(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、発電性能が良好な燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】触媒インクを用いて電解質膜の一方の側にカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、前記電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程と、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の外側に、夫々アノード拡散層およびカソード拡散層を配置して膜電極接合体を作製する接合体作製工程と、前記膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得するガス拡散抵抗取得工程と、ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に含まれる膜電極接合体を選別する選別工程と、を備え、前記所定の数値範囲の上限値は３０秒／メートルであることを特徴とする燃料電池の製造方法。【選択図】図８
2010027510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒インクを用いて電解質膜の一方の側にカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、
前記電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の外側に、夫々アノード拡散層およびカソード拡散層を配置して膜電極接合体を作製する接合体作製工程と、
前記膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得するガス拡散抵抗取得工程と、
ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に含まれる膜電極接合体を選別する選別工程と、
を備え、
前記所定の数値範囲の上限値は３０秒／メートルであることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記ガス拡散抵抗取得工程は、
前記膜電極接合体の複数のカソード出口圧力と、前記複数のカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、０．２Ｖの一定電圧を印加しながら前記膜電極接合体にアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度を限界電流密度として取得する限界電流密度取得工程と、
カソード出口圧力を固定した場合における、前記複数の酸素分圧と、前記複数の酸素分圧に対応する前記限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出する傾き算出工程と、
夫々のカソード出口圧力と、前記傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出するガス拡散抵抗算出工程と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記触媒インクは、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒インクにおける前記触媒担持カーボンのカーボンと前記アイオノマーとの重量比を１．２５以下に調整する重量比調整工程を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
電解質膜と、前記電解質膜一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたガス拡散層とを備える燃料電池であって、
前記カソード触媒層におけるガス拡散抵抗が３０秒／メートル以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記カソード触媒層は、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒担持カーボンと前記アイオノマーとの重量比が１．２５以下であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、より詳細には、固体電解質型燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば非特許文献１に開示されているように、カソード触媒層における反応ガス（酸素ガス）のガス拡散抵抗の算出方法が知られている。ガス拡散抵抗を算出できれば、酸素ガスがカソード触媒層中の空孔、アイオノマー、水といった物質を通り抜けて触媒層中に拡散していくときの拡散困難性の指標を求めることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５１５６４号公報
【非特許文献１】Tetsuya MASHIO, Atsushi OHMA, Shinji YAMAMOTO, and Kazuhiko SHINOHARA、「カソード触媒層中の反応ガス輸送解析（Analysis of Reactant Gas Transport in a Catalyst Layer）」、ECS Transactions, 11(1)、2007年、p. 529-540
