(57)【要約】【課題】  発熱量の低下を抑制できる燃料電池を提供すること。【解決手段】  実施形態の燃料電池は、第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面を具備する電解質膜２と、前記第１の主面側に設けられ、燃料極触媒層３を含む燃料極５と、前記第２の主面側に設けられ、空気極触媒層６を含む空気極８とを具備する。ここで、燃料極触媒層３内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布は、空気極触媒層６内に存在する気孔をそのサイズに大小の順で並べてなる度数分布に比べて、最も多く頻出する気孔のサイズが小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面を具備する電解質膜と、
前記第１の主面側に設けられ、燃料極触媒層を含む燃料極と、
前記第２の主面側に設けられ、空気極触媒層を含む空気極とを具備してなり、
前記燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズは、前記空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズに大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズよりも小さいことを特徴する燃料電池。
【請求項２】
前記空気極触媒層はカーボン繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面を具備する電解質膜と、
前記第１の主面側に設けられ、燃料極触媒層を含む料極と、
前記第２の主面側に設けられ、空気極触媒層を含む空気極とを具備してなる燃料電池の製造方法であって、
少なくとも燃料極触媒層を湿式塗布で作成することにより、または、少なくとも空気極触媒層を乾式塗布で作成することにより、前記燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズを、前記空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズに大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズよりも小さくすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項４】
第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面を具備する電解質膜と、
前記第１の主面側に設けられ、燃料極触媒層を含む燃料極と、
前記第２の主面側に設けられ、空気極触媒層を含む空気極とを具備してなる燃料電池の製造方法であって、
前記燃料極および前記空気電極の少なくとも一方となる、触媒と電解質とが混合されてなる粉体（以下、触媒層形成用粉体という）を粉砕処理することにより、粒子径が調整された粉体を形成し、この粒子径が調整された粉体を用いて、前記燃料極および前記空気電極の少なくとも一方を形成する工程を有し、
前記燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズが、前記空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズに大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズよりも小さくなるように、前記触媒層形成用粉体を粉砕処理することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項５】
第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面を具備する電解質膜と、
前記第１の主面側に設けられ、燃料極触媒層を含む燃料極と、
前記第２の主面側に設けられ、空気極触媒層を含む空気極とを具備してなる燃料電池の製造方法であって、
粒子径が異なる複数の触媒層形成用粉体を混合してなる混合粉、または、粒子径が異なる複数の触媒の混合粉を合成して形成された触媒層形成用粉体を用いて、前記燃料極触媒層を形成する工程とを有し、
