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公開番号2024160406
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-13
出願番号2024145171,2024539330
出願日2024-08-27,2024-03-15
発明の名称燃料電池用ガス拡散複合材及び固体高分子形燃料電池
出願人国立大学法人九州大学
代理人個人,個人
主分類H01M 4/96 20060101AFI20241106BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】薄層であり、接触抵抗等の電気抵抗が低減した燃料電池用ガス拡散複合材及びこれを備えた固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】導電性材料からなる多孔基材シートと、粒子状及び/又は繊維状の炭素材料及び撥水性樹脂を含む微多孔炭素層と、を有し、以下の構造(A)～(E)のいずれかである燃料電池用ガス拡散複合材。(A):微多孔炭素層が多孔基材シートの片面を被覆した構造。(B):微多孔炭素層が多孔基材シートの両面を被覆した構造。(C):微多孔炭素層が多孔基材シートの片面を被覆し、その一部が多孔基材シート内部に浸透した構造。(D):微多孔炭素層が多孔基材シートの片面を被覆し、かつ、微多孔炭素層の一部が多孔基材シート内部に浸透した構造であって、微多孔炭素層が多孔基材シートの片面から反対面まで到達している構造。(E):微多孔炭素層に前記多孔基材シートの全部が埋設した構造。
【選択図】図12
特許請求の範囲【請求項１】
導電性材料からなる多孔基材シートと、粒子状及び/又は繊維状の炭素材料及び撥水性樹脂を含む微多孔炭素層と、を有し、
前記多孔基材シートの厚みが３μｍ以上１５０μｍ以下であり、
以下の構造（Ａ）～（Ｅ）のいずれかである燃料電池用ガス拡散複合材。
構造（Ａ）：前記微多孔炭素層が前記多孔基材シートの片面を被覆した構造
構造（Ｂ）：前記微多孔炭素層が前記多孔基材シートの両面を被覆した構造
構造（Ｃ）：前記微多孔炭素層が前記多孔基材シートの片面を被覆し、かつ、その一部が前記多孔基材シート内部に浸透した構造
構造（Ｄ）：前記微多孔炭素層が前記多孔基材シートの片面を被覆し、かつ、前記微多孔炭素層の一部が前記多孔基材シート内部に浸透した構造であって、当該微多孔炭素層が前記多孔基材シートの片面から反対面まで到達している構造
構造（Ｅ）：前記微多孔炭素層に前記多孔基材シートの全部が埋設した構造
続きを表示（約 520 文字）【請求項２】
前記多孔基材シートの厚みが５μｍ以上１００μｍ以下である請求項１に記載のガス拡散複合材。
【請求項３】
全体厚みが３μｍ以上１５０μｍ以下である請求項１に記載のガス拡散複合材。
【請求項４】
全体厚みが２０μｍ以上１００μｍ以下である請求項３に記載のガス拡散複合材。
【請求項５】
前記多孔基材シートの形態が、メッシュシート、パンチングシート又はエキスパンドシートである請求項１に記載のガス拡散複合材。
【請求項６】
前記多孔基材シートの材質が、カーボン材料である請求項１に記載のガス拡散複合材。
【請求項７】
前記多孔基材シートが、カーボンメッシュである請求項１に記載のガス拡散複合材。
【請求項８】
構造（Ｃ）から構造（Ｅ）のいずれかの構造を有する請求項５に記載のガス拡散複合材。
【請求項９】
構造（Ｃ）の構造を有する請求項７に記載のガス拡散複合材。
【請求項１０】
前記多孔基材シートが、金属材料からなる請求項１に記載のガス拡散複合材。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、２０２３年３月１６日に出願された日本国特許出願（特願２０２３－４２１０９号）の利益および優先権を主張する。前述の特許出願に対する優先権を明示的に主張するものであり、参照により、その出願の全開示内容が、あらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。この日本国特許出願の全内容は、本明細書中に参考として援用される。
続きを表示（約 1,500 文字）【０００２】
本発明は、燃料電池用ガス拡散複合材及び固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極（アノード及びカソード）とを含む膜電極接合体（ＭＥＡ）と、前記膜電極接合体の両面に積層されたガス拡散層（ＧＤＬ）とからなるＰＥＦＣ単セルを、ガス流路が形成された２つのセパレータで挟んだ構造を基本単位として構成されている。
【０００４】
ＰＥＦＣのガス拡散層には、セパレータから供給されるガスを電極触媒層へと拡散するための高いガス拡散性と、電気化学反応に伴って生成する水をセパレータへ排出するための高い排水性、および発生した電流を取り出すための高い導電性が必要である。そのため、ＰＥＦＣのガス拡散層として、炭素繊維からなる炭素シートを基材層としてその表面に、炭素粉末とフッ素樹脂からなるマイクロポーラス層（ＭＰＬ）を形成したガス拡散層が広く用いられている。ＭＰＬは、導電性の炭素材料と撥水性のフッ素樹脂の多孔複合材料からなる層であり、炭素材料が導電ネットワークを作り、フッ素樹脂が接着材となるとともに撥水性を発現させる。
【０００５】
上記のとおり、ＧＤＬには、セパレータから供給されるガスを電極触媒層へと拡散するための高いガス拡散性が求められ、ガス拡散性が不足すると、特に高電流密度域での発電性能が低下する。また、ＰＥＦＣにおいて、単セルが薄くなるほど集積性が向上するところ、ＧＤＬの厚みは、１５０μｍ～１ｍｍ程度であり、ＰＥＦＣ単セル全体厚みにおけるＧＤＬの割合が大きい。そのため、ガス拡散層を薄くすることができれば、ＰＥＦＣ単セルを薄くすることができ、集積性が向上して出力向上が見込める。
例えば、特許文献１には、従来に比し、ガス拡散層の厚みを薄くした燃料電池が報告されている。特許文献１の技術は、セパレータのリブ幅に対してガス拡散層の厚みを薄くすることで、高電流密度域でのガス拡散性を向上させ、発電性能を高めたものである。
【０００６】
また、本発明者等は、特許文献２において、金属多孔シートからなる多孔金属ガス拡散層を報告している。金属多孔シートには、金属Ｓｎ若しくはＳｎ合金またはステンレスからなる金属メッシュシートや金属ＴｉまたはＴｉ合金からなる金属繊維シートが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０２２－１１７３５号公報
特開２０２２－１４５６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１のガス拡散層は、構成材料として特殊な炭素繊維を使用することで自立性を有しており、当該文献のガス拡散層は厚み１５０μｍ程度が薄層化の限界である。
また、特許文献２の多孔金属ガス拡散層は厚み３０μｍ程度にすることができＰＥＦＣ単セルの薄層化に有用であるが、接触抵抗等の金属製のガス拡散層に由来する電気抵抗の点で改善の余地があった。
【０００９】
かかる状況下、本発明の目的は、薄層であり、接触抵抗等の電気抵抗が低減した燃料電池用ガス拡散複合材及びこれを備えた固体高分子形燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。
（【００１１】以降は省略されています）

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