JP2001236976A

JP2001236976A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2001236976A
Application number: JP2000044094A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Isono; 隆博礒野; Hiroki Kabumoto; 浩揮株本; 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: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-08-31
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP3813406B2

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子型などの燃料電池において、運転
時に固体高分子膜を全体にわたって均一的に湿潤状態に
保つことにより、安定した発電が可能な燃料電池を提供
する。【解決手段】カソードガスの流れに沿って、カソード
ガス導入口（開孔部64）付近に対向するアノードガス拡
散層25の領域を第一領域251、これ以外の領域を第二領
域252とする。そして第一領域251中のＰＴＦＥ含有量を
アノードガス拡散層25の5ｗｔ％、第二領域252のＰＴＦ
Ｅ含有量を30ｗｔ％にそれぞれ調整することによって、
第一領域251の水分透過性を第二領域252よりも向上させ
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
池などの燃料電池において、セル内における固体高分子
膜の湿潤性を維持するため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。

【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
図6に示す従来のセル周辺構成の厚み方向断面図のよう
に、フッ素系陽イオン交換樹脂等からなる電解質の固体
高分子膜201の一方の面にカソード202と他方の面にアノ
ード203とを配し、これを2枚のガス拡散層間204、205の
間に配したセル200の構成を持つ。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201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200
のカソード202側では発電反応によって生成水が生じる
が、アノードガスやカソードガスをそのままで用いる
と、これらの周囲雰囲気中に水分が蒸発するので、固体
高分子膜201を湿潤させるために例えば燃料電池に供給
するアノードガスを予め加湿し、これによって固体高分
子膜201を加湿する外部加湿方式が一般的に採られてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記セル
200の構成では、カソードガスがカソードガス拡散層204
に対して最初に接触するカソードガス導入口付近（図中
左上方付近）において、比較的大量の水分がカソードガ
ス拡散層204側からカソードガス中に蒸発してしまい、
セル200のカソードガス導入口付近における固体高分子
膜201の湿潤性が、カソードガス排出口付近の固体高分
子膜201の湿潤性よりも低くなる傾向がある。このよう
に固体高分子膜201における湿潤性に勾配があるが、こ
れに対してカソードガス排出口付近の固体高分子膜201
を過度に湿潤させるように調整すると、セル200のカソ
ードガス導入口付近における燃料電池の発電効率を低下
させてしまうおそれがある。特に、電極面積の小さなセ
ルや、固体高分子膜201が薄い（特に50μｍ程度に至
る）場合には当該膜中の水分量が限られるので、この問
題の影響が拡大することが予想され、その対策を早急に
講じる必要がある。

【０００６】このように、燃料電池の小型化と、その発
電効率の維持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型などの
燃料電池において、運転時に固体高分子膜を全体にわた
って均一的に湿潤状態に保つことにより、安定した発電
が可能な燃料電池を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決する手段】上記課題を解決するため、本発
明は固体高分子膜の一方の面にカソード、他方の面にア
ノードが配され、カソードとアノードの各外側にガス拡
散層が配されてなるセル構成を有し、カソード側のガス
拡散層表面に沿って酸化剤ガス、アノード側のガス拡散
層表面に沿って燃料ガスがそれぞれ流通されることによ
り発電する燃料電池において、前記アノードガス拡散層
は、カソード側のガス拡散層の酸化剤ガス導入口付近に
対向するアノード側のガス拡散層の領域を第一領域、カ
ソード側のガス拡散層の酸化剤ガス排出口付近に対向す
るアノード側のガス拡散層の領域を第二領域とすると
き、第一領域の水分透過性が第二領域の水分透過性より
も高い構成とした。

【０００８】これによって、カソード側の酸化剤ガス導
入口付近から固体高分子膜の水分が蒸発しても、アノー
ド側から十分な量の水分が良好に透過して固体高分子膜
に供給されるので、固体高分子膜の乾燥が抑制され、そ
の湿潤性を均一的に保つことができる。したがって固体
高分子膜の導電性が保持され、安定した発電が行われる
こととなる。

