JP2002075382A

JP2002075382A - 燃料電池用電極構造体およびその製造方法

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Publication number: JP2002075382A
Application number: JP2000265409A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Fukuda; 薫福田; Yoichi Asano; 洋一浅野; Nobuyuki Kaneoka; 長之金岡; Nobuhiro Saito; 信広齋藤; Masaaki Nanaumi; 昌昭七海
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2002-03-15
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP3604078B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電解膜Ｍと電極触媒層１との界面の剥離を防
止して、かつ氷点下から約８５℃以上の温度サイクルに
おいても耐久性の高い燃料電池用電極構造体を提供す
る。【解決手段】一対の電極触媒層１とそれらの電極触媒
層１に挟まれる電解膜Ｍから構成され、少なくとも一方
の面の前記電極触媒層の触媒が前記電解膜に侵入して前
記電極触媒層と前記電解膜とを一体形成した燃料電池用
電極構造体であって、前記触媒を極性溶媒に溶解した
後、イオン導伝性高分子溶液に分散させたスラリーを前
記燃料電池用の電極構造体の両側に積層される拡散層２
の少なくとも一方の面に直接塗布した後、前記スラリー
の塗布面を前記電解膜Ｍの表面に適用して、前記電極触
媒層２を、加圧下に加熱を行って形成するとともに、前
記触媒のうちの一部を前記加圧下で加熱した際に前記電
解膜に侵入させて前記電極触媒層と前記電解膜とを一体
形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に用いら
れる燃料電池用電極構造体およびその製造方法に関す
る。より詳しく述べると、電解膜と電極触媒層とが一体
成形された燃料電池用電極構造体およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムは、水素を燃料ガスと
して燃料電池の水素極側に供給するとともに、酸素を含
有する酸化ガスを燃料電池の酸素極側に供給して発電を
行う燃料電池を中核としたシステムである。この燃料電
池システムの中核うぃなす燃料電池は、化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換するものであり、高い発電
効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこ
と等から最近注目されている。

【０００３】先ず、燃料電池を構成する燃料電池単セル
について図１を参照して説明を行う。図１に示すよう
に、燃料電池単セルＣＥは、電解膜Ｍの水素極側と酸素
極側の両側に設けられた電極触媒層１（１_H、１_O）から
構成された電極構造体ＭＥＡの両側に各々拡散層２_H、
２_O、セパレータ３_H、３_Oを積層され、構成されてい
る。なお、水素極側の部材には数字の後に添え字Ｈを附
し、酸素極側の部材には数字の後に添え字Ｏを附し、水
素極・酸素極の区別を行わない場合には数字の後に添え
字を附さないものとする。

【０００４】電解膜Ｍとしては固体高分子膜、例えばプ
ロトン（イオン）交換膜であるパーフロロカーボンスル
ホン酸膜が一般に使われている。この電解膜Ｍは、固体
高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水するこ
とにより常温で２０Ω／ｃｍプロトン以下の低い比抵抗
を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。このよ
うに燃料電単セルＣＥに固体高分子膜を用いることか
ら、該単セルＣＥを積層して構成される燃料電池は、固
体高分子型燃料電池と呼ばれている。

【０００５】電極触媒層１としては、各々白金等の酸化
・還元触媒機能を有する触媒金属をカーボン等の担体に
担持させた触媒粒子をイオン（プロトン）導電性樹脂に
分散させて構成されている。

【０００６】また、拡散層２としては、セパレータ３の
表面の流路４と接触して設けられ、電子を電極触媒層１
とセパレータ３との間で伝達させる機能および各々燃料
ガス（水素ガス）および酸化ガス（空気）を拡散して電
極触媒層１に供給する機能を有しており、一般にカーボ
ンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等のカ
ーボン系の材料から形成されている。セパレータ３は、
気密性及び熱伝導率の優れた材料から構成され、燃料ガ
ス、酸化ガスおよび冷媒を分断する機能を有するととも
に、流路４を持ち、そして電子伝達機能を有している。

