JP2002343379A

JP2002343379A - 燃料電池、燃料電池用電極、燃料電池用電極の処理方法

Info

Publication number: JP2002343379A
Application number: JP2001151429A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tomita; 淳冨田; Hideo Yano; 秀夫矢野; Hikari Okamoto; 光岡本; Masaaki Yasui; 賢明安井; Kenji Sugiura; 健二杉浦
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Chemical Co Ltd
Current assignee: Aisin Chemical Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2002-11-29
Also published as: DE10222090A1; US20020197525A1

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池用電極を構成するガス拡散層の透気度
の調整を図り得、設計者の意図通りの物性を備えたガス
透過層を得るのに有利な燃料電池、燃料電池用電極、燃
料電池用電極の処理方法を提供する。【解決手段】燃料電池は、水素含有ガスが送給される燃
料極となる電極と、酸素含有ガスが送給される酸化剤極
となる電極と、燃料極となる電極及び酸化剤極となる電
極で挟持された固体高分子電解質型の電解質膜３とを有
する燃料電池において、燃料極となる電極及び酸化剤極
となる電極のうちの一方または双方は、厚み方向にプレ
ス加圧されたガス拡散層１，５で形成されている。加圧
手段によりガス拡散層をこれの厚み方向にプレス加圧す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池、燃料電池
用電極、燃料電池用電極の処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は固体高分子電解質型の燃料電池の
セルの概念を示す。固体高分子電解質型の燃料電池は、
図１に示すように、電解質として固体高分子電解質型の
電解質膜３を用いており、電解質膜３をはさんで触媒層
２,４、その外側にガス拡散性及び集電機能を有するガ
ス拡散層１,５を有する。ガス拡散層１は酸化剤極を構
成し、ガス拡散層５は燃料極を構成する。水素ガスある
いは水素ガスを含む燃料ガスが送給される燃料極の側で
は、以下のような反応が起こる。２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-…（１）燃料極で生成されたプロトンＨ⁺は高分子電解質膜３を
通って、酸素または空気等を酸化剤とする酸化剤極側の
触媒層２に向かって移動し、それと同時に、燃料極側で
生成された電子ｅ^-は燃料極と酸化剤極との間に導線を
介して接続された負荷を通って、酸化剤極に移動する。
一方、酸化剤極では、酸素が以下のような反応で還元さ
れ、燃料極から移動してきたプロトンＨ⁺と結合して水
となる。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ…（２）生成された水の一部は蒸発して、未反応の酸化剤ガスと
一緒に排出される。生成水の残りの一部は、濃度勾配に
よって電解質膜３に逆拡散し、燃料極に向かって移動す
る。上記（１）（２）の反応はともに、触媒、電解質及
び気体の三者が接触する三相界面上で起きる。

【０００３】燃料電池用電極を形成する部品のうち、集
電機能及びガス拡散機能を有するガス拡散層１，５につ
いては、ガスの拡散性の確保、電解質膜３の保湿、触媒
層２，４の保湿の役割のほか、高電気伝導性、熱的・化
学的安定性、触媒層２，４および電解質膜３の保護のた
めの物理的強度等が求められている。

【０００４】上記の働きのうち、ガスの拡散性、およ
び、電解質膜３，触媒層２，４の水分管理のために、ガ
ス拡散層１，５におけるガスの透過性（以下、透気度と
いう）を調整することは、以下に示すように非常に有用
である。即ち、燃料電池の高い出力を得るには、充分な
ガスが前記三相界面上に供給される必要がある。ガス拡
散層１，５の透気度を高くすることは、ガスの充分な供
給に有利であり、また電極での水の排出性が向上し、電
極の水詰まりの防止にもなる。一方、ガス拡散層１，５
の透気度が高すぎる場合、電解質膜３および触媒２，４
に含まれる電解質がガスにより乾燥して含水率が低下す
る。その結果、電解質膜３のプロトン伝導度が低下し、
燃料電池の出力が低下する。通常、ガスを加湿すること
で電解質膜３や触媒層２，４の乾燥を防止している。し
かし過剰な加湿を行うと、水分が凝縮しやすくなり、ガ
スチャンネルとして働いていた触媒付近の空孔をふさい
たり（触媒の水没）、ガス拡散層１，５の細孔内で水詰
まりを起こし、ガス拡散層１，５におけるガスの拡散性
を防げる原因となる。また、加湿量が大きくなると燃料
電池システム全体への負荷が大きくなり、システム効率
が低減してしまう。一方、ガス拡散層１，５の透気度が
低すぎる場合、ガスの加湿を少なくあるいはまったく無
くしても、上記（２）の反応により生成される水によ
り、触媒層２，４の水没やガス拡散層１，５の水詰まり
を起こしやすくなる。このため、電解質膜３、触媒層
３，４の水分管理の面からは、適切な透気度が望まれ
る。

【０００５】以上のように、ガス拡散層１，５の透気度
は、電解質膜・電極接合体（以下ＭＥＡと略す）の内の
水分管理の面で、非常に重要な物性である。

【０００６】さらに燃料電池においては、その使用用途
に応じて適した運転条件があり、それに応じてガス拡散
層１，５に求められる物性は異なる。例えば例１：自動
車用の燃料電池……ガスを加圧した状態で且つ高電流域
での高い出力が求められる。この場合、高い反応活性が
求められるため、また、湿潤現象であるフラッディング
が起こりやすいため、水分除去性を高めるべく、ガス拡
散層１，５については高い透気度が求められる。

