JP6144651B2 - 燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を有する第２電極が配設される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

通常、アノード電極及びカソード電極は、固体高分子電解質膜の各面に設けられる電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを有している。電極触媒層は、例えば、白金粒子等の金属粒子を担持した触媒担体（カーボン等）が添加された溶媒に対し、イオン導伝性バインダ（溶液）を混合したペーストが用いられている。ペーストは、塗布された後、熱処理により乾燥されることにより、電極触媒層が形成されている。

その際、電極触媒層には、ひび割れ（ピンホール、割れ、ひび等を含む）が発生することがある。電極触媒層のひび割れは、固体高分子電解質膜の劣化を促進させ易く、燃料電池の発電性能の低下や耐久性の低下が惹起されるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、燃料電池電極用触媒インクが、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、前記触媒担持粒子及び前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含んでいる。そして、触媒担持粒子の単位比表面積当たりのアイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ²）以上であることを特徴としている。

また、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池用電極では、電極の表面層の全面を固体高分子電解質溶液によりコ−ティングした後、水蒸気によりその溶液中の溶媒を沸点以上に加熱して除去することを特徴としている。

さらに、特許文献３に開示されている固体高分子型燃料電池用電極の製造方法では、混合物成形工程、造孔剤除去工程及び含浸工程を備えている。混合物成形工程は、電極触媒とポリテトラフルオロエチレンと造孔剤とを混合し、該混合物を成形してシート体にしている。造孔剤除去工程は、シート体から造孔剤を除去して多孔性シート体としている。含浸工程では、多孔性シートに高分子電解質溶液を含浸している。

そして、混合物成形工程で成形されるシート体を多孔性の基板上に積層する積層ステップと、該積層ステップ後にポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度で熱処理を行う熱処理ステップとを、含浸工程より前に備えている。

特開２０１３−０３０２８７号公報 特開平０８−１４８１５２号公報 特開平０９−１２０８２１号公報

ところで、上記の特許文献１では、最適な電極層の成分設定の自由度が著しく低下するという問題がある。さらに、上記の特許文献２及び３では、構成が複雑化するとともに、製造工程が煩雑化してしまい、経済的ではないという問題がある。しかも、いずれの技術を用いても、完全にひび割れを防止することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に修復することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能な燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設されている。固体高分子電解質膜の他方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第２電極が配設されている。

本発明は、溶媒成分を除去し乾燥処理を施して触媒層を形成する工程と、少なくとも一方の前記触媒層に、少なくともひび割れが発生した部分を覆って電解質成分とカーボンとを含むペーストを塗布する工程とを有している。次いで、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化している。

また、本発明は、少なくとも固体高分子電解質膜の一方の面に、又は少なくとも一方のガス拡散層に、電解質成分とカーボンとを含むペーストが塗布される工程を有している。次に、ひび割れが発生した触媒層に、少なくとも前記ひび割れ部分を覆ってペーストが配設することにより前記ひび割れ部分に前記ペーストを埋設している。そして、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化している。

さらに、この燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、前記ペースト及び前記触媒層中の前記電解質成分の合計と、前記ペースト及び前記触媒層中の前記カーボンの合計との重量比率（電解質／カーボン）は、０．１〜１０の範囲に設定されることが好ましい。

本発明によれば、触媒層が形成される際に発生するひび割れを覆って、電解質成分を含むペーストが塗布されている。このため、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に補修することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能になる。

また、本発明によれば、少なくとも固体高分子電解質膜の一方の面に、又は少なくとも一方のガス拡散層に、電解質成分を含むペーストが塗布されている。そして、ひび割れが発生した触媒層には、少なくとも前記ひび割れ部分を覆ってペーストが配設されている。従って、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に補修することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能になる。

さらに、本発明によれば、少なくとも一方の触媒層には、少なくともひび割れが発生した部分に対応してイオン交換成分を含むペーストを塗布している。これにより、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に補修することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能になる。

