JP2000260443A

JP2000260443A - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2000260443A
Application number: JP11057583A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Higuchi; 義明樋口; Ichiro Terada; 一郎寺田; Tetsuji Shimodaira; 哲司下平
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】膜厚が薄くても強度が高くかつ通電部の抵抗が
低いイオン交換膜を有する固体高分子電解質型燃料電池
の提供。【解決手段】一対の電極の間に配置されるイオン交換膜
１は、電極４ａ、４ｂより面積が大きく、電極と接して
いる通電部と電極とは接していない非通電部とを有して
おり、通電部と非通電部との境界部５には補強材が含ま
れ、通電部の７０％以上には補強材が含まれていない固
体高分子電解質型燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プロトン伝導性の高分子膜を電解
質として用いる固体高分子電解質型燃料電池の研究が進
んでいる。固体高分子電解質型燃料電池は、作動温度が
低く出力密度が高くかつ小型化が可能なため、車載用電
源等の用途に対し有望視されている。

【０００３】固体高分子型燃料電池に使用される高分子
膜は、通常厚さ１００〜２００μｍのプロトン伝導性イ
オン交換膜であり、特にスルホン酸基を含有するパーフ
ルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が、基本
特性に優れるため広く検討されている。しかし、燃料電
池が例えば車載用電源の用途に使用できるほど高出力密
度を得るためには、現在提案されている陽イオン交換膜
は抵抗が充分には低くない。

【０００４】上記陽イオン交換膜の抵抗を低減するに
は、スルホン酸基濃度を増加する方法と陽イオン交換膜
の厚さを薄くする方法があるが、スルホン酸基濃度が著
しく増加すると膜の機械的強度が低下したり、燃料電池
の長期運転により膜がクリープしやすくなり燃料電池の
耐久性が低下するなどの問題が生じる。一方、陽イオン
交換膜の厚さを薄くすると膜の機械的強度が低下する。

【０００５】相対する電極のショートを防ぐため、通常
陽イオン交換膜はガス拡散電極より面積が大きく、ガス
拡散電極と陽イオン交換膜を例えば加熱プレスで接合す
る場合は、陽イオン交換膜の電極の端部と接合している
部分に過大な負荷がかかる。そのため、陽イオン交換膜
は厚さが薄いと、電極の端部と接合している部分で切断
しやすい。また、燃料電池の運転中の負荷の変動、停
止、再起動などの運転条件変化により膜の含水率や寸法
が変化するため、陽イオン交換膜の電極の端部と接合し
ている部分における機械的負荷が大きく、膜が破損しや
すい等の問題がある。

【０００６】上記の問題を解決する方法として、スルホ
ン酸基を含有するパーフルオロカーボン重合体からなる
フィルムとポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦ
Ｅという）からなる多孔体とを複合化した陽イオン交換
膜が提案されている（マーク．Ｗ．バーブルッジら、Ａ
ＩＣｈＥジャーナル、１９９２年，３８，９３）。し
かしこの膜は、膜厚は薄くできるものの、多孔体状のＰ
ＴＦＥの存在により抵抗が充分には低下しない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、膜厚
が薄くても強度が高く、かつ通電部の抵抗が低いイオン
交換膜を固体高分子電解質として有することにより、出
力密度が高く、長期間作動させても性能が安定している
固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、一対の電極の
間にイオン交換膜が配置された固体高分子電解質型燃料
電池において、前記イオン交換膜は、前記一対の電極よ
り面積が大きくかつ前記一対の電極と接している通電部
と前記一対の電極とは接していない非通電部とを有して
おり、前記通電部と前記非通電部との境界部には補強材
が含まれ、かつ前記通電部の７０％以上には実質的に補
強材が含まれていないことを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池を提供する。

【０００９】本発明ではイオン交換膜の面積が一対の電
極の面積より大きくかつイオン交換膜は、両面がそれぞ
れ一対の電極と接している部分（通電部）は燃料電池を
作動させたときに電流が流れるが、少なくとも片面が電
極とは接していなくて電極面積よりはみ出ている部分
（非通電部）は実質的に電流が流れない。そして、イオ
ン交換膜の通電部と非通電部の境界部は、電極の端部
（外周）と接している部分である。

