(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保する。【解決手段】燃料電池を構成する固体高分子電解質膜１８の両側に位置する触媒層２１（２３）を、燃料電池の発電性、特に初期発電性を重視した触媒インク５３ａからなる第１の層２１ａ（２３ａ）と、燃料電池の耐久性を重視した触媒インク５３ｂからなる第２の層２１ｂ（２３ｂ）とからなる２層構造とし、第１の層２１ａ（２３ａ）が、固体高分子電解質膜１８側となるように触媒インクを塗布する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合、分散させて触媒インクとし、この触媒インクを電解質膜に塗布する燃料電池の電極用触媒層の形成方法において、前記触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、前記電解質の量と、前記触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いとの少なくとも一つの条件が異なる複数種類の触媒インクを製造し、この複数種類の触媒インクを、前記電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布することを特徴とする燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項２】
前記複数種類の触媒インクのうち、前記一つの異なる条件が大となる触媒インクが、前記電解質膜側となるよう前記触媒インクを前記電解質膜に塗布することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項３】
前記三つの条件すべてを異なるものとし、この三つの条件すべてが大となる触媒インクが、前記電解質膜側となるよう前記触媒インクを前記電解質膜に塗布することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項４】
前記複数種類の触媒インクを、前記電解質膜の互いに異なる面上に塗り分けして塗布することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項５】
前記三つの条件すべてを異なるものとし、この三つの条件すべてが大となる触媒インクと、同小となる触媒インクとを、前記電解質膜の互いに異なる面上に塗り分けして塗布することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項６】
前記三つの条件すべてが大となる触媒インクと、同小となる触媒インクとを、前記電解質膜上に交互に塗り分けして塗布することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項７】
前記電解質は、前記触媒担持カーボン粒子の粉砕後に、この粉砕した触媒担持カーボン粒子が混入する前記溶媒中に投入することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項８】
前記触媒インクの前記電解質膜への塗布は、遠心力を利用して行うことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池の電極用触媒層の形成方法。
【請求項９】
触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合、分散させて触媒インクとし、この触媒インクが電解質膜に塗布された燃料電池の電極用触媒層において、前記触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、前記電解質の量と、前記触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いとの少なくとも一つの条件が異なる複数種類の触媒インクを製造し、この複数種類の触媒インクが、前記電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布されていることを特徴とする燃料電池の電極用触媒層。
【請求項１０】
前記複数種類の触媒インクのうち、前記一つの異なる条件が大となる触媒インクが、前記電解質膜側となるよう前記電解質膜に塗布されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の電極用触媒層。
【請求項１１】
