JP3245929B2 - 燃料電池及びその応用装置 - Google Patents

燃料電池及びその応用装置

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に係り、特に高
分子電解質を有する水素−酸素型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質を有する燃料電池の一般的
構造は「表面」Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．１２、１９８８年
に開示されているように、イオン伝導体としてイオン交
換膜を使用しその両側に酸素極，水素極を設置して一体
化したものである。
【０００３】また、「ＤＥＮＫＩＫＡＧＡＫＵ」Ｖｏ
ｌ．５３、Ｎｏ．１０、１９８５年に開示されているよ
うに、両電極は白金触媒，触媒担体であるカーボン，結
着剤であるポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥ
と記載する。）及びイオン交換膜と同質の樹脂からな
る。
【０００４】燃料電池の反応は主に次の三種類からな
る。
【０００５】（１）水素及び酸素の触媒表面への拡散 （２）触媒表面反応（水素極，酸素極） （３）プロトン伝導（触媒内部，イオン交換膜内） それぞれのプロセスでの拡散あるいは反応速度が電池出
力特性に大きく影響する。（１）の水素及び酸素の触媒
表面への拡散を効率的に行うために、波型集電体を使用
することが特開昭58−204188号公報の図２、特開昭60−
35472 号公報の図１及び特開昭55−113272号公報に示さ
れており、矩形溝を有するカーボンプレートを使用する
ことが特開平2−260371号公報、特開平3−102774号公報
及び特開平2−86071号公報に示されている。
【０００６】波型集電体や矩形溝付きカーボンプレート
を電極に接触させると接触面に空間ができ、この空間を
通して水素あるいは酸素が電極表面に拡散する。イオン
交換樹脂を使用した燃料電池では通常上記のような構造
が採用されており、ある程度の出力が発現されている
が、上記の構造はあくまでも燃料ガス本流から触媒表面
までのガス拡散を支援するためのものである。
【０００７】しかし、ガス拡散は電極内部でも生じてお
り、電極内部での拡散を効率的に行うことにより更に高
出力を発現できる可能性がある。これを改善するための
方法として特開平1−143151 号公報に開示されているよ
うに電極内の気孔率を高める方法があり、これによって
触媒と反応ガスとの接触効率が高まり反応速度の増加が
可能であるとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】以上の従来技術には次
の問題点がある。イオン交換膜を伝導してきたプロトン
は、該交換膜と酸素極との界面で反応が高速で進むため
酸素極界面では水が生成され、特に高電流密度では水膜
が形成され、いわゆるフラッデイング現象が生じる。こ
の水膜のために電極内を拡散してきた酸素ガスと触媒と
の接触効率が低下し、出力密度の減少が起こり電池性能
が不安定化する。この現象は特に電極とイオン交換膜と
の界面で生じやすい。さらに該水膜が酸素極界面に存在
すると、イオン交換膜から伝導してきたプロトンの酸素
極内への伝導効率も低下して電池性能の劣化を引き起こ
す。
【０００９】本発明の目的は、酸素極における水のフラ
ッデイングを防止した高分子電解質を有する水素−酸素
型燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】酸素極における水のフラ
ッデイングを防止するという目的を達成するために、本
発明は一対の電極の少なくとも一方好ましくは両方に電
解質側の撥水性が高く電子伝導体側の撥水性が低い濃度
勾配をもたせることを特徴とする。
【００１１】また、一対の電極の少なくとも一方に電解
質側の触媒活性成分濃度が高く電子伝導体側の触媒活性
