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WO2006033390A1 - 燃料電池用ガス拡散層 - Google Patents

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WO2006033390A1
WO2006033390A1 PCT/JP2005/017481 JP2005017481W WO2006033390A1 WO 2006033390 A1 WO2006033390 A1 WO 2006033390A1 JP 2005017481 W JP2005017481 W JP 2005017481W WO 2006033390 A1 WO2006033390 A1 WO 2006033390A1
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layer
gas diffusion
diffusion layer
moisture
fuel cell
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PCT/JP2005/017481
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Inventor
Kazuhiko Kudo
Original Assignee
National University Corporation Hokkaido University
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining a constant water concentration in an electrolyte membrane, and a fuel cell using the same.
  • Fuel cells are classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, solid polymer type, and the like depending on the type of electrolyte used.
  • solid polymer fuel cells have advantages such as being usable at room temperature, short start-up time and high output, and high output density.
  • Small-scale distributed generation facilities, such as electric vehicle power supplies, have been developed for household power supplies!
  • the basics of a fuel cell are configured as a unit of a cell in which an anode electrode, a force sword electrode, and an electrolyte membrane serving as an ion conductor between the anode and the force sword are sandwiched by separators.
  • the electrode is composed of an electrode substrate (also called a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field.
  • the fuel gas reacts on the catalyst surface to generate protons and electrons, and the electrons are conducted to the electrode base material, and the protons are conducted to the electrolyte membrane.
  • protons conducted from the electrolyte membrane and electrons conducted from the electrode base material react with the acid gas on the surface of the catalyst layer to generate water.
  • the anode electrode has gas diffusivity, electron conductivity, ion conductivity.
  • the force sword electrode which requires the characteristics of good quality, is effective in draining the water generated in the catalyst layer in addition to the powerful characteristics, and at the same time, the moisture in the solid electrolyte membrane is accompanied by proton transfer.
  • Patent Document 1 JP-A-50-25808
  • Patent Document 2 Special 2004-134134
  • the carbon paper has lower conductivity in the thickness direction than in the in-plane direction, and is mechanically rigid, but is relatively brittle and poor in elasticity, or in the surface direction. Problems such as inferiority have been pointed out.
  • the insertion of a porous layer that suppresses the diffusion of moisture may cause flooding (flooding) near the gas outlet at high loads, that is, under conditions where a large amount of moisture is generated. It is necessary to add a layer having a gradient characteristic that reduces the ability to suppress moisture diffusion in the flow direction.
  • the water concentration in the electrolyte membrane may change with the fluctuation of water production due to battery output fluctuation.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 50-25808
  • Patent Document 2 JP 2004-134134 A
  • the present invention provides a layer containing a hydrophilic material capable of holding a certain amount of moisture and moisture quickly in response to the demand for draining and holding moisture in a force sword electrode of a polymer electrolyte fuel cell. Absorbs into the oxidative gas stream that flows outside the fiber and transpirations! It efficiently drains moisture generated on the side of the force sword electrode and has a layer consisting essentially of moisture-vaporizable conductive fibers that have the function of tanning and diffusing, and moderately drains the solid electrolyte membrane.
  • a gas diffusion layer that can be retained and a fuel cell having the diffusion layer are provided. Such a gas diffusion layer and a fuel cell can be described as follows.
  • a gas diffusion layer for a fuel cell having a multilayer structure of a layer containing a hydrophilic material and a layer substantially made of moisture-vaporizable conductive fibers.
  • the fuel cell gas according to 2) which has a two-layer structure of a mixed layer containing a hydrophilic material and moisture-evaporating conductive fibers and a layer consisting of substantially high moisture-evaporating conductive fibers. Diffusion layer.
  • the ratio of the thickness of the mixed layer containing the hydrophilic material and the high moisture transpiration conductive fiber to the entire gas diffusion layer is 30% to 80%, 2) to 4) Gas diffusion layer for fuel cells.
  • a fuel cell comprising the gas diffusion layer according to any one of 1) to 5) sandwiched between a force sword catalyst layer and a separator.
  • FIG. 1 is a schematic view of an apparatus prepared for evaluating the performance of the gas diffusion layer of the present invention.
  • FIG. 2 shows the relationship between the amount of water supply in the gas diffusion layer of Example 1 and the moisture content inside the gas diffusion layer.
  • FIG. 3 shows the relationship between the amount of water supply in the gas diffusion layer of Example 2 and the moisture content inside the gas diffusion layer.
  • the hydrophilic material in the present invention refers to a granular or fibrous resin or inorganic substance, such as polyacryl-tolyl resin, carbon fiber, ceramics, quartz glass, etc. in a chemical oxidation treatment or in an electrolyte. It means a material that has been rendered hydrophilic by a method such as electrolytic acid treatment.
  • the term “hydrophilic” means the property and the degree that the material can be covered with a water film. Specifically, the contact angle between water and processed material is defined as 30 degrees or less.
  • the hydrophilic material thus cured has conductivity.
  • Examples thereof include PAN-based carbon fibers obtained by carbonizing a polyacrylonitrile precursor, and pitch-based carbon fibers obtained by carbonizing a pitch precursor. These have excellent conductivity.
  • “conductivity” for a hydrophilic material is defined as 10 ⁇ 1 ⁇ cm or less as the specific resistance value of the hydrophilic material. Preferred for hydrophilic materials, conductivity below 10_ 2 Omega cm, particularly preferred U, conductivity is below 10_ 3 Omega cm
  • the layer containing the hydrophilic material contains granular or fibrous resin or inorganic substance in the entire layer, so that a large number of particles penetrating between the particles or between the fibers are used. It is considered that gas diffusion to the catalyst layer is rapidly performed through the voids and that the water content of the electrolyte membrane is kept constant by equilibrium with the water retained on the surface of the hydrophilic material.
  • the present invention is not restricted to strong reasoning.
  • the moisture transpirationable conductive fiber in the present invention means a fiber developed so as to have a high moisture transpiration ability, typically a fiber having an atypical cross section and imparted conductivity.
  • fibers having an irregular cross section include JP 2000-282323 A, JP 2004-019046 A, JP 2003-301322 A, JP 10-280232 A, or JP 2002- The quick-drying fiber etc. which were indicated by the 146626 gazette etc. can be mentioned.
  • Such a fiber has an atypical or non-circular shape (for example, a star shape) in the cross section of the fiber. Therefore, the surface area of the fiber is larger than that of the columnar fiber. As a result, it has a property of absorbing water that is in contact with the fiber due to capillary force, and that the absorbed water is evaporated and diffused over a wide area on the fiber surface.
