JP2003109609A

JP2003109609A - 燃料電池用電極の製造方法およびその装置

Info

Publication number: JP2003109609A
Application number: JP2001298003A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Iwasaki; 一彦岩崎; Noboru Okada; 昇岡田; Ichiro Tanaka; 一郎田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-11
Also published as: US20040255851A1; EP1298747A3; US20030060356A1; EP1298747A2; US6787183B2; EP1298747B1

Abstract

(57)【要約】【課題】内部抵抗を低減して、高電流密度においても出
力が高い燃料電池を構成する。【解決手段】静電吸着用電極４０に直流電源４４から電
圧を印加することによって、電極基材５ａを静電吸着作
用下に保持する。この状態で、電極基材５ａ上に撥水層
用ペーストＰ１を塗布した後、該撥水層用ペーストＰ１
を乾燥させて撥水層６ａとする。次いで、この撥水層６
ａ上に電極触媒層用ペーストＰ２を塗布した後に乾燥さ
せれば、陥没２１が著しく少ない略平坦な電極触媒層７
ａが形成される。このようにして作製された燃料電池用
電極は、アノード側電極２またはカソード側電極３とし
て使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電流密度が高い場
合においても出力が高い燃料電池を構成することが可能
な燃料電池用電極の製造方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な燃料電池は、単位セルが所定の
数だけ互いに電気的に直列接続されるとともに積層され
てなる積層体を備える。この積層体の両端に位置する単
位セルには、集電用電極がそれぞれ電気的に接続されて
いる。さらに、該集電用電極の外側には、漏電防止用の
絶縁プレートを介してエンドプレートがそれぞれ配置さ
れている。必要に応じて、各エンドプレートの外側にバ
ックアッププレートが配置されることもある。以上の構
成において、積層体、絶縁プレートおよび集電用電極
は、エンドプレート同士またはバックアッププレート同
士がタイロッド等で互いに連結されることに伴ってこれ
らのプレート間に挟持されている。

【０００３】単位セルは、図８に示す電解質・電極接合
体１を有する。この電解質・電極接合体１は、アノード
側電極２とカソード側電極３が電解質層４の各端面にそ
れぞれ接合されてなる。

【０００４】ここで、アノード側電極２は、電極基材５
ａ上に撥水層６ａと電極触媒層７ａがこの順序で積層さ
れることにより構成されている。一般的には、電極基材
５ａはカーボンペーパまたはカーボンクロス等からな
り、撥水層６ａはカーボンブラックとポリテトラフルオ
ロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる。また、電極触媒層７
ａは、Ｐｔが表面に担持されたカーボンブラックからな
る。一方のカソード側電極３はアノード側電極２と同様
に構成されており、したがって、アノード側電極２と同
一の構成要素には同一の参照数字を付した上で添字ａを
ｂに代え、詳細な説明を省略する。

【０００５】なお、電解質層４は、膜体８に液状電解質
が含浸されることにより構成されている。膜体８として
は、多孔質ＳｉＣや、ポリベンゾイミダゾール等の塩基
性高分子からなる高分子膜（米国特許第５５２５４３６
号公報参照）が挙げられる。一方、液状電解質として
は、例えば、リン酸や硫酸、メタンスルホン酸等、水素
イオンを導電することが可能なものが選定される。

【０００６】単位セルは、上記の電解質・電極接合体１
が１組のセパレータ（図示せず）に挟持されることによ
り構成されている。

【０００７】燃料電池を運転するに際しては、前記セパ
レータに設けられたガス流路を介して、アノード側電極
２に水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、
カソード側電極３に空気等の酸素含有ガスが供給され
る。この際、アノード側電極２の電極触媒層７ａにおい
て、燃料ガス中の水素が電離することにより水素イオン
および電子が生成する。

【０００８】生成した水素イオンは、単位セル内を移動
してカソード側電極３の電極触媒層７ｂに到達する。こ
の間、電子は、前記集電用電極に電気的に接続された外
部回路に取り出され、該外部回路を付勢するための直流
の電気エネルギとして利用された後、カソード側電極３
に至る。これらカソード側電極３に移動した水素イオン
と電子は、該カソード側電極３に供給された酸素含有ガ
ス中の酸素と電極触媒層７ｂにて反応してＨ₂Ｏとな
る。このＨ₂Ｏが両電極２、３における撥水層６ａ、６
ｂの撥水作用によってはじかれた後に速やかに排出され
ることにより、電解質層４中の液状電解質がＨ₂Ｏに同
伴して消失することを抑制することができる。

【０００９】上記のアノード側電極２は、例えば、図９
に示すスクリーン印刷装置１０を使用して以下のように
して製造されている。すなわち、まず、直径が１〜２ｍ
ｍ程度の吸気孔１１が約１０ｍｍ間隔で複数個設けられ
た真空吸着板１２上に電極基材５ａ（カーボンペーパま
たはカーボンクロス）を載置する。

