JP2002289207A

JP2002289207A - 燃料電池用触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜の製造方法

Info

Publication number: JP2002289207A
Application number: JP2001088676A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Matsuoka; 広彰松岡; Susumu Kobayashi; 晋小林; Yoshihiro Hori; 堀　　喜博; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Masato Hosaka; 正人保坂
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】加工工程や取扱い中における水素イオン伝導
性高分子膜の皺や弛み、ピンホール、マイクロクラック
などの損傷、および触媒層のクラックや摩耗、汚染など
が発生しない燃料電池用触媒層付き水素イオン伝導性高
分子膜の製造方法を提供する。【課題手段】第１の形状保持フィルム上に水素イオン
伝導性高分子膜を積層する工程、前記水素イオン伝導性
高分子膜上に第１の触媒層を形成する工程、前記第１の
触媒層を形成した水素イオン伝導性高分子膜上に第２の
形状保持フィルムを積層する工程、前記第１の形状保持
フィルムを前記水素イオン伝導性高分子膜から剥離する
工程、および前記剥離により露出した水素イオン伝導性
高分子膜上に第２の触媒層を形成する工程を有する製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に用いる
触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池に使用される水素イオン伝導性
高分子膜は、非常に膜厚が薄いために、単体の水素イオ
ン伝導性高分子膜上に触媒層を形成することは極めて困
難である。通常、触媒層は水素イオン伝導性高分子膜の
中央部分に触媒と水または有機溶剤などの溶剤を含有す
る触媒ペーストを塗布し乾燥することにより形成され
る。この場合、水素イオン伝導性高分子膜は、溶剤の付
着と揮発により膨潤と収縮を生じる性質があるために、
寸法および形状の変化を引き起こす問題がある。すなわ
ち、水素イオン伝導性高分子膜に溶剤が付着した直後は
若干膨潤し、その溶剤が揮発すると著しく収縮する。そ
の結果、触媒層が形成された時には、水素イオン伝導性
高分子膜に５〜１０％程度の大きな収縮が起こる。

【０００３】この現象により、触媒層が形成された水素
イオン伝導性高分子膜の中央部分は著しく収縮し、触媒
層が形成されていない周縁部分は全く収縮しないため、
結果的に水素イオン伝導性高分子膜の周縁部分には大き
な皺あるいは弛みが発生することになる。この皺あるい
は弛みは、燃料電池製造のための後の工程、すなわち触
媒層付き水素イオン伝導性高分子膜、カーボンペーパー
およびガスケットを加熱状態で加圧により結合して電解
質膜電極接合体を作製する工程において、ガスケットの
シールが不完全になったり、皺が折れ曲がって重なり、
水素イオン伝導性高分子膜自体にマイクロクラックが発
生したりする。そのような電解質膜電極接合体を用いる
と、供給ガスのリークが発生して、電池特性の劣化を招
くなどの問題がある。

【０００４】この水素イオン伝導性高分子膜は、通常２
０〜５０μｍ程度の薄い膜であり、しかも膜自体の機械
的強度も不十分なため、単体で機械的加工を行うことは
困難である。水素イオン伝導性高分子膜は、機械的加工
時の引張り荷重により伸びたり、不用意な折り曲げによ
りマイクロクラックあるいはピンホールが発生したり、
さらにはせん断応力により簡単に切断されるなどの問題
がある。これらの問題を回避するためには、取り扱いに
厳重な注意をはらうことが必要とされ、作業効率の大幅
な低下を余儀なくされる。従って、事実上は工程中での
水素イオン伝導性高分子膜の何らかの損傷なしに、触媒
層付き水素イオン伝導性高分子膜を作製することは至難
である。

【０００５】特開平１０−６４５７４号公報には、予め
別のフィルム上に形成した２つの触媒層を、水素イオン
伝導性高分子膜の両面に重ね合わせてローラーで加熱し
ながら加圧して両面に触媒層を転写する方法が開示され
ている。この方法によれば、前記の溶剤による水素イオ
ン伝導性高分子膜の膨潤および収縮を防ぐことができ、
優れた量産性も得られる。しかし、水素イオン伝導性高
分子膜を単体で取り扱いながらロールで搬送する点に大
きな問題がある。すなわち使用する水素イオン伝導性高
分子膜の機械的強度が不十分なために、ロール搬送のと
きにかかるテンションにより水素イオン伝導性高分子膜
にマイクロクラックが発生したり、場合によっては破断
することもある。これを防止するために、水素イオン伝
導性高分子膜自体に搬送用のガイド穴を設けるなどの機
械加工を施しても、膜が薄いためにこの穴が歪んだり、
あるいは破れてしまってガイド穴の役目を十分に果たす
ことができない。

