JPS59205164A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPS59205164A
JPS59205164A JP58080553A JP8055383A JPS59205164A JP S59205164 A JPS59205164 A JP S59205164A JP 58080553 A JP58080553 A JP 58080553A JP 8055383 A JP8055383 A JP 8055383A JP S59205164 A JPS59205164 A JP S59205164A
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porous
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diffusion electrode
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城上 保
Yukihiro Mikogami
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は新規な多孔質ガス拡散成極とその製造方法、よ
り詳細には、空気−金属′電池ならびに燃料電池等に用
いられ、積層化が容易で力・つ高〜・イ言頼性にて使用
することができるIIA!L9素を構成する端部シール
を備えた多孔質ガス拡散電極とその製造方法に関するも
のである。
発明の技術的背景とその問題点 墾気−金属系電池あるいは水素−空気(酸素)燃料電池
は、その起電機構としてガスをイオン化する電極が必要
である。電導性のないガスを連続して起電反応にあづか
らせるガス拡散電極は、電導性で多孔質の板状の基体を
用い、その基体の片方の面を電解質と接触せしめ、他方
の面から流入せしめたガスが基体中部で起電反応にあづ
かるように構成されている。なお一般に反応ガスを供給
するためにその基体自体に反応ガス供給流路を設けるか
、又はその基体自体には設けないが・・その基体を反応
ガス供給流路を有する他の要素と接するようにして用い
る。
これらの電池系は単電池の出力電圧が高々0,5〜1,
5Vにすぎないので実用に供するには単電池をかなりの
数積層することが必要である。この際一つの基体自体に
設けられているか又は積層使用時基体に接して設けられ
る反応ガス供給流路はその上又は下に設けられる他のガ
ス供給流路とは互にその方向が交叉するように積重ねら
れる。従って一つの反応ガス供給流路を流れる一つの反
応ガス例えば水素ガスとその上又は下方のガス供給流路
を流れる他のガス例えば空気とが互に混合しないように
、それぞれのガス供給流路に平行な基体の基体ノ側面端
部を処理することが必要である。
また同時に多数積重ねて機械的に強く圧縮されても電気
的な絶縁を維持しうるようにその端部な処理することも
必要である。
このようにガス供給流路に平行な基体端部で異なるガス
が混ざらないように、そして電気的絶縁を維持しうるよ
うにその端部を処理するためにはその端部に合成樹脂類
を塗着する方法、テトラフルオルエチレン重合体やテト
ラフルオロエチレン共重合体デイスノξ−ジョン液を含
浸させる方法も試みられたが十分な機能を得るに至って
いない。
発明の目的 かくて本発明はそれ自体反応ガス供給流路を有するか又
は使用時反応ガス供給流路に接して用いられる、導電性
の板状多孔質基体から構成される空気−金属系電池或は
水素−空気(酸素)燃料電池用多孔質ガス拡散電極にお
いて、前記反応ガス供給流路に平行な基体端部で積重時
も確実にガス流を遮断し、電気的絶縁を保持しうる多孔
質ガス拡散電極を提供すること及びかかる電極を製造す
る方法を提供することを目的とするものである。
発明の概要 よって、本発明は反応ガス供給流路を有するか、又は反
応ガス供給流路に接して用いられる、導電性の板状多孔
質基体から構成される多孔質ガス拡散電極において、少
