(57)【要約】【課題】ＭＥＡを製造するためのより効率的な手段を開発する必要がある。【解決手段】本発明は、電気化学的電池および燃料電池の分野、より具体的には、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池に関し、５層を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造方法を記載する。５層のＭＥＡは、接着コンポーネントを含む積層プロセスによって、ともに組み立てられる。アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、およびカソードガス拡散層は、低温／低圧積層プロセスによって、ともに組み合わされる。ＭＥＡの処理およびＰＥＭＦＣおよびＤＭＦＣスタックへの製品のアセンブリは、簡略化される。触媒コーティングされた膜の損傷および穿孔は、より少なくなり、５層のＭＥＡの性能は、大幅に向上する。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス拡散層、カソードガス拡散層、および触媒コーティングされた膜を含む５層の膜電極アセンブリを製造する方法であって、
ａ．接着コンポーネントを、該アノードガス拡散層、該カソードガス拡散層、および該触媒コーティングされた膜からなる群から選択される少なくとも１つの構成要素に付与する工程と、
ｂ．該アノードガス拡散層、該カソードガス拡散層、および該触媒コーティングされた膜を積層する工程と
を包含する、方法。
【請求項２】
前記触媒コーティングされた膜は、触媒層が活性領域にコーティングされたイオノマー膜を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記接着コンポーネントは、前記積層する工程の前に、前記アノードガス拡散層および前記カソードガス拡散層のいずれか、または両方に付与される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記接着コンポーネントは、前記積層する工程の前に、前記触媒コーティングされた膜に付与される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記触媒コーティングされた膜は、前記アノードガス拡散層が隣接する第１の側と、前記カソードガス拡散層が隣接する第２の側とを含み、前記接着コンポーネントは、前記積層する工程の前に、該第１の側および該第２の側の両方に付与される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記積層する工程は、２０〜１３０℃の温度範囲で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記積層する工程は、２〜２０バールの圧力範囲で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記接着コンポーネントは、有機ポリマー材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記接着コンポーネントは、熱可塑性ポリマーもしくはデュロプラスチックポリマー、あるいは、導電性フィラーを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記接着コンポーネントは、溶媒をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記接着コンポーネントは、添加剤をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記接着コンポーネントは、コーティング、噴霧、印刷、分配、スタンピング、伝写テープの使用、およびホットメルトディスペンサの使用からなる群から選択される方法によって付与される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記接着コンポーネントは、４０〜１２０℃の温度範囲で付与された後、乾燥される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記接着コンポーネントの量は、活性領域１ｃｍ２あたり、接着剤が０．０１〜１０ｍｇの範囲に制限されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記接着コンポーネントは、活性領域に、接着剤ドットの形態で、所望のパターンで選択的に付与される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記接着剤ドットは、活性領域の面積の１〜２０％、好ましくは１〜１０％を占める、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
