JP2009283350A - 発電体および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池において、発電性能の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】発電体であって、プロトン伝導性を有する第１の固体高分子材料から成る、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される、アノード触媒層と、固体高分子電解質膜の他方の面側に配置され、触媒と、第１の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第２の固体高分子材料と、を含む、カソード触媒層と、触媒を含まず、第２の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第３の固体高分子材料と、を含み、固体高分子電解質膜と、カソード触媒層との間に配置される、中間層と、を備え、中間層に含まれる、第２の炭素材料に対する第３の固体高分子材料の重量比率が、カソード触媒層に含まれる、第１の炭素材料に対する第２の固体高分子材料の重量比率よりも高い、発電体。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池に関する。

固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを設け、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを供給して、電気化学反応により起電力を得る燃料電池がある。このような燃料電池において、一般に、固体高分子電解質膜と、アノードと、カソードと、を接合した膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともいう。）が用いられる。

アノード、およびカソードは、電気化学反応が行なわれる触媒層と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを、拡散させて触媒層に供給するガス拡散層と、を備える。触媒層は、主に、触媒と、触媒を担持する担体と、プロトン伝導性固体高分子材料（以下、「アイオノマー」ともいう。）から成る。触媒としては、白金や、白金合金等が用いられ、担体としては、カーボンブラック等のカーボン微粒子が用いられることが多い。

燃料電池の運転中は、カソード触媒層に、例えば、１Ｖ程度の電位が生じるため、触媒（例えば、白金）がイオンになる。電解質膜は触媒を含まないため、触媒の濃度勾配により、触媒のイオンが、カソード触媒層に含まれるアイオノマー中を移動して、電解質膜に到達する。このように、カソード触媒層から電解質膜に、触媒が溶出すると、カソード触媒層に含まれる触媒の量が減少するため、カソード触媒層における電気化学反応が抑制され、発電性能が低下するおそれがある。このような問題に対して、触媒層から電解質膜への触媒の溶出を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１ないし３参照。）

特開２００６−２３６６３１号公報 特開２００７−２４２４２３号公報 特開２００７−００５２９２号公報

例えば、特許文献１に記載の燃料電池では、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との間に、緩衝層を備える構成を成す。緩衝層は、主に、触媒と、触媒を担持する担体と、アイオノマーとから成り、緩衝層を備えることにより、カソード触媒層から固体高分子電解質膜への、触媒の溶出を抑制している。

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池において、緩衝層は、触媒を含むため、緩衝層において、電気化学反応が生じる。また、緩衝層は、カソード触媒層に比べて、アイオノマーを多く含むため含水し易い傾向にあるため、固体高分子電解質膜から移動してくる水や、電気化学反応によって生成される水により、フラッディングが生じやすく、発電性能が低下するおそれがあった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、固体高分子型燃料電池において、発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 発電体であって、
プロトン伝導性を有する第１の固体高分子材料から成る、固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される、アノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面側に配置され、触媒と、第１の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第２の固体高分子材料と、を含む、カソード触媒層と、
触媒を含まず、第２の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第３の固体高分子材料と、を含み、前記固体高分子電解質膜と前記カソード触媒層との間に配置される、中間層と、
を備え、
前記中間層に含まれる、前記第２の炭素材料に対する前記第３の固体高分子材料の重量比率が、前記カソード触媒層に含まれる、前記第１の炭素材料に対する前記第２の固体高分子材料の重量比率よりも高い、発電体。

この構成によれば、中間層が第２の炭素材料を備えるため、カソード触媒層から触媒が溶出するのを抑制することができる。また、中間層は、触媒を含まないため、中間層において、電気化学反応は起こりにくく、中間層におけるフラッディングを抑制することができる。さらに、中間層に含まれる、第２の炭素材料に対する第３の固体高分子材料の重量比率が、カソード触媒層に含まれる、第１の炭素材料に対する第２の固体高分子材料の重量比率よりも高いため、中間層によってプロトンの移動が妨げられ難い。したがって、発電性能の低下を抑制することができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の発電体において、
前記中間層は、２μｍ以上の厚みを有する、発電体。

