JP2003017070A - 燃料電池用電極およびその製造方法 - Google Patents
燃料電池用電極およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 ガス拡散層に添加される撥水材を最適化する
ことによって、製造工程での電極剥がれを防止し、低コ
ストで高い放電性能を持つ燃料電池用電極を提供する。 【解決手段】 ガス拡散層およびその高分子電解質膜と
接する面に形成された触媒層からなり、前記ガス拡散層
が繊維化された、分子量が１００万より大きいポリテト
ラフルオロエチレンからなる撥水材を含み、その融点以
下の温度で熱処理された燃料電池用電極。
ことによって、製造工程での電極剥がれを防止し、低コ
ストで高い放電性能を持つ燃料電池用電極を提供する。 【解決手段】 ガス拡散層およびその高分子電解質膜と
接する面に形成された触媒層からなり、前記ガス拡散層
が繊維化された、分子量が１００万より大きいポリテト
ラフルオロエチレンからなる撥水材を含み、その融点以
下の温度で熱処理された燃料電池用電極。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料として純水
素、メタノールまたは化石燃料からの改質水素、あるい
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、とくに固体高分子を電解質に用い
た燃料電池の電極に関するものである。
素、メタノールまたは化石燃料からの改質水素、あるい
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、とくに固体高分子を電解質に用い
た燃料電池の電極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の電極は、一般
的に、高分子電解質膜に接する触媒層および触媒層の外
面に位置する拡散層からなる。拡散層は、主に次の三つ
の機能を持っている。その第一は、拡散層のさらに外面
に形成されたガス流路から触媒層中の触媒へ均一に燃料
ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスを供給するために
反応ガスを拡散する機能である。第二は、触媒層で反応
により生成した水を速やかにガス流路に排出する機能、
第三は、反応に必要なまたは生成される電子を導電する
機能である。従って、それぞれ高い反応ガス透過性能、
水蒸気透過性能、および電子導電性が必要となる。従来
の一般的な技術として、ガス透過能は、ガス拡散層を多
孔質構造とすることにより、水蒸気透過能は、フッ素樹
脂で代表される撥水性の高分子などを層中に分散するこ
とにより、電子導電性は、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
により、それぞれ達成しようとされてきた。
的に、高分子電解質膜に接する触媒層および触媒層の外
面に位置する拡散層からなる。拡散層は、主に次の三つ
の機能を持っている。その第一は、拡散層のさらに外面
に形成されたガス流路から触媒層中の触媒へ均一に燃料
ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスを供給するために
反応ガスを拡散する機能である。第二は、触媒層で反応
により生成した水を速やかにガス流路に排出する機能、
第三は、反応に必要なまたは生成される電子を導電する
機能である。従って、それぞれ高い反応ガス透過性能、
水蒸気透過性能、および電子導電性が必要となる。従来
の一般的な技術として、ガス透過能は、ガス拡散層を多
孔質構造とすることにより、水蒸気透過能は、フッ素樹
脂で代表される撥水性の高分子などを層中に分散するこ
とにより、電子導電性は、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
により、それぞれ達成しようとされてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記ガス透過能と水蒸
気透過能、および電子導電性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するこ
とや充填量を減らすなどして、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により形成さ
れた層と炭素微粉末と撥水性高分子で形成された層を組
み合わせて、上記相反する機能をうまく両立させる取り
