JP2005332693A

JP2005332693A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2005332693A
Application number: JP2004150010A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sha; 剛謝; Naoki Ito; 直樹伊藤; Shinji Nezu; 伸治根津; Yousuke Ooyabe; 陽介大矢部
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-12-02
Also published as: EP1598891A2; US20050260462A1; EP1598891A3

Abstract

【課題】燃料または酸化剤が固体電解質膜を透過して対極側へリークすることに起因する電池出力の低下を抑制し、更なる長寿命化に貢献することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１は、プロトン伝導体からなる固体電解質膜２と、固体電解質膜２の一方の側に設けられた酸化剤極３と、固体電解質膜２の他方の側に設けられた燃料極４とを有する。酸化剤極３及び燃料極４のうちの少なくとも一方は、固体電解質膜２を透過した燃料を酸化、あるいは、固体電解質膜２を透過した酸化剤を還元するために、当該一方を電気化学的に分極させる分極手段７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はプロトン伝導体を固体電解質膜とする燃料電池に関する。

固体高分子電解質型の燃料電池に代表されるような燃料電池は、自動車用の電源や定置用の発電装置として将来的な普及が期待されている。この燃料電池は、プロトン伝導体からなる固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の側に設けられた燃料極と、固体電解質膜の他方の側に設けられた酸化剤極とを有する。発電時には、水素やメタノールなどの燃料を燃料極に供給すると共に酸化剤ガスを酸化剤極に供給する。燃料は燃料極で酸化されてプロトンと電子とが発生する。プロトンは固体電解質膜を伝導して対極の酸化剤極に到達する。電子は燃料極から固体電解質膜でなく外部負荷を通って酸化剤極に到達する。そして、酸化剤極に到達したプロトン及び電子は、酸化剤極に供給された酸素と反応して水を生成する。このような発電反応により電気エネルギが取り出される。このような燃料電池は、自動車用の電源や定置用の発電装置として将来的な普及が期待されている。

燃料電池においては、燃料電池に供給される燃料（水素）および酸化剤（酸素）は理想的には固体電解質膜の内部を透過しないことが望ましい。しかし、現実の固体電解質膜において、燃料の水素あるいは酸化剤の酸素が固体電解質膜を透過して対極側にリークすることがある。この場合、電池出力の低下が見られることがある。

また、燃料極から固体電解質膜を透過して対極の酸化剤極に到達した水素は、酸化剤が過剰な酸化剤極の電極電位が高いため、酸化剤極に用いる白金触媒の水素を酸化させる触媒活性が低下し、これにより酸素と反応して水を生成する反応の速度が低下して、酸化剤極に水素と酸素が共存する状況が生じる。この場合、共存する水素と酸素が反応して、高分子材料で形成されている電解質膜に損傷を与えるおそれがあると考えられる。

更にまた、酸化剤極から固体電解質膜を透過して対極の燃料極に到達した酸素は、燃料極の水素と反応して大部分が水になるが、水素が過剰な燃料極の電極電位が低いために過酸化水素が発生し、これが高分子電解質膜に損傷を与えるおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料または酸化剤が固体電解質膜を透過して対極側へリークすることに起因する電池出力の低下を抑制し、更なる長寿命化に貢献することができる燃料電池を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導体からなる固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の側に設けられた酸化剤極と、固体電解質膜の他方の側に設けられた燃料極とを有する燃料電池において、
酸化剤極及び燃料極のうちの少なくとも一方は、固体電解質膜を透過した燃料を酸化、あるいは、固体電解質膜を透過した酸化剤を還元するために、当該一方を電気化学的に分極させる分極手段を有することを特徴とするものである。

好ましくないが、前述したように燃料または酸化剤が固体電解質膜を透過して対極側に到達することがある。このようなとき対極側には、透過した燃料または酸化剤に基づいて電極電位が生じる。このため静止電位から分極させて酸化電流または還元電流が流れ、燃料である水素を酸化させてプロトンとしたり、あるいは、酸素を還元したりすることができる。これにより燃料である水素または酸化剤である酸素が固体電解質膜を透過して対極側に存在することが抑制される。

