燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池
【課題】白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池用電極触媒層は、導電性担体と導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、電極触媒を被覆するアイオノマとを含む。白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下である。アイオノマの平均厚さが２．４ｎｍ以下である。
燃料電池用電極は、燃料電池用電極触媒層を有する。
燃料電池用膜電極接合体は、燃料電池用電極を有する。
燃料電池は、燃料電池用膜電極接合体を備える。
【解決手段】燃料電池用電極触媒層は、導電性担体と導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、電極触媒を被覆するアイオノマとを含む。白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下である。アイオノマの平均厚さが２．４ｎｍ以下である。
燃料電池用電極は、燃料電池用電極触媒層を有する。
燃料電池用膜電極接合体は、燃料電池用電極を有する。
燃料電池は、燃料電池用膜電極接合体を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池に関する。
更に詳細には、本発明は、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池に関する。
このような燃料電池は、例えば車両などに適用することができる。また、このような燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、一般的に、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。
この単セルはそれぞれ、高分子電解質膜（例えば、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標、デュポン社製）膜）及びこれを挟持する一対（アノード、カソード）の電極触媒層を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。
また、この単セルはそれぞれ、更に膜電極接合体を挟持し、供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）を含む膜電極ガス拡散層接合体を有することもある。
そして、個々の単セルが有する膜電極接合体や膜電極ガス拡散層接合体は、セパレータを介して隣接する他の単セルの膜電極接合体や膜電極ガス拡散層接合体と電気的に接続される。
このようにして単セルが積層・接続されることにより燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能し得る。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の発電メカニズムを簡単に説明する。
固体高分子形燃料電池の運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）が供給される。
その結果、アノード及びカソードのそれぞれにおいて、下記反応式（１）及び（２）で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。
【０００４】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（１）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ…（２）
【０００５】
上記反応式（１）や（２）で表される電気化学反応を促進する触媒成分として、一般的には白金が用いられている。
【０００６】
従来、膜電極接合体の低温環境下における耐久性及び燃料電池の低温始動性を向上させることを目的とする膜電極接合体が提案されている（特許文献１参照。）。
この膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒電極を接合した膜電極接合体であって、少なくとも一方の触媒電極は、触媒とカーボンとアイオノマとを含む第１及び第２の触媒層を備え、第２の触媒層におけるカーボンに対するアイオノマの重量比は、０．４〜０．７５である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２９５３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の膜電極接合体や燃料電池においては、カーボンに対するアイオノマの重量比を調整することにより、触媒層において凍結した生成水に起因して閉塞される２次空孔の気孔率を制御している。
これにより、低温環境下（氷点下）における耐久性や低温始動性は改善されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の膜電極接合体や燃料電池においては、触媒層における触媒量やアイオノマ厚さについて何ら検討されていない。
【０００９】
本発明者らが、触媒量について検討したところ、以下の技術知見（１）及び（２）を得た。
（１）触媒量が多い（例えば、白金有効表面積が大きい、触媒層が厚いなど）場合は、プロトン輸送性が低下して、電圧が低下する。
（２）触媒量が少ない（白金有効表面積が小さい、触媒層が薄いなど）場合は、上記特許文献１に記載の膜電極接合体や燃料電池において制御していた触媒層における気孔率は殆ど電圧に影響を与えない。
【００１０】
そして、本発明者らが、触媒量が少ない場合について更に検討したところ、アイオノマを透過するガス（特に酸素）輸送経路（担体の１次空孔中や表面に存在する触媒へ向かうガス（特に酸素）輸送経路）におけるガス（特に酸素）輸送性の影響が顕在化して電圧が低下する、という新たな課題を見出した。
【００１１】
本発明は、上記新たな課題を解決するためになされたものである。
そして、本発明の目的とするところは、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究を進めた。
そして、その結果、白金有効表面積とアイオノマ厚さとを所定の範囲内にすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明の燃料電池用電極触媒層は、導電性担体と該導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、該電極触媒を被覆するアイオノマとを含む。
そして、本発明の燃料電池用電極触媒層における白金の有効表面積は１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下である。
また、本発明の燃料電池用電極触媒層におけるアイオノマの平均厚さは２．４ｎｍ以下である。
【００１４】
また、本発明の燃料電池用電極は、上記本発明の燃料電池用電極触媒層を有する。
【００１５】
更に、本発明の燃料電池用膜電極接合体は、上記本発明の燃料電池用電極を有する。
【００１６】
更にまた、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用膜電極接合体を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池用電極触媒層を、導電性担体と導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、電極触媒を被覆するアイオノマとを含み、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、アイオノマの平均厚さが２．４ｎｍ以下である構成とした。
そのため、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池のスタックの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の電極触媒層の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】担体（グラファイト化ケッチェンブラック（ＧＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：１５１ｍ２／ｇ）及び担体（ケッチェンブラック（ＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）をそれぞれ用いて形成される燃料電池用電極触媒層Ａ及びＢを有する燃料電池用膜電極接合体を用いて測定した燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度（ＲＨ）依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図５】電極触媒層Ａ（Ａ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】電極触媒層Ａ（Ａ１−３、Ａ２−６、Ａ３−３）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図７】電極触媒層Ａ（Ａ１−１、Ａ２−３、Ａ３−１）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図８】電極触媒層Ａ（Ａ１−２、Ａ２−５、Ａ３−２）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図９】電極触媒層Ｂ（Ｂ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：１．７ｎｍ）、Ｂ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．０ｎｍ）、Ｂ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ｂ４ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．０ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
【図１０】アイオノマの平均厚さと導電性担体におけるアイオノマの被覆率との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０中の（α）アイオノマの平均厚さ４．０ｎｍ、（β）アイオノマの平均厚さ２．０ｎｍ及び（γ）アイオノマの平均厚さ１．０ｎｍの場合におけるアイオノマの被覆構造を分子動力学を適用して解析した結果を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１２】（ａ）電極触媒Ｃ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：粉末）、（ｂ）電極触媒Ｄ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）及び（ｃ）電極触媒Ｅ（導電性担体：アセチレンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）の３方向デジタルスライス像である。
【図１３】白金有効表面積を同じとしたときの電極触媒層の厚さとセル電圧との関係を示すグラフである。
【図１４】電極触媒における白金金属粒子担持濃度と電極触媒層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図１５】各イオン交換当量のアイオノマを適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図１６】各酸性官能基量の導電性担体を適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池について図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池のスタックの概略を示す斜視図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。更に、図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の電極触媒層の構成を模式的に示す断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態において、燃料電池（スタック）１は、膜電極接合体１０と、この膜電極接合体１０を挟持する一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）２０と、膜電極接合体１０及びガス拡散層２０を挟持する一対（アノード、カソード）のセパレータ３０とを有する。
燃料電池（スタック）において、膜電極接合体は発電機能を発揮し、ガス拡散層は供給ガスを分散させ、セパレータは、アノード及びカソードに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを分離すると共に、隣接する膜電極接合体同士を電気的に接続する。
このようにして膜電極接合体が積層・接続されることにより、燃料電池（スタック）が構成される。
なお、燃料電池（スタック）においては、セパレータと後述する固体高分子電解質膜との間や、膜電極接合体とこれと隣接する他の膜電極接合体との間にガスシール部が配置されるが、図１や後述する図２ではこれらの記載を省略する。
また、燃料電池（スタック）においては、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能するマニホールドが配置されるが、図１ではこれらの記載を省略する。
【００２２】
また、図２に示すように、本実施形態において、膜電極接合体１０は、高分子電解質膜１１と、これを挟持する一対の電極触媒層１３とを有する。一対の電極触媒層１３は、それぞれをアノード電極触媒層１３ａ、カソード電極触媒層１３ｃと言うことがある。
また、膜電極接合体１０は、一対のガス拡散層（ＧＤＬ）２０で挟持されている。一対のガス拡散層２０は、それぞれをアノードガス拡散層２０ａ、カソードガス拡散層２０ｃと言うことがある。
更に、膜電極接合体１０及びガス拡散層２０は、一対のセパレータ３０で挟持されている。一対のセパレータ３０は、それぞれをアノードセパレータ３０ａ、カソードセパレータ３０ｃと言うことがある。
また、セパレータ３０は、図１に示すような凹凸状の形状を有する。
セパレータ（３０ａ、３０ｃ）の膜電極接合体１０側から見た凸部はガス拡散層２０と接触している。これにより、膜電極接合体１０との電気的な接続が確保される。
更に、セパレータ（３０ａ、３０ｃ）の膜電極接合体１０側から見た凹部（セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータ３０とガス拡散層２０との間の空間）は、燃料電池（スタック）１の運転時にガスを流通させるためのガス流路（ＧＰａ、ＧＰｃ）として機能する。
具体的には、アノードセパレータ３０ａのガス流路ＧＰａには燃料ガス（例えば、水素など）を流通させ、カソードセパレータ３０ｃのガス流路ＧＰｃには酸化剤ガス（例えば、酸素、空気など）を流通させる。一方、セパレータ（３０ａ、３０ｃ）の膜電極接合体１０側とは反対の側から見た凹部は、燃料電池（スタック）１の運転時に燃料電池（スタック）を冷却するための冷媒（例えば、水）を流通させるための冷媒流路ＣＰとして機能する。
なお、本発明において、上記電極触媒層のみからなるものや、上記ガス拡散層上に電極触媒層を形成してなるものを燃料電池用電極と称する。
【００２３】
更に、図３に示すように、本発明の電極触媒層１３は、導電性担体１３１ａと導電性担体１３１ａの表面に担持された白金を含む金属粒子１３１ｂとを含む電極触媒１３１と、電極触媒１３１を被覆するアイオノマ１３３とを含む。
また、本実施形態において、導電性担体１３１ａは、１次空孔ａを有するものである。
なお、図中の矢印Ａ及びＢは、電極触媒層１３がカソード電極触媒層１３ｃである場合の酸素ガス及びプロトンの移動（流れ）をそれぞれ示す。
また、本発明の電極触媒層はカソード電極触媒層として用いると効果が高く好適であるが、これに限定されるものではなく、アノード電極触媒層として用いることもできる。
更に、本発明においては、白金を含む金属粒子として、白金金属粒子自体をも含む意味に解釈しなければならない。
更にまた、本発明においては、導電性担体として、１次空孔を有するものを適用することが好ましいが、これに限定されるものではない。すなわち、図示しないが、１次空孔を有しないものを適用することもできる。
【００２４】
また、本発明における白金の有効表面積は、１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下であるが、白金担持量を更に下げた場合であっても、良好な電流電圧特性を実現し得るという観点からは、１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下であることが好ましい。しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００２５】
また、本発明におけるアイオノマの平均厚さは、２．４ｎｍ以下であるが、白金担持量を下げた場合であっても、より良好な電流電圧特性を実現し得るという観点からは、２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．７ｎｍ以下であることがより好ましい。しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００２６】
このような構成を有することにより、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層となる。
そして、この燃料電池用電極触媒層を適用した燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池についても、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００２７】
ここで、白金の有効表面積及びアイオノマの平均厚さについて説明する。