組みが種々なされている。しかし、上記撥水性高分子が
ガス拡散層として必要とする種々の特性について詳細に
規定した例は少ない。
気透過能、および電子導電性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するこ
とや充填量を減らすなどして、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により形成さ
れた層と炭素微粉末と撥水性高分子で形成された層を組
み合わせて、上記相反する機能をうまく両立させる取り
組みが種々なされている。しかし、上記撥水性高分子が
ガス拡散層として必要とする種々の特性について詳細に
規定した例は少ない。
【０００４】撥水性高分子の使用方法として、例えば、
最も一般的な代表例として特開平６−２０３８５１号公
報などに開示されているように、ポリテトラフルオロエ
チレン（以下ＰＴＦＥで表す）のディスパージョンにカ
ーボンペーパーやカーボンクロスを含浸処理する方法
や、特開平７−２２０７３４号公報などに開示されてい
るように、ＰＴＦＥを添加した炭素微粉末の層を形成す
る方法が知られている。また、ＰＴＦＥを添加した炭素
微粉末の層を形成した後に、その撥水力をより効果的に
引き出すため、かつディスパージョン中の界面活性剤を
除去するため、撥水材の融点以上で、かつ界面活性剤の
沸点以上の温度で熱処理する方法が一般的に行われてい
る。しかし、カーボンペーパーやカーボンクロスの表面
は、カーボン繊維による針状の凹凸があり、カーボンペ
ーパーやカーボンクロスと触媒層とを直接接触させる
と、高分子電解質膜にピンホールが生じ、内部短絡が発
生する。このため、撥水層をカーボンペーパーやカーボ
ンクロスと触媒層との間に形成させることが必要であ
る。ここで撥水材の撥水効果を上げるために、撥水剤の
融点以上の温度で熱処理をした電極は、接着力が低下し
て電極の剥がれの問題が生じる。その結果、放電性能の
低下や電池組立時の取り扱い性の低下による工数増加を
引き起こす。
最も一般的な代表例として特開平６−２０３８５１号公
報などに開示されているように、ポリテトラフルオロエ
チレン（以下ＰＴＦＥで表す）のディスパージョンにカ
ーボンペーパーやカーボンクロスを含浸処理する方法
や、特開平７−２２０７３４号公報などに開示されてい
るように、ＰＴＦＥを添加した炭素微粉末の層を形成す
る方法が知られている。また、ＰＴＦＥを添加した炭素
微粉末の層を形成した後に、その撥水力をより効果的に
引き出すため、かつディスパージョン中の界面活性剤を
除去するため、撥水材の融点以上で、かつ界面活性剤の
沸点以上の温度で熱処理する方法が一般的に行われてい
る。しかし、カーボンペーパーやカーボンクロスの表面
は、カーボン繊維による針状の凹凸があり、カーボンペ
ーパーやカーボンクロスと触媒層とを直接接触させる
と、高分子電解質膜にピンホールが生じ、内部短絡が発
生する。このため、撥水層をカーボンペーパーやカーボ
ンクロスと触媒層との間に形成させることが必要であ
る。ここで撥水材の撥水効果を上げるために、撥水剤の
融点以上の温度で熱処理をした電極は、接着力が低下し
て電極の剥がれの問題が生じる。その結果、放電性能の
低下や電池組立時の取り扱い性の低下による工数増加を
引き起こす。
【０００５】本発明は、ガス拡散層における撥水材を最
適化することによって、上記従来の課題を解決しようと
するものである。本発明は、製造工程において電極の剥
がれの問題がなく、かつ高い放電性能を持つ燃料電池を
与える電極を提供することを目的とする。
適化することによって、上記従来の課題を解決しようと
するものである。本発明は、製造工程において電極の剥
がれの問題がなく、かつ高い放電性能を持つ燃料電池を
与える電極を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに本発明の燃料電池用電極は、ガス拡散層およびその
高分子電解質膜と接する面に形成された触媒層からな
り、前記ガス拡散層が繊維化された撥水材を含むことを
特徴とする。本発明は、ガス拡散層およびその高分子電
解質膜と接する面に形成された触媒層からなる電極の製
造方法であって、ガス拡散層に繊維化する撥水材を添加
し、前記撥水材の融点以下の温度で熱処理する工程を有
する燃料電池用電極の製造方法を提供する。前記撥水材
は、分子量１００万より大きいポリテトラフルオロエチ
レンであり、前記熱処理温度が３３０℃以下であること
が好ましい。
めに本発明の燃料電池用電極は、ガス拡散層およびその
