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1. WO2008123486 - 燃料電池のための電極触媒層およびその製造方法

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燃料電池のための電極触媒層およびその製造方法

技術分野

この発明は、燃料電池のための電極触媒層に関する。

背景技術

燃料電池は、通常、交互に積層された複数の発電ユニットと複数のセパレー夕とを 備えている。各発電ユニットは、電解質膜と、電解質膜の両側に配置された 2つの電 極触媒層と、を含む膜電極接合体を備えている。

なお、特開 2 0 0 3—〗 7 3 7 8 5号公報には、厚さ方向に触媒の濃度分布が異な る第 1の触媒層と、面内で触媒の濃度分布が異なる第 2の触媒層と、が記載されてい る。また、この文献には、厚さ方向に撥水剤の量の異なる第 3の触媒層と、面内で撥 水剤の量の異なる第 4の触媒層と、が記載されている。さらに、この文献には、厚さ 方向に親水剤の量の異なる第 5の触媒層と、面内で親水剤の量の異なる第 6の触媒層 と、が記載されている。

なお、この種の燃料電池としては、その他、例えば、特開 2 0 0 6— 4 0 7 6 7号 公報,特開 2 0 0 6— 1 3 4 8 8 6号公報,及び特開 2 0 0 6— 2 2 8 5 0 1号公報 に記載のものが知られている。

ところで、電極触媒層には触媒が含まれており、触媒の量は低減されることが好ま しい。しかしながら、触媒の量を低減すると、通常、燃料電池の出力電圧が低下して しまう。

発明の開示

この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、 燃料電池の出力電圧の低下を抑制しつつ、電極触媒層に含まれる触媒の量を低減する ことを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第 1の装置は、燃料電池の ための電極触媒層であつて、

第 1の領域と、

前記第 1の領域よりも撥水性の高い第 2の領域と、

を含み、

前記第 1の領域の単位面積あたりの触媒の量は、前記第 2の領域の単位面積あたリ の前記触媒の量よりも小さいことを特徵とする。

この電極触媒層を含む燃料電池では、第 1の領域では主に水が拡散し易くなり、第 2の領域では主に反応ガスが拡散し易くなる。そして、反応ガスの拡散量の比較的大 きな第 2の領域の単位面積あたりの触媒の量は、反応ガスの拡散量の比較的小さな第 1の領域の単位面積あたりの触媒の量よりも多いため、第 2の領域において、反応ガ スを効率よく電気化学反応に利用することができる。すなわち、この電極触媒層を用 いて燃料電池を構成すれば、燃料電池の出力電圧の低下を抑制しつつ、電極触媒層に 含まれる触媒の量を低減することが可能となる。

前記第 2の領域には、撥水性を高めるための処理が施されていてもよい。これに代 えて、あるいは、これと共に、前記第 1の領域には、親水性を高めるための処理が施 されていてもよい。

本発明の第 2の装置は、燃料電池のための膜電極接合体であつて、

電解質膜と、

前記電解質膜の第 1の面側に設けられた第 1の電極触媒層と、

前記電解質膜の第 2の面側に設けられた第 2の電極触媒層と、

を備え、

前記第 1の電極触媒層と前記第 2の電極触媒層とのうちの少なくとも一方は、上記 のいずれかに記載の電極触媒層であることを特徴とする。

この膜電極接合体は、本発明の第 1の装置である電極触媒層を含んでいる。したが つて、この膜電極接合体を用いて燃料電池を構成すれば、燃料電池の出力電圧の低下 を抑制しつつ、電極触媒層に含まれる触媒の量を低減することが可能となる。

本発明の方法は、燃料電池のための電極触媒層の製造方法であって、

( a ) 触媒を含む第 1の分散液と、前記触媒を含む第 2の分散液と、を準備する工程 と、

( b ) 支持体上に前記第 1の分散液を塗布することによって前記電極触媒層に含まれ る第 1の領域を形成し、前記支持体上に前記第 2の分散液を塗布することによって前 記電極触媒層に含まれる第 2の領域であって、前記第 1の領域よりも撥水性の高い前 記第 2の領域を形成する工程と、

を含み、

前記第 1の分散液の塗布と前記第 2の分散液の塗布とは、前記第 1の領域の単位面 積あたりの触媒の量が、前記第 2の領域の単位面積あたりの前記触媒の量よりも小さ くなるように、行われることを特徴とする。

この方法を採用すれば、本発明の電極触媒層を作製することができる。したがって、 この電極触媒層を用いて燃料電池を構成すれば、燃料電池の出力電圧の低下を抑制し つつ、電極触媒層に含まれる触媒の量を低減することが可能となる。