積層された、アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、カソードガス拡散層、および接着コンポーネントを含む、膜電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記接着コンポーネントは、有機ポリマー材料を含む、請求項１７に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項１９】
前記接着コンポーネントは、熱可塑性ポリマーもしくはデュロプラスチックポリマー、あるいは、導電性フィラーを含む、請求項１７に記載の膜電極アセンブリ。
【請求項２０】
請求項１７に記載の膜電極アセンブリを含む燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学的電池および燃料電池の分野、より具体的には、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池に関し、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造方法を記載する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料および酸化剤を、２つの空間的に隔てられた電極において、電気、熱、および水に変換する。水素および高濃度水素ガスが燃料として用いられ、酸素または空気が酸化剤として用いられ得る。燃料電池におけるエネルギー変換プロセスは、特に高い効率を特徴とする。このため、燃料電池は、従来の燃焼機関の代替例として、重要度を増している。さらに、携帯型用途だけではなく、据え置き熱電気複合利用ユニット（ＣＨＰ）において用いられる。
【０００３】
ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）および直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ、ＰＥＭＦＣの変形例、水素の代わりにメタノールから直接電力供給される）は、コンパクトな構成、電力密度および高い効率性のため、エネルギーコンバータとしての使用に適切である。燃料電池の技術は、文献に広く記載されている。例えば、非特許文献１を参照されたい。
【０００４】
以下の部分で、本出願において用いる技術的な用語を、より詳細に説明する。
【０００５】
触媒コーティングされた膜（以下「ＣＣＭ」と短縮される）は、触媒活性層が両側に設けられたポリマー電解質膜からなる。層のうちの１層は、水素の酸化のためのアノードの形態をとり、第２の層は、酸素の還元のためのカソードの形態をとる。ＣＣＭは３層（アノード触媒層、イオノマー膜、およびカソード触媒層）からなるので、しばしば、「３層ＭＥＡ」と呼ばれる。
【０００６】
ガス拡散層（「ＧＤＬ」）は、ガス拡散基板またはバッキングと呼ばれることもあり、ガス状反応媒体（水素および空気）を触媒活性層に導き、それと同時に、電気的接触を確立するため、ＣＣＭのアノード層およびカソード層上に配置される。ＧＤＬは、通常、炭素を用いる基板、例えば、カーボンファイバ紙または織られたカーボンファブリックであり、非常に多孔質で、反応ガスが良好に電極に達することを可能にしている。さらに、ＧＤＬは、生成された水を燃料電池から取り除くため、疎水性を有する。ＧＤＬは、膜との接触を向上させるため、ミクロ層でコーティングされ得る。ＧＤＬは、ＭＥＡのいずれの側に組み込まれるかということに依存して、アノードタイプＧＤＬになるか、またはカソードタイプＧＤＬになるか特に調整され得る。さらに、ＧＤＬは、後でイオノマー膜に積層されるため、触媒層でコーティングされ得る。これらの触媒コーティングされたＧＤＬは、しばしば、「触媒でコーティングされたバッキング（「ＣＣＢ」と短縮される）」、またはガス拡散電極（「ＧＤＥ」）と呼ばれる。
【０００７】
概して、膜電極アセンブリの製造には、２つの異なる技術が存在する。
【０００８】
