JP3444530B2 - 燃料電池 - Google Patents
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池に関し、特にその構成要素である電極に関する。 【０００２】 【従来の技術】高分子電解質型燃料電池に用いる電極
は、一般的に電極触媒層となる貴金属を担持した炭素微
粉末を、ガス拡散層となる多孔質導電性電極基材上に形
成したものを用いる。多孔質導電性基材は、炭素繊維か
らなるカーボンペーパーやカーボンクロスなどを用い
る。通常これらの電極は、貴金属を担持した炭素微粉末
をイソプロピルアルコールなどの有機溶媒を用いてイン
ク化しスクリーン印刷法や転写法を用いて基材上に成形
するのが一般的である。 【０００３】近年、安全性と作業性の観点から、有機溶
媒系に変えて水系の溶媒を用いた電極用のインクが提案
されている。しかしながら、これらの方法を用いる場
合、電極触媒となる貴金属を担持した炭素粉末がガス拡
散層となる電極基材上に一部貫入するため、比較的多量
の電極触媒を用いたり、電池の締め付け圧を上げ接合面
の導電性を保つなどの対策が必要である。またこのため
に、予め高分子電解質膜に電極触媒層を塗布形成すると
いう方法も提案されている。これらの電極と高分子電解
質膜はホットプレスなどの手法により接合して用いる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】従来の高分子電解質型
燃料電池に用いる電極は、電極触媒となる貴金属を担持
した炭素粉末を多量に用いる必要がある。また、ガス拡
散層となるカーボンペーパーやカーボンクロスと電極触
媒との接触抵抗を向上させるため、電池の締結圧を上げ
て用いる必要がある。 【０００５】このように高分子電解質型燃料電池には、
電極触媒の利用率が高く、しかもガス拡散層となるカー
ボンペーパーやカーボンクロスなどと、電極触媒層との
接触抵抗が小さな電極が強く求められている。 【０００６】 【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の燃料電池は、電極触媒層とガス拡散層からな
る電極を、高分子電解質膜の両側に備えた燃料電池にお
いて、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に導電性
微粒子層を配置し、前記電極触媒層は触媒を担持した炭
素と高分子電解質から構成され、前記導電性微粒子層
は、炭素および前記炭素に付着したポリテトラフルオロ
エチレンから構成され、前記導電性微粒子層に含まれる
炭素が、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均一次粒子径
を持ち、前記導電性微粒子層が含有するポリテトラフル
オロエチレンが、５重量％以上で７５重量％以下である
ことを特徴とする。 【０００７】 【０００８】また、導電性微粒子層に含まれる炭素が、
１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均一次粒子径を持つこ
とが好ましい。 【０００９】また、燃料極側の導電性微粒子層に含まれ
るポリテトラフルオロエチレンの量が、空気極側の導電
性微粒子層に含まれるポリテトラフルオロエチレンの量
よりも多いことが望ましい。 【００１０】 【００１１】また、導電性微粒子層が含有するポリテト
ラフルオロエチレンは、５重量％以上で７５重量％以下
であることが好ましい。 【００１２】 【発明の実施の形態】以上のように、本発明による燃料
電池は、電極触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子か
らなる層を配置しているため、電極触媒層とガス拡散層
の接触抵抗が小さくなり電池特性が向上する。また、導
電性微粒子からなる層が一部ガス拡散層に貫入した場合
はその効果がより向上する。また、電極触媒層がガス拡
散層に貫入することがなくなるため、電極触媒層に用い
る貴金属触媒の使用量を従来よりも減らすことができ、
コスト低減効果が期待できる。 【００１３】さらに、通常高分子電解質膜と電極の接合
にはホットプレスなどの手法が用いられる。この場合、
導電性微粒子層にＰＴＦＥを付着させた炭素材料を用い