まず、「白金の有効表面積（Ｓｐｔｅｆｆ［ｃｍ２・ｃｍ−２］）」は、燃料電池用電極触媒層に含まれる白金量（ｍ［ｍｇｐｔ・ｃｍ−２］）と、電気化学的表面積（ｓｅｆｆ［ｍ２・ｇｐｔ−１］）とを用いた以下の式［１］で表される。
なお、電気化学的表面積は、一般的な手法である、サイクリックボルタンメトリーにおける水素吸着量やＣＯ吸着量に該当する電気量から求められる。
Ｓｐｔｅｆｆ＝ｍ×ｓｅｆｆ…［１］
【００２８】
また、「アイオノマの平均厚さ（ｔ＿ｉｏｎｏｍｅｒ［ｎｍ］）」は、少なくとも導電性担体とアイオノマとを含む混合体として形成される燃料電池用触媒層を有する燃料電池用膜電極接合体を用いて測定した燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度（ＲＨ）依存性を測定した場合の低加湿（ＲＨ３０％以下（以下「ｄｒｙ」と略記することがある。））と高加湿（ＲＨ１００％）との比率（θ（＝Ｃｄｌ＿ｄｒｙ／Ｃｄｌ＿ＲＨ１００％）［−］）と、導電性担体の窒素（Ｎ２）ＢＥＴ比表面積（Ｓ［ｍ２／ｇ＿ｓｕｐｐｏｒｔ］）と、アイオノマの乾燥密度（ρ［ｇ＿ｉｏｎｏｍｅｒ／ｃｍ３］）と、導電性担体に対するアイオノマの質量比（ｗ［−］（＝ｇ＿ｉｏｎｏｍｅｒ／ｇ＿ｓｕｐｐｏｒｔ）とを用いた以下の式［２］で表される。
ｔ＿ｉｏｎｏｍｅｒ＝ｗ／ρ／（Ｓ×θ×１００００）×１０７…［２］
【００２９】
なお、燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度依存性を測定する場合の低加湿と高加湿との比率について、相対湿度３０％と相対湿度１００％との比を採る理由は以下の通りである。
高加湿条件下では、導電性担体と導電性担体表面に吸着した水との、又は導電性担体とアイオノマとの界面に形成された電気二重層が計測される。
一方で、低加湿条件下では、導電性担体とアイオノマとの界面に形成された電気二重層が主として計測される。
図４は、担体（グラファイト化ケッチェンブラック（ＧＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：１５１ｍ２／ｇ）及び担体（ケッチェンブラック（ＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）をそれぞれ用いて形成される燃料電池用電極触媒層Ａ及びＢを有する燃料電池用膜電極接合体を用いて測定した燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度（ＲＨ）依存性を測定した結果を示すグラフである。なお、アイオノマとしては、ＮＡＦＩＯＮ（乾燥密度１．９１ｇ／ｃｍ３）を用い、金属粒子としては白金金属粒子を用いた。
このように、相対湿度３０％以下で、電気二重層容量はほぼ一定となる。
従って、本発明では、相対湿度３０％以下及び相対湿度１００％をそれぞれ低加湿条件及び高加湿条件の代表点と定め、両者の電気二重層容量の比を採ることにより、導電性担体がアイオノマによりどの程度被覆されているかの指標とした。
【００３０】
そして、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２を超える場合には、アイオノマを透過するガス（例えば酸素など）輸送経路（導電性担体の表面や１次空孔中に存在する白金を含む金属粒子へ向かうガス（例えば酸素など）輸送経路）におけるガス（例えば酸素など）輸送性の影響が顕在化して電圧が低下するという問題が生じない。
つまり、例えばアイオノマの平均厚さを２．４ｎｍ以下に薄くすることによる効果は表れない。
一方、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下である場合には、電極触媒層内部のガス（例えば酸素など）輸送抵抗が顕著に増大する。その際、アイオノマを透過するガス（例えば酸素など）輸送経路におけるガス（例えば酸素など）輸送性の影響が顕在化する、すなわち、アイオノマ中のガス（例えば酸素など）輸送抵抗が律速することとなる。
しかしながら、このような場合であっても、アイオノマの平均厚さを２．４ｎｍ以下とすることにより、アイオノマを透過するガス（例えば酸素など）輸送経路におけるガス（例えば酸素など）輸送性が向上する。
また、プロトン輸送性はアイオノマの厚みを薄くするにしたがって若干低下するが、その影響は顕在化しない。
従って、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３１】
また、電極触媒層をアノード側に適用した場合、電圧低下を抑制するという観点からは、本実施形態における白金の有効表面積は５ｃｍ２・ｃｍ−２以上であることが好ましい。しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
更に、電極触媒層におけるアイオノマによる導電性担体（及び電極触媒）の結着性確保という観点からは、本実施形態におけるアイオノマの平均厚さは０．９ｎｍ以上であることが好ましい。
しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００３２】
図５は、電極触媒層Ａ（Ａ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
【００３３】
また、図６は、電極触媒層Ａ１−３（白金有効表面積が１２３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２−６（白金有効表面積が１２３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３−３（白金有効表面積が１２３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図６に示すように、白金有効表面積が大きい場合には、アイオノマの平均厚さを薄くした効果が表れない。
なお、現時点において、上記メカニズムは明確ではないが、ガス（例えば酸素など）輸送性の向上とプロトン輸送性の低下が相殺して、最高電流での電流電圧性能が低いままであるためと考えられる。但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。また、以下に記載のメカニズムについても同様である。
【００３４】
一方、図７は、電極触媒層Ａ１−１（白金有効表面積が４３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２−３（白金有効表面積が４２ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３−１（白金有効表面積が３８ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ））を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図７に示すように、白金有効表面積が小さい場合には、アイオノマの平均厚さを薄くした効果が顕在化する。
なお、現時点において、上記メカニズムは明確でないが、ガス（例えば酸素など）輸送性の向上が電流電圧特性を支配し、プロトン輸送性の低下の影響が小さいためであると考えられる。
なお、最高電流における電極触媒層Ａ１−１を適用した場合のセル電圧は４８５ｍＶであり、電極触媒層３−１を適用した場合のセル電圧は４５２ｍＶであるため、電流電圧性能が７．３％向上していることが分かる。
【００３５】
他方、図８は、電極触媒層Ａ１−２（白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２−５（白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３−２（白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図８に示すように、白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２の場合、最高電流での電流電圧性能が同等となる。換言すれば、同じ電流電圧性能を発揮させるのであれば、材料使用量を２割削減することができるという利点がある。
なお、現時点において、上記メカニズムは明確ではないが、ガス（例えば酸素など）輸送性の向上とプロトン輸送性の低下が相殺して、最高電流での電流電圧性能が同等まで向上するためと考えられる。
【００３６】
また、本実施形態において、例えば、電極触媒層は、導電性担体が直径１０ｎｍ以下の１次空孔を有する場合には、アイオノマの平均厚さが２．０ｎｍ以下であることが特に好ましい。
このような構成を有することにより、１次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗の増加をアイオノマの厚さの低減で抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３７】
更に、本実施形態において、例えば、電極触媒層は、白金の有効表面積が１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下である場合には、アイオノマの平均厚さが１．７ｎｍ以下であることが特に好ましい。
このような構成を有することにより、１次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗の増加をアイオノマの厚さの低減で抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３８】
図９は、電極触媒層Ｂ（Ｂ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：１．７ｎｍ）、Ｂ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．０ｎｍ）、Ｂ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ｂ４ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．０ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
図９に示すように、白金有効表面積がそれぞれの数値範囲内の値であると、酸素輸送抵抗が増加する傾向がある。
しかしながら、白金有効表面積の減少に伴って、アイオノマの平均厚さをそれぞれの数値範囲内とすると、白金担持量を下げた場合であっても、酸素輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３９】
また、図１０は、アイオノマの平均厚さと導電性担体における被覆率との関係を示すグラフである。なお、縦軸の被覆率は測定値において最も値が高かった（β）の値で規格化したものである。
更に、図１１は、図１０中の（α）アイオノマの平均厚さ４．０ｎｍ、（β）アイオノマの平均厚さ２．０ｎｍ及び（γ）アイオノマの平均厚さ１．０ｎｍの場合におけるアイオノマの被覆構造を分子動力学を適用して解析した結果を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
図１０及び図１１に示すように、アイオノマの平均厚さの減少に伴い、導電性担体表面が露出する領域（点線の囲い部）が存在するようになる。
現時点においては、このような領域が増えると、ガスが選択的に通り易くなるため、ガス（例えば酸素など）輸送抵抗が顕著に低下すると考えられる。
【００４０】
また、本実施形態においては、例えば、導電性担体に担持された金属粒子の表面積に対する導電性担体の１次空孔中に含まれる金属粒子の表面積の割合が５０％以上であることが好ましい。
このような構成を有することによっても、白金担持量を下げた場合、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
更に、このような構成とすることによって、電極触媒を被覆するアイオノマと触媒成分（白金を含む金属粒子）との接触割合を低減することが可能となるため、触媒成分のアイオノマによる被毒の抑制を実現し得るものとなるという利点もある。
【００４１】
図１２は、（ａ）電極触媒Ｃ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：粉末）、（ｂ）電極触媒Ｄ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）及び（ｃ）電極触媒Ｅ（導電性担体：アセチレンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）の３方向デジタルスライス像である。
表１に各触媒における測定結果を示す。なお、各触媒においては、同一原料、同一方法により、白金金属粒子を担持させた。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１から、白金の粒径分布がほぼ一様であれば、粒子数の割合と表面積の割合とは一致することが分かる。
【００４４】
更に、本実施形態において、例えば、電極触媒層は、厚さが５μｍ以下であることが好ましい。
このような構成を有することにより、プロトン輸送抵抗の増加を抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００４５】
図１３は、白金有効表面積を同じとしたときの電極触媒層の厚さとセル電圧との関係を示すグラフである。
図１３から、電極触媒層の厚さが５μｍを越えると、セル電圧が低下することが分かる。これは、電極触媒層内部のプロトン輸送抵抗（ＩＲロス）が主要因であると考えられる。
【００４６】
また、本実施形態においては、例えば、電極触媒層は、電極触媒の金属粒子担持濃度が５０質量％以上であることが好ましい。
このような構成を有することによっても、白金担持量を下げた場合、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
更に、このように担持濃度を高くした場合には、同じ白金量であっても電極触媒層の厚さを低減することができ、電極触媒層の２次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００４７】
図１４は、電極触媒における白金金属粒子担持濃度と電極触媒層の厚さとの関係を示すグラフである。
図１４から、白金金属粒子担持濃度を増加させると、同じ白金使用量（ｍｇ／ｃｍ２）とした場合に、電極触媒層の厚さを薄くすることができることが分かる。
【００４８】
更に、本実施形態においては、例えば、電極触媒層におけるアイオノマのイオン交換当量（ＥＷ）が８００以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、電極触媒層において、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００４９】
図１５は、各イオン交換当量のアイオノマを適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図１５から、イオン交換当量が８００より低いイオン交換当量７００のアイオノマを用いると、イオン交換当量１０００のアイオノマを用いた場合と比較して、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
これは、プロトン輸送性が向上したためと考えられる。
【００５０】
更にまた、本実施形態においては、例えば、電極触媒層における導電性担体が導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌ以上の酸性官能基を有することが好ましい。酸性官能基量は酸塩基滴定で測定される酸性度により求めることができる。
このような構成とすることにより、電極触媒層において、水を保持することができ、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００５１】
図１６は、各酸性官能基量の導電性担体を適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図１６から、酸性官能基量が導電性担体１ｇ当たり０．１４ｍｍｏｌより高い導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌの導電性担体を用いると、導電性担体１ｇ当たり０．１４ｍｍｏｌの導電性担体を用いる場合と比較して、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
これは、酸性官能基を有することにより、同じ相対湿度に曝されたときの電極触媒層の含水量が増大し、プロトン輸送性が向上したためと考えられる。
【００５２】
以下、上記各実施形態における各構成材料について更に詳細に説明する。
【００５３】
［高分子電解質膜］
高分子電解質膜１１は、燃料電池（スタック）１の運転時にアノード電極触媒層１３ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード電極触媒層１３ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜１１は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【００５４】
固体高分子電解質膜１１は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。
フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ、アシプレックス（登録商標、旭化成ケミカルズ株式会社製）、フレミオン＼ＦＬＥＭＩＯＮ（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。
耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
【００５５】
炭化水素系電解質膜を構成するイオン交換樹脂として、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。
原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。
なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
また、上述した材料に限定されるものではなく、その他の材料を用いることもできる。
【００５６】
