JP2001300324A - 複合触媒とその製造方法およびその複合触媒を使用した燃料電池用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガス拡散性が高く、触媒金属の利用率が高い高
性能な複合触媒を得て、さらにこの複合触媒を使用し、
電極構造の改善を行なうことにより、ＰＥＦＣの高出力
化をはかる。 【解決手段】触媒表面に有孔性陽イオン交換樹脂を備え
たこと特徴とする複合触媒を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複合触媒とその製
造方法およびその複合触媒を使用した燃料電池用電極の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦ
Ｃ）は、陽イオン交換樹脂の１種である固体高分子電解
質膜の一方の面にアノ−ドを、もう一方の面にカソ−ド
を接合して構成され、アノ−ドに水素などの燃料を、カ
ソ−ドに酸素などの酸化剤を供給したときに進行する電
気化学反応によって電力を得る装置である。ＰＥＦＣを
作動させると、アノ−ドおよびカソ−ドにそれぞれ水素
と酸素とを供給した場合、次のような電気化学反応が進
行する。

【０００３】アノ−ド：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- カソ−ド：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→Ｈ₂Ｏ このような電気化学反応は、各電極において、プロトン
（Ｈ⁺）および電子（ｅ^-）授受を同時に行うことができ
る三相界面でのみ進行する。そこでＰＥＦＣにおけるア
ノ−ドおよびカソ−ドには、三相界面を得るためにガス
拡散層と触媒層とで構成されるガス拡散電極が用いられ
る。

【０００４】ガス拡散層には、外部から供給される反応
物質を触媒層へ十分に拡散させるために、その経路を備
えた撥水性を付与した多孔質なカ−ボンペ−パなどが用
いられる。触媒層には、ガス拡散層を経て供給される反
応物質の電気化学反応を円滑に進めるために、陽イオン
交換樹脂と触媒とを含む混合物が用いられる。

【０００５】ここで、触媒としては、白金族金属、金、
チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバル
ト、ニッケル、スズなどの金属の単体、またはそれらの
金属の合金などの触媒粒子、あるいは、それらを担持し
たカーボン粒子が用いられる。

【０００６】従来の触媒層は、陽イオン交換樹脂を含む
溶液と触媒粒子とからなるペーストを高分子フィルムや
カーボンペーパなどの基材上に製膜し、乾燥することに
よって製作されていた。このような触媒層では、陽イオ
ン交換樹脂によるプロトン伝導チャンネル、触媒粒子同
士の接触による電子伝導チャンネル、および、触媒粒子
間の隙間からなる細孔によるガス拡散チャンネルが三次
元的に分布しているので、三相界面が無数に形成され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の陽イオ
ン交換樹脂はプロトン伝導性が高いが、ガス拡散性が極
めて低いために、上記のような触媒層では、触媒粒子間
に形成される細孔の一部が陽イオン交換樹脂によって閉
塞し、ガス拡散チャンネルが遮断されるといった問題が
あった。

【０００８】このようなガス拡散チャンネルが十分に形
成されていない触媒層を電極に用いた場合、触媒層の細
部にまで反応ガスが供給されないので、触媒の利用率が
低く、また、濃度過電圧が大きいのでセル電圧が低いと
いう問題があった。

【０００９】以上に鑑み、本発明の目的は、ガス拡散性
が高く、触媒金属の利用率が高い、高性能な複合触媒を
得ることにあり、さらにこの複合触媒を使用することと
電極構造の改善を行なうことにより、ＰＥＦＣの高出力
化をはかることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、複合
触媒が、触媒表面に有孔性陽イオン交換樹脂を備えたこ
とを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、前記複合触媒におい
て、触媒重量に対する有孔性陽イオン交換樹脂量が１．
０〜１００ｗｔ％であること特徴とする。

【００１２】請求項３の発明は、前記複合触媒の製造方
法において、陽イオン交換樹脂を溶媒に溶解した溶液を
触媒の表面に付着させた後、前記陽イオン交換樹脂を相
分離させることを特徴とする。

【００１３】請求項４の発明は、前記複合触媒の製造方
法において、陽イオン交換樹脂を第１の溶媒に溶解した
溶液を触媒の表面に付着させた後、前記陽イオン交換樹
脂に対して不溶性でかつ第１の溶媒と相溶性の第２の溶
媒により、溶液中の第１の溶媒を抽出することを特徴と
する。

