(57)【要約】【課題】従来の触媒層に比べて、触媒の利用率をより高めることができる燃料電池を提供する。【解決手段】本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するように配置される一対の電極と、前記一対の電極に設けられる触媒層と、を備え、前記一対の電極に設けられる触媒層のうち、少なくともいずれか一方の電極の触媒層は、該触媒層の所定の領域を形成する第一触媒部であって、担体に担持されない触媒からなる第一触媒部と、前記所定の領域とは異なる他領域を形成する第二触媒部であって、担体に担持された触媒からなる第二触媒部と、を有する。【選択図】図１
2009129667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持するように配置される一対の電極と、
前記一対の電極に設けられる触媒層と、を備え、
前記一対の電極に設けられる触媒層のうち、少なくともいずれか一方の電極の触媒層は、
該触媒層の所定の領域を形成する第一触媒部であって、担体に担持されない触媒からなる第一触媒部と、
前記所定の領域とは異なる他領域を形成する第二触媒部であって、担体に担持された触媒からなる第二触媒部と、を有する燃料電池。
【請求項２】
前記触媒層は、前記第一触媒部によって形成される所定の領域の厚さが、前記第二触媒部によって形成される他領域の厚さよりも薄い、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記触媒層の所定の領域は、前記電極に供給されるガスの流れにおける下流側である、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記触媒層は、その厚さが、前記電極におけるガスの流れにおける上流側から下流側にかけて徐々に薄く形成され、該下流側が、前記第一触媒部によって形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第一触媒部と前記第二触媒部とを有する触媒層が設けられる電極は、前記酸化ガスが供給されるカソード電極である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第一触媒部は、白金黒からなり、前記第二触媒部は、カーボン担持白金からなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う。燃料電池は、単セルが複数積層されることで構成され、単セルは、電解質膜と電解質膜を挟持する一対の電極（アノードとカソード）とを有する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）がセパレータで挟持された状態で構成される。一対の電極、
すなわち、アノード電極及びカソード電極は、夫々が触媒層を有している。
【０００３】
従来の燃料電池における触媒層は、一種の触媒を同じ厚さで塗付するといったように、全面が均一に構成されているものが一般的であった。なお、ガス（燃料ガス及び酸化ガス）は、ガス供給口から流入し、ガス流路を通ってガス排出口から排出される。しかし、ガス排出口に近いガス流路では、ガス供給口に近いガス流路に比べてガス濃度が低下するので、全面が均一に構成される触媒層を有する従来の燃料電池では、ガス排出口に近いガス流路における触媒層の活性成分の利用率が低下してしまうことが懸念されていた。
【０００４】
このような問題を解決する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、電解質膜を挟持する一対の電極に設けられた触媒層の厚みを一定方向に向けて増大又は減少するように変化させることが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−３１７４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池の一対の電極に設けられた触媒層の厚みを変化させる従来技術によれば、電極に供給されるガスの流れに沿って徐々に低下するガス濃度に応じて触媒層の厚みを変化させることで、触媒層の活性成分の利用率低下を抑制し、触媒の無駄を減少させることができる。但し、上記従来技術における触媒層は、白金又は白金化合物からなる触媒粒子を担持させた炭素粒子によって形成、すなわち担体に担持された触媒によって形成されており、触媒層の厚みを薄くする上では限界があった。つまり、例えばガス排出口に近いガス流路のようにガス濃度の低下が著しい領域では、触媒層の厚さをより薄くすることで更に触媒の無駄を抑制して触媒の利用率を高めることができるのだが、従来の技術では、担体である炭素粒子の大きさによる制限を受け、その薄膜化には一定の制限が生じていた。
