JP2003173789A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
高分子電解質型燃料電池Info
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Abstract
生成した水分を速やかにガス拡散層で蒸発させて電池外
に効率的に排出することにより、電極触媒中に過剰な水
が滞留することなく、しかも高分子電解質膜が適度な湿
潤状態に保たれるようにすることである。 【解決手段】 第1の方式では、ガス拡散層の多孔性カ
ーボン支持体を複数の層で構成し、触媒層側の層の細孔
分布を細かくし、触媒層側とは反対側の層の細孔分布を
粗くした。第2の方式では、ガス拡散層の中のカーボン
クロスにおいて、異なる大きさの網目を面方向に間欠的
に分布させた。
Description
電池に関し、特にその構成要素である電極すなわちガス
拡散電極のガス拡散層に関する。
燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを供給し(一般的に燃
料ガス供給側をアノード電極と呼び、また酸化剤ガス供
給側はカソード電極と呼ばれる)、白金などの触媒上で
電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発
生させるものである。高分子電解質型燃料電池に用いら
れている高分子電解質は、十分に水で湿潤している状態
の時に、必要とするイオン伝導度が保たれる。一方、電
池としての電極反応は、触媒、高分子電解質、反応ガス
の三相界面で生じる水の生成反応であり、供給するガス
中の水蒸気や電極反応で生じる生成水が速やかに排出さ
れないと、電極やガス拡散層内に水が滞留し、ガス拡散
が悪くなり電池特性は低下してしまう。
電池に用いる電極には、高分子電解質の保湿と水の排出
を促進するための対策がとられている。一般的な電極と
しては、触媒層となる貴金属を担持した炭素粉末すなわ
ち炭素粒子を、ガス拡散層となる多孔性カーボン支持体
上に形成したものを用いる。
るカーボンペーパーなどのカーボン不織布やカーボンク
ロスなどが用いられる。これらの多孔性カーボン支持体
は、予めポリテトラフルオロエチレン系材料の分散液な
どを用いて撥水処理を行い、電極反応で生じた生成水の
排出が速やかに行われるようにし、また高分子電解質膜
や電極中の高分子電解質が適度な湿潤状態になるように
するのが一般的である。また、これ以外の方法として、
電極触媒層中に撥水処理を施した炭素粒子を混合して、
電極触媒層中の余分な生成水を排出する対策もとられて
いる。
いは特開平6−262562号公報には、集電体がカー
ボンクロスで構成されており、その網目をガスの入口か
ら出口に向かう方向に徐々に粗くしてガス拡散性を向上
させた例が開示されている。
高分子電解質型燃料電池に用いる電極は、ガス拡散層と
なる多孔性カーボン支持体が用いられており、前記多孔
性カーボン支持体としては炭素繊維からなるカーボンペ
ーパーなどのカーボン不織布やカーボンクロスなどが用
いられる。一般にカーボン不職布のガス透過性は等方的
であるのに対し、カーボンクロスは網目に由来する細孔
のために厚さ方向のガス透過性が面内方向よりも大き
い。このため、一般にカーボンクロスの方が触媒層で生
成した過剰の水分の排出性に優れる一方、水分の保水性
はカーボン不職布の方が優れる。
性はトレードオフの関係にあり、ガス拡散層で水の排出
性と触媒層への保水性との両立が難しく、ある運転条件
の下での最適な多孔性カーボン支持体を選択している状
態である。よって、放電電流が変化した場合や、供給さ
れるガスの流量や加湿量が変わった時には触媒層の水分
の不足状態または過剰の水分によるガスの閉塞状態が起
こり、電池特性が低下するという課題があった。この課
題は上記特開平8-124583号公報に記載された、網目をガ
スの入口から出口に向かう方向に徐々に粗くしてガス拡
散性を向上させる方法では解決しない。さらに、水分排
出性と保水性のバランスをうまく保ちつつ、供給される
ガスが充分に高分子電解質膜に到達することも必要であ
る。
ガス拡散層に吸出し、ガス拡散層内で蒸発させて電池外
に効率よく排出することで電極触媒中に過剰な水が滞留
することなく、しかも高分子電解質が適度な湿潤状態に
保たれ、供給されるガスが充分に高分子電解質膜に到達
するような設計を施した高性能な電極が求められてい
る。
向で徐々に変化させることは、カーボンクロスの製造上
困難を伴い、コスト高の要因となる。
めに本発明においては、ガス拡散層のカーボン支持体に
多孔の粗密分布を設けることを特徴とする。かつ、その
多孔の粗密分布を設けるにあたり、2つの方式を提案す
る。