成分濃度が低い濃度勾配をもたせることを特徴とする。
【００１２】また、一対の電極の少なくとも一方の電解
質側の気孔率を電子伝導体側の気孔率と同じか或いは大
きくすることを特徴とする。
【００１３】また、一対の電極の少なくとも一方に電解
質と同質あるいは異質のイオン伝導体を含有し、該イオ
ン伝導体の電解質側の濃度を電子伝導体側のイオン伝導
体の濃度と同じか或いは高くすることを特徴とする。
【００１４】本発明によれば、上記目的を達成できるこ
とに加えて、更に電極内のガス拡散を高効率化し、電極
とイオン交換膜の界面で生じる酸化還元反応を加速し、
また電極内のイオン導電性を向上することができるとい
う効果が得られる。
【００１５】電極内のイオン伝導体或いは触媒活性成分
の濃度分布，気孔率の大きさの分布，或いは撥水性の強
さの分布は、連続的に変化していてもよいし、不連続で
あってもよい。
【００１６】イオン伝導体は、パーフルオロスルホン酸
樹脂あるいはパーフルオロカルボン酸樹脂からなるイオ
ン交換膜であることが望ましい。触媒活性成分は白金が
望ましい。
【００１７】電極内の撥水性の強さに勾配をもたせるた
めにポリテトラフルオロエチレン，フッ化黒鉛あるいは
これらの混合物からなる撥水体を含有し、その量を変化
させることが望ましい。
【００１８】
【作用】酸素−水素型高分子電解質型燃料電池は、酸素
極側で水のフラッデイングが生じるために酸素の拡散が
抑制され、電池性能が劣化するという欠点がある。しか
し、電極の撥水性を電解質側で高く電子伝導体側で小さ
くすることにより、水のフラッデイングを防止すること
ができる。なぜならばイオン伝導体と電極との界面の撥
水性が強いので水が侵入してきても水膜とはならず液滴
となり触媒活性成分への被覆が防止されるからである。
【００１９】図１に電極内の親水性レベルを点線で示し
た。電子伝導体３側では相対的に水に濡れやすく、イオ
ン伝導体（電解質）１との界面５では相対的に水に濡れ
にくい。従って界面５で生成された水は、界面５側の疎
水性領域から電子伝導体３側の親水性領域へ移動し蒸発
等により系外に除去される。この際に水の濃度は界面５
で高く電子伝導体３側で低くなる。この濃度勾配により
電子伝導体３側への水の拡散速度が大きくなり、水を高
効率で除去することが可能となり、界面５における水の
フラッデイングを更に効率良く防止することが出来る。
【００２０】図２の電極は触媒成分が電解質２１側で高
濃度になるように調製されているが、これによって電解
質２１側の界面２６で電極反応が進行し易くなり電池性
能が向上する。これは次のような理由によるものであ
る。即ち電解質２１から伝導してきたプロトンは界面２
６で電解質２１の外部に放出され、酸素と電子をうけて
水となる。或いは該プロトンは電極２２内に含有する電
解質に伝導し同様の過程を辿る。従ってプロトン濃度は
界面２６で最も高く電子伝導体２３側に行くほど低下す
る。反応速度はプロトン濃度に比例するので界面２６で
最も高いことになる。
【００２１】電極反応は触媒上で生じるので反応サイト
としての触媒量が多い方が反応速度は大きくなる。この
ような理由で図２の様な触媒成分の分布をもつ電極では
界面２６で、酸素の還元反応の反応速度が従来のものよ
りも著しく高く、電池性能を向上させることができる。
また図２のように撥水体濃度が界面２６で高くなってい
るが、撥水体は触媒成分を被覆する効果があるので反応
速度を低下させてしまう。図２の電極は触媒成分濃度が
界面２６で高くなっているので触媒表面積が大きく、撥
水体により多少被覆されても反応を進行させるに十分な
触媒表面を有している。
【００２２】図３の電極では電極内の気孔率が曲線３６
或いは３７の分布を有するものである。重要なことは気
孔率が電解質３１側で低下しない分布である必要があ
る。図１から図３に示された電極はいずれも電解質１，
２１，３１側で撥水体の濃度が高くなっている。撥水体
は電極の疎水化に有効であるが、濃度が高くなった場合
には触媒成分の表面即ち反応サイトを被覆してしまい、
触媒反応の進行を抑制するという欠点がある。
