(57)【要約】【課題】燃料電池の触媒層のプロトン伝導性を向上させる。【解決手段】燃料電池の触媒層の製造方法は、（ａ）基材シートと、触媒を含む触媒基材であって基材シート上に配置された触媒基材と、を有する一次転写用シートにおける触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを生成する工程と、（ｂ）燃料電池用の電解質膜に、触媒層転写シート上の触媒基材を転写する工程と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の触媒層の製造方法であって、
（ａ）基材シートと、触媒を含む触媒基材であって前記基材シート上に配置された触媒基材と、を有する一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを生成する工程と、
（ｂ）前記燃料電池用の電解質膜に、前記触媒層転写シート上の前記触媒基材を転写する工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記工程（ａ）では、前記一次転写用シートの面方向の変形を抑制しながら、前記一次転写用シートを圧縮することにより、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させる、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記工程（ａ）において、前記触媒層転写シートにおける前記触媒基材の厚みが、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の厚みの５５％以上かつ７５％以下の範囲内となるように、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の方法において、
前記一次転写用シートは平面の周縁形状が四角形であり、
前記工程（ａ）において、前記周縁形状の少なくとも一辺の近傍に設けられた変形抑制部を有する圧縮装置を用いて、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の方法において、
前記触媒基材は、さらにアイオノマを含み、
前記工程（ａ）において、前記アイオノマのガラス転移温度以上の温度環境下で、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
【請求項６】
燃料電池の触媒層を形成するための触媒層転写シートの製造方法であって、
（ｃ）触媒を含む触媒基材を、基材シートに塗布して一次転写用シートを生成する工程と、
（ｄ）前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを得る工程と、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の触媒層の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、電解質膜の面上に触媒層とガス拡散層とがこの順番で積層された構成を有する燃料電池が知られている。このような燃料電池の触媒層の製造方法として、２つの薄いポリマーフィルム間に触媒スラリーを充填し、触媒スラリーが充填されたポリマーフィルムを２つのローラー間に配置してプレスする方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、触媒層の厚みの低減により、触媒層のプロトン伝導性の向上（プロトン抵抗の低減）を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５１２１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、触媒スラリーが充填されたポリマーフィルムを２つのローラー間に配置してプレスすることにより触媒層を製造する方法によると、触媒層を薄く延ばすことは可能であるが、触媒層における空隙率を低下させることはできなかった。したがって、触媒層におけるプロトン伝導物質（例えば、アイオノマ）の体積比率に変化がないため、触媒層のプロトン伝導性を大きく向上させることはできなかった。その結果、燃料電池の発電効率を大きく向上させることができなかった。
【０００５】
本発明は、燃料電池の触媒層のプロトン伝導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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池の触媒層の製造方法であって、