【０００６】
本発明では、上記した問題に鑑み、従来の燃料電池に比べて、触媒の利用率をより高めることができる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】
【０００７】
本発明では、上述した課題を解決するために、電極に設けられる触媒層を、担体に担持されない触媒からなる第一触媒と、担体に担持された触媒からなる第二触媒部と、の二種の触媒部によって形成した。
【０００８】
詳細には、本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するように配置される一対の電極と、前記一対の電極に設けられる触媒層と、を備え、前記一対の電極に設けられる触媒層のうち、少なくともいずれか一方の電極の触媒層は、該触媒層の所定の領域を形成する第一触媒部であって、担体に担持されない触媒からなる第一触媒部と、前記所定の領域とは異なる他領
域を形成する第二触媒部であって、担体に担持された触媒からなる第二触媒部と、を有する。
【０００９】
本発明の燃料電池は、電極に設けられた触媒層が、二種の触媒部を有することを特徴とする。二種の触媒部とは、担体に担持されない第一触媒部と、担体に担持された第二触媒部である。第一触媒部は、触媒そのもの、つまり担体に担持されない触媒によって構成される。第二触媒部は、複合体からなる触媒、例えば球状やペレット状等の担体に担持された触媒によって構成される。第一触媒部は、担体が不要であるため、担体に担持された触媒からなる第二触媒部に比べて、より薄い触媒層を形成することができるといった特性を有する。一方、第二触媒部は、触媒が担体に担持されることで触媒の表面積を大きくすることができることから、ガス濃度が高い領域において特に高い触媒性能を発揮することができるといった特性を有する。本発明では、特性が異なる二種の触媒部を用いて電極の触媒層を構成することで、触媒の利用率を高めることができる。
【００１０】
つまり、各電極に供給されたガスの濃度は、ガス排出口に近いガス流路がガス供給口に近いガス流路よりも低いといったように、均一ではない。このように均一でないガスの濃度に対して、触媒層の厚さを均一にすると触媒の無駄を生じるおそれがある。触媒層の厚さは、一種の触媒により調整することも可能であるが、例えば、担体に担持された触媒のみによって触媒層を形成すると、担体の存在によりその触媒層の薄膜化には限界がある。一方、担体に担持されない触媒のみによって触媒層を形成すると、薄い触媒層から厚い触媒層まで様々な厚さの触媒層を形成することができる。但し、厚い触媒層を担体に担持されない触媒で形成すると、触媒同士が結合して触媒の表面積が減少し、その結果十分に触媒を利用することができず、かえって触媒の無駄を生じるおそれがある。
【００１１】
そこで、本発明では、第一触媒部が、触媒層のうち、電極に供給されたガスの流れにおいて、該ガスの濃度が低い領域に配置されるようにしてもよい。上述したように、第一触媒部は、第二触媒部よりも触媒層を薄く形成することができる。そこで、触媒層の所定の領域、つまり触媒層におけるガスの濃度が低い領域を第一触媒部によって形成することで、ガス濃度が低い領域の触媒層の厚さを従来よりも薄くすることができ、ガスの拡散性を向上することができる。
【００１２】
なお、ガスの濃度が低い領域の一例として、電極に供給されたガスの流れにおける下流側の領域が挙げられる。そこで、本発明において、触媒層の所定の領域は、前記電極に供給されるガスの流れにおける下流側としてもよい。ガスの濃度が低い下流側の領域を第一触媒部によって形成することで、下流側の触媒層の厚さを従来よりも薄くすることができ、ガスの拡散性を向上することができる。下流側以外の領域、すなわち上流側や中流等は、第二触媒部によって形成すればよい。
