（Ｂ）前において、電解質溶液を前記第１基材の各凹部の間に塗布する工程を備えることが好ましい。
【０００９】
このようにすれば、触媒インクを凹部に注入した際に、凹部から溢れた場合であっても、隣の凹部に流入することを抑制することができ、各凹部のインク形成物の体積がばらつくのを抑制することができる。
【００１０】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記工程（Ｄ）前において、前記インク形成物を乾燥させる工程を備えることが好ましい。
【００１１】
このようにすれば、インク形成物の水分を減少させることができる。
【００１２】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記第１基材の各凹部は、前記一面に千鳥状または格子状に配置されていることが好ましい。
【００１３】
このようにすれば、各凹部を、第１基材の上記一面に、効率よく配置することができる。
【００１４】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記第１基材の各凹部は、円柱状であることが好ましい。
【００１５】
このようにすれば、各凹部を、第１基材の上記一面に、効率よく配置することができる。
【００１６】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記第１基材の各凹部の表面は、テフロンで形成されていることが好ましい。
【００１７】
このようにすれば、第１基材の各凹部から、触媒電極ブロックを容易に取り外すことができる。
【００１８】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記工程（Ｄ）後、前記第１基材を前記触媒電極ブロックから取り外す工程を備えることが好ましい、
【００１９】
このようにすれば、膜電極接合体を作成させることができる。
【００２０】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記第１基材と同様な第２基材を用意する工程と、
前記第２基材の各凹部に、前記触媒インクを注入し、前記インク形成物を形成する工程と、
を備え、
前記工程（Ｃ）において、前記第１基材の前記インク形成物と前記第２基材の前記インク形成物とが対向するように配置すると共に、それらの間に前記電解質膜を配設することが好ましい。
【００２１】
このようにすれば、電解質膜上において、触媒電極の目付量が略均一な膜電極接合体を製造することができる。
【００２２】
上記膜電極接合体の製造方法では、
前記工程（Ｄ）後において、前記電解質膜上に蒸発抑制シートを配設することが好ましい、
【００２３】
このようにすれば、電解質膜は、蒸発抑制シートにより水分を失うことを抑制しつつ、第１基材、触媒電極ブロック、および、電解質膜から成るアセンブリを保管することができる。
【００２４】
なお、本発明は、上記した膜電極接合体の製造方法に限ることなく、触媒電極や燃料電池の製造方法など、他の方法発明の態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．ＭＥＡの製造方法：
図１および図２は、本発明の第１実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。本実施例のＭＥＡの製造方法では、まず、一方の面（上面）に複数の凹部１０ａを有する基材１０を用意する（図１：ステップＳ１０）。この基材１０は、金属材料から成り表面がテフロンコーティングされている。なお、図１および図２において、各工程で示される図に対して、ｘ、ｙ、ｚ方向を、右下に図示するように定める。
【００２６】
図３は、基材１０の上面の一部を示す図である。図３に示すように、基材１０には、略同形状な円柱状の凹部１０ａが、上面において、ほぼ一様に分布するように配置されている。従って、各凹部１０ａの体積は、ほぼ同じである。また、基材１０において、凹部１０ａは、上面において千鳥状に配置される。ここで、凹部１０ａ同士の間を凸部１０ｂとも呼ぶ。各凹部１０ａの孔径は、例えば、５ｍｍより小さく、また、各凹部の体積は、例えば、０．５ｃｍ２より小さい。また、本実施例のＭＥＡの製造方法で用いる基材１０は、凹部１０ａを１００個程度有している。なお、基材１０において、凹部１０ａの孔径、数は、本実施例で製造するＭＥＡが用いられる燃料電池の具体的な設計に応じて、適宜決定される。
【００２７】
続いて、電解質溶液２５を用意し、その電解質溶液２５をマルチチャンネルディスペンサ２０を用いて、各凹部１０ａの外周部（凸部１０ｂ）に塗布する（図１：ステップＳ２０）。この電解質溶液２５は、電解質と、エタノールと、水とから成る。電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂を用いることができる。具体的には、マルチチャンネルディスペンサ２０の先端を各凹部１０ａの中心付近に向けて配置し、その先端から同心円状に向かって電解質溶液２５を塗布する。
【００２８】
