JP2002280005A - 燃料電池 - Google Patents
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池の電極における撥水性分子量や結着
剤などの分散性を向上させるために用いられる界面活性
剤を最適化することによって、製品や製造工程の安全性
が高く、製造工程での塗着量バラツキや塗着不良が少な
く、低コストで高い放電性能を持つ固体高分子型燃料電
池、液体燃料電池および電極を提供することを目的とす
るものである。 【解決手段】 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に接触した触媒層と
前記触媒層に接触したガス拡散層とを積層した一対の電
極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し他方に酸
化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対の導電性
セパレータとを具備した燃料電池において、前記電極の
少なくとも一方に内分泌攪乱作用物質を含まない界面活
性剤を使用したことを特徴とする。
剤などの分散性を向上させるために用いられる界面活性
剤を最適化することによって、製品や製造工程の安全性
が高く、製造工程での塗着量バラツキや塗着不良が少な
く、低コストで高い放電性能を持つ固体高分子型燃料電
池、液体燃料電池および電極を提供することを目的とす
るものである。 【解決手段】 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に接触した触媒層と
前記触媒層に接触したガス拡散層とを積層した一対の電
極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し他方に酸
化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対の導電性
セパレータとを具備した燃料電池において、前記電極の
少なくとも一方に内分泌攪乱作用物質を含まない界面活
性剤を使用したことを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料として水素ガ
ス、あるいはメタノールまたは化石燃料からの改質水
素、もしくはメタノール、エタノール、ジメチルエーテ
ルなどの液体燃料を直接用い、空気や酸素を酸化剤とす
る燃料電池に関するものであり、とくに高分子電解質を
用いた燃料電池に関し、特にその電極に関する。
ス、あるいはメタノールまたは化石燃料からの改質水
素、もしくはメタノール、エタノール、ジメチルエーテ
ルなどの液体燃料を直接用い、空気や酸素を酸化剤とす
る燃料電池に関するものであり、とくに高分子電解質を
用いた燃料電池に関し、特にその電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的に高分子電解質型燃料電池に使わ
れる電極は、高分子電解質膜を中心としてその外側両面
に触媒層を配置し、さらにその外面に拡散層を配置す
る。拡散層は、主に次の三つの機能を持つ。その第一は
拡散層の外面に配置されたガス流路から、触媒層へ均一
に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給するために、反応
ガスを拡散させる機能である。第二は触媒層で生成した
水を、速やかにガス流路に排出する機能である。第三は
触媒層の反応に必要な電子を導電する機能である。
れる電極は、高分子電解質膜を中心としてその外側両面
に触媒層を配置し、さらにその外面に拡散層を配置す
る。拡散層は、主に次の三つの機能を持つ。その第一は
拡散層の外面に配置されたガス流路から、触媒層へ均一
に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給するために、反応
ガスを拡散させる機能である。第二は触媒層で生成した
水を、速やかにガス流路に排出する機能である。第三は
触媒層の反応に必要な電子を導電する機能である。
【０００３】従って、高い反応ガス透過性能、水蒸気透
過性能、電子導電性が必要となる。このため、従来のガ
ス拡散層は、多孔質構造とすることでガス透過能を与
え、フッ素樹脂で代表とされる撥水性の高分子材料を層
中に分散することで水蒸気透過能を与え、カーボン繊維
や金属繊維、炭素微粉末などの電子導電性材料で拡散層
を構成することで電子導電性を与えてきた。
過性能、電子導電性が必要となる。このため、従来のガ
ス拡散層は、多孔質構造とすることでガス透過能を与
え、フッ素樹脂で代表とされる撥水性の高分子材料を層
中に分散することで水蒸気透過能を与え、カーボン繊維
や金属繊維、炭素微粉末などの電子導電性材料で拡散層
を構成することで電子導電性を与えてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ガス透過能と
水蒸気透過能、電子導電生を向上させるための種々の取
り組みは、それぞれ相反する効果を示す。たとえば、ガ
ス透過能を高めるために炭素繊維の径を小さくし、ま
た、充填量を減らすことでガス拡散層の気孔率を高める
と、電子導電性が低下する。また、水蒸気透過能を高め
るために撥水性高分子を添加すると、ガス透過能や電子
導電性が低下する。そこで、ガス拡散層を単一の構成に
するのではなく、例えばカーボン繊維層と、炭素微粉末