【００１３】
また、本発明において、前記触媒層は、その厚さが、前記電極におけるガスの流れにおける上流側から下流側にかけて徐々に薄く形成され、該下流側としての所定の領域は、前記第一触媒部によって形成してもよい。ガスの濃度は、上流側から下流側にかけて徐々に低下する傾向が見られる。そこで、本発明では、ガスの濃度の低下に応じて触媒層の厚さを徐々に薄くし、かつ、最もガスの濃度が低いと考えられる下流側を第一触媒部によって形成するのが好ましい。これにより、触媒の無駄を抑制して利用率を向上することができる。また、触媒層の厚さをガスの濃度に対応させることで、触媒層のどの領域においても電気化学反応を確実に行うことができ、その結果、安定的な発電を供給することができる。
【００１４】
また、本発明において、前記第一触媒部と前記第二触媒部とを有する触媒層が設けられる電極は、前記酸化ガスが供給されるカソード電極としてもよい。ここで、カソード側の
電極では、カソードガスの流れにおける下流側においてカソードガスの濃度が低下する。一方、アノード側の電極では、アノードガスの流れにおける下流側においてアノードガスの濃度が低下する。従って、前記第一触媒部と前記第二触媒部とを有する触媒層は、いずれか一方でもよく、また、両方であってもよい。但し、電極におけるガスの濃度の低下は、カソード側の電極の方がアノード側の電極よりも顕著であるといった傾向がある。そこで、第一触媒部と第二触媒部とを有する触媒層が設けられる電極を、前記酸化ガスが供給されるカソード電極とするのが、より好ましい。
【００１５】
但し、例えば、本発明の燃料電池の燃料ガスのガス流路が循環レスである場合、つまり、本発明の燃料電池に供給されるガスを循環させずに、単に供給と排出を繰り返すだけのものとする場合には、アノード側の電極においてもガス濃度の低下が顕著に現れることが想定される。従って、このような場合には、第一触媒部と第二触媒部とを有する触媒層が設けられる電極を、燃料ガスが供給されるアノード電極とするのも好適であり、またその他のケースにおいても適切に上記第一触媒と第二触媒とをアノード電極へ適用することは可能である。なお、燃料ガスのガス流路が循環レスである場合には、排気を行わない場合も考えられるが、本発明はこのように排気を行わない循環レスにも適用することができる。排気を行わない場合、アノード側の下流に窒素などの不純物が溜まり、反応ガスに濃度勾配が生じる虞があるが、本発明を適用することで、触媒の無駄を抑制して利用率を向上することができる。
【００１６】
ここで、上述した本発明において、前記第一触媒部は、白金黒からなり、前記第二触媒部は、カーボン担持白金からなるようにしてもよい。白金黒は、担体に担持されていないので、従来よりも薄い触媒層を形成することができる。白金黒空なる第一触媒部によって、触媒層のガス濃度が低い領域を形成することで、ガスの利用率をより高めることができる。
【００１７】
なお、上述した本発明の燃料電池は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行うものであり、いわゆる単セルを複数積層して構成することができる。単セルは、電解質膜とこの電解質膜を挟持する電極とを有する膜電極接合体を二枚のセパレータで挟持することで構成することができる。電極は、アノード側とカソード側とによって構成することができる。夫々の電極には、電気化学反応を促進させるための触媒層が設けられる。そして、本発明の第二触媒部や第一触媒部は、このような触媒層を構成するものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、従来の燃料電池に比べて、触媒の利用率をより高めることができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の燃料電池の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、固体高分子形燃料電池を例に説明するものとする。
