(57)【要約】【課題】容易に集電部材を強固に接合することができる燃料電池およびその燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】電解質膜または膜電極接合体上にメッキによって形成された集電部材を備えた燃料電池である。また、電解質膜または膜電極接合体の表面の一部にマスクを設置する第１工程と、マスク設置後の電解質膜または膜電極接合体の表面上にメッキにより集電部材を形成する第２工程と、マスクを除去する第３工程と、を含む、燃料電池の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜上にメッキによって形成された集電部材を備えたことを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
電解質膜上に形成された導電層と、前記導電層上にメッキによって形成された集電部材と、を備えたことを特徴とする、燃料電池。
【請求項３】
膜電極接合体上にメッキによって形成された集電部材を備えたことを特徴とする、燃料電池。
【請求項４】
膜電極接合体上に形成された導電層と、前記導電層上にメッキによって形成された集電部材と、を備えたことを特徴とする、燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の表面の一部にマスクを設置する第１工程と、前記マスク設置後の前記電解質膜の表面上にメッキにより集電部材を形成する第２工程と、前記マスクを除去する第３工程と、を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記第２工程においては、前記電解質膜の表面上に無電解メッキにより導電層を形成した後に電解メッキにより前記集電部材を形成することを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記無電解メッキの前に前記電解質膜の表面をエッチングすることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記第２工程においては、前記電解質膜の表面上に導電性物質を塗布した後に電解メッキにより前記集電部材を形成することを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記導電性物質を塗布する前に前記電解質膜の表面をエッチングすることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記導電性物質はインクジェット法、スプレー法またはスクリーン印刷法を用いて塗布されることを特徴とする、請求項８または９に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
前記第３工程後に、前記マスクが除去されることによって露出した前記電解質膜の表面の少なくとも一部に触媒層を形成することを特徴とする、請求項５から１０のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
膜電極接合体の表面の一部にマスクを設置する第１工程と、前記マスク設置後の前記膜電極接合体の表面上にメッキにより集電部材を形成する第２工程と、前記マスクを除去する第３工程と、を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
前記第２工程においては、前記膜電極接合体の表面上に無電解メッキにより導電層を形成した後に電解メッキにより前記集電部材を形成することを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１４】
前記無電解メッキの前に前記膜電極接合体の表面をエッチングすることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１５】
前記第２工程においては、前記膜電極接合体の表面上に導電性物質を塗布した後に電解メッキにより前記集電部材を形成することを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記導電性物質を塗布する前に前記膜電極接合体の表面をエッチングすることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
前記導電性物質はインクジェット法、スプレー法またはスクリーン印刷法を用いて塗布されることを特徴とする、請求項１５または１６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、燃料電池および燃料電池の製造方法に関し、特に、容易に微細な形状で集電部材を作製することができるとともに、集電部材を強固に接合することができる燃料電池およびその燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器の機能の向上に伴い、携帯機器動作時に必要とされる消費電力は増加している。たとえば、最も汎用化の進んでいる携帯機器の一つである携帯電話では、ディスプレイの高画質化、カメラ機能の高度化、およびテレビ機能の搭載といった多機能化および高性能化に伴って動作時の消費電力が増加している。
