JP2000182625A - 燃料電池用電極及びその製造方法 - Google Patents

燃料電池用電極及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能でコストの低い燃料電池用電極及びそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】 電解質膜１０の両面にアノード及びカソ
ードを構成する触媒層１２を形成し、その外側にガス拡
散層１４を形成する。さらにその外側にはセパレータ１
６が形成されている。ガス拡散層１４は、電気抵抗が低
く、カーボン粉末が緻密に構成された内側層１８と、撥
水性が高くポーラスな外側層２０の２層構造とされてお
り、外側層２０によりガスの拡散性と撥水性を向上で
き、内側層１８により集電性を向上させることができ
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、燃料電池に使用さ
れる電極及びその製造方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池に使用される電極は、電解質膜
の両面にアノード及びカソードを構成する触媒層を形成
し、この触媒層の外側に、触媒層までガスを拡散、供給
するガス拡散層が形成された構造となっている。
【０００３】このガス拡散層の機能としては、上述した
ガスの拡散のほかに、触媒層で発生した電気を、触媒層
のさらに外側に形成されているセパレータに集電し、ま
た触媒層表面に発生した水分を除去すること等がある。
このため、ガス拡散層には、良好なガス拡散性、電気導
電性、水をはじく撥水性が要求される。
【０００４】ガス拡散層の電気導電性を高めるために
は、通常カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボ
ン基材が使用されている。このカーボン基材にポリ四フ
ッ化エチレン（ＰＴＦＥ）を含浸させて撥水性を付与
し、さらにカーボンブラック等のカーボン粉末をＰＴＦ
Ｅとともに混練したカーボンペーストを塗布するという
工程によってガス拡散層が製造される。例えば、特開平
５−２８３０８２号公報にも、このような燃料電池用電
極が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の燃
料電池用電極においては、電気導電性を高めるためにカ
ーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン基材を使
用しているが、これらは高価な材料であるので、燃料電
池用電極のコストが高くなるという問題があった。
【０００６】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、高性能でコストの低い燃料電
池用電極及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、電解質膜の両側に触媒層が形成され、触
媒層の外側にガス拡散層が形成された燃料電池用電極で
あって、ガス拡散層をカーボン粉末と撥水性を有する高
分子物質との混合物から形成することを特徴とする。
【０００８】また、上記燃料電池用電極において、ガス
拡散層の外側にはさらにセパレータが形成されており、
セパレータ側に比べ触媒層側のガス拡散層の緻密性を高
めたことを特徴とする。
【０００９】また、燃料電池用電極の製造方法であっ
て、触媒層上にカーボン粉末と撥水性を有する高分子物
質との混合物を塗布することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１１】実施形態１．図１には、本発明に係る燃料
電池用電極の実施形態１の断面図が示される。図１にお
いて、電解質膜１０の両面には、アノード及びカソード
を構成する触媒層１２が形成されている。この触媒層１
２の外側には、触媒層１２に燃料である水素ガス及び酸
素ガスを供給し、また触媒層に電子を供給、集電するた
めのガス拡散層１４が設けられている。このガス拡散層
１４の更に外側には、セパレータ１６が形成されてい
る。セパレータ１６とガス拡散層１４との間には、水素
ガス及び酸素ガスを供給するための溝（図示せず）が形
成されており、ガスはこの溝を通りガス拡散層１４を介
して触媒層１２に供給される。
【００１２】本実施形態に係る燃料電池用電極のガス拡
散層１４は、コストの高いカーボンクロスやカーボンペ
ーパーを使用せず、カーボンブラックのようなカーボン
粉末とＰＴＦＥのような撥水性を有する高分子物質とを
混練して製造したカーボンペーストを電解質膜１０の両
面に形成された触媒層１２上に塗布することにより形成
している。これにより燃料電池用電極のコストを大幅に
低減することができる。
【００１３】さらに本実施形態においては、上記コスト
ダウンを図りつつ、電極としての性能を落とさないため
に、ガス拡散層１４の構造を、触媒層１２側の内側層１
８とセパレータ１６側の外側層２０との２層構造として
いる。
