JP3828507B2 - 燃料電池用電極 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正・負極間にイオン交換膜を配置し、負極の触媒に水素を接触させるとともに正極の触媒に酸素を接触させることにより発電する燃料電池用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の燃料電池を説明する説明図である。燃料電池１００は、負極層（水素極）１０１と正極層（酸素極）１０２との間にイオン交換膜１０３を配置し、負極層１０１に含む触媒に水素分子（Ｈ２）を接触させるとともに、正極層１０２に含む触媒に酸素分子（Ｏ２）を接触させることにより、電子ｅ−を矢印の如く流すことにより、電流を発生させるものである。電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とから生成水（Ｈ２Ｏ）を得る。
この燃料電池１０の負極層１０１、正極層１０２、イオン交換膜１０３を主要構成部材とする燃料電池用電極を次図で詳しく説明する。
【０００３】
図１１は従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図である。
燃料電池用電極は、一対の拡散層１０４，１０５の内側にそれぞれバインダー層１０６及びバインダー層１０７を備え、これらバインダー層１０６及びバインダー層１０７の内側にそれぞれ負極層１０１及び正極層１０２を備え、これら負極層１０１及び正極層１０２の間にイオン交換膜１０３を備える。
【０００４】
この燃料電池用電極を製造する際には、先ず拡散層１０４にバインダー層１０６用の溶液を塗布するとともに、拡散層１０５にバインダー層１０７用の溶液を塗布し、塗布したバインダー層１０６，１０７を焼成することによりバインダー層１０６，１０７を固化する。
【０００５】
次に、固化したバインダー層１０６に負極層１０１の溶液を塗布するとともに、固化したバインダー層１０７に正極層１０２の溶液を塗布し、塗布した負・正極層１０１，１０２を乾燥することにより負・正極層１０１，１０２を固化する。
次いで、固化した負極層１０１にシート状のイオン交換膜１０３を載せ、続いてイオン交換膜１０３に正極層１０２が固化された拡散層１０５を載せて７層の多層構造を形成する。
次に、この多層構造を矢印の如く加熱圧着することにより電極構造を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、燃料電池用電極はイオン交換膜１０３としてシートを使用しており、加えてバインダー層１０６、負極層１０１、正極層１０２、バインダー層１０７のそれぞれの層を固化した状態で加熱圧着するので、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生する虞がある。
燃料電池用電極の各層に密着不良部分が発生すると、電流を効率よく発生することが難しくなり、製造ラインの検査の段階において、これらの燃料電池用電極が廃棄処分や修復処分になり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００７】
さらに、燃料電池用電極のイオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、燃料電池用電極を加熱圧着の際に、イオン交換膜１０３を加熱状態で加圧することになり、イオン交換膜１０３の性能が低下する虞がある。これにより、検査の段階で廃棄処分や修復処分の対象となる部品が一層多くなり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００８】
加えて、イオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、イオン交換膜１０３の取扱い性を考慮するとイオン交換膜１０３をある程度厚くする必要がある。このため、燃料電池用電極を薄くすることが難しく、そのことが燃料電池用電極の小型化を図る妨げになる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができ、さらにイオン交換膜の性能低下を防ぐことができ、加えてイオン交換膜を薄くすることができる燃料電池用電極を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、それぞれの層間に密着不良部分が発生するのは、先の塗膜が固化した後に、次の溶液を塗布して、この溶液が先の塗膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
そこで、先の塗膜が乾かないうちに、次の溶液を重ねたところ、溶液が先の塗膜に滲み込み、密着性が著しく高まることが分かった。
同様に、シート状のイオン交換膜に溶液を塗布した場合にも、溶液がシート状のイオン交換膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
【００１１】
そこで、請求項１は、燃料電池を構成する正・負いずれか一方の電極用の溶液に、白金又は白金−ルテニウムを担持させた炭素を含有させたものを塗布して一方の電極層を形成し、一方の電極層が未乾燥のうちに、この電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成し、イオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に正・負いずれか他方の電極用の溶液を塗布して他方の電極層を形成し、一対の電極層及びイオン交換膜を乾燥することにより固化した燃料電池用電極において、前記一方の電極層を、前記イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、且つ、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層を塗布する際の噴霧圧を第１層を塗布する際の噴霧圧より高くし、または第２層の炭素の粒径を第１層の炭素の粒径より小さくすることで、前記第２層を第１層より小さな気孔率に設定したことを特徴とする。
【００１２】
【数２】
【００１３】
イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。
これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
【００１４】
ここで、イオン交換膜にシートを使用した場合、シート状イオン交換膜の取扱い性を好適に保つためにはイオン交換膜をある程度厚くする必要がある。このため、燃料電池用電極を薄くすることが難しく、そのことが燃料電池用電極の小型化を図る妨げになる。
【００１５】
そこで、請求項１においてイオン交換膜を溶液とし、イオン交換膜を溶液の状態で取り扱うことができるようにした。イオン交換膜を溶液とすることで、取扱いの際にイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。
このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができる。
【００１６】
ところで、燃料電池を使用して電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とが反応して燃料電池内に生成水（Ｈ２Ｏ）を生成する。この生成水は側拡散層（カーボンペーパー）を透過させて燃料電池の外部に排出する。しかし、未乾燥の電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布すると、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透して、浸透した溶液で電極層の空隙が減少してしまう虞がある。
【００１７】
このため、燃料電池用電極を製造する際に、電極層をイオン交換膜の下方に配置すると、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少してしまい、発電により生成した生成水を、拡散層から燃料電池の外部に効率よく排出できないことが懸念される。
【００１８】
生成水を効率よく排出することができないと、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられるので、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
なお、「濃度過電圧」とは、電極における反応物質及び反応生成物の補給及び除去の速度が遅く、電極の反応が妨害されるときに現れる電圧低下をいう。すなわち、濃度過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
【００１９】
そこで、請求項１において、一方の電極層を、イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、第２層の気孔率を第１層より小さく設定した。第２層の気孔率を小さくすることで、第２層にイオン交換膜の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制できる。
このように、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少することを防止できる。
【００２０】
また、請求項１において、前記一対の電極層及び前記イオン交換膜を乾燥する際に、一対の電極層及びイオン交換膜に荷重をかけない状態を保ち、前記第２層の気孔率を７０〜７５％とし、前記第１層の気孔率を７６〜８５％としたことを特徴とする。
第２層の気孔率を７０〜７５％とした理由は以下の通りである。
第２層の気孔率を７０％未満とすると、気孔率が小さくなりすぎて、イオン交換膜の溶液を第２層に適正量浸透させることができない虞がある。よって、イオン交換膜と第２層との密着性を良好に保つことが難しく、反応の有効面積を確保することができない虞がある。このため、活性化過電圧が高くなり、電流を効率よく発生することができない虞がある。
【００２１】
そこで、第２層の気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜と第２層との密着性を良好に保つようにした。
なお、「活性化過電圧」とは、電極における反応が活性化エネルギーを必要とするために、この活性化エネルギーを補うために現れる電圧低下をいう。すなわち、活性化過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
【００２２】
一方、第２層の気孔率が７５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて、イオン交換膜の溶液を第２層に過大に浸透してしまう虞がある。よって、一方の電極層の気孔がイオン交換膜の溶液で減少してしまい、発電により生成した生成水を、一方の電極層の気孔を通して好適に排出することができない。このため、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられて、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
