JP2003282079A

JP2003282079A - 燃料電池の製造方法および燃料電池

Info

Publication number: JP2003282079A
Application number: JP2002084376A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田; Junji Morita; 純司森田; Makoto Uchida; 誠内田; Shinya Kosako; 慎也古佐小; Yoshihiro Hori; 堀　　喜博; Yasuo Takebe; 安男武部
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス拡散層と触媒層との接合性を平易な方法
で改善し、フラッディング現象が起こりにくい燃料電池
の製造方法を提供する。【解決手段】触媒層上にカーボン中間層を形成した
後、湿潤状態でガス拡散層を取り付けることでホットプ
レスを省略する。さらに、触媒層上にカーボン繊維を含
むカーボンインクを塗布することにより、別個ガス拡散
基材を必要とせずにガス拡散層を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、民生用コジェネレ
ーションおよび移動体用の発電機として用いる燃料電
池、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素などの燃料と空気など
の酸化剤ガスを触媒を含む電極で電気化学的に反応さ
せ、電気と熱を同時に発生させるものである。燃料電池
には、用いる電解質の種類により、いくつかのタイプに
分類される。電解質に水素イオン伝導性の高分子電解質
を用いた燃料電池は、高分子電解質型燃料電池と呼ばれ
る。高分子電解質型燃料電池に用いる水素イオン伝導性
の高分子電解質としては、−ＣＦ₂−で構成された骨格
と、この骨格の側鎖の末端に導入されたスルホン酸基を
有するものが現在一般的に用いられている。

【０００３】そして、燃料電池の作製においては、高分
子電解質膜の両面に白金系の貴金属を担持した炭素粉末
を主成分とする触媒層を密着して設け、さらにこの触媒
層の上面に、ガス通気性および導電性を兼ね備えたガス
拡散層を配置する。前記触媒層とガス拡散層とが接合し
た部分を電極といい、高分子電解質膜とその両面に設け
られた１対の電極との接合体を電解質膜電極接合体（Ｍ
ＥＡ）という。

【０００４】ＭＥＡの外側には、ＭＥＡを機械的に固定
するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に
接続するための導電性のセパレータ板が配置される。こ
うして単セルが得られる。セパレータ板には、一方の電
極に水素を含有する燃料ガスを供給し、他方の電極に酸
素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路が形成さ
れる。ここで、燃料ガスが供給される電極を燃料極、酸
化剤ガスが供給される電極を空気極と呼んでいる。

【０００５】ガス流路は、電極にガスを供給するためだ
けではなく、水素と酸素との反応で生成した水および余
剰ガスなどを排出する機能も有する。ガス流路および電
極の周囲には、ガスケットまたはシール剤などのシール
部材を配置し、燃料ガスと酸化剤ガスが直接混合するこ
と、これらが燃料電池の外部へ漏逸するのを防止する。
上記単セルを発電装置として実際に使用するときは、出
力電圧を高めるために、単セルを複数個積層するのが通
例である。各単セルのガス流路の入り口には、マニホル
ドを通じて外部から水素ガスなどの燃料ガスと空気とを
供給する。

【０００６】ところで、上記ＭＥＡは、具体的には、高
分子電解質膜の上にスクリーン印刷法またはコーター塗
布などにより触媒層を形成した後、ガス拡散層となるカ
ーボンペーパーまたはカーボン繊維織布などをホットプ
レス法により加熱しながら接合させて製造する。また、
ガス拡散層上に触媒層を形成した後、この触媒層を挟ん
で前記ガス拡散層と高分子電解質膜とをホットプレス法
により加熱しながら接合する場合もある。

【０００７】燃料極および空気極としては、触媒層とガ
ス拡散層とで構成される電極が用いられる。なかでも、
燃料極は、電極で生成した水素イオンを円滑に高分子電
解質膜中に拡散させるための水および燃料ガスを、常に
良好な状態で拡散・供給させる機能を備える必要があ
る。また、空気極は、電極反応で生成した水を円滑に除
去するとともに、酸化剤ガスとしての空気を拡散・供給
させる機能を備える必要がある。

【０００８】触媒層でのガス拡散性を向上させ、低加湿
下でも高い出力電圧を示すＭＥＡの製造方法として、触
媒層上に、溶媒に溶解させたプロトン導電性ポリマーを
塗布し、乾燥することによってプロトン導電性ポリマー
層を設けた、全体を加熱・加圧しながら接合する製造方
法が特開平１１−４０１７２号公報に開示されている。
また、特開２００１−１３５３２６号公報には、触媒層
とガス拡散層の間にフッ素樹脂とカーボンブラックを含
む混合層を設け、この混合層の厚みおよび気孔率を制御
することにより、ガス拡散性に優れた燃料電池を比較的
容易に製造する方法が開示されている。

