JP2013127919A - 燃料電池、燃料電池用電極および燃料電池用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス拡散層の炭素繊維が電解質膜に侵入せずに触媒層とガス拡散層との良好な接合性を実現することで、燃料電池の性能の低下を抑制できる燃料電池用電極を提供する。
【解決手段】燃料電池用電極は、触媒層と、触媒層に隣接していて撥水性と導電性とを有する撥水層と、を備える。撥水層は、貯蔵弾性率が５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であり、触媒層が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って触媒層に一部が浸入している。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池、燃料電池用電極および燃料電池用電極の製造方法に関する。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を一対の電極（アノードおよびカソード）で挟んで作製した膜電極接合体にガス拡散層を介してそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。アノードおよびカソードとガス拡散層との間には、撥水性を有する撥水層が設けられる場合がある。

燃料電池の発電効率を上げるために、膜電極接合体における触媒層とガス拡散層との接合性は良好であることが好ましい。そこで、触媒層を電解質膜に接する側の緻密な層とガス拡散層に接する疎な層との２層構造として、ガス拡散層を形成している炭素繊維のいくつかを突出させて触媒層の疎な層にめり込ませ、ガス拡散層と膜電極接合体の接合性を良好にしてハンドリングを向上させた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−３０３５９６号公報 特開２００３−２８２０７９号公報

上記燃料電池では、ガス拡散層から突出した炭素繊維が触媒層のみならず、触媒層を通過して電解質膜に侵入して電解質膜を損傷する場合があり、損傷された部分を起点とした電解質膜の劣化の促進や短絡による燃料電池の性能が低下するおそれがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の性能の低下を抑制できる技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池用電極であって、
触媒層と、
前記触媒層に隣接していて撥水性と導電性とを有する撥水層と、を備え、
前記撥水層は、貯蔵弾性率が５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であり、前記触媒層が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って前記触媒層に一部が浸入している、燃料電池用電極。

この燃料電池用電極では、触媒層と、撥水性と導電性とを有する撥水層と、を備え、撥水層の貯蔵弾性率が５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であり、触媒層が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って触媒層に撥水層の一部が浸入している。そのため、この燃料電池用電極では、触媒層と撥水層との接合性は良好であるので、触媒層と撥水層との境界に隙間ができずに耐久性が良く、燃料電池の性能の低下を抑制した燃料電池を提供することができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池用電極であって、
前記触媒層と前記撥水層とは、０．５ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の圧力、摂氏５０度以上１５０度以下の温度、３０秒以上１０分以下の時間の条件で圧着されている、燃料電池用電極。

この燃料電池用電極では、触媒層と撥水層とを０．５ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の圧力、摂氏５０度以上１５０度以下の温度、３０秒以上１０分以下の時間の条件で圧着している。そのため、この燃料電池用電極では、圧着の前後で面直方向に沿ったガス拡散層および撥水層の厚さの減少量は比較的小さいので、ガス拡散層に含まれている炭素繊維が電解質膜には侵入せずに損傷しないため、電解質膜の劣化や短絡による燃料電池の性能の低下を抑制することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池用電極であって、
前記撥水層の前記触媒層への浸入量は、前記面直方向に沿った前記触媒層の厚さの５パーセント以上２０パーセント以下である、燃料電池用電極。

この燃料電池用電極では、撥水層の触媒層に浸入量は、面直方向に沿った触媒層の厚さの５パーセント以上２０パーセント以下であるので、触媒層への撥水層の染み込み過ぎではなく、触媒層に含まれる触媒金属が効率よく分散するので、燃料電池の性能の低下を抑制できる。また、この燃料電池用電極では、撥水層が触媒層に適度に浸入するので、触媒層と撥水層との境界の隙間によるラジカルだまりの発生や膜電極接合体の変形がなく、燃料電池の性能の低下を抑制することができる。

［適用例４］燃料電池であって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池用電極とを含む発電体と、
前記発電体の両面に配置され、炭素繊維で形成されたガス拡散層と、を備え、
前記ガス拡散層から突出した炭素繊維は、前記撥水層まで侵入し、かつ、前記電解質膜には侵入していない、燃料電池。

この燃料電池では、電解質膜と電極とを含む発電体の両面に配置されると共に炭素繊維で形成されたガス拡散層から突出した炭素繊維は、撥水層まで侵入して、かつ、電解質膜には侵入していないので、電解質膜を損傷しないで炭素繊維と撥水層との接合性が良好で、燃料電池を作製する際のハンドリングを向上させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の検査方法および製造方法、燃料電池スタック、燃料電池スタックの検査方法および製造方法、燃料電池を備えた移動体、燃料電池を備えた移動体の検査方法および製造方法等の態様で実現することができる。

