JP2002170581A

JP2002170581A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2002170581A
Application number: JP2000365073A
Authority: JP
Inventors: Junji Morita; 純司森田; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Susumu Kobayashi; 晋小林; Junji Niikura; 順二新倉; Teruhisa Kanbara; 輝壽神原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-14

Abstract

(57)【要約】【課題】導電性セパレータのコストを低減するととも
にセパレータの厚さを低減することにより、より小型で
高性能の高分子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】水素イオン伝導性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一対の電極を具備した
膜・電極接合体と前記接合体の両面に一対の導電性セパ
レータを具備した高分子電解質型燃料電池において、前
記ガス拡散層が燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出
するガス流路を有し、前記導電性セパレータが平面板で
ある燃料電池。

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、家庭用コジェネレーションシステム
等に使用される高分子電解質型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスまたはメタノールなどのアルコール
類と、空気など酸素を含有する酸化剤とを、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。
従来の高分子電解質型燃料電池の一般的な構成を図３に
より説明する。高分子電解質型燃料電池は、基本的に
は、水素イオン伝導性高分子電解質膜１とこの水素イオ
ン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極６から構成さ
れる。前記の電極は、白金族金属触媒を担持した炭素微
粉末からなる触媒体と、水素イオン伝導性高分子電解質
の分散液との混合物から形成した触媒層２と、通気性と
電子伝導性を併せ持つ拡散層４から構成される。拡散層
４は、触媒層２側に撥水層３が設けられることもある。
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と電極
６からなる構造体を膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。
高分子電解質膜１としては、次式に示した構造を持つパ
ーフルオロスルホン酸が一般的に使用され、拡散層には
撥水処理を施したカーボンペーパーなどが使用されてい
る。

【０００３】

【化１】

【０００４】次に、供給する燃料及び酸化剤のリークや
燃料と酸化剤の混合を防止するために、電極の周囲には
高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケット７が
配置される。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られてお
り、これらをまとめて膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ
こともある。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定す
るための導電性のセパレータ９が配置される。セパレー
タ９のＭＥＡと接触する部分には、電極面に燃料及び酸
化剤を供給するためのガス流路５が形成されている。こ
のガス流路５は、反応により生じた生成物や反応に寄与
しなかった余剰燃料または酸化剤を運び去る働きをも担
っている。ガス流路は、セパレータと別に設けることも
できるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とす
る方式が一般的である。

【０００５】このように、一対のセパレータでＭＥＡを
挟み、一方のセパレータのガス流路に燃料を供給し、他
方のセパレータのガス流路に酸化剤を供給することによ
り、０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。
一対のセパレータでＭＥＡを固定したものを単電池と呼
ぶ。通常、燃料電池を電源として使用するためには、数
ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされる。このた
め、実際には、単電池を必要とする個数だけ直列に連結
して用いる。このとき、単電池間に挿入されるセパレー
タは、一方の面に酸化剤ガスの流路を有し、他方の面に
燃料ガスの流路を有するものが用いられる。そして、セ
パレータ／ＭＥＡ／セパレータ／ＭＥＡの組み合わせを
繰り返し、直列の連結構成にする。

【０００６】セパレータのガス流路に燃料及び酸化剤を
供給するためには、燃料および酸化剤をそれぞれ供給す
る配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分
岐先を直接セパレータ上の溝につなぎ込む配管治具が必
要となる。これをマニホールドと呼び、上記のような燃
料および酸化剤の供給配管から直接つなぎ込むタイプを
外部マニホールドと呼ぶ。マニホールドには、構造をよ
り簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがあ
る。内部マニホールドとは、流路を形成したセパレータ
に、貫通した孔を設け、流路の入口及び出口をこの孔ま
で通し、この孔から直接燃料または酸化剤を供給する。

