JPH09265996A - 燃料電池の電極構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】固体高分子型燃料電池において、発電効率を有
効にすることができ、しかもコスト的にも有利な燃料電
池の電極構造を提供する。 【解決手段】カソード電極側の触媒層全体として約４０
μｍの厚さを有する。触媒層４３の電解質膜側表面に
は、スパッタリングによって白金担持カーボンブラック
スパッタ触媒層が形成される。本発明では賦活処理によ
ってカーボンブラックの比表面積は大幅に増大してお
り、表面には微細ポアが無数に存在する。このためスパ
ッタリングによって白金を含む触媒物質含有材料が賦活
カーボンブラックに付着する触媒層の影響領域は、約５
μｍの範囲に及ぶ。従って触媒物質含有材料担持賦活カ
ーボンブラック触媒層は本例では、約５μｍとなる。し
たがって触媒層（２０Ｐｔ／Ｃ（重量パーセント））の
厚さの部分は約３５μｍとなる。この触媒層における白
金の平均粒径は約２．５ｎｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電解質膜型燃料電池の
電極の構造及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は電解質を介しての酸化還元反
応に基づく電力をさまざまな用途に利用しようとするも
のであって、このために電解質の両側に電極を配し反応
ガスを供給するとともに、電力を回収できるように構成
している。燃料電池の１つの形態として固体高分子型燃
料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、一般
的に、水素イオン導電性の固体高分子電解膜を白金触媒
を担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電素
子すなわち固体高分子−電極接合体及び反応ガスを供給
するためのガス通路溝が設けられ、発電素子を両側から
支持するガス分離部材とを積層した構造を有する。そし
て、一方の電極に燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化
剤ガスを供給して、燃料ガスと酸素の化学エネルギーを
直接電気エネルギーに変換することによって電気エネル
ギーを抽出するようになっている。固体高分子型燃料電
池において、水素と酸素による電気化学反応が生じると
電極間に電流が発生するとともに、カソード側に水が生
成する。そして、固体高分子型燃料電池においては、他
の燃料電池と比較して動作温度が約８０℃と比較的低温
であるために、可搬型の電源、特に電気自動車用のパワ
ーソースに適している。

【０００３】しかし、自動車用として用いる場合には、
燃料である水素ガスは、可搬型のタンク又は可搬型の改
質装置等により自動車で確保する必要がある。一方、酸
化剤ガスとしては、システムの軽量化、コスト面等の理
由から空気が使用される。この場合、純酸素に比較して
酸素分圧が約１／５と低下するので、燃料電池の反応の
中で酸素還元反応速度及び物質移動の問題が生じる。こ
の問題に対して、一般的には、空気を圧縮して燃料電池
に供給する方法が取られる。しかし、この場合、空気圧
縮装置を駆動するためのエネルギーを消費するために、
その分、燃料電池全体のエネルギー効率は低下すること
に注意すべきである。このような事情に鑑み、低酸素分
圧下でも高いエネルギー効率を達成するために、さまざ
まな手法が提案されている。たとえば、触媒物質（８０
℃程度の低温状態で酸化還元反応に対し活性を有するの
は通常は白金触媒である）を微粒化させることによって
触媒活性を向上させること、耐腐食カーボン担持によっ
て触媒物質の定着性を向上させること、アノードガス、
カソードガスをイオン伝導体、触媒物質及び反応ガスと
からなる三界相反応領域において触媒物質を偏在させる
白金スパッタ薄膜を形成することによって触媒活性を向
上させること、等が知られている。触媒活性は電極にお
ける触媒層の形成方法に依存する。

