(57)【要約】【課題】接触抵抗を低減させることが可能な燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】第１炭化水素系電解質膜の一方の面に第１触媒層を作製する第１触媒層作製工程Ｓ３と、第２炭化水素系電解質膜の一方の面に第２触媒層を作製する第２触媒層作製工程Ｓ４と、第１触媒層が作製された第１炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び／又は、第２触媒層が作製された第２炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程Ｓ５と、該溶媒塗布工程Ｓ５後に、第１炭化水素系電解質膜の他方の面と第２炭化水素系電解質膜の他方の面とを接合させる電解質膜接合工程Ｓ６と、を備える、燃料電池の製造方法とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１炭化水素系電解質膜の一方の面に第１触媒層を作製する第１触媒層作製工程と、
第２炭化水素系電解質膜の一方の面に第２触媒層を作製する第２触媒層作製工程と、
前記第１触媒層が作製された前記第１炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び／又は、前記第２触媒層が作製された前記第２炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程と、
該溶媒塗布工程後に、前記第１炭化水素系電解質膜の前記他方の面と前記第２炭化水素系電解質膜の前記他方の面とを接合させる電解質膜接合工程と、
を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記第１触媒層作製工程において、前記第１触媒層は、前記第１炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製されるとともに、前記第２触媒層作製工程において、前記第２触媒層は、前記第２炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製され、
前記溶媒塗布工程において、前記第１炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁、及び／又は、前記第２炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る前記溶媒が塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記第１触媒層及び前記第２触媒層に、フッ素系アイオノマーが備えられ、
前記第１触媒層作製工程において、流動状態の前記第１触媒層を前記第１炭化水素系電解質膜の前記一方の面に配置した後、該流動状態の前記第１触媒層と第１拡散層とを接触させて作製された第１積層体を乾燥することにより、前記第１触媒層が作製され、
前記第２触媒層作製工程において、流動状態の前記第２触媒層を前記第２炭化水素系電解質膜の前記一方の面に配置した後、該流動状態の前記第２触媒層と第２拡散層とを接触させて作製された第２積層体を乾燥することにより、前記第２触媒層が作製されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記第１触媒層作製工程において、前記第１触媒層は、前記第１炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製されるとともに、前記第２触媒層作製工程において、前記第２触媒層は、前記第２炭化水素系電解質膜の前記一方の面の中央部に作製され、
前記溶媒塗布工程において、前記第１炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁、及び／又は、前記第２炭化水素系電解質膜の前記他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る前記溶媒が塗布されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法に関し、特に、接触抵抗を低減させることが可能な燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述することがある。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述することがある。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、含水状態に保たれてプロトン伝導性能を発現する電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、接触抵抗を低減する等の観点から、スタック形態の燃料電池の両端側からは、締結圧力（以下、「圧縮圧力」ということがある。）が加えられる。