高分子電解質膜の厚みは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。高分子電解質膜の厚みは、通常は５〜３００μｍである。高分子電解質膜の厚みがこのような数値範囲内であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切を制御することができる。
【００５７】
［電極触媒層］
電極触媒層（アノード電極触媒層１３ａ、カソード電極触媒層１３ｃ）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード電極触媒層１３ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード電極触媒層１３ｃでは酸素の還元反応が進行する。
【００５８】
（金属粒子）
アノード電極触媒層に用いられる金属粒子１３１ｂは、白金を含み、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒を適用することができる。また、カソード電極触媒層に用いられる金属粒子もまた、白金を含み、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒を同様に使用できる。
金属粒子の具体例としては、白金（Ｐｔ）の単体粒子、又は白金粒子とルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）及びアルミニウム（Ａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の他の金属の粒子との混合物、白金と他の金属との合金などを挙げることができる。
【００５９】
触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが用いられる。
上記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０〜９０原子％とし、白金と合金化する金属の含有量を１０〜７０原子％とするのがよい。
なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。
合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本発明においてはいずれであってもよい。
この際、アノード電極触媒層に用いられる金属粒子及びカソード電極触媒層に用いられる金属粒子は、上記の中から適宜選択することができる。
本発明においては、特記しない限り、アノード電極触媒層用及びカソード電極触媒層用の金属粒子についての説明は、両者について同様の定義である。
よって、一括して「金属粒子」と称する。しかしながら、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層の金属粒子は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択することができる。
【００６０】
金属粒子の大きさは、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒と同様の大きさを採用することができる。
この際、金属粒子の平均粒子径は、好ましくは１〜３０ｎｍ、より好ましくは１〜２．３ｎｍである。
金属粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。
なお、本発明における「金属粒子の平均粒子径」は、Ｘ線回折における金属粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる金属粒子の粒子径の平均値として測定することができる。
【００６１】
（導電性担体）
導電性担体は、上述した金属粒子を担持するための担体、及び金属粒子と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の導電性担体を同様に使用できる。
導電性担体としては、金属粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。
具体的には、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイル（ガス）ファーネスブラック（例えばバルカンなど）、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化チャンネルブラック、黒鉛化オイル（ガス）ファーネスブラック（例えばバルカンなど）、黒鉛化ランプブラック、黒鉛化サーマルブラック、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリル、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などを挙げることができる。
なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。
また、「実質的に炭素原子からなる」とは、２〜３質量％以下の不純物の混入が許容され得ることを意味する。
【００６２】
導電性担体のＢＥＴ比表面積は、金属粒子を高分散担持させるのに充分な比表面積であれることが好ましく、好ましくは２０〜１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ２／ｇである。
導電性担体の比表面積がこのような数値範囲内であると、導電性担体での金属粒子の分散性と触媒成分としての金属粒子の有効利用率とのバランスを適切に制御することができる。
【００６３】
導電性担体のサイズについても特に限定されるものではないが、担持の簡便さ、金属粒子の触媒として利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５〜２００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１００ｎｍとするとよい。
【００６４】
導電性担体における金属粒子の担持濃度は、電極触媒の全量に対して、好ましくは５０〜８０質量％、より好ましくは５０〜７０質量％である。金属粒子の担持量がこのような数値範囲内であると、導電性担体上での金属粒子の分散度と触媒性能とのバランスを適切に制御することができる。
なお、導電性担体のにおける金属粒子の担持濃度は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定することができる。
【００６５】
（アイオノマ）
アイオノマとしては、例えば、フッ素系高分子電解質材料や炭化水素系高分子電解質材料を挙げることができる。
構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質材料と炭化水素系高分子電解質材料とに大別される。
フッ素系高分子電解質材料を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ、アシプレックス、フレミオン等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。
耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質材料が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーが用いられる。
【００６６】
炭化水素系電解質材料を構成するイオン交換樹脂として、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。
原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質材料が好ましく用いられる。
なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
また、上述した材料に限定されるものではなく、その他の材料を用いることもできる。
【００６７】
また、上述したように、電極触媒層におけるアイオノマのイオン交換当量（ＥＷ）は８００以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、電極触媒層において、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
しかしながら、本発明は、この好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００６８】
［ガス拡散層］
ガス拡散層（アノードガス拡散層２０ａ、カソードガス拡散層２０ｃ）は、セパレータのガス流路（ＧＰａ、ＧＰｃ）を介して供給されたガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）の電極触媒層（１３ａ、１３ｃ）への拡散を促進する機能、及び電子伝導パスとしての機能を有する。
【００６９】
ガス拡散層の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、炭素製の織布や不織布、紙状抄紙体、金網や金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタルといった導電性及び多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚みは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。基材の厚みがこのような範囲内の値であれば、機械的強度とガス及び水などの拡散性とのバランスが適切に制御され得る。
【００７０】
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。
撥水剤としては、特に限定されるものではないが、フッ素系の高分子材料やオレフィン系の高分子材料が挙げられる。
フッ素系の高分子材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン（ＰＨＦＰ）、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（ＴＦＥ−ＨＦＰ）などが挙げられる。
また、オレフィン系の高分子材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）などが挙げられる。
【００７１】
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ、図示せず）を基材の電極触媒層側に有するものであってもよい。
【００７２】
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されるものではなく、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料を適宜採用することができる。中でも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられる。カーボン粒子の平均粒子径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
【００７３】
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。中でも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料を用いることが好ましい。
【００７４】
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性及び電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で９０：１０〜４０：６０（カーボン粒子：撥水剤）程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚みについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。
【００７５】
［セパレータ］
セパレータ３０は、例えば、厚さ０．５ｍｍ以下の薄板にプレス処理を施すことによって図１に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られるが、このような形態のみには限定されるものではない。すなわち、例えば平板状の金属板（金属基材）に対して切削処理を施すことによりガス流路や冷媒流路を構成する凹凸形状を形成してもよい。
【００７６】
セパレータを構成する材料については特に限定されるものではなく、従来公知の材料を適用することができる。供給されるガスが透過し難い材料であることが好ましく、電池反応で取り出された電流が流れやすい材料であることが好ましい。具体的には、鉄、チタン、アルミニウム、これらの合金などの金属材料、炭素材料などの被膜を形成することにより耐食性を向上させた金属材料、金属材料や炭素材料などで電導性を付与した高分子材料（導電性プラスチック）などが挙げられる。なお、鉄合金にはステンレスが含まれる。
これらは、一層であっても二層以上の積層構造を有するものであってもよい。
【００７７】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。
上述した電極触媒層や電極、膜電極接合体、燃料電池は、例えば以下のような方法によって作製することができる。
まず、導電性担体に金属の触媒粒子を分散担持させて電極触媒を作製する。このときは、沈殿法、ゲル化法、含浸法、イオン交換法など従来公知の方法を適用することができる。この電極触媒の作製工程は、数回の予備試験（調製及び乾燥後における走査型又は透過型電子顕微鏡による観察）をすることによって、所望の構造が形成されているか否かの確認を行う。
次いで、金属の触媒粒子を担持した導電性担体とアイオノマとアイオノマの溶媒とを混合する。
しかる後、得られた混合物をスプレー塗布や印刷などにより、高分子電解質膜上に配置することより、電極触媒層を直接形成する。これにより、電極触媒層や電極、膜電極接合体を得ることができ、更にガス拡散層やセパレータなどで挟持することにより燃料電池を得ることができる。
また、電極触媒層等の他の形成方法としては、得られた混合物をスプレー塗布や印刷などにより、ガス拡散層上に配置することにより、電極触媒層を直接形成する。これにより、電極触媒層や電極を得ることができる。更に、電極触媒層を形成したガス拡散層により、高分子電解質膜を挟持することにより、膜電極接合体や燃料電池を得ることができる。
更に、電極触媒層等の更に他の形成方法としては、得られた混合物をスプレー塗布や印刷などにより、転写材（例えばフィルムなど。）上に配置することにより、電極触媒層を形成する。これを高分子電解質膜に転写することによって、膜電極接合体を得ることができる。この電極触媒層等の形成工程においても、数回の予備試験（調製及び乾燥後における走査型又は透過型電子顕微鏡による観察）をすることによって、所望の構造が形成されているか否かの確認を行う。
【００７８】
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、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、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを用いることができる。中でも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【実施例】
【００７９】
以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００８０】
＜試験例Ａ１−１、電極触媒層Ａ１−１を有する膜電極接合体の作製＞
まず、ケッチェンブラック（窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）を電気炉内にて窒素雰囲気下、２０００℃、１時間焼成し、グラファイト化ケッチェンブラックを生成した。得られたグラファイト化ケッチェンブラックには直径１０ｎｍ以下の１次細孔が観察されなかった。
次いで、電極触媒における白金粒子担持濃度が５０質量％となるように、導電性担体としてのグラファイト化ケッチェンブラック（窒素ＢＥＴ比表面積：１５１ｍ２／ｇ）５質量部を、０．２質量％白金含有塩化白金酸水溶液２５００質量部中にホモジナイザを用いて十分に分散させた。
更に、クエン酸ナトリウム５０質量部を加え、十分に混合させて反応液を調製した。
更に、還流反応装置を用い、反応液を攪拌しながら８５℃で４時間還流して白金をグラファイト化ケッチェンブラック表面へ還元担持させた。
反応終了後、室温まで試料溶液を放冷し、白金担持されたグラファイト化ケッチェンブラック粉末を吸引ろ過装置でろ別し、十分に水洗した。
しかる後、水洗した粉末を８０℃で６時間減圧乾燥して、白金担持グラファイト化ケッチェンブラックからなる電極触媒を得た。
【００８１】
次に、白金担持グラファイト化ケッチェンブラックからなる電極触媒１０質量部と、イオン交換水５０質量部と、イソプロピルアルコール５質量部と、アイオノマであるＮＡＦＩＯＮ（ＮＡＦＩＯＮ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製５質量％ＮＡＦＩＯＮ含有）を用いた。なお、用いたＮＡＦＩＯＮのイオン交換当量は１０００である。）７質量とを混合し、更に、超音波ホモジナイザで十分に分散させ、それに加えて減圧脱泡操作を加えることによって、電極触媒スラリを得た。
導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）は０．７である。
なお、導電性担体１ｇ当たり０．０７ｍｍｏｌの酸性官能基を有することを酸塩基滴定により確認した。
【００８２】
次に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる転写基材上に、電極触媒スラリをスクリーン印刷法により、５ｃｍ×５ｃｍのサイズに塗布した。
しかる後、１３０℃で３０分間熱処理して、電極触媒層を得た。このときの白金担持量は０．１２ｍｇ／ｃｍ２である。
【００８３】
高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ社製、ＮＡＦＩＯＮ ＮＲ２１１、厚み：２５μｍ）の両面の周囲にガスケット（帝人Ｄｕｐｏｎｔ社製、テオネックス、厚み：２５μｍ（接着層：１０μｍ））を配置し、高分子電解質膜の両面の露出部（作用面積：２５ｃｍ２（５．０ｃｍ×５．０ｃｍ））に電極触媒層を形成したポリテトラフルオロエチレンを更に配置し、０．８ＭＰａの圧力を加えて、高分子電解質膜と各電極触媒層を密着させて、１５０℃で、１０分間加熱し、各電極触媒層を転写により高分子電解質膜と接合させて、膜電極接合体を得た。
