JP3331706B2

JP3331706B2 - 燃料電池

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Publication number: JP3331706B2
Application number: JP30348893A
Authority: JP
Inventors: 賢彦朝岡; 哲哉芳賀; 孝尚鈴木; 和生河原; 勝司阿部
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1993-11-08
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 2002-10-07
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JPH07134992A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸素を含有するガスと
水素等の燃料ガスとを供給することにより電気を発生さ
せる燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水素、メタン等の燃料を利用して電気を
発生させるものとして、各種の燃料電池が提案されてい
る。この中で、電解質膜として固体高分子を用いた燃料
電池（固体高分子型燃料電池）は、常温に近い温度で作
動可能なため電気自動車などの車載動力源として注目を
あびつつある。

【０００３】この燃料電池は、固体高分子等よりなる電
解質膜が中心にあり、該電解質膜を挟むように一対の電
極が配置された電気化学セル（燃料電池単位）を有する
ものである。一方の電極（酸素極）に空気等の酸素を含
有するガスを供給し、他方の電極（燃料極）に水素等の
燃料を供給する。燃料ガスは、燃料極で酸化され、電子
とプロトンとを生成する。これらが、酸素極にもたらさ
れ、酸素を還元して、水を生成する。このとき、電子は
外部回路を、プロトンは電解質膜を通って、燃料極かち
酸素極に移動する。このようにして、電気エネルギーが
外部に取り出される。

【０００４】燃料電池の一対の電極は、それぞれ供給し
たガスが反応するように添加された触媒を含有する触媒
層を有する。さらに、一対の電極のうちの少なくとも一
方は、触媒層への供給したガスの拡散および電子伝導を
促進するために、触媒層の外側（電解質膜と反対側）に
配置したガス拡散層を有する。従って、触媒層は電解質
膜側に配置され、ガス拡散層は電解質膜を中心として外
側に配置される。なお、ガス拡散層は、触媒層への供給
したガスの拡散および電子伝導を促進するためのもので
あるので、酸素極および燃料極のうちの少なくとも一方
に設ければよい。

【０００５】上記ガス拡散層は、導電性部材と、撥水性
部材と、吸水性部材とよりなる。このうち、導電性部材
は、電子伝導媒体である。燃料電池反応（電気化学反
応）の場であるところの、触媒層と、電池の電流取り出
し端子との間の電子の通り道（通路）を確保するもので
ある。該導電性部材が少ないと、電池の内部抵抗が増大
して電池電圧の低下をもたらす。

【０００６】また、撥水性部材は、ガス拡散層の細孔
（反応ガスおよび生成水の蒸気の通り道（通路））を撥
水化して、液体水による細孔の閉塞を抑制し、ガスの通
路を確保するものである。これが少ないと、燃料電池反
応により生成する水や、電解質膜の加湿のために反応ガ
ス中に添加された水蒸気が電極中で凝縮した場合、反応
ガスが触媒層へ供給されるのが妨げられて、極端な電池
電圧の低下をもたらす。

【０００７】また、吸水性部材は、電解質膜を加湿する
目的で反応ガスに添加される水蒸気や、燃料電池反応で
生成する水が電極内で凝縮した場合、これを吸収してガ
ス拡散層の細孔を液体水が閉塞することを防ぐものであ
る。

【０００８】このガス拡散層は、電気化学反応の場であ
る電極中の触媒と電解質との界面へ、電子と、反応ガス
または生成ガスとの通路を確保するという相反する２つ
の役割を担っている。すなわち、ガスの通路としては、
できるだけ空隙率の高い多孔体（連通孔を有する物）で
あることが望ましい。一方、一般に空隙率の増加は導電
率の低下をもたらすため、実際にはこれらのバランスを
考慮した上でガス拡散層の設計がなされる。さらに、燃
料電池反応によって電極内で水が生成するが、これが凝
縮したもの（凝縮水または液体水）の排出が効率よく行
われないと、ガスの通路である細孔（連通孔）が閉塞し
て、本来のガス拡散層の機能が損なわれる。このような
ことは、生成水の凝縮が起きるような比較的低温で生じ
る。そのため、低温作動がその特長である固体高分子型
燃料電池において深刻な問題である。

