JP2001185170A

JP2001185170A - 固体高分子型燃料電池用膜電極構造体及び固体高分子型燃料電池の運転方法

Info

Publication number: JP2001185170A
Application number: JP37026499A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Suzuki; 修一鈴木; Koji Yasuo; 耕司安尾; Yoshito Konno; 義人近野; Ikuro Yonezu; 育郎米津
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2001-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】反応ガスを加湿しなくても、固体高分子膜の
湿潤状態を効果的に実現することが可能な固体高分子型
燃料電池用膜電極構造体を提供すること。【解決手段】図２（ａ）に示すように、固体高分子膜
２０左側の表面２０Aのアノード２１との界面部分には
上下方向（図面上下方向）に所定の幅、深さのストライ
プ状溝２０１複数本が所定のピッチで、固体高分子膜２
０右側の表面２０Bのカソード２２との界面部分には上
下方向（図面上下方向）に所定の幅、深さのストライプ
状溝２０２複数本が所定のピッチで並列に形成されてい
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
電池に用いる膜電極構造体及び固体高分子型燃料電池の
運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池とは、電極反応によって燃料
（水素など）のもっている化学的エネルギーを直接電気
エネルギーとして取り出すものである。これが燃料電池
の基本的な発電原理である。この中に固体高分子型燃料
電池（Polymer Electrolyte FuelCell；以下「PEFC」と称
する。）がある。

【０００３】PEFCは、一般的には、固体高分子膜（Poly
mer Electrolyte Membrane）の両主表面にアノードとカ
ソードとが配されてなるセルと、セルを挟持する１対の
リブ付きセパレータ板と、アノード，カソードと接する
ように、各セパレータ板とセルとの間に介挿された１対
の集電体と、セパレータ板の外周部とセルとの間に介挿
されたこの部分をシールするシール部材とが積層された
構成であって、上記アノード，カソード各々に反応ガス
を供給し、下記化１及び化２の酸化還元反応によって電
力を発生させるものである。

【０００４】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- … （化１）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ … （化２）このPEFCは、リン酸型などの他の種類の燃料電池と比べ
て作動温度は比較的低温でありながら、高い出力が得ら
れる点を特徴としている。ところで、固体高分子膜は、
アノード側で生成されたプロトン（Ｈ⁺）がカソード側
に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有す
るパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめと
する陽イオン交換樹脂が一般的に用いられている。しか
るに、かかる陽イオン伝導は、水和水とともになされる
ことから、固体高分子膜は湿潤された状態（水分が含ま
れた状態）でなければならない。このため、固体高分子
膜はPEFCを作動させる際には、常時、湿潤させておく必
要が生じる。

【０００５】そこで、PEFCを作動させる際は、一般的に
は、加湿した燃料ガス又は酸化剤ガスをカソード又はア
ノードに供給し、カソード又はアノード側から水分を固
体高分子膜に拡散させることで、固体高分子膜を湿潤状
態とする。しかし、このように燃料ガス又は酸化剤ガス
に水蒸気を混合させるとガス分圧が低下するために電池
特性の低下を招いてしまう。また、このような加湿方法
では、運転中における水分の蒸発を防ぐことはできず、
経時的にセル電圧が低下する傾向にある。

【０００６】かかる問題解決を図る可能性のある技術と
して、主に以下の４つが挙げられる。まず、第一の技術
は、固体高分子膜内にテフロン（米国デュポン社の登録
商標）の細い糸を介在させ、当該糸に水を浸透させて固
体高分子膜を湿潤させるという技術である（特開平4-25
9759号公報）。

【０００７】第二の技術は、固体高分子膜の外周部に水
を導入し、固体高分子膜の外周部から内周側に向けて水
を浸透させて固体高分子膜を湿潤させるという技術であ
る（特開平6-68896号公報）。第三の技術は、固体高分
子膜の外周部に冷却水を導入し、固体高分子膜の外周部
から内周側に向けて水を浸透させて固体高分子膜を湿潤
させるという技術である（特開平8-148174号公報）。

