JPH07201346A - 燃料電池とその固体高分子電解質膜および電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池における固体高分子電解質膜の耐久
性を向上させる。 【構成】 燃料電池における電解質膜１０と陰極３０と
の間には、白金を担持したカーボン粒子からなる陰極側
触媒反応層１４と、白金を担持しないカーボン粒子から
なる耐火層１６とを備え、陰極側触媒反応層１４を耐火
層１６で取り囲んでいる。この陰極側触媒反応層１４と
耐火層１６の境界においては、カーボン粒子同士が接触
している。そして、陰極側触媒反応層１４の外周縁は耐
火層１６のカーボン粒子で隙間なく覆われている。この
ため、誤って酸素が水素ガスに混入して白金の触媒作用
により水素の燃焼が生じても、陰極側触媒反応層１４の
外周縁で発生した熱は、耐火層１６の個々のカーボン粒
子で遮られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対向する電極と固体高
分子電解質膜とを有し該固体高分子電解質膜を電極で挟
持した燃料電池と、対向する電極間に位置し触媒を担持
した導電性粒子からなる触媒層を介在させて前記電極に
挟持される固体高分子電解質膜と、ガス拡散性を有する
電極基材から形成され、触媒を担持した導電性粒子から
なる触媒層を介在させて電解質を挟持する電極に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質膜および電極を用いた
燃料電池（固体高分子電解質型燃料電池）では、電極反
応を促進させるための触媒層を併用し、固体高分子電解
質膜の両膜面に触媒層を介在させて固体高分子電解質膜
を電極で挟持する。このような燃料電池を作成するに当
たっては、固体高分子電解質膜，触媒層および電極をポ
ットプレスすることが行なわれている。このような燃料
電池の陽極（酸素極）および陰極（水素極）において進
行する電極反応は、以下の通りである。 陰極（水素極）： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- … 陽極（酸素極）： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …

【０００３】そして、陰極での反応式により生成した
水素イオンがＨ⁺ （_xＨ₂Ｏ）の水和状態で固体高分子電
解質膜を透過（拡散）して陽極に至り、の反応式が進
行するのである。なお、陰極には反応に必要な水素（ガ
ス）が供給され、陽極には酸素（ガス）が供給されてい
る。また、触媒層は、白金等の触媒を担持した導電性粒
子、例えばカーボン粒子を凝集・積層して形成されてい
る。

【０００４】上記した燃料電池を運転中に、陰極に供給
される水素ガス中に何らかの原因で酸素が混じることが
有り得る。例えば、水素ガスの供給配管に異物の衝突等
により僅かな損傷，亀裂等が生じると、当該配管中に大
気が流入し水素ガス中に大気中の酸素が混じる。また、
水素ガス供給装置、例えば低級アルコールの改質器にお
いて酸素が混入することも有り得る。或いは、燃料電池
における電極と固体高分子電解質膜との間のシール不良
或いはシール劣化により、陰極周辺に酸素が残留する場
合がある。

【０００５】このような事態に到ることは希ではある
が、陰極に酸素が存在すると陰極において水素の燃焼
（水素と酸素の反応）が起きることが予想される。この
ような燃焼は電極反応を促進させる触媒層の外周縁で起
きると考えられ、当該外周縁で燃焼が起きると、その時
に発生する熱により固体高分子電解質膜が損傷を受け、
電池性能の低下或いは運転停止を招く虞がある。

【０００６】ところで、このような事態を回避するため
に、特開平５−１７４８４５には、固体高分子電解質膜
と電極との間にフッ素樹脂等の樹脂被膜を電極の周縁と
重なるよう設ける技術が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た樹脂被膜を設けても、図１１に示すように、触媒を担
持したカーボン粒子からなる触媒層１００および電極１
０２と固体高分子電解質膜１０４とをホットプレスして
密着した場合、樹脂被膜１０６の厚みによっては、樹脂
被膜１０６の内周縁と触媒層１００との間に、空隙１０
８が生じることがある。このような場合には、この空隙
１０８において上記した燃焼が起きると固体高分子電解
質膜１０４の損傷は避けられない。また、触媒層１００
の外周縁にあっては燃焼による熱は当初は樹脂被膜１０
６に遮られるものの、当該被膜が熱による損傷を受けれ
ば固体高分子電解質膜１０４もやがて損傷を受けること
になる。つまり、樹脂被膜を設けても、固体高分子電解
質膜、延いては燃料電池の耐久性に欠ける場合があっ
た。

【０００８】本発明は、上記問題点を解決するためにな
され、燃料電池における固体高分子電解質膜の耐久性を
向上させることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに発明の採用した手段は、請求項１記載の燃料電池で
は、対向する電極と固体高分子電解質膜とを有し、該固
体高分子電解質膜を電極で挟持した燃料電池であって、
前記固体高分子電解質膜と電極との間に、触媒を担持し
た導電性粒子からなる触媒層と、該触媒層をその外周縁
に沿って取り囲み該触媒層の占める領域を区画する触媒
隣接領域に、耐火性を有する粒子を敷設してなる耐火層
とを備えることをその要旨とする。