【０００９】これを防止するため撥水化等の種々の方法
が提案されている。

【００１０】例えば、電解質膜への給水性を向上させる
ために、水を保持した親水性あるいは吸水性の多孔質基
材（吸水性部材）を電解質膜と接して配置した構造が提
案されている（特開平４−９５３５６号公報、特開平４
−１２４６２号公報）。

【００１１】これは、電極または電解質膜内の水が過剰
となるときは、吸水性部材がこの水を吸引し、ガスの通
路となる細孔が水没するのを防ぐ。一方、乾燥雰囲気で
は、吸水性部材中に含まれる水分が放出され、電解質膜
の乾燥を防ぐ。このような水のバッファ的役割の他に、
吸水性部材のネットワークが液体水の移動チャンネルと
して働き、ガス拡散層内の液体水の移動を容易にし、電
解質膜の乾燥やガス通路の水没を抑制する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記吸水性部材の材料
は、カーボンまたは該カーボンにインプロピルアルコー
ルで処理したものが使用されている。この材料の吸水機
構は、カーボンの表面にあるカルボニル基やヒドロキシ
基等の官能基への水分子の吸着による。従って、水の吸
収はカーボンの表面に限られる。このため、吸水量はカ
ーボンの表面積によって制限され、放電電流の変動等に
よる電極や電解質膜の急激なあるいは局所的な濡れ、渇
きの変化に対応できるほどの十分な吸水量を期待するこ
とはできない。

【００１３】また、一般に、燃料電池反応は燃料の燃焼
反応を利用して発電を行うため、必ず反応副生成物とし
て水が生成する。生成した水が電極内に蓄積して反応ガ
スの通路を塞いで電圧低下を招くおそれがある。また、
固体高分子型燃料電池における固体高分子よりなる電解
質膜は、１種のイオン交換膜であり、通常イオン伝導性
を発現するために内部に水分子を含有する必要がある。
しかし、通電するとイオンと共に含有した水分も移動す
る。そのため、電解質膜内部で水の不均一が生じ、局所
的な乾燥による導電率の低下や水の過剰による触媒層へ
の水の湧き出しが生じる。

【００１４】燃料電池の運転条件の設定において、反応
ガスの加湿条件やセルの温度等により燃料電池全体とし
ての水の収支を制御することはある程度可能であるが、
上記のような局所的な水の収支のアンバラスを回避する
ことは困難である。

【００１５】本発明は、電極や電解質膜の急激なあるい
は局所的な濡れ、乾燥等の雰囲気の変化に対しても安定
して出力する燃料電池を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子よ
りなる電解質膜と、該電解質膜の両側に配置した酸素極
と燃料極とよりなる電気化学セルを有し、該酸素極およ
び燃料極は、触媒層を有し、該酸素極および燃料極のう
ちの少なくとも一方は、上記触媒層の外側に配置した、
導電性部材と撥水性部材と吸水性部材とよりなるガス拡
散層を有する燃料電池において、上記酸素極および燃料
極のうちの少なくとも一方のガス拡散層中の上記吸水性
部材は、分子内にスルホン基、カルボキシル基またはア
ンモニウム基のイオン性基、あるいは、カルボニル基、
ヒドロキシ基またはオキシ基の極性基を持つ極性非電解
質高分子、電解質高分子、吸水性天然繊維、および粘土
鉱物のうちの少なくとも１種よりなることを特徴とする
燃料電池である。

【００１７】

【作用】本発明における吸水性部材の材料として使用し
ている極性非電解質高分子、電解質高分子、吸水性天然
繊維、または粘土鉱物は、いずれも分子内にスルホン
基、カルボキシル基、アンモニウム基等のイオン性基、
あるいはカルボニル基、ヒドロキシ基、オキシ基等の極
性基を持ち、水はこれらに水素結合する形で、分子間ま
たは結晶層間に取り込まれることにより吸収される。し
かも、材料内部に吸水に有効な多数の親水性基を持つ。
これは、従来のカーボン表面にある官能基の親水性を利
用した吸水性部材に比べて多量の水を効率よく吸収す
る。