【００１４】内側層１８は、ＰＴＦＥの含有量を減ら
し、撥水性を弱めるとともに、カーボンブラックの割合
を高めている。この内側層１８に使用されるカーボンブ
ラックは、ストラクチャ（２次粒子）が小さいものを使
用している。これにより、内側層１８のカーボンの緻密
性が向上し、ＰＴＦＥの量が少ないことと相俟って電気
抵抗が低くなり、触媒層１２で発生した電気の集電性を
向上させることができる。
【００１５】他方、外側層２０は、ＰＴＦＥの割合を高
め、撥水性を向上させるとともに、ストラクチャの大き
なカーボンブラックを用いてポーラスな層としている。
外側層２０の撥水性が向上したことにより、触媒層１２
の表面に生じる水分の排水性が向上されるとともに、ポ
ーラスであるため、ガスの拡散性も向上することができ
る。
【００１６】以上のように、ガス拡散層１４の構造を抵
抗が低く集電性の高い内側層１８と排水性が高くかつ反
応ガスの拡散性の高い外側層２０との２層構造としたの
で、ガス拡散層１４に要求される、ガス拡散性、集電
性、撥水性のいずれも向上したものを実現することがで
きる。
【００１７】実施形態２．図２（ａ）には、燃料電池用
電極の従来の製造工程が示される。前述したように、従
来はカーボンブラックとＰＴＦＥとを混練して製造した
カーボンペーストをカーボンクロスやカーボンペーパー
等のカーボン基材に塗布し、次にこれを焼成し、両面に
触媒層１２が形成された電解質膜１０にホットプレスし
て燃料電池用電極を製造していた。
【００１８】これに対して本実施形態では、図２（ｂ）
に示されるように、カーボンブラックの種類と量及びＰ
ＴＦＥの使用量とを調整し、内側層１８及び外側層２０
に相当する２種類のカーボンペーストを製造し、このカ
ーボンペーストを触媒層１２が形成された電解質膜１０
の両面に塗布し、これを焼成し燃料電池用電極としてい
る。図２（ａ），（ｂ）を比較してわかるように、本実
施形態では、ガス拡散層１４の形成にカーボン基材を使
用しないので、カーボンペーストを基材に塗布する工程
及び電解質膜にホットプレスする工程を省略することが
できる。その代わりに、カーボンペーストの塗布・焼成
によりガス拡散層１４を形成できる。このように、本実
施形態では、ガス拡散層１４の製造工程を簡素化するこ
とができる。また、ガス拡散層１４には、カーボン基材
を使用していないので、ガス拡散層１４を薄くすること
もできる。
【００１９】図３には、触媒層１２の上に拡散層１４を
形成するために２種類のカーボンペーストを塗布する工
程の説明図が示される。図３において、スロットダイコ
ータ２２を使用し、電解質膜１０の上に形成された触媒
層１２の上に内側層１８及び外側層２０に対応する２種
類のカーボンペーストを塗布していく。これにより、一
度の工程で２層からなるガス拡散層１４を形成すること
ができる。なお、スロットダイコータ２２を工夫するこ
とにより、電解質膜１０の両面に形成された２つの触媒
層１２の上に同時にカーボンペーストを塗布することも
可能である。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガス拡散層の形成に多孔性のカーボン基材を使用しない
ですむので、燃料電池用電極のコストを低減することが
できる。
【００２１】また、ガス拡散層を２層構造としたので、
ガス拡散性、集電性、撥水性をいずれも向上させること
ができる。
【００２２】また、カーボン基材にカーボンペーストを
塗布する工程を省略できるので、燃料電池用電極の製造
工程を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池用電極の断面図であ
る。
【図２】 本発明に係る燃料電池用電極の製造工程の説
明図である。
【図３】 図２に示された製造工程において、カーボン
ペーストを電解質膜に塗布する際の説明図である。
【符号の説明】
１０ 電解質膜、１２ 触媒層、１４ ガス拡散層、１
６ セパレータ、１８内側層、２０ 外側層、２２ ス
ロットダイコータ。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質膜の両側に触媒層が形成され、前
    記触媒層の外側にガス拡散層が形成された燃料電池用電
    極であって、前記ガス拡散層をカーボン粉末と撥水性を
    有する高分子物質との混合物から形成することを特徴と
    する燃料電池用電極。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池用電極におい
    て、前記ガス拡散層の外側にはさらにセパレータが形成
    されており、前記セパレータ側に比べ前記触媒層側のガ
    ス拡散層の緻密性を高めたことを特徴とする燃料電池用
    電極。
  3. 【請求項３】 触媒層上にカーボン粉末と撥水性を有す
    る高分子物質との混合物を塗布することを特徴とする燃
    料電池用電極の製造方法。
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