【０００８】第四の技術は、セルの外部に設けた加湿水
流路が形成された部材、及びアノード並びにカソードに
固体高分子膜の表面まで到る貫通孔を形成し、当該貫通
孔を経由させて前記加湿水流路の水を固体高分子膜に供
給することにより、固体高分子膜を湿潤させるという技
術である（特開平8-287934号公報）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した４つの技術に
よれば、加湿した水素ガスを供給する必要がないが、以
下のような問題がある。前記第一の技術は、固体高分子
膜内に糸を設ける構成であるため、製造工程が比較的複
雑になるという問題がある。即ち、テフロン等の糸を複
数本を２枚の固体高分子膜で挟み込んで圧着させること
によって上記構成とするため、糸を配置する間隔などに
注意を要するからである。更に、水を固体高分子膜に供
給する機能の面においても次のような問題が生じる。即
ち、糸の端部から水を浸透させるようにしてあるため、
糸端部から距離が遠い固体高分子膜部分ほど水の供給が
不足することとなる。

【００１０】また、前述したようにアノードで生成され
たプロトンは水和状態で固体高分子膜中を移動するが、
このためには固体高分子膜が膜厚方向にわたって湿潤さ
れている必要がある。ここで、第一の技術では、テフロ
ンを介して水が固体高分子膜に浸透するためには、アノ
ード側への水の浸透がカソード側の湿度の影響を受け
る。例えば、カソード側がアノード側よりも乾燥してい
る場合、水はカソード側への浸透が多くなり、アノード
側への水の浸透は少なくなる。このような状態ではアノ
ード側で生成されたプロトンを有効にカソード側へ移動
させることが困難となる。従って、前記第一の技術にお
いては、固体高分子膜を膜厚方向にわたって十分に湿潤
させるために運転条件や加湿条件等を調整してカソード
側の湿度を調整する必要があるが、このような調整は非
常に困難である。

【００１１】前記第二の技術及び第三の技術は、上記の
ように外周部に導入された水を、内周側に向けて水を浸
透させて固体高分子膜を湿潤させようとする技術である
が、内周側には期待するほど水分が供給されない。前記
第四の技術は、加湿水流路を流れる水を固体高分子膜に
浸透させて当該固体高分子膜を湿潤させるために、セル
の外部に設けた加湿水流路が形成された部材、及びアノ
ード並びにカソードに前記加湿水流路と連通し固体高分
子膜の表面にまで到る貫通孔を形成するので、アノード
及びカソードへのガス拡散性が低下してしまう。

【００１２】そこで、本発明は、これらの問題点を踏ま
えてなされたものであって、反応ガスを加湿しなくても
固体高分子膜の湿潤状態を効果的に実現することが可能
な固体高分子型燃料電池用膜電極構造体及び固体高分子
型燃料電池の運転方法を提供することを目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、固体高分子膜にカソード及びアノードを配してなる
固体高分子型燃料電池用膜電極構造体であって、固体高
分子膜と少なくともアノードとが相互に対向する界面上
に沿い、かつ、界面上に広がる水流通路が形成されてい
ることを特徴とする。

【００１４】この固体高分子型燃料電池用膜電極構造体
を用いると、固体高分子膜とアノードとの界面上に沿っ
て形成された水流通路に沿って水を流すことができるの
で、水流通路に沿った方向にむらなく均一的に固体高分
子膜と水は接触することとなり、水流通路に沿った方向
にむらなく均一的に固体高分子膜に水を供給させること
ができる。その上、水流通路は、固体高分子膜と電極と
の界面上に広がって形成されていることから界面に位置
する固体高分子膜の広い領域に水を接触させることがで
き、界面に位置する固体高分子膜の広い領域に渡って水
を供給することができる。これらの結果、反応ガスを加
湿しなくても、固体高分子膜とアノードとの界面全面が
均一的に加湿されることとなる。また、水流通路内の水
が枯渇しないように補給することで、水の蒸発を運転中
に抑制することで、運転中常時湿潤状態を維持すること
が可能となる。更に、水流通路を固体高分子膜とアノー
ドとの界面に設けることになるので、比較的容易に固体
高分子型燃料電池用膜電極構造体を作製することができ
る。