【００２３】これを防止するための方策して触媒成分を
図２のように高濃度として触媒表面積を増加することが
ある。また、図３に示したように気孔率を高くすること
により、撥水体による触媒表面の被覆面積を少なくする
方法がある。これを図６に示す。図６（１）は気孔率が
小さい場合の電極内の触媒近傍の構造を示したものであ
る。図６（１）では触媒６１が触媒担体６２に担持され
ており、撥水体濃度が高いので撥水体６３により触媒が
被覆されている。図６（１）で示した担体６２の内側に
位置する点線で囲った触媒６４は直接、撥水体に被覆さ
れてはいないが、細孔６５を通してのガスの拡散は起こ
りにくく、結果的に図６（１）の構造では内側の触媒６
４は不活性である。これに対して図６（２）は図６
（１）の電極の気孔率を高くした場合の構造である。気
孔６９が新しく存在するので点線で示した内側の触媒７
０が気孔側に露出したようになっている。従ってガス６
８が容易に触媒７０に接触し活性サイトが有効利用され
る。このように気孔率の増加により触媒を有効利用で
き、さらにガス拡散が促進され触媒表面とガスとの接触
効率が向上される効果がある。特に図３のように電極３
２と電解質３１との界面３８では触媒反応が最も進行し
やすいので、該界面領域での気孔率が高い場合には反応
速度の向上とひいては電池性能の向上を図ることが出来
る。
【００２４】図４の電極は電極内の電解質が曲線４８，
４９の分布を有するものである。ここでの重要性は、電
解質が界面５０側で低下しないような分布とすることで
ある。電解質４１から放出されるプロトンは電極内に分
散された電解質に伝導し、この分散された電解質を通し
て気相中の酸素と接触して反応が進行する。電極内に分
散された電解質の表面積は大きいためプロトンと酸素と
の接触面積も大きくなるので、電極内に電解質を分散さ
せることは反応の進行を促進するものである。しかし、
電極内の電解質濃度が図４内の界面５０で低下するよう
な電極では電極内に分散された電解質の表面積が、反応
が最も盛んな界面５０で減少するので酸素とプロトンと
の接触面積が小さくなり、反応の進行が抑制される。従
って前述のように電極内に分散された電解質が界面５０
側で低下しないような分布が必要である。
【００２５】図５の電極は電極５６が３層に分離された
ものであり、撥水体の濃度分布がステップで変化した例
である。図５の電極は撥水体の濃度が電解質５１側で高
くなっている。酸素−水素型高分子電解質型燃料電池の
場合には前述のように酸素極側で水のフラッデイングが
生じるために酸素の拡散が抑制され、電池性能が劣化す
るという欠点があった。しかし図５の電極では電解質５
１と触媒５６との界面５７で撥水体濃度が高くなってい
るので、水のフラッデイングが防止される。なぜならば
界面５７では撥水体濃度が高いので疎水性が高くなって
おり、このため水が侵入してきても水膜とはならず液滴
となり触媒成分の被覆が防止されるからである。親水性
のレベルは電子伝導体５５側では相対的に水に濡れやす
く、界面５７では相対的に水に濡れにくい。従って界面
５７で生成された水は、界面５７側の疎水性領域から電
子伝導体５５側の親水性領域へ移動し蒸発等により系外
に除去される。この際に水の濃度は界面５７で高く電子
伝導体５５側で低くなる。この濃度勾配により電子伝導
体５５側への水の拡散速度が大きくなり、水を高効率で
除去することが可能となり、界面５７における水のフラ
ッデイングを更に効率良く防止することが出来る。
【００２６】
【実施例】本発明の基本的な電池構造を図１に示す。電
池は電解質１を挟んで一対の電極２を有し更にその外側
に電子伝導体３を有する。図１は電解質１の一部とその
一方の側に備えられた電極及び電子伝導体のみを示して
いる。電極２は触媒活性成分，撥水体成分，電解質１と
同質あるいは異質の電解質及び触媒担体等から構成され
ている。図１内に撥水体の濃度分布４を示した。イオン
交換膜（電解質）１側での撥水体濃度が高くなるように
調製されている。
