JP2003242988A - 燃料電池電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基材に形成される基材に形成される燃料電池電
極の製造工程において、燃料電池電極の各層を、表面の
凹凸が少なく、平坦に製造する。 【解決手段】燃料電池セルの電極用の集電材の一方の面
に導電性撥水層を形成するステップＳ０１＋Ｓ０２＋Ｓ
０３と、導電性撥水層の表面に、電極粒子とイオン交換
樹脂粒子とを含むスラリーを、反応層として塗付するス
テップＳ０４と、予め設定された温度としての第１温度
で、予め設定された時間、反応層４’を水平に保持する
ステップＳ０５と、反応層４’を予め設定された温度と
しての第２温度において乾燥するステップＳ０６とを具
備する燃料電池電極の製造方法を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池電極の製
造方法に関し、特に、固体高分子型の燃料電池における
燃料電池電極の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気化学セルの1つである固体高分子電
解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温稼動、高
効率、低公害などの特性を有する。そのため、固体高分
子型燃料電池は、環境負荷低減に役立つ電源として、移
動体用電源（主に車載用）や定置型電源（主にビル・家
庭用）として開発が進められている。

【０００３】図４は、従来の固体高分子型燃料電池の基
本構成を示す斜視図である。従来の固体高分子型燃料電
池は、２つのセパレータ１０６、燃料電池セル１１１を
備える。セパレータ１０６は、燃料電池セル１１１へ、
燃料ガスおよび酸化ガスを供給する。また、各燃料電池
セル１１１同士を電気的に接続する。燃料電池セル１１
１は、燃料ガスおよび酸化ガスを用いて、電気化学反応
により発電を行う。燃料電池セル１１１は、電極１１０
および電解質膜１０７を備える。

【０００４】電解質膜１０７は、電極１１０経由で供給
される燃料ガスおよび酸化ガスを用いて、電気化学反応
により発電を行うイオン交換膜である。両側を電極１１
０に挟まれている。電極１１０は、燃料ガスおよび酸化
ガスを流通させ、また、燃料ガス中の水素と酸化ガス中
の酸素とによる電池反応（電気化学反応）を媒介する。
電池反応に伴う電子の通路でもある。電極１１０は、集
電層１０３および反応層（触媒層）１０４（−１：燃料
ガス用、−２：酸化ガス用）を含む。

【０００５】集電層１０３および反応層（触媒層）１０
４とその形成方法について、図５を参照して説明する。
図５は、電極１１０の構成および形成方法を示す図であ
る。電極１１０は、カーボンクロスあるいはカーボンペ
ーパー等のカーボン層１０２と撥水性カーボン層１０１
とを有する集電層１０３、および反応層１０４を備え
る。図５は、集電層１０３（カーボンクロス等のカーボ
ン層１０２と撥水性カーボン層１０１）は既に形成さ
れ、その上に反応層１０４を形成している様子を示して
いる。

【０００６】図５を参照して、カーボン層１０２は、ガ
ス透過性が良好で、且つ導電性の高いカーボンクロスで
ある。燃料ガス、酸化ガス、供給または生成された水が
反応層１０４とセパレータ１０６との間を移動可能なよ
うに、空隙が存在する。その大きさは、カーボンクロス
を構成するカーボンファイバの編み方により決まる。ま
た、反応層１０４（および電解質膜１０７）とセパレー
タ１０６との間の電子の通路でもある。撥水性カーボン
層１０１は、カーボンクロスの片面のカーボン層１０２
上に形成されている。カーボン粉とフッ素樹脂微粒子と
を高分散したカーボンクロスよりも緻密で且つ厚みの薄
い層である。ただし、この層にも空隙があり、そこを通
して、反応層１０４とセパレータ１０６との間の燃料ガ
ス、酸化ガス、供給または生成された水の授受が行われ
る。水を滞留させないように（除去し易いように）撥水
性を有する。また、この層を通して、反応層１０４（お
よび電解質膜１０７）とセパレータ１０６との電子の授
受が行われる。反応層１０４は、撥水性カーボン層１０
１の表面に形成されている。触媒を担持したカーボン粉
とイオン交換樹脂とを高分散したカーボンクロスよりも
緻密で且つ厚みの薄い触媒層である。燃料ガス中の水素
のイオン化、酸化ガス中の酸素と水素イオンとの反応等
を媒介する。