前記三つの条件すべてを異なるものとし、この三つの条件すべてが大となる触媒インクが、前記電解質膜側となるよう前記電解質膜に塗布されていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の電極用触媒層。
【請求項１２】
前記複数種類の触媒インクを、前記電解質膜の互いに異なる面上に塗り分けして塗布されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の電極用触媒層。
【請求項１３】
前記三つの条件すべてを異なるものとし、この三つの条件すべてが大きい触媒インクと、同小さい触媒インクとを、前記電解質膜の互いに異なる面上に塗り分けして塗布されていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池の電極用触媒層。
【請求項１４】
前記三つの条件すべてが大となる触媒インクと、同小となる触媒インクとが、前記電解質膜上に交互に塗り分けして塗布されていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池の電極用触媒層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合、分散させて触媒インクとし、この触媒インクを電解質膜に塗布する燃料電池の電極用触媒層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型の燃料電池は、高分子電解質膜の両面に電極をそれぞれ設けてなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）を、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟み込むことで燃料電池単セルを構成し、その燃料電池単セルの複数個を積層することで規定の起電力を発生する燃料電池スタックとしている。
【０００３】
電極は、例えば高分子電解質膜に接触して設けられる触媒層と、触媒層上のガス拡散層とから構成される。触媒層は、例えば、Ｐｔ（白金）などの触媒粒子が表面に担持された触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合し分散させることで製造される触媒インク（スラリー）を、高分子電解質膜の表面に塗布し乾燥させることで形成される（例えば下記特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６６３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような、高分子電解質膜の表面に塗布する触媒インクには、燃料電池の発電性特に初期発電性に効果のあるものと、燃料電池の耐久性に効果のあるものとがあり、このような性能の相違は、電極触媒材料中の電解質成分材料のインク内での分散量や分散状態に影響されると考えられている。
【０００６】
そして、通常では、上記した発電性と耐久性の双方の性能を適度に確保した触媒インクを用いて高分子電解質膜に塗布しているが、この場合には、発電性および耐久性のいずれにおいても中間程度の性能を維持していることとなり、結果的に良好な燃料電池性能を確保できていないことになる。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合、分散させて触媒インクとし、この触媒インクを電解質膜に塗布する燃料電池の電極用触媒層の形成方法において、前記触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、前記電解質の量と、前記触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いとの少なくとも一つの条件が異なる複数種類の触媒インクを製造し、この複数種類の触媒インクを、前記電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、電解質の量と、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いとの少なくとも一つの条件が異なる複数種類の触媒インクを、電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布するようにしている。
【００１０】