【００２７】図２の電池は電解質２１，電極２２，電子
伝導体２３から構成されている。電極２２は触媒成分，
撥水体成分，電解質２１と同質あるいは異質の電解質及
び触媒担体等から構成されている。図２内に撥水体２４
及び触媒活性成分２５の濃度分布を示した。両者とも電
解質２１側で濃度が高くなるように調製されている。図
３の電極は電解質３１，電極３２，電子伝導体３３から
構成されている。電極３２は触媒活性成分，撥水体成
分，電解質３１と同質あるいは異質の電解質及び触媒担
体等から構成されている。図３内に撥水体３４，触媒活
性成分３５の濃度分布及び気孔率分布３６，３７を示し
た。いずれも電解質３１側で高くなるように調製してあ
る。気孔率分布３６，３７についてはどちらかを選択す
る必要があるが、重要なことは電解質３１側で気孔率が
低くなるようにしてはならないことである。
【００２８】図４の電池は電解質４１，電極４２，電子
伝導体４３から構成されている。電極４２は触媒活性成
分，撥水体成分，電解質４１と同質あるいは異質の電解
質及び触媒担体等から構成されている。図４内に撥水体
４４，触媒活性成分４５，電解質４８，４９及び気孔率
４６，４７について分布を示した。電解質４８，４９は
電解質４１と同質あるいは異質のものであり４８あるい
は４９の分布から一つを選択する必要がある。重要なこ
とは電極内の電解質成分濃度が電解質４１側で低下する
ような分布を与えてはならないことである。
【００２９】図５に濃度分布が不連続である場合の電極
構造を示す。電池は電解質５１と電極５２，５３，５４
及び電子伝導体５５からなる。電極は３つの層５２，５
３，５４に分割されており、それぞれに含まれる撥水
体，触媒活性成分，電解質の濃度分布は図５のように段
階的に変化する。また電極内の気孔率も図５のように段
階的に変化させることができる。図５では一種類のもの
の濃度分布しか記載していないが撥水体，触媒活性成
分，電解質、及び気孔率のそれぞれを段階的に変化させ
てもよい。また図５では触媒が三層からなるが特に層の
数には限定がない。また以上で述べた電子伝導体とはい
わゆる電子伝導性の良い集電体や拡散層等も含む。
【００３０】次に図１〜図５に示したような濃度分布を
有する電極の調製方法を開示する。まず図１〜図４のよ
うな連続的な濃度分布を形成する方法を開示する。撥水
体の分布の調整には塗布法が適している。これは予め電
子伝導体上に薄膜として形成した触媒表面に撥水体を分
散させた液をブラッシングなどにより塗布したのち、該
電極とイオン伝導体を接着するやり方である。例えばカ
ーボンペーパのような電子伝導体上に塗布した触媒層表
面に、ＰＴＦＥを水に分散した希釈液を塗布することに
より図１の４の分布を作製できる。
【００３１】イオン伝導体の分布の調整にも塗布法が適
している。これは予め電子伝導体上に薄膜として形成し
た触媒表面にイオン伝導体を分散させた液をブラッシン
グなどにより塗布するやり方である。例えばカーボンペ
ーパのような電子伝導体上に塗布した触媒層表面に、ナ
フィオン１１７などのイオン交換樹脂でイソプロアルコ
ール等に分散された液を塗布することにより図４の４
８，４９の分布を作製できる。
【００３２】触媒成分の調整には貴金属を予め担持した
触媒層を電子伝導体上に薄膜として形成し、その表面か
ら新たに貴金属成分を付加する方法が良い。その方法と
しては蒸着，イオン打ち込み等の気相から堆積させる方
法などがある。
【００３３】気孔率の調製には例えば予め電子伝導体上
に薄膜として形成した触媒表面に水蒸気を接触させるこ
とにより可能である。水蒸気が触媒層に侵入することに
より触媒中に気孔を形成するので水蒸気の流量や濃度キ
ャリアガスの調製により種々の大きさ，分布の気孔の調
整が可能である。
【００３４】次に図５で示した濃度分布の調整法を開示
する。触媒，担体，撥水体，イオン伝導体の濃度を種々
調製して図５内触媒層５２〜５４を予め調製しスラリー
化する。次に先ず電子伝導体５５に触媒層５４を塗布す
る。更に触媒層５３，５２を順次塗布したのち、イオン