【０００７】この燃料電池単セルＣＥは、セパレータ３
_Oの酸素極側ガス流路４_Oに供給空気が通流され、セパレ
ータ３_Hの水素極側ガス流路４_Hに供給水素Ｈ₂が供給さ
れると、水素極側で水素が電極触媒層１_Hにおける触媒
の触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成した
プロトンは、電解膜Ｍ中を移動して酸素極側に到達す
る。そして、酸素極側に到達したプロトンは、電極触媒
層１_O中の触媒の存在下、供給空気の酸素から生成した
酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水
及び未使用の酸素を含む供給空気は、排出空気として燃
料電池ＦＣの酸素極側の出口から排出される（排出空気
は多量の水分を含む）。また、水素極側では水素がイオ
ン化する際に電子ｅ^-が生成するが、この生成した電子
ｅ^-は、モータなどの外部負荷を経由して酸素極側に達
する構成となっている（図１の矢印参照）。このような
燃料電池単セルＣＥを、数百枚積層して燃料電池として
例えば車両等に搭載されて使用される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来、このような構成
の燃料電池単セルＣＥにおいて、電極触媒層１は、電解
膜Ｍに電極触媒層１を貼付した後に、ホットプレス等に
より熱圧着して構成していた。しかしながら、このよう
な方法で構成された電極触媒層１は、電極触媒層１と電
解膜Ｍとの界面において電極触媒層Ｃ１の凹凸により食
い込みは有するが、接着界面はほぼ平坦である。従っ
て、例えば車両等に搭載して燃料電池を使用する場合に
は、燃料電池は、外気温（冬季における氷点下の温度）
から車両走行時における約８５℃以上の温度サイクルを
有しているが、高温下で運転する等の高温環境下におい
ては接着強度が十分に得られず、剥離現象を起こす場合
があり、また、このような温度サイクルにおいて電解膜
と電極触媒層の界面が疲労し、耐久性の点で改善する余
地があった。

【０００９】従って、本発明の課題は、電解膜Ｍと電極
触媒層１との界面の剥離を防止して、かつ氷点下から約
８５℃以上の温度サイクルにおいても耐久性の高い燃料
電池用電極構造体を提供することである。本発明の別の
課題は、かかる耐久性の高い燃料電池用電極構造体を効
率よく製造する燃料電池用電極構造体の製造方法を提供
することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記従来
技術の実状に鑑み鋭意検討を重ねた結果、一対の電極触
媒層とそれらの電極触媒層に挟まれる電解膜から構成さ
れ、少なくとも一方の面の前記電極触媒層の触媒が前記
電解膜に侵入して前記電極触媒層と前記電解膜とを一体
形成することによって前記課題を解決できることを見出
して、本発明を完成するに至った。

【００１１】すなわち、本発明は、一対の電極触媒層と
それらの電極触媒層に挟まれる電解膜から構成され、少
なくとも一方の面の前記電極触媒層の触媒が前記電解膜
に侵入して前記電極触媒層と前記電解膜とを一体形成し
た燃料電池用電極構造体であって、前記触媒を極性溶媒
に溶解した後、イオン導伝性高分子溶液に分散させたス
ラリーを前記燃料電池用の電極構造体の両側に積層され
る拡散層の少なくとも一方の面に直接塗布した後、前記
スラリーの塗布面を前記電解膜の表面に適用して、前記
電極触媒層を、加圧下に加熱を行って形成するととも
に、前記触媒のうちの一部を前記加圧下で加熱した際に
前記電解膜に侵入させて前記電極触媒層と前記電解膜と
を一体形成したことを特徴とするものである（請求項
１）。このように構成することにより、電極触媒層が形
成される際に、電極触媒層と電解膜とが両者の境界面で
組成が連続的に変化して一体形成され、電解膜と電極触
媒層との界面における剥離が発生せず、また所定の温度
サイクルにおいても電極構造体の耐久性が増加すること
が可能となる。なお、極性溶媒は、電解膜を溶解する性
質を有するものである。この構成では、電解膜に触媒が
侵入する他、電解膜の上にイオン導伝性高分子及び触媒
が肉盛りされて電極触媒層が形成される。

