(57)【要約】【課題】電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制する。【解決手段】発明の燃料電池用電極は、表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される。前記触媒層は、多層の触媒層で構成されており、前記電解質層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に高く、前記ガス拡散層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に低くなるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極であって、
前記触媒層は、多層の触媒層で構成されており、
前記電解質層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に高く、前記ガス拡散層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に低くなるように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用電極であって、
前記多層の触媒層のうち、少なくとも、前記電解質層に接する触媒層のカーボン粒子は、所定の種類のカーボン粒子を熱処理することにより、自身の撥水性を高めたカーボン粒子を用いて構成されている、
ことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池用電極であって、
電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成されている、
ことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用電極を備える燃料電池。
【請求項５】
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と前記電解質とを溶媒中に分散させた触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクを用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記ガス拡散層部材の一方の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面と、前記拡散層側触媒層の表面とを接合することにより前記触媒層を形成する、
ことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項６】
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子および前記電解質を溶媒中に分散させた触媒インクとして、それぞれ、自身の撥水性が異なっているカーボン粒子を含む複数の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記複数の触媒インクを、前記電解質膜側から、相対的に撥水性の高いカーボン粒子を含む触媒インクから相対的に撥水性の低いカーボン粒子を含む触媒インクの順に用いて複数層の触媒層を形成する、
ことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池用電極の製造方法であって、
前記複数の触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成して前記触媒層を形成する、
ことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池用電極およびその製造方法、並びに、この燃料電池用電極を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池は、固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（以下、「固体高分子電解質膜」あるいは、単に「電解質膜」と呼ぶ。）により構成される電解質層と、この電解質層を挟む２つの触媒層（触媒電極とも呼び、酸素極および水素極がある。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下ではアノードと呼ぶ。）と、を備える単セルを、セパレータにより挟持することにより構成される。そして、アノードに水素を含有する燃料ガスが供給されると共に、カソードに酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行することにより発電する。アノードおよびカソードにおける電気化学反応は次の通りである。
【０００３】
アノードにおいては、アノードに含まれる触媒の反応により水素分子がイオン化してプロトンになり、電子を放出する。プロトンは電解質層を介してアノードからカソードへ移動する。放出された電子は、外部の電気回路を通ってカソードに移動する。カソードにおいては、カソードに含まれる触媒の反応により、アノードから放出された電子と、電解質層を介して移動してきたプロトンと、酸素分子とを結合して水を生成する。以上のようにして、燃料電池では、アノードおよびカソードにおいて進行する電気化学反応により、発電される。
【０００４】
ここで、電解質層を構成する電解質膜にはフッ素樹脂系イオン交換膜が用いられるが、湿潤状態で良好な電気伝導性を示し、含水率が低下すると抵抗が高くなり電解質として機能しなくなるという特性を有している。このため、例えば特許文献１に記載の例のように、電解質膜の乾燥を防止する目的で、触媒電極のうち、電解質層に近い領域ほど撥水性を弱め、電解質層から離れた領域ほど撥水性を高めた領域とする構成が知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１８９００４号公報
【特許文献２】特開平６−５２８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の燃料電池のように、触媒電極のうち、電解質層に近い領域ほど撥水性を弱めるとすると、以下で説明する点で問題がある。
【０００７】