【００１０】ここで、真空吸着板１２の下方には、凹部
１３が設けられた吸気用治具１４が配置されている。こ
の吸気用治具１４の一側部には管部１５が突出形成され
ており、該管部１５には図示しない吸気機構が連結され
ている。この吸気機構によって真空吸着板１２の周囲の
大気が凹部１３を介して吸引されることに伴い、真空吸
着板１２が吸気用治具１４に位置決め固定される。同様
に、電極基材５ａの周囲の大気が吸気孔１１を介して吸
引されることに伴い、電極基材５ａが真空吸着板１２上
で位置決め固定される。

【００１１】この状態で、カーボンブラック粒子とＰＴ
ＦＥ粒子が界面活性剤とともにエチレングリコール等の
溶媒に分散されることにより調製された撥水層用ペース
トＰ１（図１０参照）を電極基材５ａ上に塗布する。

【００１２】具体的には、スクリーン印刷装置１０を構
成するスクリーン部１６のスクリーン１７上に撥水層用
ペーストＰ１を供給する。次に、図１０に示すように、
スキージ１８を右端から左端に指向して変位させる。こ
れに伴い、スクリーン１７が電極基材５ａに指向して枠
部材１９から伸張し、かつ撥水層用ペーストＰ１がスク
リーン１７を通過して電極基材５ａ上に塗布される。

【００１３】このようにして電極基材５ａ上に所定の厚
みで塗布された撥水層用ペーストＰ１を加圧しながら加
熱処理して溶媒を揮発除去することにより、撥水層６ａ
（図８参照）が形成される。

【００１４】次に、撥水層６ａが形成された電極基材５
ａを上記と同様にして再び真空吸着板１２（図９参照）
上に位置決め固定するとともに、スクリーン１７上に電
極触媒層用ペーストＰ２を供給する。なお、電極触媒層
用ペーストＰ２は、Ｐｔを担持したカーボンブラックの
粒子をエチレングリコール等の溶媒に分散することによ
り調製される。そして、上記と同様に、スクリーン印刷
装置１０のスキージ１８を右端から左端に指向して変位
させることにより、電極触媒層用ペーストＰ２がスクリ
ーン１７を通過して撥水層６ａ上に塗布される。

【００１５】最後に、電極基材５ａ、撥水層６ａおよび
電極触媒層用ペーストＰ２を加圧しながら加熱処理す
る。この際に該電極触媒層用ペーストＰ２中の溶媒が揮
発除去されることにより電極触媒層７ａ（図８参照）が
形成され、その結果、アノード側電極２が完成するに至
る。カソード側電極３も、アノード側電極２と同様にし
て作製することができる。

【００１６】なお、撥水層６ａ、６ｂが特に必要でない
場合には、撥水層用ペーストＰ１を塗布・乾燥する工程
が割愛される。すなわち、電極基材５ａ、５ｂ上に電極
触媒層用ペーストＰ２が塗布された後、該電極触媒層用
ペーストＰ２が乾燥されることによって電極基材５ａ、
５ｂ上に電極触媒層７ａ、７ｂが直接形成される。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電極基材５
ａ、５ｂとして用いられるカーボンペーパやカーボンク
ロスは、空孔率が７０〜９０％の多孔質体である。この
ため、電極基材５ａ、５ｂを上記のように吸気作用下に
位置決め固定した上で撥水層用ペーストＰ１を塗布した
場合、図１１に示すように、電極基材５ａ、５ｂの空孔
２０に撥水層用ペーストＰ１が入り込むので、撥水層６
ａ、６ｂに多数の陥没２１が生じる。この状態で電極触
媒層用ペーストＰ２を塗布して乾燥すると、電極触媒層
７ａ、７ｂにも多数の陥没２１が形成されてしまう。

【００１８】多数の陥没２１を有する電極触媒層７ａ、
７ｂにおいては、電荷の分布が不均一となる。この場
合、燃料電池用電極２、３の導電度が低下して燃料電池
の内部抵抗が上昇してしまうので、特に電流密度が高い
場合に、燃料電池の出力が低下してしまうという不都合
を招く。

【００１９】このような不具合を回避するには、電極基
材５ａ、５ｂをクランプ等の固定治具により機械的に位
置決め固定することが有効であると考えられる。しかし
ながら、この場合、該固定治具が電極基材５ａ、５ｂの
一部を覆うので、その部位にペーストＰ１、Ｐ２が塗布
されなくなる。このため、電気化学的な酸化・還元反応
が起こる電極触媒層７ａ、７ｂの表面積、換言すれば、
電極面積が小さくなるので、燃料電池の体積基準の出力
密度が低下してしまう。

