JP3929146B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として純水素、あるいはメタノールまたは化石燃料からの改質水素などの還元剤を用い、空気や酸素の酸化剤を反応ガスとする固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣとする）に関するものであり、特に無加湿の反応ガスにより作動するＰＥＦＣに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＥＦＣは電解質である高分子電解質膜とガス拡散電極との接合体（以下ＭＥＡとする）からなり、図１に示すように正極４、負極５でそれぞれ（化１），（化２）の反応が起こっている。
【０００３】
【化１】
【０００４】
【化２】
【０００５】
上記反応が起こる際、負極で発生したプロトンが高分子電解質膜１を介して正極へ移動する。高分子電解質は十分に含水した状態でなければ高いイオン伝導性を示さないので、乾燥を防ぐために一般的には加湿器などを用いて常に反応ガスを加湿する必要がある。また、高電流密度を得るために電極のガス拡散層２は高いガス透過性が必要とされる。そのため、ガスの拡散経路が閉塞されないように過剰な水分をＭＥＡ外部に排出しなければならない。たとえば、特開平６−２９５７２８号公報ではフッ素樹脂により撥水処理を行ったポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙をガス拡散層に用いている。また、特開平７−１３４９９３号公報では燃料極の拡散層は触媒層３側ほど疎水性が低くなるように疎水性に傾斜を設け、正極の拡散層は触媒層側ほど疎水性が高くなるように疎水性に傾斜を設けている。この構造により燃料極側の高分子電解質の含水率の低下を防ぎ、正極側の生成水により触媒層が濡れガスの拡散経路を塞ぐ状態であるフラッディングを防いでいる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の加湿されたガスによって作動するＰＥＦＣは、過剰な水分はＭＥＡ外に排出するように設計されているため、無加湿のガスを用いて作動させると高分子電解質膜および触媒層中の高分子電解質が乾燥し、プロトンの移動が起こりにくくなる。さらに、触媒層中の高分子電解質が収縮し、白金触媒を被覆している面積すなわち反応面積が減少し、その結果ＰＥＦＣの内部抵抗が増大するため、高い特性は得られない。また、無加湿のガスによるＰＥＦＣの作動は加湿ガスによる作動とは異なり正極における生成水によるフラッディングは起こりにくいので、正極で生成される水をＭＥＡ外部に排出することなくＭＥＡ内部に保持することが重要である。特開平７−１３４９９３号公報による構造においても無加湿ガスによって作動すると正極からの水分の蒸発が大きいため同様に内部抵抗が増大する。
【０００７】
本発明はガス拡散を阻害することなく、ＭＥＡ内部の保水性を向上させることにより、正極で生成する水を用いて高分子電解質を含水させることを可能とするものであり、その結果、無加湿のガスによりＰＥＦＣの作動が可能となる。以上のように、本発明は無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを提供することを目的とする。
【０００８】
【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は、無加湿の空気または酸素と無加湿の水素または水素を含む改質ガスを用いて作動するＰＥＦＣにおいて、導電性多孔質材料の全体にわたってフッ素樹脂を１６〜５５重量％添加したガス拡散層を正極および負極のうち少なくとも一方に用いることにより、ガス拡散を阻害することなくＭＥＡ内部の保水性を向上させ、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることを可能とするものである。
【０００９】
本発明によれば、ガス拡散を阻害することなく、またＭＥＡ内部の保水性に優れているため、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることができ、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００１０】
ガス拡散層は、気孔率が４５〜７５％である。
また、ガス拡散層は、直径が１７〜９０μｍである細孔の比容積が０．４５〜１．２５ｃｍ2／ｇである。
【００１１】
フッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体を用いる。
【００１２】
導電性多孔質材料としては、ポリアクリルロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙を用いる。
【００１３】
また、前記ＰＥＦＣにおける正極および負極のうち少なくとも一方に、有機溶媒に貴金属触媒を担持した炭素粉末を分散させて分散液を得る工程と、前記分散液と高分子電解質のアルコール溶液とを混合し高分子電解質のコロイドを生成させるとともに前記コロイドを前記炭素粉末に吸着させた混合液を得る工程と、この混合液を上記ガス拡散層の片面に塗布する工程とにより作製された電極を用いる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、高分子電解質膜の両側に正極および負極を配置し、その正極および負極は触媒層とガス拡散層とからなり、正極には無加湿の空気または酸素を、負極には無加湿の水素または水素を含む改質ガスを供給して作動する固体高分子型燃料電池において、前記正極および負極のうち少なくとも一方のガス拡散層は導電性多孔質材料にフッ素樹脂を１６〜５５重量％添加した固体高分子型燃料電池であり、ガス拡散を阻害することなく、またＭＥＡ内部の保水性に優れているため、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることができる、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００１５】
フッ素樹脂添加率が少ないとガス拡散層の撥水性が低くなるため、正極の触媒層で生成、凝集した水がガス拡散層を通り抜けＭＥＡ外部に排出されやすくなる。その結果、ＭＥＡが乾燥し高分子電解質の含水率が低下することにより、内部抵抗が低下し、電圧が低下する。
【００１６】