【０００７】例２：定置用の燃料電池……システム効率
からの要求から、低いガス圧力で且つ低電流域で高い出
力が求められる。この場合、電解質膜３が乾きやすいた
め、ガス拡散層１，５の透気度については低く設定する
ことが求められる。

【０００８】さらに電解質膜３等の使用材料、セパレ−
タのガス流路パターン等によっても適切なガス拡散層
１，５の物性は異なってくる。使用条件、使用材料、セ
パレ−タ等に対して適切なガス拡散層１，５の物性を容
易かつ安価に実現できる方法が望まれる。

【０００９】ガス拡散層１，５を作製する従来技術とし
ては、次のようである。即ち、カーボンブラックおよび
撥水材（ポリテトラフルオロエチレン等）を適当な分散
媒を用いてペーストを形成する。そして、別途準備した
基材（カーボンペーパーあるいはカーボンクロス、多く
の場合、ＰＴＦＥ等により撥水化処理されたもの）に上
記ペーストを印刷または含浸させ、焼成する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記したガス拡散層
１，５を作製するにあたり、ガス拡散層１，５の物性
は、ガス拡散層１，５を構成する基材の空孔率や印刷
（含浸）させるペーストの量、撥水材の量等により決定
されるが、使用材料の種類、組成、ペーストの混合方法
等で変化する複雑な凝集／分散機構が関わっている。こ
のためガス拡散層１，５の物性を設計者の意図通りに制
御することは難しい。また、仮に制御できたとしても、
その範囲は基材やペーストの性状により、狭い範囲に制
限されてしまう。

【００１１】本発明は上記した実情に鑑みてなされたも
のであり、燃料電池用電極を構成するガス拡散層の透気
度の調整を図り得、設計者の意図通りの物性を備えたガ
ス拡散層を得るのに有利な燃料電池、燃料電池用電極、
燃料電池用電極の処理方法を提供することを課題とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る燃料電池
は、水素含有ガスが送給される燃料極となる電極と、酸
素含有ガスが送給される酸化剤極となる電極と、燃料極
となる電極及び酸化剤極となる電極で挟持された固体高
分子電解質型の電解質膜とを有する燃料電池において、
燃料極となる電極及び酸化剤極となる電極のうちの一方
または双方は、厚み方向にプレス加圧されたガス拡散層
で形成されていることを特徴とするものである。

【００１３】第２発明に係る燃料電池用電極は、燃料電
池の燃料極または酸化剤極を形成する電極であって、厚
み方向にプレス加圧されたガス拡散層で形成されている
ことを特徴とするものである。

【００１４】第３発明に係る燃料電池用電極の処理方法
は、燃料電池の燃料極または酸化剤極となり且つ目標透
気度よりも高めになるように設定したガス拡散層と、加
圧手段とを用い、加圧手段によりガス拡散層をこれの厚
み方向にプレス加圧して、ガス拡散層の透気度を低減さ
せて目標透気度とする工程とを含むことを特徴とするも
のである。

【００１５】本発明に係る燃料電池、燃料電池用電極、
燃料電池用電極の処理方法によれば、ガス拡散層に厚み
方向にプレス加圧が施されているため、燃料電池の使用
や用途等に適合するように、ガス拡散層の透気度は調整
されている。例えば、湿潤現象を意味するフラッディン
グが生じやすいときには、水分の除去を図るべく、ガス
拡散層に高い透気度が要請される。この場合には、プレ
ス加圧を少な目にしてガス拡散層の密度を低めに維持
し、ガス拡散層の透気度を高目に調整することができ
る。

【００１６】また、電解質膜が乾き易いときには、ガス
拡散層の透気度があまり要請されない。この場合には、
プレス加圧を高め目にし、ガス拡散層の密度を高めて、
ガス拡散層の透気度を低目に調整することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】・本発明によれば、ガス拡散層を
プレス加圧することによりガス拡散層を圧縮する。プレ
ス加工前のガス拡散層は、目標透気度よりも高めの透気
度を有するように設定されている。この場合、図２
（Ａ）（Ｂ）に示すように、加圧手段としては、昇降式
のプレス装置のプレス型を用いることができる。図２
（Ａ）（Ｂ）に示すように、プレス型１０は、図略の駆
動源で昇降される上型としての第１型１１と、下型とし
ての第２型１２とを有する。加圧面１１ａ，１２ａ間に
ガス拡散層１を配置した状態で、第１型１１及び第２型
１２を型締めすることにより、第１型１１の平坦な加圧
面１１ａ及び第２型１２の平坦な加圧面１２ａとでガス
拡散層１をこれの厚み方向にプレス加圧して圧縮する。
この場合、図２（Ａ）に示すように、ガス拡散層１と第
１型１１及び第２型１２との間に、離型促進物質である
離型シート４０を介在させることができる。また、図２
（Ｂ）に示すように、第１型１１の加圧面１１ａ、第２
型１２の加圧面１２ａに離型層４５を積層することがで
きる。上記したプレス型１０を有するプレス装置は、油
圧式でも、メカニカル式でも良い。ホットプレスする場
合には、第１型１１及び第２型１２のうちの一方及び双
方は、ヒータを有することができる。

