燃料電池
【課題】本発明は、燃料電池に関し、ガス流路の出口付近において、酸化剤ガスの十分な供給を可能とする燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】セパレータ３０のカーボンペーパー２８側の表面には、酸化剤ガスとしての空気を流通させるための酸化剤ガス流路３２が形成されている。酸化剤ガス流路３２の下流側においては、上流側に比べ、生成水の量が多く、酸素濃度が低いので、酸素分圧としては低くなっている。そこで、酸化剤ガス流路３２の下流側に対向するカソード触媒層１６の表面（Ａ）に、他の部位のアイオノマーよりも酸素溶解度が高いアイオノマーを設ける。酸素溶解度が高いアイオノマーを設けることで、酸素分圧の低下分を補完できる。
【解決手段】セパレータ３０のカーボンペーパー２８側の表面には、酸化剤ガスとしての空気を流通させるための酸化剤ガス流路３２が形成されている。酸化剤ガス流路３２の下流側においては、上流側に比べ、生成水の量が多く、酸素濃度が低いので、酸素分圧としては低くなっている。そこで、酸化剤ガス流路３２の下流側に対向するカソード触媒層１６の表面（Ａ）に、他の部位のアイオノマーよりも酸素溶解度が高いアイオノマーを設ける。酸素溶解度が高いアイオノマーを設けることで、酸素分圧の低下分を補完できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、より詳細には、固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、触媒層が、ＥＷ（Equivalent Weight：イオン交換当量）の異なる２種類のアイオノマーにより被覆された燃料電池の電極が開示されている。ＥＷはアイオノマーの特性を表す指標であり、一般に低いほどプロトン伝導性や親水性が高いと言える。そのため、ＥＷの高いアイオノマーで触媒を被覆し、それらをＥＷの低いアイオノマーで更に被覆するような構成とすれば、各アイオノマーの特性の利点を活用できる。具体的に、低ＥＷのアイオノマーにプロトン伝導の役割を担わせ、高ＥＷのアイオノマーに排水の役割を担わせることが可能となる。従って、低電流密度から高電流密度まで安定した電池電圧を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８４０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池は、上記の様な触媒層と、電解質膜とからなる膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した構成となっている。各セパレータには、燃料ガスや酸化剤ガスの入口部と出口部とが形成されている。また、各セパレータの表面には、各電極にこれらガスをそれぞれ供給するための流路が形成されている。そのため、外部から供給された燃料ガスや酸化剤ガスは、セパレータの入口部から流入し、表面を流れて触媒層に供給される。触媒層に供給されれば電気化学反応が起こり、アノード側ではプロトンが、カソード側では水がそれぞれ生じる。
【０００５】
ここで、カソード側セパレータの表面に形成されたガス流路に着目する。酸化剤ガスは、触媒層に供給されるに従い、濃度が薄まりながらこのガス流路を流れる。ところが、このガス流路には、電気化学反応で生じた生成水も流れている。従って、ガス流路においては、その出口方向ほど高加湿、低酸化剤ガスの環境にあると言える。そのため、より良好な電池電圧を得るためには、ガス流路が形成されたセパレータ表面の環境を考慮することが望ましい。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のアイオノマーは、このようなセパレータ表面の環境を考慮したものではない。従って、ガス流路の出口付近において、酸化剤ガスが十分に触媒層に供給されない可能性がある。よって、必ずしも安定した電池電圧を得られるとは限らず、例えば燃料電池の高負荷運転時に、電池電圧が低下する可能性があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス流路の出口付近において、酸化剤ガスの十分な供給を可能とする燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の領域が、前記複数のアイオノマーの内で最も酸素溶解度の高いアイオノマーにより形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記所定の領域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占めることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記所定の領域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の下流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度が、前記ガス流路の入口部を含む所定の上流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度よりも高いことを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記所定の下流域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占め、前記所定の上流域が、前記入口部から下流側の流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の５／６〜２／３を占めることを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第４または第５の発明において、
前記所定の上流域および前記所定の下流域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１乃至第４の発明によれば、ガス流路の出口付近において、酸化剤ガスの十分な供給を可能な燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の燃料電池１０の断面構成の模式図である。
【図２】セパレータ３０側から見た燃料電池１０の分解斜視図である。
