JP2001319671A - 固体高分子型燃料電池のセル及び固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電効率の向上並びに発電出力の安定化を図
り得る固体高分子型燃料電池のセル及び固体高分子型燃
料電池を提供する。 【解決手段】 電解質層としての高分子膜１の一方の面
に酸素極２を備え且つ他方の面に燃料極３を備え、酸素
極２が、高分子膜１側の酸素極触媒層２１と、高分子膜
１とは反対側の酸素極集電層２２を備えて構成され、燃
料極３が、高分子膜１側の燃料極触媒層３１と、高分子
膜１とは反対側の燃料極集電層３２を備えて構成された
固体高分子型燃料電池のセルであって、酸素極集電層２
２が、発電反応のために必要なガス拡散性を水に濡れて
も維持できるガス透過性を備えるように構成されてい
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、電解質層としての
高分子膜の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料
極を備え、前記酸素極が、前記高分子膜側の酸素極触媒
層と、前記高分子膜とは反対側の酸素極集電層を備えて
構成され、前記燃料極が、前記高分子膜側の燃料極触媒
層と、前記高分子膜とは反対側の燃料極集電層を備えて
構成された固体高分子型燃料電池のセル、及び、そのよ
うなセルの複数個にて構成された固体高分子型燃料電池
に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子膜を電解質層として備えた、所
謂、固体高分子型燃料電池のセルにおいては、高分子膜
にイオン導電性を持たせるために高分子膜を湿らせる必
要があり、高分子膜を湿らせるための水分をセルに供給
しながら運転する。高分子膜を湿らせるための水分をセ
ルに供給する形態としては、例えば、水を直接セルに供
給する形態、あるいは、発電反応用として酸素極に供給
する酸素極側反応用ガス（空気等の酸素含有ガス）、及
び、発電反応用として燃料極に供給する燃料極側反応用
ガス（炭化水素系の原燃料を改質した水素含有ガス等）
を水蒸気にて加湿することにより、酸素極側反応用ガス
及び燃料極側反応用ガスを媒体として供給する形態があ
る。又、酸素極を構成する酸素極触媒層及び酸素極集電
層、並びに、燃料極を構成する燃料極触媒層及び燃料極
集電層は、夫々の側の反応用ガスを透過させるように、
ガス透過性を備えるように構成する。従来は、酸素極集
電層及び燃料極集電層は、ガス透過性を備えたカーボン
ペーパーにて構成していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、セルの発電
反応を適切に維持するためには、発電反応場である高分
子膜と酸素極触媒層との界面、及び、高分子膜と燃料極
触媒層との界面に、水分及び反応用ガスが円滑に（即
ち、界面の全域又は略全域にわたって均等に）供給され
る必要がある。一方、酸素極は燃料極に比べて電極反応
の抵抗が大きいので、高分子膜と酸素極触媒層との界面
に対する反応用ガスの供給状態が発電性能に与える影響
が大きく、高分子膜と酸素極触媒層との界面に対する反
応用ガスの円滑供給が損なわれると、セルの内部抵抗が
高くなって、発電効率が低下し易い。そして、高分子膜
と酸素極触媒層との界面に対する反応用ガスの供給状態
は、酸素極のガス拡散性に影響される。

【０００４】しかしながら、従来では、酸素極のガス拡
散性について考慮されていず、酸素極集電層には、燃料
極集電層と同様の、ガス透過性の小さいカーボンペーパ
ーにて構成していた。従って、酸素極集電層は、水分に
よって濡れると、ガス透過性が一層小さくなってガス拡
散性が低下することから、セルの適正な発電反応に必要
なガス拡散性が維持されなくなって、高分子膜と酸素極
触媒層との界面に対する反応用ガスの円滑供給が損なわ
れるので、セルの内部抵抗が高くなり、発電効率が低く
なるという問題があった。又、酸素極集電層の各部にお
いて、そのガス通過部（例えば、微小な孔）を閉塞して
いた水が反応用ガスの流れによって抜けて反応用ガスの
通過が許容されるようになったり、再び水が詰まってガ
ス通過部が閉塞されたりするため、高分子膜と酸素極触
媒層との界面に対する反応用ガスの供給が不安定となる
ため、発電出力がばらついて不安定であるという問題が
あった。

