JPH0684529A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH0684529A
JPH0684529A JP4235610A JP23561092A JPH0684529A JP H0684529 A JPH0684529 A JP H0684529A JP 4235610 A JP4235610 A JP 4235610A JP 23561092 A JP23561092 A JP 23561092A JP H0684529 A JPH0684529 A JP H0684529A
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JP
Japan
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gas diffusion
fuel cell
separator
carbon fiber
electrode
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JP4235610A
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English (en)
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Motoo Yamaguchi
元男 山口
Hisahide Matsuo
尚英 松尾
Shohei Uozumi
昇平 魚住
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】セパレータと接するガス拡散層表層部のカーボ
ン繊維焼結体表面に付着した電気絶縁性撥水剤による接
触抵抗を小さくし、電子伝導の損失を低減し、発電出力
の取り出し効率が良い燃料電池を提供することを目的と
する。 【構成】セパレータと接するガス拡散層表層部のカーボ
ン繊維焼結体表面に付着した電気絶縁性撥水剤を取り除
くか、或いは耐リン酸性を有する導電性粉体をカーボン
繊維焼結体表面に付着するか又はカーボン繊維焼結体表
面に付着した撥水剤と置換したガス拡散層を用いて燃料
電池を構成する。 【効果】ガス拡散層とセパレータの接触抵抗が低減で
き、電子伝導による損失を低減でき、発電出力の取り出
し効率を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に関し、特に、
フッ素樹脂等で撥水化したカーボン繊維焼結体でできた
ガス拡散層とからなるガス拡散電極のガス拡散層とセパ
レータ間に存在するリブ部と接触する界面の電子伝導抵
抗を小さくすることにより、電気出力取りだし効率を向
上した燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の燃料電池単位セル構成の一実施例
を図7に示す。この実施例の図7は特開昭63−4563号に
開示された構成に基づいている。以下、図7に基づき、
従来の燃料電池セル構成及び燃料電池性能に及ぼす作用
の概略について説明する。
【0003】図7において、単位セルはカーボン繊維焼
結体をフッ素樹脂等の微粒子分散液にデッピングして撥
水化したガス拡散層(2,4)と触媒層(1,3)でで
きたリブ付きガス拡散電極からなる燃料電極及び酸化剤
電極と、この一対の電極で挟持した電解質マトリクス5
とで構成する発電部及び、その外側の燃料ガスと酸化剤
ガスを隔離するセパレータ(6,7)で構成されてお
り、これを多数積層して構成する燃料電池発電装置を構
成していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来技術のセル構成では、カーボン繊維焼結体を
フッ素樹脂等の微粒子分散液にデッピングして撥水化し
たガス拡散層2のリブ部の面8がセパレータ6と面接触
で接することになる。この接触面のガス拡散層2側のカ
ーボン繊維表面には部分的にフッ素樹脂等の撥水剤が付
着し、電気的に絶縁となる部分を生じる。そのため導電