【０００９】このような水分透過性の調整は、アノード
側のガス拡散層の撥水性を第一領域と第二領域とで異な
るように調節することによって実現できる。これは具体
的には、前記アノード側のガス拡散層に撥水材を含ま
せ、前記第一領域の撥水材含有量が、前記第二領域の撥
水材含有量よりも少なくなるように設定することによっ
て実現できる。

【００１０】なお、ここでいう水分透過性は、具体的に
はガス拡散層の片面側に水を接触させ、反対側に透過し
た水の量をガス中に蒸発させて、その水蒸気量から算出
測定することができる。この場合、撥水材の一例として
はフッ素樹脂を用いることができる。また、アノード側
のガス拡散層の水分透過性の調整は、前記第一領域に親
水材を含ませ、第一領域の水分透過性が第二領域の水分
透過性よりも高くなるように構成しても実現することが
できる。これは具体的にはアノード側のガス拡散層を多
孔性カーボンペーパーの芯体を用いて作製し、前記第一
領域に親水性カーボンブラックを充填し、前記第二領域
に前記親水性カーボンブラックより親水性の低い撥水性
カーボンブラックを充填することによって実現できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】1.実施の形態1 以下、本発明の燃料電池の一適用例（固体高分子型燃料
電池）について説明する。 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。

【００１２】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）、カソードガス拡散層24、アノ
ードガス拡散層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
カソード22とアノード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。

【００１３】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、前記各ガス拡散層24、25がそれぞれ介
挿されている。これら各ガス拡散層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層とも称される。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、アノードガス拡散層25と対向する面（図1では下
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。

【００１４】なお、本実施の形態1およびこれ以降の実
施の形態において、アノードガスは加湿されてセルユニ
ット10に供給されるものとする。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、カソードガス拡散
層24と対向する面において、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。

【００１５】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53、33、213、43、63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51、31、211、41、61から排出され
る。また、開孔部54、34、214、44、64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52、32、212、42、62から排出される。

【００１６】このような各開口部31、…のうち、カソー
ドガス拡散層24へのカソードガス導入口としては開口部
64が位置する。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。

【００１７】ここにおいて、本実施の形態1の主な特徴
はセル20の構成にある。次に、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。 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、ここでは面積144cm²、ｘ方向幅12ｃｍ×ｙ方向長さ
12ｃｍ×ｚ方向厚さ約50μｍのサイズに設定されてい
る。

【００１８】電極22（23）は、固体高分子膜21よりやや
小型のカーボンブラックからなる膜状電極（電極面積10
0cm²、ｘ方向幅10ｃｍ×ｙ方向長さ10ｃｍ×ｚ方向厚さ
20μｍ）であって、当該電極22、23とサイズがほぼ同じ
カソードガス拡散層24（アノードガス拡散層25）の表面
に積層してあり、固体高分子膜21の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。

【００１９】なお各ガス拡散層24、25は、厚みが約200
μｍのカーボンペーパーを芯体とし、これにカーボンブ
ラックが充填されて構成される。当該各ガス拡散層24、
25には、このほかに撥水材としてＰＴＦＥ（ポリテトラ
フルオロエチレン）が塗布されている。なお撥水材とし
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。

【００２０】ここにおいて本実施の形態1の特徴は、ア
ノードガス拡散層25が、セルユニット10内に導入される
カソードガスの流通方向（ｙ方向）に沿って、撥水性の
低い（例えば従来より撥水性の低い）第一領域251と、
撥水性の高い第二領域252に分けられている点にある。
これにより、撥水性の低い第一領域251が、固体高分子
膜21および電極22、23を介し、ｚ方向でカソードガス導
入口付近（開口部64付近）のカソードガス拡散層24に対
向した構成となっている。