【０００６】さらにこの方法では、加熱されたローラー
で水素イオン伝導性高分子膜を挟んで触媒層を転写する
ので、局部的な熱ストレスにより皺や弛みなどが発生
し、さらにはテンションと熱の影響により、水素イオン
伝導性高分子膜が伸びて位置ずれを起こし易い。また、
両面に触媒層を転写した後の水素イオン伝導性高分子膜
をロール状に巻き取る際に、触媒層にクラックや磨耗が
発生したり、アノード用とカソード用の異なる仕様の触
媒層同士が接触して双方の触媒層が汚染する問題が発生
する。これらの問題により、従来の製造方法による触媒
層付き水素イオン伝導性高分子膜を用いた燃料電池で
は、満足すべき電池特性を得ることはできなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決し、加工工程や取扱い中における水素イオン伝導
性高分子膜の皺や弛みなどの損傷、および触媒層のクラ
ックや摩耗などが発生しない燃料電池用触媒層付き水素
イオン伝導性高分子膜の製造方法を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池用触媒
層付き水素イオン伝導性高分子膜の製造方法は、第１の
形状保持フィルムの一方の面に水素イオン伝導性高分子
膜を積層する工程（１）、前記第１の形状保持フィルム
に積層された水素イオン伝導性高分子膜上に第１の触媒
層を形成する工程（２）、前記第１の触媒層を形成した
水素イオン伝導性高分子膜の第１の触媒層側の面に第２
の形状保持フィルムを結合する工程（３）、前記第２の
形状保持フィルムと結合した水素イオン伝導性高分子膜
から前記第１の形状保持フィルムを剥離する工程
（４）、および前記第１の形状保持フィルムを剥離して
露出させた水素イオン伝導性高分子膜上に第２の触媒層
を形成する工程（５）を有することを特徴とするもので
ある。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の燃料電池用触媒層付き水
素イオン伝導性高分子膜の製造方法において、第１の形
状保持フィルムの一方の面に水素イオン伝導性高分子膜
を積層する工程（１）は、第１の形状保持フィルムと水
素イオン伝導性高分子膜を重ね合わせ、これを熱板ある
いは加熱されたローラーで加圧して結合する工法をとる
ことができる。例えば、第１の形状保持フィルムと、予
めキャスト法などで水素イオン伝導性高分子膜が形成さ
れた支持フィルムの水素イオン伝導性高分子膜側の面と
を加熱状態で加圧して結合させた後、支持フィルムを剥
離するいわゆる転写法を採ることが好ましい。

【００１０】本発明において使用する水素イオン伝導性
高分子膜は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸
などの水素イオン伝導性高分子電解質からなる膜であ
る。燃料電池用水素イオン伝導性高分子膜としては、膜
厚２０〜５０μｍ前後と非常に薄い膜が支持フィルムに
接合されたものが、すでに市販され、使用されている。
今後さらに水素イオン伝導性高分子膜のイオン伝導性を
高めて電池特性を向上させるために、水素イオン伝導性
高分子膜は一層薄膜化する傾向がある。

【００１１】また前記工程（１）は、水素イオン伝導性
高分子電解質を含む液を第１の形状保持フィルム上に塗
布した後、乾燥して水素イオン伝導性高分子膜を形成す
るいわゆるキャスト法を採っても良い。水素イオン伝導
性高分子電解質を含む液は、水素イオン伝導性高分子膜
と同じ成分の高分子電解質を所定の溶剤に分散あるいは
溶解させたものであり、塗膜中の溶剤を揮発させて除去
することにより水素イオン伝導性高分子膜を得ることが
できる。

【００１２】本発明の燃料電池用触媒層付き水素イオン
伝導性高分子膜の製造方法において、水素イオン伝導性
高分子膜上に第１あるいは第２の触媒層を形成する工程
（２）および（５）は、触媒ペーストを水素イオン伝導
性高分子膜上に印刷あるいは塗布した後、乾燥して触媒
層を形成する工程であることが好ましい。触媒ペースト
は、触媒の他に水素イオン伝導性高分子膜と同じ成分の
水素イオン伝導性高分子電解質を溶剤に分散あるいは溶
解させ、必要に応じて界面活性剤などの添加剤の少量を
混合して調製することができる。

