JP4446422B2

JP4446422B2 - 燃料電池用電極構造体およびそれを用いた固体高分子型燃料電池

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Publication number: JP4446422B2
Application number: JP2002069105A
Authority: JP
Inventors: 房美三浦; 賢彦朝岡; 直樹長谷川; 誠司水野; 竜也川原; 尚雄浅井
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: JP2003272663A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に用いられる電極構造体、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。燃料電池は、その電解質により分類することができ、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子型燃料電池等が知られている。
【０００３】
なかでも、固体高分子型燃料電池は、８０℃程度の低温で作動させることができるため、他の種類の燃料電池と比較して取扱いが比較的容易であり、また、出力密度が極めて大きいことから、その利用が期待されるものである。固体高分子型燃料電池は、通常、プロトン導電性のある高分子膜を電解質とし、その両側にそれぞれ燃料極、酸素極となる一対の電極を設けた電極構造体を発電単位とする。そして、水素や炭化水素等の燃料ガスを燃料極に、酸素や空気等の酸化剤ガスを酸素極にそれぞれ供給し、ガスと電解質と電極との３相界面において電気化学的な反応を進行させることにより電気を取り出すものである。
【０００４】
しかし、固体高分子型燃料電池では、上記両極に供給された各々のガスの一部が、電気化学反応に寄与することなく互いに電解質内部を拡散し、対極の電極上でその電極に供給されたガスと混合するという、いわゆるクロスリークの問題がある。クロスリークが生じると、電池電圧の低下や、エネルギー効率の低下を招く。さらには、クロスリークによる燃焼反応で、電解質である高分子膜に孔があき、電池を作動させることができなくなるおそれもある。
【０００５】
一方で、電池の内部抵抗を小さくし、出力をより高くするという観点から、電解質である高分子膜の薄膜化が検討されている。しかし、高分子膜を薄くすると、ガスが拡散し易くなるため、上記クロスリークの問題はより深刻なものとなる。また、薄膜化により高分子膜自体の機械的強度が低下することに加え、高分子膜の製造時にピンホール等が発生し易くなる。これら、高分子膜自体の欠陥もクロスリーク増大の要因の一つとなる。
【０００６】
このような実状の中、クロスリークを抑制すべく、種々の検討がなされている。例えば、特開平６−８４５２８号公報には、電解質として使用する高分子膜を複数積層させることにより、各高分子膜に生じたピンホールの位置をずらし、クロスリークを抑制する試みが開示されている。また、高分子膜自体を強化するという観点からは、例えば、特開２００１−３５５０８号公報には、繊維等により補強された高分子膜が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高分子膜を積層させたものは、同じ高分子膜を何枚か積層させているだけであり、単に膜厚を増加させたにすぎない。つまり、高分子膜の機械的強度は充分ではないため、長期間の使用におけるクロスリークを抑制することは困難である。また、繊維等により高分子膜を補強する方法は、その高分子膜の製造プロセスが煩雑であり、コストもかかる。また、高分子膜の強度は向上するものの、クロスリークの抑制は充分とはいえない。
【０００８】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、クロスリークが抑制された燃料電池用電極構造体を安価に提供することを課題とする。また、そのような電極構造体を用いることにより、出力が高く、かつ耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用電極構造体は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸素極とからなる一対の電極と、該一対の電極の間に挟装された電解質とを含む燃料電池用電極構造体であって、前記電解質は、二枚の高分子膜のみが積層されてなり、二枚の前記高分子膜は、いずれも表面のみが改質処理された改質層を一方の表面のみに有する表面改質膜であって、二枚の前記表面改質膜は、前記改質層が前記一対の電極と接しないように前記改質層を互いに重ね合わせて積層されていることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明の燃料電池用電極構造体は、一方の表面が改質処理された表面改質膜である二枚の高分子膜を積層させて電解質としたものである。