ここで、例えば触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、電解質の量と、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いを、いずれも大とした触媒インクは、触媒濃度が高く、多量の電解質によって液水を保持しやすく、粉砕度合いが大きいことからカーボン表面積が大きくなる。この結果、このような触媒インクは、電解質膜と馴染みやすく、カーボン粒子に担持する触媒の表面積が大きくなって反応性が良好となり、発電性が重視されたものとなる。
【００１１】
一方、触媒担持カーボンの触媒担持率と、電解質の量と、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いを、いずれも小とした触媒インクは、上記した触媒インクとは逆に、触媒濃度が低く、液水を保持しにくく、カーボン表面積が小さくなる。この結果、このような触媒インクは、カーボン粒子周囲の液水が少なくなり、起動停止による触媒・カーボンの腐食が抑制され、またカーボン表面積が小さいことから、反応ガスと接触しにくく、起動停止によるカーボンの腐食が抑制され、耐久性が重視されたものとなる。さらに、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いが小さいために、粉砕後の触媒担持カーボン粒子相互間の隙間が大きくなり、反応ガスや液水の拡散性が向上する。
【００１２】
上記したような発電性が重視された触媒インクと、耐久性が重視された触媒インクとを、電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布することで、燃料電池の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１４】
「燃料電池スタックの全体構成」
まず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池単セルの拡大断面図である。
【００１５】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）の反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３をタイロッド７で締め付け、そのタイロッド７の端部にナット１４を螺合させることで構成している。
【００１６】
この燃料電池スタック１では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒（冷却水）をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された各流路に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷媒導入口１２および冷媒排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１７】
かかる構成の燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷媒は、冷媒導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷媒流路を流れ、冷媒排出口１３より排出される。
【００１８】
燃料電池単セル２は、図２に示すように、一面側から燃料ガスが供給され、他面側から酸化剤ガスが供給される膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１５と、この膜電極接合体１５の一面に配置されるアノードセパレータ１６と、膜電極接合体１５の他面に配置されるカソードセパレータ１７とから構成され、これらアノードセパレータ１６とカソードセパレータ１７で膜電極接合体１５を挟み込むように積層した構造としている。
【００１９】
膜電極接合体１５は、例えば水素イオン（プロトン）を通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１８と、この固体高分子電解質膜１８の一面に設けられるアノード電極１９と、固体高分子電解質膜１８の他面に設けられるカソード電極２０とからなる。アノード電極１９は、固体高分子電解質膜１８側に配置される触媒層２１と、アノードセパレータ１６側に配置されるガス拡散層２２とからなり、カソード電極２０も同様に、固体高分子電解質膜１８側に配置される触媒層２３と、カソードセパレータ１７側に配置されるガス拡散層２４とからなる。
【００２０】
なお、上記した触媒層２１および触媒層２３は電極用触媒層を構成している。
【００２１】
