JP2005174764A - 燃料電池システム、その製造方法及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体の含水量を調整し、無加湿又は低加湿であっても高い発電特性を発揮することができ、かつ容易に製造できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、膜電極接合体１０と、水素供給手段２、２１と、空気供給手段３、２２とを備えている。膜電極接合体１０は、電解質層１１と、電解質層１１の一面に接合された空気極反応層１３ａと、電解質層１１の他面に接合された水素極反応層１２ａとを有している。水素極反応層１２ａのイオン交換容量は空気極反応層１３ａのイオン交換容量よりも大きい。また、水素供給手段２、２１は、加湿装置を有さず、水素を無加湿又は低加湿で供給するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム、その製造方法及びその使用方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池システムは環境にやさしいエネルギー源として注目されており、この種の燃料電池システムには膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が用いられている。

より具体的には、燃料電池システムは最小発電単位であるセルが多数積層されてなる。セルは膜電極接合体がセパレータで挟まれて構成されている。膜電極接合体は、電解質層と、この電解質層の一面に接合された空気極反応層と、電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する。膜電極接合体として、水素極反応層の非電解質層側に接合され、水素極反応層に水素を拡散する水素拡散層と、空気極反応層の非電解質層側に接合され、空気極反応層に空気を拡散する空気拡散層とを有するものも知られている。水素極反応層には水素供給手段によって水素が供給され、空気極反応層には空気供給手段によって空気が供給されるようになっている。

この膜電極接合体では、水素極反応層における電気化学反応により、燃料の水素から水素イオンと電子とが生成される。そして、水素イオンは電解質層内を空気極反応層に向かって水を伴って移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、空気極反応層に流れる。一方、空気極反応層においては、空気と水素イオンと電子とから水が生成される。このような反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。

しかし、膜電極接合体の水素極反応層において水素から生成された水素イオンは、水分子を伴って電解質層内を空気極反応層に向かって移動することから、水素極反応層及び電解質層の水素極反応層側では、含水率が低下して乾燥しがちな状態になり、水素イオンの移動が阻害され、燃料電池システムの出力が低下しやすい。

また、空気極反応層では、水素イオンとともに移動した水と電池反応で生じた生成水とにより水が過剰となり、空気の拡散が阻害される（以下、「フラッディング」という。）ため、これによっても燃料電池システムの出力が低下しやすい。

このため、従来は、水素極反応層及び電解質層の乾燥の問題については水素ガスを加湿装置によって加湿することにより解決し、また空気極反応層の問題については空気極反応層を撥水的に作成して外部に水を排出しやすいようにすることにより解決している。

また、特許文献１及び特許文献２記載の膜電極接合体も提案されている。特許文献１記載の膜電極接合体では、含水率を電解質層内で連続的に変化させ、かつ水素極反応層側の含水率が最も高く、空気極反応層側の含水率が最も低くなるようにしている。また、特許文献２記載の膜電極接合体では、水素極反応層よりも空気極反応層の方がより撥水性を有するようにしている。これらの膜電極接合体によれば、水素極反応層の含水率の低下と、空気極反応層の湿り過ぎとを防止できるため、燃料電池システムの高出力化が可能になると考えられる。

特開平１１−１６２４８５ 特開２００２−１００３６９

しかしながら、特許文献１記載の膜電極接合体では、基材となるフィルムにガンマ線を照射して、キシレンとスチレンとの傾斜を導入し、グラフト重合させ、膜をスルホン化し、乾燥、加水分解後、洗浄して電解質層を作成している。そのため、この膜電極接合体を製造するためには、ガンマ線照射装置が必要となるとともに、放射線の厳重な管理も必要となる。

また、特許文献２記載の膜電極接合体では、空気極反応層が撥水的であり、生成水が失われやすい。そのため、この燃料電池システムでは、空気極反応層側からの十分な加湿が必要となる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、膜電極接合体の含水量を調整し、無加湿又は低加湿であっても高い発電特性を発揮することができ、かつ容易に製造できる燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。

本発明の燃料電池システムは、電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
該水素極反応層に水素を供給する水素供給手段と、
該空気極反応層に空気を供給する空気供給手段とを備え、
前記水素極反応層のイオン交換容量は前記空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくしたことを特徴とする。

