JP2002539596A - ガス拡散基材 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
多孔性構造と、フィラー物質を含んでなり、フィラー物質が、導電性および炭素質である基礎フィラー物質と、基礎フィラー物質と比較して本質的に親水性である１以上の改質剤物質とを含んでなることを特徴とする、新規なガス拡散基材；前記基材を含んでなる多孔性ガス拡散電極、および燃料電池における前記基材または電極の使用。
Description
【０００１】 本発明は、電気化学的装置において利用でき、例えば燃料電池において使用で
きる、新規な多孔性ガス拡散基材および多孔性ガス拡散電極、並びにこの基材お
よび電極の製造方法に関する。
きる、新規な多孔性ガス拡散基材および多孔性ガス拡散電極、並びにこの基材お
よび電極の製造方法に関する。
【０００２】 電気化学的電池は、必ず、その基本的な水準において、固体もしくは液体の電
解質、および２つの電極、すなわち、アノードとカソード、を含んでなるもので
あって、これらの電極において、所望の電気化学的反応が生じる。ガス拡散電極
は、電気化学的装置の製品において使用され、ここにおいて、ガス反応体および
／またはガス生成物は、電池電極構造の１つの中におよび／または外へ拡散され
なければならない。これらは、反応体と電解質間の接触を最適化して反応速度を
最大限にするように設計されている。電気触媒は、しばしばガス拡散電極の中に
組み入れられて、所望の電極反応の速度を増加させる。
解質、および２つの電極、すなわち、アノードとカソード、を含んでなるもので
あって、これらの電極において、所望の電気化学的反応が生じる。ガス拡散電極
は、電気化学的装置の製品において使用され、ここにおいて、ガス反応体および
／またはガス生成物は、電池電極構造の１つの中におよび／または外へ拡散され
なければならない。これらは、反応体と電解質間の接触を最適化して反応速度を
最大限にするように設計されている。電気触媒は、しばしばガス拡散電極の中に
組み入れられて、所望の電極反応の速度を増加させる。
【０００３】 ガス拡散電極は、金属空気電池、電気化学的ガスセンサー、有用な化学化合物
の電気合成を包含する多種多様な電気化学的装置、特に燃料電池において使用さ
れる。従来、ガス拡散電極は、多数の成分を含んでなり、かつ、典型的には、こ
れらの成分の、一層、二層またはより多数の層で構成されている。典型的には、
ガス拡散電極は、一層以上の電気触媒含有層を含んでなるものであろうし、それ
は剛性のある多孔性基材層の上に支持されている。
の電気合成を包含する多種多様な電気化学的装置、特に燃料電池において使用さ
れる。従来、ガス拡散電極は、多数の成分を含んでなり、かつ、典型的には、こ
れらの成分の、一層、二層またはより多数の層で構成されている。典型的には、
ガス拡散電極は、一層以上の電気触媒含有層を含んでなるものであろうし、それ
は剛性のある多孔性基材層の上に支持されている。
【０００４】 燃料電池は、その燃料の貯蔵された化学的エネルギーを電気エネルギーに効率
よく変換するエネルギー変換装置である。エネルギー交換は、気体として貯蔵さ
れた水素、または液体若しくは気体として貯蔵されたメタノールのいずれかを、
酸素と組み合わせて電力を発生させることによって起こる。水素またはメタノー
ルはアノードにおいて酸化され、そして酸素はカソードにおいて還元される。双
方の電極はガス拡散型である。電解質は、双方の電極に接触していなければなら
ず、かつ、性質として、酸性またはアルカリ性、液体または固体であってもよい
。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）において、電解質は、通常、過フルオ
ロスルホン酸物質に基づいた固体プロトン伝導性ポリマー膜であり、また、膜と
２つのガス拡散電極から形成される結合構造は、膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）
として知られている。あるいは、ＭＥＡは２つの多孔性ガス拡散基材と、両面に
触媒作用を及ぼした固体プロトン伝導性ポリマー膜とから形成してもよいし、ま
たは、ＭＥＡは１つのガス拡散電極と、１つのガス拡散基材と、ガス拡散基材に
面した側面に触媒作用を及ぼした固体プロトン伝導性ポリマーとから形成しても
よい。アノードガス拡散電極または基材は、多孔性で、かつ反応体水素またはメ
タノールが反応体燃料供給物に曝されている電極または基材の表面から進入でき
るように設計され、かつ、電極または基材の厚みを通って、電気触媒、通常白金
金属系のもの、を含有する反応サイトに拡散し、水素またはメタノールの電気化
学的酸化を最大限にするように設計されている。アノードもまた、電解質に曝さ
れている電極または基材の表面を通って電解質が浸透し、そしてまた同一の反応
サイトに接触するように設計されている。酸性型電解質を伴うアノード反応の生
成物はプロトンであって、この場合、これらは、アノード反応サイトから、電解
質を通って、カソードガス拡散電極または基材へ効率よく輸送されることができ
る。カソードもまた多孔性のものとして設計されており、これにより酸素または
空気は電極または基材に進入し、反応サイトまで拡散する。通常、電気触媒を再
び組み入れて、プロトンと酸素が結合し、水が生成されるカソード反応サイトに
おける反応速度を最大限にする。その後、生成水をカソード構造から外へ拡散し
なければならない。カソードの構造は、生成水の効率的な除去を可能とするため
に設計されなければならない。水がカソード内で増加した場合、反応体酸素が反
応サイトへ拡散することがより困難になり、それによって燃料電池の性能は低下
する。メタノール燃料供給型ＰＥＭＦＣの場合、メタノール中の含有水のために
追加の水が存在し、それは膜を通ってアノードからカソード側へ輸送される。カ
ソードにおける増加した水量を除去する必要がある。しかしながら、過剰の水が
カソード構造から除去されると、膜は乾いてしまい、その結果、燃料電池の性能
が著しく低下するということが、プロトン伝導性膜電解質の場合にもまたありう
る。
よく変換するエネルギー変換装置である。エネルギー交換は、気体として貯蔵さ
れた水素、または液体若しくは気体として貯蔵されたメタノールのいずれかを、
酸素と組み合わせて電力を発生させることによって起こる。水素またはメタノー
ルはアノードにおいて酸化され、そして酸素はカソードにおいて還元される。双
方の電極はガス拡散型である。電解質は、双方の電極に接触していなければなら
ず、かつ、性質として、酸性またはアルカリ性、液体または固体であってもよい
。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）において、電解質は、通常、過フルオ
ロスルホン酸物質に基づいた固体プロトン伝導性ポリマー膜であり、また、膜と
２つのガス拡散電極から形成される結合構造は、膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）
として知られている。あるいは、ＭＥＡは２つの多孔性ガス拡散基材と、両面に
触媒作用を及ぼした固体プロトン伝導性ポリマー膜とから形成してもよいし、ま
たは、ＭＥＡは１つのガス拡散電極と、１つのガス拡散基材と、ガス拡散基材に
面した側面に触媒作用を及ぼした固体プロトン伝導性ポリマーとから形成しても
よい。アノードガス拡散電極または基材は、多孔性で、かつ反応体水素またはメ
タノールが反応体燃料供給物に曝されている電極または基材の表面から進入でき