【０００５】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、発電効率の向上並びに発電出力
の安定化を図り得る固体高分子型燃料電池のセル及び固
体高分子型燃料電池を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のセルの特徴構
成は、前記酸素極集電層が、発電反応のために必要なガ
ス拡散性を水に濡れても維持できるガス透過性を備える
ように構成されていることにある。請求項１に記載の特
徴構成によれば、酸素極集電層が、発電反応のために必
要なガス拡散性を水に濡れても維持できるガス透過性を
備えているので、高分子膜と酸素極触媒層との界面に、
反応用ガスが円滑に且つ安定して供給されて、セルの発
電反応が適切に維持される。ちなみに、発電反応のため
に必要なガス拡散性とは、セルにおいて、適正に発電反
応が行われるように、酸素極側反応用ガスを拡散できる
状態、例えば、酸素極側反応用ガスが、発電反応場であ
る高分子膜と酸素極触媒層との界面の全域又は略全域に
わたって均等に供給される程度に、酸素極側反応用ガス
を拡散できる状態に相当する。従って、発電効率の向上
並びに発電出力の安定化を図り得る固体高分子型燃料電
池のセルを提供することができるようになった。

【０００７】〔請求項２記載の発明〕請求項２に記載の
固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記酸素極
集電層のガス透過性が、前記燃料極集電層のガス透過性
よりも高くなるように構成されていることにある。請求
項２に記載の特徴構成によれば、酸素極集電層のガス透
過性が、燃料極集電層のガス透過性よりも高くなるよう
に構成されているので、燃料極集電層は、例えば、従来
と同様のカーボンペーパーにて構成し、酸素極集電層
は、発電反応のために必要なガス拡散性を水に濡れても
維持できるガス透過性を備えさせることができる材料に
て構成する。つまり、燃料極は、酸素極に比べて電極反
応の抵抗が低いため、高分子膜と燃料極触媒層との界面
に対する反応用ガスの供給状態が発電性能に与える影響
が小さく、しかも、燃料極側反応用ガス中の水素は拡散
性が良いので、燃料極側集電層を構成する材料として
は、発電性能の低下を防止しながら、カーボンペーパー
等、従来から用いられて普及していて、低価格な材料を
用いることができるのである。従って、本発明を実施す
るためのコストを低減する上で好ましい具体構成を提供
することができる。

【０００８】〔請求項３記載の発明〕請求項３に記載の
固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、前記酸素極
集電層が、その酸素極集電層に波長４００〜７００ｎｍ
の光を垂直又は略垂直に照射したときの透過率が０．０
１〜２０％となるように構成されていることにある。本
発明の発明者らは、酸素極におけるガス拡散性を向上す
べく鋭意研究し、酸素極集電層を、その酸素極集電層に
波長４００〜７００ｎｍの光を垂直又は略垂直に照射し
たときの光の透過率が０．０１〜２０％となるように構
成すると、発電反応のために必要なガス拡散性を水に濡
れても維持できるガス透過性を、酸素極集電層に備えさ
せることができることを見出した。そこで、セルの仕様
が異なって、酸素極集電層の厚さや面積が異なっても、
酸素極集電層を、その酸素極集電層に波長４００〜７０
０ｎｍの光を垂直又は略垂直に照射したときの光の透過
率が０．０１〜２０％となるように構成することによ
り、発電反応のために必要なガス拡散性を水に濡れても
維持できるガス透過性を、酸素極集電層に備えさせるこ
とができることとなる。従って、セルの仕様が異なって
も本発明を簡単に適用することができるので、本発明の
実施コストを低減することができる。

