JP3500086B2

JP3500086B2 - 燃料電池用セル及びこれを用いた燃料電池

Info

Publication number: JP3500086B2
Application number: JP05224399A
Authority: JP
Inventors: 実金子; 幸徳秋山; 泰夫三宅; 育郎米津
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2004-02-23
Anticipated expiration: 2019-03-01
Also published as: JP2000251901A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加湿した反応ガス
を用いて発電する燃料電池に関するものであり、特にセ
ル性能の低下を防止できる燃料電池用電極及びこれを用
いた燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素等の燃料がもつ化学エ
ネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すことによ
って発電を行なう電池であり、固体高分子型燃料電池、
アルカリ型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸型燃
料電池、固体電解質型燃料電池などが一般的に知られて
いる。その中で、以下では、固体高分子型燃料電池(Pol
ymer Electrolyte Fuel Cell、以下「ＰＥＦＣ」と称す
る)について説明する。

【０００３】ＰＥＦＣ(10)は、図９に示すように、電解
質膜(16)の両面に夫々電極反応層(30)(30)とガス拡散性
の集電体層(40)(40)を有したセル(14)を、図１に示すよ
うに、シール部材(18)(18)を介して燃料プレート(50)と
酸化剤プレート(60)で挟持したセルユニットを複数積層
して構成される。なお、以下の説明では適宜、電極反応
層(30)と集電体層(40)からなる構造体を「電極(20)」と
いう。

【０００４】燃料プレート(50)及び酸化剤プレート(60)
のセル側には、夫々電極(20)(20)に対向して燃料室(52)
と酸化剤室(62)が形成されており、燃料室(52)に水素ガ
スを含む燃料ガス、酸化剤室(62)に酸素ガスを含む酸化
剤ガスを供給することによって、燃料室側の電極反応層
(30)(所謂アノード)では、燃料ガス中の水素ガスがＨ₂
→２Ｈ⁺＋２ｅ^-の電気化学的反応によってプロトンと電
子を生成する。プロトンは電解質膜(16)を通って酸化剤
室側に進み、電子は外部回路(図示せず)を流れる。酸化
剤室側の電極反応層(30)(所謂カソード)では、酸化剤中
の酸素ガスと、電解質膜(16)を通って移動したプロト
ン、及び外部回路を通って流入した電子が、１／２Ｏ₂
＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏの電気化学的反応により、水を
生ずるとともに起電力を発生する。電解質膜(16)は、乾
燥した状態では電気抵抗が高く、湿潤した状態ですぐれ
た導電性を示すため、通常、反応ガスを加湿してセルに
供給している。

【０００５】電極反応層(30)には、上記電気化学的反応
を行なう機能の他に、以下の５つの機能が要求される。
第１は、ガス拡散性(透過性)である。これは、各反応ガ
スと電極反応層が効率良く接触して電気化学的反応を起
こすために不可欠な機能である。第２は、撥水機能であ
る。電極反応層の吸湿性が高いと、加湿して供給される
反応ガス中の水分や反応によって生ずる生成水が電極反
応層に吸水されて、ガス拡散性が低下する。このため、
高性能のＰＥＦＣを実現するには、電極反応層の撥水機
能も不可欠である。第３は、電子伝導機能である。電気
化学的反応によって生成した電子を外部回路へ送り出す
機能及び外部回路から電子を取り入れるために不可欠な
機能である。第４は、イオン伝導機能である。アノード
で生成したプロトンがカソードへ移動するためには、イ
オンが移動できる連続したイオン伝導パスを有していな
ければならない。第５は、吸湿性である。第４のイオン
伝導パスは、電極に添加された電解質材によって形成さ
れているため、吸湿性が低下するとイオン伝導性が低下
するので、高性能なＰＥＦＣを実現するためには、この
吸湿性も不可欠である。以上のような機能を具えるよう
に、従来の電極反応層(30)は電極触媒材料、電解質材
料、フッ素樹脂などの撥水性材料を混合し、ローラ成形
法、スプレー法、スクリーン印刷法などの方法によって
作製されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＰＥＦＣは、発電中の
反応ガス加湿量、反応ガス供給量、セル温度などの外的
要因が変動すると、セル電圧が低下する傾向がある。特
に撥水性材料としてフッ素樹脂を混合した電極反応層を
用いたセルでは、その傾向が顕著となる問題があった。
発明者らは、セル電圧の低下原因が、発電中に生じた反
応生成水や、結露水、移動水、逆拡散水が、電極反応層
の内部で滞留して、電極反応層が湿潤過多になったり、
逆に電極や電解質膜が乾燥状態になるためであることを
突き止めた。即ち、電極反応層(30)への水分供給が過剰
となると、電極反応層(30)の内部に滞留した水が、反応
ガスの供給を阻害するためであり、逆に電極反応層(30)
への水分供給が過少になると、セル内に保持された水が
不足し、電極反応層(30)や電解質膜(16)が乾燥して、電
気抵抗が高くなるためであることがわかった。