るように設計され、かつ、電極または基材の厚みを通って、電気触媒、通常白金
金属系のもの、を含有する反応サイトに拡散し、水素またはメタノールの電気化
学的酸化を最大限にするように設計されている。アノードもまた、電解質に曝さ
れている電極または基材の表面を通って電解質が浸透し、そしてまた同一の反応
サイトに接触するように設計されている。酸性型電解質を伴うアノード反応の生
成物はプロトンであって、この場合、これらは、アノード反応サイトから、電解
質を通って、カソードガス拡散電極または基材へ効率よく輸送されることができ
る。カソードもまた多孔性のものとして設計されており、これにより酸素または
空気は電極または基材に進入し、反応サイトまで拡散する。通常、電気触媒を再
び組み入れて、プロトンと酸素が結合し、水が生成されるカソード反応サイトに
おける反応速度を最大限にする。その後、生成水をカソード構造から外へ拡散し
なければならない。カソードの構造は、生成水の効率的な除去を可能とするため
に設計されなければならない。水がカソード内で増加した場合、反応体酸素が反
応サイトへ拡散することがより困難になり、それによって燃料電池の性能は低下
する。メタノール燃料供給型ＰＥＭＦＣの場合、メタノール中の含有水のために
追加の水が存在し、それは膜を通ってアノードからカソード側へ輸送される。カ
ソードにおける増加した水量を除去する必要がある。しかしながら、過剰の水が
カソード構造から除去されると、膜は乾いてしまい、その結果、燃料電池の性能
が著しく低下するということが、プロトン伝導性膜電解質の場合にもまたありう
る。
【０００５】 従来、ＰＥＭＦＣにおいて使用されるガス多孔性基材は、高密度物質、例えば
剛性炭素繊維紙（すなわち、Toray Europe Ltd., 7 Old Park Lane, London, W1
Y4AD製、Toray TGP-H-60 もしくは TGP-H-90）または、織炭素布、例えばゾルテ
ク PWB-3 (Zoltek Corporation, 3101 McKelvey Road. St. Louis, Missouri 63
044)に基づいている。これらのような基材は通常、繊維網目内に埋め込まれた粒
子状物質で改質されており、また、しばしば表面まで被覆されている。典型的に
は、これらの粒状物質はカーボンブラックおよびポリマー混合物（最も頻繁に使
用されるポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥである）を含んで
なる。被覆または埋込を行うことによって、水分管理特性を改良し、触媒層に塗
布された連続表面を付与し、導電性を改良する。
剛性炭素繊維紙（すなわち、Toray Europe Ltd., 7 Old Park Lane, London, W1
Y4AD製、Toray TGP-H-60 もしくは TGP-H-90）または、織炭素布、例えばゾルテ
ク PWB-3 (Zoltek Corporation, 3101 McKelvey Road. St. Louis, Missouri 63
044)に基づいている。これらのような基材は通常、繊維網目内に埋め込まれた粒
子状物質で改質されており、また、しばしば表面まで被覆されている。典型的に
は、これらの粒状物質はカーボンブラックおよびポリマー混合物（最も頻繁に使
用されるポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥである）を含んで
なる。被覆または埋込を行うことによって、水分管理特性を改良し、触媒層に塗
布された連続表面を付与し、導電性を改良する。
【０００６】 最近、EP-A-0 791 974公報に開示されているように、繊維網目内に埋め込まれ
た粒子状物質を伴う、炭素繊維の不織網目（炭素繊維構造、例えばTechnical Fi
bre Products, Kendal, Cumbria, UK製、Optimat 203）を含んでなる多孔性基材
に基づく電極構造が、炭素繊維紙もしくは布に基づいた構造と同等の性能を示し
た。このタイプの不織物質に基づいた電極は、物質的に強固で、寸法安定性を有
し、かつ取り扱い可能な構造を、自動車の原動力用途に適合した費用で付与する
。
た粒子状物質を伴う、炭素繊維の不織網目（炭素繊維構造、例えばTechnical Fi
bre Products, Kendal, Cumbria, UK製、Optimat 203）を含んでなる多孔性基材
に基づく電極構造が、炭素繊維紙もしくは布に基づいた構造と同等の性能を示し
た。このタイプの不織物質に基づいた電極は、物質的に強固で、寸法安定性を有
し、かつ取り扱い可能な構造を、自動車の原動力用途に適合した費用で付与する
。
【０００７】 しかしながら、これらの電極は、ほとんどの条件下でかなり良く機能するが、
特に高い電流密度において作用する場合、水分管理特性を改質する柔軟性に欠け
る。この特性を制御することは、例えば温度、圧力、反応ガス流速度および反応
ガスの加湿レベルの様々な条件の範囲下で作用し得るＰＥＭＦＣの最適な機能を
確実にするのに極めて重要である。
特に高い電流密度において作用する場合、水分管理特性を改質する柔軟性に欠け
る。この特性を制御することは、例えば温度、圧力、反応ガス流速度および反応
ガスの加湿レベルの様々な条件の範囲下で作用し得るＰＥＭＦＣの最適な機能を
確実にするのに極めて重要である。
【０００８】 電気化学的反応中に生じる全ての輸送抵抗を最小限にし、電極構造に適切な変
化を与えることによって、ガス拡散電極の性能を改良する新しい試みがなされて
きた。例えば、１つの提案された方法は、電極基材に塗布されてなる前に触媒混
合物での気孔形成と、その後続いて、気孔形成物質を除去して気孔を残すための
電極処理とを包含するものである。このような方法は、１９９９年３月燃料電池
公報第６巻６頁およびEP-A-0 797 265公報において提案されている。しかしなが
ら、気孔形成の導入は、追加の処理工程、即ち、その後の気孔形成の除去が必要
であるという結果となり、したがって、製造および総費用において不利益となる
。その上、気孔形成物自体が電極の性能に対して有害であるため、気孔形成を完
全に除去することが必要とされるだろうし；完全な除去を確実にすることは困難
であろうし、また、何らかの形態の分析が、気孔形成が除去された範囲を測定す
るために必要となるため、さらに費用が追加される。
化を与えることによって、ガス拡散電極の性能を改良する新しい試みがなされて
きた。例えば、１つの提案された方法は、電極基材に塗布されてなる前に触媒混
合物での気孔形成と、その後続いて、気孔形成物質を除去して気孔を残すための
電極処理とを包含するものである。このような方法は、１９９９年３月燃料電池
公報第６巻６頁およびEP-A-0 797 265公報において提案されている。しかしなが
ら、気孔形成の導入は、追加の処理工程、即ち、その後の気孔形成の除去が必要
であるという結果となり、したがって、製造および総費用において不利益となる
。その上、気孔形成物自体が電極の性能に対して有害であるため、気孔形成を完
全に除去することが必要とされるだろうし；完全な除去を確実にすることは困難
であろうし、また、何らかの形態の分析が、気孔形成が除去された範囲を測定す
るために必要となるため、さらに費用が追加される。
【０００９】 本発明の目的は、例えば、優れたガス拡散特性保持するとともに水分管理特性
が著しく改良されたガス拡散電極における使用に適する、多孔性基材を提供する
。
が著しく改良されたガス拡散電極における使用に適する、多孔性基材を提供する
。
