JP2005183232A - 燃料電池用電極−膜接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池用電極−膜接合体の発電性能を確保することができる燃料電池用電極−膜接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池用電極−膜接合体の製造方法は、負極側拡散層２１に塗布する負極側下地層２２を、カーボン２８、バインダーおよび溶媒２９で構成し、カーボン２８とバインダーと溶媒２９との質量和を分母とし、カーボン２８とバインダーとの質量和を分子として得る値を、負極側下地層２２の固形分率と呼び、カーボン２８の粒径を０．１〜１０μｍとし、負極側下地層２２の固形分率を２〜２０ｗｔ％とし、負極側下地層２２の粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓとし、負極側下地層２２を、表面２２ａをブレード４４でならすことで負極側拡散層２１に塗布するものである。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池用電極−膜接合体の製造方法に係り、特に、正・負極側の拡散層、正・負極側の下地層、正・負極側の電極層および電解質膜を積層した燃料電池用電極−膜接合体の製造方法に関するものである。

図１０は従来の燃料電池用電極−膜接合体を示す断面図である。
燃料電池用電極−膜接合体１００は、負極側拡散層１０１に負極側下地層１０２を積層し、負極側下地層１０２に負電極層１０３を積層し、負電極層１０３に電解質膜１０４を積層し、電解質膜１０４に正電極層１０５を積層し、正電極層１０５に正極側下地層１０６を積層し、正極側下地層１０６に正極側拡散層１０７を積層したものである。

この燃料電池用電極−膜接合体１００を製造する際に、一例としてアルコールを用いて燃料電池用電極−膜接合体１００の接合性を保つ製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−１３０３７５号公報

この公報の技術は、例えば正電極層１０６のカーボン１０８…に触媒として白金を胆持し、この表面にナフィオン（登録商標：デュポン社）製の膜を形成し、このナフィオン膜の一部をアルコールでゲル状に溶解し、白金を胆持したカーボン１０８…同士の結着性を良好に確保するものである。

通常、燃料電池用電極−膜接合体１００には、負極側拡散層１０１として多孔質のカーボンペーパーを用い、負極側下地層１０２としてカーボン１０８とバインダー（図示せず）とを混合したものを用いる。
このカーボンペーパーは多孔質のシートである。このため、カーボンペーパーの表面に孔が形成され、表面は比較的大きな凹凸状になっている。

このため、負極側拡散層１０１に塗布した負極側下地層１０２の表面が、比較的大きな凹凸状になり、負極側下地層１０２に塗布した負電極層１０３の表面が、比較的大きな凹凸状になる。
よって、負電極層１０３の表面に塗布する電解質膜１０４の膜厚を均一に確保することは難しい。
次図で、電解質膜１０４の膜厚について詳しく説明する。

図１１は図１０の１１部拡大図であり、電解質膜１０４を形成する工程を説明する図である。
まず、負極側拡散層１０１としてのカーボンペーパーの表面１０１ａに、負極側下地層１０２をスクリーン印刷（図示せず）で塗布する。
ここで、スクリーン印刷とは、網目状のスクリーンをカーボンペーパーの上方に配置し、このスクリーンの表面をスキージで加圧しながら、スキージを負極側拡散層１０１に沿って移動することで、スクリーンの網目から負極側拡散層１０１に負極側下地層１０２を塗布することをいう。
スクリーン印刷の際に、スキージを負極側拡散層１０１に沿って移動するので、負極側下地層１０２を負極側拡散層１０１の表面１０１ａに倣わせて塗布することになる。

