JP2003317735A - 固体高分子電解質型燃料電池、燃料電池用固体高分子電解質膜および燃料電池の製造方法 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池、燃料電池用固体高分子電解質膜および燃料電池の製造方法Info
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
(57)【要約】
【課題】触媒電極表面と固体高分子電解質膜との界面に
おける密着性を高め、電池特性の向上および電池の信頼
性の向上を図る。また電極表面における水素イオン伝導
性や有機液体燃料の透過性等を良好に維持しつつ有機液
体燃料のクロスオーバーを抑制する。 【解決手段】燃料電池１００において、凹凸面を有する
固体高分子電解質膜１１４を用いることにより、前記固
体高分子電解質膜１１４と燃料極１０２、酸化剤極１０
８との界面の接合強度を向上させる。
おける密着性を高め、電池特性の向上および電池の信頼
性の向上を図る。また電極表面における水素イオン伝導
性や有機液体燃料の透過性等を良好に維持しつつ有機液
体燃料のクロスオーバーを抑制する。 【解決手段】燃料電池１００において、凹凸面を有する
固体高分子電解質膜１１４を用いることにより、前記固
体高分子電解質膜１１４と燃料極１０２、酸化剤極１０
８との界面の接合強度を向上させる。
Description
【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、燃料電池用固体高分子電解質膜および燃料
電池の製造方法に関する。
型燃料電池、燃料電池用固体高分子電解質膜および燃料
電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池はパーフルオロス
ルフォン酸膜等の固体高分子電解質膜を電解質とし、こ
の膜の両面に燃料極および酸化剤極を接合して構成さ
れ、燃料極に水素、酸化剤極に酸素を供給して電気化学
反応により発電する装置である。
ルフォン酸膜等の固体高分子電解質膜を電解質とし、こ
の膜の両面に燃料極および酸化剤極を接合して構成さ
れ、燃料極に水素、酸化剤極に酸素を供給して電気化学
反応により発電する装置である。
【０００３】各電極では次のような電気化学反応が生じ
ている。 燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ− 酸化剤極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ
ている。 燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ− 酸化剤極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ
【０００４】この反応によって、固体高分子型燃料電池
は常温・常圧で１Ａ／ｃｍ２以上の高出力を得ることが
できる。
は常温・常圧で１Ａ／ｃｍ２以上の高出力を得ることが
できる。
【０００５】燃料極および酸化剤極には、触媒物質が担
持された炭素粒子と固体高分子電解質との混合体が備え
られている。一般的に、この混合体は、燃料のガスの拡
散層となるカーボンペーパーなどの電極基体上に塗布さ
れて構成される。これら２つの電極により固体高分子電
解質膜を挟み、熱圧着することにより燃料電池が構成さ
れる。
持された炭素粒子と固体高分子電解質との混合体が備え
られている。一般的に、この混合体は、燃料のガスの拡
散層となるカーボンペーパーなどの電極基体上に塗布さ
れて構成される。これら２つの電極により固体高分子電
解質膜を挟み、熱圧着することにより燃料電池が構成さ
れる。
【０００６】この構成の燃料電池において、燃料極に供
給された水素ガスは、電極中の細孔を通過して触媒に達
し、電子を放出して水素イオンとなる。放出された電子
は燃料極内の炭素粒子および電極基体を通って外部回路
へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。
給された水素ガスは、電極中の細孔を通過して触媒に達
し、電子を放出して水素イオンとなる。放出された電子
は燃料極内の炭素粒子および電極基体を通って外部回路
へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。
【０００７】一方、燃料極において発生した水素イオン
は、燃料極中の固体高分子電解質および両電極間に配置
された固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸
化剤極に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と
反応して上記反応式に示すように水を生じる。この結
果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が
流れ、電力が取り出される。
は、燃料極中の固体高分子電解質および両電極間に配置
された固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸
化剤極に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と
反応して上記反応式に示すように水を生じる。この結
果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が
流れ、電力が取り出される。
【０００８】上記のような構成の燃料電池の特性を向上
させるためには、電極と固体高分子電解質膜との界面の
密着性が良好であることが重要となる。すなわち、両者
の界面において、電極反応によって生じた水素イオンの
伝導性が高いことが要求される。界面の密着性が不良で
あると、水素イオンの伝導性が低下して電気抵抗が上昇
し、電池効率の低下をもたらす原因となる。
させるためには、電極と固体高分子電解質膜との界面の
密着性が良好であることが重要となる。すなわち、両者
の界面において、電極反応によって生じた水素イオンの
伝導性が高いことが要求される。界面の密着性が不良で
あると、水素イオンの伝導性が低下して電気抵抗が上昇
し、電池効率の低下をもたらす原因となる。
【０００９】以上、水素を燃料とした燃料電池について
説明したが、近年はメタノールなどの有機液体燃料を用
いた燃料電池の研究開発も盛んに行われている。
説明したが、近年はメタノールなどの有機液体燃料を用
いた燃料電池の研究開発も盛んに行われている。
【００１０】有機液体燃料を使用する燃料電池には、有
機液体燃料を水素ガスへ改質して燃料として使用するも
のや、ダイレクトメタノール型燃料電池に代表されるよ
うな、有機液体燃料を改質せずに燃料極に直接供給する
ものなどが知られている。
機液体燃料を水素ガスへ改質して燃料として使用するも
のや、ダイレクトメタノール型燃料電池に代表されるよ
うな、有機液体燃料を改質せずに燃料極に直接供給する
ものなどが知られている。
【００１１】中でも、有機液体燃料を改質せずに燃料極
に直接供給する燃料電池は、有機液体燃料を直接燃料極
に供給する構造であるため、改質器のような装置を必要
としない。そのため、電池の構成を簡単なものとするこ
とができ、装置全体を小型化することが可能であるとい
うメリットを有している。また、水素ガスや炭化水素ガ
ス等の気体燃料と比較して、有機液体燃料は容易かつ安
全に運搬可能であるという特徴も有している。
に直接供給する燃料電池は、有機液体燃料を直接燃料極
に供給する構造であるため、改質器のような装置を必要
としない。そのため、電池の構成を簡単なものとするこ
とができ、装置全体を小型化することが可能であるとい
うメリットを有している。また、水素ガスや炭化水素ガ
ス等の気体燃料と比較して、有機液体燃料は容易かつ安
全に運搬可能であるという特徴も有している。
【００１２】一般的に、有機液体燃料を使用する燃料電
池においては、電解質として固体高分子イオン交換樹脂
からなる固体高分子電解質膜が用いられる。ここで、燃
料電池が機能するためには、水素イオンがこの膜中を燃
料極から酸化剤極へ移動することが必要であるが、この
水素イオンの移動には水の移動が伴うことが知られてお
り、当該膜には一定の水分が含まれていることが必要で
ある。
池においては、電解質として固体高分子イオン交換樹脂
からなる固体高分子電解質膜が用いられる。ここで、燃
料電池が機能するためには、水素イオンがこの膜中を燃
料極から酸化剤極へ移動することが必要であるが、この
水素イオンの移動には水の移動が伴うことが知られてお
り、当該膜には一定の水分が含まれていることが必要で
ある。
【００１３】しかし、水に対して親和性の高いメタノー
ルなどの有機液体燃料を用いる場合、当該有機液体燃料
は水分を含んだ固体高分子電解質膜に拡散し、さらに
は、酸化剤極まで到達する（クロスオーバー）という克
服すべき課題を有していた。このクロスオーバーは、本
来燃料極において電子を提供すべき有機液体燃料が酸化
剤極側で酸化されてしまい、燃料として有効に使用され
ないことから、電圧や出力の低下、燃料効率の低下を引
き起こす。
ルなどの有機液体燃料を用いる場合、当該有機液体燃料
は水分を含んだ固体高分子電解質膜に拡散し、さらに
は、酸化剤極まで到達する（クロスオーバー）という克
服すべき課題を有していた。このクロスオーバーは、本
来燃料極において電子を提供すべき有機液体燃料が酸化
剤極側で酸化されてしまい、燃料として有効に使用され
ないことから、電圧や出力の低下、燃料効率の低下を引
き起こす。
【００１４】こうしたクロスオーバーの問題を解消する
観点からは、固体高分子電解質膜の材料として含水率の
低い高分子を選択し、メタノールなどの有機液体燃料が
水とともに拡散することを抑制することが望まれる。し
かしながら、その固体高分子電解質膜に接する電極表面
の触媒層については、電極層から燃料となる有機液体燃
料を効率良く移動させ、多くの水素イオンを供給するこ
とが重要である。すなわち、電極表面の触媒層は有機液
体燃料をよく透過し、電解質膜は有機液体燃料を透過さ
せないようにすることが望ましい。このようにするため
には、電極表面の触媒層を構成する高分子としては含水
率が高く有機液体燃料の透過性の高い性質を有するもの
を用い、固体高分子電解質膜を構成する高分子としては
含水率が低く有機液体燃料の透過性の低い性質を有する
ものを用いることが好適と考えられる。
観点からは、固体高分子電解質膜の材料として含水率の
低い高分子を選択し、メタノールなどの有機液体燃料が
水とともに拡散することを抑制することが望まれる。し
かしながら、その固体高分子電解質膜に接する電極表面
の触媒層については、電極層から燃料となる有機液体燃
料を効率良く移動させ、多くの水素イオンを供給するこ
とが重要である。すなわち、電極表面の触媒層は有機液
体燃料をよく透過し、電解質膜は有機液体燃料を透過さ
せないようにすることが望ましい。このようにするため
には、電極表面の触媒層を構成する高分子としては含水
率が高く有機液体燃料の透過性の高い性質を有するもの
を用い、固体高分子電解質膜を構成する高分子としては
含水率が低く有機液体燃料の透過性の低い性質を有する
ものを用いることが好適と考えられる。
【００１５】ところが、上記のように電極表面触媒層の
材料と固体高分子電解質膜の材料とを異なる材料とした
場合、一般に、充分な密着性が得られず、電極表面と固
体高分子電解質膜との界面で剥離が発生する場合があ
る。このような剥離が発生すると、界面における電気抵
抗が上昇し、電池性能の信頼性の低下をもたらす原因と