そこで、第２層の気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水することができるようにした。
【００２３】
さらに、第１層の気孔率を７６〜８５％とした理由は以下の通りである。
第１層の気孔率を７６％未満とすると、気孔率が小さすぎて生成水を効率よく排水することが難しい。このため、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられて、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
そこで、第１層の気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水することができるようにした。
【００２４】
一方、第１層の気孔率が８５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて生成水の保水性が低下し、第１層が乾燥してしまい、イオンの伝導を阻害する虞がある。このため、抵抗過電圧が高くなり電流を効率よく発生することができない虞がある。
そこで、第１層の気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑えて電流を効率よく発生することができるようにした。
なお、「抵抗過電圧」とは、電極内の電気抵抗に比例して生じる電圧低下をいう。すなわち、抵抗過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
また、請求項２は、前記一方の電極用の溶液を拡散層上に塗布することにより、この拡散層上に、前記一方の電極用の溶液、前記イオン交換膜用の溶液、及び前記他方の電極用の溶液を順次塗布するようにしたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池ユニット１０は複数（２個）の燃料電池１１，１１で構成したものである。燃料電池１１は、燃料電池用電極１２を構成するシート状の負極側拡散層１３の外側に負極側流路基板３１を配置し、燃料電池用電極１２を構成するシート状の正極側拡散層１４の外側に正極側流路基板３４を配置したものである。
【００２６】
負極側拡散層１３に負極側流路基板３１を積層することで、負極側流路基板３１の流路溝３１ａを負極側拡散層１３で覆うことにより、水素ガス流路３２を形成する。また、正極側拡散層１４に正極側流路基板３４を積層することで、正極側流路基板３４の流路溝３４ａを正極側拡散層１４で覆うことにより、酸素ガス流路３５を形成する。
【００２７】
燃料電池用電極１２は、正極側拡散層１４及び負極側拡散層１３の内側にそれぞれバインダーを介して一方の電極層としての正極層１８及び他方の電極層としての負極層１７を備え、これら正極層１８及び負極層１７の間にイオン交換膜１９を備える。
このように、構成した燃料電池１１をセパレータ３６を介して複数個（図１では２個のみを示す）備えることで、燃料電池ユニット１０を構成する。
なお、燃料電池用電極１２については図２で詳しく説明する。
【００２８】
燃料電池ユニット１０によれば、水素ガス流路３２に水素ガスを供給することで、負極層１７に含む触媒に水素分子（Ｈ２）を吸着させるとともに、酸素ガス流路３５に酸素ガスを供給することで、正極層１８に含む触媒に酸素分子（Ｏ２）を吸着させる。これにより、電子（ｅ−）を矢印の如く流して電流を発生させることができる。
なお、電流を発生させる際には、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とから生成水（Ｈ２Ｏ）が発生する。
【００２９】
図２は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を示す説明図である。
燃料電池用電極１２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれ負極層１７及び正極層１８を備え、これら負極層１７及び正極層１８の間にイオン交換膜１９を備える。
負極側拡散層１３は、負極側のカーボンペーパー１３ａ及び負極側のバインダー層１５ａからなるシート材（シート）である。
また、正極側拡散層１４は、正極側のカーボンペーパー１４ａ及び正極側のバインダー層１６ａからなるシート材（シート）である。
【００３０】
負極側のバインダー層１５ａを構成するバインダーは、カーボンフッ素樹脂である。また、正極側のバインダー層１６ａを構成するバインダーは、撥水性を備えたカーボンポリマーであり、カーボンポリマーはポリテトラフルオロエチレンの骨格にスルホン酸を導入したものが該当する。
【００３１】
負極層１７は、負極用の溶液に触媒２１を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。負極層１７の触媒２１は、炭素２２の表面に触媒として白金−ルテニウム２３を担持したものであり、白金−ルテニウム２３に水素分子（Ｈ２）を吸着させるものである。
【００３２】
正極層１８は、イオン交換膜１９から離れた面側（すなわち、正極側拡散層１４に接触する面側）の第１層１８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層１８ｂとの二層に分け、且つ、気孔率が下記の▲１▼式で定義されるときに、第２層１８ｂは、第１層１８ａより小さな気孔率にしたものである。
【００３３】
【数３】
【００３４】
但し、真比重とは、内部に空隙や気孔を持たない状態の材料の比重をいう。また、嵩比重とは、空隙や気孔を包含する材料について一様な密度分布をなすものとみなした場合の比重をいう。
【００３５】
第１層１８ａは、第１層１８ａ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第１層１８ａの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。
【００３６】
また、第２層１８ｂは、第１層１８ａと同様に、第２層１８ｂ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第２層１８ｂの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。
【００３７】
この第２層１８ｂは、第１層１８ａの触媒２４と比較して、触媒２４・・・を、密に配置することで、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さくしたものである。具体的には、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００３８】
ここで、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％と設定した理由について説明する。
第２層１８ｂの気孔率を７０％未満とすると、気孔率が小さくなりすぎて、イオン交換膜１９の溶液を第２層１８ｂに適正量浸透させることができない虞がある。よって、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つことが難しい。
そこで、第２層１８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つようにした。
【００３９】
一方、第２層１８ｂの気孔率が７５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて、イオン交換膜１９の溶液を第２層１８ｂに過大に浸透してしまう虞がある。よって、正極層１８の気孔（空隙部）がイオン交換膜１９の溶液で減少してしまい、発電により生成した生成水を、正極層１８の気孔（空隙部）を通して好適に排出することができない。
そこで、第２層１８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できるようにした。
【００４０】
次に、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％と設定した理由について説明する。
第１層１８ａの気孔率を７６％未満とすると、気孔率（空隙部）が小さすぎて生成水を効率よく排水することが難しい。
そこで、第１層１８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水することができるようにした。
【００４１】
一方、第１層１８ａの気孔率が８５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて生成水の保水性が低下し、第１層１８ａが乾燥してしまい、イオンの伝導を阻害する虞がある。このため、抵抗過電圧が高くなり電流を効率よく発生することができない虞がある。
そこで、第１層１８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生するようにした。
【００４２】
イオン交換膜１９は、正極層１８（詳しくは、第２層１８ｂ）及び負極層１７間に溶液の状態で塗布した後、負極層１７及び正極層１８とともに一緒に乾燥することにより負極層１７及び正極層１８と一体に固化したものである。
【００４３】
次に、燃料電池用電極１２の製造方法を図３〜図５に基づいて説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の正極側拡散層１４を配置する。すなわち、正極側拡散層１４のカーボンペーパー１４ａをセットした後、このカーボンペーパー１４ａ上にバインダー層１６ａ用の溶液を塗布する。
【００４４】
（ｂ）において、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａの上方でスプレー５１を矢印▲１▼の如く移動して、バインダー層１６ａ上に正極層１８のうちの第１層１８ａ用の溶液を噴射口５２から塗布する。これにより、バインダー層１６ａに第１層１８ａを形成する。
ここで、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００４５】
【数４】
【００４６】
第１層１８ａが未乾燥のうちに、第１層１８ａの上方でスプレー５１を継続的に矢印▲１▼の如く移動して、第１層１８ａ上に正極層１８のうちの第２層１８ｂ用の溶液を噴射口５２から塗布する。これにより、第１層１８ａに第２層１８ｂを形成する。
第２層１８ｂの溶液として第１層１８ａの溶液と同じものを使用し、第２層１８ｂ用の溶液の噴霧圧を、第１層１８ａ用の溶液の噴霧圧より高く設定した。
具体的には、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とした。
【００４７】
【数５】
【００４８】
なお、第１実施形態では、第１層１８ａの溶液及び第２層１８ｂの溶液をそれぞれ同じスプレー５１で噴霧状に塗布した例について説明したが、これに限らないで、第１層１８ａの溶液と第２層１８ｂの溶液とをそれぞれ個別のスプレーを用いて塗布することも可能である。