【０００９】さらに、例えば、特開平７−２３０８１１
号公報には、優れた撥水性およびガス流通性を備えたガ
ス拡散電極の製造方法が開示されている。具体的には、
触媒を担持した炭素質粉末およびポリテトラフルオロエ
チレン（ＰＴＦＥ）を均質分散させて含むシート状反応
層と、黒鉛ウィスカーおよびポリテトラフルオロエチレ
ンを均一分散させて含むシート状ガス拡散基材を接合す
る方法が開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、ＭＥＡの製
造には多くの工程が必要であり、高コストになり易い。
上述したプロトン導電性ポリマーを触媒層上に塗布する
方法においては、ＭＥＡを製造するためにホットプレス
法を用いて電極と高分子電解質膜を接合するため、プロ
セス設備コストが高くなる。また、ＭＥＡ製造のための
工程数が多くなり、さらにコストが高くなる。さらに、
低加湿下においては触媒層のガス拡散性は向上するが、
高加湿下では触媒層にフラッディングがより生じ易くな
る。

【００１１】また、触媒層とガス拡散層の間に混合層を
設ける上記方法によれば、混合層を設けることにより、
高分子電解質膜の部分的な乾燥および過剰な濡れによっ
てガスの拡散が阻害されることを防止することができ
る。しかし、混合層とガス拡散層は別々に組み立てられ
るため、両者を加熱・加圧工程で接合する必要があり、
プロセスコストが高くなる。

【００１２】さらに、シート状反応層とシート状ガス拡
散層を接合する製造方法においてもホットプレスが用い
られており、このホットプレスの使用が高コストに繋が
る。加えて、この方法では、いったん作製したシート状
反応層とシート状ガス拡散層をエタノールのような有機
溶媒で濡らしてから接合し、さらに、乾燥後にホットプ
レスを行うため、工程が複雑でかつ工程数もかなり多く
なる。

【００１３】以上のような従来技術の実情に鑑み、本発
明は、従来のＭＥＡの製造方法において課題となってい
るガス拡散層と触媒層の接合工程の簡素化を実現し、低
コストな燃料電池の製造方法を提供することを目的とす
る。さらに、本発明は、優れた撥水性およびガス拡散性
を備えた燃料電池を提供することも目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む第１
の触媒層および第２の触媒層と、前記第１の触媒層上に
設けられた第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層上に
設けられた第２のガス拡散層とを具備する燃料電池の製
造方法であって、前記ガス拡散層と前記触媒層との間
に、少なくともカーボン粉末、フッ素樹脂および分散媒
を含むカーボンインクを塗布してカーボン中間層を設け
る工程を含む燃料電池の製造方法を提供する。

【００１５】具体的には、上記製造方法は、（ａ）前記
触媒層上に、少なくともカーボン粉末、フッ素樹脂およ
び分散媒を含むカーボンインクを塗布してカーボン中間
層を設ける工程、および（ｂ）湿潤状態の前記カーボン
中間層上に前記ガス拡散層を配置する工程を含むのが好
ましい。

【００１６】また、前記製造方法は、（ａ’）前記ガス
拡散層上に、少なくともカーボン粉末、フッ素樹脂およ
び分散媒を含むカーボンインクを塗布してカーボン中間
層を形成する工程、および（ｂ’）湿潤状態の前記カー
ボン中間層上に前記触媒層を配置する工程を含むのが好
ましい。前記ガス拡散層が、カーボンペーパー、カーボ
ン繊維織布またはカーボン不織布であるのが好ましい。

【００１７】本発明は、上記製造方法によって得られる
燃料電池にも関する。すなわち、本発明は、高分子電解
質膜と、前記高分子電解質膜を挟む第１の触媒層および
第２の触媒層と、前記第１の触媒層上に設けられた第１
のガス拡散層と、前記第２の触媒層上に設けられた第２
のガス拡散層とを具備する燃料電池であって、さらに前
記ガス拡散層と前記触媒層との間に、少なくともカーボ
ン粉末、フッ素樹脂および分散媒を含むカーボンインク
を塗布して設けられ、その一部が前記ガス拡散層に貫入
しているカーボン中間層を具備する燃料電池に関する。

