(57)【要約】【課題】燃料電池用膜電極接合体、その製造方法、およびこれを採用した燃料電池を提供する。【解決手段】  アノード基材、アノード拡散層、および細孔を有するアノード触媒層を備えるアノードと、カソード基材、カソード拡散層、および細孔を有するカソード触媒層を備えるカソードと、上記カソードとアノードとの間に位置する電解質膜とを備える膜電極接合体であって、上記アノード拡散層は、親水性を示し、上記カソード拡散層は、疎水性を示し、上記アノード触媒層の平均細孔直径が、上記カソード触媒層の平均細孔直径より小さい膜電極接合体が提供される。【選択図】    図２
2007214102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード基材、アノード拡散層、および細孔を有するアノード触媒層を備えるアノードと；
カソード基材、カソード拡散層、および細孔を有するカソード触媒層を備えるカソードと；
前記カソードとアノードとの間に位置する電解質膜と；
を備える膜電極接合体であって：
前記アノード拡散層は、親水性を示し、前記カソード拡散層は、疎水性を示し、前記アノード触媒層の平均細孔直径が、前記カソード触媒層の平均細孔直径より小さいことを特徴とする、膜電極接合体。
【請求項２】
前記アノード拡散層は、５〜２０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記カソード拡散層は、２０〜５０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記アノード触媒層の平均細孔直径は、３〜５ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記カソード触媒層の平均細孔直径は、１０〜５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
前記アノード触媒層の質量当たり表面積は、１５〜２５ｍ２／ｇであることを特徴とする、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記カソード触媒層の質量当たり表面積は、２〜１０ｍ２／ｇであることを特徴とする、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
アノード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒との混合物を、塗布および焼結させてアノード拡散層単位体を製造する工程と；
転写フィルム上に、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させた後、前記塗布および乾燥させた混合物を電解質膜に転写してアノード触媒コーティング膜を製造する工程と；
カソード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒との混合物を、塗布および焼結させてカソード拡散層単位体を製造する工程と；
前記カソード拡散層単位体上に、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させて、カソード電極の単位体を製造する工程と；
前記アノード拡散層単位体をホットプレスし、前記アノード触媒コーティング膜と前記カソード電極の単位体とを接合して、前記膜電極接合体を形成する工程と；
を含むことを特徴とする、膜電極接合体の製造方法。
【請求項９】
前記アノード拡散層単位体は、５〜２０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする、請求項８に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記カソード拡散層単位体は、２０〜５０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする、請求項８に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記アノード触媒コーティング膜を製造する工程の転写は、１００〜１４０℃の温度、０．５〜５トン／ｃｍ２の圧力で、５分〜１０分間ホットプレス工程によって行われることを特徴とする、請求項８に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記膜電極接合体を形成する工程におけるホットプレス工程は、１００〜１４０℃の温度、０．５〜２トン／ｃｍ２の圧力で、５分〜１０分間行われることを特徴とする、請求項８に記載の膜電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜７のうち何れか１項に記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の膜電極接合体、その製造方法およびそれを採用した燃料電池に関する。