JP2006139970A

JP2006139970A - 固体高分子型燃料電池の電極構造体

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Publication number: JP2006139970A
Application number: JP2004327072A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Fukuda; 薫福田; Ryoichiro Takahashi; 亮一郎高橋; Junji Matsuo; 順二松尾
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: US20060099487A1; DE102005053758A1; JP4429142B2; US7288336B2

Abstract

【課題】初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供する。
【解決手段】アノード電極３０と、カソード電極４０と、これらの電極に挟持された高分子電解質膜２０と、を備えた固体高分子型燃料電池の電極構造体１０において、カソード電極４０の触媒層４１中に、Ｐｔ−Ｃｏ合金が電気伝導性物質に担持されたＰｔ−Ｃｏ触媒と、結晶性炭素繊維と、を含有させることにより、触媒活性の向上と触媒担体の酸化腐食反応の抑制を実現でき、初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体１０を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の電極構造体に関し、特に、初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体に関する。

近年、燃料電池は、地球温暖化や環境破壊の抑止手段として、また、資源枯渇が予想されるエネルギー問題の解決策として期待されており、研究開発が盛んに行われている。燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応によりエネルギーを発生させるものであり、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池等様々な種類のものがある。これらのうち、固体高分子型燃料電池は、常温から起動が可能であるうえ小型で高出力であるため、自動車（二輪、四輪）やポータブル電源等の電力源として最も注目を浴びている。

この固体高分子型燃料電池は、電極構造体をその基本構成単位とし、電極構造体をセパレータで挟持した単セルを数十個〜数百個組み合せてなるスタック（集合電池）として用いられる。基本構成単位である電極構造体は、アノード電極（燃料極）及びカソード電極（空気極）の二つの電極と、これら二つの電極に挟持された高分子電解質膜とから形成される。両電極は、高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。両電極に配置される触媒層は、イオン伝導性物質と、カーボン等の電気伝導性物質に金属を担持させた触媒とから形成される。このような構成からなる固体高分子型燃料電池は、アノード電極側に水素を含む燃料を供給し、カソード電極側に酸素又は空気を供給することで発電する。

ところで、従来の固体高分子型燃料電池は、長期の使用により性能が低下するという課題を抱えている。性能を低下させる第一の要因は、触媒金属のシンタリングによる触媒活性の低下である。第二の要因は、触媒金属によるカーボン等の触媒担体の酸化腐食反応の進行である。そして、第三の要因は、面圧の付与による電極の潰れに起因したガス拡散性の低下である。

この課題の解決策として、白金とコバルトの合金をカーボンに担持させたＰｔ−Ｃｏ触媒を、カソード電極の触媒層に用いた固体高分子型燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。このＰｔ−Ｃｏ触媒は、白金とコバルトを合金化させることにより、触媒のシンタリングによる粒径の増大を抑制する効果を有する。このため、このＰｔ−Ｃｏ触媒は、従来一般的に用いられていた白金触媒に比べて高い触媒活性を有し、優れた発電性能を有する固体高分子型燃料電池を提供できる。
特開２００３−１４２１１２号公報

しかしながら、このＰｔ−Ｃｏ触媒は触媒活性が高い一方で、カーボン等の触媒担体までも腐食させてしまう。従って、長期の発電により、カーボン等の触媒担体の腐食が進行し、発電性能の低下の原因となる。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、カソード電極の触媒層中に、Ｐｔ−Ｃｏ合金が電気伝導性物質に担持されたＰｔ−Ｃｏ触媒と、結晶性炭素繊維と、を含有させることにより、初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。

（１）アノード電極と、カソード電極と、これらの電極に挟持された高分子電解質膜と、を備えた固体高分子型燃料電池の電極構造体であって、前記両電極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成され、前記カソード電極の触媒層は、Ｐｔ−Ｃｏ合金が電気伝導性物質に担持されたＰｔ−Ｃｏ触媒と、イオン伝導性物質と、結晶性炭素繊維と、を含有する固体高分子型燃料電池の電極構造体。

