JPH06295729A

JPH06295729A - 高性能な高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH06295729A
Application number: JP6013550A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Okuyama; 和雄奥山; Yoshio Suzuki; 良雄鈴木
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【構成】電解質であるイオン交換膜と、触媒層を有す
るガス拡散電極とを接合した燃料電池において、該触媒
層が少なくとも触媒担持導電材と撥水剤とプロトン導伝
材とを特定の割合で混合し、その後成形した高性能な高
分子電解質型燃料電池である。【効果】燃料電池の出力性能が大きく向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池（以下、ＰＥＦＣと称する。）に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】低公害性と高効率性という特徴により、
燃料電池が注目されている。燃料電池は水素やメタノー
ル等の燃料を酸素又は空気を用いて電気化学的に酸化
し、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーとして取り
出すものである。用いる電解質の種類により酸型、溶融
炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。この中で、低
温作動性と高出力密度という特徴から、近年特にＰＥＦ
Ｃが注目されてきた。

【０００３】図２を用いてＰＥＦＣの基本構造について
説明する。図２に示すように電池本体は固体高分子電解
質膜の両側にガス拡散電極が接合されることにより構成
されている。ガス拡散電極には触媒が担持されており、
電池反応は固体高分子電解質膜とガス拡散電極の接合界
面にて生じる。例えば、ガス拡散電極２に水素ガスを流
すと膜との接合界面で、２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-の反応
が生じる。Ｈ⁺は固体高分子電解質膜３を通って対極の
ガス拡散電極１に移動する。このガス拡散電極１に酸素
ガスを流すと、Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏの反応
が膜と電極の界面で生じ、水が生成すると同時に電極エ
ネルギーが得られる。

【０００４】上述のように、電解質膜を介して該膜とガ
ス拡散電極の界面で、かつ触媒の存在する所で電気化学
反応が生じることから、界面の広さが出力性能に直接影
響を与えることになるが、界面を広げるためにプロトン
導伝材を溶媒に溶かして電極表面に塗布してからイオン
交換膜と接合したり、電極構成カーボンに粉状の固体高
分子電解質を予め混合した後に電極作成する（特開昭６
１−６７７８７号公報、特開昭６１−６７７８８号公
報）工夫がされている。これらの電極とイオン交換膜の
接合は加熱しながら圧力をかけて行われる。

【０００５】しかしながらその出力性能が不十分であ
り、さらなる向上が切望されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は出力性能に優
れた燃料電池を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ガス拡散
電極の触媒層の構造に関して鋭意検討した結果、少なく
とも比表面積の大きな親水性の導電材に触媒を担持した
触媒担持導電材と疎水性の撥水剤と親水性基を有するプ
ロトン導伝材の溶液を混合し、得られた混合物から触媒
層を作製することにより電池出力が増加することを見出
し、本発明に至った。

【０００８】即ち、本発明は、電解質であるイオン交換
膜と、触媒層を有するガス拡散電極とを接合した燃料電
池において、該触媒層が少なくとも触媒担持導電材と撥
水剤とプロトン導伝材とを混合し、その後成形すること
により該触媒層の厚さ方向を含む全領域にプロトン導伝
材が存在することを特徴とし、かつ該触媒層内で、触媒
を担持している導電材と撥水剤とプロトン導伝材の三者
の重量分率が、導電材０．４００〜０．９９５，撥水剤
０〜０．５５０，プロトン導伝材０．００５〜０．０８
０であることを特徴とする高性能な高分子電解質型燃料
電池である。

【０００９】本発明において電解質として用いるイオン
交換膜は含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホ
ン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基の
うちから１種を有するものが好ましい。しかし、ポリエ
チレン等のポリオレフィン膜にスルホン酸基やカルボン
酸基を有する単量体をグラフト重合反応等で導入した膜
も使用可能である。

