JP2003151565A - 燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 - Google Patents
燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】速やかな水の排水処理を行うことのできる燃料
電池用電極を提供する。 【解決手段】プロトンイオン伝導性固体高分子膜１と、
プロトンイオン伝導性固体高分子膜１を狭持する一対の
電極触媒層２と、さらにその外側から狭持し、電極触媒
層２に供給するガスを拡散する一対のガス拡散層３と、
ガス拡散層に供給するガスの流路５を形成する流路形成
部材４とを備えた燃料電池において、電極触媒層２およ
びガス拡散層３が、撥水性を有する撥水部と親水性を有
する親水部を備え、プロトンイオン伝導性固体高分子膜
１側から流路形成部材４に向かって、撥水部の分布の比
率を減少させた。
電池用電極を提供する。 【解決手段】プロトンイオン伝導性固体高分子膜１と、
プロトンイオン伝導性固体高分子膜１を狭持する一対の
電極触媒層２と、さらにその外側から狭持し、電極触媒
層２に供給するガスを拡散する一対のガス拡散層３と、
ガス拡散層に供給するガスの流路５を形成する流路形成
部材４とを備えた燃料電池において、電極触媒層２およ
びガス拡散層３が、撥水性を有する撥水部と親水性を有
する親水部を備え、プロトンイオン伝導性固体高分子膜
１側から流路形成部材４に向かって、撥水部の分布の比
率を減少させた。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池用電極および
それを用いた燃料電池に関する。
それを用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】プロトンイオン伝導性固体高分子膜を用
いた固体高分子形燃料電池では、プロトンイオン伝導性
固体高分子膜を挟んだ一対の電極のうち燃料極に水素含
有ガスを、酸素極に酸化剤ガスを供給することにより、
次式で示される反応が起こり、電気エネルギーが取出さ
れる。
いた固体高分子形燃料電池では、プロトンイオン伝導性
固体高分子膜を挟んだ一対の電極のうち燃料極に水素含
有ガスを、酸素極に酸化剤ガスを供給することにより、
次式で示される反応が起こり、電気エネルギーが取出さ
れる。
【０００３】
【式１】
この反応を効率よく行うためには、酸素極で生成された
水を電極から速やかに排出して電極触媒の目詰まりを回
避し、酸素極に酸化剤ガスを連続的に供給する必要があ
る。また、プロトンイオン伝導性固体高分子膜が高プロ
トンイオン伝導性を発現するためには、プロトンイオン
伝導性固体高分子膜が十分に加湿されている必要があ
る。そのために水素含有ガスおよび酸化剤ガスは十分に
加湿された状態で燃料電池用電極に供給されるが、この
ときの酸化剤ガスおよび水素含有ガス中の余剰水分によ
る電極触媒の目詰まりを回避するために酸素極のみなら
ず燃料極においても凝縮した余剰水分を電極から速やか
に排出させる必要がある。
水を電極から速やかに排出して電極触媒の目詰まりを回
避し、酸素極に酸化剤ガスを連続的に供給する必要があ
る。また、プロトンイオン伝導性固体高分子膜が高プロ
トンイオン伝導性を発現するためには、プロトンイオン
伝導性固体高分子膜が十分に加湿されている必要があ
る。そのために水素含有ガスおよび酸化剤ガスは十分に
加湿された状態で燃料電池用電極に供給されるが、この
ときの酸化剤ガスおよび水素含有ガス中の余剰水分によ
る電極触媒の目詰まりを回避するために酸素極のみなら
ず燃料極においても凝縮した余剰水分を電極から速やか
に排出させる必要がある。
【０００４】また、燃料電池の効率的な運転を行うため
には、これらの加湿された水素含有ガスおよび酸化剤ガ
スをプロトンイオン伝導性固体高分子膜にむらなく拡散
させる必要がある。そのため、ガス拡散層における水分
の凝縮によるガス拡散層の目詰まりを回避し、燃料の拡
散流路を確保する必要がある。
には、これらの加湿された水素含有ガスおよび酸化剤ガ
スをプロトンイオン伝導性固体高分子膜にむらなく拡散
させる必要がある。そのため、ガス拡散層における水分
の凝縮によるガス拡散層の目詰まりを回避し、燃料の拡
散流路を確保する必要がある。
【０００５】このように燃料電池用電極においては、生
成・凝縮された水をガス流路側に効率よく排出すること
と、加湿されたガスをプロトンイオン伝導性固体高分子
膜にむらなく供給するという異なる特性が要求される。
成・凝縮された水をガス流路側に効率よく排出すること
と、加湿されたガスをプロトンイオン伝導性固体高分子
膜にむらなく供給するという異なる特性が要求される。
【０００６】従来、このような要求に応える方法とし
て、特開平１０−３２６６２２に示されているように、
電極触媒層を撥水性を有する多孔性の芯材部と、芯材部
より水の浸透性を高くした浸透部により構成したもの
や、特開２０００−２４３４０４に示されているよう
に、触媒層を親水性炭素材に触媒粒子を担持させた触媒
体と撥水性炭素材とで構成したものがある。これらの構