ここで、表面改質膜は、電解質として使用される高分子膜であって、その表面の一方が改質処理された高分子膜である。表面が改質処理されていることにより、高分子膜は強化され、膜厚が薄くても高分子膜の機械的強度は向上する。燃料電池を作動させると、電解質には、８０℃程度の高温下で圧縮や引っ張り等の種々の応力がかかる。表面改質膜は、このような条件においても、膜の機械的強度が大きいためピンホール等の欠陥を生じることはない。したがって、クロスリークは充分抑制される。さらに、高分子膜を二枚積層させることで、ガスは拡散し難くなり、クロスリークをより抑制することができる。
【００１１】
また、表面改質膜は、高分子膜の表面を改質処理したものである。高分子膜全体ではなく、その表面だけを改質処理することで、プロトン導電性等の膜本来の性能を維持したまま、その機械的強度を向上させることができる。また、表面のみを処理するため、改質処理に要する時間や、処理に使用する試薬等の量も少なくてよい。つまり、簡便に低コストで改質処理することができるため、結果的に安価な電極構造体を構成することができる。このように、本発明の燃料電池用電極構造体は、長期間の使用においてもクロスリークが少なく、かつ安価な電極構造体となる。
【００１２】
本発明の固体高分子型燃料電池は、上記本発明の電極構造体を用いたものである。上述のように、クロスリークが少なく安価な本発明の電極構造体を用いることで、安価で耐久性に優れた固体高分子型燃料電池となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用電極構造体、およびそ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。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の燃料電池用電極構造体、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池は、下記の実施形態に限定されるものではない。下記実施形態を始めとして、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１４】
〈燃料電池用電極構造体〉
まず、本発明の燃料電池用電極構造体の基本的な構成を説明する。本発明の燃料電池用電極構造体は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸素極とからなる一対の電極と、該一対の電極の間に挟装された電解質とを含んで構成される。つまり、本発明の燃料電池用電極構造体は、燃料極および酸素極と電解質とを備えるという点では、一般に知られている電極構造体の構成に従うものである。
【００１５】
通常、燃料極および酸素極は、それぞれ、白金等をカーボン粒子に担持させた触媒を含む触媒層と、カーボンクロス等のガスが拡散可能な多孔質材料からなる拡散層との二層から構成される。この場合、本発明の燃料電池用電極構造体は、電解質の両側に触媒層と拡散層とをそれぞれ形成して作製すればよい。例えば、各電極の触媒を、電解質となる高分子膜の材料である高分子を含む液に分散し、その分散液を高分子膜の両表面に塗布、乾燥等して触媒層を形成する。そして、形成した各触媒層の表面に、カーボンクロス等を圧着等することで拡散層を形成し、電極構造体とすればよい。
【００１６】
本発明の燃料電池用電極構造体における電解質は、二枚の高分子膜が積層されてなり、二枚の前記高分子膜は、いずれも表面のみが改質処理された改質層を一方の表面のみに有する表面改質膜である。積層される高分子膜は、電解質として使用できる高分子膜であれば、その種類を特に限定するものではない。また、積層される高分子膜は、すべて同じ高分子膜でもよく、また、異なる種類の高分子膜を混合して用いてもよい。例えば、全フッ素系スルホン酸膜、全フッ素系ホスホン酸膜、全フッ素系カルボン酸膜、それらの全フッ素系膜にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を複合化したＰＴＦＥ複合化膜等の全フッ素系電解質膜や、含フッ素炭化水素系グラフト膜、全炭化水素系グラフト膜、全芳香族膜等の炭化水素系電解質膜等を用いることができる。また、トリフルオロスチレン重合樹脂、パーフルオロスルホン酸樹脂をＰＴＦＥ多孔体膜等の樹脂で含浸して機械的強度を高めた複合電解質膜を用いてもよい。
【００１７】
特に、耐久性等を考慮した場合には、全フッ素系電解質膜を用いることが望ましい。なかでも、電解質としての性能が高いという理由から、全フッ素系スルホン酸膜を用いることが望ましい。全フッ素系スルホン酸膜の一例として、「ナフィオン」（登録商標、デュポン社製）の商品名で知られる、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとテトラフルオロエチレンとの共重合体膜が挙げられる。
