(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜型燃料電池の固体高分子電解質膜に接する位置に酸化剤極触媒層を形成するために、多孔質基板の上に電解質と触媒の粉末との混合物を乾式塗布する燃料電池電極製造装置において、
前記電解質と触媒の粉末とが第１の混合比で混合された第１の混合物を供給する第１の混合物供給部と、
前記第１の混合物供給部から供給される前記第１の混合物を上部で受け入れる第１の混合物受け入れ部と、前記第１の混合物が下向きに排出される第１の混合物出口部とを備えた第１の塗布チャンバーと、
前記電解質と触媒の粉末とが前記第１の混合比と異なる第２の混合比で混合された第２の混合物を供給する第２の混合物供給部と、
前記第２の混合物供給部から供給される前記第２の混合物を上部で受け入れる第２の混合物受け入れ部と、前記第２の混合物が下向きに排出される第２の混合物出口部とを備えた第２の塗布チャンバーと、
前記多孔質基板を載置可能な吸引部が形成され、前記第１の塗布チャンバーおよび前記第２の塗布チャンバーに対して相対的に移動可能な塗布テーブルであって、該塗布テーブルが前記第１の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第１の混合物出口部の下方で該第１の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置され、該塗布テーブルが前記第２の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第２の混合物出口部の下方で該第２の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置されるように構成された塗布テーブルと、
前記吸引部から下向きに吸引された空気を排出するブロワーと、
を有すること、を特徴とする燃料電池電極製造装置。
【請求項２】
前記塗布テーブルが前記第１の塗布チャンバーの下方にあるときに前記第１の混合物出口部と前記吸引部の間にある前記多孔質基板の第１の塗布領域と、前記塗布テーブルが前記第２の塗布チャンバーの下方にあるときに前記第２の混合物出口部と前記吸引部の間にある前記多孔質基板の第２の塗布領域とが異なること、を特徴とする請求項１記載の燃料電池電極製造装置。
【請求項３】
前記第１の混合物出口部の位置を調整するための第１のマスキングと、前記第２の混合物出口部の位置を調整するための第２のマスキングとを有すること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池電極製造装置。
【請求項４】
前記吸引部の位置を調整するための吸引調整板を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池電極製造装置。
【請求項５】
前記第１および第２の塗布チャンバーを用いて前記多孔質基板の第１および第２の塗布領域に前記第１および第２の混合物が塗布された前記多孔質基板に前記第１および第２の混合物を圧着させる圧着ローラーをさらに有することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池電極製造装置。
【請求項６】
固体高分子膜型燃料電池の固体高分子電解質膜に接する位置に酸化剤極触媒層を形成するために、多孔質基板の上に電解質と触媒の粉末との混合物を乾式塗布する燃料電池電極製造方法において、
塗布テーブルに設けられた吸引部の上に多孔質基板を載置して、その多孔質基板に対向する位置に第１の塗布チャンバーに設けられた第１の混合物出口部が配置されるように設定する第１塗布チャンバー設定ステップと、
前記電解質と触媒の粉末とを第１の混合比で混合して第１の混合物を生成する第１混合ステップと、
前記第１の混合物を第１の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第１の混合物を前記多孔質基板の第１の塗布領域に塗布する第１塗布ステップと、
前記第１塗布ステップの後に、前記多孔質基板を載置した状態の前記塗布テーブルを、前記第１の塗布チャンバーおよび第２の塗布チャンバーに対して相対的に移動させて、前記多孔質基板に対向する位置に第２の塗布チャンバーに設けられた第２の混合物出口部が配置されるように設定する第２塗布チャンバー設定ステップと、
前記電解質と触媒の粉末とを前記第１の混合比とは異なる第２の混合比で混合して第２の混合物を生成する第２混合ステップと、
前記第２塗布チャンバー設定ステップの後に前記第２の混合物を第２の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第２の混合物を前記多孔質基板の第２の塗布領域に塗布する第２塗布ステップと、
