專(zhuān)利名稱(chēng)：膜-電極接合體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體高分子型燃料電池的膜-電極接合體的制造方法。 更詳細(xì)地說(shuō)，涉及高分子電解質(zhì)膜的周緣部具有加強(qiáng)部件的膜-電極接 合體的制造方法。
背景技術(shù)：
固體高分子型燃料電池具有在具有陽(yáng)離子傳導(dǎo)性的高分子電解質(zhì) 膜的兩面上疊層有催化劑層(電極層)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為膜-電極
接合體(MEA: Membrane Electrode Assembly )。在膜-電極接合體的兩 面上設(shè)置氣體擴(kuò)散層，形成膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體。膜-電極-氣體 擴(kuò)散層接合體形成為由刻有氣體流路的一對(duì)隔板(separator)氣密地夾 持而構(gòu)成單元，并疊層該單元的被稱(chēng)為堆棧(stack)的結(jié)構(gòu)。
通過(guò)一個(gè)隔板的流路向高分子電解質(zhì)膜的一個(gè)面(陰極側(cè))供給 氧等氧化劑氣體。通過(guò)另一個(gè)隔板的流路向高分子電解質(zhì)膜的另一個(gè) 面(陽(yáng)極側(cè))供給氫等燃料。在陽(yáng)極側(cè)，燃料在氣體擴(kuò)散層中擴(kuò)散并 到達(dá)催化劑層，在催化劑層通過(guò)電極反應(yīng)，從燃料產(chǎn)生陽(yáng)離子和電子。 該陽(yáng)離子通過(guò)上述高分子電解質(zhì)膜向陰極側(cè)移動(dòng)。在陰極側(cè)，氧化劑 在氣體擴(kuò)散層中擴(kuò)散并到達(dá)催化劑層，通過(guò)電極反應(yīng)由上述陽(yáng)離子和 氧化劑產(chǎn)生水等。陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)的電極反應(yīng)被包含于催化劑層的銷(xiāo) 等催化劑促進(jìn)。上述電子也被吸引向陰極側(cè)，通過(guò)向外部取出該電子 的流動(dòng)，能夠?qū)⒒瘜W(xué)反應(yīng)(氧化還原反應(yīng))的能量用作電力。
制造堆棧時(shí)，高分子電解質(zhì)膜被電極、隔板夾持，通過(guò)端板和螺 栓緊固。為了承受緊固的壓力，并且為了不產(chǎn)生由于長(zhǎng)時(shí)間的使用而 引起磨損等物理上的破損，上述高分子電解質(zhì)膜必須具有足夠的強(qiáng)度。 另一方面，從提高陽(yáng)離子傳導(dǎo)性等理由出發(fā)，必須使上述高分子電解 質(zhì)膜盡量薄。基于這些理由，期望不增加厚度而提高高分子電解質(zhì)膜 的強(qiáng)度。
作為解決上述課題的技術(shù)，有專(zhuān)利文獻(xiàn)1的實(shí)施例2公開(kāi)的固體 高分子型燃料電池。在該固體高分子型燃料電池中，通過(guò)在高分子電 解質(zhì)膜的周緣部安裝框體，提高高分子電解質(zhì)膜的強(qiáng)度。催化劑層被 涂敷在碳無(wú)紡織布(氣體擴(kuò)散層)上，與安裝有框體的高分子電解質(zhì) 膜接合。碳無(wú)紡織布(氣體擴(kuò)散層)和催化劑層以相比框體的孔在兩側(cè)均大若干(lmm左右)的方式形成并接合，使得催化劑層完全覆蓋 框體的內(nèi)側(cè)。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本專(zhuān)利特開(kāi)平10-308228號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
在上述現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中，由于催化劑層和氣體擴(kuò)散層比框體的孔大， 所以催化劑層與氣體擴(kuò)散層均伸出到框體上。伸出到框體上的催化劑 層與框體的內(nèi)緣的角接觸。在該狀態(tài)下，當(dāng)由隔板夾持膜-電極接合體 時(shí)，按壓集中在催化劑層與框體的接觸部分，存在催化劑層歪斜或破 損的可能性。如使催化劑層比框體的孔小，則能夠防止歪斜和破損。 但是，在該結(jié)構(gòu)中氣體擴(kuò)散層和催化劑層會(huì)與框體之間產(chǎn)生間隙，通 過(guò)該間隙，存在產(chǎn)生反應(yīng)氣體的短路的可能性。這樣，在現(xiàn)有方法中， 難以通過(guò)定位或部件尺寸的精度的限定，制造框體與催化劑層之間沒(méi) 有重疊或間隙的膜-電極接合體。
本發(fā)明是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種高效 制造膜-電極接合體的方法，該膜-電極接合體在高分子電解質(zhì)膜的周緣 部配設(shè)有框體(加強(qiáng)部件)，在加強(qiáng)部件的內(nèi)側(cè)無(wú)間隙地形成有催化劑 層，由堆棧組裝時(shí)的按壓難以產(chǎn)生催化劑層的歪斜或破損。
本發(fā)明人反復(fù)銳意研究在具有高分子電解質(zhì)膜的周緣部由硬質(zhì)樹(shù) 脂加強(qiáng)的膜-電極接合體的燃料電池中，提高發(fā)電效率、裝置壽命、制 造效率等。其結(jié)果，判明在高分子電解質(zhì)膜的周緣部容易產(chǎn)生反應(yīng)氣體(氧化劑氣體、燃料氣體)直接通過(guò)膜進(jìn)行反應(yīng)的問(wèn)題(交叉泄漏 (cross leak)、交叉滲透(cross over))。問(wèn)題的原因推測(cè)為，在膜-電 極接合體中存在反應(yīng)氣體不經(jīng)由催化劑層，從氣體擴(kuò)散層直接到達(dá)膜 的通路。產(chǎn)生交叉泄漏的部分集中在高分子電解質(zhì)膜的周緣部分。判 明在周緣部分膜的劣化進(jìn)行得尤其快速，存在降低燃料電池的壽命的
可能性。為了防止交叉泄漏，有必要以使反應(yīng)氣體必須通過(guò)催化劑層 到達(dá)高分子電解質(zhì)膜的方式構(gòu)成膜-電極接合體。
在現(xiàn)有的方法中，如上所述，在催化劑層與框體之間容易產(chǎn)生重 疊或間隙。如產(chǎn)生間隙則當(dāng)然產(chǎn)生交叉泄漏。另一方面，考慮到如采 用重疊催化劑層和框體的結(jié)構(gòu)，則由于氣體通過(guò)催化劑層到達(dá)膜，不 會(huì)產(chǎn)生交叉泄漏。但是，按壓集中在框體與催化劑層的重疊部分。如 由于按壓使催化劑層產(chǎn)生歪斜、破損，則產(chǎn)生交叉泄漏。根據(jù)以上的 研究，本發(fā)明人注意到在個(gè)別形成框體和催化劑層并接合的情況下， 重疊或間隙是必然產(chǎn)生的問(wèn)題。進(jìn)而本發(fā)明人考慮到如在將框體安裝 于高分子電解質(zhì)膜之后，在框體內(nèi)側(cè)涂敷催化劑層，則在框體和催化 劑層之間不會(huì)產(chǎn)生重疊或間隙。
其中，高分子電解質(zhì)膜根據(jù)濕度等伸縮，存在如直接在膜上涂敷 催化劑層則產(chǎn)生皺褶而成為問(wèn)題的情況。這也是在膜上直接形成催化 劑層的方法并非現(xiàn)有技術(shù)的一般方法的一個(gè)原因。但是，根據(jù)本發(fā)明 人的研究，判明通過(guò)由吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)吸 引并固定膜，或者以在襯里部件上載置膜的狀態(tài)(保持、固定)，涂敷 催化劑層，能夠防止皺褶的產(chǎn)生。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法包括將 形成有包圍開(kāi)口的框部的加強(qiáng)部件，以上述框部覆蓋上述高分子電解 質(zhì)膜的至少一個(gè)面的周緣部的方式，設(shè)置在上述高分子電解質(zhì)膜上的 加強(qiáng)部件配設(shè)工序；至少在露出于上述加強(qiáng)部件的開(kāi)口的上述高分子 電解質(zhì)膜的整個(gè)面上涂敷催化劑層的催化劑層涂敷工序；和以覆蓋上 述催化劑層的方式配設(shè)氣體擴(kuò)散層的氣體擴(kuò)散層配設(shè)工序。
在該方法中，由于以覆蓋加強(qiáng)部件的開(kāi)口的內(nèi)側(cè)整個(gè)面，并且在 加強(qiáng)部件上擴(kuò)展的方式涂敷催化劑層，所以在加強(qiáng)部件與催化劑層之 間不產(chǎn)生間隙。因?yàn)榇呋瘎硬皇怯∷⒌綗o(wú)紡織布等上并進(jìn)行安裝， 而是涂敷在高分子電解質(zhì)膜上，所以即使催化劑層與加強(qiáng)部件重疊， 催化劑層也不產(chǎn)生歪斜或破損。由此，能夠高效地制造在高分子電解 質(zhì)膜的周緣部配設(shè)有加強(qiáng)部件，在加強(qiáng)部件的內(nèi)側(cè)無(wú)間隙地形成有催 化劑層，由堆棧組裝時(shí)的按壓難以在催化劑層產(chǎn)生歪斜和破損的膜-電 極接合體。
此外，本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法也可以在上述催化劑層
涂敷工序中通過(guò)噴射(spray)涂敷上述催化劑層。
如利用噴射，則能夠容易地以覆蓋加強(qiáng)部件的開(kāi)口的內(nèi)側(cè)整個(gè)面， 并且在加強(qiáng)部件上擴(kuò)展的方式涂敷催化劑層。
此外，本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法，還可以包括形成具
有上述加強(qiáng)部件和覆蓋部件的復(fù)合部件的復(fù)合部件形成工序，該覆蓋 部件具有與上述加強(qiáng)部件實(shí)質(zhì)上相同的平面形狀且覆蓋上述加強(qiáng)部件
的一個(gè)面；和在涂敷上述催化劑層后將上述覆蓋部件從上述加強(qiáng)部件 除去的覆蓋部件除去工序，在上述加強(qiáng)部件配設(shè)工序中，以上述加強(qiáng) 部件比上述覆蓋部件更位于上述高分子電解質(zhì)膜一側(cè)的方式，設(shè)置上 述復(fù)合部件，在上述催化劑層涂敷工序中，以從上述復(fù)合部件的開(kāi)口 向上述開(kāi)口的周邊部擴(kuò)展的方式，涂敷上述催化劑層，
根據(jù)該方法，通過(guò)在涂敷催化劑層后除去覆蓋部件，使得加強(qiáng)部 件的主面不被催化劑粒子污染。通過(guò)回收覆蓋部件上的催化劑粒子， 能夠提高催化劑的利用效率。而且，所謂實(shí)質(zhì)上相同的平面形狀也包 括例如在加強(qiáng)部件與覆蓋部件的任一個(gè)具有微小切口或孔的情況下， 或在由于制造上的誤差加強(qiáng)部件與覆蓋部件的大小存在若干差異的情 況下，加強(qiáng)部件與覆蓋部件具有不重疊部分的狀況。
此外，在本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法中，上述復(fù)合部件形 成工序也可以通過(guò)貼合并沖裁兩塊樹(shù)脂板(sheet)形成上述復(fù)合部件。
根據(jù)該方法，能夠容易地制作復(fù)合部件。由于覆蓋部件與加強(qiáng)部 件具有相同的形狀，所以能夠?qū)⒊サ母采w部件使用于加強(qiáng)部件，或 作為覆蓋部件重復(fù)使用。