【００２１】なお第一領域251と第二領域252の各面積
は、ここでは一例として互いに等面積（50ｃｍ²）に設
定してあるが、本発明はこれに限らず、適宜面積を調節
するように（例えば第一領域251をアノードガス拡散層2
5の1/3の面積に相当するように）してもよい。 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。

【００２２】まず固体高分子膜として、フッ素系陽イオ
ン交換樹脂膜（例えば厚み50μｍのDuPont社製Nafion11
2膜）を所定の寸法に合わせて用意する。なお固体高分
子膜はフッ素系に限らず、これ以外の陽イオン交換樹脂
であってもよい。アノードガス拡散層は、まず厚さ約20
0μｍのカーボンペーパーをPTFE分散溶液（PTFE/イソプ
ロピルアルコール溶液）に浸漬する。この浸積後、さら
にカーボンペーパーの前記第二領域252に相当する領域
にＰＴＦＥ分散溶液を噴霧し、第一領域251と第二領域2
52とに対応する領域のＰＴＦＥの含浸量に差をつける。
このときのＰＴＦＥの含浸量は、例えば第一領域251が1
0ｗｔ％、第2領域252が30ｗｔ％となるように調整す
る。その後、カーボンペーパーを約380℃で1時間乾燥さ
せてアノードガス拡散層を完成する。

【００２３】カソードガス拡散層は、厚さ約200μｍの
カーボンペーパーをＰＴＦＥ分散溶液に含浸させる。こ
のときＰＴＦＥの含浸量が全体的に25ｗｔ％になるよう
に調整し、約380℃で1時間焼成して作製する。このよう
に作製した各ガス拡散層の表面に、白金担持カーボン：
Nafion：PTFEの重量比が100：20：10になるように調整
したスラリーを塗布し、これを乾燥させてガス拡散層上
に厚み約20μｍの触媒層を形成する。

【００２４】以上で作製した各構成要素を、アノードガ
ス拡散層、アノード、固体高分子膜、カソード、カソー
ドガス拡散層の順になるように積層し、ホットプレス処
理（150℃、50kg/ｃｍ²、60sec）によって一体化する。
これによりセル20が完成される。 1-4.燃料電池の動作と本実施の形態1の効果このような固体高分子型燃料電池の稼働時においては、
アノードガスとして加湿した水素ガス、カソードガスと
して空気を供給する。これにより、アノード側に供給さ
れるアノードガスの水素はプロトン（Ｈ₂→2Ｈ^＋＋2
ｅ^-）となり、固体高分子膜21中のスルホン酸基近くに
保持された水などを伝ってカソード22側へ移動する。一
方、カソード側に供給されるカソードガスの酸素は固体
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^＋＋1/2Ｏ₂→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アノ
ードガスとともにセルユニット10に供給される加湿水
（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、主にカ
ソードガス中に水分が蒸発する。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。

【００２５】ところで従来はこのような燃料電池の稼働
中、前記図6の従来のセル周辺構造の厚み方向断面図に
示すように、カソードガス拡散層204のカソードガス導
入口付近（図中左上方付近、なお本実施の形態1では開
口部64付近に相当する）において、固体高分子膜201の
水分がカソードガス中に過度に蒸発する傾向があった。
これは導入直後のカソードガスが比較的乾燥状態にある
ことが原因と考えられるが、これによってカソードガス
導入口付近における固体高分子膜201の湿潤性が失われ
て導電性が低下し、発電効率に悪影響を生じる傾向があ
った。

【００２６】そこで本実施の形態1では、開口部64付近
のカソードガス拡散層24に固体高分子膜21を介して対向
するアノードガス拡散層25の領域（第一領域251）の撥
水性を低減し、この部分の水分透過性を高めた構成とし
た。これによって、図2の本実施の形態1におけるセル周
辺構造の厚み方向断面図に示すように、開口部64付近の
カソードガス拡散層24から固体高分子膜21の水分が蒸発
しても、アノードガス拡散層25の第一領域251からアノ
ードガス中の水分が固体高分子膜21に十分に供給され、
湿潤状態が保たれる。その結果、固体高分子膜21の導電
性は均一化が図られ、良好な安定性のもとに優れた発電
効率を発揮することが可能となる。