【０００７】そこで、発明者らは、電極反応層における
水分の移動を制御することによって、セル特性の低下を
防止できることを見出し、本発明の燃料電池用電極の開
発に至った。

【０００８】本発明の目的は、電極反応層を改良するこ
とによって、電極反応層における水分の移動を制御し、
外的要因によるセル電圧などのセル特性の低下を防止で
きる燃料電池用電極と、これを用いた燃料電池を提供す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の燃料電池用セル(14)は、電解質膜(16)の両
面に夫々電極反応層(30)(30)を有し、各電極反応層上に
ガス拡散性を有する集電体層(40)(40)を有した燃料電池
用セルにおいて、少なくとも一方の電極反応層(30)は、
電解質膜(16)側に配備され、電極触媒材料及び電解質材
料からなる第１の電極触媒層(32)と、集電体層(40)側に
配備され、電極触媒材料及び電解質材料からなる第２の
電極触媒層(36)と、第１の電極触媒層(32)と第２の電極
触媒層(36)との間に配備され、撥水性材料、イオン伝導
材料及び電子伝導材料からなる電極撥水層(34)と、を具
える。

【００１０】また、本発明の燃料電池用セル(14)は、電
解質膜(16)の両面に夫々電極反応層(30)(30)を有し、各
電極反応層上にガス拡散性を有する集電体層(40)(40)を
有した燃料電池用セルにおいて、少なくとも一方の電極
反応層(30)は、電解質膜(16)側に配備され、電極触媒材
料及び電解質材料からなる第１の電極触媒層(32)と、集
電体層(40)側に配備され、電極触媒材料及び電解質材料
からなる第２の電極触媒層(36)と、第１の電極触媒層(3
2)と第２の電極触媒層(36)との間に配備され、撥水性材
料からなる電極撥水層(34)と、を具える。電極撥水層(3
4)は、多孔度が５〜９５％となるように形成し、電極撥
水層(34)を挟む電極触媒層(32)(36)どうしが、電極撥水
層(34)の空隙部分(38)を通じて、イオン伝導可能且つ電
子伝導可能となるようにする。

【００１１】本発明のセルユニット(12)は、上記構成の
燃料電池用セル(14)の一方の面に燃料ガスの流通する燃
料室(52)、他方の面に酸化剤ガスの流通する酸化剤室(6
2)を形成したものである。さらに、本発明の燃料電池(1
0)は、前記構成の燃料電池用セルユニット(12)を複数積
層して形成される。

【００１２】

【作用及び効果】電解質膜(16)側に配備された第１の電
極触媒層(32)と、集電体層(40)側に配備された第２の電
極触媒層(36)が、適正な湿潤状態で運転されていると
き、セルユニットの電気化学反応は良好に行われるが、
燃料室(52)に多量の水分を含む燃料ガスが供給される
と、第２電極触媒層(36)は湿潤過多となる。しかし、第
２電極触媒層(36)が湿潤過多となっても、第２電極触媒
層(36)から第１電極触媒層（３２）への過剰水分の移動
は、電極撥水層（３４）によって阻止されるから、第１
電極触媒層(32)では、適正な湿潤状態が維持される。こ
の場合、主たる電気化学反応は、第１電極触媒層(32)で
行われるから、発電効率の低下を抑制できる。一方、酸
化剤室(62)に多量の水分を含む酸化剤ガスが供給される
と、第２電極触媒層(36)が湿潤過多となる。しかし、前
記と同様、第２電極触媒層(36)が湿潤過多となっても、
第２電極触媒層(36)から第１電極触媒層(32)への過剰水
分の移動は、電極撥水層(34)によって阻止されるから、
第１電極触媒層(32)では、適正な湿潤状態が維持され
る。この場合も、主たる電気化学反応は、第１電極触媒
層(32)で行われるから、発電効率の低下を抑制できる。

