JP3433171B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子型燃料電
池，特に，芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分を有
する電解質膜と，その電解質膜を挟み，且つ芳香族炭化
水素系高分子イオン交換成分を含む空気極および燃料極
とを備え，空気極側からのみ加湿するようにしたものに
関する。 【０００２】 【従来の技術】従来，前記空気極および燃料極として
は，それら両極にプロトン伝導性を付与すると共にバイ
ンダとして機能する高分子イオン交換成分と，カーボン
ブラック粒子の表面に触媒金属を担持させた複数の触媒
粒子と，ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子
とより構成されたものが知られている。このＰＴＦＥ粒
子は撥水性を有し，空気極および燃料極の保水性を調整
する機能を有する。 【０００３】また電解質膜を湿潤状態に保持して，その
プロトン伝導性を確保すべく，従来は空気および水素
を，それらに加湿処理を施してから空気極および燃料極
にそれぞれ供給する，といった手段を採用している。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら空気極お
よび燃料極の構成成分としてＰＴＦＥ粒子を用いる，と
いうことは，発電性能の一層の向上を図るべく，空気極
および燃料極の厚さを減じて，プロトン伝導性を高める
と共に抵抗過電圧を低く抑える，といった要件を満たす
上で障害となっていた。 【０００５】また従来の加湿手段によると，空気供給管
路および水素供給管路にそれぞれ，面倒なシール作業を
行って加湿器を装置しなければならず，設備コストの上
昇および構造の煩雑化を招く，という問題があった。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は，空気極および
燃料極の厚さを減じて発電性能の一層の向上を図ること
ができ，また空気極および燃料極として特定のものを備
えることによって空気極側からの加湿のみで運転するこ
とが可能な前記固体高分子型燃料電池を提供することを
目的とする。 【０００７】前記目的を達成するため本発明によれば，
芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分を有する電解質
膜と，その電解質膜を挟む空気極および燃料極とを備
え，前記空気極および燃料極は，それぞれ，カーボンブ
ラック粒子の表面に触媒金属を担持させた複数の触媒粒
子および高分子イオン交換成分からなり，その高分子イ
オン交換成分は，前記芳香族炭化水素系高分子イオン交
換成分と同じ芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分お
よび異なる芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分の一
方であり，前記空気極において，前記カーボンブラック
粒子は，６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量Ａが
Ａ≦８０ｃｃ／ｇである，といった撥水性を持ち，且つ
前記高分子イオン交換成分の配合重量をＷｐとし，また
前記カーボンブラック粒子の配合重量をＷｃとしたと
き，両配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃが０．２≦Ｗ
ｐ／Ｗｃ≦０．８であり，前記燃料極において，前記カ
ーボンブラック粒子は，６０℃の飽和水蒸気圧下におけ
る水吸着量ＡがＡ≧１５０ｃｃ／ｇである，といった親
水性を持ち，且つ前記高分子イオン交換成分の配合重量
をＷｐとし，また前記カーボンブラック粒子の配合重量
をＷｃとしたとき，両配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗ
ｃが０．６≦Ｗｐ／Ｗｃ≦１．２５であり，前記空気極
側からのみ加湿するようにした固体高分子型燃料電池が
提供される。 【０００８】前記のように構成すると，撥水性カーボン
ブラック粒子および親水性カーボンブラック粒子に，そ
れぞれ空気極および燃料極の保水性を調整する機能を持
たせて，ＰＴＦＥ粒子の使用を止めることが可能であ
る。これは空気極および燃料極の厚さを減じる上で有効
である。 【０００９】また空気極および燃料極における前記配合
重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃを前記のように設定する
と，ＰＴＦＥ粒子を含まないこともあって，空気極およ
び燃料極の厚さを減少させて，プロトン伝導性を高める
と共に抵抗過電圧の上昇を抑制して発電性能を向上させ
ることが可能である。 【００１０】ただし，空気極において，比Ｗｐ／Ｗｃが
Ｗｐ／Ｗｃ＜０．２では空気極の厚さは一層減少するが
触媒粒子の被覆率が悪化して発電性能が低下する。一
方，Ｗｐ／Ｗｃ＞０．８では空気極の厚さ増で加湿水の
流通が悪くなる。燃料極において，比Ｗｐ／ＷｃがＷｐ
／Ｗｃ＜０．６では水の保有性が悪化し，一方，Ｗｐ／
Ｗｃ＞１．２５では高分子イオン交換成分の分散度が悪
化するため燃料極の厚さが増加する。 【００１１】さらに，加湿器は空気供給管路側にのみ装
置すればよいから，設備コストを低減し，また構造の簡
素化を図ることができる。 【００１２】この場合，空気極側から加湿を行うと，そ
の加湿水は空気極のカーボンブラック粒子が撥水性であ
ることから電解質膜にスムーズに流入し，また空気極の
生成水の電解質膜への逆拡散も生じるので電解質膜が湿
潤状態となる。一方，電解質膜中の一部の水は燃料極に
流入し，その燃料極のカーボンブラック粒子が親水性で
あることからそこに保有される。この燃料極の水の保有
と，空気極への加湿とにより電解質膜が湿潤状態に保持
される。空気極および燃料極において，過剰の水は外部
に排出される。 【００１３】ただし，空気極において，カーボンブラッ
ク粒子の前記水吸着量ＡがＡ＞８０ｃｃ／ｇではその撥
水性が低下して加湿水の流通が悪化し，一方，燃料極に
おいて，カーボンブラック粒子の前記水吸着量ＡがＡ＜
１５０ｃｃ／ｇではその親水性が低下して水の保有が不
十分となる。 【００１４】 【発明の実施の形態】図１において，固体高分子型燃料
電池（セル）１は，電解質膜２と，その電解質膜２を挟
んでその両側にそれぞれ密着する空気極３および燃料極
４と，それら両極３，４にそれぞれ密着する一対の拡散
層５，６と，それら両拡散層５，６に密着する一対のセ
パレータ７，８とよりなる。この場合，空気極３側から
のみ加湿が行われる。電解質膜−電極集成体９には，実
施例では，電解質膜２，空気極３，燃料極４および両拡
