JP4687695B2

JP4687695B2 - 膜電極接合体製造方法

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Publication number: JP4687695B2
Application number: JP2007190596A
Authority: JP
Inventors: 暢夫奥村; 将典相武; 達也畑中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2011-05-25
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Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造技術に関する。

燃料電池では、電解質膜と、電解質膜上に形成された触媒層と、触媒層上に形成されたガス拡散層とを有する膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡと呼ぶ。）が用いられることがある。触媒層では、ガス拡散層を介して送られた燃料ガスや酸化ガス（反応ガス）を用いて電気化学反応が起こる。そこで、この電気化学反応を促進させるために、触媒層を凹凸形状として触媒層とガス拡散層との接触面積を増やした構成のＭＥＡの製造方法が提案されている（下記特許文献１参照）。

特開平３−１６７７５２号公報

上記特許文献１に記載のＭＥＡ製造方法では、触媒層を凹凸形状とするために、凹凸面を有する雌型とこの雌型に嵌合する雄型とから成るプレス治具を用い、板状の触媒層を雌型に載せて雄型で押し付けて触媒層を凹凸形状としている。しかしながら、このような製造方法では、雄型を押し付ける際に触媒層に大きな力が加わり、触媒層が物理的に損傷するおそれがあった。特に、雌型の凸部の先端に当接する部分に極めて大きな力が加わるため、この部分において触媒層は損傷し易くなっていた。

本発明は、凹凸形状の触媒層を有するＭＥＡの製造過程において、触媒層を凹凸形状とする際に触媒層が損傷することを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の膜電極接合体製造方法は、電解質膜とガス拡散層との間に触媒層が配置された、燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、（ａ）前記触媒層を形成するための触媒粉体を用意する工程と、（ｂ）前記触媒粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成する工程と、を備えることを要旨とする。

本発明の膜電極接合体製造方法では、触媒粉体を、電解質膜とガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで触媒層を形成するので、触媒層を凹凸形状とする際に触媒層が損傷することを抑制することができる。

上記膜電極接合体製造方法において、前記燃料電池は、前記燃料電池に供給された反応ガスを、前記ガス拡散層を介して前記触媒層に供給するためのガス供給孔と、前記触媒層から排出される前記反応ガスを、前記ガス拡散層を介して排出するためのガス排出孔と、を有し、前記工程（ｂ）において、前記触媒層を堆積方向から見た場合に、単位面積当たりに、前記触媒粉体の堆積量が比較的少ない凹部の占める割合が、前記触媒層において、前記ガス供給孔側に比べて前記ガス排出孔側でより大きくなるように、前記触媒粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成するようにしてもよい。

このようにすることで、触媒層の凹部は触媒粉体の堆積量が少ないために排水性が高くなるので、フラッディングの起こり易いガス排出孔側において単位面積当たりに凹部の占める割合をより大きくすることで、ガス排出孔側における排水性を高め、フラッディングの発生を抑制することができる。

上記膜電極接合体製造方法において、前記工程（ｂ）において、前記燃料電池に供給された反応ガスを、前記ガス拡散層を介して前記触媒層に供給するためのガス供給孔と、前記触媒層から排出される前記反応ガスを前記ガス拡散層を介して排出するためのガス排出孔と、の間を、前記凹部が続くように、前記触媒粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成するようにしてもよい。

このようにすることで、触媒層の凹部は触媒粉体の堆積量が少なくガスが流れ易いので、ガス供給孔とガス排出孔との間を凹部が続くようにすることで、反応ガスを膜電極接合体全体に亘って拡散させることができる。

上記膜電極接合体製造方法において、前記工程（ｂ）において、前記触媒粉体を透過可能なスクリーンを用いて、前記触媒粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成し、前記スクリーンは、前記触媒粉体が透過する透過面において、透過率が比較的高い高透過部と、前記高透過部よりも透過率が低い低透過部と、を有しており、前記低透過部を透過した前記触媒粉体によって前記凹部が形成されるようにしてもよい。

