(57)【要約】      （修正有）【課題】膜電極接合体を備えた燃料電池の製造方法において、触媒層の低平滑性を緩和して、該触媒層に隣接する電解質膜として、厚さが薄くても触媒層の凹凸を充分に被覆できる電解質膜を作製し、反応ガスのクロスリークを防ぐ。【解決手段】以下の（１）式及び（２）式を満たすことを特徴とする燃料電池の製造方法：  １）転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層２ａをこの順序で塗布により形成して転写シートを作成する工程、  ２）第２拡散層の一面側に第２触媒層及び第２電解質層２ｂをこの順序で塗布により形成する工程、  ３）該転写シートの第１電解質層と、該第２電解質層とが接触して一体の高分子電解質膜となるように、該転写シートを該第２電解質層に接合する工程、及び  ４）該転写シートの基材を除去する工程Ｌｍ１≧Ｒａ……（１）Ｌｍ１＋Ｌｍ２≧Ｒａ＋Ｒｃ……（２）【選択図】図１
2009080974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の一面側に設けられた第１触媒層と、該第１触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第１拡散層と、該高分子電解質膜の他面側に設けられた第２触媒層と、該第２触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第２拡散層とを有する膜電極接合体を備えた燃料電池の製造方法であって、
以下の工程を含む手法により該膜電極接合体を形成し、且つ、以下の（１）式及び（２）式を満たすことを特徴とする燃料電池の製造方法：
１）転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成して転写シートを作成する工程、
２）第２拡散層の一面側に第２触媒層及び第２電解質層をこの順序で塗布により形成する工程、
３）該転写シートの第１電解質層と、該第２電解質層とが接触して一体の高分子電解質膜となるように、該転写シートを該第２電解質層に接合する工程、及び
４）該転写シートの基材を除去する工程
【数１】
2009080974.tif 000014
【数２】
2009080974.tif 000015
式中、Ｌｍ１は第１電解質層の厚さ、Ｒａは第１触媒層の表面の最大粗さ、Ｌｍ２は第２電解質層の厚さ、及びＲｃは第２触媒層の表面の最大粗さをいう。
【請求項２】
更に、第１拡散層を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
Ｌｍ１＋Ｌｍ２が１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記第１電解質層の厚さが、前記第２電解質層の厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項１乃至３に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記高分子電解質膜と同じ材料の高分子電解質膜のガス透過係数Ｐｒに対して、前記膜電極接合体のガス透過係数Ｐｍｅａが下記（３）式を満たすことを特徴とする請求項１乃至４に記載の燃料電池の製造方法。
【数３】
2009080974.tif 000016
【請求項６】
前記第１電解質層をスピンコート法によって形成することを特徴とする、請求項１乃至５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記転写用基材がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなり、転写用基材の表面の最大粗さが０．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至６に記載の燃料電池の製造方法。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード（水素極）では（１）式の反応が進行する。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    …（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内を水素極側から酸化剤極側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸素を酸化剤とした場合、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。
２Ｈ＋  ＋  （１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    …（２）
酸化剤極で生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００５】
電解質膜の両面に電極を積層したものを膜電極接合体（ＭＥＡ）という。電解質膜の両面に設けられて一対となる電極（すなわち燃料極及び酸化剤極）は、一般的に、電解質膜側から順に、触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有しているものが多い。
触媒層は、通常、各電極における反応を促進する触媒成分、プロトン伝導路を形成する高分子電解質、及び電子伝導路を形成する導電性材料を含み、各電極反応の場となる部分である。触媒層に含まれる高分子電解質としては、上記電解質膜を形成する高分子電解質と同様のものが用いられることが多い。
