JPH07134993A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JPH07134993A JPH07134993A JP5279957A JP27995793A JPH07134993A JP H07134993 A JPH07134993 A JP H07134993A JP 5279957 A JP5279957 A JP 5279957A JP 27995793 A JP27995793 A JP 27995793A JP H07134993 A JPH07134993 A JP H07134993A
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- Japan
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- gas diffusion
- diffusion layer
- catalyst layer
- electrode
- fuel
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 燃料極側および空気極側に形成するガス拡散
層の給／排水性を向上させ、電解質内部の含水率を均一
に保持した高分子電解質型燃料電池とすること。 【構成】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質膜の
両側に配置した燃料極と空気極とよりなり、該燃料極お
よび空気極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒
層と該電解質膜とは反対側の該触媒層に配置されたガス
拡散層とより構成される燃料電池であって、空気極のガ
ス拡散層は、該触媒側ほど疎水性が高くなるように疎水
性に傾斜を設け、燃料極のガス拡散層は、触媒層側ほど
疎水性が低くなるように傾斜を設けた燃料電池。高電流
密度領域でも出力電圧の低下の少ない高性能の電池であ
る。
層の給／排水性を向上させ、電解質内部の含水率を均一
に保持した高分子電解質型燃料電池とすること。 【構成】 固体高分子よりなる電解質膜と該電解質膜の
両側に配置した燃料極と空気極とよりなり、該燃料極お
よび空気極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒
層と該電解質膜とは反対側の該触媒層に配置されたガス
拡散層とより構成される燃料電池であって、空気極のガ
ス拡散層は、該触媒側ほど疎水性が高くなるように疎水
性に傾斜を設け、燃料極のガス拡散層は、触媒層側ほど
疎水性が低くなるように傾斜を設けた燃料電池。高電流
密度領域でも出力電圧の低下の少ない高性能の電池であ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、乾燥などの雰囲気の変
化に対しても安定した出力が可能な燃料電池に関する。
化に対しても安定した出力が可能な燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、通常、加湿
した固体高分子よりなる電解質膜とこの電解質膜を挟ん
で設けられた燃料極と空気極とで構成されている。この
燃料極および空気極は、燃料ガスおよび空気などの酸素
を含有するガスをそれぞれ電極反応させる触媒層と燃料
ガスおよび空気などの酸素を含有するガスの触媒層への
供給路ならびに集電体としての機能するガス拡散層との
２層構造となっている。この燃料電池では、燃料極側で
の電極反応により生成した水素イオンが水分子と一緒に
電解質（以下、単に「電解質」とは、電解質膜と触媒層
中の電解質との双方を言い、「電解質膜」「触媒層中の
電解質」とは区別する。）内を空気極側へ浸透してい
く。この電解質内で水分子が一方向へ移動するため、燃
料電池内部では厚さ方向に含水率に勾配が生ずる。すな
わち、電池の燃料極側では水が水素イオンと共に移動し
て含水率が低下するとともに、空気極側では移動してく
る水により含水率が高まる。さらに空気極では電極反応
で生成された水で触媒表面に水膜が形成され、拡散経路
が閉塞状態（フラッディング）となりやすい。この結
果、空気極側の触媒表面への反応ガスである空気の供給
が著しく阻害されて電極反応が抑制されて電池性能が低
下する。
した固体高分子よりなる電解質膜とこの電解質膜を挟ん
で設けられた燃料極と空気極とで構成されている。この
燃料極および空気極は、燃料ガスおよび空気などの酸素
を含有するガスをそれぞれ電極反応させる触媒層と燃料
ガスおよび空気などの酸素を含有するガスの触媒層への
供給路ならびに集電体としての機能するガス拡散層との
２層構造となっている。この燃料電池では、燃料極側で
の電極反応により生成した水素イオンが水分子と一緒に
電解質（以下、単に「電解質」とは、電解質膜と触媒層
中の電解質との双方を言い、「電解質膜」「触媒層中の