型燃料電池は、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ように配置さ
れた一対の電極からなる電解質膜−電極接合体と、前記
電解質膜−電極接合体を挟むように配置されガス流路を
有する一対のセパレータ板とを具備した燃料電池であっ
て、前記各電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜
に接触した触媒層と、前記触媒層に接触したガス拡散層
とを有し、前記ガス拡散層はカーボンクロスを含むカー
ボン支持体を含み、前記カーボン支持体は、少なくとも
前記触媒層側の第1カーボン支持体層と、前記触媒層と
は反対側で前記第1カーボン支持体層上に積層された第
2カーボン支持体層との複数の層からなり、前記第1カ
ーボン支持体層および前記第2カーボン支持体層の細孔
分布は、前記第1カーボン支持体層が細かく、前記第2
カーボン支持体層が粗いことを特徴とする。すなわち、
その細孔分布は、触媒層側では、より多数のより小さい
細孔が存在し、触媒層の反対側では、より少数のより大
きい細孔が存在する。
ボン支持体層と前記第2カーボン支持体層はそれぞれカ
ーボンクロスからなり、前記第1カーボン支持体層のカ
ーボンクロスの網目が細かく、前記第2カーボン支持体
層のカーボンクロスの網目が粗いことが有効である。ま
た、本発明の高分子電解質型燃料電池は、前記カーボン
支持体が、横糸間間隔が狭い第1の横糸層と横糸間間隔
が広い第2の横糸層とを、共通の縦糸で編んだカーボン
クロスからなることが有効である。
い糸を編んでなるカーボンクロスと太さの大きい糸を編
んでなるカーボンクロスとからなることが有効である。
また、前記カーボン支持体は、カーボン不職布と前記カ
ーボンクロスとを積層してなることが有効である。
側に炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有
することが好ましい。また、前記カーボン支持体が撥水
処理されていることが好ましい。
電解質型燃料電池は、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ように
配置された一対の電極からなる電解質膜−電極接合体
と、前記電解質膜−電極接合体を挟むように配置されガ
ス流路を有する一対のセパレータ板とを具備した燃料電
池であって、前記各電極は前記水素イオン伝導性高分子
電解質膜に接触した触媒層と、前記触媒層に接触したガ
ス拡散層とを有し、前記ガス拡散層はカーボンクロスを
含み、前記カーボンクロスは、異なる大きさの網目が面
方向に間欠的に分布していることを特徴とする。
る複数の糸が面方向に周期的に配置されていることが有
効である。また、前記カーボンクロスは、横糸の間隔が
面方向に周期的に変わることが有効である。
側に炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有
することが好ましい。また、前記カーボンクロスは、撥
水処理されていることが好ましい。
型燃料電池の構成の概略を図1に模式的に示す。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
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
を主成分とする触媒層12を密着して接するように配置
する。さらに触媒層12の外面には、気孔を有する多孔
性カーボン支持体で構成される一対のガス拡散層13を
触媒層12に密着して接するように配置する。ガス拡散
層13と触媒層12により電極14を構成する。なお、
この電極はガス拡散電極と称することもできる。
解質膜11とで形成した高分子電解質膜−電極接合体
(以下、MEA)15を機械的に固定するとともに、隣
接するMEA同士を互いに電気的に直列に接続し、さら
に電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生した水
や余剰のガスを運び去るためのガス流路16を一方の面
に形成したセパレータ板17を配置する。ガス流路はセ
パレータ板17と別に設けることもできるが、セパレー
タ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的で
ある。また、高分子電解質膜11とセパレータ板17間
には反応ガスの漏れを防止するためガスケット18を挟
持する。
活物質である酸素または空気がガス拡散層を介してガス
流路から触媒層へと拡散するとともに、反応によって生
成され浸透効果により触媒層からガス拡散層へと浸透し
てきた過剰な水分をガス拡散層の気孔部から余剰ガスと
ともに電池外部へと除去する。
型燃料電池を構成するガス拡散層は多孔性カーボン支持