（ａ）基材シートと、触媒を含む触媒基材であって前記基材シート上に配置された触媒基材と、を有する一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを生成する工程と、
（ｂ）前記燃料電池用の電解質膜に、前記触媒層転写シート上の前記触媒基材を転写する工程と、
を備える、方法。
【０００８】
適用例１の方法によると、一次転写用シートの空隙率を低減させるので、燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導物質の体積率を向上させることができ、プロトン伝導性を向上させることができる。加えて、一次転写用シートの空隙率を低減させる工程（すなわち、工程（ａ）を、触媒基材を電解質膜に転写する工程（すなわち、工程（ｂ））とは別工程として実行するので、一次転写用シートの空隙率を低減する際における電解質膜の劣化を抑制できる。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載の方法において、
前記工程（ａ）では、前記一次転写用シートの面方向の変形を抑制しながら、前記一次転写用シートを圧縮することにより、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させる、方法。
【００１０】
このような構成により、一次転写用シートの厚みを低減させつつ、触媒基材の空隙率を低減させることができる。したがって、空隙率に加えて触媒基材の厚みも低減できるので、燃料電池の触媒層のプロトン伝導性を向上させることができる。加えて、一次転写用シートを圧縮する（すなわち、工程（ａ）を実行する）際には、電解質膜を圧縮せずに済むため、圧縮に伴う電解質膜の劣化を抑制できる。
【００１１】
［適用例３］適用例２に記載の方法において、
前記工程（ａ）において、前記触媒層転写シートにおける前記触媒基材の厚みが、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の厚みの５５％以上かつ７５％以下の範囲内となるように、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
【００１２】
このような構成により、触媒層における空隙の低減に起因するフラッディングの発生に伴う発電効率の劣化よりも、触媒層における空隙の低減に起因するプロトン導電性の向上に伴う発電効率の向上を大きくすることができ、燃料電池全体として、発電効率を向上させることができる。
【００１３】
［適用例４］適用例２または適用例３に記載の方法において、
前記一次転写用シートは平面の周縁形状が四角形であり、
前記工程（ａ）において、前記周縁形状の少なくとも一辺の近傍に設けられた変形抑制部を有する圧縮装置を用いて、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
【００１４】
このような構成により、一次転写用シートの面方向の変形を確実に抑制することができる。
【００１５】
［適用例５］適用例２ないし適用例４のいずれかに記載の方法において、
前記触媒基材は、さらにアイオノマを含み、
前記工程（ａ）において、前記アイオノマのガラス転移温度以上の温度環境下で、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
【００１６】
このような構成により、一次転写用シートを圧縮する際に、アイオノマを柔らかくすることができる。したがって、一次転写用シートを圧縮する際の圧力を比較的小さくすることができ、圧縮に伴う一次転写用シートの劣化を抑制できる。
【００１７】
［適用例６］燃料電池の触媒層を形成するための触媒層転写シートの製造方法であって、
（ｃ）触媒を含む触媒基材を、基材シートに塗布して一次転写用シートを生成する工程と、
（ｄ）前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを得る工程と、
を備える、方法。
【００１８】
適用例６の方法によると、一次転写用シートの空隙率を低減させるので、燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導物質の体積率を向上させることができ、プロトン伝導性を向上させることができる。加えて、一次転写用シートの空隙率を低減させる工程（すなわち、工程（ｄ））は、触媒転写シート上の触媒基材を燃料電池用の電解質膜に転写する工程とは別に実行するので、一次転写用シートの空隙率を低減する際における電解質膜の劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における単セルの製造方法の手順を示すフローチャート。