此外，在本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法中，上述加強(qiáng)部件配
設(shè)工序還可以包括在上述第一高分子電解質(zhì)膜上設(shè)置形成有包圍開(kāi)
口的框部的第一加強(qiáng)部件，使得上述框部覆蓋第一高分子電解質(zhì)膜的
至少一個(gè)面的周緣部的第一加強(qiáng)部件配設(shè)工序；和在上述第二高分子
電解質(zhì)膜上設(shè)置形成有包圍開(kāi)口的框部的第二加強(qiáng)部件，使得上述框 部覆蓋第二高分子電解質(zhì)膜的至少一個(gè)面的周緣部的第二加強(qiáng)部件配
設(shè)工序，上述催化劑層涂敷工序包括至少在露出于上述第一加強(qiáng)部 件的開(kāi)口的上述第一高分子電解質(zhì)膜的整個(gè)面上涂敷第一催化劑層的第一催化劑層涂敷工序；和至少在露出于上述第二加強(qiáng)部件的開(kāi)口的 上述第二高分子電解質(zhì)膜的整個(gè)面上涂敷第二催化劑層的第二催化劑 層涂敷工序，還包括使涂敷有上述第一催化劑層的上述第一高分子電 解質(zhì)膜中未被涂敷上述第一催化劑層的面，與涂敷有上述第二催化劑 層的上述第二高分子電解質(zhì)膜中未被涂敷上述第二催化劑層的面相接 的高分子電解質(zhì)膜相接工序。
根據(jù)該方法，能夠?qū)蓧K高分子電解質(zhì)膜分別進(jìn)行催化劑層的涂敷。
此外，在本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法中，還可以包括形 成具有上述第一加強(qiáng)部件和第一覆蓋部件的第一復(fù)合部件的第一復(fù)合 部件形成工序，該第一覆蓋部件具有與上述第一加強(qiáng)部件實(shí)質(zhì)上相同 的平面形狀且覆蓋上述第一加強(qiáng)部件的一個(gè)面；形成具有上述第二加 強(qiáng)部件和第二覆蓋部件的第二復(fù)合部件的第二復(fù)合部件形成工序，該 第二覆蓋部件具有與上述第二加強(qiáng)部件實(shí)質(zhì)上相同的平面形狀且覆蓋 上述第二加強(qiáng)部件的--個(gè)面；在涂敷上述第一催化劑層后將上述第一 覆蓋部件從上述第一加強(qiáng)部件除去和第一覆蓋部件除去工序；和在涂 敷上述第二催化劑層后將上述第二覆蓋部件從上述第二加強(qiáng)部件除去 的第二覆蓋部件除去工序，在上述第一加強(qiáng)部件配設(shè)工序中，以上述 第一加強(qiáng)部件比上述第一覆蓋部件更位于上述第一高分子電解質(zhì)膜一 側(cè)的方式，設(shè)置上述第一復(fù)合部件，在上述第二加強(qiáng)部件配設(shè)工序中， 以上述第二加強(qiáng)部件比上述第二覆蓋部件更位于上述第二高分子電解 質(zhì)膜一側(cè)的方式，設(shè)置上述第二復(fù)合部件，在上述第一催化劑層涂敷 工序中，以從上述第一復(fù)合部件的開(kāi)口向上述開(kāi)口的周邊部擴(kuò)展的方 式，涂敷上述第一催化劑層，在上述第二催化劑層涂敷工序中，以從 上述第二復(fù)合部件的開(kāi)口向上述開(kāi)口的周邊部擴(kuò)展的方式，涂敷上述 第二催化劑層。
根據(jù)該方法，通過(guò)在涂敷催化劑層后除去覆蓋部件，使得加強(qiáng)部 件的主面不被催化劑粒子污染。通過(guò)回收覆蓋部件上的催化劑粒子， 能夠提高催化劑的利用效率。同時(shí)，能夠?qū)蓧K高分子電解質(zhì)膜分別 進(jìn)行催化劑層的涂敷。
此外，本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法，還可以包括在第一襯里部件的一個(gè)面上保持上述第一高分子電解質(zhì)膜的第一高分子電解 質(zhì)膜保持工序；和在第二襯里部件的一個(gè)面上保持上述第二高分子電 解質(zhì)膜的第二高分子電解質(zhì)膜保持工序，上述第一加強(qiáng)部件配設(shè)工序 是以上述第一加強(qiáng)部件覆蓋上述第一高分子電解質(zhì)膜中未被上述第一 襯里部件保持的面的方式，在上述第一高分子電解質(zhì)膜上設(shè)置上述第 一復(fù)合部件的工序，上述第二加強(qiáng)部件配設(shè)工序是以上述第二加強(qiáng)部 件覆蓋上述第二高分子電解質(zhì)膜中未被上述第二襯里部件保持的面的 方式，在上述第二高分子電解質(zhì)膜上設(shè)置上述第二復(fù)合部件的工序， 還包括在上述高分子電解質(zhì)膜相接工序之前，從涂敷有上述第一催 化劑層的上述第一高分子電解質(zhì)膜除去上述第一襯里部件的第一襯里 部件除去工序；和在上述高分子電解質(zhì)膜相接工序之前，從涂敷有上 述第二催化劑層的上述第二高分子電解質(zhì)膜除去上述第二襯里部件的 第二襯里部件除去工序。
根據(jù)該方法，通過(guò)在涂敷催化劑層后除去覆蓋部件，使得加強(qiáng)部 件的主面不被催化劑粒子污染。通過(guò)回收覆蓋部件上的催化劑粒子， 能夠提高催化劑的利用效率。此外，由于在將高分子電解質(zhì)膜固定在 襯里部件上的狀態(tài)下進(jìn)行催化劑層的涂敷，所以能夠可靠防止高分子 電解質(zhì)膜的皺褶的產(chǎn)生。
其中，所謂"相接"并不一定僅指2個(gè)部件以直接接觸的方式貼 合的情況，也包括隔著某些部件(加強(qiáng)件或其它高分子電解質(zhì)層等)貼合2個(gè)部件的情況。
本發(fā)明的上述目的、其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)參照附圖和 以下的適宜的實(shí)施方式的詳細(xì)說(shuō)明變得明確。
本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法具有以上所述的結(jié)構(gòu)，起到以 下的效果。即，能夠提供高效制造膜-電極接合體的方法，該膜-電極接 合體在高分子電解質(zhì)膜的周緣部配設(shè)有加強(qiáng)部件，在加強(qiáng)部件的內(nèi)側(cè) 無(wú)間隙地形成有催化劑層，由堆棧組裝時(shí)的按壓難以產(chǎn)生催化劑層的 歪斜和破損。


圖1-A是示意性地表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法的一例的工序圖，是僅表示高分子電解質(zhì)膜的狀態(tài)的圖。
圖l-B是示意性地表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝加強(qiáng)部件 的工序的圖。
圖1-C是示意性地表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示從加強(qiáng)部件上涂敷催化劑層，成為 膜-電極接合體的狀態(tài)的圖。
圖l-D是示意性地表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成 為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法制作的膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的使用狀態(tài)的截面的示意圖。
圖3-A是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是僅表示高分子電解質(zhì)膜的狀態(tài)的圖。
圖3-B是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝加強(qiáng)部件 和覆蓋部件的工序的圖。
圖3-C是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示從覆蓋部件上涂敷有催化劑層的狀 態(tài)的圖。
圖3-D是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示除去覆蓋部件后的狀態(tài)的圖。
圖3-E是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成 為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方 法制作的膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的使用狀態(tài)的截面的示意圖。
圖5-A是示意性地表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是僅表示高分子電解質(zhì)膜的狀態(tài)的圖。
圖5-B是示意性地表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝加強(qiáng)部件
和覆蓋部件的工序的圖。
圖5-C是示意性地表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示從覆蓋部件上涂敷有催化劑層的狀 態(tài)的圖。
圖5-D是示意性地表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的
制造方法的一例的工序圖，是表示除去覆蓋部件后的狀態(tài)的圖。
圖5-E是示意性地表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示使高分子電解質(zhì)膜之間接合，成為 膜-電極接合體的狀態(tài)的圖。
圖5-F是示意性地表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的 制造方法的一例的工序圖，是表示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成 為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方 法制作的膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的使用狀態(tài)的截面的示意圖。
圖7-A是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散 層接合體的制造方法的工序圖，是表示在襯里部件上保持有高分子電 解質(zhì)膜的狀態(tài)的圖。
圖7-B是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝有加強(qiáng)部件和 覆蓋部件的狀態(tài)的圖。
圖7-C是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示從覆蓋部件上涂敷有催化劑層的狀態(tài)的 圖。
圖7-D是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示除去覆蓋部件后的狀態(tài)的圖。
圖7-E是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示使高分子電解質(zhì)膜之間接合，成為膜-電 極接合體的狀態(tài)的圖。
圖7-F是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。