【００１２】前記燃料電池用電極構造体において、電解
膜のイオン交換容量をＡとし、前記形成した電極触媒層
のイオン交換容量をＢとし、前記加圧下で加熱する前に
おける前記電解膜の厚みをＣ（μｍ）とし、前記加圧下
で加熱した後における前記電解膜の前記触媒が浸入して
いない部分の厚みをＤ（μｍ）として下記式（１）：（Ａ−Ｂ）／（Ｃ−Ｄ）・・・（１）で計算された前記電極触媒層と前記電解膜との界面にお
けるイオン交換密度傾斜係数が３．５×１０³ｍｅｑ／
ｇ／ｃｍ以下であることが好ましい（請求項２）。この
ように電極触媒層と電解膜との一体部分を規定すること
によって、耐久性はより確実なものとなる。

【００１３】前記燃料電池用電極構造体において触媒の
電解膜への侵入深さが５μｍ〜２０μｍの範囲内である
ことが好ましい（請求項３）。同様にして、電極触媒層
と電解膜との一体部分を規定することによって、耐久性
はより確実なものとなる。

【００１４】本発明の別の実施の形態の燃料電池用電極
構造体の製造方法は、一対の電極触媒層とそれらの電極
触媒層に挟まれる電解膜から構成され、少なくとも一方
の面の前記電極触媒層の触媒が前記電解膜に侵入して前
記電極触媒層と前記電解膜とを一体形成した燃料電池用
電極構造体の製造方法であって、前記電極触媒層を構成
する触媒を極性溶媒に溶解した後、イオン導伝性高分子
溶液に分散させて粘度５,０００〜２５,０００ｍＰａ・
秒のスラリーを調製し、このようにして調製したスラリ
ーを前記燃料電池用の電極構造体の両側に積層される拡
散層の少なくとも一方の面に直接塗布した後、前記スラ
リーの塗布面を前記電解膜の表面に適用して、加圧下で
加熱して前記触媒のうちの一部を前記電解膜へ侵入させ
て電極触媒層を前記電解膜と一体形成することを特徴と
する（請求項４）。このように構成することによって、
耐久性の優れた電極構造体を容易・かつ確実に製造する
ことが可能となる。

【００１５】本発明の別の実施の形態の燃料電池用電極
構造体の製造方法において、拡散層に直接塗布した触媒
分散イオン導伝性高分子の有機溶媒を２０ｍｇ/ｃｍ²〜
１００ｍｇ／ｃｍ²の量で残存した状態で加圧下に加熱
して触媒を電解膜へ侵入させることが好ましい（請求項
５）。このように構成することによって、さらに優れた
耐久性を有する電極構造体を容易・かつ確実に製造する
ことが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実
施の形態に限定されるものではない。図１は、本発明が
適用される燃料電池単セルの概略を示す概略図であり、
図２は、本発明の燃料電池用電極構造体（以下「電極構
造体」という）の断面図であり、図３は、触媒粒子の構
成を示す模式図であり、図４は、本発明の電極構造体の
製造の様子を示す模式図である。

【００１７】[電極構造体（燃料電池単セル）の構成]図
１に示す通り、一実施形態の電極構造体ＭＥＡは、電解
膜Ｍと電解膜Ｍの両側に積層された電極触媒層１とから
主として構成され、このようにして構成された電極構造
体ＭＥＡの両側に拡散層２およびセパレータ３が積層さ
れて燃料電池単セルＣＥが構成されている。このような
燃料電池単セルＣＥが多数積層されて燃料電池が形成さ
れる。

