CN101682033B - 用于燃料电池的电极催化剂层及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池的电极催化剂层包括第1区域和第2区域，第2区域的防水性高于第1区域。第1区域的每单位面积的催化剂的量小于第2区域的每单位面积的催化剂的量。由此，能够抑制燃料电池的输出电压的下降并减少电极催化剂层所含有的催化剂的量。

Description

用于燃料电池的电极催化剂层及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的电极催化剂层。
背景技术
燃料电池通常具有被交替地堆叠的多个发电单元和多个隔板。各发电单元具有膜电极组件，所述膜电极组件包括电解质膜和配置在电解质膜两侧的2个电极催化剂层。
另外，在日本专利文献特开2003-173785号公报中，记载了在厚度方向上催化剂的浓度分布不同的第1催化剂层和在沿表面的方向上催化剂的浓度分布不同的第2催化剂层。另外，在该文献中，记载了在厚度方向上防水剂的量不同的第3催化剂层和在沿表面的方向上防水剂的量不同的第4催化剂层。并且，在该文献中还记载了在厚度方向上亲水剂的量不同的第5催化剂层和在沿表面的方向上亲水剂的量不同的第6催化剂层。
另外，作为这种燃料电池，例如在日本专利文献特开2006-40767号公报、日本专利文献特开2006-134886号公报、以及日本专利文献2006-228501号公报中记载的燃料电池已被公知。
电极催化剂层含有催化剂，优选的是减少催化剂的量。但是，如果减少了催化剂的量，则通常燃料电池的输出电压会下降。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中的上述问题而完成的，其目的在于在抑制燃料电池的输出电压的下降的同时减少电极催化剂层所含有的催化剂的量。
为了解决上述问题的至少一部分，本发明的第1装置是一种用于燃料电池的电极催化剂层，该电极催化剂层的特征在于，包括：第1区域；以及第2区域，其防水性高于所述第1区域；其中，所述第1区域的每单位面积的催化剂的量小于所述第2区域的每单位面积的所述催化剂的量。
在包括该电极催化剂层的燃料电池中，在第1区域中主要是水容易扩散，在第2区域中主要是反应气体容易扩散。并且，反应气体的扩散量比较大的第2区域的每单位面积的催化剂的量多于反应气体的扩散量比较小的第1区域的每单位面积的催化剂的量，因此在第2区域中能够更加高效率地将反应气体用于电化学反应。即，如果使用该电极催化剂层来构成燃料电池，则能够在抑制燃料电池的输出电压的下降的同时减少电极催化剂层所含有的催化剂的量。
也可以在所述第2区域实施用于提高防水性的处理。取而代之，或者也可以同时在所述第1区域实施用于提高亲水性的处理。
本发明的第2装置是一种用于燃料电池的膜电极组件，该膜电极组件的特征在于，包括：电解质膜；第1电极催化剂层，其设置在所述电解质膜的第1面侧；以及第2电极催化剂层，其设置在所述电解质膜的第2面侧；其中，所述第1电极催化剂层和所述第2电极催化剂层中的至少一者是上述任一项所述的电极催化剂层。
该膜电极组件包括作为本发明的第1装置的电极催化剂层。因此，如果使用该膜电极组件来构成燃料电池，则能够在抑制燃料电池的输出电压的下降的同时减少电极催化剂层所含有的催化剂的量。
本发明的方法是一种电极催化剂层的制造方法，所述电极催化剂层用于燃料电池，所述电极催化剂层的制造方法的特征在于，包括以下步骤：(a)准备含有催化剂的第1分散液和含有所述催化剂的第2分散液；以及(b)通过在支撑体上涂覆所述第1分散液来形成所述电极催化剂层所包括的第1区域，通过在所述支撑体上涂覆所述第2分散液来形成所述电极催化剂层所包括的、防水性高于所述第1区域的第2区域；其中，按照使所述第1区域的每单位面积的催化剂的量小于所述第2区域的每单位面积的催化剂的量的方式来进行所述第1分散液的涂覆和所述第2分散液的涂覆。
