(57)【要約】【課題】  従来とは異なる方法によって触媒層中に空隙率の分布を持たせ、燃料電池の発電特性を向上させる。【解決手段】    燃料電池は、電解質膜１１０と、ガス拡散層２２０と、電解質膜１００とガス拡散層２２０に挟まれる触媒層２１０と、を有している。この燃料電池の触媒層２１０は、触媒基材に対する繊維状物質の重量比である繊維重量比は、触媒層２１０の電解質膜１１０側と触媒層２１０のガス拡散層２２０側とで異なるように形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、ガス拡散層と、前記電解質膜と前記ガス拡散層に挟まれる触媒層と、を有する燃料電池であって、
前記触媒層は、導電性粒子と、繊維状物質と、を含む触媒基材を有しており、前記触媒基材に対する前記繊維状物質の重量比である繊維重量比が、前記触媒層の前記ガス拡散層側と、前記触媒層の前記電解質膜側とで異なるように形成されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記触媒層の前記ガス拡散層側での第１の繊維重量比と、前記触媒層の前記電解質膜側での第２の繊維重量比との差は、２重量パーセントないし２０重量パーセントの範囲内である、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも低い、燃料電池。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも高い、燃料電池。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池であって、
前記繊維重量比が前記ガス拡散層側と前記電解質膜側で異なる触媒層は、前記電解質膜の燃料電池反応に伴う生成水の発生面側に設けられている、燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、
前記電解質膜の前記生成水の発生面側とは反対側には、前記繊維状物質を含まない繊維非含有触媒層が設けられている、燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６記載の燃料電池であって、
前記繊維状物質は導電性を有する、燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、
前記繊維状物質は繊維状カーボンである、燃料電池。
【請求項９】
電解質膜と、ガス拡散層と、導電性粒子と繊維状物質と含む触媒基材を有し前記電解質膜と前記ガス拡散層に挟まれる触媒層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
（ａ）前記触媒基材に対する前記繊維状物質の重量比である繊維重量比が第１の繊維重量比である第１の触媒層を形成する工程と、
（ｂ）前記繊維重量比が前記第１の繊維重量比と異なる第２の繊維重量比である第２の触媒層を形成する工程と、
を備える燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ａ）は、
前記繊維重量比が前記第１の繊維重量比である触媒基材を含む第１の塗工液を調製する工程と、
支持体上に液状の前記第１の塗工液を展延することにより塗布する工程と、
を含み、
前記工程（ｂ）は、
前記繊維重量比が前記第２の繊維重量比である触媒基材を含む第２の塗工液を調製する工程と、
前記工程（ａ）において前記支持体上に形成された前記第１の触媒層上に液状の前記第２の塗工液を展延することにより塗布する工程と、
を含み、
前記燃料電池の製造方法は、さらに、
前記支持体上に形成された前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とを前記電解質膜に転写する工程を備える、燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも低い、燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
請求項９記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ａ）は、
前記繊維重量比が前記第１の繊維重量比である触媒基材を含む第１の塗工液を調製する工程と、
前記第１の塗工液を前記ガス拡散層にスプレーにより塗布する工程と、
を含み、
前記工程（ｂ）は、
前記繊維重量比が前記第２の繊維重量比である触媒基材を含む第２の塗工液を調製する工程と、
前記第２の塗工液を前記電解質膜にスプレーにより塗布する工程と、
を含み、
前記燃料電池の製造方法は、さらに、
前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とを熱圧着する工程を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池の製造方法であって、
