JP4179847B2 - 固体高分子型燃料電池用電極構造体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池用電極構造体に係り、特に、燃料不足時の性能劣化を抑制させた固体高分子型燃料電池用電極構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、平板状の膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Ele-ctrode Assembly）の両側にセパレータが積層されて構成されている。膜電極複合体は、一般に、カソード側の電極触媒層とアノード側の電極触媒層との間に高分子電解質膜が挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積層された積層体である。このような燃料電池によると、例えば、アノード側に配されたセパレータのガス通路に水素ガスを流し、カソード側に配されたセパレータのガス通路に酸化性ガスを流すと、電気化学反応が起こって電流が発生する。
【０００３】
燃料電池の作動中においては、ガス拡散層は電気化学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータとの間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化性ガスを拡散させる。また、アノード側の電極触媒層は燃料ガスに化学反応を起こさせプロトン（Ｈ＋）と電子を発生させ、カソード側の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、電解質膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の電極触媒層を通して電力が取り出される。
【０００４】
自動車等の運転ではしばしば急激な出力変動が生じるため、動力源として上記のような固体高分子型燃料電池を用いる場合には、ガス供給の追従が遅れることがあり、この時、燃料電池用電極構造体において一時的な燃料不足の状況が生じる。この燃料不足状況では、アノードにおいて、プロトンの供給源として下記式１のように水の電気分解が進行し、電流の維持が図られる。
２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ （１）
【０００５】
また、上記のような水の電気分解が進行している状況において、さらに燃料不足が継続すると、下記式２のようなカーボン腐食反応が進行する。
２Ｈ２Ｏ＋Ｃ→４Ｈ＋＋４ｅ−＋ＣＯ２ （２）
この式２の反応においては、触媒担体であるカーボンブラックが腐食され、その結果、燃料電池用電極構造体の発電性能が劣化するおそれがある。
【０００６】
このような問題に対する解決策としては、触媒の担持率を増加させることにより、または、耐食性の高いカーボンを使用することにより、カーボン腐食の耐性を向上させる技術（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。また、上記式１の反応に着目し、アノード触媒層に水の電気分解促進触媒を添加する技術（例えば、特許文献２および３参照。）、アノード触媒層または拡散層に水量上昇材料を添加する技術（例えば、特許文献３および４参照。）等が提唱されている。
【０００７】
【特許文献１】
国際公開第０１／１５２５４号パンフレット
【特許文献２】
国際公開第０１／１５２４７号パンフレット
【特許文献３】
国際公開第０１／１５２５５号パンフレット
【特許文献４】
国際公開第０１／１５２４９号パンフレット
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、一時的な燃料不足状況においては効果が見られるものの、実際の運転状況のような燃料不足が繰り返し生じるような条件および定格運転条件においては、アノード触媒層が水を保持するために、アノード触媒層中の細孔のガス拡散流路に水が溜まりガスの拡散を阻害する現象、いわゆる、フラッティングが生じるといった問題を有していた。このフラッティングが生じると、燃料ガスの供給が阻害され、アノード（燃料ガス極）中の燃料不足領域を拡大して、カーボンの腐食反応を進行させ、その結果、電極構造体の性能低下が生じてしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、燃料不足状況においても性能劣化を抑制し得る固体高分子型燃料電池用電極構造体を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体は、高分子電解質膜、触媒層と拡散層を有するアノードおよびカソードからなる固体高分子型燃料電池用電極構造体において、前記アノード拡散層は、（１）カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設け、（２）アノード拡散層の６０℃の水分吸着率が４０〜８５％であり、（３）差圧測定法により測定された差圧は６０ｍｍａｑ以上１２０ｍｍａｑ以下であり、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることを特徴としている。また、本発明の他の固体高分子型燃料電池用電極構造体は、高分子電解質膜、触媒層と拡散層を有するアノードおよびカソードからなる固体高分子型燃料電池用電極構造体において、前記アノード拡散層は、（１）６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有し、（２）アノード拡散層の６０℃の水分吸着率が４０〜８５％であり、（３）差圧測定法により測定された差圧は６０ｍｍａｑ以上１２０ｍｍａｑ以下であり、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることを特徴としている。
【００１１】
本発明によれば、アノード触媒層に水保持性を持たせるのではなく、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設けることによって、または、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有することによって、アノード拡散層の６０℃の水分吸着率を４０〜８５％とし、アノード拡散層に高い水保持性を持たせている。そして、燃料不足の際には、アノード拡散層からアノード触媒層へと水が供給され、アノード触媒層において水の電気分解が行われ、高分子電解質膜ヘプロトンが供給されることとなる。
【００１２】
このように、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体は、燃料不足状況においてのみ水がアノード触媒層に供給されるため、アノード触媒層ではフラッティングが生じることなく、一方、燃料不足の際に、アノード触媒層において水の電気分解が促進させるため、水の電気分解の次ステップであるカーボンの腐食反応を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体においては、アノード拡散層以外の構成要素は特に限定されるものではないので、以下、アノード拡散層について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体におけるアノード拡散層は、（１）カーボン基材と、（２）その上に構成されるカーボン粒子とフッ素樹脂とからなる層と、（３）さらにその上に構成されるカーボン粒子、高分子電解質、造孔材および保水性物質からなる層により構成されてもよく、または、（１）カーボン基材と、（２）その上に構成されるカーボン粒子、フッ素樹脂および保水性物質からなる層により構成されてもよい。
【００１５】
また、本発明におけるアノード拡散層は、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設けるか、または、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有することによって、６０℃の水分吸着率を４０〜８５％とすることが必要がある。図１は、電子導電物質と保水性物質との総量に対する保水性物質の含有率と電圧低下量との相関を示した線図であり、図２は、カーボン粒子の水分吸着量と電圧低下量との相関を示した線図である。これらの線図から明らかなように、保水性物質の含有率が５〜２０重量％の範囲内、または、カーボン粒子の水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。また、図３は、アノード拡散層の６０℃の水分吸着率と電圧低下との相関を示した線図である。この線図から明らかなように、アノード拡散層の水分吸着率が４０〜８５％の範囲内であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。これに対し、保水性物質の含有量、または、カーボン粒子の水分吸着量が上記値より少ないと、アノード拡散層の水分吸着率が小さすぎて、上記の効果が得られない。一方、保水性物質の含有量、または、カーボン粒子の水分吸着量が上記値より多いと、アノード拡散層の水分吸着率が大きすぎて、フラッティングによるガス供給性が低下し、燃料不足状況における燃料不足領域が拡大してしまい逆効果になってしまう。本発明における保水性物質としては、ゼオライト、γ−アルミナ、シリカ等の酸化物が挙げられる。
