(57)【要約】【課題】インクの調製や溶剤を必要とせず、電極用部材としての触媒層およびガス拡散層の製造コストを低減することができる、燃料電池の電極用部材の形成方法、および形成装置を提供する。【解決手段】燃料電池用膜電極接合体の電極を構成するために用いられる薄層の電極用部材５１を形成する方法であって、別個独立した系統１１１と１１２を介してそれぞれが供給される導電性粒子６２と樹脂分散液６３とを基材６１上に供給することによって、電極用部材を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用膜電極接合体の電極を構成するために用いられる薄層の電極用部材を形成する方法において、
別個独立した系統を介してそれぞれが供給される導電性粒子と樹脂分散液とを基材上に供給することによって、前記電極用部材を形成することを特徴とする燃料電池の電極用部材の形成方法。
【請求項２】
前記基材の表面を鉛直方向に沿って配置する工程と、
前記基材の前記表面に沿って前記導電性粒子を落下させて散布し、当該散布と同時に、落下する前記導電性粒子を横切るように前記樹脂分散液を前記基材の前記表面に向けて噴霧する工程と、を有し、
落下する前記導電性粒子と噴霧した前記樹脂分散液とを一緒に前記基材に塗布することによって前記電極用部材を形成する請求項１に記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。
【請求項３】
前記基材の表面を水平方向に沿って配置する工程と、
前記基材の前記表面に向けて前記導電性粒子を落下させて散布する工程と、
前記導電性粒子の散布とは別個に、前記樹脂分散液を前記基材の前記表面に向けて噴霧する工程と、を有し、
前記導電性粒子を散布する工程と前記樹脂分散液を噴霧する工程とを交互に行うことによって前記電極用部材を形成する請求項１に記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。
【請求項４】
前記基材上に供給した前記導電性粒子の粒度と異なる粒度の前記導電性粒子を基材上にさらに供給する請求項１に記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。
【請求項５】
前記基材上に供給した前記樹脂分散液の粒度と異なる粒度の前記樹脂分散液を基材上にさらに供給する請求項１に記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。
【請求項６】
前記電極用部材が触媒層であって、前記基材が固体高分子膜、触媒層から剥離可能なシート材、またはガス拡散層であり、前記導電性粒子が触媒粒子を担持したカーボン粒子であり、前記樹脂分散液がアイオノマーである請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。
【請求項７】
前記電極用部材がガス拡散層であって、前記基材が少なくとも多孔質性を有するシート状材料であり、前記導電性粒子がカーボン粒子であり、前記樹脂分散液が撥水性付与樹脂分散液である請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。
【請求項８】
燃料電池用膜電極接合体の電極を構成するために用いられる薄層の電極用部材を形成する装置において、
導電性粒子を基材上に供給する第１の系統と、
前記第１の系統と別個独立して設けられ、樹脂分散液を前記基材上に供給する第２の系統と、を有する燃料電池の電極用部材の形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極用部材の形成方法、および形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用駆動源および定置型電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質や電極の種類などによって種々の形式に分類され、代表的なものとしてはアルカリ形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形、固体高分子形がある。これらの中でも低温（通常１００℃以下）で作動可能な固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が注目を集め、自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる（特許文献１参照）。
【０００３】