この膜電極接合体の電極触媒層における白金有効表面積は、４３ｃｍ２・ｃｍ−２である。
また、この膜電極接合体の電極触媒層におけるアイオノマの平均厚さは、２．４ｎｍである。
更に、この膜電極接合体の電極触媒層の厚さは３．９μｍである。
【００８４】
＜試験例Ａ１−２、電極触媒層Ａ１−２を有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１０４ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．２９ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８５】
＜試験例Ａ１−３、電極触媒層Ａ１−３を有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１２３ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−２と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８６】
＜試験例Ａ１ｓ、電極触媒層Ａ１ｓを有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０３〜０．４８ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【００８７】
＜試験例Ａ２−１、電極触媒層Ａ２−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８８】
＜試験例Ａ２−２、電極触媒層Ａ２−２を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を３９ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１２ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８９】
＜試験例Ａ２−３、電極触媒層Ａ２−３を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を４２ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１２ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９０】
＜試験例Ａ２−４、電極触媒層Ａ２−４を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．２１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９１】
＜試験例Ａ２−５、電極触媒層Ａ２−５を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０４ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９２】
＜試験例Ａ２−６、電極触媒層Ａ２−６を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１２３ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３７ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９３】
＜試験例Ａ２ｓ、電極触媒層Ａ２ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０３〜０．４８ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【００９４】
＜試験例Ａ３−１、電極触媒層Ａ３−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を３８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９５】
＜試験例Ａ３−２、電極触媒層Ａ３−２を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１０４ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９６】
＜試験例Ａ３−３、電極触媒層Ａ３−３を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１２３ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３７ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９７】
＜試験例Ａ３ｓ、電極触媒層Ａ３ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０３〜０．４８ｍｇ／ｃｍ２変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【００９８】
＜試験例Ｂ１−１、電極触媒層Ｂ１−１を有する膜電極接合体の作製＞
まず、ケッチェンブラック（窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）５質量部を、０．２質量％白金含有塩化白金酸水溶液２５００質量部中にホモジナイザを用いて十分に分散させた。用いたケッチェンブラックには直径１０ｎｍ以下の１次細孔が観察された。
次に、クエン酸ナトリウム５０質量部を加え、十分に混合させて反応液を調製した。
更に、還流反応装置を用い、反応液を攪拌しながら８５℃で４時間還流して白金をケッチェンブラック表面へ還元担持させた。
反応終了後、室温まで試料溶液を放冷し、白金担持されたケッチェンブラック粉末を吸引ろ過装置でろ別し、十分に水洗した。
しかる後、水洗した粉末を８０℃で６時間減圧乾燥して、白金担持ケッチェンブラックからなる電極触媒を得た。なお、１次空孔中に含まれる白金粒子の表面積の割合が５０％以上であることを確認した。
【００９９】
次に、白金担持ケッチェンブラックからなる電極触媒１０質量部と、イオン交換水５０質量部と、イソプロピルアルコール５質量部と、アイオノマであるＮＡＦＩＯＮ（ＮＡＦＩＯＮ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製５質量％ＮＡＦＩＯＮ含有）を用いた。なお、用いたＮＡＦＩＯＮのイオン交換当量は１０００である。）７質量とを混合し、更に、超音波ホモジナイザで十分に分散させ、それに加えて減圧脱泡操作を加えることによって、電極触媒スラリを得た。
導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）は０．７である。
なお、導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌの酸性官能基を有することを酸塩基滴定により確認した。
【０１００】
次に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる転写基材上に、電極触媒スラリをスクリーン印刷法により、５ｃｍ×５ｃｍのサイズに塗布した。
しかる後、１３０℃で３０分間熱処理して、電極触媒層を得た。このときの白金担持量は０．２１ｍｇ／ｃｍ２である。
【０１０１】
高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ社製、ＮＡＦＩＯＮ ＮＲ２１１、厚み：２５μｍ）の両面の周囲にガスケット（帝人Ｄｕｐｏｎｔ社製、テオネックス、厚み：２５μｍ（接着層：１０μｍ））を配置し、高分子電解質膜の両面の露出部（作用面積：２５ｃｍ２（５．０ｃｍ×５．０ｃｍ））に電極触媒層を形成したポリテトラフルオロエチレンを更に配置し、０．８ＭＰａの圧力を加えて、高分子電解質膜と各電極触媒層を密着させて、１５０℃で、１０分間加熱し、各電極触媒層を転写により高分子電解質膜と接合させて、膜電極接合体を得た。
この膜電極接合体の電極触媒層における白金有効表面積は、１００ｃｍ２・ｃｍ−２である。
また、この膜電極接合体の電極触媒層におけるアイオノマの平均厚さは、１．７ｎｍである。
更に、この膜電極接合体の電極触媒層の厚さは６．５μｍである。
【０１０２】
＜試験例Ｂ１−２、電極触媒層Ｂ１−２を有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１６８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０３】
＜試験例Ｂ１ｓ、電極触媒層Ｂ１ｓを有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１０４】
＜試験例Ｂ２−１、電極触媒層Ｂ２−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を２７ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０５】
＜試験例Ｂ２−２、電極触媒層Ｂ２−２を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を６５ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１２ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０６】
＜試験例Ｂ２−３、電極触媒層Ｂ２−３を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．２０ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０７】
＜試験例Ｂ２−４、電極触媒層Ｂ２−４を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１７２ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０８】
＜試験例Ｂ２−５、電極触媒層Ｂ２−５を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１８８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３８ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０９】
＜試験例Ｂ２ｓ、電極触媒層Ｂ２ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１１０】
＜試験例Ｂ３ｓ、電極触媒層Ｂ３ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．４ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．１に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１１１】
＜試験例Ｂ４−１、電極触媒層Ｂ４−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１７７ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１１２】
＜試験例Ｂ４ｓ、電極触媒層Ｂ４ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１１３】
図６、図７及び図８から、本発明の範囲に含まれる試験例Ａ１−１や試験例Ａ１−２は、本発明外の他の試験例と比較して、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１４】
また、図９から、本発明の範囲に含まれる試験例Ｂ３ｓ（但し、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下）より、アイオノマの平均厚さが２．０ｎｍ以下である試験例Ｂ２−１〜試験例Ｂ２−３の方が、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。更に本発明の範囲に含まれる試験例Ｂ３ｓ（但し、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下）より、白金の有効表面積が１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、アイオノマの平均厚さが１．７ｎｍ以下である試験例Ｂ１ｓの方が、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。これは図１０や図１１の結果からも推測できる。
【０１１５】
図１２や表１の結果から、白金の粒径分布がほぼ一様であれば、粒子数の割合と表面積の割合とは一致することが分かる。また、導電性担体に担持された金属粒子の表面積に対する該導電性担体の１次空孔中に含まれる金属粒子の表面積の割合が５０％以上であっても、白金担持量を下げた場合、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
そして、このような構成とすることによって、電極触媒を被覆するアイオノマと触媒成分（白金を含む金属粒子）との接触割合を低減することが可能となるため、触媒成分のアイオノマによる被毒の抑制を実現し得るものとなるという利点もある。
【０１１６】
図１３から、燃料電池用電極触媒層の厚さが５μｍ以下であると、プロトン輸送抵抗の増加を抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１７】
図１４から、電極触媒の金属粒子担持濃度が５０質量％以上であると、白金金属粒子担持濃度を増加させると、同じ白金使用量（ｍｇ／ｃｍ２）とした場合に、電極触媒層の厚さを薄くすることができることが分かる。
そして、このように担持濃度を高くした場合には、同じ白金量であっても電極触媒層の厚さを低減することができ、電極触媒層の２次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１８】
図１５から、アイオノマのイオン交換当量が８００以下であると、電極触媒層において、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１９】
図１６から、導電性担体が該導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌ以上の酸性官能基を有すると、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１２０】
以上、本発明を若干の実施形態及び試験例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上述した各実施形態や試験例に記載した構成は、各実施形態や試験例毎に限定されるものではなく、例えば、電極触媒層の構成の細部を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 燃料電池（スタック）
１０ 膜電極接合体
１１ 高分子電解質膜
１３ 電極触媒層
１３ａ アノード電極触媒層
１３ｃ カソード電極触媒層
２０ ガス拡散層
２０ａ アノードガス拡散層
２０ｃ カソードガス拡散層
３０ セパレータ
３０ａ アノードセパレータ
３０ｃ カソードセパレータ
１３１ａ 導電性担体
１３１ｂ 白金を含む金属粒子
１３３ アイオノマ
ａ １次空孔
ＧＰａ 燃料ガス流路
ＧＰｃ 酸化剤ガス流路
ＣＰ 冷媒流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池に関する。
更に詳細には、本発明は、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池に関する。
このような燃料電池は、例えば車両などに適用することができる。また、このような燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、一般的に、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。
この単セルはそれぞれ、高分子電解質膜（例えば、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標、デュポン社製）膜）及びこれを挟持する一対（アノード、カソード）の電極触媒層を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。
また、この単セルはそれぞれ、更に膜電極接合体を挟持し、供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）を含む膜電極ガス拡散層接合体を有することもある。
そして、個々の単セルが有する膜電極接合体や膜電極ガス拡散層接合体は、セパレータを介して隣接する他の単セルの膜電極接合体や膜電極ガス拡散層接合体と電気的に接続される。
このようにして単セルが積層・接続されることにより燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能し得る。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の発電メカニズムを簡単に説明する。
固体高分子形燃料電池の運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）が供給される。
その結果、アノード及びカソードのそれぞれにおいて、下記反応式（１）及び（２）で表される電気化学反応が進行し、電気が生み出される。
【０００４】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（１）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ…（２）
【０００５】
上記反応式（１）や（２）で表される電気化学反応を促進する触媒成分として、一般的には白金が用いられている。