(ともその基体の前記反応ガス供給流路に平行な両端部
に、テトラフルオロエチレン−パーフロロアルキルビニ
ルエーテル共重合体からなるガス不透過性、電気絶縁性
シールを設けたことを特徴とする多孔質ガス拡散電極を
提供するものである。
本発明はまたかかる多孔質ガス拡散電極の製造方法を提
供するものであって、この方法は少くともその基体の反
応ガス供給流路に平行な端部に、テトラフルオロエチレ
ンーノぞ−フロロアルキルビニルエーテル共重合体を施
用し1.これを、予めフッ素油を被覆した金属製の圧着
治具を用いて、熱圧着して、前記共重合体からなるガス
不透過性、電気絶縁性シールを形成することを特徴とす
るものである。
本発明をその一実施例を示す図面を参照しつつ詳細に説
明すれば、第1図において上から順に反応ガス供給流路
付電極1、電解質層2、薄形電極3、反応ガス供給流路
付積層化素子4が示されて5と交叉する方向に設けられ
た反応ガス供給流路を示す。
前記電極1及び3にはともに多孔度が5Q −’70%
の電子電導性の板状の多孔質基体が用いられる。
例えばニッケル焼結体や黒鉛繊維を抄紙し熱処理してえ
られる多孔板等を用いることができる。電解質として濃
リン酸のような濃厚な酸性液を用いる燃料電池等では後
者が適している。
本発明ではかかる電極1及び3の端部にガス不透過性、
電気絶縁性シールを設けるのであり、第1図に示すよう
に反応ガス供給流路付電極1においては反応ガス供給流
路5と平行な両端部7,7、薄型7匝極3においては積
層時これと接する積層化素子4に設けられた反応ガス供
給流路6に平行な両端部8,8に設けるのである。なお
薄型電極3においては例えば前記流路6に交叉する端部
等信の部分に設けることもできるが、少なくとも前記流
路6に平行な両端部8,8には前記シールを設けるもの
とする。
前記シールを形成するためには、前記端部の細孔を目止
めしてここからの反応ガスの通過乃至洩れを防ぎ、且つ
積層時の機械的圧力にも拘わらず電気絶縁性を維持する
とともに、濃厚な酸性電解質を用いての尚温作動にも耐
えるように耐薬品性にNれ熱的にも250℃を超える温
度で安定で、短時間ならば350℃の温度に耐え、そし
てヒートシール性を冶する材料を用いることが必要であ
り、かかる材料として本発明ではテトラフルオロエチレ
ン−パー70口アルキルビニルエーテル共重合体が用い
られる。テトラフルオロエチレンは周知のようにCF2
=CF20分子式を有し、)ξ−フロロアルキルビニル
エーテルはCH2”’ CHORの分子式を有する。こ
こにRは通常炭素数3のアルキル基の水素原子がすべて
フッ素原子で置換されたノソーフロロアルキル基を示す
。この共重合体中のテトラフルオロエチレンの含有量は
約96〜97in!:%ノ範囲である。
この共重合体は粉状、粒状、膜状、エマルジョン状等で
市販されており、本発明ではこれら各形状のもの単独で
又は組合わせて用いられる。たとえば粉状又は粒状の前
記共重合体を前記端部表面に分散させこれに熱と圧力を
加えて前記共重合体を多孔質基体端部内部に圧入したり
、或は膜状の前記共重合体を前記端部に全面的に即ちコ
の字型乃至はUの字型にかぶせ、これに熱と圧力を加え
て多孔質基体端部に密着させてシールを形成することが
できる。
或はまた粉状又は粒状の前記共重合体を前記端部表面に
分散し、その上に膜状の前記共重合体を前述のようにか
ぶせ、ここに熱と圧力を加えてシールを形成することが
でき、又はエマルジョン状の共重合体を端部表面に塗着
しこれに熱と圧力を加えるか又はその上に更に膜状の共
重合体をかぶせて同様に熱と圧力を加えて、シールを形
成することもできる。
このような多孔質ガス拡散電極1及び3の端部シールを
形成する方法について詳細に説明すれば粉状又は粒状の
前記共重合体をフッ素系等の適宜溶媒と混ぜ、室温乃至
40℃で攪拌して塗着用の合剤をつくり、これを前記電
極を構成する多孔質基体の端部表面に塗着して空気乾燥
して粉状又は粒状の前記共重合体を端部表面にくまな(
均一に分散させる。その量は後の熱圧着、風乾倹約0.
