JP2001338651A

JP2001338651A - 燃料電池用電極及び燃料電池

Info

Publication number: JP2001338651A
Application number: JP2000160056A
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: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2001-12-07
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: JP3459615B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池において、電極層内における水の滞
留、特にガス拡散層と触媒層との界面付近における水の
滞留を防止することによって、セル電圧などの電池特性
を向上させる。【解決手段】アノード２０において、触媒層２１にお
ける気孔２１１の気孔径並びにガス拡散層２２における
気孔２２２の気孔径は共に、気孔径分布が０．１μｍ以
下の範囲にピークを有するように設定されている。ま
た、カソード３０においても、気孔３１１及び気孔３２
２の気孔径分布が共に、０．１μｍ以下の範囲にピーク
を有するように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
特に、固体高分子型燃料電池をはじめとしてセル内に液
体の水が存在し得る燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は一般的に、電解質膜を介して
カソードとアノードを対向して配したセルが、リブ及び
ガスチャネルが形成された一対のプレート基板で挟持さ
れたものを基本ユニットとし、この基本ユニットを複数
積重ねた構造であって、カソード側のチャネルに酸化剤
としての空気を、アノード側のチャネルに燃料ガスを供
給し、電気化学的に反応させて発電を行うようになって
いる。

【０００３】燃料電池の中でも、電解質膜としてイオン
交換膜が用いられた固体高分子型燃料電池は、低温で優
れた性能で運転できる点で最近注目されている。この固
体高分子型燃料電池は、運転時にはイオン交換膜のイオ
ン導電性を確保する必要があるため、従来から空気や燃
料ガスを加湿して供給したり、燃料ガスのチャネルに水
を供給したりすることによって、固体高分子膜を保湿す
る方法が多くとられている。

【０００４】そして、この固体高分子型燃料電池におい
て、セル電圧などの電池特性を得るために、イオン交換
膜全体を湿潤させると共にアノード及びカソードの触媒
層全体に燃料ガスや酸化剤ガスを均一的に行き渡らせる
ことも必要である。その点を考慮して、カソード及びア
ノードの各々は、通常、固体高分子膜に接して配された
触媒層の上にカーボンペーパなどからなるガス拡散層が
積層されて構成されており、このような電極構成によれ
ば、各チャネルを流通するガスがガス拡散層を介して触
媒層に供給されるので、触媒層全体にガスが行き渡りや
すくなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この電
極構成の固体高分子型燃料電池においても、電極層内に
水が滞留することによって、触媒層の反応サイトが水で
覆われて触媒層の反応面積が減少する他、触媒層の反応
サイトにガスが行き渡りにくくなるため、セル電圧が低
下するという問題がある。

【０００６】これに対して、特開平１０−２８９７３２
号公報では、ガス拡散層にカーボン粉末などを充填する
ことによって、ガス拡散性と水拡散性を両立させる手法
が提案され、特願平１０−３５６４４７には、ガス拡散
層に好ましくは２０〜１００ｎｍの気孔を形成すること
によって、排水性を向上すると共にガス拡散性を向上さ
せる手法が提案されている。また、特開平８−１１７５
９８号公報には、ＤＢＰ給油量が２００〜６５０ｍｌ／
１００ｇのカーボンブラックを触媒層の担体として用い
ることによって触媒層のガス拡散性を改善する手法が提
案されている。

【０００７】これらの手法を用いれば、触媒層内におけ
る水の滞留を防止する効果、並びにガス拡散層内におけ
る水の滞留を防止する効果が得られるため、有効な技術
とは考えられるが、ガス拡散層と触媒層との界面付近に
おける水の滞留を防止することについては特に考慮され
ておらず、加湿量が大きい場合などにはこの界面付近に
水が滞留しやすいものと考えられる。

【０００８】このような点で、固体高分子型燃料電池に
おいて、更に良好な電池特性を得るために、改良の余地
があるものと考えられる。なお、このような課題は、触
媒層とガス拡散層とが積層された電極を備え、低温で運
転する燃料電池においては、共通するものと考えられ
る。本発明は、このような課題を鑑みてなされたもので
あって、燃料電池において、電極層内における水の滞
留、特にガス拡散層と触媒層との界面付近における水の
滞留を防止することによって、セル電圧などの電池特性
を向上させることを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、触媒層及びガス拡散層が積層されてなる燃
料電池用電極において、ガス拡散層及び触媒層を、その
気孔径分布が共に０．１μｍ以下のピークを有するよう
に、好ましくは０．０３μｍ以上０．０５μｍ以下の範
囲にピークを有するように調整した。