如果采用该方法，则能够制造出本发明的电极催化剂层。因此，如果使用该电极催化剂层来构成燃料电池，则能够在抑制燃料电池的输出电压的下降的同时减少电极催化剂层所含有的催化剂的量。
在上述方法中，优选的是：通过使所述第1分散液的每单位面积的涂覆量小于所述第2分散液的每单位面积的涂覆量而使所述第1区域的每单位面积的所述催化剂的量小于所述第2区域的每单位面积的所述催化剂的量。
在第1分散液中的催化剂的浓度等于第2分散液中的催化剂的浓度的情况下，对各区域的涂覆量与各区域的催化剂量成比例。因此，如果按照上述那样来进行涂敷，则能够通过改变2种分散液的每单位面积的涂覆量来改变2个区域的每单位面积的催化剂的量。另外，认为各分散液的组成与基本组成相同，并且能够仅通过是否添加亲水性材料、防水性材料和添加量的调节来进行调节。
本发明可以通过各种方式来实现，例如可以通过电极催化剂层、包括该电极催化剂层的膜电极组件、包括该膜电极组件的燃料电池、以及它们的制造方法等方式来实现。
附图说明
图1是示意地表示燃料电池100的内部构造的说明图；
图2是对图1的发电单元110进行了放大表示的说明图；
图3是对图1的发电单元110与隔板120之间的关系进行了放大表示的说明图；
图4是表示作为第1变形例的发电单元110A的说明图；
图5是表示作为第2变形例的发电单元110B的说明图；
图6是表示发电单元110(图2)的制造步骤的流程图；
图7是表示在实验中使用的5种发电单元U1～U5的电极催化剂层的特征的说明图；
图8的(A)～(D)是表示图7所示的各催化剂油墨的组成的说明图；
图9的(A)～(C)是表示5种发电单元U1～U5的电压-电流特性的实验结果。
具体实施方式
下面，基于实施例并按照下面的顺序来说明本发明的实施方式。
A.燃料电池的构成；
B.发电单元的构成；
C.发电单元的制造方法；
D.实验结果。
A.燃料电池的构成：
图1是示意地表示燃料电池100的内部构造的说明图。另外，该燃料电池100是固体高分子型的燃料电池。如该图所示，燃料电池100包括被交替地堆叠的多个发电单元110和多个隔板120。另外，虽然没有进行图示，但是一般在隔板上设置有冷却液通道。
发电单元110包括电解质膜112，第1电极催化剂层(阳极)114a和第1气体扩散层116a按照该顺序被设置在电解质膜112的一个面一侧，第2电极催化剂层(阴极)114c和第2气体扩散层116c按照该顺序被设置在电解质膜112的另一个面一侧。与第1气体扩散层116a接触的第1隔板120被配置在发电单元110的一侧，与第2气体扩散层116c接触的第2隔板120被配置在发电单元110的另一侧。在各隔板120的两个面上形成有多个沟槽，在发电单元110的第1气体扩散层116a与第1隔板120之间形成有阳极侧气体通道121，在发电单元110的第2气体扩散层116c与第2隔板120之间形成有阴极侧气体通道122。
含有由燃料气体供应单元(未图示)供应的氢气的燃料气体在阳极侧气体通道121中流通，含有由氧化气体供应单元(未图示)供应的氧气的氧化气体(空气)在阴极侧气体通道122中流通。燃料气体和氧化气体在发电单元110中被用于电化学反应。
本实施例中的以下模块相当于一个单元(Cell)，该模块包括发电单元110、第1隔板120中的包括阳极侧气体通道121的部分、第2隔板120中的包括阴极侧气体通道122的部分。即，在本实施例中，燃料电池100具有多个(例如100个)单元。