【００２０】燃料電池の出力密度が低下することを回避
するには、ペーストＰ１、Ｐ２が塗布されなかった部位
に対してトリミングを施せばよい。しかしながら、これ
により工程数が増加するので、燃料電池用電極を効率よ
く作製することができなくなるという不都合が惹起され
る。

【００２１】また、いずれの場合においても、電極基材
５ａ、５ｂを固定治具で位置決め固定したり固定治具か
ら取り外すという煩雑な作業が必要であり、しかも、こ
の際に長時間を要するという不具合が顕在化している。

【００２２】本発明は上記した問題を解決するためにな
されたもので、略平坦な電極触媒層を形成することが可
能であり、このために高電流密度時においても出力が高
い燃料電池を構成することが可能な燃料電池用電極の製
造方法およびその装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明に係る第１の燃料電池用電極の製造方法
は、電極基材を静電吸着によって保持する工程と、前記
電極基材に撥水層用ペーストを塗布する工程と、前記撥
水層用ペーストを乾燥させて撥水層とする工程と、を有
することを特徴とする。

【００２４】すなわち、この製造方法においては、静電
吸着作用下に電極基材を保持した上で撥水層用ペースト
を塗布するようにしている。したがって、この際に撥水
層用ペーストが吸引されて電極基材の空孔に入り込むこ
とはない。このため、陥没が著しく少ない撥水層を形成
することができる。

【００２５】そして、このように略平坦な撥水層上に
は、電極触媒層を略平坦に形成することができる。この
ために該電極触媒層における電荷の分布が略均一となる
ので、導電度が高い燃料電池用電極が得られる。

【００２６】このようにして作製された電極が組み込ま
れた燃料電池は、内部抵抗が低い。したがって、電流密
度が高い場合においても出力が高い燃料電池を構成する
ことができる。

【００２７】電極触媒層は、撥水層と同様に形成するこ
とが好ましい。換言すれば、上記の工程に加えて、撥水
層が形成された前記電極基材を静電吸着によって保持す
る工程と、前記撥水層上に電極触媒層用ペーストを塗布
する工程と、前記電極触媒層用ペーストを乾燥させて電
極触媒層とする工程と、をさらに有することが好まし
い。

【００２８】電極基材を静電吸着によって保持すること
により、陥没が一層少ない電極触媒層を形成することが
できる。このため、導電度が一層良好な燃料電池用電極
を得ることができ、結局、出力が一層高い燃料電池を構
成することができる。

【００２９】なお、撥水層を設けない場合には、電極基
材上に電極触媒層を直接形成するようにすればよい。す
なわち、本発明に係る第２の燃料電池用電極の製造方法
は、電極基材を静電吸着によって保持する工程と、前記
電極基材に対して電極触媒層用ペーストを塗布する工程
と、前記電極触媒層用ペーストを乾燥させて電極触媒層
とする工程と、を有することを特徴とする。

【００３０】この場合においても、陥没が少なく略平坦
な電極触媒層を得ることができ、結局、出力が一層高い
燃料電池を構成することができる。

【００３１】ここで、電極基材は、通常、空孔率が７０
〜９０％の多孔質体である。このため、静電吸着作用を
営む静電吸着用電極への印加電圧が低い場合、電極基材
が充分に保持されないことがある。また、著しく高い電
圧を印加すると、電源を切断した後も静電吸着力が残留
するので、電極基材を取り出すことが困難となることが
ある。このような不具合を確実に回避するためには、電
極基材として空孔率が７０〜９０％のものを使用し、静
電吸着作用を営む静電吸着用電極に１０００〜６５００
Ｖの電圧を印加することが好ましい。

【００３２】また、本発明に係る燃料電池用電極製造装
置は、静電吸着作用を営む静電吸着機構と、前記電極基
材に対し、燃料電池用電極を構成する撥水層となる撥水
層用ペーストまたは電極触媒層となる電極触媒層用ペー
ストの少なくともいずれか一方を塗布するペースト塗布
機構と、を備え、前記静電吸着機構の静電吸着作用下に
電極基材を保持した状態で、前記ペースト塗布機構によ
って前記電極基材に撥水層用ペーストまたは電極触媒層
用ペーストを塗布することを特徴とする。

【００３３】このように構成することにより、静電吸着
作用下に電極基材を保持した上で撥水層用ペーストを塗
布することができる。したがって、この際に撥水層用ペ
ーストが吸引されて電極基材の空孔に入り込むことが回
避されるので、陥没が著しく少ない撥水層が形成され
る。必然的に、この撥水層上に形成される電極触媒層も
略平坦なものとなる。このような平坦な電極触媒層では
電荷の分布が略均一となるので、内部抵抗が低い燃料電
池が得られ、結局、電流密度が高い場合においても出力
が高い燃料電池を構成することができる。