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも高い、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の触媒層を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電特性は、燃料電池の触媒層における反応ガスの状態に依存する。触媒層での反応ガスの状態は、触媒層の空隙率によって変化する。そこで、従来は、触媒層の形成に使用される液剤（「触媒インク」と呼ばれる）中の電解質量を変えることにより触媒層の空隙率に分布を持たせ、燃料電池の発電特性を向上させることが行われている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１５３０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１１９２２３号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６２５５号公報
【特許文献４】特開２００４−１９２９５０号公報
【０００４】
しかしながら、この従来の方法で製造された燃料電池では、十分な発電性能が得られないことがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、従来とは異なる方法によって触媒層中に空隙率の分布を持たせ、燃料電池の発電特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、ガス拡散層と、前記電解質膜と前記ガス拡散層に挟まれる触媒層と、を有する燃料電池であって、前記触媒層は、導電性粒子と、繊維状物質と、を含む触媒基材を有しており、前記触媒基材に対する前記繊維状物質の重量比である繊維重量比が、前記触媒層の前記ガス拡散層側と、前記触媒層の前記電解質膜側とで異なるように形成されていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、繊維重量比を変化させることにより触媒層の空隙率が変化し、触媒層の空隙率が燃料電池の動作に適した分布になるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【０００８】
前記触媒層の前記ガス拡散層側での第１の繊維重量比と、前記触媒層の前記電解質膜側での第２の繊維重量比との差は、２重量パーセントないし２０重量パーセントの範囲内であるものとしてもよい。
【０００９】
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも低いものとしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、触媒層の電解質膜側での空隙率が低くなることにより電解質膜の乾燥が抑制され、電解質膜のイオン伝導性が高くなると推定されるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００１１】
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも高いものとしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、触媒層の電解質膜側での空隙率が高くなることによりガス拡散層からの距離が離れた電解質膜側へのガスの供給が容易となると推定されるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００１３】
前記繊維重量比が前記ガス拡散層側と前記電解質膜側で異なる触媒層は、前記電解質膜の燃料電池反応に伴う生成水の発生面側に設けられているものとしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、生成水の発生面での触媒層の空隙率を高くすることができるので、生成された水の排出が容易となる。
【００１５】
前記電解質膜の前記生成水の発生面側とは反対側には、前記繊維状物質を含まない繊維非含有触媒層が設けられているものとしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、生成水が発生しない面側の繊維非含有触媒層の触媒の密度を高めることにより繊維非含有触媒層を薄くできるので、繊維非含有触媒層の電気抵抗を低減することができる。
【００１７】
前記繊維状物質は導電性を有するものとしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、繊維状物質を通して電流を流すことができるので、繊維状物質を含む触媒層の電気抵抗を低減することができる。
【００１９】
前記繊維状物質は繊維状カーボンであるものとしてもよい。
【００２０】
