JPH10189005A - 燃料電池用の電極および発電層の製造方法 - Google Patents

燃料電池用の電極および発電層の製造方法

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JPH10189005A
JPH10189005A JP8355382A JP35538296A JPH10189005A JP H10189005 A JPH10189005 A JP H10189005A JP 8355382 A JP8355382 A JP 8355382A JP 35538296 A JP35538296 A JP 35538296A JP H10189005 A JPH10189005 A JP H10189005A
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forming
electrode
pore
power generation
generation layer
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JP8355382A
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Tatsuya Kawahara
竜也 川原
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分なガス透過性と導電性を有する電極と電
解質膜との接合体を製造する。 【解決手段】 亜鉛粉末に熱を加えて3次元構造の構造
体を焼成し、これを粉砕して3次元構造の造孔剤を形成
する(S100)。これを触媒を担持したカーボン微粒
子と共に溶媒に分散させてペースト状のインクとし(S
110)、シート状の電極形成部材を形成する(S12
0)。そして、形成した電極形成部材を乾燥させ(ステ
ップS130)、乾燥させた電極形成部材を電解質膜の
両面にホットプレス法により接合し(S140)、得ら
れた接合体を希硫酸で煮沸して造孔剤を溶出させて(S
150)、電極と電解質膜との接合体である発電層を完
成する。発電層の電極には3次元構造の造孔剤によって
3次元的に連通した細孔が形成されるから、電極は十分
なガス透過性と導電性とを有するものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用の電極
および発電層の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電
池では、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(酸素極
と燃料極)に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有す
る酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式
(1)および式(2)に示す反応が行なわれ、物質の持
つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【0003】 カソード反応(酸素極):2H++2e-+(1/2)O2→H2O …(1) アノード反応(燃料極):H2→2H++2e- …(2)
【0004】この反応を連続的にかつ円滑に行なうため
には、酸素極では生成する水を速やかに排除すると共に
酸化ガスを連続的に供給する必要があり、燃料極では生
成した水素イオンを水和により電解質膜中にスムーズに
拡散するための水と燃料ガスとを連続的に供給する必要
がある。このほか、接触抵抗を小さくし効率の良い燃料
電池とするために、電解質膜と両電極とを密着する必要
もある。
【0005】従来、こうした要求に応える燃料電池用の
電極の製造方法としては、亜鉛,アルミニウム,クロム
等の金属あるいはこれらの金属塩などの無機塩の粉末を
造孔剤として用いて触媒を担持したカーボンを混在する
シート状の電極部材を形成し、この形成した電極部材を
溶液に浸漬して内部の造孔剤を溶出させて除去すること
により内部に複数の細孔を有する電極を製造する方法が
提案されている(例えば、特開平6−36771号公報
や特開平6−203852号公報など)。
【0006】また、燃料電池用の発電層の製造方法とし
ては、上述の従来例の燃料電池用の電極の製造方法にお
ける電極部材を溶液に浸漬して電極部材内の造孔剤を溶