電解質」とは区別する。）内を空気極側へ浸透してい
く。この電解質内で水分子が一方向へ移動するため、燃
料電池内部では厚さ方向に含水率に勾配が生ずる。すな
わち、電池の燃料極側では水が水素イオンと共に移動し
て含水率が低下するとともに、空気極側では移動してく
る水により含水率が高まる。さらに空気極では電極反応
で生成された水で触媒表面に水膜が形成され、拡散経路
が閉塞状態（フラッディング）となりやすい。この結
果、空気極側の触媒表面への反応ガスである空気の供給
が著しく阻害されて電極反応が抑制されて電池性能が低
下する。
【０００３】従来のガス拡散層は、炭素微粒子（カーボ
ンブラック）に疎水性バインダー粒子（フッ素樹脂粉
末）を混合し、これをホットプレスして多孔質状に作製
されている。このガス拡散層は、強度確保などの制約上
比較的厚く（約２００〜４００μｍ）せざるをえない上
に、ガス拡散層内のフッ素樹脂による疎水孔の形態は殆
ど制御されていない。このため、空気極内に存在する液
体水が少ないときは、液体水は滴状に分散保持され電極
への通気性は良いが、電極反応の進行に伴い、発生水が
増加するため、生成した液体水による拡散経路の閉塞
（フラッディング）現象がおこりやすくなり触媒層の通
気性の確保が難しくなる。また、上記のガス拡散層内の
給／排水が十分なされていないため生成する液体水によ
り電極破壊や触媒の水陥没による電池性能の低下を誘発
することもあった。
ンブラック）に疎水性バインダー粒子（フッ素樹脂粉
末）を混合し、これをホットプレスして多孔質状に作製
されている。このガス拡散層は、強度確保などの制約上
比較的厚く（約２００〜４００μｍ）せざるをえない上
に、ガス拡散層内のフッ素樹脂による疎水孔の形態は殆
ど制御されていない。このため、空気極内に存在する液
体水が少ないときは、液体水は滴状に分散保持され電極
への通気性は良いが、電極反応の進行に伴い、発生水が
増加するため、生成した液体水による拡散経路の閉塞
（フラッディング）現象がおこりやすくなり触媒層の通
気性の確保が難しくなる。また、上記のガス拡散層内の
給／排水が十分なされていないため生成する液体水によ
り電極破壊や触媒の水陥没による電池性能の低下を誘発
することもあった。
【０００４】そこで、空気極側のガス拡散層は、反応生
成水などを適宜排出して触媒の水陥没を防ぎ、燃料極側
のガス拡散層は水を速やかに電解質側に供給して電解質
の含水率の低下を防ぐ性能を有する燃料電池とすること
が望まれている。
成水などを適宜排出して触媒の水陥没を防ぎ、燃料極側
のガス拡散層は水を速やかに電解質側に供給して電解質
の含水率の低下を防ぐ性能を有する燃料電池とすること
が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のように高分子電
解質型燃料電池では、電解質内部の含水率を均一に保持
した状態で運転するのが望ましい。また空気極では電極
反応による生成水による触媒のフラッディングが起こり
やすいので、排水を促進するような構成の電極とするの
が好ましい。
解質型燃料電池では、電解質内部の含水率を均一に保持
した状態で運転するのが望ましい。また空気極では電極
反応による生成水による触媒のフラッディングが起こり
やすいので、排水を促進するような構成の電極とするの
が好ましい。
【０００６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、燃料極側および空気極側に形成するガス拡散層の
給／排水性を向上させ、電池内各部の含水率を適正に保
持することにより高性能な高分子電解質型の燃料電池と
することを目的とする。
ので、燃料極側および空気極側に形成するガス拡散層の
給／排水性を向上させ、電池内各部の含水率を適正に保
持することにより高性能な高分子電解質型の燃料電池と
することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の燃料電池
は、固体高分子よりなる電解質膜と該電解質膜の両側に
配置した燃料極と空気極とよりなり、該空気極は、該電
解質膜面に面接して配置された触媒層と該電解質膜とは
反対側の該触媒層に配置されたガス拡散層とよりなり、
該燃料極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒層
をもつ燃料電池において、上記空気極の該ガス拡散層
は、該触媒層側ほど疎水性が高くなるように疎水性に傾
斜を設けたことを特徴とする。
は、固体高分子よりなる電解質膜と該電解質膜の両側に
配置した燃料極と空気極とよりなり、該空気極は、該電
解質膜面に面接して配置された触媒層と該電解質膜とは
反対側の該触媒層に配置されたガス拡散層とよりなり、
該燃料極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒層
をもつ燃料電池において、上記空気極の該ガス拡散層