さらに具体的には、カソードでの空気の供給と水の排出とを円滑に行うことにより高い性能を具現でき、また、アノード触媒層が相対的に小さい細孔直径を有することによって、耐久性を向上させると共に、アノード触媒層でのメタノールの拡散速度を低下させて、初期電池の性能を長時間維持できる膜電極接合体、その製造方法およびそれを採用した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素および酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。燃料電池としては、燃料供給（メタノールおよび空気）のためにポンプ、またはコンプレッサなどの外部的な燃料供給手段が必要なアクティブ型燃料電池システムと、外部の別途の圧送手段なしに自発的に燃料を供給するパッシブ型燃料電池システムと、アクティブとパッシブとの中間形態であるセミパッシブ型燃料電池システムとが存在する。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）およびセパレータ（またはバイポーラプレート）からなる単位セルが、数〜数十個に積層された構造を有する。また、上記ＭＥＡは、高分子電解質膜を介してアノード電極とカソード電極とが密着された構造を有する。
【０００４】
従来の技術によるＭＥＡを図１を参照してさらに詳細に説明すれば、次の通りである。
【０００５】
電解質膜５０を中心に両側に電極（カソード２０とアノード１０）が位置し、当該電極は、触媒層１６、２６、拡散層１４、２４、および基材１２、２２を備える。
【０００６】
触媒層１６、２６は、反応物の酸化還元反応が起きる場所であって、担持触媒を利用して製造される。拡散層１４、２４は、燃料電池用の電極を支持する役割を果たしつつ、触媒層１６、２６に反応物を拡散させて、触媒層１６、２６に反応物を容易に接近可能にする役割を果たす。ここで、上記基材１２、２２としては、カーボン布、カーボン紙などが使われる。一般的に、アノード１０に使われる基材１２は、バインダーを含まず、カソード２０に使われる基材２２はバインダーを含む。
【０００７】
上記電解質膜５０は、アノード１０で生成される陽性子をカソード２０に伝達する役割を果たし、カソード２０で生成された電子がアノード１０に漏れないように絶縁する役割、および未反応水素がカソード２０に伝達されるか、または未反応酸化剤がアノード１０に伝達されることを防止する隔離膜の役割を果たす。
【０００８】
一方、カソードに流れる酸化剤の流れが十分でない場合、カソードで生成される水が容易に除去されずに基材の細孔をふさぐ場合があるが、これを“フラッディング”と呼び、燃料電池において、解決を必要とする大きい問題のうち一つである。従来は、上記に示すような水を除去してフラッディングを防止するために、撥水性を有するバインダーを炭素基材内に含める場合が多かった。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５５２３１７７号明細書
【特許文献２】米国特許第５２１１９８４号明細書
【特許文献３】米国特許第５２３４７７７号明細書
【特許文献４】米国特許第６３５０５３９Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、フラッディングを防止するために従来行っていた撥水性を有するバインダーを炭素基材内に含める方法は、相対的に集電作用を低下させるという短所がある。
【００１１】
また、アノードにおいても、メタノール燃料の使用時に上記メタノール燃料による電極劣化によって経時的にアノード電極の耐久性が低下し、アノード電極層の細孔を通じたメタノールのクロスオーバー現象で初期電極性能が維持されないという問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、上記従来の技術の問題点を解決して、カソードでの空気の供給および水の排出を円滑に行うことにより高い性能を具現でき、また、アノード触媒層が相対的に小さい細孔直径を有することによって耐久性を向上させると共に、アノード触媒層でのメタノールの拡散速度を低下させて、初期電池性能を長時間維持できるＭＥＡ、その製造方法、およびそれを採用した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、アノード基材、アノード拡散層、および細孔を有するアノード触媒層を備えるアノードと、カソード基材、カソード拡散層、および細孔を有するカソード触媒層を備えるカソードと、上記カソードとアノードとの間に位置する電解質膜とを備える膜電極接合体であって、上記アノード拡散層は、親水性を示し、上記カソード拡散層は、疎水性を示し、上記アノード触媒層の平均細孔直径が、上記カソード触媒層の平均細孔直径より小さい膜電極接合体が提供される。