【００１０】含フッ素高分子膜としては、例えば、テト
ラフルロエチレン、トリフルオロモノクロロエチレン、
トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、１，１−ジ
フルオロ−２，２−ジクロロエチレン、１，１−ジフル
オロ−２−クロロエチレン、ヘキサフルオロプロピレ
ン、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロピレン、
オクタフルオロイソブチレン、エチレン、塩化ビニル、
及びアルキルビニルエステル等の第一群のモノマーと、
下記一般式（１）、Ｙ−（ＣＦ₂）_a−（ＣＦＲ_f）_b−（ＣＦＲ_f）_c−Ｏ− −〔ＣＦ（ＣＦ₂Ｘ）−ＣＦ₂−Ｏ〕_n−ＣＦ＝ＣＦ₂ ……… （１）（式中、Ｙは−ＳＯ₂Ｆ，−ＳＯ₃ＮＨ，−ＣＯＯ
Ｈ，−ＣＮ，−ＣＯＦ，ＣＯＯＲ（Ｒは炭素数１〜１０
のアルキル基）、−ＰＯ₃Ｈ₂，−ＰＯ₃Ｈであり、ａ
は０〜６、ｂは０〜６ＮＯ整数、ｃは０または１であ
り、但しａ＋ｂ＋ｃは０に等しくはならない。Ｘはｎ＞
１のときＣ１、Ｂｒ、Ｆまたはそれらの混合物であり、
ｎは０〜６である。Ｒ_fおよびＲ’_fは独立にＦ、Ｃ
１、１〜約１０個の炭素原子を有するペルフルオロアル
キル基及び１〜１０個の炭素原子を有するフルオロクロ
ロアルキル基からなる群から選択される。）で表される
第二群のモノマーとから第二群モノマーを必須として選
ばれた２種以上、通常は２乃至３種の共重合体である。

【００１１】プロトン導伝材はプロトンを導伝する材料
であればよく、好ましくは少なくとも、−ＳＯ₃Ｈ，−
ＣＯＯＨ，−ＰＯ₃Ｈ₂及び−ＰＯ₃Ｈのうちから１種
を有する含フッ素炭化水素である。例えば前記第一群の
モノマーと前記第二群のモノマーから選ばれた第二群モ
ノマーを必須とする２種あるいは３種以上のモノマーの
共重合体、前記第二群のモノマーの１種以上の重合体、
前記第二群のモノマーなどである。

【００１２】重合体はモノマー２分子以上結合しておれ
ば良く、好ましくはその分子量が５０００以上である。
分子量が大きい方が触媒層の導伝材への絡まりが良好と
なり耐久性の点でより好ましい。重合体と低分子量化合
物を混合して用いることが好ましく、さらに混合するこ
とで官能基の量（１ｇ当たりの官能基の当量数）を多く
することが可能となる。

【００１３】プロトン導伝材は、例えばメタノール、エ
タノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール
類、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセドアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメ
チルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン
等の極性溶媒、テトラヒドロフラン等の環状エーテル
類、および上記溶媒群から選ばれた２種類以上の混合
物、さらには上記溶媒群と水との混合物などの水溶液媒
体に溶解して用いることができる。特にエタノールと水
の混合物やプロパノールと水の混合物が好ましい。

【００１４】触媒金属としては、水素の酸化反応あるい
は酸素の還元反応に触媒作用を有するものであればよ
く、例えば、鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガ
リウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリ
ジウム、白金、パラジウム、ロジウム、又はそれらの合
金から選択することができる。触媒粒径は１０〜３００
Åが良く、好ましくは１５〜１００Åである。１０Å未
満のものは現実的に作成が困難であり、一方３００Åよ
り大きいと触媒性能が低下する。触媒担持量は、電極成
形後において０．０１〜１０ｍｇ／ｃｍ²であり、好ま
しくは０．１〜０．５ｍｇ／ｃｍ²である。触媒が０．
０１ｍｇ／ｃｍ ²未満では性能が低下し、一方１０ｍｇ
／ｃｍ²より大では触媒によるコストが大きくなる。

【００１５】本発明に用いる触媒担持導電材は触媒層に
混合する前に、予め触媒を担持させてから撥水剤やプロ
トン導伝材などと混合するものである。触媒層を構成す
る導電材は電子導電性物質であればよく、例えば各種金
属、炭素材料などがある。炭素材料などとして、例えば
ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレン
ブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛、カーボ
ンファイバー等があり、単独あるいは混合して使用でき
る。触媒担持用炭素材料としてはより親水性を示し、プ
ロトン導伝材の官能基となじみの良いものが好ましく、
比表面積が１０〜３０００ｍ²／ｇのものである。他
方、触媒を担持しない、より疎水性の炭素材料を共存さ
せてもよく、この場合に使われる炭素材料の比表面積
０．１ｍ²／ｇ〜１０ｍ²／ｇ未満である。

