JP2000173624A - 燃料電池用電極およびその製造方法 - Google Patents
燃料電池用電極およびその製造方法Info
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
(57)【要約】
【課題】 多孔質体の電子伝導基材のガスの流路を確保
しながら、多孔質体の導電性基材を緻密にし、電極触媒
層の厚みを均一にすることで、燃料電池電極の高性能化
を図る。 【解決手段】 固体高分子電解質と触媒粒子を含んでな
る電極触媒層と、多孔質体の導電性基材とが積層されて
なる燃料電池用電極において、多孔質体の導電性基材を
有孔性樹脂を備えた構造とする。例えば、多孔質体の導
電性基材に、樹脂を溶媒ａで溶解した溶液を含ませた
後、前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒ａと相溶性の
ある溶媒ｂにこれを浸漬させ、多孔質体の導電性基材に
有孔性樹脂を配した後、これを電極触媒層と接合するこ
とによって作製する。
しながら、多孔質体の導電性基材を緻密にし、電極触媒
層の厚みを均一にすることで、燃料電池電極の高性能化
を図る。 【解決手段】 固体高分子電解質と触媒粒子を含んでな
る電極触媒層と、多孔質体の導電性基材とが積層されて
なる燃料電池用電極において、多孔質体の導電性基材を
有孔性樹脂を備えた構造とする。例えば、多孔質体の導
電性基材に、樹脂を溶媒ａで溶解した溶液を含ませた
後、前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒ａと相溶性の
ある溶媒ｂにこれを浸漬させ、多孔質体の導電性基材に
有孔性樹脂を配した後、これを電極触媒層と接合するこ
とによって作製する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用電極およ
びその製造方法に関するものである。
びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池はイオン交
換膜を電解質とし、このイオン交換膜の両面に電極触媒
層と多孔質体の導電性基材よりなるアノードとカソード
の各電極を接合して構成され、アノードに水素、カソー
ドに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置で
ある。各電極で生じる電気化学反応を下記に示す。
換膜を電解質とし、このイオン交換膜の両面に電極触媒
層と多孔質体の導電性基材よりなるアノードとカソード
の各電極を接合して構成され、アノードに水素、カソー
ドに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置で
ある。各電極で生じる電気化学反応を下記に示す。
【０００３】アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ カソード：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ→Ｈ2Ｏ 全反応： Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ この反応式から明らかなように、各電極の反応は、活物
質であるガス（水素または酸素）、プロトン（Ｈ+）お
よび電子（ｅ）の授受が同時におこなうことができる三
相界面でのみ進行する。
質であるガス（水素または酸素）、プロトン（Ｈ+）お
よび電子（ｅ）の授受が同時におこなうことができる三
相界面でのみ進行する。
【０００４】燃料電池の電極は、図４に示されるよう
に、触媒粒子４１と固体高分子電解質４２とが混ざり合
ってこれらが三次元に分布するとともに、内部に複数の
細孔４４が形成された多孔性の電極触媒層４７と、多孔
質体の導電性基材４６を含むガス拡散層４８よりなる。
に、触媒粒子４１と固体高分子電解質４２とが混ざり合
ってこれらが三次元に分布するとともに、内部に複数の
細孔４４が形成された多孔性の電極触媒層４７と、多孔
質体の導電性基材４６を含むガス拡散層４８よりなる。
【０００５】多孔質体の導電性基材は、触媒層の表層に
一定の空間を設けて、電池外部から供給される活物質で
ある酸素、水素を触媒層の表層まで運ぶ流路の確保およ
び、カソードの触媒層で生成された水を触媒層の表層か
ら電池の系外に排出する流路を確保するガス拡散層とし
ての役目を担っている。
一定の空間を設けて、電池外部から供給される活物質で
ある酸素、水素を触媒層の表層まで運ぶ流路の確保およ
び、カソードの触媒層で生成された水を触媒層の表層か
ら電池の系外に排出する流路を確保するガス拡散層とし
ての役目を担っている。