ると、電極触媒層とガス拡散層の物理的な結着性も高ま
り、取り扱いが容易になるという利点もある。さらにこ
の場合、ＰＴＦＥを導入しているため、特に空気極で発
生した生成水を一部は電解質膜内に取り込み余分な生成
水はガス拡散層側に排出するという副次的な効果も期待
できる。この場合空気極と燃料極でＰＴＦＥの含有量を
変えるとより効果的である。 【００１４】このように本発明による燃料電池は、電極
触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子層を配したた
め、従来よりも高性能な燃料電池を構成することができ
る。 【００１５】以下、本発明の燃料電池について図面を参
照して述べる。 【００１６】 【実施例】（参考例１） まず初めに、本発明の燃料電池に用いた電極の作製法に
ついて述べる。平均一次粒径が５０ｎｍのアセチレンブ
ラックを酢酸ブチルでインク化して、ガス拡散層１とな
るカーボンペーパー（東レ製、TGP-H-120、膜厚３６０
μｍ）上に、スクリーン印刷法により塗工し導電性微粒
子層２を形成した。さらに、白金を２５重量％担持した
カーボン粉末からなる電極触媒粉末を、Ｆｌｅｍｉｏｎ
溶液（旭硝子製）、酢酸ブチルと混合してインク化し、
先の導電性微粒子層上に先と同じくスクリーン印刷法を
用いて塗工し電極触媒層３を形成した。ここで単位面積
あたりの白金量は０．２ｍｇ／ｃｍ2とした。 【００１７】このようにして作製した電極をＮａｆｉｏ
ｎ膜（Ｄｕｐｏｎ製、Ｎａｆｉｏｎ１１２）の両側に配
してホットプレスを行い電極−電解質接合体を作製し
た。このとき電極の端部の一部に剥がれの部分が見られ
たが、電極−電解質接合体全体としては十分接合されて
いた。この接合体の電極部の断面図を図１に示した。こ
れより導電性微粒子層の一部がカーボンペーパー内に貫
入していることが分かる。さらに比較のために導電性微
粒子層を持たない電極触媒層とガス拡散層だけの電極も
作製した。これらを単電池測定用の装置にセットして単
電池を構成した。 【００１８】これらの単電池は、燃料極に水素ガスを空
気極に空気を流し、電池温度を７５℃、燃料利用率を８
０％、空気利用率を３０％、ガス加湿は水素ガスを７５
℃、空気を６５℃の露点になるように調整した。この時
の電池の電流−電圧特性を比較して図２に示した。これ
より導電性微粒子層を持つものが持たないものより、よ
り高い特性を示すことが分かった。これは、導電性微粒
子層を入れることで電極触媒とガス拡散層間の接触抵抗
が低減したことと、実際に反応に寄与する白金触媒の反
応面積が増加したためと考えられた。このことにより、
よりＰｔ使用量を低減できることを示した。 【００１９】（参考例２） 次に、導電性微粒子層を構成するカーボンの平均一次粒
径を変えた場合について調べた。参考例１で用いた５０
ｎｍのアセチレンブラックの他に粒径の異なる５種類の
カーボンを用いた場合について、参考例１と同じ単電池
を作製して電池性能を調べた。電極の作製法、電池運転
条件は全て参考例１と同じにした。表１に、電流密度７
００ｍＡ／ｃｍ2における、電池電圧を比較して示し
た。 【００２０】これより粒径が１０ｎｍ〜１００ｎｍの場
合に、電池性能が高くなることが分かった。これは、粒
径が小さすぎると多孔質なカーボンペーパー内にカーボ
ン微粒子が完全に貫入してしまいガス拡散が悪くなった
ために特性が低下したためと考えられる。また、粒径が
５００ｎｍの場合には粒径が大きすぎてカーボンペーパ
ーとの接触が悪くなり電池特性が低下したものと考えら
れる。 【００２１】 【表１】 【００２２】また、次に導電性微粒子層を構成する材料
を変えた場合について検討した。カーボン粒子の他に、
チタン、ニッケルについて同様に電極を作製し、単電池
測定装置にセットして電池性能を調べた。この結果、ど
の材料を用いた場合も初期電池特性は同等であった。 【００２３】これらの結果より、本参考例の燃料電池
は、電極触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子層を配
したため、従来よりも接触抵抗を低減でき電池特性が向
上する事が分かった。また１０〜１００ｎｍの粒径の材
料を用いる場合に電池特性が高くなることも分かった。
使用する導電性材料に関しても本参考例で調べた材料は