このようにすると、燃料電池の運転による発電性能の低下を、より抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、発電体を備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ１−１．シール部材一体型ＭＥＡの構成：
Ａ１−１−１．電解質膜：
Ａ１−１−２．カソード触媒層およびアノード触媒層：
Ａ１−１−３．中間層：
Ａ１−１−４．アノード側拡散層およびカソード側拡散層：
Ａ１−１−５．シール部材：
Ａ１―２．アノード側多孔体およびカソード側多孔体の構成：
Ａ２．実施例の効果：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す断面図である。図１では、後述する図２におけるＡ−Ａ切断面を示している。燃料電池１００は、水素と空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。

燃料電池１００は、図１に示すように、シール部材一体型ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）２００のアノード側に、アノード側多孔体４１０と、アノード側セパレータ３１０が、その順に積層され、カソード側に、カソード側多孔体４３０とカソード側セパレータ３３０が、その順に積層された構成を成している。図１では、複数のシール部材一体型ＭＥＡ２００、アノード側多孔体４１０、アノード側セパレータ３１０、カソード側多孔体４３０、およびカソード側セパレータ３３０が積層された部分の一部を抜き出して示しており、他は図示を省略している。以下、アノード側セパレータ３１０とカソード側セパレータ３３０とを、まとめて、セパレータ３１０、３３０ともいう。

なお、冷却水を流すための冷却水流路が形成された冷却水セパレータが、所定の間隔で、アノード側セパレータ３１０とカソード側セパレータ３３０との間に配設されている(図示しない)。冷却水セパレータ内部を冷却水が流通することにより、燃料電池１００の電極反応に伴って生成される熱を取り除き、燃料電池１００の内部温度を所定の範囲内に保っている。

アノード側セパレータ３１０には、アノード側多孔体４１０と対向する面に複数の凹凸状のリブ３１２が形成されている。同様に、カソード側セパレータ３３０には、カソード側多孔体４３０と対向する面に複数の凹凸状のリブ３３２が形成されている。セパレータ３１０、３２０が、ＭＥＡ２１０を両側から挟み込むことによって、アノードガスとしての水素、カソードガスとしての空気が流れる流路が、それぞれ、形成される。

燃料電池１００に供給された空気は、カソードガス供給マニホールド（図示しない）を通り、カソード側セパレータ３３０のリブ３３２によって形成される流路を通って、カソード側多孔体４３０に流入し、カソード側多孔体４３０内を流通しつつ、ＭＥＡ２１０に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった空気を含むカソード排ガスは、カソード排ガス排出マニホールド（図示しない）に排出され、カソード排ガス排出マニホールド（図示しない）を通って燃料電池１００外へ排出される。

同様に、燃料電池１００に供給された水素は、燃料電池１００内を流通して電極反応に利用され、電極反応に利用されなかった水素を含むアノード排ガスは、燃料電池１００外へ排出される。

なお、本実施例において、アノード側セパレータ３１０、３３０はステンレス鋼製の平板を用いるものとするが、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよいし、カーボン製の平板を用いるものとしてもよい。

また、本実施例において、ＭＥＡ２１０とセパレータ３１０、３３０との間に、アノード側多孔体４１０、カソード側多孔体４３０が、それぞれ、配置される構成を例示しているが、アノード側多孔体４１０、カソード側多孔体４３０を備えない構成、すなわち、ＭＥＡ２１０とセパレータ３１０、３３０とが当接する構成にしてもよい。

Ａ１−１．シール部材一体型ＭＥＡの構成：
図２は、シール部材一体型ＭＥＡ２００の平面構成を示す平面図である。図２に示すように、シール部材一体型ＭＥＡ２００は、外形が略正方形状のＭＥＡ２１０の外周に、枠状のシール部材２２０が、ＭＥＡ２１０と一体的に形成されて成る。