本発明に係る燃料電池によれば、固体電解質膜を透過して対極側に到達した燃料または酸化剤が対極内部で混合（酸素と水素が混合）することを抑制することができる。これによりリークに起因する燃料電池の出力の低下、寿命の低下を抑制することができる。

（酸化剤極に分極手段が設けられている形態）
図１は本発明に係る燃料電池の代表的な概念図を示す。燃料電池１の膜電極接合体１０は、高分子材料で形成されたプロトン伝導体からなる固体電解質膜２と、膜状の固体電解質膜２の厚み方向の一方の側に設けられた酸化剤極３と、固体電解質膜２の厚み方向の他方の側に設けられた燃料極４とを有する。燃料極４は、固体電解質膜２に対面する触媒層と、燃料を拡散透過させる多孔質のガス拡散層とで形成されている。この触媒層は、触媒活性を有する触媒と、プロトン伝導性を有する電解質成分とが混在して形成されている。

酸化剤極３は分極手段を有する。分極手段は、好ましくは、燃料または酸化剤の透過に対する透過抵抗性を有すると共に、プロトン伝導性及び電子伝導性を有する透過抵抗部７で形成されている。ここで、透過抵抗部７の透過抵抗性（ガス遮蔽性）は、電極構成成分の密度を高めることにより得られる。透過抵抗部７の透過抵抗性（ガス遮蔽性）は主に固体電解質成分および／または導電物質を電極の内部に含浸させることにより得られる。透過抵抗部７のプロトン伝導性は主に固体電解質成分を電極の内部に含浸させることにより得られる。透過抵抗部７の電子伝導性は、主に、カーボン繊維などの導電性繊維、カーボンブラック等の導電物質で得られる。

上記したように酸化剤極３は内部に透過抵抗部７を有する。このため、酸化剤極３は、基本的には、酸化剤含有ガス（一般的には酸素含有ガス）を拡散透過させる拡散透過性を有する多孔質の外層部６と、酸化剤含有ガスの透過に対して抵抗性（ガス遮蔽性）を有すると共に、プロトン伝導性及び電子伝導性を有する透過抵抗部７と、触媒活性を有する触媒を含有する内層部８とに大別される。なお外層部６も触媒活性を有するように触媒を含有していることが好ましい。

発電時には、酸化剤極３に酸化剤（一般的には酸素含有ガス）が供給されると共に、燃料極４に燃料（一般的には水素含有ガス）が供給される。燃料は燃料極４で酸化されて、プロトンと電子とが発生する。プロトンは固体電解質膜を伝導して対極の酸化剤極に到達する。電子は燃料極４から固体電解質膜２でなく図略の外部負荷を通って酸化剤極３に到達する。そして、酸化剤極３に到達したプロトン及び電子は、酸化剤極３に供給された酸素と反応して水を生成する。このような発電反応により電気エネルギが取り出される。燃料極４では、水素が過剰に存在するため、電極電位は水素電極の電極電位に近づいて、相対的に低い。

ここで、燃料極４に供給された燃料が燃料極４から固体電解質膜２を矢印Ａ１方向に透過して酸化剤極３にリークする場合を考える。酸化剤極３の外層部６では、酸化剤極３の外層部６に供給された酸化剤含有ガス（酸素含有ガス）がリッチで過剰であるため、酸化剤極３の外層部６では電極電位が相対的に高いと考えられる。これに対して酸化剤極３の内層部８では、酸化剤極３の外層部６に供給された酸素が内層部８に矢印Ｂ方向に透過することは、ガス遮蔽性が高い透過抵抗部７で制限されている。故に、酸化剤極３の内層部８では酸素が欠乏していると共に、燃料極４から固体電解質膜２を透過して酸化剤極３側にリークした水素が内層部８において過剰に存在すると考えられる。従って酸化剤極３の内層部８の電極電位は水素電極の電極電位に近づいて、相対的に低いと考えられる。

