JP2003109603A

JP2003109603A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2003109603A
Application number: JP2001298018A
Authority: JP
Inventors: Osamu Sakai; 修酒井; Yoshihiro Hori; 堀　　喜博; Takeshi Yonamine; 毅与那嶺; Makoto Uchida; 誠内田; Yasushi Sugawara; 靖菅原; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田; Junji Morita; 純司森田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】高分子電解質型燃料電池において、フッ素樹
脂粒子が溶媒中に分散した懸濁液を用いて撥水性を付与
しようとすると、フッ素樹脂が点在する構造となり、均
一性高い撥水性付与とはならない。このような電池で
は、高分子電解質を保湿し、かつ余剰となった水分を外
部に排出する能力は不十分である。【解決手段】フッ素樹脂が溶媒に溶解したフッ素樹脂
溶液をガス拡散層への撥水性の付与に用い、触媒反応層
の撥水性の付与に対しては、フッ素樹脂が溶媒中に分散
した懸濁液を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、民生用コジェネレ
ーションシステムおよび移動体用の発電機などとして有
用な燃料電池、特に高分子電解質を用いた高分子電解質
型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、水素などの
燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを、白金などの触媒
を配した触媒反応層を有するガス拡散電極において電気
化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生する。この
ような高分子電解質燃料電池の一般的な構成を図１に示
す。図１は、一般的な高分子電解質型燃料電池の構造の
一部を示す概略縦断面図である。

【０００３】図１において、水素イオンを選択的に輸送
する高分子電解質膜１の両面には、白金系の金属触媒を
担持したカーボン粉末と、この触媒担持カーボン粉末を
被覆する高分子電解質とを含む触媒反応層２が密着して
配置されている。前記高分子電解質は、金属触媒とカー
ボン粉末と高分子電解質との間で形成される三相界面の
面積を増大させる役割を担っている。

【０００４】また、触媒反応層２の外面には、ガス透過
性および導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層３が密着
して配置されている。このガス拡散層３と触媒反応層２
によってガス拡散電極４が構成されている。さらに、ガ
ス拡散電極４の外側には、導電性セパレータ板７が配置
される。この導電性セパレータ板７は、ガス拡散電極４
と高分子電解質膜１とで構成される電解質膜電極接合体
（ＭＥＡ）５を機械的に固定するとともに、隣接するＭ
ＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続する。

【０００５】そして、導電性セパレータ板７の前記ガス
拡散層３に接する面には、前記ガス拡散電極４に反応ガ
スを供給し、かつ反応により発生した水および余剰のガ
スを運び去るためのガス流路６が形成されている。な
お、ガス流路６は導電性セパレータ板７の表面に溝を設
けることによって形成するのが一般的であるが、リブを
設けることなどによって別部材を用いて形成することも
可能である。

【０００６】前記ガス拡散層３はガス透過性および電子
伝導性を有することが必要であり、前記ガス拡散層３の
基材としては例えばカーボンペーパーまたはカーボンク
ロスなどが一般的用いられる。そして、前記ガス拡散層
３は撥水性を有していることが必要であるところ、その
撥水性を向上させるために、前記基材にフッ素樹脂を添
加することなどが行われている。

【０００７】また、さらに撥水性を向上させるために、
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素
樹脂系撥水材とカーボン粉体との混合物で形成された導
電性撥水層を前記ガス拡散層３と前記触媒反応層２の間
に設けることも一般的に行われている。この導電性撥水
層は、高分子電解質の保湿および電池反応により過剰と
なった水分の安全かつ速やかな除去に非常に有効であ
る。

