(57)【要約】【課題】  触媒の利用効率が高められた燃料電池用電極を提供すること。【解決手段】  触媒又は触媒担持カーボンにイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させた後、前記モノマーを重合させて得られるイオン性解離基を有するポリマーで被覆された触媒又は触媒担持カーボンを含むことを特徴とする燃料電池用電極。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒又は触媒担持カーボンにイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させた後、前記モノマーを重合させて得られるイオン性解離基を有するポリマーで被覆された触媒又は触媒担持カーボンを含むことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】
前記イオン性解離基がスルホン酸基（−ＳＯ3Ｈ）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極。
【請求項３】
前記イオン性解離基を有するポリマーで被覆された触媒又は触媒担持カーボン及び高分子電解質を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用電極。
【請求項４】
固体高分子電解質膜の両面に隣接してアノード極及びカソード極を配置した燃料電池において、前記アノード極及びカソード極の少なくとも一方に請求項１、２又は３に記載の燃料電池用電極を用い、前記アノード極及びカソード極を前記固体高分子電解質膜と接合して形成してなる電解質膜−電極接合体を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
（ｉ）触媒又は触媒担持カーボン及びイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを含む分散液中で前記触媒又は触媒担持カーボンに前記イオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させる工程と、
（ii）前記イオン性解離基を有する重合可能なモノマーが物理吸着した触媒又は触媒担持カーボンを濾別する工程と、
（iii）前記濾別したイオン性解離基を有する重合可能なモノマーが物理吸着した触媒又は触媒担持カーボンを分散媒中に分散する工程と、
（iv）前記分散媒中で前記触媒又は触媒担持カーボンに物理吸着した重合可能なモノマーを重合する工程と、を有することを特徴とする燃料電池用電極触媒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極及びそれを用いた燃料電池並びに燃料電池用電極触媒の製造方法に関し、さらに詳しくは特に固体高分子形燃料電池用電極及びそれを用いた固体高分子形燃料電池並びに固体高分子形燃料電池用電極触媒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基本的には燃料電池は、水素と酸素を反応させて電気を発生させる発電装置であり、発電反応で水しか生成されないという優れた性質を有しているので、温暖化やオゾン層破壊といった地球環境問題に対処する省エネルギーの技術として注目されている。
【０００３】
燃料電池には固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池がある。これらの中でも、固体高分子形燃料電池は、作動温度が低い、電解質が固体（高分子の薄膜）であるという利点がある。固体高分子形燃料電池は、メタノールを改質器を用いて水素に変換する改質型と、改質器を用いずに直接メタノールを使用する直接型（ＤＭＦＣ、Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の二つに大別される。ＤＭＦＣは、改質器が不要であるため、小型、軽量化が可能であり、来るべきユビキタス社会に向けた個人用の携帯情報端末（ＰＤＡ、Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等の電池や専用バッテリーとして、その実用化が期待されている。
【０００４】
ＤＭＦＣは、電解質膜にプロトン伝導性固体高分子膜を用い、この電解質膜を介して、拡散層となる多孔性カーボンペーパー上に触媒を塗布してなるアノード極とカソード極を接合し、アノード極側には燃料としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有するアノード極側セパレータが設けられ、カソード極側には酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路溝を有するカソード極側セパレータが設けられた構造となっているのが一般的である。
