JP2001185171A - 固体高分子型燃料電池とその製造方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池とその製造方法Info
- Publication number
- JP2001185171A JP2001185171A JP37026599A JP37026599A JP2001185171A JP 2001185171 A JP2001185171 A JP 2001185171A JP 37026599 A JP37026599 A JP 37026599A JP 37026599 A JP37026599 A JP 37026599A JP 2001185171 A JP2001185171 A JP 2001185171A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solid polymer
- region
- membrane
- water
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子膜の水分蒸発と、これに伴う固体
高分子膜中の水分移動を抑えることによって、固体高分
子膜の湿潤性を効率よく保ち、高い電池性能を発揮する
ことが可能な固体高分子型燃料電池とその製造方法を提
供する。 【解決手段】 固体高分子膜21の縁周部215をテトラフ
ルオロエチレンなどの撥水材を噴霧して撥水処理する。
高分子膜中の水分移動を抑えることによって、固体高分
子膜の湿潤性を効率よく保ち、高い電池性能を発揮する
ことが可能な固体高分子型燃料電池とその製造方法を提
供する。 【解決手段】 固体高分子膜21の縁周部215をテトラフ
ルオロエチレンなどの撥水材を噴霧して撥水処理する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池に関し、特
に固体高分子型燃料電池の改良技術に関する。
に固体高分子型燃料電池の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は通常、アノード側に水素を含
むアノードガス、カソード側に酸素を含むカソードガス
（酸化剤ガス）をそれぞれ供給し、水素と酸素を反応さ
せて発電を行う。カソードガスには一般的に空気が用い
られる。アノードガスには純水素ガスのほか、天然ガス
やナフサ等の軽質炭化水素などの燃料ガスを改質して水
素リッチな改質ガスとしたものが用いられる。
むアノードガス、カソード側に酸素を含むカソードガス
（酸化剤ガス）をそれぞれ供給し、水素と酸素を反応さ
せて発電を行う。カソードガスには一般的に空気が用い
られる。アノードガスには純水素ガスのほか、天然ガス
やナフサ等の軽質炭化水素などの燃料ガスを改質して水
素リッチな改質ガスとしたものが用いられる。
【０００３】燃料電池には様々な種類があるが、近年で
は固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池
（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell）の研究
が積極的になされている。固体高分子型燃料電池は、例
えば陽フッ素系イオン交換樹脂等からなる電解質の固体
高分子膜の一方の面にカソードと他方の面にアノードと
を配し、これを2枚のガス拡散層間に配したセル構成を
持つ。実用的な固体高分子型燃料電池は、このような基
本構造を単位セルとして多数積層し、高出力を得てい
る。
は固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池
（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell）の研究
が積極的になされている。固体高分子型燃料電池は、例
えば陽フッ素系イオン交換樹脂等からなる電解質の固体
高分子膜の一方の面にカソードと他方の面にアノードと
を配し、これを2枚のガス拡散層間に配したセル構成を
持つ。実用的な固体高分子型燃料電池は、このような基
本構造を単位セルとして多数積層し、高出力を得てい
る。
【０００４】固体高分子型燃料電池は運転時において、
固体高分子膜のイオン導電性を高めて内部抵抗を下げる
ためにこれを湿潤させなければならない。セルのカソー
ド側では発電反応によって生成水が生じるが、カソード
ガスなどの周囲雰囲気中に水分が蒸発するので、固体高
分子膜を湿潤させるために例えば燃料電池に供給するガ
スを予め加湿装置で加湿し、これによって固体高分子膜
を加湿する外部加湿方式が一般的に採られている。
固体高分子膜のイオン導電性を高めて内部抵抗を下げる
ためにこれを湿潤させなければならない。セルのカソー
ド側では発電反応によって生成水が生じるが、カソード
ガスなどの周囲雰囲気中に水分が蒸発するので、固体高
分子膜を湿潤させるために例えば燃料電池に供給するガ
スを予め加湿装置で加湿し、これによって固体高分子膜
を加湿する外部加湿方式が一般的に採られている。
【０００５】一方、現在ではこのような固体高分子型燃
料電池を小型・軽量化することにより、移動用電源とし
ての研究開発が積極的になされている。このような研究
開発の一方向としては、例えば外部加湿方式から、固体
高分子膜を発電反応の生成水のみで加湿する方式（いわ
ゆる無加湿方式）に切り替え、燃料電池システムのダウ
ンサイジングを図るといった研究が挙げられる。
料電池を小型・軽量化することにより、移動用電源とし
ての研究開発が積極的になされている。このような研究
開発の一方向としては、例えば外部加湿方式から、固体
高分子膜を発電反応の生成水のみで加湿する方式（いわ
ゆる無加湿方式）に切り替え、燃料電池システムのダウ
ンサイジングを図るといった研究が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで固体高分子型
燃料電池の運転時において、セルからカソードガスなど
の周囲雰囲気中に蒸発していく水分の中には、固体高分
子膜の電極が配された領域からこれ以外の領域へ向けて
（具体的には電極が配された領域から電極周囲の外側に
向けて）水分が膜中を移動してから蒸発する分も存在す
る。外部加湿方式においては加湿量を低減する上でこの
ような水分移動を抑えることが望まれる。また、無加湿
方式のように比較的固体高分子膜に対する水分補給量が
少ない場合には、燃料電池の発電効率が低下する原因と
なりうるので、特にこの水分移動を抑える技術の導入が
望まれる。
燃料電池の運転時において、セルからカソードガスなど
の周囲雰囲気中に蒸発していく水分の中には、固体高分
子膜の電極が配された領域からこれ以外の領域へ向けて
（具体的には電極が配された領域から電極周囲の外側に
向けて）水分が膜中を移動してから蒸発する分も存在す
る。外部加湿方式においては加湿量を低減する上でこの
ような水分移動を抑えることが望まれる。また、無加湿
方式のように比較的固体高分子膜に対する水分補給量が
少ない場合には、燃料電池の発電効率が低下する原因と
なりうるので、特にこの水分移動を抑える技術の導入が
望まれる。
【０００７】このように固体高分子型燃料電池の小型・
軽量化と、発電効率の維持とを両立させるためには、い
まだ技術改良の余地があると考えられる。本発明は上記
課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、固体
高分子膜の水分蒸発と、これに伴う固体高分子膜中の水
分移動を抑えることによって、無加湿方式・外部加湿方
式のいずれにおいても固体高分子膜の湿潤性を効率よく
保ち、高い電池性能を発揮することが可能な固体高分子
型燃料電池とその製造方法を提供することにある。
軽量化と、発電効率の維持とを両立させるためには、い
まだ技術改良の余地があると考えられる。本発明は上記
課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、固体
高分子膜の水分蒸発と、これに伴う固体高分子膜中の水
分移動を抑えることによって、無加湿方式・外部加湿方
式のいずれにおいても固体高分子膜の湿潤性を効率よく