一方、ガス拡散層は、導電性多孔質体からなり、触媒層への反応ガスの拡散及び電子伝導性を向上させることを目的として設けられている。
【０００６】
燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する方法としては、例えば、触媒成分と高分子電解質と導電性材料とを溶媒に溶解・分散させた触媒インクを、ガス拡散層となる導電性多孔質体に塗布、乾燥した後、該導電性多孔質体を、触媒インクの塗布面を電解質膜側にしてシート状の電解質膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（商品名、Ｄｕｐｏｎｔ社製）のようなパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表されるフッ素系高分子電解質膜）と熱圧着する方法がある。また、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の基板上に塗布、乾燥した触媒インクを導電性多孔質体に転写し、さらに、この導電性多孔質体の触媒層とシート状の電解質膜とを熱圧着する方法がある。或いは、電解質膜の表面に触媒インクを塗布、乾燥したのち、当該電解質膜を触媒インクの塗布面を導電性多孔質体側にして導電性多孔質体と熱圧着する方法などもある。
【０００７】
しかし、上記従来の方法ではシート状の電解質膜を使用し、触媒インクを乾燥・固化した状態の触媒層に該電解質膜を積層し、加熱圧着するので、層の境界に密着不良部分が発生する虞がある。燃料電池用電極の各層に密着不良部分が発生すると、電流を効率よく発生することが難しくなり、製造ラインの検査の段階において、これらの燃料電池用電極が廃棄処分や修復処分になり、生産性の向上を妨げる一つの要因となっていた。
加えて、電解質膜としてシート状の電解質膜を使用しているので、電解質膜のハンドリング性（取扱い性）を考慮すると電解質膜をある程度厚くする必要がある。燃料電池の発電特性向上のためには電解質膜を薄膜化することが重要であるが、上記理由により、ＭＥＡを薄くすることが困難であった。
【０００８】
上記問題に対応するために、例えば特許文献１及び特許文献２のように、電解質膜の形成に溶液を使用し、燃料極又は酸化剤極の拡散層１０２ａ上に形成された未乾燥の触媒層１０３ａの上に該電解質膜用溶液を塗布して電解質膜１０４を形成し、該電解質膜１０４が未乾燥のうちに、他方の酸化剤極又は燃料極の触媒層１０３ｂを形成し、該触媒層１０３ｂの上面に他方の酸化剤極又は燃料極の拡散層１０２ｂを設けて積層体を形成し、該積層体を乾燥することで膜電極接合体（ＭＥＡ）１０１を作製する手法が提案されている（図３参照）。
しかしながら、このような従来の方法のように、拡散層上に触媒層、電解質膜をこの順序で塗布・乾燥する場合には、平滑な表面を有する薄い電解質膜を得ることが難しい。その理由としては、拡散層は多孔質体であるため平滑性が低く、そのような拡散層上に形成された触媒層の表面には拡散層の凹凸が影響し、また、触媒層自体が粒子や繊維を含むため、触媒層の表面の平滑性は低くなり、さらにそのような触媒層の上にできる限り電解質膜を薄く形成しようとすると、触媒層表面の凸部を被覆しきれず電解質膜の厚さが不十分な部分が生じて電解質膜に孔が生じ、反応ガスのクロスリークが発生する虞があることが挙げられる。
特許文献１には、上述したような手法を用いて更に、拡散層にバインダーを塗布し、該バインダーが未乾燥のうちに押圧してバインダーが塗布された拡散層の表面を平坦化する燃料電池用電極の製造方法が開示されている。
しかし、通常、拡散層の凹凸は比較的大きく、そのような拡散層の凹凸を全て被覆するためにバインダーを拡散層に厚く塗布することはＭＥＡの薄層化を促進することにはならないため、拡散層にバインダーを塗布して押圧するだけでは、拡散層を十分に平滑にすることは難しい。したがって、従来の方法では、表面が充分に平滑な薄い電解質膜を得ることは困難である。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３４６８３３号公報
【特許文献２】特開２００３−３４６８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者らは、鋭意研究を重ね、従来のように拡散層上に触媒層及び電解質層を形成するのではなく、転写用基材上に触媒層及び電解質層を塗布により形成し、これを別に形成したもう一方の触媒層上に熱圧着し、該転写用基材を剥離した後に拡散層を設ける考えに至った。これによって、塗布による膜形成の利点である電解質膜の薄膜化及び高い密着性が得られ、且つ、従来の塗布による膜形成の課題である電解質膜の良好な平滑性が得られると考えた。そこで、転写用基材の一面側に触媒層及び電解質層をこの順序で塗布により形成した転写シートを一対用意して、２つの転写シートの電解質層同士を熱圧着により接合させた後、一方の転写用基材を剥離し、その剥離した側に拡散層を設け、他方の転写用基材にも同様にして拡散層を設けようとしたところ、該他方の転写用基材を容易に剥がすことができないという知見を得た。