【図２】ステップＳ１２５における加熱圧縮に用いられる圧縮治具を模式的に示す断面図である。
【図３】第１圧縮部の第１突出部の表面に一次転写用シートを配置した状態を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の単セル製造手順に従って製造された単セルを示す断面図である。
【図５】第１ないし第３実施例における評価試験の結果を示す説明図である。
【図６】比較例及び第１実施例におけるステップＳ１２５での圧縮圧力を変えて得られた一次転写用シート（一次触媒層）の圧縮率を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の実施形態における単セルの製造方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態では、図１に示す手順に従って、燃料電池スタック等に用いられる燃料電池（すなわち、単セル）を製造する。なお、本実施形態において製造される単セルは、固体高分子型燃料電池である。
【００２１】
まず、電解質を、水およびアルコール類（例えば、エタノール等）を溶媒として溶解させて電解質溶液を生成する（ステップＳ１０５）。電解質としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなるフッ素系樹脂材料を用いることができる。このようなフッ素系樹脂材料としては、例えば、デュポン社のナフィオン（登録商標）を用いることができる。
【００２２】
ステップＳ１０５で生成された電解質溶液を、高分子フィルム上に塗布して乾燥させて電解質膜を生成する（ステップＳ１１０）。高分子フィルムとしては、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等のポリエステル系、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（硬質）、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、熱硬化性ガラス充填シリコーン等を採用することができる。また、塗布の方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ダイ塗工法、ドクターブレード法、インクジェット法、ディスペンサ法等を用いることができる。
【００２３】
触媒担持カーボンとステップＳ１０５で生成された電解質溶液とを混合して、触媒層用インクを生成する（ステップＳ１１５）。触媒担持カーボンに含まれる触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。触媒担持カーボンに含まれるカーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラックや、サーマルブラックや、カーボンナノファイバや、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）や、カーボンナノホーン（ＣＮＨ）などを採用することもできる。
【００２４】
ステップＳ１１５で生成された触媒層用インクを基材シートに塗布した後乾燥させ、一次転写用シートを生成する（ステップＳ１２０）。基材シートとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のシート（例えば、テフロンシート（テフロンはデュポン社の登録商標））を採用することができる。なお、この段階において、一次転写用シート上の触媒層用インクには十分な空隙（例えば、空隙率５０〜６０％）が存在する。
【００２５】
ステップＳ１２０において得られた一次転写用シートを、面方向の変形を抑制しながら加熱圧縮して触媒層転写シートを生成する（ステップＳ１２５）。
【００２６】
図２は、ステップＳ１２５における加熱圧縮に用いられる圧縮治具を模式的に示す断面図である。本実施形態では、図２に示す圧縮治具１００を用いてステップＳ１２５における加熱圧縮を実現する。圧縮治具１００は、一対の圧縮部（第１圧縮部１１ａ及び第２圧縮部１１ｂ）と、変形抑制部１２とを備えている。
【００２７】
第１圧縮部１１ａは、ＳＵＳ（ステンレススチール）等の金属製板状部材で構成され、中央部に第１突出部２１ａを備えており、凸形の断面形状を有している。同様に、第２圧縮部１１ｂは、ＳＵＳ等の金属板状部材で構成され、中央に第２突出部２１ｂを備えており、凸形の断面形状を有している。圧縮部１１ａ，１１ｂは、いずれも平面視外観は四角形であり、互いに同じ大きさである。また、突出部２１ａ，２１ｂも平面視外観は四角形であり、互いに同じ大きさである。ここで、突出部２１ａ，２１ｂの平面の大きさは、ステップＳ１２０で用いられる基材シートの平面の大きさにほぼ等しい。
