(57)【要約】【課題】カソードガス用加湿器を省くことを可能にした固体高分子型燃料電池用電極構造体を提供する。【解決手段】固体高分子型燃料電池用電極構造体１は，固体高分子電解質膜２と，その固体高分子電解質膜２を挟む一対の電極層３，４と，各電極層３，４の外側に配置される一対の拡散層５，６とを基本構成要素とする。一方の電極層３および拡散層５の間ならびに他方の電極層４および拡散層６の間にそれぞれ導電性水蒸気捕集層７，８が設けられている。各水蒸気捕集層７，８は，その層７，８内に分散し，且つ平均細孔径ｄが０．３ｎｍ≦ｄ≦１５ｎｍである複数の多孔質粒子を含有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜（２）と，その固体高分子電解質膜（２）を挟む一対の電極層（３，４）と，各電極層（３，４）の外側に配置される一対の拡散層（５，６）とを基本構成要素とする固体高分子型燃料電池用電極構造体において，一方の前記電極層（３）および前記拡散層（５）の間ならびに他方の前記電極層（４）および前記拡散層（６）の間にそれぞれ導電性水蒸気捕集層（７，８）を設け，各水蒸気捕集層（７，８）は，その層（７，８）内に分散し，且つ平均細孔径ｄが０．３ｎｍ≦ｄ≦１５ｎｍである複数の多孔質粒子を含有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子型燃料電池用電極構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，この種の電極構造体として，固体高分子電解質膜と，その固体高分子電解質膜を挟む一対の電極層と，各電極層の外側に配置される一対の拡散層とを基本構成要素とするものが知られている。この場合，固体高分子電解質膜のプロトン導電性は，その膜が水分を失うと著しく低下するため，通常はアノードガス（燃料ガス）およびカソードガス（酸化剤ガス）をそれぞれ専用の加湿器により加湿してセル内に供給している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池を車両用として用いる場合には設置スペース上の制約からその付属機器は極力少ない方が望ましいが，従来のごとく，２台の加湿器を用いていたのでは前記要望に応ずることはできない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は，水蒸気捕集機能を有し，カソードガス用加湿器を省くことを可能にした前記電極構造体を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば，固体高分子電解質膜と，その固体高分子電解質膜を挟む一対の電極層と，各電極層の外側に配置される一対の拡散層とを基本構成要素とする固体高分子型燃料電池用電極構造体において，一方の前記電極層および前記拡散層の間ならびに他方の前記電極層および前記拡散層の間にそれぞれ導電性水蒸気捕集層を設け，各水蒸気捕集層は，その層内に分散し，且つ平均細孔径ｄが０．３ｎｍ≦ｄ≦１５ｎｍである複数の多孔質粒子を含有する固体高分子型燃料電池用電極構造体が提供される。
【０００６】
前記のような微細な平均細孔径ｄを有する多孔質粒子は毛管凝縮，つまり，水蒸気を毛管現象で捕え，それを凝縮して水に変える，といった現象を発生する。これにより，カソード側で生成された水蒸気は水蒸気捕集層によって捕集され，それによる水が電極層を介して固体高分子電解質膜に供給されるので，カソードガス用加湿器を省くことができる。また水蒸気捕集層によって生成水のカソード側拡散層への流出を防止し得るので，その拡散層におけるカソードガスの拡散を生成水が妨げる，といった不具合を回避することができる。一方，加湿器によるアノードガスの加湿は従来通り必要であるが，アノードガス導入側にも水蒸気捕集層を設けたので，その水蒸気捕集層にアノードガス中の過剰水蒸気を捕集させて，電極付近における水の滞留を防止し，これにより電極に対するアノードガスの透過性を良好に維持することができる。
【０００７】