【００１３】また、燃料室(52)に乾燥状態の燃料ガスが
供給されると、第２電極触媒層(36)が湿潤過少となる。
一方、電解質膜(16)からの逆拡散水の供給によって適正
な湿潤状態にある第１電極触媒層(32)の水分は、電極撥
水層(34)の存在により、乾燥状態の第２電極触媒層(36)
へ移動することはないから、第１電極触媒層(32)の湿潤
状態は適正に維持される。この場合、主たる電気化学反
応は、第１電極触媒層(32)で行われるから、発電効率の
低下を抑制できる。一方、酸化剤室(62)に乾燥状態の酸
化剤ガスが供給されると、第２電極触媒層(36)が湿潤過
少となる。しかし、第１電極触媒層(32)には、反応生成
水と電解質膜(16)からの移動水が供給されるから、適正
な湿潤状態が維持されており、主たる電気化学反応は、
第１電極触媒層(32)で行われるから、発電効率の低下を
抑制できる。

【００１４】導入される燃料ガス及び酸化剤ガスの湿潤
状態は良好であるが、電池の反応熱などによって、電解
質膜側の第１電極触媒層(32)の方が湿潤過多又は湿潤過
少となった場合には、湿潤状態が良好な第２電極触媒層
(36)で、主たる電気化学反応が進行する。

【００１５】上述のように、電極反応層(30)に電極撥水
層(34)を有しているから、外的要因によって電極反応層
に供給される水分量が変化しても、第１電極触媒層(32)
又は第２電極触媒層(36)のうち、湿潤状態が良好などち
らか一方の電極触媒層で、主たる電気化学反応を進行さ
せることができるため、セル特性やセル電圧の低下を抑
制できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】＜実施形態１＞以下では、燃料電
池として、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)を用いた例
について説明する。図１は、ＰＥＦＣ(10)の組立図であ
る。図示するとおり、ＰＥＦＣ(10)は、基本単位となる
セルユニット(12)が、冷却プレート(70)を適宜介在させ
ながら複数積層されて構成される。なお、図では、鉛直
方向にセルユニット(12)を積層して示しているが、実際
には、後述のガスチャンネル内を鉛直に反応ガスが流通
するように設置して使用され、反応生成水や結露水が自
重によってガスチャンネルから滴下しやすいようにして
いる。

【００１７】セルユニット(12)は、セル(14)を、燃料プ
レート(50)と酸化剤プレート(60)との間に、外周シール
部材(18)(18)を挿入した状態で挟持して構成される。セ
ル(14)は、電解質膜(16)の略中央部に電極(20)(20)を配
して形成される。電極(20)(20)は、図２に示すように、
夫々多孔性導電材からなる集電体層(40)(40)と、各集電
体層の上に形成された電極反応層(30)(30)から構成され
る。電極反応層(30)は、集電体層側から順に、触媒作用
を有する第２電極触媒層(36)、撥水作用を有する電極撥
水層(34)、触媒作用を有する第１電極触媒層(32)を積層
して構成される。第１及び第２の電極触媒層(32)(36)
は、電極触媒材料及び電解質材料から構成され、電極撥
水層(34)は、撥水性材料、イオン伝導材料及び電子伝導
材料から構成される。上記両電極(20)(20)は、電極反応
層(30)(30)の第１電極触媒層(32)(32)が夫々電解質膜(1
6)と接するように、電解質膜(16)の各面に配置され、ホ
ットプレスによって圧着することにより、セル(14)が作
製される。

【００１８】なお、電極反応層(30)は、上記３層構造に
限定されるものではなく、電極触媒層と電極撥水層を交
互に複数積層して形成した５層、７層などの多層構造と
することもできる。なお、この場合でも、電極反応層の
両端、つまり、集電体層側と電解質膜側は、電極触媒層
となるようにしておく。また、電極反応層(30)(30)は、
両方に電極撥水層(34)を設けることが望ましいが、一方
の電極反応層(30)にのみ設けるだけでも、セル電圧の低
下を抑える効果がある。電極撥水層を一方のみに設ける
場合、水分の供給量の制御が困難なアノード側(燃料室
に対向する側)の電極反応層に設けることが望ましい。