【０００９】〔請求項４記載の発明〕請求項４に記載の
固体高分子型燃料電池のセルの特徴構成は、電流密度が
５０００Ａ／ｍ² 以下になるように運転されることにあ
る。つまり、車載用等、出力密度の大きい用途を対象と
した固体高分子型燃料電池においては、セルは大電流密
度で運転されるので、発電反応によって酸素極側に生成
された水分により、酸素極は必要とされる状態に加湿さ
れるため、酸素極を加湿するための水分をセル外部から
セルに供給する必要がない。従って、酸素極におけるガ
ス拡散性を改善する必要性はあまりなく、又、酸素極の
ガス拡散性を改善することにより得られる効果も小さ
い。一方、家庭用コージェネレーションシステム等、出
力密度を大きくするよりも、高発電効率及び高耐久性が
要求される用途を対象とした固体高分子型燃料電池にお
いては、セルの数やセルのサイズ等、コストに影響を与
える仕様と発電効率とのバランスから、セル１枚当たり
の電流密度は、車載用等、出力密度の大きい用途を対象
としたものよりも小さい値、即ち、５０００Ａ／ｍ² 以
下に設定される。そして、５０００Ａ／ｍ² 以下の電流
密度で発電反応させる状態では、発電反応によって生成
される水分だけでは、酸素極は必要とされる状態にまで
加湿されないので、酸素極を加湿するための水分をセル
外部からセルに供給する必要があり、しかも、高発電効
率及び高耐久性が要求されることから、セルの内部抵抗
が高くなるのを抑制する必要があるため、酸素極におけ
るガス拡散性を改善する必要性が高く、しかも、酸素極
のガス拡散性を改善することにより得られる効果も大き
くなるのである。従って、家庭用コージェネレーション
システム等、高発電効率及び高耐久性が要求される用途
に好適な固体高分子型燃料電池のセルを提供することが
できる。

【００１０】〔請求項５記載の発明〕請求項５に記載の
固体高分子型燃料電池の特徴構成は、請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池のセルの複数
が、流路形成部材を、前記酸素極に臨む状態で酸素極側
ガス流路を形成し、且つ、前記燃料極に臨む状態で燃料
極側ガス流路を形成するように、セル間に位置させた状
態で、厚さ方向に並置されて構成されていることにあ
る。請求項５に記載の特徴構成によれば、請求項１〜４
のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池のセル、
即ち、酸素極集電層が、発電反応のために必要なガス拡
散性を水に濡れても維持できるガス透過性を備えるよう
に構成されて、発電効率の向上並びに発電出力の安定化
を図り得るセルを用いて、固体高分子型燃料電池が構成
されている。従って、発電効率の向上並びに安定化を図
り得る固体高分子型燃料電池を提供することができるよ
うになった。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。先ず、図１及び図２に基づい
て、固体高分子型燃料電池のセルＣについて説明する。
セルＣは、電解質層としての高分子膜１の一方の面に酸
素極２を備え且つ他方の面に燃料極３を備え、酸素極２
を、高分子膜１側の酸素極触媒層２１と、高分子膜１と
は反対側の酸素極集電層２２と、それらの間の酸素極側
接触抵抗低減層２３とを備えて構成し、燃料極３を、高
分子膜１側の燃料極触媒層３１と、高分子膜１とは反対
側の燃料極集電層３２と、それらの間の燃料極側接触抵
抗低減層３３とを備えて構成してある。

【００１２】本発明においては、酸素極集電層２２を、
発電反応のために必要なガス拡散性を水に濡れても維持
できるガス透過性を備えるように構成してある。又、酸
素極集電層２２のガス透過性が、燃料極集電層３２のガ
ス透過性よりも高くなるように構成してある。

【００１３】高分子膜１は、プロトン導電性を備えたフ
ッ素樹脂系のイオン交換膜にて形成してある。酸素極触
媒層２１及び燃料極触媒層３１は、同様の構成であり、
カーボンから成る多孔状の導電材にて形成し、夫々、白
金及び白金系合金から成る電極触媒を担持してある。