高分子電解質膜と接する面に形成された触媒層からな
り、前記ガス拡散層が繊維化された撥水材を含むことを
特徴とする。本発明は、ガス拡散層およびその高分子電
解質膜と接する面に形成された触媒層からなる電極の製
造方法であって、ガス拡散層に繊維化する撥水材を添加
し、前記撥水材の融点以下の温度で熱処理する工程を有
する燃料電池用電極の製造方法を提供する。前記撥水材
は、分子量１００万より大きいポリテトラフルオロエチ
レンであり、前記熱処理温度が３３０℃以下であること
が好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池用電極は、ガス
拡散層が繊維化する撥水材を含むことを特徴とする。撥
水材の撥水性高分子が繊維化することにより、撥水材の
ガス拡散層に対する接着力が向上するため、電子導電性
の向上および水の滞留場所が減少し、フラッディングに
強い電極となり放電性能が向上し、かつ生産性も向上す
る。ここに用いる撥水性高分子は、分子量１００万より
大きいポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好適
に用いられる。ＰＴＦＥの融点は、３２７〜３４７℃で
ある。ＰＴＦＥは、一般的に広く用いられている撥水材
であり、コストが低く抑えられるとともに繊維化しやす
い撥水材であるため、高い接着力を発揮する電極を容易
に得ることができる。電極に撥水材を添加した電極を熱
処理する際の温度は、撥水材の融点より低い温度、好ま
しくは、撥水材の繊維化部分が軟化され焼失しない温度
である。
拡散層が繊維化する撥水材を含むことを特徴とする。撥
水材の撥水性高分子が繊維化することにより、撥水材の
ガス拡散層に対する接着力が向上するため、電子導電性
の向上および水の滞留場所が減少し、フラッディングに
強い電極となり放電性能が向上し、かつ生産性も向上す
る。ここに用いる撥水性高分子は、分子量１００万より
大きいポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好適
に用いられる。ＰＴＦＥの融点は、３２７〜３４７℃で
ある。ＰＴＦＥは、一般的に広く用いられている撥水材
であり、コストが低く抑えられるとともに繊維化しやす
い撥水材であるため、高い接着力を発揮する電極を容易
に得ることができる。電極に撥水材を添加した電極を熱
処理する際の温度は、撥水材の融点より低い温度、好ま
しくは、撥水材の繊維化部分が軟化され焼失しない温度
である。
【０００８】図１は、本発明に用いる撥水材の一次粒子
を模式的に示す。本発明の撥水材に用いる高分子は、繊
維化されやすく、蜘蛛の巣状に繊維化された部分２が発
生し、これが一次粒子１を覆っている。この粒子に、さ
らに電極作製時に、塗料作製工程における撹拌や塗工工
程における塗料輸送通路の抵抗等で剪断力がかかると、
繊維化が促進され、繊維化した部分２を増大させる。こ
の繊維化部分２を利用して電極の接着力を高めることが
でき、その結果、電極の放電性能が向上し、かつ、製造
工程での工数削減が図れる。
を模式的に示す。本発明の撥水材に用いる高分子は、繊
維化されやすく、蜘蛛の巣状に繊維化された部分２が発
生し、これが一次粒子１を覆っている。この粒子に、さ
らに電極作製時に、塗料作製工程における撹拌や塗工工
程における塗料輸送通路の抵抗等で剪断力がかかると、
繊維化が促進され、繊維化した部分２を増大させる。こ
の繊維化部分２を利用して電極の接着力を高めることが
でき、その結果、電極の放電性能が向上し、かつ、製造
工程での工数削減が図れる。
【０００９】一方、従来の撥水性高分子は、図２に示す
ように、その粒子３は分子鎖が短く、十分な分子量を持
たないため、剪断力をかけても繊維化をあまり生じず、
繊維化部分が増大しない。また、これらの撥水材に融点
以上の温度で熱処理を施すと、蜘蛛の巣状の繊維化され
た部分２が軟化して再凝集するため、蜘蛛の巣状の繊維
化部分２が減少してしまう。本発明によるガス拡散層を
用いることによって、高性能で安価な燃料電池用電極を
作製することができる。
ように、その粒子３は分子鎖が短く、十分な分子量を持
たないため、剪断力をかけても繊維化をあまり生じず、
繊維化部分が増大しない。また、これらの撥水材に融点
以上の温度で熱処理を施すと、蜘蛛の巣状の繊維化され
た部分２が軟化して再凝集するため、蜘蛛の巣状の繊維
化部分２が減少してしまう。本発明によるガス拡散層を
用いることによって、高性能で安価な燃料電池用電極を
