JP2003163009A

JP2003163009A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2003163009A
Application number: JP2001361041A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kunisa; 康弘国狭; Shinji Terasono; 真二寺園
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池システムを高効率で運転
するためにカソードに低加湿の酸化剤ガスを供給するこ
とによりカソード触媒層のガスの流路の入口近傍領域が
乾燥雰囲気となった場合でも、効率よく出力密度が高い
固体高分子型燃料電池の提供。【解決手段】アノードとカソードとそれらの間に配置さ
れる高分子電解質膜と、カソードの外側に配置されカソ
ードと接する面に入口と出口とを有するガス流路が形成
されたセパレータとを備える固体高分子型燃料電池にお
いて、カソードの触媒層を、ガス流路の入口の近傍領域
の単位面積あたりの最大水素吸着電気量が、ガス流路の
出口の近傍領域の単位面積あたりの最大水素吸着電気量
より多い構成とする。

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
電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素・酸素燃料電池は、反応生成物が原
理的に水のみであり、地球環境への悪影響がほとんどな
い発電システムとして注目されている。特に、固体高分
子型燃料電池は、近年の研究の急速な進展により出力密
度が高くなりつつあり、実用化がおおいに期待されてい
る。現在検討されている固体高分子型燃料電池は、その
作動温度領域が低く排熱を利用しにくいので、水素等の
アノード反応ガス利用率及び空気等のカソード反応ガス
利用率の高い作動条件下において、高い発電効率、高い
出力密度を得ることのできる性能が要求されている。

【０００３】固体高分子型燃料電池に使用されるガス拡
散電極は、通常、触媒層とガス拡散層とからなり、触媒
層には触媒とその触媒を被覆するイオン交換樹脂が含ま
れており、触媒層が高分子電解質膜と接合していて膜と
電極とからなる膜電極接合体を形成している。そして、
高分子電解質膜から連続的につながっているイオン交換
樹脂（厳密にいえばイオン交換基の部分）と触媒と反応
ガスが接している三相界面が電極反応の起こる主要部と
なる。したがって、燃料電池を高出力密度化するために
は、上記三相界面の数を増やすことが重要である。特に
四電子反応で反応過電圧が大きいカソードの反応サイト
を増やすことが高出力密度化につながる。

【０００４】通常の固体高分子型燃料電池は、例えば図
１に示すようなガス流路２となる溝が両面に形成された
セパレータ１を介して、膜電極接合体が積層されてスタ
ックを構成する。そして、カソードにおいては空気等の
酸化剤ガスがガス流路２の入口２１から供給され、ガス
拡散電極の面内を流れてガス流路の出口２２から排出さ
れる。なお、図１は、（ａ）がセパレータをカソード又
はアノードと接する面からみた正面図、（ｂ）は（ａ）
におけるＡ−Ａ’の位置で切断したときの断面図であ
る。図１（ａ）中、矢印はガスの流れる方向を示してい
る。

【０００５】反応効率を重視する場合、膜及び触媒層中
のイオン交換樹脂は導電性を確保するために湿潤してい
ることが好ましいため、反応ガスは加湿して供給される
ことが多い。しかし、燃料電池全体のシステムの効率を
重視する場合、酸化剤ガスは緩やかな加湿条件で加湿さ
れ露点が電池の作動温度より低い低加湿状態で供給され
ることが望ましい。この場合ガス流路の入口近傍領域は
乾燥雰囲気となり、出口近傍領域は触媒層面内で電池反
応により生成される水が累積されて比較的湿潤雰囲気と
なる。そのため、カソード触媒層はガス流路の入口近傍
領域と出口近傍領域とでは反応効率が異なってくる。し
かし従来は、カソード触媒層は構成が面内で均一であ
り、ガス流路の入口近傍領域と出口近傍領域とで異なる
機能を持たせることはできていなかった。