を有することを特徴とする燃料電池電極製造方法。
【請求項７】
前記第１の塗布領域は前記酸化剤極触媒層のうちの酸化剤極ガス供給下流側に対応し、前記第２の塗布領域は前記酸化剤極触媒層のうちの酸化剤極ガス供給上流側に対応しており、前記第１の混合比は前記第２の混合比に比べて電解質の比率が低いこと、を特徴とする請求項６に記載の燃料電池電極製造方法。
【請求項８】
前記第２塗布ステップの後に、前記第１の塗布領域に塗布された前記第１の混合物と第２の塗布領域に塗布された前記第２の混合物とを前記多孔質基板に圧着させる圧着ステップをさらに有すること、を特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池電極製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池電極の製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学的エネルギを電気エネルギに変換する装置である。
【０００３】
このような無公害エネルギを利用する燃料電池に組み込まれる燃料電池本体は、イオン導電性を有する電解質層を挟んで配置した燃料極および酸化剤極からなる単位セルと、それぞれの電極に反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を供給するための燃料ガス供給溝、酸化剤ガス供給溝をそれぞれ設けた導電性を有するガス不透過性の燃料ガス供給セパレータおよび酸化剤ガス供給セパレータと、冷却水供給溝を設けた冷却水供給セパレータとからなる基本構成を複数枚積み重ねて燃料電池積層体を備えて構成されている。
【０００４】
このような構成を備える燃料電池本体において、燃料ガス供給溝、酸化剤ガス溝に、燃料電池積層体の側面に設けた反応ガス供給マニホールドを介してそれぞれの反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を供給すると、単位セルの一対の電極で下記に示す電気化学反応が進行し、電極間で起電力が生じる。
【０００５】
燃料極  ：２Ｈ２  →  ４Ｈ＋＋４ｅ−            ・・・（１）
酸化剤極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
上式において、燃料極では、式（１）に示すように、供給した水素を水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは、電解質層を通り、また、電子は、外部回路を通り、酸化剤極にそれぞれ移動する。
【０００６】
一方、酸化剤極では、式（２）に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と、上述水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は、電流となり、電力を供給することができる。
【０００７】
なお、式（１），（２）の反応により生成した水は、燃料電池本体で消費されなかった反応ガス（既反応ガス）とともに上述燃料電池積層体の側面に設けた反応ガス排出マニホールドを介して燃料電池本体の外部に排出される。
【０００８】
ところで、燃料電池は、使用されている電解質層により、アルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池に分類されている。
【０００９】
これら燃料電池のうち、電解質層として固体高分子膜を使用した固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転ができ、起動時間が短く、大きな出力密度が得られることから、定置電源用、車載電源用、携帯電源用として大きな注目を浴びている。
【００１０】
このように注目を浴びている固体高分子形燃料電池の電解質層に使用される固体高分子電解質膜には、１０〜１００ミクロン程度の厚さのパーフルオロカーボンスルホン酸膜、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（ナフィオン）（商品名：デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製）等が用いられている。
【００１１】
この固体高分子電解質膜は、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する反応ガス分離機能と、燃料極で生成された水素イオンを酸化剤極に運ぶ水素イオン伝導性とに優れている。
【００１２】