一方、フッ素樹脂添加率が多いとガス拡散層では撥水性が高くなりかつ気孔率が低下するため、ガス拡散層がＭＥＡの蓋のように作用し、液体となった水はガス拡散層を通過しにくくなる。しかしながら、ガス透過能も同様に低下するため、反応ガスの拡散律速となるり電圧が低下する。
【００１７】
この様に無加湿ガスにより作動する高性能なＰＥＦＣは、拡散層の撥水性とガス透過能のバランスが重要であり、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高めるにはフッ素樹脂を１６〜５５重量％添加すると効果がある。さらに好ましくは、フッ素樹脂添加量が４０〜５０重量％である。
【００１８】
ガス拡散層のフッ素樹脂添加率は（数１）の式で求められるものである。
【００１９】
【数１】
【００２０】
また、撥水処理を施したガス拡散層の気孔率が４５〜７５体積％のとき、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高める効果があり、高性能なＰＥＦＣを得ることができる。さらに好ましくは、気孔率が５０〜７０体積％である。
【００２１】
また、撥水処理を施したガス拡散層は直径が１７〜９０μｍの細孔の比容積が０．４５〜１．２５ｃｃ／ｇのとき、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高める効果があり、高性能なＰＥＦＣを得ることができる。さらに好ましくは、直径が１７〜９０μｍの細孔の比容積が０．５５〜０．８０ｃｃ／ｇである。
【００２２】
さらにフッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体を用いると、より高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００２３】
また導電性多孔質材料としては、ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙を用いると、より高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００２４】
また、ＰＥＦＣにおける正極および負極のうち少なくとも一方に、有機溶媒に貴金属触媒を担持した炭素粉末を分散させて分散液を得る工程と、前記分散液と高分子電解質のアルコール溶液とを混合し高分子電解質のコロイドを生成させるとともに前記コロイドを前記炭素粉末に吸着させた混合液を得る工程と、この混合液を上記ガス拡散層の片面に塗布する工程とによる滴下法により作製された電極を用いる。
【００２５】
ガス拡散電極の作製方法の違いにより触媒層における高分子電解質の分散性が異なり、ＰＥＦＣ特性に影響を与える。本発明のフッ素樹脂添加率による効果をより向上させるには上記滴下法が良い。滴下法では高分子電解質が薄く、高分散に白金担持炭素粉末に吸着するため、触媒層の高分子電解質のネットワークが全体に網目状に発達している。無加湿ガスによるＰＥＦＣの作動においては、このような触媒層の状態が触媒層に停留している生成水を効率良く高分子電解質膜に戻す働きをし、より高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態に基づいて得られるＰＥＦＣについて説明する。
（実施の形態１）
図２（ａ）に示すガス拡散電極作製方法（以下含浸法とする）に従い、以下の様にＭＥＡを作製した。
【００２７】
まず、白金触媒を担持させた炭素粉末をＰＴＦＥを添加することにより撥水処理した炭素微粉末と混合した。この触媒用混合粉末をあらかじめ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（以下ＦＥＰとする）を１６〜５５重量％溶着してなるポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙の片面に散布し、３４０〜３８０℃，５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスしてガス拡散電極を得た。
【００２８】
上記ガス拡散電極への高分子電解質の添加は、イソプロピルアルコール２ｍＬあたりＮａｆｉｏｎ溶液０．０５〜１．５ｇを混合した溶液をカーボンペーパー側からポンプによって吸引した状態で塗布し乾燥する方法を用いた。
【００２９】
上記ガス拡散電極２枚で高分子電解質膜を挟持しホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。以上の工程により得られたＭＥＡはガス拡散を阻害することなく、またＭＥＡ内部の保水性に優れているため、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることができる、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００３０】
（実施の形態２）
図２（ｂ）に示すガス拡散電極作製方法（以下滴下法とする）に従い、以下の様にＭＥＡを作製した。
【００３１】
まず、白金触媒を担持させた炭素粉末をＰＴＦＥを添加することにより撥水処理した炭素微粉末と混合した。この触媒用混合粉末をｎ−酢酸ブチルに混合し、白金触媒の分散液を得る。上記分散液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、高分子電解質のアルコール溶液を滴下し、続いて超音波分散器を用いてペースト状にした。このペーストをあらかじめＦＥＰを１６〜５５重量％溶着してなるポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙の片面に塗着した後、乾燥してガス拡散電極を得た。上記ガス拡散電極２枚で高分子電解質膜を挟持しホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。
【００３２】
以上の工程により得られたＭＥＡはガス拡散を阻害することなく、また（実施の形態１）に示したＰＥＦＣより高分子電解質が触媒層中に薄く、高分散に吸着しているため、ＭＥＡ内部の保水性がより優れている。その結果、正極で生成する水で高分子電解質をより効率良く含水させることができる、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００３３】
【実施例】
次に本発明の具体例を説明する。
【００３４】
（実施例１）
フッ素樹脂としてＦＥＰを用い、ＦＥＰ添加量を８〜６０重量％のガス拡散層を作製した。