散層５，６が含まれる。 【００１５】電解質膜２は，プロトン伝導性を有する芳
香族炭化水素系高分子イオン交換成分より構成されてい
る。空気極３および燃料極４は，それぞれ，カーボンブ
ラック粒子の表面に複数の触媒金属としてのＰｔ粒子を
担持させた複数の触媒粒子ならびにプロトン伝導性およ
びバインダとしての機能を有し，且つ前記と同じまたは
異なる芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分からな
り，第三の成分であるＰＴＦＥ粒子を含まない。 【００１６】各拡散層５，６は多孔質のカーボンペー
パ，カーボンプレート等よりなり，また各セパレータ
７，８は，同一の形態を有するように黒鉛化炭素より構
成され，空気極３側のセパレータ７に存する複数の溝１
０に空気が，また燃料極４側のセパレータ８に在って前
記溝１０と交差する関係の複数の溝１１に水素がそれぞ
れ供給される。 【００１７】芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分
は，無フッ素であって溶剤に可溶であるといった特性を
有する。この種の高分子イオン交換成分としては，表１
に挙げた各種の，芳香族炭化水素系高分子のスルホン化
物が用いられる。 【００１８】 【表１】 【００１９】溶剤としては，表２に挙げた各種極性溶剤
が用いられる。 【００２０】 【表２】 【００２１】加湿側である空気極３において，そのカー
ボンブラック粒子は．６０℃の飽和水蒸気圧下における
水吸着量ＡがＡ≦８０ｃｃ／ｇである，といった撥水性
を持つ。また空気極３において，芳香族炭化水素系高分
子イオン交換成分の配合重量をＷｐとし，またカーボン
ブラック粒子の配合重量をＷｃとしたとき，両配合重量
Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃは０．２≦Ｗｐ／Ｗｃ≦０．
８に設定される。 【００２２】一方，燃料極４において，そのカーボンブ
ラック粒子は，６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着
量ＡがＡ≧１５０ｃｃ／ｇである，といった親水性を持
つ。また燃料極４において，芳香族炭化水素系高分子イ
オン交換成分の配合重量をＷｐとし，またカーボンブラ
ック粒子の配合重量をＷｃとしたとき，両配合重量Ｗ
ｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃは０．６≦Ｗｐ／Ｗｃ≦１．２
５に設定される。 【００２３】前記のように構成すると，撥水性カーボン
ブラック粒子および親水性カーボンブラック粒子に，そ
れぞれ空気極３および燃料極４の保水性を調整する機能
を持たせて，ＰＴＦＥ粒子の使用を止めることが可能で
ある。これは空気極３および燃料極４の厚さを減じる上
で有効である。 【００２４】また空気極３および燃料極４における前記
配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃを前記のように設定
すると，ＰＴＦＥ粒子を含まないこともあって，空気極
３および燃料極４の厚さを減少させて，プロトン伝導性
を高めると共に抵抗過電圧の上昇を抑制して発電性能を
向上させることが可能である。 【００２５】さらに，加湿器は空気供給管路側にのみ装
置すればよいから，設備コストを低減し，また構造の簡
素化を図ることができる。 【００２６】この場合，空気極３側から加湿を行うと，
その加湿水は空気極３のカーボンブラック粒子が撥水性
であることから電解質膜２にスムーズに流入し，また空
気極３の生成水の電解質膜２への逆拡散も生じるので電
解質膜２が湿潤状態となる。一方，電解質膜２中の一部
の水は燃料極４に流入し，その燃料極４のカーボンブラ
ック粒子が親水性であることからそこに保有される。こ
の燃料極４の水の保有と，空気極３への加湿とにより電
解質膜２が湿潤状態に保持される。空気極３および燃料
極４において，過剰の水は外部に排出される。 【００２７】以下，具体例について説明する。 Ｉ−（１） 空気極の製造 ６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量ＡがＡ＝７２
ｃｃ／ｇである撥水性カーボンブラック粒子（商品名：
Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２）にＰｔ粒子を担持させて空
気極用触媒粒子を調製した。触媒粒子におけるＰｔ粒子
の含有量は５０ｗｔ％である。 〔例−Ｉ〕芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分とし
て，表１に例１として挙げたＰＥＥＫスルホン化物を用
意し，このＰＥＥＫスルホン化物を表２のＮＭＰに還流
溶解した。この溶液におけるＰＥＥＫスルホン化物の含
有量は６ｗｔ％である。このＰＥＥＫスルホン化物含有
溶液に，ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカーボ
ンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃがＷｐ
／Ｗｃ＝０．２となるように触媒粒子を混合し，次いで
ボールミルを用いて触媒粒子の分散を図り，空気極用ス
ラリを調製した。このスラリを，Ｐｔ量が０．５mg／cm
2 となるように複数の多孔質カーボンペーパの一面にそ
れぞれ塗布し，乾燥して，拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例１とする。 〔例−II〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝０．４に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例２とする。 〔例−III 〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカ
ーボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／Ｗｃを
Ｗｐ／Ｗｃ＝０．６に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例３とする。 〔例−IV〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝０．８に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例４とする。 〔例−Ｖ〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝１．２５に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例５とする。 〔例−VI〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝２．０に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例６とする。 Ｉ−（２）燃料極の製造 ６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量ＡがＡ＝３７