【００１８】電極構造体ＭＥＡの電解膜Ｍとして、例え
ばプロトン（イオン）交換膜であるパーフロロカーボン
スルホン酸膜が一般に使われている。この電解膜Ｍは、
前述の通り固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、
飽和含水することにより常温で２０Ω／ｃｍプロトン以
下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機
能するものである。なお、本発明において使用できる電
解膜Ｍは、燃料電池単セルＣＥにおいて使用されている
ものであればこれに限定されるものではない。

【００１９】また、この一実施形態での電極構造体ＭＥ
Ａにおける電極触媒層１は、イオン（プロトン）導電性
樹脂に触媒金属を担持した担体から構成される触媒粒子
（図３参照）を分散させて構成されている。この際に、
図３に示すように通常触媒金属として白金族金属、一般
には白金が担体として、カーボンに担持されて形成され
ている。しかしながら、本発明においては、燃料電池の
触媒として使用可能であればこれらに限定されるもので
はない。また、撥水効果および貯水効果を高めるため、
あるいは電極触媒層２が拡散層３に食い込むのを防止す
る目的で図示しない下地層を拡散層２とセパレータ３と
の間に設けてもよい。下地層は、カーボンブラック粉末
とテフロン（登録商標）粉末からあるいはカーボンブラ
ック粉末と電解質溶液から構成される。

【００２０】電極構造体ＭＥＡでは、図２に示す通り、
電極触媒層１における触媒粒子の一部が所定の距離だけ
電解膜Ｍの両側に侵入した構成を有していることを特徴
とする。すなわち、従来の電極構造体のように電解膜と
電極触媒層１との間に明確な界面を有するのではなく、
電解膜Ｍの一部に所定の度合いで侵入し電解膜Ｍと電極
触媒層１とが一体形成されている。この際の、触媒の電
解膜Ｍへの侵入の度合いは、電解膜Ｍのイオン交換容量
をＡとし、電極触媒層１のイオン交換容量をＢとし（該
イオン交換容量は電解膜Ｍに触媒が浸入していないとし
た場合におけるもの）、加圧下で加熱する前の電解膜の
厚みをＣ（μｍ）とし、両側から浸透した触媒間の距離
をＤｗ（μｍ）として下記式（１）：（Ａ−Ｂ）／（Ｃ−Ｄｗ）／２・・・（１）で計算された電極触媒層１と電解膜Ｍとの界面における
イオン交換密度傾斜係数として表すことができる。な
お、距離Ｄｗは、電解膜Ｍにおける触媒粒子が侵入して
いない部分の厚みである。

【００２１】すなわち、電極触媒層１が電解膜Ｍに長さ
（Ｃ−Ｄｗ）／２だけ侵入した際の、単位長さ当りのイ
オン交換容量の増分として示す。本発明において、この
ようなイオン交換密度傾斜係数が３．５×１０³ｍｅｑ
／ｇ／ｃｍ以下であることが好ましいことが実験的に見
出された。すなわち、イオン交換密度傾斜係数が３．５
×１０³ｍｅｑ／ｇ／ｃｍを超えた場合には、電極触媒
層１と電解膜Ｍの一体形成が不充分であり（つまり両者
１，Ｍが渾然一体となって形成されている部分が少な
く）、電極触媒層１と電解膜Ｍの剥離防止という観点か
ら好ましくない。

【００２２】また、電極触媒層１が電解膜Ｍへの侵入の
度合いを決定する別の尺度として、触媒粒子の電解膜へ
の侵入深さ（すなわち、（Ｃ−Ｄｗ）／２そのもの）が
挙げられる。このような電解膜Ｍへの侵入深さは、５μ
ｍ〜２０μｍの範囲内であることが好ましい。触媒粒子
の電解膜Ｍへの浸入が浅過ぎると、電極触媒層１と電解
膜Ｍの剥離防止という観点から好ましくない。一方、浸
入が深すぎると、電解膜Ｍの性能を低下する。

