WO2011096355A1 - 固体高分子型燃料電池用膜電極構造体および固体高分子型燃料電池 - Google Patents

固体高分子型燃料電池用膜電極構造体および固体高分子型燃料電池 Download PDF

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満田　直樹
田中　慎太郎
拓 江口
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
  • Fuel cells generate power using hydrogen and oxygen as reaction gases, and since the product produced by the electrode reaction is only water, it has come to be widely used as a clean power generation system with almost no adverse impact on the environment. I came. Its main applications are diverse, such as fuel cell vehicles, household fuel cells, and mobile devices.
  • the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has an operating temperature of about room temperature to about 90 ° C. and can generate electric power quickly. Therefore, it is frequently used in fuel cell vehicles.
  • the internal environment of a polymer electrolyte fuel cell used in a fuel cell vehicle, particularly in the vicinity of an electrode (hereinafter, the proton conductive membrane, the electrode catalyst layer, and the gas diffusion layer may be collectively referred to in this manner (see FIG. 3 of the present application). ).
  • the electrode for example, immediately after the start of the polymer electrolyte fuel cell or when the humidifier cannot keep up with the amount of power generated, it becomes highly dry, and if the operation continues for a while after the start, the electrochemical reaction will proceed. Water is generated in the electrode catalyst layer, resulting in a highly moist state. If the polymer electrolyte fuel cell continues to generate electricity in a highly dry state, the ionic conductivity of the proton conducting membrane (electrolyte membrane) will decrease and the resistance will increase, resulting in reduced power generation performance. Then, the pores of the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer are prevented and the reaction gas is inhibited, so that the power generation performance is lowered.
  • the proton conducting membrane electrolyte membrane
  • Patent Documents 1 to 3 disclose techniques that can reduce the influence of changes in the humidity environment on solid polymer fuel cells.
  • a cathode (air electrode) 620 having a catalyst layer 622, an intermediate layer 624, and a gas diffusion layer 626 in order, a catalyst layer 632, an intermediate layer 634, and a gas diffusion layer 636 are sequentially provided.
  • a polymer electrolyte corresponding to the proton conducting membrane 2 (see FIG. 3 of the present application) disposed between the anode (fuel electrode) 630, the catalyst layer 622 of the cathode 620, and the catalyst layer 632 of the anode 630.
  • a membrane electrode assembly 610 for a polymer electrolyte fuel cell provided with a membrane 640 is described.
  • At least one of the catalyst layers 622 and 632 of the cathode 620 and the anode 630 includes a catalyst containing platinum, and the intermediate layers 624 and 634 include carbon fibers, and at least one of them includes ( a) The condition that the ratio of platinum contained in the intermediate layer is 3 to 20 atomic% with respect to 100 atomic% of the total amount of platinum contained in the catalyst layer and platinum contained in the intermediate layer, and (b) At least one of the conditions in which 90 atomic% or more of platinum contained in the intermediate layer exists in a region from the interface between the catalyst layer and the intermediate layer to 1 ⁇ 2 of the thickness of the intermediate layer is satisfied. It is stated that it is necessary. Further, it is described that platinum is preferably a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support.
  • Patent Document 2 As shown in FIG. 7, on the cathode side of an electrolyte membrane 715 corresponding to the proton conducting membrane 2 in the present invention (see FIG. 3 of the present application), a cathode catalyst layer 716, a cathode underlayer 717, A cathode diffusion layer 718 is laminated, an oxygen gas flow path 724 is provided outside the cathode diffusion layer 718, and an anode catalyst layer 721, an anode base layer 722, and an anode diffusion layer 723 are laminated on the anode side of the electrolyte membrane 715, A fuel cell membrane electrode assembly 712 is described in which a hydrogen gas flow path 725 is provided outside the diffusion layer 723 and each layer and the electrolyte membrane 715 are arranged in a direction in which gravity acts.
  • the cathode underlayer 717 describes that a water absorbing material is added and that Nafion (registered trademark) is specifically used as the water absorbing material, and that the water absorbing material functions as an adhesive
  • Patent Document 3 As shown in FIG. 8, a fuel electrode (anode) 808 and an air electrode (cathode) 817 which are electrodes used in a fuel cell 810 and include a fuel electrode side catalyst layer 804 and a diffusion layer 805. A fuel cell electrode is described.
  • the air electrode 817 includes a first catalyst layer 813a, a second catalyst layer 813b, and an electrolyte membrane 802 corresponding to the proton conducting membrane 2 (see FIG. 3 of the present application) in the present invention.
  • the first catalyst layer 813a has a higher gas movement resistance than the second catalyst layer 813b, and the first catalyst layer 813a moves the hydrogen that has passed through the electrolyte membrane 802.
  • the first catalyst layer 813a is a layer containing a Pt-supported carbon catalyst
  • the second catalyst layer 813b is a noble metal nanoparticle 51 according to the present invention (see FIG. 3 of the present application).
  • JP 2009-199915 A (Claim 1, paragraph 0007, paragraph 0014, paragraph 0028, paragraph 0033, FIG. 1)
  • JP 2006-107752 (Claim 1, paragraph 0027, paragraph 0068, FIG. 2)
  • Japanese Patent No. 4492037 (Claim 1, paragraph 0018, paragraph 0019, FIG. 5, FIG. 6)
  • the platinum contained in the catalyst layer and the intermediate layer of Patent Document 1 has a high affinity with water and a small contact angle with water, it can retain water due to the nature of platinum. Since the form contained in the layer, that is, the shape and size, is unknown and cannot be said to be appropriate, it absorbs water from the proton conducting membrane (electrolyte membrane) when the vicinity of the electrode is in a high humidity state. It is not possible to ensure that the humidity condition is high and the humidity condition is good by supplying water to the proton conducting membrane when the vicinity of the electrode is in a highly dry state. There was a problem.
  • Patent Document 2 since a water absorbing material is added to the cathode underlayer 717, as in Patent Document 1, water generated by power generation is quickly absorbed, and the humidity near the electrode is reduced. Although it can be lowered, there is a problem that it is difficult to supply water once absorbed to the proton conducting membrane when the vicinity of the electrode becomes highly dry.
  • Patent Documents 1 and 2 still do not solve the conventional problem that the power generation performance becomes unstable due to the change in the power generation environment, that is, the change in the humidity conditions near the electrodes.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and even if there is a change in the power generation environment, that is, a change in the humidity conditions near the electrode, the power generation performance is not likely to be unstable, the initial performance is high, and the It is an object of the present invention to provide a membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell that can suppress performance degradation due to use, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
  • the present inventors have absorbed water into the proton conducting membrane when the vicinity of the electrode becomes highly dry in the power generation environment of the polymer electrolyte fuel cell, and the vicinity of the electrode is highly wetted. It is ideal to dehydrate from the proton conducting membrane when it reaches the state, and in order to realize this, an intermediate layer serving as a water buffer is provided between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer.
  • the functions required for the intermediate layer to be provided firstly, the water storage capacity for supplying and dehydrating water is large, and secondly, there is little volume change due to the power generation environment in order to reliably supply water.
  • a membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention that solves the above-described problems is a proton conductive membrane that conducts protons, an electrode that is provided on both sides of the proton conductive membrane, and that has catalyst particles and an electrode electrolyte.
  • a membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell comprising: a catalyst layer; and a gas diffusion layer provided on the electrode catalyst layer and having a porous base material, wherein at least one of the electrode catalyst layers An intermediate layer having noble metal nanoparticles, an electrode electrolyte, and carbon powder and having a thickness of 2 to 6 ⁇ m is provided between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer.
  • the noble metal nanoparticles (for example, platinum black) included in the intermediate layer are nanoparticles having a small particle diameter, the surface area is remarkably large as compared with the case where the same amount of noble metal particles that are not nanoparticles are included.
  • the noble metal nanoparticles 51 such as platinum black have a high affinity with the water W and a small contact angle with the water W as compared with carbon black or the like, so that a large amount of the water W is physically attached to the surface. (See FIG. 1A).
  • water-absorbing material WA such as Nafion (registered trademark) and conventionally used electrode electrolytes, it does not adsorb water W between molecules (see FIG. 1B). There is no change, and water absorption and dehydration can be performed quickly and in large quantities on the electrode catalyst layer.
  • the membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention has noble metal nanoparticles (not shown in FIG. 2A) in the intermediate layer 5, FIG. As shown, the water W held by the noble metal nanoparticles when the vicinity of the electrode is in a highly dry state can be supplied (supplied) from the intermediate layer 5 to the electrode catalyst layer 3 and the proton conducting membrane 2. The proton conductivity of the conductive membrane 2 can be increased.
  • the membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention has noble metal nanoparticles (not shown in FIG. 2B) in the intermediate layer 5, so that FIG.
  • the water W generated in the electrode catalyst layer 3 when the vicinity of the electrode is in a highly wet state can be drawn into the intermediate layer 5 to dehydrate the electrode catalyst layer 3. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance (decrease in cell voltage) and deterioration of the electrode catalyst layer 3 due to the pores of the electrode catalyst layer 3 being blocked by water generated by power generation.
  • the intermediate layer contains carbon powder, the gas diffusibility in the intermediate layer and the gas permeability to the electrode catalyst layer can be kept good. And since the thickness of an intermediate
  • the membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can stably generate power in a wide humidity range, and there is a change in power generation environment, that is, a change in humidity conditions near the electrode.
  • power generation performance is unlikely to be unstable.
  • the initial performance is high, and performance degradation due to long-term use can be suppressed.
  • At least one of the electrode catalyst layer and the intermediate layer has fibrous carbon.
  • the fibrous carbon included in at least one of the electrode catalyst layer and the intermediate layer serves as a support column, the layer having fibrous carbon can impart more pores.
  • the reaction gas of the layer having fibrous carbon and the water generated by power generation can be easily entered and exited, and the power generation characteristics are improved.
  • the proton conductive membrane is preferably a sulfonated polyarylene polymer. Since the sulfonated polyarylene polymer has a large change in proton conductivity performance depending on the amount of water retained, the effect of improving the power generation characteristics can be further obtained.
  • the proton exchange membrane preferably has an ion exchange capacity IEC of 1.9 to 2.4 meq / g. If the ion exchange capacity IEC of the proton conducting membrane is in such a specific range, the water content of the proton conducting membrane can be sufficiently secured, so that power generation characteristics at low humidity can be maintained and the moisture content is excessive. Therefore, flooding can be suppressed and power generation characteristics at high humidity can be maintained.
  • the content of the noble metal nanoparticles is preferably 0.1 to 0.5 mg / cm 2 in unit projected area.
  • the noble metal nanoparticles having the above-described features can be contained in a sufficient amount. Therefore, as described above, when the vicinity of the electrode is in a highly dry state, the water retained by the noble metal nanoparticles can be supplied (supplied) to the electrode catalyst layer 3 and the proton conducting membrane 4, and the proton conduction Not only can the proton conductivity of the membrane 4 be improved, but also performance degradation due to long-term use can be suppressed.
  • the content of the carbon powder is preferably 15 to 45% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles. If the content of the carbon powder is in such a specific range, the pores in the intermediate layer can be sufficiently secured, so that the gas diffusibility in the intermediate layer and the gas permeability to the electrode catalyst layer are improved. be able to. Therefore, not only can the initial performance be improved, but also the performance degradation due to long-term use can be suppressed.
  • the content of the electrode electrolyte is preferably 20 to 25% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles.
  • the content of the electrode electrolyte is in such a specific range, a sufficient amount of the electrode electrolyte is contained, so that protons can be reliably conducted. Therefore, the initial performance can be increased.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles is preferably 4 to 7 nm.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles is in such a specific range, the noble metal nanoparticles are difficult to elute even when the specific surface area of the noble metal nanoparticles is large and a high potential is generated. Therefore, the initial performance can be further enhanced, and the performance degradation due to long-term use can be suppressed.
  • the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a polymer electrolyte fuel cell using the membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell described above, and the membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell. And a separator provided between adjacent membrane electrode structures for a polymer electrolyte fuel cell, and the separator is arranged vertically, and the separator introduces a gas introduction unit so as to flow a reaction gas in the vertical direction. Is formed in the upper part, and the gas outlet part is formed in the lower part.
  • the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention uses the membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell described above, and has noble metal nanoparticles, an electrode electrolyte, and carbon powder in an intermediate layer, Since an intermediate layer with a thickness of 2 to 6 ⁇ m is provided, power can be generated stably over a wide range of humidity, and power generation performance is not affected even if the power generation environment changes, that is, the humidity conditions near the electrodes. It is difficult to become stable. Further, the initial performance is high, and performance degradation due to long-term use can be suppressed.
  • the membrane electrode structure for the polymer electrolyte fuel cell and the separator are arranged vertically, and the gas introduction part is formed in the upper part of the separator, and the gas outlet part is formed in the lower part. Water flows downward by gravity and is discharged from the gas outlet. Therefore, an excessively high wet state can be prevented, and the pores of the electrode catalyst layer and the intermediate layer can be prevented from being clogged with water. As a result, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can stably generate power in a wide humidity range.