【００３４】なお、上記の装置は、前記静電吸着機構を
構成して前記電極基材を保持するための静電吸着板を吸
気作用下に保持する吸気機構をさらに有するものである
ことが好ましい。これにより、静電吸着板を容易かつ確
実に位置決め固定（保持）することができる。

【００３５】このような燃料電池用電極製造装置の好適
な例としては、スクリーン印刷装置を挙げることができ
る。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池用電
極の製造方法につきそれを実施する装置との関係で好適
な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明
する。なお、図８〜図１１に示される構成要素と同一の
構成要素については同一の参照符号を付し、その詳細な
説明を省略する。

【００３７】本実施の形態に係る燃料電池用電極製造装
置の要部概略斜視図を図１に示す。この燃料電池用電極
製造装置３０は、凹部１３が設けられるとともに一側部
から突出した管部１５を有する吸気用治具１４と、吸気
孔１１が複数個設けられた真空吸着板１２と、静電吸着
機構３２と、スクリーン部１６と、図１における左右方
向に変位可能なスキージ１８とを備えるスクリーン印刷
装置である。

【００３８】このうち、静電吸着機構３２は、図２およ
び図３に示すように、基板３４と保持板３６とが接合さ
れることにより構成された静電吸着板３８と、基板３４
と保持板３６との間に介装された静電吸着用電極４０と
を有し、該静電吸着用電極４０には、リード線４２ａ、
４２ｂを介して直流電源４４が電気的に接続されてい
る。

【００３９】基板３４としては、電気抵抗率が１０¹⁵Ω
・ｃｍ以上、誘電率が４以下のものが好適である。電気
抵抗率が１０¹⁶〜１０¹⁷Ω・ｃｍであるものがより好ま
しい。このようなものとしては、硬質塩化ビニルシート
等の硬質プラスチックが例示される。

【００４０】静電吸着用電極４０はくし歯形状の正電極
４６および負電極４８（図３参照）からなり、正電極４
６のくし歯部４６ａは、負電極４８のくし歯部４８ｂ、
４８ｂ同士の間に間隔Ｌｒだけ離間して配置されてい
る。Ｌｒが小さいほど大きな静電吸着力が発生するが、
電極４６、４８同士が短絡することを回避するために、
Ｌｒは少なくとも５ｍｍとすることが好ましい。なお、
両電極４６、４８は、基板３４上に銀ペーストやカーボ
ンペースト等の導電性インクをパターン印刷して乾燥さ
せることにより形成される。

【００４１】両電極４６、４８には、上記したように、
リード線４２ａ、４２ｂを介して直流電源４４が電気的
に接続されている。より具体的には、正電極４６にはリ
ード線４２ａを介して直流電源４４の正極が接続されて
おり、一方、負電極４８にはリード線４２ｂを介して直
流電源４４の負極が接続されている。

【００４２】保持板３６は、電気抵抗率が１０⁸〜１０
¹²Ω・ｃｍ、誘電率が４〜１２のものであることが好ま
しい。このようなものとしては、ニトリルブタジエンラ
バー、ポリ塩化ビニル、アクリル系グラフトポリマー、
アクリルニトリル、スチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、メチル
メタアクリレートおよびこれらの中から選択された２種
以上の混合物に対し、カーボンブラック等の導電性粉末
が配合されてなるプラスチック材料が例示される。

【００４３】基板３４と保持板３６とは、基板３４にお
ける静電吸着用電極４０が形成された面上に保持板３６
を載置した後、例えば、両板３４、３６を加熱しながら
加圧することにより互いに接合されている。

【００４４】このように構成された静電吸着機構３２に
より、後述するように、電極基材５ａが位置決め固定
（保持）される。

【００４５】スクリーン部１６（図１参照）は、メッシ
ュ部４９と該メッシュ部４９を囲繞するマスキング部５
０とからなる略正方形のスクリーン１７を有し、このう
ちのマスキング部５０が枠部材１９に保持されている。
この枠部材１９は、燃料電池用電極製造装置３０を構成
する図示しない支持部に支持されている。なお、スクリ
ーン１７のメッシュ部４９は、直径が５０〜７０μｍ程
度のステンレス製糸あるいはポリエチレン製糸が格子状
に編み込まれることにより構成されており、マスキング
部５０は、メッシュ部４９の外周部の目を閉塞すること
により形成されている。この場合、メッシュ部４９の目
は、８０〜２５０メッシュである。

【００４６】このように構成されたスクリーン１７は、
弾性に富む。したがって、該スクリーン１７は、スキー
ジ１８から押圧された際、前記保持板３６に指向して容
易に伸張する。

【００４７】なお、スキージ１８の構成材料としては、
ポリウレタン等の樹脂材料が例示される。そして、スキ
ージ１８の進行方向側（図１における左方）端面とスク
リーン１７とのなす角度は、通常、６０°〜９０°に設
定される。