【０００６】
従来、膜電極接合体の低温環境下における耐久性及び燃料電池の低温始動性を向上させることを目的とする膜電極接合体が提案されている（特許文献１参照。）。
この膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒電極を接合した膜電極接合体であって、少なくとも一方の触媒電極は、触媒とカーボンとアイオノマとを含む第１及び第２の触媒層を備え、第２の触媒層におけるカーボンに対するアイオノマの重量比は、０．４〜０．７５である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２９５３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の膜電極接合体や燃料電池においては、カーボンに対するアイオノマの重量比を調整することにより、触媒層において凍結した生成水に起因して閉塞される２次空孔の気孔率を制御している。
これにより、低温環境下（氷点下）における耐久性や低温始動性は改善されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の膜電極接合体や燃料電池においては、触媒層における触媒量やアイオノマ厚さについて何ら検討されていない。
【０００９】
本発明者らが、触媒量について検討したところ、以下の技術知見（１）及び（２）を得た。
（１）触媒量が多い（例えば、白金有効表面積が大きい、触媒層が厚いなど）場合は、プロトン輸送性が低下して、電圧が低下する。
（２）触媒量が少ない（白金有効表面積が小さい、触媒層が薄いなど）場合は、上記特許文献１に記載の膜電極接合体や燃料電池において制御していた触媒層における気孔率は殆ど電圧に影響を与えない。
【００１０】
そして、本発明者らが、触媒量が少ない場合について更に検討したところ、アイオノマを透過するガス（特に酸素）輸送経路（担体の１次空孔中や表面に存在する触媒へ向かうガス（特に酸素）輸送経路）におけるガス（特に酸素）輸送性の影響が顕在化して電圧が低下する、という新たな課題を見出した。
【００１１】
本発明は、上記新たな課題を解決するためになされたものである。
そして、本発明の目的とするところは、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究を進めた。
そして、その結果、白金有効表面積とアイオノマ厚さとを所定の範囲内にすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明の燃料電池用電極触媒層は、導電性担体と該導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、該電極触媒を被覆するアイオノマとを含む。
そして、本発明の燃料電池用電極触媒層における白金の有効表面積は１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下である。
また、本発明の燃料電池用電極触媒層におけるアイオノマの平均厚さは２．４ｎｍ以下である。
【００１４】
また、本発明の燃料電池用電極は、上記本発明の燃料電池用電極触媒層を有する。
【００１５】
更に、本発明の燃料電池用膜電極接合体は、上記本発明の燃料電池用電極を有する。
【００１６】
更にまた、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用膜電極接合体を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池用電極触媒層を、導電性担体と導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、電極触媒を被覆するアイオノマとを含み、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、アイオノマの平均厚さが２．４ｎｍ以下である構成とした。
そのため、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池のスタックの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の電極触媒層の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】担体（グラファイト化ケッチェンブラック（ＧＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：１５１ｍ２／ｇ）及び担体（ケッチェンブラック（ＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）をそれぞれ用いて形成される燃料電池用電極触媒層Ａ及びＢを有する燃料電池用膜電極接合体を用いて測定した燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度（ＲＨ）依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図５】電極触媒層Ａ（Ａ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】電極触媒層Ａ（Ａ１−３、Ａ２−６、Ａ３−３）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図７】電極触媒層Ａ（Ａ１−１、Ａ２−３、Ａ３−１）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図８】電極触媒層Ａ（Ａ１−２、Ａ２−５、Ａ３−２）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図９】電極触媒層Ｂ（Ｂ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：１．７ｎｍ）、Ｂ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．０ｎｍ）、Ｂ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ｂ４ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．０ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
【図１０】アイオノマの平均厚さと導電性担体におけるアイオノマの被覆率との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０中の（α）アイオノマの平均厚さ４．０ｎｍ、（β）アイオノマの平均厚さ２．０ｎｍ及び（γ）アイオノマの平均厚さ１．０ｎｍの場合におけるアイオノマの被覆構造を分子動力学を適用して解析した結果を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１２】（ａ）電極触媒Ｃ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：粉末）、（ｂ）電極触媒Ｄ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）及び（ｃ）電極触媒Ｅ（導電性担体：アセチレンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）の３方向デジタルスライス像である。
【図１３】白金有効表面積を同じとしたときの電極触媒層の厚さとセル電圧との関係を示すグラフである。
【図１４】電極触媒における白金金属粒子担持濃度と電極触媒層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図１５】各イオン交換当量のアイオノマを適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【図１６】各酸性官能基量の導電性担体を適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極触媒層、燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池について図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池のスタックの概略を示す斜視図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図である。更に、図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の代表例である固体高分子形燃料電池の電極触媒層の構成を模式的に示す断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態において、燃料電池（スタック）１は、膜電極接合体１０と、この膜電極接合体１０を挟持する一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）２０と、膜電極接合体１０及びガス拡散層２０を挟持する一対（アノード、カソード）のセパレータ３０とを有する。
燃料電池（スタック）において、膜電極接合体は発電機能を発揮し、ガス拡散層は供給ガスを分散させ、セパレータは、アノード及びカソードに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを分離すると共に、隣接する膜電極接合体同士を電気的に接続する。
このようにして膜電極接合体が積層・接続されることにより、燃料電池（スタック）が構成される。
なお、燃料電池（スタック）においては、セパレータと後述する固体高分子電解質膜との間や、膜電極接合体とこれと隣接する他の膜電極接合体との間にガスシール部が配置されるが、図１や後述する図２ではこれらの記載を省略する。
また、燃料電池（スタック）においては、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能するマニホールドが配置されるが、図１ではこれらの記載を省略する。
【００２２】
また、図２に示すように、本実施形態において、膜電極接合体１０は、高分子電解質膜１１と、これを挟持する一対の電極触媒層１３とを有する。一対の電極触媒層１３は、それぞれをアノード電極触媒層１３ａ、カソード電極触媒層１３ｃと言うことがある。
また、膜電極接合体１０は、一対のガス拡散層（ＧＤＬ）２０で挟持されている。一対のガス拡散層２０は、それぞれをアノードガス拡散層２０ａ、カソードガス拡散層２０ｃと言うことがある。
更に、膜電極接合体１０及びガス拡散層２０は、一対のセパレータ３０で挟持されている。一対のセパレータ３０は、それぞれをアノードセパレータ３０ａ、カソードセパレータ３０ｃと言うことがある。
また、セパレータ３０は、図１に示すような凹凸状の形状を有する。
セパレータ（３０ａ、３０ｃ）の膜電極接合体１０側から見た凸部はガス拡散層２０と接触している。これにより、膜電極接合体１０との電気的な接続が確保される。
更に、セパレータ（３０ａ、３０ｃ）の膜電極接合体１０側から見た凹部（セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータ３０とガス拡散層２０との間の空間）は、燃料電池（スタック）１の運転時にガスを流通させるためのガス流路（ＧＰａ、ＧＰｃ）として機能する。
具体的には、アノードセパレータ３０ａのガス流路ＧＰａには燃料ガス（例えば、水素など）を流通させ、カソードセパレータ３０ｃのガス流路ＧＰｃには酸化剤ガス（例えば、酸素、空気など）を流通させる。一方、セパレータ（３０ａ、３０ｃ）の膜電極接合体１０側とは反対の側から見た凹部は、燃料電池（スタック）１の運転時に燃料電池（スタック）を冷却するための冷媒（例えば、水）を流通させるための冷媒流路ＣＰとして機能する。
なお、本発明において、上記電極触媒層のみからなるものや、上記ガス拡散層上に電極触媒層を形成してなるものを燃料電池用電極と称する。
【００２３】
更に、図３に示すように、本発明の電極触媒層１３は、導電性担体１３１ａと導電性担体１３１ａの表面に担持された白金を含む金属粒子１３１ｂとを含む電極触媒１３１と、電極触媒１３１を被覆するアイオノマ１３３とを含む。
また、本実施形態において、導電性担体１３１ａは、１次空孔ａを有するものである。
なお、図中の矢印Ａ及びＢは、電極触媒層１３がカソード電極触媒層１３ｃである場合の酸素ガス及びプロトンの移動（流れ）をそれぞれ示す。
また、本発明の電極触媒層はカソード電極触媒層として用いると効果が高く好適であるが、これに限定されるものではなく、アノード電極触媒層として用いることもできる。
更に、本発明においては、白金を含む金属粒子として、白金金属粒子自体をも含む意味に解釈しなければならない。
更にまた、本発明においては、導電性担体として、１次空孔を有するものを適用することが好ましいが、これに限定されるものではない。すなわち、図示しないが、１次空孔を有しないものを適用することもできる。
【００２４】
また、本発明における白金の有効表面積は、１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下であるが、白金担持量を更に下げた場合であっても、良好な電流電圧特性を実現し得るという観点からは、１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下であることが好ましい。しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００２５】
また、本発明におけるアイオノマの平均厚さは、２．４ｎｍ以下であるが、白金担持量を下げた場合であっても、より良好な電流電圧特性を実現し得るという観点からは、２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．７ｎｍ以下であることがより好ましい。しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００２６】
このような構成を有することにより、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得る燃料電池用電極触媒層となる。
そして、この燃料電池用電極触媒層を適用した燃料電池用電極、燃料電池用膜電極接合体及び燃料電池についても、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００２７】
ここで、白金の有効表面積及びアイオノマの平均厚さについて説明する。
まず、「白金の有効表面積（Ｓｐｔｅｆｆ［ｃｍ２・ｃｍ−２］）」は、燃料電池用電極触媒層に含まれる白金量（ｍ［ｍｇｐｔ・ｃｍ−２］）と、電気化学的表面積（ｓｅｆｆ［ｍ２・ｇｐｔ−１］）とを用いた以下の式［１］で表される。
なお、電気化学的表面積は、一般的な手法である、サイクリックボルタンメトリーにおける水素吸着量やＣＯ吸着量に該当する電気量から求められる。
Ｓｐｔｅｆｆ＝ｍ×ｓｅｆｆ…［１］
【００２８】
また、「アイオノマの平均厚さ（ｔ＿ｉｏｎｏｍｅｒ［ｎｍ］）」は、少なくとも導電性担体とアイオノマとを含む混合体として形成される燃料電池用触媒層を有する燃料電池用膜電極接合体を用いて測定した燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度（ＲＨ）依存性を測定した場合の低加湿（ＲＨ３０％以下（以下「ｄｒｙ」と略記することがある。））と高加湿（ＲＨ１００％）との比率（θ（＝Ｃｄｌ＿ｄｒｙ／Ｃｄｌ＿ＲＨ１００％）［−］）と、導電性担体の窒素（Ｎ２）ＢＥＴ比表面積（Ｓ［ｍ２／ｇ＿ｓｕｐｐｏｒｔ］）と、アイオノマの乾燥密度（ρ［ｇ＿ｉｏｎｏｍｅｒ／ｃｍ３］）と、導電性担体に対するアイオノマの質量比（ｗ［−］（＝ｇ＿ｉｏｎｏｍｅｒ／ｇ＿ｓｕｐｐｏｒｔ）とを用いた以下の式［２］で表される。
ｔ＿ｉｏｎｏｍｅｒ＝ｗ／ρ／（Ｓ×θ×１００００）×１０７…［２］
【００２９】
なお、燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度依存性を測定する場合の低加湿と高加湿との比率について、相対湿度３０％と相対湿度１００％との比を採る理由は以下の通りである。
高加湿条件下では、導電性担体と導電性担体表面に吸着した水との、又は導電性担体とアイオノマとの界面に形成された電気二重層が計測される。
一方で、低加湿条件下では、導電性担体とアイオノマとの界面に形成された電気二重層が主として計測される。
図４は、担体（グラファイト化ケッチェンブラック（ＧＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：１５１ｍ２／ｇ）及び担体（ケッチェンブラック（ＫＢ）、窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）をそれぞれ用いて形成される燃料電池用電極触媒層Ａ及びＢを有する燃料電池用膜電極接合体を用いて測定した燃料電池用触媒層の電気二重層容量（Ｃｄｌ）の供給ガスの相対湿度（ＲＨ）依存性を測定した結果を示すグラフである。なお、アイオノマとしては、ＮＡＦＩＯＮ（乾燥密度１．９１ｇ／ｃｍ３）を用い、金属粒子としては白金金属粒子を用いた。
このように、相対湿度３０％以下で、電気二重層容量はほぼ一定となる。
従って、本発明では、相対湿度３０％以下及び相対湿度１００％をそれぞれ低加湿条件及び高加湿条件の代表点と定め、両者の電気二重層容量の比を採ることにより、導電性担体がアイオノマによりどの程度被覆されているかの指標とした。
【００３０】
そして、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２を超える場合には、アイオノマを透過するガス（例えば酸素など）輸送経路（導電性担体の表面や１次空孔中に存在する白金を含む金属粒子へ向かうガス（例えば酸素など）輸送経路）におけるガス（例えば酸素など）輸送性の影響が顕在化して電圧が低下するという問題が生じない。
つまり、例えばアイオノマの平均厚さを２．４ｎｍ以下に薄くすることによる効果は表れない。
一方、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下である場合には、電極触媒層内部のガス（例えば酸素など）輸送抵抗が顕著に増大する。その際、アイオノマを透過するガス（例えば酸素など）輸送経路におけるガス（例えば酸素など）輸送性の影響が顕在化する、すなわち、アイオノマ中のガス（例えば酸素など）輸送抵抗が律速することとなる。