ＰＥＦＣの構成は、一般的には、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも記載する）をセパレータで挟持した構造となっている。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜が一対の電極、すなわち、燃料極および空気極により挟持された構造を有する。各電極は、薄層の電極用部材を用いて構成されている。薄層の電極用部材には、触媒層と、ガス拡散層（以下、「ＧＤＬ」とも記載する）とが含まれている。触媒層の片面が固体高分子電解質膜に接している。触媒層は、触媒粒子と、触媒粒子を担持するカーボン粒子などの導電性担体と、固体高分子電解質とを含んでいる。ガス拡散層は、触媒層とセパレータとの間に配置され、気体透過性の層である。
【０００４】
触媒層は、固体高分子膜やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートなどの基材上に、調製された触媒インクをスプレー、スクリーンプリンタまたはダイコータなどの塗布装置を使用して塗布し、ヒータなどで乾燥して形成される。触媒インクは、主に、触媒担持カーボン、樹脂分散液（アイオノマー）、アルコール、および純水で構成されている。塗布装置の特性に応じて、粘度などの触媒インク物性の制御が必要なため、アルコールなどの溶剤を使用している。
【０００５】
ＧＤＬは、カーボンペーパやシートなどの基材上に、撥水性を向上させるために、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（Ｍｉｃｒｏ  ｃａｒｂｏｎ  ｌａｙｅｒ。以下、「ＭＩＬ」とも記載する）を設けたものがある。この種のＧＤＬは、調製されたＭＩＬインクをスプレー、スクリーンプリンタまたはダイコータなどの塗布装置を使用して基材上に塗布し、ヒータなどで乾燥して形成される。ＭＩＬインクは、主に、カーボン、撥水性付与樹脂分散液（ＰＴＦＥなど）、およびアルコール（あるいは、界面活性剤＋純水）で構成されている。塗布装置の特性に応じて、粘度などのＭＩＬインク物性の制御が必要なため、アルコール（あるいは、界面活性剤＋純水）などの溶剤を使用している。
【特許文献１】特開平６−２０７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、触媒インクの調製にはアルコールなどの溶剤が多量に必要であり、ＭＩＬインクの調製にもアルコールや界面活性剤含有水などの溶剤が多量に必要である。これら多量の溶剤は、最終的に気化させるものであるので、無駄となる。したがって、触媒層やガス拡散層の製造コストが増大し、設備も増し、その結果、燃料電池の電極用部材を安価に製造することができないという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、インクの調製や溶剤を必要とせず、電極用部材としての触媒層およびガス拡散層の製造コストを低減することができる、燃料電池の電極用部材の形成方法、および形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池用膜電極接合体の電極を構成するために用いられる薄層の電極用部材を形成する方法において、
別個独立した系統を介してそれぞれが供給される導電性粒子と樹脂分散液とを基材上に供給することによって、前記電極用部材を形成することを特徴とする燃料電池の電極用部材の形成方法である。
【０００９】
また、本発明は、燃料電池用膜電極接合体の電極を構成するために用いられる薄層の電極用部材を形成する装置において、
導電性粒子を基材上に供給する第１の系統と、
前記第１の系統と別個独立して設けられ、樹脂分散液を前記基材上に供給する第２の系統と、を有する燃料電池の電極用部材の形成装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、導電性粒子と樹脂分散液とを別系統で供給して基材上に電極用部材を形成するので、インクの調製や溶剤を必要とせず、電極用部材としての触媒層およびガス拡散層の製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面には各構成要素が誇張して示されている。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用の膜電極接合体を模式的に示す要部断面図である。
【００１３】
図１を参照して、ＭＥＡ１０は、概説すれば、固体高分子電解質膜２０、燃料極３０および空気極４０を有しており、固体高分子電解質膜２０は、これらの一対の電極３０、４０によって挟持されている。各電極３０、４０は、薄層の電極用部材を用いて構成されている。薄層の電極用部材には、触媒層３１、４１と、ＧＤＬ３２、４２とが含まれている。触媒層３１、４１の片面が固体高分子電解質膜２０に接している。
【００１４】
各電極３０、４０の触媒層３１、４１は、触媒粒子と、触媒粒子を担持するカーボン粒子などの導電性担体と、固体高分子電解質とを含んでいる。
【００１５】