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池は、発電性能が良好であることが望ましいことは言うまでもない。従って、カソード触媒層における酸素ガス拡散性と、発電性能との関係も求められることが望ましく、更に言えば、酸素ガス拡散性と発電性能との具体的な関係が求まることが好ましい。しかしながら、非特許文献１は拡散抵抗の算出方法を開示するに留まり、発電性能との具体的関係を明らかにするものではなかった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、カソード触媒層中のガスの拡散抵抗と燃料電池の発電性能との具体的関係を明らかにし、発電性能が良好な燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の製造方法であって、
触媒インクを用いて電解質膜の一方の側にカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、
前記電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の外側に、夫々アノード拡散層およびカソード拡散層を配置して膜電極接合体を作製する接合体作製工程と、
前記膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得するガス拡散抵抗取得工程と、
ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に含まれる膜電極接合体を選別する選別工程と、
を備え、
前記所定の数値範囲の上限値は３０秒／メートルであることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス拡散抵抗取得工程は、
前記膜電極接合体の複数のカソード出口圧力と、前記複数のカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、０．２Ｖの一定電圧を印加しながら前記膜電極接合体にアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度を限界電流密度として取得する限界電流密度取得工程と、
カソード出口圧力を固定した場合における、前記複数の酸素分圧と、前記複数の酸素分圧に対応する前記限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出する傾き算出工程と、
夫々のカソード出口圧力と、前記傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出するガス拡散抵抗算出工程と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記触媒インクは、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒インクにおける前記触媒担持カーボンのカーボンと前記アイオノマーとの重量比を１．２５以下に調整する重量比調整工程を備えることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたガス拡散層とを備え、
前記カソード触媒層におけるガス拡散抵抗が３０秒／メートル以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記カソード触媒層は、触媒担持カーボンとアイオノマーとを含み、
前記触媒担持カーボンと前記アイオノマーとの重量比が１．２５以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得し、このガス拡散抵抗が３０秒／メートル以下の所定の数値範囲内にある膜電極接合体を選別することができる。所定の数値範囲は、発電性能が良好となるときのカソード触媒層におけるガス拡散抵抗の範囲である。従って、ガス拡散抵抗が３０秒／メートル以下の所定の数値範囲にある膜電極接合体を選別できれば、発電性能が良好な燃料電池を提供できる。
【００１２】
第２の発明によれば、限界電流密度を取得し、限界電流密度から得られるラインの傾きを算出し、ラインの傾きとカソード出口圧力との関係から膜電極接合体のガス拡散抵抗を算出できる。
【００１３】
第３の発明によれば、触媒インクにおける触媒担持カーボンのカーボンとアイオノマーとの重量比を１．２５以下に調整することができる。ガス拡散抵抗は、触媒担持カーボンのカーボンとアイオノマーとの重量比が１．２５を境に大きく変化する場合がある。このため、上記重量比を１．２５以下とすることで、発電性能が良好な燃料電池を効率よく製造できる。
【００１４】
第４または第５の発明によれば、発電性能が良好な燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態の燃料電池を説明するための模式図である。図１に示す燃料電池１０は、プロトンを伝導体とする固体高分子型の燃料電池であり、例えば車両等の移動体に搭載されて用いられる。
【００１６】