【００１５】ここで、前記固体高分子膜の表面に複数の
溝を前記界面上の全体に分布させて形成し、当該複数の
溝によって前記水流通路が形成することができる。ここ
で、前記アノードの表面に複数の溝を前記界面上の全体
に分布させて形成し、当該複数の溝によって前記水流通
路が形成することができる。ここで、前記固体高分子膜
のカソードとの界面上における表面に複数の溝を前記界
面上に分布させて形成し、当該複数の溝によって固体高
分子膜のカソードとの界面上に沿い、かつ、界面上に広
がる水流通路を形成することができる。

【００１６】ここで、前記固体高分子膜とカソードとの
界面上におけるカソードの表面に複数の溝を前記界面上
に分布させて形成し、当該複数の溝によって固体高分子
膜のカソードとの界面上に沿い、かつ、界面上に広がる
水流通路を形成することができる。ここで、前記固体高
分子膜とカソード及びアノードとの界面における水流通
路が列設方向に交互に位置するように形成することが望
ましい。

【００１７】また、上記目的を達成するために、前記固
体高分子型燃料電池用膜電極構造体を用いた固体高分子
型燃料電池の運転方法において、前記水流通路に固体高
分子膜加湿用の液体を供給することによって固体高分子
膜を加湿することを特徴とする。この運転方法により、
固体高分子膜とアノードとの界面に沿い、界面上に広が
るように形成された水流通路に沿って水が流すことがで
きるので、反応ガスを加湿しなくても、上記したように
固体高分子膜とアノードとの界面全体が均一的に加湿さ
れ、また、水の蒸発を抑制し運転中常時、固体高分子膜
の湿潤状態を維持することが可能となる。

【００１８】そして、この場合、酸を加湿用液体として
用いるものとすることができる。このように酸性水を用
いると、固体高分子膜に付着する金属カチオンなどの不
純物を洗浄除去することができるので、固体高分子膜の
プロトン（Ｈ⁺）の伝導性が低下することを防止するこ
とができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら具体的に説明する。 <実施の形態１>図１は、本実施の形態にかかるPEFC１の
構成を示す断面図である。この図に示すように、PEFC１
は、一対のセル枠体１０と、当該セル枠体１０によって
挟み込まれた電解質膜としての固体高分子膜２０と、固
体高分子膜２０の左面（図面左）２０Aの中央部分に位
置するアノード２１と、固体高分子膜２０の右面（図面
右）２０Bの中央部分に位置するカソード２２と、アノ
ード２１に対向させて固体高分子膜２０とは反対側に位
置するアノード側流路板３０と、カソード２２に対向さ
せて固体高分子膜２０とは反対側に位置するカソード側
流路板４０とから構成されている。なお、アノード２１
とアノード側流路板３０との間、カソード２２とカソー
ド側流路板４０との間には、図示していないが、集電板
が介在されている。

【００２０】アノードガス流路板３０、カソードガス流
路板４０は、多孔性でしかも導電性を有し、適度の強度
の多孔性の基板である。それぞれ電極（アノード、カソ
ード）側の表面には複数のリブ３０A、４０Aが形成され
ており、これらのリブ３０A、４０Aが対向する集電板を
介してアノード、カソードに電気的に接続している。リ
ブ３０A、４０Aとの間の複数の溝３０B、４０Bがガスの
流路となる。

【００２１】アノード２１は、触媒粒子と結着剤などの
混合ペースト、例えば、白金担持カーボン（Pt/C）と撥
水性付与を兼ねるポリテトラフルオロエチレンなどの結
着剤と、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーなど
プロトン（Ｈ⁺）伝導性を有する電解質との混合物を、
予め撥水処理を施したカーボンペーパにスクリーン印刷
法等公知の方法により層状に設けることによって作製し
たものである。

【００２２】カソード２２は、アノード１２同様の触媒
粒子、電解質、結着剤との混合ペーストを、予め撥水処
理を施したカーボンペーパにスクリーン印刷法等公知の
方法により層状に設けることによって作製したものであ
る。前記固体高分子膜２０と、アノード２１及びカソー
ド２２とはホットプレスなどの方法によって相互に接合
されることによってセルCELL1を構成している。固体分
子膜２１の外周部でセル枠体１０との間にはパッキン２
３が、更に、固体分子膜２１の周囲でセル枠体１０との
間にはパッキン２４が介在されて、気密性を高めてあ
る。