本発明の燃料電池システムでは、水素極反応層のイオン交換容量が空気極反応層のイオン交換容量よりも大きいため、水素極反応層に固定されたイオン濃度が空気極反応層に固定されたイオン濃度よりも大きくなる。例えば、水素極反応層及び空気極反応層にスルホン酸基を有する電解質を用いている場合には、水素極反応層に固定されたスルホン酸基の濃度が空気極反応層に固定されたスルホン酸基の濃度よりも大きくなる。基本的に、膜電極接合体は電解質層を介して水で満たされており、水素極反応層及び空気極反応層に結合したイオンは移動できないため、こうして水素極反応層側のイオン濃度が空気極反応層側のイオン濃度よりも大きくなると、この状態が継続することとなる。このため、イオン濃度の差に基づいて空気極反応層側の水が水素極反応層側に移動し、水素極反応層側と空気極反応層側とのイオン濃度差を打ち消そうとする（浸透圧）。このため、空気極反応層側の水が水素極反応層側に逆拡散することとなる。このため、この燃料電池システムでは、発電中において、水素供給手段が水素を無加湿又は低加湿で供給するとしても、水素極反応層側で乾燥しがちになることはなく、かつ空気極反応層側で水が過剰な状態になることがない。こうして、燃料電池システムの高出力化が可能になる。

また、この燃料電池システムでは、水素供給手段が水素を無加湿又は低加湿で供給するとしても、電解質層の湿潤状態を自動的に維持することができるため、水素を加湿する加湿装置が不要になるか、簡易な加湿装置で足りることとなり、製造も容易になる。

したがって、本発明の燃料電池システムは、膜電極接合体の含水量を調整することにより、無加湿又は低加湿であっても高い発電特性を発揮することができ、かつ容易に製造できるものである。

電解質層は、空気反応層で生成された水が電解質層と水素極反応層との接合面まで逆拡散することにより湿潤可能な薄さに形成されていることが好ましい。この場合、本発明の作用効果が効果的に生じる。

水素極反応層のイオン交換容量は、空気極反応層のイオン交換容量よりも、０．０１〜１．５ｍｅｑ／ｇ大きいことが好ましい。発明者らの試験結果によれば、水素極反応層のイオン交換容量と空気極反応層のイオン交換容量の差が０．０１ｍｅｑ／ｇより小さくては、浸透圧による逆拡散促進効果が得られ難い。また、水素極反応層のイオン交換容量と空気極反応層のイオン交換容量の差が１．５ｍｅｑ／ｇより大きくては、水素極反応層の含水量が過剰になる。そのため、水素極反応層のイオン交換容量と空気極反応層のイオン交換容量の差を０．０１〜１．５ｍｅｑ／ｇとすることで、浸透圧による逆拡散促進効果が得られ、水素極反応層と空気極反応層との含水量のバランスを適正に保つことができる。特に、空気極反応層のイオン交換容量が０．８ｍｅｑ／ｇよりも大きく、水素極反応層のイオン交換容量が０．９ｍｅｑ／ｇよりも大きいことが好ましい。

本発明の燃料電池システムの好ましい態様は、水素供給手段が水素を無加湿又は低加湿で供給するものである。これにより燃料電池システムの簡素化、低コスト化を実現することができる。

本発明の燃料電池システムの製造方法は、電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
該水素極反応層に水素を供給する水素供給手段と、
該空気極反応層に空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの製造方法であって、
触媒と電解質溶液とを攪拌・混合して空気極用ペーストを作製し、前記空気極反応層を形成する第１工程と、
触媒と電解質溶液とを攪拌・混合して水素極用ペーストを作製し、該空気極反応層のイオン交換容量よりイオン交換容量が大きい前記水素極反応層を形成する第２工程と、
該空気極反応層と該水素極反応層との間に前記電解質層を挟んでこれらを接合し、前記膜電極接合体を得る第３工程とを有することを特徴とする。

本発明の製造方法では、第１工程及び第２工程において、触媒と電解質溶液とを攪拌・混合した空気極用ペースト及び水素極用ペーストを作製し、空気極反応層及び水素極反応層を形成する。そして、第３工程において、空気極反応層と水素極反応層との間に電解質層を挟んでこれらを接合し、膜電極接合体を得る。そのため、高価な装置や厳重な管理を必要とせずに、水素極反応層と空気極反応層とのイオン交換容量を変えた燃料電池システムを製造することができる。