  • moisture transpiration in the present invention means the water absorbability and moisture diffusibility inherently retained by such a fiber. If this is expressed by appropriate numerical values, characteristics that can be 60 ° C, to absorb transpiration of water woven lcm 2 per 0. 012Ml within one minute in an atmosphere of a relative humidity of 10% is taken as the void ratio of 70% to 90% of the fabric fibers Can be understood as
  • such a moisture transpirationable fiber further imparted with conductivity is used.
  • a fiber with an unusual cross section made of polyacrylic nitrile or the like that can be converted into carbon fiber is produced by a dry spinning method, which is flame-resistant and carbonized according to the preparation method of PAN-based carbon fiber, Carbon fiber can be used.
  • the conductivity mentioned here can be defined as the specific resistance value of the fiber after being processed is 10 _1 ⁇ cm or less.
  • the gas diffusion layer of the present invention comprises a thin layer obtained by mixing the above-mentioned hydrophilic material and an appropriate binder such as polyvinyl alcohol and atta-tolyl-based short fibers, and a water-evaporating conductive property. It can be produced by adhering a thin layer obtained by mixing fibers and a suitable binder.
  • the bonding may be a pressure bonding.
  • the pressure bonding may be performed by applying a pressure of 10 to 30 kgZcm 2 which is a surface pressure at the time of assembly of a normal polymer electrolyte fuel cell.
  • the layer containing the hydrophilic material is a mixed layer containing a hydrophilic material and moisture-vaporizable conductive fibers.
  • the mixed layer containing the hydrophilic material and the water-evaporating conductive fibers is composed of a fibrous resin or an inorganic material such as polyacryl-tolyl-based resin, carbon fiber, ceramics, quartz glass, and the like. It can be prepared by mixing a transpirationable conductive fiber into a thin layer and imparting hydrophilicity by chemical oxidation treatment or electrolytic oxidation in an electrolyte. For example, carbon short fibers and polyacrylonitrile-based carbon fibers (moisture-conducting conductive fibers) are mixed together with a binder such as polyvinyl alcohol or acrylonitrile-based short fibers to make paper.
  • the surface of a thin layer dried and baked by the method can be prepared by oxidation treatment in a 60% nitric acid aqueous solution.
  • a binder such as Teflon (registered trademark) powder is added to a granular powder or inorganic substance such as carbon powder or acid zirconium powder, and the mixture is suspended and mixed with water. It can be produced by mixing transpirationable conductive fibers, drying and firing, and forming a thin film.
  • the gas diffusion layer of the present invention can be produced by laminating the mixed layer thus prepared and a layer substantially composed of moisture-evaporating conductive fibers.
  • the bonding may be a pressure bonding. Crimping should be performed with a pressure of 10 to 30 kgZ cm 2 , which is the surface pressure when assembling a normal polymer electrolyte fuel cell!
  • granular or fibrous resin or inorganic material such as carbon fiber short fibers and moisture-vaporizable conductive fibers are mixed with a binder to form a thin layer by a papermaking method. It is also possible to make a mixture of conductive short fibers and a binder by a papermaking method, and then dry and calcinate this to make it hydrophilic. By doing so, it is possible to dispose the water-vaporizable conductive fibers so as to penetrate the gas diffusion layer and to cut through the gas diffusion layer, thereby allowing the water diffusion in the gas diffusion layer to be performed more efficiently.
  • the gas diffusion layer thus prepared can be used as it is in the production of a fuel cell, replacing the conventional gas diffusion layer used in a fuel cell.
  • the force sword electrode is placed below the anode electrode so that water that also generates force sword electrode force easily penetrates into the gas diffusion layer by the action of gravity. It is preferable to arrange them.
  • the gas diffusion layer of the present invention is disposed so that the layer containing the hydrophilic material is in contact with the force sword electrode. At this time, the moisture transpiration can be further improved by projecting the moisture transpiration conductive fiber into the force sword side separator groove from the surface of the layer substantially composed of the moisture transpiration conductive fiber.
  • the water production rate of a force cathode catalyst layer of a fuel cell is proportional to the output, when change in the output density force ⁇ ⁇ 0. 8AZcm 2, 0 ⁇ 0. It is known that changes 006gZcm 2 Zmin ing.
  • the water is generated in the gas diffusion layer.
  • Moisture transpiration capacity of min production rate (0 ⁇ 0.006g / cmVmin) or more is required.
  • the gas diffusion layer of the present invention has a moisture transpiration capacity of 0.008 gZcm 2 Zmin by adopting the above-described configuration, so that the problem of flooding does not actually occur.
  • a large amount of fuel cell was generated during the high power reaction of the fuel cell and filled in the void of the layer containing the hydrophilic material. Excess water is absorbed into the water-vaporizable conductive fibers and quickly removed from the voids, and is evaporated into the oxidant gas flowing through the separator flow path. It is assumed that a diffusion path to the layer can be secured.
  • a quick-drying fiber (trade name Swift, thickness 0.5mm, width 10cm, length 10cm) made of a modified cross-section acrylic fiber manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd. was applied to the method of Ogawa et al. studies on tolyl system to increase productivity and functionality of carbon fibers "follow Heisei June 1995), 30 minutes after heating at a temperature of 270 ° C from 240 ° C under 50% oxygen atmosphere, further nitrogen The temperature was raised to 1300 ° C in a gas to form carbon fibers, and a thin layer of moisture transpiration fibers and conductive fibers was obtained.
  • the surface of the moisture-vaporizable conductive fiber was rendered hydrophilic by nitric acid oxidation according to the method of Fitzer et al. (Carbon, Vol. 18, pages 389-393, 1980).
  • Ja Pango ⁇ Tex Co. hydrophilic Kabonpeno (trade name CARBEL, thickness 0. 3 mm, horizontal 10 cm, vertical 10 cm) superposed, and pressed at a surface pressure of 10 to 30 kg / cm 2
  • a gas diffusion layer of the present invention was obtained.
  • a quick-drying fiber (trade name Swift) made of a modified cross-section acrylic fiber manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., Ogawa et al. (Hokkaido University degree thesis, "Research on productivity and functionality improvement of polyacrylonitrile carbon fiber” ”, June 1995), heated for 30 minutes at a temperature of 240 ° C to 270 ° C in a 50% oxygen atmosphere, and further heated to 1300 ° C in nitrogen gas to convert to carbon fiber. The fiber was cut to obtain short fibers of moisture-vaporizable conductive fibers having an average fiber length of 3 to 20 mm.