体を具備し、その細孔分布が触媒層側で細かくセパレー
タ板側で粗いように傾斜されている。すなわちガス拡散
層の厚み方向で細孔分布が異なる。より具体的には、そ
の細孔分布は、触媒層側では、より多数のより小さい細
孔が存在し、触媒層の反対側では、より少数のより大き
い細孔が存在する。このような傾斜をつけることで、水
の排出性と触媒層への保水性を両立できる。
いガス拡散層により触媒層内に保持されているが、過剰
の水分が生成して触媒層から水分があふれ出してガス拡
散層に水分が到達すると、水分はより細孔分布の粗い層
に誘導され、速やかに触媒層から排出される。その際に
細孔分布の粗い層では水分とガスが相分離した状態にな
り、水分の排出路とガスの通り道が分離されるために、
水の排出性と触媒層への保水性を両立できる。
解質型燃料電池のガス拡散層の構成要素である多孔性カ
ーボン支持体に含まれるカーボンクロスは異なる大きさ
の網目が面方向に間欠的に分布している。すなわちカー
ボンクロスの面方向で細孔分布が異なる。すなわち大き
な細孔と小さな細孔が間欠的に、より好ましくは周期的
に、配置されていることにより、ガス拡散層での水の排
出性と触媒層へのガス拡散性との両立を図ることができ
る。触媒層から生成した過剰の水分は、大きな細孔に誘
導され、速やかに触媒層から排出される。その際にガス
は小さな細孔から拡散するので、水分の排出路とガスの
通り道が分離されるために、水の排出性と触媒層へのガ
ス拡散性を両立できる。
分子電解質型燃料電池を構成するガス拡散層は、触媒層
側に炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有
していることが望ましい。これは触媒層の余剰の水を効
率よく排出し、さらに多孔性カーボン支持体が水素イオ
ン伝導性高分子膜にめりこんで電極が短絡することを防
ぐ効果がある。
型燃料電池のように、細孔分布が触媒層側で細かくセパ
レータ板側で粗いようなガス拡散層を構成するために
は、(1)網目の粗さが異なる複数のクロスを積層す
る、または(2)横糸の間隔が異なる複数の横糸層を共
通の縦糸で編む、または(3)カーボン不職布とカーボ
ンクロスを積層するという方法をとればよい。
は、太さが異なる糸を用いることで容易に実現すること
ができる。より太い糸を用いることにより、カーボンク
ロスの網目を粗くすることができる、すなわち、単位断
面当たりの本数を少なくし、その結果、細孔の数をより
少なくし、細孔の平均的な大きさをより大きくすること
ができる。
縦糸あるいは横糸のいずれかの長さ方向に平行する断面
を横切る横糸あるいは縦糸の本数で表現すると次のよう
になる。すなわち、たとえば、太さ10μmの繊維をよ
り合わせて作った太さ200μm、300μm、600
μmの糸を用いた場合、その糸の本数は、切り口1イン
チ当たり(すなわち、1インチ×布厚の断面で)、それ
ぞれ70本、60本、40本である。さらに、幅1mm
の帯状の糸を用いた場合は、その糸の本数は切り口1イ
ンチ当たり12本である。
には、その嵩密度を変える。具体的には、嵩密度の異な
るカーボンペーパーなどのカーボン不織布の中から所望
の嵩密度のものを用いることにより、容易にカーボン不
織布の細孔分布を変えることができる。より嵩密度の高
いカーボン不織布を用いることにより、カーボン不織布
中の細孔の数をより多くし、細孔の平均的な大きさをよ
り小さくすることができる。別途カーボン不織布を作製
しても良いが、市販のカーボン不織布の中から選択して
も良い。
三菱レイヨン(株)製のカーボンペーパー(品番MFG−
070、MFV4−120)の場合、嵩密度はそれぞれ
0.44g/cm3および0.49g/cm3であり、東
レ(株)製のカーボンペーパー(品番TGP−H−06
0)の場合、嵩密度は0.42〜0.46g/cm3で
ある。さらに、バラードマテリアルプロダクツ社製のカ
ーボン不織布(品番AvCarb P50T)および日
本カーボン(株)製のカーボン不織布(品番GF−20
−N05)の場合、嵩密度はそれぞれ、0.28g/c
m3および0.06g/cm3である。
解質型燃料電池のように、異なる大きさの網目が面方向
に間欠的に、より好ましくは周期的に、分布しているよ
うなカーボンクロスを構成するためには、(1)太さの
異なる複数の糸を間欠的にあるいは周期的に配置する、
または(2)横糸の間隔を間欠的にあるいは周期的に変
える、という方法をとればよい。前記(1)および(2)
において、必ずしも網目の分布は周期的である必要は無
いが、分布がランダムの場合、面内で特性にバラツキが
出るため、電池の電圧が下がる傾向にある。このため面
内で均一な特性を確保するためには網目の分布が周期的
であることが好ましい。
で定義でき、より太い糸を配置することにより、その糸