また、この製造方法では、第２工程において、水素極反応層のイオン交換容量を空気極反応層のイオン交換容量よりも高くすることにより、高出力化が可能な燃料電池システムを製造することができる。

空気極用ペーストは導電性粒子及び導電性繊維の少なくとも一方を含むことが好ましい。また、水素極用ペーストは導電性粒子及び導電性繊維の少なくとも一方を含むことが好ましい。これらの空気極用ペースト、水素極用ペーストを用いることにより、基材だけの導電性より高い導電性を膜電極接合体に付与することができ、燃料電池システムが高い発電特性を発揮することができる。

導電性粒子としてはカーボン粒子（カーボンブラック）等を採用することができる。導電性繊維としてはカーボン繊維等を採用することができる。空気極用ペースト及び水素極用ペーストは触媒と電解質溶液とを攪拌・混合してなるものであるが、これが導電性粒子及び導電性繊維の少なくとも一方を含む場合には、導電性粒子等に予めＰｔ等の触媒を担持させておくことができる。

このような基材を得るためには、カーボンクロス等の導電性のある基材に予め拡散用ペーストを塗布した後、乾燥させておくことができる。拡散用ペーストとしては、ＰＴＦＥ等の撥水粒子を含むものを採用することができる。これにより、空気拡散層や水素拡散層を撥水処理し、水素や空気を拡散しやすくなる。この拡散用ペーストには、導電性粒子及び導電性繊維の少なくとも一方、電解質溶液、触媒を含ませることもできる。

本発明の燃料電池システムの使用方法は、電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
該水素極反応層に水素を供給する水素供給手段と、
該空気極反応層に空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの使用方法であって、
前記水素極反応層のイオン交換容量を前記空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくすることにより、該水素極反応層に固定されたイオン濃度を該空気極反応層に固定されたイオン濃度よりも大きくし、イオン濃度の差に基づいて該空気極反応層側の水を該水素極反応層側に逆拡散させて前記電解質層の湿潤状態を維持することを特徴とする。

この使用方法では、水素極反応層のイオン交換容量を空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくすることにより、水素極反応層に固定されたイオン濃度を空気極反応層に固定されたイオン濃度よりも大きくし、イオン濃度の差に基づいて空気極反応層側の水を水素極反応層側に逆拡散させて電解質層の湿潤状態を維持する。このため、燃料電池システムは、安価でありながら、高出力を発揮することができる。

また、本発明の燃料電池システムの使用方法は、電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
該水素極反応層の非電解質層側に接合され、該水素極反応層に水素を拡散する水素拡散層と、
該空気極反応層の非電解質層側に接合され、該空気極反応層に空気を拡散する空気拡散層と、
該水素拡散層に水素を供給する水素供給手段と、
該空気拡散層に空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの使用方法であって、
前記水素極反応層のイオン交換容量を前記空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくすることにより、該水素極反応層に固定されたイオン濃度を該空気極反応層に固定されたイオン濃度よりも大きくし、イオン濃度の差に基づいて該空気極反応層側の水を該水素極反応層側に逆拡散させてフラッディングを防止することを特徴とする。

この使用方法では、水素極反応層のイオン交換容量を空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくすることにより、水素極反応層に固定されたイオン濃度を空気極反応層に固定されたイオン濃度よりも大きくし、イオン濃度の差に基づいて空気極反応層側の水を水素極反応層側に逆拡散させてフラッディングを防止する。このため、燃料電池システムは、安価でありながら、高出力を発揮することができる。

水素極反応層のイオン交換容量は、空気極反応層のイオン交換容量よりも、０．０１〜１．５ｍｅｇ／ｇ大きいことが好ましい。発明者らの試験結果によれば、イオン交換容量の差がこの範囲内であれば、空気極反応層の水を水素極反応層に効率的に引き込むことができ、本発明の作用効果が効果的に生じる。

本発明の燃料電池システムを具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。この燃料電池システムでは、図１に示す複数のセル１が用いられている。各セル１は膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と一対のセパレータ２０とを備えている。