作製することができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
《実施例１》アセチレンブラック（電気化学工業（株）
製のデンカブラック）に、ＰＴＦＥの水性ディスパージ
ョン（ダイキン工業（株）製Ｄ−１）を乾燥重量として
３０重量％混合して撥水層インクを調製した。このとき
の混合は、コロイドミルで３０分間分散させることによ
り行い、これにより剪断力をかけた。この撥水層インク
をカーボンペーパー（東レ（株）のＴＧＰＨ０６０Ｈ）
の片面に塗工し、熱風乾燥機により２８０℃で熱処理し
てガス拡散層を作製した。
製のデンカブラック）に、ＰＴＦＥの水性ディスパージ
ョン（ダイキン工業（株）製Ｄ−１）を乾燥重量として
３０重量％混合して撥水層インクを調製した。このとき
の混合は、コロイドミルで３０分間分散させることによ
り行い、これにより剪断力をかけた。この撥水層インク
をカーボンペーパー（東レ（株）のＴＧＰＨ０６０Ｈ）
の片面に塗工し、熱風乾燥機により２８０℃で熱処理し
てガス拡散層を作製した。
【００１１】一方、高分子電解質膜（米国デュポン社の
Ｎａｆｉｏｎ１１２膜）の両面に触媒層を形成した。こ
の触媒層は、導電性炭素微粉末（ライオン（株）のケッ
チェンブラックＥＣ）に白金触媒を重量比１：１の割合
で担持したもの９６重量部と前記電解質膜と同じ高分子
電解質４重量部との混合物を成形したものである。この
高分子電解質膜の触媒層と接するように前記のガス拡散
層を重ね、１６０℃で熱溶着により接合して、電解質膜
−電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。このＭＥＡを用い
て水素−空気型の燃料電池単電池Ａを作製した。
Ｎａｆｉｏｎ１１２膜）の両面に触媒層を形成した。こ
の触媒層は、導電性炭素微粉末（ライオン（株）のケッ
チェンブラックＥＣ）に白金触媒を重量比１：１の割合
で担持したもの９６重量部と前記電解質膜と同じ高分子
電解質４重量部との混合物を成形したものである。この
高分子電解質膜の触媒層と接するように前記のガス拡散
層を重ね、１６０℃で熱溶着により接合して、電解質膜
−電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。このＭＥＡを用い
て水素−空気型の燃料電池単電池Ａを作製した。
【００１２】《比較例１》撥水層インクの作成に際し
て、ＰＴＦＥの水性ディスパージョンの代わりにテトラ
フルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体
の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製ＮＤ−
１）を用いたほかは実施例１と同様にしてガス拡散層を
作製した。このガス拡散層を用いて実施例１と同様にし
てＭＥＡを作製した。このＭＥＡは、ガス拡散層と触媒
層の間で剥がれが生じていた。このＭＥＡを用いて実施
例１と同様の単電池Ｂを組み立てた。
て、ＰＴＦＥの水性ディスパージョンの代わりにテトラ
フルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体
の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製ＮＤ−
１）を用いたほかは実施例１と同様にしてガス拡散層を
作製した。このガス拡散層を用いて実施例１と同様にし
てＭＥＡを作製した。このＭＥＡは、ガス拡散層と触媒
層の間で剥がれが生じていた。このＭＥＡを用いて実施
例１と同様の単電池Ｂを組み立てた。
【００１３】《比較例２》カーボンペーパーの片面に撥
水層インクを塗工した後の熱処理温度を３５０℃とした
ほかは実施例１と同様にしてガス拡散層を形成した。こ
のガス拡散層を用いて実施例１と同様にしてＭＥＡを作
製した。このＭＥＡは、ガス拡散層と触媒層の間で剥が
れが生じていた。このＭＥＡを用いて実施例１と同様の
単電池Ｃを組み立てた。
水層インクを塗工した後の熱処理温度を３５０℃とした
ほかは実施例１と同様にしてガス拡散層を形成した。こ
のガス拡散層を用いて実施例１と同様にしてＭＥＡを作
製した。このＭＥＡは、ガス拡散層と触媒層の間で剥が
れが生じていた。このＭＥＡを用いて実施例１と同様の
単電池Ｃを組み立てた。
【００１４】《実施例２》実施例１のＭＥＡを用いて液
体燃料電池を作成した。 《比較例３》比較例１のＭＥＡを用いて液体燃料電池を
作成した。 《比較例４》比較例２のＭＥＡを用いて液体燃料電池を
作製した。