すなわち、酸化剤極３の外層部６は電極電位が内層部８よりも相対的に高く、酸化剤極３の内層部８の電極電位は外層部６よりも相対的に低いと考えられる。

透過抵抗部７は、酸化剤含有ガス等のガス透過に対して抵抗性（ガス遮蔽性）を有する他に、電子伝導性を有するため、酸化剤極３を構成する電位が相対的に高い外層部６と、電位が相対的に低い内層部８とを電気的に導通させ、これにより閉回路を形成することができる。

この結果、酸化剤極３の内層部８の電極電位は、これの静止電位から正の方向の電位となるように、これの静止電位に対して電気化学的に分極され、水素を酸化させる酸化能力が高くなる。よって燃料極４から固体電解質膜２を矢印Ａ１方向に透過して内層部８に移行してきた水素を、酸化させてプロトン（Ｈ⁺）とすることができる。すなわち、燃料極４から固体電解質膜２を透過してリークした水素ガスを、水素ガスとして酸化剤極３において存在させるのではなく、プロトン（Ｈ⁺）として酸化剤極３において存在させることができる。

ここで、燃料極４から固体電解質膜２を透過して酸化剤極３側に移行してくる水素が酸化されて生成されたプロトン（Ｈ⁺）は、酸化剤極３のプロトン伝導性をもつ透過抵抗部７を外層部６に向けて矢印Ａ２方向に伝導する。そしてプロトン（Ｈ⁺）は、電子を受け取り、酸化剤極３に存在する触媒作用により、酸化剤極３の外層部６に供給された酸素と反応して水を生成する。

以上のようにして燃料極４から、固体電解質膜２を透過して酸化剤極３にリークしてくる水素と、外層部６に供給された酸素との混合を抑えることができる。このように燃料電池の内部での水素と酸素との混合が防止されることにより、ガス燃焼、発熱、過酸化水素やラジカルなどの化学的活性種の発生を抑制でき、固体電解質膜の劣化を抑制でき、燃料電池の長寿命化を図ることができる。

本発明に係る好ましい燃料電池１Ｂは、基本的には、図１に示す燃料電池１と同様の構成を有する。燃料電池１Ｂは、図２に示すように、プロトン伝導体からなる固体電解質膜２と、固体電解質膜２の厚み方向の一方の側に設けられた酸化剤極３と、固体電解質膜２の厚み方向の他方の側に設けられた燃料極４とを有する。そして図２に示すように、酸化剤極３は、酸化剤含有ガスを拡散透過させるガス拡散透過性を有する外層部６と、酸化剤含有ガスの透過に対して抵抗性、プロトン伝導性を有する透過抵抗部７と、固体電解質膜２と透過抵抗部７との間に設けられ触媒活性を有する内層部８とを備えている。この燃料電池１Ｂでは、電子伝導性を有する導体５が透過抵抗部７の内部に局部的に設けられている。導体５を有する透過抵抗部７が分極手段を構成することができる。導体５としては、カーボン繊維などの導電性繊維、カーボンブラック等の導電物質の集合体で形成することができる。

（燃料極４に分極手段が設けられている形態）
本発明に係る好ましい燃料電池１Ｃの膜電極接合体１０は、図３に示すように、プロトン伝導体からなる固体電解質膜２と、固体電解質膜２の厚み方向の一方の側に設けられた酸化剤極３と、固体電解質膜２の厚み方向の他方の側に設けられた燃料極４とを有する。そして図３に示すように、燃料極４は、燃料の拡散透過性を有する外層部６と、燃料の透過に対して抵抗性（燃料遮蔽性）、プロトン伝導性及び電子伝導性を有する透過抵抗部７と、固体電解質膜２と透過抵抗部７との間に設けられ触媒活性を有する触媒を含有する内層部８とを備えている形態を採用することができる。