【０００５】
アノード極にメタノール水溶液を供給し、カソード極に空気を供給すると、アノード極ではメタノールと水との酸化反応によって炭酸ガスが生成すると共に水素イオンと電子が放出され（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-）、カソード極では電解質膜を通過してきた前記水素イオンと空気との還元反応によって水が生成して（６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ）、アノード極とカソード極を繋ぐ外部回路に電気エネルギーを得ることができる。従って、ＤＭＦＣの全反応は、メタノールと酸素から水と二酸化炭素が生成する反応である。
【０００６】
一般にアノード極とカソード極は、白金などの金属触媒とカーボンブラックなどの導電性カーボン又は触媒担持カーボン及び高分子電解質を含む混合体によって構成される。燃料電池用電極に使用する白金触媒のコストは燃料電池全体の数十％を占めるので、燃料電池のコストを下げるためには、使用する白金触媒量を低減することが必要である。
【０００７】
一方、従来の触媒層の作製法では、触媒層として使用した白金のうちの２０〜３０％しか電極反応に関与していない。反応後のプロトン伝導は、高分子電解質が接触する３相界面でのみ起こる。３相界面に燃料が供給され、反応後カーボンが電子を伝導し高分子電解質がプロトンを伝導する。しかし、従来の触媒層の作製法では白金触媒の周辺に高分子電解質が存在する割合が小さいので、速やかな物質移動が行われ難い環境にある。
【０００８】
特許文献１には、触媒の利用率を高めるため、コアの触媒金属をコアの触媒金属とは異なる触媒金属で被覆したコアシェルタイプの触媒金属を用いるとともに、高分子電解質のプロトン伝導経路に接するカーボン粒子の表面に担持された触媒金属量を全触媒金属量の５０質量％以上とすることが開示されている。
【０００９】
特許文献２には、高分子電解質と触媒を十分且つ均一に接触させ、電極内部の反応面積を増大させるために、水素イオン伝導性高分子電解質の分子長を３０〜２００ｎｍとし、これを触媒担持カーボンと溶媒を介して混合するとき、溶媒の誘電率を適切に選択することが重要であることが開示されている。
【００１０】
特許文献３には、触媒担持カーボンのカーボンとして、スルホン酸基のような水素イオン解離が可能な有機基を有するカーボンを用いる技術が開示されている。
【００１１】
非特許文献１には、白金触媒の利用効率を高める技術として、モノマーをカーボン表面で反応させて化学結合させることにより、電解質ポリマーをカーボン表面に固定化したグラフト化白金担持触媒が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１１８５８２号公報
【特許文献２】特開２００２−６３９１２号公報
【特許文献３】特開２００４−７９４２０号公報
【非特許文献１】次世代燃料電池の技術開発報告会要旨集（平成１５年１２月１４日）独立行政法人  新エネルギー・産業技術総合開発機構  燃料電池・水素技術開発部
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
燃料電池の発電効率を高めるために、触媒の利用効率を高めることは有効な手段の一つである。触媒の利用効率を高めるために、上記の特許文献１〜３や非特許文献１に記載された技術が知られている。しかしながら、特許文献１に記載された技術では、カーボン細孔内にプロトン伝導経路が形成されないので、触媒が有効利用されないという問題がある。特許文献２に記載された技術でも、特許文献１に記載された技術と同様に、カーボン細孔内に高分子電解質が十分に入り込めないので、十分な３相界面が形成されているとは言い難いという問題がある。特許文献３に記載された技術では、カーボン表面にスルホン酸基が単分子で結合しているだけであるので、触媒の利用効率を高める効果は期待するほど大きくない。また、非特許文献１に記載された技術では、カーボン表面にポリマーのグラフト鎖を化学結合させるので、製造工程が複雑である上、ポリマーのグラフト鎖がカーボン表面に固定されてしまい自由度がなくなり、触媒の利用効率の大幅な向上は見られなかった。
【００１３】
以上のように、燃料電池の発電効率を高めるために、触媒の利用効率を高める画期的な技術開発が望まれていた。本発明はこれらの課題を解決するものであり、触媒の利用効率が高められた燃料電池用電極、及びそれを用いた燃料電池、並びに触媒の利用効率が高められたを燃料電池用電極触媒の製造方法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】
【００１４】