【０００６】一方触媒層は、触媒粒子４１が電子伝導チ
ャンネルを形成し、固体電解質４２がプロトン伝導チャ
ンネルを形成し、細孔４４が触媒層の表層まで運ばれた
酸素または水素を電極の深部にまで供給し、電極（カソ
ード）の深部で生成された水を電極の表層にまで排出す
る供給排出チャンネルを形成している。そして電極触媒
層内にこれら３つのチャンネルが三次元的に広がり、ガ
ス、プロトン（Ｈ+）および電子（ｅ）の授受を同時に
おこなうことのできる三相界面が無数に形成されて、電
極反応の場を提供している。
ャンネルを形成し、固体電解質４２がプロトン伝導チャ
ンネルを形成し、細孔４４が触媒層の表層まで運ばれた
酸素または水素を電極の深部にまで供給し、電極（カソ
ード）の深部で生成された水を電極の表層にまで排出す
る供給排出チャンネルを形成している。そして電極触媒
層内にこれら３つのチャンネルが三次元的に広がり、ガ
ス、プロトン（Ｈ+）および電子（ｅ）の授受を同時に
おこなうことのできる三相界面が無数に形成されて、電
極反応の場を提供している。
【０００７】尚、図において、４３はＰＴＦＥ（ポリテ
トラフルオロエチレン）粒子を示し、触媒電極層の細孔
内および表層に撥水性を付与する役目を担う。さらに、
４５はイオン交換膜を示す。
トラフルオロエチレン）粒子を示し、触媒電極層の細孔
内および表層に撥水性を付与する役目を担う。さらに、
４５はイオン交換膜を示す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】一般的に電極反応に関
与する電極触媒層の厚みは５〜１０μｍといわれてお
り、それ以上の厚みの電極部では、電極内のガスの供給
が追いつかずに、無駄になるばかりか、ガスの流路を確
保するはずの多孔質体の導電性基材の機能を阻害する。
そのために、触媒層の膜厚制御は電極の高性能化をはか
る上で非常に重要な意味を持つ。
与する電極触媒層の厚みは５〜１０μｍといわれてお
り、それ以上の厚みの電極部では、電極内のガスの供給
が追いつかずに、無駄になるばかりか、ガスの流路を確
保するはずの多孔質体の導電性基材の機能を阻害する。
そのために、触媒層の膜厚制御は電極の高性能化をはか
る上で非常に重要な意味を持つ。
【０００９】しかるに、従来の多孔質体の導電性基材で
あるカーボンペーパーなどは、一般に５〜１０μｍ程度
の繊維系の炭素繊維を不織布状に成形したものであり、
その平均細孔径は１０〜２０μｍ程度である。そのた
め、膜厚５〜１０μｍの触媒層を均一に塗布すること
は、かなり困難である。カーボンペーパー上に成膜した
際の断面図を図３に示す。ここで、３１は電極触媒層
を、３２は多孔質体の導電性基材をあらわす。多孔質体
の導電性基材の孔径が大きく、粗いために、そこに塗布
された触媒層の厚みが不均一であることがわかる。
あるカーボンペーパーなどは、一般に５〜１０μｍ程度
の繊維系の炭素繊維を不織布状に成形したものであり、
その平均細孔径は１０〜２０μｍ程度である。そのた
め、膜厚５〜１０μｍの触媒層を均一に塗布すること
は、かなり困難である。カーボンペーパー上に成膜した
際の断面図を図３に示す。ここで、３１は電極触媒層
を、３２は多孔質体の導電性基材をあらわす。多孔質体
の導電性基材の孔径が大きく、粗いために、そこに塗布
された触媒層の厚みが不均一であることがわかる。
【００１０】これを回避するには、導電性基材の多孔度
を小さくして、緻密にすればよいのだが、そうすればガ
スの流路の確保が困難になってしまう。
を小さくして、緻密にすればよいのだが、そうすればガ
スの流路の確保が困難になってしまう。
【００１１】以上に鑑み、本発明は有効性の樹脂を用い
て、多孔質体の導電性基材のガスの流路を確保しなが
ら、多孔質体の導電性基材を緻密にし、電極触媒層の厚
みを均一にすることで、燃料電池電極の高性能化を図る
ものである。
て、多孔質体の導電性基材のガスの流路を確保しなが
ら、多孔質体の導電性基材を緻密にし、電極触媒層の厚
みを均一にすることで、燃料電池電極の高性能化を図る
ものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池用電極
は、固体高分子電解質と触媒粒子とを含んでなる電極触
媒層と、多孔質体の導電性基材とが積層されてなる燃料
電池用電極において、多孔質体の導電性基材が有孔性樹
脂を備えていることを特徴とする。
は、固体高分子電解質と触媒粒子とを含んでなる電極触
媒層と、多孔質体の導電性基材とが積層されてなる燃料
電池用電極において、多孔質体の導電性基材が有孔性樹
脂を備えていることを特徴とする。
【００１３】上記有孔性樹脂としては、例えば、樹脂を
溶解した溶液の溶媒ａを、前記樹脂に対して不溶性で、