【００４８】スキージ１８は、スキージ保持盤５２を介
して棚台５４に保持されている。すなわち、スキージ保
持盤５２の背面には、２個の係合用取手５６、５６が突
出形成されている。一方、棚台５４には２枚の棚部材５
８、５８が組み込まれており、前記係合用取手５６、５
６の各凹部は、これら棚部材５８、５８の端部に係合さ
れている。なお、図１中、参照符号６０は、棚部材５８
の各端部を保護するとともにスキージ１８の移動を円滑
にする補強用金属板を示す。

【００４９】スキージ保持盤５２は、図示しない移動機
構の作用下に図１における左右方向に変位自在である。
これに伴い、スキージ１８がスクリーン１７を押圧しな
がらスキージ保持盤５２とともに変位する。

【００５０】次に、上記のように構成された燃料電池用
電極製造装置３０を使用しての燃料電池用電極の製造方
法を、電極基材５ａ上に撥水層６ａと電極触媒層７ａが
この順序で積層されたアノード側電極２を製造する場合
を例として説明する。

【００５１】本実施の形態に係る燃料電池用電極の製造
方法のフローチャートを図４に示す。この製造方法は、
電極基材５ａを静電吸着によって保持する第１工程Ｓ１
と、電極基材５ａ上に撥水層用ペーストＰ１を塗布する
第２工程Ｓ２と、撥水層用ペーストＰ１を乾燥させて撥
水層６ａとする第３工程Ｓ３と、撥水層６ａが形成され
た電極基材５ａを静電吸着によって再度保持する第４工
程Ｓ４と、撥水層６ａ上に電極触媒層用ペーストＰ２を
塗布する第５工程Ｓ５と、電極触媒層用ペーストＰ２を
乾燥させて電極触媒層７ａとする第６工程Ｓ６とを有す
る。

【００５２】第１工程Ｓ１を行う前に、まず、図示しな
い吸気機構を付勢する。これに伴い真空吸着板１２（図
１参照）の周囲の大気が吸気用治具１４の凹部１３およ
び管部１５を介して吸引されることにより、真空吸着板
１２が吸気用治具１４に位置決め固定される。さらに、
静電吸着板３８の周囲の大気が真空吸着板１２の吸気孔
１１を介して吸引されることにより、該静電吸着板３８
が真空吸着板１２上に位置決め固定される。

【００５３】そして、位置決め固定された静電吸着板３
８の保持板３６上に電極基材５ａを載置する。この状態
で、第１工程Ｓ１において、基板３４と保持板３６との
間に介装された静電吸着用電極４０に直流電圧を印加す
ることにより１対の電極間に静電吸着力が生じ、その結
果、導体である電極基材５ａ（カーボンペーパまたはカ
ーボンクロス）が保持板３６上に静電吸着される。

【００５４】ここで、静電吸着用電極４０への印加電圧
は、電極基材５ａの空孔率に応じて選定される。すなわ
ち、電極基材５ａの構成材料であるカーボン自体は導体
であるが、電極基材５ａは、空孔率が７０〜９０％と大
きいため電気抵抗が高い。したがって、印加電圧が低い
場合は電極基材５ａに対する静電吸着力が小さくなるの
で、電極基材５ａを保持することが容易ではなくなる。
一方、著しい高電圧を印加すると、直流電源４４を切断
しても静電吸着力が残留するので、撥水層用ペーストＰ
１が塗布された電極基材５ａを保持板３６から離脱させ
ることが容易ではなくなる。電極基材５ａを確実に保持
し、かつ直流電源４４を切断後に保持板３６から容易に
離脱させるためには、印加電圧を１０００〜６５００Ｖ
とすることが好ましく、４０００〜６２００Ｖとするこ
とがより好ましい。例えば、空孔率が約８０％のカーボ
ンペーパからなる電極基材５ａであれば、印加電圧を６
０００Ｖとすればよい。

【００５５】そして、電極基材５ａから１〜６ｍｍの範
囲内、例えば、２ｍｍ程度離間して上方に配置されたス
クリーン１７のメッシュ部４９に撥水層用ペーストＰ１
を供給する。

【００５６】なお、撥水層用ペーストＰ１は、例えば、
ＰＴＦＥ等の撥水性を有する物質の粒子と、カーボンブ
ラック等の導電性を有する物質の粒子と、界面活性剤と
がイソプロパノールやノルマルプロパノール、エチレン
グリコール等の有機溶媒に分散させることにより調製す
ることができる。

【００５７】また、撥水層用ペーストＰ１における有機
溶媒と各粒子との割合は、該撥水層用ペーストＰ１の粘
度が１００〜３００００ｃｐｓとなるように選定するこ
とが好ましい。１００ｃｐｓ未満であると、流動性に富
むので電極基材５ａから流出し易くなる。一方、３００
００ｃｐｓを超えると、流動性が不足するので塗布する
ことが困難となる。撥水層用ペーストＰ１の粘度を１０
０〜３００００ｃｐｓとするために、有機溶媒の割合
は、４０〜９０重量％が好適である。