【０００４】
現在、ＰＥＦＣの電解質膜としては化学的安定性や耐久性等に優れるフッ素系電解質膜が多く用いられている。しかし、フッ素系電解質膜には、高温（例えば、８０℃以上等）での使用が困難であるとともに、高価である等の問題がある。それゆえ、近年、フッ素系電解質膜に代わる電解質膜として、炭化水素系電解質膜の開発が進められている。
【０００５】
ＰＥＦＣに関する技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、触媒とプロトン導電性ポリマー、あるいは、触媒とプロトン導電性ポリマーと撥水材を溶媒に分散させてペーストを作製し、該ペーストをガス拡散基材の上に塗布してガス拡散基材／触媒層の接合体を作製し、該ガス拡散基材／触媒層の接合体の触媒層の上にプロトン導電性ポリマーを塗布してガス拡散基材／触媒層／電解質層の接合体を作製し、次いで、２枚の該ガス拡散基材／触媒層／電解質層の接合体を互いに電解質層を面して重ね合わせて、固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散基材／触媒層／電解質膜接合体を作製することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法が開示されている。かかる発明によれば、ガス拡散基材と触媒層の間の接触抵抗を低く抑え、触媒層と電解質膜との間のプロトン導電性を高くすることが可能となり、高い電池特性を有する固体高分子電解質型燃料電池が得られる、としている。
【０００６】
また、特許文献２には、電解質膜とガス拡散層とを用意する工程と、前記電解質膜と前記ガス拡散層とを触媒層を介して重ねた状態で加圧して膜電極接合体を形成する接合工程とを実施する膜電極接合体の製造方法において、前記接合工程は、前記電解質膜の表出面の表層を一時的に液相化または軟化させた状態で行うことを特徴とする膜電極接合体の製造方法が開示されている。かかる発明によれば、電解質膜とガス拡散層との界面の接合性を高めつつ、電解質膜の損傷を抑制するのに有利である、としている。
【特許文献１】特開２００２−２０８４１４号公報
【特許文献２】特開２００５−２２２８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示されている発明では、電解質膜同士を熱圧着のみで接着しているため、接触抵抗が増加して発電性能が低下しやすいという問題があった。さらに、特許文献１に開示されている発明では、ガス拡散層の上にペーストが塗布されるため、ガス拡散層のガス拡散性能が低下しやすいという問題もあった。また、特許文献２に開示されている発明では、触媒層とガス拡散層との界面で接触抵抗が増加して発電性能が低下しやすいという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、第１炭化水素系電解質膜の一方の面に第１触媒層を作製する第１触媒層作製工程と、第２炭化水素系電解質膜の一方の面に第２触媒層を作製する第２触媒層作製工程と、第１触媒層が作製された第１炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部、及び／又は、第２触媒層が作製された第２炭化水素系電解質膜の他方の面の少なくとも一部に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒を塗布する溶媒塗布工程と、該溶媒塗布工程後に、第１炭化水素系電解質膜の上記他方の面と第２炭化水素系電解質膜の上記他方の面とを接合させる電解質膜接合工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
【００１０】