かつ溶媒ａと相溶性のある溶媒ｂで置換して得られたも
のが好ましく、また、上記有孔性樹脂は、例えばフッ素
樹脂であるのが良く、例えば、有孔性樹脂がポリフッ化
ビニリデン（ＰＶｄＦ）系樹脂であるのが良い。
溶解した溶液の溶媒ａを、前記樹脂に対して不溶性で、
かつ溶媒ａと相溶性のある溶媒ｂで置換して得られたも
のが好ましく、また、上記有孔性樹脂は、例えばフッ素
樹脂であるのが良く、例えば、有孔性樹脂がポリフッ化
ビニリデン（ＰＶｄＦ）系樹脂であるのが良い。
【００１４】また、多孔質体の導電性基材は、例えば、
炭素材料であることが好ましい。
炭素材料であることが好ましい。
【００１５】本発明の燃料電池用電極の製造方法は、上
記本発明の電極の製造に適したものであって、多孔質体
の導電性基材に、樹脂を溶媒ａで溶解した溶液を含ませ
た後、前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒ａと相溶性
のある溶媒ｂにこれを浸漬させ、多孔質体の導電性基材
に有孔性樹脂を配した後、これを電極触媒層と接合する
ことを特徴とする。
記本発明の電極の製造に適したものであって、多孔質体
の導電性基材に、樹脂を溶媒ａで溶解した溶液を含ませ
た後、前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒ａと相溶性
のある溶媒ｂにこれを浸漬させ、多孔質体の導電性基材
に有孔性樹脂を配した後、これを電極触媒層と接合する
ことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池用電
極の構造例を図で示しながら説明することによって、本
発明についてさらに具体的に説明する。
極の構造例を図で示しながら説明することによって、本
発明についてさらに具体的に説明する。
【００１７】図２は、本発明に係る燃料電池用電極の構
造を示す模式図である。同図において、２１は電極触媒
層を、２２は多孔質体の導電性基材を、そして２３は有
孔性樹脂をあらわす。本発明による多孔質体の導電性基
材は、その孔部に有孔性樹脂を配しているために緻密で
あり、そのために電極触媒層の厚みがほぼ均一となる。
造を示す模式図である。同図において、２１は電極触媒
層を、２２は多孔質体の導電性基材を、そして２３は有
孔性樹脂をあらわす。本発明による多孔質体の導電性基
材は、その孔部に有孔性樹脂を配しているために緻密で
あり、そのために電極触媒層の厚みがほぼ均一となる。
【００１８】また有孔性の樹脂は、これらの図のように
多孔質体の導電性基材の全面すべてに配してもよいが、
その表層のみに、また、片面のみになど、多孔質体の導
電性基材の一部に配してもよい。
多孔質体の導電性基材の全面すべてに配してもよいが、
その表層のみに、また、片面のみになど、多孔質体の導
電性基材の一部に配してもよい。
【００１９】本発明の電極において用いられる触媒粒子
としては、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、
パラジウム、オスニウムなどの白金族金属およびその合
金粒子、またはこれらの触媒を担持した触媒担持カーボ
ンが適しており、固体高分子電解質としては、イオン交
換樹脂からなるものが好ましく、パーフルオロスルフォ
ン酸またはスチレン−ジビニルベンゼン系のスルフォン
酸型固体高分子電解質が好ましい。
としては、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、
パラジウム、オスニウムなどの白金族金属およびその合
金粒子、またはこれらの触媒を担持した触媒担持カーボ
ンが適しており、固体高分子電解質としては、イオン交
換樹脂からなるものが好ましく、パーフルオロスルフォ
ン酸またはスチレン−ジビニルベンゼン系のスルフォン
酸型固体高分子電解質が好ましい。
【００２０】また、本発明に用いられる多孔質体の導電
性基材は、発泡ニッケル、チタン繊維焼結体でもよい
が、導電性などの面で炭素繊維などの焼結体である炭素
材料からなるものが好ましい。
性基材は、発泡ニッケル、チタン繊維焼結体でもよい
が、導電性などの面で炭素繊維などの焼結体である炭素
材料からなるものが好ましい。
【００２１】ここで、活物質の供給、排出がスムーズに
行われるように有孔性樹脂の細孔は連続気泡が望まし
い。また、孔径としては、平均孔径１μｍ以下さらに好
ましくは０．２μｍ以下であることが、有孔性樹脂の多
孔度は４５％以上であることが、厚みの均一な電極触媒
層を形成する上で好ましい。緻密な連続気泡が得られる
有孔性ポリマーの製法として溶媒抽出法を用いることが
好ましい。すなわち、樹脂を溶解した溶液の溶媒ａを、