【００１０】 したがって、本発明は、多孔性構造と、フィラー物質とを含んでなり、フィラ
ー物質が、（ｉ）導電性および炭素質である基礎フィラー物質と、（ｉｉ）基礎
フィラー物質（ｉ）と比較して本質的に親水性である１以上の改質剤物質とを含
んでなることを特徴とする、ガス拡散基材を提供する。基礎フィラー物質は、ガ
ス拡散基材として利用される場合、適切なガス拡散および導電性を提供する目的
で、多孔性マトリックスを形成する。基礎フィラー物質はまた、構造の水分管理
特性を変化させる改質剤物質を維持するよう働く。
ー物質が、（ｉ）導電性および炭素質である基礎フィラー物質と、（ｉｉ）基礎
フィラー物質（ｉ）と比較して本質的に親水性である１以上の改質剤物質とを含
んでなることを特徴とする、ガス拡散基材を提供する。基礎フィラー物質は、ガ
ス拡散基材として利用される場合、適切なガス拡散および導電性を提供する目的
で、多孔性マトリックスを形成する。基礎フィラー物質はまた、構造の水分管理
特性を変化させる改質剤物質を維持するよう働く。
【００１１】 適切には、基礎フィラー物質は、粒状カーボンと１以上のポリマーとの混合物
を含んでなり、カーボンは適切には粉末の形態である。カーボン粉末は、一般に
アセチレンブラック、ファーネスブラック、ピッチ、コークスベース粉末および
これらの物質の黒鉛化形態と称される物質のいずれかであってよい。適切には、
天然および合成黒鉛の双方をこの用途に使用してよい。このような物質は単独ま
たは組合せのいずれかで使用してよい。基礎フィラー物質中の粒状カーボンは、
１以上のポリマーによって結束している。使用されるポリマー物質は、本質的な
電極構造特性、例えば、気孔サイズの分布、疎水性／親水性のバランス調整およ
びガス拡散層の物質的強度に寄与する。ポリマーは比較的疎水性であって、それ
によって基礎フィラー物質が完全な疎水性になることが好ましい。このようなポ
リマーの例として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレ
ン−プロピレン（ＦＥＰ）、二フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ヴィトンＡ
、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレンが挙げられる。好まし
いポリマーは、ＰＴＦＥまたはＦＥＰである。
を含んでなり、カーボンは適切には粉末の形態である。カーボン粉末は、一般に
アセチレンブラック、ファーネスブラック、ピッチ、コークスベース粉末および
これらの物質の黒鉛化形態と称される物質のいずれかであってよい。適切には、
天然および合成黒鉛の双方をこの用途に使用してよい。このような物質は単独ま
たは組合せのいずれかで使用してよい。基礎フィラー物質中の粒状カーボンは、
１以上のポリマーによって結束している。使用されるポリマー物質は、本質的な
電極構造特性、例えば、気孔サイズの分布、疎水性／親水性のバランス調整およ
びガス拡散層の物質的強度に寄与する。ポリマーは比較的疎水性であって、それ
によって基礎フィラー物質が完全な疎水性になることが好ましい。このようなポ
リマーの例として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレ
ン−プロピレン（ＦＥＰ）、二フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ヴィトンＡ
、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレンが挙げられる。好まし
いポリマーは、ＰＴＦＥまたはＦＥＰである。
【００１２】 フィラー物質は、さらに、電気触媒以外の触媒、例えば気相触媒を含んでなる
ことができ、この気相触媒は、燃料または酸化物供給流中に存在する汚染ガス、
例えば水素燃料中の一酸化炭素を、これが改質器から供給される際に除去するよ
うに設計されている。
ことができ、この気相触媒は、燃料または酸化物供給流中に存在する汚染ガス、
例えば水素燃料中の一酸化炭素を、これが改質器から供給される際に除去するよ
うに設計されている。
【００１３】 改質剤物質を基礎フィラー物質に添加し、構造の水分管理特性を変化させる。
１以上の改質剤物質は、基礎フィラー物質と比較して、本質的に疎水性である。
好ましくは、１以上の改質剤物質は、炭素、ガラス、シリカおよびセラミックに
基づくものであり、中空、多孔性、または固体、そしてより好ましくは本質的に
球状または繊維状物質である。本質的に球状という用語により、我々は、改質剤
物質が球状、円体形、楕円体形または球に近似する形状であってよいことを意味
する。繊維状という用語により、我々は、改質剤物質が繊維質、すなわち、その
長さが幅もしくは直径を著しく超えることを意味する；一般的に繊維は約３ｍｍ
以下である。改質剤物質の具体例には、炭素ウール、石英ウール、シリカマイク
ロファイバー、ブローンセラミック繊維、炭素微細球、ガラス微細球、コロイダ
ルシリカまたはフュームドシリカおよびゼオライトを包含する。
１以上の改質剤物質は、基礎フィラー物質と比較して、本質的に疎水性である。
好ましくは、１以上の改質剤物質は、炭素、ガラス、シリカおよびセラミックに
基づくものであり、中空、多孔性、または固体、そしてより好ましくは本質的に
球状または繊維状物質である。本質的に球状という用語により、我々は、改質剤
物質が球状、円体形、楕円体形または球に近似する形状であってよいことを意味
する。繊維状という用語により、我々は、改質剤物質が繊維質、すなわち、その
長さが幅もしくは直径を著しく超えることを意味する；一般的に繊維は約３ｍｍ
以下である。改質剤物質の具体例には、炭素ウール、石英ウール、シリカマイク
ロファイバー、ブローンセラミック繊維、炭素微細球、ガラス微細球、コロイダ
ルシリカまたはフュームドシリカおよびゼオライトを包含する。
【００１４】 多孔性構造は、織もしくは不織物質であるか、またはポリマーから形成されて
よい。例えば、多孔性構造は剛性炭素繊維紙、例えばToray紙、織炭素布、例え
ばゾルテック、または不織炭素繊維構造、例えばOptimat 203であってよい。も
しくは、多孔性構造は、ポリマー、例えばWO98/27606公報に記載されているよう
な膨張ポリマーメッシュから形成されてよい。
よい。例えば、多孔性構造は剛性炭素繊維紙、例えばToray紙、織炭素布、例え
ばゾルテック、または不織炭素繊維構造、例えばOptimat 203であってよい。も
しくは、多孔性構造は、ポリマー、例えばWO98/27606公報に記載されているよう
な膨張ポリマーメッシュから形成されてよい。
【００１５】 本発明によるガス拡散基材は、予備形成された多孔性構造を採用し、その後、
フィラー物質で隙間を塞ぐことによって製造されてもよい。少量のフィラー物質
は表面上に残存するかもしれないが、フィラー物質の大部分は、繊維構造の構造
に押し入れられる。あるいは、不織繊維構造が用いられる場合には、ガス拡散基
材は、連続製造技術、例えば製紙、押し出し、またはプルトルーションを適合さ
せることによって、単一工程方法で製造されてもよい。
フィラー物質で隙間を塞ぐことによって製造されてもよい。少量のフィラー物質
は表面上に残存するかもしれないが、フィラー物質の大部分は、繊維構造の構造
に押し入れられる。あるいは、不織繊維構造が用いられる場合には、ガス拡散基
材は、連続製造技術、例えば製紙、押し出し、またはプルトルーションを適合さ
せることによって、単一工程方法で製造されてもよい。
【００１６】 本発明の第二の態様は、上述したガス拡散基材と電気触媒物質を含んでなる、