ここで、「炭化水素系電解質膜」とは、プロトン伝導性を有する炭化水素系アイオノマーを備える固体高分子膜を意味し、炭化水素系電解質膜の具体例としては、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）を挙げることができる。また、本発明では、ガラス転移温度（Ｔｇ）が１８０℃以上の炭化水素系電解質膜を用いることが好ましい。さらに、「一方の面」及び「他方の面」は、炭化水素系電解質膜表面の一対の面を意味し、例えば、「一方の面」が「上面」である場合、「他方の面」は「下面」を意味し、「一方の面」が「右側面」の場合、「他方の面」は「左側面」を意味する。加えて、「第１触媒層」及び「第２触媒層」（以下、これらをまとめて単に「触媒層」ということがある。）に備えられるアイオノマーの具体例としては、パーフルオロスルホン酸系アイオノマー（フッ素系アイオノマー）や炭化水素系アイオノマー等を挙げることができる。さらにまた、触媒層に備えられる触媒の具体例としては、白金、白金合金、白金黒粒子等を挙げることができる。さらに、「第１触媒層が作製された第１炭化水素系電解質膜の他方の面」とは、第１触媒層が作製された第１炭化水素系電解質膜の一方の面の反対側の面を意味する。「第２触媒層が作製された第２炭化水素系電解質膜の他方の面」も同様である。加えて、「炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒」とは、ＰＥＦＣの電解質膜として利用可能な炭化水素系電解質膜（上記第１炭化水素系電解質膜及び第２炭化水素系電解質膜を含む。）を溶解させることが可能な溶媒を意味し、その具体例としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等を挙げることができる。以下、第１炭化水素系電解質膜と第２炭化水素系電解質膜とをまとめて、単に「炭化水素系電解質膜」ということがある。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の製造方法の、第１触媒層作製工程において、第１触媒層は、第１炭化水素系電解質膜の中央部に作製されるとともに、上記第２触媒層作製工程において、第２触媒層は、第２炭化水素系電解質膜の中央部に作製され、上記溶媒塗布工程において、第１炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁、及び／又は、第２炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る上記溶媒が塗布されることを特徴とする。
【００１２】
ここで、「第１炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁」とは、第１炭化水素系電解質膜の一方の面の中央部（例えば、上面中央部）に作製された第１触媒層の周囲（例えば、第１炭化水素系電解質膜の上面外縁）の反対側の面（例えば、下面）の外縁を意味する。「第２炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁」も同様である。さらに、「第１炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒が塗布される」とは、第１炭化水素系電解質膜の他方の面（例えば、下面）の外縁全体に亘って、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒（以下、「溶解溶媒」ということがある。）が塗布される形態のみならず、第１炭化水素系電解質膜の他方の面（例えば、下面）の外縁の一部にのみ、溶解溶媒が塗布される形態をも含む概念である。「第２炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒が塗布される」についても同様である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、第１触媒層及び第２触媒層に、フッ素系アイオノマーが備えられ、第１触媒層作製工程において、流動状態の第１触媒層を第１炭化水素系電解質膜の一方の面に配置した後、該流動状態の第１触媒層と第１拡散層とを接触させて作製された第１積層体を乾燥することにより、第１触媒層が作製され、第２触媒層作製工程において、流動状態の第２触媒層を第２炭化水素系電解質膜の一方の面に配置した後、該流動状態の第２触媒層と第２拡散層とを接触させて作製された第２積層体を乾燥することにより、第２触媒層が作製されることを特徴とする。
【００１４】