【００１４】酸素極集電層２２は、その酸素極集電層２
２に波長４００〜７００ｎｍの光を発する光源（例え
ば、蛍光灯の光）からの光を垂直又は略垂直に照射した
ときの光の透過率が０．０１〜２０％となるように構成
して、発電反応のために必要なガス拡散性を水に濡れて
も維持できるガス透過性を備えるように構成してある。

【００１５】尚、ガス拡散性を極力高くするとともに、
抵抗（電気的）を極力低くして内部抵抗を低くする上で
は、酸素極集電層２２の光の透過率を、０．１〜１０％
になるように構成するのが好ましい。

【００１６】ちなみに、透過率は、光源からの光を受光
するように光センサを配置し、光源と光センサとの間
に、光源からの光を遮るように透過率測定対象物、即
ち、酸素極集電層２２を配置したときの光センサ受光量
と、配置しないときの光センサ受光量との比にて示す。

【００１７】酸素極集電層２２は、具体的には、カーボ
ンフェルトにて形成し、撥水剤（ＰＴＦＥ：ポロテトラ
フルオロエチレン等）にて撥水加工してある。尚、カー
ボンフェルトを用いて、酸素極集電層２２をその光透過
率が上述のように０．０１〜２０％となるように構成す
るには、１グラム当たりの体積が、０．５〜１５ｃｍ³
となるように形成したカーボンフェルトを用いる。尚、
カーボンフェルトの１グラム当たりの体積は、カーボン
又はカーボンと撥水剤との混合体としてのものである。
又、酸素極集電層２２をその光透過率が好ましい範囲で
ある０．１〜１０％となるように構成するには、１グラ
ム当たりの体積が、１〜５ｃｍ³ となるように形成した
カーボンフェルトを用いる。

【００１８】酸素極側接触抵抗低減層２３は、酸素極集
電層２２の表面に、カーボン粉と撥水剤粉との混合粉に
て層形成して、酸素極集電層２２と一体的に形成してあ
る。

【００１９】燃料極集電層３２は、多孔状のカーボンペ
ーパーにて形成し、撥水剤にて撥水加工してある。燃料
極側接触抵抗低減層３３は、燃料極集電層３２の表面
に、カーボン粉と撥水剤粉との混合粉にて層形成して、
燃料極集電層３２と一体的に形成してある。

【００２０】そして、高分子膜１の一方の面に、酸素極
触媒層２１、及び、酸素極側接触抵抗低減層２３を一体
的に備えた酸素極集電層２２を配置し、並びに、他方の
面に、燃料極触媒層３１、及び、燃料極側接触抵抗低減
層３３を一体的に備えた燃料極集電層３２を配置した状
態で、ホットプレスにより一体化して、セルＣを形成す
る。

【００２１】次に、図３ないし図７に基づいて、上述の
セルＣの複数個を用いて構成する固体高分子型燃料電池
について説明する。固体高分子型燃料電池は、セルスタ
ックＮＣを備えて構成してあり、そのセルスタックＮＣ
は、図７に示すように、セルＣの複数個を、流路形成部
材としての酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレー
タ６を、酸素極２に臨む状態で酸素極側ガス流路を形成
し、且つ、燃料極３に臨む状態で燃料極側ガス流路を形
成するように、セル間に位置させた状態で、厚さ方向に
積層し、積層方向の両端部夫々に電力取り出し用の集電
部７を設けて構成してある。酸素極側セパレータ５及び
燃料極側セパレータ６は、カーボンからなる緻密な気密
性を有する導電材にて形成してある。

【００２２】図３ないし図６に示すように、酸素極側セ
パレータ５は、酸素極２側の面に、酸素極側反応用ガス
を通流させる酸素極側流路を形成する酸素極側ガス通流
溝５ｓを形成し、反対側の面に、冷却水流路を形成する
冷却水通流溝５ｗを形成してある。燃料極側セパレータ
６は、燃料極３側の面に、燃料極側反応用ガスを通流さ
せる燃料極側流路を形成する燃料極側ガス通流溝６ｆを
形成し、反対側の面に、酸素極側セパレータ５の冷却水
通流溝５ｗと面対称となる冷却水流路形成用の冷却水通
流溝６ｗを形成してある。

