(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用触媒層であって、
前記燃料電池用触媒層は、ＳｎＯ２担体の表面に白金または白金合金を担持した触媒複合体及び当該触媒複合体を被覆するプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーを含有し、
前記ＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対する前記アイオノマーの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）が０．１０〜０．１２の範囲であることを特徴とする燃料電池用触媒層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用触媒層に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、触媒、当該触媒を担持する導電性担体、及びプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーを含む固体高分子形燃料電池用の触媒層は、電極そのもの又は電極の一部として、電解質膜と一体となって膜電極接合体（ＭＥＡ）として機能する。
特許文献１には、炭素粒子に触媒を担持させた触媒微粒子と、孔部形成部材と、該炭素粒子に対する重量比が１．０〜１．８の範囲にあるイオン伝導性ポリマーとを含む電極触媒層が開示されている。炭素粒子に対するイオン伝導性ポリマーの重量比を１．０〜１．８の範囲とすることで、触媒層が適度に水分を保持することが可能となり、湿度環境の変化に対応可能である旨が記載されている。
また、特許文献２には、カーボン担体と比較して電位変化により劣化しにくい導電性酸化物担体として、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｉｎ及びＶからなる群より選ばれる一種以上の添加元素が含有された酸化スズを使用し、当該酸化物担体の表面に担持された貴金属触媒を有する電極触媒が開示されている。
【０００３】
しかし、高電位での安定性を確保する目的で、特許文献１に開示された触媒層中のカーボン担体を、単に酸化スズ（ＳｎＯ２）担体に置き換えた燃料電池用触媒層では、燃料電池の使用範囲として想定される幅広い湿度環境に適合すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９３１０６号公報
【特許文献２】国際公開第２０１５／０５００４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は幅広い湿度環境で使用すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することが可能な、ＳｎＯ２担体を含有する燃料電池用触媒層を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池用触媒層は、ＳｎＯ２担体の表面に白金または白金合金を担持した触媒複合体及び当該触媒複合体を被覆するプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーを含有し、前記ＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対する前記アイオノマーの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）が０．１０〜０．１２の範囲であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、幅広い湿度環境で使用すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することが可能な、ＳｎＯ２担体を含有する燃料電池用触媒層を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】相対湿度の変動に対するカーボン担体とＳｎＯ２担体の水分量の変化を示す図である。
【図２】実施例１及び比較例１〜５の触媒層を組み込んだ燃料電池の異なる相対湿度条件における低負荷での発電性能を示す図である。
【図３】実施例１及び比較例１〜５の触媒層を組み込んだ燃料電池の高負荷及び低負荷での発電性能を示す図である。
【図４】実施例２、比較例６及び比較例７の触媒層を組み込んだ燃料電池の異なる相対湿度条件における低負荷での発電性能を示す図である。
【図５】実施例２、比較例６及び比較例７の触媒層を組み込んだ燃料電池の高負荷及び低負荷での発電性能を示す図である。
