(57)【要約】 【課題】  より効率的かつ簡単な処理によって電極表面および表面付近を親水化し、より高性能の固体高分子型燃料電池の製造を可能とする固体高分子型燃料電池用電極およびその製造方法を提供する。【解決手段】  固体高分子型燃料電池用電極３，４は、ガス拡散層３ａ，４ａとガス拡散層３ａ，４ａ上に形成された触媒層３ｂ，４ｂとを有している。固体高分子型燃料電池用電極３，４では、ガス拡散層３ａ，４ａと触媒層３ｂ，４ｂとを接合した後にプラズマ処理が施されて、触媒層３ｂ，４ｂ表面および触媒層３ｂ，４ｂ表面付近の触媒２１にプロトン乖離基２２が導入されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散層と該ガス拡散層上に形成された触媒層とを有する固体高分子型燃料電池用電極において、プラズマ処理により前記触媒層の表面および該表面付近にプロトン乖離基が導入されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極。
【請求項２】
ガス拡散層と、該ガス拡散層中に固体高分子電解質と触媒が三相界面を有する触媒層とを備えた固体高分子型燃料電池用電極において、プラズマ処理により前記触媒層の表面および該表面付近にプロトン乖離基が導入されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極。
【請求項３】
前記プロトン乖離基が、−ＯＨ，−ＯＳＯ３Ｈ，−ＣＯＯＨ，−ＳＯ３Ｈ，及び−ＯＰＯ（ＯＨ）３からなる群より選択されることを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池用電極。
【請求項４】
前記電極が高分子電解質膜と接合されて水素極及び／又は酸素極として用いられることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池用電極。
【請求項５】
ガス拡散層上に触媒層を形成して電極を構成し、プラズマ処理により前記触媒層の表面および該表面付近にプロトン乖離基を導入することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
【請求項６】
ガス拡散層上に、固体高分子電解質と触媒が三相界面を有する触媒層を形成して電極を構成し、プラズマ処理により前記触媒層の表面および該表面付近にプロトン乖離基を導入することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
【請求項７】
前記過酸化水素又は無機酸を電極表面に塗布した後にプラズマ処理を施すことにより、−ＯＨ，−ＯＳＯ３Ｈ，−ＣＯＯＨ，−ＳＯ３Ｈ，及び−ＯＰＯ（ＯＨ）３からなる群より選択される前記プロトン乖離基を導入することを特徴とする請求項５または６記載の固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
【請求項８】
前記電極を高分子電解質膜と接合させて、水素極及び／又は酸素極として用いることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜４の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池用電極を用いた燃料電池。
【請求項１０】
請求項５〜８の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池用電極の製造方法を用いて作成された燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池用電極とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池の製造方法としては、例えば次のような方法があった。まず、カーボンブラック（アセチレンブラック）上に白金を担持した電極用触媒粉末に対して、常圧大気中でプラズマ照射処理を行うことにより表面を親水化する。そして、その親水化処理を施した電極用触媒粉末を用いて電極を作製する。