【００１０】気孔の中でも、気孔径が０．１μｍ以下の
もの、特に０．０５μｍ以下のものは、毛管現象によっ
て水を移動させる作用が強い。従って、触媒層及びガス
拡散層の気孔径分布が共にこの範囲にピークを持ってい
れば、触媒層及びガス拡散層共に、水を移動させる作用
が強くなるので、触媒層及びガス拡散層の界面付近にも
水が滞留しにくい。一方、気孔径が０．０３μｍ未満の
ところにピークがあると、気孔径が小さすぎるためにガ
ス拡散性が低くなる傾向がある。

【００１１】また、ガス拡散層と触媒層との界面におけ
る水の移動に関して考慮すると、ガス拡散層の気孔と触
媒層の気孔との径の比率が０．５〜２の範囲内にあれば
両気孔間で水は移動しやすい。従って、上記ガス拡散層
の気孔径分布のピークと、触媒層の気孔径分布とのピー
クとの組み合わせの中に、気孔径の比率が０．５〜２の
範囲内にあるものが含まれていれば、触媒層とガス拡散
層との界面における水の移動がスムースとなるので、更
に触媒層及びガス拡散層の界面付近に水が滞留しにくく
なる。

【００１２】このような燃料電池用電極を燃料電池に用
いると、電極に水が滞留しにくいので高いセル電圧を得
ることができる。特にカソード側に、本発明の燃料電池
用電極を用いれば、大きな効果が期待できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、固体高分子型燃料電池１
の構成を示す要部組立図である。燃料電池１は、セルユ
ニット１００が多数積層され、その積層両端は図示しな
いエンドプレートで挟持されており、セルユニット１０
０が数枚積層されることに冷却プレート１１０が介挿さ
れた構成となっている。

【００１４】各セルユニット１００は、固体高分子膜１
１の一方にアノード２０が他方にカソード３０が形成さ
れてなるセル１０が、アノード側チャネル４１が形成さ
れたセパレータ板４０（図１では、アノード側チャネル
４１は、セパレータ板の背面側にあり見えない。図２参
照。）とカソード側チャネル５１が形成されたセパレー
タ板５０とで挟持されて構成されており、固体高分子膜
１１の外周部と、セパレータ板４０，５０の外周部との
間には、この部分をシールするガスケット６０，７０が
介挿されている。

【００１５】固体高分子膜１１は、陽イオン交換樹脂
（パーフルオロカーボンスルホン酸）からなる薄膜であ
って、例えばＮａｆｉｏｎ膜（デュポン社製）である。
アノード２０及びカソード３０は、共に白金系の触媒が
担持されたカーボンからなる触媒層と、溌水処理を施し
たカーボンペーパにカーボン粒子が充填されたガス拡散
層とが積層された構造であって、固体高分子膜１１の中
央部にホットプレスにより密着成型されている。

【００１６】セパレータ板４０，５０は、緻密なカーボ
ン板を加工した導電性を有する基板である。冷却プレー
ト１１０も同様に、導電性の緻密な基板である。固体高
分子膜１１，セパレータ板４０，５０および冷却プレー
ト１１０の各々のコーナー部分には、反応ガス供給・排
出用のマニホールドを構成する貫通孔Ｐ１〜Ｐ４が開設
されている。なお、貫通孔Ｐ２，Ｐ４はセパレータ板４
０のアノード側チャネル４１と連通し、貫通孔Ｐ１，Ｐ
３はセパレータ板５０のカソード側チャネル５１と連通
している。また、各プレートの一対の対向する辺の中央
部に冷却水流入・流出用マニホールドを構成する貫通孔
Ｐ５，Ｐ６が開設されており、貫通孔Ｐ５，Ｐ６は冷却
プレート１１０に設けられた冷却水流路１１１と連通し
ている。