【００１８】加えて、本発明は、高分子電解質膜と、前
記高分子電解質膜を挟む第１の触媒層および第２の触媒
層と、前記第１の触媒層上に設けられた第１のガス拡散
層と、前記第２の触媒層上に設けられた第２のガス拡散
層とを具備する燃料電池の製造方法であって、前記触媒
層上に、少なくともカーボン繊維を含むカーボンインク
を塗布してガス拡散層を形成する工程を含む燃料電池の
製造方法をも提供する。この製造方法によれば、ガス拡
散基材を実質上必要としない燃料電池が得られ、本発明
は当該燃料電池にも関する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明は、高分子電解質膜と、前
記高分子電解質膜を挟む第１の触媒層および第２の触媒
層と、前記第１の触媒層上に設けられた第１のガス拡散
層と、前記第２の触媒層上に設けられた第２のガス拡散
層とを具備する燃料電池の製造方法であって、前記ガス
拡散層と前記触媒層との間に、少なくともカーボン粉
末、フッ素樹脂および分散媒を含むカーボンインクを塗
布してカーボン中間層を設ける工程を含む燃料電池の製
造方法を提供する。

【００２０】この製造方法の実施の形態は大きく２つに
分類することができる。第１の実施の形態に係る製造方
法は、（ａ）前記触媒層上に、少なくともカーボン粉
末、フッ素樹脂および分散媒を含むカーボンインクを塗
布して湿潤状態のカーボン中間層を設ける工程、および
（ｂ）前記カーボン中間層に前記ガス拡散層を配置する
工程を含む。

【００２１】また、第２の実施の形態は、（ａ’）前記
ガス拡散層上に、少なくともカーボン粉末、フッ素樹脂
および分散媒を含むカーボンインクを塗布して湿潤状態
のカーボン中間層を形成する工程、および（ｂ’）前記
カーボン中間層に前記触媒層を配置する工程を含む。

【００２２】第１の実施の形態に係る本発明の燃料電池
の製造方法においては、具体的には、高分子電解質膜に
形成された触媒層上に、カーボンインクを塗布してカー
ボン中間層を形成した後、分散媒が完全に乾燥しない湿
潤状態のカーボン中間層上にガス拡散層（ガス拡散基
材）を配置する。

【００２３】ここで、触媒層は、白金などの貴金属を担
持したカーボン粉末、高分子電解質溶液（または分散
液）およびイソプロピルアルコールなどの溶媒を所定の
割合で混合して得られる触媒インクを、スプレー塗工
法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア
印刷法またはダイコータ塗工法などの塗布方法を用い
て、高分子電解質膜上に形成する。

【００２４】つぎに、カーボン中間層は、カーボン粉
末、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフ
ッ素樹脂および分散媒を所定の割合で混合して得られる
カーボンインクを、触媒層形成時と同様に、スプレー塗
工法、ドクターブレード法、グラビア印刷法またはダイ
コータ塗工法などの塗布方法を用いて、触媒層上に形成
する。

【００２５】カーボンインクに使用する分散媒として
は、水または有機溶媒などを用いることができる。ガス
拡散層のカーボン中間層上への配置は、カーボン中間層
が分散媒の残存率が５０％以上の湿潤状態にあるときに
行うのが望ましい。ガス拡散層としては、種々のカーボ
ンペーパー、カーボン繊維織布またはカーボン不織布な
どのガス拡散基材を用いることができるが、なかでもカ
ーボン不織布を用いるのがコストおよび電池性能の観点
から最適である。

【００２６】また、第２の実施の形態として、上述の方
法を用いてカーボン中間層をガス拡散層上に形成した
後、高分子電解質膜に形成された触媒層を当該カーボン
中間層上に配置してもよい。この場合も、触媒層の配置
は、カーボン中間層が分散媒の残存率が５０％以上、さ
らには８０％以上の湿潤状態にあるときに行うのが好ま
しい。上述のような燃料電池の製造方法では、従来使用
していたホットプレスなどの加熱加圧状態で接合しなく
てもガス拡散層と触媒層との密着性が良く、工程数が減
るとともに、プロセスコストを大幅に低減できる。