  • This short fiber and a carbon fiber having a circular cross section are mixed with a short fiber (average fiber length 3 to 20 mm) at a weight ratio of 1: 1, and further shortened.
  • a short fiber average fiber length 3 to 20 mm
  • For each 1 part by weight of the fiber mixture 0.3 part by weight of polybulualcohol was added and stirred in water at a concentration of 1% by weight and mixed homogeneously.
  • 0.24 g of a mixture comprising moisture-vaporizable conductive fibers, carbon fibers and a binder fiber is used to make a sheet of 10 cm in length, 10 cm in width, and 0.09 mm in thickness by a papermaking method.
  • This sheet is dried, pre-carbonized at 200 ° C to 800 ° C in an inert atmosphere, and further carbonized at 1500 ° C and 3000 ° C, followed by chemical oxidation with an aqueous solution containing 60 wt% nitric acid. (Boiled with 60% nitric acid for 5 hours) to hydrophilize the gas diffusion layer B (the ratio of the thickness of the mixed layer of hydrophilic material and moisture-vaporizable conductive fiber to the entire gas diffusion layer is 30%) Layer).
  • this sheet After drying this sheet, it was pre-carbonized at 200 ° C and 800 ° C in an inert atmosphere, and further carbonized at 1500 ° C to 3000 ° C, and then chemical oxidation with an aqueous solution containing 60 wt% nitric acid ( Boiled with 60% nitric acid for 5 hours to make it hydrophilic, and gas diffusion layer C (a gas with a ratio of the thickness of the mixed layer of hydrophilic material and water-vaporizable conductive fiber to the entire gas diffusion layer is 80%) Diffusion layer) was obtained.
  • an aqueous solution containing 60 wt% nitric acid Boiled with 60% nitric acid for 5 hours to make it hydrophilic
  • gas diffusion layer C a gas with a ratio of the thickness of the mixed layer of hydrophilic material and water-vaporizable conductive fiber to the entire gas diffusion layer is 80% Diffusion layer
  • a gas diffusion layer D (a gas diffusion layer, a comparative example in which only a mixed layer of a hydrophilic material and a water-vaporizable conductive fiber was used).
  • a moisture content evaluation apparatus schematically shown in Fig. 1 was prepared, and using this, a gas diffusion layer made of carbon paper subjected to conventional water-repellent treatment or hydrophilic treatment, and the present invention created in the examples were used.
  • the moisture content change in the layer was measured when the water supply was changed in response to the output of the fuel cell.
  • the moisture content evaluation apparatus in FIG. 1 includes a simulated anode tank having a water tank, a blower, and a heater.
  • the water tank is connected to the lower part of the anode tank via a constant flow pump.
  • the upper side surface of the anode tank has an open port, and the blower supplies an air flow passing through the open side of the anode tank in the lateral direction.
  • the anode tank has a repellent made of a polypropylene sintered filter plate manufactured by Filaen Co., Ltd. between the opening through which the air flow passes and the air flow passage and the water filled in the lower part of the anode tank. Separated by aqueous porous layer.
  • the operation of the present apparatus is as follows. That is, the water supplied to the lower part of the simulated anode tank by the constant flow pump is also heated to a temperature higher than the normal temperature (about 60 ° C) by the heater, so that the constant flow pump It is leached to the upper part of the same layer through the porous layer that separates the simulated anode tank, and is evaporated by the air flow heated to the same temperature as water. is there. Therefore, the porous layer surface is on the anode side catalyst layer surface of the fuel cell, the leaching water is the water generated on the anode side catalyst layer surface by the chemical reaction of the fuel cell, and the flow rate of the constant flow pump is proportional to the fuel cell output.
  • the amount of water generated in the anode side catalyst layer corresponds to the oxygen-containing gas flow in which the air flow is supplied to the force sword side catalyst layer.
  • the gas diffusion layer of the present invention produced in Example 1, a carbon-treated carbon paper (trade name CARBEL) manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., and a water-repellent carbon paper (both thickness 0.3 mm, length 10 cm) (10cm in width), each set on the porous layer of the device of 1), and the result of measuring the moisture content change in the diffusion layer when the water supply amount of the constant flow pump force was changed, Figure 2 shows. Since the gas diffusion layer of Example 1 uses the action of gravity for the permeation of the water generated in the anode side catalyst layer in the gas diffusion layer, the result of FIG. 2 shows the result of FIG. It was obtained in an experiment in which the tank was turned upside down.
  • the water content curve (dotted line and broken line) in the diffusion layer increases almost linearly due to an increase in the amount of water supplied as the battery output increases.
  • the inclination decreases when the treatment of the fiber surface of this carbon paper changes from water repellency (dotted line) to hydrophilicity (dashed line). This is because, in the case of hydrophilicity, a water film is formed on the surface of a fiber having a large surface area, so that the transpiration rate into the air stream is increased compared to the case of water-repellent fiber.
  • the water content in the gas diffusion layer is kept constant at a water supply amount of about 0.5 to 6.5 m (X 10 _2 g / min / cm 2 ).
  • X 10 _2 g / min / cm 2 the moisture transpirationable conductive fiber layer is on the outside of the hydrophilic conductive fiber layer, the moisture directly from the water film on the fiber surface in the hydrophilic conductive fiber layer into the air stream In order to suppress transpiration of water, the moisture content in the diffusion layer rapidly rises to a certain value even at low water supply.
  • the gas diffusion layer according to the present invention when used, the gas diffusion layer has a wide output range. It is possible to keep the moisture content of the liquid almost constant.
  • Example 2 Gas diffusion layers A to D produced in Example 2 and carbon paper (trade name CARBEL) manufactured by Japan Gore-Tex made hydrophilic by chemical oxidation treatment (comparative example (hydrophilic)) and repellent Prepare water-based carbon paper (comparative example (water repellency)) (all thickness 0.3 mm, length 10 cm, width 10 cm) and install them on the upper part of the porous layer of the device 1).
  • Fig. 2 shows the results of measuring the change in moisture content in the diffusion layer when the amount of water supply from the source changes.
  • the experimental conditions are a water temperature of 60 ° C and an air flow of 11.5 liters Zmin.
  • the hydrophilic carbon paper (comparative example (hydrophilic)) has a small amount of water supply! / In some cases, the water content is about 40%, and the hydrophilic material can retain water in the diffusion layer. Show. However, as the amount of water supply increases, the flatness is lower than that of water-repellent carbon paper. You can see that it causes ding.
