(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒物質と導電性担体と高分子電解質とを少なくとも含む電極触媒層であって、
当該電極触媒層の表面と直交する厚さ方向の断面において、
ひと続きに形成された空隙部の面積のうち１００ｎｍ２以上２５００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算した第１積算面積Ｓｐが、
前記断面の断面積Ｓの２５％以上３０％以下の範囲内となるように構成されていることを特徴とする電極触媒層。
【請求項２】
前記ひと続きに形成された空隙部の面積のうち、１００ｎｍ２以上２００００ｎｍ２以下の面積を積算した第２積算面積Ｓｐｓが、
前記第１積算面積Ｓｐの５０％以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載した電極触媒層。
【請求項３】
当該電極触媒層の表面と直交する方向の厚みが、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内となるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した電極触媒層。
【請求項４】
含有している導電性担体の重量に対する高分子電解質の重量の比率が、０．８以上１．６以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載した電極触媒層。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載した電極触媒層と、高分子電解質膜とを備え、前記電極触媒層が、前記高分子電解質膜の前記電極触媒層の形成面における少なくとも酸素極側の面に接合されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項６】
請求項５に記載した膜電極接合体を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極触媒層、膜電極接合体および固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素の化学反応から電気を生み出す発電システムである。従来の発電方式と比較して高効率、低環境負荷、低騒音といった特徴を持ち、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。特に、室温付近で使用可能な固体高分子形燃料電池は、車載用電源や家庭用定置電源などへの使用が有望視されており、近年、固体高分子形燃料電池に関する様々な研究開発が行われている。その実用化に向けての課題には、発電特性や耐久性などの電池性能向上、インフラ設備、製造コストの低減、等が挙げられる。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、一般的に、多数の単セルが積層されて構成されている。単セルは、燃料ガスを供給する燃料極（アノード）と酸化剤を供給する酸素極（カソード）の二つの電極で高分子電解質膜を挟んで接合した膜電極接合体を、ガス流路及び冷却水流路を有するセパレーターで挟んだ構造をしている。これらの電極は、白金系の貴金属などの触媒物質、導電性担体及び高分子電解質を少なくとも含む電極触媒層と、ガス通気性と導電性とを兼ね備えたガス拡散層とで主に構成されている。
【０００４】
固体高分子形燃料電池では、以下のような電気化学反応を経て電気を取り出すことが出来る。まず、燃料極側電極触媒層において、燃料ガスに含まれる水素が触媒物質により酸化され、プロトンおよび電子となる。生成したプロトンは、電極触媒層内の高分子電解質及び電極触媒層に接している高分子電解質膜を通り、酸素極側電極触媒層に達する。また、同時に生成した電子は、電極触媒層内の導電性担体、電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接しているガス拡散層、セパレーター及び外部回路を通って酸素極側電極触媒層に達する。そして、酸素極側電極触媒層において、プロトン及び電子が酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し、水を生成する。
【０００５】
電極触媒層中の細孔は、セパレーターからガス拡散層を通じた先に位置し、複数の物質を輸送する通路の役割を果たす。燃料極の細孔は、酸化還元の反応場である三相界面に燃料ガスを円滑に供給すると共に、生成したプロトンを高分子電解質内で伝導させるための水を供給する機能が求められる。また、酸素極の細孔は、酸化剤ガスを円滑に供給すると共に、電極反応で生成した水を速やかに排出する機能が求められる。しかしながら、凝縮する生成水の量が多くなる条件においては、生成水が円滑に排出されずに細孔を閉塞し、物質輸送が妨げられることで発電反応が停止する「フラッディング現象」が問題となっていた。
【０００６】