体燃料電池を作成した。 《比較例３》比較例１のＭＥＡを用いて液体燃料電池を
作成した。 《比較例４》比較例２のＭＥＡを用いて液体燃料電池を
作製した。
【００１５】以上の実施例１および比較例１、２の燃料
電池のアノードに露点が７０℃となるように加湿した純
水素ガスを、カソードに露点が５０℃となるように加湿
した空気をそれぞれ供給し、電池温度を７５℃、燃料ガ
ス利用率を７０％、空気利用率を４０％として電池の放
電試験を行った。また、本発明の実施例２および比較例
３、４の電池のアノードに液体燃料の代表例として２ｍ
ｏｌ／ｌのメタノール水溶液を温度６０℃で供給し、カ
ソードに露点が６０℃となるように加湿した空気を供給
し、電池温度７５℃、空気の利用率４０％の条件で、直
接型メタノール燃料電池としての単電池の放電試験を行
った。
電池のアノードに露点が７０℃となるように加湿した純
水素ガスを、カソードに露点が５０℃となるように加湿
した空気をそれぞれ供給し、電池温度を７５℃、燃料ガ
ス利用率を７０％、空気利用率を４０％として電池の放
電試験を行った。また、本発明の実施例２および比較例
３、４の電池のアノードに液体燃料の代表例として２ｍ
ｏｌ／ｌのメタノール水溶液を温度６０℃で供給し、カ
ソードに露点が６０℃となるように加湿した空気を供給
し、電池温度７５℃、空気の利用率４０％の条件で、直
接型メタノール燃料電池としての単電池の放電試験を行
った。
【００１６】図３に実施例１、比較例１および２の単電
池Ａ、ＢおよびＣの水素−空気型燃料電池としての放電
特性の平均値を示した。電流密度８００ｍＡ／ｃｍ2に
おける電池電圧で示すと、単電池Ａ、ＢおよびＣの電圧
は、それぞれ順に、６３５ｍＶ、４８１ｍＶおよび５２
９ｍＶであった。図３からわかるとおり、電流密度が高
くなればなるほど、放電特性に差が生じている。電流密
度が高くなると、電池からの生成水はそれに比例して多
くなるため、電極の微妙な密着性が影響する。電極の接
着性が低下している部分では、撥水効果が低下し、水が
部分的に滞留することにより、ガス拡散性が低下する。
その影響を受けた電極部分は、発電の低下を招き、放電
性能が低下する。また、撥水材の繊維化により電極の緻
密な接着が可能となるため、高い撥水効果が長期に維持
され、本発明の燃料電池では耐久性も高い結果となっ
た。
池Ａ、ＢおよびＣの水素−空気型燃料電池としての放電
特性の平均値を示した。電流密度８００ｍＡ／ｃｍ2に
おける電池電圧で示すと、単電池Ａ、ＢおよびＣの電圧
は、それぞれ順に、６３５ｍＶ、４８１ｍＶおよび５２
９ｍＶであった。図３からわかるとおり、電流密度が高
くなればなるほど、放電特性に差が生じている。電流密
度が高くなると、電池からの生成水はそれに比例して多
くなるため、電極の微妙な密着性が影響する。電極の接
着性が低下している部分では、撥水効果が低下し、水が
部分的に滞留することにより、ガス拡散性が低下する。
その影響を受けた電極部分は、発電の低下を招き、放電
性能が低下する。また、撥水材の繊維化により電極の緻
密な接着が可能となるため、高い撥水効果が長期に維持
され、本発明の燃料電池では耐久性も高い結果となっ
た。
【００１７】図４に本発明の実施例２の単電池Ｘと比較
例３および４の単電池ＹおよびＺの液体燃料電池として
の放電特性の平均値を示した。電流密度３００ｍＡ／ｃ
ｍ2における単電池電圧で示すと、単電池Ｘ、Ｙおよび
Ｚの電圧は、それぞれ６６６ｍＶ、６０１ｍＶおよび６
２０ｍＶであった。また、本発明の実施例および比較例
で作製した電極の剥がれの有無を確認した結果、実施例
１では５０セル作製中５０セルとも電極剥がれが生じな
かった。これに対し、比較例１および２では、それぞれ
５０セル中比較例１は４０セル、比較例２は５０セルそ
れぞれ電極剥がれが発生した。この電極剥がれの要因の
１つは、撥水材の繊維化された部分が融点以上の温度で
熱処理されたために、軟化して凝集し、繊維化された部
分が減少したことによる接着力の低下である。他の１つ
は、撥水材の分子量がもともと低いため、繊維化させず
に接着力が弱く、膜の水分変化による膨張・収縮による
形状変化を支えきれずに電極剥がれとなったものであ
る。
例３および４の単電池ＹおよびＺの液体燃料電池として
の放電特性の平均値を示した。電流密度３００ｍＡ／ｃ
ｍ2における単電池電圧で示すと、単電池Ｘ、Ｙおよび
Ｚの電圧は、それぞれ６６６ｍＶ、６０１ｍＶおよび６
２０ｍＶであった。また、本発明の実施例および比較例
で作製した電極の剥がれの有無を確認した結果、実施例
１では５０セル作製中５０セルとも電極剥がれが生じな
