(57)【要約】【課題】電解質膜と蒸着形成された触媒層との界面における接合性を改善し、発電性能を向上させる。【解決手段】本発明の膜電極接合体の作製方法は、ｉ）多孔質フィルムの表面に触媒を蒸着させることにより触媒層を形成した触媒層形成体を作製する工程と、ｉｉ）電解質膜と触媒層形成体の触媒層とを接合させる工程と、を備える。【選択図】図１
2012048836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の作製方法であって、
ｉ）多孔質フィルムの表面に触媒を蒸着させることにより触媒層を形成した触媒層形成体を作製する工程と、
ｉｉ）電解質膜と前記触媒層形成体の触媒層とを接合させる工程と、
を備えることを特徴とする膜電極接合体の作製方法。
【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に用いられる膜電極接合体、特に、触媒を蒸着させることにより形成された触媒層を有する膜電極接合体の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素との電気化学反応によって発電する装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。燃料電池は、通常、燃料電池セルを、セパレータを介して複数個積層して構成される。１つの燃料電池セルは、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に触媒電極層（以下、単に「触媒層」とも呼ぶ）およびガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を接合した構造体により構成される場合が多い。なお、この構造体は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、あるいは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode&Gas Diffusion Layer Assembly）と呼ばれる。
【０００３】
燃料電池の低コスト化のために、ＭＥＡの作製に使用する触媒、例えば、白金、の低減が求められている。そして、そのための作製方法として、ガス拡散層上に触媒を蒸着させることにより触媒層を形成し、ガス拡散層の触媒層と電解質膜とを接合させることにより作製する方法が知られている。
【０００４】
しかしながら、上記方法により作製されたＭＥＡでは、電解質膜と蒸着形成された触媒層との界面における接合性が悪く、これを用いた燃料電池セルの発電正性能が低い、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０５６０６４号公報
【特許文献２】特開平０８−２１３０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、電解質膜と蒸着形成された触媒層との界面における接合性を改善し、発電性能を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
膜電極接合体の作製方法であって、
ｉ）多孔質フィルムの表面に触媒を蒸着させることにより触媒層を形成した触媒層形成体を作製する工程と、
ｉｉ）電解質膜と前記触媒層形成体の触媒層とを接合させる工程と、
を備えることを特徴とする膜電極接合体の作製方法。
適用例１の作製方法によれば、触媒層が多孔質フィルムの表面に蒸着形成された触媒層形成体は、従来のようにガス拡散層の表面に蒸着形成された場合に比べて、柔軟性を有している。このため、触媒層形成体の触媒層と電解質膜とを接合した場合に、触媒層と電解質膜との界面における接合性を改善することが可能であり、作製した膜電極接合体を用いた燃料電池セルの発電性能を向上させることが可能である。
【０００９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、膜電極接合体の作製方法だけでなく、この作製方法により作製された膜電極接合体、この膜電極接合体を用いた燃料電池、この燃料電池を用いた燃料電池システム等の種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例としての膜電極接合体の作製方法を示す説明図である。
【図２】比較例としての膜電極接合体の作製方法を示す説明図である。
【図３】実施例および比較例の作製方法により得られた膜電極接合体を用いた燃料電池セルの発電性能を比較して示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：
