(57)【要約】【課題】  本発明は、ガラス転移温度が高い電解質膜を用いた場合でも触媒電極層との接合性を良好に保つことができ、かつ、電解質膜の形成や膜厚制御が容易で、コストの削減が可能である燃料電池の製造方法を提供することを主目的とするものである。【解決手段】  上記目的を達成するために本発明は、第１ガス拡散層上に第１触媒電極層を形成する第１触媒電極層形成工程と、蒸着法を用いて前記第１触媒電極層上に直接電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、上記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する第２触媒電極層形成工程と、上記第２触媒電極層上に第２ガス拡散層を配置する第２ガス拡散層配置工程と、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池の製造方法を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ガス拡散層上に第１触媒電極層を形成する第１触媒電極層形成工程と、
蒸着法を用いて前記第１触媒電極層上に直接電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、
前記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する第２触媒電極層形成工程と、
前記第２触媒電極層上に第２ガス拡散層を配置する第２ガス拡散層配置工程とを少なくとも有す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ガス拡散層は第１セパレータと接合されたものであり、前記第１触媒電極層形成工程では、前記第１触媒電極層は、前記第１セパレータと接合された前記第１ガス拡散層の第１セパレータと反対側の表面に形成され、
前記第２ガス拡散層は第２セパレータと接合されたものであり、前記第２ガス拡散層配置工程では、前記第２セパレータと接合された前記第２ガス拡散層の第２セパレータと反対側の表面と、前記第２触媒電極層とが接するように配置され、
前記電解質膜形成工程では、電解質膜は、前記第１触媒電極層表面と、前記第１ガス拡散層と接合されている前記第１セパレータの、第１触媒電極層と隣接する部分とに形成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】
電解質膜が蒸着法を用いて形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
基材上に第１触媒電極層を形成する第１触媒電極層形成工程と、
蒸着法を用いて前記第１触媒電極層上に電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、
前記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する第２触媒電極層形成工程とを有することを特徴とする燃料電池用膜電極複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の電解質膜を燃料電池構成部品上に直接蒸着法により形成する燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単位セルは一般に図２に示すように、電解質膜１の両側に触媒電極層２が接合されている膜電極複合体３を有し、この膜電極複合体３の両側にはガス拡散層４が配されている。さらに、その外側にはガス流路５を備えたセパレータ６が配されており、ガス拡散層４を介して膜電極複合体３の触媒電極層２へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
従来の固体高分子電解質型燃料電池においては、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂等の比較的ガラス転移温度の低い樹脂が電解質膜に用いられている。これらの電解質膜は、予め別途に形成され、それを熱圧着などの方法により触媒電極層と接合されるが、このような電解質膜は、そのガラス転移温度から作動温度の上限は８０℃程度であり、より高い温度において作動できる高温用電解質膜が提案されている。
【０００４】
この際、高温での使用に耐えるために、ガラス転移温度の高い樹脂を用いて高温用電解質膜を形成すると、そのガラス転移温度の高さから、加熱による膜の軟化を利用した触媒電極層との接合がうまくできない場合が多い。また、予め重合した材料をキャスト法や溶融押し出し法などで成膜する従来の方法では、膜厚の制御が困難であり、精度の高い膜厚の制御はできなかった。さらに、電解質膜に用いられる炭化水素系の樹脂は一般に取り扱いにくく、予め重合された材料を別途に成膜し、それを触媒電極層と接合するといった従来の方法では、煩雑な工程を細心の注意を払って行う必要があり、コストの増大の一因にもなっていた。
