膜電極接合体および燃料電池
【課題】白金系触媒を有する燃料電池において、触媒の利用率を向上させる。
【解決手段】燃料電池１０は、セパレータ３４とセパレータ３６との間に狭持された平板状の膜電極接合体５０を備える。膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０、アノード２２、およびカソード２４を有する。カソード２４は、カソード触媒層３０とカソードガス拡散層３２とからなる積層体を有する。イオノマーと、担体粒子と、白金系触媒金属と、ＳｉＯ２成分とから構成される。ＳｉＯ２成分は、触媒金属および担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆する。ＳｉＯ２成分の含有量は、基準質量（担体粒子、触媒金属およびＳｉＯ２成分各質量を合計した質量）に対して１〜１５質量％であり、かつ、カソード触媒層３０の体積抵抗率は１〜１００Ω・ｃｍ以下である。
【解決手段】燃料電池１０は、セパレータ３４とセパレータ３６との間に狭持された平板状の膜電極接合体５０を備える。膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０、アノード２２、およびカソード２４を有する。カソード２４は、カソード触媒層３０とカソードガス拡散層３２とからなる積層体を有する。イオノマーと、担体粒子と、白金系触媒金属と、ＳｉＯ２成分とから構成される。ＳｉＯ２成分は、触媒金属および担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆する。ＳｉＯ２成分の含有量は、基準質量（担体粒子、触媒金属およびＳｉＯ２成分各質量を合計した質量）に対して１〜１５質量％であり、かつ、カソード触媒層３０の体積抵抗率は１〜１００Ω・ｃｍ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）との間に配した基本構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガス、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−・・・（１）
カソード：１／２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（２）
【０００４】
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、膜電極接合体が構成される。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオノマーにより結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される（特許文献１参照）。
【０００６】
従来、触媒層に用いられる触媒として白金触媒が知られている。特に、カソードにおける反応は反応速度が比較的遅いため、カソード触媒層において白金触媒が多用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３５７８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の電気化学反応は、燃料と、触媒を担持した担体粒子と、固体電解質膜との三相界面で発生している。このため、燃料電池の発電性能を向上させるために、触媒層に形成された三相界面における反応性向上が重要であり、これを実現するためには、触媒の利用率を向上させることが必要である。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、白金系触媒を有する燃料電池において、触媒の利用率を向上させる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、膜電極接合体である。当該膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられているカソード触媒層と、電解質膜の一方の面に設けられているアノード触媒層と、を備え、カソード触媒層、アノード触媒層のうち、少なくとも一方の触媒層が、Ｐｔを含む触媒金属と、触媒金属を担持する導電性の担体粒子と、触媒金属および担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆するＳｉＯ２成分と、プロトン伝導性を有するイオノマーと、を備え、触媒層における、触媒金属、担体粒子およびＳｉＯ２成分の各質量を合計した基準質量に対するＳｉＯ２成分の含有量が１〜１５質量％（体積比率１〜２０％に相当。体積比率＝シリカ体積／（カーボン体積＋シリカ体積））であり、触媒層の体積抵抗率が１〜１００Ω・ｃｍであることを特徴とする。
【００１１】
この態様の膜電極接合体によれば、白金系の触媒金属を上記範囲の適量のＳｉＯ２成分で部分的に被覆することにより、白金系の触媒金属の利用率を高め、触媒層に形成した三相界面における反応性の向上を図ることができる。
【００１２】
上記態様の膜電極接合体において、触媒金属の濃度（１００×基準質量に対する触媒金属の質量％／（基準質量に対する触媒金属の質量％＋基準質量に対する担体粒子の質量％））が１０〜８０％であってもよい。担体粒子が、カーボンブラック、導電性金属酸化物系のいずれかもしくは両者の混合物であってもよい。担体粒子のＢＥＴ比表面積が１０〜１５００ｍ２／ｇであってもよい。担体粒子のメジアン径が３０ｎｍ〜１μｍであってもよい。膜電極接合体の有効面積に対する、触媒層における触媒金属の量が０．０５〜２ｍｇ／ｃｍ２であってもよい。触媒層における、担体粒子の量に対するイオノマーの量（イオノマー比率）が０．２〜３であってもよい。
【００１３】
本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、上述したいずれかの態様の膜電極接合体と、カソード触媒層に酸化剤を供給するための酸化剤流路を有するカソード側セパレータと、アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路を有するアノード側セパレータと、を備えることを特徴とする。
【００１４】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、白金系触媒を有する燃料電池において、触媒の利用率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線上の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１８】
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る燃料電池１０の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。燃料電池１０は、平板状の膜電極接合体５０を備え、この膜電極接合体５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けられている。セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数の燃料電池１０が積層されることにより、燃料電池スタックを構成する積層体が形成される。