請求項１に係る燃料電池用電極は、触媒又は触媒担持カーボンにイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させた後、前記モノマーを重合させて得られるイオン性解離基を有するポリマーで被覆された触媒又は触媒担持カーボンを含むことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２に係る燃料電池用電極は、請求項１に記載の燃料電池用電極において、前記イオン性解離基がスルホン酸基（−ＳＯ3Ｈ）であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３に係る燃料電池用電極は、請求項１又は２に記載の燃料電池用電極において、前記イオン性解離基を有するポリマーで被覆された触媒又は触媒担持カーボン及び高分子電解質を含むことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に隣接してアノード極及びカソード極を配置した燃料電池において、前記アノード極及びカソード極の少なくとも一方に請求項１、２又は３に記載の燃料電池用電極を用い、前記アノード極及びカソード極を前記固体高分子電解質膜と接合して形成してなる電解質膜−電極接合体を備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項５に係る燃料電池用電極触媒の製造方法は、
（ｉ）触媒又は触媒担持カーボン及びイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを含む分散液中で前記触媒又は触媒担持カーボンに前記イオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させる工程と、
（ii）前記イオン性解離基を有する重合可能なモノマーが物理吸着した触媒又は触媒担持カーボンを濾別する工程と、
（iii）前記濾別したイオン性解離基を有する重合可能なモノマーが物理吸着した触媒又は触媒担持カーボンを分散媒中に分散する工程と、
（iv）前記分散媒中で前記触媒又は触媒担持カーボンに物理吸着した重合可能なモノマーを重合する工程と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、触媒の利用効率が高められた燃料電池用電極、及びそれを用いた燃料電池、並びに触媒の利用効率が高められたを燃料電池用電極触媒の製造方法提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、触媒又は触媒担持カーボンにイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させた後、前記モノマーを重合させることにより、触媒又は触媒担持カーボンがイオン性解離基を有するポリマーで被覆されることにより、触媒の利用効率が飛躍的に高められることに着目してなされたものである。
【００２１】
モノマーは、その大きさが数オングストローム程度であり、カーボンの小さい細孔内に自由に進入できるので、イオン性解離基を有する重合可能なモノマーはカーボンの外表面のみならず、小さい細孔内の表面にも物理吸着する。この状態で、モノマーを重合させるので、触媒金属とカーボンとプロトン伝導性ポリマー（イオン性解離基を有する重合可能なモノマーを重合することにより得られたポリマー）の３者がそれぞれが十分に接触できるので、３相界面が形成されて、触媒の利用効率が飛躍的に高められるものと考えられる。
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明の燃料電池の一実施形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の燃料電池の単セルＩを示す模式図である。固体高分子電解質膜１は、アノード極側触媒層２とカソード極側触媒層３に挟まれる形で配置されている。アノード極側触媒層２とカソード極側触媒層３は、それぞれカーボンペーパーのような多孔質導電性シートで形成された拡散層４、５の上に設けられている。ここでは便宜上、拡散層４とその上に設けられたアノード極側触媒層２を含めてアノード極と称し、拡散層５とその上に設けられたカソード極側触媒層３を含めてカソード極と称する。
【００２４】
アノード極側触媒層２及びカソード極側触媒層３の少なくとも一方は、触媒又は触媒担持カーボンにイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させた後、前記モノマーを重合させて得られるイオン性解離基を有するポリマーで被覆された触媒又は触媒担持カーボン（以下、本発明に係る触媒又は触媒担持カーボンという）を含むことが必須である。本発明においては、アノード極側触媒層２に、本発明に係る触媒又は触媒担持カーボンを含むことが好ましいが、アノード極側触媒層２及びカソード極側触媒層３の両者に、本発明に係る触媒又は触媒担持カーボンを含むことがより好ましくい。
【００２５】
