JPH11339827A - Solid polymer fuel cell - Google Patents
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- JPH11339827A JPH11339827A JP10147128A JP14712898A JPH11339827A JP H11339827 A JPH11339827 A JP H11339827A JP 10147128 A JP10147128 A JP 10147128A JP 14712898 A JP14712898 A JP 14712898A JP H11339827 A JPH11339827 A JP H11339827A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内電源システム等に使用可能な
常温作動型の固体高分子型燃料電池に係わり、特に単電
池を構成するセパレータに設けられるガス流路溝の構成
に関する。The present invention relates to a portable power supply,
The present invention relates to a room temperature operation type polymer electrolyte fuel cell that can be used for a power supply for an electric vehicle, a home power supply system, and the like, and particularly relates to a configuration of a gas channel groove provided in a separator constituting a unit cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】常温作動型の固体高分子型燃料電池は、
水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスを電気化学
的に反応させ、電気と熱を同時に供給するものである。2. Description of the Related Art Room temperature operation type polymer electrolyte fuel cells are
In this method, a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as oxygen are electrochemically reacted to simultaneously supply electricity and heat.
【０００３】スルホン基を有するフッ素樹脂からなる高
分子電解質膜の両面には、白金系の金属触媒を担持した
カーボン粉末を主成分とする触媒層を密着して形成す
る。さらに触媒層の外面には、ガス通気性と導電性を兼
ね備えた一対の電極層が密着して形成する。電極層の外
側には、これらの電極層および電解質の接合体を機械的
に固定するとともに、隣接する接合体を互いに電気的に
直列に接続するための導電性のセパレータを配する。セ
パレータの表面には、電極層にガスを供給するためのガ
ス供給流路溝、および電極層からガスを排出するための
ガス排出流路溝を形成する。ガス流路溝には、４フッ化
エチレン６フッ化プロピレンの共重合体を４００℃で焼
成する撥水処理を施すことにより、撥水層を設ける。こ
れにより、電池基本単位が構成される。On both surfaces of a polymer electrolyte membrane made of a fluororesin having a sulfone group, a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is formed in close contact. Further, on the outer surface of the catalyst layer, a pair of electrode layers having both gas permeability and conductivity are formed in close contact. Outside the electrode layer, a conductive separator for mechanically fixing the joined body of the electrode layer and the electrolyte and electrically connecting adjacent joined bodies to each other in series is arranged. A gas supply channel groove for supplying gas to the electrode layer and a gas exhaust channel groove for discharging gas from the electrode layer are formed on the surface of the separator. A water-repellent layer is provided in the gas channel groove by performing a water-repellent treatment of baking the copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene at 400 ° C. Thereby, a battery basic unit is configured.
【０００４】一対の電極層のうち、一方には水素などの
燃料ガスが供給され、他方には酸化剤ガスが供給され
る。燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスに酸素を用いた
場合、外部より供給された水素ガスは、水素ガス供給側
の電極、すなわちアノード表面を通過中に電極層に取り
込まれ、電極層内部を拡散しながら触媒層に到達する。
触媒層の内部の高分子電解質が存在する領域に水素ガス
が達すると、高分子電解質と水素ガスの間で電気化学反
応が生起され、水素ガスがイオンとなって高分子電解質
膜の内部に取り込まれる。A fuel gas such as hydrogen is supplied to one of the pair of electrode layers, and an oxidizing gas is supplied to the other. When hydrogen is used as the fuel gas and oxygen is used as the oxidizing gas, the hydrogen gas supplied from the outside is taken into the electrode layer while passing through the electrode on the hydrogen gas supply side, that is, the anode surface, and diffuses inside the electrode layer. While reaching the catalyst layer.
When hydrogen gas reaches the area where the polymer electrolyte is present inside the catalyst layer, an electrochemical reaction occurs between the polymer electrolyte and the hydrogen gas, and the hydrogen gas becomes ions and is taken into the polymer electrolyte membrane. It is.
