JPH10261421A - 高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体 - Google Patents
高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体Info
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- JPH10261421A JPH10261421A JP9063020A JP6302097A JPH10261421A JP H10261421 A JPH10261421 A JP H10261421A JP 9063020 A JP9063020 A JP 9063020A JP 6302097 A JP6302097 A JP 6302097A JP H10261421 A JPH10261421 A JP H10261421A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01M2300/0082—Organic polymers
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract
(57)【要約】
【解決手段】 触媒層を一体に形成した高分子固体電解
質を用いた燃料電池用のガス拡散層材料であって、カー
ボン繊維織布の表面にフッ素樹脂とカーボンブラックと
からなる層を、カーボン繊維織布の厚さの二分の一以上
浸入していないように形成する。 【効果】 面方向へのガス拡散性が良好であり、且つ、
機械的にもしなやかで耐圧縮性もあり、従って電気的な
接触も確保しやすい、高分子固体電解質燃料電池用拡散
層材料が提供される。
質を用いた燃料電池用のガス拡散層材料であって、カー
ボン繊維織布の表面にフッ素樹脂とカーボンブラックと
からなる層を、カーボン繊維織布の厚さの二分の一以上
浸入していないように形成する。 【効果】 面方向へのガス拡散性が良好であり、且つ、
機械的にもしなやかで耐圧縮性もあり、従って電気的な
接触も確保しやすい、高分子固体電解質燃料電池用拡散
層材料が提供される。
Description
【０００１】本発明は、高分子固体電解質膜表面に触媒
層を形成したタイプの膜電極接合体を使用した高分子固
体電解質燃料電池に使用するためのガス拡散層材料に関
する。
層を形成したタイプの膜電極接合体を使用した高分子固
体電解質燃料電池に使用するためのガス拡散層材料に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、高分子固体電解質を用いた電気化
学装置用電極として、下記の方法で作成した電極が提案
されている。 ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等により撥
水化処理されたカーボンペーパー等の表面またはその空
隙内部に、ＰＴＦＥ等の撥水性バインダーとカーボンブ
ラックの混合物からなる層を形成し、さらにその表面に
触媒層を形成した後、これをホットプレス等により高分
子固体電解質膜と接合する。
学装置用電極として、下記の方法で作成した電極が提案
されている。 ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等により撥
水化処理されたカーボンペーパー等の表面またはその空
隙内部に、ＰＴＦＥ等の撥水性バインダーとカーボンブ
ラックの混合物からなる層を形成し、さらにその表面に
触媒層を形成した後、これをホットプレス等により高分
子固体電解質膜と接合する。
【０００３】ＰＴＦＥディスパージョンと触媒物質と
を混合した、あるいは高分子固体電解質樹脂溶液または
その前駆物質樹脂溶液と触媒物質とを混合した、ペース
ト状あるいはインク状液を高分子固体電解質膜に直接塗
布、乾燥、加熱して形成するか、さらにホットプレスし
て成形する。 ＰＴＦＥシート等の離型シート材上に、ＰＴＦＥディ
スパージョンと触媒物質とを混合した、あるいは高分子
固体電解質樹脂溶液またはその前駆物質樹脂溶液と触媒
物質とを混合した、ペースト状あるいはインク状液を塗
布、乾燥、加熱して形成した触媒層を高分子固体電解質
膜にホットプレス等により接合した後、離型シート材を
剥がして成形する。
を混合した、あるいは高分子固体電解質樹脂溶液または
その前駆物質樹脂溶液と触媒物質とを混合した、ペース
ト状あるいはインク状液を高分子固体電解質膜に直接塗
布、乾燥、加熱して形成するか、さらにホットプレスし
て成形する。 ＰＴＦＥシート等の離型シート材上に、ＰＴＦＥディ
スパージョンと触媒物質とを混合した、あるいは高分子
固体電解質樹脂溶液またはその前駆物質樹脂溶液と触媒
物質とを混合した、ペースト状あるいはインク状液を塗
布、乾燥、加熱して形成した触媒層を高分子固体電解質
