(57)【要約】【課題】触媒層中の触媒の反応効率及び排水性を向上することができる燃料電池及び燃料電池用接合体を提供する。【解決手段】電解質膜を挟んで対向するように触媒層が形成された燃料電池用接合体及びそのような燃料電池用接合体を含む燃料電池において、触媒層のうち少なくとも一方において、触媒を担持する触媒担体の質量に対する電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて電解質膜側の電解質のイオン交換基密度が高いことにより、触媒層中の触媒の反応効率及び排水性を向上することができ、高効率の燃料電池を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで対向するように触媒層として触媒と電解質とを含むカソード触媒層及びアノード触媒層が形成された燃料電池用接合体を含む燃料電池であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方において、前記触媒を担持する触媒担体の質量に対する前記電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて前記電解質膜側の前記電解質のイオン交換基密度が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高いイオン交換基密度を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高い解離定数を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
電解質膜を挟んで対向するように触媒層として触媒と電解質とを含むカソード触媒層及びアノード触媒層が形成された燃料電池用接合体であって、
前記触媒層のうち少なくとも一方において、前記触媒を担持する触媒担体の質量に対する前記電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて前記電解質膜側の前記電解質のイオン交換基密度が高いことを特徴とする燃料電池用接合体。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池用接合体であって、
前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高いイオン交換基密度を有することを特徴とする燃料電池用接合体。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池用接合体であって、
前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高い解離定数を有することを特徴とする燃料電池用接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池用接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設け、これらを原料供給用の通路を設けたセパレータで挟んで電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。
【０００３】
燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
【０００４】
燃料電池の触媒層は、通常、白金（Ｐｔ）等の触媒を触媒担体であるカーボンに担持した触媒粒子担持カーボン等の触媒担持粒子と、固体高分子電解質等の電解質とを含んで構成される。イオン伝導性の電解質は、触媒層中の三相界面を増やすために添加されている。
【０００５】
このような燃料電池において、触媒層中の触媒粒子表面を部分的に覆っている電解質のプロトン導電率は元々低く、かつ伝導経路の断面積が小さいため、ガス供給側から輸送されてくる反応ガスの供給速度に比べて、触媒層の中では電解質膜からのプロトン伝導、あるいは電解質膜へのプロトン伝導が反応の律速となってしまう。したがって、電極反応は電解質膜付近、すなわち触媒層と電解質膜との界面付近に集中してしまう。一方、電解質の添加量（触媒に対する比率）が多すぎると、触媒層全体の電子伝導性ネットワークを形成する触媒粒子の直接接触が困難となるだけではなく、触媒層の厚みが厚くなる上、触媒粒子表面が厚い電解質皮膜で覆われてしまい、反応ガスの触媒粒子への供給が少なくなったり、生成水の排出が悪くなったりしてしまう。その結果、触媒の利用率の低下につながるだけでなく、反応熱及び反応中間生成物である過酸化水素も電解質膜との界面付近に集中してしまうため、ＭＥＡの劣化促進をもたらしてしまう。
【０００６】
例えば特許文献１には、プロトン伝導性高分子電解質膜、ならびに電解質膜を挟む一対の触媒層および一対のガス拡散層を配してなる高分子電解質膜・電極接合体であって、触媒層が、触媒およびプロトン交換基を含み、一対の触媒層の少なくとも一方において、触媒の重量に対するプロトン交換基の重量比が空間的分布を有し、その比が高分子電解質膜に近いほど大きい高分子電解質膜・電極接合体が記載されている。
【０００７】
また、特許文献２には、プロトン伝導性電解質膜と、電解質膜の両面に接触する一対の触媒層と、各々の触媒層に接触する一対のガス拡散層とを備え、触媒層は少なくとも高分子電解質と導電性を有する触媒担持体に担持された触媒とを具備する燃料電池用電解質膜電極接合体であって、触媒層において、触媒層の密度がプロトン伝導性電解質膜側からガス拡散層側にかけて減少し、かつ高分子電解質の重量と触媒の重量との重量比が前記触媒層のプロトン伝導性電解質膜側からガス拡散層側にかけてほぼ一定である燃料電池用電解質膜電極接合体が記載されている。
【０００８】