【００１６】撥水剤は、電極反応で生成した水分あるい
は反応ガスを加湿している水分を除去し、反応ガスを反
応点に供給するための通路を作るものである。従って、
水との接触角が９０°より大きい物が好ましく、特に含
フッ素化合物が好ましい。具体的な例としては、ポリエ
チレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン、ポリクロ
ロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パ
−フルオロアルキルビニルエーテル共重合体などがあ
る。

【００１７】また結着材を共存させてもよい。結着材は
電極触媒層の構成物質を保持するものであり、各種脂指
が用いられる。前記撥水剤と兼用で用いることもでき
る。テフロン系化合物で融点が４００℃以下の物が好ま
しく、例えばポリテトラフルオロエチレン、テトラフル
オロエチレン−パ−フルオロアルキルビニルエーテル共
重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロ
ピレン共重合体などがある。

【００１８】触媒層内で、触媒を担持している導電材と
撥水剤とプロトン導伝材の三者の混合における重量分率
は、導電材が０．４００〜０．９９５、撥水剤が０．０
００〜０．５５０、プロトン導伝材が０．００５〜０．
０８０である。このときの導電材の重量分率は担持され
た触媒を除いて算出したものである。触媒を担持してい
る炭素材料としてカーボン材、撥水剤としてのポリテト
ラフルオロエチレン、プロトン導伝材としてのパーフル
オロカーボンスルホン酸、Ａｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業
製登録商標）からなる組成における本発明の領域を図
８に示した。プロトン導伝材は触媒層内の反応点を増加
させるのに不可欠であり、従ってその重量分率が０．０
０５より少ないと反応点増加効果が少なくなって性能の
向上に寄与しなくなる。一方、プロトン導伝材の重量分
率が０．０８０より多くなると、その親水性の影響が大
きくなり、加湿水分または生成水がスムーズにセル系外
に除去できなくなり、これにより反応ガスが反応点に供
給されなくなるため出力性能の低下が著しくなる。触媒
を担持している炭素材料は、電子導電性が重要な役割で
ある。従って、その重量分率が０．４００より少なくな
ると出力性能の低下が著しいのは、炭素材料同志の接触
点が少なくなり導電性が低下するためと推定される。撥
水剤として用いたポリテトラフルオロエチレンは、加湿
水分及び生成水分の除去作用があるが、重量分率が０．
５５０より多くなると、炭素材料の導電性を低下させる
ためか、出力性能の低下をまねくことが明らかになっ
た。

【００１９】次に本発明の燃料電池の作製方法について
説明する。所定量の水と、触媒担持担持導電材としての
触媒担持炭素材料、プロトン導伝材、撥水剤を混合し均
一分散状態とする。これを必要な形状に成形したり、直
接電解質膜に塗布したりして触媒層を形成する。触媒を
担持していない導電材を同時に加えてもよい。また、均
一混合物を乾燥し、溶剤を加えてペースト状として成形
してもよい。

【００２０】親水性官能基を有するプロトン導伝材は一
連の混合操作中に、より親水性である触媒担持炭素材料
の周囲に集まり、触媒担持炭素材料自体も集合した状態
となり、一方、より疎水性である撥水剤が集まると推定
される。これによりミクロに親水性部分と疎水性部分が
分離した状態が作られ、親水性部分は主にプロトン及び
加湿用水、生成水が、また疎水性部分は主に反応ガスが
移動する有効な通路となる。このように、粉体状態で触
媒層の構成材を全て混合することにより、従来の知見に
ない効果が発現される。

【００２１】本発明において、プロトン導伝材は触媒層
の厚さ方向を含む全領域に存在している。これは触媒層
の表面側だけでなく、全領域に均一に分布していること
を示すもので、均一とは、次の測定方法において、プロ
トン導伝材量の平均値の±１５％以内に入るものであ
る。プロトン導伝材の存在量は官能基にＢａを吸着さ
せ、そのＢａを電子線プロ−ブアナリシス法により測定
する。まず、電極触媒層を０．１ｍｏｌ／リットル濃度
の塩化バリウム水溶液中に１０時間室温で保存し、その
後過剰の純水にて液更新しながら洗浄する。乾燥するこ
とによりプロトン導伝材の官能基にバリウムが吸着した
触媒層が得られる。これをエポキシ樹脂に包埋し、ミク
ロトームを用いて触媒層断面を切削し測定面を得る。こ
の試量にカーボン蒸着を施し、測定試料とする。電子線
プローブマイクロアナライザーＪＣＸＡ−７３３（日
本電子株式会社製）を用い、加速電圧１５ｋＶ，試料電
流０．５μＡ、分析線ＢａＬα線、分光結晶ペンタエ
リスリトールの条件にて測定を行った。