【０００５】一方、酸素ガス供給側の電極、すなわちカ
ソード側でも同様に酸素ガスはカソード表面を通過中に
電極層に取り込まれ、電極層の内部を拡散しながらカソ
ード側の触媒層に到達する。カソード側の触媒層に達し
た酸素ガスは、電解質膜を通ってアノード側から供給さ
れた水素イオンと反応して水蒸気となる。このとき、電
子は外部負荷を通ってアノードからカソードへ移動す
る。この電子の移動を電力として用いるものである。ま
た、このような水素と酸素の電気化学的反応では熱が生
じることから、電池内部に冷却水を循環させることによ
り、電池の温度上昇を抑制するとともに、熱エネルギー
源としても利用している。On the other hand, the oxygen gas is also taken into the electrode layer while passing through the cathode surface on the electrode on the oxygen gas supply side, that is, on the cathode side, and reaches the catalyst layer on the cathode side while diffusing inside the electrode layer. The oxygen gas that has reached the catalyst layer on the cathode side reacts with hydrogen ions supplied from the anode side through the electrolyte membrane to become water vapor. At this time, electrons move from the anode to the cathode through an external load. The movement of the electrons is used as electric power. Further, since heat is generated in such an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, cooling water is circulated inside the battery to suppress a rise in the temperature of the battery and to be used as a heat energy source.
【０００６】固体高分子型燃料電池では、電解質である
イオン交換膜が含水状態でないとイオン伝導性を示さな
いため、反応ガスはセル温度よりも高い温度で加湿する
必要がある。その結果、水蒸気によって反応ガスの濃度
が低下し、高出力を可能にするためには電極ならびに電
極触媒層内部の反応サイトへの多量のガス供給、すなわ
ちガス供給能の向上が必要となる。In a polymer electrolyte fuel cell, the reaction gas must be humidified at a temperature higher than the cell temperature because the ion exchange membrane as an electrolyte does not exhibit ionic conductivity unless it is in a water-containing state. As a result, the concentration of the reaction gas is reduced by the steam, and a large amount of gas needs to be supplied to the electrode and the reaction site inside the electrode catalyst layer, that is, the gas supply ability needs to be improved in order to enable high output.
【０００７】電極へのガス供給能を向上させるために
は、電池の構造材料であるセパレータが重要となる。セ
パレータは集電体であると同時に、電極平面に対して反
応ガスを均一に供給し、かつ余剰の加湿水と生成水を速
やかに排出する機能を有さなければならない。そのため
セパレータは撥水性および導電性を有する多孔質の材料
であることが望ましい。In order to improve the ability to supply gas to the electrodes, a separator, which is a structural material of a battery, is important. At the same time as the current collector, the separator must have a function of uniformly supplying a reaction gas to the electrode plane and a function of rapidly discharging excess humidification water and generated water. Therefore, the separator is preferably a porous material having water repellency and conductivity.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら多孔質の
セパレータは、ガス流量を上げた時やガス流路溝が狭い
時など、電池の運転条件や構造条件によっては、ガス圧
力が上がり、ガスがリークして、電池性能の低下を招い
ていた。さらに甚だしい時は、水素と酸素が混合し、爆
発の危険性の有る状況に陥ることもしばしばあった。そ
こで特開平９−５５２１４のように低粘度のビスマレイ
ミド・トリアジン化合物を含浸、低温焼成、または、低
粘度のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シアノアクリレー
トのいずれかを含浸、常温硬化して、ガス不透過性にす
ると、多孔質セパレータと比較してガスのリークは防止
される。しかし上記のような樹脂は、耐熱性が低く、ガ
ス流路溝に撥水処理を施せなくなるため水による目詰ま
りが起こり、ガス供給能が低下するという欠点を有して
いた。However, the porous separator increases the gas pressure depending on the operating and structural conditions of the battery, such as when the gas flow rate is increased or when the gas flow channel is narrow. As a result, the battery performance was reduced. In even more extreme cases, hydrogen and oxygen mix, often leading to explosive hazards. Therefore, impregnated with a low-viscosity bismaleimide / triazine compound as in JP-A-9-55214, fired at low temperature, or impregnated with a low-viscosity epoxy resin, acrylic resin, or cyanoacrylate, and cured at room temperature to be gas-impermeable. In this case, gas leakage is prevented as compared with the porous separator. However, the above-mentioned resin has a disadvantage that heat resistance is low and water repellent treatment cannot be performed on the gas flow channel groove, so that the resin is clogged with water and the gas supply ability is reduced.