另外，例如由含有磺酸基的氟类树脂等固体高分子材料形成的膜被用作电解质膜112。电极催化剂层114a、114c例如含有承载了铂(Pt)等催化剂的碳粒子。气体扩散层116a、116c由具有透气性和导电性的材料形成，例如使用碳纸。另外，隔板120具有导电性，由不具有透气性的金属或碳等形成。另外，有时也使用具有透气性的多孔材料。
另外，本实施例中的电解质膜112和配置在电解质膜的两侧的2个电极催化剂层114a、114c相当于本发明中的膜电极组件(MEA：MembraneElectrode Assembly)。
B.发电单元的构成：
图2是对图1的发电单元110进行了放大表示的说明图。如图所示，第1电极催化剂层(阳极)114a包括一种区域。另一方面，第2电极催化剂层(阴极)114c包括2种区域L1、L2。具体来讲，第2电极催化剂层114c包括被交替地排列成条带状的多个第1区域L1和多个第2区域L2。
第1区域L1是亲水性高于第2区域L2的区域(相反，第2区域L2是防水性高于第1区域L1的区域)。下面，也将第1区域L1称为“亲水性区域”，将第2区域L2称为“防水性区域”。
在本实施例中，在第2电极催化剂层114c的亲水性区域L1内实施了用于提高亲水性的处理，在防水性区域L2内实施了用于提高防水性的处理。另外，在第1电极催化剂层114a内没有实施用于提高亲水性和防水性的处理。即，在本实施例中，第2电极催化剂层114c的亲水性区域L1具有比第1电极催化剂层114a高的亲水性，防水性区域L2具有比第1电极催化剂层114a高的防水性。
并且，在防水性区域L2中含有比亲水性区域L1更多的催化剂。更具体地来讲，防水性区域L2的每单位面积的催化剂量大于亲水性区域L1的每单位面积的催化剂量。
众所周知，随着发电单元110中的电化学反应的进行，在第2电极催化剂层(阴极)114c中，被供应的氧化气体中的氧气被消耗而生成水。该水也被称为“生成水”。生成水与通过阴极侧气体通道122(图1)的氧化气体一起被排出到燃料电池100的外部。但是，在残留在第2电极催化剂层114c内的水过多的情况下，氧化气体不会充分地流入到第2电极催化剂层114c内，电化学反应的进行被抑制。
在本实施例中，如上所述，第2电极催化剂层114c包括防水性(或亲水性)的不同的2种区域L1，L2。因此，在防水性区域L2内生成的水流入到亲水性区域L1。并且，流入到亲水性区域L1中的水和在亲水性区域L1中生成的水从亲水性区域L1被排出到第2气体扩散层116c，然后与在阴极侧气体通道122中流通的氧化气体一起被排出到燃料电池100的外部。与生成水的含有量大的亲水性区域L1相比，在阴极侧气体通道122中流通的氧化气体更容易流入到生成水的含有量小的防水性区域L2中。即，亲水性区域L1主要作为生成水在其中流通的通道发挥作用，防水性区域L2主要作为氧化气体在其中流通的通道发挥作用。换句话说，在第2电极催化剂层114c中，生成水的排出路径和氧化气体的流入路径是被分离开的。因此，在本实施例中，能够高效率地进行生成水的排出和氧化气体的供应。
另外，如上所述，防水性区域L2的每单位面积的催化剂量大于亲水性区域L1的每单位面积的催化剂量，因此流入到防水性区域L2的氧化气体被高效率地用于电化学反应。即，能够提高氧化气体的扩散量比较大的防水性区域L2中的氧化气体的反应效率并减少氧化气体的扩散量比较小的亲水性区域L1的每单位面积的催化剂量。
如上所述，亲水性区域L1和防水性区域L2被设置成条带状。特别是在本实施例中，亲水性区域L1和防水性区域L2被设置成与隔板120的形状相匹配，更具体地来讲与阴极侧气体通道122的形状相匹配。
图3是对图1的发电单元110与隔板120的关系进行了放大表示的说明图。如该图所示，2种区域L1、L2被设置成亲水性区域L1配置在与阴极侧气体通道122相对应的位置。这样一来，各亲水性区域L1内的生成水容易经由第2气体扩散层116c向对应的阴极侧气体通道122移动，因此能够高效率地将生成水排出到阴极侧气体通道122。