【００２７】本発明に係る方法により得られる燃料電池
におけるカーボン中間層とガス拡散層との界面の様子を
示す概略断面図を図１に示す。図１に示すように、高分
子電解質膜１および触媒層２の上において、カーボン中
間層３がガス拡散層４に食い込んだ状態になっている。
なお、図１においては、高分子電解質膜１の片方の面の
構造のみを示した。ここで、図１におけるガス拡散層の
厚みＧＷと、ガス拡散層に貫入している部分のカーボン
中間層の厚みＣＷとが、関係式（１）：５＜（ＣＷ／ＧＷ×１００）＜７０（１）を満たす場合に、ガス拡散層の剥がれがなく、フラッデ
ィングによる特性低下もない燃料電池を構成することが
できる。

【００２８】すなわち、フラッディングのない燃料電池
を構成するためにはカーボン中間層のガス拡散層に貫入
している部分の厚み割合Ｗ（＝ＣＷ／ＧＷ×１００）
が、５〜７０％であることが望ましい。割合Ｗが５％よ
り小さければ、ガス拡散層と触媒層との接着性が弱ま
り、ガス拡散層層が剥がれてしまう。また、割合Ｗが７
０％よりも大きい場合には、ガス拡散層の持つ本来のガ
ス拡散性が低下して、燃料電池の性能が低下してしま
う。

【００２９】さらに、湿潤状態のカーボン中間層を用い
てホットプレスを行うと、乾燥状態のカーボン中間層を
用いてホットプレスを行う場合と比べて、カーボン中間
層を含むガス拡散層の厚みを低減させることができ、ガ
ス拡散層の厚み方向におけるガス拡散性が向上する。さ
らに、良好な接合状態が得られるため、従来のホットプ
レス接合時に発生していた接合不良などが起こりにく
く、これによるフラッディング現象も抑制することがで
きる。これにより、従来よりも安定な燃料電池を提供す
ることができる。また、コールドプレスを使用して、よ
り接合性を高めることも可能である。

【００３０】また、本発明は、第３の実施の形態とし
て、上記第１の実施の形態および第２の実施の形態に加
えて、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む第
１の触媒層および第２の触媒層と、前記第１の触媒層上
に設けられた第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層上
に設けられた第２のガス拡散層とを具備する燃料電池の
製造方法であって、前記触媒層上に、少なくともカーボ
ン繊維を含むカーボンインクを塗布してガス拡散層を形
成する工程を含む燃料電池の製造方法も提供する。

【００３１】第３の実施の形態においては、触媒層上に
カーボン繊維を含むカーボンインクを塗布して、ガス拡
散層を形成するため、新たに別個のガス拡散基材を設置
してホットプレスなどを用いる接合を行う必要がない。
したがって、燃料電池の製造工程数を大幅に削減するこ
とができる。ここで、カーボン繊維としては、アクリル
繊維を原料とするＰＡＮ系炭素繊維、石油、ピッチまた
はナフタレン系ピッチを原料とするピッチ系炭素繊維、
フェノール樹脂を原料とする炭素繊維、およびレーヨン
系炭素繊維などが挙げられる。

【００３２】カーボン繊維の寸法としては、アスペクト
比が約１００〜１０００であるのが好ましい。アスペク
ト比がこの範囲よりも小さい場合、カーボン繊維間の絡
み合いが不十分となり、十分な導電性およびガス拡散性
を得ることが困難な傾向にある。また、この範囲よりも
大きい場合、カーボン繊維をカーボンインク中で安定に
分散させることが困難で、触媒層上へのカーボンインク
の塗布が不均一になり、燃料電池の特性が低下する。

【００３３】第３の実施の形態において使用するカーボ
ンインクは、カーボン繊維、ポリテトラフルオロエチレ
ン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂、および水または有機
溶媒などの分散媒を所定の割合で混合して得られるもの
であるのが好ましい。カーボンインクには、通常のカー
ボン粉末を添加することもできる。なお、カーボンイン
クを触媒層上に塗布するだけでなく、ポリエチレンテレ
フタレート（ＰＥＴ）などの基材上に前記カーボンイン
クを塗布してガス拡散層を形成した後、これを触媒層に
転写してもよい。