成により、電極層からの水の排出処理をスムーズに行
い、水によるガス流路の閉塞を回避している。
て、特開平１０−３２６６２２に示されているように、
電極触媒層を撥水性を有する多孔性の芯材部と、芯材部
より水の浸透性を高くした浸透部により構成したもの
や、特開２０００−２４３４０４に示されているよう
に、触媒層を親水性炭素材に触媒粒子を担持させた触媒
体と撥水性炭素材とで構成したものがある。これらの構
成により、電極層からの水の排出処理をスムーズに行
い、水によるガス流路の閉塞を回避している。
【０００７】
【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
従来の燃料電池用電極の撥水処理として、特開２０００
−２４３４０４に示されているような構成では、電極触
媒層の中での排水処理は行えるが、ガス拡散層での排水
処理が適切に行えず、生成した水による水詰まりのため
にガス拡散性が確保できなかったり、撥水性炭素材には
触媒成分が担持されていないため電極触媒層として十分
な性能を発現させることが難しいという問題があった。
従来の燃料電池用電極の撥水処理として、特開２０００
−２４３４０４に示されているような構成では、電極触
媒層の中での排水処理は行えるが、ガス拡散層での排水
処理が適切に行えず、生成した水による水詰まりのため
にガス拡散性が確保できなかったり、撥水性炭素材には
触媒成分が担持されていないため電極触媒層として十分
な性能を発現させることが難しいという問題があった。
【０００８】また、特開平１０−３２６６２２に示され
ているような構成では、プロトンイオン伝導性固体高分
子膜側からガス流路側までの芯材部と浸透部の比率が一
定であり、生成・凝縮された水によりプロトンイオン伝
導性固体高分子膜側に水が溜まり、ガスの拡散流路が詰
まりやすくなる。 その結果、燃料電池の運転中にガス
拡散流路が閉塞して出力が十分に取出せないという問題
があった。
ているような構成では、プロトンイオン伝導性固体高分
子膜側からガス流路側までの芯材部と浸透部の比率が一
定であり、生成・凝縮された水によりプロトンイオン伝
導性固体高分子膜側に水が溜まり、ガスの拡散流路が詰
まりやすくなる。 その結果、燃料電池の運転中にガス
拡散流路が閉塞して出力が十分に取出せないという問題
があった。
【０００９】そこで本発明は、燃料電池触媒層およびガ
ス拡散層において、電気化学反応により生成された水や
余剰水分の凝縮により生成された水の流れを制御できる
燃料電池用電極およびその電極を用いた燃料電池を提供
することを目的とする。
ス拡散層において、電気化学反応により生成された水や
余剰水分の凝縮により生成された水の流れを制御できる
燃料電池用電極およびその電極を用いた燃料電池を提供
することを目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】第１の発明は、 プロ
トンイオン伝導性固体高分子膜と、前記プロトンイオン
伝導性固体高分子膜を狭持する一対の電極触媒層と、さ
らにその外側から狭持し、前記電極触媒層に供給するガ
スを拡散する一対のガス拡散層と、前記ガス拡散層に供
給するガスの流路を形成する流路形成部材とを積層する
ことにより形成した燃料電池において、前記電極触媒層
および前記ガス拡散層が、撥水性を有する撥水部と親水
性を有する親水部で構成され、その積層面に垂直な方向
について前記撥水部と前記親水部の分布の比率を変化さ
せた。
トンイオン伝導性固体高分子膜と、前記プロトンイオン
伝導性固体高分子膜を狭持する一対の電極触媒層と、さ
らにその外側から狭持し、前記電極触媒層に供給するガ
スを拡散する一対のガス拡散層と、前記ガス拡散層に供
給するガスの流路を形成する流路形成部材とを積層する
ことにより形成した燃料電池において、前記電極触媒層
および前記ガス拡散層が、撥水性を有する撥水部と親水
性を有する親水部で構成され、その積層面に垂直な方向
について前記撥水部と前記親水部の分布の比率を変化さ
せた。
【００１１】第２の発明は、第１の発明において、前記
電極触媒層および前記ガス拡散層において、前記プロト
ンイオン伝導性固体高分子膜側で前記撥水部の比率を高
く、前記流路形成部材側にいくに従って前記撥水部の比
率を減少させる。
電極触媒層および前記ガス拡散層において、前記プロト
ンイオン伝導性固体高分子膜側で前記撥水部の比率を高
く、前記流路形成部材側にいくに従って前記撥水部の比
率を減少させる。
【００１２】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記電極触媒層が、触媒金属が担持された撥水性を
有する撥水部と、触媒金属が担持された親水性を有する
親水部とを備える。
て、前記電極触媒層が、触媒金属が担持された撥水性を
有する撥水部と、触媒金属が担持された親水性を有する
親水部とを備える。
【００１３】第４の発明は、プロトンイオン伝導性固体
高分子膜と、前記プロトンイオン伝導性固体高分子膜を
狭持する一対の電極触媒層と、さらにその外側から狭持
し、前記電極触媒層に供給するガスを拡散する一対のガ