【００３５】
作製方法は、ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙として（株）東レ製のカーボンペーパーを、ダイキン工業（株）の商品名“ＮＤ−１”をイオン交換水で希釈したＦＥＰ分散液に浸漬し、焼成することによりＦＥＰをカーボンペーパーに溶着させた。ＮＤ−１の希釈度を調整することにより表１に示すＦＥＰ添加量を８〜６０重量％のガス拡散層Ａ〜Ｆを作製した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
作製したガス拡散層Ａ〜Ｆの圧力損失を測定し、ＦＥＰ添加率とガス拡散層の圧力損失の関係を図３に示した。その結果、ＦＥＰ添加率が高くなるとガス拡散層の圧力損失が増加した。
【００３８】
次に、ガス拡散層Ａ〜Ｆの気孔率および細孔分布を水銀圧入法により測定した。
【００３９】
図４にＦＥＰ添加量とガス拡散層の気孔率との関係を示した。その結果、ＦＥＰ添加率が高くなると気孔率が低下し、細孔にＦＥＰが充填していることがわかる。
【００４０】
図５にガス拡散層Ａ〜Ｆの各々の細孔分布を示した。その結果、直径１７〜９０μｍに大きなピークが見られ、このピークはＦＥＰ添加率の増加に伴って細孔比容積が減少した。これにより、カーボンペーパーにおいて直径が１７〜９０μｍの細孔が主であり、ＦＥＰはこの径の細孔に分布していることがわかった。
【００４１】
表２にガス拡散層Ａ〜ＦのＦＥＰ添加率に対する気孔率と、直径が１７〜９０μｍの細孔比容積をまとめたものを示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
（実施例２）
実施例１で作製したガス拡散層Ａ〜Ｆを用いて図２（ａ）の含浸法に従い、以下のようにしてＰＥＦＣを作製した。
【００４４】
白金触媒を１０〜３０ｗｔ％担持させた炭素粉末と、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加することによって撥水処理した炭素微粉末とを８：２〜５：５の範囲で混合した。この触媒層用混合粉末を、実施例１のＦＥＰ添加量が８〜６０重量％のガス拡散層の片面に散布し、３４０〜３８０℃，５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。この電極への高分子電解質の添加は、イソプロピルアルコール２ｍｌあたり米国アルドリッチケミカル社製の商品名“５％ Ｎａｆｉｏｎ溶液”を０．０５〜１．５ｇ混合した溶液をカーボンペーパー側からポンプによって吸引した状態で塗布し、乾燥する方法を用いた。上記電極２枚で高分子電解質膜としての米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１２を挟持し、ホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。白金および高分子電解質の添加量は、両極とも見かけ電極面積当たりそれぞれ０．５ｍｇ／ｃｍ2および１．０ｍｇ／ｃｍ2である。このＭＥＡを用いて構成したＰＥＦＣを電池Ａ〜Ｆとする。
【００４５】
（実施例３）
実施例１で作製したガス拡散層Ａ〜Ｆを用いて図２（ｂ）の滴下法に従い、以下のようにしてＰＥＦＣを作製した。
【００４６】
白金触媒を１０〜３０ｗｔ％担持させた炭素粉末と、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加することによって撥水処理した炭素微粉末とを８：２〜５：５の範囲で混合した。この触媒層用混合粉末を、ｎ−酢酸ブチルに白金とｎ−酢酸ブチルの重量比が１：１２０となるように混合し、白金触媒の分散液を得る。上記分散液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、高分子電解質のアルコール溶液を白金量と高分子電解質量が１：２となるまで滴下し、続いて超音波分散器を用いてペースト状にした。高分子電解質のアルコール溶液は米国アルドリッチケミカル社製の商品名“５％ Ｎａｆｉｏｎ溶液”を用いた。このペーストを上記のＦＥＰ添加量が１６重量％のガス拡散層の片面に塗着した後、乾燥してガス拡散電極を得た。上記電極２枚で高分子電解質膜としての米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１２を挟持し、ホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。白金および高分子電解質の添加量は、両極とも見かけ電極面積当たりそれぞれ０．５ｍｇ／ｃｍ2および１．０ｍｇ／ｃｍ2である。このＭＥＡを用いて構成したＰＥＦＣを電池ａ〜ｆとする。
【００４７】
上記実施例２の含浸法により作製した電池Ａ〜Ｆと、実施例３の滴下法により作製した電池ａ〜ｆの負極に水素ガスを、正極に空気を共に無加湿で供給し、０．２Ａ／ｃｍ2の定電流放電を行った。
【００４８】
図６にガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池Ａ〜Ｆおよび電池ａ〜ｆの電流値０．２Ａ／ｃｍ2での電圧の関係を示した。その結果、実施例２の含浸法により作製した電池Ａ〜Ｆにおいて、ＦＥＰ添加率が１６〜５５重量％で電圧が０．４Ｖ以上となり、特に４０〜５０重量％で高い電圧を示した。また、ＦＥＰ添加率が８重量％および６０重量％では電池電圧が１００ｍＶ以下と著しく低くなった。一方、実施例３の滴下法により作製した電池ａ〜ｆにおいて、ＦＥＰ添加率が１６〜５５重量％で電圧が０．５Ｖ以上となり、特に４０〜５０重量％で高い電圧を示した。またＦＥＰ添加率が８重量％および６０重量％では電池電圧が１５０ｍＶと著しく低くなった。含浸法、滴下法のどちらの作製方法で作製した電池においても、ＦＥＰ添加率に対し電池電圧は同様の挙動を示したが、滴下法で作製した電池の方がそれぞれのＦＥＰ添加率で５０〜１００ｍＶ高い電圧を示している。
【００４９】
図７にガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池の内部抵抗の関係を示した。含浸法、滴下法のどちらの作製方法で作製した電池においても、ＦＥＰ添加率が増加すると電池の内部抵抗は減少した。特にＦＥＰ添加率が８重量％から１６重量％に増加するとき、抵抗値の減少が大きい。また含浸法で作製した電池の内部抵抗は、ＦＥＰ添加率全域に渡って滴下法で作製した電池の内部抵抗より高くなった。
