JP2002075406A

JP2002075406A - 燃料電池セルユニットとその製造方法

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Publication number: JP2002075406A
Application number: JP2000261919A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Taniguchi; 俊輔谷口; Takamasa Matsubayashi; 孝昌松林; 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: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】プロトン伝導性ゲルを電解質に用いた燃料電
池において、良好な性能の電解質膜の形成を可能とする
ことによって、従来よりも優れた発電効率を有する燃料
電池とその製造方法を提供する。【解決手段】繊維材料などからなる多孔性シートにプ
ロトン伝導性材料を含む溶液を浸透させ、カーボン粉末
を充填してなるガス拡散層13、14側へ前記溶液の溶媒を
浸透揮発させることにより、多孔性シート中で電解質ゲ
ルを生成する。これにより電解質膜10を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロトン伝導性材
料を電解質に用いた燃料電池の改良技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、電解質をアノード触媒層と
カソード触媒層で挟み、これを2枚のガス拡散層間に配
したセル構成を持ち、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燃料ガス改質系（改質
器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）を用いて改質し、水素リ
ッチな改質ガスとしたものが用いられる。

【０００３】電解質には様々な種類が用いられている
が、このうち陽イオン交換樹脂からなる固体高分子膜を
電解質に用いた固体高分子型燃料電池は、乗物用、携帯
機器用、屋外用などの電源として広く適用されている。
ところで近年、燃料電池用の電解質として次のプロトン
伝導性を有するゲルが研究されている。このプロトン伝
導性ゲルは、例えば特開平8-249923号公報、特開平11-2
03936号公報に開示されているように、ゾルゲル法によ
り作製した酸化ケイ素とブレンステッド酸（主としてリ
ン酸）を主体とする化合物であって、これを電解質に用
いた燃料電池は固体高分子型燃料電池の作動温度（100
℃程度）よりも高い作動温度（150℃）で発電すること
ができる。したがって従来の固体高分子型燃料電池のよ
うに、燃料ガス改質系からの高温の改質ガスを、燃料電
池の作動温度（100℃温度）に合わせて大幅に冷却する
必要がなくなり、発電にかかる熱効率を飛躍的に改善す
ることができる。また固体高分子型燃料電池では、固体
高分子膜を十分に湿潤させないと内部抵抗が上昇して発
電効率が低下するが、上記プロトン伝導性ゲルは発電に
際して固体高分子膜よりも水分を必要とせず、固体高分
子型燃料電池より比較的高温下でも安定した発電が可能
である。

【０００４】このように上記プロトン伝導性ゲルを電解
質に用いると、固体高分子型燃料電池の抱えていた問題
の多くを改善できると考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このプ
ロトン伝導性ゲルを用いて良好に電解質（膜）を作製す
るには、いくらかの問題点がある。具体的には図6の電
解質ゲルの形成プロセス（a）〜（c）に示すように、従
来ではガラス板やテフロン板などの基板上にプロトン伝
導性材料を含む溶液（ゲル）を塗り（a）、ゾル中の縮
重合反応と溶媒の蒸発を同時進行させる（b）ことによ
り、電解質ゲル膜を得る（c）方法が知られている。し
かしこの方法では（b）→（c）のプロセスにおいて、溶
媒の揮発で生じるゾルの体積収縮が主としてゾル表面で
生じるため、電解質ゲルに不均一な張力が働き、ゲルの
クラック（亀裂）が多数発生しやすい。このようなクラ
ックが電解質ゲル膜に多くあると、燃料電池の稼働時に
クラックを通してアノードガスとカソードガスが直接混
合する量が増えるため、著しく発電効率を低下させる原
因になる。

【０００６】これに対して、特開平8-249923号公報、特
開平10-69817号公報、特開平11-203936号公報などで
は、有機材料を添加剤として用い、ゲルを増強する方法
が提案されているが、電解質膜として要求される10〜10
0μｍ程度の薄くかつ均一な膜厚を実現するのはいまだ
困難である。このような問題は、燃料電池の規模に合わ
せて比較的大きなサイズの電解質膜が必要とされる場合
には特に重要な問題となる。

