(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用カソード電極であって、
流路を備えたセパレーターに接する気体拡散層と、及び前記気体拡散層と電解質膜との間に介在される触媒層を備えてなり、
前記触媒層が、撥水性の相異なる２つの部分を備えてなり、前記触媒層で前記流路に対向しない部分が流路に対向する部分よりも撥水性が高いものであり、
前記触媒層で前記流路に対向する部分が、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒、及びポリマーイオノマーを含んでなり、
前記触媒層で前記流路に対向する部分より撥水性が高くて流路に対向しない部分が、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒；ポリマーイオノマー；及び疎水性高分子系撥水性向上剤を含んでなり、
前記疎水性高分子系撥水性向上剤が、ポリクロロトリフルオロエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンコポリマーからなる群より選択されてなることを特徴とする、燃料電池用カソード電極。
【請求項２】
前記撥水性が相異なる部分は、水接触角の差が２゜〜２０゜であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用カソード電極。
【請求項３】
前記疎水性高分子系撥水性向上剤の含量が、金属触媒：疎水性高分子系撥水性向上剤の質量比で１：０．０２〜０．４０であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池用カソード電極。
【請求項４】
前記金属触媒が、白金、ルテニウム、オスミウム、白金‐ルテニウム合金、白金‐オスミウム合金、白金‐パラジウム合金、及び白金‐遷移金属合金からなる群より選択される何れかの一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極。
【請求項５】
前記炭素系支持体が、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック、活性カーボン、メソポーラスカーボン、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノホーン、炭素ナノリング、炭素ナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）、及びスーパーＰ（登録商標）からなる群より選択される何れかの一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極。
【請求項６】
前記ポリマーイオノマーは、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）イオノマーまたはスルホン化ポリトリフルオロスチレンであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法であって、
（Ｓ１）第１触媒層形成用インク、及び前記第１触媒層形成用インクに疎水性高分子系撥水性向上剤をさらに含めた第２触媒層形成用インクをそれぞれ製造する段階と、
（Ｓ２）前記第１触媒層形成用インクは流路に対向する部分に噴射され、前記第２触媒層形成用インクは流路に対向しない部分に噴射されるように、前記第１触媒層形成用インク及び第２触媒層形成用インクをそれぞれインクジェット方式で電解質膜または気体拡散層に噴射する段階とを含んでなり、
前記第１触媒層形成用インクが、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒；ポリマーイオノマー；及び溶媒を含んでなり、
前記第２触媒層形成用インクが、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒；ポリマーイオノマー；疎水性高分子系撥水性向上剤；及び溶媒を含んでなり、
前記疎水性高分子系撥水性向上剤が、ポリクロロトリフルオロエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンコポリマーからなる群より選択されてなることを特徴とする、燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項８】
前記疎水性高分子系撥水性向上剤の含量が、金属触媒：疎水性高分子系撥水性向上剤の質量比で１：０．０２〜０．４０であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項９】
前記金属触媒が、白金、ルテニウム、オスミウム、白金‐ルテニウム合金、白金‐オスミウム合金、白金‐パラジウム合金、及び白金‐遷移金属合金からなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物であることを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１０】
前記炭素系支持体が、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック、活性カーボン、メソポーラスカーボン、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノホーン、炭素ナノリング、炭素ナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）、及びスーパーＰからなる群より選択される何れかの一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１１】
前記ポリマーイオノマーが、ナフィオンイオノマーまたはスルホン化ポリトリフルオロスチレンであることを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１２】
