(57)【要約】【課題】耐久性及び性能を向上させることが可能な燃料電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】導電性担体及び該導電性担体に担持された触媒を有する触媒担体とプロトン伝導体とを有する触媒層を備えるセルを具備し、触媒層に含有されるプロトン伝導体の質量Ａと触媒層に含有される担体の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが、所定の範囲内に制御され、プロトン伝導体の物性と、比Ａ／Ｂと、触媒層の強度との関係を用いて、触媒層の強度が特定の値以上となるように、上記範囲の下限値が決定され、上記物性と、比Ａ／Ｂと、セルの電圧との関係を用いて、電圧が所定値以上となるように、上記範囲の上限値が決定される、燃料電池とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性担体及び前記導電性担体に担持された触媒を有する触媒担体とプロトン伝導体とを有する触媒層を備えるセルを具備し、
前記触媒層に含有される前記プロトン伝導体の質量Ａと前記触媒層に含有される前記導電性担体の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが、所定の範囲内に制御され、
前記プロトン伝導体の物性値と、前記比Ａ／Ｂと、前記触媒層の強度との関係を用いて、前記触媒層の強度が特定の値以上となるように、前記範囲の下限値が決定され、
前記プロトン伝導体の物性値と、前記比Ａ／Ｂと、前記セルの電圧との関係を用いて、前記電圧が所定値以上となるように、前記範囲の上限値が決定されることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記物性値が、前記プロトン伝導体の当量重量ＥＷであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記強度の前記特定の値が、氷点下始動で許容される性能低下を用いて決定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電圧が常温運転時の電圧であり、かつ、前記電圧の前記所定値が０Ｖであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記触媒層が、少なくともカソード側に備えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
導電性担体及び前記導電性担体に担持された触媒を有する触媒担体とプロトン伝導体とを含有し、前記プロトン伝導体の質量Ａと前記導電性担体の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが所定の範囲に制御された触媒層を備えるセル、を具備する燃料電池を製造する方法であって、
前記プロトン伝導体の物性値と、前記比Ａ／Ｂと、前記触媒層の強度との関係を用いて、前記触媒層の強度が特定の値以上となるように、前記範囲の下限値を決定する、下限値決定工程と、
前記プロトン伝導体の物性値と、前記比Ａ／Ｂと、前記セルの電圧との関係を用いて、前記電圧が所定値以上となるように、前記範囲の上限値を決定する、上限値決定工程と、
前記比Ａ／Ｂが、前記下限値決定工程で決定された前記下限値と前記上限値決定工程で決定された前記上限値とによって特定される前記範囲に含まれるように制御された、前記触媒層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びその製造方法に関し、特に、耐久性を向上させた燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード触媒層及びカソード触媒層）とを備える膜電極構造体（以下「ＭＥＡ」ということがある。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」ということがある。）は、低温領域で運転することができる。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣのセルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを狭持する一対の集電体と、を備え、ＭＥＡには、含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下「空気」という。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下「アノード触媒層」ということがある。）に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下「カソード触媒層」ということがある。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが反応することにより、水が生成される。
【０００４】