触媒粒子としては、水素の酸化反応および／または酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば、従来公知のものを特に制限することなく用いることができる。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびこれらの合金等からなる群から選択される少なくとも１種が挙げられる。また、触媒粒子は、白金単独で用いてもよいが、触媒粒子の安定性や活性を高めるために白金を主成分とする合金などであってもよい。
【００１６】
導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、２〜３質量％程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が５〜２００ｎｍ、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。
【００１７】
触媒粒子および導電性担体の表面を被覆する固体高分子電解質としては、触媒層３１、４１において一般的に用いられているものであれば特に限定されない。具体的には、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社登録商標）などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機／無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などの固体高分子電解質が挙げられる。
【００１８】
電極用部材としての触媒層３１、４１の形成方法については、後述する。
【００１９】
ＧＤＬ３２、４２としては、従来公知のものを特に制限することなく用いることができる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。より具体的には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。ＧＤＬは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ＰＴＦＥ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが挙げられる。
【００２０】
本実施形態のＧＤＬは、撥水性をより向上させるために、上記の基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるＭＩＬを有する。ＭＩＬのカーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。カーボン粒子の粒径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。撥水剤としては、基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。
【００２１】
電極用部材としてのＧＤＬ３２、４２の形成方法については、後述する。
【００２２】
固体高分子電解質膜２０としては、特に限定されず、触媒層３１、４１に用いたものと同様のプロトン伝導性電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のＮａｆｉｏｎ（登録商標）やフレミオン（登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子形電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。
【００２３】
次に、電極用部材としての触媒層３１、４１、およびＧＤＬ３２、４２の形成方法および形成装置について説明する。説明の便宜上、触媒層３１、４１、およびＧＤＬ３２、４２を、総称して、電極用部材５１と言う。
【００２４】
本発明の燃料電池の電極用部材の形成方法では、別個独立した系統を介してそれぞれが供給される導電性粒子と樹脂分散液とを基材上に供給することによって、電極用部材５１を形成する。かかる形成方法を具現化した本発明の燃料電池の電極用部材の形成装置は、概説すれば、導電性粒子を基材上に供給する第１の系統と、第１の系統と別個独立して設けられ、樹脂分散液を基材上に供給する第２の系統と、を有している。具体的には、以下の第１および第２の形成方法により電極用部材５１を形成する。
【００２５】
図２は、電極用部材５１の第１の形成方法を模式的に示す概略図である。
【００２６】
図２（ａ）を参照して、形成装置１０１は、導電性粒子６２を基材６１上に供給する第１の系統１１１と、第１の系統１１１と別個独立して設けられ、樹脂分散液６３を基材６１上に供給する第２の系統１１２と、を有している。
【００２７】
基材６１は、矩形シート形状を有している。基材６１は、ヒータなどの加熱手段を内蔵したホルダ６０に保持されている。基材６１は、その表面６１ａが鉛直方向に沿うように配置されている。
【００２８】