前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒ａと相溶性のある
溶媒ｂで置換することにより、樹脂を溶解した溶液中の
溶媒ａを抽出して、溶媒ａが除去された部分が孔となっ
て有孔性樹脂を得るものである。
行われるように有孔性樹脂の細孔は連続気泡が望まし
い。また、孔径としては、平均孔径１μｍ以下さらに好
ましくは０．２μｍ以下であることが、有孔性樹脂の多
孔度は４５％以上であることが、厚みの均一な電極触媒
層を形成する上で好ましい。緻密な連続気泡が得られる
有孔性ポリマーの製法として溶媒抽出法を用いることが
好ましい。すなわち、樹脂を溶解した溶液の溶媒ａを、
前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒ａと相溶性のある
溶媒ｂで置換することにより、樹脂を溶解した溶液中の
溶媒ａを抽出して、溶媒ａが除去された部分が孔となっ
て有孔性樹脂を得るものである。
【００２２】ここで、本発明に用いる樹脂は、ポリ塩化
ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシ
ド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリア
クリロニトリル、フッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄ
Ｆ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレー
ト、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、
ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリ
ビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエ
ン、ポリスチレン、ポリイソプレンもしくはこれらの誘
導体を、単独で、あるいは混合して用いてもよく、ま
た、上記樹脂を構成する各種モノマーを共重合させた樹
脂を用いてもよいが、好ましくは撥水性の高いフッ素樹
脂、例えば三フッ化塩化エチレン共重合体（ＰＣＴＦ
Ｅ）、フッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄＦ）、フッ化ビ
ニル重合体（ＰＶＦ）などの含フッ素ホモポリマーまた
は、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦ
Ｅ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体
（ＥＰＥ）、フッ化ビニリデン共重合体などの含フッ素
コポリマーが好ましいし、これらの混合物でもよい。
ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシ
ド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリア
クリロニトリル、フッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄ
Ｆ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレー
ト、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、
ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリ
ビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエ
ン、ポリスチレン、ポリイソプレンもしくはこれらの誘
導体を、単独で、あるいは混合して用いてもよく、ま
た、上記樹脂を構成する各種モノマーを共重合させた樹
脂を用いてもよいが、好ましくは撥水性の高いフッ素樹
脂、例えば三フッ化塩化エチレン共重合体（ＰＣＴＦ
Ｅ）、フッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄＦ）、フッ化ビ
ニル重合体（ＰＶＦ）などの含フッ素ホモポリマーまた
は、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦ
Ｅ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体
（ＥＰＥ）、フッ化ビニリデン共重合体などの含フッ素
コポリマーが好ましいし、これらの混合物でもよい。
【００２３】そして、先の溶媒抽出法による有孔性フッ
