JPH1131515A - 高分子電解質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法 - Google Patents
高分子電解質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法Info
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- JPH1131515A JPH1131515A JP9200760A JP20076097A JPH1131515A JP H1131515 A JPH1131515 A JP H1131515A JP 9200760 A JP9200760 A JP 9200760A JP 20076097 A JP20076097 A JP 20076097A JP H1131515 A JPH1131515 A JP H1131515A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高出力の燃料電池を得るためにはガス拡散部
の抵抗の低減とガス透過性の向上する必要があった。し
かし、従来の撥水性を付与したガス拡散部は硬く非弾性
体的な性質を有しており接触抵抗を低減するには高度な
寸法精度が要求され作製が容易でないことあるいは硬い
ガス拡散部が必要以上に高分子電解質膜にくい込みピン
ホール形成が起こりうるなど信頼性が低いという問題が
あった。 【解決手段】 反応部とガス拡散部とを有するガス拡散
電極を高分子電解質膜の少なくとも一方に備えた高分子
電解質膜−ガス拡散電極体において、ガス拡散部は、炭
素粉末あるいは炭素繊維またはその両者の混合物と、フ
ッ素樹脂と、親水性の有機溶媒に溶解する含フッ素樹脂
とを含有させる。
の抵抗の低減とガス透過性の向上する必要があった。し
かし、従来の撥水性を付与したガス拡散部は硬く非弾性
体的な性質を有しており接触抵抗を低減するには高度な
寸法精度が要求され作製が容易でないことあるいは硬い
ガス拡散部が必要以上に高分子電解質膜にくい込みピン
ホール形成が起こりうるなど信頼性が低いという問題が
あった。 【解決手段】 反応部とガス拡散部とを有するガス拡散
電極を高分子電解質膜の少なくとも一方に備えた高分子
電解質膜−ガス拡散電極体において、ガス拡散部は、炭
素粉末あるいは炭素繊維またはその両者の混合物と、フ
ッ素樹脂と、親水性の有機溶媒に溶解する含フッ素樹脂
とを含有させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池に属するものである。
型燃料電池に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜（固体高分子電解質）の両面にガス拡散電極が配
された構造をしており、反応ガスである酸素と水素とを
電気化学的に反応させて、電力を得る装置である。ガス
拡散電極は、ガス拡散部と反応部とからなり、アノード
およびカソードのそれぞれの反応部には白金系の金属粒
子あるいはこれらの粒子を担持したカーボン粒子などが
触媒として付与されている。
交換膜（固体高分子電解質）の両面にガス拡散電極が配
された構造をしており、反応ガスである酸素と水素とを
電気化学的に反応させて、電力を得る装置である。ガス
拡散電極は、ガス拡散部と反応部とからなり、アノード
およびカソードのそれぞれの反応部には白金系の金属粒
子あるいはこれらの粒子を担持したカーボン粒子などが
触媒として付与されている。
【０００３】アノードでは、 ２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- カソードでは、 Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2 Ｏ の電気化学反応が進行する。ガス拡散部は多孔体であ
り、反応部への反応ガス供給と集電との機能を有してい
る。カソード側での反応によって生成する水は、ガス拡
散部を介して排出される。このとき、生成水によりガス
拡散部の孔が閉塞されると、反応ガスの透過性が低下
し、電池特性が低下する。このため、ガス拡散部はガス
透過性と導電性に加えて撥水性が要求される。ガス拡散
部として、市販のカーボンペーパーをポリテトラフロロ
エチレンなどの撥水性樹脂を用いて、撥水性を付与した
ものなどが用いられる。カーボンペーパーは、直径10μ
m 程度の炭素の短繊維をバインダーで固めたものを焼成
したものである。
り、反応部への反応ガス供給と集電との機能を有してい
る。カソード側での反応によって生成する水は、ガス拡
散部を介して排出される。このとき、生成水によりガス
拡散部の孔が閉塞されると、反応ガスの透過性が低下
し、電池特性が低下する。このため、ガス拡散部はガス
透過性と導電性に加えて撥水性が要求される。ガス拡散
部として、市販のカーボンペーパーをポリテトラフロロ
エチレンなどの撥水性樹脂を用いて、撥水性を付与した
ものなどが用いられる。カーボンペーパーは、直径10μ
