JP2005228755A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】反応面積が大きく、高い放電性能を発揮する高分子電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料電池であって、前記アノードおよび前記カソードは、ガス拡散層および前記ガス拡散層の前記水素イオン伝導性高分子電解質膜と接する側に形成された触媒層からなり、前記触媒層は、触媒粒子からなる層と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜と接しない水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とを有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、民生用コジェネレーションシステムや移動体用の発電器として有用な高分子電解質型燃料電池に関する。

燃料電池の電極では、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとが電気化学的に反応し、電気と熱が同時に発生する。燃料電池には、具備する電解質の種類により、いくつかのタイプがある。

図１は、従来の高分子電解質型燃料電池の構成を示す断面図である。高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜１およびその膜を挟んだ一対の電極４からなる電解質膜−電極接合体５（ＭＥＡ）を具備する。一対の電極はアノードおよびカソードからなり、アノードには燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤ガスが供給される。高分子電解質膜は、例えば−ＣＦ₂−の骨格を有し、スルホン酸を側鎖の末端に有するパーフルオロカーボンスルホン酸からなる。
アノードおよびカソードは、水素イオン伝導性高分子電解質膜に接した触媒層２および触媒層の外面に配されたガス透過性と導電性を有するガス拡散層３からなる。

ＭＥＡの外面には、ＭＥＡを固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータ７が配される。導電性セパレータは、アノードまたはカソードに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給し、水素と酸素の反応で生成した水や余剰ガスを運ぶためのガス流路６を有する。ガス流路は、導電性セパレータとは別に設けることもできるが、一般的に導電性セパレータの表面にリブまたは溝を設けてガス流路を形成する。

いくつかの導電性セパレータに冷却水路８を形成することもできる。例えば、一方の面にガス流路を有し、他方の面に所定の溝を有する導電性セパレータを、ガス流路を有する面が外側になるようにシール剤１０で張り合わせると、図１に示すように所定の溝が冷却水路を構成する。

導電性セパレータおよびＭＥＡの周囲の両者の接合部には、ガスケット９などが配され、ガスの混合や外部への漏れを防止している。
発電装置を得る場合、出力電圧を高めるために、ＭＥＡおよび一対のガス流路を有する導電性セパレータからなる単セルを複数個積層する。各単セルのガス流路の入口には、マニホルドを通じて外部から燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給される。そして、電極反応により発生した電流は、ガス拡散層で集電され、導電性セパレータを通じて外部に取り出される。

電池運転時、カソードにおいては、例えば酸素がガス流路からガス拡散層を介して触媒層に移動し、アノードにおいては例えば水素がガス流路からガス拡散層を介して触媒層に移動する。ここで、触媒層の触媒粒子と水素イオン伝導性高分子電解質との接触が不充分では、反応面積が小さくなり、電池の放電性能が低くなる。

従って、アノードおよびカソードにおける触媒粒子と水素イオン伝導性高分子電解質との接触状態は、燃料電池の放電性能に大きく影響する。

ここで、アノードおよびカソードの反応面積を増大させるには、触媒層に水素イオン伝導性高分子電解質を含有させることが有効である（特公昭６２−６１１１８号公報、米国特許第５２１１９８４号）。また、アノードおよびカソードのガス透過率を増大させるには、触媒層に撥水剤を含有させることが有効である（特開平５−３６４１８号公報、J. Electroanal. Chem. 197, 195(1986)）。従って、触媒層は、一般に触媒粒子および水素イオン導電性高分子電解質を含み、必要に応じて撥水剤なども含んでいる。また、触媒粒子としては、白金族の金属を担持した炭素粉末などが用いられる。

アノードおよびカソードは、通常、ガス拡散層の一方の面に触媒層を形成することにより得られる。触媒層は、通常、触媒粒子、水素イオン伝導性高分子電解質の分散液およびイソプロピルアルコールなどの有機溶媒からなるインクをスクリーン印刷法や転写法を用いてガス拡散層の上に塗布することにより形成される。前記インクは通常は造孔材を含んでいるが、触媒層の形成後に電極を焼成すると造孔材が除去され、触媒層の内部にガスが透過するための細孔が形成される。こうして得られた触媒層の厚さ方向における触媒粒子と水素イオン伝導性高分子電解質との混合割合は一定である。