そして、作製された電極によって高分子電解質を挟み、固体高分子型燃料電池を作製する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２４５５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法による親水化は、電極用触媒粉末へのプラズマ処理であるため、粉末の飛散防止等の処理が煩雑な部分があり効率的であるとは言えない。また、特許文献１の方法は、電極部分全体に対しての親水化であると考えられる。特に、水素極の場合、触媒層全体に生成された水または水素とともに加湿のために供給される水分が水素極表面に付着し、水素極側からガス拡散層を通じて供給される水素との接触が断たれてしまう。
【０００５】
本発明は、上記を鑑み、より効率的かつ簡単な処理によって電極表面および表面付近のみを親水化し、より高性能の固体高分子型燃料電池の製造を可能とする固体高分子型燃料電池用電極およびその製造方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の固体高分子型燃料電池用電極は、ガス拡散層と該ガス拡散層上に形成された触媒層とを有し、前記触媒層にプラズマ処理が施されたことにより前記触媒層の表面および該表面付近にプロトン乖離基が導入されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、ガス拡散層上に触媒層を形成した後にプラズマ処理を施すことにより、触媒層の表面および触媒層の表面付近、特に触媒層中の触媒担持体にプロトン乖離基が導入されるため、プロトンの伝導効率が向上する。これにより、燃料電池の一セルあたりの出力電圧が向上し、発電効率が向上する。よって、所定電圧を達成するためにスタックを組む際の必要なセルの数を減らすことが可能となり、製造される燃料電池のサイズを小さくすることが可能となる。
【０００８】
また、触媒層のガス拡散層と反対側の表面、および表面付近以外は、親水化されていないため、生成した水あるいはガス拡散層側から供給される加湿用水分で、触媒層が覆われにくいため、水素との接触状態を良好に保つことができる。
【０００９】
また、本発明によれば、ガス拡散層上に触媒層を形成することにより電極として構成されたものに対してプラズマ処理を施している。したがって、電極用触媒粉末に対してプラズマ処理を行う場合と比べて、処理が容易であり、効率的に電池を製造することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の固体高分子型燃料電池用電極は、プラズマ処理後に高分子電解質膜と接合されて水素極、酸素極、または水素極および酸素極の双方として用いることが可能である。
【００１１】
また、本発明の固体高分子型燃料電池用電極によれば、触媒層中に固体高分子電解質と触媒を有することにより、固体高分子電解質と触媒（特に触媒担持体）にプロトン乖離基が導入される。したがって、プロトン解離基が導入された戸外高分子電解質がプロトン乖離基が導入されていない固体高分子電解質と触媒間の親和性を高めるため、プロトン伝導効率が向上する。
【００１２】
また、本発明によれば、過酸化水素または無機酸が加えられた電極表面にプラズマ処理を施すことによりプロトン乖離基を導入することが好ましい。特に、触媒層の表面に過酸化水素または無機酸を塗布した後にプラズマ処理を施すことにより、プロトンの導電性が更に向上し、より高性能の燃料電池を作製することが可能となる。
【００１３】
本発明の固体高分子型燃料電池用電極の製造方法は、ガス拡散層上に触媒層を形成して電極を構成し、前記触媒層の表面にプラズマ処理を施して前記表面および該電極表面付近にプロトン乖離基を導入することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、ガス拡散層上に触媒層を形成した後にプラズマ処理を施すことにより触媒層表面および触媒層表面付近、特に触媒層中の触媒担持体にプロトン乖離基が導入されているので、プロトンの伝導効率が向上する。これにより、燃料電池の一セルあたりの出力電圧が向上し、発電効率が向上する。よって、所定電圧を達成するためにスタックを組む際の必要なセルの数を減らすことが可能となり、製造される燃料電池のサイズを小さくすることが可能となる。