【００２７】以下、本発明の別の実施の形態について説
明する。 2.実施の形態2 本実施の形態2の全体的な構成は図1に示したものとほぼ
同様であり、その主たる特徴はアノードガス拡散層25に
ある。 2-1.セル構成実施の形態1では、アノードガス拡散層25の第一領域251
と第二領域252とで撥水材の含有量を調節する例を示し
た。本実施の形態2では、アノードガス拡散層25の芯体
となる多孔性カーボンペーパーに対し、第一領域251に
相当する領域に親水性カーボンブラックを充填し、第二
領域252に相当する領域に撥水性カーボンブラックを充
填した構成を特徴とする。このような構成により、第1
領域の水分透過性が第2領域の水分透過性よりも高いア
ノードガス拡散層25となっている。

【００２８】2-2.セルの作製方法ここでは実施の形態2のアノードガス拡散層の作製方法
を説明する。アノードガス拡散層は、厚さ約200μｍの
多孔性カーボンペーパーをＰＴＦＥ分散溶液に浸漬す
る。この後、カーボンペーパーを380℃で1時間焼成し、
ＰＴＦＥ含有量が15ｗｔ％になるように調整する。

【００２９】次に、互いに比表面積の異なる2種類のカ
ーボンブラックaおよびbを用意する（aとbの一例、a；
比表面積56ｍ²/ｇのデンカブラック（電気化学工業
製）、b；比表面積254ｍ²/ｇのバルカンＸＣ-72（キャ
ボット製））。これらのカーボンブラックaおよびbの分
量をそれぞれ調合し、ＰＴＦＥと混合してスラリーと
し、調合の仕方によってカーボンブラックの親水性およ
び撥水性を設定する。カーボンブラックの比表面積が大
きいほど親水性が高まり、小さいほど撥水性が高まる。
本実施の形態2では、カーボンペーパーの第一領域に比
表面積が140ｍ²/ｇになるように調合したカーボンブラ
ック（これを親水性カーボンブラックとする）、第二領
域に比表面積が56ｍ²/g（デンカブラック100％）のカー
ボンブラック（これを撥水性カーボンブラックとする）
の各スラリーをそれぞれ塗布し、各カーボンブラックを
充填する。そしてこの後、380℃、1時間の焼成を行う。

【００３０】以上でアノードガス拡散層が作製される。 2-3.本実施の形態2の効果以上の構成を有する本実施の形態2の燃料電池によれ
ば、稼働時には第一領域251における比表面積の大きい
親水性カーボンブラックによってアノードガス中の水分
が確保され、固体高分子膜21側への水分透過性が良好に
なる。したがって実施の形態1と同様に、カソードガス
導入口付近において固体高分子膜21が乾燥するのが効果
的に抑制される。

【００３１】また本実施の形態2では、親水性および撥
水性カーボンブラックのブレンドの仕方によって、アノ
ードガス拡散層25の水分透過性の微妙な調整が行えると
いった利点も有している。 3.性能比較実験 3-1.各セルの作製本発明の効果を確認するため、実施の形態1および2に基
づいて複数のセルを作製し、発電試験を行った。

【００３２】実施の形態1のセルとしては、第二領域252
のＰＴＦＥ含有量を30ｗｔ％に固定しつつ、第一領域25
1のＰＴＦＥ含有量を5〜28ｗｔ％の間で変化させて5種
類作製し、これらをセル1〜5とした。また第一領域251
と第二領域252の各ＰＴＦＥ含有量が同一（30ｗｔ％）
のものを作製し、これを比較例セル6とした。これらの
セル1〜6の仕様を表1に示す。