界面及びその近傍導体であるセパレータ6とガス拡散層
2では電流が集中し、電気抵抗による損失が増大する。
またこの接触部はもともと触媒層1とガス拡散層2の界
面と較べると、接触面の割合が面積全体に占めるリブ部
分の比率に相当する分減少する。その接触面積減少率に
逆比例して電流が集中しており、損失の割合はその比率
分さらに大きくなるという課題が生じる。
【0005】本発明の目的はガス拡散層2とセパレータ
6の接触面の接触抵抗を低減し、発電出力の取り出し効
率の良い燃料電池を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的は、ガス拡散層
2のセパレータ6と接する面8のカーボン繊維焼結体表
面に、付着したフッ素樹脂等の撥水剤を除去するか、耐
リン酸性及び電気伝導性を有する粉体を付着するか、或
いは付着したフッ素樹脂等の撥水剤を耐リン酸性及び電
気伝導性を有する粉体で置換することにより達成され
る。
【0007】
【作用】本発明の構成によるカーボン繊維焼結体表面に
付着したフッ素樹脂等の撥水剤を除去する方法によれ
ば、電気的絶縁物が無くなり、電気導電面積が増す。ま
た耐リン酸性が有り、電気伝導性を有する粉体を付着す
る方法によれば、内部のフッ素樹脂等の撥水剤が付着し
ない部分から電気伝導性を有する粉体の繋がりが接触界
面に達し、等価的に電気伝導性を有する面積が増える。
さらにフッ素樹脂等の撥水剤を耐リン酸性を有する電気
伝導性を有する粉体で置換する方法では電気絶縁物であ
るフッ素樹脂等の撥水剤が電気伝導性粉体に置換される
ためガス拡散層とリブの接触接点数が増し、界面の電気
伝導性を向上することができる。
【0008】
【実施例】以下本発明の一実施例を図1乃至図6により
説明する。
【0009】実施例1 図1は単位セルの斜視図で、カーボン繊維焼結体にポリ
フロンディスパージョンにデッピングして撥水化したガ
ス拡散層(2,4)と触媒層(1,3)からなるリブ付
きガス拡散電極である燃料電極(1,2の組)と酸化剤
電極(3,4の組)と、この一対の電極で挟持した電解
質マトリクス5とで構成する発電部及び、その外側に燃
料ガス及び酸化剤ガスを隔離するセパレータ(6,7)
で構成したものである。燃料電池発電装置はこの単位セ
ルを多数積層したものである。図2はガス拡散層2のみ
を示す斜視図である。このガス拡散層2はポリフロンデ
ィスパージョン(ダイキン工業株式会社製,D−1,固
形分60%)1重量部に蒸留水5重量部を加え固形分1
0%に調製したポリフロンディスパージョンに、カーボ
ン繊維焼結体電極を入れ、5分放置した後、取り出して
水切りし、110℃で1時間乾燥の後、350℃で熱処
理をして製作したものである。本実施例はこのガス拡散
層2のセパレータ6と接する面8(図1−Bでハッチン
グを施した面)を30J/cm2 のアルゴンイオンでスパ
ッタし、面8の表層部のカーボン繊維焼結体表面に付着
した撥水剤であるポリフロンを取り除いた。このスパッ
タ処理を行なったガス拡散層2を用いたセルのガス拡散
層2とセパレータ6の接触抵抗は、ポリフロンを除かな
い従来方式のガス拡散層を用いた場合に比べて半分にす
ることができた。ポリフロンを除く方法としてガス拡散
層2のセパレータ6と接する面8にレーザビーム,電子
ビーム等高エネルギー密度ビームを照射するか、機械的
に取り除いても撥水剤を除去する効果は変わらない。
【0010】実施例2 図1において単位セルの構成及びガス拡散層2のポリフ
ロンディスパージョンによる撥水化処理法は実施例1に
記載の通りであるが、ガス拡散層2のセパレータ6と接
する面8(図2でハッチングを施した面)に、ポリフロ
ンディスパージョン(ダイキン工業株式会社製,D−
1,固形分60%)1重量部に蒸留水2重量部を加え固
形分20%に調製したポリフロンディスパージョンに黒
鉛粉末(日本黒鉛製,CB−150)6重量部を混ぜて
作ったペーストを塗布した後、110℃で1時間乾燥
し、350℃で熱処理をした。このカーボンペーストを
塗布したガス拡散層2を用いたセルのガス拡散層2とセ