多孔質粒子において，その平均細孔径ｄがｄ＜０．３ｎｍでは水が移動しにくく，また水による目詰りが発生するとフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）  の原因となる。一方，平均細孔径ｄがｄ＞１５ｎｍでは毛管凝縮が発生しにくくなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１において，固体高分子型燃料電池に用いられる電極構造体１は，固体高分子電解質膜２と，その固体高分子電解質膜２を挟む一対の電極層，つまり，カソード側電極層３およびアノード側電極層４と，各電極層３，４の外側に配置される一対の拡散層５，６とを基本構成要素とする。
【０００９】
この実施例においては，カソード側電極層３および拡散層５の間ならびにアノード側電極層４および拡散層６の間にそれぞれ導電性水蒸気捕集層７，８が設けられている。各水蒸気捕集層７，８は，その層７，８内に分散し，且つ平均細孔径ｄが０．３ｎｍ≦ｄ≦１５ｎｍである複数の多孔質粒子を含有する。
【００１０】
このような多孔質粒子には，合成ゼオライト粒子，活性アルミナ粒子，活性炭粒子，シリカゲル粒子等が該当する。これらの多孔質粒子は，その集合体である粉末として用いられ，その平均粒径Ｄは０．１μｍ≦Ｄ≦１０μｍが適当である。
【００１１】
前記のような微細な平均細孔径ｄを有する多孔質粒子は毛管凝縮，つまり，水蒸気を毛管現象で捕え，それを凝縮して水に変える，といった現象を発生する。これにより，カソード側で生成された水蒸気は水蒸気捕集層７によって捕集され，それによる水がカソード側電極層３を介して固体高分子電解質膜２に供給されるので，カソードガス用加湿器を省くことができる。また水蒸気捕集層７によって生成水のカソード側拡散層５への流出を防止し得るので，その拡散層５におけるカソードガスの拡散を生成水が妨げる，といった不具合を回避することができる。一方，加湿器によるアノードガスの加湿は従来通り必要であるが，アノードガス導入側にも水蒸気捕集層８を設けたので，その水蒸気捕集層８にアノードガス中の過剰水蒸気を捕集させて，電極４付近における水の滞留を防止し，これにより電極４に対するアノードガスの透過性を良好に維持することができる。
【００１２】
以下，具体例について説明する。
【００１３】
Ａ−１．水蒸気捕集用スラリの調製
多孔質粒子の集合体である粉末状主成分として，下記のものを選定した。
▲１▼  合成ゼオライト：平均粒径Ｄ  ５．０μｍ，平均細孔径ｄ  ０．４ｎｍ，  東ソー社製，商品名  Ａ−４粉末）
▲２▼  活性アルミナ：平均粒径Ｄ  ０．１μｍ，平均細孔径ｄ  ２．５ｎｍ，スミカアルケム社製，商品名  ＢＫ１１２）
▲３▼  活性炭：平均粒径Ｄ  １０．０μｍ，平均細孔径ｄ  １．０ｎｍ，クラレケミカル社製，商品名  ＦＲ１０）
▲４▼  シリカゲル（１）：平均粒径Ｄ  ２．５μｍ，平均細孔径ｄ  １３．９ｎｍ，水澤化学社製，商品名  Ｐ−７３）
▲５▼  シリカゲル（２）：平均粒径Ｄ  ２．２μｍ，平均細孔径ｄ  ２０．９ｎｍ，水澤化学社製，商品名  Ｐ−７０７）
次に，粉末状主成分，導電材，導電助剤およびバインダをそれぞれ下記の通り秤量した。
【００１４】
粉末状主成分：合成ゼオライト……５０重量部
導電材：カーボンウイスカ（昭和電工社製，商品名  ＶＧＣＦ）……２０重量部
導電助剤：カーボンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル社製，商品名  ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）……１０重量部
バインダ：ＰＶＤＦ（クレハ化学工業社製，商品名  ＫＦポリマー）……２０重量部
これらの秤量物を，０．１ＬのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）溶液と共にボールミルに投入して攪拌混合し，第１のスラリを調製した。次いで他の粉末状主成分を用い，前記と同様の方法で第２〜第５のスラリを得た。
【００１５】
Ａ−２．水蒸気捕集層の形成
第１のスラリを，カソード側拡散層５を構成するカーボンペーパの一面に，乾燥重量が２ｍｇ／ｃｍ２  となるように塗布し，次いで塗布層を乾燥して，カソード側拡散層５と一体化された水蒸気捕集層７を得た。次いで，前記同様の方法でアノード側拡散層６と一体化された水蒸気捕集層８を得た。これらを一組の第１二層積層物とする。
【００１６】