は、該触媒層側ほど疎水性が高くなるように疎水性に傾
斜を設けたことを特徴とする。
【０００８】本発明の第２の燃料電池は、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燃料極と
空気極とよりなり、該燃料極は、該電解質膜面に面接し
て配置された触媒層と該電解質膜とは反対側のに配置さ
れたガス拡散層とよりなり、該空気極は該電解質膜面に
面接して配置された触媒層をもつ燃料電池において、上
記燃料極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が低
くなるように疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする。
りなる電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と
空気極とよりなり、該燃料極は、該電解質膜面に面接し
て配置された触媒層と該電解質膜とは反対側のに配置さ
れたガス拡散層とよりなり、該空気極は該電解質膜面に
面接して配置された触媒層をもつ燃料電池において、上
記燃料極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が低
くなるように疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする。
【０００９】本発明の第３の燃料電池は、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燃料極と
空気極とよりなり、該燃料極および該空気極は、該電解
質膜面に面接して配置された触媒層と該電解質膜とは反
対側のに配置されたガス拡散層とよりなる燃料電池にお
いて、上記空気極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎
水性が高くなるように疎水性に傾斜を設け、上記燃料極
の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が低くなるよ
うに疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする。
りなる電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と
空気極とよりなり、該燃料極および該空気極は、該電解
質膜面に面接して配置された触媒層と該電解質膜とは反
対側のに配置されたガス拡散層とよりなる燃料電池にお
いて、上記空気極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎
水性が高くなるように疎水性に傾斜を設け、上記燃料極
の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が低くなるよ
うに疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする。
【００１０】本発明の燃料電池は、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燃料極と空気極
とよりなり、該燃料極および該空気極は、電解質膜に面
接した触媒層と触媒層に面接し電解質膜から離れた側に
配置したガス拡散層とより構成されている。電解質膜と
しては水素イオンを透過させる電解質特性を示す高分子
膜が使用できる。触媒層は供給される燃料および空気を
それぞれ電極反応する触媒金属（たとえば、白金類）、
電子伝導性材料（カーボンなど）および電解質（触媒層
中の電解質）を混合して形成されたものであれば良く、
フッ素樹脂などの疎水化材を付加し多孔質としたものを
含む。
電解質膜と該電解質膜の両側に配置した燃料極と空気極
とよりなり、該燃料極および該空気極は、電解質膜に面
接した触媒層と触媒層に面接し電解質膜から離れた側に
配置したガス拡散層とより構成されている。電解質膜と
しては水素イオンを透過させる電解質特性を示す高分子
膜が使用できる。触媒層は供給される燃料および空気を
それぞれ電極反応する触媒金属（たとえば、白金類）、
電子伝導性材料（カーボンなど）および電解質（触媒層
中の電解質）を混合して形成されたものであれば良く、
フッ素樹脂などの疎水化材を付加し多孔質としたものを
含む。
【００１１】燃料極に供給される燃料ガスは、触媒層の
触媒金属により水素イオンを生成する成分を含むものが
使用でき、たとえば水素ガス、メタンガス、石油などの
炭化水素系の燃料系のガスが使用できる。この燃料ガス
は、水分を含んだものもまた水で改質した上記燃料ガス
も使用できる。また、空気極に供給される空気などの酸
素を含有するガスは少なくとも酸素を含み触媒層の触媒
金属により水素イオンと反応して水が生成できるもので
あれば他の成分を含んでいても良い。
