JP2000215903A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池

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JP2000215903A
JP2000215903A JP11015897A JP1589799A JP2000215903A JP 2000215903 A JP2000215903 A JP 2000215903A JP 11015897 A JP11015897 A JP 11015897A JP 1589799 A JP1589799 A JP 1589799A JP 2000215903 A JP2000215903 A JP 2000215903A
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Japan
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solid polymer
fuel cell
polymer electrolyte
electrode
hydrogen ion
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Masatoshi Tanaka
正俊 田中
Naotoshi Suzuki
直俊 鈴木
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電極接合体のせん段応力への耐久性を向上さ
せ、また、運転時の熱および湿度履歴による劣化を防止
して破断による反応ガス分離機能の喪失を予防し、安定
した運転を行える電極接合体を備えた固体高分子電解質
型燃料電池を得る。 【解決手段】電極接合体１３を備える固体高分子電解質
型燃料電池において、固体高分子膜１４は、水素イオン
伝導性を有する中心部と、この中心部の外周に設けられ
た外周部とからなり、中心部の面積は正極および負極の
ガス拡散電極１５，１６のいずれの面積よりも小さく、
中心部は正極および負極のガス拡散電極１５，１６の外
周より内側に位置することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料の持つ化学エ
ネルギを直接電気エネルギに変換させる固体高分子電解
質型燃料電池に係り、燃料電池に適用される電極接合体
の機能低下および劣化を防止して、健全な運転を行える
固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、連続して供給される流体を
原料に電気化学反応を行い、化学エネルギーを直接電気
エネルギーに変換する発電装置である。そして、この燃
料電池は、イオン伝導性の電解質層と、この電解質層の
両面に配置される正極および負極の電極とからなる電極
接合体を備えており、この電極接合体の両側にセパレー
タおよびガスケットを組み合わせて単セルを構成し、こ
の単セルを複数積層することで電池を構成する。
【０００３】燃料電池には、りん酸型燃料電池、溶融炭
酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池および固体高分
子電解質型燃料電池などのいくつかのタイプがあるが、
このうち固体高分子電解質型燃料電池が、近年注目を集
めている。
【０００４】この固体高分子電解質型燃料電池は、イオ
ンとして水素イオンを、電解質層として水素イオン伝導
性を持つ固体高分子電解質を、正極および負極の電極と
してガス拡散電極を使用している。このため、固体高分
子電解質型燃料電池は、水の沸点以下の比較的低温で運
転され、高出力密度が期待される。
【０００５】水素イオン伝導性を持つ固体高分子電解質
としては、例えば、スルホン酸基を持つポリスチレン系
の陽イオン交換膜、スルホン酸基を持つポリエーテルケ
トン系の陽イオン交換膜、スルホン酸基を持つポリエー
テルサルホン系の陽イオン交換膜およびパーフルオロカ
ーボンスルホン酸重合体を用いた陽イオン交換膜などが
挙げられる。
【０００６】図１２は、固体高分子電解質型燃料電池の
基本構成単位である単セルを示す断面図である。
【０００７】図１２に示すように、単セル１は、水素イ
オン伝導性を有する固体高分子を含有する層（以下、
「固体高分子膜」とする）２と、この固体高分子膜２の
側面に配置される正極のガス拡散電極３および負極のガ
ス拡散電極４とから構成される電極接合体５を備えてい
る。そして、この電極接合体５の外周には、反応ガスま
たは冷却水を供給する反応ガス流路であるガスマニホー
ルドおよび水マニホールドを有するセパレータ６および
セパレータ６′が配置される。なお、このセパレータ６
およびセパレータ６′は、電子伝導性を有する材料から
構成される。
【０００８】また、固体高分子膜２およびセパレータ６
の両端部であって、この固体高分子膜２とセパレータ６
との間にはガスケット７が設置され、このガスケット７
により、直接的または間接的に固体高分子膜２が締め付
