JP2002319411A - ガス拡散電極およびこれを用いた燃料電池 - Google Patents
ガス拡散電極およびこれを用いた燃料電池Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高分子電解質型燃料電池は、膜電極接合体の
全面に渡り、均一に水分管理ができないため、長期に渡
り安定な電圧を維持することが困難であった。 【解決手段】 炭素繊維で構成される多孔性材料５１の
上部に導電性粒子と高分子材料５１３で構成される導電
性高分子層５２を形成し、その表面に、白金を担持した
カーボン粒子で構成される触媒層５３を配置しガス拡散
電極５４を構成する。導電性高分子層５２は粒径の異な
る導電性粒子５１１、５１２が混合されており、粒径の
小さい導電性粒子５１１の混合量をガス拡散電極５４の
一端から他端に向かって少なくする。
全面に渡り、均一に水分管理ができないため、長期に渡
り安定な電圧を維持することが困難であった。 【解決手段】 炭素繊維で構成される多孔性材料５１の
上部に導電性粒子と高分子材料５１３で構成される導電
性高分子層５２を形成し、その表面に、白金を担持した
カーボン粒子で構成される触媒層５３を配置しガス拡散
電極５４を構成する。導電性高分子層５２は粒径の異な
る導電性粒子５１１、５１２が混合されており、粒径の
小さい導電性粒子５１１の混合量をガス拡散電極５４の
一端から他端に向かって少なくする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、民生用コジェネレ
ーションシステムおよび自動車などの移動体用発電器と
して有用な燃料電池とこれに用いる電極に関する。
ーションシステムおよび自動車などの移動体用発電器と
して有用な燃料電池とこれに用いる電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、供給された
水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを、白金な
どの触媒上で電気化学的に反応させ、電気および熱を同
時に発生させる。ここで、一般的に、燃料ガスが供給さ
れる電極をアノード電極といい、酸化剤ガスが供給され
る電極をカソード電極という。このような従来の高分子
電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略断面図を図
１に示す。図１において、水素イオンを選択的に輸送す
る水素イオン伝導性高分子電解質膜１１の両面には、白
金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする
触媒層１２が密着して配置されている。さらに、触媒層
１２の外側の面には、気孔を有する多孔性材料で構成さ
れる一対のガス拡散層１３が密着して配置されている。
このガス拡散層１３と触媒層１２によりガス拡散電極１
４が構成される。
水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを、白金な
どの触媒上で電気化学的に反応させ、電気および熱を同
時に発生させる。ここで、一般的に、燃料ガスが供給さ
れる電極をアノード電極といい、酸化剤ガスが供給され
る電極をカソード電極という。このような従来の高分子
電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略断面図を図
１に示す。図１において、水素イオンを選択的に輸送す
る水素イオン伝導性高分子電解質膜１１の両面には、白
金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする
触媒層１２が密着して配置されている。さらに、触媒層
１２の外側の面には、気孔を有する多孔性材料で構成さ
れる一対のガス拡散層１３が密着して配置されている。
このガス拡散層１３と触媒層１２によりガス拡散電極１
４が構成される。
【０００３】ガス拡散電極１４の外側には、ガス拡散電
極１４と水素イオン伝導性高分子電解質膜１１とで形成
した電解質膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともい
う。）１５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥ
Ａ同士を互いに電気的に直列に接続するセパレータ板１
７が配置されている。このセパレータ板１７は、ガス拡
散電極１３に反応ガスである燃料ガスまたは酸化剤ガス
を供給し、かつ反応により発生した水や余剰のガスを運
び去るためのガス流路１６を一方の面に有する。このガ
ス流路１６はセパレータ板１７に別途部材を貼り付けた
りすることによって設けることもできるが、一般的には
切削加工などによってセパレータ板の表面に溝を設けて
ガス流路を形成する。運転時の燃料電池のカソード電極
においては、反応活物質である酸素または空気などの酸
化剤ガスが、ガス拡散層を経てガス流路から触媒層へと
拡散する。また、反応によって生成されて触媒層からガ
ス拡散層へと浸透してきた過剰な水分は、余剰ガスとと
もにガス拡散層の気孔から電池外部へと排出される。
極１４と水素イオン伝導性高分子電解質膜１１とで形成
した電解質膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともい
う。）１５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥ
Ａ同士を互いに電気的に直列に接続するセパレータ板１
７が配置されている。このセパレータ板１７は、ガス拡
散電極１３に反応ガスである燃料ガスまたは酸化剤ガス
を供給し、かつ反応により発生した水や余剰のガスを運
び去るためのガス流路１６を一方の面に有する。このガ
ス流路１６はセパレータ板１７に別途部材を貼り付けた
りすることによって設けることもできるが、一般的には
切削加工などによってセパレータ板の表面に溝を設けて
ガス流路を形成する。運転時の燃料電池のカソード電極
においては、反応活物質である酸素または空気などの酸
化剤ガスが、ガス拡散層を経てガス流路から触媒層へと
拡散する。また、反応によって生成されて触媒層からガ
ス拡散層へと浸透してきた過剰な水分は、余剰ガスとと
もにガス拡散層の気孔から電池外部へと排出される。
【０００４】以上のような高分子電解質型燃料電池で
は、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１が含水率の増
加に伴ってイオン伝導度が高くなるという物性を有して
いるため、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１を湿潤
状態に保つことが必要である。このために、一般的に
は、あらかじめ反応ガスが所定の湿度を有するように加
湿しておき、反応ガスの供給と同時に水素イオン伝導性
高分子電解質膜１１の保湿性を確保するという方法が採
られている。そして、電極反応の結果生成された水は、
セパレータ板のガス流路を流れる反応ガスとともにガス
流路の入口側から出口側へと流され、最終的には燃料電
池の外部に排出される。したがって、燃料電池内におけ
る反応ガスに含まれる水の量は、ガス流路内の反応ガス
の流れ方向における位置によって異なり、ガス流路の入
口側の反応ガスに比べて、出口側の反応ガスは反応生成
水に相当する量だけ多くの水分を含んでいることにな
り、湿度が高い。
は、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１が含水率の増
加に伴ってイオン伝導度が高くなるという物性を有して
いるため、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１を湿潤
状態に保つことが必要である。このために、一般的に
は、あらかじめ反応ガスが所定の湿度を有するように加
湿しておき、反応ガスの供給と同時に水素イオン伝導性
高分子電解質膜１１の保湿性を確保するという方法が採
られている。そして、電極反応の結果生成された水は、
セパレータ板のガス流路を流れる反応ガスとともにガス
流路の入口側から出口側へと流され、最終的には燃料電
池の外部に排出される。したがって、燃料電池内におけ
る反応ガスに含まれる水の量は、ガス流路内の反応ガス
の流れ方向における位置によって異なり、ガス流路の入
口側の反応ガスに比べて、出口側の反応ガスは反応生成
水に相当する量だけ多くの水分を含んでいることにな
り、湿度が高い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このため、ガス流路の
出口側付近では、ガス拡散層から水分を排出させる機能
が低下し、極端な場合には、ガス拡散層の気孔が余剰の
水分で閉塞されることによって反応ガスの拡散性が阻害
され、電池電圧が極端に低下するという問題が発生して
いた（フラッディング現象）。また、反対に、出口側で
のフラッディングの発生を抑制するために、あらかじめ
湿度を低下させた反応ガスを入口側から供給すると、入
口側付近では水素イオン伝導性高分子電解質膜の含水率
が低下することによって水素イオンの伝導抵抗が増大
し、電池電圧の低下が起こるという問題が発生してい
た。これらの傾向は、電極面積が大きいほど顕著であ
り、また、セパレータ板のガス流路が長いほど顕著であ
った。そこで、本発明は、上述のような従来技術の問題
点に鑑み、ＭＥＡの全面にわたる均一な水分管理が可能
なガス拡散電極、および長期にわたって安定的に作動し
得る燃料電池を実現することを目的とする。
出口側付近では、ガス拡散層から水分を排出させる機能
が低下し、極端な場合には、ガス拡散層の気孔が余剰の
水分で閉塞されることによって反応ガスの拡散性が阻害
され、電池電圧が極端に低下するという問題が発生して
いた（フラッディング現象）。また、反対に、出口側で
のフラッディングの発生を抑制するために、あらかじめ
湿度を低下させた反応ガスを入口側から供給すると、入
口側付近では水素イオン伝導性高分子電解質膜の含水率
が低下することによって水素イオンの伝導抵抗が増大
し、電池電圧の低下が起こるという問題が発生してい
た。これらの傾向は、電極面積が大きいほど顕著であ
り、また、セパレータ板のガス流路が長いほど顕著であ
った。そこで、本発明は、上述のような従来技術の問題
点に鑑み、ＭＥＡの全面にわたる均一な水分管理が可能
なガス拡散電極、および長期にわたって安定的に作動し
得る燃料電池を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、高分子電解質
型燃料電池の分野において、ＭＥＡの全面にわたる均一
な水分管理が可能なガス拡散電極、および長期にわたっ
て安定的に作動し得る高分子電解質型燃料電池を提供す
るという課題を解決するものである。まず、本発明は、
多孔性材料からなるガス拡散層および前記ガス拡散層の
上部に設けられた触媒層からなるガス拡散電極であっ
て、前記ガス拡散層の前記触媒層側の面において、気孔
の面積（例えば、ガス拡散層の単位面積当たりの気孔の
面積の和、またはガス拡散層の単位面積当たりに存在す
る気孔の面積の平均値などで表すことができる。）が前
記ガス拡散電極の一端Ｒ1から他端Ｌ1に向かって大きく
なっていることを特徴とするガス拡散電極に関する。前