（１）の電極構造体は、カソード電極の触媒層中にＰｔ−Ｃｏ触媒、イオン伝導性物質、及び、結晶性炭素繊維を含有することを特徴とする。Ｐｔ−Ｃｏ触媒は、上述したように触媒のシンタリングを回避でき、高い触媒活性を有するため、優れた発電性能を発揮できる。また、結晶性炭素繊維の存在により、電極抵抗が低下して発熱量が減少する。このため、カーボン等の触媒担体への過剰な熱エネルギーの付与が抑制され、酸化腐食反応の進行を抑制できる。さらには、結晶性炭素繊維の存在により、面圧の付与による電極の潰れを抑制でき、ひいてはガス拡散性の低下を抑制できる。従って、（１）の電極構造体によれば、初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池を提供できる。

（２）前記Ｐｔ−Ｃｏ触媒は、空気中での着火温度が３４０℃以上である（１）記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。

（２）の電極構造体で用いられるＰｔ−Ｃｏ触媒は、空気中での着火温度が３４０℃以上である。このため、Ｐｔ−Ｃｏ触媒は耐酸化性に優れ、このＰｔ−Ｃｏ触媒を用いた（２）の電極構造体は、長期の使用による酸化劣化が抑制され、長期に亘り安定した発電性能を有する。従って、（２）の電極構造体によれば、初期性能が高く、より優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供できる。

（３）前記Ｐｔ−Ｃｏ触媒は、１５０℃の空気中で５００時間保持したときの質量減少率が１０％以下である（１）又は（２）記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。

（３）の電極構造体で用いられるＰｔ−Ｃｏ触媒は、１５０℃の空気中で５００時間保持したときの質量減少率が１０％以下である。従来一般的であったＰｔ触媒等では、長期の使用により担体のカーボンブラックが腐食し、大きな質量減少が認められたが、このＰｔ−Ｃｏ触媒では質量の減少率が抑制されている。このため、カーボン等の触媒担体の表面腐食による触媒金属の脱離を防止できる。従って、（３）の電極構造体によれば、初期性能が高く、より優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供できる。

（４）前記カソード電極の触媒層は、１２０℃で面圧２０ｋｇ／ｃｍ^２をかけて１０００時間保持したときの厚みの減少率が２０％以下である（１）から（３）いずれか記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。

（４）の電極構造体におけるカソード電極の触媒層は、１２０℃で面圧２０ｋｇ／ｃｍ^２をかけて１０００時間保持したときの厚みの減少率が２０％以下である。このため、（４）の電極構造体は、面圧の付与による電極の潰れを回避でき、安定且つ優れたガス拡散性及び水排出性を有する。これらガス拡散性及び水排出性は、電極構造体の発電性能に大きく影響を及ぼすものである。具体的には、ガス拡散性が良好である場合には、カソード電極の触媒層中に酸素ガスが均一に拡散されて電極反応が効率的に進行する。また、水排出性が良好である場合には、触媒層中の細孔等のガス拡散流路に水が溜まってガスの拡散を阻害するフラッディング現象の発生を回避できる。即ち、これらガス拡散性及び水排出性に優れた電極構造体は、良好な発電性能を有する。従って、（４）の電極構造体によれば、より初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供できる。

（５）前記結晶性炭素繊維は、［００２］面の平均格子面間隔が０．３４５ｎｍ以下、繊維径が０．１μｍ以上０．５μｍ以下、繊維長が１０μｍ以上４０μｍ以下、嵩密度が０．０２ｇ／ｃｍ^３以上０.１０ｇ／ｃｍ^３以下、比表面積が５ｍ^２／ｇ以上２０ｍ^２／ｇ以下、比抵抗が０．０２５Ωｃｍ以下である（１）から（４）いずれか記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。

（５）の電極構造体で用いられる結晶性炭素繊維は、［００２］面の平均格子面間隔が０．３４５ｎｍ以下、繊維径が０．１μｍ以上０．５μｍ以下、繊維長が１０μｍ以上４０μｍ以下、嵩密度が０．０２ｇ／ｃｍ^３以上０.１０ｇ／ｃｍ^３以下、比表面積が５ｍ^２／ｇ以上２０ｍ^２／ｇ以下、比抵抗が０．０２５Ωｃｍ以下である。このような物性を有する結晶性炭素繊維を用いた（５）の電極構造体によれば、結晶性炭素繊維が有する上記の効果を十分発揮でき、さらに初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供できる。