アノードセパレータ１６には、発電に寄与するアクティブ領域（固体高分子電解質膜１８と接する中央部分の領域）に、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２５を形成している。一方、カソードセパレータ１７には、アクティブ領域に酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２６を形成している。
【００２２】
そして、本発明の第１の実施形態として、固体高分子電解質膜１８上に形成する触媒層２１，２３を、図３に示すように、固体高分子電解質膜１８側の第１の層２１ａ，２３ａと、拡散層２２，２４（図２）側の第２の層２１ｂ，２３ｂとの２層構造としている。
【００２３】
ここで、固体高分子電解質膜１８側の第１の層２１ａ，２３ａは、燃料電池の発電性、特に初期発電性を重視した触媒インク５３ａ（図４参照）からなり、一方、拡散層２２，２４（図２）側の第２の層２１ｂ，２３ｂは、燃料電池の耐久性を重視した触媒インク５３ｂからなる。
【００２４】
すなわち、本実施形態では、複数種類の触媒インク５３ａ，５３ｂを、固体高分子電解質膜１８に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布していることになる。
【００２５】
次に、上記した第１の層２１ａ，２３ａからなる触媒インク５３ａと、第２の層２１ｂ，２３ｂからなる触媒インク５３ｂの相違について説明する。
【００２６】
ここでの触媒インク５３ａ，５３ｂは、触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合し分散させることで製造する。触媒担持カーボン粒子は、カーボン粒子に白金触媒ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ（田中貴金属社製）を担持させたもので、電解質は、プロトン伝導物質であるナフィオン（デュポン社製）を使用する。また、溶媒は、純水にイソプロパノールを含有させている。
【００２７】
ここで前記した第１の層２１ａ，２３ａからなる触媒インク５３ａは、第２の層２１ｂ，２３ｂからなる触媒インク５３ｂに比較して、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率を高く、電解質の量を多く、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いを大きくして（粒径を小さく）している。
【００２８】
図４（ａ）は、第１の層２１ａ，２３ａからなる触媒インク５３ａの調整工程を、図４（ｂ）は、第２の層２１ｂ，２３ｂからなる触媒インク５３ｂの調整工程を、それぞれ示す。
【００２９】
図４（ａ），（ｂ）の工程Ｉでは、容器２７内の溶媒２８中にカーボン粒子２９Ａ，２９Ｂをそれぞれ投入した状態で粉砕し、この際、図４（ａ）でのカーボン粒子２９Ａは、図４（ｂ）でのカーボン粒子２９Ｂよりも触媒担持率を高くしている。
【００３０】
なお、カーボン粒子２９Ａ，２９Ｂを粉砕する際には、ホモジナイザを用いるが、ホモジナイザのほかに、ジェットミル、ボールミル、振動ボールミル、マイクロカッターなどを用いることができる。また、有機溶媒、界面活性剤を加えることにより、粉砕した触媒担持カーボン粒子を高分散の状態に保つことができる。
【００３１】
次に、工程IIで示すように、図４（ａ）のカーボン粒子２９Ａを、粉砕粒子２９０Ａとなるように、図４（ｂ）のカーボン粒子２９Ｂの粉砕粒子２９０Ｂに比較して大きく粉砕してその粒径を小さくする。
【００３２】
粉砕後に、電解質を容器２７内に投入するが、この際、電解質の量を、図４（ａ）では図４（ｂ）に比較して多くして工程IIIの状態で示すような２種類の触媒インク５３ａ，５３ｂが製造される。この際電解質１００が、粉砕粒子２９０Ａおよび粉砕粒子２９０Ｂの表面に付着した状態となる。
【００３３】
「触媒塗布装置の構成」
次に、上記のようにして製造した２種類の触媒インク５３ａ，５３ｂを、固体高分子電解質膜１８に塗布するための触媒塗布装置について説明する。
【００３４】
図５は本実施形態の触媒塗布装置の斜視図、図６は同分解斜視図、図７は同平面図である。
【００３５】
本実施形態の触媒塗布装置は、図５から図７に示すように、固体高分子電解質膜１８を内壁面に装着させるドラム３０と、ドラム３０を、軸芯を中心として円周方向に回転させるとともに軸芯に沿って上下動（移動）させる駆動手段である駆動機構部３１と、固体高分子電解質膜１８がドラム３０の回転による遠心力で該ドラム３０の内壁面に貼り付くまで吸引する吸引手段である吸引機構部３２と、ドラム３０の内側（中心）に挿入され、回転するドラム３０の内壁面に装着された固体高分子電解質膜１８に触媒インクを塗布する触媒塗布手段であるスプレー３３とを備える。
