JP2000133283A - 固体高分子型燃料電池及びそのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒担持量を最小限度に抑えつつ触媒の電気
化学的金属表面積を十分に確保することによって、三相
界面の適正化を図り、低コストで高性能な固体高分子型
燃料電池を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜３の両側にアノード
電極１ａ及びカソード電極１ｂからなる一対のガス拡散
電極が配置され、各電極１ａ、１ｂの固体高分子電解質
膜３に接する面に触媒層２ａ、２ｂが形成されている。
触媒層２ａ、２ｂには白金または白金にルテニウムを含
有させた触媒が含有されており、この触媒と、固体高分
子電解質膜３と連続する電解質との接触面積が、電極１
ｃｍ²当たり０．００５ｍ² 以上とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池及び固体高分子型燃料電池システムに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸
化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ
化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置で
ある。燃料電池は電解質の違い等により様々なタイプの
ものに分類されるが、その一つとして電解質に固体高分
子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られてい
る。この固体高分子型燃料電池はコンパクトな構造で高
出力密度を得ることができ、しかも簡略なシステムで運
転が可能である。そのため、宇宙用や車両用などの電源
として高い関心が寄せられており、その運転を実行する
燃料電池システムと併せて、研究、開発が積極的に進め
られている。

【０００３】ここで、図５を参照して従来の固体高分子
型燃料電池について具体的に説明する。固体高分子型燃
料電池にはイオン伝導性とガス分離機能を有する固体高
分子電解質膜３が設けられいる。この電解質膜３を挟持
するようにしてアノード電極１ａ、カソード電極１ｂか
らなる一対のガス拡散電極が配置されている。各電極１
ａ、１ｂにおいて電解質膜３に接する面には、白金等の
貴金属からなる触媒を含有した触媒層２ａ、２ｂが形成
されている。これらの電極１ａ、１ｂ、触媒層２ａ、２
ｂ及び電解質膜３から単電池４が構成される。この単電
池４を挟むようにガス不透過性のセパレータ５が配置さ
れている。セパレータ５には反応ガス供給用の溝が形成
されている。

【０００４】以上のような固体高分子型燃料電池ではア
ノード電極１ａ側に水素等の燃料ガスを、カソード電極
１ｂ側に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給することに
よって電気化学反応であるガス電極反応が発生し、単電
池４ごとに起電力が生じる。ただし、単電池４の起電力
は高々１Ｖ程度と低い。そのため、セパレータ５を介し
て単電池４を複数積層して単電池積層体６とし、電池ス
タックとして使用している。また、前記のガス電極反応
は発熱反応なので、単電池積層体６ごとに冷媒を流通さ
せた冷却板７が挿入されており、この冷却板７の働きに
より余剰な熱を除去するように構成されている。

【０００５】さらに、系外へのガスリークはガス利用率
の低下や水素等の可燃ガスによる爆発の危険性がある。
そのため、固体高分子電解質膜３とセパレータ５との間
にはシール剤８が設置され、ガスシールがなされてい
る。また、カソード電極１ｂではガス電極反応に伴い水
を生成するが、電極反応部に水が凝縮するとガス拡散性
が悪化する。そこで、この凝縮水は未反応ガスと共に電
池外に排出されるようになっている。

【０００６】ところで、燃料電池におけるガス電極反応
は、反応ガス、電解質及び電極という三相が接する三相
界面で進行するので、電池性能を向上させるためには三
相界面の適正化を図らなくてはならない。特に、電極の
触媒層と電解質膜との最適な接合は、両者の接触面積を
増大させて触媒の活性を高める上で重要な要因である。