上記の方法において、

前記第 1の分散液の単位面積あたりの塗布量を前記第 2の分散液の単位面積あたり の塗布量よりも小さくすることによって、前記第 1の領域の単位面積あたりの前記触 媒の量を前記第 2の領域の単位面積あたりの前記触媒の量よりも小さくすることが好 ましい。

第 1の分散液中の触媒の濃度と第 2の分散液中の触媒の濃度とが等しい場合には、 各領域への塗布量と各領域の触媒量とが比例する。したがって、上記のようにすれば、

2つの分散液の単位面積あたりの塗布量を変更することによって、 2つの領域の単位 面積あたりの触媒の量を変更することができる。なお、各分散液の組成は、基本の組 成を同じとし、親水性材料 ·撥水性材料の添加の有無や添加量の調節のみで、調節可 能である。

この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電極触媒層、該電 極触媒層を含む膜電極接合体、該膜電極接合体を含む燃料電池、これらの製造方法等 の形態で実現することができる。

図面の簡単な説明

図 1は、燃料電池 1 0 0の内部構造を模式的に示す説明図である。

図 2は、図 1の発電ユニット 1 1 0を拡大して示す説明図である。

図 3は、図 1の発電ユニット 1 1 0とセパレー夕〗 2 0との関係を拡大して示す説 明図である。

図 4は、第 1の変形例としての発電ユニット 1 1 O Aを示す説明図である。

図 5は、第 2の変形例としての発電ユニット 1 1 0 Bを示す説明図である。

図 6は、発電ユニット 1 1 0 (図 2 ) の作製手順を示すフローチヤ一卜である。

図 7は、実験で利用された 5種類の発電ュニッ卜 U 1〜 U 5の電極触媒層の特徴を 示す説明図である。

図 8は、図 7に示す各触媒ィンクの組成を示す説明図である。

図 9は、 5種類の発電ュニッ卜 U 1〜U 5の電圧一電流特性を示す実験結果である。

発明の実施するための最良の形態

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 . 発電ュニッ卜の構成:

C . 発電ュニッ卜の作製方法:

D . 実験結果:

A . 燃料電池の構成:

図 1は、燃料電池 1 0 0の内部構造を模式的に示す説明図である。なお、この燃料 電池 1 0 0は、固体高分子型の燃料電池である。図示するように、燃料電池 1 0 0は、 交互に積層された複数の発電ユニット 1 1 0と複数のセパレー夕 1 2 0とを含んでい る。また、図示されていないが、セパレー夕には、一般的に、冷却液通路も設けられ ている。

発電ユニット 1 1 0は、電解質膜 1 1 2を含んでおり、電解質膜 1 1 2の一方の面 側には、第 1の電極触媒層(アノード) 1 1 4 aと第 1のガス拡散層 1 1 6 aとがこ の順に設けられており、電解質膜 1 1 2の他方の面側には、第 2の電極触媒層(カソ ード) 1 1 4 cと第 2のガス拡散層 1 1 6 cとがこの順に設けられている。発電ュニ ッ卜 1 1 0の一方の側には、第 1のガス拡散層 1 1 6 aに接触する第 1のセパレー夕 1 2 0が配置されており、発電ユニット 1 1 0の他方の側には、第 2のガス拡散層 1 1 6 cに接触する第 2のセパレー夕 1 2 0が配置されている。各セパレータ 1 2 0の 両面には、複数の溝が形成されており、発電ユニット 1 1 0の第 1のガス拡散層 1 1 6 aと第 1のセパレー夕 1 2 0との間には、アノード側ガス通路 1 2 1が形成されて おり、発電ュニッ卜 1 1 0の第 2のガス拡散層 1 1 6 cと第 2のセパレー夕 1 2 0と の間には、力ソード側ガス通路 1 2 2が形成されている。

アノード側ガス通路 1 2 1では、燃料ガス供給部(図示せず)から供給された水素 ガスを含む燃料ガスが流通し、力ソード側ガス通路 1 2 2では、酸化ガス供給部(図 示せず)から供給された酸素ガスを含む酸化ガス(空気)が流通する。そして、燃料 ガスと酸化ガスとは、発電ユニット 1 1 0において電気化学反応に利用される。

本実施例における発電ユニット 1 1 0と、第 1のセパレー夕 1 2 0のうちのァノー ド側ガス通路 1 2 1を含む部分と、第 2のセパレー夕 1 2 0のうちの力ソード側ガス 通路 1 2 2を含む部分と、を含むブロックが、 1つのセルに相当する。すなわち、本 実施例では、燃料電池 1 0 0は、複数(例えば 1 0 0個)のセルを備えている。

なお、電解質膜 1 1 2としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂など の固体高分子材料で形成された膜が利用される。電極触媒層 1 1 4 a, 1 1 4 cは、 例えば、白金(P t ) などの触媒を担持したカーボン粒子を含む。ガス拡散層 Ί 1 6 a , 〗 1 6 cは、ガス透過性および導電性を有する材料で形成され、例えば、カーボ ンぺ一パが用いられる。また、セパレー夕 1 2 0は、導電性を有し、ガス透過性を有 していない金属やカーボンなどで形成される。また、ガス透過性のあるポーラス材料 が用いられることもある。