【０００５】
なお、特許文献１では、可塑性シート上に印刷やメッキ、接着やスパッタなどの膜形成技術を用いた燃料電池の製造方法が開示されている。しかしながら、この発明においては、可塑性シート上に集電体および無加湿プロトン伝導体を積層しているため、加圧条件下での使用が求められることから、大気圧下で用いる自動車用燃料電池等には用いることができないものであった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２１６８０３号公報
【特許文献２】特開２００３−５９５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガラス転移温度が高い電解質膜を用いた場合でも触媒電極層との接合性を良好に保つことができ、かつ、電解質膜の形成や膜厚制御が容易で、コストの削減が可能である燃料電池の製造方法を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、第１ガス拡散層上に第１触媒電極層を形成する第１触媒電極層形成工程と、蒸着法を用いて上記第１触媒電極層上に直接電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、上記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する第２触媒電極層形成工程と、上記第２触媒電極層上に第２ガス拡散層を配置する第２ガス拡散層配置工程と、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池の製造方法を提供する。
【０００９】
本発明の燃料電池の製造方法においては、蒸着法を用いて電解質膜を形成するため、ガラス転移温度が高い電解質膜であっても、触媒電極層との接合性良く、容易に形成することができる。また、電解質膜を第１触媒電極層上に直接形成するため、予め別途に形成された電解質膜を触媒電極と接合するといった手間がなくなり、電解質膜が製造過程において破損するといった不具合も防止することができる。
【００１０】
上記発明においては、上記第１ガス拡散層は第１セパレータと接合されたものであり、上記第１触媒電極層形成工程では、上記第１触媒電極層は、上記第１セパレータと接合された上記第１ガス拡散層の第１セパレータと反対側の表面に形成され、上記第２ガス拡散層は第２セパレータと接合されたものであり、上記第２ガス拡散層配置工程では、上記第２セパレータと接合された上記第２ガス拡散層の第２セパレータと反対側の表面と、上記第２触媒電極層とが接するように配置され、上記電解質膜形成工程では、電解質膜は、上記第１触媒電極層表面と、上記第１ガス拡散層と接合されている上記第１セパレータの、第１触媒電極層と隣接する部分とに形成されることが好ましい。
【００１１】
これらのガス拡散層をセパレータと接合された状態で用いることにより、厚さや強度を増加させることができ、取り扱いが容易になり、ガス拡散層が製造工程において破損するといった不具合を防止することができる。また、予め第１セパレータ上に接合された第１ガス拡散層を用いることにより、上記電解質膜形成工程において、上記電解質膜を上記第１ガス拡散層と接合された第１セパレータ上の一部にも形成することができる。そのようにして形成された積層体に、上記第２ガス拡散層配置工程において、第２セパレータ上に接合された第２ガス拡散層を接合することにより、上記第１セパレータ上の一部に形成された電解質膜を、第１セパレータと第２セパレータとで挟みこむことができ、該電解質膜がシール剤としての役割も果たすことができるからである。
【００１２】
また、本発明は、電解質膜が蒸着法を用いて形成されていることを特徴とする燃料電池を提供する。電解質膜が蒸着法を用いて形成されているため、触媒電極層との密着性がよく、剥離などの可能性が少ない。そのため、耐久性の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００１３】
本発明はさらに、基材上に第１触媒電極層を形成する第１触媒電極層形成工程と、蒸着法を用いて上記第１触媒電極層上に電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、上記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する第２触媒電極層形成工程と、を有することを特徴とする燃料電池用膜電極複合体の製造方法を提供する。
