JPH08167416A - 固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】酸化剤電極膜内に過度の生成水の滞留が発生す
ることの無い固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池
セルを提供する。 【構成】燃料電池セル１は、従来例に対して、燃料電極
膜１１と酸化剤電極膜１２とを用いている。燃料電極膜
１１は、０．４〔ｍｍ〕厚さのカーボンペーパーを用
い、燃料ガス５ａの通流方向に２分割された電極膜基材
１１２と、上流側の電極膜基材上には０．０２〔ｍｍ〕
厚さ，下流側の電極膜基材上には０．０３〔ｍｍ〕厚さ
とした，白金触媒とフッ素樹脂とからなる多孔質の触媒
層１１１とを有している。酸化剤電極膜１２は、０．４
〔ｍｍ〕厚さのカーボンペーパーを用い、酸化剤ガス５
ｂの通流方向に２分割された電極膜基材１２２と、上流
側の電極膜基材上には０．０２〔ｍｍ〕厚さ，下流側の
電極膜基材上には０．０３〔ｍｍ〕厚さとした，白金触
媒とフッ素樹脂とからなる多孔質の触媒層１２１とを有
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池に使用される燃料電池セルに係わり、酸化剤電
極膜内に生成水が過度に滞留するのを防止するように改
良されたその構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素と酸素とを利用して直流
電力を発生する一種の発電装置であり、すでによく知ら
れているとおり、他のエネルギー機関と比較して、電気
エネルギーへの変換効率が高く，しかも，炭酸ガスや窒
素酸化物等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、
いわゆるクリーン・エネルギー源として期待されてい
る。この燃料電池としては、使用される電解質の種類に
より、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融炭酸塩型，
固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られている。

【０００３】近年、内燃機関と比較して、燃料電池は、
排気ガスによる大気汚染度が低いこと、運転時の発生音
が小さいこと等の大きな特徴を持つことから、燃料電池
を自動車等の車両の駆動に用いる駆動用電動機用の車載
電源として利用することが考えられるようになってきて
いる。燃料電池を車載電源として利用する際には、電源
システムが可能な限り小形であることが望ましく、この
ような観点から、各種の燃料電池の内でも固体高分子電
解質型燃料電池が注目されるようになってきている。

【０００４】固体高分子電解質型燃料電池は、分子中に
プロトン（水素イオン）交換基を有する高分子樹脂膜を
飽和に含水させると、低い抵抗率を示してプロトン導電
性電解質として機能することを利用した燃料電池であ
る。この分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜
（以降、固体高分子電解質膜または単にＰＥ膜と略称す
ることがある。）としては、パ−フルオロスルホン酸樹
脂膜（例えば、米国のデュポン社製、商品名ナフィオン
膜）を代表とするフッ素系イオン交換樹脂膜が現時点で
は著名であるが、この他に、炭化水素系イオン交換樹脂
膜、複合膜等が用いられている。これ等の固体高分子電
解質膜（ＰＥ膜）は、飽和に含水されることにより、常
温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の抵抗率を示し、いずれも、
プロトン導電性電解質として機能する膜である。

【０００５】この固体高分子電解質型燃料電池のシステ
ムは、一般に、図４にその概念図を示す電池本体８を中
核として構成されている。電池本体８は、シート状のＰ
Ｅ膜７と、このＰＥ膜７の両主面のそれぞれに接合され
たシート状の燃料電極（アノード）膜６１、およびシー
ト状の酸化剤電極（カソード）膜６２とからなる燃料電
池セルを、通常は複数積層して構成されている。それぞ
れの燃料電極膜６１および酸化剤電極膜６２は、触媒層
６１ａ，６２ａと、触媒層６１ａ，６２ａを担持し、燃
料ガス（水素，あるいは水素を高い濃度で含むガス。）
または酸化剤ガス（酸素，あるいは空気のように酸素を
高い濃度で含むガス。）を触媒層６１ａ，６２ａに供給
および排出すると共に、集電体としての機能を有する多
孔質の電極膜基材（使用材料としては、例えば、カーボ
ンペーパーが用いられる。）６１ｂ，６２ｂとから構成
されており、触媒層６１ａ，６２ａがＰＥ膜７の両主面
のそれぞれに密着されている。