【図３】酸素透過係数の異なるアイオノマーを使用したＭＥＡに対し、加湿感度の試験を行った結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１７】
［燃料電池１０の構成］
図１は、本実施形態の燃料電池１０の断面構成の模式図である。図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜１２の両側に、これを挟むようにアノード触媒層１４、カソード触媒層１６が、それぞれ設けられている。アノード触媒層１４の外側には、カーボン層１８、カーボンペーパー２０、セパレータ２２がこの順に設けられている。同様に、カソード触媒層１６の外側には、カーボン層２６、カーボンペーパー２８、セパレータ３０がこの順に設けられている。電解質膜１２と、これを挟む一対のアノード触媒層１４、カソード触媒層１６とにより、ＭＥＡ３４が構成される。
【００１８】
電解質膜１２は、プロトンをアノード触媒層１４からカソード触媒層１６へ伝導する役割をもつプロトン交換膜である。電解質膜１２の膜厚は特に限定されないが、通常、１〜１００μｍ程度である。電解質膜１２は、炭化水素系の高分子電解質が膜状に形成されたものである。
【００１９】
炭化水素系の高分子電解質としては、(i)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子、(ii)主鎖が脂肪族炭化水素からなり、主鎖の一部又は全部の水素原子がフッ素原子で置換された高分子や、(iii)主鎖が芳香環を有する高分子等が挙げられる。また、高分子電解質としては、酸性基を有する高分子電解質、塩基性基を有する高分子電解質のいずれも用いることができる。このうち、酸性基を有する高分子電解質を用いると、発電性能に優れた燃料電池が得られる傾向にあるため好ましい。酸性基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、フェノール性水酸基などが挙げられる。このうち、スルホン酸基又はホスホン酸基が好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。
【００２０】
このような電解質膜１２としては、具体的に、ＮＡＦＩＯＮ（デュポン社、登録商標）、ＦＬＥＭＩＯＮ（旭硝子（株）、登録商標）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成ケミカルズ（株）、登録商標）等が挙げられる。
【００２１】
アノード触媒層１４、カソード触媒層１６は、実質的に、燃料電池の電極として機能する層である。アノード触媒層１４、カソード触媒層１６の両方には、カーボン粒子に担持された触媒が設けられている。
【００２２】
アノード触媒層１４、カソード触媒層１６に使用されるカーボン粒子としては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。
【００２３】
また、アノード触媒層１４、カソード触媒層１６に使用される触媒としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等が使用できる。これらの金属は、単独で用いてもよいし、２種類以上を同時に用いてもよい。
【００２４】
アノード触媒層１４、カソード触媒層１６には、上記触媒を被覆するようにアイオノマーが設けられている。アイオノマーとしては、プロトン導電性を有する高分子材料であって、例えば電解質膜１２として挙げた炭化水素系の高分子電解質が用いられる。また、カソード触媒層１６のうち、（Ａ）で図示する箇所には、他の部位のアイオノマーよりも酸素溶解度が高いアイオノマーが設けられている。酸素溶解度が高いアイオノマーを設ける点に関しては、後述する。
【００２５】
カーボン層１８，２６は、反応ガスや水をその厚み方向に通過可能にする無数の孔を有する多孔質カーボンから構成される。カーボン層１８，２６は、アノード触媒層１４、カソード触媒層１６に反応ガスを均一に拡散させると共に、ＭＥＡ３４の乾燥を抑制する機能を有する。カーボン層１８，２６としては、ポリイミドを炭化したもの、カーボンブラックとフッ素樹脂との混合物やカーボン不織布にフッ素をコートしたものが使用できる。
【００２６】
カーボンペーパー２０，２８は、カーボン層１８，２６と共に、燃料電池のガス拡散層として機能する。カーボンペーパー２０，２８は、反応ガスや水をその厚み方向に通過可能にする無数の孔を有する多孔質カーボンから構成される。尚、本実施形態ではカーボンペーパー２０，２８を使用しているが、通気性、通水性および弾性を有する他の材料を使用してもよい。他の材料としては、金属や導電性樹脂からなる導電性繊維の織布又は不織布、若しくは通気性を有する程度に気孔が連通した導電性発泡シートなどが挙げられる。
【００２７】
セパレータ２２，３０は、電子伝導性を有する材料から構成されている。セパレータ２２，３０に使用できるこのような材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレス等が挙げられる。セパレータ２２のカーボンペーパー２０側の表面には、燃料ガスとしての水素を流通させるための燃料ガス流路２４が形成されている。同様に、セパレータ３０のカーボンペーパー２８側の表面には、酸化剤ガスとしての空気を流通させるための酸化剤ガス流路３２が形成されている。
【００２８】
尚、図１においては、上記のように構成されたＭＥＡ３４と、その両側に配置されたカーボン層１８，２６、カーボンペーパー２０，２８とから構成される積層体を１組のみ図示したが、実際の燃料電池１０は、この積層体がセパレータ２２，３０を介して複数積層されたスタック構造を有している。
【００２９】
次に、図２を用いて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れを示しながら、アノード、カソードの両極で進行する電気化学反応について説明する。図２は、セパレータ３０側から見た燃料電池１０の分解斜視図である。
【００３０】
