JP2002100372A

JP2002100372A - 燃料電池用ガス拡散電極およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002100372A
Application number: JP2000289224A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Mizutani; 水谷　　俊介
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】出力の高い燃料電池および燃料電池スタックに
使用する燃料電池用ガス拡散電極を提供する。【解決手段】触媒層とガス拡散層とからなる燃料電池用
ガス拡散電極において、ガス拡散層に流体流通溝を設け
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、燃料電池用ガス拡
散電極およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、たとえば固体のイオン交換
膜等を電解質として、たとえばアノードに燃料として水
素、カソードに酸化剤として酸素を供給して電気化学的
に反応させることによって電力を得る装置である。

【０００３】この場合の各電極における電気化学反応を
下記に示す。

【０００４】アノード：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→ Ｈ₂Ｏ全反応：Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ上式に示したようにアノードおよびカソードにおける反
応には、酸素および水素ガスの供給、プロトン（Ｈ⁺）
および電子（ｅ^-）の授受が必要であり、反応はこれら
が同時に満たされる電極内の三相界面すなわち反応ガ
ス、触媒、固体電解質の界面のみにおいて進行する。よ
って燃料電池には、触媒層表面から三相界面までのガス
供給経路、アノードの三相界面から固体電解質膜を通し
てカソードの三相界面までのプロトン伝導経路、三相界
面から集電体までの電子伝導経路が形成されている必要
がある。

【０００５】ここで、従来の固体高分子電解質型燃料電
池のセルの断面の模式図を図６に示す。図６において、
６０は集電体、６１はセパレータ、６３は触媒層、６４
は固体高分子電解質膜、６５は集電体６０に形成された
流体流通溝、６６はガス拡散層である。

【０００６】このように、従来型の燃料電池用セルは、
固体高分子電解質膜６４の両面に、触媒層６３とガス拡
散層６６としての導電性多孔質基材とからなるガス拡散
電極をアノードおよびカソードとして接合した膜―電極
接合体が用いられている。

【０００７】触媒層６３は、触媒粒子と固体高分子電解
質とが混ざり合ってこれらが三次元に分布すると共に、
内部に複数の細孔が形成された電極反応がおこなわれる
場所である。

【０００８】またガス拡散層６６には、導電性多孔質体
としてグラファイト繊維を焼結したカーボンペーパーな
どが用いられる。さらに、ガス拡散層６６の表面には、
酸化剤および燃料の供給および生成した水の除去をスム
ーズにおこなうために流体流通溝６５が形成された集電
体６０、およびセパレータ６１が備えられている。ただ
し、流体流通溝６５が、集電体６０およびセパレータ６
１と一体となっている場合もある。

【０００９】なお、それぞれの触媒層６３、ガス拡散層
６６および流体流通溝６５が形成された集電体６０とし
てのリブ付きカーボンは、必要に応じてポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水剤を付与してある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】固体高分子電解質型燃
料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡
散層とからなるガス拡散電極を接合した膜―電極接合体
が用いられ、その膜―電極接合体の両面に、ガスの供給
及び排出経路となる流体流通溝を備えた集電体兼セパレ
ータが備えられた構造をしている。

【００１１】一般には前述のように、流体流通溝を備え
た集電体兼セパレータとして、導電性のあるカーボン材
料を機械切削することによって形成された多数の溝を流
体流通溝としたリブ付きカーボン板が用いられており、
生成した水の排出をスムーズにおこなうために、必要に
応じては表面にＰＴＦＥを付与して撥水性を与えてい
る。

【００１２】ところで、燃料電池を電気自動車用電源や
コジェネレーションシステムに用いる場合等には、燃料
電池を多数組み合わせた燃料電池スタックが用いられる
が、燃料電池実用化に際してはその燃料電池スタックの
コンパクト化、軽量化、出力密度の向上およびコストの
低減が必要であり、集電体やセパレータおよび流体流通
溝を形成する材料やその加工方法も検討されている。ま
た、ガス拡散層への均一な燃料および酸化ガスの供給
や、燃料電池内で生成した水の排出をスムーズにおこな
うためには、流体流通溝の形状も重要である。