【０００７】反応層１０４の形成には、スプレー塗付装
置１１２により反応層の原料１１３を支持層１０３の上
に塗付し（図５の状態）、その後、乾燥処理（＋熱処
理）を行う。塗付する反応層４の原料は、触媒を担持し
たカーボン粉末とイオン交換樹脂の粒子とを含む材料を
溶剤に混入したスラリーである。図６は、反応層の原料
１１３を支持層１０３の上に塗付した直後の、電極１１
０（支持層１０３と反応層１０４）の断面を示す図であ
る。各符号の意味は、図５と同様である。図６から判る
ように、スプレー塗付装置１１２で反応層１０４を形成
する方法は、量産性がある。しかし、反応層１０４の平
坦性が悪くなる。すなわち、反応層１０４は、塗付直後
では、凸部としての反応層凸部１１４と、凹部としての
反応層凹部１１５とを連続的に有することがわかる。こ
の場合、反応層１０４に含まれるカーボン粉は硬いの
で、燃料電池セル１１１を形成するのに電極１１０を電
解質膜１０７に重ねる際、反応層凸部１１４（突起部）
は、電解質膜１０７を突き破ったり、傷をつけたりする
ことが考えられる。それは、リーク電流の発生や、ガス
のリーク、燃料電池セルの性能低下等の問題の原因とな
り得る。

【０００８】電極材料をスプレーのような簡便な塗付方
法で形成する場合においても、表面の凹凸が少なく、で
きるだけ平坦に作製することが可能な技術が求められて
いる。そして、電極の各層の形成の歩留まりを向上で
き、良好な燃料電池電極を製造する技術が望まれてい
る。簡便な方法で、工程の煩雑さが無く、コスト増大を
招かないで実施可能な技術が望まれている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、基材に形成される燃料電池電極の各層を、表面
の凹凸が少なく、できるだけ平坦に製造することが可能
な燃料電池電極の製造方法を提供することである。

【００１０】また、本発明の他の目的は、上記製造方法
において、工程の煩雑さが無く、大幅なコスト増大を招
かない燃料電池電極の製造方法を提供することである。

【００１１】本発明の更に他の目的は、上記製造方法に
おいて、管理が容易で、高い歩留まりで、信頼性の高い
燃料電池電極の製造方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。

【００１３】したがって、上記課題を解決するために、
本発明の燃料電池電極の製造方法は、燃料電池セル（１
１）の電極（１０）用の集電材（２’）の一方の面に導
電性撥水層（１）を形成するステップ（Ｓ０１＋Ｓ０２
＋Ｓ０３）と、導電性撥水層（１）の表面に、電極触媒
とイオン交換膜と同種の樹脂とを含むスラリーを、反応
層（４’）として塗付するステップ（Ｓ０４）と、予め
設定された温度としての第１温度で、予め設定された時
間、反応層（４’）を水平に保持するステップ（Ｓ０
５）と、反応層（４’）を予め設定された温度としての
第２温度において乾燥するステップ（Ｓ０６）とを具備
する。

【００１４】また、本発明の燃料電池電極の製造方法
は、燃料電池セル（１１）の電極（１０）用の集電材
（２’）の一方の面に導電性撥水層（１）を形成するス
テップ（Ｓ０１＋Ｓ０２＋Ｓ０３）と、導電性撥水層
（１）の表面に、電極触媒とイオン交換膜と同種の樹脂
とを含むスラリーを、反応層（４’）として塗付するス
テップ（Ｓ０４）と、反応層（４’）を予め設定された
温度としての第１温度において乾燥するステップ（Ｓ０
５’）と、導電性撥水層（１）と反応層（４）とを形成
された集電材（２’）の反応層（４）の表面に圧力をか
け、反応層（４）の表面を平坦化するステップ（Ｓ０
６’）とを具備する。

【００１５】また、本発明の燃料電池電極の製造方法
は、反応層（４’）の表面を平坦化するステップ（Ｓ０
６’）が、集電材（２’）を、予め設定された温度とし
ての第２温度においてホットプレスをするステップを含
む。

【００１６】また、本発明の燃料電池電極の製造方法
は、反応層（４’）の表面を平坦化するステップ（Ｓ０
６’）が、集電材（２’）を、ロール機にかけるステッ
プを含む。