【００３４】

【実施例】以下に、実施例を用いて本発明の燃料電池の
製造方法をより具体的に説明するが、本発明はこれらの
みに限定されるものではない。《実施例１〜３および比較例１》まず、白金を担持した
カーボン粉末（５０重量％白金）と、９重量％の高分子
電解質溶液（旭硝子（株）製のフレミオン溶液）と、溶
媒である水および２−プロパノール（ＩＰＡ）とを混合
した後、減圧して粘度調製を行って触媒インクを調製し
た。スクリーン印刷法によってこの触媒インクを高分子
電解質膜（デュポン社製のナフィオン１１２）の両面に
塗布した後、乾燥することにより２つの触媒層を形成し
た。つぎに、アセチレンブラック１００重量部と、ＰＴ
ＦＥ水分散液（ダイキン工業（株）製のＤ−１）２０重
量部と、界面活性剤（ＴｒｉｔｏｎＸ−１００）１０重
量部と、水５２０重量部とを、コロイドミル分散機を用
いて混合し、固形分１７重量％のカーボンインクＡを作
製した。スクリーン印刷法によってこのカーボンインク
Ａを一方の触媒層上に塗布してカーボン中間層を形成し
た。

【００３５】ここで、形成したカーボン中間層中の水
（分散媒成分）が仕込量の８０％になるまで、５０℃設
定の乾燥機中で乾燥させた後、湿潤状態のカーボン中間
層の上にガス拡散層を構成するガス拡散基材であるカー
ボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−９０）を配
置した。カーボンペーパーを配置した後、乾燥させて電
極を作製した。他方の触媒層の上にも同様にカーボン中
間層およびガス拡散層を配置し、電解質膜電極接合体
（ＭＥＡ）−Ａを作製した。こうして得られたＭＥＡ−
Ａを、ガスケットとともにガス流路の加工が施された一
対のセパレータ板で挟み込んだ。さらにセパレータ板の
外側に絶縁体を介してステンレス製の端板を配置し、単
電池Ａを作製した（実施例１）。

【００３６】また、比較のために高分子電解質膜の両側
の触媒層上にカーボン中間層を形成した後、乾燥機中で
分散媒を１００％乾燥させた後、全体を一対のカーボン
ペーパーで挟み、ホットプレス装置を用いて１３０℃で
１０分間の加圧を施し、ＭＥＡ−Ｂを作製した。このＭ
ＥＡ−Ｂを用いて、上述と同様の工程を経て単電池Ｂを
作製した（比較例１）。ここで、ＭＥＡ−ＡおよびＭＥ
Ａ−Ｂの縦断面は図１に示すような状態であった。カー
ボン中間層３のガス拡散層４に貫入している部分の厚み
の割合Ｗを式（１）を用いて算出したところ、ＭＥＡ−
Ａの割合Ｗは１８％であり、ＭＥＡ−Ｂの割合Ｗは０．
５％であった。また、ＭＥＡ−ＡおよびＭＥＡ−Ｂをそ
れぞれ５枚ずつ作製した。ＭＥＡ−Ａに関しては、いず
れにおいても接合不良は見られなかったのに対し、ＭＥ
Ａ−Ｂに関しては、５枚中３枚に接合不良（剥がれ）が
認められた。

【００３７】つぎに、作製した単電池ＡおよびＢの燃料
極に水素ガスを流し、空気極に空気を流して電池特性を
調べた。電池温度８０℃、燃料利用率８０％および空気
利用率４０％の運転条件を用い、水素ガスは７５℃の露
点を有するように加湿し、空気は５０℃または７０℃の
露点を有するように加湿した。このときの単電池Ａおよ
びＢの電流密度−電池電圧特性を図３に示した。図３に
おいて、線１〜４によりそれぞれ露点７０℃の空気を用
いた単電池Ａ、露点７０℃の空気を用いた単電池Ｂ、露
点５０℃の空気を用いた単電池Ａ、および露点５０℃の
空気を用いた単電池Ｂの結果を示した。線１と２との比
較、および線３と４との比較により、本発明の単電池Ａ
の方が単電池Ｂよりも高い電池特性を示すことがわかっ
た。また、単電池Ｂでは、特に露点７０℃の空気を用い
た単電池Ｂでは、高電流密度域でガス拡散性の低下によ
るフラッディングが起こり、電池電圧が低下する傾向が
見られた（線２）。