【０００９】本発明は、以上の問題点を解決し、高い撥
水性を有する、樹脂含浸セパレータを用いることによ
り、より高性能で安全性の高い固体高分子型燃料電池を
提供することを目的とする。An object of the present invention is to solve the above problems and provide a polymer electrolyte fuel cell having higher performance and higher safety by using a resin-impregnated separator having high water repellency. I do.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、水素イオン伝導性の高分子電解質膜と前記
高分子電解質膜の両面に配した触媒反応層を有する電極
層とからなる電極接合体と、前記電極層に燃料ガスを供
給排出するための供給排出流路溝を備えた導電性のセパ
レータとを積層した固体高分子型燃料電池において、前
記セパレータは不飽和結合を有する炭素材料を有してな
り、前記供給排出流路溝に前記不飽和結合と化学結合し
た撥水層を備えたことを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and an electrode layer having a catalytic reaction layer disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane. In a polymer electrolyte fuel cell in which an electrode assembly and a conductive separator having a supply / discharge channel groove for supplying / discharging a fuel gas to / from the electrode layer are laminated, the separator has carbon having an unsaturated bond. And a water-repellent layer chemically bonded to the unsaturated bond in the supply / discharge flow channel.
【００１１】このとき、撥水層は、シランカップリング
剤により形成したことが望ましい。また、本発明は、水
素イオン伝導性の高分子電解質膜と前記高分子電解質膜
の両面に配した触媒反応層を有する電極層とからなる電
極接合体と、前記電極層に燃料ガスを供給排出するため
の供給排出流路溝を備えた導電性のセパレータとを積層
した固体高分子型燃料電池において、前記セパレータの
供給排出流路溝にシランカップリング剤を有する撥水層
を備えたことを特徴とする。At this time, it is desirable that the water-repellent layer is formed of a silane coupling agent. The present invention also provides an electrode assembly comprising a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and an electrode layer having a catalytic reaction layer disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, and supplying and discharging fuel gas to the electrode layer. In a polymer electrolyte fuel cell in which a conductive separator having a supply / discharge flow channel for laminating is provided, a water-repellent layer having a silane coupling agent is provided in the supply / discharge flow channel of the separator. Features.
【００１２】以上の構成において、撥水層が、フッ素樹
脂、ポリプロピレン、およびナイロンよりなる群から選
択される少なくとも一種を含むことが望ましい。In the above structure, it is desirable that the water-repellent layer contains at least one selected from the group consisting of a fluororesin, polypropylene and nylon.
【００１３】このとき、シランカップリング剤が、アル
コキシシラン系界面活性剤であることが望ましい。さら
に、アルコキシシラン系界面活性剤が、フツ化炭素基を
含むことが望ましい。At this time, it is desirable that the silane coupling agent is an alkoxysilane-based surfactant. Further, it is desirable that the alkoxysilane-based surfactant contains a fluorinated carbon group.
【００１４】また、フツ化炭素基を含むアルコキシシラ
ン系界面活性剤が、（化３）または（化４）で表される
化合物を含有することが望ましい。Further, it is desirable that the alkoxysilane-based surfactant containing a fluorinated carbon group contains a compound represented by the following formula (3) or (4).
【００１５】[0015]
【化３】 Embedded image
【００１６】[0016]
【化４】 Embedded image
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】本発明は、水素イオン伝導性の高
分子電解質膜と前記高分子電解質膜の両面に配した触媒
反応層を有する電極層とからなる電極接合体と、前記電
極層に燃料ガスを供給排出するための供給排出流路溝を
備えた導電性のセパレータとを積層した固体高分子型燃
料電池において、ガス流路溝に長期信頼性を有する撥水
層を設けるものである。ガス流路溝に撥水層を設ける目
的は、固体高分子型燃料電池の駆動時に発生する水分
を、効率よく排出するためである。ガス流路溝に撥水層
設けないと、電極層から出てきた水分により、ガス流路
溝が目詰まりを起こし、燃料の供給排出が阻害されるこ
とがある。また、セパレータは、樹脂を含浸しガス透過
性を抑えたカーボン材料で作製するのが一般的である。
これは、高温での酸化雰囲気に対して、長期に渡り安定
性とガス密閉性を維持しなければならないことによる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides an electrode assembly comprising a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and an electrode layer having a catalytic reaction layer disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane; In a polymer electrolyte fuel cell in which a conductive separator having a supply / discharge channel groove for supplying and discharging a fuel gas is laminated, a water-repellent layer having long-term reliability is provided in the gas channel groove. . The purpose of providing the water-repellent layer in the gas flow channel is to efficiently discharge moisture generated when the polymer electrolyte fuel cell is driven. If the water repellent layer is not provided in the gas flow channel, the gas flow channel may be clogged by the moisture coming out of the electrode layer, and the supply and discharge of the fuel may be hindered. The separator is generally made of a carbon material impregnated with a resin to suppress gas permeability.