【００１３】ところが、リブ付きカーボン板は、材料で
あるカーボン材料が高価なだけでなく、比較的もろいカ
ーボン材料を薄く加工することや、機械的な切削によっ
て精密な溝の加工を施すことは難しいために、自由な形
状の流体流通溝を形成することができない。また、リブ
付きカーボン板を用いて流体流通溝を構成した燃料電池
では、セルの構造を薄くすることができないことや、精
密な流体流通溝の形状を設計しにくいことが欠点となっ
ている。

【００１４】そしてさらに、構造上リブ間隔が比較的広
いために、ガス拡散層との間の電流がそのリブ部近傍に
集中し、触媒の利用率低下や内部抵抗による燃料電池出
力の低下がおこる。さらに、従来の流体流通溝を備えた
集電体本体にはガス拡散性がなく、リブに押さえつけら
れた部分へのガスが供給されにくく、それを補うために
ある程度の厚みをしたガス拡散層が必要であった。

【００１５】以上を鑑み、本発明の固体高分子電解質型
燃料電池用ガス拡散電極は、より薄く、出力の高い燃料
電池および燃料電池スタックを製造することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の燃料電池用ガ
ス拡散電極は、触媒層とガス拡散層とからなり、前記ガ
ス拡散層に流体流通溝を設けたことを特徴とする。

【００１７】請求項２の燃料電池用ガス拡散電極は、前
記ガス拡散層が導電性フィラーを含むことを特徴とす
る。

【００１８】請求項３の燃料電池用ガス拡散電極は、前
記ガス拡散層が有孔性樹脂を含むことを特徴とする。

【００１９】請求項４は、上記燃料電池用ガス拡散電極
の製造方法に関するもので、樹脂を溶媒に溶解した溶液
中に導電性フィラーを分散させた懸濁液から、樹脂を相
分離させる工程を経ることを特徴とする。

【００２０】請求項５の固体高分子電解質型燃料電池
は、請求項１〜３に記載の燃料電池用ガス拡散電極また
は請求項４に記載の方法で製造した燃料電池用ガス拡散
電極を用いることを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池の構
造例を、図面を用いてさらに具体的に説明する。図１、
図３、図４および図５は本発明に係る燃料電池の構造を
示す模式図である。また、図２は本発明に係る燃料電池
を複数組み合わせた燃料電池スタックの模式図である。

【００２２】図１、図２、図３、図４および図５におい
て、１１、２１、３１、４１、５１は導電性のあるセパ
レータ、１２、２２、３２、４２、５７は流体流通溝を
備えたガス拡散層、１３、２３、３３、４３、５３は触
媒層、１４、２４、３４、４４、５４は固体高分子電解
質膜、１５、２５、３５、４５、５５は流体流通溝であ
る。

【００２３】図１に示したように、本発明における燃料
電池は、触媒層１３とセパレータ１１との間のガス拡散
層１２に、流体流通溝１５を設けられている。また、図
２に示したように、本発明における燃料電池を用いた燃
料電池スタックは、流体流通溝２５を設けたガス拡散層
２２と、セパレータ２１と、触媒層２３および固体高分
子電解質膜２４とを備えた燃料電池を複数積層した構造
をしている。

【００２４】ここで、本発明における流体流通溝は、触
媒層全体にわたって燃料ガスおよび酸化ガスを均一に供
給するため、そして反応によって生成した水をスムーズ
に排出するための役割を果たす。

【００２５】従来のガス拡散層において、セパレータと
触媒層間の電子伝導性を保つためには、ガス拡散層に金
属製の網等の導電性多孔質体を入れる必要があった。本
発明においては、ガス拡散層は、導電性フィラーを含ま
せることにより、導電性多孔質体は不要となる。しか
も、導電性フィラーを含ませることにより、ガス拡散層
の機械的強度が高まり、ガス拡散層を自由な形状で薄く
形成することができ、また、流体流通溝を、最適な形状
で自由に設計および製作できるため、出力の高い燃料電
池スタックをコンパクトに製造することができる。