  • an intermediate layer having noble metal nanoparticles, an electrode electrolyte, and carbon powder and having a thickness of 2 to 6 ⁇ m is provided in the intermediate layer. Therefore, the water produced
  • the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention has the membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell described above, and is disposed vertically together with the separator, so that it can stably generate power in a wide humidity range. Even if there is a change in the power generation environment, that is, a change in the humidity conditions near the electrodes, the power generation performance is unlikely to become unstable. Further, the initial performance is high, and performance degradation due to long-term use can be suppressed.
  • FIG. (A) is explanatory drawing which shows a mode that the noble metal nanoparticle (platinum black) has adhered water
  • (b) is a description which shows a mode that the conventional water absorbing material has adsorbed water between molecules.
  • FIG. (A) is explanatory drawing explaining the effect
  • (b) is the polymer electrolyte fuel concerning this invention in a wet state
  • FIG. 7 It is a cross-sectional schematic diagram explaining the structure of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention.
  • (A) And (b) is a top view explaining the separator used in Example 7 and Comparative Example 7.
  • FIG. It is sectional drawing which shows an example of the conventional membrane electrode structure for polymer electrolyte fuel cells. It is sectional drawing which shows another example of the conventional membrane electrode structure for polymer electrolyte fuel cells. It is sectional drawing which shows another example of the conventional membrane electrode structure for polymer electrolyte fuel cells.
  • a membrane electrode structure 1 for a polymer electrolyte fuel cell includes a proton conducting membrane 2, an electrode catalyst layer 3, and a gas diffusion layer 4, and at least one of the electrode catalysts. Between the layer 3 and the gas diffusion layer 4, an intermediate layer 5 having noble metal nanoparticles 51, an electrode electrolyte 52, and carbon powder (not shown in FIG. 3) and having a thickness of 2 to 6 ⁇ m is provided. It has a provided structure.
  • the intermediate layers 5a and 5b are provided between the gas diffusion layer 4b and the anode gas AnG.
  • the proton conducting membrane 2 is a membrane that can conduct proton H + .
  • a conventionally known solid polymer electrolyte membrane can be used.
  • a sulfonated polyarylene polymer represented by the following formula (1), a fluorine-containing ion exchange resin, or the like can be used.
  • the sulfonated polyarylene polymer represented by the following formula (1) can be produced by the method described in paragraphs [0066] to [0079] of JP-A-2005-158265.
  • the ion exchange capacity IEC of the proton conducting membrane 2 is preferably 1.9 to 2.4 meq / g. If the ion exchange capacity IEC of the proton conducting membrane is in such a specific range, the water content of the proton conducting membrane 2 can be sufficiently secured, so that the power generation characteristics at low humidity can be maintained and the water content can be reduced. Since it is not excessive, flooding can be suppressed and the power generation characteristics at high humidity can be maintained.
  • the electrode catalyst layer 3 is provided on both surfaces of the proton conducting membrane 2 and has catalyst particles and an electrode electrolyte.
  • the catalyst particles used for the electrode catalyst layer 3 it is preferable to use a noble metal that is chemically stable and has good electrical conductivity, or a carbon or an oxide carrying a noble metal.
  • a noble metal that is chemically stable and has good electrical conductivity
  • a carbon or an oxide carrying a noble metal for example, Pt (platinum), palladium, or an alloy with another metal containing these can be used.
  • the application amount of the catalyst particles can be, for example, 0.2 to 0.5 mg / cm 2, but is not limited thereto.
  • a conventionally known ion conductive resin can be used.
  • ion conductive resin Nafion (registered trademark) which is a perfluorocarbon material composed of a perfluoro side chain having a carbon-fluorine skeleton and a sulfonic acid group can be used.
  • the electrode catalyst layer 3 may contain a base material for ensuring pores and functioning as a support column together with the above-described catalyst particles and the electrode electrolyte.
  • a substrate for example, fibrous carbon such as vapor grown carbon fiber can be used.
  • the electrode catalyst layer 3 is made uniform by stirring after adding an arbitrary solvent, for example, a solvent in which NPA (normal propyl alcohol) and water are mixed at a mass ratio of 1: 2 to 2: 1. This is formed by screen-printing on a PET film, etc., heating and drying, then bringing the coated surface into close contact with the proton conducting membrane 2 and hot-pressing and integrating, and then peeling off the PET sheet can do.
  • an arbitrary solvent for example, a solvent in which NPA (normal propyl alcohol) and water are mixed at a mass ratio of 1: 2 to 2: 1.
  • the electrode catalyst layer 3a functioning as the cathode Ca and the electrode catalyst layer 3b functioning as the anode An can be prepared by using the same composition and method, or can be prepared by using different compositions and methods. It can also be used.
  • the gas diffusion layer 4 is provided on the electrode catalyst layer 3 directly or via an intermediate layer 5 as described later, and has a porous substrate.
  • a porous substrate for example, carbon paper, carbon cloth, carbon felt or the like can be used. These porous substrates may be used alone, or may be subjected to a water repellent treatment by attaching a fluororesin, or may be subjected to a hydrophilic treatment with titanium oxide, silicone, metal, or the like.
  • the gas diffusion layer 4 may form a base layer (not shown) having a water-repellent fluororesin and carbon having water repellency and conductivity alone or in combination, and the surface of the gas diffusion layer 4 is water-repellent.
  • Water repellent treatment may be carried out with a solution or dispersion containing a fluororesin or carbon having water repellency and conductivity.
  • water-repellent fluororesin for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used
  • carbon having water repellency and conductivity for example, carbon black can be used.
  • the gas diffusion layer 4 is made of, for example, a mixture of carbon having water repellency and conductivity and a water repellent fluororesin at an arbitrary mass ratio, and then uniformly dispersed in ethylene glycol or the like to form a porous group such as carbon paper. It can produce as a gas diffusion layer with a foundation layer by making it dry after apply
  • the intermediate layer 5 having noble metal nanoparticles 51, an electrode electrolyte 52, and carbon powder (not shown in FIG. 3) and having a thickness of 2 to 6 ⁇ m is provided.
  • the thickness of the intermediate layer 5 is less than 2 ⁇ m, a sufficient amount of the noble metal nanoparticles 51 cannot be contained. For this reason, it is not possible to suppress a decrease in performance due to long-term use.
  • the thickness of the intermediate layer 5 exceeds 6 ⁇ m, gas diffusibility in the intermediate layer 5 is hindered, so that the initial performance is deteriorated. Therefore, the thickness of the intermediate layer 5 is 2 to 6 ⁇ m.
  • middle layer 5 can be measured by analysis of the cross-sectional image with an electron microscope, for example.
  • the noble metal nanoparticles 51 include Pt—Co, Pt—Fe, Pt—Zn, Pt—Cu, Pt—Ni, Pt—Ru, Pt—V, Pt—Pd, Pt—Ir, Pt—Lu, Au—Pd. Nanoparticles made of an alloy such as or an alloy containing two or more selected from these, or nanoparticles made of a metal element such as Pd, Au, Ru, Fe, Co, etc. can be used. Most preferably, (Pt) is used.
  • Platinum black is also called platinum black or platinum black.
  • E. PtBlack powder (BL-1901) manufactured by CHEMCAT (Hi-spec 1000), Hi-spec1000 manufactured by Johnson Matthey, etc. can be used.
  • platinum black can also select and use 1 type selected from these, and can also select and use 2 or more types together.
  • Platinum black has excellent oxidation resistance among the noble metal nanoparticles, and not only excels in power generation by assisting the action of the electrode catalyst layer 3, but also conducts electrons e ⁇ as shown in FIG. Since it functions as a conductive path and has a low ionization tendency and is difficult to elute, it is suitable as the noble metal nanoparticles 51.
  • the content of the noble metal nanoparticles 51 is preferably 0.05 to 1 mg / cm 2 in unit projected area.
  • the unit projected area is a size that serves as a reference in evaluating performance with current density.
  • the content of the noble metal nanoparticles 51 is less than 0.05 mg / cm 2 in unit projected area, when the vicinity of the electrode is in a highly dry state, water can be absorbed quickly and in large quantities with respect to the electrode catalyst layer, When the vicinity of the electrode is in a highly wet state, the electrode catalyst layer cannot be dehydrated quickly and in large quantities.
  • the effect obtained even when the content of the noble metal nanoparticles 51 exceeds 1 mg / cm 2 in unit projected area is not preferable because the effect is not only saturated but also the cost increases. Therefore, the content of the noble metal nanoparticles 51 is preferably 0.05 to 1 mg / cm 2 in unit projected area.
  • the content of the noble metal nanoparticles 51 in the intermediate layer 5a used on the cathode Ca side in the intermediate layer 5 is preferably 0.1 to 0.5 mg / cm 2 in unit projected area.
  • the content of the noble metal nanoparticles 51 in the intermediate layer 5a used on the cathode Ca side is within this range, in addition to the above-described action, it is possible to suppress performance degradation due to long-term use.
  • the content of the noble metal nanoparticles 51 of the intermediate layer 5a used on the cathode Ca side is less than 0.1 mg / cm 2 in unit projected area, a sufficient amount of the noble metal nanoparticles 51 cannot be contained. It becomes difficult to suppress performance degradation due to long-term use.
  • the content of the noble metal nanoparticles 51 in the intermediate layer 5a used on the cathode Ca side exceeds 0.5 mg / cm 2 in unit projected area, the thickness of the intermediate layer 5 increases, and thus the electrode catalyst layer 3a has a large thickness. Gas permeability is lowered and initial performance is degraded. Therefore, the content of the noble metal nanoparticles 51 in the intermediate layer 5a used on the cathode Ca side in the intermediate layer 5 is preferably 0.1 to 0.5 mg / cm 2 in unit projected area.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 is preferably 4 to 20 nm, for example. If the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 is in this range, when the vicinity of the electrode is in a highly dry state, the effect of absorbing water quickly and in large quantities with respect to the electrode catalyst layer, or the vicinity of the electrode is in a highly wet state. The effect of dehydrating the electrode catalyst layer quickly and in large quantities can be more reliably obtained. Moreover, since the specific surface area is large, the activity is high, and the noble metal nanoparticles 51 are not easily eluted even when a high potential is generated, it is possible to suppress the performance deterioration due to long-term use.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 is less than 4 nm, the noble metal nanoparticles 51 are likely to be eluted when a high potential is generated, and the initial performance may be deteriorated by use.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 exceeds 20 nm, the specific surface area is decreased and the water absorption performance is lowered. It is not possible to obtain the effect of absorbing water and the effect of dehydrating the electrode catalyst layer quickly and in large quantities when the vicinity of the electrode is in a highly wet state. Therefore, even if there is a change in the power generation environment, that is, a change in the humidity conditions near the electrodes, the power generation performance tends to be unstable. Therefore, the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 is preferably 4 to 20 nm.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 used in the intermediate layer 5a on the cathode Ca side in the intermediate layer 5 is preferably 4 to 7 nm.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 used for the intermediate layer 5a on the cathode Ca side is within this range, the specific surface area is large, the activity is high, and the noble metal nanoparticles 51 are not easily eluted even when a high potential is generated. , Performance degradation due to long-term use can be suppressed.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 used for the intermediate layer 5a on the cathode Ca side is less than 4 nm, the specific surface area increases and the activity is improved, so that the initial performance is expected to be improved.
  • the average particle diameter of the noble metal nanoparticles 51 used for the intermediate layer 5a on the cathode Ca side is preferably 4 to 7 nm.
  • the same electrode electrolyte as that of the electrode catalyst layer 3 can be used, or a different one can be used.
  • an electrode electrolyte (ion conductive polymer) used for the electrode electrolyte 52 for example, powder and dispersion solution of Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. Mention may be made of Flemion® powders and dispersions.
  • the electrode electrolyte used for the electrode electrolyte 52 one selected from these can be selected and used, or two or more can be selected and used together.
  • the content of the electrode electrolyte 52 is preferably 20 to 25% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51.
  • the content of the electrode electrolyte 52 is within this range, a sufficient amount of the electrode electrolyte is contained, so that protons can be reliably conducted. Therefore, the initial performance can be increased.
  • the content of the electrode electrolyte 52 is less than 20% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51, the conduction of proton H + becomes insufficient and the initial performance is deteriorated.
  • the noble metal nanoparticles 51 and the carbon powder cannot be bound, they fall off and it is difficult to form the intermediate layer 5.
  • the content of the electrode electrolyte 52 exceeds 25% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51, the pores in the intermediate layer 5 become insufficient. Therefore, the gas diffusibility in the intermediate layer 5 and the gas permeability to the electrode catalyst layer 3 are lowered, and the initial performance is lowered. Therefore, the content of the electrode electrolyte 52 is preferably 20 to 25% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51.
  • the electrode electrolyte 52 contains a carbon powder (not shown in FIG. 3), that is, carbon black.
  • a carbon powder (not shown in FIG. 3), that is, carbon black.
  • Examples of the carbon powder include furnace black, acetylene black, glassy carbon pulverized products, vapor grown carbon fibers, and those obtained by graphitizing them.