出させる工程の前に、電極部材と高分子電解質膜とを接
合して一体化させる方法が提案されている(例えば、特
開平6−203852号公報など)。このように高分子
電解質膜と接合した後に造孔剤を溶出することにより、
接合の際に電極の細孔がつぶれるのを防止している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記製
造方法では、電極に十分なガスの透過性を確保しようと
すると、電極内に必要以上の空間を形成されて、燃料電
池の性能を低下させたり、電極を脆弱なものにしてしま
うといった問題があった。粒状の金属あるいは金属塩を
造孔剤として用いると、形成される細孔は、造孔剤の形
状である略球状の空孔を連通した形状となる。このた
め、細孔の径は、その長さ方向に大きく変化し、一定と
ならない。電極におけるガスの透過性は、電極に形成さ
れる細孔の径に依存するから、細孔の径が大きく変化す
る電極では、十分なガスの透過性を得ようとすると、そ
の内部に必要以上の空間を形成することになる。こうし
た必要以上の空間は、電極の導電面積を減少させてその
導電性を低下させると共に、電極を脆弱なものにする。
【0008】本発明の燃料電池用の電極の製造方法は、
こうした問題を解決し、十分なガス透過性と導電性とを
有する電極とその製造方法とを提供することを目的の一
つとする。また、本発明の燃料電池用の発電層の製造方
法は、電解質膜の性能を高く維持した状態で十分なガス
透過性と導電性とを有する電極が接合された発電層とそ
の製造方法とを提供することを目的の一つとする。
【0009】なお、出願人は、上述の目的の一部を達成
するために、本発明とは異なる発明として、水溶性の短
繊維を造孔剤として用いて電極部材を形成し、電極部材
を水に浸漬して内部の造孔剤を溶出させて除去すること
により十分なガス透過性と導電性とを有する電極を製造
する方法や、電極部材を水に浸漬して内部の造孔剤を溶
出させる前に、電極部材を電解質膜と接合して一体化す
ることにより十分なガス透過性と導電性とを有する2つ
の電極を有する発電層を製造する方法を提案している
(特開平8−180879号公報)。
【0010】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池用の電極や発電層の製造方法は、上述の
目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採
った。
【0011】本発明の燃料電池用の電極の製造方法は、
燃料電池に用いられる電極の製造方法であって、所定の
溶液に溶解可能な材料により3次元構造の造孔剤を形成
する造孔剤形成工程と、該形成された造孔剤と触媒を担
持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインク
を調整するインク調整工程と、該調整されたインクによ
りシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成
工程と、該形成された電極形成部材に含まれる前記所定
の溶媒を乾燥させる乾燥工程と、該乾燥させた電極形成
部材を前記所定の溶液に浸漬して前記造孔剤を溶出させ
る溶出工程とを備えることを要旨とする。
【0012】この本発明の電極の製造方法によれば、3
次元構造の造孔剤を用いて電極形成部材を形成し、この
造孔剤を溶出させて電極を製造するから、十分なガス透
過性と導電性とを有する3次元構造の細孔を有する電極
を製造することができる。
【0013】こうした本発明の電極の製造方法におい
て、前記造孔剤形成工程は、前記材料の粉状体を焼成す
ることにより前記3次元構造の造孔剤を形成する工程で
あるものとしたり、前記造孔剤形成工程は、前記材料の
粉状体を焼成することにより3次元構造の焼成体を形成
する焼成工程と、該形成された焼成体を粉砕して前記3
次元構造の造孔剤を形成する粉砕工程とを備えるものと
したりすることもできる。こうすれば、容易に3次元構
造の造孔剤を得ることができる。なお、こうして得られ
た3次元構造の造孔剤を所望のサイズに揃えるために
は、ふるいにより選別すればよい。
【0014】本発明の燃料電池用の発電層の製造方法
は、燃料電池に用いられる発電層の製造方法であって、
所定の溶液に溶解可能な材料により3次元構造の造孔剤
を形成する造孔剤形成工程と、該形成された造孔剤と触
媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させて
インクを調整するインク調整工程と、該調整されたイン
クによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部
材形成工程と、該形成された電極形成部材に含まれる前
記所定の溶媒を乾燥させる乾燥工程と、該乾燥させた電
極形成部材を電解質膜の両面に接合して発電層形成部材
を形成する発電層形成部材形成工程と、該形成された発
電層形成部材を前記所定の溶液に浸漬して該発電層形成
部材の前記電極形成部材から前記造孔剤を溶出させる溶
出工程とを備えることを要旨とする。
【0015】この本発明の発電層の製造方法によれば、
3次元構造の造孔剤を用いて電極形成部材を形成し、こ
の造孔剤を溶出させて電極を製造するから、十分なガス
透過性と導電性とを有する3次元構造の細孔を有する電
極を備える発電層とすることができる。しかも、造孔剤
を溶出させる前に電極形成部材と電解質膜とを接合する
から、接合の際に電極の細孔をつぶすことがない。
【0016】こうした本発明の発電層の製造方法におい
て、前記造孔剤形成工程は、前記材料の粉状体を焼成す
ることにより前記3次元構造の造孔剤を形成する工程で
あるものとしたり、前記造孔剤形成工程は、前記材料の
粉状体を焼成することにより3次元構造の焼成体を形成
する焼成工程と、該形成された焼成体を粉砕して前記3
次元構造の造孔剤を形成する粉砕工程とを備えるものと
することもできる。こうすれば容易に3次元構造の造孔
剤を得ることができる。なお、こうして得られた3次元
構造の造孔剤を所望のサイズに揃えるためには、ふるい
により選別すればよい。
【0017】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づき説明する。図1は本発明の好適な一実施例で
ある電解質膜12と触媒電極14との接合体である発電
層15の製造の様子を例示する工程図であり、図2は図
1の工程により製造される発電層15の構造の概略を例
示する模式図である。まず、図1の工程図に基づき発電
層15の製造の様子について説明する。
【0018】実施例の発電層15の製造は、まず、平均
粒径0.1μmの亜鉛粉末を焼成,粉砕して亜鉛粉末粒
子Zが5個ないし200個程度、大きさでは0.5μm
ないし5μm程度の造孔剤Fを形成する(工程S10
0)。亜鉛粉末の焼成は、亜鉛粉末をステンレス製の容
器に充填し、不活性ガス(例えば、窒素ガス)中で85
0℃で加熱することにより行ない、粉砕はミルによって
行なう。ここで、焼成を不活性ガス中で行なうのは亜鉛
粉末の燃焼(酸化)を防止するためであり、850℃と
いう亜鉛の溶融点からみると比較的低い温度で行なうの
は亜鉛粉末を半焼結状態として3次元的に連結した構造
の焼成体を形成するためである。こうして得られる半焼
結状態の焼成体の模式図を図3(a)に、この焼成体を
ミルで粉砕して形成される造孔剤Fを図3(b)に示
す。実施例では、亜鉛粉末をステンレス容器に充填した
状態で焼成するため、その連結の程度、すなわち大きさ
の程度が調整されず、比較的大きな焼成体を得ることに
なるから、ミルで粉砕してその大きさを調整したが、焼
成のみで上述の大きさの焼成体が得られれば、焼成体を
そのまま造孔剤Fとして用いてもよい。また、造孔剤F
の大きさを揃えたい場合には、ミルで粉砕したものをふ
るいによりふるい分けすればよい。
【0019】続いて、こうして形成された造孔剤Fを、
造孔剤F1gに対して、触媒Pとしての白金あるいは白
金と他の金属との合金の微粒子(平均粒径約1nm)を
20wt%担持した触媒担持カーボンCを1g、5wt
%パーフルオロカーボンスルホン酸溶液(例えば、アル
ドリッチケミカル社製のナフィオンソリューション)を
10ml、シクロヘキサノールの10mlの割合で混合
し、超音波を照射して造孔剤Fおよび触媒担持カーボン
Cを均一に分散させてペースト状のインクを調整する
(工程S110)。なお、超音波の照射による分散は、
実施例では市販されている超音波洗浄機を用いて周波数
30kHzないし50kHzの超音波を照射することに
よって行なった。
【0020】次に、このペースト状のインクをドクター
ブレード式の印刷装置を用いてテフロンシート上に厚さ
30μmないし500μm好ましくは80μmないし3
00μmに調整して印刷することによりシート状の電極
形成部材17を形成し(工程S120)、形成した電極