膜にホットプレス等により接合した後、離型シート材を
剥がして成形する。
【０００４】本発明は、このうち，の方法あるいは
これに類する方法により成型された高分子固体電解質膜
電極接合体に使用するためのガス拡散層兼集電体に関す
るものである。従来、このようなガス拡散層兼集電体用
の材料として、カーボンペーパー、撥水処理されたカー
ボンペーパー、あるいはさらにその表面にフッ素樹脂を
バインダー兼撥水化材として混合したカーボンブラック
からなる層を形成したもの、あるいはカーボンペーパー
のポア内部にそれを充填したものが知られている。
これに類する方法により成型された高分子固体電解質膜
電極接合体に使用するためのガス拡散層兼集電体に関す
るものである。従来、このようなガス拡散層兼集電体用
の材料として、カーボンペーパー、撥水処理されたカー
ボンペーパー、あるいはさらにその表面にフッ素樹脂を
バインダー兼撥水化材として混合したカーボンブラック
からなる層を形成したもの、あるいはカーボンペーパー
のポア内部にそれを充填したものが知られている。
【０００５】一方、このカーボンペーパーに変わるもの
としてカーボン繊維織布を使用することも提唱されてい
る（例えば米国特許第４，６４７，３５９号、特開昭５
８−１６５２５４号公報）。
としてカーボン繊維織布を使用することも提唱されてい
る（例えば米国特許第４，６４７，３５９号、特開昭５
８−１６５２５４号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような公知のガス拡散層兼集電体において、カーボンペ
ーパーは、カーボン繊維同士をカーボンでつなぎ合わせ
た構造をしているため、面方向の導電性は高いが、厚み
方向の導電性は面方向に比べて低いものであった。また
機械的には剛性が高い反面、比較的脆く、また弾性に乏
しく、電気的なコンタクトを確実にすべくある程度以上
の圧力が加わると、容易に構造が破壊され、導電性及び
通気性が低下してしまう欠点があった。さらに、カーボ
ンペーパーはその構造上、厚み方向への通気性は良好で
あるが、面方向への通気性はあまり良くないので、面方
向へのガス拡散はあまり期待できなかった。そのため、
燃料電池セパレータのガス流路を形成するリブの突起部
でガス拡散が阻害され、結果として電池性能の低下を引
き起こしていた。
ような公知のガス拡散層兼集電体において、カーボンペ
ーパーは、カーボン繊維同士をカーボンでつなぎ合わせ
た構造をしているため、面方向の導電性は高いが、厚み
方向の導電性は面方向に比べて低いものであった。また
機械的には剛性が高い反面、比較的脆く、また弾性に乏
しく、電気的なコンタクトを確実にすべくある程度以上
の圧力が加わると、容易に構造が破壊され、導電性及び
通気性が低下してしまう欠点があった。さらに、カーボ
ンペーパーはその構造上、厚み方向への通気性は良好で
あるが、面方向への通気性はあまり良くないので、面方
向へのガス拡散はあまり期待できなかった。そのため、
燃料電池セパレータのガス流路を形成するリブの突起部
でガス拡散が阻害され、結果として電池性能の低下を引
き起こしていた。
【０００７】また、カーボン繊維織布では、上記のよう
な機械的な脆さはなく、しなやかであり、また繊維構成
や折り方によっては厚み方向への弾性も持たすことが可
能である。しかし、カーボン繊維織布は、繊維同士が固
定されておらず、そのため電気的な接触すなわち抵抗が
不安定であり、またしなやかすぎるため電解質あるいは
触媒電極との接触形状の保持に不安があった。そこで、
従来カーボン繊維織布を使用する場合、米国特許第４，
６４７，３５９号、特開昭５８−１６５２５４号公報に
記載のように、フッ素樹脂とカーボンブラックとから成
る混合物をカーボン繊維織布の空隙部に完全に充填して
使用することが提案されている。この方法によれば、確
かにある程度の剛性と安定した導電性が得られるが、空
隙部をガス透過性の悪いフッ素樹脂とカーボンブラック
で充填してしまうため、特に面方向のガス拡散が悪くな
り、カーボン繊維織布を使用する利点を損なってしまっ
ていた。
な機械的な脆さはなく、しなやかであり、また繊維構成
や折り方によっては厚み方向への弾性も持たすことが可
能である。しかし、カーボン繊維織布は、繊維同士が固
定されておらず、そのため電気的な接触すなわち抵抗が
不安定であり、またしなやかすぎるため電解質あるいは
触媒電極との接触形状の保持に不安があった。そこで、
従来カーボン繊維織布を使用する場合、米国特許第４，
６４７，３５９号、特開昭５８−１６５２５４号公報に
記載のように、フッ素樹脂とカーボンブラックとから成
る混合物をカーボン繊維織布の空隙部に完全に充填して
使用することが提案されている。この方法によれば、確
かにある程度の剛性と安定した導電性が得られるが、空
隙部をガス透過性の悪いフッ素樹脂とカーボンブラック
