WO2004082048A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2004082048A1
WO2004082048A1 PCT/JP2004/002562 JP2004002562W WO2004082048A1 WO 2004082048 A1 WO2004082048 A1 WO 2004082048A1 JP 2004002562 W JP2004002562 W JP 2004002562W WO 2004082048 A1 WO2004082048 A1 WO 2004082048A1
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positive electrode
electrode layer
amount
pore
water
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PCT/JP2004/002562
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Tomohide Shibutani
Osamu Kakutani
Original Assignee
Honda Motor Co., Ltd.
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Publication date
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel for generating electricity by laminating a positive electrode layer and a negative electrode layer on the front and back surfaces of an electrolyte membrane, bringing hydrogen into contact with the catalyst of the negative electrode layer, and bringing oxygen into contact with the catalyst of the positive electrode layer.
  • Battery Background art
  • a conventional fuel cell 100 includes an electrolyte membrane 101, positive and negative electrode layers 102 and 103 laminated on the front and back surfaces thereof, and a positive electrode layer 102.
  • a hydrogen gas flow path (not shown) provided on the outer surface of the fuel cell.
  • Oxygen gas flows from the supply side 106a of the oxygen gas flow path 106 to the discharge side 106b.
  • hydrogen ions (H +) generated by the reaction in the negative electrode layer 103 pass through the electrolyte membrane 101 and have an arrow on the positive electrode layer 102 side. Flows like so.
  • the oxygen gas flows from the positive electrode layer 102 toward the electrolyte membrane 101.
  • oxygen gas flows from the supply side 106a to the discharge side 106b in the oxygen gas flow path 106 as indicated by an arrow.
  • oxygen gas stays in the bent portions 106 c and 106 c of the oxygen gas flow path 106, and the discharge side 106 b of the oxygen gas flow path 106, that is, the lower side of the positive electrode layer 102. At 102b, the flow rate of oxygen gas tends to decrease.
  • the other surface contains a water-repellent resin, so that the generated water can easily flow out from the lower part 102 b, and It is possible to prevent the generated water from accumulating in 102b.
  • the fuel in which the water content in the electrolyte membrane 101 is appropriately maintained by keeping the electrolyte membrane 101 in a wet state to increase the power generation efficiency is noted.
  • a battery is proposed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2000-024.
  • the discharge of generated water is suppressed on the supply side 106a of the oxygen gas flow path 106, and the discharge of generated water is promoted on the discharge side 106b of the oxygen gas flow path 106. By doing so, it becomes possible to keep the water content of the electrolyte membrane suitable.
  • the discharge of generated water is suppressed on the supply side of the oxygen gas flow path, and the generated water is discharged on the discharge side of the oxygen gas flow path. It is difficult to further enhance the performance of the fuel cell and reduce the cost of the fuel cell only by promoting the fuel cell.
  • the present inventors have discovered in the positive electrode layer that oxygen gas can be easily introduced or difficult to introduce in an experiment to improve the power generation efficiency of the fuel cell. did. Furthermore, the present inventors have found that there are sites where the reaction between hydrogen ions (H +) and oxygen (O) easily progresses, and sites where the reaction proceeds slowly. I discovered that.
  • the power generation reaction and stagnation of generated water tend to gradually change from the positive electrode layer near the electrolyte membrane toward the positive electrode diffusion layer, and are further discharged from the supply side of the oxygen gas flow path. It was found that there was a tendency to change gradually toward the side. Furthermore, it was found that when the positive electrode layer was used vertically, the power generation reaction and the retention of generated water tended to gradually change from the upper side to the lower side of the positive electrode layer.
  • the components in the positive electrode layer that is, the electrolyte, the catalyst, the pore-forming material, etc., are gradually changed from the portion near the electrolyte membrane toward the positive electrode diffusion layer, and gradually from the upper portion to the lower portion in the vertical direction. It was also expected that the problem could be solved by gradually changing the oxygen gas flow path from the supply side to the discharge side.
  • an electrolyte membrane positive and negative electrode layers respectively stacked on the front and back surfaces of the electrolyte membrane and arranged in a vertical direction, and a positive electrode stacked on the positive electrode layer A diffusion layer, a negative electrode diffusion layer laminated on the negative electrode layer, an oxygen gas flow path provided on an outer surface of the positive electrode layer, and a hydrogen gas flow path provided on an outer surface of the negative electrode layer.
  • the positive electrode layer includes an electrolyte, carbon, a catalyst supported on carbon, a pore-forming material, and a water-repellent resin, and the weight ratio of these electrolytes, the amount of the catalyst carried, and the amount of the pore-forming material.
  • the weight ratio of electrolyte carbon, the amount of supported catalyst meaning “the amount of catalyst supported on carbon”; the same applies hereinafter
  • the amount of pore former meaning “the amount of catalyst supported on carbon”; the same applies hereinafter
  • the weight ratio of electrolyte / carbon, the amount of supported catalyst, the amount of pore former, and the amount of water-repellent resin were gradually changed from the upper part to the lower part in the vertical direction of the positive electrode layer.
  • each component of the positive electrode layer is gradually changed in accordance with the state of introduction of oxygen gas, and gradually changed in accordance with the reaction state of hydrogen ions (H + ) and oxygen (O 2 ). It can be gradually changed according to the drainage state. This makes it possible to appropriately include the components constituting the positive electrode layer in accordance with the respective portions of the positive electrode layer, to increase the power generation efficiency in each portion, and to appropriately adjust the drainage of generated water. .
  • each component constituting the positive electrode layer in accordance with each site of the positive electrode layer, it is possible to prevent each component from being excessively contained. Thereby, the content of each component constituting the positive electrode layer can be minimized, and the cost can be reduced.
  • the weight ratio of the electrolyte carbon contained in the positive electrode layer and the supported amount of the catalyst decrease from the vicinity of the electrolyte membrane toward the positive electrode diffusion layer, and from the top in the vertical direction of the positive electrode layer.
  • the amount decreases toward the bottom, decreases from the supply side to the discharge side of the oxygen gas flow path, and the amount of the pore former and the amount of the water-repellent resin contained in the positive electrode layer are diffused from the side closer to the electrolyte membrane to the cathode. It increases in the layer direction, increases from the upper part in the vertical direction of the positive electrode layer to the lower part, and increases from the supply side to the discharge side of the oxygen gas flow path.
  • the power generation reaction particularly proceeds at the boundary between the electrolyte membrane and the positive electrode layer, and gradually becomes gentle from the boundary toward the positive electrode diffusion layer. Furthermore, the power generation reaction proceeds particularly in the upper part of the positive electrode layer, and gradually becomes gentler from the upper part to the lower part. Furthermore, the power generation reaction proceeds particularly on the supply side of the oxygen gas flow path, and gradually becomes gentler from the supply side to the discharge side. Therefore, a portion requiring a large amount of the electrolyte Z-carbon and a large amount of the supported catalyst can contain a large amount of these components to increase the power generation efficiency at each portion.
  • the amount of the pore-forming material and the amount of the water-repellent resin are increased from the vicinity of the electrolyte membrane toward the positive electrode diffusion layer, from the upper portion to the lower portion in the vertical direction, and from the supply side to the discharge side of the oxygen gas flow path.
  • the amount of the pore former and the amount of the water-repellent resin can be suitably included in each portion of the positive electrode layer, and the drainage of the generated water at each portion can be appropriately adjusted. Therefore, a large amount of the pore-forming material and a large amount of the water-repellent resin are required to be contained in these portions. Further, in a portion where only a small amount of the pore-forming material and the small amount of the water-repellent resin are required, by making these components small, it is possible to prevent excessive inclusion of these components.
  • the weight ratio of the electrolyte carbon, the amount of the supported catalyst, the amount of the pore former, and the amount of the water-repellent resin are uniform on the surface where the positive electrode layer contacts the electrolyte membrane. I made it.
  • each component of the positive electrode layer is uniformly contained so that a sufficient catalytic reaction can be performed and the water content of the electrolyte membrane can be ensured. Thereby, the power generation reaction can be sufficiently enhanced in the vicinity of the electrolyte membrane.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell illustrating one cell in detail according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view in which a part of the cell shown in FIG. 1 is omitted.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the amounts of respective components contained in the positive electrode layer shown in FIG.
  • Fig. 4A shows the amount of carbon and catalyst carried near the electrolyte membrane of the positive electrode layer
  • Fig. 4B shows the amount of carbon and catalyst carried from the vicinity of the electrolyte membrane to the positive electrode diffusion layer.
  • Figure 5A shows the amount of carbon and catalyst carried from the top to the bottom of the positive electrode layer
  • Figure 5B shows the carbon and catalyst from the supply side to the discharge side according to the oxygen flow path.
  • FIG. 3 is a view showing the amount of the carrier.
  • FIGS. 6A to 6E show the electrolyte / carbon weight ratio, the pore-forming material ratio, the pore-forming volatile solvent ratio, the water-repellent resin ratio, and the electrolyte / carbon weight ratio contained in the positive electrode layer according to the first embodiment. It is the graph which displayed the ratio of the catalyst corresponding to each composition.
  • FIGS. 7A to 7G are schematic diagrams illustrating the composition of each block by dividing the positive electrode layer of the first embodiment into a plurality of blocks.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing the electrolyte membrane, the positive electrode layer, and the positive electrode diffusion layer of the first example.
  • FIG. 9 is a view taken in the direction of arrow 9 shown in FIG. 8, and is a schematic view showing a reaction between oxygen and hydrogen ions and a state of generated water.
  • FIG. 10 is a view taken in the direction of arrow 10 shown in FIG. 8, and is a schematic view showing the reaction between oxygen and hydrogen ions and the state of generated water.
  • FIGS. 11A and 11B are views taken in the direction of the arrow 11 shown in FIG. 8, and show the weight ratio of the electrolyte membrane carbon, the amount of the catalyst carried, the amount of the pore-forming agent, the pore-forming volatile solvent and FIG. 3 is a schematic diagram showing the amount of water-repellent resin.
  • FIGS. 12 to 12C are diagrams showing the component amounts of the positive electrode layer according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing a coating apparatus for manufacturing the positive electrode layer of the fuel cell according to the present invention.
  • FIGS. 14A to 14D are views showing a method of manufacturing a positive electrode layer using the coating apparatus shown in FIG.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a conventional fuel cell (one cell).
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell shown in FIG. 15 and shows a reaction between oxygen and hydrogen ions and a state of generated water.
  • FIG. 17 is a diagram showing a state where generated water stays along the oxygen gas flow channel shown in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows a perspective view of the whole image of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, and also shows an exploded view of one cell constituting the fuel cell.
  • the fuel cell 10 shown in FIG. 1 is configured by stacking a plurality of cells 11.
  • positive and negative electrode layers 13 and 14 are respectively laminated on the front and back surfaces of the electrolyte membrane 12, and a positive electrode diffusion layer 15 (see FIG. 2) is formed on the positive electrode layer 13. ), A negative electrode diffusion layer 16 (see FIG. 2) is laminated on the negative electrode layer 14, and a separator 17 is provided on the outer surface of the positive electrode diffusion layer 15 to form the positive electrode diffusion layer 15 and the separator 17.
  • an oxygen gas flow path 18 is formed, and a separator 19 is provided on the outer surface of the negative electrode diffusion layer 16.
  • the hydrogen gas flow path 20 (between the negative electrode diffusion layer 16 and the separator 19) is formed. (See Fig. 2).
  • the positive and negative electrode layers 13 and 14, the positive and negative electrode diffusion layers 15 and 16, and the separators 17 and 19 are arranged in the vertical direction.
  • Reference numerals 21 and 22 are seals. By providing a seal 21 between the electrolyte membrane 12 and the separator 17, the gap between the electrolyte membrane 12 and the separator 17 is sealed. By interposing a seal 22 between the electrolyte membrane 12 and the separator 19, the gap between the electrolyte membrane 12 and the separator 19 is sealed.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of the cell shown in FIG.
  • the positive electrode layer 13 is laminated on one surface of the electrolyte membrane 12, and the positive electrode diffusion layer 15 is further laminated on the positive electrode layer 13.
  • the separator 17 is provided on the outer surface of the positive electrode diffusion layer 15.
  • the oxygen gas flow path 18 is formed by the positive electrode diffusion layer 15 and the groove 17 a formed in the separator 17.
  • oxygen (0 2 ) By supplying oxygen gas to the oxygen gas flow path 18, oxygen (0 2 ) enters the positive electrode layer 13 via the positive electrode diffusion layer 15 as shown by the arrow (1), and It enters the electrolyte membrane 12 from within the pole layer 13.
  • Hydrogen ions (H + ) generated by the reaction in the negative electrode layer 14 pass through the electrolyte membrane 12 and enter the positive electrode layer 13 as shown by the arrow (2).
  • a part of the remaining generated water flows out of the positive electrode layer 13 into the positive electrode diffusion layer 15, and the other generated water descends in the positive electrode layer 13 by its own weight.
  • the positive electrode layer 13 is provided between the electrolyte membrane 12 and the positive electrode diffusion layer 15.
  • An oxygen gas flow path 18 (see also FIG. 2) is provided in the positive electrode diffusion layer 15 along the outer surface.
  • oxygen gas flows from the supply side 18 a to the discharge side 18 b.
  • the positive electrode layer 13 mainly contains an electrolyte, carbon, a catalyst supported on carbon, a pore-forming material, a volatile solvent for pore-forming action, and a water-repellent resin.
  • the electrolyte is, for example, a fluorine compound, and the catalyst is, for example, platinum.
  • the pore-forming material changes the porosity of the positive electrode layer 13, and the porosity can be increased by increasing the number of the pore-forming materials. By adjusting the porosity, the diffusion and drainage of oxygen gas can be controlled.
  • the pore-forming material for example, acicular carbon fibers having conductivity correspond.
  • the pore-forming volatile solvent for example, butanol (butyl alcohol) is applicable.
  • water-repellent resin examples include tetrafluoroethylene.
  • Electrolyte, carbon, and the catalyst supported on carbon affect the power generation reaction. When these substances increase, the power generation reaction increases, and when it decreases, the power generation reaction decreases.
  • the pore-forming volatile solvent forms pores by being volatilized during drying, and plays the same role as the pore-forming material.
  • Water-repellent resin enhances the drainage of generated water.
  • the pore-forming material, the pore-forming volatile solvent and the water-repellent resin have an effect on the drainage of the generated water, and when these substances are reduced, the drainage is reduced, and when the substances are increased, the drainage is increased. .
  • the weight ratio of electrolyte / carbon and the amount of catalyst supported on carbon are determined from the side of the electrolyte membrane 12 as indicated by the first arrow 25. Decrease gradually toward the side.
  • the weight ratio of the electrolyte / carbon and the supported amount of the catalyst are gradually reduced from top to bottom in the vertical direction.
  • the electrolyte / carbon weight ratio and the amount of catalyst carried are gradually reduced from the supply side 18a to the discharge side 18b of the oxygen gas flow path 18 as shown by the third arrow 27. .
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent, and the amount of the water-repellent resin are gradually increased from the vicinity of the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15 as shown by the fourth arrow 30.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin are changed from the upper 13 a in the vertical direction of the positive electrode layer 13 to the lower 13 b as shown by the fifth arrow 31. Gradually increase it.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin are changed from the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 to the discharge side 18b as shown by the sixth arrow 32. And gradually increase it.
  • FIG. 4A shows the state of the catalyst supported on carbon and carbon on the surface 34 (see also FIG. 3) of the positive electrode layer 13 which contacts the electrolyte membrane, and FIG.
  • the weight ratio of the electrolyte Z-carbon and the supported amount of the catalyst 38 are gradually reduced from the vicinity of the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15.