記多孔性材料は炭素繊維からなるカーボンペーパである
のが有効である。
型燃料電池の分野において、ＭＥＡの全面にわたる均一
な水分管理が可能なガス拡散電極、および長期にわたっ
て安定的に作動し得る高分子電解質型燃料電池を提供す
るという課題を解決するものである。まず、本発明は、
多孔性材料からなるガス拡散層および前記ガス拡散層の
上部に設けられた触媒層からなるガス拡散電極であっ
て、前記ガス拡散層の前記触媒層側の面において、気孔
の面積（例えば、ガス拡散層の単位面積当たりの気孔の
面積の和、またはガス拡散層の単位面積当たりに存在す
る気孔の面積の平均値などで表すことができる。）が前
記ガス拡散電極の一端Ｒ1から他端Ｌ1に向かって大きく
なっていることを特徴とするガス拡散電極に関する。前
記多孔性材料は炭素繊維からなるカーボンペーパである
のが有効である。
【０００７】つぎに、本発明は、多孔性材料からなるガ
ス拡散層および前記ガス拡散層の上部に設けられた触媒
層からなるガス拡散電極であって、前記ガス拡散層の気
孔に導電性粒子を含有する高分子材料が含まれ、前記気
孔に含まれる高分子材料の量が前記ガス拡散電極の一端
Ｒ2から他端Ｌ2に向かって少なくなっていることを特徴
とするガス拡散電極に関する。このガス拡散電極におい
て、前記導電性粒子がカーボンからなる粒子であるのが
有効である。また、前記多孔性材料が炭素繊維からなる
カーボンペーパであるのが有効である。また、前記高分
子材料がフッ素系樹脂であるのが有効である。
ス拡散層および前記ガス拡散層の上部に設けられた触媒
層からなるガス拡散電極であって、前記ガス拡散層の気
孔に導電性粒子を含有する高分子材料が含まれ、前記気
孔に含まれる高分子材料の量が前記ガス拡散電極の一端
Ｒ2から他端Ｌ2に向かって少なくなっていることを特徴
とするガス拡散電極に関する。このガス拡散電極におい
て、前記導電性粒子がカーボンからなる粒子であるのが
有効である。また、前記多孔性材料が炭素繊維からなる
カーボンペーパであるのが有効である。また、前記高分
子材料がフッ素系樹脂であるのが有効である。
【０００８】さらに本発明は、多孔性材料と前記多孔性
材料の上部に設けられた少なくとも導電性粒子および高
分子材料で構成された導電性高分子層とからなるガス拡
散層、ならびに前記導電性高分子層の上部に設けられた
触媒層からなるガス拡散電極であって、前記導電性高分
子層の厚みが前記ガス拡散電極の一端Ｒ3から他端Ｌ3に
向かって薄くなっていることを特徴とするガス拡散電極
にも関する。このガス拡散電極においても、前記導電性
粒子がカーボンからなる粒子であるのが有効である。ま
た、前記多孔性材料が炭素繊維からなるカーボンペーパ
であるのが有効である。また、前記高分子材料がフッ素
系樹脂であるのが有効である。
材料の上部に設けられた少なくとも導電性粒子および高
分子材料で構成された導電性高分子層とからなるガス拡
散層、ならびに前記導電性高分子層の上部に設けられた
触媒層からなるガス拡散電極であって、前記導電性高分
子層の厚みが前記ガス拡散電極の一端Ｒ3から他端Ｌ3に
向かって薄くなっていることを特徴とするガス拡散電極
にも関する。このガス拡散電極においても、前記導電性
粒子がカーボンからなる粒子であるのが有効である。ま
た、前記多孔性材料が炭素繊維からなるカーボンペーパ
であるのが有効である。また、前記高分子材料がフッ素
系樹脂であるのが有効である。
【０００９】さらにまた、本発明は、多孔性材料と前記
多孔性材料の上部に設けられた粒径の異なる２種の導電
性粒子および高分子材料で構成された導電性高分子層と
からなるガス拡散層、ならびに前記導電性高分子層の上
部に設けられた触媒層からなるガス拡散電極であって、
粒径の小さい導電性粒子の含有率が前記ガス拡散電極の
一端Ｒ4から他端Ｌ4に向かって小さくなっていることを
特徴とするガス拡散電極に関する。この場合も、前記導
電性粒子がカーボンからなる粒子であるのが有効であ
る。また、前記多孔性材料が炭素繊維からなるカーボン
ペーパであるのが有効である。また、前記高分子材料が
フッ素系樹脂であるのが有効である。
多孔性材料の上部に設けられた粒径の異なる２種の導電
性粒子および高分子材料で構成された導電性高分子層と
からなるガス拡散層、ならびに前記導電性高分子層の上
部に設けられた触媒層からなるガス拡散電極であって、
粒径の小さい導電性粒子の含有率が前記ガス拡散電極の
一端Ｒ4から他端Ｌ4に向かって小さくなっていることを
特徴とするガス拡散電極に関する。この場合も、前記導
電性粒子がカーボンからなる粒子であるのが有効であ
る。また、前記多孔性材料が炭素繊維からなるカーボン
ペーパであるのが有効である。また、前記高分子材料が
フッ素系樹脂であるのが有効である。
【００１０】さらに、本発明は、水素イオン伝導性高分
子電解質膜と、多孔性材料からなるガス拡散層および前
記ガス拡散層の上部に設けられた触媒層からなりかつ前
記触媒層が前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に面す
るように前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一
対のガス拡散電極ＡおよびＢと、前記電極Ａの外側に位
置して前記電極Ａに酸化剤ガスを供給・分配するガス流
路を有するセパレータ板Ａおよび前記電極Ｂに燃料ガス
を供給・分配するガス流路を有するセパレータ板Ｂとか
らなる単電池を積層してなる燃料電池であって、前記電
極Ａが上記ガス拡散電極からなり、前記ガス拡散電極の
一端Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3またはＲ4がセパレータＡのガス流路
の入口側に位置し、他端Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3またはＬ4が出口
側に位置することを特徴とする燃料電池にも関する。
子電解質膜と、多孔性材料からなるガス拡散層および前
記ガス拡散層の上部に設けられた触媒層からなりかつ前
記触媒層が前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に面す
るように前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一
対のガス拡散電極ＡおよびＢと、前記電極Ａの外側に位
置して前記電極Ａに酸化剤ガスを供給・分配するガス流
路を有するセパレータ板Ａおよび前記電極Ｂに燃料ガス
を供給・分配するガス流路を有するセパレータ板Ｂとか
らなる単電池を積層してなる燃料電池であって、前記電
極Ａが上記ガス拡散電極からなり、前記ガス拡散電極の
一端Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3またはＲ4がセパレータＡのガス流路
の入口側に位置し、他端Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3またはＬ4が出口
側に位置することを特徴とする燃料電池にも関する。
【００１１】
【発明の実施の形態】実施の形態１ 本発明の実施の形態１に係るガス拡散電極は、多孔性材
料からなるガス拡散層とその上部に触媒層を有するガス
拡散電極であって、ガス拡散層の気孔の面積がガス拡散
電極の一端Ｒ1から他端Ｌ1に向かって大きくなっている
ことを特徴とする。この構成にすることによって、ＭＥ
Ａ全面にわたって均一な水分管理ができる。なぜなら、
ガス拡散層の透水量は気孔の面積に依存し、その面積が
小さいほど透水量は少なく、反対にその面積が大きいほ
ど透水量は多くなることから、本発明のガス拡散電極を
用いてＭＥＡを構成した場合、気孔の面積を制御するこ
とによってＭＥＡ面内での透水量を制御することが可能
だからである。
料からなるガス拡散層とその上部に触媒層を有するガス
拡散電極であって、ガス拡散層の気孔の面積がガス拡散
電極の一端Ｒ1から他端Ｌ1に向かって大きくなっている
ことを特徴とする。この構成にすることによって、ＭＥ
Ａ全面にわたって均一な水分管理ができる。なぜなら、
ガス拡散層の透水量は気孔の面積に依存し、その面積が
小さいほど透水量は少なく、反対にその面積が大きいほ
ど透水量は多くなることから、本発明のガス拡散電極を
用いてＭＥＡを構成した場合、気孔の面積を制御するこ
とによってＭＥＡ面内での透水量を制御することが可能
だからである。
【００１２】ここで、図２は、本発明の実施の形態１に
係るガス拡散電極２４ａを概念的に示した概略斜視図で
ある。図２に示すように、ガス拡散電極２４ａは、炭素
繊維２１で構成される多孔性材料からなるガス拡散層２
２の片側の表面に、白金を担持したカーボン粒子で構成
される触媒層２３を配置することによって形成されてい
る。炭素繊維２１は気孔２１１を形成しており、図２中
の矢印で示すように、気孔２１１の面積がガス拡散電極
２４ａの一端（Ｒ1側の端部）から他端（Ｌ1側の端部）
に向かって大きくなっている。一方、図３は、従来から
のガス拡散電極２４ｂの構成を示す概略斜視図である。
基本的な構成は電極２４ａと同じであるが、Ｒ1側およ
びＬ1側において区別なく、気孔２１１の面積はガス拡
散電極の面内でほぼ均一になっている。
係るガス拡散電極２４ａを概念的に示した概略斜視図で
ある。図２に示すように、ガス拡散電極２４ａは、炭素
繊維２１で構成される多孔性材料からなるガス拡散層２
２の片側の表面に、白金を担持したカーボン粒子で構成
される触媒層２３を配置することによって形成されてい
る。炭素繊維２１は気孔２１１を形成しており、図２中
の矢印で示すように、気孔２１１の面積がガス拡散電極
２４ａの一端（Ｒ1側の端部）から他端（Ｌ1側の端部）
に向かって大きくなっている。一方、図３は、従来から
のガス拡散電極２４ｂの構成を示す概略斜視図である。
基本的な構成は電極２４ａと同じであるが、Ｒ1側およ
びＬ1側において区別なく、気孔２１１の面積はガス拡
散電極の面内でほぼ均一になっている。
【００１３】また、図４は、図２および３に示すガス拡
散電極を用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単電
池の構成を示す概略断面図である。水素イオン伝導性高
分子電解質膜２５の一方の面にはガス拡散電極２４ａ
を、他方の面にはガス拡散電極２４ｂを、それぞれ触媒
層２３側を水素イオン伝導性高分子電解質膜２５側に向
けて、密着して配置する。さらに、その外側には、ガス
流路２６を一方の面に形成したセパレータ板２７を配置
し、そのガス流路２６から、ガス拡散電極２４ａ側には
酸化剤ガスとして空気を通流させ、また、ガス拡散電極
２４ｂ側には燃料ガスとして水素を通流させる。
散電極を用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単電
池の構成を示す概略断面図である。水素イオン伝導性高
分子電解質膜２５の一方の面にはガス拡散電極２４ａ
を、他方の面にはガス拡散電極２４ｂを、それぞれ触媒
層２３側を水素イオン伝導性高分子電解質膜２５側に向
けて、密着して配置する。さらに、その外側には、ガス
流路２６を一方の面に形成したセパレータ板２７を配置
し、そのガス流路２６から、ガス拡散電極２４ａ側には
酸化剤ガスとして空気を通流させ、また、ガス拡散電極
２４ｂ側には燃料ガスとして水素を通流させる。