で充填してしまうため、特に面方向のガス拡散が悪くな
り、カーボン繊維織布を使用する利点を損なってしまっ
ていた。
【０００８】これらガス拡散層兼集電体材料は、電解液
を使用した燃料電池、具体的には主として燐酸型の燃料
電池を対象として検討されてきたものであり、そのため
ガス拡散層のみならず電極としての機能を持つ必要があ
り、構造中に触媒を有するものとして提案されている。
従って、電解液を使用しない、高分子固体電解質型燃料
電池用としては検討されておらず、必ずしもガス拡散層
兼集電体材料として最適な構造とはなっていなかった。
を使用した燃料電池、具体的には主として燐酸型の燃料
電池を対象として検討されてきたものであり、そのため
ガス拡散層のみならず電極としての機能を持つ必要があ
り、構造中に触媒を有するものとして提案されている。
従って、電解液を使用しない、高分子固体電解質型燃料
電池用としては検討されておらず、必ずしもガス拡散層
兼集電体材料として最適な構造とはなっていなかった。
【０００９】これに対して、本発明者は、前記したよう
に従来の電解液を使用したタイプではなく、高分子固体
電解質を使用したタイプの、しかも触媒層をあらかじめ
固体電解質膜に接合形成してあるタイプ、すなわち前記
，の膜電極接合体を使用したタイプの燃料電池にお
いて最適に使用し得、かつ量産性に優れたガス拡散層兼
集電体について検討を進めた結果、本発明を完成するに
至った。
に従来の電解液を使用したタイプではなく、高分子固体
電解質を使用したタイプの、しかも触媒層をあらかじめ
固体電解質膜に接合形成してあるタイプ、すなわち前記
，の膜電極接合体を使用したタイプの燃料電池にお
いて最適に使用し得、かつ量産性に優れたガス拡散層兼
集電体について検討を進めた結果、本発明を完成するに
至った。
【００１０】
【課題を解決するための手段】高分子固体電解質燃料電
池では電解質が固体であるため、また前記，のタイ
プの膜電極接合体を使用したタイプでは、触媒層と電解
質膜とのイオン伝導性はすでに確保されているため、単
に電気的な接触が十分に確保されていれば、電極にはさ
ほど剛性は必要とされず、ガス拡散層としてはむしろリ
ブ突起部を含めて全面にわたる良好なガス拡散性とイオ
ン伝導性を確保するための加湿水及び生成水の排水性の
方が重要となってくる。このような観点から、本来面方
向へのガス拡散性が良好であり、機械的にもしなやかで
かつ耐圧縮性もあり、従って電気的な接触も確保しやす
いカーボン繊維織布を中心に検討を重ね、本発明を完成
するに至った。すなわち、本発明によれば下記が提供さ
れる。
池では電解質が固体であるため、また前記，のタイ
プの膜電極接合体を使用したタイプでは、触媒層と電解
質膜とのイオン伝導性はすでに確保されているため、単
に電気的な接触が十分に確保されていれば、電極にはさ
ほど剛性は必要とされず、ガス拡散層としてはむしろリ
ブ突起部を含めて全面にわたる良好なガス拡散性とイオ
ン伝導性を確保するための加湿水及び生成水の排水性の
方が重要となってくる。このような観点から、本来面方
向へのガス拡散性が良好であり、機械的にもしなやかで
かつ耐圧縮性もあり、従って電気的な接触も確保しやす
いカーボン繊維織布を中心に検討を重ね、本発明を完成
するに至った。すなわち、本発明によれば下記が提供さ
れる。
【００１１】（１）触媒層を一体に形成した高分子固体
電解質を用いた燃料電池用のガス拡散層材料であって、
カーボン繊維織布の表面にフッ素樹脂とカーボンブラッ
クとからなる層が形成されていることを特徴とする高分
子固体電解質燃料電池用拡散層材料。 （２）フッ素樹脂とカーボンブラックとからなる層が、
カーボン繊維織布の厚さの二分の一以上浸入していない
上記（１）記載のガス拡散層用材料。
電解質を用いた燃料電池用のガス拡散層材料であって、
カーボン繊維織布の表面にフッ素樹脂とカーボンブラッ
クとからなる層が形成されていることを特徴とする高分
子固体電解質燃料電池用拡散層材料。 （２）フッ素樹脂とカーボンブラックとからなる層が、
カーボン繊維織布の厚さの二分の一以上浸入していない
上記（１）記載のガス拡散層用材料。
【００１２】（３）カーボン繊維織布が、フッ素樹脂ま
たはフッ素樹脂とカーボンブラックの混合物により撥水
処理されている上記（１）記載のガス拡散層用材料。 （４）高分子固体電解質と、高分子固体電解質に一体に
形成した触媒層と、該触媒層に接して形成した上記
（１）記載の拡散層材料を含むことを特徴とする高分子
固体電解質燃料電池用接合体。
たはフッ素樹脂とカーボンブラックの混合物により撥水
処理されている上記（１）記載のガス拡散層用材料。 （４）高分子固体電解質と、高分子固体電解質に一体に
形成した触媒層と、該触媒層に接して形成した上記
（１）記載の拡散層材料を含むことを特徴とする高分子
固体電解質燃料電池用接合体。