【００１８】このような吸水性の向上により本発明にお
ける吸水性部材は、電極または電解質膜において急激
な、あるいは局所的な水の生成や乾燥に対しても大きな
水のバッファ効果を発揮する。すなわち、ガス拡散層内
の水が過剰となるときは、吸水性部材がこれを吸収し、
ガスの通路となる細孔が水没するのを防ぐ。乾燥雰囲気
では、吸水性部材中に含まれる水分が放出され、電極中
の電解質および電解質膜の乾燥を防ぐ。

【００１９】また、このような水のバッファ的役割の他
に、吸水性部材のネットワークが液体水の移動チャンネ
ルとして働き、ガス拡散層内の液体水の移動を容易に
し、電極中の電解質および電解質膜の乾燥やガス通路の
水没を抑制する。

【００２０】

【発明の効果】本発明の燃料電池は、電極や電解質膜の
急激なあるいは局所的な濡れ、乾燥等の雰囲気の変化に
対しても安定して出力することができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明をより具体的にした具体例を説
明する。

【００２２】（具体例）本発明の燃料電池は、電気化学セル（燃料電池単位）の
ガス拡散層中の構成要素である親水性の領域に使用して
いる吸水性部材を、その分子内にスルホン基、カルボキ
シル基、アンモニウム基等のイオン性基、あるいはカル
ボニル基、ヒドロキシ基、オキシ基等の極性基を持つ極
性非電解質高分子、電解質高分子、吸水性天然繊維、お
よび粘土鉱物のうちの少なくとも１種より構成したもの
である。

【００２３】電気化学セルは、図１および図２に示すよ
うに、中心に位置する電解質膜１と、該電解質膜１を挟
むように配置した酸素極２と燃料極３とよりなる。酸素
極２と燃料極３とは、ともに触媒層２１、３１を有し、
さらに酸素極２および燃料極３のうちの少なくとも一方
は、触媒層（２１および３１のうちの少なくとも一方）
の外側（電解質膜１と反対側）に配置したガス拡散層
（２２および３２のうちの少なくとも一方）を有する。
従って、触媒層２１、３１は電解質膜１側に配置され、
ガス拡散層（２２および３２のうちの少なくとも一方）
は電解質膜１を中心として外側に配置されている（な
お、図１および図２では、酸素極２も燃料極３もガス拡
散層２２、３２を有する。）。上記触媒層は、供給した
ガスが反応するように添加された触媒を含有するもので
あり、ガス拡散層は、触媒層への供給したガスの拡散お
よび電子伝導を促進するためのものである。従って、ガ
ス拡散層は、酸素極および燃料極のうちの少なくとも一
方に設ければよい。ガス拡散層（２２および３２のうち
の少なくとも一方）は、導電性部材と撥水性部材と吸水
性部材とよりなる。

【００２４】電解質膜１における固体高分子の種類、電
解質膜の形状、および電解質膜の形成方法は、一般的な
ものでよい。

【００２５】また、酸素極２および燃料極３の触媒層２
１、３１における触媒の種類、触媒層の形状、および触
媒層の形成方法についても一般的なものでよい。

【００２６】また、酸素極２および燃料極３のうちの少
なくとも一方のガス拡散層中の構成要素である親水性の
領域に使用している吸水性部材の材料としては、その分
子内にスルホン基、カルボキシル基、アンモニウム基等
のイオン性基、あるいはカルボニル基、ヒドロキシ基、
オキシ基等の極性基を持つ極性非電解質高分子、電解質
高分子、吸水性天然繊維、および粘土鉱物のうちの少な
くとも１種とする。

【００２７】極性非電解質高分子としては、ポリビニー
ルアルコール架橋物（例えば、鐘紡合成化学のスポン・
シグナル）、ポリエチレンオキサイド架橋物（例えば、
住友化学工業（株）のスミカゲルＲ−３０、明成化学工
業（株）のアクアプレン）等が挙げられ、これらのうち
の少なくとも１種を用いる。