前記溶媒が、水、ブタノール、イソプロパノール、メタノール、エタノール、ｎ‐プロパノール、ｎ‐ブチルアセテート、及びエチレングリコールからなる群より選択される何れかの一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１３】
前記インクの噴射が熱処理状態で行われることを特徴とする、請求項７〜１２の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１４】
前記燃料電池用カソード電極が、前記触媒層の前記流路に対向する部分と前記流路に対向しない部分との水接触角の差が２゜〜２０゜であることを特徴とする、請求項７〜１３の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１５】
前記電解質膜が、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、炭化水素系ポリマー、ポリイミド、ポリビニリデンフルオライド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル、ドープされたポリベンズイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、これらの酸及び塩基からなる群より選択される高分子であることを特徴とする、請求項７〜１４の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１６】
前記気体拡散層が、カーボン紙、炭素布、及び炭素フェルトからなる群より選択される導電性基材、炭素系物質、及びフッ素系樹脂を含んでなることを特徴とする、請求項７〜１５の何れか一項に記載の燃料電池用カソード電極の製造方法。
【請求項１７】
燃料電池用膜電極接合体であって、
電解質膜と、前記電解質膜を介在して形成され、それぞれ触媒層及び気体拡散層を備えたアノード電極及びカソード電極とを備えてなり、
前記カソード電極が、請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池用電極であることを特徴とする、燃料電池用膜電極接合体。
【請求項１８】
請求項１７に記載された少なくとも一つの膜電極接合体と、及び前記膜電極接合体の間に介在されるセパレーターを含むスタックと、
燃料を前記スタックに供給する燃料供給部と、及び
酸化剤を前記スタックに供給する酸化剤供給部とを備えてなることを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２種の撥水性を持つ燃料電池用カソード電極及びその製造方法、並びにそれを含む膜電極接合体（assembly：アッセンブリ）及び燃料電池に関し、より詳しくは、触媒層の撥水性を調節可能な燃料電池用カソード電極及びその製造方法、並びにそれを含む膜電極接合体及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油や石炭のような従来のエネルギー資源の枯渇が予測されるにつれて、それらに代替可能なエネルギーに対する関心が高くなっている。このような代替エネルギーの１つとして、高効率であってＮＯｘ及びＳＯｘなどの公害物質を排出せず、使用される燃料が豊富であるなどの長所から燃料電池が特に注目されている。
【０００３】
燃料電池は、燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する発電システムであって、燃料としては水素と、メタノール、ブタンなどのような炭化水素が、酸化剤としては酸素が代表的に使用される。
【０００４】
燃料電池において、電気を発生させる最も基本的な単位は膜電極接合体（ＭＥＡ）であって、これは電解質膜と、電解質膜の両面に形成されるアノード及びカソード電極とで構成される。燃料電池の電気発生原理を示した図１及び化学式１（水素を燃料として使用した場合の燃料電池の反応式）を参照すれば、アノード電極では燃料の酸化反応が起きて水素イオン及び電子が発生し、水素イオンは電解質膜を通じてカソード電極に移動し、カソード電極では酸素（酸化剤）と電解質膜を通じて伝達された水素イオンと電子とが反応して水が生成される。このような反応を通じて外部回路に電子が移動する。
【０００５】
［化学式１］
アノード電極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード電極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体反応式：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【０００６】
図２は、燃料電池用膜電極接合体の一般的な構成を示した図である。図２を参照すれば、燃料電池の膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜を介在して対向するアノード電極及びカソード電極とで構成され、アノード電極及びカソード電極は触媒層及び気体拡散層で構成される。気体拡散層は、電極基材及びその上に形成された微細気孔層で構成される。
【０００７】
燃料電池において、電極における反応の結果物でもある水分はイオン伝導に助力するが、過量で存在する場合は、触媒層や気体拡散層の微細な孔を塞ぐ恐れがある。すなわち、燃料電池の電極表面における水分排出能力は、電極の性能を左右する要素である。したがって、電極内に入り込む水分や電極で生成される水分は、適切に維持されなければならない。また、水分が適切に排出されなければ、フラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象が生じ、電極の３相反応点を減少させて触媒の活性面積を減少させ、結果的に燃料電池の効率を減少させる。
【０００８】
しかし、従来は、燃料電池用膜電極接合体の触媒層が触媒及びイオノマーを含む１種のインクでコーティングされて製造されるため、全体的に同じ触媒層が形成される。従って、触媒層内で撥水を調節し難いという問題点がある。
【０００９】