【０００６】この対応策として特開平２００１−５７２
１８には、ガス拡散層の反応ガス上流部のガス拡散性を
反応ガス下流部よりも低くする（具体的にはガス拡散層
の平均気孔径を小さくする）固体高分子型燃料電池が提
案されている。しかし、この固体高分子型燃料電池で
は、カソードにおけるガス流路の入口近傍領域は、ガス
拡散層の効果により多少湿潤状態にはなるものの本質的
には出口近傍領域よりも乾燥しており、ガス流路の入口
近傍領域において実質的に機能する反応サイト数が少な
く、充分に燃料電池の出力を高めることはできなかっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、カソー
ドに低加湿の酸化剤ガスが供給されると、ガス流路の入
口近傍領域のカソード触媒層は乾燥状態になり、出口近
傍領域は比較的湿潤雰囲気となる。そのため触媒を被覆
しているイオン交換樹脂の含水率は低くなり樹脂内のプ
ロトンの通路が充分に確保できず実質的に機能する反応
サイトの数が少なくなる。したがって、カソード触媒層
の面内の構成、すなわち触媒層とイオン交換樹脂との面
内での分布が均一であると、ガス流路の入口近傍領域は
出口近傍領域に比べて実質的に機能する反応サイトの数
が大幅に減少する。そのため電極全体としては出力密度
が低くなる。

【０００８】そこで本発明は、カソードの面内におい
て、ガス流路の入口近傍領域と出口近傍領域において実
質的に機能する反応サイト数に大幅な違いがなく、面内
においてほぼ均一に反応が起こって電流密度がほぼ均一
なカソード触媒層を備えることにより、出力特性に優れ
る固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、アノードと、
カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置
された高分子電解質膜と、前記カソードの前記高分子電
解質膜と接する面の反対側に配置され入口と出口とを有
するガス流路が前記カソードと接する面に形成されたセ
パレータと、を備える固体高分子型燃料電池であって、
前記カソードは、白金又は白金合金を含む触媒とイオン
交換樹脂とを含み前記高分子電解質膜と隣接する触媒層
を有し、前記触媒層において、前記ガス流路の前記入口
の近傍領域のサイクリックボルタンメトリー法により得
られる単位面積あたりの最大水素吸着電気量が、前記出
口の近傍領域の単位面積あたりの最大水素吸着電気量よ
り多いことを特徴とする固体高分子型燃料電池を提供す
る。

【００１０】本発明者らは鋭意検討の結果、潜在的に存
在する反応サイト数は、電気化学的測定法であるサイク
リックボルタンメトリー法で測定した最大水素吸着電気
量により定量的に評価できると考えた。そして、従来の
カソード触媒層の構造では低加湿状態の酸化剤ガスが供
給された場合、ガス流路の入口近傍領域ではイオン交換
樹脂が乾燥して樹脂の含水率が低下するために最大水素
吸着電気量が少なくなり、全体として燃料電池の出力密
度が低下すると考えた。

【００１１】そこで、カソードの触媒層を、ガス流路の
入口近傍領域における最大水素吸着電気量がガス流路の
出口近傍領域に比べて大きくなるように構成することに
より、ガス流路の入口近傍領域のカソード触媒層の反応
サイトが充分に確保でき、効率的に燃料電池の出力密度
を高められることを見出し、本発明に至った。なお、水
素吸着電気量は触媒層の湿潤状態によって値が異なるの
で、本明細書では最大水素吸着電気量とは、８０℃にお
いてカソード触媒層を充分に湿潤させた状態で測定した
場合の水素吸着電気量のことをいう。具体的にはセル温
度と同じ温度の露点のガスを供給した場合に測定される
水素吸着電気量であり、具体的測定方法は後述する。

【００１２】本発明の固体高分子型燃料電池は、カソー
ド触媒層の面内分布において、ガス流路の入口近傍領域
における最大水素吸着電気量が出口近傍領域よりも大き
く入口近傍領域に潜在的に存在する反応サイト数の絶対
量が多くなっていると考えられる。したがって、ガス流
路の入口近傍領域が乾燥状態となり触媒を被覆するイオ
ン交換樹脂が乾燥しても、ある程度の実質的に機能する
反応サイト数を確保できる。

