JP2009016139A - 固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体及び固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池において、保水性、反応ガスの拡散性、及び生成水の排出の容易さを均衡させる。
【解決手段】アノード側電極４３及びカソード側電極４４は、第１セパレータ３２又は第２セパレータ３４に臨むガス拡散層４５ａ、４５ｂと、固体高分子電解質膜４２に臨む電極触媒層４７ａ、４７ｂと、ガス拡散層４５ａと電極触媒層４７ａの間、ガス拡散層４５ｂと電極触媒層４７ｂの間に介在された撥水層４６ａ、４６ｂとを有する。撥水層４６ａ、４６ｂの一部は、ガス拡散層４５ａ、４５ｂに浸透し、これにより浸透部位９２ａ、９２ｂが形成される。なお、撥水層４６ａ、４６ｂの浸透先端は、ガス拡散層４５ａ、４５ｂの厚み方向寸法をＴとするとき、０．７１Ｔ〜０．９９Ｔとなる深さまで到達している。
【選択図】図７

Description

本発明は、高分子イオン交換膜からなり且つプロトンを伝導するプロトン伝導体である固体高分子電解質膜を介してアノード側電極及びカソード側電極が配設される固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体、及びそれを備える固体高分子型燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の各端面にアノード側電極、カソード側電極のそれぞれを配設した電解質膜・電極構造体を、１組のセパレータによって挟持することで構成された単位セルを備える。この種の固体高分子型燃料電池において、高分子イオン交換膜（電解質膜）は、アノード側電極からカソード側電極に向かってプロトンを伝導させるプロトン伝導体として機能する。

ここで、電解質膜である高分子イオン交換膜に良好なプロトン伝導性を発現させるためには、該高分子イオン交換膜を湿潤状態に維持する必要がある。固体高分子型燃料電池の運転途中であれば、例えば、アノード側電極又はカソード側電極の少なくともいずれか一方に対して加湿された反応ガスを供給し、これにより高分子イオン交換膜に適切量の水分を付与することが可能である。しかしながら、固体高分子型燃料電池の運転開始時等では高分子イオン交換膜が未だ乾燥状態にあるため、プロトン伝導性に乏しいという問題がある。

そこで、固体高分子型燃料電池の運転を停止して反応ガスの供給を停止した場合であっても高分子イオン交換膜を湿潤状態に保つべく、アノード側電極及びカソード側電極に保水性を具備させることが提案されている。具体的には、アノード側電極及びカソード側電極を構成するガス拡散層と電極触媒層との間に、保水性を示す中間層を設けることが行われている。

例えば、特許文献１には、ガス拡散層上にカーボン層を設けることが記載されている。該特許文献１によれば、このカーボン層が存在することにより、反応ガスが無加湿、又は低加湿であっても、固体高分子型燃料電池を高電圧で発電させることができるようになる、とのことである。なお、特許文献１記載の技術において、前記カーボン層は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とカーボン粒子を含有する溶液をガス拡散層に塗布し、その後に乾燥することで形成されている。

また、特許文献２には、特許文献１と同様にＰＴＦＥとカーボン粒子を含有する溶液をガス拡散層に塗布して乾燥することでガス拡散層上にカーボン層を設けるとともに、カーボン粒子、炭素繊維及びイオン伝導性高分子を含むスラリーを塗布して乾燥することが記載されている。

特開２００４−２９６１７６号公報 特開２００４−１９３１０６号公報

ところで、アノード側電極及びカソード側電極に水分を過度に保持し得る中間層を形成すると、反応ガスがガス拡散層から該中間層を通過して電極触媒層に到達することや、電極反応に伴って電極触媒層に生成された水分が該中間層を経由してガス拡散層に到達することが困難となる。中間層に保持された水分がこれら反応ガスや生成水が通過することを阻害するからである。

結局、保水性を過度に向上させると、反応ガスの拡散性が低下することに起因して固体高分子型燃料電池の発電特性が低下したり、生成水が十分に排出されないためにフラッディングが起こったりする等の不具合が惹起されてしまう。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、保水性が向上しながらも反応ガスが良好に拡散し、且つ生成水を排出することも容易な電極を具備する固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体及びそれを備える固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、高分子イオン交換膜からなり且つプロトン伝導体である電解質膜と、前記電解質膜を介して配設されるアノード側電極及びカソード側電極とを備える固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
前記アノード側電極及びカソード側電極は、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層と、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、前記ガス拡散層と前記電極触媒層の間に介在してカーボン粒子を含む撥水層とを有し、
前記撥水層の一部が、前記ガス拡散層の厚み方向寸法の７１〜９９％の深さまで浸透していることを特徴とする。

このように構成された電極では、電解質膜を湿潤状態に保つために反応ガスに添加された水分や、電極反応が進行することに伴って生成された水分の適当量が撥水層に保持される。撥水層においては、該撥水層によって弾かれた水分が液滴として残留し易いからである。