【００１９】燃料プレート(50)は、カーボン製の緻密な
導電体基板であって、セル(14)の電極(20)に対向する部
位に、複数のガスチャンネルが凹設された燃料室(52)
(共に図１では、燃料プレートの裏側となり見えない)を
具える。酸化剤プレート(60)は、カーボン製の緻密な導
電体基板であって、セルの電極(20)と対向する部位に、
複数のガスチャンネルが凹設された酸化剤室(62)を具え
る。冷却プレート(70)は、カーボン製の緻密な導電体基
板であって、一方の面に冷却水の流通する複数のチャン
ネルが凹設された冷却室(72)を具える。

【００２０】セルユニット(12)のセル(14)と各プレート
(50)(60)、及び冷却プレート(70)の各角部には、反応ガ
ス供給及び排出用のマニホールドを構成する貫通孔(80)
(81)(82)(83)、一対の対向する辺の中央部には、冷却水
供給及び排出用のマニホールドを形成する貫通孔(84)(8
5)が夫々セルユニットの積層方向と平行に開設されてい
る。貫通孔(80)(81)は燃料プレート(50)にて燃料室(52)
と連通しており、貫通孔(82)(83)は酸化剤プレート(60)
にて酸化剤室(62)と連通している。また、貫通孔(84)(8
5)は冷却プレート(70)にて冷却室(72)と連通している。

【００２１】上記構成のＰＥＦＣ(10)に、燃料ガス、酸
化剤ガス及び冷却水を供給することにより発電が行なわ
れる。燃料ガスとして、純水素ガス又は改質器(図示せ
ず)によって改質された水素リッチガスを例示できる。
酸化剤ガスとして、空気などの酸素ガスを含むガスを例
示できる。燃料ガス及び／又は酸化剤ガスは、電解質膜
(16)を湿潤させるために、予め加湿を行なっておく。

【００２２】ＰＥＦＣ(10)に導入された燃料ガスは、貫
通孔(80)から燃料室(52)に供給され、酸化剤ガスは貫通
孔(82)から酸化剤室(62)に、冷却水は貫通孔(84)から冷
却室(72)に夫々供給される。燃料室(52)に供給された燃
料ガスと、酸化剤室に供給された酸化剤ガスは、夫々集
電体層(40)でガス拡散しつつ電極反応層(30)に達する。
燃料室側の電極触媒層(32)(36)では、電気化学的反応に
よってプロトンと電子を生成し、プロトンは固体高分子
電解質膜を通って酸化剤室側に進み、電子は外部回路
(図示せず)を流れる。酸化剤室側の電極触媒層(32)(36)
では、酸化剤中の酸素ガスと、電解質膜を通って移動し
たプロトンと、外部回路を通って流入した電子が、電気
化学的反応により、水を生ずるとともに起電力を発生す
る。

【００２３】ところで、各電極における電気化学反応
は、セルユニット内部の水分量が一定で湿潤状態が適正
であるときは、良好に進行する。しかし、セルユニット
内部の水分量は、前述したように種々の外的要因によっ
て増減する。そこで、本発明では、電極反応層(30)に電
極撥水層(34)を設けるようにしたものであり、以下に説
明するとおり、セルユニット内部の水分量に増減が生じ
た場合でも、良好な電気化学反応を維持することができ
る。

【００２４】例えば、多量の水分を含む燃料ガスが燃料
室(52)に供給された場合、又は多量の水分を含む酸化剤
ガスが酸化剤室(62)に供給された場合、第２電極触媒層
(36)は湿潤過多となるが、第２電極触媒層(36)から第１
電極触媒層(32)への過剰な水分の移動は、図２に示すよ
うに、電極撥水層(34)によって阻止される。この場合、
湿潤状態が適正な第１電極触媒層(32)が主たる反応層と
なって電気化学反応が進行する。

【００２５】逆に、乾燥状態の燃料ガスが燃料室(52)に
供給された場合、又は乾燥状態の酸化剤ガスが酸化剤室
(62)に供給された場合、第２電極触媒層(36)は乾燥状態
になるが、湿潤状態の第１電極触媒層(32)から乾燥状態
の第２電極触媒層(36)への水分の移動は、図３に示すよ
うに、電極撥水層(34)によって阻止されるから、湿潤状
態が適正な第１電極触媒層(32)が主たる反応層となって
電気化学反応が進行する。