【００１３】ここでカーボン繊維織布とは、カーボン繊
維糸を製織して布状とした物である。カーボン繊維糸と
しては長繊維、あるいはこれを束ねて糸状にしたもの等
が使用し得るが、最適にはこれによりをかけた、いわゆ
るスパンヤーンが用いられる。また必ずしもカーボン繊
維を製織したものでなく、カーボン化し得る前駆体繊維
でも良く、これを布状に製織した後カーボン化したもの
でも良い。このようなカーボン繊維織布としては、例え
ば米国テキストロンスペシャリティマテリアル社の「Ａ
ＶＣＡＲＢ」（商標）があるが、これに限定されない。
また布の織り方、編み方、糸の構成等も、特に限定され
ない。布の厚みとしては、前記ガス拡散性、導電性等を
考慮して０．１mmから１mmが好ましい。
維糸を製織して布状とした物である。カーボン繊維糸と
しては長繊維、あるいはこれを束ねて糸状にしたもの等
が使用し得るが、最適にはこれによりをかけた、いわゆ
るスパンヤーンが用いられる。また必ずしもカーボン繊
維を製織したものでなく、カーボン化し得る前駆体繊維
でも良く、これを布状に製織した後カーボン化したもの
でも良い。このようなカーボン繊維織布としては、例え
ば米国テキストロンスペシャリティマテリアル社の「Ａ
ＶＣＡＲＢ」（商標）があるが、これに限定されない。
また布の織り方、編み方、糸の構成等も、特に限定され
ない。布の厚みとしては、前記ガス拡散性、導電性等を
考慮して０．１mmから１mmが好ましい。
【００１４】また、カーボン繊維織布の表面に形成され
るフッ素樹脂とカーボンブラックからなる層は、燃料電
池運転時の加湿水や生成水による触媒層のフラッディン
グを防止し、また反応ガスの供給、除去を速やかに行
い、発生した電気を集電体でもあるカーボン繊維織布に
効率よく伝え、さらにカーボン繊維織布のカーボン繊維
が触媒層や高分子固体電解質膜に突き刺さったりして破
壊してしまうのを防止する緩衝層の役も果たすものであ
るため、ある程度表面がなめらかで、撥水性、導電性の
多孔質層である必要がある。
るフッ素樹脂とカーボンブラックからなる層は、燃料電
池運転時の加湿水や生成水による触媒層のフラッディン
グを防止し、また反応ガスの供給、除去を速やかに行
い、発生した電気を集電体でもあるカーボン繊維織布に
効率よく伝え、さらにカーボン繊維織布のカーボン繊維
が触媒層や高分子固体電解質膜に突き刺さったりして破
壊してしまうのを防止する緩衝層の役も果たすものであ
るため、ある程度表面がなめらかで、撥水性、導電性の
多孔質層である必要がある。
【００１５】また、本発明で重要なことは、この層がカ
ーボン繊維織布の膜厚の二分の一以上好ましくは三分の
一以上浸入しないことである。それ以上浸入した場合、
カーボン繊維織布の面方向のガス通路である空隙を塞ぐ
ことになり、それに比例してガス拡散能が阻害される。
もちろんこの層自体の厚みが厚くなりすぎるとガス拡散
能の低下も起こる。この層の厚さとしてはガス拡散性及
び導電性の観点からは薄いほど好ましいが、触媒層との
電気的な接触の確保、緩衝層としての機能の確保の点か
ら、５μｍから１００μｍが適当であり、さらに好まし
くは１０μｍから４０μｍが適当な厚みである。
ーボン繊維織布の膜厚の二分の一以上好ましくは三分の
一以上浸入しないことである。それ以上浸入した場合、
カーボン繊維織布の面方向のガス通路である空隙を塞ぐ
ことになり、それに比例してガス拡散能が阻害される。
もちろんこの層自体の厚みが厚くなりすぎるとガス拡散
能の低下も起こる。この層の厚さとしてはガス拡散性及
び導電性の観点からは薄いほど好ましいが、触媒層との
電気的な接触の確保、緩衝層としての機能の確保の点か
ら、５μｍから１００μｍが適当であり、さらに好まし
くは１０μｍから４０μｍが適当な厚みである。
【００１６】このような層の形成方法としては、撥水性
バインダーであるフッ素樹脂とカーボンブラックとの混
合物を水を分散媒としてペースト状とした後、これをフ
ッ素樹脂等の離型フィルム上に塗布し、さらにその表面
に前記カーボン繊維織布を配置し、加熱することにより
一体に成形した後離型フィルムを剥がして成形しても良
く、また、撥水化処理して上記ペーストが織布内部に浸
透しないようにしたカーボン繊維織布に直接塗布乾燥し
た後、熱処理することによりその表面に形成しても良
い。この場合撥水化処理では、フッ素樹脂等の撥水性樹
脂や一般の撥水処理剤、あるいはこれらに導電材として
カーボンブラック等を混合したもの等が使用し得るが、
カーボン繊維間の間隙を閉塞することのない程度の付着
量に抑える必要がある。なお、この処理により織布の繊
維間の接点がある程度固定できるため、織布の剛性を高
めることもできる。また、フッ素樹脂とカーボンブラッ
クとからシート状物を成形し、これをカーボン繊維織布
に接合しても良い。
バインダーであるフッ素樹脂とカーボンブラックとの混