第１の技術（本明細書中、「ＣＣＭ技術」と呼ぶ）において、触媒層が直接、イオノマー膜に付与され、触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）が得られる。この技術は、例えば、特許文献１、特許文献２、および本出願人の他の係属中の出願に記載されている。このプロセスの利点は、触媒層が膜と密接に接触していることであり、これは、非常に穏やかで良好なプロセス状態において達成される。欠点は、燃料電池スタックを製造する場合、触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）は２つのＧＤＬと別々に組み立てられる必要があることである。
【０００９】
第２の代替的な技術（本明細書中、「ＣＣＢ技術」と呼ぶ、ＣＣＢは、「触媒コーティングされたバッキング」の略である）において、触媒層は、まず、ガス拡散層（ＧＤＬ）に付与される。以下の工程において、２つのガス拡散層は、熱および圧力の手段によって、イオノマー膜と組み立てられて、５層のＭＥＡが得られる。このプロセスは、しばしば、ホットプレスまたは積層と呼ばれる。このプロセスにおいては、ＣＣＢのイオノマー膜との積層のため、高圧および高温が必要である。これによって、特に、薄いイオノマー膜（４０μｍ未満の厚さ）が用いられている場合、膜の損傷または穿孔につながり得る。さらに、ＧＤＬ基板上の触媒層が損傷を受けるか、かつ／または、密度が高められ得、触媒の利用率の低下および性能の低下につながる。
【００１０】
特許文献３に、５層ＭＥＡを製造する方法が開示されている。特許文献３に記載のプロセスは、連続的な様式で実行され、共同押出し成形、押出し成形、および／または積層工程に基づく。特許文献３に記載のプロセスは、選択的にコーティングされる活性電極領域を有するイオノマー膜を含むＭＥＡ製品の製造には、適用できない。さらに、特許請求の範囲に記載のプロセスに従って製造されるＭＥＡの性能および質について、詳細に説明されていない。
【００１１】
さらに、ＰＥＭＦＣまたはＤＭＦＣスタックのアセンブリにおいて、上記の３つの構成要素は、サンドイッチ構造を形成するように結合される必要がある。このアセンブリプロセスにおいて、適切なＧＤＬが、触媒層の活性領域に適合するように、ＣＣＭの両側で、触媒層のちょうど上に配置される必要がある。さらに、さらなる構成要素、例えば、封止材料が付与される必要がある。従って、スタックアセンブリプロセスは、異なる構成要素の様々なアライメント工程を含み、非常に時間がかかり、高価なものである。
【００１２】
【特許文献１】
欧州特許第１０３７２９５号明細書
【特許文献２】
欧州特許出願公開第１１７６６５２号明細書
【特許文献３】
欧州特許１０４２８３７号明細書
【非特許文献１】
Ｋ．Ｋｏｒｄｅｓｃｈ、Ｇ．Ｓｉｍａｄｅｒ、「Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（ＶＣＨ　Ｖｅｒｌａｇ　Ｃｈｅｍｉｅ　Ｗｅｉｎｈｅｉｍ（Ｇｅｒｍａｎｙ）、１９９６年）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＥＡを製造するためのより効率的な手段を開発する必要がある。本発明は、５層のＭＥＡを製造する、簡単明瞭、かつ素早いプロセスを提供する。プロセスは、触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）の使用に基づく必要があり、連続的な大量の製造プロセスへと容易に拡大できるものである必要がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気化学的電池および燃料電池の分野、より具体的には、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池に関し、５層を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造方法を記載する。ＭＥＡは、触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）の２つのガス拡散層（ＧＤＬ）との組合せによって、新たな、非常に費用対効果が大きい方法で製造される。
【００１５】
５層のＭＥＡは、接着コンポーネントを含む積層プロセスによって、ともに組み立てられる。アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、およびカソードガス拡散層は、低温／低圧積層プロセスによって、ともに組み合わされる。ＭＥＡの処理およびＰＥＭＦＣおよびＤＭＦＣスタックへの製品のアセンブリは、簡略化される。触媒コーティングされた膜の損傷および穿孔は、より少なくなり、５層のＭＥＡの性能は、大幅に向上する。
【００１６】