【００１９】
膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０、アノード２２、およびカソード２４を有する。アノード２２は、アノード触媒層２６とアノードガス拡散層２８とからなる積層体を有する。一方、カソード２４は、カソード触媒層３０とカソードガス拡散層３２とからなる積層体を有する。アノード触媒層２６とカソード触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。アノードガス拡散層２８は、固体高分子電解質膜２０とは反対側のアノード触媒層２６の面に設けられている。また、カソードガス拡散層３２は、固体高分子電解質膜２０とは反対側のカソード触媒層３０の面に設けられている。
【００２０】
アノード２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられている。燃料供給用のマニホールド（図示せず）から改質ガスがガス流路３８に分配され、ガス流路３８を通じて膜電極接合体５０に改質ガスが供給される。同様に、カソード２４側に設けられるセパレータ３６にはガス流路４０が設けられている。酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）から酸化剤として空気がガス流路４０に分配され、ガス流路４０を通じて膜電極接合体５０に空気が供給される。
【００２１】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード２２およびカソード２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
【００２２】
本実施の形態のカソード触媒層３０は、イオノマーと、担体粒子と、触媒金属と、ＳｉＯ２成分とから構成される。イオノマーは、カソード触媒層３０中の触媒金属と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオノマーは、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。
【００２３】
担体粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラックのような導電性の炭素粒子、酸化チタン，酸化スズなどの導電性金属酸化物系、またはこれらの混合物が挙げられる。
【００２４】
担体粒子のＢＥＴ比表面積は、５０〜２０００ｍ２／ｇであることが好ましい。担体粒子のＢＥＴ比表面積が５０ｍ２／ｇより小さいと、触媒金属を均一に担持させることが難しくなる。このため、触媒表面の利用率が低下し、触媒性能の低下を招く。担体粒子のＢＥＴ比表面積が２０００ｍ２／ｇより大きいとＳｉＯ２成分による担体粒子の被覆が均一にならないため、白金系の触媒金属の利用率の向上を図ることができなくなる。
【００２５】
また、担体粒子のメジアン径は３０ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。担体粒子のメジアン径が３０ｎｍより小さいと触媒金属（数ｎｍ）を十分に担持することができない。また、担体粒子のメジアン径が１μｍより大きいと比表面積が小さくなるため、触媒金属を十分に担持することができない。
【００２６】
触媒金属は、上述した担体粒子に担持される。本実施の形態の触媒金属は、白金系触媒であり、ＰｔまたはＰｔとＦｅ、ＣｏまたはＮｉ等の金属とのＰｔ合金である。触媒金属の濃度（１００×基準質量に対する触媒金属の質量％／（基準質量に対する触媒金属の質量％＋基準質量に対する担体粒子の質量％））は、１０〜８０％であることが好ましい。なお、「基準質量」は、担体粒子、触媒金属およびＳｉＯ２成分各質量を合計した質量である。触媒金属の濃度が１０％より低いと、十分な発電性能が得られなくなる。触媒金属の濃度が８０％より高いと、触媒金属を担体粒子上に均一に担持させることが難しくなる。
【００２７】
ＳｉＯ２成分は、上述した触媒金属および担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆する。ここで、ＳｉＯ２成分は、具体的には、シリカである。ＳｉＯ２成分の含有量は、上述した基準質量に対して１〜１５質量％（体積比率１〜２０％に相当。体積比率＝シリカ体積／（カーボン体積＋シリカ体積））である。ＳｉＯ２成分の含有量が１質量％より少ないと、触媒金属を十分に被覆することができない。また、ＳｉＯ２成分の含有量が１５質量％より多いと、カソード触媒層において導電パスが形成されにくくなり、発電性の低下を招く。
【００２８】
カソード触媒層３０の体積抵抗率は１Ω・ｃｍ以上１００Ω・ｃｍ以下である。カソード触媒層３０の体積抵抗率が１Ω・ｃｍより低い場合には、カソード触媒層３０の抵抗が小さい利点はあるがＳｉＯ２成分による触媒金属の被覆量が十分でないため、十分な発電性能を得ることができない。カソード触媒層３０の体積抵抗率が１００Ω・ｃｍより高いと、カソード触媒層３０の抵抗が大きすぎるため、十分な発電性能を得ることができない。
【００２９】
また、膜電極接合体の有効面積に対する、カソード触媒層３３０における触媒金属の量は、０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜２ｍｇ／ｃｍ２であることが好ましい。触媒金属の量が０．０５ｍｇより少ないと、十分な発電性能を得ることができない。触媒金属の量が２ｍｇ／ｃｍ２より多いと、触媒金属に要するコストが必要以上に高くなり、燃料電池１０の製造コストが増大する。また、触媒金属の量が２ｍｇ／ｃｍ２より多いと、カソード触媒層３３０における酸素拡散性やプロトン移動性が悪くなるため、カソード触媒層３３０の内部の触媒金属を有効に利用することができなくなる。
【００３０】
また、カソード触媒層３０における、担体粒子の量に対するイオノマーの量（イオノマー比率）は０．２以上３以下であることが好ましい。イオノマーの量が０．２未満であると、カソード触媒層３０内のプロトン移動性が低下するため、発電性能が低下する。イオノマーの量が３より大きいと、カソード触媒層３０内の酸素拡散性が低下するため、発電性能が低下する。
【００３１】
カソードガス拡散層３２は、カソードガス拡散基材により形成される。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００３２】
一方、アノード触媒層２６は、イオノマーと、導電性材料と、白金触媒などから構成される。イオノマーは、アノード触媒層２６中の触媒金属と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオノマーは、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。導電性材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの炭素粒子が挙げられる。