膜電極接合体１０は、イオン交換膜からなる電解質層１１と、この電解質層１１の一面に一体に接合された水素極１２と、電解質層１１の他面に一体に接合された空気極１３とを有している。

水素極１２は、電解質層１１側に設けられる水素極反応層１２ａと、水素極反応層１２ａの非電解質層側に接合され、水素極反応層１２ａに水素を拡散する水素拡散層１２ｂとからなる。

また、空気極１３は、電解質層１１側に設けられる空気極反応層１３ａと、空気極反応層１３ａの非電解質層側に接合され、空気極反応層１３ａに空気を拡散する空気拡散層１３ｂとからなる。

各セパレータ２０は、図２にも示すように、一面側に水素極１２に水素を供給するための水素室２１が形成され、他面側に空気極１３に空気を供給するための空気室２２が形成されたものである。このセパレータ２０の両面には高さ１ｍｍ程度の無数の凸部２３が形成されており、一面側では各凸部２３間によって水素室２１が形成され、他面側では各凸部２３間によって空気室２２が形成されている。

各セル１は、水素極１２側に水素室２１が対面し、空気極１３側に空気室２２が対面するように膜電極接合体１０と一対のセパレータ２０とが積層されたものである。そして、膜電極接合体１０とセパレータ２０とを順次積層することによりスタックが構成される。また、水素極１２側と空気極１３側とで共通する上記セパレータ２０を採用している。なお、スタックの両端のセパレータ２０には水素室２１又は空気室２２だけが形成されている。

スタックには、図１に示すように、各セル１の水素室２１に図示しないバルブを介して連通する水素ボンベ２と、各セル１の空気室２２に連通するブロア３とが接続されている。水素ボンベ２及びセパレータ２０の水素室２１が水素極反応層１２ａに水素を供給する水素供給手段である。図示していないが、水素供給手段は、無加湿で運転する場合には加湿装置を有しておらず、低加湿で運転する場合には加湿装置を有している。また、ブロア３及びセパレータ２０の空気室２２が空気極反応層１３ａに空気を供給する空気供給手段である。空気供給手段も、水素供給手段と同様、無加湿で運転する場合には加湿装置を有しておらず、低加湿で運転する場合には加湿装置を有している。

以上の構成をした燃料電池システムのうち、膜電極接合体１０の製造方法について説明する。まず、導電性粒子としてのカーボンブラックと撥水粒子としてのＰＴＦＥ粒子との混合物を含む拡散用ペーストを調製する。この拡散用ペーストに電解質溶液（ナフィオン（登録商標）溶液（５質量％溶液））のような親水性成分も含ませることもできる。

そして、基材としてのカーボンクロスを用意し、拡散用ペーストを基材の両面若しくは片面に塗布した後、乾燥させる。これにより、基材には水をはじくとともにガスが通り易い空気拡散層１３ｂ又は水素拡散層１２ｂが形成される。

第１工程において、カーボンブラックに予め触媒としてのＰｔを担持させ、Ｐｔ担持カーボン触媒（Ｐｔ担持密度５０％）を得る。そして、Ｐｔ担持カーボン触媒とナフィオン（登録商標）との質量比が０．５程度になるように、このＰｔ担持カーボン触媒へ電解質溶液（ナフィオン（登録商標）溶液（５質量％溶液、イオン交換容量０．８ｍｅｑ／ｇより大））を添加する。そして、これをよく攪拌・混合し、空気極用ペーストを作製する。この空気極用ペーストを上記基材の一面側に塗布した後、乾燥させて空気極反応層１３ａを形成する。こうして、空気極反応層１３ａと空気拡散層１３ｂとからなる空気極１３が得られる。

次に、第２工程において、カーボンブラックに予めＰｔを担持させ、Ｐｔ担持カーボン触媒（Ｐｔ担持密度４０％）を得る。そして、Ｐｔ担持カーボン触媒とナフィオン（登録商標）との質量比が０．５程度になるように、このＰｔ担持カーボン触媒へ電解質溶液（ナフィオン（登録商標）溶液（５質量％溶液、イオン交換容量０．９ｍｅｑ／ｇより大））を添加する。そして、これをよく攪拌・混合し、水素極用ペーストを作製する。この水素極用ペーストを上記基材の一面側に塗布した後、乾燥させて水素極反応層１２ａを形成する。こうして、水素極反応層１２ａと水素拡散層１２ｂとからなる水素極１２が得られる。こうしてできた水素極反応層１２ａのイオン交換容量は、空気極反応層１３ａのイオン交換容量よりも０．１ｍｅｑ／ｇ大きくなっている。