【００１３】触媒層に含まれる触媒は電極反応を円滑に
行わせるためのもので、貴金属触媒をカーボン微粒子の
表面に担持したものである。通常、アノード側の触媒に
はＰｔ−Ｒｕ合金が表面に担持されたカーボン微粒子が
用いられる。Ｐｔ−Ｒｕ合金を用いることにより、燃料
ガスに含まれる微量の一酸化炭素ガスによる触媒被毒を
防止することができる。カソード側の触媒にはＰｔが表
面に担持されたカーボン微粒子が用いられる。

【００１４】触媒層に含まれる水素イオン伝導性高分子
電解質は、触媒微粒子間および水素イオン伝導性高分子
膜と触媒微粒子の間に介在させて、電極反応をより円滑
に行わせるために添加するものである。所定の溶剤に水
素イオン伝導性高分子電解質を予め分散あるいは溶解さ
せた液体がすでに市販されている。触媒ペーストの溶剤
には、通常の塗布用あるいは印刷用のペーストに用いら
れる比較的低沸点あるいは低分子量の溶剤、例えば、水
（望ましくはイオン交換水あるいは純水）、エタノー
ル、ｎ−プロパノール、イソプロピルアルコール、ｎ−
ブタノール、２−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノールな
どの第１級〜第３級アルコール、それらの誘導体、およ
びエーテル系、エステル系、フッ素系などの有機溶剤よ
りなる群から選ばれた少なくとも一種を使用することが
できる。

【００１５】上記の溶剤は、水素イオン伝導性高分子電
解質の析出や分散状態の低下がないように十分な溶解度
が必要である。また、短時間で効率よく触媒層を形成さ
せるためには適切な沸点および蒸気圧を有する溶剤を選
定する必要がある。溶剤の沸点が低くかつ蒸気圧が高い
場合には、速く乾燥し過ぎて触媒ペーストの連続的な印
刷や塗布が困難となり、沸点が高くかつ蒸気圧が低い場
合には、塗膜の乾燥に長時間を要する。

【００１６】水素イオン伝導性高分子膜上に触媒ペース
トの塗膜を形成する方法としては、スクリーン印刷、グ
ラビア印刷、凸版印刷、平版印刷などの印刷法、あるい
はドクターブレード塗工、ロールコーター塗工、キャス
トコータ、スプレー塗工、カーテンコータ、静電塗工な
どの塗布法を採ることができる。これらの印刷法および
塗布法は、形状保持フィルムに結合された一枚一枚の水
素イオン伝導性高分子膜に個別の触媒層を形成する場
合、および形状保持フィルムに結合された水素イオン伝
導性高分子膜をロール方式で供給しながら、触媒層を水
素イオン伝導性高分子膜上に連続的に形成して巻き取る
場合の双方に適用することができる。

【００１７】触媒層中に含まれるカーボン微粒子に付着
した貴金属（ＰｔあるいはＰｔ−Ｒｕ合金）の量は、通
常０．２〜０．４ｍｇ／ｃｍ²程度に管理する必要があ
る。上記の印刷法あるいは塗布法を用いれば、この付着
量の管理を容易に行うことができる。例えばスクリーン
印刷では印刷版のメッシュ、乳剤の厚み、印刷用のスキ
ージ、印刷時の加圧力などの最適化により管理すること
ができる。前記触媒ペースト中の触媒の粒子径、触媒の
添加量、溶剤組成などの最適化、および触媒ペーストの
粘度の調整などを行うことにより、さらに高精度な触媒
付着量の制御と管理ができる。

【００１８】本発明の燃料電池用触媒層付き水素イオン
伝導性高分子膜の製造方法における形状保持フィルムと
しては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプ
ロピレン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、フッ素樹
脂など、ラミネート加工時に熱変形しない耐熱性を有す
るフィルムであれば特に限定することなく用いることが
できる。これらの形状保持フィルムの中でも、熱可塑性
樹脂からなる膜厚５０〜５００μｍのフィルム、とりわ
け膜厚１００〜３００μｍのフィルムを用いることが好
ましい。

【００１９】形状保持フィルムの膜厚が５０μｍより薄
いと機械的強度が不十分なため工程中で水素イオン伝導
性高分子膜を保持する能力が不足し、膜厚が５００μｍ
より厚いとロール巻き取りが困難になり量産性が低下す
る。形状保持フィルムには、必要に応じて印刷あるいは
塗布部位の位置精度を高めるための位置決め用あるいは
ロール搬送用のガイド穴を設けても良い。さらに形状保
持フィルムとして、熱的、化学的な安定性が比較的優れ
たものを使用すれば、加工工程中に損傷を受けることが
ないので再利用することができる。