如图3所示，在本实施例中，亲水性区域L1的宽度与阴极侧气体通道122的宽度大致一致，亲水性区域L1的宽度也可以比阴极侧气体通道122的宽度小。这样一来，可以认为在各阴极侧气体通道122中流通的氧化气体容易经由第2气体扩散层116c而流入到2个防水性区域L2，所述2个防水性区域L2设置在对应的亲水性区域L1的两侧。这样，将亲水性区域和防水性区域排列成亲水性区域配置在与阴极侧气体通道相对应的位置即可。
另外，在本实施例中，2种区域L1、L2排列成条带状，但是也可以取而代之排列成格子状，还可以排列成点状(即2种区域L1、L2中的一个被另一个包围的形状)。
另外，在本实施例中，第2电极催化剂层114c包括亲水性区域L1和防水性区域L2，除此之外第2气体扩散层116c也可以包括亲水性比较高的区域和防水性比较高的区域。在这种情况下，将第2气体扩散层所包括的亲水性比较高的区域设置在与第2电极催化剂层114c的亲水性区域相对应的位置并将第2气体扩散层所包括的防水性比较高的区域设置在与第1电极催化剂层114c的防水性区域相对应的位置即可。
B-1.发电单元的第1变形例：
图4是表示作为第1变形例的发电单元110A的说明图，与图2相对应。图4与图2大致是一样的，但是第2电极催化剂层114Ac被改变了。
第2电极催化剂层114Ac包括被交替地排列成条带状的多个亲水性区域LA1和多个防水性区域LA2。并且，防水性区域LA2的每单位面积的催化剂的量大于亲水性区域LA1的每单位面积的催化剂的量。
但是，亲水性区域LA1与图2的亲水性区域L1不同，没有实施用于提高亲水性的处理，防水性区域LA2与图2的防水性区域L2相同，实施了用于提高防水性的处理。即，第2电极催化剂层114Ac的亲水性区域LA1具有与第1电极催化剂层114a等同的亲水性，防水性区域LA2具有比第1电极催化剂层114a高的防水性。
在使用图4的发电单元110A的情况下，能够提高防水性区域LA2中的氧化气体的反应效率并减少亲水性区域LA1的每单位面积的催化剂的量。
B-2.发电单元的第2变形例：
图5是表示作为第2变形例的发电单元110B的说明图，与图2相对应。图5与图2大致一样，但是第2电极催化剂层114Bc被改变了。
第2电极催化剂层114Bc包括被交替地排列成条带状的多个亲水性区域LB1和多个防水性区域LB2。并且，防水性区域LB2的每单位面积的催化剂的量大于亲水性区域LB1的每单位面积的催化剂的量。
但是，亲水性区域LB1与图2的亲水性区域L1一样，实施了用于提高亲水性的处理，防水性区域LB2与图2的防水性区域L2不同，没有实施用于提高防水性的处理。即，第2电极催化剂层114Bc的亲水性区域LB1具有比第1电极催化剂层114a高的亲水性，防水性区域LB2具有与第1电极催化剂层114a等同的防水性。
在使用图5的发电单元110B的情况下，也能够提高防水性区域LB2中的氧化气体的反应效率并减少亲水性区域LB1的每单位面积的催化剂的量。
C.发电单元的制造方法：
图6是表示发电单元110(图2)的制造步骤的流程图。
在步骤S102中，准备阳极用的1种催化剂油墨。另外，催化剂油墨的意思是含有催化剂的悬浮液(分散液)。在催化剂油墨中含有承载催化剂(例如铂)的催化剂承载碳、电解质(例如Nafion(Dupont公司的商标))、溶剂(例如水或乙醇等醇)。
在步骤S104中，阳极用的催化剂油墨被涂覆在电解质膜112的一个面上。在本实施例中，使用喷墨装置来涂覆催化剂油墨。然后，通过真空干燥来进行涂覆层中所含有的溶剂的干燥。由此，第1电极催化剂层114a被形成在电解质膜112的一个面上。