素樹脂作製の際に、微細で均一な孔が得られることよ
り、 フッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄＦ）、フッ化ビ
ニリデン・六フッ化プロピレン共重合体（Ｐ（ＶｄＦ−
ＨＦＰ））または、フッ化ビニリデン・四フッ化エチレ
ン共重合体（Ｐ（ＶｄＦ−TＦＰ））などのポリフッ化
ビニリデン（ＰＶｄＦ）系樹脂が好ましい。中でも、フ
ッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄＦ）または、Ｐ（ＶｄＦ
−ＨＦＰ）が好ましい。特に、フッ化ビニリデン重合体
（ＰＶｄＦ）を用いると撥水性が高くなり、高い撥水性
を持たせたい場合に好ましく、Ｐ（ＶｄＦ−ＨＦＰ）を
用いると有孔性樹脂が柔らかくなり、柔軟性を持たせた
い場合に好ましい。
素樹脂作製の際に、微細で均一な孔が得られることよ
り、 フッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄＦ）、フッ化ビ
ニリデン・六フッ化プロピレン共重合体（Ｐ（ＶｄＦ−
ＨＦＰ））または、フッ化ビニリデン・四フッ化エチレ
ン共重合体（Ｐ（ＶｄＦ−TＦＰ））などのポリフッ化
ビニリデン（ＰＶｄＦ）系樹脂が好ましい。中でも、フ
ッ化ビニリデン重合体（ＰＶｄＦ）または、Ｐ（ＶｄＦ
−ＨＦＰ）が好ましい。特に、フッ化ビニリデン重合体
（ＰＶｄＦ）を用いると撥水性が高くなり、高い撥水性
を持たせたい場合に好ましく、Ｐ（ＶｄＦ−ＨＦＰ）を
用いると有孔性樹脂が柔らかくなり、柔軟性を持たせた
い場合に好ましい。
【００２４】樹脂を溶解する溶媒ａとしては、樹脂を溶
解するものであればよく、ジメチルホルムアミド、プロ
ピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチル
カーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカ
ーボネート等の炭酸エステル、ジメチルエーテル、ジエ
チルエーテル、エチルメチルエーテル、テトラヒドロフ
ラン等のエーテル、ジメチルアセトアミド、１−メチル
−ピロリジノン、ｎ−メチル−ピロリドン等が挙げられ
る。
解するものであればよく、ジメチルホルムアミド、プロ
ピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチル
カーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカ
ーボネート等の炭酸エステル、ジメチルエーテル、ジエ
チルエーテル、エチルメチルエーテル、テトラヒドロフ
ラン等のエーテル、ジメチルアセトアミド、１−メチル
−ピロリジノン、ｎ−メチル−ピロリドン等が挙げられ
る。
【００２５】抽出用溶媒ｂとしては水または水とアルコ
ールの混合溶液が安価で好ましい。とくに、有孔性樹脂
の多孔度を小さくしたい場合には水とアルコールの混合
溶液が好ましい。
ールの混合溶液が安価で好ましい。とくに、有孔性樹脂
の多孔度を小さくしたい場合には水とアルコールの混合
溶液が好ましい。
【００２６】これらの組み合わせにおいて、フッ化ビニ
リデン重合体（ＰＶｄＦ）またはＰ（ＶｄＦ−ＨＦＰ）
を、ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に溶解させたもの
を、水または水とアルコールの混合溶液で抽出したもの
が、撥水性、孔径の均一性などの面で好ましい。
リデン重合体（ＰＶｄＦ）またはＰ（ＶｄＦ−ＨＦＰ）
を、ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に溶解させたもの
を、水または水とアルコールの混合溶液で抽出したもの
が、撥水性、孔径の均一性などの面で好ましい。
【００２７】このような本発明の有孔性樹脂を配する多
孔質体の導電性基材は、樹脂を溶媒ａにより溶解した溶
液を、塗布または浸漬などにより多孔質体の導電性基材
に含ませた後に、前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒
ａと相溶性のある溶媒ｂで溶媒ａを置換することにより
得られる。
孔質体の導電性基材は、樹脂を溶媒ａにより溶解した溶
液を、塗布または浸漬などにより多孔質体の導電性基材
に含ませた後に、前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒
ａと相溶性のある溶媒ｂで溶媒ａを置換することにより
得られる。
【００２８】また、本発明の有孔性の樹脂を配する多孔
質体の導電性基材に電極触媒層を接合する方法として