けられる。ガスケット７は電子絶縁材料であることが多
いが、それに限らない。
【０００９】そして、このような構成を有する単セル１
が複数積層されて、図示しない燃料電池が構成される。
【００１０】図１２に示すように、固体高分子膜２の機
能は、ガス拡散電極３，４間のイオン伝導機能および電
子伝導絶縁機能を有するだけではなく、例えば、正極３
および負極４の反応ガス流路を隔離したり、また、固体
高分子膜２の側面方向に設けられたガスマニホールド、
水マニホールドおよび外気からガス流路を隔離するなど
のガスシール機能を有する。さらに、ガス拡散電極の正
極３側のセパレータ６と負極４側のセパレータ６′とを
電子伝導上絶縁する、もしくは、セパレータ６′をつく
らずに、正極と負極のセパレータを電子伝導上絶縁する
などの機能を有する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、ガスシール機能を確保するために固体高分子
膜２はガスケット７により締め付けられているが、この
締付力により固体高分子膜２には局所的に大きな荷重が
かかり、固体高分子膜２が経時的に破損して、ガスシー
ル機能を喪失していく傾向が見られた。
【００１２】実際、このガスケット７における締付力
は、２０ｋｇ／ｃｍ２という実績値を得ており、固体高
分子膜２には過剰なせん断応力がかかってしまう。ま
た、この固体高分子膜２はすべて固体高分子電解質から
構成されていた。即ち、固体高分子電解質は、電解質と
しての機能を発現するよう選定された材料であり、この
ような締付圧で使用されることは望ましくない。このた
め、固体高分子膜２は、前述した２０ｋｇ／ｃｍ２とい
う実績値に昇るせん断応力に対して耐久性を維持でき
ず、締付によるせん断により経時的に破損し易くガスシ
ール機能を喪失していくという問題を有していた。
【００１３】また、固体高分子電解質がイオン伝導性を
発現し、発電に供しうる状態とするには吸水する必要が
あるが、これらの材料は吸水により強度が低下するとい
う傾向が見られた。固体高分子が吸収する水分量は温度
に依存し、温度が高いほど吸水量は増加する。換言する
と、固体高分子膜２は燃料電池の運転状態では強度が低
下し、また運転温度が上昇するに従い強度が低下するた
め、破損し易くなるという問題を有していた。
【００１４】一方、電極接合体５の近傍においても問題
が発生した。
【００１５】電極接合体５は、固体高分子膜２と正極３
および負極４のガス拡散電極とを熱圧着により接合して
形成されるが、この際、加熱および乾燥に伴う固体高分
子膜２の収縮により電極板周囲の固体高分子膜２に延伸
応力がかかり、他の部分より薄くなる現象が見られる。
このため、固体高分子膜２のセパレータ６およびセパレ
ータ６′により内側、ガス拡散電極３，４より外側にあ
たる部分は強度が低下する傾向がみられた。これに加え
て、固体高分子膜２はガス拡散電極３，４で押し付けら
れるが、固体高分子膜２にはガス拡散電極３，４の端部
でせん断応力がかかっていた。このため、特にガス拡散
電極３，４の端部にあたる部分は強度が低下する傾向が
みられた。
【００１６】また、図１２に示すように、電極板で挟持
されている部分およびセパレータ６およびセパレータ
６′で挟持されている部分での固体高分子膜２は拘束さ
れているのに対し、ガスケット７より内側、ガス拡散電
極３，４より外側にあたる部分Ａの固体高分子膜２は拘
束されていないため、自由に膨張および収縮を繰り返
す。このため、燃料電池の運転および停止条件に依存す
る温度および湿度の履歴の影響を受けて、固体高分子膜
２が膨張および収縮を繰り返していた。
【００１７】これらの原因により、従来の固体高分子膜
２は製造時から強度が低い傾向がある上に経時的に疲労
し、ガスケット７より内側、ガス拡散電極３，４より外
側にあたる部分Ａ、特にガス拡散電極３，４の端部にあ
たる部分で破断する傾向がみられた。これは固体高分子
電解質のみからなる固体高分子膜２では、運転時間百時
間以内で発生することもある。
【００１８】この部分の反応ガスを分離する部材は固体
高分子膜２しか存在しないので、破断は即ち反応ガスの
混合を意味し、燃料電池の運転に重大な支障を生ずる。
このため、固体高分子膜２のガスケット７より内側、ガ
ス拡散電極３，４より外側にあたる部分Ａでの破断は特
に解決の要求される課題である。このため種々の研究が
なされ、例えば、正極３および負極４のガス拡散電極の
大きさに意図的に差をつけ、ガス拡散電極３，４端部で
のせん断の低減を図った提案もなされている。しかし、
この方法においても、より小さい電極の端部、即ち、角
の部分がより大きい電極の平面部に押し付けられて間に
挟まった固体高分子膜２にせん断がかかり、小さい電極
の角にせん断が発生してしまい、破断防止効果が十分で
はなかった。
【００１９】本発明は、これらの問題を解決するために
なされたものであり、電極接合体５のせん段応力への耐
久性を向上させ、また、運転時の熱および湿度履歴によ
る劣化を防止して破断による反応ガス分離機能の喪失を
予防し、健全な運転を行える固体高分子電解質型燃料電