在步骤S106中，准备阴极用的2种催化剂油墨。第1种催化剂油墨和第2种催化剂油墨的组成互不相同。第1种催化剂油墨是用于形成第2电极催化剂层114c的亲水性区域L1的催化剂油墨，第2种催化剂油墨是用于形成防水性区域L2的催化剂油墨。
在阴极用的第1种和第2种的催化剂油墨中，与阳极用的催化剂油墨一样含有催化剂承载碳、电解质、溶剂。在第1种催化剂油墨中还含有用于提高亲水性的添加剂(亲水剂)。作为亲水剂，例如可以使用二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)等金属氧化物或聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)、丙烯酸苏打(Acrylic Acid Soda)等亲水性树脂。另一方面，在第2种的催化剂油墨中还含有用于提高防水性的添加剂(防水剂)。作为防水剂，例如可以使用PTFE(Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)等氟类高分子树脂。
在步骤S108中，在电解质膜112的另一个面上涂覆第1种催化剂油墨并涂覆第2种催化剂油墨。使用喷墨装置将第1催化剂油墨和第2催化剂油墨涂覆·干燥成条带状。然后，根据需要来进行真空干燥。由此，在电解质膜112的另一个面上形成了第2电极催化剂层114c，该第2电极催化剂层114c包括排列成条带状的亲水性区域L1和防水性区域L2。
在本实施例中，第1种催化剂油墨和第2种催化剂油墨所含有的催化剂承载碳的催化剂承载率相同。因此，用于形成防水性区域L2的第2种催化剂油墨的涂覆量被设定成大于用于形成亲水性区域L1的第1种催化剂油墨的涂覆量。结果，防水性区域L2的每单位面积的催化剂的量大于亲水性区域L1的每单位面积的催化剂的量。
另外，步骤S106、S108的处理也可以在步骤S102、S104的处理之前进行。或者，步骤S106的处理也可以在步骤S104的处理之前进行。
在步骤S110之中，将2个气体扩散层116a、116c接合在2个电极催化剂层114a、114c上。另外，在本实施例中使用热压法来进行接合。
通过图6的处理来获得发电单元110，使用多个发电单元110来制造燃料电池100。
另外，在本实施例中使用喷墨装置来进行催化剂油墨的涂覆，但是也可以使用分配(Dispenser)装置、丝网印刷装置来代替。
另外，在本实施例中，为了形成亲水性区域L1，在催化剂油墨中添加了亲水剂，但是也可以实施用于提高亲水性的其他处理。例如，通过在承载催化剂的碳粒子上进行亲水基(例如羟基)的修饰，能够提高亲水性。
同样，在本实施例中，为了形成防水性区域L2，在催化剂油墨中添加了防水剂，但是也可以实施用于提高防水性的其他处理。例如，通过在承载催化剂的碳粒子上进行疏水基(例如烷基)的修饰或者进行氟化，能够提高防水性。
另外，也可以与发电单元110同样地制造变行例(图4、图5)的发电单元110A、110B。但是，在制造变行例的发电单元110A、110B的情况下，在步骤S106中准备的阴极用的2种催化剂油墨被改变。在制造图4的发电单元110A的情况下，例如作为形成亲水性区域LA1的第1种催化剂油墨，使用未添加亲水剂的催化剂油墨即可，作为形成防水性区域LA2的第2种催化剂油墨，使用添加了防水剂的催化剂油墨即可。同样，在制造图5的发电单元110B的情况下，作为形成亲水性区域LB1的第1种催化剂油墨，使用添加了亲水剂的催化剂油墨即可，作为形成防水性区域LB2的第2种催化剂油墨，使用未添加防水剂的催化剂油墨即可。
D.实验结果：
制造了5种发电单元来进行了实验。图7是表示在实验使用了的5种发电单元U1～U5的电极催化剂层的特征的说明图。另外，第4发电单元U2相当于图4的发电单元110A，第5发电单元U5相当于图2的发电单元110。