【００１４】
本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法においては、蒸着法を用いて電解質膜を形成するため、ガラス転移温度が高い電解質膜であっても、膜電極複合体を容易に形成することができる。また、電解質膜を第１触媒電極層上に直接形成するため、予め重合された材料を別途に成膜し、それを触媒電極層と接合するといった手間がなくなり、電解質膜が触媒電極層と接合される際に破損する等不具合も防止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池の製造方法によれば、ガラス転移温度が高い電解質膜を用いた場合であっても容易に形成することができる。また、燃料電池の製造工程を大幅に簡略化することができ、製造コストの削減ができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池の製造方法、燃料電池、および、電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体の製造方法について、それぞれ詳細に説明する。
【００１７】
Ａ．燃料電池の製造方法
まず、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。
本発明の燃料電池の製造方法は、第１ガス拡散層上に第１触媒電極層を形成する第１触媒電極層形成工程と、蒸着法を用いて上記第１触媒電極層上に直接電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、上記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する第２触媒電極層形成工程と、上記第２触媒電極層上に第２ガス拡散層を配置する第２ガス拡散層配置工程とを少なくとも有することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の燃料電池の製造方法においては、蒸着法を用いて電解質膜を形成するため、加熱による膜の軟化を利用した従来の触媒電極層との接合方法を用いることが困難な、ガラス転移温度が高い電解質膜であっても、触媒電極層との接合性の良い電解質膜を形成することができる。また、電解質膜を触媒電極層上に直接形成するため、予め重合した材料を用い、別途に電解質膜を形成し、それを触媒電極層と接合するといった手間のかかる作業を行う必要がない。さらに、単体で形成された電解質膜は取り扱いにくく、従来の方法では電解質膜が形成されてから触媒電極層上と接合されるまでの間に破損してしまうという不具合があったが、本発明によれば、電解質膜を直接触媒電極層上に形成するため、そのような不具合を回避することができる。
【００１９】
以下、本発明の燃料電池の製造方法について、図を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料電池の製造方法の工程の一例を示した概略断面図である。まず、図１（ａ）に示すように、第１セパレータ１１と接合されている第１ガス拡散層１２を準備する。次に、図１（ｂ）に示すように、上記第１ガス拡散層１２上に、触媒電極層形成用塗工液１３をスプレー装置１４によりスプレー塗布し、第１触媒電極層１５を形成する（第１触媒電極層形成工程）。上記第１触媒電極層形成工程により得られた積層体を、図１（ｃ）に示すように真空槽１６内に配置し、上記積層体の電解質膜を形成しない部分覆うようにマスキング１７をし、蒸発源１８に配置されたモノマー１９およびモノマー２０をＣＶＤ法（化学蒸着法）を用いて上記積層体上に堆積させ、重合させて電解質膜２１を形成する（電解質膜形成工程）。さらに、図１（ｄ）に示すように、第１触媒電極層形成工程と同様の方法により、上記電解質膜２１上に第２触媒電極層２２を形成する（第２触媒電極層形成工程）。そして、図１（ｅ）に示すように、第２触媒電極層形成工程により得られた積層体上の第１セパレータ１１が露出した部分に接着剤２３を塗布し、その上から第２セパレータ２４と接合された第２ガス拡散層２５を接合する（第２ガス拡散層配置工程）。その結果、図１（ｆ）に示すような燃料電池セル２６を得ることができる。
以下、このような本発明の燃料電池の製造方法を工程ごとに説明する。
【００２０】
１．第１触媒電極層形成工程
本工程においては、まず第１ガス拡散層上に第１触媒電極層が形成される。本工程において用いられる第１ガス拡散層としては、ガスの透過性を有し、かつ発生した電気を集電できるものであれば特に限定されるものではなく、従来の燃料電池に用いられるものを使用することができる。一般的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。第１ガス拡散層の厚さは、燃料電池におけるガス拡散層としての機能を果たせるものであれば特に限定されるものではない。