池を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の固体高分
子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性を持つ固体高
分子電解質を含有する固体高分子膜と、この固体高分子
膜の両面に接合される正極および負極のガス拡散電極と
から構成される電極接合体を備えて成る固体高分子電解
質型燃料電池において、前記固体高分子膜は、水素イオ
ン伝導性を有する中心部と、この中心部の外周に設けら
れた外周部とからなり、前記中心部の面積は前記正極お
よび負極のガス拡散電極のいずれの面積よりも小さく、
前記中心部は前記正極および負極のガス拡散電極の外周
より内側に位置することを特徴とする。
【００２１】本発明において、固体高分子膜は水素イオ
ン伝導性を有する固体高分子を含有し、水素イオン伝導
機能、電子伝導絶縁機能および反応ガス分離機能を併せ
持つ。また、この固体高分子膜は中心部と外周部とから
構成され、中心部の面積は、正極および負極のガス拡散
電極のいずれの面積よりも小さく、中心部は双方のガス
拡散電極により被覆されるため露出することがない。従
って、中心部において温度および湿度履歴による伸縮を
抑制できる。
【００２２】また、電極間での水素イオン伝導を担い、
水に膨潤することを機能上要求される中心部は、ガス拡
散電極により被覆されるため、ガス拡散電極端部および
ガスシールガスケット部に存在することはない。このた
め本発明によれば、強度上問題のある部分が応力を受け
る部位に使用されることがない。
【００２３】さらに、本発明において、固体高分子電解
質型燃料電池に適用する電極接合体は、ガスによるせん
断応力を受けるガスパッキン部および電極熱圧着時にお
ける歪みに加えて、温度および湿度変化による膨張およ
び収縮による疲労、またはガス拡散電極によるせん断が
加わるガス拡散電極端部などの各部分に、材料特性を考
慮した材料を適用することにより、固体高分子膜の破断
を防止して、固体高分子型燃料電池の長寿命化を図るこ
とができる。なお、材料特性は後述するように、機械的
強度が高くかつ水分吸収による寸法変化および強度変化
がなく、また強度変化が小さいなどを考慮すると良い。
なお、固体高分子電解質に別の物質を加えて補強した材
料を用いるなどしても良い。
【００２４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、中心部は水素イオ
ン伝導性を有する固体高分子電解質のみからなることを
特徴とする。
【００２５】本発明においては、中心部の水素イオン伝
導性を有する部分には、スルホン酸基を持つポリスチレ
ン系、スルホン酸基を持つポリエーテルケトン系、スル
ホン酸基を持つポリエーテルサルホン系およびパーフル
オロカーボンスルホン酸重合体などの陽イオン交換機能
を有する高分子固体電解質を用いると良い。
【００２６】また、これらの物質は平面方向に連続構造
を形成している必要があり、望ましくは厚み方向につい
ても連続構造を有することが望ましい。このような構造
の例としては、織布、不織布、抄紙、延伸多孔膜および
多孔質体が挙げられる。また、高分子電解質中に別の物
質の短繊推を分散させても同様の効果を得ることができ
る。
【００２７】請求項３記載の発明は、請求項２記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、外周部は水素イオ
ン伝導性を有さない物質からなることを特徴とする。
【００２８】本発明において、外周部は、水素イオン伝
導性が要求されないので、固体高分子を含有する必要が
なく、水素イオン伝導性がない物質で構成してもよい。
【００２９】請求項４記載の発明は、請求項２記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、外周部は水素イオ
ン伝導性を有する固体高分子電解質と水素イオン伝導性
を有さない物質とからなることを特徴とする。
【００３０】本発明においては、外周部に固体高分子電
解質を含有させることが可能であるが、強度の向上およ
び寸法安定性を確保するために、他の物質を混入させる
必要がある。
【００３１】請求項５記載の発明は、請求項１記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、中心部は水素イオ
ン伝導性を有する固体高分子電解質と水素イオン伝導性
を有さない物質とからなることを特徴とする。
【００３２】固体高分子電解質を含有する中心部は、固
体高分子電解質のみにより形成してもよく、また、強度
の向上および寸法安定性を確保するために、他の物質を
混入させても良い。混入する他の物質は、燃料電池の運
転温度において、水、水蒸気および固体高分子電解質に
対して化学的に安定で、水に対して溶解せず、また水を
吸収せず、固体高分子電解質に対して親和性があり、そ
の表面と接触した水のｐＨが７以下である必要がある。
また、混入する物質の融点は燃料電池の運転温度以上で