すべて良好な結果を示した。この材料に関して、本発明
は本参考例に限定されるものではなく、本発明が適用で
きるものであればどんなものでも構わない。 【００２４】本参考例では、導電性微粒子層をスクリー
ン印刷法を用いて形成したが、電極触媒層とガス拡散層
の間に形成することができるものであれば、これ以外の
方法であっても構わない。使用する高分子電解質膜や電
極触媒、ガス拡散層も本参考例に限定されるものではな
い。 【００２５】（実施例１） 本実施例では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）を付着させたカーボン粉末を導電性微粒子層に使用
した場合について調べた。ＰＴＦＥを付着したカーボン
粉末（ＰＴＦＥ／Ｃ）は、アセチレンブラックとＰＴＦ
Ｅ分散液（ダイキン工業製、Ｄ−１）、界面活性剤（Ｔ
ｒｉｔｏｎＸ−１００）をコロイドミルを用いて混合後
熱処理して作製した。作製したＰＴＦＥ／ＣのＰＴＦＥ
量は３０重量％とした。 【００２６】これを参考例１と同様にカーボンペーパー
上にスクリーン印刷して導電性微粒子層を形成した後、
電極触媒を同様に形成して電極を作製した。このように
して作製した電極をＮａｆｉｏｎ膜の両側に配してホッ
トプレスを行い電極−電解質接合体（ＭＥＡ）を作製し
た。このＭＥＡは、電極端部の剥がれ等もなく、参考例
１で作製したものより接合性が良くなっていた。これは
ＰＴＦＥが結着剤として一部機能しているためと考え
る。 【００２７】このＭＥＡを用いて参考例１と同様に単電
池を構成して電池性能を調べた。図３に、この結果を参
考例１のアセチレンブラックを導電性微粒子層に用いた
場合と比較して示した。これよりＰＴＦＥ／Ｃを用いた
方がより電池特性が向上することが分かった。これはＰ
ＴＦＥを導入したことにより電極近傍での撥水性が向上
したためと考える。 【００２８】次に、付着させるＰＴＦＥ量を変化させた
場合の電池特性について調べた。ＰＴＦＥ量は、ＰＴＦ
Ｅ分散液の濃度を調整することによって変化させた。表
２に、ＰＴＦＥを変化させた場合、電流密度７００ｍＡ
／ｃｍ2の電池電圧を示した。 【００２９】これよりＰＴＦＥ量が５〜７５重量％の場
合に電池性能が高くなることが分かった。ＰＴＦＥ量が
多い場合には導電性が低くなり電池性能が低下し、低い
場合には電極部での撥水性が低下したためと考える。 【００３０】これらの結果より、導電性微粒子層にＰＴ
ＦＥ／Ｃを用いることによりＭＥＡの接合性が向上する
と同時に電池性能も向上することが分かった。今回はＰ
ＴＦＥ量の調整には担持量の異なるＰＴＦＥ／Ｃを用い
たが、これ以外にＰＴＦＥ／Ｃとカーボン粉末を混合し
てＰＴＦＥ量を調整することもでき、本実施例に限定さ
れるものではない。 【００３１】 【表２】【００３２】（実施例２） 本実施例では、燃料極と空気極で異なる組成のＰＴＦＥ
／Ｃを導電性微粒子層に用いた場合について調べた。Ｐ
ＴＦＥ担持量が６０重量％のＰＴＦＥ／Ｃを燃料極の導
電性微粒子層に、ＰＴＦＥ担持量が３０重量％のＰＴＦ
Ｅ／Ｃを空気極の導電性微粒子層に用いて、参考例２と
同様に各々の電極を作製した。このようにして作製した
電極をＮａｆｉｏｎ膜の両側に各々配してホットプレス
を行い電極−電解質接合体（ＭＥＡ）を作製した。 【００３３】これを単電池試験装置にＰＴＦＥ担持量６
０重量％のＰＴＦＥ／Ｃを用いた電極が燃料ガス流路側
になるように配置して電池性能を調べた。ここで単電池
の試験条件等は参考例２と同様にした。図４に、この電
池の電流−電圧特性を参考例２の両極にＰＴＦＥ担持量
３０重量％のＰＴＦＥ／Ｃを用いた場合と比較して示し
た。 【００３４】これよりＰＴＦＥ担持量を燃料極、空気極
で異なる組成にしたものを用いた場合の方が、同じもの
に比べて特性が向上することが分かった。これは、電池
運転時の燃料極と空気極での高分子電解質膜の加湿条件
が、同じ組成のものを用いた場合よりもより良くなった
ためと考えられる。ここでは、導電性微粒子層にＰＴＦ
Ｅ担持量の異なるＰＴＦＥ／Ｃを用いたが、これ以外の
炭素材料、金属微粒子、炭素材料とＰＴＦＥ／Ｃの混合
物などの複合材料も使用できる。 【００３５】 【発明の効果】以上、実施例の説明から明らかなよう
に、本発明による燃料電池は、電極触媒層とガス拡散層
の間に導電性微粒子からなる層を配置しているため、電