【００１０】一方、請求項２記載の固体高分子電解質膜
では、対向する電極間に位置し、触媒を担持した導電性
粒子からなる触媒層を介在させて前記電極に挟持される
固体高分子電解質膜であって、前記触媒層が接触する触
媒接触領域を該領域の外周縁に沿って取り囲み前記触媒
接触領域を区画する触媒隣接領域に、耐火性を有する粒
子を膜面に敷設してなる耐火層を備えることをその要旨
とする。

【００１１】また、上記目的を達成するために電極につ
いて本発明の採用した手段は、請求項３記載の電極で
は、ガス拡散性を有する電極基材から形成され、触媒を
担持した導電性粒子からなる触媒層を介在させて電解質
を挟持する電極であって、前記電解質と対向する触媒層
をその外周縁に沿って取り囲み該触媒層の占める領域を
区画する触媒隣接領域に、耐火性を有する粒子を敷設し
てなる耐火層を備えることをその要旨とする。

【００１２】

【作用】上記構成を有する請求項１記載の燃料電池で
は、固体高分子電解質膜と電極との間に備える耐火層の
敷設領域を、触媒層をその外周縁に沿って取り囲みこの
触媒層の占める領域を区画する触媒隣接領域とした。こ
のため、耐火層を耐火性を有する粒子（耐火性粒子）で
敷設したことと相俟って、導電性粒子からなる触媒層の
外周縁においては、触媒層の導電性粒子と耐火層の耐火
性粒子とを接触させる。従って、触媒層の外周縁と耐火
層との間に不用意に空隙を残さなくなり、この耐火層
で、触媒層の外周縁で水素と酸素の反応が生じた場合の
熱を遮る。

【００１３】請求項２記載の固体高分子電解質膜では、
耐火層の敷設領域を、固体高分子電解質膜の膜面に接触
する触媒層の触媒接触領域をその外周縁に沿って取り囲
みかつこの触媒接触領域を区画する領域とした。このた
め、耐火層を耐火性を有する粒子（耐火性粒子）で敷設
したことと相俟って、導電性粒子からなる触媒層の外周
縁においては、触媒層の導電性粒子と耐火層の耐火性粒
子とを接触させる。従って、触媒層の外周縁と耐火層と
の間に不用意に空隙を残さなくなり、この耐火層で、触
媒層の外周縁で水素と酸素の反応が生じた場合の熱を遮
る。

【００１４】請求項３記載の電極では、耐火層の敷設領
域を、電解質と対向する触媒層をその外周縁に沿って取
り囲みかつこの触媒層の占める領域を区画する領域とし
た。このため、耐火層を耐火性を有する粒子で敷設した
ことと相俟って、導電性粒子からなる触媒層の外周縁に
おいては、触媒層の導電性粒子と耐火層の耐火性粒子と
を接触させる。従って、触媒層の外周縁と耐火層との間
に不用意に空隙を残さなくなり、触媒層を介在させて電
解質を挟持した場合には、固体高分子電解質膜の膜面に
おいては、触媒層の外周縁に電極の耐火層の耐火性粒子
を接触させて触媒層を電極の耐火層で取り囲む。この結
果、触媒層の外周縁で水素と酸素の反応が生じた場合の
熱は、電極の耐火層で遮られる。

【００１５】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、この実施例における燃料電池（固体高
分子型燃料電池）のセル構造の模式図である。図示する
ように、セルは、その中央に電解質膜１０を備え、その
両側に、電解質膜１０の膜面に密着した陽極側触媒反応
層１２および陰極側触媒反応層１４と、これら各触媒反
応層に密着した陽極２０および陰極３０と、それぞれの
極に密着するとともに電解質膜１０との間でガスシール
１５によりシールされた集電体４０，４２と、各セルを
仕切るセパレータ４４を備える。

【００１６】陽極２０，陰極３０は、炭素繊維の織布等
を経て得られるカーボンクロスからなり、それぞれの集
電体４０，４２に形成された凹所４６に組み込まれてい
る。そして、陽極側触媒反応層１２，陰極側触媒反応層
１４の周囲には、これら触媒反応層を取り囲む耐火層１
６が電解質膜１０およびそれぞれの電極面に密着して設
けられている。なお、陽極側触媒反応層１２，陰極側触
媒反応層１４および耐火層１６の作製工程については後
述する。

【００１７】電解質膜１０は、水素イオンに対するイオ
ン交換基としてスルホン基を有する高分子陽イオン交換
膜（以下、単に陽イオン交換膜ともいう）の固体高分子
電解質膜であり、水素イオンを膜厚方向に沿って選択的
に透過する。具体的に説明すると、電解質膜１０は、フ
ッ素系スルホン酸高分子樹脂から作製された陽イオン交
換膜（例えばパーフルオロカーボンスルホン酸高分子膜
（商品名：ナフィオン膜， Du Pont社製））であり、そ
の膜厚は１００μｍである。