圖7-G是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示在膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體上接合襯墊 和隔板，成為單元的狀態(tài)的圖。
圖8-A是示意性地表示本發(fā)明的比較例1的膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散 層接合體的制造方法的工序圖，是表示在襯里部件上保持有高分子電 解質(zhì)膜的狀態(tài)的圖。
圖8-B是示意性地表示本發(fā)明的比較例1的膜-電極接合體的制造方法的一例的工序圖，是表示在高分子電解質(zhì)膜上涂敷有催化劑層的 狀態(tài)的圖。
圖8-C是示意性地表示本發(fā)明的比較例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示在催化劑層的外周安裝有框體的狀態(tài)的 圖。
圖8-D是示意性地表示本發(fā)明的比較例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示使高分子電解質(zhì)膜之間接合，成為膜-電 極接合體的狀態(tài)的圖。
圖8-E是示意性地表示本發(fā)明的比較例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。
圖8-F是示意性地表示本發(fā)明的比較例1的膜-電極接合體的制造 方法的一例的工序圖，是表示在膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體上接合襯墊 和隔板，成為單元的狀態(tài)的圖。
符號(hào)說(shuō)明
102高分子電解質(zhì)膜
104A、 104B加強(qiáng)部件
109A、 109B催化劑層
113膜-電極接合體
114A、 114B氣體擴(kuò)散層
115膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體
119A、19B襯墊
120A、 120B 隔板
121間隙122流路
123A、 123B 開(kāi)口 202高分子電解質(zhì)膜 204A、 204B 加強(qiáng)部件 205A、 205B 覆蓋部件 206A、 206B 復(fù)合部件 208A、 208B催化劑分散液層 209A、 209B 催化劑層 213膜-電極接合體 214A、 214B氣體擴(kuò)散層 215膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體 219A、 219B 襯墊 220A、 220B 隔板
221 間隙
222 流路 223A、 223B 302A、 302B 304A、 304B 305A、 305B 306A、 306B 308A、 308B 309A、 309B 312高分子電解質(zhì)膜 313膜-電極接合體 314A、 314B氣體擴(kuò)散層
315膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體
319A、 319B 襯墊
320A、 320B 隔板
321間隙
322流路
323 開(kāi)口
開(kāi)口
高分子電解質(zhì)膜
加強(qiáng)部件
覆蓋部件
復(fù)合部件
催化劑分散液層
催化劑層401A、 401B 402A、 402B 403A、 403B 404A、 404B 405A、 405B A、 406B 407A、 407B 408A、 408B 409A 、 409B 410A、 410B
PET基材
高分子電解質(zhì)膜
基材-膜接合體
框體
掩模體
多層框體
基材-膜-框體接合體
電極用催化劑分散液層
催化劑層
膜-框體-催化劑層接合體 基材-膜-框體-催化劑層接合體
411A、 411B
412高分子電解質(zhì)膜 413膜-催化劑層接合體
414A、 414B 帶導(dǎo)電層的碳纖維布(carbon cloth) 415膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散層接合體 419A、 419B 襯墊 420A、 420B 隔板 421 間隙 422流路 423A、 423B 424 單元 501A、 501B 502A、 502B 503A、 503B 504A、 504B 509A、 509B 511A、 511B 512高分子電解質(zhì)膜 513膜-催化劑層接合體 514A、 514B帶導(dǎo)電層的碳纖維布 515膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散層接合體
開(kāi)口
PET基材
高分子電解質(zhì)膜
基材-膜接合體
框體
催化劑層
基材-膜-框體-催化劑層接合體516A、 516B 膜-催化劑層接合體 517A、 517B 基材-膜-催化劑層接合體 518間隙 519A、 519B 襯墊 520A、 520B 隔板 521間隙 522流路 524 單元
具體實(shí)施例方式
以下參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。
(第一實(shí)施方式)
圖l-A 圖],D是示意性地表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜-電極 接合體的制造方法的一例的工序圖。圖1-A是僅表示高分子電解質(zhì)膜 的狀態(tài)的圖。圖1-B是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝加強(qiáng)部件的工序 的圖。圖1-C是表示從加強(qiáng)部件上涂敷催化劑層，成為膜-電極接合體 的狀態(tài)的圖。圖l-D是表示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成為膜-電 極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。以下，參照?qǐng)Dl-A 圖l-D說(shuō)明本 實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法。而且，附圖僅是用于例示各工 序的各部件的位置關(guān)系的示意圖，不限定相對(duì)的大小、形狀、厚度等。
在圖l-A所示的工序中，準(zhǔn)備高分子電解質(zhì)膜102。高分子電解質(zhì) 膜102優(yōu)選是具有陽(yáng)離子導(dǎo)電性的膜，例如適用全氟磺酸(perfluoro sulfonic acid)膜。
在圖1-B所示的工序中，在高分子電解質(zhì)膜102的周緣部的兩面 上安裝加強(qiáng)部件104A、 104B (加強(qiáng)部件配設(shè)工序)。加強(qiáng)部件104A、 104B以包圍開(kāi)口 123A、 123B的方式形成框部，框部的外周具有與 高分子電解質(zhì)膜102的外周大致相同的形狀。通過(guò)加強(qiáng)部件104A、 104B的框部覆蓋高分子電解質(zhì)膜102的兩面的周緣部。加強(qiáng)部件 104A、 104B的材料優(yōu)選具有抗蝕性(耐酸性)和耐熱性，例如適用 聚四氟乙烯樹(shù)脂(PTFE)。加強(qiáng)部件104A、 104B例如由湯姆遜
(Thomson)模型沖裁PTFE的板而制成。向高分子電解質(zhì)膜102安 裝加強(qiáng)部件104A、 104B的方法優(yōu)選能夠以適度的強(qiáng)度進(jìn)行安裝的 方法，例如使用熱壓接或粘接劑的粘接等。
在圖l-C所示的工序中，涂敷催化劑層109A、 109B (電極)(催 化劑層涂敷工序)。催化劑層109A、 109B例如適用混合有在碳粒子上 載持有鉑等催化劑的催化劑載持粒子和高分子電解質(zhì)的物質(zhì)。催化劑 層109A、 109B的涂敷，例如在乙醇或乙醇與水的混合物等溶劑中混 合高分子電解質(zhì)的樹(shù)脂而形成分散液，進(jìn)一步混合催化劑載持粒子調(diào) 整催化劑分散液。通過(guò)使用噴射法、旋轉(zhuǎn)涂敷法、刮刀(doctorblade) 法、模壓涂層(die coating)法、絲網(wǎng)印刷等公知的薄膜制造技術(shù)，在 高分電解質(zhì)膜102和加強(qiáng)部件104上涂敷該催化劑分散液，并使其干 燥以使溶劑揮發(fā)，從而形成催化劑層109A、 109B。作為催化劑層的涂 敷方法，噴射法最佳。
當(dāng)涂敷催化劑分散液時(shí)，存在在高分子電解質(zhì)膜上產(chǎn)生皺褶的情 況。為了防止皺褶的產(chǎn)生，優(yōu)選在催化劑層的涂敷時(shí)固定高分子電解 質(zhì)膜。作為固定方法，例如可列舉通過(guò)吸引能夠?qū)⒏叻肿与娊赓|(zhì)膜 固定在加工臺(tái)上的吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)的固定， 或襯里部件的使用。
在使用吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)的情況下，通 過(guò)將高分子電解質(zhì)膜載置在吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置) 的加工臺(tái)上，并吸引其一個(gè)面(面A)以固定膜，在向相對(duì)面(面B) 安裝加強(qiáng)部件后涂敷催化劑層。在向面B的催化劑層的涂敷后，將高 分子電解質(zhì)膜從吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)的加工臺(tái) 卸下并使其反轉(zhuǎn)，吸引面B—側(cè)以再次固定高分子電解質(zhì)膜，進(jìn)行對(duì) 面A的加強(qiáng)部件的安裝和催化劑層的涂敷。
在使用襯里部件的情況下，首先將高分子電解質(zhì)膜保持在襯里部 件之上，在向與襯里部件相接的面(面A)的相對(duì)側(cè)的面(面B)安 裝加強(qiáng)部件后涂敷催化劑層。在向面B的催化劑層的涂敷后，從高分 子電解質(zhì)膜卸下襯里部件，對(duì)面A進(jìn)行加強(qiáng)部件的安裝和催化劑的涂 敷。
催化劑層109A以在露出于加強(qiáng)部件104A的開(kāi)口 123A的高分子電解質(zhì)膜102的整個(gè)面上覆蓋高分子電解質(zhì)膜102，并且擴(kuò)展至開(kāi)口123A的周邊部的方式被涂敷。催化劑層109B以在露出于加強(qiáng)部件 104B的開(kāi)口 123B的高分子電解質(zhì)膜102的整個(gè)面上覆蓋高分子電解 質(zhì)膜102，并且擴(kuò)展至開(kāi)口 123B的周邊部的方式被涂敷。通過(guò)涂敷催 化劑層109A、 109B，得到膜-電極接合體113。
