JP2009199737A - 電極・高分子電解質膜接合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子電解質膜体が複数膜による積層構造のものでも、固体高分子電解質膜体が湿潤サイクルを受けた際に損傷等することによって劣化してしまう虞がない電極・高分子電解質膜接合体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜体４と、この固体高分子電解質膜体４を挟持する燃料極６及び酸化剤極８とを備えたもので、固体高分子電解質膜体４が、導電性のない多孔質体で形成された補強部材によって機械的強度が補強された高分子電解質膜２と補強されていない高分子電解質膜３との積層構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜形燃料電池等に用いられる電極・高分子電解質膜接合体およびその製造方法に関する。

周知の通り、燃料電池は、燃料極側に導入される燃料ガス中の水素と、酸化剤極側に導入される酸化剤ガス中の酸素の化学反応から電気エネルギーを得るもので、燃料極と酸化剤極の両極部分では、白金あるいは白金と他元素との合金等でなる微粒子を炭素粒子上に担持させた触媒を存在させて反応が進められ、電気エネルギーと熱エネルギーが得られ、酸化剤極では水が生成される。そして、各極での反応の反応式は、
燃料極では、 Ｈ_２→２Ｈ^＋＋ｅ^―
酸化剤極では、 ４Ｈ_２＋Ｏ_２＋ｅ^―→２Ｈ_２Ｏ
となる。

そして、燃料電池のうち、燃料極と酸化剤極との間に固体高分子電解質膜を設けて両極の気体を分離するよう構成した固体高分子電解質膜形燃料電池は、比較的低温度で運転でき、起動時間が短く、大きな出力密度が得られることから、定置電源用、車載電源用等として大きな注目を浴びている。こうした固体高分子電解質膜形燃料電池の単位セルの構成は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜の両主面を燃料極と酸化剤極とで挟持するよう構成した電極・高分子電解質膜接合体を、さらに平板状の導電性を有する一対の燃料側セパレータと酸化剤側セパレータとで挟持したものとなっている。なお、燃料側セパレータと酸化剤側セパレータは、それぞれ電極・高分子電解質膜接合体側の面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路を形成する溝が形成されており、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを電極・高分子電解質膜接合体に供給するようになっている。

また、固体高分子電解質膜には、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する反応ガス分離機能と、燃料極で生成された水素イオンを酸化剤極に運ぶ水素イオン導電性とに優れている、１０μｍ〜１００μｍ程度の厚さのパーフルオロカーボンスルフォン酸膜、例えば、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）等が用いられている。もっとも、この固体高分子電解質膜には、水分を含んでいる場合に良好な水素イオン導電性を示すものの、乾燥していると水素イオン導電性を著しく低下させる属性を持っている。

このため、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に保つ必要がある。しかし、固体高分子電解質膜を湿潤な状態にした場合、湿潤度が高く、膜が含む水分が多くなってくると、反応ガスが固体高分子電解質膜を透過し易くなり、微量であるが対極への反応ガスの透過量が多くなってくる傾向がある。この微量の反応ガス透過（クロスリーク）は、固体高分子電解質膜形燃料電池の運転時における単位セルの電圧低下を招くことになり、反応ガス透過を防止することが非常に重要な課題となってくる。

こうした反応ガス透過を抑制する技術としては、固体高分子電解質膜を複数積層することによって、各固体高分子電解質膜にピンホールが存在してもその位置が膜間で相互にずれることになり、反応ガスのクロスリークを低減することができるとしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、複数の固体高分子電解質膜を張り合わせて積層したものでは、張り合わせた固体高分子電解質膜が湿潤サイクルを受けた際に張り合わせ部分で収縮度に差ができ、固体高分子電解質膜が損傷する虞がある。
特開平６−８４５２８号公報

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは固体高分子電解質膜体が複数膜による積層構造のものでも、固体高分子電解質膜体が湿潤サイクルを受けた際に損傷等することによって劣化してしまう虞がなく、固体高分子電解質膜形燃料電池に用いた場合には、安定した電圧を維持し出力することができる電極・高分子電解質膜接合体およびその製造方法を提供することにある。