【００２３】更に、高分子膜１、酸素極側セパレータ５
及び燃料極側セパレータ６の夫々には、それらを重ねた
ときに夫々が積層方向に連なる状態で、厚さ方向に貫通
する６個の孔１ｈ，５ｈ，６ｈを形成してある。積層方
向視において、高分子膜１、酸素極側セパレータ５及び
燃料極側セパレータ６の夫々に形成する６個の孔１ｈ，
５ｈ，６ｈのうち、２個は酸素極側ガス通流溝５ｓの通
流経路の両端部に各別に重なり、別の２個は燃料極側ガ
ス通流溝６ｆの通流経路の両端部に各別に重なり、残り
の２個は冷却水通流溝５ｗ，６ｗの通流経路の両端部に
各別に重なる。

【００２４】従って、セルスタックＮＣには、高分子膜
１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６夫
々の孔１ｈ，５ｈ，６ｈが積層方向に連なって形成され
る通路が６本形成されるが、それらのうちの２本は、各
酸素極側ガス通流溝５ｓの通流経路の両端部に各別に連
通し、別の２本は、各燃料極側ガス通流溝６ｓの通流経
路の両端部に各別に連通し、残りの２本は、各冷却水通
流溝５ｗ，６ｗの通流経路の両端部に各別に連通してい
る。尚、各酸素極側ガス通流溝５ｓの通流経路の両端部
に各別に連通する２本の通路を、酸素極側連通路Ｔｓ
と、各燃料極側ガス通流溝６ｆの通流経路の両端部に各
別に連通する２本の通路を燃料極側連通路Ｔｆと、各冷
却水通流溝５ｗ，６ｗの通流経路の両端部に各別に連通
する２本の通路を冷却水側連通路Ｔｗと夫々称する。

【００２５】更に、図７に示すように、セルスタックＮ
Ｃの積層方向の両端部夫々に端板９を設けてある。一方
の端板９には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの一方
の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部８ｓ、２本
の燃料極側連通路Ｔｆのうちの一方の端部に連通接続す
る燃料極側ガス用接続部８ｆ、及び、２本の冷却水連通
路Ｔｗのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続
部８ｗを備えてある。又、他方の端板９には、２本の酸
素極側連通路Ｔｓのうちの他方の端部に連通接続する酸
素極側ガス用接続部８ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆの
うちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部
８ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの他方の端
部に連通接続する冷却水用接続部８ｗを備えてある。図
７において、Ｌは、セルスタックＮＣにて発電された電
力を消費する電力消費機器を示す。

【００２６】尚、２個の酸素極側ガス用接続部８ｓのう
ち、一方は酸素極側反応用ガスの供給用として、他方は
酸素極側反応用ガスの排出用として用い、２個の燃料極
側ガス用接続部８ｆのうち、一方は燃料極側反応用ガス
の供給用として、他方は燃料極側反応用ガスの排出用と
して用い、並びに、２個の冷却水用接続部８ｗのうち、
一方は冷却水の供給用として、他方は冷却水の排出用と
して用いる。

【００２７】そして、炭化水素系の原燃料を改質した水
素含有ガスを燃料極側反応用ガスとして、加湿器（図示
省略）にて加湿した後、供給用の酸素極側ガス用接続部
８ｓからセルスタックＮＣに供給し、並びに、送風機
（図示省略）からの空気を酸素極側反応用ガスとして、
加湿器（図示省略）にて加湿した後、供給用の燃料極側
ガス用接続部８ｆからセルスタックＮＣに供給する。並
びに、冷却水ポンプ（図示省略）により、冷却水を供給
用の冷却水用接続部８ｗからセルスタックＮＣに供給す
る。