【０００６】上記の構成を持つ燃料電池セルを用いた電
池本体８においては、燃料電極膜６１には燃料ガスを、
また、酸化剤電極膜６２には酸化剤ガスを供給するので
あるが、これ等の反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガスとを
総称する場合には、このように言うことが有る。）は、
加湿して水蒸気を含んだ状態にして供給される。その理
由は、ＰＥ膜７は、前記したように、飽和に含水される
ことでプロトン導電性電解質として機能する膜である
が、逆のことを言えば、ＰＥ膜７は乾燥されてその水分
量が低減されると、プロトン導電性が低下してその抵抗
率が増大してしまう膜であるからである。燃料電極膜６
１，酸化剤電極膜６２に反応ガスが供給されると、それ
ぞれの電極膜６１，６２に備えられた触媒層６１ａ，６
２ａと、ＰＥ膜７との界面に、気相（燃料ガスまたは酸
化剤ガス）・液相（液状のＨ₂ ０）・固相（燃料電極，
酸化剤電極が持つ触媒）の三相界面が形成され、電気化
学反応を生じさせることで直流電力を発生させている。
なお、触媒層６１ａ，６２ａは、多くの場合に、微小な
粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂とから
形成されており、しかも層内に多数の細孔が形成される
ようにすることで、反応ガスの三相界面までの効率的な
拡散を維持するすると共に、十分広い面積の三相界面が
形成されるように構成されている。

【０００７】この三相界面では、次記する電気化学反応
が生じる。まず、燃料電極膜６１側では（１）式による
反応が起こる。

【０００８】

【化１】 Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ………………（１） また、酸化剤電極膜６２側では（２）式による反応が起
こる。

【０００９】

【化２】 （１／２）Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- Ｈ₂ Ｏ ……（２） すなわち、この反応の結果、燃料電極膜６１で生成され
たＨ⁺ イオン（プロトン）は、ＰＥ膜７中を酸化剤電極
膜６２に向かって移動し、また、電子（ｅ^- ）は負荷装
置９を通って酸化剤電極膜６２に移動する。一方、酸化
剤電極膜６２では、酸化剤ガス中に含有される酸素と、
ＰＥ膜７中を燃料電極膜６１から移動してきたＨ⁺ イオ
ンと、負荷装置９を通って移動してきた電子とが反応
し、Ｈ₂ Ｏ（水蒸気）が生成される。かくして、電池本
体８は、水素と酸素とを得て直流電力を発生し、そうし
て、副生物としてＨ₂ Ｏ（水蒸気）を生成している。

【００１０】ところで、燃料電池セルは、それぞれ別個
に準備されたＰＥ膜７と、燃料電極膜６１と、酸化剤電
極膜６２とを、触媒層６１ａ，６２ａをＰＥ膜７の互い
に異なる主面に対向させるようにして重ね合わせ、加熱
・加圧を行って接合するようしている。このようにして
得られた燃料電池セルは図５と，図６内に示す構造・形
状を備えている。ここで図５は、図４に示した電池本体
に用いられる従来例の燃料電池セルを展開した状態で模
式的に示した要部の側面断面図である。すなわち、燃料
電池セル６は、薄い厚さを持つ矩形状をなしており、こ
れに用いられているＰＥ膜７は、燃料電極膜６１と酸化
剤電極膜６２の面方向の外形寸法よりも大きい面方向の
外形寸法を持つものであり、従って、燃料電極膜６１な
らびに酸化剤電極膜６２の周辺部には、ＰＥ膜７の端部
との間に図５，図６中に示すようにＰＥ膜７の露出面が
存在している。この燃料電池セル６の厚さ寸法は、多く
の場合に１〔ｍｍ〕程度あるいはそれ以下であり、ま
た、その場合の燃料電池セル６を構成しているＰＥ膜７
の厚さ寸法は、０．１〔ｍｍ〕〜０．２〔ｍｍ〕程度で
ある。