なお、本実施例における電解質膜 1 1 2と、電解質膜の両側に配置された 2つの電 極触媒層 1 1 4 a, 1 1 4 cと、が本発明における膜電極接合体(M E A : Membrane Electrode Assembly) に相す。

B . 発電ュニッ卜の構成:

図 2は、図 1の発電ユニット 1 1 0を拡大して示す説明図である。図示するように、 第 1の電極触媒層(アノード) 1 1 4 aは、 1種類の領域を含んでいる。一方、第 2 の電極触媒層(力ソード) 1 1 4 cは、 2種類の領域 L l, L 2を含んでいる。具体 的には、第 2の電極触媒層 1 1 4 cは、ストライプ状に交互に配列された複数の第 1 の領域 L 1と複数の第 2の領域 L 2とを含んでいる。

第 1の領域 L 1は、第 2の領域 L 2よりも親水性の高い領域である(逆に、第 2の 領域 L 2は、第 1の領域し 1よりも撥水性の高い領域である)。以下では、第 1の領 域 L 1を「親水性領域」とも呼び、第 2の領域 L 2を「撥水性領域」とも呼ぶ。

本実施例では、第 2の電極触媒層 1 1 4 cの親水性領域し 1には、親水性を高める ための処理が施されており、撥水性領域 L 2には、撥水性を高めるための処理が施さ れている。なお、第 1の電極触媒層 1 〗 4 aには、親水性および撥水性を高めるため の処理は施されていない。すなわち、本実施例では、第 2の電極触媒層 1 〗 4 cの親 水性領域し 1は、第 1の電極触媒層 1 〗 4 aよりも高い親水性を有しており、撥水性 領域 L 2は、第 1の電極触媒層 1 1 4 aよりも高い撥水性を有している。

そして、撥水性領域し 2には、親水性領域 L 1よりも多くの触媒が含まれている。 より具体的には、撥水性領域 L 2の単位面積あたりの触媒量は、親水性領域 L 1の単 位面積あたりの触媒量よりも大きい。

周知のように、発電ユニット 1 1 0における電気化学反応の進行に伴って、第 2の 電極触媒層(力ソード) 1 1 4 cでは、供給された酸化ガス中の酸素ガスが消費され て水が生成される。なお、この水は、「生成水」とも呼ばれる。生成水は、力ソード 側ガス通路 1 2 2 (図 1 ) を通る酸化ガスと共に、燃料電池 1 0 0の外部に排出され る。しかしながら、第 2の電極触媒層 1 1 4 c内に残留する水が過度に多い場合には、 第 2の電極触媒層 1 1 4 c内に酸化ガスが充分に流入せず、電気化学反応の進行が抑 制される。

本実施例では、前述のように、第 2の電極触媒層 1 1 4 cは、撥水性(あるいは親 水性)の異なる 2種類の領域 L 1, L 2を含んでいる。このため、撥水性領域 L 2で 生成された水は、親水性領域し 1に流入する。そして、親水性領域し 1に流入した水 と、親水性領域 L 1で生成された水とは、親水性領域し 1から第 2のガス拡散層 1 1 6 cに排出され、その後、力ソード側ガス通路 1 2 2を流通する酸化ガスと共に燃料 電池 1 0 0の外部に排出される。力ソード側ガス通路 1 2 2を流通する酸化ガスは、 生成水の含有量の大きな親水性領域し 1よりも、生成水の含有量の小さな撥水性領域 L 2に流入し易い。すなわち、親水性領域 L 1は、主に生成水が通る通路として機能 し、撥水性領域し 2は、主に酸化ガスが通る通路として機能する。換言すれば、第 2 の電極触媒層 1 1 4 cにおいて、生成水の排出経路と、酸化ガスの流入経路と、は分 離されている。このため、本実施例では、生成水の排出と、酸化ガスの供給と、を効 率よく行うことができる。

また、前述のように、撥水性領域 L 2の単位面積あたりの触媒量は、親水性領域 L

1の単位面積あたりの触媒量よりも大きいため、撥水性領域 L 2に流入した酸化ガス は、効率よく電気化学反応に利用される。すなわち、酸化ガスの拡散量の比較的大き な撥水性領域し 2における酸化ガスの反応効率を高めつつ、酸化ガスの拡散量の比較 的小さな親水性領域し 1の単位面積あたりの触媒量を低減することができる。