保ち、高い電池性能を発揮することが可能な固体高分子
型燃料電池とその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、固体高分子膜を介してアノード及びカソー
ドが対向するように配されたセル構成を有し、アノード
側にアノードガス、カソード側にカソードガスがそれぞ
れ供給されて発電する固体高分子型燃料電池として、固
体高分子膜において、アノードとカソードが配された領
域を第一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域より外
側の第二の膜領域の少なくとも一部が撥水処理されてい
るものとした。
に本発明は、固体高分子膜を介してアノード及びカソー
ドが対向するように配されたセル構成を有し、アノード
側にアノードガス、カソード側にカソードガスがそれぞ
れ供給されて発電する固体高分子型燃料電池として、固
体高分子膜において、アノードとカソードが配された領
域を第一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域より外
側の第二の膜領域の少なくとも一部が撥水処理されてい
るものとした。
【０００９】このように第二の膜領域に撥水処理を行う
ことで、固体高分子膜における第一の膜領域から第二の
膜領域への水分移動が抑制されるので、この部分から水
分が雰囲気中に蒸発するのを抑えることができる。これ
により、固体高分子膜に対する水分補給量が同じでも膜
中に水分が従来より豊富に確保され、燃料電池の発電効
率が向上される。このような撥水処理は、具体的には第
二の膜領域の膜表面や膜中に撥水材を被覆又は混在、も
しくはこれら両方を行うことで処理できる。
ことで、固体高分子膜における第一の膜領域から第二の
膜領域への水分移動が抑制されるので、この部分から水
分が雰囲気中に蒸発するのを抑えることができる。これ
により、固体高分子膜に対する水分補給量が同じでも膜
中に水分が従来より豊富に確保され、燃料電池の発電効
率が向上される。このような撥水処理は、具体的には第
二の膜領域の膜表面や膜中に撥水材を被覆又は混在、も
しくはこれら両方を行うことで処理できる。
【００１０】なお撥水処理する領域は第二の膜領域の全
面に限らないが、固体高分子膜からの水分蒸発は撥水処
理する面積が大きいほど減少すると思われるため、なる
べく第二の膜領域の全面に処理するのが望ましい。撥水
材としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフル
オロエチレン-ペルフルオロアルキルビニルエーテル共
重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロ
ピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポ
リフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオ
ロエチレン-エチレン共重合体の中から選択されたもの
を用いることができる。
面に限らないが、固体高分子膜からの水分蒸発は撥水処
理する面積が大きいほど減少すると思われるため、なる
べく第二の膜領域の全面に処理するのが望ましい。撥水
材としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフル
オロエチレン-ペルフルオロアルキルビニルエーテル共
重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロ
ピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポ
リフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオ
ロエチレン-エチレン共重合体の中から選択されたもの
を用いることができる。
【００１１】また本発明は、第二の膜領域の親水基量を
第一の膜領域よりも少なくするようにしてもよい。これ
により第二の膜領域では第一の膜領域に比べて保水量が
少なくなるため、上記と同様にこの部分からの水分蒸発
量を抑えることができる。このような本発明は、具体的
にはスルホン酸基を親水基とする固体高分子膜を持つ固
体高分子型燃料電池に適用することができる。
第一の膜領域よりも少なくするようにしてもよい。これ
により第二の膜領域では第一の膜領域に比べて保水量が
少なくなるため、上記と同様にこの部分からの水分蒸発
量を抑えることができる。このような本発明は、具体的
にはスルホン酸基を親水基とする固体高分子膜を持つ固
体高分子型燃料電池に適用することができる。
【００１２】以上の本発明の燃料電池は、固体高分子膜
を作製する電解質作製ステップと、固体高分子膜を介し
てアノードとカソードを対向させてセルを作製するセル
作製ステップとを経る固体高分子型燃料電池の製造方法
として、前記電解質作製ステップ後に、アノードとカソ
ードを配する膜領域を第一の膜領域とするとき、当該第
一の膜領域より外側の第二の膜領域の少なくとも一部を
撥水処理する撥水処理ステップを経ることによって得る
ことができる。
を作製する電解質作製ステップと、固体高分子膜を介し
てアノードとカソードを対向させてセルを作製するセル
作製ステップとを経る固体高分子型燃料電池の製造方法
として、前記電解質作製ステップ後に、アノードとカソ
ードを配する膜領域を第一の膜領域とするとき、当該第
一の膜領域より外側の第二の膜領域の少なくとも一部を
撥水処理する撥水処理ステップを経ることによって得る
ことができる。
【００１３】また前記電解質作製ステップまたは当該電
解質作製ステップ後において、アノードとカソードを配
する膜領域を第一の膜領域とするとき、第一の膜領域中
の親水基量が、第一の膜領域より外側の第二の膜領域中
の親水基量よりも多くなるように固体高分子膜を処理す
る親水基処理ステップを経ることもできる。この場合、
親水基処理ステップは、加熱処理により固体高分子膜中
の親水基量を調整することができる。この加熱処理にか
かる加熱温度は、固体高分子膜のガラス転移温度以上の
温度で行うと親水基量を少なくし易いので望ましい。
解質作製ステップ後において、アノードとカソードを配
する膜領域を第一の膜領域とするとき、第一の膜領域中
の親水基量が、第一の膜領域より外側の第二の膜領域中
の親水基量よりも多くなるように固体高分子膜を処理す
る親水基処理ステップを経ることもできる。この場合、
親水基処理ステップは、加熱処理により固体高分子膜中
の親水基量を調整することができる。この加熱処理にか
かる加熱温度は、固体高分子膜のガラス転移温度以上の
温度で行うと親水基量を少なくし易いので望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】1.実施の形態1 以下、本発明の一適用例である固体高分子型燃料電池の
セルユニットについて説明する。なお、本発明の主な特
徴はセル構成にあるので、まず固体高分子型燃料電池の
基本構成を説明し、次にセル構成について詳細に説明す
る。
セルユニットについて説明する。なお、本発明の主な特
徴はセル構成にあるので、まず固体高分子型燃料電池の
基本構成を説明し、次にセル構成について詳細に説明す
る。
【００１５】1-1.セルユニットの構成 図1は、かかる本実施の形態1の固体高分子型燃料電池を
構成するセルユニット10の組立図である。本図に示すよ
うに、セルユニット10は全体として、カソード側チャネ
ルプレート60とアノード側チャネルプレート50との間に
セル20を配した構成を持つ。
構成するセルユニット10の組立図である。本図に示すよ
うに、セルユニット10は全体として、カソード側チャネ
ルプレート60とアノード側チャネルプレート50との間に
セル20を配した構成を持つ。
【００１６】セル20は固体高分子膜21、電極22、23（カ
ソード22、アノード23）、ガス拡散層24、25等で構成さ
れる。なお図1において、アノード23は固体高分子膜21
の下面側にあるので破線で表示している。このセル20の
カソード22側が、ガスケット40を介してカソード側チャ
ネルプレート60に重ねられている。また、アノード23側