【００１０】本発明においてイオン交換膜の通電部と非
通電部の境界部の補強は、電極の形状や大きさによって
も異なるが、例えば電極が矩形であれば、少なくとも境
界部を含めた幅１ｃｍ程度のほぼ矩形の枠が補強されて
いることが好ましい。しかし、本発明では通電部の７０
％以上の部分に実質的に補強材が含まれなければ、前記
の境界部付近の矩形の枠部分のみに補強材が含まれるの
ではなく、その他の通電部及び非通電部にも補強材が含
まれていてもよい。通常は、通電部の中央部が非補強部
であり、通電部と非通電部との境界部に隣接する通電部
が補強されていることが好ましい。

【００１１】本発明では、イオン交換膜の通電部の７０
％以上には実質的に補強材が含まれない（以下、この部
分を非補強部という）。ここで、非補強部の割合は、膜
の面積の割合で示している。非補強部が７０％未満では
膜の抵抗が上昇する。通電部では実質的に補強されてい
ない部分の割合が大きい方が好ましいが、実際の製造工
程では補強材を加えて成形した後に加水分解処理や含水
処理等が必要であり、その際に膜の寸法変化があるため
８０〜９５％がより好ましい。

【００１２】非補強部には実質的に補強材が含まれない
が、イオン交換膜の抵抗がほとんど上昇しない程度の量
の補強材は含まれていてもよい。具体的には、非補強部
に補強材が含まれる場合、その量は、通電部と非通電部
の境界部に含まれる補強材の量の３０重量％以下であ
る。ここで補強材の量とは、膜の単位面積あたりに含ま
れる補強材の重量である。

【００１３】本発明では、イオン交換膜は通電部と非通
電部の境界部だけでなく、非通電部にも補強材が含まれ
ることが好ましい。非通電部に補強材が含まれないと、
イオン交換膜を電極と接合する際に上記境界部の周辺に
しわが発生するおそれがあり、またイオン交換膜を取り
扱いにくい。

【００１４】非補強部のイオン交換膜の厚さは１０〜８
０μｍが好ましい。１０μｍより薄いと膜の強度が著し
く弱いため、非補強部は周辺が補強されていても損傷を
受けやすく、通電部と非通電部の境界部に補強材を加え
る効果も現れにくい。８０μｍより厚いと膜抵抗が増大
する。また、８０μｍより厚い膜の場合、通電部と非通
電部の境界部は補強材を含まなくてもある程度の強度を
有するため、補強材を加える効果が現れにくい。特に３
０〜５０μｍとすると、低抵抗であり、かつ境界部に補
強材を加える効果も著しいので好ましい。

【００１５】本発明において、補強材は、イオン交換膜
の補強部において、０．２〜５０重量％、特に５〜２０
重量％含まれることが好ましい。補強材が０．２重量％
より少ないと補強の効果が現れない。５０重量％より多
いと、イオン交換膜の補強部の機械的強度は高いが、補
強部と非補強部とを充分に一体化できず、補強部と比補
強部の境界部分で強度が著しく低くなるおそれがある。

【００１６】本発明におけるイオン交換膜としては、陽
イオン交換膜であっても陰イオン交換膜であってもよい
が、特にスルホン酸基を含有するパーフルオロカーボン
重合体からなる陽イオン交換膜が好ましく、該重合体と
しては従来より公知の重合体が広く採用される。ここ
で、パーフルオロカーボン重合体は、炭素原子とフッ素
原子のみからなる化合物だけではなく、それ以外に酸素
原子を含む化合物も含む。

【００１７】パーフルオロカーボン重合体としては、特
にＣＦ₂＝ＣＦ−（ＯＣＦ₂ＣＦＸ） _m−Ｏ_q−（ＣＦ₂）_n
−ＳＯ₃Ｈで表されるフルオロビニル化合物に基づく重
合単位（ただし、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチ
ル基であり、ｍは０〜３の整数、ｎは０〜１２の整数、
ｑは０又は１である。）を含み、かつテトラフルオロエ
チレンやヘキサフルオロプロピレン等のパーフルオロオ
レフィン、クロロトリフルオロエチレン、又はパーフル
オロ（アルコキシビニルエーテル）等に基づく重合単位
を含む共重合体が好ましい。なかでも上記フルオロビニ
ル化合物に基づく重合単位とテトラフルオロエチレンに
基づく重合単位とからなる共重合体が好ましい。通常、
上記フルオロビニル化合物がテトラフルオロエチレンと
共重合される際は−ＳＯ₂Ｆを有しており、共重合され
た後に加水分解により−ＳＯ₃Ｈに変換される。