上記従来の高分子電解質型燃料電池には、以下のような問題がある。
高分子電解質の分散液に、触媒粒子と、撥水剤または撥水処理された炭素粉末とを混合すると、撥水剤や撥水処理された炭素粉末の表面に多くの高分子電解質が吸着する。従って、高分子電解質と触媒粒子との接触状態が不均一となり、充分な反応面積が確保できない。また、インクに撥水剤を添加すると、撥水剤で触媒粒子が過剰に被覆されることによっても、反応面積が減少する。

本発明は、前記諸問題に鑑みてなされたものであり、反応面積が大きく、高い放電性能を発揮する高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料電池であって、前記アノードおよび前記カソードは、ガス拡散層と前記ガス拡散層の前記水素イオン伝導性高分子電解質膜と接する側に形成された触媒層からなり、前記触媒層は、触媒粒子からなる層と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜と接しない水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とを有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池に関する。

前記触媒層は、前記触媒粒子からなる層と、前記水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とを交互に積層してなることがさらに好ましい。

前記ガス拡散層の空隙率は、前記導電性セパレータ側で高く、前記触媒層側で低いことが好ましい。
前記ガス拡散層は、それぞれ異なる空隙率を有する複数の多孔質導電性基材を有することも好ましい。

なお、導電性セパレータは、その一方の面にカソードに酸化剤ガスを供給するためのガス流路を有し、他方の面にアノードに燃料ガスを供給するためのガス流路を有していてもよい。

本実施の形態の触媒層は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応を促進する触媒粒子からなる層と、水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とを有する。触媒粒子からなる層は、撥水剤や撥水処理した炭素粉末を含んでいても良いが、その場合は水素イオン伝導性高分子電解質を含まないことが好ましい。また、水素イオン伝導性高分子電解質からなる層は、撥水剤や撥水処理した炭素粉末を含まない方が好ましい。

触媒粒子からなる層と、水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とが交互に積層されると、触媒粒子の表面に充分な量の水素イオン伝導性高分子電解質が存在することができ、触媒層の反応面積が増大する。

触媒粒子は、触媒金属およびその担体からなる。触媒金属としては、白金、ニッケル、パラジウムなどの白金族金属や、ルテニウム、イリジウム、鉄、スズなどが好ましく用いられる。担体としては、炭素粉末が好ましく用いられる。反応面積を大きくする観点から、担体の平均粒径は１０〜５０ｎｍが好ましい。また、担体に担持されている金属の平均粒径は１〜８ｎｍが好ましい。金属の担持量は、担体１００重量部に対して１０〜７０重量部であることが好ましい。

水素イオン伝導性高分子電解質は、例えば構造式：

（ただし、式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、１≦ｚである。）
で表されるパーフルオロカーボンスルホン酸が好ましい。

前記触媒層は、触媒粒子を含むインクと、水素イオン伝導性高分子電解質を含むインクとを、ガス拡散層または水素イオン伝導性高分子電解質膜の表面に交互に塗布すれば得ることができる。ただし、水素イオン伝導性高分子電解質膜を厚くしたのと同じ結果に帰さないように、水素イオン伝導性高分子電解質からなる層が水素イオン伝導性高分子電解質膜と接しないように触媒層を設計する必要がある。

ガス拡散層としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト等の多孔質導電性基材が用いられる。また、水素イオン伝導性高分子電解質膜としては、従来のものを用いればよい。

前記方法によれば、触媒粒子を含むインクにフッ素樹脂などの撥水剤やフッ素樹脂などで撥水処理した炭素粉末を混合しておいても、多量の水素イオン伝導性高分子電解質が撥水剤の表面に吸着してしまうことがない。従って、触媒粒子と水素イオン伝導性高分子電解質とを均一かつ充分に接触させることができる。

触媒粒子からなる層の数と、水素イオン伝導性高分子電解質からなる層の数との合計は、製造コストを低減する点からは、最も少ない２層であることが好ましい。また、反応面積を大きくし、高性能な電極を得る点からは、３〜１０層であることが好ましい。

塗布方法としては、インクをガス拡散層や水素イオン伝導性高分子電解質膜の表面にスプレーする方法が好ましい。
インクの分散媒にする有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、１−プロパノール、２−メチル−１−プロパノール、２−メチル−２−プロパノールなどのアルコール、酢酸ブチル、テトラヒドロフランなどが好ましい。これらは単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