そして、第３工程において、空気極反応層１３ａと水素極反応層１２ａとの間にナフィオン１１２（登録商標）からなる電解質層（厚さ約５０μｍ、イオン交換容量０．８ｍｅｑ／ｇより大）１１を挟み込むように配置する。そして、温度１４０〜１６０°Ｃ、面圧７０〜１００ｋｇ／ｃｍ²の条件下で、ホットプレスによる熱圧着を行う。こうして、膜電極接合体１０を得る。

なお、前記第１〜第３工程では、空気極用ペースト及び水素極用ペーストを基材に塗布していたが、空気極用ペースト及び水素極用ペーストを乾燥させたものを電解質層１１に挟んで接合する方法（転写法）を用いることもできる。

この膜電極接合体１０及び一対のセパレータ２０によりセル１を組み付け、複数のセル１を積層することによってスタックを組み付け、スタックに水素ボンベ２、ブロア３等を接続することにより燃料電池システムが得られる。

この燃料電池システムでは、水素極反応層１２ａのイオン交換容量が空気極反応層１３ａのイオン交換容量よりも０．１ｍｅｑ／ｇ大きく、電解質層１１を介して水素極反応層１２ａに固定されたスルホン酸基の濃度が空気極反応層１３ａに固定されたスルホン酸基の濃度よりも大きくなる。このため、スルホン酸基の濃度の差に基づいて空気極反応層１３ａ側の水が水素極反応層１２ａ側に移動し、水素極反応層１２ａ側と空気極反応層１３ａ側とのスルホン酸基の濃度差を打ち消そうとし（浸透圧）、空気極反応層１３ａ側の水が水素極反応層１２ａ側に逆拡散する。このため、この燃料電池システムでは、発電中において、水素ボンベ２等の供給手段によって水素を無加湿で供給するとしても、水素極反応層１２ａ側で乾燥しがちになることはなく、かつ空気極反応層１３ａ側で水が過剰な状態になることがない。また、この燃料電池システムでは、空気極反応層１３ａで生成される水で電解質層１１の湿潤状態を維持することができるため、空気を無加湿又は低加湿で供給することができる。こうして、燃料電池システムの高出力化が可能になる。

なお、水素極反応層１２ａのイオン交換容量と空気極反応層１３ａのイオン交換容量とに差を設けるには、次に示す（１）〜（４）等の方法を用いることもできる。
（１）イオン交換容量の異なる高分子電解質を用いる。
（２）表面の官能基濃度が異なる触媒（ＰｔやＰｔ担持カーボン触媒等）を用いる。
（３）イオン交換容量の異なる添加物を用いる（例えば、高分子吸収体や添加物の種類や添加量を変える）。
（４）上記（１）〜（３）を適宜組み合わせる。

また、他の種類の官能基の例としては、−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ₃Ｈ、−ＮＯ₂Ｈ、−ＰＯ₄Ｈ等が挙げられる。

また、この燃料電池システムでは、水素供給手段が水素を無加湿で供給するとしても、電解質層１１の湿潤状態を自動的に維持することができるため、水素を加湿する加湿装置が不要である。さらに、こうして燃料電池システムを製造すれば、高価な装置や厳重な管理を必要とせず、燃料電池システムを容易に製造することができる。また、この燃料電池システムでは、空気極反応層１３ａで反応して得られた生成水や加湿した空気に含まれる水を水素極反応層１２ａ側に移動させることができるため、空気極１３側の空気の供給通路の閉塞（フラッディング）を防止することができる。

したがって、この燃料電池システムは、膜電極接合体１０の含水量を調整することにより、無加湿であっても高い発電特性を発揮することができ、かつ容易に製造できるものである。