ここで、「フッ素系アイオノマー」の具体例としては、Ｎａｆｉｏｎ（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標。以下において同じ。）やフレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等に含まれる高分子を挙げることができる。さらに、「流動状態の第１触媒層」とは、フッ素系アイオノマーを溶解させ得る溶媒（例えば、水−アルコール混合溶液）中に、少なくとも、第１触媒層を構成する物質（フッ素系アイオノマーや触媒等）を分散させることによりインク状にした、インク状の第１触媒層を意味する。「流動状態の第２触媒層」も同様である。加えて、「第１拡散層」及び「第２拡散層」の具体例としては、カーボンペーパー等を挙げることができ、流動状態の第１触媒層と接触する側の第１拡散層表面や、流動状態の第２触媒層と接触する側の第２拡散層表面に、撥水層が備えられる構成とすることも可能である。第１拡散層及び／又は第２拡散層に撥水層が備えられる場合、当該撥水層の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の層等を挙げることができる。さらにまた、「乾燥」の具体例としては、１６０℃等の温度環境下で行われる真空乾燥を挙げることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池の製造方法において、第１触媒層は、第１炭化水素系電解質膜の一方の面の中央部に作製されるとともに、第２触媒層作製工程において、第２触媒層は、第２炭化水素系電解質膜の一方の面の中央部に作製され、溶媒塗布工程において、第１炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁、及び／又は、第２炭化水素系電解質膜の他方の面の外縁に、炭化水素系電解質膜を溶解させ得る溶媒が塗布されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、少なくとも、炭化水素系電解質膜の他方の面（例えば、下面）の一部が溶解溶媒によって溶解されるので、当該溶解された箇所を介して、第１炭化水素系電解質膜と第２炭化水素系電解質膜とを接合することができる。それゆえ、電解質膜同士を強固に接合できるので、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池の製造方法を提供できる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、炭化水素系電解質膜の他方の面（例えば、下面）の中央部が溶解溶媒によって溶解されないので、さらに、炭化水素系電解質膜のプロトン伝導性能低下を抑制できる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、炭化水素系電解質膜並びに第１拡散層及び第２拡散層の表面を溶融又は溶解させずに、炭化水素系電解質膜と触媒層と第１拡散層及び第２拡散層との密着性を向上させることができる。しがって、かかる構成とすることにより、容易に接触抵抗を低減させることが可能な燃料電池の製造方法を提供できる。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、炭化水素系電解質膜の他方の面（例えば、下面）の中央部が溶解溶媒によって溶解されないので、さらに、炭化水素系電解質膜のプロトン伝導性能低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
多部材が積層されることにより構成される形態のＰＥＦＣでは、部材数が増加するほど積層界面における接触抵抗が増加しやすいため、当該接触抵抗を低減することにより、ＰＥＦＣの発電性能を向上させることが望まれている。そして、この接触抵抗の増加は、拡散層が備えられる形態のＰＥＦＣにおいて顕著であり、特に、炭化水素系電解質膜が備えられる形態のＰＥＦＣにおいて顕著である。そのため、接触抵抗を低減することが可能な、炭化水素系電解質膜を備えるＰＥＦＣの製造方法の開発が望まれている。
【００２１】
本発明は、かかる観点からなされたものであり、その第１の要旨は、他方の面（例えば、下面）の少なくとも一部を溶解させた２枚の炭化水素系電解質膜を接合する工程を経て燃料電池を製造することにより、炭化水素系電解質膜の接触抵抗を低減し得る燃料電池の製造方法を提供することにある。さらに、本発明の第２の要旨は、流動状態の触媒層を挟む形態で電解質膜と拡散層とを配置して、電解質膜と触媒層と拡散層とを接合することにより、電解質膜と触媒層と拡散層との界面の接触抵抗を低減し得る燃料電池の製造方法を提供することにある。
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、以下の説明では、「一方の面」が「上面」であり、「他方の面」が「下面」である形態について説明するが、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００２３】