【０００７】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、その目的はプロトン伝導性ゲルを電解質
に用いた燃料電池において、良好な性能の電解質膜の形
成を可能とすることによって、従来よりも優れた発電効
率を有する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、電解質膜の主面両側に、それぞれ触媒層
とガス拡散層をこの順に配したセル構造を有する燃料電
池セルユニットであって、前記電解質膜は、多孔性シー
トに、プロトン伝導性材料より生成するゲル粒子からな
る電解質ゲルが保持されてなり、前記触媒層またはガス
拡散層の少なくともいずれか一方が、前記ゲル粒子より
も小さい寸法の気孔を有するものとした。

【０００９】このように、触媒層またはガス拡散層の少
なくともいずれか一方を上記構成とすることによって、
電解質ゲル膜の生成時に用いるプロトン伝導性材料を含
む溶液（ゾル）の溶媒だけを、触媒層またはガス拡散層
に選択的に浸透揮発させるので、当該触媒層またはガス
拡散層中にゲル粒子が入り込んで層の気孔を埋めること
なく、多孔性シート中に電解質ゲルを生成できる。ま
た、電解質ゲル膜は、溶液中で浮遊せずに溶媒が浸透す
る触媒層またはガス拡散層上に堆積して生成するので、
クラックの少ない緻密なゲル構造が実現される。

【００１０】また多孔性シートに電解質ゲルを保持させ
ることにより、面積が大きい場合であってもクラックの
発生を回避して優れた強度の電解質膜を得ることができ
る。ここで前記プロトン伝導性材料としては、SiO₂、Al
₂O₃、TiO₂、V₂O₅、ZrO₂の中から選ばれた材料と、リン
酸、過塩素酸、ホウ酸、ケイ酸の中から選ばれた材料と
を用いることができる。

【００１１】また本発明は、電解質ゲルの作製方法とし
て、プロトン伝導性材料を含む溶液を多孔性基体上に展
開して電解質ゲルを反応生成するものとした。ここでい
う「多孔性基体」とは、プロトン伝導性材料を含む溶液
から生成するゲル粒子が通過できない微細な気孔を有す
る基体をさすものとする。この方法によれば、溶液中の
溶媒成分は溶液表面から揮発するだけでなく、前記多孔
質基体中にも浸透揮発する。したがって、溶媒の揮発に
伴い、溶液中で生成する電解質ゲルに作用する張力のバ
ランスが上下方向で保たれ、クラックの発生を従来より
少なく抑えることができる。

【００１２】また本発明は、燃料電池セルユニットの製
造方法として、触媒層とガス拡散層を積層する積層ステ
ップと、プロトン伝導性材料を含む溶液を前記触媒層上
に展開して電解質ゲル膜を生成する電解質ゲル膜生成ス
テップとを有し、前記積層ステップにおいて、触媒層と
ガス拡散層の少なくともいずれかに、前記プロトン伝導
性材料から生成するゲル粒子よりも小さい気孔を有する
材料を用い、前記電解質ゲル膜生成ステップにおいて、
電解質ゲル膜を生成したのち、当該電解質ゲル膜上に、
さらに触媒層とガス拡散層とをこの順に積層してセルユ
ニットを構成するものとした。

【００１３】これによって、上記電解質ゲルの製造方法
と同様の効果を得ることができる。さらに、前記多孔性
基体として触媒層とガス拡散層を用いるため、電解質ゲ
ルを生成した後に歩留まりよく燃料電池セルユニットを
製造することができる。また本発明は、別の燃料電池セ
ルユニットの製造方法として、多孔性シートを2枚の触
媒層の間に挟み、さらに各触媒層の外側にガス拡散層を
積層するとともに、前記多孔性シートにプロトン伝導性
材料を含む溶液を含浸させ、電解質ゲルを反応生成して
電解質膜を作製してセルユニットを構成するものとし
た。この際、基材にカーボン粉末を充填してなるガス拡
散層を用い、多孔性シートに含浸させたプロトン伝導性
材料を含む溶液の溶媒を前記ガス拡散層に浸透揮発させ
てもよい。