  • furnace black include Ketjen Black EC, Ketjen Black EC-600JD, Cabot Vulcan (registered trademark) XC-72, Tokai Carbon Co., Ltd. Toka Black (trade name).
  • Examples of acetylene black include Denka Black (registered trademark) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha.
  • Examples of vapor grown carbon fibers include VGCF (registered trademark) and VGCF (registered trademark)- H can be mentioned.
  • the carbon powder used for the electrode electrolyte 52 can be used by selecting one type selected from these, or two or more types can be selected and used together. Among these, it is preferable to use fibrous carbon such as vapor-grown carbon fiber in order to secure pores and function as a support column.
  • the content of the carbon powder is preferably 15 to 45% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51.
  • the pores in the intermediate layer 5 can be sufficiently secured, so that the gas diffusibility in the intermediate layer 5 and the gas permeability to the electrode catalyst layer 3 are improved. Can do. Therefore, not only can the initial performance be improved, but also a decrease in performance due to long-term use can be suppressed.
  • the content of the carbon powder is less than 15% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51, the pores in the intermediate layer 5 are insufficient. Therefore, the gas diffusibility in the intermediate layer 5 and the gas permeability to the electrode catalyst layer 3 are lowered, and the initial performance is lowered.
  • the carbon corrodes when a high potential is generated, the ratio of the electrode electrolyte 52 is increased, and the hydrophilicity is increased.
  • the content of the carbon powder exceeds 45% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51, the intermediate layer 5 becomes thick and the gas permeability to the electrode catalyst layer 3 is lowered, so that the initial performance is descend. Therefore, the content of the carbon powder is preferably 15 to 45% by mass with respect to the content of the noble metal nanoparticles 51.
  • the polymer electrolyte fuel cell 10 includes a membrane electrode structure 1 for a polymer electrolyte fuel cell described above and a membrane electrode structure for an adjacent polymer electrolyte fuel cell (not shown).
  • a plurality of separators 11 provided between the bodies are arranged vertically.
  • the separator 11 has a gas introduction part formed at the upper part and a gas outlet part formed at the lower part so that the reaction gas flows in the vertical direction.
  • the membrane electrode structure 1 for a polymer electrolyte fuel cell and the separator 11 are arranged vertically as described above, the water generated in the electrode catalyst layer 3 is pushed downward because a gas flow and gravity act on it, It is easily discharged out of the system. As a result, the membrane electrode structure 1 for a polymer electrolyte fuel cell tends to be in a highly dry state.
  • the intermediate layer 5 is configured using the membrane electrode structure 1 for the polymer electrolyte fuel cell having the noble metal nanoparticles 51 in the intermediate layer 5. Sufficient water can be retained. Therefore, even when the membrane electrode structure 1 for a polymer electrolyte fuel cell and the separator 11 are arranged vertically, it is difficult to achieve a highly dry state.
  • a membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention are specifically described by comparing an example satisfying the requirements of the present invention with a comparative example not satisfying the requirements of the present invention. I will explain it.
  • Example 1 A membrane electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell of Example 1 was produced as follows (1) to (7).
  • (1) Preparation of proton conducting membrane A proton conducting membrane was prepared according to the method described in paragraph [0066] to paragraph [0079] of JP-A-2005-158265. Specifically, it was prepared as follows.
  • Preparation of the compound represented by the formula (2) was performed as follows. First, 137.3 g (400 mmol) of 2,5-dichloro-4′-phenoxybenzophenone was added to a 3 l (3 liter) three-necked flask equipped with a stirrer and a condenser tube, and then 500 ml of 1,2-dichloroethane was added and dissolved. I let you. Further, a 2 mol / l acetylsulfuric acid solution newly prepared from 56 ml of concentrated sulfuric acid, 152 ml of acetic anhydride and 400 ml of 1,2-dichloroethane was added with stirring, and the mixture was reacted in an oil bath at 60 ° C.
  • Preparation of the compound represented by the formula (3) was performed as follows. First, 300 ml of acetonitrile and 200 ml of sulfolane as solvents were added to 215 g (about 400 mmol) of crude sodium salt of 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonic acid, and phosphoryl trichloride 245. 3 g (1.6 mol) was added and reacted at 70 ° C. Further, 5 ml of N, N-dimethylacetamide was added and the yellow suspension was stirred at 71-73 ° C. for 40 minutes and cooled to 3 ° C.
  • Preparation of the oligomer represented by Formula (5) was performed as follows. First, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3 was added to a 1-liter three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube, and three-way cock for introducing nitrogen.
  • Preparation of the sulfonated polyarylene represented by the formula (6) was performed as follows. First, 15.34 g (32 mmol) of iso-butyl 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonate represented by the formula (4), an oligomer represented by the formula (5) (Average molecular weight 7940) 10.52 g (1.33 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 0.65 g (1 mmol), triphenylphosphine 33.50 g (13.33 mmol), sodium iodide 0.65 g ( 4.83 mmol) and 5.45 g (83.33 mmol) of zinc dust were added 60 ml of dry N-methylpyrrolidone under a nitrogen atmosphere.
  • the reaction system was heated with stirring, finally heated to 74 ° C., and reacted for 3 hours. During the reaction, an increase in viscosity in the reaction system was observed.
  • the obtained polymerization reaction solution was diluted with 250 ml of tetrahydrofuran, stirred for 30 minutes, filtered using Celite as a filter aid, and then the filtrate was poured into a large excess of methanol (1500 ml) to be solidified.
  • the coagulated product was collected by filtration, air-dried, redissolved in a mixed solvent of 200 ml of tetrahydrofuran / 30 ml of N-methylpyrrolidone, and then coagulated and precipitated with a large excess of methanol (1500 ml). After air-drying, it was heat-dried to obtain 20.54 g (yellow flaky, yield 78%) of the sulfonated polyarylene represented by the target formula (6).
  • the light green transparent solution was cast into a glass plate to form a film.
  • the membrane was immersed in water for 3 days, air-dried, and vacuum-dried to obtain a proton conductive membrane having a dry film thickness of 50 ⁇ m (shown as PEM species “HC system” in Table 2 described later).
  • the ion exchange capacity IEC of the obtained proton conducting membrane was measured by a neutralization titration method and found to be 2.2 meq / g (milli equivalent / g).
  • anode electrode ink was screen-printed on a PET film so that the amount of platinum was 0.2 mg / cm 2 , heated at 60 ° C. for 10 minutes, and then heated at 100 ° C. for 15 minutes under reduced pressure. Then, an anode electrode sheet (electrode catalyst layer) was produced by drying.
  • the mixed solution was stirred and homogenized using a planetary ball mill at 80 rpm ⁇ 60 minutes to prepare an intermediate layer ink.
  • the prepared intermediate layer ink was applied by screen printing on the base layer portion of the gas diffusion layer prepared in (5) so that the amount of platinum was 0.2 mg / cm 2 in unit projected area, and dried to be intermediate. A layer was made.
  • Comparative Example 1 was produced by the same composition and method as Example 1 except that platinum black powder was not used in the production of the intermediate layer of (1) of Example 1.
  • Example 2 is an example of iso-butyl 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonate represented by the above formula (5) in the preparation of the proton conducting membrane of Example 1 (1).
  • An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount was changed to 13.04 g.
  • Comparative Example 2 was produced by the same composition and method as Example 2 except that platinum black powder was not used in producing the intermediate layer of Example 1 (6).
  • Example 3 is an example of iso-butyl 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonate represented by the above formula (5) in the preparation of the proton conducting membrane of (1) of Example 1.
  • An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the weight was changed to 11.82 g.
  • Comparative Example 3 was produced by the same composition and method as Example 3 except that platinum black powder was not used in producing the intermediate layer of Example 1 (6).
  • Example 4 is an example of iso-butyl 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonate represented by the above formula (5) in the preparation of the proton conducting membrane of (1) of Example 1.
  • An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the weight was changed to 16.87 g.
  • Comparative Example 4 was produced by the same composition and method as Example 4 except that platinum black powder was not used in producing the intermediate layer of Example 1 (6).
  • Example 5 is an example of iso-butyl 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonate represented by the above formula (5) in the preparation of the proton conducting membrane of (1) of Example 1.
  • a MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the weight was changed to 17.64 g.
  • Comparative Example 5 was prepared by the same composition and method as Example 5 except that platinum black powder was not used in the preparation of the intermediate layer of Example 1 (6).
  • Example 6 in the preparation of the proton conducting membrane of Example 1 (1), a commercially available fluorine-based electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) N112 manufactured by DuPont) was used as the proton conducting membrane (PEM in Table 2 below).
  • An MEA was prepared in the same manner as in Example 1 except that it was referred to as “F-type”.
  • Comparative Example 6 was produced by the same composition and method as Example 6 except that platinum black powder was not used in producing the intermediate layer of Example 1 (6). Note that Nafion (registered trademark) N112 manufactured by DuPont was used as the proton conductive membrane.
  • Example 7 was placed vertically between the separators 11 shown in FIGS. 5A and 5B using the same MEA as in Example 1 (that is, vertically arranged) (PEM species in Table 2 below) It is indicated as “HC system; vertical”). In addition, it installed so that the gas introduction part 11a of the reactive gas might be located in the upper part of the separator 11, and it installed so that the gas derivation
  • Comparative Example 7 was the same as Example 7 except that platinum black powder was not used in the production of the intermediate layer (6) of Example 1.
  • Comparative Example 8 an MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the production of the intermediate layer (6) in Example 1 was performed as follows.
  • a solvent having a mass ratio of NPA to water of 1: 2 was prepared, and 18 g of platinum-supported carbon powder (catalyst for fuel cell TEC10EA30E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was added to 50 g of this solvent. Further, 3 g of vapor grown carbon fiber (manufactured by Showa Denko KK, trade name: VGCF) was added.
  • an ion conductive resin solution (20% solution, manufactured by DuPont, trade name: DE2020) was added and stirred for 10 minutes with a three-dimensional stirrer. Thereafter, the mixed solution was stirred and homogenized using a planetary ball mill at 80 rpm ⁇ 60 minutes to prepare an intermediate layer ink.
  • the produced intermediate layer ink was screen-printed on the base layer portion of the gas diffusion layer produced by the same method as in Example 1 (5) so that the platinum amount was 0.2 mg / cm 2 in unit projected area.
  • the intermediate layer was produced by coating and drying.
  • the gas pressures of the anode gas and the cathode gas were both 100 kPa, and the humidification conditions of these reaction gases were 50/50% Rh, 75/75% Rh, and 100/100% Rh, respectively, at the anode / cathode. Then, the cell voltage at the time of power generation at a current density of 1 A / cm 2 was read under each humidification condition, and the standard deviation (mV) of each cell voltage was calculated and used as an index for evaluating the stability of the power generation performance.
  • Table 2 below shows the evaluation of the stability of power generation performance.
  • the standard deviation (mV) in Table 2 indicates how far from the cell voltage (mV) when the humidity condition of the reaction gas is 75/75% Rh, and this is referred to. This shows the magnitude of the effect of suppressing fluctuation under each humidity condition.
  • the ion exchange capacities IEC in Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 8 were measured in the same manner as in Example 1 and will be described together.
  • the standard deviation was smaller in all examples than in the comparative example indicated by the corresponding number. In other words, it was found that any example had a larger fluctuation suppressing effect than the comparative example.
  • those having a low IEC for example, IEC 1.7 meq / g
  • Example 7 was found to decrease in voltage due to flooding at high humidity (100/100% Rh). Furthermore, in Example 7, although the cell was placed vertically, it was found that the fluctuation suppressing effect was greater than that of Comparative Example 1. In Comparative Example 8, the voltage at low humidity decreased. This is presumably because the carbon in the platinum-supporting carbon powder has water repellency, so that the generated water was quickly discharged and became dry.
  • anode electrode ink was screen-printed on a PET film so that the amount of platinum was 0.2 mg / cm 2 , heated at 60 ° C. for 10 minutes, and then heated at 100 ° C. for 15 minutes under reduced pressure. Then, an anode electrode sheet (electrode catalyst layer) was produced by drying.
  • an ion conductive resin solution (20% solution, manufactured by DuPont, trade name: D2020) was added in the amount [g (solution)] shown in Table 3 below, and stirred for 10 minutes with a three-dimensional stirrer. Thereafter, the mixed solution was stirred and homogenized using a planetary ball mill at 80 rpm ⁇ 60 minutes to prepare an intermediate layer ink.
  • the produced intermediate layer ink was screen-printed on the base layer portion of the gas diffusion layer produced in (4) so that the amount of platinum was the unit projected area shown in Table 3 below [mg / cm 2 ]. Then, the intermediate layers according to Examples 8 to 10 and Comparative Examples 9 to 12 were produced.
  • the cell temperature is set to 70 ° C.
  • the anode humidification condition is set to 65% Rh
  • the cathode humidification condition is set to 75% Rh
  • the gas pressure is set to 100 kPa for every 200 start cycles.