【００３３】
アノードガス拡散層２８は、アノードガス拡散基材により形成される。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえば金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００３４】
以上説明した燃料電池によれば、ＳｉＯ２成分の含有量を適量とすることで、白金系の触媒金属の利用率を向上させ、ひいては燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【実施例】
【００３５】
ここで、各実施例および各比較例の燃料電池の作製方法について説明する。
＜電極触媒の作製＞
（電極触媒Ａ）
カーボンブラックとして、ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックＥＣ（ＢＥＴ比表面積＝８００ｍ２／ｇ）を、所定量の塩化白金酸を溶解した２−ブタノール中に混合し、超音波スターラーを用いて１時間超音波撹拌分散を行った。その後、６０℃で蒸発乾固し、さらに２５０℃で水素還元処理を５時間行うことにより、白金担持カーボンを得た。なお、この白金担持カーボンにおける白金濃度が５０ｗｔ％になるようにした。
【００３６】
（電極触媒Ｂ〜Ｈ）
電極触媒Ａを、純水３００ｍｌにトリメチルアミン７ｍｌを添加した溶液中に分散（ｐＨ＝１０になるよう調整）させた。得られた分散溶液に６０℃の温浴中で超音波を５分間照射した。その後、分散溶液に３−アミノプロピルエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を添加し、３０分間撹拌した。さらに、分散溶液にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を添加し、２時間撹拌した。得られた混合溶液を、遠心分離機を用いて３０分間遠心分離した。得られた混合溶液を６０℃で一晩乾燥させた後、３５０℃で水素還元して、ケッチェンブラックに担持されたＰｔがシリカ（ＳｉＯ２成分）で被覆されたＳｉＯ２／Ｐｔ／ケッチェンブラックＥＣ触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が１質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｂ、シリカ量が３質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｃ、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｄ、シリカ量が９質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｅ、シリカ量が１２質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｆ、シリカ量が１５質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｇ、シリカ量が１７質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｈとした。
【００３７】
（電極触媒Ｉ）
カーボンブラックとして、デンカ社製デンカブラック（ＢＥＴ比表面積＝６９ｍ２／ｇ）を、所定量の塩化白金酸を溶解した２−ブタノール中に混合し、超音波スターラーを用いて１時間超音波撹拌分散を行った。その後、６０℃蒸発乾固し、さらに２５０℃で５時間水素還元処理を行うことにより、白金担持カーボンを得た。なお、この白金担持カーボンにおける白金濃度が５０ｗｔ％になるようにした。
【００３８】
その白金担持カーボンを、純水３００ｍｌにトリメチルアミン７ｍｌを添加した溶液中に分散（ｐＨ＝１０になるよう調整）させた。得られた分散溶液に６０℃の温浴中で超音波を５分間照射した。その後、分散溶液に３−アミノプロピルエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を添加し、３０分間撹拌した。さらに、分散溶液にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を添加し、２時間撹拌した。得られた混合溶液を、遠心分離機を用いて３０分間遠心分離した。得られた混合溶液を６０℃で一晩乾燥させた後、３５０℃で水素還元して、デンカブラックに担持されたＰｔがシリカ（ＳｉＯ２成分）で被覆されたＳｉＯ２／Ｐｔ／デンカブラック触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｉとした。
【００３９】
（電極触媒Ｊ）
電極触媒Ｇの手法において、カーボンブラックとして、デンカブラックではなくＣａｂｏｔ社製Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２（ＢＥＴ比表面積＝２８０ｍ２／ｇ）を用いて、ＳｉＯ２／Ｐｔ／Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｊとした。
【００４０】
（電極触媒Ｋ）
電極触媒Ｇの手法において、カーボンブラックとして、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２ではなくケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ（ＢＥＴ比表面積＝１２７０ｍ２／ｇ）を用いて、ＳｉＯ２／Ｐｔ／ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｋとした。
【００４１】
（電極触媒Ｌ）
電極触媒Ｇの手法において、カーボンブラックとして、ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤではなくＣａｂｏｔ社製ブラックパール２０００（ＢＥＴ比表面積＝２０００ｍ２／ｇ）を用いて、ＳｉＯ２／Ｐｔ／ブラックパール２０００触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｌとした。
【００４２】
＜電極触媒スラリーの作製＞
電極触媒Ａ〜Ｌを用いて、以下の手順で電極触媒スラリーＡ〜Ｌを作製した。
【００４３】
電極触媒５ｇに対し、１０ｍｌの超純水を添加し撹拌した後に、１５ｍｌエタノールを添加した。この触媒分散溶液について、超音波スターラーを用いて１時間超音波撹拌分散を行った。
【００４４】
一方で、旭化成ケミカルズ製イオノマー溶液Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）ＳＳ７００Ｃ（濃度＝２０％、Ｅｗ＝７８０、含水率＝３６ｗｔ％）を等量の超純水で希釈を行い、ガラス棒で３分間撹拌した。この後、超音波洗浄機を用いて１時間超音波分散を行い、イオノマー水溶液を得た（以下、ＳＳ７００水溶液と略す）。
