JP2008192490A - 膜−電極接合体およびそれを備えた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、電解質膜におけるプロトン移動抵抗が十分に低くなる膜−電極接合体およびそれを備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】 膜−電極接合体（１０）は、プロトン伝導性を有する電解質膜（１１）と電解質膜上に接合された第１電極（１２）とを備える膜−電極接合体であって、第１電極は、触媒（１２１，１２２）と、触媒を被覆しプロトン交換機能を有する第１アイオノマ（１２３）とを含み、第１電極において、膜−電極接合体の定格出力点における生成水量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）／第１アイオノマ体積（ｃｍ^３）は、１３５０以上であることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、膜−電極接合体およびそれを備えた燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

一般的に、固体高分子型燃料電池においては、電解質膜の両面に電極が設けられている。この電極は、例えば、触媒金属とカーボンとイオン交換樹脂とを備える。電解質膜に向かって、カーボンに対するイオン交換樹脂の質量の割合と、触媒金属の担持密度とを高くする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、触媒金属の利用効率を向上させることができるとともに、電極における電圧低下を抑制することができる。

特開２００５−１３５７８７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、電解質膜におけるプロトン移動抵抗を十分に低くすることができない。

本発明は、電解質膜におけるプロトン移動抵抗が十分に低くなる膜−電極接合体およびそれを備えた燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る膜−電極接合体は、プロトン伝導性を有する電解質膜と電解質膜上に接合された第１電極とを備える膜−電極接合体であって、第１電極は、触媒と触媒を被覆しプロトン交換基として機能する第１アイオノマとを含み、第１電極において、膜−電極接合体の定格出力点における生成水量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）／第１アイオノマ体積（ｃｍ^３）は、１３５０以上であることを特徴とするものである。

本発明に係る膜−電極接合体においては、第１アイオノマにおける水分濃度が十分に高くなる。それにより、電解質膜への水移動が促進される。その結果、高温運転等の電解質膜が乾燥しやすい運転条件においても、電解質膜におけるプロトン移動抵抗が十分に低くなる。

第１アイオノマの厚みは、１３ｎｍ以下であってもよい。この場合、第１アイオノマにおける水分濃度が十分に高くなるとともに、第１電極におけるガスの拡散性が高くなる。それにより、発電反応を促進することができる。

触媒は、カーボンとカーボンに担持される触媒金属とからなり、カーボンに担持される触媒金属は、電解質膜と反対側のカーボンに比較して電解質膜側のカーボンにおいて多く配置されていてもよい。この場合、電解質膜側において第１アイオノマ内の水分濃度が高くなる。それにより、電解質膜への水移動が促進される。

第１電極の電解質膜と反対側の面にさらに第２電極を備え、第２電極は、カーボンがプロトン交換基として機能する第２アイオノマに被覆された構造を有していてもよい。第２電極における第２アイオノマ／カーボン質量比は、第１電極における第１アイオノマ／カーボン質量比に比較して小さくてもよい。この場合、第２電極におけるガスの拡散性が高くなる。それにより、発電反応が促進される。

第２電極において、触媒金属がカーボンに担持されていてもよい。この場合、触媒金属への反応ガスの供給効率が高くなる。それにより、発電反応を促進することができる。第２電極の触媒担持密度は、第１電極の触媒担持密度に比較して小さくてもよい。この場合、第１電極における水分濃度を第２電極における水分濃度に比較して高くすることができる。

第１電極において、定格出力点における生成水量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）／第１アイオノマ体積（ｃｍ^３）は、電解質膜近傍において１３５０以上であってもよい。この場合、第１電極における電解質膜近傍において第１アイオノマにおける水分濃度を十分に高くすることができる。

本発明に係る燃料電池は、請求項１〜８のいずれかに記載の膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持するセパレータとを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、第１アイオノマにおける水分濃度が十分に高くなる。それにより、電解質膜への水移動が促進される。その結果、高温運転等の電解質膜が乾燥しやすい運転条件においても、電解質膜におけるプロトン移動抵抗が十分に低くなる。以上のことから、本発明に係る燃料電池における発電性能が向上する。