【００２１】
本工程において用いられる第１ガス拡散層は、第１ガス拡散層単独でもよいが、図１（ａ）に例示するような、予め第１セパレータと接合されたものであることが好ましい。このようにガス拡散層をセパレータと接合された状態で用いることにより、厚さや強度を増加させることができ、取り扱いが容易になり、ガス拡散層が製造工程において破損するといった不具合を防止することができるからである。
【００２２】
この際に用いられる第１セパレータは、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられているものを用いることができる。用いることができる第１セパレータの例としては、ガス拡散層側の面にガス流路が形成されており、反対側の面には、燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス供給装置が接続されているものを挙げることができる。冷却水の流路が形成されているものも含む。このような第１セパレータを形成する材料としては、カーボンや金属を用いるのが一般的であり、それらを従来のものと同様な厚さに形成して用いることができる。
【００２３】
本工程において、上述したような第１ガス拡散層上に第１触媒電極層を形成する方法は特に限定されるものではなく、従来の方法により形成することができる。用いることができる方法の例としては、スプレー法、スピンコーティング法、キャスティング法、ディッピング法、バーコート法、ブレードコート法、ロール転写法、グラビアコート法、印刷法、スプレーコート法等の塗布方法を挙げることができる。
【００２４】
本発明においては、上述した方法の中でも、スプレー法を用いることが好ましい。上記第１ガス拡散層上に直接スプレー法を用いて第１触媒電極層を形成することにより、第１ガス拡散層との密着性の良好な第１触媒電極層を形成することができるからである。また、スプレー法は、後述する第２触媒電極層形成工程において、電解質膜上に、電解質膜を適度に軟化させながら触媒電極層形成用塗工液を塗布するのに特に好ましい方法である。そのため、後の工程である第２触媒電極層形成工程と同一の方法を用いる点からも、第１触媒電極形成工程においてもスプレー法を用いることが好ましい。スプレー法による第１触媒電極層の形成方法については、後述する「３．第２触媒電極層形成工程」における第２触媒電極層の形成方法と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００２５】
２．電解質膜形成工程
本工程においては、蒸着法を用いて、上述した第１触媒電極層形成工程において形成された第１触媒電極層上に、直接電解質膜を形成する。本工程においては、蒸着法を用いて、電解質膜を直接第１触媒電極層上に形成することができるので、従来のように予め重合した材料を別途に成膜し、それを触媒電極層と接合する必要がなくなり、工程も簡略化できることに加え、単体で形成された電解質膜が、接合される際に破損するといった不具合も解消することができる。さらに、蒸着法は、加熱による軟化を利用した接合法を用いることができない、ガラス転移温度が高い電解質膜であっても用いることができ、高温で使用可能な電解質膜も、触媒電極層との接合性よく形成することができる。
【００２６】
さらに、蒸着法による電解質膜の形成には、溶媒の添加、除去、回収などの工程が必要ないため、製造工程が大幅に簡略化でき、コストの低減に効果的である。また、形成された電解質膜と第１触媒電極層との界面に溶媒が介在しないため、溶液法により形成されたものよりも密着性が格段に優れているため、良好な発電特性を得ることができる。加えて、光学式膜厚モニター等の使用により膜厚制御が可能であり、従来のような、膜厚を制御しながらの煩雑な成膜工程を行う必要もない。
【００２７】
本工程において用いられる蒸着法は、固体電解質膜を形成できるものであれば特に限定されるものではないが、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等のＣＶＤ法が好ましい。本工程においては、ＣＶＤ法を用いて、電解質膜の原料であるモノマーを同時に蒸発させ、第１触媒電極層上で重合反応を生じさせる蒸着重合を行う。この蒸着重合による成膜では、モノマーの輸送（蒸発源から第１触媒電極層まで）を通常の昇華精製と同じ手法で行うことから、生成する膜の純度が高く、不純物の混入が極めて少ない膜が得られる。
【００２８】
