(57)【要約】【課題】触媒の利用率を向上させ、触媒の使用量を減少させて、電池コストの引き下げを実現させるための固体高分子型燃料電池用電極及びその製造方法を提供する。【解決手段】触媒金属１４と、触媒金属を表面の少なくとも一部に担持する導電性の多孔質担持体１１と、前記多孔質担持体及び触媒金属を覆う固体高分子電解質１２とを有す固体高分子型燃料電池用電極であって、前記触媒金属１４は多孔質担持体１１と固体高分子電解質のプロトン伝導路１３との界面に担持されている固体高分子型燃料電池用電極。導電性の多孔質担持体の表面に固体高分子電解質を被覆する第１工程と、前記多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に金属触媒を担持する第２工程を有する燃料電池用電極の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒金属と、前記触媒金属を表面の少なくとも一部に担持する導電性の多孔質担持体と、前記多孔質担持体及び触媒金属を覆う固体高分子電解質とを有す固体高分子型燃料電池用電極であって、前記触媒金属は多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に担持されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極。
【請求項２】
触媒金属と、前記触媒金属を表面の少なくとも一部に担持する導電性の多孔質担持体と、前記多孔質担持体及び触媒金属を覆う固体高分子電解質とを有す固体高分子型燃料電池用電極の製造方法であって、導電性の多孔質担持体の表面に固体高分子電解質を被覆する第１工程と、前記多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に金属触媒を担持する第２工程を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
【請求項３】
第２工程の後に、さらに導電性の多孔質担持体の表面に固体高分子電解質を被覆する第３工程を有することを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
【請求項４】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んだ一対の電極とを有する燃料電池において、前記電極の少なくとも一方は請求項１記載の電極からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池用電極、その製造方法および固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクス分野においては、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートＰＣ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなど携帯用電子機器の多機能化及び処理情報量の増大化が進み、消費電力量が益々大きくなってきている。これに応じて、搭載電池の高エネルギー密度化及び高出力密度化が強く要望されている。
【０００３】
現在のところ、携帯電子機器用バッテリーとしての主流はＬｉイオン二次電池であり、電池容量アップの技術開発は盛んに行なわれてはいるものの、そのエネルギー密度を現行系からユーザーニーズを満たすほどに飛躍的に向上させることは難しい。そこで、従来の二次電池の延長ではない、新しいコンセプトの導入、即ち燃料電池の登場が期待されている。
【０００４】
燃料電池は水素と酸素を化学反応させて得られる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る。燃料電池は、水素自身のエネルギー密度が高い点と、酸素を外気から取り入れるためカソード側の活物質を持たなくて良い点から、体積あたり又は重量あたりのエネルギー量を、従来の電池に比べて飛躍的に高めることができる。
【０００５】
中でも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、フレキシブルなポリマー膜を電解質とする全固体型のため、ハンドリング性が良く、構造はシンブルであり、低温作動で起動停止が早いなどの特徴を有していることから、携帯用電子機器搭載用に適している。
【０００６】
固体高分子型燃料電池は、基本的には、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜、及びその両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金族金属触媒を担持した導電炭素粒子とプロトン伝導性高分子電解質を混合した触媒層、触媒層の外面に形成されたガス供給と集電を担うガス拡散電極から構成される。また、電極および固体高分子膜を一体化させたものを膜電極接合体（ＭＥＡ）という。
【０００７】