【００２０】以上の本発明の製造方法における各工程を
図１〜６によって説明する。まず、第１の形状保持フィ
ルム２の一方の面に水素イオン伝導性高分子膜１を積層
する工程（１）により、図１に示す中間体３を形成す
る。中間体３を形成する方法として、第１の形状保持フ
ィルムと、予め形成された水素イオン伝導性高分子膜を
重ね合わせ、これを熱板あるいは加熱されたローラーで
加圧して結合する工法、あるいは水素イオン伝導性高分
子電解質と溶剤を含む液を第１の形状保持フィルムの片
面に塗布し乾燥して水素イオン伝導性高分子膜を形成す
る工法を採ることができる。次に前記中間体３の水素イ
オン伝導性高分子膜１上に、第１の触媒層用の触媒ペー
ストを塗布し乾燥して第１の触媒層４ａを形成する工程
（２）により、図２に示す中間体５を形成する。

【００２１】次いで、中間体５の水素イオン伝導性高分
子膜１の第１の触媒層４ａ側の面と第２の形状保持フィ
ルム６を重ね合わせ、これを熱板あるいは加熱されたロ
ーラーで加熱するいわゆるホットプレス工法により、中
間体５と第２の形状保持フィルム６を結合する。この工
程（３）により図３に示す中間体７が形成される。次に
中間体７の水素イオン伝導性高分子膜１から第１の形状
保持フィルム２を剥離する工程（４）により水素イオン
伝導性高分子膜１を露出させる。露出させた水素イオン
伝導性高分子膜１上に第２の触媒層用の触媒ペーストを
塗布し、乾燥して第２の触媒層４ｂを形成する。この工
程（５）により、図４に示すような、第２の形状保持フ
ィルム６と結合された触媒層付き水素イオン伝導性高分
子膜８が構成される。

【００２２】以上の本発明により、形状保持フィルムで
保持された水素イオン伝導性高分子膜上に触媒層を形成
することで、触媒ペーストに含まれる溶剤が触媒層形成
時に水素イオン伝導性高分子膜に付着しても、水素イオ
ン伝導性高分子膜が形状保持フィルムで固定されている
ために膨潤および収縮がほとんど発生することはなく、
水素イオン伝導性高分子膜の中央部の収縮、周縁部の
皺、弛みピンホールおよびマイクロクラックなどの損傷
を効果的に防止できる。

【００２３】さらに、前記の各工程（１）〜（５）で
は、常に第１および第２の触媒層および水素イオン伝導
性高分子膜は直接的あるいは間接的に第１あるいは第２
の形状保持フィルムで保持されている。これによって、
各工程での引っ張り荷重などによる各触媒層および水素
イオン伝導性高分子膜の伸び、ピンホール、クラックな
どの損傷を防止できる。さらに、工程間の搬送あるいは
保管のために各中間体あるいは触媒層付き水素イオン伝
導性高分子膜などの仕掛品をロール状に巻き取る場合に
は、水素イオン伝導性高分子膜相互間および触媒層相互
間には第１あるいは第２の形状保持フィルムが必ず介在
した状態で巻き取ることができる。これにより、工程間
の搬送および保管中に発生する触媒層と水素イオン伝導
性高分子膜のクラック、剥離、磨耗などの損傷防止、お
よびアノード側とカソード側の触媒層の接触による双方
の触媒層の汚染なども効果的に防止できる。

【００２４】上記の第２の形状保持フィルム６と結合し
た触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜８は、後の工程
で電解質層電極接合体を作製する場合に、第２の触媒層
側にカーボンペーパー製の拡散層とガスケットを加熱状
態で加圧するなどにより接合する際などに、第２の形状
保持フィルムが触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜を
保持して変形や破損を防ぐ役割を果たすことができる。
このような特徴を有するので、触媒層付き水素イオン伝
導性高分子膜８は、本発明により作製される触媒層付き
水素イオン伝導性高分子膜としての好ましい形態の一つ
である。

【００２５】また、本発明における工程（１）〜（５）
を終えた後、上記の第２の形状保持フィルム６と結合し
た触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜８から第２の形
状保持フィルム６を剥離する工程（６）をさらに設ける
ことにより、図５に示す触媒層付き水素イオン伝導性高
分子膜９を作製することができる。この触媒層付き水素
イオン伝導性高分子膜９を後の電解質層電極接合体を作
製する工程に用いた場合には、第１および第２の触媒層
４ａおよび４ｂのそれぞれの側にそれぞれの拡散層をホ
ットプレスにより同時に結合させることができる。この
ように、触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜９は、ア
ノードとカソードを単一操作で同時に形成するために好
都合なので、本発明により作製される触媒層付き水素イ
オン伝導性高分子膜としての好ましい形態の一つであ
る。