【０００７】具体的には、触媒層を有する電極と固体高
分子電解質膜とを接合する場合、電解質膜のガラス転移
温度以上で、電解質膜に電極を加熱圧着することによっ
て電解質膜の一部を触媒層に溶融させ、触媒層と電解質
膜とのネットワークを三次元化する。これにより、触媒
層に含有される触媒に対し固体高分子電解質膜と連続す
る電解質が三次元的に接触することになり、触媒層と電
解質膜とが二次元的にしか接触していない場合に比べ
て、触媒と電解質との接触面積を大幅に増やすことがで
きる。このときの触媒と電解質との接触面積は、通常、
サイクリックボルタンメトリーによって得られた水素吸
脱着電気量から触媒の電気化学的金属表面積として算出
することができる。つまり、触媒と電解質との接触面積
が触媒の電気化学的金属表面積となり、前記接触面積が
増大すれば触媒の電気化学的金属表面積も増加すること
になる。

【０００８】しかしながら、固体高分子電解質膜あるい
は触媒の性質、もしくは固体高分子型燃料電池システム
の運転条件や燃料ガスの種類等の条件によって、触媒の
電気化学的表面積が低下することがある。例えば、固体
高分子電解質膜にはフッ素系イオン交換膜であるパーフ
ルオロスルホン酸膜を用いるが、このような固体高分子
電解質膜は分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含
水することによりイオン伝導性物質として機能する。そ
のため、電解質膜を絶えず湿潤状態に維持しなくてはな
らない。したがって、運転条件が変化して反応ガスの相
対湿度が減少すると、固体高分子電解質膜が乾燥して電
解質性能が低下し、触媒の電気化学的金属表面積が低下
する。また、燃料ガスとして、メタノール等の炭化水素
を、水素を含むガスに改質したガスを用いることがある
が、この場合、改質ガス中に含まれるＣＯがアノード電
極側の触媒を被毒するので、同様に触媒の電気化学的金
属表面積が低下する。

【０００９】以上のように、ＣＯを含むガスを燃料ガス
に使用する、あるいは固体高分子電解質膜を乾燥状態に
保持する等、触媒の電気化学的表面積を低減させる条件
で燃料電池システムの運転を行う場合、触媒の電気化学
的表面積の減少が触媒の活性を低下させる。したがっ
て、三相界面の適正度が低くなり、電池性能の劣化を招
くおそれがある。このような不具合を防ぐために従来で
は、触媒層における触媒の担持量を増加させ、触媒の幾
何学的な表面積を増大させて電気化学的表面積を確保し
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
従来技術には次のような問題点があった。すなわち、触
媒には通常、白金等の高価な貴金属を用いている。その
ため、触媒担持量が増大すると、コストが増加して経済
的に不利となった。そこで、触媒担持量を最小限度に抑
えつつ、適正な三相界面を確保し得る触媒の電気化学的
表面積を明確に規定することが強く望まれていた。ま
た、触媒担持量だけではなく、反応ガスの相対湿度の低
下やアノード電極のＣＯ被毒といった触媒の電気化学的
表面積を低下させる因子に関しても、触媒の電気化学的
金属表面積および電池特性がどのように変化しているか
を正確に捉えることが求められていた。さらには、十分
な触媒の電気化学的表面積を確保するための条件を規定
した上で、この条件で固体高分子型燃料電池を効率良く
運転することができる固体高分子型燃料電池システムが
待たれていた。

【００１１】本発明は、このような事情に鑑みて提案さ
れたものであり、その主たる目的は、触媒担持量を最小
限度に抑えつつ触媒の電気化学的金属表面積を十分に確
保することによって、三相界面の適正化を図り、低コス
トで高性能な固体高分子型燃料電池を提供することにあ
る。また、本発明の他の目的は、このような固体高分子
型燃料電池を効率良く運転することができる固体高分子
型燃料電池システムを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、イオン伝導性を有する固体高分
子電解質膜を設け、その両側にアノード電極およびカソ
ード電極からなる一対のガス拡散電極を配置し、各ガス
拡散電極の前記固体高分子電解質膜に接する面に触媒層
を形成した固体高分子型燃料電池において、前記触媒層
は貴金属からなる触媒を含有し、この触媒と、前記固体
高分子電解質膜と連続する電解質との接触面積を、前記
電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上とすることを特
徴としている。

