(57)【要約】【課題】燃料電池に用いる触媒電極において、燃料の拡散性と三相界面を最適化して高効率の触媒電極を得る。【解決手段】触媒電極１０は、電極基材１１の上に、あらかじめ溶媒に均一に分散し、調整しておいた電解質１３と、触媒粒子１２とによる触媒層１４を形成してなる。このとき電極基材１１側では、電解質１３の量が少なく空孔１５が多いため、燃料の拡散性が良い。そして、電極基材１１側から伝導電解質膜２に向かって相対的に電解質１３の量が増えて空孔１５が減少し、これにより三相界面が増加する。本構成によれば、触媒層１４において、燃料の拡散性の良い領域と活性の高い三相界面が多い領域とを厚さ方向にそれぞれ形成できる。また、他の例では、上記構成において、触媒電極１０の厚さ方向に、電極基材１１から伝導電解質膜２に向かって触媒粒子１２の粒径を小さくするようにしてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基材と、該電極基材上に形成された触媒層とを有してなる触媒電極であって、前記触媒層は、電解質と触媒機能を有する粒子とを含み、該触媒層に含まれる前記電解質が、該触媒層の厚み方向において前記電極基材の反対側に相対的に多く存在していることを特徴とした触媒電極。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、前記触媒層の厚み方向において前記電極基材側で相対的に粒径が大きいことを特徴とする触媒電極。
【請求項３】
請求項１または２に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、金属触媒を担持したカーボン粒子であることを特徴とした触媒電極。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１に記載の触媒電極において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成されてなることを特徴とする触媒電極。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１に記載の触媒電極を製造するための触媒電極の製造方法において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成することを特徴とする触媒電極の製造方法。
【請求項６】
電解質層を触媒電極で両側から狭持してなる積層体を有し、該積層体に燃料を供給して発電を行なう燃料電池において、前記触媒電極は、請求項１ないし４のいずれか１に記載の触媒電極であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、前記燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、前記燃料がエタノールを含有するものであ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、触媒電極、触媒電極の製造方法、および該触媒電極を用いた燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池に適用されて燃料の拡散性と三相界面の形態を最適化した触媒電極と、その触媒電極の製造方法、その触媒電極を適用した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化ガスに代表される環境問題の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されてきている。特に固体電解質型燃料電池は、低温作動特性を有し、小型で高出力密度であることから研究開発が活発に進められている。その中、燃料電池電極の製造において、電極層への燃料の高い拡散性と三相界面の形成は、燃料電池の安定稼動に不可欠な要素である。
【０００３】
そこで従来から、電極基材と電解質層との間の触媒層の形態として、電極基材から電解質層に向かって粒度勾配を持たせた触媒粒子層を形成したものが開示されており（例えば、特許文献１）、燃料の拡散性の改善がなされている。また特許文献１では、電解質層側の触媒粒子の粒径を小さくすることによって、電解質層との界面における触媒粒子の表面積が増えることがあげてられているが、触媒層の内部において効率的に反応を起こすような、触媒粒子と電解質が形成する三相界面については改善されていない。
【０００４】
一方、触媒層を積層して形成する従来方法としては、粉砕機で粉砕した触媒の粉体を散布して電極を製造する方法がある（例えば、特許文献２）。しかしながら、粉砕機により粉砕された粉体を用いて連続的に触媒層を形成することは難しく、また三相界面が効率的に形成されていない。
【特許文献１】特開平２−１８８６２号公報
【特許文献２】特開２００１−１６０４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、