【００２６】また、上記の第２の形状保持フィルム６と
結合した触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜８の第１
の触媒層４ａ側の面に第３の形状保持フィルム１０を結
合させる工程（７）により、図６に示すような、第２の
形状保持フィルム６および第３の形状保持フィルム１０
と結合した触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜１１が
得られる。前記工程（７）では、触媒層付き水素イオン
伝導性高分子膜８の第１の触媒層４ａ側の面に第３の形
状保持フィルム１０を重ね合わせ、これを熱板あるいは
加熱されたローラーで加圧するいわゆるホットプレス法
を採ることが好ましい。第３の形状保持フィルム１０
は、第２の形状保持フィルム６と目視あるいは触覚で識
別できる程度に異なった仕様のものであることが好まし
い。

【００２７】このように第１の触媒層４ａ側に第２の形
状保持フィルム６、第２の触媒層４ｂ側に第３の形状保
持フィルム１０をそれぞれ結合させた触媒層付き水素イ
オン伝導性高分子膜１１では、水素イオン伝導性高分子
膜１や触媒層４ａおよび４ｂが形状保持フィルム６およ
び１０で表面が保護されている。従って、この触媒層付
き水素イオン伝導性高分子膜１１は、触媒層付き水素イ
オン伝導性高分子膜の保管中や取扱中の変質、破損、汚
染などの様々な損傷の発生を防止できる。特にこの触媒
層付き水素イオン伝導性高分子膜１１は、長期間保管、
他の場所への輸送、あるいは梱包などの場合の損傷防止
には極めて有効なので、本発明により作製される触媒層
付き水素イオン伝導性高分子膜としての好ましい形態の
一つである。

【００２８】触媒層４ａおよび４ｂは、貴金属触媒の種
類などの仕様が異なるに拘わらず、外観上は同じ黒色で
殆ど同質なので目視や触覚では識別できない場合が多
い。そのため燃料電池を作製する過程でアノード側触媒
層とカソード側触媒層とを取り違えて扱われる懸念があ
る。この懸念を解消するために、形状保持フィルム６と
形状保持フィルム１０とが目視や触覚で識別できる程度
に異なったものであることは極めて効果的である。その
ためには、例えば、色彩、膜厚、表面の凹凸状態などが
相違した形状保持フィルムや、識別符号を付与した形状
保持フィルムを用いればよい。この場合、先の工程
（４）で剥離した第１の形状保持フィルム２を工程
（７）での第３の形状保持フィルム１０として、再利用
することもできる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の燃料電池用触媒層付き水素イ
オン伝導性高分子膜の製造方法を実施例により具体的に
説明する。

【００３０】《実施例１》図１〜５に示した手順で燃料
電池用触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜を作製し
た。まず、次式においてｘ＝５〜１３．５、ｙ≒１００
０、ｍ＝１、ｎ＝２であるパーフルオロカーボンスルホ
ン酸からなる膜厚３０μｍの水素イオン伝導性高分子膜
１を、膜厚１９０μｍのポリエチレンテレフタレートフ
ィルムからなる第１の形状保持フィルム２上に積層して
図１の中間体３を作製した。

【００３１】

【化１】

【００３２】上記水素イオン伝導性高分子膜１は、予め
キャスト法により支持フィルム上に形成された水素イオ
ン伝導性高分子膜１と、第１の形状保持フィルム２を重
ね合わせ、これをシリコンゴムでコートされた２本の加
熱ローラーの間で加圧した後、支持フィルムを剥離する
いわゆる転写法により、第１の形状保持フィルム２上に
積層した。ローラーの表面温度１１０℃、搬送速度約１
０ｍｍ／ｓ、加圧力約１ＭＰａとした。

【００３３】中間体３には、そりあるいは変形はほとん
どなく、水素イオン伝導性高分子膜１自体にもマイクロ
クラックあるいはピンホールなどの損傷も観測されなか
った。また水素イオン伝導性高分子膜１と第１の形状保
持フィルム２は、曲率半径（Ｒ）５０ｍｍ程度の折り曲
げに対しても剥がれることはなく、適度に密着してい
た。