燃料電池１０は、プロトン交換膜である電解質膜１２を有している。電解質膜１２の両側にはそれぞれ、アノード触媒層１４とカソード触媒層１６とが形成されている。アノード触媒層１４とカソード触媒層１６の両外側には、一対の拡散層１８、２０が配置され、電解質膜１２と、アノード触媒層１４とカソード触媒層１６とは、両側の拡散層１８、２０により挟持されている。電解質膜１２、アノード触媒層１４およびカソード触媒層１６から触媒コート膜３０が形成される。触媒コート膜３０、拡散層１８、拡散層２０から膜電極接合体３２が形成される。
【００１７】
アノード触媒層１４側の拡散層１８の外側にはセパレータ２２が配置され、セパレータ２２には、燃料ガスを流通させるための燃料流路が形成されている。カソード触媒層１６側の拡散層２０の外側にはセパレータ２４が配置され、セパレータ２４には、空気（酸素ガス）を流通させるための空気流路が形成されている。
【００１８】
＜カソード触媒層１６＞
本実施の形態のカソード触媒層１６は、ガス拡散抵抗が３０秒／メートル以下である。本発明において、ガス拡散抵抗とは、カソード触媒層１６におけるカソードガス中の酸素ガスの拡散困難性を示すパラメータであり、セパレータ２４の下流のカソード出口圧力、カソード出口圧力に対する酸素ガスの分圧、限界電流密度に基づいて算出されるものである。ガス拡散抵抗は、具体的には、（１）複数のカソード出口圧力と、これらのカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、膜電極接合体３２に対して０．２Ｖの一定電圧を印加しながらアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度（限界電流密度）を取得し、（２）カソード出口圧力を固定し、複数の酸素分圧と、この複数の酸素分圧に対応する限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出し、（３）夫々のカソード出口圧力と、傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片により算出される。限界電流密度を取得する際の、膜電極接合体３２に対する詳細な測定条件については、実施例で後述することとする。ガス拡散抵抗を３０秒／メートル以下とすることで、カソード触媒層１６中に酸素ガスを均一に拡散させることができ、発電性能の良好な燃料電池を得ることができる。
【００１９】
また、本実施の形態のカソード触媒層１６は、ガス拡散抵抗が１０秒／メートル以上であることが好ましい。カソード触媒層１６における反応を効率よく行わせるためには、カソード触媒層１６中のガス拡散性を良くすることが重要である。従って、ガス拡散抵抗は小さい値であるほどよく、０秒／メートルであってもよい。しかしながら、実際には、酸素ガスは、カソード触媒層１６の空孔中に存在するアイオノマー、水といった物質を通り抜けて拡散する必要がある。このため、現実的なガス拡散抵抗として、その下限値を１０秒／メートル以上とすることで、発電性能の良好な範囲の燃料電池を確実に得ることができる。
【００２０】
ところで、本実施の形態のカソード触媒層１６は、触媒粒子を担持する触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーとから形成されている。触媒粒子としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）により形成されたもの、あるいはこれらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体を担体に担持させたもの等が挙げられる。触媒粒子を担持するカーボンとしては、導電性カーボン粒子が好ましい。好ましい導電性カーボン粒子として、カーボンブラック粒子を挙げることができる。プロトン伝導性を有するアイオノマーとしては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ（デュポン社、登録商標）、ＦＬＥＭＩＯＮ（旭硝子株式会社、登録商標）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成ケミカルズ株式会社、登録商標）、ＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（ジャパンゴアテックス株式会社、登録商標）等が挙げられる。
【００２１】
ここで、カソード触媒層１６中の触媒担持カーボンのカーボンとアイオノマーとの重量比（Ｉ／Ｃ）は、１．２５以下であることが好ましい。後述するように、ガス拡散抵抗は、Ｉ／Ｃが１．２５近傍で急激に上昇する傾向を示す。従って、Ｉ／Ｃを１．２５以下とすることが好ましく、１．２０以下とすることが発電性能の観点からより好ましい。また、後述するように、ガス拡散抵抗は、Ｉ／Ｃが１．２５以下の場合には、単調に減少する傾向を示す。このため、Ｉ／Ｃは、小さい値であることが好ましいが、カソード触媒層におけるプロトン伝導性の観点から０．６以上であることが好ましく、０．８以上であることがより好ましい。
【００２２】
＜アノード触媒層１４＞
本実施の形態のアノード触媒層１４は、触媒粒子を担持する触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーとから形成されている。好ましい触媒粒子、触媒を担持するための導電性カーボンおよびアイオノマーとしては、カソード触媒層１６と同様のものが挙げられる。アノード触媒層１４中の触媒担持カーボンのカーボンとアイオノマーとの重量比は、特に限定されないが、アノード触媒層中のプロトン伝導性の観点から０．８〜１．２であることが好ましく、０．９〜１．１の範囲であることがより好ましい。
