(57)【要約】【課題】電解質膜中で触媒金属が析出することにより、電解質膜中で酸素と水素との反応が進み、電解質膜の劣化が生じやすくなる。【解決手段】膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０と、固体高分子電解質膜２０の一方の面に接合された燃料極２２と、固体高分子電解質膜２０の他方の面に接合された空気極２４とを備える。空気極２４は、触媒層３０およびガス拡散層３２を含む。触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０との界面側に位置する触媒層３０ａと、固体高分子電解質膜２０と反対側に位置する触媒層３０ｂとを有する。触媒層３０ａの撥水性は、触媒層３０ｂの撥水性に比べて高い。【選択図】図１
2008060002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記アノード触媒層の外面に配設されたアノードガス拡散層と、
第１の触媒層および第２の触媒層を有し、前記電解質膜の他方の面に前記第１の触媒層、前記第２の触媒層の順に接合されカソード触媒層と、
前記カソード触媒層の外面に配設されたカソードガス拡散層と、
を備え、
前記第１の触媒層の撥水性が前記第２の触媒層の撥水性より高いことを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記第１の触媒層中の撥水性物質の含有量が前記第２の触媒層中の撥水性物質の含有量に比べて大きいことを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記第１の触媒層中の電解質の撥水性が前記第２の触媒層中の電解質の撥水性に比べて高いことを特徴とする請求項１または２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
前記第１の触媒層中の触媒金属担持用の炭素粒子の黒鉛化度が前記第２の触媒層中の触媒金属担持用の炭素粒子の黒鉛化度に比べて高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の膜電極接合体。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膜電極接合体が組み込まれていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池を構成する電解質膜の性能劣化を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（１）
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（２）
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２０３５６９号公報
【特許文献２】特開２００６−７３３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の固体高分子形燃料電池では、電解質膜と触媒層との間に水の移動を抑制する層が特に設けられていないことから、空気極の触媒層で発生した生成水は、逆拡散の形で電解質膜へも容易に移動する。そのため、生成水に溶解した白金イオンなどの触媒金属イオンが水を移動媒体として電解質膜中へ移動し、電位の低い電解質膜中で析出する。電解質膜中での触媒金属の析出量は、燃料電池の起動停止を繰り返すことなどにより徐々に増加する。電解質膜中で触媒金属が析出すると、燃料極から空気極へ透過（クロスリーク）する水素と、空気極から燃料極へクロスリークする酸素とが金属触媒サイトで反応し、その反応熱や反応によって発生した過酸化水素により電解質膜が劣化する問題がある。なお、特許文献１では、触媒層内に撥水性物質の層を設けているが、電解質膜側ではなく流路側に設けている。これは、電解質膜の乾燥を防ぐためであり、上記の課題は依然として未解決である。また、特許文献２では、撥水性材料と電解質材料とを混合した第１の電解質層によって、触媒の流出を防止しているため（特許文献２の図２参照）、第１の電解質層でのプロトン伝導性が低下してしまうという課題が生じるため、さらなる改良が必要とされている。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒金属が電解質膜中に移動し、析出することにより、電解質膜が劣化することを抑制する技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、膜電極接合体である。当該膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、アノード触媒層の外面に配設されたアノードガス拡散層と、第１の触媒層および第２の触媒層を有し、電解質膜の他方の面に第１の触媒層、第２の触媒層の順に接合されカソード触媒層と、カソード触媒層の外面に配設されたカソードガス拡散層と、を備え、第１の触媒層の撥水性が第２の触媒層の撥水性より高いことを特徴とする。