この構成によれば、繊維状カーボンは腐食しにくいので、繊維状物質の腐食による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜と、ガス拡散層と、導電性粒子と繊維状物質と含む触媒基材を有し前記電解質膜と前記ガス拡散層に挟まれる触媒層と、を備える燃料電池の製造方法であって、（ａ）前記触媒基材に対する前記繊維状物質の重量比である繊維重量比が第１の繊維重量比である第１の触媒層を形成する工程と、（ｂ）前記繊維重量比が前記第１の繊維重量比と異なる第２の繊維重量比である第２の触媒層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、繊維重量比を変化させることにより触媒層の空隙率が変化させることができるので、触媒層の空隙率を燃料電池の動作に適した分布とすることが容易になる。
【００２３】
前記工程（ａ）は、前記繊維重量比が前記第１の繊維重量比である触媒基材を含む第１の塗工液を調製する工程と、支持体上に液状の前記第１の塗工液を展延することにより塗布する工程と、を含み、前記工程（ｂ）は、前記繊維重量比が前記第２の繊維重量比である触媒基材を含む第２の塗工液を調製する工程と、前記工程（ａ）において前記支持体上に形成された前記第１の触媒層上に液状の前記第２の塗工液を展延することにより塗布する工程と、を含み、前記燃料電池の製造方法は、さらに、前記支持体上に形成された前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とを前記電解質膜に転写する工程を備えるものとしてもよい。
【００２４】
この構成によれば、塗工液中の触媒基材の繊維重量比を変えることにより、空隙率の異なる第１と第２の触媒層を容易に形成することができる。
【００２５】
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも低いものとしてもよい。
【００２６】
この構成によれば、触媒層の電解質膜側での空隙率が低くなることにより電解質膜の乾燥が抑制され、電解質膜のイオン伝導性が高くなると推定されるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００２７】
前記工程（ａ）は、前記繊維重量比が前記第１の繊維重量比である触媒基材を含む第１の塗工液を調製する工程と、前記第１の塗工液を前記ガス拡散層にスプレーにより塗布する工程と、を含み、前記工程（ｂ）は、前記繊維重量比が前記第２の繊維重量比である触媒基材を含む第２の塗工液を調製する工程と、前記第２の塗工液を前記電解質膜にスプレーにより塗布する工程と、を含み、前記燃料電池の製造方法は、さらに、前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とを熱圧着する工程を備えるものとしてもよい。
【００２８】
この構成によっても、塗工液中の触媒基材の繊維重量比を変えることにより、空隙率の異なる第１と第２の触媒層を容易に形成することができる。
【００２９】
前記第２の繊維重量比は、前記第１の繊維重量比よりも高いものとしてもよい。
【００３０】
この構成によれば、触媒層の電解質膜側での空隙率が高くなることによりガス拡散層からの距離が離れた電解質膜側へのガスの供給が容易となると推定されるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００３１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の触媒層およびその製造方法、その触媒層を利用した燃料電池、また、その燃料電池を利用した発電装置およびその燃料電池を搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池のセルの構造：
Ｂ．第１の実施の形態：
Ｃ．第２の実施の形態：
Ｄ．変形例：
【００３３】
Ａ．燃料電池のセルの構造：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池を構成するセル１００の構造を示す断面模式図である。燃料電池は、複数のセル１００が積層された燃料電池スタックを有している。セル１００は、電解質膜１１０と、電解質膜１１０を両側から挟み込むカソード２００とアノード３００と、を備えている。
【００３４】
カソード２００は、カソード触媒層２１０と、カソード拡散層２２０と、カソードセパレータ２３０と、を備えている。アノード３００は、アノード触媒層３１０と、アノード拡散層３２０と、アノードセパレータ３３０と、を備えている。
【００３５】
電解質膜１１０は、ナフィオン（デュポン社の商標）などのフッ素系樹脂材料で形成されており、湿潤状態において良好な導電性を有するプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード触媒層２１０とアノード触媒層３１０とは、電解質と、触媒を担持した導電性粒子（以下、「触媒担持導電性粒子」と呼ぶ）と、を含んでいる。ガス拡散層２２０，３２０は、導電性の多孔質材料（例えば、カーボンペーパや発泡金属）で形成されている。
【００３６】