【００１８】
また、コスト等を考慮した場合には、炭化水素系電解質膜を用いることが望ましい。具体的には、スルホン酸型エチレンテトラフルオロエチレン共重合体−グラフト−ポリスチレン膜（以下、「スルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜」という。）、スルホン酸型ポリエーテルスルホン膜、スルホン酸型ポリエーテルエーテルケトン膜、スルホン酸型架橋ポリスチレン膜、スルホン酸型ポリトリフルオロスチレン膜、スルホン酸型ポリ（２、３−ジフェニル−１、４−フェニレンオキシド）膜、スルホン酸型ポリアリルエーテルケトン膜、スルホン酸型ポリ（アリレンエーテルスルホン）膜、スルホン酸型ポリイミド膜、スルホン酸型ポリアミド膜等が挙げられる。特に、安価で性能が高い等の理由から、スルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜を用いることが望ましい。
【００１９】
積層される二枚の高分子膜のうち、いずれも表面改質膜とする。表面改質膜は、その表面の一方のみが改質処理されている。改質処理は、高分子膜の表面を改質できる処理であれば特に限定されるものではない。ここで、改質処理は、電解質として使用できる状態の高分子膜に行うものでもよく、上記高分子膜を製造する途中で行うものでもよい。改質処理としては、例えば、架橋処理、グラフト化処理、プラズマ処理、塗装処理、蒸着処理、イオン注入処理、気体処理等の種々の処理を行うことができる。
【００２０】
架橋処理としては、例えば、イミド架橋処理、加熱処理等が挙げられる。例えば、イミド架橋処理は、高分子膜の前駆体となる前駆体膜に、予めアンモニアガスやトリメチルアミンガスを接触させて行えばよい。グラフト化処理としては、例えば、ホスホン酸基、カルボン酸基等のキレート性官能基の導入処理、あるいはシランカップリング剤を放射線や電子線の照射により添加する処理等が挙げられる。例えば、ホスホン酸基の導入処理は、高分子膜の前駆体となる前駆体膜を、クロロメチルエーテルと反応させてクロロメチル化した後、亜リン酸トリエチル溶液に浸漬し、さらに塩酸等により加水分解させて行えばよい。プラズマ処理としては、オルガノシリコーンガスを用いた重合による親水化処理や硬化処理、または、大気中でのコロナ放電処理による親水化処理等が挙げられる。例えば、高分子膜をアルゴン雰囲気でプラズマ処理をすることにより、表面を硬化させることができる。塗装処理としては、例えば、フッ素樹脂微粒子とイオン交換性ポリマーとフッ素系界面活性剤とを水等に分散させた分散液を、高分子膜の表面に塗布、加熱する撥水化処理、シリカ、チタン酸カリウム等の無機微粒子を塗布する硬化処理、ＲｕＯ₂等のＨ₂Ｏ₂分解触媒を塗布する劣化防止処理等が挙げられる。蒸着処理としては、例えば、パーフルオロカルボン酸の蒸着による撥水化処理や、酸素還元能の向上を図るべく、テトラシアノベンゼンおよびコバルトの二元蒸着処理等が挙げられる。イオン注入処理としては、例えば、アルゴンイオン注入、あるいはスパッタによる高分子膜表面の炭化処理等が挙げられる。気体処理としては、例えば、フッ素ガスにより高分子膜の表面をフッ素化する処理等が挙げられる。
【００２１】
なかでも、高分子膜の表面を比較的均一に改質処理できるという理由から、架橋処理、グラフト化処理、プラズマ処理から選ばれる一種以上を採用することが望ましい。この場合、例えば、架橋処理やグラフト重合処理は、処理における反応条件を調整することで、改質処理される層の厚さを容易に変えられるという利点を有する。また、プラズマ処理は、均一かつ密着性に優れた改質層を、１μｍ以下の薄さで形成することができるという利点を有する。
【００２２】
表面改質膜における改質処理された部分の厚さ、つまり改質層の厚さは、特に限定されるものではない。例えば、改質層の厚さを、表面改質膜の表面から０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることが望ましい。改質層の厚さが、０．１μｍ未満の場合には、上記範囲のものと比較して、クロスリークの抑制効果が充分ではない。特に、０．５μｍ以上とすると好適である。一方、１０μｍを超える場合には、過度の処理により、高分子膜の表面に微少な欠陥やボイドが形成されるおそれがある。また、高分子膜の内部まで改質処理を行うと、膜本来が有するプロトン導電性等の性能を変えてしまうおそれがあるため好ましくない。さらに、改質層の厚さを大きくしても、クロスリークの抑制効果が飽和するため、改質層を厚くする分だけ改質処理の時間を要し、コスト面で不利となる。特に、６μｍ以下とすると好適である。
【００２３】