その一方で、余剰の水分は、該撥水層を介してガス拡散層に移動する。この理由は、上記のようにガス拡散層の深い位置まで撥水層が浸透することに伴って該撥水層の撥水成分がガス拡散層に低密度で分散するようになり、その結果、ガス拡散層の保水性及び水排出能力が均衡するためであると推察される。

ガス拡散層に移動した余剰の水分は、該ガス拡散層の基材であるカーボンペーパーが撥水層の影響を受けて撥水性を呈しているため、該ガス拡散層を速やかに通過し、最終的に、反応ガス流路を介して固体高分子型燃料電池の外部に排出される。このようにして余剰の水分が速やかに排出されるので、反応ガスがガス拡散層及び撥水層の双方を通過することが容易である。

すなわち、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体においては、電極の保水性を向上させつつ生成水を容易に排出することが可能であり、その上、該電極内を反応ガスが拡散することも容易である。このため、高電圧で発電する等、発電特性に優れるとともにフラッディングが発生することが著しく抑制された固体高分子型燃料電池を構成することができる。

なお、前記ガス拡散層の基材であるカーボンペーパーは、エチレングリコールの接触角度が９０°以下であるものが好ましい。この場合、エチレングリコールを溶媒とする撥水層形成用のスラリーがガス拡散層に容易に浸透するので、上記のようにガス拡散層の深部まで浸透した撥水層を容易に得ることができるようになるからである。

同時に、前記撥水層の一部が浸透した前記ガス拡散層でのエチレングリコールの接触角度が１００°〜１３３°であることが好ましい。この場合、発電時の電圧が一層大きな固体高分子型燃料電池が得られる。

また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、上記した電解質膜・電極構造体を具備し、且つ反応ガスが重力方向に沿って上方から下方に流通されることを特徴とする。すなわち、この固体高分子型燃料電池は、上記の固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体を介して配設される第１セパレータ及び第２セパレータを具備する固体高分子型燃料電池であって、
前記第１セパレータ及び第２セパレータは、前記アノード側電極及び前記カソード側電極を構成する前記ガス拡散層に臨み、
前記第１セパレータ及び第２セパレータのそれぞれに、前記アノード側電極又は前記カソード側電極のいずれか一方に反応ガスを重力方向に供給するための反応ガス流路と、前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給するための反応ガス入口部と、前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出するための反応ガス出口部とが形成され、
設置時、前記反応ガス入口部が前記反応ガス出口部の重力方向上方に位置することを特徴とする。

このように重力方向に沿って反応ガスを流通した場合、電流密度が同一であれば、水平方向に沿って反応ガスを流通させるよりも電圧が大きくなる等、発電特性が一層良好な固体高分子型燃料電池を得ることができる。

電解質膜の材質の好適な例としては、スルホン化ポリアリーレンポリマーが挙げられる。スルホン化ポリアリーレンポリマーでは、湿度の安定に伴う発電特性のさらなる向上が得られるからである。

本発明によれば、アノード側電極及びカソード側電極を構成するガス拡散層に対し、所定の深さとなるまで撥水層を浸透させるようにしている。この撥水層によって水分の適当量が保持される一方、余剰の水分が容易に排出されるようになる。さらに、撥水層が所定の深さとなるまでガス拡散層に浸透しているため、反応場である電極触媒層まで反応ガスが速やかに進行する。

すなわち、電極の保水性を向上させつつ生成水を容易に排出することが可能となると同時に、反応ガスが電極中を拡散することが容易となる。結局、発電特性に優れ、且つフラッディングが発生することが抑制された固体高分子型燃料電池が得られる。

発電特性は、重力方向に沿って上方から下方に反応ガスを流通させた場合に一層良好となる。この場合、ガス拡散層から水分が一層排出され易くなるので、反応ガスがガス拡散層を通過して電極触媒層に到達することが一層容易となるからである。

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池につき、それを構成する固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体（以降、単に電解質膜・電極構造体ともいう）との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記固体高分子型燃料電池１０の一部断面説明図である。

この固体高分子型燃料電池１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。

積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される（図１参照）。固体高分子型燃料電池１０は、例えば、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部２６ａ、２６ｂが設けられる。端子部２６ａ、２６ｂは、絶縁性筒体２８に挿入されてエンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する。

図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、本実施の形態に係る電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４とを備える。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。

積層体１４の長辺方向（図３中の矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス入口部）３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス入口部）３８ａが設けられる。

一方、積層体１４の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス出口部）３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス出口部）３６ｂが設けられる。

さらに、積層体１４の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４３及びカソード側電極４４とを備える。

この場合、固体高分子電解質膜４２の材質としては、スルホン化ポリアリーレンポリマーが選定される。一方、アノード側電極４３及びカソード側電極４４の各々は、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層４５ａ、４５ｂと、カーボン粒子を含んで形成された撥水層４６ａ、４６ｂと、白金又は白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記撥水層４６ａ、４６ｂの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層４７ａ、４７ｂとを有する。電極触媒層４７ａ、４７ｂは、固体高分子電解質膜４２の両面に臨むようにして形成される。すなわち、撥水層４６ａ、４６ｂは、ガス拡散層４５ａ、４５ｂと、電極触媒層４７ａ、４７ｂとの間に介在している。