本発明は、上記の「ＣＣＭ技術」について言及し、触媒コーティングされた膜に基づく５層のＭＥＡの製造方法を開示する。既に概説したように、ＣＣＭ技術に従って製造されたＭＥＡは、３つの異なる部分からなる。３つの部分とは、すなわち、触媒コーティングされた膜、アノードＧＤＬ、およびカソードＧＤＬである。
【００１７】
ある実施形態において、本発明は、５層の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造する方法であって、
ａ．接着コンポーネントを、該アノードガス拡散層、該カソードガス拡散層、および該触媒コーティングされた膜からなる群から選択される少なくとも１つの構成要素に付与する工程と、
ｂ．該アノードガス拡散層、該カソードガス拡散層、および該触媒コーティングされた膜を積層する工程と
を包含する方法を提供する。
【００１８】
また、本発明は、積層された、アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、カソードガス拡散層、および接着コンポーネントを含む、膜電極アセンブリを提供する。
【００１９】
本発明による方法は、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層、および触媒コーティングされた膜を含む５層の膜電極アセンブリを製造する方法であって、
ａ．接着コンポーネントを、該アノードガス拡散層、該カソードガス拡散層、および該触媒コーティングされた膜からなる群から選択される少なくとも１つの構成要素に付与する工程と、ｂ．該アノードガス拡散層、該カソードガス拡散層、および該触媒コーティングされた膜を積層する工程とを包含し、それにより上記目的が達成される。
【００２０】
前記触媒コーティングされた膜は、触媒層が活性領域にコーティングされたイオノマー膜を含んでもよい。
【００２１】
前記接着コンポーネントは、前記積層する工程の前に、前記アノードガス拡散層および前記カソードガス拡散層のいずれか、または両方に付与されてもよい。
【００２２】
前記接着コンポーネントは、前記積層する工程の前に、前記触媒コーティングされた膜に付与されてもよい。
【００２３】
前記触媒コーティングされた膜は、前記アノードガス拡散層が隣接する第１の側と、前記カソードガス拡散層が隣接する第２の側とを含み、前記接着コンポーネントは、前記積層する工程の前に、該第１の側および該第２の側の両方に付与されてもよい。
【００２４】
前記積層する工程は、２０〜１３０℃の温度範囲で行われてもよい。
【００２５】
前記積層する工程は、２〜２０バールの圧力範囲で行われてもよい。
【００２６】
前記接着コンポーネントは、有機ポリマー材料を含んでもよい。
【００２７】
前記接着コンポーネントは、熱可塑性ポリマーもしくはデュロプラスチックポリマー、あるいは、導電性フィラーを含んでもよい。
【００２８】
前記接着コンポーネントは、溶媒をさらに含んでもよい。
【００２９】
前記接着コンポーネントは、添加剤をさらに含んでもよい。
【００３０】
前記接着コンポーネントは、コーティング、噴霧、印刷、分配、スタンピング、伝写テープの使用、およびホットメルトディスペンサの使用からなる群から選択される方法によって付与されてもよい。
【００３１】
前記接着コンポーネントは、４０〜１２０℃の温度範囲で付与された後、乾燥されてもよい。
【００３２】
前記接着コンポーネントの量は、活性領域１ｃｍ２あたり、接着剤が０．０１〜１０ｍｇの範囲に制限されていてもよい。
【００３３】
前記接着コンポーネントは、活性領域に、接着剤ドットの形態で、所望のパターンで選択的に付与されてもよい。
【００３４】
前記接着剤ドットは、活性領域の面積の１〜２０％、好ましくは１〜１０％を占めてもよい。
【００３５】
本発明による膜電極アセンブリは、積層された、アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、カソードガス拡散層、および接着コンポーネントを含み、それにより上記目的が達成される。
【００３６】
前記接着コンポーネントは、有機ポリマー材料を含んでもよい。
【００３７】
前記接着コンポーネントは、熱可塑性ポリマーもしくはデュロプラスチックポリマー、あるいは、導電性フィラーを含んでもよい。
【００３８】