【００２０】
＜第一実施形態＞
（構成）
図１は、燃料電池を構成する、膜電極接合体２を含む単セル１の断面図を示す。図２は、カソード側触媒層７２の平面図を示す。単セル１は、膜電極接合体２が二枚のセパレータ３で挟持されることで構成されている。膜電極接合体２は、電解質膜４と、その電解質膜４を挟持する一対の電極（アノード電極５とカソード電極６）によって構成されている。アノード電極５には、アノード側触媒層７１が設けられ、カソード電極６にはカソード側触媒層７２が設けられている。なお、固体高分子燃料電池（本発明の燃料電池に相当するものであり、単に燃料電池という。）は、上記単セル１が複数積層されることで構成さ
れる。
【００２１】
電解質膜４は、アノード電極５で電離された水素イオンが移動する。電解質膜４には、フッ素系樹脂のイオン交換膜といった従来の燃料電池に用いられているものを使用することができる。例えば、電解質膜４には、ナフィオン（デュポン社製）、フレミオン（旭硝子社製）、アシプレックス（旭硝子社製）を用いることができる。電解質膜４の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば１５〜１５０μｍとすればよい。
【００２２】
触媒層（アノード側触媒層７１及びカソード側触媒層７２）は、夫々の電極（アノード電極５及びカソード電極６）における化学反応を促進する。本発明の第一触媒部及び第二触媒部は、いずれの触媒層にも適用することができるが、本実施形態では、カソード側触媒層７２に適用した場合を例に説明するものとする。
【００２３】
カソード側触媒層７２は、担体に担持されない触媒からなる第一触媒部７２ｂと、担体に担持される触媒からなる第二触媒部７２ａと、の二種の触媒部によって形成されていることを特徴とする。本実施形態では、第一触媒部７２ｂを構成する触媒として白金黒が用いられ、第二触媒部７２ａを構成する触媒としてカーボン担持白金が用いられている。但し、これに限定されない。触媒成分は、アノード電極５における酸化反応、カソード電極６における還元反応を促進できるものであればよい。例えば、触媒成分は、ルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金としてもよい。
【００２４】
カソード側触媒層７２は、カソードガスの流れにおける下流側が白金黒からなる第一触媒部７２ｂによって形成されることで、従来よりも膜厚が薄く形成されていることを特徴とする。具体的には、上流側と中流部分のカソード側触媒層７２は、第二触媒７２ａによって形成されることでその厚さが１５μｍ程度に形成されている。また、下流側のカソード側触媒層７２は、第一触媒７２ｂによって形成されることで、その厚さが１〜２μｍ程度となっている。すなわち、本実施形態では、カソード側触媒層７２の下流側を上流側および中流に比べて１０分の１程度の厚さとすることができる。
【００２５】
本実施形態の燃料電池では、アノード側触媒層７１、カソード側触媒層７２の外側面（電解質膜４と反対側の面）にガス拡散層８が設けられている。ガス拡散層８は、カソードガス流路９ａを通じて流入するカソードガスを拡散する。ガス拡散層８は、触媒層（アノード側触媒層７１、カソード側触媒層７２）に効率よくアノードガスやカソードガスを供給できるものであればよく、従来の燃料電池に用いられるものを用いることができる。例えば、ガス拡散層８は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの炭素質多孔体によって構成することができる。また、ガス拡散層８は、チタン、アルミニウム、ステンレス、白金等の金属によって構成される金属メッシュや金属多孔質体などの導電性多孔質体によって構成してもよい。なお、ガス拡散層８の厚さは、特に限定されないが、例えば５０〜３００μｍとすることができる。
【００２６】