図３において、発電時には、酸化剤極３に酸化剤含有ガス（一般的には酸素含有ガス）が供給されると共に、燃料極４の外層部６に燃料（一般的には水素含有ガス）が供給される。燃料は燃料極４で酸化され、プロトンと電子とが発生する。プロトンは固体電解質膜２を伝導して対極の酸化剤極に到達する。電子は燃料極から固体電解質膜２でなく図略の外部負荷を通って酸化剤極３に到達する。そして、酸化剤極に到達したプロトン及び電子は、酸化剤極３に供給された酸素と反応して水を生成する。このような発電反応により電気エネルギが取り出される。

ここで、酸化剤極３に供給された酸化剤含有ガスが酸化剤極３から固体電解質膜２を透過して燃料極４の内層部８にリークする場合を考える。分極手段となる透過抵抗部７がないときには、燃料極４の外層部６では、燃料極４の外層部６に供給された燃料（水素）がリッチで過剰であるため、燃料極４の外層部６では電極電位が水素電極の電極電位に近づいて、相対的に低いと考えられる。これに対して燃料極４の内層部８では、燃料極４の外層部６に供給された燃料（水素）が内層部８に透過することは透過抵抗部７で制限され、内層部８では水素が欠乏していると共に、酸化剤極３から固体電解質膜２を透過して燃料極４側にリークした酸素が内層部８において過剰に存在すると考えられる。従って燃料極４の内層部８の電極電位は相対的に高いと考えられる。すなわち図３において、酸化剤極３の外層部６は電極電位が内層部８よりも相対的に低く、酸化剤極３の内層部８の電極電位は外層部６よりも相対的に高いと考えられる。

図３に示す透過抵抗部７は、燃料透過に対して抵抗性（燃料遮蔽性）及びプロトン伝導性を有する他に、電子伝導性を有する。このため、燃料極４を構成する電位が相対的に低い外層部６と電位が相対的に高い内層部８とを透過抵抗部７によって電気的に導通させ、これにより閉回路を形成することができる。

この結果、燃料極４の内層部８の電極電位はこれの静止電位に対して負の方向に電気化学的に分極され、過剰の酸素を還元させる還元能力が高くなる。よって酸化剤極３から固体電解質膜２を介して燃料極４の内層部８に透過してきた酸素を還元させる能力が高くなる。すなわち、酸化剤極３から固体電解質膜２を介して燃料極４に透過してくる酸素と、酸化剤極３の外層部６に供給された水素との混合を抑えることができる。このように燃料電池の内部での水素と酸素との混合が防止されることにより、ガス燃焼、発熱、過酸化水素やラジカルなどの化学的活性種の発生を抑制でき、固体電解質膜の劣化を抑制でき、燃料電池の長寿命化を図ることができる。

本発明に係る好ましい燃料電池１Ｄの膜電極接合体１０は、図４に示すように、燃料極４は、燃料の拡散透過性を有する外層部６と、燃料透過に対して抵抗性、プロトン伝導性を有する透過抵抗部７と、固体電解質膜２と透過抵抗部７との間に設けられ触媒活性を有する内層部８とを備えている。この燃料電池１Ｄでは、電子伝導性を導体５が透過抵抗部７の内部に局部的に分散して設けられている。導体５を有する透過抵抗部７が分極手段を構成する。