に隣接する網目を大きくすることができる。また糸の間
隔を変えることにより、その糸に挟まれた網目の大きさ
を変えることができる。これを、より具体的に、カーボ
ンクロスの縦糸あるいは横糸のいずれかの隣り合う平行
の糸の間隔で表現すると次のようになる。すなわち、た
とえば、太さ10μmの繊維をより合わせて作った太さ
300μmの糸数本毎に太さ600μmの糸を配置して
作ったカーボンクロスの隣接する糸の間隔は、太さ30
0μmの糸同士の間隔は約0.42mmであるが、太さ
300μmの糸と太さ600μmの糸の間隔は約0.5
3mmになる。
作った太さ300μmの糸数本毎に糸を間引いて作った
カーボンクロスの隣接する糸の間隔は、間引かなかった
部分の糸の間隔は約0.42mmであるが、間引いた部
分では約0.84mmになる。
分子電解質型燃料電池のカーボンクロスまたはカーボン
支持体は、高電流密度で運転する場合には撥水処理され
ていることが望ましい。これは、水の排出性を高め、高
電流密度で放電した時でもガス拡散層内に水が滞留しな
いようにするためである。このような撥水処理として、
ポリテトラフルオロエチレンを分散させた分散液をカー
ボンクロスまたはカーボン支持体に含侵させて熱処理す
る方法等がある。
編んで作ることもできるが、複雑な網目を構成しなけれ
ばならない場合には、PAN(ポリアクリロニトリル)系
繊維等からなる糸を編んで織布を作り、これを不活性ガ
ス中で熱処理することで作る方法が有効である。不活性
ガスとしては一般には窒素が用いられる。また熱処理温
度は通常1000℃から2000℃が一般的である。以
下、実施例においてを具体的に説明する。
に、網目の粗さが触媒層側で細かくセパレータ板側で粗
いように傾斜されたカーボンクロス20を作製した。PA
N系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300
μmにした糸を第1層の横糸20aとし、PAN系の太さ
約10μmの繊維をより合せて太さ約600μmにした
糸を第2層の横糸20bとして、太さ約600μmの糸
を第2層の縦糸20cに、太さ約300μmの糸を第1
層と第2層をつなぐ縦糸20dとして編んだ布を作製し
た。
間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロスを作製した。図
1は、カーボンクロス20の断面および第2層側から見
た表面を示している。
エチレンの分散液(ダイキン工業(株)製:ルブロンL
DW−40)を乾燥重量として10重量%含侵させた
後、熱風乾燥機を用いて350℃で加熱することで撥水
処理を行った。さらに炭素粉末とフッ素樹脂からなる高
分子含有導電層を形成した。すなわち炭素粉末としての
電気化学工業(株)製:デンカブラックに、フッ素樹脂
としてのポリテトラフルオロエチレンの分散液(ダイキ
ン製:ルブロンLDW−40)を、乾燥重量として30
重量%混合して作製した分散液を、前記撥水処理したカ
ーボンクロスの網目の細かい側に塗工し、熱風乾燥機を
用いて350℃で加熱することで高分子含有導電層を含
むガス拡散層を形成した。
下の方法で作成した。導電性炭素粉末に平均粒径約30
Åの白金粒子を50重量%担持したもの(田中貴金属工
業(株)製:TEC10E50E)10gに、水10gを加え、
水素イオン伝導性高分子電解質の9重量%エタノール溶
液(旭硝子(株)製:フレミオン)55gを混合し、触
媒ぺ−ストを作製した。このペーストをポリプロピレン
フィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングに
より塗布し、乾燥することで、酸化剤極側触媒層とし
た。触媒層の塗布量は、白金の含有量が1cm2当り
0.3mgになるように調整した。
担持したもの(田中貴金属工業(株)製:TEC61E54)1
0gに、水10gを加え、水素イオン伝導性高分子電解
質の9%エタノール溶液(旭硝子(株)製:フレミオ
ン)50gを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。このペ
ーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用
いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、
燃料極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含有
量が1cm2当り0.3mgになるように調整した。
それぞれ6cm角に切り、水素イオン伝導性高分子電解
質膜(ジャパンゴアテックス(株)社製:ゴア−セレク
ト、膜厚30μm)を、前述した触媒層付きの2組のポ