【００５０】
以上、ＦＥＰ添加率が上がると圧力損失が増加していることから、ガス拡散層のガス透過性が低下、すなわちガスが拡散しにくくなると考えられる。この圧力損失の増加は気孔率の低下、すなわちＦＥＰのガス拡散層の細孔への充填によるものと考えられる。また、ガス拡散層は直径１７〜９０μｍの細孔が主であり、ＦＥＰ添加率が上がると直径１７〜９０μｍの細孔の比容積が減少していることから、ガスはこの直径の細孔によって供給され、ＦＥＰはこの径の細孔に充填されると考えられる。
【００５１】
このため、ＦＥＰ添加量が８重量％のガス拡散層は、ＦＥＰ添加率が少なく撥水性が低いため、正極の触媒層で生成、凝集した水がガス拡散層を通り抜けＭＥＡ外部に排出され易い。その結果、ＭＥＡが乾燥して高分子電解質の含水率が低下し、イオン伝導性が低下して、ＰＥＦＣの内部抵抗が増加したと考えられる。この内部抵抗の増加により電圧が低下したと考えられる。
【００５２】
一方、ＦＥＰ添加率が６０重量％のガス拡散層では撥水性が高くかつ気孔率が低いため、ガス拡散層が蓋のように作用し、液体となった水はガス拡散層を通過しにくい。すなわち正極の触媒層で生成、凝集した水はＭＥＡ外部に排出されにくい。その結果、正極触媒層中の高分子電解質を介して高分子電解質膜および燃料極触媒層中の高分子電解質に供給でき、ＭＥＡの保水性は高いと考えられる。そのため高分子電解質の含水率が高く、イオン伝導度が高くなるのでＦＥＰ添加率が高いとＰＥＦＣの内部抵抗が低くなると考えられる。しかし、ガス透過能が低すぎるため、反応ガスの拡散律速により電圧が低下したと考えられる。
【００５３】
よって、ＦＥＰ添加率１６〜５５重量％のガス拡散層を用いた電池では、反応ガスの供給および生成水による加湿が十分であるため、高い電圧を示したと考えられる。
【００５４】
また、ガス拡散電極の作製方法による特性の違いはその触媒層における高分子電解質の分散性によるものと考えられる。含浸法の電池に対して滴下法の電池の方が高分子電解質が薄く、高分散に白金担持炭素粉末に吸着するため、触媒層の高分子電解質のネットワークが発達している。無加湿ガスによるＰＥＦＣの作動においては、このような触媒層の状態が触媒層に滞留している生成水を効率よく高分子電解質膜に戻す働きをしていると考えられる。
【００５５】
以上より、無加湿のガスによる作動において高性能なＰＥＦＣを作製するには、拡散層の撥水性とガス透過能のバランスが重要であり、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高めるにはＦＥＰ添加量が１６〜５５重量％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の気孔率が４５〜７５体積％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の直径が１７〜９０μｍの細孔の比容積が０．４５〜１．２５ｃｃ／ｇのとき効果があったが、特にＦＥＰ添加量が４０〜５０重量％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の気孔率が５０〜７０体積％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の細孔径が１７〜９０μｍの細孔比容積が０．５５〜０．８０ｃｃ／ｇのときその効果が顕著であった。加えて滴下法によりガス拡散電極を作製することにより、触媒層中の高分子電解質が薄く高分散に吸着し、無加湿ガスによる作動においてより高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００５６】
なお、本実施例ではフッ素樹脂としてＦＥＰを用いたが、他の撥水性を有するフッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などを用いても同様の効果が得られる。
【００５７】
また、本実施例においては白金触媒、高分子電解質、有機溶媒から成るペーストを調製し、撥水処理を施したカーボンペーパーに塗布、乾燥しガス拡散電極としたが、本発明は製造方法に関わらず、少なくとも貴金属触媒、高分子電解質を含むガス拡散電極全般に適用できるものである。
【００５８】
また、本実施例においては導電性多孔質材料としてポリアクリロニトリルを材料とする炭素繊維からなる炭素紙を用いたが、例えばカーボンクロス、セルロース系の炭素紙など多孔質導電材全般に適用できるものである。
【００５９】
また、本実施例においては高分子電解質としてパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂を用いたが、パーフルオロカーボン酸樹脂、スチレン−ジビニルベンゼンスルフォン酸樹脂、スチレン−ブタジエンスルフォン酸樹脂等のカチオン交換樹脂全般に適用できるものである。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガス拡散を阻害することなく、ＭＥＡ内部の保水性を向上させ正極で生成する水で高分子電解質を含水させることにより、無加湿作動に適したＰＥＦＣ用電極、およびＰＥＦＣを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の概略図
【図２】（ａ）含浸法によるガス拡散層の作製法を示す図
（ｂ）滴下法によるガス拡散層の作製法を示す図
【図３】ＦＥＰ添加率とガス拡散層の圧力損失の関係を示す図
【図４】ＦＥＰ添加率とガス拡散層の気孔率の関係を示す図
【図５】各ＦＥＰ添加率におけるガス拡散層の細孔分布を示す図
【図６】ガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池の０．２Ａ／ｃｍ2での電圧の関係を示す図
【図７】ガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池の０．２Ａ／ｃｍ2での抵抗の関係を示す図
【符号の説明】
１ 高分子電解質膜
２ ガス拡散層
３ 触媒層
４ 正極
５ 負極
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として純水素、あるいはメタノールまたは化石燃料からの改質水素などの還元剤を用い、空気や酸素の酸化剤を反応ガスとする固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣとする）に関するものであり、特に無加湿の反応ガスにより作動するＰＥＦＣに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＥＦＣは電解質である高分子電解質膜とガス拡散電極との接合体（以下ＭＥＡとする）からなり、図１に示すように正極４、負極５でそれぞれ（化１），（化２）の反応が起こっている。