【００１７】更に、本発明の燃料電池電極の製造方法
は、導電性撥水層（１）を形成するステップ（Ｓ０１＋
Ｓ０２＋Ｓ０３）が、導電性撥水層（１）の表面に圧力
をかけ、導電性撥水層（１）の表面を平坦化するステッ
プとを具備する。

【００１８】更に、本発明の燃料電池電極の製造方法
は、その電極触媒が、カーボン粉末の表面に白金等の微
粒子を固定したものである。

【００１９】更に、本発明の燃料電池電極の製造方法
は、集電材（２’）が、カーボンクロスおよびカーボン
シートのいずれか一方である。

【００２０】更に、本発明の燃料電池電極の製造方法
は、そのスラリーを反応層（４’）として塗付するステ
ップ（Ｓ０４）は、スプレー法、スクリーン印刷法およ
び塗装法のいずれか１つの方法を用いて行う。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明である燃料電池電極
の製造方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して
説明する。本実施例において、固体高分子燃料電池に使
用される電極を例に示して説明する。しかし、他の種類
の燃料電池の電極や、他の隙間の多いシート状の基材
に、所望の特性を有する材料を塗付することにより、基
材に所望の特性を付与する場合においても、適用可能で
ある。

【００２２】まず、本発明である燃料電池電極の製造方
法の実施の形態における燃料電池セルの構成について説
明する。図１は、本発明である燃料電池電極の製造方法
の実施の形態における燃料電池セルの構成を示す図であ
る。図１（ａ）は、電極１０の断面図であり、図１
（ｂ）は、固体高分子型燃料電池の基本構成を示す斜視
図である。

【００２３】図１（ｂ）について説明する。固体高分子
型燃料電池は、基本構造として２つのセパレータ６、燃
料電池セル１１を備える。セパレータ６は、一方の面に
おいて燃料電池セル１１のアノード側へ燃料ガスを供給
し、他方の面において燃料電池セル１１のカソード側へ
酸化ガスを供給する。また、各燃料電池セル１１同士を
電気的に接合する。セパレータ６は、カーボン（グラフ
ァイト）コンポジットに例示される。燃料電池セル１１
は、供給された燃料ガスおよび酸化ガスを用いて、電気
化学反応により発電を行う。２つのセパレータ６に挟ま
れている。燃料電池セル１１は、電極１０および電解質
膜７を備える。

【００２４】電解質膜７は、電極１０経由で供給される
燃料ガス中の水素および酸化ガス中の酸素を用いて、電
気化学反応（電池反応）により発電を行う。両側を電極
１０に挟まれている。電解質膜７は、パーフルオロスル
ホン酸膜のようなイオン交換樹脂の膜に例示される。電
極１０は、燃料ガスおよび酸化ガスを流通させ、また、
燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とによる電気化学
反応を媒介する。電池反応に伴う電子の通路でもある。
電極１０は、集電層３および反応層（触媒層）４（−
１：燃料ガス用、−２：酸化ガス用）を含む。

【００２５】図１（ａ）を参照して、反応層４は、集電
層３（の撥水性カーボン層１）の表面に形成されてい
る。触媒を担持したカーボン粉とイオン交換樹脂の粒子
とを高分散した、支持層３よりも緻密で、且つ厚みの薄
い触媒層である。イオン交換樹脂は、電解質膜７と同じ
材料が好ましい。電解質膜７とのイオン交換を行い易い
からである。反応層４は、燃料ガス中の水素のイオン化
（アノード側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、酸化ガス中の
酸素と電解質膜７を透過した水素イオンとの反応（カソ
ード側：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）等を媒
介する。反応層４は、電解質膜７と接している。反応層
４に存在する隙間（空孔）等の大きさは、例えば、孔の
直径０．１〜１．０μｍ程度（但し実形状は一定ではな
い）であり、空孔率は、３０〜４０％程度である。反応
層４の厚みは、例えば、５〜１０μｍ程度である。