本発明によれば、電解質膜におけるプロトン移動抵抗が十分に低くなる。その結果、発電性能が向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面側にセパレータ２０が設けられ、他面側にセパレータ３０が設けられた構造を有する。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１のセパレータ２０側にカソード触媒層１２およびガス拡散層１３が順に設けられ、電解質膜１１のセパレータ３０側にアノード触媒層１４およびガス拡散層１５が順に設けられた構造を有する。

電解質膜１１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えば、パーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。カソード触媒層１２は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層１４は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４の詳細は、後述する。

ガス拡散層１３は、酸素を含有する酸化剤ガスを透過する層である。ガス拡散層１５は水素を含有する燃料ガスを透過する層である。ガス拡散層１３，１５は、例えば、カーボンクロスからなる。セパレータ２０には、酸化剤ガス流路が設けられている。セパレータ３０には、燃料ガス流路が設けられている。なお、セパレータ２０，３０は、金属セパレータに発泡焼結金属等からなる多孔体流路が配置された構造を有していてもよい。

セパレータ３０の燃料ガス流路には、図示しない燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、ガス拡散層１５を透過してアノード触媒層１４に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１４の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導してカソード触媒層１２に到達する。

一方、セパレータ２０の酸化剤ガス流路には、図示しない酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、ガス拡散層１３を透過してカソード触媒層１２に到達する。カソード触媒層１２においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水分が生成される。

図２は、カソード触媒層１２における水生成を表す模式図である。図２に示すように、カソード触媒層１２は、粒子状の複数のカーボン担体１２１と、各カーボン担体１２１に担持された触媒金属１２２と、カーボン担体１２１および触媒金属１２２を被覆するアイオノマ１２３とを備える３次元構造を有する。触媒金属１２２は、例えば、白金粒子からなる。アイオノマ１２３は、プロトン交換基からなる。アイオノマ１２３を構成するプロトン交換基は、特に限定されるものではない。例えば、旭硝子製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名）をアイオノマ１２３として用いることができる。

電解質膜１１を移動してきたプロトンは、アイオノマ１２３を介して触媒金属１２２に到達する。ガス拡散層１３を透過してきた酸素は、アイオノマ１２３を透過しまたはアイオノマ１２３に溶解して触媒金属１２２に到達する。電子は、セパレータ２０からガス拡散層１３およびカーボン担体１２１を介して触媒金属１２２に到達する。それにより、触媒金属１２２において水が生成される。生成された水の一部はアイオノマ１２３を通って電解質膜１１に戻り、残りは蒸気としてガス拡散層１３を介して排出される。

図３は、電解質膜１１におけるプロトン移動抵抗について説明するための模式図である。図３に示すように、電解質膜１１においてプロトンが移動すると、そのプロトンの移動に合わせて水が移動する。これにより、電解質膜１１内では、発電反応が進むにつれて水分濃度の傾斜が形成される。電解質膜１１には、プロトンの移動抵抗が存在する。この移動抵抗は、電解質膜１１の水分濃度に依存する。

以上のことから、電解質膜１１におけるプロトンの移動抵抗は、電解質膜１１を厚み方向に複数に分割したモデルによって説明される。例えば図３のように電解質膜１１を厚み方向に３分割した場合、それぞれの領域における移動抵抗は、アノード触媒層１４側から順にｒ_１、ｒ_２およびｒ_３と表すことができる。この場合、電解質膜１１の全体の移動抵抗Ｒは、Ｒ＝ｒ_１＋ｒ_２＋ｒ_３と表される。電解質膜１１の含水率が十分に高い場合には、ｒ_１、ｒ_２およびｒ_３はほぼ等しくなる。しかしながら、電解質膜１１の含水率が低くなると水分濃度勾配が形成され、ｒ_１＞ｒ_２＞ｒ_３となる。この場合、ｒ_１が全体の移動抵抗Ｒの支配要因となる。

カソード触媒層１２においては、発電反応によって消費された水素に対応した水が生成される。したがって、生成水量は、温度、湿度等の条件にかかわらず、反応水素量または発電電流値から決定される。ここで、水は、水分濃度の高い方から低い方へと移動する。したがって、電解質膜１１の含水率が低下すると、生成水の一部は、電解質膜１１に移動する。