  • the catalyst 38 is carried in a dense state on the surface of the large force 36, and the catalyst 38 is carried in a dense state on the surface of the small diameter carbon 37. These carbons 36 and 37 are densely contained in the surface 34 that contacts the electrolyte membrane.
  • the amount of the pore-forming material, the pore-forming action, the amount of the volatile solvent and the amount of the water-repellent resin are made to be small and uniform on the surface 34 that is in contact with the electrolyte membrane. Thereby, the power generation reaction can be sufficiently enhanced in the vicinity of the electrolyte membrane 12.
  • the catalyst 38 is densely supported on the surface of the large-diameter carbon 36, and the catalyst 38 is densely supported on the surface of the small-diameter carbon 37.
  • the positive electrode layer 13 is made to contain the above-mentioned electrodes 36 and 37 so that the state changes from a dense state to a rough state from the vicinity of the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15. That is, in the positive electrode layer 13, as shown by the first arrow 25, the weight ratio of the electrolyte Z carbon and the amount of the catalyst 38 carried gradually from the vicinity of the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15. Decrease it.
  • FIGS. 5A and 5B show the state of the components in the vertical direction included in the positive electrode layer 13.
  • FIG.5A shows a state in which the weight ratio of the electrolyte carbon and the amount of the catalyst 38 carried gradually decrease from the upper part 13a in the vertical direction of the positive electrode layer 13 to the lower part 13b. ing.
  • the catalyst 38 supported on the surface of the large-diameter carbon 36 in a dense state is included so as to gradually decrease from the upper 13 a to the lower 13 b of the positive electrode layer 13.
  • the catalyst 38 was supported on the surface of the large-diameter carbon 36 in a rough state, and was included so as to increase from the upper part 13 a to the lower part 13 b of the positive electrode layer 13.
  • the supported amount of the electrolyte / carbon catalyst 38 is shifted from the upper part 13 a to the lower part 13 b in the vertical direction as shown by the second arrow 26. And gradually decrease it.
  • FIG. 5B shows a state in which the weight ratio of electrolyte Z-carbon and the amount of catalyst 38 carried are gradually reduced from the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 to the discharge side 18b. ing.
  • a large-diameter carbon material 36 on which a catalyst 38 is carried in a dense state is included in the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 so that the large-diameter force 3
  • the catalyst 38 supported on the surface of the catalyst 6 in a rough state is included in the middle portion 18 c of the oxygen gas flow path 18, and the catalyst 38 not supported on the surface of the large-diameter carbon 36 is included.
  • the oxygen gas flow path 18 was included in the discharge side 18 b. That is, in the positive electrode layer 13, the weight of the electrolyte carbon is increased from the supply side 18 a to the discharge side 18 b of the oxygen gas flow path 18 as shown by the third arrow 27 (see FIG. 3). The ratio and the loading of catalyst 38 are gradually reduced.
  • Part of the generated water in the positive electrode layer 13 evaporates into the oxygen gas flow path 18 and moves together with the oxygen gas.
  • the oxygen gas In the oxygen gas, the oxygen gas easily stays at the bent portion 18 d of the oxygen gas flow path 18, and the flow rate of the oxygen gas easily decreases at the discharge side 18 b of the oxygen gas flow path 18. Therefore, the generated water easily accumulates on the discharge side 18 b of the oxygen gas flow path 18. For this reason, the drainage of generated water at the discharge side 18 b of the oxygen gas flow path 18 is improved, and the generated water is It is necessary to drain well. Therefore, the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent, and the amount of the water-repellent resin contained in the positive electrode layer 13 are determined by the supply of the oxygen gas flow path 18 as indicated by the sixth arrow 32 (see FIG. 3). Gradually increase from side 18a to discharge side 18b.
  • the weight ratio of electrolyte / carbon is that the amount of catalyst 38 supported is diffused from the positive electrode layer 13 toward the electrolyte membrane 12 near the positive electrode.
  • the thickness of the positive electrode layer 13 decreases from the upper part 13a to the lower part 13b in the vertical direction, and decreases from the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18. It was reduced toward the discharge side 18b.
  • the amount of the pore-forming material and the amount of the water-repellent resin are increased from the portion near the electrolyte membrane 12 of the positive electrode layer 13 toward the positive electrode diffusion layer 15, and the upper part of the positive electrode layer 13 in the vertical direction 1 is further increased.
  • the oxygen gas flow was increased from 3a toward the lower 13b direction, and increased from the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 to the discharge side 18b.
  • the drainage of the generated water at each portion is appropriately adjusted.
  • a large amount of the pore-forming material and the large amount of the water-repellent resin are required to be contained in a portion requiring these components, so that the power generation efficiency in each portion can be increased.
  • the ratio of the pore former and the water-repellent resin indicates the ratio in the solid content.
  • the proportion of the pore-forming volatile solvent indicates the proportion in the solvent.
  • the respective proportions of the pore former and the water-repellent resin shown in Table 1 represent proportions in the solid content.
  • the ratio in solids refers to the ratio of the weight occupied by each material to the total solids weight per unit volume forming the electrode.
  • the ratio of the pore-forming volatile solvent indicates the ratio in the solvent.
  • the ratio in the solvent refers to the weight ratio of the pore-forming volatile solvent to the total weight of the solvent used to form the electrode per unit volume.
  • the components of the composition A have an electrolyte / carbon weight ratio of 2.0, a pore-forming material ratio of 5.0, a pore-forming volatile solvent ratio of 0, a water-repellent resin ratio of 0, and a catalyst support.
  • the ratio was 49.1.
  • composition B have a weight ratio of electrolyte Z-carbon of 1.8, a ratio of pore-forming material of 7.3, a ratio of volatile solvent for pore-forming action of 7.5, and a ratio of water-repellent resin of 4.8.
  • the catalyst share was set at 48.1.
  • Composition C had a weight ratio of electrolyte carbon of 1.6, a proportion of pore-forming material of 9.5, a proportion of volatile solvent for pore-forming action of 14.0, and a proportion of water-repellent resin of 9.4.
  • the loading ratio of the catalyst was 47.2.
  • Composition D had a weight ratio of electrolyte Z-carbon of 1.4, a ratio of pore-forming material of 11.6, a ratio of volatile solvent for pore-forming action of 19.9, and a ratio of water-repellent resin of 13. 7.
  • the catalyst loading ratio was 46.2.
  • Composition E had a weight ratio of electrolyte carbon of 1.2, a proportion of pore-forming material of 13.6, a proportion of volatile solvent for pore-forming action of 25.1, and a proportion of water-repellent resin of 17.9, The catalyst carrying ratio was 45.7.
  • Composition F had a weight ratio of electrolyte carbon of 1.0, a ratio of pore-forming material of 15.5, a ratio of volatile solvent for pore-forming action of 29.8, a ratio of water-repellent resin of 21.9, and a catalyst. Is set at 44.6.
  • Composition G has an electrolyte / carbon weight ratio of 0.9, a pore-forming material ratio of 17.3, a pore-forming volatile solvent ratio of 32.8, and a water-repellent resin ratio of 23.6.
  • the catalyst loading ratio was 43.1.
  • Composition H had a weight ratio of electrolyte Z-carbon of 0.8, a proportion of pore-forming material of 19.1, a proportion of volatile solvent for pore-forming action of 35.6, and a proportion of water-repellent resin of 25.2, Catalyst The ownership ratio was 41 ⁇ 0.
  • Composition II has an electrolyte / carbon weight ratio of 0.7, a pore-forming material ratio of 20.8, a pore-forming volatile solvent ratio of 38.1, a water-repellent resin ratio of 26.7, and a catalyst. the responsible lifting percentage of the 38.4.
  • Composition J had a weight ratio of electrolyte nocarbon of 0.6, a proportion of pore-forming material of 22.4, a proportion of volatile solvent for pore-forming action of 40.6, a proportion of water-repellent resin of 28.2, and a catalyst. Is 35.3.
  • FIG. 6A shows the weight ratio of electrolyte / carbon contained in the positive electrode layer to each of the compositions shown in Table 1.
  • the weight ratio of electrolyte carbon was in the range of 0.6 to 2.0 (see also Table 1).
  • the weight ratio of the electrolyte carbon is less than 0.6, the coverage of the electrolyte with the carbon decreases, and a sufficient reaction cannot be obtained.
  • the weight ratio of electrolyte nocarbon exceeds 2.0, the electrolyte component will increase too much, blocking the diffusion path of the generated water, and furthermore, the water retention will be too high, resulting in insufficient reaction. . Therefore, the weight ratio of the electrolyte Z-carbon contained in the positive electrode layer was set in the range of 0.6 to 2.0.
  • FIG. 6B shows the ratio of the pore former contained in the positive electrode layer to each of the compositions shown in Table 1.
  • the ratio of the pore former was in the range of 5.0-22.4wt% (see also Table 1).
  • the ratio of the pore former is less than 5. Owt 0/0, the diffusivity of oxygen gas becomes insufficient, and it is difficult to obtain a sufficient power generation reaction.
  • the ratio of the pore former exceeds 22.4 wt%, the amount of binder in the positive electrode layer 13 is insufficient, and it is difficult to secure the strength of the positive electrode layer 13. Furthermore, when the amount of the binder in the positive electrode layer 13 is insufficient, the binding of the components in the positive electrode layer 13 may be insufficient. Therefore, the ratio of the pore former contained in the positive electrode layer was set in the range of 5.0 to 22.4 wt%.
  • FIG. 6C shows the ratio of the pore-forming volatile solvent contained in the positive electrode layer to each of the compositions shown in Table 1.
  • the ratio of the pore-forming volatile solvent was set in the range of 0 to 40.6wt%. (See also Table 1).
  • the lower limit of the ratio of the pore forming action volatile solvent was set to Owt%.
  • the ratio of the pore-forming volatile solvent exceeds 40.6 wt%, the amount of binder in the positive electrode layer 13 is insufficient as in the case of the pore-forming material, and the strength of the positive electrode layer 13 is secured. Difficult to do.
  • the ratio of the pore-forming volatile solvent contained in the positive electrode layer was set in the range of 0 to 40.6 wt%.
  • FIG. 6D shows the ratio of the water-repellent resin contained in the positive electrode layer to each of the compositions shown in Table 1.
  • the proportion of the water-repellent resin was in the range of 0 to 28.2 wt% (see also Table 1).
  • the ratio of the water-repellent resin contained in the positive electrode layer is set in the range of 0 to 40.6 wt%.
  • the amount of electrolyte (ion exchange resin) and water repellent resin is controlled as a binder function.
  • FIG. 6E shows the loading ratio of the catalyst contained in the positive electrode layer to each of the compositions shown in Table 1.
  • the catalyst loading ratio was in the range of 35.3 to 49.1 wt% (see also Table 1).
  • the loading ratio of the catalyst is less than 35.3 w t ⁇ 1 ⁇ 2, the total amount of the catalyst required for the reaction is reduced and unreacted oxygen is generated.
  • the supported ratio of the catalyst exceeds 49.1 wt ⁇ , the amount of the catalyst is large, and some catalysts do not contribute to the reaction. Therefore, the loading ratio of the catalyst contained in the positive electrode layer was set in the range of 35.3 to 49.1 wt%.
  • FIG. 7A to 7G show an arrangement state of the composition constituting the positive electrode layer according to the first embodiment.
  • FIG. 7A shows the positive electrode layer 13 and is divided into three rows (Y1, ⁇ 2, ⁇ 3) and five columns ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 5) in side view.
  • electrolyte membrane FIG. 3 shows an example in which the positive electrode diffusion layer 15 is divided into three regions of a Z1 region, a Z2 region, and a Z3 region in the direction of the positive electrode diffusion layer 15, and the positive electrode layer 13 is divided into 45 blocks.
  • a block indicated by hatching is displayed as ⁇ 3 (X 1 -Y 1). Other blocks are similarly displayed.
  • FIG. 7B, FIG. 7C and FIG. 7D show compositions in the regions Z1, Z2 and Z3.
  • the compositions indicated by A to J are the compositions described in Table 1.
  • FIG. 7B shows the Z1 region, that is, the region of the positive electrode layer that comes into contact with the electrolyte membrane, and 15 blocks from block Z1 (X1—Y1) to block Z1 (X5—Y3).
  • the compositions shown in Table 1 were designated as A.
  • the positive electrode layer requires a sufficient catalytic reaction in a region in contact with the electrolyte membrane. Therefore, in order to enable a sufficient catalytic reaction in the vicinity of the electrolyte membrane 12 in the positive electrode layer 13, the weight ratio of the electrolyte carbon and the amount of the catalyst are increased as described in FIG. 4A. And it was made to include uniformly.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin were small and uniform.
  • FIG. 7C shows the Z2 region.
  • the composition of B was obtained in three blocks of block Z2 (XI-Y1), block Z2 (X2-Y1) and block Z2 (X3-Y1).
  • composition of C was made up of three blocks: block Z 2 (X 4 — Y 1), site ⁇ 2 (X 5 — 1), and block ⁇ 2 (X 5- ⁇ 2).
  • composition of D was obtained from three blocks, Block ⁇ 2 (X 2 ⁇ 2), Block ⁇ 2 (X 3- ⁇ 2), and Block ⁇ 2 (X 4- ⁇ 2).
  • Block ⁇ 2 (X 1 — ⁇ 2), block ⁇ 2 (X 1- ⁇ 3) and block ⁇ 2 (X 2- ⁇ 3) were used as the composition of ⁇ .
  • composition of F was obtained in three blocks, block ⁇ 2 (X3_ ⁇ 3), block ⁇ 2 (X4- ⁇ 3), and block ⁇ 2 (X5- ⁇ 3).
  • FIG. 7D shows the region of ⁇ 3.
  • a composition of C was formed in two blocks, block Z 3 (X 1 -Y 1) and block Z 3 (X 2 -Y 1).
  • composition of E was obtained from two blocks, block Z 3 (X 5 -Y 1) and block Z 3 (X 5 -Y 2).
  • composition of F was obtained in two blocks, block Z 3 (X 3 -Y 2) and block Z 3 (X 4 -Y 2).
  • composition of H was obtained in two blocks, block Z 3 (X 1 -Y 3) and block Z 3 (X 2 -Y 3).
  • Block Z 3 (X 3 -Y 3) and Block Z 3 (X 4 -Y 3), were used as the composition of I.
  • Block Z3 (X5-Y3) is the composition of J.
  • the weight ratio of the electrolyte Z carbon and the amount of the catalyst carried among the components of the blocks constituting the Z2 region and the Z3 region of the positive electrode layer 13 can be adjusted from the supply side 18a of the hydrogen gas flow path 18 from the supply side 18a. It was included in the positive electrode layer 13 so as to gradually decrease toward the discharge side 18 b. Therefore, a block that requires a large amount of electrolyte carbon and a large amount of supported catalyst can include a large amount of these components, and a block that requires only a small amount can include a small amount of these components.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin in the components of the blocks constituting the Z2 region and the Z3 region of the positive electrode layer 13 are determined by the hydrogen gas flow passage 18.
  • the positive electrode layer 13 was included so as to gradually increase from the supply side 18a to the discharge side 18b. Therefore, blocks that require large amounts of pore-forming materials, pore-forming volatile solvents and water-repellent resins contain large amounts of these components, while blocks that require only small amounts include these components. Can be included in a small amount.
  • the electrolyte / carbon weight ratio and the amount of the supported catalyst are determined from the upper part 13a of the positive electrode layer 13 in the vertical direction.