  • the cell voltage during power generation at a current density of 1 A / cm 2 was measured. This was performed until the number of activations reached 3000, and the cell voltage drop transition was calculated by linear approximation. The reason why the number of activations is 3000 times is that a cell voltage drop amount of about 40 mV is required to accurately evaluate the performance drop rate, and a cell voltage drop of 40 mV or more has conventionally occurred.
  • the initial performance [mV] and performance degradation rate [mV / 1000 times] of Examples 8 to 10 and Comparative Examples 9 to 12 are listed in Table 4.
  • 600 mV or more was set as the pass ((circle)), and less than 600 mV was set as the disqualification (x).
  • 20 mV / 1000 times or less was set to pass ((circle)), and the thing exceeding 20 mV / 1000 times was set to rejection (x).
  • the thickness of the intermediate layer was less than 2 ⁇ m, and the content of platinum black powder (noble metal nanoparticles) was less than 0.1 mg / cm 2 in unit projected area.
  • Comparative Example 10 since the thickness of the intermediate layer exceeded 6 ⁇ m and the content of platinum black powder (noble metal nanoparticles) exceeded 0.5 mg / cm 2 in unit projected area, the initial performance was rejected ( ⁇ )
  • Comparative Example 11 the thickness of the intermediate layer exceeded 6 ⁇ m, and the content of carbon black (carbon powder) exceeded 45% by mass with respect to the content of platinum black powder (noble metal nanoparticles). The performance was rejected (x).
  • the thickness of the intermediate layer was less than 2 ⁇ m, and the content of carbon black (carbon powder) was less than 15% by mass with respect to the content of platinum black powder (noble metal nanoparticles). Both initial performance and performance degradation rate were rejected (x).
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications and improvements within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
  • the embodiment has shown the form in which the intermediate layer is disposed on both sides of the anode and the cathode, and the form in which the intermediate layer is disposed only on the cathode side. Is obtained.

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Abstract

発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり難く、かつ初期性能が高く、さらに長期間使用による性能低下を抑制することができる固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を提供する。固体高分子型燃料電池用膜電極構造体（１）は、プロトンを伝導するプロトン伝導膜（２）と、前記プロトン伝導膜（２）の両面に設けられ、触媒粒子と電極電解質とを有する電極触媒層（３）と、前記電極触媒層（３）の上に設けられ、多孔質基材を有するガス拡散層（４）と、を備えた固体高分子型燃料電池用膜電極構造体であって、少なくとも一方の前記電極触媒層（３）と前記ガス拡散層（４）との間に、貴金属ナノ粒子（５１）と、電極電解質（５２）と、カーボン粉末と、を有し、厚みが２～６μｍである中間層（５）を設けた。

Description

固体高分子型燃料電池用膜電極構造体および固体高分子型燃料電池
　本発明は、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体およびこれを用いた固体高分子型燃料電池に関する。
　燃料電池は、反応ガスとして水素および酸素を用いて発電を行い、電極反応によって生成される生成物が水のみであるため、環境への悪影響が殆どないクリーンな発電システムとして広く用いられるようになってきた。その主な用途は、燃料電池自動車、家庭用燃料電池、モバイル機器など多岐にわたる。
　燃料電池のなかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は作動温度が室温から９０℃程度であり、迅速に発電することができるため、燃料電池自動車に多く使用されている。
　燃料電池自動車に使用される固体高分子型燃料電池の内部環境、とりわけ電極付近（以下、プロトン伝導膜、電極触媒層およびガス拡散層をまとめてこのようにいうこともある（本願の図３参照）。）は、燃料電池自動車の起動および停止が頻繁に行われるとともに、運転環境や運転状況が様々に変化するため乾燥し過ぎる状態（高乾燥状態）となったり、湿度が高過ぎる状態（高湿潤状態）となったりして、発電環境の変化が生じる。
　電極付近は、例えば、固体高分子型燃料電池の起動直後や発電量に対して加湿器の動きが追いつかないときなどには高乾燥状態となり、起動後しばらく運転を続けると電気化学反応がすすんで電極触媒層で水が生成され、高湿潤状態となる。
　なお、固体高分子型燃料電池は、高乾燥状態で発電を続けると、プロトン伝導膜（電解質膜）などのイオン導電性が低下して抵抗が大きくなるため発電性能が低下する一方、高湿潤状態となると、ガス拡散層や電極触媒層の細孔を防ぎ、反応ガスを阻害するため発電性能が低下する。
　よって、電極付近の湿度条件の変化は、固体高分子型燃料電池の発電性能に大きく影響し、発電性能を不安定にすることがあるので、湿度環境変化による影響を少なくすることが求められている。
　固体高分子型燃料電池に関して、湿度環境変化による影響を少なくし得る技術が特許文献１～３に開示されている。
　特許文献１には、図６に示すように、触媒層６２２、中間層６２４およびガス拡散層６２６を順に有するカソード（空気極）６２０と、触媒層６３２、中間層６３４およびガス拡散層６３６を順に有するアノード（燃料極）６３０と、カソード６２０の触媒層６２２とアノード６３０の触媒層６３２との間に配置される、本発明におけるプロトン伝導膜２（本願の図３参照）に相当する高分子電解質膜６４０とを備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体６１０が記載されている。そして、前記したカソード６２０およびアノード６３０の少なくとも一方の触媒層６２２、６３２は白金を含む触媒を含み、かつ前記した中間層６２４、６３４はカーボン繊維を含むものであり、そのうちの少なくとも一方は、（ａ）中間層に含まれる白金の割合が、触媒層に含まれる白金と中間層に含まれる白金との合量１００原子％に対して、３～２０原子％であるという条件と、（ｂ）中間層に含まれる白金の９０原子％以上が、触媒層と中間層との界面から中間層の厚さの１／２までの領域内に存在するという条件のうちの少なくとも一方の条件を満足することが必要である旨が記載されている。また、白金は、白金または白金合金がカーボン担体に担持された担持触媒が好ましい旨が記載されている。
　この特許文献１には、カーボン繊維を含んでいるので導電パスが形成されるため電子伝導性が向上するだけでなく、生成された水（水蒸気）が毛細管現象によって触媒層６２２、６３２から中間層６２４、６３４へと速やかに移動する旨が記載されている。
　また、特許文献２には、図７に示すように、本発明におけるプロトン伝導膜２（本願の図３参照）に相当する電解質膜７１５のカソード側に、カソード触媒層７１６、カソード下地層７１７、カソード拡散層７１８を積層し、カソード拡散層７１８の外側に酸素ガス流路７２４を設け、電解質膜７１５のアノード側に、アノード触媒層７２１、アノード下地層７２２、アノード拡散層７２３を積層し、アノード拡散層７２３の外側に水素ガス流路７２５を設け、各々の層および電解質膜７１５を重力の作用する方向に向けて配置する燃料電池の膜電極接合体７１２が記載されている。そして、カソード下地層７１７には吸水材を添加すること、および吸水材として具体的にはナフィオン（登録商標）を用いることが記載されており、当該吸水材が接着剤の働きをする旨が記載されている。
　特許文献３には、図８に示すように、燃料電池８１０に用いられる電極であって、燃料極側触媒層８０４と拡散層８０５とを含む燃料極（アノード）８０８および空気極（カソード）８１７を含む燃料電池用電極が記載されている。特許文献３には、その空気極８１７は、本発明におけるプロトン伝導膜２（本願の図３参照）に相当する電解質膜８０２から順に、第１の触媒層８１３ａと、第２の触媒層８１３ｂと、拡散層８０５とを備え、前記第１の触媒層８１３ａは前記第２の触媒層８１３ｂよりも気体移動抵抗が大きく、前記第１の触媒層８１３ａは前記電解質膜８０２を透過した水素の移動を妨げて、当該水素を酸化し、前記第１の触媒層８１３ａはＰｔ担持カーボン触媒を含む層であり、前記第２の触媒層８１３ｂは、本発明における貴金属ナノ粒子５１（本願の図３参照）に相当するＰｔ－Ｂｌａｃｋ触媒（図８において図示せず）を含む層であることが記載されている。このＰｔ－Ｂｌａｃｋ触媒は、水との親和性が高く、かつ水との接触角が小さいため、表面に大量の水を物理的に付着させることができるという性質を有している。
特開２００９－１９９９１５号公報（請求項１、段落０００７、段落００１４、段落００２８、段落００３３、図１） 特開２００６－１０７７５２号公報（請求項１、段落００２７、段落００６８、図２） 特許第４４９２０３７号公報（請求項１、段落００１８、段落００１９、図５、図６）
　しかしながら、特許文献１に記載の技術によれば、カーボン繊維を含むことにより、発電により生成された水を速やかに移動させることができ、電極付近の湿度を下げることはできるものの、電極付近が高乾燥状態となった場合に湿度を上げることができないという問題があった。
　なお、特許文献１の触媒層および中間層に含まれる白金は、水との親和性が高く、かつ水との接触角が小さいため、白金の性質上、水を保持し得るが触媒層および中間層に含まれる形態、すなわち形状や大きさが不明であり、適切化されているとはいえないため、電極付近が高湿度状態となったときにプロトン伝導膜（電解質膜）から水を吸収して調度良い湿度条件となるようにしたり、電極付近が高乾燥状態となったときにプロトン伝導膜へ水を供給して調度良い湿度条件となるようにしたりすることを確実に行うことができないという問題があった。
　また、特許文献２に記載の技術によれば、カソード下地層７１７に吸水材が添加されているため、特許文献１と同様、発電により生成された水を速やかに吸収し、電極付近の湿度を下げることはできるものの、電極付近が高乾燥状態となった場合に、一旦吸収した水をプロトン伝導膜に供給し難いという問題があった。
　したがって、特許文献１，２によってもなお、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化によって発電性能が不安定になるという従前の問題を解決するには至っていない。
　そして、特許文献３に記載の技術によれば、本発明における中間層に相当する第２の触媒層に、前記した性質を有するＰｔ－Ｂｌａｃｋ触媒が含まれているので湿度環境変化による影響は少ないと考えられ、また、ラジカルの指標であるフッ化水素（ＨＦ）の生成量が低下することが記載されている。しかし、中間層の構成とその膜厚について十分な検討がされていないため、初期性能が低いおそれや、使用によってその性能が低下し易いおそれがあった。
　本発明は前記問題を解決するためになされたものであり、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり難く、かつ初期性能が高く、さらに長期間使用による性能低下を抑制することができる固体高分子型燃料電池用膜電極構造体およびこれを用いた固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。
　本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意研究した結果、固体高分子型燃料電池の発電環境において、電極付近が高乾燥状態となったときにはプロトン伝導膜に吸水し、電極付近が高湿潤状態となったときにはプロトン伝導膜から脱水するのが理想的であり、これを実現するために電極触媒層とガス拡散層との間に水のバッファとなる中間層を設けることとした。また、設ける中間層に必要な機能として、第１に、水の供給および脱水を行う貯水容量が大きいこと、第２に、水の供給を確実に行うために、発電環境による体積変化が少ないこと、第３に、運転状況の瞬間的な変化に対応するため、電極触媒層に対して迅速に吸水および脱水を行うことができること、そして、第４に、水を吸収している際に電極触媒層へのガス移動を阻害しないことが重要であることを見出し、本発明を完成するに至った。
　前記課題を解決した本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体は、プロトンを伝導するプロトン伝導膜と、前記プロトン伝導膜の両面に設けられ、触媒粒子と電極電解質とを有する電極触媒層と、前記電極触媒層の上に設けられ、多孔質基材を有するガス拡散層と、を備えた固体高分子型燃料電池用膜電極構造体であって、少なくとも一方の前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に、貴金属ナノ粒子と、電極電解質と、カーボン粉末と、を有し、厚みが２～６μｍである中間層を設けたことを特徴としている。
