(57)【要約】【課題】燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する触媒層形成方法において、触媒層と固定高分子電解質膜との間の界面における隙間をなくして、発電性能を向上させる。【解決手段】本発明の燃料電池の触媒層形成方法は、ショットピーニング装置１によってセラミック粒子２を噴射して固体高分子電解質膜３の表面に凹凸４を形成し、この凹凸４上に触媒層５を形成することによって凹凸４が触媒層５の表面内部に食い込んで密着させるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、
前記固体高分子電解質膜の表面に粒子を噴射して凹凸を形成し、この凹凸上に触媒層を形成することを特徴とする燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項２】
前記粒子を加圧流体によって噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項３】
燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、
表面に凹凸を有する熱圧着ロールで押圧することによって前記固体高分子電解質膜の表面に凹凸を形成し、この凹凸上に触媒層を形成することを特徴とする燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項４】
前記凹凸の形成された固体高分子電解質膜の表面をコロナ放電によって帯電させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項５】
固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体であって、
前記固体高分子電解質膜の表面に凹凸が形成され、この凹凸上に前記触媒層が形成されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項６】
前記固体高分子電解質膜の凹凸は、慣性力によって粒子を噴射することによって形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記固体高分子電解質膜の凹凸は、押圧によって形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
前記固体高分子電解質膜の表面はコロナ放電によって帯電させられていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する触媒層形成方法に係り、特に固体高分子電解質膜の表面に凹凸を形成し、その上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法及びその方法によって形成された膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池の発電セルの製造工程において、固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する方法の一つとして、触媒微粒子粉末を電解質溶液中へ粉砕分散させて触媒インクを作り、この触媒インクを固体高分子電解質膜上へ塗布する方法があった。このような燃料電池の製造方法の従来例として、例えば特開２００１−６８１１９号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００３】
ところが、固体高分子電解質膜は、極めて親水性であり、触媒インクを電解質膜上へ直接塗布する場合、インク組成中の溶媒を吸液することによって電解質膜は膨潤及び変形し、その後の燃料電池セルの積層工程で、高精度な組み立てができなくなる。
【０００４】
そのため、膨潤がなく表面に剥離処理を施した剥離基材上に触媒インクを塗布して触媒層を形成し、この触媒層を電解質膜上へ転写することによって電解質膜に触媒層を形成することが行なわれている。
【０００５】
ここで、図５（ａ）〜（ｃ）に基づいて従来の触媒層の形成方法を説明する。従来の触媒層の形成方法では、図５（ａ）に示すように、剥離基材１０１の上に触媒インクを塗布して触媒層１０２を形成して触媒層転写シート１０４を作成する。そして、図５（ｂ）に示すように、この触媒層転写シート１０４を固体高分子電解質膜１０３の両面に配置して触媒層１０２を転写し、さらに図５（ｃ）に示すように、剥離基材１０１を剥離させて膜電極接合体１０５を作成していた。
【０００６】
このような燃料電池の製造方法の従来例として、例えば特開２００４−３１１４８号公報（特許文献２）及び特開２００２−６３９１１号公報（特許文献３）が開示されている。
【０００７】
また、別の方法としてはガス拡散層を形成する基材上に触媒インクを塗布して触媒電極を作っておき、その触媒電極で固体高分子電解質膜を両側から挟んで燃料電池単セルを形成することが行なわれている。
【０００８】
ここで、上述した従来の触媒層の形成方法を図６（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。まず、図６（ａ）に示すように、ガス拡散基材１０６の上に触媒インクを塗布して触媒層１０２を形成してガス拡散電極１０７を作成する。そして、図６（ｂ）に示すように、このガス拡散電極１０７を固体高分子電解質膜１０３の両面に密着させて、図６（ｃ）に示すような燃料電池セル１０８を作成していた。
【０００９】
このような燃料電池の製造方法の従来例として、例えば特開平８−８８００８号公報（特許文献４）が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−６８１１９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１４８号公報
【特許文献３】特開２００２−６３９１１号公報
【特許文献４】特開平８−８８００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、固体高分子電解質膜は柔軟性を有するポリマーフィルムなので表面形状は平滑であるのに対して、触媒層の界面はその主成分である触媒担持カーボン粒子の影響で粗面となっている。
【００１１】