しかしながら、このような場合であっても、アイオノマの平均厚さを２．４ｎｍ以下とすることにより、アイオノマを透過するガス（例えば酸素など）輸送経路におけるガス（例えば酸素など）輸送性が向上する。
また、プロトン輸送性はアイオノマの厚みを薄くするにしたがって若干低下するが、その影響は顕在化しない。
従って、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３１】
また、電極触媒層をアノード側に適用した場合、電圧低下を抑制するという観点からは、本実施形態における白金の有効表面積は５ｃｍ２・ｃｍ−２以上であることが好ましい。しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
更に、電極触媒層におけるアイオノマによる導電性担体（及び電極触媒）の結着性確保という観点からは、本実施形態におけるアイオノマの平均厚さは０．９ｎｍ以上であることが好ましい。
しかしながら、本発明は、このような好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００３２】
図５は、電極触媒層Ａ（Ａ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
【００３３】
また、図６は、電極触媒層Ａ１−３（白金有効表面積が１２３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２−６（白金有効表面積が１２３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３−３（白金有効表面積が１２３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図６に示すように、白金有効表面積が大きい場合には、アイオノマの平均厚さを薄くした効果が表れない。
なお、現時点において、上記メカニズムは明確ではないが、ガス（例えば酸素など）輸送性の向上とプロトン輸送性の低下が相殺して、最高電流での電流電圧性能が低いままであるためと考えられる。但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。また、以下に記載のメカニズムについても同様である。
【００３４】
一方、図７は、電極触媒層Ａ１−１（白金有効表面積が４３ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２−３（白金有効表面積が４２ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３−１（白金有効表面積が３８ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ））を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図７に示すように、白金有効表面積が小さい場合には、アイオノマの平均厚さを薄くした効果が顕在化する。
なお、現時点において、上記メカニズムは明確でないが、ガス（例えば酸素など）輸送性の向上が電流電圧特性を支配し、プロトン輸送性の低下の影響が小さいためであると考えられる。
なお、最高電流における電極触媒層Ａ１−１を適用した場合のセル電圧は４８５ｍＶであり、電極触媒層３−１を適用した場合のセル電圧は４５２ｍＶであるため、電流電圧性能が７．３％向上していることが分かる。
【００３５】
他方、図８は、電極触媒層Ａ１−２（白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ａ２−５（白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：３．２ｎｍ）、Ａ３−２（白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２、アイオノマ平均厚さ：４．６ｎｍ）を用いた場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図８に示すように、白金有効表面積が１０４ｃｍ２・ｃｍ−２の場合、最高電流での電流電圧性能が同等となる。換言すれば、同じ電流電圧性能を発揮させるのであれば、材料使用量を２割削減することができるという利点がある。
なお、現時点において、上記メカニズムは明確ではないが、ガス（例えば酸素など）輸送性の向上とプロトン輸送性の低下が相殺して、最高電流での電流電圧性能が同等まで向上するためと考えられる。
【００３６】
また、本実施形態において、例えば、電極触媒層は、導電性担体が直径１０ｎｍ以下の１次空孔を有する場合には、アイオノマの平均厚さが２．０ｎｍ以下であることが特に好ましい。
このような構成を有することにより、１次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗の増加をアイオノマの厚さの低減で抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３７】
更に、本実施形態において、例えば、電極触媒層は、白金の有効表面積が１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下である場合には、アイオノマの平均厚さが１．７ｎｍ以下であることが特に好ましい。
このような構成を有することにより、１次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗の増加をアイオノマの厚さの低減で抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３８】
図９は、電極触媒層Ｂ（Ｂ１ｓ（アイオノマ平均厚さ：１．７ｎｍ）、Ｂ２ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．０ｎｍ）、Ｂ３ｓ（アイオノマ平均厚さ：２．４ｎｍ）、Ｂ４ｓ（アイオノマ平均厚さ：３．０ｎｍ））を用いた場合の白金有効表面積と電極触媒層の酸素輸送抵抗との関係を示すグラフである。
図９に示すように、白金有効表面積がそれぞれの数値範囲内の値であると、酸素輸送抵抗が増加する傾向がある。
しかしながら、白金有効表面積の減少に伴って、アイオノマの平均厚さをそれぞれの数値範囲内とすると、白金担持量を下げた場合であっても、酸素輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００３９】
また、図１０は、アイオノマの平均厚さと導電性担体における被覆率との関係を示すグラフである。なお、縦軸の被覆率は測定値において最も値が高かった（β）の値で規格化したものである。
更に、図１１は、図１０中の（α）アイオノマの平均厚さ４．０ｎｍ、（β）アイオノマの平均厚さ２．０ｎｍ及び（γ）アイオノマの平均厚さ１．０ｎｍの場合におけるアイオノマの被覆構造を分子動力学を適用して解析した結果を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
図１０及び図１１に示すように、アイオノマの平均厚さの減少に伴い、導電性担体表面が露出する領域（点線の囲い部）が存在するようになる。
現時点においては、このような領域が増えると、ガスが選択的に通り易くなるため、ガス（例えば酸素など）輸送抵抗が顕著に低下すると考えられる。
【００４０】
また、本実施形態においては、例えば、導電性担体に担持された金属粒子の表面積に対する導電性担体の１次空孔中に含まれる金属粒子の表面積の割合が５０％以上であることが好ましい。
このような構成を有することによっても、白金担持量を下げた場合、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
更に、このような構成とすることによって、電極触媒を被覆するアイオノマと触媒成分（白金を含む金属粒子）との接触割合を低減することが可能となるため、触媒成分のアイオノマによる被毒の抑制を実現し得るものとなるという利点もある。
【００４１】
図１２は、（ａ）電極触媒Ｃ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：粉末）、（ｂ）電極触媒Ｄ（導電性担体：ケッチェンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）及び（ｃ）電極触媒Ｅ（導電性担体：アセチレンブラック、白金を含む金属粒子：白金金属粒子、形態：触媒層）の３方向デジタルスライス像である。
表１に各触媒における測定結果を示す。なお、各触媒においては、同一原料、同一方法により、白金金属粒子を担持させた。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１から、白金の粒径分布がほぼ一様であれば、粒子数の割合と表面積の割合とは一致することが分かる。
【００４４】
更に、本実施形態において、例えば、電極触媒層は、厚さが５μｍ以下であることが好ましい。
このような構成を有することにより、プロトン輸送抵抗の増加を抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００４５】
図１３は、白金有効表面積を同じとしたときの電極触媒層の厚さとセル電圧との関係を示すグラフである。
図１３から、電極触媒層の厚さが５μｍを越えると、セル電圧が低下することが分かる。これは、電極触媒層内部のプロトン輸送抵抗（ＩＲロス）が主要因であると考えられる。
【００４６】
また、本実施形態においては、例えば、電極触媒層は、電極触媒の金属粒子担持濃度が５０質量％以上であることが好ましい。
このような構成を有することによっても、白金担持量を下げた場合、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
更に、このように担持濃度を高くした場合には、同じ白金量であっても電極触媒層の厚さを低減することができ、電極触媒層の２次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００４７】
図１４は、電極触媒における白金金属粒子担持濃度と電極触媒層の厚さとの関係を示すグラフである。
図１４から、白金金属粒子担持濃度を増加させると、同じ白金使用量（ｍｇ／ｃｍ２）とした場合に、電極触媒層の厚さを薄くすることができることが分かる。
【００４８】
更に、本実施形態においては、例えば、電極触媒層におけるアイオノマのイオン交換当量（ＥＷ）が８００以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、電極触媒層において、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００４９】
図１５は、各イオン交換当量のアイオノマを適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図１５から、イオン交換当量が８００より低いイオン交換当量７００のアイオノマを用いると、イオン交換当量１０００のアイオノマを用いた場合と比較して、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
これは、プロトン輸送性が向上したためと考えられる。
【００５０】
更にまた、本実施形態においては、例えば、電極触媒層における導電性担体が導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌ以上の酸性官能基を有することが好ましい。酸性官能基量は酸塩基滴定で測定される酸性度により求めることができる。
このような構成とすることにより、電極触媒層において、水を保持することができ、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
【００５１】
図１６は、各酸性官能基量の導電性担体を適用した場合の電流電圧特性を示すグラフである。
図１６から、酸性官能基量が導電性担体１ｇ当たり０．１４ｍｍｏｌより高い導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌの導電性担体を用いると、導電性担体１ｇ当たり０．１４ｍｍｏｌの導電性担体を用いる場合と比較して、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
これは、酸性官能基を有することにより、同じ相対湿度に曝されたときの電極触媒層の含水量が増大し、プロトン輸送性が向上したためと考えられる。
【００５２】
以下、上記各実施形態における各構成材料について更に詳細に説明する。
【００５３】
［高分子電解質膜］
高分子電解質膜１１は、燃料電池（スタック）１の運転時にアノード電極触媒層１３ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード電極触媒層１３ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜１１は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【００５４】
固体高分子電解質膜１１は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。
フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ、アシプレックス（登録商標、旭化成ケミカルズ株式会社製）、フレミオン＼ＦＬＥＭＩＯＮ（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。
耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
【００５５】
炭化水素系電解質膜を構成するイオン交換樹脂として、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。
原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。
なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
また、上述した材料に限定されるものではなく、その他の材料を用いることもできる。
【００５６】
高分子電解質膜の厚みは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。高分子電解質膜の厚みは、通常は５〜３００μｍである。高分子電解質膜の厚みがこのような数値範囲内であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切を制御することができる。
【００５７】
［電極触媒層］
電極触媒層（アノード電極触媒層１３ａ、カソード電極触媒層１３ｃ）は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード電極触媒層１３ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード電極触媒層１３ｃでは酸素の還元反応が進行する。
【００５８】
（金属粒子）
アノード電極触媒層に用いられる金属粒子１３１ｂは、白金を含み、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒を適用することができる。また、カソード電極触媒層に用いられる金属粒子もまた、白金を含み、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒を同様に使用できる。
金属粒子の具体例としては、白金（Ｐｔ）の単体粒子、又は白金粒子とルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）及びアルミニウム（Ａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の他の金属の粒子との混合物、白金と他の金属との合金などを挙げることができる。
【００５９】
触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが用いられる。
上記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０〜９０原子％とし、白金と合金化する金属の含有量を１０〜７０原子％とするのがよい。
なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素又は非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。
合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物又は金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本発明においてはいずれであってもよい。
この際、アノード電極触媒層に用いられる金属粒子及びカソード電極触媒層に用いられる金属粒子は、上記の中から適宜選択することができる。
本発明においては、特記しない限り、アノード電極触媒層用及びカソード電極触媒層用の金属粒子についての説明は、両者について同様の定義である。
よって、一括して「金属粒子」と称する。しかしながら、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層の金属粒子は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択することができる。
【００６０】
金属粒子の大きさは、特に限定されるものではなく、従来公知の触媒と同様の大きさを採用することができる。
この際、金属粒子の平均粒子径は、好ましくは１〜３０ｎｍ、より好ましくは１〜２．３ｎｍである。
金属粒子の平均粒子径がこのような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスを適切に制御することができる。
なお、本発明における「金属粒子の平均粒子径」は、Ｘ線回折における金属粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる金属粒子の粒子径の平均値として測定することができる。
【００６１】
（導電性担体）