【００１４】

【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について説明する。 1-1.セルユニットの構成図1は実施の形態1の燃料電池（セルユニット1）の組立
図である。セルユニット1は、カソード側チャネルプレ
ート15とアノード側チャネルプレート16の間において、
電解質膜10の一方の面に、カソード触媒層11およびカソ
ード側ガス拡散層13、他方の面にアノード触媒層12およ
びアノード側ガス拡散層14を順次積層した構成を持つ。
このうち10〜14の構成は接合され、積層体2として一体
構成されている。

【００１５】アノード触媒層12とカソード触媒層11は、
触媒担持粒子（白金担持カーボン粒子）とＰＴＦＥを混
合したシート状成型体である。ガス拡散層13、14は、厚
み200μｍの基材（カーボンペーパー）に撥水性樹脂
（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（ＦＥＰ））を塗布して撥水処理し、これにカ
ーボン粉末を充填してなる。これによりガス拡散層13、
14は従来のカーボンペーパーに撥水処理を施しただけの
ものに比べて液体浸透性が高まっている。この構成は後
述するように、電解質膜作製時において、プロトン伝導
性材料の溶液の溶媒を浸透揮発させる目的による。ガス
拡散層13、14は集電体層とも称され、触媒層11、12とチ
ャネルプレート15、16との電流の流れを確保する。

【００１６】なお、カソードはカソード触媒層11とガス
拡散層13、アノードはアノード触媒層12とガス拡散層14
をそれぞれ積層してなる。アノード側チャネルプレート
16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
ド側ガス拡散層14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
166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165が形成されている。

【００１７】カソード側チャネルプレート15は、アノー
ド側チャネルプレート16とほぼ同様の部材であり、当図
からは見えないが、カソード側ガス拡散層13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）を流通させるチャネルが形成され
ている。

【００１８】電解質膜10は本実施の形態1の特徴部分で
あり、セラミックからなる多孔性シートにプロトン伝導
性ゲルが保持された構成を有する。プロトン伝導性ゲル
は、酸化ケイ素とブレンステッド酸（リン酸）を含んで
なり、ブレンステッド酸に保持された酸化ケイ素の末端
表面に水酸基（OH基）が高濃度で結合した化学構造とな
っている。

【００１９】多孔性シートは、セラミック繊維の不織布
からなるシート体である。不織布の間隙に前記プロトン
伝導性ゲルが保持されており、これによって物理的に伝
導性ゲルを保護し、製造工程におけるクラックの発生が
従来より抑制されている。なお、この電解質膜10の製造
方法については詳細を後述する。これら10〜16の構成要
素には、セルユニット1の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（ここでは131〜134、151
〜154、161〜163のみ図示）が設けてあり、このうち開
孔部161、131、151を含んでｚ方向に連なる開孔部によ
りアノード側チャネルプレート16のチャネル165にアノ
ードガスが供給され、開孔部163、133、153を含んでｚ
方向に連なる開孔部から排出される。また、開孔部13
4、154を含んでｚ方向に連なる開孔部によりカソード側
チャネルプレート15のチャネルにカソードガスが供給さ
れ、開孔部132、162、152を含んでｚ方向に連なる開孔
部により排出される。