本発明の電極・高分子電解質膜接合体は、
固体高分子電解質膜体と、この固体高分子電解質膜体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを備えた電極・高分子電解質膜接合体であって、前記固体高分子電解質膜体が、複数膜による積層構造であると共に、前記複数膜の少なくとも１つの膜が、補強部材によって機械的強度の補強が行なわれていることを特徴とするものであり、
さらに、前記補強部材が、導電性のない多孔質体で形成されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記補強部材が、導電性のない繊維で形成されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記補強部材により補強された膜が、触媒金属を保持していることを特徴とするものであり、
さらに、前記触媒金属が、カーボンに担持されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記補強部材により補強された膜に、金属酸化物が分散されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記触媒金属が、前記金属酸化物に担持されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記触媒金属が、白金、パラジウム、金、イリジウム、ロジウム、コバルトの少なくとも１つを含むものであることを特徴とするものである。

また、本発明の電極・高分子電解質膜接合体の製造方法は、
固体高分子電解質膜体と、この固体高分子電解質膜体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを備え、かつ前記固体高分子電解質膜体が、補強部材により補強された膜と補強されていない膜とで形成された複数膜による積層構造である電極・高分子電解質膜接合体の製造方法であって、前記補強された膜と前記補強されていない膜とを熱圧着して前記固体高分子電解質膜体を形成した後に、該固体高分子電解質膜体の両面に前記燃料極と前記酸化剤極を熱圧着することを特徴とする方法であり、
また、固体高分子電解質膜体と、この固体高分子電解質膜体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを備え、かつ前記固体高分子電解質膜体が、補強部材により補強された膜と補強されていない膜とで形成された複数膜による積層構造である電極・高分子電解質膜接合体の製造方法であって、前記燃料極と前記酸化剤極との間に位置するように前記補強された膜と前記補強されていない膜の複数膜を並べた後に、各極、各層の熱圧着を同時に行い、前記固体高分子電解質膜体を前記燃料極と前記酸化剤極で挟持することを特徴とする方法である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、
固体高分子電解質膜体が複数膜による積層構造のものでも、固体高分子電解質膜体が湿潤サイクルを受けた際に損傷等することによって劣化してしまうことがなく、固体高分子電解質膜形燃料電池に用いた場合には、安定した電圧を維持し出力することができる等の効果を奏する。

以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

先ず第１の実施形態を図１及び図２により説明する。図１は模式的に示す断面図であり、図２は熱サイクル耐久試験結果を示す図である。

図１において、固体高分子電解質膜形燃料電池を構成する電極・高分子電解質膜接合体１は、補強部材により機械的強度が補強された高分子電解質膜２と補強されていない高分子電解質膜３とで形成された積層構造の固体高分子電解質膜体４と、この固体高分子電解質膜体４の燃料側に燃料極触媒層５を備えた燃料極６と、固体高分子電解質膜体４の酸化剤側に酸化剤極触媒層７を備えた酸化剤極８とを設けて構成されている。また、電極・高分子電解質膜接合体１は、固体高分子電解質膜体４を挟持するよう燃料極６と酸化剤極８とを配置し、熱圧着することにより一体化した構成となっている。

そして、固体高分子電解質膜体４は、例えば所定寸法に成形した方形状のもので、その補強部材により機械的強度が補強された高分子電解質膜２と、補強されていない高分子電解質膜３とは、補強されていない高分子電解質膜３が、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜、例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製の厚さが２５μｍのナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）の膜等、市販の高分子電解質膜により形成されている。また補強された高分子電解質膜２は、次のようにして作成したものである。