本発明の第１〜第４の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記第１の実施形態に係る製造方法において、アノード側の説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード電極にひび割れが発生した際の平面説明図である。 前記第１の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図である。 前記第１の実施形態に係る製造方法において、カソード側の説明図である。 前記第１の実施形態に係る製造方法において、前記カソード側の説明図である。 前記第１の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。 図９Ａは、前記第２の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図９Ｂは、前記カソード側の説明図である。 図１０Ａは、前記第２の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図１０Ｂは、前記カソード側の説明図である。 前記第２の実施形態に係る製造方法において、固体高分子電解質膜に転写する際の説明図である。 前記第２の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。 前記第３の実施形態に係る製造方法において、前記固体高分子電解質膜に高分子ペーストが塗布される際の説明図である。 前記第３の実施形態に係る製造方法において、前記高分子ペーストに電極触媒層が形成される際の説明図である。 前記第３の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。 図１６Ａは、前記第４の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図１６Ｂは、前記カソード側の説明図である。 図１７Ａは、前記第４の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図１７Ｂは、前記カソード側の説明図である。 前記第４の実施形態において、前記固体高分子電解質膜にカソード側が転写される際の説明図である。 前記第４の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。 本発明の第５〜第７の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体の断面説明図である。 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図である。 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記アノード電極が形成される際の説明図である。 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記カソード側の説明図である。 前記第５の実施形態に係る製造方法において、カソード電極が形成される際の説明図である。 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造された際の説明図である。 前記第６の実施形態に係る製造方法において、前記固体高分子電解質膜に電極触媒層が形成される際の説明図である。 図２７Ａは、前記第６の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図２７Ｂは、前記カソード側の説明図である。 前記第６の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。 前記第７の実施形態に係る製造方法において、前記固体高分子電解質膜に電極触媒層が形成される際の説明図である。 前記第７の実施形態に係る製造方法において、前記高分子ペーストが形成される際の説明図である。 前記第７の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１〜第４の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池１２は、矢印Ａ方向に積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックが構成され、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。

燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体１０をカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６で挟持する。カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２とを有する。

固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに設けられる一方、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに設けられる。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定されるとともに、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８及び前記アノード電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、アノード電極２０とカソード電極２２との大小関係は、逆に設定されてもよく、又は、前記アノード電極２０と前記カソード電極２２とは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に接合される第１電極触媒層（触媒層）２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを備える。固体高分子電解質膜１８の面１８ａと第１電極触媒層２０ａとの間には、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む第１高分子ペースト２４ａが介装される。

具体的には、第１高分子ペースト２４ａは、フッ素系樹脂とカーボンの混合物を溶媒に溶かしたもの等が使用される。第１高分子ペースト２４ａ及び第１電極触媒層２０ａ中の電解質成分の合計と、前記第１高分子ペースト２４ａ及び前記第１電極触媒層２０ａ中のカーボンとの重量比率（電解質／カーボン）は、０．１〜１０の範囲内に設定される。第１高分子ペースト２４ａの塗布厚さは、好ましくは、０．１μｍ〜１０μｍに設定される。

なお、第１ガス拡散層２０ｂには、第１電極触媒層２０ａが塗布される面に下地層（図示せず）を設けてもよい。下地層は、例えば、多孔質カーボンやカーボンファイバーとフッ素系樹脂等を純水、アルコール等の溶媒で溶かしたペーストを塗布して形成される。

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側に接合される第２電極触媒層（触媒層）２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを備える。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂと第２電極触媒層２２ａとの間には、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む第２高分子ペースト２４ｂが介装される。第２高分子ペースト２４ｂは、上記の第１高分子ペースト２４ａと同一の材料で構成される。なお、第２ガス拡散層２２ｂには、第２電極触媒層２２ａが塗布される面に下地層（図示せず）を設けてもよい。

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロス、あるいは、金属メッシュ等の細孔を有するシート部材からなる。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金粒子又は白金粒子や貴金属（ルテニウム、コバルト、パラジウム等）等の触媒を担持した触媒担体（カーボンや導電体等）により形成される。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

アノード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１０を構成する固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ａｅに当接する第１凸状シール４２ａと、アノード側セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第１凸状シール４２ａと当接する面にセパレータ面方向に沿って平坦状の平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設け、第１シール部材４２を平面シールで構成してもよい。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１０のカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１０のアノード電極２０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１０では、アノード電極２０に供給される燃料ガスと、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