【００１６】
また、本発明においては、差圧測定法により測定された差圧が６０〜１２０ｍｍａｑの範囲でなければならない。図４は、アノード拡散層の差圧と電圧低下との相関を示した図である。この線図から明らかなように、アノード拡散層の差圧が６０〜１２０ｍｍａｑの範囲内であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。これに対して、この差圧が１２０ｍｍａｑより大きいと、ガス供給性が低下し、燃料不足状況における燃料不足領域が拡大してしまい、一方、この差圧が６０ｍｍａｑより小さいと、水排出性が高いために水の電気分解のみではプロトンの供給ができず、アノードにおけるカーボン材料の腐食反応が進行してしまう。ここで、本発明における差圧測定法とは、ガス流路の途中にアノード拡散層を挟み込んで保持した状態において、反応ガスを所定流量流し、アノード拡散層前後における圧力を測定し、その圧力差を求める方法である。
【００１７】
さらに、高分子電解質膜とアノード触媒層の密着性が良好でないと、水の電気分解で生成したプロトンの供給を高分子電解質膜に適切に行えないため、本発明においては、この適切な密着性の度合いをサイクリックボルタンメトリ法による測定値で表した。すなわち、本発明における密着率は下記式により定義した。
密着率（％）＝（片側加湿のサイクリックボルタンメトリ法による測定値）／（両側加湿のサイクリックボルタンメトリ法による測定値）×１００
ここで、両側加湿のサイクリックボルタンメトリ法とは、アノードおよびカソードの両極に加湿ガスを供給し、電極構造体全体に水分を行き渡らせて、電極触媒層中の全ての触媒物質の電気化学表面積に基づく電荷量を測定する方法である。一方、片側加湿のサイクリックボルタンメトリ法とは、アノードからのみ加湿ガスを供給し、アノード側から供給された水分をカソード側の固体高分子膜の導電経路だけに分散させて、高分子電解質膜からプロトン伝導経路中に存在するカソード触媒層の触媒物質の電気化学表面積に基づく電荷量を測定する方法である。この高分子電解質膜からプロトン伝導経路中に存在するカソード触媒層の触媒物質の量が多いほど、密着率が高く、触媒物質が有効に使用されていることを示している。
【００１８】
図５は、密着率と電圧低下との相関を示した線図である。この線図から明らかなように、密着率が１５％以上であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。したがって、本発明においては、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在するカソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることが必須である。
【００１９】
また、本発明の電極構造体においては、１Ａ／ｃｍ２時の抵抗過電圧損失が１０ｍＶ未満とすることが好ましい。図６は、貫通抵抗と１Ａ／ｃｍ２時の電圧損失との相関を示した線図である。この線図から明らかなように、貫通抵抗が５ｍΩ以下であれば、１Ａ／ｃｍ２時の電圧損失が１０ｍＶ未満となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体の実施例および比較例を用いて、本発明の効果を具体的に説明する。
Ａ．第１実施形態
まず、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体において、アノード拡散層に、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設けた形態について説明する。
【００２１】
１．電極構造体の作製
＜実施例１＞
イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３５ｇと、カーボンブラックと白金の重量比を５０：５０とした白金担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業社製）１０ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合し、カソード触媒ペーストとした。このカソード触媒ペーストをＦＥＰシート上にＰｔ量を０．３ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布乾燥し、カソード電極シートとした。一方、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３６．８ｇと、カーボンブラックと触媒の重量比を４６：５４としたＰｔ−Ｒｕ担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ６１Ｅ５４、Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１、田中貴金属工業社製）１０ｇとを混合し、アノード触媒ペーストとした。このアノード触媒ペーストをＦＥＰシート上に触媒量を０．１５ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布乾燥し、アノード電極シートとした。
【００２２】
また、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合し、下地層ペーストＡ１とした。また、エチレングリコールに、テフロン（登録商標）粉末（商品名：Ｌ１７０Ｊ、旭硝子社製）１２ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）１８ｇとを混合し、下地層ペーストＢ１とした。次いで、あらかじめ撥水処理したカーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ０６０、東レ社製）上に、下地層ペーストＢ１を２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布した後、下地層ペーストＡ１を０．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥し、アノード拡散層とした。一方、上記とは別に、アノードと同じカーボンペーパー上に、下地層ペーストＢ１のみを２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥し、カソード拡散層とした。
【００２３】
次に、前記のアノードおよびカソードの電極シートを、デカール法（一体化圧力４０ｋｇ／ｃｍ２）により電解膜に転写し、膜−電極複合体ＣＣＭを作製し、このＣＣＭを挟み込むように、上記のアノードおよびカソード拡散層をそれぞれ積層し、実施例１の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００２４】
＜実施例２＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ２を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例２の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ２は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．０ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）１ｇとを混合して作製した。
【００２５】
＜実施例３＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ３を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例３の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ３は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．７５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー製）０．２５ｇとを混合して作製した。
【００２６】
＜実施例４＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ４を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例４の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ４は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００２７】