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、膜電極接合体を備えた燃料電池の製造方法において、触媒層の低平滑性を緩和して、該触媒層に隣接する電解質膜として、厚さが薄くても触媒層の凹凸を充分に被覆できる電解質膜を作製し、反応ガスのクロスリークを防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池の製造方法は、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の一面側に設けられた第１触媒層と、該第１触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第１拡散層と、該高分子電解質膜の他面側に設けられた第２触媒層と、該第２触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第２拡散層とを有する膜電極接合体を備えた燃料電池の製造方法であって、
以下の工程を含む手法により該膜電極接合体を形成し、且つ、以下の（１）式及び（２）式を満たすことを特徴とする：
１）転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成して転写シートを作成する工程、
２）第２拡散層の一面側に第２触媒層及び第２電解質層をこの順序で塗布により形成する工程、
３）該転写シートの第１電解質層と、該第２電解質層とが接触して一体の高分子電解質膜となるように、該転写シートを該第２電解質層に接合する工程、及び
４）該転写シートの基材を除去する工程
【００１２】
【数１】
2009080974.tif 000003
【００１３】
【数２】
2009080974.tif 000004
【００１４】
式中、Ｌｍ１は第１電解質層の厚さ、Ｒａは第１触媒層の表面の最大粗さ、Ｌｍ２は第２電解質層の厚さ、及びＲｃは第２触媒層の表面の最大粗さをいう。
【００１５】
前記燃料電池の製造方法は、更に、第１拡散層を形成する工程を含む。
【００１６】
前記燃料電池の製造方法において、（２）式におけるＬｍ１＋Ｌｍ２が１０μｍ以下である高分子電解質膜を形成することができる。
【００１７】
前記燃料電池の製造方法において、前記第１電解質層の厚さは、前記第２電解質層の厚さよりも大きいことが好ましい。
【００１８】
前記高分子電解質膜と同じ材料の高分子電解質膜のガス透過係数Ｐｒに対して、前記膜電極接合体のガス透過係数Ｐｍｅａは下記（３）式を満たすことができる。
【００１９】
【数３】
2009080974.tif 000005
【００２０】
前記第１電解質層は、スピンコート法によって形成されることが好ましい。
【００２１】
さらに、前記転写用基材がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなり、転写用基材の表面の最大粗さが０．５μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成した転写シートで、該第１触媒層及び第１電解質層を、第２触媒層及び第２電解質層をこの順序で塗布により一面側に形成された第２拡散層に、該第１電解質層と該第２電解質層が接触するように熱圧着して転写することによって、第１電解質層と第２電解質層が一体となった高分子電解質膜であって、第１及び第２触媒層の凹凸を吸収して孔が生じない、且つ、薄い膜厚の高分子電解質膜を作製することができる。そのため、反応ガスのクロスリークを防止することができ、高分子電解質膜に隣接して形成された第１触媒層と第２触媒層とが短絡することを防止できる。また、該高分子電解質膜を含む薄い膜厚のＭＥＡを作製することができる。さらに、該ＭＥＡを用いて、燃料電池の単セルの小型化を促進することができ、また、燃料電池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】
【００２３】
本発明の燃料電池の製造方法は、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の一面側に設けられた第１触媒層と、該第１触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第１拡散層と、該高分子電解質膜の他面側に設けられた第２触媒層と、該第２触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第２拡散層とを有する膜電極接合体を備えた燃料電池の製造方法であって、
以下の工程を含む手法により該膜電極接合体を形成し、且つ、以下の（１）式及び（２）式を満たすことを特徴とする：
１）転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成して転写シートを作成する工程（転写用基材上の層形成工程）、
２）第２拡散層の一面側に第２触媒層及び第２電解質層をこの順序で塗布により形成する工程（第２拡散層上の層形成工程）、
３）該転写シートの第１電解質層と、該第２電解質層とが接触して一体の高分子電解質膜となるように、該転写シートを該第２電解質層に接合する工程（接合工程）、及び
４）該転写シートの基材を除去する工程（除去工程）
【００２４】
【数４】
2009080974.tif 000006
【００２５】
【数５】
2009080974.tif 000007
【００２６】
式中、Ｌｍ１は第１電解質層の厚さ、Ｒａは第１触媒層の表面の最大粗さ、Ｌｍ２は第２電解質層の厚さ、及びＲｃは第２触媒層の表面の最大粗さをいう。
【００２７】