したがって、上述した従来の燃料電池の製造方法によって固体高分子電解質膜上に触媒層を形成すると、固体高分子電解質膜が触媒層に対して顕著に平滑であるために触媒層と固体高分子電解質膜との間の界面に空隙が生じ、これによって発電時の界面抵抗損失による電圧降下が発生してしまうという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池の触媒層形成方法は、燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、前記固体高分子電解質膜の表面に粒子を噴射して凹凸を形成し、この凹凸上に触媒層を形成することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の別の燃料電池の触媒層形成方法は、燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、表面に凹凸を有する熱圧着ロールで押圧することによって前記固体高分子電解質膜の表面に凹凸を形成し、この凹凸上に触媒層を形成することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体であって、前記固体高分子電解質膜の表面に凹凸が形成され、この凹凸上に前記触媒層が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法では、固体高分子電解質膜の表面に凹凸を形成し、この凹凸上に触媒層を形成するので、凹凸が触媒層表面内部に食い込んで密着させることができる。これによって触媒層と固体高分子電解質膜との間の界面における空隙をなくし、接合表面積を拡大できるので、界面抵抗による電圧降下を改善し、発電性能の向上した膜電極接合体を提供することができる。
【００１６】
また、本発明に係る膜電極接合体では、固体高分子電解質膜の表面に凹凸が形成され、この凹凸上に触媒層が形成されているので、凹凸が触媒層表面内部に食い込んで密着させることができる。これによって触媒層と固体高分子電解質膜との間の界面における空隙をなくし、接合表面積が拡大するので、界面抵抗による電圧降下が改善され、発電性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法及び膜電極接合体の実施例について説明する。まず、燃料電池を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の構成を図４に基づいて説明する。
【００１８】
図４に示すように、膜電極接合体１４は、水素イオンを透過させる固体高分子電解質膜１６と、この固体高分子電解質膜１６のアノード側に配置されるアノード電極１７と、カソード側に配置されるカソード電極１８とから構成されている。
【００１９】
さらに、アノード電極１７は、アノード触媒層１７ａとガス拡散層１７ｂとから構成され、カソード電極１８はカソード触媒層１８ａとガス拡散層１８ｂとから構成されている。
【００２０】
このように構成された膜電極接合体１４の両面にはセパレータが配置されて燃料電池単セルを構成し、さらにこの燃料電池単セルを複数積層させて燃料電池スタックを構成する。
【実施例１】
【００２１】
次に、本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。図１（ａ）、（ｂ）は実施例１に係る燃料電池の触媒層形成方法を示す図である。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、ショットピーニング装置１によってセラミック粒子２を所定の速度で噴射し、固体高分子電解質膜３の表面に凹凸４を形成する。なお、固体高分子電解質膜３の表面に凹凸４を形成する手法としては、ショットピーニング装置の他に、サンドブラスト装置によってセラミック粒子２を噴射するようにしてもよい。
【００２３】
ここで、噴射されるセラミック粒子２は、ショットピーニング装置で噴射する場合には１０μｍ〜５０μｍのものが使用され、サンドブラスト装置で噴射する場合には５μｍ〜２０μｍのものが使用される。また、セラミック粒子の噴射量は粒子量とエア圧によって調節され、例えば１ｇ〜１０ｇの粒子量で２Ｍｐａ〜５Ｍｐａのエア圧で噴射が行なわれる。この粒子量とエア圧を調節することによって、図１（ａ）の部分拡大図に示すように、固体高分子電解質膜３の表面に所望の凹凸４を容易に形成することができる。
【００２４】
こうして固体高分子電解質膜３の表面には、Ｒａ≒０．１μｍ〜１０μｍの凹凸４が形成され、粗面加工が施される。これによって、固体高分子電解質膜３の表面積を拡大させることができる。
【００２５】
そして、固体高分子電解質膜３の両面に凹凸４を形成した後、図１（ｂ）に示すように、その両面の凹凸４の上に触媒層５を形成して膜電極接合体を作成する。ここで、触媒層５の形成方法としては、図１（ｂ）に示すように、ガス拡散電極を固体高分子電解質膜３の両面に密着させて形成してもよいし、また触媒層転写シートを固体高分子電解質膜３の両面に配置して触媒層５を転写し、剥離基材を剥離させて形成するようにしてもよい。
【００２６】
こうして形成された触媒層５と固体高分子電解質膜３の界面では、図１（ｂ）の部分拡大図に示すように、固体高分子電解質膜３の凹凸４が触媒層５の表面内部に食い込んで密着することになる。したがって、従来では固体高分子電解質膜３と触媒層５との界面に空隙が生じていたのに対して、本実施例の方法で形成された触媒層５と固体高分子電解質膜３との間には空隙が生じることはなく、界面抵抗による電圧降下を防ぐことができる。
【００２７】
また、凹凸４を設けたことにより、固体高分子電解質膜３と触媒層５との間の接合表面積が拡大するので、さらに界面抵抗による電圧降下が改善され、発電性能を向上させることができる。
【００２８】
このように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、固体高分子電解質膜３の表面に凹凸４を形成し、この凹凸４上に触媒層５を形成するので、凹凸４が触媒層５の表面内部に食い込んで密着させることができ、これによって触媒層５と固体高分子電解質膜３との間の界面における空隙をなくして、接合表面積を拡大することができ、界面抵抗による電圧降下を改善し、発電性能の向上した膜電極接合体を提供することができる。
【００２９】
また、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、粒子を加圧流体によって噴射するので、粒子量とエア圧を調節することによって容易に固体高分子電解質膜３の表面に所望の凹凸４を形成することができる。
【００３０】
さらに、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された膜電極接合体では、固体高分子電解質膜３の表面に凹凸４が形成され、この凹凸４上に触媒層５が形成されているので、凹凸４が触媒層５の表面内部に食い込んで密着させることができる。これによって触媒層５と固体高分子電解質膜３との間の界面における空隙をなくし、接合表面積を拡大できるので、界面抵抗による電圧降下を改善し、発電性能を向上させることができる。