負極側拡散層１０１としてカーボンペーパーを用いることで、表面１０１が比較的大きな凹凸状になる。この負極側拡散層１０１の表面１０１ａに沿って負極側下地層１０２をスクリーン印刷することで、負極側下地層１０２の表面１０２ａが大きな凹凸状になる。
さらに、スクリーン印刷完了後、スクリーンを負極側下地層１０１の表面１０１ａから離す際に、スクリーンの網目が負極側下地層１０１の表面１０１ａに残る。
加えて、負極側下地層１０２は、比較的大粒のカーボン１０９…（…は複数を示す）を含んでいる。このため、大粒のカーボン１０９…で負極側拡散層１０１の表面１０１ａを凹凸状にする虞がある。
以上の理由から、負極側下地層１０２の表面１０２ａはさらに大きな凹凸状になることが考えられる。

この負極側下地層１０２の表面１０２ａに負電極層１０３をスプレー塗工で塗布する。
このため、負電極層１０３の表面１０３ａが負極側下地層１０２の表面１０２ａと同様に比較的大きな凹凸状になる。
この負電極層１０３の表面１０３ａに、電解質膜１０４をブレード塗工で塗布する。

ここで、ブレード塗工とは、電解質膜１０４を塗布した直後に、塗布した電解質膜１０４の表面１０４ａに沿って、ブレードを移動することで塗布量を制御することをいう。
よって、電解質膜１０４をブレード塗工で塗布することで、電解質膜１０４の塗布量を好適に調整することが可能になり、加えて電解質膜１０４の表面１０４ａを平坦にできるという利点がある。

しかし、電解質膜１０４をブレード塗工すると、電解質膜１０４の表面１０４ａをブレードで平坦に形成することになり、負電極層１０３の凸部１０３ｂの箇所で電解質膜１０４の膜厚ｔ１が薄くなる。
このように、電解質膜１０４の膜厚ｔ１が、負電極層１０３の凸部１０３ｂの箇所で薄くなる。電解質膜１０４の膜厚１０４ａに局部的に膜厚ｔ１の薄い箇所があると、燃料電池用電極−膜接合体１００を発電する際に、燃料電池用電極−膜接合体１００の発電性能を確保することは難しい。

本発明は、燃料電池用電極−膜接合体の発電性能を確保することができる燃料電池用電極−膜接合体の製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、正・負極の一方側の拡散層に下地層を塗布し、この下地層が未乾燥のうちに、正・負極の一方の電極層を塗布し、この電極層が未乾燥のうちに電解質膜を塗布し、この電解質膜が未乾燥のうちに、正・負極の他方の電極層を塗布し、この電極層が未乾燥のうちに、正・負極の他方側の拡散層に下地層を塗布した二層体を重ね合わせて未乾燥状態の電極−膜接合体を得、この未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥する燃料電池用電極−膜接合体の製造方法であって、前記正・負極の一方側の拡散層に塗布する下地層を、カーボン粒、バインダーおよび溶媒で構成し、カーボン粒とバインダーと溶媒との質量和を分母とし、カーボン粒とバインダーとの質量和を分子として得る値を、この下地層の固形分率と呼び、このカーボン粒の粒径を０．１〜１０μｍとし、この下地層の固形分率を２〜２０ｗｔ％とし、この下地層の粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓとし、この下地層の表面をブレードでならすことで前記正・負極の一方側の拡散層に塗布することを特徴とする。

粘度には、パスカル秒（Ｐａ・ｓ）、ポアズ（Ｐ）、センチポアズ（ｃＰ）、重量キロウラム秒毎平方メートル（ｋｇｆ・ｓ／ｍ^２）などの単位が用いられているが、ここではＳＩ単位のパスカル秒（Ｐａ・ｓ）を使用する。

正・負極の一方側の拡散層に下地層を塗布する。この下地層に含むカーボン粒の粒径を０．１〜１０μｍとすることでカーボン粒を小径にし、この下地層の固形分率を２〜２０ｗｔ％とすることで粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓと下げた。
加えて、正・負極の一方側の拡散層に下地層を塗布する際に、この下地層の表面をブレードでならすようにした。

このように、カーボン粒を小径にするとともに下地層の粘度を下げ、かつ下地層を塗布する際に下地層の表面をブレードでならすことで、下地層の表面を平坦にする。
この下地層に、正・負極の一方の電極層を塗布し、この電極層に電解質膜を塗布することで、電解質膜を平坦に塗布する。