燃料スタックは、膜電極アセンブリを含んでもよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明によると、５層のＭＥＡを生成するプロセスが提供される。本発明に従って生成された５層ＭＥＡは、アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、およびカソードガス拡散層を含む。アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、およびカソードガス拡散層は、接着コンポーネントを用いる積層プロセスによって、互いに組み立てられる。
【００４０】
この開示は、膜電極アセンブリの触媒についての入門書ではない。当業者にとって公知の基本的な概念は、詳細に説明されない。
【００４１】
膜電極アセンブリ（「５層ＭＥＡ」）は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池における中心的な構成要素であり、５層からなる。この５層とは、アノードＧＤＬ、アノード触媒層、イオノマー膜、カソード触媒層、およびカソードＧＤＬである。ＭＥＡは、ＣＣＭ（触媒コーティングされた膜）を、２つのＧＤＬと（アノード側およびカソード側上で）組み合わせることによって製造されてもよいし、イオノマー膜を、２つの触媒コーティングされたバッキング（ＣＣＢ）とアノード側およびカソード側で組み合わせることによって製造されてもよい。いずれの場合でも、５層ＭＥＡ製品が得られる。本発明は、ＣＣＭの２つのガス拡散層（ＧＤＬ）との組合せに基づく、５層ＭＥＡの製造に関する。
【００４２】
ＰＥＭＦＣおよびＤＭＦＣスタックは、多くの個々のＭＥＡおよびバイポーラプレートを互いにスタックすることによって、これらの膜電極アセンブリから組み立てられる。横方向の寸法およびスタックされるＭＥＡユニットの数に依存して、様々な電力範囲のＰＥＭＦＣスタックが入手され得る。
【００４３】
本発明によると、ポリマー電解質膜は、プロトン伝導ポリマー材料からなる。これらの材料は、以下で、短縮のため、イオノマーとも呼ばれる。好ましくは、スルホン酸基を有するテトラフルオロエチレン−フルオロビニル−エーテルコポリマーが用いられる。この材料は、例えば、Ｅ．Ｉ．Ｄｕｐｏｎｔから、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）の名前で市販されている。しかし、他の材料、特に、フッ素を含まないイオノマー材料、例えば、スルホン化されたポリエーテルケトン、またはアリールケトン、あるいは、ポリベンゾイミダゾールが用いられてもよい。適切なイオノマー材料は、Ｏ．Ｓａｖａｄｏｇｏによる「Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＮｅｗ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｉ、４７−６６（１９９８））に記載されている。燃料電池において用いられる場合、これらの膜は、概して、１０〜２００μｍの間の厚さである。
【００４４】
アノードおよびカソード層は、それぞれの反応（アノードにおける水素の酸化およびカソードにおける酸素の還元）において触媒作用を及ぼす、電気触媒を含む。触媒活性構成要素として、好ましくは、周期表における白金群の金属が用いられ得る。大体は、支持された触媒が用いられる。この触媒においては、触媒活性白金群金属が、ナノサイズの粒子の形態で、導電性支持材料の表面に固定されている。白金群金属の平均粒子サイズは、約１〜１０ｎｍの間である。粒子のサイズが１０〜５０ｎｍであり、導電性が高いカーボンブラックは、支持材料として適切であることが証明された。
【００４５】
本発明によると、３つの構成要素（ＣＣＭ、アノードＧＤＬ、およびカソードＧＤＬ）は、接着コンポーネントを用いて、積層プロセスによって、５層ＭＥＡを形成するように組み合わせられる。本発明のある実施形態（図１に示す）において、接着コンポーネント（ｂ）は、所望のパターンで、触媒コーティングされた膜（ａ）のアノード側およびカソード側に付与され、必要に応じて、その後、乾燥される（ｃ）。接着コンポーネントを含むＣＣＭは、アノードＧＤＬとカソードＧＤＬとの間に挟まれ、その後、アセンブリは、穏やかで良好な（低温および低圧）状態において、積層され（ｄ）、５層ＭＥＡが得られ（ｅ）、これを用いて、ＰＥＭＦＣスタックアセンブリが形成され得る（ｆ）。
【００４６】
本発明の第２の実施形態（図２に示す）において、接着コンポーネント（ｂ）は、所望のパターンで、ＧＤＬ基板（ａ）に付与される。接着剤コーティングされたＧＤＬは、その後、必要に応じて、乾燥され（ｃ）、次いで、触媒コーティングされた膜と積層されて（ｄ）５層ＭＥＡが形成され（ｅ）、これを用いて、ＰＥＭＦＣスタックアセンブリが形成される（ｆ）。