This is because stability and gas tightness must be maintained over a long period of time in an oxidizing atmosphere at a high temperature.
【００１８】従来、上記のようなセパレータのガス流路
溝の撥水剤には、４フッ化エチレン６フッ化プロピレン
の共重合体を用い、４００℃で焼成していた。しかし、
固体高分子型燃料電池を長期間に渡り使用すると、ガス
流路溝に設置した撥水剤が次第に取れていき、次第に、
燃料の供給排出効率が低下する。Conventionally, a copolymer of tetrafluoroethylene hexafluoride and propylene was used as the water repellent for the gas flow channel of the separator as described above, and was fired at 400.degree. But,
When the polymer electrolyte fuel cell is used for a long time, the water repellent installed in the gas flow channel gradually comes off,
Fuel supply and discharge efficiency decreases.
【００１９】このような課題を解決するため、本発明の
第１の形態は、不飽和結合を有する炭素材料で固体高分
子型燃料電池のセパレーターのガス流路溝を作製し、ガ
ス流路溝の表面にこの不飽和結合と化学結合した撥水層
を形成する。このとき、セパレーターは従来の通り、グ
ラッシーカーボン等の飽和炭素で作製し、ガス流路溝の
表面部分に不飽和結合を有する炭素材料層を形成するこ
ともできる。In order to solve such problems, a first aspect of the present invention is to form a gas flow groove of a separator of a polymer electrolyte fuel cell using a carbon material having an unsaturated bond, To form a water-repellent layer chemically bonded to the unsaturated bond. At this time, the separator may be made of a saturated carbon such as glassy carbon as in the related art, and a carbon material layer having an unsaturated bond may be formed on the surface of the gas flow channel groove.
【００２０】また、本発明の第２の形態は、固体高分子
型燃料電池のセパレーターのガス流路溝に、シランカッ
プリング剤を用いた撥水層を形成する。この方法による
と、樹脂含浸セパレータでもガス流路溝に撥水処理を施
すことができる。In a second embodiment of the present invention, a water-repellent layer using a silane coupling agent is formed in a gas flow channel of a separator of a polymer electrolyte fuel cell. According to this method, a water-repellent treatment can be applied to the gas flow channel even with the resin-impregnated separator.
【００２１】本発明の固体高分子型燃料電池の好ましい
態様において、シランカップリング剤がフッ化炭素基を
含むアルコキシシラン系界面活性剤であると、形成され
た被膜の撥水性を向上できる。特に、ＣＦ3−（ＣＦ2）
7−（ＣＨ2）2−Ｓｉ（ＯＣＨ3）3を用いると、高密度
な化学吸着層を形成できる。In a preferred embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, when the silane coupling agent is an alkoxysilane-based surfactant containing a fluorocarbon group, the water repellency of the formed film can be improved. In particular, CF 3- (CF 2 )
When 7- (CH 2 ) 2 —Si (OCH 3 ) 3 is used, a high-density chemical adsorption layer can be formed.
【００２２】このようにして作製した撥水層は、セパレ
ータ板との結合力が極めて高く、長期に渡って高い信頼
性を維持することが出来る。The water-repellent layer thus produced has an extremely high bonding force with the separator plate, and can maintain high reliability for a long period of time.
【００２３】[0023]
【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００２４】（実施例１）粒径が数ミクロン以下のカー
ボン粉末を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によっ
てカーボン粉末表面に白金触媒を担持させた。このとき
のカーボンと担持した白金の重量比は１：１であった。
ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解
質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。Example 1 A carbon powder having a particle diameter of several microns or less was immersed in an aqueous solution of chloroplatinic acid, and a platinum catalyst was supported on the surface of the carbon powder by a reduction treatment. At this time, the weight ratio of carbon to the supported platinum was 1: 1.
Next, the carbon powder carrying platinum was dispersed in an alcohol solution of a polymer electrolyte to form a slurry.
【００２５】一方、電極となる厚さ４００μｍのカーボ
ン不織布をフッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキ
ン工業（株）製のネオフロンＮＤ１）に含浸して乾燥
後、４００℃で３０分熱処理して撥水性を付与した。On the other hand, a carbon nonwoven fabric having a thickness of 400 μm serving as an electrode is impregnated with an aqueous dispersion of fluororesin (NEOFLON ND1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.), dried, and then heat-treated at 400 ° C. for 30 minutes to reduce water repellency. Granted.
