JP2003109604A

JP2003109604A - 燃料電池用ガス拡散電極およびその製造法

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Publication number: JP2003109604A
Application number: JP2001298019A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Yoshida; 昭彦吉田; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Osamu Sakai; 修酒井; Makoto Uchida; 誠内田; Junji Morita; 純司森田; Yasushi Sugawara; 靖菅原; Yasuo Takebe; 安男武部
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
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP5079195B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池のガス拡散電極内におけるフラッデ
ィングおよびそれに起因するガス透過性の低下を抑制す
ることで、放電性能と耐久性に優れた燃料電池を提供す
る。【解決手段】触媒を担持した炭素粉末および高分子電
解質からなる触媒層と、炭素材料からなり前記触媒層を
支持する多孔質基材と、前記多孔質基材に付与された撥
水材とからなるガス拡散電極であって、前記多孔質基材
内における前記撥水材の量が、前記触媒層と接する側か
ら他方の側に向かって連続的に変化していることを特徴
とする燃料電池用ガス拡散電極。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料として水素、
メタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどを用
い、酸化剤として空気や酸素を用いる高分子電解質型燃
料電池のガス拡散電極およびその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質型燃料電池のガス拡散電極
は、一般に高分子電解質膜を挟持する触媒層と、触媒層
を支持する多孔質基材とから構成されており、多孔質基
材は、主に次の三つの機能を持つ。第一は、ガス拡散電
極の外面に位置するガス流路から、触媒層内の触媒へ均
一に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給するために、こ
れらのガスを拡散する機能である。第二は、触媒層内で
電極反応により生成した水を、速やかにガス流路に排出
する機能である。第三は、電極反応に伴って授受される
電子を伝導させる機能である。従って、多孔質基材は、
高いガス透過性と、水蒸気透過性と、電子導電性とを有
する必要がある。

【０００３】水蒸気透過性を高める観点からは、フッ素
樹脂に代表される撥水性高分子を多孔質基材に分散させ
て、水の滞留（フラッディング）を抑制する検討がなさ
れている。例えば、特開平６−２０３８５１号公報、特
開平７−１３０３７３号公報、特開平８−１０６９１５
号公報または特開平９−２５９８９３号公報は、ポリテ
トラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと略す。）また
はテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレン
との共重合体（以下、ＦＥＰと略す。）の分散液にカー
ボンペーパーやカーボンクロスを含浸・乾燥する方法を
開示している。また、特開平７−２２０７３４号公報、
特開平４−６７５７１号公報、特開平３−２０８２６０
号公報、特開平３−２０８２６１号公報、特開平３−２
０８２６２号公報または特開平６−４４９８４号公報
は、ＰＴＦＥを添加した炭素微粉末からなる層を形成し
た多孔質基材を開示している。

【０００４】しかし、カーボンペーパーやカーボンクロ
スを無作意に撥水性高分子の分散液に含浸・乾燥する方
法では、撥水性高分子が、三次元構造を持つ多孔質基材
の繊維配列に従って分布してしまうため、撥水材の分布
を制御することは困難である。また、多孔質基材の空隙
の分布に反比例して、空隙の大きい部位には撥水材が集
まらず、空隙の小さい部位には撥水材が集まり易い傾向
がある。さらに、上記含浸方式では、多孔質基材の表面
に撥水材が多く付き過ぎて、基材内部に水が閉じ込めら
れ、フラッディングを引き起こす。その結果、燃料電池
の放電特性や信頼性も低下してしまう。

【０００５】また、水蒸気透過性を高めるために撥水性
高分子を多孔質基材に添加し、基材内における撥水性高
分子の分布を制御しない場合、ガス透過性や電子導電性
が低下するという問題がある。そこで、多孔質基材を単
一の基材から構成するのではなく、カーボン繊維からな
る層と、炭素粉末および撥水性高分子からなる層とを組
み合わせて、相反する機能を両立させる取り組みなどが
なされているが、充分な結果は得られていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ガス拡散電極の水蒸気
透過性を向上させるとともに、ガス透過性を確保するに
は、ガス拡散電極内の撥水材の分布を適切に制御するこ
とが不可欠であると考えられる。本発明は、この課題を
解決し、フラッディングを抑制し、水蒸気透過性とガス
透過性とを確保し、放電性能および信頼性の高い燃料電
池を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、触媒を担持し
た炭素粉末および高分子電解質からなる触媒層と、炭素
材料からなり前記触媒層を支持する多孔質基材と、前記
多孔質基材に付与された撥水材とからなるガス拡散電極
であって、前記多孔質基材内における前記撥水材の量
が、前記触媒層と接する側から他方の側に向かって連続
的に変化していることを特徴とする燃料電池用ガス拡散
電極に関する。