【００２８】すると、加湿された酸素極側反応ガスは、
図５及び図６において実線矢印にて示すように、一方の
酸素極側連通路Ｔｓから各セルＣの酸素極側流路に供給
され、酸素極側流路を通流してから、他方の酸素極側連
通路Ｔｓに流出し、その酸素極側連通路Ｔｓを通流して
排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓから排出される。
又、燃料極側反応ガスは、図５及び図６において二点鎖
線矢印にて示すように、一方の燃料極側連通路Ｔｆから
各セルＣの燃料極側流路に供給され、燃料極側流路を通
流してから、他方の燃料極側連通路Ｔｆに流出し、その
燃料極側連通路Ｔｆを通流して排出用の燃料極側ガス用
接続部８ｆから排出される。又、冷却水は、図５及び図
６において一点鎖線矢印にて示すように、一方の冷却水
連通路Ｔｗから各セルＣの冷却水流路に供給され、冷却
水流路を通流してから、他方の冷却水連通路Ｔｗに流出
し、その冷却水連通路Ｔｗを通流して排出用の冷却水用
接続部８ｗから排出される。

【００２９】そして、各セルＣにおいては、酸素極側反
応用ガス及び燃料極側反応用ガス夫々に含まれている水
蒸気によって、高分子膜１が湿らされる状態で、酸素極
側反応用ガス中の酸素と燃料極側反応用ガス中の水素と
の電気化学反応により発電される。又、冷却水の通流に
より、各セルＣの温度が所定の温度に維持される。

【００３０】以下、上述のように構成した本発明による
セルと、酸素極集電層２２を燃料極集電層３２と同様の
カーボンペーパーにて形成した従来のセルとにより、発
電性能を比較した結果を説明する。尚、発電性能の比較
は、酸素極２側に酸素極側セパレータ５を付設し、並び
に、燃料極３側に燃料極側セパレータ６を付設した１枚
のセルを用いて行った。

【００３１】本発明のセルにおいて、酸素極集電層２２
は、１グラム当たりの体積が２．５〜３ｃｍ³ のカーボ
ンフェルトを用いて、厚さが３７０μｍ程度になるよう
に形成し、光透過率を約５％に設定した。又、酸素極側
接触抵抗低減層２３は、厚さが６０μｍ程度になるよう
に、酸素極集電層２２と一体的に形成した。酸素極集電
層２２と酸素極側接触抵抗低減層２３を一体的に形成し
たものは、１グラム当たりの体積が２．３〜２．７ｃｍ
3、光透過率は約１％である。

【００３２】本発明のセルの燃料極集電層３２、従来の
セルの酸素極集電層２２及び燃料極集電層３２は、夫
々、１グラム当たりの体積が１．７〜２．１ｃｍ³ のカ
ーボンペーパーを用いて形成してある。本発明のセルの
燃料極集電層３２、従来のセルの酸素極集電層２２及び
燃料極集電層３２は、夫々を光源と光センサとの間に配
置したときの光センサの受光量が測定限界以下であった
ので、夫々の光透過率は、０％である。

【００３３】本発明のセル及び従来のセル夫々につい
て、酸素極側流路及び燃料極側流路夫々のガス出口を大
気開放させた状態で、酸素極側反応用ガスとして空気を
加湿器にて加湿した後、酸素極側流路に供給し、並び
に、燃料極側反応用ガスとして純水素ガスを加湿器にて
加湿した後、燃料極側流路に供給し、電気負荷装置を用
いて、電流密度が３０００Ａ／ｍ² になるように定電流
にて発電させて、出力電圧を測定して、両者で比較し
た。尚、セルの温度は、７０°Ｃに維持し、燃料利用率
を６０％、空気利用率を４０％に夫々、設定した。

【００３４】図８に、本発明のセル及び従来のセルの夫
々について、時間経過に伴う出力電圧の変化を示す。発
電開始時の出力電圧は、本発明のセルでは７２５ｍＶで
あり、従来のセルでは７０７ｍＶであり、以降も継続し
て、本発明のセルの方が従来のセルよりも出力電圧が高
く、本発明により、セルの出力電圧を従来に比べて向上
できる、換言すれば、発電効率を向上できることが分か
る。又、出力電圧のバラツキは、本発明のセルでは、１
ｍＶ程度の狭い幅に収まっているのに対して、従来のセ
ルでは５ｍＶ程度の広い幅であり、本発明により、セル
の出力電圧のバラツキを従来に比べ小さくして、発電出
力を安定化できることが分かる。