その目的は、燃料電池に用いることができる触媒電極において、燃料の拡散性と三相界面の形態が場所に応じて最適化された触媒電極を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極において、触媒電極が有する電極基材側では燃料の拡散性が良く、触媒電極が積層される電解質膜側では、三相界面がより多く形成されている電極を提供することである。
【０００６】
さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極において、触媒性能が高い触媒電極を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極の触媒層を効率的に製造することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の触媒電極により、燃料の拡散性と三相界面の形態が最適化され、高効率で安定稼動することができる燃料電池を提供することである。
【０００７】
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料電池において、エネルギー密度の高い液体燃料を用いることにより、駆動時間を向上させる燃料電池を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料電池において、環境保全性および安全性が高い燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、電極基材と、該電極基材上に形成された触媒層とを有してなる触媒電極であって、前記触媒層は、電解質と触媒機能を有する粒子とを含み、該触媒層に含まれる前記電解質が、該触媒層の厚み方向において前記電極基材の反対側に相対的に多く存在していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、前記触媒層の厚み方向において前記電極基材側で相対的に粒径が大きいことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の触媒電極において、前記触媒機能を有する粒子は、金属触媒を担持したカーボン粒子であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１に記載の触媒電極において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１ないし３のいずれか１に記載の触媒電極を製造するための触媒電極の製造方法において、前記触媒層は、前記触媒機能を有する粒子、前記電解質、および溶剤の組成を変化させて、前記電極基材に噴霧することにより形成することを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明は、電解質層を触媒電極で両側から狭持してなる積層体を有し、該積層体に燃料を供給して発電を行なう燃料電池において、前記触媒電極は、請求項１ないし４のいずれか１に記載の触媒電極であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項６に記載の燃料電池において、前記燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項７に記載の燃料電池において、前記燃料がエタノールを含有するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の触媒電極によれば、燃料の拡散性と三相界面の形態が場所に応じて最適化された触媒電極を提供することができる。
さらに本発明の触媒電極によれば、上記の触媒電極において、触媒電極が有する電極基材側では燃料の拡散性が良く、触媒電極が積層される電解質膜側では、三相界面がより多く形成されている触媒電極を提供することができる。
【００１７】
さらに本発明の触媒電極によれば、上記の触媒電極において、触媒性能が高い触媒電極を提供することができる。
また本発明の触媒電極の製造方法によれば、上記の触媒電極の触媒層を効率的に製造することができる。
また本発明の燃料電池によれば、上記の触媒電極により、燃料の拡散性と三相界面の形態が最適化され、高効率で安定稼動することができる燃料電池を提供することができる。
【００１８】
さらに本発明の燃料電池によれば、上記の燃料電池において、エネルギー密度の高い液体燃料を用いることにより、駆動時間を向上させる燃料電池を提供することができる。
さらに本発明の燃料電池によれば、上記の燃料電池において、環境保全性および安全性が高い燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２０】
プロトン伝導型電解質を使用した燃料電池を例にとり、その発電概念図を図１に示す。
図１において、１は燃料電池、２は伝導電解質膜、３はアノード、４はカソード、５はアノード側セパレータ、６はカソード側セパレータ、７はアノード燃料（主に水素やアルコール）の流路となる溝、８カソード燃料（主に空気や酸素）や生成水の流路となる溝である。燃料電池の発電部は、実際には、上記のような燃料電池本体１のように構成されたセルが、多数積み重ねられたセルスタックとして構成される。