図３は、図１におけるＸ１部を拡大して示す拡大断面図である。図３に示すように、ＭＥＡ２１０は、電解質膜２１２の一方の面にアノード触媒層２１４、アノード側拡散層２１５の順に積層され、他方の面に、中間層２１８、カソード触媒層２１６、カソード側拡散層２１７の順に積層されて成る。本実施例におけるＭＥＡ２１０が、請求項における発電体に、電解質膜２１２が請求項における固体高分子電解質膜に、アノード触媒層２１４が請求項におけるアノード触媒層に、カソード触媒層２１６が請求項におけるカソード触媒層に、中間層２１８が請求項における中間層に、それぞれ、相当する。

Ａ１−１−１．電解質膜：
本実施例において、電解質膜２１２としては、プロトン伝導性の固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ(登録商標))を、用いている。なお、高分子電解質膜としては、Ｎａｆｉｏｎ(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）、フレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いてもよい。また、例えば、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いてもよい。また、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む、機械的特性を強化した複合高分子膜を用いてもよい。

Ａ１−１−２．カソード触媒層およびアノード触媒層：
図４は、本実施例の燃料電池１００におけるカソード触媒層および中間層の構成を説明するための説明図である。図４では、電解質膜２１２、中間層２１８、カソード触媒層２１６の断面構成を拡大して、概念的に示している。

図４（ａ）は、カソード触媒層２１６および中間層２１８の初期状態を示している。図示すように、カソード触媒層２１６は、触媒としての白金Ｐが担持されたカーボンブラックＣを、プロトン伝導性を有する高分子材料である、アイオノマーＩで被覆して成る。本実施例において、カーボンブラックＣとして、Ｋｅｔｊｅｎ（登録商標）を用い、アイオノマーＩとして、電解質膜２１２と同様に、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）を用いている。カソード触媒層２１６において、アイオノマーＩ：カーボンブラックＣ＝０．７５：１（重量比）である。アノード触媒層２１４は、カソード触媒層２１６と同一の構成を成す。

なお、本実施例において、触媒として白金を用いているが、その他、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミニウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等の種々の金属を用いることができる。また、これらの２種類以上を組み合わせた合金も、用いることができる。

また、本実施例において、触媒担体としてのカーボンブラックＣは、Ｋetjen （登録商標）を用いているが、異なるカーボンブラックを用いてもよい。例えば、バルカンＸＣ−７２（商品名）、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック等を用いてもよい。また、カーボンブラックに限定されず、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、メソカーボンマイクロビーズ(ＭＣＭＢ)、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）等、種々の炭素材料を用いることができる。

本実施例における白金Ｐが、請求項における触媒に、カソード触媒層２１６に含まれるカーボンブラックＣが、請求項における第１の炭素材料に、カソード触媒層２１６に含まれるアイオノマーＩが、請求項における第２の固体高分子材料に、それぞれ、相当する。

Ａ１−１−３．中間層：
図４（ａ）に示すように、中間層２１８は、カーボンブラックＣを、プロトン伝導性を有するアイオノマーＩで被覆して成る。本実施例において、カーボンブラックＣとして、カソード触媒層２１６と同様に、Ｋｅｔｊｅｎ（登録商標）を用い、アイオノマーＩとして、カソード触媒層２１６と同様に、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）を用いている。中間層２１８は、電解質膜２１２とカソード触媒層２１６との間に配置され、後述するように、カソード触媒層２１６から電解質膜２１２への白金Ｐの溶出を抑制する機能を果たす。本実施例における中間層２１８に含まれるカーボンブラックＣが、請求項における第２の炭素材料に、中間層２１８に含まれるアイオノマーＩが、請求項における第３の固体高分子材料に、それぞれ、相当する。

なお、中間層２１８において、アイオノマーＩ：カーボンブラックＣ＝２：１（重量比）である。すなわち、中間層２１８におけるカーボンブラックＣに対するアイオノマーＩの重量比率は、カソード触媒層２１６よりも高い。このように、アイオノマーＩの比率を高くすると、中間層２１８中をプロトン（Ｈ⁺）が移動しやすくなるため、中間層２１８を設けることによる発電性能の低下を抑制することができると考えられる。