【００１３】一方、ガス流路の出口近傍領域では電池反
応により生成した生成水の累積分があって比較的湿潤雰
囲気となっているため、イオン交換樹脂が含水状態にな
り、入口近傍領域ほど潜在的な反応サイト数を存在させ
ていなくても発電中に実質的に機能する充分な反応サイ
ト数を確保できる。その結果、効率的にカソード触媒層
の面内の電流密度分布を均一化でき、燃料電池の出力密
度を高められる。

【００１４】本発明におけるカソードの触媒層の最大水
素吸着電気量は、以下の方法で測定した値である。すな
わち、アノード、カソード及び高分子電解質膜からなる
膜電極接合体に対し、セル温度（膜電極接合体の温度）
と同じ温度の露点を有する加湿ガスをカソード、アノー
ドそれぞれに供給した状態でサイクリックボルタンメト
リー法により測定して得た値である。セル温度と同じ温
度の露点を有するガスを供給することにより触媒層中の
樹脂は充分に湿潤されるため、セル温度において機能し
うる反応サイトをすべて測定できる。

【００１５】具体的な測定法を例を挙げて説明する。電
極面積が２５ｍ^２の膜電極接合体に対し、セル温度８０
℃において、アノードに８０℃の露点を有する加湿水素
を２７ｍＬ／分で供給して参照極とし、カソードには８
０℃の露点を有する加湿窒素を２Ｌ／分で供給し、ポテ
ンシオスタット及びファンクションジェネレータを接続
して０Ｖ〜１．１５Ｖの範囲で１０ｍＶ／秒の電位掃引
速度でボルタモグラムを書く。このとき掃引は数回行
い、定常状態になったボルタモグラムを記録して、その
水素の還元に伴う水素吸着電気量を水素吸着ピークの面
積（時間と電流値の積の積算値）から算出する。このよ
うにして測定したボルタモグラムの一例を図３に示す。

【００１６】水素吸着ピークは次のようにして求める。
クーロン量は電流と時間の積で求められるが、図３の横
軸は電位の掃引速度がわかっているため時間に換算で
き、縦軸の電流量の絶対値との積により決定される。例
えば水素吸着ピークを三角形に近似して計算すると底辺
から０．１２Ｖ／（０．０１Ｖ／秒）＝１２秒、高さは
絶対値が０．１５Ａであるから、水素吸着電気量は１２
×０．１５／２＝０．９Ｃとなり、単位面積あたりの数
値に換算すると０．９／２５＝０．０３６Ｃ／ｃｍ^２と
なる。実際には面積は厳密に積分値から算出して水素吸
着電気量を求めると、これが最大水素吸着電気量とな
る。なお、ここで測定される水素吸着電気量とは白金上
に吸着する水素の量であるから、イオン交換樹脂中を通
って白金上まで到達したプロトンの量と相関関係があ
り、反応サイトを意味していることになる。

【００１７】本発明ではカソード触媒層が面内で最大水
素吸着電気量の異なるいくつかの領域にわかれているの
で、各領域の最大水素吸着電気量を測定する必要があ
る。しかし１枚の膜電極接合体の部分ごとに最大水素吸
着電気量を測定することは困難であるため、膜電極接合
体を切断して最大水素吸着電気量の同じ領域ごとに複数
のサンプルを作製する（１つのサンプル内ではカソード
触媒層の面内で最大水素吸着電気量がほぼ均一になって
いるようにする）か、又は別途それぞれの領域と同じ最
大水素吸着電気量となるように同じ構成の膜電極接合体
をそれぞれ作製してもよい。

【００１８】具体的に本明細書においてカソード触媒層
のガス流路の入口近傍領域の最大水素吸着電気量とは、
カソードが例えば図１のようなセパレータと接している
場合は、セパレータのガス流路の入口を含む上部と接す
るカソード触媒層の部分について測定される最大水素吸
着電気量である。同様にガス流路の出口近傍領域の最大
水素吸着電気量とは、セパレータのガス流路の出口を含
む下部と接するカソード触媒層の部分について測定され
る最大水素吸着電気量である。