本発明においては、上記（１）式及び（２）式を満たすように、一方で転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成して転写シートを作成し、他方で第２拡散層の一面側には、第２触媒層及び第２電解質層をこの順序で塗布により形成し、該第２電解質層に、上記転写シートで該第１触媒層及び該第１電解質層を転写することによって、塗布による膜形成の利点であり、従来の被膜化した層の積層では実現が難しい電解質膜の薄膜化及び高い密着性を得ることができる。更に、従来の塗布による膜形成においては、電解質膜が触媒層の凹凸に追従し、部分的に該凹凸が電解質膜を破ってしまう問題があるが、本発明においては、平滑な転写用基材に被膜化されている比較的平滑な第１電解質層と補助的な第２電解質層を接合した電解質膜とするため、触媒層の凹凸が電解質膜を破ることなく電解質膜の良好な平滑性を得ることができる。
したがって、本発明においては、反応ガスのクロスリークを防止することができ、高分子電解質膜に隣接して形成された第１触媒層と第２触媒層とが短絡することを防止できる。また、該高分子電解質膜を含む薄い膜厚のＭＥＡを作製することができ、該ＭＥＡを用いて、電池性能を向上させ、燃料電池の小型化を促進することができる。
尚、本発明の第１触媒層及び第２触媒層のいずれがカソードであってもアノードであってもよい。すなわち、第１触媒層がカソードである場合には、第２触媒層はアノードであり、第１触媒層がアノードである場合には、第２触媒層はカソードである。
【００２８】
本発明の製造方法により得られる燃料電池用膜電極接合体の一例を、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明の製造方法により得られる膜電極接合体の一形態例を示す模式的断面図である。図１に示すように、電解質膜２は、一方の面にカソード（酸化剤極）５ａ、他方の面にアノード（燃料極）５ｂが設けられ、膜電極接合体１を形成している。本例において、カソード５ａは、電解質膜側から順に、カソード側触媒層３ａ、カソード側ガス拡散層４ａが積層した構造を有し、また、アノード５ｂは、電解質膜側から順に、アノード側触媒層３ｂ、アノード側ガス拡散層４ｂが積層した構造を有する。
また、電解質膜２は、第１電解質層２ａ及び第２電解質層２ｂによって構成されている。
【００２９】
以下、本発明の燃料電池の製造方法について、詳しく説明していく。
１）転写用基材上の層形成工程
転写用基材上の層形成工程においては、転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成して転写シートを作成する。
まず、転写用基材を用意する。転写用基材としては、表面が平滑で剥離性に優れ、転写用基材上に形成した触媒層を、ガス拡散層や電解質膜に熱転写する際の基材として一般的に用いられるものを使用することができ、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）等からなるものが挙げられる。特にテフロン（登録商標）が比較的安価であるため好ましい。転写用基材の表面の最大粗さは０．５μｍ以下であることが望ましい。
上述したように、通常、拡散層の凹凸は比較的大きく、そのような拡散層の上に薄い平滑な層を塗布により形成して積層することは難しい。しかしながら、本発明のように転写用基材を用いることによって、拡散層を基材として該拡散層上に層を形成した場合に問題となる、形成した層の非平滑性を緩和することができる。
【００３０】
上記転写用基材の上に、第１触媒層を形成する。転写用基材上の触媒層は、少なくとも触媒成分を含み、さらにプロトン伝導路を形成するための電極用高分子電解質を含有する触媒インクを、転写用基材上に塗布、乾燥させることで形成できる。
触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Ｐｔ、及びＰｔと例えばＲｕなど他の金属とからなる合金である。
触媒成分は、通常、導電性粒子に担持された状態で用いられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。
電極用高分子電解質は特に限定されず、後述する電解質膜を形成する時に用いられる高分子電解質を用いることができる。電極用高分子電解質と電解質膜用高分子電解質は異なるものであってもよいが、通常は同じものが好ましく使用される。
【００３１】
触媒インクは上記のような触媒成分と電極用高分子電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、用いる電極用高分子電解質に応じて適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコールの他、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、ジクロロメタン、クロロホルム、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、１，１，１−トリクロロエタン、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。
溶媒は、触媒成分１重量部に対し、通常、５〜３０重量部程度添加する。
【００３２】
転写用基材への触媒インクの塗布方法は、適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スピンコート法、スプレー法、キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。特に、薄く厚さが均一な膜を形成しやすいことから、スピンコート法が好ましい。
また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥等が挙げられる。具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