もっとも、この固体高分子電解質膜には、水分を含んでいる場合、良好な水素イオン導電性を示すものの、乾燥していると水素イオン導電性を著しく低下させる属性を持っている。また固体高分子電解質膜が乾燥していると固体高分子電解質膜が劣化することが知られている。
【００１３】
そのため固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐために、燃料ガス、酸化剤ガスに湿分を持たせることが必要である。また燃料電池の反応においては酸化剤極にて水が生成するために、この水の除去を行なわないと反応ガスの拡散性が低下し特性が著しく低下する。
【００１４】
酸化剤極で生成される水に対して、ガス拡散性を低下させない触媒層が電池特性低下防止のために必要である。
【００１５】
触媒層面内における分布を有する触媒層を形成する方法として触媒粉末と電解質の重量比の異なるインクを作成し、流路部と流路部以外で触媒層をインクジェット塗布によりパターン形成する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００３−１７３７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述の方法は優れた属性を持つ反面、それでも幾つかの課題を抱えている。
【００１８】
インクにより塗布を繰り返す場合、乾燥工程が必要となる。またインクジェット塗布に向いた溶液の粘度調整が必要である。
【００１９】
本発明が解決しようとする課題は、面内に分布を有する燃料電池電極を容易に製造できる燃料電池電極製造装置および燃料電池電極製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、実施形態の燃料電池電極製造装置は、固体高分子膜型燃料電池の固体高分子電解質膜に接する位置に酸化剤極触媒層を形成するために、多孔質基板の上に電解質と触媒の粉末との混合物を乾式塗布する燃料電池電極製造装置において、前記電解質と触媒の粉末とが第１の混合比で混合された第１の混合物を供給する第１の混合物供給部と、前記第１の混合物供給部から供給される前記第１の混合物を上部で受け入れる第１の混合物受け入れ部と、前記第１の混合物が下向きに排出される第１の混合物出口部とを備えた第１の塗布チャンバーと、前記電解質と触媒の粉末とが前記第１の混合比と異なる第２の混合比で混合された第２の混合物を供給する第２の混合物供給部と、前記第２の混合物供給部から供給される前記第２の混合物を上部で受け入れる第２の混合物受け入れ部と、前記第２の混合物が下向きに排出される第２の混合物出口部とを備えた第２の塗布チャンバーと、前記多孔質基板を載置可能な吸引部が形成され、前記第１の塗布チャンバーおよび前記第２の塗布チャンバーに対して相対的に移動可能な塗布テーブルであって、該塗布テーブルが前記第１の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第１の混合物出口部の下方で該第１の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置され、該塗布テーブルが前記第２の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第２の混合物出口部の下方で該第２の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置されるように構成された塗布テーブルと、前記吸引部から下向きに吸引された空気を排出するブロワーと、を有すること、を特徴とする。
【００２１】
また、実施形態の燃料電池電極製造方法は、固体高分子膜型燃料電池の固体高分子電解質膜に接する位置に酸化剤極触媒層を形成するために、多孔質基板の上に電解質と触媒の粉末との混合物を乾式塗布する燃料電池電極製造方法において、塗布テーブルに設けられた吸引部の上に多孔質基板を載置して、その多孔質基板に対向する位置に第１の塗布チャンバーに設けられた第１の混合物出口部が配置されるように設定する第１塗布チャンバー設定ステップと、前記電解質と触媒の粉末とを第１の混合比で混合して第１の混合物を生成する第１混合ステップと、前記第１の混合物を第１の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第１の混合物を前記多孔質基板の第１の塗布領域に塗布する第１塗布ステップと、前記第１塗布ステップの後に、前記多孔質基板を載置した状態の前記塗布テーブルを、前記第１の塗布チャンバーおよび第２の塗布チャンバーに対して相対的に移動させて、前記多孔質基板に対向する位置に第２の塗布チャンバーに設けられた第２の混合物出口部が