JP2000228205A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

高分子電解質型燃料電池

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JP2000228205A
JP2000228205A JP11030952A JP3095299A JP2000228205A JP 2000228205 A JP2000228205 A JP 2000228205A JP 11030952 A JP11030952 A JP 11030952A JP 3095299 A JP3095299 A JP 3095299A JP 2000228205 A JP2000228205 A JP 2000228205A
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Kazufumi Nishida
和史 西田
Hisaaki Gyoten
久朗 行天
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Eiichi Yasumoto
栄一 安本
Osamu Sakai
修 酒井
Makoto Uchida
誠 内田
Hideo Obara
英夫 小原
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Yukiyoshi Ono
之良 小野
Yasuo Takebe
安男 武部
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
Junji Morita
純司 森田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高分子電解質型燃料電池の拡散層からの水の
排除を促進するためのもので、長期間の運転時や大電流
出力時における拡散層の過剰な水濡れに起因する電池性
能の低下を防止することのできる高分子電解質型燃料電
池を提供する。 【解決手段】 拡散層に撥水処理を施す。撥水処理は、
例えば、シラン化合物を用いることにより形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内電源システム等に使用される
常温作動型の高分子電解質型燃料電池に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、水素を含有
する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスと
を、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時
に発生させるものである。その構造は、まず、水素イオ
ンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系
の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒
層を形成する。次に、この触媒層の外面に、燃料ガスの
通気性と、電子伝導性を併せ持つ拡散層を形成し、この
拡散層と触媒層とを合わせて電極とする。
【0003】次に、供給する燃料ガスが外にリークした
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでシール材やガスケッ
トを配置する。このシール材やガスケットは、電極及び
高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これ
を、MEA(電極電解質膜接合体)と呼ぶ。MEAの外
側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したM
EAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセ
パレータを配置する。セパレータのMEAと接触する部
分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガ
スを運び去るためのガス流路溝を形成する。
【0004】高分子電解質型燃料電池においては、高分
子電解質膜の含水状態を飽和に維持するために、反応ガ
スを加湿して供給している。一方、燃料電池では発電反
応に伴って反応生成水が発生し、加湿して供給された反
応ガスに反応生成水が加わることとなる。その結果、水
蒸気によって反応ガスの濃度が低下し、高出力を可能に
するためには電極ならびに電極触媒層内部の反応サイト
への多量のガス供給、すなわちガス供給能の向上が必要
となる。
【0005】そこで、MEA内の拡散層の部分に撥水性
を与え、生成水を効果的に排出する構成が提案されてい
る。この撥水性を与えるためには、従来、MEAのベー
スとしてカーボン不織布を用い、これにポリテトラフル
オロエチレンなどのフッ素樹脂でカーボン繊維の表面を
コートする方法が用いられた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリテ
トラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂で撥水処理を施
された拡散層は撥水性が十分ではなく、例えば高電流密
度で出力して水が大量に生成されるときや、ガス流量を
小さくしたときなど、電池の運転条件によっては、生成
あるいは結露した水の除去が困難となり、電池性能の低
下を招いていた。さらに、このようなフッ素樹脂は、撥
水層を構成するカーボン材料との接合性が不十分であ
り、長期の運転により、フッ素樹脂が流出し、徐々に撥
水性が低下するという課題があった。本発明は、以上の
問題点を解決し、電池の拡散層からの水の排出を促進
し、長時間の運転時や大電流の電池出力時における拡散
層の過剰な水濡れに起因する電池性能の低下を防止する
ことのできる高分子電解質型燃料電池を提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分
子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟んで配した触媒
層と拡散層とを有する一対の電極と、前記電極の一方に