なる。
材料と固体高分子電解質膜の材料とを異なる材料とした
場合、一般に、充分な密着性が得られず、電極表面と固
体高分子電解質膜との界面で剥離が発生する場合があ
る。このような剥離が発生すると、界面における電気抵
抗が上昇し、電池性能の信頼性の低下をもたらす原因と
なる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】上記事情に鑑み、本発
明は、触媒電極表面と固体高分子電解質膜との界面にお
ける密着性を高め、電池特性の向上および電池の信頼性
の向上を図ることを目的とする。
明は、触媒電極表面と固体高分子電解質膜との界面にお
ける密着性を高め、電池特性の向上および電池の信頼性
の向上を図ることを目的とする。
【００１７】また本発明は、触媒電極表面における水素
イオン伝導性や有機液体燃料の透過性等を良好に維持し
つつ有機液体燃料のクロスオーバーを抑制することを目
的とする。
イオン伝導性や有機液体燃料の透過性等を良好に維持し
つつ有機液体燃料のクロスオーバーを抑制することを目
的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】燃料電池の固体高分子電
解質には、一般に、ナフィオン（デュポン社製：登録商
標）等に代表される高い水素イオン伝導性を有する固体
高分子電解質が使用されている。こうした固体高分子電
解質における高い水素イオン伝導性は、高分子電解質が
多量の水分を含むことによって発現するのであるが、一
方では、この多量の水分の含有により、メタノールのよ
うな有機液体燃料が水に容易に溶解してクロスオーバー
を発生することを促すこととなる。
解質には、一般に、ナフィオン（デュポン社製：登録商
標）等に代表される高い水素イオン伝導性を有する固体
高分子電解質が使用されている。こうした固体高分子電
解質における高い水素イオン伝導性は、高分子電解質が
多量の水分を含むことによって発現するのであるが、一
方では、この多量の水分の含有により、メタノールのよ
うな有機液体燃料が水に容易に溶解してクロスオーバー
を発生することを促すこととなる。
【００１９】そこで本発明者は、クロスオーバーの抑制
を図るため、燃料極や酸化剤極、固体高分子電解質膜を
構成する固体高分子電解質として、ナフィオン等よりも
有機液体燃料透過性の低い高分子材料を用いてダイレク
トメタノール型燃料電池を作製し、評価を行った。とこ
ろが、この燃料電池はナフィオンを用いた従来の電池と
比較して電池特性が低下した。これは、燃料極におい
て、メタノールの透過性、水素イオン伝導性が低下した
ことによるものと考えられる。上記燃料電池の燃料極
は、触媒を担持する炭素粒子と、バインダーとしての固
体高分子電解質が混在した形態の触媒層を備えた構成と
なっており、触媒間に固体高分子電解質が介在した構造
となっている。このため、電極表面でメタノール、水
素、電子が円滑に移動するためには、これらの伝達経路
となる固体高分子電解質が、高いメタノール等液体燃料
透過性および優れた水素イオン伝導性を有していること
が必要となる。上記構造の電池では、固体高分子電解質
がこれらの性能が充分に満足していなかったため、良好
な電池特性が得られなかったものと考えられる。
を図るため、燃料極や酸化剤極、固体高分子電解質膜を
構成する固体高分子電解質として、ナフィオン等よりも
有機液体燃料透過性の低い高分子材料を用いてダイレク
トメタノール型燃料電池を作製し、評価を行った。とこ
ろが、この燃料電池はナフィオンを用いた従来の電池と
比較して電池特性が低下した。これは、燃料極におい
て、メタノールの透過性、水素イオン伝導性が低下した
ことによるものと考えられる。上記燃料電池の燃料極
は、触媒を担持する炭素粒子と、バインダーとしての固
体高分子電解質が混在した形態の触媒層を備えた構成と
なっており、触媒間に固体高分子電解質が介在した構造
となっている。このため、電極表面でメタノール、水
素、電子が円滑に移動するためには、これらの伝達経路
となる固体高分子電解質が、高いメタノール等液体燃料
透過性および優れた水素イオン伝導性を有していること
が必要となる。上記構造の電池では、固体高分子電解質
がこれらの性能が充分に満足していなかったため、良好
な電池特性が得られなかったものと考えられる。
【００２０】次に本発明者らは、燃料極における触媒反
応を効率化するために、電極表面の固体高分子電解質と
してナフィオンを用い、固体高分子電解質膜として、ナ
フィオン等よりも有機液体燃料透過性の低い高分子材料
を用いてダイレクトメタノール型燃料電池の作製を試み
たところ、燃料極と固体高分子電解質膜との接合が不充
分であり、評価に耐える電池を得ることができなかっ
た。
応を効率化するために、電極表面の固体高分子電解質と
してナフィオンを用い、固体高分子電解質膜として、ナ
フィオン等よりも有機液体燃料透過性の低い高分子材料
を用いてダイレクトメタノール型燃料電池の作製を試み
たところ、燃料極と固体高分子電解質膜との接合が不充
分であり、評価に耐える電池を得ることができなかっ
た。
【００２１】以上の予備実験の結果を踏まえ、さらに検
討を行った結果、本発明者らは、凹凸面を有する固体高
分子電解質膜を利用することにより、電極表面と固体高
分子電解質膜との界面における密着性を効果的に高める
ことができることを見いだし、本発明の完成に至った。
討を行った結果、本発明者らは、凹凸面を有する固体高
分子電解質膜を利用することにより、電極表面と固体高
分子電解質膜との界面における密着性を効果的に高める
ことができることを見いだし、本発明の完成に至った。
【００２２】本発明によれば、凹凸面を有する固体高分
子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の前記凹凸面に
接合された触媒電極と、を備えたことを特徴とする燃料
電池が提供される。
子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の前記凹凸面に
接合された触媒電極と、を備えたことを特徴とする燃料
電池が提供される。
【００２３】本発明に係る燃料電池は、凹凸面を有する
固体高分子電解質膜を備えるため、固体高分子電解質膜
と触媒電極との間の密着性が顕著に改善される。その結
果、触媒電極と固体高分子電解質膜との界面での接触抵
抗が小さくなり、固体高分子電解質膜の出力を向上させ
ることが可能となるので、電池特性や電池の信頼性を向
上することができる。
固体高分子電解質膜を備えるため、固体高分子電解質膜
と触媒電極との間の密着性が顕著に改善される。その結
果、触媒電極と固体高分子電解質膜との界面での接触抵
抗が小さくなり、固体高分子電解質膜の出力を向上させ
ることが可能となるので、電池特性や電池の信頼性を向
上することができる。
【００２４】本発明の上記燃料電池において、前記凹凸
面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ≦Ｒａ≦１０
０ｎｍとすることができる。こうすることにより、上記
固体高分子電解質膜と触媒電極とが良好に接合される。
面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ≦Ｒａ≦１０
０ｎｍとすることができる。こうすることにより、上記
固体高分子電解質膜と触媒電極とが良好に接合される。
【００２５】また、本発明の上記燃料電池において、前
記凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）が０．５ｎｍ≦Ｓ
≦１０００ｎｍとすることができる。こうすることによ
り、上記固体高分子電解質膜と触媒電極とが良好に接合
される。
記凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）が０．５ｎｍ≦Ｓ
≦１０００ｎｍとすることができる。こうすることによ
り、上記固体高分子電解質膜と触媒電極とが良好に接合
される。
【００２６】ここで、前記中心線平均粗さ（Ｒａ）およ
び前記局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、ＪＩＳ−Ｂ−０６
０１により規定され、たとえば、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）などを用いて測定することができる。
び前記局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、ＪＩＳ−Ｂ−０６
０１により規定され、たとえば、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）などを用いて測定することができる。
【００２７】本発明の燃料電池において、固体高分子電
解質膜の凹凸面は、たとえば以下の方法により形成する
ことができる。 （i）固体高分子電解質膜表面に繊維をこすりつける。 （ii）固体高分子電解質膜表面にイオン照射する。 （iii）固体高分子電解質膜表面をプラズマ処理する。 （iｖ）キャスト時に凹凸面を有する剥離性シートを用
いる。すなわち、凹凸面を有する剥離性シートに、固体
高分子電解質の溶液または分散液を展開した後、乾燥
し、凹凸面を有する固体高分子電解質膜を作製する。ま
たは、前記分散液を展開した後、乾燥前に凹凸面を有す
る剥離性シートと接触させ、乾燥させる。
解質膜の凹凸面は、たとえば以下の方法により形成する
ことができる。 （i）固体高分子電解質膜表面に繊維をこすりつける。 （ii）固体高分子電解質膜表面にイオン照射する。 （iii）固体高分子電解質膜表面をプラズマ処理する。 （iｖ）キャスト時に凹凸面を有する剥離性シートを用
いる。すなわち、凹凸面を有する剥離性シートに、固体
高分子電解質の溶液または分散液を展開した後、乾燥
し、凹凸面を有する固体高分子電解質膜を作製する。ま
たは、前記分散液を展開した後、乾燥前に凹凸面を有す
る剥離性シートと接触させ、乾燥させる。
【００２８】これらにより前記固体高分子電解質膜表面
に好ましい形態の凹凸構造が付与され、燃料電池におい
て、固体高分子電解質膜と触媒電極とが密着性が顕著に
改善される。その結果、触媒電極と固体高分子電解質膜
との界面での接触抵抗が小さくなり、固体高分子電解質
膜の出力を向上させることが可能となるので、電池特性
や電池の信頼性を向上することができる。
に好ましい形態の凹凸構造が付与され、燃料電池におい
て、固体高分子電解質膜と触媒電極とが密着性が顕著に
改善される。その結果、触媒電極と固体高分子電解質膜
との界面での接触抵抗が小さくなり、固体高分子電解質
膜の出力を向上させることが可能となるので、電池特性
や電池の信頼性を向上することができる。
【００２９】本発明の燃料電池において、前記触媒電極
は、触媒物質および固体高分子電解質を含む触媒層を有
することができ、該触媒層と前記固体高分子電解質膜の
前記凹凸面が接合してなる構成とすることができる。こ
うすることにより、固体高分子電解質膜と触媒電極との
間の密着性がさらに改善される。
は、触媒物質および固体高分子電解質を含む触媒層を有
することができ、該触媒層と前記固体高分子電解質膜の
前記凹凸面が接合してなる構成とすることができる。こ
うすることにより、固体高分子電解質膜と触媒電極との
間の密着性がさらに改善される。
【００３０】本発明の燃料電池において、前記触媒層を
構成する固体高分子電解質は、固体高分子電解質膜を構
成する高分子化合物またはその誘導体からなる構成とす
ることができる。こうすることにより、前記固体高分子
電解質膜と前記触媒電極との固体高分子電解質膜と触媒