【００１４】
また、上記アノード拡散層は、５〜２０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むとしてもよい。
【００１５】
また、上記カソード拡散層は、２０〜５０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むとしてもよい。
【００１６】
また、記アノード触媒層の平均細孔直径は、３〜５ｎｍであるとしてもよい。
【００１７】
また、上記カソード触媒層の平均細孔直径は、１０〜５０ｎｍであるとしてもよい。
【００１８】
また、上記アノード触媒層の質量当たり表面積は、１５〜２５ｍ２／ｇであるとしてもよい。
【００１９】
また、上記カソード触媒層の質量当たり表面積は、２〜１０ｍ２／ｇであるとしてもよい。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本発明の別の観点によれば、アノード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒との混合物を、塗布および焼結させてアノード拡散層単位体を製造する工程と、転写フィルム上に、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させた後、上記塗布および乾燥させた混合物を電解質膜に転写してアノード触媒コーティング膜を製造する工程と、カソード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒との混合物を、塗布および焼結させてカソード拡散層単位体を製造する工程と、上記カソード拡散層単位体上に、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させて、カソード電極の単位体を製造する工程と、上記アノード拡散層単位体をホットプレスし、上記アノード触媒コーティング膜と上記カソード電極の単位体とを接合して、上記膜電極接合体を形成する工程とを含む膜電極接合体の製造方法が提供される。
【００２１】
上記アノード拡散層単位体は、５〜２０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むとしてもよい。
【００２２】
また、上記カソード拡散層単位体は、２０〜５０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むとしてもよい。
【００２３】
また、上記アノード触媒コーティング膜を製造する工程の転写は、１００〜１４０℃の温度、０．５〜５トン／ｃｍ２の圧力で、５分〜１０分間ホットプレス工程によって行われるとしてもよい。
【００２４】
また、上記膜電極接合体を形成する工程におけるホットプレス工程は、１００〜１４０℃の温度、０．５〜２トン／ｃｍ２の圧力で、５分〜１０分間行われるとしてもよい。
【００２５】
また、上記目的を達成するために、本発明のさらに別の観点によれば、上記に示す膜電極接合体を含む燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、カソードでの空気の供給および水の排出を円滑に行うことにより高い性能を具現でき、また、アノード触媒層が相対的に小さい細孔直径を有することによって、耐久性を向上させると共に、アノード触媒層でのメタノール拡散速度を低下させて、初期電池の性能を長時間維持できるＭＥＡ、その製造方法およびそれを採用した燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２８】
本発明に係るＭＥＡは、アノード基材とアノード拡散層と細孔を有するアノード触媒層をと備えるアノードと、カソード基材、カソード拡散層と細孔を有するカソード触媒層とを備えるカソードと、上記カソードとアノードとの間に位置する電解質膜と、を備え、上記アノード拡散層は、親水性を示し、また、上記カソード拡散層は、疎水性を示し、上記アノード触媒層の平均細孔直径が、上記カソード触媒層の平均細孔直径より小さいことを特徴とする。
【００２９】
本発明では、このように、アノード拡散層は親水性にし、カソード拡散層は疎水性にすることによって、カソードでの空気の供給および水の排出を円滑にするだけでなく、アノード触媒層の平均細孔直径をカソード触媒層の平均細孔直径より小さくすることによって、カソードでの空気の供給、および水の排出を円滑に図りつつも、アノードの耐久性の向上およびアノードでのメタノールの拡散速度の低下を図る。
【００３０】