図１は、本発明の燃料電池の製造方法の工程を概略的に示すフローチャートである。図２は、第１触媒層作製工程の形態例を示す概略図である。図３は、本発明の燃料電池の製造方法により製造される、燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。図３は、紙面両側から締結圧力が加えられている状態の燃料電池を概略的に示しており、図３では、セパレータに備えられる反応ガス流路及び熱媒体流路の記載、並びに、単セル内に備えられるシール部材等の記載を省略している。ここで、本発明の燃料電池の製造方法に備えられる第１触媒層作製工程及び第２触媒層作製工程は、同様の手順を経る工程であるため、図２では、第１触媒層作製工程に備えられる各工程及び当該工程で使用される各部材・物質の符号とともに、対応する第２触媒層作製工程に備えられる各工程及び当該工程で使用される各部材・物質の符号を括弧書きで付記している。以下、図１〜図３を適宜参照するとともに、図３で用いた符号を使用しつつ、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。
【００２４】
図１に示すように、本発明の燃料電池の製造方法には、第１炭化水素系電解質膜１ａを作製する第１電解質膜作製工程Ｓ１（工程Ｓ１）と、第２炭化水素系電解質膜１ｂを作製する第２電解質膜作製工程Ｓ２（工程Ｓ２）と、第１触媒層作製工程Ｓ３（工程Ｓ３）と、第２触媒層作製工程Ｓ４（工程Ｓ４）と、溶媒塗布工程Ｓ５（工程Ｓ５）と、電解質膜接合工程Ｓ６（工程Ｓ６）と、が備えられ、上記工程Ｓ１〜工程Ｓ６を経て作製された積層体の両側にセパレータ６、７を配設する、セパレータ配設工程Ｓ７（工程Ｓ７）等を経ることにより、燃料電池１０が製造される。
【００２５】
＜第１電解質膜作製工程Ｓ１＞
工程Ｓ１は、上面に第１触媒層２が作製される第１炭化水素系電解質膜（以下、「第１電解質膜」ということがある。）１ａを作製する工程である。工程Ｓ１の具体例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等により構成される平滑な基材の上に、ＮＭＰ等に代表される非プロトン性極性溶媒に溶解させた炭化水素系アイオノマーを塗布し、乾燥させた後、温水等で洗浄することにより非プロトン性極性溶媒を除去して、上記基材上に第１電解質膜１ａを作製する形態等を挙げることができる。
【００２６】
＜第２電解質膜作製工程Ｓ２＞
工程Ｓ２は、上面に第２触媒層３が作製される第２炭化水素系電解質膜（以下、「第２電解質膜」ということがある。）１ｂを作製する工程である。工程Ｓ２の具体例としては、上記工程Ｓ１で例示した形態等を挙げることができる。
【００２７】
＜第１触媒層作製工程Ｓ３＞
工程Ｓ３は、上記工程Ｓ１で平滑な基材上に作製された第１電解質膜１ａの上面中央部に、第１触媒層２を作製する工程である。図２に示すように、工程Ｓ３には、第１電解質膜１ａの上面中央部に流動状態の第１触媒層（以下、流動状態の第１触媒層を「第１触媒層２’」ということがある。）を配置する第１触媒層配置工程Ｓ３１（工程Ｓ３１）と、第１触媒層２’の上へ予め高温で焼成された第１拡散層４を配置して積層体を作製する第１拡散層配置工程Ｓ３２（工程Ｓ３２）と、上記積層体を乾燥することにより第１触媒層２’から溶媒を揮発させて多孔体形態の第１触媒層２を備える第１積層体（以下、「第１積層体８」という。）を作製する乾燥工程Ｓ３３（工程Ｓ３３）と、が備えられる。そして、工程Ｓ３１〜工程Ｓ３３を経ることにより、第１電解質膜１ａと第１拡散層４との間に第１触媒層２が作製される。このように、工程Ｓ３では、第１電解質膜１ａ及び第１拡散層４によって挟まれた第１触媒層２を乾燥することで、多孔体形態の第１触媒層２が作製されるので、第１電解質膜１ａと第１触媒層２とを良好に接合でき、さらに、第１触媒層２と第１拡散層４とを良好に接合できる。したがって、工程Ｓ３を備える本発明によれば、第１電解質膜１ａと第１触媒層２との界面における接触抵抗、及び、第１触媒層２と第１拡散層４との界面における接触抵抗を低減することができる。
【００２８】