【００２３】
＜電解質膜１２＞
本実施の形態の電解質膜１２は、プロトンをアノード触媒層１４からカソード触媒層１６へ伝導する役割をもつプロトン交換膜である。プロトン交換膜としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。好ましいプロトン交換膜としては、カソード触媒層１６に用いられるアイオノマーと同一の材料が挙げられる。
【００２４】
＜拡散層１８、２０＞
本実施の形態の拡散層１８、２０は、酸素ガスをアノード触媒層１４またはカソード触媒層１６へ均一に拡散させるとともに、膜電極接合体３２の乾燥を抑制する等の目的で備えられる多孔質基材である。多孔質基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔体を例示することができる。また、多孔質基材は、単層から形成されるものであってもよいが、触媒層に面する側により孔径の小さい多孔質層を設けた２層形成されるものであってもよい。
【００２５】
図１においては、上記のように構成された膜電極接合体３２とその両側に配置された一対のセパレータ２２、２４を１組のみ図示したが、実際の燃料電池１０は、膜電極接合体３２がセパレータ２２、２４を介して複数積層されたスタック構造を有している。
【００２６】
次に、本実施の形態の燃料電池の製造方法について説明する。本実施の形態の燃料電池は、（１）触媒インクを調整する触媒インク調製工程と、（２）触媒インクを用いて電解質膜の一方の側にカソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、（３）電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程と、（４）アノード触媒層およびカソード触媒層の外側に、夫々アノード拡散層およびカソード拡散層を配置して膜電極接合体を作製する接合体作製工程と、（５）膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗を取得するガス拡散抵抗取得工程と、（６）ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に含まれる膜電極接合体を選別する選別工程と、（７）選別後の膜電極接合体の両側にセパレータを配置するセパレータ配置工程等を経ることにより製造される。
【００２７】
（１）触媒インク調製工程
触媒インク調整工程は、Ｉ／Ｃを調整する重量比調整工程（１ａ）と、重量比調整後のアイオノマーおよびカーボンを混合する混合工程（１ｂ）とを含む。重量比調整工程（１ａ）の具体例としては、Ｉ／Ｃを上述した好ましい重量比に調整する工程が挙げられる。こうすることで、発電性能の良好な範囲の燃料電池を確実に得ることができる。混合工程（１ｂ）の具体例としては、重量比調整後のアイオノマーおよびカーボンに分散媒を加えて混合する工程が挙げられる。分散媒は、アイオノマーを溶解させうる溶媒であり、例えば水−アルコール混合溶液が挙げられる。混合方法としては、メディア型分散機を用いる分散法、超音波分散法等、特に限定されない。
【００２８】
（２）カソード触媒層形成工程
カソード触媒層形成工程は、上記（１）触媒インク調整工程により調整した触媒インクを電解質膜の上に形成する工程である。カソード触媒層は、触媒インクを電解質膜に塗布し、その後乾燥させることによって、或いは、基材フィルム上に塗布して転写フィルムを形成し、その後電解質膜またはガス拡散層に熱転写することによって電解質膜の上に形成することができる。電解質膜に塗布する方法としては、触媒インクをスプレー法により直接塗布する方法や、触媒インクを電解質膜の上面中央部に塗布し、アプリケータを用いて触媒インクを伸ばすことにより電解質膜に塗布する方法等を用いることができる。
【００２９】
（３）アノード触媒層形成工程
アノード触媒層形成工程は、電解質膜の他方の側にアノード触媒層を形成する工程である。アノード触媒層の形成方法としては、上記（２）カソード触媒層形成工程で述べた方法と同様の方法が挙げられる。上記（２）カソード触媒層形成工程と、本工程の順序は問わない。上記（２）カソード触媒層形成工程および本工程を経ることで、電解質膜の両側に触媒層が形成された触媒コート膜を得ることができる。
【００３０】
（４）接合体作製工程
接合体作製工程は、触媒コート膜の外側に、アノード拡散層およびカソード拡散層をそれぞれ配置して膜電極接合体を作製する工程である。具体的には、触媒コート膜の外側にアノード触媒層およびカソード触媒層を接合することで膜電極接合体を作製する。接合方法としては、特に限定されず、触媒コート膜と夫々の拡散層を熱圧着する方法が挙げられる。
【００３１】
（５）ガス拡散抵抗取得工程