【００３５】尚、従来のセルで、出力電圧のバラツキが
大きいのは、酸素極集電層２２の各部において、ガス通
過部（例えば、微小な孔）を閉塞していた水が酸素極側
反応用ガスの流れによって抜けて酸素極側反応用ガスの
通過が許容されるようになったり、再び水が詰まってガ
ス通過部が閉塞されたりするため、高分子膜１と酸素極
触媒層２１との界面に対する酸素極側反応用ガスの供給
が不安定となるためである。

【００３６】このように、本発明により発電効率の向上
並びに発電出力の安定化を図ることができるのは、酸素
極集電層２２をカーボンフェルトを用いて形成して、酸
素極集電層３２が、発電反応のために必要なガス拡散性
を水に濡れても維持できるガス透過性を備えるようにし
て、高分子膜１と酸素極触媒層２１との界面に、酸素極
側反応用ガスが円滑に且つ安定して供給されて、セルＣ
の発電反応が適切に維持されることによるものである。

【００３７】又、図示は省略するが、本発明のセルのよ
うに、高分子膜１と酸素極触媒層２１との界面に対する
酸素極側反応用ガスの供給が円滑で且つ安定していて、
出力電圧のばらつき幅が小さいものと、従来のセルのよ
うに、高分子膜１と酸素極触媒層２１との界面に対する
酸素極側反応用ガスの供給が不安定となって、出力電圧
のバラツキが大きいものとで、運転時間経過に伴う出力
電圧の変化を比較すると、本発明のセルの方が、運転時
間経過に伴う出力電圧の低下が小さく、本発明のセルで
は、耐久性も従来に比べて向上することできる。これ
は、高分子膜１と酸素極触媒層２１との界面に対する酸
素極側反応用ガスの供給が不安定となると、電極触媒の
劣化が早くなるためであると考えられる。

【００３８】〔別実施形態〕次に別実施形態を説明す
る。 （イ） 上記の実施形態においては、酸素極集電層２２
をカーボンフェルトにて形成し、燃料極集電層３２をカ
ーボンペーパーにて形成して、酸素極集電層２２のガス
透過性が、燃料極集電層３２のガス透過性よりも高くな
るように構成する場合について例示したが、これに代え
て、燃料極集電層３２もカーボンフェルトにて形成し
て、酸素極集電層２及び燃料極集電層３２夫々のガス透
過性を同じにしても良い。この場合は、燃料極３のガス
拡散性も向上するので、発電効率向上及び発電出力安定
化における効果が一層顕著なものとなる。

【００３９】（ロ） 酸素極集電層２２を、発電反応の
ために必要なガス拡散性を水に濡れても維持できるガス
透過性を備えるように構成するために用いる材料は、上
記の実施形態において例示したカーボンフェルトに限定
されるものではない。例えば、カーボン布や、カーボン
の板状の多孔状材でも良い。又、酸素極集電層２２が、
発電反応のために必要なガス拡散性を水に濡れても維持
できるガス透過性を備えている状態を、上記の実施形態
において例示したように光透過率で示す場合、酸素極集
電層２２の厚さはどのような厚さであっても良く、酸素
極集電層２２として用いるものの光透過率を示す。

【００４０】（ハ） 光透過率が０．０１〜２０％の範
囲のカーボンフェルトを用いるのが好ましいが、光透過
率が２０％よりも大きいカーボンフェルトを用いても良
い。尚、カーボンフェルトの繊維量を減らして開口率を
大きくして、光透過率を大きくするほど、換言すれば、
１グラム当たりの体積を増やすほど、集電抵抗が大きく
なって、出力電圧向上の面では劣るが、ガス透過性が大
きくなってガス拡散性が向上するので、出力電圧の安定
化の面での効果が顕著となって、耐久性が一層向上す
る。