図５は、本実施例の燃料電池１００おける初期性能（ＩＶ特性）を、比較例１、２と共に示す図である。図５では、各燃料電池を用いて、所定の低加湿条件にて測定された初期性能を示している。

比較例１の燃料電池は、中間層の組成が異なる以外は、本実施例の燃料電池１００と同様の構成を成す。比較例１の燃料電池における中間層は、本実施例における燃料電池１００の中間層２１８と同様に、カーボンブラックＣ（Ｋｅｔｊｅｎ（登録商標））を、アイオノマーＩ（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））で被覆して成り、その重量比率が、アイオノマーＩ：カーボンブラックＣ＝０．７５：１である。

比較例２の燃料電池が、本実施例の燃料電池１００と異なる点は、中間層２１８を備えていない点であり、それ以外の構成は、本実施例の燃料電池１００と同様の構成を成す。すなわち、比較例２の燃料電池は、従来の燃料電池と同じ構成を成す。

図示するように、本実施例の燃料電池１００は、比較例２の燃料電池と、ほぼ同等の初期性能を示すのに対し、比較例１の燃料電池は、比較例２の燃料電池よりも初期性能が悪い。これは、本実施例の燃料電池１００では、比較例１の燃料電池に比べて、中間層におけるアイオノマーＩのカーボンブラックＣに対する重量比率が高い（すなわち、アイオノマーＩの含有率が高い）ため、プロトン（Ｈ⁺）が移動しやすいためと考えられる。

上記したように、本実施例の燃料電池１００におけるカソード触媒層２１６は、アイオノマーＩ：カーボンブラックＣ＝０．７５：１(重量比)である。すなわち、比較例１の燃料電池における中間層は、アイオノマーＩとカーボンブラックＣの重量比率が、カソード触媒層２１６と同じである。一方、本実施例の燃料電池１００の中間層２１８におけるアイオノマーＩのカーボンブラックＣに対する重量比率は、カソード触媒層２１６よりも高い。すなわち、中間層におけるアイオノマーＩのカーボンブラックＣに対する重量比率が、カソード触媒層２１６よりも高い場合には、プロトン（Ｈ⁺）の移動を妨げず、燃料電池の初期性能を維持できると考えられる。

なお、本実施例において、中間層２１８におけるカーボンブラックＣに対するアイオノマーＩの重量比率は、２であるが、この比率は、２に限定されず、カソード触媒層２１６における重量比率よりも高く、白金Ｐ(触媒)の溶出を抑制可能な程度であればよい。

Ａ１−１−４．アノード側拡散層およびカソード側拡散層：
アノード側拡散層２１５およびカソード側拡散層２１７としては、撥水加工が施されたカーボンフェルトを用いている。例えば、カーボンとテフロン（登録商標）を混合させた混合液を、カーボンフェルトに含浸させることにより、撥水加工を施すことができる。なお、アノード側拡散層２１５のアノード触媒層２１４と接触する接触面、カソード側拡散層２１７のカソード触媒層２１６と接触する接触面のみに、撥水加工を施しても良いし、アノード側拡散層２１５、カソード側拡散層２１７の全体に撥水加工を施しても良い。また、本実施例では、排水性を高めるために、アノード側拡散層２１５、カソード側拡散層２１７に撥水加工を施しているが、撥水加工が施されていない構成にしてもよい。

Ａ１−１−５．シール部材：
シール部材２２０は、シリコーンゴムを用いて射出成型により形成されている。シール部材２２０を成形する際には、シリコーンゴムを、アノード触媒層２１４、カソード触媒層２１６、中間層２１８、アノード側拡散層２１５、およびカソード側拡散層２１７それぞれの内部の空隙に含浸させ、いわゆるアンカー効果によりシール部材２２０と、ＭＥＡ２１０とを結合している。