電解質層を介してカソードに移動してきたプロトンの多くは、この電解質層とカソードとの界面近傍で酸素との反応が進むため、この界面近傍では多くの水が生成されることになる。従って、上記従来例の燃料電池のように、触媒電極のうち、電解質層に近い領域ほど撥水性を弱めるとすると、特に、高電流密度での動作では、電解質層とカソードとの界面近傍で多量の水が生成されて水膜（水の分子どうしの結合による表面張力でできる膜）を形成し、いわゆるフラッディングが発生する可能性が高くなる。このフラッディングが発生すると、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことになる。
【０００８】
また、電解質層とカソードとの界面近傍に水膜が形成されて滞留すると、電解質層を介してカソードに移動してきたプロトンのカソード内での移動が抑制されて、これによっても発電性能の低下を招くことになる。
【０００９】
なお、上記フラッディングの発生による発電性能の低下の問題は、撥水性を変化させない構成の電解質層を用いた場合においても同様である。
【００１０】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制する技術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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用電極は、
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極であって、
前記触媒層は、多層の触媒層で構成されており、
前記電解質層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に高く、前記ガス拡散層側の触媒層に含まれるカーボン粒子ほど自身の撥水性が相対的に低くなるように構成されている、
ことを特徴とする。
【００１２】
上記構成の燃料電池用電極によれば、電解質層側ほど相対的に撥水性が高く、ガス拡散層側ほど相対的に撥水性が低くなるように、多層の触媒層で構成されているので、燃料電池に用いて動作させた場合に、電極内に存在する水の、相対的に撥水性の高い電解質層側から相対的に撥水性の低いガス拡散層側への移動を促進させることができる。これにより、電解質層と電極（触媒層）との界面近傍において、水のフラッディングが発生することを抑制することが可能となる。
【００１３】
ここで、前記多層の触媒層のうち、少なくとも、前記電解質層に接する触媒層のカーボン粒子は、所定の種類のカーボン粒子を熱処理することにより、自身の撥水性を高めたカーボン粒子を用いて構成されていることが好ましい。
【００１４】
このようにすれば、相対的に撥水性の高い触媒層を容易に構成することができる。
【００１５】
なお、多層の触媒層は、電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成されるようにしてもよい。
【００１６】
このようにすれば、本発明の燃料電池用電極を簡単に構成することができる。
【００１７】
本発明の第１の燃料電池用電極の製造方法は、
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と前記電解質とを溶媒中に分散させた触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクを用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記ガス拡散層部材の一方の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面と、前記拡散層側触媒層の表面とを接合することにより前記触媒層を形成する、
ことを特徴とする。
【００１８】
上記第１の製造方法によれば、上記発明の燃料電池用電極、特に、電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成される燃料電池用電極を作製することができる。
【００１９】
また、本発明の第２の燃料電池用電極の製造方法は、
表面に触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、を備える触媒層から成り、電解質層とガス拡散層との間に形成される燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質層を構成する電解質膜と、前記ガス拡散層を構成するガス拡散層部材と、前記表面に触媒金属を担持したカーボン粒子および前記電解質を溶媒中に分散させた触媒インクとして、それぞれ、自身の撥水性が異なっているカーボン粒子を含む複数の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記複数の触媒インクを、前記電解質膜側から、相対的に撥水性の高いカーボン粒子を含む触媒インクから相対的に撥水性の低いカーボン粒子を含む触媒インクの順に用いて複数層の触媒層を形成する、
ことを特徴とする。
【００２０】
上記第２の製造方法によれば、複数層の触媒層で構成される上記発明の燃料電池用電極を作製することができる。
【００２１】
また、前記複数の触媒インクとして、自身の撥水性が相対的に高いカーボン粒子を含む第１の触媒インク、および、自身の撥水性が相対的に低いカーボン粒子を含む第２の触媒インクと、を用意し、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、前記第１の触媒インクを用いて電解質層側触媒層を形成し、
前記電解質層側触媒層の表面に、前記第２の触媒インクを用いて拡散層側触媒層を形成して前記触媒層を形成するようにしてもよい。
【００２２】
上記のようにすれば、上記発明の燃料電池用電極、特に、電解質層側触媒層と拡散層側触媒層の２層の触媒層で構成される燃料電池用電極を作製することができる。
【００２３】
本発明は、種々の態様で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池用電極や燃料電池用電極の製造方法、その燃料電池用電極を備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える発電装置、その燃料電池システムを備える電気自動車の態様で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．触媒電極の製造方法：