【００２６】また、本発明のガス拡散層に有孔性樹脂を
含ませることにより、触媒層全体へ燃料ガスおよび酸化
ガスを均一に、スムーズに供給および排出することがで
き、より高出力な燃料電池を製作することが可能であ
る。さらに、従来ガス拡散性を得ることができなかった
リブ内部にもガス拡散性を与えることができ、ガス拡散
層の厚みを薄くした場合であっても、触媒層全体に渡っ
て燃料および酸化ガスを供給することができる。

【００２７】さらに、本発明における燃料電池に備えら
れた、流体流通溝を備えたガス拡散層を形成している有
孔性樹脂はフッ素を含んでいるために撥水性が高く、生
成した水をよりスムーズに排出でき、高電流密度領域に
おいても高い出力を得ることができる。

【００２８】ここで、本発明による導電性フィラーを含
む樹脂で形成されたガス拡散層に備えられた流体流通溝
の形状は、例えば図１に示したような、平行な直線状の
流通路を多数備えたものであってもよいし、数本の溝を
折り返し配した形状をしていてもよい。

【００２９】さらに、図３および図４に示したように、
本発明による導電性フィラーを含む樹脂で形成されたガ
ス拡散層３２、４２に備えられた流体流通溝３５、４５
は、図３のようにガス拡散層に深く形成されていてもよ
いが、従来型燃料電池におけるリブに相当する部分が有
孔性樹脂で形成されているために、図４のように比較的
浅い溝であってもガス拡散性が阻害されることはない。

【００３０】さらに、そのような浅い溝を形成したガス
拡散層を用いた場合には、流通溝を流れるガス流速が増
大するために、水の排出をしやすくなり、水の滞留しや
すい高電流密度領域における燃料電池の運転に関して
も、高出力を得ることができるようになる。

【００３１】また、ガス拡散層内の電子伝導性を増大さ
せるために、本発明における燃料電池用ガス拡散電極
は、図５に示すように導電性フィラーを含む流体流通溝
を備えたガス拡散層５７に、導電性多孔質体を含んでも
よい。

【００３２】ここで、本発明に使用する導電性フィラー
の材質としては、金属や炭素等の導電性のある材質を使
用することができるが、軽量で扱いやすく、耐腐食性の
ある炭素材料を使用することが好ましい。ただし、金属
を使用する場合は電解質等による腐食がおこりにくい、
たとえばチタンやステンレス等を使用するか、もしくは
表面をカーボンや耐酸性のある金属被膜でコートした金
属材料を使用することが好ましい。

【００３３】また、本発明に使用する導電性フィラーの
形状は、繊維状、粒状、鱗片状物など、あらゆる形状の
ものが使用できる。なお、本発明に使用する導電性フィ
ラーとして炭素を使用する場合、炭素材料としてはたと
えば、アセチレンブラックやファーネスブラックなどの
カーボンブラックやグラファイトおよび活性炭等の、繊
維状、粒状、鱗片状物など、あらゆる形状のものを使用
することができるが、とくに、カーボンブラックおよび
グラファイトおよびカーボンチョップは電子伝導性が高
いことから好ましい。

【００３４】また、樹脂に対する炭素材料の混入量は、
樹脂および炭素の総量に対する炭素の量として、１５ｗ
ｔ％以上であることが好ましく、さらに高い電子伝導性
を得るためには３０ｗｔ％以上であることが好ましい。

【００３５】また、本発明における導電性フィラーを含
む、流体流通溝を備えたガス拡散層に、導電性多孔質体
を含む場合には、導電性多孔質体としてはたとえば発泡
ニッケル、チタン繊維焼結体を用いてもよいが、導電性
および耐酸性などの点から炭素材料を使用することが好
ましく、とくに炭素繊維などからなるカーボンペーパ
ー、カーボンクロスまたはカーボンフェルトが好まし
い。

【００３６】本発明のガス拡散層に含ませる有孔性樹脂
は、イオン交換性を有する必要が無く、たとえばポリ塩
化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシ
ド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリア
クリロニトリル、フッ化ビニリデン重合体、ポリ塩化ビ
ニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアク
リレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニト
リル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、
ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、
ポリイソプレン、もしくはこれらの誘導体を、単独で、
あるいは混合してもよい。