すなわち、先ずポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂２ｇを、水１０ｇと２−プロパノール２０ｇに分散させて縣濁液を得る。得られた縣濁液をバーコーターにて基板としたポリイミド樹脂フィルムに塗布し、６０℃にて減圧乾燥して厚さ１００μｍのＰＴＦＥシートを製作し、さらにＰＴＦＥシートを圧延ローラーにかけて引き伸ばし、厚さ１０μｍの多孔質のＰＴＦＥシートとする。さらに、多孔質のＰＴＦＥシートを３５０℃で１０分間焼成して多孔質ＰＴＦＥシートを得る。その後、得られた多孔質ＰＴＦＥシートを導電性のない多孔質体で形成した補強部材とし、この多孔質ＰＴＦＥシートに、例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製の５ｗｔ％のイオン交換樹脂溶液を減圧含浸することで、導電性のない多孔質体の補強部材で機械的強度の補強がなされた厚さが１０μｍの高分子電解質膜２とする。

このようにして得られた多孔質ＰＴＦＥシートの補強部材により補強された高分子電解質膜２と補強されていない高分子電解質膜３とを、温度１４０℃、圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ^２、保持時間５分のホットプレス法による熱圧着によって一体化する。このようにして、固体高分子電解質膜体４が形成される。

また、燃料極６と酸化剤極８は、それぞれ極基材６ａ，８ａが所定寸法に成形した方形状のガス拡散性、透過性、導電性を有するカーボンペーパーをＰＴＦＥ樹脂によって撥水処理したもの、例えば東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−９０により形成されている。さらに各極基材６ａ，８ａに設けられた各触媒層５，７は、先ず、白金（Ｐｔ）微粒子４０ｗｔ％を炭素粒子上に担持させた白金担持炭素粒子を触媒とするもので、白金担持炭素粒子をふっ素系スルホン酸高分子樹脂溶液に加え混合し、ペースト状にして触媒ペーストを得る。その後、触媒ペーストをそれぞれ燃料極６、酸化剤極８の極基材６ａ，８ａの固体高分子電解質膜体４に対向する面に、白金塗布量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２となるよう塗布し、７０℃で乾燥して溶剤を除去することによって各触媒層５，７が形成される。

そして、以上のように構成された固体高分子電解質膜体４と、燃料極６、酸化剤極８とによる電極・高分子電解質膜接合体１の製作は、以下の通りとなる。

先ず、図示しないホットプレス機の上下２枚の熱圧着板間に、補強された高分子電解質膜２と補強されていない高分子電解質膜３を一体化した固体高分子電解質膜体４の両面に対し、例えば補強された高分子電解質膜２側の面に燃料極触媒層５が対向するよう燃料極６を位置させ、また補強されていない高分子電解質膜３の面に酸化剤極触媒層７が対向するよう酸化剤極８を位置させ、固体高分子電解質膜体４を挟持するように配置する。

次に、ホットプレス機の２枚の熱圧着板により、温度１４０℃、圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ^２、保持時間５分の熱圧着を行って一体化し、膜・電極接合体１を得る。

さらに、形成された電極・高分子電解質膜接合体１については、図示しないが、燃料極６と酸化剤極８の外側に燃料側セパレータ及び酸化剤側セパレータをそれぞれ設けることで単位セルを構成し、さらに、複数の単位セルを積層し、各セパレータに所定のガスが供給されるようガスマニホールドを設けることにより固体高分子電解質膜形燃料電池スタックが構成される。

また、上記のように構成された電極・高分子電解質膜接合体１について、熱サイクル耐久試験を行い、熱サイクル回数に対するガスリーク量を測定した。なお、従来技術との比較のため、比較例として、補強部材による補強のない厚さが１０μｍの高分子電解質膜を作成し、これと本実施形態の高分子電解質膜３とを熱圧着して固体高分子電解質膜体を構成し、その他の構成や熱圧着条件も本実施形態と同じにして比較例の電極・高分子電解質膜接合体を形成した。

そして、試験は、燃料電池動作温度である８０℃の温度と室温を、交互に繰り返して加える熱サイクル下でのガスリーク量の増加を電気化学的に測定するもので、燃料極６には水素を供給し、酸化剤極８には窒素ガスを供給して行った。