【００２３】固体高分子膜２１は、陽イオン交換樹脂で
あれば特にその種類は限定されるものではないが、一般
的に、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの膜が
用いられる。次に、セルCELL1における固体高分子膜２
０及びアノード２１の界面並びに固体高分子膜２０及び
アノード２２の界面の構造について図２を参照にしなが
ら説明する。

【００２４】図２は、セルCELL1の分解斜視図であり、
固体高分子膜と各電極との界面における詳細な構成を示
す図である。この図２（ａ）に示すように、固体高分子
膜２０左側の表面２０Aのアノード２１との界面部分に
は上下方向（図面上下方向）に所定の幅、深さのストラ
イプ状溝２０１複数本が所定のピッチで、固体高分子膜
２０右側の表面２０Bのカソード２２との界面部分には
上下方向（図面上下方向）に所定の幅、深さのストライ
プ状溝２０２複数本が所定のピッチで並列に形成されて
いる。

【００２５】図３はセルCELL１を図１において、左側の
表面２０A側から見た図で、ストライプ状溝２０１とス
トライプ状溝２０２との位置関係及び電極との位置関係
を表す図である。この図に示すように、固体高分子膜２
０の両面にストライプ状溝２０１及びストライプ状溝２
０２を形成する場合、両主表面で溝の列設方向おいて異
なる位置で、一方の主表面のストライプ状溝とストライ
プ状溝との間の部分に、他方の主表面のストライプ状溝
が位置するようにストライプ状溝２０１及びストライプ
状溝２０２を形成する。

【００２６】また、この図３に示すように、アノード２
１は、ストライプ状溝の略全面を覆うように位置する
が、上下方向の両端部分は開放した状態となるように位
置している。これは、ストライプ状溝を完全に覆ってし
まうと、水をストライプ状溝内に供給することができな
くなるからである。カソード２２は、図面上見えないが
アノード２１と同様の位置関係にある。

【００２７】なお、固体高分子膜を効率良く加湿するた
めには、ストライプ状溝はできるだけ幅広く、小ピッチ
で、数多く形成することが望ましいが、あまりに幅を広
くし、またこれを小ピッチで数多く形成すると、固体高
分子膜と電極との接触面積が小さくなるので、このこと
を考慮しながら、ストライプ状溝の幅・ピッチ・数は規
定する必要がある。

【００２８】図４（ａ）は、PEFC1を図１の左面側から
見た図、図４（ｂ）は、PEFC1を図１の右面側から見た
図である。この図と図１とを参照にしてセル枠体１０の
構造について詳細に説明する。前記セル枠体１０の左側
部分の上方において固体高分子膜２０との間には、スト
ライプ状溝２０１の上方端部全てと連通するように溝の
列設方向に延びる水導入空間１１が形成されている。そ
して、当該水導入空間１１内に水を導入する２本の水導
入管１１Aが水導入空間１１を横切るようにセル枠体外
部から挿設されている。

【００２９】同様にセル枠体１０の左側部分の下方にお
いて固体高分子膜２０との間には、ストライプ状溝２０
１の下方端部全てと連通するように溝の列設方向に延び
る水排出空間１２が形成されている。そして、当該水排
出空間１２内の水を排出する２本の水排出管１２Aが当
該空間を横切るようにセル枠体外部から挿設されてい
る。

【００３０】前記セル枠体１０の右側部分の上方におい
て固体高分子膜２０との間には、ストライプ状溝２０２
の上方端部全てと連通するように溝の列設方向に延びる
水導入空間１３が形成されている。そして、当該水導入
空間１３内に水を導入する２本の水導入管１３Aが水導
入空間１３を横切るようにセル枠体外部から挿設されて
いる。

【００３１】同様にセル枠体１０の右側部分の下方にお
いて固体高分子膜２０との間には、ストライプ状溝２０
１の下方端部全てと連通するように溝の列設方向に延び
る水排出空間１４が形成されている。そして、当該水排
出空間１４内の水を排出する２本の水排出管１４Aが当
該空間を横切るようにセル枠体外部から挿設されてい
る。