本発明の実施例における燃料電池１００の構成を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例における燃料電池１００の断面構成をより詳細に示す説明図である。 本発明の実施例における電極１６２、１６４の製造方法の流れを示すフローチャートである。 撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率と触媒層１１４、１１６への浸入量との関係を示す説明図である。 本発明の実施例における燃料電池１００の断面構成をより詳細に示す説明図である。 比較例における燃料電池１００の断面構成をより詳細に示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
Ａ−２．電極の製造方法：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池１００の構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、セパレータ１４０とカソード側ガス流路層１３２とカソード側ガス拡散層１２２とカソード側撥水層１５２と膜電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ）１１０とアノード側撥水層１５４とアノード側ガス拡散層１２４とアノード側ガス流路層１３４とから構成されたセルが複数積層されて締結されたスタック構造を有している。なお、撥水層は、ＭＰＬ（Micro Porous Layer）とも呼ばれている。

図１に示すように、ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の側に配置されたアノード触媒層１１６と、電解質膜１１２の他方の側に配置されたカソード触媒層１１４と、から構成されている。アノード触媒層１１６は電解質膜１１２と反対側でアノード側撥水層１５４と接していて、アノード側撥水層１５４はアノード触媒層１１６の反対側でアノード側ガス拡散層１２４と接している。アノード側ガス拡散層１２４とセパレータ１４０との間には、アノード側ガス流路層１３４が配置される。また、カソード触媒層１１４は電解質膜１１２と反対側でカソード側撥水層１５２と接していて、カソード側撥水層１５２はカソード触媒層１１４と反対側でカソード側ガス拡散層１２２と接している。カソード側ガス拡散層１２２とセパレータ１４０との間にはカソード側ガス流路層１３２が配置される。

アノード側電極１６４はアノード触媒層１１６とアノード側撥水層１５４とアノード側ガス拡散層１２４とで構成されており、カソード側電極１６２はカソード触媒層１１４とカソード側撥水層１５２とカソード側ガス拡散層１２２とで構成されている。なお、本明細書では、カソード側撥水層１５２およびアノード側撥水層１５４をまとめて撥水層とも呼び、カソード側電極１６２およびアノード側電極１６４をまとめて電極とも呼ぶ。また、アノード側ガス拡散層１２４およびカソード側ガス拡散層１２２をまとめてガス拡散層とも呼び、アノード触媒層１１６およびカソード触媒層１１４をまとめて触媒層とも呼ぶ。図１には、燃料電池１００の構成をわかりやすく示すために、１つのＭＥＡ１１０に対応する１つのセルのみを示し、他のセルの図示を省略している。

電解質膜１１２は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層１１４、１１６は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、触媒金属担持担体と電解質としてのアイオノマーとを含む材料により形成されている。触媒金属担持担体としては、担体（カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等）に、触媒金属（白金、パラジウム等）が担持されたものを用いることができる。アイオノマーとしては、パーフルオロスルホン酸樹脂材料（ナフィオン（登録商標））等を用いることができる。

ガス拡散層１２２、１２４は、電極反応に用いられる反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を面方向（燃料電池１００の積層方向（図１参照）に略直交する方向）に拡散させる層であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーのような複数の炭素繊維Ｃｆを樹脂で固めた拡散層基材により形成されている。撥水層１５２、１５４は、撥水性を得るために、拡散層用基材を撥水ペーストでコーティング（撥水処理）されたもので形成されている。撥水ペーストとしては、例えば、カーボン粉末と撥水性樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））等との混合溶液を使用している。

セパレータ１４０は、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。アノード側ガス流路層１３４およびカソード側ガス流路層１３２は、反応ガスを燃料電池１００の面方向に沿って流通させる反応ガス流路として機能する層であり、例えば、金属多孔体やカーボン多孔体などの導電性を有する多孔質材料により形成されている。

図１では図示を省略しているが、燃料電池１００は、いずれも燃料電池１００を積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、酸化ガス供給マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドと、を有している。燃料電池１００に対して供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを介して各セルのアノード側ガス流路層１３４に分配され、アノード側ガス拡散層１２４で拡散され、さらにＭＥＡ１１０のアノード側に供給されてＭＥＡ１１０における電気化学反応に利用される。反応に利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。また、燃料電池１００に対して供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを介して各セルのカソード側ガス流路層１３２に分配され、カソード側ガス拡散層１２２で拡散され、さらにＭＥＡ１１０のカソード側に供給されてＭＥＡ１１０おける電気化学反応に利用される。反応に利用されなかった酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。燃料ガスとしては、例えば水素ガスが用いられ、酸化ガスとしては、例えば空気が用いられる。