上述のようなフラッディング現象を回避する手段として、例えば、特許文献１または特許文献２に記載されているような、電極触媒層に疎水剤や撥水剤を含有させて電極触媒層の親水性を低下させ、排水性を高める方法が提案されている。また、フラッディング現象を回避する別の方法としては、例えば、特許文献３に記載されているような、電極触媒層に造孔剤を含有させて電極触媒層内部の空隙部を増やし、排水性を高める方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５０１３７４０号公報
【特許文献２】特開２００６−１０８０３１号公報
【特許文献３】特開２００４−１５８３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１または特許文献２による方法では、電極触媒層の親水性が低下する為、低湿環境下においては十分なプロトン伝導性が保てず、発電性能が低下するという問題があった。燃料電池のシステム全体のコストを低減する為には加湿器の削減が有効であり、低湿環境下において十分な発電性能が得られない電極触媒層は好ましくない。
また、特許文献３による方法では、造孔剤成分により電極触媒層内のプロトン伝導パス及び導電パスの減少や遮断が生じ、発電性能が低下するという問題があった。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、フラッディング現象を回避するのに必要十分な排水性を有しつつ、低湿環境下においても高い発電性能を発揮することが可能な電極触媒層、膜電極接合体および固体高分子形燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係る電極触媒層は、触媒物質と導電性担体と高分子電解質とを少なくとも含む電極触媒層であって、当該電極触媒層の表面と直交する厚さ方向の断面において、ひと続きに形成された空隙部の面積のうち１００ｎｍ２以上２５００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算した第１積算面積Ｓｐが、前記断面の断面積Ｓの２５％以上３０％以下の範囲内となるように構成されている。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明の第２態様に係る膜電極接合体は、上記第１態様に係る電極触媒層と、高分子電解質膜とを備え、前記電極触媒層が、前記高分子電解質膜の前記電極触媒層の形成面における少なくとも酸素極側の面に接合されている。
また、上記課題を解決するために、本発明の第３態様に係る固体高分子形燃料電池は、上記第２態様に係る膜電極接合体を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、電極触媒層を、その表面と直交する厚さ方向の断面において、ひと続きに形成された空隙部の面積のうち１００ｎｍ２以上２５００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算した第１積算面積Ｓｐが、前記断面の断面積Ｓの２５％以上３０％以下の範囲内となるように構成した。これにより、フラッディング現象を回避するのに必要十分な排水性を有しつつ水が抜け過ぎることを防いで、高湿環境下と低湿環境下の両方において高い発電性能を発揮することが可能な電極触媒層、膜電極接合体および固体高分子形燃料電池を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体を電極触媒層の表面側から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電極触媒層の断面二値化画像である。
【図３】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の構成例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。  なお、本実施形態は、以下に記載する実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づく設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本実施形態の範囲に含まれるものである。
本発明者は、固体高分子形燃料電池の高湿環境下と低湿環境下における発電性能について鋭意検討を行った結果、発電性能の高低には電極触媒層における空隙部の占める割合が大きく影響していることを見出した。そして、電極触媒層における空隙部の割合を所定の範囲内とすることで、フラッディング現象及びプロトン伝導性低下による発電性能の低下がなく、高湿環境下と低湿環境下の両方において高い発電性能を発揮する固体高分子形燃料電池を得ることに成功した。
【００１４】
（膜電極接合体の構成）