【００２６】以上のようにして撥水処理を施したカーボ
ン不織布電極５を２枚用意し、それぞれの片面に前記の
カーボン粉末を含むスラリーを均一に塗布して触媒層を
形成した。これら２枚のカーボン不織布電極５を、とも
に触媒層を形成された面を内側に向け、両者の間に、ス
ルホン基を有するフッ素樹脂からなる厚さが５０μｍの
高分子電解質膜１を挟んで重ね合わせた後、これを乾燥
した。Two carbon nonwoven fabric electrodes 5 having been subjected to the water-repellent treatment as described above were prepared, and the slurry containing the carbon powder was uniformly applied to one surface of each of them to form a catalyst layer. The two carbon nonwoven fabric electrodes 5 are stacked with the surface on which the catalyst layer is formed facing inward, and the 50 μm-thick polymer electrolyte membrane 1 made of fluororesin having a sulfone group is sandwiched between the two. After combining, it was dried.
【００２７】ここで、電極５は長さおよび幅をともに１
０ｃｍとし、一回り大きい長さおよび幅が１２ｃｍの高
分子電解質膜１の中央に配置した。このようにして得ら
れた電極５と高分子電解質膜１の接合体では、高分子電
解質膜１とカーボン不織布電極７が、白金を担持したカ
ーボン粉末と高分子電解質からなる触媒層２によって結
合されていることが確認された。The electrode 5 has a length and a width of 1
It was set to 0 cm, and it was arranged at the center of the polymer electrolyte membrane 1 having a slightly larger length and width of 12 cm. In the joined body of the electrode 5 and the polymer electrolyte membrane 1 thus obtained, the polymer electrolyte membrane 1 and the carbon nonwoven fabric electrode 7 are joined by the catalyst layer 2 composed of carbon powder carrying platinum and the polymer electrolyte. It was confirmed that.
【００２８】電極５と高分子電解質膜１の接合体を、そ
の両面からカーボン製のフェノール樹脂を含浸しガス透
過性を抑えたセパレータ４で挟み込み、単電池を得た。
セパレータ４は、厚さが４ｍｍで、その表面には切削加
工により幅および深さがいずれも１ｍｍのガス流路溝３
を同一方向に多数刻んだ後、以下のようにして撥水処理
が施した。The joined body of the electrode 5 and the polymer electrolyte membrane 1 was sandwiched from both sides with a separator 4 impregnated with carbon phenolic resin to suppress gas permeability to obtain a unit cell.
The separator 4 has a thickness of 4 mm, and the surface thereof is formed by cutting a gas flow groove 3 having a width and a depth of 1 mm.
Was cut in the same direction, and then subjected to a water-repellent treatment as follows.
【００２９】図２において、セパレータ４を１０分程度
超音波清浄し、ガス流路溝３を３００Ｗ５分程度プラズ
マ処理して、ガス流路溝３に活性水素を含む水酸基７を
付与した。プラズマ処理は、０．０５Ｔｏｒｒの酸素プ
ラズマで、１０分間の交流１００Ｗで実施した。次ぎ
に、５wt％のＣＦ3（ＣＦ2）7（ＣＨ2）2Ｓｉ（ＯＣ
Ｈ3）3のメタノール溶液を作り、ガス流路溝３に塗布し
て、室温で１時間乾燥を行った後、１００℃で１５分間
焼成し、ガス流路溝３にシロキサン結合を介して共有結
合したＣＦ3（ＣＦ2）7（ＣＨ2）2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3に
よる撥水層８を高密度に形成した。In FIG. 2, the separator 4 was ultrasonically cleaned for about 10 minutes, and the gas flow channel 3 was subjected to a plasma treatment for about 300 W for 5 minutes, so that the gas flow channel 3 was provided with a hydroxyl group 7 containing active hydrogen. The plasma treatment was performed with 0.05 Torr oxygen plasma at an alternating current of 100 W for 10 minutes. Next, 5 wt% of CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 Si (OC
A methanol solution of H 3 ) 3 is prepared, applied to the gas flow channel 3, dried at room temperature for 1 hour, baked at 100 ° C. for 15 minutes, and shared with the gas flow channel 3 via a siloxane bond. The bonded water repellent layer 8 of CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 Si (OCH 3 ) 3 was formed at a high density.