前記燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズが、前記空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズに大小の順で並べてなる度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズよりも小さくなるように、前記粒子径が選択されていることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【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と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。燃料電池を用いて構成される燃料電池システムは、環境への悪影響が小さい発電システムとして、近年、注目を浴びている。燃料電池のなかでも、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、そして、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、携帯電源用として盛んに研究開発されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の発電部分（電池本体）は、固体高分子電解質であるイオン交換膜の両面に触媒層および拡散層からなる電極(燃料極、空気極)を接合させた、膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。そして、固体高分子形燃料電池に反応ガスを供給すると、各電極中の触媒層で下記に示す電気化学反応を起き、起電力が生じる。
【０００４】
燃料極： ２ Ｈ2   →   ４ Ｈ ＋＋ ４ ｅ −                …（ １ ）
空気極： Ｏ2  ＋ ４ Ｈ ＋ ＋ ４ ｅ −   →   ２ Ｈ2  Ｏ  …（ ２ ）
（２）式から、空気極では、水が生成する反応が進行することが分かる。この反応を進行させ、発電量を増やすには、空気極で発生した水を系外に排出し、（２）式を右矢印方向に促進させることが有効である。
【０００５】
しかし、空気極で発生した水の排出がうまくいかないと、系内での水溜まり現象(フラッディングという)が起き、発熱量は低下する。そのため、フラッディングを防止し、かつ、系内の乾燥(ドライアップという)を防止する対策が長く検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０７−０５０１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、発熱量の低下を抑制できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の燃料電池は、第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面を具備する電解質膜と、前記第１の主面側に設けられ、燃料極触媒層を含む燃料極と、前記第２の主面側に設けられ、空気極触媒層を含む空気極とを具備する。ここで、前記燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる第１の度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズは、前記空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズに大小の順で並べてなる第２の度数分布において最も多く頻出する気孔のサイズよりも小さい。
【０００９】
実施形態の燃料電池の製造方法は、第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面を具備する電解質膜と、前記第１の主面側に設けられ、燃料極触媒層を含む料極と、前記第２の主面側に設けられ、空気極触媒層を含む空気極とを具備してなる燃料電池の製造方法である。ここで、少なくとも燃料極触媒層を湿式塗布で作成することにより、または、少なくとも空気極触媒層を乾式塗布で作成することにより、前記燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布が、前記空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズに大小の順で並べてなる度数分布に比べて、最も多く頻出する気孔のサイズを小さくする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の燃料電池の燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布を示す図である。
【図２】実施形態の燃料電池の空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布を示す図である。
【図３】実施形態の燃料電池の燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなるヒストグラム（度数分布）を示す図である。
【図４】実施形態の燃料電池の空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなるヒストグラム（度数分布）を示す図である。
【図５】実施形態の燃料電池を示す概略構成図である。
【図６】比較例および実施形態の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図７】他の比較例および実施形態の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【００１２】