各发电单元U1～U5的第1电极催化剂层(阳极)114a是相同的，使用阳极用的标准油墨而形成。另外，标准油墨是指没有实施用于提高亲水性和防水性的处理的催化剂油墨。
各发电单元U1～U5的第2电极催化剂层(阳极)114c是彼此不同的，使用1种或2种油墨而形成。具体来讲，第1发电单元U1的阴极114c使用阴极用的标准油墨而形成。第2和第4发电单元U2、U4的阴极114c的亲水性区域使用阴极用的标准油墨而形成，防水性区域使用防水性油墨而形成。另外，第3和第5发电单元U3、U5的阴极114c的亲水性区域使用亲水性油墨而形成，防水性区域使用防水性油墨而形成。另外，亲水性油墨是指实施了用于提高亲水性的处理的催化剂油墨，防水性油墨是指实施了用于提高防水性的处理的催化剂油墨。
图8是表示图7所示的各催化剂油墨的组成的说明图。另外，在图8中，组成用重量比来表示。
图8的(A)～(C)表示了阴极用的各催化剂油墨的组成。具体来讲，图8的(A)表示标准油墨的组成，图8的(B)表示防水性油墨的组成，图8的(C)表示亲水性油墨的组成。对图8的(A)～(C)进行比较可知，防水性油墨的组成与标准油墨的组成大致相同，但是追加了PTFE(Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)。另外，亲水性油墨的组成与标准油墨的组成大致相同，但是追加了TiO2(二氧化钛)。
图8的(D)表示阳极用的标准油墨的组成。对图8的(A)、(D)进行比较可知，阳极用的标准油墨的组成与阴极用的标准油墨的组成大致相同，但是改变了电解质的质量比。
另外，图8的(A)～(D)的催化剂承载碳承载了铂(Pt)催化剂，催化剂的承载率相同。
如下制造了各发电单元U1～U5。首先，准备图7所示的1种阳极用的标准油墨，并准备1种或2种阴极用的催化剂油墨。混合、搅拌图8所示的各材料，并使用超声波均匀器进行20分钟的分散，由此制造了各催化剂油墨。另外，进行分散处理是为了使得催化剂承载碳在悬浮液内均匀地分布。
然后，使用喷墨装置在电解质膜上形成了阳极。如图7所示，关于各发电单元U1～U5，阳极用的标准油墨的涂覆量被设定成每单位面积的催化剂的量(Pt量)为0.1mg/cm2。
另外，使用喷墨装置在电解质膜上形成了阴极。如图7所示，关于第1发电单元U1，阴极用的标准油墨的涂覆量被设定成每单位面积的催化剂的量(Pt量)为0.3mg/cm2。关于第2～第5发电单元U2～U5，以1mm间距涂覆了2种催化剂油墨，使得条带状地形成亲水性区域和防水性区域。具体来讲，关于第2发电单元U2，阴极用的标准油墨的涂覆量和防水性油墨的涂覆量均被设定成每单位面积的催化剂的量为0.3mg/cm2。关于第3发电单元U3，亲水性油墨的涂覆量和防水性油墨的涂覆量均被设定成每单位面积的催化剂的量为0.3mg/cm2。关于第4发电单元U4，阴极用的标准油墨的涂覆量和防水性油墨的涂覆量分别被设定成每单位面积的催化剂的量为0.14mg/cm2和0.3mg/cm2。关于第5发电单元U5，亲水性油墨的涂覆量和防水性油墨的涂覆量分别被设定成每单位面积的催化剂的量为0.14mg/cm2和0.3mg/cm2。
最后，使用热压法将第1气体扩散层116a和第2气体扩散层116c分别接合至第1电极催化剂层(阳极)114a和第2电极催化剂层(阴极)114c。在140C、4Mpa的条件下进行了3分钟的热压。
经过上述处理，获得了5种发电单元U1～U5。另外，第1至第3发电单元U1～U3的阴极的每单位面积的平均催化剂量(Pt量)为0.3mg/cm2，第4、第5发电单元U4、U5的阴极的每单位面积的平均催化剂量(Pt量)为0.22mg/cm2(＝(0.14+0.3)/2)。