  • the gas diffusion layers A to C all have better characteristics than the other comparative examples with respect to the flooding limit and the moisture content of the gas diffusion layer.
  • the ratio of the thickness of the mixed layer of the hydrophilic material and the water-vaporizable conductive fiber to the entire gas diffusion layer is preferably 30% or more. It can be said.
  • the ratio of the thickness of the mixed layer of hydrophilic material and moisture-evaporating conductive fibers to the entire gas diffusion layer is 80% or less. It can be said that it is preferable.
  • the gas diffusion layer of the present invention secures a diffusion path to the catalyst layer of the oxidant gas without being affected by fluctuations in the amount of water generated due to load fluctuations in the polymer electrolyte fuel cell. It becomes possible to control the moisture concentration in the membrane to a certain range.
  • the gas diffusion layer according to the present invention When the gas diffusion layer according to the present invention is used, it is possible to keep the moisture content in the gas diffusion layer almost constant over a wide output range.

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Abstract

　本発明は、親水性材料を含む層と実質的に水分蒸散性導電性繊維からなる層との多層構造を有する燃料電池用ガス拡散層に関する。また本発明は親水性材料と水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層と実質的に水分蒸散性導電性繊維からなる層の多層構造を有する燃料電池用ガス拡散層に関する。さらに本発明は上記ガス拡散層をカソード触媒層とセパレータで挟んでなる燃料電池に関する。 　本発明のガス拡散層は、固体高分子型燃料電池において、負荷変動による水生成量の変動に影響されずに、酸化剤ガスの触媒層への拡散経路を確保し、かつ電解質膜内の水分濃度を一定の範囲に制御することが可能となる。

Description

明 細 書
燃料電池用ガス拡散層
技術分野
[0001] 本発明は、電解質膜内の水分濃度を一定に保つことのできる、固体高分子型燃料 電池用ガス拡散層と、これを利用した燃料電池に関する。
背景技術
[0002] 近年、地球環境保護への高まりの中で、低排出物、高エネルギー効率で環境への 負担の低い発電装置である燃料電池が再び注目され、その開発に多大の努力がな されている。
[0003] 燃料電池は、用いる電解質の種類によって、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型 、固体電解質型、固体高分子型などに分類されている。これらのなかで、固体高分 子型燃料電池は、常温で利用可能であること、起動時間が短く高出力が得やすいこ と、出力密度が高いことなどの利点を有しており、比較的小規模の分散型発電施設、 例えば電気自動車用電源ある 、は家庭用電源などに向けて開発されて!ヽる。
[0004] 燃料電池の基本は、アノード電極と、力ソード電極と、アノードと力ソード間のイオン 伝導体となる電解質膜とを、セパレータで挟んだセルをユニットとして構成される。こ こで電極は、ガス拡散の促進と集 (給)電を行う電極基材 (集電体とも云う）と、実際に 電気化学反応場となる電極触媒層とから構成される。
[0005] 固体高分子型燃料電池の場合、溝付きセパレータの溝を経て、アノード側触媒層 に燃料 (水素ガス)を、力ソード側触媒層に酸化剤 (酸素含有ガス)をそれぞれ供給し て化学反応を生起させ、このとき膜電極体を介して発生する電子の流れを電気エネ ルギ一として外部に取出す仕組みになっている。
[0006] すなわち、アノード電極側では、燃料ガスが触媒表面で反応してプロトンと電子を 生じ電子は電極基材に伝導し、プロトンは電解質膜へと伝導するという反応が生じる 。一方、力ソード電極では、電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導 してきた電子とが、触媒層表面で酸ィ匕ガスと反応して水を生成する。
[0007] 以上の原理の下では、アノード電極には、ガス拡散性、電子電導性、イオン電導性 が良好であるという特性が必要となる力 力ソード電極では、力かる特性に加え、触媒 層で生成した水を効率よく排出しつつ、同時に固体電解質膜内の水分がプロトン移 動に随伴して力ソード側に排出されることで生じる膜内の水不足を補充するために、 適度の水分を保持する工夫が要求されることになる。電解質膜内のプロトンの移動に は、膜内部の水分を一定以上に保つ必要があるからである。
[0008] 力ソード電極側における水分の排出と保持という要求に対して、従来は、アノード側 へ供給される水素を加湿してアノード側から水分を補給する、ある 、は力ソード側に 供給される酸素含有ガスを加湿して、アノードへの水の逆拡散を利用する、などの方 法が採られていた。しかし、供給ガスへの加湿制御は、燃料電池それ自身を複雑に するため、電極内部での様々な工夫が試みられるようになった。