【００２８】電解質高分子としては、架橋ポリアクリル
酸ソーダ（例えば、三洋化成工業のサンウェットＩＭ−
１０００、花王（株）のワンダーゲルやポイズＳＡ−２
０、住友化学工業（株）のスミカゲル−Ｎタイプ、製鉄
化学工業（株）のアクアキープ、荒川化学工業（株）の
アラソープ、日本触媒化学工業（株）のアクアリックや
アクリホープ、昭和電工（株）のＵジェリーＣＰ、積水
化成品工業（株）のテクポリマーＡＱ、ダウ・ケミカル
のＤ．Ｗ．Ａ．Ｌ．、ストックハウゼンのＦａｖｏｒ、
ナショナルスターチのＰｅｒｍａｓｏｒｂ）、酢酸ビニ
ル−アクリル酸エステル共重合体ケン化物（例えば、住
友化学工業（株）のスミカゲル−Ｓタイプ、イゲタゲル
−Ｐタイプ）、酢酸ビニル−マレイン酸メチル共重合体
ケン化物（例えば、日本合成化学工業（株）のＧＰ）、
イソブチレン−無水マレイン酸共重合体架橋物（例え
ば、クラレ・イソプレン・ケミカルのＫＩゲル）、ポリ
アクリロニトリル系重合体ケン化物（例えば、日本エク
スランのエスペック）、デンプン−アクリロニトリル共
重合体ケン化物（例えば、日澱化学（株）のＷＡＳ、ヘ
ンケル日本（株）のＳＧＰ、スーパーアブソーベントの
Ｔｅｒｒａ−Ｓｏｒｂ）、デンプン−アクリル酸グラフ
ト重合体（例えば、三洋化成工業（株）のサンウェット
ＩＭ−３００）、多糖類−アクリル酸グラフト重合体
（例えば、ライオン（株）のライオン・ポリマー）、カ
ルボキシメチルセルロース系重合体のナトリウム塩（例
えば、ハーキュレスのＡｑｕａｌｏｎ、エンカのＡｋｕ
ｃｅｌｌ、ダイセル化学工業（株）のジェルファイン、
旭化成工業（株）のスーパー・ラブ）等が挙げられ、こ
れらのうちの少なくとも１種を用いる。

【００２９】吸水性天然繊維としては、木綿、パルプ等
が挙げられ、これらのうちの少なくとも１種を用いる。

【００３０】粘土鉱物としては、モンモリロナイト、バ
イデライト、サポナイト、ヘクトライト、ソーコナイト
等のスメクタイト族の粘土鉱物、バーミキュライト等の
バーミキュライト族の粘土鉱物、セピオライト、パリゴ
ルスカイト等の繊維状粘土鉱物等が挙げられ、これらの
うちの少なくとも１種を用いる。その中でも吸水性の高
い粘土鉱物が望ましい。

【００３１】導電性部材の材質としては、各種のカーボ
ンブラック（例えば、Ｃａｂｏｔ製のバルカン、ライオ
ン製のケッチェン、電気化学工業製のデンカブラック
等）、黒鉛粉末、カーボンペーパ、カーボンクロス、カ
ーボンフェルト等が挙げられ、これらのうちの少なくと
も１種を用いる。

【００３２】撥水性部材の材質としては、フッ化炭素系
ポリマー粉（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐ
ＴＦＥ）、ポリトリクロロトリフルオロエチレン、ポリ
フッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロ
エチレン−ヘキサフルオロプロペン共重合体、テトラフ
ルオロエチレン−ペルフルオロ〔アルキル−ビニル−エ
ーテル〕共重合体等）、フッ素系界面活性剤、ポリエチ
レン、ポリプロピレン等が挙げられ、これらのうちの少
なくとも１種を用いる。

【００３３】ガス拡散層は、導電性部材と撥水性部材と
の混合物よりなる成形体と、導電性部材と吸水性部材と
の混合物よりなる成形体とを、モザイク状に交互に配列
したもの、あるいは導電性部材と撥水性部材と吸水性部
材との３種類の混合物よりなる成形体等、どのような形
態でもよい。

【００３４】例えば、図１および図２に示すように、導
電性部材と撥水性部材との混合物よりなる成形体２２
１、３２１と、導電性部材と吸水性部材との混合物より
なる成形体２２２、３２２とを、モザイク状に交互に配
列したガス拡散層２２、３２がある。これは、導電性部
材と撥水性部材との混合物と、導電性部材と吸水性部材
との混合物とが別々に配置したものである。配置パター
ンや成形体の最小単位の形状は、図１および図２の形状
に制限されるものではない。