  • the positive electrode layer 13 was included so as to gradually decrease toward the lower part 13 b. Therefore, a large amount of these components can be contained in a block that requires a large amount of electrolyte carbon and a large amount of a supported catalyst, and a small amount of these components can be contained in a block that requires only a small amount.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin in the components constituting the Z2 region and the Z3 region of the positive electrode layer 13 are determined by the vertical length of the positive electrode layer 13. It gradually increases from the upper part 13a in the direction to the lower part 13b. Therefore, blocks that require large amounts of pore-forming material, pore-forming volatile solvent and water-repellent resin contain large amounts of these components, and blocks that require only small amounts contain small amounts of these components. Can be made.
  • 7E, 7F and 7G show the arrangement of the composition of each block in the Y1, Y2 and Y3 regions. That is, each region is viewed from the top surface of FIG. 7A.
  • FIG. 7E shows the Y 1 region, that is, the region above the positive electrode layer 13, which includes the blocks Y 1 (X 1 -Z 1) to Y 1 (X 5 -Z 1) near the electrolyte membrane 12. All five blocks were of composition A shown in Table 1.
  • the block B was composed of three blocks, block Y 1 (X 1 — Z 2), block Y 1 (X 2 -Z 2), and block Y 1 (X 3-Z 2).
  • Block Y 1 (X 4—Z 2), Block Y 1 (X 5—Z 2), Block Y 1 (X 1 -Z 3) and Flock Y 1 (X 2 -Z 3) This was a composition.
  • Block Y 1 (X 5 — Z 3) was the composition of D.
  • FIG. 7F shows the area of Y2.
  • all five blocks from block Y2 (X1-Z1) to block Y2 (X5-Z1) are the compositions of A shown in Table 1.
  • Block Y 2 (X 1 -Z 2) is the composition of E.
  • Block Y 2 (X 2—Z 2), Block Y 2 (X 3-Z 2) and Block
  • the composition of D was obtained with three blocks of Y 2 (X 4- ⁇ 2).
  • Block Y 2 (X 5 -Z 2) is a composition of C.
  • composition of G was obtained in two packs, block Y 2 (X 1 -Z 3) and block Y 2 (X 2 -Z 3).
  • the block of block Y 2 (X 5 -Z 3) was a composition of E.
  • FIG. 7G shows a region of Y 3, that is, a region below the positive electrode layer 13.
  • Y3 In the area of Y3, all five blocks from the block Y3 (X1-Z1) to the block Y3 (X5-Z1) closer to the electrolyte membrane 12 have the composition of A shown in Table 1. It was a thing.
  • composition of E was obtained in two blocks, block Y 3 (X 1 -Z 2) and block Y 3 (X 2 -Z 2).
  • Block Y 3 (X 3—Z 2), Block Y 3 (X 4-Z 2) and Block
  • composition of F was formed by three blocks of Y 3 (X 5 -Z 2).
  • composition of H was obtained in two blocks, block Y 3 (X 1 -Z 3) and block Y 1 (X 2 -Z 3).
  • Block Y 3 (X 5-Z 3) was a composition of J.
  • the electrolyte carbon weight ratio and the amount of supported catalyst are positively reduced so as to gradually decrease from the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15. It was included in the electrode layer 13. Therefore, a large amount of these components can be contained in a block that requires a large amount of electrolyte carbon and a large amount of a supported catalyst, and a small amount of these components can be contained in a block that requires only a small amount.
  • each block constituting the Y1 region to the Y3 region the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin are adjusted from the electrolyte membrane 12 to the positive electrode diffusion layer 15.
  • the positive electrode layer 13 was included so as to increase gradually. Therefore, these components are used in blocks that require a large amount of pore-forming material, pore-forming action, volatile solvent and water-repellent resin. Blocks that contain large amounts and require only small amounts can have small amounts of these components.
  • FIG. 8 shows the fuel cell 10 of the first embodiment in which the positive electrode layer 13 is laminated on the electrolyte membrane 12 and the positive electrode diffusion layer 15 is laminated on the positive electrode layer 13.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the twisted-charge battery 10 shown in FIG. 8 as viewed from the direction of arrow 9 and shows the reaction state of oxygen and hydrogen ions.
  • oxygen (0 2 ) enters the positive electrode layer 13 via the positive electrode diffusion layer 15 as shown by the arrow (3), and the oxygen (0 2 ) enters the positive electrode layer 13 From the electrolyte membrane 12
  • hydrogen ions (H +) generated by the reaction in the negative electrode layer 14 pass through the electrolyte membrane 12 and enter the positive electrode layer 13 as shown by the arrow (4). Therefore, hydrogen ions (H +) react with oxygen (0 2 ) to produce water.
  • the reaction between the hydrogen ions (H +) and oxygen (O 2 ) proceeds in the positive electrode layer 13, particularly on the surface 34 (the area shown by the broken line hatching) in contact with the electrolyte membrane 12.
  • the weight ratio of the electrolyte Z-carbon was increased to include a large amount of the supported catalyst and to uniformly include the catalyst. Therefore, the electrode reaction can be sufficiently promoted on the surface 34 in contact with the electrolyte membrane 12.
  • the electrolyte membrane 12 can be maintained in a suitable wet state, and the reaction between hydrogen ions (H +) and oxygen (O 2 ) can be further promoted.
  • the reaction between hydrogen ions (H +) and oxygen (O 2 ) is caused by the positive electrode spreading near the electrolyte membrane 12. Dispersion 15 Gradually suppressed in 5 directions. Accordingly, the weight ratio of the electrolyte carbon and the amount of the supported catalyst are adjusted according to the reaction state of the hydrogen ions (H +) and oxygen (O 2 ), as shown by the first arrow 25, as shown by the first arrow 25. , And gradually decreased toward the positive electrode diffusion layer 15. Therefore, the amount of electrolyte, carbon, and catalyst carried can be reduced without adversely affecting the reaction between hydrogen ions (H +) and oxygen (O 2 ).
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent, and the amount of the water-repellent resin contained in the positive electrode layer 13 are determined according to the drainage property, as shown by the fourth arrow 30.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin can be reduced as a whole without adversely affecting the drainage of the generated water.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of the fuel cell 10 shown in FIG. 8 as viewed from the direction of the arrow 10 and shows the reaction between oxygen and hydrogen ions and the state of drainage of generated water.
  • the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 is located at the upper part 13a of the positive electrode layer 13, and the discharge side 18b is located at the lower part 13b. Therefore, the amount of oxygen (0 2 ) entering the positive electrode layer 13 through the positive electrode diffusion layer 15 into the positive electrode layer 13 as shown by the arrow (3) is determined from the vertical upper portion 13 a of the positive electrode layer 13 to the lower portion 1. 3 Decreases gradually in the b direction. As a result, the reaction between hydrogen ions (H +) and oxygen (O z) is gradually suppressed from the upper part 13 a in the vertical direction of the positive electrode layer 13 to the lower part 13 b.
  • the weight ratio of the electrolyte carbon and the amount of the supported catalyst are changed according to the reaction state of the hydrogen ions (H +) and oxygen (O), as shown by the second arrow 26. gradually decreased from the vertical direction of the upper 1 3 a towards the bottom 1 3 b direction.
  • the water generated in the positive electrode layer 13 flows out to the positive electrode diffusion layer 15 as shown by an arrow (8), and the other generated water descends in the positive electrode layer 15 by its own weight as shown by an arrow (9). .
  • the generated water is efficiently converted to the cathode diffusion layer 15 In order to allow the water to escape, it is necessary to gradually increase the drainage of the positive electrode layer 13 from the upper part 13a to the lower part 13b.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent, and the amount of the water-repellent resin contained in the positive electrode layer 13 are adjusted from the upper part 13a to the lower part as shown by the fifth arrow 31 in accordance with the drainage property. It was gradually increased in the 13b direction. Therefore, the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin can be reduced as a whole without adversely affecting the drainage of the generated water.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are schematic diagrams viewed from the arrow 11 in FIG. 8, and FIG. 11A shows the weight ratio of the electrolyte nocarbon and the amount of the supported catalyst, and FIG. The amounts of the pore-forming material, the pore-forming volatile solvent and the water-repellent resin are shown.
  • the oxygen gas flows from the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 toward the discharge side 18b.
  • the oxygen gas flowing in the oxygen gas flow path 18 tends to stay at the bent portion 18d, and tends to gradually decrease toward the discharge side 18b of the oxygen gas flow path 18. Therefore, the amount of oxygen (0 2 ) entering the positive electrode layer 13 (see FIG. 10) through the positive electrode diffusion layer 15 varies from the supply side 18 a to the discharge side 18 of the oxygen gas flow path 18. It gradually decreases toward b.
  • reaction of the hydrogen ions (H +) and oxygen (0 2), Ru suppressed progressively toward the discharge side 1 8 b from the feed side 1 8 a of the oxygen gas passage 1 8.
  • the weight ratio of the electrolyte carbon and the amount of the supported catalyst are adjusted according to the reaction state of the hydrogen ions (H +) and oxygen (O 2 ), as shown by the third arrow 27.
  • the flow 18 was gradually reduced from the supply side 18a to the discharge side 18b. Therefore, the amount of electrolyte, carbon, and catalyst carried can be reduced as a whole without adversely affecting the reaction between hydrogen ions (H +) and oxygen (O 2 ).
  • the oxygen gas in the oxygen gas, the oxygen gas easily stays at the bent portion 18 d of the oxygen gas flow path 18, and the flow rate of the oxygen gas decreases at the discharge side 18 b of the oxygen gas flow path 18.
  • Produced water easily accumulates on the discharge side 18 b of the gas flow path 18. For this reason, the drainage performance of the generated water is increased on the discharge side 18 b of the oxygen gas flow path 18, and the generated water is efficiently discharged. Need to water.
  • the amount of the pore-forming material and the amount of the pore-forming volatile solvent and the water-repellent resin contained in the positive electrode layer 13 are changed by the amount of oxygen as shown by the sixth arrow 32.
  • the gas flow path 18 was gradually increased from the supply side 18a to the discharge side 18b. Accordingly, the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent, and the amount of the water-repellent resin can be reduced as a whole without adversely affecting the drainage of the generated water.
  • the components requiring a large amount of the electrolyte / carbon weight ratio and a large amount of the catalyst 38 have a large amount of these components.
  • the power generation efficiency at each part can be increased by including it in the amount.
  • a portion requiring a large amount of the pore-forming material and the large amount of the water-repellent resin contains a large amount of these components to enhance the drainage at each part of the positive electrode layer.
  • FIG. 12A shows the state of carbon and the catalyst supported on carbon on the surface 34 (see also FIG. 3) of the positive electrode layer 13 that contacts the electrolyte membrane.
  • a sufficient catalytic reaction is required on the surface 34 contacting with the electrolyte membrane, that is, on the positive electrode layer near the electrolyte membrane 12.
  • the catalyst 38 is supported on the surface of the large diameter carbon 36 in a dense state
  • the amount of the layered L material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin on the surface 34 in contact with the electrolyte membrane are adjusted in the same manner as in the first embodiment.
  • Fig. 12B shows a state in which the weight ratio of electrolyte / carbon and the supported amount of catalyst 38 are gradually reduced in the positive electrode layer 13 from the vicinity of the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15. Is shown. Specifically, in the positive electrode layer 13, the weight ratio of electrolyte / carbon and the catalyst 38 supported on the surface of the large-diameter carbon 36 are shifted toward the electrolyte membrane 12 as shown by the first arrow 25. From the positive electrode diffusion layer 15 toward the positive electrode diffusion layer 15.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin in the direction from the electrolyte membrane 12 of the positive electrode layer 13 to the positive electrode diffusion layer 15 are adjusted in the same manner as in the first embodiment.
  • FIG. 12C shows a state in which the weight ratio of the electrolyte carbon and the amount of the supported catalyst 38 are gradually reduced from the upper part 13 a to the lower part 13 b in the vertical direction of the positive electrode layer 13. .
  • the amount of the catalyst 38 supported on the surface of the large-diameter carbon 36 gradually decreases from the upper part 13 a in the vertical direction of the positive electrode layer 13 toward the lower part 13 b. 3 included. Therefore, in the positive electrode layer 13, the weight ratio of the electrolyte carbon and the supported amount of the catalyst 38 are changed from the upper part 13 a to the lower part 13 b in the vertical direction as shown by the second arrow 26. Decrease gradually.
  • the amount of the pore-forming agent, the amount of the pore-forming volatile solvent, and the amount of the water-repellent resin from the upper portion 13a to the lower portion 13b in the vertical direction of the positive electrode layer 13 are adjusted in the same manner as in the first embodiment.
  • FIG. 13 shows a coating apparatus for coating a positive electrode layer of a fuel cell.
  • the coating device 50 includes a holding member 51, an electrode slurry coating machine 52, an electrolyte coating machine 57, and a pore-forming material coating machine 58, which are held in this order from the tip 51 a of the holding member 51.
  • a water-repellent resin coating machine 59 is provided.
  • the electrode slurry applicator 52 includes a first electrode slurry applicator 53, a second electrode slurry applicator 54, and a third electrode slurry applicator 55.
  • the first electrode slurry applicator 53 stores the first electrode slurry containing a large amount of catalyst in the tank 61. By driving the piezo pump 62 in the tank 61, the slurry for the first electrode is dropped from the nozzle 63 in the direction of the arrow.
  • the second electrode slurry coater 54 stores the second electrode slurry containing a medium amount of the catalyst in the tank 65. By driving the piezo pump 66 in the tank 65, the slurry for the second electrode is dropped from the nozzle 67 in the direction of the arrow.
  • the third electrode slurry coater 55 stores a third electrode slurry containing a small amount of catalyst in a tank 68. By driving the piezo pump 69 in the tank 68, the slurry for the third electrode is dropped from the nozzle 71 in the direction of the arrow.
  • the electrolyte coating machine 57 stores the electrolyte slurry in the tank 72. By driving the piezo pump 73 in the tank 72, the electrolyte slurry is dropped from the nozzle 74 in the direction of the arrow.
  • the pore former coating machine 58 stores a pore former slurry in a tank 76. By driving the piezo pump 77 in the tank 76, the pore forming material slurry is dropped from the nozzle 78 in the direction of the arrow.
  • the water-repellent resin coating machine 59 stores a water-repellent resin slurry in a tank 81. By driving the piezo pump 82 in the tank 81, the water-repellent resin slurry is dropped from the nozzle 83 in the direction of the arrow.
  • the piezo pumps 62, 66, 69, 73, 77, 8 are provided to the coating machines 53, 54, 55, 57, 58, 59, respectively.
  • the piezo pumps 62, 66, 69, 73, 77, and 82 are pumps using a piezo element as a pump driving source.
  • the coating device 50 By continuously moving the holding member 51 with the moving means provided in the coating device 50, the coating device 50 can be moved along the positive electrode diffusion layer 15 to perform continuous coating.
  • FIGS. 14 to 14D show steps in manufacturing the fuel cell according to the present invention.
  • the positive electrode diffusion layer 15 is disposed, the coating device 50 is disposed on the positive electrode diffusion layer 15, and the coating device 50 is moved from the standby position P as indicated by an arrow A.
  • the piezo pump 69 of the third electrode slurry applicator 55 is driven along with the movement of the applicator 50, and the third electrode slurry in the tank 68 is dropped from the nozzle 71 as shown by an arrow.
  • a large-diameter carbon 36 carrying the catalyst 38 in a rough state on the surface is applied on the positive electrode diffusion layer 15.
  • the piezo pump 77 of the pore-forming material application section 58 is driven, and a large amount of pore-forming slurry in the tank 76 is dropped from the nozzle 78 as shown by the arrow. Further, the piezo pump 82 of the water-repellent resin applicator 59 is driven to drop a large amount of the water-repellent resin slurry in the tank 81 from the nozzle 83 as shown by the arrow.
  • the coating device 50 is temporarily returned to the standby position P.