1〜Q、31#ll+盛上る程度になるような量とする
。次いでこれを予めフッ素油からなる離型剤を塗布した
金型等の金属製圧着治具のメス型内部に入れ、前記共重
合体を分散させた端部表面上にオス型を当てこれを38
0℃以下の温度、好ましくは340〜350℃の範囲の
温度に加熱しつつ約20〜40 kII/cm2の面圧
で加圧して熱圧着させる。フッ素油としては市販のフッ
素ワックスをそのまま用いてよく、又はこれを更にフッ
素溶媒に混合し撹拌してえられたものを用いることがで
きる。ここにおいてtaなことは金属製圧着治具の表面
の所要部分即ち少くとも前記共重合体の分散乃至被覆部
分と接触する部分に予め離型剤としてフッ素油を塗布し
ておくことであり、また加熱温度を380℃以上にしな
いことも重要である。前記共重合体は金屑に対しても良
好なヒートシール性を有するので@型剤としてフッ素油
を用いることにより離型を良好に行なうことができる。
又粉状又は粒状の前記共重合体は380℃を超えると気
泡の発生が始まるための均一なシールの形成が不可能と
なるからである。実際には上記面圧下に340〜380
℃の温度で15〜加分間加熱し、次いで80〜90℃で
約1時間アニーリングしてから金型をとりはずす。
図面第2図はこの方法を説明するためのものであり、1
0は電極を形成する多孔質基体を示し、その端部表面]
2は粉状又は粒状の共重合体11が分散されている。−
刃金型のメス型12の隅部とオス型j3の圧M面、即ち
前記共重合体分散面と接触する箇所には予めフッ素油か
らなる離型剤14が塗付されている。前記共重合体11
が端部表面に風乾倹約0.1〜Q、 3111℃程度盛
上るような量分散されている多孔質基体10を予めフッ
素油離型剤14が塗布されているメス型j2内に入れ、
次いで同様に離型剤14が塗布されているオス型により
上下A、B方向から熱圧着を行なうことが図示されてい
る。
膜状の前記共重合体を用いる場合もほぼ同様にしてシー
ルを形成することができる。即ち図面第3図に示すよう
に厚さ約0.1−0.2賭の膜状の前記共重合体15を
多孔質基体10の端部表面に断面コの字型乃至Uの字型
にかぶせ、これを予めフッ素油離型剤14が塗付されて
いる金型のメス型12に入れ前述と同様にして上下両方
向から熱圧着させる。
この際も加熱温度は380℃を超えてはならず、実際は
約20〜4Q kg /cx2の面圧で加圧しつつ34
0〜380℃に15〜加分間加熱し、次いで(資)〜(
社)℃の温度で約1時間アニーリングして前記共重合体
を多孔質基体内に圧入して良好なシール部を形成させる
次に第4図について説明すれば、ここではまず前述と同
じようにして粉状又は粒状の共重合体10を多孔質基体
端部表面に分散させ、更に前述の如き厚さの膜状の共重
合体15をその上にかぶせてから、所要箇所に予めフッ
素油14か塗付されている金型のメス凰に入れ、後は前
述と同様な圧力、温度条件で熱圧着さぜる。清粉状又は
粒状の共重合体をまず分散し熱圧着してこれを多孔質基
体内部に圧入して、それから更に膜状共1合体をかぶせ
再度熱圧着を行なうようKしてもよい。
この外エマルジョン状の共重合体を多孔質基体の表面上
に塗布し乾燥し金型内にて熱圧着してこれを多孔質基体
内部に圧入するか、又は前記のように塗布、乾燥した後
に膜状の共重合体をかぶせ熱圧着を行なうようにするこ
ともできる。前記エマルジョン状の共重合体は例えば粉
状又は粒状の共重合体加〜■重量部に水100重量部と
非イオン界面活性剤1〜5重量部を加え強く攪拌するこ
とによってつくることができる。
発明の効果 このように本発明に従って、少くとも多孔質基体の反応
ガス供給流路に平行な両端部に、テトラフルオロエチレ
ンーノぐ−70ロアルキルビニルエーテル共重合体から
なるガス不透過性、′電気絶縁性シールを形成すること
によってえられた多孔質ガス拡散tfj 4Mは端部よ
りの反応ガスのリークを完全に防止しうるばかりでなく
、これら′電極その外の発電要素を積層化する際に、機
械的に強化されていて強い圧力を受けても破損に至るこ
となく且つ良好な電気絶縁性を有していて旧来よく発生
していた端部でのセミショートを完全に防止することが
できる。又発電要素の積層化が容易になり積層組立に・
昼する時間を大幅短縮することができ、積層体の高い信
頼性を維持することができる。尚ポリテトラフルオロエ
チレン懸濁液にて端部処理をなした多孔質基体を用いて
発電要素を形成したところ、本発明に係る成極を用いる
場合に比して歩留りが約274にすぎず、また積層化も
困難であり、かくて本発明は歩留りをも大幅に向上させ
ることができる等の効果を有するのである。
発明の実施例 実施例1 テトラフルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエ
ーテル共重合体(三片フロロケミカル□、商品名テフロ
ンMP−20) 192 、gをフッ素系溶媒(住友ス
リーエムCI菊、商品名フロラードFC721)128
gと混ぜ、室温で加分間攪拌し、塗着用合剤をつくる。
次いでサイズ700 +nm X 700關、厚さ0.