カソード触媒層２１０は、電解質と触媒担持導電性粒子との他に、繊維状物質を含んでいる。カソード触媒層２１０は、繊維状物質の含有量が互いに異なる電解質膜側触媒層２１２と拡散層側触媒層２１４とを有している。なお、カソード触媒層２１０を形成する工程については、後述する。
【００３７】
セパレータ２３０，３３０は、カーボンなどのガス不透性と導電性とを有する材料をプレス成形することにより形成されている。セパレータ２３０，３３０には、それぞれガス拡散層２２０，３２０に面した側に凹部が設けられている。カソードセパレータ２３０に設けられた凹部とカソード拡散層２２０とで形成される空間（カソード流路）２３２には、酸素を含む酸化ガスが供給される。アノードセパレータ３３０に設けられた凹部とアノード拡散層３２０とで形成される空間（アノード流路）３３２には、水素を含む燃料ガスが供給される。
【００３８】
アノード流路３３２に供給された水素分子は、アノード拡散層３２０を透過してアノード触媒層３１０に到達する。アノード触媒層３１０では、水素分子が電子とプロトンとに解離する。解離によって生じたプロトンは、電解質膜１１０を通してカソード触媒層２１０に移動する。また、解離によって生じた電子は、アノード拡散層３２０とアノードセパレータ３３０を介して外部の導体に供給される。セル１００での発電は、このプロトンの移動に伴い、外部の導体を通して電子がアノード３００からカソード２００に移動することによって行われる。
【００３９】
カソード流路２３２に供給された酸素分子は、カソード拡散層２２０を透過してカソード触媒層２１０に到達する。カソード触媒層２１０では、カソード拡散層２２０を通して供給された酸素分子と、電解質膜１１０を通して供給されたプロトンと、外部の導体からカソードセパレータ２３０とカソード拡散層２２０とを通して供給された電子との燃料電池反応により水が生成される。
【００４０】
Ｂ１．第１の実施の形態における塗工液の調製：
第１の実施形態では、まず、電解質膜側触媒層２１２と、拡散層側触媒層２１４と、を形成するための２種類の触媒インク（塗工液）が調製される。触媒インクは、電解質と、触媒担持導電性粒子を含む粒子状物質と、水と、有機溶剤と、を含む液体である。
【００４１】
粒子状物質に含まれる触媒担持導電性粒子としては、燃料電池反応の触媒が導電性粒子に担持されたものであればよい。燃料電池反応の触媒としては、白金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、パラジウム等の白金族触媒金属や、銅、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、モリブデン、バナジウム等の卑金属系触媒金属、また、これらの金属の合金などを用いることができる。この触媒は、粒径が１０〜３００ｎｍの導電性粒子に担持される。導電性粒子としては、カーボンや各種金属の微粒子を用いることができる。導電性粒子への触媒担持量は、触媒担持導電性粒子の１０〜８０ｗｔ％の範囲で適宜決定することができる。
【００４２】
塗工液に含まれる粒子状物質は、触媒担持導電性粒子に所定の割合で繊維状物質を添加することにより調製される。触媒担持導電性粒子に添加される繊維状物質としては、水や有機溶剤に溶解しない繊維状の物質であればよい。繊維状物質としては、例えば、セラミックや金属のウィスカや、繊維状カーボンが使用できるが、導電性を有するものが好ましい。繊維状物質の添加量は、触媒基材（触媒担持導電性粒子中の導電性粒子＋繊維状物質）の０〜５０ｗｔ％の範囲で適宜決定することができる。なお、繊維状物質が導電性を有しない場合には、触媒基材に対する繊維状物質の重量比（繊維重量比）は、１０ｗｔ％以下が好ましい。
【００４３】
なお、繊維状物質としての繊維状カーボンには、種々のものを使用することができる。繊維状カーボンとしては、気相成長カーボンファイバ（例えば、昭和電工製ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維等を使用することができる。また、これらの繊維状カーボンに、例えば、撥水処理などの表面改質処理を施したものを使用することもできる。
【００４４】
調製された粒子状物質は、親水性の有機溶剤中に分散される。粒子状物質が分散した有機溶剤に、電解質をアルコールなどに溶解した電解質溶液（例えば、デュポン製ナフィオン溶液）を添加することにより、塗工原液が作成される。塗工液は、この塗工原液に水や有機溶剤を加え、粘度等を調整することにより調製される。粒子状物質を分散させる有機溶剤としては、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン等の任意の親水性有機溶剤を使用することができるが、塗工原液作成時の取り扱いと塗工液の乾燥（後述する）とが容易となる点で、エタノールが好ましい。なお、塗工液は、粒子状物質の重量１に対して、電解質重量が０．１〜１．５となるように調製される。
【００４５】