【０００９】
この態様によれば、第１の触媒層によってカソード触媒層から電解質膜への水移動が抑制される。この結果、触媒金属が電解質膜に移動することが抑制され、電解質膜中における触媒金属の析出が抑制される。このため、クロスリークした水素および酸素が電解質膜中で反応しにくくなるので、電解質膜の劣化を抑制し、ひいては膜電極接合体の長寿命化を図ることができる。
【００１０】
上記態様の膜電極接合体において、第１の触媒層中の撥水性物質の含有量が第２の触媒層中の撥水性物質の含有量に比べて大きくてもよい。また、上記態様の膜電極接合体において、第１の触媒層中の電解質の撥水性が第２の触媒層中の電解質の撥水性に比べて高くてもよい。この場合、さらに、第１の触媒層中の触媒金属担持用の炭素粒子の黒鉛化度が第２の触媒層中の触媒金属担持用の炭素粒子の黒鉛化度に比べて高くてもよい。また、上記態様の膜電極接合体において、第１の触媒層中の電解質の撥水性が第２の触媒層中の電解質の撥水性に比べて高くてもよい。これらの態様によれば、第１の触媒層の撥水性を第２の触媒層の撥水性より高くすることができる。
【００１１】
本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、上記いずれかの態様の膜電極接合体が組み込まれていることを特徴とする。
【００１２】
この態様によれば、第１の触媒層によってカソード触媒層から電解質膜への水移動が抑制される。この結果、触媒金属が電解質膜に移動することが抑制され、電解質膜中における触媒金属の析出が抑制される。このため、クロスリークした水素および酸素が電解質膜中で反応しにくくなるので、電解質膜の劣化を抑制し、ひいては燃料電池の長寿命化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電解質膜中で析出した触媒金属を反応サイトとしてクロスリークした水素および酸素が反応することにより電解質膜が劣化することが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る膜電極接合体５０およびこれを用いた燃料電池１０の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。燃料電池１０は、平板状の膜電極接合体５０を備え、この膜電極接合体５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けらている。この例では一つの膜電極接合体５０のみを示すが、セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数の膜電極接合体５０を積層して、燃料電池１０が構成されてもよい。
【００１５】
膜電極接合体５０は、固体高分子電解質膜２０と、固体高分子電解質膜２０の一方の面に接合された燃料極（アノード）２２と、固体高分子電解質膜２０の他方の面に接合された空気極（カソード）２４とを有する。燃料極２２は、触媒層２６およびガス拡散層２８からなる積層体を有する。同様に、空気極２４は、触媒層３０およびガス拡散層３２からなる積層体を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。
【００１６】
燃料極２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じて膜電極接合体５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４側に設けられるセパレータ３６にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じて膜電極接合体５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池１０の運転時、燃料ガス、例えば水素ガスがガス流路３８内をガス拡散層２８の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、燃料極２２に燃料ガスが供給される。一方、燃料電池１０の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路４０内をガス拡散層３２の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、空気極２４に酸化剤ガスが供給される。これにより、膜電極接合体５０内で反応が生じる。ガス拡散層２８を介して触媒層２６に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜２０中を空気極２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路から空気極２４に流れ込む。一方、ガス拡散層３２を介して触媒層３０に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極２２から空気極２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【００１７】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