本発明によれば、初期性能が高く、優れた耐久性を有する固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜全体構成＞
図１に、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池の基本構成単位である電極構造体１０の断面図を示す。図１に示すように、電極構造体１０は、アノード電極３０と、カソード電極４０と、これらの電極に挟持された高分子電解質膜２０と、を備えている。アノード電極３０は、高分子電解質膜２０に接する触媒層３１と、この触媒層３１に接するガス拡散層３２とから形成されている。また、カソード電極４０は、高分子電解質膜２０に接する触媒層４１と、この触媒層４１に接するガス拡散層４２とから形成されている。

［高分子電解質膜］
高分子電解質膜２０は、高分子電解質から形成されている。具体的には、高分子骨格の少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系高分子体、又は、高分子骨格にフッ素を含まない炭化水素系高分子体であって、イオン交換基を備えたものであることが好ましい。イオン交換基の種類は特に限定されず、用途に応じて任意に選択できる。例えば、スルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸等のイオン交換基のうち少なくとも一種を備えた高分子電解質を用いることができる。

高分子骨格の少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系高分子体であって、イオン交換基を備えた高分子電解質としては、具体的には、ナフィオン（登録商標）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。これらのうち、ナフィオンが好ましく用いられる。

高分子骨格にフッ素を含まない炭化水素系高分子体であって、イオン交換基を備えた高分子電解質としては、具体的には、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸等が挙げられる。

［カソード電極の触媒層］
カソード電極の触媒層４１は、Ｐｔ−Ｃｏ合金が電気伝導性物質に担持されたＰｔ−Ｃｏ触媒と、イオン伝導性物質と、結晶性炭素繊維と、を含有する。イオン伝導性物質は、高分子電解質により形成され、高分子電解質膜２０と同様の高分子電解質を用いることが好ましい。また、結晶性炭素繊維は、結晶として完全性が高いウィスカー状の繊維を意味し、例えば、単結晶の真性ウィスカー、多結晶の非真性ウィスカーの他、カーボンナノチューブ等も含む概念である。特に、表１に示す物性を有する結晶性炭素繊維が好ましく用いられる。

Ｐｔ−Ｃｏ触媒は、上述したように白金とコバルトの合金をカーボンに担持させたＰｔ−Ｃｏ触媒であり、本実施形態で用いられるＰｔ−Ｃｏ触媒の着火温度は、３４０℃以上であることが好ましい。着火温度は発火温度とも呼ばれ、物質が火炎などで点火されることなしに、空気中で発火する温度の最低値を意味する。具体的には、本明細書中における着火温度は、測定装置としてＴＧ−ＤＴＡを用い、大気中で昇温速度を１０℃／分として測定を行うことにより得られる。

また、本実施形態で用いられるＰｔ−Ｃｏ触媒の質量減少率は、１０％以下であることが好ましい。この質量減少率は、秤量瓶中に触媒１ｇを精秤し、１５０℃の乾燥機内に静置して５００時間経過後、質量の変化を測定することにより求めることができる。

なお、本実施形態の電極構造体におけるカソード電極の触媒層は、１２０℃で面圧２０ｋｇ／ｃｍ^２をかけて１０００時間保持したときの厚みの減少率が２０％以下であることが好ましい。この触媒層の厚み減少率は、次のようにして求めることができる。予め作製した６０ｍｍ×６０ｍｍの高分子電解質膜と触媒層との接合体を、ねじとコイルスプリングにて、面圧が調整可能な治具に挟みこみ（図２参照）、面圧２０ｋｇ／ｃｍ^２をかけて温度１２０℃、湿度７５％に設定した恒温恒湿層中に静置する。１０００時間経過後、試料を取り出してエポキシ樹脂等の包埋樹脂中に埋め込み、平面に研磨した後、ＳＥＭ観察により触媒層の断面厚さを測定し、予め同条件で作製した初期の触媒層の断面厚さの測定結果とから、触媒層の厚み減少率を求めることができる。