は、多孔質体の導電性基材に有効性の樹脂を配したの
ち、この基材上に触媒担持カーボン粒子と固体高分子電
解質溶液および必要に応じてはＰＴＦＥ（ポリテトラフ
ルオロエチレン）粒子分散溶液を加えた電極触媒層のペ
ーストを、はけやスプレーを用いて塗布することによ
り、またはスクリーン印刷法、ドクターブレード法など
によりこの導電性基材上に直接製膜したり、また、高分
子フィルム上に上記の方法などにより製膜された触媒層
をホットプレス法などを用いて、あらかじめ有孔性の樹
脂を配した多孔質体の導電性基材に転写する方法があ
る。
質体の導電性基材に電極触媒層を接合する方法として
は、多孔質体の導電性基材に有効性の樹脂を配したの
ち、この基材上に触媒担持カーボン粒子と固体高分子電
解質溶液および必要に応じてはＰＴＦＥ（ポリテトラフ
ルオロエチレン）粒子分散溶液を加えた電極触媒層のペ
ーストを、はけやスプレーを用いて塗布することによ
り、またはスクリーン印刷法、ドクターブレード法など
によりこの導電性基材上に直接製膜したり、また、高分
子フィルム上に上記の方法などにより製膜された触媒層
をホットプレス法などを用いて、あらかじめ有孔性の樹
脂を配した多孔質体の導電性基材に転写する方法があ
る。
【００２９】または、イオン交換膜上に上記の方法など
を用いて電極触媒層を接合した後、さらにその外側にあ
らかじめ有孔性の樹脂を配した多孔質体の導電性基材を
ホットプレスまたは圧接する方法などがある。
を用いて電極触媒層を接合した後、さらにその外側にあ
らかじめ有孔性の樹脂を配した多孔質体の導電性基材を
ホットプレスまたは圧接する方法などがある。
【００３０】
【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。
る。
【００３１】［実施例１］導電性多孔質体のカーボン電
極基材（０．５ｍｍ厚，平均繊維系１０μｍ，平均細孔
径１０μｍ，多孔度７５％)にフッ化ビニリデン重合体
（ＰＶｄＦ）の濃度が２０ｗｔ％となるようにＮＭＰに
溶解させた溶液を真空含浸させた後、水の中に１０分間
浸漬して、有孔性のＰＶｄＦ樹脂を備えた導電性多孔質
体のカーボン電極基材を得た。
極基材（０．５ｍｍ厚，平均繊維系１０μｍ，平均細孔
径１０μｍ，多孔度７５％)にフッ化ビニリデン重合体
（ＰＶｄＦ）の濃度が２０ｗｔ％となるようにＮＭＰに
溶解させた溶液を真空含浸させた後、水の中に１０分間
浸漬して、有孔性のＰＶｄＦ樹脂を備えた導電性多孔質
体のカーボン電極基材を得た。
【００３２】さらに、白金担持カーボン（田中貴金属
製、１０Ｖ３０Ｅ：Ｖａｌｃａｎ ＸＣ−７２に白金を
３０ｗｔ％担持）と固体高分子電解質溶液（アルドリッ
チ社製、ナフィオン5wt%溶液）およびＰＴＦＥ粒子分散
溶液（三井デュポンフロロケミカル社製、テフロン３０
Ｊ）よりなる電極触媒層のペーストを、スプレーにより
上記カーボン電極基材に塗布し、燃料電池用電極Ａを得
た。
製、１０Ｖ３０Ｅ：Ｖａｌｃａｎ ＸＣ−７２に白金を
３０ｗｔ％担持）と固体高分子電解質溶液（アルドリッ
チ社製、ナフィオン5wt%溶液）およびＰＴＦＥ粒子分散
溶液（三井デュポンフロロケミカル社製、テフロン３０
Ｊ）よりなる電極触媒層のペーストを、スプレーにより
上記カーボン電極基材に塗布し、燃料電池用電極Ａを得
た。
【００３３】電極Ａの白金量は、約１．０ｍｇ／ｃｍ2
となるように、ペースト作製時の白金担持カーボンの量
および塗布量を調整した。
となるように、ペースト作製時の白金担持カーボンの量
および塗布量を調整した。
【００３４】さらに、電極Ａをホットプレス（１４０
℃）にてイオン交換膜（デュポン社製、ナフィオン、膜
厚約５０μm）の両面に接合し、燃料電池の単セルに組
んでセルＡを得た。
℃）にてイオン交換膜（デュポン社製、ナフィオン、膜
厚約５０μm）の両面に接合し、燃料電池の単セルに組
んでセルＡを得た。
【００３５】［比較例１］ＰＴＦＥ分散溶液により撥水
性を施した導電性多孔質体のカーボン電極基材（０．５
ｍｍ厚、平均繊維系１０μｍ、平均細孔径１０μｍ、多
孔度７５％）に、白金担持カーボン（田中貴金属製、１
０Ｖ３０Ｅ：Ｖａｌｃａｎ ＸＣ−７２に白金を３０ｗ
ｔ％担持）と固体高分子電解質溶液（アルドリッチ社
製、ナフィオン５ｗｔ％溶液）およびＰＴＦＥ粒子分散
溶液（三井デュポンフロロケミカル社製、テフロン３０
Ｊ）よりなる電極触媒層のペーストを、スプレーにより
塗布し、燃料電池用電極Ｂを得た。
性を施した導電性多孔質体のカーボン電極基材（０．５
ｍｍ厚、平均繊維系１０μｍ、平均細孔径１０μｍ、多
孔度７５％）に、白金担持カーボン（田中貴金属製、１
０Ｖ３０Ｅ：Ｖａｌｃａｎ ＸＣ−７２に白金を３０ｗ
ｔ％担持）と固体高分子電解質溶液（アルドリッチ社