【００１５】
また、本発明によれば、ガス拡散層上に触媒層を形成することにより電極として構成されたものに対してプラズマ処理を施している。したがって、電極用触媒粉末に対してプラズマ処理を行う場合と比べて、処理が容易であり、効率的に電池を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガス拡散層上に触媒層を形成した後にプラズマ処理を施すことにより電極表面および電極表面付近にプロトン乖離基が導入されているので、電極表面、特に触媒層の表面および触媒層の表面付近を親水化され、プロトンの伝導効率が向上する。これにより、燃料電池の一セルあたりの出力電圧が向上し、発電効率が向上する。よって、所定電圧を達成するためにスタックを組む際の必要なセルの数を減らすことが可能となり、製造される燃料電池のサイズを小さくすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電極の実施形態について説明する。
【００１８】
本実施形態の固体高分子型燃料電池は、電極表面にプラズマ処理を施すことにより、電極表面および電極表面付近にプロトン乖離基を導入したものである。以下、固体高分子型燃料電池の説明に交えて、固体高分子型燃料電池用電極についての説明を行う。
【００１９】
図１は、本実施形態の固体高分子型燃料電池１の一部を示す断面図である。本実施形態では、固体高分子電解質膜２の表面に水素極３と酸素極４とが対向して接合されることにより構成された電極集積体（MEA：Membrane Electrode Assembly)５が、２つのセパレータ６および７によって狭持されて一つのセルを構成している。そして、このセルが複数個積層されてスタックされることによっての全体として固体高分子型燃料電池スタックを構成する。
【００２０】
固体高分子電解質膜２は、プロトン導電性の高分子電解質であって、水素極３から酸素極４にプロトンを導電可能に構成されている。本実施形態で用いられる固体高分子電解質膜２としては、たとえば、パーフルオロ系のポリマーが使用可能であり、具体的には、ナフィオン（デュポン製）、フレミオン（旭硝子（株）製）、アシプレックス（旭化成（株）製）、フラーレン等が使用可能である。
【００２１】
水素極３は、固体高分子型燃料電池１の負極として機能するものであって、セパレータ６に形成された水素流路６ａを介して供給される水素をプロトンと電子にイオン化するものである。水素極３は、ガス拡散層３ａと、ガス拡散層３ａと隣接して形成された触媒層３ｂとを有する。
【００２２】
ガス拡散層３ａは、多孔質膜であって、セパレータ６側に配置されている。このガス拡散層３ａは、水素流路６ａを介して供給される水素を拡散させながら通過させて、触媒層３ｂに供給可能に構成されている。このガス拡散層３ａとしては、水素や酸素を透過し、かつ良好な電気伝導性を備えるものであればよく、例えばカーボンペーパー製のガス拡散層が例示される。
【００２３】
触媒層３ｂは、ガス拡散層３ａと固体高分子電解質膜２の一面との間に配置されており、水素のイオン化を加速させる触媒と、この触媒を担持する触媒担持体から構成されている。この触媒層３ｂは、ガス拡散層３ａから送られてきた水素を触媒を介してイオン化し、プロトンと電子に分離させる。イオン化により生成されたプロトンは、固体高分子電解質膜２を通過して酸素極４側に送られる。また、イオン化により生成された電子は、電流として外部に取り出される。
【００２４】
触媒層３ｂの触媒担持体としては、例えばカーボンブラックが使用可能であり、また触媒としては白金が使用可能である。例えば、白金を担持するカーボンブラックを分散剤に入れて分散させ、固体高分子電解質膜２に用いられる電解質を加えて触媒層３ｂを構成することが可能である。その他、触媒層３ｂ中の触媒担持体としては、ナノカーボンチューブ、ナノカーボンホーン、多孔質シリコン、ゼオライト等が使用可能である。また、触媒層３ｂ中の触媒としては、白金、ルテニウム、モリブデン、タングステン、鉄、パナジウム、銅、コバルト、マンガン、ニッケル及びこれらの合金等が使用可能である。