リプロピレンフィルムで触媒層が内側になるように挟
み、130℃で10分間ホットプレスした後、ポリプロ
ピレンフィルムを除去し、触媒層付高分子電解質膜を得
た。
拡散層13を、その第1の層が内側になるように挟んで
MEAとした。そのMEAを用い、図1に示す燃料電池
特性測定用セル(単セル)を組み立て、試験を行った。
して負極側には水素ガスを露点70℃で加湿し、利用率
80%、正極には空気を露点60℃で加湿し、利用率4
0%に調製し、電流密度0から800mA/cm2の電
流を流しながら放電試験を行ったところ、電流密度に関
わらず良好な放電電圧を示した。図3にセルの電流密度
―電圧特性を示した。これは、高分子電解質型燃料電池
のセル内の排水性能と保水性能のバランスをうまく保つ
ことができ、かつ供給ガスの高分子電解質膜への充分な
供給を確保することができたためである。
PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約30
0μmにした糸を平織りにした第1の布と、PAN系の太
さ約10μmの繊維をより合せて太さ約600μmにし
た糸を平織りにした第2の布をそれぞれ窒素雰囲気下2
000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロ
ス50を作製した。
同様に撥水処理を行い、第1の布から作ったカーボンク
ロス50aと第2の布から作ったカーボンクロス50b
を重ね、第1の布から作ったカーボンクロス側に実施例
1と同様に炭素粉末とフッ素樹脂からなる層を形成しガ
ス拡散層を形成した。図4はカーボンクロスの断面およ
び第2の布側から見た表面を示している。
燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行った
ところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。
図3にセルの電流密度―電圧特性を示した。
PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約30
0μmにした糸と、約600μmにした糸を用いて、細
い糸3本ごとに太い糸1本になるように縦糸60b、横
糸60aをそれぞれ配し、平織りにした布を窒素雰囲気
下2000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボン
クロス60を作製した。このカーボンクロス60を実施
例1と同様に撥水処理および炭素粉末とフッ素樹脂から
なる層の形成を行い、ガス拡散層を形成した。図5はカ
ーボンクロスの断面および表面を示している。
燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行った
ところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。
図3にセルの電流密度―電圧特性を示した。
PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約30
0μmにした糸を用いて、糸3本ごとに糸1本分の隙間
が開くように縦糸70b、横糸70aをそれぞれ配し、
平織りにした布を窒素雰囲気下2000℃で24時間加
熱し、黒鉛化させてカーボンクロスを作製した。このカ
ーボンクロス70を実施例1と同様に撥水処理および炭
素粉末とフッ素樹脂からなる層の形成を行い、ガス拡散
層を形成した。図6は、カーボンクロスの断面および表
面を示している。
燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行った
ところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。
図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
素樹脂からなる高分子含有導電層を形成しなかった以外
は実施例1と同様に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と同様に燃料電池特性測定用セル
を組み立て、放電試験を行ったところ、低電流密度にお
いては電圧が低かったものの高電流密度においては高い
放電電圧を示した。図8にセルの電流密度―電圧特性を
示した。
なかった以外は実施例1と同様に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と同様に燃料電池
特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、
高電流密度においては電圧が低かったものの低電流密度
においては高い放電電圧を示した。図8にセルの電流密