また、特許文献３には、高分子電解質を挟んで一対の電極を有し更にその外側に電子伝導体を有する水素−酸素型燃料電池において、一対の電極の少なくとも一方に電解質側の撥水性が強く電子伝導体側の撥水性が弱くなるように勾配をもたせた燃料電池が記載されている。
【０００９】
また、特許文献４には、水素イオン伝導性高分子電解質膜及び高分子電解質膜を挟む一対の電極を具備し、電極は高分子電解質膜に接触する触媒層を具備し、触媒層は水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒金属を含み、触媒金属近傍のイオン伝導性基の密度が電極全体の平均密度に対して大きい高分子電解質型燃料電池が記載されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２３５４６１号公報
【特許文献２】特開２００５−５６５８３号公報
【特許文献３】特開平５−２５１０８６号公報
【特許文献４】特開２００６−１６４５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、通常は、触媒層に電解質を中に同じ電解質を均一的に、あるいは電解質膜側の電解質の重量比率を高める構成にしている。しかし、特許文献１〜４の方法では、電解質膜側で電解質の量が多いため、反応ガスの透過性が悪くなる、生成水の排出が妨げられるという問題があった。
【００１２】
本発明は、触媒層中の触媒の反応効率及び排水性を向上することができる燃料電池及び燃料電池用接合体である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電解質膜を挟んで対向するように触媒層として触媒と電解質とを含むカソード触媒層及びアノード触媒層が形成された燃料電池用接合体を含む燃料電池であって、前記触媒層のうち少なくとも一方において、前記触媒を担持する触媒担体の質量に対する前記電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて前記電解質膜側の前記電解質のイオン交換基密度が高い。
【００１４】
また、前記燃料電池において、前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高いイオン交換基密度を有することが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池において、前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高い解離定数を有することが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、電解質膜を挟んで対向するように触媒層として触媒と電解質とを含むカソード触媒層及びアノード触媒層が形成された燃料電池用接合体であって、前記触媒層のうち少なくとも一方において、前記触媒を担持する触媒担体の質量に対する前記電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて前記電解質膜側の前記電解質のイオン交換基密度が高い。
【００１７】
また、前記燃料電池用接合体において、前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高いイオン交換基密度を有することが好ましい。
【００１８】
また、前記燃料電池用接合体において、前記少なくとも一方の触媒層は、前記電解質膜に近いほど高い解離定数を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、電解質膜を挟んで対向するように触媒層が形成された燃料電池用接合体及びそのような燃料電池用接合体を含む燃料電池において、触媒層のうち少なくとも一方において、触媒を担持する触媒担体の質量に対する電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて電解質膜側の電解質のイオン交換基密度が高いことにより、触媒層中の触媒の反応効率及び排水性を向上することができ、高効率の燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２１】
＜燃料電池用接合体及び燃料電池＞
本実施形態に係る燃料電池用接合体及び燃料電池について説明する。本実施形態に係る燃料電池用接合体は、燃料極（アノード触媒層）と、電解質層と、空気極（カソード触媒層）とを有する。また、本実施形態に係る燃料電池は、この燃料電池用接合体を有する。
【００２２】
図１に、本実施形態に係る燃料電池の構成の一例の概略断面図を示す。燃料電池１は、電解質膜１０と、燃料極（アノード触媒層）１２と、空気極（カソード触媒層）１４と、拡散層１６と、セパレータ１８とにより構成される。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０の一方の表面に燃料極１２が、もう一方の表面に空気極１４が電解質膜１０を挟んでそれぞれ対向するように形成された燃料電池用接合体である膜電極複合体２０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、膜電極複合体２０を挟んで両面に設けられた拡散層１６と、拡散層１６の両外側を挟持するセパレータ１８とを備える。セパレータ１８には、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための原料供給路２２，２４が設けられている。
【００２４】
燃料電池１において、例えば、燃料極１２に供給する原料を水素ガス、空気極１４に供給する原料を空気として運転した場合、燃料極１２において、
２Ｈ２  →  ４Ｈ＋＋４ｅ−