［アノード電極の触媒層］
アノード電極の触媒層３１は、従来の一般的なアノード電極の触媒層と同様の構成でよく、イオン伝導性物質と、カーボン等の担体に白金等の金属を担持させた触媒を含有する。なお、イオン伝導性物質は、高分子電解質により形成され、高分子電解質膜２０やカソード電極の触媒層４１で用いられるものと同様の高分子電解質を用いることが好ましい。触媒としては、カーボンに白金を担持させたものの他、カーボンに白金とルテニウムの合金を担持させたＰｔ−Ｒｕ触媒等を用いることができる。

［ガス拡散層］
アノード電極側のガス拡散層３２及びカソード電極側のガス拡散層４２は、従来の一般的なガス拡散層と同様の構成であってよく、アノード電極側とカソード電極側とでは、全く同様の構成であってよい。アノード電極側であれば、燃料の水素ガスが触媒層３１に均等に到達できるようなものであることが好ましく、カソード電極側であれば、酸素ガスを含有する空気が触媒層４１に均等に到達できるようなものであることが好ましい。図１に示す通り、アノード電極側のガス拡散層３２は、触媒層３１に接するカーボン・テフロン（登録商標）層３３と、このカーボン・テフロン層３３に接するカーボンペーパー層３４から形成されている。また、カソード電極側のガス拡散層４２は、触媒層４１に接するカーボン・テフロン層４３と、このカーボン・テフロン層４３に接するカーボンペーパー層４４から形成されている。なお、これらのガス拡散層は、例えば、予めテフロンディスパージョン等で撥水化処理を行ったカーボンペーパー上に、テフロンディスパージョンとカーボンブラック粉末とを混合したものを塗布することにより得られる。

＜製造方法＞
本実施形態に係る電極構造体の製造方法は、次の通りである。先ず、白金とルテニウムの合金をカーボンブラックに担持させたＰｔ−Ｒｕ触媒と、高分子電解質とを混合してアノード触媒ペーストを得る。同様にして、白金とコバルトの合金をカーボンブラックに担持させたＰｔ−Ｃｏ触媒と、高分子電解質とを混合してカソード触媒ペーストを得る。得られたアノード触媒ペースト及びカソード触媒ペーストそれぞれをテフロンシート等に塗布する。これにより、アノード電極シート及びカソード電極シートが得られる。次いで、よく乾燥させたアノード電極シート及びカソード電極シートで高分子電解質膜２０を挟持し、デカール法（転写法）で転写させることにより、高分子電解質膜２０と触媒層との接合体が得られる。最後に、別途、カーボンペーパー上にポリテトラフルオロエチレン等とカーボンブラックとを溶媒中で混合したペーストを塗布、乾燥して作成した１対のガス拡散層シートで高分子電解質膜２０と触媒層との接合体を挟持した後、１３０℃〜１６０℃のホットプレスで一体化することにより、電極構造体が得られる。また、この電極構造体を１対のセパレータで挟持することにより、固体高分子型燃料電池の単セルが得られる。なお、セパレータは溝を有し、反応ガスの供給通路として利用されるものであり、炭素系又は金属系の材質のものを適宜組み合わせて用いることができる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

＜実施例１＞
［アノード電極シートの作成］
先ず、白金とルテニウムの合金（ＰｔとＲｕのモル比が１：１）からなる触媒金属をカーボンブラック担体に担持させたＰｔ−Ｒｕ触媒（田中貴金属工業社製、商品名「ＴＥＣ６１Ｅ５４」）を準備した。このＰｔ−Ｒｕ触媒は、担体と触媒金属との質量比が４６：５４であった。このＰｔ−Ｒｕ触媒１０ｇを、イオン伝導性物質（デュポン社製、商品名「ＮａｆｉｏｎＤＥ２０２１」）３６．８ｇに混合してアノード触媒ペーストを得た。得られたアノード触媒ペーストをＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）シート上に、触媒金属量が０．１５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布、乾燥させてアノード電極シートを得た。