【００２５】
この触媒層３ｂは、ガス拡散層３ａ上にホットプレス等により接合することにより、水素極３を構成してもよいし、また触媒を含む触媒層物質をガス拡散層３ａ上に塗布固着することによって触媒層３ｂをガス拡散層３ａ上に形成して、水素極３を構成してもよい。
【００２６】
酸素極４は、固体高分子型燃料電池１の正極として機能するものであり、セパレータ７に形成された空気流路７ａを介して供給される酸素を固体高分子電解質膜２の他面にまで供給するものである。この酸素極４は、ガス拡散層４ａと、ガス拡散層４ａと隣接して形成された触媒層４ｂとを有する。
【００２７】
ガス拡散層４ａは、多孔質膜であって、セパレータ７側に配置されている。このガス拡散層４ａは、空気流路７ａを介して供給される空気を拡散させながら通過させて、触媒層４ｂに供給可能に構成されている。
【００２８】
触媒層４ｂは、ガス拡散層４ａと固体高分子電解質膜２の他面との間に配置されており、白金等の触媒が触媒担持体によって担持された構成を有する。触媒層４ｂと固体高分子電解質膜２との界面またはその近傍では、固体高分子電解質膜２から供給されるプロトンとガス拡散層４ａから供給される空気中の酸素との反応により、水が生成される。
【００２９】
本実施形態の水素極３および酸素極４は、基本的には同一の組成および構造を有している。これらの水素極３および酸素極４は、固体高分子型燃料電池用の電極作製方法としては一般的な方法であるペースト法(E.A.Ticianelli, et al.: J. Electrochem. Soc. 135. No.9, p2209(1988))や滴下法(M. Uchida, et al.: J. Electrochem. Soc. 142. No.2, p.463(1995))等によって作製することが可能である。
【００３０】
また、本実施形態の水素極３、酸素極４またはその両方は、電極表面、特に触媒層３ｂまたは触媒層４ｂ上に、例えば大気圧低温プラズマ処理を施され、あるいはプラズマによって生成されたラジカル種によって触媒層３ｂ表面および触媒層３ｂ表面付近にプロトン乖離基が導入されているものである。プロトン乖離基とは、プロトンを放出することが可能な官能基であり、例としては、−ＯＨ，−ＯＳＯ３Ｈ，−ＣＯＯＨ，−ＳＯ３Ｈ，及び−ＯＰＯ（ＯＨ）３等が挙げられる。
【００３１】
図２は、水素極３（酸素極４）の状態を示す模式図であり、図３は、水素極３（酸素極４）と固体高分子電解質膜２との界面の様子を示す模式図である。触媒層３ｂ（４ｂ）は、多数の触媒担持体２１がガス拡散層３ａ（４ａ）上に積層配置されて構成されている。そして、触媒層３ｂ（４ｂ）の表面および表面近傍、すなわち触媒担持体２１の表面には、上述したプラズマ処理等によりプロトン乖離基２２が導入されている。図３に示すように、触媒層３ｂ（４ｂ）の表面側は固体高分子電解質膜２と接しており、そしてガス拡散層３ａを介して水素としてのＨ２，Ｈ＋（Ｈ３Ｏ＋）（酸素極４の場合には、酸素を含む空気）が供給されている。すなわち、固体高分子電解質膜２、触媒担持体２１および水素（空気）によって、三相界面が構成されている。
【００３２】
図４は、水素極３側における界面（三相界面）の状態を示す模式図である。固体高分子電解質膜２内には、固体高分子電解質膜２と触媒層３ｂとの界面で発生したプロトンを導電するためのプロトン導電路２ａ，２ｂ，２ｃが形成されている。このプロトン導電路２ａ，２ｂ，２ｃは、図４に示すように、固体高分子膜２の表面に局所的に形成されているものであり、固体高分子電解質膜２の全表面にわたって形成されていない。
【００３３】
触媒担持体２１上に導入されたプロトン乖離基２２は、三相界面または三相界面近傍で生成されたプロトンの通り道として機能するものであり、プロトンが三相界面に平行な方向に効率よく導電するためのものである。