ここで、下地層に含むカーボン粒の粒径を０．１〜１０μｍとした理由は以下の通りである。
すなわち、カーボン粒の粒径が０．１μｍ未満になると、カーボン粒の粒径が小さくなりすぎて、正・負極の一方側の拡散層にカーボン粒が染み込んでしまう。
よって、多孔質の拡散層に目詰まりが生じてしまい、発電の際にガスの拡散性が低下する。

加えて、カーボン粒の粒径が０．１μｍ未満になると、カーボン粒の粒径が小さくなりすぎて、下地層の密度が密になりすぎて、発電の際にガスの拡散性が低下する。
そこで、カーボン粒の粒径を０．１μｍ以上にすることで、拡散層の目詰まりを抑え、かつ下地層の密度をある程度粗に保つようにした。これにより、発電の際にガスの拡散性を好適に保つことができる。

一方、カーボン粒の粒径が１０μｍを超えると、カーボン粒の粒径が大きくなりすぎて、下地層の表面を平坦することが難しい。
そこで、カーボン粒の粒径を１０μｍ以下にすることで、下地層の表面を平坦にするようにした。

さらに、下地層の固形分率を２〜２０ｗｔ％とした理由は以下の通りである。
すなわち、下地層の固形分率が２ｗｔ％未満になると、カーボン粒およびバインダーが少量になり、粘度が下がりすぎる。
よって、下地層が拡散層に染み込み易くなり、多孔質の拡散層に目詰まりが生じてしまい、ガスの拡散性が低下する。そこで、下地層の固形分率を２ｗｔ％以上にすることで、拡散層の目詰まりを抑え、発電の際にガスの拡散性を好適に保つようにした。

一方、下地層の固形分率が２０ｗｔ％を超えると、カーボン粒およびバインダーが多量になり、粘度が上がりすぎる。このため、下地層の表面張力が大きくなりすぎて、下地層の表面を平坦することが難しい。
そこで、下地層の固形分率を２０ｗｔ％以下にすることで、下地層の表面を平坦にするようにした。

加えて、下地層の粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓとした理由は以下の通りである。
すなわち、下地層の粘度が０．０５Ｐａ・ｓ未満になると、下地層の粘度が下がりすぎてしまう。よって、下地層が拡散層に染み込み易くなり、多孔質の拡散層に目詰まりが生じてしまい、発電の際にガスの拡散性が低下する。
そこで、下地層の粘度を０．０５Ｐａ・ｓ以上にすることで、拡散層の目詰まりを抑え、ガスの拡散性を好適に保つようにした。

一方、下地層の粘度が１Ｐａ・ｓを超えると、下地層の粘度が上がりすぎる。このため、下地層の表面張力が大きくなりすぎて、下地層の表面を平坦することが難しい。
そこで、下地層の粘度が１Ｐａ・ｓ以下にすることで、下地層の表面を平坦にするようにした。

請求項１に係る発明では、下地層の表面を平坦にすることで、電解質膜の膜厚を均一にして、燃料電池用電極−膜接合体の発電性能を確保することができるという利点がある。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を備えた燃料電池ユニットを示す分解斜視図である。
燃料電池ユニット１０は、複数（２個）の燃料電池単体（セル）１１，１１で構成したものである。
この燃料電池単体１１は、燃料電池用電極−膜接合体１２の両側にそれぞれ負極側セパレータ１３および正極側セパレータ１４を備える。

燃料電池用電極−膜接合体１２は、負極側拡散層２１、負極側下地層２２、負電極層２３、電解質膜２４、正電極層２５、正極側下地層２６、正極側拡散層２７を積層したものである。
負極側拡散層２１および正極側拡散層２７で燃料電池用電極−膜接合体１２の両側を構成する。