本発明に係る触媒に用いることができる金属触媒としては、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、金、銀、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マガジン、バナジウム又はこれらの多元合金である。これらの中で、本発明において好ましく用いることができる金属触媒としては、白金又は白金合金である。
【００２６】
本発明では、これらの金属触媒をカーボン粒子に担持させることにより得られる金属触媒担持カーボンを用いることができる。
【００２７】
金属触媒を担持するカーボン粒子としては、活性炭、カーボンブラック、グラファイト及びそれらの混合物を好ましく採用することができる。例えば、カーボンブラックとしてはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられる。市販で入手できるカーボンブラックとしては、Ｄｅｎｋａ  ＢＬＡＣＫ（電気化学工業社製）、Ｖａｌｃａｎ  ＸＣ−７２（キャボット社製）、Ｂｌａｃｋ  Ｐｅａｒｌ  ２０００（同前）、Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ  ＥＣ３００Ｊ（ケェチェンブラック・インターナショナル社製）等を挙げることができる。また、カーボン粒子を親水化処理をして用いることもできる。特に、カルボキシル基を有する化合物で処理してカルボキシル化したもの、スルホン酸基を有する化合物で処理してスルホン化したものが好ましい。
【００２８】
金属触媒をカーボン粒子に担持させる方法としては、例えば、カーボンブラック分散液に白金やルテニウム等の金属触媒の塩を加え、次いで、ヒドラジン等を用いて還元し、ろ過、乾燥する方法が挙げられる。また、本発明においては、乾燥後に更に熱処理を行っても良い。カーボン粒子として市販されているＶａｌｃａｎ  ＸＣ−７２に白金又は白金−ルテニウム触媒を担持させたもの（田中貴金属（株）製）等を用いることもできる。
【００２９】
次に、イオン性解離基を有する重合可能なモノマーについて説明する。
【００３０】
イオン性解離基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基等を挙げることができるが、本発明においては特にスルホン酸基が好ましい。また、モノマーとしては、分子中に１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物を採用し得るが、モノマーユニット中にベンゼン環を含む化合物が好ましい。したがって、本発明において好ましいイオン性解離基を有する重合可能なモノマーは、イオン性解離基としてスルホン酸基を有し、且つ、分子中に１個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物である。また、イオン性解離基を有する重合可能なモノマーは一種だけでなく二種以上を併用することもできる。
【００３１】
以下に、イオン性解離基を有する重合可能なモノマーの代表例を挙げるが、これらに限定されるものではない。例えば、アリルスルホン酸、メタアリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、ｐ−スチレンスルホン酸、（メタ）アクリル酸ブチル−４−スルホン酸、（メタ）アクリロキシベンゼンスルホン酸、ｔ−ブチルアクリルアミドスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、イソプレンスルホン酸等が挙げられる。これらの中でも、ｐ−スチレンスルホン酸が特に好ましい。なお、使用に際しては例えば、Ｎａ等の塩の形で使用することができる。
【００３２】
これらのイオン性解離基を有する重合可能なモノマーの使用量は、モノマーの種類によっても異なるが、概ね、金属触媒担持カーボン１ｇ（担持される金属の量；４０〜８０質量％）当たり、０．０１〜５ｍｍｏｌ、好ましくは０．０１〜０．４ｍｍｏｌである。
【００３３】
また、本発明においては、反応性乳化剤を併用して前記イオン性解離基を有する重合可能なモノマーを共重合することが好ましい。この方法を用いることにより、前記イオン性解離基を有する重合可能なモノマーを、触媒担持カーボンの表面により強固に物理吸着させることができる。
【００３４】
本発明において用いることができる反応性乳化剤の例として、例えば、ノニオン系反応性乳化剤としては、第一工業製薬（株）から販売されているアクアロンＲＮ−１０、ＲＮ−２０、ＲＮ−３０、ＲＮ−５０、旭電化（株）から販売されているアデカリアソープＮＥ−１０、ＮＥ−２０、ＮＥ−３０等が挙げられる。また、アニオン系反応性乳化剤としては、第一工業製薬（株）から販売されているアクアロンＨＳ−１０、ＨＳ−２０、ＨＳ−１０２５、アクアロンＫＨ−０５、ＫＨ−１０、花王（株）から販売されているラテムルＳ−１８０、旭電化（株）から販売されているアデカリアソープＳＥ−１０Ｎ、ＳＥ−２０Ｎ等が挙げられる。