【００１８】
燃料極２２を構成する触媒層２６は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００１９】
燃料極２２を構成するガス拡散層２８は、アノード基材６０およびアノード基材６０に塗布された微細孔層６２を有する。アノード基材６０は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００２０】
微細孔層６２は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物をアノード基材６０に塗布することにより形成したものである。である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（PTFE）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペースト状の混練物を得ることができる。
【００２１】
空気極２４を構成する触媒層３０は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【００２２】
本実施の形態では、触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０との界面側に位置する触媒層３０ａと、固体高分子電解質膜２０と反対側に位置する触媒層３０ｂとを有する。触媒層３０ａの撥水性は、触媒層３０ｂの撥水性に比べて高い。
【００２３】
具体的には、触媒層３０ａは、触媒層３０ｂに比べて、PTFE、四フッ化エチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（FEP）、四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（PFA）などの撥水性物質の含有量（質量％）が多い。触媒層３０ａの撥水性が触媒層３０ｂに比べて高ければ、触媒層３０ｂにも上述した撥水性物質が含まれていてもよい。
【００２４】
触媒層３０ａは、固体高分子電解質膜２０の全面と接していることが望ましい。触媒層３０ｂの膜厚を１０〜５０μmとした場合に、触媒層３０ａの膜厚は、撥水性を確保し、面内均一性を確保するためには、５μm以上が望ましく、抵抗増大を抑制するために、２０μm以下、あるいは触媒層３０ｂの１／２以下が望ましい。触媒層３０ａによる抵抗増大を抑制する観点からは、触媒層３０ａの抵抗増大分は、１０mΩ・cm２以下であることが望ましい。なお、触媒層３０ａによる抵抗増大分は、空気極用の触媒層として触媒層３０ｂのみを有するセルと、空気極用の触媒層として触媒層３０ａおよび触媒層３０ｂを有するセルについて、交流抵抗計にてセル抵抗を測定し、両者の差を算出することにより求めることができる。
【００２５】
触媒層３０ａの撥水性が、触媒層３０ｂの撥水性に比べて高い例として、触媒層３０ａに含まれるイオン交換樹脂の撥水性が、触媒層３０ｂに含まれるイオン交換樹脂の撥水性より高いことが好ましい。これによれば、触媒層３０ａの撥水性を、触媒層３０ｂの撥水性より高くすることができる。具体的には、触媒層３０ａのイオン交換樹脂として、フラーレン誘導体を用い、触媒層３０ｂのイオン交換樹脂として、ナフィオンを用いることができる。
【００２６】
この場合、さらに、触媒層３０ａに含まれる触媒を担持する炭素粒子の黒鉛化度が、触媒層３０ｂに含まれる触媒を担持する炭素粒子の黒鉛化度よりも高いことがより好ましい。この理由は、炭素粒子は黒鉛化度が高くなるほど、撥水性が高くなるためであり、触媒層３０ａに含まれるイオン交換樹脂の撥水性を触媒層３０ｂに含まれるイオン交換樹脂の撥水性より確実に高くすることができる。
【００２７】
空気極２４を構成するガス拡散層３２は、カソード基材７０およびカソード基材７０に塗布された微細孔層７２を有する。カソード基材７０は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。
【００２８】
微細孔層７２は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物をカソード基材７０に塗布することにより形成したものである。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、PTFEなどのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することが好ましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペースト状の混練物を得ることができる。