ス拡散層と、前記ガス拡散層に供給するガスの流路を形
成する流路形成部材とを積層することにより形成した燃
料電池において、前記電極触媒層および前記ガス拡散層
が、撥水性を有する撥水部と親水性を有する親水部で構
成され、その積層面に垂直な方向について前記撥水部と
前記親水部の分布の比率を変化させた燃料電池用電極を
用いる。
高分子膜と、前記プロトンイオン伝導性固体高分子膜を
狭持する一対の電極触媒層と、さらにその外側から狭持
し、前記電極触媒層に供給するガスを拡散する一対のガ
ス拡散層と、前記ガス拡散層に供給するガスの流路を形
成する流路形成部材とを積層することにより形成した燃
料電池において、前記電極触媒層および前記ガス拡散層
が、撥水性を有する撥水部と親水性を有する親水部で構
成され、その積層面に垂直な方向について前記撥水部と
前記親水部の分布の比率を変化させた燃料電池用電極を
用いる。
【００１４】
【作用及び効果】第１の発明によれば、電極触媒層およ
びガス拡散層を、撥水部と親水部で構成し、積層面に垂
直な方向で撥水部と親水部の分布の比率を変化させるこ
とにより、余剰水分の流れを制御して電極触媒層および
ガス拡散層内での目詰まりを回避することができる。
びガス拡散層を、撥水部と親水部で構成し、積層面に垂
直な方向で撥水部と親水部の分布の比率を変化させるこ
とにより、余剰水分の流れを制御して電極触媒層および
ガス拡散層内での目詰まりを回避することができる。
【００１５】第２の発明によれば、プロトンイオン伝導
性固体高分子膜側から流路形成部材側に向かって撥水部
を減少させることにより、余剰水分をガスの流路側へ積
極的に排除することができるので、電極触媒層およびガ
ス拡散層の目詰まりを回避することができる。
性固体高分子膜側から流路形成部材側に向かって撥水部
を減少させることにより、余剰水分をガスの流路側へ積
極的に排除することができるので、電極触媒層およびガ
ス拡散層の目詰まりを回避することができる。
【００１６】第３の発明によれば、撥水部および親水部
に触媒金属を担持させることで、電極触媒層として十分
な性能を発現できる。
に触媒金属を担持させることで、電極触媒層として十分
な性能を発現できる。
【００１７】第４の発明によれば、電極触媒層およびガ
ス拡散層において、積層面に垂直な方向について撥水部
と親水部の比率を変化させた燃料電池用電極を用いるこ
とで、高効率の燃料電池を得ることができる。
ス拡散層において、積層面に垂直な方向について撥水部
と親水部の比率を変化させた燃料電池用電極を用いるこ
とで、高効率の燃料電池を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】第１の実施形態における燃料電池
に用いる燃料電池用電極の構成を図１に示す。
に用いる燃料電池用電極の構成を図１に示す。
【００１９】燃料電池用電極を、プロトンイオン伝導性
固体高分子膜１、電極触媒層２、ガス拡散層３、セパレ
ータ板４（流路形成部材）を積層することにより形成す
る。プロトンイオン伝導性固体高分子膜１を一対の電極
触媒層２により狭持し、その両側に十分に加湿された水
素含有ガスまたは酸化剤ガスを電極触媒層２にむらなく
供給するためのガス拡散層３を形成する。その両側に、
対峙面に凹状の溝４ａを形成したセパレータ板４を設置
し、ガス拡散層３とセパレータ板４の溝４ａにより形成
されたガス流路５からガス拡散層３へ加湿された水素含
有ガスまたは酸化剤ガスを供給する。
固体高分子膜１、電極触媒層２、ガス拡散層３、セパレ
ータ板４（流路形成部材）を積層することにより形成す
る。プロトンイオン伝導性固体高分子膜１を一対の電極
触媒層２により狭持し、その両側に十分に加湿された水
素含有ガスまたは酸化剤ガスを電極触媒層２にむらなく
供給するためのガス拡散層３を形成する。その両側に、
対峙面に凹状の溝４ａを形成したセパレータ板４を設置
し、ガス拡散層３とセパレータ板４の溝４ａにより形成
されたガス流路５からガス拡散層３へ加湿された水素含
有ガスまたは酸化剤ガスを供給する。
【００２０】ここで、電極触媒層２およびガス拡散層３
に、後述の調整方法により形成した撥水性を有する撥水
部と親水性を有する親水部とを形成する。撥水部および
親水部は積層面に平行な方向に均一に分布するように形
成する。つまり、電極触媒層２およびガス拡散層３を、
撥水部および親水部を均一に分布させた面を積層するこ
とにより形成する。また、撥水部と親水部の分布の比率
を積層面に垂直な方向（断面方向）で変化させる。これ
により、電極触媒層２およびガス拡散層３内の凝縮され
た水の流れを制御でき、目詰まりを回避できるので燃料
電池用電極としての性能低下を防止できる。ここでは、
プロトンイオン伝導性固体高分子膜１からセパレータ板
４側、つまりガス流路５が形成されている方向にいくに
つれ撥水部の分布比率が減少するように形成するので、
水を撥水部ではじきガス流路５側に積極的に移動させる
ことができる。反対に親水部は、プロトンイオン伝導性
固体高分子膜１からセパレータ板４側にいくにしたがい
増加するように形成するので、さらに積極的に水を移動