【００１８】共重合される上記フルオロビニル化合物の
好ましい例としては、下記のものが挙げられる。ただ
し、式中ｒは１〜８の整数であり、ｓは１〜８の整数で
あり、ｔは０〜８の整数であり、ｕは１〜３の整数であ
る。

【００１９】

【化１】

【００２０】スルホン酸基を含有するパーフルオロカー
ボン重合体中のスルホン酸基の濃度、すなわちイオン交
換容量は０．５〜２．０ミリ当量／グラム乾燥樹脂、特
に０．７〜１．６ミリ当量／グラム乾燥樹脂が好まし
い。イオン交換容量が０．５ミリ当量／グラム乾燥樹脂
より小さいとイオン交換膜の抵抗が大きくなる。一方、
２．０ミリ当量／グラム乾燥樹脂より大きいとイオン交
換膜の機械的強度が弱いおそれがある。

【００２１】本発明において、補強材の材質は含フッ素
重合体が好ましい。該含フッ素重合体としては、テトラ
フルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン等のパー
フルオロオレフィン、クロロトリフルオロエチレン又は
パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）に基づく重合
単位を含む単独重合体又は共重合体が好ましい。

【００２２】その具体例としては、ＰＴＦＥ、テトラフ
ルオロエチレン／パーフルオロ（プロピルビニルエーテ
ル）共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、テト
ラフルオロエチレン／エチレン共重合体、テトラフルオ
ロエチレン／パーフルオロ（２，２−ジメチル−１，３
−ジオキソール）共重合体、ポリパーフルオロ（３−ブ
テニルビニルエーテル）等が挙げられる。なお、上記に
おいて、Ａ／Ｂ共重合体とは、Ａに基づく重合単位とＢ
に基づく重合単位とからなる共重合体をいう。

【００２３】本発明における補強材の形態は、繊維、
布、フィブリル、フィルムのいずれも好ましいが、特に
繊維、布又はフィブリルが好ましい。本発明におけるイ
オン交換膜は、補強材を膜全体に含有する補強膜と、補
強材を含有しない非補強膜とをあらかじめ作製し、補強
膜及び非補強膜をそれぞれ得ようとするイオン交換膜の
補強部及び非補強部の形状に合わせて切断し、加熱プレ
ス等で接合することにより得られる。また、補強材が布
からなる場合は、補強材を得ようとするイオン交換膜の
補強部の形状に合わせて切断し、イオン交換基又はその
前駆体を含有する重合体と複合製膜することにより得て
もよい。

【００２４】補強材が繊維からなる場合は、繊維はモノ
フィラメントでもマルチフィラメントでもよく、デニー
ル数が０．８〜１００であることが好ましい。デニール
数が０．８より小さいと繊維強度が低いため、加工の際
に切れやすい。デニール数が１００より大きいと、イオ
ン交換基又はその前駆体の基を有する重合体と複合化し
て製膜した場合にイオン交換膜の補強部の膜厚が厚くな
り、抵抗が高くなる。デニール数は特に５〜６０が好ま
しい。

【００２５】上記繊維はイオン交換膜の補強部中に分散
させることにより補強する。この場合、繊維はイオン交
換膜の補強部１ｍ²あたりに１〜３０ｇ、特に５〜２５
ｇ／ｍ²分散されていることが好ましい。イオン交換膜
中の繊維の密度が１ｇ／ｍ²より低いと補強効果が顕著
に現れない。また３０ｇ／ｍ²より高いとイオン交換基
又はその前駆体の基を有する重合体と補強材を複合製膜
する場合に、膜を平坦化できない。