【０００３】
そのため、携帯機器の連続使用可能時間の長さを維持するために、または向上させるために、エネルギ密度の高い様々な電池が模索されている。そして、これらの電池の中でも燃料電池は、そのエネルギ密度の高さと燃料を供給し続ければ連続使用が可能であるという点から、携帯機器用エネルギとして近年大いに期待されている。
【０００４】
燃料電池の中でも特に固体高分子型燃料電池は携帯機器に向いていると考えられている。これは、固体高分子型燃料電池の反応温度が１００℃以下であり、他の固体酸化型燃料電池およびリン酸型燃料電池等と比べて動作温度が低いためである。
【０００５】
このような特徴を持つ固体高分子型燃料電池の中でも、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、リチウム電池に代わり得る電池として特に期待されている。ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギ密度の高さはリチウム電池の数倍である上に、メタノールの比重は０．７９なので燃料電池の軽量化、ひいては携帯機器の軽量化を実現しやすいからである。また、ＤＭＦＣの燃料は液体のメタノールであるので、機器ごとに形を変えた燃料電池を生産する必要がない。燃料を保持するための外殻である燃料容器が機器ごとに異なった形で作製されれば、その内部にメタノールを注入するのみで発電を行なうことができる。
【０００６】
上述した固体高分子型燃料電池においては、安定して高出力を得るために、集電部材と触媒層と固体高分子電解質膜との良好な接着性を保つことが課題となっている。
【０００７】
たとえば、特許文献１においては、集電部材を固体高分子電解質膜内に３０μｍ以上の深さまで触媒層を巻き込んで食い込ませることによって、集電部材が固体高分子電解質膜から剥がれにくくする方法が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２においては、固体高分子電解質膜と電極と集電部材との接合体全体に無電解メッキを行なうことによって接着性を向上させた固体高分子型燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特許第３１００７５４号公報
【特許文献２】特開平４−２８９６６４号公報
【特許文献３】特開２００３−２６８０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示された方法においては、ホットプレスによって集電部材を固体高分子電解質膜に食い込ませるために、固体高分子電解質膜が物理的に損傷したり、メタノールのクロスオーバー量が増加したりすることによって性能そのものが低下することがあった。
【００１０】
また、特許文献２に開示された方法においては、網状の集電部材をあらかじめ作製するプロセスが必要となるだけでなく、集電部材の加工性が悪く、微細な開口形状の集電部材を作りにくいという問題があった。
【００１１】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、容易に微細な形状で集電部材を作製することができるとともに、集電部材を強固に接合することができる燃料電池およびその燃料電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電解質膜上にメッキによって形成された集電部材を備えた燃料電池である。
また、本発明は、電解質膜上に形成された導電層と、導電層上にメッキによって形成された集電部材と、を備えた燃料電池である。
【００１３】
また、本発明は、膜電極接合体上にメッキによって形成された集電部材を備えた燃料電池である。
【００１４】
また、本発明は、膜電極接合体上に形成された導電層と、導電層上にメッキによって形成された集電部材と、を備えた燃料電池である。
【００１５】
また、本発明は、電解質膜の表面の一部にマスクを設置する第１工程と、マスク設置後の電解質膜の表面上にメッキにより集電部材を形成する第２工程と、マスクを除去する第３工程と、を含む、燃料電池の製造方法である。
【００１６】
ここで、本発明の燃料電池の製造方法においては、第２工程において、電解質膜の表面上に無電解メッキにより導電層を形成した後に電解メッキにより集電部材を形成することが好ましい。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、無電解メッキの前に電解質膜の表面をエッチングすることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、第２工程において、電解質膜の表面上に導電性物質を塗布した後に電解メッキにより集電部材を形成することが好ましい。