  • the coating device 50 is moved from the standby position P as indicated by an arrow B.
  • the piezo pump 66 of the second electrode slurry coating machine 54 is driven to drive the second electrode slurry in the tank 65 from the nozzle 67 into a medium amount as shown by the arrow, Drops more than one electrode slurry.
  • a large amount of the large-diameter carbon 36 carrying the catalyst 38 on the surface in a medium-density state and a medium amount on the large-diameter carbon 36 carrying the catalyst 38 on the surface in a coarse state that is, Apply more slurry than the first electrode slurry.
  • the piezo pump 73 of the electrolyte coating machine 57 is driven to drop the electrolyte slurry in the tank 72 from the nozzle 74 as shown by the arrow.
  • the piezo pump 77 of the pore-forming material applicator 58 is driven, and the pore-forming material slurry in the tank 76 is flown from the nozzle 78 as indicated by an arrow to a smaller amount than the first time pore-forming slurry. Drip.
  • the piezo pump 82 of the water-repellent resin coating machine 59 is driven to pump the water-repellent resin slurry in the tank 81 from the nozzle 83 as shown by the arrow in the first repelling described in FIG. 14A. Drops less than the amount of aqueous resin slurry.
  • the catalyst 38 is formed on the large-diameter carbon 36 on which the catalyst 38 is supported in a rough state, together with the large-diameter carbon 36 on which the catalyst 38 is supported on a medium-density state. Apply a small amount of pore material and water repellent resin.
  • the coating device 50 is returned to the standby position.
  • the coating device 50 is moved from the standby position P as indicated by an arrow C.
  • the piezo pump 62 of the first electrode slurry coating machine 53 is driven to drive the first electrode slurry in the tank 61 from the nozzle 63 in a large amount as shown by an arrow, Drops more than the amount of slurry for two electrodes.
  • the large-diameter carbon 36 carrying the catalyst 38 on the surface in a dense state is placed on the large-diameter carbon 36 carrying the catalyst 38 on the surface in a medium-density state. Apply more than the amount of electrode slurry.
  • the piezo pump 73 of the electrolyte coating machine 57 is driven to drop the electrolyte slurry in the tank 72 from the nozzle 74 in a larger amount than the first electrolyte slurry as shown by the arrow.
  • the positive electrode layer 13 has a weight ratio of the electrolyte Z-carbon and a catalyst 38 carried from the electrolyte membrane 12 toward the cathode diffusion layer 15 from the electrolyte membrane 12. The amount can be included in a gradually reduced state.
  • the positive electrode layer 13 can contain the pore-forming material and the water-repellent resin in such a manner that the amount thereof gradually increases from the vicinity of the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15.
  • a paste for an electrolyte membrane (ion exchange membrane) 12 is applied on the upper surface 84 of a large-diameter carbon 36 carrying a catalyst 38 in a dense state, and the electrolyte membrane 12 is formed.
  • the blade 91 of the coater 90 is arranged in parallel with the upper surface 84 at a predetermined distance above the upper surface 84 of the carbon 36. While moving the blade 91 along the upper surface 84 as shown by the arrow D, the paste of the electrolyte membrane 12 is leveled by the blade 91 to a certain thickness to form the electrolyte membrane 12.
  • the weight ratio of the electrolyte carbon in the positive electrode layer 13 toward the positive electrode diffusion layer 15 from the side closer to the electrolyte membrane 12 of the positive electrode layer 13 is shown.
  • the amount of the catalyst 38 gradually decreased, and the amount of the pore-forming material and the amount of the water-repellent resin in the positive electrode layer 13 were gradually increased.
  • masking was used.
  • the positive electrode layer 13 can be applied with different components for each of a plurality of blocks (for example, 45 blocks).
  • the slurry can be attached in a granular manner without being dispersed from the nozzle. Therefore, as shown in FIGS. 7A to 7G, when the positive electrode layer 13 is divided into a plurality of blocks, the positive electrode layer 13 is provided with a coating portion corresponding to these blocks, so that the positive electrode layer 13 can be used without using masking.
  • the components can be arbitrarily determined for each block of the electrode layer 13.
  • a tank is provided for each component individually, and the coating is performed by the piezo pumps 62, 66, 69, 73, 77, and 82. It is possible to change the component change in a plurality of blocks constituting the continuously, not stepwise.
  • the weight of the electrolyte / carbon among the components of the positive electrode layer 13 is increased as shown in FIG.
  • the amount ratio and the amount of catalyst supported on carbon can be gradually reduced from the vicinity of the electrolyte membrane 12 toward the positive electrode diffusion layer 15 as indicated by the first arrow 25.
  • the weight ratio of the electrolyte Z-carbon and the amount of the catalyst carried are gradually reduced from the upper part 13 a in the vertical direction of the positive electrode layer 13 to the lower part 13 b as shown by a second arrow 26. Becomes possible.
  • the weight ratio of the electrolyte carbon and the amount of the catalyst carried are gradually reduced from the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 to the discharge side 18b as shown by a third arrow 27. It becomes possible.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the artificial L-acting volatile solvent and the amount of the water-repellent resin are changed from the upper portion 13 a in the vertical direction of the positive electrode layer 13 to the lower portion 13 b as shown by a fifth arrow 31. It is possible to increase gradually.
  • the amount of the pore-forming material, the amount of the pore-forming volatile solvent and the amount of the water-repellent resin are changed from the supply side 18a of the oxygen gas flow path 18 to the discharge side 18b as indicated by a sixth arrow 32. Can be gradually increased.
  • the piezo pumps 62, 66, 69, 73, 77, and 82 were used as the coating device 50.
  • a normal ink jet was used as the coating device 50. It is also possible to adopt. Since the application range of the ink jet can be narrowed, the slurry can be preferably applied to a plurality of blocks constituting the positive electrode layer 13.
  • each of the slurry coating machines 53, 54, 55, 57, 58, 59 of the coating apparatus 50 is provided with a spray nozzle 63, 67, 71, 74,
  • the example in which each of the nozzles 78 and 83 are provided separately and each slurry is individually dropped from each nozzle has been described.
  • each of the nozzles 6 3, 6 7, 7 1, 7 4 for jetting is used.
  • 78, and 83 are communicated with each other, and after the respective slurries are mixed in the connected nozzles, the mixed slurry can be dropped.

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Abstract

電解質膜(12)の表裏面にそれぞれ正電極層(13)及び負電極層(14)を積層し、負電極層の触媒に水素を接触させ、正電極層の触媒に酸素を接触させて発電する燃料電池を提供する。正電極層は、電解質、カーボン(36,37)、カーボンに担持された触媒(38)、造孔材及び撥水性樹脂の成分を含む。酸素と水素イオンとの反応が進みやすい部位である正電極層の電解質膜近傍(34)に電解質/カーボン重量比及び触媒の担持量を多くする。生成水が滞留しやすい部位には造孔材及び撥水性樹脂の量を多くする。

Description

明 細 書
'燃料電池 技術分野
本発明は、 電解質膜の表裏面にそれぞれ正電極層および負電極層を積層し、 負電極層の触媒に水素を接触させ、 正電極層の触媒に酸素を接触させることによ リ発電する燃料電池に関する。 背景技術
この種の燃料電池は、 図 1 5、 図 1 6及び図 1 7に示されている。
図 1 5を参照するに、 従来の燃料電池 1 00は、 電解質膜 1 01と、 その表 裏面にそれぞれ積層された正および負の電極層 1 02， 1 03と、 正電極層 1 0 2に積層された正極拡散層 1 04と、 負電極層 1 03に積層された負極拡散層 1 05と、 正極拡散層 1 04の外面に設けられた酸素ガス流路 1 06と、 負極拡散 層 1 05の外面に設けられた水素ガス流路 （図示せず） とから構成されている。
酸素ガスは、 酸素ガス流路 1 06の供給側 1 06 aから排出側 1 06 bに向 けて流れる。
酸素ガス流路 1 06に酸素ガスを流し、 水素ガス流路に水素ガスを流すこと で、 負電極層 1 03内の触媒に水素 （H2) を接触させるとともに、 正電極層 1 02内の触媒に酸素 （02) を接触させて電流を発生させる。
図 1 6に示すように、 負電極層 1 03 (図 1 5参照） 内の反応で生成した水 素イオン （H+) は、 電解質膜 1 0 1を透過し正電極層 1 02側に矢印のように 流れる。
一方、 酸素ガス流路 1 06 (図 1 5参照） から正電極層 1 02内に酸素ガス を供給することで、 酸素ガスは正電極層 1 02内から電解質膜 1 01に向けて流 れる。
よって、 水素イオン （H+) と酸素 （02) とが反応して生成水 （H20) が 生成される。 水素イオン （H+) と酸素 （02) との反応は、 特に電解質膜 1 01 との界面 1 08近傍のエリア、 すなわち、 波線のハッチングで示した 「十分な触 媒反応エリア」 1 02 aにおいて進行する。
生成した生成水 （H20) のうち、 一部の生成水は電解質膜 1 0 1に戻り、 該電解質膜 1 0 1を湿潤状態に保ち、 発電効率を高められる。