図２は、本発明の実施形態に係るＭＥＡを概略的に示す断面図である。図２を参照すると、アノード拡散層は、カソード拡散層に比べて相対的に親水性を示し、アノード触媒層は、カソード触媒層に比べて平均細孔直径がより小さいということが分かる。
【００３１】
このような特性を表すために、上記アノード拡散層は、５〜２０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むことが望ましく、また、上記カソード拡散層は、２０〜５０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むことが望ましい。
【００３２】
望ましくは、上記アノード触媒層の平均細孔直径は３〜５ｎｍであり、上記カソード触媒層の平均細孔直径は１０〜５０ｎｍである。
【００３３】
また、望ましくは、上記アノード触媒層の質量当たり表面積は１５〜２５ｍ２／ｇであり、上記カソード触媒層の質量当たり表面積は２〜１０ｍ２／ｇである。
【００３４】
本発明はまた、（ａ）アノード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒の混合物とを、塗布および焼結させてアノード拡散層単位体を製造する工程と、（ｂ）転写フィルム上に、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させた後、それを電解質膜に転写してアノード触媒コーティング膜を製造する工程と、（ｃ）カソード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒の混合物とを、塗布および焼結させてカソード拡散層単位体を製造する工程と、（ｄ）上記カソード拡散層単位体上に、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させてカソード電極の単位体を製造する工程と、（ｅ）上記アノード拡散層単位体をホットプレスし、上記アノード触媒コーティング膜と上記カソード電極の単位体とを接合して、ＭＥＡを形成する工程と、を含むＭＥＡの製造方法を提供する。
【００３５】
図３は、本発明の実施形態に係るＭＥＡの製造方法についての概略的な工程図である。以下、図３を参照して、本発明によるＭＥＡの製造方法を具体的に説明する。
【００３６】
（アノード拡散層単位体の製造）
アノード拡散層単位体は、アノード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒との混合物を、塗布および焼結させることによって製造される。
【００３７】
基材としては、炭素紙などが使用可能である。また、アノード拡散層を形成する方法としては、上記基材上に均一な厚さを有する拡散層を形成させうる方法ならば、何れも可能である。上記拡散層を形成する方法としては、炭素スラリを製造して上記フィルム上にテープキャスティング、スプレイ、またはスクリーンプリンティングなどの方法でコーティングすることが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００３８】
上記炭素スラリは、炭素粉末とバインダーと分散媒の混合物であって、上記炭素粉末は、粉末状のカーボンブラック、アセチレンブラック、炭素ナノチューブ、炭素ナノワイヤ、炭素ナノホーン、炭素ナノファイバなどの炭素成分の粉末ならば、何れも可能である。
【００３９】
上記バインダーは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）などが可能であるが、これに限定されるものではない。望ましくは、本発明によるアノード拡散層単位体は、親水性を示すために５〜２０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含む。
【００４０】
また、上記分散媒として望ましいものは、水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ブチルアルコールなどが挙げられるが、これに限定されるものではなく、特に、水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールが望ましい。
【００４１】
上記炭素スラリは、適切な配合比で混ぜた混合物を超音波槽で３０分〜２時間間混合して製造することが望ましい。
【００４２】
上記のように形成された拡散層は、１５０〜３５０℃の温度で３０分〜２時間焼結させる。拡散層を焼結させる目的は、使われた分散媒を除去する以外に、バインダーを適切に分布させて適正レベルの撥水性を得て、バインダーが釣り合いよく分布して炭素成分が消失されることを防止するところにある。上記範囲を逸脱して過度に低い温度で焼結させた場合、バインダーが十分に分布されず、バインダーが正しく機能できず、撥水性が劣る。また、上記範囲を逸脱して過度に高い温度で焼結させれば、過度な熱によって上記拡散層単位体が変形される恐れがある。