度―電圧特性を示した。
ッ素樹脂からなる高分子含有導電層を形成せず、かつカ
ーボンクロスの撥水処理もしなかった以外は実施例1と
同様に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と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、
放電試験を行ったところ、高電流密度においては電圧が
低かったものの低電流密度においては高い放電電圧を示
した。図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約30
0μmにした糸を平織りにした布を窒素雰囲気下200
0℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロス1
01を作製した。このカーボンクロス101にカーボン
ペーパー102(東レ(株)製TGP-H-060、厚さ180
μm)を重ねて多孔性カーボン支持体とした。このカー
ボン支持体のカーボンペーパー側に実施例1と同様に炭
素粉末とフッ素樹脂からなる層を形成しガス拡散層を形
成した。図9はカーボン支持体の断面およびカーボンペ
ーパー側から見た表面を示している。
燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行った
ところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。
図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
放電電圧を得たのは、実施例1の場合と同様に、高分子
電解質型燃料電池のセル内の排水性能と保水性能のバラ
ンスをうまく保つことができ、かつ供給ガスの高分子電
解質膜への供給を確保することができたためである。
触媒層側に細かい網目のカーボンクロス、セパレータ板
側に粗い網目のカーボンクロスを組み合わせる例、およ
び触媒層側に小さい細孔を多数有するカーボン不織
布、セパレータ板側に粗い網目のカーボンクロスを組み
合わせる例を種々試みた。その結果、の場合に、最終
的なセルの好ましい電流−電圧特性を得たのは、細かい
網目のカーボンクロスとして、切り口1インチ当たり4
0〜70本の本数を有する物を用い、粗い網目のカーボ
ンクロスとして、切り口1インチ当たり12〜60本の
本数を有するものを用い、かつ、細かい網目のカーボン
クロスの前記本数と粗い網目のカーボンクロスの前記本
数との比が1.2倍以上の場合であった。
い電流−電圧特性を得たのは、カーボン不織布として嵩
密度0.06〜0.49g/cm3のものであり(すな
わち、上記に例示した市販のカーボン不織布はすべて有
効に用いることが出来た)、粗い網目のカーボンクロス
として、切り口1インチ当たり12〜60本の本数を有
するものを用いた場合であった。
数有する第1カーボン支持体層と、大きい細孔を多数有
する第2カーボン支持体層の2層構造を例示したが、そ
れを3層あるいはそれ以上の多層構造のものに変えて
も、その多層が、触媒層側のカーボン支持体層で小さい
細孔を多数有し、その反対側(セパレータ板側)で大き
い細孔を少数有する構造になっておれば、本発明の効果
が発揮されることを別途確認した。
N系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300
μmにした糸を平織りにした布を窒素雰囲気下2000
℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロス80
を作製した。このカーボンクロス80を実施例1と同様
に撥水処理および炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子
含有導電層の形成を行い、ガス拡散層を形成した。図7
はカーボンクロスガス拡散層の断面および表面を示して
いる。
燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行った
ところ、電流密度が高くなるに従って、放電電圧が低下
した。図3にセルの電流密度―電圧特性を示した。
電解質型燃料電池のセル内の排水性能と保水性能のバラ
ンスをうまく保つことができ、かつ供給ガスの高分子電
解質膜への充分な供給を確保することができ、その結
果、燃料電池の出力性能を高めることが出来た。
電解質型燃料電池の概略を模式的に示した断面図であ
る。
式的に示した一部断面斜視図である。
単セルの電流密度−電圧特性を示した図である。
式的に示した一部断面斜視図である。
式的に示した一部断面斜視図である。
式的に示した一部断面斜視図である。
るカーボンクロスを模式的に示した一部断面斜視図であ