配置されるように設定する第２塗布チャンバー設定ステップと、前記電解質と触媒の粉末とを前記第１の混合比とは異なる第２の混合比で混合して第２の混合物を生成する第２混合ステップと、前記第２塗布チャンバー設定ステップの後に前記第２の混合物を第２の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第２の混合物を前記多孔質基板の第２の塗布領域に塗布する第２塗布ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の実施形態によれば、面内に分布を有する燃料電池電極を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃料電池電極製造装置の一実施形態の全体を示す模式的構成図であって、第１の塗布チャンバーによる第１の塗布工程における状況を示す図である。
【図２】図１の燃料電池電極製造装置の全体を示す模式的構成図であって、第２の塗布チャンバーによる第２の塗布工程における状況を示す図である。
【図３】図１の燃料電池電極製造装置の圧着工程における圧着ローラー付近の状況を示す模式的構成図である。
【図４】図１の燃料電池電極製造装置のマスキングの平面図であって、図４（ａ）は第１のマスキングの平面図であり、図４（ｂ）は第２のマスキングの平面図である。
【図５】図１の燃料電池電極製造装置の塗布テーブルの平面図であって、図５（ａ）は第１の塗布工程における塗布テーブルの状況を示す平面図であり、図５（ｂ）は第２の塗布工程における塗布テーブルの状況を示す平面図である。
【図６】燃料電池電極製造方法の一実施形態を示すフロー図である。
【図７】燃料電池電極製造装置によって製造される電極を用いた単位電池の一実施形態を示す模式的立断面図である。
【図８】燃料電池電極製造装置の一実施形態によって製造された第１および第２の燃料電池の具体的構成例を示す表である。
【図９】図８に示す第１および第２の燃料電池による試験結果の例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図７は、燃料電池電極製造装置によって製造される電極を用いた単位電池の一実施形態を示す模式的立断面図である。
【００２５】
燃料電池は複数の単位電池１０を積層してなる。各単位電池１０は固体高分子電解質膜１１を有する。固体高分子電解質膜１１の一方の面には燃料極触媒層１２が接し、他方の面には酸化剤極触媒層１４が接して配置されている。燃料極触媒層１２の固体高分子電解質膜１１の反対側には燃料極ガス拡散層１３が配置され、酸化剤極触媒層１４の固体高分子電解質膜１１の反対側には酸化剤極ガス拡散層１５が配置されている。燃料極ガス拡散層１３および酸化剤極ガス拡散層１５の外側には図示しないセパレータが配置され、セパレータに形成された溝を、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通するように構成されている。
【００２６】
酸化剤極触媒層１４は、酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層１４ａと酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層１４ｂの二つの領域に分かれている。
【００２７】
酸化剤極ガス拡散層１５は、多孔質基板からなり、酸化剤極触媒層１４は、電解質と触媒粉末とを混合した混合物を多孔質基板の表面に塗布して圧着することにより形成される。この混合物における触媒粉末と電解質との重量比は、たとえば、酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層１４ａでは１：０．４であり、酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層１４ｂでは１：０．６６である。酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層１４ａの方が酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層１４ｂに比べて電解質の比率が低い。
【００２８】
このような構成をとることにより、燃料電池運転時に酸化剤極で生成される水が特に酸化剤極供給下流側で酸化剤極触媒層で多くなりすぎてガス拡散性が低下する現象を抑制することができる。
【００２９】
つぎに、上記構成の燃料電池の酸化剤極を製造するための装置および方法の実施形態について説明する。
【００３０】