かった。これに対し、比較例１および２では、それぞれ
５０セル中比較例１は４０セル、比較例２は５０セルそ
れぞれ電極剥がれが発生した。この電極剥がれの要因の
１つは、撥水材の繊維化された部分が融点以上の温度で
熱処理されたために、軟化して凝集し、繊維化された部
分が減少したことによる接着力の低下である。他の１つ
は、撥水材の分子量がもともと低いため、繊維化させず
に接着力が弱く、膜の水分変化による膨張・収縮による
形状変化を支えきれずに電極剥がれとなったものであ
る。
【００１８】実施例１、比較例２および３の単電池Ａ、
ＢおよびＣの電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2における電圧
値バラツキは、標準偏差で単電池Ａが２．０８であった
のに対し、単電池Ｂは４．２２、単電池Ｃは５．１７と
２倍以上バラツキが生じていた。このバラツキの要因
は、膜−電極接合体の接着バラツキに起因していた。単
電池の撥水層の接着力のバラツキにより部分的に撥水性
の低下する空間が生じ、水の滞留場所ができたことによ
り、燃料電池の放電性能のバラツキとなって現れた。燃
料電池は通常、複数の単電池を直列または並列に接続し
て用いられる。したがって、単電池性能のバラツキは燃
料電池スタックの性能に大きく影響する。とくに、直列
に接続された場合には、最も特性の低い単電池の限界電
流値が燃料電池スタック全体の限界電流値となってしま
うため、最も低い単電池の性能が燃料電池スタック全体
の性能の限界値となる。つまり、単電池の性能バラツキ
を低減することも今後の重要な課題となる。従って、本
発明の燃料電池用電極は、撥水材の繊維化により緻密な
接着が可能となり、単電池の放電性能のバラツキも低減
され、結果的に燃料電池スタックの放電性能が向上す
る。
ＢおよびＣの電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2における電圧
値バラツキは、標準偏差で単電池Ａが２．０８であった
のに対し、単電池Ｂは４．２２、単電池Ｃは５．１７と
２倍以上バラツキが生じていた。このバラツキの要因
は、膜−電極接合体の接着バラツキに起因していた。単
電池の撥水層の接着力のバラツキにより部分的に撥水性
の低下する空間が生じ、水の滞留場所ができたことによ
り、燃料電池の放電性能のバラツキとなって現れた。燃
料電池は通常、複数の単電池を直列または並列に接続し
て用いられる。したがって、単電池性能のバラツキは燃
料電池スタックの性能に大きく影響する。とくに、直列
に接続された場合には、最も特性の低い単電池の限界電
流値が燃料電池スタック全体の限界電流値となってしま
うため、最も低い単電池の性能が燃料電池スタック全体
の性能の限界値となる。つまり、単電池の性能バラツキ
を低減することも今後の重要な課題となる。従って、本
発明の燃料電池用電極は、撥水材の繊維化により緻密な
接着が可能となり、単電池の放電性能のバラツキも低減
され、結果的に燃料電池スタックの放電性能が向上す
る。
【００１９】さらに、撥水材の繊維化により電極剥がれ
が生じなくなったため、スタック組立工程におけるスタ
ック作製時間の短縮が可能となり、製造コストが低減で
きる。なお、上記の実施例において、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ることはいうま
でもない。また、液体燃料はあらかじめ蒸発させて供給
してもよい。ガス拡散層の構成は、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
も効果がある。本発明の固体高分子電解質膜と電極との
接合体を用いて、酸素、オゾン、水素などのガス発生機
やガス精製機あるいは酸素センサ、アルコールセンサな
どの各種ガスセンサへの応用も可能である。
が生じなくなったため、スタック組立工程におけるスタ
ック作製時間の短縮が可能となり、製造コストが低減で
きる。なお、上記の実施例において、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ることはいうま
でもない。また、液体燃料はあらかじめ蒸発させて供給
してもよい。ガス拡散層の構成は、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
も効果がある。本発明の固体高分子電解質膜と電極との
接合体を用いて、酸素、オゾン、水素などのガス発生機
やガス精製機あるいは酸素センサ、アルコールセンサな