第１の実施の形態では、繊維重量比が互いに異なる２種類の塗工液が調製される。そのため、繊維重量比が互いに異なる２種類の粒子状物質（第１および第２の粒子状物質）が作成される。これらの２種類の粒子状物質の繊維重量比の差は、１〜５０ｗｔ％の範囲の任意の値とすることができるが、２〜２０ｗｔ％が好ましい。第１の粒子状物質を用いて第１の塗工液を調製し、第２の粒子状物質を用いて第２の塗工液を調製することにより、繊維重量比が互いに異なる第１の塗工液と第２の塗工液とが調製される。
【００４６】
Ｂ２．第１の実施の形態におけるカソード触媒層の形成：
図２は、第１の実施の形態におけるカソード触媒層２１０の形成の主要な工程を示す説明図である。
【００４７】
図２（ａ）の工程では、液状の第１の塗工液が支持体４１０上に塗布される。支持体としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂や、シリコーン樹脂を用いることができる。図２（ａ）に示すように、液状の第１の塗工液は、支持体４１０上のドクターブレード４２０とスリップ受け４２２との間の部分に保持される。そして、ドクターブレード４２０とスリップ受け４２２とが支持体４１０上を移動することにより、支持体上４１０には厚みが均一な塗膜が形成される。なお、塗膜の厚みは、ドクターブレード４２０と支持体４１０との距離を調整することにより、任意に設定することができる。
【００４８】
第１の塗工液の塗布の後、塗膜の乾燥処理が行われる。乾燥処理は、支持体を加熱することにより行われる。乾燥処理中の支持体の温度は、塗工液中の電解質や溶媒の種類によって適宜設定される。なお、乾燥処理は、触媒の酸化や塗膜の汚染を抑制するため、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中や、真空中で行うのが好ましい。乾燥時間は、支持体の温度や雰囲気等の乾燥条件に応じて実験的に決定される。このように、第１の塗工液を支持体４１０上に塗布し、その塗膜を乾燥することにより、拡散層側触媒層２１４が形成される。
【００４９】
図２（ｂ）の工程では、図２（ａ）の工程で形成された拡散層側触媒層２１４上に、第２の塗工液が塗布される。なお、第２の塗工液の塗布工程は、図２（ａ）に示す第１の塗工液の塗布工程と同様である。第２の塗工液の塗膜を第１の塗工液の塗膜と同様に乾燥することにより、電解質膜側触媒層２１２が形成される。
【００５０】
第１の実施の形態では、このように、第１の塗工液の塗布および乾燥と、第２の塗工液の塗布および乾燥と、を順次行うことにより、繊維状物質の含有量が互いに異なる電解質膜側触媒層２１２と拡散層側触媒層２１４とを有するカソード触媒層２１０が形成される。
【００５１】
図２（ｃ）の工程では、支持体４１０上に形成されたカソード触媒層２１０が電解質膜１１０に熱圧着される。熱圧着は、カソード触媒層２１０と電解質膜１１０とを接触させた後、電解質のガラス転移点以上の温度で圧力を加えることにより行われる。熱圧着の後、図２（ｄ）の工程では、電解質膜に熱圧着されたカソード触媒層２１０から支持体４１０が剥離される。なお、図２（ｃ）および（ｄ）の工程では、カソード触媒層２１０が支持体４１０から電解質膜１１０に転写されるので、この工程は一般的に触媒層の「転写」と呼ばれる。
【００５２】
図２（ｅ）の工程では、電解質膜１１０に転写されたカソード触媒層２１０にカソード拡散層２２０が積層される。第１の実施の形態では、このようにカソード触媒層２１０の形成と転写を行い、カソード触媒層２１０にカソード拡散層２２０を積層する。第１の実施の形態では、この電解質膜１１０とカソード触媒層２１０とカソード拡散層２２０との積層体に、図１に示すように、カソードセパレータ２３０と、アノード３００とを積層することにより、セル１００が作成される。
【００５３】
なお、第１の実施の形態では、塗工液をドクターブレード４２０を用いて展延することで塗工液の塗布を行っているが、一般には、液状の塗工液を他の種類のアプリケータを用いて塗布することもできる。このようなアプリケータとしては、例えば、ベーカ式アプリケータやバーコータ等を使用することも可能である。また、図２の例では、ドクターブレード４２０が支持体４１０上を移動することにより塗工液を展延しているが、ドクターブレード４２０が固定され支持体４１０が移動するようにしても良い。
【００５４】
Ｂ３．第１の実施の形態の実施例：
［実施例１］
実施例１では、まず、平均粒径約４０ｎｍのカーボン粒子に５０ｗｔ％の白金を担持した触媒担持カーボンの第１の粉末（粉末Ａ）と、粉末Ａと同一の触媒担持カーボンに繊維重量比が１０％となるようにＶＧＣＦを添加した第２の粉末（粉末Ｂ）と、ナフィオン溶液（品名ＤＥ２０２０）と、を準備した。そして、上述の方法により、粉末Ａとナフィオン溶液とを用いて塗工液Ａを調製し、粉末Ｂとナフィオン溶液とを用いて塗工液Ｂを調製した。これらの塗工液Ａ，Ｂは、いずれも、粉末Ａ，Ｂ（粒子状物質）の重量１に対し電解質の重量が約０．４となるように調製した。
【００５５】