【００３０】ここで、セパレータ４と高分子電解質膜１
との間を電気的に絶縁し、かつ内部のガスの漏出を抑制
するために、シール材６としてフッ素系樹脂製のシート
を両者の間に挟み込んだ。Here, the separator 4 and the polymer electrolyte membrane 1
A sheet made of a fluororesin was sandwiched between the two as the sealing material 6 in order to electrically insulate them from each other and suppress leakage of gas inside.
【００３１】電池の単電池積層方向の両面に冷却板を兼
ねたエンドプレート１１を配し、積層方向に１０ｋｇｆ
／ｃｍ2で加圧保持した。アノードには水素ガスを、カ
ソードガスには空気を、それぞれ水素ガスの利用率が７
０％、空気の利用率が２０％となるように供給した。ま
た、それぞれのガス供給部には温度調節装置および加湿
装置を設け、供給ガスの温度は、基本的に電池温度と同
じに設定し、湿度は、供給ガスの露点温度が電池温度よ
り１５℃〜３５℃低くなるように設定した。An end plate 11 also serving as a cooling plate is disposed on both sides of the battery in the cell stacking direction, and 10 kgf in the stacking direction.
/ Cm 2 . Hydrogen gas is used for the anode, air is used for the cathode gas, and the utilization rate of hydrogen gas is 7
0% and the supply rate of air was 20%. Each gas supply unit is provided with a temperature controller and a humidifier, and the temperature of the supply gas is basically set to be the same as the battery temperature. It was set to be 35 ° C lower.
【００３２】本実施例の電池の電流−電圧特性を図２に
示した。ただし、特性評価用の電池には、図１に示した
ようにして単電池を１０個積層したものを用いた。な
お、比較例として、セパレータ４にフッ素樹脂の水性デ
ィスパージョンで撥水処理を施した従来の電池の特性を
併せて表した。比較例の電池では高電流密度で出力する
と性能が大きく低下するのに対し、本実施例の電池は、
高電流密度で出力しても高い性能を維持することを見出
した。FIG. 2 shows the current-voltage characteristics of the battery of this embodiment. However, as the battery for evaluating characteristics, a battery in which ten single cells were stacked as shown in FIG. 1 was used. As a comparative example, the characteristics of a conventional battery in which the separator 4 was subjected to a water-repellent treatment with an aqueous dispersion of a fluororesin are also shown. In the battery of the comparative example, when the output is performed at a high current density, the performance is greatly reduced.
It has been found that high performance is maintained even when output is performed at a high current density.
【００３３】さらに、電流密度を０．４Ａ／ｃｍ2とし
たときの電池電圧の時間変化を評価した。その結果を図
５に示した。図５において、比較例の電池は、駆動時間
と共に電池出力が低下するが、本実施例の物は、長期に
渡り、優れた特性を維持することを確認した。この原因
は、上記発明の実施の形態で記載したように、従来の固
体高分子型燃料電池は長期間に渡り使用すると、ガス流
路溝に設置した撥水剤が次第に取れていき、次第に燃料
の供給排出効率が低下するが、本発明のものは、撥水層
と基板との結合力が強く、長期安定性を実現したものと
考える。Further, the time change of the battery voltage when the current density was 0.4 A / cm 2 was evaluated. The results are shown in FIG. In FIG. 5, although the battery output of the battery of the comparative example decreases with the driving time, it was confirmed that the battery of the present example maintained excellent characteristics for a long period of time. This is because, as described in the embodiment of the present invention, when the conventional polymer electrolyte fuel cell is used for a long period of time, the water repellent provided in the gas passage groove is gradually removed, and the fuel is gradually removed. Although the supply / discharge efficiency of the substrate decreases, it is considered that the present invention has a strong bonding force between the water-repellent layer and the substrate, and realizes long-term stability.
【００３４】なを、本実施例では、撥水層として、シラ
ンカップリング剤をもちいて、シロキサン結合を介した
ＣＦ3（ＣＦ2）7（ＣＨ2）2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3層を形成
したが、（化１）および（化２）に示したように、同族
のシランカップリング剤をもちいても、同様の結果を得
ることが出来た。In this embodiment, as the water-repellent layer, a silane coupling agent is used to form a CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 Si (OCH 3 ) 3 layer via a siloxane bond. However, as shown in (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2), similar results could be obtained even when a silane coupling agent of the same family was used.
