JP2000208151A - ガス拡散電極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の燃料電池のガス拡散電極に使用されてい
る触媒層は、触媒と電解質との混合物から作製され、こ
のような触媒層ではプロトン伝導度が小さいために、触
媒層のプロトン移動の抵抗が大きく、電池を高い電流密
度で作動させた場合には電池電圧が大きく低下した。 【解決手段】触媒層とガス拡散層とを備えたガス拡散電
極において、触媒層の構造を、三次元連通性の孔を有す
る多孔質電解質Ａの孔中に触媒と電解質Ｂからなる微多
孔性集合体を備えた構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池のガス拡散電極の触媒層およびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、アノー
ドに燃料として例えば水素およびカソードに酸化剤とし
て例えば酸素とを供給して電気化学的に反応させて、電
力を得る電気化学装置である。アノードおよびカソード
はガス拡散電極であり、電解質膜の一方の面にアノード
を、もう一方の面にカソードを接合してガス拡散電極−
電解質膜接合体を構成する。ガス拡散電極はガス拡散層
と触媒層とからなり、アノードおよびカソードの触媒層
は白金族金属の金属粒子あるいはこれらの粒子を担持し
たカーボン粒子などを触媒として備えており、ガス拡散
層は撥水性を有する多孔質なカーボンペーパーなどが用
いられる。このガス拡散電極−電解質膜接合体をガス供
給流路が形成されたガス不透過性の一対のセパレータで
挟持して基本単位となる単電池を構成する。この単電池
を複数個積層して固体高分子電解質型燃料電池を構成す
る。固体高分子電解質型燃料電池を作動させると、次の
ような電気化学反応が進行する。 アノード：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- カソード：Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ 固体高分子電解質膜を備える固体高分子電解質型燃料電
池のカソードおよびアノードの電気化学反応は、カソー
ドやアノードに含まれる触媒と電解質との界面で進行す
る。したがって、これらの燃料電池の高出力にするため
には、触媒と固体高分子電解質膜との界面の接触面積を
増大することが要求される。そのために、電解質膜の表
面に凹凸を設けて触媒を含む電極とくにその触媒層との
接触面積を増大する方法が考案された。そのひとつは、
固体高分子電解質膜の表面積を増大して電極との接触界
面を増大させる方法である。例えば、特開平３―１５８
４８６号では凹凸を有するロールを用いる方法、特開平
４―１６９０６９号ではスパッタリングを用いる方法、
特開平４―２２０９５７号ではプラズマエッチングを用
いる方法や、特開平６―２７９６００号では布を埋め込
んだ後に引き剥がす方法によって固体高分子電解質膜の
表面に凹凸を設けることが提案されている。あるいは、
固体高分子電解質膜の表面に孔を設けて電解質膜と触媒
層との接触面積を増大する方法がある。例えば、特開昭
５８―７４３２号では、電解質を溶解する分散媒体を小
滴に結晶化させた後これを取り除く方法、特開昭６２―
１４６９２６号では粒子を埋め込んだ後にこれを取り除
く方法あるいは、特開平５―１９４７６４号には低分子
有機材料を混合した後これを取り除く方法が提案されて
いる。もうひとつのは、電解質膜の表面に白金族金属を
胆持して電解質と触媒との接触界面を増大させる方法で
ある。例えば、特公昭５９−４２０７８号や特公平２−
４３８３０号では電解質の表面に無電解メッキを施す方
法が提案されている。さらに、触媒層に電解質を添加し
て触媒と電解質との接触界面を増大させる方法がある。
例えば、特公平２―７３９８号では触媒と電解質の溶液
とＰＴＦＥなどのフッ素樹脂の混合物から電極を作製す
る方法や、特公平２―７３９９では電解質で被覆した触
媒とＰＴＦＥなどのフッ素樹脂から電極作製する方法が
提案されている。また，ＵＳＰ５２１１９８４号では，
媒体と電解質の溶液との混合物から電極を作製する方法
が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような、ロール
を用いる方法、スパッタリングを用いる方法、プラズマ
エッチングを用いる方法あるいは布を用いる方法では、