ガス拡散電極を提供する。電気触媒物質をガス拡散基材の表面に薄い層として塗
布する。電気触媒物質のいくつかは、基材中にわずかに浸透してもよいし、残存
した物質は、基材の表面上に層を形成してもよい。電気触媒物質は、１以上の電
気触媒成分とポリマーとを含んでなる。好適なポリマーは、疎水性ポリマー、例
えばＰＴＦＥおよび／またはプロトン伝導性ポリマー、具体的にはNafion（商品
名）を包含する。電気触媒成分は、目的とする電気化学的反応の速度を促進また
は増進するが、反応によって変化することのない物質である、と定義される。電
気触媒成分は、ガス拡散電極を使用する用途に応じて選択する。それらは、例え
ば、分散した形態で炭素支持体上に支持されずまたは支持された貴金属もしくは
遷移金属の金属自体または金属酸化物；表面積の大きな微細粉もしくは繊維の形
態にある炭素もしくは有機錯体、またはそれらの選択的な組合せ、であってもよ
い。好適な電気触媒物質の例は、EP-A-0 731 520公報に記載されている。
ガス拡散電極を提供する。電気触媒物質をガス拡散基材の表面に薄い層として塗
布する。電気触媒物質のいくつかは、基材中にわずかに浸透してもよいし、残存
した物質は、基材の表面上に層を形成してもよい。電気触媒物質は、１以上の電
気触媒成分とポリマーとを含んでなる。好適なポリマーは、疎水性ポリマー、例
えばＰＴＦＥおよび／またはプロトン伝導性ポリマー、具体的にはNafion（商品
名）を包含する。電気触媒成分は、目的とする電気化学的反応の速度を促進また
は増進するが、反応によって変化することのない物質である、と定義される。電
気触媒成分は、ガス拡散電極を使用する用途に応じて選択する。それらは、例え
ば、分散した形態で炭素支持体上に支持されずまたは支持された貴金属もしくは
遷移金属の金属自体または金属酸化物；表面積の大きな微細粉もしくは繊維の形
態にある炭素もしくは有機錯体、またはそれらの選択的な組合せ、であってもよ
い。好適な電気触媒物質の例は、EP-A-0 731 520公報に記載されている。
【００１７】 本発明の第三の態様は、前述した、本発明によるガス拡散電極と、本発明の電
極であってもそうでなくてもよい第二のガス拡散電極と、固体ポリマー膜、例え
ばNafion（商品名）とを含んでなる、膜電極アセンブリーを提供する。あるいは
、本発明は、前述した、本発明によるガス拡散電極と、本発明による基材であっ
てもそうでなくてもよいガス拡散基材と、固体ポリマー膜、例えばNafion（商品
名）とを含んでなり、電気触媒層が、ガス拡散基材に面している膜の側面に塗布
されてなる、膜電極アセンブリーを提供する。あるいは、本発明は、前述した、
本発明によるガス拡散基材と、本発明による電極であってもそうでなくてもよい
ガス拡散電極と、固体ポリマー膜、例えばNafion（商品名）とを含んでなり、電
気触媒層が、膜のガス拡散基材に面している側に塗布されてなる、膜電極アセン
ブリーを提供する。あるいは、本発明は、前述した、本発明によるガス拡散基材
と、本発明の基材であってもそうでなくてもよい第二のガス拡散基材と、固体ポ
リマー膜、例えばNafion（商品名）とを含んでなり、電気触媒層が固体ポリマー
膜の両面に塗布されてなる、膜電極アセンブリーを提供する。
極であってもそうでなくてもよい第二のガス拡散電極と、固体ポリマー膜、例え
ばNafion（商品名）とを含んでなる、膜電極アセンブリーを提供する。あるいは
、本発明は、前述した、本発明によるガス拡散電極と、本発明による基材であっ
てもそうでなくてもよいガス拡散基材と、固体ポリマー膜、例えばNafion（商品
名）とを含んでなり、電気触媒層が、ガス拡散基材に面している膜の側面に塗布
されてなる、膜電極アセンブリーを提供する。あるいは、本発明は、前述した、
本発明によるガス拡散基材と、本発明による電極であってもそうでなくてもよい
ガス拡散電極と、固体ポリマー膜、例えばNafion（商品名）とを含んでなり、電
気触媒層が、膜のガス拡散基材に面している側に塗布されてなる、膜電極アセン
ブリーを提供する。あるいは、本発明は、前述した、本発明によるガス拡散基材
と、本発明の基材であってもそうでなくてもよい第二のガス拡散基材と、固体ポ
リマー膜、例えばNafion（商品名）とを含んでなり、電気触媒層が固体ポリマー
膜の両面に塗布されてなる、膜電極アセンブリーを提供する。
【００１８】 本発明のさらに別の態様は、本発明によるガス拡散基材を含んでなる、燃料電
池を提供する。また別の態様は、本発明によるガス拡散電極を含んでなる、燃料
電池を提供する。
池を提供する。また別の態様は、本発明によるガス拡散電極を含んでなる、燃料
電池を提供する。
【００１９】
本発明を、以下の（本発明による）例および（本発明によるものではない）比
較例を用いてさらに詳しく説明する。
較例を用いてさらに詳しく説明する。
【００２０】 本発明の物質は、特定用途の電気化学的電池において、アノードまたはカソー
ドのいずれか、または実際上、アノードおよびカソード双方、として利用するこ
とができる。下記の例において、これらの電極は、カソードとして膜電極アセン
ブリー（ＭＥＡｓ）に組み入れられ、アノード燃料としての水素と、カソード酸
化物としての空気もしくは純酸素とを伴うプロトン交換膜燃料電池において評価
される。水素を燃料として作用する電池において、電池性能（電圧）の低下が生
じるのは、ほとんどカソードにおいてである。ＭＥＡは、この業界において一般
的に実施されているように、アノードとカソードを、固体プロトン伝導性電解質
膜の各表面に対して熱加圧することによって製作した。
ドのいずれか、または実際上、アノードおよびカソード双方、として利用するこ
とができる。下記の例において、これらの電極は、カソードとして膜電極アセン
ブリー（ＭＥＡｓ）に組み入れられ、アノード燃料としての水素と、カソード酸
化物としての空気もしくは純酸素とを伴うプロトン交換膜燃料電池において評価
される。水素を燃料として作用する電池において、電池性能（電圧）の低下が生
じるのは、ほとんどカソードにおいてである。ＭＥＡは、この業界において一般
的に実施されているように、アノードとカソードを、固体プロトン伝導性電解質
膜の各表面に対して熱加圧することによって製作した。
【００２１】 アノードはより従来型であり、ＰＥＭＦＣにおいて現在広く利用されているも
のであった。それらは、従来の予めテフロン（登録商標）化された剛性伝導性炭
素繊維紙基材（Toray TGP-H-090)を含んでなるものであったが、この基材には、
Cabot Vulcan XC72R(Johnson Matthey Inc., New Jersey, USA)上に支持された
、白金２０ｗｔ％、ルテニウム１０ｗｔ％の触媒層が塗布されており、電極幾何
構造領域の電極白金添加量が０．２５ｍｇ／ｃｍ２であった。ＭＥＡは、電気化
学的に活性のある２４０ｃｍ２の幾何構造領域をもつＰＥＭＦＣ単一電池におい
て評価された。単一電池は黒鉛板から成り、黒鉛板にはフローフィールド（flow
-fields）が機械加工されて反応体ガスおよび加湿水が分布し、生成物を除去し
た。ＭＥＡは、フローフィールド板の間に位置していた。単一電池の作用は、試
験的機能をもたせる目的で調整された。燃料電池の「性能」は、標準的な操作手
順を用いて電圧と電流密度の関係を測定することによって評価された。他に言及
しない限り、これらの状態は、典型的には反応体ガス入口温度が８０℃、アノー
ドとカソード双方の反応体ガス圧力が３気圧、そして反応体化学量論値が水素に
関しては１．５、酸素に関しては１０．０であった。