【００３５】（実施例２）セパレータ４に５wt％ＣＦ3
（ＣＨ2）2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3のメタノール溶液による処
理を行った他は実施例１と同様にして単電池を作製し
た。Example 2 5 wt% CF 3 was used as the separator 4
A unit cell was produced in the same manner as in Example 1, except that treatment with a methanol solution of (CH 2 ) 2 Si (OCH 3 ) 3 was performed.
【００３６】本実施例の電池の電流−電圧特性を図２に
示した。ただし、特性評価用の電池には、図１に示した
ようにして単電池を１０個積層したものを用いた。図２
より、本実施例の電池は、高電流密度で出力しても高い
性能が維持されることが判った。FIG. 2 shows the current-voltage characteristics of the battery of this embodiment. However, as the battery for evaluating characteristics, a battery in which ten single cells were stacked as shown in FIG. 1 was used. FIG.
Thus, it was found that the battery of this example maintained high performance even when output at a high current density.
【００３７】（実施例３）本実施例では、セパレートの
ガス流路溝の表面を、不飽和結合を有する炭素材料でコ
ーティングし、この不飽和結合と化学結合した撥水層を
形成した例を示す。(Embodiment 3) In this embodiment, the surface of the gas channel groove of the separator is coated with a carbon material having an unsaturated bond, and a water-repellent layer chemically bonded to the unsaturated bond is formed. Show.
【００３８】実施例１で用いたフェノール樹脂を含浸し
たカーボン性のセパレータ４において、ガス流路溝の表
面に、１モル／ｌの３塩化硼素／ベンゼン溶液を塗りつ
け、窒素ガス循環雰囲気中、５００℃で２０分加熱し
た。この部分をＸ線光電子分析により炭素の電子状態を
解析したところ、４配位のσではない電子状態の炭素が
存在することを確認した。この原因は、硼素の導入によ
り硼素と二重結合した炭素が発生したものと考える。In the carbon-based separator 4 impregnated with the phenol resin used in Example 1, a 1 mol / l boron trichloride / benzene solution was applied to the surface of the gas flow channel groove, and 500 mol Heated at ° C for 20 minutes. When this part was analyzed for the electronic state of carbon by X-ray photoelectron analysis, it was confirmed that carbon in an electronic state other than four-coordinate σ was present. This is considered to be due to the generation of carbon double-bonded with boron by the introduction of boron.
【００３９】次ぎに、５wt％のＣＦ3（ＣＦ2）7（Ｃ
Ｈ2）2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3のメタノール溶液を作り、ガス
流路溝３に塗布し、室温で１時間乾燥を行った後、１２
０℃で１時間焼成することで、ガス流路溝３に撥水層８
を形成した。Next, 5 wt% of CF 3 (CF 2 ) 7 (C
H 2) 2 Si (OCH 3 ) make 3 in methanol, and applied to the gas flow passage 3, after 1 hour drying at room temperature, 12
By firing at 0 ° C. for 1 hour, the water-repellent layer 8
Was formed.
【００４０】このセパレートを用いて、撥水層以外は実
施例１と同一の電池を作製し、特性評価を行った。その
結果を図６に示した。特性評価の条件は実施例１と同一
である。図６において、本実施例に電池の長期安定性に
優れたものであることが確認できた。Using this separate, the same battery as in Example 1 was produced except for the water-repellent layer, and the characteristics were evaluated. FIG. 6 shows the result. The conditions for the characteristic evaluation are the same as in the first embodiment. In FIG. 6, it was confirmed that the battery of this example was excellent in long-term stability.
【００４１】[0041]
【発明の効果】本発明によると、セパレータの生成水に
よる目詰まりやガスのリークが無く、電極への均一でか
つ高いガス供給能を実現し、高出力な固体高分子型燃料
電池を提供できる。According to the present invention, there is no clogging or gas leakage due to water produced by the separator, a uniform and high gas supply capability to the electrode is realized, and a high-output polymer electrolyte fuel cell can be provided. .