【００２０】なおセルユニット1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。 1-2.燃料電池の動作このような燃料電池の稼働時には、当該燃料電池にアノ
ードガスとして水素ガス（水素リッチな改質ガス）、お
よびカソードガスとして空気を供給する。これにより、
アノードガスの水素はアノード付近においてプロトン
（Ｈ₂→2Ｈ⁺＋2ｅ ^-）となり、電解質膜のゲル中をカソ
ード触媒層11側へと移動する。一方、カソードガスの酸
素は電解質膜10中をカソード側へ移動してきたプロトン
と化合して水を生じる（2Ｈ⁺＋2ｅ^-＋1/2Ｏ₂→Ｈ
₂Ｏ）。このとき電解質膜10中ではわずかしか水が含ま
れていなくても、多孔性シートに保持されたプロトン伝
導性ゲルによって、酸化ケイ素やリン酸中に存在する水
酸基に含まれるプロトンが、ゲル中に微量に含まれる水
分子を介してホッピング運動を行うことにより伝導さ
れ、発電反応がなされる。前記電解質膜10中に含まれる
水酸基および微量な水分は、乾燥雰囲気、高温下でも脱
離しにくいので、プロトン伝導性を示すために多量の水
分を必要とする固体高分子膜（例えばデュポン社製ナフ
ィオン膜）と異なり、このような条件下でも燃料電池の
稼働が可能である。

【００２１】ここにおいて本実施の形態1では、電解質
膜の構成が多孔性シートに電解質ゲルが保持された構成
となっており、物理的強度が従来より安定している。こ
れにより、セルユニット1に衝撃が加わっても、良好な
発電反応が維持される。また電解質膜10は、従来より亀
裂（クラック）の発生が抑えられていることから、発電
反応中にアノードガスとカソードガスがクラックを通し
て直接混合反応を起こすなどの問題が軽減され、優れた
発電効率が発揮される。

【００２２】2.燃料電池の（積層体）の作製ここでは上記セルユニットの積層体の製造方法について
説明する。 2-1.ガス拡散層の作製本発明では、ガス拡散層にプロトン伝導性ゲル溶液の溶
媒を浸透揮発させる必要があるため、上記プロトン伝導
性材料の溶液から生じるゲル粒子が通過できない孔（10
〜100ｎｍ程度の微細孔）が存在するように形成する。

【００２３】まずカーボンペーパーにＦＥＰを16ｗｔ％
含浸した後、380℃で1時間加熱処理することにより撥水
処理する。そして、この両面からカーボン粉末（平均一
次粒子径が30ｍｍ程度）+ＰＴＦＥ（重量比60：40）の
混合ペーストを塗り込み、カーボンペーパーの内部まで
充填し、360℃で2時間熱処理する。このような方法によ
り、作製されるガス拡散層中には、10〜100ｎｍ程度の
微細な気孔が存在するようになる。

【００２４】なお、ガス拡散層の形成方法としては、こ
の他にも、カーボン粉末とＰＴＦＥ等のフッ素樹脂とを
重量比70：30程度で混合し、圧延により厚み100μｍ程
度にシート成形して形成することができる。 2-2.触媒層の作製触媒層（電極）は白金担持カーボン粉末とＰＴＦＥを重
量比70：30で混合し、厚み20μｍにシート成形して作製
する。

【００２５】2-3.プロトン伝導性材料の溶液の作製ここでは電解質膜の形成に用いるプロトン伝導性材料の
溶液を作製する例を示す。 1-a. ケイ酸エチルSi(OC₂H₅)₄ + リン酸トリメチルP
O(OCH₃)₃ + H₂O +エタノールC₂H₅OH + 塩酸HCl
を混合（加水分解）（モル比 1：0.04：1：1：0.002
7） 1-b. 上記溶液に水H₂O + エタノールC₂H₅OH + 塩
酸HCl（1-1.のケイ酸エチル1モルに対して4：1：0.01
1）を混合し1時間撹拌する。

【００２６】1-c. ホルムアミドHCONH₂（ゲル化抑制
剤）を、1-a.のケイ酸エチル1モルに対して12ｍｌ加え
たのち、さらに1時間撹拌する。以上で、プロトン伝導
性材料の溶液を作製することができる。なお、続いて次
の1-dのプロセスを経ることによりプロトン伝導性粉末
を得ることができる。 1-d. 1-cで得られた溶液を、室温、大気中で数日間乾
燥させる（この代わりに乾燥室を用いてもよい）。この
乾燥により得られた塊をメノウ乳鉢で粉砕すると、平均
粒径1μｍのプロトン伝導性粉末が得られる。