【００３４】
ここで、三相界面または三相界面近傍にプロトン乖離基が存在しない場合を考える。プロトン導電路２ｂ近傍でイオン化して生成されたプロトン３１は、固体高分子電解質膜２内のプロトン導電路２ｂを介して酸素極４側に導電し易いが、プロトン導電路２ｂから離れた位置で生成されたプロトン３２は、プロトン乖離基２２が無い状態では固体高分子電解質膜２内のプロトン導電路２ｂに至るまでの距離が長く移動しにくい状態となっている。
【００３５】
一方、本実施形態では、触媒担持体２１の表面に導入されたプロトン乖離基２２がこの触媒担持体２１近傍にてイオン化したプロトンの通り道としての役割を果たす。図４に示すように、プロトン３２がプロトン導電路２ｂから離れた位置で生成された場合であっても、プロトン３２は、触媒担持体２１の表面に導入されたプロトン乖離基２２を介して、プロトン導電路２ｂ側にすばやく移動し、プロトン導電路２ｂを介して、酸素極４側に導かれる。したがって、本実施形態のようにプロトン乖離基２２を触媒担持体２１の表面に導入した場合には、プロトン乖離基２２を導入しない場合に比べて、酸素極４側へのプロトンの導電効率が向上し、発電効率を高めることが可能となる。
【００３６】
図５は、プロトン乖離基を導入するためのプラズマ処理を施すプラズマ処理装置１０を示す図である。プラズマ処理装置１０は、高周波電源１１と、互いに所定間隔離れて配置された電極１３，１５とを備えている。また、これらの電極１３，１５の対向側側面には、アルミナ等からなる絶縁体１４，１６が所定間隔離れて、互いに対向配置されて、絶縁体１４，１６間にプラズマ生成空間１７を画成している。
【００３７】
また、絶縁体１４，１６の長手方向一端面の近傍には、絶縁体１４，１６間にＨｅ，Ａｒ等の希ガスや空気を供給するガス供給管１２のガス供給口１２ａが設けられている。
【００３８】
一方、絶縁体１４，１６の長手方向他端面の近傍には、可動ステージ１９が設けられている。この可動ステージ１９上には、電極集積体５として固体高分子電解質膜２と一体化する前の水素極３または酸素極４が配置される。水素極３または酸素極４は、プラズマ生成空間１７側に触媒層３ｂまたは触媒層４ｂが向けられて配置される。
【００３９】
本実施形態では  高周波電源１１によって電極１５に高周波電圧が印加されることにより、絶縁体１４，１６間に高周波電場が生成される。そして、ガス供給管１２のガス供給口１２ａより絶縁体１４，１６間に電極Ｈｅ，Ａｒ等の希ガス、又は空気を供給して、大気圧にてイオン化してプラズマ１７を生成する。生成されたプラズマ１７は、電極１３，１５の長手方向に関してガス供給口１２ａとは反対側に配置された水素極３または酸素極４に照射される。プラズマ照射時、可動ステージ１９は、水素極３または酸素極４の表面全域にわたりプラズマが照射されるように左右に移動する。プラズマは、触媒層に触れてもよいし、触媒層がプラズマの熱で変性する恐れがある場合には、プラズマの炎が直接あたらないようにするのが好ましい。
【００４０】
このプラズマ照射により、水素極３または酸素極４の触媒層３ｂまたは触媒層４ｂの表面および表面付近には、水酸基等のプロトン乖離基が導入され親水化される。固体高分子型燃料電池１では、プロトン乖離基の作用によって、またプラズマ処理により触媒表面の不純物が除去されることにより、触媒と固体高分子電解質との伝導性が向上し、触媒が活性化されて触媒の利用効率が高まる。よって、本実施形態の固体高分子型燃料電池１は、プラズマ処理を施さない電極を用いた燃料電池と比べて、一セルあたりの出力電圧を高めることが可能となる。
【００４１】
このプラズマ処理は、水素極３と酸素極４のいずれか一方のみに処理を施しても良いし、水素極３と酸素極４の双方に処理を施すようにしてもよい。少なくとも水素極３と酸素極４の一方のみにプラズマ処理を施した場合でも、電極集積体５のプロトン導電性が全体として向上し、燃料電池の性能が向上する。
【００４２】