セル内に水が残留しているＰＥＦＣを氷点下環境で使用する場合、十分な乾燥処理が施されていないと、残留した水が凍結する。このようにして水が凍結すると、氷晶成長に起因する応力が触媒層に付与され、触媒層が破損することがある。触媒層が破損すると、プロトンの伝導が阻害されてＰＥＦＣの性能が低下する。そのため、ＰＥＦＣの性能低下を抑制するには、触媒層の機械的強度を増大させて触媒層の破損を抑制することが重要である。
【０００５】
ＰＥＦＣの性能を向上させること等を目的とした技術として、例えば特許文献１には、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との間に、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との界面付近で生じやすいカーボン担体の劣化及びカソード触媒層から固体高分子電解質膜への触媒の溶出を抑制する緩衝層を形成する技術が開示されている。そして、特許文献１には、緩衝層におけるアイオノマー（Ｉ）／カーボン担体（Ｃ）の質量比がＩ／Ｃ＝１．０〜４．０であり、カソード触媒層におけるアイオノマー（Ｉ）／カーボン担体（Ｃ）の質量比がＩ／Ｃ＝０．７〜０．９５とする形態が開示されている。また、特許文献２には、触媒層に含まれる触媒層内電解質の当量重量ＥＷを２５０ｇ／当量以上２０００ｇ／当量以下とする技術が開示されている。また、特許文献３には、触媒層に含まれる塊状の高分子電解質の当量重量ＥＷを５００ｇ／ｅｑ以上１５００ｇ／ｅｑ以下とする技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３６６３１号公報
【特許文献２】特開２００３−３４６８１５号公報
【特許文献３】特開２００５−８５６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている技術では、Ｉ／Ｃの値が制御された層を備える燃料電池が提供される。ここで、Ｉ／Ｃの値を増大させると、触媒層の強度を増大させることが可能になる。ところが、触媒層の強度は、Ｉ／Ｃのみならず、触媒層に含有されるアイオノマーの当量重量ＥＷとも相関がある。それゆえ、特許文献１に開示された技術を用いてＩ／Ｃのみを制御しても、触媒層の強度を適切に制御することは困難であり、特許文献２及び特許文献３に開示された技術を用いてＥＷのみを制御しても、触媒層の強度を適切に制御することは困難であった。触媒層の強度が適切に制御されていないと、例えば、氷点下環境等において触媒層が破損する虞があるため、従来の技術では、燃料電池の耐久性を向上させることが困難であるという問題があった。さらに、触媒層の強度を増大させるためにＩ／Ｃの値を必要以上に増大させると、燃料電池の性能（出力）が低下する虞がある、という問題もあった。
【０００８】
そこで本発明は、耐久性及び性能を向上させることが可能な燃料電池及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、導電性担体及び該導電性担体に担持された触媒を有する触媒担体とプロトン伝導体とを有する触媒層を備えるセルを具備し、触媒層に含有されるプロトン伝導体の質量Ａと触媒層に含有される導電性担体の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが、所定の範囲内に制御され、プロトン伝導体の物性値と、比Ａ／Ｂと、触媒層の強度との関係を用いて、触媒層の強度が特定の値以上となるように、上記範囲の下限値が決定され、プロトン伝導体の物性値と、比Ａ／Ｂと、セルの電圧との関係を用いて、電圧が所定値以上となるように、上記範囲の上限値が決定されることを特徴とする、燃料電池である。
【００１０】
ここに、本発明において、「導電性担体」は、導電性を有し、かつ、膜電極構造体が燃料電池で使用された時の環境に耐え得る性質（例えば、耐熱性や耐水性等。以下同じ。）を有する物質であれば、特に限定されるものではない。本発明における「導電性担体」としては、例えば、ＰＥＦＣのアノード触媒層やカソード触媒層（以下において、これらをまとめて単に「触媒層」ということがある。）で使用可能な導電性担体等を好適に用いることができる。さらに、本発明において、「触媒」は、触媒層で生じる電気化学反応の触媒として機能し、かつ、本発明の燃料電池が作動された時の環境に耐え得る性質を有する物質であれば、特に限定されるものではない。本発明における「触媒」としては、例えば、ＰＥＦＣの触媒層で使用可能な触媒等を好適に用いることができる。さらに、本発明において、「プロトン伝導体」は、本発明の燃料電池の作動時にプロトン伝導性を発現し、かつ、本発明の燃料電池が作動された時の環境に耐え得る性質を有する物質であれば、特に限定されるものではない。本発明における「プロトン伝導体」としては、例えば、ＰＥＦＣの触媒層で使用可能なプロトン伝導体等（フッ素系のポリマー等）を好適に用いることができる。さらに、本発明において、「プロトン伝導体の物性値」とは、例えば、プロトン伝導体の当量重量ＥＷのほか、プロトン伝導体のセグメント長、分子量、ガラス転移温度、及び、弾性率等を例示することができる。さらに、「触媒層の強度が特定の値以上となるように、上記範囲の下限値が決定され」とは、例えば、後述するように、プロトン伝導体のＥＷに応じて変動する触媒層の強度と比Ａ／Ｂとの関係を用いて、比Ａ／Ｂの範囲の下限値（以下において「比Ａ／Ｂの下限値」という。）が、触媒層に含有されるプロトン伝導体のＥＷを考慮して決定されることを意味する。さらに、「電圧値が所定値以上となるように、上記範囲の上限値が決定される」とは、例えば、後述するように、プロトン伝導体のＥＷに応じて変動するセルの電圧と比Ａ／Ｂとの関係を用いて、比Ａ／Ｂの範囲の上限値（以下において「比Ａ／Ｂの上限値」という。）が、触媒層に含有されるプロトン伝導体のＥＷを考慮して決定されることを意味する。