【０００８】前記多孔質基材内における前記撥水材の量
は、前記触媒層と接する側から他方の側に向かって減少
していることが好ましい。すなわち、燃料電池を組み立
てた際に、高分子電解質膜側からセパレータ側に向かっ
て多孔質基材の撥水性が減少することが好ましい。前記
触媒層は、撥水材を含んでいることが好ましい。前記触
媒層が、厚さＷｍｍであって１ｃｍ²あたりＸｇの撥水
材を含み、前記多孔質基材が、厚さＺｍｍであって１ｃ
ｍ²あたりＹｇの撥水材を含むとき、（Ｘ／Ｗ）＞（Ｙ
／Ｚ）を満たすことが好ましい。

【０００９】本発明は、また、（１）撥水性高分子の分
散液または撥水性高分子の溶液を、炭素材料からなる多
孔質基材の一方の面に塗工する工程１、および（２）そ
の面に触媒を担持した炭素粉末および高分子電解質から
なる触媒層を形成する工程２、を有する燃料電池用ガス
拡散電極の製造法に関する。工程１に先立って、前記多
孔質基材を４０〜１８０℃に加熱する工程を行うことが
好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の燃料電池用ガス拡散電極
は、触媒を担持した炭素粉末および高分子電解質からな
る触媒層と、炭素材料からなり触媒層を支持する多孔質
基材と、多孔質基材に付与された撥水材とから構成され
る。燃料電池においては、ガス拡散電極の触媒層側が高
分子電解質膜と接触し、多孔質基材側がセパレータと接
触する。多孔質基材は、燃料ガスと酸化剤ガスを拡散さ
せる役割を有するガス拡散電極基材を構成する。

【００１１】図１に、上記ガス拡散電極を含む燃料電池
の基本構造を示す。高分子電解質膜１１は、触媒層１２
およびガス拡散電極基材１３からなるガス拡散電極１４
で挟持されている。高分子電解質膜１１とガス拡散電極
１４との接合体はＭＥＡ（膜−電極接合体）１５と呼ば
れる。ＭＥＡ１５は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路
１６を有するセパレータ１７で挟持されている。

【００１２】上記基本構造では、燃料ガスは、アノード
側のセパレータが有する燃料ガス流路からガス拡散電極
基材に供給され、電極基材を拡散しながら通過して、触
媒層へ至る。また、酸化剤ガスは、カソード側のセパレ
ータが有する酸化剤ガス流路から電極基材へ供給され、
電極基材を拡散しながら通過して、触媒層へ至る。

【００１３】電極反応は、触媒層１２に含まれる触媒の
表面で起こる。アノード側の触媒層では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋
２ｅ^-の反応が起こる。カソード側の触媒層では、１／
２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏの反応が起こる。反応全体
としては、Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ＋Ｑとなる。この反
応で起電力が得られ、発電が可能となるが、同時にカソ
ード側の触媒層では、水が生成する。また、反応の際に
アノード側の触媒層で生じたＨ⁺は、高分子電解質膜内
を移動して、カソード側の触媒層へ至る。この際、１個
のＨ⁺イオンが５〜２０個のＨ₂Ｏ分子を同伴して移動す
る。

【００１４】高分子電解質膜は、充分量の水で膨潤した
状態において、初めて高い水素イオン導電性を発揮す
る。しかし、高分子電解質膜中を移動するＨ⁺イオンに
同伴して多量の水がカソードへ移動するため、水を常に
高分子電解質膜に供給する必要がある。この水は、ガス
流路からガス拡散電極基材に水蒸気として供給され、カ
ソードおよびアノードを通って高分子電解質膜に供給さ
れる。また、カソード側の触媒層内で生成した水のう
ち、高分子電解質膜が必要としない余剰水分は、ガス拡
散電極基材を通って、ガス流路から外部へ排出される。

【００１５】上述のように、ガス拡散電極では水の出入
りが多いことから、ガス拡散電極内の撥水性を制御する
ことが重要となる。特に、信頼性確保の観点からは、余
剰水分を速やかに外部へ排出できるように撥水性を設計
する必要がある。