【００２１】
燃料電池１は、その基本的構成要素として、中心にイオン伝導体（図１の場合はプロトン伝導体）よりなる伝導電解質膜２を有し、その両側にアノード３およびカソード４が配置された構成を有している。アノード３及びカソード４は、通常、拡散層と触媒とを有して構成され、拡散層で燃料を拡散するとともに、触媒によって反応を促進させる。例えば、アノード３は、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極で、カソード４は、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極として構成される。また、伝導電解質膜２は、例えば、アノード３とカソード４との間に介装されたフィルム状のイオン導電膜(交換膜)により構成される。
【００２２】
伝導電解質膜２にプロトン伝導型の電解質が使用される場合、アノード３側にプロトン源となるアノード燃料（水素、アルコールなど）が供給されると、アノード３内の触媒作用により、アノード燃料から水素イオンが発生する。このとき、発生する電子は外部回路に流れ出る。そして発生した水素イオンは、伝導電解質膜２を伝搬してカソード４に達する。そしてカソード４に酸化剤（空気、酸素など）からなるカソード燃料が供給されることにより、水素イオンと酸素と外部回路を通して流れてくる電子とが反応し、水が生成される。以上が発電の概念で、これを反応式として表すと以下のようになる。
【００２３】
アノード反応；Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-（水素燃料の場合）
カソード反応；２Ｈ+  ＋  １／２Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ
全反応；Ｈ2＋１／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ
【００２４】
上記の式に示された反応が進行するためには、燃料電池の電極（アノード３、カソード４）により伝導電解質膜２を狭持してなる積層体において、燃料と触媒と電解質の界面（三相界面）が十分形成されていることと、燃料の拡散性とが必要である。なぜなら、電子の授受はこの三相界面でのみ行われており、燃料分子は電解質の薄層を透過して触媒表面で活性化され電子を電極に与え、生成したプロトンなどのイオンは電解質を拡散伝搬していく。これを効率よく実行するためには、“燃料”と“燃料を活性化して電子を伝搬する伝導体触媒”と“プロトンを伝搬する電解質”の三相が形成されていることが不可欠なのである。
【００２５】
実際には、触媒の表面に薄い電解質層が存在しても水素はこの層を透過するので、燃料の拡散する空孔が存在しない点においても反応は進行するが、その場合も反応は三相界面で行われているといえる。さらにメタノールやエタノールなどの液体燃料の場合においても、電解質層を浸透するので同様に反応が起こる。この三相界面をより多く効果的に形成して電気特性を得るには、電極の構造が重要となっており、この点について種々検討がなされている。
【００２６】
これまでに、電極が備える電極基材側から電解質層に向かって、触媒粒子の粒径を段階的に小さくしたものが提案されているが、電解質と触媒粒子との組成を変えずにこれらを電極に含有させた場合、触媒粒子の粒径が小さくなるに伴い、触媒の表面積は増加しているのに対し三相界面の要素である電解質量の調整はなされない。そこで本発明では、より発電特性を向上させるため、触媒粒子に対して電解質を最適に調整した触媒電極を提案した。
【００２７】
図２は、本発明の触媒電極の一実施形態を説明するための概略図で、図中、１０は触媒電極、１１は電極基材、１２は触媒粒子、１３は電解質、１４は触媒粒子１２と電解質１３を含んでなる触媒層、１５は空孔である。この触媒電極１０は、図１に示す燃料電池において、アノード３およびカソード４に適用して、伝導電解質の電極狭持体を形成することができる。
【００２８】
図２に示す触媒電極１０は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどによる電極基材１１の上に、あらかじめ溶媒に均一に分散し、調整しておいた電解質１３と、触媒粒子１２とによる触媒層１４を形成する。触媒層１４を形成する成分としては、触媒粒子１２と電解質１３の他に結着剤を含んでいても良い。このとき電極基材１１側では、電解質１３の量が少なく空孔１５が多いため、燃料の拡散性が良い。そして、電極基材１１側から伝導電解質膜２に向かって相対的に電解質１３の量が増えて空孔１５が減少し、これにより三相界面が増加する。そして、伝導電解質膜２との接合面では、空孔１５がない平滑な接合面が形成されている。本構成によれば、触媒層１４において、燃料の拡散性の良い領域と活性の高い三相界面が多い領域とを厚さ方向にそれぞれ形成できる。
【００２９】