【０００４】触媒層を形成する手法として、特開平７−
５７７３８号公報には、触媒粉とＰＴＦＥ粉とをカーボ
ン基材またはフィルター上に成形した後、焼成圧着する
ことによって触媒層を形成することが開示されている。
また、白金スパッタ薄膜を触媒層表面に形成することに
よって触媒の電気化学的特性を発揮する表面積が向上
し、酸素還元反応活性が向上する。しかし、白金スパッ
タ薄膜を触媒層表面に形成することについては以下のよ
うな問題がある。すなわち電極の固体高分子電解質膜表
面に形成した白金スパッタ薄膜が触媒層表面を覆い、こ
れによって水分等の移動を阻害することによって燃料電
池の全体の発電効率を改善することができなくなるとい
う問題である。特に従来の方法で形成された白金スパッ
タ薄膜を備えた触媒層においては、スパッタのクラスタ
ーが平均的に１００ｎｍ程度と大きい。このために触媒
としての電気化学的活性表面積を有効に増大させること
ができず、スパッタ薄膜が本来的に狙いとする高活性化
を有効に達成することができない。

【０００５】

【解決しようとする課題】本発明は、以上のような事情
に鑑みて構成されたもので、独特の手法によって触媒層
を形成することによって燃料電池の発電性能を改善する
ことができ、しかもコスト的にも有利な燃料電池の電極
構造を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明は、固体高分子電解質膜の一方の側にアノード側触媒
電極を設け、他方の側にカソード側触媒電極を設けた燃
料電池の電極構造において、有効径が約１０〜１００オ
ングストロームの微細ポアを表面に形成した賦活カーボ
ンブラックに触媒物質を担持させた触媒層を備えたこと
を特徴とする。好ましくは、前記触媒物質は白金または
白金含有合金とまたはこれらとカーボン粒子との複合体
である。この場合、触媒物質をスパッタリングで担持さ
せるのが好適である。さらに本発明の別の特徴によれ
ば、カーボンブラックを賦活処理し、賦活処理したカー
ボンブラックを基板に塗布して賦活処理カーボンブラッ
ク担持体層を形成し、該担持体層表面に白金または白金
含有合金またはこれらとカーボン粒子との複合体をスパ
ッタリング処理を施すことによって触媒層を形成するこ
とを特徴とする燃料電池の電極の製造方法が提供され
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】燃料電池の電極反応は、電解質膜
の両側の触媒層の内部で生じ、その反応が活発であるほ
ど燃料電池から取り出すことができるエネルギーは増大
する。すなわち、燃料電池の性能は向上する。しかし、
上記電極反応によって生じる電流は、触媒層の厚さ方向
に一様ではなく、電解質膜の界面に近い位置ほど活発で
あり、界面から離れるにしたがって、反応活性は低下す
る。本発明はこのような燃料電池における電極反応現象
の実態に着目してなされたものであって、電極反応の最
も活発に生じる電解質膜界面近傍の触媒層領域において
より活発な反応を促すように構成するものである。すな
わち、本発明によれば、触媒層の電解質膜近傍において
は、電極反応が促進される環境を作るためにカーボンブ
ラックをアルカリあるいは水蒸気によって賦活処理し、
比表面積を処理前の約２〜３倍にした後、触媒物質ある
いは触媒物質を含む合金あるいは、これらと親水性材料
粒子たとえばカーボン粒子との複合材料からある触媒物
質含有材料をスパッタリングによって成層された賦活処
理カーボンブラックの表面から触媒物質含有材料を担持
させる。上記の賦活処理カーボンブラックは表面に１０
〜１００程度の有効径の微細ポアを無数に有する構造と
なっている。したがってスパッタリング操作によって触
媒物質含有材料の粒子は、賦活処理カーボンブラック担
持体の表面の微細ポアによって担持される。