ここで、水の移動速度は、水分濃度差に応じて変化する。すなわち、水分濃度差が大きいほど水の移動速度が大きくなり、水分濃度差が小さいほど水の移動速度は小さくなる。したがって、アイオノマ１２３における水分濃度が小さいと、電解質膜１１への水移動量が小さくなる。本実施の形態においては、電解質膜１１とアイオノマ１２３との間の水分濃度差を大きくすることによって、電解質膜１１への水の移動量を増加させている。

図４は、カソード触媒層１２の構造の例を示す図である。まず、アイオノマ１２３の厚みを変えずに電解質膜１１の単位面積あたりのカソード触媒層１２の厚みを小さくすることができれば、カソード触媒層１２の単位体積あたりの生成水量が多くなる。この場合、アイオノマ１２３内の水分濃度が増加する。そこで、図４（ａ）に示すように、カーボン担体１２１あたりの触媒金属担持量（担持密度）を増加させることによって、アイオノマ１２３内の水分濃度を増加させてもよい。ここで、担持密度とは、触媒金属質量／（触媒金属質量＋カーボン質量）×１００（ｗｔ％）のことをいう。

また、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）のように担持密度を増加させかつ触媒金属１２２の総量を少なくしてもよい。すなわち、触媒金属１２２の目付量を少なくしてもよい。ここで、目付量とは、電極単位面積あたりの触媒金属１２２の量（ｍｇ／ｃｍ^２）のことをいう。この場合、触媒金属１２２とカーボン担体１２１との質量比を変えずに、触媒金属１２２およびカーボン担体１２１の量を少なくすることができる。それにより、カーボン担体１２１の量に対するアイオノマ１２３の量を略一定に維持すれば、アイオノマ１２３の厚みを変更する必要はない。

さらに、上述したように、触媒金属１２２の総量を変化させても、生成水量は変化しない。したがって、触媒金属１２２あたりの生成水量が見かけ上において増加する。その結果、アイオノマ１２３あたりの生成水量が見かけ上において増加する。以上のことから、アイオノマ１２３内の水分濃度が増加する。

また、Ｎ／Ｃ比を低下させてもよい。ここで、Ｎ／Ｃ比とは、アイオノマ質量／カーボン質量のことをいう。この場合、生成水量が一定であればアイオノマ１２３あたりの生成水量が増加する。そこで、図４（ｃ）に示すように、アイオノマ１２３の厚みを小さくしてもよい。それにより、アイオノマ１２３内の水分濃度が増加する。また、カソード触媒層１２におけるガス拡散性が高くなる。それにより、発電反応を促進することができる。図４（ｃ）の場合、アイオノマ１２３の厚みは、１３ｎｍ以下であることが好ましい。

本実施の形態においては、カソード触媒層１２は、燃料電池１００の定格出力点における生成水量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）／アイオノマ１２３の体積（ｃｍ^３）が１３５０以上になるように、図４（ａ）〜図４（ｃ）の構成を有する。この場合、アイオノマ１２３内の水分濃度が十分に高くなる。それにより、アイオノマ１２３と電解質膜１１との間に大きい水分濃度差が生じることによって、電解質膜１１への水移動が促進される。その結果、高温運転等の電解質膜１１が乾燥しやすい運転条件においても、電解質膜１１におけるプロトン移動抵抗が十分に低くなる。ここで、生成水量は、定格出力点の電流値に基づいて決定される値である。また、アイオノマ１２３の体積とは、アイオノマ種の密度、使用カーボン量およびＮ／Ｃ比に基づいて決定される値である。また、定格出力とは、定められた条件で製造者が保証する使用限度（最大能力）を出力で表示したものである。例えば、商品説明書や商品カタログなどに掲載される値である。