また、本実施形態のガス拡散層８は、単層であるが、触媒層（アノード側触媒層７１、カソード側触媒層７２）と接する面に撥水層を設けてもよい。撥水層は、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体やポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂を含む多孔質構造とすることができる。撥水層を設けることで、触媒層（アノード側触媒層７１、カソード側触媒層７２）及び電解質膜４の水分量の保持の他、ガス拡散層８の排水性を高めることができる。また、撥水層によれば、触媒層（アノード側触媒層７１、カソード側触媒層７２）とガス拡散層８との間の電気的接触を改善することができる。
【００２７】
セパレータ３は、膜電極接合体２を挟持する。セパレータ３は、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータといった、従来の燃料電池に用いられ
るものによって形成することができる。なお、セパレータ３は、金属材料を用いた金属セパレータとしてもよい。セパレータ３の内側（アノード電極５若しくはカソード電極６と接する側）には、溝が形成され、溝とカソード電極６の外面とでカソードガスが流れるカソードガス流路９ａが形成されている。なお、符号９ｂは、アノードガスが流れるアノードガス流路を示す。
【００２８】
（製造方法）
次に上述した本実施形態体の燃料電池の製造方法について図面に基づいて説明する。なお、上述した本実施形態の燃料電池は、カソード側触媒層７２が白金黒とカーボン担持白金の二種の触媒によって形成されていることを特徴とするものである。従って、以下の説明では、カソード側触媒層７２の製造工程を中心に説明するものとする。
【００２９】
本実施形態のカソード側触媒層７２は、上流側から中流にかけて設けられている第二触媒部７２ａと下流側に設けられている第一触媒部７２ｂとによって形成されている。そこで、本実施形態では、カソード側触媒層７２の上流側及び中流と、カソード側触媒層７２の下流側と、を別々に形成する。すなわち、上流側及び中流に配置される第二触媒部７２ａは、カーボン担持白金と水素イオン伝導性材料を溶剤に混合・分散して第二触媒インクを生成し、生成した第二触媒インクを基材に所定の厚さとなるように塗付し、その後乾燥することで形成する。また、下流側に配置される第一触媒部７２ｂは、白金黒と水素イオン伝導性材料を溶剤に混合・分散して第一触媒インクを生成し、生成した第一触媒インクを基材に所定の厚さとなるように塗付し、その後乾燥することで形成する。
【００３０】
溶剤には、エタノール、メタノール等のアルコール類と水との混合物を用いることができる。基材には、ポリエチレンテレフタレートといった高分子フィルム、コート紙といった塗工紙等を用いることができる。第一触媒インク、第二触媒インク、いずれについても、基材への塗付は、従来の塗付方法によって行うことができる。従来の塗付方法とは、例えばスプレー法、スクリーン印刷法、ダイコート法である。第一触媒インク、第二触媒インクをパターン状に塗付する場合には、スクリーン印刷やグラビア印刷によって行えばよい。また、カソード側触媒層７２の膜厚の調整は、夫々の触媒インクの吐出量、吐出時間等を調整することで行えばよい。
【００３１】
膜状の第一触媒部７２ｂと第一触媒部７２ｂよりも厚い膜状の第二触媒部７２ａとを夫々形成したら、これを電解質膜４に接合（転写）する。より具体的には、白金黒からなる第一触媒部７２ｂをカソード側触媒層７２の下流側に相当する領域に配置し、カーボン担持白金からなる第二触媒部７２ａをカソード側触媒層７２の上流側と中流に相当する領域に配置し、例えば加熱プレスにより接合する。次に、基材を剥離し、触媒層（アノード側触媒層７１、カソード側触媒層７２）の外側にガス拡散層８を接合する。これにより、電解質膜４、触媒層７、ガス拡散層８からなる膜電極接合体２が製造される。その後、膜電極接合体２を挟持するようにセパレータ３を固定し、単セル１が製造される。単セル１が完成したらこれを複数積層して、燃料電池が完成する。
【００３２】
なお、本実施形態では、基材上に触媒インク（第一触媒インク、第二触媒インク）を塗付したが、電解質膜４の表面に触媒インクを直接塗付してもよい。また、カソード側触媒層７２の製造工程以外については、従来の製造技術を適宜用いることができる。
【００３３】
（ＶＩ性能試験）