先ず、アノード側で進行する電気化学反応について説明する。水素は、圧力および供給量が調整された状態で、セパレータ３０に形成された燃料ガス通過口３０ａを経由して、セパレータ２２に形成された燃料ガス流入口２２ａに供給される。燃料ガス流入口２２ａから流入した水素は、燃料ガス流路２４を流れ、カーボンペーパー２０及びカーボン層１８の細孔を経由してアノード触媒層１４に流入する。そして、アノード触媒層１４において、水素からプロトンを生成する反応が進行する（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。未反応の水素は、燃料ガス流入口２２ａ同様にセパレータ２２に形成された燃料ガス排出口（図示しない）、セパレータ３０に形成された燃料ガス通過口３０ｂの順に流れ、燃料電池１０の外部に排出される。
【００３１】
次に、カソード側で進行する電気化学反応について説明する。空気は、圧縮された状態でセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流入口３０ｃに供給される。酸化剤ガス流入口３０ｃから流入した空気は、酸化剤ガス流路３２を流れ、カーボンペーパー２８及びカーボン層２６の細孔を経由してカソード触媒層１６側に流入する。そして、カソード触媒層１６において、アノード触媒層１４側から運搬されてきたプロトンと、空気中の酸素とから水を生成する反応が進行する（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）。未反応の酸素は、酸化剤ガス流路３２を流れ、セパレータ３０に形成された酸化剤ガス排出口３０ｄを経由して燃料電池１０の外部に排出される。
【００３２】
ここで、未反応の酸素の流れと、上記反応により生じた生成水の流れについて説明する。未反応の酸素は、酸化剤ガス流路３２を流れるに従って徐々に上記反応に供される。よって、酸化剤ガス流路３２においては、その下流側ほど酸素の濃度が低くなる。一方、生成水は、カソード触媒層１６側に流入する酸素と反対の経路を流れる。即ち、カーボン層２６及びカーボンペーパー２８の細孔を経由して酸化剤ガス流路３２に流入する。そして、生成水は、未反応の酸素と共に酸化剤ガス流路３２の下流側へ流れていく。従って、酸化剤ガス流路３２の下流側ほど生成水が多く存在することになる。
【００３３】
酸化剤ガス流路３２の下流側ほど酸素の濃度が低く、生成水が多く存在することから、カソード触媒層１６の面方向（面水平方向、面鉛直方向）においては、酸化剤ガス流路３２の下流の対向面ほど酸素が反応しにくい環境にあることが分かる。
【００３４】
ところで、カソード触媒層１６においては、異常電位に伴いカーボン粒子が消失するという問題がある。ここで、異常電位とは、上述した電気化学反応により、カソードが極端に高電位に達した場合に起こる現象であり、特に燃料電池の車載時に起こり易い。これは、燃料電池が様々な使用・放置環境にさらされるためと考えられている。異常電位に達すると、カーボン粒子が水と反応して二酸化炭素に変化して消失してしまう。カーボン粒子が消失すれば、例えば、触媒を担持できなくなるので、カソード触媒層１６から触媒が脱離し消失する可能性もある。
【００３５】
異常電位に伴うカーボン粒子の消失を抑制するために、カソード触媒層１６には高結晶化されたカーボン粒子が使用されている。しかしながら、その一方で、高結晶化カーボン粒子は、高結晶化されているが故に、通常のカーボン粒子に比べて活性点が少ない。そのため、高結晶化カーボン粒子に触媒を担持させようとしても、十分に分散できずに触媒粒径が大きくなる傾向がある。触媒粒径が大きくなれば、触媒表面積としては狭くなるので、電圧特性の低下に繋がる可能性が高くなる。
【００３６】
また、異常電位に関して言えば、触媒が溶出するという問題もある。これは、異常電位に達した結果、触媒がイオン化したことに起因するものである。触媒が溶出し、燃料電池の外部に流出した場合には、カソード触媒層１６の触媒表面積としては狭くなる。従って、電圧特性の低下に繋がる可能性が高くなる。
【００３７】
電圧特性に関して、一般に、燃料電池の限界電流iＯＲＲは次式で表される。
【数１】
上式から、i０または酸素分圧ＰＯ２を向上させれば、限界電流iＯＲＲを向上できることが分かる。このうち、i０は、触媒の活性に関するパラメータであるので、同一の触媒を使用する場合には変わらない。しかしながら、触媒の使用量を減らした場合、当然、触媒表面積が狭くなる。従って、限界電流iＯＲＲの低下に繋がる可能性が高くなる。そこで、使用量低減による限界電流iＯＲＲ低下を補完するためにも、酸素分圧ＰＯ２を向上させることが望ましいことになる。このことは、酸化剤ガス流路３２の下流側に対向するカソード触媒層１６の対向面においては、特に望ましい。上述したように、酸化剤ガス流路３２の下流側においては、上流側に比べ、生成水の量が多く、酸素濃度が低い。そのため、酸素分圧としては低くなっているので、酸化剤ガス流路３２の下流側対向面において限界電流iＯＲＲの低下が生じ易いからである。
【００３８】
そこで、本実施形態においては、この下流側対向面に、酸素溶解度の高いアイオノマーを用いることとした。具体的には、図２に示す領域（Ａ）に酸素溶解度の高いアイオノマー（以下、「アイオノマー（ａ）」とも言う。）を設け、領域（Ａ）以外の領域（Ｂ）にそれよりも低いアイオノマー（以下、「アイオノマー（ｂ）」とも言う。）を設ける。このように、領域（Ａ）にアイオノマー（ａ）を設けることで、酸素の反応性を高めることができる。従って、仮に、上述した各種影響によって触媒表面積が狭くなったとしても、限界電流iＯＲＲの低下を抑制することが可能となる。
【００３９】
アイオノマー（ａ）を設ける面積は、下流側対向面の総面積の１／６〜１／３であることが好ましい。領域（Ａ）の占有面積を上記範囲とすれば、限界電流iＯＲＲの低下を良好に抑制できるので、安定した電圧特性を得ることが可能となる。
【００４０】
図３は、酸素透過係数の異なるアイオノマーを使用したＭＥＡに対し、加湿感度の試験を行った結果を示す図である。試験は、ＭＥＡを単セルに組み込み、両極に水素及び空気を６０℃に加湿して供給し、電流密度１．５Ａ／ｃｍ３の際の電圧を測定することで行った。セル温度は、４０℃、５０℃、６０℃、６５℃と変化させた。ＭＥＡは、酸素透過係数６．０×１０−１２および２．８×１０−１１（単位は何れもｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・Ｐａ）のアイオノマーからそれぞれ作製した。
【００４１】