【００１３】このような請求項１の発明では、触媒層の
触媒と、固体高分子電解質膜と連続な電解質との接触面
積を、電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上と規定す
ることによって、最小限度の触媒担持量で、触媒の電気
化学的表面積を十分に確保することができる。したがっ
て、電極の三相界面が適正になり、低コストで燃料電池
の性能を向上させることができる。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１記載の固体高
分子型燃料電池において、前記触媒層はフッ素樹脂を含
有し、このフッ素樹脂の含有率を前記触媒層に対する重
量百分率で３０％以下にすることを特徴とする。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子電解
質膜近傍の平均相対湿度をｐ％とし、前記触媒層におけ
る前記貴金属と前記固体高分子電解質膜と連続な電解質
との電極１ｃｍ² 当たりの接触面積をＳｍ² とすると
き、Ｓ及びｐの値が、

【数３】 Ｓ ≧０．００５／（１−０．００４５×（１００−ｐ）） ４０ ≦ ｐ ≦ １００ を満たすことを特徴としている。

【００１６】請求項４の発明は、請求項１、２または３
記載の固体高分子型燃料電池において、前記触媒層は少
なくとも白金を含有する微粒子からなり、前記固体高分
子電解質膜近傍の平均相対湿度をｐ％とし、前記電極１
ｃｍ² 当たりの前記触媒層における白金含有量をＭｍｇ
とするとき、Ｍ及びｐの値が、

【数４】 Ｍ ≧０．２／（１−０．００４５×（１００−ｐ）） ４０ ≦ ｐ ≦ １００ を満たすことを特徴としている。

【００１７】請求項５の発明は、請求項４記載の固体高
分子型燃料電池において、前記白金の微粒子の粒子径を
６０μｍ以下にすることを特徴とする。

【００１８】以上の構成を有する請求項２、３、４およ
び５の発明では、フッ素樹脂の含有率、固体高分子電解
質膜近傍の平均相対湿度、触媒層の白金含有量もしくは
白金微粒子の粒子径を規定することにより、触媒層の触
媒と、固体高分子電解質膜と連続な電解質との接触面積
を、電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上とすること
ができる。したがって、触媒の電気化学的金属表面積を
十分に確保でき、上記請求項１と同様、電極の三相界面
が適正になり、低コストで燃料電池の性能を向上させる
ことができる。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５
のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池を用いた
固体高分子型燃料電池システムであって、ガス拡散電極
に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記反応ガス
を加湿する加湿器と、この加湿器を通過した反応ガスの
相対湿度を測定する相対湿度センサと、前記相対湿度セ
ンサの入力値が４０％以上となるように前記加湿器を制
御する制御手段とを備えたことを特徴とする。このよう
な請求項６の発明では、制御手段が常に反応ガスの相対
湿度を４０％以上に制御するため、固体高分子電解質膜
近傍の平均相対湿度は４０％以上になり、低コストで且
つ高性能な固体高分子型燃料電池を安定して運転するこ
とができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図
５に示した従来の固体高分子型燃料電池と同一の部材に
関しては同一の符号を記し、説明を省略する。

【００２１】（１）第１の実施の形態…請求項１対応 （構成）第１の実施の形態では、固体高分子電解質膜３
（例えばGore社製GORE-SELECT、厚さ30μｍ）と、これ
を挟持するアノード電極１ａ及びカソード電極１ｂと
が、温度１５０℃、線圧１０ｋｇｆ／ｃｍの条件下で、
ローラーにより接合されている。また、触媒層２ａ、２
ｂの触媒には白金または白金にルテニウムを含有させた
もの（重量比でＰｔ：Ｒｕ＝１：１）を使用しており、
白金含有量を０．３〜１．２ｍｇ／ｃｍ² にしている。
第１の実施の形態は、このような触媒と、固体高分子電
解質膜３と連続する電解質との接触面積が、電極１ｃｍ
² 当たり０．００５ｍ² 以上であることに特徴がある。