電子伝導絶縁性を有し、また金属陽イオンを含有してい
ない必要がある。さらに、この物質は、酸化剤ガス、燃
料ガスおよび活性酸素に安定で、そのガラス転移点は燃
料電池の運転温度以上であり、かつ親水性であることが
好ましい。
【００３３】このような物質としては、フッ素系高分
子、炭化水素系高分子、シリコーンおよび無機材料など
が挙げられる。
【００３４】フッ素系高分子の例としては、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフル
オロエチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルと
の共重合体、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロ
プロピレンとの共重合体などが挙げられる。次に、炭化
水素系高分子としては、ポリエチレン、ポリプロピレン
およびポリ塩化ビニル等のビニル結合により合成される
ものや、ポリアミド類、ポリイミド類、ポリエステル
類、ポリスルフォン類、ポリエーテルケトン類、ポリエ
ーテルエーテルケトン類、ポリベンゾイミダゾール類お
よびセルロース類などが挙げられる。また、シリコーン
の例としては、シリコーンゴムおよびケイ素樹脂など、
また、無機材料としては二酸化ケイ素などが挙げられ
る。
【００３５】請求項６記載の発明は、請求項５記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、外周部は水素イオ
ン伝導性を有さない物質からなることを特徴とする。
【００３６】本発明において、外周部を水素イオン伝導
性を有さない物質のみで構成する場合、これらの物質は
前述したように、燃料電池の運転温度において水、水蒸
気および固体高分子電解質に対して化学的に安定でかつ
水に対して溶解せず、また水を吸収せず、固体高分子電
解質に対して親和性があり、その表面と接触した水のｐ
Ｈが７以下である必要がある。これは、高分子電解質と
の親和性に欠けると、固体高分子電解質を構成要素とす
る中心部との間の接合が不良となり、反応ガスが正極と
負極との間でリークする懸念が生じるためである。ま
た、水素イオン伝導性を有しない物質のみで外周部を構
成する場合、その物質の融点は燃料電池の運転温度以上
で、電子伝導絶縁性があり、金属陽イオンを含有してい
ない必要がある。また、酸化剤ガス、燃料ガスおよび活
性酸素に安定で、そのガラス転移点は燃料電池の運転温
度以上であることが好ましい。なお、外周部を構成する
物質は親水性である必要はなく、吸水が望ましくないた
め、むしろ疎水性であることが望ましい。
【００３７】これらの要求を満たす物質としては、フッ
素系高分子、炭化水素系高分子、シリコーン、および無
機材料などが挙げられる。具体的には、請求項５記載の
発明において示した物質と同じである。
【００３８】請求項７記載の発明は、請求項５記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、外周部は、水素イ
オン伝導性を有する固体高分子電解質と水素イオン伝導
性を有さない物質とからなり、前記外周部における水素
イオン伝導性を有さない物質の単位体積当りの重量が、
前記中心部における単位体積当りの重量よりも大きいこ
とを特徴とする。
【００３９】本発明において、外周部が固体高分子電解
質を含有する場合には、機械的強度および寸法安定の確
保が必須となるため、別の物質を混入させることが必要
となる。混入する他の材質の性状および混入の形状は、
中心部と同じであるが、混入の割合は中心部より高めと
して、強度と寸法安定性とを確保することが必要とな
る。このため、外周部に水素イオン伝導性がある場合で
も、中心部に比較するとその伝導性は低い。
【００４０】また、外周部の固体高分子電解質と中心部
の固体高分子電解質とを同一にすることで、製造上の簡
易性と中心部との境界の品質を確保し易くできる。
【００４１】さらに、中心部が水素イオン伝導性を有し
ない物質を含む場合には、外周部の水素イオン伝導性を
有さない物質と、固体高分子電解質を除去した状態で一
体となっていることが、製造上の簡易性から望ましい。
【００４２】請求項８記載の発明は、請求項２または５
に記載の固体高分子電解質型燃料電池において、中心部
が、固体高分子膜の厚み方向において、電子に対する直
流抵抗が１０５Ω・ｃｍ２以上であることを特徴とす
る。
【００４３】本発明において、中心部は、ガス拡散電極
間の水素イオン伝導を担い、またガス拡散電極間の電子
絶縁機能、さらにガス分離性が要求される。水素イオン
伝導の面では厚みは薄い方が良いが、電子絶縁機能の点
から考慮すると、その厚みに下限が存在する。この下限
の厚みを含めた物性として記述すると、電子に対する直
流抵抗は１０５Ω・ｃｍ２以上であることが望ましい。
１０５Ω・ｃｍ２未満であると、単位セル当りの中心部
を通じての漏れ電流が０．０１ｍＡ／ｃｍ２のオーダー
より大きくなり、単位セルの電圧に影響を与える恐れが
生じるためである。
【００４４】請求項９記載の発明は、請求項３、４、６