m 程度の炭素の短繊維をバインダーで固めたものを焼成
したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ガス拡散部の抵抗を低
減するために薄いカーボンペーパーの使用が好ましい
が、薄いカーボンペーパーは機械的な強度が不充分であ
り、高分子電解質膜−ガス拡散電極体の作製工程におい
て破壊等の問題が生じ、その取り扱いが容易でない。ま
た、高分子電解質膜−ガス拡散電極体を作製するために
は、高分子電解質膜に反応部を形成してこれにガス拡散
部である撥水性のカーボンペーパーを圧接する方法、あ
るいはカーボンペーパーに反応部を形成してこれを高分
子電解質膜に圧接する方法などがある。しかし、この圧
接するとき、とくにカーボンペーパーのエッジ部分にお
いて炭素の短繊維が高分子電解質膜に必要以上に食い込
むことがある。このために高分子電解質膜の機械的強度
が低下したり、ときには貫通しピンホール生成の原因と
なる。
減するために薄いカーボンペーパーの使用が好ましい
が、薄いカーボンペーパーは機械的な強度が不充分であ
り、高分子電解質膜−ガス拡散電極体の作製工程におい
て破壊等の問題が生じ、その取り扱いが容易でない。ま
た、高分子電解質膜−ガス拡散電極体を作製するために
は、高分子電解質膜に反応部を形成してこれにガス拡散
部である撥水性のカーボンペーパーを圧接する方法、あ
るいはカーボンペーパーに反応部を形成してこれを高分
子電解質膜に圧接する方法などがある。しかし、この圧
接するとき、とくにカーボンペーパーのエッジ部分にお
いて炭素の短繊維が高分子電解質膜に必要以上に食い込
むことがある。このために高分子電解質膜の機械的強度
が低下したり、ときには貫通しピンホール生成の原因と
なる。
【０００５】また、高分子電解質膜に１０μｍ程度の薄
い反応部を形成し、これに撥水性のカーボンペーパーを
圧接する場合、反応部とカーボンペーパーとの接触を十
分にするために接合圧を高くする必要がある。接合圧を
高くする場合、カーボンペーパーは圧迫に対して非弾性
体的な性質を有しているために、上記のピンホール生成
の問題に加えて、カーボンペーパーの潰れが発生し厚み
が減少する。このガス拡散部の厚みが減少は不可逆的で
あり、集電体あるいはセパレータとの接触不良の原因と
なる。つまり、このカーボンペーパーの潰れのために接
触抵抗が増大し、電池特性の低下を引き起こす。
い反応部を形成し、これに撥水性のカーボンペーパーを
圧接する場合、反応部とカーボンペーパーとの接触を十
分にするために接合圧を高くする必要がある。接合圧を
高くする場合、カーボンペーパーは圧迫に対して非弾性
体的な性質を有しているために、上記のピンホール生成
の問題に加えて、カーボンペーパーの潰れが発生し厚み
が減少する。このガス拡散部の厚みが減少は不可逆的で
あり、集電体あるいはセパレータとの接触不良の原因と
なる。つまり、このカーボンペーパーの潰れのために接
触抵抗が増大し、電池特性の低下を引き起こす。
【０００６】固体高分子電解質型燃料電池の単セルを構
成する部材において、圧迫に対して弾性体的な性質を示
すものは高分子電解質膜だけである。しかし、高分子電
解質膜は薄いために過度の圧迫を加えると前述のような
ピンホール生成等の問題が生じる。したがって、圧迫に
対して寸法変化が少なく非弾性体的な性質を有する集電
体あるいはセパレータと高分子電解質膜−ガス拡散電極
体との接触を十分に保つためには、各構成部材の高度な
寸法精度が要求される。特に、複数のセルをスタックし
た場合、各構成部材の接触を十分に保つために要求され
る寸法精度はますます厳しくなる。しかし、各構成部
材、特に高分子電解質膜−ガス拡散電極体の作製方法に
おいて、高分子電解質膜に反応部を圧接する工程や次の
ガス拡散部を圧接する工程を経るために、その寸法精度
を十分に確保することは容易でない。したがって、各構
成部材の接触を十分に保ち接触抵抗を低減するために
は、高分子電解質膜以外に弾性体的な性質を有する構成
部材が含まれることが望ましい。
成する部材において、圧迫に対して弾性体的な性質を示
すものは高分子電解質膜だけである。しかし、高分子電
解質膜は薄いために過度の圧迫を加えると前述のような
ピンホール生成等の問題が生じる。したがって、圧迫に
対して寸法変化が少なく非弾性体的な性質を有する集電
体あるいはセパレータと高分子電解質膜−ガス拡散電極
体との接触を十分に保つためには、各構成部材の高度な
寸法精度が要求される。特に、複数のセルをスタックし
た場合、各構成部材の接触を十分に保つために要求され
る寸法精度はますます厳しくなる。しかし、各構成部
材、特に高分子電解質膜−ガス拡散電極体の作製方法に
おいて、高分子電解質膜に反応部を圧接する工程や次の
ガス拡散部を圧接する工程を経るために、その寸法精度
を十分に確保することは容易でない。したがって、各構
成部材の接触を十分に保ち接触抵抗を低減するために
は、高分子電解質膜以外に弾性体的な性質を有する構成