導電性担体は、上述した金属粒子を担持するための担体、及び金属粒子と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能するものであれば、特に限定されるものではなく、従来公知の導電性担体を同様に使用できる。
導電性担体としては、金属粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。
具体的には、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイル（ガス）ファーネスブラック（例えばバルカンなど）、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化チャンネルブラック、黒鉛化オイル（ガス）ファーネスブラック（例えばバルカンなど）、黒鉛化ランプブラック、黒鉛化サーマルブラック、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリル、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などを挙げることができる。
なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。
また、「実質的に炭素原子からなる」とは、２〜３質量％以下の不純物の混入が許容され得ることを意味する。
【００６２】
導電性担体のＢＥＴ比表面積は、金属粒子を高分散担持させるのに充分な比表面積であれることが好ましく、好ましくは２０〜１６００ｍ２／ｇ、より好ましくは８０〜１２００ｍ２／ｇである。
導電性担体の比表面積がこのような数値範囲内であると、導電性担体での金属粒子の分散性と触媒成分としての金属粒子の有効利用率とのバランスを適切に制御することができる。
【００６３】
導電性担体のサイズについても特に限定されるものではないが、担持の簡便さ、金属粒子の触媒として利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を５〜２００ｎｍ程度、好ましくは１０〜１００ｎｍとするとよい。
【００６４】
導電性担体における金属粒子の担持濃度は、電極触媒の全量に対して、好ましくは５０〜８０質量％、より好ましくは５０〜７０質量％である。金属粒子の担持量がこのような数値範囲内であると、導電性担体上での金属粒子の分散度と触媒性能とのバランスを適切に制御することができる。
なお、導電性担体のにおける金属粒子の担持濃度は、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）によって測定することができる。
【００６５】
（アイオノマ）
アイオノマとしては、例えば、フッ素系高分子電解質材料や炭化水素系高分子電解質材料を挙げることができる。
構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質材料と炭化水素系高分子電解質材料とに大別される。
フッ素系高分子電解質材料を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ＮＡＦＩＯＮ、アシプレックス、フレミオン等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。
耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質材料が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーが用いられる。
【００６６】
炭化水素系電解質材料を構成するイオン交換樹脂として、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。
原料が安価で製造工程が簡便であり、且つ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質材料が好ましく用いられる。
なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
また、上述した材料に限定されるものではなく、その他の材料を用いることもできる。
【００６７】
また、上述したように、電極触媒層におけるアイオノマのイオン交換当量（ＥＷ）は８００以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、電極触媒層において、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得るものとなる。
しかしながら、本発明は、この好適な数値範囲内であることに限定されるものではない。
【００６８】
［ガス拡散層］
ガス拡散層（アノードガス拡散層２０ａ、カソードガス拡散層２０ｃ）は、セパレータのガス流路（ＧＰａ、ＧＰｃ）を介して供給されたガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）の電極触媒層（１３ａ、１３ｃ）への拡散を促進する機能、及び電子伝導パスとしての機能を有する。
【００６９】
ガス拡散層の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照され得る。例えば、炭素製の織布や不織布、紙状抄紙体、金網や金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタルといった導電性及び多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚みは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。基材の厚みがこのような範囲内の値であれば、機械的強度とガス及び水などの拡散性とのバランスが適切に制御され得る。
【００７０】
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。
撥水剤としては、特に限定されるものではないが、フッ素系の高分子材料やオレフィン系の高分子材料が挙げられる。
フッ素系の高分子材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン（ＰＨＦＰ）、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（ＴＦＥ−ＨＦＰ）などが挙げられる。
また、オレフィン系の高分子材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）などが挙げられる。
【００７１】
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ、図示せず）を基材の電極触媒層側に有するものであってもよい。
【００７２】
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されるものではなく、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料を適宜採用することができる。中でも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられる。カーボン粒子の平均粒子径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
【００７３】
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。中でも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料を用いることが好ましい。
【００７４】
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性及び電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で９０：１０〜４０：６０（カーボン粒子：撥水剤）程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚みについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。
【００７５】
［セパレータ］
セパレータ３０は、例えば、厚さ０．５ｍｍ以下の薄板にプレス処理を施すことによって図１に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られるが、このような形態のみには限定されるものではない。すなわち、例えば平板状の金属板（金属基材）に対して切削処理を施すことによりガス流路や冷媒流路を構成する凹凸形状を形成してもよい。
【００７６】
セパレータを構成する材料については特に限定されるものではなく、従来公知の材料を適用することができる。供給されるガスが透過し難い材料であることが好ましく、電池反応で取り出された電流が流れやすい材料であることが好ましい。具体的には、鉄、チタン、アルミニウム、これらの合金などの金属材料、炭素材料などの被膜を形成することにより耐食性を向上させた金属材料、金属材料や炭素材料などで電導性を付与した高分子材料（導電性プラスチック）などが挙げられる。なお、鉄合金にはステンレスが含まれる。
これらは、一層であっても二層以上の積層構造を有するものであってもよい。
【００７７】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。
上述した電極触媒層や電極、膜電極接合体、燃料電池は、例えば以下のような方法によって作製することができる。
まず、導電性担体に金属の触媒粒子を分散担持させて電極触媒を作製する。このときは、沈殿法、ゲル化法、含浸法、イオン交換法など従来公知の方法を適用することができる。この電極触媒の作製工程は、数回の予備試験（調製及び乾燥後における走査型又は透過型電子顕微鏡による観察）をすることによって、所望の構造が形成されているか否かの確認を行う。
次いで、金属の触媒粒子を担持した導電性担体とアイオノマとアイオノマの溶媒とを混合する。
しかる後、得られた混合物をスプレー塗布や印刷などにより、高分子電解質膜上に配置することより、電極触媒層を直接形成する。これにより、電極触媒層や電極、膜電極接合体を得ることができ、更にガス拡散層やセパレータなどで挟持することにより燃料電池を得ることができる。
また、電極触媒層等の他の形成方法としては、得られた混合物をスプレー塗布や印刷などにより、ガス拡散層上に配置することにより、電極触媒層を直接形成する。これにより、電極触媒層や電極を得ることができる。更に、電極触媒層を形成したガス拡散層により、高分子電解質膜を挟持することにより、膜電極接合体や燃料電池を得ることができる。
更に、電極触媒層等の更に他の形成方法としては、得られた混合物をスプレー塗布や印刷などにより、転写材（例えばフィルムなど。）上に配置することにより、電極触媒層を形成する。これを高分子電解質膜に転写することによって、膜電極接合体を得ることができる。この電極触媒層等の形成工程においても、数回の予備試験（調製及び乾燥後における走査型又は透過型電子顕微鏡による観察）をすることによって、所望の構造が形成されているか否かの確認を行う。
【００７８】
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、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、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを用いることができる。中でも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【実施例】
【００７９】
以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００８０】
＜試験例Ａ１−１、電極触媒層Ａ１−１を有する膜電極接合体の作製＞
まず、ケッチェンブラック（窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）を電気炉内にて窒素雰囲気下、２０００℃、１時間焼成し、グラファイト化ケッチェンブラックを生成した。得られたグラファイト化ケッチェンブラックには直径１０ｎｍ以下の１次細孔が観察されなかった。
次いで、電極触媒における白金粒子担持濃度が５０質量％となるように、導電性担体としてのグラファイト化ケッチェンブラック（窒素ＢＥＴ比表面積：１５１ｍ２／ｇ）５質量部を、０．２質量％白金含有塩化白金酸水溶液２５００質量部中にホモジナイザを用いて十分に分散させた。
更に、クエン酸ナトリウム５０質量部を加え、十分に混合させて反応液を調製した。
更に、還流反応装置を用い、反応液を攪拌しながら８５℃で４時間還流して白金をグラファイト化ケッチェンブラック表面へ還元担持させた。
反応終了後、室温まで試料溶液を放冷し、白金担持されたグラファイト化ケッチェンブラック粉末を吸引ろ過装置でろ別し、十分に水洗した。
しかる後、水洗した粉末を８０℃で６時間減圧乾燥して、白金担持グラファイト化ケッチェンブラックからなる電極触媒を得た。
【００８１】
次に、白金担持グラファイト化ケッチェンブラックからなる電極触媒１０質量部と、イオン交換水５０質量部と、イソプロピルアルコール５質量部と、アイオノマであるＮＡＦＩＯＮ（ＮＡＦＩＯＮ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製５質量％ＮＡＦＩＯＮ含有）を用いた。なお、用いたＮＡＦＩＯＮのイオン交換当量は１０００である。）７質量とを混合し、更に、超音波ホモジナイザで十分に分散させ、それに加えて減圧脱泡操作を加えることによって、電極触媒スラリを得た。
導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）は０．７である。
なお、導電性担体１ｇ当たり０．０７ｍｍｏｌの酸性官能基を有することを酸塩基滴定により確認した。
【００８２】
次に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる転写基材上に、電極触媒スラリをスクリーン印刷法により、５ｃｍ×５ｃｍのサイズに塗布した。
しかる後、１３０℃で３０分間熱処理して、電極触媒層を得た。このときの白金担持量は０．１２ｍｇ／ｃｍ２である。
【００８３】
高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ社製、ＮＡＦＩＯＮ ＮＲ２１１、厚み：２５μｍ）の両面の周囲にガスケット（帝人Ｄｕｐｏｎｔ社製、テオネックス、厚み：２５μｍ（接着層：１０μｍ））を配置し、高分子電解質膜の両面の露出部（作用面積：２５ｃｍ２（５．０ｃｍ×５．０ｃｍ））に電極触媒層を形成したポリテトラフルオロエチレンを更に配置し、０．８ＭＰａの圧力を加えて、高分子電解質膜と各電極触媒層を密着させて、１５０℃で、１０分間加熱し、各電極触媒層を転写により高分子電解質膜と接合させて、膜電極接合体を得た。
この膜電極接合体の電極触媒層における白金有効表面積は、４３ｃｍ２・ｃｍ−２である。
また、この膜電極接合体の電極触媒層におけるアイオノマの平均厚さは、２．４ｎｍである。
更に、この膜電極接合体の電極触媒層の厚さは３．９μｍである。
【００８４】
＜試験例Ａ１−２、電極触媒層Ａ１−２を有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１０４ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．２９ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８５】
＜試験例Ａ１−３、電極触媒層Ａ１−３を有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１２３ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−２と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８６】
＜試験例Ａ１ｓ、電極触媒層Ａ１ｓを有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０３〜０．４８ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【００８７】
＜試験例Ａ２−１、電極触媒層Ａ２−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８８】
＜試験例Ａ２−２、電極触媒層Ａ２−２を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を３９ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１２ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００８９】
＜試験例Ａ２−３、電極触媒層Ａ２−３を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を４２ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１２ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９０】
＜試験例Ａ２−４、電極触媒層Ａ２−４を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．２１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９１】
＜試験例Ａ２−５、電極触媒層Ａ２−５を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０４ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９２】
＜試験例Ａ２−６、電極触媒層Ａ２−６を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１２３ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３７ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９３】