と撥水性高分子で形成した層とを組み合わせて、上記の
相反する機能をうまく両立させる取り組みがなされてい
る。
水蒸気透過能、電子導電生を向上させるための種々の取
り組みは、それぞれ相反する効果を示す。たとえば、ガ
ス透過能を高めるために炭素繊維の径を小さくし、ま
た、充填量を減らすことでガス拡散層の気孔率を高める
と、電子導電性が低下する。また、水蒸気透過能を高め
るために撥水性高分子を添加すると、ガス透過能や電子
導電性が低下する。そこで、ガス拡散層を単一の構成に
するのではなく、例えばカーボン繊維層と、炭素微粉末
と撥水性高分子で形成した層とを組み合わせて、上記の
相反する機能をうまく両立させる取り組みがなされてい
る。
【０００５】上記の目的を実現するため、撥水性高分子
材料が必要とする種々の特性を発揮するためには炭素微
粉末やカーボン繊維と撥水性高分子材料を混合・分散す
る必要があり、良好な分散状態を得るために種々の界面
活性剤が使用されてきた。しかし、その界面活性剤につ
いて詳細に規定した例は少ない。
材料が必要とする種々の特性を発揮するためには炭素微
粉末やカーボン繊維と撥水性高分子材料を混合・分散す
る必要があり、良好な分散状態を得るために種々の界面
活性剤が使用されてきた。しかし、その界面活性剤につ
いて詳細に規定した例は少ない。
【０００６】上記の界面活性剤の使用例として、例え
ば、最も一般的な代表例として特開平１１−３３５８８
６号公報、１１−２６９６８９号公報、１１−０５０２
９０号公報、１０−０９２４３９号公報、号公報、０６
−１１６７７４に開示されているように、撥水性高分子
材料の分散剤として用いる界面活性剤として、アルキル
フェノール類のエトキシル酸オクチルフェノール（Octy
l phenol ethoxylate）。また、特開平６−０３６７７
１号公報では、アニオン系では、脂肪酸石鹸、アルキル
ベンゼンスルホン酸塩、アルキルアリルスルホン酸塩、
アルキルナフタレンスルホン酸塩、カチオン系では、ア
ルキルアミン塩、アミド結合アミド塩、エステル結合ア
ミン塩、アルキルアンモニウム塩、アミド結合アンモニ
ウム塩、エステル結合アンモニウム塩、エーテル結合ア
ンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、エステル結合
ピリジニウム塩、両性では、長鎖アルキルアミノ酸を用
い、ノニオン系では、アルキルアリルエーテル、アルキ
ルエーテル、アルキルアミン脂肪酸グリセリンエステ
ル、アニヒドロソルビトール脂肪酸エステル、ポリエチ
レンイミン、脂肪酸アルキロールアミドなどを開示して
いるが、実施例ではやはり上記アルキルフェノール類の
エトキシル酸オクチルフェノールが用いられている。し
たがって、上記種々の界面活性剤は一般的な界面活性剤
を紹介してのみであり、燃料電池に用いたときの効果は
示されていない。
ば、最も一般的な代表例として特開平１１−３３５８８
６号公報、１１−２６９６８９号公報、１１−０５０２
９０号公報、１０−０９２４３９号公報、号公報、０６
−１１６７７４に開示されているように、撥水性高分子
材料の分散剤として用いる界面活性剤として、アルキル
フェノール類のエトキシル酸オクチルフェノール（Octy
l phenol ethoxylate）。また、特開平６−０３６７７
１号公報では、アニオン系では、脂肪酸石鹸、アルキル
ベンゼンスルホン酸塩、アルキルアリルスルホン酸塩、
アルキルナフタレンスルホン酸塩、カチオン系では、ア
ルキルアミン塩、アミド結合アミド塩、エステル結合ア
ミン塩、アルキルアンモニウム塩、アミド結合アンモニ
ウム塩、エステル結合アンモニウム塩、エーテル結合ア
ンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、エステル結合
ピリジニウム塩、両性では、長鎖アルキルアミノ酸を用
い、ノニオン系では、アルキルアリルエーテル、アルキ
ルエーテル、アルキルアミン脂肪酸グリセリンエステ
ル、アニヒドロソルビトール脂肪酸エステル、ポリエチ
レンイミン、脂肪酸アルキロールアミドなどを開示して
いるが、実施例ではやはり上記アルキルフェノール類の
エトキシル酸オクチルフェノールが用いられている。し
たがって、上記種々の界面活性剤は一般的な界面活性剤
を紹介してのみであり、燃料電池に用いたときの効果は
示されていない。
【０００７】アルキルフェノール類の界面活性剤は内分
泌攪乱作用が疑われている物質、つまり環境ホルモンで
あり、燃料電池の電極および膜電極接合体の製造工程に
おける安全性や最終製品に微量に残存した場合の安全
性、製品を廃棄処理する上での安全性等を低下させる恐
れがあった。または、それらの安全性を確保するために
界面活性剤の溶剤抽出処理における廃液処理や熱処理装
置でのスクラバー装置など特別な処理工程、設備を必要
とし、コストを増大させる問題があった。
泌攪乱作用が疑われている物質、つまり環境ホルモンで
あり、燃料電池の電極および膜電極接合体の製造工程に
おける安全性や最終製品に微量に残存した場合の安全
性、製品を廃棄処理する上での安全性等を低下させる恐
れがあった。または、それらの安全性を確保するために
界面活性剤の溶剤抽出処理における廃液処理や熱処理装
置でのスクラバー装置など特別な処理工程、設備を必要
とし、コストを増大させる問題があった。
【０００８】ところが、上記エトキシル酸オクチルフェ
ノールなどのアルキルフェノール類を代表とする従来の