このようにすることで、スクリーンを介して触媒粉体を透過させて堆積させることで、触媒粉体を不均一に、電解質膜とガス拡散層とのうち、少なくとも一方に堆積させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施形態：
Ｂ．第２の実施形態：
Ｃ．第３の実施形態：
Ｄ．第４の実施形態：
Ｅ．第５の実施形態：
Ｆ．実施例：
Ｇ．変形例：

Ａ．第１の実施形態：
図１は、第１の実施形態におけるＭＥＡ製造方法の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０５では、触媒層を形成するための粉体として、触媒担持粒子と電解質とが複合化された複合粉体（触媒粉体）を生成する。

図２は、図１に示すステップＳ１０５の詳細手順を模式的に示す説明図である。図２の例では、触媒担持粒子としての白金担持カーボン３０（白金担持５０Ｗｔ％）と、電解質２０としてのナフィオン（登録商標）とを、水とエタノールとの混合溶媒に加えて混合及び分散させて触媒用スラリー２００を得る。そして、この触媒用スラリー２００を、スプレードライヤ４１０を用いたスプレードライ法によって噴霧乾燥させて触媒粉体３００を生成する。具体的には、スプレードライヤ４１０の有するアトマイザ４１４によって触媒用スラリー２００をチャンバー４１２内に噴霧し、乾燥空気と接触させることによってミストを瞬間的に乾燥して触媒粉体３００を得る。このようにして得られた触媒粉体３００は、白金担持カーボン３０と電解質２０とが複合化された粉体である。

ステップＳ１１０（図１）では、ステップＳ１０５で生成した触媒粉体を電解質膜に凹凸状に堆積させて触媒層を形成する。具体的には、静電スクリーン方式によって、触媒粉体３００（図２）を、スクリーン及びマスクを介して落下させて電解質膜に堆積させる。なお、電解質膜としては、例えば、デュポン社のナフィオン（登録商標）や、旭化成（株）のアシプレックス（登録商標）や、旭硝子（株）のフレミオン（登録商標）等を用いることができる。

図３（Ａ）は、ステップＳ１１０において使用するスクリーンを示す説明図である。図３（Ａ）では、スクリーンＳ１における触媒粉体の透過面を示している。このスクリーンＳ１では、透過面の全面において均一な開口率となるように微小な開口（図示省略）が多数設けられている。このようなスクリーンＳ１としては、ナイロン等の合成繊維や、ステンレス等の金属製の針金を織ったもの等を利用することができる。

図３（Ｂ）は、ステップＳ１１０において使用するマスクを示す説明図である。図３（Ｂ）では、マスクＭ１における触媒粉体の透過面を示している。このマスクＭ１には、複数の開口１２が一定の間隔で並んで配置されている。なお、開口１２の大きさはいずれも同一で開口率は５０％である。開口１２以外の部分は、遮蔽部１１であり、全く開口がないために触媒粉体を透過しない。このようなマスクＭ１としては、例えば、合成樹脂製の板状部材に開口を設けたものを利用することができる。

図４（Ａ）は、図３（Ａ）に示すスクリーンＳ１を用いた触媒粉体３００の堆積の方法を模式的に示す説明図である。以下では、カソード側について代表して説明する。ステップＳ１１０（図１）では、まず、スクリーンＳ１を用いた静電スクリーン方式によって触媒粉体３００を電解質膜６０に堆積させる。具体的には、電解質膜６０から離れて配置したスクリーンＳ１に高電圧を印加し、スクリーンＳ１と電解質膜６０との間に静電界を設け、触媒粉体３００を、スクリーンＳ１を介して落下させる。そうすると、触媒粉体３００は、対電極である電解質膜６０に向かって落下する。このようにして、電解質膜６０上にほぼ均一な厚みの触媒粉体３００の層７２ａが形成される。