【００２８】
第１圧縮部１１ａは、第１突出部２１ａが配置されている面とは反対の面において、図示しない圧縮装置の下方圧縮部１０ａに固定されている。同様に、第２圧縮部１１ｂは、第２突出部２１ｂが配置されている面とは反対の面において、図示しない圧縮装置の上方圧縮部１０ｂに固定されている。下方圧縮部１０ａ及び上方圧縮部１０ｂは、互いに鉛直方向に所定の距離だけ離れて平行となるように配置されている。２つの圧縮部１１ａ，１１ｂは、加熱圧縮を行っていない状態において、互いに突出部２１ａ，２１ｂが対向するように、鉛直方向に所定の距離だけ離れて配置されている。
【００２９】
変形抑制部１２は、平面視外観が四角形の板状部材であり、中央部に平面視四角形の貫通穴を有する。変形抑制部１２としては、例えば、ＳＵＳ等の金属製板状部材で構成することができる。変形抑制部１２の有する貫通穴は、第１圧縮部１１ａの第１突出部２１ａよりも若干大きく、変形抑制部１２は、貫通穴に第１突出部２１ａが挿入された状態で配置される。
【００３０】
以上の構成を有する圧縮治具１００を用いて、以下のようして加熱圧縮が行われる。まず、基材シートＢ１と、基材シートＢ１上に塗布された触媒層用インクの層（以下、「一次触媒層」と呼ぶ）Ａ１とからなる一次転写用シートＳ１を、第１突出部２１ａの表面に載せて、第２圧縮部１１ｂの第２突出部２１ｂと対向するように配置する。
【００３１】
図３は、第１圧縮部の第１突出部の表面に一次転写用シートを配置した状態を示す斜視図である。図３では、説明の便宜上、第１圧縮部１１ａと、第２圧縮部１１ｂと、下方圧縮部１０ａと、上方圧縮部１０ｂとは省略している。第１圧縮部１１ａの第１突出部２１ａに一次転写用シートＳ１を載せた場合、図３に示すように、一次触媒層Ａ１は、一次触媒層Ａ１の各辺が貫通穴Ｍ１の各辺と平行となるように貫通穴Ｍ１に嵌って配置されている。このとき、一次触媒層Ａ１の各辺と、貫通穴Ｍ１を形成する変形抑制部１２の各壁面との間の隙間は非常に小さい。
【００３２】
第１圧縮部１１ａの第１突出部２１ａに一次転写用シートＳ１を載せた後、図２に示すように、第２圧縮部１１ｂの第２突出部２１ｂの表面に基材シートＢ２を配置する。基材シートＢ２としては、基材シートＢ１と同じ組成のシートを採用することができる。基材シートＢ１を配置するのは、圧縮後の型離れ性を向上させる（第２突出部２１ｂから剥がし易くする）ためである。
【００３３】
次に、図示しない圧縮装置を駆動して、一次転写用シートＳ１及び基材シートＢ２を、第１圧縮部１１ａ及び第２圧縮部１１ｂで挟持した状態で鉛直方向に圧力を加えて圧縮して、一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）の厚み（鉛直方向の長さ）を減縮させて、触媒層用転写シートを生成する。このとき、図示しないヒーターにより、圧縮部１１ａ，１１ｂ、及び変形抑制部１２を加熱する。圧縮圧力としては、例えば、１．０ＭＰａ〜２００ＭＰａとすることができる。なお、後述するように、一次触媒層Ａ１の圧縮率（圧縮後の厚み／圧縮前の厚み）が０．５５（５５％）〜０．７５（７５％）となるように、圧縮圧力を決定することが好ましい。
【００３４】
図３に示すように、一次触媒層Ａ１の各辺と、貫通穴Ｍ１を形成する変形抑制部１２の各壁面との間の隙間は非常に小さい。したがって、一次触媒層Ａ１を厚み方向に圧縮した場合に、一次触媒層Ａ１の面方向（一次触媒層Ａ１の中央部から周縁部に向かう方向）への変形は抑制される。このように、圧縮する際に一次触媒層Ａ１（一次転写用シートＳ１）の面方向の変形を抑制しているのは、圧縮により一次触媒層Ａ１内の空隙をつぶして、一次触媒層Ａ１における電解質（アイオノマ）の体積比を向上させるためである。なお、「面方向への変形を抑制する」とは、換言すると「厚さ方向の変形に比べて面方向の変形が小さい」ことを意味する。また、換言すると、一次転写用シートＳ１を第１突出部２１ａに載せた状態で、一次触媒層Ａ１の各辺が貫通穴Ｍ１を形成する変形抑制部１２の各壁面に接する状態においては、「厚さ方向のみ変形させる」ことを意味する。
【００３５】
以上のステップＳ１２０，Ｓ１２５を２回実行することにより、アノード側及びカソード側の２枚の触媒層転写シートを生成する。なお、ステップＳ１２０，Ｓ１２５の処理は、請求項における触媒層転写シート製造方法に相当する。
【００３６】
