(57)【要約】【課題】燃料電池システムの出力をより確実に向上させる。【解決手段】本発明の膜電極接合体１０は、電解質層１１と、電解質層１１の一面に接合された空気極１３と、電解質層１１の他面に接合された水素極１２とを有している。空気極１３は、電解質層１１の一面に接合された空気極反応層１３ａと、空気極反応層１３ａの非電解質層側に接合され、空気極反応層１３ａに空気を拡散する空気拡散層１３ｂとからなる。空気極反応層１３ａは、電解質層１１側で強く、空気拡散層１３ｂ側で弱い磁気力を奏するように構成されている。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、該電解質層の一面に接合された空気極と、該電解質層の他面に接合された水素極とを有し、該空気極は、該電解質層の一面に接合された空気極反応層と、該空気極反応層の非電解質層側に接合され、該空気極反応層に空気を拡散するための空気拡散層とからなる膜電極接合体において、
前記空気極反応層は、前記電解質層側で強く、前記空気拡散層側で弱い磁気力を奏するように構成されていることを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記空気極反応層には、触媒作用及び磁気作用を併せもつ磁性触媒が担持されていることを特徴とする請求項１記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記磁性触媒は、磁性体からなる電極用磁性担体の外周面に担持されていることを特徴とする請求項２記載の膜電極接合体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載の膜電極接合体と、前記水素極に水素を供給する水素供給手段と、前記空気極に空気を供給する空気供給手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜電極接合体と、燃料電池システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１４に示すような膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）９０を用いた燃料電池システムが知られている。この膜電極接合体９０は、イオン交換膜からなる電解質層９１と、この電解質層９１の一面に一体に形成された空気極９３と、電解質層９１の他面に一体に形成された水素極９２とを有している。
【０００３】
空気極９３は、電解質層９１の一面に接合された空気極反応層９３ａと、空気極反応層９３ａの非電解質層側に接合され、空気極反応層９３ａに空気を拡散する空気拡散層９３ｂとからなる。
【０００４】
また、水素極９２は、電解質層９１の他面に接合された水素極反応層９２ａと、水素極反応層９２ａの非電解質層側に接合され、水素極反応層９２ａに水素を拡散する水素拡散層９２ｂとからなる。
【０００５】
一般的な膜電極接合体では、空気極反応層９３ａ及び水素極反応層９２ａに触媒作用を奏する白金（Ｐｔ）等の触媒が担持されている。
【０００６】
そして、この膜電極接合体９０を図示しないセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。水素極反応層９２ａには水素供給手段によって水素が供給され、空気極反応層９３ａには空気供給手段によって空気が供給されるようになっている。こうして燃料電池システムが構成される。
【０００７】
この膜電極接合体９０では、水素極反応層９２ａにおける電気化学的反応により、燃料の水素から水素イオンと電子とが生成される。そして、水素イオンはプロトン（Ｈ3Ｏ+）の形で電解質層９１内を空気極反応層９３ａに向かって移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、空気極反応層９３ａに流れる。一方、空気極反応層９３ａにおいては、空気中に含まれる酸素と水素イオンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。
【０００８】
しかし、空気極反応層９３ａでは、水素イオンとともに移動した水と電気化学的反応で生じた生成水とにより水が過剰となり、空気の拡散が阻害される（以下、「フラッディング」という。）。このため、電極上での反応物質（水素、酸素等）の反応速度に起因する活性化過電圧と、電極上での反応場（通常、電極に存在する触媒上）への反応物質又は反応生成物の移動のし易さに起因する濃度過電圧との損失により、燃料電池システムの出力が低下しやすい。
【０００９】