残りの生成水 （H20) のうち、 一部は正電極層 1 02内から正極拡散層 1 04に矢印 aの如く排出し、 その他の生成水 （H20) は、 正電極層 1 2内を矢 印 bのように自重で下降する。 このため、 正電極層 1 2の下側 1 02 bに生成水 (H20) が溜まる傾向にあり、 そのことが燃料電池の発電効率を高める妨げに なっていた。
図 1 7に示されるように、 酸素ガス流路 1 06に矢印の如く供給側 1 06 a から排出側 1 06 bに向けて酸素ガスを流す。
一方、 正電極層 1 02から正極拡散層正極拡散層 1 04まで流出した生成水 (H20) のうち、 一部の生成水は蒸発して酸素ガス流路中に蒸散し、 酸素ガス 流路 1 06内の酸素ガスで運ばれる。
ここで、 酸素ガス流路 1 06の屈曲部 1 06 c， 1 06 cで酸素ガスが滞留 しゃすくなリ、 酸素ガス流路 1 06の排出側 1 06 b、 すなわち正電極層 1 02 の下側 1 02 bにおいて、 酸素ガスの流量が減少する傾向がある。
このため、 酸素ガス流路 1 6の排出側 1 06 bでは、 酸素ガス流路中に蒸散し た生成水を効率よく排出し難く、 排出側 1 06 bに生成水が溜まりやすく、 その ことが燃料電池の発電効率を高める妨げになっていた。
図 1 6で説明したように、 「十分な触媒反応エリア」 1 02 aにおいては、 水素イオン （H+) と酸素 （02) との反応が特に進むことに留意して、 正電極層 内の電解質量を電解質膜側で多くした燃料電池が、 例えば、 特開平 8— 0880 08号公報において提案されている。
この燃料電池によれば、 正電極層 1 02内の電解質量を電解質膜 1 0 1 との 界面 1 08の近傍で多量に含ませて、 正電極層 1 02と電解質膜 1 0 1 との界面 1 0 8で水素イオン （H+) の導電性を高めることが可能になる。
また、 図 1 6およぴ図 1 7で説明したように、 生成水の滞留が発電効率を高 める妨げになっていることに留意して、 生成水 （H20) を正電極層 1 0 2内か ら効率よく排出するようにした燃料電池が、 例えば、 特開 2 0 0 2— 2 9 8 8 5 9号公報において提案されている。
この燃料電池によれば、 正電極層 1 0 2の下部 1 0 2 bを除いて、 その他の 表面に撥水性樹脂を含ませ、 下部 1 0 2 bから生成水を流出しやすくして該下部 1 0 2 bに生成水が溜まることを防ぐことが可能になる。
さらに、 図 1 6で説明したように、 電解質膜 1 0 1を湿潤状態に保つことで 発電効率を高めることに留意して、 電解質膜 1 0 1内の含水率を好適に保つよう にした燃料電池が 持開 2 0 0 2— 0 4 2 8 2 3号公報において提案されている。
この燃料電池によれば、 酸素ガス流路 1 0 6の供給側 1 0 6 aにおいて生成 水の排出を抑え、 酸素ガス流路 1 0 6の排出側 1 0 6 bにおいて生成水の排出を 促進させることで、 電解質膜の含水率を好適に保つことが可能になる。
ここで、 燃料電池の産業分野での利用可能性をさらに広げるためには、 燃料 電池の性能を高める他、 燃料電池のコストを抑えることが重要である。
しかし、 特開平 8 _ 0 8 8 0 0 8号の燃料電池のように、 電解質膜との界面 の近傍で電解質量を多量に含ませるという構成のみでは、 燃料電池の性能をさら に高め、 燃料電池のコストを下げることは難しい。
また、 特開 2 0 0 2— 2 9 8 8 5 9号の燃料電池のように、 正電極層の下部 を除いて、 その他の表面に撥水性樹脂を含ませるという構成のみでは、 燃料電池 の性能をさらに高め、 燃料電池のコストを下げることは難しい。
さらに、 特開 2 0 0 2— 0 4 2 8 2 3号の燃料電池のように、 酸素ガス流路 の供給側において生成水の排出を抑え、 酸素ガス流路の排出側において生成水の 排出を促進させるという構成のみでは、 燃料電池の性能をさらに高め、 燃料電池 のコストを下げることは難しい。
そこで、 発電効率に優れ、 かつコストを抑えることができる燃料電池が望ま れる。 発明の開示
本発明者らは、 燃料電池の発電効率を高める実験を進めるなかで、 正電極層 内において、 酸素ガスを導入しやすい場所や、 導入し難い場所があることを発見 した。 さらに、 本発明者らは、 水素イオン （H +) と酸素 （O との反応が進み やすい部位や、 緩やかに進む部位があることを発見した。 さらにまた、 生成水が 滞留しゃすい部位があることを発見した。
上記関係を、 さらに詳しく検討すると、 発電反応や生成水の滞留は、 正電極 層の電解質膜寄りから正極拡散層方向に向けて漸次変化する傾向にあり、 さらに 酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次変化する傾向にあることが判つ た。 さらに、 正電極層を鉛直に配置して使用した際に、 発電反応や生成水の滞留 は、 正電極層の上側から下側に向けて漸次変化する傾向にあることも判った。
これらの観点から、 正電極層内の成分、 すなわち電解質、 触媒や造孔材など を電解質膜寄りから正極拡散層方向に向けて漸次変化させるとともに、 鉛直方向 の上部から下部に向けて漸次変化させ、 かつ酸素ガス流路の供給側から排出側に 向けて漸次変化させることで課題が解決できるとの見通しを得た。
そこで、 本発明においては、 電解質膜と、 該電解質膜の表面及び裏面にそれ ぞれ積層され、 鉛直方向となるよう配置された正及び負の電極層と、 前記正電極 層に積層された正極拡散層と、 前記負電極層に積層された負極拡散層と、 前記正 電極層の外面に設けられた酸素ガス流路と、 前記負電極層の外面に設けられた水 素ガス流路と、 を備え、 前記正電極層は、 電解質、 カーボン、 カーボンに担持さ せた触媒、 造孔材および撥水性樹脂を含み、 これら電解質 Z力一ボンの重量比、 触媒の担持量、 造孔材量および撥水性樹脂量は、 前記電解質膜寄りから前記正極 拡散層方向に向けて漸次変化するとともに、 前記鉛直方向の上部から下部方向に 向けて漸次変化し、 かつ前記酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次変化 することを特徴とする燃料電池を提供する。
このように、 本発明においては、 電解質 カーボンの重量比、 触媒の担持量 (「カーボンに担持された触媒量」 の意味である。 以下、 同様。）、 造孔材量およ ぴ撥水性樹脂量を、 正電極層の電解質膜寄りから正極拡散層方向に向けて漸次変 化させた。 また、 電解質/カーボンの重量比、 触媒の担持量、 造孔材量および撥 水性樹脂量を、 正電極層の鉛直方向上部から下部に向けて漸次変化させた。 さら に、電解質/力一ボンの重量比、触媒の担持量、造孔材量および撥水性樹脂量を、 前記酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次変化させるようにした。 よって、 正電極層のそれぞれの成分を、 酸素ガスの導入状態に応じて漸次変 化させ、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2 ) との反応状態に応じて漸次変化させ、 生成水の排水状態に応じて漸次変化させることができる。 これにより、 正電極層 を構成する各成分を、 正電極層のそれぞれの部位に合わせて好適に含ませ、 各部 位における発電効率を高め、かつ生成水の排水性を好適に調整することができる。
さらに、 正電極層を構成する各成分を正電極層のそれぞれの部位に合わせて 好適に含ませることで、各成分を過剰に含ませることが防止される。これによリ、 正電極層を構成する各成分の含有量を必要最小限に抑えることができ、 コストの 低減化が図れる。
本発明は、 好適には、 正電極層に含まれる電解質 カーボンの重量比および 触媒の担持量は、 電解質膜寄りから正極拡散層方向に向けて減少し、 前記正電極 層の鉛直方向の上部から下部方向に向けて減少し、 かつ酸素ガス流路の供給側か ら排出側に向けて減少し、 さらに正電極層に含まれる造孔材量および撥水性樹脂 量は、 電解質膜寄りから正極拡散層方向に向けて増加し、 前記正電極層の鉛直方 向の上部から下部方向に向けて増加し、 かつ酸素ガス流路の供給側から排出側に 向けて増加するようにした。
ここで、 発電反応は、 電解質膜と正電極層との境界で特に進み、 境界から正 極拡散層方向に向けて徐々に緩やかになる。 さらに、 発電反応は、 正電極層の上 部分で発電反応が特に進み、 上部から下部に向けて徐々に緩やかになる。 さらに また、 発電反応は、 酸素ガス流路の供給側で特に進み、 供給側から排出側に向け て徐々に緩やかになる。 従って、 電解質 Zカーボンの重量比および触媒の担持量 を多量に必要な部位には、 これらの成分を多量に含ませて、 各部位における発電 効率を高めることができる。 さらに、 電解質 カーボンの重量比および触媒の担 持量が、 少量しか必要としない部位にはこれらの成分を少量とし、 これらの成分 を過剰に含ませることを防止する。 これにより、 正電極層を構成する各成分の含 有量を必要最小限に抑えることができ、 コス卜の低減化が図れる。
一方、 生成水は、 電解質膜の含水率を確保するために、 電解質膜近傍では排 水性を抑制する必要がある。 しかし、 正電極層内の生成水を排出するために、 正 極拡散層寄りでは排水性を高める必要がある。 生成水は、 正電極層の下部に滞留 する傾向にあるので、 正電極層の上部から下部に向けて排水性を徐々に高める必 要がある。さらに、生成水は、酸素ガス流路の排出側に滞留する傾向にあるので、 供給側から排出側に向けて排水性を徐々に高める必要がある。
そこで、 造孔材量および撥水性樹脂量を、 電解質膜近傍から正極拡散層方向 に向けて増加させ、 鉛直方向上部から下部に向けて増加させ、 かつ酸素ガス流路 の供給側から排出側に向けて増加させるようにした。 これにより、 造孔材量およ ぴ撥水性樹脂量を、 正電極層のそれぞれの部位毎に好適に含ませて、 各部位にお ける生成水の排水性を好適に調整することができる。 よって、 造孔材量および撥 水性樹脂量を多量に必要な部分には、これらの成分を多量に含ませるようにする。 さらに、 造孔材量および撥水性樹脂量を、 少量しか必要としない部分には、 これ らの成分を少量とすることにより、 これらの成分を過剰に含ませることを防止す ることができる。
さらに本発明は、 好適には、 正電極層が電解質膜に接触する面において、 電 解質 カーボンの重量比、 触媒の担持量、 造孔材量、 撥水性樹脂量が、 均一とな るようにした。
ここで、 電解質膜の近傍では十分な触媒反応が要求される。 加えて、 触媒反 応を十分に進行させる目的で、 電解質膜側の含水率を確保する必要がある。 よつ て、 電解質膜近傍においては、 十分な触媒反応が可能で、 かつ電解質膜の含水率 の確保が可能となるよう正電極層の各成分をそれぞれ均一に含ませた。 これによ リ、 電解質膜の近傍において、 発電反応を十分に高められる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1実施例に係る 1つのセルを詳細に描いた燃料電池の斜 視図である。
図 2は、 図 1に示したセルの一部を省略した断面図である。
図 3は、 図 2に示した正電極層に含まれる各成分の量を模式的に表示した図 である。
図 4 Aは、 正電極層の電解質膜近傍におけるカーボン及ぴ触媒の担持量を示 し、 図 4 Bは、 電解質膜近傍から正極拡散層に向かうカーボン及び触媒の担持量 を示した図である。
図 5 Aは、 正電極層の上部から下部に向けて含まれるカーボン及び触媒の担 持量を示し、 図 5 Bは、 酸素流路に則して供給側から排出側に向かうカーボン及 ぴ触媒の担持量を示した図である。
図 6 A〜図 6 Eは、 第 1実施例に係る正電極層に含有する電解質/カーボン の重量比、 造孔材の割合、 造孔作用揮発性溶媒の割合、 撥水性樹脂の割合、 及び 触媒の割合を各組成物に対応させて表示したグラフである。
図 7 A〜図 7 Gは、 第 1実施例の正電極層を複数のブロックに区切り、 各ブ ロックの組成物を表わした模式図である。
図 8は、 第 1実施例の電解質膜、 正電極層および正極拡散層を示す概略斜視 図である。
図 9は、 図 8に示した 9矢視図であり、 酸素と水素イオンとの反応、 及び生 成水の状態を示した模式図である。
図 1 0は、 図 8に示した 1 0矢視図であり、 酸素と水素イオンとの反応、 及 ぴ生成水の状態を示した模式図である。
図 1 1 A及び図 1 1 Bは、 図 8に示した 1 1矢視図であり、 電解質膜ノカー ボンの重量比及び触媒の担持量、 並びに造孔剤量、 造孔作用揮発性溶媒及び撥水 性樹脂量を示した模式図である。
図 1 2 〜図1 2 Cは、 本発明の第 2実施例に係る正電極層の成分量を示し た図である。
図 1 3は、 本発明に係る燃料電池の正電極層を製造するための塗布装置を示 した図である。
図 1 4 A〜図 1 4 Dは、 図 1 3に示した塗布装置を用いて正電極層を製造す る方法を示した図である。
図 1 5は、 従来の燃料電池 （1つのセル） を示した斜視図である。
図 1 6は、 図 1 5に示した燃料電池の概略断面図であり、 酸素と水素イオン との反応、 及び生成水の状態を示した図である。
図 1 7は、 図 1 5に示した酸素ガス流路に沿って生成水が滞留する状態を示 した図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の好ましい幾つかの実施例について、 図面を参照しながら詳細 に兄明 9_る。
図 1は、 本発明の第 1実施例に係る燃料電池の全体像を斜視図で示す他、 該 '燃料電池を構成する 1つのセルを分解して示している。 図 1に示された燃料電池 1 0は、 複数のセル 1 1を積み重ねて構成されている。
各セル 1 1は、 電解質膜 1 2の表裏面に正おょぴ負の電極層 1 3 , 1 4をそ れぞれ積層し、正電極層 1 3に正極拡散層 1 5 (図 2参照） を積層するとともに、 負電極層 1 4に負極拡散層 1 6 (図 2参照） を積層し、 正極拡散層 1 5の外面に セパレータ 1 7を設けることで正極拡散層 1 5とセパレータ 1 7とで酸素ガス流 路 1 8 (図 2参照） を形成し、 負極拡散層 1 6の外面にセパレータ 1 9を設ける ことで負極拡散層 1 6とセパレータ 1 9とで水素ガス流路 2 0 (図 2参照） を形 成した構造をしている。 前記正負の電極層 1 3 , 1 4、 正負極の拡散層 1 5， 1 6、 セパレータ 1 7， 1 9は、 鉛直方向になるよう配置されている。
符号 2 1， 2 2はシールである。 電解質膜 1 2とセパレータ 1 7との間にシ ール 2 1を介在させることで、 電解質膜 1 2とセパレータ 1 7との間をシールす る。 電解質膜 1 2とセパレータ 1 9との間にシール 2 2を介在させることで、 電 解質膜 1 2とセパレ一タ 1 9との間をシールする。
図 2は、 図 1に示したセルの概略的断面を示している。
電解質膜 1 2の一方の面に正電極層 1 3を積層し、 正電極層 1 3に正極拡散 層 1 5をさらに積層する。セパレータ 1 7は正極拡散層 1 5の外面に設けられる。 酸素ガス流路 1 8は、 正極拡散層 1 5とセパレータ 1 7に形成された溝 1 7 aと で形成される。
酸素ガス流路 1 8に酸素ガスを供給することにより、 酸素 （0 2 ) は、 矢印 ( 1 ) で示すように正極拡散層 1 5を経て正電極層 1 3内に進入し、 さらに正電 極層 1 3内から電解質膜 1 2に入り込む。
負電極層 1 4内の反応で生成した水素イオン （H +) は、 矢印 （2 ) で示す ように電解質膜 1 2を透過して正電極層 1 3に進入する。
そして、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2) とが反応して、 生成水が生成され る。 水素イオン （H +) ど酸素 （〇2) との反応は、 正電極層 1 3内のうち、 特に 電解質膜 1 2との界面 2 3近傍の領域において進行する。
生成した生成水のうち、 一部の生成水は電解質膜 1 2に戻される。 電解質膜 1 2を湿潤状態に保っためである。
残りの生成水のうち、 一部は正電極層 1 3内から正極拡散層 1 5に流出し、 その他の生成水は自重で正電極層 1 3内を下降する。
図 3に示すように、 正電極層 1 3は、 電解質膜 1 2と正極拡散層 1 5との間 に設けられる。 酸素ガス流路 1 8 (図 2も参照） は、 正極拡散層 1 5に外面に沿 つて設けられる。
理解を容易にするために、 酸素ガス流路 1 8を便宜上、 蛇行させたものとし て説明する。
酸素ガス流路 1 8には、 供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて酸素ガスが 流れる。
正電極層 1 3は、 主に電解質、 カーボン、 カーボンに担持させた触媒、 造孔 材、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂を含んでいる。
電解質としては、 例えばフッ素系化合物が該当し、 触媒は、 例えば白金が該 当する。
造孔材は、 正電極層 1 3の空孔率を変化させるもので、 造孔材を増やすこと で空孔率を高めることができる。 空孔率を調整することで、 酸素ガスの拡散性や 排水性をコントロールすることができる。 この造孔材としては、 例えば導電性を 有する針状炭素繊維が該当する。 造孔作用揮発性溶媒としては、 例えばブタノー ル （プチルアルコール） が該当する。
撥水性樹脂としては、 例えばテ卜ラフルォロエチレンが該当する。
電解質、 カーボンおよびカーボンに担持させた触媒は、 発電反応に影響を与 えるもので、 これらの物質が増えると発電反応が高くなリ、 減ると発電反応が低 くなる。
造孔作用揮発性溶媒は、 乾燥時に、 揮発させることによリ空孔を形成し、 造 孔材と同じ役割を果たすものである。 撥水性樹脂は、 生成水の排水性を高めるも のである。 すなわち、 造孔材、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂は、 生成水の排出 性に影響を与えるもので、 これらの物質が減ると排水性が低くなリ、 増えると排 水性が高くなる。
電解質/カーボンの重量比、 およびカーボンに担持させた触媒量（以下、 「触 媒の担持量」 という） を、 第 1の矢印 2 5で示すように電解質膜 1 2側から正極 拡散層 1 5側に向けて漸次減少させる。
電解質/カーボンの重量比および触媒の担持量を、 第 2の矢印 2 6で示すよ うに鉛直方向の上から下に向けて漸次減少させる。
さらに、 電解質/カーボンの重量比および触媒の担持量を、 第 3の矢印 2 7 で示すように酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次減 少させる。