＜実施例５＞
実施例１におけるアノード拡散層に代えて、あらかじめ撥水処理したカーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ０６０、東レ社製）上に、下地層ペーストＢ２を２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥させたアノード拡散層を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例５の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＢ２は、エチレングリコールに、テフロン（登録商標）粉末（商品名：Ｌ１７０Ｊ、旭硝子社製）１２ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）１６．２ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）１．８ｇとを混合して作製した。
【００２８】
＜比較例１＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ５を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ５は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）３．７５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）１．２５ｇとを混合して作製した。
【００２９】
＜比較例２＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ６を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例２の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ６は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３０ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３０】
＜比較例３＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ７を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例３の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ７は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３１】
＜比較例４＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ８を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例４の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ８は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００３２】
＜比較例５＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ９を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例５の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ９は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）１．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３３】
＜比較例６＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１０を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例６の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１０は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）３．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３４】
＜比較例７＞
実施例１において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を３０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様に、比較例７の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００３５】
＜比較例８＞
実施例１において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を１０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様に、比較例８の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００３６】
２．燃料不足試験
上記のようにして作製された各実施例および比較例の電極構造体を組み込んだ燃料電池に対して、セル温度：８０℃、加湿量：アノード４５ＲＨ％、カソード８５ＲＨ％、０．５Ａ／ｃｍ２における利用率：アノード１００％、カソード６０％の条件下で、印加する電流密度を図７に示すように０〜１Ａ／ｃｍ２の間で経時変化させ、この変化を５００回繰り返すことによって、燃料不足試験を行った。この燃料不足試験前後に測定した端子電圧から求めた電圧差を表１に示した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
３．評価
保水性物質含有率、アノード拡散層水分吸着率、差圧および密着率を規定の範囲内とした実施例１〜５の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下であり、かつ燃料不足試験においても電圧差が３０ｍＶ以下と、性能低下が僅かであることが示された。これに対し、保水性物質含有率が大きすぎる比較例１、アノード拡散層水分吸着率が大きすぎる比較例２および３、保水性物質含有率、アノード拡散層水分吸着率および差圧が小さすぎる比較例４、差圧が小さすぎる比較例５、差圧が大きすぎる比較例６、および、密着率が小さすぎる比較例７および８の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下ではあるものの、燃料不足試験における電圧差が３０ｍＶを超えており、性能低下が激しいことが示された。
【００３９】
Ｂ．第２実施形態
次に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体において、アノード拡散層に、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有させた形態について説明する。
１．電極構造体の作製
＜実施例６＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１１を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例６の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１１は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００４０】
＜実施例７＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１２を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例７の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１２は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇとを混合して作製した。
【００４１】
＜実施例８＞
実施例１におけるアノード拡散層に代えて、あらかじめ撥水処理したカーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ０６０、東レ社製）上に、下地層ペーストＡ１３を２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥させたアノード拡散層を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例８の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１３は、テフロン（登録商標）ディスパージョン（商品名：Ｌ１７０Ｊ、旭硝子社製）１２ｇに、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）１８ｇを混合して作製した。