【００４５】
次に、超音波スターラーを用いて触媒分散溶液を撹拌しながらＳＳ７００水溶液を触媒分散溶液にゆっくりと滴下した。
【００４６】
さらに、ＳＳ７００水溶液を滴下した触媒分散溶液に、１−プロパノールと１−ブタノールの混合溶液１０ｇ（重量比１：１）を滴下した。このとき、触媒分散溶液の温度を６０℃に保ち、エタノールを蒸発、除去し、触媒スラリーを得た。以上の手法により得られた触媒スラリーにおけるイオノマー比率が１となるよう調整したものを電極触媒スラリーとした。
【００４７】
＜カソード電極触媒層の作製＞
電極触媒スラリーＡ〜Ｌを用いて、面積２５ｃｍ２のカーボンペーパーに、電極触媒層の有効面積に対する白金の量（目付け量）が後述の表１および表２に記載された量になるよう塗布した後、一晩乾燥させて、電極触媒層を作製した。
【００４８】
＜アノード電極触媒層の作製＞
電極触媒スラリーＡを、面積２５ｃｍ２のカーボンペーパーに、電極触媒層の有効面積に対する白金の量（目付け量）が０．５ｍｇ／ｃｍ２になるよう塗布した後、一晩乾燥させて、電極触媒層を作製した。
【００４９】
＜膜電極接合体の作製＞
上記の方法で作製したカソード電極触媒層とアノード電極触媒層の間に固体高分子電解質膜としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ２１２（登録商標）を挟持した状態で、１２０℃、５ＭＰ、１６０秒の接合条件でホットプレスすることによって膜電極接合体を作製した。
【００５０】
＜燃料電池の作製＞
上記の方法で作製した膜電極接合体のアノード面、カソード面に、それぞれ燃料流路が設けられた燃料セパレータを、酸化剤流路が設けられたセパレータを配設し、燃料電池を作製した。
【００５１】
＜性能評価＞
実施例１〜８、比較例１〜４の燃料電池について、下記条件にてそれぞれ電流密度値を測定した。なお、燃料流路および酸化剤流路は、ともに１流路のサーペンタイン型流路であり、燃料流路および酸化剤流路は並行流とした。
膜電極接合体の有効面積：２５ｃｍ２
燃料ガス：Ｈ２、流量３００ｍｌ／ｍｉｎ
酸化剤ガス：Ｏ２、流量３００ｍｌ／ｍｉｎ
セル温度：７０℃
燃料ガス用バブラー温度：７０℃
酸化剤ガス用バブラー温度：７０℃
【００５２】
（シリカ量による性能への影響）
実施例１〜６、比較例１、２の燃料電池における電流密度値の測定結果を表１に示す。
実施例１〜６は、いずれも３００ｍＡ／ｃｍ２時における電圧値は、燃料電池システムの実用上望まれる７００ｍＶを超えている。さらに実施例２〜５においては、３００ｍＡ／ｃｍ２時におけるより好ましき電圧値７５０ｍＶを超えている。
【００５３】
一方、シリカ量が０、すなわちＳｉＯ２成分を含有していない比較例１は、白金目付け量が実施例１〜６と同等で、体積抵抗率は実施例１〜６より低いにも関わらず、発電性能が低く、実用上十分な発電性能を発揮していない。
【００５４】
また、実施例１〜４、比較例１、２の中で最もシリカ量が多い、つまり体積抵抗率が最も高い比較例２も発電性能が低く、実用上十分な発電性能を発揮していない。ＳｉＯ２成分の含有量が１質量％より少ないと、触媒金属を十分に被覆することができず、また、ＳｉＯ２成分の含有量が１５質量％より多いと、カソード触媒層において導電パスが形成されにくくなるためである。
【００５５】
【表１】
【００５６】
（ＢＥＴ比表面積による性能への影響）
実施例３、７、８、比較例３、４の燃料電池における電流密度値の測定結果を表２に示す。最もＢＥＴ比表面積が小さい比較例３は、表１のＳｉＯ２成分を含有していない比較例１よりさらに３００ｍＡ／ｃｍ２時における電圧値が小さい。ＢＥＴ比表面積が小さすぎると触媒金属を均一に担持させることが難しいため、触媒表面の利用率が低下する一方で、ＳｉＯ２成分による体積抵抗率の上昇による影響をより強く受けてしまい、発電性能の低下を招く。
【００５７】
最もＢＥＴ比表面積が大きい比較例４も、表１のＳｉＯ２成分を含有していない比較例１より３００ｍＡ／ｃｍ２時における電圧値が小さい。ＢＥＴ比表面積が大きすぎるとＳｉＯ２成分による担体粒子の被覆が均一にならないため、白金系の触媒金属の利用率の向上を図ることができなくなり、発電性能の低下を招く。
【００５８】
【表２】
【００５９】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００６０】
例えば、上述の実施の形態では、カソード触媒層に担体粒子に担持された触媒金属がＳｉＯ２成分で部分的に被覆された触媒複合体が用いられているが、当該触媒複合体をアノード触媒層に用いてもよい。アノード触媒層に用いる場合は、ＰｔまたはＰｔとＲｕ等の金属とのＰｔ合金を用いてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 燃料電池、２０ 固体高分子電解質膜、２２ アノード、２４ カソード、２６ アノード触媒層、２８ アノードガス拡散層、３０ カソード触媒層、３２ カソードガス拡散層、５０ 膜電極接合体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）との間に配した基本構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガス、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−・・・（１）
カソード：１／２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（２）
【０００４】
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、膜電極接合体が構成される。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオノマーにより結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される（特許文献１参照）。
【０００６】