【００１１】この燃料電池セル６は、図６に示した構成
を持つ単位燃料電池装置５に組み込まれ、この単位燃料
電池装置５の必要とする個数を積層して、電池本体８が
形成されるのである。ここで図６は、図５に示した燃料
電池セルを用いて構成された一般例の単位燃料電池装置
を模式的に示した要部の側面断面図である。なお、図６
中には、図５で付した符号については、代表的な符号の
みを記した。図６において、単位燃料電池装置５は、燃
料電池セル６と、この燃料電池セル６の一方の側面に配
設されて燃料ガス５ａを通流させる溝５１ａを複数持つ
セパレータ５１と、燃料電池セル６の他方の側面に配設
されて酸化剤ガス５ｂを通流させる溝５２ａを複数持つ
セパレータ５２と、例えば、Ｏリング等のシール体５３
とが備えられている。それぞれのセパレータ５１，５２
は、ＰＥ膜７の露出している周辺部で、シール体５３を
介して燃料電池セル６を挟むようにして配設されてい
る。なお、シール体５３は、セパレータ５１，５２の溝
５１ａ，５２ａ中に通流する反応ガスが、通流路外に漏
れ出るのを防止する役目を負うものであり、それぞれの
セパレータ５１，５２の周縁部に形成された溝５１ｂ，
５２ｂ中に嵌め込まれて装着されている。

【００１２】燃料電池セル６に供給される反応ガスは、
その供給側を重力方向に対して上側に、その排出側を重
力方向に対して下側になるように配置されるのが一般で
ある。これは、燃料電池セル６においては、前記したよ
うに、発電時の副生物として水蒸気が生成されるが、こ
の水蒸気のために、下流側の反応ガスほど多量に水蒸気
が含有されることとなり、この結果、排出端付近の反応
ガスでは過飽和に相当する水蒸気が凝結して液体状態の
水として存在することとなる可能性が有るためである。
反応ガスの供給側を重力方向に対して上側に，反応ガス
の排出側を重力方向に対して下側になるように配置する
ことで、凝結した水は、反応ガス通流用の溝５１ａ，５
２ａ中を重力により自力で流下できるので、それぞれの
単位燃料電池装置５からの凝結した水の除去が容易にな
るのである。

【００１３】ところで、燃料電池セル６で行われる前記
の（１）式，（２）式で記述した電気化学反応は、発熱
反応である。従って、燃料電池セル６で（１）式，
（２）式による電気化学反応によって発電を行う際に
は、発生される直流電力値とほぼ同等値の熱が発生する
ことも避けられないものである。このために、単位燃料
電池装置５を用いて電池本体８を構成する場合には、燃
料電池セル６から熱を除去するための、図示しない冷却
手段が組み込まれる。これにより、燃料電池セル６は、
７０〔℃〕から８０〔℃〕程度の温度条件で運転される
のが一般である。

【００１４】そうして、従来技術の燃料電池セル６の一
例を具体的に示すと、ＰＥ膜７としては、厚さ寸法が
０．１７〔ｍｍ〕のナフィオン膜が用いられている。電
極膜基材６１ｂ，６２ｂとしては、厚さ寸法が０．４
〔ｍｍ〕のカーボンペーパーが用いられている。また、
白金黒を２０〔％〕担持したカーボン粉末とポリテトラ
エチレンのディスパージョン混合液を、前記の電極膜基
材６１ｂ，６２ｂに０．０２５〔ｍｍ〕の均一の厚さに
付着させ、真空乾燥器によって２４〔ｈ〕乾燥を行った
後、３６５〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕の間焼成している。
これにより、電極膜基材６１ｂ，６２ｂ上に触媒層６１
ａ，６２ａが形成された、燃料電極膜６１および酸化剤
電極膜６２を得ている。この燃料電極膜６１と酸化剤電
極膜６２とを、触媒層６１ａと触媒層６２ａとの側でＰ
Ｅ膜７を間に挟んだ挟持体を、１２０〔℃〕，３．５
〔ＭＰａ〕の条件で、１５〔ｍｉｎ〕の間加熱・加圧し
て両膜を接合し、燃料電池セル６を得ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを用い
て、所望の発電性能を備える固体高分子電解質型燃料電
池を得ることができているが、次記するような問題点が
残存している。すなわち、前述したように、燃料電池セ
ルで生じている電気化学反応は、酸化剤電極膜で水蒸気
が副生される反応であり、この水蒸気は主に酸化剤電極
膜から酸化剤ガス中に排出される。このために、酸化剤
ガス中の水蒸気量は、燃料電池セルの入口部で最も少な
く、燃料電池セルを通過するに従って順次増加して行
く。その際、生成水を酸化剤電極膜から酸化剤ガス中に
排出し易くするためには、酸化剤電極膜内の水蒸気圧力
値を酸化剤ガス中の水蒸気圧力値よりも高くすることが
望ましいものである。