以下、図１を参照しつつ、本実施形態に係る膜電極接合体の具体的な構成を説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る膜電極接合体１を電極触媒層１２Ａの表面側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図（電極触媒層１２Ａの表面と直交する厚さ方向の断面図）である。
図１（ａ）及び（ｂ）中に示すように、膜電極接合体１は、一対の電極触媒層１２Ａ，１２Ｆが高分子電解質膜１１を挟んで対向配置され、接合しているものである。本実施形態において、電極触媒層１２Ａは酸素極を構成するカソード側触媒層であり、電極触媒層１２Ｆは燃料極を構成するアノード側触媒層である。以下、一対の電極触媒層１２Ａ，１２Ｆは、区別する必要が無い場合に、「電極触媒層１２」と略記する場合がある。
【００１５】
なお、電極触媒層１２の外周部は、ガスケット等（図示せず）によりシールされていてもよい。
本実施形態に係る電極触媒層１２は、少なくとも触媒物質と導電性担体と高分子電解質とを含んでいる。
本実施形態において用いられる触媒物質としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びこれらの合金、酸化物、複酸化物、炭化物等を用いることが可能である。
【００１６】
また、これらの触媒を担持する導電性担体は、微粉末状で導電性を有し、触媒に侵されないものであればどのようなものでも構わないが、一般的にカーボン粒子が使用される。例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、フラーレンを好ましく用いることが可能である。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、１０〜１０００ｎｍ程度が好ましい。更に好ましくは、１０〜１００ｎｍが良い。
【００１７】
本実施形態において用いられる高分子電解質膜１１や電極触媒層１２に含まれる高分子電解質は、プロトン伝導性を有するものであれば良く、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることが可能である。この場合、フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」、旭硝子社製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）」、旭化成社製の「Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）」、ゴア社製の「Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）」等を用いることが可能である。また、炭化水素系高分子電解質としては、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フィド、スルホン化ポリフェニレン等を用いることが可能である。特に、高分子電解質膜１１として、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」系材料やゴア社製の「Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）」系材料を好適に用いることが可能である。
【００１８】
本実施形態に係る高分子電解質膜１１や電極触媒層１２に含まれる高分子電解質としては、様々なものを用いることが可能である。但し、高分子電解質膜１１と電極触媒層１２との界面抵抗や、湿度変化時の高分子電解質膜１１と電極触媒層１２とにおける寸法変化率の点から考慮すると、高分子電解質膜１１に含まれる高分子電解質と、電極触媒層１２に含まれる高分子電解質とは同じ成分であることが好適である。
【００１９】
本発明の電極触媒層１２は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すような、電極触媒層１２の表面及び断面において、ひと続きに形成された空隙部のうち面積が１００ｎｍ２以上２５００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算した第１積算面積Ｓｐが、電極触媒層１２のその表面と直交する厚さ方向の断面積Ｓの２５％以上３０％以下となるように構成されている。
【００２０】
第１積算面積Ｓｐが、断面積Ｓの２５％よりも少ない場合には、発電により生成及び凝縮した水が細孔に詰まってガスの通り道を塞ぎやすい状態であり、この様な電極触媒層１２を用いた場合、燃料電池の出力が低下する。
また、第１積算面積Ｓｐが、断面積Ｓの３０％よりも多い場合には、特に低湿環境下において電極触媒層１２のプロトン伝導性が不足して触媒層抵抗が向上しやすい状態であり、この様な電極触媒層１２を用いた場合、やはり燃料電池の出力が低下する。
【００２１】