極触媒層とガス拡散層の接触抵抗が小さくなり電池特性
が向上する。また、導電性微粒子からなる層が一部ガス
拡散層に貫入した場合はその効果がより向上する。ま
た、電極触媒層がガス拡散層に貫入することがなくなる
ため、電極触媒層に用いる貴金属触媒の使用量を従来よ
りも減らすことができ、コスト低減効果が期待できる。
さらに、導電性微粒子層にＰＴＦＥを付着させた炭素材
料を用いると、電極触媒層とガス拡散層の物理的な結着
性も高まり、取り扱いが容易になるという利点もある。
さらにこの場合、ＰＴＦＥを導入しているため、特に空
気極で発生した生成水を一部は電解質膜内に取り込み余
分な生成水はガス拡散層側に排出するという副次的な効
果も期待できる。このように本発明による燃料電池は、
電極触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子層を配した
ため、従来よりも高性能な燃料電池を構成することがで
きる。
料電池に関し、特にその構成要素である電極に関する。 【０００２】 【従来の技術】高分子電解質型燃料電池に用いる電極
は、一般的に電極触媒層となる貴金属を担持した炭素微
粉末を、ガス拡散層となる多孔質導電性電極基材上に形
成したものを用いる。多孔質導電性基材は、炭素繊維か
らなるカーボンペーパーやカーボンクロスなどを用い
る。通常これらの電極は、貴金属を担持した炭素微粉末
をイソプロピルアルコールなどの有機溶媒を用いてイン
ク化しスクリーン印刷法や転写法を用いて基材上に成形
するのが一般的である。 【０００３】近年、安全性と作業性の観点から、有機溶
媒系に変えて水系の溶媒を用いた電極用のインクが提案
されている。しかしながら、これらの方法を用いる場
合、電極触媒となる貴金属を担持した炭素粉末がガス拡
散層となる電極基材上に一部貫入するため、比較的多量
の電極触媒を用いたり、電池の締め付け圧を上げ接合面
の導電性を保つなどの対策が必要である。またこのため
に、予め高分子電解質膜に電極触媒層を塗布形成すると
いう方法も提案されている。これらの電極と高分子電解
質膜はホットプレスなどの手法により接合して用いる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】従来の高分子電解質型
燃料電池に用いる電極は、電極触媒となる貴金属を担持
した炭素粉末を多量に用いる必要がある。また、ガス拡
散層となるカーボンペーパーやカーボンクロスと電極触
媒との接触抵抗を向上させるため、電池の締結圧を上げ
て用いる必要がある。 【０００５】このように高分子電解質型燃料電池には、
電極触媒の利用率が高く、しかもガス拡散層となるカー
ボンペーパーやカーボンクロスなどと、電極触媒層との
接触抵抗が小さな電極が強く求められている。 【０００６】 【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の燃料電池は、電極触媒層とガス拡散層からな
る電極を、高分子電解質膜の両側に備えた燃料電池にお
いて、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に導電性
微粒子層を配置し、前記電極触媒層は触媒を担持した炭
素と高分子電解質から構成され、前記導電性微粒子層
は、炭素および前記炭素に付着したポリテトラフルオロ
エチレンから構成され、前記導電性微粒子層に含まれる
炭素が、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均一次粒子径
を持ち、前記導電性微粒子層が含有するポリテトラフル
オロエチレンが、５重量％以上で７５重量％以下である
ことを特徴とする。 【０００７】 【０００８】また、導電性微粒子層に含まれる炭素が、
１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均一次粒子径を持つこ
とが好ましい。 【０００９】また、燃料極側の導電性微粒子層に含まれ
るポリテトラフルオロエチレンの量が、空気極側の導電
性微粒子層に含まれるポリテトラフルオロエチレンの量
よりも多いことが望ましい。 【００１０】 【００１１】また、導電性微粒子層が含有するポリテト
ラフルオロエチレンは、５重量％以上で７５重量％以下
であることが好ましい。 【００１２】 【発明の実施の形態】以上のように、本発明による燃料