　中間層が有する貴金属ナノ粒子（例えば、白金黒）は、粒子径の小さいナノ粒子であるため、ナノ粒子でない貴金属粒子を同量有する場合と比較して表面積が飛躍的に大きい。また、白金黒などの貴金属ナノ粒子５１は、カーボンブラックなどと比べて水Ｗとの親和性が高く、かつ水Ｗとの接触角が小さいため、表面に大量の水Ｗを物理的に付着させることができるという特長を有する（図１（ａ）参照）。また、ナフィオン（登録商標）などの吸水材ＷＡや従来用いられている電極電解質のように、分子間に水Ｗを吸着する（図１（ｂ）参照）ものではないので、吸水および脱水による体積変化もなく、電極触媒層に対して迅速かつ大量に吸水および脱水を行うことができる。
　したがって、本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体は、中間層５に貴金属ナノ粒子（図２（ａ）において図示せず）を有しているので、図２（ａ）に示すように、電極付近が高乾燥状態となったときに貴金属ナノ粒子が保持している水Ｗを中間層５から電極触媒層３およびプロトン伝導膜２に供給（給水）することができ、プロトン伝導膜２のプロトン伝導性を高めることができる。
　また、本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体は、中間層５に貴金属ナノ粒子（図２（ｂ）において図示せず）を有しているので、図２（ｂ）に示すように、電極付近が高湿潤状態となったときに電極触媒層３で生成した水Ｗを中間層５に引き込み、電極触媒層３を脱水することができる。そのため、電極触媒層３の細孔が発電によって生成した水により閉塞してしまうことによる発電性能の低下（セル電圧の低下）および電極触媒層３の劣化を抑制することができる。
　さらに、中間層はカーボン粉末を含んでいるので、中間層内のガス拡散性と電極触媒層へのガス透過性を良好に保つことができる。そして、中間層の厚みを所定の範囲としているので、十分な量の貴金属ナノ粒子を含有させることができる。したがって、貴金属ナノ粒子のもつ作用効果を十分に発揮させることができるとともに、ガス拡散性を良好に保つことが可能となる。
　その結果、本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体は、幅広い湿度範囲で安定して発電を行うことができ、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり難い。また、初期性能が高く、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　本発明においては、前記電極触媒層および前記中間層のうち少なくとも一方が繊維状カーボンを有するのが好ましい。
　このようにすれば、電極触媒層および中間層のうち少なくとも一方が有する繊維状カーボンが支持柱の役割を果たすため、繊維状カーボンを有する層は、より多くの細孔を付与することができる。その結果、繊維状カーボンを有する層の反応ガスおよび発電により生成した水の出入りが容易になり、発電特性が向上する。
　本発明においては、前記プロトン伝導膜がスルホン化ポリアリーレンポリマーであるのが好ましい。
　スルホン化ポリアリーレンポリマーは、保水量によるプロトン導電性能の変化が大きいため、発電特性の向上効果をさらに得ることができる。
　本発明においては、前記プロトン伝導膜のイオン交換容量ＩＥＣが１．９～２．４ｍｅｑ／ｇであるのが好ましい。
　プロトン伝導膜のイオン交換容量ＩＥＣをこのような特定の範囲とすれば、プロトン伝導膜の含水量を十分に確保できるため、低湿度での発電特性を維持することができるとともに、含水量が過度ではないため、フラッディングを抑制して、高湿度での発電特性を維持することができる。
　本発明においては、前記貴金属ナノ粒子の含有量が単位投影面積で０．１～０．５ｍｇ／ｃｍ2であるのが好ましい。
　貴金属ナノ粒子の含有量をこのような特定の範囲とすれば、前記した特長を有する貴金属ナノ粒子を十分な量で含有させることができる。そのため、前記したように、電極付近が高乾燥状態となったときに、貴金属ナノ粒子が保持している水を電極触媒層３およびプロトン伝導膜４に供給（給水）することができ、プロトン伝導膜４のプロトン伝導性を高めることができるようになるだけでなく、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　本発明においては、前記カーボン粉末の含有量が、前記貴金属ナノ粒子の含有量に対して１５～４５質量％であるのが好ましい。
　カーボン粉末の含有量をこのような特定の範囲とすれば、中間層内の細孔を十分に確保することができるため、中間層内のガス拡散性や電極触媒層へのガス透過性を高めることができる。そのため、初期性能を高くすることができるだけでなく、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　本発明においては、前記電極電解質の含有量が、前記貴金属ナノ粒子の含有量に対して２０～２５質量％であるのが好ましい。
　電極電解質の含有量をこのような特定の範囲とすれば、十分な量の電極電解質を含有するので、プロトンを確実に伝導させることができる。そのため、初期性能を高くすることができる。
　本発明においては、前記貴金属ナノ粒子の平均粒径が４～７ｎｍであるのが好ましい。
　貴金属ナノ粒子の平均粒径をこのような特定の範囲とすれば、貴金属ナノ粒子の比表面積が大きくかつ高電位発生時であっても貴金属ナノ粒子が溶出し難い。そのため、より一層、初期性能を高くすることができ、また、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　本発明に係る固体高分子型燃料電池は、前記した固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を用いた固体高分子型燃料電池であって、前記固体高分子型燃料電池用膜電極構造体と、隣り合う前記固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の間に挟まれて設けられるセパレータと、を鉛直に配置し、かつ前記セパレータは、反応ガスを鉛直方向に流すようにガス導入部を上部に形成するとともに、ガス導出部を下部に形成したことを特徴としている。
　本発明に係る固体高分子型燃料電池は、前記した固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を用いており、中間層に貴金属ナノ粒子と、電極電解質と、カーボン粉末と、を有し、厚みが２～６μｍである中間層を設けているので、幅広い湿度範囲で安定して発電を行うことができ、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり難い。また、初期性能が高く、かつ長期間使用による性能低下を抑制することができる。さらに、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体とセパレータを鉛直に配置し、セパレータの上部にガス導入部を形成するとともに、下部にガス導出部を形成することにより、電極触媒層で生成した水は重力によって下方に流れ、ガス導出部から排出される。そのため、過度に高湿潤状態となることを防ぐことができ、電極触媒層や中間層の細孔が水で閉塞してしまうのを防止することができる。その結果、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、幅広い湿度範囲で安定して発電を行うことができるようになる。
　本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体は、中間層に貴金属ナノ粒子と、電極電解質と、カーボン粉末と、を有し、厚みが２～６μｍである中間層を設けているので電極触媒層で生成された水を保持させることができる。これにより、電極付近が高乾燥状態となったときは電極触媒層に水を供給することができ、電極付近が高湿潤状態となったときは電極触媒層を脱水することができる。
　そのため、本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体によれば、幅広い湿度範囲で安定して発電を行うことができ、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり難い。また、初期性能が高く、かつ長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　本発明に係る固体高分子型燃料電池は、前記した固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を有しており、かつセパレータとともに鉛直に配置されているので、幅広い湿度範囲で安定して発電を行うことができ、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり難い。また、初期性能が高く、かつ長期間使用による性能低下を抑制することができる。
（ａ）は、貴金属ナノ粒子（白金黒）が水を付着している様子を示す説明図であり、（ｂ）は、従来の吸水材が分子間に水を吸着している様子を示す説明図である。 （ａ）は、乾燥状態における本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の作用を説明する説明図であり、（ｂ）は、湿潤状態における本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の作用を説明する説明図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の構成を説明する断面模式図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池の構成を説明する断面模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例７および比較例７で用いたセパレータを説明する平面図である。 従来の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の一例を示す断面図である。 従来の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の他の一例を示す断面図である。 従来の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体のさらに他の一例を示す断面図である。
　次に、適宜図面を参照して本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体およびこれを用いた固体高分子型燃料電池について詳細に説明する。
　はじめに、図３を参照して本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体について説明する。
　図３に示すように、本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体１は、プロトン伝導膜２と、電極触媒層３と、ガス拡散層４とを備え、少なくとも一方の電極触媒層３とガス拡散層４との間に、貴金属ナノ粒子５１と、電極電解質５２と、カーボン粉末（図３において図示せず）と、を有し、厚みが２～６μｍである中間層５を設けた構造となっている。なお、図３においては、カソードＣａとして機能する電極触媒層３ａとＯ2ガスなどのカソードガスＣａＧを拡散するガス拡散層４ａとの間、およびアノードＡｎとして機能する電極触媒層３ｂとＨ2ガスなどのアノードガスＡｎＧを拡散するガス拡散層４ｂとの間の両方に中間層５ａ、５ｂを設けた様子を示している。
　以下、各構成について詳細に説明する。
　プロトン伝導膜２は、プロトンＨ+を伝導することのできる膜である。プロトン伝導膜２は、従来公知の固体高分子電解質膜を用いることができる。例えば、次式（１）に示すスルホン化ポリアリーレンポリマーや、含フッ素イオン交換樹脂などを用いることができる。なお、次式（１）に示すスルホン化ポリアリーレンポリマーは、特開２００５－１５８２６５号公報の段落［００６６］～段落［００７９］に記載の方法によって作製することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
　なお、前記式中において、ｍ：ｎ＝０．５～１００：９５．５～０、好ましくはｍ：ｎ＝０．５～９９．９９９：９５．５～０．００１であり、ｌは正の整数である。
　プロトン伝導膜２のイオン交換容量ＩＥＣは１．９～２．４ｍｅｑ／ｇであるのが好ましい。プロトン伝導膜のイオン交換容量ＩＥＣをこのような特定の範囲とすれば、プロトン伝導膜２の含水量を十分に確保できるため、低湿度での発電特性を維持することができるとともに、含水量が過度ではないため、フラッディングを抑制して、高湿度での発電特性を維持することができる。
　電極触媒層３は、プロトン伝導膜２の両面に設けられ、触媒粒子と電極電解質とを有する。
　電極触媒層３に用いられる触媒粒子は、化学的に安定で電気伝導性のよい貴金属、又は貴金属を担持したカーボンや酸化物を用いるのが好ましい。例えば、Ｐｔ（白金）、パラジウム、またはこれらを含む他種金属との合金を用いることができる。触媒粒子の塗布量は、例えば０．２～０．５ｍｇ／ｃｍ2などとすることができるが、これに限定されるものではない。
　電極触媒層３に用いられる電極電解質は、従来公知のイオン導伝性樹脂を用いることができる。イオン導伝性樹脂としては、炭素－フッ素骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料であるナフィオン（登録商標）などを用いることができる。
　また、電極触媒層３は、前記した触媒粒子および電極電解質とともに、細孔を確保し、支持柱として機能させるための基材を含有していてもよい。このような基材としては、例えば気相成長炭素繊維などの繊維状カーボンを用いることができる。
　かかる電極触媒層３は、任意の溶媒、例えばＮＰＡ（ノルマルプロピルアルコール）と水を例えば質量比で１：２～２：１の比率で混合した溶媒などに投入後、攪拌して均一化したものをＰＥＴフィルム等にスクリーン印刷して塗工し、加熱および乾燥させた後、塗工面をプロトン伝導膜２上に密着させてホットプレスを行い、一体化させた後、ＰＥＴシートを剥がすことで形成することができる。
　なお、カソードＣａとして機能する電極触媒層３ａと、アノードＡｎとして機能する電極触媒層３ｂとは、全く同じ組成および手法によって作製したものを用いることもできるし、異なる組成および手法によって作製したものを用いることもできる。
　ガス拡散層４は、電極触媒層３の上に直接または後記するように中間層５を介して設けられるものであり、多孔質基材を有する。
　多孔質基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどを用いることができる。これらの多孔質基材は単独の使用の他、フッ素樹脂を付着させて撥水処理を施したり、酸化チタンやシリコーン、金属等によって親水化処理を施したりしてもよい。
　ガス拡散層４は、撥水性のフッ素樹脂および撥水性と導電性を有するカーボンを単独または混合で有する下地層（図示せず）を形成してもよいし、ガス拡散層４の表面を撥水性のフッ素樹脂や撥水性と導電性を有するカーボンを含む溶液または分散液によって撥水処理してもよい。
　下地層を形成したり、ガス拡散層４の表面を撥水処理したりすることにより、電極触媒層３で生成した水が移動し易くなるため、水によってガス拡散層４の細孔が塞がれるのを防止することができる。
　前記した撥水性のフッ素樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを用いることができ、撥水性と導電性を有するカーボンとしては、例えばカーボンブラックなどを用いることができる。
　かかるガス拡散層４は、例えば、撥水性と導電性を有するカーボンと撥水性のフッ素樹脂とを任意の質量比で混合した後、エチレングリコールなどに均一に分散させ、カーボンペーパーなどの多孔質基材上に塗布後、乾燥させることで、下地層つきのガス拡散層として作製することができる。