これに対し、特許文献１は触媒粒子を相異なる親水性を持つ化合物で表面改質し、触媒層内で親水性が異なる電極を製造する方法を開示しているが、前述した問題点を効果的に解決することはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−２８６３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、触媒層で撥水の程度を調節して電極内の水分を適切に維持可能な燃料電池用カソード電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池用カソード電極は、流路（channel：溝、管、導管）を持つセパレーターに接する気体拡散層、及び前記気体拡散層と電解質膜との間に介在される触媒層を含む燃料電池用カソード電極において、前記触媒層は撥水性の相異なる２つの部分を含み、前記触媒層で流路に対向しない部分が流路に対向する部分より撥水性が高いことを特徴とする。
【００１３】
本発明者等は、特許文献１に親水度が相異なる領域を持つ触媒層が開示されているものの、触媒層内の水分調節と流路の位置との相関関係を見逃したため、その効果が十分ではないことに着目した。そこで、図５に示されたように、本発明の燃料電池用カソード電極は、セパレーター２１０の流路に対向しない部分２２、すなわち、セパレーターによって押される気体拡散層２０８に対応する触媒層２０３、２０５の撥水性を高めることで、水分の排出を円滑にして電池内の水分を適切に維持し、電池の性能を向上できることに想到した。本発明の電極において、前記流路に対向する部分と対向しない部分との撥水性の差は、例えば、水接触角（ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ）の差で２゜〜２０゜であり得るが、これに限定されることはない。
【００１４】
本発明のカソード電極の触媒層で流路に対向する部分は、当分野で通常使用する触媒層であり得る。例えば、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒、及びポリマーイオノマーを含むことができる。
【００１５】
本発明のカソード電極の触媒層で流路に対向する部分より撥水性が高い、流路に対向しない部分は、撥水性を向上させるため、従来の触媒層に当分野で使用する疎水性高分子系撥水性向上剤をさらに含んでなり得る。例えば、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒；ポリマーイオノマー；及びポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン及びフッ素化エチレンプロピレンコポリマーからなる群より選択される疎水性高分子系撥水性向上剤を含み得る。ここで、前記疎水性高分子系撥水性向上剤の含量は、当業者が必要に応じて金属触媒：疎水性高分子系撥水性向上剤を質量比で１：０．０２〜０．４０にすることができるが、これに限定されることはない。
【００１６】
また、本発明は、（Ｓ１）第１触媒層形成用インク、及び第１触媒層形成用インクに疎水性高分子系撥水性向上剤をさらに含めた第２触媒層形成用インクをそれぞれ製造する段階；及び（Ｓ２）前記第１触媒層形成用インクは流路に対向する部分に噴射され、前記第２触媒層形成用インクは流路に対向しない部分に噴射されるように、前記第１触媒層形成用インク及び第２触媒層形成用インクをそれぞれインクジェット方式で電解質膜または気体拡散層に噴射する段階を含む燃料電池用カソード電極の製造方法を提供する。
【００１７】
これに関し、本発明者等は、特許文献１には触媒粒子を表面改質して触媒層の親水性を調節することが開示されているものの、触媒粒子を表面改質する追加的な段階が必要となるため煩雑であるという問題点があることに着目した。そこで、本発明者等が想到した本発明の製造方法は、触媒層形成用インクを製造するときに触媒層の撥水性を向上できる疎水性高分子系撥水性向上剤を添加して混合するため、別の段階を必要としない簡単な方法である。
【００１８】
前記第１触媒層形成用インクとしては、当分野で通常使用するインクを使用することができ、例えば、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒、ポリマーイオノマー、及び溶媒を含み得る。前記第２触媒層形成用インクは、従来触媒層形成用インクの撥水性を向上させるために当分野で使用する疎水性高分子系撥水性向上剤をさらに含み得る。
例えば、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒；ポリマーイオノマー；ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンコポリマーからなる群より選択される疎水性高分子系撥水性向上剤；及び溶媒を含み得る。ここで、前記疎水性高分子系撥水性向上剤の含量は、当業者が必要に応じて金属触媒：疎水性高分子系撥水性向上剤を質量比で１：０．０２〜０．４０にすることができるが、これに限定されることはない。
【００１９】
本発明の燃料電池用カソード電極の製造方法において、インクの噴射は必要に応じて熱処理状態で行うこともできる。
【００２０】
上記のような本発明のカソード電極は、膜電極接合体及び燃料電池に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】燃料電池の電気発生原理を説明するための概略図である。
【図２】一般的な燃料電池用膜電極接合体の構造を示した概略図である。
【図３】本発明による第１触媒層形成用インク及び第２触媒層形成用インクをそれぞれ噴射する様子を示した概略図である。
【図４】本発明によって形成された触媒層を概略的に示した平面図である。
【図５】本発明によって形成されたカソード電極を概略的に示した分離断面図である。
【図６】本発明による燃料電池の一例を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の燃料電池用カソード電極をその製造方法に従って詳しく説明する。本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