図４（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すスクリーンＳ１と図３（Ｂ）に示すマスクＭ１とを用いた触媒粉体３００の堆積方法を模式的に示す説明図である。図４（Ａ）に示す層７２ａが電解質膜６０上に形成された後、スクリーンＳ１（図３（Ａ））とマスクＭ１（図３（Ｂ））とを用いた静電スクリーン法によって、層７２ａの上に、さらに部分的に触媒粉体３００を堆積させる。具体的には、層７２ａが形成された電解質膜６０とスクリーンＳ１との間にマスクＭ１（図３（Ｂ））を配置し、静電スクリーン方式によって、触媒粉体３００をスクリーンＳ１の上から電解質膜６０（層７２ａ）に向かって落下させる。そうすると、マスクＭ１の開口１２からのみ触媒粉体３００が落下するので、層７２ａの上に開口１２に対応する位置に触媒粉体３００が山状に堆積した層７２ｂが形成される。このようにして層７２ａ，７２ｂから成る触媒層（カソード側触媒層）７２が電解質膜６０の上に形成される。そして、このカソード側触媒層７２では、触媒層は不均一な厚みとなるように堆積している。なお、以下では、カソード側触媒層７２において触媒粉体３００が山状に堆積した部分を触媒凸部７１ａと呼び、それ以外の部分を触媒凹部７１ｂと呼ぶ。同様にして、アノード側においても触媒層（アノード側触媒層）を形成する。なお、前述のスクリーンＳ１とマスクＭ１とが、請求項におけるスクリーンに相当する。

ステップＳ１１５（図１）では、ステップＳ１１０で形成された触媒層に、予め用意してあったガス拡散層を重ね合わせてホットプレスすることで、ＭＥＡを形成する。

図５は、ステップＳ１１５の処理によって形成されたＭＥＡ９０を示す説明図である。なお、図５の例では、カソード側についてのみ記載している。本実施形態で用いるカソード側ガス拡散層８２は、基材としてのカーボンペーパーに、撥水材としてのフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）を含む撥水ペーストを塗布して形成されている。カソード側ガス拡散層８２は、凸状の拡散凸部８１ａと凹状の拡散凹部８１ｂとからなる凹凸形状を有している。この凹凸形状は、例えば、以下のようにして形成することができる。すなわち、基材となるカーボンペーパーに所定の厚みだけ一様に撥水ペーストを塗布した後、拡散凹部８１ｂとなる部分をマスクで覆った上で撥水ペーストを塗布し、マスクを取り除いて凹凸形状を形成する。

ここで、カソード側ガス拡散層８２における拡散凸部８１ａは、カソード側ガス拡散層８２とカソード側触媒層７２とを重ね合わせた場合に、カソード側触媒層７２における触媒凹部７１ｂに対応するように配置されて形成されている。一方、拡散凹部８１ｂは、カソード側触媒層７２における触媒凸部７１ａに対応するように配置されて形成されている。したがって、カソード側ガス拡散層８２とカソード側触媒層７２とを重ね合わせると、カソード側触媒層７２における凹凸と、カソード側ガス拡散層８２における凹凸が噛み合うこととなる。なお、アノード側についても同様にしてガス拡散層が触媒層の上に形成される。

以上説明したＭＥＡ製造方法では、触媒粉体３００を不均一な厚みとなるように堆積させることで触媒層を凹凸形状としているので、触媒層を凹凸形状とする際に触媒層が損傷することを抑制することができる。

図６は、ＭＥＡ９０を利用した燃料電池の構成を示す説明図である。前述のようにして生成したＭＥＡ９０を用いて、ＭＥＡ９０を有するプレート（以下、「ＭＥＡプレート」と呼ぶ）５０を生成し、このＭＥＡプレート５０とセパレータ４０とを交互に積層して燃料電池７００を構成することができる。ここで、セパレータ４０は、３枚の金属プレートからなる３層セパレータである。具体的には、セパレータ４０は、カソード側プレート４１とアノード側プレート４３とが、中間プレート４２を挟持した構成を有する。各プレート４１〜４３及びＭＥＡプレート５０には、同じ位置に孔が設けられている。そして、これら孔同士が積層されて、酸化ガス供給マニホールド７１１ａと酸化ガス排出マニホールド７１１ｂとが形成されている。カソード側プレート４１には、酸化ガス供給マニホールド７１１ａに比較的近い部分において、カソード側ガス拡散層８２と接するガス供給孔４５が設けられている。同様に、酸化ガス排出マニホールド７１１ｂに比較的近い部分において、カソード側ガス拡散層８２と接するガス排出孔４６が設けられている。中間プレート４２には、酸化ガス供給マニホールド７１１ａと連通し、ガス供給孔４５に至る酸化ガス供給路４７が設けられている。また、中間プレート４２には、酸化ガス排出マニホールド７１１ｂと連通し、ガス排出孔４６に至る酸化ガス排出路４８が設けられている。