なお、カソード触媒層１２の電解質膜１１近傍において水分濃度が高いことが好ましい。すなわち、カソード触媒層１２においては、電解質膜１１近傍において担持密度が高くなっていてもよく、ガス拡散層１３側から電解質膜１１側にかけて担持密度が徐々に高くなっていてもよく、電解質膜１１近傍においてアイオノマ１２３の厚みが小さくなっていてもよく、ガス拡散層１３側から電解質膜１１側にかけてアイオノマ１２３の厚みが徐々に小さくなっていてもよい。この場合、電解質膜１１近傍において、燃料電池１００の定格出力点における生成水量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）／アイオノマ１２３の体積（ｃｍ^３）が１３５０以上になるようにカソード触媒層１２が形成されていればよい。

また、アイオノマ１２３内の水移動抵抗が小さければ、電解質膜１１への水移動量が多くなる。したがって、アイオノマ１２３のＥＷ値（イオン交換基１ｍｏｌ当たりのイオン交換樹脂乾燥重量）を低下させてもよく、電解質膜１１とカソード触媒層１２との密着性を向上させてもよく、アイオノマ１２３の厚みを調整してもよい。

また、アノード触媒層１４が本実施の形態に係るカソード触媒層１２と同様の構造を有していてもよい。この場合、アノード触媒層１４におけるアイオノマ１２３と電解質膜１１との間の水分濃度差が大きくなる。それにより、アノード触媒層１４からの電解質膜１１への水移動を促進することができる。なお、アノード側およびカソード側の両方の触媒層がカソード触媒層１２と同様の構造を有していてもよく、いずれか一方の触媒層がカソード触媒層１２と同様の構造を有していてもよい。

本実施の形態においては、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４の少なくとも一方が第１電極に相当し、アイオノマ１２３が第１アイオノマに相当する。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池１００ａについて説明するための図である。図５（ａ）は、燃料電池１００ａの一部の模式的断面図である。図５（ｂ）は、カソード触媒層１２および後述するカソード触媒層１２ａにおける水分濃度および水の蒸発量を示す図である。図５（ａ）に示すように、燃料電池１００ａは、カソード触媒層１２の電解質膜１１と反対側の面に、さらにカソード触媒層１２ａを備えている。カソード触媒層１２ａは、カソード触媒層１２とガス拡散層１３との間に設けられている。

カソード触媒層１２ａは、カーボン担体１２１と、カーボン担体１２１を被覆するアイオノマ１２３とを備える。カソード触媒層１２ａがカソード触媒層１２と異なる点は、触媒金属１２２が配置されていない点、および、Ｎ／Ｃ比がカソード触媒層１２に比較してカソード触媒層１２ａにおいて小さくなっている点である。本実施の形態においては、アイオノマ１２３の厚みによってＮ／Ｃ比を変化させている。したがって、カソード触媒層１２ａにおけるアイオノマ１２３の厚みは、カソード触媒層１２におけるアイオノマ１２３の厚みに比較して小さくなっている。

この場合、カソード触媒層１２ａのガス拡散性は、カソード触媒層１２のガス拡散性に比較して高くなる。それにより、カソード触媒層１２への酸化剤ガスの供給の阻害が抑制されるとともに、カソード触媒層１２ａからの水蒸気の排出が促進される。また、水はカソード触媒層１２ａにおいて生成されずにカソード触媒層１２において生成されることから、カソード触媒層１２における水分濃度が十分に高くなる。

以上のことから、カソード触媒層１２のアイオノマ１２３における水分濃度を十分に高くすることができるとともに、カソード触媒層１２への酸素ガスの拡散およびカソード触媒層１２からの水蒸気の排出が促進される。その結果、電解質膜１１のプロトン移動抵抗の低下を抑制することができるとともに、発電反応を促進することができる。

カソード触媒層１２は、電解質膜１１にスプレー塗工することによって形成してもよく、電解質膜１１に転写することによって形成してもよい。また、カソード触媒層１２ａは、カソード触媒層１２上にスプレー塗工することによって形成してもよく、ガス拡散層１３にスプレー塗工した後にカソード触媒層１２にホットプレスによって接合してもよい。

なお、アノード触媒層１４が本実施の形態に係るカソード触媒層１２，１２ａと同様の構造を有していてもよい。また、アノード側およびカソード側の両方の触媒層がカソード触媒層１２，１２ａと同様の構造を有していてもよく、いずれか一方の触媒層がカソード触媒層１２，１２ａと同様の構造を有していてもよい。