パレータ6の接触抵抗は、カーボンペーストを塗布しな
い従来方式のガス拡散層を用いた場合に較べて半分にす
ることができた。カーボンペーストを用いる代わりに耐
リン酸性及び電気伝導性の良い金属例えば金,白金,タ
ンタル,銀,ハステロイ,SUS316を用いても効果
は変わらない。
【0011】実施例3 図1において単位セルの構成及びガス拡散層2のポリフ
ロンディスパージョンによる撥水化処理法は実施例1に
記載の通りであるが、ガス拡散層2のセパレータ6と接
する面8(図1−Bでハッチングを施した面)に、イオ
ン源を用いて、30J/cm2 の白金イオンで、面8表層
部のカーボン繊維焼結体表面に付着した撥水剤であるポ
リフロンを、取り除くと同時に白金イオンを付着した。
この白金イオンを置換付着したガス拡散層2を用いたセ
ルのガス拡散層2とセパレータ6の接触抵抗は、白金イ
オンをインプラントしない従来方式のガス拡散層を用い
た場合に較べて1/3にすることができた。白金を用い
る代わりに耐リン酸性の良い電気伝導性の金属例えば
金,タンタル,銀を用いても効果は変わらない。
【0012】さらにまた実施例1に記載のアルゴンイオ
ンでスパッタした後のガス拡散層2の面8にカーボン,
白金等耐リン酸性を有する電気伝導性金属粉末を微量の
ポリフロンディスパージョン等耐熱,耐リン酸性結着剤
と混合状態で塗布,熱処理したものも効果は変わらな
い。
【0013】実施例4 図1の実施例は多孔質電極基板であるガス拡散層2側に
リブが付いており、セパレータ(6,7)は燃料ガス及
び酸化剤ガスの混合を防止する仕切りの役目を平板で行
なっている。図3に示すリブ付きセパレータの場合リブ
がガス不透過性カーボンの場合は基本的に図1と機能は
同じであり、ガス拡散層2のリブと接する面側の全面に
ついて実施例1乃至3に記載の処理を行なうとマトリク
ス5及び触媒層1に存在するリン酸がガス拡散層2の表
面層で液膜を作り、ガスの拡散ができなくなるという不
具合を生じる場合がある。本実施例はこの点を考慮し
て、先ずセパレータ6のリブ10とガス拡散層2が接す
る領域8を含み、図示するように領域AとBが夫れ夫れ
交互になるように分割した。次に領域Aのみの表層部の
カーボン繊維焼結体表面に付着した撥水剤であるポリフ
ロンを取り除く。このガス拡散層2を用いたセルのセパ
レータ6との接触抵抗は、ポリフロンを取り除かない従
来方式のガス拡散層を用いた場合に較べて1/2にする
ことができた。リブ付きセパレータのリブ部10が多孔
質カーボン繊維でできている場合も効果は同じである。
【0014】実施例5 図3,図4の実施例はガス拡散層2の表層部のカーボン
繊維焼結体表面に付着した撥水剤であるポリフロンを取
り除く領域を拡散層2のリブ10との界面8を含む面全
体について行なった。図5,図6の実施例ではセパレー
タ6のリブ10がガス拡散層2と接する領域8のみを領
域CとDが夫れ夫れ隣合うように分割した。次に領域区
分Cの表層部のカーボン繊維焼結体表面に付着した撥水
剤であるポリフロンを取り除く。このガス拡散層2を用
いたセルのセパレータ6との接触抵抗は、ポリフロンを
取り除かない従来方式のガス拡散層を用いた場合に較べ
て1/2にすることができた。リブ付きセパレータのリ
ブ部10が多孔質カーボン繊維でできている場合も効果
は同じである。
【0015】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、ガス拡散
層のセパレータと接する面の表層部のカーボン繊維焼結
体表面に付着した撥水剤であるポリフロンを取り除くか
或いは耐リン酸性を有する導電性粉体をカーボン繊維焼
結体表面に付着するか、カーボン繊維焼結体表面に付着
した撥水剤と置換することにより、ガス拡散層のセパレ
ータの接触抵抗による損失が低減でき、発電出力の取り
出し効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による単位燃料電池構成の斜視図。
【図2】ガス拡散層のみを示す斜視図。
【図3】本発明による単位燃料電池構成の別の斜視図。
【図4】図3のガス拡散層のみを示す斜視図。