【００３５】
金属触媒担持カーボンに、イオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させる手段について説明する。金属触媒担持カーボンとイオン性解離基を有する重合可能なモノマーとメタノールなどの分散溶媒の混合物を、攪拌機を用いて十分に撹拌し、イオン性解離基を有する重合可能なモノマーが物理吸着した金属触媒担持カーボンの分散液を製作する。次いで、この分散液から分散溶媒をろ過などの手段により除去し、固形分を得る。得られた固形分を真空乾燥などの手段により十分に乾燥し、イオン性解離基を有する重合可能なモノマーが物理吸着した金属触媒担持カーボン粉体を得ることができる。前記の攪拌機の代わりに、超音波分散機を用いることにより、より均一に金属触媒担持カーボンにイオン性解離基を有する重合可能なモノマーを物理吸着させることができる。
【００３６】
続いて、イオン性解離基を有する重合可能なモノマー、架橋剤、さらに必要に応じて前記の反応性乳化剤を、水などの分散媒中で分散する。この分散液を加温して、分散液中に重合開始剤を添加して重合反応を行う。重合反応終了後、ろ過などの手段より、分散媒を除去し、得られた固形分を真空乾燥などの手段により十分に乾燥させる。これによって、イオン性解離基を有するポリマーで被覆された触媒担持カーボンを得ることができる。
【００３７】
重合開始剤は、従来より知られているものを適宜に用いることができる。重合開始剤としては、熱重合開始剤または光重合開始剤が好ましい。ここで熱重合開始剤とは、熱エネルギーを与えることにより重合性のラジカルを発生することが可能な化合物をいう。熱重合開始剤としては、例えば、２，２′−アゾビスイソブチロニトリル、２，２′−アゾビスプロピオニトリル等のアゾビスニトリル系化合物、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過酸化アセチル、過安息香酸ｔ−ブチル、α−クミルヒドロパーオキサイド、ジ−ｔ−ブチルパーオキサイド、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ｔ−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、過酸類、アルキルパーオキシカルバメート類、ニトロソアリールアシルアミン類等の有機過酸化物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過塩素酸カリウム等の無機過酸化物、ジアゾアミノベンゼン、ｐ−ニトロベンゼンジアゾニウム、アゾビス置換アルカン類、ジアゾチオエーテル類、アリールアゾスルフォン類等のアゾまたはジアゾ系化合物、ニトロソフェニル尿素、テトラメチルチウラムジスルフィド、ジアリールジスルフィド類、ジベンゾイルジスルフィド、テトラアルキルチウラムジスルフィド類、ジアルキルキサントゲン酸ジスルフィド類、アリールスルフィン酸類、アリールアルキルスルフォン類、１−アルカンスルフィン酸類等を挙げることができる。
【００３８】
これらの熱重合開始剤の中で、特に好ましいものは常温での安定性に優れ、加熱時の分解速度が速い化合物である。重合開始剤の使用量は、重合性の組成物の全質量に対し０．１〜３０質量％が好ましく、０．５〜２０質量％の範囲がより好ましい。
【００３９】
架橋剤としては、分子中に１個以上のエチレン性不飽和結合を有する不飽和化合物を挙げることができる。代表的には、（メタ）アクリロニトリル、（メタ）アクリル酸エステル類やスチレン類が好適である。また、分子中に複数個のエチレン性不飽和結合を有する化合物としては、例えば、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ヘキサメチレンジオールジ（メタ）アクリレートやジビニルベンゼン、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド等を挙げることができる。
【００４０】
本発明においては、分子中に複数個のエチレン性不飽和結合を有する化合物は、架橋構造を形成するので、電解質膜の耐久性向上の目的のためには特に好ましい化合物である。
【００４１】
重合反応の温度は、重合開始剤の種類によっても異なるが、概ね５０〜８０℃、好ましくは５５〜６５℃である。また、反応時間は、概ね１〜３時間程度である。
【００４２】