【００１７】このような構造の燃料電池１において、燃
料ガス供給用のマニホールドには燃料ガスが供給され、
酸化剤ガス供給用マニホールドには空気が供給される。
なお、燃料ガスとしては通常、水素リッチな改質ガスや
純粋な水素ガスなどが用いられる。そして、アノードガ
ス供給用のマニホールドに供給された燃料ガスは、各ア
ノード側チャネル４１に分配され反応に供給される。ま
た、この燃料ガスは、図示しない加湿装置によって加湿
されており、この燃料ガス中に含まれる水分によって固
体高分子膜１１が湿潤されるようになっている。

【００１８】一方、酸化剤ガス供給用マニホールドに供
給された空気は、各カソード側チャネル５１…からカソ
ード３０に供給される。そして、余剰のガスは酸化剤ガ
ス排出用のマニホールドから排出される。なお、この空
気も加湿器で加湿してから供給される場合が多い。ま
た、冷却水流入用マニホールドには冷却水が供給され、
当該マニホールドに供給された冷却水は、各冷却水流路
１１１に分配される。

【００１９】燃料電池１は、発電に伴って発熱するが、
この冷却水で冷却されることによって所定の運転温度
（７０〜８０℃）に維持される。（アノード及びカソードの構成についての詳細説明）図
２は、セルユニット１００の概略断面図である。アノー
ド２０における触媒層２１は、白金系触媒を担持したカ
ーボン粒子とイオン交換樹脂とを混合した混合物が、固
体高分子膜１１の表面に層状に充填されたものであり、
ガス拡散層２２は、ふっ素樹脂等を用いて溌水処理を施
した多孔質カーボンペーパの孔内に、カーボン粒子と溌
水性樹脂とが混合された混合物が充填された層である。

【００２０】また、カソード３０における触媒層３１も
これと同様の構成であって、白金系触媒を担持したカー
ボン粒子とイオン交換樹脂とを混合した混合物が、固体
高分子膜１１の表面に層状に充填されたものであり、ガ
ス拡散層３２は、溌水処理を施した多孔質カーボンペー
パの孔内に、カーボン粒子と溌水性樹脂とが混合された
混合物が充填された層である。

【００２１】図３は、アノード２０及びカソード３０の
内部構造を摸式的に示す断面摸式図である。本図に示す
ように、アノード２０において、触媒層２１の内部は、
触媒が担持されたカーボン粒子の表面にイオン交換樹脂
が付着した粒状物２１０が充填された構造となってい
る。そして、粒状物２１０どうしは互いに結合している
と共に、相互の間には気孔２１１が形成されている。ま
たガス拡散層２２は、カーボンペーパを構成するカーボ
ン繊維２２０どうしの間隙に、カーボン粒子２２１が充
填された構造となっている。そして、カーボン粒子２２
１どうしは結着材（不図示）によって結合しており、各
カーボン粒子２２１どうしの間には気孔２２２が形成さ
れている。

【００２２】触媒層２１における気孔２１１の気孔径並
びにガス拡散層２２における気孔２２２の気孔径は、主
にこれに用いられるカーボン粒子の性質（比表面積、粒
子径など）によって決められるが、これら気孔２１１及
び気孔２２２の気孔径は共に、気孔径分布が０．１μｍ
以下の範囲にピークを有するように設定されている。な
お、０．１μｍ以下の範囲におけるピークの数は、１個
でもよいし２個以上でもよい。

【００２３】また、ピークの大きさについては特に限定
されず、ノイズではなくピークと認められるものであれ
ばよいが、実質的な効果を奏するには、気孔径分布にお
いて、０．１μｍ以下のピーク面積が、全体のピーク面
積の５％以上を占めることが好ましい。また、カソード
３０の内部構造もアノード２０と同様である。

【００２４】即ち、触媒層３１の内部は、触媒が担持さ
れたカーボン粒子の表面にイオン交換樹脂が付着した粒
状物３１０が充填されており、粒状物３１０どうしは互
いに結合していると共に互いの間に気孔３１１が形成さ
れている。ガス拡散層３２は、カーボン繊維３２０どう
しの間隙に、カーボン粒子３２１が充填され結着材で結
合した構造となっており、カーボン粒子３２１どうしの
間に気孔３２２が形成されている。