Ｃ．触媒電極（カソード）の機能：
Ｄ．触媒電極の別の製造方法：
Ｅ．変形例：
【００２５】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、例えば固体高分子電解質型燃料電池とすることができ、単セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単セル１０は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２０と、ＭＥＡ２０を両側から挟持するセパレータ３０，４０と、を備えている。
【００２６】
ＭＥＡ２０は、電解質層２１と、電解質層２１を間に挟んでその表面に形成されると共に電気化学反応が進行する触媒金属を備えた触媒層（「触媒電極」とも呼ぶ。）であるカソード２２およびアノード２３と、上記触媒電極のさらに外側に配設されたカソード側のガス拡散層２４およびアノード側のガス拡散層２５と、を備えている。
【００２７】
電解質層２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。
【００２８】
カソード２２およびアノード２３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を有する触媒電極を構成する層（触媒層）である。特に、カソード２２は、電解質層２１側の層（以下、「電解質層側触媒層」と呼ぶ。）２２ａとガス拡散層２４側の層（以下、「拡散層側触媒層」と呼ぶ。）２２ｂとで、それぞれの固体表面における水の接触角が異なる２層構造となっている。電解質層側触媒層２２ａの接触角をθａ、拡散層側触媒層２２ｂの接触角をθｂとすると、θａ＞θｂ、すなわち、電解質層側触媒層２２ａは、拡散層側触媒層２２ｂに対して接触角が大きくなるように設定されている。これにより、電解質層側触媒層２２ａは、拡散層側触媒層２２ｂに対して撥水性が強くなるように設定されている。なお、本発明の特徴は、この２層構造のカソードの機能にあり、このカソードの機能については、後述する。
【００２９】
ガス拡散層２４，２５は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。
【００３０】
ガスセパレータ３０，４０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。ガスセパレータ３０，４０の表面には、単セル１０に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード２２側のガス拡散層２４とガスセパレータ３０との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸化ガス（図中Ｏ２と記す。）が通過する単セル内酸化ガス流路３１が形成されている。また、アノード２３側のガス拡散層２５とガスセパレータ４０との間には、アノードでの電気化学反応に供される燃料ガス（図中Ｈ２と記す。）が通過する単セル内燃料ガス流路４１が形成されている。なお、図１のガスセパレータ３０，４０は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、ガスセパレータ３０，４０とＭＥＡ２４との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。
【００３１】
単セル１０の外周部には、単セル内酸化ガス流路３１および単セル内燃料ガス流路４１におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、本実施例の燃料電池は、単セル１０を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル１０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル１０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路３１内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。同様に、燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル１０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路４１内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。
【００３２】
燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。
【００３３】
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるガスセパレータ３０と、これに隣接して設けられる他方の単セルのガスセパレータ４０との間に設ければよい。
【００３４】
Ｂ．触媒電極の製造方法：
２層構造を有する触媒電極は、以下で説明するようにして作製することができる。図２は、燃料電池の製造時に実行される触媒電極の製造工程を表す説明図である。
【００３５】
触媒電極であるカソード２２およびアノード２３を作製するには、まず、電解質層２１を構成する固体高分子電解質膜と、ガス拡散層２４，２５を構成する拡散層部材と、３種類の触媒インクを用意する（ステップＳ１００）。
【００３６】
３種類の触媒インクは、アノード２２を形成するためのアノード用触媒インクと、カソード２２を形成するためのカソード用電解質層側触媒インクおよびカソード用拡散層側触媒インクである。
【００３７】
ここで、触媒インクは、触媒金属を所定量担持させた触媒担持カーボン粒子と、電解質と、を水及びエタノールなどの分散溶媒とを混合することにより作製することができる。
【００３８】
カソード用電解質層側触媒インクとカソード用拡散層側触媒インクとは、触媒層形成時における撥水性を異ならせるために、それぞれ異なった撥水性を有するカーボン粒子に触媒電極を担持した担持カーボン粒子を用いる。
【００３９】