図１は、燃料電池電極製造装置の一実施形態の全体を示す模式的構成図であって、第１の塗布チャンバーによる第１の塗布工程における状況を示す図である。図２は、図１の燃料電池電極製造装置の全体を示す模式的構成図であって、第２の塗布チャンバーによる第２の塗布工程における状況を示す図である。図３は、図１の燃料電池電極製造装置の圧着工程における圧着ローラー付近の状況を示す模式的構成図である。図４は、図１の燃料電池電極製造装置のマスキングの平面図であって、図４（ａ）は第１のマスキングの平面図であり、図４（ｂ）は第２のマスキングの平面図である。図５は、図１の燃料電池電極製造装置の塗布テーブルの平面図であって、図５（ａ）は第１の塗布工程における塗布テーブルの状況を示す平面図であり、図５（ｂ）は第２の塗布工程における塗布テーブルの状況を示す平面図である。図６は、燃料電池電極製造方法の一実施形態を示すフロー図である。
【００３１】
この燃料電池電極製造装置は、四角錐状または円錐状の第１の塗布チャンバー２０および第２の塗布チャンバー２１を有し、第１の塗布チャンバー２０および第２の塗布チャンバー２１は、同じ高さ位置で互いに水平方向に並んで配置されている。
【００３２】
第１の塗布チャンバー２０および第２の塗布チャンバー２１のそれぞれの頂部には、それぞれに、第１の混合物受け入れ部７０および第２の混合物受け入れ部７１が形成され、それぞれが、ガスを供給する第１のガス供給部２２および第２のガス供給部２３が接続されている。第１のガス供給部２２および第２のガス供給部２３には、それぞれのガス流量を調整する第１のガス調整部２４および第２のガス調整部２５と、それぞれの塗布チャンバーに混合物を供給する第１の混合物供給部２６および第２の混合物供給部２７とが設けられている。
【００３３】
第１の塗布チャンバー２０および第２の塗布チャンバー２１のそれぞれの下部には第１の混合物出口部２８および第２の混合物出口部２９が形成され、第１の混合物出口部２８および第２の混合物出口部２９にはそれぞれ、第１のマスキング３０および第２のマスキング３１が取り付けられている。第１のマスキング３０および第２のマスキング３１には、互いに異なる位置に第１のマスキング開口３２、第２のマスキング開口３３が形成されている。
【００３４】
塗布テーブル３６は、その上面に、多数の貫通孔４３が形成された吸引部３７が設けられ、吸引部３７の上に、酸化剤極ガス拡散層１５を形成する多孔質基板１６を載置した状態で水平方向に移動可能である。塗布テーブル３６の吸引部３７の下方には吸引室３８が形成され、吸引室３８の底部には排気配管３９が接続され、排気配管３９には排気ブロワー４０が接続され、排気ブロワー４０の下流側には圧力調整弁４１が配置されている。吸引部３７には、吸引部３７に対して相対的に水平方向に移動可能な吸引部調整板４２が配置されている。吸引部調整板４２は吸引のガス流れを部分的に阻止する平板である。
【００３５】
この燃料電池電極製造装置はさらに、第１の塗布チャンバー２０および第２の塗布チャンバー２１で塗布された混合物を多孔質基板１６に圧着させるための圧着ローラー５０を有している。
【００３６】
つぎに、燃料電池電極製造方法の手順について説明する。
【００３７】
はじめに、塗布テーブル３６の吸引部３７の上に多孔質基板１６を載置し、塗布テーブル３６を移動して（ステップＳ１）、図１に示すように塗布テーブル３６が第１の塗布チャンバー２０の下方にあるようにする。この状態では、図１および図４（ａ）に示すように、第１のマスキング３０の第１のマスキング開口３２が図の左方にあり、第１のマスキング開口３２の下方に多孔質基板１６の第１の塗布領域１６ａが位置している。そのとき、吸引部調整板４２は、図１および図５（ａ）に示すように、図の右方にあり、第１のマスキング開口３２の下方から外れた位置にある。
【００３８】
つぎに、第１の塗布チャンバー２０による第１の塗布を行なう（ステップＳ２）。このとき、第１のガス供給部２２からガスを供給するとともに、第１の混合物供給部２６から第１の混合物を供給する。第１の混合物は、供給されたガスとともに第１の混合物受け入れ部７０から第１の塗布チャンバー２０に流入し、第１のマスキング開口３２を通り、多孔質基板１６の第１の塗布領域１６ａに届けられる。供給されたガスは、第１の塗布領域１６ａを透過し、塗布テーブル３６の吸引部３７から吸引室３８に吸引され、排気配管３９を経て排気ブロワー４０および圧力調整弁４１を経て外部に排出される。このとき第１の塗布領域１６ａに第１の混合物６０が塗布される。
【００３９】
つぎに、塗布テーブル３６の吸引部３７の上に多孔質基板１６を載置したままで、塗布テーブル３６を移動して（ステップＳ３）、図２に示すように塗布テーブル３６が第２の塗布チャンバー２１の下方にあるようにする。この状態では、図２および図４（ｂ）に示すように、第２のマスキング３１の第２のマスキング開口３３が図の右方にあり、第２のマスキング開口３３の下方に多孔質基板１６の第２の塗布領域１６ｂが位置している。吸引部調整板４２は、図２および図５（ｂ）に示すように、図の左方にあり、第２のマスキング開口３３の下方から外れた位置にあるように移動させる。