【００２３】本発明におにて、このような構造を達成す
るために、電極触媒層１を、触媒粒子を極性溶媒に溶解
した後、イオン導伝性高分子溶液に分散させたスラリー
を拡散層３に直接塗布した後、前記スラリーの塗布面を
前記電解膜Ｍの表面に適用して、加圧下に加熱を行って
形成するとともに、前記触媒粒子のうちの一部を前記電
解膜Ｍに侵入させて電解膜Ｍと一体形成を行っている。
すなわち、本発明において、触媒粒子を極性溶媒に溶解
した後、イオン導伝性高分子溶液に分散させたスラリー
を調製し、このようにして調製したスラリーを拡散層２
に所定の厚みで直接塗布する。次いで、このようにして
塗布したスラリーを電解膜Ｍの表面と重ね合わせた後、
加圧下に加熱を行って前記触媒粒子のうちの一部を前記
電解膜Ｍに侵入させて電解膜１と一体形成する。

【００２４】この際に使用する溶媒は、スラリー中の触
媒粒子を電解膜Ｍに侵入するために使用されるものであ
り、電解膜Ｍに可溶な極性溶媒が使用される。本発明に
おいて使用できる溶媒は、電解膜Ｍと電極触媒層１とが
一体成形可能であれば特に制限されないが、例えばジメ
チルアセトアミド（沸点：１６５．５℃）、ジメチルホ
ルムアミド(沸点：１５３℃)、ジメチルスルホキシド
（沸点：１８９℃）、トリエチルホスフェート（沸点：
１１５℃）、Ｎ−メチルピロリドン（沸点：２０２℃）
等が挙げられ、これらを単独であるいは二種類以上の混
合物として使用できる。また、高分子イオン交換成分と
して、従来燃料電池に使用されているものであれば特に
限定されるものではないが、例えばポリエーテルエテー
ルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリ
エーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェ
ニレンオキシド等が挙げられ、これらを単独であるいは
二種類以上の混合物として使用することができる。

【００２５】本発明において、スラリーを塗布する際に
前記スラリーを一方の拡散層３に塗布した後電解膜Ｍと
重ね合わせて、加圧下に加熱して（ホットプレス）して
片面づつ一体的に積層することも可能であるが、電極構
造体ＭＥＡが熱歪等により湾曲する可能性があるので、
両方の拡散層３にスラリーを塗布して電解膜Ｍと電極触
媒層１を一体成形することが好ましい。この際の加圧圧
力、加熱温度、ホットプレス時間は、使用する溶媒、ス
ラリー粘度等により適宜選択されるが、代表的には１．
５〜２．５ＭＰａ（１５〜２５ｋｇｆ／ｃｍ²）の圧
力、及び１２０〜１８０℃の温度で３０〜６０秒間ホッ
トプレスするのが好ましい。この際に、前記溶媒は、２
０ｍｇ／ｃｍ²以上の量で残存させると、前記条件と相
俟ってホットプレス時のスラリー中の残存溶媒による電
解膜Ｍの表面の溶解を可能ならしめ、触媒の電解膜Ｍへ
の侵入を容易にし、該触媒をある程度の深さに押し込む
ことが可能となるので好ましい。

【００２６】なお、この際のスラリーの粘度は、拡散層
３に直接塗布する操作を行うことができ、本発明に規定
する所定の電極触媒層１を形成することができる範囲内
であれば特に制限されないが、好ましくは５,０００〜
２５,０００ｍＰａ・秒の範囲内である。すなわち、スラ
リー粘度が５,０００ｍＰａ・秒未満であるとホットプレ
スした際にスラリー漏れが起こる可能性があり、逆にス
ラリー粘度が２５,０００ｍＰａ・秒を超えるとスラリー
の取扱いが困難になる場合がある。

【００２７】このようにして、本発明において電極構造
体ＭＥＡにおける電解層Ｍと一体成形することによって
電解膜Ｍと電極触媒層１の界面の圧着強度を高め、高温
時の熱応力により発生するこれらの界面の剥離や温度サ
イクルによる冷熱剥離を防止することが可能となる。