【００２２】後述の実施例２と比較例１の触媒層の測定
結果を例として図９に示した。実施例２の触媒層の厚さ
は約１２０μｍである。最大カウント数が３３０ｃｐ
ｓ、最小カウント数が２８０ｃｐｓで平均カウント数３
０５ｃｐｓであった。一方、比較例１の触媒層の厚さは
約２００μｍであり、主に表面にプロトン導伝材が存在
していることがわかる。

【００２３】ガス拡散電極はこの触媒層を必須要素と
し、例えば他の導電材等との積層体としてもよい。例え
ば好ましくは、カーボンファイバーを用いたクロスの複
合物として用いてもよい。膜とガス拡散電極の接合は加
温、加圧できる装置を用いて実施される。特定の装置は
なく、一般的に例えばホットプレス機、ロールプレス機
等が用いられる。プレス温度は使用した電解質膜のガラ
ス転位温度以上であればよく、好ましくは１２０〜１８
０℃である。プレス圧力は使用するガス拡散電極の固さ
に依存し、約５〜２００ｋｇ／ｃｍ²であり、好ましく
は２０〜１００ｋｇ／ｃｍ²である。５ｋｇ／ｃｍ²よ
り小さい圧力では膜と電極の接着は不十分になり、一方
２００ｋｇ／ｃｍ²より大きい圧力では電極空孔の減少
が大きくなる。

【００２４】ホットプレス時に電極の厚さより薄いスペ
ーサーを入れると効果が大きい。また、水の共存下で電
解質膜を湿潤させた状態でホットプレスするのもよい。
必要であれば接合時に新たに触媒層の片面あるいはイオ
ン交換膜の面あるいは両者にプロトン導伝材を塗布して
から、塗布した面で接合してもよい。これにより、膜と
電極の間の接触がより良好になるためか燃料電池性能が
向上する。

【００２５】反応ガスとしては、メタノール、天然ガ
ス、ナフサ等を解質した水素主体のガスあるいは水素そ
のものを燃料として、また、空気あるいは酸素そのもの
を酸化剤として用いる。両ガスは必要に応じて、水の添
加や水中へのガスの吹き込み等の方法を用いて加湿して
やる。以下、実施例に基づいて、更に詳細に説明する
が、本発明は実施例に限定されるものではない。

【００２６】

【実施例】

【００２７】

【実施例１】東海ブラック＃５５００〔東海カーボン
（株）製商標〕３６ｇと、塩化白金酸〔和光純薬
（株）製特級〕とエタノール〔和光純薬（株）製特
級〕から調整した１０重量％溶液３２１ｍｌとをよく混
合し、その後乾燥した。この混合粉末を水素雰囲気下、
１５０℃にて処理した。重量測定より、東海ブラック１
ｇ当たり３３６ｍｇの白金が担持された。

【００２８】この白金担持東海ブラック４８ｇ、トリト
ンＸ−１００〔和光純薬（株）製商標〕２．５ｇ、蒸留
水７００ｇ、ポリフロンＤ−２〔ダイキン（株）製登
録商標〕２６ｇ、および５重量％のナフィオン溶液〔ア
ルドリッチ社製商標〕７２．６ｇを加えて３０分間攪
拌混合した。各成分の重量分率はカーボン０．６５１、
撥水剤０．２８３、プロトン導伝材０．０６６である。
この混合物を熱風乾燥器中１００℃にて乾燥した。得ら
れた粉末をミルにて細粉し、その中から５ｇ秤量した。
窒素雰囲気下でこれにソルベントナフサ〔キシダ化学
（株）製〕３２ｍｌ加え、混合後、サス３０４板上にて
成膜した。この膜を減圧乾燥した後、窒素中２５０℃で
１時間処理した。得られた触媒層の厚さは２００μｍで
あり、この触媒層から１０ｃｍ²を切り出し重量を測定
したところ０．２２２ｇであった。触媒担持量は４ｍｇ
／ｃｍ²であった。この触媒層を電極として用いた。