【００３７】また、上記樹脂を構成する各種モノマーを
共重合させた樹脂を用いてもよいが、好ましくは撥水性
の高いフッ素を含む樹脂、たとえば三フッ化塩化エチレ
ン共重合体（ＰＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン重合体
（ＰＶｄＦ）、フッ化ビニル重合体（ＰＶＦ）などの含
フッ素ホモポリマーまたは、エチレン・四フッ化エチレ
ン共重合体（ＥＴＦＥ）、四フッ化エチレン・六フッ化
プロピレン（ＥＰＥ）、フッ化ビニリデン・六フッ化プ
ロピレン重合体（Ｐ（ＶｄＦ-ＨＦＰ））などの含フッ
素コポリマーが好ましいし、これらの混合物でもよい。

【００３８】特に、フッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄ
Ｆ）や、その共重合体であるフッ化ビニリデン・六フッ
化プロピレン共重合体（Ｐ（ＶｄＦ-ＨＦＰ））また
は、フッ化ビニリデン・四フッ化エチレン共重合体（Ｐ
（ＶｄＦ-ＴＦＰ））などのポリフッ化ビニリデン（Ｐ
ＶｄＦ）系樹脂が安価で加工しやすく、高い撥水性が得
られることより好ましい。中でも、フッ化ビニリデン重
合体（ＰＶｄＦ）、特にフッ化ビニリデン・六フッ化プ
ロピレン共重合体（Ｐ（ＶｄＦ-ＨＦＰ））が強い撥水
性をもつことから好ましい。

【００３９】また、本発明におけるガス拡散層部に含ま
れる有孔性樹脂の孔は、連続気泡であることが好まし
い。また孔径としては、平均孔径５μｍ以下さらに好ま
しくは１μｍ以下であることが、有孔性樹脂の多孔度
は、９０％以下であることが、緻密で電子伝導性が得ら
れることから好ましい。

【００４０】本発明による燃料電池用カス拡散電極の触
媒層に用いられる触媒金属としてはたとえば、白金、ロ
ジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、オスミ
ウム、等の白金族金属およびその合金等などの粒子を用
いることができる。

【００４１】特に、触媒粒子としては、炭素粒子表面に
これらの触媒金属を担持した触媒担持カーボン等が好ま
しいが、触媒未担持層もしくは触媒未担持層を含むガス
拡散層を形成した後に触媒未担持層に触媒金属を担持さ
せても良い。ここで、触媒金属を担持するための炭素粒
子としては、アセチレンブラックやファーネスブラック
などのカーボンブラックや、グラファイトおよび活性炭
等が好ましく、特にカーボンブラックは触媒金属が高分
散することから好ましい。

【００４２】また、本発明による燃料電池に用いられる
固体高分子電解質としては、たとえば陽イオン交換樹脂
を使用するが、その中でもパーフルオロカーボンスルフ
ォン酸またはスチレン−ジビニルベンゼン系のスルフォ
ン酸型陽イオン交換樹脂を使用することが好ましい。

【００４３】本発明における、ガス拡散層に含ませる有
孔性樹脂の製造方法は、たとえば導電性フィラーと樹脂
との混合物を熱成形する方法や、樹脂を溶媒に溶解した
溶液中に導電性フィラーが分散した懸濁液を乾燥して成
形する方法、もしくはあらかじめ導電性フィラーによっ
て成形されたガス拡散層に樹脂を配する方法によっても
製造することができるが、有孔性樹脂を形成するために
は、樹脂を溶媒に溶解した溶液中に導電性フィラーが分
散した懸濁液から、樹脂を相分離させる方法を用いるこ
とが望ましい。

【００４４】なお、「相分離」とは、一般的には「完全
に混じり合っている２成分溶液あるいは固溶体におい
て、温度の変化などにつれて溶解度が低下し、２相の液
相あるいは固相に分離する現象をいう（化学辞典、東京
化学同人（株）、１９９４年発行）。」と定義されてい
るが、ここで「相分離」とは、樹脂を溶媒に溶解した溶
液から樹脂を分離する方法を意味する。