のであった。それらは、従来の予めテフロン（登録商標）化された剛性伝導性炭
素繊維紙基材（Toray TGP-H-090)を含んでなるものであったが、この基材には、
Cabot Vulcan XC72R(Johnson Matthey Inc., New Jersey, USA)上に支持された
、白金２０ｗｔ％、ルテニウム１０ｗｔ％の触媒層が塗布されており、電極幾何
構造領域の電極白金添加量が０．２５ｍｇ／ｃｍ２であった。ＭＥＡは、電気化
学的に活性のある２４０ｃｍ２の幾何構造領域をもつＰＥＭＦＣ単一電池におい
て評価された。単一電池は黒鉛板から成り、黒鉛板にはフローフィールド（flow
-fields）が機械加工されて反応体ガスおよび加湿水が分布し、生成物を除去し
た。ＭＥＡは、フローフィールド板の間に位置していた。単一電池の作用は、試
験的機能をもたせる目的で調整された。燃料電池の「性能」は、標準的な操作手
順を用いて電圧と電流密度の関係を測定することによって評価された。他に言及
しない限り、これらの状態は、典型的には反応体ガス入口温度が８０℃、アノー
ドとカソード双方の反応体ガス圧力が３気圧、そして反応体化学量論値が水素に
関しては１．５、酸素に関しては１０．０であった。
【００２２】比較例１ （本発明によるものではない） １７ｇ／ｍ２（０．０７ｇ／ｃｍ３相当）の密度を有する、予備形成された不
織炭素繊維構造（Technical Fibre Products, Kendal, Cumbria, UK 製、Optima
t 203）は、ＰＴＦＥで予備被覆されており、この予備被覆は、布を、水５００
重量部でのＰＴＦＥエマルション（ICI Fluon分散液 GP1)２０重量部の溶液に１
分間含浸し、その後排水し、乾燥させることによってなされた。被覆された炭素
繊維紙を空気中で３５０℃に加熱してＰＴＦＥを焼結した。
織炭素繊維構造（Technical Fibre Products, Kendal, Cumbria, UK 製、Optima
t 203）は、ＰＴＦＥで予備被覆されており、この予備被覆は、布を、水５００
重量部でのＰＴＦＥエマルション（ICI Fluon分散液 GP1)２０重量部の溶液に１
分間含浸し、その後排水し、乾燥させることによってなされた。被覆された炭素
繊維紙を空気中で３５０℃に加熱してＰＴＦＥを焼結した。
【００２３】 繊維網目内に埋め込むために用いる粒子状物質（基礎フィラー物質）を、アセ
チレンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan bl
ack）４７重量部を水１２００部に分散することによって用意した。これに、水
中での分散液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI製、Fluon分
散液 GP1、固形分６４ｗｔ％の懸濁液）を３重量部添加し、混合物を攪拌してＰ
ＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた物質を、高剪断ミキサ
ー（Silverson L4R)を用いて分散して平滑な混合物に生成した。
チレンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan bl
ack）４７重量部を水１２００部に分散することによって用意した。これに、水
中での分散液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI製、Fluon分
散液 GP1、固形分６４ｗｔ％の懸濁液）を３重量部添加し、混合物を攪拌してＰ
ＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた物質を、高剪断ミキサ
ー（Silverson L4R)を用いて分散して平滑な混合物に生成した。
【００２４】 粒子状物質を不織炭素繊維構造に一方から押しつけて、金属の縁を用いて水平
にした。その後シートを２００℃で１分間乾燥した。粒子状物質の別の薄い層を
同じ側に塗布し、構造物を２枚の濾紙の間に挟み、一組のローラーの間を通過さ
せて層を圧縮した。その後シートを２００℃で１分間乾燥した。そして工程をも
う一方の側についても繰り返した。炭素の添加量が３．３３ｍｇ／ｃｍ２に達す
るまで、粒子状物質の薄い層をシートのそれぞれの側にさらに塗布し、圧縮して
乾燥した。得られたガス拡散基材シートを空気中で３０分間、３００℃に加熱し
た。
にした。その後シートを２００℃で１分間乾燥した。粒子状物質の別の薄い層を
同じ側に塗布し、構造物を２枚の濾紙の間に挟み、一組のローラーの間を通過さ
せて層を圧縮した。その後シートを２００℃で１分間乾燥した。そして工程をも
う一方の側についても繰り返した。炭素の添加量が３．３３ｍｇ／ｃｍ２に達す
るまで、粒子状物質の薄い層をシートのそれぞれの側にさらに塗布し、圧縮して
乾燥した。得られたガス拡散基材シートを空気中で３０分間、３００℃に加熱し
た。
【００２５】 ガス拡散基材上に電気触媒層を形成するために用いる触媒物質を、EP-A-0 731
520公報に記載されている方法に従い、カーボンブラック（Johonson Matthey F
C40）上に４０重量％の白金１００重量部を９．５重量％のNafion（商品名）EW1
100（E I DuPont De Nemours & Co.）水性分散液３０部に分散することによって
用意した。粒子状触媒を、高剪断ミキサー（Silverson L4R)を用いて分散して平
滑なインクに生成した。
520公報に記載されている方法に従い、カーボンブラック（Johonson Matthey F
C40）上に４０重量％の白金１００重量部を９．５重量％のNafion（商品名）EW1
100（E I DuPont De Nemours & Co.）水性分散液３０部に分散することによって
用意した。粒子状触媒を、高剪断ミキサー（Silverson L4R)を用いて分散して平
滑なインクに生成した。
【００２６】 その後、触媒物質層を充填された不織ガス拡散基材の最上面に塗布し、白金添
加量を０．７１ｍｇ／ｃｍ２とした。電極は、膜電解質面に結合した白金電気触
媒層を伴って、ＭＥＡのカソードを形成した。利用した膜は、DuPont製 Nafion
（商品名）112であった。酸素により作用する単一電池の性能を図１に示す。
加量を０．７１ｍｇ／ｃｍ２とした。電極は、膜電解質面に結合した白金電気触
媒層を伴って、ＭＥＡのカソードを形成した。利用した膜は、DuPont製 Nafion
（商品名）112であった。酸素により作用する単一電池の性能を図１に示す。
【００２７】例１ １７ｇ／ｍ２（０．０７ｇ／ｃｍ３相当）の密度を有する、予備形成された不
織炭素繊維構造（Technical Fibre Products, Kendal, Cumbria, UK製、Optimat
203）は、ＰＴＦＥで予備被覆されており、この予備被覆は、この物質を連続ウ
ェブとして水３５０重量部でのＰＴＦＥエマルション（ICI製、Fluon分散液 GP1
、固形分６１％)２０重量部の再循環溶液を含有する浴液の中を通過させること
によっておこなった。ウェブの過剰な水を排水し、ウェブをトンネルオーブンの
中で１５０℃で乾燥した。被覆された炭素繊維紙を空気中、トンネルオーブン中
で３８５℃に加熱してＰＴＦＥを焼結した。
織炭素繊維構造（Technical Fibre Products, Kendal, Cumbria, UK製、Optimat
203）は、ＰＴＦＥで予備被覆されており、この予備被覆は、この物質を連続ウ