（分極手段の形成）
上記したように分極手段は、酸化剤極３及び燃料極４のうちの少なくとも一方に設けられている。この分極手段は、燃料または酸化剤の透過に対する透過抵抗性（ガス遮蔽性）を有する他に、プロトン伝導性及び電子伝導性を有する透過抵抗部７で形成することができる。この透過抵抗部７は、酸化剤極３及び燃料極４のうちの少なくとも一方の通気孔部分に、燃料または酸化剤の透過に対して抵抗性をもつ物質を存在させることによって形成することができる。この場合、燃料または酸化剤の透過に対して抵抗性をもつ物質としては、たとえば、プロトン伝導性を有する電解質成分、白金触媒等の触媒、カーボンブラック等の導電物質が例示される。上記した物質を酸化剤極３及び燃料極４のうちの少なくとも一方の通気孔部分に含浸させても良い、あるいは、燃料または酸化剤の透過に対して抵抗性をもつ層を透過抵抗部７とし、これを内層部８と外層部６とで挟持することにしても良い。

以下、本発明に係る実施例について説明する。本実施例は図１に示す燃料電池１に相当するものである。テトラフルオロエチレンディスパージョン溶液（20重量％）に、カーボンブラック粒（キャボット社製,バルカン、XC72R）および微量の界面活性剤を混合し、均一に混ざるまでよく攪拌し、混合物を形成した。その後、その混合物を加熱乾燥し、余分な水分を蒸発させ、粒状をなすフッ素樹脂付きカーボン材料（フッ素樹脂付き導電物質）を形成した。このようにして作製したフッ素樹脂付きカーボン材料の集合体をよく練り、シート（厚み50μm程度）として成形した。このシートを約１５０℃で2時間仮焼成した。その後、このシートを３６０℃以上（３６０〜３９０℃）の温度で約1時間焼成し、撥水化カーボン材料からなるシート成形体２００（図５参照）を作製した。このシート成形体２００は通気孔部分を有する。

また、触媒としての白金触媒（ジョンソン・マッセイ社、HISPEC ４０００）と、プロトン伝導性を有する電解質成分を含有する高分子固体電解質膜溶液（旭化成、SS11OO）とを所定の分量で混合した触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、上記したシート成形体２００の一方の面２０１及び他方の面２０２にそれぞれ塗布して含浸させた後、シート成形体２００を乾燥させた。その後、シート成形体２００を８０℃で所定時間（5時間以上）真空乾燥した。このようにして作製されたシート成形体２００には電解質成分及び触媒が含浸されている。このため、シート成形体２００は、ガス遮蔽性（ガス透過抵抗性）の他に、プロトン伝導性及び電子伝導性を兼ね備えている。このシート成形体２００は、図１に示す透過抵抗部７及び内層部８を形成する。

このように透過抵抗部７は、酸化剤極３となる部分のうちの通気孔部分に、酸化剤の透過に対して抵抗性をもつ物質（つまり、触媒及び高分子固体電解質膜溶液を主要成分とする触媒ペースト）を含浸させて存在させることによって形成されている。

このシート成形体２００から所定サイズの切り出し片（約１０cm²）を切り出した。切り出し片の一方の片面にテトラフルオロエチレンディスパージョン溶液（前述のものと同じ）を含浸させた。この切り出し片は、図１に示す透過抵抗部７及び内層部８を形成する。

また、その切り出し片の他方の片面に市販フッ素系の高分子固体電解質膜（厚さ３０μm、約７ｃｍ×７ｃｍ）を固体電解質膜２として配置した。

更に、焼成して撥水化したカーボンペーパー集電体（東レ製、カーボンペーパー、厚さ１８０μm、面積１０cm²）を、ガス拡散透過性を有する多孔質の外層部６として配置した。

さらに、前述同様に作製したガス透過性を有する多孔質のカーボンペーパー集電体と、プロトン伝導性をもつ電解質成分を含む高分子固体電解質膜溶液及び白金触媒を主要成分とする触媒ペーストとを用い、そのカーボンペーパー集電体に触媒ペーストを塗布し、乾燥させ、これにより燃料極となる図１に示す燃料極４を形成した。燃料極４は、固体電解質膜２に対面する触媒層と、固体電解質膜２に背向するガス拡散層とで形成されている。そして燃料極４を膜状の固体電解質膜２の反対面に配置し、積層体を形成した。この積層体は、固体電解質膜２と、固体電解質膜２を挟む酸化剤極３及び燃料極４とで形成されている。この積層体を１６０℃、７．８５ＭＰａで約９０秒間の条件でホットプレスにより加圧し、膜電極接合体１０を作製した（図１，図６参照）。