造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 4の矢印 3 0で示 すように電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて漸次増加させる。
さらに、 造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 5の矢印 3 1で示すように、 正電極層 1 3の鉛直方向の上 1 3 aから下 1 3 bに向けて漸 次増加させる。
さらにまた、 造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 6の 矢印 3 2で示すように酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向け て漸次増加させる。
—方、 電解質膜 1 2に接触する面 3 4 (破線のハッチングで示す領域） にお いては、 電解質 Zカーボンの重量比、 触媒の担持量、 造孔材量、 造孔作用揮発性 溶媒および撥水性樹脂量を均一にした。
図 4 Aは、正電極層 1 3のうちの、電解質膜に接触する面 3 4 (図 3も参照） における、 カーボンや、 力一ボンに担持させた触媒の状態を示し、 図 4 Bは、 正 電極層 1 3において、 電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて、 電解 質 Zカーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を漸次減少させた状態を示してい る
図 4 Aにおいて、 電解質膜に接触する面 3 4、 すなわち電解質膜 1 2の近傍 では、 十分な触媒反応が要求される。 よって、 正電極層 1 3のうち、 電解質膜 1 2の近傍において十分な触媒反応 を可能にするために、 大径のカーボン 3 6、 小径のカーボン 3 7や、 これらの力 ーポン 3 6， 3 7に担持させた触媒 3 8を多量で、 かつ均一に正電極層 1 3に含 せる。
具体的には、 大怪の力一ポン 3 6の表面に触媒 3 8を密の状態に担持し、 小 径のカーボン 3 7の表面に触媒 3 8を密の状態に担持する。 これらのカーボン 3 6 , 3 7を、 電解質膜に接触する面 3 4に密に含ませる。
電解質膜に接触する面 3 4、 すなわち電解質膜 1 2 (図 2、 図 3参照） の近 傍では、 触媒反応を十分に進行させる目的で、 電解質膜 1 2の含水率を確保する 必要がある。 よって、 電解質膜に接触する面 3 4において、 造孔材量、 造孔作用 揮発性溶媒および撥水性樹脂量を少量で、 かつ均一に含ませる。 これにより、 電 解質膜 1 2の近傍において、 発電反応を十分に高めることができる。
図 4 Bにおいて、大径のカーボン 3 6の表面に触媒 3 8を密の状態に担持し、 小径のカーボン 3 7の表面に触媒 3 8を密の状態に担持する。
電解質膜 1 2付近から正極拡散層 1 5方向に向けて密の状態から粗の状態と なるよう、 正電極層 1 3に前記力一ボン 3 6， 3 7を含ませる。 すなわち、 正電 極層 1 3において、 第 1の矢印 2 5で示すように電解質膜 1 2付近から正極拡散 層 1 5方向に向けて電解質 Zカーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を漸次減 少させる。
ここで、 正電極層 1 3の電解質膜 1 2付近では生成水の排水性を抑えて電解 質膜 1 2付近の含水率を確保する必要がある。 一方、 正電極層 1 3の正極拡散層 1 5付近では生成水の排水性を高くして正電極層 1 3内の生成水を効率よく排水 する必要がある。 よって、 第 4の矢印 3 0で示すように正電極層 1 3の電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて正電極層 1 3に含む造孔材量、 造孔作 用揮発性溶媒およぴ撥水性樹脂量を漸次増加させる。
図 5 A及び図 5 Bは、 正電極層 1 3に含まれる鉛直方向における成分の状態 を示している。
図 5 Aは、 正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて、 電解質 カーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を漸次減少させた状態を示し ている。
具体的には、 大径のカーボン 3 6の表面に触媒 3 8を密の状態に担持したも のを正電極層 1 3の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて漸次減らすよう含ませ、 大径のカーボン 3 6の表面に触媒 3 8を粗の状態に担持したものを正電極層 1 3 の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて増やすように含ませた。
よって、 正電極層 1 3において、 電解質/カーボンの重量比おょぴ触媒 3 8 の担持量を、 第 2の矢印 2 6で示すように鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 b に向けて漸次減少させる。
ところで、 正電極層 1 3の下部 1 3 bには、 生成水が自重により溜まりやす い。 このため、 正電極層 1 3の下部 1 3 bにおいて生成水の排水性を高くし、 生 成水を効率よく排水する必要がある。 よって、 第 5の矢印 3 1で示すように正電 極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて正電極層 1 3に含む造 孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を漸次増加させる。
図 5 Bは、 酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて、 電 解質 Zカーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を漸次減少させた状態を示して いる。
具体的には、 大径のカーボン 3 6の表面に触媒 3 8を密の状態に担持したも のを酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aに含ませ、 大径の力一ボン 3 6の表面に触 媒 3 8を粗の状態に担持したものを酸素ガス流路 1 8の中間部分 1 8 cに含ま せ、 大径のカーボン 3 6の表面に触媒 3 8を担持しないものを酸素ガス流路 1 8 の排出側 1 8 bに含ませた。つまり、正電極層 1 3において、第 3の矢印 2 7 (図 3参照） で示すように酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向け て、 電解質 カーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を漸次減少させる。
正電極層 1 3内の生成水の一部は、 酸素ガス流路 1 8中に蒸散し、 酸素ガス と共に移動する。
酸素ガスは、 酸素ガス流路 1 8の屈曲部 1 8 dで酸素ガスが滞留しやすく、 酸素ガス流路 1 8の排出側 1 8 bにおいて酸素ガスの流量が減少しやすい。 よつ て、 酸素ガス流路 1 8の排出側 1 8 bに生成水が溜まりやすい。 このため、 酸素 ガス流路 1 8の排出側 1 8 bにおいて生成水の排水性を高くし、 生成水を効率よ く排水する必要がある。 そこで、 正電極層 1 3に含む造孔材量、 造孔作用揮発性 溶媒および撥水性樹脂量を、 第 6の矢印 3 2 (図 3参照） で示すように酸素ガス 流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次増加させる。
図 4 B、 図 5 A及ぴ図 5 Bに示すように、 電解質/力一ボンの重量比おょぴ 触媒 3 8の担持量を、 正電極層 1 3の電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向 に向けて減少させ、 さらに正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 b 方向に向けて減少させ、 かつ酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 b に向けて減少させた。
このように、 電解質/カーボンの重量比および触媒 3 8の担持量が多量に必 要な部位にはこれらの成分を多量に含ませて、各部位における発電効率を高める。
さらに、 電解質 Zカーボンの重量比および触媒 3 8の担持量が少量しか必要 としない部位には、 これらの成分を少量含ませた。 よって、 これらの成分を過剰 に含ませることを防止する。 これにより、 正電極層 1 3を構成する各成分の含有 量を必要最小限に抑えることができる。
一方、 造孔材量および撥水性樹脂量を、 正電極層 1 3の電解質膜 1 2寄りか ら正極拡散層 1 5方向に向けて増加させ、 さらに正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 b方向に向けて増加させ、 かつ酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて増加させた。
つまり、 造孔材量および撥水性樹脂量を、 正電極層 1 3のそれぞれの部位毎 に好適に含ませることにより、 各部位における生成水の排水性が好適に調整され る。 これにより、 造孔材量および撥水性樹脂量を多量に必要な部位には、 これら の成分を多量に含ませて、 各部位における発電効率を高めることができる。
さらに、 造孔材量および撥水性樹脂量が少量しか必要としない部位には、 こ れらの成分を少量含ませることによって、 これらの成分を過剰に含ませることを 防止する。 これにより、 正電極層を構成する各成分の含有量を必要最小限に抑え ることができる。
実 施 例
以下、 燃料電池の具体例を表 1、 図 6 A〜図 7 Gに基づいて説明する。 正電 極層の組成物として、 A〜 Jの 1 0種類用意した。 A〜 Jの組成物の成分割合に 表 1
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造孔材および撥水性樹脂の割合は、固形分中の割合を示す。
造孔作用揮発性溶媒の割合は、溶媒中の割合を示す。
A E 6 6〜 ここで、 表 1に示す造孔材および撥水性樹脂のそれぞれの割合は、 固形分中 の割合を示している。 固形分中の割合とは、 電極を形成する単位体積あたりの全 固形分重量のうち、 それぞれの材料が占める重量の割合をいう。
造孔作用揮発性溶媒の割合は溶媒中の割合を示す。 溶媒中の割合とは、 単位 体積あたリの電極を形成するときに用いる全溶媒重量のうちの、 造孔作用揮発性 溶媒の重量割合をいう。
組成物 Aの成分は、電解質/カーボンの重量比を 2. 0、造孔材の割合は 5. 0、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 0、 撥水性樹脂の割合を 0、 触媒の担持割合を 49. 1 とした。
組成物 Bの成分は、電解質 Zカーボンの重量比を 1. 8、造孔材の割合は 7. 3、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 7. 5、 撥水性樹脂の割合を 4. 8、 触媒の担 持割合を 48. 1 とした。
組成物 Cは、 電解質 カ一ボンの重量比を 1. 6、 造孔材の割合は 9. 5、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 1 4. 0、 撥水性樹脂の割合を 9. 4、 触媒の担持 割合を 47. 2とした。
組成物 Dは、電解質 Zカーボンの重量比を 1. 4、造孔材の割合は 1 1. 6、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 1 9. 9、 撥水性樹脂の割合を 1 3. 7、 触媒の担 持割合を 46. 2とした。
組成物 Eは、電解質 カーボンの重量比を 1. 2、造孔材の割合は 1 3. 6、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 25. 1、 撥水性樹脂の割合を 1 7. 9、 触媒の担 持割合を 45. 7とした。
組成物 Fは、電解質 カーボンの重量比を 1. 0、造孔材の割合は 1 5. 5、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 29. 8、 撥水性樹脂の割合を 21. 9、 触媒の担 持割合を 44. 6とした。
組成物 Gは、電解質/カーボンの重量比を 0. 9、造孔材の割合は 1 7. 3、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 32. 8、 撥水性樹脂の割合を 23. 6、 触媒の担 持割合を 43. 1 とした。
組成物 Hは、電解質 Zカーボンの重量比を 0. 8、造孔材の割合は 1 9. 1、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 35. 6、 撥水性樹脂の割合を 25. 2、 触媒の担 持割合を 41 · 0とした。
組成物〖は、電解質/カーボンの重量比を 0. 7、造孔材の割合は 20. 8、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 38. 1、 撥水性樹脂の割合を 26. 7、 触媒の担 持割合を 38. 4とした。
組成物 Jは、電解質ノカーボンの重量比を 0. 6、造孔材の割合は 22. 4、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 40. 6、 撥水性樹脂の割合を 28. 2、 触媒の担 持割合を 35. 3とした。
図 6 Aは、 表 1に示した各組成物に対する正電極層に含有する電解質/カー ボンの重量比を示している。
図 6Aに示すように、 電解質 カーボンの重量比を 0. 6〜2. 0の範囲と した （表 1も参照）。
電解質 カーボンの重量比が 0. 6未満になると、 電解質のカーボンへの被 覆が少なくなり、 十分な反応が得られない。 一方、 電解質ノカーボンの重量比が 2. 0を超えると、 電解質成分が増え過ぎて生成水の拡散経路を塞いでしまい、 さらには保水性が高くなリ過ぎて、 十分な反応が得られない。 そこで、 正電極層 に含有する電解質 Zカーボンの重量比を 0. 6〜2. 0の範囲とした。
図 6 Bは、 表 1に示した各組成物に対する正電極層に含有する造孔材の割合 を示している。
図 6 Bに示すように、 造孔材の割合を 5. 0-22. 4w t %の範囲とした (表 1も参照）。
造孔材の割合が 5. Ow t 0/0未満になると、 酸素ガスの拡散性が不十分にな リ、 十分な発電反応を得ることが難しい。 一方、 造孔材の割合が 22. 4 w t % を超えると、 正電極層 1 3内のバインダー量が不足して、 正電極層 1 3の強度を 確保することが難しい。 さらに、 正電極層 1 3内のバインダー量が不足すること で、 正電極層 1 3内の成分の結合が不十分になることも起こり得る。 そこで、 正 電極層に含有する造孔材の割合を 5. 0〜22. 4w t %の範囲とした。
図 6 Cは、 表 1に示した各組成物に対する正電極層に含有する造孔作用揮発 性溶媒の割合を示している。
図 6 Cに示すように、 造孔作用揮発性溶媒の割合を 0〜 40. 6w t %の範 囲とした （表 1も参照）。
電解質膜 1 2に接触する面 34の近傍では、 保水性が必要なため、 造孔作用 揮発性溶媒の割合の下限を Ow t %とした。 一方、 造孔作用揮発性溶媒の割合が 40. 6w t %を超えると、 造孔材と同様に、 正電極層 1 3内のバインダー量が 不足して、 正電極層 1 3の強度を確保することが難しい。 さらに、 正電極層 1 3 内のバインダー量が不足することで、 正電極層 1 3内の成分の結合が不十分にな ることも起こり得る。 そこで、 正電極層に含有する造孔作用揮発性溶媒の割合を 0〜40. 6w t %の範囲とした。
図 6 Dは、 表 1に示した各組成物に対する正電極層に含有する撥水性樹脂の 割合を示している。
図 6 Dに示すように、 撥水性樹脂の割合を 0〜 28. 2w t %の範囲とした (表 1 も参照）。
電解質膜 1 2に接触する面 34の近傍では、 保水性が必要なため、 撥水性樹 脂の割合の下限を 0 w t %とした。 一方、 撥水性樹脂の割合が 40. 6 w t %を 超えると、 樹脂量が増えすぎて空孔の形成を妨害してしまう虞がある。 そこで、 正電極層に含有する撥水性樹脂の割合を 0〜 40. 6 w t %の範囲とした。
なお、 バインダー機能として電解質 （イオン交換樹脂） と撥水性樹脂の量を 一定にコン卜ロールしている。
図 6 Eは、 表 1に示した各組成物に対する正電極層に含有する触媒の担持割 合を示している。
図 6 Eに示すように、 触媒の担持割合を 35. 3〜49. 1 w t %の範囲と した （表 1 も参照）。
触媒の担持割合が 35. 3 w t ·½未満になると、 反応に必要な触媒の総量が 少なくなリ、 無反応酸素が生じる。 一方、 触媒の担持割合が 49. 1 w t <½を超 えると、 触媒量が多くなリ、 反応に寄与しない触媒が生じる。 そこで、 正電極層 に含有する触媒の担持割合を 35. 3〜49. 1 w t %の範囲とした。
図 7 A〜図 7 Gは、 第 1実施例に係る正電極層を構成する組成物の配列状態 を示している。 図 7 Aは、 正電極層 1 3をを示し、 側面視で 3行 （Y 1、 Υ 2、 Υ 3)、 5列 （Χ 1、 Χ 2、 Χ 3、 Χ 4、 χ 5) に仕切リ、 かつ電解質膜 1 2寄 りから正極拡散層 1 5方向に向けて Z 1領域、 Z 2領域、 及び Z 3領域の 3つの 領域に仕切り、 正電極層 1 3を 45個のブロックに仕切った例を示している。 正 電極層 1 3の各ブロックを特定するため、 例えばハッチングで示されたブロック を∑ 3 ( X 1 - Y 1 )と表示する。その他のプロックについても同様に表示する。
図 7 B、 図 7 C及ぴ図 7 Dは、 Z 1、 Z 2、 及ぴ Z 3の領域の組成物を示し ている。 A〜 Jで表示された組成物は、 表 1で説明した組成物である。
図 7 Bは、 Z 1領域、 すなわち電解質膜に接触する正電極層の領域であり、 ブロック Z 1 (X 1— Y 1 ) 〜ブロック Z 1 (X 5— Y 3) の 1 5個のブロック 全てにおいて表 1に示した組成物を Aとした。