【００１９】カソードの触媒層の最大水素吸着電気量を
決定する要因は種々あるが、例えば電極に含まれる白金
の量、イオン交換樹脂の量、触媒層の構造などが挙げら
れる。触媒が白金がカーボンに担持されてなる担持触媒
である場合、担持触媒と触媒を被覆するイオン交換樹脂
との含有割合が固定されていれば、それらを併せた絶対
量が多いほど最大水素吸着電気量は大きくなる。また、
担持触媒とイオン交換樹脂との含有割合によっても最大
水素吸着電気量は変わる。担持触媒とイオン交換樹脂と
いう２つの成分の量を調節することで面内で最大水素吸
着電気量に分布をつけることもできる。

【００２０】本発明では、カソードの触媒層のガス流路
の出口近傍領域の単位面積あたりの最大水素吸着電気量
を、入口近傍領域の単位面積あたりの最大水素吸着電気
量に対して８５％以下とし、かつガスの入口近傍領域の
単位面積あたりの最大素吸着電気量を０．０１〜０．１
Ｃ／ｃｍ^２とすることが好ましい。単位面積あたりの最
大水素吸着電気量が０．０１〜０．１Ｃ／ｃｍ^２であれ
ば、カソード触媒層のガス流路の入口近傍領域は乾燥し
ていても実質的に機能する反応サイトを充分に確保で
き、優れた燃料電池の初期特性及び耐久性が得られる。
より耐久性等を高めるには、０．０１６Ｃ／ｃｍ^２以上
とすることが好ましい。

【００２１】一方、入口近傍領域の最大水素吸着電気量
が大きくするには触媒の白金等が多く必要であり、カソ
ード触媒層が厚くなってガス拡散性が低下しセル電圧が
低下するので好ましくない。そのため０．１Ｃ／ｃｍ^２
以下が好ましく、さらには０．０８Ｃ／ｃｍ^２以下が好
ましい。そして反応生成水等によりガスが加湿されてい
るガス流路の出口近傍領域では入口近傍領域より最大水
素吸着電気量が少なくても充分に反応サイトが確保でき
るので、ガス流路の出口近傍領域の単位面積あたりの最
大水素吸着電気量が入口近傍領域の最大水素吸着電気量
に対して８５％以下、特に７５％以下であることが好ま
しい。一方、ガス流路の出口近傍領域の反応サイトが入
口近傍領域に比べて極端に少なくなって出力密度が低く
ならないように、上記割合は３０％以上であることが好
ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池の
カソード触媒層において、最大水素吸着電気量を高くし
たガス流路の入口近傍領域（以下、高クーロン量領域と
いう）の面積及び最大水素吸着電気量を低くした出口近
傍領域（以下、低クーロン量領域という）の面積は、何
れもカソード触媒層の全面積に対して５％以上であるこ
とが好ましく、１０％以上であることがより好ましく、
２０％以上であることがさらに好ましい。高クーロン量
領域の面積の割合がカソード触媒層の全面積に対して５
％未満であると、乾燥雰囲気の入口近傍領域の触媒層内
に充分な反応サイトを確保できず高い電池出力を得られ
ないおそれがある。また低クーロン量領域の面積の割合
がカソード触媒層の全面積に対して５％未満であると、
触媒層面内を効率的に分離することができず効率的に高
出力密度を得られないおそれがある。

【００２３】また、カソードの触媒層を高クーロン領域
と低クーロン領域の２つの領域にわけるだけでなく、３
つ以上の領域にわけて、ガスの流路の入口側から出口側
に向かって徐々に最大水素吸着電気量が低い領域となっ
ていくようにしてもよい。