［カソード電極シートの作成］
先ず、カーボンブラック（Ｃａｂｏｔ社製、商品名「ＢＰ２０００」）を１５００℃で焼成した担体に、白金とコバルトの合金（ＰｔとＣｏのモル比が５：１）からなる触媒金属を担持させたＰｔ−Ｃｏ触媒を準備した。このＰｔ−Ｃｏ触媒は、担体と触媒金属との質量比が４８：５２であった。このＰｔ−Ｃｏ触媒９．６ｇと、イオン伝導性物質（デュポン社製、商品名「ＮａｆｉｏｎＤＥ２０２１」）３５ｇ及び結晶性炭素繊維（昭和電工社製、商品名「ＶＧＣＦ」）２．５ｇとを混合してカソード触媒ペーストを得た。得られたカソード触媒ペーストをＦＥＰシート上に、触媒金属量が０．３０ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布、乾燥させてカソード電極シートを得た。

［高分子電解質膜と触媒層との接合体の作成］
高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（デュポン社製、商品名「ＮａｆｉｏｎＤＥ２０２１」）を準備した。上記で得られたアノード電極シート及びカソード電極シートで、この高分子電解質膜を挟持した。次いで、デカール法（転写法）で転写させ、高分子電解質膜と触媒層との接合体を得た。

［ガス拡散層の作成］
テフロンディスパージョン（旭硝子社製、商品名「Ｌ１７０Ｊ」）１２．０ｇとカーボンブラック（Ｃａｂｏｔ社製、商品名「バルカンＸＣ７５」）１８．０ｇとを、エチレングリコール５０ｇ中で混合して下地層ペーストを得た。この下地層ペーストを、予めテフロンディスパージョン（三井デュポンケミカル社製、商品名「ＦＥＰ１２０Ｊ」）で撥水化処理を行ったカーボンペーパー（東レ社製、商品名「ＴＧＰ０６０」）上に、下地層ペーストが２．３ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布、乾燥させることにより、１対のガス拡散層シートを得た。

［電極構造体の作成］
上記で得られた１対のガス拡散層シートで、高分子電解質膜と触媒層との接合体を挟持し、ホットプレスで一体化することにより、電極構造体を得た。

＜実施例２＞
カーボンブラック（ライオン社製、商品名「ケッチェンブラック」）を１５００℃で焼成し、これをカソード電極シートで用いる触媒の担体とした以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜実施例３＞
カーボンブラック（ライオン社製、商品名「ケッチェンブラック」）を２８００℃で焼成し、これをカソード電極シートで用いる触媒の担体とした以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜実施例４＞
カーボンブラック（ライオン社製、商品名「ケッチェンブラック」）を焼成せず、そのままカソード電極シートで用いる触媒の担体とした以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜実施例５＞
カーボンブラック（ライオン社製、商品名「ケッチェンブラック」）を１２００℃で焼成し、これをカソード電極シートで用いる触媒の担体とした以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜実施例６＞
カーボンブラック（Ｃａｂｏｔ社製、商品名「バルカンＸＣ−７２」）を１２００℃で焼成し、これをカソード電極シートで用いる触媒の担体とした以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜実施例７＞
カーボンブラック（ライオン社製、商品名「ケッチェンブラック」）を１５００℃で焼成し、これをカソード電極シートで用いる触媒の担体とし、結晶性炭素繊維の添加量を１．６ｇとした以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜実施例８＞
カーボンブラック（ライオン社製、商品名「ケッチェンブラック」）を１５００℃で焼成し、これをカソード電極シートで用いる触媒の担体とし、結晶性炭素繊維の添加量を１．１ｇとした以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜比較例１＞
カーボンブラック（ライオン社製、商品名「ケッチェンブラック」）を１５００℃で焼成し、これをカソード電極シートで用いる触媒の担体とし、結晶性炭素繊維を添加しなかった以外は、実施例１と同様の作成方法により電極構造体を得た。

＜評価＞
［着火温度］
実施例１〜８及び比較例１で用いた各触媒の着火温度の測定を行った。具体的には、測定装置としてＴＧ−ＤＴＡ（リガク製、商品名「ＴｈｅｒｍｏＰｌｕｓ２／ＴＧ−ＤＴＡ」）を用い、大気中で昇温速度を１０℃／分として測定を実施した。

［質量減少率］
実施例１〜８及び比較例１で用いた各触媒の質量減少率の測定を行った。具体的には、秤量瓶中に触媒１ｇを精秤し、予め１５０℃に設定した乾燥機内に静置した。乾燥機内に静置して５００時間経過後、乾燥雰囲気下で質量を精秤し、質量減少率を求めた。