電池は、電極触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子か
らなる層を配置しているため、電極触媒層とガス拡散層
の接触抵抗が小さくなり電池特性が向上する。また、導
電性微粒子からなる層が一部ガス拡散層に貫入した場合
はその効果がより向上する。また、電極触媒層がガス拡
散層に貫入することがなくなるため、電極触媒層に用い
る貴金属触媒の使用量を従来よりも減らすことができ、
コスト低減効果が期待できる。 【００１３】さらに、通常高分子電解質膜と電極の接合
にはホットプレスなどの手法が用いられる。この場合、
導電性微粒子層にＰＴＦＥを付着させた炭素材料を用い
ると、電極触媒層とガス拡散層の物理的な結着性も高ま
り、取り扱いが容易になるという利点もある。さらにこ
の場合、ＰＴＦＥを導入しているため、特に空気極で発
生した生成水を一部は電解質膜内に取り込み余分な生成
水はガス拡散層側に排出するという副次的な効果も期待
できる。この場合空気極と燃料極でＰＴＦＥの含有量を
変えるとより効果的である。 【００１４】このように本発明による燃料電池は、電極
触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子層を配したた
め、従来よりも高性能な燃料電池を構成することができ
る。 【００１５】以下、本発明の燃料電池について図面を参
照して述べる。 【００１６】 【実施例】（参考例１） まず初めに、本発明の燃料電池に用いた電極の作製法に
ついて述べる。平均一次粒径が５０ｎｍのアセチレンブ
ラックを酢酸ブチルでインク化して、ガス拡散層１とな
るカーボンペーパー（東レ製、TGP-H-120、膜厚３６０
μｍ）上に、スクリーン印刷法により塗工し導電性微粒
子層２を形成した。さらに、白金を２５重量％担持した
カーボン粉末からなる電極触媒粉末を、Ｆｌｅｍｉｏｎ
溶液（旭硝子製）、酢酸ブチルと混合してインク化し、
先の導電性微粒子層上に先と同じくスクリーン印刷法を
用いて塗工し電極触媒層３を形成した。ここで単位面積
あたりの白金量は０．２ｍｇ／ｃｍ2とした。 【００１７】このようにして作製した電極をＮａｆｉｏ
ｎ膜（Ｄｕｐｏｎ製、Ｎａｆｉｏｎ１１２）の両側に配
してホットプレスを行い電極−電解質接合体を作製し
た。このとき電極の端部の一部に剥がれの部分が見られ
たが、電極−電解質接合体全体としては十分接合されて
いた。この接合体の電極部の断面図を図１に示した。こ
れより導電性微粒子層の一部がカーボンペーパー内に貫
入していることが分かる。さらに比較のために導電性微
粒子層を持たない電極触媒層とガス拡散層だけの電極も
作製した。これらを単電池測定用の装置にセットして単
電池を構成した。 【００１８】これらの単電池は、燃料極に水素ガスを空
気極に空気を流し、電池温度を７５℃、燃料利用率を８
０％、空気利用率を３０％、ガス加湿は水素ガスを７５
℃、空気を６５℃の露点になるように調整した。この時
の電池の電流−電圧特性を比較して図２に示した。これ
より導電性微粒子層を持つものが持たないものより、よ
り高い特性を示すことが分かった。これは、導電性微粒
子層を入れることで電極触媒とガス拡散層間の接触抵抗
が低減したことと、実際に反応に寄与する白金触媒の反
応面積が増加したためと考えられた。このことにより、
よりＰｔ使用量を低減できることを示した。 【００１９】（参考例２） 次に、導電性微粒子層を構成するカーボンの平均一次粒
径を変えた場合について調べた。参考例１で用いた５０
ｎｍのアセチレンブラックの他に粒径の異なる５種類の
カーボンを用いた場合について、参考例１と同じ単電池
を作製して電池性能を調べた。電極の作製法、電池運転
条件は全て参考例１と同じにした。表１に、電流密度７
００ｍＡ／ｃｍ2における、電池電圧を比較して示し
た。 【００２０】これより粒径が１０ｎｍ〜１００ｎｍの場
合に、電池性能が高くなることが分かった。これは、粒
径が小さすぎると多孔質なカーボンペーパー内にカーボ
ン微粒子が完全に貫入してしまいガス拡散が悪くなった
ために特性が低下したためと考えられる。また、粒径が
５００ｎｍの場合には粒径が大きすぎてカーボンペーパ
ーとの接触が悪くなり電池特性が低下したものと考えら