【００４９】
（ｃ）において、第２層１８ｂ用の溶液の噴霧圧を、第１層１８ａ用の溶液の噴霧圧より高く設定することで、第２層１８ｂの触媒２４を第１層１８ａの触媒２４より密に配置することができる。
これにより、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層１８ｂを第１層１８ａより小さな気孔率に形成することができる。
【００５０】
【数６】
【００５１】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、正極層１８を構成する第２層１８ｂが未乾燥のうちに、第２層１８ｂの上方でコーター５４を矢印▲２▼の如く移動して、第２層１８ｂ上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
【００５２】
ここで、正極層１８を、イオン交換膜１９から離れた面側の第１層１８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層１８ｂとの二層に分け、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とし、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さく設定した。
【００５３】
第２層１８ｂの気孔率を小さくすることで、第２層１８ｂにイオン交換膜１９の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜１９用の溶液が第２層１８ｂに浸透することを抑制できる。
これにより、イオン交換膜１９用の溶液で正極層１８の気孔（空隙部）が減少することを防止できる。
【００５４】
ここで、第２層１８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つことができ、第２層１８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できる気孔（空隙部）確保するようにした。
また、第１層１８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水する気孔（空隙部）を確保するようにし、第１層１８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生できるようにした。
【００５５】
（ｂ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９の上方でスプレー５６を矢印▲３▼の如く移動して、イオン交換膜１９上に負極層１７用の溶液を噴射口５７から塗布する。これにより、イオン交換膜１９に負極層１７を形成する。
【００５６】
図５（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図である。
（ａ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７上に、負極側拡散層１３（図２参照）を構成するバインダー層１５ａの溶液を塗布する。
（ｂ）において、バインダー層１５ａに負極側のカーボンペーパー１３ａを載せることにより、バインダー層１５ａ及びカーボンペーパー１３ａでシート状の負極側拡散層１３を形成する。
【００５７】
次に、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａに荷重をかけないで、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを一緒に乾燥する。
【００５８】
（ｃ）において、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化することで、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化した状態で一体に積層する。
これにより、燃料電池用電極１２の製造工程が完了する。
【００５９】
このように、燃料電池用電極１２の製造方法によれば、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【００６０】
よって、バインダー層１６ａと正極層１８（第１層１８ａ、第２層１８ｂ）との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。また、正極層１８とイオン交換膜１９との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。さらに、イオン交換膜１９と負極層１７との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
加えて、負極層１７とバインダー層１５ａとの間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
これにより、燃料電池用電極１２における反応効率を良好に保つことができる。
【００６１】
加えて、イオン交換膜１９を溶液とすることで、イオン交換膜１９を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜１９の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜１９を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極１２を薄くすることができる。
【００６２】
次に、燃料電池用電極の第２実施形態を図６〜図９に基づいて説明する。なお、第２実施形態の燃料電池用電極において、第１実施形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。
【００６３】
図６は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）を示す説明図である。
燃料電池用電極６２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれ負極層１７（他方の電極層）及び正極層６８（一方の電極層）を備え、これら負極層１７及び正極層６８の間にイオン交換膜１９を備える。
すなわち、第２実施形態の燃料電池用電極６２は、第１実施形態の燃料電池用電極１２と比較して正極層６８が異なるだけでその他の構成は第１実施形態と同様である。以下、正極層６８について詳しく説明する。
【００６４】
正極層６８は、イオン交換膜１９から離れた面側（すなわち、正極側拡散層１４に接触する面側）の第１層６８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層６８ｂとの二層に分け、且つ、気孔率が下記の▲１▼式で定義されるときに、第２層６８ｂは、第１層６８ａより小さな気孔率にしたものである。
【００６５】
【数７】
【００６６】
第１層６８ａは、第１実施形態の第１層１８ａと同様に、第１層６８ａ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第１層６８ａの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。この炭素２５の粒径はＤ１である。
【００６７】
また、第２層６８ｂは、第２層６８ｂ用の溶液に触媒６４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第２層６８ｂの触媒６４は、炭素６４の表面に触媒として白金６５を担持したものであり、白金６５に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。
この炭素６４の粒径はＤ２であり、炭素６４の粒径Ｄ２は、第１層６８ａを構成する炭素２５の粒径Ｄ１と比較して小径に形成されている。
【００６８】
この第２層６８ｂを構成する炭素６４の粒径Ｄ２を、第１層６８ａを構成する炭素２５の粒径Ｄ１より小さく設定することにより、第１層６８ａを構成する炭素２５と比較して、第２層６８ｂを構成する炭素６４を密に配置することができる。
【００６９】
これにより、第２層６８ｂの気孔率を第１層６８ａより小さくすることができる。具体的には、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
なお、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした理由は、第１実施形態で第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした理由と同じであり、その説明を省略する。
【００７０】
次に、燃料電池用電極６２の製造方法を図７〜図９に基づいて説明する。
図７（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の正極側拡散層１４を配置する。すなわち、正極側拡散層１４のカーボンペーパー１４ａをセットした後、このカーボンペーパー１４ａ上にバインダー層１６ａ用の溶液を塗布する。
【００７１】
（ｂ）において、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａの上方でスプレー７１を矢印▲４▼の如く移動して、バインダー層１６ａ上に正極層６８のうちの第１層６８ａ用の溶液を噴射口７２から塗布する。これにより、バインダー層１６ａに第１層６８ａを形成する。
ここで、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００７２】
【数８】
【００７３】
（ｃ）において、第１層６８ａが未乾燥のうちに、第１層６８ａの上方でスプレー７３を継続的に矢印▲５▼の如く移動して、第１層６８ａ上に正極層６８のうちの第２層６８ｂ用の溶液を噴射口７４から塗布する。これにより、第１層６８ａに第２層６８ｂを形成する。
ここで、第２層６８ｂの溶液は、炭素６４の粒径Ｄ２を、第１層６８ａの炭素２５の粒径Ｄ１より小さく設定することで、第１層６８ａの溶液を構成する炭素２５と比較して、第２層６８ｂを構成する炭素６４を密に配置することができる。
【００７４】
これにより、第２層６８ｂの気孔率を第１層６８ａより小さくすることができる。具体的には、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とした。
【００７５】
【数９】
【００７６】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、図７で説明したように第２層６８ｂの溶液を、炭素６４の粒径Ｄ２が、第１層６８ａの炭素２５の粒径Ｄ１より小さくし、第１層６８ａの溶液中の炭素２５と比較して、第２層６８ｂの溶液中の炭素６４を密に配置することで、第２層６８ｂの触媒６３を第１層６８ａの触媒２４より密に配置することができる。
これにより、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層６８ｂを第１層６８ａより小さな気孔率に形成することができる。