【００１４】請求項５の発明は、燃料電池用電極が前記
複合触媒を含むことを特徴とする。

【００１５】請求項６の発明は、燃料電池用電極の製造
方法において、複合触媒を含む混合物をプレスする工程
を経て触媒層を形成することを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池用複
合触媒の構造例を図面を参照して説明する。図１は本発
明の複合触媒の断面を示す模式図、図２および図３は本
発明の複合触媒の表面状態を示す模式図である。図１、
図２および図３において、１は触媒、２は有孔性陽イオ
ン交換樹脂である。なお、触媒１は、触媒金属粒子また
は触媒金属を担持したカーボン粒子からなる。

【００１７】本発明の複合触媒は、図１に示したよう
に、電気化学反応に活性な触媒１の表面に有孔性陽イオ
ン交換樹脂２を備えた構造である。

【００１８】そして、本発明の複合触媒は、図１のよう
に有孔性陽イオン交換樹脂２が触媒１の表面を完全に被
覆した構造でもよいし、図２に示したように、触媒１の
表面に有孔性陽イオン交換樹脂２が部分的に備えられた
構造でもよい。また、本発明の複合触媒は、図１および
図２のように個々の触媒１を有孔性陽イオン交換樹脂２
で被覆した形状でもよく、また、図３に示すように触媒
１で構成される二次粒子の表面に有孔性陽イオン交換樹
脂２を備えた形状でもよい。

【００１９】このような本発明に係る複合触媒は、その
触媒表面に有孔性陽イオン交換樹脂を備えているため
に、それ自体がプロトン伝導性を持ち、触媒層内に至る
までプロトン伝導チャンネルが形成され、さらに、陽イ
オン交換樹脂が有孔性であるために外部からのガスが触
媒層内に十分に透過および拡散するので、触媒層内の細
部に至るまでプロトン伝導チャンネルとガス拡散チャン
ネルとが閉塞することなく形成される。すなわち、本発
明の複合触媒は、ガス拡散性が高く、触媒金属の利用率
が高い高性能な複合触媒である。

【００２０】また、本発明の電極用複合触媒において、
含まれる触媒重量に対する有孔性陽イオン交換樹脂の重
量の割合は特に限定されるものではないが、１．０〜１
００ｗｔ％であることが好ましい。その割合は、触媒が
触媒金属の粒子である場合、その比重が大きいことから
１．０〜２０ｗｔ％であることが好ましく、触媒が触媒
金属を担持したカーボン粒子である場合、その比重が小
さいことから１５〜１００ｗｔ％であることが好まし
い。

【００２１】そこで、複合触媒における触媒と有孔性陽
イオン交換樹脂の混合割合と特性との関係を、複合触媒
の断面の状態を示す図４および図５を用いて説明する。
なお、図４および図５において、１は触媒、２は有孔性
陽イオン交換樹脂である。

【００２２】触媒重量に対する有孔性陽イオン交換樹脂
の混合割合が、触媒が触媒金属の粒子の場合で１．０ｗ
ｔ％以下、触媒金属を担持したカーボン粒子の場合で１
５ｗｔ％以下の場合は、図４に示すように、有孔性陽イ
オン交換樹脂が少ないために、有孔性陽イオン交換樹脂
に被覆されている触媒の表面積が極端に小さくなる。こ
のため、多くの触媒金属が電極反応時にプロトンを授受
できないので、その触媒利用率が大きく低下する。

【００２３】また、触媒が触媒金属の粒子の場合で２０
ｗｔ％以上、触媒金属を担持したカーボン粒子の場合で
１００ｗｔ％以上の場合は、図５に示すように、触媒表
面の有孔性陽イオン交換樹脂の層によって、触媒間距離
が極端に広くなる。このため、多くの触媒金属が電極反
応時に電子を授受できないので、その触媒利用率が大き
く低下する。

【００２４】本発明の複合触媒に含まれる触媒は、触媒
活性を有する物質であればどのような物性および形状の
ものでも効果があり、一般的な燃料電池用触媒として用
いられる触媒金属の粒子、または触媒金属を担持したカ
ーボン粒子などを用いることができる。