【００１１】
また、上記第１の本発明において、上記物性値が、プロトン伝導体の当量重量ＥＷであることが好ましい。
【００１２】
また、上記第１の本発明において、強度の特定の値が、氷点下始動で許容される性能低下を用いて決定されることが好ましい。
【００１３】
また、上記第１の本発明において、上記電圧が常温運転時の電圧であり、かつ、電圧の所定値が０Ｖであることが好ましい。
【００１４】
ここに、本発明において、「常温運転時の電圧」とは、触媒層が７０℃〜９０℃程度である状態で運転（常温運転）される燃料電池の電圧をいい、例えば、触媒層が８０℃の状態で運転される燃料電池の電流密度が０．５ｍＡ／ｃｍ２である時の電圧をいう。
【００１５】
また、上記第１の本発明において、上記触媒層が、少なくともカソード側に備えられることが好ましい。
【００１６】
ここに、「上記触媒層が、少なくともカソード側に備えられる」とは、第１の本発明にかかる燃料電池に備えられるアノード触媒層及びカソード触媒層のうち、少なくともカソード触媒層は、上記比Ａ／Ｂが、上記下限値及び上記上限値によって特定される範囲内に制御されていることを意味する。
【００１７】
第２の本発明は、導電性担体及び導電性担体に担持された触媒を有する触媒担体とプロトン伝導体とを含有し、プロトン伝導体の質量Ａと導電性担体の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが所定の範囲に制御された触媒層を備えるセル、を具備する燃料電池を製造する方法であって、プロトン伝導体の物性値と、比Ａ／Ｂと、触媒層の強度との関係を用いて、触媒層の強度が特定の値以上となるように、上記範囲の下限値を決定する、下限値決定工程と、プロトン伝導体の物性値と、比Ａ／Ｂと、セルの電圧との関係を用いて、電圧が所定値以上となるように、上記範囲の上限値を決定する、上限値決定工程と、比Ａ／Ｂが、下限値決定工程で決定された下限値と上限値決定工程で決定された上限値とによって特定される範囲に含まれるように制御された、触媒層を形成する工程と、を含むことを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
【００１８】
また、上記第２の本発明において、上記物性値が、プロトン伝導体の当量重量ＥＷであることが好ましい。
【００１９】
また、上記第２の本発明において、強度の特定の値が、氷点下始動で許容される性能低下を用いて決定されることが好ましい。
【００２０】
また、上記第２の本発明において、上記電圧が常温運転時の電圧であり、かつ、電圧の所定値が０Ｖであることが好ましい。
【００２１】
また、上記第２の本発明において、少なくともカソード側に備えられる触媒層が、下限値決定工程及び上限値決定工程を経て形成されることが好ましい。
【００２２】
ここに、「少なくともカソード側に備えられる触媒層が、下限値決定工程及び上限値決定工程を経て形成される」とは、燃料電池に備えられるアノード触媒層及びカソード触媒層のうち、カソード触媒層、又は、カソード触媒層及びアノード触媒層が、第２の本発明にかかる下限値決定工程及び上限値決定工程を経て、形成されることを意味する。第２の本発明において、カソード触媒層のみが、第２の本発明にかかる下限値決定工程及び上限値決定工程を経て形成される場合、アノード触媒層は、他の公知の方法によって形成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
第１の本発明では、触媒層の強度が特定の値以上となるように比Ａ／Ｂの下限値が決定され、電圧値が所定値以上となるように比Ａ／Ｂの上限値が決定される。そのため、第１の本発明によれば、耐久性及び性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００２４】
また、第１の本発明において、比Ａ／Ｂの下限値及び上限値が、プロトン伝導体の当量重量ＥＷを考慮して決定されることにより、耐久性及び性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することが容易になる。
【００２５】
また、第１の本発明において、比Ａ／Ｂの下限値が、氷点下始動で許容される性能低下を用いて決定されることにより、特に、氷点下耐久性を向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。
【００２６】