【００２２】前述したように、触媒と電解質との接触面
積は、サイクリックボルタンメトリーによって得られた
水素吸脱着電気量から触媒の電気化学的金属表面積とし
て算出することができる。そこで、アノード電極１ａ及
びカソード電極１ｂの近傍に電極１ａ、１ｂと液絡した
参照電極を配置し、水素を供給すると共に、両電極１
ａ、１ｂに窒素を供給して、温度８０℃、窒素ガスの相
対湿度を４０〜１００％の条件で、それぞれサイクリッ
クボルタンメトリーにより触媒の電気化学的白金表面積
を測定した。この結果、電極１ｃｍ² 当たり０．００５
〜０．０１７ｍ²の電気化学的白金表面積を持つ試料が
得られた。

【００２３】（作用・効果）以上の構成を有する固体高
分子型燃料電池について、電気化学的白金表面積を求め
た際の温度、窒素ガスの相対湿度が等しい条件におい
て、アノード電極１ａに水素（水素ガス利用率７０
％）、カソード電極１ｂに空気（空気利用率４０％）を
それぞれ供給し、電流密度を１．００Ａ／ｃｍ² となる
ように設定して発電を行いセル電圧を測定した。

【００２４】また、第１の実施の形態に係る電極１ａ、
１ｂの性能と、電極１ｃｍ² 当たりの電気化学的白金表
面積が０．００５ｍ² 以下となる電極の性能とを比較す
るため、触媒中の白金含有量を系統的に変えた試料、反
応ガスの相対湿度を系統的に変えた試験条件、及びアノ
ード電極１ａに供給する水素中のＣＯ濃度を系統的に変
えた試験条件において、同様にセル電圧並びに電気化学
的白金表面積を測定した。ここで、アノード電極１ａに
供給する水素中のＣＯ濃度を系統的に変えた場合の電気
化学的白金表面積は、セル電圧を測定した際の水素中の
ＣＯ濃度と等しいＣＯを含む窒素を相対湿度が１００％
となるようにアノード電極１ａに供給し、サイクリック
ボルタンメトリーを測定した。得られたボルタングラム
から水素吸着電気量を導出し、白金表面積１ｃｍ² 当た
りの水素吸着電気量には実験により得られた２１０μＣ
を用いて電気化学的白金表面積を算出した。

【００２５】図１のグラフは、触媒中の白金含有量を系
統的に変えた試料（実線）、反応ガスの相対湿度を系統
的に変えた試験条件（一点鎖線）、並びにアノード電極
１ａに供給する水素中のＣ０濃度を系統的に変えた試験
条件（点線）において、電気化学的白金表面積とセル電
圧の関係を示している。いずれの場合も電気化学的白金
表面積が電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上の領域
であるならば、触媒中の白金含有量、反応ガスの相対湿
度及び水素中のＣ０濃度の変化に伴い電気化学的白金表
面積が減少しても、セル電圧が急激に低下することはな
い。

【００２６】すなわち、第１の実施の形態においては電
気化学的白金表面積を電極１ｃｍ²当たり０．００５ｍ
² 以上に規定したことにより、触媒中の白金含有量、反
応ガスの相対湿度及び水素中のＣ０濃度の変化に関係な
く、電極の三相界面を適正にすることができる。このよ
うな第１の実施の形態によれば、電池性能を向上させる
と同時に、触媒担持量を抑えたり、緩やかな条件で運転
を実施するなどして運転コストの削減を図ることがで
き、経済的に有利である。

【００２７】（２）第２の実施の形態…請求項２対応 （構成）第２の実施の形態では、電極１ｃｍ² 当たり
０．００５ｍ² 以上の電気化学的白金表面積を持つ試料
において、触媒層２ａ、２ｂがフッ素樹脂であるポリテ
トラフルオロエチレンを含有し、その含有率を前記触媒
層２ａ、２ｂに対する重量百分率で３０％以下にしたこ
とを特徴としている。