【００１４】このように、カソード電極に上記ガス拡散
電極２４ａを用いて高分子電解質型燃料電池を構成する
ことにより、電圧が長期にわたり安定した高分子電解質
型燃料電池を実現することができる。これは、カソード
電極において入口側では透水量が低減され、反対に出口
側で透水量が増大するため、水素イオン伝導性高分子電
解質膜の乾燥やフラッディングによる電池電圧の低下が
抑えられるためである。
電極２４ａを用いて高分子電解質型燃料電池を構成する
ことにより、電圧が長期にわたり安定した高分子電解質
型燃料電池を実現することができる。これは、カソード
電極において入口側では透水量が低減され、反対に出口
側で透水量が増大するため、水素イオン伝導性高分子電
解質膜の乾燥やフラッディングによる電池電圧の低下が
抑えられるためである。
【００１５】実施の形態２ 本発明の実施の形態２に係るガス拡散電極は、多孔性材
料からなるガス拡散層とその上部に触媒層を有するガス
拡散電極であって、ガス拡散層の気孔に導電性粒子を含
有する高分子材料を有し、高分子材料の存在量がガス拡
散電極の一端Ｒ 2から他端Ｌ2に向かって少なくなってい
る。この構成にすることによってＭＥＡ全面にわたって
均一な水分管理ができる。なぜなら、気孔に存在する高
分子材料の量によってガス拡散電極の面内で気孔の面積
を制御することができ、実施の形態１と同じ作用によっ
てＭＥＡ面内での透水量の制御が可能となるためであ
る。
料からなるガス拡散層とその上部に触媒層を有するガス
拡散電極であって、ガス拡散層の気孔に導電性粒子を含
有する高分子材料を有し、高分子材料の存在量がガス拡
散電極の一端Ｒ 2から他端Ｌ2に向かって少なくなってい
る。この構成にすることによってＭＥＡ全面にわたって
均一な水分管理ができる。なぜなら、気孔に存在する高
分子材料の量によってガス拡散電極の面内で気孔の面積
を制御することができ、実施の形態１と同じ作用によっ
てＭＥＡ面内での透水量の制御が可能となるためであ
る。
【００１６】ここで、図５は、本発明の実施の形態２に
係るガス拡散電極３４ａの構成を概念的に示した概略斜
視図である。図５に示すように、ガス拡散電極３４ａ
は、炭素繊維３１で構成される多孔性材料からなるガス
拡散層３２の片側の表面に、白金を担持したカーボン粒
子で構成される触媒層３３を配置することによって形成
されている。炭素繊維３１はガス拡散層面内で均一な気
孔３１３を形成しており、その気孔には導電性粒子３１
１が混合された高分子材料３１２が存在し、図５中の矢
印で示すように、その高分子材料３１２の存在量がガス
拡散電極３４ａの一端（Ｒ2側の端部）から他端（Ｌ2側
の端部）に向かって少なくなっている。
係るガス拡散電極３４ａの構成を概念的に示した概略斜
視図である。図５に示すように、ガス拡散電極３４ａ
は、炭素繊維３１で構成される多孔性材料からなるガス
拡散層３２の片側の表面に、白金を担持したカーボン粒
子で構成される触媒層３３を配置することによって形成
されている。炭素繊維３１はガス拡散層面内で均一な気
孔３１３を形成しており、その気孔には導電性粒子３１
１が混合された高分子材料３１２が存在し、図５中の矢
印で示すように、その高分子材料３１２の存在量がガス
拡散電極３４ａの一端（Ｒ2側の端部）から他端（Ｌ2側
の端部）に向かって少なくなっている。
【００１７】一方、図６は、このガス拡散電極３４ａを
用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構成
を示す概略断面図である。水素イオン伝導性高分子電解
質膜３５の一方の面にはガス拡散層電極３４ａを、他方
の面には実施の形態１で説明したガス拡散電極２４ｂ
を、それぞれ触媒層２３および３３側を水素イオン伝導
性高分子電解質膜３５側に向けて、密着して配置する。
さらに、その外側には、ガス流路３６を一方の面に形成
したセパレータ板３７を配置し、そのガス流路３６か
ら、ガス拡散電極３４ａ側には酸化剤ガスとして空気を
通流させ、また、ガス拡散電極２４ｂ側には燃料ガスと
して水素を通流させる。
用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構成
を示す概略断面図である。水素イオン伝導性高分子電解
質膜３５の一方の面にはガス拡散層電極３４ａを、他方
の面には実施の形態１で説明したガス拡散電極２４ｂ
を、それぞれ触媒層２３および３３側を水素イオン伝導
性高分子電解質膜３５側に向けて、密着して配置する。
さらに、その外側には、ガス流路３６を一方の面に形成
したセパレータ板３７を配置し、そのガス流路３６か
ら、ガス拡散電極３４ａ側には酸化剤ガスとして空気を
通流させ、また、ガス拡散電極２４ｂ側には燃料ガスと
して水素を通流させる。
【００１８】このように、カソード電極に上記ガス拡散
電極３４ａを用いて高分子電解質型燃料電池を構成する
ことにより、電圧が長期にわたり安定した高分子電解質
型燃料電池を実現することができる。これは、カソード
電極においてガス流路の入口側では透水量が低減され、
反対に出口側で透水量が増大するため、水素イオン伝導
性高分子電解質膜の乾燥やフラッディングによる電池電
圧の低下が抑えられるためである。
電極３４ａを用いて高分子電解質型燃料電池を構成する
ことにより、電圧が長期にわたり安定した高分子電解質
型燃料電池を実現することができる。これは、カソード
電極においてガス流路の入口側では透水量が低減され、
反対に出口側で透水量が増大するため、水素イオン伝導
性高分子電解質膜の乾燥やフラッディングによる電池電
圧の低下が抑えられるためである。
【００１９】実施の形態３ 本発明の実施の形態３に係るガス拡散電極は、多孔性材
料とその上部に少なくとも導電性粒子および高分子材料
で構成される導電性高分子層とからなるガス拡散層、な
らびに前記導電性高分子層の上部に触媒層を有し、前記
導電性高分子層の厚みがガス拡散電極の一端Ｒ3から他
端Ｌ3に向かって小さくなっている。この構成にするこ
とによって、ＭＥＡ全面にわたって均一な水分管理がで
きる。なぜなら、透水量は水がガス拡散層を透過するに
要する経路（透水パス）の長さに依存し、その透水パス
が長いほど透水量は少なくなり、反対に透水パスが短い
ほど透水量は多くなるからである。また、透水パスの長
さはガス拡散層の厚みで変化させることが可能なため、
ＭＥＡ面内での透水量を容易に制御できるからである。
料とその上部に少なくとも導電性粒子および高分子材料
で構成される導電性高分子層とからなるガス拡散層、な
らびに前記導電性高分子層の上部に触媒層を有し、前記
導電性高分子層の厚みがガス拡散電極の一端Ｒ3から他
端Ｌ3に向かって小さくなっている。この構成にするこ
とによって、ＭＥＡ全面にわたって均一な水分管理がで
きる。なぜなら、透水量は水がガス拡散層を透過するに
要する経路（透水パス）の長さに依存し、その透水パス
が長いほど透水量は少なくなり、反対に透水パスが短い
ほど透水量は多くなるからである。また、透水パスの長
さはガス拡散層の厚みで変化させることが可能なため、
ＭＥＡ面内での透水量を容易に制御できるからである。
【００２０】ここで、図７は、本発明の実施の形態３に
係るガス拡散電極４４ａの構成を概念的に示した概略斜
視図である。図７に示すように、ガス拡散電極４４ａ
は、炭素繊維で構成される多孔性材料４１の上部に導電
性粒子と高分子材料で構成される導電性高分子層４２を
形成してガス拡散層とし、その表面に白金を担持したカ
ーボン粒子で構成される触媒層４３を配置することによ
って構成される。図７中の矢印で示すように、導電性高
分子層４２の厚みはガス拡散電極４４の一端（Ｒ3側端
部）から他端（Ｌ3側端部）に向かって薄くなってい
る。
係るガス拡散電極４４ａの構成を概念的に示した概略斜
視図である。図７に示すように、ガス拡散電極４４ａ
は、炭素繊維で構成される多孔性材料４１の上部に導電
性粒子と高分子材料で構成される導電性高分子層４２を
形成してガス拡散層とし、その表面に白金を担持したカ
ーボン粒子で構成される触媒層４３を配置することによ
って構成される。図７中の矢印で示すように、導電性高
分子層４２の厚みはガス拡散電極４４の一端（Ｒ3側端
部）から他端（Ｌ3側端部）に向かって薄くなってい
る。
【００２１】一方、図８は、このガス拡散電極４４ａを
用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構成
を示す概略断面図である。水素イオン伝導性高分子電解
質膜４５の一方の面にはガス拡散電極４４ａを、他方の
面には実施の形態１で説明したガス拡散電極２４ｂを、
それぞれ触媒層２３および４３側を水素イオン伝導性高
分子電解質膜４５側に向けて、密着して配置する。さら
に、その外側には、ガス流路４６を一方の面に形成した
セパレータ板４７を配置し、そのガス流路４６から、ガ
ス拡散電極４４ａ側には酸化剤ガスとして空気を通流さ
せ、また、ガス拡散電極２４ｂ側には燃料ガスとして水
素を通流させる。
用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構成
を示す概略断面図である。水素イオン伝導性高分子電解
質膜４５の一方の面にはガス拡散電極４４ａを、他方の
面には実施の形態１で説明したガス拡散電極２４ｂを、
それぞれ触媒層２３および４３側を水素イオン伝導性高
分子電解質膜４５側に向けて、密着して配置する。さら
に、その外側には、ガス流路４６を一方の面に形成した
セパレータ板４７を配置し、そのガス流路４６から、ガ
ス拡散電極４４ａ側には酸化剤ガスとして空気を通流さ
せ、また、ガス拡散電極２４ｂ側には燃料ガスとして水
素を通流させる。
【００２２】このように、カソード電極に上記ガス拡散
電極４４ａを用いて高分子電解質型燃料電池を構成する
ことにより、電圧が長期にわたり安定した高分子電解質
型燃料電池を実現することができる。これは、カソード
電極において入口側では透水量が低減され、反対に出口
側で透水量が増大するため、水素イオン伝導性高分子電
解質膜の乾燥やフラッディングによる電池電圧の低下が
抑えられるためである。
電極４４ａを用いて高分子電解質型燃料電池を構成する
ことにより、電圧が長期にわたり安定した高分子電解質
型燃料電池を実現することができる。これは、カソード
電極において入口側では透水量が低減され、反対に出口
側で透水量が増大するため、水素イオン伝導性高分子電
解質膜の乾燥やフラッディングによる電池電圧の低下が
抑えられるためである。
【００２３】実施の形態４ 本発明の実施の形態４に係るガス拡散電極は、多孔性材
料とその上部に粒径の異なる２種の導電性粒子および高
分子材料で構成される導電性高分子層とからなるガス拡
散層と、ガス拡散層の上部に設けられた触媒層を有す
る。そして、前記導電性粒子のうち、粒径の小さい方の
導電性粒子の全導電性粒子量に占める分率が、ガス拡散
電極４４ａの一端Ｒ4から他端Ｌ4に向かって小さくなっ
ている。この構成にすることによってＭＥＡ全面にわた
って均一な水分管理ができる。
料とその上部に粒径の異なる２種の導電性粒子および高
分子材料で構成される導電性高分子層とからなるガス拡
散層と、ガス拡散層の上部に設けられた触媒層を有す
る。そして、前記導電性粒子のうち、粒径の小さい方の
導電性粒子の全導電性粒子量に占める分率が、ガス拡散
電極４４ａの一端Ｒ4から他端Ｌ4に向かって小さくなっ