はガスケット30を介してアノード側チャネルプレート50
に重ねられている。これらアノード22とカソード23は各
電極触媒が担持されたシート状成型体であって、触媒層
とも呼ばれる。
ソード22、アノード23）、ガス拡散層24、25等で構成さ
れる。なお図1において、アノード23は固体高分子膜21
の下面側にあるので破線で表示している。このセル20の
カソード22側が、ガスケット40を介してカソード側チャ
ネルプレート60に重ねられている。また、アノード23側
はガスケット30を介してアノード側チャネルプレート50
に重ねられている。これらアノード22とカソード23は各
電極触媒が担持されたシート状成型体であって、触媒層
とも呼ばれる。
【００１７】このとき、カソード22とカソード側チャネ
ルプレート60の間、並びにアノード23とアノード側チャ
ネルプレート50との間にはカーボンペーパーからなるガ
ス拡散層24、25がそれぞれ介挿されている。これらガス
拡散層24、25は、電極22、23とチャネルプレート50、60
との電流の流れを確保するものであって集電体とも称さ
れる。
ルプレート60の間、並びにアノード23とアノード側チャ
ネルプレート50との間にはカーボンペーパーからなるガ
ス拡散層24、25がそれぞれ介挿されている。これらガス
拡散層24、25は、電極22、23とチャネルプレート50、60
との電流の流れを確保するものであって集電体とも称さ
れる。
【００１８】アノード側チャネルプレート50はフェノー
ル樹脂などの樹脂材料にカーボン粉末を混合したものを
射出成形してなる部材であって、ガス拡散層25と対向す
る面（図1で下面）において、ｘ方向を長手方向として
ｙ方向に一定間隔毎にリブ56が並設され、これにより同
方向にアノードガス（純水素または水素リッチな改質ガ
ス）を流通させるチャネル55が形成されている。
ル樹脂などの樹脂材料にカーボン粉末を混合したものを
射出成形してなる部材であって、ガス拡散層25と対向す
る面（図1で下面）において、ｘ方向を長手方向として
ｙ方向に一定間隔毎にリブ56が並設され、これにより同
方向にアノードガス（純水素または水素リッチな改質ガ
ス）を流通させるチャネル55が形成されている。
【００１９】カソード側チャネルプレート60はアノード
側チャネルプレート50とほぼ同様の部材であり、当図か
らは見えないが、ｙ方向を長手方向としてｘ方向に一定
間隔毎にリブが並設され、これにより同方向にカソード
ガス（空気などの酸化剤ガス）を流通させるチャネルが
形成されている。さらに、固体高分子膜21、ガスケット
30、40、アノード側チャネルプレート50、カソード側チ
ャネルプレート60には内部マニホールドを形成するため
に、各主面の四隅に開孔部61〜64、41〜44、211〜214、
31〜34、51〜54（44、214、34、54は不図示）が設けて
あり、このうち開孔部51、31、211、41、62によりアノ
ード側チャネルプレート50のチャネル55にアノードガス
が供給され、開孔部53、33、213、43、63から排出され
る。また、開孔部52、32、212、42、62によりカソード
側チャネルプレート60のチャネルにカソードガスが供給
され、開孔部54、34、214、44、64から排出される。
側チャネルプレート50とほぼ同様の部材であり、当図か
らは見えないが、ｙ方向を長手方向としてｘ方向に一定
間隔毎にリブが並設され、これにより同方向にカソード
ガス（空気などの酸化剤ガス）を流通させるチャネルが
形成されている。さらに、固体高分子膜21、ガスケット
30、40、アノード側チャネルプレート50、カソード側チ
ャネルプレート60には内部マニホールドを形成するため
に、各主面の四隅に開孔部61〜64、41〜44、211〜214、
31〜34、51〜54（44、214、34、54は不図示）が設けて
あり、このうち開孔部51、31、211、41、62によりアノ
ード側チャネルプレート50のチャネル55にアノードガス
が供給され、開孔部53、33、213、43、63から排出され
る。また、開孔部52、32、212、42、62によりカソード
側チャネルプレート60のチャネルにカソードガスが供給
され、開孔部54、34、214、44、64から排出される。
【００２０】なおセルユニット10は、実際には高出力の
電力が取り出せるように仕切板を介して複数個積層さ
れ、その両端が一対の端板で固定された構成（セルスタ
ック）に組み上げられている。ここにおいて、本実施の
形態1の主な特徴は固体高分子膜21の構成にある。次
に、この固体高分子膜21を中心とするセル20の各構成に
ついて詳細に説明する。
電力が取り出せるように仕切板を介して複数個積層さ
れ、その両端が一対の端板で固定された構成（セルスタ
ック）に組み上げられている。ここにおいて、本実施の
形態1の主な特徴は固体高分子膜21の構成にある。次
に、この固体高分子膜21を中心とするセル20の各構成に
ついて詳細に説明する。
【００２１】1-2.セル構成 固体高分子膜21は、パーフルオロカーボンスルホン酸な
どのフッ素系陽イオン交換樹脂からなる電解質膜であ
り、ここではｘ方向幅7ｃｍ×ｙ方向長さ7ｃｍ×ｚ方向
厚さ約50μｍのサイズに設定されている。電極22、23
は、固体高分子膜21よりやや小型の膜状電極（ｘ方向幅
5ｃｍ×ｙ方向長さ5ｃｍ×ｚ方向厚さ約50μｍ）であ
り、固体高分子膜21の両主面の中央部分に合わせてホッ
トプレスにより圧着されている。
どのフッ素系陽イオン交換樹脂からなる電解質膜であ
り、ここではｘ方向幅7ｃｍ×ｙ方向長さ7ｃｍ×ｚ方向
厚さ約50μｍのサイズに設定されている。電極22、23
は、固体高分子膜21よりやや小型の膜状電極（ｘ方向幅
5ｃｍ×ｙ方向長さ5ｃｍ×ｚ方向厚さ約50μｍ）であ
り、固体高分子膜21の両主面の中央部分に合わせてホッ
トプレスにより圧着されている。
【００２２】ここで図1に示すように、電極22、23と固
体高分子膜21にはサイズ差があって固体高分子膜21の縁
周部215が露出している。本実施の形態1ではその特徴と
して当該縁周部215に水分移動を抑制するために撥水処
理が施されている。この縁周部215は、具体的に実施の
形態1では図2のセル端部周辺の部分断面図に示すよう
に、固体高分子膜21の表面に撥水材（ここではPTFE；ポ
リテトラフルオロエチレン）が被覆されてなる。これに
より、固体高分子膜21の表面からの水分蒸発の抑制が図
られている。
体高分子膜21にはサイズ差があって固体高分子膜21の縁
周部215が露出している。本実施の形態1ではその特徴と
して当該縁周部215に水分移動を抑制するために撥水処
理が施されている。この縁周部215は、具体的に実施の
形態1では図2のセル端部周辺の部分断面図に示すよう
に、固体高分子膜21の表面に撥水材（ここではPTFE；ポ
リテトラフルオロエチレン）が被覆されてなる。これに
より、固体高分子膜21の表面からの水分蒸発の抑制が図
られている。
【００２３】なお上記撥水材としては、このほかにテト
ラフルオロエチレン-ペルフルオロアルキルビニルエー
テル共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオ
ロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレ
ン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラ
フルオロエチレン-エチレン共重合体の中から選択する
ことができる。
ラフルオロエチレン-ペルフルオロアルキルビニルエー
テル共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオ
ロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレ
ン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラ
フルオロエチレン-エチレン共重合体の中から選択する
ことができる。
【００２４】なおガス拡散層24、25は電極22、23のサイ