第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に臨む面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、図３及び図４に示すように、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝４８ａを有し、前記波状流路溝４８ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して、複数のエンボスを備える入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂが設けられる。

入口バッファ部５０ａは、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び酸化剤ガス供給連通孔３６ａに向かって傾斜する傾斜面５２ａ、５２ｂを有する。出口バッファ部５０ｂは、燃料ガス排出連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに向かって傾斜する傾斜面５４ａ、５４ｂを有する。燃料ガス供給連通孔３８ａは、入口バッファ部５０ａの上端位置よりも上方に配置されるとともに、燃料ガス排出連通孔３８ｂは、出口バッファ部５０ｂの下端位置よりも下方に配置される。

燃料ガス供給連通孔３８ａと入口バッファ部５０ａとの間には、前記燃料ガス供給連通孔３８ａに向かって傾斜する複数の入口通路溝５６ａが、複数の凸状部５８ａ間に形成される。同様に、燃料ガス排出連通孔３８ｂと出口バッファ部５０ｂとの間には、前記燃料ガス排出連通孔３８ｂに向かって傾斜する複数の出口通路溝５６ｂが、複数の凸状部５８ｂ間に形成される。各凸状部５８ｂの下端位置は、千鳥状に配置されるとともに、前記凸状部５８ｂの下端は、湾曲端面（Ｒ面）を構成する。

図５に示すように、第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に臨む面３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを連通する酸化剤ガス流路６０（反応ガス流路）が形成される。この酸化剤ガス流路６０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝６０ａを有し、前記波状流路溝６０ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して、複数のエンボスを備える入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂが設けられる。

入口バッファ部６２ａは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び燃料ガス供給連通孔３８ａに向かって傾斜する傾斜面６４ａ、６４ｂを有する。出口バッファ部６２ｂは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに向かって傾斜する傾斜面６６ａ、６６ｂを有する。酸化剤ガス供給連通孔３６ａは、入口バッファ部６２ａの上端位置よりも上方に配置されるとともに、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂは、出口バッファ部６２ｂの下端位置よりも下方に配置される。

酸化剤ガス供給連通孔３６ａと入口バッファ部６２ａとの間には、前記酸化剤ガス供給連通孔３６ａに向かって傾斜する複数の入口通路溝６８ａが、複数の凸状部７０ａ間に形成される。同様に、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂと出口バッファ部６２ｂとの間には、前記酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに向かって傾斜する複数の出口通路溝６８ｂが、複数の凸状部７０ｂ間に形成される。各凸状部７０ｂの下端位置は、千鳥状に配置されるとともに、前記凸状部７０ｂの下端は、湾曲端面（Ｒ面）を構成する。

第２セパレータ３４の面３４ｂと、第１セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとに連通する冷却媒体流路７２が形成される（図３参照）。この冷却媒体流路７２は、燃料ガス流路４８の裏面形状と酸化剤ガス流路６０の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形される。

図１及び図２に示す絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、例えば、ポリカーボネートやフェノール樹脂等の絶縁性材料から形成される。これら絶縁プレート１８ａ、１８ｂの中央部には矩形状の凹部８０ａ、８０ｂが設けられるとともに、この凹部８０ａ、８０ｂの略中央に孔部８２ａ、８２ｂが形成される。

凹部８０ａ、８０ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容され、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２６ａ、２６ｂが絶縁性筒体２８を介装して孔部８２ａ、８２ｂに挿入される。なお、エンドプレート２０ａ、２０ｂの略中央部には、孔部８２ａ、８２ｂと同軸的に孔部８４ａ、８４ｂが形成される。

図２に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体供給連通孔４０ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂの内周面に対応してそれぞれシール材、例えば、ガスケット９０が設けられる。なお、この図２は、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ近傍を示しているが、残余の酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂ近傍も同様に構成されている。

以上のように構成された固体高分子型燃料電池１０において、前記アノード側電極４３及び前記カソード側電極４４を構成するガス拡散層４５ａ、４５ｂは、上記したようにカーボンペーパーを基材とする。このカーボンペーパーは、図６に示すように、該カーボンペーパー単体でのエチレングリコールの接触角度θ１が９０°以下のものであることが好ましい。すなわち、エチレングリコールの接触角度θ１が９０°以下となるカーボンペーパーを基材として選定することが好ましい。この理由については、後述する。

そして、図７に示すように、前記撥水層４６ａ、４６ｂの一部は、それぞれ、これらガス拡散層４５ａ、４５ｂに浸透している。ガス拡散層４５ａ、４５ｂに浸透した撥水層４６ａ、４６ｂの浸透先端は、ガス拡散層４５ａ、４５ｂの厚み方向寸法（積層体１４の積層方向＝矢印Ａ方向）の７１〜９９％の間に到達している。すなわち、ガス拡散層４５ａ、４５ｂの厚み方向寸法をＴとするとき、撥水層４６ａ、４６ｂの浸透先端は、ガス拡散層４５ａ、４５ｂ内における０．７１Ｔ〜０．９９Ｔとなる深さまで進入している。後述するように、撥水層４６ａ、４６ｂの浸透先端が、ガス拡散層４５ａ、４５ｂの厚み方向寸法の７１〜９９％の深さまで到達させることにより、固体高分子型燃料電池１０を高電圧で発電させることができる。