【００３８】つぎに、ガス拡散層を構成するガス拡散基
材として、カーボンクロス（日本カーボン（株）製のカ
ーボロンＧＦ−２０−３１Ｅ）およびカーボン不織布
（東邦テナックス（株）製のベスファイトＣＮＷ−Ｂ）
を用いた以外は、実施例１と同じ方法でそれぞれＭＥＡ
−ＣおよびＭＥＡ−Ｄを作製した。これらを用いて、実
施例１と同様にして単電池Ｃおよび単電池Ｄを作製し
（実施例２および３）、電池特性を調べた。電池温度８
０℃、燃料利用率８０％、空気利用率４０％、水素ガス
の露点７５℃および空気の露点７０℃の運転条件を用
い、単電池Ａ〜Ｄの結果を図４に示した。これより、単
電池ＣおよびＤ（線３および４）は単電池Ａ（線１）と
ほぼ同等の電池性能を示すことがわかった。なかでも、
カーボン不織布を用いた単電池Ｄ（線４）が最も高い性
能を示すことが分かった。これらの結果より、本実施例
で採用した触媒層上に、カーボンインクを塗布してカー
ボン中間層を形成した後、このカーボン中間層中の分散
媒が完全に除去されない湿潤状態でガス拡散層を形成す
ることにより、ホットプレス工程を用いることなく、触
媒層とガス拡散層との接合不良のない燃料電池の製造方
法を提供することができることがわかる。

【００３９】《実施例４》まず、実施例１と同様の方法
で触媒インクを調製し、スクリーン印刷法によりこの触
媒インクを高分子電解質膜（デュポン社製のナフィオン
１１２）の両面に塗布し、乾燥させて２つの触媒層を形
成した。つぎに、混合する水の量を変えて固形分比を２
２重量％にした以外は実施例１と同様にしてカーボンイ
ンクＡを作製し、このカーボンインクＡをスクリーン印
刷法によりガス拡散層を構成するガス拡散基材であるカ
ーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−９０）上
に塗布し、カーボン中間層を形成した。カーボン中間層
を有するカーボンペーパーを２枚作製し、カーボン中間
層中の水（分散媒成分）が仕込量の９５％になるまで、
室温で乾燥させた。そして、先に作製した触媒層を形成
した高分子電解質膜を、この湿潤状態のカーボン層が形
成されたガス拡散基材で挟み込み、溶媒をすべて乾燥さ
せて、ＭＥＡ−Ｅを作製した。

【００４０】こうして得られたＭＥＡ−Ｅを用い、実施
例１と同じ方法で単電池Ｅを作製した（実施例４）。ま
た、同じ運転条件（空気の露点は７０℃）で電池性能を
調べた。その結果、電流密度が０．７Ａ／ｃｍ²のとき
の単電池Ｅの電池電圧は６７０ｍＶであり、単電池Ｅは
実施例１の単電池Ａ（６６５ｍＶ）とほぼ同等の性能を
示すことがわかった。また、実施例１と同様に、ＭＥＡ
−Ｅのカーボン中間層がガス拡散層へ貫入している部分
の厚みの割合Ｗを式（１）を用いて算出したところ、２
５％であった。さらに、ＭＥＡ−Ｅを何枚か作製して
も、いずれにおいても触媒層とガス拡散層との接合不良
は見られなかった。

【００４１】《参考例１〜９》さらに、割合Ｗが１〜８
０％の範囲になるＭＥＡを、カーボンインクの固形分比
および粘度などを適宜制御した他は実施例１と同様の方
法により作製し、さらに単電池を作製した（参考例１〜
９）。また、これら単電池の電池性能およびガス拡散層
のはがれ状態を調べた。表１に触媒層とガス拡散層の接
合具合、および実施例４と同じ運転条件での電流密度
０．７Ａ／ｃｍ²における電池特性を示した。表１にお
いて、×は１０個のＭＥＡのうち５つ以上の剥がれが発
生したことを示し、△は１０個のＭＥＡを作製して２〜
４つの剥がれが発生したことを示し、また、○は１０個
のＭＥＡを作製して１つ以下の剥がれが発生したことを
示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】これらの結果、割合Ｗが５〜７０％の範囲
の場合に剥がれがなく、かつ高い電池性能を示す燃料電
池を構成できることが明らかとなった。以上の実施例お
よび参考例においては特定の条件を用いたが、これら条
件は本発明の効果を損なわない範囲で適宜変更すること
ができる。例えば、カーボンインクの組成、固形分比お
よび分散媒などは本実施例で用いたものに限られない。
分散媒に関しては、有機溶媒または有機溶媒と水との混
合分散媒など、本発明が適応できるものであればよい。