【００２５】そして、気孔３１１及び気孔３２２の気孔
径分布が共に、０．１μｍ以下の範囲にピークを有する
ように設定されている。（本実施形態のアノード及びカ
ソードによる効果についての説明）アノード側チャネル
４１に供給される燃料ガスは、アノード２０のガス拡散
層２２を透過して触媒層２１において反応（２Ｈ₂ →
４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ）に用いられる。また、この燃料
ガスに含まれる水分の一部は、ガス拡散層２２，触媒層
２１及び固体高分子膜１１を透過してカソード３０側に
移動する。

【００２６】ところで、燃料ガスがアノード２０を通過
する際に、燃料ガスに含まれる水分の一部はアノード２
０内で凝集する。ここで、アノード２０の層内を液体の
水がスムースに移動できれば、凝集した水がアノード２
０層内に滞留することはないが、アノード２０の層内を
液体の水がスムースに移動できないならば、凝集した水
がアノード２０層内に滞留することになる。

【００２７】一方、カソード側チャネル５１に供給され
る空気は、カソード３０のガス拡散層３２を透過して触
媒層３１において反応（４Ｈ⁺ ＋Ｏ₂ ＋４ｅ^-
→２Ｈ₂Ｏ）に用いられる。また、この反応に伴う生
成水並びにアノード２０側から移動してくる水は、触媒
層３１及びガス拡散層３２を透過してカソード側チャネ
ル５１を流通する空気中に拡散するが、カソード３０内
において水の一部は液体として存在するので、カソード
３０の層内を液体の水がスムースに移動できないなら
ば、液体の水がカソード３０層内に滞留することにな
る。

【００２８】そして、アノード２０やカソード３０の層
内に液体の水が多く滞留すると、触媒層２１や触媒層３
１の反応サイトが有効な反応面積が減少する他に、燃料
ガスや空気が触媒層２１や触媒層３１の反応サイトに行
き渡りにくくなる。従って、アノード２０やカソード３
０の層内における液体水の滞留は、セル電圧の低下を引
き起こす原因となる。

【００２９】特に、カソード３０側においては、液体の
水が滞留することによってセル電圧が低下する現象が生
じやすく、アノード２０側においも、燃料ガスの加湿量
が大きい場合には、液体水が滞留することによってセル
電圧を低下させる現象は生じやすい。しかしながら、本
実施の形態のアノード２０においては、触媒層２１及び
ガス拡散層２２の気孔径分布が共にこの範囲にピークを
持っているため、触媒層２１及びガス拡散層２２共に、
水を移動させる作用は強くなっている。気孔径が０．１
μｍ以下の気孔は毛管現象によって水を移動させる作用
が強いからである。

【００３０】従って、アノード２０は、触媒層２１とガ
ス拡散層２２のいずれにも水が滞留しにくい構造となっ
ており、そのため、触媒層２１とガス拡散層２２との界
面２３付近においても水は滞留しにくい。また、本実施
の形態のカソード３０においても、同様に、触媒層３１
及びガス拡散層３２の気孔径分布が共にこの範囲にピー
クを持っているため、触媒層３１及びガス拡散層３２共
に、水を移動させる作用は強くなっている。

【００３１】従って、カソード３０は、触媒層３１及び
ガス拡散層３２のいずれにも内部に水が滞留しにくい構
造となっており、そのため、触媒層３１とガス拡散層３
２との界面３３付近においても水は滞留しにくい。この
ような効果を更に高めるために、アノード２０において
は、触媒層２１の気孔径分布のピークの中で気孔径０．
１μｍ以下のものと、ガス拡散層２２の気孔径分布のピ
ークの中で気孔径０．１μｍ以下のものとの組み合わせ
の中に、気孔径の比率が０．５〜２の範囲内にあるもの
が含まれていることが好ましい。

【００３２】これは、界面２３を挟んで対向する気孔２
１１及び気孔２２２どうしの気孔径の差が大きい場合に
は水が移動しにくいが、この気孔径の差が小さい場合
（気孔径の比率が０．５〜２の範囲内にある場合）に
は、両気孔間を水がスムースに移動できる（水の流れ抵
抗が小さい）ためである。なお、触媒層２１の気孔径分
布やガス拡散層２２の気孔径分布が、気孔径０．１μｍ
以下のピークを複数有する場合には、上記組み合わせの
中に、気孔径の比率が０．５〜２の範囲内にあるものが
１つでも含まれていれば良い。