れる。 【００２１】 【表１】 【００２２】また、次に導電性微粒子層を構成する材料
を変えた場合について検討した。カーボン粒子の他に、
チタン、ニッケルについて同様に電極を作製し、単電池
測定装置にセットして電池性能を調べた。この結果、ど
の材料を用いた場合も初期電池特性は同等であった。 【００２３】これらの結果より、本参考例の燃料電池
は、電極触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子層を配
したため、従来よりも接触抵抗を低減でき電池特性が向
上する事が分かった。また１０〜１００ｎｍの粒径の材
料を用いる場合に電池特性が高くなることも分かった。
使用する導電性材料に関しても本参考例で調べた材料は
すべて良好な結果を示した。この材料に関して、本発明
は本参考例に限定されるものではなく、本発明が適用で
きるものであればどんなものでも構わない。 【００２４】本参考例では、導電性微粒子層をスクリー
ン印刷法を用いて形成したが、電極触媒層とガス拡散層
の間に形成することができるものであれば、これ以外の
方法であっても構わない。使用する高分子電解質膜や電
極触媒、ガス拡散層も本参考例に限定されるものではな
い。 【００２５】（実施例１） 本実施例では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）を付着させたカーボン粉末を導電性微粒子層に使用
した場合について調べた。ＰＴＦＥを付着したカーボン
粉末（ＰＴＦＥ／Ｃ）は、アセチレンブラックとＰＴＦ
Ｅ分散液（ダイキン工業製、Ｄ−１）、界面活性剤（Ｔ
ｒｉｔｏｎＸ−１００）をコロイドミルを用いて混合後
熱処理して作製した。作製したＰＴＦＥ／ＣのＰＴＦＥ
量は３０重量％とした。 【００２６】これを参考例１と同様にカーボンペーパー
上にスクリーン印刷して導電性微粒子層を形成した後、
電極触媒を同様に形成して電極を作製した。このように
して作製した電極をＮａｆｉｏｎ膜の両側に配してホッ
トプレスを行い電極−電解質接合体（ＭＥＡ）を作製し
た。このＭＥＡは、電極端部の剥がれ等もなく、参考例
１で作製したものより接合性が良くなっていた。これは
ＰＴＦＥが結着剤として一部機能しているためと考え
る。 【００２７】このＭＥＡを用いて参考例１と同様に単電
池を構成して電池性能を調べた。図３に、この結果を参
考例１のアセチレンブラックを導電性微粒子層に用いた
場合と比較して示した。これよりＰＴＦＥ／Ｃを用いた
方がより電池特性が向上することが分かった。これはＰ
ＴＦＥを導入したことにより電極近傍での撥水性が向上
したためと考える。 【００２８】次に、付着させるＰＴＦＥ量を変化させた
場合の電池特性について調べた。ＰＴＦＥ量は、ＰＴＦ
Ｅ分散液の濃度を調整することによって変化させた。表
２に、ＰＴＦＥを変化させた場合、電流密度７００ｍＡ
／ｃｍ2の電池電圧を示した。 【００２９】これよりＰＴＦＥ量が５〜７５重量％の場
合に電池性能が高くなることが分かった。ＰＴＦＥ量が
多い場合には導電性が低くなり電池性能が低下し、低い
場合には電極部での撥水性が低下したためと考える。 【００３０】これらの結果より、導電性微粒子層にＰＴ
ＦＥ／Ｃを用いることによりＭＥＡの接合性が向上する
と同時に電池性能も向上することが分かった。今回はＰ
ＴＦＥ量の調整には担持量の異なるＰＴＦＥ／Ｃを用い
たが、これ以外にＰＴＦＥ／Ｃとカーボン粉末を混合し
てＰＴＦＥ量を調整することもでき、本実施例に限定さ
れるものではない。 【００３１】 【表２】【００３２】（実施例２） 本実施例では、燃料極と空気極で異なる組成のＰＴＦＥ
／Ｃを導電性微粒子層に用いた場合について調べた。Ｐ
ＴＦＥ担持量が６０重量％のＰＴＦＥ／Ｃを燃料極の導
電性微粒子層に、ＰＴＦＥ担持量が３０重量％のＰＴＦ
Ｅ／Ｃを空気極の導電性微粒子層に用いて、参考例２と
同様に各々の電極を作製した。このようにして作製した
電極をＮａｆｉｏｎ膜の両側に各々配してホットプレス
を行い電極−電解質接合体（ＭＥＡ）を作製した。 【００３３】これを単電池試験装置にＰＴＦＥ担持量６
０重量％のＰＴＦＥ／Ｃを用いた電極が燃料ガス流路側
になるように配置して電池性能を調べた。ここで単電池
の試験条件等は参考例２と同様にした。図４に、この電
池の電流−電圧特性を参考例２の両極にＰＴＦＥ担持量