負極側拡散層２１に負極側セパレータ１３を積層する。負極側セパレータ１３の流路溝１５を負極側拡散層２１で覆い、負極側拡散層２１および流路溝１５で水素ガス流路１７を形成する。
また、正極側拡散層２７に正極側セパレータ１４を積層する。正極側セパレータ１４の流路溝１６を正極側拡散層２７で覆い、正極側拡散層２７および流路溝１６で酸素ガス流路１８を形成する。

燃料電池用電極−膜接合体１２は、負極側拡散層２１、負極側下地層２２、負電極層２３、電解膜質２４、正電極層２５、正極側下地層２６、正極側拡散層２７を積層したものである。
このように、構成した燃料電池単体１１を複数個（図１では２個のみを示す）備えることで、燃料電池ユニット１０を構成する。
なお、燃料電池用電極−膜接合体１２については図２で詳しく説明する。

燃料電池ユニット１０によれば、水素ガス流路１７に水素ガスを供給するとともに、酸素ガス流路１８に酸素ガスを供給することで、電子（ｅ⁻）を矢印の如く流して電流を発生する。

図２は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を示す説明図である。
燃料電池用電極−膜接合体１２は、負極側拡散層２１に負極側下地層２２を積層し、負極側下地層２２に負電極層２３を積層し、負電極層２３に電解質膜２４を積層し、電解質膜２４に正電極層２５を積層し、正電極層２５に正極側下地層２６を積層し、正極側下地層２６に正極側拡散層２７を積層したものである。

負極側拡散層２１および正極側拡散層２７は、一例として多孔質のカーボンペーパーに撥水性処理を施したものである。
負極側下地層２２は、一例として粒状のカーボン（カーボン粒）２８、バインダー（図示せず）および溶媒２９で構成したものである。
負極側下地層２２のバインダーとして、例えば熱可塑性フッ素樹脂（ＴＨＶ）を用い、溶媒２９として、ＮＭＰ（Ｎ−メチル・２・ピロリドン）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）などを用いる。

負極側下地層２２のバインダーとして、熱可塑性フッ素樹脂（ＴＨＶ）を用いることで、負極側下地層２２を撥水性に優れた層とする。
なお、負極側下地層２２のバインダーは、熱可塑性フッ素樹脂（ＴＨＶ）に限定するものではなく、溶媒２９は、ＮＭＰ（Ｎ−メチル・２・ピロリドン）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）に限定するものではない。

正極側下地層２６は、一例として粒状のカーボン（カーボン粒）３１、バインダー（図示せず）および溶媒３２で構成したものである。
正極側下地層２６のバインダーとして、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーを用い、溶媒３２として、エタノール、メタノール、１−プロパノール、２−プロパノールなどを用いる。

正極側下地層２６のバインダーとして、パーフルオロスルホン酸系ポリマーを用いることで、正極側下地層２６を吸水性に優れた層とする。
なお、正極側下地層２６のバインダーは、パーフルオロスルホン酸系ポリマーに限定するものではなく、溶媒３２は、エタノール、メタノール、１−プロパノール、２−プロパノールに限定するものではない。

負電極層２３は、負極用の溶媒に触媒（電極粒）を混合し、塗布後に溶媒を乾燥することで固化したものである。負電極層２３の触媒は、カーボンの表面に触媒として白金−ルテニウム合金を担持したものである。
正電極層２５は、正極用の溶媒に触媒（電極粒）を混合し、塗布後に溶媒を乾燥することで固化したものである。正電極層２５の触媒は、カーボンの表面に触媒として白金を担持したものである。

電解質膜２４は、炭化水素系固体高分子に溶媒を加えてペースト状にしたものを負電極層２３に塗布した後、溶媒を除去するとともに乾燥することで、負電極層２３および正電極層２５と一体に固化したものである。
なお、電解質膜２４は、膜厚ｔを略均一に形成したものである。
以下、燃料電池用電極−膜接合体１２の製造方法を図３〜図９に基づいて説明する。