【００２６】布の場合には、織布でも不織布でも使用で
きるが、布に使用する繊維のデニール数は０．８〜１０
０、特に５〜６０が好ましい。デニール数が０．８より
小さいと補強効果が不充分となる。１００より大きい
と、イオン交換膜の補強部の厚さが厚くなり抵抗が増大
するのに加え、繊維と繊維の交点においてピンホールや
クラックが発生しやすい問題がある。デニール数が０．
８〜１００であればモノフィラメント、マルチフィラメ
ントのいずれも使用できる。マルチフィラメントは、糸
断面を偏平化できるため、織布の開口率を減少させても
イオン交換膜の補強部の抵抗の上昇を抑えられるので好
ましい。

【００２７】織布の場合、糸密度は縦糸、横糸ともに、
１０〜２００本／インチ、特に２０〜１５０本／インチ
が好ましい。１０本／インチより少ないと目ずれが生じ
やすく、また織布の強度が低下する。２００本／インチ
より多いと織布の開口面積が小さくなり、同時にイオン
交換膜の補強部の厚さが厚くなる。

【００２８】また、上記織布は、１２０℃以下の温度に
て平板プレスやロールプレス等により偏平化されること
が好ましく、織布の厚さは１０〜８０μｍ、特に１５〜
４０μｍであることが好ましい。１０μｍより薄いとイ
オン交換膜に対する補強効果が顕著に現れない。また８
０μｍより厚いとイオン交換膜の補強部の厚さが厚くな
り膜抵抗が増大する。

【００２９】補強材が不織布からなる場合は、目付量が
５〜５０ｇ／ｍ²、特に１０〜４０ｇ／ｍ²であることが
好ましい。目付量が５ｇ／ｍ²より小さいと不織布の強
度が低下し、５０ｇ／ｍ²より大きいと不織布の開口面
積が小さくなりイオン交換膜の補強部の厚さが厚くな
る。

【００３０】また、不織布の厚さは１０〜８０μｍ、特
に１５〜４０μｍが好ましい。１０μｍより薄いとイオ
ン交換膜に対する補強効果が顕著に現れない。また８０
μｍより厚いとイオン交換膜の補強部の厚さが厚くなり
膜抵抗が増大する。

【００３１】フィブリルによる補強の場合には、イオン
交換基又はその前駆体の基を有する重合体とＰＴＦＥの
ファインパウダーとの混合物を加熱しながら混練した
後、押出し成形やカレンダ成形などの成形法により製膜
することが好ましい。この場合、補強材は、イオン交換
膜の補強部中に０．２〜１０重量％含まれることが好ま
しい。０．２重量％より少ないと補強効果が顕著に現れ
ず、また１０重量％より多いと膜抵抗が増大し、また成
形が困難になる。

【００３２】本発明で使用する補強材の表面は、イオン
交換基又はその前駆体の基を有する重合体と複合製膜す
る際の接着性を向上するため、複合製膜する前に放射線
処理、放電処理又は薬品処理などの方法で処理されても
よい。これらの処理方法は単独で行ってもよく、２種以
上の方法を併用してもよい。

【００３３】本発明におけるイオン交換膜を成形する方
法としては、イオン交換基又はその前駆体の基を有する
重合体の溶液又は分散液を用いたキャスト法、加熱加圧
プレスやロールプレス等の溶融熱成形法が採用できる。
以下に、補強された、スルホン酸基を含有するパーフル
オロカーボン重合体からなるイオン交換膜を例にあげ、
イオン交換膜の成形方法を説明する。なお、本明細書に
おいてスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体とは、
スルホン酸基又はその前駆体の基（−ＳＯ₂Ｆ等）を含
有するパーフルオロカーボン重合体をいう。

【００３４】キャスト法としては、織布や不織布等の補
強材にスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の溶液
又は分散液を含浸させた後、乾燥、造膜を行う方法、ポ
リエチレンテレフタレート等の支持体フィルム上にスル
ホン酸型パーフルオロカーボン重合体の溶液又は分散液
を塗布した後、繊維を散布し乾燥させて補強膜を作製
し、次いでスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体か
らなる非補強膜と接合する方法等が挙げられる。