【００１８】陽極側触媒反応層１２，陰極側触媒反応層
１４は、後述する陽極２０，陰極３０と電解質膜１０と
の間に介在し、これらのホットプレスを経ることで、電
解質膜１０の膜面および各電極面に密着される。この陽
極側触媒反応層１２，陰極側触媒反応層１４は、触媒と
して白金を２０ｗｔ％担持したカーボン粒子が電解質膜
１０膜面に対して０．４ｍｇ／ｃｍ² の割合となるよう
凝集・積層したカーボン粒子凝集層であり、ホットプレ
スに先立ち電解質膜１０膜面或いは電極膜面に塗布さ
れ、その後のホットプレスを経て作製される。なお、こ
の作製工程については、後述する。

【００１９】陽極２０，陰極３０は、平織りされたカー
ボンクロス（厚さ約０．４ｍｍ）を電極基材として用
い、このカーボンクロスにフッ素樹脂等によりはっ水処
理が施されたカーボン粒子を塗り込むことで作製されて
いる。

【００２０】集電体４０，４２は、多孔質でガス透過性
を有するポーラスカーボンにより形成されており、気孔
率が４０ないし８０％のものである。また、集電体４０
には、陽極燃料である酸素含有ガスの流路であると共に
陽極２０で生成する水の集水路をなす流路４１が形成さ
れており、集電体４２には、陰極燃料である水素含有ガ
スと水蒸気との混合ガス（加湿水素ガス）の流路４３が
形成されている。この流路４１，４３は、セルの両端
（図１の紙面の表面側および裏面側）においてそれぞれ
の集電体端面において開口しており、この開口から燃料
ガスを供給する。なお、図中のセルの上下端面におい
て、この開口の様子を一点鎖線で示す。

【００２１】セパレータ４４は、カーボンを圧縮してガ
ス不透過としたガス不透過カーボンにより形成されてお
り、電解質膜１０，陽極２０，陰極３０，集電体４０，
４２により構成されるセルを積層する際の隔壁をなす。
なお、本実施例では、集電体４０，４２およびセパレー
タ４４を別体として形成したが、集電体４０とセパレー
タ４４をガス不透過カーボンにより一体として形成する
構成や集電体４２とセパレータ４４をガス不透過カーボ
ンにより一体として形成する構成、集電体４０，４２お
よびセパレータ４４をガス不透過カーボンにより一体と
して形成する構成も好適である。

【００２２】次に、陽極側触媒反応層１２，陰極側触媒
反応層１４および耐火層１６の作製工程と燃料電池（セ
ル）の製造工程について説明する。まず、陽極２０，陰
極３０となるカーボンクロス５０（はっ水処理が施され
たカーボン粒子の塗り込み完了品）を用意し、以下の工
程を順次行なう。この際、次の触媒層形成用のペースト
と耐火層形成用のペーストを予め準備する。

【００２３】触媒層形成用のペーストは、触媒として白
金を２０ｗｔ％担持したカーボン粒子（Ｐｔ０．４ｍｇ
／ｃｍ² ）を、陽イオン交換樹脂溶液、例えば電解質膜
１０と同質のフッ素系スルホン酸高分子樹脂溶液（当該
樹脂の固形分５ｗｔ％をプロパノール，水の混合溶液に
配合した溶液）に徐々に加え、樹脂固形分が１ｍｇ／ｃ
ｍ² 相当となるまでカーボン粒子を混合して得られるカ
ーボンペーストである。耐火層形成用のペーストは、触
媒を担持していない単独のカーボン粒子を、触媒層形成
用のペーストの場合と同様に上記のフッ素系スルホン酸
高分子樹脂溶液に徐々に加え、樹脂固形分が１ｍｇ／ｃ
ｍ² 相当となるまでカーボン粒子を混合して得られるカ
ーボンペーストである。

【００２４】最初に、図２（Ａ）に示すように、カーボ
ンクロス５０中央の触媒層形成領域５２に亘って、触媒
層形成用のペーストを、白金を担持したカーボン粒子
（白金担持カーボン粒子）が０．４ｍｇ／ｃｍ² の割合
となるよう、塗布する。このペーストの塗布を経ると、
触媒層形成領域５２に亘っては、白金担持カーボン粒子
がフッ素系スルホン酸高分子樹脂溶液を介して０．４ｍ
ｇ／ｃｍ² の割合で凝集・積層する。

【００２５】次に、図２（Ｂ）に示すように、この触媒
層形成領域５２以外の領域、即ち触媒層形成領域５２を
その外周に沿って取り囲んで区画する触媒層隣接領域５
４に亘って、耐火層形成用のペーストを、カーボン粒子
が０．４ｍｇ／ｃｍ² の割合となるよう、塗布する。こ
のペーストの塗布を経ると、触媒層隣接領域５４に亘っ
ては、カーボン粒子がフッ素系スルホン酸高分子樹脂溶
液を介して０．４ｍｇ／ｃｍ² の割合で凝集・積層す
る。そして、各領域の区画線において、白金担持カーボ
ン粒子とカーボン粒子とが接触することになる。