【００３４】次にアノード用の触媒ペーストを水素イオ
ン伝導性高分子膜１上にスクリーン印刷し、室温で放置
して溶剤を揮発させることで第１の触媒層４ａ（アノー
ド側触媒層）を形成し、図２に示す中間体５を作製し
た。触媒層４ａ中のカーボン微粒子に付着したＰｔ−Ｒ
ｕ合金の量は０．３ｍｇ／ｃｍ²で、膜厚は約１０μｍ
であった。アノード用の触媒ペーストは、平均粒径２〜
３ｎｍのＰｔ−Ｒｕ合金を５０重量％担持させた平均粒
径５０〜６０ｎｍのカーボンブラック５ｇを触媒として
用い、これにイオン交換水１５ｇを添加して混合した
後、さらにパーフルオロカーボンスルホン酸を９１重量
％含むエタノール溶液３０ｇと溶剤としてイソプロピル
アルコール１０ｇを添加して超音波振動を加えながら混
合して調製した。スクリーン印刷にはステンレス鋼製の
２００メッシュの版とウレタンスキージを使用した。

【００３５】次いで、中間体５と第２の形状保持フィル
ム６を重ね合わせ、これをシリコンゴムでコートされた
二本の加熱ローラー間に挿入して加圧し、図３に示す中
間体７を形成した。第２の形状保持フィルム６は、片面
に粗面化処理を施した膜厚１９０μｍのポリエチレンテ
レフタレートフィルムを使用し、粗面化処理されていな
い面を水素イオン伝導性高分子膜１および触媒層４ａと
結合させた。ローラーの表面温度１１０℃、中間体５と
第２の形状保持フィルム６の搬送速度約１０ｍｍ／ｓ、
加圧力約１ＭＰａとした。

【００３６】中間体７には、そりあるいは変形はほとん
どなく、水素イオン伝導性高分子膜１自体にもマイクロ
クラックあるいはピンホールなどの損傷も観測されなか
った。また水素イオン伝導性高分子膜１と第１および第
２の形状保持フィルム２および６は、Ｒ５０ｍｍ程度の
折り曲げに対しても剥がれることなく、適度に密着して
いた。

【００３７】次いで中間体７から第１の形状保持フィル
ム２を剥離した後に、剥離により露出した水素イオン伝
導性高分子膜１にカソード用の触媒ペーストをスクリー
ン印刷し、室温で放置して溶剤を揮発させた。これによ
り、第２の触媒層４ｂ（カソード側触媒層）を形成し、
図４に示す第２の形状保持フィルム６と結合した触媒層
付き水素イオン伝導性高分子膜８を構成した。スクリー
ン印刷はステンレス鋼製の２００メッシュの版とウレタ
ンスキージを使用して行った。第２の触媒層４ｂ中のカ
ーボン微粒子に付着したＰｔの量は０．３ｍｇ／ｃｍ²
で、膜厚は約１０μｍであった。

【００３８】カソード用の触媒ペーストは、触媒として
平均粒径３ｎｍのＰｔを５０重量％担持した平均粒径５
０〜６０ｎｍのカーボンブラック５ｇを用い、これにイ
オン交換水１５ｇを添加混合した後、パーフルオロカー
ボンスルホン酸を９１重量％含むエタノール溶液３０ｇ
と有機溶剤としてイソプロピルアルコール１０ｇを添加
して超音波振動を加えながら混合して調製した。

【００３９】次いで第２の形状保持フィルム６と結合し
た触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜８から第２の形
状保持フィルム６を剥離して、触媒層付き水素イオン伝
導性高分子膜９を作製した。次に、この触媒層付き水素
イオン伝導性高分子膜９を使用し燃料電池を作製した。
図７はその縦断面図である。触媒層付き水素イオン伝導
性高分子膜９の水素イオン伝導性高分子膜１の両側に形
成した触媒層４ａおよび４ｂの外側に、それぞれガス透
過のための気孔を有するカーボンペーパーからなるアノ
ード用拡散層１３ａおよびカソード用拡散層１３ｂを接
合して、アノード１４ａおよびカソード１４ｂを形成し
た。さらに水素イオン伝導性高分子膜１の周縁部の両側
にガスケット２３を接着して電解質膜電極接合体を形成
した。拡散層１３ａおよび１３ｂのそれぞれの外側に
は、ガス流路１６ａを有するアノード側の導電性セパレ
ータ板１７ａおよびガス流路１６ｂを有するカソード側
の導電性セパレータ板１７を配置した。導電性セパレー
タ板１７ａおよび１７ｂのそれぞれの外側には、冷却水
の流路１８を有する冷却板１９を配置した。