【００４０】
つぎに、第２の塗布チャンバー２１による第２の塗布を行なう（ステップＳ４）。このとき、第２のガス供給部２３からガスを供給するとともに、第２の混合物供給部２７から第２の混合物を供給する。第２の混合物は、供給されたガスとともに第２の混合物受け入れ部７１から第２の塗布チャンバー２１に流入し、第２のマスキング開口３３を通り、多孔質基板１６の第２の塗布領域１６ｂに届けられる。供給されたガスは、第２の塗布領域１６ｂを透過し、塗布テーブル３６の吸引部３７から吸引室３８に吸引され、排気配管３９を経て排気ブロワー４０および圧力調整弁４１を経て外部に排出される。このとき第２の塗布領域１６ｂに第２の混合物６１が塗布される。
【００４１】
つぎに、第１の塗布工程（Ｓ２）および第２の塗布工程（Ｓ４）で多孔質基板１６に塗布された混合物を、図３に示すように、圧着ローラー５０を用いて多孔質基板１６に圧着させる（ステップＳ５）。このようにして、多孔質基板１６の領域ごとに異なる混合物を塗布することができる。
【００４２】
以下に、上記実施形態の燃料電池電極製造装置を用いて実際に燃料電池電極の製造を行なった具体的実施例について述べる。燃料極ガス拡散層１３、酸化剤ガス拡散層１５には厚み１８０μｍのカーボンペーパー（東レ社製）を用いた。燃料極ガス拡散層１３、酸化剤極ガス拡散層１５の上部にアセチレンブラック（ＤＥＮＫＡ工業社製）とポリテトラフルオロエチレン（ＤｕＰｏｎｔ社製）からなる中間層を設けた。テトラフルオロエチレンの中間層における重量比は２０％とした。
【００４３】
つぎに中間層を設けた燃料極ガス拡散層１３の中間層の上に燃料極触媒層１２を形成した。
【００４４】
燃料極触媒層１２の触媒粉末にはＰｔ−Ｒｕ合金触媒（ＴＥＣ６１Ｅ５４、田中貴金属工業社製）を用いた。まずＰｔ−Ｒｕ合金触媒１ｇ当たりに対してイオン交換水を５ｇを添加し攪拌したのちに、２０ｗｔ％電解質溶液であるＮａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）を２．５ｇ加え、超音波分散を３０分行ない、燃料極触媒層形成用インクを得た。このインクを燃料極ガス拡散層１３の中間層上にバーコーターにてＰｔ−Ｒｕ量が０．５ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布し、温度８０℃で３０分乾燥し燃料極を得た。
【００４５】
酸化剤極触媒層１４の触媒粉末にはＰｔ触媒（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業社製）を用いた。まずＰｔ触媒１ｇ当たりに対して１０ｇのイオン交換水を添加し攪拌したのちに、２０ｗｔ％電解質溶液であるＮａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）を２ｇ加え、超音波分散を３０分間行ない、バット上に広げ室温に減圧乾燥した。乾燥したインクを回収し粉砕して触媒粉末と電解質の重量比が１：０．４である第１の混合物を得た。同様の工程で触媒粉末と電解質の重量比が１：０．６６である第２の混合物を得た。
【００４６】
酸化剤極の詳細な製造方法を以下に示す。中間層を設けた酸化剤極ガス拡散層１５を塗布テーブル３６に設置し、塗布テーブル３６を第１の塗布チャンバー２０の下方に移動して、第１の混合物を用いてＰｔ量が０．５ｍｇＰｔ／ｃｍ２となるように第１の塗布領域１６ａを乾式塗布した。この際、第１の塗布チャンバー２０の第１のマスキング開口３２と合わせて塗布テーブル３６の吸引部３７の開口部を調整した。第１の塗布チャンバー２０での触媒塗布終了後、塗布テーブル３６を第２の塗布チャンバー２１の下に移動して、第２の混合物を用いてＰｔ量が０．５ｍｇＰｔ／ｃｍ２となるように触媒層の第２の塗布領域１６ｂを乾式塗布し、第１の酸化剤極を得た。この際、塗布テーブル３６の吸引部３７の開口部は第２の塗布チャンバー２１の第２のマスキング開口３３に合わせて調整した。このように作成した第１の酸化剤極では、第１の塗布領域１６ａと第２の塗布領域１６ｂの境界はマスキングの型からのにじみがなく、また塗布面の断面も厚みのギャップもなく製作できた。
【００４７】