【図６】アイオノマー被覆された触媒複合体を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の燃料電池用触媒層は、ＳｎＯ２担体の表面に白金または白金合金を担持した触媒複合体及び当該触媒複合体を被覆するプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーを含有し、前記ＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対する前記アイオノマーの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）が０．１０〜０．１２の範囲であることを特徴とする。
【００１０】
一般的に燃料電池用触媒層で触媒を担持する導電性担体として使用されてきたカーボン担体は、高電位において劣化しやすい。そのため、高電位でも安定な導電性担体を使用した燃料電池用触媒層の実用化が望まれてきた。
ここで、カーボン担体を有する触媒層では、触媒層中のカーボン担体とプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーの構成比を好適範囲とすることで、燃料電池の使用範囲として想定される幅広い湿度環境に適合することが可能である。
しかし、単にカーボン担体を高電位でも安定な導電性担体であるＳｎＯ２担体に置き換えて、カーボン担体とアイオノマーの構成比の好適範囲を適用した触媒層では、幅広い湿度環境に適合すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することができなかった。
【００１１】
本発明者らは、ＳｎＯ２担体を含有する触媒層では、幅広い湿度環境に適合すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することを可能とするＳｎＯ２担体とアイオノマーの質量比の好適範囲が、カーボン担体における好適範囲には含まれない極めて狭い特定の範囲にあることを知見した。
図１に示すように、ＳｎＯ２担体はカーボン担体と比較して、水分吸脱着のヒステリシスが小さく（外部環境の相対湿度の変動に対して含有する水分量の応答が速い）、水分を吸脱着し易い特徴を有する。
これに対して、カーボン担体はＳｎＯ２担体と比較して、高次構造が発達しており且つ担体自体に微細な細孔を多く有するため、水分吸脱着のヒステリシスが大きく（外部環境の相対湿度の変動に対して含有する水分量の応答が遅い）、水分が脱着し難い特徴を有する。
このような特徴の違いから、カーボン担体を含有する触媒層では、加湿状態から乾燥状態に変化した場合でも、触媒層内に水分を保持しやすいため、残存した水分によりプロトンの伝導性を維持することが可能であるのに対して、ＳｎＯ２担体を含有する触媒層では、加湿状態から乾燥状態に変化した場合に水分を失いやすく、プロトンの伝導性を維持することが困難になる。
従って、カーボン担体はアイオノマー被覆が不十分であっても発電性能を発揮できるが、ＳｎＯ２担体ではカーボン担体以上にアイオノマーで十分に被覆されていないと乾燥時に発電性能を発揮できない。ここで、乾燥時の発電性能低下に備えて、アイオノマー被覆率を上げるためアイオノマーの質量比を増加することも考えられるが、余剰のアイオノマーは触媒層のガス拡散を妨げ、逆に発電性能、特に高負荷性能を低下させてしまう背反がある。
そのため、ＳｎＯ２担体を含有する触媒層では、アイオノマーとの質量比の好適範囲が極めて狭くなると考えられる。
【００１２】
本発明では、ＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対するプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）を０．１０〜０．１２と極めて狭い範囲とすることで、幅広い湿度環境で使用すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することができる、ＳｎＯ２担体を含有する燃料電池用触媒層を提供することが可能となった。
以下、本発明の燃料電池用触媒層について、構成ごとに説明する。
【００１３】
１．ＳｎＯ２担体
本発明の燃料電池用触媒層に含まれるＳｎＯ２担体は、従来使用されてきたカーボン担体と比較して、高電位における安定性が高い。
本発明におけるＳｎＯ２担体は、表面に触媒を担持することが可能でであれば特に制限はない。
ＳｎＯ２担体の平均粒子径も、燃料電池用触媒層において実用上使用できる範囲であれば特に制限はないが、白金粒子や白金合金粒子の粒子径に対して担持するＳｎＯ２担体粒子径が小さすぎると担持させることが難しい場合があり、担体粒子径が大きすぎる場合には、触媒複合体の体積が増大し触媒層が厚くなりすぎて発電性能が低下する場合があるため、７．５〜５０ｎｍであること好ましく、２０〜３０ｎｍであるとより好ましく、２２〜２８ｎｍであるとさらに好ましい。なお、本発明において、平均粒子径とは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にてＳｎＯ２担体粒子を２５万倍程度で観察し、視野中に確認された担体粒子を球と見なして２５０粒子程度測定した粒子径の平均値をいう。