させることができる。
に、後述の調整方法により形成した撥水性を有する撥水
部と親水性を有する親水部とを形成する。撥水部および
親水部は積層面に平行な方向に均一に分布するように形
成する。つまり、電極触媒層２およびガス拡散層３を、
撥水部および親水部を均一に分布させた面を積層するこ
とにより形成する。また、撥水部と親水部の分布の比率
を積層面に垂直な方向（断面方向）で変化させる。これ
により、電極触媒層２およびガス拡散層３内の凝縮され
た水の流れを制御でき、目詰まりを回避できるので燃料
電池用電極としての性能低下を防止できる。ここでは、
プロトンイオン伝導性固体高分子膜１からセパレータ板
４側、つまりガス流路５が形成されている方向にいくに
つれ撥水部の分布比率が減少するように形成するので、
水を撥水部ではじきガス流路５側に積極的に移動させる
ことができる。反対に親水部は、プロトンイオン伝導性
固体高分子膜１からセパレータ板４側にいくにしたがい
増加するように形成するので、さらに積極的に水を移動
させることができる。
【００２１】このように形成することで、プロトンイオ
ン伝導性固体高分子膜１付近に多く分布している撥水部
では水分をはじき、はじかれた水はセパレータ板４側に
多く分布している親水部へ移動する。つまり、電極触媒
層２で生成された水や水素ガス及び空気中の凝縮された
余剰水蒸気を、電極触媒層２側からガス流路５へ速やか
に移動させて排出することができる。これにより、生成
された水や余剰水分による触媒の目詰まりを回避し、電
極触媒層２に十分な酸化剤ガスおよび水素含有ガスを供
給することができるので、燃料電池用電極としての性能
を維持し、高効率の燃料電池を形成することができる。
ン伝導性固体高分子膜１付近に多く分布している撥水部
では水分をはじき、はじかれた水はセパレータ板４側に
多く分布している親水部へ移動する。つまり、電極触媒
層２で生成された水や水素ガス及び空気中の凝縮された
余剰水蒸気を、電極触媒層２側からガス流路５へ速やか
に移動させて排出することができる。これにより、生成
された水や余剰水分による触媒の目詰まりを回避し、電
極触媒層２に十分な酸化剤ガスおよび水素含有ガスを供
給することができるので、燃料電池用電極としての性能
を維持し、高効率の燃料電池を形成することができる。
【００２２】電極触媒層２のうち水素含有ガスが供給さ
れた燃料極２ａにおいてプロトンイオンが生成され、こ
れがプロトンイオン伝導性固体高分子膜１を介してもう
一方の電極触媒２である酸素極２ｂへ伝導される。この
プロトンイオンの発生に伴って発生する電子を取出すこ
とにより化学エネルギーを電気エネルギーに変換して効
率のよい発電を行うことができる。
れた燃料極２ａにおいてプロトンイオンが生成され、こ
れがプロトンイオン伝導性固体高分子膜１を介してもう
一方の電極触媒２である酸素極２ｂへ伝導される。この
プロトンイオンの発生に伴って発生する電子を取出すこ
とにより化学エネルギーを電気エネルギーに変換して効
率のよい発電を行うことができる。
【００２３】次に、プロトンイオン伝導性固体高分子膜
１の両側に形成した電極触媒層２を形成する撥水部と親
水部の調製方法について説明する。
１の両側に形成した電極触媒層２を形成する撥水部と親
水部の調製方法について説明する。
【００２４】粒径が数μｍ以下のカーボンブラック粒子
に、塩化白金酸溶液を用いて白金を含浸担持させる。こ
の時、燃料電池の出力を安定させるために白金に還元処
理を行う。本実施形態では、白金の担持量が調整後に５
０重量％となるように調整する。
に、塩化白金酸溶液を用いて白金を含浸担持させる。こ
の時、燃料電池の出力を安定させるために白金に還元処
理を行う。本実施形態では、白金の担持量が調整後に５
０重量％となるように調整する。
【００２５】この調製した白金担持カーボンブラック粉
末と、高分子電解質、アルコール溶液、水とを用いて、
親水部となる親水性のカーボンブラックスラリーを調整
し、また、調製した白金担持カーボンブラック粉末と、
フッ素樹脂粉末の水性ディスバージョン、高分子分解
膜、アルコール溶液、水とを用いて、撥水部となる撥水
性のカーボンブラックスラリーを調製する。
末と、高分子電解質、アルコール溶液、水とを用いて、
親水部となる親水性のカーボンブラックスラリーを調整
し、また、調製した白金担持カーボンブラック粉末と、
フッ素樹脂粉末の水性ディスバージョン、高分子分解
膜、アルコール溶液、水とを用いて、撥水部となる撥水
性のカーボンブラックスラリーを調製する。
【００２６】このように調製した親水性カーボンブラッ
クと撥水性カーボンブラックを、プロトンイオン伝導性
固体高分子膜１の表面に飛沫状に塗布する。このとき
に、撥水部および親水部がプロトンイオン伝導性固体高
分子膜１に平行な面について同時にかつ均一に存在する
ように、親水性カーボンブラックと撥水性カーボンブラ
ックの塗布を複数回交互に行う。このとき各塗布工程に
おけるプロトンイオン伝導性固体高分子膜１に平行な面
についての撥水部および親水部の分布の比率をコントロ
ールする。その比率はプロトンイオン伝導性固体高分子