【００３３】

【表1】

【００３４】次に実施の形態2のセルとしては、第二領
域252のカーボンブラックの比表面積を56ｍ²/ｇに固定
しつつ、第一領域251のカーボンブラックの比表面積を8
5〜254ｍ²/ｇの間で変化させて4種類作製し、これらを
セル8〜11とした。またこれとは逆に、第一領域251のカ
ーボンブラックの比表面積を254ｍ²/ｇに固定しつつ、
第二領域252のカーボンブラックの比表面積を56〜140ｍ
²/ｇの間で変化させて4種類作製し、これらをセル13〜1
6とした。さらに、第一領域251と第二領域252の各カー
ボンブラックの比表面積が同一（56ｍ²/ｇおよび254ｍ²
/ｇ）のものを2種類作製し、これを比較例セル7および1
2とした。

【００３５】これらのセル7〜16の仕様を表2に示す。

【００３６】

【表2】

【００３７】このように作製したセル1〜16を以下の条
件で運転し、セル電圧の経時変化を調べた。（運転条件）電流密度；0.5Ａ/ｃｍ²、セル内運転温度；80℃ 燃料ガス；純水素酸化剤ガス；空気燃料ガス利用率；70％酸化剤ガス利用率；40％加湿条件；燃料ガス加湿温度 90℃、酸化剤ガスは無加
湿運転時間；起動後安定したとき（数十時間後）のセル電
圧の性能で測定比較以上の運転条件により得られた各セル1〜16の実験デー
タを図3〜図5にまとめた。図3はセル1〜6、図4はセル7
〜11、図5はセル12〜16の各実験データをそれぞれ示し
ている。なお各図中において、Ａは第一領域のＰＴＦＥ
含有量、Ｂは第二領域のＰＴＦＥ含有量、Ｃは第一領域
のカーボンブラック（親水性カーボンブラック）の比表
面積、Ｄは第二領域のカーボンブラック（撥水性カーボ
ンブラック）の比表面積をそれぞれ表す。

【００３８】これらについて順次考察を行う。 3-2.実験結果の考察まず図3から、セル2〜5は、セル1および比較例セル6に
比べて優れたセル電圧を発揮することが窺える。これ
は、固体高分子膜からカソードガス中へ蒸発した水分
が、第一領域251から固体高分子膜中に供給されるアノ
ードガスの水分によって補われ、膜の湿潤性が均一に維
持された結果、良好な導電性が保たれたことを裏付ける
ものとみられる。

【００３９】ここで、第一領域のＰＴＦＥの含有量を低
下させたにもかかわらず性能が比較的優れなかったセル
1に関しては、その特性結果を示した理由について次の
ように推論することができる。第一領域中の撥水材であ
るＰＴＦＥは、その量が少なくなるほど固体高分子膜に
対して高い水分透過性を示し、当該固体高分子膜の湿潤
性を確保できる反面、量が少なすぎるとこの領域のアノ
ードガス拡散層の撥水性が悪化して水が滞留してしま
い、アノードガスのガス拡散性能の低下を招いてしま
う。

【００４０】しかしながらセル2〜4のように、ＰＴＦＥ
の含有量を適切に低減した構成の場合には、ガス拡散層
中に酸化剤ガスが程良く供給されながらも、固体高分子
膜の湿潤性とガス供給量とのバランスをとることができ
る。このような実験結果より、第二領域に対する第一領
域のＰＴＦＥ含有量の比は、0.3〜0.93の間に収まる程
度が特に望ましいと言える。

【００４１】また、ここでは詳細な説明を省くが、アノ
ードガス拡散層における第一領域中のＰＴＦＥ含有量
は、表現を変えれば10ｗｔ％以上90ｗｔ％以下の範囲が
適当であることがわかっている。10ｗｔ％未満の場合に
は、上記セル1の性能と同様になってしまい、90ｗｔ％
を超えるとカーボンペーパーが目詰まりを起こすので望
ましくない。