基材６１の表面６１ａに臨んで相対向するように、噴射ノズル７１および液収容容器７２を備えた塗布装置７０が配設されている。液収容容器７２内には樹脂分散液６３が収容され、噴射ノズル７１から樹脂分散液６３が噴霧される。噴射ノズル７１は、上下左右に移動させながら樹脂分散液６３を噴霧可能に設けている。なお、噴射ノズル７１の移動範囲を少なくするため、塗布装置７０に複数の噴射ノズル７１を配してもよい。
【００２９】
基材６１と噴射ノズル７１との間の上方には粒子供給手段８０が配設されている。粒子供給手段８０から基材６１の表面６１ａに沿って導電性粒子６２の粒子群を均一に落下させて散布する。
【００３０】
粒子供給手段８０の直下部には、噴霧した樹脂分散液６３に随伴されずに落下する導電性粒子６２を受けるために、上部が開放された回収容器８１が配設されている。粒子供給手段８０の直下部よりもやや基材寄りには、噴霧した樹脂分散液６３によって吹き飛ばされたもの基材６１の表面６１ａに達することなく落下する導電性粒子６２と樹脂分散液６３との混合物６２ａ（図２（ｂ）参照）を受けるために、上部が開放された回収容器８２が配設されている。
【００３１】
図２（ｂ）を参照して、第１の形成方法は、概説すれば、基材６１の表面６１ａを鉛直方向に沿って配置する工程と、基材６１の表面６１ａに沿って導電性粒子６２を落下させて散布し、当該散布と同時に、落下する導電性粒子６２を横切るように樹脂分散液６３を基材６１の表面６１ａに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、落下する導電性粒子６２と噴霧した樹脂分散液６３とを一緒に基材６１に塗布することによって電極用部材５１を形成する。
【００３２】
さらに詳しくは、粒子供給手段８０から基材６１の表面６１ａに沿って導電性粒子６２の粒子群を均一に落下させて散布する。落下する導電性粒子６２の粒子群を介して、塗布装置７０の噴射ノズル７１から樹脂分散液６３を基材６１の表面６１ａに向けて噴霧する。導電性粒子６２は粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液６３はアルコールなどの溶剤を含まない。
【００３３】
すると、噴射ノズル７１から噴霧された樹脂分散液６３が、導電性粒子６２の粒子群中を通過する際に、導電性粒子６２と樹脂分散液６３とが混合された状態で、積層されながら基材６１上に付着することになる。基材６１の表面６１ａの全面に均等に導電性粒子６２と樹脂分散液６３との混合物を積層するため、塗布装置７０の噴射ノズル７１を上下左右に移動させながら樹脂分散液６３を噴霧する。
【００３４】
塗布終了後、ホルダ６０のヒータに通電して基材６１上の付着物を乾燥させると、電極用部材５１の形成が完了する。
【００３５】
噴射ノズル７１から噴霧された樹脂分散液６３に接触しないで落下した導電性粒子６２は、粒子供給手段８０の直下部に配置された回収容器８１内に回収される。回収容器８１内に回収された導電性粒子６２は樹脂分散液６３に接触していないので、そのまま再利用可能である。また、噴射ノズル７１から噴霧された樹脂分散液６３に接触したが、基材６１上へと到達しなかった混合物６２ａは、粒子供給手段８０の直下部よりも基材側に配置された回収容器８２内に落下して回収される。回収容器８２内に回収された混合物６２ａは樹脂分散液６３と接触している。触媒層３１、４１を形成する場合にあっては、混合物６２ａから触媒粒子を分離処理して再利用し、ＧＤＬ３２、４２を形成する場合にあっては、混合物６２ａを破棄する。
【００３６】
このように第１の形成方法および形成装置によれば、導電性粒子６２を粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液６３はアルコールなどの溶剤を含まないので、従来のように多量の溶剤を必要とせず、電極用部材５１としての触媒層３１、４１やＧＤＬ３２、４２の製造コストを低減することができる。その結果、ＭＥＡ１０を安価に製造することができる。
【００３７】
さらに、導電性粒子６２と樹脂分散液６３とが均一に混合されながら塗布されるので、形成した電極用部材５１が均一化する。その結果、電極用部材５１としての触媒層３１、４１やＧＤＬ３２、４２の性能を向上させることができる。
【００３８】
触媒インクおよびＭＩＬインクの調製は、一般的に、混合工程、粉砕工程、回収工程および洗浄工程などを経て行われ、インクの調製に多くの設備や工数を要している。攪拌作業もあるので、脱泡処理の工程も必要となる。本実施形態では、インクの調製が不要となることに伴って、インクの調製工数の低減を図ることができる。工程を削減でき、インク調製設備も不要となることから、この観点からも、電極用部材５１の製造コストを低減することができる。
【００３９】
インクを用いる場合には、一般的に、調製から塗布終了までに容器の移し替え作業が多く、インクの回収率が低い。本実施形態では、容器の移し替え作業が少ないので、構成材料を無駄に消費することがない。電極用部材５１の構成材料の利用率が向上することから、この観点からも、電極用部材５１の製造コストを低減することができる。