０ｃｃ／ｇである親水性カーボンブラック粒子（商品
名：ケッチェンブラックＥＣ）にＰｔ粒子を担持させて
燃料極用触媒粒子を調製した。触媒粒子におけるＰｔ粒
子の含有量は５０ｗｔ％である。 〔例−Ｉ〕芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分とし
て，表１に例Ｉとして挙げたＰＥＥＫスルホン化物を用
意し，このＰＥＥＫスルホン化物を表２のＮＭＰに還流
溶解した。この溶液におけるＰＥＥＫスルホン化物の含
有量は６ｗｔ％である。このＰＥＥＫスルホン化物含有
溶液に，ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカーボ
ンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃがＷｐ
／Ｗｃ＝０．４となるように触媒粒子を混合し，次いで
ボールミルを用いて触媒粒子の分散を図り，燃料極用ス
ラリを調製した。このスラリを，Ｐｔ量が０．５mg／cm
2 となるように複数の多孔質カーボンペーパの一面にそ
れぞれ塗布し，乾燥して，拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（１）とする。 〔例−II〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝０．６に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（２）とする。 〔例−III 〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカ
ーボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／Ｗｃを
Ｗｐ／Ｗｃ＝０．８に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（３）とする。 〔例−IV〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝１．２５に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（４）とする。 〔例−Ｖ〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝１．７５に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（５）とする。 II．空気極および燃料極に関する各種考察 表３は，空気極３の例１〜６および燃料極４の例（１）
〜（５）に関するＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐ
およびカーボンブラック粒子の配合重量Ｗｃの比Ｗｐ／
Ｗｃと，保水性との関係を示す。この保水性は，ガス吸
着装置による６０℃飽和水蒸気圧下の水吸着量から算出
した。 【００２８】 【表３】 【００２９】図２は，表３に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと，空気極および燃料極の保水性との関係をグ
ラフ化したものである。図中，例１〜６は空気極に該当
し，また例（１）〜（５）は燃料極に該当する。このこ
とは，以後の図面において同じである。図２より，両配
合重量の比Ｗｐ／Ｗｃが同一である場合，撥水性カーボ
ン粒子を用いた空気極は，親水性カーボン粒子を用いた
燃料極に比べて保水性が低いことが判る。また空気極お
よび燃料極において，両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃが増加
すると保水性も増加する，といった傾向がみられる。 【００３０】表４は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと，空気極３および燃料極４の厚さとの関係を示す。 【００３１】 【表４】【００３２】図３は，表４に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと，空気極および燃料極の厚さとの関係をグラ
フ化したものである。図３より，比Ｗｐ／Ｗｃの増加に
伴い空気極および燃料極の厚さが増すことが判る。 【００３３】表５は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと触媒粒子の被覆率Ｃｃとの関係を示す。 【００３４】 【表５】 【００３５】触媒粒子の被覆率Ｃｃは，空気極および燃
料極の平面の面積をＡｅとし，また空気極および燃料極
の平面に露出している複数の触媒粒子の面積の和をＡｃ
としたとき，Ｃｃ＝｛（Ａｅ−Ａｃ）／Ａｅ｝×１００
（％）として求められた。 【００３６】図４は，表５に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと触媒粒子の被覆率Ｃｃとの関係をグラフ化し
たものである。図４より，比Ｗｐ／Ｗｃの増加に伴い触
媒粒子の被覆率Ｃｃが増すことが判る。 【００３７】表６は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと触媒粒子の分散度Ｄとの関係を示す。 【００３８】 【表６】【００３９】触媒粒子の分散度Ｄは次のような方法によ
って求められた。先ず，空気極３（または燃料極４）の
製造時における触媒粒子およびＰＥＥＫスルホン化物の
配合量から触媒粒子中の理論Ｐｔ濃度ＴｐおよびＰＥＥ
Ｋスルホン化物中の理論Ｓ（イオウ）濃度Ｔｓを算出
し，次いで，それら理論値から理論値比Ｔｓ／Ｔｐを求
めた。また，空気極３等の表面をＥＰＭＡにて観察し，
触媒粒子中の実測Ｐｔ濃度ＡｐおよびＰＥＥＫスルホン
化物中の実測Ｓ濃度Ａｓを面分析により求め，次いで，
それら実測値から実測値比Ａｓ／Ａｐを求めた。 【００４０】その後，分散度Ｄを， Ｄ＝［｛（Ｔｓ／Ｔｐ）−（Ａｓ／Ａｐ）｝／（Ｔｓ／
Ｔｐ）］×１００（％） の式に則って求めた。 【００４１】図５は，表６に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと触媒粒子の分散度Ｄとの関係をグラフ化した