ズより若干大きめに作られている。 1-3.セルの作製方法 ここでは実施の形態1のセル20の作製方法を説明する。
まず固体高分子膜を作製する。Nafion膜（例えばDuPont
社製Nafion112）を所定の寸法に合わせ、室温で縁端部
から幅1ｃｍの枠状縁周部に撥水材としてPTFEを含む溶
液（PTFE/イソプロピルアルコール）を噴霧する。噴霧
後は約150℃で乾燥させる。これを数回繰り返してPTFE
膜を形成するが、形成されるPTFE膜が部分的にポーラス
にならないよう、例えば10〜20μｍの厚みに設定する。
ズより若干大きめに作られている。 1-3.セルの作製方法 ここでは実施の形態1のセル20の作製方法を説明する。
まず固体高分子膜を作製する。Nafion膜（例えばDuPont
社製Nafion112）を所定の寸法に合わせ、室温で縁端部
から幅1ｃｍの枠状縁周部に撥水材としてPTFEを含む溶
液（PTFE/イソプロピルアルコール）を噴霧する。噴霧
後は約150℃で乾燥させる。これを数回繰り返してPTFE
膜を形成するが、形成されるPTFE膜が部分的にポーラス
にならないよう、例えば10〜20μｍの厚みに設定する。
【００２５】次に、白金担持カーボン粉末（カーボン担
体：Cabot社製 VULCAN XC72）、Nafion溶液（Aldrich
Chemical社製、5wt％溶液）、PTFE分散溶液を混合し、
白金担持カーボン：Nafion：PTFEの重量比が100：20：1
0になるよう調整したスラリーを前記ガス拡散層となる
カーボンペーパー（7ｃｍ×7ｃｍ、厚み約200μｍ）上
に塗布し、電極を形成する。
体：Cabot社製 VULCAN XC72）、Nafion溶液（Aldrich
Chemical社製、5wt％溶液）、PTFE分散溶液を混合し、
白金担持カーボン：Nafion：PTFEの重量比が100：20：1
0になるよう調整したスラリーを前記ガス拡散層となる
カーボンペーパー（7ｃｍ×7ｃｍ、厚み約200μｍ）上
に塗布し、電極を形成する。
【００２６】なお、固体高分子膜への撥水材の噴霧は電
極を形成した後に行ってもよく、片面に一方の電極を形
成した後に行って、その後他方の電極を形成するように
してもよい。また撥水処理を行う固体高分子膜の領域は
電極を配しない領域の一部に行ってもそれなりの効果が
あるが、固体高分子膜の水分蒸発をより効果的に防ぐた
めには、上記のように電極を配しない領域の全面を撥水
処理するのが望ましい。
極を形成した後に行ってもよく、片面に一方の電極を形
成した後に行って、その後他方の電極を形成するように
してもよい。また撥水処理を行う固体高分子膜の領域は
電極を配しない領域の一部に行ってもそれなりの効果が
あるが、固体高分子膜の水分蒸発をより効果的に防ぐた
めには、上記のように電極を配しない領域の全面を撥水
処理するのが望ましい。
【００２７】このようにして作製した固体高分子膜と電
極を、ガス拡散層、電極、固体高分子膜、電極、ガス拡
散層の順に積層し、ホットプレス（150℃、50ｋｇ/ｃｍ
2、60ｓｅｃ）によって一体化する。以上によりセル20
を完成する。 1-4.燃料電池の動作と本実施の形態1の効果 このような燃料電池において、その稼働時にはアノード
側には改質ガス、カソード側には空気が供給される。そ
してガス拡散層25を介し、アノード23側に供給される改
質ガス（水素ガス）中の水素はプロトン（Ｈ2→2Ｈ＋＋
2ｅ-）となり、固体高分子膜21中のスルホン酸基近くに
保持された水を伝ってカソード22側へ移動する。一方、
ガス拡散層24を介してカソード22側に供給されるカソー
ドガス中の酸素は酸素イオン（1/2Ｏ2＋2ｅ-→Ｏ2-)と
なり、固体高分子膜21中を移動してきたプロトンと化合
して水を生じる（2Ｈ＋＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ）。この化学反応
機構（発電反応）によって生成する水、またはこれに加
えて改質ガスや空気とともに供給された加湿水（外部加
湿方式の場合）により、固体高分子膜21は湿潤状態にな
り、その内部抵抗が低下して導電性を呈する。一方、固
体高分子膜21からは電極22、23を介してアノードガス、
カソードガスに水分が蒸発する。固体高分子膜21の湿潤
度は、これらの加湿水、生成水、蒸発水のバランスによ
って定まると考えられる。
極を、ガス拡散層、電極、固体高分子膜、電極、ガス拡
散層の順に積層し、ホットプレス（150℃、50ｋｇ/ｃｍ
2、60ｓｅｃ）によって一体化する。以上によりセル20
を完成する。 1-4.燃料電池の動作と本実施の形態1の効果 このような燃料電池において、その稼働時にはアノード
側には改質ガス、カソード側には空気が供給される。そ
してガス拡散層25を介し、アノード23側に供給される改
質ガス（水素ガス）中の水素はプロトン（Ｈ2→2Ｈ＋＋
2ｅ-）となり、固体高分子膜21中のスルホン酸基近くに
保持された水を伝ってカソード22側へ移動する。一方、
ガス拡散層24を介してカソード22側に供給されるカソー
ドガス中の酸素は酸素イオン（1/2Ｏ2＋2ｅ-→Ｏ2-)と
なり、固体高分子膜21中を移動してきたプロトンと化合
して水を生じる（2Ｈ＋＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ）。この化学反応
機構（発電反応）によって生成する水、またはこれに加
えて改質ガスや空気とともに供給された加湿水（外部加
湿方式の場合）により、固体高分子膜21は湿潤状態にな
り、その内部抵抗が低下して導電性を呈する。一方、固
体高分子膜21からは電極22、23を介してアノードガス、
カソードガスに水分が蒸発する。固体高分子膜21の湿潤
度は、これらの加湿水、生成水、蒸発水のバランスによ
って定まると考えられる。
【００２８】ここにおいて従来では、このような燃料電
池の稼働時に、図5の従来のセル端部周辺の部分断面図
のように、固体高分子膜の端部付近から水分が蒸発する
傾向があった。この水分蒸発は具体的には当図のよう
に、（Ａ）固体高分子膜の表面からガス（特にカソード
ガス）中に蒸発する分と、（Ｂ）当該膜表面とガスケッ
トの間に浸透して外部空気に蒸発する分と、（Ｃ）膜中
を浸透して膜端部より外部空気に蒸発する分がある。こ
のように水分が蒸発すると、膜中の水分は毛細管現象に
よって連続的に蒸発してしまい、結果的に膜の水分が不
足して燃料電池の発電効率の低下を引き起こしてしま
う。
池の稼働時に、図5の従来のセル端部周辺の部分断面図
のように、固体高分子膜の端部付近から水分が蒸発する
傾向があった。この水分蒸発は具体的には当図のよう
に、（Ａ）固体高分子膜の表面からガス（特にカソード
ガス）中に蒸発する分と、（Ｂ）当該膜表面とガスケッ
トの間に浸透して外部空気に蒸発する分と、（Ｃ）膜中
を浸透して膜端部より外部空気に蒸発する分がある。こ
のように水分が蒸発すると、膜中の水分は毛細管現象に
よって連続的に蒸発してしまい、結果的に膜の水分が不
足して燃料電池の発電効率の低下を引き起こしてしま
う。
【００２９】これに対し本実施の形態1では、固体高分
子膜21の縁周部215が撥水処理されているため、縁周部2
15から周囲雰囲気中への水分の蒸発が抑えられる。詳し
くは縁周部215でカソードガスやアノードガスと接触す
る部分が撥水処理されていれば、前記（Ａ）が抑制さ
れ、ガスケット40と接触する部分が撥水処理されていれ
ば前記（Ｂ）が抑制され、さらに縁周部215の端部が撥
水処理されていれば前記（Ｃ）が抑制される。そして図
2のように、縁周部215の表面全体が撥水処理されていれ
ば、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）がすべて抑制される。
子膜21の縁周部215が撥水処理されているため、縁周部2
15から周囲雰囲気中への水分の蒸発が抑えられる。詳し
くは縁周部215でカソードガスやアノードガスと接触す
る部分が撥水処理されていれば、前記（Ａ）が抑制さ
れ、ガスケット40と接触する部分が撥水処理されていれ
ば前記（Ｂ）が抑制され、さらに縁周部215の端部が撥
水処理されていれば前記（Ｃ）が抑制される。そして図
2のように、縁周部215の表面全体が撥水処理されていれ