【００１６】酸化剤電極膜の温度が均一であるとする
と、上記した理由により、燃料電池セルからの出口部近
傍では、酸化剤ガス中の水蒸気量が多くなるために、酸
化剤ガスの水蒸気圧力値は高くなる。このために、出口
部近傍の酸化剤電極膜からの生成水の排出が困難とな
る。さらに、酸化剤ガス中の水蒸気圧力値が飽和水蒸気
圧に到達してまった場合（前記の理由により、出口部近
傍において発生する確率が高い。）には、酸化剤電極膜
からの生成水の排出が停止状態となるために、反応によ
って生成された水蒸気が凝縮して液状となった生成水
が、酸化剤電極膜内に多量に滞留されることになる。酸
化剤電極膜内に生成水が多量に滞留されると、触媒層内
の細孔が生成水によって充満されてしまうとか、電極膜
基材に形成されている空隙の少なくとも一部が生成水に
よって充満されてしまう事態となる。こうなると、酸化
剤電極膜内での酸化剤ガスの拡散が阻害されることにな
り、前述した燃料電池セルにおける反応が低下し、燃料
電池セルの発電性能の低下を招くことに到る。

【００１７】酸化剤電極膜内に生成水が多量に滞留され
るのを防止する策として、燃料電池セルに供給する酸化
剤ガスに含ませる水蒸気量を減らすことが考えられる
が、この場合には、含ませる水蒸気量を減らし過ぎるこ
とによってＰＥ膜が乾燥してしまうと、ＰＥ膜の抵抗率
が増大することによって燃料電池の出力特性の低下を招
く恐れが生じるので、酸化剤ガスの加湿度の調整・管理
が大変困難になるという新たな問題が発生する。

【００１８】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、酸化剤電極膜内に
過度の生成水の滞留が発生することの無い、固体高分子
電解質型燃料電池用の燃料電池セルを提供することにあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発生する燃料電池セルであって、シート状の固体高分
子電解質膜と，この固体高分子電解質膜の両主面のそれ
ぞれに接合されるシート状の燃料電極膜およびシート状
の酸化剤電極膜とを備え、それぞれの燃料電極膜および
酸化剤電極膜は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを触媒層に
供給する経路を提供すると共に集電体としての機能を有
する多孔質でシート状の電極膜基材と、電極膜基材の一
方の側面側のほぼ全面に平面的に担持された触媒層とを
有し、それぞれの触媒層側で固体高分子電解質膜の両主
面のそれぞれに密着され、反触媒層側である他方の側面
側には燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ通流される
ものである固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セ
ルにおいて、少なくとも酸化剤電極膜が有する触媒層
は、触媒層の持つ触媒の担持量が、触媒層の平方向の場
所により異なる構成とすること、または、 ２）前記１項に記載の手段において、触媒層の持つ触媒
の担持量は、通流される酸化剤ガスの出口の近傍に在る
触媒層において、酸化剤ガスの入口の近傍に在る触媒層
よりも多い構成とすること、により達成される。

【００２０】

【作用】前記の（１）式，（２）式に示した電気化学反
応は、前述したように触媒が係わって行われる反応であ
るから、この電気化学反応の際に発生される熱量は、燃
料電池セルの触媒の担持量に対応して発生されるもので
ある。この発明は、この点に着目して行われたものであ
る。

【００２１】すなわち、この発明においては、固体高分
子電解質型燃料電池用の燃料電池セルにおいて、少なく
とも酸化剤電極膜が有する触媒層は、触媒層の持つ触媒
の担持量が、例えば、通流される酸化剤ガスの出口の近
傍に在る触媒層が持つ触媒の担持量を、酸化剤ガスの入
口の近傍に在る触媒層が持つ触媒の担持量よりも多くす
る等、触媒層の面方向の場所により異なる構成とするこ
とにより、少なくとも酸化剤電極膜では、触媒の担持量
の関係で、反応ガスの入口の近傍に対して、反応ガスの
出口の近傍における発熱量が増大されることになる。

【００２２】これにより、酸化剤ガスの出口部付近にお
ける酸化剤電極膜の運転時温度を、酸化剤ガスの入口部
付近の酸化剤電極膜の運転時温度と比較して、出口部近
傍の酸化剤電極膜からの生成水の排出が容易となるレベ
ルに高くなし得ることで、酸化剤ガスの出口側近傍の酸
化剤電極膜から酸化剤ガスへの生成水の排出能が向上さ
れることになる。