部材が含まれることが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、反応部とガス
拡散部とを有するガス拡散電極を高分子電解質膜の少な
くとも一方に備えた高分子電解質膜−ガス拡散電極体に
おいて、ガス拡散部は炭素粉末あるいは炭素繊維または
その混合物と、フッ素樹脂と、水溶性の有機溶媒に溶解
する含フッ素樹脂とを、含有することを特徴とする。
拡散部とを有するガス拡散電極を高分子電解質膜の少な
くとも一方に備えた高分子電解質膜−ガス拡散電極体に
おいて、ガス拡散部は炭素粉末あるいは炭素繊維または
その混合物と、フッ素樹脂と、水溶性の有機溶媒に溶解
する含フッ素樹脂とを、含有することを特徴とする。
【０００８】第一の発明にかかる第二の発明は、有機溶
媒に溶解した含フッ素樹脂に炭素材とフッ素樹脂を添加
し分散物を調製する工程と、前記分散物を基体に塗布し
た後、水に浸責し前記分散物に含有される水溶性の有機
溶媒を抽出することにより含フッ素樹脂を固化しガス拡
散部を形成する工程と、触媒と高分子電解質樹脂を有す
る触媒分散物を前記ガス拡散部に塗布し、ガス拡散部上
に反応部を形成する工程と、前記反応部が高分子電解質
膜に接触するように配して、ガス拡散電極を形成した基
体と高分子電解質膜とを圧接し、基体を除去して高分子
電解質膜−ガス拡散電極接合体を形成する工程とを、備
えてなることを特徴とする。
媒に溶解した含フッ素樹脂に炭素材とフッ素樹脂を添加
し分散物を調製する工程と、前記分散物を基体に塗布し
た後、水に浸責し前記分散物に含有される水溶性の有機
溶媒を抽出することにより含フッ素樹脂を固化しガス拡
散部を形成する工程と、触媒と高分子電解質樹脂を有す
る触媒分散物を前記ガス拡散部に塗布し、ガス拡散部上
に反応部を形成する工程と、前記反応部が高分子電解質
膜に接触するように配して、ガス拡散電極を形成した基
体と高分子電解質膜とを圧接し、基体を除去して高分子
電解質膜−ガス拡散電極接合体を形成する工程とを、備
えてなることを特徴とする。
【０００９】第一または第二かかる第三の発明は、基体
が剥離性を有するシートであることを特徴とする。
が剥離性を有するシートであることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる高分子電解
質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法の一実施の形
態を好適な図面を用いて説明する。
質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法の一実施の形
態を好適な図面を用いて説明する。
【００１１】図１は、本発明である高分子電解質膜−ガ
ス拡散電極体の概略図である。
ス拡散電極体の概略図である。
【００１２】図によれば、高分子電解質膜１の両側に反
応部２とガス拡散部３が配されている。４はガス拡散電
極である。反応部２は触媒と高分子電解質樹脂とを有し
ており、ガス拡散部は導電材としての炭素材たとえば炭
素粉末、撥水材としてのフッ素樹脂たとえばポリテトラ
フロロエチレン粉末および結着材としての親水性の有機
溶媒に溶解する含フッ素樹脂たとえばポリフッ化ビニリ
デンとを有している。
応部２とガス拡散部３が配されている。４はガス拡散電
極である。反応部２は触媒と高分子電解質樹脂とを有し
ており、ガス拡散部は導電材としての炭素材たとえば炭
素粉末、撥水材としてのフッ素樹脂たとえばポリテトラ
フロロエチレン粉末および結着材としての親水性の有機
溶媒に溶解する含フッ素樹脂たとえばポリフッ化ビニリ
デンとを有している。
【００１３】図２は、本発明である高分子電解質膜−ガ
ス拡散電極体のガス拡散部の構造を示す概略図である。
ス拡散電極体のガス拡散部の構造を示す概略図である。
【００１４】図によれば、炭素粉末とポリテトラフロロ
エチレン粉末がポリフッ化ビニリデンにより結着されク
ラスターを形成し、このクラスターとクラスターとの間
にはランダムに空孔が形成されている。図において、５
はカーボン粒子、６はポリテトラフロロエチレン粒子、
７はポリフッ化ビニリデン被膜である。
エチレン粉末がポリフッ化ビニリデンにより結着されク
ラスターを形成し、このクラスターとクラスターとの間
にはランダムに空孔が形成されている。図において、５
はカーボン粒子、６はポリテトラフロロエチレン粒子、
７はポリフッ化ビニリデン被膜である。
【００１５】図３は、本発明である高分子電解質膜−ガ
ス拡散電極体の製造方法のフロー図である。
ス拡散電極体の製造方法のフロー図である。
【００１６】まず、結着材と親水性の有機溶媒とをそれ
ぞれ適宜規定量秤量し、親水性の有機溶媒に結着材を加
え、溶解して結着材の親水性の有機溶媒の溶液を調製す
る。この溶液に導電材と撥水材を添加し、十分混合して
ガス拡散部形成用分散物を調製する。結着材としてはポ
リフッ化ビニリデン（商品名：呉羽化学工業〓KF1100）
を用いることができ、水溶性の有機溶媒としてはＮ−メ
チル−２−ピロリドンを用いることができる。また、導
電材としてはカーボン粉末（商品名：CABOT 社VALCAN X