膜１側で撥水性カーボンブラックの塗布量の比率を高く
し、ガス拡散層３側にいくにしたがって低くしていく。
反対に、親水性カーボンブラックの塗布量はプロトンイ
オン固体高分子膜１側で低くし、ガス拡散層３側にいく
にしたがって高くしていく。このように、カーボンブラ
ックを繰り返し塗布していくことで、所定の厚さを持つ
電極触媒層２を形成する。
クと撥水性カーボンブラックを、プロトンイオン伝導性
固体高分子膜１の表面に飛沫状に塗布する。このとき
に、撥水部および親水部がプロトンイオン伝導性固体高
分子膜１に平行な面について同時にかつ均一に存在する
ように、親水性カーボンブラックと撥水性カーボンブラ
ックの塗布を複数回交互に行う。このとき各塗布工程に
おけるプロトンイオン伝導性固体高分子膜１に平行な面
についての撥水部および親水部の分布の比率をコントロ
ールする。その比率はプロトンイオン伝導性固体高分子
膜１側で撥水性カーボンブラックの塗布量の比率を高く
し、ガス拡散層３側にいくにしたがって低くしていく。
反対に、親水性カーボンブラックの塗布量はプロトンイ
オン固体高分子膜１側で低くし、ガス拡散層３側にいく
にしたがって高くしていく。このように、カーボンブラ
ックを繰り返し塗布していくことで、所定の厚さを持つ
電極触媒層２を形成する。
【００２７】ここでは、撥水部および親水部の両方に白
金の担持させるので、電極触媒層２は燃料電池用電極と
しての高性能を維持しつつ、余剰水分を排除することが
できる。
金の担持させるので、電極触媒層２は燃料電池用電極と
しての高性能を維持しつつ、余剰水分を排除することが
できる。
【００２８】次にガス拡散層３の撥水部と親水部の調製
方法について説明する。
方法について説明する。
【００２９】厚さ４００μｍのカーボン不織布の電極触
媒層２に対峙する面に撥水処理を施す部分を切り欠いた
パターンをかぶせ、電極触媒層２側からフッ素樹脂粉末
の水性ディスバージョンを飛沫状にして塗布する。これ
と同時に、ガス流路５側から真空ポンプにより空気を吸
い込むことにより、カーボン不織布の断面方向へ撥水部
となるフッ素樹脂粉末を拡散させる。ここで真空ポンプ
による空気の吸い込み程度を制御することで拡散量を制
御し、断面方向の撥水部が分布する比率をコントロール
する。ここでは、電極触媒層２に対峙する面側からセパ
レータ板４に対峙する面側にいくにしたがい減少するよ
うにした。これにより、ガス拡散層３中の水分をセパレ
ータ板４に対峙する面側に移動させることができる。
媒層２に対峙する面に撥水処理を施す部分を切り欠いた
パターンをかぶせ、電極触媒層２側からフッ素樹脂粉末
の水性ディスバージョンを飛沫状にして塗布する。これ
と同時に、ガス流路５側から真空ポンプにより空気を吸
い込むことにより、カーボン不織布の断面方向へ撥水部
となるフッ素樹脂粉末を拡散させる。ここで真空ポンプ
による空気の吸い込み程度を制御することで拡散量を制
御し、断面方向の撥水部が分布する比率をコントロール
する。ここでは、電極触媒層２に対峙する面側からセパ
レータ板４に対峙する面側にいくにしたがい減少するよ
うにした。これにより、ガス拡散層３中の水分をセパレ
ータ板４に対峙する面側に移動させることができる。
【００３０】ここで、電極触媒層２とガス拡散層３の撥
水部の分布を、電極触媒層２のプロトンイオン伝導性固
体高分子膜１側からガス拡散層３のセパレータ板４側に
いくにしたがって、徐々に減少していくように設定す
る。これにより、電極触媒層２およびガス拡散層３中の
余剰水分を速やかにガス流路５に排出することができ
る。このようにしてフッ素樹脂粉末を付着させ、カーボ
ン不織布を乾燥した後、４００℃で熱処理してガス拡散
層３を製造する。
水部の分布を、電極触媒層２のプロトンイオン伝導性固
体高分子膜１側からガス拡散層３のセパレータ板４側に
いくにしたがって、徐々に減少していくように設定す
る。これにより、電極触媒層２およびガス拡散層３中の
余剰水分を速やかにガス流路５に排出することができ
る。このようにしてフッ素樹脂粉末を付着させ、カーボ
ン不織布を乾燥した後、４００℃で熱処理してガス拡散
層３を製造する。
【００３１】調製したガス拡散層３で、プロトンイオン
伝導性固体高分子膜１にカーボンブラックを塗布して電
極触媒層２を付着させたものを挟み、温度１４０℃、圧
力１００kgf／cm2で９０秒プレスして接合一体化をはか
る。接合一体化した燃料電池用電極を用い、その両側か
らセパレータ板４で挟むことで、燃料電池の単電池を形
成する。
伝導性固体高分子膜１にカーボンブラックを塗布して電
極触媒層２を付着させたものを挟み、温度１４０℃、圧
力１００kgf／cm2で９０秒プレスして接合一体化をはか
る。接合一体化した燃料電池用電極を用い、その両側か
らセパレータ板４で挟むことで、燃料電池の単電池を形
成する。
【００３２】このように電極触媒層２およびガス拡散層
３を調製し、燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電
池を形成することで、プロトンイオン伝導性固体高分子
膜１と電極触媒層２との界面で電気化学反応により生成