ェブとして水３５０重量部でのＰＴＦＥエマルション（ICI製、Fluon分散液 GP1
、固形分６１％)２０重量部の再循環溶液を含有する浴液の中を通過させること
によっておこなった。ウェブの過剰な水を排水し、ウェブをトンネルオーブンの
中で１５０℃で乾燥した。被覆された炭素繊維紙を空気中、トンネルオーブン中
で３８５℃に加熱してＰＴＦＥを焼結した。
【００２８】 繊維網目内に埋め込むために用いる粒子状物質（「基礎フィラー物質」）を、
アセチレンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawiniga
n black）８４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中で
の分散液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon分散液 GP
1、固形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し、加
熱してＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質に、
Eccosphere（商品名）ガラス微細球（New Metals & Chemicals Ltd., Waltham A
bbey, Essex, UK製、SDT-60級）１０重量部を添加し、パドルブレードミキサー
を使用して分散し、平滑なスラリーを生成した。
アセチレンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawiniga
n black）８４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中で
の分散液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon分散液 GP
1、固形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し、加
熱してＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質に、
Eccosphere（商品名）ガラス微細球（New Metals & Chemicals Ltd., Waltham A
bbey, Essex, UK製、SDT-60級）１０重量部を添加し、パドルブレードミキサー
を使用して分散し、平滑なスラリーを生成した。
【００２９】 比較例１で概説した工程を用いて、改質された粒状フィラー物質（上記に記載
されている）を連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標）化された不
織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．７ｍｇ／ｃｍ２とし
た。
されている）を連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標）化された不
織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．７ｍｇ／ｃｍ２とし
た。
【００３０】 ガス拡散基材上に電気触媒層を形成するために用いる触媒物質を、比較例１と
同様に用意した。
同様に用意した。
【００３１】 その後、電気触媒物質層を、充填された不織ガス拡散基材の最上面に塗布し、
白金添加量を０．６３ｍｇ／ｃｍ２とした。
白金添加量を０．６３ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００３２】 電極は、膜電解質面に結合した白金触媒層を伴って、ＭＥＡのカソードを形成
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素による単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素による単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
【００３３】例２ 繊維網目内に埋め込むために用いる粒状物質（基礎フィラー物質）を、アセチ
レンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan blac
k）８４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中での分散
液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon分散液 GP1、固
形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し、加熱して
ＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質に、シリカ
微細球（Johns Manville, Denver, CO., USA製、Q-106型）１０重量部を添加し
、パドルブレードミキサーを使用して分散し、平滑なスラリーを生成した。
レンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan blac
k）８４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中での分散
液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon分散液 GP1、固
形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し、加熱して
ＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質に、シリカ
微細球（Johns Manville, Denver, CO., USA製、Q-106型）１０重量部を添加し
、パドルブレードミキサーを使用して分散し、平滑なスラリーを生成した。
【００３４】 比較例１で概説した工程を用いて、改質された粒状フィラー物質（上記に記載
されている）を例１と同様に連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標
）化された不織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．６ｍｇ
／ｃｍ２とした。
されている）を例１と同様に連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標
）化された不織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．６ｍｇ
／ｃｍ２とした。
【００３５】 ガス拡散基材上に電気触媒層を形成するために用いる触媒物質を、比較例１と
同様に用意した。
同様に用意した。
【００３６】 その後、電気触媒物質層を、充填された不織ガス拡散基材の最上面に塗布し、
白金添加量を０．５９ｍｇ／ｃｍ２とした。
白金添加量を０．５９ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００３７】 電極は、膜電解質面に結合した白金触媒層を伴って、ＭＥＡのカソードを形成
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素を伴う単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素を伴う単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