電極との間の密着性をさらに高めることができる。
構成する固体高分子電解質は、固体高分子電解質膜を構
成する高分子化合物またはその誘導体からなる構成とす
ることができる。こうすることにより、前記固体高分子
電解質膜と前記触媒電極との固体高分子電解質膜と触媒
電極との間の密着性をさらに高めることができる。
【００３１】本発明によれば、固体高分子電解質膜の少
なくとも一方の面に、凹凸面を形成する工程を含むこと
を特徴とする燃料電池用高分子電解質膜の製造方法が提
供される。
なくとも一方の面に、凹凸面を形成する工程を含むこと
を特徴とする燃料電池用高分子電解質膜の製造方法が提
供される。
【００３２】本発明に係る製造方法によれば、前記固体
高分子電解質膜表面に好ましい凹凸構造が付与される。
結果として、燃料電池用触媒電極の触媒層との密着性に
優れた、燃料電池用固体高分子電解質膜を安定的に供給
できる。
高分子電解質膜表面に好ましい凹凸構造が付与される。
結果として、燃料電池用触媒電極の触媒層との密着性に
優れた、燃料電池用固体高分子電解質膜を安定的に供給
できる。
【００３３】本発明の燃料電池の製造方法において、固
体高分子電解質膜に凹凸面を付与する工程として、たと
えば以下の工程を含むことができる。 （i）固体高分子電解質膜表面に繊維をこすりつける工
程。 （ii）固体高分子電解質膜表面にイオン照射する工程。 （iii）固体高分子電解質膜表面をプラズマ処理する工
程。 （iｖ）キャスト時に凹凸面を有する剥離性シートを用
いる工程。すなわち、凹凸面を有する剥離性シートに、
固体高分子電解質の溶液または分散液を展開した後、乾
燥し、凹凸面を有する固体高分子電解質膜を作製する工
程。または、前記分散液を展開した後、乾燥前に凹凸面
を有する剥離性シートと接触させ、乾燥させる工程。
体高分子電解質膜に凹凸面を付与する工程として、たと
えば以下の工程を含むことができる。 （i）固体高分子電解質膜表面に繊維をこすりつける工
程。 （ii）固体高分子電解質膜表面にイオン照射する工程。 （iii）固体高分子電解質膜表面をプラズマ処理する工
程。 （iｖ）キャスト時に凹凸面を有する剥離性シートを用
いる工程。すなわち、凹凸面を有する剥離性シートに、
固体高分子電解質の溶液または分散液を展開した後、乾
燥し、凹凸面を有する固体高分子電解質膜を作製する工
程。または、前記分散液を展開した後、乾燥前に凹凸面
を有する剥離性シートと接触させ、乾燥させる工程。
【００３４】本発明によれば、前記凹凸面の中心線平均
粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ≦Ｒａ≦１００ｎｍの値を有
することを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜の
製造方法が提供される。
粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ≦Ｒａ≦１００ｎｍの値を有
することを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜の
製造方法が提供される。
【００３５】また、本発明によれば、前記凹凸面の局部
山頂の平均間隔（Ｓ）が０．５ｎｍ≦Ｓ≦１０００ｎｍ
であることを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜
の製造方法が提供される。
山頂の平均間隔（Ｓ）が０．５ｎｍ≦Ｓ≦１０００ｎｍ
であることを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜
の製造方法が提供される。
【００３６】こうすることにより、本発明に係る燃料電
池において、前記固体高分子電解質膜表面に好ましい凹
凸構造が付与される。結果として、触媒電極の触媒層と
の密着性に優れた、燃料電池用固体高分子電解質膜を安
定的に供給できる。
池において、前記固体高分子電解質膜表面に好ましい凹
凸構造が付与される。結果として、触媒電極の触媒層と
の密着性に優れた、燃料電池用固体高分子電解質膜を安
定的に供給できる。
【００３７】本発明によれば、前記の燃料電池用固体高
分子電解質膜の製造方法によって前記燃料電池用固体高
分子電解質膜を得る工程と、触媒物質を担持した導電粒
子と固体高分子電解質を含む粒子とを含有する塗布液を
基体上に塗布して触媒層を形成することにより触媒電極
を作製する工程と、前記固体高分子電解質膜と前記触媒
電極とを当接させた状態で、前記固体高分子電解質膜と
前記触媒電極とを圧着する工程と、を含むことを特徴と
する、燃料電池の製造方法が提供される。
分子電解質膜の製造方法によって前記燃料電池用固体高
分子電解質膜を得る工程と、触媒物質を担持した導電粒
子と固体高分子電解質を含む粒子とを含有する塗布液を
基体上に塗布して触媒層を形成することにより触媒電極
を作製する工程と、前記固体高分子電解質膜と前記触媒
電極とを当接させた状態で、前記固体高分子電解質膜と
前記触媒電極とを圧着する工程と、を含むことを特徴と
する、燃料電池の製造方法が提供される。
【００３８】本発明に係る製造方法によれば、前記固体
高分子電解質膜と前記触媒電極の触媒層との密着性に優
れ、さらに電池特性および電池の信頼性に優れた燃料電
池を安定的に供給できる。
高分子電解質膜と前記触媒電極の触媒層との密着性に優
れ、さらに電池特性および電池の信頼性に優れた燃料電
池を安定的に供給できる。
【００３９】本発明の燃料電池製造方法において、前記
触媒層を構成する固体高分子電解質は、固体高分子電解
質膜を構成する高分子化合物またはその誘導体からなる
構成とすることができる。こうすることにより、前記固
体高分子電解質膜と前記触媒電極との密着性がさらに優
れた燃料電池を安定的に供給できる。
触媒層を構成する固体高分子電解質は、固体高分子電解
質膜を構成する高分子化合物またはその誘導体からなる
構成とすることができる。こうすることにより、前記固
体高分子電解質膜と前記触媒電極との密着性がさらに優
れた燃料電池を安定的に供給できる。
【００４０】
【発明の実施の形態】以下に本発明の固体高分子電解質
型燃料電池及びその製造方法について詳細に説明する。
型燃料電池及びその製造方法について詳細に説明する。
【００４１】本発明における燃料電池は、燃料極、酸化
剤極および固体高分子電解質膜を含み、固体高分子電解
質膜は少なくとも一方の面に凹凸面を備えることを特徴
とする。燃料極と酸化剤極とをあわせて、触媒電極と呼
ぶ。なお、凹凸面は、固体高分子電解質膜の一方の面の
全面に形成されていても、その一部に形成されていても
よい。
剤極および固体高分子電解質膜を含み、固体高分子電解
質膜は少なくとも一方の面に凹凸面を備えることを特徴
とする。燃料極と酸化剤極とをあわせて、触媒電極と呼
ぶ。なお、凹凸面は、固体高分子電解質膜の一方の面の
全面に形成されていても、その一部に形成されていても
よい。
【００４２】図１は本発明の実施の形態における燃料電
池の単セル構造を模式的に示した断面図である。燃料電
池１００は、複数の単セル構造１０１を有する。各単セ
ル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および
固体高分子電解質膜１１４から構成される。各単セル構
造１０１の燃料極１０２には、燃料極側エンドプレート
１２０を介して燃料１２４が供給される。また、各単セ
ル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側エンド
プレート１２２を介して酸化剤１２６が供給される。
池の単セル構造を模式的に示した断面図である。燃料電
池１００は、複数の単セル構造１０１を有する。各単セ
ル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および
固体高分子電解質膜１１４から構成される。各単セル構
造１０１の燃料極１０２には、燃料極側エンドプレート
１２０を介して燃料１２４が供給される。また、各単セ
ル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側エンド
プレート１２２を介して酸化剤１２６が供給される。
【００４３】また、図２は燃料極１０２、酸化剤極１０
８、および固体高分子電解質膜１１４の構造を模式的に
表した断面図である。
８、および固体高分子電解質膜１１４の構造を模式的に
表した断面図である。
【００４４】固体高分子電解質膜１１４は、燃料極１０
２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素
イオンを移動させる役割を有する。このため、固体高分
子電解質膜１１４は、水素イオンの導電性が高く、水移
動性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安
定であって機械的強度が高いことが好ましい。
２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素
イオンを移動させる役割を有する。このため、固体高分
子電解質膜１１４は、水素イオンの導電性が高く、水移
動性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安
定であって機械的強度が高いことが好ましい。
【００４５】固体高分子電解質膜１１４を構成する材料
としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフ
ィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基な
どの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。
こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フ
ェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキル
スルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有
高分子；ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニル
スルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、
フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高
分子などの共重合体；アクリルアミド−２−メチルプロ
パンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチ
ルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合さ
せて得られる共重合体；スルホン基含有パーフルオロカ
ーボン（ナフィオン（デュポン社製：登録商標）、アシ
プレックス（旭化成社製：登録商標））；カルボキシル
基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子
社製））；などが例示される。このうち、スルフォン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールな
どの芳香族含有高分子を選択した場合、有機液体燃料の
透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下
を抑えることができる。
としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフ
ィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基な
どの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。
こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フ
ェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキル
スルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有
高分子；ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニル
スルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、
フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高
分子などの共重合体；アクリルアミド−２−メチルプロ
パンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチ
ルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合さ
せて得られる共重合体；スルホン基含有パーフルオロカ
ーボン（ナフィオン（デュポン社製：登録商標）、アシ
プレックス（旭化成社製：登録商標））；カルボキシル
基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子
社製））；などが例示される。このうち、スルフォン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールな
どの芳香族含有高分子を選択した場合、有機液体燃料の
透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下
を抑えることができる。
【００４６】また、本発明における固体高分子電解質膜
１１４は、表面に凹凸構造を有する。
１１４は、表面に凹凸構造を有する。
【００４７】固体高分子電解質膜１１４の凹凸面は、た
とえば中心線平均粗さ（Ｒａ）が好ましくは０．５ｎｍ
以上、より好ましくは１ｎｍ以上とすることができる。
また、Ｒａは、好ましくは１００ｎｍ以下、より好まし
くは５０ｎｍ以下とすることができる。これにより、触
媒電極表面との密着性が顕著に改善される。
とえば中心線平均粗さ（Ｒａ）が好ましくは０．５ｎｍ
以上、より好ましくは１ｎｍ以上とすることができる。
また、Ｒａは、好ましくは１００ｎｍ以下、より好まし
くは５０ｎｍ以下とすることができる。これにより、触
媒電極表面との密着性が顕著に改善される。
【００４８】前記固体高分子電解質膜１１４の凹凸面
は、たとえば凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、好
ましくは０．５ｎｍ以上、より好ましくは１ｎｍ以上と
することができる。また、前記Ｓは、好ましくは１００
０ｎｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以下とすること
ができる。これにより、触媒電極表面との密着性が顕著
に改善される。
は、たとえば凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、好
ましくは０．５ｎｍ以上、より好ましくは１ｎｍ以上と
することができる。また、前記Ｓは、好ましくは１００
０ｎｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以下とすること
ができる。これにより、触媒電極表面との密着性が顕著
に改善される。
【００４９】ここで、前記中心線平均粗さ（Ｒａ）およ
び前記局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、ＪＩＳ−Ｂ−０６
０１により規定され、たとえば、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）などを用いて測定することができる。
び前記局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、ＪＩＳ−Ｂ−０６
０１により規定され、たとえば、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）などを用いて測定することができる。
【００５０】本実施形態における燃料極１０２および酸
化剤極１０８は、図２のように、燃料極１０２および酸
化剤極１０８は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子
電解質の微粒子とを含む触媒層１０６、触媒層１１２を
基体１０４、基体１１０上に形成した構成となってい
る。基体表面は撥水処理してもよい。
化剤極１０８は、図２のように、燃料極１０２および酸
化剤極１０８は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子
電解質の微粒子とを含む触媒層１０６、触媒層１１２を
基体１０４、基体１１０上に形成した構成となってい
る。基体表面は撥水処理してもよい。
【００５１】基体１０４、基体１１０としては、カーボ
ンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼
結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができ
る。また、基体１０４、基体１１０の撥水処理にはポリ
テトラフルオロエチレンなどの撥水剤を用いることがで
きる。
ンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼
結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができ
る。また、基体１０４、基体１１０の撥水処理にはポリ
テトラフルオロエチレンなどの撥水剤を用いることがで
きる。
【００５２】燃料極１０２の触媒としては、白金、白金
とルテニウム、金、レニウムなどとの合金、ロジウム、
パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レ
ニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ラン
タン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示され
る。一方、酸化剤極１０８の触媒としては、燃料極１０
２の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物
質を使用することができる。なお、燃料極１０２および
酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるもの
を用いてもよい。
とルテニウム、金、レニウムなどとの合金、ロジウム、
パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レ
ニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ラン
タン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示され
る。一方、酸化剤極１０８の触媒としては、燃料極１０
２の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物
質を使用することができる。なお、燃料極１０２および
酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるもの
を用いてもよい。
【００５３】触媒を担持する炭素粒子としては、アセチ
レンブラック（デンカブラック（電気化学社製：登録商
標）、ＸＣ７２（Vulcan社製）など）、ケッチェンブラ
ック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ア
モルファスカーボンなどが例示される。炭素粒子の粒径
は、たとえば、０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．
０２〜０．０６μｍとする。
レンブラック（デンカブラック（電気化学社製：登録商
標）、ＸＣ７２（Vulcan社製）など）、ケッチェンブラ
ック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ア
モルファスカーボンなどが例示される。炭素粒子の粒径
は、たとえば、０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．
０２〜０．０６μｍとする。
【００５４】本発明において、燃料極１０２または酸化
剤極１０８を構成する固体高分子電解質は、電極表面に
おいて、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜
１１４を電気的に接続するとともに触媒表面に有機液体
燃料を到達させる役割を有しており、水素イオン伝導性
や水移動性が要求され、さらに、燃料極１０２において
はメタノール等の有機液体燃料透過性が求められ、酸化
剤極１０８においては酸素透過性が求められる。固体高
分子電解質はこうした要求を満たすためのものであり、
水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過
性に優れる材料が好ましく用いられる。具体的には、ス
ルホン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基な
どの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく
用いられる。
剤極１０８を構成する固体高分子電解質は、電極表面に
おいて、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜
１１４を電気的に接続するとともに触媒表面に有機液体
燃料を到達させる役割を有しており、水素イオン伝導性
や水移動性が要求され、さらに、燃料極１０２において
はメタノール等の有機液体燃料透過性が求められ、酸化
剤極１０８においては酸素透過性が求められる。固体高
分子電解質はこうした要求を満たすためのものであり、
水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過
性に優れる材料が好ましく用いられる。具体的には、ス
ルホン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基な
どの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく
用いられる。
【００５５】こうした有機高分子として、スルホン基含
有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社
製）、アシプレックス（旭化成社製）など）；カルボキ
シル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭
硝子社製）など）；ポリスチレンスルホン酸共重合体、
ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン
酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフ
ッ素含有高分子などの共重合体；アクリルアミド−２−
メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類
とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類と
を共重合させて得られる共重合体；などが例示される。
有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社
製）、アシプレックス（旭化成社製）など）；カルボキ
シル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭
硝子社製）など）；ポリスチレンスルホン酸共重合体、
ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン
酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフ
ッ素含有高分子などの共重合体；アクリルアミド−２−
メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類
とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類と
を共重合させて得られる共重合体；などが例示される。
【００５６】また、極性基の結合する対象の高分子とし
ては他に、ポリベンズイミダゾール誘導体、ポリベンズ
オキサゾール誘導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリ
サイラミン誘導体、ポリジエチルアミノエチルポリスチ
レン等のアミン置換ポリスチレン、ジエチルアミノエチ
ルポリメタクリレート等の窒素置換ポリアクリレート等
の窒素または水酸基を有する樹脂；シラノール含有ポリ
シロキサン、ヒドロキシエチルポリメチルアクリレート
に代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂；パラヒドロ
キシポリスチレンに代表される水酸基含有ポリスチレン
樹脂；などを用いることもできる。
ては他に、ポリベンズイミダゾール誘導体、ポリベンズ
オキサゾール誘導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリ
サイラミン誘導体、ポリジエチルアミノエチルポリスチ
レン等のアミン置換ポリスチレン、ジエチルアミノエチ
ルポリメタクリレート等の窒素置換ポリアクリレート等
の窒素または水酸基を有する樹脂；シラノール含有ポリ
シロキサン、ヒドロキシエチルポリメチルアクリレート
に代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂；パラヒドロ
キシポリスチレンに代表される水酸基含有ポリスチレン
樹脂；などを用いることもできる。
【００５７】また、上記した高分子に対して、適宜、架
橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリ
ル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、
アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入してもよい。
橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリ
ル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、
アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入してもよい。
【００５８】ここで、クロスオーバー抑制の観点から
は、前記固体高分子電解質膜１１４または燃料極１０
２、酸化剤極１０８中の固体高分子電解質を、いずれ
も、有機液体燃料の透過性の低い材料を用いることが好
ましい。たとえば、スルフォン化ポリ（４−フェノキシ
ベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォ
ン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族縮合系高分子
により構成することが好ましい。
は、前記固体高分子電解質膜１１４または燃料極１０
２、酸化剤極１０８中の固体高分子電解質を、いずれ
も、有機液体燃料の透過性の低い材料を用いることが好
ましい。たとえば、スルフォン化ポリ（４−フェノキシ
ベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォ
ン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族縮合系高分子
により構成することが好ましい。
【００５９】本発明に係る燃料電池の燃料としては、液
体有機燃料や水素含有ガスを用いることができる。この
うち、液体有機燃料を用いる構成とした場合、液体燃料
のクロスオーバーを抑制しつつ電池効率の向上を図るこ
とができ、本発明の効果がより顕著に発揮される。
体有機燃料や水素含有ガスを用いることができる。この
うち、液体有機燃料を用いる構成とした場合、液体燃料
のクロスオーバーを抑制しつつ電池効率の向上を図るこ
とができ、本発明の効果がより顕著に発揮される。
【００６０】本発明における燃料電池用固体高分子電解
質膜１１４、および燃料電池１００の作製方法は特に制
限がないが、たとえば以下のようにして作製することが
できる。
質膜１１４、および燃料電池１００の作製方法は特に制
限がないが、たとえば以下のようにして作製することが
できる。
【００６１】本発明における固体高分子電解質膜１１４
は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製する
ことができる。たとえば固体高分子電解質膜１１４を有
機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に
溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレ
ン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させるこ
とにより得ることができる。
は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製する
ことができる。たとえば固体高分子電解質膜１１４を有
機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に
溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレ
ン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させるこ
とにより得ることができる。
【００６２】ここで、上記剥離性シート表面に、凹凸構
造を有する物質を用いることにより、乾燥後の固体高分
子電解質膜１１４表面に求める凹凸構造を有する膜を得
ることができる。
造を有する物質を用いることにより、乾燥後の固体高分
子電解質膜１１４表面に求める凹凸構造を有する膜を得
ることができる。
【００６３】さらに、固体高分子電解質膜溶液または分
散液をキャスト後、乾燥前に凹凸構造を有する剥離性シ
ート等を上部に接触させることによっても、乾燥後の固
体高分子電解質膜１１４表面に求める凹凸構造を有する
膜を得ることができる。
散液をキャスト後、乾燥前に凹凸構造を有する剥離性シ
ート等を上部に接触させることによっても、乾燥後の固
体高分子電解質膜１１４表面に求める凹凸構造を有する
膜を得ることができる。
【００６４】上記の方法で用いる剥離性シート等は、た
とえば中心線平均粗さ（Ｒａ）が、好ましくは０．５ｎ
ｍ以上、より好ましくは１ｎｍ以上とすることができ
る。また、前記Ｒａは、好ましくは１００ｎｍ以下、よ
り好ましくは５０ｎｍ以下とすることができる。これに
より、前記固体高分子電解質膜１１４表面に好ましい凹
凸が付与される。
とえば中心線平均粗さ（Ｒａ）が、好ましくは０．５ｎ
ｍ以上、より好ましくは１ｎｍ以上とすることができ
る。また、前記Ｒａは、好ましくは１００ｎｍ以下、よ
り好ましくは５０ｎｍ以下とすることができる。これに
より、前記固体高分子電解質膜１１４表面に好ましい凹
凸が付与される。
【００６５】また、前記剥離シートの凹凸面は、たとえ
ば凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）０．５ｎｍ以上、
好ましくは１ｎｍ以上とすることができる。また、局部
山頂の平均間隔（Ｓ）は、１０００ｎｍ以下、好ましく
は１００ｎｍ以下とすることができる。これにより、前
記固体高分子電解質膜１１４表面に好ましい凹凸が付与
される。
ば凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）０．５ｎｍ以上、
好ましくは１ｎｍ以上とすることができる。また、局部
山頂の平均間隔（Ｓ）は、１０００ｎｍ以下、好ましく
は１００ｎｍ以下とすることができる。これにより、前
記固体高分子電解質膜１１４表面に好ましい凹凸が付与
される。
【００６６】本発明における固体高分子電解質膜１１４
の作製において、上記のキャスト法により表面が平滑な
固体高分子電解質膜１１４を作製した後、表面に凹凸構
造を形成させる方法として、たとえば固体高分子電解質
膜１１４の表面に他の物質をこすりつける方法があげら
れる。こすりつける物質として、たとえば繊維、繊維の
束、布、等の素材を用いることができる。こすりつける
物質の繊維の太さは、たとえば、０．５ｎｍ以上１μｍ
以下とすることができる。
の作製において、上記のキャスト法により表面が平滑な
固体高分子電解質膜１１４を作製した後、表面に凹凸構
造を形成させる方法として、たとえば固体高分子電解質
膜１１４の表面に他の物質をこすりつける方法があげら
れる。こすりつける物質として、たとえば繊維、繊維の
束、布、等の素材を用いることができる。こすりつける
物質の繊維の太さは、たとえば、０．５ｎｍ以上１μｍ
以下とすることができる。
【００６７】また、別の方法として、固体高分子電解質
膜１１４の表面にイオンを照射する方法がある。照射す
るイオンとしては、たとえばアルゴンイオンが例示さ
れ、たとえば、１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空中、入射角
１〜４５度の低入射角照射を行うことができる。
膜１１４の表面にイオンを照射する方法がある。照射す
るイオンとしては、たとえばアルゴンイオンが例示さ
れ、たとえば、１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空中、入射角
１〜４５度の低入射角照射を行うことができる。
【００６８】さらに、固体高分子電解質膜１１４の表面
に凹凸構造を形成させる別の方法に、酸素処理する方法
があり、たとえば、プラズマ酸素アッシャーを用いるこ
とができる。プラズマ照射条件は凹凸の程度等に応じて
適宜選択されるが、たとえば、１Ｔｏｒｒ以下の真空
中、１００Ｗ以上５００Ｗ以下のＲＦプラズマを１〜２