C）を用いことができ、撥水材としてはポリテトラフロ
ロエチレン粉末（商品名：ダイキン工業〓ルブロン）を
用いることができる。
ぞれ適宜規定量秤量し、親水性の有機溶媒に結着材を加
え、溶解して結着材の親水性の有機溶媒の溶液を調製す
る。この溶液に導電材と撥水材を添加し、十分混合して
ガス拡散部形成用分散物を調製する。結着材としてはポ
リフッ化ビニリデン（商品名：呉羽化学工業〓KF1100）
を用いることができ、水溶性の有機溶媒としてはＮ−メ
チル−２−ピロリドンを用いることができる。また、導
電材としてはカーボン粉末（商品名：CABOT 社VALCAN X
C）を用いことができ、撥水材としてはポリテトラフロ
ロエチレン粉末（商品名：ダイキン工業〓ルブロン）を
用いることができる。
【００１７】このガス拡散部形成用分散物をこの分散物
と親和性の低い基体、たとえば剥離性を有するシートに
塗布する。剥離性を有するシートとしてはテトラフロロ
エチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体のシート
（商品名：ダイキン工業〓ネオフロン）を用いることが
でき、このシートの上にガス拡散部形成用分散物を塗布
する。塗布方法としては、ドクターブレード法などの方
法を用いることができる。
と親和性の低い基体、たとえば剥離性を有するシートに
塗布する。剥離性を有するシートとしてはテトラフロロ
エチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体のシート
（商品名：ダイキン工業〓ネオフロン）を用いることが
でき、このシートの上にガス拡散部形成用分散物を塗布
する。塗布方法としては、ドクターブレード法などの方
法を用いることができる。
【００１８】ガス拡散部形成用分散物が乾燥するまで
に、この分散物が塗布された基体を精製水に浸漬して、
分散物に含まれる親水性の有機溶媒を抽出する。溶媒が
抽出されると結着材が固化しこの結着作用により導電材
と撥水材とのクラスターが形成される。このとき、この
溶媒と水の置換にともなう固化は結着材の急激な体積収
縮をともないクラスター部と水が占める部分がランダム
に混在する状態が形成される。この水分を乾燥し除去す
ると水が占めた部分が空孔となり、孔を有するガス拡散
部が形成される。このガス拡散部は、炭素材により電子
伝導性を示し、適度に形成された孔が反応ガスの供給経
路となり、混在する撥水材により付与された撥水性が生
成水による孔の閉塞を防止することで、優れたガス透過
性を示す。
に、この分散物が塗布された基体を精製水に浸漬して、
分散物に含まれる親水性の有機溶媒を抽出する。溶媒が
抽出されると結着材が固化しこの結着作用により導電材
と撥水材とのクラスターが形成される。このとき、この
溶媒と水の置換にともなう固化は結着材の急激な体積収
縮をともないクラスター部と水が占める部分がランダム
に混在する状態が形成される。この水分を乾燥し除去す
ると水が占めた部分が空孔となり、孔を有するガス拡散
部が形成される。このガス拡散部は、炭素材により電子
伝導性を示し、適度に形成された孔が反応ガスの供給経
路となり、混在する撥水材により付与された撥水性が生
成水による孔の閉塞を防止することで、優れたガス透過
性を示す。
【００１９】次に、この基体のガス拡散部に、触媒と高
分子電解質樹脂とを有する触媒分散物を塗布して、反応
部を形成してガス拡散電極を得る。触媒としてはカーボ
ン粉末に白金粒子を担持したのものを用いることがで
き、高分子電解質樹脂としてはパーフロロスルホン酸樹
脂の溶液（商品名：アルドリッチ社、Nafion溶液）を用
いることができ、これらを規定量混合し、粘度を調整し
て触媒分散物を調製する。塗布方法としては、スクリー
ン印刷法を用いることができる。
分子電解質樹脂とを有する触媒分散物を塗布して、反応
部を形成してガス拡散電極を得る。触媒としてはカーボ
ン粉末に白金粒子を担持したのものを用いることがで
き、高分子電解質樹脂としてはパーフロロスルホン酸樹
脂の溶液（商品名：アルドリッチ社、Nafion溶液）を用
いることができ、これらを規定量混合し、粘度を調整し
て触媒分散物を調製する。塗布方法としては、スクリー
ン印刷法を用いることができる。
【００２０】次に、この基体に形成したガス拡散電極の
反応部が高分子電解質膜と接触するように、高分子電解
質膜の両面もしくは片側に積層して、圧接する。すると
ガス拡散電極が高分子電解質膜に接合され、基体を除去
すると、高分子電解質膜−ガス拡散電極体が形成され
る。
反応部が高分子電解質膜と接触するように、高分子電解
質膜の両面もしくは片側に積層して、圧接する。すると
ガス拡散電極が高分子電解質膜に接合され、基体を除去
すると、高分子電解質膜−ガス拡散電極体が形成され
る。
【００２１】本発明によれば、親水性の有機溶媒に溶解
する含フッ素樹脂と、炭素粉末あるいは短繊維などの導
電材と、フッ素樹脂などの撥水材とからなる分散物を基
体に塗布し、水に浸漬して分散物に含有される有機溶媒