または７のいずれかに記載の固体高分子電解質型燃料電
池において、外周部が電子伝導に対して不良導体であ
り、固体高分子膜の厚み方向において、電子に対する直
流抵抗が１０５Ω・ｃｍ２以上であることを特徴とす
る。
【００４５】本発明においても、請求項８記載の発明と
同様に、外周部は、ガス拡散電極間および両極セパレー
タ間の電子絶縁機能を担い、ガス分離性が要求される。
このため、電子に対する直流抵抗は１０５Ω・ｃｍ２以
上であることが必要である。
【００４６】
【発明の実施の形態】以下において、本発明の実施形態
を図１〜図１１を用いて説明する。
【００４７】本実施形態においては、固体高分子電解質
型燃料電池の基本構成単位である単セルを作製して試験
を行った。
【００４８】単セルは、電極接合体と、この電極接合体
の外周に配置されたガスケットおよびセパレータとから
構成される。電極接合体は、水素イオン伝導性を持つ固
体高分子を含有する固体高分子膜と、この固体高分子膜
の側面に配置された正極および負極のガス拡散電極とか
ら構成される。
【００４９】そして、電極接合体を備える単セルは、以
下に述べる実施例１〜実施例４および比較例に示す手順
により作製される。
【００５０】実施例１（図１、図２） 本実施例においては、固体高分子膜の構成を改良して単
セルＡを作製した。
【００５１】繊度１５０デニールのＰＴＦＥ糸（ＰＴＦ
Ｅ：ポリテトラフルオロエチレン）による１０ｃｍ角の
平織布の中央付近に、一方の繊維方向と平行にチャコー
ルでケガキ線を描いた。次に、このケガキ線に沿い、ケ
ガキ線と直交する繊維を４ｍｍずつ、切断部間の間隔を
０．５ｍｍとして鎖線状に切断し、切断部数が９になる
まで継続した。次に、切断部終端から約３ｍｍ離した点
を起点にケガキ線に対して垂直に第二のケガキ線をチャ
コールで描いた。次に第二のケガキ線に沿い、ケガキ線
と直交する繊維を４ｍｍ長さづつ、切断部間の間隔を
０．５ｍｍとして鎖線状に切断し、切断部数が９になる
まで継続した。切断されたＰＴＦＥ糸を引抜き、４ｍｍ
角のＰＴＦＥ糸が除去された領域を９×９形成した。こ
のようにして得られた平織布１０の構成を図１に示す。
【００５２】図１に示すように、この平織布１０は、中
心部１１とこの中心部１１の外周に設けられた外周部１
２とから構成され、この中心部１１は、４ｃｍ×４ｃｍ
の寸法の平織布透かし部を形成している。
【００５３】この平織布１０全体に、５ｗｔ％パーフル
オロカーボンスルホン酸溶液（Nafion：アイドリッチ社
製）を含浸させた。そして、含浸後の平織布１０を減圧
乾燥させて、水素イオン伝導性を有する固体高分子膜を
形成した。この固体高分子膜の外周部の直流抵抗を測定
したところ、直径１ｃｍの円につき１０ＭΩの直流抵抗
を示し、単位面積当たり０．８ＭΩ・ｃｍ２であった。
【００５４】成形された固体高分子膜の両側面を、５ｃ
ｍ×５ｃｍの大きさの正極のガス拡散電極および負極の
ガス拡散電極で挟持した後、温度１５０℃および面圧１
０ｋｇｆ／ｃｍ２でホットプレスを行い、図２に示す電
極接合体１３を得た。
【００５５】図２に示すように、電極接合体１３を断面
からみると、固体高分子膜１４の両側面に正極のガス拡
散電極１５および負極のガス拡散電極１６が配置され
る。
【００５６】さらに、この電極接合体１３の外周にガス
ケットおよびセパレータを配置し、組み合わせることで
単セルＡを作製した。なお、単セルＡの締め付け圧は４
ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
【００５７】実施例２（図３、図４） 本実施例においては、固体高分子膜として圧着接合体を
適用した単セルＢを作製した。
【００５８】本実施例においては、中心部として、水素
イオン伝導性を有する固体高分子膜材料（NAFION 117；
ＤｕＰｏｎｔ社 商品名）を用い、外周部として、Ｐ
ＴＦＥフィルム（ＤｕＰｏｎｔ社製 厚み２５μ）を用
いた。そして、この固体高分子膜材料およびＰＴＦＥフ
ィルムを、温度１５０℃および面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ ２
でホットプレスを用いた熱圧着操作を行い、一体化して
図３に示す圧着接合体を得た。
【００５９】図３に示すように、圧着接合体１７を断面
からみると、中心部に、４．４ｃｍ×４．４ｃｍの大き
さの固体高分子膜材料からなるNafion部分１８が中央に
配置され、このNafion部分１８の両側面に、外周部とし
て、中心部位置に４ｃｍ×４ｃｍの開口部１９を有する
ＰＴＦＥフィルム２０が配置される。
【００６０】この圧着接合体１７の外周部の直流抵抗を
測定したところ、直径１ｃｍの円につき１ＧΩ以上の直
流抵抗を示した。
【００６１】成形された圧着接合体１７を、５×５ｃｍ
の大きさの正極のガス拡散電極および負極のガス拡散電
極でNafion部分１８が被覆されるように挟持し、温度１
５０℃、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２でホットプレスを行