前述したように、親水性領域 L 1と撥水性領域 L 2とは、ストライプ状に設けられ ている。特に、本実施例では、親水性領域し 1と撥水性領域 L 2とは、セパレー夕 1 2 0の形状に整合するように、より具体的には、力ソード側ガス通路〗 2 2の形状に 整合するように、設けられている。

図 3は、図 1の発電ユニット 1 1 0とセパレータ 1 2 0との関係を拡大して示す説 明図である。図示するように、 2種類の領域し 1, L 2は、親水性領域 L 1がカソー ド側ガス通路 1 2 2に対応する位置に配置されるように、設けられている。こうすれ ば、各親水性領域 L 1内の生成水が、第 2のガス拡散層 1 1 6 cを介して、対応する 力ソード側ガス通路 1 2 2に向かって移動し易いため、生成水を効率よく力ソード側 ガス通路 1 2 2に排出することができる。

図 3に示すように、本実施例では、親水性領域 L 1の幅は、力ソード側ガス通路 1 2 2の幅とほぼ一致しているが、これに代えて、力ソード側ガス通路 1 2 2の幅より も小さくてもよい。こうすれば、各力ソード側ガス通路 1 2 2を流通する酸化ガスが、 第 2のガス拡散層 1 1 6 cを介して、対応する親水性領域 L 1の両側に設けられた 2 つの撥水性領域し 2に流入し易くなると考えられる。このように、親水性領域と撥水 性領域とは、親水性領域がカソード側ガス通路に対応する位置に配置されるように、 配列されていればよい。

なお、本実施例では、 2種類の領域 L 1, L 2は、ストライプ状に配列されている が、これに代えて、格子状に配列されていてもよいし、ドット状(すなわち 2種類の 領域 L 1, L 2のうちの一方が他方に囲まれた形状)に配列されていてもよい。

また、本実施例では、第 2の電極触媒層 1 1 4 cに親水性領域 L 1と撥水性領域し 2とが含まれているが、これに加えて、第 2のガス拡散層 1 1 6 cに親水性の比較的 高い領域と撥水性の比較的高い領域とが含まれていてもよい。この場合には、第 2の ガス拡散層に含まれる親水性の比較的高い領域は、第 2の電極触媒層 1 〗 4 cの親水 性領域に対応する位置に設けられ、第 2のガス拡散層に含まれる撥水性の比較的高い 領域は、第 1の電極触媒層 1 1 4 cの撥水性領域に対応する位置に設けられていれば よい。

B— 1 . 発電ュニッ卜の第 1の変形例:

図 4は、第 1の変形例としての発電ユニット 1 〗 O Aを示す説明図であり、図 2に 対応する。図 4は、図 2とほぼ同様であるが、第 2の電極触媒層 1 1 4 A cが変更さ れている。

第 2の電極触媒層 1 1 4 A cは、ストライプ状に交互に配列された複数の親水性領 域 L A 1と複数の撥水性領域 L A 2とを含んでいる。そして、撥水性領域 L A 2の単 位面積あたりの触媒量は、親水性領域 L A 1の単位面積あたりの触媒量よりも大きい。 ただし、親水性領域 L A 1は、図 2の親水性領域 L 1と異なり、親水性を高めるた めの処理が施されておらず、撥水性領域 L A 2は、図 2の撥水性領域 L 2と同様に、 撥水性を高めるための処理が施されている。すなわち、第 2の電極触媒層 1 1 4 A c の親水性領域 L A Iは、第 1の電極触媒層 1 1 4 aと同等の親水性を有しており、撥 水性領域 L A 2は、第 1の電極触媒層 1 1 4 aよりも高い撥水性を有している。

図 4の発電ユニット 1 1 O Aが利用される場合にも、撥水性領域 L A 2における酸 化ガスの反応効率を高めつつ、親水性領域 L A 1の単位面積あたりの触媒量を低減す ることができる。

B— 2 . 発電ュニッ卜の第 2の変形例:

図 5は、第 2の変形例としての発電ユニット 1 1 0 Bを示す説明図であり、図 2に 対応する。図 5は、図 2とほぼ同様であるが、第 2の電極触媒層 1 1 4 B eが変更さ れている。

第 2の電極触媒層 1 1 4 B eは、ストライプ状に交互に配列された複数の親水性領 域し B 1と複数の撥水性領域 L B 2とを含んでいる。そして、撥水性領域し B 2の単 位面積あたりの触媒量は、親水性領域し B 1の単位面積あたりの触媒量よりも大きい。 ただし、親水性領域し B 1は、図 2の親水性領域し 1と同様に、親水性を高めるた めの処理が施されており、撥水性領域 L B 2は、図 2の撥水性領域 L 2と異なり、撥 水性を高めるための処理が施されていない。すなわち、第 2の電極触媒層 1 1 4 B e の親水性領域し B Ίは、第 1の電極触媒層 1 1 4 aよりも高い親水性を有しており、 撥水性領域し B 2は、第〗の電極触媒層 1 1 4 aと同等の撥水性を有している。