図２に示すように、シール部材２２０には、カソードガス供給用貫通孔１０６ｓ、カソード排ガス排出用貫通孔１０８ｓ、アノードガス供給用貫通孔１０２ｓ、アノード排ガス排出用貫通孔１０４ｓ、冷却水供給用貫通孔１１０ｓ、冷却水排出用貫通孔１１２ｓが、それぞれ１つずつ、形成されている。そして、反応ガスの漏洩を防止するためのシールラインＳＬが形成されている。各貫通孔は、セパレータ３１０、３３０に形成された貫通孔と共に、反応ガスおよび冷却水を給排するためのマニホールドを構成する。

Ａ１―２．アノード側多孔体およびカソード側多孔体の構成：
アノード側多孔体４１０およびカソード側多孔体４３０は、図１に示すように、外形は、シール部材一体型ＭＥＡ２００のシール部材２２０の内枠と略一致する、平面略長方形状を成す、金属多孔体である。本実施例において、アノード側多孔体４１０、カソード側多孔体４３０として、耐食性を有するステンレス鋼製のエキスパンドメタルを用いている。アノード側多孔体４１０およびカソード側多孔体４３０としては、エキスパンドメタルに限定されず、ステンレス鋼の粉末を用いて、スラリー発泡法で作成された金属多孔体、パンチングメタル、炭素製の多孔体等、導電性を有する種々の多孔体を用いることができる。本実施例におけるアノード側多孔体４１０、カソード側多孔体４３０が、請求項における反応ガス流路形成部に相当する。

Ａ２．実施例の効果：
本実施例の燃料電池１００の効果について、図５に示す初期性能の測定に用いた、比較例２の燃料電池と対比して説明する。比較例２の燃料電池は、中間層２１８を備えていない燃料電池である（すなわち、従来の燃料電池と同様の構成）。

図８は、比較例２の燃料電池におけるカソード触媒層の初期状態と運転時の状態を概念的に示す説明図である。図８では、電解質膜２１２、カソード触媒層２１６の断面構成を拡大して、概念的に示している。比較例２の燃料電池におけるカソード触媒層２１６は、本実施例におけるカソード触媒層２１６と同様に、触媒としての白金Ｐが担持されたカーボンブラックＣ（Ｋｅｔｊｅｎ（登録商標））を、アイオノマーＩ（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））で被覆して成る。すなわち、白金Ｐは、カソード触媒層２１６内に在り、カーボンブラックＣに担持されている(図８（ａ）)。そして、電解質膜２１２は、白金Ｐを有しない。

図８（ｂ）は、比較例２の燃料電池の運転時におけるカソード触媒層２１６の状態を示している。燃料電池１００の運転中、カソード触媒層２１６には、例えば、１Ｖ程度の電位がかかる。そうすると、カソード触媒層２１６中のカーボンブラックＣに担持されている白金Ｐの一部が、白金イオン（Ｐｔ²⁺）になる。電解質膜２１２は、白金を含まないため、濃度勾配により、カソード触媒層２１６中の白金イオン（Ｐｔ²⁺）は、カソード触媒層２１６中のアイオノマーＩ内を移動して、電解質膜２１２に溶出する。

電解質膜２１２は、アイオノマーＩ（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））から成り、カーボンブラックＣを含まないため、白金イオンが移動し易い。特に、カソード触媒層２１６において、電解質膜２１２との境界近傍の白金Ｐは溶出し易い。そうすると、図８（ｂ）に示すように、カソード触媒層２１６において、電解質膜２１２との境界近傍は、白金Ｐの含有量が少なくなる。

図９は、比較例２の燃料電池におけるＩＶ特性を示す図である。図９では、耐久試験前後のＩＶ特性を比較して示している。図９に示すＩＶ特性は、比較例２の燃料電池の初期特性と、所定の耐久試験を実施した後の、ＩＶ特性を示している。なお、図８に示すＩＶ特性は、セル温度８０℃、アノード側露点４５℃、カソード側露点５５℃という、低加湿条件にて測定している。図示するように、耐久試験後の燃料電池は、耐久試験前(初期状態)に比べて、発電性能が低下している。