また、本実施形態に係る電極触媒層１２は、空隙部のうち、ひと続きの面積が１００ｎｍ２以上２００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算した第２積算面積Ｓｐｓが、上述の第１積算面積Ｓｐの５０％以上となるように構成されている。第２積算面積Ｓｐｓが第１積算面積Ｓｐの５０％未満となる程に、２００００ｎｍ２よりも大きい面積の空隙部が多い場合には、電極触媒層内のプロトン伝導パス及び導電パスの減少や遮断が生じやすい状態であり、この様な電極触媒層を用いた場合、燃料電池の出力が低下する。
【００２２】
電極触媒層１２の断面における各空隙部の面積と第１積算面積Ｓｐ及び第２積算面積Ｓｐｓとは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して電極触媒層の断面の画像を取得し、トリミング、フィルタリング、二値化、黒画素の計測等の画像処理を行うことにより得られる。ＳＥＭによる取得画像の倍率は１万倍から３万倍程度が好ましい。
また、電極触媒層１２の断面を露出させる方法としては、例えば、イオンミリング、ウルトラミクロトーム等の公知の方法を用いることができる。断面を露出させる加工を行う際には、電極触媒層１２を構成する高分子電解質へのダメージを軽減するため、電極触媒層１２を冷却しながら加工を行うことが好ましい。
【００２３】
例えば、日立ハイテクノロジー社製イオンミリング装置ＩＭ４０００を用いて電極触媒層の断面を露出させ、日立ハイテクノロジー社製ＦＥ-ＳＥＭ  Ｓ-４８００を用いてこの断面を撮像して取得した画像に上述のような画像処理を行うと、図２に示すような二値化画像が得られる。この画像において、空隙部を構成する画素は黒画素５０として表されており、連続して存在する黒画素５０の数を計測すると、電極触媒層の断面における各空隙部の面積を得ることができる。そして、これら得られた各空隙部の面積のうち１００ｎｍ２以上２５００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算することで第１積算面積Ｓｐを得ることができ、各空隙部の面積のうち１００ｎｍ２以上２００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算することで第２積算面積Ｓｐｓを得ることができる。
【００２４】
本実施形態において、電極触媒層１２の厚さは、１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の厚さに構成されている。なお、電極触媒層１２の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内の厚さとすることがより好ましく、２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内の厚さとすることがさらに好ましい。
電極触媒層１２の厚さが５０μｍよりも厚い場合には、触媒層表面にひび割れが生じたり、ガスや生成する水の拡散を妨げたり、導電性が低下したりして、燃料電池に用いた際の出力が低下する。また、１μｍよりも薄い場合には、厚みにばらつきが生じ易くなり、面内の触媒や高分子電解質が不均一となりやすい。電極触媒層表面のひび割れや、厚みの不均一性は、燃料電池として使用し、長期に渡り運転した際の耐久性に悪影響を及ぼす可能性が高く、好ましくない。
【００２５】
電極触媒層１２の厚さは、例えば、以下のようにして確認することができる。まず、上述のような方法で断面を露出させ、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて３０００倍から１００００倍程度で５カ所以上の断面を観察する。各観察点で３点以上厚さを計測し、その平均値を各観察点での代表値とする。これら代表値の平均値を、電極触媒層１２の厚さとする。
【００２６】
本実施形態において、電極触媒層１２は、該電極触媒層１２中の導電性担体に対する高分子電解質の比率が、０．８以上１．６以下の範囲内となるように構成されている。この比率が１．６よりも高い場合には、高分子電解質が電極触媒層内の細孔を塞いでしまい、ガスや生成する水の拡散を妨げて燃料電池の出力が低下する可能性がある。また、この比率が０．８よりも低い場合には、高分子電解質のプロトン伝導パスの減少や遮断が生じ、燃料電池の出力が低下する可能性がある。
【００２７】
（電極触媒層及び膜電極接合体の製造方法）
以下、本実施形態の電極触媒層及び膜電極接合体の製造方法について説明する。
高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成する方法としては、高分子電解質膜の表面に直接触媒インクを塗布し、触媒インクの塗膜から溶媒成分を除去して触媒層を形成する方法や、高分子電解質膜ではない基材の表面に触媒インクを塗布し、触媒インクの塗膜から溶媒成分を除去して触媒層を形成した触媒層転写シートを用い、高分子電解質膜と触媒層を接触させて加熱・加圧することで接合及び転写を行う方法を用いることができる。
【００２８】
触媒インクは、少なくとも溶媒と導電性担体に担持された触媒物質と高分子電解質とを混合し、分散処理を加えることにより得られる。分散処理には、例えば、遊星ボールミル、ビーズミル、超音波ホモジナイザー等の様々な手法を用いることが可能である。