触媒層においては、反応ガスの供給路である細孔（ガスチャネル）と、プロトン伝導性の固体高分子電解質（プロトン伝導チャネル）と、電子導電体である電極材料（電子伝導チャネル）とが形成する三相界面の面積の大小が、電池の発電特性を左右する。
【０００８】
従来の三相界面の形成法は、電極材料と高分子電解質とを混合分散させることで、細孔と電解質と電極材料を３次元的に分布配置された構成が取られている。
具体的には、触媒担持粒子と固体高分子電解質溶液とイソプルピルアルコール等の有機溶媒を混合して触媒インクを作製する。この触媒インクをスプレー塗工法やスクリーン印刷法、ドクターブレード法などで、固体高分子電解質膜やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の高分子フィルム、あるいは導電性多孔質体のカーボン電極基板上などに成膜して触媒層が作製される。
【０００９】
しかし、触媒担時カーボン粒子を用いる従来の製造方法では、触媒の利用率が低く、報告例では、その利用率は１０％にすぎないと言うものもある。これは、固体高分子電解質がカーボン粒子状の触媒全てを十分に被覆できていないからである。カーボン粒子は一次粒径が１０乃至５０ｎｍ程度であり、そこに１乃至５ｎｍ程度の触媒微粒子が担持されている。これらカーボン粒子は凝集し合い、表面にかなり緻密な凹凸が形成されたカーボン粒子集合体を形成した状態となっている。固体高分子電解質溶液はある程度の粘性を有しているため、カーボン粒子と混合させても、カーボン粒子の凹部にまで浸透できず、カーボン粒子集合体の深部に担持された触媒は三相界面を形成できず、発電に寄与できない。そのため、触媒の利用率が低くなる。
【００１０】
特許文献１では、予め固体高分子電解質とカーボン粒子の混合物を用意し、これを［Ｐｔ（ＮＨ3）4］Ｃｌ2などの触媒金属塩溶液中に浸漬させ、触媒金属イオンを固体高分子電解質のプロトン伝導経路に水素イオンとのイオン交換により吸着させる。その後、化学的還元を経ることで、触媒金属をカーボン粒子と固体高分子電解質のプロトン伝導路の界面に優先的に析出・担持させている。このため、従来の製造方法に比較して、主としてカーボン粒子表面に形成された、固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面である三相界面部に多くの触媒が担持されることになり、触媒の利用率の向上が期待される。
【００１１】
しかし、上記製造方法においても、カーボン粒子と固体高分子電解質を混合させる過程において、固体高分子電解質のカーボン粒子表面への被覆状態が、実際にはむらがあり、カーボン粒子の全てを十分に被覆できない。触媒電極の層中に偏在して被覆の厚薄の状態を形成するため、以下のような問題があった。
【００１２】
カーボン粒子の表面に固体高分子電解質が厚く被覆された場合、固体高分子電解質はカーボン粒子表面から離れた三相界面形成に与らない部分にまでプロトン伝導部を多数有している。そのため、触媒金属塩溶液中に浸漬しても、カーボン粒子表面以外での不必要な固体高分子電解質のプロトン伝導部の水素イオンと触媒金属イオンがイオン交換される可能性が高くなり、触媒の利用率が低下する可能性があった。また、固体高分子電解質の不必要な部分の存在のために、本来必要であるカーボン粒子と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に、触媒金属イオンが吸着されるまでに時間がかかってしまう。
【００１３】
また、カーボン粒子の表面に固体高分子電解質が薄く被覆された場合は、カーボン粒子表面以外での不必要な固体高分子電解質のプロトン伝導部の水素イオンと触媒金属イオンがイオン交換される可能性は低くなり、触媒の利用率の低減は抑制される。しかし、カーボン粒子表面上に固体高分子電解質が被覆されない部位が存在する、または被覆されてはいても、十分なプロトン伝導チャネルを形成できていない部位が存在する可能性が高くなる。このため、三相界面の形成の割合が低減する可能性があった。
【特許文献１】特開２０００−０１２０４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、以上のような課題を鑑みて、触媒の利用率を向上させ、触媒の使用量を減少させて、電池コストの引き下げを実現させるための固体高分子型燃料電池用電極及びその製造方法を提供するものである。
【００１５】
また、本発明は、上記電極を用いた燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するための固体高分子型燃料電池用電極は、触媒金属と、前記触媒金属を表面の少なくとも一部に担持する導電性の多孔質担持体と、前記多孔質担持体及び触媒金属を覆う固体高分子電解質とを有す固体高分子型燃料電池用電極であって、前記触媒金属は多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に担持されていることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決するための固体高分子型燃料電池用電極の製造方法は、触媒金属と、前記触媒金属を表面の少なくとも一部に担持する導電性の多孔質担持体と、前記多孔質担持体及び触媒金属を覆う固体高分子電解質とを有す固体高分子型燃料電池用電極の製造方法であって、導電性の多孔質担持体の表面に固体高分子電解質を被覆する第１工程と、前記多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に金属触媒を担持する第２工程を有することを特徴とする。