伝導体５１を接着することにより図５の構造を形成する
ことができる。触媒，撥水体，イオン伝導体の濃度は以
上の方法により図５のようなステップ状にすることが可
能である。一方、気孔率分布の調整は次ぎのようにして
行う。第一は触媒層５２−５４をそれぞれ調製する際に
含有させる水或いは有機溶媒の量を変化させる方法であ
る。このようにして調製して塗布した触媒層を乾燥する
と、水或いは有機溶媒が蒸発する際に気孔を形成し、そ
の大きさや分布は触媒層に添加した水，有機溶媒の量，
乾燥速度等により自由にコントロールできる。また第２
の方法としては例えば電子伝導体５５に塗布した触媒層
５４の表面に水蒸気を接触させることにより気孔率を変
化させることが出来る。乾燥後更に触媒層５４上に第２
層目の触媒層５３を塗布し同様の操作を行う。このよう
な方法によっても触媒層内の気孔率の分布を変化させる
ことが可能である。
【００３５】次に上記燃料電池の応用システムを説明す
る。図１０は動力システムを示したものである。水素ガ
ス１０２，酸素ガス１０１をレギュレータ１０３で制御
したのち燃料電池１０４に供給し発電する。燃料電池１
０４からの出力はインバータ１０５により交流に変換さ
れたのち、モータ等の動力システム１０６へ供給され、
駆動システム１０７を動作させる。水素ガス１０２はメ
タノールなどの改質器により生成されたものを使用する
ことも可能である。
【００３６】図１１は別の動力システムを示したもので
ある。水素ガス１１２，酸素ガス１１１をレギュレータ
１１３で制御したのち燃料電池１１４に供給し発電す
る。燃料電池１１４からの出力はインバータ１１５によ
り交流に変換されたのち、モータ等の動力システム１１
６へ供給され、駆動システム１１７を動作させる。水素
ガス１１２はメタノールなどの改質器により生成された
ものを使用することも可能である。一方、燃料電池から
の出力は二次電池１１８に充電でき、該二次電池１１８
の出力をインバータ１１９を介して動力系へ供給するこ
とが可能である。
【００３７】このシステムでは燃料電池１１４と二次電
池１１８の内のどちらか一方或いは両方からの出力を動
力系に供給することが可能である。
【００３８】また図１０及び図１１のシステムを電気自
動車に搭載してもよい。
【００３９】（実験例１）図７に本実験例で使用した電
極の構造を示す。図内Ｂは電解質膜７１と水素極７４及
び酸素極７３および拡散層７５とからなる。電解質膜と
してデユポン社製ナフィオン１１７を使用した。また拡
散層に細孔径約１００μｍ，厚み１００μｍのカーボン
ペーパを使用した。電極７３，７４の組成を表１に示し
た。
【００４０】
【表１】
【００４１】図内Ａは電解質膜７１と水素極７４及び７
２，７３からなる酸素極により構成されている。酸素極
７２，７３及び水素極７４の組成を表１に示す。電極Ａ
の特徴は酸素極が二層となっており、電解質膜７１側の
電極層７２中の撥水体であるＰＴＦＥの濃度が、外側の
電極層７３よりも高くなっていることである。
【００４２】電極の作製法を以下に示す。先ず前述のカ
ーボンペーパ１５０cm2 の上に、表１の組成に従って調
製した電極スラリーを均一に塗布した。このあとカーボ
ンペーパを切りだし３０mm×３０mmの電極を作成した。
【００４３】図７内Ａの酸素電極７２，７３の作製は次
のようにして行った。即ち前述のようにカーボンペーパ
上に先ず７３の電極を塗布したのち、更に７２の電極層
を塗布した。
【００４４】以上の方法で調製した電極のナフィオンへ
の接着はホットプレス法により行った。ＡおよびＢの構
造のものを１００ｋｇ／cm2 の圧力で温度１２０℃で１
５分プレスした。以上のように作製した電極Ａ，Ｂをセ
ルに組込み、電流−電圧特性を検討した結果を図８に示
した。従来例による電極Ｂは限界電流密度が２００ｍＡ
／cm2 であるのに対して、本発明の電極Ａの限界電流密
度は３００ｍＡ／cm2 を超えた。このように酸素極を二
層化して、電解質膜側の電極の撥水体濃度を高くするこ
とにより、大幅に電池性能を向上することが出来た。