【００１８】また図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、加圧
手段としてロール式のプレス装置のプレス型を用いるこ
とができる。このプレス型２０は、上型としての第１ロ
ール型２１と、下型としての第２ロール型２２とを有す
る。第１ロール型２１及び第２ロール型２２をこれらの
中心軸芯周りで回転させつつ、第１ロール型２１及び第
２ロール型２２の間にガス拡散層１を挿入することによ
り、第１ロール型２１の加圧面２１ａ及び第２ロール型
２２の加圧面２２ａで、ガス拡散層１を厚み方向にプレ
ス加圧する。この際、第１ロール型２１の加圧面２１ａ
と第２ロール２２の加圧面２２ａとの間に隙間を設け、
隙間の幅の調整によりプレス加圧力を制御することがで
きる。この場合、図３（Ａ）に示すように、ガス拡散層
１と第１ロール型２１及び第２ロール型２２との間に離
型シート４０を介在させることができる。また図３
（Ｂ）に示すように、第１ロール型２１の加圧面２１
ａ、第２ロール型２２の加圧面２２ａに、離型促進物質
である離型層４５を積層することができる。上記した離
型シート４０、離型層４５は、プレス加圧力が過大なと
きであっても、プレス温度が高いときであっても、ガス
拡散層１と第１型１１及び第２型１２との固着、ガス拡
散層１と第１ロール型２１及び第２ロール型２２との固
着を抑えるためのものであり、非粘着性に富む樹脂層等
（ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、フッ素樹脂
系、シリコーン樹脂系等）で形成することができる。ホ
ットプレスする場合には、第１ロール型２１及び第２ロ
ール型２２のうちの一方及び双方は、ヒータを有するこ
とができる。

【００１９】・本発明によれば、ガス拡散層、セパレー
タ等をこれらの厚み方向に積層して燃料電池を組み付け
たときのガス拡散層に係る単位面積当たりの面圧をＦ１
とし、本発明においてガス拡散層をプレス加圧するとき
の単位面積当たりの加圧力をＦ２としたとき、Ｆ１＜Ｆ
２とすると、ガス拡散層の耐クリープ性の改善効果を大
きくするのに有利である。

【００２０】・本発明によれば、ガス拡散層をプレス加
圧する際には、冷間プレス加圧を採用することができる
が、ガス拡散層を加熱するホットプレス加圧を採用する
ことが好ましい。冷間プレス加圧を使用してもガス拡散
層を厚み方向に圧縮することができる。しかしガス拡散
層がカーボン繊維、カーボンブラック、結合材となって
いる樹脂（例えばＰＴＦＥ）を含む場合には、これらは
硬いため、ガス拡散層を同じ厚さまで圧縮するには、冷
間プレス加圧では、余分に加圧力が必要となる。また冷
間プレスでは結合材とカーボン繊維の間のすべりが発生
しにくい。これらの結果、冷間プレス加圧では、ガス拡
散層の基材であるカーボン繊維の破断が発生しやすくな
り、ガス拡散層の引張強度が低下するおそれがある。ま
た冷間プレスでは、結合材が硬いため、プレス加圧の際
に結合材自身が切れやすいことも、ガス拡散層の引張強
度の低減の要因となる。このため、ガス拡散層を加熱す
るホットプレス加圧を採用することができる。ホットプ
レス加圧の場合、プレス型の温度としては１００〜３５
０℃、殊に２００〜３００℃を例示できる。

【００２１】・本発明によれば、プレス加圧前のガス拡
散層は、導電性をもつカーボン繊維等の基材繊維と、黒
鉛粉末と、これらを結合する結合材とを含むことができ
る。ガス拡散層がこれの厚み方向にプレス加圧される
と、ガス拡散層に含まれている導電性をもつカーボン繊
維等の基材繊維の配向性が調整され、導電性を有するカ
ーボン繊維等の基材繊維同士の接触頻度の増加を期待で
きる。黒鉛粉末としては薄片状の黒鉛の粉末を採用で
き、殊に、アスペクト比（径／厚み）が大きなものを採
用できる。アスペクト比としては２〜２５０、３〜１０
０を例示できるが、これに限定されるものではない。こ
のように薄片状の黒鉛を用いれば、殊にアスペクト比が
大きい薄片状の黒鉛を用いれば、導電性をもつ基材繊維
同士の導電接触面積を薄片状の黒鉛を介して高めるのに
貢献できる。更にガス拡散層をプレス加圧すれば、カー
ボン繊維等の導電性をもつ基材繊維同士の導電接触面積
を薄片状の黒鉛を介して高めるのに一層貢献できる。こ
のため電極を構成するガス拡散層の集電性の向上も期待
できる。なお、薄片状の黒鉛以外の黒鉛も使用できるこ
とは勿論である。

【００２２】・本発明によれば、プレス加圧する前のガ
ス拡散層としては次のようにして形成できる。即ち、カ
ーボン繊維等の導電性をもつ基材繊維と黒鉛粉末と結合
材と分散媒とを含む第１液状物を用意する工程と、第１
液状物に対して抄紙処理することによりシートを形成す
る抄紙工程と、シートを適宜のサイズに切断する工程と
を含む形態を採用することができる。分散媒としては一
般的には水を採用でき、場合によっては、トルエン、キ
シレン、シクロヘキサン等の有機溶媒でも良い。なお、
第１液状物には、パルプ等の繊維以外に有機系の分散材
や他の有機結合材を入れても良い。抄紙処理は、第１液
状物における固形物と分散媒とを分離させて、固形物の
集合により紙状のシートを形成する処理である。第１液
状物における固形物と分散媒とを分離させるにあたり、
網状部材等のような分離部材により第１液状物をすい
て、第１液状物に含まれている固形物を分散媒と分離さ
せて紙状の薄いシートを得る形態を採用できる。上記し
た第１液状物に含まれている結合材は、消失可能な結合
材であることが好ましい。消失可能な結合材としては有
機系物質、例えばパルプ等の繊維を採用することがで
き、場合によっては、木綿等の植物性繊維、羊毛等の動
物性繊維等を採用することができる。第１液状物におい
て、導電性をもつ基材繊維及び消失可能な結合材を１０
０重量部としたとき、黒鉛粉末は０．５〜６０重量部含
まれている形態を採用することができる。