＜試験例Ａ２ｓ、電極触媒層Ａ２ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．２ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０３〜０．４８ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【００９４】
＜試験例Ａ３−１、電極触媒層Ａ３−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を３８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９５】
＜試験例Ａ３−２、電極触媒層Ａ３−２を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１０４ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３１ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９６】
＜試験例Ａ３−３、電極触媒層Ａ３−３を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１２３ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３７ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【００９７】
＜試験例Ａ３ｓ、電極触媒層Ａ３ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを４．６ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０３〜０．４８ｍｇ／ｃｍ２変更したこと以外は、試験例Ａ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【００９８】
＜試験例Ｂ１−１、電極触媒層Ｂ１−１を有する膜電極接合体の作製＞
まず、ケッチェンブラック（窒素ＢＥＴ比表面積：７１８ｍ２／ｇ）５質量部を、０．２質量％白金含有塩化白金酸水溶液２５００質量部中にホモジナイザを用いて十分に分散させた。用いたケッチェンブラックには直径１０ｎｍ以下の１次細孔が観察された。
次に、クエン酸ナトリウム５０質量部を加え、十分に混合させて反応液を調製した。
更に、還流反応装置を用い、反応液を攪拌しながら８５℃で４時間還流して白金をケッチェンブラック表面へ還元担持させた。
反応終了後、室温まで試料溶液を放冷し、白金担持されたケッチェンブラック粉末を吸引ろ過装置でろ別し、十分に水洗した。
しかる後、水洗した粉末を８０℃で６時間減圧乾燥して、白金担持ケッチェンブラックからなる電極触媒を得た。なお、１次空孔中に含まれる白金粒子の表面積の割合が５０％以上であることを確認した。
【００９９】
次に、白金担持ケッチェンブラックからなる電極触媒１０質量部と、イオン交換水５０質量部と、イソプロピルアルコール５質量部と、アイオノマであるＮＡＦＩＯＮ（ＮＡＦＩＯＮ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製５質量％ＮＡＦＩＯＮ含有）を用いた。なお、用いたＮＡＦＩＯＮのイオン交換当量は１０００である。）７質量とを混合し、更に、超音波ホモジナイザで十分に分散させ、それに加えて減圧脱泡操作を加えることによって、電極触媒スラリを得た。
導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）は０．７である。
なお、導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌの酸性官能基を有することを酸塩基滴定により確認した。
【０１００】
次に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる転写基材上に、電極触媒スラリをスクリーン印刷法により、５ｃｍ×５ｃｍのサイズに塗布した。
しかる後、１３０℃で３０分間熱処理して、電極触媒層を得た。このときの白金担持量は０．２１ｍｇ／ｃｍ２である。
【０１０１】
高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ社製、ＮＡＦＩＯＮ ＮＲ２１１、厚み：２５μｍ）の両面の周囲にガスケット（帝人Ｄｕｐｏｎｔ社製、テオネックス、厚み：２５μｍ（接着層：１０μｍ））を配置し、高分子電解質膜の両面の露出部（作用面積：２５ｃｍ２（５．０ｃｍ×５．０ｃｍ））に電極触媒層を形成したポリテトラフルオロエチレンを更に配置し、０．８ＭＰａの圧力を加えて、高分子電解質膜と各電極触媒層を密着させて、１５０℃で、１０分間加熱し、各電極触媒層を転写により高分子電解質膜と接合させて、膜電極接合体を得た。
この膜電極接合体の電極触媒層における白金有効表面積は、１００ｃｍ２・ｃｍ−２である。
また、この膜電極接合体の電極触媒層におけるアイオノマの平均厚さは、１．７ｎｍである。
更に、この膜電極接合体の電極触媒層の厚さは６．５μｍである。
【０１０２】
＜試験例Ｂ１−２、電極触媒層Ｂ１−２を有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１６８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０３】
＜試験例Ｂ１ｓ、電極触媒層Ｂ１ｓを有する膜電極接合体の作製＞
白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１０４】
＜試験例Ｂ２−１、電極触媒層Ｂ２−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を２７ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０５】
＜試験例Ｂ２−２、電極触媒層Ｂ２−２を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を６５ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．１２ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０６】
＜試験例Ｂ２−３、電極触媒層Ｂ２−３を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．２０ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０７】
＜試験例Ｂ２−４、電極触媒層Ｂ２−４を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１７２ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３５ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０８】
＜試験例Ｂ２−５、電極触媒層Ｂ２−５を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１８８ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３８ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１０９】
＜試験例Ｂ２ｓ、電極触媒層Ｂ２ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を０．９に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１１０】
＜試験例Ｂ３ｓ、電極触媒層Ｂ３ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを２．４ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．１に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１１１】
＜試験例Ｂ４−１、電極触媒層Ｂ４−１を有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１７７ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、本例の膜電極接合体を得た。
【０１１２】
＜試験例Ｂ４ｓ、電極触媒層Ｂ４ｓを有する膜電極接合体の作製＞
アイオノマの平均厚さを３．０ｎｍとするために、導電性担体に対するアイオノマ比（質量比）を１．３に変更し、白金有効表面積を１０〜１７０ｃｍ２・ｃｍ−２とするために、白金担持量を０．０２〜０．３６ｍｇ／ｃｍ２に変更したこと以外は、試験例Ｂ１−１と同様の操作を繰り返して、各例の膜電極接合体を得た。
【０１１３】
図６、図７及び図８から、本発明の範囲に含まれる試験例Ａ１−１や試験例Ａ１−２は、本発明外の他の試験例と比較して、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１４】
また、図９から、本発明の範囲に含まれる試験例Ｂ３ｓ（但し、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下）より、アイオノマの平均厚さが２．０ｎｍ以下である試験例Ｂ２−１〜試験例Ｂ２−３の方が、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。更に本発明の範囲に含まれる試験例Ｂ３ｓ（但し、白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下）より、白金の有効表面積が１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、アイオノマの平均厚さが１．７ｎｍ以下である試験例Ｂ１ｓの方が、白金担持量を下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。これは図１０や図１１の結果からも推測できる。
【０１１５】
図１２や表１の結果から、白金の粒径分布がほぼ一様であれば、粒子数の割合と表面積の割合とは一致することが分かる。また、導電性担体に担持された金属粒子の表面積に対する該導電性担体の１次空孔中に含まれる金属粒子の表面積の割合が５０％以上であっても、白金担持量を下げた場合、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
そして、このような構成とすることによって、電極触媒を被覆するアイオノマと触媒成分（白金を含む金属粒子）との接触割合を低減することが可能となるため、触媒成分のアイオノマによる被毒の抑制を実現し得るものとなるという利点もある。
【０１１６】
図１３から、燃料電池用電極触媒層の厚さが５μｍ以下であると、プロトン輸送抵抗の増加を抑制することができる。そのため、白金担持量を更に下げた場合であっても、酸化剤ガスや燃料ガスなどのガス輸送性及びプロトン輸送性を両立し、良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１７】
図１４から、電極触媒の金属粒子担持濃度が５０質量％以上であると、白金金属粒子担持濃度を増加させると、同じ白金使用量（ｍｇ／ｃｍ２）とした場合に、電極触媒層の厚さを薄くすることができることが分かる。
そして、このように担持濃度を高くした場合には、同じ白金量であっても電極触媒層の厚さを低減することができ、電極触媒層の２次空孔におけるガス（例えば酸素など）輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１８】
図１５から、アイオノマのイオン交換当量が８００以下であると、電極触媒層において、よりプロトン輸送抵抗を低減することが可能となるため、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１１９】
図１６から、導電性担体が該導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌ以上の酸性官能基を有すると、より良好な電流電圧特性を実現し得ることが分かる。
【０１２０】
以上、本発明を若干の実施形態及び試験例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上述した各実施形態や試験例に記載した構成は、各実施形態や試験例毎に限定されるものではなく、例えば、電極触媒層の構成の細部を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 燃料電池（スタック）
１０ 膜電極接合体
１１ 高分子電解質膜
１３ 電極触媒層
１３ａ アノード電極触媒層
１３ｃ カソード電極触媒層
２０ ガス拡散層
２０ａ アノードガス拡散層
２０ｃ カソードガス拡散層
３０ セパレータ
３０ａ アノードセパレータ
３０ｃ カソードセパレータ
１３１ａ 導電性担体
１３１ｂ 白金を含む金属粒子
１３３ アイオノマ
ａ １次空孔
ＧＰａ 燃料ガス流路
ＧＰｃ 酸化剤ガス流路
ＣＰ 冷媒流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性担体と該導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、
上記電極触媒を被覆するアイオノマとを含み、
上記白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、
上記アイオノマの平均厚さが２．４ｎｍ以下である
ことを特徴とする燃料電池用電極触媒層。
【請求項２】
上記導電性担体が直径１０ｎｍ以下の１次空孔を有し、
上記アイオノマの平均厚さが２．０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項３】
上記白金の有効表面積が１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、
上記アイオノマの平均厚さが１．７ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項４】
上記導電性担体に担持された金属粒子の表面積に対する該導電性担体の１次空孔中に含まれる金属粒子の表面積の割合が５０％以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項５】
当該燃料電池用電極触媒層の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項６】
上記電極触媒の金属粒子担持濃度が５０質量％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項７】
上記アイオノマのイオン交換当量が８００以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項８】
上記導電性担体が該導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌ以上の酸性官能基を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層を有することを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池用電極を有することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池用膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
導電性担体と該導電性担体の表面に担持された白金を含む金属粒子とを含む電極触媒と、
上記電極触媒を被覆するアイオノマとを含み、
上記白金の有効表面積が１２０ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、
上記アイオノマの平均厚さが２．４ｎｍ以下である
ことを特徴とする燃料電池用電極触媒層。
【請求項２】
上記導電性担体が直径１０ｎｍ以下の１次空孔を有し、
上記アイオノマの平均厚さが２．０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項３】
上記白金の有効表面積が１００ｃｍ２・ｃｍ−２以下であり、
上記アイオノマの平均厚さが１．７ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項４】
上記導電性担体に担持された金属粒子の表面積に対する該導電性担体の１次空孔中に含まれる金属粒子の表面積の割合が５０％以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項５】
当該燃料電池用電極触媒層の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項６】
上記電極触媒の金属粒子担持濃度が５０質量％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項７】
上記アイオノマのイオン交換当量が８００以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項８】
上記導電性担体が該導電性担体１ｇ当たり０．３４ｍｍｏｌ以上の酸性官能基を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極触媒層を有することを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池用電極を有することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池用膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−４５６９４（Ｐ２０１３−４５６９４Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３６５４（Ｐ２０１１−１８３６５４）
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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