【００４５】（実験例２）図９に本実験例で使用した電
池を示す。電池はナフィオン膜９１，水素電極７４，酸
素電極９２，７３及び拡散層９３とからなる。電極９
２，７３及び７４の組成を表２に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】この電極の特徴は酸素極が二層化されてお
り、拡散層側の電極７３の気孔率は４０％であるのに対
して、ナフィオン膜側の電極９２は気孔率が５０％とな
るように調製してある。
【００４８】気孔率の調整は以下のようにして行った。
電極７３は５０重量％（ｗｔ％）白金担持カーボン３.
８６ｇ，ＰＴＦＥ６０％分散液０.２７ｇ，ナフィオン
のイソプロピルアルコール５％溶液０.３１ｇ ，純水４
ccをらいかい機により混合したのち先のカーボンペーパ
に塗布した。これが図９の電極７３である。これを８０
℃で５ｈ乾燥した。次に該電極にさらに５０ｗｔ％白金
担持カーボン３.８６ｇ，ＰＴＦＥ６０％分散液０.２７
ｇ ，ナフィオンのイソプロピルアルコール５％溶液０.
３１ｇ ，純水８ccをらいかい機で混合したのち触媒を
一層塗布した先の電極に上塗りした。これが図９の電極
９２である。電極９２は調製段階で純水を電極７３より
も多量に含有しているので、乾燥時にこの水が蒸発して
細孔を形成し、結果的に気孔率が高くなった。
【００４９】図８に電極Ｃの電圧−電流特性を示した。
気孔率４０％の電極からなる電極Ａに対して、酸素極の
気孔率を５０％と電極Ｃは限界電流密度が４００ｍＡ／
cm2を超え、電池性能が更に向上した。
【００５０】
【発明の効果】本発明により高分子電解質を有する酸素
−水素型燃料電池の酸素電極の活性を従来のものよりも
大幅に向上でき、電池性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電池構造と触媒層内の撥水体の分布を
示す説明図。
【図２】本発明の電池構造と触媒層内の撥水体及び触媒
活性成分の分布を示す説明図。
【図３】本発明の電池構造と触媒層内の撥水体，触媒活
性成分，気孔率の分布を示す説明図。
【図４】本発明の電池構造と触媒層内の撥水体，触媒活
性成分，イオン伝導体の分布，気孔率の分布を示す説明
図。
【図５】本発明の電池構造と触媒層内の撥水体，触媒活
性成分，イオン伝導体，気孔率の代表的ステップ分布を
示す説明図。
【図６】気孔率の異なる触媒層内の構造を示す概略図。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は電極構造を示す概略図。
【図８】高分子電解質型燃料電池の電圧−電流特性図。
【図９】電極構造を示す概略図。
【図１０】本発明の燃料電池を用いた動力システムを示
す概略図。
【図１１】本発明の燃料電池を用いた他の動力システム
を示す概略図。
【符号の説明】
１…イオン伝導体、２…電極、３…電子伝導体、４…撥
水体分布、５…界面、１０１…酸素ガス、１０２…水素
ガス、１０３…レギュレータ、１０４…燃料電池、１０
５…インバータ、１０６…動力システム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 成興 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−195855（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−208260（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−233164（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−329264（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 4/86 H01M 8/02

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イオン伝導体を挟んで一対の電極を有し、