凹凸を設ける処理工程が煩雑であり生産性に劣ること
や、形成された凹凸が粗くて電極との界面の接触面積を
増大させるには不十分であるという問題がある。結晶化
した分散媒体、埋め込んだ粒子あるいは混合した低分子
有機材料を取り除くことにより孔を形成する方法では、
分散媒体、粒子あるいは低分子有機材料を完全に取り除
くことは困難であり、これらの残留物は電解質膜と電極
との接触の妨げとなり電極活性の低下の原因となる。あ
るいは、これらの残留物は電解質膜と電極との間のイオ
ン伝導の妨げとなる。また、これらを取り除く工程にお
いて施される加熱や溶媒処理により電解質の劣化がおこ
り、イオン伝導性が低下する。上記の理由によりこの電
解質膜を用いた燃料電池の性能が低下するという問題が
ある。無電解メッキなどの方法で電解質膜の表面に形成
される白金族金属は、表面積が小さく触媒としての活性
は低く、この方法による触媒活性の向上は、不十分であ
る。一般に酸素と水素とを反応させる燃料電池におい
て、酸素の還元反応の活性化過電圧が大きいことが高い
電流密度での電圧の低下の原因のひとつである。このた
めに、カソードに白金族金属などの触媒を付与して活性
化過電圧の低減がはかられる。触媒層への触媒の増加に
より触媒の表面積を増大することは、活性化過電圧の低
減に効果があるが、しかし、触媒の増加は、触媒層の厚
みの増大をまねく。この場合、とくに高い電流密度にお
いて、その触媒層のプロトン伝導度の影響が大きくな
る。例えばＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖ
ｏｌ．１４０，３５１３（１９９３）は、触媒と電解質
との混合物から作製した触媒層のプロトン伝導度が小さ
いために、触媒層のプロトン移動の抵抗が大きく、高い
電流密度では電池電圧の低下が増大すること、そして触
媒層においてプロトン移動の抵抗に起因する電圧の低下
の影響が小さい部分は、電解質膜の近傍にあることを示
している。そこで、本発明は、上記の課題を解決するも
のであり、その目的とするところは、触媒層のプロトン
伝導性を向上することおよびプロトンの移動の抵抗に起
因する電圧の降下が小さい触媒層を増大することであ
り、これらの改良によって高出力な燃料電池を提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明になる燃料電池用
ガス拡散電極は、触媒層とガス拡散層とを備え、前記触
媒層は、まずプロトン伝導性が高くて表面積が大きい三
次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａを形成し、次に
この多孔質電解質Ａの孔中に触媒と電解質Ｂからなる微
多孔性集合体を含ませる。この三次元連通性の孔を有す
る多孔質電解質Ａは、不純物の混入や劣化によるイオン
導電性の低下がない方法で作製される。第一の発明は、
触媒層とガス拡散層とを備えたガス拡散電極において、
触媒層の構造が、三次元連通性の孔を有する多孔質電解
質Ａの孔中に触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体を
備えた構造であることを特徴とする。第二の発明は、
三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔中に触媒
と電解質Ｂからなる微多孔性集合体を含ませるガス拡散
電極の作製方法である。第三の発明は、 前記ガス拡散
電極を備えた固体高分子電解質型燃料電池である。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明のガス拡散電極の製造工程
の一例を図２に示す。この製造工程は、５つに段階に分
けることができる。第一工程では、三次元連通性の孔を
有する多孔質電解質Ａを形成する。第二工程では、白金
担持カーボン触媒などの触媒を電解質Ｂを含む溶液に分
散させた触媒分散物を調製する。第三工程では、三次元
連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔中に触媒分散物
を含ませる。第四工程では、圧迫を加えるなどの方法に
よりその触媒分散物を三次元連通性の孔を有する多孔質
電解質Ａの孔の内部に充填して、その孔中に触媒と電解
質Ｂからなる微多孔性集合体を備えた触媒層を形成す
る。第五工程では、ガス拡散層として撥水性を付与した