ものである。図５より，比Ｗｐ／Ｗｃの増加に伴い触媒
粒子の分散度Ｄが増すことが判る。 【００４２】表７は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する触媒粒子の分散度Ｄと空
気極３および燃料極４の厚さとの関係を示す。 【００４３】 【表７】 【００４４】図６は，表７に基づいて触媒粒子の分散度
Ｄと，空気極および燃料極の厚さとの関係をグラフ化し
たものである。図６より，触媒粒子の分散度Ｄの増加に
伴い空気極および燃料極の厚さが増すことが判る。 III ．燃料電池の発電性能 空気極３および燃料極４の製造で用いられたＰＥＥＫス
ルホン化物と同様のものを使用して厚さ５０μｍの電解
質膜２を成形した。また空気極３の例１〜６と，燃料極
４の例（１）〜（５）を用意し，空気極３の各例１〜６
が燃料極４の例（１）〜（５）と総当りとなるような組
合せを行う，つまり，例１について言えば，例１と例
（１），例１と例（２）……例１と例（５），といった
組合せを行って３０組の電極対を得た。各電極対，した
がって一組の空気極３および燃料極４により電解質膜２
を挟み，１４０℃，１．５ＭＰａ，１分間の条件でホッ
トプレスを行って，電解質膜−電極集成体９を得た。各
電解質膜−電極集成体９を用いて固体高分子型燃料電池
１を組立て，空気極３側からのみ加湿する，という条件
下で発電を行って電流密度と端子電圧との関係を測定し
た。この場合，水の拡散による端子電圧への影響が大で
あることから，各電池の端子電圧の比較値として高電流
密度側である０．８Ａ／cm2 における端子電圧を用い
た。 【００４５】表８は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）における両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと，各電池における空気極および燃料極の組合せと，
０．８Ａ／cm2 における端子電圧とを示す。 【００４６】 【表８】 【００４７】図７は，表８に基づいて空気極３の例１〜
６および燃料極４の例（１）〜（５）の組合せと，端子
電圧との関係をグラフ化したものである。表８，図７か
ら明らかなように，空気極３の例１〜４および燃料極４
の例（２）〜（４）間において組合せを行うと，空気極
３側からのみ加湿する，という条件下で固体高分子型燃
料電池１を運転した場合，その発電性能を向上させるこ
とができる。 【００４８】比較のため，空気極３の例３と燃料極４の
例（３）との組合せを行った燃料電池１において，燃料
極４側からのみ加湿する，という条件下で発電を行って
電流密度と端子電圧との関係を測定したところ，電流密
度０．８Ａ／cm2 における端子電圧は０．６１８Ｖであ
ることが判明した。この端子電圧は，表８における空気
極の例３と燃料極の例（３）とを組合せた場合の端子電
圧０．６９１Ｖに比べて約１０％低いことが明らかであ
る。 【００４９】この事実から，空気極３の例１〜４と燃料
極４の例（２）〜（４）との組合せを行った燃料電池１
において，空気極３側からのみ加湿を行うことの意義が
明らかである。 【００５０】空気極３および燃料極４において，両配合
重量の比Ｗｐ／Ｗｃをそれぞれ前記のように設定する
と，表４より空気極３の厚さｔは，例１〜例４のごと
く，３μｍ≦ｔ≦７μｍになると共に燃料極４の厚さｔ
は，例（２）〜（４）のごとく，６μｍ≦ｔ≦８μｍと
なり，また表５より空気極３における触媒粒子の被覆率
Ｃｃは，例１〜例４のごとく，７２％≦Ｃｃ≦９７％に
なると共に燃料極４における触媒粒子の被覆率Ｃｃは，
例（２）〜（４）のごとく，９５％≦Ｃｃ≦９８％とな
り，さらに表６より空気極３における触媒粒子の分散度
Ｄは，例１〜例４のごとく，２％≦Ｄ≦７％になると共
に燃料極４における触媒粒子の分散度Ｄは，例（２）〜
（４）のごとく，５％≦Ｄ≦８％となる。 【００５１】 【発明の効果】本発明によれば前記のように構成するこ
とによって，空気極側からの加湿のみで運転しても高い
発電性能を発揮することが可能な，安価で，且つ構造の
簡素な固体高分子型燃料電池を提供することができる。
池，特に，芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分を有
する電解質膜と，その電解質膜を挟み，且つ芳香族炭化
水素系高分子イオン交換成分を含む空気極および燃料極
とを備え，空気極側からのみ加湿するようにしたものに
関する。 【０００２】 【従来の技術】従来，前記空気極および燃料極として
は，それら両極にプロトン伝導性を付与すると共にバイ
ンダとして機能する高分子イオン交換成分と，カーボン
ブラック粒子の表面に触媒金属を担持させた複数の触媒
粒子と，ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子
とより構成されたものが知られている。このＰＴＦＥ粒
子は撥水性を有し，空気極および燃料極の保水性を調整
する機能を有する。 【０００３】また電解質膜を湿潤状態に保持して，その
プロトン伝導性を確保すべく，従来は空気および水素
を，それらに加湿処理を施してから空気極および燃料極
にそれぞれ供給する，といった手段を採用している。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら空気極お
よび燃料極の構成成分としてＰＴＦＥ粒子を用いる，と
いうことは，発電性能の一層の向上を図るべく，空気極
および燃料極の厚さを減じて，プロトン伝導性を高める
と共に抵抗過電圧を低く抑える，といった要件を満たす
上で障害となっていた。 【０００５】また従来の加湿手段によると，空気供給管
路および水素供給管路にそれぞれ，面倒なシール作業を
行って加湿器を装置しなければならず，設備コストの上
昇および構造の煩雑化を招く，という問題があった。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は，空気極および
燃料極の厚さを減じて発電性能の一層の向上を図ること
ができ，また空気極および燃料極として特定のものを備
えることによって空気極側からの加湿のみで運転するこ
とが可能な前記固体高分子型燃料電池を提供することを
目的とする。 【０００７】前記目的を達成するため本発明によれば，
芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分を有する電解質
膜と，その電解質膜を挟む空気極および燃料極とを備
え，前記空気極および燃料極は，それぞれ，カーボンブ
ラック粒子の表面に触媒金属を担持させた複数の触媒粒
子および高分子イオン交換成分からなり，その高分子イ
オン交換成分は，前記芳香族炭化水素系高分子イオン交