【００７７】
【数１０】
【００７８】
（ｂ）において、正極層６８を構成する第２層６８ｂが未乾燥のうちに、第２層６８ｂの上方でコーター７６を矢印▲６▼の如く移動して、第２層６８ｂ上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
【００７９】
ここで、正極層６８を、イオン交換膜１９から離れた面側の第１層６８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層６８ｂとの二層に分け、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とし、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さく設定した。
【００８０】
第２層６８ｂの気孔率を小さくすることで、第２層６８ｂにイオン交換膜１９の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜１９用の溶液が第２層６８ｂに浸透することを抑制できる。
これにより、イオン交換膜１９用の溶液で正極層６８の気孔（空隙部）が減少することを防止できる。
【００８１】
ここで、第２層６８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層６８ｂとの密着性を良好に保つことができ、第２層６８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できる気孔（空隙部）確保するようにした。
また、第１層６８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水する気孔（空隙部）を確保するようにし、第１層６８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生できるようにした。
【００８２】
（ｃ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９の上方でスプレー７７を矢印▲７▼の如く移動して、イオン交換膜１９上に負極層１７用の溶液を噴射口７８から塗布する。これにより、イオン交換膜１９に負極層１７を形成する。
【００８３】
図９（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図である。
（ａ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７上に、負極側拡散層１３（図６参照）を構成するバインダー層１５ａの溶液を塗布する。
（ｂ）において、バインダー層１５ａに負極側のカーボンペーパー１３ａを載せることにより、バインダー層１５ａ及びカーボンペーパー１３ａでシート状の負極側拡散層１３を形成する。
【００８４】
次に、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａに荷重をかけないで、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを一緒に乾燥する。
【００８５】
（ｃ）において、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化することで、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化した状態で一体に積層する。
これにより、燃料電池用電極１２の製造工程が完了する。
【００８６】
このように、燃料電池用電極１２の製造方法によれば、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【００８７】
よって、バインダー層１６ａと正極層６８（第１層６８ａ、第２層６８ｂ）との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。また、正極層６８とイオン交換膜１９との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。さらに、イオン交換膜１９と負極層１７との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
加えて、負極層１７とバインダー層１５ａとの間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
これにより、燃料電池用電極１２における反応効率を良好に保つことができる。
【００８８】
加えて、イオン交換膜１９を溶液とすることで、イオン交換膜１９を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜１９の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜１９を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極１２を薄くすることができる。
【００８９】
なお、前記第１実施形態及び第２実施形態では、正極層１８，６８を下方に配置するとともに負極層１７を上方に配置した例について説明したが、負極層を前記実施形態の正極層１８，６８と同様に二層に分けて下方に配置することも可能である。
すなわち、負極層を前記実施形態の正極層１８，６８と同様に第１層および第２層の二層に分け、第２層を第１層より小さな気孔率に設定し、正極層を実施形態の負極層１７と同様の層にし、負極層を下方に配置するとともに正極層を上方に配置しても同様の効果を得る。
【００９０】
また、前記第１実施形態では、正極層１８の第１、第２層１８ａ，１８ｂをスプレーで塗布し、前記第２実施形態では、正極層６８の第１、第２層６８ａ，６８ｂをスプレーで塗布した例について説明したが、各層はスプレーに限らないで、インクジェット方式を採用して塗布することも可能である。要は、各層用の溶液を噴霧状に塗布できればよい。
【００９１】
ここで、スプレー及びインクジェットは溶液を噴霧状に塗布する点で同じである。スプレーは噴霧範囲が比較的広く塗布時間を短くできるが、未塗布部分を確保するためにマスキング処理が必要になる。一般に、マスキング処理部に付着した溶液は回収が難しい。
【００９２】
一方、インクジェットは塗布範囲を正確に絞り込むことができるので、未塗布部分にマスキング処理を施す必要がなく、溶液を有効に使用することができる。但し、インクジェットは、塗布範囲が狭いのでスプレーと比較して塗布スピードが劣る。
【００９３】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
この結果、燃料電池用電極の品質を安定させることができるので、生産性を高めることができる。
【００９４】
加えて、イオン交換膜を溶液とすることで、イオン交換膜を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができるので、燃料電池用電極の小型化を図ることができる。
【００９５】
また、一方の電極層を、イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、第２層の気孔率を第１層より小さく設定した。第２層の気孔率を小さくすることで、第２層にイオン交換膜の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制できる。
【００９６】
このように、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少することを防止できる。
従って、発電により生成した生成水を、電極層の空隙から拡散層まで導いて拡散層の空隙から好適に排出することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【００９７】
また、請求項１は、第２層の気孔率が７０〜７５％となるように設定した。第２層の気孔率を７０％以上に設定することで、イオン交換膜と第２層との密着性を良好に保つことができる。
一方、第２層の気孔率を７５％以下に設定することで、生成水を好適に排水することができる。
【００９８】
さらに、請求項１は、第１層の気孔率が７６〜８５％となるように設定した。第１層の気孔率を７６％以上に設定することで生成水を好適に排水することができる。
一方、第１層の気孔率を８５％以下に設定することで、抵抗過電圧を抑えて電流を効率よく発生することができる。
また、請求項２は、一方の電極用の溶液を拡散層上に塗布することにより、この拡散層上に、一方の電極用の溶液、イオン交換膜用の溶液、及び他方の電極用の溶液を順次塗布するようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図
【図２】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を示す説明図
【図３】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図
【図４】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図
【図５】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図
【図６】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）を示す説明図
【図７】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図
【図８】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図
【図９】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図
【図１０】従来の燃料電池を説明する説明図
【図１１】従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図
【符号の説明】
１１…燃料電池、１２…燃料電池用電極、１３…負極側拡散層（シート）、１４…正極側拡散層、１７…負極層（他方の電極層）、１８，６８…正極層（一方の電極層）、１８ａ，６８ａ…第１層、１８ｂ，６８ｂ…第２層、１９…イオン交換膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、正・負極間にイオン交換膜を配置し、負極の触媒に水素を接触させるとともに正極の触媒に酸素を接触させることにより発電する燃料電池用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の燃料電池を説明する説明図である。燃料電池１００は、負極層（水素極）１０１と正極層（酸素極）１０２との間にイオン交換膜１０３を配置し、負極層１０１に含む触媒に水素分子（Ｈ２）を接触させるとともに、正極層１０２に含む触媒に酸素分子（Ｏ２）を接触させることにより、電子ｅ−を矢印の如く流すことにより、電流を発生させるものである。電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とから生成水（Ｈ２Ｏ）を得る。