その後，第２〜第５のスラリを順次用い，前記と同様の方法で，カソード側拡散層５と一体化された水蒸気捕集層７およびアノード側拡散層６と一体化された水蒸気捕集層８を順次得た。これらを一組の第２〜第５二積層物とする。
【００１７】
Ｂ−１．電極層用ペーストの調製
ファーネスブラック（ケッチェンブラックインターナショナル社製，商品名  ケッチェンブラックＥＣ）に，Ｐｔ粒子をそれらの重量比が１対１になるように担持させて粉末状のＰｔ担持カーボンを得た。この粉末状のＰｔ担持カーボンと，プロトン導電性バインダとしての粉末状のナフィオン（デュポン社製，商品名Ｎａｆｉｏｎ  １１２）とを重量比で１対１となるように秤量し，次いでナフィオンを溶剤である２−プロパノールに溶解してナフィオン溶液を調製し，その後ナフィオン溶液に粉末状のＰｔ担持カーボンを投入して十分に混合し，ペーストを得た。
【００１８】
Ｂ−２．電極層の形成
第１二層積層物のカソード側水蒸気捕集層７の表面に，前記ペーストをＰｔ量が０．５ｍｇ／ｃｍ２  となるようにスクリーン印刷し，次いで６０℃，１０分間の乾燥を行い，その後，１２０℃にて減圧乾燥を行ってカソード側電極層３を形成した。次いで第１二層積層物のアノード側水蒸気捕集層８の表面に，前記同様の方法でアノード側電極層４を形成した。これらを一組の第１三層積層物とする。
【００１９】
同様に，第２〜第５二層積層物を順次用い，前記と同様の方法で，カソード側水蒸気捕集層７表面に形成された電極層３およびアノード側水蒸気捕集層８表面に形成された電極層４を順次得た。これらを一組の第２〜第５三層積層物とする。
【００２０】
Ｃ．電極構造体の製作
ナフィオン（デュポン社製，商品名  Ｎａｆｉｏｎ  １１２）よりなる固体高分子電解質膜２の一面に前記第１三層積層物のカソード側電極層３を当て，またその他面に前記第１三層積層物のアノード側電極層４をそれぞれ当てて重ね合せ物とし，次いでその重ね合せ物に１４０℃，２．５ＭＰａ，１５分間の条件でポットプレスを施して第１電極構造体を得た。
【００２１】
その後，前記同様の固体高分子電解質膜２および順次，第２〜第５層三積層物を用い，前記同様の方法で第２〜第５電極構造体を得た。
【００２２】
Ｄ．電極構造体のドライタフネス試験
先ず，第１電極構造体を用いて製作されたセルを，十分に加湿（相対湿度１００％）されたアノードガス（水素）およびカソードガス（空気）を用いて約４２０秒間運転し，このときのセル電圧Ｖ１  を測定した。次いでカソードガスを無加湿のカソードガスに切換え，その切換え後のセル電圧Ｖ２  を測定して両電圧の差（Ｖ１  −Ｖ２  ）よりガス切換時のセル電圧低下量ΔＶを求め，その電圧低下量ΔＶが小さい程，電極構造体が優れたドライタフネスを有するものとした。同様の方法で，第２〜第５電極構造体についてセル電圧低下量ΔＶを測定した。
【００２３】
図２は第１電極構造体に関するセル電圧の経時変化を示し，表１は各電極構造体に関する試験結果を示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１から明らかなように，水蒸気捕集層７，８に平均細孔径ｄが０．３ｎｍ≦ｄ≦１５ｎｍの多孔質粒子を含有させると，セル電圧低下量ΔＶを小さくして，優れたドライタフネスを有する電極構造体を得ることができるものである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば前記のように構成することによって，カソードガス用加湿器を省いて固体高分子型燃料電池の車載性を良好にし，またカソードガスの拡散性およびアノードガスの電極透過性を良好に維持することが可能な電極構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極構造体の断面図である。
【図２】セル運転時間とセル電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１………電極構造体
２………固体高分子電解質膜
３………電極
４………電極
５………拡散層
６………拡散層
７………水蒸気捕集層
８………水蒸気捕集層
【図１】
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【図２】
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