【００４３】
また、上記範囲を逸脱して焼結時間が過度に短ければ、同様にバインダーが十分に分布されず、バインダーが正しく機能できず、撥水性が劣る。また、上記範囲を逸脱して焼結時間が過度に長ければ、非経済的であるだけでなく、バインダーが過度に均一に分布して導電度に問題が生じる恐れもある。
【００４４】
ただし、上記焼結温度は、使われるバインダーの種類によって調節することが望ましく、さらに具体的には、使われるバインダーの融点付近の温度で焼結することがさらに望ましい。
【００４５】
（アノード触媒コーティング膜の製造）
アノード触媒コーティング膜は、転写フィルム上に、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させた後、これを電解質膜に転写させることによって製造される。
【００４６】
上記転写フィルムとしては、テフロン（登録商標）フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、カプトンフィルム、テトラフィルム、アルミニウムホイール、マイラーフィルムなどが使われる。上記伝導性物質としては、プロトン伝導性樹脂を使用することが望ましいが、例えば、撥水性を有するフッ素樹脂が望ましい。さらに、フッ素樹脂のうちでも融点が４００℃以下であるものが望ましく、例えば、ナフィオン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体などが挙げられる。そして、バインダーの含量は、触媒１００質量部を基準として１０〜４０質量部でありうる。
【００４７】
上記触媒の非制限的な例として、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、ＯｓおよびＰｔ、その混合物、その合金またはそれら金属がカーボンブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭および黒鉛に分散された担持触媒が挙げられ、具体的には、ＰｔＲｕ／Ｃなどの触媒を例として挙げられる。
【００４８】
上記分散媒としては、水、１−プロパノール、エチレングリコール、２−プロパノールを利用し、その含量は、触媒１００質量部を基準として５〜２５０質量部であることが望ましい。さらに具体的に説明すれば、分散媒として水を使用する場合、水の含量は、５〜１０質量部が適当であり、１−プロパノールの場合、１５０〜２５０質量部が適当であり、エチレングリコールの場合、１００〜２００質量部であり、２−プロパノールの場合、１５０〜２５０質量部である。
【００４９】
なお、担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を塗布する方法は、特別に限定されておらず、上記フィルム上に均一な厚さを有する触媒の層を形成させうる方法ならば、何れも可能である。上記触媒層を形成する方法としては、触媒スラリを製造して上記フィルム上にテープキャスティング、スプレイ、またはスクリーンプリンティングなどの方法でコーティングすることが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００５０】
上記触媒スラリは、適切な配合比で混ぜた混合物を超音波槽で１〜３時間混合して製造することが望ましい。
【００５１】
上記のように形成した触媒層は、６０〜１２０℃の温度で１〜４時間乾燥させて使われた分散媒を除去する。上記範囲を逸脱して過度に低い温度で乾燥させた場合、分散媒が十分に除去されずに乾燥が不十分となる。また、上記範囲を逸脱して過度に高い温度で乾燥させれば、触媒が損傷される恐れがある。
【００５２】
また、上記範囲を逸脱して乾燥時間が過度に短ければ、分散媒が十分に除去されずに乾燥が不十分となる。また、上記範囲を逸脱して乾燥時間が過度に長ければ、非経済的である。
【００５３】
上記のように乾燥させれば、転写のためのアノード触媒層単位体が完成され、次いで、上記のように製造されたアノード電極単位体を電解質膜に転写してアノード触媒コーティング膜を製造する。アノード電極単位体の膜への転写は、当業界に公知の通常の方法によって行われ、特に限定されていないが、ホットプレス工程法によることが望ましい。
【００５４】
上記ホットプレス条件の望ましい一例は、１００〜１４０℃の温度、０．５〜５トン／ｃｍ２の圧力で５分〜１０分間実施することである。上記範囲を逸脱してホットプレス温度が過度に低ければ、接合が不十分であり、電極と電解質膜との界面抵抗が増大する可能性がある。また、上記範囲を逸脱してホットプレス温度が過度に高ければ、電解質膜の脱水によって上記電解質膜が劣化しうる。
【００５５】
特に、本発明では、ホットプレスの温度および圧力を上記のように調節することによって、アノード触媒層の平均細孔の直径がカソード触媒層の平均細孔の直径よりさらに短く調節できる。