また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒物質や導電性担体や高分子電解質を浸食することがなく、流動性の高い状態で高分子電解質を溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に制限はない。
【００２９】
なお、溶媒には高分子電解質となじみがよい水が含まれていてもよい。触媒インク中には揮発性の液体有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましいが、溶剤として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。
【００３０】
触媒インクを塗布する基材としては、例えばエチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの転写性に優れたフッ素系樹脂を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートなどの高分子フィルムも用いることができる。
【００３１】
触媒インクを塗布する方法としては、例えば、ダイコート、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、スキージーなど様々な塗工方法を用いることが可能であるが、塗布中間部分の膜厚が安定しており間欠塗工にも対応可能であるダイコートを、特に好適に用いることが可能である。
また、塗布した触媒インクの乾燥には、例えば、温風オーブン、ＩＲ乾燥、減圧乾燥等を用いることが可能である。
【００３２】
触媒層転写シートを用い、高分子電解質膜と触媒層を接触させて加熱・加圧することで接合及び転写を行う場合には、触媒層にかかる圧力が膜電極接合体の発電性能に影響する。そのため、発電性能の良い膜電極接合体を得るには、積層体にかかる圧力は、０．５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の範囲内であることが望ましく、２ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の範囲内であることがより望ましい。２０ＭＰａより大きい圧力では電極触媒層が圧縮されすぎ、また０．５ＭＰより小さい圧力では電極触媒層と高分子電解質膜の接合性が低下して、発電性能が低下する。
また、接合時の温度は、電極触媒層の高分子電解質のガラス転移点付近に設定するのが、高分子電解質膜と電極触媒層の界面の接合性が向上し、界面抵抗を抑えられる点で効果的であり、望ましい。
【００３３】
（固体高分子形燃料電池の構成）
次に、図３を参照しつつ、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の具体的な構成を説明する。図３は、膜電極接合体１を装着した固体高分子形燃料電池１０の構成例を示す分解斜視図である。但し、図３は、単セルの構成例であり、この構成に限らず、複数の単セルを積層した構成としてもよい。
【００３４】
図３に示すように、固体高分子形燃料電池１０は、膜電極接合体１と、ガス拡散層１３Ａと、ガス拡散層１３Ｆとを備える。ガス拡散層１３Ａは、膜電極接合体１の酸素極側のカソード側触媒層である電極触媒層１２Ａと対向して配置され、ガス拡散層１３Ｆは、膜電極接合体１の燃料極側のアノード側触媒層である電極触媒層１２Ｆと対向して配置されている。電極触媒層１２Ａおよびガス拡散層１３Ａから酸素極２Ａが構成され、電極触媒層１２Ｆおよびガス拡散層１３Ｆから燃料極２Ｆが構成される。
【００３５】
さらに、固体高分子形燃料電池１０は、酸素極２Ａに面して配置されたセパレーター１４Ａと、燃料極２Ｆに面して配置されたセパレーター１４Ｆとを備える。
セパレーター１４Ａは、導電性でかつガス不透過性の材料からなり、ガス拡散層１３Ａに面して配置された反応ガス流通用のガス流路１５Ａと、ガス流路１５Ａと相対する主面に配置された冷却水流通用の冷却水流路１６Ａとを備える。さらに、セパレーター１４Ｆは、セパレーター１４Ａと同様の構成を有しており、ガス拡散層１３Ｆに面して配置されたガス流路１５Ｆと、ガス流路１５Ｆと相対する主面に配置された冷却水流路１６Ｆとを備える。
【００３６】
この固体高分子形燃料電池１０は、セパレーター１４Ａのガス流路１５Ａを通って空気や酸素などの酸化剤が酸素極２Ａに供給され、セパレーター１４Ｆのガス流路１５Ｆを通って水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料が燃料極２Ｆに供給されることによって、発電するようになっている。