    上記イオン伝導体を挟んだ上記電極の上記イオン伝導体
    と接していない側に電子伝導体を有する燃料電池であっ
    て、上記一対の電極の少なくとも一方の電極には撥水体
    を含有し、上記イオン導電体側と上記電子伝導体側との
    間で上記撥水体の濃度に勾配を有し、上記イオン伝導体
    側の撥水体の濃度は上記電子伝導体側の撥水体の濃度よ
    りも高いことを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】 イオン伝導体を挟んで一対の電極を有し、
    上記イオン伝導体を挟んだ上記電極の上記イオン伝導体
    と接していない側に電子伝導体を有する燃料電池であっ
    て、上記一対の電極の少なくとも一方の電極には撥水体
    及び触媒活性成分を含有し、上記イオン導電体側と上記
    電子伝導体側との間で撥水体の濃度と触媒活性成分の濃
    度にそれぞれ勾配を有し、上記イオン伝導体側の撥水体
    の濃度は上記電子伝導体側の撥水体の濃度よりも高く、
    上記イオン伝導体側の触媒活性成分の濃度は上記電子伝
    導体側の触媒活性成分の濃度よりも高いことを特徴とす
    る燃料電池。
  3. 【請求項３】 イオン伝導体を挟んで一対の電極を有し、
    上記イオン伝導体を挟んだ上記電極の上記イオン伝導体
    と接していない側に電子伝導体を有する燃料電池であっ
    て、上記一対の電極の少なくとも一方の電極には撥水体
    及び触媒を含有し、上記イオン導電体側と上記電子伝導
    体側との間で上記撥水体の濃度と上記触媒の気孔率にそ
    れぞれ勾配を有し、上記イオン伝導体側の撥水体の濃度
    は上記電子伝導体側の撥水体の濃度よりも高く、上記イ
    オン伝導体側の触媒の気孔率は上記電子伝導体側の触媒
    の気孔率よりも高いか、または、等しくしたことを特徴
    とする燃料電池。
  4. 【請求項４】 イオン伝導体を挟んで一対の電極を有し、
    上記イオン伝導体を挟んだ上記電極の上記イオン伝導体
    と接していない側に電子伝導体を有する燃料電池であっ
    て、上記一対の電極の少なくとも一方の電極には撥水体
    と上記イオン伝導体と同質又は異質のイオン伝導体とを
    含有し、上記イオン導電体側と上記電子伝導体側との間
    で撥水体の濃度と上記電極に含まれる上記イオン伝導体
    の濃度にそれぞれ勾配を有し、上記イオン伝導体側の撥
    水体の濃度は上記電子伝導体側の撥水体の濃度よりも高
    く、上記イオン伝導体側のイオン伝導体の濃度は上記電
    子伝導体側のイオン伝導体の濃度よりも高いか、また
    は、等しいことを特徴とする燃料電池。
  5. 【請求項５】 特許請求の範囲第１項乃至第４項のうちい
    ずれか１項において、上記イオン伝導体は、電解質であ
    ることを特徴とする燃料電池。
  6. 【請求項６】 特許請求の範囲第５項において、上記電解
    質は、高分子電解質であることを特徴とする燃料電池。
  7. 【請求項７】 特許請求の範囲第５項において、上記イオ
    ン伝導体はパーフルオロスルホン酸樹脂又はパーフルオ
    ロカルボン酸樹脂からなるイオン交換膜であることを特
    徴とする燃料電池。
  8. 【請求項８】 特許請求の範囲第２項において、上記触媒
    活性成分は白金であることを特徴とする燃料電池。
  9. 【請求項９】 特許請求の範囲第１項乃至第８項のいずれ
    か１項において、上記電極に含有する撥水体は、ポリテ
    トラフルオロエチレン，フッ化黒鉛又はこれらの混合物
    を含有することを特徴とする燃料電池。
  10. 【請求項１０】 特許請求の範囲第１項乃至第９項のいず
    れか１項において、上記燃料電池は、水素−酸素型燃料
    電池であることを特徴とする燃料電池。
  11. 【請求項１１】 特許請求の範囲第１項乃至第１０項のい