従来、触媒層に用いられる触媒として白金触媒が知られている。特に、カソードにおける反応は反応速度が比較的遅いため、カソード触媒層において白金触媒が多用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３５７８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の電気化学反応は、燃料と、触媒を担持した担体粒子と、固体電解質膜との三相界面で発生している。このため、燃料電池の発電性能を向上させるために、触媒層に形成された三相界面における反応性向上が重要であり、これを実現するためには、触媒の利用率を向上させることが必要である。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、白金系触媒を有する燃料電池において、触媒の利用率を向上させる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、膜電極接合体である。当該膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられているカソード触媒層と、電解質膜の一方の面に設けられているアノード触媒層と、を備え、カソード触媒層、アノード触媒層のうち、少なくとも一方の触媒層が、Ｐｔを含む触媒金属と、触媒金属を担持する導電性の担体粒子と、触媒金属および担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆するＳｉＯ２成分と、プロトン伝導性を有するイオノマーと、を備え、触媒層における、触媒金属、担体粒子およびＳｉＯ２成分の各質量を合計した基準質量に対するＳｉＯ２成分の含有量が１〜１５質量％（体積比率１〜２０％に相当。体積比率＝シリカ体積／（カーボン体積＋シリカ体積））であり、触媒層の体積抵抗率が１〜１００Ω・ｃｍであることを特徴とする。
【００１１】
この態様の膜電極接合体によれば、白金系の触媒金属を上記範囲の適量のＳｉＯ２成分で部分的に被覆することにより、白金系の触媒金属の利用率を高め、触媒層に形成した三相界面における反応性の向上を図ることができる。
【００１２】
上記態様の膜電極接合体において、触媒金属の濃度（１００×基準質量に対する触媒金属の質量％／（基準質量に対する触媒金属の質量％＋基準質量に対する担体粒子の質量％））が１０〜８０％であってもよい。担体粒子が、カーボンブラック、導電性金属酸化物系のいずれかもしくは両者の混合物であってもよい。担体粒子のＢＥＴ比表面積が１０〜１５００ｍ２／ｇであってもよい。担体粒子のメジアン径が３０ｎｍ〜１μｍであってもよい。膜電極接合体の有効面積に対する、触媒層における触媒金属の量が０．０５〜２ｍｇ／ｃｍ２であってもよい。触媒層における、担体粒子の量に対するイオノマーの量（イオノマー比率）が０．２〜３であってもよい。
【００１３】
本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、上述したいずれかの態様の膜電極接合体と、カソード触媒層に酸化剤を供給するための酸化剤流路を有するカソード側セパレータと、アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路を有するアノード側セパレータと、を備えることを特徴とする。
【００１４】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、白金系触媒を有する燃料電池において、触媒の利用率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線上の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１８】
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る燃料電池１０の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。燃料電池１０は、平板状の膜電極接合体５０を備え、この膜電極接合体５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けられている。セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数の燃料電池１０が積層されることにより、燃料電池スタックを構成する積層体が形成される。
【００１９】
膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０、アノード２２、およびカソード２４を有する。アノード２２は、アノード触媒層２６とアノードガス拡散層２８とからなる積層体を有する。一方、カソード２４は、カソード触媒層３０とカソードガス拡散層３２とからなる積層体を有する。アノード触媒層２６とカソード触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。アノードガス拡散層２８は、固体高分子電解質膜２０とは反対側のアノード触媒層２６の面に設けられている。また、カソードガス拡散層３２は、固体高分子電解質膜２０とは反対側のカソード触媒層３０の面に設けられている。
【００２０】
アノード２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられている。燃料供給用のマニホールド（図示せず）から改質ガスがガス流路３８に分配され、ガス流路３８を通じて膜電極接合体５０に改質ガスが供給される。同様に、カソード２４側に設けられるセパレータ３６にはガス流路４０が設けられている。酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）から酸化剤として空気がガス流路４０に分配され、ガス流路４０を通じて膜電極接合体５０に空気が供給される。
【００２１】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード２２およびカソード２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
【００２２】
本実施の形態のカソード触媒層３０は、イオノマーと、担体粒子と、触媒金属と、ＳｉＯ２成分とから構成される。イオノマーは、カソード触媒層３０中の触媒金属と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオノマーは、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。
【００２３】
担体粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラックのような導電性の炭素粒子、酸化チタン，酸化スズなどの導電性金属酸化物系、またはこれらの混合物が挙げられる。
【００２４】
担体粒子のＢＥＴ比表面積は、５０〜２０００ｍ２／ｇであることが好ましい。担体粒子のＢＥＴ比表面積が５０ｍ２／ｇより小さいと、触媒金属を均一に担持させることが難しくなる。このため、触媒表面の利用率が低下し、触媒性能の低下を招く。担体粒子のＢＥＴ比表面積が２０００ｍ２／ｇより大きいとＳｉＯ２成分による担体粒子の被覆が均一にならないため、白金系の触媒金属の利用率の向上を図ることができなくなる。
【００２５】
また、担体粒子のメジアン径は３０ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。担体粒子のメジアン径が３０ｎｍより小さいと触媒金属（数ｎｍ）を十分に担持することができない。また、担体粒子のメジアン径が１μｍより大きいと比表面積が小さくなるため、触媒金属を十分に担持することができない。
【００２６】