【００２６】集電層３（ガス拡散層ともいう）は、カー
ボン層２と撥水性カーボン層１とを有する。カーボン層
２は、膜厚方向のガス透過性が良好、且つ導電性の高い
膜またはクロス状の材料である。高いガス透過性（カー
ボン層２は、セパレータ６上のガス通路を流れる燃料ガ
ス（水素）あるいは酸化ガス（空気）を反応層４まで流
通させるため）のために、多くの隙間、空隙、空孔等を
有する。反応層４（および電解質膜７）とセパレータ６
との間の電子の通路でもある。カーボン層２は、セパレ
ータ６と接する。カーボン層２は、カーボンクロスやカ
ーボンペーパに例示される。カーボン層２に存在する隙
間（空孔）等の大きさは、例えば、孔の直径５０〜１０
０μｍ程度（但し形状は一定ではない）であり、空孔率
は、６０〜７０％程度である。カーボン層２の厚みは、
例えば、１００〜２００μｍ程度である。

【００２７】導電性撥水層としての撥水性カーボン層１
は、その厚み方向に、カーボン層２を形成するクロス状
の材料の一部含み、カーボン層２の片面上に形成されて
いる。カーボン粉とフッ素樹脂微粒子とを高分散した、
カーボン層２よりも緻密で且つ厚みの薄い層である。こ
の層の隙間（空孔）を通して、反応層４とセパレータ６
との間の燃料ガス、酸化ガス、供給または生成された水
の授受が行われる。水を滞留させないように（除去し易
いように）撥水性を有する。また、この層を通して、反
応層４（および電解質膜７）とセパレータ６との電子の
授受が行われる。撥水性カーボン層１に存在する隙間
（空孔）等の大きさは、例えば、孔の直径１０〜５０μ
ｍ程度（但し形状は一定ではない）であり、空孔率は、
５０〜６０％程度である。また、撥水性カーボン層１の
厚みは、例えば、２０〜３０μｍ程度であり、そのとき
厚み方向に含んでいるカーボン層２を形成するクロス状
の材料の厚みは、５〜１０μｍ程度である。

【００２８】つぎに、本発明である燃料電池電極の製造
方法の実施の形態について説明する。図２は、本発明で
ある燃料電池電極の製造方法の実施の形態における電極
１０の製造工程を説明する図である。図２（ａ）から順
番に（ｆ）までの各製造工程における電極１０の断面を
示す図である。また、図３は、図２の製造工程を説明す
るフロー図である。

【００２９】図２において、電極用の集電材としての電
極基材２’は、撥水性カーボン層１（１’、１’’）が
形成される前のシートあるいはクロス状のカーボン基材
である。カーボン基材（例示：カーボンクロス、カーボ
ンペーパ）に存在する隙間（空隙）等の大きさは、例え
ば、直径５０〜１００μｍ程度（但し形状は一定ではな
い）であり、空孔率は、６０〜７０％程度である。その
厚みは、例えば、１００〜２００μｍ程度である。

【００３０】撥水性カーボン層１’は、カーボン層２の
表面に撥水性カーボン層１の原料を塗付し、乾燥処理お
よび熱処理を行う前の撥水性カーボン層である。その厚
み方向に、電極基材２’を一部含んでいる。塗付する撥
水性カーボン層１の原料は、電極粒子と撥水性粒子と粘
度向上材とを含む材料を溶剤に混入したスラリーであ
る。電極粒子は、高い導電性を有する材料を粒子状にし
たものである。電極粒子は、粒径が、１μｍ〜１０μｍ
程度のカーボン粉やカーボンブラックに例示される。撥
水性粒子は、高い撥水性を有する材料を粒子状にしたも
のである。撥水性粒子は、粒径が、１μｍ〜１０μｍ程
度のフッ素樹脂（ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕ
ｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）等）で製造された粒子に例示
される。フッ素樹脂は、その組成にもよるが概ね３００
℃以上で溶融する。粘度向上材は、電極粒子と撥水性粒
子とを含むスラリーの粘度を、所望の値の範囲にする。
この粘度の値の範囲は、下限が、スラリーを電極基材
２’の一方の面に塗付した際に、塗付されたスラリーが
電極基材２’の他方の面に達しない程度である。上限
は、スラリーをスクリーン印刷法やスプレー法で塗付す
ることが可能な程度である。これらの値は、電極基材
２’の隙間の大きさ、溶剤の乾燥速度、スプレーの性能
又はスクリーンのメッシュサイズ等に基づいて、実験的
に決定される。粘度向上材は、グリセリンに例示され
る。そして、粘度は、これらの粘度向上材、スラリーの
溶剤、電極粒子および撥水性粒子の組成、電極粒子およ
び撥水性粒子の粒径により、実験的に調整する。スラリ
ーには、この他に、電極粒子と撥水性粒子とをスラリー
中に高分散させるために界面活性剤（例示：非イオン系
界面活性剤であるトライトン）を添加しても良い。スラ
リーの重量組成は、例えば、電極粒子：撥水性粒子：粘
度向上材：界面活性剤：溶剤＝６５：３５：１６５〜３
００：５０：９５０程度である。上記各材料を溶かす溶
剤は、有機溶剤やイオン交換水であり、本実施例では、
イオン交換水である。スラリーの粘度は、電極基材２’
のカーボン基材に存在する隙間（空隙）等の大きさが５
０μｍ×１００μｍ程度の場合、３〜５ｃＳｔ（２０
℃）程度である。