【００３８】例３ 繊維網目内に埋め込むために用いる粒状物質（基礎フィラー物質）を、アセチ
レンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan blac
k）７４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中での分散
液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon分散液 GP1、固
形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し、加熱して
ＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質に、炭素繊
維ウール（Le Carbone, Portslade, Sussex, UK製、FRC型）２０重量部を添加し
、パドルブレードミキサーを使用して分散し、平滑なスラリーを生成した。
レンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan blac
k）７４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中での分散
液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon分散液 GP1、固
形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し、加熱して
ＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質に、炭素繊
維ウール（Le Carbone, Portslade, Sussex, UK製、FRC型）２０重量部を添加し
、パドルブレードミキサーを使用して分散し、平滑なスラリーを生成した。
【００３９】 比較例１で概説した工程を用いて、改質された粒状フィラー物質（上記に記載
されている）を例１と同様に連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標
）化された不織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．８ｍｇ
／ｃｍ２とした。
されている）を例１と同様に連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標
）化された不織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．８ｍｇ
／ｃｍ２とした。
【００４０】 ガス拡散基材上に電気触媒層を形成するために用いる触媒物質を、比較例１と
同様に用意した。
同様に用意した。
【００４１】 その後、電気触媒物質層を、充填された不織ガス拡散基材の最上面に塗布し、
白金添加量を０．６２ｍｇ／ｃｍ２とした。
白金添加量を０．６２ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００４２】 電極は、膜電解質面に結合した白金触媒層を伴って、ＭＥＡのカソードを形成
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素による単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素による単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
【００４３】例４ 繊維網目内に埋め込むために用いる粒状物質（基礎フィラー物質）を、アセチ
レンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan blac
k）８４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中での分散
液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon（商品名）分散
液 GP1、固形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し
、加熱してＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質
に、Ketjenblack カーボンブラック（Akzo Nobel, Walton-on-Thames, Surrey,
UK製、EC300J KLB型）１０重量部を添加し、パドルブレードミキサーを使用して
分散し、平滑なスラリーを生成した。
レンブラック（Chevron Chemicals, Houston, Texas, USA 製、Shawinigan blac
k）８４重量部を水２５００部に分散することによって用意した。水中での分散
液としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ICI Fluon（商品名）分散
液 GP1、固形分６４ｗｔ％の懸濁液）を６重量部これに添加し、混合物を攪拌し
、加熱してＰＴＦＥ粒子をカーボンブラック内に吸着させた。得られた凝集物質
に、Ketjenblack カーボンブラック（Akzo Nobel, Walton-on-Thames, Surrey,
UK製、EC300J KLB型）１０重量部を添加し、パドルブレードミキサーを使用して
分散し、平滑なスラリーを生成した。
【００４４】 比較例１で概説した工程を用いて、改質された粒状フィラー物質（上記に記載
されている）を例１と同様に連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標
）化された不織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．４６ｍ
ｇ／ｃｍ２とした。
されている）を例１と同様に連続ウェブとして製造された、テフロン（登録商標
）化された不織炭素繊維物質のシートの中に埋め込んで炭素添加量を４．４６ｍ
ｇ／ｃｍ２とした。
【００４５】 ガス拡散基材上に電気触媒層を形成するために用いる触媒物質を、比較例１と
同様に用意した。
同様に用意した。
【００４６】 その後、電気触媒物質層を、充填された不織ガス拡散基材の最上面に塗布し、
白金添加量を０．８９ｍｇ／ｃｍ２とした。
白金添加量を０．８９ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００４７】 電極は、膜電解質面に結合した白金触媒層を伴って、ＭＥＡのカソードを形成
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素による単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
した。利用した膜は、DuPont製 Nafion（商品名）112であった。酸素による単一
電池に関する試験結果を図１に示す。
【００４８】 図１に示した、比較例１の電池電位対電流密度性能は、不織炭素繊維ウェブを
基礎フィラー物質で充填することによって生成された電極の水素／酸素性能の典
型である。このような基材のガス拡散特性は非常に優れているが、高い電流密度
において作用する場合、カソードにおける酸素の大量輸送が制限されているため