図 5の発電ユニット〗〗 0 Bが利用される場合にも、撥水性領域 L B 2における酸 化ガスの反応効率を高めつつ、親水性領域 L B 1の単位面積あたりの触媒量を低減す ることができる。

C . 発電ュニッ卜の作製方法:

図 6は、発電ユニット 1 1 0 (図 2 ) の作製手順を示すフローチャートである。

ステップ S 1 0 2では、アノード用の 1種類の触媒インクが準備される。なお、触 媒インクは、触媒を含有する懸濁液(分散液)を意味している。触媒インクには、触 媒 (例えば白金)を担持する触媒担持カーボンと、電解質(例えばナフイオン(デュ ボン社の商標))と、溶媒 (例えば水やエタノールなどのアルコール) と、が含まれ ている。

ステップ S 1 0 4では、電解質膜 1 1 2の一方の面に、アノード用の触媒インクが 塗布される。本実施例では、触媒インクは、インクジェット装置を利用して塗布され る。この後、真空乾燥により、塗布層に含まれる溶媒の乾燥が行われる。これにより、 電解質膜 1 1 2の一方の面に、第 1の電極触媒層 1 1 4 aが形成される。

ステップ S 1 0 6では、力ソード用の 2種類の触媒インクが準備される。第 1種の 触媒インクと第 2種の触媒インクとは、互いに組成が異なっている。第 1種の触媒ィ ンクは、第 2の電極触媒層 1 Ί 4 cの親水性領域 L 1を形成するための触媒インクで あり、第 2種の触媒インクは、撥水性領域 L 2を形成するための触媒インクである。 力ソード用の第 1種および第 2種の触媒ィンクには、ァノード用の触媒ィンクと同 様に、触媒担持カーボンと電解質と溶媒とが含まれる。第 1種の触媒インクには、さ らに、親水性を高めるための添加剤(親水剤)が含まれる。親水剤としては、例えば、 シリカ(S ί〇2 ) ,チタニア(Τ ί 02 ) ,ジルコニァ(Z r 02 ) などの金属酸化 物や、ポリビニルアルコール,アクリル酸ソーダなどの親水性樹脂を利用することが できる。一方、第 2種の触媒インクには、さらに、撥水性を高めるための添加剤(撥 水剤)が含まれる。撥水剤としては、例えば、 P T F E (ポリテ卜ラフル才ロェチレ ン)などのフッ素系高分子樹脂を利用することができる。

ステップ S 1 0 8では、電解質膜 1 1 2の他方の面に、第 1種の触媒インクが塗布 されると共に、第 2種の触媒インクが塗布される。第 1の触媒インクと第 2の触媒ィ ンクとは、インクジェット装置を利用して、ストライプ状に塗布,乾燥される。この 後、必要に応じて、真空乾燥が行われる。これにより、電解質膜 1 1 2の他方の面に、 ストライプ状に配列された親水性領域 L 1 と撥水性領域 L 2とを含む第 2の電極触媒 層 1 1 4 cが形成される。

本実施例では、第 1種の触媒ィンクと第 2種の触媒ィンクとに含まれる触媒担持力 一ボンの触媒の担持率は、同じである。このため、撥水性領域し 2を形成するための 第 2種の触媒インクの塗布量は、親水性領域 L 1を形成するための第 1種の触媒イン クの塗布量よりも大きく設定される。この結果、撥水性領域し 2の単位面積あたりの 触媒量は、親水性領域 L 1の単位面積あたりの触媒量よりも大きくなる。

なお、ステップ S 1 0 6, S 1 0 8の処理は、ステップ S 1 0 2, 1 0 4の処理よ 08 056282

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りも先行して行われてもよい。あるいは、ステップ S 1 0 6の処理は、ステップ S 1 0 4の処理よりも先行して行われてもよい。

ステップ S I 1 0では、 2つのガス拡散層 1 1 6 a, 1 1 6 cが 2つの電極触媒層 1 1 4 a , Ί 1 4 cに接合される。なお、本実施例では、接合は、ホットプレス法を 利用して、行われる。

図 6の処理によって発電ユニット 1 1 0が得られ、複数の発電ユニット 1 1 0を用 いて燃料電池 1 0 0が作製される。

なお、本実施例では、触媒インクの塗布は、インクジェット装置を利用して行われ ているが、これに代えて、デイスペンザ装置や、スクリーン印刷装置を用いてもよい。 また、本実施例では、親水性領域 L 1を形成するために、触媒インクに親水剤が添 加されているが、親水性を高めるための他の処理が施されてもよい。例えば、触媒を 担持するカーボン粒子に親水基(例えばヒドロキシ基)を修飾することによって、親 水性を高めることができる。