【００２４】本発明の構成は、特にカソードに低加湿の
ガスを供給した場合に有効な構成である。すなわち、カ
ソード側のガスの流路に燃料電池の作動温度よりも１０
℃以上低い温度の露点を有するガス、さらには燃料電池
の作動温度よりも１５℃以上低い温度の露点を有するガ
スが流れている場合に優れた効果を示す。なお、ここで
いう低加湿のガスには無加湿（乾燥状態）のガスも含
む。

【００２５】本発明において、カソード触媒層には白金
又は白金合金を含む触媒が含まれるが、白金又は白金合
金の量は電池出力とコストの観点から０．３〜１．０ｍ
ｇ／ｃｍ^２とすることが好ましい。ここで白金又は白金
合金は、カーボンに担持されてなる担持触媒として触媒
層中に含有されることが好ましい。

【００２６】またカソード触媒層に含有されるイオン交
換樹脂の含有量については、カソード触媒層内のプロト
ン導電性を充分に確保する観点と触媒層内に充分な反応
サイトを確保する観点から、触媒とイオン交換樹脂との
比率（質量比）の範囲が、触媒の質量：イオン交換樹脂
の質量＝４．０：６．０〜９．５：０．５であることが
好ましく、触媒の質量：イオン交換樹脂の質量＝６．
０：４．０〜８．０：２．０であることがより好まし
い。なおここでいう触媒の質量とは、触媒担持カーボン
などの担体に担持された担持触媒の場合にはその担体の
質量も含むものとする。

【００２７】上記イオン交換樹脂としては、湿潤状態下
で良好なイオン導電性を示すイオン交換樹脂であれば特
に限定されないが、耐久性及び出力特性の観点からスル
ホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体（エーテ
ル結合性の酸素原子等を含んでもよい）が好ましい。ま
た、高温耐性に優れるホスホン酸基を有するパーフルオ
ロカーボン重合体等も使用できる。

【００２８】本発明におけるアノード触媒層は特に限定
されないが、カソードと同様に触媒とイオン交換樹脂を
含むものである。アノード触媒層はカソード触媒層と同
様に触媒層面内で最大水素吸着電気量の分布が異なって
いてもよいが、面内の組成は均一であってもよい。

【００２９】また、本発明における固体高分子電解質膜
となるイオン交換膜は特に限定されないが、具体的には
例えば、旭硝子社製のフレミオン、旭化成社製のアシプ
レックス、デュポン社製のナフィオン、ジャパンゴアテ
ックス社製のゴアセレクト等が使用できる。これらの膜
は、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体
からなる膜であるが、これら以外に、ホスホン酸基又は
フェノール系水酸基等を有するパーフルオロカーボン重
合体からなる膜も使用できる。また、スルホン酸基やホ
スホン酸基等を有する炭化水素系樹脂又は部分フッ素化
された炭化水素系樹脂からなる膜も使用できる。膜の製
造方法は特に限定されず、押出し成形膜でもよいし、イ
オン交換樹脂を溶媒に溶解又は分散させた液から、キャ
スト法にて得られる膜でもよい。また、イオン交換樹脂
からなる膜を補強材と複合化した補強膜も固体高分子電
解質膜として使用できる。

【００３０】イオン交換膜上での触媒層の形成は、触媒
層を基材シート上に形成したものを膜にホットプレス転
写してもよいし、膜状に直接塗工してもよいし、触媒層
をガス拡散層上に形成したものを膜にホットプレス接合
してもよく特には限定されない。