を抽出することにより、非水溶性である含フッ素樹脂が
固化してガス拡散部を形成する。このとき水が占める部
分および含フッ素樹脂いより結着された炭素材（炭素粉
末あるいは炭素繊維またはその混合物）とフッ素樹脂が
占める部分が分離し、これらの２つの部分が細かくラン
ダムに混在する状態が形成される。つぎに、この水分を
乾燥除去するとその部分が空孔となって残留する。つま
り、多孔状のガス拡散部が形成される。したがって、こ
のガス拡散部は含フッ素樹脂を結着材とした多孔質体で
ありかつフッ素樹脂により適度に撥水性が付与されてい
るために電池反応にともなう生成水による閉塞が起こら
ない。よって、このガス拡散部は反応ガスの透過性が良
く、炭素材により良好な電子伝導性を示す。また、この
ガス拡散部は弾性体的な性質を有しており、電池を構成
するときに加わる圧迫により適度に変形し電池構成部材
間の接触が十分となり接触抵抗が低減される。また高分
子電解質膜との接合のときのピンホールの形成等の心配
もない。
する含フッ素樹脂と、炭素粉末あるいは短繊維などの導
電材と、フッ素樹脂などの撥水材とからなる分散物を基
体に塗布し、水に浸漬して分散物に含有される有機溶媒
を抽出することにより、非水溶性である含フッ素樹脂が
固化してガス拡散部を形成する。このとき水が占める部
分および含フッ素樹脂いより結着された炭素材（炭素粉
末あるいは炭素繊維またはその混合物）とフッ素樹脂が
占める部分が分離し、これらの２つの部分が細かくラン
ダムに混在する状態が形成される。つぎに、この水分を
乾燥除去するとその部分が空孔となって残留する。つま
り、多孔状のガス拡散部が形成される。したがって、こ
のガス拡散部は含フッ素樹脂を結着材とした多孔質体で
ありかつフッ素樹脂により適度に撥水性が付与されてい
るために電池反応にともなう生成水による閉塞が起こら
ない。よって、このガス拡散部は反応ガスの透過性が良
く、炭素材により良好な電子伝導性を示す。また、この
ガス拡散部は弾性体的な性質を有しており、電池を構成
するときに加わる圧迫により適度に変形し電池構成部材
間の接触が十分となり接触抵抗が低減される。また高分
子電解質膜との接合のときのピンホールの形成等の心配
もない。
【００２２】このように、本発明のガス拡散部は反応ガ
スの供給性と導電性に優れ、弾性体的な性質を有するの
で電池構成材間の接触抵抗を低減することができ、優れ
た発電能力を有する固体高分子電解質型燃料電池を提供
できる。
スの供給性と導電性に優れ、弾性体的な性質を有するの
で電池構成材間の接触抵抗を低減することができ、優れ
た発電能力を有する固体高分子電解質型燃料電池を提供
できる。
【００２３】
【実施例】親水性の有機溶媒、Ｎ−メチル−２−ピロリ
ドン：１３０ｇにポリフッ化ビニリデン（呉羽化学工業
〓、KF1100）４ｇを添加し溶解して、濃度が約３ｗｔ％
結着材の溶液を調製した。この結着材の溶液に導電材と
してカーボン粉末（CABOT社VALCAN XC ）: １４ｇを撹
拌しながら徐々に加えて、結着材の溶液中に導電材を分
散させる。ついで、撥水材としてポリテトラフロロエチ
レン粉末（商品名：ダイキン工業〓製、ルブロン）２ｇ
を加えて、十分撹拌して、ガス拡散部形成用分散物を調
製した。
ドン：１３０ｇにポリフッ化ビニリデン（呉羽化学工業
〓、KF1100）４ｇを添加し溶解して、濃度が約３ｗｔ％
結着材の溶液を調製した。この結着材の溶液に導電材と
してカーボン粉末（CABOT社VALCAN XC ）: １４ｇを撹
拌しながら徐々に加えて、結着材の溶液中に導電材を分
散させる。ついで、撥水材としてポリテトラフロロエチ
レン粉末（商品名：ダイキン工業〓製、ルブロン）２ｇ
を加えて、十分撹拌して、ガス拡散部形成用分散物を調
製した。
【００２４】また、カーボン粉末（CABOT 社VALCAN XC
）の担体に白金を約３０ｗｔ％付与した白金担持カー
ボン触媒と市販の高分子電解質樹脂の溶液（アルドリッ
チケミカル社、Nafion溶液、５wt％）を用いて触媒分散
物を調製した。すなわち、Nafion溶液：１５ｇに白金担
持カーボン触媒：２ｇを加えて分散し、撹拌しながら７
０℃に加熱し分散媒の一部を除去して触媒分散物の粘度
を調整して、粘度が約１２０００ｃＰである触媒分散物
を得た。
）の担体に白金を約３０ｗｔ％付与した白金担持カー
ボン触媒と市販の高分子電解質樹脂の溶液（アルドリッ
チケミカル社、Nafion溶液、５wt％）を用いて触媒分散
物を調製した。すなわち、Nafion溶液：１５ｇに白金担
持カーボン触媒：２ｇを加えて分散し、撹拌しながら７
０℃に加熱し分散媒の一部を除去して触媒分散物の粘度
を調整して、粘度が約１２０００ｃＰである触媒分散物
を得た。
【００２５】ドクターブレード法により、前述のガス拡
散部形成用分散物を基体としてポリテトラフロロエチレ
ン−ポリヘキサフロロプロピレン共重合体のシート（商
品名：ダイキン工業〓、ネオフロン）に塗布し、厚さ約
０．１mmのガス拡散部形成用分散物の塗布物を作製し
た。この塗布物が乾燥しない間に、この塗布物を精製水