次に、ドクターブレード４２０（図２）を用いて、塗工液ＢをＰＴＦＥフィルム（支持体４１０）上に塗布した。塗工液Ｂの塗膜の厚さは、単位面積あたりの塗膜中の触媒重量（以下、単に「触媒量」とも呼ぶ）が０．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。ＰＴＦＥフィルムを１００℃に加熱し、真空中に１２時間放置することにより、塗工液Ｂの塗膜を乾燥して拡散層側触媒層２１４を形成した。その後、ドクターブレードを用いて、拡散層側触媒層２１４上に塗工液Ａを塗布した。塗工液Ａの塗膜の厚さは、塗膜中の触媒量が０．３ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。塗工液Ａの塗膜を塗工液Ｂの塗膜と同一の条件で乾燥し、電解質膜側触媒層２１２を形成した。
【００５６】
次に、形成されたカソード触媒層２１０をナフィオン膜（電解質膜１１０）に接触させた後、１３０℃に加熱し５ＭＰａの圧力を５分間加えることにより、ナフィオン膜に熱圧着した。熱圧着の後、カソード触媒層２１０からＰＴＦＥフィルムを剥離することにより、カソード触媒層２１０をナフィオン膜に転写した。
【００５７】
［実施例２］
実施例２は、拡散層側触媒層２１４の形成に塗工液Ａを使用した点と、電解質膜側触媒層２１２の形成に塗工液Ｂを使用した点と、で実施例１と異なっている。他の点は、実施例１と同じである。
【００５８】
［比較例１］
比較例１は、塗工液Ａの１回の塗布と乾燥とでカソード触媒層２１０が形成される点で、実施例１と異なっている。比較例１では、実施例１と同様にドクターブレード４２０を用いて、塗工液ＡをＰＴＦＥフィルム上に塗布した。塗工液Ａの塗膜の厚さは、塗膜中の触媒層が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。そして、実施例１と同一の条件で塗工液Ａの塗膜を乾燥し、カソード触媒層２１０を形成した。その後、カソード触媒層２１０を、実施例１と同一の条件でナフィオン膜に転写した。
【００５９】
［比較例２］
比較例２は、カソード触媒層２１０の形成に塗工液Ｂを使用した点で比較例１と異なっている。他の点は、比較例１と同じである。
【００６０】
Ｂ４．第１の実施の形態でのセルの発電特性評価：
図３（ａ）は、実施例および比較例で作成したセル１００の発電特性評価に用いた評価回路を示す説明図である。セル１００の発電特性の評価は、セル１００のカソードセパレータ２３０とアノードセパレータ３３０との間に、定電流負荷５１２と電圧計５１４とを有する電流−電圧特性測定装置５１０を、配線５０２，５０４を介して接続することによって行った。
【００６１】
発電特性の評価では、まず、セル１００を図３（ｂ）の表に示す２つの条件（運転条件１および運転条件２）のそれぞれで運転した。そして、定電流負荷５１２に流れる電流を所定の値に設定し、セパレータ２３０，セパレータ３３０間の電圧（セル電圧）を電圧計５１４を用いて測定した。なお、この評価では、カソード流路２３２には酸化ガスとしては酸素濃度が制御された空気（以下、単に「空気」とも呼ぶ）を供給し、アノード流路３３２には燃料ガスとしてはほぼ１００％の水素（以下、単に「水素」とも呼ぶ）を供給した。
【００６２】
図３（ｂ）の表に示すように、セル１００の温度は７５℃に設定し、空気と水素との圧力（ガス圧）はそれぞれ０．１５ＭＰａに設定した。運転条件１では、水素を露点が５０℃となるように加湿し、空気を露点が７５℃となるように加湿した。また、カソード流路２３２には、酸素の濃度が１０％の空気を供給した。一方、運転条件２では、水素を露点が７５℃となるように加湿し、空気を露点が６０℃となるように加湿した。また、カソード流路２３２には、酸素の濃度が２１％の空気を供給した。
【００６３】
図４は、実施例１，２および比較例１，２のセル１００の発電特性評価の結果を示している。図４（ａ）の表は、図３（ｂ）に示す運転条件１の下でのセル１００の発電特性を示し、図４（ｂ）の表は、運転条件２の下でのセル１００の発電特性を示している。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）の表に示すように、発電特性を評価した実施例１，２および比較例１，２のセル１００には、図２の製造工程によって製造されたものを使用した。
【００６４】
運転条件１では、まず、触媒層面積あたりのセル１００の出力電流（出力電流密度）が０．６Ａ／ｃｍ2となるように定電流負荷５１２（図３（ａ））に流れる電流（負荷電流）値を設定した。そして、電圧計５１４（図３（ａ））を用いてセル電圧を測定した。次に、出力電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2となるように負荷電流値を設定し、電圧計５１４を用いてセル電圧を測定した。
【００６５】
同様に、運転条件２では、出力電流密度が１．２Ａ／ｃｍ2となるように負荷電流値を設定し、電圧計５１４を用いてセル電圧を測定した。次に、出力電流密度が１．８Ａ／ｃｍ2となるように負荷電流値を設定し、電圧計５１４を用いてセル電圧を測定した。
【００６６】