ている。この構成にすることによってＭＥＡ全面にわた
って均一な水分管理ができる。
【００２４】なぜなら、このようなガス拡散層において
は、主に導電性粒子間にできる隙間が気孔として作用す
るが、粒径の異なる導電性粒子を用いた場合、小さな粒
径を有する導電性粒子は大きな粒径を有する導電性粒子
間にできる隙間に入り込んだ形態で気孔が形成されるこ
とになるため、両者の存在割合を変化させればガス拡散
層面内で気孔面積を変えることができ、実施の形態１で
説明したのと同じ作用によりＭＥＡ面内での透水量を制
御できるからである。
は、主に導電性粒子間にできる隙間が気孔として作用す
るが、粒径の異なる導電性粒子を用いた場合、小さな粒
径を有する導電性粒子は大きな粒径を有する導電性粒子
間にできる隙間に入り込んだ形態で気孔が形成されるこ
とになるため、両者の存在割合を変化させればガス拡散
層面内で気孔面積を変えることができ、実施の形態１で
説明したのと同じ作用によりＭＥＡ面内での透水量を制
御できるからである。
【００２５】ここで、図９は、本発明の実施の形態４に
係るガス拡散電極５４ａの構成を概念的に示した概略斜
視図である。また、図１０は、図９における導電性高分
子層５２の構成を概念的に示した概略斜視図である。図
９に示すように、ガス拡散電極５４ａは、炭素繊維で構
成される多孔性材料５１の表面に導電性高分子層５２を
形成してガス拡散層とし、その表面に、白金を担持した
カーボン粒子で構成される触媒層５３を配置することに
よって形成されている。
係るガス拡散電極５４ａの構成を概念的に示した概略斜
視図である。また、図１０は、図９における導電性高分
子層５２の構成を概念的に示した概略斜視図である。図
９に示すように、ガス拡散電極５４ａは、炭素繊維で構
成される多孔性材料５１の表面に導電性高分子層５２を
形成してガス拡散層とし、その表面に、白金を担持した
カーボン粒子で構成される触媒層５３を配置することに
よって形成されている。
【００２６】図１０に示すように、導電性高分子層５２
には、粒径の異なる導電性粒子５１１および５１２が混
合されており、さらに図１０中の矢印で示すように、粒
径が小さい導電性粒子５１１の混合量がガス拡散電極５
４の一端（Ｒ4側端部）から他端（Ｌ4側端部）に向かっ
て少なくなっている。一方、図１１は、このガス拡散電
極５４ａを用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単
電池の構成を示す概略断面図である。水素イオン伝導性
高分子電解質膜５５の一方の面にはガス拡散電極５４ａ
を、他方の面には実施の形態１で説明したガス拡散電極
２４ｂを、それぞれ触媒層５３および２３側を水素イオ
ン伝導性高分子電解質膜５５側に向けて、密着して配置
する。
には、粒径の異なる導電性粒子５１１および５１２が混
合されており、さらに図１０中の矢印で示すように、粒
径が小さい導電性粒子５１１の混合量がガス拡散電極５
４の一端（Ｒ4側端部）から他端（Ｌ4側端部）に向かっ
て少なくなっている。一方、図１１は、このガス拡散電
極５４ａを用いて作製した高分子電解質型燃料電池の単
電池の構成を示す概略断面図である。水素イオン伝導性
高分子電解質膜５５の一方の面にはガス拡散電極５４ａ
を、他方の面には実施の形態１で説明したガス拡散電極
２４ｂを、それぞれ触媒層５３および２３側を水素イオ
ン伝導性高分子電解質膜５５側に向けて、密着して配置
する。
【００２７】さらに、その外側には、ガス流路５６を一
方の面に形成したセパレータ板５７を配置し、そのガス
流路５６から、ガス拡散電極５４ａ側には酸化剤ガスと
して空気を通流させ、またガス拡散電極２４ｂ側には燃
料ガスとして水素を通流させる。このように、カソード
電極に上記ガス拡散電極５４ａを用いて高分子電解質型
燃料電池を構成することにより、電圧が長期にわたり安
定した高分子電解質型燃料電池を実現することができ
る。これは、カソード電極において入口側では透水量が
抑制され、反対に出口側で透水量が促進されるため、水
素イオン伝導性高分子電解質膜の乾燥やフラッディング
による電池電圧の低下が抑えられるためである。
方の面に形成したセパレータ板５７を配置し、そのガス
流路５６から、ガス拡散電極５４ａ側には酸化剤ガスと
して空気を通流させ、またガス拡散電極２４ｂ側には燃
料ガスとして水素を通流させる。このように、カソード
電極に上記ガス拡散電極５４ａを用いて高分子電解質型
燃料電池を構成することにより、電圧が長期にわたり安
定した高分子電解質型燃料電池を実現することができ
る。これは、カソード電極において入口側では透水量が
抑制され、反対に出口側で透水量が促進されるため、水
素イオン伝導性高分子電解質膜の乾燥やフラッディング
による電池電圧の低下が抑えられるためである。
【００２８】さらに、上記実施の形態２〜４に係るガス
拡散電極においては、導電性粒子がカーボンからなる粒
子であるのが好ましい。この構成にすることによって導
電性が良好なガス拡散電極を得ることができるからであ
る。これは、カーボンが優れた導電性を有することによ
るものである。また、上記実施の形態１〜４ガス拡散電
極においては、多孔性材料として炭素繊維からなる炭素
紙を用いるのが好ましい。この構成にすることによって
導電性が良好なガス拡散電極とすることができるからで
ある。これは、炭素が優れた導電性を有することによる
ものである。
拡散電極においては、導電性粒子がカーボンからなる粒
子であるのが好ましい。この構成にすることによって導
電性が良好なガス拡散電極を得ることができるからであ
る。これは、カーボンが優れた導電性を有することによ
るものである。また、上記実施の形態１〜４ガス拡散電
極においては、多孔性材料として炭素繊維からなる炭素
紙を用いるのが好ましい。この構成にすることによって
導電性が良好なガス拡散電極とすることができるからで
ある。これは、炭素が優れた導電性を有することによる
ものである。
【００２９】さらにまた、上記実施の形態２〜４に係る
ガス拡散電極においては、高分子材料がフッ素系樹脂で
あるのが好ましい。この構成にすることによって長期に
わたり安定な水分管理が可能なガス拡散電極が実現でき
るからである。これは、フッ素樹脂が極めて電気化学的
に安定であるからである。以下に、実施例を用いて本発
明をより具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限
定されるものではない。
ガス拡散電極においては、高分子材料がフッ素系樹脂で
あるのが好ましい。この構成にすることによって長期に
わたり安定な水分管理が可能なガス拡散電極が実現でき
るからである。これは、フッ素樹脂が極めて電気化学的
に安定であるからである。以下に、実施例を用いて本発
明をより具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限
定されるものではない。
【００３０】
【実施例】《実施例１》 （１）ガス拡散電極の製造 本実施例においては、図２に示す上記実施の形態１に係
るガス拡散電極を作製した。まず、炭素繊維を、一定の
形状を有する型内に、面内においてその量が変わるよう
に配置し、均一に圧力を加えて成型し、面内で気孔面積
が異なる多孔性材料ａを作製した。得られた多孔性材料
ａの表面を光学顕微鏡により観測したところ、平均気孔
面積は一端（Ｒ1）で５．２３×１０-9ｍ2、他端
（Ｌ1）で２．０８×１０-8ｍ2であった。また、厚みは
３６０μｍであった。また、多孔性材料ａをＲ1側とＬ1
側に面内中央部で分割し、それぞれの透水量を重量法
（ＪＩＳ Ｚ０２０８）により評価したところ、Ｒ1側
が１.０×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ、Ｌ1側が２.８×１０4
ｇ／ｍ2・２４ｈであった。すなわち、Ｒ1側の透水量が
低下しており、Ｌ1側の透水量が増加していることがわ
かった。
るガス拡散電極を作製した。まず、炭素繊維を、一定の
形状を有する型内に、面内においてその量が変わるよう
に配置し、均一に圧力を加えて成型し、面内で気孔面積
が異なる多孔性材料ａを作製した。得られた多孔性材料
ａの表面を光学顕微鏡により観測したところ、平均気孔
面積は一端（Ｒ1）で５．２３×１０-9ｍ2、他端
（Ｌ1）で２．０８×１０-8ｍ2であった。また、厚みは
３６０μｍであった。また、多孔性材料ａをＲ1側とＬ1
側に面内中央部で分割し、それぞれの透水量を重量法
（ＪＩＳ Ｚ０２０８）により評価したところ、Ｒ1側
が１.０×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ、Ｌ1側が２.８×１０4
ｇ／ｍ2・２４ｈであった。すなわち、Ｒ1側の透水量が
低下しており、Ｌ1側の透水量が増加していることがわ
かった。
【００３１】つづいて、粒径が３ミクロンのカーボン粉
末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブラッ
クEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理により
カーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体を得
た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は１：
１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のアルコ
ール分散液（旭硝子（株）製のフレミオン）中に分散さ
せてスラリーを得、このスラリーをガス拡散層となる前
記多孔性材料ａの片面に均一に塗布して触媒層を形成
し、ガス拡散電極ａを得た。また、炭素繊維を面内で量
が一定になるようにした以外は全く同様の手段で多孔性
材料ｂを得た。多孔性材料ｂの平均気孔面積は均一に
１．０８×１０-8ｍ2であり、厚みは３６０μｍであっ
た。また、透水量は１.８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈであ
った。さらに、ガス拡散電極ａと同様にして多孔性材料
ｂからガス拡散電極ｂを得た。
末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブラッ
クEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理により
カーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体を得
た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は１：
１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のアルコ
ール分散液（旭硝子（株）製のフレミオン）中に分散さ
せてスラリーを得、このスラリーをガス拡散層となる前
記多孔性材料ａの片面に均一に塗布して触媒層を形成
し、ガス拡散電極ａを得た。また、炭素繊維を面内で量
が一定になるようにした以外は全く同様の手段で多孔性
材料ｂを得た。多孔性材料ｂの平均気孔面積は均一に
１．０８×１０-8ｍ2であり、厚みは３６０μｍであっ