第１触媒層の膜厚は、１μｍ〜２０μｍ、好ましくは３μｍ〜１５μｍ、さらに好ましくは４μｍ〜７μｍである。
また、第１触媒層は、下地として第２拡散層よりも平滑な転写用基材を用い、該基材上に塗布形成されるので、後述する第２触媒層よりも平滑な表面を有する。後述する（１）式における最大粗さＲａは１μｍ〜５μｍである。
【００３３】
続いて、上記第１触媒層の上に第１電解質層を形成する。第１触媒層上の第１電解質層は、少なくとも固体高分子電解質を含み、必要に応じて導電性材料を含み、さらに撥水性高分子あるいは親水性高分子等、その他の成分又は材料を含有する電解質膜用インクを、第１触媒層上に塗布、乾燥させることで形成できる。
【００３４】
固体高分子電解質としては、固体高分子型燃料電池の電解質膜に用いられているような材料を使用することができ、例えば、ナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等のフッ素系イオン交換樹脂；ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリパラフェニレン（ＰＰＰ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）等の炭化水素系高分子に、スルホン酸基、ヒドロキシ基、リン酸基、カルボン酸基等の陽イオン交換基が導入されたもの；特表平１１−５０３２６２号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質；等の高分子電解質が挙げられる。
上記固体高分子電解質を溶解するための溶媒としては、例えば、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、ＤＭＳＯ（ジメチルスルホオキシド）などが好適に用いられる。溶媒は、高分子電解質１重量部に対し、通常、５〜５０重量部程度添加する。
第１電解質層の膜厚は、下記（１）式及び（２）式を満たさなければならない。
【００３５】
【数６】
2009080974.tif 000008
【００３６】
【数７】
2009080974.tif 000009
【００３７】
式中、Ｌｍ１は第１電解質層の厚さ、Ｒａは第１触媒層の表面の最大粗さ、Ｌｍ２は第２電解質層の厚さ、及びＲｃは第２触媒層の表面の最大粗さをいう。
【００３８】
上記「最大粗さ」とは、所定装置で任意の領域の面粗さを測定した場合の最大高さ及び最大低さの差をいう。具体的には例えば、第１触媒層の電解質層と接する表面の凹凸の中で、一番高い凸部の頂点と一番低い凹部の底部の高さの差をいう。最大粗さの測定方法としては、レーザー顕微鏡、表面粗さ計などの装置を用いて、サンプルにおける任意の２５０μｍ四方の面粗さを測定し、最大高さ及び最大低さの差から最大粗さを決定する。
（１）式に示すように、第１電解質層の膜厚が、第１触媒層の最大粗さと同じ又はより大きい値であることによって、第１触媒層の表面の凹凸を被覆し、表面が平滑な第１電解質層を形成することができる。ガスリークを防ぐために、第１電解質層の膜厚Ｌｍ１は、最低でも第１触媒層の最大粗さＲａと同じ厚さを有する必要があるが、ＭＥＡの薄膜化のために、厚くなりすぎないことが好ましい。
上記（１）式を満たさない場合には、第１電解質層が第１触媒層の表面の凸部を充分に被覆しきれず、後述する第２電解質層と接合して形成する高分子電解質膜に孔が生じ、反応ガスのクロスリークを引き起こす可能性がある。
また、（２）式に示すように、第１電解質層の膜厚と第２電解質層の膜厚の合計が、第１触媒層の最大粗さと後述する第２触媒層の最大粗さの合計と同じ又はより大きい値であることによって、上述したように表面を平滑に形成した第１電解質層と、後述する第２拡散層上の第２触媒層上に形成された第２電解質層とを接合して高分子電解質膜とした時に、該高分子電解質膜が第１及び第２触媒層の凹凸を吸収して高分子電解質膜に孔は生じず、且つ、薄い膜厚の高分子電解質膜を作製することができる。
上記（２）式を満たさない場合には、第２電解質層の表面の凸部又は第２電解質層で被覆しきれない第２触媒層の凸部を、第１電解質層によって充分に吸収することができず、第１電解質層と第２電解質層を接合して高分子電解質膜とした時に、該高分子電解質膜に孔が生じ、反応ガスのクロスリークを引き起こす可能性がある。
具体的には、第１電解質層の膜厚は、１μｍ〜５μｍ、好ましくは１μｍ〜２μｍである。
【００３９】
このようにして、転写用基材上に第１触媒層及び第１電解質層が形成された転写シートが得られる。
転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成して転写シートを作成することによって、平滑な基材上に第１触媒層を形成するため、従来と比べて平坦な触媒層が得られ、そのような第１触媒層の上に第１電解質層を形成するため、薄くても第１触媒層の凹凸を被覆できるほど厚さは充分な第１電解質層を形成することができる。また、本発明においては、電解質層をシートではなくインクの塗布によって形成するため、シートの自立性を考慮する必要がなく、電解質層の膜厚を薄くすることができ、さらに、第１触媒層と第１電解質層の密着性を良好なものにすることができる。
【００４０】
２）第２拡散層上の層形成工程
第２拡散層上の層形成工程においては、第２拡散層の一面側に第２触媒層及び第２電解質層をこの順序で塗布により形成する。
まず、ガス拡散層を構成する導電性多孔質体（ガス拡散層基材）や、導電性多孔質体に機能層を設けたガス拡散層シートを用意する。