ば、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）がすべて抑制される。
【００３０】したがって、稼働初期にこの部分に水分が
浸透してきても撥水材により当該膜21中にとどまる作用
が働き、それ以降の水分移動が抑制されるので従来より
も固体高分子膜21から周囲に蒸発する水分量が低減さ
れ、固体高分子膜21の湿潤性が維持される。この結果、
円滑な電極反応のもとに良好な発電効率を得ることがで
きる。
浸透してきても撥水材により当該膜21中にとどまる作用
が働き、それ以降の水分移動が抑制されるので従来より
も固体高分子膜21から周囲に蒸発する水分量が低減さ
れ、固体高分子膜21の湿潤性が維持される。この結果、
円滑な電極反応のもとに良好な発電効率を得ることがで
きる。
【００３１】2.実施の形態2 2-1.縁周部（親水基低減処理）の構成 本実施の形態2は、縁周部215における親水基量をこれ以
外の固体高分子膜21の領域の親水基量よりも少なくし
（親水基処理）、これによって縁周部215での保水量を
比較的少なく抑える構成であることを特徴とする。この
親水基とは、ここでは陽イオン交換樹脂のパーフルオロ
スルホン酸膜を用いているのでスルホン酸基に相当す
る。すなわち本実施の形態2における縁周部215は、固体
高分子膜膜21中に含まれる親水基（陽イオン交換基）の
スルホン酸基量が、これ以外の膜領域よりも低減されて
いる。縁周部215におけるスルホン酸基量と、これ以外
の固体高分子膜21の領域のスルホン酸基量との比は、例
えば（4：6）である。
外の固体高分子膜21の領域の親水基量よりも少なくし
（親水基処理）、これによって縁周部215での保水量を
比較的少なく抑える構成であることを特徴とする。この
親水基とは、ここでは陽イオン交換樹脂のパーフルオロ
スルホン酸膜を用いているのでスルホン酸基に相当す
る。すなわち本実施の形態2における縁周部215は、固体
高分子膜膜21中に含まれる親水基（陽イオン交換基）の
スルホン酸基量が、これ以外の膜領域よりも低減されて
いる。縁周部215におけるスルホン酸基量と、これ以外
の固体高分子膜21の領域のスルホン酸基量との比は、例
えば（4：6）である。
【００３２】2-2.セルの作製方法 ここでは実施の形態2の固体高分子膜21の作製方法のみ
を説明する。Nafion膜（例えばDuPont社製Nafion112）
を所定の寸法に合わせて裁断する。そして膜の縁端部か
ら幅1ｃｍの枠状縁周部を繰り返し圧熱処理する（250
℃、10ｋｇ/ｃｍ2、60ｓｅｃの各条件で10回繰り返し圧
熱処理する）。このような条件の圧熱処理が親水基処理
として作用し、スルホン酸基が熱変性して失われる。そ
の結果、縁周部215の湿潤性（燃料電池稼働時における
固体高分子膜の体積あたりの保水量）はこれ以外の固体
高分子膜21の領域の湿潤性の70％に抑えられることが分
かっている。
を説明する。Nafion膜（例えばDuPont社製Nafion112）
を所定の寸法に合わせて裁断する。そして膜の縁端部か
ら幅1ｃｍの枠状縁周部を繰り返し圧熱処理する（250
℃、10ｋｇ/ｃｍ2、60ｓｅｃの各条件で10回繰り返し圧
熱処理する）。このような条件の圧熱処理が親水基処理
として作用し、スルホン酸基が熱変性して失われる。そ
の結果、縁周部215の湿潤性（燃料電池稼働時における
固体高分子膜の体積あたりの保水量）はこれ以外の固体
高分子膜21の領域の湿潤性の70％に抑えられることが分
かっている。
【００３３】なおこのときの加熱温度は、固体高分子膜
を構成するイオン交換樹脂のポリマー骨格が崩れてクラ
スター構造を保てなくなる温度、すなわち前記イオン交
換樹脂のガラス転移点以上（一般に100〜180℃程度）が
望ましい。またこの加熱温度の上限としては、ポリマー
骨格の分解温度となる300〜400℃程度に抑えることが望
ましい。
を構成するイオン交換樹脂のポリマー骨格が崩れてクラ
スター構造を保てなくなる温度、すなわち前記イオン交
換樹脂のガラス転移点以上（一般に100〜180℃程度）が
望ましい。またこの加熱温度の上限としては、ポリマー
骨格の分解温度となる300〜400℃程度に抑えることが望
ましい。
【００３４】さらに固体高分子膜の圧熱処理は、電極を
膜表面に形成してから行ってもよい。また、この圧熱処
理に限らず、単に加熱処理を行うだけであってもよい。
これにより固体高分子膜21が完成される。 2-3.本実施の形態の効果 このような構成によれば、燃料電池の稼働時に固体高分
子膜中で水が発生しても、縁周部215の親水基が少ない
ため、この部分への水の浸透が抑制される。したがって
実施の形態1と同様に、電極22、23を配した領域以外の
領域からの水分蒸発が抑制され、固体高分子膜21の湿潤
性が維持されるので、良好な発電効率を得ることができ
る。
膜表面に形成してから行ってもよい。また、この圧熱処
理に限らず、単に加熱処理を行うだけであってもよい。
これにより固体高分子膜21が完成される。 2-3.本実施の形態の効果 このような構成によれば、燃料電池の稼働時に固体高分
子膜中で水が発生しても、縁周部215の親水基が少ない
ため、この部分への水の浸透が抑制される。したがって
実施の形態1と同様に、電極22、23を配した領域以外の
領域からの水分蒸発が抑制され、固体高分子膜21の湿潤
性が維持されるので、良好な発電効率を得ることができ
る。
【００３５】親水基処理を行う範囲については実施の形
態1と同様、縁周部215の領域全体に行うことが望ましい
が、、当該縁周部215の一部に対して撥水処理もそれな
りの効果が得られる。 3.その他の実施の形態 上記実施の形態1では撥水材を縁周部215の表面に被覆す
る撥水処理を示したが、これ以外にも（またはこれに加
えて）以下の処理を加えてもよい。
態1と同様、縁周部215の領域全体に行うことが望ましい
が、、当該縁周部215の一部に対して撥水処理もそれな
りの効果が得られる。 3.その他の実施の形態 上記実施の形態1では撥水材を縁周部215の表面に被覆す
る撥水処理を示したが、これ以外にも（またはこれに加
えて）以下の処理を加えてもよい。
【００３６】すなわち、フィブリル状の撥水材を縁周部
215の相当する部分に混在させるようにする。この混在
方法としては、例えばホットプレスによりフィブリル状
の撥水材を縁周部215の相当する部分に押入する。この
ときの撥水材は上記した噴霧用の撥水材と同様の材料が
望ましい。また、これ以外にも一般的な炭化水素系ポリ
マーであってもよい。ただし高温下で作動する燃料電池
としての性能を考慮して、耐熱性の炭化水素系ポリマー
を用いることが必要である。
215の相当する部分に混在させるようにする。この混在
方法としては、例えばホットプレスによりフィブリル状
の撥水材を縁周部215の相当する部分に押入する。この
ときの撥水材は上記した噴霧用の撥水材と同様の材料が
望ましい。また、これ以外にも一般的な炭化水素系ポリ
マーであってもよい。ただし高温下で作動する燃料電池
としての性能を考慮して、耐熱性の炭化水素系ポリマー
を用いることが必要である。
【００３７】また撥水処理としては、撥水材を用いずに
固体高分子膜自体を化学処理するなどの方法により撥水
処理するようにしてもよい。さらに、固体高分子膜中の
親水基量を低減する方法としては、上記した圧熱・加熱
処理のほかに化学処理を用いてもよい。具体的には固体
高分子膜がパーフルオロスルホン酸膜の場合、水酸化ナ
トリウム溶液などでアルカリ処理し、後に酸処理するこ
とによって、スルホン酸基を除去することができるもの
と考えられる。
固体高分子膜自体を化学処理するなどの方法により撥水
処理するようにしてもよい。さらに、固体高分子膜中の
親水基量を低減する方法としては、上記した圧熱・加熱
処理のほかに化学処理を用いてもよい。具体的には固体
高分子膜がパーフルオロスルホン酸膜の場合、水酸化ナ
トリウム溶液などでアルカリ処理し、後に酸処理するこ
とによって、スルホン酸基を除去することができるもの
と考えられる。
【００３８】4.燃料電池の製造方法と性能評価 次に、実施の形態1および2の燃料電池のセルをそれぞれ
実施例セルＡ、Ｂとして作製する方法を説明する。その