【００２８】（作用・効果）図２のグラフは、触媒層２
ａ、２ｂ中のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）
含有量と電気化学的白金表面積の関係を示している。す
なわち、ポリテトラフルオロエチレンの含有量が触媒層
２ａ、２ｂの重量比で３０％以上のある場合は、電気化
学的白金表面積は電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² か
ら低下する。これに対して、第２の実施の形態ではポリ
テトラフルオロエチレンの含有量を触媒層２ａ、２ｂの
重量比で３０％以下にしているので、電気化学的白金表
面積が電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² から低下する
ことがない。したがって、上記第１の実施の形態と同
様、電極の三相界面が適正になり、低コストで高性能な
固体高分子型燃料電池を得ることができる。

【００２９】（３）第３の実施の形態…請求項３対応 （構成）第３の実施の形態では、固体高分子電解質膜３
近傍の平均相対湿度を１００％としたとき、電極１ｃｍ
² 当たりの触媒と固体高分子電解質膜３と連続する電解
質との接触面積が電極１ｃｍ² 当たり０．００７ｍ² 以
上であることを構成上の特徴とする。

【００３０】（作用・効果）図３のグラフは、電気化学
的白金表面積の相対湿度依存性を示すものである。この
グラフでは固体高分子電解質膜３近傍の平均相対湿度が
１００％としたときの電気化学的白金表面積を１００と
している。相対湿度を１００％から減少させると、４０
％以上の領域では電気化学的白金表面積の減少は徐々に
進行するが、４０％以下の領域の入ると電気化学的白金
表面積が急激に減少する。そのため内部抵抗も急激に増
大し、電池電圧が低下して発電が不可能となった。

【００３１】相対湿度が４０％以上１００％以下の領域
では、相対湿度が１００％のときの電気化学的白金表面
積をＳｍ² 、相対湿度をｐ％としたとき、４０％以上の
領域における電気化学的白金表面積Ｓ（ｐ）ｍ² は、

【数５】 Ｓ（ｐ）＝Ｓ×（１−０．００４５×（１００−ｐ）） となる。

【００３２】すなわち、電気化学的白金表面積を電極１
ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上とするためには、

【数６】 Ｓ ≧０．００５／（１−０．００４５×（１００−ｐ）） …（１） とすればよい。

【００３３】第３の実施の形態に係る電極は、相対湿度
が１００％のときの電気化学的白金表面積が電極１ｃｍ
² 当たり０．００７ｍ² 以上である電極であり、相対湿
度が４０％となるような条件においても上記の式（１）
を満足する。このような電極について、電極の近傍に参
照電極を配置し、相対湿度が４０％となる条件でサイク
リックボルタンメトリーによる触媒の電気化学的白金表
面積を測定したところ、電極１ｃｍ² 当たり０．００５
ｍ² 以上の電気化学的白金表面積を持つ試料が得られ
る。この電極について第１の実施の形態と同様な発電試
験を行ったが、良好な特性が得られた。

【００３４】つまり、第３の実施の形態のように、相対
湿度が１００％のときの電気化学的白金表面積が電極１
ｃｍ² 当たり０．００７ｍ² であれば、相対湿度を４０
％まで低下させても、電気化学的白金表面積は電極１ｃ
ｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上を確保することができ
る。したがって、上記第１の実施の形態と同様、電極の
三相界面が適正になって、低コスト及び高性能な固体高
分子型燃料電池が得られる。

【００３５】（４）第４の実施の形態…請求項４及び５
対応 （構成）第４の実施の形態では、白金含有量が電極１ｃ
ｍ² 当たり０．３〜１．２ｍｇ、白金微粒子の平均粒子
径が６０μｍ以下であることを特徴としている。