その結果、図２に、横軸に熱サイクル回数、縦軸にガスリーク量の相対値をとって示すように、比較例の電極・高分子電解質膜接合体の結果は、熱サイクル回数が１０００回を超えると急激にガスリーク量が増加した（線Ｘ）。それに対し、本実施形態のものでは、熱サイクル回数が２０００回を超えてもガスリーク量は増加しなかった（線Ａ）。このように本実施形態においてガスリーク量が増加しなかったのは、固体高分子電解質膜体４に補強部材により機械的強度の補強がなされている高分子電解質膜２を用いているので、熱サイクルによる伸縮に対して強度が強くなったためと考えられる。また、ガスリーク量の増加がないため、これにより固体高分子電解質膜形燃料電池として運転した時に、単位セルの電圧が低下してしまう虞がなく、安定した電力供給が可能となる。

また、上記のように構成された電極・高分子電解質膜接合体１においては、補強部材で補強された高分子電解質膜２と補強されていない高分子電解質膜３とを一体化して固体高分子電解質膜体４を構成するものであるから、電極・高分子電解質膜接合体１の製造過程でのハンドリング性が向上して、組立が容易なものとなる。さらに、補強部材に導電性のない多孔質ＰＴＦＥシートを用いているので、高分子電解質膜２，３の一体化により固体高分子電解質膜体４を形成した時、固体高分子電解質膜体４と燃料極６、酸化剤極８の一体化によって電極・高分子電解質膜接合体１を製作した時に、固体高分子電解質膜体４を補強部材が貫通するようなことがあったとしても、電極・高分子電解質膜接合体１が短絡するのを防止することができる。

次に第２の実施形態を図２及び図３により説明する。図３は模式的に示す断面図である。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図３において、固体高分子電解質膜形燃料電池を構成する電極・高分子電解質膜接合体１１は、補強部材により機械的強度が補強された高分子電解質膜１２と補強されていない高分子電解質膜３とで形成された積層構造の固体高分子電解質膜体１３と、この固体高分子電解質膜体１３の燃料側に燃料極触媒層５を備えた燃料極６と、固体高分子電解質膜体１３の酸化剤側に酸化剤極触媒層７を備えた酸化剤極８とを設けて構成されている。また、電極・高分子電解質膜接合体１１は、固体高分子電解質膜体１３を挟持するよう燃料極６と酸化剤極８とを配置し、熱圧着することにより一体化した構成となっている。

そして、固体高分子電解質膜体１３は、例えば所定寸法に成形した方形状の補強部材により機械的強度が補強された高分子電解質膜１２と、同じく所定寸法に成形した方形状の補強されていない高分子電解質膜３とで構成されており、補強された高分子電解質膜１２は、次のようにして作成したものである。

すなわち、先ず、ＰＴＦＥ樹脂粉末をケミカル粉砕機にて混合して繊維化したＰＴＦＥ樹脂粉末を得る。続いて繊維化したＰＴＦＥ樹脂粉末を、例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製の５ｗｔ％のイオン交換樹脂溶液にイオン交換樹脂の固形分比が１０％となるように添加して、超音波混合器を用いて混合し、ＰＴＦＥ分散イオン交換樹脂溶液を得る。その後、得られたＰＴＦＥ分散イオン交換樹脂溶液をバーコーターにて基板としたポリイミド樹脂フィルムに所定厚さに成膜して減圧乾燥し、ＰＴＦＥ樹脂繊維１４を導電性のない補強部材として機械的強度の補強がなされた厚さ１０μｍの高分子電解質膜１２とする。

そして、以上のように構成された補強された高分子電解質膜１２と補強されていない高分子電解質膜３を備える固体高分子電解質膜体１３を用いた電極・高分子電解質膜接合体１１の製作は、以下の通りとなる。

先ず、図示しないホットプレス機の上下２枚の熱圧着板間に、補強された高分子電解質膜１２と補強されていない高分子電解質膜３を配置すると共に、第１の実施形態と同様に形成された燃料極６、酸化剤極８を、例えば補強された高分子電解質膜１２側に燃料極６を、燃料極触媒層５が補強された高分子電解質膜１２に対向するよう位置させ、また補強されていない高分子電解質膜３側に酸化剤極８を、酸化剤極触媒層７が補強されていない高分子電解質膜３に対向するよう位置させ、燃料極６と酸化剤極８とで両高分子電解質膜１２，３を挟持するように配置する。