【００２６】上記した各工程を２枚のカーボンクロス５
０に施して、一方を陽極２０に、他方を陰極３０とす
る。なお、図２（Ｂ）には、触媒層隣接領域５４がカー
ボンクロス５０の外周縁から僅かに距離をおいて描かれ
ているが、触媒層隣接領域５４は、触媒層形成領域５２
をその外周に沿って取り囲んで区画するものであれば十
分であり、この外周縁にまで達するか否かは問わない。

【００２７】こうして陽極２０，陰極３０が作製できた
ので、この陽極２０，陰極３０をペースト塗布側が外側
になるようそれぞれの集電体４０，４２の凹所４６に組
み込む。その後、陽極２０と陰極３０との間に陽極側触
媒反応層１２，陰極側触媒反応層１４を介在させて電解
質膜１０を挟持し、これらをホットプレス（１２０℃，
１００ｋｇ／ｃｍ² ）する。その後、集電体４０，４２
およびセパレータ４４を密着して組み付け燃料電池（セ
ル）を完成させる。つまり、白金担持カーボン粒子が触
媒層形成領域５２に亘って凝集・積層して陽極側触媒反
応層１２または陰極側触媒反応層１４となり、触媒を担
持しないカーボン粒子が触媒層隣接領域５４に亘って凝
集・積層して耐火層１６となる。そして、耐火層１６が
陰極側触媒反応層１４とその周囲で接触して取り囲むこ
とになる。

【００２８】こうして構成された燃料電池では、各極に
集電体４０，４２の流路４１，４３から燃料ガス（加湿
水素ガス，酸素ガス）が供給されると、陽極側触媒反応
層１２，陰極側触媒反応層１４において、上述した式
，に示す反応を進行させ、電気エネルギを生成す
る。

【００２９】次に、完成した本実施例の燃料電池の性能
評価について説明する。対比する燃料電池（比較例）
は、カーボンクロス５０の全面に亘って上記の触媒層形
成用のペーストを塗布して陽極側触媒反応層１２，陰極
側触媒反応層１４を形成したものである。つまり、本実
施例の燃料電池と対比する燃料電池とは、電極や触媒反
応層を有する点や電解質膜１０の膜厚等では共通し、陽
極側触媒反応層１２，陰極側触媒反応層１４を取り囲む
耐火層１６の有無でのみ、その構成が異なる。

【００３０】実施例燃料電池と比較例燃料電池の両燃料
電池について、通常運転時には起きることはない悪条件
下での耐久性について調べた。つまり、陰極側の集電体
４２の流路４３から空気を３０ｖｏｌ％（酸素６ｖｏｌ
％）の割合で混入した水素ガス（酸素過剰混在水素ガ
ス）を供給し、酸素過剰混在水素ガスの供給を開始して
からの経過時間と燃料電池出力（セル電圧）の変化の様
子を調べた。なお、通常運転時における酸素の混入割合
は、１ｖｏｌ％以下である。

【００３１】比較例燃料電池では、酸素過剰混在水素ガ
スの供給を開始してから約１分経過後にセル電圧が急激
に低下し、約２〜３０分経過後には電圧は０となった。
これに対して、実施例燃料電池では、約１時間経過して
も、通常運転時に得られるセル電圧の約３％しか低減し
なかった。

【００３２】そして、比較例燃料電池のセル電圧の急激
な低下が観察された時点で両燃料電池を分解し、電解質
膜１０の様子を調べた。すると、比較例燃料電池では、
陰極側触媒反応層１４の外周縁近傍において電解質膜１
０の膜面に燃焼熱によるこげや変形（膜に穴があき、電
極間でクロスリークが生じた）がみられた。これに対し
て、実施例燃料電池では、焦げや変形等の異常は見られ
なかった。

【００３３】従って、陽極側触媒反応層１２，陰極側触
媒反応層１４とその外周縁で接触して取り囲む耐火層１
６を有する実施例燃料電池によれば、水素ガス中に３０
ｖｏｌ％の割合の空気が混入しているという劣悪な条件
であっても、長時間に亘って電解質膜１０に異常をもた
らさない。このため、実施例燃料電池によれば、電解質
膜１０、延いては燃料電池自体の耐久性を向上すること
ができる。