【００２３】・本発明によれば、プレス加圧前のガス拡
散層を形成するにあたり、上記した抄紙工程の後に、撥
水性を有する結合材を主要成分とする第２液状物と抄紙
工程後のシートとを接触させることにより、第２液状物
に含まれている撥水性を有する結合材をシートの空隙部
分に含浸させる含浸工程と、含浸工程後のシートを加熱
して、撥水性を有する結合材を固着させると同時に消失
可能なパルプ等の結合材を消失させる消失工程を含む形
態を採用することができる。この場合、結合材により、
カーボン繊維等の導電性をもつ基材繊維、薄片状の黒鉛
粉末の保持性が確保される。消失可能な結合材としては
前記したように有機物質例えばパルプ等の繊維、木綿等
の植物性繊維、羊毛等の動物性繊維等を採用することが
できる。消失可能な結合材が消失した後は空隙となり得
るため、燃料電池の使用時におけるガスの拡散性の向上
に寄与できる効果を期待できると共に、撥水性を有する
結合材の含浸性が確保される。撥水性を有する結合材と
しては、フッ素樹脂系を採用することが好ましい。フッ
素樹脂系としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴ
ＦＥ）を採用することができ、場合によっては、テトラ
フルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テ
トラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエ
ーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・
ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等の少な
くとも１種を採用することにしても良い。上記した含浸
工程では、第２液状物としては上記したフッ素樹脂の粒
子を分散させた懸濁分散液を採用することができる。上
記した第２液状物はカーボンブラック等の微粉末の導電
性物質を含むことが好ましい。これにより電極の導電性
を更に高め得る。なお本発明によれば、ガス拡散層は黒
鉛粉末は必ずしも含まなくても良い。黒鉛粉末を含む場
合でも、薄片状黒鉛に限定されない。

【００２４】・なお電極は触媒層を有していても良い
し、有していなくても良い。電極が触媒層を有さない場
合には、一般的には、電解質膜のうち電極側に触媒層が
積層されている。触媒層は白金等の触媒物質を主要成分
とする。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例について図
面を参照して説明する。図１に示すように、燃料電池の
セルは、酸化剤極となる電極を構成するガス拡散層１
と、固体高分子電解質型の電解質膜３と、燃料極となる
電極を構成するガス拡散層５とを備えている。上記した
セルを多数積層して燃料電池スタックを形成する。燃料
極となるガス拡散層５と電解質膜３との間には、触媒金
属を有する触媒層４が電解質膜３に対面するように設け
られている。酸化剤極となるガス拡散層１と電解質膜３
との間にも、触媒金属を有する触媒層２が電解質膜３に
対面するように設けられている。

【００２６】燃料極を構成するガス拡散層５は、負極活
物質としての水素を含む水素含有ガス（純水素ガスでも
良い）が流れるガス通路７ａを形成するセパレータとも
呼ばれる通路形成部材７に対面する。酸化剤極を構成す
るガス拡散層１は、正極活物質としての酸素を含む酸素
含有ガス（純酸素ガスでも良い）が流れるガス通路８ａ
を形成するセパレータとも呼ばれる通路形成部材８に対
面する。上記した燃料電池によれば、水素を含む水素含
有ガス（水素ガス）をガス通路７ａに供給すると共に、
酸素含有ガス（空気等）をガス通路８ａに供給する。

【００２７】上記したガス拡散層１，５は同種のものを
用いている。以下、ガス拡散層５の説明を兼ねて、ガス
拡散層１の作製について説明を加える。ガス拡散層１に
該当する事項は、ガス拡散層５にも該当する。