【００３６】
ドラム３０は、図８に平面図で示すように、固体高分子電解質膜１８をその内壁面に装着させたときに外にはみ出さない程度の高さを備えた円筒体をほぼ半分に分割した分割構造とし、半円形状をなす一方のドラム分割体３４を他方の半円形状をなすドラム分割体３５に対して回動軸３６を介して開閉自在としている。また、一方のドラム分割体３４の先端部３４ａは、他方のドラム分割体３５の先端の結合部３７に形成した溝部３８に挿入係合され、図示を省略するロック手段にて開かないようにロックされる。
【００３７】
なお、図８（ａ）は高分子電解質膜１８をドラムに装着する前の状態、同図（ｂ）は高分子電解質膜１８に触媒インクを塗布後の状態をそれぞれ示す。
【００３８】
他方のドラム分割体３５の内壁面３９には、図５のＡ−Ａ線断面図である図９に示すように、固体高分子電解質膜１８を吸引して密着装着させるための複数の吸引孔４０が形成されている。かかる吸引孔４０は、固体高分子電解質膜１８のアクティブ領域（発電に寄与する領域）を除くその外周囲を取り囲むようにして形成されている。また、このドラム分割体３５は、図５のＢ−Ｂ線断面図である図９（ｂ）に示すように、前記各吸引孔４０と連通する空隙部４１を、その板厚の中心部に形成した内部空間構造としている。さらに、このドラム分割体３５の下端底面には、後述する吸引機構部３２の吸引ポンプ５０によりエアを吸引するための吸引口となる孔部４２が形成されている。かかる孔部４２は、前記空隙部４１を通して前記吸引孔４０と連通している。
【００３９】
なお、一方のドラム分割体３４の内壁面４３には、固体高分子電解質膜１８を装着しないため、前記した吸引孔４０、空隙部４１及び孔部４２は形成されていない。
【００４０】
また、ドラム分割体３４、３５の内壁面３９、４３には、固体高分子電解質膜１８の片面への触媒インク塗布後にもう片面に触媒インクを塗布する際に、内壁面３９、４３に塗布済みの触媒粉末が付着しないように静電防止処理と撥水処理を施している。
【００４１】
駆動機構部３１は、前記ドラム３０を装着固定させる装着部４４を有した回転体４５と、この回転体４５を、該ドラム３０の軸芯を中心として円周方向（図６中矢印Ｘ方向）に回転させると共に軸芯に沿って移動（図６中矢印Ｙ方向に上下動）させる駆動部４６とからなる。回転体４５は、ドラム３０のほぼ中心に配置され、その周面に複数設けられた装着部４４に前記ドラム３０を装着固定させて、当該ドラム３０を円周方向に回転させるようになっている。
【００４２】
装着部４４は、回転体４５の外周面から外方へ延びるように放射状に複数設けられている。この装着部４４の先端側には、前記ドラム３０の下端底面３０ａを嵌合させて該ドラム３０を装着固定する装着凹部４７と、ドラム３０の外壁面に接する上方へ折れ曲がった位置規制部４８とを形成している。そして、装着凹部４７には、ドラム分割体３５の下端底面に形成された孔部４２と連通する開口孔４９を形成している。この開口孔４９は、装着部４４の長手方向に沿ってその内部に形成されたエア通路（図示は省略する）に連通しており、後述する吸引ポンプ５０と接続されている。
【００４３】
駆動部４６は、回転体４５を軸芯を中心として回転させる回転機構と、回転体４５を軸芯に沿って移動（上下動）させる上下動機構とを備えている。回転機構としては、駆動モータの駆動軸に回転体４５を直接取り付けた構成、ベルトやチェーンなどで駆動モータの駆動力を回転体４５に伝達する構成、あるいは歯車で駆動モータの駆動力を回転体４５に伝達する構成などが使用できる。上下動機構としては、ボールねじとこのボールねじに螺合するナット部材を回転体４５に取り付けた構成、スライダレールとこのスライダレールにスライドするスライダを回転体４５に取り付けた構成などが使用できる。また、回転機構と上下動機構を一つの機構としたものを駆動部４６とすることもできる。なお、本実施形態では、駆動部４６の具体的な構成に関しては従来公知の機構がいずれも採用できる。
【００４４】
吸引機構部３２は、吸引ポンプ５０と、この吸引ポンプ５０に接続されるホース５１に接続する前記した装着部４４に形成したエア通路、開口孔４９およびドラム分割体３５に形成した開口孔４９、空隙部４１および孔部４２とからなる。吸引ポンプ５０でエアを吸引（真空引き）すると、ドラム分割体３５の空隙部４１内が負圧となり、当該ドラム３０の内壁面３９に開口する吸引孔４０からエアが引かれ、その内壁面３９に装着される固体高分子電解質膜１８が密着して保持される。
【００４５】
スプレー３３は、ノズル５２から触媒インクを噴出させるスプレーコータであり、触媒インクを塗布するときにドラム３０の中心に侵入し、塗布後は上昇するようになっている。