【０００３】
【化１】
【化２】
上記反応が起こる際、負極で発生したプロトンが高分子電解質膜１を介して正極へ移動する。高分子電解質は十分に含水した状態でなければ高いイオン伝導性を示さないので、乾燥を防ぐために一般的には加湿器などを用いて常に反応ガスを加湿する必要がある。また、高電流密度を得るために電極のガス拡散層２は高いガス透過性が必要とされる。そのため、ガスの拡散経路が閉塞されないように過剰な水分をＭＥＡ外部に排出しなければならない。たとえば、特開平６−２９５７２８号公報ではフッ素樹脂により撥水処理を行ったポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙をガス拡散層に用いている。また、特開平７−１３４９９３号公報では燃料極の拡散層は触媒層３側ほど疎水性が低くなるように疎水性に傾斜を設け、正極の拡散層は触媒層側ほど疎水性が高くなるように疎水性に傾斜を設けている。この構造により燃料極側の高分子電解質の含水率の低下を防ぎ、正極側の生成水により触媒層が濡れガスの拡散経路を塞ぐ状態であるフラッディングを防いでいる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の加湿されたガスによって作動するＰＥＦＣは、過剰な水分はＭＥＡ外に排出するように設計されているため、無加湿のガスを用いて作動させると高分子電解質膜および触媒層中の高分子電解質が乾燥し、プロトンの移動が起こりにくくなる。さらに、触媒層中の高分子電解質が収縮し、白金触媒を被覆している面積すなわち反応面積が減少し、その結果ＰＥＦＣの内部抵抗が増大するため、高い特性は得られない。また、無加湿のガスによるＰＥＦＣの作動は加湿ガスによる作動とは異なり正極における生成水によるフラッディングは起こりにくいので、正極で生成される水をＭＥＡ外部に排出することなくＭＥＡ内部に保持することが重要である。特開平７−１３４９９３号公報による構造においても無加湿ガスによって作動すると正極からの水分の蒸発が大きいため同様に内部抵抗が増大する。
【０００７】
本発明はガス拡散を阻害することなく、ＭＥＡ内部の保水性を向上させることにより、正極で生成する水を用いて高分子電解質を含水させることを可能とするものであり、その結果、無加湿のガスによりＰＥＦＣの作動が可能となる。以上のように、本発明は無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを提供することを目的とする。
【０００８】
【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は、無加湿の空気または酸素と無加湿の水素または水素を含む改質ガスを用いて作動するＰＥＦＣにおいて、導電性多孔質材料の全体にわたってフッ素樹脂を１６〜５５重量％添加したガス拡散層を正極および負極のうち少なくとも一方に用いることにより、ガス拡散を阻害することなくＭＥＡ内部の保水性を向上させ、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることを可能とするものである。
【０００９】
本発明によれば、ガス拡散を阻害することなく、またＭＥＡ内部の保水性に優れているため、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることができ、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００１０】
ガス拡散層は、気孔率が４５〜７５％である。
また、ガス拡散層は、直径が１７〜９０μｍである細孔の比容積が０．４５〜１．２５ｃｍ2／ｇである。
【００１１】
フッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体を用いる。
【００１２】
導電性多孔質材料としては、ポリアクリルロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙を用いる。
【００１３】
また、前記ＰＥＦＣにおける正極および負極のうち少なくとも一方に、有機溶媒に貴金属触媒を担持した炭素粉末を分散させて分散液を得る工程と、前記分散液と高分子電解質のアルコール溶液とを混合し高分子電解質のコロイドを生成させるとともに前記コロイドを前記炭素粉末に吸着させた混合液を得る工程と、この混合液を上記ガス拡散層の片面に塗布する工程とにより作製された電極を用いる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、高分子電解質膜の両側に正極および負極を配置し、その正極および負極は触媒層とガス拡散層とからなり、正極には無加湿の空気または酸素を、負極には無加湿の水素または水素を含む改質ガスを供給して作動する固体高分子型燃料電池において、前記正極および負極のうち少なくとも一方のガス拡散層は導電性多孔質材料にフッ素樹脂を１６〜５５重量％添加した固体高分子型燃料電池であり、ガス拡散を阻害することなく、またＭＥＡ内部の保水性に優れているため、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることができる、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００１５】
フッ素樹脂添加率が少ないとガス拡散層の撥水性が低くなるため、正極の触媒層で生成、凝集した水がガス拡散層を通り抜けＭＥＡ外部に排出されやすくなる。その結果、ＭＥＡが乾燥し高分子電解質の含水率が低下することにより、内部抵抗が低下し、電圧が低下する。
【００１６】
一方、フッ素樹脂添加率が多いとガス拡散層では撥水性が高くなりかつ気孔率が低下するため、ガス拡散層がＭＥＡの蓋のように作用し、液体となった水はガス拡散層を通過しにくくなる。しかしながら、ガス透過能も同様に低下するため、反応ガスの拡散律速となるり電圧が低下する。
【００１７】