【００２６】また、導入される燃料ガス及び酸化剤ガス
の湿潤状態は良好であるが、電池の反応熱などによっ
て、電解質膜側の第１電極触媒層(32)が湿潤過多又は湿
潤過少となった場合には、湿潤状態が良好である第２電
極触媒層(36)が主たる反応層となって電気化学反応が進
行する。

【００２７】上述のように、電池の発電中、外的要因に
よって、電極反応層(30)に供給される水分量が変化した
り、電池の反応熱の変動が生じたりした場合でも、電極
撥水層(34)の存在により、水分量の多い電極触媒層か
ら、水分量の少ない電極触媒層への水の移動は起こらな
いから、適正な湿潤状態にあるどちらか一方の電極触媒
層が主反応層となって電気化学反応が進行するから、セ
ル特性やセル電圧の低下を抑制できる。

【００２８】なお、以下に本発明に好適な材料、厚さ、
作製方法などを例示する。電解質膜(16)は、陽イオン交
換膜であれば、その種類は特に限定されるものではない
が、例えば、Nafion膜(デュポン社製)を用いることがで
きる。

【００２９】アノード側(燃料室に対向する側)の電極触
媒層(32)(36)の電極触媒材料として、単体の白金、ルテ
ニウム、金、銀、パラジウム、ロジウムなどの一般的な
触媒材料の一種又はこれらの合金を用いることができ
る。また、前記材料に、鉄、ニッケル、クロム、モリブ
デン、イリジウム、ガリウム、チタン、バナジウム、ア
ルミニウム、スズなどの触媒材料を加えた合金を用いて
もよい。なお、燃料ガスとして、ＣＯやＣＯ₂を含む改
質ガスを用いる場合には、白金−ルテニウム合金(元素
比１：１)からなる触媒を用いると、性能面で最適とな
る。

【００３０】カソード側(酸化剤室に対向する側)の電極
触媒層(32)(36)の電極触媒材料として、単体の白金、ニ
ッケル、鉄、銅、クロム、バナジウム、金、銀、パラジ
ウム、ロジウム、イリジウム、ガリウム、チタン、アル
ミニウム、スズなどの触媒材料の一種又はこれらの合金
を用いることができ、白金単体または白金との合金を用
いることが望ましい。

【００３１】撥水性材料は、ポリテトラフルオロエチレ
ン(ＰＴＦＥ)、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(ＰＦＡ)、テトラフル
オロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(Ｆ
ＥＰ)、ポリクロロトリフルオロエチレン(ＰＣＴＦ
Ｅ)、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、ポリフッ化ビ
ニル(ＰＶＦ)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重
合体(ＥＴＦＥ)からなる群より選択することができる。
電極撥水層(34)は、適度な撥水性を維持するために、撥
水性材料を０.５〜５０重量％含有することが望まし
い。なお、電極撥水層(34)の撥水性は、電極撥水層(34)
の厚さ方向に均一となるようにしてもよいし、電極撥水
層(34)の厚さ方向の中央に向かうほど撥水性材料の添加
量を増やして撥水性を高くするようにしてもよい。

【００３２】イオン伝導材料は、パーフルオロカーボン
スルホン酸ポリマー、パーフルオロカーボンカルボン酸
ポリマー、スチレンスルホン酸−ジビニルベンゼン共重
合体、スチレンスルホン酸−ブタジエン共重合体、スル
ホン化ポリエチレンからなる群より選択することができ
る。

【００３３】例示した電極撥水層(34)の材料のうち、最
も望ましい組み合わせは、撥水材料が、ポリテトラフル
オロエチレン(ＰＴＦＥ)又はテトラフルオロエチレン−
ヘキサフルオロプロピレン共重合体、イオン伝導材料が
パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、電子伝導材
が触媒担持カーボンである。

【００３４】電極撥水層(34)の厚さは、０.５μｍ〜４
０μｍとすることが望ましい。層厚が０.５μｍよりも
薄くなると、十分な撥水作用を得ることができないため
である。層厚を４０μｍ以下としたのは、電極撥水層(3
4)は、所定の撥水性を維持しつつ、且つ反応に関与する
ガスの拡散を阻害しないように、できるだけ薄く形成す
ることが望ましいからである。