【０００７】このような高分子電解質型燃料電池では、
セパレータは導電性が高く、かつ燃料ガスや酸化剤ガス
に対して気密性が高く、さらに水素／酸素を酸化還元す
る際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。この
ような理由から、従来のセパレータは、通常グラッシー
カーボンや膨張黒鉛などのカーボン材料で構成し、グラ
ッシーカーボンの様な材料ではその表面に切削加工によ
り、膨張黒鉛の様な材料では鋳型による成型により、そ
れぞれガス流路が作製されていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のカーボン板に切
削によりガス流路を形成する方法では、材料となるカー
ボン板、例えばグラッシーカーボンや樹脂含浸カーボン
のコストが高い。さらに切削工程にかかるコストも高
い。膨張黒鉛を用いた場合でも、同様に材料コスト、鋳
型によるプレス加工コストが高い。以上のことからコス
トの削減が実用化に向けての課題である。また、カーボ
ン板にガス流路を切削で形成するためには、用いるカー
ボン板に少なくとも２〜５ｍｍ程度の厚みが必要とな
る。これよりカーボン板の厚みを薄くすると、切削工程
でカーボン板に亀裂を生じたり、カーボン板そのものが
破壊されたりするおそれがある。セパレータは、その厚
みを薄くすることにより抵抗値を低減し、高い電池特性
が得られる。しかし、従来は、セパレータに用いるカー
ボン材料の厚みを薄くできないという問題がある。

【０００９】本発明は、セパレータのコストを低減する
とともにセパレータの厚さを低減することにより、より
小型で高性能の高分子電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の高分子電解質型
燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と前記水
素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極とを具
備した単電池を、導電性セパレータを介して積層した高
分子電解質型燃料電池であって、前記電極が、水素イオ
ン伝導性高分子電解質膜に接触する触媒層と、前記導電
性セパレータに接触するガス拡散層とを有し、前記導電
性セパレータに接触する面に、ガス流路を形成する溝を
有することを特徴とする。

【００１１】前記ガス拡散層は、導電性炭素繊維シート
からなり、深さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、幅１．０ｍｍ
〜２．０ｍｍのガス流路用溝を有し、前記溝の底の部分
の厚みが０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好まし
い。また、前記ガス拡散層は、導電性炭素繊維シートの
積層体からなり、前記溝が前記炭素繊維シートの積層数
の少ない部分で構成され、その溝の深さが０．１ｍｍ〜
０．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜２．０ｍｍであり、前記
溝の底の部分の厚みが０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであるこ
とが好ましい。前記導電性セパレータは、カーボン粒子
またはカーボン繊維と樹脂もしくはエラストマーの混合
物の成形体からなり、厚み０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの平
面板であり、前記導電性セパレータはガス入口及び出口
であるマニホールドを具備することが好ましい。本発明
によると、切削加工やプレス加工によらずにガス流路を
形成することができ、セパレータの厚みも低減すること
ができる。これによりセパレータ作製におけるコストの
低減が可能になり、抵抗値を低減し高い電池性能が得ら
れる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、水素イオン伝導性高分
子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とからなる一対
の電極を具備した膜・電極接合体（ＭＥＡ）と前記接合
体の両面に一対の導電性セパレータを具備した高分子電
解質型燃料電池において、前記ガス拡散層が燃料ガスお
よび酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有し、前記
導電性セパレータが平面板であることを特徴とする。す
なわち、ガス流路を前記ガス拡散層が有し、前記導電性
セパレータが平面板である。図１に本発明による単セル
の構造を示す。従来のＭＥＡは、図３に示すように、高
分子電解質膜１を、触媒層２とガス拡散層４（撥水層３
を含む）からなる電極６およびガスケット７で挟み、こ
れらをホットプレスにより一体に接合したものである。
この構成においては、電極面、すなわちガス拡散層４の
面とガスケット７の面は同一平面に揃えられている。こ
の電極の外側を、ガス流路５を有する導電性セパレータ
９で挟み込むことで単セルが形成されている。

【００１３】これに対し、本発明のＭＥＡは、高分子電
解質膜１１およびこれを挟む一対の触媒層１２を、ガス
シール材１８、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリエチレンテレフタレートなどにより、インジェクシ
ョンモールドにより一体に結合している。その外側に、
内側に撥水層１３を有し外側にガス流路１５を設けたガ
ス拡散層１４とガスケット１７をホットプレスにより接
合し、さらに平面板の導電性セパレータ１９により挟み
込むことで単セルを形成している。触媒層１２、撥水層
１３およびガス拡散層１４を併せて電極とされる。

【００１４】

【実施例】本発明に関わるガス拡散層と導電性セパレー
タ、およびそれらを用いた燃料電池について、以下の実
施例で詳しく説明するが、本発明はそれらのみに限定さ
れるものではない。