合物を水を分散媒としてペースト状とした後、これをフ
ッ素樹脂等の離型フィルム上に塗布し、さらにその表面
に前記カーボン繊維織布を配置し、加熱することにより
一体に成形した後離型フィルムを剥がして成形しても良
く、また、撥水化処理して上記ペーストが織布内部に浸
透しないようにしたカーボン繊維織布に直接塗布乾燥し
た後、熱処理することによりその表面に形成しても良
い。この場合撥水化処理では、フッ素樹脂等の撥水性樹
脂や一般の撥水処理剤、あるいはこれらに導電材として
カーボンブラック等を混合したもの等が使用し得るが、
カーボン繊維間の間隙を閉塞することのない程度の付着
量に抑える必要がある。なお、この処理により織布の繊
維間の接点がある程度固定できるため、織布の剛性を高
めることもできる。また、フッ素樹脂とカーボンブラッ
クとからシート状物を成形し、これをカーボン繊維織布
に接合しても良い。
【００１７】いずれ方法においても、フッ素樹脂とカー
ボンブラックとからなる層を構成するフッ素樹脂とカー
ボンブラックの混合比率（重量比）としては、１０対９
０から６０対４０の間で設定するが、好ましくは２０対
８０から５０対５０の間で設定する。フッ素樹脂がこれ
以下の量では、十分な撥水性が得られず、生成水等によ
り空隙が閉塞され、ガス拡散が阻害されてしまう。また
カーボンブラックがこれ以下の量では、十分な導電性が
得られないと同時に空隙率が低下し、ガス拡散性にも支
障をきたすようになる。
ボンブラックとからなる層を構成するフッ素樹脂とカー
ボンブラックの混合比率（重量比）としては、１０対９
０から６０対４０の間で設定するが、好ましくは２０対
８０から５０対５０の間で設定する。フッ素樹脂がこれ
以下の量では、十分な撥水性が得られず、生成水等によ
り空隙が閉塞され、ガス拡散が阻害されてしまう。また
カーボンブラックがこれ以下の量では、十分な導電性が
得られないと同時に空隙率が低下し、ガス拡散性にも支
障をきたすようになる。
【００１８】ここでフッ素樹脂とは、ＰＴＦＥ，ＰＦ
Ａ，ＦＥＰ，ＥＴＦＥ等のその構造中にフッ素を含む撥
水性を有する樹脂を指称する。またカーボンブラックと
しては、カーボンからなる導電性を有する材料であれ
ば、黒鉛を含めていかなる材料をも使用し得る。またカ
ーボンブラックとしてはカーボン短繊維でもよく、また
これらの混合物であっても良い。
Ａ，ＦＥＰ，ＥＴＦＥ等のその構造中にフッ素を含む撥
水性を有する樹脂を指称する。またカーボンブラックと
しては、カーボンからなる導電性を有する材料であれ
ば、黒鉛を含めていかなる材料をも使用し得る。またカ
ーボンブラックとしてはカーボン短繊維でもよく、また
これらの混合物であっても良い。
【００１９】本発明のガス拡散層材料は、触媒層を一体
に形成した高分子固体電解質を用いた燃料電池に使用さ
れるが、その触媒層を一体に形成した高分子固体電解質
としては、典型的には、前記の如く、ＰＴＦＥディスパ
ージョンと触媒物質とを混合した、あるいは高分子固体
電解質樹脂溶液またはその前駆物質樹脂溶液と触媒物質
とを混合した、ペースト状あるいはインク状液を高分子
固体電解質膜に直接塗布、乾燥、加熱して形成するか、
さらにホットプレスして成形する（）、ＰＴＦＥシー
ト等の離型シート材上に、ＰＴＦＥディスパージョンと
触媒物質とを混合した、あるいは高分子固体電解質樹脂
溶液またはその前駆物質樹脂溶液と触媒物質とを混合し
た、ペースト状あるいはインク状液を塗布、乾燥、加熱
して形成した触媒層を高分子固体電解質膜にホットプレ
ス等により接合した後、離型シート材を剥がして成形す
る（）、あるいはこれに類する方法により成型された
高分子固体電解質膜電極接合体であり、特に限定はされ
ない。
に形成した高分子固体電解質を用いた燃料電池に使用さ
れるが、その触媒層を一体に形成した高分子固体電解質
としては、典型的には、前記の如く、ＰＴＦＥディスパ
ージョンと触媒物質とを混合した、あるいは高分子固体
電解質樹脂溶液またはその前駆物質樹脂溶液と触媒物質
とを混合した、ペースト状あるいはインク状液を高分子
固体電解質膜に直接塗布、乾燥、加熱して形成するか、
さらにホットプレスして成形する（）、ＰＴＦＥシー
ト等の離型シート材上に、ＰＴＦＥディスパージョンと
触媒物質とを混合した、あるいは高分子固体電解質樹脂
溶液またはその前駆物質樹脂溶液と触媒物質とを混合し
た、ペースト状あるいはインク状液を塗布、乾燥、加熱
して形成した触媒層を高分子固体電解質膜にホットプレ
ス等により接合した後、離型シート材を剥がして成形す
る（）、あるいはこれに類する方法により成型された
高分子固体電解質膜電極接合体であり、特に限定はされ
ない。
【００２０】好適な一例は、特開平８─１６２１３２号
公報に記載されている。即ち、電極の表面に、延伸多孔
質ポリテトラフルオロエチレンとその多孔質空孔部に含
有された高分子電解質樹脂とからなる高分子固体電解質