【００２８】本実施例においては、以下の手順でガス拡
散層１およびＭＥＡを作製した。ここで、ガス拡散層１
となるシートは、特開２０００ー１３６４９３号公報に
係る技術に基づき、以下のように湿式の抄紙法で作成し
た。重量比で、導電性を有する基材繊維として機能できる
カーボン繊維（径１２．５μｍ、長さ＝３ｍｍ）６０部
と、木材パルプを４０部とを秤量し、そこに薄片状の黒
鉛１０部を入れ、適当な抄紙試薬を用い、分散媒である
水に分散させペースト化させた（第１液状物の生成）。
薄片状の黒鉛としては、平均粒径が２０μｍ、平均厚み
が１μｍとした。これを湿式の抄紙工程にて、秤量５０ｇ／ｍ²、厚さ
０．３ｍｍのシートを作成する。抄紙工程においては、
でペースト化したものを網状部材によりすいて、固形
物を水と分離させて紙状のシートを形成した。カーボンブラック微粒子（平均粒径約３０ｎｍ）とイ
オン交換水とを混合して、界面活性剤により分散させて
液状物を形成した。さらに、ポリテトラフルオロエチレ
ン（以下ＰＴＦＥと略）粒子分散液（ダイキン工業
（株）製、Ｄー１グレード、ＰＴＦＥ粒子６０ｗｔ％含
有）を、ＰＴＦＥ粒子重量がカーボンブラック重量に対
して１／４になるように前記液状物に混入し、インク
（第２液状物）とした。なお、ＰＴＦＥの量を調節する
ことで、ガス拡散層１の物性を調整することができる。更に、で述べたインクを、で述べたシートに含浸
した。その後、含浸後のシートを大気中において約８０
℃で１時間乾燥した。さらに大気中において３８０℃で
６０分間加熱保持した。これによりＰＴＦＥを溶融し、
定着させた。この際、シートに含まれている木材パルプ
は炭化・消失した。木材パルプの跡の空孔は、燃料電池
においてガス通気孔および余分な水の排出孔として機能
することができる。上記のようにして作製されたガス拡
散層を、比較例に係るガス拡散層とした。このときのガ
ス拡散層の厚さは０．３１ｍｍであった。次に、上記した比較例に係るガス拡散層を図２（Ａ）
に示すプレス装置のプレス型１０（温度：２４０℃）で
５分間加圧した。この場合、表１に示すように、加圧力
は３水準とした。即ち、実施例１では厚さ０．２１ｍｍ
まで圧縮した。実施例２では厚さ０．２０ｍｍまで圧縮
した。実施例３では厚さ０．１８ｍｍまで圧縮した。プ
レス加圧の際には、プレス型１０の加圧面１１ａ，１２
ａとガス拡散層１との間に離型シート４０を介在させ
た。これによりプレス型１０の加圧面１１ａ，１２ａに
ガス拡散層１が凝着することを抑えた。更に、白金担持カーボン（ジョンソンマッセイ社製）
と高分子電解質膜溶液（旭化成株式会社製）とイオン交
換水とを混合し、触媒ペーストを作製した。上記した触媒ペーストを適当な高分子フィルム上に、
白金量で０．５ｍｇ／ｃｍ²になるようにドクターブレ
ード法により塗布し、２４時間大気中において乾燥さ
せ、触媒層付きフィルムを作製した。この際の高分子フ
ィルムは工程上の補助材としてのみ使用されるものであ
り、後に取り除かれ、電極材料としては残らない。上記した触媒層付きフィルムを径４０．０ｍｍ（面積
１２．５７ｃｍ²）に必要枚数を切断した。更に、電解質膜３（ゴアセレクト４０、ゴアテックス
（株）製）の両面を、上記の切断した触媒層付きフィル
ムで挟んだ。このとき触媒層２，４を電解質膜３側にし
た。そしてプレス装置を用いてホットプレス（温度１６
０℃、４ＭＰａ、１．５分加圧保持）し、電解質膜３に
触媒層２，４を接合した。このように接合した後、の
工程で使用した高分子フィルムを取り除いた。これを触
媒層２，４付きの電解質膜３とした。更に、上記した比
較例に係るガス拡散層を径４０．０ｍｍ（面積１２．５
７ｃｍ²）に２枚切断した。２枚のガス拡散層で、上記
触媒層２，４付き電解質膜３を挟持し、プレス装置でホ
ットプレス（１６０℃、４ＭＰＡ、１．５分加圧保持）
により接合し、これにより比較例に係るＭＥＡを形成し
た。さらに上記した実施例１〜３に係るガス拡散層１を
使用し、それ以外は比較例ＭＥＡの場合と同様の方法
で、実施例１〜３に係るＭＥＡを形成した。

【００２９】＜物性評価＞電解質膜３に組み付ける前の
ガス拡散層１の単品での物性を求めた。ガス拡散層１の
厚みについてはマイクロメータで求めた。ガス拡散層１
の透気度については、ガス拡散層１を固定した状態にお
いて、乾燥窒素をガス拡散層１の表面に垂直に流し、ガ
ス拡散層１の前後の差圧を測定することで求めた。ガス
拡散層１の電気抵抗についてはカーボン板の間にサンプ
ルを挟み、１．９６ＭＰａの荷重をかけた状態で測定し
た。測定結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１から理解できるように、比較例の透気
度を１００％（４９６[μｍ/Pa・S]）とすると、実施例
１は２７％（１３５／４９６×１００=約２７％）、実
施例２は９％（４５／４９６×１００=約９％）、実施
例３は７．７％（３８／４９６×１００=約７．７％）
であった。また比較例の電気抵抗を１００％（１３．１
[ｍΩ／ｃｍ²]）とすると、実施例１は８４％（１１．
０／１３．１×１００=約８４％）、実施例２は７６％
（９．９／１３．１×１００=約７６％）、実施例３は
７３％（９．５／１３．１×１００=約７３％）であっ
た。このようにガス拡散層１をプレス加圧して厚み方向
に圧縮することにより、ガス拡散層１の厚さを薄く、ガ
ス拡散層１の透気度を低く、ガス拡散層１の電気抵抗を
低くすることができることがわかる。換言すれば、ガス
拡散層１をプレス加圧して厚み方向に圧縮することによ
り、ガス拡散層１の厚さを調整でき、ガス拡散層１の透
気度を調整でき、ガス拡散層１の電気抵抗を調整するこ
とができることがわかる。

【００３２】なお、比較例に係るガス拡散層の厚みを１
００％（０．３１ｍｍ）とすると、実施例３に係るガス
拡散層１の厚みは５８％（０．１８ｍｍ：０．１８／
０．３１×１００％=約５８％）とされている。このよ
うにプレス加圧によりガス拡散層の厚みを半分程度にし
ても、ガス拡散層１をこれの厚み方向に良好に圧縮する
ことができる。さらに薄くなるまでガス拡散層１を厚み
方向に圧縮しても、ガス拡散層１は使用可能な強度を保
っていた。