通常、燃料電池は、電極構造体をセパレータで挟んだセルが多数積層されて構成される。この場合、電極構造体には、セパレータ等からの押さえつけ等による応力がかかる。ここで、電解質における電極との接合面が、表面改質膜における改質処理された表面（以下、「改質表面」と表す。）である場合には、電極と電解質との密着性が低下するおそれがある。つまり、電解質における電極との接合面が、改質処理により硬くなっていると、上記応力がかかった場合に電解質が変形し難くなり、電極との密着性が低下すると考えられる。電極と電解質との密着性が充分でない場合には、電極触媒の利用率が低下し、電池の抵抗が安定し難くなる。
【００２４】
上記電極との密着性を考慮して、電解質を構成する二枚の高分子膜が、表面改質膜における改質処理された表面が一対の電極と接しないように積層されている。このように、改質表面を一対の電極と接しないように積層することで、高分子膜自体の強度を向上させつつ、電極との密着性をも向上させることができる。つまり、耐久性の高い電極構造体を構成することができる。また、例えば、改質処理により、改質表面にボイド等の欠陥を生じた場合であっても、改質表面が電極との接合面とはならないため、クロスリークの抑制効果も向上する。
【００２５】
本発明の電極構造体を用いて、出力がより大きく、かつ安価な燃料電池を構成することを考慮して、高分子膜の積層枚数は、二枚とする。つまり、本発明の電極構造体における電解質を二枚の高分子膜を積層して形成する。
【００２６】
改質表面が一対の電極と接しないように二枚の高分子膜を積層して電解質を構成する。すなわち、積層された高分子膜が二枚とも表面改質膜であって、各々の表面改質膜における一方の表面が改質表面となっており、互いにその改質表面を重ね合わせて積層した態様とする。この態様を採用することにより、本発明の電極構造体は、クロスリークが少なく、かつ安価で耐久性の高い電極構造体となる。そして、出力が大きく、耐久性の高い固体高分子型燃料電池を構成することができる。
【００２７】
〈固体高分子型燃料電池〉
本発明の固体高分子型燃料電池は、上述した本発明の燃料電池用電極構造体を用いた固体高分子型燃料電池である。本発明の燃料電池用電極構造体を用いる以外は、一般に知られている固体高分子型燃料電池の構成に従えばよい。上記本発明の燃料電池用電極構造体を用いることで、本発明の固体高分子型燃料電池は、出力が大きく、かつ安価で耐久性の高い固体高分子型燃料電池となる。
【００２８】
【実施例】
上記実施の形態に基づいて、種々の電極構造体を作製した。そして、作製した各電極構造体を用いて、単セルの固体高分子型燃料電池を構成し、各々の電池を発電させた際のクロスリークの程度を調査した。以下、電極構造体および固体高分子型燃料電池セルの作製、クロスリークの測定について説明する。
【００２９】
〈電極構造体および固体高分子型燃料電池の作製〉
最初に、表面改質膜を種々製造した。そして、製造した表面改質膜を使用して電極構造体を作製した。なお、比較のため、表面改質膜を使用しない電極構造体をも作製した。作製した種々の電極構造体を用いて単セルの固体高分子型燃料電池を構成した。以下、順に説明する。
【００３０】
（Ａ）表面改質膜の製造
（１）＃１の表面改質膜
改質処理としてイミド架橋処理を行った。また、高分子膜を全フッ素系スルホン酸膜とした。まず、一方の表面が改質処理された表面改質膜を製造した。膜厚５０μｍのスルホニルフロライド体膜の一方の表面をポリエチレンフィルムにより保護した。このスルホニルフロライド体膜は、上記高分子膜の前駆体膜となるものである。片面を保護したスルホニルフロライド体膜を圧力容器に入れ、２５℃の温度下でアンモニアガス（２ｋｇ／ｃｍ²）と１０分間接触させた。その後、一方の表面の保護フィルムを取り除き、８０℃の温度下でトリメチルアミンガス（１ｋｇ／ｃｍ²）と５時間接触させることにより、保護しなかった他方の表面にイミド架橋を生成させた。そして、８０℃の水酸化カリウム水溶液中に浸漬し、加水分解を行った後、５０℃の硝酸に浸漬してプロトン交換を行った。得られた表面改質膜の断面をＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyser）により分析した結果、改質層の平均厚さは約１０μｍであった。次に、両方の表面が改質処理された表面改質膜を製造した。上記方法において、表面の保護を行わなかった以外は、すべて上記同様に製造した。なお、改質層の平均厚さは、両面とも約１０μｍであった。片面または両面にイミド架橋処理を行った上記二種類の表面改質膜を、＃１の表面改質膜とした。
【００３１】
（２）＃２の表面改質膜
改質処理としてプラズマ処理を行った。また、高分子膜を全フッ素系スルホン酸膜とした。膜厚５０μｍのナフィオン１１２（商品名、デュポン社製）の一方の表面を硬質ガラス板により保護した。片面を保護したナフィオン１１２のもう一方の表面に、プラズマ処理を行い、その表面を硬化させた。プラズマ処理は、約６７Ｐａのアルゴン雰囲気で３０秒間行った。得られた表面改質膜の断面をＥＰＭＡにより分析した結果、改質層の平均厚さは約０．５μｍであった。この表面改質膜を＃２の表面改質膜とした。