を一体に形成したことを特徴とする高分子固体電解質・
電極接合体、あるいはこの高分子固体電解質の両面に電
極を一体に形成した電極／高分子固体電解質／電極接合
体である。
公報に記載されている。即ち、電極の表面に、延伸多孔
質ポリテトラフルオロエチレンとその多孔質空孔部に含
有された高分子電解質樹脂とからなる高分子固体電解質
を一体に形成したことを特徴とする高分子固体電解質・
電極接合体、あるいはこの高分子固体電解質の両面に電
極を一体に形成した電極／高分子固体電解質／電極接合
体である。
【００２１】以下実施例により本発明について説明す
る。
る。
【００２２】
【実施例】以下のすべての実施例において、膜電極（触
媒層）接合体としては、固体電解質膜としてジャパンゴ
アテックス社製「ゴアセレクト」（２０μｍ厚）、触媒
層（電極）としてジャパンゴアテックス社製「ＰＲＩＭ
ＥＡ５５１０」（Ｐｔ：０．３mg／cm2 ）を使用し、
「ゴアセレクト」膜を挟んで「ＰＲＩＭＥＡ５５１０」
を配置しホットプレスすることにより、「ゴアセレク
ト」の両面に「ＰＲＩＭＥＡ５５１０」を接合し、それ
ぞれアノード、カソードとしたものを使用した。
媒層）接合体としては、固体電解質膜としてジャパンゴ
アテックス社製「ゴアセレクト」（２０μｍ厚）、触媒
層（電極）としてジャパンゴアテックス社製「ＰＲＩＭ
ＥＡ５５１０」（Ｐｔ：０．３mg／cm2 ）を使用し、
「ゴアセレクト」膜を挟んで「ＰＲＩＭＥＡ５５１０」
を配置しホットプレスすることにより、「ゴアセレク
ト」の両面に「ＰＲＩＭＥＡ５５１０」を接合し、それ
ぞれアノード、カソードとしたものを使用した。
【００２３】実施例１ カーボン繊維織布として、直径７．５ミクロンのフィラ
メントを４５本束ねた糸を用いて平織りに製織した、厚
さ約４０ミクロンのもの（ＡｖＣａｒｂ：商標）を用い
た。これを撥水処理する液として、ノニオン型活性剤を
加えた水１リットルに対しカーボンブラックを５０グラ
ム、ＰＴＦＥディスパージョンを樹脂分で２５グラム加
えよく混合した分散液を用意し、この液に前記カーボン
繊維織布を浸漬した。過剰分を絞り落とし、風乾した
後、３７０℃、３０分間加熱してＰＴＦＥを溶融させる
ことにより、カーボンブラック及びカーボン繊維同士を
固着させると同時に、活性剤を分解除去して、撥水性の
カーボン繊維織布を得た。
メントを４５本束ねた糸を用いて平織りに製織した、厚
さ約４０ミクロンのもの（ＡｖＣａｒｂ：商標）を用い
た。これを撥水処理する液として、ノニオン型活性剤を
加えた水１リットルに対しカーボンブラックを５０グラ
ム、ＰＴＦＥディスパージョンを樹脂分で２５グラム加
えよく混合した分散液を用意し、この液に前記カーボン
繊維織布を浸漬した。過剰分を絞り落とし、風乾した
後、３７０℃、３０分間加熱してＰＴＦＥを溶融させる
ことにより、カーボンブラック及びカーボン繊維同士を
固着させると同時に、活性剤を分解除去して、撥水性の
カーボン繊維織布を得た。
【００２４】次に、やはりノニオン型の活性剤を含む水
１００グラムに対しカーボンブラック１５グラム、ＰＴ
ＦＥディスパージョンを樹脂分で７グラム加え、よく分
散させた分散液を得た。この液を先に用意した撥水性カ
ーボン織布繊維にたらし、織布内部にしみ込まないこと
を確認した後、撥水性カーボン繊維織布の表面に刷毛に
て薄く塗り広げた。１５０℃の熱風に当てて水分を除去
し、さらに３７０℃、４０分間加熱処理することによ
り、カーボン繊維織布の表面にＰＴＦＥとカーボンブラ
ックとから成る撥水導電性多孔質層を形成して、本発明
の実施例のガス拡散層材料を得た。
１００グラムに対しカーボンブラック１５グラム、ＰＴ
ＦＥディスパージョンを樹脂分で７グラム加え、よく分
散させた分散液を得た。この液を先に用意した撥水性カ
ーボン織布繊維にたらし、織布内部にしみ込まないこと
を確認した後、撥水性カーボン繊維織布の表面に刷毛に
て薄く塗り広げた。１５０℃の熱風に当てて水分を除去
し、さらに３７０℃、４０分間加熱処理することによ
り、カーボン繊維織布の表面にＰＴＦＥとカーボンブラ
ックとから成る撥水導電性多孔質層を形成して、本発明
の実施例のガス拡散層材料を得た。
【００２５】こうして得られた、本発明の実施例のガス
拡散層の断面顕微鏡写真（１００倍）から、ＰＴＦＥと
カーボンブラックから成る層１が縦糸２ａと横糸２ｂと
からなるカーボン繊維織布２に僅かに浸入しているが、
カーボン繊維織布の１／３以上は浸入していないことが
確認された。図１にこの断面顕微鏡写真にもとづく模式
図を示す。カーボン繊維織布の撥水処理などの条件を選
択することにより、ＰＴＦＥとカーボンブラックから成
る層をカーボン繊維織布への浸入の程度を調整できる。
拡散層の断面顕微鏡写真（１００倍）から、ＰＴＦＥと
カーボンブラックから成る層１が縦糸２ａと横糸２ｂと