また、第１の本発明において、比Ａ／Ｂの上限値が、常温運転時の電圧値が０Ｖ以上となるように決定されることにより、特に、常温運転時における性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。
【００２７】
また、第１の本発明において、比Ａ／Ｂの値が制御されている触媒層が少なくともカソード側に備えられることにより、耐久性及び性能を容易に向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。
【００２８】
第２の本発明では、触媒層の強度が特定の値以上となるように比Ａ／Ｂの下限値を決定する下限値決定工程と、電圧値が所定値以上となるように比Ａ／Ｂの上限値を決定する上限値決定工程が含まれる。そのため、第２の本発明によれば、耐久性及び性能を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することができる。
【００２９】
また、第２の本発明において、比Ａ／Ｂの下限値及び上限値が、プロトン伝導体の当量重量ＥＷを考慮して決定されることにより、耐久性及び性能を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することが容易になる。また、第２の本発明において、比Ａ／Ｂの下限値が、氷点下始動で許容される性能低下を用いて決定されることにより、特に、氷点下耐久性を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することができる。また、第２の本発明において、比Ａ／Ｂの上限値が、常温運転時の電圧値が０Ｖ以上となるように決定されることにより、特に、常温運転時における性能を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することができる。また、第２の本発明において、少なくともカソード側に備えられる触媒層が、第２の本発明にかかる下限値決定工程及び上限値決定工程を経て形成されることにより、耐久性及び性能を容易に向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の燃料電池及びその製造方法について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００３１】
１．燃料電池
図１は、本発明の燃料電池に含まれるセルの形態例を示す断面図であり、図１の紙面左右方向が、触媒層の厚さ方向である。図１に示すように、本発明の燃料電池１００に備えられるセル１０は、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に形成されたアノード触媒層２と、アノード触媒層２が形成された電解質膜１の面と反対側の面に形成されたカソード触媒層３と、アノード触媒層２側に配設されたガス拡散層４と、カソード触媒層３側に配設されたガス拡散層５と、ガス拡散層４側に配設されたセパレータ６と、ガス拡散層５側に配設されたセパレータ７と、を備えている。そして、セパレータ６には、水素を含む流体が流通する流路８、８、…が備えられ、セパレータ７には、空気を含む流体が流通する流路９、９、…が備えられている。燃料電池１００において、アノード触媒層２及びカソード触媒層３には、カーボン担体１１及び当該カーボン担体１１に担持された白金触媒１２、１２、…を有する触媒担体１３、１３、…と、プロトン伝導ポリマー１４と、が含有されている。そして、アノード触媒層２に含有されるプロトン伝導ポリマー１４の質量をＡ１、カソード触媒層３に含有されるプロトン伝導ポリマー１４の質量をＡ２、アノード触媒層２に含有されるカーボン担体１１、１１、…の質量をＢ１、及び、カソード触媒層３に含有されるカーボン担体１１、１１、…の質量をＢ２、とするとき、比Ａ１／Ｂ１の値、並びに、比Ａ２／Ｂ２の値が、所定の範囲内となるように制御されている。
【００３２】
以下、比Ａ１／Ｂ１の下限値及び比Ａ２／Ｂ２の下限値の決定方法（下限値決定工程）について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００３３】
図２は、触媒層に含有されるプロトン伝導体の当量重量ＥＷと、比Ａ／Ｂと、触媒層の剥離強度との関係を示すグラフである。図２の縦軸は触媒層の剥離強度［Ｎ］、同横軸は比Ａ／Ｂである。また、図３は、触媒層の剥離強度試験に供されるサンプルの形態例を示す図、図４は、触媒層の剥離強度試験の形態例を示す図であり、図５は、触媒層の剥離強度試験結果の例を示す図である。
【００３４】
ＥＷ＝７５０ｇ／ｅｑ、９００ｇ／ｅｑ、１０００ｇ／ｅｑの触媒層を有し、比Ａ／Ｂの値を種々変更した、図３に示す形態のサンプルを使用して、図４に示す形態で触媒層の剥離強度を測定し、図５により特定した剥離強度をプロットして得られた図２に示すように、ＥＷの値が一定であれば、比Ａ／Ｂの値が増大するほど、触媒層の剥離強度が増大する。そのため、機械的強度を増大させた触媒層を得るには、触媒層に含有される比Ａ／Ｂの値を増大させれば良いことが分かる。ところが、図２に示すように、ＥＷの値を変動させると、比Ａ／Ｂの値を一定にしても触媒層の剥離強度が変動する。そのため、機械的強度を増大させた触媒層を得るには、比Ａ／Ｂの値のみならず、触媒層に含有されるプロトン伝導体のＥＷの値も考慮することが必要になる。