【００３２】
（３）＃３の表面改質膜
改質処理としてプラズマ処理を行った。また、高分子膜をスルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜とした。まず、上記高分子膜の前駆体膜となるＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜（膜厚５０μｍ）を、５ｗｔ％のクロロスルホン酸のジクロロエタン溶液に６０℃の温度で２時間浸漬し、スチレン単位にスルホニルクロライド基を導入した後、１Ｎの硫酸中でプロトン交換を行ってスルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜を得た。次いで、スルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜の一方の表面にプラズマ処理を行った。プラズマ処理は、テトラメチルシラン（ＴＭＳ）と酸素（Ｏ₂）とを、ＴＭＳ：Ｏ₂がモル比で１：３となるように供給して行った。得られた表面改質膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果、改質層の平均厚さは約０．１μｍであった。この表面改質膜を＃３の表面改質膜とした。
【００３３】
（４）＃４の表面改質膜
改質処理としてグラフト化処理を行った。また、高分子膜をスルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜とした。まず、一方の表面が改質処理された表面改質膜を製造した。上記高分子膜の前駆体膜となるＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜（膜厚５０μｍ）の一方の表面を硬質ガラス板により保護した。片面を保護したＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜を、クロロメチルエーテルと二硫化炭素の混合溶液に２５℃の温度で４０時間浸漬した。その後、一方の表面の保護板を取り除き、亜リン酸トリエチル溶液に１６０℃の温度で３０時間浸漬することにより、保護しなかった他方の表面におけるクロロメチルスチレン単位にジエチルホスホネート基を導入した。さらに、クロロスルホン酸の１，２ジクロロエタン溶液中に６０℃下で２時間浸漬して、ジエチルホスホネート基が導入されていないスチレン単位にスルホニルハライド基を導入した。片面にのみジエチルホスホネート基が導入されたＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜を、１Ｎの塩酸中に２５℃で２時間浸漬することにより加水分解し、片面のみにホスホン酸基が導入されたスルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜を得た。得られた表面改質膜の断面をＥＰＭＡにより分析した結果、改質層の平均厚さは約５μｍであった。次に、両方の表面が改質処理された表面改質膜を製造した。上記方法において、表面の保護を行わなかった以外は、すべて上記同様に製造した。なお、改質層の平均厚さは、両面とも約５μｍであった。片面または両面にグラフト化処理を行った上記二種類の表面改質膜を、＃４の表面改質膜とした。
【００３４】
（Ｂ）電極構造体および固体高分子型燃料電池の作製
まず、上記製造した＃１〜＃４の表面改質膜を使用して電極構造体を作製した。電解質は、二枚の表面改質膜を積層させたものとした。燃料極および酸素極の触媒としては、白金をカーボンブラックに担持させたものを用いた。上記触媒を、電解質となる＃１〜＃４の表面改質膜の一方の表面に塗布、乾燥して触媒層を形成した。そして、二枚の表面改質膜を、触媒層が形成されていない面を張り合わせて電解質とした。拡散層となるカーボンクロスを、電解質の両側に形成された触媒層の表面にホットプレスにより接合して電極構造体とした。このように作製された各電極構造体を、使用した表面改質膜の種類によりそれぞれ＃１１〜＃１３、＃２１、＃３１、＃４１〜＃４３の電極構造体と番号付けした。なお、表面改質膜の積層態様は、後の表１に示す。
【００３５】
次に、上記作製した各電極構造体を、カーボン製のセパレータで挟持して、単セルの固体高分子型燃料電池を構成した。ここで、固体高分子型燃料電池の番号は、用いた電極構造体の番号をそのまま使用することとする。また、比較のため、改質処理を行っていない高分子膜を２枚張り合わせ、上記同様に電極構造体を作製し、固体高分子型燃料電池を構成した。そして、高分子膜として、全フッ素系スルホン酸膜を使用した固体高分子型燃料電池を＃５１の電池とし、スルホン酸型ＥＴＦＥ−ｇ−ＰＳｔ膜を使用した固体高分子型電池を＃５２の電池とした。