【００４０】
粉砕・分散装置によって調整されるインクにあっては、インク調整条件などでカーボン粒径分布が決定されてしまうため、カーボン粒径の分布を任意に制御することは難しい。本実施形態では、インク調整工程を経ないので、導電性粒子６２および／または樹脂分散液６３の粒径分布の任意制御が容易である。電極用部材５１の空孔が均一化されることから、電極用部材５１としての触媒層３１、４１やＧＤＬ３２、４２の性能を向上させることができる。
【００４１】
導電性粒子６２の回収が容易であり、特に回収容器８１内に回収された導電性粒子６２は樹脂分散液６３に接触していないので、そのまま再利用可能であり、再利用するためのコストを低減することができる。
【００４２】
導電性粒子６２および／または樹脂分散液６３の粒径分布の任意制御が容易であることから、基材６１上に供給した導電性粒子６２の粒度と異なる粒度の導電性粒子６２を基材６１上にさらに供給してもよい。すなわち、異なる粒度の導電性粒子６２を収容した粒子供給手段８０を準備し、この粒子供給手段８０から異なる粒度の導電性粒子６２の粒子群を落下させて散布する。導電性粒子６２の粒度を異ならせるのに代えて、あるいは、導電性粒子６２の粒度を異ならせるのに加えて、基材６１上に供給した樹脂分散液６３の粒度と異なる粒度の樹脂分散液６３を基材６１上にさらに供給してもよい。すなわち、異なる粒度の樹脂分散液６３を収容した塗布装置７０を準備し、この塗布装置７０から異なる粒度の樹脂分散液６３を噴霧する。１つの電極用部材５１を形成するにあたって、導電性粒子６２および／または樹脂分散液６３の粒度を異ならせることにより、電極用部材５１の厚み方向に沿っても空孔制御が可能となり、電極用部材５１としての触媒層３１、４１やＧＤＬ３２、４２の性能をより一層向上させることができる。
【００４３】
図３は、電極用部材５１の第２の形成方法を模式的に示す概略図である。
【００４４】
図３（ａ）を参照して、形成装置１０２は、形成装置１０１と同様に、導電性粒子６２を基材６１上に供給する第１の系統１２１と、第１の系統１２１と別個独立して設けられ、樹脂分散液６３を基材６１上に供給する第２の系統１２２と、を有している。
【００４５】
基材６１は、矩形シート形状を有している。基材６１は、ヒータなどの加熱手段を内蔵したホルダ６０に保持されている。基材６１は、その表面６１ａが水平方向に沿うように配置されている。基材６１の表面６１ａの周辺部には、矩形枠体状のマスク９０が施されている。
【００４６】
基材６１の斜め上方に、噴射ノズル７１および液収容容器７２を備えた塗布装置７０が配設されている。基材６１の表面６１ａに対向するように噴射ノズル７１を下向きに臨ませている。液収容容器７２内には樹脂分散液６３が収容され、噴射ノズル７１から下向きに樹脂分散液６３が噴霧される。噴射ノズル７１は、前後左右に移動させながら樹脂分散液６３を噴霧可能に設けている。なお、噴射ノズル７１の移動範囲を少なくするため、塗布装置７０に複数の噴射ノズル７１を配してもよい。
【００４７】
基材６１と噴射ノズル７１との間には、水平方向に移動可能な粒子供給手段８０が配設されている。粒子供給手段８０は基材６１の直上に位置したときに、導電性粒子６２の粒子群を均一に落下させて散布する。
【００４８】
図３（ｂ）を参照して、第２の形成方法は、概説すれば、基材６１の表面６１ａを水平方向に沿って配置する工程と、基材６１の表面６１ａに向けて導電性粒子６２を落下させて散布する工程と、導電性粒子６２の散布とは別個に、樹脂分散液６３を基材６１の表面６１ａに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、導電性粒子６２を散布する工程と樹脂分散液６３を噴霧する工程とを交互に行うことによって電極用部材５１を形成する。
【００４９】
さらに詳しくは、粒子供給手段８０から基材６１の表面６１ａ上に導電性粒子６２の粒子群を少量均一に落下させて散布する工程と（図３（ｂ）参照）、塗布装置７０の噴射ノズル７１から基材６１の表面６１ａ上に樹脂分散液６３を少量噴霧する工程と（図３（ｃ）参照）を、交互に実施する。導電性粒子６２は粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液６３はアルコールなどの溶剤を含まない。
【００５０】
すると、マスキングされた基材６１の表面６１ａ上に、導電性粒子６２と樹脂分散液６３とが混合された状態で、積層されながら付着することになる。
【００５１】
塗布終了後、ホルダ６０のヒータに通電して基材６１上の付着物を乾燥させると、電極用部材５１の形成が完了する。
【００５２】