図３（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負極側拡散層に負極側下地層を塗布する例を説明する図である。
（ａ）において、載置台４１に負極側拡散層２１をセットする。負極側拡散層２１は、多孔質のカーボンペーパーであり、その表面２１ａは比較的大きな凹凸状になっている。

（ｂ）において、負極側拡散層２１に負極側下地層２２をブレード塗布装置４２でブレード塗工（ｂｌａｄｅ ｃａｔｉｎｇ）する。
すなわち、ブレード塗布装置４２の吐出ノズル４３から、負極側拡散層２１に、スラリー状の負極側下地層２２を吐出させながら、吐出ノズル４３を矢印ａの如く移動する。
吐出ノズル４３の後方からブレード４４を矢印ｂの如く移動する。

ここで、負極側下地層２２に含むカーボン２８の粒径を０．１〜１０μｍとすることでカーボン２８を小径にした。
加えて、負極側下地層２２の固形分率を２〜２０ｗｔ％とすることで粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓ（５０〜１０００センチポアズ（ｃＰ））に下げた。

図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負極側拡散層に負極側下地層を塗布した状態を説明する図である。
（ａ）において、ブレード４４を矢印ｂの如く移動することで、ブレード４４の下辺４４ａで負極側下地層２２の表面２２ａをならす。

負極側下地層２２に含むカーボン２８の粒径を０．１〜１０μｍと小径にし、負極側下地層２２の固形分率を２〜２０ｗｔ％として粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓと下げ、負極側下地層２２の表面２２ａをブレード４４の下辺４４ａでならす。
これにより、負極側下地層２２の表面２２ａを、負極側拡散層２１の凹凸状の表面２１ａの影響を受けないで平坦にすることができる。

ここで、負極側下地層２２の固形分率とは、負極側下地層２２のカーボン２８とバインダー（図示せず）と溶媒２９との質量和を分母とし、カーボン２８とバインダー（図示せず）との質量和を分子として得る値である。
すなわち、負極側下地層２２の固形分率（ｗｔ％）＝
［（カーボン２８の質量）＋（バインダーの質量）］／［（カーボン２８の質量）＋（バインダーの質量）＋（溶媒２９の質量）］の関係が成立する。

ここで、負極側下地層２２に含むカーボン２８の粒径を０．１〜１０μｍとした理由は以下の通りである。
すなわち、カーボン２８の粒径が０．１μｍ未満になると、カーボン２８の粒径が小さくなりすぎて、負極側拡散層２１にカーボン２８が染み込んでしまう。
よって、多孔質の負極側拡散層２１に目詰まりが生じてしまい、発電の際にガスの拡散性が低下する。

加えて、カーボン２８の粒径が０．１μｍ未満になると、カーボン２８の粒径が小さくなりすぎて、負極側下地層２２の密度が密になりすぎて、発電の際にガスの拡散性が低下する。
そこで、カーボン２８の粒径を０．１μｍ以上にすることで、負極側拡散層２１の目詰まりを抑え、かつ負極側下地層２２の密度をある程度粗に保つようにした。
これにより、発電の際にガスの拡散性を好適に保つことができる。

一方、カーボン２８の粒径が１０μｍを超えると、カーボン２８の粒径が大きくなりすぎて、負極側下地層２２の表面２２ａを平坦することが難しい。
そこで、カーボン２８の粒径を１０μｍ以下にすることで、負極側下地層２２の表面２２ａを平坦にするようにした。

さらに、負極側下地層２２の固形分率を２〜２０ｗｔ％とした理由は以下の通りである。
すなわち、負極側下地層２２の固形分率が２ｗｔ％未満になると、カーボン２８およびバインダー（図示せず）が少量になり、粘度が下がりすぎる。
よって、負極側下地層２２が負極側拡散層２１に染み込み易くなり、多孔質の負極側拡散層２１に目詰まりが生じてしまい、発電の際にガスの拡散性が低下する。
そこで、負極側下地層２２の固形分率を２ｗｔ％以上にすることで、負極側拡散層２１の目詰まりを抑え、発電の際にガスの拡散性を好適に保つようにした。