界面活性剤を用いなかった場合に、撥水性高分子やその
他の結着剤の分散が不十分で、撥水性高分子やその他の
結着剤が偏在し、電極が十分な撥水性または親水性の制
御ができなかった。また、十分な電極強度が確保できな
かった。
ノールなどのアルキルフェノール類を代表とする従来の
界面活性剤を用いなかった場合に、撥水性高分子やその
他の結着剤の分散が不十分で、撥水性高分子やその他の
結着剤が偏在し、電極が十分な撥水性または親水性の制
御ができなかった。また、十分な電極強度が確保できな
かった。
【０００９】さらに、撥水性高分子や結着剤が偏在して
いるために繊維化しやすく、撥水性高分子や結着剤と炭
素微粉末の混合溶液（以下、撥水層インク）の安定性が
低く、塗工、印刷などの製造プロセスにおいて、配管や
ポンプなどに撥水層インクの固まりが目詰まりや濃度変
化を起こし、塗着量バラツキや塗着不良を生じさせ、結
果的に電極の放電性能を低下させていた。
いるために繊維化しやすく、撥水性高分子や結着剤と炭
素微粉末の混合溶液（以下、撥水層インク）の安定性が
低く、塗工、印刷などの製造プロセスにおいて、配管や
ポンプなどに撥水層インクの固まりが目詰まりや濃度変
化を起こし、塗着量バラツキや塗着不良を生じさせ、結
果的に電極の放電性能を低下させていた。
【００１０】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、燃料電池の電極における撥水性分子量や結着剤など
の分散性を向上させるために用いられる界面活性剤を最
適化することによって、製品や製造工程の安全性が高
く、製造工程での塗着量バラツキや塗着不良が少なく、
低コストで高い放電性能を持つ固体高分子型燃料電池、
液体燃料電池および電極を提供することを目的とするも
のである。
で、燃料電池の電極における撥水性分子量や結着剤など
の分散性を向上させるために用いられる界面活性剤を最
適化することによって、製品や製造工程の安全性が高
く、製造工程での塗着量バラツキや塗着不良が少なく、
低コストで高い放電性能を持つ固体高分子型燃料電池、
液体燃料電池および電極を提供することを目的とするも
のである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の燃料電池は、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の裏表の両
面に配置した一対の電極とで単電池を構成し、前記電極
の一方に水素を含む燃料ガスを供給排出し、前記電極の
他方に酸化剤ガスを供給排出するためのガス供給溝を形
成した一対の導電性セパレータで、前記単電池を挟持し
た高分子電解質型燃料電池において、前記電極は前記水
素イオン伝導性高分子電解質膜と接触した触媒層と、前
記触媒層及び前記導電性セパレータに接触したガス拡散
層とを有し、前記電極の少なくとも一方に化２で表され
る化合物を配置したことを特徴とする燃料電池。
め本発明の燃料電池は、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の裏表の両
面に配置した一対の電極とで単電池を構成し、前記電極
の一方に水素を含む燃料ガスを供給排出し、前記電極の
他方に酸化剤ガスを供給排出するためのガス供給溝を形
成した一対の導電性セパレータで、前記単電池を挟持し
た高分子電解質型燃料電池において、前記電極は前記水
素イオン伝導性高分子電解質膜と接触した触媒層と、前
記触媒層及び前記導電性セパレータに接触したガス拡散
層とを有し、前記電極の少なくとも一方に化２で表され
る化合物を配置したことを特徴とする燃料電池。
【００１２】
【化２】
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は、電解質に高分子膜を用
い、前記電解質の両面に触媒層とその触媒層の外面にガ
ス拡散層を有する電極を備えた燃料電池において、少な
くとも一方の電極において使用される撥水性高分子もし
くは結着剤の分散に使用される界面活性剤に内分泌攪乱
作用物質を含まない界面活性剤を使用したことを特徴と
する。このような界面活性剤を検討した結果、（化２）
で示されるものを用いたとき、優れた特性を持つ電極が
得られることを見いだした。
い、前記電解質の両面に触媒層とその触媒層の外面にガ
ス拡散層を有する電極を備えた燃料電池において、少な
くとも一方の電極において使用される撥水性高分子もし
くは結着剤の分散に使用される界面活性剤に内分泌攪乱
作用物質を含まない界面活性剤を使用したことを特徴と
する。このような界面活性剤を検討した結果、（化２）
で示されるものを用いたとき、優れた特性を持つ電極が
得られることを見いだした。
【００１４】上記分子式を満たす界面活性剤を用いるこ
とによって、撥水性高分子やその他の結着剤が十分に分
散され、撥水性高分子やその他の結着剤が偏在すること
なく、電極が十分な撥水性または親水性の制御が可能と
なった。また、十分な電極強度が確保できた。さらに、
撥水性高分子や結着剤が偏在しないため、繊維化するこ
となく、撥水性高分子や結着剤と炭素微粉末の混合溶液
（以下、撥水層インク）の安定性が高く、塗工、印刷な
どの製造プロセスにおいて、配管やポンプなどに撥水層
インクの固まりが目詰まりや濃度変化が少なく、塗着量
バラツキや塗着不良が低減し、結果的に電極の放電性能
が向上するという作用を有する。
とによって、撥水性高分子やその他の結着剤が十分に分