製、ナフィオン５ｗｔ％溶液）およびＰＴＦＥ粒子分散
溶液（三井デュポンフロロケミカル社製、テフロン３０
Ｊ）よりなる電極触媒層のペーストを、スプレーにより
塗布し、燃料電池用電極Ｂを得た。
【００３６】電極Ｂの白金量は、約約１．０ｍｇ／ｃｍ
2となるように、ペースト作製時の白金担持カーボンの
量を調整した。
2となるように、ペースト作製時の白金担持カーボンの
量を調整した。
【００３７】さらに、電極Ｂをホットプレス（１４０
℃）にてイオン交換膜（デュポン社製、ナフィオン、膜
厚約５０μm）の両面に接合し、燃料電池の単セルに組
んでセルＢを得た。
℃）にてイオン交換膜（デュポン社製、ナフィオン、膜
厚約５０μm）の両面に接合し、燃料電池の単セルに組
んでセルＢを得た。
【００３８】これらのセルの供給ガスに酸素、水素を用
いた際の電流―電圧特性を図１に示す。
いた際の電流―電圧特性を図１に示す。
【００３９】運転条件は、供給ガス圧は２気圧で、それ
ぞれ８０℃の密閉水槽中でバブリングすることで加湿し
た。そして、セルの運転温度は７５℃とし、各電流値で
の測定時の保持時間は５分とした。
ぞれ８０℃の密閉水槽中でバブリングすることで加湿し
た。そして、セルの運転温度は７５℃とし、各電流値で
の測定時の保持時間は５分とした。
【００４０】図より、本発明によるセル（Ａ）は、従来
のもの（Ｂ）に比べて、各電流密度において出力電圧が
高いことがわかる。これは従来の電極は、触媒層の厚み
が不均一であるために、有効に働かない触媒層が分布し
ているのに対して、本発明による電極は、電極触媒層の
厚みが一定（５〜１０μｍ）に制御されているために、
すべての触媒層が有効に働き、 従来の電極触媒層に比
べて実際に作用する電極触媒層面積が大きいためであ
る。
のもの（Ｂ）に比べて、各電流密度において出力電圧が
高いことがわかる。これは従来の電極は、触媒層の厚み
が不均一であるために、有効に働かない触媒層が分布し
ているのに対して、本発明による電極は、電極触媒層の
厚みが一定（５〜１０μｍ）に制御されているために、
すべての触媒層が有効に働き、 従来の電極触媒層に比
べて実際に作用する電極触媒層面積が大きいためであ
る。
【００４１】
【発明の効果】本発明の有孔性樹脂を備えた多孔体の電
子導電性基材を用いた燃料電池用電極によれば、電極触
媒層の厚みを均一にすることが可能で、すべての電極材
料が電極反応に有効に働くために、従来の電極に比べて
実際に作用する電極面積が大きくなり、高性能な燃料電
池の製造が可能となる。また、本発明の製造方法によれ
ば、高性能な燃料電池の製造が可能な電極を製造するこ
とができる。
子導電性基材を用いた燃料電池用電極によれば、電極触
媒層の厚みを均一にすることが可能で、すべての電極材
料が電極反応に有効に働くために、従来の電極に比べて
実際に作用する電極面積が大きくなり、高性能な燃料電
池の製造が可能となる。また、本発明の製造方法によれ
ば、高性能な燃料電池の製造が可能な電極を製造するこ
とができる。
【図１】 セルの電流―電圧特性を示す図。
【図２】 本発明に係る燃料電池用電極の構造を示す模
式図。
式図。
【図３】 従来の燃料電池用電極の導電性基材部の断面
構造を示す模式図。
構造を示す模式図。
【図４】 従来の燃料電池用電極の構造を示す模式図。
【符号の説明】 ２１：電極触媒層 ２２：電子導電性基材 ２３：有孔性樹脂
Claims (7)
- 【請求項１】 固体高分子電解質と触媒粒子とを含んで
なる電極触媒層と、多孔質体の導電性基材とが積層され
てなる燃料電池用電極において、多孔質体の導電性基材
が有孔性樹脂を備えていることを特徴とする燃料電池用
電極。 - 【請求項２】 上記有孔性樹脂が、樹脂を溶解した溶液
の溶媒ａを、前記樹脂に対して不溶性で、かつ溶媒ａと
相溶性のある溶媒ｂで置換して得られたものであること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池用電極。 - 【請求項３】 上記有孔性樹脂がフッ素樹脂であること
を特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用電極。 - 【請求項４】 上記有孔性樹脂がポリフッ化ビニリデン
（ＰＶｄＦ）系樹脂であることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の燃料電池用電極。 - 【請求項５】 上記有孔性樹脂がフッ化ビニリデン重合
体（ＰＶｄＦ）であることを特徴とする請求項１または
２記載の燃料電池用電極。 - 【請求項６】 多孔質体の導電性基材が炭素材料よりな
ることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載