図３は、本発明の触媒電極の他の実施形態を説明するための概略図である。本実施形態では、触媒層１４の厚さ方向において、触媒粒子１２の含有重量を変えることなく、その粒径を電極基材１１側から伝導電解質膜２に向かって徐々に小さくしている。
つまり、触媒層１４の厚さ方向において、触媒粒子１２の粒径を小さくしたとき、含有される触媒粒子１２の重量が一定である場合は、その触媒粒子１２の表面積は増加する。そして、増加した触媒粒子１２の表面積に応じて、電解質１３の量を増加させる。これにより、伝導電解質膜２近傍においても、触媒粒子１２のまわりに十分に電解質１３が存在できるため三相界面をより多く形成することができる。また、触媒粒子１２の粒径が大きい領域では空孔１５が多く形成され、触媒粒子１２の粒径が小さい領域では空孔１５の量が少ない。これにより、燃料の拡散も効率的に実行することができる。
【００３０】
本発明の触媒粒子としては、ＰｔやＲｕなどの金属触媒がカーボン粒子に担持されているものが好ましく、カーボンの粒径を調整することでカーボン粒子の表面積に応じた触媒の量が調整され、結果、三相界面の形成を調整することができる。
【００３１】
次に触媒層１４の形成方法の実施形態について説明する。
触媒層１４を形成するための方法として、一般にブレードなどによる塗布やスクリーン印刷などを適用することが考えられるが、本発明のように、触媒層１４の厚さ方向にその組成を変化させる場合は、触媒層１４を何層かに分けて層形成する必要がある。この場合、ある程度の粘度を有する触媒層１４を、前記のブレードなどで塗布する場合は、層を重ねる前に下の層が十分に乾燥して固定される必要があり、層形成の工程に時間を要する。つまり空孔１５を調節できる粘度を有する塗工液を、塗布後に乾燥して層形成を行うのであるが、塗布層は表面から乾燥し、層内部の乾燥に時間がかかるため、触媒層１４の形成工程に時間を要することとなる。また塗布層が表面から乾燥し、塗布を行なう面に厚み方向へ力が加わることで空孔１５の形成が困難となる。
【００３２】
本発明の実施形態では、スプレーコートのような噴霧によって触媒層１４を形成することが好ましい。噴霧法においては、分散溶媒の種類と配合量、および触媒担持粒子と電解質の配合量を適切に選んで噴霧液を調整し、適切な噴霧量と速度を選ぶことで、拡散性の良い空孔１５を有する触媒層１４を効率的に形成することができる。これは、噴霧液を噴霧するとき、その噴霧中に噴霧液の粘度が上昇するため、形成される触媒層１４に空孔１５が維持され易くなるものと考えられる。また噴霧による層形成を行なう環境としては、室温でも良く、温度調整を行なって噴霧した液滴の粘度や形成された層の乾燥速度を調節してもよい。
【００３３】
図４は、触媒層を形成するための層形成工程の一例を説明するための概略図で、図中、１６は触媒層を層形成するために調整された噴霧液、２１，２２は噴霧液を噴霧するための噴霧ノズルである。
触媒層１４を層形成するために、目的の層組成に応じて調整した噴霧液を、その量と時間を調節して噴霧ノズル２１，２２から噴霧させ、電極基材１１上に層形成する。噴霧によって噴霧液に含まれる分散溶媒は速やかに乾燥し、連続的な工程により効率的に触媒層１４を作製することができる。
【００３４】
上記のごとくに形成された触媒電極を使用して燃料電池を作成することができる。燃料電池に使用する燃料は、燃料電池に合わせて適宜設定されるものであるが、燃料としては、体積および重量エネルギー密度に優れるものを使用することが好ましく、特に体積密度に優れる燃料を使用することが好ましい。したがって気体状燃料は体積エネルギー密度に劣るため好ましくなく、液体状燃料、固体状燃料を用いることが好ましい。
【００３５】
例えば１分子の酸化反応より取り出すことができる電子数は、水素であれば２個、メタノールであれば６個、エタノールであれば１２個であることから、各々の分子１ｍｏｌから取り出せるクーロン量はそれぞれ理論値として、９６５００×２Ｃ、９６５００×６Ｃ、９６５００×１２Ｃとなる。各々の密度、分子量を考慮し、１ｃｃ当たりのクーロン量に換算すると、エネルギー密度は、水素が約９Ｃ／ｃｃ、メタノールが約１４４００Ｃ／ｃｃ、エタノールが１５２００Ｃ／ｃｃとなる。つまり常圧の気体としての水素は単位体積あたりのエネルギー密度は著しく低くなる。メタノールとエタノールは、酸化反応に水分子がそれぞれ、１分子、３分子必要であるが（以下の式）、これを加味しても液体燃料が優れることは明らかである。
【００３６】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→６Ｈ+＋６ｅ-＋ＣＯ2
Ｃ2Ｈ5ＯＨ＋３Ｈ2Ｏ→１２Ｈ+＋１２ｅ-＋２ＣＯ2
【００３７】
また、燃料として高圧状態の水素あるいは液体水素を使用することも可能であるが、容器を堅牢にする必要が生じ、容器込みのエネルギー密度を考慮すると、常温常圧で液体あるいは固体状態の燃料がやはり優れている。