【０００８】触媒物質は、代表的には白金または白金合
金（Pt/Cr,Pt/Co,Pt/Rh,Pt/Ni)等であり、塩還元法など
で導電性と耐腐食性を有するカーボンブラックを担持体
として上記触媒物質を担持させたものを使用する。本発
明の手法によって形成された白金−賦活カーボンブラッ
ク、白金合金−賦活カーボンブラック、白金カーボンブ
ラック複合体−賦活カーボンブラックあるいは白金含有
合金カーボンブラック複合体−賦活処理カーボンブラッ
クの組織からなる触媒層は、極めて高い触媒活性を有す
る。カーボンブラックの賦活処理として任意の手法を用
いることができるが、水蒸気賦活、アルカリ賦活がよく
知られており、アルカリ賦活処理は、水酸化アルカリと
を混合して活性温度に加熱して処理する。なお、賦活処
理自体は公知であるので本発明の内容を構成しない。賦
活処理によってカーボンブラックの比表面積が約２〜３
倍に増大し、この比表面積の増大した賦活処理カーボン
ブラックを触媒担持体として使用することが本発明の特
徴である。好ましい態様では、上記の高い触媒活性を有
する触媒層の形成に際して、上記の触媒物質密度を高め
る操作に対応して高いイオン伝導体密度を与える。

【０００９】本発明にかかる高活性の触媒層を有する電
極は、好ましい態様では、燃料電池のカソード電極とし
て使用される。このようにして形成されたカソード電極
においては、アノード側から電解質膜を介して移動して
きたプロトンすなわちＨ⁺ とアノード電極において集電
されて外部仕事をして外部回路を経由してカソード電極
に供給される電子とのカソード側における結合を最も効
率的に行わせることができる。すなわち酸化還元反応速
度を高く維持することができるとともに、燃料電池の電
解質膜及びその両側に配置される触媒層、拡散層を通じ
ての物質移動抵抗を極力低く抑えることができるもので
ある。

【００１０】触媒物質密度は触媒物質と担持体との重量
比を変化させることによって調節することができる。ス
パッタリング操作を行なうための原料として、触媒物質
と組み合わされる複合材料は、カーボンブラックのよう
な親水性材料であることが好ましい。このように親水性
材料と白金とを組合せることによって、良好な物質移動
特性を容易に確保できるという利点がある。したがっ
て、代表的には、上記のような触媒物質、触媒物質含有
合金あるいは、触媒物質−親水性材料との複合材料を使
用して通常の触媒層の表面にスパッタリングによって触
媒物質含有材料担持賦活カーボンブラックの触媒層を形
成する。上記のイオン伝導体としてはスルホン酸基を有
するフッ素樹脂などがあげられる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 （本発明の実施例にかかる固体高分子電解質膜電極接合
体）全体構造 図１には、本発明の１実施例にかかる単一の固体高分子
電解質膜電極接合体からなる燃料電池の断面の概略が示
されている。本例の燃料電池１は中央に固体高分子電解
質膜２を備えその一方の側に燃料としての水素が供給さ
れる酸化電極すなわちアノード電極３、他方の側に還元
反応用の酸素源としての空気が供給される還元極すなわ
ちカソード電極４を備える基本構造になっている。アノ
ード電極３は、カーボンクロス３１、その内側に拡散層
３２さらにその内側に触媒層３３を積層して接合するこ
とによって構成されている。そして、アノード電極３の
外側には、ガスの分離及び発電した電力の集電機能を有
する溝付ガス分離板３０が設けられている。溝付ガス分
離板３０は、内部を燃料ガスである水素ガスがプロトン
Ｈ⁺ を電解質膜側に供給しつつ流通するアノードガス通
路３４を画成するための深さ約１ｍｍの溝を備えてい
る。