【０００８】燃料電池の運転時、反応活物質であるガス
（燃料ガスおよび酸化剤ガス）が前記ガス拡散層３を介
して前記ガス流路６から前記触媒反応層２へと拡散する
とともに、反応によって生成されかつ前記触媒反応層２
から前記ガス拡散層３へと浸透してきた過剰な水分は、
余剰ガスとともに電池外部へと排出される。また、高分
子電解質の湿度を保つ能力および余剰となった水分を除
去する能力をさらに高めるために、前記触媒反応層２中
にフッ素樹脂などの撥水材を添加することも非常に有効
である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のような燃料電池
の種々の部分に撥水性を付与するため、従来は、粒径数
百ｎｍのフッ素樹脂粒子を溶媒中に分散させて得られる
懸濁液（分散液）が用いられていた。しかし、前記懸濁
液を用いると、例えば、ガス拡散層３や前記導電性撥水
層中にフッ素樹脂粒子が均一に存在しない状態となり易
く、前記層の全面において均一に撥水性を付与すること
が困難になる傾向にあった。そして、このようなフッ素
樹脂懸濁液を用いて撥水性を付与して得られる高分子電
解質型燃料電池では、高分子電解質の湿度を保つ能力お
よび余剰となった水分を安全かつ速やかに除去する能力
が不十分であるという問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の問題点を解決すべ
く、本発明に係る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触媒
反応層と、前記電解質膜および前記触媒反応層からなる
接合体を挟む一対のガス拡散層と、前記電解質膜、前記
触媒反応層および前記ガス拡散層からなる電解質膜電極
接合体を挟みかつガス流路を有する一対の導電性セパレ
ータ板とを具備する高分子電解質型燃料電池において
は、フッ素樹脂懸濁液と触媒を混合して得られるインク
を用いて前記触媒反応層を形成し、基材にフッ素樹脂溶
液を含浸させて前記ガス拡散層を形成する。

【００１１】前記触媒反応層のフッ素樹脂含有量は、３
重量％〜３０重量％であるのが有効である。また、前記
ガス拡散層のフッ素樹脂含有量は、３重量％〜４０重量
％であるのが有効である。さらに前記ガス拡散層は、前
記触媒反応層と接する面に導電性撥水層を有するのが有
効である。

【００１２】

【発明の実施の形態】上述のように、本発明において
は、向上した撥水性を有するガス拡散層を形成するため
に、フッ素樹脂を溶媒中に分散させた懸濁液ではなく、
フッ素樹脂を溶媒中に溶解させたフッ素樹脂溶液を用い
る。しかし、フッ素樹脂溶液を用いて撥水性を付与する
部位は、導電性撥水層を含むガス拡散層だけであり、触
媒反応層に撥水性を付与するためにはフッ素樹脂を溶媒
中に分散させた懸濁液を用いる。

【００１３】これは、フッ素樹脂溶液を触媒反応層に用
いると、触媒反応層において触媒担持カーボンを高分子
電解質とフッ素樹脂の双方が混在して被覆し、高分子電
解質によって触媒担持カーボンが被覆されている箇所が
減少し、さらに、高分子電解質による水素イオン伝導ネ
ットワークの繋がりが寸断され易くなる傾向にあるから
である。したがって、触媒反応層に撥水性を付与するた
めには、フッ素樹脂溶液ではなく、フッ素樹脂が分散し
た懸濁液を用いることが適している。

【００１４】よって本発明では、高分子電解質型燃料電
池において、高分子電解質の湿度を保つ能力および余剰
となった水分を安全かつ速やかに除去する能力を高める
べく、フッ素樹脂を溶媒に溶解させたフッ素樹脂溶液を
用いてガス拡散層に撥水性を付与し、かつフッ素樹脂を
溶媒に分散させたフッ素樹脂懸濁液を用いて触媒反応層
に撥水性を付与する。このような本発明に係る高分子電
解質型燃料電池においては、高分子電解質の湿潤状態を
保ち、余剰となった水分は電池系外に速やかに排出させ
ることが可能である。

【００１５】ここで、触媒反応層中のフッ素樹脂含有量
が３０重量％を超えると、電池運転が不能となることが
確認されたため、触媒反応層中のフッ素樹脂含有量は３
０重量％以下にする必要がある。これは触媒反応層中に
フッ素樹脂が過剰に添加されると、触媒担持カーボン同
士の繋がりによる電子伝導や高分子電解質の繋がりによ
るイオン伝導が阻害されるためと考えられる。また、触
媒反応層中のフッ素樹脂含有量の下限は３重量％であれ
ばよい。