形成部材17を40℃ないし100℃好ましくは60℃
ないし80℃の温度で真空乾燥することにより、その厚
さが1μmないし100μm好ましくは3μmないし1
0μmになるまで電極形成部材17中の溶媒を乾燥させ
る(工程S130)。そして、予め希硫酸,過酸化水素
水およびイオン交換水で順次煮沸洗浄を行った厚さ10
μmないし200μm好ましくは30μmないし100
μmの電解質膜12(例えば、デュポン社製商品名「ナ
フィオン」として販売されているパーフルオロカーボン
スルホン酸高分子膜など)を乾燥させた電極形成部材1
7により印刷面を内側として挟み、サンドイッチ構造と
した状態で100℃ないし160℃好ましくは110℃
ないし130℃の温度で1MPaないし20MPa好ま
しくは5MPaないし15MPaの圧力を作用させて接
合するホットプレス法によって電解質膜12と電極形成
部材17とを接合する(工程S140)。
【0021】こうして得られた電解質膜12と電極形成
部材17との接合体からテフロンシートを剥がして造孔
剤Fを溶解可能な酸に浸漬して電極形成部材17から造
孔剤Fを溶出させ(工程S150)、洗浄,乾燥して、
図2に示すような3次元構造の細孔Sを有する2つの触
媒電極14と電解質膜12との接合体である発電層15
を完成する。なお、実施例では、造孔剤Fを溶解可能な
酸としては1規定の希硫酸を用い、この希硫酸による煮
沸洗浄とイオン交換水による煮沸洗浄を2回ないし5回
程度繰り返すことにより電極形成部材17から造孔剤F
を完全に溶出させた。
【0022】次に、こうして製造された発電層15を用
いた燃料電池10について説明する。図4は実施例の発
電層15を備える燃料電池10の構成を例示する模式図
である。図示するように、燃料電池10は、前述の製造
方法により製造された電解質膜12と2つの触媒電極1
4との接合体である発電層15と、この発電層15を挟
持する2つのガス拡散電極16と、発電層15と共にガ
ス拡散電極16をも挟持する集電極20とからなる。
【0023】2つのガス拡散電極16は、表面をポリ四
フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理
されていない炭素繊維とを1対1の割合とした糸で織成
したカーボンクロスにより形成されている。このガス拡
散電極16は、炭素繊維にコーティングされたポリ四フ
ッ化エチレンが撥水性を呈することから、ガス拡散電極
16の表面全体が水で覆われてることがなく、良好なガ
ス透過性を有する。
【0024】集電極20は、カーボンを圧縮して緻密化
しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されてお
り、集電極20のガス拡散電極16と接触する面には、
平行に配置された複数のリブ22が形成されている。こ
のリブ22は、ガス拡散電極16とで酸素を含有する酸
化ガス(例えば、空気等)または水素を含有する燃料ガ
ス(例えば、メタノール改質ガス等)の流路24を形成
する。
【0025】こうして構成された燃料電池10の発電層
15と2つのガス拡散電極16とを挟んで対峙する集電
極20とガス拡散電極16とにより形成される流路24
に、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化
ガスを供給すれば、電解質膜12を挟んで対峙する2つ
の触媒電極14に燃料ガスおよび酸化ガスが供給され
て、前述の反応式(1)および式(2)に示す電気化学
反応が行なわれ、化学エネルギが直接電気エネルギに変
換される。
【0026】次に、こうして構成された燃料電池10の
性能について従来例の燃料電池と比較して説明する。図
5は、実施例の燃料電池10と従来例の燃料電池とにお
ける電流密度と電圧との関係を例示したグラフであり、
図6は従来例の燃料電池の触媒電極の構造を例示する模
式図である。図5のグラフ中、曲線Aは実施例の発電層
15を備える燃料電池10における電流密度と電圧との
関係を示し、曲線Bは金属塩の粒状の造孔剤ZBを用い
て細孔SBを形成した触媒電極14Bと電解質膜12B
とを接合してなる発電層15B(図6の模式図を参照)
を備える燃料電池(従来例の燃料電池)における電流密
度と電圧との関係を示す。
【0027】従来例の燃料電池が備える発電層15Bの
触媒電極14Bは、1gの触媒担持カーボンCに対して
500mgの平均粒径1μmの炭酸カルシウムの粉末状