本発明の燃料電池用電極は、本発明に係る触媒担持カーボンに加え、高分子電解質を含有することが好ましい。含有することができる高分子電解質としては、プロトン伝導性高分子電解質膜に用いられるような、イオン導電性を有する電解質であれば特に制限は無く、例えば、フッ素系電解質、部分フッ素系電解質、炭化水素系電解質等が挙げられる。例えば、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等が挙げられる。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂としては、ナフィオン１１２（商品名、デュポン社製）、ナフィオン１１７（商品名、デュポン社製）やＤＯＷ膜（商品名、ダウ・ケミカル社製）等として入手できる。その他に、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレン等のスルホアルキル化プラスチック系電解質等を挙げることができる。
【００４３】
本発明に係る金属触媒担持カーボンと高分子電解質の使用比率は、必要とされる電極特性に応じて適宜決められるべきものであり、特に限定されるものではない。例えば、本発明に係る金属触媒担持カーボン／高分子電解質の質量比率で、５／９５〜９５／５が好ましく、４０／６０〜８５／１５がさらに好ましいものである。
【００４４】
触媒層には種々の添加物を加えることができる。例えば、電子伝導性向上のための炭素等の導電剤や、結着性向上のための高分子バインダー、撥水性向上のための撥水性付与剤等の添加物などがある。撥水性付与剤としては、例えば、テフロン（登録商標）等のポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフロロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体等の含フッ素樹脂が挙げられる。
【００４５】
拡散層４、５は、アノード極側触媒層２とカソード極側触媒層３への反応ガスの供給及び電子の授受を行い、その電子を集電層と受け渡しするための層であり、一般に、多孔質であり、且つ、電子伝導性を有する材料が用いられる。多孔質であり、且つ、電子伝導性を有する材料としては、電気抵抗が低く、集電できる機能を有する材料であればよい。導電性物質を主とするものが挙げられ、例えば、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材、ナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等が挙げられる。
【００４６】
導電性無機物質の形態は特に限定されず、例えば、繊維状ないしは粒子状で用いることができる。ガス透過性の点から、繊維状導電性無機物質、例えば、炭素繊維等の無機導電性繊維が好ましい。無機導電性繊維としては、織布或いは不織布いずれの構造も使用可能である。例えば、東レ（株）製カーボンペーパーＴＧＰシリーズ、ＳＯシリーズ、Ｅ−ＴＥＫ社製カーボンクロスなどが用いられる。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるもの等、特に限定されること無く用いられる。また、編物であってもよい。
【００４７】
炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化又は黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法等による不織布加工した後に炭化あるいは黒鉛化した不織布、耐炎化糸、炭化糸又は黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布等が好ましく用いられる。特に、薄く強度のある布帛が得られる点から不織布を用いるのが好ましい。また、特開２００３−１０９６１８号に記載されているようなカーボンナノファイバ等を用いることも有効である。
【００４８】
炭素繊維からなる無機導電性繊維を用いた場合、炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等が挙げられる。なかでも、ＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。
【００４９】
拡散層４にアノード極側触媒層２を塗布し、次いで、熱処理することによりアノード極を作製することができる。また同様に、拡散層５にカソード極側触媒層３を塗布し、次いで熱処理することによりカソード極を作製することができる。
【００５０】
プロトン導電性を有する固体高分子電解質膜１としては、スルホン化ポリイミド系高分子電解質膜、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜、複合材料等公知のものを採用することができる。
【００５１】
例えば炭化水素系高分子電解質材料としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化エンジニアリングプラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレン等のスルホアルキル化エンジニアリングプラスチック系電解質等がある。