このため、特許文献１開示の空気極を採用することが考えられる。特許文献１開示の空気極は、ネオジウム−鉄−ホウ素磁石、サマリウム−コバルト磁石、フェライト磁石等の永久磁石を分散、配置してなるものである。この空気極を燃料電池システムに用いれば、永久磁石の磁気作用により、酸素を常磁性体として吸引しつつ水を反磁性体として排斥することができる。
【００１０】
すなわち、永久磁石近傍の数ｎｍの領域では、距離をＲとした場合、１／Ｒ2に比例する桁違いに大きな磁場勾配が生じ、その結果、磁気力と比例関係をもつ磁場と磁場勾配との積が非常に大きくなる。このため、酸素は、常磁性体として、永久磁石から重力の約１０3倍に相当する１０5Ｎ／ｍ3程度の非常に大きな吸引力を受ける。他方、電気化学的反応後に触媒表面に生じる水は、永久磁石が発生する磁気力により、反磁性体として、永久磁石からやはり重力の約１０3倍に相当する１０6Ｎ／ｍ3程度の非常に大きな排斥力を受ける。このため、電気化学的反応をする触媒の活性点から障害物としての水が排斥され、そこに酸素を速やかに供給することができるため、フラッディングが抑制され、燃料電池システムの出力向上を実現できると考えられる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−１９８０５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記特許文献１開示の技術を用いた燃料電池システムでは、永久磁石が空気極において単に分散、配置されているに過ぎないことから、空気極の厚さ方向で磁気力に相違がない。このため、仮に空気極反応層での磁気力が弱く、空気拡散層での磁気力が強い場合には、プロトンの伝導とは無関係な自由水が電解質層側から空気極側に移動しやすい。また、仮に空気極反応層内での磁気力が弱い場合には、水素と酸素との反応による生成水も空気極反応層内に留まり易い。これらのため、自由水や生成水が邪魔になって酸素が空気極反応層に供給され難くなると考えられる。また、仮に空気極反応層での磁気力が弱く、空気拡散層での磁気力が強い場合には、空気が空気拡散層に留まり易く、空気極反応層まで移動し難いこととなると考えられる。これらの場合には、濃度過電圧の損失により、出力向上を必ずしも実現し得ないと思われる。
【００１３】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムの出力をより確実に向上させることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の膜電極接合体は、電解質層と、該電解質層の一面に接合された空気極と、該電解質層の他面に接合された水素極とを有し、該空気極は、該電解質層の一面に接合された空気極反応層と、該空気極反応層の非電解質層側に接合され、該空気極反応層に空気を拡散するための空気拡散層とからなる膜電極接合体において、
前記空気極反応層は、前記電解質層側で強く、前記空気拡散層側で弱い磁気力を奏するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の膜電極接合体では、空気極反応層の電解質層側で磁気力が強く、空気拡散層での磁気力が弱いため、自由水が電解質層側から空気極反応層に移動し難くなっている。また、この膜電極接合体では、空気極反応層の電解質層側での磁気力が強いため、生成水は速やかに空気極反応層の電解質層側から空気拡散層側に移動する。これらのため、自由水や生成水が邪魔になり難く、酸素が空気極反応層に供給され易くなる。また、この膜電極接合体では、電解質側の磁気力が強く、空気拡散層側の磁気力が弱いため、空気は空気拡散層に留まらず、空気極反応層まで移動し易い。
【００１６】
したがって、この膜電極接合体によれば、濃度過電圧の低減により、燃料電池システムの出力をより確実に向上させることができるのである。
【００１７】
本発明の膜電極接合体は、電解質層、空気極及び水素極を有する。電解質としては、ナフィオン（登録商標）等のイオン交換樹脂を採用することができる。空気極は、電解質層の一面に接合された空気極反応層と、空気極反応層の非電解質層側に接合され、空気極反応層に空気を拡散する空気拡散層とからなる。また、水素極は、電解質層の他面に接合された水素極反応層と、水素極反応層の非電解質層側に接合され、水素極反応層に水素を拡散する水素拡散層とからなり得る。
【００１８】