【００３１】ここで、グリセリンＣ_３Ｈ_８Ｏ_３（１，
２，３−プロパントリオール）は、脂肪族多価アルコー
ル類の一つであり、無色無臭、甘味のある粘ちょうのあ
る液体である（融点２０℃、沸点２９０℃。アルコー
ル、水に易溶。ベンゼン、石油エーテルに不溶）。

【００３２】撥水性カーボン層１’’は、撥水性カーボ
ン層１’を乾燥処理した状態のものである。乾燥条件
は、酸化雰囲気（例示：空気中）において、予め設定さ
れた温度／時間で行う。ここで、予め設定された温度と
は、撥水性カーボン層１’中の粘度向上材が酸化される
温度以上、撥水性粒子が溶融する温度未満である。予め
設定された時間とは、酸化が十分に行なわれる時間であ
る。

【００３３】反応層４’は、撥水性カーボン層１の表面
に反応層４の原料を塗付し、乾燥処理（＋熱処理）を行
う前の反応層である。塗付する反応層４の原料は、触媒
を担持した電極粒子（電極触媒）とイオン交換樹脂とを
含む材料を溶剤に混入したスラリーである。触媒は、ア
ノード側の反応層４における水素の電気化学的酸化（水
素を水素イオンと電子とに分離）の過程およびカソード
における酸素の電気化学的還元（酸素と水素イオンと電
子とによる水の生成）の過程を媒介する。触媒は、白金
−ルテニウム、ロジウムのような白金に他の金属を添加
した白金系触媒に例示される。電極粒子は、高い導電性
を有する材料を粒子状にしたものである。この上に、数
％〜数１０％程度の重量比で触媒が担持されている。触
媒を担持した電極粒子（電極触媒）は、触媒を重量比４
０％程度担持された、粒径１μｍ〜１０μｍ程度のカー
ボン粉に例示される。イオン交換樹脂は、イオン交換膜
と同種の樹脂をエタノール等の有機溶剤に溶解したもの
である。上記各材料を溶かす溶剤は、有機溶剤やイオン
交換水であり、本実施例では、エタノール：イオン交換
水＝１：１の溶液である。スラリーの組成は、例えば、
触媒担持電極粒子：イオン交換樹脂：溶剤＝７：３：１
７５程度である。ただし、この組成は、材料の種類や電
極の作製方法、要求される電池性能により異なる。

【００３４】つぎに、図２および図３を参照して、製造
方法（１）〜（７）について説明する。 （１）開始：電極基材２’（カーボンクロス）を用意す
る（図２（ａ））。 （２）ステップＳ０１：電極基材２’（カーボンクロ
ス）の隙間の大きさに対応した粘度を有する撥水性カー
ボン層１の原料（カーボン粉とフッ素樹脂で製造された
粒子とグリセリンと界面活性剤とを含む材料を溶剤に混
入したスラリー）を、電極基材２’（カーボンクロス）
の一方の面に塗付する。塗付方法は、従来知られた方法
（スプレー法、スクリーン印刷法および塗装法等）を用
いることが出来る。ここでは、塗付は、スプレーにより
行う。