スプレーの条件としては、ノズル径を１ｍｍ以下、噴射圧を３．０×１０⁵〜１０×１０⁵Ｐａ、ノズル先端とガス拡散層や水素イオン伝導性高分子電解質膜の表面との距離を１００ｍｍ以下とするのが好ましい。

電極の性能を高める観点から、触媒粒子からなる層の厚さは、１層あたり１０〜１００００ｎｍであることが好ましい。また、水素イオン伝導性高分子電解質からなる層の１層当たりの厚さは、１０〜１００００ｎｍであることが好ましい。同様の観点から、１層の触媒粒子からなる層が単位面積あたりに含有する触媒粒子の量は０．００５〜１．０ｍｇ／ｃｍ²であることが好ましく、１層の水素イオン伝導性高分子電解質からなる層が単位面積あたりに含有する水素イオン伝導性高分子電解質の量は０．０１〜４ｍｇ／ｃｍ²であることが好ましい。

ガス拡散層における空隙率は、導電性セパレータ側で高く、触媒層側で低いことが好ましい。このような構成によると、触媒層内部の水素イオン伝導性高分子電解質を適度に湿潤させることができ、電極内部の余分な水分を速やかに外部に排出できる。また、単電池の積層方向に、各部の接触抵抗の低下およびガスシール性の確保のために恒常的な圧力が加えられても、ガス拡散層の形状が崩れにくく、ガス拡散層のガス透過率が面方向に不均一になるとがなく、優れた燃料電池を得ることができる。

前記ガス拡散層は、それぞれ異なる空隙率を有する複数の多孔質導電性基材を、空隙率の大きいものが導電性セパレータ側に、空隙率の小さいものが触媒層側に配置するように重ね合わせることにより得ることができる。多孔質導電性基材としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルトなどを用いることができる。ここで、ガス拡散層の触媒層に接触する側の面は、撥水処理することが望ましい。触媒層側に配置する多孔質導電性基材に撥水処理を施すと、電流密度が小さい場合や酸化剤ガスの露点が低い場合、カソードの乾燥を抑制するのに有効である。

触媒層側に配置する空隙率の小さなガス拡散層は、触媒層を湿潤状態に保つ役割を有し、その外側に配置する空隙率の大きなガス拡散層は過剰な水分を速やかに導電性セパレータのガス流路へ移動させる役割を有する。
なお、電池反応で生成した水は触媒層からガス拡散層を介してガス流路に移動し、余剰ガスとともに電池外部へと除去されるため、ガス拡散層が適度なガス透過率を有さないと、高分子電解質膜の湿潤状態を適度に保つことができない。高分子電解質膜の含水率が低下すると、その水素イオン伝導度が低くなる。一方、高分子電解質膜の含水率が高すぎると、凝縮水によりガス拡散層の細孔や、導電性セパレータのガス流路が閉塞され、電池性能が極端に劣化する。この状態をフラッディング状態という。

カーボンペーパは、ポリアクリロニトリル系の繊維から抄紙を作成し、これを１０００℃以上の高温で焼成することにより製造されるのが一般的である。ここで、空隙率の異なる２種の抄紙を重ね合わせて焼成すると、２種のカーボンペーパが接合された状態で得られる。

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は、これらに限定されるものではない。

実施例１
炭素粉末（アセチレンブラック、平均一次粒径約５０ｎｍ）を塩化白金酸水溶液に浸漬した後、還元処理して、炭素粉末の表面に白金（平均粒径３０オングストローム）を担持させた。炭素粉末と担持された白金の重量比は７５：２５であった。

得られた白金を担持した炭素粉末と、６０重量％のポリテトラフルオロエチレンを含む分散液（商品名ＤＩ、ダイキン工業（株）製）と、２−プロパノールとを、５：２０：７５の重量比で混合し、インクＡ１を得た。
また、水素イオン伝導性高分子電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸（商品名フレミオン、旭硝子（株）製）をエタノールに分散させ、インクＢ１を得た。

インクＢ１をガス拡散層となる厚さ２５０μｍのカーボンペーパの片面にスプレーし、水素イオン伝導性電解質からなる層を形成した。次いで、インクＡ１を前記水素イオン伝導性電解質からなる層上にスプレーし、触媒粒子からなる層を形成した。