【００１９】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、導電性物質を塗布する前に電解質膜の表面をエッチングすることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、導電性物質がインクジェット法、スプレー法またはスクリーン印刷法を用いて塗布されることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、第３工程後に、マスクが除去されることによって露出した電解質膜の表面の少なくとも一部に触媒層を形成することが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明は、膜電極接合体の表面の一部にマスクを設置する第１工程と、マスク設置後の膜電極接合体の表面上にメッキにより集電部材を形成する第２工程と、マスクを除去する第３工程と、を含む、燃料電池の製造方法である。
【００２３】
ここで、本発明の燃料電池の製造方法においては、第２工程において、膜電極接合体の表面上に無電解メッキにより導電層を形成した後に電解メッキにより集電部材を形成することが好ましい。
【００２４】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、無電解メッキの前に膜電極接合体の表面をエッチングすることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、第２工程において、膜電極接合体の表面上に導電性物質を塗布した後に電解メッキにより集電部材を形成することが好ましい。
【００２６】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、導電性物質を塗布する前に膜電極接合体の表面をエッチングすることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の燃料電池の製造方法においては、導電性物質がインクジェット法、スプレー法またはスクリーン印刷法を用いて塗布されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、容易に集電部材を強固に接合することができる燃料電池およびその燃料電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００３０】
（実施の形態１）
図１に、本発明の燃料電池の一例の模式的な平面図を示す。ここで、本発明の燃料電池は、電解質膜１（たとえば、ナフィオン（登録商標）１１７、ＤｕＰｏｎｔ社製）の正方形状の両面にそれぞれ田の字状の集電部材３を備えているとともに、田の字状の集電部材３の正方形状の空隙から露出している電解質膜１のそれぞれの表面上に触媒層６を備え、さらに集電部材３の一部に電気的に接続された電極端子線７を備えた構成となっている。なお、図１は、本発明の燃料電池の一方の表面しか図示していないが、本発明の燃料電池の他方の表面も図１に示す表面の形状と同様の形状となっている。
【００３１】
図１に示す本発明の燃料電池は、電解質膜１の正方形状の両面にそれぞれ田の字状の集電部材３がメッキにより形成されていることを特徴としている。これにより、図１に示す本発明の燃料電池においては、集電部材３が電解質膜１に強固に接合することになる。また、触媒層６の反応によって発生した電荷を集電するためには、たとえば図１に示すように集電部材３には電極端子線７が電気的に接続されていることが好ましい。
【００３２】
また、図１に示す本発明の燃料電池においては、集電部材３の形状は田の字状に限定されないことは言うまでもなく、たとえば、川の字状、囲の字状、または幾何学模様等の形状にすることもできる。
【００３３】
また、集電部材３の１つの開口部（触媒層６の露出領域）の面積は０．０１ｍｍ2以上２ｍｍ2以下であることが好ましい。集電部材３の開口部の面積が０．０１ｍｍ2以上である場合には外部負荷にて求められる電力に応じられるだけの反応が進行するに足りる燃料供給を拡散抵抗が少なく好適に行なうことができる傾向にある。また、集電部材３の開口部の面積が２ｍｍ2以下である場合には触媒層６の反応箇所から集電部材３までの電子の移動距離が短いために集電部材３に比べ抵抗の高い触媒層６を通って電子が流れることによる抵抗損失を低減し、燃料電池全体の発電効率を高めることができる傾向にある。
【００３４】
また、集電部材３の開口部（触媒層６の露出領域）の開口率は５０％以上９０％以下であることが好ましい。集電部材３の開口部の開口率が５０％以上である場合には燃料が触媒層６に浸透しやすいために燃料電池の拡散抵抗を低減することができる傾向にある。また、集電部材３の開口部の開口率が９０％以下である場合には、集電部材３の物理強度が保たれて電解質膜１の膨潤による変形を抑制できる傾向にあるため、メタノールクロスオーバーを抑制でき、安定的な出力が得られる傾向にあり、また、集電部材３の断面積が過剰に小さくなって抵抗が増大するのを抑制できる傾向にもある。
【００３５】
なお、集電部材３の開口部の開口率は、集電部材３の開口部（触媒層６の露出領域）の面積の総和をＳAとし、集電部材３の面積の総和をＳBとしたとき、以下の式（１）により％の単位で算出される。
開口率（％）＝１００×ＳA／（ＳA＋ＳB）  …（１）
また、図１に示す本発明の燃料電池においては、電解質膜１の正方形状の表面の一辺をたとえば５ｃｍ程度にすることができる。
【００３６】