【００３５】このとき、予め粘度が調整されているの
で、撥水性カーボン層１の原料は、電極基材２’（カー
ボンクロス）を一部含むが、その他方の面には達しな
い。このようにして、撥水性カーボン層１’とカーボン
層２（電極基材２’のうち撥水性カーボン層１’以外の
部分）とが形成される（図２（ｂ））。ここで、撥水性
カーボン層１の原料はスラリー状なので、撥水性カーボ
ン層１’は、電極基材２’（カーボンクロス）の隙間を
埋めた緻密な膜の状態となっている。

【００３６】ここで、塗付の際に撥水性カーボン層１’
の表面が荒れた場合には、溶剤が蒸発しない温度で長時
間寝かせて、自重により平坦化させる等の方法により平
坦化する。凹凸が大きいと、反応層４が凹凸のある形状
になったり、均一な層が形成できない可能性があるから
である。

【００３７】（３）ステップＳ０２：撥水性カーボン層
１’およびカーボン層２は、予め設定された温度（第１
温度）により、電気炉中で乾燥処理を施される。ここ
で、粘度向上材としてグリセリン、撥水性粒子としてフ
ッ素樹脂を用いることとすれば、温度は、グリセリン
（粘度向上材）が酸化される温度以上、フッ素樹脂の粒
子（撥水性粒子）が溶融する温度未満である。ここで
は、大気雰囲気中で、１２０〜１４０℃で乾燥処理を行
うものとする。この乾燥処理により、グリセリン（粘度
向上材）が酸化され（あるいは熱分解され）、撥水性カ
ーボン層１’から除去される。また、溶剤がその温度で
一緒に除去されない場合には、溶剤除去可能な温度に昇
温し、除去を行う。トライトンであれば、３００℃に昇
温する。そして、撥水性カーボン層１’は、撥水性カー
ボン層１’’となる（図２（ｃ））。ここで、撥水性カ
ーボン層１’’は、グリセリン（および溶剤）が除去さ
れるているので、その過程で緻密さがやや低下するもの
の、カーボン層２の隙間よりもはるかに緻密な状態とな
っている。

【００３８】ここで、撥水性カーボン層１’’の表面の
平坦性が良くない場合（予め設定された凹凸の大きさよ
りも大きい場合など）には、ロール機械等を用いて、加
圧により強制的に平坦化することも可能である。また、
ホットプレスにより、平坦化することも可能である。凹
凸が大きいと、反応層４の形成に悪影響を及ぼす可能性
があるからである。

【００３９】（４）ステップＳ０３：撥水性カーボン層
１’’およびカーボン層２は、予め設定された温度（第
２温度）により、熱処理を施される。ここで、撥水性粒
子としてフッ素樹脂を用いることとすれば、温度は、フ
ッ素樹脂の粒子（撥水性粒子）が溶融する温度以上であ
る。ここでは、押付け圧力５０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２
−処理温度３８０℃でホットプレス行うものとする。こ
の乾燥処理により、フッ素樹脂の粒子（撥水性粒子）が
溶融し、カーボン粉（電極粒子）が溶融したフッ素樹脂
中に分散する。すなわち、高い導電性と撥水性とを有す
る膜である撥水性カーボン層１が、カーボンクロス（カ
ーボン層２）上に形成される。（図２（ｄ））。ここ
で、撥水性カーボン層１は、フッ素樹脂が溶融した後、
固化するので、緻密さが低下するものの、カーボン層２
の隙間よりも緻密な状態となっている。

【００４０】ここで、熱処理がホットプレスでない場合
には、撥水性カーボン層１の表面の平坦性が良くない場
合（予め設定された凹凸の大きさよりも大きい場合な
ど）が起こり得る。そのときには、ロール機械等を用い
て、加圧により強制的に平坦化することも可能である。
また、ホットプレスにより、平坦化することも可能であ
る。凹凸が大きいと、反応層４にを傷つける可能性があ
るからである。

【００４１】（５）ステップＳ０４：反応層４の原料
（触媒を担持した電極粒子とイオン交換樹脂とを含む材
料を溶剤に混入したスラリー）を、集電層３の撥水性カ
ーボン層１の表面に塗付する。塗付方法は、図５に示す
スプレーにより行う。生産性が高いからである。そし
て、集電層３（１１）上に反応層４’が形成される（図
２（ｅ））。なお、従来知られた方法（スクリーン印刷
法および塗装法等）を用いても良い。