【００１６】一方、ガス拡散層中のフッ素樹脂含有量が
４０重量％を超えると、電池運転が不能となることが確
認されたため、ガス拡散層中のフッ素樹脂含有量は４０
重量％以下にする必要がある。これはガス拡散層中にフ
ッ素樹脂が過剰に添加されると、ガス拡散が阻害されて
しまうためと考えられる。また、ガス拡散層中のフッ素
樹脂含有量の下限は３重量％であればよい。以下に実施
例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明は
これらのみに限定されるものではない。

【００１７】

【実施例】《実施例》まず、触媒反応層を作製した。３
０ｎｍの平均一次径を持つカーボン粒子であるケッチェ
ンブラックＥＣ（オランダ国、ＡＫＺＯＣｈｅｍｉｅ
社製）を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカ
ーボン粉末の表面に平均粒子径約３ｎｍの白金触媒を担
持させた。この白金担持カーボン粉末を、高分子電解質
の水溶液（デュポン社製のＳＥ１００７２）とフッ素樹
脂含有の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製
のネオフロンＮＤ−１）の混合液中に分散させ、スラリ
ーを得た。このスラリーをカソード極用の触媒反応層イ
ンクＡとして用いた。

【００１８】つぎにアノード極用の触媒反応層インクを
作製した。上記と同じケッチェンブラックＥＣを塩化白
金酸と塩化ルテニウム酸とを等モル溶解した水溶液に浸
漬し、還元処理によってカーボン粉末の表面に白金−ル
テニウム触媒を担持させた。このＰｔ−Ｒｕ担持カーボ
ン粉末を、高分子電解質の水溶液とフッ素樹脂含有の水
性ディスパージョンの混合液中に分散させ、スラリーを
得た。このスラリーをアノード極用の触媒反応層インク
Ｂとして用いた。

【００１９】ここで、カソード極およびアノード極双方
において、触媒反応層中のフッ素樹脂含有量は１５重量
とした。これら触媒反応層インクＡおよびＢをそれぞれ
フィルム基材に塗布し、乾燥させて触媒反応層を得た。
高分子電解質膜（デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１２）
の一方の面に触媒反応層インクＡからなる触媒反応層を
転写し、他方の面に触媒反応層インクＢからなる触媒反
応層を転写し、前記電解質膜および前記触媒反応層から
なる接合体を得た。このとき、転写した触媒反応層の外
周からの地位接合するガス拡散層の外周までの距離が数
ｍｍになるように、前記触媒反応層の面積を前記ガス拡
散層の面積よりも小さくした。

【００２０】つぎにガス拡散層を作製した。ガス拡散層
用の基材として、厚み１８０ミクロンのカーボンペーパ
ー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−０６０）を用いた。前
記カーボンペーパーにフッ素樹脂溶液（旭硝子（株）製
のサイトップＣＴＬ−１１０Ａ）を含浸させた後、溶媒
を除去して前記カーボンペーパーに撥水性を付与した。
ついで、前記基材に導電性撥水層を設けた。すなわち本
実施例においては、導電性撥水層を有するガス拡散層を
作製した。

【００２１】上記と同じフッ素樹脂溶液にアセチレンブ
ラック（電気化学工業（株）製のデンカブラック）を加
えてよく混合して導電性撥水層用のスラリーを得た。こ
のスラリーを、上述のように撥水処理を施した前記カー
ボンペーパーに塗布し、溶媒を完全に除去するため、３
００℃で３時間焼成を行なった。ここで、ガス拡散層中
のフッ素含有量は１５重量％とした。このようにして、
ガス拡散層（導電性撥水層付きカーボンペーパー）を得
た。

【００２２】つぎに、前記ガス拡散層の外寸よりも一回
り大きな外寸を有し前記高分子電解質膜および一対の触
媒反応層からなる接合体の両面に、前記導電性撥水層が
それぞれ高分子電解質膜と向き合うように、かつ前記ガ
ス拡散層が前記触媒反応層をすべて覆うように、前記ガ
ス拡散層２枚を重ね合わせて積層体を得た。さらに、前
記積層体を、その周縁部にシリコーンゴム製のガスケッ
トを位置合わせした後、１００℃で５分間プレスし、電
解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。このＭＥＡを用い
て常法により燃料電池Ａを得た。