在圖l-D所示的工序中，以覆蓋催化劑層109A、 109B的方式形 成氣體擴(kuò)散層114A、 114B (氣體擴(kuò)散層配設(shè)工序)。氣體擴(kuò)散層114A、 114B優(yōu)選具有充分的透氣性和導(dǎo)電性，例如適用碳纖維布等。氣體擴(kuò) 散層114A、 114B的安裝方法優(yōu)選能夠以適度的強(qiáng)度進(jìn)行接合的方法， 例如使用粘接劑進(jìn)行粘接等。但是，在由隔板等進(jìn)行夾持的情況下， 也可以不粘接膜-電極接合體113和氣體擴(kuò)散層114A、 114B，而僅進(jìn)行 疊層。氣體擴(kuò)散層114A、 114B優(yōu)選為與催化劑層109A、 109B相等或 比其小的結(jié)構(gòu)。而且，氣體擴(kuò)散層與催化劑層并非必須直接相接，在 兩者之間也可以具有其它的層。通過(guò)形成氣體擴(kuò)散層114A、 114B，得 到膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體115。
圖2為表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方 法制造的膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的使用狀態(tài)的截面的示意圖。如圖 2所示，在使用時(shí)，膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體115的氣體擴(kuò)散層114A、 114B的外周被框狀的襯墊119A、 119B包圍。進(jìn)而，膜-電極-氣體擴(kuò)散 層接合體115和襯墊119A、119B以流路122與氣體擴(kuò)散層114A、H4B 相接的方式，被在內(nèi)面刻有流路122的隔板120A、 120B夾持。根據(jù) 第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法，分別形成催化劑層109A、 109B，使其在安裝于高分子電解質(zhì)膜102的周緣部的加強(qiáng)部件104A、 104B上擴(kuò)展。氣體擴(kuò)散層114A、114B分別設(shè)置在催化劑層109A、109B 上。氣體擴(kuò)散層114A、 114B和襯墊119A、 119B之間產(chǎn)生間隙121， 間隙121不與高分子電解質(zhì)膜102相接。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，從氣體擴(kuò) 散層114A、 114B供給的全部氣體都通過(guò)催化劑層109A、 109B到達(dá)高 分子電解質(zhì)膜102。
本實(shí)施方式的特征在于在高分子電解質(zhì)膜102上安裝加強(qiáng)部件104A、 104B，從其上以催化劑層109在加強(qiáng)部件104A、 104B上擴(kuò)展 的方式涂敷催化劑層109這一點(diǎn)。根據(jù)該方法，催化劑層109A、 109B 分別覆蓋露出于開(kāi)口 123A、 123B的高分子電解質(zhì)膜102的整個(gè)面， 催化劑層109A、 109B與加強(qiáng)部件104A、 104B之間不產(chǎn)生間隙。根據(jù) 該結(jié)構(gòu)，氣體不會(huì)從氣體擴(kuò)散層114A、 114B直接(不通過(guò)催化劑層 109A、 109B而通過(guò)間隙)到達(dá)高分子電解質(zhì)層102。此外，由于催化 劑層109被直接涂敷在高分子電解質(zhì)膜102上，所以氣體擴(kuò)散層114A、 114B伸出至加強(qiáng)部件104A、 104B之上，即使氣體擴(kuò)散層產(chǎn)生歪斜或 破損，催化劑層也不會(huì)破損。
從以上所述可知，根據(jù)第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法， 能夠高效地制造在高分子電解質(zhì)膜的周緣部配設(shè)有加強(qiáng)部件，在上述 加強(qiáng)部件的內(nèi)側(cè)無(wú)間隙地形成有催化劑層，由堆棧組裝時(shí)的按壓難以 使催化劑層產(chǎn)生歪斜或破損的膜-電極接合體。
此外，第一實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法與后述的第二實(shí) 施方式和第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法不同，以伸出至加 強(qiáng)部件之上的方式直接對(duì)高分子電解質(zhì)膜進(jìn)行涂敷。根據(jù)該構(gòu)成，不 需要覆蓋部件，能夠減少部件數(shù)。
(第二實(shí)施方式)
圖3-A 圖3-E是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極 接合體的制造方法的一例的工序圖。圖3-A是僅表示高分子電解質(zhì)膜 的狀態(tài)的圖。圖3-B是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝加強(qiáng)部件和覆蓋 部件的工序的圖。圖3-C是表示從覆蓋部件上涂敷有催化劑層的狀態(tài) 的圖。圖3-D是表示除去覆蓋部件后的狀態(tài)的圖。圖3-E是表示在催 化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的 圖。以下，參照?qǐng)D3-A 圖3-E說(shuō)明本實(shí)施方式的膜-電極接合體的制 造方法。其中，附圖僅是用于例示各工序中各部件的位置關(guān)系的示意 圖，不限定相對(duì)的大小、形狀、厚度等。此外，在第二實(shí)施方式中， 也能夠進(jìn)行與第一實(shí)施方式同樣的變形。
第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法在以下要點(diǎn)以外，與第 一實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法相同1 )代替單體的加強(qiáng)部件，
使用接合有加強(qiáng)部件與覆蓋部件的復(fù)合部件；2)涂敷催化劑層后從加 強(qiáng)部件除去覆蓋部件。由此，對(duì)于共通的部件和方法附加同一名稱(chēng)， 省略詳細(xì)說(shuō)明。
在圖3-A所示的工序中，準(zhǔn)備高分子電解質(zhì)膜202。
在圖3-B所示的工序中，在高分子電解質(zhì)膜202的周緣部的一個(gè) 面上，以加強(qiáng)部件204A與高分子電解質(zhì)膜202相接的方式(加強(qiáng)部件 204A比覆蓋部件205A更位于高分子電解質(zhì)膜202 —側(cè)的方式)安裝 由加強(qiáng)部件204A與覆蓋部件205A構(gòu)成的復(fù)合部件206A，在高分子 電解質(zhì)膜202的周緣部的另一個(gè)面上，以加強(qiáng)部件206B與高分子電解 質(zhì)膜202相接的方式(加強(qiáng)部件206B比覆蓋部件205B更位于高分子 電解質(zhì)膜202 —側(cè)的方式)安裝由加強(qiáng)部件204B與覆蓋部件205B構(gòu) 成的復(fù)合部件206B (加強(qiáng)部件配設(shè)工序)。覆蓋部件205A由與加強(qiáng)部 件204A同樣的材料構(gòu)成，此外，其具有與加強(qiáng)部件204A實(shí)際上相同 的平面形狀，并覆蓋加強(qiáng)部件204A的一個(gè)面。覆蓋部件205B由與加 強(qiáng)部件204B同樣的材料構(gòu)成，此外，其具有與加強(qiáng)部件204B實(shí)際上 相同的平面形狀，并覆蓋加強(qiáng)部件204B的一個(gè)面。加強(qiáng)部件204A和 覆蓋部件205A具有開(kāi)口 223A。加強(qiáng)部件204B與覆蓋部件205B具有 開(kāi)口 223B。加強(qiáng)部件204A、 204B和覆蓋部件205A、 205B以在催化 劑層的涂敷后能夠僅除去覆蓋部件205A、 205B的方式接合。例如， 通過(guò)粘接力弱的粘接劑粘接兩塊PTFE板。之后，例如通過(guò)使用湯姆遜 模型的沖裁加工，形成具有開(kāi)口 223A的復(fù)合部件206A (復(fù)合部件形 成工序)。復(fù)合部件206B也以同樣的方法形成。其中，覆蓋部件205A、 205B并非必須由與加強(qiáng)部件204A、 204B相同的材料構(gòu)成，也可以是 其它材料(覆蓋膠帶(masking tape)等)。例如，覆蓋部件205A、 20犯 也可以由框狀的金屬板構(gòu)成。在該結(jié)構(gòu)下，在制造工序中能夠多次再 利用覆蓋部件，效率高。加強(qiáng)部件204A、 204B和覆蓋部件205A、 205B 并非必須粘接，也可以?xún)H在加強(qiáng)部件上載置覆蓋部件并進(jìn)行噴射。由 于在該結(jié)構(gòu)中不需要粘接工序，也容易取下覆蓋部件，所以能夠提高 操作效率。覆蓋部件和加強(qiáng)部件的形狀的開(kāi)口部一致即可，外緣部并 非一定要一致。
在圖3-C所示的工序中涂敷催化劑分散液層208A、 208B (電極)。催化劑分散液層208A以無(wú)間隙地覆蓋露出于開(kāi)口 223A的高分子電解 質(zhì)膜202的整個(gè)面，并且擴(kuò)展至開(kāi)口 223A的周邊部的方式被涂敷，催 化劑分散液層208B以無(wú)間隙地覆蓋露出于開(kāi)口 223B的高分子電解質(zhì) 膜202的整個(gè)面，并且擴(kuò)展至開(kāi)口 223B的周邊部的方式被涂敷(催化 劑層涂敷工序)。與第一實(shí)施方式同樣，當(dāng)涂敷催化劑分散液，在高分 子電解質(zhì)膜上產(chǎn)生皺褶的情況下，優(yōu)選通過(guò)吸引固定裝置(減壓方式 的吸引固定裝置)或襯里部件固定高分子電解質(zhì)膜，同時(shí)進(jìn)行涂敷。
在圖3-D所示的工序中，催化劑分散液層208A、208B在開(kāi)口 223A、 223B的周邊部的擴(kuò)展的部分與覆蓋部件205A、 205B—起被除去。覆 蓋部件205A以可卸下的方式與加強(qiáng)部件204A粘接，可容易地從主體 部分除去，覆蓋部件205B也以可卸下的方式與加強(qiáng)部件204B粘接， 可容易地從主體部分除去(覆蓋部件除去工序)，通過(guò)該工序，在露出 于加強(qiáng)部件204A的開(kāi)口 223A的高分子電解質(zhì)膜202的整個(gè)面上無(wú)間 隙地形成催化劑層209A (第一催化劑層)，在露出于加強(qiáng)部件204B的 開(kāi)口 223B的高分子電解質(zhì)膜202的整個(gè)面上無(wú)間隙地形成催化劑層 209B (第二催化劑層)，得到膜-電極接合體213。在涂敷催化劑分散液 時(shí)，通過(guò)由覆蓋部件205A、 205B保護(hù)加強(qiáng)部件204A、 204B的主面， 能夠防止加強(qiáng)部件204A、 204B的主面被催化劑粒子污染。