次に、ホットプレス機の２枚の熱圧着板により、温度１４０℃、圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ^２、保持時間５分の熱圧着を行って、燃料極６、補強された高分子電解質膜１２、補強されていない高分子電解質膜３、酸化剤極８を一体化し、電極・高分子電解質膜接合体１１を得る。なお、この時の熱圧着によって、補強された高分子電解質膜１２と補強されていない高分子電解質膜３とが一体化され、固体高分子電解質膜体１３が構成される。

さらに、形成された電極・高分子電解質膜接合体１１については、図示しないが、燃料極６と酸化剤極８の外側に燃料側セパレータ及び酸化剤側セパレータをそれぞれ設けることで単位セルを構成し、さらに、複数の単位セルを積層し、各セパレータに所定のガスが供給されるようガスマニホールドを設けることにより固体高分子電解質膜形燃料電池スタックが構成される。

また、上記のように構成された電極・高分子電解質膜接合体１１について、第１の実施形態と同様の熱サイクル耐久試験を行った。

その結果、横軸に熱サイクル回数、縦軸にガスリーク量の相対値をとった図２に、第１の実施形態の結果と共に示すように、熱サイクル回数が２０００回を超えてもガスリーク量は増加しなかった（線Ｂ）。このように本実施形態においてもガスリーク量が増加しなかったのは、第１の実施形態と同様に、固体高分子電解質膜体１３にＰＴＦＥ樹脂繊維１４を補強部材として機械的強度の補強がなされている高分子電解質膜１２を用いているので、熱サイクルによる伸縮に対して強度が強くなったためと考えられ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記のように構成された電極・高分子電解質膜接合体１１においては、補強部材にＰＴＦＥ樹脂繊維１４を用いているので、組成比を容易に変えることができ、強度、電池性能の調整を容易に行うことができる。さらに、電極・高分子電解質膜接合体１１の製作時に、補強された高分子電解質膜１２と補強されていない高分子電解質膜３とが一体化されるので、第１の実施形態のように、予め補強された高分子電解質膜１２と補強されていない高分子電解質膜３とを一体化して固体高分子電解質膜体１３を形成しておく場合に比べ、製作工程を削減したものとすることができる。

次に第３の実施形態を図４及び図５により説明する。図４は模式的に示す断面図であり、図５はＯＣＶ試験結果を示す図である。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図４において、固体高分子電解質膜形燃料電池を構成する電極・高分子電解質膜接合体２１は、補強部材により機械的強度が補強された高分子電解質膜２２と補強されていない高分子電解質膜３とで形成された積層構造の固体高分子電解質膜体２３と、この固体高分子電解質膜体２３の燃料側に燃料極触媒層５を備えた燃料極６と、固体高分子電解質膜体２３の酸化剤側に酸化剤極触媒層７を備えた酸化剤極８とを設けて構成されており、さらに、補強された高分子電解質膜２２には、触媒金属の白金微粒子がカーボン粒子上に担持され白金担持カーボン粒子２４として分散、保持されている。また、電極・高分子電解質膜接合体２１は、固体高分子電解質膜体２３を挟持するよう燃料極６と酸化剤極８とを配置し、熱圧着することにより一体化した構成となっている。

そして、固体高分子電解質膜体２３は、例えば所定寸法に成形した方形状の補強部材により機械的強度が補強された高分子電解質膜２２と、同じく所定寸法に成形した方形状の補強されていない高分子電解質膜３とで構成されており、補強部材により補強され、白金担持カーボン粒子２４が分散された高分子電解質膜２２は、次のようにして作成したものである。