この様に無加湿ガスにより作動する高性能なＰＥＦＣは、拡散層の撥水性とガス透過能のバランスが重要であり、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高めるにはフッ素樹脂を１６〜５５重量％添加すると効果がある。さらに好ましくは、フッ素樹脂添加量が４０〜５０重量％である。
【００１８】
ガス拡散層のフッ素樹脂添加率は（数１）の式で求められるものである。
【００１９】
【数１】
また、撥水処理を施したガス拡散層の気孔率が４５〜７５体積％のとき、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高める効果があり、高性能なＰＥＦＣを得ることができる。さらに好ましくは、気孔率が５０〜７０体積％である。
【００２１】
また、撥水処理を施したガス拡散層は直径が１７〜９０μｍの細孔の比容積が０．４５〜１．２５ｃｃ／ｇのとき、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高める効果があり、高性能なＰＥＦＣを得ることができる。さらに好ましくは、直径が１７〜９０μｍの細孔の比容積が０．５５〜０．８０ｃｃ／ｇである。
【００２２】
さらにフッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体を用いると、より高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００２３】
また導電性多孔質材料としては、ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙を用いると、より高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００２４】
また、ＰＥＦＣにおける正極および負極のうち少なくとも一方に、有機溶媒に貴金属触媒を担持した炭素粉末を分散させて分散液を得る工程と、前記分散液と高分子電解質のアルコール溶液とを混合し高分子電解質のコロイドを生成させるとともに前記コロイドを前記炭素粉末に吸着させた混合液を得る工程と、この混合液を上記ガス拡散層の片面に塗布する工程とによる滴下法により作製された電極を用いる。
【００２５】
ガス拡散電極の作製方法の違いにより触媒層における高分子電解質の分散性が異なり、ＰＥＦＣ特性に影響を与える。本発明のフッ素樹脂添加率による効果をより向上させるには上記滴下法が良い。滴下法では高分子電解質が薄く、高分散に白金担持炭素粉末に吸着するため、触媒層の高分子電解質のネットワークが全体に網目状に発達している。無加湿ガスによるＰＥＦＣの作動においては、このような触媒層の状態が触媒層に停留している生成水を効率良く高分子電解質膜に戻す働きをし、より高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態に基づいて得られるＰＥＦＣについて説明する。
（実施の形態１）
図２（ａ）に示すガス拡散電極作製方法（以下含浸法とする）に従い、以下の様にＭＥＡを作製した。
【００２７】
まず、白金触媒を担持させた炭素粉末をＰＴＦＥを添加することにより撥水処理した炭素微粉末と混合した。この触媒用混合粉末をあらかじめ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（以下ＦＥＰとする）を１６〜５５重量％溶着してなるポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙の片面に散布し、３４０〜３８０℃，５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスしてガス拡散電極を得た。
【００２８】
上記ガス拡散電極への高分子電解質の添加は、イソプロピルアルコール２ｍＬあたりＮａｆｉｏｎ溶液０．０５〜１．５ｇを混合した溶液をカーボンペーパー側からポンプによって吸引した状態で塗布し乾燥する方法を用いた。
【００２９】
上記ガス拡散電極２枚で高分子電解質膜を挟持しホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。以上の工程により得られたＭＥＡはガス拡散を阻害することなく、またＭＥＡ内部の保水性に優れているため、正極で生成する水で高分子電解質を含水させることができる、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００３０】
（実施の形態２）
図２（ｂ）に示すガス拡散電極作製方法（以下滴下法とする）に従い、以下の様にＭＥＡを作製した。
【００３１】
まず、白金触媒を担持させた炭素粉末をＰＴＦＥを添加することにより撥水処理した炭素微粉末と混合した。この触媒用混合粉末をｎ−酢酸ブチルに混合し、白金触媒の分散液を得る。上記分散液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、高分子電解質のアルコール溶液を滴下し、続いて超音波分散器を用いてペースト状にした。このペーストをあらかじめＦＥＰを１６〜５５重量％溶着してなるポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙の片面に塗着した後、乾燥してガス拡散電極を得た。上記ガス拡散電極２枚で高分子電解質膜を挟持しホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。
【００３２】
以上の工程により得られたＭＥＡはガス拡散を阻害することなく、また（実施の形態１）に示したＰＥＦＣより高分子電解質が触媒層中に薄く、高分散に吸着しているため、ＭＥＡ内部の保水性がより優れている。その結果、正極で生成する水で高分子電解質をより効率良く含水させることができる、無加湿ガスによる作動が可能なＰＥＦＣを得られる。
【００３３】
【実施例】
次に本発明の具体例を説明する。
【００３４】
（実施例１）
フッ素樹脂としてＦＥＰを用い、ＦＥＰ添加量を８〜６０重量％のガス拡散層を作製した。
【００３５】
作製方法は、ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙として（株）東レ製のカーボンペーパーを、ダイキン工業（株）の商品名“ＮＤ−１”をイオン交換水で希釈したＦＥＰ分散液に浸漬し、焼成することによりＦＥＰをカーボンペーパーに溶着させた。ＮＤ−１の希釈度を調整することにより表１に示すＦＥＰ添加量を８〜６０重量％のガス拡散層Ａ〜Ｆを作製した。
【００３６】
【表１】