【００１８】
第２工程の後に、さらに導電性の多孔質担持体の表面に固体高分子電解質を被覆する第３工程を有することが好ましい。
上記課題を解決するための固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んだ一対の電極とを有する燃料電池において、前記電極の少なくとも一方は上記の電極からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、導電性の多孔質担持体と、固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に主として触媒金属を担持することができる。また、触媒金属を担持する際に、固体高分子電解質を導電性の多孔質担持体へ被覆する方法を複数回に分けて行い、被覆膜の厚さを調整することにより、反応に寄与する触媒金属の担持と、担持された触媒金属に対するプロトン伝導路の形成を分離して連続的に行うため、三相界面の形成の割合を増大させる。そのために、触媒の利用率を高め、触媒の使用量を減少させた、低コストな燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を詳細に説明する。
固体高分子型燃料電池用電極（以降、電極と略記する）は、触媒金属と、触媒金属を表面の少なくとも一部に担持する導電性の多孔質担持体と、前記多孔質担持体及び触媒金属を覆う固体高分子電解質とを有す固体高分子型燃料電池用電極であって、前記触媒金属は多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に担持されていることを特徴とする。
【００２１】
次に、本発明の電極の構造について、図面を参照にしながら詳細に説明する。
図１は本発明の電極の多孔質担持体の表面の部分の一実施態様を示す概略図である。図２は、本発明の電極の構造の一実施態様を示す概略図である。電極は、カーボン粒子などの導電性の触媒担持体から形成してなる多孔質担持体１１の表面において、触媒金属１４が固体高分子電解質１２のプロトン伝導路１３と多孔質担持体１１の界面に主として担持されていることを特徴とする。例えば、多孔質担持体１１の表面をプロトン伝導路１３と、フッ素樹脂の主鎖（非架橋）が集まった撥水性の骨格領域よりなる固体高分子電解質１２が被覆して、導電性の多孔質担持体１１の表面のプロトン伝導路との界面に触媒粒子が担持された構造を有する。
【００２２】
本発明によれば、多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路とが界面を形成する部分に触媒金属を選択的に担持することができるため、担持された触媒金属の大部分が三相界面部に位置することになる。このため、触媒の利用率の向上を図ることができる。
【００２３】
本発明の電極の構造の製造方法は、カーボン粒子などの導電性の触媒担持体で形成されている多孔質担持体の表面に固体高分子電解質を被覆する第１工程と、次に前記多孔質担持体の表面に触媒金属を担持する第２工程を有することを特徴とする。第２工程の後に、さらに多孔質担持体の表面を固体高分子電解質で被覆する第３工程を有することを特徴とする。このため、多孔質担持体の表面を被覆する固体高分子電解質の厚さは均一になる。そのために、従来の製造方法における、多孔質担持体と固体高分子電解質を混合させて被覆する過程において、多孔質担持体の表面への固体高分子電解質の厚さが不均一になり厚薄のむらが生じることを解決される。
【００２４】
第１工程において、多孔質担持体の表面を固体高分子電解質で薄く被覆した後、第２工程で固体高分子電解質のプロトン伝導路に触媒金属イオンを吸着させることによって、多孔質担持体とプロトン伝導路の界面に主として触媒を担持することができる。これは、固体高分子電解質が被覆されていない多孔質担持体への触媒の担持を低減させるとともに、多孔質担持体の表面から離れた不必要な固体高分子電解質のプロトン伝導部への触媒の担持を低減させる。
【００２５】
第１工程では、前記多孔質電極表面上に、固体高分子電解質を被覆させる。これは、担持体の表面に、固体高分子電解質を薄く均一に被覆することで、後の第２工程で行う多孔質電極の触媒金属塩溶液への浸漬の際に、担持体表面に形成された固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に、触媒金属イオンを吸着させるための交換サイトを導入するためである。
【００２６】
第１工程における前記多孔質電極の表面に被覆する固体高分子電解質の厚さは、１０ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が望ましい。