本実施例では、例えば、カソード用拡散層側触媒インクには、カーボン粒子（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、Ｋｅｔｊｅｎ  ＥＣ）に５０質量％の白金を担持させた触媒担持カーボン粒子を用いることとした。一方、カソード用電解質層側触媒インクには、同じカーボン粒子を約１５００℃程度の高温熱処理することにより、撥水性を強めたカーボン粒子を作製し、このカーボン粒子に５０質量％の白金を担持させた触媒担持カーボン粒子を用いることとした。なお、高温熱処理の温度は、これに限定されるものではなく、所望の撥水性が得られるように設定すればよい。また、アノード用触媒インクは、カソード用拡散層側触媒インクと同じカーボン粒子に３０質量％の白金を担持させた触媒担持カーボン粒子を用いることとした。
【００４０】
また、電解質としては、電解質層２１に用いられる固体高分子電解質膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ  １１２）と同じ種類のイオン交換樹脂であるナフィオン溶液（デュポン社製）を用いることとした。アノード側およびカソード側拡散層部材としては、拡散層部材（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０６０）の表面をカーボン／ＰＴＦＥにより撥水処理したものを用いることとした。
【００４１】
そして、電解質層２１となる電解質膜のアノード側の面上にアノード用触媒インクを用いてアノード用触媒層を形成する（ステップＳ１１０）。例えば、電解質膜のアノード側の面上にアノード用触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量は、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整する。
【００４２】
次に、電解質膜のカソード側の面上にカソード用電解質層側触媒インクを用いてカソード用電解質層側触媒層を形成する（ステップＳ１２０）。例えば、カソード用電解質層側触媒層の形成も、アノード用触媒層と同様に、電解質膜のカソード側の面上にカソード用電解質層側触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量も、同様に、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整すればよい。
【００４３】
さらに、カソード側拡散層部材の一方の面上にカソード用拡散層側触媒インクを用いてカソード用拡散層側触媒層を形成する（ステップＳ１３０）。例えば、カソード用拡散層側触媒層の形成も、アノード用触媒層やカソード用電解質層側触媒層と同様に、カソード側拡散層部材の一方の面上にカソード用拡散層側触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量も、同様に、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整すればよい。
【００４４】
最後に、電解質膜のアノード用触媒層形成面とアノード側拡散層部材の一方の面、および、電解質膜のカソード用電解質層側触媒層形成面とカソード側拡散層部材のカソード用拡散層側触媒層形成面、を接合する（ステップＳ１４０）。この接合は、例えば、圧着面温度１３０℃、圧力５ＭＰａでの熱圧接合により実行することができる。
【００４５】
以上のようにして、図１に示した構造の触媒電極を製造することができる。なお、ステップＳ１１０からＳ１３０の順番は任意である。
【００４６】
Ｃ．触媒電極（カソード）の機能：
次に、上記製造方法に従って作成された２層構造を有する触媒電極（カソード）の機能について説明する。
【００４７】
背景技術においても説明したように、アノードに水素を含有する燃料ガスが供給されると共に、カソードに酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行することにより発電する。このとき、アノード２３においては、図１に示すように、アノードに含まれる触媒の反応により水素分子（Ｈ２）がイオン化してプロトン（２Ｈ＋）になり、電子（２ｅ−）を放出する。プロトンは電解質層２１を介してアノード２３からカソード２２へ移動する。放出された電子は、外部の電気回路（負荷）を通ってカソード２２に移動する。カソード２２においては、カソードに含まれる触媒の反応により、アノード２３から放出された電子と、電解質層２１を介して移動してきたプロトンと、酸素分子（Ｏ２）とを結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成する。なお、この水の生成反応は、電解質層２１を介して多くのプロトンが移動してくるカソード２２の電解質層２１との界面近傍、言い換えると、カソード２２の電解質層側触媒層２２ａの領域内で多く発生する。
【００４８】
ここで、カソード２２の電解質層側触媒層２２ａと拡散層側触媒層２２ｂとでは、電解質層側触媒層２２ａの方が拡散層側触媒層２２ｂに比べて相対的に接触角が大きく撥水性が強いので、電解質層側触媒層２２ａにおいて生成された水（生成水）は、相対的に接触角が小さく撥水性が弱い拡散層側触媒層２２ｂの側に移動しやすくなる。これにより、電解質層側触媒層２２ａの領域における水膜の形成を抑制し、フラッディング現象の発生を抑制することが可能となるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。
【００４９】
また、カソード２２の電解質層側触媒層２２ａから拡散層側触媒層２２ｂへ生成水を移動させることにより、電解質層２１を介して電解質層側触媒層２２ａに移動してきたプロトンを、生成水と共に拡散層側触媒層２２ｂへ移動させることが容易となるので、拡散層側触媒層２２ｂにおける電気化学反応を促進して、発電性能を向上させることが可能となり、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。
【００５０】