【００４２】続いて図4を見る。ここではセル7〜11の実
験データを示している。当図が示すように、第一領域の
カーボンブラックの比表面積が増大する（親水性が増大
する）に従ってセル電圧が増加する。特に、第一領域の
カーボンブラックの比表面積が130ｍ²/ｇ以上になると
（セル10および11）、セル電圧の増加が顕著になる。こ
のように第一領域のカーボンブラックの比表面積が増大
すると、カーボンブラックの親水性が増大してアノード
ガス拡散層の水分透過性がよくなり、カソードガス導入
口付近の固体高分子膜に水分が良好に補給されるように
なる。ここで実際に作製できるセル構成を考慮すると、
第一領域のカーボンブラック（親水性カーボンブラッ
ク）の比表面積の好ましい範囲は、130ｍ²/ｇ以上とい
うことができる。

【００４３】また、次の図5に示されるように、第二領
域のカーボンブラックの比表面積が約100ｍ²/ｇ以下に
なり、撥水性が向上すると（セル14〜16）、第二領域に
対向するカソードガス拡散層内の水の滞留が改善され、
この領域のガス拡散性が向上して、セル電圧の増加が顕
著になる。ここで実際に作製できるセル構成を考慮する
と、第二領域のカーボンブラック（撥水性カーボンブラ
ック）の比表面積の好ましい範囲は、100ｍ²/ｇ以下と
いうことができる。

【００４４】なお、ここで図4におけるセル12やセル13
のように、第二領域のカーボンブラックの比表面積が高
いと、当該カーボンブラックの水分透過量が多くなり、
第二領域に対向するカソードガス拡散層内に水の滞留が
生じる。この結果、発電効率が悪くなるので、あまり望
ましくない。 4.その他の事項上記各実施の形態では、カソードガスとアノードガスの
流れがｘｙ方向で直交するセルユニットに基づいて説明
したが、セルユニットの構成はこれに限定せず、例えば
各ガスの流れが平行な構成のセルユニットであってもよ
い。

【００４５】また本発明は、実施の形態で挙げた構成よ
りも小さいセル構成や、固体高分子膜が薄い（特に50μ
ｍ程度に至るほどの厚み）を有する場合に適用してもよ
い。これらの構成では、固体高分子膜中に存在する水分
量が比較的限られるので、本発明により保湿効果を得る
ことによって、いっそう発電効率を向上させることが可
能となる。

【００４６】

【発明の効果】以上のことから明らかなように、本発明
は固体高分子膜の一方の面にカソード、他方の面にアノ
ードが配され、カソードとアノードの各外側にガス拡散
層が配されてなるセル構成を有し、カソード側のガス拡
散層表面に沿って酸化剤ガス、アノード側のガス拡散層
表面に沿って燃料ガスがそれぞれ流通されることにより
発電する燃料電池であって、前記アノードガス拡散層
は、カソード側のガス拡散層の酸化剤ガス導入口付近に
対向するアノード側のガス拡散層の領域を第一領域、カ
ソード側のガス拡散層の酸化剤ガス排出口付近に対向す
るアノード側のガス拡散層の領域を第二領域とすると
き、第一領域の水分透過性が第二領域の水分透過性より
も高い構成であるため、カソードガス導入口付近からの
固体高分子膜の水分が、カソードガス中に蒸発しても、
アノードガス中の水分が良好に固体高分子膜に吸収さ
れ、固体高分子膜の湿潤性が均一に保たれる。この結
果、安定した発電を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図1】実施の形態1の固体高分子型燃料電池を構成する
セルユニットの組立図である。