というよりもむしろ、構造が膜の最適な水和を維持するのに十分な水分を保持す
ることができないため、１２００ｍＡ／ｃｍ２を超過するとＨ２／Ｏ２性能の低
下を伴う。この不十分な膜の水和は、膜上のオームの低下を増加させ、また一定
の電流密度における生成電池電位をより低下させる。
基礎フィラー物質で充填することによって生成された電極の水素／酸素性能の典
型である。このような基材のガス拡散特性は非常に優れているが、高い電流密度
において作用する場合、カソードにおける酸素の大量輸送が制限されているため
というよりもむしろ、構造が膜の最適な水和を維持するのに十分な水分を保持す
ることができないため、１２００ｍＡ／ｃｍ２を超過するとＨ２／Ｏ２性能の低
下を伴う。この不十分な膜の水和は、膜上のオームの低下を増加させ、また一定
の電流密度における生成電池電位をより低下させる。
【００４９】 改質剤物質を、従来の不織炭素構造に用いられる基礎フィラー物質の中へ組み
入れることは、膜における水分保持の問題を克服し、より高い電流密度まで膜の
水和を維持する。このことにより、図１における比較例１と例１、２、３および
４の相対的性能によって示されるように、より高い電流密度における性能が改良
される。
入れることは、膜における水分保持の問題を克服し、より高い電流密度まで膜の
水和を維持する。このことにより、図１における比較例１と例１、２、３および
４の相対的性能によって示されるように、より高い電流密度における性能が改良
される。
【図１】 図１は、酸素による単一電池に関する試験結果を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン、マルコム、ガスコイン イギリス国バッキンガムシャー、ハイ、ウ ィコム、ブレッドロウ、リッジ、ラウツ、 グリーン、リダスカ (72)発明者 トーマス、ロバートソン、ラルフ イギリス国レディング、シャフツベリー、 ロード、94 Ｆターム(参考） 5H018 AA02 EE05 EE17 5H026 AA06 CX02 EE05 EE12
Claims (22)
- 【請求項１】 多孔性構造と、フィラー物質とを含んでなり、 前記フィラー物質が、（ｉ）導電性および炭素質である基礎フィラー物質と、 （ｉｉ）前記基礎フィラー物質（ｉ）と比較して本質的に親水性である１以上
の改質剤物質とを含んでなることを特徴とする、ガス拡散基材。 - 【請求項２】 前記１以上の改質剤物質が前記構造の水分管理特性を変化させるものである、
請求項１に記載のガス拡散基材。 - 【請求項３】 前記１以上の改質剤が、本質的に、炭素、ガラス、シリカまたはセラミックに
基づいた球状または繊維状物質である、請求項１または２に記載のガス拡散基材
。 - 【請求項４】 前記１以上の改質剤物質が本質的に球状または繊維状である、請求項３に記載
のガス拡散基材。 - 【請求項５】 前記１以上の改質剤物質が炭素ウールまたは炭素微細球から成る群から選択さ
れるものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス拡散基材。 - 【請求項６】 前記１以上の改質剤物質がガラス微細球である、請求項１〜５のいずれか一項
に記載のガス拡散基材。 - 【請求項７】 前記１以上の改質剤物質が、石英ウール、シリカマイクロファイバー、および
コロイダルシリカまたはフュームドシリカから成る群から選択されるものである
、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス拡散基材。 - 【請求項８】 前記１以上の改質剤物質がブローンセラミック繊維である、請求項１〜７のい
ずれか一項に記載のガス拡散基材。 - 【請求項９】 前記１以上の改質剤物質がゼオライトである、請求項１〜８のいずれか一項に
記載のガス拡散基材。 - 【請求項１０】 炭素ウール、炭素微細球、ガラス微細球、石英ウール、シリカマイクロファイ
バー、コロイダルシリカまたはフュームドシリカ、ブローンセラミック繊維およ
びゼオライトから成る群から選択される２以上の改質剤物質を含んでなる、請求
項１〜４のいずれか一項に記載のガス拡散基材。 - 【請求項１１】 前記多孔性構造が織もしくは不織物質であるか、または押出ポリマーから形成
されたものである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガス拡散基材。 - 【請求項１２】 前記基礎フィラー物質が粒状炭素の混合物および１以上のポリマーを含んでな
るものである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガス拡散基材。 - 【請求項１３】 前記基礎フィラー物質がさらに電気触媒以外の触媒を含んでなるものである、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガス拡散基材。 - 【請求項１４】 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス拡散基材と、電気触媒物質とを含
んでなるものである、ガス拡散電極。 - 【請求項１５】 前記電気触媒物質が１以上の電気触媒成分とポリマーとを含んでなるものであ
る、請求項１４に記載のガス拡散電極。 - 【請求項１６】 前記電気触媒成分が、分散した形態で炭素支持体上に支持されずまたは支持さ
れた貴金属もしくは遷移金属の金属自体または金属酸化物；表面積の大きな微細
粉もしくは繊維の形態にある炭素もしくは有機錯体、またはそれらの選択的な組
合せである、請求項１５に記載のガス拡散電極。 - 【請求項１７】 請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のガス拡散電極と、請求項１４〜１６
のいずれか一項に記載の電極であってもそうでなくてもよい第二のガス拡散電極
と、固体ポリマー膜とを含んでなる、膜電極アセンブリー。 - 【請求項１８】 請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のガス拡散電極と、請求項１〜１３の
いずれか一項に記載の基材であってもそうでなくてもよいガス拡散基材と、固体
ポリマー膜とを含んでなり、 電気触媒層が、前記ガス拡散基材に面している前記膜の側面に塗布されてなる
、膜電極アセンブリー。 - 【請求項１９】 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス拡散基材と、請求項１４〜１６の
いずれか一項に記載の電極であってもそうでなくてもよいガス拡散電極と、固体
ポリマー膜とを含んでなり、 電気触媒層が、前記膜の前記ガス拡散基材に面している側に塗布されてなる、
膜電極アセンブリー。 - 【請求項２０】 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス拡散基材と、請求項１〜１３のい
ずれか一項に記載の基材であってもそうでなくてもよい第二のガス拡散基材と、
固体ポリマー膜とを含んでなり、 電気触媒層が、前記固体ポリマー膜の両面に塗布されてなる、膜電極アセンブ
リー。 - 【請求項２１】 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス拡散基材を含んでなる、燃料電池
。 - 【請求項２２】 請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のガス拡散電極を含んでなる、燃料電
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