の造孔剤ZBを混合して電極形成部材を形成し、この電
極形成部材と電解質膜12Bとを実施例の接合条件と同
一の条件で接合し、その後、電極形成部材中の炭酸カル
シウムを強酸性水溶液により溶出して形成したものであ
る。触媒電極14Bは、粒状の炭酸カルシウムを造孔剤
として用いるから、形成される細孔SBは、図6に示す
ように、平均径1μmの略球形の空孔を小さな径の連通
孔で連通したものとなる。触媒電極におけるガスの透過
性は細孔の径に依存するから、従来例の触媒電極14B
では、空孔を連絡する連通孔の径に依存することにな
り、十分なガス透過性を確保しようとすると、その内部
に必要以上の空間が形成されてしまう。この結果、触媒
電極14Bは、導電面積が小さくなって導電率が低下す
ると共に脆弱なものとなる。
【0028】一方、実施例の燃料電池10が備える触媒
電極14の細孔Sは、平均粒径0.1μmの亜鉛粉末粒
子Zにより形成される3次元構造の造孔剤Fによるもの
であるから、平均径0.1μm程度の3次元的に連通し
たものとなり、ガスの透過に対し必要以上の空間が形成
されるものではない。このことは、細孔Sがガスの透過
に対してその機能を十分果たすことを意味する。これら
のことから、実施例の燃料電池10の性能を従来例の燃
料電池と比較すると、図5に示すように、実施例の燃料
電池10は、ガス透過性の影響が大きくなる高電流密度
領域で従来例の燃料電池に比して著しい性能の向上が認
められる。
【0029】なお、実施例の燃料電池10が従来例の燃
料電池に比して良好な性能を示すのは、燃料電池10が
備える発電層15の性能の差、すなわち触媒電極14の
性能の差に基づくのは言うまでもない。
【0030】以上説明した実施例の発電層15の製造方
法によれば、3次元構造の造孔剤Fを用いて電極形成部
材17を形成し、この造孔剤Fを溶出させて細孔Sを形
成するから、3次元的に連通する細孔を有する触媒電極
14、すなわち十分なガス透過性と導電性とを有する触
媒電極14と電解質膜12との接合体である発電層15
を製造することができる。この結果、こうして製造され
た発電層15を用いることにより、より性能のよい燃料
電池を製造することができる。
【0031】実施例の発電層15の製造方法では、3次
元構造の造孔剤Fを形成する材料として平均粒径0.1
μmの亜鉛粉末を用いたが、その粒径は、触媒電極14
の厚さや要求される強度などによって定まるものである
から、上述の粒径に限られるものではない。また、3次
元構造の造孔剤Fは、電解質膜12の性能に影響を与え
ることなく溶出することができる材料であれば如何なる
材料であってもよく、例えば、鉄やアルミニウムなどの
酸に溶解可能な金属やこれらの塩、あるいは水溶性のポ
リビニルアルコールなどのアルコール類,デンプンやシ
ョ糖などの糖類,ゼラチンや寒天などの水溶性タンパク
質などにより形成してもよい。さらに、造孔剤Fの形成
は、造孔剤Fを形成する材料によって定まるものである
から、焼成に限られず、圧粉成形や溶剤による溶着など
によってもかまわない。
【0032】また、実施例の発電層15の製造方法で
は、ペースト状に調整したインクをドクターブレード式
の印刷装置を用いてテフロンシート上に印刷することに
よりシート状の電極形成部材17を形成したが、電解質
膜12へスクリーン印刷などにより直接印刷して形成す
るものとしたり、テフロンシート上にあるいは電解質膜
12上にスプレーにより吹き付けて形成するものなど、
種々の方法で形成してもよい。
【0033】以上、3次元的に連通した細孔を有する触
媒電極14と電解質膜12との接合体である発電層15
を製造する方法について説明したが、この発電層15の
製造工程のうち電解質膜12と電極形成部材17との接
合の工程(図1の工程S140)を除くことにより、3
次元的に連通した細孔を有する触媒電極14を製造する
方法とすることができから、この触媒電極14の製造方
法についての説明はこれ以上は要しない。こうした触媒
電極14の製造方法によれば、3次元的に連通した細孔
を有することにより、十分なガス透過性と導電性とを備
える触媒電極14を得ることができる。したがって、こ
の触媒電極14を用いることにより、より性能のよい発
電層を形成することができると共に、より性能のよい燃
料電池を構成することができる。
【0034】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な一実施例である電解質膜12と