前記条件では、カソード触媒層２１６における電気化学反応は、主に、電解質膜２１２との境界近傍で起きると考えられる。上記したように、比較例２の燃料電池では、燃料電池を運転すると、カソード触媒層２１６において、電解質膜２１２との境界近傍の白金Ｐの含有量が少なくなるため、発電効率が低下すると考えられる。

次に、本実施例の燃料電池１００について説明する。図４（ａ）に示すように、初期状態において、カソード触媒層２１６は、上記したように、触媒としての白金Ｐが担持されたカーボンブラックＣを、アイオノマーＩで被覆して成る。すなわち、白金Ｐは、カソード触媒層２１６内に在り、カーボンブラックＣに担持されている。そして、中間層２１８および電解質膜２１２は、白金Ｐを有しない。

図４（ｂ）は、燃料電池１００の運転時におけるカソード触媒層２１６および中間層２１８の状態を示している。

燃料電池１００の運転中、カソード触媒層２１６には、比較例２の場合と同様に、例えば、１Ｖ程度の電位がかかる。そうすると、カソード触媒層２１６中のカーボンブラックＣに担持されている白金Ｐの一部が、白金イオン（Ｐｔ²⁺）になる。中間層２１８は、白金を含まないため、濃度勾配により、カソード触媒層２１６中の白金イオン（Ｐｔ²⁺）は、カソード触媒層２１６中のアイオノマーＩ内を移動して、中間層２１８に移動しようとする。しかしながら、カーボンブラックＣを含むアイオノマーＩから成る中間層２１８は、電解質膜２１２と比較して、単位面積あたりのスルホン酸基が少なく、すなわち、白金イオン（Ｐｔ²⁺）が移動する為のパス（白金イオン移動パス）が少ないため、中間層２１８には、白金イオン（Ｐｔ²⁺）は、移動しにくいと考えられる。したがって、触媒としての白金Ｐのカソード触媒層２１６から電解質膜２１２への溶出を、抑制することができる。

また、燃料電池１００の運転中、アノード触媒層２１４で、イオン化されたＨ⁺（プロトン）が、電解質膜２１２を通過して、中間層２１８に到達し、中間層２１８に含まれるアイオノマーＩ中を移動して、カソード触媒層２１６に到達する。そして、カソード触媒層２１６では、供給された酸素（Ｏ₂）と、アノード側から移動してきたプロトン（Ｈ⁺）と、セパレータ３１０、３３０を介して供給される電子（ｅ^-）と、により、水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。なお、中間層２１８は、カーボンブラックＣを含むものの、アイオノマーＩの含有率（カーボンブラックＣに対するアイオノマーＩの重量比率）が、カソード触媒層２１６よりも高いため、プロトン（Ｈ⁺）の移動は阻害されにくい。

図６は、本実施例の燃料電池１００における電解質膜２１２に移動した白金Ｐの量を、比較例２の燃料電池と比較して示す図である。図６では、比較例２の燃料電池における電解質膜２１２中の白金Ｐの量を１として、示している。本実施例の燃料電池１００と、比較例２の燃料電池と、を同じ耐久条件の下で運転した後、電解質膜を燃焼して、王水（濃塩酸と濃硝酸とを3:1の体積比で混合したもの）に溶かして、ＩＣＰ−ＭＳ（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer：誘導結合プラズマ質量分析計）で定量分析した結果を示している。

図示するように、本実施例の燃料電池１００の電解質膜２１２に含まれる白金Ｐの量は、比較例２の燃料電池の電解質膜に含まれる白金の量よりも少ない。すなわち、本実施例の燃料電池１００によれば、カソード触媒層２１６から電解質膜２１２への白金Ｐの溶出を抑制することができる。

図７は、耐久試験後の本実施例の燃料電池１００と比較例２の燃料電池におけるＩＶ特性を示す図である。図７に示すＩＶ特性は、所定の耐久試験を実施した後の各燃料電池を用いて、セル温度８０℃、アノード側露点４５℃、カソード側露点５５℃という、低加湿条件にて測定している。図示するように、本実施例の燃料電池１００は、比較例２の燃料電池に対して、発電性能が向上している。