【図2】実施の形態1のセル周辺構成の断面図である。

【図3】実験結果を示すグラフ（セル1〜6）である。

【図4】実験結果を示すグラフ（セル7〜11）である。

【図5】実験結果を示すグラフ（セル12〜16）である。

【図6】従来のセル周辺構成の断面図である。

【符号の説明】

10 セルユニット 20 セル 21 固体高分子膜 24 カソードガス拡散層 25 アノードガス拡散層 251 第一領域 252 第二領域

【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月２６日（２０００．４．２
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】まず固体高分子膜として、フッ素系陽イオ
ン交換樹脂膜（例えば厚み５０μｍのDuPont社製Nafion
112膜）を所定の寸法に合わせて用意する。なお固体高
分子膜はフッ素系に限らず、これ以外の陽イオン交換樹
脂であってもよい。アノードガス拡散層は、まず厚さ約
２００μｍのカーボンペーパーをPTFE分散溶液に浸漬す
る。この浸漬後、さらにカーボンペーパーの前記第ニ領
域252に相当する領域にＰＴＦＥ分散溶液を噴霧し、第
一領域251と第二領域252とに対応する領域のＰＴＦＥの
含浸量に差をつける。このときのＰＴＦＥの含浸量は、
例えば第一領域251が１０ｗｔ％、第二領域252が３０ｗ
ｔ％となるように調整する。その後、カーボンペーパー
を約380℃で1時間乾燥させてアノードガス拡散層を完成
する。

───────────────────────────────────────────────────── 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） 5H018 AA06 AS02 DD06 EE05 EE08 EE18 HH00 HH02 HH05 5H026 AA06 CC03 CC08 CX03 EE05 EE18 HH00 HH02 HH05 5H027 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項1】固体高分子膜の一方の面にカソード、他
方の面にアノードが配され、カソードとアノードの各外
側にガス拡散層が配されてなるセル構成を有し、カソー
ド側のガス拡散層表面に沿って酸化剤ガス、アノード側
のガス拡散層表面に沿って燃料ガスがそれぞれ流通され
ることにより発電する燃料電池であって、前記アノードガス拡散層は、カソード側のガス拡散層の
酸化剤ガス導入口付近に対向するアノード側のガス拡散
層の領域を第一領域、カソード側のガス拡散層の酸化剤
ガス排出口付近に対向するアノード側のガス拡散層の領
域を第二領域とするとき、第一領域の水分透過性が第二
領域の水分透過性よりも高い構成であることを特徴とす
る燃料電池。
【請求項2】前記アノードガス拡散層は、前記第二領
域の撥水性よりも低いことにより、第一領域の水分透過
性が第二領域の水分透過性よりも高い構成であることを
特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
【請求項3】前記アノード側のガス拡散層には撥水材
が含まれ、前記第一領域の撥水材含有量が、前記第二領
域の撥水材含有量よりも少ないことを特徴とする請求項
2に記載の燃料電池。
【請求項4】前記第一領域の撥水材含有量が、前記第
二領域の撥水材含有量の0.3〜0.93倍であることを特徴
とする請求項3に記載の燃料電池。
【請求項5】前記第一領域の撥水材含有量が、アノー
ド側のガス拡散層の10〜90ｗｔ％であることを特徴とす
る請求項3に記載の燃料電池。
【請求項6】前記撥水材はフッ素樹脂であることを特
徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の型燃料電池。
【請求項7】前記第一領域に親水材が含まれることに
より、第一領域の水分透過性が第二領域の水分透過性よ
りも高い構成であることを特徴とする請求項2に記載の
燃料電池。
【請求項8】前記アノード側のガス拡散層は、多孔性
カーボンペーパーを芯体とし、前記第一領域に合わせて
親水性カーボンブラックが充填され、前記第二領域に合
わせて前記カーボンブラックよりも親水性の低い撥水性
カーボンブラックが充填されてなることを特徴とする請
求項7に記載の燃料電池。
【請求項9】前記親水性カーボンブラックは比表面積
が130m²/g以上であることを特徴とする請求項8に記載の
燃料電池。
【請求項10】前記撥水性カーボンブラックは比表面積
が100m²/g以下であることを特徴とする請求項8または9
に記載の燃料電池。