このようなＣＶＤ法において用いられる装置は、特に限定されるものではなく、通常のＣＶＤ法に用いられる装置を用いることができる。例えば、図１（ｃ）に例示するような、真空槽１６中に電解質膜２１を形成する基体（本工程においては燃料電池構成部材）を設置できる部材を有し、電解質膜２１を形成しない箇所にマスキング１７を施すことができ、２種以上のモノマー１９、２０を同時に蒸発させることができる蒸発装置を有するものを用いることができる。
【００２９】
本工程において形成される電解質膜は、燃料電池の電解質膜として利用できる膜であれば特に限定されるものではない。具体的には、プロトン伝導性を有する炭化水素系の膜が好適に用いられる。中でも、プロトン伝導性を有するポリイミド系の膜がより好ましく、スルホン酸基を有するポリイミド系の膜が特に好ましい。
【００３０】
上述したような電解質膜を形成する際に原料として用いられるモノマーは、特に限定されるものではなく、形成したい電解質膜に応じて適宜選択される。この際に用いられるモノマーの例としては、例えば、スルホン酸を有するポリアミド膜の場合、テトラカルボン酸成分として、１，２，３，４−ベンゼンテトラカルボン酸、１，２，４，５−ベンゼンテトラカルボン酸、１，１´−ビフェニル−２，３´，５´，６´−テトラカルボン酸、１，１´−ビフェニル−３，３´，４，４´−テトラカルボン酸、１，１´−ビフェニル−２，２´，３，３´−テトラカルボン酸、１，１´，１´´−テルフェニル−２，３´，５´，６´−テトラカルボン酸、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸、１，２，４，５−ナフタレンテトラカルボン酸、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸、１，８，９，１０−フェナントレンテトラカルボン酸、４，４´−オキシビス−（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−チオビス−（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−スルホニルビス−（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−メチレンビス−（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−ジフルオロメチレンビス−（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、３，３´−カルボニルビス−（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−カルボニルビス−（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−メチル−１−エチリデン−１，１−ビス（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−トリフルオロメチル−１−トリフルオロ−２，２，２−エチリデン−１，１−ビス（１，２−ベンゼンジカルボン）酸、４，４´−フェニレン−１，３−ビス（１，２−カルボニルベンゼンジカルボン）酸、４，４´−フェニレン−１，３−ビス（１，２−カルボニルベンゼンジカルボン）酸、４，４´−フェニレン−１，４−ビス（１，２−カルボニルベンゼンジカルボン）酸、４，４´−フェニレン−１，３−ビス（１，２−オキシベンゼンジカルボン）酸、４，４´−フェニレン−１，４−ビス（１，２−オキシベンゼンジカルボン酸）、４，４´−メチル−１−エチリデン−１，１−ビス（フェニレン−１，４−オキシ）−ビス（１，２−ベンゼンジカルボン）
酸、２，３，５，６−ピラジンテトラカルボン酸、２，３，４，５−チオフェンテトラカルボン酸、３，３´，４，４´−テトラカルボキシベンズアニリド等の芳香性テトラカルボン酸の酸二無水物やエステル化物等を挙げることができる。
【００３１】
また、スルホン酸基を有するジアミン成分として、４，４′−ジアミノ−（１，１′−ビフェニル）−２，２′−ジスルホン酸、１，４−ジアミノベンゼン−３−スルホン酸、１，３−ジアミノベンゼン−４−スルホン酸、４，４′−ジアミノ−５，５′−ジメチル−（１，１′−ビフェニル）−２，２′−ジスルホン酸、４，４´−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニル−３，３´−ジスルホン酸、９，９´−ビス（４−アミノフェニル）フルオレン−２，７´ジスルホン酸、４，４´−オキシジアニリン−２，２´−ジスルホン酸、３，５´−ジアミノ−２，４，６−トリメチルベンゼン−１−スルホン酸、４，４´−ジアミノ−トランス−スチルベン−２，２´−ジスルホン酸等が挙げられる。