作製したガス拡散層Ａ〜Ｆの圧力損失を測定し、ＦＥＰ添加率とガス拡散層の圧力損失の関係を図３に示した。その結果、ＦＥＰ添加率が高くなるとガス拡散層の圧力損失が増加した。
【００３８】
次に、ガス拡散層Ａ〜Ｆの気孔率および細孔分布を水銀圧入法により測定した。
【００３９】
図４にＦＥＰ添加量とガス拡散層の気孔率との関係を示した。その結果、ＦＥＰ添加率が高くなると気孔率が低下し、細孔にＦＥＰが充填していることがわかる。
【００４０】
図５にガス拡散層Ａ〜Ｆの各々の細孔分布を示した。その結果、直径１７〜９０μｍに大きなピークが見られ、このピークはＦＥＰ添加率の増加に伴って細孔比容積が減少した。これにより、カーボンペーパーにおいて直径が１７〜９０μｍの細孔が主であり、ＦＥＰはこの径の細孔に分布していることがわかった。
【００４１】
表２にガス拡散層Ａ〜ＦのＦＥＰ添加率に対する気孔率と、直径が１７〜９０μｍの細孔比容積をまとめたものを示す。
【００４２】
【表２】
（実施例２）
実施例１で作製したガス拡散層Ａ〜Ｆを用いて図２（ａ）の含浸法に従い、以下のようにしてＰＥＦＣを作製した。
【００４４】
白金触媒を１０〜３０ｗｔ％担持させた炭素粉末と、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加することによって撥水処理した炭素微粉末とを８：２〜５：５の範囲で混合した。この触媒層用混合粉末を、実施例１のＦＥＰ添加量が８〜６０重量％のガス拡散層の片面に散布し、３４０〜３８０℃，５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。この電極への高分子電解質の添加は、イソプロピルアルコール２ｍｌあたり米国アルドリッチケミカル社製の商品名“５％ Ｎａｆｉｏｎ溶液”を０．０５〜１．５ｇ混合した溶液をカーボンペーパー側からポンプによって吸引した状態で塗布し、乾燥する方法を用いた。上記電極２枚で高分子電解質膜としての米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１２を挟持し、ホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。白金および高分子電解質の添加量は、両極とも見かけ電極面積当たりそれぞれ０．５ｍｇ／ｃｍ2および１．０ｍｇ／ｃｍ2である。このＭＥＡを用いて構成したＰＥＦＣを電池Ａ〜Ｆとする。
【００４５】
（実施例３）
実施例１で作製したガス拡散層Ａ〜Ｆを用いて図２（ｂ）の滴下法に従い、以下のようにしてＰＥＦＣを作製した。
【００４６】
白金触媒を１０〜３０ｗｔ％担持させた炭素粉末と、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加することによって撥水処理した炭素微粉末とを８：２〜５：５の範囲で混合した。この触媒層用混合粉末を、ｎ−酢酸ブチルに白金とｎ−酢酸ブチルの重量比が１：１２０となるように混合し、白金触媒の分散液を得る。上記分散液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、高分子電解質のアルコール溶液を白金量と高分子電解質量が１：２となるまで滴下し、続いて超音波分散器を用いてペースト状にした。高分子電解質のアルコール溶液は米国アルドリッチケミカル社製の商品名“５％ Ｎａｆｉｏｎ溶液”を用いた。このペーストを上記のＦＥＰ添加量が１６重量％のガス拡散層の片面に塗着した後、乾燥してガス拡散電極を得た。上記電極２枚で高分子電解質膜としての米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１２を挟持し、ホットプレス機を用いて１２０〜１７０℃，５０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。白金および高分子電解質の添加量は、両極とも見かけ電極面積当たりそれぞれ０．５ｍｇ／ｃｍ2および１．０ｍｇ／ｃｍ2である。このＭＥＡを用いて構成したＰＥＦＣを電池ａ〜ｆとする。
【００４７】
上記実施例２の含浸法により作製した電池Ａ〜Ｆと、実施例３の滴下法により作製した電池ａ〜ｆの負極に水素ガスを、正極に空気を共に無加湿で供給し、０．２Ａ／ｃｍ2の定電流放電を行った。
【００４８】
図６にガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池Ａ〜Ｆおよび電池ａ〜ｆの電流値０．２Ａ／ｃｍ2での電圧の関係を示した。その結果、実施例２の含浸法により作製した電池Ａ〜Ｆにおいて、ＦＥＰ添加率が１６〜５５重量％で電圧が０．４Ｖ以上となり、特に４０〜５０重量％で高い電圧を示した。また、ＦＥＰ添加率が８重量％および６０重量％では電池電圧が１００ｍＶ以下と著しく低くなった。一方、実施例３の滴下法により作製した電池ａ〜ｆにおいて、ＦＥＰ添加率が１６〜５５重量％で電圧が０．５Ｖ以上となり、特に４０〜５０重量％で高い電圧を示した。またＦＥＰ添加率が８重量％および６０重量％では電池電圧が１５０ｍＶと著しく低くなった。含浸法、滴下法のどちらの作製方法で作製した電池においても、ＦＥＰ添加率に対し電池電圧は同様の挙動を示したが、滴下法で作製した電池の方がそれぞれのＦＥＰ添加率で５０〜１００ｍＶ高い電圧を示している。
【００４９】
図７にガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池の内部抵抗の関係を示した。含浸法、滴下法のどちらの作製方法で作製した電池においても、ＦＥＰ添加率が増加すると電池の内部抵抗は減少した。特にＦＥＰ添加率が８重量％から１６重量％に増加するとき、抵抗値の減少が大きい。また含浸法で作製した電池の内部抵抗は、ＦＥＰ添加率全域に渡って滴下法で作製した電池の内部抵抗より高くなった。
【００５０】
以上、ＦＥＰ添加率が上がると圧力損失が増加していることから、ガス拡散層のガス透過性が低下、すなわちガスが拡散しにくくなると考えられる。この圧力損失の増加は気孔率の低下、すなわちＦＥＰのガス拡散層の細孔への充填によるものと考えられる。また、ガス拡散層は直径１７〜９０μｍの細孔が主であり、ＦＥＰ添加率が上がると直径１７〜９０μｍの細孔の比容積が減少していることから、ガスはこの直径の細孔によって供給され、ＦＥＰはこの径の細孔に充填されると考えられる。
【００５１】
このため、ＦＥＰ添加量が８重量％のガス拡散層は、ＦＥＰ添加率が少なく撥水性が低いため、正極の触媒層で生成、凝集した水がガス拡散層を通り抜けＭＥＡ外部に排出され易い。その結果、ＭＥＡが乾燥して高分子電解質の含水率が低下し、イオン伝導性が低下して、ＰＥＦＣの内部抵抗が増加したと考えられる。この内部抵抗の増加により電圧が低下したと考えられる。