【００２３】
まず、第１触媒層形成用インク、及び第１触媒層形成用インクに疎水性高分子系撥水性向上剤をさらに含めた第２触媒層形成用インクをそれぞれ製造する（Ｓ１）。
【００２４】
本発明による第１触媒層形成用インクとしては、当分野で使用する触媒層形成用インクを制限なく使用することができる。例えば、前記触媒層形成用インクは、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒；ポリマーイオノマー；及び溶媒を含んでなり得る。
【００２５】
前記金属触媒としては、代表的に白金、ルテニウム、オスミウム、白金‐ルテニウム合金、白金‐オスミウム合金、白金‐パラジウム合金、及び白金‐遷移金属合金からなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物を使用することができるが、これに限定されることはない。
【００２６】
前記炭素系支持体は炭素系物質であり得るが、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック（ｄｅｎｋａ ｂｌａｃｋ）、ケッチェンブラック（ｋｅｔｊｅｎ ｂｌａｃｋ)、活性カーボン、メソポーラスカーボン（ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｈｏｒｎ）、炭素ナノリング（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｒｉｎｇ）、炭素ナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）、及びスーパーＰ（登録商標）からなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物であることが望ましい。
【００２７】
前記ポリマーイオノマーとしては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）イオノマーまたはスルホン化ポリトリフルオロスチレンのようなスルホン化されたポリマーを通常使用することができる。
【００２８】
前記溶媒としては、水、ブタノール、イソプロパノール、メタノール、エタノール、ｎ‐プロパノール、ｎ‐ブチルアセテート、及びエチレングリコールからなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物を使用することが望ましい。
【００２９】
本発明の第２触媒層形成用インクは、疎水性高分子系撥水性向上剤が添加されたことを除き、前記第１触媒層形成用インクと同じ方法で製造することができる。例えば、前記第２触媒層形成用インクは、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒；ポリマーイオノマー；ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンコポリマーからなる群より選択される疎水性高分子系撥水性向上剤；及び溶媒を含み得る。
【００３０】
前記第２触媒層形成用インクに添加される疎水性高分子系撥水性向上剤は、当業者が実験を繰り返して必要に応じて適正量を添加することができる。例えば、金属触媒：疎水性高分子系撥水性向上剤を質量比で１：０．０２〜０．４０にすることができる。疎水性高分子系撥水性向上剤が金属触媒の質量対比０．０２以上であれば優れた撥水効果が奏されるが、０．４０を超過すれば、超過量に比例する撥水効果の増加率が低減し、物質伝達が悪化する可能性がある。上記のようにしてインクを製造した後は、前記第１触媒層形成用インクは流路に対向する部分に噴射され、前記第２触媒層形成用インクは流路に対向しない部分に噴射されるように、前記第１触媒層形成用インク及び第２触媒層形成用インクをそれぞれインクジェット方式で電解質膜または気体拡散層に噴射して触媒層を形成する（Ｓ２）。
【００３１】
図３に示されたように、前記第１触媒層形成用インク１１及び第２触媒層形成用インク１２を電解質膜２０１または気体拡散層２０８にそれぞれ噴射する。インクジェット噴射方式では、関連したソフトウェアを用いてインク滴の噴射位置を非常に精度良く調整できるため、電解質膜２０１または気体拡散層２０８上の予め指定された位置に第１触媒部形成用インク１１及び第２触媒層形成用インク１２をインク滴単位で噴射することができる。よって、図４に示されたように、流路に対向する部分２１には第１触媒層形成用インクを噴射し、流路に対向しない部分２２には第２触媒層形成用インクを噴射することができる。
【００３２】
図５に示されたように、触媒層中の流路に対向しない部分２２には、膜電極接合体に接触するセパレーター２１０の流路ではない部分によって圧力が加えられるため、気体拡散層２０８の細孔（ｐｏｒｅ）が縮小する。気体拡散層２０８の細孔が縮小すれば、水分が排出され難くなるため、その部分に対応する触媒層２０３、２０５の水分濃度と他の部分の水分濃度とには違いが生じる。したがって、本発明による触媒層２０３、２０５は、流路に対向しない部分２２の撥水性を流路に対向する部分２１より高くすることで、触媒層２０３、２０５の流路に対向しない部分２２の水分濃度と流路に対向する部分２１の水分濃度とを実質的に同一に維持することができる。
【００３３】
前記流路に対向する部分と対向しない部分との撥水性の差は、多様な方法で測定することができる。例えば、水接触角（ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ）で表すことができる。そして、本発明において、前記流路に対向する部分と対向しない部分との撥水性の差は、水接触角の差が２゜以上、望ましくは５゜以上、さらに望ましくは１０゜以上であり得るが、これに限定されることはない。但し、撥水性の差が大き過ぎると、触媒層内の反応性が低下する恐れがあるため、触媒層内の２つの部分の撥水性の差は２゜〜２０゜であることが適切である。
【００３４】