[0009] 例えば、力ソード電極に設けられるガス拡散層としてカーボンぺーパを用いる技術 が報告されている (特許文献 1 ·特開昭 50— 25808号公報)。また、疎水性物質を吸 着させた多孔質膜を触媒層とガス拡散層との間に挟み、触媒層からガス拡散層を通 じた酸化性ガス流への水分の伝達を抑制する方法も報告されて!ヽる (特許文献 2 ·特 開 2004— 134134号公報）。
[0010] しかし、カーボンぺーパは厚さ方向の導電性が面内方向の導電性よりも低ぐまた、 機械的には剛性が大きい反面、比較的脆ぐ弾性に乏しい、あるいは面方向の通気 性に劣るなどの問題が指摘されている。また、水分の拡散を抑制する多孔質層の挿 入は、高負荷時、すなわち多くの水分が発生する条件下では、ガス出口付近で水が あふれる（フラッデイング)可能性があり、そのため、ガスの流れ方向に水分拡散抑制 能力が減少するような傾斜特性を有する層の追加が必要となる。また、電池の出力 変動による水の生成量変動に伴って、電解質膜内の水分濃度の変動をきたす可能 性もある。
[0011] 以上から、発電負荷の変動による水の生成量の変化に影響されずに電解質膜中 の水分濃度を一定に保つ手段の開発が望まれていた。
[0012] 特許文献 1 :特開昭 50— 25808号公報
特許文献 2：特開 2004— 134134号公報
発明の開示 [0013] 本発明は、固体高分子型燃料電池の力ソード電極における水分の排出と保持とい う要求に対して、一定量の水分を保持することのできる親水性材料を含む層と水分を 速やかに吸収して繊維の外側を流れる酸化性ガス流中に蒸散な！/ヽし拡散させる機 能を有する水分蒸散性導電性繊維から実質的になる層とを有する、力ソード電極側 で生成される水分を効率的に排出し、かつ固体電解質膜の水分を適度に保持するこ とのできるガス拡散層ならびに該拡散層を有する燃料電池を提供するものである。こ の様なガス拡散層ならびに燃料電池は次の様に記載することができる。
[0014] 1)親水性材料を含む層と実質的に水分蒸散性導電性繊維からなる層との多層構造 を有する、燃料電池用ガス拡散層。
[0015] 2)親水性材料を含む層が親水性材料と水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層で ある、 1)に記載の燃料電池用ガス拡散層。
[0016] 3)親水性材料と水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層と実質的に高水分蒸散性 導電性繊維からなる層の 2層構造を有する、 2)に記載の燃料電池用ガス拡散層。
[0017] 4)親水性材料と高水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層と実質的に高水分蒸散 性導電性繊維からなる層とが圧着されてなる、 3)に記載の燃料電池用ガス拡散層。
[0018] 5)ガス拡散層全体に対する親水性材料と高水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層 の厚みの割合が 30%〜80%である、 2)〜4)の何れかに記載の燃料電池用ガス拡 散層。
[0019] 6) 1)〜5)の何れかに記載のガス拡散層を力ソード触媒層とセパレータで挟んでなる 燃料電池。
[0020] 7)親水性材料を含む層が力ソード触媒層に接触してなる、 6)に記載の燃料電池。
[0021] 8)ガス拡散層の水分蒸散速度の最大値が力ソード触媒層での最大水分生成速度以 上である、 6)または 7)に記載の燃料電池。
図面の簡単な説明
[0022] [図 1]図 1は、本発明のガス拡散層の性能を評価するために作成した装置の概略図 である。
[図 2]図 2は、実施例 1のガス拡散層における給水量とガス拡散層内部の含水率との 関係を表す。 [図 3]図 3は、実施例 2のガス拡散層における給水量とガス拡散層内部の含水率との 関係を表す。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 本発明における親水性材料とは、粒状のまたは繊維状の榭脂もしくは無機物、例え ばポリアクリル-トリル系榭脂、炭素繊維、セラミックス、石英ガラス等を、薬液酸化処 理あるいは電解質中での電解酸ィ匕等の方法によって親水性を付与したものを意味 する。ここで「親水性」とは材料が水膜で覆われることのできる性質ならびに程度を意 味する。具体的には水と加工された材料との間の接触角が 30度以下として定義され る。
[0024] また、この様にしてカ卩ェされた親水性材料は導電性を有することが特に好ましい。
例えばポリアクリロニトリルプリカーサ一を炭素化して得られる PAN系炭素繊維や、ピ ツチプリカーサ一を炭素化して得られるピッチ系炭素繊維などを挙げることができる。 これらは、優れた導電性を有している。ここで親水性材料についての「導電性」は、親 水性材料の比抵抗値として 10_1 Ω cm以下として定義される。親水性材料について の好ま 、導電性は 10_2 Ω cm以下、特に好ま U、導電性は 10_3 Ω cm以下である
[0025] 以下は推論であるが、本発明では、親水性材料を含む層は粒状あるいは繊維状の 榭脂もしくは無機物を層全体に含んでいることから、粒子間あるいは繊維間を貫通す る多数の空隙を通じて触媒層へガス拡散が速やかに行われるとともに、親水性材料 表面に保持される水分との平衡によって電解質膜の水分含有量が一定に保たれるも のと考えられる。ただし、本発明は力かる推論に何ら拘束されるものではない。
[0026] 本発明における水分蒸散性導電性繊維とは、高 ヽ水分蒸散能を有する様に開発さ れた繊維、典型的には異型断面を有する繊維に導電性を付与したものを意味する。 異型断面を有する繊維の例としては、特開 2000— 282323号公報、特開 2004— 0 19046号公報、特開 2003— 301322号公報、特開平 10— 280232号公報、あるい は特開 2002— 146626号公報などに開示された速乾性繊維などを挙げることがで きる。
[0027] この様な繊維は、繊維の横断面の形状が異型すなわち非円形 (例えば星型)を呈 するために、繊維の表面積が円柱状の繊維よりも大きい。その結果、毛細管力で繊 維に接する水分の吸収力が高ぐまた吸収した水分を繊維表面上の広い面積に蒸 散な 、し拡散する性質を有して 、る。
[0028] なお、本発明における「水分蒸散性」とはこの様な繊維が本来的に保持する水分の 吸収性ならびに水分拡散性を意味するものであるが、これを適当な数値で表せば、 繊維を空隙率 70%〜90%の織布としたときに 60°C、相対湿度 10%の雰囲気下で 織布 lcm2当たり 0. 012mlの水を 1分以内に吸収蒸散させることのできる特性として 理解することができる。