【００３５】この形状では、以下のような作用を呈す
る。

【００３６】燃料電池の電極内において、水の凝縮、生
成、および蒸散のバランスが局所的に崩れて、余剰の液
体水が生じた場合、液体水は、導電性部材と吸水性部材
との混合物よりなる成形体２２２、３２２に速やかに吸
収される。そのため、ガスの通路である導電性部材と撥
水性部材との混合物よりなる成形体２２１、３２１の細
孔が液体水によって閉塞されるのを防止する。また、吸
収された水は導電性部材と吸水性部材との混合物よりな
る成形体２２２、３２２を通ってガスの流通する電極背
面へ運ばれて気流中に蒸散する。そのため、電極内から
の液体水の排出が効率よく進行する。

【００３７】また、触媒層２１、３１や電解質膜１内の
電解質が乾燥した場合、導電性部材と吸水性部材との混
合物よりなる成形体２２２、３２２に吸収されている水
が放出され、触媒層２１、３１や電解質膜１に供給され
る。そのため、触媒層２１、３１や電解質膜１における
抵抗の増大を防止する。また、ガス気流によって運ばれ
てきた加湿のための水蒸気が、電極背面で凝縮液化して
も、導電性部材と吸水性部材との混合物よりなる成形体
２２２、３２２を通って電解質膜１に供給されるので、
電解質膜１への水分の供給が効率よく行える。

【００３８】導電性部材と吸水性部材との混合物よりな
る成形体の最小単位のサイズは、０．５ｃｍ²以下が望
ましく、より望ましくは０．０５ｃｍ²以下がよい。水
を多量に吸収した際にはこの部分のガス拡散性が低下す
るので、最小単位のサイズが大きいと、この部分の中央
部において触媒層へのガスの拡散が不十分となり、電池
電圧の低下をもたらす。また、最近接の導電性部材と吸
水性部材との混合物よりなる成形体同士の距離は、長す
ぎないのがよく、５ｍｍ以下が望ましい。

【００３９】また、導電性部材と撥水性部材と吸水性部
材との３種類の混合物よりなる成形体の場合には、以下
のような作用を呈する。

【００４０】これは、異なる機能を有する少なくとも３
種類の部材が混合されたものである。このような混合物
よりなる成形体は、微視的に見れば、例えば図３に示す
ようになる。すなわち、撥水性部材は細孔を有する多孔
質であるため、成形体は、撥水性部材中の撥水性の細孔
と吸水性部材とよりなる（なお、導電性部材は、撥水性
部材および吸水性部材それぞれの中に混合してい
る。）。従って、作用機構は、上記の導電性部材と撥水
性部材との混合物よりなる成形体と、導電性部材と吸水
性部材との混合物よりなる成形体とを、モザイク状に交
互に配列したものと同様である。すなわち、過剰の液体
水が生成した場合には、吸水性部材がこれを吸収し、撥
水性の細孔が閉塞されるのを防止する。さらに、吸収さ
れた水は、吸水性部材が作る連続的なチャンネルを経
て、ガスの流通する電極背面へ拡散し、蒸散する。一
方、逆に、局所的に電解質膜が乾燥する雰囲気では、吸
水性部材中の水分が放出されて電解質膜の乾燥を防ぎ、
内部抵抗の増大を抑制する。

【００４１】ガス拡散層における上記導電性部材と撥水
性部材との配合割合は、真の体積比に換算して導電性部
材：撥水性部材＝２０：１〜１：４の範囲が望ましく、
より望ましくは１０：１〜１：１の範囲がよい。導電性
部材の量が少ないと、電池の内部抵抗が増大して電池電
圧が低下する。一方、撥水性部材の量が少ないと、反応
ガスの通路が水で塞がりやすく、塞がった場合には電池
電圧が急激に低下する。なお、導電性部材がカーボンで
あり、撥水性部材がＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチ
レン）である場合には、真の体積比は重量比とほぼ等し
い。また、真の体積比とは、固体内の細孔容積を含まな
い固体部分のみの体積であり、見かけの体積から細孔容
積を差し引いたものである。