【００３２】前記水導入管１１A及び水導入管１３Aは図
示しない水ポンプと連結され、作動時には水ポンプは作
動されて水が水導入空間１１及び水導入空間１３を経て
ストライプ状溝２０１及びストライプ状溝２０２に供給
され、水排出空間１２及び水排出空間１４を経て電池外
部に排出される。上記PEFC１の動作時において、固体高
分子膜とアノード及びカソードとの界面に沿って形成さ
れたストライプ状溝２０１及びストライプ状溝２０２に
沿って水が流れるので（図１、図２、図４参照）、スト
ライプ状溝に沿った方向にむらなく均一的に固体高分子
膜と水は接触することとなり、ストライプ状溝に沿った
方向にむらなく均一的に固体高分子膜に水を供給させる
ことができる。その上、ストライプ状溝は、固体高分子
膜と電極との界面の略全体に広がって形成されているこ
とから界面に位置する固体高分子膜の広い領域に水を接
触させることができ、界面に位置する固体高分子膜の広
い領域に渡って水を供給することができる。これらの結
果、固体高分子膜とアノード及びカソードとの界面全面
が均一的に加湿されることとなる。

【００３３】しかも、ストライプ状溝２０１及びストラ
イプ状溝２０２には電池作動中常時水が流れるので、運
転中は常時、固体高分子膜の湿潤状態を維持することが
可能となり、安定した発電を行うことができる。また、
前記ストライプ状溝２０１及びストライプ状溝２０２
は、固体高分子膜１０の両主表面で溝の列設方向におい
て異なる位置に形成されているので、一方の主表面のス
トライプ状溝とストライプ状溝との間で水が流れない部
分でも、他方の主表面にはストライプ状溝が形成されて
いることになるので、両主表面であっても溝の列設方向
において同じ位置に形成されている場合と比べて、固体
高分子膜の面全体をよりいっそう均一的に加湿すること
ができる。

【００３４】表面に溝が形成された固体高分子膜１０
は、以下のようにして作製することができる。図５は、
第一の方法を示す模式図である。図５（ａ）に示すよう
に、溝の形状を摸し凸部５１が中央部分に形成された型
材５２上に、図５（ｂ）に示すように、固体高分子膜の
基となる樹脂材料を含む溶剤５３（パーフルオロカーボ
ンスルホン酸ポリマー膜を固体高分子膜として、用いる
のであれば、例えば、５％Nafion溶液（Aldrich社
製））を流し込んで、その後乾燥させる溶剤キャスティ
ング法によって、図５（ｃ）に示すように、一表面にス
トライプ状の溝が形成された膜５４を形成する。次に、
このようにして作製した膜５４と同様にして作製した一
表面にストライプ状の溝が形成された別の膜５５とを、
図５（ｄ）に示すように、溝が形成されていない平坦な
表面同士を、溝５４Aと溝５５Bとの位置をずらした状態
で貼り合わせることによって、両主表面にストライプ状
の溝が形成された前記固体高分子膜１０を得る。なお、
前記型材５２には、アルミ箔を用いることができる。

【００３５】図６は、第二の方法を示す模式図である。
当該方法では、図６（ａ）に示すように、固体高分子膜
１０の形状に摸した型６１をまず準備し、次に、図６
（ｂ）に示すように、固体高分子膜の基となる樹脂材料
を含む溶剤６２を流し込みその後、膜を乾燥させること
によって、図６（ｃ）に示すように、両主表面にストラ
イプ状の溝が形成された前記固体高分子膜１０を形成す
る。

【００３６】以上のように、比較的簡単な方法によって
ストライプ状溝を有する固体高分子膜を作製することが
できる。 <実施の形態２>本実施の形態は、ストライプ状溝が固体
高分子膜ではなく、アノード及びカソード側に形成され
ている点が上記実施の形態１と異なる以外、その他の構
成は、実施の形態１と同様であるので、相違点について
説明する。