图9是表示5种发电单元U1～U5的电压-电流特性的实验结果。另外，在图9的(A)～(C)中，横轴表示电流密度(mA/cm2)，纵轴表示发电单元的输出电压(mV)。
在图9的(A)中表示了曲线C1、C2、C3，该曲线C1、C2、C3表示第1、第2、第3发电单元U1、U2、U3的电压-电流特性。在图9的(B)中表示了曲线C1、C4、C5，该曲线C1、C4、C5表示第1、第4、第5发电单元U1、U4、U5的电压-电流特性。另外，在图9的(A)、(B)中表示的曲线C1相同。另外，在图9的(B)中表示的曲线C4、C5大致重合。在图9的(C)中放大表示了图9的(A)、(B)中的由点划线包围的区域。具体来讲，表示了电流密度1000mA/cm2下的5种发电单元U1～U5的电压的测定点。
如图7所示，第2和第3发电单元U2、U3的阴极的催化剂的量相同。但是，如图9的(A)、(C)所示，在比较高的电流密度下，第3发电单元U3的输出电压高于第2发电单元U2的输出电压。同样，如图7所示，第4和第5发电单元U4、U5的阴极的催化剂的量相同。但是，如图9的(B)、(C)所示，在比较高的电流密度下，第5发电单元U5的输出电压高于第4发电单元U4的输出电压。这是因为：第3、第5发电单元U3、U5的阴极的亲水性区域由添加了亲水剂的亲水性油墨形成，第2、第4发电单元U2、U4的阴极的亲水性区域由未添加亲水剂的标准油墨形成(参照图7)。
另外，如图7所示，第1至第3发电单元U1～U3的阴极的催化剂的量相同。但是，如图9的(A)、(C)所示，在比较高的电流密度下，第2和第3发电单元U2、U3的输出电压高于第1发电单元U1的输出电压。这是因为：第1发电单元U1的阴极不包括亲水性区域和防水性区域，第2和第3发电单元U2、U3的阴极包括亲水性区域和防水性区域(参照图7)。
如图7所示，第4和第5发电单元U4、U5的阴极的催化剂量小于第1发电单元U1的催化剂量。具体来讲，如上所述，第4、第5发电单元U4、U5的阴极的每单位面积的平均催化剂量为0.22mg/cm2(＝(0.14+0.3)/2)，比第1发电单元U1～U3的阴极的每单位面积的平均催化剂量0.3mg/cm2大约小30％。但是，如图9的(B)、(C)所示，在比较高的电流密度下，第4和第5发电单元U4、U5的输出电压稍高于第1发电单元U1的输出电压。这是因为：第1发电单元U1的阴极不包括亲水性区域和防水性区域，第4和第5发电单元U4，U5的阴极包括亲水性区域和防水性区域(参照图7)。根据该结果，可以说通过在第4和第5的发电单元U4、U5中形成亲水性区域和防水性区域并调整各区域的催化剂的量，能够抑制发电单元的输出电压的下降并在相当大的程度上减少催化剂的量。
如上所述，在本实施例中，在第2电极催化剂层114c的亲水性区域L1内水容易扩散，在防水性区域L2内反应气体容易扩散。并且，反应气体的扩散量比较大的防水性区域L2的每单位面积的催化剂量多于反应气体的扩散量比较小的亲水性区域L1的每单位面积的催化剂量，所以在防水性区域L2内能够高效率地将反应气体用于电化学反应。即，能够抑制燃料电池100的输出电压的下降并减少第2电极催化剂层114c所含有的催化剂的量。特别是在使用贵金属催化剂(例如铂(Pt))来作为催化剂的情况下，具有能够使燃料电池100的成本大幅降低的优点。
另外，本发明不限于上述实施例和实施方式，能够在不脱离其要旨的范围内通过各种方式来实施，例如可以进行以下变形。
(1)在上述实施例中，第1种催化剂油墨所含有的催化剂承载碳的催化剂承载率(第1承载率)与第2种催化剂油墨所含有的催化剂承载碳的催化剂承载率(第2承载率)相同。因此，在上述实施例中，通过改变第1种催化剂油墨的涂覆量和第2种催化剂油墨的涂覆量来改变亲水性区域和防水性区域的每单位面积的催化剂量。