【００４５】相分離の具体的な方法としては、溶媒抽出
法と濃度変化を利用する方法があり、濃度変化を利用し
た方法としては、温度による溶解度変化を利用する方法
や溶媒蒸発による方法がある。本発明においては、導電
性フィラーを含んだ有孔性樹脂を得るために、これらの
相分離法を使用することができる。

【００４６】これらの相分離法の中では、緻密で連続し
た孔が形成されることから、溶媒抽出法を用いることが
好ましい。溶媒抽出法による相分離とは、樹脂を第１の
溶媒に溶解させた溶液から、樹脂に対して不溶性でかつ
第１の溶媒と相溶性のある第２の溶媒を用いて、第１の
溶媒を第２の溶媒で置換することによって樹脂が分離す
る現象をさす。そして樹脂が相分離を起こした後に第２
の溶媒を除去することによって有孔性樹脂が得られるも
のである。

【００４７】また、温度による溶解度変化を利用する相
分離法とは、低温において樹脂が溶解しにくく、温度を
上昇させた場合に溶解しやすいような溶媒と樹脂との組
み合わせにおいて、温度を上昇させて樹脂を溶媒に完全
に溶解した溶液を作製し、その後溶液の温度を下げてい
くと溶媒の樹脂に対する溶解度が低下し、溶液中で樹脂
が分離する現象をさす。このような相分離をおこした樹
脂と溶媒との溶液から溶媒を除去することによって有孔
性樹脂が得られるものである。

【００４８】さらに、溶媒蒸発を利用する相分離法と
は、樹脂を溶媒に完全に溶解した溶液を作製し、その後
溶液から溶媒を蒸発させて、溶液中で樹脂が分離する現
象をさす。このような相分離をおこした樹脂と溶媒との
溶液から、さらに溶媒を除去することによっても有孔性
樹脂が得られる場合もあるが、この方法では必ず有孔性
樹脂が得られるとは限らない。

【００４９】そして、相分離による有孔性樹脂製造の際
に使用する樹脂としては、微細で均一な孔が得られるこ
とにより、ＰＶｄＦホモポリマー、フッ化ビニリデン・
六フッ化プロピレン重合体（Ｐ（ＶｄＦ−ＨＥＰ））ま
たは、フッ化ビニリデン・四フッ化エチレン共重合体
（Ｐ（ＶｄＦ−ＴＦＰ））などのポリフッ化ビニリデン
（ＰＶｄＦ）系樹脂が好ましい。中でも、撥水性に優れ
たフッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄＦ）または、撥水性
が高く、柔らかくて取り扱いが容易なフッ化ビニリデン
・六フッ化プロピレン共重合体（Ｐ（ＶｄＦ−ＨＦ
Ｐ））が好ましい。

【００５０】濃度変化を利用する相分離に使用する樹脂
を溶解する溶媒または溶媒抽出法による相分離に使用す
る第１の溶媒としては、樹脂を溶解する溶媒であればよ
く、メチルエチルケトン、アセトンなどのケトン、プロ
ピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチル
カーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカ
ーボネートなどの炭酸エステル、ジメチルエーテル、ジ
エチルエーテル、エチルメチルエーテル、テトラヒドロ
フランなどのエーテル、ジメチルホルムアミド、ジメチ
ルアセトアミド、１−メチルーピロリジノン、ｎ−メチ
ル−ピロリドン等が挙げられる。

【００５１】前述の溶媒抽出法を用いた相分離におい
て、樹脂を溶解する第１の溶媒としては、たとえばｎ−
メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）を用いると、微細で均一
な孔が得られることより好ましい。また、第１の溶媒と
相溶性のある第２の溶媒としては、水または水とアルコ
ールの混合溶液が安価で好ましい。

【００５２】また、前述の濃度変化を利用した相分離に
よる有孔性樹脂の製造方法において、樹脂を溶解する溶
媒としては、低温において樹脂が溶媒に溶解しにくく、
温度を上昇させた場合に溶解しやすいような溶媒が好ま
しい。

【００５３】本発明における、有孔性樹脂の製造方法と
しては、連続した孔を備えることができるために、樹脂
を第１の溶媒に溶解させた溶液に導電性フィラーが分散
した懸濁液から、樹脂が不溶でかつ第１の溶媒と相溶性
のある第２の溶媒を用いて、第１の溶媒を第２の溶媒で
置換して樹脂を相分離させ、その後第２の溶媒を除去す
る工程を経ることが好ましい。