【００３３】＜燃料電池の評価＞次に上記した実施例
（実施例１）に係るガス拡散層１を燃料電池に実際に組
み付け、燃料電池の運転を行い、セル温度に対する出力
電圧の変動を調べた。そして、比較例に係るＭＥＡと実
施例に係るＭＥＡの間の特性の違いを比較した。ガスの
加湿は、温度を制御した水（これをバブラーと呼ぶ）の
中にガスを通すことで行った。すなわちバブラーの温度
における飽和蒸気分がガスに加湿されることになる。燃
料電池の運転条件は以下のように設定した。・電流密度：０．７Ａ／ｃｍ² ・ガス利用率：純水素／空気＝８０％／１５％・ガス圧力：純水素／空気＝０．２ＭＰａ／０．２ＭＰ
ａ・バブラー温度：純水素／空気＝９０℃／５０℃ 燃料電池の運転時の出力の結果を図４に示す。図４から
次のことが理解できる。即ち、セル温度が高くなるに従
い、ＭＥＡ内は乾き傾向になる。このためセル温度が９
０℃の付近から、比較例に係るＭＥＡ、実施例に係るＭ
ＥＡとも出力が急激に低下する。ここで図４のグラフか
ら理解できるように、８８℃付近以上の領域において
は、実施例に係るＭＥＡの出力は、比較例に係るＭＥＡ
の出力に比べ高くなっている。この理由は次のように考
えられる。即ち、比較例に係るガス拡散層に比べて、実
施例に係るガス拡散層１はこれの厚み方向にプレス加圧
されているため、密度が増加し、透気度が低くなってい
るため、水分を電解質膜３および触媒層２，４内へ閉じ
込める能力（保水性）が高くなり、これにより電解質膜
３が比較的乾きやすい条件（すなわちセル温度が高い領
域）において、実施例に係るＭＥＡの出力が比較例に係
るＭＥＡに比べて高くなったと考えられる。

【００３４】以上説明したように、ガス拡散層１を厚み
方向にプレス加圧することによりガス拡散層１の透気度
を制御することができる。即ち、プレス加工前のガス拡
散層１は、目標透気度よりも高めの透気度を有するもの
の、プレス加工の程度の調整により、目標通りの透気度
を得るように制御できる。従って、ＭＥＡ内の水分管理
を設計者の目標通りすることが可能になる。実際の燃料
電池システムに搭載されるＭＥＡは、使用用途やセパレ
−タのガス流路の違いによって、適したＭＥＡが異なる
ことが多い。上記した記載から理解できるように実施例
１〜３に係るガス拡散層１は保水性が優れており、この
ようなガス拡散層１は、電解質膜３が乾きやすい条件、
すなわち低ガス圧・低加湿・低電流密度域で使用される
定置用等の燃料電池に使用するのに特に適している。

【００３５】このように本実施例によれば、プレス加圧
という簡単な手段によりガス拡散層１の透気度を制御す
ることができ、その結果、燃料電池の使用条件に応じた
様々なガス拡散層１を提供できる。

【００３６】更に説明を加える。

【００３７】（１）ガス拡散層１の透気度の制御ガス拡散層１を厚み方向にプレス加圧することで、ガス
拡散層１が厚み方向に圧縮され、ガス拡散層１の透気度
を非常に大きな範囲で、自由に、かつ容易に制御でき
る。このことにより使用状況、使用材料、セパレ−ター
に応じたＭＥＡ内の水分管理を容易に実現することがで
きる。殊に、上記した抄紙法で形成したガス拡散層１
は、パルプ等の結合材を焼失させた跡が空孔となってい
るため空隙が多く、また、カーボン繊維や導電物質であ
るカーボンブラックをつなぐ結合材をＰＴＦＥのような
やわらかい樹脂とすることが可能なので、高範囲の圧縮
率でガス拡散層１を圧縮することが可能となる。

【００３８】（２）表１に示すように、ガス拡散層１を
厚み方向にプレス加圧することで、ガス拡散層１単体の
単位面積あたりの電気抵抗を低減することができる。こ
れにより燃料電池用電極を構成するガス拡散層１におけ
る集電性を向上させるのに有利である。ガス拡散層１を
これの厚み方向にプレス加圧すると、導電性をもつカー
ボン繊維の２次元的配向性が向上し、カーボン繊維同士
の導電接触点の増加を期待できるためと推察される。プ
レス加圧力の大きさによっては、カーボン繊維同士ばか
りか、薄片状の黒鉛の２次元的配向性の向上も期待でき
る。

【００３９】（３）ガス拡散層１の厚さの管理が可能と
なる。従ってセパレーターのガスシール性を損なうこと
なく、ガス拡散層１とセパレーターの接触を保つことが
できる。

【００４０】（４）ガス拡散層１の表面から外側にカー
ボン繊維が突き出ているときであっても、突き出ていた
カーボン繊維を矯正できるため、ガス拡散層１の平滑性
が向上する。このようにガス拡散層１の平滑性が向上す
れば、電解質膜３と接合する際に電解質膜３のダメージ
が低減される。更に、触媒層２，４とガス拡散層１との
密着性も向上し、触媒層２，４とガス拡散層１との間の
接触抵抗が低減するため、燃料電池の出力向上に有利で
ある。