以上説明したように、本実施例の燃料電池１００によれば、中間層２１８を備えることにより、カソード触媒層２１６から電解質膜２１２への白金Ｐの溶出を抑制している。また、中間層２１８におけるカーボンブラックＣに対するアイオノマーＩの重量比率を、カソード触媒層２１６よりも高くすることによって、アノード触媒層２１４からカソード触媒層２１６へのプロトン（Ｈ⁺）の移動が妨げられないようにしている。これによって、燃料電池の運転に伴う発電性能の低下を抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池１００では、中間層２１８は、触媒としての白金Ｐを含まない。そのため、中間層２１８では、電気化学反応が起こらず、水が生成されないため、中間層２１８において、フラッディングは、生じにくい。したがって、例えば、上記した特許文献１に記載の燃料電池と比較して、フラッディングによる発電性能の低下を抑制することができる。

また、本実施例における燃料電池１００では、特に、低加湿条件（例えば、アノード側露点４５℃、カソード側露点５５℃）にて運転する場合に、特に、発電性能の低下の抑制に効果的である。低加湿条件下では、アイオノマーＩ中をプロトン（Ｈ⁺）が移動しにくい。そのため、プロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層２１６のカソード側拡散層２１７側までは、到達し難い。したがって、カソード触媒層２１６において、電解質膜２１２近傍の白金Ｐが溶出すると、著しく発電性能が低下する。そのため、中間層２１８により、白金Ｐの溶出を抑制すると、発電性能の低下の抑制に効果的である。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記実施例において、中間層２１８は、電解質膜２１２とカソード触媒層２１６との間にのみ設けられているが、電解質膜２１２とアノード触媒層２１４との間にも設けてもよい。通常、アノード触媒層２１４は、電位が０Ｖであるため、触媒としての白金Ｐがイオン化されないため、触媒の電解質膜２１２への溶出は起こりにくい。しかしながら、例えば、燃料電池１００の運転停止後に、不要な発電がなされないように、アノードガスとカソードガスとを入れ替えて、燃料電池１００に供給する場合がある。そのような場合には、アノード触媒層２１４側に、電位がかかるため、触媒が溶出するおそれがある。このような場合に、電解質膜２１２とアノード触媒層２１４との間にも中間層２１８を設けることにより、触媒の電解質膜２１２への溶出を抑制することができる。

（２）上記実施例において、電解質膜２１２、カソード触媒層２１６、中間層２１８において、同一のアイオノマーＩ（フッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ(登録商標))）を用いているが、各層ごとに、異なるアイオノマー（プロトン伝導性を有する固体高分子材料）を用いてもよい。

また、上記実施例では、カソード触媒層２１６および中間層２１８において、同一のカーボンブラックＣ（Ｋetjen （登録商標））を用いているが、異なるカーボンブラックを用いてもよい。また、例えば、カーボンブラック、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、メソカーボンマイクロビーズ(ＭＣＭＢ)、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）等の中から異なる炭素材料を用いてもよい。すなわち、カソード触媒層２１６および中間層２１８において、同一の炭素材料を用いてもよいし、異なる炭素材料を用いてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

（３）上記実施例において、厚さ２μｍの中間層２１８を例示したが、中間層２１８の厚さは、２μｍに限定されない。図１０は、中間層の厚さに対する電圧低下率を示す図である。電圧低下率とは、初期状態に対する、耐久試験後の発電電圧である。図示するように、中間層の厚さが２μｍ以上の場合に、電圧低下が抑制される。但し、中間層が、厚すぎると、プロトン伝導性が阻害されるため、発電性能が低下するおそれがある。そのため、６μｍ以下、さらに、４μｍ以下が好ましい。

（４）上記実施例において、セパレータとして、平面に溝状の反応ガス流路が形成されるものを示したが、セパレータの構成は、上記実施例に限定されない。例えば、アノード側多孔体４１０と当接するアノード対向プレートと、カソード側多孔体４３０と当接するカソード対向プレートと、カソード対向プレートおよびアノード対向プレートに狭持された中間プレートと、が積層された３層構造を有し、平面は平滑面で、溝が形成されない構成のものでもよい。