【００１６】多孔質基材内における撥水材の量は、触媒
層と接する側から他方の側に向かって連続的に変化して
いる。このように撥水材の分布に傾斜を持たせることに
より、高分子電解質膜側からセパレータ側に向かうガス
の拡散経路および水の移動経路が形成される。その結
果、水詰まりがなく、放電性能に優れ、信頼性の高い燃
料電池を提供することが可能になる。

【００１７】多孔質基材内における撥水材の量は、触媒
層と接する側から他方の側に向かって減少していること
が好ましい。この場合、水の排出方向に沿って撥水性が
減少することになるため、水の移動方向がより確実に制
御され、多孔質基材内の水詰まりを抑制する大きな効果
が得られる。

【００１８】多孔質基材に支持された触媒層には、多孔
質基材に対する撥水材の添加割合よりも高い割合で、撥
水材を付与することが好ましい。すなわち、前記触媒層
が、厚さＷｍｍであって１ｃｍ²あたりＸｍｇの撥水材
を含み、前記多孔質基材が、厚さＺｍｍであって１ｃｍ
²あたりＹｍｇの撥水材を含むとき、（Ｘ／Ｗ）＞（Ｙ
／Ｚ）を満たすことが好ましい。また、０．００８≦Ｘ
（ｍｇ）≦１．３であり、０．２４≦Ｙ（ｍｇ）≦１０
であることが好ましい。

【００１９】このように水を生成する触媒層に高い撥水
性を付与することにより、余剰水分は、より撥水性の低
いガス拡散電極基材または高分子電解質膜へ速やかに移
動する。そして、電極基材内では、ガス流路に向かって
撥水性が低下するように撥水材が分布しているため、ガ
ス流路まで速やかに水が移動する。このように、余剰水
分は撥水性の制御により速やかに外部へ排出され、ガス
拡散電極内で水詰まりによるフラッディングが起こるの
を抑制することができる。また、ガス透過性が低下する
こともなくなるため、放電特性および信頼性の高い燃料
電池を得ることできる。

【００２０】本発明のガス拡散電極は、（１）撥水性高
分子の分散液または撥水性高分子の溶液を、炭素材料か
らなる多孔質基材の一方の面に塗工する工程１、および
（２）その面に触媒を担持した炭素粉末および高分子電
解質からなる触媒層を形成する工程２を行うことによ
り、製造することができる。分散液または溶液（以下、
撥水液という。）を、ほぼ水平に配された多孔質基材の
一方の面のみに塗工することにより、容易に多孔質基材
面に垂直な方向において撥水材の分布を連続的に変化さ
せることができる。

【００２１】撥水性高分子には、フッ素樹脂、シリコー
ン樹脂などを用いることが好ましい。フッ素樹脂には、
ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、テトラフルオロエチレン−パーフル
オロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロ
エチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロ
エチレン、ポリビニリデンフルオライドなどを用いるこ
とができる。また、シリコーン樹脂には、ポリジメチル
シロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリフェニ
ルヒドロシロキサンなどを用いることができる。多孔質
基材には、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボ
ン不織布などを用いることができる。

【００２２】工程１に先立って、多孔質基材を加熱する
工程を行うことにより、撥水材の多孔質基材内への浸透
状態を制御することが可能となる。多孔質基材の温度が
高いほど、多孔質基材上に撥水液が接触した際の溶媒ま
たは分散媒の乾燥・蒸発速度が速くなるため、多孔質基
材内に染み込む撥水性高分子量を少なくすることができ
る。また、撥水液の高分子濃度が高くなると、溶媒また
は分散媒の量が少なくなるため、多孔質基材上に撥水液
が接触した際の溶媒または分散媒の乾燥・蒸発時間が短
くなり、多孔質基材内に染み込む撥水性高分子量を少な
くできる。撥水材の多孔質基材内への浸透状態を最も好
適な状態に制御するには、多孔質基材を４０〜１８０
℃、好ましくは６０〜８０℃に加熱することが有効であ
る。

【００２３】撥水液の塗工には、例えばスプレー法を採
用することが好ましい。その際、塗工に用いる撥水液の
撥水性高分子濃度、およびスプレーノズルからの液の吐
出量、霧化圧力等により、撥水材の多孔質基材への浸透
状態を制御することにより、多孔質基材内における撥水
材の分布を制御することができる。また、撥水材の多孔
質基材への浸透状態は、多孔質基材とスプレーノズルと
の距離、塗工時の雰囲気温度と湿度、撥水液の温度など
にも、依存する。