次に、酸素濃度の違いによるＶＩ性能試験について説明する。本試験は、酸素濃度の違いによるＶＩ性能を確認するものである。本試験では、カーボン担持白金からなる触媒層を有する燃料電池と、白金黒からなる触媒層を有する燃料電池を用いた。カーボン担持白金からなる触媒層の厚さは、約１５μｍとし、白金黒からなる触媒層の厚さは、約１μｍ
とした。なお、上述した実施形態の膜電極接合体は、触媒層の上流側、中流部分がカーボン担持白金で構成され、触媒層の下流側を白金黒によって構成されたものである。但し、本試験では、上流側に白金黒を用いた場合だけでなく、下流側にカーボン担持白金を用いた場合のＶＩ特性も確認するため、一種の触媒のみからなる触媒層を形成し、酸素濃度の違いによるＶＩ性能の確認を行った。なお、本試験は、上流側の酸素濃度を２１％、下流側の酸素濃度を１０％として行った。
【００３４】
ここで、図３は、ＶＩ性能を示すグラフである。横軸は、電流密度（Ａ／ｃｍ2）、縦
軸は、電圧（Ｖ）を示す。（Ａ−１）は、カーボン担持白金からなる触媒層において、酸素濃度２１％（上流側）におけるＶＩ性能を示す。（Ａ−２）は、カーボン担持白金からなる触媒層において、酸素濃度１０％（下流側）におけるＶＩ性能を示す。（Ｂ−１）は、白金黒からなる触媒層において、酸素濃度２１％（上流側）におけるＶＩ特性を示す。（Ｂ−２）は、白金黒からなる触媒層において、酸素濃度１０％（下流側）におけるＶＩ特性を示す。
【００３５】
図３に示すように、本試験により以下のことが確認された。すなわち、酸素濃度２１％の条件下では、Ａ−１の電圧がＢ−１の電圧を上回っている。従って、酸素濃度２１％、換言すると触媒層の上流側には、カーボン担持白金が適していることが確認された。一方、酸素濃度１０％の条件下では、高電流域において、Ｂ−２の電圧がＡ−２の電圧を上回っている。従って、酸素濃度１０％、換言すると触媒層の下流側には、白金黒が適していることが確認された。これは、触媒層を白金黒によって構成することで、触媒層の厚さがカーボン担持白金で構成する場合の１０分の１以下に押さえることが可能となり、酸素の拡散性が向上されたことによるものと考えられる。
【００３６】
例えば、燃料電池を車両に積載した場合、加速時（高負荷状態）では、０．８（Ａ／ｃｍ2）の電流が必要となる。このような場合において、酸素濃度が低い下流側についてカ
ーボン担持白金を用いると、必要とされる高電流を確保することができない虞がある。その結果、セルの下流側では、十分な発電ができなくなる虞がある。これは、セル内での不均一な発電に繋がり、不均一な発電は、燃料電池の劣化を早める要因となりうる。これに対し、白金黒は、酸素濃度が低く、かつ高電流領域において、カーボン担持白金を上回る電圧を確保することができる。従って、セル内での均一な発電も可能となり、燃料電池の性能を高め、また、燃料電池の劣化を抑制することも可能となる。
【００３７】
（効果）
以上説明した第一実施形態の燃料電池によれば、触媒層の上流側及び中流をカーボン担持白金からなる第二触媒部によって形成し、触媒層の下流側を白金黒からなる第一触媒部によって形成することで、従来よりも触媒の利用率を更に高めることができる。すなわち、触媒層の上流側及び中流をカーボン担持白金によって厚めの層を形成することで、上流側における触媒の利用率を高めることができる。また、触媒層の下流側を白金黒によって極めて薄い層を形成することで、酸素ガスの拡散性を高め、下流側における触媒の利用率を高めることができる。
【００３８】
＜変形例＞
ここで、触媒層（アノード側触媒層７１、カソード側触媒層７２）の形態は、第一実施形態で説明したものに限定されるものではない。次に、触媒層の変形例について説明する。なお、触媒層以外の構成、すなわち電解質膜４、ガス拡散層８、セパレータ３の構成は、第一実施形態と同様の構成とすることができる。従って、これら他の構成の説明は、省略し、触媒層の形態を中心に説明する。また、変形例における触媒層についても、アノード電極５、カソード電極６のいずれにも適用することができるが、説明では、カソード電極６に用いる場合を例に説明する。
【００３９】
（変形例１）