【００３４】このように耐久性を向上することができる
のは、以下のようにして説明できる。実施例燃料電池で
は、図３の模式図に示すように、陰極側触媒反応層１４
と耐火層１６との境界（図では点線で示す）において、
白金担持カーボン粒子と白金を担持しないカーボン粒子
とが接触している。そして、陰極側触媒反応層１４の外
周縁は耐火層１６のカーボン粒子で隙間なく覆われるこ
とになる。このような状態にあれば、陰極側の集電体４
２の流路４３から酸素過剰混在水素ガスが図中矢印で示
すように供給され白金の触媒作用により水素の燃焼が生
じても、陰極側触媒反応層１４の外周縁で発生した熱
は、ガスシール１５端面の空隙１５ａの有無に拘らず、
耐火層１６の個々のカーボン粒子で遮られ電解質膜１０
には直接伝わらない。また、耐火層１６のカーボン粒子
は白金を担持していないので触媒作用が働かず、耐火層
１６自体が電解質膜１０に燃焼熱を伝えることはない。
よって、熱による変形等の異常が電解質膜１０には起こ
り難く耐久性に富むといえる。

【００３５】これに対して、比較例燃料電池では、耐火
層１６が存在しないので、図４の模式図に示すように、
陰極側触媒反応層１４の外周縁において発生した熱は、
ガスシール１５を介して間接的に、或いはガスシール１
５端面に空隙１５ａがあればこの空隙１５ａから直接に
電解質膜１０に伝わる。このため、熱による電解質膜１
０の異常が起き易く、耐久性に欠けることになる。もっ
とも、ガスシール１５端面の空隙１５ａを皆無とするこ
とは、陰極側触媒反応層１４の形成工程が煩雑となるた
め現実的ではないので、電解質膜１０には、空隙１５ａ
から熱が直接伝わることになる。

【００３６】次に、第２の実施例について説明する。こ
の第２実施例の燃料電池は、上記した第１実施例の燃料
電池と、耐火層１６を形成するための耐火層形成用のペ
ーストの塗布領域が異なる。この第２実施例では、ま
ず、第１実施例と同様に、カーボンクロス５０中央の触
媒層形成領域５２に亘って、触媒層形成用のペーストを
塗布する（図２（Ａ））。次に、図５に示すように、こ
の触媒層形成領域５２の内側にその外周に沿って入り込
んだ領域を有する触媒層干渉隣接領域５６に亘って、耐
火層形成用のペーストを塗布する。このペーストの塗布
を経ると、触媒層隣接領域５４に白金担持カーボン粒子
が凝集・積層して、触媒層隣接領域５４が陽極側触媒反
応層１２，陰極側触媒反応層１４となる。一方、触媒層
干渉隣接領域５６にカーボン粒子が凝集・積層して、触
媒層干渉隣接領域５６が耐火層１６となる。この耐火層
１６は、図５に示すように、陽極側触媒反応層１２，陰
極側触媒反応層１４の上にその外周縁に沿ってｄの幅で
重なることになる。

【００３７】こうして作製した陽極２０，陰極３０を、
電解質膜１０を挟んで第１実施例と同様にホットプレス
する。上記工程を経る第２実施例では、耐火層１６周辺
は次のようになる。つまり、図６の模式図に示すよう
に、陰極側触媒反応層１４の外周縁の下面には、耐火層
１６のカーボン粒子が行き渡りこの耐火層１６から伸び
た触媒下面耐火層１６ａが形成されている。このため、
陰極側触媒反応層１４と耐火層１６および触媒下面耐火
層１６ａとの境界（図では点線で示す）において、白金
担持カーボン粒子と白金を担持しないカーボン粒子とが
接触する。そして、陰極側触媒反応層１４の外周縁はそ
の下面を含めてカーボン粒子で隙間なく覆われることに
なる。

【００３８】よって、上記した第２実施例の燃料電池で
あっても、水素の燃焼により陰極側触媒反応層１４の外
周縁で発生した熱は、耐火層１６および触媒下面耐火層
１６ａの個々のカーボン粒子で遮られ電解質膜１０には
直接伝わらない。この結果、第２実施例の燃料電池によ
れば、熱による変形等の異常を電解質膜１０に起こり難
くして、電解質膜１０は勿論燃料電池自体の耐久性を向
上することができる。また、この第２実施例では、触媒
層形成用および耐火層形成用のペースト塗布範囲を幅ｄ
に亘り重ねているので、耐火層１６のカーボン粒子によ
る陰極側触媒反応層１４の外周縁をより確実に隙間なく
覆うことができ、耐久性の向上に効果的である。

【００３９】次に、陽極側触媒反応層１２，陰極側触媒
反応層１４および耐火層１６の形成のために、触媒層形
成用および耐火層形成用のペーストを電解質膜１０に塗
布する実施例（第３実施例，第４実施例）について説明
する。この第３実施例，第４実施例では、ペーストの塗
布対象が電解質膜１０となり、その塗布順序等が異な
る。

【００４０】即ち、第３実施例の燃料電池では、電解質
膜１０の両膜面の中央の触媒層形成領域５２に亘って、
触媒層形成用のペーストを塗布し、その後、この触媒層
形成領域５２を取り囲む触媒層隣接領域５４に亘って、
耐火層形成用のペーストを塗布する（図２参照）。つま
り、この第３実施例では、第１実施例と耐火層形成用お
よび触媒層形成用のペーストの塗布対象が電解質膜１０
であるが、それぞれのペーストの塗布範囲と塗布順序は
同じである。