【００３５】前者の方法の場合、織布や不織布は例えば
枠状等の、膜の補強する部分に合わせた形状とする。後
者の方法では、例えば補強膜を矩形の枠状に成形又は補
強膜の中央部を打ち抜いて矩形の枠状とし、開口部に非
補強膜を配置し、加熱加圧プレスすれば補強膜と非補強
膜を接合できる。また、２枚の非補強膜の間に上記形状
の補強膜を挟んだり、２枚の上記形状の補強膜の間に非
補強膜を挟んで加熱加圧プレスしてもよい。

【００３６】加熱加圧プレスやロールプレスなどの溶融
熱成形法の場合、例えば以下の方法で成形される。−Ｓ
Ｏ₂Ｆを含有するパーフルオロカーボン重合体の溶液又
は分散液を用いてポリエチレンテレフタレートなどの支
持体上に押出し製膜してフィルムを作製する。このフィ
ルム２枚の間に、補強したい部分に合わせた形状を有す
る布を挟んで加熱成形し、次いで加水分解して−ＳＯ₂
Ｆをスルホン酸基に変換することにより補強された膜が
得られる。この際、布の開口部の形状を通電部より少し
小さく打ち抜いておくことで目的のイオン交換膜が得ら
れる。このとき、布のかわりにあらかじめ全面積が補強
された膜を使用してもよい。

【００３７】上記の方法により得られる通電部と非通電
部との境界部が補強されたイオン交換膜は、通常の、既
知の手法に従ってその表面にガス拡散電極を密着させ、
次いで集電体をとりつけ、燃料電池として組み立てられ
る。

【００３８】ガス拡散電極は、通常白金等の触媒微粒子
を担持させた導電性のカーボンブラック粉末をＰＴＦＥ
等の疎水性樹脂からなる結着材を用いて成形された多孔
質シートからなるが、該多孔質シートにはイオン交換膜
を構成する、イオン交換基を有する重合体が含まれてい
てもよく、前記カーボンブラック粉末は該重合体で被覆
された微粒子として含まれていてもよい。

【００３９】ガス拡散電極は、イオン交換膜に対して例
えば溶媒接着法や加熱プレス法等により密着される。溶
媒接着法は、例えばイオン交換膜がイオン交換基を有す
るパーフルオロカーボン重合体からなる場合は、フッ素
が含まれないアルコール類及び含フッ素溶媒の１種以上
の溶媒に、０．１〜５０重量％のパーフルオロカーボン
重合体からなるイオン交換樹脂を溶解させた溶液を接着
剤とし、この接着剤をガス拡散電極又はイオン交換膜の
少なくとも一方に塗布してガス拡散電極とイオン交換膜
を接合する方法である。セパレータには燃料ガス又は空
気等の酸化剤ガスの通路となる溝が形成されていてガス
拡散電極にガスを供給しており、例えば導電性カーボン
板等が用いられる。

【００４０】

【実施例】［例１］アゾビスイソブチロニトリルを開始
剤として、０．２モルのテトラフルオロエチレンと０．
０４５モルのＣＦ＝ＣＦＯＣＦ₂ＣＦ（ＣＦ₃）Ｏ（ＣＦ
₂）₂ＳＯ₂Ｆとを、７０℃にて、５時間共重合し、イオ
ン交換容量１．１ミリ当量／グラム乾燥樹脂の共重合体
を得た。この共重合体を２２０℃で押出し製膜し、ポリ
エチレンテレフタレートフィルム上に上記共重合体から
なる厚さ３０μｍのフィルムを得た。この上記共重合体
からなるフィルムをフィルムＡとする。

【００４１】また、上記共重合体を２０重量％ＫＯＨ水
溶液中で９０℃にて１６時間かけて加水分解した後、１
Ｎの塩酸に室温にて１６時間浸漬して酸型に変換し、水
洗乾燥後エタノールに溶解することにより、スルホン酸
基を含有するパーフルオロカーボン重合体の濃度８重量
％の溶液を得た。

【００４２】次に縦糸、横糸ともに太さ５０デニールか
つ糸密度２７本／インチのポリテトラフルオロエチレン
製織布を、１２０℃の温度でロールプレスし、偏平化さ
せ厚さ４０μｍとした。この織布を型で打ち抜き、中央
に４．５ｃｍ角の穴のあいた織布とした。