【００２４】スプレーノズルから噴霧する撥水液の吐出
量を少なくし、霧化圧力を高くした場合、分散媒や溶媒
がほとんど蒸発した状態で撥水性高分子が多孔質基材へ
接触するため、多孔質基材のより内部まで浸透する撥水
性高分子の量は少なくなる。逆に、スプレーノズルから
噴霧する撥水液の吐出量を多く、霧化圧力を小さくした
場合、湿潤状態の撥水性高分子が多孔質基材へ接触する
ため、多孔質基材のより内部まで浸透する撥水性高分子
の量は多くなる。

【００２５】撥水液の塗工には、撥水液や多孔質基材の
濃度等の制御が容易であり、操作が簡便なスプレー法が
有効と思われるが、その他のどのような工法でも同様の
制御は可能であり、本発明に適用することができる。例
えば、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、コータ
塗工法においては、撥水液の濃度を６０〜８０重量％に
制御することにより、撥水材の多孔質基材内への浸透状
態を最も好適な状態に制御することができる。なお、一
度の塗工で要望量の撥水材を多孔質基材に添加する必要
はなく、複数回の塗工を行ってもよい。

【００２６】

【実施例】《実施例１》ダイキン工業製ＦＥＰ分散液
（商品名：ＮＤ−１）を、ＮＤ−１と水との重量比が
１：１０となるように水で希釈した。多孔質基材として
は、東レ株式会社製カーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ
−Ｈ−１２０、厚さ０．３６ｍｍ）を用いた。このカー
ボンペーパーをホットプレート上に載置し、片面から６
０℃に加熱した。次いで、カーボンペーパーの他方の面
に、スプレーノズルから希釈されたＦＥＰの分散液を塗
工した。この際、スプレーノズルからの分散液の吐出量
は３０ｃｃ／分とし、霧化圧力は１．５ｋｇ／ｃｍ²と
した。また、スプレーノズルからカーボンペーパーまで
の距離を２００ｍｍとし、雰囲気温度は２０℃、湿度は
３０％に調節した。

【００２７】希釈されたＦＥＰの分散液を塗工した直後
に、ＦＥＰ塗工面が下向きになるようにカーボンペーパ
ーを裏返し、そのまま６０℃雰囲気で２時間乾燥させ
た。その後、約３８０℃で１５分間カーボンペーパーを
焼成した。焼成後のカーボンペーパー内のＦＥＰ量はＦ
ＥＰ塗工面近傍で最も多く、反対面に向かって徐々に減
少していた。ここでカーボンペーパーに付与されたＦＥ
Ｐ量は、カーボンペーパーの１ｃｍ²あたり、１．３ｍ
ｇであった。

【００２８】次に、高分子電解質膜の両面に触媒層を形
成した。高分子電解質膜には、米国デュポン社製Ｎａｆ
ｉｏｎ１１２膜を用いた。また、触媒は、ライオン株式
会社製の炭素微粉末であるケッチェンブラックＥＣ上
に、白金を担持させて調製した。ここでは、ケッチェン
ブラックＥＣの５０重量部に対して白金５０重量部を担
持させた。得られた触媒１００重量部に対して、米国デ
ュポン社製の高分子電解質の分散液（Ｎａｆｉｏｎ溶
液）５００重量部を混合し、触媒組成物を調製した。こ
の触媒組成物を用いて、Ｎａｆｉｏｎ１１２膜の両面に
厚さ０．０２ｍｍの触媒層を形成した。そして、１６０
℃で熱溶着して触媒層とＮａｆｉｏｎ１１２膜とを接合
し、ＭＥＡを作製した。なお、Ｎａｆｉｏｎとは、パー
フルオロカーボンスルホン酸の商品名である。

【００２９】このＭＥＡに、上記の通りＦＥＰを付与し
たカーボンペーパーを、そのＦＥＰ塗工面が触媒層と接
するように接合し、水素―空気型燃料電池の単電池Ａを
作製した。

【００３０】《実施例２》触媒１００重量部に対してＮ
ａｆｉｏｎ溶液を５００重量部加えた他、さらにＰＴＦ
Ｅを２０重量部混合したこと以外、実施例１と同様にし
て、水素―空気型燃料電池の単電池Ｂを作製した。ここ
で触媒層に付与されたＰＴＦＥ量は、触媒層の１ｃｍ²
あたり、０．１ｍｇであった。