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ２）から水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが発生する。電子（ｅ−）は拡散層１６から外部回路を通り、拡散層１６から空気極１４に到達する。空気極１４において、供給される空気中の酸素（Ｏ２）と、電解質膜１０を通過した水素イオン（Ｈ＋）と、外部回路を通じて空気極１４に到達した電子（ｅ−）により、
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極１２及び空気極１４において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
【００２５】
本実施形態において、燃料極（アノード触媒層）１２及び空気極（カソード触媒層）１４は、それぞれ触媒を触媒担体であるカーボンに担持した触媒粒子担持カーボン等の触媒担持粒子及び電解質を含有する触媒層である。そして、空気極１４において、反応原料供給側、すなわち拡散層１６側に比べて電解質膜１０側の電解質のイオン交換基密度が高い。また、空気極１４において、触媒を担持する触媒担体の質量に対する電解質の乾燥質量が略均一である。本構成により、電解質膜１０側のイオン伝導性が高くなり、反応場は空気極１４中に略均一に分布する。よって、空気極１４のイオン伝導律速を緩和し、拡散層１６側の触媒を反応に寄与させることができ、さらに空気極１４全体の反応原料及び生成水等の水の輸送を確保することができる。また、反応熱及び反応中間生成物である過酸化水素の生成を電解質膜１０と空気極１４との界面付近に集中させにくく、ＭＥＡの劣化を抑制することができる。したがって、燃料電池性能の低下を抑制し、高効率の燃料電池を得ることができる。
【００２６】
触媒層に含まれる触媒担持粒子としては、白金（Ｐｔ）等を担持したカーボン、白金（Ｐｔ）等をルテニウム（Ｒｕ）等の他の金属と共に担持したカーボン、ＰｔＦｅ・ＰｔＣｏ等を用いることができる。
【００２７】
触媒層に含まれる電解質としては、固体高分子電解質等が挙げられる。固体高分子電解質としては、プロトン（Ｈ＋）等のイオン伝導性の高い材料であれば特に制限はなく、例えば、パーフルオロスルホン酸系等の固体高分子電解質が用いられる。具体的には、ジャパンゴアテックス（株）のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、デュポン社（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、旭化成（株）のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、登録商標）、旭硝子（株）のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質を使用することができる。
【００２８】
本実施形態において、燃料極１２及び空気極１４のうち少なくとも一方において、触媒を担持する触媒担体の質量に対する電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて電解質膜１０側の電解質のイオン交換基密度が高ければよいが、電極反応の効率を高める点、発電中に過酸化水素が主に発生するのはカソード側である点等から、カソード側（空気極１４）において、本構成を備えることが好ましい。また、より電極反応の効率を高めるためには、アノード側（燃料極１２）及びカソード側（空気極１４）の両方において、本構成を備えることが好ましい。
【００２９】
また、燃料極１２及び空気極１４のうち少なくとも一方において、触媒を担持する触媒担体の質量に対する電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ電解質膜１０に近いほどイオン交換基密度が高いことが好ましく、カソード側（空気極１４）において、本構成を備えることが好ましい。
【００３０】
ここで、触媒層において含まれる、触媒を担持する触媒担体の質量に対する電解質の乾燥質量が略均一とは、実質的に生成水等の水の排出を妨げない範囲で均一であればよいが、例えば、触媒層において、固体高分子電解質の乾燥質量／カーボンの質量（Ｎ／Ｃ）の比率が±０．０５の範囲内にあることをいう。
【００３１】
触媒層中の電解質の含有量は、触媒層中のカーボンの量に対して、５０重量％〜４００重量％の範囲が好ましい。電解質の含有量が、触媒層のカーボンの量に対して５０重量％未満であると、触媒層中の三相界面が減少して反応効率が低下することがあり、４００重量％を超えると、反応原料の透過性が悪くなり、また生成水の排出が妨げられやすくなる。
【００３２】
また、反応原料供給側、すなわち拡散層１６側に比べて電解質膜１０側の電解質のイオン交換基密度を高くするためには、例えば、電解質膜１０側の空気極１４中にイオン交換基密度（イオン伝導率）の高い電解質を配置して、拡散層１６側の空気極１４中にそれより低いイオン交換基密度を有する電解質を配置すればよい。２層以上の層構成にして段階的にイオン交換基密度を変化させても良いし、１層構成で連続的にイオン交換基密度を変化させても良い。３層以上の層構成にして段階的にイオン交換基密度を変化させると、イオン交換基密度の変化の勾配が大きくなり、より反応効率が高まる効果を発揮するので好ましい。
【００３３】
用いる電解質のイオン交換基密度は、スルホン酸基等の当量重量ＥＷ（ｇ／ｅｑ）を指標として表される。ここで、当量重量ＥＷとは、電解質のイオン交換基１当量あたりの電解質の乾燥質量のことである。電解質膜１０側の電解質のＥＷは、反応原料供給側の電解質のＥＷよりも低ければよいが、反応原料供給側の電解質のＥＷと、電解質膜１０側の電解質のＥＷとの差が１００〜５００の範囲であることが好ましい。
【００３４】