ガス拡散抵抗取得工程は、膜電極接合体の複数のカソード出口圧力と、この複数のカソード出口圧力に対する複数の酸素分圧との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下において、０．２Ｖの一定電圧を印加しながら膜電極接合体にアノードガスおよびカソードガスを供給したときに得られる電流密度を限界電流密度として取得する限界電流密度取得工程（５ａ）と、カソード出口圧力を固定した場合における、複数の酸素分圧と、複数の酸素分圧に対応する限界電流密度との関係をプロットすることにより得られるラインの傾きを算出する傾き算出工程（５ｂ）と、夫々のカソード出口圧力と、傾きとの関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出するガス拡散抵抗算出工程（５ｃ）と、を含む。
【００３２】
限界電流密度取得工程（５ａ）は、上記（１）〜（４）の工程を経て作製した膜電極接合体を単セルに組み込み、０．２Ｖの電圧を印加しながらアノードガスに純水素、カソードガスに酸素および窒素の混合ガスを供給した際に得られる電流密度を限界電流密度（Ｉｌｉｍ）として取得する工程である。
【００３３】
Ｉｌｉｍは、膜電極接合体の複数のカソード出口圧力（セル圧力）と、セル圧力を全圧としたときの複数の酸素分圧（ＰＯ２）との組み合わせからなる測定条件を設定した上で測定される。測定条件は、傾き算出工程（５ｂ）に必要な数だけ設定することができるが、例えばセル圧力条件４点以上と、ＰＯ２条件３〜５点とを組み合わせた条件とすることが好ましい。
【００３４】
図２は、本実施の形態の限界電流密度取得工程（５ａ）を説明するための図である。図２に示すように、セル圧力と酸素濃度との組み合わせからなる測定条件を設定し、夫々の測定条件下においてＩｌｉｍを取得する。そして、酸素濃度をＰＯ２に換算すれば、セル圧力とＰＯ２との組み合わせからなる測定条件が設定でき、夫々の測定条件下においてＩｌｉｍを取得することができる。なお、図２は、セル圧力を５４ｋＰａＧに設定し、カソードガス中の酸素濃度を１％、２％、３％と変化させて測定したときのＩｌｉｍを示している。
【００３５】
傾き算出工程（５ｂ）は、セル圧力を固定した場合に、酸素分圧と、対応するＩｌｉｍプロットしてラインを作成し、そのラインの傾きを算出する工程である。図３は、本実施の形態の傾き算出工程（５ｂ）を説明するための図である。図３に示すように、夫々のセル圧力を固定し、ＰＯ２と対応するＩｌｉｍとの関係から傾きｂを算出できる。
【００３６】
ところで、酸素ガスの全拡散抵抗（Ｒｔｏｔａｌ）と、ラインの傾きｂとの関係は、下記式（１）または（２）で表される。Ｒｔｏｔａｌは、酸素ガス自体の分子拡散、空孔中でのＫｎｕｄｓｅｎ拡散、アイオノマーや水に対する拡散等を含む、カソード触媒層における全体的な拡散抵抗を示すものである。
【００３７】
（数１）
Ｒｔｏｔａｌ＝ＰＯ２／ＲＴ×４Ｆ／Ｉｌｉｍ・・・・（１）
＝（１／ｂ）×（４Ｆ／ＲＴ）・・・・・・・・（２）
【００３８】
上記（１）において、ＰＯ２は酸素分圧（ｋＰａ）、Ｉｌｉｍは限界電流密度（Ａ／ｃｍ２）、Ｆはファラデー定数（Ａ・ｓｅｃ／ｍｏｌ）、Ｒは気体定数（ｃｍ３・Ｐａ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは測定温度（Ｋ）をそれぞれ示す。上記（１）、（２）から分かるように、ラインの傾きｂの逆数を算出することで、Ｒｔｏｔａｌを算出できる。
【００３９】
ガス拡散抵抗算出工程（５ｃ）は、傾き算出工程（５ｂ）により算出した傾きと、夫々のセル圧力との関係をプロットすることにより得られるラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出する工程である。具体的には、まず、傾き算出工程（５ｂ）により算出した傾きｂの逆数を上記（２）に代入する。こうすることで、夫々のセル圧力に対応したＲｔｏｔａｌを算出する。続いて、横軸にセル圧力、縦軸（傾き軸）にＲｔｏｔａｌのグラフに夫々の値をプロットする。得られたラインの傾き軸切片をガス拡散抵抗として算出する。
【００４０】
図４は、本実施の形態のガス拡散抵抗算出工程（５ｃ）を説明するための図である。図４は、横軸をセル圧力（ｋＰａ）、縦軸をＲｔｏｔａｌ（ｓ／ｍ）としたグラフに傾き算出工程（５ｂ）から得られた値をプロットする。この結果、図４に示す関係式（ｙ＝０．３１６ｘ＋３３．４１８）が成立する。この関係式の縦軸切片の値（＝３３．４１８）が、ガス拡散抵抗である。このようにして、膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗が算出できることとなる。
【００４１】
（６）選別工程
選別工程は、ガス拡散抵抗が所定の数値範囲に入る膜電極接合体を選別する工程である。膜電極接合体は、上記（５）ガス拡散抵抗取得工程を経ることでガス拡散抵抗が算出されている。ここで、所定の数値範囲は、上限値を３０秒／メートル、下限値を１０秒／メートルとする選別範囲である。このため、算出ガス拡散抵抗が選別範囲に入るか否かを判定し、選別範囲に含まれる膜電極接合体を選別する。こうすることで、発電性能の良好な膜電極接合体と、そうでない膜電極接合体を選別できる。算出ガス拡散抵抗が選別範囲に入る膜電極接合体は、次の（７）セパレータ配設工程に供される。
【００４２】
（７）セパレータ配設工程
セパレータ配設工程は、（６）選別工程を経て選別された膜電極接合体の両側にセパレータを配置する工程である。このようにして、膜電極接合体の両側にセパレータを配置し、単セルを作成することができる。
【００４３】