カーボンペーパーを触媒層に接合してガス拡散電極を作
製する。本発明の触媒層において、三次元連通性の孔を
有する多孔質電解質Ａはプロトン伝導性を向上する機能
を有し、その孔中に含まれた触媒と電解質Ｂからなる微
多孔性集合体の電解質Ｂはいわゆる三相界面を形成する
機能を有する。本発明の触媒層では、プロトン伝導性の
高い三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａとその孔
中に含まれた触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体と
を備えた部分との接触が多く形成される。前述の三次元
連通性の孔を有する多孔質電解質Ａには、プロトン伝導
性を示す電解質の厚み方向および面方向に三次元的に連
通した孔が形成されており、電解質の部分は三次元網目
状の骨格構造を形成して厚み方向および面方向に三次元
的に連通している。この三次元連通性の孔を有する多孔
質電解質Ａは、三次元的に微細孔が形成されるために、
その表面積は極めて大きい。本発明の触媒層において、
三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔中に備え
られた触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体は、たと
えばＰＴＦＥなどの撥水性粒子やカーボンあるいは金属
などの導電性粒子を含んでもよく、要は、その孔中に少
なくとも触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体とが備
わっていればよい。触媒は、白金族金属やその合金ある
いはその酸化物の粒子やカーボンなど導電性を有する担
体に白金族金属やその合金あるいはその酸化物の粒子を
担持したものを用いることができる。つぎに、本発明の
触媒層の作製方法について具体的に説明する。第一工程
において、三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａ
は、アルコール類を含有する溶媒に溶解した電解質の溶
液を電解質膜の少なくとも一方に塗布したのち、アルコ
ール性水酸基以外の極性基を有する有機溶媒に浸漬して
作製される。このとき使用するアルコールを含有する溶
媒に電解質を溶解した溶液は、パーフロロスルホン酸樹
脂を水とアルコールの混合溶媒に溶解したものである。
たとえば市販のパーフロロスルホン酸樹脂の溶液である
５ｗｔ％ナフィオン溶液（米国、アルドリッチ社）を用
いることができる。この電解質の溶液は希釈あるいは濃
縮などの方法により任意の濃度に調製することができ
る。すなわちアルコールあるいは水もしくはこれらを混
合物を電解質の溶液に添加して希釈する方法や加熱など
の方法により電解質の溶液の溶媒の一部を除いて濃縮す
る方法がある。この場合、アルコールとしては炭素数が
４以下のメタノール、エタノール、１−プロパノール、
２−プロパノール、１−ブタノールあるいは２−ブタノ
ールを用いることができる。アルコール性水酸基以外の
極性基を有する有機溶媒は、分子内にアルコキシカルボ
ニル基を有する炭素鎖の炭素数が１〜７の有機溶媒、た
とえば、ぎ酸プロピル、ぎ酸ブチル、ぎ酸イソブチル、
酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ア
リル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢
酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エ
チル、プロピオン酸プロピル、アクリル酸メチル、アク
リル酸ブチル、アクリル酸イソブチル、酪酸メチル、イ
ソ酪酸メチル、酪酸エチル、イソ酪酸エチル、メタクリ
ル酸メチル、酪酸プロピル、イソ酪酸イソプロピル、酢
酸２−エトキシエチル、酢酸２−（２エトキシエトキ
シ）エチル等の単独若しくは混合物、又は分子内にエー
テル結合を有する炭素鎖の炭素数が３〜５の有機溶媒、
たとえば、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、エ
チレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコー
ルジエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメ
チルエーテル、テトラヒドロフラン等の単独若しくは混
合物、又は分子内にカルボニル基を有する炭素鎖の炭素
数が４〜８の有機溶媒、たとえば、メチルブチルケト
ン、メチルイソブチルケトン、メチルヘキシルケトン、
ジプロピルケトン等の単独若しくは混合物、又は分子内
にアミノ基を有する炭素鎖の炭素数が１〜５の有機溶
媒、たとえば、イソプロピルアミン、イソブチルアミ
ン、ターシャルブチルアミン、イソペンチルアミン、ジ
エチルアミン等の単独若しくは混合物、又は分子内にカ
ルボキシル基を有する炭素鎖の炭素数が１〜６の有機溶
媒、たとえば、プロピオン酸、吉草酸、カプロン酸、ヘ
プタン酸等の単独若しくは混合物、又はこれらの組み合
わせから得られるものを用いることができる。ただし、
三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａを形成するた
めに用いるアルコール性水酸基以外の極性基を有する有
機溶媒は、アルコキシカルボニル基を有するものが好ま
しい。第二工程において、触媒分散物は、触媒を分散媒
に分散し、これに電解質の溶液を加えて十分に混合して
調製する。触媒として白金族金属を担持したカーボン、
白金族金属やその酸化物あるいはこれらの混合物を用い
ることができる。分散媒としては、炭素数が４以下のメ
タノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパ
ノール、１−ブタノールあるいは２−ブタノールなどの
４以下のアルコールや水あるいはこれらの混合物を用い
ることができる。電解質の溶液は、パーフロロスルホン
酸樹脂を水とアルコールの混合溶媒に溶解したもの、た
とえば市販のパーフロロスルホン酸樹脂の溶液である５
ｗｔ％ナフィオン溶液（米国、アルドリッチ社）を用い
ることができる。第三工程において、三次元連通性の孔
を有する多孔質電解質Ａに第二工程で調製した触媒分散
物を、三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔の
部分に含ませる。この工程は、たとえばスプレー、ドク
ターブレード法、スクリーン印刷法などの塗布する方
法、沈殿法や含浸法など従来公知の方法などを用いるこ
とができる。第四工程において、この触媒分散物が付与
された三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａに圧迫
を加えるなどの方法により、触媒分散物を三次元連通性
の孔を有する多孔質電解質Ａの孔の部分に充填して、触
媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体とを備える触媒層
を形成する。圧迫は、たとえば平間プレスあるいはロー
ルプレスなど方法により、加えることができる。第五工
程において、触媒層にガス拡散層を加熱圧接により接合
して本発明のガス拡散電極を作製する。ガス拡散層とし
てたとえば撥水性を付与したカーボンペーパーやカーボ
ン粉末を撥水性を有するＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂を
結着剤として形成したシート状のものを用いることがで
きる。本発明の一例として、電解質膜の一方の面に本発
明のガス拡散電極を備えたガス拡散電極電解質膜接合体
の断面の模式図を図１に示す。図１において、１は第１
の触媒層、２は三次元連通性の孔を有する多孔質電解質
Ａ、３は触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体であ
る。触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体３は三次元
連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔中に含まれてい
る。４は第１のガス拡散層、５は第１のガス拡散電極で
ある。第１のガス拡散電極５は、第１の触媒層１に第１
のガス拡散層４が接合された本発明のガス拡散電極５で
ある。６は燃料電池の電解質膜Ｃであり、片面に本発明
の第１のガス拡散電極５、他面に第２のガス拡散電極９
を備える。第２のガス拡散電極９は、第２の触媒層７に
第２のガス拡散層８を接合したものである。第２の触媒
層７は、たとえば触媒と電解質からなる触媒分散物から
構成され、第２のガス拡散層８は、たとえば第１のガス