【００２７】2-4.セルユニットの作製次に、上記作製したプロトン伝導性材料の溶液を用いて
電解質膜およびセルユニットを作製する。まずガス拡散
層と電極触媒層をホットプレス（150℃、20kgf/cm²で10
sec）し、これらの接合体を2組分作製する。このとき、
一方の接合体の面積が他方の接合体の面積より大きくな
るように予めサイズを調整しておく。

【００２８】次に、前記作製した2つの接合体を触媒層
が対向するようにし、この間に電解質膜の骨格となる厚
み50μｍの多孔性シートを介挿する。この多孔性シート
は、10〜100μｍの厚みの範囲のものであればよい。当
該多孔性シートの面積は、大きい方の接合体のサイズに
合わせる。そして図2の部分断面図のように、多孔性シ
ートの端部が外部に露出するように組み合わせる。

【００２９】なお多孔性シートは、ガラス、セラミッ
ク、樹脂から選ばれた電子伝導性を持たない材料を用い
ることができる。より望ましくは、電解質ゲルと同様に
プロトン伝導性材料（例えばリン酸を含む酸化ケイ素の
化合物）などを用いるとよい。このような状態で2つの
接合体と多孔性シートを位置させたのち、次に示すゾル
ゲル法により電解質ゲル膜を作製する。すなわち、まず
図2の断面図のように、前記1-cで作製したプロトン伝導
性材料の溶液（ゾル）を多孔性シートに浸透させる。そ
して多孔性シートから溶媒を浸透揮発させる。このよう
にしてガス拡散層を通した溶媒の浸透・揮発を行う。

【００３０】以上のようにゾルゲル法では、まず溶液中
において、酸化ケイ素とリン酸の各アルコキシドが縮重
合反してゲルが生成する。ゾルゲル法を用いると、生成
するプロトン伝導性ゲルの固体中に微細孔（数ｎｍオー
ダー）が多数形成される。当該微細孔表面には水酸基が
結合しており、これによって良好なプロトン伝導性が呈
される。

【００３１】ここで図3は、多孔性シートで電解質ゲル
膜が生成する様子を示す基板断面図である。当図に示す
ように、ゾルの溶媒は毛細管現象により触媒層からガス
拡散層へと浸透する。特にガス拡散層へは、当該ガス拡
散層にカーボン粉末が充填されていることで、溶媒の浸
透がスムーズになっている。このような溶媒の浸透にと
もない、多孔性シートの主面両側におけるゾルと触媒層
の界面付近で、縮重合反応が進行し、電解質ゲル膜が成
長する。電解質ゲル膜がいまだ形成されていない部分に
は、溶媒が選択的に透過することによりゲル粒子が堆積
する。

【００３２】このように、本発明では従来と異なり、溶
媒の浸透と揮発がゾルと基板の周辺（当図では上下方向
から）均一に行われるので、ゾルの体積収縮による張力
も均一にゲルにかかり、クラックの発生が少ない緻密な
構造の電解質ゲル膜が得られる。なお、このときガス拡
散層中の気孔サイズが10〜100ｎｍと非常に小さいた
め、ゲル粒子は当該層中には浸透せずに多孔性シート中
に残る。これにより、ガス拡散層のガス拡散性がゲルの
粒子によって損なわれることなく、良好に電解質ゲル膜
が生成される。

【００３３】このようにゲル粒子を生成し、所定時間を
おいて室温、空気中で乾燥させると、積層体が形成され
る。以上の本発明の電解質ゲルの製造方法によれば、大
面積でかつ薄く均一な膜厚の電解質膜を形成できるばか
りか、従来のように生成した壊れやすいゲル膜を基板か
ら外す必要がなく、そのまま積層体を形成できるので、
歩留まりよく製造することができる。