３層構造のセパレータとしては、例えば、各プレートの周縁部には、反応ガスおよび冷却水を給排するマニホールドを形成する、貫通孔が形成される。アノード対向プレートには、アノードガスをアノード側多孔体４１０に供給するための供給口が形成され、同様にカソード対向プレートには、カソードガスをカソード側多孔体４３０に供給するための供給口が形成される。中間プレートには、上記した供給口と、各マニホールドを繋ぐための貫通孔が形成されている。３つのプレートを重ねることによって、マニホールドを流通するアノードガスおよびカソードガスを、アノード側多孔体４１０およびカソード側多孔体４３０にそれぞれ供給する流路が形成される。

このような構成のセパレータは、例えば、アノード対向プレート、カソード対向プレート、中間プレートは、ステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。

本発明の第１の実施例としての燃料電池１００の断面構成を概略的に示す断面図である。 シール部材一体型ＭＥＡ２００の平面構成を示す平面図である。 図１におけるＸ１部を拡大して示す拡大断面図である。 本実施例の燃料電池１００におけるカソード触媒層２１６および中間層２１８の構成を説明するための説明図である。 本実施例の燃料電池１００おける初期性能（ＩＶ特性）を比較例１、２と共に示す図である。 本実施例の燃料電池１００における電解質膜２１２に移動した白金Ｐの量を比較例２の燃料電池と比較して示す図である。 耐久試験後の本実施例の燃料電池１００と比較例２の燃料電池におけるＩＶ特性を示す図である。 比較例２の燃料電池におけるカソード触媒層の初期状態と運転時の状態を概念的に示す説明図である。 比較例２の燃料電池におけるＩＶ特性を示す図である。 中間層の厚さに対する電圧低下率を示す図である。

符号の説明

１００…燃料電池
１０２ｓ…アノードガス供給用貫通孔
１０４ｓ…アノード排ガス排出用貫通孔
１０６ｓ…カソードガス供給用貫通孔
１０８ｓ…カソード排ガス排出用貫通孔
１１０ｓ…冷却水供給用貫通孔
１１２ｓ…冷却水排出用貫通孔
２００…シール部材一体型ＭＥＡ
２１０…ＭＥＡ
２１２…電解質膜
２１４…アノード触媒層
２１５…アノード側拡散層
２１６…カソード触媒層
２１７…カソード側拡散層
２１８…中間層
２２０…シール部材
３１０…アノード側セパレータ
３１２、３３２…リブ
３３０…カソード側セパレータ
４１０…アノード側多孔体
４３０…カソード側多孔体
Ｐ…白金
Ｃ…カーボンブラック
Ｉ…アイオノマー
ＳＬ…シールライン

Claims (3)

1. 発電体であって、
   プロトン伝導性を有する第１の固体高分子材料から成る、固体高分子電解質膜と、
   前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される、アノード触媒層と、
   前記固体高分子電解質膜の他方の面側に配置され、触媒と、第１の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第２の固体高分子材料と、を含む、カソード触媒層と、
   触媒を含まず、第２の炭素材料と、プロトン伝導性を有する第３の固体高分子材料と、を含み、前記固体高分子電解質膜と前記カソード触媒層との間に配置される、中間層と、
   を備え、
   前記中間層に含まれる、前記第２の炭素材料に対する前記第３の固体高分子材料の重量比率が、前記カソード触媒層に含まれる、前記第１の炭素材料に対する前記第２の固体高分子材料の重量比率よりも高い、発電体。
2. 請求項１に記載の発電体において、
   前記中間層は、２μｍ以上の厚みを有する、発電体。
3. 燃料電池であって、
   請求項１または２に記載の発電体と、
   前記発電体における電気化学反応に利用される反応ガスを、前記発電体に供給する、反応ガス流路形成部と、
   を備える燃料電池。

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