【００３７】図７は、本実施の形態にかかるPEFCにおけ
るセルCELL2の分解斜視図であり、固体高分子膜と各電
極との界面における詳細な構成を示す図である。図７
（ａ）に示すように、セルCELL2は、両主表面７０A、７
０Bが平坦な固体高分子膜７０と、固体高分子側の主表
面にストライプ状溝７１１が形成されたアノード７１
と、固体高分子側の主表面にストライプ状溝７２１が形
成されたカソード７２とが貼り合わされたものである。

【００３８】ストライプ状溝７１１とストライプ状溝７
２１とは、実施の形態１の場合と同様に、溝の列設方向
において同じ位置に形成されているのではなく、溝の形
成位置をずらし、一方の主表面のストライプ状溝とスト
ライプ状溝との間の部分に、他方の主表面のストライプ
状溝が位置するように形成しているので、両主表面であ
っても溝の列設方向において同じ位置に形成されている
場合と比べて、固体高分子膜の面全体をよりいっそう均
一的に加湿することができる。

【００３９】上記構造のアノード及びカソードは、図８
に示すようにして作製する。まず、図８（ａ）に示すよ
うに、所定の厚み（０．２mm）のカーボンペーパ８１を
準備し、次に、図８（ｂ）に示すように、このカーボン
ペーパ８１上にストライプ状溝のパターンに摸して予め
くり貫いたカーボンペーパ８２を積層する。次いで、こ
れに樹脂を含浸させたのち、所定温度（３５０℃）で加
熱することで、図８（ｃ）に示すように一体化させる。
次いで、所定の大きさに成形後、カーボンペーパ８３の
溝が形成された表面部分に、図８（ｄ）に電極のペース
ト８４を印刷法によって形成することによって表面にス
トライプ状溝が形成された前記電極が得られる。

【００４０】<実施の形態３>本実施の形態は、上記実施
の形態１及び２において、加湿水に替えて、酸性水を用
いる点を要旨とする。酸性水を用いると、固体高分子膜
に付着する金属カチオンなどの不純物を洗浄除去するこ
とができるので、固体高分子膜のプロトン（Ｈ⁺）の伝
導性が低下することを防止することができる。このよう
に、不純物の付着により電池が劣化することが防止され
るので、長期間に渡って使用することが可能となる。

【００４１】特に、酸性水がストライプ状溝を流通する
ことによって、固体高分子膜表面を洗浄することになる
ので、高い洗浄効果が期待できる。ここで、酸として
は、酢酸、硝酸、硫酸などを用いることができるが、中
でも硝酸が電極中の白金や固体高分子膜を劣化させない
点で優れている。更に、このように酸を用いることによ
って、固体高分子膜と電極とが接触しないストライプ状
溝の部分においても、酸を媒体にしてプロトンが伝導さ
れるため、水を用いた場合よりもプロトン伝導性を向上
させられる。

【００４２】なお、このように酸を用いる場合には、電
池内部の腐食による影響などを考慮すると、水導入管・
水排出管などは耐酸性のあるフッ素樹脂などで内部を被
覆しておくことが望ましい。なお、上記実施の形態で
は、ストライプ状溝を固体高分子膜とアノード及びカソ
ードとの界面の双方に設け、固体高分子膜の両主表面側
から加湿していたが、カソード側では水が反応により生
成し、この反応生成水により固体高分子膜は加湿される
ため、ストライプ状溝を固体高分子膜と少なくともアノ
ードとの界面に形成しておき、ここに水を流すことによ
って、固体高分子膜を加湿するようにしても構わない。

【００４３】また、ストライプ状溝には、水を常時流通
させなくとも、ストライプ状溝内に水が保持された状態
が一定期間維持され水が枯渇しないのであれば断続的に
流通させることもできる。また、上記実施の形態では、
セルが１個のみであったが、これを複数積層した積層体
として用いることもできる。

【００４４】

【実施例】上記実施の形態に基づいて以下の実施例にか
かるPEFCを作製し、その特性を調べた。 (実施例１)片面の中央部分６cm×５cmの領域に、幅２m
m、深さ０．１mmのストライプ状溝を４mm間隔で設けた
７cm四方の固体高分子膜（パーフルオロカーボンスルホ
ン酸ポリマー膜）を作製し、これに白金を担持した炭素
粉末と、電解質としてのパーフルオロカーボンスルホン
酸ポリマーと、結着剤としてのポリテトラフルオロエチ
レンからなるアノード及びカソードとをストライプ状溝
部分の面するように配置することによってセルを作製し
た。