本発明において、工程Ｓ３１の具体例としては、水とアルコールの混合溶液と、フッ素系アイオノマーを含有する溶液（例えば、Ｎａｆｉｏｎ溶液等）と、界面活性剤（例えば、プロピレングリコール等）とを混錬することにより作製した触媒インクを第１電解質膜１ａの上面中央部に配置し、アプリケータを用いて触媒インクを伸ばすことにより、第１電解質膜１ａの上面中央部に第１触媒層２’を配置する形態等を挙げることができる。なお、第１電解質膜１ａは炭化水素系電解質膜なので、上記混合溶液によっては溶解しない。そのため、当該形態の工程Ｓ３１を備える工程Ｓ３によれば、溶解した第１電解質膜が第１触媒層内に侵入して第１触媒層の透気度を低下させることはない。
【００２９】
工程Ｓ３２で第１触媒層２’の上へ配置される第１拡散層４の具体例としては、カーボンペーパーの表面に撥水層としてのＰＴＦＥ層が設けられている形態等を挙げることができ、工程Ｓ３２の具体例としては、第１触媒層２’とカーボンペーパーからなる基材層４ａとの間にＰＴＦＥを備える撥水層４ｂが存在する形態で、基材層４ａ及び撥水層４ｂを備える第１拡散層４が配置される形態等を挙げることができる。
【００３０】
工程Ｓ３３の具体例としては、工程Ｓ３２で作製された積層体を、撥水層４ｂを構成するＰＴＦＥのガラス転移温度（Ｔｇ）よりも低温の１６０℃で、真空乾燥する形態等を挙げることができる。上述のように、本発明では、第１触媒層２’が第１電解質膜１ａと第１拡散層４との間に配置する工程を経て、優れた接合界面を備える第１積層体８が作製されるため、電解質膜や拡散層の表面を流動状態にする必要がない。それゆえ、撥水層４ｂとしてＰＴＦＥが備えられる形態の燃料電池１０を製造することができる。ここで、ＰＴＦＥは良好な撥水性を有する。そのため、本発明によれば、接触抵抗の低減のみならず、フラッディングの抑制により発電性能を向上させることが可能な、燃料電池１０を提供できる。なお、本発明では、炭化水素系電解質膜を用いているため、工程Ｓ３３において第１電解質膜１ａは流動状態にならない。そのため、流動状態の第１電解質膜が第１触媒層中に侵入して第１触媒層の多孔度を低下させることはない。
【００３１】
＜第２触媒層作製工程Ｓ４＞
工程Ｓ４は、上記工程Ｓ２で平滑な基材上に作製された第２電解質膜１ｂの上面中央部に、第２触媒層３を作製する工程である。図２に括弧書きで示すように、工程Ｓ４には、第２電解質膜１ｂの上面中央部に流動状態の第２触媒層（以下、流動状態の第２触媒層を「第２触媒層３’」ということがある。）を配置する第２触媒層配置工程Ｓ４１（工程Ｓ４１）と、第２触媒層３’の上へ予め高温で焼成された第２拡散層５を配置して積層体を作製する第２拡散層配置工程Ｓ４２（工程Ｓ４２）と、工程Ｓ４２で作製された積層体を乾燥することにより第２触媒層３’から溶媒を揮発させて多孔体形態の第２触媒層３を備える第２積層体（以下、「第２積層体９」という。）を作製する乾燥工程Ｓ４３（工程Ｓ４３）と、が備えられる。そして、工程Ｓ４１〜工程Ｓ４３を経ることにより、第２電解質膜１ｂと第２拡散層５との間に多孔体形態の第２触媒層３が作製される。このように、工程Ｓ４では、工程Ｓ３と同様に、第２電解質膜１ｂ及び第２拡散層５によって挟まれた第２触媒層３’を乾燥することで、多孔体形態の第２触媒層３が作製されるので、第２電解質膜１ｂと第２触媒層３とを良好に接合でき、さらに、第２触媒層３と第２拡散層５とを良好に接合できる。したがって、工程Ｓ４を備える本発明によれば、第２電解質膜１ｂと第２触媒層３との界面における接触抵抗、及び、第２触媒層３と第２拡散層５との界面における接触抵抗を低減することができる。
【００３２】
本発明において、工程Ｓ４１の具体例としては、上記工程Ｓ３１で例示した形態等を、工程Ｓ４２の具体例としては、上記工程Ｓ３２で例示した形態等を、工程Ｓ４３の具体例としては、上記工程Ｓ３３で例示した形態等を、それぞれ挙げることができる。
【００３３】
＜溶媒塗布工程Ｓ５＞
工程Ｓ５は、上記工程Ｓ３で作製された第１積層体８から基材を剥離した面（第１電解質膜１ａの下面）の少なくとも一部、及び／又は、上記工程Ｓ４で作製された第２積層体９から基材を剥離した面（第２電解質膜１ｂの下面）の少なくとも一部に、溶解溶媒を塗布する工程である。ここで、本発明の工程Ｓ５は、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂとを接合可能な形態で溶解溶媒が塗布されていれば良い。そのため、溶解溶媒は、第１電解質膜１ａ又は第２電解質膜１ｂの一方の下面にのみ塗布しても良く、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂの両方の下面に塗布しても良い。
【００３４】