【００１２】
Ａ．実施例：
（１）膜電極接合体の作製方法の実施例
図１は、実施例としての膜電極接合体の作製方法を示す説明図である。この実施形態の膜電極接合体の作製方法は、以下で説明する３つの工程からなる。
【００１３】
［工程１］
工程１では、柔軟性のある導電性の多孔質フィルムを被蒸着体２０ｓとして用い、被蒸着体２０ｓの一方の表面に触媒として白金（Ｐｔ）を蒸着させることにより、被蒸着体２０ｓの表面に触媒層（以下、「蒸着触媒層」とも呼ぶ）２０ｃｔが形成された触媒層形成体２０ｃｔｓを作製する。蒸着法としては、スパッタ法や化学蒸着法等を用いればよい。
【００１４】
導電性の多孔質フィルムとしては、カーボン等の導電体とＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やポリイミド等のバインダー樹脂からなり、柔軟性のあるものが用いられる。柔軟性はヤング率により規定することが可能であり、例えば、１ＭＰａ以上０．１ＧＰａ以下の条件で規定することができる。なお、通常、ヤング率が１ＧＰａ以上のものは柔軟性に乏しいと考えられ、後述する比較例のように、ガス拡散層（ＧＤＬ）が被蒸着体の場合、一般に利用されるカーボン繊維集合体のヤング率が１０ＧＰａ〜５０ＧＰａ程度であるため、柔軟性がないと言える。
【００１５】
蒸着する触媒としては、白金のほか、他の遷移金属（Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等）を含む白金合金を用いることができる。
【００１６】
［工程２］
工程２では、工程１で作製した触媒層形成体２０ｃｔｓの蒸着触媒層２０ｃｔを電解質膜１０の一方の面に接合させて、膜・蒸着触媒層接合体１０ｃｔｓを作製する。接合条件としては、温度８０℃〜２００℃および圧力０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲内で、それぞれ、電解質膜１０および触媒層形成体２０ｃｔｓの物性に合わせて適宜選択される。
【００１７】
［工程３］
工程３では、ガス拡散層５０、触媒層３０ｃｔ、蒸着触媒層接合体１０ｃｔｓ、ＧＤＬ基材層４０ｂの順に積層し、それぞれを接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製する。なお、接合条件としては、工程２と同様に、ガス拡散層５０、触媒層３０ｃｔ、蒸着触媒層接合体１０ｃｔｓ、および、ＧＤＬ基材層４０ｂの物性に合わせて、温度と圧力が適宜選択される。
【００１８】
ガス拡散層５０は導電性のＧＤＬ基材層５０ｂと多孔質層５０ｓとを接合した接合体構造を有しており、触媒層３０ｃｔは多孔質層５０ｓの上に積層して接合される。ＧＤＬ基材層５０ｂとしては、カーボンペーパーやカーボンクロス等が用いられる。多孔質層５０ｓとしては、例えば、被蒸着体２０ｓと同様に、導電性の多孔質フィルムが用いられる。
【００１９】
触媒層３０ｃｔは、蒸着によらないで作製される従来の触媒層であり、例えば、触媒層形成シート上に触媒インクを塗布し乾燥させることにより作製することができる。触媒インクとしては、たとえば、電解質溶液と、触媒としての白金（Ｐｔ）を担持したカーボン（例えば、カーボンブラック）担体と、を混合したものを用いることができる。なお、電解質溶液としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなるフッ素系樹脂材料（例えば、ナフィオン、デュポン社製）を、水およびアルコール類を溶媒として溶解させたものを用いることができる。
【００２０】
蒸着触媒層接合体１０ｃｔｓは触媒層３０ｃｔの上に電解質膜１０が接する向きで積層して接合される。
【００２１】
ＧＤＬ基材層４０ｂは、ガス拡散層５０のＧＤＬ基材層５０ｂと同様に、ＧＤＬ基材層５０ｂとしては、カーボンペーパーやカーボンクロス等が用いられる。
【００２２】
なお、ＧＤＬ基材層４０ｂと多孔質フィルムを用いた被蒸着体２０ｓとがアノード側のガス拡散層４０を構成し、このガス拡散層４０と蒸着触媒層２０ｃｔとがアノード側のガス拡散電極２０を構成する。また、ガス拡散層５０と触媒層３０ｃｔとがカソード側のガス拡散電極を構成する。
【００２３】
以上のようにして作製された膜電極接合体では、多孔質フィルムの細孔内に触媒粒子や電解質、導電材等を含浸させるものではなく、柔軟な多孔質フィルム（被蒸着体）の表面に蒸着触媒層を形成しているので、蒸着触媒層が形成された触媒層形成体も柔軟な構造を有している。このため、電解質膜と触媒層形成体との接合時において、電解質膜と蒸着触媒層の界面における接合性が高く、発電性能が良いと考えられる。
【００２４】