拡散層４と同じ材質で構成される。燃料電池の電解質膜
Ｃの両面に第１のガス拡散電極５あるいは第２のガス拡
散電極９を備えたもの、または電解質膜の片面に第１の
ガス拡散電極５を、他面に第２のガス拡散電極９を備え
たものがガス拡散電極電解質膜接合体１０である。燃料
電池の電解質膜Ｃとしてはプロトン導電性を有する膜が
使用され、たとえば市販のパーフロロスルホン酸樹脂膜
であるナフィオン１１５膜（米国、デュポン社製）を用
いることができる。なお、ナフィオンはデュポン社の登
録商標である。三次元連通性の孔を有する多孔質電解質
Ａの孔中に含まれた触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集
合体を拡大した模式図を図３に示す。図３において、１
１はカーボン担体、１２は触媒、１３は触媒を被覆する
電解質である。カーボン担体１１は例えばカーボンブラ
ックなどが用いられ、触媒１２は例えば白金などの白金
族金属の単体もしくはそれらの合金などの粒子である。
カーボン担体に白金が触媒として担持された触媒は、い
わゆる白金担持カーボン触媒である。触媒には、白金族
金属もしくはそれらの合金の微細粉末、たとえば白金黒
粉末などを用いることもできる。触媒を被覆する電解質
１３は、触媒の表面およびその近傍に被膜状に形成され
ており、結着剤のはたらきを有し、また、電気化学反応
が進行するいわいる三相界面を形成する。触媒を被覆す
る電解質１３の被膜は、反応サイトへのプロトン移動の
経路を形成するので、高いプロトン伝導性を有すること
が好ましい。

【実施例１】本発明になるガス拡散電極の製造方法の一
例を具体的に説明する。製造方法は、例えば図１に示す
ように５つの工程に分けることができる。 第一工程：電解質膜の片面に三次元連通性の孔を有する
多孔質電解質Ａを形成する方法。 まず、市販の５ｗｔ％ナフィオン溶液をサンプル瓶に取
り、攪拌しながら６０度に加熱して溶液を１６ｗｔ％ま
で濃縮した。つぎに、市販のナフィオン１１５膜を精製
水で３回洗浄した後、脱脂処理として３％過酸化水素水
で１時間煮沸してから精製水で数回洗浄し、さらに、プ
ロトン化処理として０．５Ｍの硫酸で１時間煮沸し、精
製水で数回洗浄したあと精製水中に保管した。つづい
て、このナフィオン１１５をエタノールに１０分間浸漬
して十分に膨潤させるエタノール処理を施した。プロト
ン化処理およびエタノール処理を施したナフィオン１１
５膜をエタノール中から取り出し、ろ紙を用いて膨潤状
態のナフィオン１１５膜の表面に存在する余剰のエタノ
ールを拭き取った後、ナフィオン１１５膜が乾燥するま
えに、１６ｗｔ％ナフィオン溶液をスプレーしてナフィ
オン１１５膜の一方の面にナフィオン溶液の塗布層を形
成した。このナフィオン溶液の塗布量は、一方の面で約
３ｍｇ／ｃｍ²とした。このナフィオン溶液の塗布層を
形成したナフィオン１１５膜を酢酸ブチルに１０分間浸
漬したのち、取り出して室温で酢酸ブチルを乾燥して、
ナフィオン１１５膜の表面に三次元連通性の孔を有する
多孔質電解質Ａを形成した。この三次元連通性の孔を有
する多孔質電解質Ａ部分は直径３．５ｃｍで厚みは約６
μｍであった。 第二工程：触媒分散物の調製方法。 白金を３０ｗｔ％担持したカーボン触媒１．５ｇに、５
ｗｔ％ナフィオン溶液（米国、アルドリッチ社製）１３
ｍｌを攪拌しながら徐々に加えて、さらに３０分間攪拌
した。さらに攪拌しながら６０℃に加熱し、分散媒に対
してナフィオンの固形分の重量が１５ｗｔ％になるまで
濃縮して触媒分散物を調製した。 第三工程：三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの
孔中に触媒分散物を付与する方法。 第一工程で作製した表面に三次元連通性の孔を有する多
孔質電解質Ａを形成したナフィオン１１５膜を、ガラス
などの平板上に、三次元連通性の孔を有する多孔質電解
質Ａの形成面が上面になるように配置した。隙間を１５
μｍに調整したドクターブレードを用いて、第二工程で
作製した触媒分散物を三次元連通性の孔を有する多孔質
電解質Ａに塗布した。つぎに、三次元連通性の孔を有す
る多孔質電解質Ａに塗布した触媒分散物を直径３ｃｍの
円形状に残し、それ以外の不要の触媒分散物を除去し
て、電解質膜触媒分散物塗布体を形成した。一方、つぎ
に示す方法で離型紙に触媒層を形成した離型紙触媒分散
物塗布体を作製した。すなわち、白金を３０ｗｔ％担持
したカーボン触媒１．５ｇに、５ｗｔ％ナフィオン溶液