図２は、本発明の実施例における燃料電池１００の断面構成をより詳細に示す説明図である。図２には、図１におけるＸ１部を拡大して示している。図２に示すように、アノード触媒層１１６は多数の触媒金属担持担体およびアイオノマーの触媒層用粉体Ｐ１が堆積して構成され、アノード側撥水層１５４は撥水性部材を含む複合粉体Ｐ２で構成されている。なお、電解質膜１１２については、図１と同様にハッチングで表し、構成の図示を省略している。

図２に示すように、アノード側撥水層１５４は一部がアノード触媒層１１６に浸入している。アノード側撥水層１５４がアノード触媒層１１６の積層方向に沿って浸入している浸入層ＬＰには、アノード触媒層１１６を構成している触媒層用粉体Ｐ１とアノード側撥水層１５４を構成している複合粉体Ｐ２とが混在している。アノード触媒層１１６とアノード側撥水層１５４のように、境界面は、ミクロ的に見れば曲面であって、フラットではない。そのため、本実施例では、境界面として、面方向に沿った境界面の各位置における積層方向に沿った位置を平均して算出したフラットな面を境界面とみなしている。この場合、図２に示すように、アノード触媒層１１６は、電解質膜１１２と隣接する面からアノード触媒層境界面Ｂｐ１までであり、積層方向に沿った厚さがＴａである。また、アノード側撥水層１５４は、アノード側撥水層境界面Ｂｐ２までアノード触媒層１１６に浸入している。そのため、図２に示すように、アノード触媒層１１６の厚さＴａに対するアノード側撥水層１５４のアノード触媒層１１６への浸入量Ｉｒの比率（以下、「浸入比率Ｒｔ」と呼ぶ）は、Ｉｒ／Ｔａで表される。本実施例では、浸入比率Ｒｔは１０％である。なお、本実施例では、浸入比率Ｒｔが５％以上のときに、アノード側撥水層１５４がアノード触媒層１１６に浸入しているとみなす。

本実施例では、アノード側と同様にカソード側でも、カソード側撥水層１５２は一部がカソード触媒層１１４に浸入している。

Ａ−２．電極の製造方法：
図３は、本発明の実施例における電極１６２、１６４の製造方法の流れを示すフローチャートである。最初に、ＭＥＡ１１０を作製する（ステップＳ２００）。ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１２の一方の片面にアノード触媒層１１６の白金系の触媒ペーストを塗布し、電解質膜１１２のもう一方の片面にカソード触媒層１１４の白金系の触媒ペーストを塗布することで作製される。

次に、ガス拡散層１２２、１２４を形成する拡散層基材のカーボンペーパーの片面に、カーボン粉末とＰＴＦＥとの混合溶液を塗布して撥水層１５２、１５４を形成する（ステップＳ２１０）。このときに塗布する混合溶液の粘性等の性質によって、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率は変化する。例えば、カーボン粉末を少なくしてＰＴＦＥを多くした混合溶液を用いた場合では、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率の数値は低下する。

撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率が異なると、撥水層１５２、１５４の触媒層１１４、１１６への浸入量Ｉｒは異なる。具体的には、貯蔵弾性率が小さいときには浸入量Ｉｒは大きく、貯蔵弾性率が大きいときには浸入量Ｉｒは小さくなる。図４は、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率と触媒層１１４、１１６への浸入量との関係を示す説明図である。図４では、横軸に貯蔵弾性率を対数で表し、縦軸に触媒層１１４、１１６に浸入した撥水層１５２、１５４の浸入量Ｉｒ（図２）を表している。なお、本実施例では、触媒層１１４、１１６の積層方向に沿った厚さＴａは、５０μｍである。浸入量Ｉｒは、走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ（scanning electron microscope）」と呼ぶ）によって、断面観察により計測している。また、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率の測定には、Ｅ型粘度計を使用している。