【００２９】
以上説明した燃料電池においては、空気極２４を構成する触媒層３０で生じる生成水の移動が、撥水性がより高い触媒層３０ａによって抑制されるため、固体高分子電解質膜２０に触媒金属が溶け込んだ水が流入することが抑制される。この結果、固体高分子電解質膜２０中で触媒金属が析出しにくくなり、触媒金属サイトでの水素と酸素による反応が低減し、固体高分子電解質膜２０の劣化が抑制される。
【００３０】
（空気極の製造方法１）
ここで、空気極の製造方法について説明する。まず白金などの触媒金属が炭素粒子に担持された触媒と、ナフィオンなどからなる電解質溶液と、溶媒とを混合して、第１の触媒スラリーを作製する。一方、白金などの触媒金属が炭素粒子に担持された触媒と、ナフィオンなどからなる電解質溶液と、PTFE、FEPもしくはPFAからなる群より選ばれる撥水性物質と、溶媒とを混合して、第２の触媒スラリーを作製する。
【００３１】
まず、図３（Ａ）に示すように、カーボンペーパ上に微細孔層を塗布・乾燥・熱処理して作製したガス拡散層３２の上に、第２の触媒スラリーを塗布することにより触媒層３０ｂを作製する。続いて、図３（Ｂ）に示すように、触媒層３０ｂの上に第１の触媒スラリーを塗布することにより触媒層３０ａを作製する。その後、乾燥・熱処理を行い、空気極を完成させる。なお、触媒層３０ａに含まれる撥水性物質の含有量は、微細孔層に含まれる撥水性物質の含有量（質量％）より多いほうがより望ましい。これにより、水移動抑制の効果と抵抗増大を最小限にすることができる。
【００３２】
以上の工程によれば、固体高分子電解質膜側への水移動が撥水性がより高い触媒層によって抑制された空気極を製造することができる。この空気極を燃料電池に組み込むことにより、固体高分子電解質膜中に触媒金属が析出しにくい燃料電池を製造することができる。
【００３３】
なお上記製造方法１では第２の触媒スラリーに撥水性物質が含有されていないが、最終的に、触媒層３０ａの撥水性が触媒層３０ｂの撥水性より高くなれば、第２の触媒スラリーにも撥水性物質が含まれていてもよい。この場合、撥水性が、触媒層３０ａ＞触媒層３０ｂ＞微細孔層という関係になるように、第２の触媒スラリー、第１の触媒スラリーおよび微細孔層における撥水性物質の含有量が設定されることが好ましい。
【００３４】
（空気極の製造方法２）
上記製造方法１では、撥水性物質の含有量により、触媒層３０ａ、触媒層３０ｂおよび微細孔層の撥水性を所望の関係に設定しているが、本製造方法２では、触媒を担持する炭素粒子の黒鉛化度に基づいて、触媒層３０ａ、触媒層３０ｂおよび微細孔層の撥水性を所望の関係に設定する。
【００３５】
具体的には、白金などの触媒金属が炭素粒子に担持された触媒と、ナフィオンなどからなる電解質溶液と、溶媒とを混合して、第２の触媒スラリーを作製する。第２の触媒スラリーに使用される触媒担持用の炭素粒子としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどの黒鉛化度が相対的に低い炭素材料を用いる。
【００３６】
一方、白金などの触媒金属が炭素粒子に担持された触媒と、ナフィオンなどからなる電解質溶液と、溶媒とを混合して、第１の触媒スラリーを作製する。第１の触媒スラリーに使用される触媒担持用の炭素粒子としては、グラファイト化カーボンなどの黒鉛化度が相対的に高い炭素材料を用いる。
【００３７】
上記第１の触媒スラリーおよび第２の触媒スラリーを用いて、空気極の製造方法１と同様に、カーボンペーパ上に微細孔層を塗布して作製したガス拡散層の上に、第２の触媒スラリーを塗布することにより触媒層３０ｂを作製した後、触媒層３０ｂの上に第１の触媒スラリーを塗布することにより触媒層３０ａを作製する。その後、乾燥・熱処理を行い、空気極を完成させる。
【００３８】
これによれば、固体高分子電解質膜側への水移動が撥水性がより高い触媒層によって抑制された空気極を製造することができる。
【００３９】
（空気極の製造方法３）
上記製造方法１では、撥水性物質の含有量により、触媒層３０ａ、触媒層３０ｂおよび微細孔層の撥水性を所望の関係に設定しているが、本製造方法３では、触媒層３０ａおよび触媒層３０ｂに含まれる電解質溶液の撥水性の違いに基づいて、触媒層３０ａ、触媒層３０ｂおよび微細孔層の撥水性を所望の関係に設定する。
【００４０】
具体的には、白金などの触媒金属が炭素粒子に担持された触媒と、ナフィオンなどからなる電解質溶液と、溶媒とを混合して、第２の触媒スラリーを作製する。第２の触媒スラリーに使用される電解質溶液は、イオン交換樹脂として、撥水性が相対的に低いナフィオンを含む。
【００４１】