酸化ガス供給マニホールド７１１ａから供給される酸化剤としての空気は、中間プレート４２において酸化ガス供給路４７に入り込み、ガス供給孔４５からカソード側ガス拡散層８２へと供給される。そして、カソード側ガス拡散層８２に供給された空気は、ＭＥＡ９０内に拡散され、カソード側触媒層７２において電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった空気は、ガス排出孔４６と酸化ガス排出路４８とを介して酸化ガス排出マニホールド７１１ｂに排出される。このとき、空気と共に電気化学反応によって生成された生成水も併せて排出される。

図７は、図６におけるＡ−Ａ断面におけるＭＥＡ９０を示す説明図である。ＭＥＡ９０では、カソード側ガス拡散層８２とカソード側触媒層７２との境界付近においても、ガス供給孔４５に対応する位置から、ガス排出孔４６に対応する位置までの間をカソード側ガス拡散層８２が続くように構成されている。それゆえ、ＭＥＡ９０では、カソード側ガス拡散層８２とカソード側触媒層７２との境界付近においても、酸化ガスとしての空気がＭＥＡ９０全体に亘って拡散される。なお、アノード側も同様な構成を有しており、燃料ガスがＭＥＡ９０全体に亘って拡散される。

Ｂ．第２の実施形態：
図８（Ａ）は、第２の実施形態におけるマスクＭ１ａを示す説明図である。また、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すマスクＭ１ａを用いて構成したＭＥＡ９０ａを模式的に示す説明図である。なお、図８（Ｂ）では、図７と同様に、燃料電池を構成した場合におけるＭＥＡ９０ａのＡ−Ａ断面（図６参照）を示す。上述した第１の実施形態では、マスクＭ１（図３（Ｂ））が有する複数の開口１２は一定の間隔で並んで構成され、いずれの部分においても平均開口率はほぼ同じであったが、第２の実施形態におけるマスクＭ１ａでは、複数の開口１２が一定の間隔で並んでおらず、平均開口率は場所によって異なる。なお、その他の構成は、第１の実施形態と同じである。

具体的には、単位面積当たりの開口１２の数は、領域Ｘ２を基準として、領域Ｘ１（図９（Ａ））では多く、領域Ｘ３では少ない。従って、平均開口率は、領域Ｘ１では大きく（例えば７０％）、領域Ｘ２が中程度（例えば５０％）で、領域Ｘ３では小さくなっている（例えば３０％）。このようなマスクＭ１ａを用いた場合であっても、上述した第１の実施形態と同じ効果を奏することができる。

なお、このようなマスクＭ１ａを用いてカソード側触媒層７２を形成してＭＥＡ９０ａ（図８（Ｂ））を製造すると、カソード側触媒層７２における単位面積当たりの触媒凸部７１ａの数は、場所によって異なることとなる。具体的には、単位面積当たりの触媒凸部７１ａの数は、ガス供給孔４５に近い領域Ｙ１では多く、領域Ｙ２では中程度で、ガス排出孔４６に近い領域Ｙ３では少なくなる。この場合、カソード側触媒層７２を触媒粉体の堆積方向（Ｘ軸方向）から見た場合に、単位面積当たりの触媒凹部７１ｂの占める割合は、領域Ｙ１で小さく、領域Ｙ２で中程度で、領域Ｙ３で大きくなる。したがって、ガス拡散層８２がカソード側触媒層７２に重ねられた場合に、カソード側ガス拡散層８２の平均厚みは、領域Ｙ１で小さく、領域Ｙ２で中程度で、領域Ｙ３で大きくなる。ここで、ガス排出孔４６に近い領域Ｙ３では、カソード側触媒層７２における電気化学反応によって生成された水が集中してフラッディングが起こり易い。しかしながら、領域Ｙ３では、カソード側ガス拡散層８２の平均厚みが比較的大きくなるように構成されているので、排水性が比較的高く、フラッディングの発生が抑制される。