【００４１】ペーストの塗布を経ると、触媒層隣接領域
５４には白金担持カーボン粒子が電解質膜１０の膜面に
凝集・積層して、触媒層隣接領域５４が陽極側触媒反応
層１２，陰極側触媒反応層１４となる。一方、触媒層干
渉隣接領域５６にはカーボン粒子が電解質膜１０の膜面
に凝集・積層して、触媒層干渉隣接領域５６が耐火層１
６となる。そして、この電解質膜１０を陽極２０，陰極
３０で挟持してホットプレスすると、この耐火層１６
は、図３に示すように、陰極側触媒反応層１４とその境
界において、白金担持カーボン粒子と白金を担持しない
カーボン粒子を介して接触する。このため、陰極側触媒
反応層１４の外周縁は耐火層１６のカーボン粒子で隙間
なく覆われることになるので、この第３実施例の燃料電
池であっても、水素の燃焼により陰極側触媒反応層１４
の外周縁で発生した熱を耐火層１６の個々のカーボン粒
子で遮って電解質膜１０には直接伝えない。この結果、
第３実施例の燃料電池によれば、熱による変形等の異常
を電解質膜１０に起こり難くして、電解質膜１０は勿論
燃料電池自体の耐久性を向上することができる。

【００４２】また、第４実施例の燃料電池では、まず耐
火層形成用のペーストを電解質膜１０の両膜面に塗布す
る。その塗布範囲は、電解質膜１０の両膜面の中央の触
媒層形成領域５２とその外周縁に沿ってｄの幅で重な
り、触媒層形成領域５２の内側にその外周に沿って入り
込んだ触媒層干渉隣接領域５６である（図５参照）。次
いで、この触媒層干渉隣接領域５６と一部重なりその内
側に当たる触媒層形成領域５２に亘って、触媒層形成用
のペーストを塗布する（図５参照）。つまり、この第４
実施例では、第２実施例と耐火層形成用および触媒層形
成用のペーストの塗布範囲は同一であるが、その塗布対
象と塗布順序が異なる。

【００４３】ペーストの塗布を経ると、図６に示すよう
に、陰極側触媒反応層１４の外周縁の下面にまで入り込
んだ触媒下面耐火層１６ａを有する耐火層１６で、陰極
側触媒反応層１４が取り囲まれ、陰極側触媒反応層１４
の外周縁はその下面を含めてカーボン粒子で隙間なく覆
われることになる。

【００４４】よって、この第４実施例の燃料電池であっ
ても、水素の燃焼により陰極側触媒反応層１４の外周縁
で発生した熱を耐火層１６および触媒下面耐火層１６ａ
の個々のカーボン粒子で遮り、電解質膜１０に直接伝え
ない。この結果、第４実施例の燃料電池によれば、熱に
よる変形等の異常を電解質膜１０に起こり難くして、電
解質膜１０は勿論燃料電池自体の耐久性を向上すること
ができる。

【００４５】次に、第５実施例について説明する。この
第５実施例は、まず、図７に示すように、カーボンクロ
ス５０の片面のほぼ全面に、即ちカーボンクロスの外周
縁から僅かに控えた範囲で陽極側触媒反応層１２，陰極
側触媒反応層１４となる領域を含有する触媒層含有領域
５８に亘って触媒層形成用のペーストを塗布する（図７
（Ａ））。次いで、このカーボンクロス５０中央の触媒
層形成領域５２を取り囲む触媒層隣接領域５４に亘っ
て、耐火層形成用のペーストを塗布済みの触媒層形成用
のペーストと一部重なるよう塗布する（図７（Ｂ））。
つまり、この第５実施例では、触媒層形成用のペースト
の塗布に当たり、その塗布領域が触媒層形成領域５２を
含有する触媒層含有領域５８である点で、第１実施例と
異なる。この場合、触媒層含有領域５８をカーボンクロ
ス５０の片面全面とすることもできる。

【００４６】その後は、上記した各実施例と同様に、電
解質膜１０を挟んでホットプレスし燃料電池を完成させ
る。上記工程を経る第５実施例における耐火層１６周辺
では、図８の模式図に示すように、触媒下面耐火層１６
ａが、陰極側触媒反応層１４の外周縁の下面において、
図６の第２実施例の場合より広い範囲で当該下面に入り
込んで形成される。