空気極反応層は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の導電性のある基材と、この基材に固定した少なくとも触媒及び電解質とからなり得る。基材は撥水性及びガス透過性を有するものであり得る。撥水性を有するものとするためには、カーボンクロス等の基材に撥水材を塗布しておくことができる。水素極反応層は、基材と、この基材に固定した少なくとも触媒及び電解質とからなり得る。
【００１９】
空気拡散層や水素拡散層は、基材と、この基材に固定した少なくとも導電材料とからなり得る。基材にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子等の撥水粒子を混合することもできる。
【００２０】
空気極反応層に磁気力の勾配をつけるため、空気極反応層には、触媒作用及び磁気作用を併せもつ磁性触媒が担持されていることができる。こうした燃料電池システムでは、図１に示すように、磁化された磁性触媒３３は、その磁気作用により、酸素を常磁性体として吸引しつつ水を反磁性体として排斥することができる。また、磁性触媒３３は、空気極反応層で還元反応を促進し、電気化学的反応の触媒作用を行う。すなわち、酸素は、常磁性体として、直にプロトンと反応する磁性触媒３３自体から非常に大きな吸引力を受ける。他方、電気化学的反応後には磁性触媒３３自体の表面に水が生じており、その水は、磁性触媒３３自体が発生する磁気力により、反磁性体として、磁性触媒３３自体からやはり非常に大きな排斥力を受ける。このため、実際に電気化学的反応をする磁性触媒３３の活性点から障害物としての水が排斥され、その磁性触媒３３に酸素を速やかに供給することができるため、フラッディングがより確実に抑制される。
【００２１】
発明者らの試験結果によれば、磁性触媒３３としてはｆｃｔ構造を主相とするＰｔ合金を採用することができる。ｆｃｔ構造のＰｔ合金は、図２に示すように、ＰｔとＦｅ、Ｃｏ等の他の合金金属とが層構造をなすＰｔ合金である。図３に示すように、Ｐｔと他の合金金属とが層構造をなさない立方晶系面心立方格子（ｆｃｃ）構造のＰｔ合金を高温下の熱処理に供することにより、ｆｃｔ構造のＰｔ合金が得られる。一般的に、合金化直後のＰｔ合金は、準安定相である不規則なｆｃｃ構造をとり、これは軟磁気特性を示す。しかし、これを高温下の熱処理に供することにより、安定相である規則的なｆｃｔ構造が形成され、Ｋｕ〜７×１０7ｅｒｇ／ｃｃの高い一軸結晶磁気異方性を示す高い保磁気力を有するものとなる。
【００２２】
より具体的には、磁性触媒３３としては、Ｐｔ−Ｆｅ合金を採用することができる。Ｐｔ−Ｆｅ合金の状態図を図４に示す。図４に示されるように、熱処理温度を９００°Ｃとすると、Ｐｔ／Ｆｅ＝３５／６５〜５４／４６（ａｔ％）の範囲で磁気作用を奏するｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｆｅ合金が得られる。発明者らの試験によれば、熱処理温度を１３００°Ｃとすることにより、Ｐｔ／Ｆｅ＝４１／５９〜７４／２６（ａｔ％）の範囲で磁気作用を奏するｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｆｅ合金が得られた。Ｐｔ／Ｆｅ＝３８．５／６１．５（ａｔ％）のＰｔ−Ｆｅ合金を１０４６°Ｃで１００時間熱処理し、水で急冷したｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｆｅ合金の磁化曲線図を図５に示す。図５より、このｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｆｅ合金は、−３．８〜３．８ｋＯｅの高い保磁気力を有することがわかる。発明者らの推察によれば、Ｐｔ／Ｆｅ＝４０／６０〜７５／２５（ａｔ％）の組成を有するＰｔ−Ｆｅ合金を採用することが好ましい。また、保磁気力が絶対値で２ｋＯｅ以上のＰｔ−Ｆｅ合金を採用することが好ましい。さらに、粒径が１〜１０ｎｍのＰｔ−Ｆｅ合金を採用することが好ましい。この種のＰｔ−Ｆｅ合金は水溶液反応を基礎とする逆ミセル法、有機金属を用いる合成法等によって得られる。
【００２３】
また、磁性触媒３３としては、Ｐｔ−Ｃｏ合金を採用することもできる。Ｐｔ−Ｃｏ合金の状態図を図６に示す。図６に示されるように、Ｐｔ／Ｃｏ＝４０／６０〜７３／２７（ａｔ％）の範囲で磁気作用を奏するｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｃｏ合金が得られる。発明者らの推察によれば、Ｐｔ／Ｃｏ＝４０／６０〜７５／２５（ａｔ％）の組成を有するＰｔ−Ｃｏ合金を採用することが好ましい。また、保磁気力が絶対値で２ｋＯｅ以上のＰｔ−Ｃｏ合金を採用することが好ましい。さらに、粒径が１〜１０ｎｍのＰｔ−Ｃｏ合金を採用することが好ましい。この種のＰｔ−Ｃｏ合金も水溶液反応を基礎とする逆ミセル法、有機金属を用いる合成法等によって得られる。