水素を含有する燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を含む
酸化剤ガスを供給する手段とを具備した単電池を、セパ
レータを介して積層した高分子電解質型燃料電池におい
て、前記拡散層は表面に撥水性を有するシラン化合物シ
ラン化合物を化学的に接合した導電性材料を有すること
を特徴とする。
【0008】このとき、撥水性を有するシラン化合物
は、ハイドロカーボン鎖またはフルオロカーボン鎖の少
なくとも一種を、主鎖もしくは側鎖の少なくとも一方に
有することが有効である。
【0009】
【発明の実施の形態】拡散層に撥水処理を施す目的は、
高分子電解質型燃料電池の駆動時に発生する水分を、効
率よく排出するためである。拡散層に撥水処理を施さな
いと、電極層から出てきた水分により、拡散層が目詰ま
りを起こし、燃料の供給排出が阻害されることがある。
【0010】本発明は上記の課題を解決するため、拡散
層は表面に撥水性を有するシラン化合物を化学的に接合
した導電性材料を有することを特徴とする。ここで用い
るシラン化合物は、CF3−(CF27−(CH22
Si(OCH33などのように、ハイドロカーボン鎖ま
たはフルオロカーボン鎖の少なくとも一種を、主鎖もし
くは側鎖の少なくとも一方に有することが有効である。
特に、この材料を用いると、この材料の単分子膜をカー
ボンなどの導電性材料の表面に形成できる。このように
して作製した撥水層は、撥水性がきわめて良好であり、
かつ拡散層との結合力が極めて高く、長期に渡って高い
信頼性を維持することが出来る。
【0011】
【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。
【0012】(実施例1)本実施例の構成を図1に示し
た。アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約
30Åの白金粒子を25重量%担持したものを電極の触
媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させ
た溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエ
チルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合
し、ペースト状にした。
【0013】つぎに、触媒層と拡散層とを有する電極の
ベースとなるカーボン不織布に、シラン化合物を用いて
撥水処理を施した。撥水処理はまず、厚さ400μmの
カーボン不織布に、300Wで5分間のプラズマ処理を
施した後、カーボン不織布に活性水素を含む水酸基を付
与した。次ぎに、5重量%のCF3(CF27(CH2
2Si(OCH33/メタノール溶液を作り、前記の表
面処理を施したカーボン不織布を含浸し、室温で1時間
乾燥を行った後、100℃で15分間焼成し、カーボン
不織布の表面に、シロキサン結合を介して共有結合し
た、CF3(CF27(CH22Si(OCH33によ
る撥水層を形成した。
【0014】これに対する比較例として、カーボン不織
布に、ポリテトラフルオロエチレンを用いて撥水処理を
施したものを作成した。作成方法は、前述のカーボンペ
ーパーを、ポリテトラフルオロエチレンの水性ディスパ
ージョンに含浸した後、これを乾燥し、400℃で30
分加熱処理することで、カーボンペーパーに撥水性を付
与した。
【0015】以上のようにして撥水処理を施したカーボ
ン不織布電極を2枚用意し、それぞれの片面に、前記ペ
ーストを原料としスクリ−ン印刷法をもちいて、電極触
媒層2を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金
量は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホ
ン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。こ
れら2枚のカーボン不織布電極5を、ともに触媒層2の
面を内側に向け、両者の間に、パーフルオロカーボンス
ルホン酸樹脂からなる厚さが50μmの高分子電解質膜
1を挟んで重ね合わせた後、これを乾燥した。
【0016】ここで、カーボン不織布電極5は長さおよ
び幅をともに10cmとし、一回り大きい長さおよび幅
が12cmの高分子電解質膜1の中央に配置した。この
ようにして得られたカーボン不織布電極5と高分子電解
質膜1の接合体では、高分子電解質膜1とカーボン不織
布電極5が、白金を担持したカーボン粉末と高分子電解
質膜1からなる触媒層2によって結合されていることが
確認された。
【0017】カーボン不織布電極5と高分子電解質膜1
の接合体を、その両面からカーボン製のフェノール樹脂
を含浸しガス透過性を抑えたセパレータ4で挟み込み、
単電池を得た。セパレータ4は、厚さが4mmで、その
表面には切削加工により幅および深さがいずれも1mm
のガス流路溝3を同一方向に多数刻んだ。
【0018】ここで、セパレータ4と高分子電解質膜1
との間を電気的に絶縁し、かつ内部のガスの漏出を抑制
するために、シール材6としてフッ素系樹脂製のシート
を両者の間に挟み込んだ。
【0019】以上の材料を用い、図2に示した電池スタ
ックを構成した。電池の単電池積層方向の両面に冷却板
を兼ねたエンドプレート11を配し、積層方向に10k
gf/cm2で加圧保持した。アノードには水素ガス
を、カソードガスには空気を、それぞれ水素ガスの利用
率が70%、空気の利用率が20%となるように供給し
た。また、それぞれのガス供給部には温度調節装置およ
び加湿装置を設け、供給ガスの温度は、基本的に電池温
度と同じに設定し、湿度は、供給ガスの露点温度が電池
温度より15℃〜35℃低くなるように設定した。
【0020】本実施例の電池の電流−電圧特性を図3に
示した。ただし、特性評価用の電池には、図2に示した
電池を10個積層したものを用いた。図3において、比
較例として作成したカーボン不織布にポリテトラフルオ
ロエチレンを用いて撥水処理を施した拡散層を用いた電
池では、高電流密度で出力すると性能が大きく低下する
のに対し、本実施例のシラン化合物で撥水処理を施した
拡散層による電池は、高電流密度で出力しても高い性能
を維持することを見出した。
【0021】さらに、本実施例の電池の電流密度を0.