【００３１】《比較例１》実施例２と同様のＭＥＡを作
製した。このＭＥＡに、実施例１と同様にしてＦＥＰを
付与したカーボンペーパーを、そのＦＥＰ塗工面と反対
の面が触媒層と接するように接合し、水素―空気型燃料
電池の単電池Ｃを作製した。

【００３２】《比較例２》ダイキン工業製ＦＥＰ分散液
（商品名：ＮＤ−１）を、ＮＤ−１と水との重量比が
１：１０となるように水で希釈した。この希釈されたＦ
ＥＰの分散液に東レ株式会社製のカーボンペーパー（商
品名ＴＧＰ−Ｈ−１２０、厚さ０．３６ｍｍ）を１分間
浸漬した後引き上げ、カーボンペーパーを水平にして約
６０℃で２時間乾燥させ、その後約３８０℃で１５分間
カーボンペーパーを焼成した。焼成後のカーボンペーパ
ー内の撥水材は、カーボンペーパー内で均一に分布して
いた。また、ここでカーボンペーパーに付与されたＦＥ
Ｐ量は、カーボンペーパーの１ｃｍ²あたり、１．３ｍ
ｇであった。

【００３３】一方、実施例１と同様のＭＥＡを作製し
た。このＭＥＡに、浸漬によりＦＥＰを付与したカーボ
ンペーパーを接合し、水素―空気型燃料電池の単電池Ｄ
を作製した。

【００３４】以上のとおり作製した実施例１、２および
比較例１、２の単電池Ａ、ＢおよびＣ、Ｄ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て、単電池
の放電試験を行った。その際、電池温度を７５℃、燃料
ガス利用率を７０％、空気利用率Ｕｏを４０％とした。
ガス加湿は、７０℃のバブラーにそれぞれ燃料ガスと空
気を通すことにより行った。

【００３５】図２に、単電池の電池電圧と電流密度との
関係を示した。電流密度８００ｍＡ／ｃｍ²における単
電池Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの電池電圧は、それぞれ６３５
ｍＶ、６４５ｍＶ、４８０ｍＶおよび５３０ｍＶであっ
た。図２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た。この結果は、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、電極内の撥水材の分布の影響が大きくなるため
と考えられた。すなわち、高分子電解質膜近傍の撥水材
量が最も多く、余剰水分排出経路に沿って撥水材量が漸
減している単電池Ｂでは、水の部分的滞留やフラッディ
ングを引き起こすことなく、また、ガス拡散性を低下さ
せることなく、良好な放電性能を発揮したものと考えら
れる。

【００３６】逆に、ガス拡散電極内部における撥水性
が、水分の排出方向に沿って減少していない単電池Ｃ、
Ｄでは、ガス拡散電極内でフラッディングが起こり、ガ
ス透過性が阻害されたため、電池性能が劣っていると考
えられた。単電池Ｃでは、触媒層とガス拡散電極基材と
の間、および電極基材内の触媒層側でフラッディングが
起こり、単電池Ｄでは、電極基材内全体でフラッディン
グが起こったものと考えられる。

【００３７】次に、実施例１、２の単電池Ａ、Ｂおよび
比較例１、２の単電池Ｃ、Ｄ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て、単電池の耐久試験を
行った。その際、電池温度を７５℃、燃料ガス利用率を
７０％、空気利用率Ｕｏを４０％とした。また、電流密
度を０．３Ａ／ｃｍ²とし、ガス加湿は、７０℃のバブ
ラーにそれぞれ燃料ガスと空気を通すことにより行っ
た。

【００３８】図３に、単電池の電池電圧と運転時間との
関係を関係を示した。図３の結果からわかる通り、高分
子電解質膜近傍の撥水材量が多く、余剰水分排出経路に
沿って撥水材量が漸減している単電池Ａ、Ｂでは、水の
部分的滞留やフラッディングを引き起こすことがないた
め、高い耐久性が得られた。

【００３９】逆に、ガス拡散電極内部における撥水性
が、水分の排出方向に沿って減少していない単電池Ｃ、
Ｄでは、ガス拡散電極内でフラッディングが起こり、ガ
ス透過性が阻害されたため、耐久性は低くなった。

【００４０】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、単電池の
フラッディングは、燃料電池スタックの性能に大きく影
響する。特に、単電池が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に大きく影響す
る。従って、本発明の燃料電池用ガス拡散電極は、燃料
電池スタック全体の放電性能を向上させるものと言え
る。