散され、撥水性高分子やその他の結着剤が偏在すること
なく、電極が十分な撥水性または親水性の制御が可能と
なった。また、十分な電極強度が確保できた。さらに、
撥水性高分子や結着剤が偏在しないため、繊維化するこ
となく、撥水性高分子や結着剤と炭素微粉末の混合溶液
（以下、撥水層インク）の安定性が高く、塗工、印刷な
どの製造プロセスにおいて、配管やポンプなどに撥水層
インクの固まりが目詰まりや濃度変化が少なく、塗着量
バラツキや塗着不良が低減し、結果的に電極の放電性能
が向上するという作用を有する。
【００１５】また、従来、広く用いられている界面活性
剤のうち内分泌攪乱作用物質として疑われている物質の
多くがアルキルフェノール類に分類され、分子内にフェ
ノール基を持つ。これと比較して本発明はフェノール基
を含まないために内分泌攪乱作用が無く、混合、混練、
塗工、印刷などの製造プロセスにおいて、環境ホルモン
を含まないために製造工程における安全性が向上する。
また、安全性を確保するために界面活性剤の溶剤抽出処
理における廃液処理や熱処理装置でのスクラバー装置な
ど特別な処理工程、設備を必要としないため、製造コス
トが低減できる。さらに、最終製品に環境ホルモンが微
量に残存する恐れもないために製品の安全性が確保で
き、特別な廃棄処理の必要性がなくなるという作用を有
する。
剤のうち内分泌攪乱作用物質として疑われている物質の
多くがアルキルフェノール類に分類され、分子内にフェ
ノール基を持つ。これと比較して本発明はフェノール基
を含まないために内分泌攪乱作用が無く、混合、混練、
塗工、印刷などの製造プロセスにおいて、環境ホルモン
を含まないために製造工程における安全性が向上する。
また、安全性を確保するために界面活性剤の溶剤抽出処
理における廃液処理や熱処理装置でのスクラバー装置な
ど特別な処理工程、設備を必要としないため、製造コス
トが低減できる。さらに、最終製品に環境ホルモンが微
量に残存する恐れもないために製品の安全性が確保で
き、特別な廃棄処理の必要性がなくなるという作用を有
する。
【００１６】以上のように、本発明の構成により、結果
的に高い放電性能を持ち、かつ低コストな燃料電池が実
現できる。
的に高い放電性能を持ち、かつ低コストな燃料電池が実
現できる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の実施例を用いて具体的に説明
する。
する。
【００１８】（実施例１）アセチレンブラック（電気化
学工業製：デンカブラック）に、下記式で表される界面
活性剤とＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン製：ダイ
キン製：Ｄ−１Ｅ）をそれぞれ１０重量％、２０重量％
混合して撥水層インクを作成し、カーボンペーパ（東レ
製：ＴＧＰＨ０６０Ｈ）の表面に塗工し、空気雰囲気に
おいて熱風乾燥機で３５０℃で熱処理してガス拡散層を
形成した。
学工業製：デンカブラック）に、下記式で表される界面
活性剤とＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン製：ダイ
キン製：Ｄ−１Ｅ）をそれぞれ１０重量％、２０重量％
混合して撥水層インクを作成し、カーボンペーパ（東レ
製：ＴＧＰＨ０６０Ｈ）の表面に塗工し、空気雰囲気に
おいて熱風乾燥機で３５０℃で熱処理してガス拡散層を
形成した。
【００１９】
【化３】
【００２０】つぎに、３０ｎｍの平均一次粒子径を持つ
導電性カ−ボン粒子であるケッチェンブラックＥＣ（オ
ランダ国、ＡＫＺＯ Ｃｈｅｍｉｅ社）に、平均粒径約
３０Åの白金粒子を５０重量％担持したものを、空気極
側の触媒担持粒子とした。また、ケッチェンブラックＥ
Ｃに、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子と
を、それぞれ２５重量％担持したものを燃料極側の触媒
担持粒子とした。
導電性カ−ボン粒子であるケッチェンブラックＥＣ（オ
ランダ国、ＡＫＺＯ Ｃｈｅｍｉｅ社）に、平均粒径約
３０Åの白金粒子を５０重量％担持したものを、空気極
側の触媒担持粒子とした。また、ケッチェンブラックＥ
Ｃに、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子と
を、それぞれ２５重量％担持したものを燃料極側の触媒
担持粒子とした。
【００２１】つぎに、この触媒担持粒子と水素イオン伝
導性高分子電解質の溶液とを混合し、触媒ぺーストを作
成した。このとき、触媒担持粒子と水素イオン伝導性高
分子電解質との混合比は９６：４重量比とした。また、
水素イオン伝導性高分子電解質はパーフルオロカーボン
スルホン酸（旭硝子社製フレミオン）を用いた。
導性高分子電解質の溶液とを混合し、触媒ぺーストを作
成した。このとき、触媒担持粒子と水素イオン伝導性高
分子電解質との混合比は９６：４重量比とした。また、
水素イオン伝導性高分子電解質はパーフルオロカーボン
スルホン酸（旭硝子社製フレミオン）を用いた。
【００２２】つぎに、上記のガス拡散層の片側の表面
と、水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン
社、ナフィオン１１２）の両面とに、上記の触媒ぺース
トを印刷した。燃料極側のガス拡散層と空気極側のガス
拡散層とを、水素イオン伝導性高分子電解質膜を中心と
して触媒ぺースト面どうしが合うように重ね合わせ、ホ