なお、図７においては、ガス拡散層４５ａ、４５ｂにおける撥水層４６ａ、４６ｂが浸透した部位を、両層のハッチングを重ね合わせるとともに参照符号９２ａ、９２ｂを付して示している。すなわち、図７中、参照符号４５ａ、４５ｂで示した部位はガス拡散層における撥水層が浸透していない部位を表し、参照符号９２ａ、９２ｂで示した部位はガス拡散層における撥水層が浸透した浸透部位を表す。さらに、参照符号４６ａ、４６ｂで示した部位は、撥水層におけるガス拡散層に浸透していない部位を表す。

図８に示すように、このように撥水層４６ａ、４６ｂの一部が浸透したガス拡散層４５ａ、４５ｂでのエチレングリコールの接触角度θ２は、１００°〜１３３°であることが好ましい。この場合、固体高分子型燃料電池１０の発電特性が一層良好となるからである。ここで、接触角度θ２は、ガス拡散層４５ａにおける第１セパレータ３２に臨む端面（又は、ガス拡散層４５ｂにおける第２セパレータ３４に臨む端面）にエチレングリコールを滴下したときの接触角度として求められる。

以下、上記した構成、すなわち、撥水層４６ａ、４６ｂの一部が浸透したガス拡散層４５ａ、４５ｂを具備するアノード側電極４３又はカソード側電極４４の作製方法の一例につき説明する。

先ず、カーボンブラックと撥水性樹脂粉末、例えば、ＰＴＦＥ粒子やテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体（ＦＥＰ）粒子とが所定の割合で混合された混合粒子をエチレングリコールに略均一に分散させ、スラリーを調製する。このスラリーを、例えば、スクリーン印刷によってカーボンペーパーの一端面に塗布した後に乾燥させる。

この際、前記カーボンペーパーに撥水処理等が何ら施されていないため、前記スラリーがカーボンペーパーに浸透する。この浸透は、カーボンペーパーとしてエチレングリコールの接触角度θ１（図６参照）が９０°以下となるものを選定した場合、一層容易に進行する。換言すれば、このようなカーボンペーパーを選定することにより、撥水層４６ａ、４６ｂの一部がガス拡散層４５ａ、４５ｂに浸透したアノード側電極４３又はカソード側電極４４を容易に作製することができる。

カーボンペーパーに対するスラリーの浸透深さは、スクリーン印刷を行う際の印圧、スキージ速度、スラリーを載置するスクリーンメッシュとカーボンペーパーとの間のクリアランス等の諸条件を適切に設定することにより、制御することができる。換言すれば、カーボンペーパーに対するスラリーの乾燥後の浸透深さが該カーボンペーパーの厚み方向寸法の７１〜９９％となるように、スクリーン印刷時の諸条件を設定すればよい。

なお、高濃度の撥水性樹脂粉末を含有する処理液を用いる等、カーボンペーパーに対して過度の撥水処理を施すと、前記スラリーが浸透することが容易でなくなる。例えば、撥水処理を施していない場合に前記スラリーが厚み方向寸法の８５％まで浸透することが可能なカーボンペーパーであっても、撥水処理を施した場合、同一の印刷条件における前記スラリーの浸透深さは、該カーボンペーパーの厚み方向寸法の僅か３０％と著しく低減することがある。

以上により、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層４５ａ、４５ｂと、その一部が該ガス拡散層４５ａ、４５ｂに浸透した撥水層４６ａ、４６ｂが形成される。

撥水層４６ａ、４６ｂの一部が浸透したガス拡散層４５ａ、４５ｂでのエチレングリコールの接触角度θ２（図８参照）は、カーボンペーパーに対する前記スラリーの塗布量に応じて変化する。すなわち、接触角度θ２は、前記スラリーの塗布量が多いほど大きくなる一方、塗布量が少ないほど小さくなる。このことは、前記スラリーの塗布量が多いほどエチレングリコールを弾き易くなる一方、少ないほどエチレングリコールに対して濡れ易くなることを意味する。従って、接触角度θ２を１００°〜１３３°とするには、前記スラリーの塗布量を適宜調節すればよい。

その一方で、例えば、ファーネスブラック等のカーボンブラックに白金粒子又は白金合金粒子を担持し、触媒粒子を調製する。カーボンブラック：白金（又は白金合金）の割合は、例えば、重量比で１：１とすればよい。

この触媒粒子を、イオン伝導性高分子バインダ溶液であるパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物、例えば、ナフィオンに対して重量比で１：１の割合で配合し、略均一に分散させることで触媒ペーストを調製する。