【００３４】2-5.電解質ゲル膜の作製方法のバリエーシ
ョン電解質膜の多孔性シートは本発明に必須の構成ではな
く、例えば図4（a）、（b）に示すように、多孔性基板
（ここでいう「多孔性基板」は上記多孔性シートより細
かい10〜100ｎｍ程度の気孔を有するものである）にプ
ロトン伝導性材料を含むゾルを展開し（a）、（a）ゾル
の上下から溶媒を均一に揮発させるようにしても、従来
よりクラックの少ない電解質ゲルの膜を得ることができ
る。このゲル膜を基板からはずし、電解質膜として用い
ても、本発明の効果（従来より良好な発電効率）が得ら
れる。ただし、この場合は多孔性シートを用いる場合に
比べて比較的ゲルが壊れやすいので、例えば上記多孔性
基板の代わりにカーボン粉末を充填したガス拡散層と触
媒層の積層体を用い、当該触媒層の上で電解質ゲルを形
成すれば、基板から電解質ゲルを外す手間がなくなって
望ましい。また、電解質ゲル、ガス拡散層、触媒層の積
層体を2つ用意し、電解質ゲルを対向させて貼り合わせ
ることによりセルユニットを作製すると、歩留まりよく
セルユニットを形成することができる。

【００３５】3.実施例次に、上記製造方法に基づいて複数の実施例のセルユニ
ットを作製した。一例として、有効発電面積は5cm×5cm
＝25cm²に設定した。 3-1.実施例の作製（本発明電池Ａ）：実施の形態1と同様のセルユニット
であり、上記2-1〜2-4の方法により作製した。多孔性シ
ートはプロトン伝導性材料であるリン酸を含むシリカゲ
ル（前記2-3における1-dの工程で作製した材料）を用い
た。

【００３６】（本発明電池Ｂ）：多孔性シートとして厚
み50μｍのシリカ-アルミナ系セラミック繊維を用いた
以外は、本発明電池Ａと同様の方法で作製した。（比較例電池Ｘ）：まず従来型のガス拡散層を、市販の
カーボンペーパーにＦＥＰを16ｗｔ％含浸したのち、38
0℃で1時間熱処理することにより撥水処理して得た。次
に図6に示した従来方法に基づき、溶媒浸透性のない基
板（テフロンシート）上に、プロトン伝導性材料を含む
ゾルを塗布し、ゲル化させた。得られた電解質ゲル膜
に、触媒層とガス拡散層をホットプレス（150℃、50kgf
/cm²、2ｍｉｎ）して接合した。

【００３７】（比較例電池Ｙ）：上記比較例電池Ｘと同
様の従来型ガス拡散層を用いる以外は、本発明電池Ａと
同様の方法により作製した。 3-2.実施例の性能評価実験上記作製した各電池Ａ、Ｂ、Ｘ、Ｙの性能評価実験を以
下の条件で行った。＜セル試験条件、それぞれセルユニットで試験＞燃料：水素ガス（無加湿）酸化剤：空気（無加湿）作動温度：150℃ この実験結果を図5のグラフにまとめた。

【００３８】3-3.セル試験結果図5に示す通り、本発明電池のＡ、Ｂはともに比較例電
池Ｘ、Ｙよりも良好な発電特性を示した。これは溶媒浸
透性を有する多孔性シートに電解質ゲルを保持させるこ
とによって作製した本発明の電解質膜が、従来のものよ
りも良好な発電反応が可能になったことを示している。

【００３９】本発明電池において、Ａの性能が特に優れ
ているのは、Ａではプロトン伝導性材料のリン酸を含む
シリカゲルからなる多孔性シートを用いたため、これに
よってプロトン伝導性が良好に維持されたためと考えら
れる。一方、比較例電池Ｘのセル電圧が低い理由は、電
解質ゲル膜に多数の亀裂（クラック）が生じており、電
池の稼働中にクラックを通してカソードガス、アノード
ガスが直接混合してしまい、発電効率が低下したためと
考えられる。