【００２４】
磁性触媒３３によって空気極反応層に磁気力の勾配をつける場合、磁気力の異なる磁性触媒３３を用いることができる。磁気力のない触媒は最も空気拡散層側に設けられ得る。磁気力の強い磁性触媒３３としては、上記Ｐｔ−Ｆｅ合金、Ｐｔ−Ｃｏ合金等を採用することができる。磁気力の弱い磁性触媒３３としては、これらＰｔ−Ｆｅ合金、Ｐｔ−Ｃｏ合金等の劣悪品を採用することができる。また、磁性触媒３３によって空気極反応層に磁気力の勾配をつける場合、磁性触媒の密度を変えることも可能である。
【００２５】
仮に、図７に示すように、磁性触媒３３が空気極反応層において単に分散、配置されているに過ぎないとすると、各磁性触媒３３は、上記特許文献１の永久磁石と同様、自己の体積に応じた磁気力しか生じず、磁気力が不足するおそれがある。また、この場合、各磁性触媒３３が空気極反応層から脱落するおそれがある。これでは、磁気力に基づく吸引力及び排斥力が不十分になるおそれがあり、燃料電池システムの出力向上を必ずしも実現し得ないと思われる。
【００２６】
このため、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、磁性触媒３３は、磁性体からなる電極用磁性担体３１の外周面に担持されていることが好ましい。こうであれば、磁性触媒３３及び電極用磁性担体３１の合計の体積による十分な磁気力を生じる。また、磁性触媒３３が電極用磁性担体３１に磁着して脱落し難い。なお、この場合、触媒作用を発揮していない磁性触媒３３であっても、その磁気作用を有効に利用することができる。
【００２７】
電極用磁性担体３１としては、鉄、コバルト、ニッケル、鉄−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、アルニコ等、一元系金属又は二元系以上の多元系合金を採用することができる。電極用磁性担体３１は、上記磁性触媒３３と同様、電極用磁性担体３１が触媒作用及び磁気作用を併せもつものであることもできる。例えば、電極用磁性担体３１として、Ｐｔ−Ｆｅ合金、Ｐｔ−Ｃｏ合金、Ｐｔ−Ｆｅ−Ｃｏ合金等の触媒作用及び磁気作用を併せもつ多元系合金を採用することができる。粒径が２０〜１００ｎｍの電極用磁性担体３１を採用することが好ましい。
【００２８】
電極用磁性担体３１としては、図９（Ａ）に示すように、強磁性体ではあるが、保磁力が小さく、磁石のように保持力がないためにそれ自体で磁気力を有さないものの他、図９（Ｂ）に示すように、既に弱い磁気力を有するもの、図９（Ｃ）に示すように、既に強い磁気力を有するものを採用することができる。また、既に磁気力を有するものをさらに磁気化することもできる。
【００２９】
図９（Ａ）に示すように、強磁性体ではあるが、それ自体で磁気力を有さない電極用磁性担体３１を用いる場合、図８（Ａ）に示すように、各磁性触媒３３のＳ極同士及びＮ極同士は整列せず、互い違いでＳ極とＮ極とが整列することにより、極めて弱い磁気力が生じる。
【００３０】
図９（Ｂ）に示すように、弱い磁気力を有する電極用磁性担体３１を用いる場合、図８（Ｂ）に示すように、電極用磁性担体３１及び各磁性触媒３３のＳ極及びＮ極が整列して弱い磁気力を生じる。
【００３１】
図９（Ｃ）に示すように、強い磁気力を有する電極用磁性担体３１を用いる場合、図８（Ｃ）に示すように、電極用磁性担体３１のＮ極に各磁性触媒３３のＳ極が配向し、電極用磁性担体３１のＳ極に各磁性触媒３３のＮ極が配向し、電極用磁性担体３１及び各磁性触媒３３のＳ極及びＮ極が整列してより強い磁気力を生じる。また、電極用磁性担体３１の磁気化により各磁性触媒３３の磁化を継続することができる。
【００３２】
図８（Ａ）〜（Ｃ）及び図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、磁性触媒３３は導電性磁性体３２によって電極用磁性担体３１の外周面に担持されていることができる。導電性磁性体３２としては、カーボン等を採用することができる。厚みが数ｎｍの導電性磁性体３２を採用することが好ましい。例えば、アーク放電によってカーボンと電極用磁性担体を構成する磁性体の金属とを同時に高温化して飛散させ、それらが凝固する過程で金属がカーボンに内包されたカーボンナノカプセルを析出する。そして、そのカーボンナノカプセルへ磁性触媒を担持する。こうして、磁性触媒３３を導電性磁性体３２によって外周面に担持した電極用磁性担持触媒３０が得られる。
【００３３】