【００５４】また、本発明における導電性フィラーと有
孔性樹脂を含む、流体流通溝を備えたガス拡散層の製造
方法としては、例えば、あらかじめ流体流通溝のない板
状の導電性フィラーを含む有孔性樹脂を形成した後に切
削加工によって流体流通溝を形成することもできるが、
好ましくは自由な形状に形成できることから、例えば内
面に流体流通溝の型が形成された容器に、樹脂を溶媒に
溶解した溶液中に導電性フィラーが分散した懸濁液を入
れ、その後に樹脂を相分離する方法を用いることができ
る。容器の材質としては金属製や樹脂製を使用すること
ができる。

【００５５】また別の製造方法としては、連続的に形成
することができる点から、前記懸濁液を射出成形して相
分離する方法、もしくは前記懸濁液を、上記第２の溶媒
中へ射出して樹脂を溶媒抽出法によって相分離する方法
によって製造することが望ましい。

【００５６】さらに、電子伝導性を高めることができる
点から、導電性フィラーを含む流体流通溝を備えたガス
拡散層に、樹脂を溶媒に溶解した溶液を含ませ、その樹
脂を相分離させる工程を経ることによって、流体流通溝
を備えた、導電性フィラーを含む有孔性樹脂で形成され
たガス拡散層を製造する方法も好ましい。

【００５７】ここで、流体流通溝を備えたガス拡散層
は、製造方法によってはその表面に導電性フィラーの含
有量が少ない樹脂層を含む場合があるが、触媒層とガス
拡散層、および触媒層とセパレータ間の接触抵抗低減の
ために、その樹脂層を取り除く工程を経てもよい。

【００５８】また、流体流通溝を備えたガス拡散層を備
えた燃料電池セルを製造する方法としては、固体高分子
電解質膜と触媒層との接合体を前記ガス拡散層で挟持す
ることもできるし、導電性フィラーを含んだ有孔性樹脂
で形成されたガス拡散層の流体流通溝を備えない面に、
触媒粒子と固体高分子電解質溶液との混合ペーストを塗
布、乾燥する方法によって製造することもできる。

【００５９】そして、従来型燃料電池に備わっていたリ
ブ付きカーボン板のかわりに、本発明の流体流通溝を備
えたガス拡散電極を用いることによって、より薄く出力
密度の高い燃料電池を製作することができる。

【００６０】また、本発明のガス拡散電極は多孔質であ
るためにガス拡散性が高く、流体流通溝があるためにガ
スの導入、排出および生成した水の排出がスムーズであ
り、カソードに供給する酸化剤として空気を用いた場合
にも高出力を得ることができる。

【００６１】

【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。

【００６２】［実施例］まず、ポリフッ化ビニリデン
（ＰＶｄＦ）のＮＭＰ溶液に、炭素粒子（Ｖａｌｃａｎ
ＸＣ-７２）を混入・懸濁させ、それを底に流体流通溝
の型を形成したステンレス製の金型容器に流し込こん
だ。つづいて、金型容器にゆるやかに水を流し込み、常
にオーバーフローさせながら水を流し続け、溶媒のＮＭ
Ｐが水によって十分置換された後に金型容器から取り出
し、８０℃で３０分乾燥させることによって、流体流通
溝を備え、炭素粒子を含む有孔性のＰＶｄＦ樹脂で形成
されたガス拡散層を得た。なお、このガス拡散層の厚さ
は０．５ｍｍであり、深さ０．３ｍｍの流体流通溝を備
えた構造をしている。

【００６３】次に、白金担持カーボン（田中貴金属製、
ＴＥＣ−１０Ｖ−３０Ｅ：ＶａｌｃａｎＸＣ−７２に
白金を３０ｗｔ％担持）と固体高分子電解質溶液（アル
ドリッチ社製、ナフィオン５ｗｔ％溶液）よりなる触媒
ペーストを調製した。

