(57)【要約】【課題】高分子電解質膜１４と触媒層１３の均一な界面構造を保ちながらＭＥＡに凹凸加工を施すこと。【解決手段】あらかじめ高分子電解質膜１４のカソード側に触媒層１３を塗布した膜電極接合体と、ピッチＬ、凹凸構造の幅Ｗ及び高さＨの寸法で作成した金属モールド１１及びモールド受け１８を備え、ＭＥＡを同時に凹凸加工することにより、高分子電解質膜１４と触媒層１３の均一な界面構造を保つことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチＬ、凹凸構造の高さＨおよび幅Ｗで規定される金属製のモールド及びモールド受けと、
高分子電解質膜の表面に塗布された触媒層を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を有し、
高分子電解質膜のガラス転移温度付近まで加熱された膜電極接合体をモールドに圧着させることにより、ＭＥＡ全体に凹凸構造の加工を行うＭＥＡの製造方法。
【請求項２】
前記モールド及びモールド受けが、凹凸構造のピッチ  ２≦Ｌ≦１０μｍを満たすＭＥＡの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜電極接合体の製造方法および前記燃料電池用膜電極接合体を用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、近年における電解質や触媒技術の発展により性能の向上が著しくなり、高効率の発電方法の一つとして期待されている。高効率の固体高分子型燃料電池を得るには、膜電極接合体（ＭＥＡ）内における界面、すなわち固体高分子膜と白金などの金属触媒を含む触媒層との間の界面において、化学反応に関わる化学物質、酸素やプロトン、水などの物質輸送が非常に重要であると考えられている。例えばこの界面の構造を工夫する試みの一つとして、高分子電解質膜の表面に凹凸を形成する方法が報告されている（例えば非特許文献１）。凹凸構造を形成すると、ＭＥＡ内における界面の面積が向上し、さらに界面における物質輸送速度も改善されるため、燃料電池の発電効率が向上することが期待できる。高分子電解質膜の表面における凹凸構造によって、燃料電池の電流電圧出力特性を向上させるには、凹凸構造のピッチ（周期）が狭く、かつ凹凸構造の高低差が大きくなるほど適していると考えられる。
【０００３】
このような凹凸構造を形成する方法としては、特許文献１に開示された化学的、機械的な研磨法等により膜表面に凹凸構造を付ける方法や、特許文献２に開示された凹形状の穴を持つモールドに電解質をキャスティングし成膜する方法などが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２０６１６号公報
【特許文献２】特開２００５−５３１９８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．，  ２００６，  １２８，  １２９６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、凹凸構造を微細化するとＭＥＡの製造過程においていくつかの困難が生じる。ここでの微細化の意味するスケールは、典型的には凹凸構造のピッチがマイクロメートルのオーダーかそれ以下である。例えば、ピッチに対して凹凸構造の高低差が大きくなると、凸部の機械的強度が弱まり、折れたり倒れることがある。凹凸構造が大きく乱れてしまい、凹凸構造の設計思想を電流電圧特性の向上に反映できなくなるという課題を有していた。また、ＭＥＡ内の界面に均一性にも問題が生じる。例えば高分子電解質膜に凹凸構造を施し、その表面上に触媒層を塗布しＭＥＡの界面を作成する従来の方法では、凹部に触媒層を塗布することが難しく、高分子電解質膜と触媒層の間の界面が均一なＭＥＡを作成することが難しいという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、凹凸構造を有する高分子電解質を有する燃料電池において、ＭＥＡの製造方法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】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の凹凸ＭＥＡの形成方法は、ピッチＬ、凹凸構造の高さＨおよび幅Ｗで規定される金属製のモールド及びモールド受けと、高分子電解質膜の表面に塗布された触媒層を有するＭＥＡを用いる。高分子電解質膜のガラス転移温度付近まで加熱されたＭＥＡをモールドに圧着させ、ＭＥＡ全体に凹凸構造の加工を行う。
【０００９】
本構成によって、高分子電解質膜と触媒層の界面において、理想的なサブマイクロ構造を有するＭＥＡを作成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の凹凸触媒層の形成方法によれば、固体高分子型燃料電池の電流−電圧発電特性において、電流が２５０ｍＡ／ｃｍ2以下の範囲において、出力電圧を３〜５％向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における凹凸触媒層の形成方法の模式図
【図２】本発明の実施の形態１における電流電圧（Ｌ＝１０）出力特性を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態１における電圧出力のピッチ依存性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における凹凸触媒層の形成方法の模式図である。
【００１４】
図１において、金属モールド１１は金属膜の表面上にピッチＬ、凸構造の幅Ｗ及び高さＨの寸法で凸加工したものである。モールド受け１８は金属膜をピッチＬ凹構造の幅Ｗ及び高さＨの寸法で穴状の凹加工したものである。金属モールド１１及びモールド受け１８はフォトリソグラフィーや電鋳法によって作成することができる。材料は高圧力下でも延性を示しかつ加工を施しやすい遷移金属が適しており、代表的にはＮｉなどが利用しやすい。モールド１１及びモールド受け１８の表面には撥水処理膜１２が施してある。この撥水加工処理により、ホットプレス後のモールド１１及びモールド受け１８と触媒層１３又は高分子電解質膜１４の分離が容易になる。
【００１５】
本発明の凹凸触媒層の形成方法により触媒層１３及び高分子電解質膜１４を同時に加工するには、あらかじめ高分子電解質膜１４のカソード側の両面にスプレー塗布法などにより触媒層を１０〜２０μｍの厚みで塗布し、一般的に広く用いられているＭＥＡを作成する。このＭＥＡに十分水分を含ませた後に、高分子電解質膜のガラス転移温度付近の１４０℃までゆっくりと加熱する。ＭＥＡをモールド１１とモールド受け１８の間に挿入し、ホットプレス加工を行うとＭＥＡに凹凸加工を施すことができる。
【００１６】
（実施例１）
図２は本発明の実施の形態１における電流電圧出力特性図である。曲線２１は実施の形態１における電流電圧出力特性である。モールドの寸法はピッチＬ＝１０μｍ、幅Ｗ＝５μｍ、高さＨ＝５μｍである。曲線２２は比較例１における電流電圧出力特性である。比較例１では、凹凸加工を施す前のＭＥＡを使用した。その他の構成は実施例１と同様である。
【００１７】
図２では、電流が２５０ｍＡ／ｃｍ2以下の範囲において、出力電圧が３％から５％向上していることがわかる。凹凸加工の電流電圧出力特性への効果をより明らかにするために、ピッチＬを１０μｍから２μｍまで減少させた。ピッチＬと幅Ｗの比率は２：１に固定した。結果を図３に示す。ピッチＬを減少させて凹凸加工を微細化すると出力電圧向上の効果がより顕著になることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明にかかるＭＥＡは、膜電極接合体の両面にサブマイクロメートルの凹凸構造を有し燃料電池の膜電極接合体として有用である。
【符号の説明】
【００１９】
１１  金属モールド
１２  撥水処理膜
１３  触媒層
１４  高分子電解質膜
１５  ピッチ  （Ｌ）
１６  凹凸構造の幅  （Ｗ）
１７  凹凸構造の高さ  （Ｈ）
１８  モールド受け
２１  実施の形態１における電流電圧出力特性
２２  比較例１における電流電圧出力特性
【図１】
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【図２】
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【図３】
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