された水は撥水部ではじかれ、親水部に選択的に付着し
ていく。ここでは、プロトンイオン伝導性固体高分子膜
１側からガス流路５側に向けて、撥水部分の割合がしだ
いに低くなっていくため、生成した水は親水部を伝わっ
てガス流路５側へ排出されていく。
３を調製し、燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電
池を形成することで、プロトンイオン伝導性固体高分子
膜１と電極触媒層２との界面で電気化学反応により生成
された水は撥水部ではじかれ、親水部に選択的に付着し
ていく。ここでは、プロトンイオン伝導性固体高分子膜
１側からガス流路５側に向けて、撥水部分の割合がしだ
いに低くなっていくため、生成した水は親水部を伝わっ
てガス流路５側へ排出されていく。
【００３３】また、親水部と撥水部が同一平面上で混在
しているため、電極触媒層２およびガス拡散層３の断面
方向で常に撥水部が存在し水をはじくので、ガスの拡散
流路を確保することができる。そのため酸素極２ｂで
は、生成された水によりガスの拡散流路が閉塞されるこ
とによって、プロトンイオン伝導性固体高分子膜１への
ガス供給が阻害されるのを防ぐことができ、酸化剤ガス
がプロトンイオン伝導性固体高分子膜１へ均等に供給さ
れるので、燃料電池の性能低下を防止できる。
しているため、電極触媒層２およびガス拡散層３の断面
方向で常に撥水部が存在し水をはじくので、ガスの拡散
流路を確保することができる。そのため酸素極２ｂで
は、生成された水によりガスの拡散流路が閉塞されるこ
とによって、プロトンイオン伝導性固体高分子膜１への
ガス供給が阻害されるのを防ぐことができ、酸化剤ガス
がプロトンイオン伝導性固体高分子膜１へ均等に供給さ
れるので、燃料電池の性能低下を防止できる。
【００３４】燃料極２ａにおいては、余分に加湿された
水によるガスの拡散流路の閉塞を防ぐことができ、同時
に、プロトンイオン伝導性固体高分子膜１への水素含有
ガス供給の阻害による燃料電池の性能低下が抑制でき
る。
水によるガスの拡散流路の閉塞を防ぐことができ、同時
に、プロトンイオン伝導性固体高分子膜１への水素含有
ガス供給の阻害による燃料電池の性能低下が抑制でき
る。
【００３５】第２の実施形態において、ガス拡散層３と
して厚さ４００μｍの第１の実施形態におけるカーボン
不織布の替わりに、厚さ３００μｍのカーボンペーパを
用い、第１の実施形態と同じ構成の燃料電池を形成す
る。このように形成することで、第１の実施形態と同様
の効果を得ることができる。
して厚さ４００μｍの第１の実施形態におけるカーボン
不織布の替わりに、厚さ３００μｍのカーボンペーパを
用い、第１の実施形態と同じ構成の燃料電池を形成す
る。このように形成することで、第１の実施形態と同様
の効果を得ることができる。
【００３６】第３の実施形態において、ガス拡散層３と
して、撥水性のカーボン繊維と親水性のカーボン繊維を
用いてカーボン不織布を調製する。
して、撥水性のカーボン繊維と親水性のカーボン繊維を
用いてカーボン不織布を調製する。
【００３７】撥水性のカーボン繊維としては、フッ素樹
脂粉末の水性ディスバージョンを付着させたカーボン繊
維を用い、親水性のカーボン繊維としては、フッ素樹脂
粉末の水性ディスバージョンを付着させないカーボン繊
維を用いて、それぞれを二次平面内で無作為に配向させ
てカーボン不織布を形成する。二次平面で無作為に配向
させる方法としては、液体の媒体中にカーボン繊維を分
散させて抄造する湿式法や、空中でカーボン繊維を分散
させて降り積もらせる乾式法を用いることができる。ま
た、撥水部と親水部の比率は、撥水性のカーボン繊維と
親水性のカーボン繊維の比率を変更することによりコン
トロールすることができる。
脂粉末の水性ディスバージョンを付着させたカーボン繊
維を用い、親水性のカーボン繊維としては、フッ素樹脂
粉末の水性ディスバージョンを付着させないカーボン繊
維を用いて、それぞれを二次平面内で無作為に配向させ
てカーボン不織布を形成する。二次平面で無作為に配向
させる方法としては、液体の媒体中にカーボン繊維を分
散させて抄造する湿式法や、空中でカーボン繊維を分散
させて降り積もらせる乾式法を用いることができる。ま
た、撥水部と親水部の比率は、撥水性のカーボン繊維と
親水性のカーボン繊維の比率を変更することによりコン
トロールすることができる。
【００３８】このように形成することにより、撥水部と
親水部の比率を容易にかつ正確にコントロールすること
ができるので、電極に存在する水を速やかに排出するこ
とができる。
親水部の比率を容易にかつ正確にコントロールすること
ができるので、電極に存在する水を速やかに排出するこ
とができる。
【００３９】このように形成した第１〜３の実施形態に
おける燃料電池の特性評価を図２、図３に示す。特性評
価は電流密度を０〜１．６A／cm2まで流し、その時の電
圧変化を測定したもので、図２、図３に示すのは燃料電
池単セルのI-V特性である。
おける燃料電池の特性評価を図２、図３に示す。特性評
価は電流密度を０〜１．６A／cm2まで流し、その時の電