また、燃料極１２及び空気極１４のうち少なくとも一方において、電解質膜１０側に近いほど高い解離定数を有することが好ましく、カソード側（空気極１４）において、本構成を備えることが好ましい。これにより、電解質膜１０側に近いほどイオン導電性をより高めることができ、触媒層のイオン伝導律速をより緩和し、反応原料供給側の触媒を反応により寄与させることができる。
【００３５】
高い解離定数を有する電解質としては、スルホン酸系、イミド系（例えば、パーフルオロスルホンイミド系、ＣＦ３−（ＣＦ２）ｎ−ＳＯ２−Ｎ（Ｈ）−ＳＯ２−（ＣＦ２）ｍ−ＣＦ３）等の固体高分子電解質が挙げられ、低い解離定数を有する電解質としては、カルボン酸系、リン酸系等の固体高分子電解質が挙げられる。
【００３６】
燃料極１２及び空気極１４の膜厚は例えば、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲である。
【００３７】
電解質膜１０としては、プロトン（Ｈ＋）等のイオン伝導性の高い材料であれば特に制限はなく、パーフルオロスルホン酸系や炭化水素系等の固体高分子電解質膜が用いられる。具体的には、ジャパンゴアテックス（株）のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、デュポン社（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、旭化成（株）のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、登録商標）、旭硝子（株）のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜を使用することができる。電解質膜１０の膜厚は例えば、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０μｍ〜５０μｍの範囲である。
【００３８】
また、電解質膜１０には、必要に応じて補強膜として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、超高分子量ポリエチレン、ポリイミド等の、好ましくはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の延伸多孔質膜を設けてもよい。この場合、溶液キャスト法等の方法により補強膜の表裏面に電解質膜１０を形成する。補強膜の表裏面に電解質膜１０が形成された３層構造であってもよいが、５層構造、あるいはそれ以上の層構造であってもよい。補強膜の膜厚は通常、５μｍ〜１００μｍである。
【００３９】
拡散層１６としては、導電性が高く、燃料及び空気等の原料の拡散性が高い材料であれば特に制限はないが、多孔質導電体材料であることが好ましい。導電性の高い材料としては、例えば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられ、カーボンクロス、カーボンペーパ、ガラス状カーボン等のカーボン材料が好ましく、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料であることがより好ましい。拡散層１６の膜厚は例えば、５０μｍ〜１０００μｍ、好ましくは１５０μｍ〜６００μｍの範囲である。
【００４０】
また、拡散層１６は、拡散層１６の撥水性の向上のために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂と、電子伝導性を有する、例えばカーボンブラック等との混合溶液である撥水ペーストにより撥水処理がされてもよい。
【００４１】
セパレータ１８は、耐食処理が施された金属板または焼成カーボン等のカーボン系材料等で構成される。セパレータ１８には、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための原料供給路２２，２４が設けられている。
【００４２】
このようにして製造された燃料電池１において、燃料極１２側の拡散層１６と空気極１４側の拡散層１６とを外部回路に電気的に接続し、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ反応ガス等の原料を供給して運転すれば、電池として機能させることができる。
【００４３】
燃料極１２側に供給する原料としては、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等が挙げられる。空気極１４側に供給する原料としては、酸素や空気等の酸化性ガス等が挙げられる。
【００４４】
＜燃料電池用接合体及び燃料電池の製造方法＞
本実施形態に係る燃料電池用接合体、燃料電池は、例えば、電解質膜の少なくとも一方の面に触媒と第１電解質とを含有する第１触媒層を形成する第１触媒層形成工程と、第１触媒層の表面に触媒と第１電解質よりもイオン交換基密度が低い第２電解質とを含む第２触媒層を形成する第２触媒層形成工程と、を含む方法により製造される。
【００４５】
触媒層の形成は、例えば、フィルム上に形成した触媒層を転写する転写法、スプレーによりスラリーを吹き付けて湿式塗布するスプレー法等の公知の方法を用いて行うことができる。
【００４６】
カソード触媒層の形成後あるいはカソード触媒層の形成に先立って、もう一方の面にアノード触媒層を形成し、以降、公知の方法に従い、拡散層及びセパレータを形成し、両側の拡散層を外部回路に電気的に接続し、セルを形成する。
【００４７】
本実施形態に係る燃料電池としては、図１のような平板状に限らず、チューブ状等であってもよい。また、本実施形態に係る燃料電池は、１つの燃料電池（単セル）を複数個集合させて、直列に接続することにより、必要とする電流、電圧を得ることができる。また、１つの燃料電池（単セル）を複数個集合させて、並列に接続してもよい。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５０】