い、図４に示す電極接合体を得た。
【００６２】図４に示すように、電極接合体２１を断面
からみると、固体高分子膜である圧着接合体１７の両側
面に正極のガス拡散電極２２および負極のガス拡散電極
２３が配置される。
【００６３】さらに、この電極接合体２１の外周にガス
ケットおよびセパレータを配置し、組み合わせることで
単セルＢを作製した。なお、単セルＢの締め付け圧は４
ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
【００６４】実施例３（図５、図６） 本実施例においては、単セルＣを作製した。
【００６５】本実施例においては、ＰＴＦＥフィルム
（ＤｕＰｏｎｔ社製 厚み２５μ）の中央部に３ｍｍ間
隔で直径３ｍｍの孔を７行×７列で打ち抜いた。これを
図５に示す。
【００６６】図５に示すように、ＰＴＦＥフィルム２４
の中央部には、４９個の孔２５が配置されている。
【００６７】このＰＴＦＥフィルム２４に、５ｗｔ％パ
ーフルオロカーボンスルホン酸溶液（Nafion：アイドリ
ッチ社製）を含浸させた後、減圧乾燥を行い水素イオン
伝導性を有する固体高分子膜を形成した。この固体高分
子膜の外周部の直流抵抗を測定したところ、直径１ｃｍ
の円につき１ＧΩ以上あり、単位面積当たり０．８ＧΩ
・ｃｍ２以上であった。
【００６８】この固体高分子膜を５ｃｍ×５ｃｍの大き
さの正極のガス拡散電極および負極のガス拡散電極で、
Nafionが含浸された孔が全て被覆されるように挟持し、
温度１５０℃、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２でホットプレス
を用いた熱圧着操作を行い、図６に示す電極接合体２６
を得た。
【００６９】図６に示すように、電極接合体２６を断面
からみると、固体高分子膜２７の両側面に正極のガス拡
散電極２８および負極のガス拡散電極２９が配置され
る。そして、固体高分子膜２７のNafionが含浸された孔
部３０がガス拡散電極２８，２９により被覆される。
【００７０】この電極接合体２６を、ガスケットおよび
セパレータと組み合わせて単セルＣを作製した。なお、
単セルＣの締め付け圧は４ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
【００７１】実施例４（図７〜図９） 本実施例においては、単セルＤを作製した。
【００７２】繊度１５０デニールのＰＴＦＥ糸による１
０ｃｍ角の平織布の中央を４ｃｍ×４ｃｍの寸法で切り
抜き、更に残余周辺部分の縦糸および横糸を４ｍｍに亘
って引き抜いた後、０．５ｍｍ残す操作を繰り返して除
去し、周辺部に平織布透かし部を形成した。これを図７
に示す。
【００７３】図７に示すように、平織布３１の外周部に
透かし部３２が形成される。
【００７４】次に、水素イオン伝導性を有する固体高分
子膜（NAFION 117；ＤｕＰｏｎｔ社商品名）の両側面に
図７に示した２枚の平織布３１を挟持し、温度１５０
℃、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２でホットプレスを用いた熱
圧着操作を行った。そして、一体化を行い、図８に示す
圧着接合体３４を得た。
【００７５】図８に示すように、圧着接合体３４は、固
体高分子膜３３と、この固体高分子膜３３の両側面に挟
持された外周部に透かし部３２を有する平織布３１とか
ら構成される。
【００７６】この一体化後の平織布３１の外周部の直流
抵抗を測定したところ、直径１ｃｍの円につき１０ＭΩ
であり、単位面積当たり０．８ＭΩ・ｃｍ２であった。
【００７７】この圧着接合体３４を５ｃｍ×５ｃｍの大
きさの正極のガス拡散電極および負極のガス拡散電極に
より、Nafion部分が被覆されるように挟持し、温度１５
０℃、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２でホットプレスを用いた
熱圧着操作を行い、図９に示す電極接合体３７を得た。
【００７８】図９に示すように、電極接合体３７を断面
からみると、圧着接合体３４の両側面に正極のガス拡散
電極３５および負極のガス拡散電極３６が配置されてお
り、これらのガス拡散電極３５，３６により圧着接合体
３４のNafion部分３８が被覆される。
【００７９】この電極接合体３７をガスケットおよびセ
パレータと組み合わせて単セルＤを作製した。なお、単
セルＤの締め付け圧は４ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
【００８０】比較例 本比較例においては、単セルＥを作製した。
【００８１】中心部として、水素イオン伝導性を有する
固体高分子膜NAFION 117（ＤｕＰｏｎｔ社）を用い、外
周部として、中心部に５×５ｃｍの開口部を有するＰＴ
ＦＥフィルム（ＤｕＰｏｎｔ社製 厚み２５μ）を用い
た。
【００８２】固体高分子膜NAFION 117は中央に配置さ
れ、この固体高分子膜NAFION 117の両側面に、ＰＴＦＥ
フィルムを配置し、温度１５０℃、面圧１０ｋｇｆ／ｃ