後作製したセルＡ、Ｂについて性能評価実験を行い、実
験結果を検討する。 4-1.実施例の作製方法 実施例セルの作製方法は1-3および2-2で述べた方法とす
る。また、比較例セルＣとして固体高分子膜21の縁周部
215に相当する部分になにも処理を行わない以外は実施
例セルと同様のものを作製する。
実施例セルＡ、Ｂとして作製する方法を説明する。その
後作製したセルＡ、Ｂについて性能評価実験を行い、実
験結果を検討する。 4-1.実施例の作製方法 実施例セルの作製方法は1-3および2-2で述べた方法とす
る。また、比較例セルＣとして固体高分子膜21の縁周部
215に相当する部分になにも処理を行わない以外は実施
例セルと同様のものを作製する。
【００３９】4-2.性能評価実験 続いて、上記作製したセルＡ〜Ｃの燃料電池セルを運転
し、性能評価実験を行う。 4-2-1.外部加湿方式における電圧─電流密度特性につい
て（実験1） 燃料電池セルを以下の条件で運転し、外部加湿方式にお
ける電圧─電流密度特性について調べる。 ＜運転条件＞ ・アノードガス；加湿水素ガス、加湿温度80℃ ・カソードガス；空気、加湿温度70℃ ・アノードガス利用率；50％ ・カソードガス利用率；40％ ・燃料電池稼働温度；80℃ ＊アノードガス/カソードガスの加湿はガスを温水中で
バブリングして行う。 当該実験結果を図3にまとめた。
し、性能評価実験を行う。 4-2-1.外部加湿方式における電圧─電流密度特性につい
て（実験1） 燃料電池セルを以下の条件で運転し、外部加湿方式にお
ける電圧─電流密度特性について調べる。 ＜運転条件＞ ・アノードガス；加湿水素ガス、加湿温度80℃ ・カソードガス；空気、加湿温度70℃ ・アノードガス利用率；50％ ・カソードガス利用率；40％ ・燃料電池稼働温度；80℃ ＊アノードガス/カソードガスの加湿はガスを温水中で
バブリングして行う。 当該実験結果を図3にまとめた。
【００４０】4-2-2.無加湿方式における電圧─電流密度
特性について（実験2） 燃料電池セルを以下の条件で運転し、無加湿方式におけ
る電圧─電流密度特性について調べる。 ＜運転条件＞ ・アノードガス；水素ガス（無加湿） ・カソードガス；空気（無加湿） ・アノードガス利用率；50％ ・カソードガス利用率；40％ ・燃料電池稼働温度；80℃ 当該実験結果を図4にまとめた。
特性について（実験2） 燃料電池セルを以下の条件で運転し、無加湿方式におけ
る電圧─電流密度特性について調べる。 ＜運転条件＞ ・アノードガス；水素ガス（無加湿） ・カソードガス；空気（無加湿） ・アノードガス利用率；50％ ・カソードガス利用率；40％ ・燃料電池稼働温度；80℃ 当該実験結果を図4にまとめた。
【００４１】4-3.実験結果の評価 図3から明らかなように、外部加湿方式の運転条件にお
ける実施例セルＡおよびＢではいずれの電流密度でも比
較例セルＣより高い電圧値を呈し、特に高電流ではその
差が大きいことが示された。このことは、同じ加湿条件
の実施例セルＡおよびＢにおいて、比較例セルＣよりも
固体高分子膜の水分が豊富に確保されたものと考えられ
る。
ける実施例セルＡおよびＢではいずれの電流密度でも比
較例セルＣより高い電圧値を呈し、特に高電流ではその
差が大きいことが示された。このことは、同じ加湿条件
の実施例セルＡおよびＢにおいて、比較例セルＣよりも
固体高分子膜の水分が豊富に確保されたものと考えられ
る。
【００４２】一方、図4は無加湿方式の運転条件におけ
る実験結果を示している。この無加湿方式の場合は発電
反応の生成水のみで固体高分子膜を湿潤させる必要があ
るため、セル電圧は前記外部加湿方式の場合（図3）に
比べて全体に低くなっているが、この場合も実施例セル
ＡおよびＢが比較例セルＣを上回る性能を示しており、
図3と比べて両方の差がより顕著である。このように、
本発明が特に無加湿方式の燃料電池において良好な効果
が得られることが分かった。
る実験結果を示している。この無加湿方式の場合は発電
反応の生成水のみで固体高分子膜を湿潤させる必要があ
るため、セル電圧は前記外部加湿方式の場合（図3）に
比べて全体に低くなっているが、この場合も実施例セル
ＡおよびＢが比較例セルＣを上回る性能を示しており、
図3と比べて両方の差がより顕著である。このように、
本発明が特に無加湿方式の燃料電池において良好な効果
が得られることが分かった。
【００４３】なお、ここには図示していないが、燃料電
池の運転温度を90℃まで上昇させ、3時間放置して再度
通常条件で運転した場合、比較例セルＣに比して実施例
セルＡおよびＢが一層良好な性能を示した。このことは
実施例セルＡおよびＢが、高温条件下でも固体高分子膜
の湿潤性を良好に保つことができることを示している。
池の運転温度を90℃まで上昇させ、3時間放置して再度
通常条件で運転した場合、比較例セルＣに比して実施例
セルＡおよびＢが一層良好な性能を示した。このことは
実施例セルＡおよびＢが、高温条件下でも固体高分子膜
の湿潤性を良好に保つことができることを示している。
【００４４】5.その他の事項 上記実施の形態および実施例では、イオン交換樹脂とし
てパーフルオロスルホン酸（Nafion）を用いる例を示し
たが、本発明は当然ながらこれに限定するものではな
く、プロトン伝導性を有するものであればこれ以外のイ
オン交換樹脂（例えばトリフルオロスチレン誘導体の共
重合膜など）であってもよい。
てパーフルオロスルホン酸（Nafion）を用いる例を示し
たが、本発明は当然ながらこれに限定するものではな
く、プロトン伝導性を有するものであればこれ以外のイ
オン交換樹脂（例えばトリフルオロスチレン誘導体の共
重合膜など）であってもよい。
【００４５】さらに実施の形態および実施例では、親水
基としてスルホン酸基を用いる例を示したが、固体高分
子膜の樹脂の種類よってこのほかの官能基の親水基を用
いてもよい。また、本発明はカソード側或いはアノード
側のどちらかのみを加湿する燃料電池に適用することも
できる。
基としてスルホン酸基を用いる例を示したが、固体高分
子膜の樹脂の種類よってこのほかの官能基の親水基を用
いてもよい。また、本発明はカソード側或いはアノード
側のどちらかのみを加湿する燃料電池に適用することも
できる。
【００４６】また本発明では、上記実施の形態1と2（実
施例セルＡとＢ）を組み合わせてもよい。さらに本発明
は、燃料ガスとして水素や水素リッチな改質ガスを利用
する他に、メタノールを直接電池内部に供給して発電す
る、いわゆる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Di
rect Methanol Fuel Cell）に適用してもよい。
施例セルＡとＢ）を組み合わせてもよい。さらに本発明
は、燃料ガスとして水素や水素リッチな改質ガスを利用
する他に、メタノールを直接電池内部に供給して発電す
る、いわゆる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Di
rect Methanol Fuel Cell）に適用してもよい。
【００４７】
【本発明の効果】以上のことから明らかなように、本発
明は固体高分子膜を介してアノード及びカソードが対向
するように配されたセル構成を有し、アノード側にアノ
ードガス、カソード側にカソードガスがそれぞれ供給さ
れて発電する固体高分子型燃料電池であって、固体高分
子膜において、アノードとカソードが配された領域を第
一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域より外側の第
二の膜領域の少なくとも一部が撥水処理されているの
で、第二の膜領域からの水分蒸発量を抑えることができ
る。これにより固体高分子膜では水分が従来に比べて豊
富に確保され、燃料電池の発電効率が向上される。本発
明は、特に無加湿方式の燃料電池に適用した場合に効果
が高い。
明は固体高分子膜を介してアノード及びカソードが対向
するように配されたセル構成を有し、アノード側にアノ
ードガス、カソード側にカソードガスがそれぞれ供給さ
れて発電する固体高分子型燃料電池であって、固体高分
子膜において、アノードとカソードが配された領域を第