（実施例１）
＜セルの作製＞
電解質膜としてナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標、デュポン社（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社）製）を使用し、電解質膜の一方の面にカソード触媒層として、触媒である白金を触媒担体であるカーボンに担持した白金担持カーボン（白金担持カーボンのうち６５質量％が白金であり、３５質量％がカーボン）と固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝７００）を混合した層（触媒量：０．６ｍｇ／ｃｍ２、固体高分子電解質の乾燥質量／カーボンの質量（Ｎ／Ｃ）＝０．７５）を形成し、その上にさらに、白金担持カーボンと固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝１０００）を混合した層（触媒量：１．０ｍｇ／ｃｍ２、固体高分子電解質の乾燥質量／カーボンの質量（Ｎ／Ｃ）＝０．７５）を形成した。次に、電解質膜のもう一方の面にアノード触媒層として、触媒である白金／ルテニウムを触媒担体であるカーボンに担持した白金／ルテニウム合金担持カーボン（白金／ルテニウム合金担持カーボンのうち５７質量％が白金／ルテニウムであり、４３質量％がカーボン）と固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝１０００）を混合した層（触媒量：０．４ｍｇ／ｃｍ２、固体高分子電解質の乾燥質量／カーボンの質量（Ｎ／Ｃ）＝１．０）を形成した。
【００５１】
ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｉｓ）の方法によりカソード触媒層を分析したところ、触媒を担持する触媒担体の質量に対する電解質の乾燥質量が略均一であり、かつ反応原料供給側に比べて電解質膜側の電解質のイオン交換基密度が高いことがわかった。
【００５２】
各触媒層上に、ＰＴＦＥを含浸させ、撥水処理を行った厚さ１００μｍのカーボンペーパを用い、拡散層を形成した。これをカーボン系材料で構成したセパレータで挟持し、単セルを作製した。
【００５３】
＜電池性能評価＞
電流密度ｉ＝０．４Ａ／ｃｍ２、燃料利用率Ｕｆ＝７０％、空気利用率Ｕｏｘ＝５０％、１０ｐｐｍＣＯＳＲ模擬ガス、フル加湿の条件下でセル電圧を測定した。結果を表１に示す。
【００５４】
（実施例２）
カソード触媒層として、白金担持カーボンと固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝７００）を混合した層（触媒量：０．６ｍｇ／ｃｍ２、Ｎ／Ｃ＝０．７５）を形成し、その上にさらに、白金担持カーボンと固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝１０００）を混合した層（触媒量：１．０ｍｇ／ｃｍ２、Ｎ／Ｃ＝０．７０）を形成した以外は、実施例１と同様にして単セルを作製し、評価を行った。結果を表１に示す。
【００５５】
（比較例１）
カソード触媒層として、白金担持カーボンと固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝１０００）を混合した層（触媒量：１．６ｍｇ／ｃｍ２、Ｎ／Ｃ＝０．７５）を形成した以外は、実施例１と同様にして単セルを作製し、評価を行った。結果を表１に示す。比較例１のセル電圧を基準電圧とした。
【００５６】
（比較例２）
カソード触媒層として、白金担持カーボンと固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝１０００）を混合した層（触媒量：０．６ｍｇ／ｃｍ２、Ｎ／Ｃ＝１．０）を形成し、その上にさらに、白金担持カーボンと固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝１０００）を混合した層（触媒量：１．０ｍｇ／ｃｍ２、Ｎ／Ｃ＝０．７５）を形成した以外は、実施例１と同様にして単セルを作製し、評価を行った。結果を表１に示す。
【００５７】
（比較例３）
カソード触媒層として、白金担持カーボンと固体高分子電解質（ナフィオン（登録商標）、ＥＷ＝７００）を混合した層（触媒量：１．６ｍｇ／ｃｍ２、Ｎ／Ｃ＝０．７５）を形成した以外は、実施例１と同様にして単セルを作製し、評価を行った。結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
このように、実施例１，２のセルのセル電圧は比較例１のセルに比べて、約＋３０ｍＶであり、高効率の燃料電池セルを得ることができた。このことは、実施例１，２のセルにおいて、触媒層中の触媒の反応効率及び排水性を向上することができたことを示す。また、比較例２のセルは、カソード触媒層において電解質膜側の電解質量が多いため、反応原料の拡散性が低下し、実施例１，２のセルのセル電圧に比べて低くなっている。比較例３のセルは、カソード触媒層全体のイオン交換密度が高くなっているため、実施例１，２のセルのセル電圧に比べて低くなっている。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  燃料電池、１０  電解質膜、１２  燃料極（アノード触媒層）、１４  空気極（カソード触媒層）、１６  拡散層、１８  セパレータ、２０  膜電極複合体（ＭＥＡ）、２２，２４  原料供給路。
【図１】
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