【００４７】
図３は、接着コンポーネントのドット（４）を有する触媒コーティングされた膜（１）を示す。参照符号（２）は、膜を示し、参照符号（３）は、触媒層の活性領域を示す。図３に示すように、概して、触媒層の活性領域の横方向の寸法は、膜の横方向の寸法より短く、封止のために、コーティングされない周辺領域が残される。図３において、接着コンポーネントのドットは、所望のパターンに配置される。所望のパターンは、ＧＤＬのＣＣＭへの結合を最適にするため、異なり得る。
【００４８】
本発明の第３の実施形態において、接着コンポーネントは、触媒コーティングされた膜とＧＤＬ基板との両方に付与される。
【００４９】
この実施形態の変形が可能である。例えば、接着コンポーネントは、ＣＣＭの第１の側（例えば、アノード側）、およびＧＤＬの第２の側（例えば、カソード側）に付与されてもよい。
【００５０】
これらの様々な実施形態の全てにおいて、５層のＭＥＡは、簡略的な積層プロセスで得られる。加えられる積層圧力が低く（好ましくは、２〜２０バール、より好ましくは、２〜１０バールの間）、温度が低い（好ましくは、２０〜１３０℃の間）ので、イオノマー膜およびＣＣＭは、損傷を受けたり、穿孔されたり、または、圧縮されたりしない。さらに、本発明のプロセスは、ロールで供給される、可撓性があるＣＣＭおよびＧＤＬ材料を用いる場合、連続的に行われ得る。従って、大量のオープンリールＭＥＡ製造が達成され得る。
【００５１】
接着コンポーネントとして、概して、基板に熱および圧力が加えられる際に接着性を発揮する材料は全て用いられ得る。例えば、熱可塑性ポリマー組成物およびデュロプラスチック（ｄｕｒｏｐｌａｓｔｉｃ）ポリマー組成物、ホットメルト接着剤、１成分および２成分の接着剤、ポリオレフィン、ポリエステル、ベークライト、エポキシ、シリコーン、アクリル、ウレタンもしくはポリイミドに基づくポリマー、ならびに、ペルフルオロポリマーおよびイオノマー材料ならびにその混合物があるが、これらに限定されない。ポリマー組成物は、様々なフィラー材料で充填され得る。非導電性フィラーの例として、アルミナ、シリカ、チタニアなどがあるが、これらに限定されない。導電性フィラーの例として、貴金属もしくは卑金属粉末、カーボンブラック、グラファイトなどがあるが、これらに限定されない。さらに、ポリマー組成物は、触媒活性コンポーネントで充填され得る。この触媒活性コンポーネントは、貴金属ブラック、カーボン支持電極触媒を含むがこれらに限定されない。必要に応じて、硬化剤、消泡剤、湿潤剤、防腐剤などの添加剤が加えられてもよい。
【００５２】
接着コンポーネントは、ＣＣＭまたはＧＤＬの活性領域に、任意の所望のパターンで選択的に付与される。電極において、触媒活性側のブロッキングおよびマスキングが多すぎることを防ぐため、接着剤パターンは、密度が高すぎてはいけない。接着剤のドットが触媒層の活性領域の１〜２０％、好ましくは、１〜１０％を占めている状態で、良好な結果が得られる。接着剤のパターンの例として、細い線または小さいドット、あるいは、活性領域の隅および／または中心の堆積物がある。接着コンポーネントが、活性領域にわたって、非常に高密度のパターンで堆積される場合、性能の低下が起こり得る。さらに、接着コンポーネントの量は、ＭＥＡの性能の損失を避けるため、活性領域１ｃｍ２あたり、接着コンポーネントが０．０１〜１０ｍｇ、好ましくは、０．０１〜１ｍｇの範囲内に限定される必要がある。
【００５３】
本発明において有用な触媒コーティングされた膜（３層ＭＥＡ）は、特許文献１、特許文献２、および本出願人の他の係属中の出願に記載されているように、アノードおよびカソード電極層を、イオノマー膜の前側および後側にプリントすることによって製造され得る。しかし、異なる方法（例えば、転写プロセス、ドクターブレード、テープ伝写方法、薄膜（ＰＶＤ）蒸発方法など）で製造されたＣＣＭも組み込まれ得る。
【００５４】
ＧＤＬとして、燃料電池技術において公知の様々な市販の利用可能な材料が用いられ得る。例として、カーボン紙、カーボンファイバ、カーボン布、織られたカーボンメッシュ、縫われたフェルト、編まれた織物などがあるが、これらに限定されない。多孔性カーボン支持物は、防水性を有し得、ミクロ層を含み得る。
【００５５】
接着コンポーネントの付与は、当該技術において公知の任意の簡便な方法によって行われる。例として、噴霧、分配、スクリーン印刷、ステンシル印刷、スタンピング、ドクターブレーディング、あるいは、ホットメルト接着の場合には、加熱された針または加熱されたディスペンサユニットもあるが、これらに限定されない。連続製造の場合、接着コンポーネントの付与は、自動的に行われ、連続製造プロセスに組み込まれ得る。