一方、負極側下地層２２の固形分率が２０ｗｔ％を超えると、カーボン２８およびバインダー（図示せず）が多量になり、粘度が上がりすぎる。
このため、負極側下地層２２の表面張力が大きくなりすぎて、負極側下地層２２の表面２２ａを平坦することが難しい。
そこで、負極側下地層２２の固形分率を２０ｗｔ％以下にすることで、負極側下地層２２の表面２２ａを平坦にするようにした。

加えて、負極側下地層２２の粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓとした理由は以下の通りである。
すなわち、負極側下地層２２の粘度が０．０５Ｐａ・ｓ未満になると、負極側下地層２２の粘度が下がりすぎてしまう。
よって、負極側下地層２２が負極側拡散層２１に染み込み易くなり、多孔質の負極側拡散層２１に目詰まりが生じてしまい、発電の際にガスの拡散性が低下する。
そこで、負極側下地層２２の粘度を０．０５Ｐａ・ｓ以上にすることで、負極側拡散層２１の目詰まりを抑え、発電の際にガスの拡散性を好適に保つようにした。

一方、負極側下地層２２の粘度が１Ｐａ・ｓを超えると、負極側下地層２２の粘度が上がりすぎる。このため、負極側下地層２２の表面張力が大きくなりすぎて、負極側下地層２２の表面２２ａを平坦することが難しい。
そこで、負極側下地層２２の粘度が１Ｐａ・ｓ以下にすることで、負極側下地層２２の表面２２ａを平坦にするようにした。

（ｂ）において、負極側下地層２２の表面２２ａをブレード４４の下辺４４ａ（（ａ）参照）で平坦にならした後、負極側下地層２２が、負極側拡散層２１の凹凸状の表面２１ａに倣って僅かに凹凸状になる。
しかし、負極側下地層２２の表面２２ａをブレード４４で平坦にならしてあるので、負極側下地層２２が、負極側拡散層２１の凹凸状の表面２１ａに倣っても、負極側下地層２２の表面２２ａを略平坦の状態に保つ。

図５（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負極側下地層に負電極層を塗布する例を説明する図である。
（ａ）において、負極側下地層２２が未乾燥のうちに、負極側下地層２２の上方に、スプレー塗布装置４７の噴射ノズル４８を配置する。
噴射ノズル４８から、スラリー状の負電極層２３を噴射させながら、噴射ノズル４８を矢印ｃの如く負極側下地層２２の表面２２ａに沿って移動する。

（ｂ）において、噴射ノズル４８（（ａ）参照）から負電極層２３を噴射させて、未乾燥状態の負極側下地層２２の表面２２ａに負電極層２３をスプレー塗布する。
負極側下地層２２の表面２２ａが略平坦なので、負電極層２３の表面２３ａを、負極側下地層２２の表面２２ａと同様に略平坦の状態に保つ。

図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負電極層に電解質膜を塗布する例を説明する図である。
（ａ）において、負電極層２３が未乾燥のうちに、負電極層２３に、ワニス状の電解膜質２４をブレード塗布装置５１でブレード塗工する。
すなわち、ブレード塗布装置５１の吐出ノズル５２から、未乾燥状態の負電極層２３に電解膜質２４を吐出させながら、吐出ノズル５２を矢印ｄの如く移動する。

吐出ノズル５２の後方からブレード５３を矢印ｅの如く移動することで、ブレード５３の下辺５３ａで負電極層２４の表面２４ａをならす。
電解質膜２４をブレード塗工で塗布することで、電解質膜２４の塗布量を好適に調整することが可能になり、加えて電解質膜２４の表面２４ａを平坦にできるという利点がある。