また、本発明の工程Ｓ５において、溶解溶媒が塗布される第１電解質膜１ａ及び／又は第２電解質膜１ｂの下面部位は、特に限定されるものではない。ただし、溶解溶媒によって電解質膜が溶解されて電解質膜の構造が変化することによるプロトン伝導性能の低下や、電解質膜中に残存した溶解溶媒によるプロトン伝導性能の低下を抑制する等の観点からは、第１電解質膜１ａ及び／又は第２電解質膜１ｂの下面中央部以外の部位（下面外縁）に、溶解溶媒を塗布することが好ましい。下面外縁に溶解溶媒が塗布されれば、電解質膜１の上面中央部に作製された触媒層２、３から電解質膜１へのプロトンの移動、又は、電解質膜１から上記触媒層２、３へのプロトン移動が妨げられないので、プロトン伝導性能の低下を抑制することが可能になる。
【００３５】
＜電解質膜接合工程Ｓ６＞
工程Ｓ６は、上記工程Ｓ５の後に備えられ、上記第１電解質膜１ａの下面と上記第２電解質膜１ｂの下面とを接合する工程である。上記工程Ｓ５において、少なくとも、第１電解質膜１ａの下面の一部、及び／又は、第２電解質膜１ｂの下面の一部に、溶解溶媒によって溶解された溶解部が備えられるため、当該溶解部を介して、第１電解質膜１ａの下面と第２電解質膜１ｂの下面とを接合させることができる。ここで、第１電解質膜１ａの下面及び第２電解質膜１ｂの下面は、平滑な基材と接触していた平滑面であり、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂは共に炭化水素系電解質膜である。そのため、本発明では、上記溶接部を介して、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂを強固に接合することができる。したがって、本発明によれば、第１電解質膜と第２電解質膜とが単に熱圧着される形態と比較して、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂとを強固に接合することができ、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂとの界面における接触抵抗を低減することができる。
【００３６】
＜セパレータ配設工程Ｓ７＞
工程Ｓ７は、上記工程Ｓ６の後に備えられ、上記工程Ｓ６において作製された、電解質膜１と第１触媒層２及び第２触媒層３と第１拡散層４及び第２拡散層５とを備える積層体の両側に、セパレータ６、７を配設する工程である。このようにして、積層体の両側にセパレータ６、７を配設することで、ＰＥＦＣの単セルを作製することができる。
【００３７】
図３に示すように、本発明の製造方法により製造される燃料電池１０は、第１電解質膜１ａの下面と第２電解質膜１ｂの下面とが接合されることにより一体化された電解質膜１と、電解質膜１の一方の側に備えられる第１触媒層２と、電解質膜１の他方の側に備えられる第２触媒層３と、第１触媒層２側に備えられる第１拡散層４と、第２触媒層３側に備えられる第２拡散層５と、第１拡散層４側に備えられる第１セパレータ６と、第２拡散層５側に備えられる第２セパレータ７と、を有している。燃料電池１０において、第１拡散層４には、カーボンペーパーからなる基材層４ａとＰＴＦＥからなる撥水層４ｂが備えられ、第２拡散層５には、カーボンペーパーからなる基材層５ａとＰＴＦＥからなる撥水層５ｂが備えられている。
【００３８】
上記工程Ｓ１〜工程Ｓ７を経て製造される燃料電池１０は、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂが上記溶解部を介して接合されているので、電解質膜１内部の接触抵抗を低減できる。さらに、第１電解質膜１ａと第２電解質膜１ｂは、下面外縁に溶解溶媒が塗布されているので、第１触媒層２と第２触媒層３との間のプロトン伝導が、溶解溶媒によって妨げられることがない。加えて、第１電解質膜１ａの上面に配置された流動状態の第１触媒層２’の上に第１拡散層４が積層された後、乾燥して多孔質形態の第１触媒層２とされているので、電解質膜１と第１触媒層２との界面における接触抵抗を低減できるほか、第１触媒層２と撥水層４ｂとの界面における接触抵抗を低減できる。また、同様にして、第２電解質膜１ｂの上面に配置された流動状態の第２触媒層３’の上に第２拡散層５が積層された後、乾燥して多孔質形態の第２触媒層３とされているので、電解質膜１と第２触媒層３との界面における接触抵抗を低減でき、さらに、第２触媒層３と撥水層５ｂとの界面における接触抵抗を低減できる。したがって、上記工程Ｓ１〜工程Ｓ７を経ることによって、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池１０を製造できる。
【００３９】