【００５６】
接着コンポーネントの付与後、乾燥プロセスが行われ得る。接着コンポーネントの溶媒含有量に依存して、適切な乾燥状態が選択される。適切な乾燥範囲は、例えば、４０〜１２０℃であり、乾燥時間は、例えば、０．５〜６０分である。ホットメルト接着剤を付与し、溶媒を必要としないシステムの場合、乾燥工程は、省略され得る。
【００５７】
３つのＭＥＡ部分の積層プロセスは、熱および圧力を利用する任意のプロセス（すなわち、ホットプレス、熱間圧延、カレンダー加工、スタンピングなど）によって行われ得る。上記の「ＣＣＢプロセス」における積層状態（典型的には、１５０℃より高い温度、２０バールより高い圧力）と比較すると、本発明の積層状態は、かなり穏やか（好ましくは、１０バールまでの圧力と、１３０℃までの温度）である。結果として、イオノマー膜およびＣＣＭは、損傷を受けたり、穿孔されたり、圧縮されたりしない。
【００５８】
本発明を、ある程度詳しく説明し、例示してきたが、添付の特許請求の範囲は、それほど限定されておらず、特許請求の範囲およびその均等物の各要素の表現に相当する範囲が提供されるものであることを理解されたい。
【００５９】
【実施例】
（実施例１）
触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ　タイプＲ２２１、改質油動作／完全吸湿、５０ｃｍ２の活性領域、ＯＭＧ　ＡＧ＆Ｃｏ．ＫＧ、Ｈａｎａｕ）が、ＣＣＭ部材として用いられた。アノード電極側は、ＰｔＲｕ／Ｃ電気触媒を含み、貴金属ローディングの合計は、０．４５ｍｇ（１ｃｍ２あたり０．３ｍｇのＰｔ、および１ｃｍ２あたり０．１５ｍｇのＲｕ）であり、カソード側は、Ｐｔ／Ｃ電気触媒を含み、Ｐｔローディングが１ｃｍ２あたり０．４ｍｇのＰｔであった。
【００６０】
アノードＧＤＬ（以下、ＧＤＬ（Ａ）と呼ぶ）は、以下のように準備された。カーボンファイバ紙のシート（厚さ３５０μｍ、多孔率８５％、ＳＧＬ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｇｒｏｕｐから供給、タイプＳＩＧＲＡＣＥＴ（登録商標））は、ＰＴＦＥ含有量が１６重量％になるまで、水性ＰＴＦＥ溶液（タイプＨｏｓｔａｆｌｏｎ　ＴＦ　５０３２、Ｄｙｎｅｏｎ（登録商標）、Ｇｅｎｄｏｒｆ）で防水され、カーボンブラックおよびＰＴＦＥからなるミクロ層が、スクリーン印刷によって、カーボン紙の一方の側に付与された。カソードＧＤＬ（以下、ＧＤＬ（Ｃ）と呼ぶ）は、同様に準備されたが、防水プロセスにおいて、ＰＴＦＥ含有量は、９重量％まで低減された。ポリオレフィンベースのホットメルト接着剤（タイプＴｅｃｈｎｏｍｅｌｔ、Ｔｅｒｏｓｏｎ／Ｈｅｎｋｅｌ　Ｃｏ．）は、細かい網目模様で、ＧＤＬ（Ａ）およびＧＤＬ（Ｃ）のミクロ層コーティングされた側に噴霧された。ホットメルト接着剤の付与は、加熱ディスペンサを用いて、１７５℃で行われた。それぞれのＧＤＬに付与された接着剤の量は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００６１】
後続の積層プロセスにおいて、触媒コーティングされた膜（ＣＣＭタイプＲ２２１）は、２つのＧＤＬと、ＧＤＬ（Ａ）−アノード層−ＣＣＭ−カソード層−ＧＤＬ（Ｃ）の順に組み合わせられ、１０バールの圧力を用いて、１３０℃で１分間ホットプレスされた。非常に可撓性が高い５層複合ＭＥＡが得られた。５層は、非常にしっかりと接着され、処理され、ＰＥＭＦＣスタックに組み込まれることが容易であった。
【００６２】
５層ＭＥＡは、封止するものと組み合わせられ、ＰＥＭＦＣの単独の電池の性能テストにかけられた。電気化学的データは、非常に良好であった（表１）。
【００６３】
（実施例２）
触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ　タイプＲ２２１、５０ｃｍ２の活性領域、ＯＭＧ　ＡＧ＆Ｃｏ．ＫＧ）が、ＣＣＭコンポーネントとして用いられた。ＧＤＬ（Ａ）およびＧＤＬ（Ｃ）は、実施例１において記載されたように準備された。触媒を含むペーストは、以下の組成に従って配合された。
１５．０ｇ　　電気触媒Ｅｌｙｓｔ（登録商標）（ＯＭＧ　ＡＧ、Ｈａｎａｕ）
５０．０ｇ　　Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）ＳＥ１００７２（水中１０重量％、ＤｕＰｏｎｔ）
３５．０ｇ　　ジプロピレングリコール
──────