換成分と同じ芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分お
よび異なる芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分の一
方であり，前記空気極において，前記カーボンブラック
粒子は，６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量Ａが
Ａ≦８０ｃｃ／ｇである，といった撥水性を持ち，且つ
前記高分子イオン交換成分の配合重量をＷｐとし，また
前記カーボンブラック粒子の配合重量をＷｃとしたと
き，両配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃが０．２≦Ｗ
ｐ／Ｗｃ≦０．８であり，前記燃料極において，前記カ
ーボンブラック粒子は，６０℃の飽和水蒸気圧下におけ
る水吸着量ＡがＡ≧１５０ｃｃ／ｇである，といった親
水性を持ち，且つ前記高分子イオン交換成分の配合重量
をＷｐとし，また前記カーボンブラック粒子の配合重量
をＷｃとしたとき，両配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗ
ｃが０．６≦Ｗｐ／Ｗｃ≦１．２５であり，前記空気極
側からのみ加湿するようにした固体高分子型燃料電池が
提供される。 【０００８】前記のように構成すると，撥水性カーボン
ブラック粒子および親水性カーボンブラック粒子に，そ
れぞれ空気極および燃料極の保水性を調整する機能を持
たせて，ＰＴＦＥ粒子の使用を止めることが可能であ
る。これは空気極および燃料極の厚さを減じる上で有効
である。 【０００９】また空気極および燃料極における前記配合
重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃを前記のように設定する
と，ＰＴＦＥ粒子を含まないこともあって，空気極およ
び燃料極の厚さを減少させて，プロトン伝導性を高める
と共に抵抗過電圧の上昇を抑制して発電性能を向上させ
ることが可能である。 【００１０】ただし，空気極において，比Ｗｐ／Ｗｃが
Ｗｐ／Ｗｃ＜０．２では空気極の厚さは一層減少するが
触媒粒子の被覆率が悪化して発電性能が低下する。一
方，Ｗｐ／Ｗｃ＞０．８では空気極の厚さ増で加湿水の
流通が悪くなる。燃料極において，比Ｗｐ／ＷｃがＷｐ
／Ｗｃ＜０．６では水の保有性が悪化し，一方，Ｗｐ／
Ｗｃ＞１．２５では高分子イオン交換成分の分散度が悪
化するため燃料極の厚さが増加する。 【００１１】さらに，加湿器は空気供給管路側にのみ装
置すればよいから，設備コストを低減し，また構造の簡
素化を図ることができる。 【００１２】この場合，空気極側から加湿を行うと，そ
の加湿水は空気極のカーボンブラック粒子が撥水性であ
ることから電解質膜にスムーズに流入し，また空気極の
生成水の電解質膜への逆拡散も生じるので電解質膜が湿
潤状態となる。一方，電解質膜中の一部の水は燃料極に
流入し，その燃料極のカーボンブラック粒子が親水性で
あることからそこに保有される。この燃料極の水の保有
と，空気極への加湿とにより電解質膜が湿潤状態に保持
される。空気極および燃料極において，過剰の水は外部
に排出される。 【００１３】ただし，空気極において，カーボンブラッ
ク粒子の前記水吸着量ＡがＡ＞８０ｃｃ／ｇではその撥
水性が低下して加湿水の流通が悪化し，一方，燃料極に
おいて，カーボンブラック粒子の前記水吸着量ＡがＡ＜
１５０ｃｃ／ｇではその親水性が低下して水の保有が不
十分となる。 【００１４】 【発明の実施の形態】図１において，固体高分子型燃料
電池（セル）１は，電解質膜２と，その電解質膜２を挟
んでその両側にそれぞれ密着する空気極３および燃料極
４と，それら両極３，４にそれぞれ密着する一対の拡散
層５，６と，それら両拡散層５，６に密着する一対のセ
パレータ７，８とよりなる。この場合，空気極３側から
のみ加湿が行われる。電解質膜−電極集成体９には，実
施例では，電解質膜２，空気極３，燃料極４および両拡
散層５，６が含まれる。 【００１５】電解質膜２は，プロトン伝導性を有する芳
香族炭化水素系高分子イオン交換成分より構成されてい
る。空気極３および燃料極４は，それぞれ，カーボンブ
ラック粒子の表面に複数の触媒金属としてのＰｔ粒子を
担持させた複数の触媒粒子ならびにプロトン伝導性およ
びバインダとしての機能を有し，且つ前記と同じまたは
異なる芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分からな
り，第三の成分であるＰＴＦＥ粒子を含まない。 【００１６】各拡散層５，６は多孔質のカーボンペー
パ，カーボンプレート等よりなり，また各セパレータ
７，８は，同一の形態を有するように黒鉛化炭素より構
成され，空気極３側のセパレータ７に存する複数の溝１
０に空気が，また燃料極４側のセパレータ８に在って前
記溝１０と交差する関係の複数の溝１１に水素がそれぞ
れ供給される。 【００１７】芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分
は，無フッ素であって溶剤に可溶であるといった特性を
有する。この種の高分子イオン交換成分としては，表１
に挙げた各種の，芳香族炭化水素系高分子のスルホン化
物が用いられる。 【００１８】 【表１】 【００１９】溶剤としては，表２に挙げた各種極性溶剤
が用いられる。 【００２０】 【表２】 【００２１】加湿側である空気極３において，そのカー
ボンブラック粒子は．６０℃の飽和水蒸気圧下における
水吸着量ＡがＡ≦８０ｃｃ／ｇである，といった撥水性
を持つ。また空気極３において，芳香族炭化水素系高分
子イオン交換成分の配合重量をＷｐとし，またカーボン
ブラック粒子の配合重量をＷｃとしたとき，両配合重量
Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃは０．２≦Ｗｐ／Ｗｃ≦０．
８に設定される。 【００２２】一方，燃料極４において，そのカーボンブ
ラック粒子は，６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着
量ＡがＡ≧１５０ｃｃ／ｇである，といった親水性を持
つ。また燃料極４において，芳香族炭化水素系高分子イ
オン交換成分の配合重量をＷｐとし，またカーボンブラ
ック粒子の配合重量をＷｃとしたとき，両配合重量Ｗ
ｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃは０．６≦Ｗｐ／Ｗｃ≦１．２
５に設定される。 【００２３】前記のように構成すると，撥水性カーボン
ブラック粒子および親水性カーボンブラック粒子に，そ
れぞれ空気極３および燃料極４の保水性を調整する機能
を持たせて，ＰＴＦＥ粒子の使用を止めることが可能で