本実施の形態においては、カソード触媒層１２が第１電極に相当し、カソード触媒層１２におけるアイオノマ１２３が第１アイオノマに相当し、カソード触媒層１２ａが第２電極に相当し、カソード触媒層１２ａにおけるアイオノマ１２３が第２アイオノマに相当する。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池１００ｂの一部の模式的断面図である。図６に示すように、燃料電池１００ｂは、カソード触媒層１２の電解質膜１１と反対側の面に、さらにカソード触媒層１２ｂを備えている。カソード触媒層１２ｂは、カソード触媒層１２とガス拡散層１３との間に設けられている。

カソード触媒層１２ｂは、カソード触媒層１２と同様に、カーボン担体１２１と、触媒金属１２２と、カーボン担体１２１および触媒金属１２２を被覆するアイオノマ１２３とを備える。カソード触媒層１２ｂにおける担持密度は、カソード触媒層１２における担持密度に比較して小さくなっている。また、カソード触媒層１２ｂにおけるＮ／Ｃ比は、カソード触媒層１２におけるＮ／Ｃ比に比較して小さくなっている。本実施の形態においては、第２の実施の形態と同様に、アイオノマ１２３の厚みによってＮ／Ｃ比を変化させている。したがって、カソード触媒層１２ｂにおけるアイオノマ１２３の厚みは、カソード触媒層１２におけるアイオノマ１２３の厚みに比較して小さくなっている。

本実施の形態においては、カソード触媒層１２ｂにも触媒金属１２２が配置されていることから、触媒金属１２２への酸化剤ガスの供給効率が向上する。それにより、発電反応を促進することができる。なお、カソード触媒層１２ｂにおける担持密度がカソード触媒層１２における担持密度に比較して小さくなっていることから、カソード触媒層１２において水分濃度を十分に高くすることができる。

本実施の形態においては、カソード触媒層１２が第１電極に相当し、カソード触媒層１２におけるアイオノマ１２３が第１アイオノマに相当し、カソード触媒層１２ｂが第２電極に相当し、カソード触媒層１２ｂにおけるアイオノマ１２３が第２アイオノマに相当する。

以下、上記実施の形態に係る燃料電池を作製し、その特性を調べた。

（実施例１〜実施例４）
実施例１〜実施例４においては、第１の実施の形態に係る燃料電池１００を作製した。各実施例に係るカソード触媒層１２、ガス拡散層１３およびセパレータ２０に用いた材料と、カソード触媒層１２の形成方法とを表１に示す。

また、各実施例に係るカソード触媒層１２における、触媒金属１２２の目付量（ｍｇ／ｃｍ^２）、担持密度（ｗｔ％）、Ｎ／Ｃ比および定格出力点における生成水量／アイオノマの体積を表２に示す。表２に示すように、実施例１が図４（ａ）の構成に対応し、実施例２が図４（ｃ）の構成に対応し、実施例３，４が図４（ｂ）の構成に対応する。

（比較例）
比較例においては、定格出力点における生成水量／アイオノマ１２３の体積が１３５０未満であるアノード触媒層およびカソード触媒層を備える燃料電池を作製した。用いた材料および製造方法は、表１に示すものと同様である。また、比較例のカソード触媒層における、触媒金属の目付量（ｍｇ／ｃｍ^２）、担持密度（ｗｔ％）、Ｎ／Ｃ比および定格出力点における生成水量／アイオノマの体積を表２に示す。

（分析１）
実施例１〜４および比較例に係る燃料電池を用いて発電を行った。その場合の発電条件を表３に示す。表３における冷却水温度は、燃料電池を冷却するための冷却水の温度である。したがって、冷却水の温度は、燃料電池内のセル温度とほぼ等しくなる。表３に示す発電条件においては燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して加湿処理を行っていないことから、電解質膜の乾燥に伴ってセル電圧が低下しやすい傾向にある。