ここで、酸化剤極３を構成する外層部６，透過抵抗部７，内層部８が有する最低限の性質について述べる。内層部８は、燃料極４から固体電解質膜２を透過してリークしてきた水素をプロトンとする触媒活性を有する触媒を含有する他に、そのプロトンを伝導させて透過抵抗部７に向かわせるプロトン伝導性とを有する。透過抵抗部７は、ガス拡散性を期待されておらず、ガス透過抵抗性（ガス遮蔽性）を有する。更に透過抵抗部７はプロトン伝導性を有しており、更に、内層部８と外層部６とを電気的に接続する電子伝導性を有する。外層部６はカーボン繊維の集合体で形成されており、多孔質であり、酸素ガスを拡散させるガス拡散透過性を有する。

そして、図６に示すようにガス導入・ガス排出機能、集電機能、ガスシール機能を備えた金属製の酸化剤用のガス配流板１０１、金属製の燃料用のガス配流板１０２を用い、ガス配流板１０１、１０２で膜電極接合体１０を厚み方向に挟み、実験用の電池セルを構成した。ガス配流板１０１は酸化剤用の通路１０１ａをもち、ガス配流板１０２は燃料用の通路１０２ａをもつ。発電時には、この電池セルの酸化剤極３の外層部６側に空気を流してカソード（酸化剤極）とし、その反対側の燃料極４に燃料である水素ガスを流してアノード（燃料極）とした。

そして、外部負荷を加えない開回路電圧状態で、電池セルのカソード（酸化剤極）の出口にガスクロマト分析装置を接続した。そして、アノード（燃料極）から膜電極接合体１０を透過してカソード（酸化剤極）側にリークしてくる水素ガスの濃度を、ガスクロマト分析装置により測定した。なお、実験用の電池セルは８０℃に保温し、空気及び水素ガスともに、純水を入れた８０℃のガスバブラーを通して加湿し、そのガスを毎分２００ミリリットル流して測定を行った。この結果、リークした水素ガス量は検出限界以下であった。このとき、燃料電池の開回路電圧は約０．９２Vを示した。

比較例についても同様に、外部負荷を加えない開回路電圧状態で、電池セルのカソード（酸化剤極）の出口にガスクロマト分析装置を接続して試験した。この比較例は、基本的には図６に示す燃料電池と同じであるが、透過抵抗部７を有しない点が異なる。比較例では、電極サイズは実施例と同様に１０cm²とした。そして比較例では、実施例の場合と同様に、実験用の電池セルは８０℃に保温し、空気及び水素ガスともに、純水を入れた８０℃のガスバブラーを通して加湿し、そのガスを毎分２００ミリリットル流して測定を行った。この結果、ガスクロマト分析装置によれば、リークした水素ガス量は約３５０ｐｐｍであり、実施例よりも多かった。このとき、燃料電池の開回路電圧は約１Vを示した。空気及び水素ガスは比較例及び実施例共に常圧とした。

以上の結果は以下のように説明することができる。即ち、本発明による燃料電池によれば、酸化剤極となり得る酸化剤極３において、外層部６に酸素含有ガスである空気は拡散透過されるため、酸化剤極３の外層部６は酸素が過剰であり、酸化剤極３の外層部６の電極電位は高くなる。しかしガス遮蔽性（ガス透過抵抗性）を有する透過抵抗部７によって、酸化剤極３の外層部６に供給された空気が外層部６から内層部８へ透過することが制限されている。そして、酸化剤極となり得る酸化剤極３によれば、内層部８と固体電解質膜２との接合界面付近の触媒において、酸素の拡散到達が阻止される一方、燃料極４から固体電解質膜２を内層部８側に透過してきた水素ガスにより、水素ガスが過剰な状態となる。このため、酸化剤極３の内層部８の電極電位は水素電極の電極電位に近くなり、低くなる。