また、比較例として、塗布テーブル３６の吸引部３７の開口部を調整しないで、同様に第１の塗布領域１６ａ、第２の塗布領域を有する第２の酸化剤極を製作した。第２の酸化剤極では第１の塗布領域１６ａを塗布した時点で触媒層がマスキングに対して１ｍｍ程度にじみ出し、また第１の塗布領域１６ａと第２の塗布領域１６ｂの界面で触媒層厚みが１．５倍程度厚くなった。マスキングのみで吸引部３７の開口部を調整しないと触媒層に厚い場所が生じ、電解質膜の変形の起因となる恐れがある。
【００４８】
また、比較例として、第２の混合物のみで全面塗布した第３の酸化剤極を製作した。
【００４９】
上記作成した燃料極と第１および第３の酸化剤極とで固体高分子電解質膜を挟持し、熱圧着にて第１および第２の燃料電池を得た。固体高分子電解質膜には、厚さ２５マイクロメーターのＮａｆｉｏｎ膜（ＮＲ１１１）を用いた。また熱圧着はホットプレスを用いて温度１３５℃、圧力２０ｋｇｆ／ｃｍ２、時間２分間で行ない製作した。製作した第１および第２の燃料電池を用いて、酸化剤ガス供給用セパレータ、燃料ガス供給用セパレータに組み込んで発電試験を行なった。なお、第１の燃料電池は、図７に示すように、酸化剤極の触媒粉末と電解質の重量比が１：０．４となる第１の塗布領域１６ａが酸化剤反応ガス供給下流側に配置されるようにガス供給用セパレータと組み合わせた。
【００５０】
発電試験電池温度７０℃、加湿は燃料極、酸化剤極ともに相対湿度１００％で連続運転を行なった。図９に、電流密度０．４Ａ／ｃｍ２における運転開始時と１０００時間後の電圧を示す。酸化剤極の触媒粉末と電解質の重量比が１：０．６６である触媒塗布粉末を全面塗布した第２の燃料電池は運転開始時の電圧は高いが、連続運転時の電圧低下量が大きく、１０００時間後の電圧が最も低い結果となった。第１の燃料電池は、運転開始時電圧、１０００時間後電圧が良好である結果が得られた。第２の燃料電池では、触媒粉末に対する電解質比が高く、運転開始時では、良好な特性が得られるが、連続運転にしたがってガス供給下流部でのガス拡散不良を生じたものと考えられる。第１の燃料電池では上流に水分保持力の高い酸化剤極触媒層を有しており、運転開始時の特性が良好であるとともに、連続運転を行なっても、ガス拡散不良を生じるガス供給下流部での電解質の比率が比較的低いためにガス拡散不良が起こらず、安定した電圧が得られたと思われる。
【００５１】
以上説明したように、複数の塗布チャンバーとマスキング開口のみ吸引させることにより、複数の領域を有する触媒層を界面のギャップのない良好な触媒層を得ることができる。このように製作した触媒層に複数の領域を有する酸化剤極を用いることによって酸化剤極下流でのガス拡散不良を抑制でき、安定した特性を得ることができる。
【００５２】
上記実施形態では、２個の塗布チャンバーを用いて二つの塗布領域に別々に塗布するものとしたが、３個以上の塗布チャンバーを用いて三つ以上の塗布領域に別々に塗布してもよい。
【００５３】
また、上記実施形態では、第１の塗布チャンバー２０と第２の塗布チャンバー２１は移動せず、塗布テーブル３６が第１の塗布チャンバー２０と第２の塗布チャンバー２１の間を移動するものとした。これとは逆に、塗布テーブル３６は移動せず、第１の塗布チャンバー２０と第２の塗布チャンバー２１が交互に塗布テーブル３６の上方に位置するように移動する構成とすることもできる。
【００５４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  単位電池
１１  固体高分子電解質膜
１２  燃料極触媒層
１３  燃料極ガス拡散層
１４  酸化剤極触媒層
１４ａ  酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層
１４ｂ  酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層
１５  酸化剤極ガス拡散層
１６  多孔質基板
１６ａ  第１の塗布領域
１６ｂ  第２の塗布領域
２０  第１の塗布チャンバー
２１  第２の塗布チャンバー
２２  第１のガス供給部
２３  第２のガス供給部
２４  第１のガス調整部
２５  第２のガス調整部
２６  第１の混合物供給部
２７  第２の混合物供給部
２８  第１の混合物出口部
２９  第２の混合物出口部
３０  第１のマスキング
３１  第２のマスキング
３２  第１のマスキング開口
３３  第２のマスキング開口
３６  塗布テーブル
３７  吸引部
３８  吸引室
３９  排気配管
４０  排気ブロワー
４１  圧力調整弁
４２  吸引部調整板
４３  貫通孔
５０  圧着ローラー
７０  第１の混合物受け入れ部
７１  第２の混合物受け入れ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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