【００３３】またこれと同様に、カソード３０において
も、触媒層３１の気孔径分布のピークの中で０．１μｍ
以下のものと、ガス拡散層３２の気孔径分布のピークの
中で０．１μｍ以下のものとの組み合わせの中に、気孔
径の比率が０．５〜２の範囲内にあるものが含まれてい
ることが好ましい。そして、更にこのような効果を更に
高めるために、アノード２０においては、触媒層２１及
びガス拡散層２２の気孔径分布が０．０３〜０．０５μ
ｍの範囲にピークを有するように、また、カソード３０
においては、触媒層３１及びガス拡散層３２の気孔径分
布が０．０３〜０．０５μｍの範囲にピークを有するよ
うに調整することが好ましい。

【００３４】これは、気孔径が０．０３〜０．０５μｍ
の範囲にある気孔は、特に毛管現象によって水を移動さ
せる作用が強いためである。（実施の形態についての変
形例など）なお、上記のように触媒層及びガス拡散層の
気孔径を調整することは、アノード２０及びカソード３
０の両方について行うことが好ましいが、アノード２０
及びカソード３０のどちらか一方だけに適用することも
可能である。

【００３５】但し、一般的に固体高分子型燃料電池で
は、アノード側よりもカソード側の方に水が滞留しやす
いので、少なくともカソード側には適用することが望ま
しい。また、本実施形態では、触媒層やガス拡散層にカ
ーボン粒子を充填することによって気孔径を調整する例
を示したが、カーボン粒子以外に、例えばシリカ粒子を
触媒層やガス拡散層に用いても同様に実施することがで
き、同様の効果が期待できる。

【００３６】また、本実施形態では、燃料ガス及び酸化
剤ガスの少なくとも一方を燃料電池外部で加湿してから
供給する固体高分子型燃料電池を例にとって説明した
が、燃料電池内に液体の水を供給して加湿する内部加湿
型の固体高分子型燃料電池や、燃料ガス及び酸化剤ガス
を加湿することなく供給しながら運転する固体高分子型
燃料電池においても適用することができ、同様の効果を
奏する。

【００３７】また、本発明は、セル内に液体の水が存在
し得る燃料電池に適用すれば、同様の効果を奏する、例
えば、燃料ガスを用いて運転する固体高分子型燃料電池
だけでなく、例えば、アノード側にメタノール水溶液を
供給しながら運転する直接メタノール型燃料電池（ＤＭ
ＦＣ）に適用したり、リン酸型燃料電池に適用すること
によっても、同様の効果が期待できる。

【００３８】

【実施例】

【００３９】

【表１】以下のようにして、表１に示す実施例の各種セルを作製
した。固体高分子膜としては、Ｎａｆｉｏｎ１１２膜
（デュポン社製、厚さ５０μｍ）を用いた。

【００４０】触媒層（触媒層２１及び触媒層３１共通）
の作製：表１に示すカーボン粉末に、白金を担持させて
白金担持カーボンを作製し、この白金担持カーボンにＮ
ａｆｉｏｎ溶液を重量比１００：３０の割合で混合して
ペーストを作製した。そして、このペーストを、テフロ
ン（登録商標）シート上に塗布することによって、厚さ
２０μｍの触媒層を形成した。

【００４１】ガス拡散層（ガス拡散層２２及びガス拡散
層３２共通）の作製：カーボンペーパ（厚さ２００μ
ｍ）を、テトラフルオロエチレン−へキサフルオロプロ
ピレン共重合体（ＦＥＰ）分散溶液に浸漬し、３８０℃
で１時間焼成することによって溌水処理を施した。ま
た、表１に示すカーボン粉末と、ポリテトラフルオロエ
チレン（ＰＴＦＥ）とを混合してカーボンペーストを作
製した。