(第１の実施形態)
実施形態の燃料電池は、燃料極触媒層を含む燃料極と、空気極触媒層を含む空気極とを備えている。図１は、実施形態の燃料極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布（燃料極側気孔サイズ度数分布）を示している。図２は、実施形態の空気極触媒層内に存在する気孔をそのサイズの大小の順で並べてなる度数分布（空気極側気孔サイズ度数分布）を示している。気孔のサイズは、例えば、気孔の直径で規定される。また、気孔のサイズは、気孔の面積でも構わない。
【００１３】
図１および図２に示すように、実施形態の場合、燃料極側気孔サイズ度数分布の最大度数（ｎ１）である主ピークに対応する気孔サイズ（燃料極側最頻出気孔サイズＳ１）は、空気極側気孔サイズ度数分布の最大度数（ｎ２）である主ピークに対応する気孔サイズ（空気極側最頻出気孔サイズＳ２）よりも小さい（Ｓ１＜Ｓ２）。以下、燃料極側最頻出気孔サイズおよび空気極側最頻出気孔サイズをそれぞれ燃料極の平均気孔径および空気極の平均気孔径ともいう。
【００１４】
図１および図２の例は、ピーク数が二つの場合であるが、ピーク数が一つの場合、ピーク数が三つ以上の場合においても、本実施形態の燃料電池は、Ｓ１＜Ｓ２である。ｎ１とｎ２との間の関係は、ｎ１＜ｎ２、ｎ１＝ｎ２、および、ｎ１＞ｎ２のいずれでも構わない。
【００１５】
図１および図２に示した気孔サイズが連続的に変化するとして作成した度数分布の代わりに、図３および図４に示すように、気孔サイズを適当な小区間（ΔＳ）に分割し、各小区間（階級）に入っている気孔サイズの個数（度数）を棒の高さで表したヒストグラム（度数分布表）としても構わない。
【００１６】
この場合、燃料極側ヒストグラムの最大度数（ｎ１）に対応する小区間内の気孔サイズ（燃料極側最頻出気孔サイズＳ１＝Ｓ１min〜Ｓ１max）は、空気極側ヒストグラムの最大度数（ｎ２）に対応する小区間内の気孔サイズ（空気極側最頻出気孔サイズＳ２＝Ｓ２min〜Ｓ２max）よりも小さい。
【００１７】
本実施形態では、燃料極側最頻出気孔サイズＳ１は空気極側最頻出気孔サイズＳ２よりも小さく、これには、二つの利点がある。
【００１８】
一つ目は、触媒層内の水バランスを最適化できる点である。つまり、空気極触媒層に存在する水はその気孔(大)から円滑に排出される。その一方で、燃料極触媒層は、空気極より排出された水を毛細管力によって気孔(小)に溜めることができる。その結果、カソードにおけるフラッディングが防止されると同時に、主として燃料極と電解質膜に存在する水によって、電極がドライアップすることを防止することができる。
【００１９】
二つ目は、燃料極側最頻出気孔サイズＳ１が小さいと、燃料極触媒層内のリークパスが減り、触媒層内に燃料ガスが滞留しやすくなることから、供給された燃料ガスが触媒層内で十分に反応できるようになる。その結果、燃料ガスは無駄なく発電に消費されるため、高燃費な発電を行うことができる。
【００２０】
以上のことから、本実施形態によれば、発熱量の低下を抑制できる燃料電池を実現できるようになる。
【００２１】
本実施形態は、以下の構成例を採用することができる。
【００２２】
（構成例１−１）
少なくとも燃料極触媒層は湿式塗布で作成されている。
【００２３】
湿式塗布で作成された燃料極触媒層は触媒微粒子が電解質内に均一に分散するため、燃料極触媒層は密な触媒層構造となる。そのため、例えば、空気極触媒層を乾式塗布で作成すれば、Ｓ１＜Ｓ２を容易に実現できる。Ｓ１＜Ｓ２を実現できるなら、燃料極触媒層および空気極触媒層の両方を湿式塗布で作成しても構わない。
【００２４】
（構成例１−２）
少なくとも空気極触媒層は乾式塗布で作成されている。
【００２５】
乾式塗布で作成された空気極触媒層は、触媒と電解質とが混合された粉体(触媒層形成用粉体と名付ける)が二次凝集する。その結果、その触媒層形成用粉体の二次凝集粒子間に大きな気孔が生じ、Ｓ１＜Ｓ２を実現できるようになる。その形成された気孔から、水が円滑に排出されるため、電極のフラッディングを効果的に抑制することが可能となる。Ｓ１＜Ｓ２を実現できるなら、燃料極触媒層および空気極触媒層の両方を乾式塗布で作成しても構わない。
【００２６】
（構成例１−３）
燃料極触媒層形成用の粉体および空気極触媒層形成用の粉体をそれぞれ合成した後に、少なくとも一方の合成後の粉体を解砕処理し、粉体の粒子径を調整することにより、Ｓ１＜Ｓ２を実現する。Ｓ１＜Ｓ２であるので、空気極内の水は円滑に外へ運ばれて系外へと排出され、一方、燃料極は空気極で排出された水を抱えるとともに、燃料極からの水素リークは減少する。その結果、フラッディングとドライアップを防止でき、高燃費でロバスト性に優れた燃料電池の提供が可能となる。
【００２７】
（構成例１−４）