【００４６】
「触媒塗布方法」
次に、固体高分子電解質膜１８に触媒インクを塗布する触媒塗布方法について説明する。
【００４７】
まず、図８（ａ）に示すように、一方のドラム分割体３４を他方のドラム分割体３５に対して前記回動軸３６を中心に開く。そして、一方のドラム分割体３５の内壁面３９に、吸引ポンプ５０による吸引前に固体高分子電解質膜１８を仮止めしやすくするために純水を塗る。次いで、一方のドラム分割体３５の内壁面３９にのみ固体高分子電解質膜１８を装着させる。固体高分子電解質膜１８は、純水によって内壁面３９に貼り付く。この固体高分子電解質膜１８を内壁面３９に装着させるに際しては、高分子電解質膜１８をドラム３０の内壁面に装着させた状態を示す、図５のＡ−Ａ線位置での断面図である図１０（ａ）に示すように、アクティブ領域５４が内壁面３９に形成された吸引孔４０に掛からないようにする。
【００４８】
次に、ドラム分割体３４、３５を閉じて円筒状とする。そして、ドラム３０を、前記した回転体４５に設けた装着部４４に装着させる。このとき、ドラム分割体３５の下端底面３０ａに形成した孔部４２が前記装着部４４の開口孔４９に対向するようにドラム３０の前記装着部４４に対する装着位置を調整する。この作業を容易なものとするために、前記孔部４２と開口孔４９との位置を、ドラム分割体３５の外周面にマーキングしておくことが望ましい。
【００４９】
次に、駆動部４６を駆動して回転体４５を円周方向に回転させるとともに吸引ポンプ５０を作動させる。回転体４５が回転すると、装着部４４に装着固定されたドラム３０が軸芯を中心として円周方向に回転する。この一方、吸引ポンプ５０が作動すると、吸引孔４０からエアが引かれて固体高分子電解質膜１８が内壁面３９に吸着保持される。ドラム３０の遠心力で固体高分子電解質膜１８が内壁面３９に貼り付いたら吸引ポンプ５０の作動を停止して吸引を解除する。吸引を解除してもドラム３０の遠心力が固体高分子電解質膜１８に作用しているので、当該固体高分子電解質膜１８が内壁面３９から剥がれて落ちることはない。
【００５０】
そして、ドラム３０の回転が一定になったところで、スプレー３３をドラム３０の中心に侵入させ、ノズル５２から前記した第１の層２１ａを構成する触媒インク５３ａを、触媒インクを塗布している状態を示す触媒塗布装置の斜視図である図１１に示すように、固体高分子電解質膜１８の一面に吹き付ける。また、スプレー３３による触媒インク５３ａの吹き付け位置に応じて回転体４５を上下動させる。これにより、固体高０分子電解質膜１８のアクティブ領域全体に触媒インク５３ａが吹き付けられることになる。また、ドラム３０を回転させながら触媒インク５３ａを吹き付けると、遠心力によりＰｔなどの重い触媒はドラム内壁側へ移動し、固体高分子電解質膜１８側の触媒濃度が大きくなる。また、触媒インク５３に含まれた気泡が表面に浮き上がってくる。そして、触媒インク５３ａを塗布し終えたらドラム３０の回転動作および上下動動作を停止させる。
【００５１】
なお、図１０（ｂ）は触媒インク塗布後の状態を示す、図５のＡ−Ａ線位置での断面図である。
【００５２】
そして、上記の第１の層２１ａの上に、第２の層２１ｂを、上記と同様にして塗布し、これにより、前記図３に示したように、固体高分子電解質膜１８上の触媒層２１は、固体高分子電解質膜１８側の触媒インク５３ａからなる第１の層２１ａと、この第１の層２１ａ上の触媒インク５３ｂからなる第２の層２１ａが順次形成された２層状態となる。
【００５３】
次に、塗布した触媒インク５３ａ，５３ｂが乾燥したところで、スプレー３３を待避させ、その代わりに、乾燥した触媒層の表面を削り滑らかにする加工を施す状態を示す斜視図である図１２に示すように、切削手段である筒状のヤスリ５５をドラム３０の中心に挿入させる。そして、駆動部４６を駆動してドラム３０を回転させながらヤスリ５５で触媒層２１の第２の層２１ｂの表面を削り、当該第２の層２１ｂの表面を滑らかにする。
【００５４】
ヤスリ掛けが終了したらドラム３０を装着部４４から取り外し、図８（ｂ）で示すように、ドラム３０を開いて触媒層２１が片面に形成された固体高分子電解質膜１８を内壁面３９から取り外す。次に、この触媒層２１を貼り付け面として内壁面３９に固体高分子電解質膜１８を貼り付ける。このとき、内壁面３９には静電防止処理と撥水処理が施されているので、塗布済みの触媒粉末が内壁面３９に付着してドラム３０と導通するのが防止される。
【００５５】
以下、同様の工程を行い固体高分子電解質膜１８の他方の面にも触媒インク５３ａ，５３ｂを塗布して、第１の層２３ａ，第２の層２３ｂからなる２層構造の触媒層２３を形成する。