電極用磁性担持触媒３０によって空気極反応層に磁気力の勾配をつける場合、磁気力の異なる電極用磁性担持触媒３０を用いることができる。磁気力のない電極用磁性担持触媒３０は最も空気拡散層側に設けられ得る。また、電極用磁性担持触媒３０によって空気極反応層に磁気力の勾配をつける場合、電極用磁性担持触媒３０の密度を変えることも可能である。
【００３４】
本発明の膜電極接合体は以下のように製造され得る。まず、電極用磁性担体３１、導電性磁性体３２、電極用磁性担持触媒３０等を用意する。電極用磁性担持触媒３０は、電極用磁性担体３１の外周面に導電性磁性体３２を介して磁性触媒３３を担持することによって得られる。
【００３５】
そして、基材に少なくとも電極用磁性担持触媒３０及び電解質溶液を混合したペーストを塗布した後、乾燥させて空気極反応層を製造する。この際、既に磁気力を有する電極用磁性担持触媒３０を用い、電解質層側に強い磁気力を有する電極用磁性担持触媒３０、中間に弱い磁気力を有する電極用磁性担持触媒３０、空気拡散層側に磁気力を有さない電極用磁性担持触媒３０を順次多層に形成する。また、磁気力のない電極用磁性担持触媒３０を用い、電解質層側が強い磁気力を有し、空気拡散層側が弱い磁気力を有するように磁場を与えることもできる。
【００３６】
また、基材に少なくとも触媒及び電解質溶液を混合したペーストを塗布した後、乾燥させて水素極反応層を製造する。一方、基材に少なくとも導電材料を混合したペーストを塗布した後、乾燥させて空気拡散層や水素拡散層を製造する。空気極反応層及び空気拡散層の基材を共通化したり、水素極反応層及び水素拡散層の基材を共通化したりすることもできる。得られた空気極反応層及び水素極反応層により空気極を構成し、この空気極を水素極反応層及び水素拡散層からなる水素極と電解質層とを接合する。こうして本発明の膜電極接合体を得る。
【００３７】
本発明の膜電極接合体を水素供給手段、空気供給手段等とともに組み付けることにより、本発明の燃料電池システムとなる。すなわち、本発明の燃料電池システムは、上記膜電極接合体と、前記水素極に水素を供給する水素供給手段と、前記空気極に空気を供給する空気供給手段とを備えたことを特徴とする。
【００３８】
水素供給手段は水素極に水素を供給するものである。水素ボンベ、セパレータの水素室等を水素供給手段とすることができる。空気供給手段は、空気極に空気を供給するものである。ブロア、セパレータの空気室等を空気供給手段とすることができる。本発明の燃料電池システムは出力がより確実に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。この燃料電池システムでは、図１０に示す複数のセル１が用いられている。各セル１は膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と一対のセパレータ２０とを備えている。
【００４０】
膜電極接合体１０は、イオン交換膜からなる電解質層１１と、この電解質層１１の一面に一体に接合された水素極１２と、電解質層１１の他面に一体に接合された空気極１３とを有している。
【００４１】
水素極１２は、電解質層１１側に設けられる水素極反応層１２ａと、水素極反応層１２ａの非電解質層側に接合され、水素極反応層１２ａに水素を拡散する水素拡散層１２ｂとからなる。
【００４２】
また、空気極１３は、電解質層１１側に設けられる空気極反応層１３ａと、空気極反応層１３ａの非電解質層側に接合され、空気極反応層１３ａに空気を拡散する空気拡散層１３ｂとからなる。
【００４３】
各セパレータ２０は、一面側に水素極１２に水素を供給するための水素室２１が形成され、他面側に空気極１３に空気を供給するための空気室２２が形成されたものである。
【００４４】
各セル１は、水素極１２側に水素室２１が対面し、空気極１３側に空気室２２が対面するように膜電極接合体１０と一対のセパレータ２０とが積層されたものである。そして、膜電極接合体１０とセパレータ２０とを順次積層することによりスタックが構成される。また、水素極１２側と空気極１３側とで共通する上記セパレータ２０を採用している。なお、スタックの両端のセパレータ２０には水素室２１又は空気室２２だけが形成されている。
【００４５】
スタックには、各セル１の水素室２１に図示しないバルブを介して連通する水素ボンベ２と、各セル１の空気室２２に連通するブロア３とが接続されている。水素ボンベ２及びセパレータ２０の水素室２１が水素極反応層１２ａに水素を供給する水素供給手段である。また、ブロア３及びセパレータ２０の空気室２２が空気極反応層１３ａに空気を供給する空気供給手段である。
【００４６】