Ｃ．第３の実施形態：
図９（Ａ）は、第３の実施形態におけるマスクＭ１ｂを示す説明図である。また、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すマスクＭ１ｂを用いて構成したＭＥＡ９０ｂを模式的に示す説明図である。なお、図９（Ｂ）では、図７と同様に、燃料電池を構成した場合におけるＭＥＡ９０ｂのＡ−Ａ断面（図６参照）を示す。上述した第１の実施形態では、マスクＭ１（図３）が有する複数の開口１２の大きさはいずれも同一であったが、第３の実施形態におけるマスクＭ１ｂでは、開口の大きさは場所によって異なる。なお、その他の構成は、第１の実施形態と同じである。

具体的には、領域Ｘ１１における開口１１２ａの大きさは比較的小さく、領域Ｘ１２における開口１１２ｂの大きさは中程度であり、領域Ｘ１３における開口１１２ｃの大きさは比較的大きい。なお、各領域Ｘ１１〜Ｘ１３において、開口率は同じとなるように構成されている。このとき、開口間の距離は、各領域Ｘ１１〜Ｘ１３で異なる。具体的には、開口間の距離は、領域Ｘ１１では比較的短く、領域Ｘ１２では中程度で、領域Ｘ１３では比較的長い。このようなマスクＭ１ｂを用いた場合であっても、上述した第１の実施形態と同じ効果を奏することができる。

なお、このようなマスクＭ１ｂを用いて触媒層を形成してＭＥＡ９０ｂ（図９（Ｂ））を製造すると、触媒凸部７１ａ間の距離はカソード側触媒層７２内の場所によって異なる。具体的には、触媒凸部７１ａ間の距離は、ガス供給孔４５に近い領域Ｙ１１では比較的短く、領域Ｙ１２では中程度で、領域Ｙ１３では比較的長い。領域Ｙ１３では、触媒凸部７１ａ間の距離が比較的長いので、この触媒凸部７１ａ間を空気や生成水が流れ易くなっている。従って、ガス排出孔４６付近における排水性を高くすることができ、フラッディングの発生を抑制することができる。

Ｄ．第４の実施形態：
図１０（Ａ）は、第４の実施形態におけるマスクＭ１ｃを示す説明図である。また、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示すマスクＭ１ｃを用いて構成したＭＥＡ９０ｃを模式的に示す説明図である。なお、図１０（Ｂ）では、図７と同様に、燃料電池を構成した場合におけるＭＥＡ９０ｃのＡ−Ａ断面（図６参照）を示す。第４の実施形態のマスクＭ１ｃでは、開口の形状が矩形である点において、上述した第１の実施形態と異なる。また、このマスクＭ１ｃを用いて生成されたＭＥＡ９０ｃでは、触媒層とガス拡散層との境界付近においてガス拡散層が続いていない点で、第１の実施形態と異なる。なお、その他の構成については、第１の実施形態と同じである。

具体的には、マスクＭ１ｃの開口２１２は矩形であり、Ｙ軸方向に所定の間隔で並んで配置されている。このようなマスクＭ１ｂを用いた場合であっても、上述した実施形態及び実施例と同様な効果を奏することができる。

なお、このようなマスクＭ１ｂを用いて触媒層を形成してＭＥＡ９０ｃ（図１０（Ｂ））を製造すると、カソード側触媒層７２は、触媒凸部７１ａと触媒凹部７１ｂとがＹ軸方向に交互に配置された構成を有することとなる。ここで、開口２１のＺ軸方向の長さが、電解質膜６０のＺ軸方向の長さよりも大きい場合には、第１の実施形態とは異なり、触媒凹部７１ｂはガス供給孔４５に対応する位置からガス排出孔４６に対応する位置まで続かないこととなる。したがって、カソード側ガス拡散層８２はガス供給孔４５からガス排出孔４６までの間を続かないように構成されることとなる。