【００２５】なお、上記触媒金属の粒子とは、たとえ
ば、白金族金属、金、チタン、バナジウム、クロム、マ
ンガン、鉄、コバルト、ニッケル、スズなどの金属の単
体、またはそれらの金属の合金の触媒金属粒子である。
また、触媒金属を担持するカーボン粒子とは、たとえ
ば、アセチレンブラックやファーネスブラックなどのカ
ーボンブラック、または活性炭などであり、とくにカー
ボンブラックは触媒金属を高分散担持できることから好
ましく用いられる。

【００２６】また、本発明の複合触媒に用いられる陽イ
オン交換樹脂としては、プロトン伝導性の高いものが好
ましく、たとえば、パーフロロカーボンスルホン酸また
はスチレン−ジビニルベンゼン系のスルホン酸型イオン
交換樹脂を単独であるいは混合して用いることができ
る。

【００２７】本発明の、有孔性の陽イオン交換樹脂を表
面に備えた複合触媒は、陽イオン交換樹脂を溶媒に溶解
した溶液を触媒の表面に付着させた後、前記陽イオン交
換樹脂を相分離した後、溶媒を抽出することによって得
られる。

【００２８】この方法は、本発明の複合触媒に限らず、
例えば非多孔のような、他の構造の複合触媒の製造方法
としても用いることができる。

【００２９】陽イオン交換樹脂を溶媒に溶解した溶液を
触媒の表面に付着させるには、触媒を溶液に浸漬する
か、または触媒に溶液をスプレーなどで吹き付けること
によりなされる。

【００３０】特に触媒を溶液に浸漬する方法の場合に
は、触媒表面の孔中、あるいは、触媒が二次粒子を形成
している場合にはその二次粒子の孔中にも溶液を含ませ
るために、５０Ｔｏｒｒ以下の減圧下で、さらに好まし
くは１Ｔｏｒｒ以下の減圧下でその浸漬工程をおこなう
ことが好ましい。さらに、陽イオン交換樹脂溶液とカー
ボン粒子とを攪拌、振動または流動させる工程をおこな
うことが好ましい。

【００３１】また、触媒の表面に付着した溶液から陽イ
オン交換樹脂を相分離する方法としては、加熱または冷
却による陽イオン交換樹脂の溶媒に対する溶解度変化、
溶媒を蒸発させることによる溶液中の陽イオン交換樹脂
の濃度変化を利用する方法などがあげられる。

【００３２】例えば、溶解度変化を利用する方法とし
て、低温において陽イオン交換樹脂が溶媒に溶解しにく
く、温度を上昇させた場合に溶解しやすいような陽イオ
ン交換樹脂と溶媒との組み合せにおいて、温度を上昇さ
せて陽イオン交換樹脂を溶媒に完全に溶解させた溶液を
触媒表面に付着させた後、その温度を下げていくと、溶
液中で陽イオン交換樹脂と溶媒とが分離する。このよう
な相分離をおこした陽イオン交換樹脂と溶媒との溶液か
ら溶媒を除去することによって、有孔性樹脂を表面に備
えた複合触媒が得られる。

【００３３】また、溶媒抽出法を用いることにり前記相
分離をおこなうことが可能である。この方法は、陽イオ
ン交換樹脂を第１の溶媒に溶解した溶液を触媒に付着さ
せた後、この触媒を、前記陽イオン交換樹脂に対して不
溶性でかつ第１の溶媒と相溶性のある第２の溶媒に浸漬
することによって、溶液中の第１の溶媒を抽出して、有
孔性樹脂を表面に備えた複合触媒が得られる。

【００３４】ここで、陽イオン交換樹脂を第１の溶媒に
溶解した溶液を触媒の表面に付着させる工程から陽イオ
ン交換樹脂を相分離する工程までを繰り返すことによっ
て、または陽イオン交換樹脂を第１の溶媒に溶解した溶
液を触媒の表面に付着させる工程において、用いる陽イ
オン交換樹脂溶液の濃度あるいは粘度を増減することに
よって、触媒の表面に備えられた陽イオン交換樹脂の担
持量を調整し、触媒に対する陽イオン交換樹脂を１．０
〜１００ｗｔ％にすることができる。