一方、白金などの触媒金属が炭素粒子に担持された触媒と、ナフィオンなどからなる電解質溶液と、溶媒とを混合して、第１の触媒スラリーを作製する。第１の触媒スラリーに使用される電解質溶液は、撥水性が相対的に高いフラーレン誘導体を含む。フラーレン誘導体として、Ｃ６０（ＳＯ３Ｈ）ｎ、またはＣ６０（ＳＯ３Ｈ）ｎ（ＯＨ）ｌを用いることができる。また、球状炭素クラスター分子として、Ｃ６０の代わりに、Ｃ３６、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ８０などを用いてもよく、さらに、上記の２種類以上を混合してもよい。
【００４２】
上記第１の触媒スラリーおよび第２の触媒スラリーを用いて、空気極の製造方法１と同様に、カーボンペーパ上に微細孔層を塗布して作製したガス拡散層の上に、第２の触媒スラリーを塗布することにより触媒層３０ｂを作製した後、触媒層３０ｂの上に第１の触媒スラリーを塗布することにより触媒層３０ａを作製する。その後、乾燥・熱処理を行い、空気極を完成させる。
【００４３】
これによれば、固体高分子電解質膜側への水移動が撥水性がより高い触媒層によって抑制された空気極を製造することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
実施の形態１では、空気極の触媒層において、固体高分子電解質膜側の撥水性を高めることにより、触媒層から固体高分子電解質膜への水移動を抑制しているが、触媒層から固体高分子電解質膜への水移動の抑制手段はこれに限られない。
【００４５】
図４は、実施の形態２に係る燃料電池の構造を示す断面図である。実施の形態２の燃料電池の基本的な構成は、実施の形態１と同様である。このため、実施の形態１と同様な構成については適宜説明を省略する。本実施形態では、固体高分子電解質膜２０は、触媒層３０との界面側に位置する固体高分子電解質膜２０ａと、触媒層３０の反対側に位置する固体高分子電解質膜２０ｂとを有する。固体高分子電解質膜２０ａの撥水性は、固体高分子電解質膜２０ｂの撥水性に比べて高い。
【００４６】
このような構成の固体高分子電解質膜２０として下記の例が挙げられる。
【００４７】
（１）固体高分子電解質膜２０ａに含まれる電解質の撥水性が、固体高分子電解質膜２０ｂに含まれる電解質の撥水性より高い。具体的には、固体高分子電解質膜２０ａは、電解質としてフラーレン誘導体を主成分とし、固体高分子電解質膜２０ｂはナフィオンを主成分とする。
【００４８】
なお、固体高分子電解質膜２０ａの膜厚は、撥水性を確保するためには、５μm以上が望ましく、抵抗増大を抑制するために、２０μm以下が望ましい。固体高分子電解質膜２０ａによる抵抗増大を抑制する観点からは、固体高分子電解質膜２０ａの抵抗増大分は、１０mΩ・cm２以下であることが望ましい。
【００４９】
以上の構成によれば、プロトン伝導性を低下させることなく、空気極２４を構成する触媒層３０で生じる生成水の移動が撥水性がより高い固体高分子電解質膜２０ａによって抑制されるため、固体高分子電解質膜２０に触媒金属が溶け込んだ水が流入することが抑制される。この結果、固体高分子電解質膜２０中で触媒金属が析出しにくくなり、触媒金属サイトでの水素と酸素による反応が低減し、固体高分子電解質膜２０の劣化が抑制される。
【００５０】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００５１】
例えば、上述の各実施の形態では、固体高分子電解質膜と空気極用触媒層との境界部分に、触媒層中で相対的に撥水性が高い触媒層、または固体高分子電解質膜中で相対的に撥水性が高い固体高分子電解質膜を設けているが、固体高分子電解質膜と空気極用触媒層との境界部分に、固体高分子電解質膜および空気極用触媒層のいずれにも属さない高撥水性層を設けてもよい。高撥水性層は、少なくとも空気極用触媒層より撥水性が高いことを特徴とする。
【００５２】
この構成によっても、空気極用触媒層で生じる生成水の移動が、高撥水性層によって抑制されるため、固体高分子電解質膜に触媒金属が溶け込んだ水が流入することが抑制される。これにより、固体高分子電解質膜中で触媒金属が析出しにくくなり、触媒金属サイトでの水素と酸素による反応が低減し、固体高分子電解質膜の劣化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図３】空気極の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】実施の形態２に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  燃料電池、２０  固体高分子電解質膜、２２  燃料極、２４  空気極、２６  触媒層、２８  ガス拡散層、３０  触媒層、３２  ガス拡散層、３４、３６  セパレータ、３８、４０  ガス流路、５０  膜電極接合体。
【図１】
2008060002.tif 000003
【図２】
2008060002.tif 000004
【図３】
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【図４】
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