に約２０分間浸漬した後、室温にて自然乾燥して基体上
にガス拡散部を形成した。
散部形成用分散物を基体としてポリテトラフロロエチレ
ン−ポリヘキサフロロプロピレン共重合体のシート（商
品名：ダイキン工業〓、ネオフロン）に塗布し、厚さ約
０．１mmのガス拡散部形成用分散物の塗布物を作製し
た。この塗布物が乾燥しない間に、この塗布物を精製水
に約２０分間浸漬した後、室温にて自然乾燥して基体上
にガス拡散部を形成した。
【００２６】スクリーン印刷により、前述のガス拡散部
に前述の触媒分散物を塗布、乾燥し、厚さ約１０μｍの
反応部を形成し、基体上にガス拡散部と反応部とを有す
るガス拡散電極を作製した。
に前述の触媒分散物を塗布、乾燥し、厚さ約１０μｍの
反応部を形成し、基体上にガス拡散部と反応部とを有す
るガス拡散電極を作製した。
【００２７】このガス拡散電極を５cm×５cmの電極サイ
ズに裁断し、高分子電解質膜の両側に反応部面が対向す
るように配し、８０℃、１５０kg／cm2 、２分間の条件
で圧接してガス拡散電極を接合した。ついで、基体を取
り除き高分子電解質膜−ガス拡散電極体を得た。このと
き、高分子電解質膜としてNafion１１５（デュポン社）
を用いた。以下、これを本発明にかかる高分子電解質膜
−ガス拡散電極体Ａとする。
ズに裁断し、高分子電解質膜の両側に反応部面が対向す
るように配し、８０℃、１５０kg／cm2 、２分間の条件
で圧接してガス拡散電極を接合した。ついで、基体を取
り除き高分子電解質膜−ガス拡散電極体を得た。このと
き、高分子電解質膜としてNafion１１５（デュポン社）
を用いた。以下、これを本発明にかかる高分子電解質膜
−ガス拡散電極体Ａとする。
【００２８】［比較例］スクリーン印刷により、実施例
で調製した触媒と高分子電解質の溶液（Nafion溶液）か
らなる触媒分散物を剥離シート（ポリテトラフロロエチ
レン−ポリヘキサフロロプロピレン共重合体シート）に
塗布、乾燥して、このシート上に厚み約１０μｍの反応
部を形成した。この反応部５cm×５cmの電極サイズに裁
断し、高分子電解質膜：Nafion１１５の両側に反応部面
が対向するように配し、８０℃、１５０kg／cm2 、２分
間の条件で圧接して反応部を接合した。剥離シートを取
り除き高分子電解質膜−反応部接合体を得た。
で調製した触媒と高分子電解質の溶液（Nafion溶液）か
らなる触媒分散物を剥離シート（ポリテトラフロロエチ
レン−ポリヘキサフロロプロピレン共重合体シート）に
塗布、乾燥して、このシート上に厚み約１０μｍの反応
部を形成した。この反応部５cm×５cmの電極サイズに裁
断し、高分子電解質膜：Nafion１１５の両側に反応部面
が対向するように配し、８０℃、１５０kg／cm2 、２分
間の条件で圧接して反応部を接合した。剥離シートを取
り除き高分子電解質膜−反応部接合体を得た。
【００２９】高分子電解質膜−反応部接合体の両側にＰ
ＴＦＥで撥水性を付与したカーボンペーパーを積層し、
１２０℃、１５０kg／cm2 、２分間の条件で圧接して高
分子電解質膜−ガス拡散電極体を得た。以下、これを比
較用高分子電解質膜−ガス拡散電極体Ｂとする。
ＴＦＥで撥水性を付与したカーボンペーパーを積層し、
１２０℃、１５０kg／cm2 、２分間の条件で圧接して高
分子電解質膜−ガス拡散電極体を得た。以下、これを比
較用高分子電解質膜−ガス拡散電極体Ｂとする。
【００３０】［実験］上記作製した本発明にかかる高分
子電解質膜−ガス拡散電極体Ａを用いて燃料電池を構成
した。この電池を本発明にかかる固体高分子型電解質燃
料電池Ａとする。また、上記比較例で作製した高分子電
解質膜−ガス拡散電極体Ｂを用いて燃料電池を構成し
た。この電池を比較燃料電池Ｂとする。
子電解質膜−ガス拡散電極体Ａを用いて燃料電池を構成
した。この電池を本発明にかかる固体高分子型電解質燃
料電池Ａとする。また、上記比較例で作製した高分子電
解質膜−ガス拡散電極体Ｂを用いて燃料電池を構成し
た。この電池を比較燃料電池Ｂとする。
【００３１】そして、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤
ガスとして酸素ガスを大気圧で供給し、本発明燃料電池
Ａと比較燃料電池Ｂとの電池電圧と電流密度の関係を調
べた。
ガスとして酸素ガスを大気圧で供給し、本発明燃料電池
Ａと比較燃料電池Ｂとの電池電圧と電流密度の関係を調
べた。
【００３２】下記に作動条件を示す。
【００３３】作動温度65℃ 酸素加湿温度６０℃、水素加湿温度６０℃ 酸素利用率５０％、水素利用率７０％ その結果を４図に示す。図４から明らかなように、本発
明燃料電池Ａは比較燃料電池Ｂよりも高い電流密度での
電圧の降下が小さい。比較燃料電池Ｂより本発明燃料電
池Ａは、抵抗過電圧と濃度過電圧の影響が小さいものと
思われる。すなわち、本発明燃料電池Ａのガス拡散部
は、薄く抵抗が小さいこと及び弾性体的な性質を有して
おり圧迫によりガス拡散部が適度に変形して集電体ある
いはセパレータ等の各構成材との接触が十分になる。す