【００５２】
これらの電解質材料のスルホン酸当量としては０．５〜２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂、好ましくは０．７〜１．６ミリ当量／ｇ乾燥樹脂である。スルホン酸当量が０．５ミリ当量／ｇ乾燥樹脂より小さい場合は、イオン伝導抵抗が大きくなり、２．０ミリ当量／ｇ乾燥樹脂より大きい場合には水に溶解しやすくなる傾向にある。
【００５３】
アノード極とカソード極とで固体高分子電解質膜１を挟持し、固体高分子電解質膜１と同一の電解質溶液をアノード極側触媒層２とカソード極側触媒層３のそれぞれに塗布し、ホットプレスすることにより、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を作製することができる。
【００５４】
以上のようにして作製した電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された集電体としてのセパレータ６（燃料配流板）と、セパレータ７酸化剤配流板（酸化剤配流板）とを配したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより、燃料電池が構成される。燃料電池は単セルでもよいし、また、セパレータを設けず集電部をメッキ等で構成する形でもよい。
【００５５】
本発明の燃料電池に採用できる燃料としては、水素ガス、メタノール、エタノール、１−プロパノール、ジメチルエーテル、アンモニア等が挙げられるが、メタノールが好ましい。また、本発明においては、酸化剤ガスとして空気を使用することが好ましい。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５７】
〈ポリマーで被覆された白金担持カーボン触媒の作製〉
（触媒１）
白金担持カーボン触媒（ＴＥＣ−６１Ｅ５４、田中貴金属株式会社製）５ｇ、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（以下、ＡＭＰＳと略す）１０ｍｏｌ／ｌをメタノール１００ｍｌに添加し、十分撹拌した。その後、ろ過でメタノールを除去し、得られた固形分を真空乾燥した。表面にＡＭＰＳが吸着した白金担持カーボン触媒の粉体が得られた。次いで、３口フラスコを用いて、水１００ｇ中に得られた触媒粉体を３ｇ、架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドを５ｍｇ添加し、６０℃に昇温後、重合開始剤である過硫酸アンモニウム５ｍｇを添加し、撹拌しながら２時間重合反応させ、ＡＭＰＳポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒分散液を作製した。反応終了後、液体をろ別して、得られた固形分を真空乾燥した。ＡＭＰＳポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒が得られた。
【００５８】
（触媒２）
触媒１のＡＭＰＳを、ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム（旭化成ファインケム株式会社製）に代えた以外は、触媒１と同様の操作を行った。その後、酸処理によりナトリウムを置換させてｐ−スチレンスルホン酸ポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒分散液を作製した。反応終了後、液体をろ別して、得られた固形分を真空乾燥した。ｐ−スチレンスルホン酸ポリマーポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒が得られた。
【００５９】
（触媒３）
触媒１のＡＭＰＳを、ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム（旭化成ファインケム株式会社製）９ｍｏｌ／ｌ、ポリオキシエチレンアクリルフェニルエーテル硫酸エステルアンモニウム塩１ｍｏｌ／ｌに代えた以外は、触媒１と同様の操作を行った。その後、酸処理によりナトリウムを置換させて、スルホン酸基を有するポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒分散液を作製した。反応終了後、液体をろ別して、得られた固形分を真空乾燥した。スルホン酸基を有するポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒が得られた。
【００６０】
（触媒４）
触媒３と同様の処方で、モノマーを白金担持カーボン触媒に吸着させる過程で超音波分散処理を行った以外は、触媒３と同様の操作を行い、スルホン酸基を有するポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒を得た。