透過抵抗部７は、ガス透過抵抗性（ガス遮蔽性）の他に電子伝導性及びプロトン導電性を兼ね備えている。よって透過抵抗部７によって、上記した電極電位が低い内層部８と、電極電位が高い外層部６とが電気的に接続され、これにより電気的な閉回路を形成する。この結果、酸化剤極３の内層部８の電極電位はより正の方向に静止電位に対して電気化学的に分極され、水素を酸化させる能力が高くなる。故に、固体電解質膜２を透過して内層部８に到達していた水素ガスは、プロトンとして酸化される。プロトンは、プロトン伝導性をもつ透過抵抗部７を伝導し、透過抵抗部７のうち内層部８と反対側に位置する外層部６側の触媒まで透過し、外層部６の酸素を還元して水を生成する。

以上の反応により、酸化剤極となり得る酸化剤極３においては、固体電解質膜２を透過したリーク水素ガスの検出量が抑えられる。ここで、透過抵抗部７を有していない通常の燃料電池ではその開回路電圧が約1Vを示す。これに対し、本発明の燃料電池では開回路電圧が約０．９０Vに低下している。これは、内層部８と外層部６との間の電気的導通に起因する分極反応により、酸化剤極となる酸化剤極３の外層部６の電極電位が下がったことによるものである。

（その他）
上記した実施例では、燃料として水素ガスを用いているが、これに限らず、水素含有ガスでもよく、あるいはメタノールとすることもできる。その他、本明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は車両用、定置用、住宅用、産業機器用、電気機器用、電子機器用などの燃料電池に利用することができる。

酸化剤極側に分極手段が設けられた実施形態に係る燃料電池の膜電極接合体の断面図である。他の実施形態に係る燃料電池の膜電極接合体の断面図である。燃料極側に分極手段が設けられた実施形態に係る燃料電池の膜電極接合体の断面図である。他の実施形態に係る燃料電池の膜電極接合体の断面図である。実施例１に係るシート成形体の断面図である。ガス配流板を装備したガス実施例１に係る燃料電池の断面図である。

符号の説明

１は燃料電池、１０は膜電極接合体、２は固体電解質膜、３は酸化剤極、４は燃料極、６は外層部、７は透過抵抗部、８は内層部を示す。

Claims

プロトン伝導体からなる固体電解質膜と、前記固体電解質膜の一方の側に設けられた酸化剤極と、前記固体電解質膜の他方の側に設けられた燃料極とを有する燃料電池において、
前記酸化剤極及び前記燃料極のうちの少なくとも一方は、前記固体電解質膜を透過した燃料を酸化、あるいは、前記固体電解質膜を透過した酸化剤を還元するために、当該一方を電気化学的に分極させる分極手段を有することを特徴とする燃料電池。
請求項１において、前記分極手段は、前記酸化剤極及び前記燃料極のうちの少なくとも一方に設けられ、燃料または酸化剤の透過に対する透過抵抗性、プロトン伝導性及び電子伝導性を有する透過抵抗部で形成されていることを特徴とする燃料電池。
請求項２において、前記透過抵抗部は、前記酸化剤極及び前記燃料極のうちの少なくとも一方の通気孔部分に、燃料または酸化剤の透過に対して抵抗性をもつ物質を存在させることによって形成されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記酸化剤極及び前記燃料極のうちの少なくとも一方は、酸化剤または燃料の拡散性を有する外層部と、酸化剤または燃料の透過に対して透過抵抗性を有すると共に、プロトン伝導性及び電子伝導性を有する透過抵抗部と、前記固体電解質膜と前記透過抵抗部との間に設けられ触媒活性を有する内層部とを備えていることを特徴とする燃料電池。