【００５８】撥水層用ペーストＰ１の具体的な例として
は、６０．６重量％のＰＴＦＥ粒子（粒径２００〜３０
０ｎｍ）、５重量％の界面活性剤および３４．４重量％
の純水を含有するＰＴＦＥディパージョンが４９．５重
量部、粒径１０〜３０ｎｍのブラックカーボン粒子が７
０重量部、エチレングリコールが８４０重量部の割合で
混合され、粘度が２００００ｃｐｓを示すものが挙げら
れる。

【００５９】次いで、第２工程Ｓ２において、この撥水
層用ペーストＰ１を電極基材５ａに塗布する。すなわ
ち、図示しない移動機構の作用下に、スキージ保持盤５
２とスキージ１８とを一体的に変位させる。この変位に
応じて、図５に拡大して示すように、スキージ１８の先
端部によって押圧されることによってスクリーン１７の
メッシュ部４９が電極基材５ａの表面近傍まで伸張する
とともに、撥水層用ペーストＰ１がメッシュ部４９を通
過して電極基材５ａに塗布される。撥水層用ペーストＰ
１の粘度が上記した範囲内である場合には、スキージ１
８の移動速度を２５０〜３５０ｍｍ／秒とすることが好
ましい。移動速度をこのような範囲とすることにより、
撥水層用ペーストＰ１を電極基材５ａ上に略均一な厚み
で塗布することができるからである。

【００６０】なお、撥水層用ペーストＰ１の塗布は、２
回以上行うようにしてもよい。例えば、縦１６０ｍｍ、
横２３０ｍｍの電極基材５ａの中央部１５５ｍｍ×２２
５ｍｍの範囲に、該電極基材５ａの単位面積１ｃｍ²に
対してブラックカーボン粒子が２．５ｍｇ、ＰＴＦＥ粒
子が１．１ｍｇとなるように撥水層６ａを形成する場合
には、例示した前記撥水層用ペーストＰ１をスキージ１
８の移動速度が３００ｍｍ／秒の条件下で４回に分けて
塗布し、各回での塗布量を４．３ｇ、２．９ｇ、２．４
ｇ、２．４ｇとすればよい。

【００６１】このようにして撥水層用ペーストＰ１を電
極基材５ａに塗布する間、電極基材５ａが前記吸気機構
によって直接吸引されることはない。真空吸着板１２と
電極基材５ａとの間に基板３４および保持板３６が介装
されているからである。このため、撥水層用ペーストＰ
１が電極基材５ａの空孔２０（図１１参照）に入り込む
ことがないので、結局、陥没２１が著しく少ない撥水層
６ａを得ることができる。

【００６２】撥水層用ペーストＰ１を電極基材５ａに塗
布した後は、直流電源４４（図１および図３参照）を切
断して静電吸着を停止する。印加電圧が上記した範囲内
であれば、電極基材５ａを容易に保持板３６から離脱さ
せることができる。

【００６３】次いで、第３工程Ｓ３において、撥水層用
ペーストＰ１を乾燥させることによって撥水層６ａを形
成する。この乾燥は、自然乾燥や風乾によって行っても
よいが、加熱処理することが好ましい。この場合、撥水
層用ペーストＰ１が短時間に乾燥するので、燃料電池用
電極を効率よく得ることができるからである。加熱処理
は、例えば、温度を約３８０℃として３０分程度保持す
るようにすればよい。なお、加熱と同時に加圧するよう
にしてもよい。

【００６４】撥水層６ａ上に積層される電極触媒層７ａ
は、第１工程Ｓ１〜第３工程Ｓ３に準じて第４工程Ｓ４
〜第６工程Ｓ６を行うことにより形成することができ
る。すなわち、前記吸気機構の吸気作用下に真空吸着板
１２上に静電吸着板３８を保持した後、静電保持用電極
に、好ましくは１０００〜６５００Ｖ、より好ましくは
４０００〜６２００Ｖの電圧を印加する。そして、電極
基材５ａから１〜６ｍｍ程度離間して上方に配置された
スクリーン１７のメッシュ部４９に電極触媒層用ペース
トＰ２を供給する。

【００６５】電極触媒層用ペーストＰ２は、例えば、Ｐ
ｔを担持したカーボンブラックの粒子をエチレングリコ
ール等の溶媒に分散することにより調製される。なお、
撥水性を付与するため、ＰＴＦＥ等の粒子をともに分散
するようにしてもよい。さらに、アノード側電極２とカ
ソード側電極３の間に介装される電解質層４をパーフル
オロカーボンスルホン酸樹脂のような固体高分子とする
場合には、電極触媒層用ペーストＰ２にパーフルオロカ
ーボンスルホン酸樹脂の粉末を添加することが好まし
い。また、電極触媒層用ペーストＰ２の好適な粘度や有
機溶媒の割合は、撥水層用ペーストＰ１と同様である。