　そして、本発明においては、前記したようにカソードＣａとして機能する電極触媒層３ａおよびアノードＡｎとして機能する電極触媒層３ｂのうちの少なくとも一方の電極触媒層３と、ガス拡散層４との間に、貴金属ナノ粒子５１と、電極電解質５２と、カーボン粉末（図３において図示せず）と、を有し、厚みが２～６μｍである中間層５を設けている。
　ここで、中間層５の厚みが２μｍ未満であると、十分な量の貴金属ナノ粒子５１を含有させることができない。そのため、長期間使用による性能低下を抑制することができない。
　一方で、中間層５の厚みが６μｍを超えると、中間層５内におけるガス拡散性が妨げられるので、初期性能が低下する。
　よって、中間層５の厚みは２～６μｍとする。
　なお、中間層５の厚みは、例えば電子顕微鏡による断面画像の解析によって測定することができる。
　貴金属ナノ粒子５１としては、Ｐｔ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｚｎ、Ｐｔ－Ｃｕ、Ｐｔ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ、Ｐｔ－Ｖ、Ｐｔ－Ｐｄ、Ｐｔ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｌｕ、Ａｕ－Ｐｄなどの合金またはこれらから選択される２種以上を含有する合金からなるナノ粒子、または、Ｐｄ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｆｅ、Ｃｏなどの金属元素からなるナノ粒子などを用いることができるが、白金黒（Ｐｔ）を用いることが最も好ましい。
　白金黒は、白金ブラックやプラチナブラックとも呼ばれており、例えば、田中貴金属工業社製ＴＥＣ９０３００およびＴＥＣ９０４００、ＢＡＳＦ（ビーエーエスエフ）社製ＰｔＢｌａｃｋ　ＨＳＡおよびＰｔＢｌａｃｋ　ＬＳＡ、Ｎ．Ｅ．ＣＨＥＭＣＡＴ（エヌ・イー　ケムキャット）社製ＰｔＢｌａｃｋ粉末（ＢＬ－１９０１）、ジョンソンマッセイ社製Ｈｉ－ｓｐｅｃ１０００などを用いることができる。なお、白金黒は、これらの中から選択される１種を選択して使用することもできるし、２種以上を選択して併用することもできる。白金黒は、貴金属ナノ粒子の中でも耐酸化性に優れ、電極触媒層３の作用を補助して発電を行う作用にも優れるだけでなく、図３に示すように、電子ｅ-を導電させる電子導電パスとしても機能し、さらには、イオン化傾向も低く溶出し難いため、貴金属ナノ粒子５１として好適である。
　貴金属ナノ粒子５１の含有量は、単位投影面積で０．０５～１ｍｇ／ｃｍ2とするとよい。なお、単位投影面積は、電流密度で性能を評価するにあたって基準となる大きさである。
　貴金属ナノ粒子５１の含有量が、単位投影面積で０．０５ｍｇ／ｃｍ2未満となると、電極付近が高乾燥状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に吸水することや、電極付近が高湿潤状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に脱水することができない。
　一方、貴金属ナノ粒子５１の含有量が、単位投影面積で１ｍｇ／ｃｍ2を超えても得られる効果は飽和するばかりかコストが上昇し、好ましくない。
　よって、貴金属ナノ粒子５１の含有量は、単位投影面積で０．０５～１ｍｇ／ｃｍ2とするのが好ましい。
　特に、中間層５のうち、カソードＣａ側に用いられる中間層５ａの貴金属ナノ粒子５１の含有量は、単位投影面積で０．１～０．５ｍｇ／ｃｍ2とするのが好ましい。
　カソードＣａ側に用いられる中間層５ａの貴金属ナノ粒子５１の含有量がこの範囲であると、前記した作用に加えて、長期間使用による性能低下を抑制することができるようになる。
　カソードＣａ側に用いられる中間層５ａの貴金属ナノ粒子５１の含有量が、単位投影面積で０．１ｍｇ／ｃｍ2未満となると、十分な量の貴金属ナノ粒子５１を含有させることができなくなるため、長期間使用による性能低下を抑制することが難しくなる。
　一方、カソードＣａ側に用いられる中間層５ａの貴金属ナノ粒子５１の含有量が、単位投影面積で０．５ｍｇ／ｃｍ2を超えると、中間層５の厚みが大きくなるため電極触媒層３ａへのガス透過性が低くなり、初期性能が低下する。
　よって、中間層５のうち、カソードＣａ側に用いられる中間層５ａの貴金属ナノ粒子５１の含有量については、単位投影面積で０．１～０．５ｍｇ／ｃｍ2とするのが好ましい。
　また、貴金属ナノ粒子５１の平均粒径は、例えば４～２０ｎｍとするのが好ましい。貴金属ナノ粒子５１の平均粒径がこの範囲であれば、電極付近が高乾燥状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に吸水する効果や、電極付近が高湿潤状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に脱水する効果をより確実に得ることができる。また、比表面積が大きく、活性も高く、高電位発生時であっても貴金属ナノ粒子５１が溶出し難いため、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　貴金属ナノ粒子５１の平均粒径が４ｎｍ未満であると、高電位発生時に貴金属ナノ粒子５１が溶出し易く、使用により初期性能が低下するおそれがある。
　一方、貴金属ナノ粒子５１の平均粒径が２０ｎｍを超えると、比表面積が減少して吸水性能が低下するため、電極付近が高乾燥状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に吸水する効果や、電極付近が高湿潤状態となったときに、電極触媒層に対して迅速かつ大量に脱水する効果を得ることができない。そのため、発電環境の変化、つまり電極付近の湿度条件の変化があっても発電性能が不安定となり易い。
　よって、貴金属ナノ粒子５１の平均粒径は、４～２０ｎｍとするのが好ましい。
　特に、中間層５のうち、カソードＣａ側の中間層５ａに用いる貴金属ナノ粒子５１の平均粒径は、４～７ｎｍとするのが好ましい。
　カソードＣａ側の中間層５ａに用いる貴金属ナノ粒子５１の平均粒径がこの範囲であると、比表面積が大きく、活性も高く、高電位発生時であっても貴金属ナノ粒子５１が溶出し難いため、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　カソードＣａ側の中間層５ａに用いる貴金属ナノ粒子５１の平均粒径が４ｎｍ未満であると、比表面積が増加し、活性も向上するため初期性能の向上が見込まれるものの、高電位発生時に貴金属ナノ粒子５１が溶出し易くなるため、長期間使用による性能低下が進み易い。
　一方、カソードＣａ側の中間層５ａに用いる貴金属ナノ粒子５１の平均粒径が７ｎｍを超えると、高電位発生時に貴金属ナノ粒子５１が溶出し難いため、長期間使用による性能低下が緩和されるものの、比表面積が減少し、活性も低下するため、初期性能が低下する。
　よって、カソードＣａ側の中間層５ａに用いる貴金属ナノ粒子５１の平均粒径については、４～７ｎｍとするのが好ましい。
　前記した貴金属ナノ粒子５１を有すると、例えば特許文献２（特開２００６－１０７７５２号公報）などの従来例に対して下記表１のようなメリットを得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　電極電解質５２は、電極触媒層３の電極電解質と同じものを用いることもできるし、異なるものを用いることもできる。
　電極電解質５２に用いられる電極電解質（イオン導電性ポリマー）としては、例えばデュポン社製ナフィオン（登録商標）の粉末および分散溶液、旭化成社製アシプレックス（商品名）の粉末および分散溶液、旭硝子社製フレミオン（登録商標）の粉末および分散溶液を挙げることができる。電極電解質５２に用いられる電極電解質は、これらの中から選択される１種を選択して使用することもできるし、２種以上を選択して併用することもできる。
　電極電解質５２の含有量は、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して２０～２５質量％とするのが好ましい。
　電極電解質５２の含有量がこの範囲であると、十分な量の電極電解質を含有するので、プロトンを確実に伝導させることができる。そのため、初期性能を高くすることができる。
　電極電解質５２の含有量が、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して２０質量％未満であると、プロトンＨ+の伝導が不十分となるため初期性能が低下する。また、貴金属ナノ粒子５１やカーボン粉末を結着することができないためこれらの脱落が生じ、中間層５を形成することが困難となる。
　一方、電極電解質５２の含有量が、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して２５質量％を超えると、中間層５内の細孔が不十分となる。そのため、中間層５内のガス拡散性や電極触媒層３へのガス透過性が低下し、初期性能が低下する。
　よって、電極電解質５２の含有量は、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して２０～２５質量％とするのが好ましい。
　また、電極電解質５２は、図３において図示しないカーボン粉末、つまり、カーボンブラックを含んでいる。電極電解質５２にカーボン粉末を添加することによって、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体１の製造時における電極インクの粘性が向上する。そのため、電極電解質５２を電極触媒層３やガス拡散層４上に塗布する際、隣接する層に当該電極電解質５２が浸み込んで反応ガスが透過するための細孔がなくなってしまう不具合を抑制することができる。
　カーボン粉末としては、例えばファーネスブラック、アセチレンブラック、グラッシーカーボンの粉砕品、気相法炭素繊維およびこれらを黒鉛化処理したものを挙げることができる。ファーネスブラックとしては、例えばケッチェン・ブラック社製ケッチェンブラックＥＣ、ケッチェンブラックＥＣ－６００ＪＤ、Ｃａｂｏｔ社製バルカン（登録商標）ＸＣ－７２、東海カーボン社製トーカブラック（商品名）などを挙げることができ、アセチレンブラックとしては、例えば電気化学工業社製デンカブラック（登録商標）を挙げることができ、気相法炭素繊維としては、例えば昭和電工社製ＶＧＣＦ（登録商標）およびＶＧＣＦ（登録商標）－Ｈを挙げることができる。電極電解質５２に用いられるカーボン粉末は、これらの中から選択される１種を選択して使用することもできるし、２種以上を選択して併用することもできる。これらの中でも、細孔を確保し、支持柱として機能するため、例えば気相成長炭素繊維などの繊維状カーボンを用いるのが好ましい。
　カーボン粉末の含有量は、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して１５～４５質量％とするのが好ましい。
　カーボン粉末の含有量がこの範囲であると、中間層５内の細孔を十分に確保することができるため、中間層５内のガス拡散性や電極触媒層３へのガス透過性を高めることができる。そのため、初期性能を高くすることができるだけでなく、長期間使用による性能低下を抑制することができる。
　カーボン粉末の含有量が、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して１５質量％未満となると、中間層５内の細孔が不十分となる。そのため、中間層５内のガス拡散性や電極触媒層３へのガス透過性が低下し、初期性能が低下する。また、高電位発生時にカーボンが腐食するので電極電解質５２の比率が高くなり、親水性が高くなるため長期間使用による性能低下が進み易くなる。
　一方、カーボン粉末の含有量が、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して４５質量％を超えると、中間層５が厚くなり、電極触媒層３へのガス透過性が低下するため、初期性能が低下する。
　よって、カーボン粉末の含有量は、貴金属ナノ粒子５１の含有量に対して１５～４５質量％とするのが好ましい。
　次に、以上に説明した本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を用いた固体高分子型燃料電池について説明する。
　図４に示すように、本発明に係る固体高分子型燃料電池１０は、前記した固体高分子型燃料電池用膜電極構造体１と、図示しない隣り合う固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の間に挟まれて設けられるセパレータ１１と、を鉛直に複数配置してなる。
　ここで、セパレータ１１は、反応ガスを鉛直方向に流すようにガス導入部を上部に形成するとともに、ガス導出部を下部に形成されている。
　通常、このように固体高分子型燃料電池用膜電極構造体１とセパレータ１１を鉛直に配置した場合、電極触媒層３で生成した水にはガス流および重力が作用するため下方に押し流され、容易に系外に排出されてしまう。その結果、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体１が高乾燥状態となり易い。しかしながら、本発明の固体高分子型燃料電池１０においては、中間層５に貴金属ナノ粒子５１を有する固体高分子型燃料電池用膜電極構造体１を用いて構成されているので、中間層５に十分な水を保持させておくことができる。そのため、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体１とセパレータ１１を鉛直に配置した場合であっても高乾燥状態となり難い。
　次に、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを対比して本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜電極構造体および固体高分子型燃料電池について具体的に説明する。
１．基本的構成の検討
［実施例１］
　実施例１の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を下記（１）～（７）のようにして作製した。
（１）プロトン伝導膜の準備
　プロトン伝導膜は、特開２００５－１５８２６５号公報の段落［００６６］～段落［００７９］に記載の方法に従って準備した。具体的には次のようにして準備した。
　本実施例では、まず、次式（２）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸のナトリウム塩を調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
　式（２）で表される化合物の調製は、次のようにして行った。まず、攪拌機、冷却管を備えた３ｌ（リットル）の三口フラスコに、２，５－ジクロロ－４’－フェノキシベンゾフェノン１３７．３ｇ（４００ミリモル）を加え、続いて１，２－ジクロロエタン５００ｍｌを加え溶解させた。さらに濃硫酸５６ｍｌ、無水酢酸１５２ｍｌ、１，２－ジクロロエタン４００ｍｌから新しく調製した２モル／ｌのアセチル硫酸溶液を攪拌下に加え、６０℃のオイルバスで３時間反応させた。所定時間後、１－プロパノール３００ｍｌを添加して反応を停止させた。次いで、反応系を４００ｍｌの容積まで濃縮し、さらにＮａＯＨ水溶液（１２０ｇ（３モル）／水４００ｍｌ）を加えた。反応系中の残存１，２－ジクロロエタンを共沸して溜去し、得られた透明な淡黄色溶液を冷却して、析出した沈殿物を濾過した。７０℃で真空乾燥させて、目的の４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸のナトリウム塩を微粉状の白色粉末（粗結晶）として得た。
　次に、前記粗結晶を精製することなく用いて、次式（３）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸クロライドを調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