【００１５】《実施例１》比表面積が８００ｍ²／ｇ、
ＤＢＰ吸油量が３６０ｍｌ／１００ｇのケッチェンブラ
ックＥＣ（ケッチェンブラック・インターナショナル社
製ファーネスブラック）に、白金を重量比１：１の割合
で担持させた。この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇおよび
水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭
硝子（株）製、商品名：９％ＦＦＳ）５９ｇを混合し、
超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを作成
した。この触媒層インクを、ポリプロピレンフィルム
（東レ（株）製、商品名：トレファン５０−２５００）
上に塗工し、乾燥して触媒層を作成した。得られた触媒
層をサイズ６ｃｍ×６ｃｍにカットした。こうして作製
した触媒層を、サイズ１２ｃｍ×１２ｃｍの高分子電解
質膜（米国デュポン社のＮａｆｉｏｎ１１２膜）の両面
に転写した。

【００１６】次に炭素粒子（電気化学工業（株）製、商
品名：デンカブラック）１５０ｇと、ポリテトラフルオ
ロエチレンの水分散液（ダイキン工業（株）製、商品
名：ルブロンＬＤＷ−４０）３６ｇとを混合して撥水層
インクを作製した。一方、カーボンペーパー（東レ
（株）製、商品名：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）をカルボキシ
メチルセルロースの水溶液をバインダーとして５枚接合
し、焼成炉内で約３０００℃で焼結して厚み０．９０ｍ
ｍのカーボンペーパーを作製した。このカーボンペーパ
ーの一方の面に、切削加工機により深さ０．３６ｍｍ、
幅１．０ｍｍのガス流路を形成した。従って、前記溝の
底の部分の厚みは０．５４ｍｍである。また、溝と溝と
の間の直線状のリブの幅は１．０ｍｍである。図２はこ
のカーボンペーパー２４を示す。その一方の面には、切
削により形成した溝２５からなるサーペンタイン型の１
本のガス流路が設けてある。

【００１７】このカーボンペーパーのガス流路を有する
面とは反対側の面に、上記撥水層インクを塗工し、熱風
乾燥機により３５０℃で熱処理して撥水層を形成した。
こうして撥水層を有するガス拡散層を形成した。これを
サイズ６ｃｍ×６ｃｍにカットした。このガス拡散層と
ガスケットを、上記の触媒層を有する高分子電解質膜に
１００℃において、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ²でホットプ
レスしてＭＥＡ―Ａを作製した。このＭＥＡ−Ａの両側
に、酸化剤ガスおよび燃料ガスのマニホールドを設けた
厚さ０．５ｍｍのグラッシーカーボン板からなる導電性
セパレータ、集電板、および端板を順に重ね合わせ、こ
れらを締結ロッドにより圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ²で締結
して、電池Ａを作製した。なお、拡散層は、それらのガ
ス流路の端部２５ａおよび２５ｂがそれぞれ導電性セパ
レータ板のガスマニホールドに臨むようにした。

【００１８】《実施例２》実施例１と同様にして、触媒
層を高分子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ１１２膜）に転写し
た。実施例１と同様にして、撥水層インクを作製した。
次に、カーボンペーパー（東レ（株）製、商品名：ＴＧ
Ｐ−Ｈ−０６０）を図２の溝部分２４を打ち抜くように
型抜きし、その型抜きしたカーボンペーパー２枚と型抜
きをしていないカーボンペーパー２枚とを重ね合わせ、
焼成することで厚み０．７２ｍｍのカーボンペーパーを
作製した。こうして深さ０．３６ｍｍ、幅１．０ｍｍの
サーペンタイン型ガス流路溝を有するカーボンペーパー
を作製した。前記溝の底の部分の厚みは０．３６ｍｍで
ある。溝と溝との間の直線状のリブの幅は１．０ｍｍで
ある。このカーボンペーパーのガス流路を有する面とは
反対側の面に、実施例１と同じ撥水層インクを塗工し、
熱風乾燥機により３５０℃で熱処理して撥水層を形成し
た。こうして得られたガス拡散層を６ｃｍ×６ｃｍにカ
ットした。この拡散層とガスケットを実施例１と同様に
して触媒層を有する電解質膜にホットプレスにより接合
してＭＥＡ―Ｂを作製した。このＭＥＡを用いて実施例
１と同様にして電池Ｂを組み立てた。