すなわち、先ず、ＰＴＦＥ樹脂粉末をケミカル粉砕機にて混合して繊維化したＰＴＦＥ樹脂粉末を得る。続いて繊維化したＰＴＦＥ樹脂粉末を、例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製の５ｗｔ％のイオン交換樹脂溶液にイオン交換樹脂の固形分比が１０％となるように添加して、超音波混合器を用いて混合し、ＰＴＦＥ分散イオン交換樹脂溶液を得る。

次に、得られたＰＴＦＥ分散イオン交換樹脂溶液に白金担持カーボン粉末をイオン交換樹脂との重量比が５％となるように加え、再び超音波混合器を用いて混合し、白金担持カーボン粒子２４が分散する白金・ＰＴＦＥ分散イオン交換樹脂混合液を得る。その後、白金・ＰＴＦＥ分散イオン交換樹脂混合液をバーコーターにて基板としたポリイミド樹脂フィルムに所定厚さに成膜して減圧乾燥し、ＰＴＦＥ樹脂繊維１４を導電性のない補強部材として機械的強度の補強がなされると共に、白金担持カーボン粒子２４が分散された厚さ１０μｍの高分子電解質膜２２とする。

そして、以上のように構成された補強され、白金担持カーボン粒子２４が分散された高分子電解質膜２２と、補強されていない高分子電解質膜３を備える固体高分子電解質膜体２３を用いた電極・高分子電解質膜接合体２１の製作は、以下の通りとなる。

先ず、図示しないホットプレス機の上下２枚の熱圧着板間に、補強され、白金担持カーボン粒子２４が分散された高分子電解質膜２２と、補強されていない高分子電解質膜３を配置すると共に、第１の実施形態と同様に形成された燃料極６、酸化剤極８を、例えば補強された高分子電解質膜２２側に燃料極６を、燃料極触媒層５が補強された高分子電解質膜２２に対向するよう位置させ、また補強されていない高分子電解質膜３側に酸化剤極８を、酸化剤極触媒層７が補強されていない高分子電解質膜３に対向するよう位置させ、燃料極６と酸化剤極８とで両高分子電解質膜２２，３を挟持するように配置する。

次に、ホットプレス機の２枚の熱圧着板により、温度１４０℃、圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ^２、保持時間５分の熱圧着を行って、燃料極６、補強された高分子電解質膜２２、補強されていない高分子電解質膜３、酸化剤極８を一体化し、電極・高分子電解質膜接合体２１を得る。なお、この時の熱圧着によって、補強された高分子電解質膜２２と補強されていない高分子電解質膜３とが一体化され、固体高分子電解質膜体２３が構成される。

さらに、形成された電極・高分子電解質膜接合体２１については、図示しないが、燃料極６と酸化剤極８の外側に燃料側セパレータ及び酸化剤側セパレータをそれぞれ設けることで単位セルを構成し、さらに、複数の単位セルを積層し、各セパレータに所定のガスが供給されるようガスマニホールドを設けることにより固体高分子電解質膜形燃料電池スタックが構成される。

そして、上記のように構成された電極・高分子電解質膜接合体２１について、固体高分子電解質膜体２３の開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）保持試験を行い、ＯＣＶ保持時間に対する反応ガスのリーク量を測定した。なお、比較のため、補強された高分子電解質膜１２には白金担持カーボン粒子２４の分散がない第２の実施形態の電極・高分子電解質膜接合体１１についても、同条件の開回路電圧保持試験を行った。

その結果は図５に、横軸にＯＣＶ保持時間、縦軸にガスリーク量の相対値をとって示すように、比較のため同条件で試験を行った第２の実施形態の電極・高分子電解質膜接合体１１では、ＯＣＶ保持時間が５００時間を超えると徐々にガスリーク量が増加しはじめ、８００時間で急激に増える状況となった（線Ｃ）。それに対し、本実施形態のものでは、ＯＣＶ保持時間が２０００時間経過してもガスリーク量は増加しなかった（線Ｄ）。このように本実施形態においてガスリーク量が増加しなかったのは、固体高分子電解質膜体２３の補強された高分子電解質膜２２内に分散されている白金担持カーボン粒子２４によって反応ガスの透過が抑えられ、過酸化水素の生成が抑えられたためと考えられる。