【００２３】また、反応ガス，例えば，酸化剤ガス中の
酸素は、燃料電池セルにおける電気化学反応によって消
費されるために、酸化剤ガス中の酸素濃度は、入口部近
傍の酸化剤ガスに対して出口部近傍の酸化剤ガスでは低
下するものである。前記の構成を備えるこの発明の燃料
電池セルが持つ少なくとも酸化剤電極膜では、反応ガス
の出口の近傍における電気化学反応の反応能が増大され
るために、例えば酸素濃度が低下した出口部近傍の反応
ガスであっても、入口部近傍における電気化学反応度と
ほぼ同様の電気化学反応度を維持できて、燃料電池セル
面の反応ガス通流方向における電気化学反応度をほぼ均
一にできることになる。

【００２４】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図２は、この発明の一実施例による固体高
分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態
で模式的に示した要部の側面断面図である。（後記する
異なる実施例等と区別する場合には、実施例というこ
とがある。）図２において、図５に示した従来例による
固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルと同一部
分には同じ符号を付し、その説明を省略する。

【００２５】図２において、２は、図５に示した従来例
による燃料電池セル６に対して、酸化剤電極膜６２に替
えて、酸化剤電極（カソード）膜１２を用いるようにし
た燃料電池セルである。酸化剤電極膜１２は、図５中に
示した従来例の燃料電池セル６が持つ酸化剤電極膜６２
に対して、触媒層６２ａに替えて触媒層１２１を、電極
膜基材６２ｂに替えて電極膜基材１２２を用いるように
している。

【００２６】電極膜基材１２２は、電極膜基材６２ｂと
同様に、多孔質の電極膜基材として厚さ寸法が０．４
〔ｍｍ〕のカーボンペーパーが用いられているが、図２
中に示したように、酸化剤ガス５ｂが通流される方向に
沿って、電極膜基材１２２ａ，１２２ｂにそれぞれ２分
割されている。そうして、反応ガスの上流側の電極膜基
材１２２ａには、従来例の場合と同一内容のディスパー
ジョン混合液を、０．０２〔ｍｍ〕の均一の厚さに付着
させ、真空乾燥器によって２４〔ｈ〕乾燥を行った後、
３６５〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕の間焼成して、触媒層１
２１ａを形成している。

【００２７】また、反応ガスの下流側の電極膜基材１２
２ｂには、従来例の場合と同一内容のディスパージョン
混合液を、０．０３〔ｍｍ〕の均一の厚さに付着させ、
真空乾燥器によって２４〔ｈ〕乾燥を行った後、３６５
〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕の間焼成して、触媒層１２１ｂ
を形成している。そうして、触媒層１２１ａと触媒層１
２１ｂとで触媒層１２１を形成している。

【００２８】これ等の、燃料電極膜６１および酸化剤電
極膜１２とを、触媒層６１ａと触媒層１２１との側でＰ
Ｅ膜７を間に挟んだ挟持体を、１２０〔℃〕，３．５
〔ＭＰａ〕の条件で、１５〔ｍｉｎ〕の間加熱・加圧し
て両膜を接合し、燃料電池セル２を得ている。図２に示
す実施例では前述の構成としたので、酸化剤電極膜１２
では、触媒の担持量の関係で、酸化剤ガス５ｂの入口の
近傍に対して、酸化剤ガス５ｂの出口の近傍における発
熱量が増大されることになる。このため、酸化剤ガス５
ｂの出口部近傍における酸化剤電極膜１２の運転時温度
を、酸化剤ガス５ｂの入口部近傍の酸化剤電極膜１２の
運転時温度と比較して、出口部近傍の酸化剤電極膜１２
からの生成水の排出が容易となるレベルに積極的に高く
なし得る。これにより、酸化剤ガス５ｂの出口部近傍の
酸化剤電極膜１２から酸化剤ガス５ｂへの生成水の排出
能が向上されることになる。また、酸化剤ガス５ｂの出
口の近傍における電気化学反応の反応能が増大されるた
めに、酸素濃度が低下した出口部近傍の酸化剤ガス５ｂ
であっても、入口部近傍における電気化学反応度とほぼ
同様の電気化学反応度を維持できる。このため、燃料電
池セル２の表面の酸化剤ガス５ｂ通流方向における電気
化学反応度の均一度を改善できることになる。