【００３５】
図３〜図５に示す剥離強度試験で剥離強度が０．０６Ｎとなる触媒層を備えるセルを用いて、氷点下始動サイクル試験を行った結果の一例を、図６に示す。図６の縦軸は最大出力の低下率［％］、同横軸は氷点下始動サイクルの回数［回］である。図６に示すように、剥離強度が０．０６Ｎである触媒層が備えられる形態とすることにより、最大出力の低下率を５％程度に抑制することが可能になる。ここで、他の実験から、触媒層の剥離強度を増大させると氷点下始動における最大出力の低下率を低減することが可能になる旨の知見が得られているため、そのため、例えば、氷点下始動における最大出力の低下率を５％程度に抑制するには、剥離強度が０．０６Ｎ以上の触媒層が備えられる燃料電池とすることが有効である。
【００３６】
そこで、触媒層の強度（例えば、剥離強度）が０．０６Ｎ以上となるために必要とされる、比Ａ１／Ｂ１の下限値及び比Ａ２／Ｂ２の下限値（以下において、これらをまとめて「比Ａ／Ｂの下限値」ということがある。）を、図２を用いて決定すると、ＥＷ＝７５０ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる触媒層における、比Ａ／Ｂの下限値は約０．８０となる。同様に、ＥＷ＝９００ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる場合の下限値は約０．６７、ＥＷ＝１０００ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる場合の下限値は約０．６０となる。このように、本発明では、触媒層に備えられるプロトン伝導体のＥＷに応じて、所定の機械的強度を有する触媒層とするために必要とされる比Ａ／Ｂの下限値が決定される。したがって、本発明によれば、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の機械的強度を増大させることによって耐久性を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。
【００３７】
また、上述のように、触媒層に必要とされる強度を、氷点下始動の性能低下を抑制するために必要とされる強度の観点から特定することにより、氷点下耐久性を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。
【００３８】
次に、比Ａ１／Ｂ１の上限値及び比Ａ２／Ｂ２の上限値（以下において、これらをまとめて「比Ａ／Ｂの上限値」ということがある。）の決定方法（上限値決定工程）について、説明を続ける。
【００３９】
図７は、触媒層に含有されるプロトン伝導体の当量重量ＥＷと、比Ａ／Ｂと、温度が８０℃に制御されたセルの電流密度を０．５Ａ／ｃｍ２とした場合における電圧（セル電圧）と、の関係を示すグラフである。図７の縦軸はセル電圧［Ｖ］、同横軸は比Ａ／Ｂである。図７に示すように、ＥＷの値が一定であれば、比Ａ／Ｂの値が増大するほど、セル電圧が低下する。そのため、燃料電池の性能を向上させるには、比Ａ／Ｂの上限値を特定することが必要になることが分かる。加えて、図６に示すように、ＥＷの値を変動させると、比Ａ／Ｂの値を一定にしてもセル電圧が変動する。そのため、性能を向上させ得る触媒層を得るには、比Ａ／Ｂの値のみならず、触媒層に含有されるプロトン伝導体のＥＷの値も考慮することが必要になる。
【００４０】
そこで、セル温度を８０℃、電流密度を０．５Ａ／ｃｍ２とした場合におけるセル電圧を、０Ｖ以上とするために必要とされる比Ａ／Ｂの上限値を、図７を用いて決定すると、ＥＷ＝７５０ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる触媒層における、比Ａ／Ｂの上限値は約０．９５となる。同様に、ＥＷ＝９００ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる場合の上限値は約１．０３、ＥＷ＝１０００ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる場合の上限値は約１．１２となる。このように、本発明では、触媒層に備えられるプロトン伝導体のＥＷに応じて、セル電圧を所定以上にする（燃料電池の性能を向上させる）ために必要な、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の比Ａ／Ｂの上限値が決定される。したがって、本発明によれば、性能を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。
【００４１】