燃料電池用触媒層において実用上使用できる平均粒子径の範囲においては、図６に示すように、触媒層において、ＳｎＯ２担体の表面に白金または白金合金を担持した触媒複合体は、複数の一次粒子から構成され二次粒子を形成している。アイオノマーは当該二次粒子をまとめて被覆しているが、二次粒子の大きさは一次粒子の平均粒子径にかかわらずほぼ同一（ＳｎＯ２担体の体積当たりの二次粒子の表面積がほぼ同一）であり、また、二次粒子中の一次粒子間の距離は極めて小さいため一次粒子間（二次粒子内部）に存在するアイオノマーは極めて少ない。このような理由から、一次粒子である触媒複合体中のＳｎＯ２担体の平均粒子径が異なる場合であっても、一定体積のＳｎＯ２担体を被覆するため最適なアイオノマーの体積は変わらない。
【００１４】
また、燃料電池用触媒層において実用上使用できるＳｎＯ２担体の見掛け密度は、平均粒子径や形状が異なる場合であっても、組成が同じであるため、３．９〜４．０ｇ／ｃｍ３の範囲内である。そのため、ＳｎＯ２担体の平均粒子径や形状が異なる場合であっても、一定質量のＳｎＯ２担体を被覆するために最適なアイオノマー体積は変わらない。なお、見掛け密度とは、容積が分かっているスクリュー瓶にＳｎＯ２担体を詰めて質量を測定する手法によって算出される密度をいう。
従って、表面に触媒を担持することが可能なＳｎＯ２担体であれば、後述の実施例から得られるＩ／ＭＯの好適比に影響を与えることはない。
導電性の観点から、ＳｎＯ２担体には、異種金属がドープされていることが好ましく、例としては、タングステン又はアンチモンが挙げられる。
前記ＳｎＯ２担体の形状としては、例えば真球状、楕円球状等の粒子形状を挙げることができる。
【００１５】
２．触媒複合体
本発明において触媒複合体とは、前記ＳｎＯ２担体の表面に触媒である白金または白金合金が担持されたものをいう。
触媒として担持される白金または白金合金の形状としては、例えば真球状、楕円球状等の粒子形状を挙げることができる。また、その平均粒子径は、例えば３〜１０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
ＳｎＯ２担体の表面に担持される白金量、または白金合金量にも特に制限はないが、通常、触媒複合体に対する白金または白金合金の質量担持率を５〜２０質量％とする。質量担持率は以下の式（１）により求めることができる。
【００１６】
式（１）
質量担持率（％）＝触媒の質量／（触媒の質量＋ＳｎＯ２担体の質量）×１００
【００１７】
３．アイオノマー
本発明におけるアイオノマーはプロトン伝導性を有するポリマーであれば特に制限はない。このようなアイオノマーの例としては、炭素−フッ素からなる疎水性テフロン（登録商標）骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボンであるＮａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）が挙げられる。
一般的に燃料電池用触媒層において実用上使用できるアイオノマーは、種類が異なる場合であっても基本的な分子構造が類似しているため、そのポリマー密度は、１．９〜２．０ｇ／ｃｍ３である。上述のように一定質量のＳｎＯ２担体を被覆するために必要となる最適なアイオノマーの体積は変わらないことから、アイオノマーの種類が異なる場合であっても、一定質量のＳｎＯ２担体を被覆するために必要となる最適なアイオノマーの質量も変わらない。従って、アイオノマーの種類が後述の実施例から得られるＩ／ＭＯの好適範囲に影響を与えることはない。なお、ポリマー密度は均一な厚さのフィルムを作製し、その質量と体積を測定することにより、算出できる。ただし、当該ポリマーは電解質であり、吸湿状態で見かけの寸法が変わるため、乾燥状態で、質量と体積を測定する必要がある。
【００１８】
４．燃料電池用触媒層
本発明の燃料電池用触媒層は、ＳｎＯ２担体の表面に白金または白金合金を担持した触媒複合体及び当該触媒複合体を被覆する前記アイオノマーを含有する。前記ＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対する前記アイオノマーの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）を０．１０〜０．１２の範囲内という、従来のカーボン担体を含有する触媒層における好適範囲には含まれない極めて狭い特定の範囲とすることで、高電位において安定性の高いＳｎＯ２担体を用いても、相対湿度が４０〜２５０％と幅広い湿度環境で使用すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することが可能な燃料電池用触媒層を提供することができる。
