[发明专利]固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法及制造装置、固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法及制造装置，以及使用这些制造方法及制造装置制造的固体高分子型燃料电池。

背景技术

燃料电池是通过以氢和氧为燃料发生水的电解的逆反应而产生电的发电系统。与以往的发电方法相比，其具有功率高、环境影响低及噪音小的特征，因此作为未来的绿色能源而受到关注。其中，能在接近室温的条件下使用的固体高分子型燃料电池，有望被用于车载电源或家庭固定电源等，因此近年来正在进行各种研究开发。而且，使固体高分子型燃料电池达到实用化，需要提高电池性能，建立基础设施的同时，开发出一种成本低、效率高的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造技术。

固体高分子型燃料电池一般由多个电池单体层叠而构成。电池单体的构成为，通过具有气体流路的分离器夹持固体高分子型燃料电池用膜电极接合体，而该固体高分子型燃料电池用膜电极接合体由氧化极和还原极的两个电极夹持并接合于固体高分子电解质膜而成。在典型的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体中，为了使接合在固体高分子电解质膜的两面的催化剂层之间保持电绝缘状态，在固体高分子电解质膜上接合催化剂层的范围的周边，设置未形成有催化剂层的固体高分子电解质膜的范围。

作为形成固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的方法，例如有如专利文献1所述的方法，将基材上形成有目标形状的催化剂层的转印薄膜配置在电解质膜的两面，从而将催化剂层转印至电解质膜。

此外，作为形成固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的其它方法，已知有如下方法。如专利文献2所述，在电解质膜上粘接剪下目标催化剂层形状后的框状的掩膜，在比开口部更大的范围涂布催化剂印墨之后剥落掩膜的方法，以及如专利文献3所述，通过控制涂布作业，向电解质膜间歇地涂布催化剂印墨的方法。在所述任一方法中，均需要使用卷对卷（roll to roll）涂布法，以提高生产效率。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：特开2006-185762号公报

专利文献2：特开2010-129247号公报

专利文献3：特开2006-43505号公报

发明内容

但是，在专利文献1所述的方法中，存在如下问题。因为使用作为辅助材料的转印薄膜基材，除了基材本身以外，在使用卷对卷涂布法的情况下还需要用于放卷或收回的设备，所以难以降低制造成本。并且，在专利文献1所述的方法中，将形成在转印薄膜上并干燥固化的催化剂层通过热压等粘接在电解质膜上，所以存在难以很好地将电解质膜与催化剂层粘接，从而导致界面电阻大的性能上的问题。

此外，在专利文献2以及专利文献3所述的方法中，不使用转印薄膜而直接在电解质膜上涂布催化剂印墨，虽然可达到低成本化，但是包含于催化剂印墨的溶媒成分使高分子电解质膜发生膨润，而且通过干燥，使电极催化剂层及高分子电解质膜进行收缩，因此会发生电解质膜变形而产生折皱的问题或催化剂层的表面产生裂纹的问题。这些问题会影响到电池性能或耐久性。

并且，在专利文献2所述的方法中，需要作为辅助材料的剪下目标催化剂层形状后的框状的掩膜，而与专利文献1所述的方法一样，除了基材本身以外，还由于制造线的复杂化，难以降低成本。

此外，专利文献3所述的方法是通过使用狭缝式模头挤出涂布（Slit Die Coating）等方法控制涂布作业，从而间歇地涂布催化剂印墨，但是在通过狭缝式模头挤出涂布等作业中，在涂布作业开始和结束的部分膜厚不稳定，因此难以获得在整个面上均匀的涂层。并且，专利文献3所述的方法中，在涂布作业开始的部分常常会混入气泡或夹杂物，因此出现不均匀的涂层。而且，在将上述涂层作为电极催化剂层使用的情况下，可能会产生发电性能下降或给电解质膜带来损伤而导致耐久性下降的问题。此外，当通过模头挤出涂布（Die Coating）方式间歇地涂布催化剂印墨时，其面形状限定为大致矩形。

本发明旨在解决上述问题，提供一种不使用辅助材料的薄膜类，且以低成本高效率制造固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法及其制造装置，该固体高分子型燃料电池用膜电极接合体在电解质膜的两面具有呈目标形状且膜厚均匀性较好的电极催化剂层，并具有小的界面电阻。

为解决上述问题，在本发明中，权利要求1所述的发明是一种固体高分子型燃料电池用膜电极接合体的制造方法，所述膜电极接合体在固体高分子电解质膜的两面具有电极催化剂层，其特征在于，包括：