図３から、セル温度が低いほど、即ちＭＥＡとしては高加湿状態であるほど、性能差が大きくなることが分かる。本試験においては、酸素分圧は同じであるので、アイオノマーの酸素溶解拡散性が性能差に起因していることが推定される。そして、酸化剤ガス流路３２の下流側対向面での環境は、過加湿環境化にある。従って、カソード触媒層１６において、酸化剤ガス流路３２の下流側対向面に酸素溶解度の高いアイオノマーを適用することで、電圧特性の向上が期待できる。
【００４２】
［燃料電池１０の製造方法］
次に、本実施形態の燃料電池１０の製造方法について説明する。燃料電池１０の製造に際しては、先ず、触媒を担持するための担持用カーボン粒子を用意する。次に、この担持用カーボン粒子上に、触媒金属を溶液中で担持させる。触媒金属を担持させる方法としては、担持用カーボン粒子を、触媒金属を含む化合物の溶液中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法を行う方法が挙げられる。その後、溶媒を乾燥・焼成することにより触媒粒子を分散担持するカーボン粒子が得られる。
【００４３】
例えば、触媒に白金を用いる場合、触媒金属を含む化合物の溶液としては、テトラアミン白金塩溶液やジニトロジアンミン白金溶液、白金硝酸塩溶液、塩化白金酸溶液などを用いることができる。そして、例えば、含浸法による場合では、カーボン粒子を、上記白金塩溶液中に分散させた後に、溶媒を蒸発させて乾燥し、還元処理する。これにより、カーボン粒子に白金粒子を担持させることができる。
【００４４】
続いて、触媒担持カーボン粒子を適当な水及び溶剤中に分散させ、その中にアイオノマー（ａ）またはアイオノマー（ｂ）を添加し、インク（ａ）またはインク（ｂ）を作製し、マスキングプレートを用いてポリテトラフルオロエチレン等の基材上にこれらのインク（ａ）、インク（ｂ）を塗工した後に乾燥させる。これにより、触媒担持カーボン層の所望箇所を、アイオノマー（ａ）、（ｂ）でそれぞれ被覆したカソード触媒層１６を作製する。アノード触媒層１４は、アイオノマー（ａ）、（ｂ）何れか一方を含む溶液または他のアイオノマーを含む溶液を触媒担持カーボン層の表面に塗布し、溶液中の溶媒を除去することで作製する。
【００４５】
また、各溶液の塗布に際しては、塗布箇所の触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率（Ｉ／Ｃ）が０．５〜０．８となるように塗布することが好ましい。具体的に、カソード触媒層１６において、アイオノマー（ａ）の塗布箇所のＩ／Ｃ、アイオノマー（ｂ）の塗布箇所のＩ／Ｃが、それぞれ上記範囲となるように塗布することが好ましい。アノード触媒層１４においても同様である。一般に、Ｉ／Ｃを大きくすると、プロトン伝導性は高くなるが、反応物や生成物の物質拡散が遅くなる。逆に、Ｉ／Ｃを小さくすると、物質拡散速度が高くなるが、プロトン伝導性が低くなる。本実施の形態では、Ｉ／Ｃを上記範囲とすることで、プロトン伝導性と、反応物や生成物の物質拡散とのバランスを取ることができるので好ましい。
【００４６】
続いて、アノード触媒層１４およびカソード触媒層１６を電解質膜１２にホットプレスする。ホットプレスは、例えば、電解質膜１２を構成する高分子のガラス転移点以上に電解質膜１２側を加温しながら両触媒層側と接合する。具体的に、電解質膜１２にＮＡＦＩＯＮ（登録商標）を用いた場合には、ガラス転移温度が１２０〜１３０℃付近であるため、電解質膜１２側を１２０℃〜１７０℃に加温し、両触媒層側を６０℃〜１２０℃に加温する。これにより、ＭＥＡ３４を作製する。
【００４７】
続いて、ＭＥＡ３４の両側にカーボン層１８，２６およびカーボンペーパー２０，２８を積層する。具体的には、先ず、カーボンペーパー２０（または２８）上に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン分散液とを混合した溶液を塗布し、乾燥、焼成してカーボン層１８（または２６）を形成する。次に、カーボン層１８をアノード触媒層１４の側面に配置し、カーボン層２６をカソード触媒層１６の側面に配置する。これにより、ＭＥＡ３４と、その両側に配置されたカーボン層１８，２６、カーボンペーパー２０，２８とから構成される積層体を作製する。
【００４８】
続いて、一対のセパレータ２２，３０で、上記積層体を挟持する。この際、アイオノマー（ａ）を設けた領域が、酸化剤ガス排出口３０ｄ側に位置するようにセパレータ３０を配置する。以上により、セパレータ３０の酸化剤ガス流路の下流側対向面に、酸素溶解性の高いアイオノマーを設けた燃料電池１０が製造できる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 燃料電池
１２ 電解質膜
１４ アノード触媒層
１６ カソード触媒層
１８，２６ カーボン層
２０，２８ カーボンペーパー
２２，３０ セパレータ
２４ 燃料ガス流路
３０ａ 燃料ガス通過口
３０ｂ 燃料ガス通過口
３０ｃ 酸化剤ガス流入口
３０ｄ 酸化剤ガス排出口
３２ 酸化剤ガス流路
３４ ＭＥＡ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、より詳細には、固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、触媒層が、ＥＷ（Equivalent Weight：イオン交換当量）の異なる２種類のアイオノマーにより被覆された燃料電池の電極が開示されている。ＥＷはアイオノマーの特性を表す指標であり、一般に低いほどプロトン伝導性や親水性が高いと言える。そのため、ＥＷの高いアイオノマーで触媒を被覆し、それらをＥＷの低いアイオノマーで更に被覆するような構成とすれば、各アイオノマーの特性の利点を活用できる。具体的に、低ＥＷのアイオノマーにプロトン伝導の役割を担わせ、高ＥＷのアイオノマーに排水の役割を担わせることが可能となる。従って、低電流密度から高電流密度まで安定した電池電圧を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８４０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池は、上記の様な触媒層と、電解質膜とからなる膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した構成となっている。各セパレータには、燃料ガスや酸化剤ガスの入口部と出口部とが形成されている。また、各セパレータの表面には、各電極にこれらガスをそれぞれ供給するための流路が形成されている。そのため、外部から供給された燃料ガスや酸化剤ガスは、セパレータの入口部から流入し、表面を流れて触媒層に供給される。触媒層に供給されれば電気化学反応が起こり、アノード側ではプロトンが、カソード側では水がそれぞれ生じる。