一般的に、触媒層中の導電性担体に対してアイオノマー量が少ないと触媒複合体を十分にアイオノマーで被覆することができないため、外部環境の相対湿度が変化に対応することができず、触媒層中の導電性担体に対してアイオノマー量が多すぎると触媒複合体を被覆するアイオノマー層が厚くなりすぎるため、導電性担体とアイオノマーの構成比に好適範囲がある。
特許文献１ではカーボン担体重量に対するアイオノマー重量の好適範囲は１．０〜１．８であると記載されているが、上述のように、ＳｎＯ２担体はカーボン担体と比較して、水分を吸脱着しやすい特性があるため、前記Ｉ／ＭＯの好適範囲が０．１０〜０．１２と極めて狭くなると考えられる。
【００１９】
本発明の燃料電池用触媒層は、前記Ｉ／ＭＯを０．１０〜０．１２の範囲にすることで、相対湿度が４０〜２５０％と極めて幅広い湿度環境で使用することが可能であり、実用上、加湿機などを設けて相対湿度を調節したガスを燃料電池電極へ供給する必要がないため、本発明の燃料電池用触媒層を使用する燃料電池システムの簡略化を達成することが可能となる。
上述したように、一定質量の前記ＳｎＯ２担体を被覆するために最適な前記アイオノマーの質量は、ＳｎＯ２担体の平均粒径及び形状、並びにアイオノマーの種類などの影響を受けない。従って、表面に白金または白金合金を担持することができるＳｎＯ２担体とプロトン伝導性を有するアイオノマーが含有される触媒層は、Ｉ／ＭＯが０．１０〜０．１２の範囲内であれば、幅広い湿度環境で使用すること、及び、低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することが可能である。
【００２０】
なお、上述のようにＳｎＯ２担体は水分を吸放出しやすい特性があり、また、アイオノマーも水分を吸放出しやすい特性を有するため、乾燥状態で質量を測定したとしてもわずかな測定条件の差異により、１０％程度の誤差が生じることがあるため、実験的に得られた前記ＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対する前記アイオノマーの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）に対して±０．１の範囲内であれば、幅広い湿度環境で使用することが可能な燃料電池用触媒層を提供することができると考えられる。
【００２１】
５．燃料電池
本発明において燃料電池とは、燃料ガスと酸化剤ガスを電気的に接続された２つの触媒層を含む電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであって、高分子電解質膜を備えるものであれば、特に制限はない。
通常、上記高分子電解質膜を一対の触媒層を備える電極で挟持した膜電極接合体（ＭＥＡ）を基本構造とする単セルを複数積層して燃料電池を構成する。本発明の触媒層は、酸化剤極及び燃料極のどちらの電極にも使用することができる。
電極は、触媒層以外に、ガス拡散層や集電体を備えていても良い。
【００２２】
６．燃料電池用触媒層の製造方法
本発明の燃料電池用触媒層の製造方法は、触媒複合体及びアイオノマーを均一に触媒層内に分散可能であれば特に制限はなく、既存の方法を適用できる。通常、ＳｎＯ２担体の表面に白金または白金合金を担持した触媒複合体、前記アイオノマーを分散媒に分散した触媒インクを、高分子電解質膜上にキャストし、乾燥する方法を用いることができる。
【実施例】
【００２３】
以下に実施例および比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、特に断りのない限り％は質量基準である。
【００２４】
［実施例１］
（準備工程）
下記の特徴を有するＳｎＯ２担体（三井金属工業製）の表面に白金が担持され質量担持率が１５質量％である触媒複合体、及び、水：イソプロパノール＝１：１の組成の液に下記の特徴を有するアイオノマーＡを１０％分散した状態のアイオノマー分散液を準備した。
前記ＳｎＯ２担体は上述の測定方法による平均粒子径が２５ｎｍであり、見掛け密度が３．９ｇ／ｃｍ２であり、タングステンがドープされたＳｎＯ２担体である。
また、使用したアイオノマーＡは、ポリマー密度が１．９ｇ／ｃｍ２であり、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系フッ化スルホン酸ポリマーに分類される酸性官能基と環状基とを含むパーフルオロスルホン酸ポリマーである。
【００２５】
（混合工程）