【００３５】ここで使用する触媒の形態は、粉末状態で
も、触媒が集電体に凝集した状態でも良いが、粉末状態
であることが好ましい。

【００３６】本発明の、溶媒抽出法による複合触媒の製
造方法に用いられる第１の溶媒として、水や水とアルコ
ールとの混合溶液が好ましい。その混合溶液に使用され
るアルコールとしては、炭素数が４以下のものが好まし
く、メタノール、１−プロパノール、２−プロパノー
ル、１−ブタノール、２−ブタノールあるいはこれらの
混合物を用いることができる。

【００３７】また本発明の、溶媒抽出法による複合触媒
の製造方法に用いられる第２の溶媒として、アルコール
性水酸基以外の極性基を有する有機溶媒を用いることが
でき、分子内にアルコキシカルボニル基を有する炭素鎖
の炭素数が１〜７の有機溶媒、例えば、ギ酸プロピル、
ギ酸ブチル、ギ酸イソブチル、酢酸エチル、酢酸プロピ
ル、酢酸イソプロピル、酢酸アリル、酢酸ブチル、酢酸
イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピ
オン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロ
ピル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、アクリル
酸イソブチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、酪酸エチ
ル、イソ酪酸エチル、メタクリル酸メチル、酪酸プロピ
ル、イソ酪酸イソプロピル、酢酸2-エトキシエチル、酢
酸２−（２エトキシエトキシ）エチル等の単独もしくは
混合物、または分子内にエーテル結合を有する炭素鎖の
炭素数が３〜５の有機溶媒、例えば、ジプロピルエーテ
ル、ジブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエ
ーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、トリプ
ロピレングリコールモノメチルエーテル、テトラヒドロ
フラン等の単独もしくは混合物、または分子内にカルボ
ニル基を有する炭素鎖の炭素数が４〜８の有機溶媒、例
えば、メチルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、
メチルヘキシルケトン、ジプロピルケトン等の単独もし
くは混合物、または分子内にアミノ基を有する炭素鎖の
炭素数が１〜５の有機溶媒、例えば、イソプロピルアミ
ン、イソブチルアミン、ターシャルブチルアミン、イソ
ペンチルアミン、ジエチルアミン等の単独もしくは混合
物、または分子内にカルボキシル基を有する炭素鎖の炭
素数が１〜６の有機溶媒、例えば、プロピオン酸、吉草
酸、カプロン酸、ヘプタン酸等の単独もしくは混合物、
またはこれらの組み合わせから得られるものを用いるこ
とができる。

【００３８】なかでも、三次元連通性の孔を有する有孔
性陽イオン交換樹脂を形成するために用いるアルコール
性水酸基以外の極性基を有する有機溶媒としては、アル
コキシカルボニル基を有するものがもっとも好ましい。

【００３９】本発明に係る燃料電池用電極は、上記本発
明の複合触媒を含む触媒層を備えたことを特徴とし、必
要に応じては、従来通りＰＴＦＥ粒子や陽イオン交換樹
脂を含んでもよい。また、本発明に係る燃料電池用電極
は、外部から供給される反応物質を触媒層へ十分に拡散
させるために、ガス拡散層としてその経路を備えた撥水
性を付与した多孔質なカ−ボンペ−パなどを備えてもよ
い。

【００４０】本発明の電極を燃料電池に備えることによ
って、プロトン移動に起因する抵抗によるセル電圧の低
下と濃度過電圧によるセル電圧の低下とが軽減されるの
で、燃料電池の高出力化がはかられる。

【００４１】本発明の燃料電池用電極は、本発明の複合
触媒を含む混合物、または本発明の製造方法によって得
られた複合触媒を含む混合物をプレスする工程を経て触
媒層を形成することによって製作できる。

【００４２】本発明の燃料電池用電極の製造方法は、有
孔性陽イオン交換樹脂によって被覆された触媒を含む混
合物をプレスすることによって、個々の触媒間の電気的
接触を遮断していた陽イオン交換樹脂の被覆層が圧迫さ
れて部分的に剥離するので、形成された触媒層内の電子
伝導性が向上すること、および、プレスする工程をおこ
なっても有孔性陽イオン交換樹脂が十分な多孔度を保持
することに着目してなされたものであり、上記本発明の
燃料電池用電極に限らず、他の構造の燃料電池用電極の
製造方法としても用いることのできるものである。