実施例の燃料電池システムの特徴的な構成として、空気極反応層１３ａには、図１１及び図１２に示すように、無数の電極用磁性担持触媒３０が担持されている。各電極用磁性担持触媒３０は、電極用磁性担体３１と、電極用磁性担体３１の外周面にカーボン３２を介して担持された磁性触媒３３とからなる。
【００４７】
電極用磁性担体３１は、平均粒径が５０ｎｍ、Ｐｔ／Ｆｅ＝５０／５０（ａｔ％）のＰｔ−Ｆｅ合金を熱処理し、水で急冷したｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｆｅ合金である。また、磁性触媒３３は、平均粒径が５ｎｍ、Ｐｔ／Ｆｅ＝５０／５０（ａｔ％）のＰｔ−Ｆｅ合金を熱処理し、水で急冷したｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｆｅ合金である。
【００４８】
各電極用磁性担持触媒３０は各磁性触媒３３及び／又は電極用磁性担体３１が磁化されている。電極用磁性担持触媒３０は、磁気力が電解質層１１側で強く、空気拡散層１３ｂ側で弱くなっている。
【００４９】
この燃料電池システムにおいて、空気極反応層１３ａ近傍における室温での磁気力をシミュレーションする。磁気力はＦ＝Ｘ／２μ0×∇（Ｂ）2によって計算される。μ0は４π×１０-7（Ｈ／ｍ）、Ｘは体積磁化率（酸素は１．９３×１０-6、水は−９．０５×１０-6）である。このため、酸素のＸ／２μ0は０．７７、水のＸ／２μ0は−３．６０である。結果を図１３に示す。なお、この結果は、図中に示すように、電極用磁性担持触媒３０が電解質層１１と空気拡散層１３ｂとの間で列を作っていると仮定し、列と列との中間位置における磁気力を計算したものである。
【００５０】
図１３より、この膜電極接合体１０の空気極反応層１３ａには、自由水を電解質１１との界面から電解質１１内に排除する磁気力と、その界面から生成水を空気拡散層１３ｂ側に排出するとともに、空気拡散層１３ｂから酸素をその界面に吸引する磁気力とが作用していることがわかる。
【００５１】
すなわち、この膜電極接合体１０では、図１２にも示すように、空気極反応層１３ａの電解質層１１側で磁気力が強く、空気拡散層１３ｂでの磁気力が弱いため、自由水が電解質層１１側から空気極反応層１３ａに移動し難くなっている。また、この膜電極接合体１０では、空気極反応層１３ａの電解質層１１側での磁気力が強いため、生成水は速やかに空気極反応層１３ａの電解質層１１側から空気拡散層１３ｂ側に移動する。これらのため、自由水や生成水が邪魔になり難く、酸素が空気極反応層１３ａに供給され易いのである。また、この膜電極接合体１０では、電解質１１側の磁気力が強く、空気拡散層１３ｂ側の磁気力が弱いため、空気は空気拡散層１３ｂに留まらず、空気極反応層１３ａまで移動し易いのである。
【００５２】
したがって、この膜電極接合体１０によれば、濃度過電圧の低減により、燃料電池システムの出力をより確実に向上させることができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】磁性触媒の構成並びに酸素及び水への磁気力を示す概念図である。
【図２】ｆｃｔ構造のＰｔ合金の模式構造図である。
【図３】ｆｃｃ構造のＰｔ合金の模式構造図である。
【図４】Ｐｔ−Ｆｅ合金の状態図である。
【図５】ｆｃｔ構造を主相とするＰｔ−Ｆｅ合金の磁化曲線図である。
【図６】Ｐｔ−Ｃｏ合金の状態図である。
【図７】分散された複数の磁性触媒の構成を示す概念図である。
【図８】電極用磁性担持触媒の構成を示す概念図である。
【図９】電極用磁性担体等の構成を示す概念図である。
【図１０】実施例の燃料電池システムに係り、セルの要部模式断面図である。
【図１１】実施例の膜電極接合体の要部拡大模式図である。
【図１２】実施例の膜電極接合体の要部拡大模式図である。
【図１３】空気極反応層近傍の磁気力を示すグラフである。
【図１４】従来に係り、膜電極接合体の模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１…電解質層
１３…空気極
１２…水素極
１３ａ…空気極反応層
１３ｂ…空気拡散層
１０…膜電極接合体
３３…磁性触媒
３１…電極用磁性担体
３２…カーボン（導電性磁性体）
３０…電極用磁性担持触媒
２、２１…水素供給手段（２…水素ボンベ、２１…水素室）
３、２２…空気供給手段（３…ブロア、２１…空気室）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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