【００４２】また、導電性部材と吸水性部材との配合割
合は、真の体積比に換算して導電性部材：吸水性部材＝
１０００：１〜１：１の範囲が望ましく、より望ましく
は２００：１〜２：１の範囲がよい。吸水性部材の量が
少ないと、吸水効果が十分でなく、多すぎると吸水によ
る吸水性部材の体積膨張が影響してガス拡散層の構造維
持が困難となる。

【００４３】導電性部材と撥水性部材との混合物と、導
電性部材と吸水性部材との混合物とをモザイク状に交互
に配列する場合には、見かけの全電極面積に占める導電
性部材と撥水性部材との混合物の面積の割合はあまり大
きすぎないことがよく、望ましくは、６０％以下がよ
い。

【００４４】また、ガス拡散層の形成は、以下の方法が
ある。上記の導電性部材と撥水性部材との混合物、導電
性部材と吸水性部材との混合物、あるいは３種類の部材
の混合物のみを加熱または／および加圧し、成形した成
形体をガス拡散層としてもよい。あるいは、これら混合
物を多孔性の支持体のポア中に充填または／および表層
に積層した（担持した）ものをガス拡散層としてもよ
い。このような支持体への担持と加熱または／および加
圧成形とを併用してガス拡散層を形成してもよい。上記
多孔性の支持体としては、公知のカーボンクロス、カー
ボンフェルト、カーボンペーパ、金属焼結体、発泡金
属、または金属あるいは炭素繊維よりなる網等を使用で
きる。

【００４５】また、本発明の燃料電池を駆動させる際
に、酸素極へ供給するガスは、空気、酸素等の一般的な
酸素含有ガスを使用し、また、燃料極へ供給するガス
は、水素等の一般的な燃料ガスを使用することができ
る。

【００４６】本発明の燃料電池は、電気自動車、電動船
舶、移動体用動力源、ポータブル電源、家庭用発電機の
他、あらゆる電力源として利用することができる。

【００４７】以下、本発明の実施例を説明する。

【００４８】（実施例１）非イオン性の界面活性剤の水
溶液に導電性部材としてのカーボン粉末（Ｃａｂｏｔ
製、ＶｕｌｃａｎＸＣ−７２Ｒ、平均粒径３０ｎｍ）
を分散させ、これに撥水性部材としてのフッ素樹脂のデ
ィスパーション（ダイキン工業製、ポリフロンＴＦＥ
ディスパーションＤ−１）を加え、分散混合した。そ
の後、固形分を濾別、水洗し、１１０℃で乾燥、粉砕
後、不活性ガス雰囲気中、２８０℃で焼成、再粉砕し
て、導電性部材と撥水性部材との混合物粉末を作製し
た。このとき、カーボン粉末とフッ素樹脂との重量比
は、カーボン粉末：フッ素樹脂＝３：２となるように調
整した。

【００４９】吸水性部材としての極性非電解質高分子で
あるポリエチレンオキサイド架橋物の細粒（平均粒径１
０μｍ以下）１重量部を、導電性部材であるカーボン粉
末（Ｃａｂｏｔ製、ＶｕｌｃａｎＸＣ−７２Ｒ、平均
粒径３０ｎｍ）２０重量部と混合して、導電性部材と吸
水性部材との混合物粉末を作製した。

【００５０】導電性部材と撥水性部材との混合物粉末
と、導電性部材と吸水性部材との混合物粉末とを等量と
り、混合し、エタノールで混練してペーストとした。こ
のペーストをカーボンクロスの両面に塗布し、乾燥し
て、これをガス拡散層とした。このとき、塗布量は、乾
燥後の重量にして７０ｍｇ／ｃｍ²（両面合わせて）と
なるようにした。

【００５１】このように作製したガス拡散層の片面に、
白金微粒子担持炭素粉末と、イオン交換樹脂の溶液（主
溶媒が低級アルコールである）との混練物を塗布して触
媒層を作製した。このようにしてガス拡散層と触媒層と
よりなる電極を２個作製し、それぞれ燃料極と酸素極と
した。