【００４０】また比較例電池Ｙのセル電圧が低い理由
は、電解質膜生成時にカーボン粉末を充填していないガ
ス拡散層を用いたため、当該層中の気孔のサイズが大き
すぎ、電解質ゲル生成中に、ガス拡散層の気孔にゲル粒
子が入り込んで生成してしまい、ガス拡散性が損なわれ
たためであると考えられる。 4.実施の形態2 実施の形態1および実施例では、ガス拡散層にプロトン
伝導性材料の溶媒を浸透揮発させて電解質ゲルを作製す
る例を示した。しかしながら本発明はこれに限定せず、
前記溶媒の浸透揮発を触媒層で行う構成としてもよい。

【００４１】具体的には前記図3の断面図において、触
媒層11、12を10〜100ｎｍ程度の径の微細な気孔が存在
するように形成する。これは触媒層の厚みを50μｍ程度
に厚く形成することで形成できる。通常は、触媒層には
数μｍ〜数十μｍ程度の孔が存在しており、このような
孔のサイズではゲル粒子が通過してしまうが、この孔を
10〜100ｎｍ程度の径まで小さくすることによって、プ
ロトン伝導性材料の溶媒だけを浸透させ、これを揮発さ
せて電解質ゲルを作製することができるようになる。こ
れにより本実施の形態2においても、実施の形態1のガス
拡散層13、14と同様の効果が奏される。

【００４２】5.その他の事項実施の形態では、プロトン伝導性材料として、リン酸を
含む酸化ケイ素の化合物を用いる例を示したが、本発明
ではこれ以外にも酸化ケイ素を主とし、リン酸、過塩素
酸、ホウ酸、ケイ酸等のプロトン供与体として作用する
化合物を用いてもよい。

【００４３】また酸化ケイ素以外にも、アルミナAl
₂O₃、酸化チタンTiO₂、五酸化バナジウムV₂O₅、酸化ジ
ルコニウムZrO₂などのプロトン伝導性を示す化合物を用
いてもよい。さらに、実施の形態1では、ガス拡散層に
カーボン粉末を充填することによって、微細な気孔を存
在させるようにした例を示したが、カーボン粉末の代わ
りに金属、ガラス、セラミックスなどの微粉末を用いて
も同様の効果が得られるので望ましい。しかしながら、
カーボン粉末は電子伝導性、耐腐食性および粒子径の設
定のしやすさなどの観点から最も望ましいと思われる。

【００４４】

【発明の効果】以上のことから明らかなように、本発明
は電解質膜の主面両側に、それぞれ触媒層とガス拡散層
をこの順に配したセル構造を有する燃料電池セルユニッ
トであって、前記電解質膜は、多孔性シートに、プロト
ン伝導性材料より生成するゲル粒子からなる電解質ゲル
が保持されてなり、前記触媒層またはガス拡散層の少な
くともいずれか一方が、前記ゲル粒子よりも小さい寸法
の気孔を有するものであるため、多孔性シートに電解質
ゲルを保持させることで面積が大きい場合であってもク
ラックの発生を回避して優れた強度を得ることができ
る。

【００４５】また、触媒層またはガス拡散層を上記構成
とすることによって、電解質ゲル膜の生成時に用いるプ
ロトン伝導性溶媒を含む溶液（ゾル）の溶媒だけを、触
媒層またはガス拡散層中に選択的に浸透揮発させ、当該
触媒層またはガス拡散層中にゲル粒子が入り込んでガス
拡散性が損なわれるのを回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】燃料電池のセルユニットの構成を示す斜視図で
ある。