【００３６】（作用・効果）図４は、白金単体（白金粒
子径３０μm 以下）および、白金にルテニウムを含有さ
せた触媒（白金粒子径６０μｍ）を用いた第４の実施の
形態の電極における触媒層の白金含有量と電気化学的白
金表面積との関係、および比較例として白金含有量が電
極１ｃｍ² 当たり０．１〜０．３ｍｇの電極における触
媒層の白金含有量と電気化学的白金表面積との関係を連
続的に示したグラフである。このグラフから明らかなよ
うに、電気化学的白金表面積は、単体または合金といっ
た触媒の組成に依存するのではなく、白金含有量に依存
していることがわかる。

【００３７】そこで、上記第３の実施の形態において記
述した触媒の電気化学的白金表面積を、白金含有量に置
き換えることが可能である。電気化学的白金表面積を電
極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上にするためには、
図４を参照すると白金含有量を電極１ｃｍ² 当たり０．
２ｍｇ以上とすればよいから、前述した式（１）を次の
ような式（２）に置き換えることができる。すなわち、

【数７】 Ｍ ≧０．２／（１−０．００４５×（１００−ｐ）） …（２） ４０≦ｐ≦１００ となる。

【００３８】第４の実施の形態に係る電極は触媒層２
ａ、２ｂの白金含有量が電極１ｃｍ²当たり０．３ｍｇ
以上である電極であり、相対湿度が４０％となるような
条件においても上記の式（２）式を満足する。このよう
な電極について、電極の近傍に参照電極を配置し、相対
湿度が４０％となる条件でサイクリックボルタンメトリ
ーによる触媒の電気化学的白金表面積を測定したとこ
ろ、電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上の電気化学
的白金表面積を持つ試料が得られる。この電極について
第１の実施の形態と同様な発電試験を行ったが、良好な
特性が得られた。すなわち、第４の実施の形態のよう
に、白金含有量が電極１ｃｍ² 当たり０．３〜１．２ｍ
ｇであれば、相対湿度を４０％まで低下させても、電極
１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上の電気化学的白金表
面積を持つ電極を得ることができる。したがって、電極
の三相界面が適正になり、このような電極を用いること
により、電池性能の向上及びコストの削減に寄与するこ
とができる。

【００３９】（５）第５の実施の形態…請求項６対応 （構成）図５は第５の実施の形態の構成を示す図であ
る。第５の実施の形態は前記第３の実施の形態に係る電
極を持つ電池部１０が使用された固体高分子型燃料電池
システムであり、この電池部１０に対して反応ガスを供
給する反応ガス供給系１５が設置されている。反応ガス
供給系１５には反応ガスを加湿する加湿器１３、及び加
湿器１３を通過した反応ガスの相対湿度を測定する相対
湿度センサ１１が順次配設されている。加湿器１３には
ヒーター１４が取付けられており、このヒーター１４及
び前記相対湿度センサ１１には温度コントローラ１２が
接続されている。温度コントローラ１２は相対湿度セン
サの測定値を入力し、運転温度８０℃において反応ガス
の相対湿度が４０％以上となるようにヒーター１４の出
力を制御するように構成されている。

【００４０】（作用・効果）以上のような第５の実施の
形態では、制御手段である温度コントローラ１２が常に
反応ガスの相対湿度を４０％以上となるようにヒーター
１４の出力を制御するので、固体高分子電解質膜３近傍
の平均相対湿度は４０％以上になる。電池部１０の電極
は、第３の実施の形態で用いた電極と同様な仕様である
ため、相対湿度が４０％以上のとき、電気化学的白金表
面積は電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上となる。
すなわち、第５の実施の形態によれば、電気化学的白金
表面積が十分な大きさを持つような条件で、高性能な固
体高分子型燃料電池を安定して運転することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
固体高分子型燃料電池用電極について、運転条件、ＣＯ
被毒、触媒担持量等の因子により触媒の電気化学的金属
表面積および電池特性がどのように変化しているかを捉
え、電池特性を低下させないために、必要な電気化学的
金属表面積を電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ² 以上規
定したことにより、触媒担持量を最小限度に抑えつつ触
媒の電気化学的金属表面積を十分に確保することがで
き、三相界面の適正化を図って、低コストで高性能な固
体高分子型燃料電池を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態において電気化学的
白金表面積とセル電圧との関係を示すグラフ