本実施例の燃料電池システムの効果を確認するため、以下の試験１及び試験２を行った。
（試験１）

まず、実施例の膜電極接合体１０の他、比較例として、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０を実施例と同様の製造方法で作製した。ただし、各々の水素極用ペースト及び空気極用ペーストに用いたＰｔ担持カーボン触媒及び電解質溶液は各々異なっている。膜電極接合体１０も含め、用いたＰｔ担持カーボン触媒及び電解質溶液を表１に示した。また、電解質層（厚さ約５０μｍ、イオン交換容量０．８ｍｅｑ／ｇより大）はすべてナフィオン１１２（登録商標）を採用した。

そして、膜電極接合体１０、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０により構成されたセル単位で以下の試験を行った。図３に示すように、試験中において、電流密度が常に０．７Ａ／ｃｍ²になるように発電を行った。また、加湿のバブラー温度を５０°Ｃに保持し、水素及び空気の両方とも加湿して供給した。この条件下で、まず、セル（膜電極接合体）温度を５０°Ｃにするとともに、フル加湿して発電し、そのときのセル電圧を測定した。このセル電圧の平均値を加湿時電圧として、図４に示すように、セル温度５０°Ｃの位置に表した。

次に、図３に示すように、セル温度を６０°Ｃに上げ、セル温度及びセル電圧が安定した後、セル電圧を測定した。このセル電圧の平均値をやや乾燥時電圧として、図４に示すように、セル温度６０°Ｃの位置に表した。その後、図３に示すように、セル温度を５０°Ｃに戻し、セル温度及びセル電圧を安定させて、やや乾燥時（セル温度６０°Ｃ）の影響を取り除いた。

そして、セル温度を７０°Ｃに上げ、セル温度及びセル電圧が安定した後、セル電圧を測定した。このセル電圧の平均値を乾燥時電圧として、図４に示すように、セル温度７０°Ｃの位置に表した。

図４より、加湿時電圧として、膜電極接合体１０は、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０に比べ、高いセル電圧を得られることがわかる。これは、逆拡散の効果により、空気極側での保湿過剰が防止され、電極の閉塞（フラッディング）が抑制されるからと考えられる。また、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０についても０．６Ｖ以上のセル電圧であることから、保湿性に乏しい膜電極接合体３０であっても、ある程度のセル電圧を確保できることがわかる。つまり、実施例の燃料電池システムでは、水素若しくは空気を無加湿又は低加湿で供給しても、電圧を確保できることがわかる。

また、やや乾燥時電圧は、膜電極接合体１０及び膜電極接合体２０では加湿時電圧とほとんど変わらないセル電圧であるものの、膜電極接合体３０では加湿時電圧より少し低下していることがわかる。これは、保湿性に乏しい膜電極接合体３０では、少しの乾燥であってもセル電圧に影響を与えるためと考えられる。

さらに、乾燥時電圧は、膜電極接合体１０、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０のすべてについて、やや乾燥時電圧よりセル電圧が低下している。しかし、膜電極接合体１０のセル電圧の低下は比較的小さく、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０のセル電圧の低下は大きくなっていいることがわかる。特に、膜電極接合体３０のセル電圧は著しく低下している。これは、膜電極接合体１０では、逆拡散の効果により、水素極側での含水率の低下を防止できるためであると考えられる。また、膜電極接合体３０では、水素極側での含水率の低下が進行し、イオン抵抗が増大するためと考えられる。
（試験２）

試験１で用いたものと同じ膜電極接合体１０、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０を用意し、セル単位で以下の試験を行った。ただし、セル（膜電極接合体）温度及び加湿のバブラー温度を５０°Ｃに保持し、フル加湿で試験し、セル電圧を測定した。その結果を図５に示す。

図５により、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ²以下の領域では、膜電極接合体３０のセル電圧に比べ、膜電極接合体１０及び膜電極接合体２０のセル電圧が上昇していることがわかる。これは、表１に示すように、膜電極接合体３０の空気極用ペーストとして標準的比表面積タイプ触媒を使用しているのに対し、膜電極接合体１０及び膜電極接合体２０の空気極用ペーストとして高比表面積タイプ触媒を使用しているため、膜電極接合体１０及び膜電極接合体２０では、Ｐｔ比表面積の増大により活性化過電圧が低下して、セル電圧が上昇したものと考えられる。