図１に示すように、触媒層転写シートが生成されると、ステップＳ１１０で生成された電解質膜の両面に、それぞれ触媒層転写シートを重ねて加熱圧縮することにより、触媒層を電解質膜に転写させてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を生成する（ステップＳ１３０）。このときの圧縮圧力としては、ステップＳ１２５における圧縮圧力よりも低い圧力（例えば、１０ＭＰａ程度）が好ましい。これは、比較的低い圧力を加えることにより、電解質膜の損傷を抑制できるからである。なお、上述したステップＳ１１５〜Ｓ１３０は、請求項における触媒層製造方法に相当する。
【００３７】
ステップＳ１３０により得られたＭＥＡを、２枚のガス拡散層部材で挟持し、さらに、２枚のセパレータで挟持することで、単セルを得る（ステップＳ１４０）。ガス拡散層部材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体により構成することができる。また、セパレータとしては、例えば、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。
【００３８】
図４は、本実施形態の単セル製造手順に従って製造された単セルを示す断面図である。単セル２００は、電解質膜３０と、カソード側触媒層３１ｃと、カソード側ガス拡散層３２ｃと、カソード側セパレータ３３ｃと、アノード側触媒層３１ａと、アノード側ガス拡散層３２ａと、アノード側セパレータ３３ａとを備えている。
【００３９】
カソード側触媒層３１ｃは、電解質膜３０に接して配置されている。カソード側ガス拡散層３２ｃは、カソード側触媒層３１ｃの外側面（電解質膜３０とは反対面）において、カソード側触媒層３１ｃに接している。カソード側セパレータ３３ｃは、カソード側ガス拡散層３２ｃの外側面（カソード側触媒層３１ｃとは反対面）において、カソード側ガス拡散層３２ｃに接している。カソード側セパレータ３３ｃは、凹凸形状を有しており、カソード側セパレータ３３ｃとカソード側ガス拡散層３２ｃとが接することにより、カソード側セパレータ３３ｃとカソード側ガス拡散層３２ｃとの間に酸化剤ガス流路３４ｃが形成される。この酸化剤ガス流路３４ｃは、外部から供給される空気をカソード側ガス拡散層３２ｃに導くと共に、カソード側ガス拡散層３２ｃから排出されるガス（余剰空気及び水蒸気）を外部へと排出する。
【００４０】
アノード側の構成は、カソード側の構成と同様である。すなわち、アノード側触媒層３１ａは、カソード側触媒層３１ｃと同じ構成を有している。また、アノード側ガス拡散層３２ａはカソード側ガス拡散層３２ｃと、アノード側セパレータ３３ａはカソード側セパレータ３３ｃと、それぞれ同じ構成を有している。なお、アノード側セパレータ３３ａとアノード側ガス拡散層３２ａとの間に形成された燃料ガス流路３４ａは、燃料ガス（例えば、水素ガス）をアノード側ガス拡散層３２ａに導くと共に、アノード側ガス拡散層３２ａから排出されるガス（例えば、余剰水素ガス）を外部に排出する。
【００４１】
以上の実施形態によると、一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）を加熱圧縮する際に、面方向の変形を抑制しつつ一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）を圧縮するので、一次触媒層Ａ１内部の空隙をつぶして一次触媒層Ａ１における電解質（アイオノマ）の体積比率を向上させることができる。また、一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）を加熱圧縮する際に比較的高い圧力で圧縮するが、電解質膜とは異なる部材である一次転写用シートＳ１を圧縮するので、圧縮に伴う電解質膜の劣化を抑制できる。
【００４２】
なお、一次触媒層Ａ１は請求項における触媒基材に相当する。また、圧縮治具１００は請求項における圧縮装置に相当する。
【００４３】
Ｂ．実施例：
Ｂ１．第１実施例：
図１に示した手順に従い、図４に示す単セル２００を製造した。ステップＳ１１０では、電解質溶液を１０μｍの厚さとなるように塗布して乾燥させた。ステップＳ１１５では、触媒担持カーボンとして、白金を触媒とし全重量に対する白金の重量比が５０％である触媒担持カーボンを用いた。また、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比を、１．０：０．８とした。ステップＳ１２０では、触媒層用インクを９μｍの厚さとなるように基材シートに塗布した。ステップＳ１２５では、１２０℃で加熱圧縮を行った。また、圧縮率が異なる複数の触媒層転写シートを生成した。ステップＳ１３０では、転写圧力を１０ＭＰａとした。このようにして得た単セル２００（すなわち、圧縮率が異なる触媒層転写シートを用いた複数の単セル２００）を、以下の条件下で発電運転して、電流密度が１．０Ａ／平方センチメートルにおける電圧を測定し、従来の方法により製造した単セルと発電効率を比較する評価試験を行った。下記運転条件における「カウンターフロー」とは、酸化剤ガス（空気）と、燃料ガス（水素ガス）とを、それぞれ単セル２００の電解質膜３０と平行な方向であって、互いに逆向きとなる方向に流すことを意味する。