[0029] 本発明では、この様な水分蒸散性繊維に対してさらに導電性を付与したものを使 用する。例えば、炭素繊維化可能なポリアクリル二トリル等を素材とした異型断面を有 する繊維を乾式紡糸法で生成し、これを PAN系炭素繊維の調製法に準じて耐炎化 、炭素化を行い、炭素繊維化したものを利用することができる。ここにいう導電性は、 加工処理された後の繊維の比抵抗値が 10_1 Ω cm以下として定義することができる。 水分蒸散性導電性繊維についての好ましい導電性は 10_2 Ω cm以下、特に好まし V、導電性は 5 X 10—3 Ω cm以下である。
[0030] 本発明のガス拡散層は、上記の親水性材料と例えばポリビニルアルコールやアタリ 口-トリル系短繊維等の適当なバインダーとを混合して薄層としたものと、水分蒸散性 導電性繊維と適当なバインダーとを混合して薄層としたものとを貼り合わせて製造す ることができる。貼り合わせは圧着であってもよい。圧着は、通常の固体高分子型燃 料電池の組立時の面圧である 10〜30kgZcm2の圧力を加えて行えばよい。
[0031] また本発明のガス拡散層は、上記の親水性材料を含む層が、親水性材料と水分蒸 散性導電性繊維とを含む混合層であることが好ま 、。
[0032] 親水性材料と水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層は、繊維状の榭脂もしくは無 機物、例えばポリアクリル-トリル系榭脂、炭素繊維、セラミックス、石英ガラス等と水 分蒸散性導電性繊維とを混合して薄層としたものに、薬液酸化処理あるいは電解質 中で電解酸ィ匕して親水性を付与することで調製することができる。例えば炭素短繊維 とポリアクリロニトリル系炭素繊維 (水分蒸散性導電性繊維)の短繊維をポリビニルァ ルコールあるいはアクリロニトリル系の短繊維の様なバインダーと共に混合して抄紙 法で薄層にして乾燥 '焼成したものの表面を、 60%硝酸水溶液中で酸化処理して調 製することができる。
[0033] また、粒状の榭脂もしくは無機物、例えばカーボン粉末あるいは酸ィ匕ジルコニウム 粉末等の親水性粉末に、テフロン (登録商標)粉末などのバインダーを加えて水で懸 濁混合し、これに水分蒸散性導電性繊維を混合して乾燥'焼成し、薄膜化することで 製造することができる。
[0034] こうして調製した混合層と実質的に水分蒸散性導電性繊維からなる層とを貼り合わ せることで、本発明のガス拡散層を製造することができる。貼り合わせは圧着であって もよい。圧着は、通常の固体高分子型燃料電池の組立時の面圧である 10〜30kgZ cm2の圧力をカ卩えて行えばよ!/、。
[0035] あるいは、粒状あるいは繊維状の榭脂もしくは無機物例えば炭素繊維の短繊維と 水分蒸散性導電性繊維の短繊維とをバインダーを混ぜて抄紙法で薄層とし、この上 力もさらに水分蒸散性導電性繊維の短繊維をバインダーと混ぜたものを抄紙法で重 ねて作成し、これを乾燥'焼成したものを親水化してもよい。こうすることで、ガス拡散 層を貫通な 、し縦断するように水分蒸散性導電性繊維を配置させることができ、ガス 拡散層における水分の蒸散をより効率的に行わせることができる。
[0036] この様にして調製したガス拡散層は、燃料電池に使用する従来のガス拡散層に置 き換えて、そのまま燃料電池の製造に用いることができる。ガス拡散層を上記のように 2層の貼り合わせで作る場合、力ソード電極力も生じる水が重力の作用によってガス 拡散層に浸透し易くなるように、力ソード電極をアノード電極に対して下に配置するこ とが好ましい。また、本発明のガス拡散層は親水性材料を含む層が力ソード電極に 接触するように配置される。このとき、実質的に水分蒸散性導電性繊維からなる層の 表面から、水分蒸散性導電性繊維を力ソード側セパレータ溝に突出させることで、水 分蒸散性をより高めることもできる。
[0037] 一般に、燃料電池の力ソード触媒層での水分生成速度は出力に比例し、出力密度 力^〜 0. 8AZcm2に変化すると、 0〜0. 006gZcm2Zminと変化することが知られ ている。この反応の進行に伴って生成される水分を触媒層から吸い上げ、フラッディ ングを起こさせずに酸ィ匕性ガス流中に蒸散させるには、ガス拡散層において、この水 分生成速度 (0〜0. 006g/cmVmin)以上の水分蒸散能力が必要である。
[0038] 本発明のガス拡散層は前記の構成をとることによって 0. 008gZcm2Zminの水分 蒸散能力を有しており、事実上フラッデイングという問題は発生しない。以下の推論 に拘束されるものではないが、本発明のガス拡散層を使用した燃料電池では、燃料 電池の高出力反応の際に多量に発生して親水性材料を含む層の空隙に充満した余 剰の水分は、水分蒸散性導電性繊維に吸収されて速やかにその空隙から取り除か れ、セパレータ流路を流れる酸化剤ガス中に蒸散されることによって、高出力反応時 でも酸化剤ガスの触媒層への拡散経路を確保することができるものと推察される。
[0039] 以下、実施例をあげて本発明を詳述するが、本発明はその実施例に限定されて理 解されるべきものではな 、。
実施例 1
[0040] 三菱レーヨン社製の異形断面アクリル繊維からなる速乾性繊維 (商品名スイフト、厚 さ 0. 5mm、横 10cm、縦 10cm)を、尾川らの方法 (北海道大学学位論文、「ポリアク リロ-トリル系炭素繊維の生産性と機能性の向上に関する研究」、平成 7年 6月）に従 い、 50%の酸素雰囲気下で 240°Cから 270°Cの温度で 30分加熱後、さらに窒素ガ ス中で 1300°Cまで昇温して炭素繊維化し、水分蒸散性繊維導電性繊維の薄層を得 た。次に、この水分蒸散性導電性繊維の表面を、 Fitzerらの方法 (Carbon,第 18卷、 第 389— 393頁、 1980年）に従って硝酸酸化処理して親水性にした。これに、ジャ パンゴァテックス社製の親水性カーボンぺーノ （商品名 CARBEL、厚さ 0. 3mm、横 10cm,縦 10cm)を重ね合わせ、 10〜30kg/cm2の面圧で圧着して、本発明のガス 拡散層を得た。
実施例 2
[0041] 三菱レーヨン社製の異形断面アクリル繊維からなる速乾性繊維 (商品名スイフト)を 、尾川らの方法 (北海道大学学位論文、「ポリアクリロニトリル系炭素繊維の生産性と 機能性の向上に関する研究」、平成 7年 6月）に従い、 50%の酸素雰囲気下で 240 °Cから 270°Cの温度で 30分加熱後、さらに窒素ガス中で 1300°Cまで昇温して炭素 繊維化し、これを切断して平均繊維長 3〜20mmの水分蒸散性導電性繊維の短繊 維を得た。 [0042] この短繊維と円形断面の炭素繊維（直径 3 μ m〜20 μ m)を短繊維（平均繊維長さ 3から 20mm)としたものとを重量比 1： 1で混合し、さらに短繊維混合物 1重量部当た り 0. 3重量部のポリビュルアルコールをカ卩え、 1重量％の濃度で水中で攪拌して均質 に混合した。