【００５６】
アノード触媒層単位体に付着された転写フィルムは、上記のようにホットプレス工程を行った後に除去しうる。
【００５７】
（カソード拡散層単位体の製造）
カソード拡散層単位体は、カソード基材上に、炭素粉末とバインダーと分散媒との混合物を、塗布および焼結させることによって製造され、疎水性を表すために２０〜５０質量％のポリテトラフルオロエチレンを含むことが望ましいという点を除いては、上記アノード拡散層単位体と同じ要領によって製造されうる。
【００５８】
（カソード電極単位体の製造）
カソード電極単位体は、転写フィルムでない、カソード拡散層単位体上に、直接担持触媒と伝導性物質と分散媒との混合物を、塗布および乾燥させるという点を除いては、上記アノード触媒コーティング膜の製造工程中のアノード電極単位体と同じ要領によって製造されうる。
【００５９】
（アノード触媒コーティング膜およびカソード電極単位体の接合）
最終的に、上記製造されたアノード触媒コーティング膜およびカソード電極単位体を、ホットプレス工程によって接合させることによって、本発明によるＭＥＡが製造されうる。
【００６０】
上記ホットプレス条件の望ましい一例としては、１００〜１４０℃の温度、０．５〜２トン／ｃｍ２の圧力で５分〜１０分間実施することである。上記範囲を逸脱してホットプレス温度が過度に低ければ、接合が不十分であり、上記触媒層単位体と上記拡散層単位体とが再び分離される。また、上記範囲を逸脱してホットプレス温度が過度に高ければ、触媒が劣化する恐れがある。
【００６１】
特に、本発明では、ホットプレスの温度および圧力を上記のように調節することによって、カソード触媒層の平均細孔直径をアノード触媒層の平均細孔直径よりさらに長く調節できる。アノードの場合には、転写および接合過程で２回のホットプレス工程を経るが、カソードの場合には、単に１回のホットプレス工程のみを経るので、アノードの平均細孔直径は、カソードの平均細孔直径よりさらに短くなる。
【００６２】
本発明では、アノード触媒層の平均細孔直径を調節するために転写フィルムを使用するが、転写フィルムは、カソードに使用するカーボン紙に比べて、圧力によって変形されないので、プレス時の圧力がアノード触媒層に効果的に伝えられて、所望の細孔が得られる。また、ホットプレスの圧力を微細に調節することによって、細孔のサイズを調節することが可能である。一方、カーボン紙の上に触媒をコーティングするカソード触媒層の場合、ホットプレスの圧力をカーボン紙が吸収するので、触媒層に高い圧力を加えられない。したがって、細孔のサイズがアノードに比べて大きくなる。上記により、アノード触媒コーティング膜を製造する工程に使用するホットプレスの圧力が、アノード触媒コーティング膜とカソード電極単位体との接合のための工程に使用する圧力に比べて相対的に高く設定される。上記により、高い圧力で一定の細孔に作られたアノード触媒層が２番目のホットプレス工程でもその細孔を維持できる。
【００６３】
結果的に製造された触媒層の平均細孔直径は、上記アノード触媒層の場合、３〜５ｎｍであり、カソード触媒層の場合、１０〜５０ｎｍであることが望ましい。
【００６４】
また、アノード触媒層の質量当たり表面積は、１５〜２５ｍ２／ｇであることが望ましく、カソード触媒層の質量当たり表面積は、２〜１０ｍ２／ｇであることが望ましい。上記触媒層単位体の質量当たり表面積が上記範囲を逸脱して過度に大きければ、触媒層の機械的強度が弱くなるという問題点がある。また、上記触媒層単位体の単位面積当たり質量が上記範囲を逸脱して過度に小さければ、反応物質の拡散に抵抗として作用して物質伝達がよくならないという問題点が生じうる。
【００６５】
本発明は、さらに別の観点として、本発明の実施形態に係るＭＥＡを含む燃料電池を提供する。上記燃料電池は、前述したようなＭＥＡとセパレータとを含む単位セルが複数の積層された構造を有し、その他に燃料電池システムを構成するための燃料処理処置（ＦＰ：Ｆｕｅｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、燃料タンク、燃料ポンプなどを備えうる。
【００６６】
以下、具体的な実施例および比較例で、本発明に係る構成と効果とをさらに詳細に説明する。以下に示す実施形態は、単に本発明をさらに明確にするための一実施形態に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００６７】
（実施例１）
カーボンブラック粉末を、ポリテトラフルオロエチレンおよびイソプロピルアルコールと１００：５：５００の質量比で混合して、超音波槽で２時間混合してアノード拡散層スラリを製造した後、これを厚さ４００ｎｍの炭素紙（ＧＤＬ１０シリーズ、ＳＧＬ  ｃａｒｂｏｎ  ｇｒｏｕｐ）上に塗布し、１７０℃の温度で１時間焼結させてアノード拡散層単位体を製造した。