（米国、アルドリッチ社製）１３ｍｌを攪拌しながら徐
々に加えて、さらに３０分間攪拌した。さらに攪拌しな
がら６０℃に加熱し、分散媒に対してナフィオンの固形
分の重量が１８ｗｔ％になるまで濃縮して触媒分散物を
調製した。スクリーン塗布によりこの触媒分散物を離型
紙としてのテトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピ
レン共重合体シートに塗布して離型紙触媒分散物塗布体
を作製し、直径３ｃｍの円形状に裁断した。 第四工程：触媒分散物を孔の内部に充填して、三次元連
通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔中に触媒と電解質
Ｂからなる微多孔性集合体とを備える触媒層を作製する
方法。 第三工程で作製した電解質膜触媒分散物塗布体および離
型紙触媒分散物塗布体を積層してプレス機に配置した。
このとき離型紙触媒分散物塗布体は、その塗布面が電解
質膜と向かい合う向きに、かつそれぞれに塗布面が電解
質膜を介して一致するように積層した。この状態で、２
５０ｋｇ／ｃｍ²、１３５℃、５分間、加熱圧接して圧
迫を加えた。すると離型紙触媒層分散物塗布体を積層し
た面では、その触媒層が離型紙から電解質膜に転写され
た。電解質膜触媒分散物塗布体の面では、加熱圧迫によ
り三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔中に塗
布した触媒分散物が充填されて、その孔の内部に触媒と
電解質Ｂからなる微多孔性集合体とを備える触媒層が形
成される。このようにしてナフィオン１１５膜の片面
に、本発明の三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａ
とその孔に触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体とを
備える触媒層、およびナフィオン１１５膜の他面に触媒
分散物からなる触媒層を備えた触媒層電解質膜接合体を
形成した。この触媒層電解質膜接合体を本発明の触媒層
電解質膜接合体Ｘとした。 第五工程：ガス拡散層の接合。 ガス拡散層として直径３ｃｍに裁断した撥水性を有する
カーボンペーパーを触媒層電解質膜接合体Ｘの両側に配
置して、加熱圧接（１２０ｋｇ／ｃｍ²、１３５℃、５
分間）により一体に接合してガス拡散電極電解質膜接合
体Ｘを作製した。カーボンペーパーは０．２ｍｍ厚のも
のを用いた。このカーボンペーパーはポリテトラフロロ
エチレンの分散液を含浸して乾燥したのち、４００℃で
焼成して撥水性を付与した。このガス拡散電極電解質膜
接合体Ｘを、ガス供給路が形成された金属製のセパレー
タで挟持し、カソード側が本発明の触媒層になるように
配して固体高分子電解質型燃料電池Ｘを構成した。

【実施例２】実施例１の第一工程と同様にして脱脂処理
およびプロトン化処理を施したナフィオン１１５膜の両
面に、実施例の第三工程で作製した離型紙触媒分散物塗
布体を直径３ｃｍに裁断したものを触媒層の塗布面が向
かい合うように積層し、２５０ｋｇ／ｃｍ²、１３５
℃、５分間、加熱圧接して離型紙触媒層分散物塗布体に
形成された触媒層をナフィオン１１５膜に転写し、ナフ
ィオン１１５膜の両面に触媒分散物からなる触媒層を備
えた触媒層電解質膜接合体Ｙを形成した。ガス拡散層と
して実施例１の第五工程で作製した撥水性を有するカー
ボンペーパーを直径３ｃｍに裁断して用いた。触媒層電
解質膜接合体Ｙの両側にこのカーボンペーパーを配置し
て、加熱圧接（１２０ｋｇ／ｃｍ²、１３５℃、５分
間）により一体に接合してガス拡散電極電解質膜接合体
Ｙを作製した。このガス拡散電極電解質膜接合体Ｙを、
ガス供給路が形成された金属製のセパレータで挟持し、
比較用の固体高分子電解質型燃料電池Ｙを構成した。ア
ノードに純水素をカソードに空気をそれぞれ２ｋｇ／ｃ
ｍ²Ｇに加圧して供給し、電池の温度が６５℃での固体
高分子電解質型燃料電池Ｘおよび固体高分子電解質型燃
料電池Ｙの電流−電圧特性を測定した。このとき空気と
水素は、６０℃に設定したバブラー式の加湿器を用いて
加湿した。固体高分子電解質型燃料電池Ｘおよび固体高
分子電解質型燃料電池Ｙの電流−電圧特性を図４に示
す．図４において、Ｘは本発明の固体高分子電解質型燃
料電池Ｘの、またＹは比較用の固体高分子電解質型燃料
電池Ｙの、それぞれ電流−電圧特性を示す曲線である。