5朋を有するカーゼンペーノξ−からなる、薄形の黒鉛
繊維による板状多孔質基体(県別化学工業□□□ζ)、
商品名E−715)の両端部、幅20順に上記合剤を塗
斯し、放置して風乾し、前記共重合体を前記端部に分散
させた。
一方フッ素ワックス(大阪金属工業孔)、商品名ダイア
0イy+100)を予め、図面に示す如き金型の所要箇
所に塗着しておき、この金型内に上記の如くしてえられ
た多孔質基体を入れ、面圧旬kgf/II爛2の荷重に
て340〜370℃の温度に約15分間加熱し、次いで
(資)〜蜀℃にて約1時間アニーリングした。金型を取
外し放置、風乾すると、前記共重合体は基体内部に圧入
されるとともに約0.1朋程度盛上るように付着してい
た。
このようにして形成されたシール部は端面が均一でここ
よりのガスのリークは全くなく、積層後は機械的にも強
化され、良好な電気絶縁性を有していた。
実施例2 テトラフルオロエチレン−パー70口アルキルビニルエ
ーテル共重合体粉末(三片ンロpケぐカル昨)、商品名
テフロンMP−10) 192 gを、フッ素系溶媒(
大阪金属工業孔)、商品名ダイフロンソルベントS 3
 ) 128 gに混合し、45〜50℃に加温し加分
間攪拌し、塗着用合剤を得た。
次いで黒鉛繊維を抄紙し、焼成してなる多孔性基板とし
てサイズ70011r旭x 700 mmz J9’さ
2關のカーポンベ−・ξ−(県別化学工業■、商品名E
−750)を用い、この端部20龍の幅に上記の合剤を
塗着して風乾して前記共重合体を端面に分散させた。
一方フッ素ワックス(大阪金属工業■)、商品名グイフ
ロイル+100 ) 120 gをフッ素溶媒(三片7
0ロケミカル■、商品名フレオン113 ) 180 
gに混ぜ45〜30℃で加分間攪拌して均一化してえら
れたフッ素油を離型剤として用い、これを金型所要部に
塗付し、ついで前記の多孔質基体を入れ、実施例1の如
くして熱圧着させた。前記共重合体は多孔質基体内部に
圧入されるとともに赤面に風乾後約0.311I11程
度盛上っていた。ガス不透過性、電気絶縁性にすぐれた
シール部が形成され、ガスのリークは全く防止すること
ができた。
実施例3 薄型の黒鉛繊維からなる板状の多孔質基体としてサイズ
70011I X 700 Hrm 、厚さQ 、5 
raiI#I) カー N ンペーノイー(県別化学工
業■、商品名E−715)の端部、幅20關に厚さO、
lamsの膜状のテトラフルオロエチレン−パー70ロ
アルキルビニルエーテル共重合体(三片フロロケミカル
■、商品名テフロンPFA 500LP )をコの字型
乃至Uの字型に被覆する。
次いで表面所要部にフッ素ワックス(大阪金属工業(銅
、グイフロイル≠100)を塗布した金型に上記多孔質
基体を入れ、面圧20kgf/cm2 で圧着し、35
0〜370℃で30分間加熱したのち80〜90℃にて
1時間アニーリングして熱圧着した後金型から取外して
端部シールを完成した。このようにしてえられた端部シ
ールは端面が均一でここからのガスのリークは全くなか
った。
実施例4 テトラフルオロエチレンーノぐ−フルオロアルキルビニ
ルエーテル共重合体粉末(三片フロロケミカルけf)、
商品名HP−20) 192 gをフッ素系溶媒(住友
スリーエム(へ)、商品名フロラードFC721)12
8gと混ぜ室温にて30分間攪拌して塗着用合剤をつく
った。
黒鉛繊維を抄紙してえられた板状多孔質基体として、・
丈イズ700+趨×700闘、厚さ2 ratsのカー
ボンベーノξ−(県別化学工業峠)、商品名E−750
)の端部2ommのところに前記合剤を塗着し、風乾し
た後、この上に更に厚さ0.13n++11の膜状テト
ラフルオロエチレンパー70ロアルキルビニルエーテル