触媒金属により水素イオンを生成する成分を含むものが
使用でき、たとえば水素ガス、メタンガス、石油などの
炭化水素系の燃料系のガスが使用できる。この燃料ガス
は、水分を含んだものもまた水で改質した上記燃料ガス
も使用できる。また、空気極に供給される空気などの酸
素を含有するガスは少なくとも酸素を含み触媒層の触媒
金属により水素イオンと反応して水が生成できるもので
あれば他の成分を含んでいても良い。
【００１２】本発明の特徴は燃料極および空気極に設け
るガス拡散層にある。このガス拡散層は、高いガス透過
性および高電子伝導性を有する疎水性の多孔質体で形成
されている。この多孔質体は、触媒層に接する面側から
厚さ方向に疎水性の傾斜が付与されている。なお、ガス
拡散層は、燃料極、空気極のうちの少なくとも一方に設
ける。
るガス拡散層にある。このガス拡散層は、高いガス透過
性および高電子伝導性を有する疎水性の多孔質体で形成
されている。この多孔質体は、触媒層に接する面側から
厚さ方向に疎水性の傾斜が付与されている。なお、ガス
拡散層は、燃料極、空気極のうちの少なくとも一方に設
ける。
【００１３】燃料極のガス拡散層は、触媒層側ほど疎水
性が低くなるように疎水性に傾斜を設けた多孔質体であ
る。すなわち、触媒層側ほど親水性が高く、ガス拡散層
の水は疎水性の傾斜に基づき電解質側へ浸透して触媒層
を介して電解質の含水率低下を抑制する。この結果、燃
料極側の電解質はガス拡散層からの水の供給を受け含水
率の低下を防ぐことができる。これにより電池内各部の
含水率の分布を適正に保持した状態で運転することがで
きる。
性が低くなるように疎水性に傾斜を設けた多孔質体であ
る。すなわち、触媒層側ほど親水性が高く、ガス拡散層
の水は疎水性の傾斜に基づき電解質側へ浸透して触媒層
を介して電解質の含水率低下を抑制する。この結果、燃
料極側の電解質はガス拡散層からの水の供給を受け含水
率の低下を防ぐことができる。これにより電池内各部の
含水率の分布を適正に保持した状態で運転することがで
きる。
【００１４】一方、空気極のガス拡散層は、電解質側の
疎水性を高くした疎水性の傾斜が設けられている。この
ためガス拡散層内部では水はより親水性の方向に移行
し、触媒層の生成水が排水されやすくなり触媒のフラッ
ディングが防げ、電池性能の低下を防ぐことができる。
このガス拡散層の疎水性の傾斜は一方の極にのみ設けた
場合でも上記の効果を示すが、電池の両極に上記の疎水
性の傾斜をもつガス拡散層を設けることにより電池性能
をより向上させることができる。
疎水性を高くした疎水性の傾斜が設けられている。この
ためガス拡散層内部では水はより親水性の方向に移行
し、触媒層の生成水が排水されやすくなり触媒のフラッ
ディングが防げ、電池性能の低下を防ぐことができる。
このガス拡散層の疎水性の傾斜は一方の極にのみ設けた
場合でも上記の効果を示すが、電池の両極に上記の疎水
性の傾斜をもつガス拡散層を設けることにより電池性能
をより向上させることができる。
【００１５】このガス拡散層の疎水性の傾斜は、疎水孔
を形成する疎水性粒子および炭素粒子の配合割合を適正
な範囲に選択することで達成される。すなわち、炭素微
粒子に対する疎水性粒子の配合割合を少なくすることで
疎水性が低下する傾斜とすることができる。さらに上記
の配合割合に加えて粒子の粒径を小から大となるような
組合せとするとより排水され易い気孔を形成することが
できる。なお、ガス拡散層内部の疎水孔の気孔は、ガス
透過性と電子伝導性を確保する条件の範囲内で成形条件
などを考慮してできるだけ大きくするのが最善である。
を形成する疎水性粒子および炭素粒子の配合割合を適正
な範囲に選択することで達成される。すなわち、炭素微
粒子に対する疎水性粒子の配合割合を少なくすることで
疎水性が低下する傾斜とすることができる。さらに上記
の配合割合に加えて粒子の粒径を小から大となるような
組合せとするとより排水され易い気孔を形成することが
できる。なお、ガス拡散層内部の疎水孔の気孔は、ガス
透過性と電子伝導性を確保する条件の範囲内で成形条件
などを考慮してできるだけ大きくするのが最善である。
【００１６】空気極側のガス拡散層は触媒層に面接する
側が疎水性が高くガス導入側が疎水性が低い傾斜となる
ような配合で作製する。一方燃料極側は触媒層に面接す
る側の疎水性を高くしガス導入側が疎水性が大きくなる
ような配合で作製する。これにより液体水が燃料極側で
は電解質側に、空気極側ではガス導入口側に容易に移行
させるガス拡散層を形成することができる。
側が疎水性が高くガス導入側が疎水性が低い傾斜となる
ような配合で作製する。一方燃料極側は触媒層に面接す
る側の疎水性を高くしガス導入側が疎水性が大きくなる
ような配合で作製する。これにより液体水が燃料極側で
は電解質側に、空気極側ではガス導入口側に容易に移行
させるガス拡散層を形成することができる。
【００１７】
【作用】本発明の燃料電池では、燃料極側のガス拡散層