０分照射することにより好適な凹凸構造が得られる。
に凹凸構造を形成させる別の方法に、酸素処理する方法
があり、たとえば、プラズマ酸素アッシャーを用いるこ
とができる。プラズマ照射条件は凹凸の程度等に応じて
適宜選択されるが、たとえば、１Ｔｏｒｒ以下の真空
中、１００Ｗ以上５００Ｗ以下のＲＦプラズマを１〜２
０分照射することにより好適な凹凸構造が得られる。
【００６９】燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒
の炭素粒子への担持は、一般的に用いられている含浸法
によって行うことができる。次に触媒を担持させた炭素
粒子と固体高分子電解質を溶媒に分散させ、ペースト状
とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって
燃料極１０２および酸化剤極１０８を得ることができ
る。ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば０．０１〜
０．１μｍとする。触媒粒子の粒径は、たとえば１ｎｍ
〜１０ｎｍとする。また、固体高分子電解質粒子の粒径
は、たとえば０．０５〜１μｍとする。炭素粒子と固体
高分子電解質粒子とは、たとえば、重量比で２：１〜４
０：１の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶
質との重量比は、たとえば、１：２〜１０：１程度とす
る。基体へのペーストの塗布方法については特に制限が
ないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびス
クリーン印刷等の方法を用いることができる。ペースト
は、約１μｍ〜２ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを
塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度およ
び加熱時間で加熱し、燃料極または酸化剤極が作製され
る。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適
宜に選択されるが、たとえば、加熱温度１００℃〜２５
０℃、加熱時間３０秒間〜３０分とすることができる。
の炭素粒子への担持は、一般的に用いられている含浸法
によって行うことができる。次に触媒を担持させた炭素
粒子と固体高分子電解質を溶媒に分散させ、ペースト状
とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって
燃料極１０２および酸化剤極１０８を得ることができ
る。ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば０．０１〜
０．１μｍとする。触媒粒子の粒径は、たとえば１ｎｍ
〜１０ｎｍとする。また、固体高分子電解質粒子の粒径
は、たとえば０．０５〜１μｍとする。炭素粒子と固体
高分子電解質粒子とは、たとえば、重量比で２：１〜４
０：１の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶
質との重量比は、たとえば、１：２〜１０：１程度とす
る。基体へのペーストの塗布方法については特に制限が
ないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびス
クリーン印刷等の方法を用いることができる。ペースト
は、約１μｍ〜２ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを
塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度およ
び加熱時間で加熱し、燃料極または酸化剤極が作製され
る。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適
宜に選択されるが、たとえば、加熱温度１００℃〜２５
０℃、加熱時間３０秒間〜３０分とすることができる。
【００７０】以上のようにして作製した表面に凹凸を有
する上記固体高分子電解質膜１１４を、上記燃料極１０
２および上記酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスし、
触媒電極−固体高分子電解質膜接合体を得る。このと
き、両電極の触媒が設けられた面と固体高分子電解質膜
とが接するようにする。ホットプレスの条件は、材料に
応じて選択されるが、固体高分子電解質膜１１４や電極
表面の固体高分子電解質を軟化点やガラス転移のある有
機高分子で構成する場合、これらの高分子の軟化温度や
ガラス転移温度を超える温度とすることができる。具体
的には、例えば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１０
０ｋｇ／ｃｍ２、時間１０秒〜３００秒とする。
する上記固体高分子電解質膜１１４を、上記燃料極１０
２および上記酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスし、
触媒電極−固体高分子電解質膜接合体を得る。このと
き、両電極の触媒が設けられた面と固体高分子電解質膜
とが接するようにする。ホットプレスの条件は、材料に
応じて選択されるが、固体高分子電解質膜１１４や電極
表面の固体高分子電解質を軟化点やガラス転移のある有
機高分子で構成する場合、これらの高分子の軟化温度や
ガラス転移温度を超える温度とすることができる。具体
的には、例えば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１０
０ｋｇ／ｃｍ２、時間１０秒〜３００秒とする。
【００７１】
【実施例】以下に本発明の固体高分子電解質膜を用いた
固体高分子電解質型燃料電池及びその製造方法を実施例
によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定さ
れない。
固体高分子電解質型燃料電池及びその製造方法を実施例
によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定さ
れない。
【００７２】［実施例１］本実施例では、スルホン化ポ
リ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）
膜を作製し、この表面を改質したものを固体高分子電解
質膜として用いた。すなわち、スルホン化ポリ（４−フ
ェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）をイソプロ
パノールに溶解し、キャスト法により大きさ１０ｃｍ×
１０ｃｍ、厚さ５０μｍの膜を複数作製した。
リ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）
膜を作製し、この表面を改質したものを固体高分子電解
質膜として用いた。すなわち、スルホン化ポリ（４−フ
ェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）をイソプロ
パノールに溶解し、キャスト法により大きさ１０ｃｍ×
１０ｃｍ、厚さ５０μｍの膜を複数作製した。
【００７３】次に、膜の両面に、太さ３００〜５００ｎ
ｍのナイロン系有機物繊維をこすり付けて凹凸を付与し
た。こうして得られた複数の固体高分子電解質膜の凹凸
の程度を評価したところ、膜表面の中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）は１ｎｍから１００ｎｍの範囲であった。また、上
記膜表面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、１ｎｍから１
００ｎｍの範囲であった。
ｍのナイロン系有機物繊維をこすり付けて凹凸を付与し
た。こうして得られた複数の固体高分子電解質膜の凹凸
の程度を評価したところ、膜表面の中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）は１ｎｍから１００ｎｍの範囲であった。また、上
記膜表面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）は、１ｎｍから１
００ｎｍの範囲であった。
【００７４】触媒電極中の固体高分子電解質には、アル
コール溶液に固体高分子電解質を分散させたアルドリッ
チ・ケミカル社製の５ｗｔ％ナフィオン溶液を用いた。
また、触媒には炭素微粒子（デンカブラック；電気化学
社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金を重量比で５０％担持
させた触媒担持炭素微粒子を使用した。この固体高分子
電解質分散液と触媒担持炭素微粒子とを重量比で１：２
の割合で混ぜ、５０℃にて３時間超音波分散器で分散す
ることによりペースト状にした。このペーストをガス拡
散層となるカーボンペーパー（東レ社製：ＴＧＰ−Ｈ−
１２０）上にスクリーン印刷法で塗布した後、１００℃
にて加熱乾燥し、固体高分子電解質−触媒複合電極を作
製した。得られた電極表面の白金量は０．１〜０．４ｍ
ｇ／ｃｍ ２となった。
コール溶液に固体高分子電解質を分散させたアルドリッ
チ・ケミカル社製の５ｗｔ％ナフィオン溶液を用いた。
また、触媒には炭素微粒子（デンカブラック；電気化学
社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金を重量比で５０％担持
させた触媒担持炭素微粒子を使用した。この固体高分子
電解質分散液と触媒担持炭素微粒子とを重量比で１：２
の割合で混ぜ、５０℃にて３時間超音波分散器で分散す
ることによりペースト状にした。このペーストをガス拡
散層となるカーボンペーパー（東レ社製：ＴＧＰ−Ｈ−
１２０）上にスクリーン印刷法で塗布した後、１００℃
にて加熱乾燥し、固体高分子電解質−触媒複合電極を作
製した。得られた電極表面の白金量は０．１〜０．４ｍ
ｇ／ｃｍ ２となった。
【００７５】次に、この複合電極を上に記載のスルホン
化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜の両面に温度１００〜１５０℃、圧力１０〜５０
ｋｇ／ｃｍ２でホットプレスし、触媒電極−固体高分子
電解質膜接合体を作製した。なお、この際、スルホン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜として前記のように表面処理した膜と未処理の膜
を用いることにより、２種類の接合体を作製した。
化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜の両面に温度１００〜１５０℃、圧力１０〜５０
ｋｇ／ｃｍ２でホットプレスし、触媒電極−固体高分子
電解質膜接合体を作製した。なお、この際、スルホン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜として前記のように表面処理した膜と未処理の膜
を用いることにより、２種類の接合体を作製した。
【００７６】これらの接合体各１０サンプルを１０ｖ／
ｖ％メタノール水溶液に２４時間浸漬後、１００℃にて
乾燥した。得られたサンプルについてテープによる剥離
試験を行った結果、未処理の膜ではすべて触媒電極が固
体高分子電解質膜より剥離したが、表面処理した膜を用
いた場合にはすべて剥離せず、上記表面処理によって固
体高分子電解質膜と触媒電極との接合強度が顕著に上昇
していることが確認された。