以上より、アノード触媒層２及びカソード触媒層３にＥＷ＝７５０ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる場合には、約０．８０≦Ａ１／Ｂ１≦約０．９５、約０．８０≦Ａ２／Ｂ２≦約０．９５とすることにより、耐久性及び性能を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。同様に、アノード触媒層２及びカソード触媒層３にＥＷ＝９００ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる場合には、約０．６７≦Ａ１／Ｂ１≦約１．０３、約０．６７≦Ａ２／Ｂ２≦約１．０３とすることにより、また、ＥＷ＝１０００ｇ／ｅｑのプロトン伝導体が備えられる場合には、約０．６０≦Ａ１／Ｂ１≦約１．１２、約０．６０≦Ａ２／Ｂ２≦約１．１２とすることにより、耐久性及び性能を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。
【００４２】
２．燃料電池の製造方法
図８は、本発明の燃料電池の製造方法に含まれる工程例を示すフローチャートである。以下、図１〜図８を参照しつつ、燃料電池１００を製造する方法について説明する。
【００４３】
図８に示すように、本発明の燃料電池の製造方法は、下限値決定工程（工程Ｓ１）と、上限値決定工程（工程Ｓ２）と、触媒インク作製工程（工程Ｓ３）と、ＭＥＡ作製工程（工程Ｓ４）と、ガス拡散層配設工程（工程Ｓ５）と、セパレータ配設工程（工程Ｓ６）と、を備え、工程Ｓ１〜工程Ｓ６を経て、燃料電池１００が製造される。
【００４４】
＜工程Ｓ１＞
工程Ｓ１は、プロトン伝導体の物性値と、比Ａ／Ｂと、触媒層の強度との関係を用いて、触媒層の強度が特定の値以上となるように、比Ａ／Ｂの範囲の下限値を決定する工程である。工程Ｓ１は、例えば、図２を用いて、プロトン伝導ポリマーのＥＷ毎に、比Ａ／Ｂの下限値を決定する工程とすることができる。
【００４５】
＜工程Ｓ２＞
工程Ｓ２は、プロトン伝導体の物性値と、比Ａ／Ｂと、セルの電圧との関係を用いて、セルの電圧が所定値以上となるように、比Ａ／Ｂの範囲の上限値を決定する工程である。工程Ｓ２は、例えば、図７を用いて、プロトン伝導ポリマーのＥＷ毎に、比Ａ／Ｂの上限値を決定する工程とすることができる。
【００４６】
＜工程Ｓ３＞
工程Ｓ３は、触媒層に含有されるプロトン伝導体の質量Ａと、触媒層に含有される触媒担体を構成する導電性担体の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが、上記工程Ｓ１で決定された下限値、及び、上記工程Ｓ２で決定された上限値によって特定される範囲に含まれるように、触媒担体１３、１３、…とプロトン伝導ポリマー１４との配合比率を調整することにより、触媒担体１３、１３、…、及び、プロトン伝導ポリマー１４を含有する触媒インクを作製する工程である。
【００４７】
＜工程Ｓ４＞
工程Ｓ４は、上記工程Ｓ３で作製した触媒インクを用いて、電解質膜１の一方の面へアノード触媒層２を形成し、電解質膜１の他方の面へカソード触媒層３を形成することにより、電解質膜１とアノード触媒層２とカソード触媒層３とを有するＭＥＡを作製する工程である。電解質膜１の表面へアノード触媒層２及びカソード触媒層３を形成する方法は特に限定されるものではなく、スプレー塗布法やドクターブレード法等、公知の方法を用いることができる。
【００４８】
＜工程Ｓ５＞
工程Ｓ５は、上記工程Ｓ４で作製されたＭＥＡのアノード触媒層２側にガス拡散層４を、カソード触媒層３側にガス拡散層５を、それぞれ配設する工程である。
【００４９】
＜工程Ｓ６＞
工程Ｓ６は、上記工程Ｓ５で配設されたガス拡散層４側にセパレータ６を、ガス拡散層５側にセパレータ７を、それぞれ配設することにより、セル１０を作製する工程である。
【００５０】
このように、本発明の燃料電池の製造方法によれば、工程Ｓ１〜工程Ｓ６を経ることにより、セル１０を備える燃料電池１００を製造することができる。ここで、燃料電池１００に備えられるアノード触媒層２及びカソード触媒層３は、プロトン伝導ポリマー１４のＥＷを考慮して、比Ａ／Ｂの値が、所定の範囲に含まれるように制御されている。そのため、本発明によれば、耐久性及び性能を向上させることが可能な燃料電池１００を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することができる。
【００５１】
なお、本発明の燃料電池の製造方法に関する上記説明では、下限値決定工程の後に、上限値決定工程が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、上限値決定工程の後に下限値決定工程が備えられていても良い。
【００５２】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法に関する上記説明では、アノード触媒層２及びカソード触媒層３における比Ａ／Ｂが、所定の範囲となるように制御されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、アノード触媒層及び／又はカソード触媒層における比Ａ／Ｂが制御されていれば良い。ただし、氷点下耐久性を向上させる場合には、少なくともカソード触媒層の機械的強度を増大させることが有効であるとの知見が得られている。そのため、氷点下耐久性を向上させる等の観点からは、少なくともカソード触媒層における比Ａ／Ｂが所定の範囲となるように、制御されることが好ましい。