【００６６】なお、電極触媒層用ペーストＰ２の具体的
な例としては、１０重量部のＰｔ粒子が１５重量部のカ
ーボンブラック（粒径２５〜３５ｎｍ）に担持されてな
る触媒担持粒子が２５重量部、粒径０．２５〜０．３μ
ｍのＰＴＦＥ粒子が１．５重量部、エチレングリコール
が１２０重量部の割合で混合され、粘度が３００ｃｐｓ
を示すものが挙げられる。

【００６７】次いで、第４工程Ｓ４において、上記第２
工程に準拠し、図６に拡大して示すように、電極触媒層
用ペーストＰ２を撥水層６ａ上に塗布する。スキージ１
８の好適な移動速度は、上記と同様に２５０〜３５０ｍ
ｍ／秒である。

【００６８】この場合も、電極触媒層用ペーストＰ２の
塗布を２回以上行うようにしてもよい。例えば、縦１６
０ｍｍ、横２３０ｍｍの電極基材５ａの中央部１５５ｍ
ｍ×２２５ｍｍの範囲に、該電極基材５ａの単位面積１
ｃｍ²に対して触媒担持粒子が１．５ｍｇとなるように
電極触媒層７ａを形成する場合、スキージ１８の移動速
度が３００ｍｍ／秒の条件下で例示した前記電極触媒層
用ペーストＰ２を４回に分けて塗布し、１〜３回目の塗
布量を０．７８ｇ、４回目の塗布量を０．７２ｇとすれ
ばよい。

【００６９】この塗布の間、電極触媒層用ペーストＰ２
が電極基材５ａの空孔２０（図１１参照）に入り込むこ
とはない。上記したように、電極基材５ａが前記吸気機
構によって直接吸引されることがないからである。ま
た、電極触媒層７ａの下地である撥水層６ａには、陥没
２１が著しく少ない。このため、陥没２１が著しく少な
い略平坦な電極触媒層７ａを得ることができる。

【００７０】電極触媒層用ペーストＰ２を電極基材５ａ
に塗布した後、直流電源４４（図１参照）を切断して静
電吸着を停止する。印加電圧が上記した範囲内であれ
ば、電極基材５ａを容易に保持板３６から離脱させるこ
とができる。

【００７１】次いで、第６工程Ｓ６において、自然乾燥
や風乾、好ましくは加熱処理により電極触媒層用ペース
トＰ２を乾燥させて電極触媒層７ａとする。加熱処理
は、例えば、温度を約１２０℃、保持時間を約３０分の
条件下で行うことができる。また、加熱に加えて加圧を
行うようにしてもよい。

【００７２】このようにして電極触媒層７ａが設けられ
ることにより、電極基材５ａ上に撥水層６ａと電極触媒
層７ａがこの順序で積層されてなるアノード側電極２
（図８参照）が得られるに至る。

【００７３】このように、本実施の形態においては、電
極基材５ａを静電吸着により保持するようにしているの
で、撥水層用ペーストＰ１や電極触媒層用ペーストＰ２
が電極基材５ａの空孔２０（図１１参照）に入り込むこ
とがない。したがって、陥没２１が著しく少ない撥水層
６ａや電極触媒層７ａが形成された燃料電池用電極を得
ることができる。

【００７４】しかも、この場合、電極基材５ａをクラン
プ等の固定治具により機械的に保持する必要がないの
で、電極基材５ａの全面に亘って撥水層用ペーストＰ１
ないし電極触媒層用ペーストＰ２を所望の面積で塗布す
ることができる。したがって、電極面積が小さくなるこ
とがないので、燃料電池の体積基準の出力密度が低下す
ることもない。

【００７５】このようにして作製された燃料電池用電極
を用いて燃料電池を構成した場合、該燃料電池用電極に
おける電荷の分布が略均一となる。しかも、この場合、
電極基材５ａを固定治具で機械的に保持する必要がない
ので、ペーストが塗布されない部分がない。換言すれ
ば、電極面積を大きくすることができる。以上のような
理由から、該燃料電池用電極における導電度が高くな
る。このため、燃料電池の内部抵抗が小さくなるので、
高電流密度時においても出力が高い燃料電池を構成する
ことができる。

【００７６】なお、上記した実施の形態では、アノード
側電極２を製造する場合を例示して説明したが、これに
準拠して撥水層６ｂと電極触媒層７ｂを電極基材５ｂ上
にこの順序で形成することにより、カソード側電極３
（図８参照）を製造することもできる。