【００４３】本発明の燃料電池用電極の製造方法では、
有孔性陽イオン交換樹脂によって被覆された触媒を含む
混合物を高分子フィルムなどの上に製膜し、それをプレ
スして触媒層を形成した後、固体高分子電解質膜の少な
くとも一方の面に転写・接合して電極―固体高分子電解
質膜接合体としてもよいし、必要に応じて、前記接合体
のさらに外側からガス拡散層としてカーボンペーパなど
の多孔質な導電基材を接合してもよい。

【００４４】また、高分子フィルムなどの上に製膜した
前記混合物をプレスして触媒層を形成した後、ガス拡散
層となるカーボンペーパなどの多孔質な導電基材に転写
することによって電極としてもよい。あるいは、高分子
フィルムなどの上に製膜した前記混合物を固体高分子電
解質膜の少なくとも一方の面に転写したのちに、あるい
は、前記混合物を直接、固体高分子電解質膜の少なくと
も一方の面に塗布し製膜したのちに、それをプレスする
ことによって電極―固体高分子電解質膜接合体としても
よく、必要に応じてガス拡散層を接合してもよい。

【００４５】本発明の燃料電池用電極の製造方法におい
て、前記混合物をプレスする際の圧力は、少なくとも、
個々の触媒間に存在して電気的な接触を遮断している有
孔性陽イオン交換樹脂を部分的に剥離させることができ
る圧力以上であればよく、圧力が、５０ｋｇ／ｃｍ²以
上であれば、触媒層に十分な電子伝導性を付与すること
ができる。特に効果的な触媒層の多孔度を維持するため
には、その圧力が１０００ｋｇ／ｃｍ²以下であること
が好ましい。

【００４６】本発明の燃料電池用電極の製造方法に用い
る混合物とは、本発明の複合触媒、または、本発明によ
って製造される複合触媒によって構成され、その形状は
どのようであっても本発明の効果が得られるが、膜厚が
５０μｍ以下の膜状であることが好ましい。

【００４７】このような混合物は、たとえば、本発明の
燃料電池用複合触媒を分散媒に分散させペースト状にし
たのちに、製膜し、乾燥することによって製作できる。
このとき、前記ペーストに必要に応じてＰＴＦＥ粒子や
陽イオン交換樹脂を加えてもよい。

【００４８】なお、分散媒としては、水、グリセリン、
Ｎ−メチルピロリドン、ベンゼン、クロロホルム、メタ
ノールやエタノールなどの低級アルコール類などを用い
ることができる。また、製膜する方法としては、スクリ
ーン印刷法、スプレーまたはドクターブレードまたは刷
毛などによる塗布法などが好適である。

【００４９】

【実施例】以下本発明の好適な実施例を用いて説明す
る。

【００５０】［実施例１］白金担持カーボン（田中貴金
属製、１０Ｖ３０Ｅ：Ｖａｌｃａｎ ＸＣ−７２に白金
３０ｗｔ％を担持）と陽イオン交換樹脂溶液（アルドリ
ッチ社製、ナフィオン５．０ｗｔ％溶液）とを混合し、
６０℃で撹拌しながら陽イオン交換樹脂溶液に対する陽
イオン交換樹脂の濃度が２０ｗｔ％になるまで濃縮する
ことによって、表面に陽イオン交換樹脂溶液を付着した
白金担持カーボン粒子を含むペースト状の混合物を得
た。

【００５１】つぎにこの混合物を、酢酸ブチルを満たし
たビーカーに滴下し１時間撹拌した後乾燥し、白金担持
カーボン表面に多孔性陽イオン交換樹脂を備えた複合触
媒を得た。

【００５２】この工程の後、得られた複合触媒の重量を
測定して陽イオン交換樹脂の白金担持カーボン粒子に対
する担持量（ｗｔ％）を求めた。そして、陽イオン交換
樹脂の担持量が白金担持カーボン粒子に対して１、１
０、２０、３０、５０、７５、１００、１２５、１５０ｗ
ｔ％となるように、工程を繰り返した。