【００４２】
＜比較例９＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１４を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例９の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１４は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーポンブラック粉末（商品名：ＡＢ−５、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００４３】
＜比較例１０＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１５を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１０の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１５は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、デンカ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００４４】
＜比較例１１＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１６を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１１の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１６は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）１８ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）３．５ｇとを混合して作製した。
【００４５】
＜比較例１２＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１７を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１２の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１７は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）３．５ｇとを混合して作製した。
【００４６】
＜比較例１３＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１８を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１３の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１８は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３０ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）１ｇとを混合して作製した。
【００４７】
＜比較例１４＞
実施例６において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を３０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例６と同様に、比較例１４の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００４８】
＜比較例１５＞
実施例６において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を１０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例６と同様に、比較例１５の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００４９】
２．燃料不足試験
上記のようにして作製された各実施例および比較例の電極構造体を組み込んだ燃料電池に対して、セル温度：８０℃、加湿量：アノード４５ＲＨ％、カソード８５ＲＨ％、０．５Ａ／ｃｍ２における利用率：アノード１００％、カソード６０％の条件下で、印加する電流密度を図７に示すように０〜１Ａ／ｃｍ２の間で経時変化させ、この変化を５００回繰り返すことによって、燃料不足試験を行った。この燃料不足試験前後に測定した端子電圧から求めた電圧差を表２に示した。
【００５０】
【表２】
【００５１】
３．評価
カーボン粒子水分吸着量、アノード拡散層水分吸着率、差圧および密着率を規定の範囲内とした実施例６〜８の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下であり、かつ燃料不足試験においても電圧差が３０ｍＶ以下と、性能低下が僅かであることが示された。これに対し、カーボン粒子水分吸着量が多すぎる比較例９、カーボン粒子水分吸着量が少なすぎ、アノード拡散層水分吸着率が小さすぎ比較例１０、アノード拡散層水分吸着率が多すぎる比較例１１、差圧が小さすぎる比較例１２、差圧が大きすぎる比較例１３、および、密着率が小さすぎる比較例１４および１５の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下ではあるものの、燃料不足試験における電圧差が３０ｍＶを超えており、性能低下が激しいことが示された。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アノード拡散層に、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設け、または、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有し、アノード拡散層の６０℃の水分吸着率を４０〜８５％とし、差圧測定法により測定された差圧を６０〜１２０ｍｍａｑとし、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合を、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上とすることによって、アノード触媒層に水保持性を持たせるのではなく、アノード拡散層に高い水保持性を持たせ、そして、燃料不足の際には、アノード拡散層からアノード触媒層へと水が供給され、アノード触媒層において水の電気分解が行われ、高分子電解質膜ヘプロトンが供給されるため、燃料不足状況においても性能劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電子導電物質と保水性物質との総量に対する保水性物質の含有率と電圧低下量との相関を示した線図である。
【図２】 カーボン粒子の水分吸着量と電圧低下量との相関を示した線図である。
【図３】 アノード拡散層の６０℃の水分吸着率と電圧低下との相関を示した線図である。
【図４】 アノード拡散層の差圧と電圧低下との相関を示した図である。
【図５】 密着率と電圧低下との相関を示した線図である。
【図６】 貫通抵抗と１Ａ／ｃｍ２時の電圧損失との相関を示した線図である。
【図７】 燃料不足試験における電流密度の経時変化を示した線図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池用電極構造体に係り、特に、燃料不足時の性能劣化を抑制させた固体高分子型燃料電池用電極構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、平板状の膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Ele-ctrode Assembly）の両側にセパレータが積層されて構成されている。膜電極複合体は、一般に、カソード側の電極触媒層とアノード側の電極触媒層との間に高分子電解質膜が挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積層された積層体である。このような燃料電池によると、例えば、アノード側に配されたセパレータのガス通路に水素ガスを流し、カソード側に配されたセパレータのガス通路に酸化性ガスを流すと、電気化学反応が起こって電流が発生する。
【０００３】