【００２９】この電極２枚と厚み１００μｍのＡｃｉｐ
ｌｅｘ膜〔旭化成工業（株）製登録商標〕交換容量
１．００μｍとの接合を１４０℃、９０秒間ホットプレ
スにて行い、本発明の燃料電池を作製した。

【００３０】

【比較例１】東海ブラック＃５５００〔東海カーボン
（株）製商標〕３６ｇ、トリトンＸ−１００〔和光純
薬（株）製商標〕２．５ｇを水７００ｇに加え、室温
で３０分間攪拌混合した。次にこの混合物にポリフロン
Ｄ−２〔ディキン（株）製商標〕２６ｇ添加し３０分
間攪拌混合した。この混合物を熱風乾燥器中１００℃、
２日間乾燥した。得られた粉末をミルにて細粉し、この
中から５ｇ秤量した。これにソルベントナフサ〔キシダ
化学（株）製〕３２ｍｌ加え、混合後、サス３０４板上
にて成膜した。この膜を熱風乾燥器中で２５０℃、１時
間、更に３５０℃、５分間焼成した。得られた膜に塩化
白金酸〔和光純薬（株）製特級〕とエタノール〔和光
純薬（株）製特級〕から調製した１０重量％溶液を含
浸させた後乾燥し、更に水素雰囲気下、１５０℃にて還
元反応を行った。白金担持量は４ｍｇ／ｃｍ²であっ
た。この触媒層から１０ｃｍ²を切り出し重量を計った
ところ２０８ｇであった。この触媒層に５重量％のナフ
ィオン溶液〔アルドリッチ社製〕を０．２４ｇ含浸さ
せ、乾燥して電極を作製した。重量を測定したところ
０．２１１ｇであった。この電極を用い実施例１と同じ
くＡｃｉｐｌｅｘ膜との接合を行った。

【００３１】このようにして作成した燃料電池を図３に
示した単セル評価装置にてその出力性能を評価した。酸
素ガスと水素ガスを用い、ガス流量はＨ₂１００ｍｌ／
ｍｉｎ、Ｏ₂５０ｍｌ／ｍｉｎ、セル温度５５℃、加湿
温度７０℃、常圧の条件下で実施した。その結果を図１
に示した。

【００３２】

【実施例２】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）１．１１ｇ、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液２ｇを加え、マグネチィックスターラー（三
田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均一なぺ
ースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン
０．５６６、撥水剤であるポリテトラフルオロエチレン
０．３７７、プロトン導伝材０．０５７である。

【００３３】ポリテトラフルオロエチレンシートである
ナフロン（ニチアス株式会社製登録商標）厚さ０．０
５ｍｍで１０ｃｍ²の面積に切り出し、この上面に、前
述のペースト状物を塗布し、１００μｍ厚さに成膜し
た。このペースト状物の成膜２枚で、厚さ５０μｍ交換
容量１．００ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホ
ン酸膜であるＡｃｉｐｌｅｘをはさみ、卓上プレス器
（テスター産業株式会社製）を用いて、８０ｋｇ／ｃｍ
²、１４０℃にて９０秒間プレスした。その後、得られ
た接合体からナフロンを取り除いた。

【００３４】

【実施例３】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）１．６７ｇ、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液２ｇを加え、マグネチィックスターラー（三
田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均一なぺ
ースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン
０．４７６、撥水剤であるポリテトラフルオロエチレン
０．４７６、プロトン導伝材０．０４８である。

【００３５】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。

【００３６】

【実施例４】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）０．７１ｇ、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液２ｇを加え、マグネチィックスターラー（三
田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均一なぺ
ースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン
０．６５４、撥水剤であるポリテトラフルオロエチレン
０．２８０、プロトン導伝材０．０６５である。

【００３７】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。

【００３８】

【実施例５】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）１．１１ｇ、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液１．０ｇを加え、マグネチィックスターラー
（三田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均一
なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カー
ボン０．５８３、撥水剤であるポリテトラフルオロエチ
レン０．３８８、プロトン導伝材０．００５である。