ットプレス方で接合することで、電極電解質膜接合体
（ＭＥＡ）を作成した。これをＭＥＡ１とする。ＭＥＡ
の作成では、ガスリ−クを防止するため、ガス拡散層よ
り水素イオン伝導性高分子電解質膜を大きくした。
と、水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン
社、ナフィオン１１２）の両面とに、上記の触媒ぺース
トを印刷した。燃料極側のガス拡散層と空気極側のガス
拡散層とを、水素イオン伝導性高分子電解質膜を中心と
して触媒ぺースト面どうしが合うように重ね合わせ、ホ
ットプレス方で接合することで、電極電解質膜接合体
（ＭＥＡ）を作成した。これをＭＥＡ１とする。ＭＥＡ
の作成では、ガスリ−クを防止するため、ガス拡散層よ
り水素イオン伝導性高分子電解質膜を大きくした。
【００２３】また、同様に、界面活性剤としてエトキシ
ル酸オクチルフェノールであるトライトン Ｘ−１００
（長瀬産業）とＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン
製：Ｄ−１）を用い、その他の構成は同一としてＭＥＡ
を作成した。これを比較例としてＭＥＡ２とする。
ル酸オクチルフェノールであるトライトン Ｘ−１００
（長瀬産業）とＰＴＦＥディスパージョン（ダイキン
製：Ｄ−１）を用い、その他の構成は同一としてＭＥＡ
を作成した。これを比較例としてＭＥＡ２とする。
【００２４】次に、以上のように作成したＭＥＡの水素
イオン伝導性高分子電解質膜の外周部にゴム製のガスケ
ット板を接合し、冷却水と燃料ガス及び酸化剤ガス流通
用のマニホールド穴を形成した。
イオン伝導性高分子電解質膜の外周部にゴム製のガスケ
ット板を接合し、冷却水と燃料ガス及び酸化剤ガス流通
用のマニホールド穴を形成した。
【００２５】次に、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが
１．３ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深さが０．５
ｍｍの樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレーターを準備
し、セパレータ２枚を用い、ＭＥＡシートの一方の面に
酸化剤ガス流路が形成されたセパレーターを、裏面に燃
料ガス流路が形成されたセパレーターを重ね合わせ、こ
れを単電池とした。この単電池を２セル積層した後、冷
却水路溝を形成したセパレータでこの２セル積層電池を
挟み込み、このパターンを繰り返して１００セル積層の
電池スタックを作成した。この時、電池スタックの両端
部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁
板、さらに端板と締結ロッドで固定した。この時の締結
圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とし
た。
１．３ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深さが０．５
ｍｍの樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレーターを準備
し、セパレータ２枚を用い、ＭＥＡシートの一方の面に
酸化剤ガス流路が形成されたセパレーターを、裏面に燃
料ガス流路が形成されたセパレーターを重ね合わせ、こ
れを単電池とした。この単電池を２セル積層した後、冷
却水路溝を形成したセパレータでこの２セル積層電池を
挟み込み、このパターンを繰り返して１００セル積層の
電池スタックを作成した。この時、電池スタックの両端
部には、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁
板、さらに端板と締結ロッドで固定した。この時の締結
圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とし
た。
【００２６】以上の方法で作成した電池で、ＭＥＡ１、
ＭＥＡ２を用いたものをそれぞれ電池１、電池２とす
る。
ＭＥＡ２を用いたものをそれぞれ電池１、電池２とす
る。
【００２７】以上の電池の燃料極に純水素ガスを、空気
極に空気をそれぞれ供給し、電池温度を７５℃、燃料ガ
ス利用率（Ｕｆ）を７０％、空気利用率（Ｕｏ）を４０
％とし、ガス加湿は燃料ガスを６０〜７０℃、空気を４
５〜７０℃のバブラーをそれぞれ通して行うことで、電
池の放電試験を行った。
極に空気をそれぞれ供給し、電池温度を７５℃、燃料ガ
ス利用率（Ｕｆ）を７０％、空気利用率（Ｕｏ）を４０
％とし、ガス加湿は燃料ガスを６０〜７０℃、空気を４
５〜７０℃のバブラーをそれぞれ通して行うことで、電
池の放電試験を行った。
【００２８】電池１における界面活性剤の化学式のパラ
メータＲ1、Ｒ2、ｌ、ｍと電池の電流密度０．２ｍＡ／
ｃｍ2における電池電圧との関係を表１から表１０に示
した。
メータＲ1、Ｒ2、ｌ、ｍと電池の電流密度０．２ｍＡ／
ｃｍ2における電池電圧との関係を表１から表１０に示
した。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】
【表３】
【００３２】
【表４】
【００３３】
【表５】
【００３４】
【表６】
【００３５】
【表７】
【００３６】
【表８】
【００３７】
【表９】
【００３８】
【表１０】
【００３９】
【表１１】
【００４０】