の燃料電池用電極。 - 【請求項７】 多孔質体の導電性基材に、樹脂を溶媒ａ
で溶解した溶液を含ませた後、前記樹脂に対して不溶性
で、かつ溶媒ａと相溶性のある溶媒ｂにこれを浸漬さ
せ、多孔質体の導電性基材に有孔性樹脂を配した後、該
導電性基材と電極触媒層とを接合することを特徴とする
請求項１、２、３、４、５または６記載の燃料電池用電
極の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11078885A JP2000173624A (ja) | 1998-10-03 | 1999-03-24 | 燃料電池用電極およびその製造方法 |
| DE10004955A DE10004955A1 (de) | 1999-02-05 | 2000-02-04 | Elektrode für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung |
| US09/497,515 US7147957B1 (en) | 1999-02-05 | 2000-02-04 | Electrode for fuel cell and manufacturing method therefor |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10-296157 | 1998-10-03 | ||
| JP29615798 | 1998-10-03 | ||
| JP11078885A JP2000173624A (ja) | 1998-10-03 | 1999-03-24 | 燃料電池用電極およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000173624A true JP2000173624A (ja) | 2000-06-23 |
Family
ID=26419947
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11078885A Pending JP2000173624A (ja) | 1998-10-03 | 1999-03-24 | 燃料電池用電極およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000173624A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003100890A1 (fr) * | 2002-05-29 | 2003-12-04 | Nec Corporation | Particule porteuse d'un catalyseur de pile a combustible, electrolyte composite contenant cette derniere, electrode catalytique, pile a combustible et procede de production de ces derniers |
-
1999
- 1999-03-24 JP JP11078885A patent/JP2000173624A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003100890A1 (fr) * | 2002-05-29 | 2003-12-04 | Nec Corporation | Particule porteuse d'un catalyseur de pile a combustible, electrolyte composite contenant cette derniere, electrode catalytique, pile a combustible et procede de production de ces derniers |
| US8236724B2 (en) | 2002-05-29 | 2012-08-07 | Nec Corporation | Catalyst-supporting particle, composite electrolyte, catalyst electrode for fuel cell, and fuel cell using the same, and methods for fabricating these |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
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