【００４１】なお、上記実施例においては、燃料として
純水素を用い、酸化剤ガスとして空気を用いたが、純水
素の代わりに炭酸ガス、窒素、一酸化炭素などの不純物
を含む改質水素などを用いても、同様の結果が得られる
と考えられる。また、水素の代わりにメタノール、エタ
ノール、ジメチルエーテルなどの液体燃料を用いても、
同様の結果が得られると考えられる。液体燃料は、予め
蒸発させて蒸気にしてから燃料極に供給してもよい。

【００４２】また、上記実施例では、撥水材としてＦＥ
ＰまたはＰＴＦＥを用いたが、他のフッ素樹脂やシリコ
ーン樹脂を用いても、同様の結果が得られると考えられ
る。さらに、上記実施例では、多孔質基材としてカーボ
ンペーパーを用いたが、カーボンクロス、カーボン不織
布などを用いても、同様の結果が得られると考えられ
る。

【００４３】さらに、上記実施例では、上記構成の触媒
層や高分子電解質膜を用いたが、これらに限定されるも
のではなく、種々の触媒層を用いた場合にも、同様の結
果が得られると考えられる。また、本発明のガス拡散電
極と固体高分子型電解質との接合体は、酸素、オゾン、
水素などのガス発生機やガス精製機、ならびに酸素セン
サ、アルコールセンサなどの各種ガスセンサにも応用す
ることができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ガス拡散電極内におけ
る撥水材の分布を制御し、最適化することにより、余剰
水分を速やかにガス拡散電極内から外部に排出するとと
もに、触媒層内の触媒に均一に燃料ガスおよび酸化剤ガ
スを供給することが可能となる。従って、ガス拡散電極
内におけるフラッディングを抑制し、ガス拡散性および
水蒸気透過性を良好に保つことが可能となる。さらに、
触媒層の撥水性よりもガス拡散電極の撥水性を小さくす
ることにより、ガス拡散電極内でのフラッディングを抑
制する効果を、さらに向上させることができる。また、
本発明のガス拡散電極を用いれば、放電性能および耐久
性に優れた燃料電池を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池用ガス拡散電極の断面概略図
である。

【図２】実施例１、２および比較例１、２の単電池Ａ、
ＢおよびＣ、Ｄの電池電圧と電流密度との関係を示す図
である。

【図３】実施例１、２および比較例１、２の単電池Ａ、
ＢおよびＣ、Ｄの電池電圧と運転時間との関係を示す図
である。

【符号の説明】

１１高分子電解質膜１２触媒層１３ガス拡散電極基材１４ガス拡散電極１５ＭＥＡ１６ガス流路１７セパレータ

フロントページの続き (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 (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)発明者武部安男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 DD06 EE03 EE05 EE08 EE18 HH00 HH08 5H026 AA06 BB01 EE18 HH00 HH08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】触媒を担持した炭素粉末および高分子電
解質からなる触媒層と、炭素材料からなり前記触媒層を
支持する多孔質基材と、前記多孔質基材に付与された撥
水材とからなるガス拡散電極であって、前記多孔質基材内における前記撥水材の量が、前記触媒
層と接する側から他方の側に向かって連続的に変化して
いることを特徴とする燃料電池用ガス拡散電極。
【請求項２】前記多孔質基材内における前記撥水材の
量が、前記触媒層と接する側から他方の側に向かって減
少している請求項１記載の燃料電池用ガス拡散電極。
【請求項３】前記触媒層が、厚さＷｍｍであって１ｃ
ｍ²あたりＸｇの撥水材を含み、前記多孔質基材が、厚
さＺｍｍであって１ｃｍ²あたりＹｇの撥水材を含むと
き、（Ｘ／Ｗ）＞（Ｙ／Ｚ）を満たす請求項１記載の燃
料電池用ガス拡散電極。
【請求項４】（１）撥水性高分子の分散液または撥水
性高分子の溶液を、炭素材料からなる多孔質基材の一方
の面に塗工する工程１、および（２）その面に触媒を担
持した炭素粉末および高分子電解質からなる触媒層を形
成する工程２、を有する燃料電池用ガス拡散電極の製造
法。
【請求項５】工程１に先立って、前記多孔質基材を４
０〜１８０℃に加熱する工程を有する請求項４記載の燃
料電池用ガス拡散電極の製造法。