【００４２】表１に示す「ＫＪ−ＥＣ」はケッチェンブ
ラックＥＣ（ライオン株式会社製、給油量３６０ｃｃ／
１００ｇ）、「ＢＰ」はブラックパール２０００（キャ
ボット製、給油量１０５ｃｃ／１００ｇ）、「Ｖｕｌｃ
ａｎ」はＶｕｌｃａｎＸＣ７２（キャボット製、給油量
１７４ｃｃ／１００ｇ）、「ＤＢ」はデンカブラック
（電気化学工業株式会社製、給油量１８０ｃｃ／１００
ｇ）、「ＫＪ−ＪＤ」はケッチェンブラック６００ＪＤ
（ライオン株式会社製、給油量４９５ｃｃ／１００ｇ）
である。

【００４３】そして、上記溌水処理したカーボンペーパ
に、上記カーボンペーストを充填することによって、ガ
ス拡散層２２を作製した。以上のように作製したガス拡
散層及び触媒層の気孔径分布を測定した。この気孔径分
布は、気孔径に対する気孔容積の変化を示すものであっ
て、実施例のセル６の触媒層およびガス拡散層につい
て、その気孔径分布をそれぞれ図４（ａ），図４（ｂ）
に例示している。

【００４４】この気孔径分布の測定は、島津製作所製ポ
アサイザ９３１０を用いて水銀圧入法で行った。このよ
うにして得られた各セルのガス拡散層及び触媒層につい
ての気孔径分布においては、表１に示す位置（気孔径の
値）に主たるピークが見られた。例えば、セル６のガス
拡散層の気孔径分布においては、図４に示すように、気
孔径０．１〜１００μｍの範囲内にたくさんのピークが
存在し、特に、気孔径１０μｍ付近に大きなピークが存
在している。また、気孔径０．１μｍ以下の範囲におい
ては、気孔径０．０４μｍにピークが存在している。

【００４５】そして表１においては、主たるピークとし
て、気孔径０．１〜１００μｍの範囲にある代表的なピ
ークの値（気孔径）と、気孔径０．１μｍ以下の範囲に
ある代表的なピークの値（気孔径）が示されている。セ
ルの作製：上記テフロンシート上に形成した触媒層（触
媒層２１及び触媒層３１）を、固体高分子膜上にホット
プレス（１５０℃、６０ｓｅｃ）で接合した。

【００４６】そして、テフロンシートを剥離し、触媒層
（触媒層２１及び触媒層３１）の上に、ガス拡散層（ガ
ス拡散層２２及びガス拡散層３２）を押圧して接合する
ことによって、セルを作製した。〔比較例〕上記実施例
のセルと同様にして、表１に示すカーボン粉末を用いて
比較例のセルを作製すると共に、その触媒層及びガス拡
散層の気孔径分布を測定した。

【００４７】〔発電試験〕上記実施例及び比較例の各セ
ルを用いて、以下の運転条件で運転し、セル電圧（ｍ
Ｖ）を測定した。電流密度：０．３Ａ／ｃｍ² セル温度：７０℃ 燃料ガス：Ｈ₂ 酸化剤ガス：空気燃料ガス利用率：７０％酸化剤ガス利用率：４０％燃料ガス加湿温度：７０℃ 酸化剤ガス加湿温度：７０℃ なお、上記の運転条件は、加湿量が比較的大きく、カソ
ード内に水が滞留しやすい条件であって、通常はこのよ
うに高加湿の条件下では運転しないが、セル性能を比較
するためにこのような条件で行った。

【００４８】この実験結果は表１に示す通りであって、
表１に示すセル電圧の値は、数時間運転した後、セル電
圧が安定したときの値である。実験結果に基づく考察：
表１より、比較例のセル１，２では、触媒層の気孔径分
布には０．１μｍ以下のピークが存在するが、ガス拡散
層の気孔径分布には０．１μｍ以下のピークが見られな
いことがわかる。一方、実施例のセルにおいては、ガス
拡散層の気孔径分布及び触媒層の気孔径分布が共に、
０．１μｍ以下のピークを有していることがわかる。

【００４９】また表１より、比較例のセル１，２と比べ
て、実施例のセル３〜１０は、セル電圧が高いことがわ
かる。これより、ガス拡散層の気孔径分布及び触媒層の
気孔径分布が共に、０．１μｍ以下のピークを有する
と、ガス拡散層の気孔径分布が０．１μｍ以下のピーク
を有しない場合と比べて、セル電圧が向上することがわ
かる。