【００５３】上記で得られた複合触媒を、ベンゼンを分
散媒として高分子フィルム（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フィルム）上に製膜
し、乾燥した後、それを８７０ｋｇ／ｃｍ²の圧力でプ
レスすることによって本発明の複合触媒を含む触媒層Ａ
を得た。得られた触媒層を固体高分子電解質膜（デュポ
ン社製、ナフィオン、膜厚約５０μｍ）の両面にホット
プレスにて接合し、さらにガス拡散層としてカーボンペ
ーパを接合し、燃料電池の単セルに組んでセルＡを得
た。

【００５４】この有孔性陽イオン交換樹脂量の異なる触
媒層Ａを備えた電極の水素の吸着・脱離挙動を、サイク
リックボルタンメトリ法を用いて測定した。上記セルＡ
の電極の一方を作用極、他方を対象極として、２６℃に
て加湿したアルゴンガスと水素ガスをそれぞれ３０ｃｃ
／ｍｉｎ流し、５０〜１０００ｍＶ／ＲＨＥ、 １００
ｍＶ／ｓｅｃにて作用極の電位を掃印した。測定温度は
２６℃とした。ＲＨＥ電位は、開回路時の参照極に対す
る対象極の電位とした。

【００５５】そして、有孔性陽イオン交換樹脂量の異な
る触媒層Ａを備えた電極の白金担持量あたりの電気化学
的に活性な表面積を、サイクリックボルタモグラムの水
素の脱離電気量と別途おこなった化学分析による白金量
とから求めて、白金担持カーボン粒子表面に備えられた
有孔性陽イオン交換樹脂の配合比と電気化学的に活性な
表面積との関係を得た。その結果を図６に示した。

【００５６】図６より、白金担持カーボン粒子表面に備
えられた陽イオン交換樹脂が、白金担持カーボン粒子に
対して２０〜１００ｗｔ％のときに、白金担持量あたり
の電気化学的に活性な表面積が著しく高いことがわか
る。このことは、この範囲において白金の利用率が飛躍
的に高いことを示している。

【００５７】また、別のカーボンブラックを用いても同
様の結果が得られ、触媒として白金黒を用いた場合は、
１．０〜２０ｗｔ％のときに白金の利用率が飛躍的に高
くなる結果が得られた。

【００５８】別途行った分析により、白金担持カーボン
粒子に対して３０ｗｔ％の有孔性陽イオン交換樹脂を備
えた複合触媒を用いて製作した触媒層Ａに担持された白
金量は、約１．０ｍｇ／ｃｍ²であることが確認され
た。

【００５９】［比較例１］実施例１で製作された複合触
媒を、ベンゼンを分散媒として高分子フィルム（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フ
ィルム）上に成膜し、乾燥したものを、プレスせずに触
媒層Ｂとした。

【００６０】別途行った分析により、白金担持カーボン
粒子に対して３０ｗｔ％の有孔性陽イオン交換樹脂を備
えた複合触媒を用いて製作した触媒層Ｂに担持された白
金量は、約１．０ｍｇ／ｃｍ²であることが確認され
た。得られた触媒層Ｂを固体高分子電解質膜（デュポン
社製、ナフィオン、膜厚約５０μｍ）の両面にホットプ
レスにて接合し、さらにガス拡散層としてカーボンペー
パを接合し、燃料電池の単セルに組んでセルＢを得た。

【００６１】［比較例２］白金担持カーボン（田中貴金
属製、１０Ｖ３０Ｅ：Ｖａｌｃａｎ ＸＣ−７２に白金
３０ｗｔ％を担持）１．０ｇと陽イオン交換樹脂溶液
（アルドリッチ社製、ナフィオン５．０ｗｔ％溶液）
６．０ｍｇとを混合し、６０℃で撹拌しながら陽イオン
交換樹脂溶液に対する陽イオン交換樹脂の濃度が２０ｗ
ｔ％になるまで濃縮し、白金担持カーボンとこれに対し
て３０ｗｔ％の陽イオン交換樹脂とからなるペースト状
の混合物を得た。