本実施形態のプラズマ処理においては、プラズマ照射の前処理として過酸化水素や、硫酸、リン酸等の無機酸などのプロトン解離基を有する化学物質を触媒層３ｂまたは触媒層４ｂの表面に加え、この前処理の後にプラズマ照射を行うことが好ましい。このような前処理をおこなうことにより、触媒層３ｂまたは触媒層４ｂの表面またはその表面付近へのプロトン乖離基の導入が促進されてより一層親水化がすすみ、より高い効果が得られる。
【００４３】
また本実施形態の水素極３および酸素極４の触媒層３ｂ，４ｂは、触媒担持体としてカーボンブラックのみならず、プラズマ処理後に接合される固体高分子電解質膜２を構成する電解質成分を一部含んでいることが好ましい。この電解質成分を含んだ触媒層３ｂ，４ｂ表面へのプラズマ照射により、電解質に水酸基等のプロトン乖離基が導入され、水素極３または酸素極４と固体高分子電解質膜２との間のプロトン導電性が向上し、セルの発電効率が向上する。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の固体高分子型燃料電池用電極３，４は、ガス拡散層３ａ，４ａとガス拡散層３ａ，４ａ上に形成された触媒層３ｂ，４ｂとを有し、ガス拡散層３ａ，４ａ上に触媒層３ｂ，４ｂを形成した後にプラズマ処理を施すことにより触媒層３ｂ，４ｂ表面および触媒層３ｂ，４ｂ表面付近にプロトン乖離基が導入されている。
【００４５】
上記プラズマ処理は、触媒層３ｂ，４ｂの表面および表面付近を洗浄して不純物を除去し、そして触媒層３ｂ，４ｂの表面および表面付近を親水化させて、プロトンの伝導効率を向上させる。これにより、燃料電池の一セルあたりの出力電圧が向上し、発電効率が向上する。よって、所定電圧を達成するためにスタックを組む際の必要なセルの数を減らすことが可能となり、製造される燃料電池のサイズを小さくすることが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態では、ガス拡散層３ａ，４ａ上に触媒層３ｂ，４ｂを形成することにより電極として構成されたものに対してプラズマ処理を施している。したがって、本実施形態によれば、電極として構成したものに対して、プラズマ処理を施すため、電極用触媒粉末に対してプラズマ照射処理を行う場合と比べて、処理が簡単であり、効率的に電池を組み上げることが可能となる。
【００４７】
また、本実施形態の固体高分子型燃料電池用電極は、プラズマ処理後に高分子電解質膜２上に配置されて水素極３または酸素極４として用いることが可能である。
【００４８】
また、本実施形態によれば、過酸化水素または無機酸を触媒層３ｂ，４ｂの表面に接触させた後にプラズマ処理を施すことにより、触媒層３ｂ，４ｂの表面および表面付近にプロトン乖離基を導入している。したがって、プロトンの導電性を更に向上させて、より高性能の燃料電池を作製することが可能となる。
【００４９】
なお、本実施形態では、プラズマ処理装置として図５に示すプラズマ処理装置１０を用いたが、これに限られることはなく、電極の表面にプラズマを照射可能なものであればよく、任意の構造を有するプラズマ処理装置を使用することが可能である。
【実施例１】
【００５０】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電極の実施例について説明する。
【００５１】
（電極の作製）
滴下法(M. Uchida, et al.: J. Electrochem. Soc. 142. No.2, p.463(1995))を用いて電極を作製した。電極は、ガス拡散層と触媒層の二層構造とした。ガス拡散層としては、カーボンペーパー（製品名：ＴＧ１−１−１−１２０、東レ（株）製）を撥水処理して使用した。触媒層の材料は、白金２９ｗ％担持カーボンブラック（田中貴金属製）を使用した。白金２９ｗ％担持カーボンブラック２０ｍｇを酢酸ブチル１８ｍｌに入れて分散させ、固体高分子電解質膜の材料であるナフィオン１１２５の５％溶液（デュポン製）を２０ｍｌ滴下して架橋構造を作り、白金量に換算して０．２５ｍｇ／ｃｍ２となるように触媒層を作製した。最後に作製されたガス拡散層と触媒層とをホットプレスで接合して電極を作製した。できあがった電極のサイズは、２２ｍｍ角とした。