【表１２】
【００４１】
【表１３】
【００４２】その結果、式中Ｒ1およびＲ2は、炭素数５
以上１５以下のアルキル基または水素であり、ｌおよび
ｍが、０≦ｌ、ｍ≦５かつ１≦ｌ＋ｍ≦５の正数の場合
放電性能が高く、各パラメータがそれぞれこの範囲以外
の場合が５００ｍＶ以下の特性であったのに比較して、
７００ｍＶ以上の高性能が得られた。
以上１５以下のアルキル基または水素であり、ｌおよび
ｍが、０≦ｌ、ｍ≦５かつ１≦ｌ＋ｍ≦５の正数の場合
放電性能が高く、各パラメータがそれぞれこの範囲以外
の場合が５００ｍＶ以下の特性であったのに比較して、
７００ｍＶ以上の高性能が得られた。
【００４３】また、従来一般的に用いられている界面活
性剤を使用した電池２も同様の放電試験を行ったところ
７３５ｍＶの特性が得られた。
性剤を使用した電池２も同様の放電試験を行ったところ
７３５ｍＶの特性が得られた。
【００４４】（実施例２）また、電池１、電池２に２ｍ
ｏｌ／ｌのメタノール水溶液を温度６０℃で供給し、電
池温度を７５℃、空気利用率（Ｕｏ）を４０％の条件
で、空気を４５〜７０℃のバブラーをそれぞれ通して供
給し、直接型メタノール燃料電池として電池の放電試験
を行った。
ｏｌ／ｌのメタノール水溶液を温度６０℃で供給し、電
池温度を７５℃、空気利用率（Ｕｏ）を４０％の条件
で、空気を４５〜７０℃のバブラーをそれぞれ通して供
給し、直接型メタノール燃料電池として電池の放電試験
を行った。
【００４５】その結果を、電池１における界面活性剤の
化学式のパラメータＲ1、Ｒ2、ｌ、ｍと電池の電流密度
０．０５ｍＡ／ｃｍ2における電池電圧との関係を表１
１から表２０に示した。
化学式のパラメータＲ1、Ｒ2、ｌ、ｍと電池の電流密度
０．０５ｍＡ／ｃｍ2における電池電圧との関係を表１
１から表２０に示した。
【００４６】
【表１４】
【００４７】
【表１５】
【００４８】
【表１６】
【００４９】
【表１７】
【００５０】
【表１８】
【００５１】
【表１９】
【００５２】
【表２０】
【００５３】
【表２１】
【００５４】
【表２２】
【００５５】
【表２３】
【００５６】
【表２４】
【００５７】
【表２５】
【００５８】
【表２６】
【００５９】その結果、式中Ｒ1およびＲ2は、炭素数５
以上１５以下のアルキル基または水素であり、ｌおよび
ｍが、０≦ｌ、ｍ≦５かつ１≦ｌ＋ｍ≦５の正数の場合
放電性能が高く、各パラメータがそれぞれこの範囲以外
の場合に比較して、すべて４００ｍＶ以上の高性能が得
られた。
以上１５以下のアルキル基または水素であり、ｌおよび
ｍが、０≦ｌ、ｍ≦５かつ１≦ｌ＋ｍ≦５の正数の場合
放電性能が高く、各パラメータがそれぞれこの範囲以外
の場合に比較して、すべて４００ｍＶ以上の高性能が得
られた。
【００６０】また、従来一般的に用いられている界面活
性剤を使用した電池２も同様の放電試験を行ったところ
４１５ｍＶの特性が得られた。
性剤を使用した電池２も同様の放電試験を行ったところ
４１５ｍＶの特性が得られた。
【００６１】以上のように、本発明の界面活性剤を用い
れば、撥水性高分子の分散性を損なうことなく、内分泌
攪乱作用物質を含む従来の界面活性剤と同等以上の特性
が確保する事ができた。
れば、撥水性高分子の分散性を損なうことなく、内分泌
攪乱作用物質を含む従来の界面活性剤と同等以上の特性
が確保する事ができた。
【００６２】（実施例３）本発明の化学式１の界面活性
剤と従来例の界面活性剤、エトキシル酸オクチルフェノ
ールであるトライトン Ｘ−１００（長瀬産業）を空気
中で室温から３００℃に昇温、１２０分保持後、４００
℃まで加熱、冷却して熱分解挙動分析（ＴＧ−ＭＳ）と
残留物の赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）を行った。
剤と従来例の界面活性剤、エトキシル酸オクチルフェノ
ールであるトライトン Ｘ−１００（長瀬産業）を空気
中で室温から３００℃に昇温、１２０分保持後、４００
℃まで加熱、冷却して熱分解挙動分析（ＴＧ−ＭＳ）と
残留物の赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）を行った。
【００６３】その結果、本発明と従来例の界面活性剤の
残留量は、それぞれ初期量に対して約０．０９重量％、
約１．１重量％であった。また、本発明品が単純な炭化
水素成分であったのと比較して、従来品はベンゼン環構
造の成分が検出され、明らかにフェノール基が残留して
いることがわかった。この結果は、通常行われている熱
風乾燥機で２９０〜３８０℃で熱処理では、従来の界面
活性剤は分解しきれず、問題となっているフェノール基
が残留することを示している。
残留量は、それぞれ初期量に対して約０．０９重量％、
約１．１重量％であった。また、本発明品が単純な炭化
水素成分であったのと比較して、従来品はベンゼン環構
造の成分が検出され、明らかにフェノール基が残留して
いることがわかった。この結果は、通常行われている熱
風乾燥機で２９０〜３８０℃で熱処理では、従来の界面
活性剤は分解しきれず、問題となっているフェノール基
が残留することを示している。
【００６４】したがって、従来の界面活性剤を用いたＭ
ＥＡおよび電極は、上記のような通常行われている熱処
理工程では、環境ホルモン成分が除去仕切れず製品に残
留するため、製品の廃棄処理時に環境ホルモン成分を安
全に処理するための特別な処理工程を必要とする。しか