[0043] この水分蒸散性導電性繊維、炭素繊維ならびにバインダーカゝらなる混合物 0. 16g をとつて抄紙法で縦 10cm X横 10cm X厚み 0. 06mmのシート状にし、この上に水 分蒸散性導電性繊維の短繊維とポリビュルアルコールとの混合物（重量比 1 : 1) 0. 6 4gを抄き重ねて、最終的に厚み 0. 3mmのシートへと成形した。このシートを乾燥後 、不活性雰囲気下で 200°Cから 800°Cで予備炭化を、さらに 1500°C力ら 3000°Cで 炭化を行った後、 60重量％硝酸を含む水溶液で薬液酸化処理 (60%硝酸で 5時間 煮沸)を行って親水化し、ガス拡散層 A (ガス拡散層全体に対する親水性材料と水分 蒸散性導電性繊維との混合層の厚みの割合が 20%であるガス拡散層）を得た。
[0044] また、水分蒸散性導電性繊維、炭素繊維ならびにバインダーカゝらなる混合物 0. 24 gをとつて抄紙法で縦 10cm X横 10cm X厚み 0. 09mmのシート状にし、この上に水 分蒸散性導電性繊維の短繊維とポリビュルアルコールとの混合物（重量比 1 : 1) 0. 5 6gを抄き重ねて、最終的に厚み 0. 3mmのシートへと成形した。このシートを乾燥後 、不活性雰囲気下で 200°Cから 800°Cで予備炭化を、さらに 1500°C力ら 3000°Cで 炭化を行った後、 60重量％硝酸を含む水溶液で薬液酸化処理 (60%硝酸で 5時間 煮沸)を行って親水化し、ガス拡散層 B (ガス拡散層全体に対する親水性材料と水分 蒸散性導電性繊維との混合層の厚みの割合が 30%であるガス拡散層）を得た。
[0045] さらに、水分蒸散性導電性繊維、炭素繊維ならびにバインダーカゝらなる混合物 0. 6 4gをとつて抄紙法で縦 10cm X横 10cm X厚み 0. 24mmのシート状にし、この上に 水分蒸散性導電性繊維の短繊維とポリビュルアルコールとの混合物（重量比 1： 1) 0 . 16gを抄き重ねて、最終的に厚み 0. 3mmのシートへと成形した。このシートを乾燥 後、不活性雰囲気下で 200°C力も 800°Cで予備炭化を、さらに 1500°Cから 3000°C で炭化を行った後、 60重量％硝酸を含む水溶液で薬液酸化処理 (60%硝酸で 5時 間煮沸)を行って親水化し、ガス拡散層 C (ガス拡散層全体に対する親水性材料と水 分蒸散性導電性繊維との混合層の厚みの割合が 80%であるガス拡散層）を得た。 [0046] さらに水分蒸散性導電性繊維、炭素繊維ならびにバインダーカゝらなる混合物 0. 8g をとつて抄紙法で縦 10cm X横 10cm X厚み 0. 3mmのシート状にし、このシートを 乾燥後、不活性雰囲気下で 200°C力も 800°Cで予備炭化を、さらに 1500°Cから 30 00°Cで炭化を行った後、 60重量％硝酸を含む水溶液で薬液酸化処理 (60%硝酸 で 5時間煮沸)を行って親水化し、ガス拡散層 D (親水性材料と水分蒸散性導電性繊 維との混合層のみ力もなるガス拡散層、比較例）を得た。
[0047] <試験例>
1)含水率評価装置
図 1に概略を示す含水率評価装置を作成し、これを用いて、従来の撥水性処理あ るいは親水性処理を施したカーボンぺーパによるガス拡散層と、実施例で作成した 本発明のガス拡散層にお ヽて、燃料電池の出力に対応して水分供給量が変化した ときの層内の含水率変化を測定した。
[0048] 図 1の含水率評価装置は、水タンク、送風機ならびに加熱ヒータを有する模擬陽極 槽カゝら構成される。水タンクは定流量ポンプを介して該陽極槽の下部に接続される。 また、該陽極槽の上部側面は開放口を有しており、送風機は、該陽極槽の開放口を 通って同槽内を横方向に通り抜ける空気流を供給する。さらに、該陽極槽は、前記 空気流が通り抜ける開放口ならびに空気流通路と、陽極槽下部に充満している水と の間は、フィルタレン (株)製のポリプロピレン焼結フィルタ板でできた撥水性多孔質 層によって区分される。
[0049] 本装置の作用は次の通りである。すなわち、水タンクカも定流量ポンプによって模 擬陽極槽の下部に供給される水は、加熱ヒータによって通常の燃料電池と同じく常 温より高い温度（60°C程度）に加温され、定流量ポンプの圧力によって、模擬陽極槽 を区分する多孔質層を通って同層の上部に浸出し、さらに該層の上部を通り抜ける、 水と同じ温度に加熱された空気流により蒸散される、というものである。従って、多孔 質層表面が燃料電池の陽極側触媒層表面に、浸出する水が燃料電池の化学反応 によって陽極側触媒層表面で発生する水に、定流量ポンプの流量が燃料電池出力 に比例した陽極側触媒層で発生する水分発生量に、空気流が力ソード側触媒層に 供給される酸素含有ガス流に、それぞれ相当するものとなる。 [0050] 本装置では、この多孔質層の上に試験対象となるガス拡散層を設置することで、多 孔質層の上部表面に浸出する水の該拡散層による排水効率を測定するものである。 排水効率はガス拡散層内部の含水率を、質量の測定により求める。
[0051] 2)実施例 1で製造したガス拡散層に関する測定結果
実施例 1で製造した本発明のガス拡散層、ジャパンゴァテックス社製の親水性処理 されたカーボンぺーノ （商品名 CARBEL)ならびに撥水製カーボンぺーパ（いずれも 厚み 0. 3mm、縦 10cm、横 10cm)を用意して、それぞれを 1)の装置の多孔質層上 部に設置し、定流量ポンプ力 の水分供給量変化時の拡散層内の含水率変化を測 定した結果を、図 2に示す。なお、この実施例 1のガス拡散層は、陽極側触媒層で発 生した水のガス拡散層内での浸透に重力の作用を利用しているので、図 2の結果は 、図 1の水タンクを上下逆にした実験で求めたものである。
[0052] 従来のカーボンぺーパのみのガス拡散層の場合は、電池出力の増加に伴う給水 量の増加により、拡散層内の含水率曲線 (点線と破線）はほぼ直線的に増加している 。またその傾きはこのカーボンぺーパの繊維表面の処理が撥水性 (点線)から親水性 (破線)になると減少していることがわかる。これは、親水性の場合、大きな表面積を有 する繊維表面に水膜が作られるため、撥水性繊維の場合に比べ、空気流への蒸散 速度が増加するためである。
[0053] 一方、本発明（実線）では、約 0. 5〜6. 5m ( X 10_2g/min/cm2)の給水量におい て、ガス拡散層中の含水量は一定に保たれていることが分かる。その一方で、水分 蒸散性導電性繊維層が、親水性導電性繊維層の外側に乗っているため、親水性導 電性繊維層中の繊維表面の水膜から空気流中への直接の水分の蒸散が抑制される ために、低 、給水量でも拡散層内の含水率が一定の値まで急上昇して 、る。