触媒金属は、上述した担体粒子に担持される。本実施の形態の触媒金属は、白金系触媒であり、ＰｔまたはＰｔとＦｅ、ＣｏまたはＮｉ等の金属とのＰｔ合金である。触媒金属の濃度（１００×基準質量に対する触媒金属の質量％／（基準質量に対する触媒金属の質量％＋基準質量に対する担体粒子の質量％））は、１０〜８０％であることが好ましい。なお、「基準質量」は、担体粒子、触媒金属およびＳｉＯ２成分各質量を合計した質量である。触媒金属の濃度が１０％より低いと、十分な発電性能が得られなくなる。触媒金属の濃度が８０％より高いと、触媒金属を担体粒子上に均一に担持させることが難しくなる。
【００２７】
ＳｉＯ２成分は、上述した触媒金属および担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆する。ここで、ＳｉＯ２成分は、具体的には、シリカである。ＳｉＯ２成分の含有量は、上述した基準質量に対して１〜１５質量％（体積比率１〜２０％に相当。体積比率＝シリカ体積／（カーボン体積＋シリカ体積））である。ＳｉＯ２成分の含有量が１質量％より少ないと、触媒金属を十分に被覆することができない。また、ＳｉＯ２成分の含有量が１５質量％より多いと、カソード触媒層において導電パスが形成されにくくなり、発電性の低下を招く。
【００２８】
カソード触媒層３０の体積抵抗率は１Ω・ｃｍ以上１００Ω・ｃｍ以下である。カソード触媒層３０の体積抵抗率が１Ω・ｃｍより低い場合には、カソード触媒層３０の抵抗が小さい利点はあるがＳｉＯ２成分による触媒金属の被覆量が十分でないため、十分な発電性能を得ることができない。カソード触媒層３０の体積抵抗率が１００Ω・ｃｍより高いと、カソード触媒層３０の抵抗が大きすぎるため、十分な発電性能を得ることができない。
【００２９】
また、膜電極接合体の有効面積に対する、カソード触媒層３３０における触媒金属の量は、０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜２ｍｇ／ｃｍ２であることが好ましい。触媒金属の量が０．０５ｍｇより少ないと、十分な発電性能を得ることができない。触媒金属の量が２ｍｇ／ｃｍ２より多いと、触媒金属に要するコストが必要以上に高くなり、燃料電池１０の製造コストが増大する。また、触媒金属の量が２ｍｇ／ｃｍ２より多いと、カソード触媒層３３０における酸素拡散性やプロトン移動性が悪くなるため、カソード触媒層３３０の内部の触媒金属を有効に利用することができなくなる。
【００３０】
また、カソード触媒層３０における、担体粒子の量に対するイオノマーの量（イオノマー比率）は０．２以上３以下であることが好ましい。イオノマーの量が０．２未満であると、カソード触媒層３０内のプロトン移動性が低下するため、発電性能が低下する。イオノマーの量が３より大きいと、カソード触媒層３０内の酸素拡散性が低下するため、発電性能が低下する。
【００３１】
カソードガス拡散層３２は、カソードガス拡散基材により形成される。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００３２】
一方、アノード触媒層２６は、イオノマーと、導電性材料と、白金触媒などから構成される。イオノマーは、アノード触媒層２６中の触媒金属と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオノマーは、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。導電性材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの炭素粒子が挙げられる。
【００３３】
アノードガス拡散層２８は、アノードガス拡散基材により形成される。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえば金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００３４】
以上説明した燃料電池によれば、ＳｉＯ２成分の含有量を適量とすることで、白金系の触媒金属の利用率を向上させ、ひいては燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【実施例】
【００３５】
ここで、各実施例および各比較例の燃料電池の作製方法について説明する。
＜電極触媒の作製＞
（電極触媒Ａ）
カーボンブラックとして、ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックＥＣ（ＢＥＴ比表面積＝８００ｍ２／ｇ）を、所定量の塩化白金酸を溶解した２−ブタノール中に混合し、超音波スターラーを用いて１時間超音波撹拌分散を行った。その後、６０℃で蒸発乾固し、さらに２５０℃で水素還元処理を５時間行うことにより、白金担持カーボンを得た。なお、この白金担持カーボンにおける白金濃度が５０ｗｔ％になるようにした。
【００３６】
（電極触媒Ｂ〜Ｈ）
電極触媒Ａを、純水３００ｍｌにトリメチルアミン７ｍｌを添加した溶液中に分散（ｐＨ＝１０になるよう調整）させた。得られた分散溶液に６０℃の温浴中で超音波を５分間照射した。その後、分散溶液に３−アミノプロピルエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を添加し、３０分間撹拌した。さらに、分散溶液にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を添加し、２時間撹拌した。得られた混合溶液を、遠心分離機を用いて３０分間遠心分離した。得られた混合溶液を６０℃で一晩乾燥させた後、３５０℃で水素還元して、ケッチェンブラックに担持されたＰｔがシリカ（ＳｉＯ２成分）で被覆されたＳｉＯ２／Ｐｔ／ケッチェンブラックＥＣ触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が１質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｂ、シリカ量が３質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｃ、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｄ、シリカ量が９質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｅ、シリカ量が１２質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｆ、シリカ量が１５質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｇ、シリカ量が１７質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｈとした。
【００３７】
（電極触媒Ｉ）