燃料電池の作動中においては、ガス拡散層は電気化学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータとの間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化性ガスを拡散させる。また、アノード側の電極触媒層は燃料ガスに化学反応を起こさせプロトン（Ｈ＋）と電子を発生させ、カソード側の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、電解質膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の電極触媒層を通して電力が取り出される。
【０００４】
自動車等の運転ではしばしば急激な出力変動が生じるため、動力源として上記のような固体高分子型燃料電池を用いる場合には、ガス供給の追従が遅れることがあり、この時、燃料電池用電極構造体において一時的な燃料不足の状況が生じる。この燃料不足状況では、アノードにおいて、プロトンの供給源として下記式１のように水の電気分解が進行し、電流の維持が図られる。
２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ （１）
【０００５】
また、上記のような水の電気分解が進行している状況において、さらに燃料不足が継続すると、下記式２のようなカーボン腐食反応が進行する。
２Ｈ２Ｏ＋Ｃ→４Ｈ＋＋４ｅ−＋ＣＯ２ （２）
この式２の反応においては、触媒担体であるカーボンブラックが腐食され、その結果、燃料電池用電極構造体の発電性能が劣化するおそれがある。
【０００６】
このような問題に対する解決策としては、触媒の担持率を増加させることにより、または、耐食性の高いカーボンを使用することにより、カーボン腐食の耐性を向上させる技術（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。また、上記式１の反応に着目し、アノード触媒層に水の電気分解促進触媒を添加する技術（例えば、特許文献２および３参照。）、アノード触媒層または拡散層に水量上昇材料を添加する技術（例えば、特許文献３および４参照。）等が提唱されている。
【０００７】
【特許文献１】
国際公開第０１／１５２５４号パンフレット
【特許文献２】
国際公開第０１／１５２４７号パンフレット
【特許文献３】
国際公開第０１／１５２５５号パンフレット
【特許文献４】
国際公開第０１／１５２４９号パンフレット
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、一時的な燃料不足状況においては効果が見られるものの、実際の運転状況のような燃料不足が繰り返し生じるような条件および定格運転条件においては、アノード触媒層が水を保持するために、アノード触媒層中の細孔のガス拡散流路に水が溜まりガスの拡散を阻害する現象、いわゆる、フラッティングが生じるといった問題を有していた。このフラッティングが生じると、燃料ガスの供給が阻害され、アノード（燃料ガス極）中の燃料不足領域を拡大して、カーボンの腐食反応を進行させ、その結果、電極構造体の性能低下が生じてしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、燃料不足状況においても性能劣化を抑制し得る固体高分子型燃料電池用電極構造体を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体は、高分子電解質膜、触媒層と拡散層を有するアノードおよびカソードからなる固体高分子型燃料電池用電極構造体において、前記アノード拡散層は、（１）カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設け、（２）アノード拡散層の６０℃の水分吸着率が４０〜８５％であり、（３）差圧測定法により測定された差圧は６０ｍｍａｑ以上１２０ｍｍａｑ以下であり、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることを特徴としている。また、本発明の他の固体高分子型燃料電池用電極構造体は、高分子電解質膜、触媒層と拡散層を有するアノードおよびカソードからなる固体高分子型燃料電池用電極構造体において、前記アノード拡散層は、（１）６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有し、（２）アノード拡散層の６０℃の水分吸着率が４０〜８５％であり、（３）差圧測定法により測定された差圧は６０ｍｍａｑ以上１２０ｍｍａｑ以下であり、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることを特徴としている。
【００１１】
本発明によれば、アノード触媒層に水保持性を持たせるのではなく、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設けることによって、または、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有することによって、アノード拡散層の６０℃の水分吸着率を４０〜８５％とし、アノード拡散層に高い水保持性を持たせている。そして、燃料不足の際には、アノード拡散層からアノード触媒層へと水が供給され、アノード触媒層において水の電気分解が行われ、高分子電解質膜ヘプロトンが供給されることとなる。
【００１２】
このように、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体は、燃料不足状況においてのみ水がアノード触媒層に供給されるため、アノード触媒層ではフラッティングが生じることなく、一方、燃料不足の際に、アノード触媒層において水の電気分解が促進させるため、水の電気分解の次ステップであるカーボンの腐食反応を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体においては、アノード拡散層以外の構成要素は特に限定されるものではないので、以下、アノード拡散層について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体におけるアノード拡散層は、（１）カーボン基材と、（２）その上に構成されるカーボン粒子とフッ素樹脂とからなる層と、（３）さらにその上に構成されるカーボン粒子、高分子電解質、造孔材および保水性物質からなる層により構成されてもよく、または、（１）カーボン基材と、（２）その上に構成されるカーボン粒子、フッ素樹脂および保水性物質からなる層により構成されてもよい。
【００１５】
また、本発明におけるアノード拡散層は、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設けるか、または、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有することによって、６０℃の水分吸着率を４０〜８５％とすることが必要がある。図１は、電子導電物質と保水性物質との総量に対する保水性物質の含有率と電圧低下量との相関を示した線図であり、図２は、カーボン粒子の水分吸着量と電圧低下量との相関を示した線図である。これらの線図から明らかなように、保水性物質の含有率が５〜２０重量％の範囲内、または、カーボン粒子の水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。また、図３は、アノード拡散層の６０℃の水分吸着率と電圧低下との相関を示した線図である。この線図から明らかなように、アノード拡散層の水分吸着率が４０〜８５％の範囲内であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。これに対し、保水性物質の含有量、または、カーボン粒子の水分吸着量が上記値より少ないと、アノード拡散層の水分吸着率が小さすぎて、上記の効果が得られない。一方、保水性物質の含有量、または、カーボン粒子の水分吸着量が上記値より多いと、アノード拡散層の水分吸着率が大きすぎて、フラッティングによるガス供給性が低下し、燃料不足状況における燃料不足領域が拡大してしまい逆効果になってしまう。本発明における保水性物質としては、ゼオライト、γ−アルミナ、シリカ等の酸化物が挙げられる。
【００１６】
また、本発明においては、差圧測定法により測定された差圧が６０〜１２０ｍｍａｑの範囲でなければならない。図４は、アノード拡散層の差圧と電圧低下との相関を示した図である。この線図から明らかなように、アノード拡散層の差圧が６０〜１２０ｍｍａｑの範囲内であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。これに対して、この差圧が１２０ｍｍａｑより大きいと、ガス供給性が低下し、燃料不足状況における燃料不足領域が拡大してしまい、一方、この差圧が６０ｍｍａｑより小さいと、水排出性が高いために水の電気分解のみではプロトンの供給ができず、アノードにおけるカーボン材料の腐食反応が進行してしまう。ここで、本発明における差圧測定法とは、ガス流路の途中にアノード拡散層を挟み込んで保持した状態において、反応ガスを所定流量流し、アノード拡散層前後における圧力を測定し、その圧力差を求める方法である。