【図2】製造工程における電解質膜周辺の部分断面図で
ある。

【図3】多孔性シートを用いて電解質ゲルを生成する様
子を示す基板の部分断面図である。

【図4】多孔性基板を用いて電解質ゲルを生成するプロ
セスを示す基板の部分断面図である。

【図5】作製した各燃料電池セルユニットの性能を示す
グラフである。

【図6】浸透性のない基板を用いて電解質ゲルを生成す
るプロセスを示す基板の部分断面図である。

【符号の説明】

1 燃料電池セルユニット 2 積層体 10 電解質膜 11 カソード触媒層 12 アノード触媒層 13、14 ガス拡散層 15、16 チャネルプレート 131〜134、151〜154、161〜163 開孔部 165 チャネル 166 リブ

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 BB03 BB04 CC03 CX05 EE12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜の主面両側に、それぞれ触媒層
とガス拡散層をこの順に配したセル構造を有する燃料電
池セルユニットであって、前記電解質膜は、多孔性シートに、プロトン伝導性材料
より生成するゲル粒子からなる電解質ゲルが保持されて
なり、前記触媒層またはガス拡散層の少なくともいずれ
か一方が、前記ゲル粒子よりも小さい寸法の気孔を有す
ることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セルユニッ
ト。
【請求項2】前記プロトン伝導性材料は、SiO₂、Al
₂O₃、TiO₂、V₂O₅、ZrO₂の中から選ばれた材料と、リン
酸、過塩素酸、ホウ酸、ケイ酸の中から選ばれた材料と
を含んでなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電
池セルユニット。
【請求項3】前記多孔性シートは、電解質ゲルよりも
強度の高いプロトン伝導性材料からなることを特徴とす
る請求項1または2に記載の燃料電池。
【請求項4】プロトン伝導性材料を含む溶液を多孔性
基体上に展開して電解質ゲル膜を生成することを特徴と
する燃料電池用の電解質ゲルの製造方法。
【請求項5】前記多孔性基体は、前記プロトン伝導性
材料を含む溶液から生成するゲル粒子よりも小さい寸法
の気孔を有することを特徴とする請求項4に記載の電解
質ゲルの製造方法。
【請求項6】触媒層とガス拡散層を積層する積層ステ
ップと、プロトン伝導性材料を含む溶液を前記触媒層上
に展開して電解質ゲル膜を生成する電解質ゲル膜生成ス
テップとを有し、前記積層ステップにおいて、触媒層とガス拡散層の少な
くともいずれかに、前記プロトン伝導性材料から生成す
るゲル粒子よりも小さい気孔を有する材料を用い、前記電解質ゲル膜生成ステップにおいて、電解質ゲル膜
を生成したのち、当該電解質ゲル膜上に、さらに触媒層
とガス拡散層とをこの順に積層してセルユニットを構成
することを特徴とする燃料電池セルユニットの製造方
法。
【請求項7】多孔性シートを2枚の触媒層の間に挟み、
さらに各触媒層の外側にガス拡散層を積層するととも
に、前記多孔性シートにプロトン伝導性材料を含む溶液を含
浸させ、電解質ゲルを前記多孔性シートに保持させるよ
うに生成してセルユニットを構成することを特徴とする
燃料電池セルユニットの製造方法。
【請求項8】前記ガス拡散層と前記触媒層の少なくと
も一方は、前記プロトン伝導性材料を含む溶液から生成
するゲル粒子よりも小さい寸法の気孔を有することを特
徴とする請求項7に記載の燃料電池セルユニットの製造
方法。
【請求項9】基材にカーボン粉末を充填してなるガス
拡散層を用い、多孔性シートに含浸させたプロトン伝導
性材料を含む溶液の溶媒を前記ガス拡散層に浸透揮発さ
せることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池セルユ
ニットの製造方法。
【請求項10】前記プロトン伝導性材料は、SiO₂、Al₂O
₃、TiO₂、V₂O₅、ZrO₂の中から選ばれた材料と、リン
酸、過塩素酸、ホウ酸、ケイ酸の中から選ばれた材料と
を含んでなることを特徴とする請求項6または7に記載の
燃料電池セルユニットの製造方法。