【００６４】その触媒ペーストを高分子フィルム（ＦＥ
Ｐフィルム：テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロ
ピレン共重合体シート、ダイキン工業(株)製：厚さ２５
μｍ)上に３００メッシュのステンレススクリーンを使
用して塗布し、室温で約１時間自然乾燥して得た触媒層
を、ホットプレス（９５℃）にて固体高分子電解質膜
（デュポン社製、ナフィオン、厚さ１５０μｍ）の両面
に接合し、膜―触媒層接合体を得た。

【００６５】得られた膜―触媒層接合体を、流体流通溝
を備えた、炭素粒子を含む有孔性の上記ＰＶｄＦ樹脂で
挟み込む形で組み、燃料電池単セルＡを得た。この燃料
電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が接合さ
れ、その両面に流体流通溝を備えた薄いガス拡散層が配
された構造をしている。なお、ここで使用したガス拡散
電極ａの白金量は、約１．０ｍｇ／ｃｍ²となるよう
に、ペースト製作時の白金担持カーボン量を調整した。

【００６６】［比較例］最初に、白金担持カーボン（田
中貴金属製、ＴＥＣ−１０Ｖ−３０Ｅ：Ｖａｌｃａｎ
ＸＣ−７２に白金を３０ｗｔ％担持）と固体高分子電解
質溶液（アルドリッチ社製、ナフィオン５ｗｔ％溶液）
および、ＰＴＦＥ粒子分散溶液（三井デュポンフロロケ
ミカル社製、テフロン３０Ｊ）よりなる触媒ペーストを
調製した。

【００６７】つぎに、その触媒ペーストを高分子フィル
ム（ＦＥＰフィルム：テトラフロロエチレン−ヘキサフ
ロロプロピレン共重合体シート、ダイキン工業(株)製：
厚さ２５μm)上に塗布し、室温で約１時間自然乾燥して
得た触媒層を、ホットプレス（９５℃）にて固体高分子
電解質膜（デュポン社製、ナフィオン、厚さ１５０μ
ｍ）の両面に接合し、さらにその両面にガス拡散層（カ
ーボンペーパ：厚さ０．５ｍｍ）をホットプレス（１３
５℃）にて接合し、ガス拡散電極ｂを得た。つづいてガ
ス拡散電極ｂをリブ付きカーボン板（厚さ１．２ｍｍ、
流体流通溝の深さ１．０ｍｍ）とともに燃料電池の単セ
ルに組み込んで燃料電池単セルＢを得た。なお、ガス拡
散電極ｂの白金量は、約１．０ｍｇ／ｃｍ²となるよう
に、ペースト製作時の白金担持カーボン量を調整した。

【００６８】これらの単セルの、アノード側供給ガスと
して水素、カソード側供給ガスとして酸素を用いた際の
電流―電圧特性を図７に、アノード側供給ガスとして水
素、カソード側供給ガスとして空気を用いた際の電流―
電圧特性を図８に示す。運転条件は、供給ガス圧は１気
圧で、それぞれ７０℃の密閉水槽中でバブリングするこ
とによって加湿した。そしてセルの運転温度は６０℃と
し、各電流値での測定時の保持時間は２分とした。

【００６９】図７および図８において、記号（●）は本
発明による実施例燃料電池Ａの特性、又記号（▲）は比
較例の燃料電池Ｂの特性を示した。

【００７０】本発明による実施例のセルＡは、アノード
側およびカソード側ガス拡散電極の厚さがそれぞれ０．
５ｍｍであるのに対して、比較例のセルＢはアノード側
およびカソード側ガス拡散電極の厚さがそれぞれ１．７
ｍｍであり、本発明のガス拡散電極を用いることによっ
て燃料電池の大幅な薄型化が達成できたにもかかわら
ず、比較例のセルＢと比べて、図７および図８から明ら
かなように各電流密度において、高い出力電圧が得られ
た。

【００７１】比較例に示したセルＢに備えられているガ
ス拡散層としての導電性多孔質基材が孔径５０〜２００
μｍほどの大きな孔を持った多孔質体であるために、触
媒層―ガス拡散層界面において、触媒層のガス拡散層と
の接点から離れた場所に存在する触媒粒子は、燃料電池
の反応に関与せず、触媒利用率低下の原因となっていた
り、またセルＢに備えられているリブ付きカーボン板
は、孔を持たないためにリブに押さえられた部分へのガ
ス拡散性が妨げられ、触媒利用率を低下させていた。