同様に、本実施例では、撥水性領域 L 2を形成するために、触媒インクに撥水剤が 添加されているが、撥水性を高めるための他の処理が施されてもよい。例えば、触媒 を担持するカーボン粒子に疎水基(例えばアルキル基)を修飾したり、フッ素化した りすることによって、撥水性を高めることができる。

なお、変形例(図 4,図 5 ) の発電ユニット 1 1 O A , 1 Ί O Bも、発電ユニット 1 1 0と同様に作製可能である。ただし、変形例の発電ユニット 1 1 0 A, 1 1 0 B が作製される場合には、ステップ S 1 0 6で準備される力ソード用の 2種類の触媒ィ ンクが変更される。図 4の発電ユニット Ί 1 0 Aが作製される場合には、例えば、親 水性領域 L A 1を形成する第 1種の触媒インクとして、親水剤が添加されていない触 媒インクが利用され、撥水性領域 L A 2を形成する第 2種の触媒インクとして、撥水 剤が添加された触媒インクが利用されればよい。同様に、図 5の発電ユニット 1 1 0 Bが作製される場合には、親水性領域し B 1を形成する第 1種の触媒インクとして、

親水剤が添加された触媒インクが利用され、撥水性領域 L B 2を形成する第 2種の触 媒インクとして、撥水剤が添加されていない触媒インクが利用されればよい。

D . 実験結果:

5種類の発電ユニットを作製して実験を行った。図 7は、実験で利用された 5種類 の発電ユニット U 1 ~ U 5の電極触媒層の特徴を示す説明図である。なお、第 4の発 電ユニット U 2は、図 4の発電ユニット 1 1 O Aに相当し、第 5の発電ユニット U 5 は、図 2の発電ユニット 1 1 0に相当する。

各発電ユニット U ·!〜 U 5の第 1の電極触媒層(アノード) 1 1 4 aは同じであり、 アノード用の標準インクを利用して形成された。なお、標準インクは、親水性および 撥水性を高めるための処理が施されていない触媒インクを示す。

各発電ユニット U 1〜U 5の第 2の電極触媒層(アノード) 1 1 4 cは互いに異な つておリ、 1種類または 2種類のインクを利用して形成された。具体的には、第 1の 発電ユニット U 1の力ソード 1 1 4 cは、力ソード用の標準インクを利用して形成さ れた。第 2および第 4の発電ュニッ卜 U 2, U 4の力ソード 1 1 4 cの親水性領域は、 力ソード用の標準インクを利用して形成され、撥水性領域は、撥水性インクを利用し て形成された。第 3および第 5の発電ュニッ卜 U 3, U 5のカソード 1 1 4 cの親水 性領域は、親水性インクを利用して形成され、撥水性領域は、撥水性インクを利用し て形成された。なお、親水性インクは、親水性を高めるための処理が施された触媒ィ ンクを示し、撥水インクは、撥水性を高めるための処理が施された触媒インクを示す。 図 8は、図 7に示す各触媒インクの組成を示す説明図である。なお、図 8では、組 成は、重量比で示されている。

図 8 ( A ) 〜(C ) は、力ソード用の各触媒インクの組成を示している。具体的に は、図 8 ( A ) は、標準インクの組成を示しており、図 8 ( B ) は、撥水性インクの 組成を示しており、図 8 ( C ) は、親水性インクの組成を示している。図 8 ( A ) 〜 8056282

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(C) を比較して分かるように、撥水性インクの組成は、標準インクの組成とほぼ同 様であるが、 PT F E (ポリテ卜ラフル才ロエチレン)が追加されている。また、親 水性インクの組成は、標準インクの組成とほぼ同様であるが、 T i 02 (チタニア) が追加されている。

図 8 (D) は、アノード用の標準インクの組成を示している。図 8 (A) , (D) を比較して分かるように、アノード用の標準インクの組成は、力ソード用の標準イン クの組成とほぼ同様であるが、電解質の重量比が変更されている。

なお、図 8 (A) 〜(D) の触媒担持カーボンは、白金(P t) 触媒を担持してお り、触媒の担持率は同じである。

各発電ユニット U 1〜U 5は、以下のように作製された。まず、図 7に示す 1種類 のアノード用の標準インクが準備されると共に、 1種類または 2種類の力ソード用の 触媒インクが準備された。各触媒インクは、図 8に示す各材料を混合'攪拌し、超音 波ホモジナイザを利用して 20分間分散させることによって、作製された。なお、分 散処理は、懸濁液内で触媒担持カーボンを均一に分布させるために行われる。