【００１７】
さらに、高分子電解質膜とアノード触媒層の密着性が良好でないと、水の電気分解で生成したプロトンの供給を高分子電解質膜に適切に行えないため、本発明においては、この適切な密着性の度合いをサイクリックボルタンメトリ法による測定値で表した。すなわち、本発明における密着率は下記式により定義した。
密着率（％）＝（片側加湿のサイクリックボルタンメトリ法による測定値）／（両側加湿のサイクリックボルタンメトリ法による測定値）×１００
ここで、両側加湿のサイクリックボルタンメトリ法とは、アノードおよびカソードの両極に加湿ガスを供給し、電極構造体全体に水分を行き渡らせて、電極触媒層中の全ての触媒物質の電気化学表面積に基づく電荷量を測定する方法である。一方、片側加湿のサイクリックボルタンメトリ法とは、アノードからのみ加湿ガスを供給し、アノード側から供給された水分をカソード側の固体高分子膜の導電経路だけに分散させて、高分子電解質膜からプロトン伝導経路中に存在するカソード触媒層の触媒物質の電気化学表面積に基づく電荷量を測定する方法である。この高分子電解質膜からプロトン伝導経路中に存在するカソード触媒層の触媒物質の量が多いほど、密着率が高く、触媒物質が有効に使用されていることを示している。
【００１８】
図５は、密着率と電圧低下との相関を示した線図である。この線図から明らかなように、密着率が１５％以上であれば、電圧低下量が３０ｍＶ以下となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。したがって、本発明においては、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在するカソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることが必須である。
【００１９】
また、本発明の電極構造体においては、１Ａ／ｃｍ２時の抵抗過電圧損失が１０ｍＶ未満とすることが好ましい。図６は、貫通抵抗と１Ａ／ｃｍ２時の電圧損失との相関を示した線図である。この線図から明らかなように、貫通抵抗が５ｍΩ以下であれば、１Ａ／ｃｍ２時の電圧損失が１０ｍＶ未満となり、良好な電圧性能を発揮することが示されている。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体の実施例および比較例を用いて、本発明の効果を具体的に説明する。
Ａ．第１実施形態
まず、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体において、アノード拡散層に、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設けた形態について説明する。
【００２１】
１．電極構造体の作製
＜実施例１＞
イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３５ｇと、カーボンブラックと白金の重量比を５０：５０とした白金担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業社製）１０ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合し、カソード触媒ペーストとした。このカソード触媒ペーストをＦＥＰシート上にＰｔ量を０．３ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布乾燥し、カソード電極シートとした。一方、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３６．８ｇと、カーボンブラックと触媒の重量比を４６：５４としたＰｔ−Ｒｕ担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ６１Ｅ５４、Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１、田中貴金属工業社製）１０ｇとを混合し、アノード触媒ペーストとした。このアノード触媒ペーストをＦＥＰシート上に触媒量を０．１５ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布乾燥し、アノード電極シートとした。
【００２２】
また、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合し、下地層ペーストＡ１とした。また、エチレングリコールに、テフロン（登録商標）粉末（商品名：Ｌ１７０Ｊ、旭硝子社製）１２ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）１８ｇとを混合し、下地層ペーストＢ１とした。次いで、あらかじめ撥水処理したカーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ０６０、東レ社製）上に、下地層ペーストＢ１を２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布した後、下地層ペーストＡ１を０．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥し、アノード拡散層とした。一方、上記とは別に、アノードと同じカーボンペーパー上に、下地層ペーストＢ１のみを２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥し、カソード拡散層とした。
【００２３】
次に、前記のアノードおよびカソードの電極シートを、デカール法（一体化圧力４０ｋｇ／ｃｍ２）により電解膜に転写し、膜−電極複合体ＣＣＭを作製し、このＣＣＭを挟み込むように、上記のアノードおよびカソード拡散層をそれぞれ積層し、実施例１の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００２４】
＜実施例２＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ２を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例２の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ２は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．０ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）１ｇとを混合して作製した。
【００２５】
＜実施例３＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ３を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例３の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ３は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．７５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー製）０．２５ｇとを混合して作製した。
【００２６】
＜実施例４＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ４を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例４の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ４は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００２７】
＜実施例５＞
実施例１におけるアノード拡散層に代えて、あらかじめ撥水処理したカーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ０６０、東レ社製）上に、下地層ペーストＢ２を２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥させたアノード拡散層を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例５の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＢ２は、エチレングリコールに、テフロン（登録商標）粉末（商品名：Ｌ１７０Ｊ、旭硝子社製）１２ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）１６．２ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）１．８ｇとを混合して作製した。