以下、図１に示す本発明の燃料電池の製造方法の一例について説明する。まず、図２の模式的平面図に示すように、正方形状の電解質膜１の表面の外周部を枠体１３で封じておき、図１に示す触媒層６の形成位置に対応する位置に触媒層６の形状および大きさに対応した形状および大きさを有するマスク１２を電解質膜１の両面にそれぞれ形成する。
【００３７】
ここで、電解質膜１の表面の外周部を枠体１３で封じることにより、後述するメッキにより集電部材３を形成することによって後述する空気極と燃料極とが導通することを有効に防止することができる。
【００３８】
また、マスク１２としては、後述するメッキがされにくい部材を好適に用いることができ、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン等からなる部材を用いることができる。
【００３９】
また、マスク１２としては、耐メッキ性に優れた感光性樹脂を電解質膜１の表面に貼り付けまたは塗布した後に露光処理を行なうことによって微細にパターンニングされたマスクを用いることもできる。ここで、感光性樹脂としては、たとえば特許文献３に記載されているようなポリウレタン系の感光性樹脂を挙げることができる。
【００４０】
次に、電解質膜１の両面をエッチング処理する。ここで、エッチング処理としては、好ましくは化学エッチングを用いることができる。化学エッチングとしては、たとえば、過酸化水素若しくはオゾン等の酸化剤またはイソプロピルアルコール等の有機溶剤に電解質膜１を接触させる方法、酸化剤雰囲気下において紫外線を照射すること等によって電解質膜１の表面を溶解させる方法を用いることができる。
【００４１】
電解質膜１の両面をエッチング処理することによって、電解質膜１の両面にそれぞれ凹凸を形成し、メッキにより形成された集電部材３と電解質膜１のそれぞれの表面との間にアンカー効果を発現させて、集電部材３と電解質膜１との接合状態をより強固なものとすることができる。
【００４２】
続いて、センシタイジング処理を行なう。ここで、センシタイジング処理は、たとえばＳｎ2+を含む塩酸系溶液に上記のエッチング処理後の電解質膜１を浸漬することにより行なうことができる。
【００４３】
次いで、上記のセンシタイジング処理後の電解質膜１を水洗した後、アクチベーション処理を行なう。ここで、アクチベーション処理は、たとえば、Ｐｄ2+を含む塩酸系溶液に上記の水洗後の電解質膜１を浸漬することにより行なうことができる。
【００４４】
以上のセンシタイジング処理、水洗およびアクチベーション処理を行なうことによって、後述するメッキが困難な電解質膜１の両面に対するメッキをより容易に行なうことができるようになる。
【００４５】
上記のアクチベーション処理後の電解質膜１を水洗した後に無電解メッキにより電解質膜１の表面上にニッケル層を形成する。ここで、無電解メッキによるニッケル層の形成におけるメッキ液としては、たとえば、ニッケル・リン系メッキ液を用いることができるが、必要に応じてニッケル・ホウ素系メッキ液を用いることもできる。また、無電解メッキは、たとえばメッキ液の温度が９０℃で数分〜数十分程度行なうことができる。
【００４６】
また、無電解メッキにより形成されるニッケル層の厚さは０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。ニッケル層の厚さを０．１μｍ以上とすることによってニッケル層と電解質膜１との間の良好な密着性を確保し、２μｍ以下とすることによって電気機械結合係数が小さくなるのを抑制することができる傾向にある。
【００４７】
なお、上記においては、電解質膜１の両面にそれぞれ無電解メッキによりニッケル層を形成する場合について説明したが、本発明においては、たとえば、ニッケル層、コバルト層、クロム層、金層、銅層、銀層、錫層またはこれらの層を構成する金属の少なくとも２種からなる合金層を電解質膜１の両面にそれぞれ無電解メッキにより形成することができる。
【００４８】
そして、上記の無電解メッキにより形成されたニッケル層の表面上に電解メッキにより白金層からなる田の字状の集電部材３を形成する。ここで、電解メッキとしては、従来から公知の電解メッキを行なうことができ、金、白金またはこれらの合金からなる集電部材３を電解メッキにより形成することが好ましい。
【００４９】
図３に、集電部材３の形成後の電解質膜１の一例の模式的な断面図を示す。ここで、電解質膜１のそれぞれの表面のエッチング処理部４上には無電解メッキにより形成されたニッケル層２が形成されており、電解質膜１上には電解メッキにより形成された集電部材３がニッケル層２を覆うようにして形成されている。なお、図３においては、説明の便宜のため、マスク１２については図示していない。
【００５０】
次いで、電解質膜１の両面にそれぞれ残っているマスク１２を剥がす、または溶解させること等によって電解質膜１の表面を露出させる。
【００５１】
その後、集電部材３が形成された電解質膜１を酸等で洗浄する。ここで、集電部材３が形成された電解質膜１の洗浄はたとえば以下のようにして行なうことができる。まず、集電部材３が形成された電解質膜１を３％の過酸化水素水溶液に１時間浸漬させた後にヒータで煮沸させる。続いて、集電部材３が形成された電解質膜１を純水に浸漬させて煮沸した後に１時間攪拌する。その後、集電部材３が形成された電解質膜１を１ｍｏｌ／Ｌの硫酸水溶液に浸漬させ、煮沸した状態で１時間攪拌した後、再び、煮沸した純水に浸漬させて１時間攪拌した後に乾燥させる。