導電性多孔質体としては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等が挙げられる。
また、導電性多孔質体は、触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工してもよい。
【００４１】
導電性多孔質体に機能層を設けたガス拡散層シートとしては、例えば、導電性多孔質体の触媒層に面する側に撥水層を設けたものが挙げられる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層を導電性多孔質体上に形成する方法は特に限定されない。例えば、炭素粒子等の導電性粉粒体と撥水性樹脂、及び必要に応じてその他の成分を、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等の有機溶剤、水又はこれらの混合物等の溶剤と混合した撥水層ペーストを、導電性多孔質体の少なくとも触媒層に面する側に塗布し、その後、乾燥及び／又は焼成すればよい。
このとき撥水層ペーストは、導電性多孔質体の内部に含浸してもよい。また、撥水層の形状は特に限定されず、例えば、導電性多孔質体の触媒層側の面全体を覆うような形状でもよいし、格子状等の所定パターンを有する形状でもよい。撥水層ペーストを導電性多孔質体に塗布する方法としては、例えば、スピンコート法、スクリーン印刷法、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。
【００４２】
上記第２拡散層の上に、第２触媒層を形成する。第２拡散層上の第２触媒層は、第１触媒層と同様に形成することができる。第２触媒層に使用する材料や塗布方法は、第１触媒層と同じであってもよいし、異なってもよい。
第２触媒層の膜厚は、通常、第１触媒層と同じ膜厚にする。
また、通常、凹凸の多い拡散層上に形成された第２触媒層は、平滑な転写用基材の上に形成された第１触媒層よりも平滑性が低い表面を有する。（２）式における最大粗さＲａに対して、最大粗さＲｃは１〜２倍である。
【００４３】
続いて、上記第２触媒層の上に第２電解質層を形成する。第２触媒層上の第２電解質層は、第１電解質層と同様に形成することができる。第２電解質層に使用する材料や塗布方法は、第１電解質層と同じであってもよいし、異なってもよい。第１電解質層と第２電解質層は後の工程で通常熱圧着して接合するため、同じ電解質を用いることが好ましい。第２電解質層は第１電解質層とは異なる塗布方法で形成することが好ましい。
上述したように、第２電解質層の膜厚は、上記（２）式を満たす必要がある。第２電解質層は、平滑性の高い基材上に触媒層を介して形成された第１電解質層とは異なり、通常、比較的平滑性の低い拡散層上に触媒層を介して形成されるため、第１電解質層と比べて表面の平滑性は低くなるが、（２）式に示すように、第１電解質層の膜厚と第２電解質層の膜厚の合計が、第１触媒層の最大粗さと第２触媒層の最大粗さの合計と同じ又はより大きい値であることによって、第１電解質層と第２電解質層を接合して高分子電解質膜とした時に、該高分子電解質膜が第１及び第２触媒層の凹凸を吸収して高分子電解質膜に孔は生じず、且つ、薄い膜厚の高分子電解質膜を作製することができる。第２電解質層は、第１電解質層と接着するためののりの効果が得られる程度の厚さであればよく、第１電解質層の厚さの方が、第２電解質層の厚さよりも大きい。
具体的には、第２電解質層の膜厚は、１μｍ〜９μｍ、好ましくは２μｍ〜５μｍである。
このようにして、第２触媒層及び第２電解質層が形成された第２拡散層が得られる。本発明においては、電解質層をシートではなくインクの塗布によって形成するため、シートの自立性を考慮する必要がなく、電解質層の膜厚を薄くすることができ、さらに、第２触媒層と第２電解質層の密着性を良好なものにすることができる。
【００４４】
３）接合工程
接合工程においては、上記転写シートの第１電解質層と、上記第２電解質層とが接触して一体の高分子電解質膜となるように、該転写シートを該第２電解質膜に接合する。
第１電解質層と第２電解質層の接合方法は、第１電解質層と第２電解質層を密着させることができれば特に限定されないが、例えば、転写シートの第１電解質層と、第２拡散層上の第２電解質層とが対面するように重ね合わせて、加熱と同時に加圧すること（熱圧着）によって、第１電解質層を第２電解質層の表面に接合することが好ましい。電解質層の界面同士を熱圧着によって接合することにより、密着性が良好で、第１電解質層と第２電解質層が一体となった高分子電解質膜を得ることができる。熱圧着工程における加熱温度や加圧力は、高分子電解質膜のガラス転移温度や電極用高分子電解質のガラス転移温度に応じて適宜設定すればよい。
このようにして形成される高分子電解質膜の膜厚は、５〜１０μｍ、好ましくは５〜７μｍである。
上述したような第２電解質層に、転写シートで第１触媒層及び第１電解質層を転写することによって、第１電解質層と第２電解質層が一体となった高分子電解質膜が第１及び第２触媒層の凹凸を吸収するため、高分子電解質膜に孔が生じずに平滑性に優れ、且つ、薄い膜厚の高分子電解質膜を作製することができる。
【００４５】
４）除去工程
除去工程においては、上述した離型性のよい転写基材を第１触媒層から除去する。