【００４４】
＜運転条件＞
・反応ガス（空気及び水素ガス）の流し方：カウンターフロー
・単セル温度：８０℃
・カソード側ストイキ比：１．５
・アノード側ストイキ比：１．５
【００４５】
なお、従来の方法とは、すなわち、ステップＳ１２５を実行せず、ステップＳ１３０において、ステップＳ１２０で生成された一次転写用シートを用いて転写してＭＥＡを生成する点で図１に示す手順と異なり、他の手順は上記実施形態と同じ手順である方法を意味する。なお、第１実施例により得られた単セル２００の触媒層における空隙率は３０％〜４０％であった。従来の方法で得られた単セルの触媒層における空隙率は５０％〜６０％であるので、第１実施例により空隙率をおよそ半分に低減させることができた。
【００４６】
Ｂ２．第２実施例：
図１に示した手順に従い、図４に示す単セル２００を製造した。なお、ステップＳ１１５において、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比を、１．０：０．６とした点を除き、単セル製造時の各手順におけるパラメータ及び評価条件（発電運転条件）は、第１実施例と同じである。
【００４７】
Ｂ３．第３実施例：
図１に示した手順に従い、図４に示す単セル２００を製造した。なお、ステップＳ１１５において、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比を、１．０：０．９とした点を除き、単セル製造時の各手順におけるパラメータ及び評価条件（発電運転条件）は、第１実施例と同じである。
【００４８】
第２，３実施例において、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比のみを第１実施例と異なる値としたのは、以下の理由による。プロトン伝導性は、触媒層における電解質の体積比と強い相関関係を有する。すなわち、触媒層における電解質の体積比が大きいほどプロトン伝導性は高い。この触媒層における電解質の体積比は、上記実施形態の加熱圧縮（ステップＳ１２５）における圧縮率に加えて、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比により変化し得るからである。そして、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比が異なるケースごとに、圧縮率を変えて評価を行うことにより、各質量比ごとに最適な圧縮率の範囲を求めるためである。
【００４９】
図５は、第１ないし第３実施例における評価試験の結果を示す説明図である。図５において、横軸は、ステップＳ１２５における一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）の圧縮率を示す。また、縦軸は、従来の方法で得られた単セルと比べて、電流密度が１．０Ａ／平方センチメートルにおける電圧の向上分（向上電圧：ｍＶ）を示す。図５において、黒色の円形は、第１実施例の評価試験により得られた測定ポイントを意味する。また、白色の三角形は第２実施例の評価試験により得られた測定ポイントを、白色の四角形は第３実施例の評価試験により得られた測定ポイントを、それぞれ示す。
【００５０】
ここで、第１実施例の測定ポイントＰ１は、圧縮率１．０であり、向上電圧０ｍＶである。すなわち、かかる測定ポイントＰ１は、従来の方法により得られた単セルについての測定ポイントであり、ステップＳ１２５を実行していないことから、圧縮率は１．０である。また、かかる測定ポイントＰ１における電圧が基準となるため、測定ポイントＰ１における向上電圧は０ｍＶとなっている。
【００５１】