【００６１】
（比較触媒１）
白金担持カーボン触媒（ＴＥＣ−６１Ｅ５４、田中貴金属株式会社製）５ｇ、水酸化ナトリウム１．２ｇを３７％ホルムアルデヒド水溶液１５０ｍｌに添加し、７０℃で２８時間反応させた。その後、ろ別、洗浄、乾燥を行い、メチロール化した白金担持カーボン触媒粉体を得た。メチロール化した白金担持カーボン触媒０．３ｇを９ｍｌのＡＭＰＳ水溶液（４．７ｍｏｌ／ｌ）に添加し、窒素置換後、０．２ｍｏｌ／ｌのＣｅ4+水溶液（１ｍｏｌ／ｌ硝酸に硝酸セリウムアンモニウムを溶解したもの）を１ｍｌ加え、撹拌しながら３０℃で重合反応を行った。反応終了後、得られた生成物を真空乾燥した。表面にＡＭＰＳが化学吸着された白金担持カーボン触媒が得られた。
【００６２】
〈電極の作製〉
炭素繊維クロス基材を２０質量％ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）分散液に浸漬し、撥水処理した炭素繊維クロス基材を得た。この撥水処理した炭素繊維クロス基材に、ＰＴＦＥを２０質量％含むカーボンブラック分散液を塗布、乾燥後、焼成して電極基材を作製した。
【００６３】
（アノード電極１）
上記で作製した電極基材上に、触媒１で作製したＡＭＰＳポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒５ｇ、２０質量％のナフィオン溶液（デュポン社製）からなるアノード電極触媒塗布液を塗布、乾燥し、アノード電極１を作製した。触媒量は白金質量で２ｍｇ／ｃｍ2となるようにした。
【００６４】
（アノード電極２、３、４）
アノード電極１の作製と同様にして、アノード電極２、３、４をそれぞれ作製した。ただし、アノード電極２は、触媒１で作製したＡＭＰＳポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒に代えて、触媒２で作製したｐ−スチレンスルホン酸ポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒を用いた。同様に、アノード電極３は、触媒３で作製したスルホン酸基を有するポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒を用いた。アノード電極４は、触媒４で作製したスルホン酸基を有するポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒を用いた。
【００６５】
（比較アノード電極１）
アノード電極１の作製において、触媒１で作製したＡＭＰＳポリマーで表面が被覆された白金担持カーボン触媒に代えて、比較触媒１で作製した表面にＡＭＰＳが化学吸着された白金担持カーボン触媒を用いた以外は、アノード電極１の作製と同様にして、比較アノード電極１を作製した。
【００６６】
（カソード電極の作製）
上記で作製した電極基材上に、白金担持カーボン触媒（ＴＥＣ−６１Ｅ５４、田中貴金属株式会社製）５ｇ、２０質量％のナフィオン溶液（デュポン社製）からなるカソード電極触媒塗布液を塗布、乾燥し、カソード電極を作製した。触媒量は白金質量で２ｍｇ／ｃｍ2となるようにした。
【００６７】
〈電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）の作製〉
上記で作製したアノード電極とカソード電極で、固体高分子膜であるナフィオン１１２（デュポン社製、膜厚約５０μｍ）を挟持し、加熱プレスすることでＭＥＡを作製した。
【００６８】
アノード電極１を用いたＭＥＡをＭＥＡ１とする。同様に、アノード電極２、３、４を用いたＭＥＡを、それぞれＭＥＡ２、３、４とする。また、比較アノード電極１を用いたＭＥＡを比較ＭＥＡ１とする。
【００６９】
〈評価と結果〉
上記で作製したＭＥＡを用いて直接メタノール燃料電池の単セルを組み立て、温度２５℃、大気圧下での燃料流量１０ｍｌ／分、空気の流速１００ｍｌ／分の条件で、アノード極側に３％メタノール水溶液を、カソード極側に空気を供給して、燃料電池を作動させて、電流−電圧特性を評価した。
【００７０】
電圧０．４Ｖでの電流密度の結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
2006114229.tif 000003
【００７２】
表１の結果から、本発明の試料は比較の試料に比べて、電流密度が高く、白金触媒が有効に利用されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の燃料電池の単セルＩを示す模式図である。
【符号の説明】
【００７４】
Ｉ  燃料電池の単セル
１  固体高分子電解質膜
２  アノード極側触媒層
３  カソード極側触媒層
４、５  拡散層
６、７  セパレータ
【図１】
2006114229.tif 000004