燃料極の触媒層形成用粉体および空気極の触媒層形成用粉体の少なくとも一方をスプレードライヤー法を用いた合成により形成して、粉体の粒子径を調整することにより、Ｓ１＜Ｓ２を実現する。本構成例では、構成例１−３の解砕処理の代わりに、スプレードライ法を用いて触媒層形成用粉体の粒子径を調製することにより、燃料極の平均気孔径と空気極の平均気孔径とに差をつけている。構成例１−３の場合と同様に、フラッディングとドライアップを防止でき、高燃費でロバスト性に優れた燃料電池の提供が可能となる。
【００２８】
（構成例１−５）
少なくとも空気極触媒層にカーボン繊維を加えて、燃料極の平均気孔径と空気極の平均気孔径とに差をつけることにより、Ｓ１＜Ｓ２を実現する。構成例１−３の場合と同様に、フラッディングとドライアップを防止でき、高燃費でロバスト性に優れた燃料電池の提供が可能となる。Ｓ１＜Ｓ２を実現できるなら、燃料極触媒層および空気極触媒層の両方にカーボン繊維を加えても構わない。
【００２９】
（構成例１−６）
少なくとも燃料極触媒層に、粒子径が異なる複数の触媒層形成用粉体の混合粉、または、粒子径が異なる複数の触媒の混合粉を用いて、触媒層形成用粉体を合成することで、Ｓ１＜Ｓ２を実現する。構成例１−３の場合と同様に、フラッディングとドライアップを防止でき、高燃費でロバスト性に優れた燃料電池の提供が可能となる。Ｓ１＜Ｓ２を実現できるなら、燃料極触媒層および空気極触媒層の両方に本手法を適用しても構わない。
【００３０】
(第２の実施形態)
図５は、本実施形態の燃料電池を示す概略構成図である。
【００３１】
図５において、１は、固体高分子電解質形燃料電池を構成する電極・高分子電解質膜接合体を示している。電極・高分子電解質膜接合体１は、固体高分子電解質膜２と、この固体高分子電解質膜２の燃料側の面（第１の主面）に設けられ、燃料極触媒層３および燃料極側ガス拡散層４を含む燃料極５と、固体高分子電解質膜２の前記燃料側の面と対向する空気極側の面（第２の主面）に設けられ、空気極触媒層６および空気極側ガス拡散層７を含む空気極８とを具備している。図５において、９は空気極８から系外への拡散水、１０は空気極８から燃料極５へのドラッグ水を示している。
【００３２】
また、電極・高分子電解質膜接合体１は、固体高分子電解質膜２を挟持するように、燃料極５と空気極８とを配置し、熱圧着(ホットプレス)することにより一体化した構成となっている。
【００３３】
さらに、電極・高分子電解質膜接合体１については、図示しないが、燃料極５と空気極８の外側に燃料側セパレータおよび空気極側セパレータをそれぞれ設けることで単位セルを構成し、さらに、複数の単位セルを積層し、各セパレータに所定のガスが供給されるようガスマニホールドを設けることにより固体高分子電解質膜形燃料電池スタックが構成される。
【００３４】
固体高分子電解質膜２は、水素イオン交換基として、スルホン酸基を有するフッ素系スルホン酸高分子膜とし、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）やアシプレックス(旭化成社製)、フレミオン(旭硝子社製) 等を使用することができる。また、フッ素系スルホン酸高分子膜に限らず、炭化水素系高分子膜など、燃料電池に適用できる膜ならば広く用いることが可能である。
【００３５】
燃料極ガス拡散層４および空気極ガス拡散層７は、いずれも多孔質のカーボン系基材で構成されている。具体的には、カーボンペーパーや、カーボンクロス、カーボン多孔質体等である。また、これらのカーボン系基材に撥水性を付与するために、しばしば、その表面への撥水性材料の塗布が行われる。例えば、撥水性樹脂溶液をカーボン基材に含浸させて乾燥する方法や、カーボンと撥水性樹脂との混合物をカーボン基材に塗布することもある。なお、撥水性が付与されたガス拡散層は、燃料極５および空気極８の両方に用いても良いし、その一方に用いても良い。
【００３６】
燃料極触媒層３は触媒および電解質溶液で構成される。空気極触媒層６も触媒および電解質溶液で構成される。上記触媒としては、カーボン担体や金属酸化物担体など、広く触媒担体と知られたものに貴金属や貴金属と金属の合金を担持させたものが用いられる。上記電解質としては、一般的に燃料電池に用いられるものならば、フッ素系電解質や炭化水素系電解質等、広く適用することができる。
【００３７】
第１の実施形態と同様に、燃料極触媒層３の燃料極側最頻出気孔サイズは、空気極触媒層６の空気極側最頻出気孔サイズよりも小さい。したがって、本実施形態でも発熱量の低下を抑制できる燃料電池を実現できるようになる。
【００３８】
以下、燃料極触媒層３の燃料極側最頻出気孔サイズを、空気極触媒層６の空気極側最頻出気孔サイズよりも小さくするためのいくつかの構成例を示す。
【００３９】
（構成例２−１）
燃料極５は、触媒と電解質を含む触媒インクスラリーを調製した後、それを湿式塗布方式で燃料極側ガス拡散層４の上に塗布し、触媒層を形成することで作製する。
【００４０】
調製する触媒インクスラリーは、触媒(田中貴金属社製, TEC10E50E)に電解質(Aldrich chemical社製, Nafion溶液)と必要に応じて添加物を加えてスラリー化したものでも良く、また、触媒に電解質と必要に応じて添加物を加えた混合物を乾燥させて粉体を造り、それをエチレングリコールやグリセリンなどの溶液と再混合することで、触媒インクスラリーを調製しても良い。