【００３６】
〈クロスリークの測定〉
上記作製した各固体高分子型燃料電池を用いて発電試験を行い、クロスリークの程度を調査した。燃料極には、燃料ガスとして水素を背圧約０．２ＭＰａにて、１００ｍｌ／ｍｉｎで供給した。酸素極には、酸化剤ガスとして空気を背圧約０．２ＭＰａにて、２００ｍｌ／ｍｉｎで供給した。水素バブラ温度を８５℃、空気バブラ温度を７０℃に設定し、セルの作動温度は約８０℃とした。また、感圧試験紙による測定で、電極構造体にかかる圧力を別途測定したところ、最大で約０．７８ＭＰａであった。
【００３７】
上記条件の下、電流密度０．１Ａ／ｃｍ²で連続発電し、２４時間後に発電を停止してクロスリークを測定した。クロスリークの測定は、以下の方法で行った。発電を停止した後、両極に窒素ガスを流してパージした。その後、燃料極に窒素ガスを供給して圧力を０．２ＭＰａ（ゲージ圧）とした。酸素極は大気開放とした。両極間の差圧を０．２ＭＰａとしてから３分間の燃料極の圧力を測定した。そして、燃料極の圧力減少が、０．０１ＭＰａとなるまでの時間を求めた。表面改質膜を使用していない電極構造体を用いた＃５１の電池における上記時間を１．０として、各電池における上記時間の相対値を算出した。つまり、相対値が１．０より大きければ、各電池における圧力の減少速度が＃５１の電池より遅いことになる。すなわち、相対値が大きいほど、クロスリークが少ないことになる。表１に、各電池に用いた電極構造体における電解質の構成と、クロスリークの程度を示す上記相対値とをまとめて示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表１より明らかなように、表面改質膜を含んで電解質を構成した＃１１〜＃１３、＃２１、＃３１、＃４１〜＃４３の各電池では、いずれも相対値が１．０より大きくなった。つまり、用いた高分子膜の種類や、改質処理の種類によらず、表面開改質膜を含んで電解質を構成することにより、クロスリークが抑制されていることがわかる。特に、片面のみが改質表面である表面改質膜を用い、その改質面を互いに重ね合わせて積層した電解質を含む電極構造体を使用した＃１１、＃２１、＃３１、＃４１の各電池では、よりクロスリークが少ないことがわかる。これは、高分子膜自体の強度が向上していることに加え、改質表面が電極との接合面となっていないために、電解質と電極との密着性が良好であることによると考えられる。
【００４０】
以上より、表面改質膜からなる二枚の高分子膜を積層させて電解質とすると、クロスリークが抑制され、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を構成できることが確認できた。また、改質表面が電極と接しないように、表面改質膜を積層することで、よりクロスリークを少なくすることができることが確認できた。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池用電極構造体は、表面改質膜である二枚の高分子膜を積層させて電解質としたものである。機械的強度の大きな表面改質膜である二枚の高分子膜を積層させることで、クロスリークは抑制され、耐久性も向上する。したがって、長期間の使用においてもクロスリークの少ない電極構造体となる。また、このような本発明の電極構造体を用いることにより、出力が高く、かつ耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を構成することができる。

Claims

燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸素極とからなる一対の電極と、
該一対の電極の間に挟装された電解質とを含む燃料電池用電極構造体であって、
前記電解質は、二枚の高分子膜のみが積層されてなり、
二枚の前記高分子膜は、いずれも表面のみが改質処理された改質層を一方の表面のみに有する表面改質膜であって、
二枚の前記表面改質膜は、前記改質層が前記一対の電極と接しないように前記改質層を互いに重ね合わせて積層されていることを特徴とする燃料電池用電極構造体。
前記改質処理は、イミド架橋処理、グラフト化処理、プラズマ処理から選ばれる一種以上である請求項１に記載の燃料電池用電極構造体。
前記改質処理は、イミド架橋処理である請求項１に記載の燃料電池用電極構造体。
前記表面改質膜における改質層の厚さは、該表面改質膜の表面から０．１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１に記載の燃料電池用電極構造体。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載された燃料電池用電極構造体を用いた固体高分子型燃料電池。