カーボンブラックとして、デンカ社製デンカブラック（ＢＥＴ比表面積＝６９ｍ２／ｇ）を、所定量の塩化白金酸を溶解した２−ブタノール中に混合し、超音波スターラーを用いて１時間超音波撹拌分散を行った。その後、６０℃蒸発乾固し、さらに２５０℃で５時間水素還元処理を行うことにより、白金担持カーボンを得た。なお、この白金担持カーボンにおける白金濃度が５０ｗｔ％になるようにした。
【００３８】
その白金担持カーボンを、純水３００ｍｌにトリメチルアミン７ｍｌを添加した溶液中に分散（ｐＨ＝１０になるよう調整）させた。得られた分散溶液に６０℃の温浴中で超音波を５分間照射した。その後、分散溶液に３−アミノプロピルエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を添加し、３０分間撹拌した。さらに、分散溶液にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を添加し、２時間撹拌した。得られた混合溶液を、遠心分離機を用いて３０分間遠心分離した。得られた混合溶液を６０℃で一晩乾燥させた後、３５０℃で水素還元して、デンカブラックに担持されたＰｔがシリカ（ＳｉＯ２成分）で被覆されたＳｉＯ２／Ｐｔ／デンカブラック触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｉとした。
【００３９】
（電極触媒Ｊ）
電極触媒Ｇの手法において、カーボンブラックとして、デンカブラックではなくＣａｂｏｔ社製Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２（ＢＥＴ比表面積＝２８０ｍ２／ｇ）を用いて、ＳｉＯ２／Ｐｔ／Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｊとした。
【００４０】
（電極触媒Ｋ）
電極触媒Ｇの手法において、カーボンブラックとして、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２ではなくケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ（ＢＥＴ比表面積＝１２７０ｍ２／ｇ）を用いて、ＳｉＯ２／Ｐｔ／ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｋとした。
【００４１】
（電極触媒Ｌ）
電極触媒Ｇの手法において、カーボンブラックとして、ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤではなくＣａｂｏｔ社製ブラックパール２０００（ＢＥＴ比表面積＝２０００ｍ２／ｇ）を用いて、ＳｉＯ２／Ｐｔ／ブラックパール２０００触媒を得た。以上の手法により、シリカ量が６質量％になるよう調整したものを電極触媒Ｌとした。
【００４２】
＜電極触媒スラリーの作製＞
電極触媒Ａ〜Ｌを用いて、以下の手順で電極触媒スラリーＡ〜Ｌを作製した。
【００４３】
電極触媒５ｇに対し、１０ｍｌの超純水を添加し撹拌した後に、１５ｍｌエタノールを添加した。この触媒分散溶液について、超音波スターラーを用いて１時間超音波撹拌分散を行った。
【００４４】
一方で、旭化成ケミカルズ製イオノマー溶液Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）ＳＳ７００Ｃ（濃度＝２０％、Ｅｗ＝７８０、含水率＝３６ｗｔ％）を等量の超純水で希釈を行い、ガラス棒で３分間撹拌した。この後、超音波洗浄機を用いて１時間超音波分散を行い、イオノマー水溶液を得た（以下、ＳＳ７００水溶液と略す）。
【００４５】
次に、超音波スターラーを用いて触媒分散溶液を撹拌しながらＳＳ７００水溶液を触媒分散溶液にゆっくりと滴下した。
【００４６】
さらに、ＳＳ７００水溶液を滴下した触媒分散溶液に、１−プロパノールと１−ブタノールの混合溶液１０ｇ（重量比１：１）を滴下した。このとき、触媒分散溶液の温度を６０℃に保ち、エタノールを蒸発、除去し、触媒スラリーを得た。以上の手法により得られた触媒スラリーにおけるイオノマー比率が１となるよう調整したものを電極触媒スラリーとした。
【００４７】
＜カソード電極触媒層の作製＞
電極触媒スラリーＡ〜Ｌを用いて、面積２５ｃｍ２のカーボンペーパーに、電極触媒層の有効面積に対する白金の量（目付け量）が後述の表１および表２に記載された量になるよう塗布した後、一晩乾燥させて、電極触媒層を作製した。
【００４８】
＜アノード電極触媒層の作製＞
電極触媒スラリーＡを、面積２５ｃｍ２のカーボンペーパーに、電極触媒層の有効面積に対する白金の量（目付け量）が０．５ｍｇ／ｃｍ２になるよう塗布した後、一晩乾燥させて、電極触媒層を作製した。
【００４９】
＜膜電極接合体の作製＞
上記の方法で作製したカソード電極触媒層とアノード電極触媒層の間に固体高分子電解質膜としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ２１２（登録商標）を挟持した状態で、１２０℃、５ＭＰ、１６０秒の接合条件でホットプレスすることによって膜電極接合体を作製した。
【００５０】
＜燃料電池の作製＞
上記の方法で作製した膜電極接合体のアノード面、カソード面に、それぞれ燃料流路が設けられた燃料セパレータを、酸化剤流路が設けられたセパレータを配設し、燃料電池を作製した。
【００５１】
＜性能評価＞
実施例１〜８、比較例１〜４の燃料電池について、下記条件にてそれぞれ電流密度値を測定した。なお、燃料流路および酸化剤流路は、ともに１流路のサーペンタイン型流路であり、燃料流路および酸化剤流路は並行流とした。
膜電極接合体の有効面積：２５ｃｍ２
燃料ガス：Ｈ２、流量３００ｍｌ／ｍｉｎ
酸化剤ガス：Ｏ２、流量３００ｍｌ／ｍｉｎ
セル温度：７０℃
燃料ガス用バブラー温度：７０℃
酸化剤ガス用バブラー温度：７０℃
【００５２】
（シリカ量による性能への影響）
実施例１〜６、比較例１、２の燃料電池における電流密度値の測定結果を表１に示す。
実施例１〜６は、いずれも３００ｍＡ／ｃｍ２時における電圧値は、燃料電池システムの実用上望まれる７００ｍＶを超えている。さらに実施例２〜５においては、３００ｍＡ／ｃｍ２時におけるより好ましき電圧値７５０ｍＶを超えている。
【００５３】
一方、シリカ量が０、すなわちＳｉＯ２成分を含有していない比較例１は、白金目付け量が実施例１〜６と同等で、体積抵抗率は実施例１〜６より低いにも関わらず、発電性能が低く、実用上十分な発電性能を発揮していない。
【００５４】
また、実施例１〜４、比較例１、２の中で最もシリカ量が多い、つまり体積抵抗率が最も高い比較例２も発電性能が低く、実用上十分な発電性能を発揮していない。ＳｉＯ２成分の含有量が１質量％より少ないと、触媒金属を十分に被覆することができず、また、ＳｉＯ２成分の含有量が１５質量％より多いと、カソード触媒層において導電パスが形成されにくくなるためである。
【００５５】
【表１】
【００５６】
（ＢＥＴ比表面積による性能への影響）
実施例３、７、８、比較例３、４の燃料電池における電流密度値の測定結果を表２に示す。最もＢＥＴ比表面積が小さい比較例３は、表１のＳｉＯ２成分を含有していない比較例１よりさらに３００ｍＡ／ｃｍ２時における電圧値が小さい。ＢＥＴ比表面積が小さすぎると触媒金属を均一に担持させることが難しいため、触媒表面の利用率が低下する一方で、ＳｉＯ２成分による体積抵抗率の上昇による影響をより強く受けてしまい、発電性能の低下を招く。