【００４１】
また、湿式塗布に用いた燃料極側ガス拡散層４は、撥水処理やマイクロポーラス（ＭＰＬ）層の有無を問わず、どのようなものも用いることができる。
【００４２】
湿式塗布方式としては、スピンコート法、ドクターブレード法、ダイコーター法、スプレー塗布法等、一般的に燃料電池の湿式塗布方式に用いられるものならば特に限定されず適用ができる。
【００４３】
また、調製した触媒インクスラリーをポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などのテフロン系シートに塗工後、それを電解質膜の片面側に転写して、そこに燃料極側ガス拡散層を後付けする、いわゆるＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）法で燃料極を作製しても良い。
【００４４】
一方で、空気極８は、触媒と電解質を含んだ触媒層形成用粉体を調製した後、それを乾式塗布方式で塗布し、触媒層を形成することで作製する。
【００４５】
触媒層形成用粉体の調製法の例を示すと、触媒と電解質を含んだ触媒インクスラリーを調製した後、それをスプレードライ法や減圧乾燥法、加温減圧乾燥法、常圧乾燥法、加温常圧乾燥法、凍結乾燥法等で乾燥させて触媒層形成用粉体を得る。また、直接、触媒等に電解質を吹き付けて触媒乾燥粉を得ても良い。
【００４６】
こうして得られた触媒層形成用粉体を静電塗布法や吸引塗布法等を用いて、空気極側ガス拡散層７や電解質膜２に乾式塗布することで、空気極８を形成する。
【００４７】
その際、燃料極５と同様に、空気極側ガス拡散層７は、撥水処理やＭＰＬ層の有無は問わず、どのようなものも用いることができる。また、乾式塗布方法も、乾燥粉を空気極側ガス拡散層７や電解質膜２に堆積させられるのならば、静電塗布法や吸引塗布法など、広くどのような方法を用いて良い。出来上がった燃料極５および空気極８の両極で電解質膜２を挟み、ホットプレスで一体化させて燃料電池の電極を得る。
【００４８】
（構成例２−２）
燃料極５は触媒インクスラリーを湿式塗布して作製する。空気極８の空気極側最頻出気孔サイズが燃料極５の燃料極側最頻出気孔サイズより大きくなるように、触媒層形成用粉体を解砕、または、スプレードライ法で粒子径を調整した後、乾式塗布して作製する。出来上がった燃料極５と空気極８とは構成例２−１の方法で一体化し、電極とする。
【００４９】
（構成例２−３）
燃料極５は触媒インクスラリーを用いた湿式塗布方式で作製し、空気極８はカーボン繊維を混入させた触媒層形成用粉体を乾式塗布して作製する。出来上がった燃料極５と空気極８とは構成例２−１の方法で一体化し、電極とする。
【００５０】
（構成例２−４）
燃料極５に用いる触媒は、粒子径の異なる複数の触媒を混合したことを特徴とする以外は、構成例２−１に示した通りの電極を作製した。
【００５１】
（構成例２−５）
空気極８の触媒インクスラリーにカーボン繊維を混入した後、燃料極５および空気極８を湿式方式で作製する。出来上がった燃料極５と空気極８とは構成例２−１の方法で一体化し、電極とする。
【００５２】
（第３の実施形態）
本実施形態では、燃料極５を乾式、空気極８も乾式で作製する場合について説明する。
【００５３】
燃料極５と空気極８は、少なくとも触媒と電解質を含んだ触媒層形成用粉体を調製して後、それぞれを乾式塗布して、触媒層を形成する方法で作製する。
【００５４】
触媒層形成用粉体の調製法は構成例２−１に準じるものの、燃料極側最頻出気孔サイズが、空気極側最頻出気孔サイズよりも小さくなるよう解砕処理を加えた点が異なる。解砕処理には、ボールミル、ジェットマイザー、粉砕羽や粉砕カッターの付いたミキサーなどを用いてもよく、粉体を微粒子化できる装置ならば特に限定されない。
【００５５】
最後に、出来上がった燃料極５と空気極８は構成例２−１の方法で一体化し、電極とする。
【００５６】
本実施形態の代わりに以下の変形例を採用することができる。
【００５７】
（変形例３−１）
少なくとも触媒と電解質を含んだ触媒インクスラリーを調製した後、それをスプレードライ法で乾燥させて得た触媒層形成用粉体を用いたほかは、第２の実施形態と同じ手順で電極を作製した。
【００５８】
スプレードライ法では、触媒インクスラリーの吐出量と吐出圧、またインクの固形分濃度、インクの乾燥温度や乾燥時の減圧度等を変えることで触媒層形成用粉体の粒子径を調整することにより、燃料極側最頻出気孔サイズを、空気極側最頻出気孔サイズよりも小さくできる。出来上がった燃料極５と空気極８は第２の実施形態の方法で一体化し、電極とする。
【００５９】
（変形例３−２）
燃料極５と空気極８のどちらか一方は、少なくとも触媒と電解質を含んだ触媒インクスラリーをスプレードライ法で乾燥させて触媒層形成用粉体とし、それを乾式塗布することで電極を作製する。もう一方は少なくとも触媒と電解質を含んだ触媒層形成用粉体を調製した後、必要ならば解砕処理してから乾式塗布することで電極を作製する。