からなるカーボン繊維織布２に僅かに浸入しているが、
カーボン繊維織布の１／３以上は浸入していないことが
確認された。図１にこの断面顕微鏡写真にもとづく模式
図を示す。カーボン繊維織布の撥水処理などの条件を選
択することにより、ＰＴＦＥとカーボンブラックから成
る層をカーボン繊維織布への浸入の程度を調整できる。
【００２６】つぎに、「ゴアセレクト」の両面に「ＰＲ
ＩＭＥＡ５５１０」を接合した前記接合体（ガス拡散層
兼導電体）を使用して、本発明のガス拡散層を組み込ん
だ単セルの高分子固体電解質燃料電池を図２のように組
み、下記性能試験を行った結果を図３のに示す。図２
において、触媒層１１ａ，１１ｂを一体化した膜／電極
接合体１１の両面に上記ガス拡散層兼導電体１４を配置
し、セパレータ１２で挟持して、単セルの高分子固体電
解質燃料電池を組み立てた。ガス拡散層兼導電体１４は
その撥水導電層１４ｂを内側、カーボン繊維布４ａを外
側に配置した。セパレータ１２にはガス通路が形成され
ている。１３はガスケットである。
ＩＭＥＡ５５１０」を接合した前記接合体（ガス拡散層
兼導電体）を使用して、本発明のガス拡散層を組み込ん
だ単セルの高分子固体電解質燃料電池を図２のように組
み、下記性能試験を行った結果を図３のに示す。図２
において、触媒層１１ａ，１１ｂを一体化した膜／電極
接合体１１の両面に上記ガス拡散層兼導電体１４を配置
し、セパレータ１２で挟持して、単セルの高分子固体電
解質燃料電池を組み立てた。ガス拡散層兼導電体１４は
その撥水導電層１４ｂを内側、カーボン繊維布４ａを外
側に配置した。セパレータ１２にはガス通路が形成され
ている。１３はガスケットである。
【００２７】このセルを用いて、水素及び空気をガスと
し、セル温度７０℃、アノード・カソードガス加湿温度
７０℃、大気圧のガス圧力で運転して、性能試験を行っ
た。 比較例１ 実施例１と同様であるが、ガス拡散層として、撥水処理
した厚さ１８０ミクロンのカーボンペーパーを使用した
ときの単セルの評価結果を図３中にとして示した。
し、セル温度７０℃、アノード・カソードガス加湿温度
７０℃、大気圧のガス圧力で運転して、性能試験を行っ
た。 比較例１ 実施例１と同様であるが、ガス拡散層として、撥水処理
した厚さ１８０ミクロンのカーボンペーパーを使用した
ときの単セルの評価結果を図３中にとして示した。
【００２８】比較例２ 実施例１と同様であるが、ガス拡散層として、実施例１
で使用した撥水処理済みカーボン繊維織布を、その表面
にフッ素樹脂とカーボンブラックとからなる層を形成せ
ずに使用し、単セルを評価した結果を図３中にとして
示した。 比較例３ 実施例１において、カーボン繊維織布の代わりにカーボ
ンペーパーを使用した他は同様にして作製したガス拡散
層を使用したときの単セル評価結果を図３中にとして
示す。
で使用した撥水処理済みカーボン繊維織布を、その表面
にフッ素樹脂とカーボンブラックとからなる層を形成せ
ずに使用し、単セルを評価した結果を図３中にとして
示した。 比較例３ 実施例１において、カーボン繊維織布の代わりにカーボ
ンペーパーを使用した他は同様にして作製したガス拡散
層を使用したときの単セル評価結果を図３中にとして
示す。
【００２９】比較例４ 実施例１において、市販の、カーボン繊維織布の厚み方
向全体に撥水導電性材料を充填した構造を持つガス拡散
層用材料（米国Ｅ−ＴＥＫ社製、ＥＬＡＴ：商標）をガ
ス拡散層として使用した時の単セル評価結果を図３中に
として示す。 実施例２及び比較例５ 実施例１及び比較例４で行った単セル評価を反応ガスの
利用率（ａ条件：水素利用率５０％、空気利用率３０
％、ｂ条件：水素利用率８０％、空気利用率５０％）を
変えて評価した結果（実施例２及び比較例５）を図４に
それぞれ、−ａ，−ｂ、−ａ，−ｂとして示し
た。
向全体に撥水導電性材料を充填した構造を持つガス拡散
層用材料（米国Ｅ−ＴＥＫ社製、ＥＬＡＴ：商標）をガ
ス拡散層として使用した時の単セル評価結果を図３中に
として示す。 実施例２及び比較例５ 実施例１及び比較例４で行った単セル評価を反応ガスの
利用率（ａ条件：水素利用率５０％、空気利用率３０
％、ｂ条件：水素利用率８０％、空気利用率５０％）を
変えて評価した結果（実施例２及び比較例５）を図４に
それぞれ、−ａ，−ｂ、−ａ，−ｂとして示し
た。
【００３０】この結果から、セルポテンシャルを０．６
ボルトのところでみた場合、本発明品では反応ガス利用
率を高くしても１０％程度の性能低下しかみられないの
に対し、比較例４のガス拡散層材料では５０％近くの性
能低下がみられる。即ち、本発明品のガス拡散性の良さ
が証明された。
ボルトのところでみた場合、本発明品では反応ガス利用
率を高くしても１０％程度の性能低下しかみられないの
に対し、比較例４のガス拡散層材料では５０％近くの性
能低下がみられる。即ち、本発明品のガス拡散性の良さ