その結果、図４（ａ）および図４（ｂ）の表に示すように、２つの運転条件のいずれにおいても、実施例１のセル電圧が最も高く、次いで、実施例２のセル電圧が高くなった。このように、電解質膜側触媒層２１２と拡散層側触媒層２１４との繊維重量比が互いに異なる実施例１および実施例２は、電解質膜側触媒層２１２と拡散層側触媒層２１４との繊維重量比がほぼ等しい比較例１および比較例２よりも、セルの発電特性が良好であった。
【００６７】
Ｃ１．第２の実施の形態におけるカソード触媒層の形成：
図５は、第２の実施の形態におけるカソード触媒層２１０ａの形成の主要な工程を示す説明図である。なお、第２の実施の形態における塗工液の調製工程は、第１の実施例と同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００６８】
図５（ａ）の工程では、電解質膜１１０上に、第１の塗工液が塗布される。第１の塗工液の塗布は、スプレー４３０から第１の塗工液を電解質膜１１０に噴霧することにより、電解質膜１１０上に第１の塗工液の塗膜が形成される。電解質膜１１０上の塗膜は、実施例１の塗膜と同様に乾燥され、電解質膜側触媒層２１２ａを形成する。
【００６９】
図５（ｂ）の工程では、カソード拡散層２２０上に、第２の塗工液が塗布される。なお、第２の塗工液の塗布工程は、図５（ａ）に示す第１の塗工液の塗布工程と同様である。第２の塗工液の塗膜は、第１の塗工液の塗膜と同様に乾燥され、拡散層側触媒層２１４ａを形成する。
【００７０】
図５（ｃ）の工程では、電解質膜１１０上に形成された電解質膜側触媒層２１２ａと、カソード拡散層２２０上に形成された拡散層側触媒層２１４ａとが、互いに熱圧着される。熱圧着は、実施例１の転写と同様に、電解質膜側触媒層２１２ａと拡散層側触媒層２１４ａとを接触させた後、電解質のガラス転移点以上の温度で圧力を加えることにより行われる。この熱圧着により、電解質膜側触媒層２１２ａと拡散層側触媒層２１４ａとを有するカソード触媒層２１０ａが形成される。第２の実施の形態では、この電解質膜１１０とカソード触媒層２１０ａとカソード拡散層２２０との積層体に、図１に示すように、カソードセパレータ２３０と、アノード３００と、を積層することにより、セル１００が作成される。
【００７１】
Ｃ２．第２の実施の形態の実施例：
［実施例３］
実施例３では、まず、平均粒径約４０ｎｍのカーボン粒子に４８ｗｔ％の白金と３ｗｔ％のコバルトとを担持した触媒担持カーボンの第１の粉末（粉末Ｃ）と、粉末Ｃと同一の触媒担持カーボンに繊維重量比が１０％となるようにＶＧＣＦを添加した第２の粉末（粉末Ｄ）と、実施例１と同じナフィオン溶液と、を準備した。そして、実施例１と同様に、粉末Ｃとナフィオン溶液とを用いて塗工液Ｃを調製し、粉末Ｄとナフィオン溶液とを用いて塗工液Ｄを調製した。塗工液Ｃは、粉末Ｃの重量１に対し電解質の重量が約０．５となるように調製し、塗工液Ｄは、粉末Ｄの重量１に対し電解質の重量が約０．４となるように調製した。
【００７２】
次に、スプレー４３０を用いて塗工液Ｄをナフィオン膜（電解質膜１１０）に噴霧することにより、ナフィオン膜上に塗工液Ｄの塗膜を形成した。このとき、塗工液Ｄの塗膜の厚さは、触媒量が０．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。そして、塗工液Ｄの塗膜を実施例１の塗膜の乾燥処理と同一の条件（真空中、１００℃、１２時間）で乾燥することにより、電解質膜側触媒層２１２ａを形成した。
【００７３】
次に、スプレー４３０を用いて塗工液Ｃをカーボンペーパ（カソード拡散層２２０）に噴霧することにより、カーボンペーパ上に塗工液Ｃの塗膜を形成した。このとき、塗工液Ｃの塗膜の厚さは、触媒量が０．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。塗工液Ｃの塗膜を実施例１の塗膜の乾燥処理と同一の条件で乾燥することにより、拡散層側触媒層２１４ａを形成した。
【００７４】
次に、電解質膜側触媒層２１２ａと拡散層側触媒層２１４ａとを接触させた後、１３０℃に加熱し、５ＭＰａの圧力を５分間加えることにより、２つの触媒層２１２ａ，２１４ａを熱圧着しカソード触媒層２１０ａを形成した。
【００７５】
［実施例４］
実施例４は、触媒層２１２ａ，２１４ａの形成に使用した塗工液の組成が異なっている点で、実施例３と異なっている。他の点は、実施例３と同じである。実施例４では、実施例３と同様に、粉末Ｄとナフィオン溶液とを用いて塗工液Ｅを調製し、粉末Ｃとナフィオン溶液とを用いて塗工液Ｆを調製した。塗工液Ｅは、粉末Ｄの重量１に対し電解質の重量が約０．５となるように調製し、塗工液Ｆは、粉末Ｃの重量１に対し電解質の重量が約０．４となるように調製した。
【００７６】
次に、スプレー４３０を用いてナフィオン膜上に塗工液Ｆの塗膜を形成し、塗工液Ｆの塗膜を実施例１の塗膜の乾燥処理と同一の条件で乾燥することにより、電解質膜側触媒層２１２ａを形成した。同様に、スプレー４３０を用いてカーボンペーパ上に塗工液Ｅの塗膜を形成し、塗工液Ｅの塗膜を実施例１の塗膜の乾燥処理と同一の条件で乾燥することにより、拡散層側触媒層２１４ａを形成した。このとき、塗工液Ｅおよび塗工液Ｆの塗膜の厚さは、いずれも、触媒量が０．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。