ｖ％メタノール水溶液に２４時間浸漬後、１００℃にて
乾燥した。得られたサンプルについてテープによる剥離
試験を行った結果、未処理の膜ではすべて触媒電極が固
体高分子電解質膜より剥離したが、表面処理した膜を用
いた場合にはすべて剥離せず、上記表面処理によって固
体高分子電解質膜と触媒電極との接合強度が顕著に上昇
していることが確認された。
【００７７】次に、上で作製した触媒電極−固体高分子
電解質膜接合体をそれぞれ燃料電池の単セル測定用装置
にセットし、特性評価用単セルを作製した。このセル
に、１０ｖ／ｖ％メタノール水溶液と酸素ガスを供給
し、１気圧、室温下における電流電圧特性を測定した。
ここで、メタノール水溶液と酸素ガスの供給量はそれぞ
れ２ｃｃ／ｍｉｎ、及び、３０ｃｃ／ｍｉｎである。そ
の結果、未処理の膜を用いた場合の電流密度１００ｍＡ
／ｃｍ２での電池電圧は３５０ｍＶ程度であったが、前
記の表面処理を行った膜を用いた場合には電池電圧が４
２０ｍＶ程度の高い出力が得られた。このことから、上
記表面処理により固体高分子電解質膜と触媒電極との接
合面での抵抗上昇による出力低下を抑制することが確か
められた。
電解質膜接合体をそれぞれ燃料電池の単セル測定用装置
にセットし、特性評価用単セルを作製した。このセル
に、１０ｖ／ｖ％メタノール水溶液と酸素ガスを供給
し、１気圧、室温下における電流電圧特性を測定した。
ここで、メタノール水溶液と酸素ガスの供給量はそれぞ
れ２ｃｃ／ｍｉｎ、及び、３０ｃｃ／ｍｉｎである。そ
の結果、未処理の膜を用いた場合の電流密度１００ｍＡ
／ｃｍ２での電池電圧は３５０ｍＶ程度であったが、前
記の表面処理を行った膜を用いた場合には電池電圧が４
２０ｍＶ程度の高い出力が得られた。このことから、上
記表面処理により固体高分子電解質膜と触媒電極との接
合面での抵抗上昇による出力低下を抑制することが確か
められた。
【００７８】［実施例２］実施例１と同様にキャスト法
によりスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−
１，４−フェニレン）膜を複数作製した後、上記膜の両
面にアルゴンイオンを照射による表面改質を施すことに
より凹凸を付与した。こうして得られた複数の固体高分
子電解質膜の凹凸の程度を評価したところ、膜表面の中
心線平均粗さ（Ｒａ）は１ｎｍから１０ｎｍの範囲であ
った。また、上記膜表面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）
は、１ｎｍから１０ｎｍの範囲であった。ここで、アル
ゴンイオンは１０−４Ｔｏｒｒの真空中、加速電圧５０
Ｖ、入射角２０度で１０分照射した。また、本実施例に
おいては比較のため、固体高分子電解質膜に従来用いら
れているデュポン社製固体高分子電解質膜ナフィオン１
１２も用いた。
によりスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−
１，４−フェニレン）膜を複数作製した後、上記膜の両
面にアルゴンイオンを照射による表面改質を施すことに
より凹凸を付与した。こうして得られた複数の固体高分
子電解質膜の凹凸の程度を評価したところ、膜表面の中
心線平均粗さ（Ｒａ）は１ｎｍから１０ｎｍの範囲であ
った。また、上記膜表面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）
は、１ｎｍから１０ｎｍの範囲であった。ここで、アル
ゴンイオンは１０−４Ｔｏｒｒの真空中、加速電圧５０
Ｖ、入射角２０度で１０分照射した。また、本実施例に
おいては比較のため、固体高分子電解質膜に従来用いら
れているデュポン社製固体高分子電解質膜ナフィオン１
１２も用いた。
【００７９】固体高分子電解質−触媒複合電極、及び、
触媒電極−固体高分子電解質膜接合体は実施例１と同様
の方法により作製した。本実施例においても、固体高分
子電解質膜であるスルホン化ポリ（４−フェノキシベン
ゾイル−１，４−フェニレン）膜には実施例１同様表面
処理した膜と未処理の膜を用い、２種類の接合体を作製
した。さらに、本実施例では固体高分子電解質膜にデュ
ポン社製固体高分子電解質膜ナフィオン１１２を用いた
触媒電極−固体高分子電解質膜接合体も作製し、上記２
種類のスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−
１，４−フェニレン）膜を用いた場合との特性比較を行
った。
触媒電極−固体高分子電解質膜接合体は実施例１と同様
の方法により作製した。本実施例においても、固体高分
子電解質膜であるスルホン化ポリ（４−フェノキシベン
ゾイル−１，４−フェニレン）膜には実施例１同様表面
処理した膜と未処理の膜を用い、２種類の接合体を作製
した。さらに、本実施例では固体高分子電解質膜にデュ
ポン社製固体高分子電解質膜ナフィオン１１２を用いた
触媒電極−固体高分子電解質膜接合体も作製し、上記２
種類のスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−
１，４−フェニレン）膜を用いた場合との特性比較を行
った。
【００８０】これらの接合体各１０サンプルを１０ｖ／
ｖ％メタノール水溶液に２４時間浸漬後、１００℃にて
乾燥した。得られたサンプルについてテープによる剥離
試験を行った結果、表面処理を行わなかったスルホン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜を用いた接合体サンプルはすべて触媒電極が固体
高分子電解質膜より剥離したが、アルゴン照射により表
面処理したスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル
−１，４−フェニレン）膜を用いた接合体サンプルはす
べて剥離せず、上記表面処理によって固体高分子電解質
膜と触媒電極との接合強度が顕著に上昇していることが
確認された。
ｖ％メタノール水溶液に２４時間浸漬後、１００℃にて
乾燥した。得られたサンプルについてテープによる剥離
試験を行った結果、表面処理を行わなかったスルホン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜を用いた接合体サンプルはすべて触媒電極が固体
高分子電解質膜より剥離したが、アルゴン照射により表
面処理したスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル
−１，４−フェニレン）膜を用いた接合体サンプルはす
べて剥離せず、上記表面処理によって固体高分子電解質
膜と触媒電極との接合強度が顕著に上昇していることが
確認された。
【００８１】次に、上で作製した触媒電極−固体高分子
電解質膜接合体をそれぞれ燃料電池の単セル測定用装置
にセットし、特性評価用単セルを作製した。このセル
に、３０ｖ／ｖ％メタノール水溶液と酸素ガスを供給
し、１気圧、室温下における電流電圧特性を測定した。
ここで、メタノール水溶液と酸素ガスの供給量はそれぞ
れ２ｃｃ／ｍｉｎ、及び、３０ｃｃ／ｍｉｎである。そ
の結果、表面未処理の膜を用いた場合の電流密度１００
ｍＡ／ｃｍ２での電池電圧は３５０ｍＶ程度であった
が、前記の表面処理を行った膜を用いた場合には電池電
圧が４４０ｍＶ程度の高い出力が得られた。一方、固体
高分子電解質膜を従来用いられているナフィオン１１２
としたセルの電池電圧は３００ｍＶ程度であった。以上
のことから、本発明で得られる触媒電極−固体高分子電
解質膜接合体は従来用いられている固体高分子電解質膜
を用いた場合と比べ、高メタノール濃度で生じるクロス
オーバーを抑制することがわかった。さらに、固体高分
子電解質膜表面に上記処理を施すことにより、固体高分
子電解質膜と触媒電極との接合面での抵抗上昇による出
力低下を抑制し、燃料電池セルの出力が向上することが
確かめられた。
電解質膜接合体をそれぞれ燃料電池の単セル測定用装置
にセットし、特性評価用単セルを作製した。このセル
に、３０ｖ／ｖ％メタノール水溶液と酸素ガスを供給
し、１気圧、室温下における電流電圧特性を測定した。
ここで、メタノール水溶液と酸素ガスの供給量はそれぞ
れ２ｃｃ／ｍｉｎ、及び、３０ｃｃ／ｍｉｎである。そ
の結果、表面未処理の膜を用いた場合の電流密度１００
ｍＡ／ｃｍ２での電池電圧は３５０ｍＶ程度であった
が、前記の表面処理を行った膜を用いた場合には電池電
圧が４４０ｍＶ程度の高い出力が得られた。一方、固体
高分子電解質膜を従来用いられているナフィオン１１２
としたセルの電池電圧は３００ｍＶ程度であった。以上
のことから、本発明で得られる触媒電極−固体高分子電
解質膜接合体は従来用いられている固体高分子電解質膜
を用いた場合と比べ、高メタノール濃度で生じるクロス
オーバーを抑制することがわかった。さらに、固体高分
子電解質膜表面に上記処理を施すことにより、固体高分
子電解質膜と触媒電極との接合面での抵抗上昇による出
力低下を抑制し、燃料電池セルの出力が向上することが
確かめられた。
【００８２】［実施例３］実施例１、２と同様に、キャ
スト法によりスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイ
ル−１，４−フェニレン）膜を複数作製し、この表面を
改質したものを固体高分子電解質膜として用いた。薄膜
の両表面に０．１Ｔｏｒｒの酸素雰囲気で４００ＷのＲ
Ｆプラズマを１０分照射することによる酸素プラズマア
ッシャー処理を施し凹凸を付与した。こうして得られた
複数の固体高分子電解質膜の凹凸の程度を評価したとこ
ろ、膜表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）は１ｎｍから１０
ｎｍの範囲であった。また、上記膜表面の局部山頂の平
均間隔（Ｓ）は、１ｎｍから１０ｎｍの範囲であった。
固体高分子電解質−触媒複合電極、及び、触媒電極−固
体高分子電解質膜接合体は実施例１、２と同様の方法に
より作製した。本実施例においても、固体高分子電解質
膜であるスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−
１，４−フェニレン）膜には実施例１同様表面処理した
膜と未処理の膜を用い、２種類の接合体を作製した。
スト法によりスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイ
ル−１，４−フェニレン）膜を複数作製し、この表面を
改質したものを固体高分子電解質膜として用いた。薄膜
の両表面に０．１Ｔｏｒｒの酸素雰囲気で４００ＷのＲ
Ｆプラズマを１０分照射することによる酸素プラズマア
ッシャー処理を施し凹凸を付与した。こうして得られた
複数の固体高分子電解質膜の凹凸の程度を評価したとこ
ろ、膜表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）は１ｎｍから１０
ｎｍの範囲であった。また、上記膜表面の局部山頂の平
均間隔（Ｓ）は、１ｎｍから１０ｎｍの範囲であった。
固体高分子電解質−触媒複合電極、及び、触媒電極−固
体高分子電解質膜接合体は実施例１、２と同様の方法に
より作製した。本実施例においても、固体高分子電解質
膜であるスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−
１，４−フェニレン）膜には実施例１同様表面処理した
膜と未処理の膜を用い、２種類の接合体を作製した。
【００８３】これらの接合体各１０サンプルを１０ｖ／
ｖ％メタノール水溶液に２４時間浸漬後、１００℃にて
乾燥した。得られたサンプルについてテープによる剥離