【００１２】アノード電極３と溝付ガス分離板３０とで
アノード側電極接合体を構成する。カーボンクロス３１
の拡散層３２との面接触部は、水素分子から発生する電
子を集電する集電部を構成する。カソード電極側も同様
な構成になっており、カーボンクロス４１、拡散層４
２、触媒層４３の積層接合構造を有する。そしてカーボ
ンクロス４１の外側には溝付ガス分離板４０を備えてお
り、酸素ガスが外部に漏れ出ないようにまた、カーボン
クロス表面を屈曲しつつ延びる溝をガスがショートパス
しないように分離を行なう役割をもつ。そして、溝付ガ
ス分離板４０は、電解質膜側からのプロトンＨ⁺ と接触
して水を生成する酸素を流通させるカソードガス通路４
４を画成する溝を有している。カソード電極４と溝付ガ
ス分離板４０とでカソード側電極接合体を構成する。上
記構成によって図１に概念的に示すようにアノード側か
ら電解質膜２を介して移動してきたプロトンすなわちＨ
⁺ とアノード電極３において集電されて外部仕事をして
外部回路を経由してカソード電極４に供給される電子と
のカソード電極側で結合される。すなわちアノード電極
側では、水素分子が電子を奪われることによってプロト
ンＨ⁺ が発生し、カソード電極側では、電解質膜２を介
して伝導されたプロトンＨ⁺ と外部負荷を有する外部回
路からの電子とカソードガス通路から供給される酸素分
子とが反応して水分子が生成する。カソード電極４の中
間の電解質膜２から各電極３、４に至る積層状態の詳細
が図２に示されており、電解質膜２の外側には触媒層４
３が設けられ、その触媒層の電解質膜側表面には、白金
−カーボンブラック複合スパッタ薄膜４３１が形成され
ている。そして、その外側に拡散層４２が設けられ、さ
らにその外側にカーボンクロス４１が接合されて電極４
が構成され、その外側に溝付ガス分離板４００が接合さ
れることによってカソード側電極接合体が構成される。

【００１３】カーボンクロス カーボンクロス３１、４１は、固体高分子電解質膜電極
接合体において、溝付ガス分離板３０、４０のすぐ内側
に配置される電極部分の基層を成す部分であって、基本
的に上記のアノード電極反応、カソード電極反応にかか
る電子の移動を担う集電部材としての役割を持つ。さら
に、各電極３、４における物質移動、特にアノードガ
ス、カソードガスをイオン伝導体、触媒物質及び反応ガ
スとからなる三界相反応領域に対して効果的に供給する
ことができるようになっていること、およびカソード電
極４において発生する水分の排出を効果的に行うことが
できるようになっていることが望ましい。

【００１４】本例においては、アノード側カーボンクロ
ス３１およびカソード側カーボンクロス４１はいずれも
カーボン繊維を織って構成されるカーボンクロスを用い
る。本例において電極として使用されるカーボンクロス
は米国Ｅ−ＴＥＫ社製の商品名: “Ａ”Cloth であり、
重量は、１１６ｇ／ｍ² 、厚さは、約０．３５ｍｍであ
る。本例の電極を構成するに当たってフッ素樹脂（ポリ
テトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥという））分散
溶液（約０．２μｍ程度の粒径のＰＴＦＥが５４〜５５
重量パーセント含まれており、所定量の界面活性剤とと
もに安定分散している（三井・デュポンフロロケミカル
（株）から商品名TEFLON FEP120-Ｊとして提供されてい
る））によってカーボンクロスの表面処理を行い撥水性
を付与した。このカーボンクロスの撥水化処理は、ＰＴ
ＦＥを界面活性剤とともに分散させた溶液を脱イオン水
で４９重量％に希釈した溶液中に上記カーボンクロスを
５分間浸した後濾紙で余分な溶液を拭き取り、その後、
窒素雰囲気の電気炉中で温度約３４０℃で１時間ＰＴＦ
Ｅを焼結させた。拡散層 拡散層は、カーボンクロスの内側に触媒層と接触するよ
うに設けられるものであって、電極と同様に触媒層に対
し、および触媒層からの物質移動が効果的に行われるよ
うに機能する必要があるとともに、触媒層と電極との間
に介在する媒体として集電機能を効果的に発揮するもの
でなければならない。本例では、拡散層は、賦活処理カ
ーボンブラックとＰＴＦＥとの焼結体として構成されて
いる。両者の重量比は、６：４であり、その単位面積当
たりの密度は、それぞれ２．４ｍｇ、１．６ｍｇであ
る。なお、カーボンブラックとしては、Cabot Corporat
ion から提供されている商標名Vulcan XC-72( 表面積２
５０ｍ²／ｇ）を賦活処理した賦活カーボンブラック
（比表面積約６００ｍ² ／ｇ）を用いた。