以上、電極触媒層１２を、該電極触媒層１２の表面に直交する厚さ方向の断面において、ひと続きに形成された空隙部のうち面積が１００ｎｍ２以上２５００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算した第１積算面積Ｓｐが、断面積Ｓの２５％以上３０％以下の範囲内となるように構成した。これにより、フラッディング現象を回避するのに必要十分な排水性を有しつつ水が抜け過ぎることを防いで、高湿環境下と低湿環境下の両方において高い発電性能を発揮する電極触媒層および膜電極接合体を得ることが可能となる。
【００３７】
また、電極触媒層１２を、空隙部のうち、ひと続きの面積が１００ｎｍ２以上２００００ｎｍ２以下の空隙部の面積を積算した第２積算面積Ｓｐｓが、上述の第１積算面積Ｓｐの５０％以上となるように構成した。これにより、低湿環境下においても十分なプロトン伝導性を有し、より高い発電性能を発揮する電極触媒層および膜電極接合体を得ることが可能となる。
【００３８】
また、電極触媒層１２の厚さを、１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の厚さに構成したので、厚みムラや表面のひび割れ等の問題がない電極触媒層１２を得ることが可能となり、更には、耐久性に優れた膜電極接合体を得ることが可能となる。
また、電極触媒層１２を、該電極触媒層１２中の導電性担体に対する高分子電解質の比率が、０．８以上１．６以下の範囲内となるように構成したので、ガスや水の拡散性を維持しつつ、高いプロトン伝導性を有する電極触媒層および膜電極接合体を得ることが可能となる。
【００３９】
また、膜電極接合体１を用いて固体高分子形燃料電池１０を構成したので、フラッディング現象及びプロトン伝導性低下による発電性能の低下がなく、高湿環境下と低湿環境下の両方において高い発電性能を発揮し、耐久性にも優れた固体高分子形燃料電池を得ることが可能となる。
【実施例１】
【００４０】
以下、本発明の実施例に係る膜電極接合体を備えた燃料電池と、比較例に係る膜電極接合体を備えた燃料電池とについて、これらの性能を比較した結果を説明する。
（実施例１）
白金担持カーボン触媒Ａ（一次粒径約３０ｎｍ，田中貴金属工業社製）と水、エタノールの混合溶媒と高分子電解質（ナフィオン（登録商標），Ｄｕｐｏｎｔ社製）分散液を混合し、遊星型ボールミルで３０分間分散処理を行い、触媒インクを調製した。その際、カーボン担体に対する高分子電解質の重量比率ｘが１．０となるようにした。
【００４１】
調整した触媒インクを、ＰＴＦＥフィルムの表面にスリットダイコーターにより矩形に塗布し、続けて、触媒インクが塗布されたＰＴＦＥフィルムを８０℃の温風オーブンに入れて、触媒インクのタックがなくなるまで乾燥させ、カソード側触媒層をＰＴＦＥ表面に形成した。また、同様の方法で、アノード側触媒層をＰＴＦＥ表面に形成した。
そして、ＰＴＦＥフィルム上に形成したカソード側触媒層とアノード側触媒層とを、高分子電解質膜（ナフィオン２１２（登録商標），Ｄｕｐｏｎｔ社製）の両面に対面するように配置し、この積層体を１２０℃、１０ＭＰａの条件でホットプレスした後にＰＴＦＥフィルムを剥離することで、実施例１の膜電極接合体を得た。
【００４２】
（実施例２）
カソード側触媒層の塗布量を２倍とした以外は上記実施例１と同様にして、実施例２の膜電極接合体を得た。
（実施例３）
触媒インクを調製する際に、カーボン担体に対する高分子電解質の重量比率ｘが０．８となるようにした以外は上記実施例１と同様にして、実施例３の膜電極接合体を得た。
【００４３】
（実施例４）
触媒インクを調製する際に、カーボン担体に対する高分子電解質の重量比率ｘが１．６となるようにした以外は上記実施例１と同様にして、実施例４の膜電極接合体を得た。
（比較例１）
触媒インクを調製する際に、分散時間が３００分間となるようにした以外は上記実施例１と同様にして、比較例１の膜電極接合体を得た。
【００４４】
（比較例２）
触媒インクを調製する際に、カーボン担体に対する高分子電解質の重量比率ｘが０．７となるようにした以外は上記実施例１と同様にして、比較例２の膜電極接合体を得た。
（比較例３）
触媒インクを調製する際に、カーボン担体に対する高分子電解質の重量比率ｘが１．７となるようにした以外は上記実施例１と同様にして、比較例３の膜電極接合体を得た。
【００４５】
（比較例４）
カソード側触媒層の塗布量を５倍とした以外は上記実施例１と同様にして、比較例４の膜電極接合体を得た。
（比較例５）
触媒インクを調製する際に、白金担持カーボン触媒Ａの代わりに白金担持カーボン触媒Ｂ（一次粒径約５０ｎｍ，田中貴金属工業社製）を用いた以外は上記実施例１と同様にして、比較例５の膜電極接合体を得た。
【００４６】
（評価）
以下、上記実施例１〜４の膜電極接合体と、上記比較例１〜５の膜電極接合体を備えた燃料電池それぞれの、電極触媒層の厚さと、電極触媒層断面における第１積算面積Ｓｐの断面積Ｓに対する割合及び第２積算面積Ｓｐｓの第１積算面積Ｓｐに対する割合と、発電性能とを比較した結果を説明する。
【００４７】
（電極触媒層の厚さ計測）