し、本発明の界面活性剤を用いたＭＥＡおよび電極は、
単純な熱処理工程において界面活性剤が除去され、問題
となる成分の残留物も無いことから、製品の安全性を確
保することができ、製品の廃棄時にも特別な処理工程を
ライフサイクルをふまえたトータルコストが低減でき
る。
ＥＡおよび電極は、上記のような通常行われている熱処
理工程では、環境ホルモン成分が除去仕切れず製品に残
留するため、製品の廃棄処理時に環境ホルモン成分を安
全に処理するための特別な処理工程を必要とする。しか
し、本発明の界面活性剤を用いたＭＥＡおよび電極は、
単純な熱処理工程において界面活性剤が除去され、問題
となる成分の残留物も無いことから、製品の安全性を確
保することができ、製品の廃棄時にも特別な処理工程を
ライフサイクルをふまえたトータルコストが低減でき
る。
【００６５】なお、本実施例において燃料の一例とし
て、水素とメタノールを用いたが、水素は改質水素とし
て炭酸ガスや窒素、一酸化炭素などの不純物を含む燃料
においても同様の結果が得られ、メタノールの代わりに
エタノール、ジメチルエーテルなどの液体燃料およびそ
の混合物を用いても同様の結果が得られた。また、液体
燃料はあらかじめ蒸発させ、上記として供給してもよ
い。
て、水素とメタノールを用いたが、水素は改質水素とし
て炭酸ガスや窒素、一酸化炭素などの不純物を含む燃料
においても同様の結果が得られ、メタノールの代わりに
エタノール、ジメチルエーテルなどの液体燃料およびそ
の混合物を用いても同様の結果が得られた。また、液体
燃料はあらかじめ蒸発させ、上記として供給してもよ
い。
【００６６】さらに、本実施例の拡散層の構成は、実施
例に示した炭素微粉末やカーボンペーパーに限定される
ものではなく、他のカーボンブラックやカーボンクロス
を用いた場合にも効果があった。
例に示した炭素微粉末やカーボンペーパーに限定される
ものではなく、他のカーボンブラックやカーボンクロス
を用いた場合にも効果があった。
【００６７】さらに、本実施例の構成は、実施例の触媒
層や膜の構成に限定されるものではなく種々の触媒層の
構成にも効果があった。
層や膜の構成に限定されるものではなく種々の触媒層の
構成にも効果があった。
【００６８】さらに、本発明の固体高分子電解質と電極
との接合体を用いて、酸素、オゾン、水素などのガス発
生機やガス精製機及び酸素センサ、アルコールセンサな
どの各種ガスセンサーへの応用も効果がある。
との接合体を用いて、酸素、オゾン、水素などのガス発
生機やガス精製機及び酸素センサ、アルコールセンサな
どの各種ガスセンサーへの応用も効果がある。
【００６９】
【発明の効果】以上、実施例の説明から明らかなよう
に、燃料電池の電極における撥水性分子量や結着剤など
の分散性を向上させるために用いられる界面活性剤を最
適化することによって、製品や製造工程の安全性が高
く、製造工程での塗着量バラツキや塗着不良が少なく、
低コストで高い放電性能を持つ固体高分子型燃料電池、
液体燃料電池および電極を実現することができた。
に、燃料電池の電極における撥水性分子量や結着剤など
の分散性を向上させるために用いられる界面活性剤を最
適化することによって、製品や製造工程の安全性が高
く、製造工程での塗着量バラツキや塗着不良が少なく、
低コストで高い放電性能を持つ固体高分子型燃料電池、
液体燃料電池および電極を実現することができた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 昭彦 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 BB01 BB03 BB08 BB12 CC06 DD08 EE03 EE08 EE18 5H026 AA06 CC03 CX05
Claims (1)
- 【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の裏表の両面に配置
した一対の電極とで単電池を構成し、前記電極の一方に
水素を含む燃料ガスを供給排出し、前記電極の他方に酸
化剤ガスを供給排出するためのガス供給溝を形成した一
対の導電性セパレータで、前記単電池を挟持した高分子
電解質型燃料電池において、前記電極は前記水素イオン
伝導性高分子電解質膜と接触した触媒層と、前記触媒層
及び前記導電性セパレータに接触したガス拡散層とを有
し、前記電極の少なくとも一方に化１で表される化合物
を配置したことを特徴とする燃料電池。 【化１】
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001073730A JP2002280005A (ja) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | 燃料電池 |
| DE60234245T DE60234245D1 (de) | 2001-03-07 | 2002-03-05 | Polymer-elektrolyttyp-brennstoffzelle und verfahren zur herstellung |
| KR10-2002-7014879A KR100486936B1 (ko) | 2001-03-07 | 2002-03-05 | 고분자 전해질형 연료전지 및 그 제조방법 |
| EP02702747A EP1367662B1 (en) | 2001-03-07 | 2002-03-05 | Polymer electrolyte type fuel cell and process for producing the same |