【００２９】図１は、この発明の異なる実施例による固
体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した
状態で模式的に示した要部の側面断面図である。（他の
実施例と区別する場合には、実施例ということがあ
る。）図１において、図２に示したこの発明の一実施例
による固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セル、
図５に示した従来例による固体高分子電解質型燃料電池
用の燃料電池セルと同一部分には同じ符号を付し、その
説明を省略する。

【００３０】図１において、１は、図２に示したこの発
明の一実施例による燃料電池セル２に対して、燃料電極
膜６１に替えて、燃料電極（アノード）膜１１を用いる
ようにした燃料電池セルである。燃料電極膜１１は、図
２，図５中に示した燃料電極膜６１に対して、触媒層６
１ａに替えて触媒層１１１を、電極膜基材６１ｂに替え
て電極膜基材１１２を用いるようにしている。

【００３１】電極膜基材１１２は、電極膜基材６１ｂと
同様に、多孔質の電極膜基材として厚さ寸法が０．４
〔ｍｍ〕のカーボンペーパーが用いられているが、図１
中に示したように、燃料ガス５ａが通流される方向に沿
って、電極膜基材１１２ａ，１１２ｂに２分割されてい
る。そうして、反応ガスの上流側の電極膜基材１１２ａ
には、従来例の場合と同一内容のディスパージョン混合
液を、０．０２〔ｍｍ〕の均一の厚さに付着させ、真空
乾燥器によって２４〔ｈ〕乾燥を行った後、３６５
〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕の間焼成して、触媒層１１１ａ
を形成している。

【００３２】また、反応ガスの下流側のの電極膜基材１
１２ｂには、従来例の場合と同一内容のディスパージョ
ン混合液を、０．０３〔ｍｍ〕の均一の厚さに付着さ
せ、真空乾燥器によって２４〔ｈ〕乾燥を行った後、３
６５〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕の間焼成して、触媒層１１
１ｂを形成している。そうして、触媒層１１１ａと触媒
層１１１ｂとで触媒層１１１を形成している。

【００３３】これ等の、燃料電極膜１１および酸化剤電
極膜１２とを、触媒層１１１と触媒層１２１との側でＰ
Ｅ膜７を間に挟んだ挟持体を、１２０〔℃〕，３．５
〔ＭＰａ〕の条件で、１５〔ｍｉｎ〕の間加熱・加圧し
て両膜を接合し、燃料電池セル１を得ている。図１に示
す実施例では前述の構成としたので、図２に示した実施
例における構成に加えて、燃料電極膜１１でも、触媒の
担持量の関係で、燃料ガス５ａの入口の近傍に対して、
燃料ガス５ａの出口の近傍における発熱量が増大される
ことになる。燃料電極膜１１と酸化剤電極膜１２とが共
に、反応ガスの出口部近傍における発熱量が、反応ガス
の入口部近傍における発熱量よりも増大されることによ
り、酸化剤ガス５ｂの出口部近傍における酸化剤電極膜
１２の運転時温度の、酸化剤ガス５ｂの入口部近傍の酸
化剤電極膜の運転時温度に対する温度差を、図２に示し
た実施例の場合よりも高くすることが可能となる。これ
により、出口部近傍の酸化剤電極膜１２から酸化剤ガス
５ｂへの生成水の排出能が一層向上されることになる。
また、酸化剤ガス５ｂに対する場合に加えて、燃料ガス
５ａの出口の近傍における電気化学反応の反応能も増大
されるために、水素濃度が低下した出口側付近の燃料ガ
ス５ａであっても、入口側付近における電気化学反応度
とほぼ同様の電気化学反応度を維持できる。このため、
燃料電池セル２の両表面の反応ガス通流方向における電
気化学反応度をほぼ均一にできることになる。

【００３４】図３は、この発明のさらに異なる実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展
開した状態で模式的に示した要部の側面断面図である。
（他の実施例と区別する場合には、実施例ということ
がある。）図３において、図５に示した従来例による燃
料電池セルと同一部分には同じ符号を付し、その説明を
省略する。