スプレーに用いたノズルの径は０．５ｍｍ、噴射圧は５×１０⁵Ｐａ、ノズルとカーボンペーパとの距離は５０ｍｍとした。
各層の厚さは、それぞれ１０〜１００００ｎｍであった。また、触媒粒子からなる層と水素イオン伝導性電解質からなる層とを有する触媒層中に含まれる白金量および水素イオン伝導性高分子電解質の量は、それぞれ０．５ｍｇ／ｃｍ²および１．２ｍｇ／ｃｍ²であった。

得られた電極を用いて図２に示すような単電池を以下のように組み立てた。
まず、一対の電極および水素イオン伝導性高分子電解質膜（商品名Ｎａｆｉｏｎ１１２、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製）２０を触媒層と水素イオン伝導性高分子電解質膜２０とが接するように配置した。そして、電極で水素イオン伝導性高分子電解質膜２０を挟み、ホットプレスして、電極−膜接合体（ＭＥＡ）を得た。電極の一方はアノード１８となり、他方はカソード１９となる。得られたＭＥＡの外面には、水素ガス供給口１１および水素ガス排気口１２を有する水素ガス供給板１３、および酸素ガス供給口１４および酸素ガス排気口１５を有する酸素ガス供給板１６を張り付けた。最後に接合体のアノードおよびカソードと外部回路１７とを接続して、単電池Ａ１を構成した。

単電池Ａ１のアノードに水素ガスを、カソードに空気をそれぞれ供給して放電試験を行った。電池温度は７５℃、燃料利用率は８０％、空気利用率は３０％とした。また、水素ガスの露点が７５℃、空気の露点が６５℃になるように各ガスを加湿した。図３に単電池Ａ１の電流−電圧特性を示す。

実施例２
インクＡ１およびインクＢ１を厚さ２５０μｍのカーボンペーパの片面に交互に２回ずつスプレーし、触媒層を形成した。ただし、触媒層中に含まれる白金量および水素イオン伝導性高分子電解質の量は、それぞれ実施例１と同じ０．５ｍｇ／ｃｍ²および１．２ｍｇ／ｃｍ²となるように調節した。そして、実施例１と同様に図２に示すような単電池Ｂ１を組み立て、放電試験を行った。図３に単電池Ｂ１の電流−電圧特性を示す。

実施例３
インクＡ１およびインクＢ１を厚さ２５０μｍのカーボンペーパの片面に交互に５回ずつスプレーし、触媒層を形成した。ただし、触媒層中に含まれる白金量および水素イオン伝導性高分子電解質の量は、それぞれ実施例１と同じ０．５ｍｇ／ｃｍ²および１．２ｍｇ／ｃｍ²となるように調節した。そして、実施例１と同様に図２に示すような単電池Ｃ１を組み立て、放電試験を行った。図３に単電池Ｃ１の電流−電圧特性を示す。

比較例１
インクＡ１とインクＢ１とを予め混合してインクＣ１を得た。次に、インクＣ１を厚さ２５０μｍのカーボンペーパの片面にスプレーし、触媒層を形成した。ただし、触媒層中に含まれる白金量および水素イオン伝導性高分子電解質の量は、それぞれ実施例１と同じ０．５ｍｇ／ｃｍ²および１．２ｍｇ／ｃｍ²となるように調節した。そして、実施例１と同様に図２に示すような単電池Ｘ１を組み立て、放電試験を行った。図３に単電池Ｘ１の電流−電圧特性を示す。

図３において、触媒層中に含まれる白金量および水素イオン伝導性高分子電解質の量が同じであるにもかかわらず、単電池Ａ１、Ｂ１およびＣ１の特性は、単電池Ｘ１に比べて著しく優れている。これは、単電池Ａ１、Ｂ１およびＣ１の触媒層中では、触媒粒子が水素イオン伝導性高分子電解質からなる層と接触しているため、反応面積が増大し、水素イオンの伝達が高効率で行われたためと考えられる。

また、水素イオン伝導性高分子電解質からなる層の厚さは１０〜１００００ｎｍ程度である。これは単分子膜の厚さに相当する。従って、単電池Ａ１、Ｂ１およびＣ１の触媒層では、炭素粉末の細孔の内部にまで水素イオン伝導性高分子電解質が侵入していると考えられる。このことは、炭素粉末の細孔の内部に担持されている白金が水素イオン伝導性高分子電解質で被覆され、反応に有効に寄与していることを意味する。