【００７２】ところが、セルAに備えられている、本発
明の炭素粒子を含む有孔性樹脂で形成したガス拡散層を
用いることによって、燃料電池を薄く形成したにも関わ
らず、より多くの触媒粒子に電子伝導性を与え、触媒利
用率が向上したために出力が向上した。

【００７３】さらに、セルＡにおけるガス拡散層に備え
られた流体流通溝は、従来のセルＢに比べてより精密に
溝を形成してあるために、燃料ガスおよび酸化ガスがス
ムーズに流れ、かつカソードにおいて生成した水をスム
ーズに排出でき、とくに高電流密度領域に置いてセルＡ
の出力が向上した。

【００７４】

【発明の効果】本発明の燃料電池用電極によれば、ガス
拡散層に流体流通溝を備えることにより、さらにこのガ
ス拡散層に導電性フィラーや有孔性樹脂を含ませること
によって流体流通溝を自由な形状で薄く形成することが
できるために、出力の高い燃料電池をコンパクトに製造
することができる。

【００７５】また、触媒層全体へ燃料ガスおよび酸化ガ
スを均一に、スムーズに供給および排出するために必要
な流体流通溝を、最適な形状で自由に設計および製作で
きるために、高出力な燃料電池を製作することが可能で
ある。

【００７６】さらに、本発明における流体流通溝を備え
たガス拡散層に有孔性樹脂を含ませることにより、従来
ガス拡散性を得ることができなかったリブ内部にもガス
拡散性を与えることができ、ガス拡散層の厚みを薄くし
た場合であっても、触媒層全体に渡って燃料および酸化
ガスを供給することができる。そのため、本発明の燃料
電池用ガス拡散電極を用いることによってスタックを含
む燃料電池を小型化することが可能である。

【００７７】本発明における燃料電池に備えられた、流
体流通溝を備えたガス拡散層を形成している有孔性樹脂
はフッ素を含んいるために撥水性が高く、生成した水を
よりスムーズに排出でき、高電流密度領域においても高
い出力を得ることができる。

【００７８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池用電極の構造を示す模式
図。

【図２】本発明に係る燃料電池スタックの構造を示す模
式図。

【図３】本発明に係る燃料電池用電極の構造の、他の例
を示す模式図。

【図４】本発明に係る燃料電池用電極の構造の、さらに
他の例を示す模式図。

【図５】本発明に係る燃料電池用電極の構造の、さらに
他の例示す模式図。

【図６】従来の燃料電池用電極の構造を示す模式図。

【図７】アノードに水素を、カソードに酸素を用いた場
合の燃料電池セルの電流―電圧特性を示す図。

【図８】アノードに水素を、カソードに空気を用いた場
合の流体流通溝をセルの電流―電圧特性を示す図。

【符号の説明】

１１、２１、３１、４１、５１、６１セパレータ１２、２２、３２、４２、５７、６６ガス拡散層１３、２３、３３、４３、５３、６３触媒層１４、２４、３４、４４、５４、６４固体高分子電解
質膜２５、３５、４５、５５、６５流体流通溝５７導電性多孔質体６６従来型ガス拡散層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】触媒層とガス拡散層とからなり、前記ガ
ス拡散層に流体流通溝を設けたことを特徴とする燃料電
池用ガス拡散電極。
【請求項２】ガス拡散層が導電性フィラーを含むこと
を特徴とする請求項１記載の燃料電池用ガス拡散電極。
【請求項３】ガス拡散層が有孔性樹脂を含むことを特
徴とする請求項２記載の燃料電池用ガス拡散電極。
【請求項４】樹脂を溶媒に溶解した溶液中に導電性フ
ィラーを分散させた懸濁液から、樹脂を相分離させる工
程を経ることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用ガ
ス拡散電極の製造方法。
【請求項５】請求項１〜３に記載の燃料電池用ガス拡
散電極または請求項４に記載の方法で製造した燃料電池
用ガス拡散電極を用いた固体高分子電解質型燃料電池。