　式（３）で表される化合物の調製は、次のようにして行った。まず、４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸のナトリウム塩の粗結晶２１５ｇ（約４００ミリモル）に、溶媒としてアセトニトリル３００ｍｌ、スルホラン２００ｍｌを加え、さらに三塩化ホスホリル２４５．３ｇ（１．６モル）を加え、７０℃で反応させた。さらに、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド５ｍｌを加えて、黄色の懸濁物を７１～７３℃で４０分間攪拌し、３℃まで冷却した。次に、１リットルの冷水を、反応系の温度が１０℃を超えない速度で加えた。沈殿物を濾集し、冷水で洗浄後、トルエン３５０ｍｌで再結晶し、目的の４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸クロライドを白色結晶（融点１３０．５～１３１．５℃）として得た（収量１３５ｇ）。４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸のナトリウム塩を基準とすると収率８７％であった。
　次に、４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸クロライドを用いて、次式（４）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸ｉｓｏ－ブチルを調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
　式（４）で表される化合物の調製は、次のようにして行った。まず、４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸クロライド２２．０９ｇ（５０ミリモル）と、２－メチル－１－プロパノール４．０ｇ（５５ミリモル）とを、３０ｍｌのピリジン溶媒中に、機械的攪拌下に冷却しながら４０分間かけて滴下した。この結果、得られた濃厚な懸濁液を、１２～１５℃でさらに１時間攪拌を継続した。次に、濃塩酸３０ｍｌと、氷１００ｇとを一挙に反応系に加え、懸濁液が徐々に均一になるまで攪拌した。次に、冷却したブフナーロートで素早く濾過し、白色の粘着性のある沈殿物を回収した。次に、前記沈殿物を酢酸エチル３００ｍｌに再溶解し、分液ロートで水洗した後、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を溜去して濃縮した。前記濃縮により得られた淡黄色の油状の液体を、熱ヘキサン３０ｍｌに溶解し、数日間フリーザー中で放置し、目的とする４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸ｉｓｏ－ブチルの白色結晶（融点７３～７４℃）を得た（収率７０％）。
　次に、次式（５）で表されるオリゴマーを調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
　式（５）で表されるオリゴマーの調製は、次のようにして行った。まず、攪拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入用の三方コックを取り付けた１リットルの三口フラスコに、２，２－ビス（４－ヒドロキシフェニル）－１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロプロパン（ビスフェノールＡＦ）６７．３ｇ（０．２０モル）、４，４’－ジクロロベンゾフェノン６０．３ｇ（０．２４モル）、炭酸カリウム７１．９ｇ（０．５２モル）、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド３００ｍｌ、トルエン１５０ｍｌを取り、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し、攪拌下、１３０℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約３時間で水の生成が殆ど認められなくなった。そこで、反応温度を１３０℃から徐々に１５０℃まで上げながら大部分のトルエンを除去した。１５０℃で１０時間反応を続けた後、４，４’－ジクロロベンゾフェノン１０．０ｇを加え、さらに５時間反応させた。
　得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過して除去し、濾液を４ｌのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収して乾燥後、テトラヒドロフラン３００ｍｌに溶解した。これをメタノール４ｌで再沈殿し、式（５）で表されるオリゴマー９５ｇを得た（収率８５％）。
　次に、式（６）で表されるスルホン酸エステル化ポリアリーレンを調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
　式（６）で表されるスルホン酸エステル化ポリアリーレンの調製は、次のようにして行った。まず、式（４）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸ｉｓｏ－ブチル１５．３４ｇ（３２ミリモル）、式（５）で表されるオリゴマー（数平均分子量７９４０）１０．５２ｇ（１．３３ミリモル）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド０．６５ｇ（１ミリモル）、トリフェニルホスフィン３３．５０ｇ（１３．３３ミリモル）、ヨウ化ナトリウム０．６５ｇ（４．８３ミリモル）、亜鉛末５．４５ｇ（８３．３３ミリモル）の混合物中に、窒素雰囲気下で、乾燥したＮ－メチルピロリドン６０ｍｌを加えた。
　反応系を攪拌下に加熱して、最終的に７４℃まで加温し、３時間反応させた。反応の途中で、反応系中の粘度上昇が観察された。次に、得られた重合反応溶液をテトラヒドロフラン２５０ｍｌで希釈し、３０分間攪拌し、セライトを濾過助剤に用いて濾過した後、濾液を大過剰のメタノール（１５００ｍｌ）に注ぎ、凝固させた。凝固物を濾集、風乾し、さらにテトラヒドロフラン２００ｍｌ／Ｎ－メチルピロリドン３０ｍｌの混合溶媒に再溶解した後大過剰のメタノール（１５００ｍｌ）で凝固析出させた。風乾後、加熱乾燥して、目的の式（６）で表されるスルホン酸エステル化ポリアリーレン２０．５４ｇ（黄色フレーク状、収率７８％）を得た。
　次に、式（６）で表されるスルホン酸エステル化ポリアリーレン５．０８ｇをＮ－メチルピロリドン６０ｍｌに溶解し、９０℃に加温した。次に、反応系にメタノール５０ｍｌと濃塩酸８ｍｌの混合物を一挙に加え、懸濁状態となった反応液を温和な還流条件で１０時間反応させた後、蒸留装置を設置して過剰のメタノールを溜去し、次式（１）で表されるスルホン化ポリアリーレンの淡緑色透明溶液を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
　なお、前記式中において、ｍ：ｎ＝０．５～１００：９５．５～０、好ましくはｍ：ｎ＝０．５～９９．９９９：９５．５～０．００１であり、ｌは正の整数である。
　次に、前記淡緑色透明溶液をガラス板状にキャストして製膜した。製膜後、水中に３日間浸漬し、風乾、真空乾燥し、乾燥膜厚５０μｍのプロトン伝導膜を得た（後記する表２においてＰＥＭ種「ＨＣ系」と示す。）。
　得られたプロトン伝導膜のイオン交換容量ＩＥＣを中和滴定法によって測定したところ、２．２ｍｅｑ／ｇ（ミリ当量／ｇ）であった。
（２）カソード電極インクの作製
　まず、ＮＰＡ（ノルマルプロピルアルコール）と水の比率を質量比で１：２とした溶媒を準備した。この溶媒１８０ｇに燃料電池用白金触媒（田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒ＴＥＣ３６Ｆ５２）を３０ｇ投入し、さらに気相成長炭素繊維（昭和電工社製、商品名：ＶＧＣＦ）を１０ｇ投入した。
　その後、イオン導伝性樹脂溶液（２０％溶液、デュポン社製、商品名：ＤＥ２０２０）を８０ｇ投入し、３次元攪拌機で１０分間攪拌した。
　その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて８０ｒｐｍ×１２０分攪拌して均一化し、カソード電極インクを作製した。
（３）カソード電極シートの作製
　（２）で作製したカソード電極インクの白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるようにＰＥＴフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下、１００℃で１５分間加熱して、乾燥させることによりカソード電極シート（電極触媒層）を作製した。
（４）アノード電極インクおよびアノード電極シートの作製
　まず、ＮＰＡと水の比率が質量比で２：１の溶媒を準備した。この溶媒１８０ｇに燃料電池用白金触媒（田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒ＴＥＣ３６Ｆ５２）を３０ｇ投入し、さらに気相成長炭素繊維（昭和電工社製、商品名：ＶＧＣＦ）を７ｇ投入した。
　その後、イオン導伝性樹脂溶液（２０％溶液、デュポン社製、商品名：ＤＥ２０２０）を７０ｇ投入し、３次元攪拌機で１０分間攪拌した。
　その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて８０ｒｐｍ×１２０分攪拌して均一化し、アノード電極インクを作製した。
　作製したアノード電極インクの白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ2となるようにＰＥＴフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下、１００℃で１５分間加熱して、乾燥させることによりアノード電極シート（電極触媒層）を作製した。
（５）ガス拡散層の作製
　カーボンブラック（三菱化学製ケッチェンブラックＥＣ）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子（三井・デュポンフロロケミカル製テフロン（登録商標）６４０Ｊ）とを４：６の質量比で混合して得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させ、スラリーを作製した。
　その後、作製したスラリーを東レ製カーボンペーパーＴＧＰ－Ｈ０６０の平坦面に塗布し、乾燥させて下地層を形成し、カーボンペーパーと下地層とからなるガス拡散層を作製した。
（６）中間層の作製
　ＮＰＡと水の比率が質量比で１：２の溶媒を準備した。この溶媒５０ｇに白金ブラック粉末（田中貴金属工業社製燃料電池用触媒ＴＥＣ９０４００）を１０ｇ投入し、さらに気相成長炭素繊維（昭和電工社製、商品名：ＶＧＣＦ）を２ｇ投入した。なお、白金ブラック粉末の平均粒径は４．６ｎｍだった。
　その後、イオン導伝性樹脂溶液（２０％溶液、デュポン社製、商品名：ＤＥ２０２０）を１０ｇ投入し、３次元攪拌機で１０分間攪拌した。
　その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて８０ｒｐｍ×６０分攪拌して均一化し、中間層インクを作製した。
　作製した中間層インクを、（５）で作製したガス拡散層の下地層部分に白金量が単位投影面積で０．２ｍｇ／ｃｍ2となるようにスクリーン印刷して塗工し、乾燥させて中間層を作製した。
（７）プロトン伝導膜の作製
　（１）で作製したプロトン伝導膜を、アノード電極シートの電極塗工面とカソード電極シートの電極塗工面に接するように挟持し、１２０℃、２．０ＭＰａの条件下、８分間のホットプレスを行い、その後、アノード電極シートおよびカソード電極シートのＰＥＴシートを剥がすことでプロトン伝導膜に電極層が形成された接合体（ＣＣＭ）を作製した。
　次に、（６）で作製した中間層を有するガス拡散層を２枚用意し、これらガス拡散層の中間層の間にＣＣＭを挟持して１５０℃、２．５ＭＰａの条件下、１２分間のホットプレスを行って一体化し、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体（ＭＥＡ）を製造した。
［比較例１］
　比較例１は、実施例１の（６）の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例１と同様の組成および手法で作製した。
［実施例２］
　実施例２は、実施例１の（１）のプロトン伝導膜の準備において、前記式（５）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸ｉｓｏ－ブチルを１３．０４ｇにした以外は、実施例１と全て同じ手法でＭＥＡを作製した。
［比較例２］
　比較例２は、実施例１の（６）の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例２と同様の組成および手法で作製した。
［実施例３］
　実施例３は、実施例１の（１）のプロトン伝導膜の準備において、前記式（５）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸ｉｓｏ－ブチルを１１．８２ｇにした以外は、実施例１と全て同じ手法でＭＥＡを作製した。
［比較例３］
　比較例３は、実施例１の（６）の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例３と同様の組成および手法で作製した。
［実施例４］
　実施例４は、実施例１の（１）のプロトン伝導膜の準備において、前記式（５）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸ｉｓｏ－ブチルを１６．８７ｇにした以外は、実施例１と全て同じ手法でＭＥＡを作製した。
［比較例４］
　比較例４は、実施例１の（６）の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例４と同様の組成および手法で作製した。
［実施例５］
　実施例５は、実施例１の（１）のプロトン伝導膜の準備において、前記式（５）で表される４－〔４－（２，５－ジクロロベンゾイル）フェノキシ〕ベンゼンスルホン酸ｉｓｏ－ブチルを１７．６４ｇにした以外は、実施例１と全て同じ手法でＭＥＡを作製した。
［比較例５］
　比較例５は、実施例１の（６）の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例５と同様の組成および手法で作製した。
［実施例６］
　実施例６は、実施例１の（１）のプロトン伝導膜の準備において、プロトン伝導膜に市販のフッ素系電解質膜（デュポン社製ナフィオン（登録商標）Ｎ１１２）を用いた（下記表２においてＰＥＭ種「Ｆ系」と示す。）以外は、実施例１と全て同じ手法でＭＥＡを作製した。
［比較例６］
　比較例６は、実施例１の（６）の中間層の作製で白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例６と同様の組成および手法で作製した。
　なお、プロトン伝導膜には、デュポン社製ナフィオン（登録商標）Ｎ１１２を用いた。
［実施例７］
　実施例７は、実施例１と同じＭＥＡを用いて図５（ａ）および（ｂ）に示すセパレータ１１の間に配置して縦置きした（すなわち鉛直に配置した）（下記表２においてＰＥＭ種「ＨＣ系；縦」と示す。）。なお、セパレータ１１の上部に反応ガスのガス導入部１１ａが位置するように設置するとともに、セパレータ１１の下部に反応ガスのガス導出部１１ｂが位置するように設置した。
［比較例７］
　比較例７は、実施例１の（６）の中間層の作製において、白金ブラック粉末を使用しない以外、実施例７と同様した。
［比較例８］
　比較例８は、実施例１の（６）の中間層の作製を次のようにした以外は、実施例１と全て同じ手法でＭＥＡを作製した。