共重合体(三片フロロケミカル昨)、商品名テフロンP
FA 500LP )をコの字乃至Uの字型に被覆した
別途にフッ素ワックス(大阪金属工業叱、)、グイフロ
イル+ 100 ) 120 gをフッ素浴媒(三片フ
ロロケミカル■、フレオン113) 180 gに混ぜ
45〜50℃で開発間攪拌してフッ素油を得、これを予
め金型の所要部分に塗布、被覆し、この金型に、前記の
ように端部に粉末状及び膜状の共重合体を分散乃至被覆
した多孔質基板を入れ、実施例3と同じ条件で熱圧着し
て、端部シールを形成した。
このようにしてえられた端部のシールからはガスのリー
クは全くなく、端面が平らであり、特にこのシールを用
いてえられた電極を含む発′屯要素を積重ねてえられた
電池は高温で長時間運転してもその劣化を検出すること
ができなかった。電気絶縁性についても同様であった。
実施例5 テトラフルオロエチレン−パーフロロアルキルビニル共
重合体(三片フロロケミカル■、商品名テフロンMF)
−20)40重量部に水100重量部及び非イオン界面
活性剤(ロームアントノ・−スジャパン■、商品名Tr
itonx −100) 3重量部を加えて激しく攪拌
して前記共重合体を分散してそのエマルジョンをつくる
次いでサイズ700朋×700市、厚さ0.5mmを有
するカージンペーパーな・らなる薄形の黒鉛繊維による
板状多孔質基体(県別化学工業■、商品名E−715)
の両端部、幅20m111に上記エマルジョンを塗着し
、乾燥した。
その後これを実施例1と同様にしてフッ素油を塗着した
金型内で熱圧着したところ、同様に端面からのガスのリ
ークはな(、良好な電気絶縁性を有するシール部かえら
れた。
実施例6 実施例5と同様にしてテトラフルオロエチレン−パーフ
ロロアルキルビニルエーテル共重合体ノエマ、I+/ジ
ョンなつくりこれを薄形のカーゼンペー、e−に同様に
塗着し乾燥させた。ついでこの上に更に厚さ0.13m
mの膜状のテトラフルオロエチレン−パー70口アルキ
ルビニルエーテル共重合体(三片フロロケミカル■、商
品名PFA 500LP )をコの字乃至Uの字型に被
覆した。
その後実施例1と同様にしてフッ素油を塗着した金型内
で同様な条件下で熱圧着したところ、ガス不透過性、電
気絶縁性にすぐれたシール部が形成された。
尚、これらの実施例に用いられた市販のフッ素油乃至フ
ッ素系溶媒について若干説明すれば、まず大阪金属工業
−の商品名グイフロイルは一般にであり、重合度の大小
によって油状乃至ワックス状を呈する。グイフロイル+
100は平均分子量約1300の重合度を有するワック
スである。住友スリーエム■のフロラ−rはフッ化炭素
系界面活性剤である。三片フロロケミカル■のフレオン
はよく知られているように炭素原子1個乃至4個をもち
それにフッ素が結合したフッ素化合物の総称である。そ
の中本実施例で用いられた7レオン113
【図面の簡単な説明】
図面第1図は本発明に従って端部にシールを形成した多
孔質ガス拡散電極を含む発電素子の一般を示す説明図、
第2図乃至第4図は夫々本発明の方法に従って金型にて
熱圧着する状態を示す説明図であり、第2図は粉状又は
粒状の共重合体、第3図は膜状の共重合体、第4図は粉
状又は粒状の共A【合体と膜状の共重合体を用いて実施
した場合を大々示−−図である。 1・・・ガス流路付電極、2・・・電解質層、3・・・
薄形電極、4・・・ガス流路付積層化素子、5,6・・
・ガス流路、14・・・雌型剤。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、反応ガス供給流路を有するか、又は反応ガス供給流
    路に接して用いられる導電性の板状多孔質基体から構成