【００５２】
そして、露出させた電解質膜１の表面上に、たとえば触媒となる金属粒子等と高分子電解質とを有機溶剤中に含有させてペースト状とした触媒ペーストを塗布した後に乾燥させることによって、図１に示すように、電解質膜１の表面上に触媒層６を形成する。
【００５３】
また、触媒ペーストはたとえば以下の手順により作製することができる。まず、Ｐｔ担持量が３２．５質量％でＲｕ担持量が１６．９質量％のＰｔ−Ｒｕ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、２０質量％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イソプロパノールと、アルミナボールと、を所定の割合でＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌脱機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード触媒ペーストを作製することができる。
【００５４】
また、Ｐｔ担持量が４６．８質量％のＰｔ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いて、アノード触媒ペーストと同様に、カソード触媒ペーストを作製する。
【００５５】
なお、上記のようにして作製された燃料電池の電解質膜１の一方の表面にアノード触媒ペーストを塗布し、他方の表面にカソード触媒ペーストを塗布して、電解質膜１のアノード触媒ペーストの塗布により形成された触媒層６上に燃料極を形成し、カソード触媒ペーストの塗布により形成された触媒層６上に空気極を形成することもできる。
【００５６】
また、触媒層６を電解質膜１の表面上に形成する方法としては、たとえば以下のような方法も用いることができる。まず、カーボンの多孔質体、ポリプロピレン若しくはポリエチレン等の高分子樹脂の多孔質体、またはカーボン粒子とＰＴＦＥとの混合物からなるガス拡散層を表面に形成した上記の多孔質体等の表面上に上記の触媒ペーストを塗布した後に、乾燥させて触媒層６を形成する。その後、１３０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間のホットプレス処理により触媒層６と電解質膜１とをアンカー効果で良好に接合することができる。これにより、触媒層６と集電部材３との間に電気的に良好な接触を保つことができる。
【００５７】
その後、集電部材３の一部に電極端子線７を電気的に接続することによって、図１に示す本発明の燃料電池が完成する。ここで、電極端子線７は燃料電池の筐体等で挟み込んで集電部材３の一部に接触させてもよい。また、触媒層６から離れ、熱履歴の悪影響がなく、燃料等の化学物質が接触しない位置でハンダ付けにより、集電部材３の一部に電極端子線７を電気的に接続してもよい。
【００５８】
上記のようにして得られた本発明の燃料電池においては、電解質膜１の表面の周縁部が露出している方が電解質膜１を箱体で挟む観点から好ましい。しかしながら、箱体の形状によっては電解質膜１の表面の周縁部を敢えて露出させる必要はなく、集電部材３の表面上に直接箱体を接着することも可能である。
【００５９】
このように、本発明の燃料電池においては、集電部材３が電解質膜１の表面に電解メッキにより直接形成されているため、集電部材３と電解質膜１との接合を容易により強固なものとすることができる。
【００６０】
また、集電部材３を電解質膜１に接合していることから、集電部材３の開口部の開口率が高い方がプロトンの拡散面積が大きくなるため、プロトンの拡散抵抗が低減し、発電効率が高まるために好ましい。一般的には、２ｍｍ2以下の面積の小さな開口部を９０％近い開口率にして集電部材３としての低い抵抗値を実現するように金属板に加工を施すのは困難であるが、本発明によれば、樹脂のマスクを所望の形状にパターンニングすることにより可能である。また、特許文献２の方法によれば、集電部材を加工した後、メッキにより接合するという２つのプロセスが必要であるが、本発明はメッキによって集電部材の形成と接合とを同時に行なうことが可能であり、特許文献２の方法と比べて工数を減少させることができるため、燃料電池の製造コストを低くすることができる。
【００６１】
また、本発明において、集電部材の材質に金または白金を用いた場合には耐腐食性にも優れ、電気抵抗も低いために、たとえば１０〜２０μｍ程度の薄さで集電部材を形成することができることから、燃料電池の薄型化も可能となる。また、本発明においては、集電部材を電解質膜に直接形成することから、１０〜２０μｍ程度の薄さで高開口率の金属箔を取り扱うハンドリング性の課題も解決されるために、燃料電池の製造歩留まりも向上する。また、燃料電池を薄型化した場合には、燃料電池の可撓性も良好となるため、燃料電池が屈曲することにより、集電部材と膜電極複合体または電解質膜とが剥離する問題も解決することができる。集電部材の厚さが厚く、硬い場合には、燃料電池が屈曲すると容易に集電部材が剥離するという問題も生じていたことから、集電部材３の厚さを薄くした場合には、燃料電池の歩留まりをさらに向上することができる。