【００２８】（電極構造体の製造）以下、図４を参照し
て一実施形態の電解膜Ｍと電極触媒層１が一体成形され
た電極構造体ＭＥＡの製造方法について述べる。電極構
造体ＭＥＡを製造するに当たって、まず触媒粒子を、電
解膜Ｍを可溶な極性溶媒に溶解し、そしてイオン導伝性
高分子溶液に分散させて粘度が５,０００〜２５,０００
ｍＰａ・秒となるようにスラリーを形成する。次いで、
このようにして調製されたスラリーを図４（ａ）に示す
通り、所定の厚みで拡散層３に直接塗布を行う。なお、
所望に応じてカーボンブラック粉末とテフロン粉末から
あるいはカーボンブラック粉末と電解質溶液（イオン導
伝性高分子溶液）から構成される下地層形成用スラリー
を、まず拡散層３の上に所定量塗布し、次いでこのスラ
リーの上に電極触媒層形成用のスラリーを所定量塗布し
て下地層と同時に電極触媒層１を形成することも可能で
ある。また、予めこのような下地層を形成した拡散層３
に電極触媒層形成用のスラリーを塗布してもよい。次い
で、図４（ｂ）に示す通り、このようにしてスラリーが
塗布された拡散層３のスラリー塗布面を電解膜Ｍの上面
に適用する。

【００２９】図４（ｃ）〜図４（ｆ）は、図４（ｂ）の
一部を拡大した断面図であり、本発明により触媒層１が
電解膜Ｍと一体成形される様子を示すものである。図４
（ｃ）に示す通り、まず塗布した電極触媒形成用のスラ
リー中の電解膜Ｍを可溶な極性溶媒が電解膜Ｍを溶かし
はじめる。次いで、図４（ｄ）に示す通り、極性溶媒が
電解膜の一部を溶解する。次いで、図４（ｅ）に示す通
り、電極触媒形成用スラリーの上からホットプレスを行
うと、電解膜を極性溶媒が溶解した部分に触媒粒子Ｃａ
ｔが侵入する。この際に極性溶媒（有機溶媒）を２０ｍ
ｇ／ｃｍ²以上の量で残存させた状態からホットプレス
を行うことが好ましい。このようにしてホットプレスを
行った後、温度・圧力を開放すると、図４（ｆ）に示す
通りに、電解膜Ｍと電極触媒層１とを一体成形した電極
構造体ＭＥＡが形成される。このように、簡単な工程で
所望とする耐久性の高い電極構造体ＭＥＡを製造するこ
とが可能となる。なお、本発明では、電解膜Ｍの上に肉
盛りされた状態で電極触媒層１が形成されるが、両者
（電解膜Ｍ，電極触媒層１）の境界部分は渾然一体にな
っている。

【００３０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
するが本発明は以下の実施例に限定されるものではな
い。 [実施例１]極性溶媒可溶の電解質成分（ＰＥ；イオン導
電性高分子物質）を触媒粒子（Ｃａｔ）に対して質量比
ＰＥ／Ｃａｔ＝０．４となる割合で混合して、溶媒（Ｎ
−メチルピロリドン）を粘度が５，０００ｍＰａ・秒と
なるように添加してスラリーを調製した。このようにし
て調製されたスラリーを予め撥水層を形成してある拡散
層に塗布し、このスラリーの塗布面を電解膜と重ね合わ
せた後、極性溶媒量が１００ｍｇ／ｃｍ²となるまで乾
燥し、次いでホットプレスを行って、電極触媒層１と電
解膜Ｍとを一体成形して本発明の電極構造体ＭＥＡを得
た。得られた電極構造体ＭＥＡの物性を表１、図５およ
び図６に示す。なお、表１において、触媒の侵入深さ
は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により実測して求め、
そして傾斜密度は、同様に両側から侵入した触媒（触媒
粒子）間の平均距離を求め、前記式（１）により算出し
たものである。また、冷熱剥離率は、−４０℃で３０分
間、９０℃で３０分間の冷間環境と熱間環境を１００サ
イクル繰り返し行い、表面の剥離状態を画像処理した。
数値は、単位観察面積中の剥離面積を換算し求め、クロ
スリーク量（ガス透過性ｃｃ／ｃｍ²・分）は燃料電池
単セルに試料を組み付けた後に、これを水没させ、試料
ガスをガス供給口より供給し、膜試料を通して、ガス排
出口から排出してきた試料ガス量を測定し、求めた。