電極触媒層の厚さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて電極触媒層の断面を観察することで得られた。具体的には、まず、日立ハイテクノロジー社製イオンミリング装置ＩＭ４０００を使用して電極触媒層の断面を露出させた。次いで、得られた断面を、日立ハイテクノロジー社製ＦＥ-ＳＥＭ  Ｓ-４８００を使用して、５０００倍で観察し、５カ所の観察点における視野内で３点厚さを計測して、その平均値を各観察点での代表値とした。５カ所の観察点における代表値の平均値を、電極触媒層の厚さとした。
【００４８】
（電極触媒層断面における第１積算面積Ｓｐ及び第２積算面積Ｓｐｓの計測）
電極触媒層断面における第１積算面積Ｓｐ及び第２積算面積Ｓｐｓは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して電極触媒層の断面の画像を取得し、トリミング、フィルタリング、二値化、黒画素の計測等の画像処理を行うことにより得られる。具体的には、電極触媒層の厚さ計測で使用した断面を用いて、日立ハイテクノロジー社製ＦＥ-ＳＥＭ  Ｓ-４８００を使用して、１５０００倍で画像を取得し、トリミング、フィルタリング、二値化、黒画素の計測を行うことにより、得られた。
【００４９】
（発電性能の測定）
発電性能の測定には、膜電極接合体の両面にガス拡散層およびガスケット、セパレーターを配置し、所定の面圧となるように締め付けたセルを評価用単セルとして用いた。そして、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の刊行している小冊子である「セル評価解析プロトコル」に記載の方法に概ね準じてＩ−Ｖ測定を実施した。なお、アノード相対湿度及びカソード相対湿度は、「セル評価解析プロトコル」に記載の条件から変更し、アノード相対湿度及びカソード相対湿度を１００％ＲＨとした場合を高加湿下、アノード相対湿度及びカソード相対湿度を２５％ＲＨとした場合を低加湿下とした。
【００５０】
（比較結果）
上記実施例１〜４の膜電極接合体と、上記比較例１〜５の膜電極接合体とを用いた燃料電池それぞれの、電極触媒層の厚さと、電極触媒層断面における第１積算面積Ｓｐの断面積Ｓに対する割合（Ｓｐ／Ｓ）及び第２積算面積Ｓｐｓの第１積算面積Ｓｐに対する割合（Ｓｐｓ／Ｓｐ）と、発電性能とを表１に示す。なお、発電性能については、電圧０．６Ｖにおける電流が、高加湿下においては２０Ａ以下を「×」、低加湿下においては１０Ａ以下を「×」として記載した。
【００５１】
本実施例においては、上記実施例１〜４のいずれも、触媒層の厚さが１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内となった。さらに、電極触媒層断面における第１積算面積Ｓｐの断面積Ｓに対する割合が２５％以上３０％以下の範囲内となり、第２積算面積Ｓｐｓの第１積算面積Ｓｐに対する割合が５０％以上の範囲内となった。そして、高加湿下および低加湿下における発電性能については、いずれも「○」となった。すなわち、上記実施例１〜４において、発電性能の優れた燃料電池を構成可能な膜電極接合体が得られた。
【００５２】
一方、比較例においては、触媒層の厚さは、比較例１〜５のいずれも１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内となった。しかし、電極触媒層断面における第１積算面積Ｓｐの断面積Ｓに対する割合については、比較例１、３および４において２５％未満となり、比較例５において３０％を超えた。また、第２積算面積Ｓｐｓの第１積算面積Ｓｐに対する割合については、比較例２および５において５０％未満となった。そして、高加湿下の発電性能については、比較例３および４で「×」となり、低加湿下の発電性能については、比較例１〜５のいずれも「×」となった。すなわち、空隙部の占める各割合（Ｓｐ／ＳおよびＳｐｓ／Ｓｐ）が上記各範囲外となることで発電性能が低下した。
【００５３】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、フラッディング現象及びプロトン伝導性低下による発電性能の低下がなく、高湿環境下と低湿環境下の両方において高い発電性能を発揮し、耐久性にも優れた電極触媒層、膜電極接合体および固体高分子形燃料電池を得ることができる。
したがって、本発明は固体高分子形燃料電池を利用した、定置型コジェネレーションシステムや燃料電池自動車などに好適に用いることのできる性能を有し、産業上の利用価値が大きい。
【符号の説明】
【００５５】
１…膜電極接合体
２Ａ…酸素極
２Ｆ…燃料極
１０…固体高分子形燃料電池
１１…高分子電解質膜
１２Ａ，１２Ｆ…電極触媒層
１３Ａ，１３Ｆ…ガス拡散層
１４Ａ，１４Ｆ…セパレーター
１５Ａ，１５Ｆ…ガス流路
１６Ａ，１６Ｆ…冷却水流路
５０…黒画素（空隙部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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