在圖3-E所示的工序中，在催化劑層209A、 209B上形成氣體擴(kuò)散 層214A、 214B (氣體擴(kuò)散層配設(shè)工序)。通過(guò)形成氣體擴(kuò)散層214A、 214B，得到膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體215。而且，圖3-E的工序也可 以在圖3-D的工序之前進(jìn)行。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方 法制作的膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體215的使用狀態(tài)的截面的示意圖。 如圖4所示，在使用時(shí)，膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體215的氣體擴(kuò)散層 214A、 214B的外周分別由框狀的襯墊219A、 219B包圍。進(jìn)而，膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體215和襯墊219A、 219B以流路222與氣體擴(kuò) 散層214A、 214B —側(cè)相接的方式，被內(nèi)面刻有流路222的隔板220A、 220B夾持。根據(jù)第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法，形成催化 劑層209A、 209B，均不在加強(qiáng)部件204A、 204B上擴(kuò)展，并且在其與
各加強(qiáng)部件204A、 204B之間均沒(méi)有間隙。氣體擴(kuò)散層214A、 214B分 別設(shè)置在催化劑層209A、 209B之上。氣體擴(kuò)散層214A、 214B與襯墊 219A、 219B之間產(chǎn)生間隙221，但間隙221不與高分子電解質(zhì)膜202 相接。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，從氣體擴(kuò)散層214A、 214B供給的全部氣體分別 通過(guò)催化劑層209A、 209B到達(dá)高分子電解質(zhì)膜202。由于催化劑層 209A、 209B均不在加強(qiáng)部件204A、 204B上擴(kuò)展，所以氣體擴(kuò)散層 209A、 209B與加強(qiáng)部件204A、 204B分別直接接觸。
根據(jù)第二實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法，與第一實(shí)施方式 同樣，能夠高效地制造在高分子電解質(zhì)膜的周緣部配設(shè)有加強(qiáng)部件， 在上述加強(qiáng)部件的內(nèi)側(cè)無(wú)間隙地形成有催化劑層，由堆棧組裝時(shí)的按 壓催化劑層難以產(chǎn)生歪斜和破損的膜-電極接合體。
進(jìn)一步，第二實(shí)施方式中具有以下的特征和效果。在第一實(shí)施方 式中，催化劑層擴(kuò)展至加強(qiáng)部件的表面。在催化劑層由粒子狀的物質(zhì) 構(gòu)成的情況下，擴(kuò)展的催化劑層插入氣體擴(kuò)散層與加強(qiáng)部件之間，催 化劑層的粒子導(dǎo)致氣體擴(kuò)散層與加強(qiáng)部件的粘接性惡化。此外，在利 用鉑等貴金屬作為催化劑層的催化劑的情況下，從經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)考慮， 使在制造時(shí)使用的催化劑粒子的量盡量少是必要的。如從擴(kuò)展的催化 劑層之上形成氣體擴(kuò)散層，則擴(kuò)展的部分的催化劑對(duì)電極的反應(yīng)沒(méi)有 貢獻(xiàn)，成為過(guò)剩使用。根據(jù)本實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法， 在從覆蓋部件上涂敷催化劑層之后，從加強(qiáng)部件除去覆蓋部件。根據(jù) 該方法，催化劑層不會(huì)擴(kuò)展至加強(qiáng)部件的主面之上(不會(huì)由催化劑粒 子引起污染)，能夠提高加強(qiáng)部件與氣體擴(kuò)散層的粘接性。此外，堆棧 組裝時(shí)，雖膜-電極接合體的周緣部被襯墊等夾持并被壓接，但存在周 緣部的密封性低而產(chǎn)生氣體泄漏等問(wèn)題。在本實(shí)施方式中，由于在加 強(qiáng)部件的表面沒(méi)有殘留催化劑粒子，所以難以在加強(qiáng)部件與襯墊等之 間產(chǎn)生間隙，能夠提高膜-電極接合體周緣部的密封性。擴(kuò)展的催化劑 層能夠與覆蓋部件一起回收并再利用，能夠防止催化劑的過(guò)剩使用。 (
第三實(shí)施方式)
圖5-A 圖5-F是示意性地表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法的一例的工序圖。圖5-A是僅表示高分子電解質(zhì)膜
的狀態(tài)的圖。圖5-B是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝加強(qiáng)部件和覆蓋 部件的工序的圖。圖5-C是表示從覆蓋部件上涂敷有催化劑層的狀態(tài) 的圖。圖5-D是表示除去覆蓋部件后的狀態(tài)的圖。圖5-E是表示使高 分子電解質(zhì)膜之間接合，成為膜-電極接合體的狀態(tài)的圖。圖5-F是表 示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀 態(tài)的圖。以下，參照?qǐng)D5-A 圖5-F說(shuō)明本實(shí)施方式的膜-電極接合體 的制造方法。其中，附圖僅為用于例示各工序中各部件的位置關(guān)系的 示意圖，不限定相對(duì)的大小、形狀、厚度等。此外，在第三實(shí)施方式 中，也可以進(jìn)行與第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式同樣的變形。
第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法在以下要點(diǎn)以外與第二 實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法同樣不是在一塊高分子電解質(zhì) 膜的兩側(cè)形成加強(qiáng)部件和催化劑層，而是在兩塊高分子電解質(zhì)膜之上 分別形成陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)的加強(qiáng)部件和催化劑層，之后貼合高分子電 解質(zhì)膜。由此，對(duì)于共通的部件和方法附加相同的名稱(chēng)，省略詳細(xì)說(shuō) 明。
在圖5-A所示的工序中，準(zhǔn)備高分子電解質(zhì)膜302A (第一高分子 電解質(zhì)膜)和高分子電解質(zhì)膜302B (第二高分子電解質(zhì)膜)。
在圖5-B所示的工序中，在高分子電解質(zhì)膜302A的一個(gè)面的周緣 部，以加強(qiáng)部件304A與高分子電解質(zhì)膜302A相接的方式(加強(qiáng)部件 304A比覆蓋部件305A更位于高分子電解質(zhì)膜302A —側(cè))安裝由加 強(qiáng)部件304A (第一加強(qiáng)部件)和覆蓋部件305A (第一覆蓋部件)構(gòu) 成的復(fù)合部件306A (第一復(fù)合部件)(第一加強(qiáng)部件配設(shè)工序)。在高 分子電解質(zhì)膜302B的一個(gè)面的周緣部，以加強(qiáng)部件304B與高分子電 解質(zhì)膜302B相接的方式(加強(qiáng)部件304B比覆蓋部件305B更位于高 分子電解質(zhì)膜302B —側(cè))安裝由加強(qiáng)部件304B (第二加強(qiáng)部件)和 覆蓋部件305B (第二覆蓋部件)構(gòu)成的復(fù)合部件306B (第二復(fù)合部件) (第二加強(qiáng)部件配設(shè)工序)。加強(qiáng)部件304A和覆蓋部件305A具有開(kāi) 口 323A。加強(qiáng)部件304B和覆蓋部件305B具有開(kāi)口 323B。復(fù)合部件 306A、 306B由與第二實(shí)施方式同樣的方法形成(第一復(fù)合部件形成工 序、第二復(fù)合部件形成工序)。
在圖5-C所示的工序中，催化劑分散液層308A (電極)以從開(kāi)口 323A向開(kāi)口 323A的周邊部擴(kuò)展的方式被涂敷(第一催化劑層涂敷工 序)，催化劑分散液層308B (電極)以從開(kāi)口 323B向開(kāi)口 323B的周 邊部擴(kuò)展的方式被涂敷(第二催化劑層涂敷工序)。與第一實(shí)施方式和 第二實(shí)施同樣，當(dāng)涂敷催化劑分散液，在高分子電解質(zhì)膜上產(chǎn)生皺褶 的情況下，優(yōu)選通過(guò)吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)或襯 里部件固定高分子電解質(zhì)膜，并且進(jìn)行涂敷。在本實(shí)施方式中，由于 在兩面上各準(zhǔn)備一塊高分子電解質(zhì)膜302A、 302B,所以適于在固定高 分子電解質(zhì)膜302A、 302B的狀態(tài)下安裝復(fù)合部件306A、 306B，形成 催化劑層309A (第一催化劑層)、309B (第二催化劑層)?；蛘?，也可 以將高分子電解質(zhì)膜302A、 302B保持在襯里部件之上，以在襯里部 件上固定高分子電解質(zhì)膜302A、 302B的狀態(tài)，安裝復(fù)合部件306A、 306B，形成催化劑層309A、 309B。
在圖5-D所示的工序中，催化劑分散液層308A在覆蓋部件305A 的開(kāi)口部323A的周邊部的擴(kuò)展的部分與覆蓋部件305A —起被除去 (第一覆蓋部件除去工序)。催化劑分散液層308B在覆蓋部件305B 的開(kāi)口部323B的周邊部的擴(kuò)展的部分與覆蓋部件305B—起被除去(第 二覆蓋部件除去工序)。通過(guò)該工序得到以下結(jié)構(gòu)體在露出于加強(qiáng)部 件304A的開(kāi)口 323A的高分子電解質(zhì)膜302A的整個(gè)面上無(wú)間隙地形 成有催化劑層309B，在露出于加強(qiáng)部件304B的開(kāi)口 304B的高分子電 解質(zhì)膜302B的整個(gè)面上無(wú)間隙地形成有催化劑層309B。
在圖5-E所示的工序中，使由第四工序得到的結(jié)構(gòu)體在不存在催 化劑層的一側(cè)貼合。將高分子電解質(zhì)膜302A從吸引固定裝置(減壓方 式的吸引固定裝置)或襯里部件卸下，將高分子電解質(zhì)膜302B從吸引 固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)或襯里部件卸下，使在高分子 電解質(zhì)膜302A、 302B中與吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置) 或襯里部件相接的面之間相接，并進(jìn)行貼合(高分子電解質(zhì)膜相接工 序)。貼合適用熱壓接。通過(guò)熱壓接，易于使夾在高分子電解質(zhì)膜302A、 302B之間的空氣等氣體排出，接合高分子電解質(zhì)膜302A、 302B，形 成一塊高分子電解質(zhì)膜312。通過(guò)該工序，得到膜-電極接合體313，在 露出于加強(qiáng)部件304A的開(kāi)口 323A的高分子電解質(zhì)膜312的整個(gè)面上無(wú)間隙地形成有催化劑層309A(第一催化劑層)，在露出加強(qiáng)部件304B 的開(kāi)口 323B的高分子電解質(zhì)膜312的整個(gè)面上無(wú)間隙地形成有催化劑 層309B (第一催化劑層)的。