【００５２】
上記と同様の手法を用いて、リファレンス用電極２枚、プラズマ処理用電極２枚、過酸化水素を用いたプラズマ処理用電極２枚の計６枚の電極を作製した。
【００５３】
（プラズマ処理装置）
プラズマ処理装置としては、図５に示すプラズマ処理装置を用いた。高周波電源の発信周波数は、１３．５６ＭＨｚであり、出力は４０Ｗとした。プラズマとして用いるガスは、Ｈｅを使用し、７００ｓｃｃｍの速さでプラズマ生成空間１７内に流入させた。プラズマ処理は、大気圧下、低温（２０℃）で実施した。作製された電極をプラズマ発生空間下端（絶縁体の長手方向端面）から１ｍｍの位置に配置し、１５０秒間プラズマを電極表面に向けて照射した。プラズマ照射は、電極をオートステージで動かしながら１５０秒で電極表面全てを照射可能な速さで行った。
【００５４】
作製した６枚の電極のうち、４枚に対してプラズマ照射を行った。４枚のうち、２枚に対しては、２度直接プラズマを照射し、残りの２枚に対しては１度プラズマを照射した後に過酸化水素を表面に噴霧し、もう一度同様のプラズマ処理を行った。
【００５５】
（固体高分子電解質膜）
電極間に配置される固体高分子電解質膜としては、ナフィオン１１２５（デュポン製）を用いた。サイズは、３５ｍｍ角で厚さは５０μｍであった。
【００５６】
（固体高分子型燃料電池の作製）
固体高分子型燃料電池は、市販されている燃料電池組み立てキット（製品名：タイプＳ−Ｓ−Ｊ、ケミックス製）を用いた。電極および固体高分子電解質膜としては、前述のものをそれぞれ使用し、1)プラズマ処理無し、2)プラズマ処理有り、3)過酸化水素処理およびプラズマ処理有りの３種の燃料電池を作製した。
【００５７】
（固体高分子型燃料電池の評価）
上記1)プラズマ処理無し、2)プラズマ処理有り、3)過酸化水素処理およびプラズマ処理有りの３種の燃料電池を３５２２−５０ＬＣＲハイテスタ（日置電機製）に接続し、開回路電圧を測定した。水素極側には、２ｓｃｃｍの水素を供給し、酸素極側は大気にさらした。測定は、室温（２０℃）でおこなった。測定結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
表１に示されているように、1)プラズマ処理無し、2)プラズマ処理有り、3)過酸化水素処理およびプラズマ処理有りの順に開回路電圧が増加していることがわかる。この結果は、電解質を含浸させて作製した電極に対してプラズマ処理を施した際に、水酸基等のプロトン乖離基が電極内に導入されて触媒利用率が高くなっているものと考えられる。また、2)プラズマ処理有りと3)過酸化水素処理およびプラズマ処理有りとの比較から、過酸化水素処理を施すことにより開回路電圧が更に向上することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る実施形態の燃料電池を示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態の電極を示す図である。
【図３】三相界面を説明するための図である。
【図４】プロトン乖離基の役割を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施形態のプラズマ処理装置を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  燃料電池
２  固体高分子電解質膜
３  水素極
４  酸素極
３ａ，４ａ  ガス拡散層
３ｂ，４ｂ  触媒層
５  電極集積体
６，７  セパレータ
１０  プラズマ処理装置
１１  高周波電源
１２  ガス供給管
１３，１５  電極
１４，１６  絶縁体
１７  プラズマ生成空間
１８  プラズマ
１９  可動ステージ
２１  触媒担持体
２２  プロトン乖離基
【図１】
2005026175.tif 000004
【図２】
2005026175.tif 000005
【図３】
2005026175.tif 000006
【図４】
2005026175.tif 000007
【図５】
2005026175.tif 000008