この燃料電池１０の負極層１０１、正極層１０２、イオン交換膜１０３を主要構成部材とする燃料電池用電極を次図で詳しく説明する。
【０００３】
図１１は従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図である。
燃料電池用電極は、一対の拡散層１０４，１０５の内側にそれぞれバインダー層１０６及びバインダー層１０７を備え、これらバインダー層１０６及びバインダー層１０７の内側にそれぞれ負極層１０１及び正極層１０２を備え、これら負極層１０１及び正極層１０２の間にイオン交換膜１０３を備える。
【０００４】
この燃料電池用電極を製造する際には、先ず拡散層１０４にバインダー層１０６用の溶液を塗布するとともに、拡散層１０５にバインダー層１０７用の溶液を塗布し、塗布したバインダー層１０６，１０７を焼成することによりバインダー層１０６，１０７を固化する。
【０００５】
次に、固化したバインダー層１０６に負極層１０１の溶液を塗布するとともに、固化したバインダー層１０７に正極層１０２の溶液を塗布し、塗布した負・正極層１０１，１０２を乾燥することにより負・正極層１０１，１０２を固化する。
次いで、固化した負極層１０１にシート状のイオン交換膜１０３を載せ、続いてイオン交換膜１０３に正極層１０２が固化された拡散層１０５を載せて７層の多層構造を形成する。
次に、この多層構造を矢印の如く加熱圧着することにより電極構造を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、燃料電池用電極はイオン交換膜１０３としてシートを使用しており、加えてバインダー層１０６、負極層１０１、正極層１０２、バインダー層１０７のそれぞれの層を固化した状態で加熱圧着するので、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生する虞がある。
燃料電池用電極の各層に密着不良部分が発生すると、電流を効率よく発生することが難しくなり、製造ラインの検査の段階において、これらの燃料電池用電極が廃棄処分や修復処分になり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００７】
さらに、燃料電池用電極のイオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、燃料電池用電極を加熱圧着の際に、イオン交換膜１０３を加熱状態で加圧することになり、イオン交換膜１０３の性能が低下する虞がある。これにより、検査の段階で廃棄処分や修復処分の対象となる部品が一層多くなり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００８】
加えて、イオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、イオン交換膜１０３の取扱い性を考慮するとイオン交換膜１０３をある程度厚くする必要がある。このため、燃料電池用電極を薄くすることが難しく、そのことが燃料電池用電極の小型化を図る妨げになる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができ、さらにイオン交換膜の性能低下を防ぐことができ、加えてイオン交換膜を薄くすることができる燃料電池用電極を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、それぞれの層間に密着不良部分が発生するのは、先の塗膜が固化した後に、次の溶液を塗布して、この溶液が先の塗膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
そこで、先の塗膜が乾かないうちに、次の溶液を重ねたところ、溶液が先の塗膜に滲み込み、密着性が著しく高まることが分かった。
同様に、シート状のイオン交換膜に溶液を塗布した場合にも、溶液がシート状のイオン交換膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
【００１１】
そこで、請求項１は、燃料電池を構成する正・負いずれか一方の電極用の溶液に、白金又は白金−ルテニウムを担持させた炭素を含有させたものを塗布して一方の電極層を形成し、一方の電極層が未乾燥のうちに、この電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成し、イオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に正・負いずれか他方の電極用の溶液を塗布して他方の電極層を形成し、一対の電極層及びイオン交換膜を乾燥することにより固化した燃料電池用電極において、前記一方の電極層を、前記イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、且つ、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層を塗布する際の噴霧圧を第１層を塗布する際の噴霧圧より高くし、または第２層の炭素の粒径を第１層の炭素の粒径より小さくすることで、前記第２層を第１層より小さな気孔率に設定したことを特徴とする。
【００１２】
【数２】
イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。
これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
【００１４】
ここで、イオン交換膜にシートを使用した場合、シート状イオン交換膜の取扱い性を好適に保つためにはイオン交換膜をある程度厚くする必要がある。このため、燃料電池用電極を薄くすることが難しく、そのことが燃料電池用電極の小型化を図る妨げになる。
【００１５】
そこで、請求項１においてイオン交換膜を溶液とし、イオン交換膜を溶液の状態で取り扱うことができるようにした。イオン交換膜を溶液とすることで、取扱いの際にイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。
このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができる。
【００１６】
ところで、燃料電池を使用して電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とが反応して燃料電池内に生成水（Ｈ２Ｏ）を生成する。この生成水は側拡散層（カーボンペーパー）を透過させて燃料電池の外部に排出する。しかし、未乾燥の電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布すると、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透して、浸透した溶液で電極層の空隙が減少してしまう虞がある。
【００１７】
このため、燃料電池用電極を製造する際に、電極層をイオン交換膜の下方に配置すると、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少してしまい、発電により生成した生成水を、拡散層から燃料電池の外部に効率よく排出できないことが懸念される。
【００１８】
生成水を効率よく排出することができないと、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられるので、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
なお、「濃度過電圧」とは、電極における反応物質及び反応生成物の補給及び除去の速度が遅く、電極の反応が妨害されるときに現れる電圧低下をいう。すなわち、濃度過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
【００１９】
そこで、請求項１において、一方の電極層を、イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、第２層の気孔率を第１層より小さく設定した。第２層の気孔率を小さくすることで、第２層にイオン交換膜の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制できる。
このように、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少することを防止できる。
【００２０】
また、請求項１において、前記一対の電極層及び前記イオン交換膜を乾燥する際に、一対の電極層及びイオン交換膜に荷重をかけない状態を保ち、前記第２層の気孔率を７０〜７５％とし、前記第１層の気孔率を７６〜８５％としたことを特徴とする。
第２層の気孔率を７０〜７５％とした理由は以下の通りである。
第２層の気孔率を７０％未満とすると、気孔率が小さくなりすぎて、イオン交換膜の溶液を第２層に適正量浸透させることができない虞がある。よって、イオン交換膜と第２層との密着性を良好に保つことが難しく、反応の有効面積を確保することができない虞がある。このため、活性化過電圧が高くなり、電流を効率よく発生することができない虞がある。
【００２１】
そこで、第２層の気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜と第２層との密着性を良好に保つようにした。
なお、「活性化過電圧」とは、電極における反応が活性化エネルギーを必要とするために、この活性化エネルギーを補うために現れる電圧低下をいう。すなわち、活性化過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
【００２２】
一方、第２層の気孔率が７５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて、イオン交換膜の溶液を第２層に過大に浸透してしまう虞がある。よって、一方の電極層の気孔がイオン交換膜の溶液で減少してしまい、発電により生成した生成水を、一方の電極層の気孔を通して好適に排出することができない。このため、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられて、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
そこで、第２層の気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水することができるようにした。
【００２３】
さらに、第１層の気孔率を７６〜８５％とした理由は以下の通りである。
第１層の気孔率を７６％未満とすると、気孔率が小さすぎて生成水を効率よく排水することが難しい。このため、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられて、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
そこで、第１層の気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水することができるようにした。