【００５７】
最もＢＥＴ比表面積が大きい比較例４も、表１のＳｉＯ２成分を含有していない比較例１より３００ｍＡ／ｃｍ２時における電圧値が小さい。ＢＥＴ比表面積が大きすぎるとＳｉＯ２成分による担体粒子の被覆が均一にならないため、白金系の触媒金属の利用率の向上を図ることができなくなり、発電性能の低下を招く。
【００５８】
【表２】
【００５９】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００６０】
例えば、上述の実施の形態では、カソード触媒層に担体粒子に担持された触媒金属がＳｉＯ２成分で部分的に被覆された触媒複合体が用いられているが、当該触媒複合体をアノード触媒層に用いてもよい。アノード触媒層に用いる場合は、ＰｔまたはＰｔとＲｕ等の金属とのＰｔ合金を用いてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 燃料電池、２０ 固体高分子電解質膜、２２ アノード、２４ カソード、２６ アノード触媒層、２８ アノードガス拡散層、３０ カソード触媒層、３２ カソードガス拡散層、５０ 膜電極接合体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられているカソード触媒層と、
前記電解質膜の一方の面に設けられているアノード触媒層と、
を備え、
前記カソード触媒層、前記アノード触媒層のうち、少なくとも一方の触媒層が、
Ｐｔを含む触媒金属と、
前記触媒金属を担持する導電性の担体粒子と、
前記触媒金属および前記担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆するＳｉＯ２成分と、
プロトン伝導性を有するイオノマーと、
を備え、
前記触媒層における、前記触媒金属、前記担体粒子およびＳｉＯ２成分の各質量を合計した基準質量に対するＳｉＯ２成分の含有量が１〜１５質量％であり、
前記触媒層の体積抵抗率が１〜１００Ω・ｃｍであることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記触媒金属の濃度（１００×基準質量に対する触媒金属の質量％／（基準質量に対する触媒金属の質量％＋基準質量に対する担体粒子の質量％））が１０〜８０％である請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記担体粒子が、カーボンブラック、導電性金属酸化物系のいずれかもしくは両者の混合物である請求項１または２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記担体粒子のＢＥＴ比表面積が１００〜１５００ｍ２／ｇである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記担体粒子のメジアン径が３０ｎｍ〜１μｍである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
膜電極接合体の有効面積に対する、前記触媒層における前記触媒金属の量が０．０５〜２ｍｇ／ｃｍ２である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記触媒層における、前記担体粒子の量に対する前記イオノマーの量（イオノマー比率）が０．２〜３である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、
前記カソード触媒層に酸化剤を供給するための酸化剤流路を有するカソード側セパレータと、
前記アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路を有するアノード側セパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられているカソード触媒層と、
前記電解質膜の一方の面に設けられているアノード触媒層と、
を備え、
前記カソード触媒層、前記アノード触媒層のうち、少なくとも一方の触媒層が、
Ｐｔを含む触媒金属と、
前記触媒金属を担持する導電性の担体粒子と、
前記触媒金属および前記担体粒子の周囲の少なくとも一部を被覆するＳｉＯ２成分と、
プロトン伝導性を有するイオノマーと、
を備え、
前記触媒層における、前記触媒金属、前記担体粒子およびＳｉＯ２成分の各質量を合計した基準質量に対するＳｉＯ２成分の含有量が１〜１５質量％であり、
前記触媒層の体積抵抗率が１〜１００Ω・ｃｍであることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記触媒金属の濃度（１００×基準質量に対する触媒金属の質量％／（基準質量に対する触媒金属の質量％＋基準質量に対する担体粒子の質量％））が１０〜８０％である請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記担体粒子が、カーボンブラック、導電性金属酸化物系のいずれかもしくは両者の混合物である請求項１または２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記担体粒子のＢＥＴ比表面積が１００〜１５００ｍ２／ｇである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
前記担体粒子のメジアン径が３０ｎｍ〜１μｍである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項６】
膜電極接合体の有効面積に対する、前記触媒層における前記触媒金属の量が０．０５〜２ｍｇ／ｃｍ２である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項７】
前記触媒層における、前記担体粒子の量に対する前記イオノマーの量（イオノマー比率）が０．２〜３である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の膜電極接合体と、
前記カソード触媒層に酸化剤を供給するための酸化剤流路を有するカソード側セパレータと、
前記アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路を有するアノード側セパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２２９６０（Ｐ２０１２−２２９６０Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１４５１（Ｐ２０１０−１６１４５１）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
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