【００３１】

【実施例】以下に、本発明を実施例（例１）及び比較例
（例２、３）により具体的に説明するが、本発明はこれ
らに限定されない。

【００３２】〔例１〕カソード触媒層に含有させるイオ
ン交換樹脂として、スルホン酸基を有するパーフルオロ
カーボン重合体であるＣＦ_２＝ＣＦ_２／ＣＦ_２＝ＣＦ−
ＯＣＦ_２ＣＦ（ＣＦ_３）−ＯＣＦ_２ＣＦ_２ＳＯ_３Ｈ共重
合体（イオン交換容量Ａ_Ｒは１．１ミリ当量／ｇ乾燥樹
脂（以下ｍｅｑ．／ｇとする））を用いた。次に、触媒
としてカーボン（商品名：ケッチェンブラックＥＣ、ラ
イオン社製）に白金が触媒全質量の５４％担持された担
持触媒を用い、該触媒と上記共重合体とを質量比で６．
８５：３．１５となるように、エタノール／水の混合溶
媒（質量比で１／１）中で混合撹拌し、得られる液の固
形分（触媒と樹脂の合量）濃度が１０質量％となるよう
に調製した。これを触媒層形成用塗工液１とする。

【００３３】次に、上記担持触媒と上記共重合体とを質
量比で６．４４：３．５６となるように、エタノール／
水の混合溶媒（質量比で１／１）中で混合撹拌し、得ら
れる液の固形分（触媒と樹脂の合量）濃度が１０質量％
となるように調製した。これを触媒層形成用塗工液２と
する。

【００３４】次に、図２を参照しながら、触媒層の形成
方法と、膜・電極接合体の作製について説明する。ま
ず、触媒層形成用塗工液１を厚さ５０μｍのテトラフル
オロエチレン／エチレン共重合体からなる基材シート
（商品名：アフロンＣＯＰ、旭硝子社製）の片面に、白
金付着量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２となるようにバーコータ
で塗布し、乾燥させこれをアノード触媒層３３とした。
このアノード触媒層が形成された基材シートを、有効電
極面積が２５ｃｍ^２となるように切り出した。

【００３５】次にカソード触媒層の形成は以下のように
行った。カソード触媒層を均等に上下２つの領域に分け
る、すなわちカソードのセパレータを図１におけるＢ−
Ｂ’の位置で２つに分けた場合にＢ−Ｂ’の位置よりも
上部と接するカソード触媒層、すなわちガスの流路の入
口近傍領域となる部分を高クーロン量領域Ｐとなるよう
にし、Ｂ−Ｂ’の位置よりも下部と接するカソード触媒
層、すなわちガスの流路の出口近傍領域となる部分を低
クーロン量領域Ｑとなるように以下の手順で形成した。
なお、全カソード触媒層面積（領域Ｐの面積と領域Ｑの
面積との和）に対する高クーロン量領域Ｐの面積及び低
クーロン量領域Ｑの面積の割合（％）はそれぞれ５０％
とした。

【００３６】触媒層形成用塗工液２をアノード触媒層３
３を形成した基材シートと同じ材質で別途用意した基材
シートの半分に白金付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２となる
ように塗布して乾燥させ、これを高クーロン量領域Ｐと
した。次に触媒層形成用塗工液１を上記基材シートの残
りの半分白金付着量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２となるように
塗布して乾燥させ、これを低クーロン量領域Ｑとした。
そして、高クーロン量領域Ｐと低クーロン量領域Ｑとか
らなるカソード触媒層３２が形成された基材シートを領
域Ｐと領域Ｑの面積が等しくなるようにして有効電極面
積が２５ｃｍ^２となるように切り出した。

【００３７】アノード触媒層３３が形成された基材シー
トとカソード触媒層３２が形成された基材シートとを、
それぞれ触媒層が形成された面を内側に向けて対向さ
せ、間に高分子電解質膜３１としてスルホン酸基を有す
るパーフルオロカーボン重合体からなりフィブリル状の
フルオロカーボン重合体で補強されたイオン交換膜（商
品名：フレミオンＨＥｆ２、旭硝子社製、Ａ_Ｒ＝１．１
ｍｅｑ．／ｇ、乾燥膜厚３０μｍ）を挟んで、１６０℃
でホットプレスした。ホットプレスによりカソード触媒
層３２及びアノード触媒層３３は高分子電解質膜３１に
転写されたので、両面の基材シートを剥離することによ
り膜・触媒層接合体を得た。