【００４０】このようにして作製した燃料電池の電池温
度を７５℃に保持し、アノード側に７５℃の露点となる
ように加湿・加温した水素ガスを、またカソード側に６
５℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ
供給した。この電池について水素ガス利用率７０％、空
気利用率４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ₂の条件で放
電を行った。その結果、０．６８Ｖという良好な出力電
圧が得られた。

【００４１】《実施例２》パーフルオロカーボンスルホ
ン酸を９１重量％含むエタノール溶液を第１の形状保持
フィルム２の上に塗布し乾燥するキャスト法により、膜
厚５０μｍのポリプロピレンフィルムからなる第１の形
状保持フィルム２の上に膜厚３０μｍの水素イオン伝導
性高分子膜１を形成し、図１に示す中間体３を作製し
た。キャスト工法は第１の形状保持フィルムの搬送速度
０．７ｍ／ｍｉｎ、刃高さ０．１６ｍｍで３回の重ね塗
りの後、室温放置で乾燥する方法で行った。

【００４２】中間体３はそりあるいは変形はほとんどな
く、水素イオン伝導性高分子膜１自体にもマイクロクラ
ックあるいはピンホールなどの損傷もなかった。また水
素イオン伝導性高分子膜１と第１の形状保持フィルム２
とは、Ｒ５０ｍｍ程度の折り曲げに対しても剥がれるこ
とはなく適度に密着していた。

【００４３】次に中間体３の水素イオン伝導性高分子膜
１上に、アノード用の触媒ペーストを実施例１と同様の
方法でスクリーン印刷し乾燥することによりアノード側
の触媒層４ａを形成し、図２に示す中間体５を作製し
た。形成した触媒層４ａ中のカーボン微粒子に付着して
いるＰｔ−Ｒｕ合金の量は０．３ｍｇ／ｃｍ²で、膜厚
は約１０μｍであった。アノード用の触媒ペーストは、
イソプロピルアルコールの代わりにｎ−プロパノールを
溶剤として用いた以外は実施例１と同様にして調製し
た。

【００４４】次いで、第２の形状保持フィルム６に膜厚
１００μｍのポリイミドフィルムを使用し、熱板の表面
温度１３０℃、加圧力約５ＭＰａとした以外は実施例１
と同じ方法で図３に示す中間体７を形成した。中間体７
はそりあるいは変形はほとんどなく、また水素イオン伝
導性高分子膜１自体にもマイクロクラックあるいはピン
ホールなどの損傷がなかった。また水素イオン伝導性高
分子膜１と第１および第２の形状保持フィルム２および
６は、Ｒ５０ｍｍ程度の折り曲げに対しても剥がれるこ
とはなく適度に密着していた。

【００４５】次に、中間体７から第１の形状保持フィル
ム２を剥離して露出した水素イオン伝導性高分子膜１上
にカソード用の触媒ペーストを実施例１と同様にしてス
クリーン印刷し、室温で乾燥して第２の触媒層４ｂを形
成して、図４に示す第２の形状保持フィルム２と結合し
た触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜８を作製した。
形成した第２の触媒層４ｂ中のカーボン微粒子に付着し
ているＰｔ量は０．３ｍｇ／ｃｍ²で、膜厚は約１０μ
ｍであった。カソード用の触媒ペーストは、イソプロピ
ルアルコールの代わりにｎ−プロパノールを溶剤として
用いた以外は実施例１と同様にして調製した。

【００４６】次いで第２の形状保持フィルム２と結合し
た触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜８から第２の形
状保持フィルム６を剥離して触媒層付き水素イオン伝導
性高分子膜９を作製した。この触媒層付き水素イオン伝
導性高分子膜９を使用して実施例１と同様の方法で作製
した燃料電池について、実施例１と同様の方法で放電特
性を評価した。その結果、０．６８Ｖという良好な出力
電圧が得られた。

【００４７】なお、上記実施例１および２において、第
２の形状保持フィルムと結合した触媒層付き水素イオン
伝導性高分子膜８の触媒層４ｂ側の水素イオン伝導性高
分子膜１上に、第２の形状保持フィルム６と目視や触覚
で識別できる第３の形状保持フィルム１０を結合するこ
とにより、図６に示す第２および第３の形状保持フィル
ムと結合した触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜１１
が得られる。この場合、先の工程で一旦剥離した第１の
形状保持フィルム２を第３の形状保持フィルム１０とし
て再利用することもできる。例えば、実施例２では第１
の形状保持フィルム２には無色透明なポリプロピレンフ
ィルム、第２の形状保持フィルム６には茶色で透明なポ
リイミドフィルムという色彩が異なるものを用いたの
で、第１の形状保持フィルム２を第３の形状保持フィル
ム１０として再利用できる。