    ずれか１項において、上記電極の勾配は、上記イオン導
    電体側と上記電子伝導体側との間で連続的に変化するこ
    とを特徴とする燃料電池。
  12. 【請求項１２】 特許請求の範囲第１項乃至第１０項のい
    ずれか１項において、上記電極の勾配は、上記イオン導
    電体側と上記電子伝導体側との間で非連続的に変化する
    ことを特徴とする燃料電池。
  13. 【請求項１３】 供給される水素ガスと酸素ガスを制御す
    るレギュレータと、 上記レギュレータから供給される水素ガスと接触する第
    １の電極と、上記レギュレータから供給される酸素ガス
    と接触する第２の電極と、上記第１及び上記第２の電極
    に挟まれるイオン伝導体と、上記イオン伝導体を挟んだ
    上記電極の上記イオン伝導体と接していない側に電子伝
    導体を有し、上記電極の少なくとも一方の電極には撥水
    体を含有し、上記イオン導電体側と上記電子伝導体側と
    の間で上記撥水体の濃度に勾配を有し、上記イオン伝導
    体側の撥水体の濃度は上記電子伝導体側の撥水体の濃度
    よりも高い燃料電池と、 上記燃料電池によって発電された出力である直流電流を
    交流電流に変換するインバータと、 上記交流電流によって駆動される動力システムと、 上記動力システムによって駆動される駆動システムとを
    有することを特徴とするシステム。
  14. 【請求項１４】 特許請求の範囲第１３項において、上記
    電極の少なくとも一方の電極には触媒活性成分を含有
    し、上記イオン導電体側と上記電子伝導体側との間で触
    媒活性成分の濃度に勾配を有し、上記イオン伝導体側の
    触媒活性成分の濃度は上記電子伝導体側の触媒活性成分
    の濃度よりも高いことを特徴とするシステム。
  15. 【請求項１５】 特許請求の範囲第１３項又は１４項のい
    ずれか１項において、上記電極の少なくとも一方の電極
    には触媒を含有し、上記イオン導電体側と上記電子伝導
    体側との間で上記触媒の気孔率に勾配を有し、上記イオ
    ン伝導体側の触媒の気孔率は上記電子伝導体側の触媒の
    気孔率よりも高いか、または、等しいことを特徴とする
    システム。
  16. 【請求項１６】 特許請求の範囲第１３項，１４項又は１
    ５項のいずれか１項において、上記電極の少なくとも一
    方の電極には上記イオン伝導体と同質又は異質のイオン
    伝導体とを含有し、上記イオン導電体側と上記電子伝導
    体側との間で上記電極に含まれる上記イオン伝導体の濃
    度にそれぞれ勾配を有し、上記イオン伝導体側のイオン
    伝導体の濃度は上記電子伝導体側のイオン伝導体の濃度
    よりも高いか、または、等しいことを特徴とするシステ
    ム。
  17. 【請求項１７】 特許請求の範囲第１３項，１４項，１５
    項又は１６項のいずれか１項において、上記水素ガス
    は、メタノールから水素を抽出する改質器によって生成
    された水素ガスであることを特徴とするシステム。
  18. 【請求項１８】 特許請求の範囲第１３項乃至第１７項の
    いずれか１項において、上記燃料電池からの出力を充電
    する二次電池と、上記二次電池からの出力を変換するイ
    ンバータとを有し、上記動力システムへ上記インバータ
    の出力が供給されることを特徴とするシステム。
  19. 【請求項１９】 特許請求の範囲第１３項乃至第１８項の
    いずれか１項において、上記勾配は、上記イオン導電体
    側と上記電子伝導体側との間で非連続的に変化すること
    を特徴とするシステム。
  20. 【請求項２０】 特許請求の範囲第１３項乃至第１９項に
    記載のシステムを用いた電気自動車であることを特徴と
    する電気自動車。
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