【００５０】また、実施例のセル３〜１０の中でも、ガ
ス拡散層の気孔径分布及び触媒層の気孔径分布が共に、
０．０３〜０．０５μｍの範囲内にピークを有するセル
３，６，１０は、特にセル電圧が良好であることもわか
る。次に、実施例のセル３〜１０について、表１に示さ
れている触媒層のピーク気孔径に対するガス拡散層の
０．１μｍ以下のピーク気孔径の比率（気孔径比）を算
出し、この気孔径比と、表１に示されるセル電圧との関
係を調べた。

【００５１】図５は、実施例のセル３〜１０について、
気孔径比とセル電圧との関係をプロットしたものであ
る。図５より、気孔径比が０．５〜２．０の範囲内にあ
るセル３，４，６，７，８，１０は、気孔径比がこの範
囲外にあるセル５，９と比べて高いセル電圧を示してい
ることがわかる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、触媒層
及びガス拡散層が積層されてなる燃料電池用電極におい
て、ガス拡散層及び触媒層を、その気孔径分布が共に
０．１μｍ以下のピークを有するように、好ましくは
０．０３〜０．０５μｍの範囲にピークを有するように
調整することによって、触媒層及びガス拡散層共に、水
を移動させる作用が強くなり、触媒層及びガス拡散層の
界面付近にも水が滞留しにくくなる。

【００５３】また、ガス拡散層の気孔径分布のピーク
と、触媒層の気孔径分布とのピークとの組み合わせの中
に、気孔径の比率が０．５〜２の範囲内にあるものが含
まれていれば、触媒層とガス拡散層との界面における水
の移動がスムースとなるので、更に触媒層及びガス拡散
層の界面付近に水が滞留しにくくなる。このように燃料
電池用電極において、水の滞留を防止することによっ
て、燃料電池の発電電圧を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の構成を示す要部組立図
である。

【図２】図１に示すセルユニットの概略断面図である。

【図３】アノード及びカソードの内部構造を摸式的に示
す断面摸式図である。

【図４】実施例のセル６のガス拡散層についての気孔径
分布図である。

【図５】実施例のセルについて、気孔径比とセル電圧と
の関係をプロットした特性図である。

【符号の説明】

１固体高分子型燃料電池１０セル１１固体高分子膜２０アノード２１触媒層２２ガス拡散層２３界面３０カソード３１触媒層３２ガス拡散層３３界面４０，５０セパレータ板４１アノード側チャネル５１カソード側チャネル２１１気孔２２０カーボン繊維２２１カーボン粒子２２２気孔３１１気孔３２０カーボン繊維３２１カーボン粒子３２２気孔

───────────────────────────────────────────────────── 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 AA04 AA06 AA07 AS01 AS02 AS03 DD06 EE03 EE05 EE18 HH04 HH05 5H026 AA06 CC03 CC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】触媒層とガス拡散層とが積層されてなる
燃料電池用電極であって、前記ガス拡散層及び触媒層は共に、その気孔径分布が０．１μｍ以下の範囲にピークを有す
ることを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】前記ガス拡散層及び触媒層は共に、その気孔径分布が０．０３〜０．０５μｍの範囲にピー
クを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用
電極。
【請求項３】前記ガス拡散層の気孔径分布が０．１μ
ｍ以下の範囲に有するピークの気孔径と、前記触媒層の
気孔径分布が０．１μｍ以下の範囲に有するピークの気
孔径との比率の中に、０．５〜２の範囲内にあるものが
含まれていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池
用電極。
【請求項４】前記ガス拡散層は、多孔性カーボン基体中にカーボン粉末を充填した構造で
あることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の燃
料電池用電極。
【請求項５】電解質膜の一方の面にカソード触媒層、
他方の面にアノード触媒層が配されてなるセルを、前記
アノード触媒層に対向して燃料ガスが流通する燃料ガス
流路が形成された第１プレートと、前記カソード触媒層
に対向して酸化ガスが流通する酸化剤ガス流路が形成さ
れた第２プレートとで挟持した構成であって、前記アノード及びカソードの少なくとも一方に、請求項
１〜４の何れか記載の燃料電池用電極を用いたことを特
徴とする燃料電池。