【００３５】＜実施形態２＞上記実施形態１では、電極
撥水層(34)を、撥水性材料、イオン伝導材料と電子伝導
材料から構成したが、電極撥水層(34)は、撥水性材料の
みから作製することもできる。なお、電極撥水層(34)以
外のセルユニット(12)の構成は、実施形態１と同じであ
るため説明を省略する。この場合、電極撥水層(34)は、
イオン伝導材料と電子伝導材料を含んでいないため、イ
オン導電性及び電子導電性を具備しない。このため、図
４に示すように、電極撥水層(34)を多孔構造として、電
極撥水層(34)の空隙部分(38)を通じて、電極撥水層(34)
を挟む電極触媒層(32)(36)どうしが、イオン伝導可能且
つ電子伝導可能となるようにする。

【００３６】表１に、電極撥水層(34)の多孔度と、セル
抵抗の関係を示している。表１を参照すると、電極撥水
層(34)を挟む両電極触媒層(32)(36)が適度な導電性を維
持するには、電極撥水層(34)の多孔度を５％以上とする
ことが適当であり、３０％以上とすることが望ましいこ
とがわかる。

【００３７】

【表１】

【００３８】一方、電極撥水層(34)の多孔度を高める
と、電極撥水層(34)の撥水性は低下するから、所定の撥
水性を維持するには、電極撥水層(34)の多孔度は、９５
％以下とすることが適当であり、７０％以下とすること
が望ましい。

【００３９】また、電極撥水層(34)を挟む電極触媒層(3
2)(36)が適度な導電性を維持しつつ、電極触媒層間の水
の移動を制御するには、電極撥水層(34)の層厚は、１〜
３０μｍとすることが適当であり、３〜１０μｍとする
ことが望ましい。

【００４０】上記電極撥水層(34)は、第１電極触媒層(3
2)又は第２電極触媒層(36)に撥水性材料を噴霧すること
によって形成することができる。なお、撥水性材料は、
実施形態１に例示した撥水性材料を用いることができ
る。

【００４１】電極反応層(30)に、電極撥水層(34)を設け
ることによって、実施形態１と同様に、外的要因によっ
て、電極反応層(30)に供給される水分量が変化しても、
水分の多い電極触媒層から水分の少ない電極触媒層への
水の移動は、電極撥水層(34)によって抑制され、湿潤状
態が適正などちらか一方の電極触媒層が、主たる反応層
となって電気化学反応が進行し、セル特性やセル電圧の
低下を抑制できる。なお、電極撥水層(34)の空隙部分(3
8)を通じて、第１電極触媒層(32)と第２電極触媒層(36)
が電気的に接続されているから、両電極触媒層(32)(36)
のイオン伝導性及び電子伝導性は、確保される。

【００４２】

【実施例】＜実施例１＞以下の条件でセル(14)を作製
し、作製されたセル(14)を用いたＰＥＦＣ(10)を組み立
てて、電流密度とセル電圧の関係を調べた。なお、本実
施例は、実施形態１に対応する。

【００４３】・電極の作製集電体層(40)は、カーボンペーパにテトラフルオロエチ
レン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ＦＥＰ)の１
６重量％溶液を含浸させて、約３６０℃で１時間熱処理
することによって作製した。電極反応層(30)は、白金担
持カーボン：Nafion(デュポン社製)＝１０：１(重量比)
の組成物を、スクリーン印刷法によって上記集電体上に
形成した第２の電極触媒層(36)と、該第２触媒層(36)上
に、白金担持カーボン：Nafion：ＰＴＦＥ＝６：１：４
(重量比)の組成物をスクリーン印刷法で厚さ５μｍに形
成した電極撥水層(34)と、該電極撥水層(34)上に、白金
担持カーボン：Nafion＝１０：１(重量比)の組成物をス
クリーン印刷法により形成した第１の電極触媒層(32)の
３層構造とした。・セルの作製電解質膜(16)としてNafion112(デュポン社製)を用い、
電解質膜(16)の両面に上記電極(20)を、１５０℃、７０
ｋｇ／ｃｍ²、処理時間９０秒の条件でホットプレスし
て、セルを作製した(図２参照)。

【００４４】作製されたセル(14)を、図１に示すよう
に、ＰＥＦＣ(10)に組み込んで、以下の条件で作動さ
せ、電流密度とセル電圧を測定した(発明例)。なお、比
較のために、電極撥水層を形成していないセル(14)(図
９参照)を用いたＰＥＦＣを作製し、同様に電流密度と
セル電圧を測定した(比較例)。