（ｂ）において、負電極層２３の表面２３ａが略平坦の状態に形成されているので、電解質膜２４の表面２４ａを、ブレード５３の下辺５３ａでならした状態、すなわち平坦の状態を保つ。
ここで、負電極層２３の表面２３ａに電解質膜２４の下側の表面２４ｂが接触する。電解質膜２４の下側の表面２４ｂは、負電極層２３の表面２３ａと同様に、略平坦の状態を保つ。
このように、電解質膜２４の下側の表面２４ｂを略平坦に形成するとともに、電解質膜２４の表面２４ａを平坦に形成することで、電解質膜２４の膜厚ｔを略均一にする。

図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の電解質膜に正電極層を塗布する例を説明する図である。
（ａ）において、電解質膜２４が未乾燥のうちに、電解質膜２４の上方に、スプレー塗布装置５６の噴射ノズル５７を配置する。
噴射ノズル５７から、スラリー状の正電極層２５を噴射させながら、噴射ノズル５７を矢印ｆの如く電解質膜２４の表面２４ａに沿って移動する。

（ｂ）において、噴射ノズル５７（（ａ）参照）から正電極層２５を噴射させて、未乾燥状態の電解質膜２４に正電極層２５をスプレー塗布する。
電解質膜２４の表面２４ａが平坦なので、正電極層２５の表面２５ａを、電解質膜２４の表面２４ａと同様に平坦の状態に保つ。

図８（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の正電極層に、正極側拡散層に正極側下地層を塗布した二層体を重ね合わせる例を説明する図である。
（ａ）において、正電極層２５が未乾燥のうちに、正極側拡散層２７に正極側下地層２６を塗布した二層体６１を矢印ｇの如くを重ね合わせる。なお、正極側下地層２６も未乾燥状態を保つ。
このように、正電極層２５に二層体６１を重ね合わせることで、未乾燥状態の電極−膜接合体１２を得る。

ここで、正極側拡散層２７に正極側下地層２６を塗布する方法は任意である。
すなわち、正極側拡散層２７に正極側下地層２６を塗布する方法は、図３（ｂ）および図４（ａ）で示す負極側拡散層２１に負極側下地層２２を塗布する方法と同一でなくともよい。

しかしながら、正極側拡散層２７に正極側下地層２６を塗布する方法を、図３（ｂ）および図４（ａ）で示す方法と同一にすることも可能である。
すなわち、正極側下地層２６に含むカーボン３１の粒径を０．１〜１０μｍと小径にし、正極側下地層２６の固形分率を２〜２０ｗｔ％として粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓと下げ、この正極側下地層２６を塗布する際に、正極側下地層２６の表面２６ａをブレードでならすことも可能である。
これにより、正極側下地層２６の表面２６ａを、正極側拡散層２７の凹凸状の表面２７ａの影響を受けないで平坦にすることができる。

（ｂ）において、未乾燥状態の電極−膜接合体１２を得た後、未乾燥状態の電極−膜接合体１２に荷重Ｆをかけた状態でヒータ６３で矢印ｈの如く加熱する。
未乾燥状態の電極−膜接合体１２をヒータ６３で加熱することで、未乾燥状態の電極−膜接合体１２から溶媒を矢印ｉの如く蒸発させて、未乾燥状態の電極−膜接合体１２を乾燥する。

図９は図８（ｂ）の９部拡大図を示す図である。
電極−膜接合体１２を乾燥して電極−膜接合体１２から溶媒（図示せず）を除去した後において、電極−膜接合体１２を乾燥する前の状態と同様に、電解質膜２４の下側の表面２４ｂを略平坦に保つとともに、電解質膜２４の表面２４ａを平坦に保つ。
このため、電解質膜２４の膜厚を、乾燥前の膜厚ｔと同様あるいは、乾燥前の膜厚ｔより僅かに薄くなった状態で、略均一に保つことが可能である。
これにより、燃料電池用電極−膜接合体１２の発電性能を確保することができる。