上述したように、転写用基材の一面側に触媒層及び電解質層をこの順序で塗布により形成した転写用基材を一対用意して、２つの転写基材の電解質層同士を接合させた後、それぞれの転写用基材を剥離して拡散層を設けることは、両方の転写用基材を円滑に剥がすことができないため、困難である。具体的には、例えば、一面側に触媒層及び電解質層をこの順序で塗布により形成した転写シートを一対用意した場合、転写シートは剥離が容易であるが、２つの転写シートを同時に剥離することは、転写シート間に形成されているＭＥＡの膜厚が薄いため形態を維持することができず、困難である。また、段階を踏んで、転写シートを選択的に剥がそうとしても、転写シートは両側とも剥離しやすいため両側が同時に剥がれてしまい、困難である。これに対して、本発明においては、一方の触媒層及び電解質層の形成にのみ転写用基材を用いるため、上記転写用基材の剥離の問題は生じない。
本発明における転写基材を除去する方法としては、真空吸引機を用いたＴ字剥離などが挙げられる。
【００４６】
更に、上記転写用基材が除去された第１触媒層の面に、第１拡散層を形成する。第１拡散層は、第２拡散層と同様に形成することができる。
第１拡散層を第１触媒層に接合する方法としては、特に限定されないが、所定の加熱温度及び加圧力による熱圧着などが挙げられる。熱圧着によって接合した場合には密着性に優れるため好ましい。
このようにして作製された図１に示す高分子電解質膜に一対の電極を設けた膜電極接合体は、高分子電解質膜を薄くすることができるため、ガス透過性が良好であり、該膜電極接合体の高分子電解質膜と同じ材料の高分子電解質膜のガス透過係数Ｐｒに対して、膜電極接合体のガス透過係数Ｐｍｅａは下記（３）式を満たす。
【００４７】
【数８】
2009080974.tif 000010
【００４８】
尚、ガス透過係数は、均質膜におけるガスの透過速度が、圧力差に比例し膜の厚みに反比例する式において、以下のように定義される。
【００４９】
【数９】
2009080974.tif 000011
【００５０】
以下、本発明の製造方法により提供される燃料電池用膜電極接合体を含む単セルの構成例について図を参照しながら説明する。
図２は、単セルの一実施形態（単セル２１）を模式的に示す横断面図である。単セル２１は、固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ということがある）２の一面側に、カソード５ａおよび他面側にアノード５ｂが設けられた膜電極接合体１を有している。カソード５ａは、電解質膜２に近い側からカソード側触媒層３ａ、カソード側ガス拡散層４ａがこの順序で積層して構成される。一方、アノード５ｂは、電解質膜２に近い側からアノード側触媒層３ｂ、アノード側ガス拡散層４ｂがこの順序で積層して構成される。尚、本実施形態において、各電極（燃料極、酸化剤極）は、共に、触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有しているが、触媒層のみからなる単層構造であってもよいし、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構造でもよい。
【００５１】
上記膜電極接合体１は、２つのセパレータ２２ａ、２２ｂで挟持され、単セル２１が構成される。各セパレータ２２ａ、２２ｂの片面には、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝とカソード５ａ、アノード５ｂの外面とで酸化剤ガス流路２３、燃料ガス流路２４が画成されている。酸化剤ガス流路２３は、カソード５ａに酸化剤ガス（酸素を含む又は酸素を発生させる気体）を供給するための流路であり、燃料ガス流路２４は、アノード５ｂに燃料ガス（水素を含む又は水素を発生させる気体）を供給するための流路である。
【００５２】
各セパレータには、反応ガス流路用の溝が形成された面とは反対側の面に、冷却水流路を形成する溝（図示せず）が設けられていてもよい。セパレータとしては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。
【００５３】
以上に説明した本発明に係る製造方法によれば、転写用基材の一面側に第１触媒層及び第１電解質層をこの順序で塗布により形成して転写シートを作成することによって、平滑な基板に第１触媒層を形成するため、従来と比べて平坦な触媒層が得られ、そのような触媒層の上に第１電解質層を形成するため、薄くても第１触媒層の凹凸を被覆できるほど厚さは充分な第１電解質層を形成することができる。一方、第２拡散層の一面側には、第２触媒層、及び、第１電解質層と接合された時に第１触媒層及び第２触媒層の最大粗さを満たす電解質層を形成できるような膜厚を有する補助的な第２電解質層をこの順序で塗布により形成し被膜化し、該第２電解質層に、上記転写シートで該第１触媒層及び該第１電解質層を転写することによって、第１電解質層と第２電解質層が一体となった高分子電解質膜が形成される。このような高分子電解質膜は第１及び第２触媒層の凹凸を吸収し、高分子電解質膜に孔は生じず、且つ、薄い膜厚の高分子電解質膜を作製することができる。
したがって、反応ガスのクロスリークを防止することができ、高分子電解質膜に隣接して形成された第１触媒層と第２触媒層とが短絡することを防止できる。また、該高分子電解質膜を含む薄い膜厚のＭＥＡを作製することができ、該ＭＥＡを用いて、電池性能の向上及び燃料電池の小型化を促進することができる。
【実施例】
【００５４】
（実施例１）
電極用高分子電解質：溶媒＝１：２０（重量比）の配合割合で、電極用高分子電解質としてＮａｆｉｏｎ１０％を溶媒であるエタノールに混合し、触媒として２％のＰｔ／Ｃ（炭素材料に対して白金を５０％担持）を添加して触媒インクを調製した。