前記ＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対する前記アイオノマーＡの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）が０．１１となり、表１に記載の組成となるように、触媒複合体、アイオノマー、及び分散媒を混合した。なお、以下の表１において、ＥｔＯＨはエタノール、ＩＰＡはイソプロパノールを示す。また表１において、Ｈ２Ｏ、ＥｔＯＨ、ＩＰＡにおいて％で表された括弧内の数値は、Ｈ２Ｏ、ＥｔＯＨ、ＩＰＡの溶媒中の含有割合を示したものである。
【００２６】
【表１】
0006536454.tif 000002
【００２７】
（分散工程）
前記混合液を、遊星ボールミル（商品名：ＰＭ２００、Ｒｅｔｓｃｈ社製）を用いて、３００ｒｐｍで６時間分散させることで、触媒インクとした。
【００２８】
（触媒層の作製）
前記触媒インクをポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートに白金量が触媒層面積１ｃｍ２当り０．２ｍｇになるようにキャストし、自然乾燥した。当該ＰＴＦＥシートを１ｃｍ角に裁断し実施例１の触媒層とした。当該触媒層と電解質膜であるＮａｆｉｏｎ膜（商品名：ＮＲ２１２、デュポン社製）とを重ね合わせて、３ＭＰａ、１４０℃で４分間プレスして接合し膜電極接合体（ＭＥＡ）とした。
【００２９】
［実施例２］
実施例１において、ＳｎＯ２担体を平均粒子径が２１ｎｍであり、見掛け密度が３．９ｇ／ｃｍ２であり、アンチモンがドープされたＳｎＯ２担体としたこと、アイオノマーとしてポリマー密度が２．０ｇ／ｃｍ２である２０％Ｎａｆｉｏｎ溶液（商品名：ＤＥ２０２０ＣＳ、デュポン社製）を使用したこと以外は、実施例１と同様に実施例２の触媒層及びＭＥＡを作製した。
【００３０】
［比較例１〜５］
実施例１において、Ｉ／ＭＯとインク組成を、表１に記載された比較例１〜５の組成となるように変更して、ＳｎＯ２担体、アイオノマーＡ、及び分散媒を混合したこと以外は、実施例１と同様に比較例１〜５の触媒層及びＭＥＡを作製した。
【００３１】
［比較例６］
比較例２において、ＳｎＯ２担体を平均粒子径が２１ｎｍであり、見掛け密度が３．９ｇ／ｃｍ２であり、アンチモンがドープされたＳｎＯ２担体としたこと、アイオノマーとしてポリマー密度が２．０ｇ／ｃｍ２である２０％Ｎａｆｉｏｎ溶液（商品名：ＤＥ２０２０ＣＳ、デュポン社製）を使用したこと以外は、比較例２と同様に比較例６の触媒層及びＭＥＡを作製した。
【００３２】
［比較例７］
比較例４において、ＳｎＯ２担体を平均粒子径が２１ｎｍであり、見掛け密度が３．９ｇ／ｃｍ２であり、アンチモンがドープされたＳｎＯ２担体としたこと、アイオノマーとしてポリマー密度が２．０ｇ／ｃｍ２である２０％Ｎａｆｉｏｎ溶液（商品名：ＤＥ２０２０ＣＳ、デュポン社製）を使用したこと以外は、比較例４と同様に比較例６の触媒層及びＭＥＡを作製した。
【００３３】
［発電性能の評価］
１．低負荷における発電性能の評価
実施例、比較例で得られたＭＥＡを組み込んだ燃料電池を発電させ、電流密度値が０．２Ａ／ｃｍ２における電圧値を異なる相対湿度条件ごとに算出した。それぞれの測定条件を以下に示す。
（４０％ＲＨ）
・アノードガス：相対湿度（ＲＨ）４０％（バブラ露点８０℃）の水素ガス
・カソードガス：相対湿度（ＲＨ）４０％（バブラ露点８０℃）の純酸素
・セル温度（冷却水温度）：８０℃
（９０％ＲＨ）
・アノードガス：相対湿度（ＲＨ）９０％（バブラ露点８０℃）の水素ガス
・カソードガス：相対湿度（ＲＨ）９０％（バブラ露点８０℃）の純酸素
・セル温度（冷却水温度）：８０℃
（２５０％ＲＨ）
・アノードガス：相対湿度（ＲＨ）２５０％（バブラ露点５０℃）の水素ガス
・カソードガス：相対湿度（ＲＨ）２５０％（バブラ露点５０℃）の純酸素
・セル温度（冷却水温度）：５０℃
２．高負荷における発電性能の評価
実施例、比較例で得られたＭＥＡを組み込んだ燃料電池を発電させ、出力電圧値が０．６Ｖにおける電流密度（Ａ／ｃｍ２）を以下の条件で算出した。
（９０％ＲＨ）
・アノードガス：相対湿度（ＲＨ）９０％（バブラ露点８０℃）の水素ガス
・カソードガス：相対湿度（ＲＨ）９０％（バブラ露点８０℃）の純酸素
・セル温度（冷却水温度）：８０℃
【００３４】
［評価結果］
評価結果を表２、図２、及び図３、並びに表３、図４、及び図５にまとめた。まず、実施例１及び比較例１〜５の結果を表２、図２及び図３を参照して説明する。
【００３５】
【表２】
0006536454.tif 000003
【００３６】
表２及び図２より、Ｉ／ＭＯが０．０４である比較例１では９０％ＲＨ条件において、比較的高い低負荷発電性能を発揮することができるが、４０％ＲＨ及び２５０％ＲＨ条件で発電性能を維持することができなかった。ＳｎＯ２担体の質量に対してアイオノマーの質量が少ないため、アイオノマーで触媒複合体を十分に被覆することができないためであると考えられる。