【００６２】上記で得られたペースト状の混合物を高分
子フィルム（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロ
プロピレン共重合フィルム）上に成膜し乾燥したのち、
それを８７０ｋｇ／ｃｍ²の圧力でプレスすることによ
って触媒層Ｃとした。得られた触媒層Ｃを固体高分子電
解質膜（デュポン社製、ナフィオン、膜厚約５０μｍ）
の両面にホットプレスにて接合し、さらにガス拡散層と
してカーボンペーパを接合し、燃料電池の単セルに組ん
でセルＣを得た。

【００６３】別途行った分析により、触媒層Ｃに担持さ
れた白金量は、約１．０ｍｇ／ｃｍ ²であることが確認
された。

【００６４】セルＡ、Ｂ、Ｃの供給ガスに酸素および水
素を用いた際の電流―電圧特性を図７に示した。運転条
件は、供給ガス圧がそれぞれ２．５気圧で、８０℃の密
閉水槽中でバブリングすることで加湿した。そして、セ
ルの運転温度は７５℃とし、各電流値で５分間保持した
のちに電圧を測定した。

【００６５】図７より、本発明による実施例１のセルＡ
は、比較例１のセルＢおよび比較例２のセルＣよりも、
各電流密度において出力電圧が高いことがわかった。こ
れは、実施例１のセルＡでは、触媒層内に均一なプロト
ン伝導チャンネル、ガス拡散チャンネルおよび電子伝導
チャンネルが形成されているためである。

【００６６】

【本発明の効果】本発明の複合触媒は、触媒表面に有孔
性陽イオン交換樹脂を備えているために、それ自体がプ
ロトン伝導性を持ち、触媒層内に至るまでプロトン伝導
チャンネルが形成され、さらに、陽イオン交換樹脂が有
孔性であるために外部からのガスが触媒層内に十分に透
過および拡散するので、触媒層内の細部に至るまでプロ
トン伝導チャンネルとガス拡散チャンネルとが閉塞する
ことなく形成されているため、ガス拡散性が高く、触媒
金属の利用率が高い高性能な複合触媒である。

【００６７】この複合触媒を使用することにより、高い
プロトン伝導性とガス拡散性とを有する高性能な燃料電
池電極が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合触媒の、断面の状態を示す模式
図。

【図２】本発明の複合触媒の、表面状態の一例を示す模
式図。

【図３】本発明の複合触媒の、表面状態の他の例を示す
模式図。

【図４】複合触媒の、断面の状態の一例を示す模式図。

【図５】複合触媒の、断面の状態の他の例を示す模式
図。

【図６】本発明の複合触媒を用いた触媒層を含む電極
の、多孔性陽イオン交換樹脂の配合比と電気化学的に活
性な触媒表面積との関係を示す図。

【図７】セルＡ、Ｂ、Ｃの電流−電圧特性を示す図。

【符号の説明】

１ 触媒 ２ 多孔性陽イオン交換樹脂

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G069 AA03 AA08 BA08A BA08B BA24A BA24B BA46A BC72B CC32 DA06 EA08 FA03 FB06 FB23 5H018 AA06 BB00 BB01 BB03 BB06 BB12 EE02 EE03 EE05 EE17 EE18 5H026 AA06

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触媒表面に有孔性陽イオン交換樹脂を備
   えたこと特徴とする複合触媒。
2. 【請求項２】触媒重量に対する有孔性陽イオン交換樹脂
   量が１．０〜１００ｗｔ％であること特徴とする請求項
   １記載の複合触媒。
3. 【請求項３】 陽イオン交換樹脂を溶媒に溶解した溶液
   を触媒の表面に付着させた後、前記陽イオン交換樹脂を
   相分離させることを特徴とする請求項１または２記載の
   複合触媒の製造方法。
4. 【請求項４】 陽イオン交換樹脂を第１の溶媒に溶解し
   た溶液を触媒の表面に付着させた後、前記陽イオン交換
   樹脂に対して不溶性でかつ第１の溶媒と相溶性の第２の
   溶媒により、溶液中の第１の溶媒を抽出することを特徴
   とする請求項３記載の複合触媒の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１または２記載の複合触媒を含む
   触媒層を備えたことを特徴とする燃料電池用電極。
6. 【請求項６】 複合触媒を含む混合物をプレスする工程
   を経て触媒層を形成することを特徴とする請求項５記載
   の燃料電池用電極の製造方法。