在圖5-F所示的工序中，在催化劑層309A、 309B上分別配設(shè)氣體 擴(kuò)散層314A、314B(氣體擴(kuò)散層配設(shè)工序)。通過(guò)配設(shè)氣體擴(kuò)散層314A、 314B，得到膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體315。
而且，圖5-D的工序、圖5-E的工序、圖5-F的工序可以以任何 順序進(jìn)行。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方 法制作的膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體315的使用狀態(tài)的截面的示意圖。 如圖6所示，根據(jù)第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法，高分子 電解質(zhì)膜302A和高分子電解質(zhì)膜302B —體化，成為一塊高分子電解 質(zhì)膜312。在使用時(shí)，膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體315的氣體擴(kuò)散層 314A的外周被框狀的襯墊319A包圍，氣體擴(kuò)散層314B的外周被框狀 的襯墊319B包圍。進(jìn)一步，膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體315和襯墊 319A、 319B以各流路322分別與氣體擴(kuò)散層314A、 314B—側(cè)相接的 方式，被內(nèi)面刻有流路322的隔板320A、 320B夾持。根據(jù)第三實(shí)施 方式的膜-電極接合體的制造方法，形成催化劑層309A，其不在加強(qiáng)部 件304A上擴(kuò)展，并且與加強(qiáng)部件304A之間沒(méi)有間隙，形成催化劑層 309B，其不在加強(qiáng)部件304B上擴(kuò)展，并且與加強(qiáng)部件304B之間沒(méi)有 間隙。以覆蓋催化劑層309A的方式設(shè)置氣體擴(kuò)散層314A，以覆蓋催 化劑層309B的方式設(shè)置氣體擴(kuò)散層314B。在氣體擴(kuò)散層314A與襯墊 319A、氣體擴(kuò)散層314B與襯墊319B之間產(chǎn)生間隙221，但間隙321 不與高分子電解質(zhì)膜312相接。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在從氣體擴(kuò)散層314A、 314B供給的氣體到達(dá)高分子電解質(zhì)膜312的情況下，必須通過(guò)催化劑 層309A或309B。由于催化劑層309A、309B不在加強(qiáng)部件304A、304B 上擴(kuò)展，所以氣體擴(kuò)散層309A和加強(qiáng)部件304A、氣體擴(kuò)散層309B 和加強(qiáng)部件304B分別直接接觸。
根據(jù)第三實(shí)施方式的膜-電極接合體的制造方法，與第二實(shí)施方式
同樣，能夠高效地制造在高分子電解質(zhì)膜的周緣部配設(shè)有加強(qiáng)部件， 在上述加強(qiáng)部件的內(nèi)側(cè)無(wú)間隙地形成有催化劑層的膜-電極接合體。此 外，在提高加強(qiáng)部件和氣體擴(kuò)散層的粘接性的同時(shí)，也提高堆棧組裝 時(shí)的密封性。擴(kuò)展的催化劑層與覆蓋部件一起回收并再利用，能夠防 止催化劑的浪費(fèi)。
進(jìn)一步，在第三實(shí)施方式中，具有以下所示的特征和效果。在第 一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式中，由于在單一的高分子電解質(zhì)膜的兩面 涂敷催化劑層，所以在涂敷一個(gè)面后，必須暫且將高分子電解質(zhì)膜從 吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)或襯里部件卸下，使其反 轉(zhuǎn)并再次固定。在高分子電解質(zhì)膜由纖細(xì)且容易產(chǎn)生皺褶的材料構(gòu)成 的情況下，存在僅從吸引固定裝置(減壓方式的吸引固定裝置)或襯 里部件卸下即產(chǎn)生深度皺褶的情況。根據(jù)第三實(shí)施方式的膜-電極接合 體的制造方法，在兩面各準(zhǔn)備一塊高分子電解質(zhì)膜，共計(jì)兩塊，在分 別固定各高分子電解質(zhì)膜的狀態(tài)下，能夠進(jìn)行加強(qiáng)部件的安裝和催化 劑層的涂敷。根據(jù)該方法，能夠有效防止高分子電解質(zhì)膜的皺褶。
(變形例)
以下例示第一 第三實(shí)施方式的可能的變形例。高分子電解質(zhì)、 加強(qiáng)部件、開(kāi)口等的形態(tài)(平面形狀、厚度等)無(wú)特別限定。優(yōu)選加 強(qiáng)部件以框狀覆蓋高分子電解質(zhì)膜的周緣部，但加強(qiáng)部件與高分子電 解質(zhì)膜的外周也可以不一致。覆蓋部件可以不與加強(qiáng)部件為同一形狀， 但優(yōu)選至少覆蓋加強(qiáng)部件的開(kāi)口的周邊部(涂敷催化劑層時(shí)擴(kuò)展的部 分)。高分子電解質(zhì)膜也可在其內(nèi)部具有加強(qiáng)膜。加強(qiáng)部件、催化劑層 和氣體形成層的配設(shè)可以?xún)H對(duì)高分子電解膜的一個(gè)面進(jìn)行。各工序的 順序不限于上述，也可以替換。復(fù)合部件并非必須相對(duì)高分子電解質(zhì) 膜獨(dú)立形成并安裝，疊層高分子電解質(zhì)膜、加強(qiáng)部件和覆蓋部件的結(jié) 構(gòu)可以以任意順序形成。例如，可以在高分子電解質(zhì)膜上依次疊層加 強(qiáng)部件和覆蓋部件從而形成。在第三實(shí)施方式中，也可以不設(shè)置覆蓋 部件，僅以加強(qiáng)部件覆蓋高分子電解質(zhì)膜。在使用吸引固定裝置(減 壓方式的吸引固定裝置)涂敷催化劑層時(shí)，也可以通過(guò)加熱器等加熱， 同時(shí)進(jìn)行涂敷。
(實(shí)施例1 )
實(shí)施例1為本發(fā)明的實(shí)施方式3的實(shí)施例，將高分子電解質(zhì)膜固 定在襯里部件上，在其上進(jìn)行加強(qiáng)部件的安裝和催化劑層的涂敷。圖7-A 圖7-E是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施例1的膜-催化劑層-氣體擴(kuò) 散層接合體的制造方法的工序圖。圖7-A是表示在襯里部件上保持有 高分子電解質(zhì)膜的狀態(tài)的圖。圖7-B是表示在高分子電解質(zhì)膜上安裝 有加強(qiáng)部件和覆蓋部件的狀態(tài)的圖。圖7-C是表示從覆蓋部件上涂敷 有催化劑層的狀態(tài)的圖。圖7-D是表示除去覆蓋部件后的狀態(tài)的圖。 圖7-E是表示使高分子電解質(zhì)膜之間接合，成為膜-電極接合體的狀態(tài) 的圖。圖7-F是表示在催化劑層之上形成氣體擴(kuò)散層，成為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。圖7-G是表示在膜-電極-氣體擴(kuò)散層接 合體上接合襯墊和隔板，成為單元的狀態(tài)的圖。以下，參照?qǐng)D7-A 圖 7-G詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1的膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散層接合體的制造方法。 其中，附圖僅為用于例示各工序中各部件的位置關(guān)系的示意圖，相對(duì) 的大小、形狀、厚度等與實(shí)際的比率不對(duì)應(yīng)。
準(zhǔn)備由厚度約10(Vm、主面是一邊為200mm的正方形的形狀的聚 對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)構(gòu)成的PET基材401A (第一襯里部件)、 401B (第二襯里部件)，利用硅類(lèi)脫模劑處理其表面。
準(zhǔn)備由基于CF2=CF2的重復(fù)單元和基于CF2=CF-OCF2CF (CF3) -OCF2CF2S03H的重復(fù)單元構(gòu)成的離子交換樹(shù)脂的分散液(離子交換容 量1.1毫當(dāng)量/克干燥樹(shù)脂、商品名Flemion (7 ^ $才 >)、旭硝子 公司制，以下稱(chēng)為分散液A)，通過(guò)模壓涂層法，在PET基材401A、 401B的一個(gè)面上以成為厚度為15pm， 一邊為160mm的正方形的方式 進(jìn)行涂敷。在PET基材401A、 401B上以9(TC使分散液A干燥30分 鐘。通過(guò)該工序，形成在PET基材401A上載置高分子電解質(zhì)膜402A (第一高分子電解質(zhì)膜)的基材-膜接合體403A (第一高分子電解質(zhì)膜 保持工序)，形成在PET基材401B上載置高分子電解質(zhì)膜402B (第二 高分子電解質(zhì)膜)的基材-膜接合體403B (第二高分子電解質(zhì)膜保持工 序)(圖7-A)。由此，高分子電解質(zhì)膜402A、 402B被分別保持在PET 基材401A、 401B之上，并被固定。高分子電解質(zhì)膜402A、 402B禾口 PET基材401A、 401B的粘接力優(yōu)選為使得涂敷催化劑層也不發(fā)生皺褶，并且在涂敷后能夠容易地從PET基材401A、 401B卸下高分子電 解質(zhì)膜402A、 402B的粘接力。
準(zhǔn)備兩塊厚度約100|im、主面是一邊為150mm的正方形的聚四氟 乙烯(PTFE)制基材(以下稱(chēng)為PTFE基材)，將這兩塊接合。以在中 央形成一邊為100mm的正方形的開(kāi)口 423A (孔)的方式，由湯姆遜 模型沖裁粘接的兩塊PTFE基桐、由此，得到具有由PTFE基材構(gòu)成的 框體404A (第一加強(qiáng)部件)和由PTFE基材構(gòu)成的掩模體405A (第一 覆蓋部件)的雙重結(jié)構(gòu)的多層框體406A (第一復(fù)合部件)(第一復(fù)合 部件形成工序)。同樣，得到具有由PTFE基材構(gòu)成的框體404B (第二 加強(qiáng)部件)和由PTFE基材構(gòu)成的掩模體405B (第二覆蓋部件)的雙 重結(jié)構(gòu)，且具有開(kāi)口 423B的多層框體406B (第二復(fù)合部件)(第二復(fù) 合部件形成工序)。多層框體406A、 406B的外周上形成有導(dǎo)向用的切 口 (參照[高分子電解質(zhì)膜的貼合]項(xiàng))。
在基材-膜接合體403A的上面中央，以使框體404A與高分子電解 質(zhì)膜402A相接的方式(加強(qiáng)部件404A覆蓋高分子電解質(zhì)膜402A中 未被襯里部件401A保持的面)，通過(guò)粘接劑粘接多層框體406A。通過(guò) 該工序，制成在PET基材401A上依次疊層有高分子電解質(zhì)膜402A、 框體404A、掩模體405A的基材-膜-框體接合體407A (第一加強(qiáng)部件 配設(shè)工序)。此外，在基材-膜接合體403B的上面中央，以使框體404B 與高分子電解質(zhì)膜402B相接的方式(加強(qiáng)部件404B覆蓋高分子電解 質(zhì)膜402B中未被襯里部件401B保持的面)，通過(guò)粘接劑粘接多層框體 406B。通過(guò)該工序，制成在PET基材401B上依次疊層有高分子電解 質(zhì)膜402B、框體404B、掩模體405B的基材-膜-框體接合體407B (第 二加強(qiáng)部件配設(shè)工序)(圖7-B)。