【００４５】ＰＥＦＣ(10)の作動条件は、以下の通りと
し、燃料ガスの加湿温度をセル温度よりも高くすること
により、燃料ガスを加湿過多の状態で供給している。・電極面積：２５ｃｍ² ・燃料ガス：Ｈ₂ガス・酸化剤ガス：空気・セル温度：８０℃ ・燃料ガス加湿温度：９５℃ ・酸化剤ガス加湿温度：７８℃

【００４６】結果を図５に示す。図５を参照すると、発
明例は、燃料加湿温度が高い９５℃の加湿過多の状態で
も、比較例に比べて良好なセル電圧を示した。特に、電
流密度が大きい領域でのセル電圧の低下が小さく、効果
が顕著であった。

【００４７】＜実施例２＞実施例１のＰＥＦＣ作動条件
について、燃料ガスの加湿温度をセル温度よりも低くす
ることにより、燃料ガスを加湿過少の状態で供給し、同
様に電流密度とセル電圧を測定した。なお、作動条件以
外は、実施例１と同じであり、本実施例は、実施形態１
に対応する。・電極面積：２５ｃｍ² ・燃料ガス：Ｈ₂ガス・酸化剤ガス：空気・セル温度：８０℃ ・燃料ガス加湿温度：６０℃ ・酸化剤ガス加湿温度：７８℃

【００４８】結果を図６に示す。図６を参照すると、発
明例は、燃料加湿温度が低い６０℃の加湿過少の状態で
も、比較例に比べて良好なセル電圧を示した。特に、電
流密度が小さい領域でのセル電圧の低下が小さく、効果
が顕著であった。これは、逆拡散水によって第１電極触
媒層(32)が湿潤状態を維持し、電気化学反応が進行した
ためである。

【００４９】＜実施例３＞以下の条件で、本発明のセル
(14)を作製し、作製されたセルを用いてＰＥＦＣ(10)を
組み立てて、電流密度とセル電圧の関係を調べた。な
お、本実施例は、実施形態２に対応する。

【００５０】・電極の作製集電体層(40)として、カーボンペーパーを使用した。電
極反応層(30)は、白金担持カーボンにNafion溶液(デュ
ポン社製)２０重量％と、ＰＴＦＥ２０重量％を混合し
た組成物を、スクリーン印刷法によって上記集電体層(4
0)上に形成した第２の電極触媒層(36)と、該第２触媒層
(36)上に、ＰＴＦＥ溶液を層厚５μｍ、多孔度５０％と
なるように噴霧して形成した電極撥水層(34)と、該電極
撥水層(34)上に、白金担持カーボンにNafion溶液(デュ
ポン社製)２０重量％と、ＰＴＦＥ２０重量％を混合し
た組成物を、スクリーン印刷法によって上記電極撥水層
(34)上に形成した第１の電極触媒層(32)の３層構造とし
た。・セルの作製電解質膜(16)としてNafion112(デュポン社製)を用い、
該電解質膜(16)の両面に上記電極(20)を、１５０℃、７
０ｋｇ／ｃｍ²、処理時間９０秒の条件でホットプレス
して、電極面積２５ｃｍ²のセル(14)を作製した(図４参
照)。

【００５１】作製されたセル(14)を、図１に示すよう
に、ＰＥＦＣ(10)に組み込んで、以下の条件で作動さ
せ、電流密度とセル電圧を測定した(発明例)。なお、比
較のために、電極撥水層を形成していないセル(14)(図
９参照)を用いたＰＥＦＣを作製し、同様に電流密度と
セル電圧を測定した(比較例)。

【００５２】ＰＥＦＣの作動条件は、以下の通りとし、
燃料ガスの加湿温度をセル温度よりも高くすることによ
り、燃料ガスを加湿過多の状態で供給している。・燃料ガス：Ｈ₂ガス・酸化剤ガス：空気・セル温度：８０℃ ・燃料ガス加湿温度：９５℃ ・酸化剤ガス加湿温度：７８℃

【００５３】結果を図７に示す。図７を参照すると、発
明例は、燃料加湿温度が高い９５℃の加湿過多の状態で
も、比較例に比べて良好なセル電圧を示した。特に、電
流密度が大きい領域でのセル電圧の低下が小さく、効果
が顕著であった。