【００４５】(実施例２)両面の中央部分６cm×５cmの領
域に、幅２mm、深さ０．１mmのストライプ状溝を４mm間
隔で両面交互に位置するように設けた７cm四方の固体高
分子膜（パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜）
を作製し、これに実施例１と同様に白金を担持した炭素
粉末と、電解質としてのパーフルオロカーボンスルホン
酸ポリマーと、結着剤としてのポリテトラフルオロエチ
レンからなるアノード及びカソードとをストライプ状溝
部分の面するように配置することによってセルを作製し
た。

【００４６】(実施例３)７cm四方の固体高分子膜（パー
フルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜）の中央部分
に、これに実施例１と同様に白金を担持した炭素粉末
と、電解質としてのパーフルオロカーボンスルホン酸ポ
リマーと、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン
からなるストライプ状溝が形成されたアノード及びカソ
ードとをストライプ状溝部分が面するように配置するこ
とによってセルを作製した。

【００４７】(比較例)ストライプ状溝を形成しない他
は、上記各実施例と同様の条件にてセルを作製した。以
上の実施例１から実施例３のPEFCについて電池温度を７
０℃に設定し、アノードには無加湿の水素ガス、カソー
ドには無加湿の空気、ストライプ状溝には水を供給し
て、電流密度０．５A／cm²で発電を行ったときのセル電
圧の経時的な変化を調べた。比較例のPEFCにおいても、
電池温度を７０℃に設定し、アノードには無加湿の水素
ガス、カソードには７０℃で飽和した加湿空気を供給
し、電流密度０．５A／cm²で発電を行ったときのセル電
圧（ｍＶ）の経時的な変化を調べた。

【００４８】これらの結果を図９に示す。この図から、
実施例１から３のPEFCは、比較例のPEFCよりもセル電圧
は時間的に安定していることが分る。これは、実施例の
PEFCにおいては、比較例のPEFCと比べて水の蒸発などが
少なく運転中常時、湿潤状態が維持されることを示唆し
ている。

【００４９】次に、実施例１において、水に替えて１０
^-3Ｍの酸性水を用いて上記同様の条件で発電した場合
の、セル電圧（ｍＶ）の経時的な変化を調べた。その結
果を図１０に上記実施例１、及び比較例の結果と併せて
実施例４として記載した。この図から、水に替えて酸性
水を用いることによって経時的なセル電圧が向上するこ
とが分る。これは、上述のように固体高分子膜に付着し
た不純物が洗浄除去されてプロトン伝導性の低下が防止
された結果である。

【００５０】

【発明の効果】以上説明してきたように、固体高分子膜
にカソード及びアノードを配してなる固体高分子型燃料
電池用膜電極構造体であって、固体高分子膜と少なくと
もアノードとが相互に対向する界面上に沿い、かつ、界
面上に広がる水流通路が形成されていることを特徴とす
る。

【００５１】この固体高分子型燃料電池用膜電極構造体
を用いると、固体高分子膜とアノードとの界面上に沿っ
て形成された水流通路に沿って水を流すことができるの
で、水流通路に沿った方向にむらなく均一的に固体高分
子膜と水は接触することとなり、水流通路に沿った方向
にむらなく均一的に固体高分子膜に水を供給させること
ができる。その上、水流通路は、固体高分子膜と電極と
の界面上に広がって形成されていることから界面に位置
する固体高分子膜の広い領域に水を接触させることがで
き、界面に位置する固体高分子膜の広い領域に渡って水
を供給することができる。これらの結果、反応ガスを加
湿しなくても、固体高分子膜とアノードとの界面全面が
均一的に加湿されることとなる。また、水流通路内の水
が枯渇しないように補給することで、水の蒸発を抑え運
転中常時、湿潤状態を維持することが可能となる。更
に、水流通路を固体高分子膜とアノードとの界面に設け
ることになるので、比較的容易に固体高分子型燃料電池
用膜電極構造体を作製することができる。