Ｅ．第５の実施形態：
図１１は、第５の実施形態におけるスクリーンを示す説明図である。本実施形態では、以下の２点において、上述した第１の実施形態と異なり、他の構成については同じである。すなわち、スクリーンにおいて透過率が一様でない点と、ステップＳ１１０（図１）において触媒粉体を堆積させる際にマスクＭ１を用いない点と、において異なる。

具体的には、第５の実施形態のスクリーンＳ２は、透過率が比較的低い低透過部１５と、透過率が比較的高い高透過部１６と、を有している。高透過部１６は、スクリーンＳ１（図３（Ａ））における開口１２に相当する部分に配置されている。一方、低透過部１５は、スクリーンＳ１における遮蔽部１１に相当する部分に配置されている。このようなスクリーンＳ２を用いることで、ステップＳ１１０（図１）において、触媒粉体を電解質膜６０に堆積させる際にマスクＭ１を用いずに済む。すなわち、スクリーンＳ２を介して触媒粉体３００を電解質膜６０に落下させた場合に、低透過部１５を介して落下する触媒粉体の量は、高透過部１６を介して落下する量よりも少なくなるため、図４（Ｂ）に示すような凹凸形状の触媒層を構成することができる。なお、前述のスクリーンＳ２は、請求項におけるスクリーンに相当する。

Ｆ．実施例：
図１に示した手順に従ってＭＥＡ９０を製造し、このＭＥＡ９０を用いて燃料電池７００を製造した。ステップＳ１０５（図１）では、混合容器４００（図２）に白金担持カーボン（白金担持５０Ｗｔ％）と、電解質としてのナフィオン（登録商標）と、水とエタノールとから成る混合溶媒に加えて攪拌して触媒用スラリー２００を生成した。このとき、触媒用スラリー２００の組成が以下となるように各部材を混合した。すなわち、白金担持カーボンは４．０Ｗｔ％であり、電解質は２．０Ｗｔ％，水は４７．０Ｗｔ％，エタノールは４７．０Ｗｔ％であった。また、以下の噴霧条件で、触媒用スラリー２００（図２）を噴霧乾燥させて触媒粉体３００を生成した。すなわち、噴霧圧は０．１ＭＰａであった。噴霧圧とは、アトマイザ４１４からチャンバー４１２内に触媒用スラリーを噴霧する際の圧力をいう。また、噴霧温度（入口部）は８０℃であり、乾燥空気量は０．５ｍ³／ｍｉｎであった。噴霧温度（入口部）とは、噴霧した触媒用スラリー２００を乾燥させるための乾燥空気をチャンバー４１２内に送り込む際の温度をいう。そして、アトマイザ４１４への触媒用スラリーの送液量は、１０ｍｌ／ｍｉｎであった。このようにして生成された触媒粉体３００の粒径は、２〜３μｍ程度であった。

ステップＳ１１０（図１）では、まず、スクリーンＳ１を用いて、白金含有量が０．４０ｍｇ／ｃｍ²となるように触媒粉体３００を堆積させた。次に、スクリーンＳ１とマスクＭ１とを介して触媒粉体３００を落下させ、触媒凸部７１ａにおいて白金含有量が０．６０ｍｇ／ｃｍ²となるように触媒粉体３００を堆積させた。このとき、触媒凸部７１ａの大きさ（層７２ａからの１／２の高さにおける面積）はおよそ１０００μｍ²であった。また、触媒凸部７１ａの厚み（電解質膜６０からの高さ）は１５μｍ程度であり、触媒凹部７１ｂの厚みは１０μｍ程度であった。

ステップＳ１１５（図１）では、ロールプレス機を用いて、以下の条件下でホットプレスを行ってＭＥＡ９０を形成した。すなわち、温度を１３０℃とした。また、圧力を３０ｋｇｆ／ｃｍ²とし、ロールの移動速度を１０ｍ／ｍｉｎとした。