る。
密度−電圧特性を示した図である。
体を模式的に示した一部断面斜視図である。
ス 11 水素イオン伝導性高分子電解質膜 12 触媒層 13 ガス拡散層 15 高分子電解質膜−電極接合体 16 ガス流路 17 セパレータ板 102 カーボンペーパー
Claims (12)
- 【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ように配置さ
れた一対のガス拡散電極とからなる電解質膜−電極接合
体と、前記電解質膜−電極接合体を挟むように配置され
たガス流路を有する一対のセパレータ板とを具備した燃
料電池であって、前記各ガス拡散電極は前記水素イオン
伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層と、前記触媒層
に接触したガス拡散層とを具備し、前記ガス拡散層はカ
ーボンクロスを含むカーボン支持体を含み、前記カーボ
ン支持体は、少なくとも前記触媒層側の第1カーボン支
持体層と、前記触媒層側とは反対側で前記第1カーボン
支持体層上に積層された第2カーボン支持体層との複数
の層からなり、前記第1カーボン支持体層および前記第
2カーボン支持体層の細孔分布は前記第1カーボン支持
体層が細かく前記第2カーボン支持体層が粗いことを特
徴とする高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項2】 前記カーボン支持体の前記第1カーボン
支持体層と前記第2カーボン支持体層はそれぞれカーボ
ンクロスからなり、前記第1カーボン支持体層のカーボ
ンクロスの網目が細かく、前記第2カーボン支持体層の
カーボンクロスの網目が粗い請求項1記載の高分子電解
質型燃料電池。 - 【請求項3】 前記カーボン支持体は、横糸間間隔が狭
い第1の横糸層と横糸間間隔が広い第2の横糸層とを、
共通の縦糸で編んでなるカーボンクロスからなる請求項
1記載の高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項4】 前記カーボン支持体は、太さの小さい糸
を編んでなるカーボンクロスと太さの大きい糸を編んで
なるカーボンクロスとからなる請求項1記載の高分子電
解質型燃料電池。 - 【請求項5】 前記カーボン支持体は、カーボン不織布
と前記カーボンクロスとを積層してなる請求項1記載の
高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項6】 前記ガス拡散層は、その前記触媒層側に
導電性炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を
有する請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項7】 前記カーボン支持体は、撥水処理されて
いる請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項8】 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ように配置さ
れた一対のガス拡散電極とからなる電解質膜−電極接合
体と、前記電解質膜−電極接合体を挟むように配置され
たガス流路を有する一対のセパレータ板とを具備した燃
料電池であって、前記各ガス拡散電極は前記水素イオン
伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層と、前記触媒層
に接触したガス拡散層とを有し、前記ガス拡散層はカー
ボンクロスを含むカーボン支持体を具備し、前記ガス拡
散層はカーボンクロスを含み、前記カーボンクロスは、
異なる大きさの網目が面方向に間欠的に分布しているこ
とを特徴とする高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項9】 前記カーボンクロスは、太さの異なる複
数の糸が周期的に配置されている請求項8記載の高分子
電解質型燃料電池。 - 【請求項10】 前記カーボンクロスは、横糸の間隔が
周期的に変わる請求項8記載の高分子電解質型燃料電
池。 - 【請求項11】 前記ガス拡散層は、その前記触媒層側
に導電性炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層
を有する請求項8記載の高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項12】 前記カーボンクロスは、撥水処理され
ている請求項8記載の高分子電解質型燃料電池。
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