【００３９】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。

【００４０】

【実施例６】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、パーフルオ
ロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工
業株式会社製登録商標）交換容量１．１９ｍｅｇ／ｇ
の５重量％エタノール／水（５０重量対５０重量）溶液
１．０ｇを加え、マグネチィックスターラー（三田村理
研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均一なぺースト
状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン０．９
５２、プロトン導伝材０．０４８である。

【００４１】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。

【００４２】

【比較例２】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）１．１１ｇ、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液８．０ｇを加え、マグネチィックスターラー
（三田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均一
なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カー
ボン０．４８３、撥水剤であるポリテトラフルオロエチ
レン０．３２２、プロトン導伝材０．１９４である。

【００４３】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。

【００４４】

【比較例３】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）１．１１ｇ、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液３．０６ｇを加え、マグネチィックスターラ
ー（三田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均
一なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カ
ーボン０．５０８、撥水剤であるポリテトラフルオロエ
チレン０．３３９、プロトン導伝材０．１５３である。

【００４５】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。

【００４６】

【比較例４】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）２．０ｇ、パ
ーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液２．４１ｇを加え、マグネチィックスターラ
ー（三田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均
一なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カ
ーボン０．３７７、撥水剤であるポリテトラフルオロエ
チレン０．５６６、プロトン導伝材０．０５７である。

【００４７】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。

【００４８】

【比較例５】純水２ｇに白金２０重量％担持カーボンブ
ラック（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）１．２０ｇ、ポリフロン
Ｄ−２（ダイキン株式会社製登録商標）０．８９ｇ、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるＡｃｉｐｌｅｘ
（旭化成工業株式会社製登録商標）交換容量１．１９
ｍｅｇ／ｇの５重量％エタノール／水（５０重量対５０
重量）溶液２．４１ｇを加え、マグネチィックスターラ
ー（三田村理研株式会社製）にて室温２時間攪拌し、均
一なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カ
ーボン０．５５１、撥水剤であるポリテトラフルオロエ
チレン０．３６７、プロトン導伝材０．０８３である。

【００４９】得られたペースト状物及び交換容量１．０
０ｍｅｇ／ｇのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成工業株式会社製登録商標）
を用いて、実施例２と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。上記実施例２〜実施例６で作製した接合体及び比
較例２〜比較例５で作成した接合体を用いて、図３に示
した単セル評価装置にて出力性能を評価した。酸素ガス
と水素ガスを用い、ガス流量はＨ₂２００ｍｌ／ｍｉ
ｎ、Ｏ₂４００ｍｌ／ｍｉｎ、ガス圧力は両ガス共５気
圧、加湿器及びセル温度は９５℃である。得られた結果
を図４〜図７に示した。

【００５０】

【発明の効果】本発明の燃料電池では、出力性能が大き
く向上している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１及び比較例１の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。

【図２】固体高分子電解質型燃料電池の接合体を示す説
明図である。

【図３】実施例及び比較例で用いた接合体評価装置を示
す説明図である。

【図４】実施例２及び比較例２の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。

【図５】実施例３及び実施例４の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。

【図６】実施例５及び比較例３の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。

【図７】実施例６、比較例４及び比較例５の評価結果の
電流密度対セル電圧を示すグラフ図である。

【図８】触媒層の触媒を担持している炭素材料、テトラ
フルオロエチレン、パーフルオロカーボンスルホン酸の
重量分率を示す組成図である。

【図９】実施例２と比較例１の触媒層の電子プローブマ
イクロアナリシスの結果を示す図である。

【符号の説明】

１酸素極ガス拡散電極２水素極ガス拡散電極３固体高分子電解質膜４燃料電池セル５加湿器６純水

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質であるイオン交換膜と、触媒層を
有するガス拡散電極とを接合した燃料電池において、該
触媒層が少なくとも触媒担持導電材と撥水剤とプロトン
導伝材とを混合し、その後成形することにより該触媒層
の厚さ方向を含む全領域にプロトン導伝材が存在するこ
とを特徴とし、かつ該触媒層内で、触媒を担持している
導電材と撥水剤とプロトン導伝材の三者の重量分率が、
導電材０．４００〜０．９９５，撥水剤０〜０．５５
０，プロトン導伝材０．００５〜０．０８０であること
を特徴とする高性能な高分子電解質型燃料電池。