表４、図７および図８に、実施例１〜４および比較例に係る燃料電池のセル電圧を示す。表４、図７および図８に示すように、比較例に係る燃料電池に比較して、実施例１〜実施例４に係る燃料電池のセル電圧は大幅に大きくなった。したがって、定格出力点における生成水量／アイオノマの体積を１３５０以上に調整することによって、電解質膜におけるプロトンの移動抵抗を十分に小さくできたと考えられる。これは、電解質膜とカソード触媒層との間の水分濃度差が十分に大きくなったからであると考えられる。また、上記結果によれば、担持密度、触媒目付量およびＮ／Ｃ比のいずれを変化させても、定格出力点における生成水量／アイオノマの体積が１３５０以上であれば電解質膜におけるプロトン移動抵抗を十分に小さくできると考えられる。

（実施例５〜実施例８）
実施例５〜実施例８においては、第２の実施の形態に係る燃料電池１００ａおよび第３の実施の形態に係る燃料電池１００ｂを作製した。各実施例に係るカソード触媒層１２、カソード触媒層１２ａもしくはカソード触媒層１２ｂ、ガス拡散層１３およびセパレータ２０に用いた材料と、カソード触媒層１２の形成方法とは、表１に示すものと同様である。

各実施例における、触媒金属１２２の目付量（ｍｇ／ｃｍ^２）、担持密度（ｗｔ％）、Ｎ／Ｃ比、およびカソード触媒層１２における定格出力点における生成水量／アイオノマの体積を表５に示す。表５に示すように、実施例５が第２の実施の形態に係る燃料電池１００ａに対応し、実施例６〜実施例８が第３の実施の形態に係る燃料電池１００ｂに対応する。

（分析２）
実施例５〜実施例８に係る燃料電池を用いて発電を行った。その場合の発電条件は、表３に示すものと同様である。表６および図９に、実施例４〜８および比較例に係る燃料電池のセル電圧を示す。表６および図９に示すように、実施例４に係る燃料電池に比較して、実施例５に係る燃料電池のセル電圧はさらに大きくなった。第２の実施の形態に係るカソード触媒層１２ａをさらに設けることによって、ガス拡散性が向上したからであると考えられる。

また、実施例５に係る燃料電池に比較して、実施例６に係る燃料電池のセル電圧はさらに大きくなった。カソード触媒層１２ａの代わりに第３の実施の形態に係るカソード触媒層１２ｂを設けることによって、触媒金属１２２への酸化剤ガスの供給効率が向上したからであると考えられる。ただし、実施例６に係る燃料電池に比較して、実施例７および実施例８に係る燃料電池のセル電圧は低下した。したがって、カソード触媒層１２のＮ／Ｃ比に比較してカソード触媒層１２ｂのＮ／Ｃ比を小さくするほど、カソード触媒層１２ｂを設ける効果が大きいと考えられる。

（分析３）
続いて、比較例および実施例６に係る燃料電池を用いて、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿した場合のセル電圧を測定した。表７にその条件と測定結果を示す。表７の「ＲＨ」は、相対湿度を示す。表７に示すように、比較例に係る燃料電池においては、反応ガスを加湿した場合に比較して、反応ガスを加湿しなかった場合にはセル電圧が大幅に低下した。一方、実施例６に係る燃料電池においては、反応ガスを加湿した場合および反応ガスを加湿しなかった場合のいずれにおいても、良好なセル電圧が得られた。実施例６以外の実施例に係る燃料電池においても、同様の結果が得られると考えられる。したがって、実施例１〜実施例８に係る燃料電池においては、良好なセル電圧が得られる発電条件が拡大されると考えられる。

（実施例９〜実施例１３）
実施例９〜実施例１３においては、上記各実施の形態に係る燃料電池においてアノード触媒層に本発明を適用した。各実施例に係るアノード触媒層、カソード触媒層、ガス拡散層およびセパレータに用いた材料と、アノード触媒層およびカソード触媒層の形成方法とは、表１に示すものと同様である。各実施例に係るアノード触媒層およびカソード触媒層における、触媒金属の目付量（ｍｇ／ｃｍ^２）、担持密度（ｗｔ％）、Ｎ／Ｃ比、および定格出力点における生成水量／アイオノマの体積を表８に示す。

（分析４）
実施例９〜１３および比較例に係る燃料電池を用いて発電を行った。その場合の発電条件を表９に示す。表９に示すように、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれも加湿しなかった場合、燃料ガスのみ加湿した場合、ならびに、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれも加湿した場合の３つの条件で発電を行った。