次に、触媒インク（分散液）３５を用意し、その触媒インク３５をマルチチャンネルディスペンサ３０を用いて、各凹部１０ａ内に注入してインク形成物３５ａを形成する（図１：ステップＳ３０）。この触媒インク３５は、電解質と、触媒担持カーボンと、水とを超音波ホモジナイザ（図示せず）によって混合・分散処理して成る。電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂を用いることができ、触媒担持カーボンに担持される触媒としては、例えば、白金やパラジウムなどを用いることができる。具体的には、マルチチャンネルディスペンサ３０の先端を各凹部１０ａの中心付近に向けて配置し、その先端から下方に触媒インク３５を注入する。この場合、各凹部１０ａの体積より若干多く注入する。そのため、インク形成物３５ａは、円柱状であって、上面が、凸部１０ｂより高く形成され、また、水の表面張力により湾曲状に形成される（図１参照）。
【００２９】
続いて、インク形成物３５ａを乾燥させる（図１：ステップＳ４０）。この場合、例えば、基材１０を８０℃程度の乾燥空気雰囲気下に１０分程度置く。そうすると、インク形成物３５ａ内の水分がとんで、インク形成物３５ａの体積が縮小し凸部１０ｂと同程度の高さとなり、また、上面部が平坦となる（図１参照）。そのため、各インク形成物３５ａは、凸部１０ｂと略同体積の円柱状となり、また、それぞれがほぼ同体積となる。
【００３０】
次に、上記ステップＳ４０の工程を終えた２つの基材１０と、電解質膜４０とを用意し、各基材１０において、インク形成物３５ａが形成された面（凹部１０ａがある面）を対向させ、その間に、電解質膜４０を配設する（図１：ステップＳ５０）。電解質膜４０としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂を用いることができる。
【００３１】
そして、ホットプレス装置２００を用いて、各基材１０で電解質膜４０を挟持するようにホットプレスし、電解質膜４０とインク形成物３５ａとを熱圧着し、電解質膜４０上に触媒電極ブロック３５ｂを形成する（図２：ステップＳ６０）。この場合、ステップＳ２０の工程で塗布した電解質溶液２５が、ホットプレス装置２００の押圧力によって、電解質膜４０とインク形成物３５ａとの間まで広がり、電解質膜４０とインク形成物３５ａとを接着する。
【００３２】
その後、各基材１０を取り外し、電解質膜４０上に触媒電極ブロック３５ｂが形成されたＭＥＡが完成する（図２：ステップＳ７０）。この場合、基材１０は、テフロンコーティングされているので、基材１０から容易に触媒電極ブロック３５ｂを取り外すことができる。
【００３３】
以上のように、本実施例のＭＥＡの製造方法では、略同形状であり、上面においてほぼ一様に分布する複数の凹部１０ａを有する基材１０を用いて、それと略同形状の触媒電極ブロック３５ｂを電解質膜４０上に形成するようにしている。このようにすれば、電解質膜４０上に、略同形状でほぼ一様に分布するように配置される触媒電極ブロック３５ｂを形成することができ、その結果、電解質膜４０上において、単位面積辺りの触媒電極の目付量［ｍｇ／ｃｍ２］を略均一に形成することができる。また、これにより、電解質膜４０上において、単位面積辺りの触媒電極の目付量を正確に測定することが可能となる。
【００３４】
さらに、本実施例のＭＥＡの製造方法では、触媒インク３５を基材１０の凹部１０ａに注入する前に、各凹部１０ａ間の凸部１０ｂに電解質溶液を塗布している。このようにすれば、触媒インク３５を凹部１０ａに注入した際に、凹部１０ａから溢れた場合であっても、隣の凹部１０ａに流入することを抑制することができ、各凹部１０ａのインク形成物３５ａの体積がばらつくのを抑制することができる。
【００３５】
なお、基材１０は、請求項における第１基材に該当し、触媒インク３５は、請求項における触媒インクに該当し、電解質膜４０は、請求項における電解質膜に該当し、触媒電極ブロック３５ｂは、請求項における触媒電極ブロックに該当する。
【００３６】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．ＭＥＡの製造方法：
図４および図５は、本発明の第２実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。本実施例のＭＥＡの製造方法は、第１実施例のＭＥＡの製造方法（図１，図２参照）と、ステップＳ４０の工程まで同様であり、これらの詳細な説明は省略する。なお、本実施例のＭＥＡの製造方法では、後述のアセンブリＡＳＳＹを作成するが、そのアセンブリＡＳＳＹは、後述のステップＳ１３０の工程まで終了すると一時保管する。そして、必要な場合に適宜、そのアセンブリＡＳＳＹを用いて、ＭＥＡを完成させる。
【００３７】
ステップＳ４０の工程で、インク形成物３５ａを乾燥後、続いて、薄い電解質膜（以下では、第１電解質膜とも呼ぶ）４０ａを用意し、インク形成物３５ａ（基材１０）上に、配設する（図４：ステップＳ１１０）。第１電解質膜４０ａとしては、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂を用いることができる。
【００３８】