【００２３】以上の方法で作製した燃料電池Ａを用いて
発電試験を行なった。アノード極側へは露点７０℃に加
湿された水素を利用率７０％の流量で供給し、カソード
極側へは露点６５℃の加湿された空気を利用率４０％で
供給した。電池温度は７５℃に保温した。その結果、電
流密度０．７Ａ／ｃｍ²において６４５ｍＶのセル電圧
が得られた。

【００２４】《比較例》比較例として、従来のようにフ
ッ素樹脂粒子が溶媒に分散した懸濁液を用いて、ガス拡
散層および触媒反応層の双方に撥水性を付与した燃料電
池を作製した。高分子電解質膜と一対の触媒反応層とか
らなる接合体は、実施例と同様にして作製した。ガス拡
散層用基材として、実施例と同じ厚み１８０ミクロンの
カーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−０６
０）を用いた。前記カーボンペーパーにフッ素樹脂含有
の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のネオ
フロンＮＤ−１）を含浸させた後、溶媒を除去して撥水
性を付与した。

【００２５】つぎに、界面活性剤を添加した水にアセチ
レンブラックを分散させた後、フッ素樹脂の水性ディス
パージョンを加えてよく混合し、導電性撥水層用のスラ
リーを得た。このスラリーを、前述のように撥水処理を
施したカーボンペーパーに塗布した後、３００℃で３時
間焼成し、導電性撥水層を有するガス拡散層を得た。前
記接合体および前記ガス拡散層を用い、実施例と同様に
してＭＥＡを得、ついで燃料電池Ｂを得た。

【００２６】燃料電池Ｂを用い実施例と同様にして発電
試験を行なったところ、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2にお
いて５８８ｍＶのセル電圧を示した。図２に、実施例に
係る燃料電池Ａおよび比較例に係る燃料電池ＢのＩＶ特
性を示す。従来の燃料電池である燃料電池Ｂに対して、
本発明に係る燃料電池Ａは大幅に向上した電池特性を示
した。

【００２７】

【発明の効果】高分子電解質型燃料電池において、触媒
反応層はフッ素樹脂を溶媒に分散させたフッ素樹脂懸濁
液を用いて撥水性を付与し、かつガス拡散層はフッ素樹
脂を溶媒に溶解させたフッ素樹脂溶液を用いて撥水性を
付与する。このことにより、触媒反応層においては高分
子電解質のイオン伝導を阻害することなく撥水性を付与
し、ガス拡散層においてはより均一性高く撥水性を付与
することができ、その結果、高分子電解質を湿潤状態に
保ちつつ余剰となった水分は速やかに電池系外に排出す
る能力に優れ、発電特性の向上した高分子電解質型燃料
電池を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な高分子電解質型燃料電池の一部の構成
を示す概略断面図である。

【図２】実施例と比較例の燃料電池のＩＶ特性を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１高分子電解質膜２触媒反応層３ガス拡散層４電極５電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）６ガス流路７導電性セパレータ板８冷却水路９ガスケット１０シール剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者与那嶺毅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)発明者内田誠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Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS01 BB05 BB06 BB08 CC06 DD01 DD08 EE18 HH05 5H026 AA06 BB03 BB04 CX01 CX04 EE18 HH05

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触媒反
応層と、前記電解質膜および前記触媒反応層からなる接
合体を挟む一対のガス拡散層と、前記電解質膜、前記触
媒反応層および前記ガス拡散層からなる電解質膜電極接
合体を挟みかつガス流路を有する一対の導電性セパレー
タ板とを具備する高分子電解質型燃料電池であって、前記触媒反応層がフッ素樹脂懸濁液と触媒を混合して得
られるインクを用いて形成され、前記ガス拡散層が基材
にフッ素樹脂溶液を含浸させて形成されていることを特
徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】前記触媒反応層のフッ素樹脂含有量が３
重量％〜３０重量％であることを特徴とする請求項１記
載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】前記ガス拡散層のフッ素樹脂含有量が３
重量％〜４０重量％であることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の高分子電解質型燃料電池。