【００４１】（５）燃料電池が組み付けられている場合
には、ＭＥＡは一般的にはセパレ−ターで燃料電池セル
の積層方向に加圧保持されているので、ガス拡散層１が
クリープ変形を起こすおそれがある。この点本実施例に
よれば、ガス拡散層１は製造段階で一度高いプレス加圧
力の履歴を受けているため、燃料電池に組み込んだとき
におけるガス拡散層１の耐クリープ性が改善される。特
に、燃料電池を組み付けたときのガス拡散層１,５の組
付圧力を受ける部分に係る単位面積当たりの面圧をＦ１
とし、ガス拡散層１，５をプレス加圧するときの単位面
積当たりの加圧力をＦ２としたとき、Ｆ１＜Ｆ２とする
と、耐クリープ性の改善効果が大きい。これにより長時
間の運転においてもガス拡散層１とセパレ−タの間の接
触抵抗を低く保つのに有利となる。

【００４２】（６）上記した実施例では、触媒層２，４
となる触媒ペーストを電解質膜３に塗布することにして
いるが、これに限らず、触媒層２，４となる触媒ペース
トを電解質膜３ではなく、ガス拡散層１側へ塗布するこ
ともある。この場合には、ガス拡散層１をプレス加圧す
ることにより、ガス拡散層１の表面領域における空孔率
が低減する。このため触媒層２，４となる触媒ペースト
をガス拡散層１の内部の奥方にしみ込むことが抑えら
れ、触媒ペーストをガス拡散層１の表面領域に集中して
担持させることが可能となる。この場合、触媒ペースト
に含まれている触媒物質と電解質膜３との距離を短縮す
るのに有利であり、燃料電池の出力向上に寄与できる。

【００４３】（７）その他上記した実施例によれば、抄紙法で形成したガス拡散層
１を用い、これをプレス加圧することにしている。抄紙
法で形成したガス拡散層１は、パルプ等の結合材を焼失
させた跡が空孔となっているため空隙が多く、また、カ
ーボン繊維やカーボンブラックをつなぐ結合材をＰＴＦ
Ｅのようなやわらかい樹脂とすることが可能である。こ
のため、ガス拡散層１をプレス加圧した場合には、ガス
拡散層１に含まれている樹脂が伸び、また、カーボン繊
維と樹脂との間のすべりが起こり、高範囲の圧縮率でガ
ス拡散層１を圧縮することができることになる。

【００４４】なお本発明によれば、抄紙法で形成したガ
ス拡散層１に限らず、他のカーボン系のシートで形成さ
れたガス拡散層にも適用できる。即ち、カーボンペーパ
ーやカーボンクロス等で形成したガス拡散層をプレス加
圧することもできる。但しこの場合には、ガス拡散層の
透気度を大きく変化させるほどに強くプレス加圧する
と、柔らかい樹脂分が少ないかないため、あるいは、カ
ーボン繊維が厚み方向に対して密に存在している部分が
あるため、カーボンペーパーやカーボンクロスを構成し
ているカーボン繊維の破断が起き易いという不具合があ
り、過剰なプレス加圧は避けることが好ましい。

【００４５】即ち、前記したカーボンペーパーで形成し
たガス拡散層では、その製造過程において、カーボン繊
維を結合している結合材（熱硬化性樹脂）が熱処理を受
けて炭化しており、カーボンペーパーを構成するカーボ
ン繊維を硬く結合している。このためカーボンペーパー
で形成したガス拡散層では、プレス加圧を受けたとき
に、カーボン繊維と結合材との間のすべりが制限され、
プレス加圧と同時にガス拡散層を加熱しても、結合材自
身の軟化が起こらないため、プレス加圧力の大きさが適
切でなければ、プレス加圧の際にカーボン繊維の破断が
起こり易い。

【００４６】また上記したカーボンクロスタイプで形成
したガス拡散層では、カーボン繊維は縦横に編みこまれ
ている。このためカーボン繊維の縦繊維と横繊維とが重
なる部位では、厚み方向に対してカーボン繊維が密に存
在しており、プレス加圧の際に圧縮されにくく、プレス
加圧力の大きさが適切でなければ、カーボンクロスを構
成するカーボン繊維の破断を起こしてしまうおそれがあ
るので、過剰なプレス加圧は避けることが好ましい。

【００４７】表２は、カーボンペーパーやカーボンクロ
スがどこまで圧縮できるかを試験した結果を示す。表２
に示すように、カーボンクロスタイプの場合には、６９
％（圧縮率３１％）で破壊が生じた。カーボンペーパー
タイプの場合には、７８％（圧縮率２２％）で破壊が生
じた。従って破壊に至らない様な大きさのプレス加圧を
行うことが好ましい。

【００４８】

【表２】

【００４９】これに対して前述した実施例のように抄紙
法で形成したガス拡散層１を使用した場合には、比較例
に係るガス拡散層に比べて約５８％まで厚み方向に圧縮
することができ、圧縮率を４２％（１００−５８=４
２）と大きくして、ガス拡散層１をかなり圧縮してこれ
の厚みを薄くしても、特段の支障はなかった。抄紙法で
形成したガス拡散層１を使用した場合には、さらに薄く
なるまでガス拡散層１を圧縮しても使用可能な強度を保
っていた。以上のように、カーボンペーパーやカーボン
クロスよりも、実施例に係る抄紙法で形成したガス拡散
層１は圧縮することが容易である。

【００５０】なお、上記したガス拡散層１，５は同材質
であるため、ガス拡散層１に相当する作用効果はガス拡
散層５についても同様である。なお上記したガス拡散層
１，５は互いに異材質、異組成のものとしても良い。