図４は、変形例１の単セル１の断面を示す。図５は、変形例１の単セル１に用いられる触媒層７３の平面図を示す。第一実施形態のカソード側触媒層７２は、上流側及び中流がカーボン担持白金によって構成され、更に同じ厚さで形成されていた。また、第一実施形態のカソード側触媒層７２は、下流側が白金黒によって構成され、上流側および中流に比べて１０分の１程度の厚さで形成されていた。これに対し、変形例１のカソード側触媒層７３は、上流側から下流側にかけてカソード側触媒層７３の厚さが徐々に薄くなるように形成されている。なお、変形例１のカソード側触媒層７３は、上流側及び中流部分が、カーボン担持白金からなる第二触媒部によって形成され、下流側が白金黒からなる第一触媒部によって形成されている。中流部分は、上流側と同じくカーボン担持白金によって形成することができるが、カーボン担持白金と白金黒との混合したものでもよい。
【００４０】
次に、変形例１のカソード側触媒層７３を備える燃料電池の製造方法について説明する。なお、カソード側触媒層７３以外の製造工程は、基本的に上述した第一実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００４１】
上述した実施形態では、生成した第二触媒インクを基材に一定の厚さになるように塗布し、乾燥することで膜状の第二触媒部７２ａを形成した。これに対し、本実施形態では、第二触媒部７３ａの厚さが徐々に薄くなるように、換言するとテーパ状になるように第二触媒インクの塗付量を調整しながら第二触媒インクを基材へ塗付する。そして、第一触媒部７３ｂについても、第一触媒部７３ｂの塗付量を調整しながら第一触媒インクを基材へ塗付する。なお、第二触媒部７３ａと第一触媒部７３ｂが接する部分の膜厚が同じになるようにすることで、カソード側触媒層７３を全体としてテーパ状に形成することが可能となる。膜状の第二触媒部７３ａと、膜状の第一触媒部７３ｂとを夫々形成したら、これを電解質膜４に接合（転写）する。次に、基材を剥離し、カソード側触媒層７３の外側にガス拡散層８を接合して膜電極接合体２を製造し、その後、膜電極接合体２を挟持するようにセパレータ３を固定し、単セル１が製造される。単セル１が完成したらこれを複数積層して、燃料電池が完成する。
【００４２】
以上説明した変形例１の燃料電池によれば、第一実施形態の燃料電池と同じく、上流側にカーボン担持白金によって厚めの層を形成し、下流側に白金黒によって薄い層を形成することで、触媒の利用率を高めることができる。また、酸素濃度は、上流側から下流側に向けて徐々に低下する傾向が見られるが、本変形例の燃料電池の触媒層は、触媒層の厚さが酸素濃度に低下に合わせて徐々に薄くなるように形成されていることから、より触媒の無駄をなくすことが可能となり、触媒の利用率を高めることができる。
【００４３】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の燃料電池はこれらに限らず、可能な限りこれらの組合せを含むことができる。例えば、本実施形態では、カソード側触媒層を第一触媒部と第二触媒部によって構成したが、アノード側触媒層を第一触媒部と第二触媒部によって構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】膜電極接合体を含む単セルの断面図を示す。
【図２】カソード側触媒層７２の平面図を示す。
【図３】ＶＩ性能を示すグラフを示す。
【図４】変形例１の単セルの断面を示す。
【図５】変形例１の触媒層の平面図を示す。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・単セル
２・・・膜電極接合体
３・・・セパレータ
４・・・電解質膜
５・・・アノード
６・・・カソード
７・・・触媒層
８・・・ガス拡散層
９・・・流路
７１・・・アノード側触媒層
７２、７３・・・カソード側触媒層
７２ａ・・・第二触媒部
７２ｂ・・・第一触媒部
【図１】
2009129667.tif 000003
【図２】
2009129667.tif 000004
【図３】
2009129667.tif 000005
【図４】
2009129667.tif 000006
【図５】
2009129667.tif 000007