試験を行った結果、表面処理を行わなかったスルホン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜を用いた接合体サンプルはすべて触媒電極が固体
高分子電解質膜より剥離したが、酸素プラズマアッシャ
ーによって表面処理したスルホン化ポリ（４−フェノキ
シベンゾイル−１，４−フェニレン）膜を用いた接合体
サンプルはすべて剥離せず、上記表面処理によって固体
高分子電解質膜と触媒電極との接合強度が顕著に上昇し
ていることが確認された。
ｖ％メタノール水溶液に２４時間浸漬後、１００℃にて
乾燥した。得られたサンプルについてテープによる剥離
試験を行った結果、表面処理を行わなかったスルホン化
ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレ
ン）膜を用いた接合体サンプルはすべて触媒電極が固体
高分子電解質膜より剥離したが、酸素プラズマアッシャ
ーによって表面処理したスルホン化ポリ（４−フェノキ
シベンゾイル−１，４−フェニレン）膜を用いた接合体
サンプルはすべて剥離せず、上記表面処理によって固体
高分子電解質膜と触媒電極との接合強度が顕著に上昇し
ていることが確認された。
【００８４】次に、上で作製した触媒電極−固体高分子
電解質膜接合体をそれぞれ燃料電池の単セル測定用装置
にセットし、特性評価用単セルを作製した。このセル
に、５０ｖ／ｖ％メタノール水溶液と酸素ガスを供給
し、１気圧、室温下における電流電圧特性を測定した。
ここで、メタノール水溶液と酸素ガスの供給量はそれぞ
れ２ｃｃ／ｍｉｎ、及び、３０ｃｃ／ｍｉｎである。そ
の結果、表面未処理の膜を用いた場合の電流密度１００
ｍＡ／ｃｍ２での電池電圧は３５０ｍＶ程度であった
が、前記の表面処理を行った膜を用いた場合には電池電
圧が４００ｍＶ程度の高い出力が得られたことから、上
記表面処理により固体高分子電解質膜と触媒電極との接
合面での抵抗上昇による出力低下を抑制し、高メタノー
ル濃度で生じるクロスオーバーも生じず、燃料電池セル
の出力が向上することが確かめられた。
電解質膜接合体をそれぞれ燃料電池の単セル測定用装置
にセットし、特性評価用単セルを作製した。このセル
に、５０ｖ／ｖ％メタノール水溶液と酸素ガスを供給
し、１気圧、室温下における電流電圧特性を測定した。
ここで、メタノール水溶液と酸素ガスの供給量はそれぞ
れ２ｃｃ／ｍｉｎ、及び、３０ｃｃ／ｍｉｎである。そ
の結果、表面未処理の膜を用いた場合の電流密度１００
ｍＡ／ｃｍ２での電池電圧は３５０ｍＶ程度であった
が、前記の表面処理を行った膜を用いた場合には電池電
圧が４００ｍＶ程度の高い出力が得られたことから、上
記表面処理により固体高分子電解質膜と触媒電極との接
合面での抵抗上昇による出力低下を抑制し、高メタノー
ル濃度で生じるクロスオーバーも生じず、燃料電池セル
の出力が向上することが確かめられた。
【００８５】なお、以上の実施例では固体高分子電解質
としてアルドリッチ・ケミカル社製のナフィオン溶液を
用いたが、上記実施例に限定されるものではない。
としてアルドリッチ・ケミカル社製のナフィオン溶液を
用いたが、上記実施例に限定されるものではない。
【００８６】以上の各実施例から、本発明により電池特
性が大幅に向上することが明らかになった。すなわち、
本発明による実施例では、固体高分子電解質膜に凹凸面
を形成することにより、触媒電極表面と固体高分子電解
質膜との界面における密着性を高め、電池特性の向上お
よび電池の信頼性の向上することができた。さらに、燃
料中のメタノール濃度が高い場合においても、触媒電極
表面における水素イオン伝導性等を良好に維持しつつ、
メタノールのクロスオーバーを抑制することができた。
性が大幅に向上することが明らかになった。すなわち、
本発明による実施例では、固体高分子電解質膜に凹凸面
を形成することにより、触媒電極表面と固体高分子電解
質膜との界面における密着性を高め、電池特性の向上お
よび電池の信頼性の向上することができた。さらに、燃
料中のメタノール濃度が高い場合においても、触媒電極
表面における水素イオン伝導性等を良好に維持しつつ、
メタノールのクロスオーバーを抑制することができた。
【００８７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、凹
凸面を有する固体高分子電解質膜を用いるため、触媒電
極との界面において良好な密着性が得られる。このた
め、前記触媒電極表面と前記固体高分子電解質膜との界
面における密着性を高め、電池特性の向上および電池の
信頼性を向上させることができる。また、触媒電極表面
における水素イオン伝導性や有機液体燃料の透過性等を
良好に維持しつつ、有機液体燃料のクロスオーバーを抑
制することができる。
凸面を有する固体高分子電解質膜を用いるため、触媒電
極との界面において良好な密着性が得られる。このた
め、前記触媒電極表面と前記固体高分子電解質膜との界
面における密着性を高め、電池特性の向上および電池の
信頼性を向上させることができる。また、触媒電極表面
における水素イオン伝導性や有機液体燃料の透過性等を
良好に維持しつつ、有機液体燃料のクロスオーバーを抑
制することができる。
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池の単セル
構造を模式的に示した断面図である。
構造を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の一例における燃料極、酸化
剤極および固体高分子電解質膜を模式的に表した断面図
である。
剤極および固体高分子電解質膜を模式的に表した断面図
である。
１００ 燃料電池
１０１ 単セル構造
１０２ 燃料極
１０４ 基体
１０６ 触媒層
１０８ 酸化剤極
１１０ 基体
１１２ 触媒層
１１４ 固体高分子電解質膜
１２０ 燃料極側エンドプレート
１２２ 酸化剤極側エンドプレート
１２４ 燃料
１２６ 酸化剤
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 黒島 貞則
東京都港区芝５丁目７番１号 日本電気株
式会社内
(72)発明者 島川 祐一
東京都港区芝５丁目７番１号 日本電気株
式会社内
(72)発明者 眞子 隆志
東京都港区芝５丁目７番１号 日本電気株
式会社内
(72)発明者 木村 英和
東京都港区芝５丁目７番１号 日本電気株
式会社内
(72)発明者 今井 英人
東京都港区芝５丁目７番１号 日本電気株
式会社内
(72)発明者 久保 佳実
東京都港区芝５丁目７番１号 日本電気株
式会社内
Ｆターム(参考） 5H026 AA08 BB02 BB04 BB08 CX05
EE18 HH03
Claims (15)
- 【請求項１】 凹凸面を有する固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の前記凹凸面に接合された触媒
電極と、を備えたことを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池において、前
記凹凸面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ≦Ｒａ
≦１００ｎｍの値を有することを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の燃料電池にお
いて、前記凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）が０．５
ｎｍ≦Ｓ≦１０００ｎｍであることを特徴とする燃料電
池。 - 【請求項４】 請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電
池において、前記凹凸面は繊維をこすりつけることによ
って形成されたものであることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項５】 請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電
池において、前記凹凸面はイオン照射により形成された
ものであることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項６】 請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電
池において、前記凹凸面はプラズマ処理により形成され
たものであることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項７】 請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電
池において、前記触媒電極は、触媒物質および固体高分
子電解質を含む触媒層を有し、該触媒層と前記固体高分
子電解質膜の前記凹凸面が接合してなることを特徴とす
る燃料電池。 - 【請求項８】 請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電
池において、前記触媒層を構成する固体高分子電解質
は、固体高分子電解質膜を構成する高分子化合物または
その誘導体からなることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項９】 固体高分子電解質膜の少なくとも一方の
面に、繊維をこすりつけることによって凹凸面を形成す
る工程を含むことを特徴とする燃料電池用固体高分子電
解質膜の製造方法。 - 【請求項１０】 固体高分子電解質膜の少なくとも一方
の面に、イオン照射によって凹凸面を形成する工程を含
むことを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜の製
造方法。 - 【請求項１１】 固体高分子電解質膜の少なくとも一方
の面に、プラズマ処理によって凹凸面を形成する工程を
含むことを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質膜の
製造方法。 - 【請求項１２】 請求項９乃至１１いずれかに記載の燃
料電池用固体高分子電解質膜の製造方法において、前記
凹凸面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ≦Ｒａ≦
１００ｎｍの値を有することを特徴とする燃料電池用固
体高分子電解質膜の製造方法。 - 【請求項１３】 請求項９乃至１２いずれかに記載の燃
料電池用固体高分子電解質膜の製造方法において、前記
凹凸面の局部山頂の平均間隔（Ｓ）が０．５ｎｍ≦Ｓ≦
１０００ｎｍの値を有することを特徴とする燃料電池用
固体高分子電解質膜の製造方法。 - 【請求項１４】 請求項９乃至１３いずれかに記載の燃
料電池用固体高分子電解質膜の製造方法によって固体高
分子電解質膜を得る工程と、触媒物質を担持した導電粒
子と固体高分子電解質を含む粒子とを含有する塗布液を
基体上に塗布して触媒層を形成し触媒電極を作製する工
程と、前記固体高分子電解質膜と前記触媒電極とを当接
させた状態で、前記固体高分子電解質膜と前記触媒電極
とを圧着する工程と、を含むことを特徴とする、燃料電
池の製造方法。 - 【請求項１５】 請求項１４に記載の燃料電池の製造方
法において、前記触媒層を構成する固体高分子電解質と
して、固体高分子電解質膜を構成する高分子化合物また
はその誘導体を用いることを特徴とする燃料電池の製造
方法。
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