次に、この触媒ペーストを、スクリーン印刷によって前記撥水層４６ａ、４６ｂの全面にわたって塗布する。この塗布は、例えば、白金（又は白金合金）量が０．５ｍｇ／ｃｍ²となるように印刷条件を設定して行えばよい。

その後、所定の圧力・温度下で所定時間加熱を行って触媒ペーストを乾燥させれば、電極触媒層４７ａ、４７ｂが形成される。

さらに、このようにして作製されたアノード側電極４３の電極触媒層４７ａとカソード側電極４４の電極触媒層４７ｂとで固体高分子電解質膜４２、例えば、スルホン化ポリアリーレンポリマー又はナフィオン等のプロトン伝導性固体高分子膜を挟持し、その後、ホットプレス等を行うことで一体化すれば、電解質膜・電極構造体３０が作製されるに至る。

次に、この電解質膜・電極構造体３０を第１セパレータ３２と第２セパレータ３４とで挟持することで単位セル１２が構成される（図１及び図２参照）。この単位セル１２を所定数だけ積層することにより、積層体１４（図１参照）が得られる。さらに、積層体１４の積層方向一端にターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａを配設する一方、他端にターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂを配設し、これらを箱状ケーシングで保持するか、又は、複数のタイロッドで締め付け保持することにより、固体高分子型燃料電池１０が得られる。

本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池１０及び電解質膜・電極構造体３０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

この固体高分子型燃料電池１０を運転するに際しては、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔４０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図３及び図５に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２セパレータ３４の酸化剤ガス流路６０に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４４に沿って移動する。

その際、図５に示すように、第２セパレータ３４の面３４ａでは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａを流れる酸化剤ガスは、複数の凸状部７０ａ間に形成された複数の入口通路溝６８ａから入口バッファ部６２ａに供給される。この入口バッファ部６２ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路６０を構成する複数の波状流路溝６０ａに沿って鉛直下方向に流動する。

一方、燃料ガスは、図３及び図４に示すように、第１セパレータ３２の面３２ａにおいて、燃料ガス供給連通孔３８ａから複数の凸状部５８ａ間に形成された複数の入口通路溝５６ａに供給された後、入口バッファ部５０ａに導入される。入口バッファ部５０ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路４８を構成する複数の波状流路溝４８ａに沿って移動し、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４３に供給される。

本実施の形態において、この燃料ガスには水分が含有されている（以下、この水分を保湿水ともいう）。この保湿水によって固体高分子電解質膜４２が湿潤状態に保たれ、これにより、該固体高分子電解質膜４２におけるプロトン伝導が継続的に発現する。

各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４３に供給された燃料ガス中の水素ガスがガス拡散層４５ａを通過した後に電極触媒層４７ａで電離し、プロトンと電子が生成される。電子は、固体高分子型燃料電池１０に電気的に接続された外部負荷を付勢するための電気エネルギとして取り出され、一方、プロトンは、電解質膜・電極構造体３０を構成する固体高分子電解質膜４２を介してカソード側電極４４に到達する。

そして、カソード側電極４４の電極触媒層４７ｂでは、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード側電極４４に到達した電子と、該カソード側電極４４に供給されてガス拡散層４５ｂを通過した酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水分が生成される。以下、この水分を生成水ともいう。

以上の保湿水及び生成水は、適当量がアノード側電極４３及びカソード側電極４４を構成する撥水層４６ａ、４６ｂに保持され、残部は、ガス拡散層４５ａ、４５ｂの基材が撥水性のカーボンペーパーであるために速やかに該ガス拡散層４５ａ、４５ｂを通過し、燃料ガス流路４８又は酸化剤ガス流路６０に到達する。すなわち、この固体高分子型燃料電池１０では、保水性が向上するとともに余剰の水分を排出することが容易である。

特に、本実施の形態では、固体高分子電解質膜４２が、保水性が良好なスルホン化ポリアリーレンポリマーからなるので、該固体高分子電解質膜４２を湿潤状態に保つことが一層容易となる。このため、固体高分子型燃料電池１０の発電特性が一層良好となる。

その一方で、これら撥水層４６ａ、４６ｂの一部がガス拡散層４５ａ、４５ｂに対して該ガス拡散層４５ａ、４５ｂの厚み方向寸法の７１〜９９％の深さまで浸透しているので、反応ガスがガス拡散層４５ａ、４５ｂ及び撥水層４６ａ、４６ｂを容易に通過する。

結局、本実施の形態によれば、アノード側電極４３及びカソード側電極４４による保湿水及び生成水の保持量と、これらアノード側電極４３及びカソード側電極４４における反応ガスの拡散の容易さとの均衡を図ることができる。さらに、余剰の水分を速やかに排出することも容易である。

カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、図５に示すように、酸化剤ガス流路６０の下部に連通する出口バッファ部６２ｂに送られる。さらに、酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂから複数の凸状部７０ｂ間に形成された複数の出口通路溝６８ｂに沿って酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに排出される。