【００６８】
アノード触媒としてＰｔＲｕブラックを使用し、これを、水、ナフィオン、およびイソプロピルアルコールを触媒１００質量部を基準として１０：１５：２００の質量比で混合して、超音波槽で２時間混合してアノード触媒層スラリを製造した。上記のように製造した触媒層スラリをＰＥＴフィルム上にスクリーンプリンティング法を利用してコーティングして、７０℃の温度で２時間乾燥させて電解質膜に転写するアノード電極単位体を製造した。これを、電解質膜としてＤｕｆｏｎｔ社製のナフィオン１１５メンブレインを使用し、１３０℃の温度で５トン／ｃｍ２の圧力で６分間ホットプレスして電解質膜に転写することによってアノード触媒コーティング膜を製造した。
【００６９】
一方、カーボンブラック粉末をポリテトラフルオロエチレンおよびイソプロピルアルコールと１００：２０：５００の質量比で混合して超音波槽で２時間混合してカソード拡散層スラリを製造した後、これを厚さ４００ｎｍの炭素紙（ＧＤＬ１０シリーズ、ＳＧＬ  ｃａｒｂｏｎ  ｇｒｏｕｐ）上に塗布し、３５０℃の温度で１時間焼結させてカソード拡散層単位体を製造した。
【００７０】
上記カソード拡散層単位体上に、カソード触媒としてＰｔブラックを使用し、それを水、ナフィオン、およびイソプロピルアルコールを触媒１００質量部を基準として１０：１５：２００の質量比で混合して、超音波槽で２時間混合してアノード触媒層スラリを製造した後に、塗布および乾燥させることによってカソード電極単位体を製造した。
【００７１】
最後に、上記アノード触媒コーティング膜および上記カソード電極単位体を１３０℃の温度で２トン／ｃｍ２の圧力で５分間ホットプレスしてＭＥＡを製造した。
【００７２】
製造されたＭＥＡのアノード触媒層の平均細孔直径は３ｎｍであり、カソード触媒層の平均細孔直径は３０ｎｍであった。
【００７３】
（比較例１）
カーボンブラック粉末を、ポリテトラフルオロエチレンおよびイソプロピルアルコールと１００：２０：５００の質量比で混合して超音波槽で２時間混合してカソード拡散層スラリを製造した後、これを厚さ４００ｎｍの炭素紙（ＧＤＬ１０シリーズ、ＳＧＬ  ｃａｒｂｏｎ  ｇｒｏｕｐ）上に塗布し、３５０℃の温度で１時間焼結させてカソード拡散層単位体を製造した。
【００７４】
カソード触媒としてＰｔブラックを使用して、それを水、ナフィオン、およびイソプロピルアルコールを触媒１００質量部を基準として１０：１５：２００の質量比で混合して超音波槽で２時間混合してカソード触媒層スラリを製造した。上記のように製造した触媒層スラリをＰＥＴフィルム上にスクリーンプリンティング法を利用してコーティングして、７０℃の温度で２時間乾燥させて電解質膜に転写するカソード電極単位体を製造した。これを、電解質膜としてＤｕｆｏｎｔ社製のナフィオン１１５メンブレインを使用して、１３０℃の温度で５トン／ｃｍ２の圧力で６分間ホットプレスして電解質膜に転写することによってカソード触媒コーティング膜を製造した。
【００７５】
一方、カーボンブラック粉末を、ポリテトラフルオロエチレンおよびイソプロピルアルコールと１００：５：５００の質量比で混合して超音波槽で２時間混合してアノード拡散層スラリを製造した後、これを厚さ４００ｎｍの炭素紙（ＧＤＬ１０シリーズ、ＳＧＬ  ｃａｒｂｏｎ  ｇｒｏｕｐ）上に塗布し、１７０℃の温度で１時間焼結させてアノード拡散層単位体を製造した。
【００７６】
上記アノード拡散層単位体上に、アノード触媒としてＰｔＲｕブラックを使用して、それを水、ナフィオン、およびイソプロピルアルコールを触媒１００質量部を基準として１０：１５：２００の質量比で混合して、超音波槽で２時間混合してアノード触媒層スラリを製造した後に、塗布および乾燥させることによってアノード電極単位体を製造した。
【００７７】
最後に、上記カソード触媒コーティング膜および上記アノード電極単位体を１３０℃の温度で２トン／ｃｍ２の圧力で５分間ホットプレスしてＭＥＡを製造した。
【００７８】
製造されたＭＥＡのアノード触媒層の平均細孔直径は３０ｎｍであり、カソード触媒層の平均細孔直径は３ｎｍであり、図４は、比較例１によるＭＥＡを概略的に示す断面図である。
【００７９】
（比較例２）
カーボンブラック粉末を、ポリテトラフルオロエチレンおよびイソプロピルアルコールと１００：５：５００の質量比で混合して超音波槽で２時間混合してアノード拡散層スラリを製造した後、これを厚さ４００ｎｍの炭素紙（ＧＤＬ１０シリーズ、ＳＧＬ  ｃａｒｂｏｎ  ｇｒｏｕｐ）上に塗布し、３５０℃の温度で１時間焼結させてアノード拡散層単位体を製造した。
【００８０】