ある。これは空気極３および燃料極４の厚さを減じる上
で有効である。 【００２４】また空気極３および燃料極４における前記
配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃを前記のように設定
すると，ＰＴＦＥ粒子を含まないこともあって，空気極
３および燃料極４の厚さを減少させて，プロトン伝導性
を高めると共に抵抗過電圧の上昇を抑制して発電性能を
向上させることが可能である。 【００２５】さらに，加湿器は空気供給管路側にのみ装
置すればよいから，設備コストを低減し，また構造の簡
素化を図ることができる。 【００２６】この場合，空気極３側から加湿を行うと，
その加湿水は空気極３のカーボンブラック粒子が撥水性
であることから電解質膜２にスムーズに流入し，また空
気極３の生成水の電解質膜２への逆拡散も生じるので電
解質膜２が湿潤状態となる。一方，電解質膜２中の一部
の水は燃料極４に流入し，その燃料極４のカーボンブラ
ック粒子が親水性であることからそこに保有される。こ
の燃料極４の水の保有と，空気極３への加湿とにより電
解質膜２が湿潤状態に保持される。空気極３および燃料
極４において，過剰の水は外部に排出される。 【００２７】以下，具体例について説明する。 Ｉ−（１） 空気極の製造 ６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量ＡがＡ＝７２
ｃｃ／ｇである撥水性カーボンブラック粒子（商品名：
Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２）にＰｔ粒子を担持させて空
気極用触媒粒子を調製した。触媒粒子におけるＰｔ粒子
の含有量は５０ｗｔ％である。 〔例−Ｉ〕芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分とし
て，表１に例１として挙げたＰＥＥＫスルホン化物を用
意し，このＰＥＥＫスルホン化物を表２のＮＭＰに還流
溶解した。この溶液におけるＰＥＥＫスルホン化物の含
有量は６ｗｔ％である。このＰＥＥＫスルホン化物含有
溶液に，ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカーボ
ンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃがＷｐ
／Ｗｃ＝０．２となるように触媒粒子を混合し，次いで
ボールミルを用いて触媒粒子の分散を図り，空気極用ス
ラリを調製した。このスラリを，Ｐｔ量が０．５mg／cm
2 となるように複数の多孔質カーボンペーパの一面にそ
れぞれ塗布し，乾燥して，拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例１とする。 〔例−II〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝０．４に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例２とする。 〔例−III 〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカ
ーボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／Ｗｃを
Ｗｐ／Ｗｃ＝０．６に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例３とする。 〔例−IV〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝０．８に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例４とする。 〔例−Ｖ〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝１．２５に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例５とする。 〔例−VI〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝２．０に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層５を持つ空気極３を得
た。この空気極３を例６とする。 Ｉ−（２）燃料極の製造 ６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量ＡがＡ＝３７
０ｃｃ／ｇである親水性カーボンブラック粒子（商品
名：ケッチェンブラックＥＣ）にＰｔ粒子を担持させて
燃料極用触媒粒子を調製した。触媒粒子におけるＰｔ粒
子の含有量は５０ｗｔ％である。 〔例−Ｉ〕芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分とし
て，表１に例Ｉとして挙げたＰＥＥＫスルホン化物を用
意し，このＰＥＥＫスルホン化物を表２のＮＭＰに還流
溶解した。この溶液におけるＰＥＥＫスルホン化物の含
有量は６ｗｔ％である。このＰＥＥＫスルホン化物含有
溶液に，ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカーボ
ンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃがＷｐ
／Ｗｃ＝０．４となるように触媒粒子を混合し，次いで
ボールミルを用いて触媒粒子の分散を図り，燃料極用ス
ラリを調製した。このスラリを，Ｐｔ量が０．５mg／cm
2 となるように複数の多孔質カーボンペーパの一面にそ
れぞれ塗布し，乾燥して，拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（１）とする。 〔例−II〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝０．６に設定した，という点を除き，例−Ｉ
と同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（２）とする。 〔例−III 〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカ
ーボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／Ｗｃを
Ｗｐ／Ｗｃ＝０．８に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（３）とする。 〔例−IV〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝１．２５に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（４）とする。 〔例−Ｖ〕ＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐとカー
ボンブラック粒子の配合重量Ｗｃとの比Ｗｐ／ＷｃをＷ
ｐ／Ｗｃ＝１．７５に設定した，という点を除き，例−
Ｉと同様の方法を実施して拡散層６を持つ燃料極４を得
た。この燃料極４を例（５）とする。 II．空気極および燃料極に関する各種考察 表３は，空気極３の例１〜６および燃料極４の例（１）
〜（５）に関するＰＥＥＫスルホン化物の配合重量Ｗｐ
およびカーボンブラック粒子の配合重量Ｗｃの比Ｗｐ／
Ｗｃと，保水性との関係を示す。この保水性は，ガス吸
着装置による６０℃飽和水蒸気圧下の水吸着量から算出
した。 【００２８】 【表３】 【００２９】図２は，表３に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと，空気極および燃料極の保水性との関係をグ
ラフ化したものである。図中，例１〜６は空気極に該当
し，また例（１）〜（５）は燃料極に該当する。このこ
とは，以後の図面において同じである。図２より，両配
合重量の比Ｗｐ／Ｗｃが同一である場合，撥水性カーボ
ン粒子を用いた空気極は，親水性カーボン粒子を用いた
燃料極に比べて保水性が低いことが判る。また空気極お
よび燃料極において，両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃが増加
すると保水性も増加する，といった傾向がみられる。 【００３０】表４は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと，空気極３および燃料極４の厚さとの関係を示す。 【００３１】 【表４】【００３２】図３は，表４に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと，空気極および燃料極の厚さとの関係をグラ
フ化したものである。図３より，比Ｗｐ／Ｗｃの増加に
伴い空気極および燃料極の厚さが増すことが判る。 【００３３】表５は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと触媒粒子の被覆率Ｃｃとの関係を示す。 【００３４】 【表５】 【００３５】触媒粒子の被覆率Ｃｃは，空気極および燃
料極の平面の面積をＡｅとし，また空気極および燃料極
の平面に露出している複数の触媒粒子の面積の和をＡｃ
としたとき，Ｃｃ＝｛（Ａｅ−Ａｃ）／Ａｅ｝×１００
（％）として求められた。 【００３６】図４は，表５に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと触媒粒子の被覆率Ｃｃとの関係をグラフ化し
たものである。図４より，比Ｗｐ／Ｗｃの増加に伴い触
媒粒子の被覆率Ｃｃが増すことが判る。 【００３７】表６は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと触媒粒子の分散度Ｄとの関係を示す。 【００３８】 【表６】【００３９】触媒粒子の分散度Ｄは次のような方法によ
って求められた。先ず，空気極３（または燃料極４）の
製造時における触媒粒子およびＰＥＥＫスルホン化物の
配合量から触媒粒子中の理論Ｐｔ濃度ＴｐおよびＰＥＥ
Ｋスルホン化物中の理論Ｓ（イオウ）濃度Ｔｓを算出
し，次いで，それら理論値から理論値比Ｔｓ／Ｔｐを求
めた。また，空気極３等の表面をＥＰＭＡにて観察し，
触媒粒子中の実測Ｐｔ濃度ＡｐおよびＰＥＥＫスルホン
化物中の実測Ｓ濃度Ａｓを面分析により求め，次いで，
それら実測値から実測値比Ａｓ／Ａｐを求めた。 【００４０】その後，分散度Ｄを， Ｄ＝［｛（Ｔｓ／Ｔｐ）−（Ａｓ／Ａｐ）｝／（Ｔｓ／
Ｔｐ）］×１００（％） の式に則って求めた。 【００４１】図５は，表６に基づいて両配合重量の比Ｗ
ｐ／Ｗｃと触媒粒子の分散度Ｄとの関係をグラフ化した
ものである。図５より，比Ｗｐ／Ｗｃの増加に伴い触媒
粒子の分散度Ｄが増すことが判る。 【００４２】表７は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）に関する触媒粒子の分散度Ｄと空
気極３および燃料極４の厚さとの関係を示す。 【００４３】 【表７】 【００４４】図６は，表７に基づいて触媒粒子の分散度
Ｄと，空気極および燃料極の厚さとの関係をグラフ化し
たものである。図６より，触媒粒子の分散度Ｄの増加に
伴い空気極および燃料極の厚さが増すことが判る。 III ．燃料電池の発電性能 空気極３および燃料極４の製造で用いられたＰＥＥＫス
ルホン化物と同様のものを使用して厚さ５０μｍの電解
質膜２を成形した。また空気極３の例１〜６と，燃料極
４の例（１）〜（５）を用意し，空気極３の各例１〜６
が燃料極４の例（１）〜（５）と総当りとなるような組
合せを行う，つまり，例１について言えば，例１と例
（１），例１と例（２）……例１と例（５），といった
組合せを行って３０組の電極対を得た。各電極対，した
がって一組の空気極３および燃料極４により電解質膜２
を挟み，１４０℃，１．５ＭＰａ，１分間の条件でホッ
トプレスを行って，電解質膜−電極集成体９を得た。各
電解質膜−電極集成体９を用いて固体高分子型燃料電池
１を組立て，空気極３側からのみ加湿する，という条件
下で発電を行って電流密度と端子電圧との関係を測定し
た。この場合，水の拡散による端子電圧への影響が大で
あることから，各電池の端子電圧の比較値として高電流
密度側である０．８Ａ／cm2 における端子電圧を用い
た。 【００４５】表８は，空気極３の例１〜６および燃料極
４の例（１）〜（５）における両配合重量の比Ｗｐ／Ｗ
ｃと，各電池における空気極および燃料極の組合せと，
０．８Ａ／cm2 における端子電圧とを示す。 【００４６】 【表８】 【００４７】図７は，表８に基づいて空気極３の例１〜
６および燃料極４の例（１）〜（５）の組合せと，端子
電圧との関係をグラフ化したものである。表８，図７か
ら明らかなように，空気極３の例１〜４および燃料極４
の例（２）〜（４）間において組合せを行うと，空気極
３側からのみ加湿する，という条件下で固体高分子型燃
料電池１を運転した場合，その発電性能を向上させるこ
とができる。 【００４８】比較のため，空気極３の例３と燃料極４の
例（３）との組合せを行った燃料電池１において，燃料
極４側からのみ加湿する，という条件下で発電を行って
電流密度と端子電圧との関係を測定したところ，電流密
度０．８Ａ／cm2 における端子電圧は０．６１８Ｖであ
ることが判明した。この端子電圧は，表８における空気
極の例３と燃料極の例（３）とを組合せた場合の端子電
圧０．６９１Ｖに比べて約１０％低いことが明らかであ