た。また、透水量は１.８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈであ
った。さらに、ガス拡散電極ａと同様にして多孔性材料
ｂからガス拡散電極ｂを得た。
【００３２】（２）高分子電解質型燃料電池の製造 同一の大きさのガス拡散電極ａおよびガス拡散電極ｂ
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜の両面に、触媒層を備えた面がそれぞ
れ水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製
のナフィオン１１２）と向き合うようにして重ね合わせ
た。さらに、厚み２５０μｍのシリコーンゴム製ガスケ
ットを両面に位置合わせした後、１３０℃、５分間でホ
ットプレスし、ＭＥＡを得た。ついで、ＭＥＡの両側に
セパレータ板を配置して単セルを作製し、単セルを４個
積層して電池スタック（本発明の高分子電解質型燃料電
池）を得た。セパレータ板としては、厚さ４ｍｍのカー
ボン製で、気密性を有するものを用いた。また、ガス拡
散電極と接する表面には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス
流路を切削加工により形成した。
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜の両面に、触媒層を備えた面がそれぞ
れ水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製
のナフィオン１１２）と向き合うようにして重ね合わせ
た。さらに、厚み２５０μｍのシリコーンゴム製ガスケ
ットを両面に位置合わせした後、１３０℃、５分間でホ
ットプレスし、ＭＥＡを得た。ついで、ＭＥＡの両側に
セパレータ板を配置して単セルを作製し、単セルを４個
積層して電池スタック（本発明の高分子電解質型燃料電
池）を得た。セパレータ板としては、厚さ４ｍｍのカー
ボン製で、気密性を有するものを用いた。また、ガス拡
散電極と接する表面には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス
流路を切削加工により形成した。
【００３３】電池スタックの上部および下部には、ＳＵ
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ａは、そのＲ1側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ1側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ａ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、また、ガ
ス拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から
出口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用
率７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８
５℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で
燃料電池を運転した。
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ａは、そのＲ1側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ1側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ａ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、また、ガ
ス拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から
出口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用
率７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８
５℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で
燃料電池を運転した。
【００３４】その結果、高分子電解質型燃料電池は３０
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、運転動
作は非常に安定したものであった。この原因は、本実施
例の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤
状態に保ちつつ、また生成水による過剰な水分を安全か
つ速やかに排出することができたことによる。なお、気
孔面積は実施例に記載したものに限定されるものではな
く、Ｒ1部に比べ、Ｌ1部で大きくなっていれば高分子電
解質型燃料電池を安定して運転することができた。
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、運転動
作は非常に安定したものであった。この原因は、本実施
例の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤
状態に保ちつつ、また生成水による過剰な水分を安全か
つ速やかに排出することができたことによる。なお、気
孔面積は実施例に記載したものに限定されるものではな
く、Ｒ1部に比べ、Ｌ1部で大きくなっていれば高分子電
解質型燃料電池を安定して運転することができた。
【００３５】《実施例２》 （１）ガス拡散電極の製造 本実施例においては、図５に示す上記実施の形態２に係
るガス拡散電極を作製した。まず、アセチレンブラック
１０ｇ、フッ素樹脂（ダイキン工業(株)製のＤ−１）２
ｇおよびエタノール５０ｇを混合して撹拌し、フッ素樹
脂中にアセチレンブラックが分散した分散液ａを調製し
た。つぎに、実施例１で用いた多孔性材料ｂの一端から
他端に向け、分散液ａの量が異なる状態となるようにス
クリーン印刷した。分散液ａの量は、印刷する際のスキ
ージの押し込み圧を多孔性材料ｂの一端から他端に向か
って変えることによって調整した。この印刷により、分
散液ａは多孔性材料ｂ中にしみ込んだ。
るガス拡散電極を作製した。まず、アセチレンブラック
１０ｇ、フッ素樹脂（ダイキン工業(株)製のＤ−１）２
ｇおよびエタノール５０ｇを混合して撹拌し、フッ素樹
脂中にアセチレンブラックが分散した分散液ａを調製し
た。つぎに、実施例１で用いた多孔性材料ｂの一端から
他端に向け、分散液ａの量が異なる状態となるようにス
クリーン印刷した。分散液ａの量は、印刷する際のスキ
ージの押し込み圧を多孔性材料ｂの一端から他端に向か
って変えることによって調整した。この印刷により、分
散液ａは多孔性材料ｂ中にしみ込んだ。
【００３６】ついで、分散液ａを含浸させた多孔性材料
ｂを３５０℃で焼成し、ガス拡散層ｃを得た。ガス拡散
層ｃの表面を光学顕微鏡で観察したところ、その気孔内
にフッ素樹脂が保持され、またそのフッ素樹脂中にアセ
チレンブラックが分散・保持されていた。さらに、ガス
拡散層の一端（Ｒ2）から他端（Ｌ2）に向かってアセチ
レンブラックおよびフッ素樹脂の量が多くなっているこ
とが確認できた。また、得られたガス拡散層ｃをＲ2側
とＬ2側に分割し、それぞれの透水量を評価したとこ
ろ、Ｒ2側が０．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ、Ｌ2側が
１．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈであった。すなわち、Ｒ
2側の透水量が低下しており、Ｌ2側の透水量が増加して
いることがわかった。
ｂを３５０℃で焼成し、ガス拡散層ｃを得た。ガス拡散
層ｃの表面を光学顕微鏡で観察したところ、その気孔内
にフッ素樹脂が保持され、またそのフッ素樹脂中にアセ
チレンブラックが分散・保持されていた。さらに、ガス
拡散層の一端（Ｒ2）から他端（Ｌ2）に向かってアセチ
レンブラックおよびフッ素樹脂の量が多くなっているこ
とが確認できた。また、得られたガス拡散層ｃをＲ2側
とＬ2側に分割し、それぞれの透水量を評価したとこ
ろ、Ｒ2側が０．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ、Ｌ2側が
１．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈであった。すなわち、Ｒ
2側の透水量が低下しており、Ｌ2側の透水量が増加して
いることがわかった。
【００３７】つづいて、粒径が３ミクロン以下のカーボ
ン粉末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブ
ラックEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理に
よりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体
を得た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は
１：１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のア
ルコール分散液（旭硝子（株）製のフレミオン）中に分
散させてスラリーを得、このスラリーを前記ガス拡散層
ｃの片面に均一に塗布して触媒層を形成し、ガス拡散電
極ｃを得た。
ン粉末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブ
ラックEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理に
よりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体
を得た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は
１：１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のア
ルコール分散液（旭硝子（株）製のフレミオン）中に分
散させてスラリーを得、このスラリーを前記ガス拡散層
ｃの片面に均一に塗布して触媒層を形成し、ガス拡散電
極ｃを得た。
【００３８】（２）高分子電解質型燃料電池の製造 同一の大きさのガス拡散電極ｃおよびガス拡散電極ｂ
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１
２）の両面に、触媒層を備えた面がそれぞれ水素イオン
伝導性高分子電解質膜と向き合う様にして重ね合わせ
た。さらに、厚み２５０μｍのシリコーンゴム製ガスケ
ットを両面に位置合わせした後、１３０℃、５分間でホ
ットプレスし、ＭＥＡを得た。ついで、ＭＥＡの両側に
セパレータ板を配置して単セルを作製し、単セルを４個
積層して電池スタック（本発明の高分子電解質型燃料電
池）を得た。セパレータ板としては、厚さ４ｍｍのカー
ボン製で、気密性を有するものを用いた。また、ガス拡
散電極と接する表面には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス
流路を切削加工により形成した。
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１
２）の両面に、触媒層を備えた面がそれぞれ水素イオン
伝導性高分子電解質膜と向き合う様にして重ね合わせ
た。さらに、厚み２５０μｍのシリコーンゴム製ガスケ
ットを両面に位置合わせした後、１３０℃、５分間でホ
ットプレスし、ＭＥＡを得た。ついで、ＭＥＡの両側に
セパレータ板を配置して単セルを作製し、単セルを４個
積層して電池スタック（本発明の高分子電解質型燃料電
池）を得た。セパレータ板としては、厚さ４ｍｍのカー
ボン製で、気密性を有するものを用いた。また、ガス拡
散電極と接する表面には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス
流路を切削加工により形成した。
【００３９】電池スタックの上部および下部には、ＳＵ
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ｃは、そのＲ2側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ2側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ｃ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、またガス
拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から出
口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用率
７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８５
℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で燃
料電池を運転した。
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ｃは、そのＲ2側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ2側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ｃ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、またガス
拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から出
口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用率
７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８５
℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で燃
料電池を運転した。
【００４０】その結果、高分子電解質型燃料電池は３０
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、運転動
作は非常に安定したものであった。この原因は、本実施
例の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤
状態に保ちつつ、生成水による過剰な水分を安全かつ速
やかに排出することができたことによる。
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、運転動
作は非常に安定したものであった。この原因は、本実施
例の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤
状態に保ちつつ、生成水による過剰な水分を安全かつ速
やかに排出することができたことによる。
【００４１】《実施例３》 （１）ガス拡散電極の製造 本実施例においては、図７に示す上記実施の形態３に係
るガス拡散電極を作製した。まず、アセチレンブラック
（電気化学工業（株）製のデンカブラック）１０ｇおよ
びフッ素樹脂（ダイキン工業(株)製のＤ−１）２ｇ（固
形分として）を混合・撹拌し、フッ素樹脂中にアセチレ
ンブラックが分散した分散液ｂを調製した。つぎに、実
施例１で用いた多孔性材料ｂの一端から他端に向け、押
し込み圧を変えることで分散液ｂの塗布量が異なるよう
にスクリーン印刷した。分散液ｂは完全に多孔性材料ｂ
にしみ込むことはなく、上部に塗膜として残存した。
るガス拡散電極を作製した。まず、アセチレンブラック
（電気化学工業（株）製のデンカブラック）１０ｇおよ
びフッ素樹脂（ダイキン工業(株)製のＤ−１）２ｇ（固
形分として）を混合・撹拌し、フッ素樹脂中にアセチレ
ンブラックが分散した分散液ｂを調製した。つぎに、実
施例１で用いた多孔性材料ｂの一端から他端に向け、押
し込み圧を変えることで分散液ｂの塗布量が異なるよう
にスクリーン印刷した。分散液ｂは完全に多孔性材料ｂ
にしみ込むことはなく、上部に塗膜として残存した。
【００４２】その後、塗布後の多孔性材料ｂを３５０℃
で焼成してガス拡散層ｄを得た。ガス拡散層ｄの表面を
光学顕微鏡で観察したところ、多孔性材料ｂの上部にア
セチレンブラックとフッ素樹脂からなる層が形成され、
また、その層の厚みを段差計により測定したところ、ガ
ス拡散層ｄの一端（Ｒ3）から他端（Ｌ3）に向かって薄
くなっていることが確認できた（ｄ１→ｄ２）。また、
得られたガス拡散層ｄをＲ3側とＬ3側に分割し、それぞ
れの透水量を評価したところ、Ｒ3側が０．８×１０4ｇ
／ｍ2・２４ｈ、Ｌ3側が１．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ
であった。すなわち、Ｒ3側の透水量が低下しており、
Ｌ3側の透水量が増加していることがわかった。
で焼成してガス拡散層ｄを得た。ガス拡散層ｄの表面を
光学顕微鏡で観察したところ、多孔性材料ｂの上部にア
セチレンブラックとフッ素樹脂からなる層が形成され、
また、その層の厚みを段差計により測定したところ、ガ
ス拡散層ｄの一端（Ｒ3）から他端（Ｌ3）に向かって薄
くなっていることが確認できた（ｄ１→ｄ２）。また、
得られたガス拡散層ｄをＲ3側とＬ3側に分割し、それぞ
れの透水量を評価したところ、Ｒ3側が０．８×１０4ｇ
／ｍ2・２４ｈ、Ｌ3側が１．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ
であった。すなわち、Ｒ3側の透水量が低下しており、
Ｌ3側の透水量が増加していることがわかった。
【００４３】つづいて、粒径が３ミクロン以下のカーボ
ン粉末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブ
ラックEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理に
よりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体
を得た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は
１：１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のア
ルコール分散液（旭硝子（株）製のフレミオン）中に分
散させてスラリーを得、このスラリーを前記ガス拡散層
ｄの片面に均一に塗布して触媒層を形成し、ガス拡散電
極ｄを得た。
ン粉末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブ
ラックEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理に
よりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体
を得た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は
１：１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のア
ルコール分散液（旭硝子（株）製のフレミオン）中に分
散させてスラリーを得、このスラリーを前記ガス拡散層
ｄの片面に均一に塗布して触媒層を形成し、ガス拡散電
極ｄを得た。
【００４４】（２）高分子電解質型燃料電池の製造 同一の大きさのガス拡散電極ｄおよびガス拡散電極ｂ
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１
２）の両面に、触媒層を備えた面がそれぞれ水素イオン
伝導性高分子電解質膜と向き合うようにして重ね合わせ
た。さらに、厚み２５０μｍのシリコーンゴム製ガスケ
ットを両面に位置合わせした後、１３０℃、５分間でホ
ットプレスし、ＭＥＡを得た。ついで、ＭＥＡの両側に
セパレータ板を配置して単セルを作製し、単セルを４個
積層して電池スタック（本発明の高分子電解質型燃料電
池）を得た。セパレータ板としては、厚さ４ｍｍのカー
ボン製で、気密性を有するものを用いた。また、ガス拡
散層と接する表面には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流
路を切削加工により形成した。
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１
２）の両面に、触媒層を備えた面がそれぞれ水素イオン
伝導性高分子電解質膜と向き合うようにして重ね合わせ
た。さらに、厚み２５０μｍのシリコーンゴム製ガスケ
ットを両面に位置合わせした後、１３０℃、５分間でホ
ットプレスし、ＭＥＡを得た。ついで、ＭＥＡの両側に
セパレータ板を配置して単セルを作製し、単セルを４個
積層して電池スタック（本発明の高分子電解質型燃料電
池）を得た。セパレータ板としては、厚さ４ｍｍのカー
ボン製で、気密性を有するものを用いた。また、ガス拡
散層と接する表面には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流
路を切削加工により形成した。
【００４５】電池スタックの上部および下部には、ＳＵ
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ｄは、そのＲ3側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ3側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ｄ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、またガス
拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から出
口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用率
７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８５
℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で燃
料電池を運転した。
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ｄは、そのＲ3側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ3側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ｄ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、またガス
拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から出
口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用率
７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８５
℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で燃
料電池を運転した。
【００４６】その結果、高分子電解質型燃料電池は３０
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、運転動
作は非常に安定したものであった。この原因は、本実施
例の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤
状態に保ちつつ、生成水による過剰な水分を安全かつ速
やかに排出することができたことによる。
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、運転動
作は非常に安定したものであった。この原因は、本実施
例の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤
状態に保ちつつ、生成水による過剰な水分を安全かつ速
やかに排出することができたことによる。
【００４７】《実施例４》 （１）ガス拡散電極の製造 本実施例においては、図９に示す上記実施の形態４に係
るガス拡散電極を作製した。まず、平均粒径４μｍのア
セチレンブラック（電気化学工業（株）製のデンカブラ
ック）１０ｇおよびフッ素樹脂（ダイキン工業(株）製
のＤ−１）２ｇを混合・撹拌し、フッ素樹脂中にアセチ
レンブラックが分散した分散液ｃを調製した。また、平
均粒径１μｍのアセチレンブラック１０ｇおよびフッ素
樹脂（ダイキン工業(株)製のＤ−１）２ｇを混合・撹拌
し、フッ素樹脂中にアセチレンブラックが分散した分散
液ｄを調製した。分散液ｃを多孔性材料ｂに一定の押し
込み圧でスクリーン印刷した後、続けて分散液ｄを多孔
性材料ｂにその一端から他端に向け押し込み圧を変え、
分散液ｄの塗布量を変えつつスクリーン印刷した。
るガス拡散電極を作製した。まず、平均粒径４μｍのア
セチレンブラック（電気化学工業（株）製のデンカブラ
ック）１０ｇおよびフッ素樹脂（ダイキン工業(株）製
のＤ−１）２ｇを混合・撹拌し、フッ素樹脂中にアセチ
レンブラックが分散した分散液ｃを調製した。また、平
均粒径１μｍのアセチレンブラック１０ｇおよびフッ素
樹脂（ダイキン工業(株)製のＤ−１）２ｇを混合・撹拌
し、フッ素樹脂中にアセチレンブラックが分散した分散
液ｄを調製した。分散液ｃを多孔性材料ｂに一定の押し
込み圧でスクリーン印刷した後、続けて分散液ｄを多孔
性材料ｂにその一端から他端に向け押し込み圧を変え、
分散液ｄの塗布量を変えつつスクリーン印刷した。
【００４８】ついで、塗布後の多孔性材料ｂを３５０℃
で焼成し、ガス拡散層ｅを得た。ガス拡散層ｅの表面を
光学顕微鏡で観察したところ、多孔性材料ｂの上部にア
セチレンブラックとフッ素樹からなる層が形成され、ま
たその層内において平均粒径４μｍのアセチレンブラッ
クはガス拡散層ｅの面内で均一に存在するが、平均粒径
１μｍのアセチレンブラックは、ガス拡散層ｅの一端
（Ｒ4）から他端（Ｌ4）に向け少なくなっていることが
確認できた。また、得られたガス拡散層ｅをＲ4側とＬ4
側に分割し、それぞれの透水量を評価したところ、Ｒ4
側が０．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ、Ｌ4側が１．８×
１０4ｇ／ｍ2・２４ｈであった。すなわち、Ｒ4側の透
水量が低下しており、Ｌ4側の透水量が増加しているこ
とがわかった。
で焼成し、ガス拡散層ｅを得た。ガス拡散層ｅの表面を
光学顕微鏡で観察したところ、多孔性材料ｂの上部にア
セチレンブラックとフッ素樹からなる層が形成され、ま
たその層内において平均粒径４μｍのアセチレンブラッ
クはガス拡散層ｅの面内で均一に存在するが、平均粒径
１μｍのアセチレンブラックは、ガス拡散層ｅの一端
（Ｒ4）から他端（Ｌ4）に向け少なくなっていることが
確認できた。また、得られたガス拡散層ｅをＲ4側とＬ4
側に分割し、それぞれの透水量を評価したところ、Ｒ4
側が０．８×１０4ｇ／ｍ2・２４ｈ、Ｌ4側が１．８×
１０4ｇ／ｍ2・２４ｈであった。すなわち、Ｒ4側の透
水量が低下しており、Ｌ4側の透水量が増加しているこ
とがわかった。
【００４９】つづいて、粒径が３ミクロン以下のカーボ
ン粉末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブ
ラックEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理に
よりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体
を得た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は
１：１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のア
ルコール分散液中に分散させてスラリーを得、このスラ
リーを前記ガス拡散層ｅの片面に均一に塗布して触媒層
を形成し、ガス拡散電極ｅを得た。
ン粉末（オランダ国、AKZO chemie社製のケッチェンブ
ラックEC）を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理に
よりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた触媒体
を得た。このとき、カーボンと担持した白金の重量比は
１：１とした。ついで、この触媒体を高分子電解質のア
ルコール分散液中に分散させてスラリーを得、このスラ
リーを前記ガス拡散層ｅの片面に均一に塗布して触媒層
を形成し、ガス拡散電極ｅを得た。
【００５０】（２）高分子電解質型燃料電池の製造 同一の大きさのガス拡散電極ｅおよびガス拡散電極ｂ
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１
２）の両面に、触媒層を備えた面がそれぞれ高分子電解
質と向き合うようにして重ね合わせた。さらに、厚み２
５０μｍのシリコーンゴム製ガスケットを両面に位置合
わせした後、１３０℃、５分間でホットプレスし、ＭＥ
Ａを得た。ついで、ＭＥＡの両側にセパレータ板を配置
して単セルを作製し、単セルを４個積層して電池スタッ
ク（本発明の高分子電解質型燃料電池）を得た。セパレ
ータ板としては、厚さ４ｍｍのカーボン製で、気密性を
有するものを用いた。また、ガス拡散層と接する表面に
は、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流路を切削加工により
形成した。
を、それら電極より一回り外寸の大きい水素イオン伝導
性高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１
２）の両面に、触媒層を備えた面がそれぞれ高分子電解
質と向き合うようにして重ね合わせた。さらに、厚み２
５０μｍのシリコーンゴム製ガスケットを両面に位置合
わせした後、１３０℃、５分間でホットプレスし、ＭＥ
Ａを得た。ついで、ＭＥＡの両側にセパレータ板を配置
して単セルを作製し、単セルを４個積層して電池スタッ
ク（本発明の高分子電解質型燃料電池）を得た。セパレ
ータ板としては、厚さ４ｍｍのカーボン製で、気密性を
有するものを用いた。また、ガス拡散層と接する表面に
は、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流路を切削加工により
形成した。
【００５１】電池スタックの上部および下部には、ＳＵ
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ｅは、そのＲ4側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ4側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ｅ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、またガス
拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から出
口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用率
７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８５
℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で燃
料電池を運転した。
Ｓ３０４製の金属端板を配して固定した。ガス拡散電極
ｅは、そのＲ4側がセパレータ板のガス流路の入口側
に、また、Ｌ4側がガス流路の出口側になるように配置
した。つづいて、ガス拡散電極ｅ側のセパレータ板のガ
ス流路の入口側から出口側に向かって空気を、またガス
拡散電極ｂ側のセパレータ板のガス流路の入口側から出
口側に向かって水素を、酸素利用率４０％、水素利用率
７０％で、それぞれ供給し、水素加湿バブラー温度８５
℃、空気加湿バブラー温度６５℃、電池温度７５℃で燃
料電池を運転した。
【００５２】その結果、高分子電解質型燃料電池は３０
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、安定な
運転動作を示すものであった。この原因は、本実施例の
高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤状態
に保ちつつ、生成水による過剰な水分を安全かつ速やか
に排出することができたことによる。
００時間以上の長期にわたり初期電圧を維持し、安定な
運転動作を示すものであった。この原因は、本実施例の
高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質を湿潤状態
に保ちつつ、生成水による過剰な水分を安全かつ速やか
に排出することができたことによる。
【００５３】《比較例》ガス拡散電極を２枚のガス拡散
電極ｂに変えた以外は全く実施例記載の同様の操作で高
分子電解質型燃料電池を製造した。こうして完成した高
分子電解質型燃料電池を実施例と記載と同一の条件で運
転したところ、電圧は約１ｍｖ／１ｈの割合で低下し、