触媒電極14との接合体である発電層15の製造の様子
を例示する工程図である。
【図2】図1の工程により製造された発電層15の構造
の概略を例示する模式図である。
【図3】3次元構造の造孔剤Fを形成する様子を説明す
る説明図である。
【図4】実施例の発電層15を備える燃料電池10の構
成を例示する模式図である。
【図5】実施例の発電層15を備える燃料電池10と従
来例の燃料電池とにおける電流密度と電圧との関係を例
示したグラフである。
【図6】従来例の燃料電池の発電層15Bの構造の概略
を拡大して示す模式図である。
【符号の説明】
10…燃料電池 12…電解質膜 14…触媒電極 15…発電層 16…ガス拡散電極 17…電極形成部材 20…集電極 22…リブ 24…流路 C…触媒担持カーボン F…造孔剤 P…触媒 S…細孔 Z…亜鉛粉末粒子

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料電池に用いられる電極の製造方法で
    あって、 所定の溶液に溶解可能な材料により3次元構造の造孔剤
    を形成する造孔剤形成工程と、 該形成された造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを
    所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工
    程と、 該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形
    成する電極形成部材形成工程と、 該形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を
    乾燥させる乾燥工程と、 該乾燥させた電極形成部材を前記所定の溶液に浸漬して
    前記造孔剤を溶出させる溶出工程とを備える電極の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 前記造孔剤形成工程は、前記材料の粉状
    体を焼成することにより前記3次元構造の造孔剤を形成
    する工程である請求項1記載の電極の製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の電極の製造方法であっ
    て、 前記造孔剤形成工程は、 前記材料の粉状体を焼成することにより3次元構造の焼
    成体を形成する焼成工程と、 該形成された焼成体を粉砕して前記3次元構造の造孔剤
    を形成する粉砕工程とを備える電極の製造方法。
  4. 【請求項4】 燃料電池に用いられる発電層の製造方法
    であって、 所定の溶液に溶解可能な材料により3次元構造の造孔剤
    を形成する造孔剤形成工程と、 該形成された造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを
    所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工
    程と、 該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形
    成する電極形成部材形成工程と、 該形成された電極形成部材に含まれる前記所定の溶媒を
    乾燥させる乾燥工程と、 該乾燥させた電極形成部材を電解質膜の両面に接合して
    発電層形成部材を形成する発電層形成部材形成工程と、 該形成された発電層形成部材を前記所定の溶液に浸漬し
    て該発電層形成部材の前記電極形成部材から前記造孔剤
    を溶出させる溶出工程とを備える発電層の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記造孔剤形成工程は、前記材料の粉状
    体を焼成することにより前記3次元構造の造孔剤を形成
    する工程である請求項4記載の発電層の製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の発電層の製造方法であっ
    て、 前記造孔剤形成工程は、 前記材料の粉状体を焼成することにより3次元構造の焼
    成体を形成する焼成工程と、 該形成された焼成体を粉砕して前記3次元構造の造孔剤
    を形成する粉砕工程とを備える発電層の製造方法。
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