第１実施例では、圧縮率がおよそ０．５５〜１．００の範囲では、圧縮率がより低いほど（圧縮度合いがより高いほど）、向上電圧はより大きくなる。これは、以下の理由によるものと推測される。ステップＳ１２５の加熱圧縮により、触媒層内の空隙はつぶされて減少し、電解質の体積比率が上昇する。また、圧縮により触媒層の厚みが小さくなる。このとき、電解質の体積比率向上及び触媒層の厚みの低減によるプロトン伝導性の向上によって電圧は増加し得る。しかしながら、触媒層内の空隙が減少することにより、単セル内の電気化学反応により生じた水による空隙の閉塞が短期間のうちに発生し、いわゆるフラッディングが発生して発電効率が低下するため、電圧は減少し得る。すなわち、ステップＳ１２５の加熱圧縮による向上電圧は、プロトン伝導性向上に伴う電圧増加分と、触媒層内の空隙減少に伴う電圧減少分とを足し合わせて決定されることとなる。そして、圧縮率が０．５５〜１．００の範囲では、圧縮率がより低くなるほど（圧縮度合いがより高くなるほど）、プロトン伝導性向上に伴う電圧増加分が、触媒層内の空隙減少に伴う電圧減少分に比べてより大きくなるため、向上電圧がより大きくなると推測される。特に、圧縮率が０．５５〜０．７５の範囲においては、向上電圧が大きく、発電効率が高いことが理解できる。
【００５２】
第１実施例において、圧縮率がおよそ０．５５未満の範囲では、圧縮率がより低いほど（圧縮度合いがより高いほど）、向上電圧はより小さくなる。これは、かかる圧縮率の範囲では、圧縮率がより低くなるほど（圧縮度合いがより高くなるほど）、プロトン伝導性向上に伴う電圧増加分が、触媒層内の空隙減少に伴う電圧減少分に比べてより小さくなるため、向上電圧がより小さくなると推測される。
【００５３】
第２実施例においても、第１実施例と同様な結果が得られた。すなわち、圧縮率がおよそ０．５５〜１．００の範囲では、圧縮率がより低いほど（圧縮度合いがより高いほど）、向上電圧はより大きくなり、圧縮率がおよそ０．５５未満の範囲では、圧縮率がより低いほど（圧縮度合いがより高いほど）、向上電圧はより小さくなる。これらの傾向の理由も上述した理由と同じであると推測される。また、第３実施例においても第１，２実施例と同様な結果が得られた。
【００５４】
以上から、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比に関わらず、圧縮率が０．５５〜０．７５の範囲において、高い向上電圧を得ることができ、発電効率を向上させることが理解できる。
【００５５】
Ｃ．比較例：
図１に示した手順に従い、比較例としての単セル２００を製造した。なお、ステップＳ１２５において、常温（２５℃）で圧縮した点を除き、単セル製造時の各手順におけるパラメータは、第１実施例と同じである。そして、圧縮圧力を変えてステップＳ１２５を実行し、それぞれ、一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）の圧縮率を求めた。なお、予め第１実施例においても、圧縮圧力を変えてステップＳ１２５を実行し、それぞれ圧縮率を求めておいた。
【００５６】
図６は、比較例及び第１実施例における、ステップＳ１２５での圧縮圧力を変えて得られた一次転写用シート（一次触媒層）の圧縮率を示す説明図である。図６において、横軸は圧縮圧力（ＭＰａ）を示し、縦軸は圧縮率を示す。また、図６において、黒色の四角形は第１実施例の測定ポイントを示し、黒色の三角形は比較例の測定ポイントを示す。
【００５７】
図６に示すように、いずれの圧縮圧力においても、第１実施例の圧縮率は比較例の圧縮率よりも高い。換言すると、同じ圧縮率を得るために要する第１実施例の圧縮圧力は、比較例の圧縮圧力に比べて低い。これは、以下の理由によると推測される。第１実施例では、一次触媒層Ａ１に含まれる電解質（アイオノマ）のガラス転移温度Ｔｇ（１０５℃）よりも高い１２０℃で圧縮するので、一次触媒層Ａ１に含まれる電解質を柔らかくした上で圧縮することができる。したがって、ガラス転移温度Ｔｇよりも低い常温（２５℃）で圧縮する比較例に比べて、より小さな圧縮圧力で同じ圧縮率を得ることができるものと推測される。
【００５８】
このように、第１実施例及び比較例からも理解できるように、ステップＳ１２５における加熱圧縮においては、一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）に含まれる電解質（アイオノマ）のガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度で加熱することが好ましい。このようにすることで、ステップＳ１２５における圧縮圧力をより小さくすることができるので、圧縮に伴う一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）の損傷を抑制できる。ただし、電解質（アイオノマ）のガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度環境下でステップＳ１２５を実行しても、一次触媒層Ａ１内の空隙率を低減できるので、単セル２００の触媒層におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