【０００５】
ここで、カソード側セパレータの表面に形成されたガス流路に着目する。酸化剤ガスは、触媒層に供給されるに従い、濃度が薄まりながらこのガス流路を流れる。ところが、このガス流路には、電気化学反応で生じた生成水も流れている。従って、ガス流路においては、その出口方向ほど高加湿、低酸化剤ガスの環境にあると言える。そのため、より良好な電池電圧を得るためには、ガス流路が形成されたセパレータ表面の環境を考慮することが望ましい。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のアイオノマーは、このようなセパレータ表面の環境を考慮したものではない。従って、ガス流路の出口付近において、酸化剤ガスが十分に触媒層に供給されない可能性がある。よって、必ずしも安定した電池電圧を得られるとは限らず、例えば燃料電池の高負荷運転時に、電池電圧が低下する可能性があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス流路の出口付近において、酸化剤ガスの十分な供給を可能とする燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の領域が、前記複数のアイオノマーの内で最も酸素溶解度の高いアイオノマーにより形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記所定の領域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占めることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記所定の領域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の下流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度が、前記ガス流路の入口部を含む所定の上流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度よりも高いことを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記所定の下流域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占め、前記所定の上流域が、前記入口部から下流側の流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の５／６〜２／３を占めることを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第４または第５の発明において、
前記所定の上流域および前記所定の下流域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１乃至第４の発明によれば、ガス流路の出口付近において、酸化剤ガスの十分な供給を可能な燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の燃料電池１０の断面構成の模式図である。
【図２】セパレータ３０側から見た燃料電池１０の分解斜視図である。
【図３】酸素透過係数の異なるアイオノマーを使用したＭＥＡに対し、加湿感度の試験を行った結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１７】
［燃料電池１０の構成］
図１は、本実施形態の燃料電池１０の断面構成の模式図である。図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜１２の両側に、これを挟むようにアノード触媒層１４、カソード触媒層１６が、それぞれ設けられている。アノード触媒層１４の外側には、カーボン層１８、カーボンペーパー２０、セパレータ２２がこの順に設けられている。同様に、カソード触媒層１６の外側には、カーボン層２６、カーボンペーパー２８、セパレータ３０がこの順に設けられている。電解質膜１２と、これを挟む一対のアノード触媒層１４、カソード触媒層１６とにより、ＭＥＡ３４が構成される。
【００１８】
電解質膜１２は、プロトンをアノード触媒層１４からカソード触媒層１６へ伝導する役割をもつプロトン交換膜である。電解質膜１２の膜厚は特に限定されないが、通常、１〜１００μｍ程度である。電解質膜１２は、炭化水素系の高分子電解質が膜状に形成されたものである。
【００１９】
炭化水素系の高分子電解質としては、(i)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子、(ii)主鎖が脂肪族炭化水素からなり、主鎖の一部又は全部の水素原子がフッ素原子で置換された高分子や、(iii)主鎖が芳香環を有する高分子等が挙げられる。また、高分子電解質としては、酸性基を有する高分子電解質、塩基性基を有する高分子電解質のいずれも用いることができる。このうち、酸性基を有する高分子電解質を用いると、発電性能に優れた燃料電池が得られる傾向にあるため好ましい。酸性基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、カルボン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、フェノール性水酸基などが挙げられる。このうち、スルホン酸基又はホスホン酸基が好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。
【００２０】
このような電解質膜１２としては、具体的に、ＮＡＦＩＯＮ（デュポン社、登録商標）、ＦＬＥＭＩＯＮ（旭硝子（株）、登録商標）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成ケミカルズ（株）、登録商標）等が挙げられる。
【００２１】
アノード触媒層１４、カソード触媒層１６は、実質的に、燃料電池の電極として機能する層である。アノード触媒層１４、カソード触媒層１６の両方には、カーボン粒子に担持された触媒が設けられている。