【００２４】
一方、第１層の気孔率が８５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて生成水の保水性が低下し、第１層が乾燥してしまい、イオンの伝導を阻害する虞がある。このため、抵抗過電圧が高くなり電流を効率よく発生することができない虞がある。
そこで、第１層の気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑えて電流を効率よく発生することができるようにした。
なお、「抵抗過電圧」とは、電極内の電気抵抗に比例して生じる電圧低下をいう。すなわち、抵抗過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
また、請求項２は、前記一方の電極用の溶液を拡散層上に塗布することにより、この拡散層上に、前記一方の電極用の溶液、前記イオン交換膜用の溶液、及び前記他方の電極用の溶液を順次塗布するようにしたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池ユニット１０は複数（２個）の燃料電池１１，１１で構成したものである。燃料電池１１は、燃料電池用電極１２を構成するシート状の負極側拡散層１３の外側に負極側流路基板３１を配置し、燃料電池用電極１２を構成するシート状の正極側拡散層１４の外側に正極側流路基板３４を配置したものである。
【００２６】
負極側拡散層１３に負極側流路基板３１を積層することで、負極側流路基板３１の流路溝３１ａを負極側拡散層１３で覆うことにより、水素ガス流路３２を形成する。また、正極側拡散層１４に正極側流路基板３４を積層することで、正極側流路基板３４の流路溝３４ａを正極側拡散層１４で覆うことにより、酸素ガス流路３５を形成する。
【００２７】
燃料電池用電極１２は、正極側拡散層１４及び負極側拡散層１３の内側にそれぞれバインダーを介して一方の電極層としての正極層１８及び他方の電極層としての負極層１７を備え、これら正極層１８及び負極層１７の間にイオン交換膜１９を備える。
このように、構成した燃料電池１１をセパレータ３６を介して複数個（図１では２個のみを示す）備えることで、燃料電池ユニット１０を構成する。
なお、燃料電池用電極１２については図２で詳しく説明する。
【００２８】
燃料電池ユニット１０によれば、水素ガス流路３２に水素ガスを供給することで、負極層１７に含む触媒に水素分子（Ｈ２）を吸着させるとともに、酸素ガス流路３５に酸素ガスを供給することで、正極層１８に含む触媒に酸素分子（Ｏ２）を吸着させる。これにより、電子（ｅ−）を矢印の如く流して電流を発生させることができる。
なお、電流を発生させる際には、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とから生成水（Ｈ２Ｏ）が発生する。
【００２９】
図２は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を示す説明図である。
燃料電池用電極１２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれ負極層１７及び正極層１８を備え、これら負極層１７及び正極層１８の間にイオン交換膜１９を備える。
負極側拡散層１３は、負極側のカーボンペーパー１３ａ及び負極側のバインダー層１５ａからなるシート材（シート）である。
また、正極側拡散層１４は、正極側のカーボンペーパー１４ａ及び正極側のバインダー層１６ａからなるシート材（シート）である。
【００３０】
負極側のバインダー層１５ａを構成するバインダーは、カーボンフッ素樹脂である。また、正極側のバインダー層１６ａを構成するバインダーは、撥水性を備えたカーボンポリマーであり、カーボンポリマーはポリテトラフルオロエチレンの骨格にスルホン酸を導入したものが該当する。
【００３１】
負極層１７は、負極用の溶液に触媒２１を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。負極層１７の触媒２１は、炭素２２の表面に触媒として白金−ルテニウム２３を担持したものであり、白金−ルテニウム２３に水素分子（Ｈ２）を吸着させるものである。
【００３２】
正極層１８は、イオン交換膜１９から離れた面側（すなわち、正極側拡散層１４に接触する面側）の第１層１８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層１８ｂとの二層に分け、且つ、気孔率が下記の▲１▼式で定義されるときに、第２層１８ｂは、第１層１８ａより小さな気孔率にしたものである。
【００３３】
【数３】
但し、真比重とは、内部に空隙や気孔を持たない状態の材料の比重をいう。また、嵩比重とは、空隙や気孔を包含する材料について一様な密度分布をなすものとみなした場合の比重をいう。
【００３５】
第１層１８ａは、第１層１８ａ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第１層１８ａの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。
【００３６】
また、第２層１８ｂは、第１層１８ａと同様に、第２層１８ｂ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第２層１８ｂの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。
【００３７】
この第２層１８ｂは、第１層１８ａの触媒２４と比較して、触媒２４・・・を、密に配置することで、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さくしたものである。具体的には、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００３８】
ここで、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％と設定した理由について説明する。
第２層１８ｂの気孔率を７０％未満とすると、気孔率が小さくなりすぎて、イオン交換膜１９の溶液を第２層１８ｂに適正量浸透させることができない虞がある。よって、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つことが難しい。
そこで、第２層１８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つようにした。
【００３９】
一方、第２層１８ｂの気孔率が７５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて、イオン交換膜１９の溶液を第２層１８ｂに過大に浸透してしまう虞がある。よって、正極層１８の気孔（空隙部）がイオン交換膜１９の溶液で減少してしまい、発電により生成した生成水を、正極層１８の気孔（空隙部）を通して好適に排出することができない。
そこで、第２層１８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できるようにした。
【００４０】
次に、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％と設定した理由について説明する。
第１層１８ａの気孔率を７６％未満とすると、気孔率（空隙部）が小さすぎて生成水を効率よく排水することが難しい。
そこで、第１層１８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水することができるようにした。
【００４１】
一方、第１層１８ａの気孔率が８５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて生成水の保水性が低下し、第１層１８ａが乾燥してしまい、イオンの伝導を阻害する虞がある。このため、抵抗過電圧が高くなり電流を効率よく発生することができない虞がある。
そこで、第１層１８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生するようにした。
【００４２】
イオン交換膜１９は、正極層１８（詳しくは、第２層１８ｂ）及び負極層１７間に溶液の状態で塗布した後、負極層１７及び正極層１８とともに一緒に乾燥することにより負極層１７及び正極層１８と一体に固化したものである。
【００４３】
次に、燃料電池用電極１２の製造方法を図３〜図５に基づいて説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の正極側拡散層１４を配置する。すなわち、正極側拡散層１４のカーボンペーパー１４ａをセットした後、このカーボンペーパー１４ａ上にバインダー層１６ａ用の溶液を塗布する。
【００４４】
（ｂ）において、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａの上方でスプレー５１を矢印▲１▼の如く移動して、バインダー層１６ａ上に正極層１８のうちの第１層１８ａ用の溶液を噴射口５２から塗布する。これにより、バインダー層１６ａに第１層１８ａを形成する。
ここで、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００４５】
【数４】
第１層１８ａが未乾燥のうちに、第１層１８ａの上方でスプレー５１を継続的に矢印▲１▼の如く移動して、第１層１８ａ上に正極層１８のうちの第２層１８ｂ用の溶液を噴射口５２から塗布する。これにより、第１層１８ａに第２層１８ｂを形成する。
第２層１８ｂの溶液として第１層１８ａの溶液と同じものを使用し、第２層１８ｂ用の溶液の噴霧圧を、第１層１８ａ用の溶液の噴霧圧より高く設定した。
具体的には、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とした。
【００４７】
【数５】
なお、第１実施形態では、第１層１８ａの溶液及び第２層１８ｂの溶液をそれぞれ同じスプレー５１で噴霧状に塗布した例について説明したが、これに限らないで、第１層１８ａの溶液と第２層１８ｂの溶液とをそれぞれ個別のスプレーを用いて塗布することも可能である。
【００４９】
（ｃ）において、第２層１８ｂ用の溶液の噴霧圧を、第１層１８ａ用の溶液の噴霧圧より高く設定することで、第２層１８ｂの触媒２４を第１層１８ａの触媒２４より密に配置することができる。
これにより、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層１８ｂを第１層１８ａより小さな気孔率に形成することができる。
【００５０】
【数６】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、正極層１８を構成する第２層１８ｂが未乾燥のうちに、第２層１８ｂの上方でコーター５４を矢印▲２▼の如く移動して、第２層１８ｂ上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
【００５２】