次に、インクジェット装置を用いて、電解質膜上にアノードが形成された。図 7に 示すように、各発電ユニット U 1 ~U 5に関し、アノード用の標準インクの塗布量は、 単位面積あたりの触媒量(P t量)が 0. 1 mgZcm2 となるように設定された。 また、インクジェット装置を用いて、電解質膜上に力ソードが形成された。図 7に 示すように、第 1の発電ュニッ卜 U 1に関し、力ソード用の標準インクの塗布量は、 単位面積あたりの触媒量(P t量)が 0. 3mg/cm2 となるように設定された。 第 2〜第 5の発電ュニッ卜 U 2 ~ U 5に関し、ス卜ライプ状に親水性領域と撥水性領 域とが形成されるように、 1 mmピッチで 2種類の触媒インクが塗布された。具体的 には、第 2の発電ユニット U 2に関し、力ソード用の標準インクの塗布量と撥水性ィ ンクの塗布量とは、共に、単位面積あたりの触媒量が 0. 3mg/cm2 となるよう に設定された。第 3の発電ユニット U 3に関し、親水性インクの塗布量と撥水性イン クの塗布量とは、共に、単位面積あたりの触媒量が 0. 3mgZcm2 となるように 設定された。第 4の発電ユニット U 4に関し、力ソード用の標準インクの塗布量と撥 水性インクの塗布量とは、それぞれ、単位面積あたりの触媒量が 0. 1 4mgZcm 2, 0. 3mg/cm2 となるように設定された。第 5の発電ユニット U 5に関し、 親水性インクの塗布量と撥水性インクの塗布量とは、それぞれ、単位面積あたりの触 媒量が 0. 1 4mgZcm2, 0. 3 m g Z c m2 となるように設定された。

最後に、第 1のガス拡散層 1 1 6 aと第 2のガス拡散層 1 1 6 cとが、ホットプレ ス法を利用して、第 1の電極触媒層(アノード) 1 1 4 aと第 2の電極触媒層(カソ ード) 1 1 4 cとにそれぞれ接合された。圧熱プレスは、 1 40°C, 4 M P aの条件 下で、 3分間行われた。

上記の処理を経て、 5種類の発電ュニッ卜 U 1〜U 5が得られた。なお、第 1ない し第 3の発電ュニッ卜 U 1〜U 3のカソードの単位面積あたりの平均触媒量(P t 量)は、 0. 3 mgZc m2であるが、第 4,第 5の発電ユニット U 4, U 5のカソ ードの単位面積あたりの平均触媒量(P t量)は、 0. 2 2 mg/cm2 (= (0. 1 4 + 0. 3) /2) である。

図 9は、 5種類の発電ュニッ卜 U 1〜U 5の電圧一電流特性を示す実験結果である。 なお、図 9 (A) 〜(C) において、横軸は電流密度(mAZcm2) を示しており、 縦軸は発電ユニットの出力電圧(mV) を示している。

図 9 (A) には、第 1,第 2,第 3の発電ユニット i , U 2, U 3の電圧—電流 特性を示す曲線 C 1, C 2, C 3が示されている。図 9 (B) には、第 Ί,第 4,第 5の発電ユニット U 1, U 4, U 5の電圧—電流特性を示す曲線 C 1, C 4, C 5が 示されている。なお、図 9 (A) , (B) に示される曲線 C 1は同じである。また、 図 9 (B) に示される曲線 C 4, C 5はほぼ重なっている。図 9 (C) には、図 9

(A) , (B) の一点鎖線で囲まれた領域が拡大して示されている。具体的には、電 流密度 1 00 OmAZc maにおける 5種類の発電ュニッ卜 U 1〜U 5の電圧の測定

点が示されている。

図 7に示すように、第 2および第 3の発電ユニット U 2, U 3の力ソードの触媒量 は同じである。しかしながら、図 9 (A) , (C) に示すように、比較的高い電流密 度において、第 3の発電ユニット U 3の出力電圧は、第 2の発電ユニット U 2の出力 電圧よりも高くなつた。同様に、図 7に示すように、第 4および第 5の発電ユニット U 4, U 5の力ソードの触媒量は同じである。しかしながら、図 9 (B) , (C) に 示すように、比較的高い電流密度において、第 5の発電ユニット U 5の出力電圧は、 第 4の発電ユニット U 4の出力電圧よりも高くなつた。これは、第 3,第 5の発電ュ ニット U 3, U 5のカソードの親水性領域は、親水剤が添加された親水性ィンクによ つて形成されているが、第 2,第 4の発電ユニット U 2, U4の力ソードの親水性領 域は、親水剤が添加されていない標準インクによって形成されているためである(図 7参照)。

また、図 7に示すように、第 1ないし第 3の発電ユニット U 1〜U 3の力ソードの 触媒量は同じである。しかしながら、図 9 (A) , (C) に示すように、比較的高い 電流密度において、第 2および第 3の発電ユニット U 2, U 3の出力電圧は、第 1の 発電ユニット U 1の出力電圧よりも高くなつた。これは、第 1の発電ユニット U 1の 力ソードは、親水性領域および撥水性領域を含んでいないが、第 2および第 3の発電 ユニット U 2, U 3のカソードは、親水性領域および撥水性領域を含むためである (図 7参照)。