なお、実施例１〜３および比較例１では、触媒層中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の量は１．２ｍｇ／ｃｍ²であるが、０．１〜３．０ｍｇ／ｃｍ²の範囲でも同等の特性が得られた。

参考例１
炭素粉末（平均一次粒径約５０ｎｍ）を塩化白金酸水溶液に浸漬した後、還元処理して、炭素粉末の表面に白金を担持させた。炭素粉末と担持された白金の重量比は１：１であった。
得られた５０重量％の白金を担持した炭素粉末と、９重量％の高分子電解質（商品名フレミオン、旭硝子（株）製）を含むエタノールの分散液と、２−プロパノールとを６：５０：４４の重量比で混合し、ボールミルを用いて充分に攪拌してスラリーＡ３を得た。

つぎに、以下のようにして図４に示すような単電池を構成した。
まず、空隙率７５％、厚さ１８０μｍ、長さ２０ｃｍ、幅１０ｃｍのカーボンペーパ３’を用意し、その片面にスラリーＡ３を均一に塗布して触媒層２を形成し、電極前駆体を得た。そして、一対の電極前駆体で電極前駆体より一回り大きな寸法を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜（商品名Ｎａｆｉｏｎ１１２、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製）１を触媒層と水素イオン伝導性高分子電解質膜とが接するように挟んだ。そして、厚さ２５０μｍのシリコンゴムのガスケット９を水素イオン伝導性高分子電解質膜の電極からはみ出た部分の両面に配した後、１３０℃で５分間ホットプレスし、ＭＥＡ前駆体を得た。最後に、空隙率９０％、厚さ１８０μｍ、長さ２０ｃｍ、幅１０ｃｍのカーボンペーパ３”をＭＥＡ前駆体のカーボンペーパ３’の外側に配し、ＭＥＡ５を得た。

次に、ＭＥＡのカーボンペーパ３”の外側に導電性セパレータ７を配し、単電池を得た。そして同様の単電池を４セル積層して積層電池を得た。導電性セパレータは、炭素材料からなり、厚さ４ｍｍで気密性を有する。また、導電性セパレータのカーボンペーパ３”と接する面には、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍのガス流路６を切削加工により形成した。

次に、図５に示すような燃料電池を組み立てた。図５は、燃料電池の内部構造がわかるように、正面近傍を断面で示している。
まず、積層電池の上下部および両側面に、それぞれ金属端板（ＳＵＳ３０４）３１および絶縁体３２を配した。次いで、絶縁体３２の外側にガスケット３３を介して燃料ガスマニホルド３４、冷却水マニホルド３５および酸化剤ガスマニホルド３６を並列に配した。そして燃料ガスマニホルド３４を通じて水素、冷却水マニホルド３５を通じて冷却水および酸化剤ガスマニホルド３６を通じて空気をそれぞれ供給した。得られた燃料電池を電池Ａ３とした。

なお、両面がＭＥＡ５と接触する導電性セパレータにおいては、その両面にガス流路が形成されている。また、導電性セパレータが他の導電性セパレータと接触する面８には、切削加工により、冷却水路が形成されている。
燃料電池Ａ３のアノードに水素ガスを、カソードに空気をそれぞれ供給して放電試験を行った。電池温度は７５℃、燃料利用率は７０％、酸素利用率は４０％とした。また、水素ガスの露点が７５℃、空気の露点が６５℃になるように各ガスを加湿した。図６に燃料電池Ａ３の電流−電圧特性を示す。
また、電流密度０．７Ａ/ｃｍ²において酸素利用率と電圧との関係を評価した。結果を図７に示す。

比較例２
空隙率９０％のカーボンペーパ３”のみを用いたこと以外、実施例７と同様に燃料電池Ｂ３を組み立て、評価した。結果を図６および７に示す。

比較例３
空隙率７５％のカーボンペーパ３’のみを用いたこと以外、実施例７と同様に燃料電池Ｃ３を組み立て、評価した。結果を図６および７に示す。
図６および７において、燃料電池Ａ３は、Ｂ３およびＣ３に比べて優れた特性を示している。これは、燃料電池Ａ３の高分子電解質が湿潤状態に保たれ、かつ、生成水による過剰な水分が速やかに排出されたためと考えられる。