３０重量％のＰＴＦＥ／Ｃを用いた場合と比較して示し
た。 【００３４】これよりＰＴＦＥ担持量を燃料極、空気極
で異なる組成にしたものを用いた場合の方が、同じもの
に比べて特性が向上することが分かった。これは、電池
運転時の燃料極と空気極での高分子電解質膜の加湿条件
が、同じ組成のものを用いた場合よりもより良くなった
ためと考えられる。ここでは、導電性微粒子層にＰＴＦ
Ｅ担持量の異なるＰＴＦＥ／Ｃを用いたが、これ以外の
炭素材料、金属微粒子、炭素材料とＰＴＦＥ／Ｃの混合
物などの複合材料も使用できる。 【００３５】 【発明の効果】以上、実施例の説明から明らかなよう
に、本発明による燃料電池は、電極触媒層とガス拡散層
の間に導電性微粒子からなる層を配置しているため、電
極触媒層とガス拡散層の接触抵抗が小さくなり電池特性
が向上する。また、導電性微粒子からなる層が一部ガス
拡散層に貫入した場合はその効果がより向上する。ま
た、電極触媒層がガス拡散層に貫入することがなくなる
ため、電極触媒層に用いる貴金属触媒の使用量を従来よ
りも減らすことができ、コスト低減効果が期待できる。
さらに、導電性微粒子層にＰＴＦＥを付着させた炭素材
料を用いると、電極触媒層とガス拡散層の物理的な結着
性も高まり、取り扱いが容易になるという利点もある。
さらにこの場合、ＰＴＦＥを導入しているため、特に空
気極で発生した生成水を一部は電解質膜内に取り込み余
分な生成水はガス拡散層側に排出するという副次的な効
果も期待できる。このように本発明による燃料電池は、
電極触媒層とガス拡散層の間に導電性微粒子層を配した
ため、従来よりも高性能な燃料電池を構成することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例および実施例で用いた電極の断
面を示す図 【図２】本発明の参考例１である燃料電池単セルの電流
と電圧の関係を示す図 【図３】本発明の実施例１である燃料電池単セルの電流
と電圧の関係を示す図 【図４】本発明の実施例２である燃料電池単セルの電流
と電圧の関係を示す図 【符号の説明】 １ ガス拡散層 ２ 導電性微粒子層 ３ 電極触媒層
面を示す図 【図２】本発明の参考例１である燃料電池単セルの電流
と電圧の関係を示す図 【図３】本発明の実施例１である燃料電池単セルの電流
と電圧の関係を示す図 【図４】本発明の実施例２である燃料電池単セルの電流
と電圧の関係を示す図 【符号の説明】 １ ガス拡散層 ２ 導電性微粒子層 ３ 電極触媒層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(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
(56)参考文献 特開 平９−265992（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−52871（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 4/86
H01M 8/10
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 電極触媒層とガス拡散層からなる電極
を、高分子電解質膜の両側に備えた燃料電池において、
前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に導電性微粒子
層を配置し、前記電極触媒層は触媒を担持した炭素と高
分子電解質から構成され、前記導電性微粒子層は、炭素
および前記炭素に付着したポリテトラフルオロエチレン
から構成され、 前記導電性微粒子層に含まれる炭素が、１０ｎｍ以上１
００ｎｍ以下の平均一次粒子径を持ち、 前記導電性微粒子層が含有するポリテトラフルオロエチ
レンが、５重量％以上で７５重量％以下である ことを特
徴とする燃料電池。
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- 1998-10-13 JP JP29034098A patent/JP3444530B2/ja not_active Expired - Lifetime
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