上記のようにして電解質膜または気体拡散層上に第１及び第２触媒層形成用インク滴を定められた位置に相互隣接するように噴射すれば、触媒層が形成される。形成された触媒層上に第１及び第２触媒層形成用インク滴を前述した方法で繰り返して噴射すれば、所望の厚さの触媒層が得られる。
【００３５】
インク噴射が終了した後、触媒層を乾燥するための乾燥段階をさらに行うことができる。この場合、噴射されたインク滴の乾燥を促すため、熱処理状態でインクを噴射することもできる。
【００３６】
前述した本発明の燃料電池用カソード電極の製造方法によれば、インクジェット方式で微細なインク滴を所望の位置に噴射できるため、インクに含まれる物質の触媒層における位置を調節することができる。従って、燃料電池が多様な流路パターンを持っていても、本発明による第１触媒層形成用インク及び第２触媒層形成用インクが位置調整を通じてそれぞれ流路に対向する部分及び流路に対向しない部分に噴射されるため、触媒層内で撥水性が相異なる部分を調節することができる。また、流路の位置に応じて撥水性が相異なる触媒層を持つことで触媒層の水分濃度を調節し、電極内の水分量を適切に調節できることは、前述したように別の実験がなくても当業者であれば十分予測することができる。
【００３７】
本発明の燃料電池用電極は、電解質膜または気体拡散層上に形成され、本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造に使用することができる。
【００３８】
図２に示されたように、本発明の燃料電池用膜電極接合体は、電解質膜２０１と、前記電解質膜２０１を介在して相互対向するアノード電極及びカソード電極とを含む。前記アノード電極及びカソード電極は、それぞれ気体拡散層２０８及び触媒層２０３、２０５を含む。本発明の燃料電池用気体拡散層２０８は、基材２０９ａ、２０９ｂ及び基材の一面に形成される微細気孔層２０７ａ、２０７ｂを含み得る。
【００３９】
前記電解質膜としては、当分野で使用する電解質膜を制限なく使用することができる。例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、炭化水素系ポリマー、ポリイミド、ポリビニリデンフルオライド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル、ドープされたポリベンズイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、これらの酸及び塩基からなる群より選択される高分子を使用することができるが、これに限定されることはない。
【００４０】
前記気体拡散層としては、当分野で使用する気体拡散層を制限なく使用することができ、代表的にカーボン紙、炭素布、及び炭素フェルトからなる群より選択される導電性基材を含んでなり得る。前記気体拡散層は前記導電性基材の一面に形成される微細気孔層をさらに含み得、微細気孔層は炭素系物質及びフッ素系樹脂を含んで形成され得る。
【００４１】
前記炭素系物質としては、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック、活性カーボン、メソポーラスカーボン、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノホーン、炭素ナノリング、炭素ナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）及びスーパーＰからなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物を使用することができるが、これに限定されることはない。
【００４２】
前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶｄＦ）、ポリビニールアルコール、セルロースアセテート、ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレンのコポリマー（ＰＶｄＦ‐ＨＦＰ）またはスチレン‐ブタジエンゴム（ＳＢＲ）からなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物を使用することができるが、これに限定されることはない。
【００４３】
このとき、触媒層は前記気体拡散層の微細気孔層上に形成される。
【００４４】
また、本発明は前述した膜電極接合体を含む燃料電池を提供する。図６は、本発明の一実施例による燃料電池を示した概略図である。図６を参照すれば、本発明の燃料電池はスタック２００、燃料供給部４００、及び酸化剤供給部３００を含んでなる。
【００４５】
前記スタック２００は、本発明の膜電極接合体を少なくとも１つ含み、膜電極接合体が２つ以上含まれる場合は、これらの間にセパレーターが介在される。前記セパレーターは、膜電極接合体が電気的に連結されることを防止し、外部から供給された燃料及び酸化剤を膜電極接合体に伝達する。
【００４６】
前記燃料供給部４００は、燃料を前記スタックに供給し、燃料を貯蔵する燃料タンク４１０、及び燃料タンク４１０に貯蔵された燃料をスタック２００に供給するポンプ４２０で構成され得る。燃料としては、気体状または液体状の水素または炭化水素燃料を使用でき、炭化水素燃料の例としてはメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールまたは天然ガスが挙げられる。
【００４７】
前記酸化剤供給部３００は酸化剤を前記スタックに供給する。前記酸化剤としては酸素を代表的に使用し、酸素または空気をポンプ３００で注入して使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の燃料電池用カソード電極は、触媒層の撥水性を位置によって相異なるように調節することで電極内の水分量を適切に維持でき、フラッディング現状の発生を抑制して電池の性能を向上させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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