【００３１】[実施例２〜実施例９および比較例１]スラ
リーの粘度および残存溶媒量を表１に示す通りに変更し
た以外は実施例１を繰り返した。結果を表１、図５およ
び図６に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１および図５に示す通り、電極触媒層１
と電解膜Ｍとを一体成形した電極構造体ＭＥＡは、良好
な冷熱剥離率およびクロスリーク量（ガス透過性ｃｃ/
ｃｍ²・分）を示し、特に触媒粒子の侵入深さ５〜２０μ
ｍ（密度傾斜係数８６８．６８〜３５７９．１７）の範
囲のものが特に好ましいことが分かる。一方、電極触媒
層と電解膜が一体成形されていない比較例１では冷熱剥
離率が著しく劣っているのが分かる。ちなみに、侵入深
さが浅いと、密度傾斜係数が大きくなり、冷熱剥離率も
大きくなる傾向にあることが分かる。逆に侵入深さが深
いと、密度傾斜係数が小さくなり冷熱剥離率も小さくな
る傾向にあることが分かる。また、触媒の侵入深さを深
くするには、スラリーの粘度が小さい方がよいことが分
かる。同時に、触媒の侵入深さを深くするには、残存溶
媒が多い方がよいことが分かる。また、図６に示す通
り、本発明の電極構造体ＭＥＡは比較例１の電極構造体
と比較して測定した全ての電流密度範囲で端子電圧が高
いことが分かる。従って、本発明の電極構造体ＭＥＡ
は、従来の電極構造体と比較して耐久性が優れているだ
けでなく、より高い電力を供給することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の電極構造体
は、電極触媒層が形成される際に、電極触媒層と電解膜
とが両者の境界面で組成が連続的に変化して一体形成さ
れる。したがって、電解膜と電極触媒層との界面におけ
る剥離が発生せず、また所定の温度サイクルにおいても
電極構造体の耐久性が増加することが可能となる（請求
項１）。なお、電解膜と電極触媒層を一体成形した電極
構造体を含む燃料電池単セルは、電極構造体において電
解膜と電極触媒層の界面における剥離が発生せず、燃料
電池全体の耐久性を向上させることが可能となる。しか
も、この燃料電池は、従来技術のものと比較して高い出
力を得ることができる。また、電極触媒層と電解膜との
界面におけるイオン交換密度傾斜係数が３．５×１０³
ｍｅｑ／ｇ／ｃｍ以下とすると、より高い耐久性が得ら
れる（請求項２）。さらに、前記電極構造体において触
媒粒子の電解膜への侵入深さが５μｍ〜２０μｍの範囲
内とするとより高い耐久性が得られる（請求項３）。こ
のように優れた電極構造体は、電極触媒層を構成する触
媒を極性溶媒に溶解した後、イオン導伝性高分子溶液に
分散させて粘度５,０００〜２５,０００ｍＰａ・秒のス
ラリーを調製し、このようにして調製したスラリーを前
記拡散層の少なくとも一方の面に直接塗布した後、前記
スラリーの塗布面を前記電解膜の表面に適用して、加圧
下で加熱して前記触媒のうちの一部を前記電解膜へ侵入
させて電極触媒層を前記電解膜と一体形成することによ
り容易に製造することができる（請求項４）。また、拡
散層に直接塗布した触媒粒子分散イオン導伝性高分子の
有機溶媒を２０ｍｇ／ｃｍ²〜１００ｍｇ／ｃｍ²の量で
残存した状態で加圧下に加熱して触媒粒子を電解膜へ侵
入させるとさらに優れた耐久性を有する電極構造体を容
易・かつ確実に製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池本体の概略を示す概略図であ
る。