    される多孔質ガス拡散電極において、少くともその基体
    の前記反応ガス供給流路に平行な両端部に、テトラフル
    オロエチレン−パー70口アルキルビニルエーテル共重
    合体からなるガス不透過性、電気絶縁性シールを設けた
    ことを特徴とする多孔質ガス拡散電極。 26.カス不透過性、電気絶縁性シールは、粉状又は粒
    状テトラフルオロエチレン−パー70口アルキルビニル
    エーテル共重合体を基体の表面に分散し、熱圧着して形
    成される、特許請求の範囲第1項記載の多孔質ガス拡散
    電極。 3、カス不透過性、電気絶縁性シールは膜状のテトラフ
    ルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共
    重合体で基体表面を被覆し、熱圧着して形成される、特
    許請求の範囲第1項記載の多孔質ガス拡散電極。 4、ガス不透過性、電気絶縁性シールは粉状又は粒状の
    テトラフルオロエチレン−パーフロロアルキルビニルエ
    ーテル共重合体を基体表面上に分散し、更に膜状の前記
    共重合体でこれを被覆し、熱圧着して形成される、特許
    請求の範囲第1項記載の多孔質ガス拡散電極。 5、ガス不透過性、電気絶縁性シールはエマルジョン状
    のナト2フルオロエチレンーパーフロロアルキルビニル
    エーテル共重合体を基体表面に熱溶着し、又は更に膜状
    の前記共重合体でその上を被覆し、熱圧着して形成され
    る、特許請求の範囲第1項記載の多孔質ガス拡散′成極
    。 6、反応ガス供給流路を有するか又は反応ガス供給流路
    に接して用いられる、導電性の板状多孔質基体から構成
    される多孔質ガス拡散電極の製造方法において、少くと
    もその基体の前記反応ガス供給流路に平行な両端部の表
    面に、テトラフルオロエチレン−パー70口アルキルビ
    ニルエーテル共重合体を施用し、これを予めフッ素油を
    被覆した金属製の圧着治具を用いて熱圧着して、前記共
    重合体からなるガス不透過性、電気絶縁性シールを形成
    することを特徴とする、多孔質ガス拡散電極の製造方法
    。 7.340〜380℃の範囲の温度で熱圧着することを
    特徴とする特許請求の範囲第6項記載の多孔質ガス拡散
    電極の製造方法。 8、粉状又は粒状のテトラフルオロエチレン−ノーフロ
    ロアルキルビニルエーテル共重合体全基体の表面に分散
    し、これを熱圧着することを特徴とする特許請求の範囲
    第6項記載の多孔質ガス拡散電極の製造方法。 9、膜状のテトラフルオロエチレン−パー70口アルキ
    ルビニルエーテル共重合体を基体の表面に被嫁し、これ
    を熱圧着することを特徴とする特許請求の範囲第6項記
    載の多孔質ガス拡散電極の製造方法。 10、粉状又は粒状のテトラフルオロエチレン−・ξ−
    フロロ7A/キルビニルエーテル共重合体ヲ基体の表面
    に分散させ、この上に膜状の前記共重合体を被覆し、こ
    れを熱圧着することを特徴とする特許請求の範囲第6項
    記載の多孔質ガス拡散電極の製造方法。 11、エマルジョン状のテトラフルオロエチレン−パー
    フロロアルキルビニルエーテル共重合体ヲ基体の表面に
    塗着させこれを熱圧着し、又番ま更にその上に膜状の前
    記共重合体を被覆しこれを熱圧着することを特徴とする
    特許請求の範囲第6項記載の多孔質ガス拡散電極の製造
    方法。
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