ところで、図 7に示すように、第 4および第 5の発電ユニット U 4, U 5のカソー ドの触媒量は第〗の発電ユニット U 1の触媒量よりも小さい。具体的には、前述した ように、第 4,第 5の発電ユニット U 4, U 5の力ソードの単位面積あたりの平均触 媒量は、 0. 22mg/cm2 (= (0, 1 4 + 0. 3) 2) であり、第 1の発電 ュニッ卜 U 1〜U 3の力ソードの単位面積あたりの平均触媒量(0. 3mg/cm 2 ) よりも、約 30%小さい。しかしながら、図 9 (B) , (C) に示すように、比 較的高い電流密度において、第 4および第 5の発電ユニット U 4, U 5の出力電圧は、 第 1の発電ユニット U 1の出力電圧よりもやや高くなつた。これは、第 1の発電ュニ ッ卜 U 1の力ソードは、親水性領域および撥水性領域を含んでいないが、第 4および 第 5の発電ュニッ卜 U 4, U 5のカソ一ドは、親水性領域および撥水性領域を含むた めである(図 7参照)。この結果から、第 4および第 5の発電ユニット U 4, U 5で は、親水性領域および撥水性領域を形成し、かつ、各領域の触媒量を調整することに より、発電ユニットの出力電圧の低下を抑制しつつ、触媒量をかなり低減することが 可能となっていると言える。

以上説明したように、本実施例では、第 2の電極触媒層 1 1 4 cの親水性領域 L 1 では水が拡散し易くなリ、撥水性領域し 2では、反応ガスが拡散し易くなる。そして、 反応ガスの拡散量の比較的大きな撥水性領域し 2の単位面積あたりの触媒量は、反応 ガスの拡散量の比較的小さな親水性領域し 1の単位面積あたりの触媒量よりも多いた め、撥水性領域 L 2において、反応ガスを効率よく電気化学反応に利用することがで きる。すなわち、燃料電池 1 0 0の出力電圧の低下を抑制しつつ、第 2の電極触媒層 1 1 4 cに含まれる触媒の量を低減することが可能となる。特に、触媒として貴金属 触媒 (例えば白金(P t ) ) が利用される場合には、燃料電池 1 0 0のコストをかな り低減させることができるという利点もある。

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。

( 1 ) 上記実施例では、第 1種の触媒インクに含まれる触媒担持カーボンの触媒の担 持率 (第 1の担持率)と、第 2種の触媒インクに含まれる触媒担持カーボンの触媒の 担持率 (第 2の担持率)とは、同じである。このため、上記実施例では、第 1種の触 媒ィンクの塗布量と第 2種の触媒ィンクの塗布量とを変更することによって、親水性 領域と撥水性領域との単位面積あたりの触媒量が変更されている。

しかしながら、第 1の担持率と第 2の担持率とは異なっていてもよい。この場合に は、第〗種の触媒インクの塗布量と第 2種の触媒インクの塗布量とを等しくしても、 親水性領域と撥水性領域との単位面積あたりの触媒量を変更することができる。具体 的には、第 1の担持率を第 2の担持率よリも小さく設定すれば、 2種類の触媒ィンク の塗布量をほぼ等しくしても、親水性領域の単位面積あたりの触媒量を、撥水性領域 の単位面積あたりの触媒量よりも小さくすることができる。

一般には、親水性領域の単位面積あたりの触媒の量が、撥水性領域の単位面積あた りの触媒の量よりも小さく設定されていればよい。

( 2 ) 上記実施例では、電解質膜 1 1 2上に触媒インクを塗布することによって電解 質膜 1 1 2上に電極触媒層 1 1 4 a, 1 1 4 cが形成されているが、これに代えて、 他の支持体上に触媒インクを塗布し、その後、支持体上の塗布層(電極触媒層)を電 解質膜 1 〗 2に接合することによって、電解質膜上に電極触媒層が形成されてもよい。 支持体としては、ポリテ卜ラフル才ロエチレン(P T F E ) 膜などのフッ素系樹脂で 形成された膜(シート)を用いることができる。なお、この場合には、塗布層(電極 触媒層)の接合後に支持体(シート)を剥離すればよい。

なお、上記のように、電解質膜以外の支持体が利用される場合には、前述のように、 第 1の担持率と第 2の担持率とを変更することが好ましい。こうすれば、第 1種の触 媒インクの塗布量と第 2種の触媒インクの塗布量とをほぼ等しく設定することによつ て、親水性領域の厚みと撥水性領域の厚みとをほぼ等しく設定することができる。