【００２２】
アノード触媒層１４、カソード触媒層１６に使用されるカーボン粒子としては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。
【００２３】
また、アノード触媒層１４、カソード触媒層１６に使用される触媒としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等が使用できる。これらの金属は、単独で用いてもよいし、２種類以上を同時に用いてもよい。
【００２４】
アノード触媒層１４、カソード触媒層１６には、上記触媒を被覆するようにアイオノマーが設けられている。アイオノマーとしては、プロトン導電性を有する高分子材料であって、例えば電解質膜１２として挙げた炭化水素系の高分子電解質が用いられる。また、カソード触媒層１６のうち、（Ａ）で図示する箇所には、他の部位のアイオノマーよりも酸素溶解度が高いアイオノマーが設けられている。酸素溶解度が高いアイオノマーを設ける点に関しては、後述する。
【００２５】
カーボン層１８，２６は、反応ガスや水をその厚み方向に通過可能にする無数の孔を有する多孔質カーボンから構成される。カーボン層１８，２６は、アノード触媒層１４、カソード触媒層１６に反応ガスを均一に拡散させると共に、ＭＥＡ３４の乾燥を抑制する機能を有する。カーボン層１８，２６としては、ポリイミドを炭化したもの、カーボンブラックとフッ素樹脂との混合物やカーボン不織布にフッ素をコートしたものが使用できる。
【００２６】
カーボンペーパー２０，２８は、カーボン層１８，２６と共に、燃料電池のガス拡散層として機能する。カーボンペーパー２０，２８は、反応ガスや水をその厚み方向に通過可能にする無数の孔を有する多孔質カーボンから構成される。尚、本実施形態ではカーボンペーパー２０，２８を使用しているが、通気性、通水性および弾性を有する他の材料を使用してもよい。他の材料としては、金属や導電性樹脂からなる導電性繊維の織布又は不織布、若しくは通気性を有する程度に気孔が連通した導電性発泡シートなどが挙げられる。
【００２７】
セパレータ２２，３０は、電子伝導性を有する材料から構成されている。セパレータ２２，３０に使用できるこのような材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレス等が挙げられる。セパレータ２２のカーボンペーパー２０側の表面には、燃料ガスとしての水素を流通させるための燃料ガス流路２４が形成されている。同様に、セパレータ３０のカーボンペーパー２８側の表面には、酸化剤ガスとしての空気を流通させるための酸化剤ガス流路３２が形成されている。
【００２８】
尚、図１においては、上記のように構成されたＭＥＡ３４と、その両側に配置されたカーボン層１８，２６、カーボンペーパー２０，２８とから構成される積層体を１組のみ図示したが、実際の燃料電池１０は、この積層体がセパレータ２２，３０を介して複数積層されたスタック構造を有している。
【００２９】
次に、図２を用いて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れを示しながら、アノード、カソードの両極で進行する電気化学反応について説明する。図２は、セパレータ３０側から見た燃料電池１０の分解斜視図である。
【００３０】
先ず、アノード側で進行する電気化学反応について説明する。水素は、圧力および供給量が調整された状態で、セパレータ３０に形成された燃料ガス通過口３０ａを経由して、セパレータ２２に形成された燃料ガス流入口２２ａに供給される。燃料ガス流入口２２ａから流入した水素は、燃料ガス流路２４を流れ、カーボンペーパー２０及びカーボン層１８の細孔を経由してアノード触媒層１４に流入する。そして、アノード触媒層１４において、水素からプロトンを生成する反応が進行する（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。未反応の水素は、燃料ガス流入口２２ａ同様にセパレータ２２に形成された燃料ガス排出口（図示しない）、セパレータ３０に形成された燃料ガス通過口３０ｂの順に流れ、燃料電池１０の外部に排出される。
【００３１】
次に、カソード側で進行する電気化学反応について説明する。空気は、圧縮された状態でセパレータ３０に形成された酸化剤ガス流入口３０ｃに供給される。酸化剤ガス流入口３０ｃから流入した空気は、酸化剤ガス流路３２を流れ、カーボンペーパー２８及びカーボン層２６の細孔を経由してカソード触媒層１６側に流入する。そして、カソード触媒層１６において、アノード触媒層１４側から運搬されてきたプロトンと、空気中の酸素とから水を生成する反応が進行する（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）。未反応の酸素は、酸化剤ガス流路３２を流れ、セパレータ３０に形成された酸化剤ガス排出口３０ｄを経由して燃料電池１０の外部に排出される。
【００３２】
ここで、未反応の酸素の流れと、上記反応により生じた生成水の流れについて説明する。未反応の酸素は、酸化剤ガス流路３２を流れるに従って徐々に上記反応に供される。よって、酸化剤ガス流路３２においては、その下流側ほど酸素の濃度が低くなる。一方、生成水は、カソード触媒層１６側に流入する酸素と反対の経路を流れる。即ち、カーボン層２６及びカーボンペーパー２８の細孔を経由して酸化剤ガス流路３２に流入する。そして、生成水は、未反応の酸素と共に酸化剤ガス流路３２の下流側へ流れていく。従って、酸化剤ガス流路３２の下流側ほど生成水が多く存在することになる。
【００３３】
酸化剤ガス流路３２の下流側ほど酸素の濃度が低く、生成水が多く存在することから、カソード触媒層１６の面方向（面水平方向、面鉛直方向）においては、酸化剤ガス流路３２の下流の対向面ほど酸素が反応しにくい環境にあることが分かる。
【００３４】
ところで、カソード触媒層１６においては、異常電位に伴いカーボン粒子が消失するという問題がある。ここで、異常電位とは、上述した電気化学反応により、カソードが極端に高電位に達した場合に起こる現象であり、特に燃料電池の車載時に起こり易い。これは、燃料電池が様々な使用・放置環境にさらされるためと考えられている。異常電位に達すると、カーボン粒子が水と反応して二酸化炭素に変化して消失してしまう。カーボン粒子が消失すれば、例えば、触媒を担持できなくなるので、カソード触媒層１６から触媒が脱離し消失する可能性もある。