は、触媒層側が疎水性が低くなっているので、ガス拡散
層内の液体水は疎水性が低くなっている方向、すなわち
より親水性に富む方向に移行して保持され触媒層内およ
び電解質膜に供給される。その結果、通電時の電気浸透
現象によって燃料極側電解質の水素イオンとともに移行
して減少する水が補充でき燃料極側電解質の含水率の低
下が抑制される。このため、水素イオンの電解質内の輸
送特性も向上して高電流域における電池性能が向上す
る。
は、触媒層側が疎水性が低くなっているので、ガス拡散
層内の液体水は疎水性が低くなっている方向、すなわち
より親水性に富む方向に移行して保持され触媒層内およ
び電解質膜に供給される。その結果、通電時の電気浸透
現象によって燃料極側電解質の水素イオンとともに移行
して減少する水が補充でき燃料極側電解質の含水率の低
下が抑制される。このため、水素イオンの電解質内の輸
送特性も向上して高電流域における電池性能が向上す
る。
【００１８】一方、空気極側ガス拡散層では、触媒層側
ほど疎水性が高くなっておりガス導入口側ほど親水性が
高くなっており触媒層での生成水を排水し易い構成とな
っている。このため電極反応により生成する水は疎水性
のより小さい方に移行して容易に排出される。その結
果、広い電流範囲で電極内の液体水の量が適度に保持さ
れる。このため、従来発生していた触媒層でのフラッデ
ィングによるガス拡散疎外が起こりにくくなり、水中陥
没による触媒の失活も抑制できるので電池性能の向上と
触媒使用量の低減に寄与することができる。
ほど疎水性が高くなっておりガス導入口側ほど親水性が
高くなっており触媒層での生成水を排水し易い構成とな
っている。このため電極反応により生成する水は疎水性
のより小さい方に移行して容易に排出される。その結
果、広い電流範囲で電極内の液体水の量が適度に保持さ
れる。このため、従来発生していた触媒層でのフラッデ
ィングによるガス拡散疎外が起こりにくくなり、水中陥
没による触媒の失活も抑制できるので電池性能の向上と
触媒使用量の低減に寄与することができる。
【００１９】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （ガス拡散層の作製）厚さ約４００μｍの市販のカーボ
ンクロス（日本カーボン株式会社製、ＧＦ−２０−Ｐ
７）に表１に示す各種の粒径および組成の疎水性粒子／
炭素粒子の混合物をペースト状にしたものを刷毛塗りま
たはスプレー法によりＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４層に重塗りし
乾燥焼成した。ガス拡散層の触媒層から疎水性の高い順
に重ねたもの（Ａ←Ｂ←Ｃ←Ｄ）を空気極のガス拡散層
に使用し、逆の順に重ねたもの（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ）を燃
料極のガス拡散層に使用した。
ンクロス（日本カーボン株式会社製、ＧＦ−２０−Ｐ
７）に表１に示す各種の粒径および組成の疎水性粒子／
炭素粒子の混合物をペースト状にしたものを刷毛塗りま
たはスプレー法によりＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４層に重塗りし
乾燥焼成した。ガス拡散層の触媒層から疎水性の高い順
に重ねたもの（Ａ←Ｂ←Ｃ←Ｄ）を空気極のガス拡散層
に使用し、逆の順に重ねたもの（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ）を燃
料極のガス拡散層に使用した。
【００２０】
【表１】 表中の各Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれカーボンブラック
（Ｃ）とフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）分散溶液（ダイキン工
業株式会社製、ＰＴＦＥ含有量＝６０％）とを混合して
加圧濾過して調製した。括弧内の数字は炭素および疎水
粒子の平均粒子径を示す。
（Ｃ）とフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）分散溶液（ダイキン工
業株式会社製、ＰＴＦＥ含有量＝６０％）とを混合して
加圧濾過して調製した。括弧内の数字は炭素および疎水
粒子の平均粒子径を示す。
【００２１】燃料電池の電気化学セルは、ガス拡散層、
触媒層（触媒担持炭素と電解質との混合物で形成）、固
体高分子よりなる電解質膜、触媒層、ガス拡散層の順に
密着配置して空気極と燃料極を構成した。燃料極側のガ
ス拡散層を上記の表１の４層で作製し空気極側を従来の
１層のガス拡散層（Ｂの単層で形成した）としたもの
（ａ）、空気極側のガス拡散層を上記の表１の４層で作
製し燃料極側のガス拡散層を従来の１層のガス拡散層と
したもの（ｂ）、両極のガス拡散層とも表１の組成の４
層のものを使用したもの（ｃ），両極のガス拡散層と従