【図１】本発明の第１の実施例の単電池の断面図FIG. 1 is a sectional view of a unit cell according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１の実施例における、撥水層の分子
構造を示した図FIG. 2 is a diagram showing a molecular structure of a water-repellent layer in the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第１の実施例の固体高分子型燃料電池
の主要部を示した図FIG. 3 is a diagram showing a main part of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention;
【図４】本発明の第１の実施例の固体高分子型燃料電池
の電流−電圧特性を示した図FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
【図５】本発明の第１の実施例の固体高分子型燃料電池
の電圧−時間特性を示した図FIG. 5 is a diagram showing voltage-time characteristics of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention;
【図６】本発明の第３の実施例の固体高分子型燃料電池
の電圧−時間特性を示した図FIG. 6 is a diagram showing voltage-time characteristics of a polymer electrolyte fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
１ 高分子電解質膜 ２ 触媒層 ３ ガス流路溝 ４ セパレータ ５ カーボン不織布電極 ６ シール材 ７ 水酸基 ８ 撥水層 ９ 集電版 １０ エンドプレート １１ 水素入口 １２ 水素出口 １３ 空気入口 １４ 空気出口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Catalyst layer 3 Gas channel groove 4 Separator 5 Carbon nonwoven fabric electrode 6 Sealing material 7 Hydroxyl group 8 Water repellent layer 9 Current collector 10 End plate 11 Hydrogen inlet 12 Hydrogen outlet 13 Air inlet 14 Air outlet
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 神原 輝壽 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Eiichi Yasumoto 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Inside
Claims (7)
記高分子電解質膜の両面に配した触媒反応層を有する電
極層とからなる電極接合体と、前記電極層に燃料ガスを
供給排出するための供給排出流路溝を備えた導電性のセ
パレータとを積層した固体高分子型燃料電池において、
前記セパレータは不飽和結合を有する炭素材料を有して
なり、前記供給排出流路溝に前記不飽和結合と化学結合
した撥水層を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料
電池。1. An electrode assembly comprising a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and an electrode layer having a catalytic reaction layer disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and supplying and discharging fuel gas to and from the electrode layer. In a polymer electrolyte fuel cell laminated with a conductive separator having a supply and discharge flow channel for,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein the separator comprises a carbon material having an unsaturated bond, and a water-repellent layer chemically bonded to the unsaturated bond is provided in the supply / discharge flow channel.
形成したことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型
燃料電池。2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the water-repellent layer is formed of a silane coupling agent.
記高分子電解質膜の両面に配した触媒反応層を有する電
極層とからなる電極接合体と、前記電極層に燃料ガスを
供給排出するための供給排出流路溝を備えた導電性のセ
パレータとを積層した固体高分子型燃料電池において、
前記セパレータの供給排出流路溝にシランカップリング
剤を有する撥水層を備えたことを特徴とする固体高分子
型燃料電池。3. An electrode assembly comprising a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and electrode layers having a catalytic reaction layer disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and supplying and discharging fuel gas to and from the electrode layer. In a polymer electrolyte fuel cell laminated with a conductive separator having a supply and discharge flow channel for,
A polymer electrolyte fuel cell comprising a water-repellent layer having a silane coupling agent in a supply / discharge flow channel of the separator.
ン、およびナイロンよりなる群から選択される少なくと
も一種を含むことを特徴とする請求項２または３記載の
固体高分子型燃料電池。4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the water-repellent layer contains at least one selected from the group consisting of fluororesin, polypropylene, and nylon.
ラン系界面活性剤であることを特徴とする請求項２，３
または４記載の固体高分子型燃料電池。5. The method according to claim 2, wherein the silane coupling agent is an alkoxysilane-based surfactant.
Or the polymer electrolyte fuel cell according to 4.
化炭素基を含むことを特徴とする請求項５記載の固体高
分子型燃料電池。6. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the alkoxysilane-based surfactant contains a fluorinated carbon group.
界面活性剤が、（化１）または（化２）で表される化合
物を含有することを特徴とする請求項５記載の固体高分
子型燃料電池。 【化１】 【化２】 7. The solid polymer type according to claim 5, wherein the alkoxysilane-based surfactant containing a fluorinated carbon group contains a compound represented by the following formula (1) or (2). Fuel cell. Embedded image Embedded image
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10147128A JPH11339827A (en) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | Solid polymer fuel cell |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP10147128A JPH11339827A (en) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | Solid polymer fuel cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11339827A true JPH11339827A (en) | 1999-12-10 |
Family
ID=15423199
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP10147128A Pending JPH11339827A (en) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | Solid polymer fuel cell |
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|---|---|
| JP (1) | JPH11339827A (en) |
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-
1998
- 1998-05-28 JP JP10147128A patent/JPH11339827A/en active Pending
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