参考例２
アノード側のガス拡散層を空隙率９０％、厚さ３６０μｍのカーボンペーパのみとし、生成水を排出しなければならないカソード側のガス拡散層を実施例７と同じ空隙率の異なる２種のカーボンペーパを重ね合わせたガス拡散層としたこと以外、参考例１と同様に燃料電池Ｄ３を組み立て、評価した。結果を図８および９に燃料電池Ａ３の結果とともに示す。
図８および９より、燃料電池Ｄ３も燃料電池Ａ３とほぼ同等の特性を有することがわかる。

参考例３
白金を担持した炭素粉末を含むスラリーを空隙率７５％のカーボンペーパに塗布する前に、カーボンペーパの触媒層側を撥水処理した。具体的には、長さ２０ｃｍ、幅１０ｃｍに切断した厚さ１８０μｍ、空隙率７５％のカーボンペーパ３’をテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体を含む水の分散液に含浸した後、４００℃で３０分間加熱することにより、カーボンペーパに撥水性を付与した。その他は、参考例１と同様に燃料電池Ｅ３を組み立てた。

次いで、カソード側の露点が５０℃になるように空気を加湿したこと以外、参考例１と同様に電流密度０．７Ａ/ｃｍ²で酸素利用率と電圧との関係を評価した。結果を図１０に燃料電池Ａ３の結果とともに示す。
図１０より、燃料電池Ｅ３も、燃料電池Ａ３とほぼ同等の特性を有することがわかる。また、カソード側の乾燥が懸念される低露点の空気を供給する際に、上記のような撥水処理が有効であることが確認された。

本発明の高分子電解質型燃料電池においては、アノードおよびカソードの少なくとも一方における触媒層が、触媒粒子からなる層と、水素イオン伝導性高分子電解質膜と接しない水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とを有することから、触媒粒子の表面に充分な量の水素イオン伝導性高分子電解質が存在することができ、触媒層の反応面積が増大する。従って、本発明によれば、優れた特性を有する高分子電解質型燃料電池を実現できる。

従来の高分子電解質型燃料電池の構成を示す断面図である。 本発明の実施例１の単電池Ａ１の構成を示す断面図である。 本発明の実施例１〜３および比較例１の単電池Ａ１、Ｂ１、Ｃ１およびＸ１の電流−電圧特性を示す図である。 参考例１の燃料電池Ａ３の単電池の構成を示す断面図である。 参考例１の燃料電池Ａ３の構造を示す一部を断面にした斜視図である。 参考例１ならびに比較例２および３の燃料電池Ａ３、Ｂ３およびＣ３の電流−電圧特性を示す図である。 参考例１ならびに比較例２および３の燃料電池Ａ３、Ｂ３およびＣ３の酸素利用率と電圧との関係を示す図である。 参考例１および２の燃料電池Ａ３およびＤ３の電流−電圧特性を示す図である。 参考例１および２の燃料電池Ａ３およびＤ３の酸素利用率と電圧との関係を示す図である。 参考例１および３の燃料電池Ａ３およびＥ３の酸素利用率と電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ 触媒層
３ ガス拡散層
４ 電極
５ 電解質膜−電極接合体
６ ガス流路
７ 導電性セパレータ
８ 冷却水路
９ ガスケット
１０ シール剤
１１ 水素ガス供給口
１２ 水素ガス排気口
１３ 水素ガス供給板
１４ 酸素ガス供給口
１５ 酸素ガス排気口
１６ 酸素ガス供給板
１７ 外部回路
１８ アノード
１９ カソード
２０ 高分子電解質膜
３’ ＭＥＡ前駆対のカーボンペーパ
３” カーボンペーパ
３１ 金属端板
３２ 絶縁体
３３ ガスケット
３４ 燃料ガスマニホルド
３５ 冷却水マニホルド
３６ 酸化剤ガスマニホルド

Claims (4)

1. 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料電池であって、
   前記アノードおよび前記カソードは、ガス拡散層および前記ガス拡散層の前記水素イオン伝導性高分子電解質膜と接する側に形成された触媒層からなり、
   前記触媒層は、触媒粒子からなる層と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜と接しない水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とを有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
2. 前記触媒層は、前記触媒粒子からなる層と、前記水素イオン伝導性高分子電解質からなる層とを交互に積層してなる請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
3. 前記ガス拡散層の空隙率が、前記導電性セパレータ側で高く、前記触媒層側で低い請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
4. 前記ガス拡散層が、それぞれ異なる空隙率を有する複数の多孔質導電性基材を有する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。

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