図４に示すように、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率が５０００Ｐａから１００００Ｐａの範囲の場合に、浸入量Ｉｒは５μｍであり、浸入比率Ｒｔは１０％である。浸入比率Ｒｔが１０％のときに、触媒層１１４、１１６と撥水層１５２、１５４とは、接合性が良好であることを実験により確認した。なお、浸入比率Ｒｔが５％以上２０％以下の範囲で、触媒層１１４、１１６と撥水層１５２、１５４との接合性が良好であることを確認した。また、接合性を良好にするために、浸入比率Ｒｔは７％以上１５％以下が好ましく、浸入比率Ｒｔが９％以上１２％以下であるとさらに好ましい。

図４に示すように、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率が２０００Ｐａの場合には、浸入量Ｉｒは５０μｍであり、すなわち、触媒層１１４、１１６の全体に撥水層１５２、１５４の複合粉体Ｐ２が浸入している。カーボンの複合粉体Ｐ２（図２）は撥水性物質を含んでいるため、触媒層１１４、１１６の全体に撥水層１５２、１５４の複合粉体Ｐ２が浸入すると、触媒層１１４、１１６中のプロトンパスを切断してしまうため、燃料電池１００の性能の低下といった不具合を生じる場合がある。

また、図４に示すように、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率が１０００００Ｐａ以上の場合には、浸入量Ｉｒは０であり、すなわち、触媒層１１４、１１６に撥水層１５２、１５４の複合粉体Ｐ２が全く浸入していない。このとき、触媒層１１４、１１６と撥水層１５２、１５４との境界に隙間ができて、境界でのラジカルだまりの発生やＭＥＡ１１０の変形による燃料電池１００の耐久性の低下といった不具合を生じる場合がある。

次に、撥水層１５２、１５４およびガス拡散層１２２、１２４とＭＥＡ１１０とをホットプレス接合して（ステップＳ２２０）、燃料電池１００のセルを作製する。本実施例では、１ＭＰａ、１００℃、３分間の条件でホットプレス接合を行った。図５は、本発明の実施例における燃料電池１００の断面構成をより詳細に示す説明図である。図５には、図２におけるＸ２部を拡大して示している。本実施例では、ガス拡散層１２２、１２４を形成するカーボンペーパーの片面に撥水層１５２、１５４を作製している。カーボンペーパーには複数の炭素繊維Ｃｆが含まれており、図５に示すように、本実施例の燃料電池１００では、アノード側ガス拡散層１２４に含まれる炭素繊維Ｃｆがアノード側撥水層１５４に浸入して、さらにアノード側撥水層１５４から突出してアノード触媒層１１６まで侵入している場合がある。なお、本実施例では、炭素繊維Ｃｆは電解質膜１１２には侵入していない。

図６は、比較例における燃料電池１００の断面構成をより詳細に示す説明図である。比較例の燃料電池１００ａでは、５ＭＰａ、１００℃、３分間の条件でホットプレス接合を行っている。比較例の燃料電池１００ａでは、本実施例よりも高い圧力でホットプレス接合を行っているため、本実施例の燃料電池１００と比較して、アノード側ガス拡散層１２４およびアノード側撥水層１５４が積層方向に沿って厚さが小さくなる場合がある。このとき、アノード側ガス拡散層１２４に含まれる炭素繊維Ｃｆは電解質膜１１２まで侵入して、電解質膜１１２を損傷する場合がある。本実施例では、アノード側ガス拡散層１２４に含まれる炭素繊維Ｃｆが電解質膜１１２に浸入しないようにするために、ホットプレス接合の条件は、０．５ＭＰａ以上３ＭＰａ以下、５０℃以上１５０℃以下、３０秒以上１０分以下であることが好ましいことを実験により確認した。

以上説明したように、本実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、触媒層１１４、１１６と撥水性と導電性とを得た撥水層１５２、１５４とを備え、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率は５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であり、積層方向に沿って触媒層１１４、１１６に撥水層１５２、１５４が浸入層ＬＰの分だけ浸入している。そのため、本実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、触媒層１１４、１１６とは撥水層１５２、１５４との接合性は良好であるので、触媒層１１４、１１６と撥水層１５２、１５４との境界に隙間ができずに耐久性が良く、性能の低下を抑制した燃料電池１００を提供することができる。