【００４２】（６）ステップＳ０５：反応層４の原料の
スプレー（塗付）後、図６に示すように反応層４’の表
面に凹凸（反応層凸部１１４、反応層凹部１１５）が発
生するので、溶剤が蒸発しない温度で、予め設定された
時間寝かせて、自重により平坦化させる等の後処理を行
い平坦化する。例えば、溶剤が水の場合には、常温〜３
０℃で６〜２４時間程度放置する。凹凸が大きいと、電
解質膜７を傷つける可能性があるからである。なお、
（５）ステップＳ０４の反応層４の原料を集電層３に塗
付する際、従来知られた方法（スクリーン印刷法および
塗装法等）を用いた際、表面に凹凸が発生した場合に
も、このステップで同様に対処することができる。

【００４３】（７）ステップＳ０５：集電層３および反
応層４’は、予め設定された温度により、電気炉中で乾
燥処理を施される。処理温度は、触媒を担持した電極粒
子の安定性を考慮し、担持された触媒が凝集したり、変
質したりしせず、かつ、電極粒子がイオン交換樹脂の粒
子と安定的に密着できる温度とする。例えば、８０〜１
５０℃（数時間）とする。以上のステップにより、電極
１０が完成する（図２（ｆ））。

【００４４】なお、（５）ステップＳ０４において、ス
プレーにより、塗付表面が荒れた場合には、以下の方法
（ａ）または（ｂ）により表面を平坦化することも可能
である。（ａ）および（ｂ）の方法では、寝かせる場合
に比較して、工程にかかる時間を短くすることが出来
る。なお、（５）ステップＳ０４の反応層４の原料を集
電層３に塗付する際、従来知られた方法（スクリーン印
刷法および塗装法等）を用いた際、表面に凹凸が発生し
た場合にも、以下の方法（（ａ）および（ｂ））で同様
に対処することができる。

【００４５】（ａ）乾燥ロール機を用いる。 その場合には、ステップＳ０５およびステップＳ０６は
以下のようになる。 （６’）ステップＳ０５’：集電層３および反応層４’
に、予め設定された温度により、電気炉中で乾燥処理を
施す。 （７’）ステップＳ０６’：ロール機を通して、強制的
に平坦化する。なお、ロールの条件は、例えば、押付け
圧力５０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２−送り速度１〜１０ｃ
ｍ／ｓｅｃ．である。

【００４６】（ｂ）ホットプレスを用いる。 その場合には、ステップＳ０５およびステップＳ０６は
以下のようになる。 （６’）ステップＳ０５’：集電層３および反応層４’
に、予め設定された温度により、電気炉中で乾燥処理を
施す。 （７’）ステップＳ０６’：ホットプレスを行い、強制
的に平坦化する。なお、ホットプレスの条件は、例え
ば、押付け圧力５０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ ^２−処理温度
１００〜１５０℃である。

【００４７】そのほか、反応層４の乾燥後であれば、Ｈ
ＩＰ（Ｈｏｔ ＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓ）やＣＩ
Ｐ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）を用
いることも可能である。

【００４８】完成した２つの電極１０で電解質膜７を両
側から挟むことにより、燃料電池セル１１を形成する。
そして、２つのセパレータ６で燃料電池セル１１を両側
から挟むことにより、燃料電池の基本構造が完成する。
必要に応じて、燃料電池セル１１とセパレータ６とを然
るべき数だけ直列に積層することにより、燃料電池スタ
ックを作製することが可能である。既述の電極１０を用
いた燃料電池セル１１や燃料電池スタックの作製方法
は、従来知られた方法を用いて行うことが可能である。

【００４９】本発明により作製された電極１０を電解質
膜７と接合しても、その表面が平坦化されているので、
電解質膜７を傷つけたり、突き破ったりすることが無く
なり、燃料電池セル１１の製造歩留まり、信頼性を向上
させることが可能となる。また、スプレー塗付装置を用
いて原料を基材に吹き付ける工程をそのまま利用できる
ので、生産性を低下させずに、上記改善を図ることが出
来る。

【００５０】また、上記製造方法は、一定時間試料を寝
かせる、あるいは、ロール機やホットプレスを通す等の
１工程を加えるだけなので、コスト増加が少なく、その
管理負担もほとんど増加せずに実施することが可能であ
る。