【００３２】
一般に、ＣＶＤ法による炭化水素系の膜の形成は、真空の蒸着装置内において、原料のモノマーを蒸発させて、基体上に堆積させ、その後真空下において加熱することにより重縮合反応を完了させる。この際の原料のモノマーを蒸発させ、堆積させる際の真空槽内の真空度は、特に限定されるものではないが、通常１０−６程度の範囲内の真空度で行なわれる。
【００３３】
モノマーを蒸発させる温度は、用いられるモノマーにより異なるものではあるが、通常３００℃以下、好ましくは２６０℃以下で行なわれ、一般的には、モノマーの融点よりも１０℃程度高い温度である。
【００３４】
本工程においては、上述したような方法で蒸発させたモノマーを上記積層体の第１触媒電極層表面に堆積させる。その際、第１ガス拡散層が第１セパレータと接合されており、上記積層体が第１セパレータを含むものである場合は、第１触媒電極層表面と、第１セパレータの第１触媒電極層と隣接する部分とにモノマーを堆積させることが好ましい。第１セパレータの第１触媒電極層と隣接する部分にも電界質膜を形成することにより、後の工程において第１セパレータと第２セパレータとを接合させる際に、第１セパレータ上に形成された電解質膜を第２セパレータとで挟みこみ、上記電解質膜にシール剤としての役割を担わせることができるからである。
【００３５】
モノマーを堆積させた後、モノマーが堆積した積層体を真空下で加熱することにより、重合反応を完了させる。これは、例えばスルホン酸基を有するポリイミド膜の場合、真空槽内でモノマーが堆積された直後に上記テトラカルボン酸成分とジアミン成分とが重縮合してポリアミンとなるが、その後の、ポリアミンが脱水されてポリアミドになる反応を進行させるには真空下での加熱が必要となるためである。
【００３６】
上述したような、積層体上に堆積したモノマーの反応を完了させるための加熱温度および加熱時間は、用いられるモノマーや得られる膜の種類により適宜選択されることが好ましい。この際の加熱は、加熱機能を有する真空蒸着装置である場合は、該真空蒸着装置で行ってもよく、また、一般的に用いられる真空炉内で行なってもよい。
【００３７】
３．第２触媒電極層形成工程
本工程においては、上記電解質膜形成工程において形成された電解質膜上に、第２触媒電極層を形成する。本工程において、上記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する方法は特に限定されるものではなく、従来の方法により形成することができる。用いることができる方法の例としては、スプレー法、スピンコーティング法、キャスティング法、ディッピング法、バーコート法、ブレードコート法、ロール転写法、グラビアコート法、印刷法、スプレーコート法等の塗布方法を挙げることができる。
【００３８】
本発明においては、上述した方法の中でも、スプレー法を用いることが好ましい。上記電解質膜上に直接スプレー法を用いて第２触媒電極層を形成することにより、電解質膜との密着性の良好な第２触媒電極層を形成することができるからである。また、予め重合された材料を成膜し、加熱による軟化を利用して触媒電極層と接合するといった従来の方法を適用できないような、ガラス転移温度が高い電解質膜の場合でも、電解質膜上に直接スプレーすることにより、接合性の良い第２触媒電極層を形成することができる。
【００３９】
本発明においては、触媒電極層形成成分の分散溶液を電解質膜と馴染みの良い溶媒を用いて調製し、電解質膜の表面を軟化させながら触媒電極層を塗布することにより、第２触媒電極層を接合性良く形成することができ、良好な発電特性を得ることができる。
【００４０】
上述した分散溶液の溶媒として用いることができる溶剤としては、電解質膜を軟化することができ、乾燥または洗浄などにより除去可能なものであれば、特に限定されるものではない。分散溶液の塗布後に溶媒を乾燥により除去する場合は、沸点が低く、揮発性の高い溶剤が好ましい。用いることができる溶剤の例としては、水、アルコール、グリコール、脂肪酸エステル、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等を挙げることができ、塩化メチレン、アルコール、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、水、及びこれらの混合液等が好適に用いられる。特に、水、アルコール、塩化メチレンは、触媒電極層への吸着が少ないため好ましい。
【００４１】
本発明においては、上記分散溶液が塗布される側である電解質膜の物性に応じて、上記の溶剤の１種または２種以上を選択して用いる。この際、分散溶液に用いられる溶媒により、電解質膜が過剰に膨潤または軟化されると、電解質膜の変形が大きくなり、シワが生じる原因になり好ましくない。このような過剰な膨潤や軟化の抑制、および、フラッディングの抑制の観点からは、溶媒中のアルコールの比率を抑制することが好ましい。