来の１層のガス拡散層を用いたもの（ｄ）の４種の電気
化学セルからなる燃料電池を作製して所定の気体を導入
して電池性能を調べた。なお、上記の４種の電池におい
て拡散層厚さ、電解質および触媒層部分は皆同じであ
る。
触媒層（触媒担持炭素と電解質との混合物で形成）、固
体高分子よりなる電解質膜、触媒層、ガス拡散層の順に
密着配置して空気極と燃料極を構成した。燃料極側のガ
ス拡散層を上記の表１の４層で作製し空気極側を従来の
１層のガス拡散層（Ｂの単層で形成した）としたもの
（ａ）、空気極側のガス拡散層を上記の表１の４層で作
製し燃料極側のガス拡散層を従来の１層のガス拡散層と
したもの（ｂ）、両極のガス拡散層とも表１の組成の４
層のものを使用したもの（ｃ），両極のガス拡散層と従
来の１層のガス拡散層を用いたもの（ｄ）の４種の電気
化学セルからなる燃料電池を作製して所定の気体を導入
して電池性能を調べた。なお、上記の４種の電池におい
て拡散層厚さ、電解質および触媒層部分は皆同じであ
る。
【００２２】常圧（Ｈ2 ／ａｉｒ）で電池にガスを導入
し、電池出力電圧と電流密度との関係（Ｉ−Ｖ曲線）を
図１（電流依存性）に、電池出力電圧と通電時間との関
係を図２（定電流モード：１Ａ／ｃｍ2 ）に示す。図１
のＩ−Ｖ曲線では電流密度が増加するにしたがい、従来
電池ｄでは出力電圧が急激に低下して電池性能が低下す
る。本実施例のガス拡散層を装着した電池ａ，ｂ，ｃで
は出力電圧の低下の度合いが少なく電池性能が向上して
いる。さらに図２に示す様に通電時間が長くなっても出
力電圧は略一定に保持できる。
し、電池出力電圧と電流密度との関係（Ｉ−Ｖ曲線）を
図１（電流依存性）に、電池出力電圧と通電時間との関
係を図２（定電流モード：１Ａ／ｃｍ2 ）に示す。図１
のＩ−Ｖ曲線では電流密度が増加するにしたがい、従来
電池ｄでは出力電圧が急激に低下して電池性能が低下す
る。本実施例のガス拡散層を装着した電池ａ，ｂ，ｃで
は出力電圧の低下の度合いが少なく電池性能が向上して
いる。さらに図２に示す様に通電時間が長くなっても出
力電圧は略一定に保持できる。
【００２３】これは電池ａではガス拡散層の疎水性に勾
配により電解質側への水の供給が容易になり電解質の部
分乾燥（燃料極側の含水率の低下）および水素イオン移
動の抵抗増大が抑制できる。電池ｂではガス拡散層の疎
水性に勾配により触媒層での液体水の排水性が向上して
電流密度が増加しても触媒作用が低下せず出力電圧が保
持できる。
配により電解質側への水の供給が容易になり電解質の部
分乾燥（燃料極側の含水率の低下）および水素イオン移
動の抵抗増大が抑制できる。電池ｂではガス拡散層の疎
水性に勾配により触媒層での液体水の排水性が向上して
電流密度が増加しても触媒作用が低下せず出力電圧が保
持できる。
【００２４】さらに両電極に本実施例のガス拡散層を設
けた電池ｃでは両効果が期待でき電池性能がより向上し
た。この結果、本実施例の電池では触媒利用率低下およ
び触媒層に導入される空気の拡散速度が低下するのが抑
制でき、電解質膜の含水率も一定に保持でき電池性能が
さらに向上する。さらに図２に示すように高電流域に長
く保持しても電圧低下が小さく安定性が向上し長時間の
運転に耐えることができる。
けた電池ｃでは両効果が期待でき電池性能がより向上し
た。この結果、本実施例の電池では触媒利用率低下およ
び触媒層に導入される空気の拡散速度が低下するのが抑
制でき、電解質膜の含水率も一定に保持でき電池性能が
さらに向上する。さらに図２に示すように高電流域に長
く保持しても電圧低下が小さく安定性が向上し長時間の
運転に耐えることができる。
【００２５】
【発明の効果】本発明の燃料電池では、空気極のガス拡
散層に疎水性の勾配を付与したことにより排水性が良く
なり触媒層のフラッディングによる電池性能劣化が防
げ、電池運転条件を厳しく管理することなくより高い電
流密度で燃料電池を安定に運転することができる。
散層に疎水性の勾配を付与したことにより排水性が良く
なり触媒層のフラッディングによる電池性能劣化が防
げ、電池運転条件を厳しく管理することなくより高い電
流密度で燃料電池を安定に運転することができる。
【００２６】また燃料極側のガス拡散層では、疎水性の
勾配を上記の空気極とは逆に電解質側を低くしたことで
電解質への給水性を高めることができる。その結果、通
電時の電池内各部は適正な含水率を保持することができ
る。このため、燃料電池を高電流密度でかつ安定に運転
することができる。さらに両電極に上記の疎水性の勾配
を付与したガス拡散層を使用するとにより水の給／排水
に関する不具合が解消でき高性能の燃料電池とすること
ができる。
勾配を上記の空気極とは逆に電解質側を低くしたことで
電解質への給水性を高めることができる。その結果、通
電時の電池内各部は適正な含水率を保持することができ
る。このため、燃料電池を高電流密度でかつ安定に運転
することができる。さらに両電極に上記の疎水性の勾配