圧変化を測定したもので、図２、図３に示すのは燃料電
池単セルのI-V特性である。
【００４０】また比較例として、電極触媒層２において
触媒のカーボンブラックスラリーとして撥水性のカーボ
ンスラリーのみを用いた比較例１と、ガス拡散層３にお
いて十分に真空ポンプの吸引時間を長くして、断面方向
での撥水部の分布を均一にした比較例２を同時に示す。
触媒のカーボンブラックスラリーとして撥水性のカーボ
ンスラリーのみを用いた比較例１と、ガス拡散層３にお
いて十分に真空ポンプの吸引時間を長くして、断面方向
での撥水部の分布を均一にした比較例２を同時に示す。
【００４１】図２に比較例１、比較例２、実施形態１の
I-V特性を示す。比較例１、２と比べて第１の実施形態
に用いた燃料電池は電流密度が大きくなっても電圧を保
つことができる。つまり、電極触媒層２に撥水性のみな
らず親水性のカーボンスラリーを用い、プロトンイオン
伝導性固体高分子膜１側からガス流路５にかけて撥水部
を減少させることにより、効率的な出力を得ることがで
きる。
I-V特性を示す。比較例１、２と比べて第１の実施形態
に用いた燃料電池は電流密度が大きくなっても電圧を保
つことができる。つまり、電極触媒層２に撥水性のみな
らず親水性のカーボンスラリーを用い、プロトンイオン
伝導性固体高分子膜１側からガス流路５にかけて撥水部
を減少させることにより、効率的な出力を得ることがで
きる。
【００４２】また図３に実施形態２および３のI-V特性
を示した。第２および３の実施形態における燃料電池も
第１の実施形態における燃料電池と同様の効果が得られ
る。
を示した。第２および３の実施形態における燃料電池も
第１の実施形態における燃料電池と同様の効果が得られ
る。
【００４３】ここで、本実施形態においては、燃料電池
を単電池としたが、単セルを複数枚積層して燃料電池を
形成してもよい。このように、本発明は上記の実施形態
に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した
技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言う
までもない。
を単電池としたが、単セルを複数枚積層して燃料電池を
形成してもよい。このように、本発明は上記の実施形態
に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した
技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言う
までもない。
【図１】本実施形態における燃料電池用電極の構成図で
ある。
ある。
【図２】第１の実施形態における燃料電池の単位セルあ
たりのI-V特性を示す図である。
たりのI-V特性を示す図である。
【図３】第２および３の実施形態における燃料電池の単
位セルあたりのI-V特性を示す図である。
位セルあたりのI-V特性を示す図である。
１ プロトンイオン伝導性固体高分子膜
２ 電極触媒層
３ ガス拡散層
４ セパレータ板（流路形成部材）
５ ガス流路
Claims (4)
- 【請求項１】プロトンイオン伝導性固体高分子膜と、 前記プロトンイオン伝導性固体高分子膜を狭持する一対
の電極触媒層と、 さらにその外側から狭持し、前記電極触媒層に供給する
ガスを拡散する一対のガス拡散層と、 前記ガス拡散層に供給するガスの流路を形成する流路形
成部材とを積層することにより形成した燃料電池におい
て、 前記電極触媒層および前記ガス拡散層が、撥水性を有す
る撥水部と親水性を有する親水部で構成され、その積層
面に垂直な方向について前記撥水部と前記親水部の分布
の比率を変化させたことを特徴とする燃料電池用電極。 - 【請求項２】前記電極触媒層および前記ガス拡散層にお
いて、前記プロトンイオン伝導性固体高分子膜側で前記
撥水部の比率を高く、前記流路形成部材側にいくに従っ
て前記撥水部の比率を減少させる請求項１に記載の燃料
電池用電極。 - 【請求項３】前記電極触媒層が、触媒金属が担持された
撥水性を有する撥水部と、触媒金属が担持された親水性
を有する親水部とを備える請求項１または２に記載の燃
料電池用電極。 - 【請求項４】プロトンイオン伝導性固体高分子膜と、 前記プロトンイオン伝導性固体高分子膜を狭持する一対
の電極触媒層と、 さらにその外側から狭持し、前記電極触媒層に供給する
ガスを拡散する一対のガス拡散層と、 前記ガス拡散層に供給するガスの流路を形成する流路形
成部材とを積層することにより形成した燃料電池におい
て、 前記電極触媒層および前記ガス拡散層が、撥水性を有す
る撥水部と親水性を有する親水部で構成され、その積層
面に垂直な方向について前記撥水部と前記親水部の分布
の比率を変化させた燃料電池用電極を用いることを特徴
とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001342942A JP2003151565A (ja) | 2001-11-08 | 2001-11-08 | 燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001342942A JP2003151565A (ja) | 2001-11-08 | 2001-11-08 | 燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003151565A true JP2003151565A (ja) | 2003-05-23 |