また、電流密度が０．６Ａ／ｃｍ²以上の領域では、膜電極接合体１０のセル電圧は良好であることがわかる。これは、逆拡散の効果により、水素極側では含水率の低下を防止でき、水素イオンの移動が阻害されることがなくなるとともに、空気極側では水の過剰を防止でき、空気の拡散が阻害されことがなくなるためであると考えられる。

さらに、電流密度が０．８Ａ／ｃｍ²以上の領域では、膜電極接合体２０及び膜電極接合体３０のセル電圧が低下していることがわかる。これは、空気極側において、生成水が過剰となり、空気の拡散が阻害されるためであると考えられる。

本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。

実施例の燃料電池システムに係り、セルの要部模式断面図である。 実施例の燃料電池システムに係り、セパレータの模式平面図である。 実施例の燃料電池システムに係り、試験１における時間と電流密度との関係、及び時間とセル温度との関係を示すグラフである。 実施例の燃料電池システムに係り、試験１におけるセル温度とセル電圧との関係を示すグラフである。 実施例の燃料電池システムに係り、試験２における電流密度とセル電圧との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１…電解質層
１３ａ…空気極反応層
１３ｂ…空気拡散層
１２ａ…水素極反応層
１２ａ…水素拡散層
２０…セパレータ
２１、２…水素供給手段（２１…水素室、２…水素ボンベ）
２２、３…空気供給手段（２２…空気室、３…ブロア）

Claims (9)

1. 電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
   該水素極反応層に水素を供給する水素供給手段と、
   該空気極反応層に空気を供給する空気供給手段とを備え、
   前記水素極反応層のイオン交換容量は前記空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくしたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電解質層は、前記空気反応層で生成された水が該電解質層と前記水素極反応層との接合面まで逆拡散することにより湿潤可能な薄さに形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水素極反応層のイオン交換容量は、前記空気極反応層のイオン交換容量よりも、０．０１〜１．５ｍｅｑ／ｇ大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記空気極反応層のイオン交換容量は０．８ｍｅｑ／ｇよりも大きく、前記水素極反応層のイオン交換容量は０．９ｍｅｑ／ｇよりも大きいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記水素供給手段は水素を無加湿又は低加湿で供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
6. 電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
   該水素極反応層に水素を供給する水素供給手段と、
   該空気極反応層に空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの製造方法であって、
   触媒と電解質溶液とを攪拌・混合して空気極用ペーストを作製し、前記空気極反応層を形成する第１工程と、
   触媒と電解質溶液とを攪拌・混合して水素極用ペーストを作製し、該空気極反応層のイオン交換容量よりイオン交換容量が大きい前記水素極反応層を形成する第２工程と、
   該空気極反応層と該水素極反応層との間に前記電解質層を挟んでこれらを接合し、前記膜電極接合体を得る第３工程とを有することを特徴とする燃料電池システムの製造方法。
7. 電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
   該水素極反応層に水素を供給する水素供給手段と、
   該空気極反応層に空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの使用方法であって、
   前記水素極反応層のイオン交換容量を前記空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくすることにより、該水素極反応層に固定されたイオン濃度を該空気極反応層に固定されたイオン濃度よりも大きくし、イオン濃度の差に基づいて該空気極反応層側の水を該水素極反応層側に逆拡散させて前記電解質層の湿潤状態を維持することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
8. 電解質層と該電解質層の一面に接合された空気極反応層と該電解質層の他面に接合された水素極反応層とを有する膜電極接合体と、
   該水素極反応層の非電解質層側に接合され、該水素極反応層に水素を拡散する水素拡散層と、
   該空気極反応層の非電解質層側に接合され、該空気極反応層に空気を拡散する空気拡散層と、
   該水素拡散層に水素を供給する水素供給手段と、
   該空気拡散層に空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの使用方法であって、
   前記水素極反応層のイオン交換容量を前記空気極反応層のイオン交換容量よりも大きくすることにより、該水素極反応層に固定されたイオン濃度を該空気極反応層に固定されたイオン濃度よりも大きくし、イオン濃度の差に基づいて該空気極反応層側の水を該水素極反応層側に逆拡散させてフラッディングを防止することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
9. 前記水素極反応層のイオン交換容量は、前記空気極反応層のイオン交換容量よりも、０．０１〜１．５ｍｅｇ／ｇ大きいことを特徴とする請求項７又は８記載の燃料電池システムの使用方法。

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