アノード触媒としてＰｔＲｕブラックを使用して、これを水、ナフィオン、およびイソプロピルアルコールを触媒１００質量部を基準として１０：１５：２００の質量比で混合して、超音波槽で２時間混合してアノード触媒層スラリを製造した。上記のように製造した触媒層スラリをＰＥＴフィルム上にスクリーンプリンティング法を利用してコーティングして、７０℃の温度で２時間乾燥させて電解質膜に転写するアノード電極単位体を製造した。
【００８１】
カーボンブラック粉末を、ポリテトラフルオロエチレンおよびイソプロピルアルコールと１００：２０：５００の質量比で混合して超音波槽で２時間混合してカソード拡散層スラリを製造した後、これを厚さ４００ｎｍの炭素紙（ＧＤＬ１０シリーズ、ＳＧＬ  ｃａｒｂｏｎ  ｇｒｏｕｐ）上に塗布し、３５０℃の温度で１時間焼結させてカソード拡散層単位体を製造した。
【００８２】
カソード触媒としてＰｔブラックを使用して、これを水、ナフィオン、およびイソプロピルアルコールを触媒１００質量部を基準として１０：１５：２００の質量比で混合して超音波槽で２時間混合してカソード触媒層スラリを製造した。上記のように製造した触媒層スラリをＰＥＴフィルム上にスクリーンプリンティング法を利用してコーティングして、７０℃の温度で２時間乾燥させて電解質膜に転写するカソード電極単位体を製造した。
【００８３】
上記アノード電極単位体とカソード電極単位体との間に電解質膜としてＤｕｆｏｎｔ社製のナフィオン１１５メンブレインを介在させ、１３０℃の温度で５トン／ｃｍ２の圧力で６分間ホットプレスして電解質膜の両面にアノード電極およびカソード電極を転写することによって触媒コーティング膜を製造した。
【００８４】
次いで、上記アノード拡散層単位体とカソード拡散層単位体との間に触媒コーティング膜を介在させ、１３０℃の温度で２トン／ｃｍ２の圧力で５分間ホットプレスしてＭＥＡを製造した。
【００８５】
製造されたＭＥＡのアノード触媒層の平均細孔直径は３ｎｍであり、カソード触媒層の平均細孔直径は３ｎｍであり、図５は、比較例２によるＭＥＡを概略的に示す断面図である。
【００８６】
（性能の比較）
実施例１、比較例１および比較例２に係るＭＥＡを含む単位電池を、当業界に公知の通常的な方法を使用してそれぞれ３つずつ製造し、製造された単位電池の電力密度および時間による電流密度の変化を測定した。図６は、本発明の実施例１に係るＭＥＡを使用した単位電池と、比較例１と比較例２とに係るＭＥＡを使用した単位電池との電力密度を示す説明図であり、また、図７は、本発明の実施例１に係るＭＥＡを使用した単位電池と、比較例１と比較例２とに係るＭＥＡを使用した単位電池との、時間による電流密度の変化を示す説明図である。
【００８７】
図６の結果から分かるように、実施例１による単位電池は、３つのサンプルの平均電力密度が５５ｍＷ／ｃｍ２であって、比較例１の２８ｍＷ／ｃｍ２および比較例２の４２ｍＷ／ｃｍ２に比べて顕著に優秀な値を有する。
【００８８】
また、図７の結果から分かるように、実施例１による単位電池は、経時的な性能低下率が５％であって、比較例１の５０％以上および比較例２の１５％に比べて顕著に優秀な耐久性を有する。
【００８９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、燃料電池関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】従来の技術に係るＭＥＡを概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＭＥＡを概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＭＥＡの製造方法についての概略的な工程図である。
【図４】比較例１に係るＭＥＡを概略的に示す断面図である。
【図５】比較例２に係るＭＥＡを概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施例１に係るＭＥＡを使用した単位電池と、比較例１と比較例２とに係るＭＥＡを使用した単位電池との電力密度を示す説明図である。
【図７】本発明の実施例１に係るＭＥＡを使用した単位電池と、比較例１と比較例２とに係るＭＥＡを使用した単位電池との、時間による電流密度の変化を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０          アノード
１２、２２    炭素基材
１４、２４    拡散層
１６、２６    触媒層
２０          カソード
５０          電解質膜
【図１】
2007214102.tif 000003
【図２】
2007214102.tif 000004
【図３】
2007214102.tif 000005
【図４】
2007214102.tif 000006
【図５】
2007214102.tif 000007
【図６】
2007214102.tif 000008
【図７】
2007214102.tif 000009