【００４７】よって、上記した第５実施例の燃料電池で
あっても、水素の燃焼により陰極側触媒反応層１４の外
周縁で発生した熱は、耐火層１６および触媒下面耐火層
１６ａの個々のカーボン粒子で遮られ電解質膜１０には
直接伝わらない。この結果、第５実施例の燃料電池によ
れば、熱による変形等の異常を電解質膜１０に起こり難
くして、電解質膜１０は勿論燃料電池自体の耐久性を向
上することができる。また、この第５実施例では、触媒
層形成用および耐火層形成用のペーストを広い範囲で重
ねて塗布しているので、耐火層１６のカーボン粒子によ
る陰極側触媒反応層１４の外周縁をより確実に隙間なく
覆うことができ、耐久性の向上に効果的である。更に、
触媒層形成用のペーストの塗布に当たり、その塗布領域
を大まかな触媒層含有領域５８とし触媒層形成領域５２
を考慮する必要がない。よって、第５実施例によれば、
塗布工程を簡略化することができる。

【００４８】この第５実施例は、ペーストの塗布対象を
電解質膜１０とし、ペーストの塗布順序を変更するよう
に変形することもできる。つまり、電解質膜１０の両膜
面に触媒層形成領域５２を取り囲む触媒層隣接領域５４
に亘って、耐火層形成用のペースト塗布し（図７（Ｂ）
参照）、次いで、触媒層形成領域５２を含有する触媒層
含有領域５８に亘って、触媒層形成用のペーストを塗布
する（図７（Ａ）参照）。そして、この電解質膜１０を
陽極２０，陰極３０となるカーボンクロス５０で挟持し
てホットプレスする。この変形例にあっても、図８の模
式図に示すように、触媒下面耐火層１６ａを有する耐火
層１６が得られるので、上記の第５実施例と同様の効果
を奏することができる。

【００４９】次に、第６実施例について説明する。この
第６実施例では、陽極側触媒反応層１２，陰極側触媒反
応層１４はそれぞれのカーボンクロス５０にペーストの
塗布を経て形成し、耐火層１６は電解質膜１０にペース
トの塗布を経て形成する。つまり、図９に示すように、
カーボンクロス５０中央の触媒層形成領域５２に亘って
触媒層形成用のペーストを塗布し（図９（Ａ））、両電
極（陽極２０，陰極３０）を用意する。一方、電解質膜
１０の膜面中央の触媒層形成領域５２を取り囲む触媒層
隣接領域５４に亘って、電解質膜１０の両膜面に耐火層
形成用のペーストを塗布し（図９（Ｂ））、電解質膜１
０を用意する。その後は、上記した各実施例と同様に、
電解質膜１０を両電極（陽極２０，陰極３０）挟んでホ
ットプレスし燃料電池を完成させる。上記工程を経る第
６実施例における耐火層１６周辺では、既述した第１実
施例と同様に（図３参照）、陰極側触媒反応層１４の外
周縁は耐火層１６のカーボン粒子で隙間なく覆われるこ
とになる。上記の第１実施例と同様の効果を奏すること
ができる。

【００５０】この第６実施例は、電解質膜１０の両膜面
に触媒層形成領域５２に亘って触媒層形成用のペースト
を塗布し（図９（Ａ）参照）、カーボンクロス５０の片
面に触媒層隣接領域５４に亘って、耐火層形成用のペー
ストを塗布する（図９（Ｂ）参照）よう変形することが
できる。また、カーボンクロス５０における触媒層形成
用のペーストの塗布領域を、触媒層形成領域５２より広
い触媒層含有領域５８やカーボンクロス５０の全面とし
たり（図７（Ａ）参照）、電解質膜１０における耐火層
形成用のペーストの塗布領域を、触媒層形成領域５２と
一部重なった触媒層干渉隣接領域５６とする（図５参
照）よう変形することができる。このように触媒層形成
用のペーストをカーボンクロス５０の全面に塗布した場
合には、陰極側触媒反応層１４の外周縁周辺では、図１
０に示すように、その下面にまで入り込んだ触媒下面耐
火層１６ａを有する耐火層１６が形成され、触媒下面耐
火層１６ａの範囲のカーボン粒子がホットプレスにより
電解質膜１０膜面に埋没するので、陰極側触媒反応層１
４はその外周縁下端において耐火層１６表層部のカーボ
ン粒子にて取り囲まれることになる。この場合であって
も、水素の燃焼により陰極側触媒反応層１４の外周縁で
発生した熱は、耐火層１６表層および触媒下面耐火層１
６ａの個々のカーボン粒子で遮られ電解質膜１０には直
接伝わらないので、電解質膜１０は勿論燃料電池自体の
耐久性を向上することができる。

【００５１】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明はこの様な実施例になんら限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。

【００５２】例えば、陽極側触媒反応層１２，陰極側触
媒反応層１４を取り囲む耐火層１６を形成するための耐
火層形成用のペーストを、はっ水処理が施されたカーボ
ン粒子のペーストとすることもできる。このようにすれ
ば、耐火層１６においてはっ水性を呈することで、電極
から水分を除去して水分の電極内滞留を防止することが
でき好ましい。また、耐火層１６の形成のためのカーボ
ン粒子を、耐火性を有する他の粒子、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃
（アルミナ），ＢＮ（窒化ホウ素），ＳｉＣ（炭化ケイ
素）等としたり、陽極側触媒反応層１２，陰極側触媒反
応層１４の形成のためのカーボン粒子を、導電性および
耐腐食性を有する他の粒子とすることもできる。