一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域より外側の第
二の膜領域の少なくとも一部が撥水処理されているの
で、第二の膜領域からの水分蒸発量を抑えることができ
る。これにより固体高分子膜では水分が従来に比べて豊
富に確保され、燃料電池の発電効率が向上される。本発
明は、特に無加湿方式の燃料電池に適用した場合に効果
が高い。
【００４８】このような本発明の燃料電池は、固体高分
子膜を作製する電解質作製ステップと、固体高分子膜を
介してアノードとカソードを対向させてセルを作製する
セル作製ステップとを経る固体高分子型燃料電池の製造
方法において、アノードとカソードを配する固体高分子
膜の領域を第一の膜領域とするとき、前記電解質作製ス
テップ後に、当該第一の膜領域より外側の第二の膜領域
を撥水処理する撥水処理ステップを経ることによって得
ることができる。
子膜を作製する電解質作製ステップと、固体高分子膜を
介してアノードとカソードを対向させてセルを作製する
セル作製ステップとを経る固体高分子型燃料電池の製造
方法において、アノードとカソードを配する固体高分子
膜の領域を第一の膜領域とするとき、前記電解質作製ス
テップ後に、当該第一の膜領域より外側の第二の膜領域
を撥水処理する撥水処理ステップを経ることによって得
ることができる。
【図1】本発明の一適用例である固体高分子型燃料電池
のセル構成を示す組立図である。
のセル構成を示す組立図である。
【図2】本発明のセル端部周辺の部分断面図である。
【図3】セルＡ〜Ｃの燃料電池特性（外部加湿方式運転
時）を示すグラフである。
時）を示すグラフである。
【図4】セルＡ〜Ｃの燃料電池特性（無加湿方式運転
時）を示すグラフである。
時）を示すグラフである。
【図5】従来のセル端部周辺の部分断面図である。
10 セルユニット 20 セル 21 固体高分子膜 22 カソード（触媒層） 23 アノード（触媒層） 24、25 ガス拡散層（集電体） 215 縁周部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松林 孝昌 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 BB00 BB01 BB04 CC03 CC08 CX05 EE19 HH05 HH08
Claims (15)
- 【請求項1】 固体高分子膜を介してアノード及びカソ
ードが対向するように配されたセル構成を有し、アノー
ド側にアノードガス、カソード側にカソードガスがそれ
ぞれ供給されて発電する固体高分子型燃料電池であっ
て、 固体高分子膜において、アノードとカソードが配された
領域を第一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域より
外側の第二の膜領域の少なくとも一部が撥水処理されて
いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項2】 前記固体高分子膜は、第二の膜領域の膜
表面が撥水材で被覆されることにより撥水処理されてい
ることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 - 【請求項3】 前記固体高分子膜は、第二の膜領域の膜
中に撥水材を混在させることにより撥水処理されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池。 - 【請求項4】 前記撥水材はポリテトラフルオロエチレ
ン、テトラフルオロエチレン-ペルフルオロアルキルビ
ニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキ
サフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオ
ロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニ
ル、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体の中か
ら選択されたものであることを特徴とする請求項2また
は3に記載の燃料電池。 - 【請求項5】 固体高分子膜を介してアノード及びカソ
ードが対向するように配されたセル構成を有し、アノー
ド側にアノードガス、カソード側にカソードガスがそれ
ぞれ供給されて発電する固体高分子型燃料電池であっ
て、 固体高分子膜において、アノードとカソードが配された
領域を第一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域中の
親水基量が、第一の膜領域より外側の第二の膜領域中の
親水基量よりも多い構成を有することを特徴とする燃料
電池。 - 【請求項6】 前記固体高分子膜は親水基としてスルホ
ン酸基を有することを特徴とする請求項5に記載の燃料
電池。 - 【請求項7】 アノード及びカソードが両主面で対向す
るように配される固体高分子膜であって、 アノードとカソードが配される固体高分子膜の領域を第
一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域より外側の第
二の膜領域の少なくとも一部が撥水処理されていること
を特徴とする固体高分子膜。 - 【請求項8】 アノード及びカソードが両主面で対向す
るように配される固体高分子膜であって、 アノードとカソードが配される固体高分子膜の領域を第
一の膜領域とするとき、当該第一の膜領域中の親水基量
が、第一の膜領域より外側の第二の膜領域中の親水基量
よりも多い構成を有することを特徴とする固体高分子
膜。 - 【請求項9】 固体高分子膜を作製する電解質作製ステ
ップと、固体高分子膜を介してアノード及びカソードを
対向させてセルを作製するセル作製ステップとを経る固
体高分子型燃料電池の製造方法であって、 前記電解質作製ステップ後に、アノードとカソードを配
する固体高分子膜の領域を第一の膜領域とするとき、当
該第一の膜領域より外側の第二の膜領域の少なくとも一
部を撥水処理する撥水処理ステップを経ることを特徴と
する固体高分子型燃料電池の製造方法。 - 【請求項10】 前記撥水処理ステップにおいて、第二の
膜領域の膜表面を請求項4に記載の撥水材で被覆して撥
水処理を行うことを特徴とする請求項9に記載の燃料電
池の製造方法。 - 【請求項11】 前記撥水処理ステップにおいて、第二の
膜領域の膜中に請求項4に記載の撥水材を混在させて撥
水処理を行うことを特徴とする請求項9または10に記載
の燃料電池の製造方法。 - 【請求項12】 固体高分子膜を作製する電解質作製ステ
ップと、固体高分子膜の両主面中央にアノードとカソー
ドを配してセルを作製するセル作製ステップとを備える
固体高分子型燃料電池の製造方法であって、 前記電解質作製ステップまたは当該電解質作製ステップ
後において、アノードとカソードを配する固体高分子膜
の領域を第一の膜領域とするとき、第一の膜領域中の親
水基量が、第一の膜領域より外側の第二の膜領域中の親
水基量よりも多くなるように固体高分子膜を処理する親
水基処理ステップを経ることを特徴とする燃料電池の製
造方法。 - 【請求項13】 前記親水基処理ステップにおいて処理す
る固体高分子膜の親水基はスルホン酸基であって、親水
基処理ステップは第二の膜領域におけるスルホン酸基量
を減少させることを特徴とする請求項12に記載の固体高
分子型燃料電池の製造方法。 - 【請求項14】 前記親水基処理ステップにおいて、前記
第二の膜領域の固体高分子膜を加熱処理することを特徴
とする請求項12または13に記載の固体高分子型燃料電池
の製造方法。 - 【請求項15】 前記親水基処理ステップにおいて、固体
高分子膜のガラス転移点以上の温度で加熱処理を行うこ
とを特徴とする請求項14に記載の固体高分子型燃料電池
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37026599A JP2001185171A (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37026599A JP2001185171A (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001185171A true JP2001185171A (ja) | 2001-07-06 |