を付与したガス拡散層を使用するとにより水の給／排水
に関する不具合が解消でき高性能の燃料電池とすること
ができる。
【図１】 この図は電池の電流密度と電池出力の電圧の
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
【図２】 この図は電池の通電時間と電池出力の電圧の
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 孝尚 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 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
Claims (3)
- 【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燃料極と空気極とよりなり、該空気
極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒層と該電
解質膜とは反対側の該触媒層に配置されたガス拡散層と
よりなり、該燃料極は、該電解質膜面に面接して配置さ
れた触媒層をもつ燃料電池において、 上記空気極の該ガス拡散層は、該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たことを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項２】 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燃料極と空気極とよりなり、該燃料
極は、該電解質膜面に面接して配置された触媒層と該電
解質膜とは反対側の該触媒層に配置されたガス拡散層と
よりなり、該空気極は該電解質膜面に面接して配置され
た触媒層をもつ燃料電池において、 上記燃料極の該ガス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が
低くなるように疎水性に傾斜を設けたことを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項３】 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燃料極と空気極とよりなり、該燃料
極および該空気極は、該電解質膜面に面接して配置され
た触媒層と該電解質膜とは反対側のに配置されたガス拡
散層とよりなる燃料電池において、 上記空気極の該ガス拡散層は、該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、上記燃料極の該ガ
ス拡散層は、該触媒層側ほど疎水性が低くなるように疎
水性に傾斜を設けたことを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27995793A JP3331703B2 (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 燃料電池 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27995793A JP3331703B2 (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 燃料電池 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07134993A true JPH07134993A (ja) | 1995-05-23 |
| JP3331703B2 JP3331703B2 (ja) | 2002-10-07 |
Family
ID=17618286
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27995793A Expired - Fee Related JP3331703B2 (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 燃料電池 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3331703B2 (ja) |
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| JPH05251086A (ja) * | 1992-03-09 | 1993-09-28 | Hitachi Ltd | 燃料電池及びその応用装置 |
-
1993
- 1993-11-09 JP JP27995793A patent/JP3331703B2/ja not_active Expired - Fee Related
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