[0054] 親水性導電性繊維層の繊維間隙に溜まる自由水は、水分蒸散性導電性繊維層に 吸収され、空気中に蒸散されるので、水分蒸散性導電性繊維層による水分吸収と蒸 散作用の限界給水量に達するまでは、多孔質層表面すなわち陽極側触媒表面と親 水性導電性繊維層の空隙にはほとんど水分がたまらず、同時に拡散層内の含水率 は、図の実験結果のようにほぼ一定の値に保たれる。
[0055] 即ち、本発明によるガス拡散層を用いると、広い出力範囲にわたってガス拡散層内 の含水率を、ほぼ一定に保持することが可能となる。また本発明のガス拡散層は、給 水量 (=蒸発量)に関わらず同層内の含水率を一定に保つことにより、これに接する 陽極触媒層表面ならびに電解質膜中の水分も一定に保つことができる。
[0056] また、従来のカーボンぺーパでは、ガス拡散層からの水分蒸散が激 、酸化ガス 供給部付近と、蒸散が少ないガス排出部付近との間の水分蒸散量の差異を解消す るために、供給部付近のカーボンぺーパの撥水性を強めると同時にガス排出部付近 の親水性を強めることで、ガス拡散層の含水率を面内で一様にすることが必要である 1S 本発明では力かる処理を必要とせず、拡散層の面内の含水率分布を一様に保 つことができる。
[0057] また、この様にカーボンぺーパの撥水製/親水性に分布をつけることによって、含 水率の一様ィ匕をは力つても、電流出力変化に伴う含水率変化を抑えることはできな いが、本手法では、出力変化に伴う含水率も抑えることが可能となる。
[0058] 3)実施例 2で製造したガス拡散層に関する測定結果
実施例 2で製造したガス拡散層 A〜D、ジャパンゴァテックス社製のカーボンぺー パ（商品名 CARBEL)を薬液酸化処理により親水化 (比較例 (親水性) )したもの、な らびに撥水性カーボンぺーパ（比較例 (撥水性)）（いずれも厚み 0. 3mm,縦 10cm 、横 10cm)を用意して、それぞれを 1)の装置の多孔質層上部に設置し、定流量ボン プからの水分供給量変化時の拡散層内の含水率変化を測定した結果を、図 2に示 す。実験条件は、水温 60°C、空気流量 11.5リットル Zminである。
[0059] 従来のカーボンぺーパのみのガス拡散層では、撥水性の場合 (比較例 (撥水性) ) は、電池出力の増加に伴い給水量が 0. 005g/cmVmin(0. 7AZcm2の電流密 度に相当）以上に増加すると、拡散層内の含水率曲線はほぼ 0に近い値力 急激に 増加することがわかる。これにより、撥水性のカーボンぺーパでは、フラッデイング前 のカーボンぺーパ内の水分は非常に少なぐまた、給水量が 0. 005g/cmVmin を超えるとフラッデイングを起こすことがわかる。
[0060] また、親水性のカーボンぺーパ（比較例 (親水性) )では、給水量が少な!/、場合には 40%程度の含水率を示し、親水性材料による拡散層内の保水を示している。しかし ながら、給水量を増やしていくと、撥水性のカーボンぺーパに比べて低い値でフラッ デイングを起こすことがわかる。
[0061] 一方、ガス拡散層 A〜Cについては、いずれもフラッデイング限界ならびにガス拡散 層の含水率について他の比較例より良好な特性を保持していることがわかる。ただし 、親水性材料による保水性に着目した場合には、ガス拡散層全体に対する親水性材 料と水分蒸散性導電性繊維との混合層の厚さの割合は 30%以上であることが好まし いということができる。また、水分蒸散性導電性繊維によるフラッデイング限界特性の 観点に着目した場合には、ガス拡散層全体に対する親水性材料と水分蒸散性導電 性繊維との混合層の厚さの割合は 80%以下であることが好ましいということができる。 産業上の利用可能性
[0062] 本発明のガス拡散層は、固体高分子型燃料電池において、負荷変動による水生 成量の変動に影響されずに、酸化剤ガスの触媒層への拡散経路を確保し、かつ電 解質膜内の水分濃度を一定の範囲に制御することが可能となる。
[0063] 本発明によるガス拡散層を用いると、広い出力範囲にわたってガス拡散層内の含 水率をほぼ一定に保持することが可能である。また本発明のガス拡散層は、給水量（ =蒸発量）に関わらず同層内の含水率を一定に保つことにより、これに接する陽極触 媒層表面ならびに電解質腹中の水分も一定に保つことができる。
[0064] また、従来のカーボンぺーパでは、ガス拡散層からの水分蒸散が激 、酸化ガス 供給部付近と、蒸散が少ないガス排出部付近との間の水分蒸散量の差異を解消す るために、供給部付近のカーボンぺーパの撥水性を強めると同時にガス排出部付近 の親水性を強めることで、ガス拡散層の含水率を面内で一様にすることが必要である 1S 本発明では力かる処理を必要とせず、拡散層の面内の含水率分布を一様に保 つことができる。また、本発明では、出力変化に伴う含水率の変動も抑えることが可能 となる。

Claims

請求の範囲
[1] 親水性材料を含む層と実質的に水分蒸散性導電性繊維からなる層との多層構造を 有する、燃料電池用ガス拡散層。
[2] 親水性材料を含む層が親水性材料と水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層である
、請求項 1に記載の燃料電池用ガス拡散層。
[3] 親水性材料と水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層と実質的に高水分蒸散性導電 性繊維力もなる層の 2層構造を有する、請求項 2に記載の燃料電池用ガス拡散層。
[4] 親水性材料と高水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層と実質的に高水分蒸散性導 電性繊維からなる層とが圧着されてなる、請求項 3に記載の燃料電池用ガス拡散層
[5] ガス拡散層全体に対する親水性材料と高水分蒸散性導電性繊維とを含む混合層の 厚みの割合が 30%〜80%である、請求項 2〜4の何れかに記載の燃料電池用ガス 拡散層。
[6] 請求項 1〜5の何れかに記載のガス拡散層を力ソード触媒層とセパレータで挟んでな る燃料電池。
[7] 親水性材料を含む層が力ソード触媒層に接触してなる、請求項 6に記載の燃料電池
[8] ガス拡散層の水分蒸散速度の最大値が力ソード触媒層での最大水分生成速度以上 である、請求項 6または 7に記載の燃料電池。
PCT/JP2005/017481 2004-09-22 2005-09-22 燃料電池用ガス拡散層 WO2006033390A1 (ja)

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