【００１５】拡散層の製造 賦活カーボンブラック３１５ｍｇと上記市販のＰＴＦＥ
分散溶液３８９ｍｇを４０ｍｌの純水および４０ｍｌの
イソプロパノールとともに混合し、超音波洗浄器を用い
て分散させた。この分散調製液を上記の電極として撥水
処理したカーボンクロス上にスプレーを用いドライヤー
を用いて乾燥させながら吹きつけた。上記分散溶液がカ
ーボンクロス上に付着する率は５〜３０％である。吹き
つけ完了後、約５０ｋｇのローラーによって拡散層を形
成したカーボンクロスを約０．２〜０．５ｍｍの厚さに
圧縮した。次に、上記の窒素雰囲気の電気炉中で約３０
０℃〜３５０℃で約１時間ＰＴＦＥを焼結させることに
よってカーボンクロス上に拡散層を形成した。

【００１６】触媒層 （カソード電極側）本例では、カソード電極側の触媒層
全体として約４０μｍの厚さを有する。触媒層４３の電
解質膜側表面には、スパッタリングによって白金担持カ
ーボンブラックスパッタ触媒層が形成される。上記のよ
うに本発明では賦活処理によってカーボンブラックの比
表面積は大幅に増大しており、表面には微細ポアが無数
に存在する。このためスパッタリングによって白金を含
む触媒物質含有材料が賦活カーボンブラックに付着する
触媒層の影響領域は、約５μｍの範囲に及ぶ。従って触
媒物質含有材料担持賦活カーボンブラック触媒層は本例
では、約５μｍとなる。したがって触媒層（２０％Ｐｔ
／Ｃ（重量パーセント））の部分の厚さは約３５μｍと
なる。この触媒層における白金の平均粒径は約２．５ｎ
ｍである。各触媒層の組成は、図３に示す通りである。
なお、図３において、Nafionは、デュポン社から提供さ
れる電解質膜の商品名にかかるポリマー含有液であり、
そのポリマーの構造は、図４に示すAciplex-S(1004) と
類似の構造を有する。このポリマー含有液Nafionは、水
とエタノールを等量混合した溶液中に所定量のポリマー
を分散させたものである。本例では、ポリマーの濃度
は、５ｗｔパーセントのものを使用している。カソード
電極側の触媒層の製造について説明する。触媒層を形成
するに当たってまず、所定量の原料を含む分散溶液を調
製する。触媒層４３については、重量比２０パーセント
の白金を担持したカーボンブラックを賦活処理し、この
賦活カーボンブラックを１６０ｍｇ、重量比５５％のＰ
ＴＦＥ分散溶液（TEFLON FEP120-Ｊ）を１５８ｍｇとを
調製し、これを純水４０ｍｌおよびイソプロパノール４
０ｍｌと混合し超音波洗浄器を用いて分散させた。上記
ＰＴＦＥ分散溶液中においては約０．２μｍ程度の粒径
のＰＴＦＥが５４〜５５重量パーセント含まれており、
所定量の界面活性剤とともに安定分散している。

【００１７】つぎに、上記で調製した分散溶液をスプレ
ーを用いて上記の拡散層を形成した半製品の拡散層の面
上に吹きつけて、触媒層４３を形成した。そして、上記
拡散層形成の場合と同様に、窒素雰囲気の電気炉中でＰ
ＴＦＥのガラス転移温度付近（約３００〜３５０℃）で
ＰＴＦＥの焼結処理を約１時間かけて行った。次に触媒
層４３が表面に形成された拡散層−カーボンクロス接合
体に白金を原料とするスパッタリングを施すことによっ
てスパッタ薄膜を形成した。スパッタリングは低圧アル
ゴン雰囲気中（２．７Ｐａ）で行い、加速電圧は、１．
８ｋＶ、プレート電流は、８０ｍＡであった。この場合
堆積速度は０．３μｇ／ｃｍ²／ｓであった。最終的に
スパッタ領域中のスパッタ白金量は、０．０５ｍｇ／ｃ
ｍ² であった。なおスパッタ領域中のカーボンブラック
量は白金と原子数比でほぼ同量であった。次に上記のよ
うにして形成したカーボンクロス４１、このカーボンク
ロス４１上の拡散層４２、拡散層上の触媒層４３からな
る固体高分子電解質膜電極接合体半製品のスパッタ薄膜
の表面上から上記の高分子電解質溶液Nafionを塗布し
た。本例では、Nafionを適当なブラシに浸漬してNafion
を含ませてスパッタ薄膜４３１の表面に塗布した。塗布
量は約０．６ｍｇ／ｃｍ² であった。