（２）膜電極接合体の作製方法の比較例
図２は、比較例としての膜電極接合体の作製方法を示す説明図である。比較例の膜電極接合体の作製方法は、以下で説明する２つの工程からなる。
【００２５】
［工程１］
工程１では、実施例のガス拡散層５０と同様に、導電性のＧＤＬ基材層４０ｂと多孔質層４０ｓとを接合した接合体構造を有するガス拡散層４０Ｂを被蒸着体とし、多孔質層４０ｓ側の表面に触媒としての白金（Ｐｔ）を蒸着させることにより、ガス拡散層４０Ｂの表面に触媒層（蒸着触媒層）２０ｃｔが形成された触媒層形成体４０ｃｔを作製する。なお、以下では、ガス拡散層４０Ｂを「被蒸着体４０Ｂ」と呼ぶこともある。なお、ガス拡散層４０Ｂのヤング率は１０ＧＰａ〜５０ＧＰａ程度であり、柔軟性がない。
【００２６】
［工程２］
工程２では、ガス拡散層５０、触媒層３０ｃｔ、電解質膜１０、触媒層形成体４０ｃｔの順に積層し、それぞれを接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製する。なお、接合条件としては、実施例と同様に、ガス拡散層５０、触媒層３０ｃｔ、電解質膜１０、および、触媒層形成体４０ｃｔの物性に合わせて、温度と圧力が適宜選択される。なお、触媒層３０ｃｔはガス拡散層５０の多孔質層５０ｓの上に積層して接合され、触媒層形成体４０ｃｔは電解質膜１０の上に蒸着触媒層２０ｃｔが接する向きで積層して接合される。
【００２７】
なお、ガス拡散層４０Ｂと蒸着触媒層２０ｃｔとがアノード側のガス拡散電極２０Ｂを構成し、ガス拡散層５０と触媒層３０ｃｔとがカソード側のガス拡散電極を構成する。
【００２８】
以上のようにして作製された膜電極接合体では、被蒸着体としてのガス拡散層の表面に蒸着触媒層を形成しており、蒸着触媒層が形成された触媒層形成体は柔軟性に乏しい。このため、電解質膜と触媒層形成体との接合時において隙間が発生し、電解質膜と蒸着触媒層の界面における接合性が悪いと考えられる。
【００２９】
（３）実施例の膜電極接合体の性能
図３は、実施例および比較例の作製方法により得られた膜電極接合体を用いた燃料電池セルの発電性能を比較して示す表である。８０℃１００％ＲＨで、負荷０．５［Ａ／ｃｍ２］および負荷１．５［Ａ／ｃｍ２］の場合の電圧［Ｖ］を測定した。図３に示すように、比較例の膜電極接合体に比べて実施例の膜電極接合体のほうが、発電性能が良いことがわかる。
【００３０】
以上の結果からわかるように、実施例により作製された膜電極接合体では、電解質膜と蒸着触媒層との界面における接合性を改善することができ、発電性能を向上させることが可能である。
【００３１】
Ｂ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００３２】
上記実施例において、アノード側の蒸着触媒層に使用する触媒は白金または白金合金であるとして説明したが、水素酸化力を有する触媒であればよい。
【００３３】
上記実施例において、ガス拡散層（ＧＤＬ）として、多孔質層とＧＤＬ基材層との接合体構造のものを使用する場合を示したが、ＧＤＬ基材層のみあるいは多孔質層のみの構造であってもよい。
【００３４】
上記実施例において、柔軟な多孔質フィルムとして、ヤング率が１ＭＰａ以上０．１ＧＰａ以下のものと規定しているが、これに限定されるものではなく以下のいずれか一つが成立すればよい。
１）１ＭＰａ以上０．１ＧＰａ以下
２）ガス拡散層のヤング率より小さく、好ましくは被蒸着体のヤング率の１／１０
３）電解質膜のヤング率の１／１０倍〜１０倍の範囲
【００３５】
上記実施例では、アノード側のみに、多孔質フィルムに触媒を蒸着して触媒層が形成された触媒層形成体を電解質膜に接合することにより、アノード側の触媒層が形成された構造を例に説明しているが、カソード側の触媒層も同様の構造としてもよい。ただし、少なくともアノード側の触媒層を実施例の構造とすれば、アノード側の触媒層の形成に使用する触媒の量を低減しつつ、従来と同等以上の性能を発揮することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…電解質膜
１０ｃｔｓ…蒸着触媒層接合体
２０ｃｔｓ…触媒層形成体
２０…ガス拡散電極
２０Ｂ…ガス拡散電極
２０ｓ…被蒸着体（多孔質フィルム）
２０ｃｔ…蒸着触媒層
３０ｃｔ…触媒層
４０…ガス拡散層
４０Ｂ…ガス拡散層（被蒸着体）
４０ｓ…多孔質層
４０ｂ…ＧＤＬ基材層
４０ｃｔ…触媒層形成体
５０…ガス拡散層
５０ｓ…多孔質層
５０ｂ…ＧＤＬ基材層
【図１】
2012048836.tif 000003
【図２】
2012048836.tif 000004
【図３】
2012048836.tif 000005