【００５２】
一方、ＦＥＰ添加率が６０重量％のガス拡散層では撥水性が高くかつ気孔率が低いため、ガス拡散層が蓋のように作用し、液体となった水はガス拡散層を通過しにくい。すなわち正極の触媒層で生成、凝集した水はＭＥＡ外部に排出されにくい。その結果、正極触媒層中の高分子電解質を介して高分子電解質膜および燃料極触媒層中の高分子電解質に供給でき、ＭＥＡの保水性は高いと考えられる。そのため高分子電解質の含水率が高く、イオン伝導度が高くなるのでＦＥＰ添加率が高いとＰＥＦＣの内部抵抗が低くなると考えられる。しかし、ガス透過能が低すぎるため、反応ガスの拡散律速により電圧が低下したと考えられる。
【００５３】
よって、ＦＥＰ添加率１６〜５５重量％のガス拡散層を用いた電池では、反応ガスの供給および生成水による加湿が十分であるため、高い電圧を示したと考えられる。
【００５４】
また、ガス拡散電極の作製方法による特性の違いはその触媒層における高分子電解質の分散性によるものと考えられる。含浸法の電池に対して滴下法の電池の方が高分子電解質が薄く、高分散に白金担持炭素粉末に吸着するため、触媒層の高分子電解質のネットワークが発達している。無加湿ガスによるＰＥＦＣの作動においては、このような触媒層の状態が触媒層に滞留している生成水を効率よく高分子電解質膜に戻す働きをしていると考えられる。
【００５５】
以上より、無加湿のガスによる作動において高性能なＰＥＦＣを作製するには、拡散層の撥水性とガス透過能のバランスが重要であり、ガス拡散を阻害することなくガス拡散層の撥水性を高め、ＭＥＡ内部の保水性を高めるにはＦＥＰ添加量が１６〜５５重量％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の気孔率が４５〜７５体積％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の直径が１７〜９０μｍの細孔の比容積が０．４５〜１．２５ｃｃ／ｇのとき効果があったが、特にＦＥＰ添加量が４０〜５０重量％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の気孔率が５０〜７０体積％のとき、あるいは撥水処理を施したガス拡散層の細孔径が１７〜９０μｍの細孔比容積が０．５５〜０．８０ｃｃ／ｇのときその効果が顕著であった。加えて滴下法によりガス拡散電極を作製することにより、触媒層中の高分子電解質が薄く高分散に吸着し、無加湿ガスによる作動においてより高性能なＰＥＦＣを得ることができる。
【００５６】
なお、本実施例ではフッ素樹脂としてＦＥＰを用いたが、他の撥水性を有するフッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などを用いても同様の効果が得られる。
【００５７】
また、本実施例においては白金触媒、高分子電解質、有機溶媒から成るペーストを調製し、撥水処理を施したカーボンペーパーに塗布、乾燥しガス拡散電極としたが、本発明は製造方法に関わらず、少なくとも貴金属触媒、高分子電解質を含むガス拡散電極全般に適用できるものである。
【００５８】
また、本実施例においては導電性多孔質材料としてポリアクリロニトリルを材料とする炭素繊維からなる炭素紙を用いたが、例えばカーボンクロス、セルロース系の炭素紙など多孔質導電材全般に適用できるものである。
【００５９】
また、本実施例においては高分子電解質としてパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂を用いたが、パーフルオロカーボン酸樹脂、スチレン−ジビニルベンゼンスルフォン酸樹脂、スチレン−ブタジエンスルフォン酸樹脂等のカチオン交換樹脂全般に適用できるものである。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガス拡散を阻害することなく、ＭＥＡ内部の保水性を向上させ正極で生成する水で高分子電解質を含水させることにより、無加湿作動に適したＰＥＦＣ用電極、およびＰＥＦＣを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の概略図
【図２】（ａ）含浸法によるガス拡散層の作製法を示す図
（ｂ）滴下法によるガス拡散層の作製法を示す図
【図３】ＦＥＰ添加率とガス拡散層の圧力損失の関係を示す図
【図４】ＦＥＰ添加率とガス拡散層の気孔率の関係を示す図
【図５】各ＦＥＰ添加率におけるガス拡散層の細孔分布を示す図
【図６】ガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池の０．２Ａ／ｃｍ2での電圧の関係を示す図
【図７】ガス拡散層へのＦＥＰ添加率と電池の０．２Ａ／ｃｍ2での抵抗の関係を示す図
【符号の説明】
１ 高分子電解質膜
２ ガス拡散層
３ 触媒層
４ 正極
５ 負極
Claims (3)
- 高分子電解質膜の両側に触媒層と導電性多孔質材料からなるガス拡散層とからなる正極および負極を配置し、前記正極には無加湿の空気または酸素を、前記負極には無加湿の水素または水素を含む改質ガスを供給して作動する固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記正極および前記負極の双方のガス拡散層の全体にわたって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からなるフッ素樹脂が１６〜５５重量％添加されており、当該ガス拡散層の気孔率は４５〜７５体積％であることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記ガス拡散層は、直径が１７〜９０μｍの細孔を有しており、当該細孔の比容積は０．４５〜１．２５ｃｃ／ｇである、請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記導電性多孔質材料がポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙である請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
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