【００２８】
＜比較例１＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ５を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ５は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）３．７５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）１．２５ｇとを混合して作製した。
【００２９】
＜比較例２＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ６を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例２の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ６は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３０ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３０】
＜比較例３＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ７を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例３の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ７は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３１】
＜比較例４＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ８を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例４の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ８は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００３２】
＜比較例５＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ９を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例５の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ９は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）１．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３３】
＜比較例６＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１０を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例６の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１０は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、Ｃａｂｏｔ社製）４．５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）３．５ｇと、ＺＳＭ５（東ソー社製）０．５ｇとを混合して作製した。
【００３４】
＜比較例７＞
実施例１において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を３０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様に、比較例７の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００３５】
＜比較例８＞
実施例１において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を１０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様に、比較例８の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００３６】
２．燃料不足試験
上記のようにして作製された各実施例および比較例の電極構造体を組み込んだ燃料電池に対して、セル温度：８０℃、加湿量：アノード４５ＲＨ％、カソード８５ＲＨ％、０．５Ａ／ｃｍ２における利用率：アノード１００％、カソード６０％の条件下で、印加する電流密度を図７に示すように０〜１Ａ／ｃｍ２の間で経時変化させ、この変化を５００回繰り返すことによって、燃料不足試験を行った。この燃料不足試験前後に測定した端子電圧から求めた電圧差を表１に示した。
【００３７】
【表１】
３．評価
保水性物質含有率、アノード拡散層水分吸着率、差圧および密着率を規定の範囲内とした実施例１〜５の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下であり、かつ燃料不足試験においても電圧差が３０ｍＶ以下と、性能低下が僅かであることが示された。これに対し、保水性物質含有率が大きすぎる比較例１、アノード拡散層水分吸着率が大きすぎる比較例２および３、保水性物質含有率、アノード拡散層水分吸着率および差圧が小さすぎる比較例４、差圧が小さすぎる比較例５、差圧が大きすぎる比較例６、および、密着率が小さすぎる比較例７および８の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下ではあるものの、燃料不足試験における電圧差が３０ｍＶを超えており、性能低下が激しいことが示された。
【００３９】
Ｂ．第２実施形態
次に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極構造体において、アノード拡散層に、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有させた形態について説明する。
１．電極構造体の作製
＜実施例６＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１１を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例６の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１１は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００４０】
＜実施例７＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１２を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例７の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１２は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇとを混合して作製した。
【００４１】
＜実施例８＞
実施例１におけるアノード拡散層に代えて、あらかじめ撥水処理したカーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ０６０、東レ社製）上に、下地層ペーストＡ１３を２．３ｍｇ／ｃｍ２塗布・乾燥させたアノード拡散層を使用した以外は、実施例１と同様に、実施例８の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１３は、テフロン（登録商標）ディスパージョン（商品名：Ｌ１７０Ｊ、旭硝子社製）１２ｇに、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）１８ｇを混合して作製した。
【００４２】
＜比較例９＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１４を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例９の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１４は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーポンブラック粉末（商品名：ＡＢ−５、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００４３】