また、本実施例の燃料電池１００では、ＭＥＡ１１０と撥水層１５２、１５４とを１ＭＰａ、１００℃、３分間の条件でホットプレス接合を行った。このとき、ホットプレス接合の前後でガス拡散層１２２、１２４および撥水層１５２、１５４の厚さの減少量は比較的小さいので、ガス拡散層１２２、１２４に含まれている炭素繊維Ｃｆは、撥水層１５２、１５４や触媒層１１４、１１６に侵入するが、電解質膜１１２には侵入しない。よって、本実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、ガス拡散層１２２、１２４から突出した炭素繊維Ｃｆが電解質膜１１２を損傷しないので、電解質膜１１２の損傷された部分を起点とした電解質膜１１２の劣化や短絡による燃料電池１００の性能の低下を抑制することができる。また、本実施例の燃料電池１００では、ガス拡散層１２２、１２４から突出した炭素繊維Ｃｆが触媒層１１４、１１６に侵入してめり込んでいるため、触媒層１１４、１１６と撥水層１５２、１５４との接合性が良好になり、作製する際のハンドリングを向上させることができる。

また、本実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、撥水層１５２、１５４の触媒層１１４、１１６への積層方向に沿った浸入比率Ｒｔは１０％であり、浸入比率Ｒｔは５％以上２０％以下である。そのため、本実施例の燃料電池１００では、触媒層１１４、１１６への撥水層１５２、１５４の染み込み過ぎではなく、触媒層１１４、１１６に含まれる触媒金属が効率よく分散するので、燃料電池１００の性能の低下を抑制できる。また、本実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、撥水層１５２、１５４が触媒層１１４、１１６に適度に浸入するので、触媒層１１４、１１６と撥水層１５２、１５４との接合性が良好で、境界の隙間によるラジカルだまりの発生やＭＥＡ１１０の変形がなく、燃料電池１００の性能の低下を抑制することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ．変形例１：
上記実施例の燃料電池１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、撥水層１５２、１５４が触媒層１１４、１１６に浸入している部分の浸入比率Ｒｔは、５％以上２０%以下であるが、そうでなくてもよい。例えば、浸入比率Ｒｔが２５％であっても、触媒層１１４、１１６への撥水層１５２、１５４の染み込みによって、燃料電池１００の性能の低下を抑制することができる。

上記実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、触媒層１１４、１１６の積層方向に沿った厚さＴａは５０μｍとしたが、そうでなくてもよい。５０μｍよりも薄くてもよいし、厚くてもよく、例えば、１０μｍであってもよいし、１００μｍであってもよい。また、カソード触媒層１１４とアノード触媒層１１６との積層方向に沿った浸入量Ｉｒが互いに異なる数値であってもよい。また、上記実施例の燃料電池１００では、カソード側撥水層１５２およびアノード側撥水層１５４を備えているが、これらの一方の撥水層１５２、１５４がない燃料電池１００の構成であってもよい。

上記実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、ガス拡散層１２２、１２４から突出した炭素繊維Ｃｆが撥水層１５２、１５４や触媒層１１４、１１６に侵入したが、そうでなくてもよい。例えば、上記実施例の燃料電池１００の製造工程において、ホットプレス接合の前に、撥水層１５２、１５４を設けたガス拡散層１２２、１２４が触媒層１１４、１１６に対向する面に対して突出した炭素繊維Ｃｆの破断処理の工程を設け、炭素繊維Ｃｆが触媒層１１４、１１６まで侵入しないようにしてもよい。この場合においても、撥水層１５２、１５４が浸入層ＬＰの分だけ触媒層１１４、１１６に浸入するので、触媒層１１４、１１６と撥水層１５２、１５４との接合性を良好にすることができる。

上記実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、触媒層１１４、１１６および撥水層１５２、１５４の境界面として、面方向に沿った境界面の各位置における積層方向に沿った位置を平均して算出したフラットな面を境界面とみなすとしたが、境界面の設定の仕方は種々変形可能である。例えば、境界面の設定において、ＳＥＭによって得られた図２に示すような画像における触媒層用粉体Ｐ１および複合粉体Ｐ２が最も浸入している位置をフラットな境界面とみなす、すなわち、浸入層ＬＰの積層方向に沿った厚さを浸入量Ｉｒとみなしてもよい。また、境界面のうち、得られた画像の所定の一点を通り、積層方向に直交する直線をフラットな境界面とみなしてもよい。また、境界面の複数の位置からランダムで取得した任意の位置の５点の平均値、または、中央値と任意の点（例えば、画像の境界面の端店）とを結んだ直線をフラットな境界面とみなしてもよい。また、触媒層１１４、１１６や撥水層１５２、１５４の材質（例えば、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率）によって、境界面の設定の仕方を適時変更してもよい。