同様に、アノード側電極４３に供給されて消費された燃料ガスは、図３及び図４に示すように、燃料ガス流路４８の下部に連通する出口バッファ部５０ｂに送られた後、複数の凸状部５８ｂ間に形成された複数の出口通路溝５６ｂに沿って燃料ガス排出連通孔３８ｂに排出される。

燃料ガスに含まれてアノード側電極４３に到達した水分、及びカソード側電極４４で生成された水分の各々は、これらアノード側電極４３及びカソード側電極４４を構成するガス拡散層４５ａ、４５ｂの基材が撥水性のカーボンペーパーであるために速やかに該ガス拡散層４５ａ、４５ｂを通過し、燃料ガス流路４８又は酸化剤ガス流路６０に至る。最終的に、水分は、燃料ガス又は酸化剤ガスに同伴されて酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ又は燃料ガス排出連通孔３８ｂから排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４０ａから第１及び第２セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路７２に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂから排出される。

本実施の形態では、例えば、図５に示すように、第２セパレータ３４は、縦長に構成されて長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に設定されるとともに、酸化剤ガス流路６０は、重力方向に延在する複数の波状流路溝６０ａを有している。このため、長尺な波状流路溝６０ａには、反応により生成水が比較的多量に発生し易いが、酸化剤ガスが重力方向に沿って流動するため、前記生成水は、自重によって前記波状流路溝６０ａに沿って鉛直下方向に確実に排出される。

さらに、酸化剤ガス流路６０の下部には、出口バッファ部６２ｂが設けられるとともに、この出口バッファ部６２ｂよりも下方には、複数の出口通路溝６８ｂを介して酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが配置されている。従って、酸化剤ガス流路６０で反応により生成された生成水は、この酸化剤ガス流路６０の下部や出口バッファ部６２ｂに滞留することがなく、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに排出される。

その際、出口バッファ部６２ｂには、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに向かって傾斜する傾斜面６６ａが設けられるとともに、この傾斜面６６ａから前記酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに向かって複数の出口通路溝６８ｂが傾斜して設けられている。

これにより、酸化剤ガス流路６０の下部から出口バッファ部６２ｂに送られた生成水は、出口通路溝６８ｂを介して酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに円滑且つ確実に流動し、生成水の滞留を一層確実に阻止することができる。

特に、固体高分子型燃料電池１０の運転停止時には、酸化剤ガス流路６０の生成水は、自重によって酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに排出される。このため、単位セル１２内に生成水が滞留することがなく、例えば、残留水分の凍結による前記単位セル１２の損傷を良好に阻止することができるという利点がある。

勿論、図４に示す燃料ガス流路４８においても、上記の酸化剤ガス流路６０と同様の効果が得られる。従って、アノード側電極４３及びカソード側電極４４に供給された反応ガスがガス拡散層４５ａ、４５ｂを容易に通過することができるので、固体高分子型燃料電池１０の発電特性が一層良好となる。

さらにまた、本実施の形態では、酸化剤ガス流路６０が複数の波状流路溝６０ａを有しており、直線状流路に比べて酸化剤ガス流路長を良好に長尺化することが可能になる。従って、酸化剤ガス流路６０における流路圧損が増加し、酸化剤ガスの流速が高まって生成水の排水性が向上する。

さらに、酸化剤ガスは、波状流路溝６０ａに沿って矢印Ｃ方向に移動するため、この酸化剤ガスの流れ方向が波状に変化している。これにより、カソード側電極４４での酸化剤ガスの拡散性が高まって、発電性能が有効に向上するという効果がある。

また、出口通路溝６８ｂを構成する複数の凸状部７０ｂの下端位置は、千鳥状に配置されている。このため、各凸状部７０ｂの下端位置同士の間隔が大きくなり、前記凸状部７０ｂに沿って自重により下降する生成水は、水滴となって残留することがなく、出口通路溝６８ｂから確実に排出することが可能になる。その際、凸状部７０ｂの下端は、湾曲端面（Ｒ面）を構成している。これにより、凸状部７０ｂの下端に水滴が付着することを、一層確実に阻止することができる。

なお、上記した実施の形態では、反応ガスを重力方向上方から下方に流通させるようにしているが、反応ガスを水平方向に流通させるようにしてもよい。

また、固体高分子電解質膜４２の材質はスルホン化ポリアリーレンポリマーに特に限定されるものではなく、例えば、ナフィオン（デュポン社製の商品名）等の別種の高分子からなるものであってもよい。

カーボンブラックとＰＴＦＥ粒子とが重量比で４：６の割合で混合された混合粒子をエチレングリコールに略均一に分散させ、スラリーを調製した。このスラリーを、スクリーン印刷によってカーボンペーパーの一端面に塗布した後に乾燥させ、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層４５ａ、４５ｂ上に、その一部が該ガス拡散層４５ａ、４５ｂに浸透し、且つ残部がガス拡散層４５ａ、４５ｂから突出した撥水層４６ａ、４６ｂを形成した。