【００５１】（その他）上記した実施例においては、ま
ず触媒層を電解質膜へ転写し、触媒層付き電解質膜を作
成した。その後、プレス加圧で厚み方向に圧縮したガス
拡散層を、触媒層付き電解質膜に接合するという工程を
とっている。しかしこれに限らず、触媒を先にガス拡散
層側に塗布した電極とし、その状態で、触媒層付きの電
極であるガス拡散層にプレス加圧を加えることにより圧
縮し、その後に、その電極とを電解質膜と接合するとい
う順序を取ってもよい。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、プレス加圧により、燃
料電池用電極を構成するガス拡散層の透気度の調整を図
ることができる。このため、設計者の意図どおりの透気
度等の物性を有するガス拡散層を形成するのに有利であ
る。更にプレス加圧により、燃料電池用電極を構成する
ガス拡散層の電気抵抗の調整を図ることができるため、
この意味においても、設計者の意図どおりのガス拡散層
を形成するのに有利である。

【００５３】本発明によれば、フラッディングが生じや
すいときには、水分の除去を図るべく、ガス拡散層に高
い透気度が要請されるため、プレス加圧を少な目にして
ガス拡散層の密度を低めに維持し、ガス拡散層の透気度
を高目に調整することができる。また、電解質膜が乾き
易いときには、ガス拡散層の透気度を高める要請が低い
ため、プレス加圧を高め目にし、ガス拡散層の密度を高
めて、ガス拡散層の透気度を低目に調整することができ
る本発明によれば、殊に、プレス加工前のガス拡散層
が、カーボン繊維等の導電性をもつ基材繊維と、アスペ
クト比が大きい薄片状の黒鉛粉末と、これらを結合する
樹脂系の結合材とを含む場合には、ガス拡散層の圧縮率
を高めることができ、設計者の意図どおりの透気度等の
物性を有するガス拡散層を形成するのに有利である。

【００５４】本発明によれば、プレス加工前のガス拡散
層が抄紙法で形成されている場合には、パルプ等の結合
材を焼失させた跡が空孔となっているため空隙が多く、
また、カーボン繊維等の導電性をもつ基材繊維やカーボ
ンブラック等の導電物質をつなぐ結合材をＰＴＦＥに例
示されるようなやわらかい樹脂とすることが可能であ
る。このため、ガス拡散層をプレス加圧した場合には、
ガス拡散層に含まれている樹脂の伸びを期待でき、ま
た、カーボン繊維等の導電性をもつ基材繊維と樹脂との
間のすべりを期待でき、高範囲の圧縮率でガス拡散層を
圧縮することが可能となる。

【００５５】本発明によれば、ガス拡散層、セパレータ
等をこれらの厚み方向に積層して燃料電池を組み付けた
ときのガス拡散層に係る単位面積当たりの面圧をＦ１と
し、ガス拡散層をプレス加圧するときの単位面積当たり
の加圧力をＦ２としたときに、Ｆ１＜Ｆ２とすると、ガ
ス拡散層の耐クリープ性の改善効果を大きくするのに有
利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池セルの概念図である。

【図２】昇降式のプレス装置でガス拡散層をプレス加圧
する状態を示す概念図である。

【図３】ロール式のプレス装置でガス拡散層をプレス加
圧する状態を示す概念図である。

【図４】実施例１に係るＭＥＡと比較例に係るＭＥＡに
ついてのセル温度と出力電圧との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

図中、１はガス拡散層、３は電解質膜、５はガス拡散
層、１０はプレス型、１１は第１型、１２は第２型、４
０は離型シート（離型促進物質）、４５は離型層（離型
促進物質）、２０はプレス型、２１は第１ロール型、２
２は第２ロール型を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢野秀夫愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内 (72)発明者岡本光愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内 (72)発明者安井賢明愛知県西加茂郡藤岡町大字飯野字大川ヶ原 1141番地１アイシン化工株式会社内 (72)発明者杉浦健二愛知県西加茂郡藤岡町大字飯野字大川ヶ原 1141番地１アイシン化工株式会社内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS01 BB01 BB03 BB05 BB06 BB08 BB11 BB12 CC06 DD05 EE03 EE05 EE06 EE08 EE19 5H026 AA06 BB02 CC03 CX02 CX05 CX07 EE06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素含有ガスが送給される燃料極となる電
極と、酸素含有ガスが送給される酸化剤極となる電極
と、前記燃料極となる電極及び前記酸化剤極となる電極
で挟持された固体高分子電解質型の電解質膜とを有する
燃料電池において、燃料極となる電極及び酸化剤極となる電極のうちの一方
または双方は、厚み方向にプレス加圧されたガス拡散層で形成されてい
ることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】燃料電池の燃料極または酸化剤極を形成す
る電極であって、厚み方向にプレス加圧されたガス拡散
層で形成されていることを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項３】請求項２において、プレス加工前の前記ガ
ス拡散層は、導電性をもつ基材繊維と、アスペクト比が
大きい薄片状の黒鉛粉末と、これらを結合する結合材と
を含むことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項４】燃料電池の燃料極または酸化剤極となり且
つ目標透気度よりも高めになるように設定したガス拡散
層と、加圧手段とを用い、前記加圧手段により前記ガス
拡散層をこれの厚み方向にプレス加圧して、前記ガス拡
散層の透気度を低減させて目標透気度とする工程とを含
むことを特徴とする燃料電池用電極の処理方法。
【請求項５】請求項４において、プレス加圧はホットプ
レスであることを特徴とする燃料電池用電極の処理方
法。
【請求項６】請求項４または５のいずれかにおいて、前
記ガス拡散層と前記加圧手段の加圧面との間に、離型促
進物質を介在させることを特徴とする燃料電池用電極の
処理方法。