【図5】本発明による単位燃料電池構成の別の斜視図。
【図6】図5のガス拡散層のみを示す斜視図。
【図7】従来の単位燃料電池構成の斜視図。
【符号の説明】
1,3…触媒層、2,4…ガス拡散層、5…電解質、
6,7…セパレータ、8…接触面、9…撥水剤除去面、
10…リブ。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フッ素樹脂等で撥水化したカーボン繊維焼
    結体でできたガス拡散層と触媒層からなるリブ付きガス
    拡散電極で構成される燃料電極及び酸化剤電極と、この
    一対の電極で挟持した電解質を保持するマトリクスから
    なる発電部及び、燃料及び酸化剤を隔離するセパレータ
    からなる単位セルを複数段積層して構成する燃料電池に
    おいて、セパレータと接するリブ付きガス拡散電極のリ
    ブ面のカーボン繊維焼結体表面に付着するフッ素樹脂等
    撥水化材を除去したガス拡散電極を用いたことを特徴と
    する燃料電池。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の燃料電池の、ガス拡散層
    がカーボン繊維焼結体でできた平板電極構造で、セパレ
    ータ側にリブが付いたリブ付きセパレータ構造の燃料電
    池において、ガス拡散層のリブと接する側の電極面を複
    数に区分し、リブと接する部分を含む区分面の少なくと
    も一区分面のカーボン繊維焼結体表面に付着するフッ素
    樹脂等撥水化材を除去したガス拡散電極を用いたことを
    特徴とする燃料電池。
  3. 【請求項3】請求項2に記載の燃料電池において、ガス
    拡散層のリブと接する界面部分のみを複数に区分し、少
    なくともその一区分面のカーボン繊維焼結体表面に付着
    するフッ素樹脂等撥水化材を除去したガス拡散電極を用
    いたことを特徴とする燃料電池。
  4. 【請求項4】請求項1,2及び3に記載の燃料電池にお
    いて、ガス拡散層のカーボン繊維焼結体表面に付着する
    フッ素樹脂等撥水化材を除去する手段としてレーザビー
    ム,電子ビーム,イオンビーム等高エネルギー密度ビー
    ムを用いて処理したガス拡散電極を用いたことを特徴と
    する燃料電池。
  5. 【請求項5】請求項1,2及び3に記載の燃料電池にお
    いて、セパレータと接するガス拡散層の表層部にカーボ
    ン或いは、電気伝導性がよく、且つ、耐リン酸性の良い
    金属を付着したガス拡散電極を用いたことを特徴とする
    燃料電池。
  6. 【請求項6】請求項1,2及び3に記載の燃料電池にお
    いて、セパレータと接するガス拡散層表層部のカーボン
    繊維焼結体表面に付着したフッ素樹脂等撥水化材をカー
    ボン或いは、電気伝導性がよく、且つ、耐リン酸性の良
    い金属と置換したガス拡散電極を用いたことを特徴とす
    る燃料電池。
  7. 【請求項7】請求項5及び6に用いる金属に金,白金,
    タンタル,銀,ハステロイ,SUS316を用いたこと
    を特徴とする燃料電池。
  8. 【請求項8】請求項1,2及び3に記載の燃料電池にお
    いて、カーボン繊維焼結体表面に付着するフッ素樹脂等
    撥水化材を除去したガス拡散電極のフッ素樹脂等撥水化
    材除去面にカーボン或いは、電気伝導性がよく、且つ、
    耐リン酸性の良い金属を付着又は、塗布したことを特徴
    とする燃料電池。
  9. 【請求項9】請求項5,6,7及び8に記載の燃料電池
    において、ガス拡散電極にカーボン及び金属を付着又は
    置換する手段として、イオンビームを用いて処理したガ
    ス拡散電極を用いたことを特徴とする燃料電池。
JP4235610A 1992-09-03 1992-09-03 燃料電池 Pending JPH0684529A (ja)

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