【図２】本発明の第２の実施の形態においてポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＦＥ）含有量と電気化学的白金
表面積の関係を示すグラフ

【図３】本発明の第３の実施の形態において電気化学的
白金表面積の相対湿度依存性を示すグラフ

【図４】本発明の第４の実施の形態において触媒層の白
金含有量と電気化学的白金表面積との関係を示すグラフ

【図５】本発明の第５の実施の形態を示す構成図

【図６】従来の固体高分子型燃料電池の断面図

【符号の説明】

１ａ…アノード電極 １ｂ…カソード電極 ２ａ，２ｂ…触媒層 ３…固体高分子電解質膜 ４…単電池 ５…セパレータ ６…単電池積層体 ７…冷却板 ８…シール材 １０…電池部 １１…相対湿度センサ １２…温度コントローラ １３…加湿器 １４…ヒーター １５…反応ガス供給系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H018 AA02 AA06 AS02 AS03 BB00 EE02 EE03 EE19 HH00 HH01 HH02 5H026 AA02 AA06 EE02 EE19 HH00 HH01 HH02 5H027 AA02 AA06 KK00 MM09

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン伝導性を有する固体高分子電解質
   膜を設け、その両側にアノード電極およびカソード電極
   からなる一対のガス拡散電極を配置し、各ガス拡散電極
   の前記固体高分子電解質膜に接する面に触媒層を形成し
   た固体高分子型燃料電池において、 前記触媒層は貴金属からなる触媒を含有し、 この触媒と、前記固体高分子電解質膜と連続する電解質
   との接触面積を、前記電極１ｃｍ² 当たり０．００５ｍ
   ² 以上とすることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 【請求項２】 前記触媒層はフッ素樹脂を含有し、 このフッ素樹脂の含有率を前記触媒層に対する重量百分
   率で３０％以下にすることを特徴とする請求項１記載の
   固体高分子型燃料電池。
3. 【請求項３】 前記固体高分子電解質膜近傍の平均相対
   湿度をｐ％とし、前記電極１ｃｍ² 当たりの前記触媒と
   前記電解質との接触面積をＳｍ² とするとき、Ｓ及びｐ
   の値が、 【数１】 Ｓ ≧０．００５／（１−０．００４５×（１００−ｐ）） ４０ ≦ ｐ ≦ １００ を満たす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。
4. 【請求項４】 前記触媒層は少なくとも白金を含有する
   微粒子からなり、前記固体高分子電解質膜近傍の平均相
   対湿度をｐ％とし、前記電極１ｃｍ² 当たりの前記触媒
   層における白金含有量をＭｍｇとするとき、Ｍ及びｐの
   値が、 【数２】 Ｍ ≧０．２／（１−０．００４５×（１００−ｐ）） ４０ ≦ ｐ ≦ １００ を満たすことを特徴とする請求項１、２または３記載の
   固体高分子型燃料電池。
5. 【請求項５】 前記白金の微粒子の粒子径を６０μｍ以
   下にすることを特徴とする請求項４記載の固体高分子型
   燃料電池。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれか一つに
   記載の固体高分子型燃料電池を用いた固体高分子型燃料
   電池システムであって、 前記ガス拡散電極を有する電池部に対して反応ガスを供
   給する反応ガス供給系と、 前記反応ガスを加湿する加湿器と、 この加湿器を通過した反応ガスの相対湿度を測定する相
   対湿度センサと、 前記相対湿度センサの入力値が４０％以上となるように
   前記加湿器を制御する制御手段とを備えたことを特徴と
   する固体高分子型燃料電池システム。