【００４２】
上述したような溶媒に触媒電極層を形成する成分を分散させ、分散溶液を調製し、電解質膜上にスプレー塗布を行う。この塗布の際に用いられる装置は、特に限定されるものではなく、通常のスプレー塗布に用いられる装置を用いることができる。
【００４３】
上記スプレー塗布後、分散溶液中の溶媒を除去することにより、第２触媒電極層を形成することができる。溶媒の除去は自然乾燥等により溶媒を蒸発させることもでき、触媒電極層形成用塗工液が塗布された積層体を加熱、または減圧下に配置することにより溶媒を蒸発させることもできる。
【００４４】
４．第２ガス拡散層配置工程
本工程においては、上記第２触媒電極層形成工程までの工程において形成された、第１ガス拡散層、第１触媒電極層、電解質膜、および、第２触媒電極層を有する積層体上に第２ガス拡散層を接合する。この際に用いられる第２ガス拡散層は、第２ガス拡散層単独でもよいが、予め第２セパレータと接合されたものが好ましい。第２ガス拡散層を第２セパレータと接合した状態で用いることにより、厚さや強度などを増加させることができ、取り扱いが容易になるからである。本工程において用いられる第２セパレータおよび第２ガス拡散層は、上述した第１触媒電極層形成工程において用いられる第１セパレータおよび第１ガス拡散層と同じものを用いることができる。
【００４５】
本工程における、第２ガス拡散層の接合方法は、特に限定されるものではなく、通常の燃料電池において用いられる接合方法を用いることができる。第１ガス拡散層および第２ガス拡散層が、予め第１セパレータおよび第２セパレータと接合されている場合は、上記電解質膜形成工程において、第１セパレータの上面に形成された電解質膜を第２セパレータとで挟みこむことにより、第１セパレータ上に形成された電解質膜をシール剤として機能させることができる。
【００４６】
Ｂ．燃料電池
次に、本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、電解質膜が蒸着法を用いて形成されていることを特徴とするものである。本発明の燃料電池に用いられる電解質膜は、触媒電極層上に蒸着法により直接形成されているので、触媒電極層との接合性が良好である。そのため、良好な発電特性を得ることができ、また、電解質膜と触媒電極層とが接着剥離などを起こす可能性は少なく、耐久性の良好な燃料電池を得ることができる。さらに、蒸着法による成膜は、膜厚の制御が容易であるので、膜厚が均一な電解質膜を得ることができる。
【００４７】
このような、本発明の燃料電池の構成について図を用いて説明する。図１（ｆ）は、本発明の燃料電池の最小単位である燃料電池セルの一例を示す断面概略図である。本発明の燃料電池は図１（ｆ）に例示するように、第１セパレータ１１と接合された第１ガス拡散層１２上に第１触媒電極層１５が形成され、その上にＣＶＤ法により電解質膜２１が形成されている。さらに、電解質膜２１上には第２触媒電極層２２が形成され、その上に第２セパレータ２４と接合された第２ガス拡散層２５が接合されている。その際、第１セパレータと第２セパレータとの間には接着剤２３が塗布されている。
【００４８】
本発明に用いられる電解質膜は、蒸着法を用いて形成されていることを特徴とするものである。蒸着法は、加熱による膜の軟化を利用するものではないので、従来の電解質膜の形成方法では用いることができないガラス転移温度が高い物質も電解質膜に用いることができる。そのため、本発明の燃料電池に用いられる電解質膜は、ガラス転移温度が高い物質を材料として用い、高温での作動に耐え得る、耐熱性の高い電解質膜とすることができる。
【００４９】
上述した電解質膜の詳しい説明については、上記の「Ａ．燃料電池の製造方法」において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。また、本発明の燃料電池に用いられるその他の構成部材である、第１セパレータ、第１ガス拡散層、第１触媒電極層、第２触媒電極層、第２ガス拡散層、および第２セパレータについての説明も、上記の「Ａ．燃料電池の製造方法」において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００５０】
Ｃ．膜電極複合体の製造方法
本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法は、基材上に第１触媒電極層を形成する第１触媒電極層形成工程と、蒸着法を用いて前記第１触媒電極層上に電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、前記電解質膜上に第２触媒電極層を形成する第２触媒電極層形成工程と、を有することを特徴とするものである。