多孔質電極表面上に、固体高分子電解質を被覆させる方法としては、低濃度の固体高分子電解質分散溶液中に多孔質電極を浸漬して超音波照射を行い分散吸着させる方法が挙げられる。固体高分子電解質を含む水溶液中に多孔質電極を浸漬し電流を印加することで電気泳動によって固体高分子電解質を析出させる方法が挙げられる。静電噴霧によって固体高分子電解質を担持体表面の導電性部分に選択的に被覆させる方法が挙げられる。これらの方法は、特に限定されるものではなく、多孔質電極の形状や被覆の厚薄に応じて適した方法を選べばよい。
【００２７】
前記多孔質電極としては、カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性カーボンの多孔質基板、発泡金属のような多孔質金属基板、さらに、それらの表面上にカーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の導電性カーボン粒子をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子などと混合したものを塗布することで形成されたものが挙げられる。また、ＰＴＦＥ等の高分子フィルム上に導電性カーボン粒子とＰＴＦＥ粒子を混合したものを塗布したものでもよい。
【００２８】
前記固体高分子電解質としては、イオン交換樹脂からなるものが好ましく、例えば、パーフルオロスルホン酸系のものが挙げられる。
前記触媒金属としては、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスニウム等の白金族金属及びその合金が好ましい。
【００２９】
第２工程では、固体高分子電解質が多孔質担持体に被覆した状態で触媒金属塩に浸漬することにより、固体高分子電解質のプロトン伝導部と多孔質担持体の界面に触媒金属イオンを吸着させる。触媒金属イオンは、固体高分子電解質のプロトン伝導路のスルホン酸基末端の水素イオンとの間のイオン交換により、固体高分子電解質のプロトン伝導路に優先的に吸着する。そのため、固体高分子電解質が被覆されていない、反応に寄与しない深部の担持体への触媒金属イオンの吸着が抑制されるため、触媒の利用率の向上を図ることができる。
【００３０】
また、固体高分子電解質が多孔質担持体表面上に薄く被覆されているため、担持体表面から離れた、三相界面の形成には与らない、固体高分子電解質のプロトン伝導部への触媒金属イオンの吸着を低減することができる。また、これら不必要な部分の存在が無くなることで、多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面への触媒金属イオンの吸着がより速やかに行われるようになる。
【００３１】
前記触媒金属塩溶液には、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスニウム等の白金族金属の化合物を用いることが好ましく、例えば、塩化白金酸溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6）が挙げられる。また、ジニトロジアンミン白金水溶液（Ｐｔ（ＮＯ2）（ＮＨ3）2）やヘキサアンミン白金塩化物水溶液（［Ｐｔ（ＮＨ3）6］Ｃｌ4）等の錯体を用いても良い。
【００３２】
触媒金属イオンを吸着後、化学的還元を経て触媒金属を析出させるためには、水素ガスまたは水素含有ガスによって気相還元する方法、アンモニアを含む不活性ガスによって気相還元する方法、ヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法が好ましい。
【００３３】
さらに、導電性の多孔質担持体の表面に固体高分子電解質を被覆する第３工程を有する。第３工程を行うことにより、固体高分子電解質の十分なプロトン伝導路が形成されていない部位に対しても、プロトン伝導路を確保し、より有効な三相界面の形成を促すことができる。このため、多孔質担持体とプロトン伝導路とが界面を形成する部分に主として触媒が担持された構成が電極に対して一面一様に形成される。
【００３４】
第３工程は、多孔質担持体に固体高分子電解質が薄く被覆された状態のままでは、十分なプロトン伝導チャネルが形成されていない部位が存在する可能性があるためである。即ち、第１工程では、多孔質担持体の表面から離れた不必要な固体高分子電解質のプロトン伝導部の水素イオンと触媒金属イオンがイオン交換されるのを防ぐために、多孔質担持体の表面を薄く被覆する程度が好ましい。この場合、十分なプロトン伝導路が形成されていない部位が存在する可能性が生じてくるため、後工程として固体高分子電解質をさらに被覆するのである。また、固体高分子電解質を被覆するための方法は、第１工程で述べた方法等を適宜用いればよい。
【００３５】
上記工程を経て得られた電極を、固体高分子電解質膜の片面、あるいは両面に触媒が担持された側を内側にして、熱転写等で圧着することで固体高分子型燃料電池用の膜電極接合体を得ることができる。
【００３６】