【００３１】
また、本実施例の膜電極接合体では、固体高分子電解質膜３の凹凸４が慣性力によって粒子を噴射することによって形成されているので、固体高分子電解質膜３の表面に所望の凹凸４が正確に形成され、より密着性を高めて界面における空隙をなくし、発電性能を向上させることができる。
【実施例２】
【００３２】
次に、本発明の実施例２を図２に基づいて説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【００３３】
図２に示すように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、表面に凹凸を有する熱圧着ロール７で押圧することによって固体高分子電解質膜３の表面に凹凸４を形成し、この凹凸４の上に触媒層を形成するようにしている。
【００３４】
ここで、熱圧着ロール７は、表面に１０μｍ以下の細かい凹凸が形成されており、この凹凸を調節することによって固体高分子電解質膜３の表面に所望の凹凸４を正確に形成することができる。また、熱圧着ロール７は８０℃〜１３０℃に加熱されている。
【００３５】
そして、固体高分子電解質膜３の表面に凹凸を形成するときには、図２（ａ）に示すように片面ずつ形成してもよいし、また図２（ｂ）に示すように両面同時に形成してもよい。片面ずつ形成する場合には、図２（ａ）に示すように基盤８の上に固体高分子電解質膜３を設置して、その上に熱圧着ロール７を回転させてまず片面に凹凸４を形成し、その後もう片方の面にも同様に凹凸４を形成して両面に凹凸４を形成する。また、両面同時に形成する場合には、図２（ｂ）に示すように２つの熱圧着ロール７の間に固体高分子電解質膜３を通過させて両面同時に凹凸４を形成する。
【００３６】
こうして固体高分子電解質膜３の両面に凹凸４を形成した後、その両面の凹凸４の上に触媒層を形成して膜電極接合体を作成する。
【００３７】
このように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、表面に凹凸を有する熱圧着ロール７で押圧することによって固体高分子電解質膜３の表面に凹凸４を形成し、この凹凸４の上に触媒層を形成するので、凹凸４が触媒層の表面内部に食い込んで密着させることができる。これによって触媒層と固体高分子電解質膜３との間の界面における空隙をなくして、接合表面積を拡大できるので、界面抵抗による電圧降下を改善し、発電性能の向上した膜電極接合体を提供することができる。
【００３８】
また、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された膜電極接合体は、固体高分子電解質膜３の凹凸４が押圧によって形成されているので、固体高分子電解質膜３の表面に所望の凹凸４が正確に形成され、より密着性を高めて界面における空隙をなくすことができる。
【実施例３】
【００３９】
次に、本発明の実施例３を図３に基づいて説明する。図３は、実施例３に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【００４０】
図３に示すように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、上述した実施例１あるいは実施例２の方法によって凹凸の形成された固体高分子電解質膜３の表面に、さらにコロナ処理装置９によって電界１０を当て、コロナ放電によって帯電させるようにしたものである。これにより、固体高分子電解質膜３の表面はプラス電位１１に帯電することになる。
【００４１】
そして、固体高分子電解質膜３の両面を帯電させた後、その両面の凹凸４の上に触媒層を形成して膜電極接合体を作成する。ここで、触媒層を構成するカーボン粒子はマイナス電位なので、プラス電位に帯電した固体高分子電解質膜３の表面に触媒層を形成すると、静電的接着効果が高まって触媒層をより密着させることができる。
【００４２】
このように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、凹凸の形成された固体高分子電解質膜３の表面をコロナ放電によって帯電させるので、固体高分子電解質膜３と触媒層との間の静電的接着効果を高めて触媒層をより密着させることができ、これによって界面抵抗による電圧降下を改善し、発電性能の向上した膜電極接合体を提供することができる。
【００４３】
また、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された膜電極接合体では、固体高分子電解質膜３の表面がコロナ放電によって帯電しているので、固体高分子電解質膜３と触媒層との間の静電的接着効果が高まって触媒層がより密着し、これによって界面抵抗による電圧降下が改善し、発電性能を向上させることができる。
【００４４】
以上、本発明の燃料電池の触媒層形成方法について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例１に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例２に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例３に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図４】膜電極接合体の構造を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は従来の燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は従来の燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…ショットピーニング装置
２…セラミック粒子
３，１６，１０３…固体高分子電解質膜
４…凹凸
５，１０２…触媒層
７…熱圧着ロール
８…基盤
９…コロナ処理装置
１０…電界
１１…プラス電位
１４，１０５…膜電極接合体
１７…アノード電極
１７ａ…アノード触媒層
１７ｂ…ガス拡散層
１８…カソード電極
１８ａ…カソード触媒層
１８ｂ…ガス拡散層
１０１…剥離基材
１０４…触媒層転写シート
１０６…ガス拡散基材
１０７…ガス拡散電極
１０８…燃料電池セル
【図１】
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【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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