【００５９】
Ｄ．変形例：
なお、上記実施形態及び各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の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。
【００６０】
Ｄ１．変形例１：
上記実施形態及び各実施例で用いる圧縮治具１００において、変形抑制部１２は、図３に示すように、一次触媒層Ａ１の周縁をすべて囲むように構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、変形抑制部を、一次触媒層Ａ１の各周縁のうち、対向する２つの縁を囲む（挟む）構成とすることもできる。また、例えば、一次触媒層Ａ１の各周縁のうち、１つの縁の近傍のみに配置する構成とすることもできる。一次触媒層Ａ１は粘性を有するため、少なくとも１つの縁の近傍に配置することにより、ステップＳ１２５による加熱圧縮の際に、一次触媒層Ａ１の面方向の変形を抑制することができる。
【００６１】
Ｄ２．変形例２：
各実施例からも理解できるように、ステップＳ１２５における圧縮圧力は、一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）の圧縮率が０．５５〜０．７５となるような圧力が好ましいが、本発明は、かかる範囲に限定されるものではない。図５の例からも理解できるように、ステップＳ１２５では、一次転写用シートＳ１（一次触媒層Ａ１）の圧縮率が、１．００よりも小さい任意の圧縮率となるような圧縮圧力を採用することにより、ステップＳ１２５を実行しない構成に比べて発電効率を向上させることができる。
【００６２】
Ｄ３．変形例３：
上記実施形態及び各実施例では、ステップＳ１１０において電解質膜を生成していたが、これに代えて、予め生成されている電解質膜を用いることもできる。このような既成の電解質膜としては、例えば、デュポン社のナフィオン（登録商標）や、旭化成（株）のアシプレックス（登録商標）や、旭硝子（株）のフレミオン（登録商標）等を用いることができる。
【００６３】
Ｄ４．変形例４：
上記実施形態及び各実施例では、ステップＳ１３０において、電解質膜に触媒層を転写していたが、本発明はこれに限定されるものではない。電解質膜に代えて、ガス拡散層部材に触媒層を転写することもできる。この構成では、ステップＳ１４０において、触媒層が転写された２枚のガス拡散層部材で電解質膜を挟持してＭＥＡを生成することができる。
【００６４】
Ｄ５．変形例５：
上記実施形態及び各実施例では、ステップＳ１２５において、基材シートＢ２を第２圧縮部１１ｂに配置していたが、基材シートＢ２を省略することもできる。
【００６５】
Ｄ６．変形例６：
上記実施形態及び各実施例では、図示しない圧縮装置と、圧縮治具１００とは別体であったが、これらを一体に構成することもできる。この構成では、一体に構成された装置が、請求項における圧縮装置に相当する。
【００６６】
Ｄ７．変形例７：
上記実施形態及び各実施例では、圧縮装置は、一次転写用シートＳ１を直接加圧することにより一次触媒層Ａ１を圧縮していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、圧縮装置としてエアコンプレッサ等を用いた減圧装置を採用することもできる。減圧装置を採用する場合、例えば、一次転写用シートＳ１を気密な可撓性容器の内部に配置し、減圧装置を用いて可撓性容器内部を負圧にすることにより、大気圧との圧力差を利用して一次触媒層Ａ１を圧縮することができる。上記実施形態，各実施例，及び変形例からも理解できるように、一次転写用シートＳ１における一次触媒層Ａ１の空隙率を低減させて触媒転写シートを生成する任意の方法を、本発明の方法として採用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０ａ…下方圧縮部
１０ｂ…上方圧縮部
１１ａ…第１圧縮部
１１ｂ…第２圧縮部
１２…変形抑制部
２１ａ…第１突出部
２１ｂ…第２突出部
３０…電解質膜
３１ａ…アノード側触媒層
３１ｃ…カソード側触媒層
３２ａ…アノード側ガス拡散層
３２ｃ…カソード側ガス拡散層
３３ａ…アノード側セパレータ
３３ｃ…カソード側セパレータ
３４ａ…燃料ガス流路
３４ｃ…酸化剤ガス流路
１００…圧縮治具
２００…単セル
Ｓ１…一次転写用シート
Ａ１…一次触媒層
Ｍ１…貫通穴
Ｂ１，Ｂ２…基材シート
【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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