正電極層は、電解質膜に接触する領域において十分な触媒反応が要求される。 よって、 正電極層 1 3のうち、 電解質膜 1 2の近傍において、 十分な触媒反応を 可能にするために、 図 4 Aで説明したように電解質 カーボン重量比や触媒の担 持量を多く、 かつ均一に含ませるようにした。
さらに、電解質膜に接触する領域では、触媒反応を十分に進行させる目的で、 電解質膜 1 2の含水率を確保する必要がある。よって、電解質膜の近傍において、 造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を少量で、 かつ均一に含ませ た。
図 7 Cは Z 2領域を示している。 Z 2の領域において、 ブロック Z 2 (X I 一 Y 1 )、 ブロック Z 2 (X 2 - Y 1 ) およびブロック Z 2 (X 3 - Y 1 ) の 3 つのブロックで Bの組成物とした。
ブロック Z 2 (X 4— Y 1 )、 部位 Ζ 2 (X 5— Υ 1 ) およびブロック Ζ 2 (X 5 - Υ 2) の 3つのブロックで Cの組成物とした。
ブロック Ζ 2 (X 2— Υ 2)、 ブロック Ζ 2 (X 3 - Υ 2 ) およびブロック Ζ 2 (X 4- Υ 2) の 3つのブロックで Dの組成物とした。
ブロック Ζ 2 (X 1— Υ 2)、 ブロック Ζ 2 (X 1 - Υ 3) およびブロック Ζ 2 ( X 2 - Υ 3 ) の 3つのブロックで Εの組成物とした。
ブロック Ζ 2 ( X 3 _ Υ 3 )、 ブロック Ζ 2 ( X 4 - Υ 3 ) およぴブロック Ζ 2 ( X 5 - Υ 3 ) の 3つのブロックで Fの組成物とした。
図 7 Dは Ζ 3の領域を示している。 すなわち正極拡散層に接触する領域にお いて、 ブロック Z 3 (X 1 - Y 1 ) およびブロック Z 3 (X 2- Y 1 ) の 2つの ブロックで Cの組成物とした。
ブロック Z 3 ( X 3 - Y 1 ) およびブロック Z 3 ( X 4 - Y 1 ) の 2つのブ ロックで Dの組成物とした。
ブロック Z 3 ( X 5 - Y 1 ) およびブロック Z 3 ( X 5 - Y 2 ) の 2つのブ ロックで Eの組成物とした。
ブロック Z 3 (X 3 - Y 2) およびブロック Z 3 ( X 4 - Y 2 ) の 2つのブ 口ックで Fの組成物とした。
ブロック Z 3 (X 1 - Y 2) およびブロック Z 3 (X 2 - Y 2) の 2つのブ ロックで Gの組成物とした。
ブロック Z 3 (X 1 - Y 3) およびブロック Z 3 (X 2 - Y 3) の 2つのブ 口ックで Hの組成物とした。
ブロック Z 3 (X 3 - Y 3) およびブロック Z 3 (X 4- Y 3) の 2つのブ ロックで Iの組成物とした。
ブロック Z 3 (X 5- Y 3) は、 Jの組成物である。
これにより、 正電極層 1 3の Z2領域および Z 3領域を構成する各ブロック の成分のうち電解質 Zカーボン重量比や触媒の担持量を、 水素ガス流路 1 8の供 給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次減少するよう正電極層 1 3に含ませ た。 よって、 電解質 カーボン重量比や触媒の担持量を多量に必要とするブロッ クにはこれらの成分を多量に含ませ、 少量しか必要としないプロックにはこれら の成分を少量含ませることができる。
さらに、 正電極層 1 3の Z 2領域および Z 3領域を構成する各ブロックの成 分のうち造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 水素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次増加するよう正電極層 1 3に含 ませた。 よって、 造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を多量に必 要とするプロックにはこれらの成分を多量に含ませ、 少量しか必要としないブロ ックにはこれらの成分を少量含ませることができる。
Z 2領域および Z 3領域を構成する各プロックの成分のうち、 電解質/カー ボン重量比や触媒の担持量は、 正電極層 1 3の鉛直方向における上部 1 3 aから 下部 1 3 bに向けて漸次減少するよう正電極層 1 3に含ませた。 よって、 電解質 カーボン重量比や触媒の担持量を多量に必要とするブロックにはこれらの成分 を多量に含ませ、 少量しか必要としないブロックにはこれらの成分を少量含ませ ることができる。
さらに、 正電極層 1 3の Z 2領域および Z 3領域を構成する各ブロックの成 分のうち造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量は、 正電極層 1 3の 鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて漸次増加する。よって、造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を多量に必要とするブロックにはこれら の成分を多量に含ませ、 少量しか必要としないブロックにはこれらの成分を少量 含ませることができる。
図 7 E、 図 7 F及び図 7 Gは、 Y 1領域、 Y 2領域、 Y 3領域の各ブロック の組成物の配列状態を示している。 つまり、 図 7 Aの上面から見た各領域を示し ている。
図 7 Eは Y 1領域、 すなわち正電極層 1 3の上部となる領域であり、 電解質 膜 1 2寄りのブロック Y 1 (X 1 -Z 1 ) 〜ブロック Y 1 (X 5 - Z 1 ) の 5つ のブロック全てを、 表 1に示した Aの組成物とした。
ブロック Y 1 (X 1 — Z 2)、 ブロック Y 1 (X 2 - Z 2) およびブロック Y 1 (X 3-Z 2) の 3つのブロックで Bの組成物とした。
ブロック Y 1 (X 4— Z 2)、 ブロック Y 1 (X 5— Z 2)、 ブロック Y 1 (X 1 -Z 3) およびフロック Y 1 (X 2 - Z 3) の 4つのブロックで Cの組成 物とした。
ブロック Y 1 (X 3 -Z 3) およびブロック Y 1 (X 4 - Z 3) の 2つのブ ロックで Dの組成物とした。
ブロック Y 1 (X 5— Z 3) は、 Dの組成物とした。
図 7 Fは Y 2の領域を示している。 Y 2の領域において、 ブロック Y 2 (X 1 - Z 1 ) 〜ブロック Y 2 (X 5 -Z 1 ) の 5つのブロック全ては、 表 1に示し た Aの組成物である。
ブロック Y 2 ( X 1 - Z 2 ) は、 Eの組成物である。
ブロック Y 2 (X 2— Z 2)、 ブロック Y 2 (X 3-Z 2) およびブロック Y 2 (X 4-Ζ 2) の 3つのブロックで Dの組成物とした。
ブロック Y 2 (X 5 - Z 2) は、 Cの組成物である。
ブロック Y 2 ( X 1 - Z 3 ) およびブロック Y 2 ( X 2 - Z 3 ) の 2つのプ 口ックで Gの組成物とした。
ブロック Y 2 ( X 3 - Z 3 ) およびプロック部位 Y 2 ( X 4 - Z 3 ) の 2つ のプロックで Fの組成物とした。
ブロック Y 2 (X 5 - Z 3 ) のブロックは、 Eの組成物とした。
図 7 Gは Y 3の領域、すなわち正電極層 1 3の下部となる領域を示している。 この Y 3の領域において、 電解質膜 1 2寄りのブロック Y 3 (X 1 - Z 1 ) 〜ブ ロック Y 3 (X 5 -Z 1 ) の 5つの全てのブロックを表 1に示した Aの組成物と した。
ブロック Y 3 (X 1 - Z 2) およびブロック Y 3 (X 2 -Z 2) の 2つのブ 口ックで Eの組成物とした。
ブロック Y 3 (X 3— Z 2)、 ブロック Y 3 (X 4-Z 2) およびブロック
Y 3 (X 5 - Z 2) の 3つのブロックで Fの組成物とした。
ブロック Y 3 (X 1 - Z 3) およびブロック Y 1 (X 2 - Z 3) の 2つのブ 口ックで Hの組成物とした。
ブロック Y 3 (X 3 -Z 3) およびブロック Y 3 (X 4 - Z 3) の 2つのブ ロックで Iの組成物とした。
ブロック Y 3 (X 5-Z 3) は、 Jの組成物とした。
これにより、 Y 1領域〜 Y 3領域を構成する各ブロックの成分のうち、 電解 質 カーボン重量比や触媒の担持量を、 電解質膜 1 2から正極拡散層 1 5に向け て漸次減少するよう正電極層 1 3に含ませた。 よって、 電解質 カーボン重量比 や触媒の担持量を多量に必要とするブロックにはこれらの成分を多量に含ませ、 少量しか必要としないブロックにはこれらの成分を少量にすることができる。
さらに、 Y 1領域〜 Y 3領域を構成する各プロックの成分のうち、造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 電解質膜 1 2から正極拡散層 1 5に 向けて漸次増加するよう正電極層 1 3に含ませた。 よって、 造孔材量、 造孔作用 揮発性溶媒および撥水性樹脂量を多量に必要とするブロックにはこれらの成分を 多量に含ませ、 少量しか必要としないプロックにはこれらの成分を少量にするこ とができる。
次に、 図 7 A〜図 7 Gに示す正電極層 1 3を有する燃料電池 1 0の作用につ いて、 図 8〜図 1 1 Bに基づいて説明する。
図 8は、 電解質膜 1 2に正電極層 1 3を積層し、 正電極層 1 3に正極拡散層 1 5を積層した状態の第 1実施例の燃料電池 1 0を示している。
図 9は、 図 8に示した撚料電池 1 0の矢印 9方向から見た模式図であり、 酸 素と水素イオンの反応状態を示している。
図 9に示すように、 正極拡散層 1 5を経て正電極層 1 3内に酸素 （0 2 ) が 矢印 （3 ) の如く進入し、 進入した酸素 （0 2 ) は正電極層 1 3内から電解質膜 1 2に入り込む。
一方、 負電極層 1 4 (図 2参照） 内の反応で生成した水素イオン （H +) が 電解質膜 1 2を透過して、 正電極層 1 3に矢印 （4 ) の如く進入する。 よって、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2 ) とが反応して、 生成水が生成される。
水素イオン （H +) と酸素 （0 2) との反応は、 正電極層 1 3内のうち、 特に 電解質膜 1 2に接触する面 3 4 (破線のハッチングで示した領域） で進行する。
そこで、 正電極層 1 3の電解質膜 1 2に接触する面 3 4において、 電解質 Z カーボンの重量比を大きく、 触媒の担持量を多量に含ませるとともに、 均一に含 ませた。 よって、 電解質膜 1 2に接触する面 3 4において、 電極反応を十分に促 進させることができる。
さらに、 電解質膜 1 2に接触する面 3 4において、 造孔材量、 造孔作用揮発 性溶媒および撥水性樹脂量を少量含ませるとともに、 均一に含ませて、 電解質膜 1 2に接触する面 3 4の排水性を抑えた。
よって、 水素イオン （H +) と酸素 ( 0 2) とが反応して、 生成された生成水 が矢印 （5 ) 如く正電極層 1 3内に進入する際に、 一部の生成水を電解質膜 1 2 方向に矢印 （6 ) の如く戻す。
これにより、 電解質膜 1 2は好適な湿潤状態に保ち、 水素イオン （H +) と 酸素 （0 2) との反応をよリー層促進させることができる。
水素イオン （H +) と酸素 （0 2) との反応は、 電解質膜 1 2寄りから正極拡 散層 1 5方向に向けて漸次抑えられる。そこで、水素イオン （H +) と酸素（0 2 ) との反応状態に対応させて、 電解質 カーボンの重量比および触媒の担持量を、 第 1の矢印 2 5で示すように電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて 漸次減少させた。 よって、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2) との反応に悪影響を 与えることなく、 電解質、 カーボンや触媒の担持量を減らすことができる。
さらに、 生成水は正極拡散層 1 5に向けて矢印 （7 ) の如く逃がすために、 正極拡散層 1 5の排水性は、 電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5に向けて漸次 高くする必要がある。 そこで、 排水性に対応させて、 正電極層 1 3に含む造孔材 量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 4の矢印 3 0で示すように、 正電極層 1 3の電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて漸次増加させ た。よって、生成水の排水性に悪影響を与えることなく、全体として、造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を減らすことができる。
図 1 0は、図 8に示した燃料電池 1 0の矢印 1 0方向から見た模式図であり、 酸素と水素イオンの反応、 及び生成水の排水状態を示している。
図 3で示したように、 酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aは、 正電極層 1 3の 上部 1 3 aに位置し、 排出側 1 8 bは下部 1 3 bに位置する。 このため、 正極拡 散層 1 5を経て正電極層 1 3内に矢印 （3 ) の如く進入する酸素 （0 2 ) 量は、 正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 b方向に向けて漸次減少す る。 これによリ、 水素イオン （H +) と酸素 （O z) との反応は、 正電極層 1 3の 鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 b方向に向けて漸次抑えられる。
そこで、 水素イオン （H +) と酸素 （O との反応状態に対応させて、 電解 質 カーボンの重量比および触媒の担持量を、 第 2の矢印 2 6で示すように正電 極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 b方向に向けて漸次減少させた。 よって、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2) との反応に悪影響を与えることなく、 電解質、 カーボンや触媒の担持量を減らすことができる。
さらに、 正電極層 1 3内の生成水は、 正極拡散層 1 5に矢印 （8 ) の如く流 出し、 その他の生成水は自重で正電極層 1 5内を矢印 （9 ) の如く下降する。 こ のため、 下降した生成水は、 正電極層 1 3の下側 1 3 bから正極拡散層 1 5に矢 印の如く流出させる必要がある。 このため、 生成水を効率よく正極拡散層 1 5に 向けて逃がすために、 正電極層 1 3の排水性は、 上部 1 3 aから下部 1 3 bに向 けて漸次増加させる必要がある。
そこで、 排水性に対応させて、 正電極層 1 3に含む造孔材量、 造孔作用揮発 性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 5の矢印 3 1で示すように上部 1 3 aから下部 1 3 b方向に向けて漸次増加させた。 よって、 生成水の排水性に悪影響を与える ことなく、 全体として造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を減ら すことができる。
図 1 1 A及ぴ図 1 1 Bは、 図 8の矢印 1 1から見た模式図であり、 図 1 1 A は電解質ノカーボンの重量比および触媒の担持量を示し、 図 1 1 Bは造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を示している。
図 1 1 Aに示すように、 酸素ガスは酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排 出側 1 8 bに向けて流れる。 酸素ガス流路 1 8内を流れる酸素ガスは、 屈曲部 1 8 dで酸素ガスが滞留しやすく、 酸素ガス流路 1 8の排出側 1 8 bに向けて漸次 減少しやすい。 このため、 正極拡散層 1 5を経て正電極層 1 3 (図 1 0参照） 内 に進入する酸素 （0 2 ) 量は、 酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次減少する。 これにより、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2 ) との反 応は、 酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次抑えられ る。
そこで、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2 ) との反応状態に対応させて、 電解 質ノカーボンの重量比および触媒の担持量を、 第 3の矢印 2 7で示すように酸素 ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次減少させた。よって、 水素イオン （H +) と酸素 （0 2 ) との反応に悪影響を与えることなく、 全体とし て電解質、 カーボン、 触媒の担持量を減らすことができる。
さらに、 正電極層 1 3 (図 1 0参照） 内の生成水の一部は、 酸素ガス流路 1 8中に蒸散し、 酸素ガスと共に移動する。
一方、 酸素ガスは、 酸素ガス流路 1 8の屈曲部 1 8 dで酸素ガスが滞留しや すく、酸素ガス流路 1 8の排出側 1 8 bにおいて酸素ガスの流量が減少しゃすく、 酸素ガス流路 1 8の排出側 1 8 bに生成水が溜まりやすい。 このため、 酸素ガス 流路 1 8の排出側 1 8 bにおいて生成水の排水性を高くし、 生成水を効率よく排 水する必要がある。
そこで、 図 1 1 Bに示すように、 正電極層 1 3に含む造孔材量、 造孔作用揮 発性溶媒おょぴ撥水性樹脂量を、 第 6の矢印 3 2で示すように酸素ガス流路 1 8 の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸次増加させた。 よって、 生成水の排 水性に悪影響を与えることなく、 全体として造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒およ ぴ撥水性樹脂量を減らすことができる。