ｍ２でホットプレスを行い、一体化した固体高分子膜を
得た。
【００８３】この固体高分子膜の外周部の直流抵抗を測
定したところ、直径１ｃｍの円につき１ＧΩ以上の直流
抵抗を示した。
【００８４】成形された固体高分子膜を５×５ｃｍの正
極のガス拡散電極および負極のガス拡散電極で挟持し、
温度１５０℃、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２でホットプレス
を行い、電極接合体を得た。そして、この電極接合体を
適用した単セルＥを作製した。
【００８５】このようにして実施例１〜実施例４および
比較例により示した方法により得られた単セルＡ〜単セ
ルＥについて、四重極質量分析器を用いてクロスリーク
測定を行い、クロスリーク量比（／発電前リーク量）を
求めた。
【００８６】次に、単セルＡ〜単セルＥについて、１０
００時間運転した後停止して同様にクロスリーク測定を
行い、更に２０００時間運転した後同様にクロスリーク
測定を行った。この結果を図１０に示す。なお、図１０
の横軸には測定時間（ｈ）、縦軸にはクロスリーク量比
（／発電前リーク量）を示す。
【００８７】図１０に示すように、実施例１〜実施例４
の単セルＡ〜単セルＤは、０時間および２０００時間で
のクロスリーク量比は一定の値を示しており、変化は見
られなかった。一方、比較例の単セルＥでは、１０００
時間を経過するとクロスリーク量比が増加した。
【００８８】そこで、クロスリーク量比の差の原因を調
査するために、分解調査を行った。
【００８９】この結果、比較例の単セルＥでは，ガス拡
散電極と固体高分子膜との境界に亀裂が生じており、こ
の亀裂のためにクロスリーク量比が増大したと思われ
る。また、亀裂が生じた原因としては、ガス拡散電極の
せん断応力によるものと考えられる。
【００９０】また、単セルＡ〜単セルＤではクロスリー
ク量比が経時変化しなかったが、これは、ガス拡散電極
よりもイオン伝導性膜の反応部としての固体高分子膜の
中心部を小さくし、電池締め付け部を外周部としてのＰ
ＴＦＥフィルムなどを用いることにより、固体高分子膜
への応力を緩和することができるためである。
【００９１】従って、本実施形態によれば、固体高分子
膜が中心部と外周部とから構成され、このイオン伝導性
膜の反応部としての中心部がガス拡散電極により被覆さ
れるため、中心部の温度および湿度履歴による伸縮など
による劣化を抑制できるとともに、強度上問題のある部
分が応力を受ける部位に使用されることがない。このた
め、このような構成を有する電極接合体を固体高分子電
解質型燃料電池に適用することで、反応ガス分離機能の
喪失を予防して安定した運転を行うことができる。
【００９２】その他の実施形態（図１１） 本実施形態においては、実施例２で形成した単セルＢを
５組垂直に積層して電池を作製した。この電池の断面を
図１１に示す。
【００９３】図１１に示すように、電池３９は、単セル
Ｂが５組垂直に積層されて構成される。単セルＢは、固
体高分子膜である圧着接合体１７の両側面に正極のガス
拡散電極２２および負極のガス拡散電極２３が配置さ
れ、この電極接合体２１の外周には、セパレータ４０が
配置される。そして、圧着接合体１７の両端部はガスケ
ット４１により固定される。なお、この電池の締め付け
圧は４ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
【００９４】この電池３９について四重極質量分析器を
用いてクロスリーク測定を行った。次に、電池を１００
０時間運転した後停止して同様にクロスリーク測定を行
い、更に２０００時間運転した後同様にクロスリーク測
定を行った。
【００９５】この結果、運転前、１０００時間運転後、
２０００時間運転後においてクロスリーク量比に変化は
見られなかった。
【００９６】従って、本実施形態のように、複数個の単
セルを積層して電池とした場合においても、単セルと同
様に安定した運転を行うことができる。
【００９７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極接合体のせん段応力への耐久性を向上させ、また運
転時の熱および湿度履歴による劣化を防止して破断を防
止でき、反応ガス分離機能が維持され、安定した運転を
行える固体高分子電解質型燃料電池を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における実施例１を説明する
図で、固体高分子膜の形成過程における平織布を示す上
面図。
【図２】本発明の実施形態における実施例１を説明する
図で、電極接合体の構成を示す断面図。
【図３】本発明の実施形態における実施例２を説明する
図で、圧着接合体の構成を示す断面図。
【図４】本発明の実施形態における実施例２を説明する
図で、電極接合体の構成を示す断面図。
【図５】本発明の実施形態における実施例３を説明する
図で、孔を配したＰＴＦＥフィルムの構成を示す上面
図。
【図６】本発明の実施形態における実施例３を説明する
図で、電極接合体の構成を示す断面図。