將分散液A，和在乙炔炭黑類(lèi)碳粉末上載持有50質(zhì)量％的平均粒 徑約3nm的鉑催化劑的催化劑載持碳粉末，分散在乙醇和水的混合分 散劑中(質(zhì)量比1: 1)，調(diào)制成固態(tài)成分濃度14質(zhì)量％的分散液(以 下稱(chēng)為電極用催化劑分散液)。接著，相對(duì)基材-膜-框體接合體407A， 以無(wú)間隙地覆蓋露出于多層框體406A的開(kāi)口 423A的高分子電解質(zhì)膜
402A的整個(gè)面的方式，并且以在掩模體405A上擴(kuò)展(擴(kuò)展至開(kāi)口 423A 的周邊部)的方式噴射電極用催化劑分散液(第一催化劑涂敷工序)。 此外，相對(duì)基材-膜-框體接合體407B，以無(wú)間隙地覆蓋露出于多層框 體406B的開(kāi)口 423B的高分子電解質(zhì)膜402B的整個(gè)面的方式，并且 以在掩模體405B上擴(kuò)展(擴(kuò)展至開(kāi)口 423B的周邊部)的方式噴射電 極用催化劑分散液(第二催化劑涂敷工序)。通過(guò)該工序，由電極用催 化劑分散液層408覆蓋露出于開(kāi)口部423A、 423B的高分子電解質(zhì)膜 402的整個(gè)面和掩模體405A、 405B的一部分(圖7-C)。
在基材-膜-框體接合體407A、 407B上，以90。C使電極用催化劑分 散液層408A、 408B干燥30分鐘，揭下掩模體405A、 405B (第一覆 蓋部件除去工序、第二覆蓋部件除去工序)。通過(guò)該工序，分別由催化 劑層409A (第一催化劑層)、409B (第二催化劑層)覆蓋露出于框體 404A、 404B的開(kāi)口 423A、 423B的高分子電解質(zhì)膜402A、 402B的整 個(gè)面。通過(guò)該工序，形成在高分子電解質(zhì)膜402A上疊層框體404A， 通過(guò)催化劑層409A無(wú)間隙地覆蓋露出于框體404A的開(kāi)口 423A的高 分子電解質(zhì)膜402A的整個(gè)面的膜-框體-催化劑層接合體410A。此外， 形成在高分子電解質(zhì)膜402B上疊層框體404B，通過(guò)催化劑層409B無(wú) 間隙地覆蓋露出于框體404B的開(kāi)口 423B的高分子電解質(zhì)膜402B的 整個(gè)面的膜-框體-催化劑層接合體410B。通過(guò)以上方法，制作膜-框體 -催化劑層接合體410A、 B被分別保持在PET基材401A、 401B上的 基材-膜-框體-催化劑層接合體411A、 411B (圖7-D)。
以嵌合在框體404A、 404B的切口部分的間隔將金屬棒垂直插入 板，制作導(dǎo)向框。將基材-膜-框體-催化劑層接合體411B從P￡T基材 401B揭下(第二襯里部件除去工序)，以框體的切口與金屬棒嵌合且 高分子電解質(zhì)膜402B向上的方式，將得到的膜-框體-催化劑層接合體 410B嵌入導(dǎo)向框。并且，將基材-膜-框體-催化劑層接合體411A從PET 基材401A揭下(第一襯里部件除去工序)，以框體的切口與金屬棒嵌 合，且高分子電解質(zhì)膜402A向下的方式，將得到的膜-框體-催化劑層 接合體410A嵌入導(dǎo)向框。使膜-框體-催化劑層接合體410A、 410B沿 著導(dǎo)向框相接，從導(dǎo)向框卸下，通過(guò)約150。C、 50kg/cm2、 20分鐘的熱
壓接進(jìn)行接合(高分子電解質(zhì)膜相接工序)。通過(guò)接合，高分子電解質(zhì)膜402A、 402B—體化成為一塊高分子電解質(zhì)膜412。接合后，切下從 框體404A、 404B擴(kuò)展的高分子電解質(zhì)膜412。通過(guò)將切口嵌合至導(dǎo)向 框，能夠以在外周不產(chǎn)生偏差的方式重疊膜-框體-催化劑層接合體 410A、 410B。通過(guò)以上方法，制作一塊通過(guò)框體404A、 404B加強(qiáng)高 分子電解質(zhì)膜412的兩面的周緣部，通過(guò)催化劑層409無(wú)間隙地覆蓋 露出于框體404A、 404B的開(kāi)口 423A、 423B的高分子電解質(zhì)膜412 的整個(gè)面的膜-催化劑層接合體413 (膜-電極接合體)(圖7-E)。
在厚度約為300μm的碳纖維布基材的一個(gè)面上，形成由乙炔炭黑 和聚四氟乙烯粒子構(gòu)成的厚度約為10μm的導(dǎo)電層，以湯姆遜模型沖裁 成104mm邊長(zhǎng)的正方形，制作帶導(dǎo)電層的碳纖維布414A (第一氣體 擴(kuò)散層)、4MB (第二氣體擴(kuò)散層)。以帶導(dǎo)電層的碳纖維布414A的 導(dǎo)電層與催化劑層409A相接，并且覆蓋催化劑層409A的整個(gè)面的方 式，配設(shè)帶導(dǎo)電層的碳纖維布414A (第一氣體擴(kuò)散層形成工序)。此 外，以帶導(dǎo)電層的碳纖維布414B的導(dǎo)電層與催化劑層409B相接，并 且覆蓋催化劑層409B的整個(gè)面的方式,配設(shè)帶導(dǎo)電層的碳纖維布414B (第二氣體擴(kuò)散層形成工序)。通過(guò)該工序，制作一塊分別通過(guò)框體 404A、 404B加強(qiáng)一塊高分子電解質(zhì)膜412的兩面的周緣部，通過(guò)催化 劑層409A、 409B無(wú)間隙地覆蓋露出于框體的開(kāi)口 423A、 423B的高分 子電解質(zhì)膜412的整個(gè)面，分別通過(guò)帶導(dǎo)電層的碳纖維布414A、 414B 覆蓋催化劑層409A、 409B的整個(gè)面的膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散層接合體 415 (膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體)(圖7-F)。
準(zhǔn)備兩塊厚度約100μm、主面是一邊為150mm的正方形的聚四氟 乙烯(PTFE)制基材(以下稱(chēng)為PTFE基材)，以在中央形成一邊為 120mm的正方形的孔的方式，由湯姆遜模型進(jìn)行沖裁。將得到的PTFE 制的框用作襯墊419A、 419B。
此外，準(zhǔn)備兩塊厚度為2mm，主面是一邊為150mm的正方形的碳 制板，在各板的一個(gè)面上以寬5mm、間隔7mm刻出蛇行的流路，用作 流路422。將得到的帶流路的碳制板用作隔板420A、 420B。
在膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散層接合體415的兩面上，以分別包圍氣體擴(kuò)散層414A、 414B的方式安裝有襯墊419A、 419B。膜-電極-氣體擴(kuò) 散層接合體415和襯墊419A、 419B以各流路422分別與氣體擴(kuò)散層 414A、 414B —側(cè)相接的方式，被隔板420A、 420B夾持并接合，(圖7- G)。通過(guò)以上方法得到單元424。
沿著貫通開(kāi)口 423A、423B的直線切斷以上述方式得到的單元424， 通過(guò)顯微鏡觀察截面(圖7-G的放大圖部分)。如圖7-G所示，未確認(rèn) 在催化劑層409A與框體404A之間存在有意義的間隙。在氣體擴(kuò)散層 (帶導(dǎo)電層的碳纖維布414A)與襯墊419A之間，確認(rèn)存在間隙421， 但間隙421不與高分子電解質(zhì)膜412相接。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，確認(rèn)能夠防 止從氣體擴(kuò)散層(帶導(dǎo)電層的碳纖維布414A、 414B)向高分子電解質(zhì) 膜412直接(不通過(guò)催化劑層409A、 409B)流通燃料氣體和氧化劑氣體。
為了在外周不產(chǎn)生偏差地進(jìn)行重疊，并非必須使用導(dǎo)向框和切口， 例如在四個(gè)角形成定位用的標(biāo)記(十字符號(hào)(卜乂求)等)，通過(guò)CCD 等確認(rèn)該標(biāo)記并進(jìn)行定位也能夠得到良好的結(jié)果。
(比較例1)
比較例1在高分子電解質(zhì)膜上形成催化劑層，之后安裝框。圖8- A 圖8-E是示意性地表示本發(fā)明的比較例1的膜-催化劑層-氣體擴(kuò) 散層接合體的制造方法的工序圖。圖8-A是表示在襯里部件上保持有 高分子電解質(zhì)膜的狀態(tài)的圖。圖8-B是表示在高分子電解質(zhì)膜上涂敷 有催化劑層的狀態(tài)的圖。圖8-C是表示在催化劑層的外周安裝有框體 的狀態(tài)的圖。圖8-D是表示使高分子電解質(zhì)膜之間接合，成為膜-電極 接合體的狀態(tài)的圖。圖8-E是表示在催化劑層上形成氣體擴(kuò)散層，成 為膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體的狀態(tài)的圖。圖8-F是表示在膜-電極-氣 體擴(kuò)散層接合體上接合襯墊和隔板，成為單元的狀態(tài)的圖。以下，參 照?qǐng)D8-A 圖8-F詳細(xì)說(shuō)明比較例1的膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散層接合體 的制造方法。
通過(guò)與實(shí)施例同樣的方法，制作由PET基材和高分子電解質(zhì)膜構(gòu) 成的基材-膜接合體503A、 503B (圖8-A)。
通過(guò)與實(shí)施例同樣的方法，調(diào)制電極用催化劑分散液。接著，在 基材-膜接合體503A、 503B的一個(gè)主面中央，通過(guò)絲網(wǎng)印刷法涂敷電 極用催化劑分散液，使得印刷面是一邊為98mm的正方形。在基材-膜 接合體503A、 503B上以9(TC使電極用催化劑分散液干燥30分鐘。通 過(guò)該工序，在高分子電解質(zhì)膜上疊層催化劑層，形成膜-催化劑層接合 體516A、 516B。通過(guò)以上方法，制作一塊膜-催化劑層接合體被保持 在PET基材上的基材-膜-催化劑層接合體517A、 517B (圖8-B)。
準(zhǔn)備兩塊厚度約lOOpm、主面是一邊為150mm的正方形的聚四氟 乙烯(PTFE)制基材(以下稱(chēng)為PTFE基材)，以在中央形成一邊為 100mm的正方形的孔(開(kāi)口)的方式，由湯姆遜模型沖裁PTFE基材。 由此得到PTFE基材的框體504A、504B。與實(shí)施例1同樣，在框體504A、 504B的外周形成導(dǎo)向用的切口。
在配設(shè)有基材-膜-催化劑層接合體517A、 517B的高分子電解質(zhì)膜 和催化劑層的一側(cè)的主面中央，以?xún)?nèi)周與催化劑層509A、 509B不重 疊的方式載置框體504A、 504B，并以約15(TC熱壓接20分鐘。通過(guò) 以上方法，形成在PET基材上依次疊層高分子電解質(zhì)膜和框體，在框 體的開(kāi)口的內(nèi)側(cè)嵌入有催化劑層的基材-膜-框體-催化劑層接合體 511A、 511B (圖8-C)。