【００４４】カーボン中間層の塗布方法も、スクリーン
印刷法に限られるものではなく、カーボンインクの組
成、固形分比および粘度などを調整することにより、ド
クターブレード塗工、スプレー塗工法、グラビア印刷法
およびダイ塗工法を用いてもよい。ガス拡散基材も本実
施例で用いた以外の厚みを有してもよく、本発明が適応
できるものであればよい。また、触媒層を高分子電解質
膜上に形成する方法に関しても、本実施例では直接高分
子膜にスクリーン印刷を用いて触媒層を形成したが、ポ
リプロピレンフィルムなどの上に触媒層をいったん形成
させた後、高分子電解質膜に熱転写させてもよい。さら
に、本実施例で使用した、例えば高分子電解質膜、白金
担持炭素粉末、高分子溶液（分散液）およびフッ素系樹
脂などに関しても、本発明の効果を損なわない範囲で適
宜選択することができる。

【００４５】《実施例５》まず、アスペクト比が８５７
のＰＡＮ系カーボン繊維（東レ（株）製のトレカＴ０１
０）、ＰＴＦＥ水分散液（ダイキン工業（株）製のＤ−
１）および界面活性剤（ＴｒｉｔｏｎＸ−１００）を超
音波分散機を用いて混合し、カーボンインクＢを作製し
た。このカーボンインクＢを、実施例１と同様の方法で
作製した触媒層を有する高分子電解質膜の両方の触媒層
上に、ダイ塗工法を用いて塗布し、乾燥してガス拡散層
を形成し、ＭＥＡ−Ｆを作製した。ここで、実施例５の
本発明に係る方法により得られる燃料電池における触媒
層とガス拡散層との界面の様子を示す概略断面図を図２
に示した。触媒層２の上面にガス拡散層５が形成されて
いる。ただし、図２においては、高分子電解質膜１の片
方の面の構造だけを示した。

【００４６】こうして得られたＭＥＡ−Ｆを用い、実施
例４と同じ方法で単電池Ｆを作製して、同じ運転条件
（空気の露点は７０℃）で電池性能を調べた。その結
果、単電池Ｆの電流密度０．７Ａ／ｃｍ²における電池
電圧は６６０ｍＶであり、単電池Ａおよび単電池Ｅとほ
ぼ同じ性能を示すことがわかった。また、ここで得られ
たガス拡散層のガス透過性を調べるため、カーボンペー
パー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−９０)上に、ダイ塗
工法を用いてカーボンインクＢを塗布してガス拡散層を
形成した。そして、ガス拡散層を形成したカーボンペー
パーのガス透過性を、カーボンペーパーのガス透過性を
除し、前記ガス拡散層のガス透過性を算出した。その結
果、ガス拡散層のガス透過性は１８００ｍｌ・ｍｍ／
（ｃｍ²・ｈｒ・ｍｍＡｑ）で、カーボンペーパーの１
７３０ｍｌ・ｍｍ／（ｃｍ²・ｈｒ・ｍｍＡｑ）と同等
の値となった。

【００４７】《参考例１０〜１４》つぎに、カーボン繊
維のアスペクト比を変えて実施例５と同様にしてカーボ
ンインク、ＭＥＡおよび単電池を作製し、電池性能を調
べた。炭素繊維としてはＰＡＮ系炭素繊維を用いた。表
２に、これらのカーボンインクの塗工性と電流密度０．
７Ａ／ｃｍ²における電池電圧を示した。

【００４８】

【表２】

【００４９】この結果、アスペクト比が小さい炭素繊維
を用いた場合には、ガス拡散の阻害によるものと思われ
る電池電圧の低下が起こった。また、アスペクト比が大
きい場合には、カーボン繊維によると考えられるスジや
ムラが発生した。よって、概ねアスペクト比が１００〜
１０００の範囲においてより高性能な燃料電池を構成で
きることがわかった。以上のことから、触媒層上にカー
ボン繊維を含むカーボンインクを塗布して、ガス拡散層
とすることにより、新たに別個独立したガス拡散層基材
を設置してホットプレスなどのような接合をする必要が
なく、燃料電池の製造工程数を大幅に削減することがで
きる。