【００５１】
本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法においては、蒸着法を用いて電解質膜を形成するため、ガラス転移温度が高い電解質膜であっても容易に形成することができる。また、電解質膜を第１触媒電極層上に直接形成するため、予め重合した材料を別途に成膜し、触媒電極層と接合するといった手間がなくなり、電解質膜が製造過程において破損する等の不具合も防止することができる。
以下、本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法を工程ごとに説明する。
【００５２】
１．第１触媒電極層形成工程
本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法における第１触媒電極層形成工程においては、基材上に第１触媒電極層が形成される。この際に用いることができる基材としては、自己支持性を有するものであれば特に限定されるものではなく、基材として一般的に用いられるものを用いることができるが、フッ素系樹脂等の撥水性を有するものが好ましい。基材上に形成された膜電極複合体が、基材から分離され易いことが望ましからである。そのような基材の厚さとしては、特に限定されるものではなく、基材としての自己支持性を保てる範囲内において一般的な厚さで用いることができる。
【００５３】
本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法における第１触媒電極層形成工程においては、上述したような基材上に第１触媒電極層が形成されること以外は、上記「Ａ．燃料電池の製造方法」の「１．第１触媒電極層形成工程」における記述と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００５４】
２．電解質膜形成工程
本工程においては、上記第１触媒電極層形成工程において、基材上に形成された第１触媒電極層の上に電解質膜が形成される。この際の電解質膜の形成方法については、上記「Ａ．燃料電池の製造方法」の「２．電解質膜形成工程」における記述と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００５５】
３．第２触媒電極層形成工程
本工程においては、上記電解質膜形成工程において形成された電解質膜上に第２触媒電極層が形成される。この際の第２触媒電極層の形成方法については、上記「Ａ．燃料電池の製造方法」の「３．第２触媒電極層形成工程」における記述と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００５６】
４．燃料電池用膜電極複合体
本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法により製造された膜電極複合体は、電解質膜が、第１触媒電極層上に蒸着法を用いて直接形成されているため、電解質膜と第１触媒電極層との接合性が良好である。また、炭化水素系などのようにガラス転移温度が高い物質を材料として用いた電解質膜は、加熱による軟化を利用した従来の方法での触媒電極層との接合が困難であるため、膜電極複合体の製造は困難であったが、本発明の燃料電池用膜電極複合体の製造方法によれば、ガラス転移温度が高い電解質膜を用いた、耐熱性の高い膜電極複合体を得ることができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池の製造方法の工程の一例を示す概略断面図である。
【図２】従来の燃料電池の最小単位であるセルの構造の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  …  電解質膜
２  …  触媒電極層
３  …  膜電極複合体
４  …  ガス拡散層
５  …  ガス流路
６  …  セパレータ
１１  …  第１セパレータ
１２  …  第１ガス拡散層
１３  …  触媒電極層形成用塗工液
１４  …  スプレー装置
１５  …  第１触媒電極層
１６  …  真空槽
１７  …  マスキング
１８  …  蒸発源
１９  …  モノマー
２０  …  モノマー
２１  …  電解質膜
２２  …  第２触媒電極層
２３  …  接着剤
２４  …  第２セパレータ
２５  …  第２ガス拡散層
２６  …  燃料電池セル
【図１】
2005276789.tif 000003
【図２】
2005276789.tif 000004