【００１９】《比較例１》実施例１の触媒層インクから
作製した触媒層を実施例１と同じ高分子電解質膜の両面
に転写した。一方、厚み０．３６ｍｍのカーボンペーパ
ー（東レ（株）製、商品名：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一
方の面に実施例１の撥水層インクを塗工して、撥水層を
有するガス拡散層を作製した。次に、上記触媒層を有す
る電解質膜と上記ガス拡散層およびガスケットを１００
℃において、圧力１０ｋｇ／ｃｍ²でホットプレスして
ＭＥＡ―Ｘを作製した。このＭＥＡ−Ｘを、マニホール
ド孔と溝深さ０．３６ｍｍ、幅１．０ｍｍのガス流路を
有した厚み１．５ｍｍのグラッシーカーボン板からなる
導電性セパレータ板で挟み、実施例１と同様にして電池
Ｘを作製した。

【００２０】以上の各燃料電池を７５℃に保持し、燃料
極に７０℃の露点となるように加湿・加温した純水素ガ
スを、空気極に６５℃の露点となるように加湿・加温し
た空気をそれぞれ供給し、燃料ガス利用率７０％、空気
利用率４０％の条件で電池の放電試験を行った。図４に
実施例の電池Ａ、電池Ｂ、および比較例の電池Ｘの電流
−電圧特性を示す。電池Ａおよび電池Ｂは、電池Ｘに比
較して、高い電池電圧を示した。電池Ｂと電池Ｘを比較
すると、ガス拡散層の厚みは、電池Ｂが０．７２ｍｍ、
電池Ｘが０．３６ｍｍである。しかし、電池Ｂは、ガス
拡散層にガス流路を有しているので、ガス流路の厚みを
考慮すると、電池Ｂおよび電池Ｘは、どちらも実質的な
ガス拡散層の厚みが０．３６ｍｍと等しい。このことか
ら、ガス流路がガス拡散層と同様のカーボン不織布で構
成されると、電極へのガスの拡散性が向上し、高い電池
特性が得られることがわかる。電池Ａと電池Ｘとの比較
からも同様のことがいえる。すなわち、電池Ａは実質的
なガス拡散層の厚みが０．５４ｍｍと電池Ｘのそれより
０．１８ｍｍ厚いが、電池Ｘより高い性能を示した。次
に、電池Ａと電池Ｂを比較すると、ガス拡散層全体の厚
みは、電池Ａが０．９０ｍｍ、電池Ｂが０．７２ｍｍで
ある。ガス流路の底に相当する部分の厚み、すなわち実
質的なガス拡散層の厚みが、電池Ａは０．５４ｍｍ、電
池Ｂは０．３６ｍｍである。このことから、実質的なガ
ス拡散層の厚みを薄くすることで、ガスの拡散性が向上
し、高い電池性能が得られることがわかる。

【００２１】次に、実施例１において、溝深さ０．３ｍ
ｍ、溝幅１．０ｍｍ、溝と溝との間のリブの幅を１．０
ｍｍと一定にして、溝の底の部分の厚みを変えたカーボ
ンペーパーからなるガス拡散層を作製した。なお、溝の
底の部分の厚みが０．２ｍｍ以下のものを切削加工によ
り作製するのは困難であった。これらのガス拡散層を有
する電池を電流密度を０．７Ａ／ｃｍ²とする他は上記
と同じ条件で放電試験したときの電池電圧の比較を表１
に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】同様にして、溝の底の部分の厚みを１．０
ｍｍ、溝幅１．０ｍｍ、リブの幅を１．０ｍｍとし、溝
の深さを変えたときの前記と同条件での電池電圧の比較
を表２に、また溝深さを０．５ｍｍ、溝の底の部分の厚
みを１．０ｍｍ、溝深さを０．５ｍｍ、リブの幅を１．
０ｍｍとし、溝の幅を変えたときの前記と同条件での電
池電圧の比較を表３にそれぞれ示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】次に、実施例２において、溝深さ０．２ｍ
ｍ、溝幅１．０ｍｍ、溝と溝との間のリブの幅を１．０
ｍｍと一定にして、溝の底の部分の厚みを変えたカーボ
ンペーパーからなるガス拡散層を作製した。これらのガ
ス拡散層を有する電池を前記と同じ条件で放電試験した
ときの電池電圧の比較を表４に示す。