なわち、接触抵抗が低減したために、本発明燃料電池Ａ
の抵抗過電圧が減少した。また、このガス拡散部は多孔
性でありかつ適度に撥水性を有しているので生成水がこ
れらの孔を閉塞することがなく、反応ガスの透過が妨げ
られない。このために、このガス拡散部はガスの透過性
が優れており、反応ガス供給が円滑であるため濃度過電
圧の影響が減少したものと思われる。
明燃料電池Ａは比較燃料電池Ｂよりも高い電流密度での
電圧の降下が小さい。比較燃料電池Ｂより本発明燃料電
池Ａは、抵抗過電圧と濃度過電圧の影響が小さいものと
思われる。すなわち、本発明燃料電池Ａのガス拡散部
は、薄く抵抗が小さいこと及び弾性体的な性質を有して
おり圧迫によりガス拡散部が適度に変形して集電体ある
いはセパレータ等の各構成材との接触が十分になる。す
なわち、接触抵抗が低減したために、本発明燃料電池Ａ
の抵抗過電圧が減少した。また、このガス拡散部は多孔
性でありかつ適度に撥水性を有しているので生成水がこ
れらの孔を閉塞することがなく、反応ガスの透過が妨げ
られない。このために、このガス拡散部はガスの透過性
が優れており、反応ガス供給が円滑であるため濃度過電
圧の影響が減少したものと思われる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の高分子電
解質膜−ガス拡散電極体のガス拡散部は弾性体的な性質
を有し燃料電池を構成するときに加わる圧迫により適度
に変形することで接触抵抗が低減し抵抗過電圧が小さく
なり、多孔性でガス透過性に優れており反応ガスが速や
かに供給されるので濃度過電圧が小さくなる。したがっ
て、高い電流密度でも電圧降下が少なく優れた電流−電
圧特性を有する燃料電池を提供できる。また、ガス拡散
部が弾性体的な性質を有するために、これが高分子電解
質膜に必要以上にくい込みピンホール形成等の問題が発
生することなく信頼性の高い高分子電解質膜−ガス拡散
電極体を提供することができる。
解質膜−ガス拡散電極体のガス拡散部は弾性体的な性質
を有し燃料電池を構成するときに加わる圧迫により適度
に変形することで接触抵抗が低減し抵抗過電圧が小さく
なり、多孔性でガス透過性に優れており反応ガスが速や
かに供給されるので濃度過電圧が小さくなる。したがっ
て、高い電流密度でも電圧降下が少なく優れた電流−電
圧特性を有する燃料電池を提供できる。また、ガス拡散
部が弾性体的な性質を有するために、これが高分子電解
質膜に必要以上にくい込みピンホール形成等の問題が発
生することなく信頼性の高い高分子電解質膜−ガス拡散
電極体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明高分子電解質膜−ガス拡散電極体の断面
の模式図
の模式図
【図２】本発明高分子電解質膜−ガス拡散電極体のガス
拡散部の模式図
拡散部の模式図
【図３】本発明高分子電解質膜−ガス拡散電極体の作製
のフロー図
のフロー図
【図４】本発明燃料電池Ａと比較燃料電池Ｂの電池電圧
−電流密度特性の比較図
−電流密度特性の比較図
１ 高分子電解質膜 ２ 反応部 ３ ガス拡散部 ４ ガス拡散電極 ５ カーボン粒子 ６ ポリテトラフロロエチレン粒子 ７ ポリフッ化ビニリデン被膜
Claims (3)
- 【請求項１】 反応部とガス拡散部とを有するガス拡散
電極を高分子電解質膜の少なくとも一方に備えた高分子
電解質膜−ガス拡散電極体において、ガス拡散部は、炭
素粉末あるいは炭素繊維またはその両者の混合物と、フ
ッ素樹脂と、親水性の有機溶媒に溶解する含フッ素樹脂
とを、含有することを特徴とする高分子電解質膜−ガス
拡散電極体。 - 【請求項２】 親水性の有機溶媒に溶解した含フッ素樹
脂に炭素材とフッ素樹脂を添加しガス拡散部形成用分散
物を調製する工程と、この分散物を基体に塗布した後、
水中に浸責し前記分散物に含有される親水性の有機溶媒
を抽出することにより含フッ素樹脂を固化しガス拡散部
を形成する工程と、触媒と高分子電解質樹脂を有する触
媒分散物を前記ガス拡散部に塗布し、ガス拡散部上に反
応部を形成する工程と、この反応部が高分子電解質膜に
対向するよう、ガス拡散電極を形成した基体と高分子電
解質膜とを圧接し、基体を除去して高分子電解質膜−ガ
ス拡散電極接合体を形成する工程とを、備えてなること
を特徴とする高分子電解質膜−ガス拡散電極体の製造方
法。 - 【請求項３】 基体が剥離性を有するシートであること
を特徴とする請求項２記載の高分子電解質膜−ガス拡散
電極体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20076097A JP3807038B2 (ja) | 1997-07-10 | 1997-07-10 | 高分子電解質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20076097A JP3807038B2 (ja) | 1997-07-10 | 1997-07-10 | 高分子電解質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1131515A true JPH1131515A (ja) | 1999-02-02 |