【００６０】
スプレードライ法、または、解砕による粒子の調製の際には、燃料極側最頻出気孔サイズが、空気極側最頻出気孔サイズよりも小さくなるようにした。出来上がった燃料極５と空気極８は第１の実施形態の方法で一体化し、電極とする。
【００６１】
（変形例３−３）
空気極８に用いる触媒スラリーにカーボン繊維を混入させた以外は変形例３−２と同様の方法で電極を作製する。
【００６２】
（変形例３−４）
燃料極５は、粒子径の異なる触媒層形成用粉体の混合物を乾式塗布して作製することを特徴とする以外は、第２の実施形態に示した通りの電極を作製する。
【００６３】
（変形例３−５）
燃料極５は、粒子径の異なる触媒の混合物から触媒層形成用粉体を合成した後、それを乾式塗布して作製すること以外は、第２の実施形態に示した通りの電極を作製する。
【００６４】
以下、比較例１−３について説明する。
【００６５】
（比較例1）
一般的な燃料電池の電極の作製方法は、燃料極５を湿式、空気極８も湿式で作製する例が広く知られている。燃料極５と空気極８の触媒は特に限定せず、広く一般的に手に入る触媒を用いて燃料極５と空気極８を湿式塗布方式で作製した。そして、出来上がった燃料極５と空気極８は第２の実施形態の方法で一体化し、電極とする。得られた電極では、燃料極側最頻出気孔サイズが空気極側最頻出気孔サイズより大きくなった。
【００６６】
（比較例２）
燃料極５と空気極８は、少なくとも触媒と電解質を含んだ触媒層形成用粉体を調製した後、それぞれを乾式塗布して作製した。触媒層形成用粉体の調製法は構成例２−１に準じるものの、燃料極側最頻出気孔サイズが、空気極側最頻出気孔サイズより大きくなるように解砕処理、または、スプレードライ法で粒子径を調整した。出来上がった燃料極５と空気極８は第２の実施形態の方法（ホットプレス）で一体化し、電極とする。
【００６７】
（比較例３）
燃料極５と空気極８は、少なくとも触媒と電解質を含んだ触媒層形成用粉体を調製した後、それぞれを乾式塗布して作製した。触媒層形成用粉体の調製法は構成例２−１に準じるものの、燃料極側最頻出気孔サイズが、空気極側最頻出気孔サイズと等しくなるように解砕処理またはスプレードライ法で粒子径を調整する。出来上がった燃料極５と空気極８は第２の実施形態の方法で一体化し、電極とする。
【００６８】
これら作製した電極を測定セルに組み込み、セル温度８０℃、相対湿度４０％の条件で電流−電圧特性を測定した。
【００６９】
図６は、比較例１の電極を用いた測定セルの電流−電圧特性と、実施形態２（燃料極を湿式で作製、空気極を乾式で作成）、実施形態３（燃料極および空気極を乾式で作成）の電極を用いた測定セルの電流−電圧特性とを示している。比較例１の場合、電流密度が４００ｍＡ／ｃｍ2を超えたあたりから、フラッディングが原因と思われる急激な電圧低下が見られたのに対し、実施形態２，３の場合、電流密度が７００ｍＡ／ｃｍ2でも電圧値は６５０ｍＶ以上が維持されている。この結果から、実施形態２，３を適用し、燃料極５を湿式または乾式で作製し、空気極８を乾式で作製して、燃料極側最頻出気孔サイズを空気極側最頻出気孔サイズよりも小さくすると、電極のフラッディングとドライアップが防止され、高電流密度領域での大幅な電池性能の向上が実現できることが分かった。
【００７０】
図７は、比較例２，３の電極を用いた測定セルの電流−電圧特性と、実施形態２（燃料極を湿式で作製、空気極を乾式で作成）の電極を用いた測定セルの電流−電圧特性とを示している。比較例２の場合は、電流密度が５００ｍＡ／ｃｍ2を超えたあたりから、電圧の低下が見られる。比較例３および実施形態２の場合、電流密度が７００ｍＡ／ｃｍ2でも電圧値は６５０ｍＶ以上が維持されるが、実施形態の方がより高い電圧を維持できる。この結果から、実施形態を適用し、燃料極５を湿式で作製し、空気極８を乾式で作製して、燃料極側最頻出気孔サイズを空気極側最頻出気孔サイズよりも小さくすると、電極のフラッディングとドライアップが防止され、高電流密度領域での大幅な電池性能の向上が実現できることが分かった。
【００７１】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、発熱量の低下を抑制できる。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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】
【００７３】
１…電極・高分子電解質膜接合体、２…固体高分子電解質膜、３…燃料極触媒層、４…燃料極側ガス拡散層、５…燃料極、６…空気極触媒層、７…空気極側ガス拡散層、８…空気極、９…拡散水、１０…ドラッグ水。
【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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