＜比較例１０＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１５を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１０の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１５は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：バルカンＸＣ７５、デンカ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）２．５ｇとを混合して作製した。
【００４４】
＜比較例１１＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１６を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１１の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１６は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）１８ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）３．５ｇとを混合して作製した。
【００４５】
＜比較例１２＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１７を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１２の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１７は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）３．５ｇとを混合して作製した。
【００４６】
＜比較例１３＞
実施例１における下地層ペーストＡ１に代えて、下地層ペーストＡ１８を使用した以外は、実施例１と同様に、比較例１３の電極構造体ＭＥＡを形成した。なお、下地層ペーストＡ１８は、イオン導伝性ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＳＥ２０１９２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）３０ｇと、カーボンブラック粉末（商品名：ケッチェンブラック、Ｃａｂｏｔ社製）５ｇと、結晶性炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭和電工社製）１ｇとを混合して作製した。
【００４７】
＜比較例１４＞
実施例６において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を３０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例６と同様に、比較例１４の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００４８】
＜比較例１５＞
実施例６において、膜−電極複合体ＣＣＭの作製におけるデカール法の一体化圧力を１０ｋｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例６と同様に、比較例１５の電極構造体ＭＥＡを形成した。
【００４９】
２．燃料不足試験
上記のようにして作製された各実施例および比較例の電極構造体を組み込んだ燃料電池に対して、セル温度：８０℃、加湿量：アノード４５ＲＨ％、カソード８５ＲＨ％、０．５Ａ／ｃｍ２における利用率：アノード１００％、カソード６０％の条件下で、印加する電流密度を図７に示すように０〜１Ａ／ｃｍ２の間で経時変化させ、この変化を５００回繰り返すことによって、燃料不足試験を行った。この燃料不足試験前後に測定した端子電圧から求めた電圧差を表２に示した。
【００５０】
【表２】
３．評価
カーボン粒子水分吸着量、アノード拡散層水分吸着率、差圧および密着率を規定の範囲内とした実施例６〜８の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下であり、かつ燃料不足試験においても電圧差が３０ｍＶ以下と、性能低下が僅かであることが示された。これに対し、カーボン粒子水分吸着量が多すぎる比較例９、カーボン粒子水分吸着量が少なすぎ、アノード拡散層水分吸着率が小さすぎ比較例１０、アノード拡散層水分吸着率が多すぎる比較例１１、差圧が小さすぎる比較例１２、差圧が大きすぎる比較例１３、および、密着率が小さすぎる比較例１４および１５の電極構造体は、貫通抵抗が５ｍΩ以下ではあるものの、燃料不足試験における電圧差が３０ｍＶを超えており、性能低下が激しいことが示された。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アノード拡散層に、カーボン基材上に水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有する水分保持層を設け、または、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であるカーボン粒子を含有し、アノード拡散層の６０℃の水分吸着率を４０〜８５％とし、差圧測定法により測定された差圧を６０〜１２０ｍｍａｑとし、サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合を、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上とすることによって、アノード触媒層に水保持性を持たせるのではなく、アノード拡散層に高い水保持性を持たせ、そして、燃料不足の際には、アノード拡散層からアノード触媒層へと水が供給され、アノード触媒層において水の電気分解が行われ、高分子電解質膜ヘプロトンが供給されるため、燃料不足状況においても性能劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電子導電物質と保水性物質との総量に対する保水性物質の含有率と電圧低下量との相関を示した線図である。
【図２】 カーボン粒子の水分吸着量と電圧低下量との相関を示した線図である。
【図３】 アノード拡散層の６０℃の水分吸着率と電圧低下との相関を示した線図である。
【図４】 アノード拡散層の差圧と電圧低下との相関を示した図である。
【図５】 密着率と電圧低下との相関を示した線図である。
【図６】 貫通抵抗と１Ａ／ｃｍ２時の電圧損失との相関を示した線図である。
【図７】 燃料不足試験における電流密度の経時変化を示した線図である。
Claims (4)
- 高分子電解質膜、触媒層と拡散層を有するアノードおよびカソードからなる固体高分子型燃料電池用電極構造体において、
前記アノード拡散層は、少なくともカーボン基材と、前記カーボン基材上に設けられる水分保持層からなり、前記水分保持層は水保持性を高める保水性物質を電子導電物質と保水性物質との総量に対して５〜２０重量％含有し、
アノード拡散層の６０℃の水分吸着率が４０〜８５％であり、
差圧測定法により測定されたアノード拡散層の差圧は６０ｍｍａｑ以上１２０ｍｍａｑ以下であり、
サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極構造体。 - 前記アノード拡散層は、カーボン基材と、その上に構成されるカーボン粒子とフッ素樹脂とからなる層と、さらにその上に構成される前記水分保持層からなり、前記水分保持層は、カーボン粒子、高分子電解質、造孔材および保水性物質からなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用電極構造体。
- 前記アノード拡散層は、カーボン基材と、その上に構成される前記水分保持層からなり、前記水分保持層は、カーボン粒子、フッ素樹脂および保水性物質からなることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用電極構造体。
- 高分子電解質膜、触媒層と拡散層を有するアノードおよびカソードからなる固体高分子型燃料電池用電極構造体において、
前記アノード拡散層は、少なくともカーボン基材と、前記カーボン基材に含有されたカーボン粒子からなり、前記カーボン粒子は、６０℃の飽和水蒸気圧下における水分吸着量が１５０ｃｃ／ｇ以上であり、
アノード拡散層の６０℃の水分吸着率が４０〜８５％であり、
差圧測定法により測定されたアノード拡散層の差圧は６０ｍｍａｑ以上１２０ｍｍａｑ以下であり、
サイクリックボルタンメトリ法を用いて測定した前記高分子電解質膜からのプロトン伝導経路中に存在する前記カソード触媒層の触媒物質電荷量の割合が、カソード触媒層中に存在する全触媒物質の電荷量に対して１５％以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極構造体。
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