具体的には、水素吸蔵合金に蓄えた水素、ガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコールなどの固体状、および液体状燃料が使用できるが、燃料電池の小型化が可能な点、および体積エネルギー密度に優れる点により、アルコール燃料を使用することが好ましい。
アルコール燃料を使用することにより、燃料電池の駆動時間を向上させることが可能になる。なかでも、炭素数４以下のアルコールを使用することが好ましく、この場合、安全性が高く、生合成が可能である点（環境面）からエタノールを使用することがさらに好ましい。本発明で作成された電極を用いた燃料電池は、従来のものより燃料の拡散性が良く効率良く燃料が触媒層に供給される。つまりガス燃料に比べ拡散しにくい液体燃料において、拡散性の向上が著しい。
【００３８】
図５は、上記のような燃料電池を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。
燃料容器５０には、アノード燃料５１が充填されている。本例では、カソード燃料としては、空気を用いるものとし、アノード燃料としてエタノール等の水素を含む液体燃料（アルコール類）を用いるものとする。燃料容器５０は、燃料電池本体１が備えられる発電モジュール３０に接続され、発電モジュール３０で発電された電気エネルギーにより、負荷４０を駆動することができる。
【００３９】
発電モジュール３０は、発電部である燃料電池本体１と、燃料電池本体１の出力を制御するための出力制御部３２と、負荷４０の駆動状態に応じて出力制御部３２の動作を制御する動作制御部３１とを有している。
【００４０】
上記発電モジュール３０において、動作制御部３１は、負荷４０の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）に基づいて、燃料電池本体１の発電状態を制御する。具体的には、動作制御部３１は、燃料電池本体１が駆動していない状態で負荷４０を起動させる指令を検出した場合に、出力制御部３２に対して燃料電池本体１を起動させるための動作制御信号を出力し、また、燃料電池本体１が駆動している状態で、負荷４０を停止する指令を検出した場合は、出力制御部３２に対して、燃料電池本体１を停止させるための動作制御信号を出力する。
【００４１】
また、動作制御部３１は、燃料電池本体１が駆動している状態で、負荷４０の駆動状態の変動を検出した場合には、出力制御部３２に対して、燃料電池本体１から負荷４０に供給される電気エネルギーが、負荷４０の駆動状態に対応した適切な値となるように、燃料電池本体１における電気エネルギーの発生量（発電量）を調整するための動作制御信号を出力する。
【００４２】
出力制御部３２は、上記動作制御部３１からの動作制御信号に基づいて、燃料電池本体１への発電用燃料（アノード燃料）の供給量を制御する燃料制御部３３と、燃料電池本体１へのカソード燃料（ここでは空気）の供給量を制御する空気制御部３４と、アノード燃料を改質して、アノード燃料に含有される水素をガス化して供給する改質部３５と、液体燃料からの燃料や水により自発的に発電し、少なくとも負荷４０がオフの時に、燃料制御部３３、空気制御部３４、改質部３５に電力を供給する副発電部３６と、を有して構成されている。
【００４３】
副発電部３６は、燃料容器５０に連通する管から毛細管現象により送出された液体燃料が改質器なしに直接供給されることにより発電する直接型燃料電池、あるいは燃料容器５０から送出された液体燃料が気化する際に上昇する圧力でタービンを回転し発電するガスタービン型やロータリーエンジン型発電器により構成することができる。また副発電部３６は、少なくとも負荷４０がオフ時に、動作制御部３１が負荷駆動情報をモニタリングするために必要な電力を動作制御部３１に供給するとともに、オフ時の待機電力を負荷４０に供給する。
【００４４】
空気制御部３４は、燃料電池本体１のカソード４に供給する酸素ガスの量を電気的にポンプを駆動して供給するように設定されていてもよく、また、燃料電池本体１における単位時間当たりの酸素の最大消費量に相当する空気（大気）を供給できるものであれば、大気と燃料電池本体１とが連通した通気孔として構成してもよい。燃料電池本体１における電気化学反応に用いられる量の空気が、通気孔を介して常時供給されるように構成することで、出力制御部３２は、電気化学反応の進行状態を燃料制御部３３のみで制御することができる。
【００４５】
なお、上述したような電気化学反応により負荷４０に供給される駆動電力は、図５のシステムにおいては燃料電池本体１のアノード３に供給される水素ガス（Ｈ2）の量に依存する。したがって、改質部３５によって燃料電池本体１のアノード３に供給される水素ガス（Ｈ2）の量を制御することにより、すなわち、燃料制御部３３によってアノード燃料の量を制御することにより、負荷４０に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。