運転動作は不安定なものであった。この原因は、この高
分子電解質型燃料電池では、ＭＥＡ内部の水分管理が不
十分で、入口側での水素イオン伝導性高分子電解質膜の
乾燥、または出口側でのフラッディングによるガス拡散
阻害がおこっているためである。
電極ｂに変えた以外は全く実施例記載の同様の操作で高
分子電解質型燃料電池を製造した。こうして完成した高
分子電解質型燃料電池を実施例と記載と同一の条件で運
転したところ、電圧は約１ｍｖ／１ｈの割合で低下し、
運転動作は不安定なものであった。この原因は、この高
分子電解質型燃料電池では、ＭＥＡ内部の水分管理が不
十分で、入口側での水素イオン伝導性高分子電解質膜の
乾燥、または出口側でのフラッディングによるガス拡散
阻害がおこっているためである。
【００５４】
【発明の効果】以上のように、多孔性材料を用いたガス
拡散層の構成を、例えば、多孔性材料の気孔の面積がガ
ス拡散層の一端から他端に向かって大きくすることで、
ガス拡散層の面内での透水機能を調整でき、ＭＥＡ内に
おいて高分子電解質を湿潤状態に保ちつつ、また生成水
による過剰な水分を速やかに排水することができる。ま
た、このガス拡散層を利用してガス拡散電極を構成し、
高分子電解質型燃料電池を製造することで長期にわたり
安定な運転動作を示す高分子電解質型燃料電池が実現で
きる。
拡散層の構成を、例えば、多孔性材料の気孔の面積がガ
ス拡散層の一端から他端に向かって大きくすることで、
ガス拡散層の面内での透水機能を調整でき、ＭＥＡ内に
おいて高分子電解質を湿潤状態に保ちつつ、また生成水
による過剰な水分を速やかに排水することができる。ま
た、このガス拡散層を利用してガス拡散電極を構成し、
高分子電解質型燃料電池を製造することで長期にわたり
安定な運転動作を示す高分子電解質型燃料電池が実現で
きる。
【図１】従来の高分子電解質型燃料電池の単電池の構造
を示す概略断面図である。
を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るガス拡散電極を概
念的に示す概略斜視図である。
念的に示す概略斜視図である。
【図３】従来からのガス拡散電極の構成を示す概略斜視
図である。
図である。
【図４】図２および３に示すガス拡散電極を用いて作製
した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略
断面図である。
した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略
断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るガス拡散電極を概
念的に示す概略斜視図である。
念的に示す概略斜視図である。
【図６】図３および５に示すガス拡散電極を用いて作製
した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略
断面図である。
した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略
断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るガス拡散電極を概
念的に示す概略斜視図である。
念的に示す概略斜視図である。
【図８】図３および７に示すガス拡散電極を用いて作製
した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略
断面図である。
した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概略
断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係るガス拡散電極を概
念的に示す概略斜視図である。
念的に示す概略斜視図である。
【図１０】図９における導電性高分子層５２を概念的に
示した概略斜視図である。
示した概略斜視図である。
【図１１】図３および９に示すガス拡散電極を用いて作
製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概
略断面図である。
製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す概
略断面図である。
２１ 炭素繊維 ２２ ガス拡散層 ２３ 触媒層 ２４ ガス拡散電極 ２５ 水素イオン伝導性高分子電解質膜 ２６ ガス流路 ２７ セパレータ板 ２１１ 気孔 ３１ 炭素繊維 ３２ ガス拡散層 ３３ 触媒層 ３４ ガス拡散電極 ３５ 水素イオン伝導性高分子電解質膜 ３６ ガス流路 ３７ セパレータ板 ３１１ 導電性粒子 ３１２ 高分子材料 ３１３ 気孔 ４１ 多孔性材料 ４２ 導電性高分子層 ４３ 触媒層 ４４ ガス拡散電極 ４５ 水素イオン伝導性高分子電解質膜 ４６ ガス流路 ４７ セパレータ板 ５１ 多孔性材料 ５２ 導電性高分子層 ５３ 触媒層 ５４ ガス拡散電極 ５５ 水素イオン伝導性高分子電解質膜 ５６ ガス流路 ５７ セパレータ板 ５１１ 導電性粒子 ５１２ 導電性粒子 ５１３ 高分子材料
フロントページの続き (72)発明者 新倉 順二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS01 BB01 BB03 BB05 BB08 BB12 BB17 CC06 DD05 DD08 DD10 EE03 EE05 EE08 EE17 EE18 HH00 HH02 HH03 HH05 5H026 AA06 CC03 CX05 HH00 HH02 HH03 HH05
Claims (8)
- 【請求項１】 多孔性材料からなるガス拡散層および前
記ガス拡散層の上部に設けられた触媒層からなるガス拡
散電極であって、 前記ガス拡散層の前記触媒層側の面において、前記ガス
拡散層の気孔の面積が前記ガス拡散電極の一端Ｒ1から
他端Ｌ1に向かって大きくなっていることを特徴とする
ガス拡散電極。 - 【請求項２】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、多
孔性材料からなるガス拡散層および前記ガス拡散層の上
部に設けられた触媒層からなりかつ前記触媒層が前記水
素イオン伝導性高分子電解質膜に面するように前記水素
イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対のガス拡散電極
ＡおよびＢと、前記電極Ａの外側に位置して前記電極Ａ
に酸化剤ガスを供給・分配するガス流路を有するセパレ
ータ板Ａおよび前記電極Ｂに燃料ガスを供給・分配する
ガス流路を有するセパレータ板Ｂとからなる単電池を積
層してなる燃料電池であって、 前記電極Ａが請求項１記載のガス拡散電極からなり、前
記ガス拡散電極の一端Ｒ1がセパレータＡのガス流路の
入口側に位置し、他端Ｌ1が出口側に位置することを特
徴とする燃料電池。 - 【請求項３】 多孔性材料からなるガス拡散層および前
記ガス拡散層の上部に設けられた触媒層からなるガス拡
散電極であって、 前記ガス拡散層の気孔に導電性粒子を含有する高分子材
料が含まれ、前記気孔に含まれる高分子材料の量が前記
ガス拡散電極の一端Ｒ2から他端Ｌ2に向かって少なくな
っていることを特徴とするガス拡散電極。 - 【請求項４】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、多
孔性材料からなるガス拡散層および前記ガス拡散層の上
部に設けられた触媒層からなりかつ前記触媒層が前記水
素イオン伝導性高分子電解質膜に面するように前記水素
イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対のガス拡散電極
ＡおよびＢと、前記電極Ａの外側に位置して前記電極Ａ
に酸化剤ガスを供給・分配するガス流路を有するセパレ
ータ板Ａおよび前記電極Ｂに燃料ガスを供給・分配する
ガス流路を有するセパレータ板Ｂとからなる単電池を積
層してなる燃料電池であって、 前記電極Ａが請求項３記載のガス拡散電極からなり、前
記ガス拡散電極の一端Ｒ2がセパレータＡのガス流路の
入口側に位置し、他端Ｌ2が出口側に位置することを特
徴とする燃料電池。 - 【請求項５】 多孔性材料と前記多孔性材料の上部に設
けられた少なくとも導電性粒子および高分子材料で構成
された導電性高分子層とからなるガス拡散層、ならびに
前記導電性高分子層の上部に設けられた触媒層からなる
ガス拡散電極であって、 前記導電性高分子層の厚みが前記ガス拡散電極の一端Ｒ
3から他端Ｌ3に向かって薄くなっていることを特徴とす
るガス拡散電極。 - 【請求項６】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、多
孔性材料からなるガス拡散層および前記ガス拡散層の上
部に設けられた触媒層からなり、かつ前記触媒層が前記
水素イオン伝導性高分子電解質膜に面するように前記水
素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対のガス拡散電
極ＡおよびＢと、前記電極Ａの外側に位置して前記電極
Ａに酸化剤ガスを供給・分配するガス流路を有するセパ
レータ板Ａおよび前記電極Ｂに燃料ガスを供給・分配す
るガス流路を有するセパレータ板Ｂとからなる単電池を
積層してなる燃料電池であって、 前記電極Ａが請求項５記載のガス拡散電極からなり、前
記ガス拡散電極の一端Ｒ3がセパレータＡのガス流路の
入口側に位置し、他端Ｌ3が出口側に位置することを特
徴とする燃料電池。 - 【請求項７】 多孔性材料と前記多孔性材料の上部に設
けられた粒径の異なる２種の導電性粒子および高分子材
料で構成された導電性高分子層とからなるガス拡散層、
ならびに前記導電性高分子層の上部に設けられた触媒層
からなるガス拡散電極であって、 粒径の小さい導電性粒子の含有率が前記ガス拡散電極の
一端Ｒ4から他端Ｌ4に向かって小さくなっていることを
特徴とするガス拡散電極。 - 【請求項８】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、多
孔性材料からなるガス拡散層および前記ガス拡散層の上
部に設けられた触媒層からなりかつ前記触媒層が前記水
素イオン伝導性高分子電解質膜に面するように前記水素
イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対のガス拡散電極
ＡおよびＢと、前記電極Ａの外側に位置して前記電極Ａ
に酸化剤ガスを供給・分配するガス流路を有するセパレ
ータ板Ａおよび前記電極Ｂに燃料ガスを供給・分配する
ガス流路を有するセパレータ板Ｂとからなる単電池を積
層してなる燃料電池であって、 前記電極Ａが請求項７記載のガス拡散電極からなり、前
記ガス拡散電極の一端Ｒ4がセパレータＡのガス流路の
入口側に位置し、他端Ｌ4が出口側に位置することを特
徴とする燃料電池。
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- 2001-04-23 JP JP2001124370A patent/JP4880131B2/ja not_active Expired - Fee Related
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