【００５６】
上記した第１の実施形態によれば、固体高分子電解質膜１８側に位置する第１の層２１ａ，２３ａからなる触媒インク５３ａは、第２の層２１ｂ，２３ｂからなる触媒インク５３ｂに比較して、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率が高く、電解質の量が多く、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いが大きく（粒径が小さく）なっている。
【００５７】
ここで、例えば触媒担持カーボンの触媒担持率が高いと触媒濃度が高くなり、また吸水性の高い電解質の量が多いと、多量の電解質によって液水を保持しやすく、さらに触媒担持カーボンの粉砕度合いが大きいことからカーボン表面積が大きくなって触媒濃度も高くなる。
【００５８】
この結果、このような触媒インク５３ａは、固体高分子電解質膜１８と馴染みやすく、触媒濃度が高いことから反応性が良好となって、発電性が重視されたものとなり、燃料電池の出力向上に寄与することができる。
【００５９】
一方、第１の層２１ａ，２３ａからなる触媒インク５３ａに比較して、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率が低く、電解質の量が少なく、触媒担持カーボンの粉砕度合いが小さい（粒径が大きい）第２の層２１ｂ，２３ｂからなる触媒インク５３ｂは、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率が低いことから触媒濃度が低く、また電解質の量が少ないことから、液水を保持しにくく、さらに触媒担持カーボンの粉砕度合いが小さいことから、カーボン表面積が小さくなって触媒濃度も低くなる。
【００６０】
この結果、このような触媒インク５３ｂは、カーボン粒子周囲の液水が少なくなり、燃料電池スタック１の起動停止による触媒・カーボンの腐食が抑制され、またカーボン表面積が小さく触媒濃度が低いことから反応ガスと接触しにくく、燃料電池スタック１の起動停止によるカーボンの腐食が抑制され、耐久性が重視されたものとなり、燃料電池の耐久性向上に寄与することができる。
【００６１】
さらに、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いが小さいために、粉砕後の触媒担持カーボン粒子相互間の隙間が大きくなり、反応ガスや液水の拡散性が向上する。
【００６２】
したがって、上記したような発電性を重視した触媒インク５３ａを固体高分子電解質膜１８側に塗布し、一方耐久性を重視した触媒インクと５３ｂを、固体高分子電解質膜１８側とは反対のガス拡散層２２，２４側に、互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布することで、燃料電池スタック１の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することができる。
【００６３】
また、電解質は、触媒担持カーボン粒子の粉砕後に、この粉砕した触媒担持カーボン粒子が混入する溶媒中に投入し分散させている。このため、電解質は、過剰に分散されることを回避して過剰な水分保持を防止し、燃料電池スタック１の起動停止操作時での水と触媒層中のカーボンとの反応を防止して、起動停止時での耐久性を高めることができる。
【００６４】
さらに、触媒インクの固体高分子電解質膜１８への塗布は、遠心力を利用して行うことで、比重の大きい触媒担持カーボン粒子が固体高分子電解質膜１８側に寄せられ、固体高分子電解質膜１８側の触媒濃度が高くなるような触媒濃度勾配を形成でき、発電性能を高めることができる。
【００６５】
また、上記のように遠心力を利用して触媒インクを塗布することで、触媒インク中の泡が触媒層２１，２３の表面に浮き上がり、表面を、乾燥後に研磨することで平滑化しやすくなる。
【００６６】
上述の実施形態では、触媒塗布手段としてスプレー３３による塗布として例示したが、図１３に示すように、ダイヘッド５８をドラム３０の内側（中心）に挿入し、そのダイヘッド５８から触媒インク５３ａ，５３ｂを固体高分子電解質膜１８に塗布するようにしてもよい。
【００６７】
また、上述の実施形態では、吸引手段によってドラム３０の内壁面３９に固体高分子電解質膜１８を吸着保持させたが、静電気により固体高分子電解質膜１８を内壁面３９に固定させてもよい。
【００６８】
また、上述の実施形態では、筒状のヤスリ５５を使用したが、図１４に示すように、棒５９の先端部のみにヤスリ６０が形成された切削手段を使用してもよい。