上記実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４では、浸入比率Ｒｔが５％以上のときに撥水層１５２、１５４が触媒層１１４、１１６に浸入しているとみなしたが、そうでなくてもよい。触媒層１１４、１１６および撥水層１５２、１５４の境界面によって、侵入の有無の定義と浸入比率Ｒｔとの関係は適時変更してもよく、例えば、触媒層１１４、１１６や撥水層１５２、１５４の材質によって変更してもよい。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池１００の製造方法では、撥水層１５２、１５４を設けたガス拡散層１２２、１２４とＭＥＡ１１０とをホットプレス接合して、燃料電池１００のセルを作製しているが、そうでなくてもよい。例えば、本実施例では、ガス拡散層１２２、１２４にカーボン粉末とＰＴＦＥとの混合溶液を塗布したが、ガス拡散層１２２、１２４とは別に用意した拡散層用基材に混合溶液を塗布して撥水層１５２、１５４を作製した後、これをガス拡散層１２２、１２４と接合し、その後に、ＭＥＡ１１０とホットプレス接合を行ってもよい。また、ＭＥＡ１１０にカーボン粉末とＰＴＦＥとの混合溶液を塗布して撥水層１５２、１５４を形成した後に、ガス拡散層１２２、１２４をホットプレス接合して燃料電池１００の単位セルを作製してもよい。

上記実施例の燃料電池１００の製造方法では、ホットプレス接合の条件が０．５ＭＰａ以上３ＭＰａ以下、５０℃以上１５０℃以下、３０秒以上１０分以下であることしたが、そうでなくてもよい。例えば、ホットプレス接合の条件が、４ＭＰａ、１６０℃、１１分であってもよいし、０．４ＭＰａ、４５℃、２５秒であってもよい。この場合でも、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率が５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であり、撥水層１５２、１５４が触媒層１１４、１１６に浸入していれば、燃料電池１００の性能の低下を抑制することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池１００の電極１６２、１６４の浸入量Ｉｒの測定方法として、ＳＥＭを用いたが、それ以外の方法、例えば、光学顕微鏡によって断面観察を行って測定してもよい。また、撥水層１５２、１５４の貯蔵弾性率をＥ型粘度計によって測定したが、それ以外の方法、例えば、Ｂ型粘度計によって測定してもよい。

上述した実施形態、実施例および変形例における構成要素のうち、独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。

１００…燃料電池
１１０…ＭＥＡ
１１２…電解質膜
１１４…カソード触媒層（触媒層）
１１６…アノード触媒層（触媒層）
１２２…カソード側ガス拡散層（ガス拡散層）
１２４…アノード側ガス拡散層（ガス拡散層）
１３２…カソード側ガス流路層
１３４…アノード側ガス流路層
１４０…セパレータ
１５２…カソード側撥水層（撥水層）
１５４…アノード側撥水層（撥水層）
１６２…カソード側電極（電極）
１６４…アノード側電極（電極）
Ｐ１…触媒層用粉体
Ｐ２…複合粉体
ＬＰ…浸入層
Ｔａ…厚さ
Ｃｆ…炭素繊維
Ｉｒ…浸入量
Ｒｔ…浸入比率
Ｂｐ１…アノード触媒層境界面
Ｂｐ２…アノード側撥水層境界面

Claims (5)

1. 燃料電池用電極であって、
   触媒層と、
   前記触媒層に隣接していて撥水性と導電性とを有する撥水層と、を備え、
   前記撥水層は、貯蔵弾性率が５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であり、前記触媒層が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って前記触媒層に一部が浸入している、燃料電池用電極。
2. 請求項１に記載の燃料電池用電極であって、
   前記触媒層と前記撥水層とは、０．５ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の圧力、摂氏５０度以上１５０度以下の温度、３０秒以上１０分以下の時間の条件で圧着されている、燃料電池用電極。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用電極であって、
   前記撥水層の前記触媒層への浸入量は、前記面直方向に沿った前記触媒層の厚さの５パーセント以上２０パーセント以下である、燃料電池用電極。
4. 燃料電池であって、
   電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用電極とを含む発電体と、
   前記発電体の両面に配置され、炭素繊維で形成されたガス拡散層と、を備え、
   前記ガス拡散層から突出した炭素繊維は、前記撥水層まで侵入し、かつ、前記電解質膜には侵入していない、燃料電池。
5. 燃料電池用電極の製造方法であって、
   触媒層と、貯蔵弾性率が５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ以下であると共に撥水性と導電性とを有する撥水層と、を準備する工程と、
   前記触媒層と前記撥水層とを、前記触媒層が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って前記触媒層に前記撥水層の一部が浸入するように圧着する工程と、を備える、燃料電池用電極の製造方法。

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