上記説明では、拡散層４、５に撥水層４ｂ、５ｂが備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されず、撥水層が備えられない形態であっても良い。ただし、排水性を向上させてフラッディングの発生頻度を低減することで発電性能を向上させる等の観点からは、撥水層が備えられる形態とすることが好ましい。また、これまで、第１拡散層４及び第２拡散層５が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。ただし、第１触媒層及び第２触媒層へ反応ガスを均一に供給して電気化学反応の効率を向上させる等の観点からは、第１拡散層及び第２拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。
【実施例】
【００４０】
以下、図２、図３で使用した符号を適宜付しつつ、本発明の実施例について説明する。
【００４１】
１．単セルの作製
非プロトン性極性溶媒に溶解させたスルホン化ポリアリーレンからなる炭化水素系電解質膜を、ＰＥＴ基材上にキャストして乾燥させた後、洗浄して溶媒を除去することにより、基材上に電解質膜１ａを作製した。次に、この基材上に作製された電解質膜１ａの上に、白金担持カーボン、Ｎａｆｉｏｎ溶液、水、及びアルコールを含有する触媒インクを塗布し、アプリケータを用いて伸ばすことにより、電解質膜１ａの上面中央部に流動状態の触媒層２’を配置した。その後、カーボンペーパーからなる基材層４ａ、及び、炭素微粒子とＰＴＦＥからなる撥水層４ｂを備える拡散層４を、上記流動状態の触媒層２’の上へ静置することにより、基材上に積層体を作製した。そして、この積層体を１６０℃で真空乾燥して触媒層２’から溶媒を除去した後、基材を剥離して、第１積層体８を作製した。以下、第１積層体８と同様の手順により第２積層体９を作製した。そして、第１積層体８に備えられる電解質膜１ａの下面外縁にＮＭＰを塗布し、ＮＭＰが塗布された電解質膜１ａの下面と、第２積層体９に備えられる電解質膜１ｂの下面とを張り合わせ、１００℃、３ＭＰａで全体を熱圧着した。その後、拡散層４及び拡散層５の外側へセパレータ６、７を配置して、実施例１にかかる単セルを作製した。
一方、電解質膜１ａの下面全面に亘ってＮＭＰを塗布したほかは、上記手順と同様の手順により、実施例２にかかる単セルを作製した。
【００４２】
２．Ｉ−Ｖ特性
実施例１にかかる単セル及び実施例２にかかる単セルを、それぞれ８０℃に保ち、第１触媒層２へフル加湿の水素含有ガスを、第２触媒層３へフル加湿の酸素含有ガスをそれぞれ供給して、Ｉ−Ｖ特性を調べた。結果を図４に示す。図４において、縦軸が電圧［Ｖ］、横軸が電流密度［Ａ／ｃｍ２］である。
【００４３】
図４より、本発明の製造方法により製造された実施例１にかかる単セル及び実施例２にかかる単セルは、いずれも良好なＩ−Ｖ特性を示した。また、電流密度を一定値とした場合の電圧値は、実施例１にかかる単セルが実施例２にかかる単セルよりも高い値を示した。したがって、溶解溶媒を下面外縁にのみ塗布することで、燃料電池の性能がより一層向上することが確認された。一方、電解質膜の下面に溶解溶媒を塗布しない場合（比較例）、１００℃、３ＭＰａの条件では、２枚の電解質膜を接合することができない。そのため、上記実施例１にかかる単セル及び上記実施例２にかかる単セルと同じ条件でＩ−Ｖ特性を調べても、接触抵抗値が大き過ぎ、比較例にかかる単セルでは電流が流れなかった。以上より、本発明によれば、炭化水素系電解質膜を備える燃料電池の接触抵抗を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の燃料電池の製造方法の工程を概略的に示すフローチャートである。
【図２】第１触媒層作製工程の形態例を示す概略図である。
【図３】本発明により製造される燃料電池の形態例を示す断面図である。
【図４】実施例の結果（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  電解質膜
１ａ  第１電解質膜
１ｂ  第２電解質膜
２  第１触媒層
３  第２触媒層
４  第１拡散層
４ａ  基材層
４ｂ  撥水層
５  第２拡散層
５ａ  基材層
５ｂ  撥水層
６、７  セパレータ
１０  燃料電池
【図１】
2008053167.tif 000003
【図２】
2008053167.tif 000004
【図３】
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【図４】
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