上記工程（１）〜（７）を経て製造される燃料電池は、膜電極接合体のカソード触媒層におけるガス拡散抵抗が３０秒／メートル以下、１０秒／メートル以上の範囲で選別されたものである。燃料電池の発電性能は、ガス拡散抵抗値が３０秒／メートル以下、１０秒／メートル以上の範囲に含まれるときに良好である。このため、（１）〜（７）を経て製造される燃料電池は、発電性能の良好な燃料電池といえる。
【実施例１】
【００４４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
【００４５】
図５は、以下の実施例１〜４、比較例１、２で作製した膜電極接合体５０の構成を示す図である。膜電極接合体５０は、電解質膜５２を備える。電解質膜５２の両側にアノード触媒層５４、カソード触媒層５６が配置されている。アノード触媒層５４の外側には、多孔質基材５８が配置されている。多孔質基材５８は、アノード触媒層５４側に孔径が小さい多孔質層６０を備える。多孔質基材５８と、多孔質層６０とからアノード側拡散層が形成される。一方、カソード触媒層５６の外側には、多孔質基材５８のみが配置されている。多孔質基材５８からカソード側拡散層が形成される。電解質膜５２、アノード触媒層５４およびカソード触媒層５６から触媒コート膜６２が形成される。
【００４６】
（実施例１）
表１に示す組成の触媒インクを調整した。触媒インクの調製は、Ｐｔ６０ｗｔ％担持カーボン（ＴＫＫ社製）、アイオノマー（ＤｕＰｏｎｔ社製  ナフィオン分散溶液（ＤＥ２０２０））および分散媒を混合することにより行った。得られた触媒インクを電解質膜（Ｇｏｒｅ社製）にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を作製した。作製した触媒コート膜の両側にそれぞれ拡散層を配置して膜電極接合体を作製した。
【００４７】
【表１】
2010027510.tif 000003
【００４８】
（実施例２）
表２に示すように、アイオノマー／カーボンの重量比を１．２５とし、分散媒を水およびエタノールとした他は実施例１と同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクをアプリケータ塗工し、アノード触媒層およびカソード触媒層を形成した。その後、実施例１と同一の電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を転写することにより触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例１同様に膜電極接合体を作製した。
【００４９】
【表２】
2010027510.tif 000004
【００５０】
（実施例３）
表３に示すように、アイオノマー／カーボンの重量比を０．８５とした他は実施例１同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例１と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例１同様に膜電極接合体を作製した。
【００５１】
【表３】
2010027510.tif 000005
【００５２】
（実施例４）
表４に示すように、アイオノマー／カーボンの重量比を１．００とした他は実施例１同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例１と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例１同様に膜電極接合体を作製した。
【００５３】
【表４】
2010027510.tif 000006
【００５４】
（比較例１）
表５に示すように、分散媒を水およびエタノールとした他は実施例１同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例１と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を作製した。作製した触媒コート膜から実施例１同様に膜電極接合体を作製した。
【００５５】
【表５】
2010027510.tif 000007
【００５６】
（比較例２）
表６に示すように、アイオノマー／カーボンの重量比を１．３５とした他は実施例１同様に触媒インクを調整した。得られた触媒インクを実施例１と同一の電解質膜にスプレー塗工し、その後、乾燥することで電解質膜上にアノード触媒層およびカソード触媒層を形成させて触媒コート膜を得た。得られた触媒コート膜から実施例１同様に膜電極接合体を作製した。
【００５７】
【表６】
2010027510.tif 000008
【００５８】
＜ガス拡散抵抗値の算出＞
実施例１〜４および比較例１、２として作製した膜電極接合体の限界電流密度（Ｉｌｉｍ）測定を行った。測定は、３つの濃度条件と、４つのセル圧力条件とを組み合わせて行った。限界電流密度は、膜電極接合体に０．２Ｖの電圧を印加したときの電流密度とした。測定時の条件は以下のとおりである。
・アノードガス：純水素
・カソードガス：酸素／窒素
・カソードガス中の酸素濃度（％）：１、２、３
・アノード湿度（％）：８０
・カソード湿度（％）：８０
・アノード流量（ｌ／ｍｉｎ）：０．５
・カソード流量（ｌ／ｍｉｎ）：１．６
・セル圧力（ｋＰａＧ）：７．７、５４、１０４、１４８
・セル温度（℃）：８０
【００５９】
得られた限界電流密度に基づいて、ガス拡散抵抗値を算出した。結果を表７に示す。
【００６０】
【表７】
2010027510.tif 000009