どの各種ガスセンサへの応用も可能である。
【００２０】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、触媒層の
触媒に均一に反応ガスを供給し、かつ生成水や生成炭酸
ガスを速やかに排出することが可能であり、製造工程で
の工数削減も可能であり、安価で高い放電性能と耐久性
を持つ高分子電解質型燃料電池および液体燃料電池用電
極を提供することができる。
触媒に均一に反応ガスを供給し、かつ生成水や生成炭酸
ガスを速やかに排出することが可能であり、製造工程で
の工数削減も可能であり、安価で高い放電性能と耐久性
を持つ高分子電解質型燃料電池および液体燃料電池用電
極を提供することができる。
【図１】本発明の撥水材を模式的に示す略図である。
【図２】従来の撥水材を模式的に示す略図である。
【図３】水素−空気型燃料電池の電流−電圧特性の比較
を示す図である。
を示す図である。
【図４】液体燃料電池の電流−電圧特性の比較を示す図
である。
である。
１ 撥水性高分子
２ 撥水性高分子の繊維化部分
３ 従来の撥水性高分子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(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 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
(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 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
Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AA07 AS02 AS03 BB01
BB03 BB06 BB08 BB12 CC06
DD06 EE05 EE08 EE19 HH05
HH08 HH10
5H026 AA06 AA08 BB01 BB02 BB03
BB04 BB08 CX03 EE05 EE19
HH05 HH08 HH10
Claims (4)
- 【請求項１】 ガス拡散層およびその高分子電解質膜と
接する面に形成された触媒層からなり、前記ガス拡散層
が繊維化された撥水材を含むことを特徴とする燃料電池
用電極。 - 【請求項２】 前記撥水材が、分子量１００万より大き
いポリテトラフルオロエチレンである請求項１記載の燃
料電池用電極。 - 【請求項３】 ガス拡散層およびその高分子電解質膜と
接する面に形成された触媒層からなる電極の製造方法で
あって、ガス拡散層に繊維化する撥水材を添加し、前記
撥水材の融点以下の温度で熱処理する工程を有すること
を特徴とする燃料電池用電極の製造方法。 - 【請求項４】 前記撥水材が分子量１００万より大きい
ポリテトラフルオロエチレンであり、前記熱処理温度が
３３０℃以下である請求項３記載の燃料電池用電極の製
造方法。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001202286A JP3712959B2 (ja) | 2001-07-03 | 2001-07-03 | 燃料電池用電極およびその製造方法 |
| CNB028014154A CN1299373C (zh) | 2001-04-27 | 2002-04-22 | 燃料电池用电极及其制造方法 |
| PCT/JP2002/004006 WO2002091503A1 (fr) | 2001-04-27 | 2002-04-22 | Electrode pour pile a combustible et procede de fabrication de l'electrode |
| KR10-2002-7017708A KR100504965B1 (ko) | 2001-04-27 | 2002-04-22 | 연료전지용 전극 및 그 제조방법 |
| EP02720565.7A EP1383184B1 (en) | 2001-04-27 | 2002-04-22 | Electrode for fuel cell and method of manufacturing the electrode |