導電性粒子６２を散布する工程と、樹脂分散液６３を噴霧する工程とは、いずれを先に行っても構わないが、電極用部材５１を均一に形成するには、導電性粒子６２の散布と樹脂分散液６３の噴霧とを少量ずつ交互に行うことが好ましい。導電性粒子６２を散布する工程と、樹脂分散液６３を噴霧する工程との実施回数に応じて、所望の厚さの電極用部材５１を形成することができる。
【００５３】
このように第２の形成方法および形成装置によれば、第１の形成方法および形成装置と同様に、導電性粒子６２を粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液６３はアルコールなどの溶剤を含まないので、従来のように多量の溶剤を必要とせず、電極用部材５１としての触媒層３１、４１やＧＤＬ３２、４２の製造コストを低減することができる。その結果、ＭＥＡ１０を安価に製造することができる。
【００５４】
さらに、導電性粒子６２と樹脂分散液６３とが均一に混合されながら塗布されるので、形成した電極用部材５１が均一化する。その結果、電極用部材５１としての触媒層３１、４１やＧＤＬ３２、４２の性能を向上させることができる。
【００５５】
第１の形成方法および形成装置と同様に、インクの調製が不要となることに伴って、インクの調製工数の低減を図ることができる。工程を削減でき、インク調製設備も不要となることから、この観点からも、電極用部材５１の製造コストを低減することができる。
【００５６】
また、容器の移し替え作業が少ないので、構成材料を無駄に消費することがない。電極用部材５１の構成材料の利用率が向上することから、この観点からも、電極用部材５１の製造コストを低減することができる。
【００５７】
また、インク調整工程を経ないので、導電性粒子６２および／または樹脂分散液６３の粒径分布の任意制御が容易である。電極用部材５１の空孔が均一化されることから、電極用部材５１としての触媒層３１、４１やＧＤＬ３２、４２の性能を向上させることができる。
【００５８】
上記第１および第２の形成方法において、電極用部材５１が触媒層３１、４１の場合、基材６１としては、固体高分子膜、触媒層から剥離可能なシート材、またはガス拡散層を用いることができる。すなわち、固体高分子膜やＧＤＬ上に直接形成したり、固体高分子膜やＧＤＬに別途接合するために剥離可能なシート材上に形成したりすることができる。剥離可能なシート材には、ＰＴＦＥシートを用いることができる。また、ＧＤＬには、第１および第２の形成方法により形成したＧＤＬ３２、４２のほか、ＭＩＬを除いた、カーボンペーパなどの基材のみからなるＧＤＬを用いることもできる。導電性粒子６２としては触媒粒子を担持するカーボン粒子を用い、樹脂分散液６３としてはアイオノマーを用いることが好ましい。アイオノマーは、固体高分子電解質膜２０を形成する固体高分子電解質と同じ成分を有していることが好ましい。固体高分子電解質膜２０と触媒層３１、４１との間に界面が形成され難いので、生成プロトンの伝導を阻害することがないからである。
【００５９】
電極用部材５１がＧＤＬ３２、４２の場合、基材６１としては、少なくとも多孔質性を有するシート状材料を用いることができる。基材６１としては、導電性をさらに有していることが好ましく、カーボンペーパやカーボンシートなどを用いることができる。導電性粒子６２としてはカーボン粒子を用い、樹脂分散液６３としては撥水性付与した樹脂分散液を用いることが好ましい。
【００６０】
なお、上記第１および第２の形成方法により、触媒層３１、４１およびＧＤＬ３２、４２の積層を連続して行ってもよい。すなわち、ＧＤＬの基材の上に、第１または第２の形成方法によってＭＩＬ層を形成し、このＭＩＬ層の上に、第１または第２の形成方法によって触媒層を形成してもよい。
【００６１】
本実施形態のＭＥＡ１０は、固体高分子電解質膜２０と、触媒層３１、４１およびガス拡散層３２、４２を含む電極３０、４０とを、図１に示した順序で積層配置し、熱と圧力を加えるホットプレスを所定時間行って接合する。
【００６２】
不図示のセパレータによってＭＥＡ１０を挟持して固体高分子形燃料電池を形成する。固体高分子形燃料電池を構成するＭＥＡ１０では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極３０に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、燃料極３０の触媒層３１に含まれる固体高分子電解質、さらに燃料極３０の触媒層３１が接触している固体高分子電解質膜２０を通って、空気極４０の触媒層４１に達する。また、燃料極３０の触媒層３１で生成した電子は、燃料極３０の触媒層３１における導電性担体（導電性粒子）６２、燃料極３０のガス拡散層３２、セパレータおよび外部回路を通って、空気極４０の触媒層４１に達する。そして、空気極４０の触媒層４１にともに達したプロトンおよび電子は、空気極４０に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。