【００７７】
［比較例３］
比較例３は、塗工液Ｄに替えて塗工液Ｆを用いて電解質膜側触媒層２１２ａを形成した点で実施例３と異なっている。他の点は、実施例３と同じである。
【００７８】
［比較例４］
比較例４は、塗工液Ｃに替えて塗工液Ｅを用いて拡散層側触媒層２１４ａを形成した点で実施例３と異なっている。他の点は、実施例３と同じである。
【００７９】
Ｃ３．第２の実施の形態でのセルの発電特性評価：
【００８０】
図６は、実施例３，４および比較例３，４のセル１００の発電特性評価の結果を示している。第２の実施の形態では、図３（ａ）に示す第１の実施の形態での評価で用いた運転条件２と同じ運転条件でのみ評価を行った点で、第１の実施の形態と異なっている。他の点は、第１の実施の形態と同じである。図６（ａ）の表は、発電特性評価の際の運転条件（運転条件２）を示している。図６（ｂ）の表は、運転条件２の下でのセル１００の発電特性を示している。なお、図６（ｂ）の表に示すように、発電特性を評価した実施例３，４および比較例３，４のセル１００には、図５の製造工程によって製造されたものを使用した。
【００８１】
発電特性の評価では、まず、セル１００を図６（ａ）の表に示す運転条件２で運転した。出力電流密度が１．２Ａ／ｃｍ2となるように負荷電流値を設定し、電圧計５１４（図３（ａ））を用いてセル電圧を測定した。次に、出力電流密度が１．８Ａ／ｃｍ2となるように負荷電流値を設定し、電圧計５１４を用いてセル電圧を測定した。
【００８２】
その結果、図６（ｂ）の表に示すように、実施例３のセル電圧が最も高く、次いで、比較例３のセル電圧が高くなった。実施例４のセル電圧は、比較例３のセル電圧よりは低くなったものの、比較例４のセル電圧よりも高かった。このように、電解質膜側触媒層２１２と拡散層側触媒層２１４との繊維重量比が互いに異なる実施例３および実施例４は、電解質膜側触媒層２１２と拡散層側触媒層２１４とにほぼ同じ繊維重量比でＶＧＣＦを添加した比較例４よりも、セルの発電特性が良好であった。
【００８３】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８４】
Ｄ１．変形例１：
上記各実施形態では、カソード触媒層が電解質膜側触媒層と拡散層側触媒層との２つの触媒層で構成されているが、カソード触媒層は、電解質膜側と拡散層側とで繊維重量比が異なっていればよい。例えば、カソード触媒層を、繊維重量比が互いに異なる少なくとも２以上の触媒層を積層して構成するものとしてもよい。
【００８５】
Ｄ２．変形例２：
上記各実施形態では、カソード触媒層に繊維状物質を添加しているが、カソード触媒層とアノード触媒層の少なくとも一方に繊維状物質を添加するものとしてもよい。この場合、触媒層での生成水を排出するため、燃料電池反応により生成水が発生する触媒層に繊維状物質を添加することが好ましい。また、生成水が発生しない側では、触媒密度を高めることができるので、生成水を発生しない側の触媒層には繊維状物質を添加しないのが好ましい。
【００８６】
Ｄ３．変形例３：
上記各実施形態では、電解質膜としてプロトン透過性の固体高分子電解質を用いているが、電解質膜としては、アニオン透過性の電解質を用いることもできる。この場合、触媒層からの生成水の排出を容易とするため、アノード触媒層に繊維状物質を添加するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池を構成するセル１００の構造を示す断面模式図。
【図２】第１の実施の形態におけるカソード触媒層２１０の形成の主要な工程を示す説明図。
【図３】実施例および比較例で作成されたセルの発電特性評価の様子を示す説明図。
【図４】実施例１，２および比較例１，２のセル１００の発電特性評価の結果。
【図５】第２の実施の形態におけるカソード触媒層２１０ａの形成の主要な工程を示す説明図。
【図６】実施例３，４および比較例３，４のセル１００の発電特性評価の結果。
【符号の説明】
【００８８】
１００…セル
１１０…電解質膜
２００…カソード
２１０，２１０ａ…カソード触媒層
２１２，２１２ａ…電解質膜側触媒層
２１４，２１４ａ…拡散層側触媒層
２２０…カソード拡散層
２３０…カソードセパレータ
２３２…カソード流路
３００…アノード
３１０…アノード触媒層
３２０…アノード拡散層
３３０…アノードセパレータ
３３２…アノード流路３３２
４１０…支持体
４２０…ドクターブレード
４２２…スリップ受け
４３０…スプレー
５０２，５０４…配線
５１０…電流−電圧特性測定装置
５１２…定電流負荷
５１４…電圧計
【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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