| AT02702747T ATE447775T1 (de) | 2001-03-07 | 2002-03-05 | Polymer-elektrolyttyp-brennstoffzelle und verfahren zur herstellung |
| CNB028015134A CN1268016C (zh) | 2001-03-07 | 2002-03-05 | 高分子电解质型燃料电池 |
| PCT/JP2002/002044 WO2002071516A1 (fr) | 2001-03-07 | 2002-03-05 | Pile a combustible de type a electrolyte polymere et son procede de production |
| US10/372,945 US7316860B2 (en) | 2001-03-07 | 2003-02-26 | Polymer electrolyte fuel cell and production method of the same |
| US11/984,907 US20080085440A1 (en) | 2001-03-07 | 2007-11-26 | Polymer electrolyte fuel cell and production method of the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001073730A JP2002280005A (ja) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002280005A true JP2002280005A (ja) | 2002-09-27 |
Family
ID=18931110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001073730A Pending JP2002280005A (ja) | 2001-03-07 | 2001-03-15 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002280005A (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0770782A (ja) * | 1993-04-26 | 1995-03-14 | E I Du Pont De Nemours & Co | 膜と電極の構造物 |
| JPH08236123A (ja) * | 1994-12-28 | 1996-09-13 | Tokyo Gas Co Ltd | 燃料電池用電極及びその製造方法 |
| JPH09180727A (ja) * | 1995-12-27 | 1997-07-11 | Tokyo Gas Co Ltd | 燃料電池用電極、その製造方法及び装置 |
| JPH09274924A (ja) * | 1996-02-05 | 1997-10-21 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池用電極構造体の製造方法 |
| JP2000067873A (ja) * | 1998-08-20 | 2000-03-03 | Degussa Huels Ag | 基板材料上の高分子電解質燃料電池用触媒層、該触媒層を製造するためのインキ、触媒層の製造方法、ガス拡散電極、膜触媒アセンブリ―、膜電極アセンブリ― |
| WO2001017047A1 (fr) * | 1999-08-27 | 2001-03-08 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Cellule electrochimique de type a electrolyte polymerique |
-
2001
- 2001-03-15 JP JP2001073730A patent/JP2002280005A/ja active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0770782A (ja) * | 1993-04-26 | 1995-03-14 | E I Du Pont De Nemours & Co | 膜と電極の構造物 |
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| JP2000067873A (ja) * | 1998-08-20 | 2000-03-03 | Degussa Huels Ag | 基板材料上の高分子電解質燃料電池用触媒層、該触媒層を製造するためのインキ、触媒層の製造方法、ガス拡散電極、膜触媒アセンブリ―、膜電極アセンブリ― |
| WO2001017047A1 (fr) * | 1999-08-27 | 2001-03-08 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Cellule electrochimique de type a electrolyte polymerique |
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