但是，第1承载率和第2承载率也可以不同。在该情况下，即便使第1种催化剂油墨的涂覆量等于第2种催化剂油墨的涂覆量，也能够改变亲水性区域和防水性区域的每单位面积的催化剂量。具体来讲，如果将第1承载率设定成小于第2承载率，即便使2种催化剂油墨的涂覆量大致相等，也能够使亲水性区域的每单位面积的催化剂量小于防水性区域的每单位面积的催化剂量。
在一般情况下，将亲水性区域的每单位面积的催化剂的量设定成小于防水性区域的每单位面积的催化剂的量即可。
(2)在上述实施例中，通过在电解质膜112上涂覆催化剂油墨而在电解质膜112上形成了电极催化剂层114a、114c，但是也可以取而代之通过在其他的支撑体上涂覆催化剂油墨、然后使支撑体上的涂覆层(电极催化剂层)接合至电解质膜112而在电解质膜上形成电极催化剂层。作为支撑体，可以使用由聚四氟乙烯(PTFE，Polytetrafluoroethylene)膜等由氟类树脂形成的膜(薄片，Sheet)。另外，在该情况下，在涂覆层(电极催化剂层)接合后剥离支撑体(薄片，Sheet)即可。
另外，在如上所述使用电解质膜以外的支撑体的情况下，优选的是改变第1承载率和第2承载率。这样一来，通过将第1种催化剂油墨的涂覆量和第2种催化剂油墨的涂覆量设定成大致相等，能够将亲水性区域的厚度和防水性区域的厚度设定成大致相等。

Claims (6)

1.一种电极催化剂层，用于燃料电池，所述电极催化剂层的特征在于，
通过使多个第1区域和防水性高于所述第1区域的多个第2区域在沿所述电极催化剂层的表面的方向上交替地排列成条带状而形成、或者通过使多个第1区域和防水性高于所述第1区域的多个第2区域在沿所述电极催化剂层的表面的方向上排列成格子状或者点状而形成，所述点状是所述第1区域和所述第2区域中的一个被另一个包围的形状，所述第1区域的每单位面积的催化剂的量小于所述第2区域的每单位面积的所述催化剂的量。
2.如权利要求1所述的电极催化剂层，其中，
在所述第2区域实施了用于提高防水性的处理。
3.如权利要求1或2所述的电极催化剂层，其中，
在所述第1区域实施了用于提高亲水性的处理。
4.一种膜电极组件，用于燃料电池，所述膜电极组件的特征在于，包括：
电解质膜；
第1电极催化剂层，其设置在所述电解质膜的第1面侧；以及
第2电极催化剂层，其设置在所述电解质膜的第2面侧；
其中，所述第1电极催化剂层和所述第2电极催化剂层中的至少一者是权利要求1至3中的任一项所述的电极催化剂层。
5.一种电极催化剂层的制造方法，所述电极催化剂层用于燃料电池，所述电极催化剂层的制造方法的特征在于，包括以下步骤：
(a)准备含有催化剂的第1分散液和含有所述催化剂的第2分散液；以及
(b)通过在支撑体上涂覆所述第1分散液来形成所述电极催化剂层所包括的多个第1区域，通过在所述支撑体上涂覆所述第2分散液来形成所述电极催化剂层所包括的、防水性高于所述第1区域的多个第2区域； 
其中，按照所述多个第1区域和所述多个第2区域在沿所述电极催化剂层的表面的方向上交替地排列成条带状、或者所述多个第1区域和所述多个第2区域在沿所述电极催化剂层的表面的方向上排列成格子状或点状、并且所述第1区域的每单位面积的催化剂的量小于所述第2区域的每单位面积的所述催化剂的量的方式来进行所述第1分散液的涂覆和所述第2分散液的涂覆，所述点状是所述第1区域和所述第2区域中的一个被另一个包围的形状。
6.如权利要求5所述的电极催化剂层的制造方法，其中，
通过使所述第1分散液的每单位面积的涂覆量小于所述第2分散液的每单位面积的涂覆量而使所述第1区域的每单位面积的所述催化剂的量小于所述第2区域的每单位面积的所述催化剂的量。 
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