【００６１】
＜評価方法＞
１．細孔構造評価
実施例１および比較例１で作製した触媒コート膜について、細孔構造評価を行った。まず、実施例１および比較例１で作製した触媒コート膜の微分細孔容積（Incremental Pore Volume）（ｍｌ／ｇ）および累積細孔容積（Cumulative Pore Volume）（ｍｌ／ｇ）を測定した。細孔構造評価は、横軸に細孔直径（μｍ）、縦軸に測定した微分細孔容積および累積細孔容積をプロットした図を作成することにより行った。実施例１で作製した触媒コート膜の細孔分布を図６に、比較例１で作製した触媒コート膜の細孔分布を図７にそれぞれ示す。
２．アイオノマー／カーボン依存性評価
実施例１、３、４および比較例２として作製した膜電極接合体について、カソード触媒層のアイオノマー／カーボン（Ｉ／Ｃ）依存性評価を行った。評価は、実施例１、３、４および比較例２のカソード触媒層のＩ／Ｃと、表７の実施例１、３、４および比較例２のガス拡散抵抗（ｓ／ｍ）と、を比較することにより行った。
３．発電性能評価
実施例１〜４および比較例１、２として作製した膜電極接合体について、発電性能評価を行った。まず、作製したそれぞれの膜電極接合体に対し、１．６（Ａ／ｃｍ２）の一定電流で運転するとともに、セル温度を変化させ、セル温度毎に得られた電圧の平均値を算出した。セル温度６０℃およびセル温度８０℃の結果を表８に示す。
【００６２】
【表８】
2010027510.tif 000010
【００６３】
また、実施例１、２および比較例１については、セル温度５０℃〜９０℃の温度範囲において、横軸に温度（℃）、縦軸に平均電圧（Ｖ）をプロットした図を作成した。作成した図を図８に示す。図８と、上記で算出したガス拡散抵抗値とを比較することにより発電性能評価を行った。
【００６４】
＜評価結果＞
１．細孔構造評価結果
図６および図７から分かるように、実施例１および比較例１の細孔分布は、いずれも０．０４（μｍ）付近のピークが強調され、同様の傾向を示すことが分かった。このことから、実施例１および比較例１の細孔構造は類似することが確認できた。
２．Ｉ／Ｃ依存性評価結果
実施例１、３、４から分かるように、Ｉ／Ｃが０．８〜１．２０においては、ガス拡散抵抗値はＩ／Ｃが大きくなると共に増加する傾向が見られた。一方、比較例２のガス拡散抵抗値は、それまでの傾向とは異なり急激に上昇した。この結果から、Ｉ／Ｃが大きくなる、即ちカソード触媒層中のアイオノマー量が多くなると、カソード触媒層中を移動可能な水の量も多くなり、アイオノマーや水が障害となることでガス拡散抵抗が増すと考えられた。また、Ｉ／Ｃが１．２０〜１．３５の間にガス拡散抵抗値が急激に変化する境界域があると考えられた。
３．発電性能評価結果
表８から分かるように、実施例１〜４、比較例１においては、セル温度６０℃、８０℃のいずれにおいてもほぼ一定の出力電圧を示した。一方、比較例２においては、発電ができないという結果を示した。
図８から分かるように、実施例１、２として作製した膜電極接合体は、５０℃〜９０℃の温度範囲において、ほぼ一定の出力電圧であった。一方、比較例１として作製した膜電極接合体は、触媒コート膜の細孔構造が実施例１の触媒コート膜と類似するにも関わらず、６０℃、５０℃で出力電圧が低下し、また、８５℃から９０℃にかけても出力電圧が低下した。図８と、算出したガス拡散抵抗値とを比較した結果、Ｉ／Ｃを１．２５以下に調整し、作製した膜電極接合体のガス拡散抵抗値が３０ｓ／ｍ以下のものは、幅広い温度範囲で良好な電池性能を示すことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態の燃料電池を説明するための模式図である。
【図２】本実施の形態の限界電流密度取得工程を説明するための図である。
【図３】本実施の形態の傾き算出工程を説明するための図である。
【図４】本実施の形態のガス拡散抵抗算出工程を説明するための図である。
【図５】実施例１〜４、比較例１、２で作製した膜電極接合体の構成を示す図である。
【図６】実施例１で作製した触媒コート膜の細孔分布を示す図である。
【図７】比較例１で作製した触媒コート膜の細孔分布を示す図である。
【図８】実施例１、２、比較例１で作製した膜電極接合体の発電性能結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  燃料電池
１２、５２  電解質膜
１４、５４  アノード触媒層
１６、５６  カソード触媒層
１８、２０  拡散層
２２、２４  セパレータ
３０、６２  触媒コート膜
３２、５０  膜電極接合体
５８  多孔質基材
６０  多孔質層
【図１】
2010027510.tif 000011
【図２】
2010027510.tif 000012
【図３】
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【図４】
2010027510.tif 000014
【図５】
2010027510.tif 000015
【図６】
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【図７】
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【図８】
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