【００３５】図３において、３は、図５に示した従来例
による燃料電池セル６に対して、燃料電極膜６１および
酸化剤電極膜６２に替えて、それぞれ、燃料電極（アノ
ード）膜３１および酸化剤電極（カソード）膜３２を用
いるようにした燃料電池セルである。燃料電極膜３１
は、図５中に示した従来例の燃料電池セル６が持つ燃料
電極膜６１に対して、触媒層６１ａに替えて触媒層３１
１を、電極膜基材６１ｂに替えて電極膜基材３１２を用
いるようにしている。また、酸化剤電極膜３２は、図５
中に示した従来例の燃料電池セル６が持つ酸化剤電極膜
６２に対して、触媒層６２ａに替えて触媒層３２１を、
電極膜基材６２ｂに替えて電極膜基材３２２を用いるよ
うにしている。

【００３６】それぞれの電極膜基材３１２，３２２は、
電極膜基材６１ｂ，６２ｂと同様に、多孔質の電極膜基
材として厚さ寸法が０．４〔ｍｍ〕のカーボンペーパー
が用いられているが、図３中に示したように、燃料ガス
５ａおよび酸化剤ガス５ｂが通流される方向に沿って、
電極膜基材３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃ、および、電
極膜基材３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃ、にそれぞれ３
分割されている。そうして、反応ガスの上流側のそれぞ
れの電極膜基材３１２ａ，３２２ａには、従来例の場合
と同一内容のディスパージョン混合液を、０．０２〔ｍ
ｍ〕の均一の厚さに付着させ、真空乾燥器によって２４
〔ｈ〕乾燥を行った後、３６５〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕
の間焼成して、触媒層３１１ａ，３２１ａを形成してい
る。

【００３７】また、反応ガスの中流域のそれぞれの電極
膜基材３１２ｂ，３２２ｂには、従来例の場合と同一内
容のディスパージョン混合液を、０．０２５〔ｍｍ〕の
均一の厚さに付着させ、真空乾燥器によって２４〔ｈ〕
乾燥を行った後、３６５〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕の間焼
成して、触媒層３１１ｂ，３２１ｂを形成している。さ
らに、反応ガスの下流側のそれぞれの電極膜基材３１２
ｃ，３２２ｃには、従来例の場合と同一内容のディスパ
ージョン混合液を、０．０３〔ｍｍ〕の均一の厚さに付
着させ、真空乾燥器によって２４〔ｈ〕乾燥を行った
後、３６５〔℃〕で１５〔ｍｉｎ〕の間焼成して、触媒
層３１１ｃ，３２１ｃを形成している。そうして、触媒
層３１１ａ，触媒層３１１ｂ，触媒層３１１ｃとで触媒
層３１１を形成し、触媒層３２１ａ，触媒層３２１ｂ，
触媒層３２１ｃとで触媒層３２１を形成している。

【００３８】これ等の燃料電極膜３１および酸化剤電極
膜３２とを、触媒層３１１と触媒層３２１との側でＰＥ
膜７を間に挟んだ挟持体を、１２０〔℃〕，３．５〔Ｍ
Ｐａ〕の条件で、１５〔ｍｉｎ〕の間加熱・加圧して両
膜を接合し、燃料電池セル３を得ている。図３に示す実
施例では前述の構成としたので、図１に示した実施例に
おける構成の場合と比較して、両電極膜（燃料電極膜３
１等と酸化剤電極膜３２等とを総称する場合には、この
ように言うことがある。）の触媒の担持量の関係で、反
応ガスの入口部近傍から反応ガスの出口部近傍に到る間
の発熱量の増大度が均等化されることになる。このた
め、酸化剤電極膜３２の運転時温度の，酸化剤ガス５ｂ
の入口部近傍から酸化剤ガス５ｂの出口部近傍に到る間
の変化を、しだいに高くするようにすることが可能とな
る。これにより、酸化剤電極膜１２から酸化剤ガス５ｂ
への生成水の排出能を、出口部近傍を含み，酸化剤電極
膜３２のほぼ全面にわたって向上させることが可能にな
る。また、燃料電池セル２の両表面の反応ガス通流方向
における電気化学反応度を一層均一化することが可能と
なる。