次いで、本発明の第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。

先ず、図３に示すように、アノード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂに第１電極触媒層２０ａが形成される。具体的には、白金粒子等の触媒粒子を担持した触媒担体に、電解質成分と純水又はアルコールが添加された溶媒を、スターラやビーズミル等により撹拌させてペーストが得られる。このペーストは、第１ガス拡散層２０ｂに、例えば、コータ、スプレー、インクジェット又はスクリーン印刷等により塗工される。次に、乾燥処理（例えば、ヒータや熱風等の熱処理）を施すことにより、アノード電極２０が作製される。

上記の作製時に、特に乾燥処理が施されることにより、図４に示すように、第１電極触媒層２０ａには、電極欠陥であるひび割れ（ピンホール、割れ、ひびを含む）４６が発生し易い。そこで、図５に示すように、第１電極触媒層２０ａには、少なくともひび割れ４６が発生した部分を覆って、第１の実施形態では、前記第１電極触媒層２０ａの全面に亘って第１高分子ペースト２４ａが塗布される。

一方、図６に示すように、カソード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂには、第２電極触媒層２２ａが上記のアノード電極２０と同様に形成される。次いで、図７に示すように、第２電極触媒層２２ａには、少なくともひび割れ４６が発生した部分を覆って、第１の実施形態では、前記第２電極触媒層２２ａの全面に亘って第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。

さらに、図８に示すように、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、アノード電極２０を構成する第１高分子ペースト２４ａが重ねられる。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、カソード電極２２を構成する第２高分子ペースト２４ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにアノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。従って、電解質膜・電極構造体１０が製造される。

この場合、第１の実施形態では、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａが形成される際、乾燥処理等によりひび割れ４６が発生し易い（図４参照）。そこで、ひび割れ４６を覆って、すなわち、第１電極触媒層２０ａの全面に亘って、第１高分子ペースト２４ａが塗布されている。なお、第１高分子ペースト２４ａは、必要に応じて粘度の異なるものを複数回に亘って塗布してもよい。

このため、電極欠陥であるひび割れ４６は、第１高分子ペースト２４ａにより埋設され、前記電極欠陥の拡大進行及び耐久性の低下を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａの電極欠陥を確実に修復することが可能になり、所望の発電性能及び耐久性を確保することができるという効果が得られる。

一方、カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａが形成される際にひび割れ４６が発生した前記第２電極触媒層２２ａの全面に亘って、第２高分子ペースト２４ｂが塗布されている。これにより、簡単且つ経済的に、第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に修復することが可能になり、所望の発電性能及び耐久性を確保することができるという効果が得られる。なお、第１高分子ペースト２４ａ及び第２高分子ペースト２４ｂは、電極欠陥の発生の有無によって設ければよく、例えば、いずれか一方のみを設けてもよい。

次いで、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても、同様である。

図９Ａに示すように、第１転写用基材５０ａが用意され、この第１転写用基材５０ａには、第１電極触媒層２０ａが形成される。一方、図９Ｂに示すように、第２転写用基材５０ｂが用意され、この第２転写用基材５０ｂには、第２電極触媒層２２ａが形成される。

次いで、図１０Ａに示すように、第１電極触媒層２０ａには、全面に亘って第１高分子ペースト２４ａが塗布される。図１０Ｂに示すように、第２電極触媒層２２ａには、全面に亘って第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。

さらに、図１１に示すように、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、アノード電極２０を構成する第１高分子ペースト２４ａが重ねられ、第１転写用基材５０ａから転写される。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、カソード電極２２を構成する第２高分子ペースト２４ｂが重ねられ、第２転写用基材５０ｂから転写される。

そして、図１２に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。従って、電解質膜・電極構造体１０が製造される。

本発明の第３の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、図１３〜図１５に沿って、以下に説明する。

図１３に示すように、先ず、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、第１高分子ペースト２４ａが塗布される。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。次に、図１４に示すように、第１高分子ペースト２４ａには、第１電極触媒層２０ａが転写又は形成される一方、第２高分子ペースト２４ｂには、第２電極触媒層２２ａが転写又は形成される。

図１５に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。これにより、電解質膜・電極構造体１０が製造される。