【００３５】
異常電位に伴うカーボン粒子の消失を抑制するために、カソード触媒層１６には高結晶化されたカーボン粒子が使用されている。しかしながら、その一方で、高結晶化カーボン粒子は、高結晶化されているが故に、通常のカーボン粒子に比べて活性点が少ない。そのため、高結晶化カーボン粒子に触媒を担持させようとしても、十分に分散できずに触媒粒径が大きくなる傾向がある。触媒粒径が大きくなれば、触媒表面積としては狭くなるので、電圧特性の低下に繋がる可能性が高くなる。
【００３６】
また、異常電位に関して言えば、触媒が溶出するという問題もある。これは、異常電位に達した結果、触媒がイオン化したことに起因するものである。触媒が溶出し、燃料電池の外部に流出した場合には、カソード触媒層１６の触媒表面積としては狭くなる。従って、電圧特性の低下に繋がる可能性が高くなる。
【００３７】
電圧特性に関して、一般に、燃料電池の限界電流iＯＲＲは次式で表される。
【数１】
上式から、i０または酸素分圧ＰＯ２を向上させれば、限界電流iＯＲＲを向上できることが分かる。このうち、i０は、触媒の活性に関するパラメータであるので、同一の触媒を使用する場合には変わらない。しかしながら、触媒の使用量を減らした場合、当然、触媒表面積が狭くなる。従って、限界電流iＯＲＲの低下に繋がる可能性が高くなる。そこで、使用量低減による限界電流iＯＲＲ低下を補完するためにも、酸素分圧ＰＯ２を向上させることが望ましいことになる。このことは、酸化剤ガス流路３２の下流側に対向するカソード触媒層１６の対向面においては、特に望ましい。上述したように、酸化剤ガス流路３２の下流側においては、上流側に比べ、生成水の量が多く、酸素濃度が低い。そのため、酸素分圧としては低くなっているので、酸化剤ガス流路３２の下流側対向面において限界電流iＯＲＲの低下が生じ易いからである。
【００３８】
そこで、本実施形態においては、この下流側対向面に、酸素溶解度の高いアイオノマーを用いることとした。具体的には、図２に示す領域（Ａ）に酸素溶解度の高いアイオノマー（以下、「アイオノマー（ａ）」とも言う。）を設け、領域（Ａ）以外の領域（Ｂ）にそれよりも低いアイオノマー（以下、「アイオノマー（ｂ）」とも言う。）を設ける。このように、領域（Ａ）にアイオノマー（ａ）を設けることで、酸素の反応性を高めることができる。従って、仮に、上述した各種影響によって触媒表面積が狭くなったとしても、限界電流iＯＲＲの低下を抑制することが可能となる。
【００３９】
アイオノマー（ａ）を設ける面積は、下流側対向面の総面積の１／６〜１／３であることが好ましい。領域（Ａ）の占有面積を上記範囲とすれば、限界電流iＯＲＲの低下を良好に抑制できるので、安定した電圧特性を得ることが可能となる。
【００４０】
図３は、酸素透過係数の異なるアイオノマーを使用したＭＥＡに対し、加湿感度の試験を行った結果を示す図である。試験は、ＭＥＡを単セルに組み込み、両極に水素及び空気を６０℃に加湿して供給し、電流密度１．５Ａ／ｃｍ３の際の電圧を測定することで行った。セル温度は、４０℃、５０℃、６０℃、６５℃と変化させた。ＭＥＡは、酸素透過係数６．０×１０−１２および２．８×１０−１１（単位は何れもｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・Ｐａ）のアイオノマーからそれぞれ作製した。
【００４１】
図３から、セル温度が低いほど、即ちＭＥＡとしては高加湿状態であるほど、性能差が大きくなることが分かる。本試験においては、酸素分圧は同じであるので、アイオノマーの酸素溶解拡散性が性能差に起因していることが推定される。そして、酸化剤ガス流路３２の下流側対向面での環境は、過加湿環境化にある。従って、カソード触媒層１６において、酸化剤ガス流路３２の下流側対向面に酸素溶解度の高いアイオノマーを適用することで、電圧特性の向上が期待できる。
【００４２】
［燃料電池１０の製造方法］
次に、本実施形態の燃料電池１０の製造方法について説明する。燃料電池１０の製造に際しては、先ず、触媒を担持するための担持用カーボン粒子を用意する。次に、この担持用カーボン粒子上に、触媒金属を溶液中で担持させる。触媒金属を担持させる方法としては、担持用カーボン粒子を、触媒金属を含む化合物の溶液中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法を行う方法が挙げられる。その後、溶媒を乾燥・焼成することにより触媒粒子を分散担持するカーボン粒子が得られる。
【００４３】
例えば、触媒に白金を用いる場合、触媒金属を含む化合物の溶液としては、テトラアミン白金塩溶液やジニトロジアンミン白金溶液、白金硝酸塩溶液、塩化白金酸溶液などを用いることができる。そして、例えば、含浸法による場合では、カーボン粒子を、上記白金塩溶液中に分散させた後に、溶媒を蒸発させて乾燥し、還元処理する。これにより、カーボン粒子に白金粒子を担持させることができる。
【００４４】
続いて、触媒担持カーボン粒子を適当な水及び溶剤中に分散させ、その中にアイオノマー（ａ）またはアイオノマー（ｂ）を添加し、インク（ａ）またはインク（ｂ）を作製し、マスキングプレートを用いてポリテトラフルオロエチレン等の基材上にこれらのインク（ａ）、インク（ｂ）を塗工した後に乾燥させる。これにより、触媒担持カーボン層の所望箇所を、アイオノマー（ａ）、（ｂ）でそれぞれ被覆したカソード触媒層１６を作製する。アノード触媒層１４は、アイオノマー（ａ）、（ｂ）何れか一方を含む溶液または他のアイオノマーを含む溶液を触媒担持カーボン層の表面に塗布し、溶液中の溶媒を除去することで作製する。
【００４５】
また、各溶液の塗布に際しては、塗布箇所の触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率（Ｉ／Ｃ）が０．５〜０．８となるように塗布することが好ましい。具体的に、カソード触媒層１６において、アイオノマー（ａ）の塗布箇所のＩ／Ｃ、アイオノマー（ｂ）の塗布箇所のＩ／Ｃが、それぞれ上記範囲となるように塗布することが好ましい。アノード触媒層１４においても同様である。一般に、Ｉ／Ｃを大きくすると、プロトン伝導性は高くなるが、反応物や生成物の物質拡散が遅くなる。逆に、Ｉ／Ｃを小さくすると、物質拡散速度が高くなるが、プロトン伝導性が低くなる。本実施の形態では、Ｉ／Ｃを上記範囲とすることで、プロトン伝導性と、反応物や生成物の物質拡散とのバランスを取ることができるので好ましい。