【００５４】＜実施例４＞実施例３のＰＥＦＣ作動条件
について、燃料ガスの加湿温度をセル温度よりも低くす
ることにより、燃料ガスを加湿過少の状態で供給し、同
様に電流密度とセル電圧を測定した。なお、作動条件以
外は、実施例３と同じであり、本実施例は、実施形態２
に対応する。・燃料ガス：Ｈ₂ガス・酸化剤ガス：空気・セル温度：８０℃ ・燃料ガス加湿温度：６０℃ ・酸化剤ガス加湿温度：７８℃

【００５５】結果を図８に示す。図８を参照すると、発
明例は、燃料加湿温度が低い６０℃の加湿過少の状態で
も、比較例に比べて良好なセル電圧を示した。特に、電
流密度が小さい領域でのセル電圧の低下が小さく、効果
が顕著であった。これは、逆拡散水によって第１電極触
媒層(32)が湿潤状態を維持し、電気化学反応が進行した
ためである。

【００５６】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)の組立図であ
る。

【図２】本発明のセルの断面図である。

【図３】本発明のセルの断面図である。

【図４】本発明のセルの異なる実施形態を示す断面図で
ある。

【図５】実施例１の結果を示すグラフであって、電流密
度とセル電圧との関係を示している。

【図６】実施例２の結果を示すグラフであって、電流密
度とセル電圧との関係を示している。

【図７】実施例３の結果を示すグラフであって、電流密
度とセル電圧との関係を示している。

【図８】実施例４の結果を示すグラフであって、電流密
度とセル電圧との関係を示している。

【図９】従来のセルの断面図である。

【符号の説明】

(10) 固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ) (12) セルユニット (14) セル (16) 電解質膜 (30) 電極反応層 (32) 第１電極触媒層 (34) 電極撥水層 (36) 第２電極触媒層 (40) 集電体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米津育郎大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (56)参考文献特開平７−288136（ＪＰ，Ａ) 特開平９−245800（ＪＰ，Ａ) 特開平５−251086（ＪＰ，Ａ) 特開平６−52871（ＪＰ，Ａ) 特開平８−321315（ＪＰ，Ａ) 特開平11−135133（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−26685（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】電解質膜の両面に夫々電極反応層を有し、
各電極反応層上にガス拡散性を有する集電体層を有した
燃料電池用セルにおいて、少なくとも一方の電極反応層
は、前記電解質膜側に配備され、電極触媒材料及び電解質材
料からなる第１の電極触媒層と、前記集電体層側に配備され、電極触媒材料及び電解質材
料からなる第２の電極触媒層と、前記第１の電極触媒層と前記第２の電極触媒層との間に
配備され、撥水性材料、イオン伝導材料及び電子伝導材
料からなる電極撥水層と、を具えていることを特徴とす
る燃料電池用セル。
【請求項２】前記電極撥水層は、撥水性材料を０ . ５〜
５０重量％含有する請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項３】前記電極撥水層は、厚さ０ . ５〜４０μｍ
である請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セル。
【請求項４】電解質膜の両面に夫々電極反応層を有し、
各電極反応層上にガス拡散性を有する集電体層を有した
燃料電池用セルにおいて、少なくとも一方の電極反応層は、前記電解質膜側に配備され、電極触媒材料及び電解質材
料からなる第１の電極触媒層と、前記集電体層側に配備され、電極触媒材料及び電解質材
料からなる第２の電極触媒層と、前記第１の電極触媒層と前記第２の電極触媒層との間に
配備され、撥水性材料からなる電極撥水層と、を具えて
いることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項５】前記電極撥水層は、多孔度が５〜９５％と
なるように形成されており、前記電極撥水層を挟持する
前記第１の電極触媒層と前記第２の電極触媒層どうし
が、前記電極撥水層の空隙部分を通じて、イオン伝導可
能且つ電子伝導可能となっている請求項４に記載の燃料
電池用セル。
【請求項６】前記電極撥水層は、厚さは１〜３０μｍで
ある請求項４又は請求項５に記載の燃料電池用セル。
【請求項７】請求項１乃至請求項６の何れかに記載の燃
料電池用セルの一方の面に燃料ガスの流通する燃料室、
他方の面に酸化剤ガスの流通する酸化剤室を形成したこ
とを特徴とする燃料電池用セルユニット。
【請求項８】請求項７に記載の燃料電池用セルユニット
を複数積層して形成したことを特徴とする燃料電池。