以與實(shí)施例同樣的方法，從各基材-膜-框體-催化劑層接合體511A、 511B揭下PET基材501，并使兩接合體的高分子電解質(zhì)膜502 —側(cè)貼 合。通過(guò)貼合，制作一塊在高分子電解質(zhì)膜512的兩面安裝有框體 504A、 504B，在其內(nèi)側(cè)嵌入有催化劑層509A、 509B的膜-催化劑層接 合體513 (膜-電極接合體)(圖8-D)。
以與實(shí)施例同樣的方法，制作帶導(dǎo)電層的碳纖維布514A、 514B。 在催化劑層509A上，以導(dǎo)電層與催化劑層509A相接的方式安裝帶導(dǎo)電層的碳纖維布514A，在催化劑層509B上，以導(dǎo)電層與催化劑層509B 相接的方式安裝帶導(dǎo)電層的碳纖維布514B,制作一塊膜-催化劑層-氣 體擴(kuò)散層接合體515 (膜-電極-氣體擴(kuò)散層接合體)(圖8-E)。
以與實(shí)施例同樣的方法，制作襯墊519A、519B和隔板520A、520B, 通過(guò)使其與膜-催化劑層-氣體擴(kuò)散層接合體515接合，得到單元524。 (圖8-F)
沿著貫通框體504A、 504B的開(kāi)口的內(nèi)側(cè)的直線切斷以上述方式 得到的單元524，通過(guò)顯微鏡觀察截面(圖8-F的放大圖部分)。如圖 8-F所示，在截面中，確認(rèn)除在氣體擴(kuò)散層(帶導(dǎo)電層的碳纖維布514A) 與襯墊519A之間產(chǎn)生的間隙521夕卜，在催化劑層509A與框體504A 的內(nèi)周之間也產(chǎn)生lmm左右的間隙518。在該結(jié)構(gòu)中，能夠預(yù)想從氣 體擴(kuò)散層(帶導(dǎo)電層的碳纖維布514A、 514B)向高分子電解質(zhì)膜512， 通過(guò)間隙518直接(不通過(guò)催化劑層509A、 509B)流通燃料氣體和氧 化劑氣體。
(實(shí)施例1與比較例1的比較)
在實(shí)施例1與比較例1中使用的高分子電解質(zhì)膜，當(dāng)在其上涂敷 電極用催化劑分散液時(shí)，高分子電解質(zhì)膜大幅伸縮(200mm中伸縮10 20mm左右)。此外，伸縮的程度根據(jù)濕度和膜的厚度等有很大的變化， 難以預(yù)測(cè)有何種程度的伸縮。
在比較例1中，在向高分子電解質(zhì)膜安裝框之前涂敷催化劑層。 根據(jù)伸縮的程度，為了使催化劑層不與框重疊，必須將催化劑層形成 得最少在兩側(cè)均比框小lmm，從而必然產(chǎn)生間隙。
另一方面，在實(shí)施例1中，在高分子電解質(zhì)膜上涂敷催化劑層之 前安裝框，以與框的一部分重疊的方式涂敷催化劑層。根據(jù)該方法， 能夠容易地制作在催化劑層與框體之間沒(méi)有間隙也沒(méi)有重疊(框體的 內(nèi)周與催化劑層的外周無(wú)間隙相接)，催化劑層與框體密接的結(jié)構(gòu)。此 外，由于催化劑層并未在加強(qiáng)部件上擴(kuò)展，所以可提高加強(qiáng)部件與氣 體擴(kuò)散層的粘接性。如與覆蓋部件一起回收并再利用擴(kuò)展的催化劑層， 則能夠防止催化劑的浪費(fèi)。當(dāng)在單體的高分子電解質(zhì)膜上涂敷催化劑
層時(shí)，由于伸縮產(chǎn)生皺褶，存在難以進(jìn)行之后的加工的情況。在實(shí)施例1中，通過(guò)以在PET基材上固定高分子電解質(zhì)膜的狀態(tài)涂敷催化劑層，能夠有效地防止皺褶的產(chǎn)生。
根據(jù)上述說(shuō)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解本發(fā)明的很多改良和其 它實(shí)施方式。因此，上述說(shuō)明僅應(yīng)該被解釋為例示，是以向本領(lǐng)域技 術(shù)人員指導(dǎo)實(shí)施本發(fā)明的最佳方式為目的而提供的。只要不脫離本發(fā) 明的精神，其結(jié)構(gòu)和/或功能的細(xì)節(jié)能夠進(jìn)行實(shí)質(zhì)上的變更。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法作為高效地制作在高分子電解 質(zhì)膜的周緣部配設(shè)有加強(qiáng)部件，在加強(qiáng)部件的內(nèi)側(cè)無(wú)間隙地形成有催 化劑層，由堆棧組裝時(shí)的按壓難以產(chǎn)生催化劑層的歪斜和破損的膜-電 極接合體的方法是有用的。
權(quán)利要求
1.一種膜-電極接合體的制造方法，其特征在于，包括將形成有包圍開(kāi)口的框部的加強(qiáng)部件，以所述框部覆蓋高分子電解質(zhì)膜的至少一個(gè)面的周緣部的方式，設(shè)置在所述高分子電解質(zhì)膜上的加強(qiáng)部件配設(shè)工序，至少在露出于所述加強(qiáng)部件的開(kāi)口的所述高分子電解質(zhì)膜的整個(gè)面上涂敷催化劑層的催化劑層涂敷工序；和以覆蓋所述催化劑層的方式配設(shè)氣體擴(kuò)散層的氣體擴(kuò)散層配設(shè)工序。
2. 如權(quán)利要求1所述的膜-電極接合體的制造方法，其特征在于在所述催化劑層涂敷工序中，通過(guò)噴射涂敷所述催化劑層。
3. 如權(quán)利要求1所述的膜-電極接合體的制造方法，其特征在于，還包括形成具有所述加強(qiáng)部件和覆蓋部件的復(fù)合部件的復(fù)合部件形成工序，該覆蓋部件具有與所述加強(qiáng)部件實(shí)質(zhì)上相同的平面形狀且覆蓋所 述加強(qiáng)部件的一個(gè)面；和在涂敷所述催化劑層后將所述覆蓋部件從所述加強(qiáng)部件除去的覆蓋部件除去工序，在所述加強(qiáng)部件配設(shè)工序中，以所述加強(qiáng)部件比所述覆蓋部件更位于所述高分子電解質(zhì)膜一側(cè)的方式，設(shè)置所述復(fù)合部件，在所述催化劑層涂敷工序中，以從所述復(fù)合部件的開(kāi)口向所述開(kāi)口的周邊部擴(kuò)展的方式，涂敷所述催化劑層。
4. 如權(quán)利要求3所述的膜-電極接合體的制造方法，其特征在于所述復(fù)合部件形成工序通過(guò)貼合并沖裁兩塊樹(shù)脂板形成所述復(fù)合部件。
5. 如權(quán)利要求l所述的膜-電極接合體的制造方法，其特征在于所述加強(qiáng)部件配設(shè)工序包括在所述第一高分子電解質(zhì)膜上設(shè)置 形成有包圍開(kāi)口的框部的第一加強(qiáng)部件，使得所述框部覆蓋第一高分 子電解質(zhì)膜的至少一個(gè)面的周緣部的第一加強(qiáng)部件配設(shè)工序；和在所 述第二高分子電解質(zhì)膜上設(shè)置形成有包圍開(kāi)口的框部的第二加強(qiáng)部 件，使得所述框部覆蓋第二高分子電解質(zhì)膜的至少一個(gè)面的周緣部的 第二加強(qiáng)部件配設(shè)工序，所述催化劑層涂敷工序包括至少在露出于所述第一加強(qiáng)部件的 開(kāi)口的所述第一高分子電解質(zhì)膜的整個(gè)面上涂敷第一催化劑層的第一 催化劑層涂敷工序；和至少在露出于所述第二加強(qiáng)部件的開(kāi)口的所述 第二高分子電解質(zhì)膜的整個(gè)面上涂敷第二催化劑層的第二催化劑層涂 敷工序，還包括使涂敷有所述第一催化劑層的所述第一高分子電解質(zhì)膜中 未被涂敷所述第一催化劑層的面，與涂敷有所述第二催化劑層的所述 第二高分子電解質(zhì)膜中未被涂敷所述第二催化劑層的面相接的高分子 電解質(zhì)膜相接工序。
6.如權(quán)利要求5所述的膜-電極接合體的制造方法，其特征在于，還包括形成具有所述第一加強(qiáng)部件和第一覆蓋部件的第一復(fù)合部件的第 一復(fù)合部件形成工序，該第一覆蓋部件具有與所述第一加強(qiáng)部件實(shí)質(zhì) 上相同的平面形狀且覆蓋所述第一加強(qiáng)部件的一個(gè)面；形成具有所述第二加強(qiáng)部件和第二覆蓋部件的第二復(fù)合部件的第 二復(fù)合部件形成工序，該第二覆蓋部件具有與所述第二加強(qiáng)部件實(shí)質(zhì)上相同的平面形狀且覆蓋所述第二加強(qiáng)部件的一個(gè)面；在涂敷所述第一催化劑層后將所述第一覆蓋部件從所述第一加強(qiáng)部件除去的第一覆蓋部件除去工序；和在涂敷所述第二催化劑層后將所述第二覆蓋部件從所述第二加強(qiáng)部件除去的第二覆蓋部件除去工序，在所述第一加強(qiáng)部件配設(shè)工序中，以所述第一加強(qiáng)部件比所述第一覆蓋部件更位于所述第一高分子電解質(zhì)膜一側(cè)的方式，設(shè)置所述第一復(fù)合部件，在所述第二加強(qiáng)部件配設(shè)工序中，以所述第二加強(qiáng)部件比所述第 二覆蓋部件更位于所述第二高分子電解質(zhì)膜一側(cè)的方式，設(shè)置所述第 二復(fù)合部件，在所述第一催化劑層涂敷工序中，以從所述第一復(fù)合部件的開(kāi)口 向所述開(kāi)口的周邊部擴(kuò)展的方式，涂敷所述第一催化劑層，在所述第二催化劑層涂敷工序中，以從所述第二復(fù)合部件的開(kāi)口 向所述開(kāi)口的周邊部擴(kuò)展的方式，涂敷所述第二催化劑層。
7.如權(quán)利要求5所述的膜-電極接合體的制造方法，其特征在于， 還包括在第一襯里部件的一個(gè)面上保持所述第一高分子電解質(zhì)膜的第一 高分子電解質(zhì)膜保持工序；和在第二襯里部件的一個(gè)面上保持所述第二高分子電解質(zhì)膜的第二 高分子電解質(zhì)膜保持工序，所述第一加強(qiáng)部件配設(shè)工序是以所述第一加強(qiáng)部件覆蓋所述第一 高分子電解質(zhì)膜中未被所述第一襯里部件保持的面的方式，在所述第 一高分子電解質(zhì)膜上設(shè)置所述第一復(fù)合部件的工序，所述第二加強(qiáng)部件配設(shè)工序是以所述第二加強(qiáng)部件覆蓋所述第二 高分子電解質(zhì)膜中未被所述第二襯里部件保持的面的方式，在所述第 二高分子電解質(zhì)膜上設(shè)置所述第二復(fù)合部件的工序，還包括在所述高分子電解質(zhì)膜相接工序之前，從涂敷有所述第 一催化劑層的所述第一高分子電解質(zhì)膜除去所述第一襯里部件的第一襯里部件除去工序；和在所述高分子電解質(zhì)膜相接工序之前，從涂敷有所述第二催化劑 層的所述第二高分子電解質(zhì)膜除去所述第二襯里部件的第二襯里部件 除去工序。
全文摘要
本發(fā)明的膜-電極接合體的制造方法包括將形成有包圍開(kāi)口的框部的加強(qiáng)部件(104A、104B)，以所述框部覆蓋高分子電解質(zhì)膜(102)的至少一個(gè)面的周緣部的方式，設(shè)置在所述高分子電解質(zhì)膜上的加強(qiáng)部件配設(shè)工序；至少在露出于所述加強(qiáng)部件(104A、104B)的開(kāi)口的所述高分子電解質(zhì)膜(102)的整個(gè)面上涂敷催化劑層(109A、109B)的催化劑層涂敷工序；和以覆蓋所述催化劑層(109A、109B)的方式配設(shè)氣體擴(kuò)散層(114A、114B)的氣體擴(kuò)散層配設(shè)工序。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101203976SQ20068002229
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月20日
發(fā)明者岡西岳太, 吉村美貴子, 堀喜博, 羽藤一仁 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社