が証明された。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、面方向へのガス拡散性
が良好であり、且つ、機械的にもしなやかで耐圧縮性も
あり、従って電気的な接触も確保しやすい、高分子固体
電解質燃料電池用拡散層材料が提供される。
が良好であり、且つ、機械的にもしなやかで耐圧縮性も
あり、従って電気的な接触も確保しやすい、高分子固体
電解質燃料電池用拡散層材料が提供される。
【図１】実施例のガス拡散層の表面層を有するカーボン
繊維織布の構造を示す断面顕微鏡写真にもとづく模式図
である。
繊維織布の構造を示す断面顕微鏡写真にもとづく模式図
である。
【図２】ガス拡散層を組み込んだ単セルの高分子固体電
解質燃料電池を示す。
解質燃料電池を示す。
【図３】実施例１および比較例１〜４の単セルの高分子
固体電解質燃料電池の性能試験の結果を示す。
固体電解質燃料電池の性能試験の結果を示す。
【図４】実施例２および比較例５の単セルの高分子固体
電解質燃料電池の性能試験の結果を示す。
電解質燃料電池の性能試験の結果を示す。
１…ＰＴＦＥとカーボンブラックからなる層 ２…カーボン繊維織布 １１…膜／電極接合体 １２…セパレータ １３…ガスケット １４…ガス拡散層兼導電体
Claims (4)
- 【請求項１】 触媒層を一体に形成した高分子固体電解
質を用いた燃料電池用のガス拡散層材料であって、カー
ボン繊維織布の表面にフッ素樹脂とカーボンブラックと
からなる層が形成されていることを特徴とする高分子固
体電解質燃料電池用拡散層材料。 - 【請求項２】 フッ素樹脂とカーボンブラックとからな
る層が、カーボン繊維織布の厚さの二分の一以上浸入し
ていない請求項１記載のガス拡散層用材料。 - 【請求項３】 カーボン繊維織布が、フッ素樹脂または
フッ素樹脂とカーボンブラックの混合物により撥水処理
されている請求項１記載のガス拡散層用材料。 - 【請求項４】 高分子固体電解質と、高分子固体電解質
に一体に形成した触媒層と、該触媒層に接して形成した
請求項１〜３のいずれか１項に記載の拡散層材料を含む
ことを特徴とする高分子固体電解質燃料電池用接合体。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06302097A JP3773325B2 (ja) | 1997-03-17 | 1997-03-17 | 高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体 |
| DE69836109T DE69836109T2 (de) | 1997-03-17 | 1998-03-17 | Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten |
| US09/040,072 US6127059A (en) | 1997-03-17 | 1998-03-17 | Gas diffusion layer for solid polymer electrolyte fuel cell |
| EP98301992A EP0869568B1 (en) | 1997-03-17 | 1998-03-17 | Gas diffusion layer for solid polymer electrolyte fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06302097A JP3773325B2 (ja) | 1997-03-17 | 1997-03-17 | 高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10261421A true JPH10261421A (ja) | 1998-09-29 |
| JPH10261421A5 JPH10261421A5 (ja) | 2005-02-17 |
| JP3773325B2 JP3773325B2 (ja) | 2006-05-10 |
Family
ID=13217232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06302097A Expired - Lifetime JP3773325B2 (ja) | 1997-03-17 | 1997-03-17 | 高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6127059A (ja) |
| EP (1) | EP0869568B1 (ja) |
| JP (1) | JP3773325B2 (ja) |
| DE (1) | DE69836109T2 (ja) |
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