図１２は、本実施例において生成した燃料電池７００のＩ（電流密度）−Ｖ（電圧）特性と、比較例で生成した燃料電池のＩ−Ｖ特性と、を示す説明図である。比較例の燃料電池（図示省略）では、触媒層の形状とガス拡散層の形状とが実施例の燃料電池と異なり、他の構成については、実施例の燃料電池と同じであった。具体的には、比較例の燃料電池において、触媒層は、アノード側とカソード側とのいずれにおいても、一様な厚みとなるように構成した。それに合わせて、ガス拡散層も、アノード側とカソード側とのいずれにおいても、触媒層に接する面において一様な厚みとなるように構成した。なお、比較例において、触媒層における触媒（白金）の含有重量は、実施例と同じとした。実際の燃料電池７００では、ＭＥＡプレート５０とセパレータ４０とがそれぞれ複数積層された構成を有することとなるが、本実施例及び比較例では、ＭＥＡプレート５０を２枚のセパレータ４０で挟み込んだ構成を有する燃料電池（単セル）としてＩ−Ｖ特性を得た。

図１２の例では、上述した実施例及び比較例において製造したそれぞれの燃料電池を、以下の条件下で運転してＩ−Ｖ特性を得た。すなわち、アノード側の燃料ガス（水素ガス）の流量を５００ｎｃｃ／ｍｉｎとし、カソード側の酸化ガス（空気）の流量を１０００ｎｃｃ／ｍｉｎとした。また、セル温度を８０℃とし、バブラ温度をアノード側及びカソード側のいずれも６０℃とし、背圧をアノード側及びカソード側のいずれも０．０５ＭＰａとした。図１２に示すように、同じ電流密度では、実施例の電圧値は、比較例における電圧値に比べて高い値を示していた。これは、実施例の燃料電池７００は、比較例の燃料電池に比べて発電性能が高いことを示している。このような結果となったのは、触媒層を凹凸形状として触媒層とガス拡散層との接触面積が増加したことによるものと考えられる。また、触媒層を凹凸形状としつつも、触媒層とガス拡散層との境界付近において、ガス供給孔からガス排出孔までの間をガス拡散層が続く構成とし、ＭＥＡ９０の全面に亘って反応ガスが拡散していたことによるものと考えられる。

Ｇ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｇ１．変形例１：
上述した各実施形態では、触媒粉体３００を電解質膜６０に堆積させてカソード側触媒層７２を形成していたが、これに代えて、触媒粉体３００をカソード側ガス拡散層８２に堆積させてカソード側触媒層７２を形成するようにしてもよい。また、触媒粉体３００を、電解質膜６０とカソード側ガス拡散層８２とのいずれにも堆積させて、これらをホットプレスすることでカソード側触媒層７２を形成するようにしてもよい。なお、アノード側についても同様である。すなわち、一般には、電解質膜とガス拡散層とのうち、少なくとも一方に堆積させて触媒層を形成する工程を、本発明の膜電極接合体製造方法において採用することができる。

Ｇ２．変形例２：
上述した各実施形態では、触媒粉体を電解質膜６０に堆積させるのに、静電スクリーン方式を用いていたが、これに代えて、他の任意の堆積方式を採用することができる。例えば、スプレーにより触媒粉体を吹き付けるスプレー方式や、帯電した触媒粉体を所定パターンに帯電した感光ドラム上に静電付着させ、この感光ドラム上の触媒粉体を電解質膜６０に転写する電子写真方式などを採用することもできる。すなわち、一般には、触媒粉体を堆積させることが可能な任意の堆積方式を、本発明の膜電極接合体製造方法において採用することができる。

第１の実施形態におけるＭＥＡ製造方法の手順を示すフローチャート。図１に示すステップＳ１０５の詳細手順を模式的に示す説明図。ステップＳ１１０において使用するスクリーンとマスクとを示す説明図。図３（Ａ）に示すスクリーンＳ１を用いた触媒粉体３００の堆積方法を模式的に示す説明図及び図３（Ａ）に示すスクリーンＳ１と図３（Ｂ）に示すマスクＭ１とを用いた触媒粉体３００の堆積方法を模式的に示す説明図。ステップＳ１１５の処理によって形成されたＭＥＡ９０を示す説明図。ＭＥＡ９０を利用した燃料電池の構成を示す説明図。図６におけるＡ−Ａ断面におけるＭＥＡ９０を示す説明図。第２の実施形態におけるマスクＭ１ａと、マスクＭ１ａを用いて構成したＭＥＡ９０ａを模式的に示す説明図。第３の実施形態におけるマスクＭ１ｂと、マスクＭ１ｂを用いて構成したＭＥＡ９０ｂを模式的に示す説明図。第４の実施形態におけるマスクＭ１ｃと、マスクＭ１ｃを用いて構成したＭＥＡ９０ｃを模式的に示す説明図。第５の実施形態におけるスクリーンを示す説明図。本実施例において生成した燃料電池のＩ（電流密度）−Ｖ（電圧）特性と比較例で生成した燃料電池のＩ−Ｖ特性とを示す説明図。