【００６２】
また、直接メタノール型燃料電池の問題点として、一般的に、燃料のメタノールがアノード側からカソード側へ電解質膜を通って移動するクロスオーバー現象により、燃料電池の出力電力が低下する問題が挙げられている。しかしながら、本発明においては、電解質膜に集電部材が直接形成されて接合されていることにより、電解質膜がメタノールや水により膨潤することを抑止することができるため、メタノールのクロスオーバー量が増加するのを防ぎ、長期にわたって良好な出力電力を維持することが可能となる。
【００６３】
（実施の形態２）
図４に、本発明の燃料電池の他の一例の模式的な平面図を示す。ここで、図４に示す本発明の燃料電池は、田の字状の集電部材３が膜電極接合体５の正方形状の両面のそれぞれに形成されていることに特徴がある。
【００６４】
図４に示す本発明の燃料電池においては、膜電極接合体５の正方形状の両面にそれぞれ田の字状の集電部材３がメッキにより形成されていることから、集電部材３が膜電極接合体５に強固に接合している。
【００６５】
以下、図４に示す本発明の燃料電池の製造方法の一例について説明する。まず、図５の模式的平面図に示すように、正方形状の膜電極接合体５の表面の外周部を枠体１３で封じておき、図４に示す触媒層６の形成位置に対応する位置に触媒層６の形状および大きさに対応した形状および大きさを有するマスク１２をそれぞれ形成する。
【００６６】
次に、膜電極接合体５の両面をそれぞれエッチング処理した後、無電解メッキにより膜電極接合体５の表面上にニッケル層を形成する。
【００６７】
そして、上記の無電解メッキにより形成されたニッケル層の表面上に電解メッキにより白金層からなる田の字状の集電部材３を形成する。
【００６８】
図６に、集電部材３の形成後の膜電極接合体５の一例の模式的な断面図を示す。ここで、膜電極接合体５のそれぞれの表面のエッチング処理部４上には無電解メッキにより形成されたニッケル層２が形成されており、膜電極接合体５上には電解メッキにより形成された集電部材３がニッケル層２を覆うようにして形成されている。なお、図６においては、説明の便宜のため、マスク１２については図示していない。
【００６９】
その後、膜電極接合体５の両面にそれぞれ残っているマスク１２を剥がす、または溶解させること等によって、膜電極接合体５の触媒層６を露出させる。
【００７０】
その後、膜電極接合体５の両面のうちカソード側の触媒層６の表面上に空気極を形成し、アノード側の触媒層６の表面上に燃料極を形成してもよい。
【００７１】
そして、集電部材３の一部に電極端子線７を電気的に接続することによって、図４に示す本発明の燃料電池が完成する。
【００７２】
このように、本発明の燃料電池においては、集電部材３が膜電極接合体５の表面に電解メッキにより直接形成されるため、集電部材３と膜電極接合体５との接合を容易により強固なものとすることができる。
【００７３】
（実施の形態３）
図１に示す本発明の燃料電池の製造方法の他の一例について説明する。まず、図７の模式的斜視図に示すように、正方形状の電解質膜１の表面の外周部を枠体１３で封じるとともに、図１に示す触媒層６の形成位置に対応する位置に触媒層６の形状および大きさに対応した形状および大きさの表面を有する留め具１４を設置する。
【００７４】
ここで、留め具１４としては、薬品耐性を有するとともに、メッキがされにくい材質のものを用いることが好ましい。また、留め具１４としては、予め所望の形状のものを形成しておくことができるが、留め具１４の形状は電解質膜１の両面に対して対称となる形状とすることが部材保持の観点から好ましい。
【００７５】
次に、電解質膜１の両面をそれぞれエッチング処理した後、無電解メッキにより電解質膜１の表面上にニッケル層を形成する。
【００７６】
そして、上記の無電解メッキにより形成されたニッケル層の表面上に電解メッキにより白金層からなる田の字状の集電部材３を形成する。
【００７７】
次いで、電解質膜１の両面にそれぞれ設置された留め具１４を外すことによって露出した電解質膜１の表面上に、たとえば触媒となる金属粒子等を有機溶剤中に含有させてペースト状とした触媒ペーストを塗布した後に乾燥させることによって、図１に示すように、電解質膜１の表面上に触媒層６を形成する。
【００７８】
その後、電解質膜１の両面のうち一方の電解質膜１の表面上に空気極を形成し、他方の電解質膜１の表面上に燃料極を形成してもよい。
【００７９】
そして、集電部材３の一部に電極端子線７を電気的に接続することによって、図１に示す本発明の燃料電池が完成する。
【００８０】
このように、本発明の燃料電池においては、集電部材３が電解質膜１の表面に電解メッキにより直接形成されるため、集電部材３と電解質膜１との接合を容易により強固なものとすることができる。
【００８１】
（実施の形態４）