【００５０】ここで、本実施例においては特定の条件を
用いたが、本発明の効果を損なわない範囲でこれらの条
件を適宜変更することができる。例えば、カーボン繊維
としてはアクリル繊維を原料とするＰＡＮ系炭素繊維を
使用したが、石油、ピッチもしくはナフタレン系ピッチ
を原料とするピッチ系炭素繊維、フェノール樹脂を原料
とする炭素繊維またはレーヨン系炭素繊維なども用いる
ことができる。また、本実施例では、触媒層上への塗布
を行ったが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）な
どの基材上に前記カーボンインクを塗布した後、これを
触媒層に転写してもよい。カーボンインクの組成、固形
分比、溶媒等に関しても本実施例に限るものではない。
分散媒に関しても、有機溶媒、または有機溶媒と水との
混合分散媒などを、本発明が適応できるものであればよ
い。カーボン層の塗布方法に関しても、ダイ塗工法に限
るものではなく、カーボンインクの組成、固形分比およ
び粘度などを調整することにより、ドクターブレード塗
工またはスプレー塗工法を用いることもできる。さら
に、本実施例で使用した、例えば高分子電解質膜、白金
担持炭素粉末、高分子溶液（分散液）およびフッ素系樹
脂などに関しても、本発明の効果を損なわない範囲で適
宜選択することができる。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る燃料電池の
製造方法は、触媒層上にカーボンインクを塗布した後、
湿潤状態でガス拡散層を形成するため、ホットプレスを
必要としない。また、触媒層とガス拡散層との間の密着
性が高まり、ガス拡散層の総厚みを減少させることによ
りフラッディング現象を回避することもできる。さら
に、触媒層上にカーボン繊維を含むカーボンインクを塗
布することにより、別個独立してガス拡散基材を必要と
せずに燃料電池を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る方法により得られる燃料電池にお
けるカーボン中間層とガス拡散層との界面の様子を示す
概略断面図である。

【図２】実施例５の本発明に係る方法により得られる燃
料電池における触媒層とガス拡散層との界面の様子を示
す概略断面図である。

【図３】単電池ＡおよびＢの電流密度−電池電圧特性を
示すグラフである。

【図４】単電池Ａ〜Ｄ電流密度−電池電圧特性を示す別
のグラフである。

【符号の説明】

１高分子電解質膜２触媒層３カーボン中間層４ガス拡散層（ガス拡散基材）５ガス拡散層

フロントページの続き (72)発明者森田純司大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者内田誠大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者古佐小慎也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者堀喜博大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者武部安男大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB08 CC06 DD06 EE05 EE18 5H026 AA06 BB04 CX03 EE05 EE19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜
を挟む第１の触媒層および第２の触媒層と、前記第１の
触媒層上に設けられた第１のガス拡散層と、前記第２の
触媒層上に設けられた第２のガス拡散層とを具備する燃
料電池の製造方法であって、前記ガス拡散層と前記触媒層との間に、少なくともカー
ボン粉末、フッ素樹脂および分散媒を含むカーボンイン
クを塗布してカーボン中間層を設ける工程を含む燃料電
池の製造方法。
【請求項２】（ａ）前記触媒層上に、少なくともカー
ボン粉末、フッ素樹脂および分散媒を含むカーボンイン
クを塗布してカーボン中間層を設ける工程、および
（ｂ）湿潤状態の前記カーボン中間層上に前記ガス拡散
層を配置する工程を含む請求項１記載の燃料電池の製造
方法。
【請求項３】（ａ’）前記ガス拡散層上に、少なくと
もカーボン粉末、フッ素樹脂および分散媒を含むカーボ
ンインクを塗布してカーボン中間層を形成する工程、お
よび（ｂ’）湿潤状態の前記カーボン中間層上に前記触
媒層を配置する工程を含む請求項１記載の燃料電池の製
造方法。
【請求項４】前記ガス拡散層が、カーボンペーパー、
カーボン繊維織布またはカーボン不織布である請求項１
〜３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜
を挟む第１の触媒層および第２の触媒層と、前記第１の
触媒層上に設けられた第１のガス拡散層と、前記第２の
触媒層上に設けられた第２のガス拡散層とを具備する燃
料電池であって、さらに前記ガス拡散層と前記触媒層と
の間に、少なくともカーボン粉末、フッ素樹脂および分
散媒を含むカーボンインクを塗布して設けられ、その一
部が前記ガス拡散層に貫入しているカーボン中間層を具
備する燃料電池。
【請求項６】高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜
を挟む第１の触媒層および第２の触媒層と、前記第１の
触媒層上に設けられた第１のガス拡散層と、前記第２の
触媒層上に設けられた第２のガス拡散層とを具備する燃
料電池の製造方法であって、前記触媒層上に、少なくともカーボン繊維を含むカーボ
ンインクを塗布してガス拡散層を形成する工程を含む燃
料電池の製造方法。
【請求項７】ガス拡散基材を実質上必要としない、請
求項６記載の製造方法により得られる燃料電池。