符号の説明

１１…遮蔽部
１２，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，２１２…開口
１５…低透過部
１６…高透過部
２０…電解質
３０…白金担持カーボン
４０…セパレータ
４１…カソード側プレート
４２…中間プレート
４３…アノード側プレート
５０…ＭＥＡプレート
４５…ガス供給孔
４６…ガス排出孔
４７…酸化ガス供給路
４８…酸化ガス排出路
６０…電解質膜
７１ａ…触媒凸部
７１ｂ…触媒凹部
７２…カソード側触媒層
７２ａ，７２ｂ…層
８１ａ…拡散凹部
８１ｂ…拡散凸部
８２…カソード側ガス拡散層
９０，９０ａ，９０ｂ，９０ｃ…ＭＥＡ
１００…燃料電池
２００…触媒用スラリー
３００…触媒粉体
４００…混合容器
４１０…スプレードライヤ
４１２…チャンバー
４１４…アトマイザ
７００…燃料電池
７１１ａ…酸化ガス供給マニホールド
７１１ｂ…酸化ガス排出マニホールド
Ｓ１，Ｓ２…スクリーン
Ｍ１，Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ…マスク
Ｘ１〜Ｘ３，Ｘ１１〜Ｘ１３，Ｙ１〜Ｙ３…領域

Claims

電解質膜とガス拡散層との間に触媒層が配置された、燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
前記燃料電池は、前記燃料電池に供給された反応ガスを、前記ガス拡散層を介して前記触媒層に供給するためのガス供給孔と、前記触媒層から排出される前記反応ガスを、前記ガス拡散層を介して排出するためのガス排出孔と、を有し、
（ａ）触媒担持粒子と電解質とからなる複合粉体を用意する工程と、
（ｂ）前記複合粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）において、前記触媒層を堆積方向から見た場合に、単位面積当たりに、前記複合粉体の堆積量が凸部と比較して少ない凹部の占める割合が、前記触媒層において、前記ガス供給孔側に比べて前記ガス排出孔側でより大きくなるように、かつ、前記凹部が前記ガス供給孔と前記ガス排出孔とを連通するように、前記複合粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成する膜電極接合体製造方法。
請求項１に記載の膜電極接合体製造方法において、
前記工程（ｂ）において、前記複合粉体を透過可能なスクリーンを用いて、前記複合粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成し、
前記スクリーンは、前記複合粉体が透過する透過面において、透過率が比較的高い高透過部と、前記高透過部よりも透過率が低い低透過部と、を有しており、
前記低透過部を透過した前記複合粉体によって前記凹部が形成される、膜電極接合体製造方法。
電解質膜とガス拡散層との間に触媒層が配置された、燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
前記燃料電池は、前記燃料電池に供給された反応ガスを、前記ガス拡散層を介して前記触媒層に供給するためのガス供給孔と、前記触媒層から排出される前記反応ガスを、前記ガス拡散層を介して排出するためのガス排出孔と、を有し、
（ａ）触媒担持粒子と電解質とからなる複合粉体を用意する工程と、
（ｂ）前記複合粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）において、前記触媒層を堆積方向から見た場合に、単位面積当たりに、前記複合粉体の堆積量が凸部と比較して少ない凹部が前記ガス供給孔と前記ガス排出孔とを連通するように、前記複合粉体を、前記電解質膜と前記ガス拡散層とのうち、少なくとも一方に、不均一となるように堆積させることで前記触媒層を形成する膜電極接合体製造方法。