4A/cm2としたときの電池電圧の時間変化を評価し
た。その結果を図4に示した。図4において、比較例の
電池は、駆動時間と共に電池出力が低下するが、本実施
例の物は、長期に渡り、優れた特性を維持することを確
認した。この原因は、シラン化合物により撥水処理をし
た拡散層は撥水性がきわめて良好であり、かつ拡散層と
の結合力が極めて高いため、長期に渡って高い信頼性を
維持することが出来るたものと考える。
【0022】(実施例2)本実施例では、図1における
カーボン不織布電極5に、5重量%のCF3(CF27
(CH22Si(OCH33/メタノール溶液による撥
水処理を行った他は、実施例1と同一の電池を作製し
た。
【0023】撥水処理は以下の通りであり、図2におい
て、カーボン不織布電極5を300W5分程度プラズマ
処理して、カーボン不織布電極5に活性水素を含む水酸
基を付与した。次ぎに、5重量%のCF3(CF2
7(CH22Si(OCH33/メタノール溶液を作
り、カーボン不織布電極5を含浸して、室温で1時間乾
燥を行った後、100℃で15分間焼成し、カーボン不
織布電極5にシロキサン結合を介して共有結合したCF
3(CF27(CH22Si(OCH33による撥水層
を形成した。
【0024】本実施例の電池の電流−電圧特性を図3に
示した。ただし、特性評価用の電池には、図3に示した
ようにして単電池を10個積層したものを用いた。図3
より、本実施例の電池は、高電流密度で出力しても高い
性能が維持されることが判った。
【0025】
【発明の効果】本発明によると、長期間にわたり、拡散
層の生成水による目詰まりが無く、電極への均一でかつ
高いガス供給能を実現し、高出力な高分子電解質型燃料
電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例で用いた電極の断面を示
す図
【図2】本発明の第1の実施例で作成した電池の構成を
示す図
【図3】本発明の第1と第2の実施例である電池の電流
と電圧の関係を示す図
【図4】本発明の第1の実施例である電池特性の時間変
化を示す図
【符号の説明】
1 高分子電解質膜 2 触媒層 3 ガス流路溝 4 セパレータ 5 カーボン不織布電極 6 シール材 9 集電板 10 絶縁板 11 エンドプレート 12 水素入口 13 水素出口 14 空気入口 15 空気出口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽藤 一仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 酒井 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 内田 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小原 英夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 菅原 靖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小野 之良 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 武部 安男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 神原 輝壽 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 森田 純司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB03 BB05 BB06 CC06 DD06 DD08 EE03 EE05 EE11 EE16 EE17 EE18 5H026 AA06 CC03 CX04 EE11 EE17 EE18 EE19

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜
    を挟んで配した触媒層と拡散層とを有する一対の電極
    と、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し
    かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを具
    備した単電池を、セパレータを介して積層した高分子電
    解質型燃料電池において、前記拡散層は表面に撥水性を
    有するシラン化合物を化学的に接合した導電性材料を有
    することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】 撥水性を有するシラン化合物は、ハイド
    ロカーボン鎖またはフルオロカーボン鎖の少なくとも一
    種を、主鎖もしくは側鎖の少なくとも一方に有すること
    を特徴とする請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。
JP11030952A 1998-08-20 1999-02-09 高分子電解質型燃料電池 Withdrawn JP2000228205A (ja)

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