【００１８】（アノード電極側）本例のアノード電極側
の触媒層は触媒密度を均一とした単一層から構成されて
いる。そして、上記のカーボンブラック（Vulcan XC-7
2）に白金を担持したもの（２０％Ｐｔ／Ｃ、平均白金
粒径２．５ｎｍ）を０．４ｍｇ／ｃｍ² となるように触
媒層を上記カソード側の触媒層を形成する手法と同じ要
領で、分散液の拡散層表面への吹きつけおよびその後の
ＰＴＦＥの焼結処理を行なうことによって形成した。こ
の場合、カーボンブラックの量は、触媒層、拡散層あわ
せて約４．０ｍｇ／ｃｍ² 程度となるように調製した。
そしてアノード側電極接合体全体として約０．３５ｍｍ
程度とした。電解質膜 固体高分子電解質膜は、無孔性の高分子材料であって、
フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦ
Ｅという））から構成することができる。本例の電解質
膜は、旭化成（株）から提供される商品名: Aciplex-S
(1004) である。その厚さは、約２〜６ｍｉｌ（約５０
〜１５０μｍ）程度である。この化学構造は、図４に示
す通りである。上記したように固体高分子型燃料電池に
おける基本的な動作によれば、アノード電極で燃料ガス
である水素から電子が奪われる反応が生じ、これによっ
て電子と水素イオン（プロトンＨ⁺ ）が発生し、電子は
負荷を通り、一方プロトンＨ⁺は、電解質膜中を伝導し
てカソード電極に到達する。カソード電極において、プ
ロトンＨ⁺ は、酸素の反応することによって反応水を生
成する。すなわち、電解質膜は上記の基本動作から明ら
かなようにプロトンＨ⁺ をカソード側に伝導する役割を
果たすとともに、未反応水素ガスが分子状態でカソード
側に進入することを防止する役割を持つものである。な
おプロトンＨ⁺ が電解質膜中をカソード側に向かって移
動する場合には水分子を媒体として移動するので、電解
質膜は、このための水分子を保有する水分子保有機能も
有していなければならない。また、イオン伝導体基（本
例ではスルホン酸基）を有する電解質膜では単位重量当
たりのスルホン酸基の重量の比すなわちスルホン酸基当
量は、約５００〜１５００（ｇ／ｅｑ）でことが好まし
い。電解質膜は、（１）プロトンＨ⁺ の伝導機能、
（２）アノードガス通路の水素ガスとカソードガス通路
の酸素ガス（空気）とを隔離するためのセパレーション
機能、および（３）所定の保水機能を有する必要がある
この条件を満たすものであれば、任意のものを使用する
ことができる。電解質膜のアノード側にはアノード側触
媒層、カソード側にはカソード側触媒層が形成される。

【００１９】電極接合体の形成 上記のようにしてアノード側電極接合体およびカソード
側電極接合体を構成した後、カソード側電極接合体およ
びアノード側電極接合体をそれぞれ触媒層側が対面する
姿勢で向き合わせ、その間に固体高分子電解質膜を挟ん
で接合した。そして、プレス治具を用いて固定し、約１
５５℃の温度で電極接合体の単位面積当たり約２５ｋｇ
ｆ／ｃｍ² の圧力でホットプレスすることにより固体高
分子電解質膜電極接合体を製造した。