【図２】本発明の電極構造体（ＭＥＡ）の断面図である

【図３】燃料電池単セルにおける電極触媒層を示す模式
図である。

【図４】本発明の電極構造体の製造の様子を示す模式図
である。

【図５】本発明および比較例における電極触媒層の侵入
深さとガス透過性および冷熱剥離率の関係を示すグラフ
である。

【図６】本発明および比較例における電流密度と端子電
圧の関係を示すグラフである。

【符号の説明】ＣＥ燃料電池単セルＭＥＡ電極構造体（燃料電池用電極構造体）Ｍ電解膜１電極触媒層２拡散層３セパレータ４流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金岡長之埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者齋藤信広埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者七海昌昭埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS01 BB01 BB03 BB05 BB08 BB12 CC06 DD06 EE03 EE05 EE17 HH00 HH03 5H026 AA06 BB01 BB02 BB03 BB04 BB08 CC03 CX04 CX05 EE02 EE18 HH03 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極触媒層とそれらの電極触媒層
に挟まれる電解膜から構成され、少なくとも一方の面の
前記電極触媒層の触媒が前記電解膜に侵入して前記電極
触媒層と前記電解膜とを一体形成した燃料電池用電極構
造体であって、前記触媒を極性溶媒に溶解した後、イオ
ン導伝性高分子溶液に分散させたスラリーを前記燃料電
池用電極構造体の両側に積層される拡散層の少なくとも
一方の面に直接塗布した後、前記スラリーの塗布面を前
記電解膜の表面に適用して、前記電極触媒層を加圧下に
加熱を行って形成するとともに、前記触媒のうちの一部
を前記加圧下で加熱した際に前記電解膜に侵入させて前
記電極触媒層と前記電解膜とを一体形成したことを特徴
とする燃料電池用電極構造体。
【請求項２】前記電解膜のイオン交換容量をＡとし、
前記形成した電極触媒層のイオン交換容量をＢとし、前
記加圧下で加熱する前における前記電解膜の厚みをＣ
（μｍ）とし、前記加圧下で加熱した後における前記電
解膜の前記触媒が浸入していない部分の厚みをＤ（μ
ｍ）として下記式（１）：（Ａ−Ｂ）／（Ｃ−Ｄ）・・・（１）で計算された前記電極触媒層と前記電解膜との界面にお
けるイオン交換密度傾斜係数が３．５×１０³ｍｅｑ／
ｇ／ｃｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載
の燃料電池用電極構造体。
【請求項３】前記触媒の前記電解膜への侵入深さが５
μｍ〜２０μｍの範囲内であることを特徴とする、請求
項１または請求項２に記載の燃料電池用電極構造体。
【請求項４】一対の電極触媒層とそれらの電極触媒層
に挟まれる電解膜から構成され、少なくとも一方の面の
前記電極触媒層の触媒が前記電解膜に侵入して前記電極
触媒層と前記電解膜とを一体形成した燃料電池用電極構
造体の製造方法であって、前記電極触媒層を構成する触
媒を極性溶媒に溶解した後、イオン導伝性高分子溶液に
分散させて粘度５，０００〜２５,０００ｍＰａ・秒の
スラリーを調製し、このようにして調製したスラリーを
前記燃料電池用の電極構造体の両側に積層される拡散層
の少なくとも一方の面に直接塗布した後、前記スラリー
の塗布面を前記電解膜の表面に適用して、加圧下で加熱
して前記触媒のうちの一部を前記電解膜へ侵入させて電
極触媒層を前記電解膜と一体形成することを特徴とする
電極構造体の製造方法。
【請求項５】前記拡散層に直接塗布した前記スラリー
中の有機溶媒を２０ｍｇ／ｃｍ²〜１００ｍｇ／ｃｍ²の
量で残存した状態で加圧下に加熱して触媒を電解膜へ侵
入させることを特徴とする請求項４に記載の電極構造体
の製造方法。