【００３７】
Ｉ／ＭＯが０．２２である比較例５では４０％ＲＨ条件において比較的高い発電性能を発揮することができるが、９０％ＲＨ及び２５０％ＲＨ条件で発電性能を維持することができなかった。ＳｎＯ２担体の質量に対してアイオノマーの質量が過剰であるため、触媒複合体を被覆するアイオノマー層が厚くなりすぎるためであると考えられる。
【００３８】
Ｉ／ＭＯが０．１７である比較例４では、４０％ＲＨ及び９０％ＲＨ条件において比較的高い発電性能を発揮することができるが、２５０％ＲＨ条件で発電性能を維持することができなかった。比較例１及び比較例５と比較して、湿度変動に対するロバスト性が向上しているものの、比較的低い湿度環境にしか適応することができなかった。
【００３９】
また、Ｉ／ＭＯが０．０７である比較例２及びＩ／ＭＯが０．０９である比較例３では、９０％ＲＨ及び２５０％ＲＨ条件において比較的高い発電性能を発揮することができるが、４０％ＲＨ条件で発電性能を維持することができなかった。比較例１及び比較例５と比較して、湿度変動に対するロバスト性が向上しているものの、比較的高い湿度環境にしか適応することができなかった。
【００４０】
これらに対し、Ｉ／ＭＯが０．１１である実施例１の触媒層では、４０％ＲＨ、９０％ＲＨ及び２５０％ＲＨと幅広い湿度環境において比較的高い低負荷発電性能を発揮することが可能であった。すなわち、Ｉ／ＭＯを０．１１とすることで、加湿装置を備えることなく、燃料電池の使用範囲として想定される幅広い湿度環境に適合するという目的を達成することができることが明らかとなった。
【００４１】
表２及び図３から、Ｉ／ＭＯが０．１１である実施例１の燃料電池では、０．２Ａ／ｃｍ２の低負荷条件（９０％ＲＨ）において出力電圧を０．８３２Ｖ、かつ、電圧が０．６Ｖの高負荷条件（９０％ＲＨ）において電流密度を２．２３Ａ／ｃｍ２とすることが可能となり、低負荷から高負荷に亘って高い発電性能を発揮できることも明らかとなった。
【００４２】
続いて、実施例１、比較例２、及び比較例４で使用したＳｎＯ２担体を平均粒子径が２１ｎｍでありアンチモンがドープされたＳｎＯ２担体とし、アイオノマーをＮａｆｉｏｎ（商品名：ＤＥ２０２０ＣＳ、デュポン社製）にそれぞれ変更して実施した実施例２、比較例６及び比較例７の結果を表３、図４及び図５を参照して説明する。
【００４３】
【表３】
0006536454.tif 000004
【００４４】
表３、図４及び図５に示すとおり、Ｉ／ＭＯが０．０７の比較例６では、４０％ＲＨ条件での発電性能が維持できず、また、９０％ＲＨにおける低負荷及び高負荷の発電性能がＩ／ＭＯが０．１１の実施例２より劣り、低負荷から高負荷に亘って高い発電性能を発揮することができなかった。
【００４５】
また、Ｉ／ＭＯが０．１７の比較例７は、４０％ＲＨ、９０％ＲＨ及び２５０％ＲＨの幅広い湿度環境において比較的高い発電性能を発揮することが可能であったが、９０％ＲＨにおける低負荷及び高負荷の発電性能がＩ／ＭＯが０．１１の実施例２より劣り、低負荷から高負荷に亘って高い発電性能を発揮することができなかった。
【００４６】
これらに対して、Ｉ／ＭＯが０．１１である実施例２の触媒層では、４０％ＲＨ、９０％ＲＨ及び２５０％ＲＨと幅広い湿度環境において比較的高い低負荷発電性能を発揮すること、及び、低負荷から高負荷に亘って高い発電性能を発揮することが可能であった。
【００４７】
上記結果より、Ｉ／ＭＯが０．１１である場合には、ＳｎＯ２担体やアイオノマーの種類にかかわらず、燃料電池の使用範囲として想定される幅広い湿度環境に適合すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することが可能であると考えられる。
【００４８】
よって、本発明の燃料電池用触媒層ではＳｎＯ２担体の質量（ＭＯ）に対するプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーの質量（Ｉ）の比（Ｉ／ＭＯ）を０．１０〜０．１２と極めて限定された範囲とすることで、燃料電池の使用範囲として想定される幅広い湿度環境に適合すること、及び低負荷から高負荷に亘り高い発電性能を発揮することが可能な燃料電池用触媒層を提供できることが明らかとなった。
【図１】
0006536454.tif 000005
【図２】
0006536454.tif 000006
【図３】
0006536454.tif 000007
【図４】
0006536454.tif 000008
【図５】
0006536454.tif 000009
【図６】
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