図３は、２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池の電流密度に対する出力電圧特性の一例を示すグラフである。図の比較例は１層構造の触媒電極を有する燃料電池の特性を示しており、触媒電極の接触角θが約１４２°である場合の特性を示している。図の実施例は、上記製造方法に従って作製され、２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池の特性を示しており、図１に示すカソード２２の電解質層側触媒層２２ａの接触角θａが約１５２°で拡散層側触媒層２２ｂの接触角θｂが約１３９°の場合の特性を示している。
【００５１】
図３から分かるように、比較例の場合に比べて実施例の場合には、電流密度の変化に応じた出力電圧の変化の幅が約２５％程度小さくなっており、発電性能の低下を抑制していることがわかる。
【００５２】
以上説明したように、上記製造方法に従って作製され、２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池では、電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制することができるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。
【００５３】
Ｄ．触媒電極の別の製造方法：
図４は、燃料電池の製造時に実行される触媒電極の別の製造工程を表す説明図である。この製造工程は、図２に示した製造工程のステップＳ１３０をステップＳ１３０Ｂに置き換え、これに応じて、ステップＳ１４０をステップＳ１４０Ｂに置き換えたものである。
【００５４】
ステップＳ１３０Ｂは、カソード用拡散層側触媒層の形成方法がステップＳ１３０とは異なっている。具体的には、ステップＳ１３０Ｂでは、ステップＳ１２０において形成されたカソード用電解質層側触媒層の面上にカソード用拡散層側触媒インクを用いてカソード用拡散層側触媒層を形成する。この場合のカソード用拡散層側触媒層の形成も、アノード用触媒層やカソード用電解質層側触媒層と同様に、形成されたカソード用電解質層側触媒層の面上にカソード用拡散層側触媒インクをスプレー塗布し、乾燥させることにより形成することができる。塗布量も、同様に、白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように調整すればよい。これにより、カソード用触媒層を形成することができる。
【００５５】
そして、ステップＳ１４０Ｂでは、電解質膜のアノード用触媒層形成面とアノード側拡散層部材の一方の面、および、電解質膜のカソード用触媒層形成面とカソード用拡散層部材と、を接合する。
【００５６】
本例のようにしても、図１に示した２層構造の触媒電極であるカソードを製造することができる。ただし、本例の場合には、カソード用電解質層側触媒層形成面上にカソード用拡散層拡散層側触媒インクをスプレー塗布することにより、カソード用電解質層側触媒層内に、カソード用拡散層拡散層側触媒インクが浸潤し、カソード用電解質層側触媒層とカソード用拡散層側触媒層との界面において、カソード用拡散層側触媒層とカソード用電解質層側触媒層との中間の領域が形成される可能性がある。
【００５７】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５８】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、相対的に撥水性の高い電解質層側触媒層と相対的に撥水性の低い拡散層側触媒層の２層構造を有する触媒電極を例に説明したが、これに限定されるものではなく、電解質層側ほど相対的に撥水性が高く拡散層側ほど相対的に撥水性が低くなるように、３層以上の多層構造を有する触媒電極とするようにしてもよい。この場合であっても、同様に、燃料電池の電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制することが可能となるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。
【００５９】
なお、３層以上の多層構造を有する触媒電極は、上記触媒電極の別の製造工程において説明したように、媒層形成面上に異なった触媒層を形成することを繰り返すことにより製造することができる。
【００６０】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、カソードを例に説明したが、カソードだけでなくアノードにおいても、カソードと同様に、電解質層側ほど相対的に撥水性が高く拡散層側ほど相対的に撥水性が低くなるように多層構造とするようにしてもよい。この場合には、電解質層を介して、カソードからアノードに移動する水により、電解質層と触媒電極との界面近傍における水のフラッディングを抑制することができる。
【００６１】
Ｅ３．変形例３：
また、拡散層やセパレータの形状を、実施例の燃料電池とは異なる形状としても良い。例えば、セパレータ表面において、単セル内ガス流路を形成するための凹凸形状を設けない形状とすると共に、セパレータとＭＥＡとの間に導電性多孔質部材を配置して、この導電性多孔質部材内に形成される空隙によって、単セル内ガス流路を形成することとしても良い。単セル内ガス流路の形状を他の任意の形状とする場合であっても、同様に、燃料電池の電解質層と触媒電極との界面近傍における生成水のフラッディングを抑制することが可能となるため、高電流密度での動作において、発電性能が低下し、出力電圧の低下を招くことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】燃料電池の製造時に実行される触媒電極の製造工程を表す説明図である。
【図３】２層構造の触媒電極であるカソードを有する燃料電池の電流密度に対する出力電圧特性の一例を示すグラフである。
【図４】燃料電池の製造時に実行される触媒電極の別の製造工程を表す説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０...単セル
２０...ＭＥＡ
２１...電解質層
２２...カソード
２２ａ...電解質層側触媒層
２２ｂ...拡散層側触媒層
２３...アノード
２４，２５...ガス拡散層
３０，４０...ガスセパレータ
３１...単セル内酸化ガス流路
４１...単セル内燃料ガス流路
【図１】
2008016415.tif 000003
【図２】
2008016415.tif 000004
【図３】
2008016415.tif 000005
【図４】
2008016415.tif 000006