　比較例８における中間層は、ＮＰＡと水の比率が質量比で１：２の溶媒を準備し、この溶媒５０ｇに白金担持カーボン粉末（田中貴金属工業社製燃料電池用触媒ＴＥＣ１０ＥＡ３０Ｅ）を１８ｇ投入し、さらに気相成長炭素繊維（昭和電工社製、商品名：ＶＧＣＦ）を３ｇ投入した。
　その後、イオン導伝性樹脂溶液（２０％溶液、デュポン社製、商品名：ＤＥ２０２０）を２０ｇ投入し、３次元攪拌機で１０分間攪拌した。
　その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて８０ｒｐｍ×６０分攪拌して均一化し、中間層インクを作製した。
　作製した中間層インクを、実施例１の（５）と同様の手法で作製したガス拡散層の下地層部分に白金量が単位投影面積で０．２ｍｇ／ｃｍ2となるようにスクリーン印刷して塗工し、乾燥させて中間層を作製した。
［発電性能の安定性の評価］
　作製した実施例１～７および比較例１～８について、発電性能の安定性の評価を行った。評価は以下の条件にて行った。
　発電性能の安定性の評価は、電極面積２５ｃｍ2（実施例７および比較例７においては電極面積５０ｃｍ2）としたＪＡＲＩ標準セルにて行った（図５（ａ）および（ｂ）参照）。セル温度は７０℃とし、アノードガスとして純水素を用い、カソードガスとして空気を用い、ガス流は平行流とした。なお、セパレータの材質はカーボンであり、ガス流路の山幅を２ｍｍ、溝幅を２ｍｍとした。
　アノードガスとカソードガスのガス圧はともに１００ｋＰａとし、これらの反応ガスの加湿条件はアノード／カソードでそれぞれ５０／５０％Ｒｈ、７５／７５％Ｒｈおよび１００／１００％Ｒｈとした。そして、それぞれの加湿条件にて１Ａ／ｃｍ2の電流密度の発電時のセル電圧を読み取り、それぞれのセル電圧の標準偏差（ｍＶ）を算出して発電性能の安定性の評価の指標とした。
　発電性能の安定性の評価を下記表２に示す。なお、表２における標準偏差（ｍＶ）とは、前記した反応ガスの湿度条件が７５／７５％Ｒｈのときのセル電圧（ｍＶ）からどの程度離れているかを示すものであり、これを参照することで各湿度条件における変動抑制効果の大小がわかる。なお、実施例２～７および比較例１～８におけるイオン交換容量ＩＥＣを実施例１と同様にして測定したので、併せて記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　表２に示すように、いずれの実施例も対応する番号で示す比較例と比較して標準偏差が小さくなった。つまり、いずれの実施例も比較例よりも変動抑制効果が大きいことがわかった。
　なお、ＩＥＣが１．９ｍｅｑ／ｇのものと２．２ｍｅｑ／ｇのものは、中間層に白金黒を添加することでセル電圧の変動抑制効果がより大きくなることがわかった。
　また、ＩＥＣが低い（例えばＩＥＣ１．７ｍｅｑ／ｇ）ものは、低湿度（５０／５０％Ｒｈ）となると水不足によって導電性が悪化するため電圧が低下すること、およびＩＥＣが高い（例えばＩＥＣ２．５ｍｅｑ／ｇ）ものは、高湿度（１００／１００％Ｒｈ）となるとフラッディングにより電圧が低下することがわかった。
　さらに、実施例７ではセルを縦置きとしたにも関わらず、比較例１よりも変動抑制効果が大きいことがわかった。
　また、比較例８は、低湿度における電圧が低下した。これは、白金担持カーボン粉末中のカーボンが撥水性を有するため、生成した水が速やかに排出され、乾燥状態になったことが原因だと考えられる。
２．好適条件の検討
　次に、カソード側の中間層について、当該中間層の厚み、貴金属ナノ粒子の含有量、カーボン粉末の含有量、電極電解質の含有量、および貴金属ナノ粒子の平均粒径を対象とした好適条件の検討を行った。
　かかる好適条件の検討は、下記に示す実施例８～１０および比較例９～１２を用いて行った。実施例８～１０および比較例９～１２は下記（１）～（１０）のようにして作製した。
（１）カソード電極インクの作製
　ＮＰＡと水の比率を質量比で１：２とした溶媒を準備し、当該溶媒を燃料電池用白金触媒（田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒ＴＥＣ３６Ｆ５２）の質量比で１０倍量となるように加えた。
　その後、イオン導伝性樹脂溶液としてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（デュポン社製、ナフィオン（登録商標）Ｄ２０２０）溶液を用い、燃料電池用白金触媒：イオン導伝性樹脂溶液中のポリマー分＝１：１．５の質量比となるように投入した。
　その後、所定のインク粘度となるまで攪拌して得られた混合溶液を、遊星ボールミルを用いて８０ｒｐｍ×１２０分攪拌して均一化し、カソード電極インクを作製した。
（２）カソード電極シートの作製
　（１）で作製したカソード電極インクの白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるようにＰＥＴフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下、１００℃で１５分間加熱して、乾燥させることによりカソード電極シート（電極触媒層）を作製した。
（３）アノード電極インクおよびアノード電極シートの作製
　ＮＰＡと水の比率を質量比で１：２とした溶媒を準備し、当該溶媒を燃料電池用白金触媒（田中貴金属工業社製、燃料電池用触媒ＴＥＣ１０ＥＡ５０Ｅ）の質量比で１０倍量となるように加えた。
　その後、イオン導伝性樹脂溶液としてパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物（デュポン社製、ナフィオン（登録商標）Ｄ２０２０）溶液を用い、燃料電池用白金触媒：イオン導伝性樹脂溶液中のポリマー分＝１：１の質量比となるように投入した。
　その後、所定のインク粘度となるまで攪拌して得られた混合溶液を、遊星ボールミルを用いて８０ｒｐｍ×１２０分攪拌して均一化し、アノード電極インクを作製した。
　作製したアノード電極インクの白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ2となるようにＰＥＴフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、６０℃で１０分間加熱した後、減圧下、１００℃で１５分間加熱して、乾燥させることによりアノード電極シート（電極触媒層）を作製した。
（４）ガス拡散層の作製
　ガス拡散層は、前記１．（５）ガス拡散層の作製で記載したのと同様にして作製した。
（５）中間層の作製
　ＮＰＡと水の比率が質量比で１：２の溶媒を準備し、この溶媒２５ｇに白金ブラック粉末（田中貴金属工業社製燃料電池用触媒ＴＥＣ９０３００）を５ｇ投入した。さらに、カーボンブラック（Ｃａｂｏｔ社製、商品名：ＶｕｌｃａｎＸＣ－７２）を、下記表３の実施例８～１０および比較例９～１２に示す量［ｇ］投入した。なお、白金ブラック粉末の平均粒径は４．６ｎｍであった。
　その後、イオン導伝性樹脂溶液（２０％溶液、デュポン社製、商品名：Ｄ２０２０）を下記表３に示す量［ｇ（溶液）］投入し、３次元攪拌機で１０分間攪拌した。
　その後、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて８０ｒｐｍ×６０分攪拌して均一化し、中間層インクを作製した。
　作製した中間層インクを、（４）で作製したガス拡散層の下地層部分に白金量が単位投影面積で下記表３に示す量［ｍｇ／ｃｍ2］となるようにスクリーン印刷して塗工し、乾燥させて、実施例８～１０および比較例９～１２に係る中間層を作製した。
（６）プロトン伝導膜の作製
　プロトン伝導膜は、市販のフッ素系電解質膜（デュポン社製ナフィオン（登録商標）Ｎ１１２）を用いた。
　当該プロトン伝導膜を、アノード電極シートの電極塗工面とカソード電極シートの電極塗工面に接するように挟持し、１２０℃、２．０ＭＰａの条件下、８分間のホットプレスを行い、その後、アノード電極シートおよびカソード電極シートのＰＥＴシートを剥がすことでプロトン伝導膜に電極層が形成された接合体（ＣＣＭ）を作製した。
　次に、（５）で作製した実施例８～１０および比較例９～１２に係る中間層をそれぞれ１枚用意し、これらのアノード側ガス拡散層、ＣＣＭ、前記（５）で作製した中間層（カソード側中間層）、カソード側ガス拡散層の順に積層して１５０℃、２．５ＭＰａの条件下、１２分間のホットプレスを行って一体化し、固体高分子型燃料電池用膜電極構造体（ＭＥＡ）を製造した。
　なお、電子顕微鏡による断面写真を解析することによりＭＥＡの中間層の厚みを測定したところ、その厚み［μｍ］は下記表３に示すとおりとなった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
［初期性能および性能低下速度]
　実施例８～１０および比較例９～１２について、初期のセル電圧［ｍＶ］を測定するとともに、所定回数起動した後の電圧低下推移を線形近似で算出した。それぞれ、初期性能および性能低下速度として後記する表４に記載する。
　なお、初期性能の測定および性能低下速度の算出は次のようにして行った。
　初期性能の測定は、電極面積２５ｃｍ2のＪＡＲＩ標準セルにて行った。セル温度は５０℃とし、起動と停止のサイクルテストを行った。起動時は、アノードガスに純水素を用い、カソードガスに空気を用いた。そして、停止時に両電極を窒素ガスで置換後、さらに空気で置換し、これを１サイクルとした。ガスの加湿条件は、アノード、カソードともに１００％Ｒｈとした。
　性能低下速度を算出するために、起動サイクル２００回毎に、セル温度を７０℃とし、アノードの加湿条件を６５％Ｒｈとし、カソードの加湿条件を７５％Ｒｈとし、ガス圧をともに１００ｋＰａとし、１Ａ／ｃｍ2の電流密度の発電時のセル電圧を測定した。これを起動回数が３０００回となるまで行い、そのセル電圧低下推移を線形近似で算出した。
　なお、起動回数を３０００回としたのは、性能低下速度を精度よく評価するためには４０ｍＶ程度のセル電圧低下量が必要とされており、従来４０ｍＶ以上のセル電圧低下が発生していた３０００回の起動を実施することにより、長期間使用による性能低下を的確に判断できると考えられたためである。
　実施例８～１０および比較例９～１２の初期性能［ｍＶ］および性能低下速度［ｍＶ／１０００回］として表４に記載する。
　なお、表４に示す初期性能については、６００ｍＶ以上を合格（○）、６００ｍＶ未満を不合格（×）とした。また、性能低下速度については、２０ｍＶ／１０００回以下を合格（○）、２０ｍＶ／１０００回を超えるものを不合格（×）とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　表４に示すように、本発明の要件をすべて満たす実施例８～１０は、初期性能および性能低下速度の結果が合格となった。
　一方、比較例９～１２は、本発明の要件のうちの少なくとも１つを満たさないため、初期性能および性能低下速度うちの少なくとも一方の結果が不合格となった。
　具体的には、比較例９は、中間層の厚みが２μｍ未満であり、白金ブラック粉末（貴金属ナノ粒子）の含有量が単位投影面積で０．１ｍｇ／ｃｍ2未満であったため、性能低下速度が不合格（×）となった。
　比較例１０は、中間層の厚みが６μｍを超えており、白金ブラック粉末（貴金属ナノ粒子）の含有量が単位投影面積で０．５ｍｇ／ｃｍ2を超えていたため、初期性能が不合格（×）となった。
　比較例１１は、中間層の厚みが６μｍを超えており、カーボンブラック（カーボン粉末）の含有量が、白金ブラック粉末（貴金属ナノ粒子）の含有量に対して４５質量％を超えていたため、初期性能が不合格（×）となった。
　また、比較例１２は、中間層の厚みが２μｍ未満であり、カーボンブラック（カーボン粉末）の含有量が、白金ブラック粉末（貴金属ナノ粒子）の含有量に対して１５質量％未満であったため、初期性能および性能低下速度の両方が不合格（×）となった。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
　例えば、実施形態として中間層をアノード、カソード両側に配置した形態、カソード側にのみ配置した形態を示したが、アノード側のみに配置をしても前記形態ほどではないにしても本発明の効果は得られる。
　１　　　固体高分子型燃料電池用膜電極構造体
　２　　　プロトン伝導膜
　３　　　電極触媒層
　４　　　ガス拡散層
　５　　　中間層
　５１　　貴金属ナノ粒子
　５２　　電極電解質
　１０　　固体高分子型燃料電池

Claims (9)

  1. 　プロトンを伝導するプロトン伝導膜と、
    　前記プロトン伝導膜の両面に設けられ、触媒粒子と電極電解質とを有する電極触媒層と、
    　前記電極触媒層の上に設けられ、多孔質基材を有するガス拡散層と、
    　を備えた固体高分子型燃料電池用膜電極構造体であって、
    　少なくとも一方の前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に、貴金属ナノ粒子と、電極電解質と、カーボン粉末と、を有し、厚みが２～６μｍである中間層を設けた
    　ことを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  2. 　前記電極触媒層および前記中間層のうち少なくとも一方が繊維状カーボンを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  3. 　前記プロトン伝導膜がスルホン化ポリアリーレンポリマーであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  4. 　前記プロトン伝導膜のイオン交換容量ＩＥＣが１．９～２．４ｍｅｑ／ｇであることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のうちのいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  5. 　前記貴金属ナノ粒子の含有量が単位投影面積で０．１～０．５ｍｇ／ｃｍ2であることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のうちのいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  6. 　前記カーボン粉末の含有量が、前記貴金属ナノ粒子の含有量に対して１５～４５質量％であることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のうちのいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  7. 　前記電極電解質の含有量が、前記貴金属ナノ粒子の含有量に対して２０～２５質量％であることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のうちのいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  8. 　前記貴金属ナノ粒子の平均粒径が４～７ｎｍであることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のうちのいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
  9. 　請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のうちのいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を用いた固体高分子型燃料電池であって、
    　前記固体高分子型燃料電池用膜電極構造体と、隣り合う前記固体高分子型燃料電池用膜電極構造体の間に挟まれて設けられるセパレータと、を鉛直に配置し、かつ
    　前記セパレータは、反応ガスを鉛直方向に流すようにガス導入部を上部に形成するとともに、ガス導出部を下部に形成した
    　ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
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