【００５１】

【発明の効果】本発明により、基材に形成される基材に
形成される燃料電池電極の製造工程において、燃料電池
電極の各層を、表面の凹凸が少なく、平坦に製造するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）（ｂ）本発明である燃料電池電極の製造
方法の実施の形態における燃料電池セルの構成を示す図
である。

【図２】（ａ）〜（ｆ）本発明である燃料電池電極の製
造方法の実施の形態における電極の製造工程を説明する
図である。

【図３】図２の製造工程を説明するフロー図である。

【図４】従来の固体高分子型燃料電池の基本構成を示す
斜視図である。

【図５】従来の固体高分子型燃料電池の電極の構成およ
び形成方法を示す図である。

【図６】従来の固体高分子型燃料電池の電極の断面を示
す図である。

【符号の説明】

１ 撥水性カーボン層 １’ 撥水性カーボン層 １’’ 撥水性カーボン層 ２ カーボン層 ２’ 電極基材 ３ 集電層 ４ 反応層（触媒層） ４’ 反応層（触媒層） ４−１ 反応層（触媒層）：燃料ガス用 ４−２ 反応層（触媒層）：酸化ガス用 ６ セパレータ ７ 電解質膜 １０ 電極 １１ 燃料電池セル １０１ 撥水性カーボン層 １０２ カーボン層 １０３ 集電層 １０４ 反応層（触媒層） １０４−１ 反応層（触媒層）：燃料ガス用 １０４−２ 反応層（触媒層）：酸化ガス用 １０６ セパレータ １０７ 電解質膜 １１０ 電極 １１１ 燃料電池セル １１２ スプレー塗付装置 １１３ 反応層の原料 １１４ 反応層凸部 １１５ 反応層凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小向 真宏 エム・エイチ・アイさがみハイテック株式 会社内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB03 BB06 BB08 DD06 EE03 EE05 EE18 5H026 AA06 BB00 BB01 BB02 BB04 CC03 CX03 EE02 EE05 EE18

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池セルの電極用の集電材の一方の面
   に導電性撥水層を形成するステップと、 前記導電性撥水層の表面に、電極触媒とイオン交換膜と
   同種の樹脂とを含むスラリーを、反応層として塗付する
   ステップと、 予め設定された温度としての第１温度で、予め設定され
   た時間、前記反応層を水平に保持するステップと、 前記反応層を予め設定された温度としての第２温度にお
   いて乾燥するステップと、 を具備する燃料電池電極の製造方法。
2. 【請求項２】燃料電池セルの電極用の集電材の一方の面
   に導電性撥水層を形成するステップと、 前記導電性撥水層の表面に、電極触媒とイオン交換膜と
   同種の樹脂とを含むスラリーを、反応層として塗付する
   ステップと、 前記反応層を予め設定された温度としての第１温度にお
   いて乾燥するステップと、 前記導電性撥水層と前記反応層とを形成された前記集電
   材の前記反応層の表面に圧力をかけ、前記反応層の表面
   を平坦化するステップと、 を具備する燃料電池電極の製造方法。
3. 【請求項３】前記反応層の表面を平坦化するステップ
   は、 前記集電材を、予め設定された温度としての第２温度に
   おいてホットプレスをするステップと、 を具備する、 請求項２に記載の燃料電池電極の製造方法。
4. 【請求項４】前記反応層の表面を平坦化するステップ
   は、 前記集電材を、ロール機にかけるステップを含む、 請求項２に記載の燃料電池電極の製造方法。
5. 【請求項５】前記導電性撥水層を形成するステップは、 前記導電性撥水層の表面に圧力をかけ、前記導電性撥水
   層の表面を平坦化するステップと、 を具備する、 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池電極の
   製造方法。
6. 【請求項６】前記電極触媒は、カーボン粉末の表面に白
   金等の微粒子を固定したものである、 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池電極の
   製造方法。
7. 【請求項７】前記集電材は、カーボンクロスおよびカー
   ボンシートのいずれか一方である、 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池電極の
   製造方法。
8. 【請求項８】前記スラリーを反応層として塗付するステ
   ップは、 スプレー法、スクリーン印刷法および塗装法のいずれか
   １つの方法を用いて行う、 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池電極の
   製造方法。