【００４１】（ニ） 上記の実施形態においては、酸素
極側接触抵抗低減層２３を酸素極集電層２２に一体的に
備えさせ、並びに、燃料極側接触抵抗低減層３３を燃料
極集電層３２に一体的に備えさせる場合について例示し
たが、酸素極側接触抵抗低減層２３を酸素極触媒層２１
に一体的に備えさせ、燃料極側接触抵抗低減層３３を燃
料極触媒層３１に一体的に備えさせても良い。又、酸素
極側接触抵抗低減層２３や燃料極側接触抵抗低減層３３
を省略しても良い。この場合、例えば、酸素極触媒層２
１と酸素極集電層２２との接続抵抗を小さくするため
に、酸素極触媒層２１と酸素極集電層２２とをホットプ
レス等により、酸素極集電層２２を構成するカーボンフ
ェルトを酸素極触媒層２１を構成する材料に潜り込ませ
るようにして、酸素極集電層２２と酸素極触媒層２１と
の接触面積を大きくするのが好ましい。

【００４２】（ホ） 高分子膜１を湿らせるための水分
をセルＣに供給する形態は、上記の実施形態にて例示し
た形態、即ち、セルＣに供給する酸素極側反応用ガスや
燃料極側反応用ガスを外部に設けた加湿器にて加湿し
て、それら酸素極側反応用ガスや燃料極側反応用ガスを
媒体として水分を供給する形態に限定されるものではな
い。例えば、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレ
ータ６を通水可能な多孔材にて構成すると共に、冷却水
流路を通流する冷却水の圧力を、酸素極側流路及び燃料
極側流路夫々を通流する各反応用ガスの圧力よりも高く
して、冷却水流路を通流する冷却水の一部を酸素極側流
路側や燃料極側流路側に各セパレータ５，６を透過させ
ることにより、セルＣに直接水分を供給する形態として
も良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池のセルの縦断面図

【図２】固体高分子型燃料電池のセルの分解斜視図

【図３】固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の
分解斜視図

【図４】固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の
分解斜視図

【図５】固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の
分解斜視図

【図６】固体高分子型燃料電池のセルスタックの要部の
分解斜視図

【図７】固体高分子型燃料電池のセルスタックの全体概
略構成を示す図

【図８】運転時間経過に伴うセルの出力電圧の変化を示
す図

【符号の説明】

１ 高分子膜 ２ 酸素極 ３ 燃料極 ５，６ 流路形成部材 ２１ 酸素極触媒層 ２２ 酸素極集電層 ３１ 燃料極触媒層 ３２ 燃料極集電層 Ｃ セル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質層としての高分子膜の一方の面に
   酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備え、 前記酸素極が、前記高分子膜側の酸素極触媒層と、前記
   高分子膜とは反対側の酸素極集電層を備えて構成され、 前記燃料極が、前記高分子膜側の燃料極触媒層と、前記
   高分子膜とは反対側の燃料極集電層を備えて構成された
   固体高分子型燃料電池のセルであって、 前記酸素極集電層が、発電反応のために必要なガス拡散
   性を水に濡れても維持できるガス透過性を備えるように
   構成されている固体高分子型燃料電池のセル。
2. 【請求項２】 前記酸素極集電層のガス透過性が、前記
   燃料極集電層のガス透過性よりも高くなるように構成さ
   れている請求項１記載の固体高分子型燃料電池のセル。
3. 【請求項３】 前記酸素極集電層が、その酸素極集電層
   に波長４００〜７００ｎｍの光を垂直又は略垂直に照射
   したときの透過率が０．０１〜２０％となるように構成
   されている請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池
   のセル。
4. 【請求項４】 電流密度が５０００Ａ／ｍ² 以下になる
   ように運転される請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   固体高分子型燃料電池のセル。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の固
   体高分子型燃料電池のセルの複数が、流路形成部材を、
   前記酸素極に臨む状態で酸素極側ガス流路を形成し、且
   つ、前記燃料極に臨む状態で燃料極側ガス流路を形成す
   るように、セル間に位置させた状態で、厚さ方向に並置
   されて構成されている固体高分子型燃料電池。