る。 【００４９】この事実から，空気極３の例１〜４と燃料
極４の例（２）〜（４）との組合せを行った燃料電池１
において，空気極３側からのみ加湿を行うことの意義が
明らかである。 【００５０】空気極３および燃料極４において，両配合
重量の比Ｗｐ／Ｗｃをそれぞれ前記のように設定する
と，表４より空気極３の厚さｔは，例１〜例４のごと
く，３μｍ≦ｔ≦７μｍになると共に燃料極４の厚さｔ
は，例（２）〜（４）のごとく，６μｍ≦ｔ≦８μｍと
なり，また表５より空気極３における触媒粒子の被覆率
Ｃｃは，例１〜例４のごとく，７２％≦Ｃｃ≦９７％に
なると共に燃料極４における触媒粒子の被覆率Ｃｃは，
例（２）〜（４）のごとく，９５％≦Ｃｃ≦９８％とな
り，さらに表６より空気極３における触媒粒子の分散度
Ｄは，例１〜例４のごとく，２％≦Ｄ≦７％になると共
に燃料極４における触媒粒子の分散度Ｄは，例（２）〜
（４）のごとく，５％≦Ｄ≦８％となる。 【００５１】 【発明の効果】本発明によれば前記のように構成するこ
とによって，空気極側からの加湿のみで運転しても高い
発電性能を発揮することが可能な，安価で，且つ構造の
簡素な固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の概略側面図である。
【図２】両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃと，空気極および燃
料極の保水性との関係を示すグラフである。 【図３】両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃと，空気極および燃
料極の厚さとの関係を示すグラフである。 【図４】両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃと，触媒粒子の被覆
率Ｃｃとの関係を示すグラフである。 【図５】両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃと，触媒粒子の分散
度Ｄとの関係を示すグラフである。 【図６】触媒粒子の分散度Ｄと，空気極および燃料極の
厚さとの関係を示すグラフである。 【図７】空気極および燃料極の組合せと，端子電圧との
関係を示すグラフである。 【符号の説明】 １ 固体高分子型燃料電池 ２ 電解質膜 ３ 空気極 ４ 燃料極
料極の保水性との関係を示すグラフである。 【図３】両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃと，空気極および燃
料極の厚さとの関係を示すグラフである。 【図４】両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃと，触媒粒子の被覆
率Ｃｃとの関係を示すグラフである。 【図５】両配合重量の比Ｗｐ／Ｗｃと，触媒粒子の分散
度Ｄとの関係を示すグラフである。 【図６】触媒粒子の分散度Ｄと，空気極および燃料極の
厚さとの関係を示すグラフである。 【図７】空気極および燃料極の組合せと，端子電圧との
関係を示すグラフである。 【符号の説明】 １ 固体高分子型燃料電池 ２ 電解質膜 ３ 空気極 ４ 燃料極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 松尾 順二
埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式
会社本田技術研究所内
(56)参考文献 特開 平７−134995（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−339815（ＪＰ，Ａ)
特開2001−266901（ＪＰ，Ａ)
特開2001−185162（ＪＰ，Ａ)
特開2001−160406（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 (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 芳香族炭化水素系高分子イオン交換成分
を有する電解質膜（２）と，その電解質膜（２）を挟む
空気極（３）および燃料極（４）とを備え， 前記空気極（３）および燃料極（４）は，それぞれ，カ
ーボンブラック粒子の表面に触媒金属を担持させた複数
の触媒粒子および高分子イオン交換成分からなり，その
高分子イオン交換成分は，前記芳香族炭化水素系高分子
イオン交換成分と同じ芳香族炭化水素系高分子イオン交
換成分および異なる芳香族炭化水素系高分子イオン交換
成分の一方であり， 前記空気極（３）において，前記カーボンブラック粒子
は，６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量ＡがＡ≦
８０ｃｃ／ｇである，といった撥水性を持ち，且つ前記
高分子イオン交換成分の配合重量をＷｐとし，また前記
カーボンブラック粒子の配合重量をＷｃとしたとき，両
配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃが０．２≦Ｗｐ／Ｗ
ｃ≦０．８であり， 前記燃料極（４）において，前記カーボンブラック粒子
は，６０℃の飽和水蒸気圧下における水吸着量ＡがＡ≧
１５０ｃｃ／ｇである，といった親水性を持ち，且つ前
記高分子イオン交換成分の配合重量をＷｐとし，また前
記カーボンブラック粒子の配合重量をＷｃとしたとき，
両配合重量Ｗｐ，Ｗｃの比Ｗｐ／Ｗｃが０．６≦Ｗｐ／
Ｗｃ≦１．２５であり， 前記空気極（３）側からのみ加湿するようにしたことを
特徴とする固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000289079A JP3433171B2 (ja) | 2000-09-22 | 2000-09-22 | 固体高分子型燃料電池 |
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| DE10146506A DE10146506B4 (de) | 2000-09-22 | 2001-09-21 | Festpolymerbrennstoffzelle |
| US09/956,828 US7022426B2 (en) | 2000-09-22 | 2001-09-21 | Solid polymer fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000289079A JP3433171B2 (ja) | 2000-09-22 | 2000-09-22 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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