JP4530893B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents
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Description
〔参考例1〕
に、FEP分散液に浸漬した後、60℃1時間の乾燥後、380℃15分間の熱処理(FEP撥水処理)を行う(S10)。これにより、カーボンペーパはほぼ均一に撥水処理される。
〔実施例2〕
〔比較例1〕
ガス拡散層の基材となるカーボンペーパ(東レ社製:TGPH060H)は、参考例1と同様のFEP撥水処理を行う。カーボンペーストもまた参考例1と同様に作製する。
〔比較例2〕
ガス拡散層の基材となるカーボンペーパ(東レ社製:TGPH060H)は、参考例1の同様のFEP撥水処理を行う。カーボンペーストもまた参考例1の同様に作製する。
以上の参考例1、実施例2、比較例1および比較例2のガス拡散層を用いて、各ガス拡散層に塗布したガス拡散層ペーストの重量を測定し、ガス拡散層単位面積あたりに塗布したガス拡散層ペースト量を比較した。ガス拡散層ペーストの塗布量Dは式(1)のように規定する。
量、WCはガス拡散層ペーストを塗布する前のカーボンペーパの重量、Sはカーボンペー
パ主面の面積である。この結果を表1に示す。
次に、各ガス拡散層ペーストを基材に塗布する作業性を比較するため、実施例2、比較例1および2のガス拡散層について、室温20℃、湿度35〜50%の環境下において、40枚の基材にガス拡散層ペーストを塗布するのに要した時間を測定した。この結果を表2に示す。また、同様に、40枚の基材にガス拡散層ペーストを塗布するのに準備する(要する)ガス拡散層ペーストの量を測定した。この結果を表3に示す。
参考例1、実施例2、比較例1および2のガス拡散層を用いて、図1に示すような単セル10を作製し、セル電圧の経時的変化を測定した。単セル10は、参考例1、実施例2、比較例1および2の各ガス拡散層20、28の、ガス拡散層ペーストを塗布して水マネジメント層16、24を形成した面に触媒層14、22を形成し、固体高分子膜(Nafion112)12を挟持して作製する。カソード側の触媒層14は、Pt担持カーボンと電解質溶液(20%Nafion溶液)とをPt担持カーボン:電解質溶液=3:8の割合で混合し、アノード側の触媒層22は、Pt−Ru担持カーボンと電解質溶液(20%Nafion溶液)とをPt−Ru担持カーボン:電解質溶液=1:2の割合で混合して作製する。
で1.28〜1.80mg/cm2程度の範囲内でガス拡散層ペーストを塗布することが
望ましいことが分かった。また比較例1は、運転時間が1000時間を超えると、セル電圧が大幅に低下してしまい、1800時間で運転を停止した。比較例1のガス拡散層ペースト、特にカソード側ガス拡散層ペーストは、低分子フッ素系樹脂のみであるため、結着性が低い上、カソード側は基材のカーボンペーパに施した撥水処理剤のFEPもアノード側に比べて少ないので、時間の経過と共に、基材から水マネジメント層が剥離し、カソード側ガス拡散層に必要な酸化剤の供給と生成水の排出とが機能しなくなってしまったためであると考えられる。参考例1は、初期性能こそ4種類の中で最も低いが、その後は安定した性能を示し、4000時間でのセル電圧は値としては低いが、単位時間あたりの電圧低下率は比較例2よりも高く(参考例1の電圧低下率は5mV/1000h、比較例2は7.5mV/1000h)なっている。
本実施の形態では、ヘラを用いて基材にペーストを塗布する方法を用いたが、塗布方法はこれに限らず、スクリーン印刷などの塗布方法でも、所定量のガス拡散層ペーストを基材に塗布できる方法であれば良い。また、参考例1及び実施例2では、低分子フッ素系樹脂としてダイキン社製のルブロンLDW40E、高分子フッ素樹脂としてデュポン社製のPTFE30Jを用いたが、低分子フッ素樹脂としては撥水性を有して結着性を有さない(結着性が低い)物質、高分子フッ素系樹脂としては結着性を有する物質であればよく、高分子フッ素系樹脂の代わりにFEPを用いても良い。但し、FEPは熱処理をすることで結着性を発揮するので、FEPを用いた場合には、ガス拡散層ペーストを基材に塗布した後に、熱処理の工程を加える必要がある。さらに、基材のカーボンペーパに撥水処理を施す際に、FEPを用いたが、これを高分子フッ素系樹脂(PTFE)に置き換えることも可能である。
12 固体高分子膜
14 カソード側触媒層
16 カソード側水マネジメント層(カソード側ガス拡散層ペースト)
18 カソード側基材
20 カソード側ガス拡散層
22 アノード側触媒層
24 アノード側水マネジメント層(アノード側ガス拡散層ペースト)
26 アノード側基材
28 アノード側ガス拡散層
Claims (2)
- 電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられたカソード電極と、前記電解質層の他方の面に設けられたアノード電極と、を備える固体高分子形燃料電池において、
前記アノード電極及びカソード電極は、触媒作用を有する触媒層と、導電性を有する基材と、導電性を有すると共に前記触媒層と前記基材との間の水の移動を管理する水マネジメント層と、を備え、
カソード電極の水マネジメント層は、フッ素樹脂とカーボンブラックを含み、前記フッ素樹脂は、高分子フッ素樹脂と、高分子フッ素樹脂よりも平均分子量が小さい低分子フッ素樹脂からなるカソード用混合フッ素樹脂であり、単位面積当りの質量が1.92〜2.24mg/cm2であり、
アノード電極の水マネジメント層は、フッ素樹脂とカーボンブラックを含み、前記フッ素樹脂は、前記低分子フッ素樹脂のみからなるアノード用フッ素樹脂であり、単位面積当りの質量が1.28〜1.80mg/cm2であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 - 前記高分子フッ素樹脂はポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項1記載の固体高分子形燃料電池。
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