本発明の三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａとそ
の孔中に触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体とを備
える触媒層にガス拡散層を接合して構成されたガス拡散
電極をカソードに配した固体高分子電解質型燃料電池Ｘ
は、固体高分子電解質型燃料電池Ｙよりも高い電流密度
おける電池電圧の低下が小さく高出力であった。このこ
とは、本発明の三次元連通性の孔を有する多孔質電解質
Ａとその孔中に触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体
とを備える触媒層をカソードで使用することは、固体高
分子電解質型燃料電池の高出力化に有効であることを示
す。その理由を、図１を用いて説明する。固体高分子電
解質型燃料電池Ｙのカソードの触媒層は、図１の第２の
触媒層７と同様の構造である。この第２の触媒層７のプ
ロトン伝導性は低いために、ガス拡散層の近傍の反応に
関与するプロトンはその移動抵抗に起因する電圧の降下
が大きい。これに対して、固体高分子電解質型燃料電池
Ｘの触媒層は、図１の第１の触媒層１に示すような構造
である。この触媒層は、その中にプロトン伝導性の高い
移動経路が三次元網目状に形成されるので、プロトン伝
導性の低い触媒と電解質からなる部分におけるプロトン
移動の距離が短くなり、とくに電流密度においてプロト
ンの移動抵抗に起因する電圧の降下が低減する。言い換
えると本発明の電解質は、プロトンの移動抵抗に起因す
る電圧の降下が小さい部位が多く形成された触媒層であ
ると考えられる。

【０００６】

【発明の効果】本発明の三次元連通性の孔を有する多孔
質電解質Ａとその孔中に触媒と電解質Ｂからなる微多孔
性集合体とを備える触媒層は、その触媒層中にプロトン
が伝導性の高い経路が形成されるので、電流密度が大き
い場合でもプロトン伝導性の低い孔に含まれた触媒と電
解質でのプロトン移動の距離が短くなり、プロトン伝導
性の不足に起因する電圧の低下が抑制される。また、本
発明の触媒層は厚くてもそのプロトン伝導性の不足に起
因する抵抗過電圧は小さいために、厚み方向にも触媒を
増量して活性化過電圧を低減できるので、出力密度が高
い固体高分子電解質型燃料電池を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるガス拡散電極電解質膜接合体の断
面の模式図。

【図２】本発明になるガス拡散電極の製造工程を示すフ
ロート図。

【図３】三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａの孔
中に含まれた触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体の
拡大模式図

【図４】本発明になるガス拡散電極をカソードに配した
固体高分子電解質型燃料電池Ｘおよび比較用の固体高分
子電解質型燃料電池Ｙの電流−電圧特性示す図。

【符号の説明】

１ 第１の触媒層 ２ 三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａ。 ３ 触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体 ４ 第１のガス拡散層 ５ 第１のガス拡散電極 ６ 燃料電池の電解質膜Ｃ ７ 第２の触媒層 ８ 第２のガス拡散層 ９ 第２のガス拡散電極 １０ ガス拡散電極電解質膜接合体 １１ カーボン担体 １２ 触媒 １３ 触媒を被覆する電解質

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】触媒層とガス拡散層とを備えたガス拡散電
   極において、上記触媒層の構造が、三次元連通性の孔を
   有する多孔質電解質Ａの孔中に触媒と電解質Ｂからなる
   微多孔性集合体を備えた構造であることを特徴とするガ
   ス拡散電極。
2. 【請求項２】三次元連通性の孔を有する多孔質電解質Ａ
   の孔中に触媒と電解質Ｂからなる微多孔性集合体を含ま
   せることを特徴とする、請求項１記載のガス拡散電極の
   製造方法。
3. 【請求項３】請求項１記載のガス拡散電極を備えること
   を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。