【００７７】また、この実施の形態においては、撥水層
６ａおよび電極触媒層７ａの双方を形成する場合を例示
して説明したが、図７にフローチャートが示される製造
方法に従って電極基材５ａ、５ｂに電極触媒層７ａ、７
ｂを直接設けることにより、撥水層６ａ、６ｂを備えな
い燃料電池用電極を製造するようにしてもよい。この場
合においても、電極触媒層７ａ、７ｂにおける陥没２１
を著しく少なくすることができる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
静電吸着作用下に電極基材を保持した上で撥水層用ペー
ストや電極触媒層用ペーストを塗布するようにしてい
る。したがって、この塗布の際にペーストが吸引されて
電極基材の空孔に入り込むことはない。このため、陥没
が著しく少ない撥水層を形成することができる。

【００７９】このように略平坦な撥水層上には、電極触
媒層を略平坦に形成することができる。このために該電
極触媒層における電荷の分布が略均一となるので、導電
度が高い燃料電池用電極が得られ、結局、内部抵抗が低
く、電流密度が高い場合においても出力が高い燃料電池
を構成することができるという効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る燃料電池用電極製造装置
（スクリーン印刷装置）の要部概略斜視図である。

【図２】静電吸着機構を構成する静電吸着板の概略縦断
面図である。

【図３】図２の静電吸着板の一部切欠平面図である。

【図４】本実施の形態に係る燃料電池用電極の製造方法
のフローチャートである。

【図５】図１の装置にて撥水層用ペーストが塗布されて
いる状態を示す要部拡大断面図である。

【図６】電極触媒層用ペーストが塗布されている状態を
示す要部拡大断面図である。

【図７】別の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法
のフローチャートである。

【図８】燃料電池の単位セルを構成する電解質・電極接
合体の概略全体斜視図である。

【図９】従来技術に係る燃料電池用電極製造装置（スク
リーン印刷装置）の要部概略斜視図である。

【図１０】図９の装置にて撥水層用ペーストが塗布され
ている状態を示す要部拡大断面図である。

【図１１】電極基材の空孔に撥水層用ペーストが入り込
んだ状態を示す要部拡大断面図である。

【符号の説明】

２…アノード側電極（燃料電池用電極）３…カソード側電極（燃料電池用電極）５ａ、５ｂ…電極基材６ａ、６ｂ…撥水
層７ａ、７ｂ…電極触媒層１１…吸気孔１２…真空吸着板１４…吸気用治具１７…スクリーン１８…スキージ２０…空孔２１…陥没３０…燃料電池用電極製造装置（スクリーン印刷装置）３２…静電吸着機構３８…静電吸着板４０…静電吸着用電極４４…直流電源Ｐ１…撥水層用ペーストＰ２…電極触媒層
用ペースト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中一郎埼玉県和光市中央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 AA04 AA06 AS02 AS03 BB00 BB06 BB08 HH04 HH06 5H026 AA04 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極基材を静電吸着によって保持する工程
と、前記電極基材に撥水層用ペーストを塗布する工程と、前記撥水層用ペーストを乾燥させて撥水層とする工程
と、を有することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の製造方法において、撥水層が形成された前記電極基材を静電吸着によって保
持する工程と、前記撥水層上に電極触媒層用ペーストを塗布する工程
と、前記電極触媒層用ペーストを乾燥させて電極触媒層とす
る工程と、をさらに有することを特徴とする燃料電池用電極の製造
方法。
【請求項３】電極基材を静電吸着によって保持する工程
と、前記電極基材に対して電極触媒層用ペーストを塗布する
工程と、前記電極触媒層用ペーストを乾燥させて電極触媒層とす
る工程と、を有することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造
方法において、前記電極基材として空孔率が７０〜９０％のものを使用
し、静電吸着作用を営む静電吸着用電極に１０００〜６
５００Ｖの電圧を印加することを特徴とする燃料電池用
電極の製造方法。
【請求項５】静電吸着作用を営む静電吸着機構と、前記電極基材に対し、燃料電池用電極を構成する撥水層
となる撥水層用ペーストまたは電極触媒層となる電極触
媒層用ペーストの少なくともいずれか一方を塗布するペ
ースト塗布機構と、を備え、前記静電吸着機構の静電吸着作用下に電極基材を保持し
た状態で、前記ペースト塗布機構によって前記電極基材
に撥水層用ペーストまたは電極触媒層用ペーストを塗布
することを特徴とする燃料電池用電極製造装置。
【請求項６】請求項５記載の装置において、前記静電吸着機構を構成して前記電極基材を保持するた
めの静電吸着板を吸気作用下に保持する吸気機構をさら
に有することを特徴とする燃料電池用電極製造装置。
【請求項７】請求項５または６記載の装置において、当該装置がスクリーン印刷装置であることを特徴とする
燃料電池用電極製造装置。