【００５３】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１記載の燃料
電池では、固体高分子電解質膜と電極との間に備える触
媒層と耐火層とを、触媒層の外周縁において触媒層の導
電性粒子と耐火層の耐火性粒子により接触させる。従っ
て、請求項１記載の燃料電池では、触媒層の外周縁で水
素と酸素の反応が生じた場合の熱が固体高分子電解質膜
に伝わることを、触媒層の外周縁と耐火層との間の空隙
をこの粒子で埋めることができることを通して、この耐
火層で抑制する。この結果、請求項１記載の燃料電池に
よれば、熱による固体高分子電解質膜の劣化の抑制を通
して、固体高分子電解質膜の耐久性は勿論、電解質膜の
耐久性をも向上することができる。

【００５４】請求項２記載の固体高分子電解質膜では、
固体高分子電解質膜の膜面に接触する触媒層と耐火層と
を、触媒層の外周縁において触媒層の導電性粒子と耐火
層の耐火性粒子により接触させる。従って、請求項２記
載の固体高分子電解質膜では、触媒層の外周縁と耐火層
との間の空隙をこの粒子で埋めることができることを通
して、この耐火層で、触媒層の外周縁で水素と酸素の反
応が生じた場合の熱を遮ることができる。この結果、請
求項２記載の固体高分子電解質膜によれば、燃料電池に
おける固体高分子電解質膜の耐久性を向上することがで
きる。

【００５５】請求項３記載の電極では、触媒層を介在さ
せて電解質を挟持した場合には、固体高分子電解質膜の
膜面においては、触媒層の外周縁と電極の耐火層との間
の間隙を耐火性粒子で埋めた状態で、触媒層を電極の耐
火層で取り囲む。この結果、請求項３記載の電極によれ
ば、触媒層の外周縁で水素と酸素の反応が生じた場合の
熱を電極の耐火層で遮ることを通して、固体高分子電解
質膜の耐久性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる実施例の燃料電池のセル構造の
模式図。

【図２】第１実施例の燃料電池の製造工程を説明するた
めの説明図。

【図３】第１実施例燃料電池における陰極側触媒反応層
１４の外周縁周辺の様子を示す模式図。

【図４】比較例燃料電池における陰極側触媒反応層１４
の外周縁周辺の様子を示す模式図。

【図５】第２実施例の燃料電池の製造工程を説明するた
めの説明図。

【図６】第２実施例燃料電池における陰極側触媒反応層
１４の外周縁周辺の様子を示す模式図。

【図７】第５実施例の燃料電池の製造工程を説明するた
めの説明図。

【図８】第５実施例燃料電池における陰極側触媒反応層
１４の外周縁周辺の様子を示す模式図。

【図９】第６実施例の燃料電池の製造工程を説明するた
めの説明図。

【図１０】第６実施例の変形例における陰極側触媒反応
層１４の外周縁周辺の様子を示す模式図。

【図１１】従来の燃料電池における問題点を説明するた
めの説明図。

【符号の説明】

１０…電解質膜 １２…陽極側触媒反応層 １４…陰極側触媒反応層 １５…ガスシール １５ａ…空隙 １６…耐火層 １６ａ…触媒下面耐火層 ２０…陽極 ３０…陰極 ５０…カーボンクロス ５２…触媒層形成領域 ５４…触媒層隣接領域 ５６…触媒層干渉隣接領域 ５８…触媒層含有領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する電極と固体高分子電解質膜とを
   有し、該固体高分子電解質膜を電極で挟持した燃料電池
   であって、 前記固体高分子電解質膜と電極との間に、 触媒を担持した導電性粒子からなる触媒層と、 該触媒層をその外周縁に沿って取り囲み該触媒層の占め
   る領域を区画する触媒隣接領域に、耐火性を有する粒子
   を敷設してなる耐火層とを備えることを特徴とする燃料
   電池。
2. 【請求項２】 対向する電極間に位置し、触媒を担持し
   た導電性粒子からなる触媒層を介在させて前記電極に挟
   持される固体高分子電解質膜であって、 前記触媒層が接触する触媒接触領域を該領域の外周縁に
   沿って取り囲み前記触媒接触領域を区画する触媒隣接領
   域に、耐火性を有する粒子を膜面に敷設してなる耐火層
   を備えることを特徴とする固体高分子電解質膜。
3. 【請求項３】 ガス拡散性を有する電極基材から形成さ
   れ、触媒を担持した導電性粒子からなる触媒層を介在さ
   せて電解質を挟持する電極であって、 前記電解質と対向する触媒層をその外周縁に沿って取り
   囲み該触媒層の占める領域を区画する触媒隣接領域に、
   耐火性を有する粒子を敷設してなる耐火層を備えること
   を特徴とする電極。