【００２７】

【表４】

【００２８】同様にして、溝の底の部分の厚みを１．０
ｍｍ、溝幅１．０ｍｍ、リブの幅を１．０ｍｍとし、溝
の深さを変えたときの前記と同条件での電池電圧の比較
を表５に、また溝深さを０．５ｍｍ、溝の底の部分の厚
みを１．０ｍｍ、リブの幅を１．０ｍｍとし、溝の幅を
変えたときの前記と同条件での電池電圧の比較を表５に
それぞれ示す。

【００２９】

【表５】

【００３０】

【表６】

【００３１】実施例１に示した切削加工によりガス流路
を形成する方法では、基本となるカーボンペーパーに十
分な厚みが必要となる。一方、実施例２に示したような
重ね合わせて焼成によりガス流路を形成する方法では、
基本となるカーボンペーパーの選択により、ガス拡散層
の総厚を制御することが可能である。電池Ｂは、電池Ａ
に比べて高電流密度における電池電圧の低下が抑えられ
た。これはガス拡散層の総厚が薄くなっため、生成水に
代表される電極中に生じる水分の除去が促進され、高電
流密度におけるフラッディング現象が低減されたことに
よるものである。また、それぞれの電池に用いた導電性
セパレータ板の抵抗値を表７に示した。電池Ａ、および
電池Ｂは、拡散層にガス流路を設けたことにより導電性
セパレータを薄くすることができ、抵抗値が低減される
効果が得られた。

【００３２】

【表７】

【００３３】以上の実施例においては、ガス拡散層に配
置したガス流路は１本の１パスとし、単セルで性能を比
較したが、これに限定されることはなく、複数の並行す
る溝で流路を構成する複数パスの拡散層および前記複数
のセルを積層する積層電池についても本発明は適用でき
ることはいうまでもない。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ガス拡散
層にガス流路を設け、導電性セパレータに薄い平面板を
用いることで、切削加工やプレス加工によるコストの低
減、材料費の高いカーボン板の使用量を低減でき、コス
ト低減が可能になる。また、導電性セパレータの抵抗値
の低減により、高い電池特性が得られる。ガス拡散層に
ガス流路を設けるとともにガス拡散層の厚みの制御によ
り、電極へのガス拡散性が向上し、高い電池性能を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における燃料電池のＭＥＡの縦
断面図である。

【図２】ガス拡散層の例を示す平面図である。

【図３】従来のＭＥＡの縦断面図である。

【図４】実施例の電池および比較例の電池の電流―電圧
特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１１高分子電解質膜１２触媒層１３撥水層１４拡散層１５ガス流路１６電極１７ガスケット１８ガスシール材１９セパレータ２４カーボンペーパー２５ガス流路用溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林晋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)発明者新倉順二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Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 HH03 5H026 AA06 CC08 CX03 EE05 EE18 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素イオン伝導性高分子電解質膜と前記
水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極とを
具備した単電池を、導電性セパレータ板を介して積層し
た高分子電解質型燃料電池であって、前記電極が、水素
イオン伝導性高分子電解質膜に接触する触媒層と、前記
導電性セパレータ板に接触するガス拡散層とを有し、前
記導電性セパレータ板に接触する面に、ガス流路を形成
する溝を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電
池。
【請求項２】前記ガス拡散層が、導電性炭素繊維シー
トからなり、深さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、幅１．０ｍ
ｍ〜２．０ｍｍのガス流路用溝を有し、前記溝の底の部
分の厚みが０．３ｍｍ〜１．０ｍｍである請求項１記載
の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】前記ガス拡散層が、導電性炭素繊維シー
トの積層体からなり、前記溝が前記炭素繊維シートの積
層数の少ない部分で構成され、その溝の深さが０．１ｍ
ｍ〜０．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜２．０ｍｍであり、
前記溝の底の部分の厚みが０．３ｍｍ〜１．０ｍｍであ
る請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】前記導電性セパレータは、カーボン粒子
またはカーボン繊維と樹脂もしくはエラストマーの混合
物の成形体からなり、厚み０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの平
面板であり、前記導電性セパレータはガス入口及び出口
であるマニホールドを具備する請求項１記載の高分子電
解質型燃料電池。