図４に示す本発明の燃料電池の製造方法の他の一例について説明する。まず、図８の模式的斜視図に示すように、正方形状の膜電極接合体５の表面の外周部を枠体１３で封じるとともに、図４に示す触媒層６の形成位置に対応する位置に触媒層６の形状および大きさに対応した形状および大きさの表面を有する留め具１４を設置する。
【００８２】
次に、膜電極接合体５の両面をそれぞれエッチング処理した後、無電解メッキにより膜電極接合体５の表面上にニッケル層を形成する。
【００８３】
そして、上記の無電解メッキにより形成されたニッケル層の表面上に電解メッキにより白金層からなる田の字状の集電部材３を形成する。
【００８４】
次いで、膜電極接合体５の両面にそれぞれ設置された留め具１４を外すことによって膜電極接合体５の触媒層６を露出させる。
【００８５】
その後、膜電極接合体５の両面のうち一方の表面上に空気極を形成し、他方の表面上に燃料極を形成してもよい。
【００８６】
そして、集電部材３の一部に電極端子線７を電気的に接続することによって、図４に示す本発明の燃料電池が完成する。
【００８７】
このように、本発明の燃料電池においては、集電部材３が膜電極接合体５の表面に電解メッキにより直接形成されるため、集電部材３と膜電極接合体５との接合を容易により強固なものとすることができる。
【００８８】
（実施の形態５）
図１に示す本発明の燃料電池の製造方法のさらに他の一例について説明する。まず、電解質膜１の両面をエッチング処理した後、電解質膜１の両面にそれぞれ導電性物質として導電性ペーストをたとえばインクジェット法、スプレー法またはスクリーン印刷法に田の字状に印刷する。
【００８９】
ここで、導電性ペーストとしては、たとえば、カーボンブラック、銅、チタン、ステンレス鋼、金または白金を含む有機高分子のペーストまたはポリピロール等の導電性高分子を用いることができる。有機高分子としてはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）またはポリプロピレン等が挙げられる。また、導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフェニレンサルファイド若しくはポリパラフェニレン等を用いることもできる。
【００９０】
スプレー法により導電性ペーストを印刷する場合には、たとえば、アネスト岩田社製のエアーブラシＨＰ−ＢＣＳを使用して、０．０１〜１ＭＰａの窒素ガスを引いて導電性ペーストを２ｃｍ先の対象表面に散布することができる。
【００９１】
また、スクリーン印刷法により導電性ペーストを印刷する場合には、たとえば、３００メッシュで乳剤層の厚みが１２μｍ程度のスクリーンを用い、スキージにより導電性ペーストをスクリーン印刷することができる。
【００９２】
また、導電性ペーストが印刷された電解質膜１の表面にジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチル−２−ピロリドンまたはピリジン等の溶剤で膨潤処理し、さらにアルカリ性過マンガン酸塩溶液（たとえば、ＫＭｎＯ4／ＮａＯＨ）で粗面化処理することによって、導電性ペーストの表面からバインダを除去するとともに導電性ペーストの表面に凹凸を形成することもできる。この場合には、後述するメッキにより形成された集電部材３と導電性ペーストとのそれぞれの表面の間にアンカー効果を発現させて、集電部材３の接合状態をより強固なものとすることができる。
【００９３】
また、導電性ペーストが印刷された電解質膜１を電解質膜１よりも高融点で、高い軟化点の高分子フィルムで挟み、ホットプレスすることにより、導電性ペーストと電解質膜１との間にアンカー効果を発現させて、その後に形成される集電部材３と電解質膜１との接合状態をより強固なものとすることが好ましい。高分子フィルムとしては、たとえば、ポリイミド、ポリベンゾメタクリレート、またはポリアリーレンエーテル系高分子等のフィルムを用いることができ、高融点および高軟化点の物性のフィルムを用いることが好ましい。
【００９４】
次いで、任意にマスク１２を形成した上で、導電性ペーストの表面上に電解メッキにより白金層からなる田の字状の集電部材３を形成する。
【００９５】
図９に、集電部材３の形成後の電解質膜１の一例の模式的な断面図を示す。ここで、電解質膜１のそれぞれの表面のエッチング処理部４上には導電性ペーストの印刷により形成された導電層１５が形成されており、電解質膜１上には電解メッキにより形成された集電部材３が導電層１５を覆うようにして形成されている。なお、図９においては、説明の便宜のため、マスク１２については図示していない。
【００９６】
次いで、電解質膜１の両面にそれぞれ残っているマスク１２を剥がす、または溶解させること等によって露出した電解質膜１の表面上に、たとえば触媒となる金属粒子等を有機溶剤中に含有させてペースト状とした触媒ペーストを塗布した後に乾燥させることによって、図１に示すように、電解質膜１の表面上に触媒層６を形成する。
【００９７】
なお、上記のようにして作製された燃料電池の電解質膜１の両面のうち一方の表面上に空気極を形成し、他方の表面上に燃料極を形成してもよい。
【００９８】
その後、集電部材３の一部に電極端子線７を電気的に接続することによって、図１に示す本発明の燃料電池が完成する。
【００９９】
（実施の形態６）