【００５２】Ｈ⁺型にイオン交換されたフッ素樹脂系の
強酸型陽イオン交換膜（Ｎａｆｉｏｎ、ＤｕＰｏｎｔ社
製）の両面にそれぞれ上記燃料極と酸素極とを触媒層が
イオン交換膜に接するようにして重ね合わせ、ホットプ
レスにより接合して、これを燃料電池単位（電気化学セ
ル）とした。このとき、見かけの電極面積は、両電極と
も１４４ｃｍ²とした。

【００５３】この電気化学セルは、図４に示すように、
中心に位置する電解質膜１の両側に酸素極２と燃料極３
とが配置されており、酸素極２も燃料極３も電解質膜１
側に配置した触媒層２１、３１と該触媒層２１、３１の
外側（電解質膜１と反対側）に配置したガス拡散層２
２、３２とよりなるものである。

【００５４】この燃料電池単位を用いて単電池を作製し
た。この単電池の酸素極に露点４０℃の水蒸気を含んだ
空気を２気圧で送り込み、また燃料極に露点８５℃に加
湿した水素を１気圧で送り込み、電池温度を８０℃で動
作した。その時の電流と電圧との関係を図５に示す。

【００５５】また、比較のため、上記導電性部材と吸水
性部材との混合物粉末の代わりに、同重量のカーボン粉
末をイソプロピレンアルコール中に浸漬して３分間超音
波をかけた後に乾燥したものを用いた以外は、上記と同
様にして単電池（比較例）を作製した。この比較例の単
電池についても上記と同様な条件で動作した。その時の
電流と電圧との関係を図５に示す。

【００５６】図５より明らかなように、本実施例の単電
池は、電流密度の大きい領域で、比較例の単電池よりも
高い電池電圧を維持しうることが分かる。

【００５７】比較例の単電池が、大電流密度の条件下で
電圧低下を示すのは、酸素極側での水生成が電流密度に
比例して増大したときに、酸素極内に液体水が蓄積し、
ガスの通路を閉塞したためか、あるいは燃料極から酸素
極に向かってＨ⁺とともに移動する水の量が電流密度に
比例して増大したときに、燃料極近傍での電解質膜の含
水量が低下し、電池の内部抵抗が増大したためと考えら
れる。

【００５８】それに対して、本実施例の単電池では、酸
素極での生成水の吸収および気流中への蒸散が効率よく
行われ、さらに、燃料ガス流中に含まれて運び込まれた
水分を電極中に吸収し、燃料極近傍での電解質膜まで効
率よく供給しているため、電流密度の大きな領域での電
圧が向上したためと考えられる。

【００５９】（実施例２）吸水性部材としての電解質高
分子である架橋ポリアクリル酸ソーダの細粒（平均粒径
１０μｍ以下）１重量部を、導電性部材としてのカーボ
ン粉末（Ｃａｂｏｔ製、ＶｕｌｃａｎＸＣ−７２Ｒ、
平均粒径３０ｎｍ）５０重量部と混合して作製した導電
性部材と吸水性部材との混合物粉末を用いた以外は、実
施例１と同様にして単電池を作製した。さらに、実施例
１と同様な条件で電流と電圧との関係を調べた。その結
果を図５に示す。

【００６０】図５より明らかなように、本実施例２の単
電池は、実施例１の比較例よりも、電流密度の大きな領
域で電圧が向上していることが分かる。

【００６１】（実施例３）吸水性部材としての吸水性天
然繊維である紙パルプ１重量部を、導電性部材としての
カーボン粉末（Ｃａｂｏｔ製、ＶｕｌｃａｎＸＣ−７
２Ｒ、平均粒径３０ｎｍ）１０重量部と混合して作製し
た導電性部材と吸水性部材との混合物粉末を用いた以外
は、実施例１と同様にして単電池を作製した。さらに、
実施例１と同様な条件で電流と電圧との関係を調べた。
その結果を図５に示す。

【００６２】図５より明らかなように、本実施例３の単
電池も、実施例１、２と同様、実施例１の比較例より
も、電流密度の大きな領域で電圧が向上していることが
分かる。