１００．０ｇ
触媒を含むペーストは、細かいドットパターンで、ＣＣＭの活性領域のアノード側に付与された。ドットの直径は、１ｍｍであり、直径０．５ｍｍの針を有する自動ディスペンサユニットが用いられた。第２の工程において、同量の触媒を含むペーストが、カソードバッキングＧＤＬ（Ｃ）のミクロ層がコーティングされた側に付与された。８０℃で２分間乾燥させた後、ＣＣＭは、アノードＧＤＬ（Ａ）とカソードＧＤＬ（Ｃ）との間に挟まれた。その後、このアセンブリは、８バールの気圧を用いて、１２０℃でホットプレスされた。電気特性が良好な可撓性を有する５層ＭＥＡが得られた（表１）。
【００６４】
（実施例３）
触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ　タイプＲ２２１、５０ｃｍ２の活性領域、ＯＭＧ　ＡＧ＆Ｃｏ．ＫＧ）が用いられた。アノードおよびカソードＧＤＬは、実施例１において記載されたように準備された。カーボンブラックを含む接着ペーストは、以下の組成に従って準備された。
２０．０ｇ　　カーボンブラックＳｈａｗｉｎｉｇａｎ（Ｃｈｅｖｒｏｎ）
６０．０ｇ　　Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）ＳＥ１００７２（水中１０重量％、ＤｕＰｏｎｔ）
２０．０ｇ　　ジプロピレングリコール
──────
１００．０ｇ
カーボンブラックを含む接着ペーストは、アノードおよびカソードＧＤＬのミクロ層コーティングされた側に、選択的にスクリーン印刷された。乾燥させる工程は省略された。さらなる処理は、実施例２において記載された処理と同様であった。電気特性が非常に良好な５層ＭＥＡが得られた（表１）。
【００６５】
（電気化学的テスト）
５層ＭＥＡは、ＰＥＭＦＣの単独の電池において、活性領域が５０ｃｍ２であり、模擬実験の天然ガス改質油（組成は、水素が４０体積％、窒素が４０体積％、二酸化炭素が２０体積％、一酸化炭素が４０ｐｐｍ、さらに、抽気される空気が２体積％）を用いて改質油／空気条件で動作している状態で、テストされた。動作ガス圧は、大気圧（１バール）であり、電池温度は７０℃であった。表１に示すように、本発明に従って製造される５層ＭＥＡは、６００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で、約６３０ｍＶの高い電池電圧を有する。
【００６６】
表１　５層ＭＥＡの電気化学的テストの結果
【００６７】
【数１】
2004006369.tif 000002
【００６８】
【発明の効果】
本発明は、電気化学的電池および燃料電池の分野、より具体的には、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池に関し、５層を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造方法を記載する。５層のＭＥＡは、接着コンポーネントを含む積層プロセスによって、ともに組み立てられる。アノードガス拡散層、触媒コーティングされた膜、およびカソードガス拡散層は、低温／低圧積層プロセスによって、ともに組み合わされる。ＭＥＡの処理およびＰＥＭＦＣおよびＤＭＦＣスタックへの製品のアセンブリは、簡略化される。触媒コーティングされた膜の損傷および穿孔は、より少なくなり、５層のＭＥＡの性能は、大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、接着コンポーネントが、触媒コーティングされた膜のアノード側およびカソード側に、所望のパターンで付与され、その後、必要に応じて乾燥される、本発明のある実施形態の模式図である。次いで、接着コンポーネントを含むＣＣＭは、アノードＧＤＬとカソードＧＤＬとの間に挟まれ、その後、アセンブリは、穏やかで良好な状態（低温および低圧）で積層されて、５層のＭＥＡが得られる。
【図２】図２は、接着コンポーネントが、所望のパターンでＧＤＬ基板に付与される、本発明の第２の実施形態の模式図である。接着剤コーティングされたＧＤＬは、その後、必要に応じて乾燥され、次いで、触媒コーティングされた膜で積層されて５層のＭＥＡが形成される。
【図３】図３は、本発明に従って製造された、触媒コーティングされた膜を示す図である。
【符号の説明】
１　触媒コーティングされた膜
２　膜
３　触媒層の活性領域
４　接着コンポーネントのドット
【図１】
2004006369.tif 000003
【図２】
2004006369.tif 000004
【図３】
2004006369.tif 000005