以上の結果から、本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られると共に、固体高分子電解質膜体１３のＰＴＦＥ樹脂繊維１４を補強部材として補強がなされた高分子電解質膜２２内に、白金担持カーボン粒子２４を分散させることにより、第２の実施形態よりもさらに化学的安定性を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、補強された高分子電解質膜２２が、触媒金属の白金をカーボン粒子に担持させて膜内に保持するよう形成したが、触媒金属の担持材料としては、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化シリコン等の金属酸化物でもよい。

なお、上記の各実施形態においては、固体高分子電解質膜体を、１つの補強された高分子電解質膜と１つの補強されていない高分子電解質膜との２つの膜による積層構造としたが、さらに膜数の多い積層構造でも、また補強された高分子電解質膜も１つに限らず複数膜としてもよい。また、上記の各実施形態においては、触媒金属として白金を用いたが、白金合金やパラジウム、金、イリジウム、ロジウム、コバルトの少なくとも１つ、またはその合金でもよい。

本発明の第１の実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱サイクル耐久試験結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明の第３の実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るＯＣＶ保持試験結果を示す図である。

符号の説明

２，３，１２，２２…高分子電解質膜
４，１３，２３…固体高分子電解質膜体
６…燃料極
６ａ，８ａ…極基材
８…酸化剤極
１４…ＰＴＦＥ樹脂繊維
２４…白金担持カーボン粒子

Claims (10)

1. 固体高分子電解質膜体と、この固体高分子電解質膜体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを備えた電極・高分子電解質膜接合体であって、
   前記固体高分子電解質膜体が、複数膜による積層構造であると共に、前記複数膜の少なくとも１つの膜が、補強部材によって機械的強度の補強が行なわれていることを特徴とする電極・高分子電解質膜接合体。
2. 前記補強部材が、導電性のない多孔質体で形成されていることを特徴とする請求項１記載の電極・高分子電解質膜接合体。
3. 前記補強部材が、導電性のない繊維で形成されていることを特徴とする請求項１記載の電極・高分子電解質膜接合体。
4. 前記補強部材により補強された膜が、触媒金属を保持していることを特徴とする請求項１記載の電極・高分子電解質膜接合体。
5. 前記触媒金属が、カーボンに担持されていることを特徴とする請求項４記載の電極・高分子電解質膜接合体。
6. 前記補強部材により補強された膜に、金属酸化物が分散されていることを特徴とする請求項１記載の電極・高分子電解質膜接合体。
7. 前記触媒金属が、前記金属酸化物に担持されていることを特徴とする請求項４、請求項６記載の電極・高分子電解質膜接合体。
8. 前記触媒金属が、白金、パラジウム、金、イリジウム、ロジウム、コバルトの少なくとも１つであることを特徴とする請求項４記載の電極・高分子電解質膜接合体。
9. 固体高分子電解質膜体と、この固体高分子電解質膜体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを備え、かつ前記固体高分子電解質膜体が、補強部材により補強された膜と補強されていない膜とで形成された複数膜による積層構造である電極・高分子電解質膜接合体の製造方法であって、
   前記補強された膜と前記補強されていない膜とを熱圧着して前記固体高分子電解質膜体を形成した後に、該固体高分子電解質膜体の両面に前記燃料極と前記酸化剤極を熱圧着することを特徴とする電極・高分子電解質膜接合体の製造方法。
10. 固体高分子電解質膜体と、この固体高分子電解質膜体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを備え、かつ前記固体高分子電解質膜体が、補強部材により補強された膜と補強されていない膜とで形成された複数膜による積層構造である電極・高分子電解質膜接合体の製造方法であって、
    前記燃料極と前記酸化剤極との間に位置するように前記補強された膜と前記補強されていない膜の複数膜を並べた後に、各極、各層の熱圧着を同時に行い、前記固体高分子電解質膜体を前記燃料極と前記酸化剤極で挟持することを特徴とする電極・高分子電解質膜接合体の製造方法。

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