【００４３】上記のフィルムＡ２枚を、間に上記の穴の
あいたポリテトラフルオロエチレン製織布を挟んで積層
し、２２０℃でロールプレスし、周辺部が補強されかつ
補強されていない部分の厚さが６０μｍの、スルホン酸
基を含有するイオン交換膜を得た。この膜を、３０重量
％のジメチルスルホキシドと１５重量％のＫＯＨを含む
水溶液中で加水分解し、水洗した後、１Ｎの塩酸に浸漬
した。得られた膜を水洗し、膜の四辺を専用治具で拘束
した後、６０℃にて１時間乾燥した。乾燥後、非補強部
分は縦４．７ｃｍ、横４．８ｃｍとなっていた。次い
で、非補強部分が中央に位置するようにしてイオン交換
膜を６．５ｃｍ角に切断した。図１（Ａ）はこのイオン
交換膜１の平面図である。

【００４４】（引張強さの測定）このイオン交換膜１を
９０℃の純水中に浸漬した後、補強部分２及び非補強部
分３をそれぞれＪＩＳ−Ｋ７１２７に規定される３号形
試験片の形に打ち抜き、引張速度５０ｍｍ／ｍｉｎ、２
５℃、相対湿度５０％の条件下で引張試験を行った。補
強部分２の引張強さは６．５ｋｇ／ｍｍ²、非補強部分
３の引張強さは２．２ｋｇ／ｍｍ²であった。

【００４５】（抵抗の測定）イオン交換膜１を１Ｍの硫
酸に２５℃で２４時間浸漬した後、交流の比抵抗を測定
した。電解液は１Ｍの硫酸であり、白金製の電極を用い
た。有効膜面積は１．８７ｃｍ²であり、測定温度２５
℃に設定した。ＬＣＲメータ（横河ヒューレットパッカ
ード社製）を用い、交流比抵抗を測定したところ、補強
部分２が７Ω・ｃｍ、非補強部分３が４．８Ω・ｃｍで
あった。

【００４６】（燃料電池の作製及び評価）白金を担持し
たカーボンブラック６０重量部とＰＴＦＥ４０重量部と
からなる厚さ約１００μｍのガス拡散電極（白金担持量
０．５ｍｇ／ｃｍ²）を作製し、５ｃｍ角に切断した。

【００４７】図１（Ｂ）の断面図に示すように、上記イ
オン交換膜１の非補強部分３の中心とガス拡散電極４
ａ、４ｂの中心がほぼ一致するように、２枚のガス拡散
電極４ａ及び４ｂの間にイオン交換膜１を挟み、１５０
℃にて３０ｋｇ／ｃｍ²で５分加熱プレスし、膜電極接
合体を作製した。ガス拡散電極４ａは、図１（Ａ）にお
いて点線で囲まれた部分に位置している。この点線の部
分がイオン交換膜１の通電部と非通電部の境界部５であ
り、その内側が通電部、その外側が非通電部となってい
る。

【００４８】加熱プレスしてもイオン交換膜は、電極の
端部と接している部分及びその外側の部分においてしわ
は発生せず、平滑であった。膜電極接合体の断面を走査
型電子顕微鏡で観察したところ、通電部、非通電部、及
び通電部と非通電部の境界部５のいずれの部分でも膜厚
は５０〜６０μｍの範囲であった。

【００４９】次に上記膜電極接合体を、撥水処理が施さ
れた２枚のカーボンペーパーで挟み、さらに２枚のチタ
ン製のセパレータで挟み、さらにその外側にＰＴＦＥ製
のガス供給室、ヒータの順に配置し、有効膜面積２５ｃ
ｍ²の燃料電池を組み立てた。

【００５０】燃料電池の温度を８０℃に保ち、正極に酸
素、負極に水素をそれぞれ２気圧で供給し、電流密度１
Ａ／ｃｍ²にて運転したときの端子間電圧を測定したと
ころ、０．６０Ｖであった。この燃料電池を連続して作
動させたが、４０日間この端子電圧は維持された。

【００５１】［例２（比較例）］例１で得られた共重合
体を用いて厚さ６０μｍの補強材を含まない陽イオン交
換膜を作製した。この陽イオン交換膜の引張強さ及び比
抵抗を例１と同様に測定したところ、引張強さが２．２
ｋｇ／ｍｍ²であり、比抵抗が４．８Ω・ｃｍであっ
た。