Family
ID=19156717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001342942A Pending JP2003151565A (ja) | 2001-11-08 | 2001-11-08 | 燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003151565A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005150002A (ja) * | 2003-11-19 | 2005-06-09 | Konica Minolta Holdings Inc | 燃料電池 |
| JP2006134886A (ja) * | 2004-11-03 | 2006-05-25 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池用電極とその製造方法，燃料電池用電極を含む膜−電極接合体，及びこの膜−電極接合体を含む燃料電池システム |
| JP2007066597A (ja) * | 2005-08-30 | 2007-03-15 | Dainippon Printing Co Ltd | 転写シート、触媒層−電解質膜積層体、電極−電解質膜接合体及びこれらの製造方法 |
| JP2007511876A (ja) * | 2003-11-14 | 2007-05-10 | ペミアス ゲーエムベーハー | ガス拡散材料のための構造及びその製造方法 |
| JP2007122938A (ja) * | 2005-10-26 | 2007-05-17 | Gs Yuasa Corporation:Kk | 燃料電池用膜／電極接合体およびその製造方法ならびにそれを備えた燃料電池 |
| JP2007200855A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-08-09 | Nissan Motor Co Ltd | 膜電極接合体、および、これを用いた燃料電池 |
| JP2008509521A (ja) * | 2004-08-06 | 2008-03-27 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 疎水性と親水性を有する拡散媒体 |
| JP2010061966A (ja) * | 2008-09-03 | 2010-03-18 | Mitsubishi Electric Corp | 固体高分子形燃料電池 |
| JP7533194B2 (ja) | 2020-12-16 | 2024-08-14 | Ｔｏｐｐａｎホールディングス株式会社 | 燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6217193A (ja) * | 1985-07-13 | 1987-01-26 | Shirakawa Seisakusho:Kk | 電極・隔膜組立体 |
| JPH05251086A (ja) * | 1992-03-09 | 1993-09-28 | Hitachi Ltd | 燃料電池及びその応用装置 |
| JPH07105957A (ja) * | 1993-10-12 | 1995-04-21 | Toyota Motor Corp | エネルギ変換装置および電極 |
-
2001
- 2001-11-08 JP JP2001342942A patent/JP2003151565A/ja active Pending
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| US7998638B2 (en) | 2004-11-03 | 2011-08-16 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Electrode for fuel cell, and membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising the same |
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| JP7533194B2 (ja) | 2020-12-16 | 2024-08-14 | Ｔｏｐｐａｎホールディングス株式会社 | 燃料電池用膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
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