【００６３】（実施例４）吸水性部材としての粘土鉱物
であるモンモリロナイト１重量部を、導電性部材として
のカーボン粉末（Ｃａｂｏｔ製、ＶｕｌｃａｎＸＣ−
７２Ｒ、平均粒径３０ｎｍ）２重量部と混合して作製し
た導電性部材と吸水性部材との混合物粉末を用いた以外
は、実施例１と同様にして単電池を作製した。さらに、
実施例１と同様な条件で電流と電圧との関係を調べた。
その結果を図５に示す。

【００６４】図５より明らかなように、本実施例４の単
電池も、実施例１の比較例よりも、電流密度の大きな領
域で電圧が向上していることが分かる。

【００６５】（実施例５）実施例１で用いたのと同様な
導電性部材と撥水性部材との混合物粉末をエタノールで
混練し、ペーストとした。図６および図７に示すよう
な、一辺が１２０ｍｍの正方形の範囲内に一辺が２ｍｍ
の正方形が交互に配列されたモザイク状の格子パターン
をスクリーン印刷用メッシュ（基板）上に形成し、これ
を用いて、上記ペースト２２１のモザイク状パターンを
基板上に形成した。

【００６６】これを乾燥した後、実施例１で用いたのと
同様な導電性部材と吸水性部材との混合粉末のエタノー
ルペーストを、上記と同様にスクリーン印刷によって基
板上の上記一辺が１２０ｍｍの正方形の範囲内の導電性
部材と撥水性部材との混合物ペースト２２１が印刷され
ていない部分２２２に印刷した。

【００６７】さらに、これを乾燥した後、基体から印刷
物を剥離し、これをガス拡散層とした。このガス拡散層
を用いた以外は、実施例１と同様にして単電池を作製し
た。さらに、実施例１と同様な条件で動作させた。その
結果を図５に示す。なお、図６において１は電解質膜、
２２はガス拡散層である。

【００６８】図５より明らかなように、本実施例４の単
電池も、実施例１の比較例よりも、電流密度の大きな領
域で電圧が向上していることが分かる。これは、酸素極
での生成水の吸収および気流中への蒸散が効率よく行わ
れ、さらに燃料ガス流中に含まれて運び込まれた水分を
電極中に吸収し、燃料極近傍での電解質膜まで効率よく
供給しているため、と考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例における燃料電池の電気化学セ
ルを示す平面図

【図２】図１のII−II線に沿う断面図

【図３】本発明の具体例における燃料電池の電気化学セ
ル中のガス拡散層を示す模式図

【図４】本発明の実施例における燃料電池の電気化学セ
ルを示す断面図

【図５】本発明の実施例および比較例における燃料電池
の電流密度と電池電圧との関係を示す線図

【図６】本発明の実施例における燃料電池の電気化学セ
ルを示す平面図

【図７】図６中の円Ａの拡大図

【符号の説明】

１電解質膜２酸素極３燃料極２１触媒層２２ガス拡散層３１触媒層３２ガス拡散層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河原和生愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者阿部勝司愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内審査官高木康晴 (56)参考文献特開平６−103983（ＪＰ，Ａ) 特開平４−12462（ＪＰ，Ａ) 特開平６−52871（ＪＰ，Ａ) 特開平７−105957（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 4/86 - 4/98 H01M 8/00 - 8/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子よりなる電解質膜と、該電解
質膜の両側に配置した酸素極と燃料極とよりなる電気化
学セルを有し、該酸素極および燃料極は、触媒層を有
し、該酸素極および燃料極のうちの少なくとも一方は、
上記触媒層の外側に配置した、導電性部材と撥水性部材
と吸水性部材とよりなるガス拡散層を有する燃料電池に
おいて、上記酸素極および燃料極のうちの少なくとも一方の上記
ガス拡散層中の上記吸水性部材は、分子内にスルホン
基、カルボキシル基またはアンモニウム基のイオン性
基、あるいは、カルボニル基、ヒドロキシ基またはオキ
シ基の極性基を持つ極性非電解質高分子、電解質高分
子、吸水性天然繊維、および粘土鉱物のうちの少なくと
も１種よりなることを特徴とする燃料電池。