上記触媒インクを、転写用基材である最大粗さ０．５以下μｍのＰＴＦＥシート上にスピンコート法によって塗布、乾燥し、厚さ１０μｍ、最大粗さ３μｍの第１触媒層を形成した。ここで、最大粗さは、レーザー顕微鏡を用いて、サンプルにおける任意の２５０μｍ四方の面粗さを測定し、最大高さ及び最大低さの差から最大粗さを決定した。
また、電解質膜用高分子電解質としてＮａｆｉｏｎ（商品名、Ｄｕｐｏｎｔ社製）１０％を電解質膜用溶媒である９５％のＮＭＰに混合して電解質膜用インクを調製した。
上記電解質膜用インクを、上記第１触媒層上にスピンコート法によって塗布、乾燥し、厚さ４μｍの第１電解質層を形成した。
別途、上記の調製した触媒インクを、第２拡散層である撥水性樹脂を含む導電性多孔基体上にドクターブレード法によって塗布、乾燥し、厚さ１０μｍ、最大粗さ６μｍの第２触媒層を形成した。
上記第２触媒層上に、上記の調製した電解質膜用インクをスプレー法によって塗布、乾燥し、厚さ２μｍの第１電解質層を形成した。
第２電解質層に第１電解質層を貼り合わせるようにして熱圧着を行った後に転写用基材を剥離し、第１触媒層及び第１電解質層を第２電解質層上に転写した。更に、転写用基材が剥離された第１触媒層側に第１拡散層として撥水性樹脂を含む導電性多孔基体を熱圧着し、実施例１の膜電極接合体（膜電極ガス拡散層接合体）（ＭＥＧＡ１）を作製した。
作製したＭＥＧＡ１について、ＪＩＳ  Ｋ７１２６に従って、雰囲気８０℃、８０％ＲＨの条件下で、ガス透過装置を用いて、ガスの透過係数を測定し、シート状のＮａｆｉｏｎ  １１７（商品名、Ｄｕｐｏｎｔ社製）のガス透過係数に対する比率を算出した。結果を表１に示す。
また、作製したＭＥＧＡ１を、炭素繊維と熱硬化性樹脂の複合材料からなり、ガス流路となる溝が形成された２枚のセパレータで挟持して単セルを作製し、以下、０．２Ｖの一定電圧における出力電流密度（Ａ／ｃｍ２）を測定して発電性能を評価した。結果を表２に示す。
＜条件＞
・セル温度：８０℃
・バブラ温度  ＡＮ／ＣＡ：８０℃／８０℃
・ストイキ比  水素／空気：５／５（電流密度：１．０Ａ／ｃｍ２）
【００５５】
（比較例１）
シート状の拡散層上に、正極層用の溶液エタノールを塗布して正極層を形成した。該正極層が未乾燥のうちに、該正極層上にカーボン及びＮａｆｉｏｎ（商品名、Ｄｕｐｏｎｔ社製）の混合溶液を塗布して混合層を形成した。該混合層が未乾燥のうちに、混合層上にイオン交換膜用の溶液（商品名：Ｎａｆｉｏｎ、Ｄｕｐｏｎｔ社製；溶媒：エタノール）を塗布してイオン交換膜を形成した。該イオン交換膜が未乾燥のうちに負極層用の溶液（エタノール）を塗布して負極層を形成した。
これら正・負極層、混合層及びイオン交換膜のそれぞれの溶液を同時に乾燥させ、正・負極層、混合層及びイオン交換膜を固化し、比較例１の膜電極接合体（ＭＥＧＡ２）を作製した。電解質膜の厚さは、平均して約８μｍであった。
作製したＭＥＧＡ２について、実施例１と同様にガスの透過係数を測定し、シート状のＮａｆｉｏｎ  １１７（商品名、Ｄｕｐｏｎｔ社製）のガス透過係数に対する比率を算出した。結果を表１に示す。
また、実施例１と同様に作製したＭＥＧＡ２の発電性能を評価した。結果を表２に示す。  
【００５６】
【表１】
2009080974.tif 000012
【００５７】
【表２】
2009080974.tif 000013
【００５８】
（評価結果）
表１に示すように、実施例１のＭＥＧＡ１よりも比較例１のＭＥＧＡ２の方が、膜厚が大きいが、Ｎａｆｉｏｎ  １１７を基準としたガス透過係数比は高かった。但し、実施例１のＭＥＧＡ１はシート状のＮａｆｉｏｎ  １１７（商品名、Ｄｕｐｏｎｔ社製）のガス透過係数に対する比率が１００を超えていないが、比較例１のＭＥＧＡ２は、シート状のＮａｆｉｏｎ  １１７（商品名、Ｄｕｐｏｎｔ社製）のガス透過係数に対する比率が１００倍を超えている。
一方、表２に示すように、比較例１のＭＥＧＡ２よりも実施例１のＭＥＧＡ１の方が電流密度が高く発電性能に優れていることが分かる。
このような結果から、比較例１のＭＥＧＡ２においてはガスリークが起きてしまったが、実施例１のＭＥＧＡ１においては、薄膜であってもガスリークが起こらなかったものと考えられる。
したがって、本発明によれば、厚さが薄くても触媒層の凹凸を充分に被覆できる平滑な電解質膜を作製し、反応ガスのクロスリークの防止が可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る製造方法により提供される膜電極接合体の模式的断面図である。
【図２】本発明に係る製造方法により提供される膜電極接合体を備えた単セルの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図３】従来の製造方法により得られる膜電極接合体の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１…膜電極接合体
２…電解質膜
２ａ…第１電解質層
２ｂ…第２電解質層
３ａ…カソード側触媒層
３ｂ…アノード側触媒層
４ａ…カソード側ガス拡散層
４ｂ…アノード側ガス拡散層
５ａ…カソード
５ｂ…アノード
２１…単セル
２２ａ、２２ｂ…セパレータ
２３…酸化剤ガス流路
２４…燃料ガス流路
１０１…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１０２ａ、１０２ｂ…拡散層
１０３ａ、１０３ｂ…触媒層
１０４…電解質膜
【図１】
2009080974.tif 000017
【図２】
2009080974.tif 000018
【図３】
2009080974.tif 000019