図４に示す本発明の燃料電池の製造方法のさらに他の一例について説明する。まず、図５に示すように、正方形状の膜電極接合体５の表面の外周部を枠体１３で封じておき、図４に示す触媒層６の形成位置に対応する位置に触媒層６の形状および大きさに対応した形状および大きさを有するマスク１２を膜電極接合体５の両面にそれぞれ形成する。
【０１００】
次に、膜電極接合体５の両面をエッチング処理した後、膜電極接合体５の両面にそれぞれ導電性物質として導電性ペーストをたとえばインクジェット法またはスクリーン印刷法に田の字状に印刷する。
【０１０１】
次いで、膜電極接合体５の表面上に電解メッキにより白金層からなる田の字状の集電部材３を形成する。
【０１０２】
図１０に、集電部材３の形成後の膜電極接合体５の一例の模式的な断面図を示す。ここで、膜電極接合体５のそれぞれの表面のエッチング処理部４上には導電性ペーストの印刷により形成された導電層１５が形成されており、膜電極接合体５上には電解メッキにより形成された集電部材３が導電層１５を覆うようにして形成されている。なお、図１０においては、説明の便宜のため、マスク１２については図示していない。
【０１０３】
次いで、膜電極接合体５の両面にそれぞれ残っているマスク１２を剥がす、または溶解させること等によって、膜電極接合体５の触媒層６を露出させる。
【０１０４】
なお、上記のようにして作製された燃料電池の膜電極接合体５の両面のうち一方の表面上に空気極を形成し、他方の表面上に燃料極を形成してもよい。
【０１０５】
その後、集電部材３の一部に電極端子線７を電気的に接続することによって、図４に示す本発明の燃料電池が完成する。
【０１０６】
このように、本発明の燃料電池においては、集電部材３が膜電極接合体５の表面に電解メッキにより直接形成されるため、集電部材３と膜電極接合体５との接合を容易により強固なものとすることができる。
【０１０７】
なお、上記において、電解質膜１としては従来から公知のものを用いることができ、たとえば、陽イオンを透過させる膜等を用いることができる。
【０１０８】
また、上記において、膜電極接合体５としては従来から公知のものを用いることができ、たとえば、上記の電解質膜１の表面に白金等の触媒粒子を含む触媒層が設置されたもの等を用いることができる。
【０１０９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明においては、電解質膜または膜電極接合体と、集電部材と、をメッキにより強固に接合することができるため、従来のような外部からの押さえ付けによる電解質膜および膜電極接合体の破損を有効に防止することができるとともに、従来のような無電解メッキによる一体化方法における電解質膜または膜電極接合体と集電部材との剥離も有効に防止することができる。
【０１１１】
また、本発明においては集電部材を微細に加工することができるため、集電部材を任意のパターンに形成したり、集電部材を小型化および薄型化することもできる。さらに、集電部材を薄型化した場合には、燃料電池の可撓性も向上するので、このような燃料電池を搭載した機器についても可撓性を持たせることが可能となる。
【０１１２】
また、白金粒子を使用して電解メッキを行なうことによって集電部材を作製した場合には、集電部材中の白金粒子が触媒活性を向上させるため、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の燃料電池の一例の模式的な平面図である。
【図２】本発明の燃料電池の製造方法の一例の製造工程の一部を示す模式的な平面図である。
【図３】本発明の燃料電池の製造方法の一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の燃料電池の他の一例の模式的な平面図である。
【図５】本発明の燃料電池の製造方法の他の一例の製造工程の一部を示す模式的な平面図である。
【図６】本発明の燃料電池の製造方法の他の一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の燃料電池の製造方法の他の一例の製造工程の一部を示す模式的な斜視図である。
【図８】本発明の燃料電池の製造方法の他の一例の製造工程の一部を示す模式的な斜視図である。
【図９】本発明の燃料電池の製造方法の他の一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池の製造方法の他の一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  電解質膜、２  ニッケル層、３  集電部材、４  エッチング処理部、５  膜電極接合体、６  触媒層、７  電極端子線、１２  マスク、１３  枠体、１４  留め具、１５  導電層。
【図１】
2008210757.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008210757.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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