| JP3807038B2 JP3807038B2 (ja) | 2006-08-09 |
Family
ID=16429723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20076097A Expired - Lifetime JP3807038B2 (ja) | 1997-07-10 | 1997-07-10 | 高分子電解質膜−ガス拡散電極体およびその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3807038B2 (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002050338A1 (fr) * | 2000-12-20 | 2002-06-27 | Sony Corporation | Appareil de production d'hydrogene, dispositif electrochimique, procede de production d'hydrogene et procede de generation d'energie electrochimique |
| KR100442819B1 (ko) * | 2000-10-25 | 2004-08-02 | 삼성전자주식회사 | 비가습 연료에서 작동가능한 연료전지용 전극/전해질 접합체 |
| JP2005293910A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Yamanashi Tlo:Kk | 燃料電池セルおよびその集合体 |
| JP2006019174A (ja) * | 2004-07-02 | 2006-01-19 | Tomoegawa Paper Co Ltd | ガス拡散電極、膜−電極接合体、その製造方法および固体高分子型燃料電池 |
| JP2006092990A (ja) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Dainippon Printing Co Ltd | 触媒層−電解質膜積層体製造用転写シート及びその製造方法 |
| JP2006278037A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2006278038A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2007012424A (ja) * | 2005-06-30 | 2007-01-18 | Tomoegawa Paper Co Ltd | ガス拡散電極、膜−電極接合体とその製造方法、および固体高分子型燃料電池 |
| JP2007048701A (ja) * | 2005-08-12 | 2007-02-22 | 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 |
| 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 |
| WO2008093802A1 (ja) * | 2007-02-02 | 2008-08-07 | Asahi Glass Company, Limited | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法および固体高分子形燃料電池の製造方法 |
| JP2009515296A (ja) * | 2005-11-02 | 2009-04-09 | コミッサリア タ レネルジー アトミーク | Ｃｃｂ電極−膜−電極アセンブリを連続的に製造する方法 |
| JP2010257987A (ja) * | 2010-06-09 | 2010-11-11 | Dainippon Printing Co Ltd | 触媒層−電解質膜積層体製造用転写シート及びその製造方法 |
| JP2012174456A (ja) * | 2011-02-21 | 2012-09-10 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
-
1997
- 1997-07-10 JP JP20076097A patent/JP3807038B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (19)
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| JP2006278037A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池 |
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