【００５２】上記の陽イオン交換膜を用いた以外は例１
と同様にして膜電極接合体を作製したところ、陽イオン
交換膜には加熱プレスにより、電極の端部と接している
部分及びその外側の部分においてしわが発生した。膜電
極接合体の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、
通電部の膜厚は５０〜６０μｍであったが、通電部と非
通電部の境界部の膜厚は３０μｍであった。

【００５３】上記膜電極接合体を用いて例１と同様に燃
料電池を組み立てた後、例１と同様に評価した。燃料電
池の端子間電圧は０．６０Ｖであったが、連続して作動
させたところ、３日後に端子間電圧は０．４０Ｖに低下
した。燃料電池を解体したところ、陽イオン交換膜の電
極の端部と接している部分に微小なクラックが生じてい
た。

【００５４】［例３（比較例）］例１で使用したポリテ
トラフルオロエチレン製織布を穴をあけずに用いた以外
は例１と同様にして、膜全体に補強材が含まれる陽イオ
ン交換膜を作製した。上記の陽イオン交換膜を用いた以
外は例１と同様にして膜電極接合体を作製し、例１と同
様に燃料電池を組み立てた後、例１と同様に評価した。
端子間電圧は０．５０Ｖであった。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、従来にない低い電気抵
抗と通電部周辺に高い機械的強度を有するイオン交換膜
を固体高分子電解質とすることにより、高性能の固体高
分子電解質型燃料電池が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）例１で作製した陽イオン交換膜の平面
図、（Ｂ）例１で作製した膜電極接合体の断面図。

【符号の説明】

１：イオン交換膜２：イオン交換膜の補強部分３：イオン交換膜の非補強部分４ａ、４ｂ：ガス拡散電極５：イオン交換膜の通電部と非通電部との境界
部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4J100 AC26P AE09Q BA02Q BA12Q BA56Q CA04 DA55 JA43 5H026 AA06 BB01 BB02 CX03 CX05 EE19 HH02 HH03 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極の間にイオン交換膜が配置され
た固体高分子電解質型燃料電池において、前記イオン交
換膜は、前記一対の電極より面積が大きくかつ前記一対
の電極と接している通電部と前記一対の電極とは接して
いない非通電部とを有しており、前記通電部と前記非通
電部との境界部には補強材が含まれ、かつ前記通電部の
７０％以上には実質的に補強材が含まれていないことを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】前記イオン交換膜は、スルホン酸基を含有
するパーフルオロカーボン重合体からなる請求項１に記
載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】前記補強材は、繊維、布又はフィブリルか
らなる請求項１又は２に記載の固体高分子電解質型燃料
電池。
【請求項４】前記非通電部には、前記補強材が含まれる
請求項１、２又は３に記載の固体高分子電解質型燃料電
池。
【請求項５】前記補強材が含まれない通電部のイオン交
換膜の厚さは、１０〜８０μｍである請求項１、２、３
又は４に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】イオン交換膜の前記補強材が含まれている
部分において、前記補強材は０．２〜５０重量％含まれ
ている請求項１、２、３、４又は５に記載の固体高分子
電解質型燃料電池。
【請求項７】イオン交換膜が、ＣＦ₂＝ＣＦ₂に基づく重
合単位とＣＦ₂＝ＣＦ−（ＯＣＦ₂ＣＦＸ）_m−Ｏ_q−（Ｃ
Ｆ₂）_n−ＳＯ₃Ｈに基づく重合単位（ただし、Ｘはフッ
素原子又はトリフルオロメチル基であり、ｍは０〜３の
整数、ｎは０〜１２の整数、ｑは０又は１である。）と
を含む共重合体である請求項１、２、３、４、５又は６
に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】前記補強材は含フッ素重合体からなる請求
項１、２、３、４、５、６又は７に記載の固体高分子電
解質型燃料電池。
【請求項９】前記一対の電極と前記イオン交換膜とは、
加熱プレスにより接合されている請求項１、２、３、
４、５、６、７又は８に記載の固体高分子電解質型燃料
電池。