図４は、燃料電池の構成の一例を示す説明図である。固体高分子電解質５１、アノード電極５２、カソード電極５３、アノード側集電板５４、カソード側集電板５５、外部出力端子５６、燃料導入ライン５７、燃料排出ライン５８、アノード側燃料拡散層５９、カソード側燃料拡散層６０から成り、電極表面の三相界面で化学反応が起こることで電力が発生する。ここで、セルの構成として、例えば図４に示す構成を複数層形成することで発生電圧値及び出力値を高めることができる。この場合、半導体プロセスを応用して上記セルを作製することで、燃料電池システムの小型化、高出力化が可能となる。
【００３７】
また、例えば、燃料としてアノード側に水素、カソード側に空気を用いた場合、アノード側に供給された燃料がもれることのないようにパッキングをすることが重要であり、カソード側は燃料が注入されやすいように空気に対して開放されている事が重要である。また拡散層とは、触媒電極への燃料の均一な供給と、セル反応の集電を担うために設置された高気孔率を有する導電性部材であり、炭素繊維織物やカーボンペーパー等を好適に用いることができる。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
カーボン粒子（Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２Ｒ、Ｃａｂｏｔ社製）とＰＴＦＥ粒子（ＰＴＦＥディスパージョン、ダイキン社製）を混練してペースト状にし、撥水処理を施された導電性多孔質体のカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−１２０、東レ社製）に塗布して、窒素雰囲気中で１００℃で１時間，３６０℃で１時間焼成することにより、カーボンブラック粒子からなる導電性の担持体を有する多孔質担持体を形成した。
【００３９】
固体高分子電解質としてナフィオンのアルコール系溶液（ナフィオン５ｗｔ％溶液（デュポン社製））をエタノール溶液で希釈して、０．５ｗｔ％のナフィオン溶液を作製した。この溶液中に上記の多孔質担持体を浸漬した。浸漬後、超音波を照射させることで、ナフィオンの分散と電極表面への浸透を促し、電極表面にナフィオン電解質を薄く全体的に吸着させた。
【００４０】
次に、表面にナフィオンを被覆させた多孔質担持体を塩化白金酸溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6）（田中貴金属工業社製）中に浸漬し、［ＰｔＣｌ6］2-をカーボンとプロトン伝導路の界面に吸着させた。その後、純水による洗浄と乾燥後、１５０℃の水素／窒素雰囲気中で還元して、白金をカーボンとプロトン伝導路の界面に選択的に担持させた。その後、１ｍｏｌ／ｌの塩酸溶液中に浸漬して、不要なＨ2ＰｔＣｌ6を溶出させて電極を得た。白金の担持量は約０．１ｍｇ／ｃｍ2であった。前記多孔質電極の表面に被覆した固体高分子電解質の厚さは厚薄の差異はあるが５００ｎｍである。
【００４１】
得られた電極を固体高分子電解質膜（ナフィオン１１２（デュポン社製））の両面に触媒が担持された側を内側にして挟持し、１３０℃，１分の条件で固体高分子電解質膜へ熱圧着して膜電極接合体を形成した。
【００４２】
上記で作製した膜電極接合体を用いて単セルからなる燃料電池を作製した。燃料電池の拡散層にはカーボンクロスＬＴ１４００Ｗ（Ｅ−ＴＥＫ社製）を使用し、集電板には表面に金メッキを施したＳＵＳ板を使用した。また、アノード側の封止のためにバイトン（ＤｕＰｏｎｔ社製）Ｏ−ｒｉｎｇをシール材として使用し、これらをＳＵＳ材のプレートで上下から挟持し、締結することで燃料電池の構成となる。アノード側は水素供給ラインに繋がれていて、燃料として水素が供給される。また、カソード側には空気が自然拡散により供給される。燃料を供給した状態で燃料電池を電子負荷装置に接続し、発電特性の測定を行った。
【００４３】
実施例２
カーボン粒子（Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２Ｒ、Ｃａｂｏｔ社製）とＰＴＦＥ粒子（ＰＴＦＥディスパージョン、ダイキン社製）を混練してペースト状にし、撥水処理を施された導電性多孔質体のカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−１２０、東レ社製）に塗布して、窒素雰囲気中で１００℃で１時間，３６０℃で１時間焼成することにより、カーボン粒子からなる導電性の担持体を有する多孔質担持体を形成した。
【００４４】
固体高分子電解質としてナフィオンのアルコール系溶液（ナフィオン５ｗｔ％溶液、デュポン社製）をエタノール溶液で希釈して、０．５ｗｔ％のナフィオン溶液を作製し、この溶液中に上記の多孔質担持体を浸漬した。浸漬後、超音波を照射させることで、ナフィオンの分散と電極表面への浸透を促し、電極表面にナフィオン電解質を薄く均一に吸着させた。
【００４５】