セル電圧の測定結果を図１０に示す。図１０の縦軸はセル抵抗を示す。この場合のセル抵抗は、単位面積あたりの抵抗を表す面積抵抗である。図１０の横軸は内部抵抗補正電圧を示す。ここで、内部抵抗補正電圧とは、出力電圧にセル抵抗分の電流値をかけあわせてセル電圧の内部抵抗損失分を補正した場合の電圧である。内部抵抗補正電圧が低い場合には、ガス拡散等の阻害、電解質膜の乾燥による発電分布の不均一等が発生していると考えられる。なお、図１０の二点鎖線は、補正前のセル電圧を示す。

図１０に示すように、比較例に係る燃料電池においては、反応ガスへの加湿量が低下するに伴って内部抵抗補正電圧が大幅に低下した。これに比較して、実施例９および実施例１０に係る燃料電池においては、反応ガスへの加湿量が低下した場合の内部抵抗補正電圧の低下幅が小さくなった。したがって、アノード触媒層に本発明を適用しても、本発明の効果が得られると考えられる。

また、実施例１１および実施例１２に示すように、アノード触媒層およびカソード触媒層のいずれにも本発明を適用することによって、内部抵抗補正電圧の低下幅がさらに小さくなった。さらに、実施例１３に示すように、カソード触媒層を第３の実施の形態に係る構造にすることによって、内部抵抗補正電圧の低下幅はさらに小さくなった。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の模式的断面図である。 カソード触媒層における水生成を表す模式図である。 電解質膜におけるプロトン移動抵抗について説明するための模式図である。 カソード触媒層の構造の例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池について説明するための図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の一部の模式的断面図である。 実施例および比較例に係る燃料電池のセル電圧を示す図である。 実施例および比較例に係る燃料電池のセル電圧を示す図である。 実施例および比較例に係る燃料電池のセル電圧を示す図である。 実施例および比較例に係る燃料電池のセル電圧を示す図である。

符号の説明

１０ 膜−電極接合体
１１ 電解質膜
１２，１２ａ，１２ｂ カソード触媒層
１４ アノード触媒層
２０，３０ セパレータ
１００ 燃料電池
１２１ カーボン担体
１２２ 触媒金属
１２３ アイオノマ

Claims (9)

1. プロトン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜上に接合された第１電極と、を備える膜−電極接合体であって、
   前記第１電極は、触媒と、前記触媒を被覆しプロトン交換基として機能する第１アイオノマとを含み、
   前記第１電極において、前記膜−電極接合体の定格出力点における生成水量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）／第１アイオノマ体積（ｃｍ^３）は、１３５０以上であることを特徴とする膜−電極接合体。
2. 第１アイオノマの厚みは、１３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の膜−電極接合体。
3. 前記触媒は、カーボンと、前記カーボンに担持される触媒金属とからなり、
   前記カーボンに担持される前記触媒金属は、前記電解質膜と反対側のカーボンに比較して前記電解質膜側のカーボンにおいて多く配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の膜−電極接合体。
4. 前記第１電極の前記電解質膜と反対側の面にさらに第２電極を備え、
   前記第２電極は、カーボンがプロトン交換基として機能する第２アイオノマに被覆された構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の膜−電極接合体。
5. 前記第２電極における第２アイオノマ／カーボン質量比は、前記第１電極における第１アイオノマ／カーボン質量比に比較して小さいことを特徴とする請求項４記載の膜−電極接合体。
6. 前記第２電極において、触媒金属が前記カーボンに担持されていることを特徴とする請求項４または５記載の膜−電極接合体。
7. 前記第２電極の触媒担持密度は、前記第１電極の触媒担持密度に比較して小さいことを特徴とする請求項６記載の膜−電極接合体。
8. 前記第１電極において、前記定格出力点における生成水量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）／第１アイオノマ体積（ｃｍ^３）は、前記電解質膜近傍において１３５０以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の膜−電極接合体。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の膜−電極接合体と、
   前記膜−電極接合体を挟持するセパレータとを備えることを特徴とする燃料電池。

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