ここで、正極層１８を、イオン交換膜１９から離れた面側の第１層１８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層１８ｂとの二層に分け、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とし、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さく設定した。
【００５３】
第２層１８ｂの気孔率を小さくすることで、第２層１８ｂにイオン交換膜１９の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜１９用の溶液が第２層１８ｂに浸透することを抑制できる。
これにより、イオン交換膜１９用の溶液で正極層１８の気孔（空隙部）が減少することを防止できる。
【００５４】
ここで、第２層１８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つことができ、第２層１８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できる気孔（空隙部）確保するようにした。
また、第１層１８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水する気孔（空隙部）を確保するようにし、第１層１８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生できるようにした。
【００５５】
（ｂ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９の上方でスプレー５６を矢印▲３▼の如く移動して、イオン交換膜１９上に負極層１７用の溶液を噴射口５７から塗布する。これにより、イオン交換膜１９に負極層１７を形成する。
【００５６】
図５（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図である。
（ａ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７上に、負極側拡散層１３（図２参照）を構成するバインダー層１５ａの溶液を塗布する。
（ｂ）において、バインダー層１５ａに負極側のカーボンペーパー１３ａを載せることにより、バインダー層１５ａ及びカーボンペーパー１３ａでシート状の負極側拡散層１３を形成する。
【００５７】
次に、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａに荷重をかけないで、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを一緒に乾燥する。
【００５８】
（ｃ）において、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化することで、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化した状態で一体に積層する。
これにより、燃料電池用電極１２の製造工程が完了する。
【００５９】
このように、燃料電池用電極１２の製造方法によれば、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【００６０】
よって、バインダー層１６ａと正極層１８（第１層１８ａ、第２層１８ｂ）との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。また、正極層１８とイオン交換膜１９との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。さらに、イオン交換膜１９と負極層１７との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
加えて、負極層１７とバインダー層１５ａとの間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
これにより、燃料電池用電極１２における反応効率を良好に保つことができる。
【００６１】
加えて、イオン交換膜１９を溶液とすることで、イオン交換膜１９を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜１９の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜１９を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極１２を薄くすることができる。
【００６２】
次に、燃料電池用電極の第２実施形態を図６〜図９に基づいて説明する。なお、第２実施形態の燃料電池用電極において、第１実施形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。
【００６３】
図６は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）を示す説明図である。
燃料電池用電極６２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれ負極層１７（他方の電極層）及び正極層６８（一方の電極層）を備え、これら負極層１７及び正極層６８の間にイオン交換膜１９を備える。
すなわち、第２実施形態の燃料電池用電極６２は、第１実施形態の燃料電池用電極１２と比較して正極層６８が異なるだけでその他の構成は第１実施形態と同様である。以下、正極層６８について詳しく説明する。
【００６４】
正極層６８は、イオン交換膜１９から離れた面側（すなわち、正極側拡散層１４に接触する面側）の第１層６８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層６８ｂとの二層に分け、且つ、気孔率が下記の▲１▼式で定義されるときに、第２層６８ｂは、第１層６８ａより小さな気孔率にしたものである。
【００６５】
【数７】
第１層６８ａは、第１実施形態の第１層１８ａと同様に、第１層６８ａ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第１層６８ａの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。この炭素２５の粒径はＤ１である。
【００６７】
また、第２層６８ｂは、第２層６８ｂ用の溶液に触媒６４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第２層６８ｂの触媒６４は、炭素６４の表面に触媒として白金６５を担持したものであり、白金６５に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。
この炭素６４の粒径はＤ２であり、炭素６４の粒径Ｄ２は、第１層６８ａを構成する炭素２５の粒径Ｄ１と比較して小径に形成されている。
【００６８】
この第２層６８ｂを構成する炭素６４の粒径Ｄ２を、第１層６８ａを構成する炭素２５の粒径Ｄ１より小さく設定することにより、第１層６８ａを構成する炭素２５と比較して、第２層６８ｂを構成する炭素６４を密に配置することができる。
【００６９】
これにより、第２層６８ｂの気孔率を第１層６８ａより小さくすることができる。具体的には、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
なお、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした理由は、第１実施形態で第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした理由と同じであり、その説明を省略する。
【００７０】
次に、燃料電池用電極６２の製造方法を図７〜図９に基づいて説明する。
図７（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の正極側拡散層１４を配置する。すなわち、正極側拡散層１４のカーボンペーパー１４ａをセットした後、このカーボンペーパー１４ａ上にバインダー層１６ａ用の溶液を塗布する。
【００７１】
（ｂ）において、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａの上方でスプレー７１を矢印▲４▼の如く移動して、バインダー層１６ａ上に正極層６８のうちの第１層６８ａ用の溶液を噴射口７２から塗布する。これにより、バインダー層１６ａに第１層６８ａを形成する。
ここで、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００７２】
【数８】
（ｃ）において、第１層６８ａが未乾燥のうちに、第１層６８ａの上方でスプレー７３を継続的に矢印▲５▼の如く移動して、第１層６８ａ上に正極層６８のうちの第２層６８ｂ用の溶液を噴射口７４から塗布する。これにより、第１層６８ａに第２層６８ｂを形成する。
ここで、第２層６８ｂの溶液は、炭素６４の粒径Ｄ２を、第１層６８ａの炭素２５の粒径Ｄ１より小さく設定することで、第１層６８ａの溶液を構成する炭素２５と比較して、第２層６８ｂを構成する炭素６４を密に配置することができる。
【００７４】
これにより、第２層６８ｂの気孔率を第１層６８ａより小さくすることができる。具体的には、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とした。
【００７５】
【数９】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、図７で説明したように第２層６８ｂの溶液を、炭素６４の粒径Ｄ２が、第１層６８ａの炭素２５の粒径Ｄ１より小さくし、第１層６８ａの溶液中の炭素２５と比較して、第２層６８ｂの溶液中の炭素６４を密に配置することで、第２層６８ｂの触媒６３を第１層６８ａの触媒２４より密に配置することができる。
これにより、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層６８ｂを第１層６８ａより小さな気孔率に形成することができる。
【００７７】
【数１０】
（ｂ）において、正極層６８を構成する第２層６８ｂが未乾燥のうちに、第２層６８ｂの上方でコーター７６を矢印▲６▼の如く移動して、第２層６８ｂ上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
【００７９】
ここで、正極層６８を、イオン交換膜１９から離れた面側の第１層６８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層６８ｂとの二層に分け、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とし、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さく設定した。
【００８０】
第２層６８ｂの気孔率を小さくすることで、第２層６８ｂにイオン交換膜１９の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜１９用の溶液が第２層６８ｂに浸透することを抑制できる。