なお、前記実施の形態では、燃料電池用電極−膜接合体１２を、負極側拡散層２１、負極側下地層２２、負電極層２３、電解質膜２４、正電極層２５、正極側下地層２６、正極側拡散層２７の順に積層したものを例に説明したが、これに限らないで、燃料電池用電極−膜接合体１２を、正極側拡散層２７、正極側下地層２６、正電極層２５、電解質膜２４、負電極層２３、負極側下地層２２、負極側拡散層２１の順に積層することも可能である。

また、前記実施の形態では、ブレード塗布装置４２を移動して負極側下地層２２を塗布し、ブレード塗布装置５１を移動して電解質膜２４を塗布する例について説明したが、これに限らないで、ブレード塗布装置４２，５１を固定し、被塗布層側を移動して、負極側下地層２２や電解質膜２４を塗布することも可能である。

さらに、前記実施の形態では、スプレー塗布装置４７，５６などの噴射ノズル４８，５７などを移動して、負電極層２３や正電極層２５などを塗布する例について説明したが、これに限らないで、スプレー塗布装置４７，５６などを固定し、被塗布層側を移動して、負電極層２３や正電極層２５などを塗布することも可能である。

また、前記実施の形態では、電解質膜２４をブレード塗布装置５１を用いて塗布した例について説明したが、これに限らないで、スプレー塗布装置を用いて電解質膜２４を塗布することも可能である。

本発明は、正・負極側の拡散層、正・負極側の下地層、正・負極側の電極層および電解質膜を積層した燃料電池用電極−膜接合体の製造方法に好適である。

本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を備えた燃料電池ユニットを示す分解斜視図である。 本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を示す説明図である。 本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負極側拡散層に負極側下地層を塗布する例を説明する図である。 本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負極側拡散層に負極側下地層を塗布した状態を説明する図である。 本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負極側下地層に負電極層を塗布する例を説明する図である。 本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の負電極層に電解質膜を塗布する例を説明する図である。 本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の電解質膜に正電極層を塗布する例を説明する図である。 本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体の正電極層に、正極側拡散層に正極側下地層を塗布した二層体を重ね合わせる例を説明する図である。 図８（ｂ）の９部拡大図を示す図である。 従来の燃料電池用電極−膜接合体を示す断面図である。 図１０の１１部拡大図である。

符号の説明

１０…燃料電池ユニット、１２…燃料電池用電極−膜接合体、２１…負極側拡散層、２２…負極側下地層、２３…負電極層、２４…電解質膜、２５…正電極層、２６…正極側下地層、２７…正極側拡散層、２８，３１…カーボン（カーボン粒）、２９，３２…溶媒。

Claims (1)

1. 正・負極の一方側の拡散層に下地層を塗布し、この下地層が未乾燥のうちに、正・負極の一方の電極層を塗布し、この電極層が未乾燥のうちに電解質膜を塗布し、この電解質膜が未乾燥のうちに、正・負極の他方の電極層を塗布し、この電極層が未乾燥のうちに、正・負極の他方側の拡散層に下地層を塗布した二層体を重ね合わせて未乾燥状態の電極−膜接合体を得、この未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥する燃料電池用電極−膜接合体の製造方法であって、
   前記正・負極の一方側の拡散層に塗布する下地層を、カーボン粒、バインダーおよび溶媒で構成し、
   カーボン粒とバインダーと溶媒との質量和を分母とし、カーボン粒とバインダーとの質量和を分子として得る値を、この下地層の固形分率と呼び、
   このカーボン粒の粒径を０．１〜１０μｍとし、
   この下地層の固形分率を２〜２０ｗｔ％とし、
   この下地層の粘度を０．０５〜１Ｐａ・ｓとし、
   この下地層の表面をブレードでならすことで前記正・負極の一方側の拡散層に塗布することを特徴とする燃料電池用電極−膜接合体の製造方法。
   

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