【００５２】また、前記固体高分子型燃料電池用膜電極
構造体を用いた固体高分子型燃料電池の運転方法におい
て、反応ガスを加湿しなくても、前記水流通路に固体高
分子膜加湿用の液体を供給することによって固体高分子
膜を加湿することを特徴とする。この運転方法により、
固体高分子膜とアノードとの界面に沿い、界面全体に広
がるように形成された水流通路に沿って水が流すことが
できるので、固体高分子膜にはこの水が分配供給され、
上記したように固体高分子膜とアノードとの界面全面が
均一的に加湿され、また、水の蒸発を抑制し運転中常
時、固体高分子膜の湿潤状態を維持することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施の形態にかかるPEFC１の構成を示す
断面図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は、セルCELL1の分解斜視図で
固体高分子膜と各電極との界面における詳細な構成を示
す図であり、異なる角度から見た図である。

【図３】セルCELL１を図１において、左側の表面２０A
側から見た図で、ストライプ状溝２０１とストライプ状
溝２０２との位置関係及び電極との位置関係を表す図で
ある。

【図４】（ａ）、（ｂ）は、PEFC1を、図１において異
なる角度から見たから図である。

【図５】固体高分子膜にストライプ状溝を形成する方法
を示す模式図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に工程が進行
する。

【図６】固体高分子膜にストライプ状溝を形成する方法
を示す模式図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に工程が進行
する。

【図７】（ａ）、（ｂ）は、第二の実施の形態にかかる
PEFCにおけるセルCELL2の分解斜視図で固体高分子膜と
各電極との界面における詳細な構成を示す図であり、異
なる角度から見た図である。

【図８】アノード及びカソードにストライプ状溝を形成
する方法を示す模式図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に工
程が進行する。

【図９】所定の条件下で発電させた場合の実施例及び比
較例のセル電圧と発電時間との関係を示す特性図であ
る。

【図１０】更に別な条件下で発電させた場合の実施例の
セル電圧と発電時間との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

２０固体高分子膜２１アノード２２カソード２０１ストライプ状溝２０２ストライプ状溝７０固体高分子膜７１アノード７２カソード７１１ストライプ状溝７２１ストライプ状溝 CELL1 セル CELL2 セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近野義人大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者米津育郎大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX04 EE18 5H027 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子膜にカソード及びアノードを
配してなる固体高分子型燃料電池用膜電極構造体であっ
て、固体高分子膜と少なくともアノードとが相互に対向する
界面上に沿い、かつ、界面上に広がる水流通路が形成さ
れていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電
極構造体。
【請求項２】前記固体高分子膜の表面に複数の溝が前
記界面上の全体に分布させて形成され、当該複数の溝に
よって前記水流通路が形成されてい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膜電極構造
体。
【請求項３】前記アノードの表面に複数の溝が前記界
面上の全体に分布させて形成され、当該複数の溝によっ
て前記水流通路が形成されてい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膜電極構造体。
【請求項４】前記固体高分子膜のカソードとの界面に
おける表面には複数の溝が前記界面上に分布して形成さ
れ、当該複数の溝によって固体高分子膜のカソードとの
界面上に沿い、かつ、界面上に広がる水流通路が形成さ
れていることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体
高分子型燃料電池用膜電極構造体。
【請求項５】前記固体高分子膜とカソードとの界面に
おけるカソードの表面に複数の溝が前記界面上に分布し
て形成され、当該複数の溝によって固体高分子膜のカソ
ードとの界面上に沿い、かつ、界面上に広がる水流通路
が形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記
載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
【請求項６】前記固体高分子膜とカソード及びアノー
ドとの界面における水流通路は、列設方向に交互に位置
するように形成されていることを特徴とする請求項４又
は５に記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
【請求項７】請求項１から６の何れかに記載の固体高
分子型燃料電池用膜電極構造体を用いた固体高分子型燃
料電池の運転方法であって、前記水流通路に固体高分子膜加湿用の液体を供給するこ
とによって固体高分子膜を加湿することを特徴とする固
体高分子型燃料電池の運転方法。
【請求項８】前記固体高分子膜加湿用の液体には酸を
用いることを特徴とする請求項７に記載の固体高分子型
燃料電池の運転方法。