これにより、イオン交換膜１９用の溶液で正極層６８の気孔（空隙部）が減少することを防止できる。
【００８１】
ここで、第２層６８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層６８ｂとの密着性を良好に保つことができ、第２層６８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できる気孔（空隙部）確保するようにした。
また、第１層６８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水する気孔（空隙部）を確保するようにし、第１層６８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生できるようにした。
【００８２】
（ｃ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９の上方でスプレー７７を矢印▲７▼の如く移動して、イオン交換膜１９上に負極層１７用の溶液を噴射口７８から塗布する。これにより、イオン交換膜１９に負極層１７を形成する。
【００８３】
図９（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図である。
（ａ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７上に、負極側拡散層１３（図６参照）を構成するバインダー層１５ａの溶液を塗布する。
（ｂ）において、バインダー層１５ａに負極側のカーボンペーパー１３ａを載せることにより、バインダー層１５ａ及びカーボンペーパー１３ａでシート状の負極側拡散層１３を形成する。
【００８４】
次に、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａに荷重をかけないで、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを一緒に乾燥する。
【００８５】
（ｃ）において、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化することで、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化した状態で一体に積層する。
これにより、燃料電池用電極１２の製造工程が完了する。
【００８６】
このように、燃料電池用電極１２の製造方法によれば、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【００８７】
よって、バインダー層１６ａと正極層６８（第１層６８ａ、第２層６８ｂ）との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。また、正極層６８とイオン交換膜１９との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。さらに、イオン交換膜１９と負極層１７との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
加えて、負極層１７とバインダー層１５ａとの間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
これにより、燃料電池用電極１２における反応効率を良好に保つことができる。
【００８８】
加えて、イオン交換膜１９を溶液とすることで、イオン交換膜１９を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜１９の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜１９を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極１２を薄くすることができる。
【００８９】
なお、前記第１実施形態及び第２実施形態では、正極層１８，６８を下方に配置するとともに負極層１７を上方に配置した例について説明したが、負極層を前記実施形態の正極層１８，６８と同様に二層に分けて下方に配置することも可能である。
すなわち、負極層を前記実施形態の正極層１８，６８と同様に第１層および第２層の二層に分け、第２層を第１層より小さな気孔率に設定し、正極層を実施形態の負極層１７と同様の層にし、負極層を下方に配置するとともに正極層を上方に配置しても同様の効果を得る。
【００９０】
また、前記第１実施形態では、正極層１８の第１、第２層１８ａ，１８ｂをスプレーで塗布し、前記第２実施形態では、正極層６８の第１、第２層６８ａ，６８ｂをスプレーで塗布した例について説明したが、各層はスプレーに限らないで、インクジェット方式を採用して塗布することも可能である。要は、各層用の溶液を噴霧状に塗布できればよい。
【００９１】
ここで、スプレー及びインクジェットは溶液を噴霧状に塗布する点で同じである。スプレーは噴霧範囲が比較的広く塗布時間を短くできるが、未塗布部分を確保するためにマスキング処理が必要になる。一般に、マスキング処理部に付着した溶液は回収が難しい。
【００９２】
一方、インクジェットは塗布範囲を正確に絞り込むことができるので、未塗布部分にマスキング処理を施す必要がなく、溶液を有効に使用することができる。但し、インクジェットは、塗布範囲が狭いのでスプレーと比較して塗布スピードが劣る。
【００９３】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
この結果、燃料電池用電極の品質を安定させることができるので、生産性を高めることができる。
【００９４】
加えて、イオン交換膜を溶液とすることで、イオン交換膜を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができるので、燃料電池用電極の小型化を図ることができる。
【００９５】
また、一方の電極層を、イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、第２層の気孔率を第１層より小さく設定した。第２層の気孔率を小さくすることで、第２層にイオン交換膜の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制できる。
【００９６】
このように、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少することを防止できる。
従って、発電により生成した生成水を、電極層の空隙から拡散層まで導いて拡散層の空隙から好適に排出することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【００９７】
また、請求項１は、第２層の気孔率が７０〜７５％となるように設定した。第２層の気孔率を７０％以上に設定することで、イオン交換膜と第２層との密着性を良好に保つことができる。
一方、第２層の気孔率を７５％以下に設定することで、生成水を好適に排水することができる。
【００９８】
さらに、請求項１は、第１層の気孔率が７６〜８５％となるように設定した。第１層の気孔率を７６％以上に設定することで生成水を好適に排水することができる。
一方、第１層の気孔率を８５％以下に設定することで、抵抗過電圧を抑えて電流を効率よく発生することができる。
また、請求項２は、一方の電極用の溶液を拡散層上に塗布することにより、この拡散層上に、一方の電極用の溶液、イオン交換膜用の溶液、及び他方の電極用の溶液を順次塗布するようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図
【図２】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を示す説明図
【図３】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図
【図４】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図
【図５】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図
【図６】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）を示す説明図
【図７】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図
【図８】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図
【図９】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図
【図１０】従来の燃料電池を説明する説明図
【図１１】従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図
【符号の説明】
１１…燃料電池、１２…燃料電池用電極、１３…負極側拡散層（シート）、１４…正極側拡散層、１７…負極層（他方の電極層）、１８，６８…正極層（一方の電極層）、１８ａ，６８ａ…第１層、１８ｂ，６８ｂ…第２層、１９…イオン交換膜。
Claims (2)
- 燃料電池を構成する正・負いずれか一方の電極用の溶液に、白金又は白金−ルテニウムを担持させた炭素を含有させたものを塗布して一方の電極層を形成し、一方の電極層が未乾燥のうちに、この電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成し、イオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に正・負いずれか他方の電極用の溶液を塗布して他方の電極層を形成し、一対の電極層及びイオン交換膜を乾燥することにより固化した燃料電池用電極において、
前記一方の電極層を、前記イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、且つ、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層を塗布する際の噴霧圧を第１層を塗布する際の噴霧圧より高くし、または第２層の炭素の粒径を第１層の炭素の粒径より小さくすることで、前記第２層を第１層より小さな気孔率に設定した燃料電池用電極であって、
前記一対の電極層及び前記イオン交換膜を乾燥する際に、一対の電極層及びイオン交換膜に荷重をかけない状態を保ち、
前記第２層の気孔率を７０〜７５％とし、
前記第１層の気孔率を７６〜８５％としたことを特徴とする燃料電池用電極。
- 前記一方の電極用の溶液を拡散層上に塗布することにより、この拡散層上に、前記一方の電極用の溶液、前記イオン交換膜用の溶液、及び前記他方の電極用の溶液を順次塗布するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用電極。
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