【００６９】
また、上述の実施形態では、乾燥後の触媒層２１，２３の表面をヤスリ５５，６０で削って滑らかにするようにしたが、図１５に示すように、回転軸６１の先端に設けた圧延ローラ６２を触媒層２１，２３に押し付けて当該触媒層２１，２３の表面を平坦にするようにしてもよい。
【００７０】
本発明の第２の実施形態として、固体高分子電解質膜１８上に形成する触媒層２１，２３を、互いに別々の層となるよう塗り分ける際に、図１６に示すように、燃料電池の発電性、特に初期発電性を重視した前記触媒インク５３ａからなる第１の層２１α（２３α）と、燃料電池の耐久性を重視した前記触媒インク５３ｂからなる第２の層２１β（２３β）とを、交互に塗り分けるようにしている。
【００７１】
その際、第１，第２の各層２１α（２３α），２１β（２３β）の長手方向が、図１７（ａ）に示すように、矢印Ｇで示す反応ガスの流れ方向と交差していてもよく、また図１７（ｂ）に示すように、矢印Ｇで示す反応ガスの流れ方向に沿っていてもよい。
【００７２】
上記のようにして触媒インク５３ａ，５３ｂを塗布する作業は、例えばスクリーン印刷装置を用いて行うことができる。
【００７３】
第２の実施形態においては、燃料電池の発電性、特に初期発電性を重視した前記触媒インク５３ａからなる第１の層２１α（２１β）と、燃料電池の耐久性を重視した前記触媒インク５３ｂからなる第２の層２１β（２３β）を、固体高分子電解質膜１８上に形成しているので、従来のように、燃料電池の初期発電性および耐久性のいずれにおいても中間程度の性能を維持する触媒インクを使用する場合に比較して、燃料電池の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】燃料電池スタックの全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおける燃料電池単セルの拡大断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる固体高分子電解質膜上に触媒層を形成した状態を示す側面図である。
【図４】（ａ）は、第１の層を形成する触媒インクの調整工程図、（ｂ）は、第２の層を形成する触媒インクの調整工程図である。
【図５】触媒インクを固体高分子電解質膜上に塗布する触媒塗布装置の斜視図である。
【図６】図５の触媒塗布装置の分解斜視図である。
【図７】図５の触媒塗布装置の平面図である。
【図８】図５の触媒塗布装置におけるドラムの平面図であり、（ａ）は高分子電解質膜をドラムに装着する前の状態、（ｂ）は高分子電解質膜に触媒インクを塗布後の状態である。
【図９】（ａ）は図５のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１０】（ａ）は高分子電解質膜をドラムの内壁面に装着させた状態を示す図５のＡ−Ａ線位置での断面図、（ｂ）は触媒インク塗布後の状態を示す図５のＡ−Ａ線位置での断面図である。
【図１１】触媒インクを塗布している状態を示す触媒塗布装置の斜視図である。
【図１２】乾燥後の触媒層をヤスリで削って表面を滑らかにする工程を示す斜視図である。
【図１３】ダイヘッドを使用して触媒インクを固体高分子電解質膜に塗布する例を示す図である。
【図１４】先端部のみにヤスリが形成された切削手段を使用した例を示す図である。
【図１５】圧延ローラを触媒層に押し付けて表面を平坦にする例を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係わる固体高分子電解質膜上に触媒層を形成した状態を示す平面図である。
【図１７】第２の実施形態における固体高分子電解質膜上に触媒層を形成した状態を示す平面図で、（ａ）は第１，第２の各層の長手方向が、反応ガスの流れ方向と交差していている状態、（ｂ）は第１，第２の各層の長手方向が、反応ガスの流れ方向に沿っている状態を示す。
【符号の説明】
【００７５】
１８  固体高分子電解質膜（電解質膜）
２１，２３  触媒層
２１ａ，２３ａ  第１の層（別々の層）
２１ｂ，２３ｂ  第２の層（別々の層）
２１α，２３α  第１の層（別々の層）
２１β，２３β  第２の層（別々の層）
２８  溶媒
２９Ａ，２９Ｂ  触媒担持カーボン粒子
５３ａ，５３ｂ  触媒インク
１００  電解質
２９０Ａ，２９０Ｂ  粉砕後の触媒担持カーボン粒子
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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