【００４６】
続いて、アノード触媒層１４およびカソード触媒層１６を電解質膜１２にホットプレスする。ホットプレスは、例えば、電解質膜１２を構成する高分子のガラス転移点以上に電解質膜１２側を加温しながら両触媒層側と接合する。具体的に、電解質膜１２にＮＡＦＩＯＮ（登録商標）を用いた場合には、ガラス転移温度が１２０〜１３０℃付近であるため、電解質膜１２側を１２０℃〜１７０℃に加温し、両触媒層側を６０℃〜１２０℃に加温する。これにより、ＭＥＡ３４を作製する。
【００４７】
続いて、ＭＥＡ３４の両側にカーボン層１８，２６およびカーボンペーパー２０，２８を積層する。具体的には、先ず、カーボンペーパー２０（または２８）上に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン分散液とを混合した溶液を塗布し、乾燥、焼成してカーボン層１８（または２６）を形成する。次に、カーボン層１８をアノード触媒層１４の側面に配置し、カーボン層２６をカソード触媒層１６の側面に配置する。これにより、ＭＥＡ３４と、その両側に配置されたカーボン層１８，２６、カーボンペーパー２０，２８とから構成される積層体を作製する。
【００４８】
続いて、一対のセパレータ２２，３０で、上記積層体を挟持する。この際、アイオノマー（ａ）を設けた領域が、酸化剤ガス排出口３０ｄ側に位置するようにセパレータ３０を配置する。以上により、セパレータ３０の酸化剤ガス流路の下流側対向面に、酸素溶解性の高いアイオノマーを設けた燃料電池１０が製造できる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 燃料電池
１２ 電解質膜
１４ アノード触媒層
１６ カソード触媒層
１８，２６ カーボン層
２０，２８ カーボンペーパー
２２，３０ セパレータ
２４ 燃料ガス流路
３０ａ 燃料ガス通過口
３０ｂ 燃料ガス通過口
３０ｃ 酸化剤ガス流入口
３０ｄ 酸化剤ガス排出口
３２ 酸化剤ガス流路
３４ ＭＥＡ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の領域が、前記複数のアイオノマーの内で最も酸素溶解度の高いアイオノマーにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記所定の領域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占めることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記所定の領域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の下流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度が、前記ガス流路の入口部を含む所定の上流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度よりも高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記所定の下流域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占め、前記所定の上流域が、前記入口部から下流側の流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の５／６〜２／３を占めることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記所定の上流域および前記所定の下流域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
【請求項１】
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の領域が、前記複数のアイオノマーの内で最も酸素溶解度の高いアイオノマーにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記所定の領域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占めることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記所定の領域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
表面にガス流路が形成されたセパレータと、
前記ガス流路の形成面とガス拡散層を介して対向配置され、酸素溶解度の異なる複数のアイオノマーにより表面が被覆されたカソード触媒層と、を備え、
前記カソード触媒層のセパレータ対向面において、前記ガス流路の出口部を含む所定の下流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度が、前記ガス流路の入口部を含む所定の上流域を形成するアイオノマーの酸素溶解度よりも高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記所定の下流域が、前記出口部から上流側に遡った流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の１／６〜１／３を占め、前記所定の上流域が、前記入口部から下流側の流域を含んだ前記セパレータ対向面の総面積の５／６〜２／３を占めることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記所定の上流域および前記所定の下流域において、前記カソード触媒層中のカーボンに対するアイオノマーの重量比率が０．５〜０．８であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１７１２５３（Ｐ２０１１−１７１２５３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３６４０１（Ｐ２０１０−３６４０１）
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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