次に、ホットプレス装置２００を用いて、第１電解質膜４０ａとインク形成物３５ａとを熱圧着し、第１電解質膜４０ａ上に触媒電極ブロック３５ｂを形成する（図４：ステップＳ１２０）。この場合、ステップＳ２０の工程で塗布した電解質溶液２５が、ホットプレス装置２００の押圧力によって、第１電解質膜４０ａとインク形成物３５ａとの間に移動し、第１電解質膜４０ａとインク形成物３５ａとを接着する。なお、以下では、第１電解質膜４０ａと、触媒電極ブロック３５ｂを有する基材１０との接合体をアセンブリＡＳＳＹとも呼ぶ。
【００３９】
次に、アセンブリＡＳＳＹの第１電解質膜４０ａ上に、蒸発抑制シート５０を貼り付ける（図４：ステップＳ１３０）。この蒸発抑制シート５０は、第１電解質膜４０ａからの水分が蒸発することを抑制することができればよく、例えば、薄膜状のテフロンシートなどを用いることができる。これにより、アセンブリＡＳＳＹの第１電解質膜４０ａは、蒸発抑制シート５０により水分を失うことを抑制しつつ、アセンブリＡＳＳＹを保管することができる。この蒸発抑制シート５０は、請求項における蒸発抑制シートに該当する。
【００４０】
一時保管後、ＭＥＡを完成させるために、まず、上記ステップＳ１３０の工程を終えた２つのアセンブリＡＳＳＹを用意し、それぞれ蒸発抑制シート５０を剥がす（図５：ステップＳ１５０）。
【００４１】
次に、第１電解質膜４０ａより厚い電解質膜（以下では、第２電解質膜とも呼ぶ。）４０ｂを用意し、各アセンブリＡＳＳＹにおいて、第１電解質膜４０ａが形成された面を対向させ、その間に、第２電解質膜４０ｂを配設する（図５：ステップＳ１６０）。第２電解質膜４０ｂとしては、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂を用いることができる。
【００４２】
そして、ホットプレス装置２００を用いて、各アセンブリＡＳＳＹで第２電解質膜４０ｂを挟持するようにホットプレスし、第２電解質膜４０ｂとアセンブリＡＳＳＹの４０ａとを熱圧着する（図５：ステップＳ１７０）。これにより、第２電解質膜４０ｂと各第１電解質膜４０ａとが一つの電解質膜（以下では、電解質膜４００と呼ぶ）として形成される。
【００４３】
その後、各基材１０を取り外し、電解質膜４００上に触媒電極ブロック３５ｂが形成されたＭＥＡが完成する（図５：ステップＳ１８０）。
【００４４】
以上のように、本実施例のＭＥＡの製造方法では、一旦、第１電解質膜４０ａと触媒電極ブロック３５ｂとを備えるアセンブリＡＳＳＹを作成しておき、適宜、それを用いてＭＥＡを製造している。このようにすれば、電解質膜に触媒電極ブロック３５ｂを一つ一つ熱圧着する必要なく、各触媒電極ブロック３５ｂと圧着された第１電解質膜４０ａを、第２電解質膜４０ｂと熱圧着することによりＭＥＡを作成することができる。すなわち、必要な時に、アセンブリＡＳＳＹ用いて、素早く容易にＭＥＡを作成することができる。
【００４５】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００４６】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例のＭＥＡの製造法では、各凹部１０ａが円柱状の基材１０を用いているが、本発明は、これに限られるものではない。凹部１０ａの形状は、それぞれ体積が同一であればよく、例えば、三角錐や円錐などの錐、三角柱や五角柱などの多角柱、立方体、および、直方体などとしてもよい。
【００４７】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例のＭＥＡの製造方法では、基材１０にテフロンコーティングするようにしているが、基材１０の各凹部１０ａの表面がテフロンコーティングされていればよく、例えば、基材１０そのものをテフロンで形成するようにしてもよい。
【００４８】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例のＭＥＡの製造方法では、基材１０の各凹部１０ａは、基材１０の表面に千鳥状に配置されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、各凹部１０ａは、基材１０の表面に格子状に配置されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の第１実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】基材１０の上面の一部を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施例における燃料電池用ＭＥＡの製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１０...基材
１０ａ...凹部
２０...マルチチャンネルディスペンサ
２５...電解質溶液
３０...マルチチャンネルディスペンサ
３５...触媒インク
３５ａ...インク形成物
３５ｂ...触媒電極ブロック
４０...電解質膜
４０ａ...第１電解質膜
４０ｂ...第２電解質膜
５０...蒸発抑制シート
２００...ホットプレス装置
４００...電解質膜
【図１】
2008171645.tif 000003
【図２】
2008171645.tif 000004
【図３】
2008171645.tif 000005
【図４】
2008171645.tif 000006
【図５】
2008171645.tif 000007