なお、第１の実施形態〜第３の実施形態では、アノード電極２０とカソード電極２２のいずれかに、どの製造方法を適用してもよく、また、これらを組み合わせてもよい。

本発明の第４の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。

図１６Ａに示すように、第１ガス拡散層２０ｂには、第１電極触媒層２０ａが塗布される一方、図１６Ｂに示すように、第２転写用基材５０ｂには、第２電極触媒層２２ａが形成される。そして、図１７Ａに示すように、第１電極触媒層２０ａの全面に亘って、第１高分子ペースト２４ａが塗布又は転写により形成され、図１７Ｂに示すように、第２電極触媒層２２ａの全面に亘って、第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。

固体高分子電解質膜１８では、図１８に示すように、面１８ｂにカソード電極２２を構成する第２高分子ペースト２４ｂが重ねられ、第２転写用基材５０ｂから転写される。

さらに、図１９に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａにアノード電極２０を構成する第１高分子ペースト２４ａが重ねられる。第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。このため、電解質膜・電極構造体１０が製造される。

図２０に示すように、本発明の第５〜第７の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体６０は、固体高分子型燃料電池６２に組み込まれる。なお、電解質膜・電極構造体１０及び燃料電池１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

電解質膜・電極構造体６０は、固体高分子電解質膜１８をアノード電極２０及びカソード電極２２により挟持する。アノード電極２０では、第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとの間に、第１高分子ペースト２４ａが介装される。カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとの間に、第２高分子ペースト２４ｂが介装される。

本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、先ず、図２１に示すように、第１ガス拡散層２０ｂの全面に亘って第１高分子ペースト２４ａが塗布される。そして、図２２に示すように、第１高分子ペースト２４ａには、第１電極触媒層２０ａが設けられることにより、アノード電極２０が形成される。

一方、図２３に示すように、第２ガス拡散層２２ｂの全面に亘って第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。その後、図２４に示すように、第２高分子ペースト２４ｂには、第２電極触媒層２２ａが設けられることにより、カソード電極２２が形成される。

次いで、図２５に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａが重ねられるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。従って、電解質膜・電極構造体６０が製造される。

本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、図２６に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａが塗布又は転写により形成される。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａが塗布又は転写により形成される。

図２７Ａに示すように、第１ガス拡散層２０ｂには、第１高分子ペースト２４ａが塗布される。図２７Ｂに示すように、第２ガス拡散層２２ｂには、第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。さらに、図２８に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１高分子ペースト２４ａが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２高分子ペースト２４ｂが重ねられる。

この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。これにより、電解質膜・電極構造体６０が製造される。

本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、図２９に示すように、先ず、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａが塗布又は転写により形成される。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａが塗布又は転写により形成される。

次に、図３０に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１高分子ペースト２４ａが塗布又は転写により形成される。第２電極触媒層２２ａには、第２高分子ペースト２４ｂが塗布又は転写により形成される。さらに、図３１に示すように、第１高分子ペースト２４ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２高分子ペースト２４ｂには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。

この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。このため、電解質膜・電極構造体６０が製造される。

上記の第２の実施形態〜第７の実施形態では、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に修復することが可能になる。従って、所望の発電性能及び耐久性を確保することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０…電解質膜・電極構造体 １２、６２…燃料電池
１４…カソード側セパレータ １６…アノード側セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 １８ａ、１８ｂ…面
２０…アノード電極 ２２…カソード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２４ａ、２４ｂ…高分子ペースト ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を有する第２電極が配設される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   溶媒成分を除去し乾燥処理を施して前記触媒層を形成する工程と、
   少なくとも一方の前記触媒層に、少なくともひび割れが発生した部分を覆って電解質成分とカーボンとを含むペーストを塗布する工程と、
   前記固体高分子電解質膜の前記一方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
2. 固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を有する第２電極が配設される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
   溶媒成分を除去し乾燥処理を施して前記触媒層を形成する工程と、
   少なくとも前記固体高分子電解質膜の一方の面に、又は少なくとも一方の前記ガス拡散層に、電解質成分とカーボンとを含むペーストが塗布される工程と、
   ひび割れが発生した前記触媒層に、少なくとも前記ひび割れ部分を覆って前記ペーストが配設することにより前記ひび割れ部分に前記ペーストを埋設し、前記固体高分子電解質膜の前記一方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法において、
   前記ペースト及び前記触媒層中の前記電解質成分の合計と、前記ペースト及び前記触媒層中の前記カーボンの合計との重量比率（電解質／カーボン）は、０．１〜１０の範囲に設定されることを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。

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