このような電気化学的反応を通して、燃料電池は、電気を外部に取り出すことが可能となる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態によれば、別個独立した系統１１１と１１２、１２１と１２２を介してそれぞれが供給される導電性粒子６２と樹脂分散液６３とを基材６１上に供給することによって、電極用部材５１を形成しているので、インクの調製や溶剤を必要とせず、電極用部材５１としての触媒層３１、４１およびガス拡散層３２、４２の製造コストを低減することができ、安価に膜電極接合体１０を製造することができる。さらに、電極用部材５１を均一に形成でき、電極用部材５１の性能が向上する。インクの調製が不要となることに伴って、工程を削減でき、インク調製設備も不要となり、電極用部材５１の製造コストをさらに低減することができる。また、電極用部材５１の構成材料の利用率が向上することから、この観点からも、電極用部材５１の製造コストを低減することができる。インク調整工程を経ないので、導電性粒子６２および／または樹脂分散液６３の粒径分布の任意制御が容易で、電極用部材５１の空孔を均一化し、電極用部材５１の性能を向上させることができる。
【００６４】
第１の形成方法として、基材６１の表面６１ａを鉛直方向に沿って配置する工程と、基材６１の表面６１ａに沿って導電性粒子６２を落下させて散布し、当該散布と同時に、落下する導電性粒子６２を横切るように樹脂分散液６３を基材６１の表面６１ａに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、落下する導電性粒子６２と噴霧した樹脂分散液６３とを一緒に基材６１に塗布することによって電極用部材５１を形成している。この第１の形成方法を通して、上記の電極用部材５１を得ることができる。また、樹脂分散液６３に接触しないで落下した導電性粒子６２を容易に回収できる。
【００６５】
また、第２の形成方法として、基材６１の表面６１ａを水平方向に沿って配置する工程と、基材６１の表面６１ａに向けて導電性粒子６２を落下させて散布する工程と、導電性粒子６２の散布とは別個に、樹脂分散液６３を基材６１の表面６１ａに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、導電性粒子６２を散布する工程と樹脂分散液６３を噴霧する工程とを交互に行うことによって電極用部材５１を形成している。この第２の形成方法によっても、上記の電極用部材５１を得ることができる。
【００６６】
基材６１上に供給した導電性粒子６２の粒度と異なる粒度の導電性粒子６２を基材６１上にさらに供給したり、基材６１上に供給した樹脂分散液６３の粒度と異なる粒度の樹脂分散液６３を基材６１上にさらに供給したりすることにより、電極用部材５１の厚み方向に沿っても空孔制御が可能となり、電極用部材５１の性能をより一層向上させることができる。
【００６７】
電極用部材５１が触媒層の場合には、基材６１が固体高分子膜、触媒層から剥離可能なシート材、またはガス拡散層であり、導電性粒子６２が触媒粒子を担持したカーボン粒子であり、樹脂分散液６３がアイオノマーであり、触媒層３１、４１の製造コストを低減することができる。
【００６８】
電極用部材５１がガス拡散層の場合には、基材６１が少なくとも多孔質性を有するシート状材料であり、導電性粒子６２がカーボン粒子であり、樹脂分散液６３が撥水性付与樹脂分散液６３であり、ガス拡散層３２、４２の製造コストを低減することができる。
【００６９】
本実施形態に係る方法を具現化した形成装置１０１、１０２は、導電性粒子６２を基材６１上に供給する第１の系統１１１、１２１と、第１の系統１１１、１２１と別個独立して設けられ、樹脂分散液６３を基材６１上に供給する第２の系統１１２、１２２と、を有しているので、製造コストの低減を図った電極用部材５１を形成し得る。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用の膜電極接合体を模式的に示す要部断面図である。
【図２】電極用部材の第１の形成方法を模式的に示す概略図である。
【図３】電極用部材の第２の形成方法を模式的に示す概略図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０    ＭＥＡ（膜電極接合体）、
２０    固体高分子電解質膜、
３０    燃料極、
４０    空気極、
３１、４１    触媒層（電極用部材）、
３２、４２    ガス拡散層（電極用部材）、
５１    電極用部材、
６１    基材、
６２    導電性粒子、
６３    樹脂分散液、
７０    塗布装置、
８０    粒子供給手段、
１０１、１０２    形成装置、
１１１、１２１    第１の系統、
１１２、１２２    第２の系統。
【図１】
2009064592.tif 000003
【図２】
2009064592.tif 000004
【図３】
2009064592.tif 000005