［触媒層の厚み減少率］
実施例１〜８及び比較例１で用いた各触媒層の厚み減少率の測定を行った。具体的には、予め作製した６０ｍｍ×６０ｍｍの高分子電解質膜と触媒層との接合体を、ねじとコイルスプリングにて、面圧が調整可能な治具に挟みこみ、面圧２０ｋｇ／ｃｍ^２をかけて温度１２０℃、湿度７５％に設定した恒温恒湿層中に静置した。１０００時間経過後、試料を取り出してエポキシ樹脂等の包埋樹脂中に埋め込み、平面に研磨した後、ＳＥＭ観察を実施した。ＳＥＭ観察により、触媒層の断面厚さを測定し、予め同条件で作製した初期の触媒層の断面厚さとから、触媒層の厚み減少率を求めた。

［耐久試験］
実施例１〜８及び比較例１により得られた電極構造体それぞれを、１対のセパレータで挟持して単セルとした後、以下の運転条件下で電流・電圧性能の確認を行った。
〔運転条件〕運転温度：８０℃
相対湿度：Ａ（アノード）＝Ｃ（カソード）＝８０％
利用率（消費量／供給量）：Ａ（アノード）＝Ｃ（カソード）＝６０％

電流・電圧性能を確認後、耐久試験を実施した。具体的には、運転温度が９５℃、相対湿度が両電極ともに８０％、利用率が両電極いずれも５０％の条件下において、印加電流を１．０Ａ／ｃｍ^２とした状態で１０００時間運転を行い、運転後の電圧低下量を求めた。以上、得られた結果を表２に示す。

表２の結果を基にして、触媒の着火温度と電圧低下量との関係を図３に示す。図３に示す通り、触媒の着火温度が高いほど電圧低下量は小さく、耐久性が高いことが確認された。また、触媒の質量減少率と電圧低下量との関係を図４に示す。図４に示す通り、触媒の質量減少率が小さいほど電圧低下量は小さく、耐久性が高い傾向があることが確認された。さらに、触媒層の厚み減少率と電圧低下量との関係を図５に示す。図５に示す通り、触媒層の厚み減少率が小さいほど電圧低下量は小さく、耐久性が高いことが確認された。

電極構造体の全体構成を示す図面である。触媒層の厚み減少率を測定方法を説明するための図面である。触媒の着火温度と電圧低下量との関係を示す図面である。触媒の質量減少率と電圧低下量との関係を示す図面である。触媒層の厚み減少率と電圧低下量との関係を示す図面である。

符号の説明

１０電極構造体
２０高分子電解質膜
３０アノード電極
３１、４１触媒層
４０カソード電極
３２、４２ガス拡散層
５０高分子電解質膜と触媒層との接合体
７０面圧設定治具

Claims

アノード電極と、カソード電極と、これらの電極に挟持された高分子電解質膜と、を備えた固体高分子型燃料電池の電極構造体であって、
前記両電極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成され、
前記カソード電極の触媒層は、Ｐｔ−Ｃｏ合金が電気伝導性物質に担持されたＰｔ−Ｃｏ触媒と、イオン伝導性物質と、結晶性炭素繊維と、を含有する固体高分子型燃料電池の電極構造体。
前記Ｐｔ−Ｃｏ触媒は、空気中での着火温度が３４０℃以上である請求項１記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。
前記Ｐｔ−Ｃｏ触媒は、１５０℃の空気中で５００時間保持したときの質量減少率が１０％以下である請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。
前記カソード電極の触媒層は、１２０℃で面圧２０ｋｇ／ｃｍ^２をかけて１０００時間保持したときの厚みの減少率が２０％以下である請求項１から３いずれか記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。
前記結晶性炭素繊維は、［００２］面の平均格子面間隔が０．３４５ｎｍ以下、繊維径が０．１μｍ以上０．５μｍ以下、繊維長が１０μｍ以上４０μｍ以下、嵩密度が０．０２ｇ／ｃｍ^３以上０.１０ｇ／ｃｍ^３以下、比表面積が５ｍ^２／ｇ以上２０ｍ^２／ｇ以下、比抵抗が０．０２５Ωｃｍ以下である請求項１から４いずれか記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。