【００５３】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法に関する上記説明では、ガス拡散層４及びガス拡散層５が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、アノード側及び／又はカソード側にガス拡散層が備えられない形態とすることも可能である。ただし、アノード触媒層やカソード触媒層へ気体を均一に供給し得る形態にする等の観点からは、アノード側やカソード側にガス拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。本発明の燃料電池にガス拡散層が備えられる場合、当該ガス拡散層の形態は特に限定されるものではなく、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能なものを用いることができる。
【００５４】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法に関する上記説明では、触媒層の剥離試験を行うことにより測定された触媒層の強度を用いて、比Ａ／Ｂの下限値が決定される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。触媒層の機械的強度は、公知の方法により、測定することができる。
【００５５】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法に関する上記説明では、アノード触媒層２及びカソード触媒層３に同一種類のプロトン伝導ポリマー１４が含有されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、アノード触媒層及びカソード触媒層に、それぞれ異なるプロトン伝導体を含有させることも可能である。
【００５６】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法において、電解質膜の形態は特に限定されるものではなく、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能な任意の形態とすることができる。さらに、本発明の燃料電池及びその製造方法において、アノード触媒層及びカソード触媒層に含有されるプロトン伝導体の構成材料、並びに、アノード触媒層及びカソード触媒層の形態は特に限定されるものではない。本発明の燃料電池及びその製造方法では、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能な任意のプロトン伝導体を、アノード触媒層及びカソード触媒層に用いることができ、アノード触媒層及びカソード触媒層の形態は、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能な任意の形態とすることができる。
【００５７】
また、本発明の燃料電池及びその製造方法に関する上記説明では、触媒層に含有されるプロトン伝導体のＥＷを考慮して、比Ａ／Ｂの下限値及び上限値が特定される形態について記載したが、比Ａ／Ｂの下限値及び上限値を決定する際に考慮される物性値は、プロトン伝導体のＥＷのみに限定されるものではない。本発明では、プロトン伝導体のＥＷのほか、プロトン伝導体のセグメント長、分子量、ガラス転移温度、又は、弾性率等、他の物性値を用いて、比Ａ／Ｂの下限値及び上限値を特定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池１００に含まれるセル１０の形態例を示す断面図である。
【図２】プロトン伝導体の当量重量ＥＷと、比Ａ／Ｂと、触媒層の剥離強度との関係を示すグラフである。
【図３】触媒層の剥離強度試験に供されるサンプルの形態例を示す図である。
【図４】触媒層の剥離強度試験の形態例を示す図である。
【図５】触媒層の剥離強度試験結果の例を示す図である。
【図６】氷点下始動サイクル試験の結果の一例を示す図である。
【図７】プロトン伝導体の当量重量ＥＷと、比Ａ／Ｂと、セル電圧との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の燃料電池の製造方法に含まれる工程例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５９】
１…電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４、５…ガス拡散層
６、７…セパレータ
８、９…流路
１０…セル
１１…カーボン担体（導電性担体）
１２…白金触媒（触媒）
１３…触媒担体
１４…プロトン伝導ポリマー（プロトン伝導体）
１００…燃料電池
【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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