【００３９】この実施例の項で今まで説明してきた実施
例〜による燃料電池セル、および従来例の燃料電池
セルを用いた単位燃料電池装置のそれぞれについて、燃
料電極膜および酸化剤電極膜が持つ温度分布の実測例を
まとめて「表１」中に示す。なお、「表１」において、
安定性の評価は、それぞれの単位燃料電池装置を２４時
間連続して運転し、それぞれの単位燃料電池装置が出力
する電圧値の低下度が２〔％〕未満であったものは○と
し、２〔％〕以上であったものは△としている。

【００４０】

【表１】

【００４１】「表１」において、反応ガスの入口部の温
度（「表１」中のａ，ｂ）と反応ガスの出口部の温
度（「表１」中のａ，ｂ）との温度差に着目する
と、従来例での温度差が僅か約３〔℃〕であるのに対し
て、この発明による実施例〜の場合では、６〜７
〔℃〕程度の温度差が得られている。またこれにより、
反応ガスの出口部近傍を含む酸化剤電極膜１２，３２中
には、生成水が多量に滞留されることは解消されること
で、生成水が多量に滞留されることが主原因となって発
生する出力電圧値の低下度が減少されていることが確認
できる。

【００４２】実施例における今までの説明では、燃料電
池セル１〜３が備える電極膜基材１１２，１２２，３１
２，３２２は、反応ガスの通流する方向に複数に分割さ
れるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例
えば、燃料電池セル１〜３が備える燃料電極膜，酸化剤
電極膜用の電極膜基材は一体のものであってもよく、電
極膜基材上に形成される触媒層は、この一体の電極膜基
材に反応ガスの通流する方向に厚さを変えて形成されて
もよいものである。

【００４３】

【発明の効果】この発明においては、固体高分子電解質
型燃料電池用の燃料電池セルを前述の構成とすることに
より、反応ガスの入口部と出口部との間の温度差に着目
すると、表１中に示したように、従来例の場合に対して
２倍以上の温度差を得ることが可能となる。これによ
り、少なくとも酸化剤電極膜中に生成水が多量に滞留さ
れて，酸化剤電極膜内で酸化剤ガスの拡散が阻害される
ことが解消されるので、燃料電池セルの出力電圧値の低
下度が減少されるとの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の異なる実施例による固体高分子電解
質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態で模式的
に示した要部の側面断面図

【図２】この発明の一実施例による固体高分子電解質型
燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態で模式的に示
した要部の側面断面図

【図３】この発明のさらに異なる実施例による固体高分
子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態で
模式的に示した要部の側面断面図

【図４】一般例の固体高分子電解質型燃料電池を示すそ
の概念図

【図５】従来例の固体高分子電解質型燃料電池用の燃料
電池セルを展開した状態で模式的に示した要部の側面断
面図

【図６】図５に示した燃料電池セルを用いて構成された
一般例の単位燃料電池装置を模式的に示した要部の側面
断面図

【符号の説明】

１ 燃料電池セル １１ 燃料電極膜 １１１ 触媒層 １１２ 電極膜基材 １２ 酸化剤電極膜 １２１ 触媒層 １２２ 電極膜基材 ５ａ 燃料ガス ５ｂ 酸化剤ガス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて
   直流電力を発生する燃料電池セルであって、シート状の
   固体高分子電解質膜と，この固体高分子電解質膜の両主
   面のそれぞれに接合されるシート状の燃料電極膜および
   シート状の酸化剤電極膜とを備え、それぞれの燃料電極
   膜および酸化剤電極膜は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを
   触媒層に供給する経路を提供すると共に集電体としての
   機能を有する多孔質でシート状の電極膜基材と、電極膜
   基材の一方の側面側のほぼ全面に平面的に担持された触
   媒層とを有し、それぞれの触媒層側で固体高分子電解質
   膜の両主面のそれぞれに密着され、反触媒層側である他
   方の側面側には燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ通
   流されるものである固体高分子電解質型燃料電池用の燃
   料電池セルにおいて、 少なくとも酸化剤電極膜が有する触媒層は、触媒層の持
   つ触媒の担持量が、触媒層の面方向の場所により異なる
   ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用の燃料
   電池セル。
2. 【請求項２】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
   電池用の燃料電池セルにおいて、 触媒層の持つ触媒の担持量は、通流される酸化剤ガスの
   出口の近傍に在る触媒層において、酸化剤ガスの入口の
   近傍に在る触媒層よりも多いことを特徴とする固体高分
   子電解質型燃料電池用の燃料電池セル。