その一方で、カーボンブラックの１種であるファーネスブラックに対して白金粒子を重量比で１：１の割合で担持し、触媒粒子を調製した。この触媒粒子を、ナフィオンに対して重量比で１：１の割合で配合し、略均一に分散させることで触媒ペーストを調製した。

次に、この触媒ペーストを、スクリーン印刷によって撥水層４６ａ、４６ｂの全面にわたって塗布した。この際、白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ²となるように印刷条件を設定した。さらに、およそ６０℃で約１０分間加熱した後、減圧下においておよそ１２０℃で約１５分間加熱することで触媒ペーストを乾燥させ、電極触媒層４７ａ、４７ｂを形成した。これにより、ガス拡散層４５ａ、撥水層４６ａ及び電極触媒層４７ａを具備するアノード側電極４３と、ガス拡散層４５ｂ、撥水層４６ｂ及び電極触媒層４７ｂを具備するカソード側電極４４とを得た。

このようにして作製されたアノード側電極４３の電極触媒層４７ａとカソード側電極４４の電極触媒層４７ｂとで、固体高分子電解質膜４２としてのナフィオンを挟持し、およそ１５０℃において約２．５ＭＰａで１５分間のホットプレスを行うことで一体化して、電解質膜・電極構造体３０を得た。さらに、この電解質膜・電極構造体３０を第１セパレータ３２と第２セパレータ３４とで挟持し、単位セル１２を構成した。

以上の過程において、スクリーン印刷を行う際の印圧、スキージ速度、スラリーを載置するスクリーンメッシュとカーボンペーパーとの間のクリアランス等の諸条件を種々変更し、これにより、カーボンペーパーに対するスラリーの浸透深さが互いに相違するアノード側電極４３及びカソード側電極４４を作製した。

ガス拡散層４５ａ、４５ｂに対する撥水層４６ａ、４６ｂの浸透深さと、電流密度を１Ａ／ｃｍ²として発電した際の単位セル１２の電圧との関係をグラフにして図９に示す。なお、発電に際しては、アノード側電極４３、カソード側電極４４の各々に湿度９０％の水素ガスを１００ｋＰａ、湿度９０％の圧縮空気を１００ｋＰａで供給するとともに、水素ガスの利用率を７５％、圧縮空気の利用率を７５％とした。

この図９から、ガス拡散層４５ａ、４５ｂに対する撥水層４６ａ、４６ｂの浸透深さが７１〜９９％であると、その他の場合に比して発電時の電圧が著しく高くなることが明らかである。

なお、図９において、浸透深さ１００％を超えているものは、撥水層４６ａ、４６ｂの浸透先端がガス拡散層４５ａ、４５ｂから突出していることを意味する。この場合、撥水層４６ａ、４６ｂにおけるガス拡散層４５ａ、４５ｂから突出した浸透先端が第１セパレータ３２又は第２セパレータ３４に接触するために単位セル１２の内部抵抗が大きくなり、その結果、発電時の電圧が低くなると考えられる。

撥水処理が施されていないカーボンペーパー、濃度０．５重量％のＦＥＰ水溶液（三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ−１２０−ＪＲ、純水、及び界面活性剤の混合液）が塗布された後に約３８０℃、約３０分間の熱処理が行われることで撥水処理が施されたカーボンペーパー、濃度１０重量％のＦＥＰ水溶液（前記混合液と同一物質を含有する混合液）が塗布された後に約３８０℃、約３０分間の熱処理が行われることで撥水処理が施されたカーボンペーパーを用い、さらに、上記と同様にして調製されたスラリーの塗布量を種々変更して、エチレングリコールの接触角度θ１（図６参照）、θ２（図８参照）が相違するガス拡散層４５ａ、４５ｂを具備するアノード側電極４３及びカソード側電極４４を作製した。

さらに、これらアノード側電極４３及びカソード側電極４４を用いて単位セル１２を作製し、各単位セル１２を温度８５℃、電流密度１Ａ／ｃｍ²で発電させた。水素ガス及び圧縮空気の湿度、供給圧力及び利用率は、上記と同一とした。

結果を、接触角度θ１、θ２と各単位セル１２の電圧との関係として図１０に示す。この図１０から、接触角度θ１が９０°以下であり且つ接触角度θ２が１００°〜１３３°の範囲内である場合、発電時の電圧が大きく発電特性に優れた単位セル１２が得られることが分かる。

上記に準拠して、撥水層４６ａ、４６ｂの一部がガス拡散層４５ａ、４５ｂの厚み方向寸法の８５％の深さまで浸透しているアノード側電極４３及びカソード側電極４４を作製し、単位セル１２を２個構成した。

この単位セルの中の１個につき、重力方向に沿って上方から下方に湿度９０％の水素ガス及び圧縮空気を１００ｋＰａの供給圧力で流通させるとともに、温度８５℃、電流密度１Ａ／ｃｍ²で発電させた。

その一方で、残余の１個の単位セル１２につき、反応ガスの流通方向を水平方向としたことを除いては上記と同様にして発電させたところ、各単位セル１２の電圧は、０．６３Ｖ、０．６２２Ｖであった。すなわち、重力方向に沿って上方から下方に反応ガスを流通させることにより、単位セル１２の発電特性が一層良好となった。