【発明の効果】本発明により、水素イオン伝導性高分子
膜に皺、弛み、マイクロクラック、ピンホールなどの損
傷を与えず、さらに触媒層にクラック、摩耗、汚染など
の損傷を与えることなく、燃料電池用触媒層付き水素イ
オン伝導性高分子膜を良好な作業性で製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における燃料電池用触媒層付き
水素イオン伝導性高分子膜の製造過程の第１の中間体の
縦断面図である。

【図２】本発明の実施例における燃料電池用触媒層付き
水素イオン伝導性高分子膜の製造過程の第２の中間体の
縦断面図である。

【図３】本発明の実施例における燃料電池用触媒層付き
水素イオン伝導性高分子膜の製造過程の第３の中間体の
縦断面図である。

【図４】本発明の実施例における第２の形状保持フィル
ムと結合した燃料電池用触媒層付き水素イオン伝導性高
分子膜の縦断面図である。

【図５】本発明の実施例における燃料電池用触媒層付き
水素イオン伝導性高分子膜の縦断面図である。

【図６】本発明の実施例における第２および第３の形状
保持フィルムと結合した燃料電池用触媒層付き水素イオ
ン伝導性高分子膜の縦断面図である。

【図７】本発明の実施例の燃料電池用触媒層付き水素イ
オン伝導性高分子膜を用いた燃料電池の縦断面図である

【符号の説明】

１水素イオン伝導性高分子膜２第１の形状保持フィルム３、５、７中間体４ａ、４ｂ触媒層６第２の形状保持フィルム８６と結合した触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜９触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜１０第３の形状保持フィルム１１６および１０と結合した触媒層付き水素イオン伝
導性高分子膜１３ａ、１３ｂ拡散層１４ａアノード１４ｂカソード１６ａ、１６ｂガス流路１７ａ、１７ｂ導電性セパレータ板１８冷却水の流路１９冷却板２３ガスケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀喜博大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者羽藤一仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者保坂正人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB00 BB08 DD08 HH03 5H026 AA06 BB00 BB04 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の形状保持フィルムの一方の面に水
素イオン伝導性高分子膜を積層する工程（１）、前記第
１の形状保持フィルムに積層された水素イオン伝導性高
分子膜上に第１の触媒層を形成する工程（２）、前記第
１の触媒層を形成した水素イオン伝導性高分子膜の第１
の触媒層側の面に第２の形状保持フィルムを結合する工
程（３）、前記第２の形状保持フィルムと結合した水素
イオン伝導性高分子膜から前記第１の形状保持フィルム
を剥離する工程（４）、および前記第１の形状保持フィ
ルムを剥離して露出させた水素イオン伝導性高分子膜上
に第２の触媒層を形成する工程（５）を有することを特
徴とする燃料電池用触媒層付き水素イオン伝導性高分子
膜の製造方法。
【請求項２】さらに、前記第２の触媒層を形成した水
素イオン伝導性高分子膜から前記第２の形状保持フィル
ムを剥離する工程（６）を有する請求項１に記載の燃料
電池用触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜の製造方
法。
【請求項３】さらに、前記第２の触媒層を形成した水
素イオン伝導性高分子膜の第２の触媒層側の面に、前記
第２の形状保持フィルムと目視あるいは触覚で識別でき
る程度に異なる第３の形状保持フィルムを結合する工程
（７）を有する請求項１に記載の燃料電池用触媒層付き
水素イオン伝導性高分子膜の製造方法。
【請求項４】前記触媒層を形成する工程（２）および
（５）が、触媒と溶剤を含む触媒ペーストを前記水素イ
オン伝導性高分子膜上に印刷あるいは塗布した後、乾燥
して触媒層を形成する工程である請求項１〜３のいずれ
かに記載の燃料電池用触媒層付き水素イオン伝導性高分
子膜の製造方法。
【請求項５】前記水素イオン伝導性高分子膜の触媒層
側の面に前記形状保持フィルムを結合する工程（３）ま
たは（７）が、前記水素イオン伝導性高分子膜の触媒層
側の面と前記形状保持フィルムを重ね合わせて加熱状態
で加圧する工程である請求項１〜４のいずれかに記載の
燃料電池用触媒層付き水素イオン伝導性高分子膜の製造
方法。
【請求項６】前記形状保持フィルムが、膜厚５０〜５
００μｍの熱可塑性樹脂フィルムからなる請求項１〜５
のいずれかに記載の燃料電池用触媒層付き水素イオン伝
導性高分子膜の製造方法。