| US10/426,217 US20040009389A1 (en) | 2001-04-27 | 2003-04-30 | Electrode material, membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell made therefrom, and method of making the electrode material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001202286A JP3712959B2 (ja) | 2001-07-03 | 2001-07-03 | 燃料電池用電極およびその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003017070A true JP2003017070A (ja) | 2003-01-17 |
| JP3712959B2 JP3712959B2 (ja) | 2005-11-02 |
Family
ID=19039120
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001202286A Expired - Lifetime JP3712959B2 (ja) | 2001-04-27 | 2001-07-03 | 燃料電池用電極およびその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3712959B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004259457A (ja) * | 2003-02-24 | 2004-09-16 | Hitachi Zosen Corp | 水電解および燃料電池の可逆セル |
| JP2005191002A (ja) * | 2003-12-04 | 2005-07-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池用ガス拡散層、電極及び膜電極接合体及びその製造方法 |
| JP2005297547A (ja) * | 2004-03-17 | 2005-10-27 | Toray Ind Inc | 炭素繊維シートおよび多孔質炭素板とその製造方法 |
| JP2007242378A (ja) * | 2006-03-07 | 2007-09-20 | Univ Of Yamanashi | 燃料電池用ガス拡散層 |
| JP2009004268A (ja) * | 2007-06-22 | 2009-01-08 | Toyota Motor Corp | 拡散層およびそれを用いた燃料電池とその製造方法 |
| JP2009070571A (ja) * | 2007-09-10 | 2009-04-02 | Sharp Corp | 燃料電池 |
| JP2009070570A (ja) * | 2007-09-10 | 2009-04-02 | Sharp Corp | 燃料電池 |
| JP2013171775A (ja) * | 2012-02-22 | 2013-09-02 | Toyota Motor Corp | 燃料電池、ガス拡散層、ガス拡散層の製造方法 |
-
2001
- 2001-07-03 JP JP2001202286A patent/JP3712959B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2005297547A (ja) * | 2004-03-17 | 2005-10-27 | Toray Ind Inc | 炭素繊維シートおよび多孔質炭素板とその製造方法 |
| JP4591128B2 (ja) * | 2004-03-17 | 2010-12-01 | 東レ株式会社 | 多孔質炭素板の製造方法 |
| JP2007242378A (ja) * | 2006-03-07 | 2007-09-20 | Univ Of Yamanashi | 燃料電池用ガス拡散層 |
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| JP2013171775A (ja) * | 2012-02-22 | 2013-09-02 | Toyota Motor Corp | 燃料電池、ガス拡散層、ガス拡散層の製造方法 |
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| JP3712959B2 (ja) | 2005-11-02 |
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