これとは別に、上記に準拠して、撥水層４６ａ、４６ｂの一部がガス拡散層４５ａ、４５ｂの厚み方向寸法の３０％の深さまでしか浸透していないアノード側電極４３及びカソード側電極４４を用いて単位セル１２を２個構成した。この浸透深さ以外は上記と同一の条件下において、一方の単位セル１２につき重力方向に沿って上方から下方に反応ガスを流通して発電させ、残余の単位セル１２につき水平方向に反応ガスを流通して発電させたところ、それぞれの電圧は、０．５９２Ｖ、０．６０８Ｖであった。すなわち、この場合、反応ガスの流通方向を水平方向とした方が、高電圧となった。

ガス拡散層４５ａ、４５ｂに対する撥水層４６ａ、４６ｂの浸透深さが小さいアノード側電極４３及びカソード側電極４４で単位セル１２を構成した場合において、重力方向に沿って反応ガスを流通させるようにすると水平方向に反応ガスを流通させる場合に比して電圧が小さくなる理由は、ガス拡散層４５ａ、４５ｂの保水性がさらに乏しくなるためであると推察される。すなわち、この場合、撥水層４６ａ、４６ｂの撥水成分が高密度でガス拡散層４５ａ、４５ｂ中に存在するようになる。これに伴い、ガス拡散層４５ａ、４５ｂが保水性に乏しく且つ生成水を排出することが困難となると考えられる。

本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の一部分解概略斜視図である。 図１の固体高分子型燃料電池の一部断面説明図である。 図１の固体高分子型燃料電池を構成する単セルの要部分解斜視図である。 図３の単セルを構成する第１セパレータの正面図である。 図３の単セルを構成する第２セパレータの正面図である。 カーボンペーパーにおけるエチレングリコールの接触角度θ１を説明する一部断面図である。 図３の単位セルを構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 撥水層が形成されたカーボンペーパーにおけるエチレングリコールの接触角度θ２を説明する一部断面図である。 ガス拡散層に対する撥水層の浸透深さと、単位セルの電圧との関係を示すグラフである。 撥水層を形成する前のカーボンペーパー単体でのエチレングリコールの接触角度θ１、撥水層が浸透したガス拡散層でのエチレングリコールの接触角度θ２、及び単位セルの電圧との関係を示す図表である。

符号の説明

１０…固体高分子型燃料電池 １２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…金属セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３８ａ…燃料ガス供給連通孔 ３８ｂ…燃料ガス排出連通孔
４０ａ…冷却媒体供給連通孔 ４０ｂ…冷却媒体排出連通孔
４２…固体高分子電解質膜 ４３…アノード側電極
４４…カソード側電極 ４５ａ、４５ｂ…ガス拡散層
４６ａ、４６ｂ…撥水層 ４７ａ、４７ｂ…電極触媒層
４８…燃料ガス流路 ４８ａ、６０ａ…波状流路溝
５０ａ、６２ａ…入口バッファ部 ５０ｂ、６２ｂ…出口バッファ部
５６ａ、６８ａ…入口通路溝 ５６ｂ、６８ｂ…出口通路溝
５８ａ、５８ｂ、７０ａ、７０ｂ…凸状部
６０…酸化剤ガス流路 ７２…冷却媒体流路
９２ａ、９２ｂ…浸透部位

Claims (4)

1. 高分子イオン交換膜からなり且つプロトン伝導体である電解質膜と、前記電解質膜を介して配設されるアノード側電極及びカソード側電極とを備える固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
   前記アノード側電極及びカソード側電極は、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層と、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、前記ガス拡散層と前記電極触媒層の間に介在してカーボン粒子を含む撥水層とを有し、
   前記撥水層の一部が、前記ガス拡散層の厚み方向寸法の７１〜９９％の深さまで浸透していることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体。
2. 請求項１記載の固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体において、前記ガス拡散層の基材である前記カーボンペーパーは、エチレングリコールの接触角度が９０°以下であるものであり、且つ前記撥水層の一部が浸透した前記ガス拡散層でのエチレングリコールの接触角度が１００°〜１３３°であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体。
3. 請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体を介して配設される第１セパレータ及び第２セパレータを具備する固体高分子型燃料電池であって、
   前記第１セパレータ及び第２セパレータは、前記アノード側電極及び前記カソード側電極を構成する前記ガス拡散層に臨み、
   前記第１セパレータ及び第２セパレータのそれぞれに、前記アノード側電極又は前記カソード側電極のいずれか一方に反応ガスを重力方向に供給するための反応ガス流路と、前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給するための反応ガス入口部と、前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出するための反応ガス出口部とが形成され、
   設置時、前記反応ガス入口部が前記反応ガス出口部の重力方向上方に位置することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
4. 請求項３記載の固体高分子型燃料電池において、前記電解質膜がスルホン化ポリアリーレンポリマーからなることを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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