【図７】本発明の実施形態における実施例４を説明する
図で、固体高分子膜の形成過程における平織布を示す上
面図。
【図８】本発明の実施形態における実施例４を説明する
図で、圧着接合体の構成を示す断面図。
【図９】本発明の実施形態における実施例４を説明する
図で、電極接合体の構成を示す断面図。
【図１０】本発明の実施形態における、単セルＡから単
セルＥまでのクロスリーク量比の経時変化を示す図。
【図１１】本発明のその他の実施形態における、電池の
構成を示す断面図。
【図１２】従来における、固体高分子電解質型燃料電池
の基本構成単位である単セルを示す断面図。
【符号の説明】
１０ 平織布 １１ 中心部 １２ 外周部 １３ 電極接合体 １４ 固体高分子膜 １５ 正極のガス拡散電極 １６ 負極のガス拡散電極 １７ 圧着接合体 １８ Nafion部分 １９ 開口部 ２０ ＰＴＦＥフィルム ２１ 電極接合体 ２２ 正極のガス拡散電極 ２３ 負極のガス拡散電極 ２４ ＰＴＦＥフィルム ２５ 孔 ２６ 電極接合体 ２７ 固体高分子膜 ２８ 正極のガス拡散電極 ２９ 負極のガス拡散電極 ３０ Nafionが含浸された孔部 ３１ 平織布 ３２ 透かし部 ３３ 固体高分子膜 ３４ 圧着接合体 ３５ 正極のガス拡散電極 ３６ 負極のガス拡散電極 ３７ 電極接合体 ３８ Nafion部分 ３９ 電池 ４０ セパレータ ４１ ガスケット

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素イオン伝導性を持つ固体高分子電解
    質を含有する固体高分子膜と、この固体高分子膜の両面
    に接合される正極および負極のガス拡散電極とから構成
    される電極接合体を備えて成る固体高分子電解質型燃料
    電池において、前記固体高分子膜は、水素イオン伝導性
    を有する中心部と、この中心部の外周に設けられた外周
    部とからなり、前記中心部の面積は前記正極および負極
    のガス拡散電極のいずれの面積よりも小さく、前記中心
    部は前記正極および負極のガス拡散電極の外周より内側
    に位置することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
    池。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、中心部は水素イオン伝導性を有する固体
    高分子電解質のみからなることを特徴とする固体高分子
    電解質型燃料電池。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、外周部は水素イオン伝導性を有さない物
    質からなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
    池。
  4. 【請求項４】 請求項２記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、外周部は水素イオン伝導性を有する固体
    高分子電解質と水素イオン伝導性を有さない物質とから
    なることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、中心部は水素イオン伝導性を有する固体
    高分子電解質と水素イオン伝導性を有さない物質とから
    なることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、外周部は水素イオン伝導性を有さない物
    質からなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
    池。
  7. 【請求項７】 請求項５記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、外周部は、水素イオン伝導性を有する固
    体高分子電解質と水素イオン伝導性を有さない物質とか
    らなり、前記外周部における水素イオン伝導性を有さな
    い物質の単位体積当りの重量が、前記中心部における単
    位体積当りの重量よりも大きいことを特徴とする固体高
    分子電解質型燃料電池。
  8. 【請求項８】 請求項２または５に記載の固体高分子電
    解質型燃料電池において、中心部が、固体高分子膜の厚
    み方向において、電子に対する直流抵抗が１０５Ω・ｃ
    ｍ２以上であることを特徴とする固体高分子電解質型燃
    料電池。
  9. 【請求項９】 請求項３、４、６または７のいずれかに
    記載の固体高分子電解質型燃料電池において、外周部が
    電子伝導に対して不良導体であり、固体高分子膜の厚み
    方向において、電子に対する直流抵抗が１０５Ω・ｃｍ
    ２以上であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
    電池。
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