【００３８】次に、この接合体の両面にガス拡散層とし
て表面がカーボンと撥水剤で目詰めされたカーボンクロ
ス（商品名：カーベルＣＬ、ジャパンゴアテックス社
製）をガス拡散層３４、３５として配置し、膜・電極接
合体を得た。この膜・電極接合体を、表面にガスの流路
となる溝が形成されたセパレータ３６、３７の２枚で挟
み、図２における左側にガスの入口がくるようにし、右
側に反応ガスの出口がくるようにした。

【００３９】次に、得られた膜・電極接合体のカソード
触媒層のＰ、Ｑそれぞれの領域における最大水素吸着電
気量を測定するため、全面がＰの領域と同じ組成のカソ
ード触媒層と全面がＱの領域と同じ組成のカソード触媒
層をそれぞれ作製し、それぞれについて上記と同様にア
ノード、高分子電解質膜、ガス拡散層等を用いてそれぞ
れ膜・電極接合体を作製した。

【００４０】領域Ｐに対応する膜・電極接合体及び領域
Ｑに対応する膜・電極接合体それぞれについて、セル温
度８０℃にて露点８０℃の加湿水素ガスを２７ｍＬ／分
でアノード側に供給し、カソード側には露点８０℃加湿
空気を２Ｌ／分で供給し、３０分間ガスを流してカソー
ド系内の空気を窒素で充分に置換した後、ポテンシオス
タット及びファンクションジェネレータを用いてサイク
リックボルタンメトリー法にてサイクリックボルタモグ
ラムを作成した。電位掃引速度は１０ｍＶ／秒、電位の
掃引範囲は０Ｖ〜１．１５Ｖとした。

【００４１】ガスの流路の入口近傍領域にあたる高クー
ロン量領域Ｐの単位面積あたりの最大水素吸着電気量は
０．０２４Ｃ／ｃｍ^２であり、ガスの流路の出口近傍領
域にあたる低クーロン量領域Ｑの単位面積あたりの最大
水素吸着電気量は０．０１４Ｃ／ｃｍ^２であり、領域Ｑ
の単位面積あたりの最大水素吸着電気量は領域Ｐのそれ
に対して約５８％であった。

【００４２】〔例２〕例１のカソード触媒層形成におい
て、高クーロン量領域Ｐの白金付着量が０．３５ｍｇ／
ｃｍ^２となるように触媒層形成用塗工液２を塗布し、及
び低クーロン量領域Ｑの白金付着量が０．３５ｍｇ／ｃ
ｍ^２となるように触媒層形成用塗工液１を塗布した以外
は例１と同様に電極・膜接合体を形成した。また例１と
同様に領域Ｐ、Ｑそれぞれに対応する膜・電極接合体も
作製した。入口近傍領域にあたる高クーロン量領域Ｐの
単位面積あたりの最大水素吸着電気量は０．０２１Ｃ／
ｃｍ^２であり、出口近傍領域にあたる低クーロン量領域
Ｑの単位面積あたりの最大水素吸着電気量は０．０１７
Ｃ／ｃｍ^２であった。領域Ｑの単位面積あたりの最大水
素吸着電気量は領域Ｐのそれに対して約８１％であっ
た。

【００４３】〔例３〕カソード用の触媒層形成用塗工液
３を以下のように調製した。触媒にはカーボン（商品
名：ケッチェンブラックＥＣ、ライオン社製）に白金が
触媒全質量の５４％担持されたものを用い、該触媒と上
記スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体とを質量比
で６．６４：３．３６となるように、エタノール／水の
混合溶媒（質量比で１／１）中で混合撹袢した。このと
き塗工液の固形分（触媒と樹脂の合量）濃度は１０質量
％となるように調製した。この触媒層形成用塗工液３を
基材シート上に、全域に均一に白金付着量が０．３５ｍ
ｇ／ｃｍ^２となるように塗布して乾燥させた。この基材
シートを有効電極面積が２５ｃｍ^２となるように切り出
した。