【００２０】（比較例にかかる固体高分子電解質膜電極
接合体）比較例の構成では、カソード側電極もアノード
側電極と同様に単一の触媒層から構成した。触媒層を形
成するために実施例と同様に分散溶液を調製した。この
場合、白金担持カーボンブラック（Vulcan XC-72）は白
金重量比Ｐｔ／Ｃ２０パーセントを１６０ｍｇ、ＰＴＦ
Ｅ分散溶液（FEP120-J) １５８ｍｇを用いて上記と同様
に分散液を調製し、スプレーによる吹きつけによって触
媒層を形成した。なお、吹きつけによる分散液の付着率
は吹きつけ量の１５〜２０％である。その後同様に焼結
処理を行なった。他の構成は、実施例と同じである。こ
のようにして形成した実施例および比較例にかかる固体
高分子電解質膜電極接合体からなる燃料電池による発電
の実験を行った。本発明の実施例にかかる燃料電池で
は、比較例にかかるものに比して発生電圧に関し、５０
０ｍＡ／ｃｍ² において約２０ｍＶ程度高くなることが
判明した。このことは、燃料電池の発電効率が約６０％
から６３％に向上することを意味するものである。単一
の固体高分子電解質膜電極接合体からなる燃料電池構成
におけるこの実験結果によれば、多数の積層構造から成
る燃料電池においては発電効率の向上は顕著なものとな
る。なお、本例では、カソード電極側の触媒層を触媒密
度が異なる２層によって構成したが、さらに多くの密度
が異なる層を積層して構成することもできる。この場合
場合、電解質膜側の触媒密度が高くなるように積層す
る。また、本例では、アノード電極は単一の均一な触媒
密度を有する触媒層によって形成したが、かならずしも
このようにする必要はなく、カソード電極と同様に複数
の触媒密度の異なる層を積層して構成することもでき
る。

【００２１】さらに、本例では、触媒密度の異なる層を
それぞれ積層することによって、触媒層を構成したが、
触媒密度勾配が電解質膜側から拡散層側に向かって減少
するような構成であれば単一の層であってもよい。さら
に、触媒層の製造において、上記のような触媒勾配が得
られる手法であれば、スプレー、ブラシ塗布によらず薄
い１０〜１００μｍ程度の薄い層を形成するために、公
知の任意の手段を用いることができる。

【００２２】

【発明の効果】上記したように、本発明では、固体高分
子電解質膜燃料電池において、簡単な構成でしかも製造
コストを増大させることなく、発電効率の向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例にかかる固体高分子型燃料電
池の電極接合体の概略断面図、

【図２】図１の燃料電池の各層の積層状態を示す断面図

【図３】カソード側触媒層の組成を示すグラフ、

【図４】イオン伝導体を構成するＰＴＦＥの構造の一例
を示す図、

【図５】燃料電池の特性を示すための電圧と電流密度と
の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ 固体高分子電解質膜 ３ アノード電極 ４ カソード電極 ４３、３３ 触媒層 ４３１ 白金含有物質担持賦活カーボンブラック触媒
層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜の一方の側にアノード
   側触媒電極を設け、他方の側にカソード側触媒電極を設
   けた燃料電池の電極構造において、 有効径が約１０〜１００オングストロームの微細ポアを
   表面に形成した賦活カーボンブラックに触媒物質を担持
   させた触媒層を備えた電極構造。
2. 【請求項２】請求項１において、前記触媒物質が白金ま
   たは白金含有合金とカーボン粒子との複合体であること
   を特徴とする電極構造。
3. 【請求項３】請求項１または２において、触媒物質をス
   パッタリングで担持させたことを特徴とする電極構造。
4. 【請求項４】カーボンブラックを賦活処理し、 賦活処理したカーボンブラックを基板に塗布して賦活処
   理カーボンブラック担持体層を形成し、 該担持体層表面に白金または白金含有合金またはこれら
   とカーボン粒子との複合体をスパッタリング処理を施す
   ことによって触媒層を形成することを特徴とする燃料電
   池の電極の製造方法。