Family
ID=18496468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP37026599A Pending JP2001185171A (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001185171A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006339120A (ja) * | 2005-06-06 | 2006-12-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2007179850A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-07-12 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池用膜電極接合体およびこれを用いた固体高分子形燃料電池 |
| WO2008029818A1 (en) * | 2006-09-06 | 2008-03-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and methods for manufacturing the same |
| JP2009076331A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | 高分子ナノシート集積電解質膜 |
| JP2010250956A (ja) * | 2009-04-10 | 2010-11-04 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の触媒層形成方法 |
| JP2011113703A (ja) * | 2009-11-25 | 2011-06-09 | Hitachi Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
-
1999
- 1999-12-27 JP JP37026599A patent/JP2001185171A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006339120A (ja) * | 2005-06-06 | 2006-12-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2007179850A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-07-12 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池用膜電極接合体およびこれを用いた固体高分子形燃料電池 |
| WO2008029818A1 (en) * | 2006-09-06 | 2008-03-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and methods for manufacturing the same |
| JP2009076331A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | 高分子ナノシート集積電解質膜 |
| JP2010250956A (ja) * | 2009-04-10 | 2010-11-04 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の触媒層形成方法 |
| JP2011113703A (ja) * | 2009-11-25 | 2011-06-09 | Hitachi Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3594533B2 (ja) | 燃料電池 | |
| US7803495B2 (en) | Polymer electrolyte membrane for fuel cell, method for preparing the same, and fuel cell system comprising the same | |
| JP4233208B2 (ja) | 燃料電池 | |
| EP1968144B1 (en) | Membrane electrode joint product and fuel cell using the same | |
| JP4979243B2 (ja) | ポリマー電解質膜とその製造方法および燃料電池 | |
| KR100599774B1 (ko) | 연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 | |
| KR101877753B1 (ko) | 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법 | |
| KR20090086233A (ko) | 고분자 전해질형 연료전지용 막 전극 조립체 및 고분자 전해질형 연료전지 | |
| US6475249B1 (en) | Method for manufacturing membrane electrode assembly of fuel cell | |
| CN100341180C (zh) | 一种自增湿膜电极的制备方法 | |
| KR100548118B1 (ko) | 연료 전지용 전극 및 연료 전지 | |
| JP2001006708A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP5079195B2 (ja) | 燃料電池用ガス拡散電極およびその製造法 | |
| JP3356465B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池用電極の製造方法 | |
| JP3813406B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2005108770A (ja) | 電解質膜電極接合体の製造方法 | |
| US20070224486A1 (en) | Direct oxidation fuel cell and production method thereof | |
| JP2000003718A (ja) | 高分子電解質型燃料電池の活性化方法 | |
| KR101877755B1 (ko) | 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법 | |
| JP2002164057A (ja) | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 | |
| JP2001185171A (ja) | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 | |
| JP2000251901A (ja) | 燃料電池用セル及びこれを用いた燃料電池 | |
| JP2814716B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造および水とガスの供給方法 | |
| JPH05190184A (ja) | 電極−電解質接合体、その製造方法、およびそれを用いた燃料電池 | |
| JPH05182671A (ja) | イオン交換膜燃料電池用電極の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040525 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040928 |