図 9〜図 1 1 Bで説明したように、 電解質/カーボンの重量比および触媒 3 8 (図 4 A〜図 5 B参照） の担持量を多量に必要な部位には、 これらの成分を多 量に含ませて、 各部位における発電効率を高めることができる。
さらに、 電解質ノカーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を、 少量しか必 要としない正電極層 1 3の部分には、これらの成分を少量含ませることによって、 これらの成分を過剰に含ませることを防止する。
これにより、 正電極層 1 3を構成する各成分の含有量を必要最小限に抑える ことができる。
一方、 造孔材量および撥水性樹脂量が多量に必要な部分には、 これらの成分 を多量に含ませて、 正電極層の各部位における排水性を高める。
さらに、 造孔材量および撥水性樹脂量を、 少量しか必要としない正電極層 1 3の部分には、 これらの成分を少量含ませることによって、 これらの成分を過剰 に含ませることを防止する。
これにより、 正電極層 1 3を構成する各成分の含有量を必要最小限に抑える ことができる。
次に、 本発明の第 2実施例に係る燃料電池について、 図 1 2八〜図1 2 Cに 基づいて説明する。 なお、 第 2実施例の説明において、 第 1実施例と同一部材に ついては同一符号を付してその説明を省略する。
図 1 2 Aは、 正電極層 1 3のうちの、 電解質膜に接触する面 3 4 (図 3も参 照） における、 カーボンや、 カーボンに担持させた触媒の状態を示している。
電解質膜に接触する面 3 4、 すなわち電解質膜 1 2近傍の正電極層では、 十 分な触媒反応が要求される。
よって、 正電極層 1 3のうち、 電解質膜 1 2近傍において十分な触媒反応を 可能にするために、 大径のカーボン 3 6及び該カーボン 3 6に担持させた触媒 3
8を多量で、かつ均一に電解質 1 2近傍の正電極層 1 3に含ませる。具体的には、 大径のカーボン 3 6の表面に触媒 3 8を密の状態に担持させ、 これらのカーボン
3 6を、 電解質膜に接触する面 3 4に密に含ませる。
なお、 電解質膜に接触する面 3 4における、 造子 L材量、 造孔作用揮発性溶媒 および撥水性樹脂量は、 第 1実施例と同様に調整する。
図 1 2 Bは、 正電極層 1 3において、 電解質膜 1 2近傍から正極拡散層 1 5 方向に向けて、 電解質/カーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を漸次減少さ せた状態を示している。 具体的には、 正電極層 1 3において、 電解質 /カーボン の重量比および大径のカーボン 3 6の表面に担持した触媒 3 8を、 第 1の矢印 2 5で示すように電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて漸次減少させ る。
なお、 正電極層 1 3の電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向における、 造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量は、 第 1実施例と同様に調整 する。
図 1 2 Cは、正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて、 電解質 カーボンの重量比および触媒 3 8の担持量を漸次減少させた状態を示し ている。
具体的には、 大径のカーボン 3 6の表面に担持する触媒 3 8を、 正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部側 1 3 bに向けて漸次減らすよう正電極層 1 3にに含ませた。 よって、 正電極層 1 3において、 電解質 カーボンの重量比お よび触媒 3 8の担持量は、 第 2の矢印 2 6で示すように鉛直方向の上部 1 3 aか ら下部 1 3 bに向けて漸次減少する。
なお、正電極層 1 3の鉛直方向における上部 1 3 aから下部 1 3 bにおける、 造孔剤量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量は、 第 1実施例と同様に調整 する。
次に、 本発明の燃料電池の製造方法について、 図 1 3、 及ぴ図 1 4 〜図 1
4 Dに基づいて説明する。 なお、 ここでは理解を容易にするために、 造孔作用揮 発性溶媒の説明は省略するが、 造孔作用揮発性溶媒は造孔材と同様に塗布するも のとする。
図 1 3は、 燃料電池の正電極層を塗布する塗布装置を示している。
塗布装置 5 0は、 保持部材 5 1 と、 該保持部材 5 1の先端部 5 1 aから順に 保持された電極用スラリー塗布機 5 2、 電解質塗布機 5 7、 造孔材塗布機 5 8、 撥水性樹脂塗布機 5 9とを備える。
電極用スラリー塗布機 5 2は、 第 1電極用スラリー塗布機 5 3と、 第 2電極 用スラリー塗布機 5 4と、 第 3電極用スラリー塗布機 5 5とからなる。
第 1電極用スラリー塗布機 5 3は、 タンク 6 1内に、 触媒を多量に含んだ第 1電極スラリーを蓄えている。 タンク 6 1内のピエゾポンプ 6 2を駆動すること により、 第 1電極用スラリーをノズル 6 3から矢印の方向に飛滴させる。
第 2電極用スラリー塗布機 5 4は、 タンク 6 5内に、 触媒を中量に含んだ第 2電極スラリーを蓄えている。 タンク 6 5内のピエゾポンプ 6 6を駆動すること によリ、 第 2電極用スラリーをノズル 6 7から矢印の方向に飛滴させる。
第 3電極用スラリー塗布機 5 5は、 タンク 6 8内に、 触媒を少量に含んだ第 3電極スラリーを蓄えている。 タンク 6 8内のピエゾポンプ 6 9を駆動すること によリ、 第 3電極用スラリーをノズル 7 1から矢印の方向に飛滴させる。
電解質塗布機 5 7は、 タンク 7 2内に、 電解質スラリーを蓄えている。 タン ク 7 2内のピエゾポンプ 7 3を駆動することにより、 電解質スラリーをノズル 7 4から矢印の方向に飛滴させる。
造孔材塗布機 5 8は、 タンク 7 6内に、 造孔材スラリーを蓄えている。 タン ク 7 6内のピエゾポンプ 7 7を駆動することにより、 造孔材スラリーをノズル 7 8から矢印の方向に飛滴させる。
撥水性樹脂塗布機 5 9は、 タンク 8 1内に、 撥水性樹脂スラリーを蓄えてい る。 タンク 8 1内のピエゾポンプ 8 2を駆動することにより、 撥水性樹脂スラリ 一をノズル 8 3から矢印の方向に飛滴させる。
この塗布装置 5 0によれば、 前記塗布機 5 3， 5 4， 5 5， 5 7， 5 8， 5 9に、 それぞれピエゾポンプ 6 2， 6 6 , 6 9， 7 3 , 7 7， 8 2を使用するこ とにより、 各ノズル 6 3 , 6 7， 7 1 , 7 4， 7 8 , 8 3からスラリーを飛滴さ せる際に、 分散せずに粒状に付着させることができる。 前記ピエゾポンプ 6 2， 6 6， 6 9， 7 3 , 7 7， 8 2とは、 ピエゾ素子を ポンプの駆動源に用いたポンプである。
上記塗布装置 5 0に移動手段を備えて保持部材 5 1を連続的に移動すること で、 塗布装置 5 0を正極拡散層 1 5に沿って移動させて連続的な塗布が可能にな る。
図 1 4 〜図1 4 Dは、 本発明に係る燃料電池を製造する際の工程を示して いる o
図 1 4 Aにおいて、 正極拡散層 1 5を配置し、 正極拡散層 1 5上に塗布装置 5 0を配置し、 塗布装置 5 0を待機位置 Pから矢印 Aの如く移動する。
塗布装置 5 0の移動とともに、 第 3電極用スラリー塗布機 5 5のピエゾポン プ 6 9を駆動して、 タンク 6 8内の第 3電極用スラリーをノズル 7 1から矢印の 如く飛滴する。 これにより、 触媒 3 8を粗の状態に表面に担持した大径のカーボ ン 3 6を正極拡散層 1 5上に塗布する。
同時に、 造孔材塗布部 5 8のピエゾポンプ 7 7を駆動して、 タンク 7 6内の 造孔材スラリーをノズル 7 8から矢印の如く多量に飛滴する。 さらに、 撥水性樹 脂塗布機 5 9のピエゾポンプ 8 2を駆動して、 タンク 8 1内の撥水性樹脂スラリ 一をノズル 8 3から矢印の如く多量に飛滴する。
これにより、 触媒 3 8を粗の状態に表面に担持した大径のカーボン 3 6とと もに、 正極拡散層 1 5上に造孔材及び撥水性樹脂をそれぞれ多量に塗布する。
塗布装置 5 0の 1回目の塗布完了後は、 一旦、 塗布装置 5 0を待機位置 Pま で戻す。
次に、 図 1 4 Bに示すように、 塗布装置 5 0を待機位置 Pから矢印 Bの如く 移動する。
塗布装置 5 0の移動とともに、 第 2電極用スラリー塗布機 5 4のピエゾポン プ 6 6を駆動して、 タンク 6 5内の第 2電極用スラリーをノズル 6 7から矢印の 如く中量、 すなわち第 1電極用スラリーよりも多く飛滴する。 これにより、 触媒 3 8を粗密が中程度の状態に表面に担持した大径のカーボン 3 6を、 触媒 3 8を 粗の状態に表面に担持した大径のカーボン 3 6上に中量、 すなわち第 1電極用ス ラリ一の量よリも多く塗布する。 同時に、 電解質塗布機 5 7のピエゾポンプ 7 3を駆動して、 タンク 7 2内の 電解質スラリーをノズル 7 4から矢印の如く飛滴する。 さらに、 造孔材塗布機 5 8のピエゾポンプ 7 7を駆動して、 タンク 7 6内の造孔材スラリーをノズル 7 8 から矢印の如く、 1回目の造孔材スラリーの量よりも少なく飛滴する。 加えて、 撥水性樹脂塗布機 5 9のピエゾポンプ 8 2を駆動して、 タンク 8 1内の撥水性樹 脂スラリーをノズル 8 3から矢印の如く、 図 1 4 Aで説明した 1回目の撥水性樹 脂スラリーの量よリも少なく飛滴する。
これにより、触媒 3 8を粗の状態に表面に担持した大径のカーボン 3 6上に、 触媒 3 8を中程度の密の状態に表面に担持した大径の力一ボン 3 6とともに、 造 孔材及び撥水性樹脂を少量塗布する。
塗布装置 5 0の 2回目の塗布完了後は、 更に塗布装置 5 0を待機位置 まで 戻す。
さらに、 図 1 4 Cに示すように、 塗布装置 5 0を待機位置 Pから矢印 Cの如 く移動する。
塗布装置 5 0の移動とともに、 第 1電極用スラリー塗布機 5 3のピエゾポン プ 6 2を駆動して、 タンク 6 1内の第 1電極用スラリーをノズル 6 3から矢印の 如く多量に、 すなわち第 2電極用スラリ一の量よリも多く飛滴する。
これにより、 触媒 3 8を密の状態に表面に担持した大径のカーボン 3 6を、 触媒 3 8を中程度の密の状態に表面に担持した大径のカーボン 3 6上に、 第 2電 極用スラリーの量よりも多量に塗布する。
同時に、 電解質塗布機 5 7のピエゾポンプ 7 3を駆動して、 タンク 7 2内の 電解質スラリーをノズル 7 4から矢印の如く、 1回目の電解質スラリーの量よリ も多量に飛滴する。
これにより、 図 1 2 Bに示すように、 正電極層 1 3に、 電解質膜 1 2寄リカヽ ら正極拡散層 1 5方向に向けて、 電解質 Zカーボンの重量比および触媒 3 8の担 持量を漸次減少させた状態に含有させることができる。
さらに、 正電極層 1 3に、 造孔材量、 撥水性樹脂量が電解質膜 1 2寄りから 正極拡散層 1 5方向に向けて漸次増加するよう含有させることができる。
最後に、 図 1 4 Dに示すように、 触媒 3 8を密の状態に表面に担持した大径 のカーボン 3 6を、 複数個配置して形成された上面 8 4に、 コーター 9 0を矢印
Dの如く移動する。 このコータ一9 0で、 触媒 3 8を密の状態に担持した大径の カーボン 3 6の上面 8 4上に電解質膜 （イオン交換膜） 1 2用のペーストを塗布 して電解質膜 1 2を形成する。
具体的には、 コーター 9 0のブレード 9 1を、 カーボン 3 6の上面 8 4から 上方に所定間隔離して上面 8 4に平行に配置する。 このブレード 9 1を上面 8 4 に沿って矢印 Dの如く移動しながら、 ブレード 9 1で電解質膜 1 2のペーストを 一定の厚さにならすことにより電解質膜 1 2を形成する。
図 1 4 〜図1 4 Dに示した工程では、 正電極層 1 3の電解質膜 1 2寄りか ら正極拡散層 1 5方向に向けて、 該正電極層 1 3内の電解質 カーボンの重量比 および触媒 3 8の担持量を漸次減少させ、 さらに正電極層 1 3内の造孔材量、 撥 水性樹脂量を漸次増加させる例について説明したが、 この塗布工程に、 マスキン グを用いることで、 図 7 A〜図 7 Bに示すように、 正電極層 1 3を複数のブロッ ク （一例として、 4 5個のブロック） 毎に成分を異ならせて塗布することが可能 である。
塗布装置 5 0にピエゾポンプ 6 2， 6 6， 6 9， 7 3， 7 7， 8 2を使用す ることで、 ノズルからスラリーを分散せずに粒状に付着させることができる。 よ つて、 図 7 A〜図 7 Gに示すように、 正電極層 1 3を複数のブロックに区分けし た際、 これらのブロックに相当する塗布部を備えることで、 マスキングを用いる ことなく、正電極層 1 3の各ブロック毎に成分を任意に決めることが可能である。
さらに、 塗布装置 5 0は、 各成分毎にタンクを個別に設け、 ピエゾポンプ 6 2 , 6 6， 6 9， 7 3， 7 7 , 8 2で塗布するようにしたので、 正電極層 1 3を 構成する複数のブロックにおける成分の変化を段階的変化ではなく、 連続的に変 化させることが可能になる。
この塗布装置 5 0を用いて、 図 1 4 A〜図 1 4 Dに示す塗布工程を実施する ことで、 図 3に示すように、 正電極層 1 3の成分のうち、 電解質/カーボンの重 量比およびカーボンに担持させた触媒量 （触媒の担持量） を、 第 1の矢印 2 5の ように電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて漸次減少させることが 可能になる。 さらに、 電解質 Zカーボンの重量比および前記触媒の担持量を、 第 2の矢印 2 6のように正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて漸次 減少させることが可能になる。
さらにまた、 電解質 カーボンの重量比および前記触媒の担持量を、 第 3の 矢印 2 7のように酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸 次減少させることが可能になる。
造孔材量、 造子 L作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 4の矢印 3 0のよ うに電解質膜 1 2寄りから正極拡散層 1 5方向に向けて漸次増加させることが可 能になる。
さらに、 造孔材量、 造子 L作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 5の矢印 3 1のように、 正電極層 1 3の鉛直方向の上部 1 3 aから下部 1 3 bに向けて漸 次増加させることが可能になる。
さらにまた、 造孔材量、 造孔作用揮発性溶媒および撥水性樹脂量を、 第 6の 矢印 3 2のように酸素ガス流路 1 8の供給側 1 8 aから排出側 1 8 bに向けて漸 次増加させることが可能になる。
加えて、 電解質膜 1 2に接触する面 3 4 (破線のハッチングで示す領域） に おいては、 電解質 カーボンの重量比、 前記触媒の担持量、 造孔材量、 造孔作用 揮発性溶媒および撥水性樹脂量を均一にすることが可能になる。
なお、 前記実施例では、 塗布装置 5 0にピエゾポンプ 6 2， 6 6 , 6 9， 7 3， 7 7， 8 2を用いた例について説明したが、 塗布装置 5 0として通常のイン クジエツトを採用することも可能である。 インクジエツ卜は塗布範囲を絞り込む ことができるので、 正電極層 1 3を構成する複数のブロックに好適にスラリーを 塗布することができる。
さらに、 前記実施例では、 塗布装置 5 0の各スラリー塗布機 5 3， 5 4， 5 5 , 5 7， 5 8 , 5 9に噴射用のノズル 6 3， 6 7 , 7 1 , 7 4， 7 8， 8 3を 個別に設け、 それぞれのノズルから、 各スラリーを個別に飛滴させる例について 説明したが、 その他の例として、 噴射用の各ノズル 6 3 , 6 7， 7 1 , 7 4， 7 8 , 8 3を互いに連通させ、 連通させたノズル内で各スラリーを混合させた後、 混合状態のスラリーを飛滴させることも可能である。 産業上の利用可能性
正電極層の電解質膜近傍において発電効率を高め、 酸素と水素イオンとの反 応によリ生成される生成水を効率よく排水でき、 コス卜的にも安価な燃料電池と したため、 各種の産業分野及び家庭で使用される燃料電池として有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 電解質膜と ；
該電解質膜の表面及び裏面にそれぞれ積層され、 鉛直方向となるよう配置 された正及ぴ負の電極層と ；
前記正電極層に積層された正極拡散層と ；
前記負電極層に積層された負極拡散層と ；
前記正電極層の外面に設けられた酸素ガス流路と ；
前記負電極層の外面に設けられた水素ガス流路と ；
を備え、 前記正電極層は、 電解質、 力一ボン、 カーボンに担持させた触媒、 造孔 材および撥水性樹脂を含み、 これら電解質ノカーボンの重量比、 触媒の担持量、 造孔材量および撥水性樹脂量は、 前記電解質膜寄りから前記正極拡散層方向に向 けて漸次変化するとともに、 前記鉛直方向の上部から下部方向に向けて漸次変化 し、 かつ前記酸素ガス流路の供給側から排出側に向けて漸次変化することを特徴 とする燃料電池。
2 . 前記正電極層に含まれる前記電解質 Zカーボンの重量比および前記触媒の 担持量は、 前記電解質膜寄りから前記正極拡散層方向に向けて減少し、 前記正電 極層の鉛直方向の上部から下部方向に向けて減少し、 かつ前記酸素ガス流路の供 給側から排出側に向けて減少し；
前記正電極層に含まれる前記造孔材量および前記撥水性樹脂量は、 前記電解 質膜寄りから前記正極拡散層方向に向けて増加し、 前記正電極層の鉛直方向の上 部から下部方向に向けて増加し、 かつ前記酸素ガス流路の供給側から排出側に向 けて増加する；
ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。
3 . 前記正電極層が前記電解質膜に接触する面において、 前記電解質 カーボ ンの重量比、 触媒の担持量、 造孔材量、 撥水性樹脂量は、 均一であることを特徴 とする請求項 1又は請求項 2に記載の燃料電池。
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