【００４４】カソードを形成するのにこの基材シートを
用いた以外は例１と同様にして膜・電極接合体を得た。
この膜・電極接合体はカソード触媒層が均一な組成から
なるため、最大水素吸着電気量はこの膜・電極接合体を
用いて測定した。カソード触媒層の単位面積あたりの最
大水素吸着電気量は０．０１９Ｃ／ｃｍ^２であった。

【００４５】［電池特性試験］上記の例１〜３の各単位
セル（膜・電極接合体）の両外側に図１に示すようなセ
パレータを配置して測定セルとし、電子負荷装置ＦＫ４
００Ｌ（高砂製作所社製）と直流電源装置ＥＸ７５０Ｌ
（高砂製作所社製）を用いて電流電圧特性の測定試験を
行った。測定条件は、水素出口圧力；０．１５ＭＰａ、
空気出口圧力；０．１５ＭＰａ、測定セルの作動温度；
７５℃とし、カソードに供給する空気の露点は４５℃、
アノードに供給する水素の露点は７０℃とし、出力電流
密度を０Ａ／ｃｍ^２（ＯＣＶ）、０．２Ａ／ｃｍ^２、
１．０Ａ／ｃｍ^２と変化させた場合における測定セルの
セル電圧（端子間電圧）を測定した。これらの各測定セ
ルの試験結果を表２に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【表２】

【００４８】

【発明の効果】本発明の固体高分子型燃料電池は、低加
湿の酸化剤ガスをカソードに供給することにより入口近
傍領域が乾燥状態になっても、入口近傍領域に潜在的に
存在する反応サイトの絶対量が多いために発電中におい
て充分に有効反応サイトを確保できる。一方、ガス流路
の出口近傍領域は入口近傍領域から累積された電池反応
生成水により湿潤状態となるため、触媒を被覆するイオ
ン交換樹脂は含水状態となり、入口近傍領域ほど潜在的
に存在する反応サイトが多くない本発明の構成でも有効
反応サイトは充分に存在する。したがって、本発明によ
れば経済的で効率よい高性能の固体高分子型燃料電池を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セパレータの構造の一例を示す図。（ａ）正面
図。（ｂ）図１（ａ）におけるＡ−Ａ’で切断したとき
の断面図。

【図２】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態を示
す図。

【図３】カソード触媒層についてサイクリックボルタン
メトリー法により測定したボルタモグラムの一例を示す
図。

【符号の説明】

２：セパレータ２１：ガスの流路の入口２２：ガスの流路の出口３１：高分子電解質膜３２：カソード触媒層３３：アノード触媒層３４、３５：ガス拡散層３６、３７：セパレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノードと、カソードと、前記アノードと
前記カソードとの間に配置された高分子電解質膜と、前
記カソードの前記高分子電解質膜と接する面の反対側に
配置され入口と出口とを有するガス流路が前記カソード
と接する面に形成されたセパレータと、を備える固体高
分子型燃料電池であって、前記カソードは、白金又は白金合金を含む触媒とイオン
交換樹脂とを含み前記高分子電解質膜と隣接する触媒層
を有し、前記触媒層において、前記ガス流路の前記入口の近傍領
域のサイクリックボルタンメトリー法により得られる単
位面積あたりの最大水素吸着電気量が、前記出口の近傍
領域の単位面積あたりの最大水素吸着電気量より多いこ
とを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】前記出口の近傍領域の単位面積あたりの最
大水素吸着電気量が、前記入口の近傍領域の単位面積あ
たりの最大水素吸着電気量に対して８５％以下であり、
かつ前記入口の近傍領域の単位面積あたりの最大水素吸
着電気量が０．０１〜０．１Ｃ／ｃｍ^２である請求項１
に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】前記ガスの流路には、燃料電池の作動温度
よりも１０℃以上低い温度の露点を有するガスが流れる
請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】前記イオン交換樹脂は、スルホン酸基を有
するパーフルオロカーボン重合体からなる請求項１〜３
のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。