また、図６は、燃料電池を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図で、図５の改質部３５を用いずに燃料制御部３３から直接に燃料電池本体１にアノード燃料を供給する構成を示すものである。図６の直接液体燃料供給システムにおいては、燃料電池本体１のアノード３に供給される液体燃料の量に依存する。したがって、燃料制御部３３によってアノード燃料の量を制御することにより、負荷４０に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。図６の他の要素については、図５と同様であるので、その繰り返しの説明は省略する。
【００４６】
以上説明したように、本発明によって、燃料の拡散性と三相界面の形態が最適化され、高効率で安定稼動することができる燃料電池を提供でき、小型化・軽量化を図ることができる。
【００４７】
（実施例１）
Ｐｔ担持カーボン、電解質液（ナフィオン溶液、Ｄｕｐｏｎ社製）、およびグリセリンを混合した均一な触媒層液を調整した。ここでは、単位体積当たりのＰｔに対する電解質液量を、段階的に増加させた触媒層液を３種調製して、電極基材１１上に電解質液が少ない順にノズルから噴霧し、図２に示す触媒電極１０の構造を形成した。これにより、単位面積当たり１ｍｇ／ｃｍ2のＰｔの触媒電極１０を得た。そして得られた触媒電極１０を伝導電解質膜（ナフィオン１１５、Ｄｕｐｏｎ社製）の両側に配置し、ホットプレスして伝導電解質膜２と触媒電極１０の接合体を作製した。得られた接合体をセパレータで狭持して燃料電池Ａとした。
【００４８】
（比較例１）
比較例として、Ｐｔ担持カーボン、電解質液（ナフィオン溶液、Ｄｕｐｏｎ社製）、およびグリセリンを混合した触媒層液を調整した。ここでは、調整液を電極基材１１にブレードコートし、図７に示すような、単位体積当たりのＰｔに対する電解質液量が一定の触媒電極１０が形成された。これにより、単位面積当たり１ｍｇ／ｃｍ2の触媒電極１０を得た。そして得られた触媒電極１０を伝導電解質膜（ナフィオン１１５、Ｄｕｐｏｎ社製）の両側に配置し、ホットプレスして伝導電解質膜２と触媒電極１０との接合体を得た。得られた接合体をセパレータで狭持して比較用燃料電池Ｂとした。
【００４９】
（実施例２）
Ｐｔ担持カーボン、電解質液（ナフィオン溶液、Ｄｕｐｏｎ社製）、およびグリセリンを混合した均一な触媒層液を調整した。ここでは、単位体積当たりＰｔに対する電解質液量を段階的に増加させ、かつ含有する触媒担持カーボンの粒径が段階的に小さくなるように変化させた触媒層液を３種調製して、電極基材１１上に電解質液が少ない順にノズルから噴霧し、図３に示す触媒電極１０の構造を形成した。これにより、単位面積当たり１ｍｇ／ｃｍ2の触媒電極１０を得た。そして得られた触媒電極１０を伝導電解質膜（ナフィオン１１５、Ｄｕｐｏｎ社製）の両側に配置し、ホットプレスして伝導電解質膜２と触媒電極１０の接合体を作製した。得られた接合体をセパレータで狭持して、燃料電池Ｃとした。
【００５０】
上記燃料電池Ａ（実施例１）、Ｂ（比較例１）、Ｃ（実施例２）を使用し、燃料としてエタノール水溶液と酸素（空気）を用いて動作させ、これらの電気特性を測定した。
この結果、燃料電池Ｃ、Ａ、Ｂの順に出力が高く、比較例１の燃料電池Ｂに対して、Ａは５％、Ｃは１０％出力が高かった。
上記の結果から、同じ流量で燃料を供給したとき、燃料の利用率がＣ，Ａ，Ｂの順に高くなり、本発明の実施例の燃料電池は、拡散性と界面形成によって燃料が効率良く消費されているといえる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】プロトン伝導電解質を使用した燃料電池の発電概念を説明するための図である。
【図２】本発明の触媒電極の一実施形態を説明するための概略図である。
【図３】本発明の触媒電極の他の実施形態を説明するための概略図である。
【図４】触媒層を形成するための層形成工程の一例を説明するための概略図である。
【図５】燃料電池を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。
【図６】燃料電池を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図である。
【図７】比較例の触媒電極の構成例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池、２…伝導電解質膜、３…アノード、４…カソード、１０…触媒電極、１１…電極基材、１２…触媒粒子、１３…電解質、１４…触媒層、１５…空孔、１６…噴霧液、２１，２２…噴霧ノズル、３０…発電モジュール、３１…動作制御部、３２…出力制御部、３３…燃料制御部、３４…空気制御部、３５…改質部、３６…副発電部、４０…負荷、５０…燃料容器、５１…アノード燃料、１１５…ナフィオン。
【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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【図７】
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