電極表面にナフィオンを被覆させた後、電極を塩化白金酸溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6）（田中貴金属工業社製）中に浸漬し、［ＰｔＣｌ6］2-をカーボンとプロトン伝導路の界面に吸着させた。その後、純水による洗浄と乾燥後、１５０℃の水素／窒素雰囲気中で還元して、白金をカーボンとプロトン伝導路の界面に選択的に担持させた。その後、１ｍｏｌ／ｌの塩酸溶液中に浸漬して、不要なＨ2ＰｔＣｌ6を溶出させた。前記多孔質電極の表面に被覆した固体高分子電解質の厚さは厚薄の差異はあるが５００ｎｍである。
【００４６】
白金を担持した後、さらに電極を０．５ｗｔ％のナフィオン溶液中に浸漬し、１晩放置して、電極表面にナフィオン電解質を被覆させることによって電極を得た。白金の担持量は約０．１ｍｇ／ｃｍ2であった。前記多孔質電極の表面にさらに被覆した固体高分子電解質の厚さは厚薄の差異はあるが、平均して５００ｎｍである。
【００４７】
得られた電極を固体高分子電解質膜（ナフィオン１１２（デュポン社製））の両面に触媒が担持された側を内側にして挟持し、１３０℃，１分の条件でナフィオン１１２へ熱圧着して膜電極接合体を形成した。
【００４８】
上記作製した膜電極接合体を用いて、実施例１と同様にして単セルの燃料電池を作製した。片方の電極には水素を、もう片方の電極には空気を供給して駆動させた。
比較例１
５０重量％白金担持カーボン粉末（ＴＥＣ１０Ｖ５０Ｅ、田中貴金属工業社製）に５ｗｔ％ナフィオンアルコール系溶液とＰＴＦＥ粒子を混練してペースト状にし、撥水処理を施された導電性多孔質体のカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−１２０、東レ社製）に塗布した。窒素雰囲気中で１２０℃で１時間乾燥させることにより、比較例１の電極を得た。
【００４９】
上記電極の白金の担持量は約０．３ｍｇ／ｃｍ2になるように白金担持カーボンの量を調整して製作されている。
得られた電極を固体高分子電解質膜（ナフィオン１１２（デュポン社製））の両面に触媒が担持された側を内側にして挟持し、１３０℃，１分の条件でナフィオン１１２へ熱圧着して膜電極接合体を形成した。
【００５０】
上記作製した膜電極接合体を用いて、実施例１と同様にして単セルの燃料電池を作製した。片方の電極には水素を、もう片方の電極には空気を供給して駆動させた。
図３は、実施例１及び２、比較例１の燃料電池を駆動させて得られた電流−電圧曲線を示す図である。
【００５１】
図３より、実施例１及び２の燃料電池は、白金担持量が比較例１に比べて小さいにも関わらず、電池特性が同等以上であることが分かる。これは、本発明によれば、多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路とが界面を形成する部分に触媒を選択的に担持することができるため、担持された触媒の大部分が三相界面部に位置するためである。このため、白金の利用率を向上させ、少ない白金の担持量に対しても、従来と同等以上の性能を得ることができた。また、白金を担持させた後に、さらに固体高分子電解質を被覆させる工程を有する場合は、十分なプロトン伝導路が形成されていない部位に対しても、プロトン伝導路を確保し、より有効な三相界面の形成を促すことができるため、より高い特性を得られることができた。
【００５２】
これから、従来の製造方法による電極に対して、触媒の使用量を減少させながらも、触媒の利用率を向上させることによって、同等以上の性能を有する固体高分子型燃料電池用の電極を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の電極は、導電性の多孔質担持体と固体高分子電解質のプロトン伝導路との界面に主として触媒金属を担持することができる。また、固体高分子電解質の多孔質担持体への被覆の厚さを触媒担持の前後で調整することにより、反応に寄与する触媒金属の担持と、担持された触媒金属に対するプロトン伝導路の形成を分離して連続的に行うことができるため、三相界面の形成の割合を増大させる。これから、触媒の利用率を高め、触媒の使用量を減少させた、低コストな燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の電極の多孔質担持体の表面の部分の一実施態様を示す概略図である。
【図２】本発明の電極の構造の一実施態様を示す概略図である。
【図３】実施例１及び２、比較例１の燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図４】燃料電池の構成の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１  多孔質担持体
１２  固体高分子電解質
１３  プロトン伝導路
１４  触媒金属
５１  固体高分子電解質
５２  アノード電極
５３  カソード電極
５４  アノード側集電板
５５  カソード側集電板
５６  外部出力端子
５７  燃料導入ライン
５８  燃料排出ライン
５９  アノード側燃料拡散層
６０  カソード側燃料拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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