JP2001126737A - 燃料電池用電極、その製造方法並びに燃料電池 - Google Patents

燃料電池用電極、その製造方法並びに燃料電池

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Hiroki Kabumoto
浩揮 株本
Takahiro Isono
隆博 礒野
Yoshito Konno
義人 近野
Ikuro Yonezu
育郎 米津
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガス拡散性の向上した燃料電池用電極及
びその製造方法を提供すると共に、特性の向上した燃料
電池を提供する。 【構成】 撥水性を有し、且つ表面がイオン交換膜2に
より被覆された骨格材料1からなる多孔質体中に触媒粒
子3が分散されてなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜を用いた燃料電池に関し、特に電極の改良に係る。
【0002】
【従来の技術】図4は、固体高分子電解質膜を用いた従
来の燃料電池における単位セル構造を模式化して示す断
面図である。11はイオン導電性を示す固体高分子から
なる電解質膜であり、電解質膜11の互いに対向する2
主面には夫々アノード12及びカソード13が設けられ
ている。これらアノード12及びカソード13は、夫々
ガス拡散層12A,13A及び触媒層12B,13Bか
ら構成され、各触媒層12B,13Bが電解質膜11と
接するように配されている。
【0003】そして、アノード12側に設けられた燃料
室14に水素を含む燃料ガスを供給する一方、カソード
13側に設けられた酸化剤室15に酸素を含む酸化剤ガ
スを供給することにより、発電が生じる。通常の燃料電
池は、斯かる構成の単位セルが複数個積層されて構成さ
れている。
【0004】燃料室14及び酸化剤室15に夫々燃料ガ
スと酸化剤ガスとが供給されると、アノード12では、
燃料ガス中の水素ガスがH2→2H++2e-の反応によ
ってプロトンと電子を生成する。プロトンは水分子と水
和した状態で電解質膜11を通ってカソード13に進
み、電子は外部回路(図示せず)に流れる。カソード1
3では、酸化剤ガス中の酸素と、電解質膜11を通って
移動してきたプロトン、及び外部回路を通って流入した
電子が、1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応によ
り、反応生成水を生ずるとともに起電力を発生する。
【0005】上記ガス拡散層12A,13Aは多孔質の
基体からなり、集電体として作用すると共に、燃料ガス
や酸化剤ガスの拡散経路として作用する。さらに、反応
生成水をセル外へ排出する排水経路としても作用する。
このために、ガス拡散層12A又は13Aには、通常撥
水化処理の施されたカーボンペーパーが使用される。こ
の撥水化処理の施されたカーボンペーパーは、例えば所
定の気孔率及び厚さを有するカーボンペーパーに対して
ポリテトラフルオロエチレン系ポリマーのディスパージ
ョンを含浸させた後、熱処理を施すことにより作製する
ことができる。
【0006】また、触媒層12B,13Bでは触媒が均
一に分散されていることと、燃料ガスや酸化剤ガスのガ
ス拡散性及び反応生成水を外部に排水するための排水性
が要求される。そこで、従来は撥水化処理の施されたカ
ーボンペーパーからなるガス拡散層12A、13Aの表
面に、触媒粉末、電解質及び撥水化剤を含む有機溶媒系
のペーストを塗布することによって、触媒層12B,1
3Bを形成している。
【0007】上記触媒粉末としては白金ブラック粉末、
白金合金粉末、白金又はパラジウムを担持したカーボン
ブラック粉末、パラジウムブラック粉末等が使用でき
る。また、上記電解質としては各種イオン交換樹脂等が
使用でき、特に電解質膜11としてパーフルオロカーボ
ンスルホン酸系の樹脂膜を用いる場合には、同系統のパ
ーフルオロカーボンスルホン酸系の樹脂が用いられる。
さらに、上記撥水化剤としては、ポリテトラフルオロエ
チレン(PTFE)等のポリテトラフルオロエチレン系
樹脂が使用される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述した如く、ガス拡
散層及び触媒層にはいずれもガス拡散性が要求されてい
る。このために従来は、ガス拡散層を構成する多孔質の
基体に撥水性を付与すると共に、触媒層中に撥水化剤を
添加することによって、ガス拡散層及び触媒層にガス拡
散性を付与している。
【0009】然し乍ら、撥水化処理の施されたガス拡散
層上に撥水化剤の添加された触媒層を形成してなる従来
のアノードやカソードでは、ガス拡散層と触媒層との接
触界面において撥水性の不連続が生じ易い。また、触媒
層を形成するための触媒粉末、電解質及び撥水化剤を混
合してなるペースト中では、撥水化剤同士が密集して塊
を作り易く、このため触媒層中で撥水化剤の偏在が生じ
る。斯かる撥水性の不連続や撥水化剤の偏在は触媒層中
における局所的な水の凝集や水詰まりを生じさせ、この
結果燃料ガス或いは酸化剤ガスの拡散が阻害されて燃料
電池特性の低下を招く。
【0010】本発明は、斯かる従来の課題を解決し、ガ
ス拡散性の向上した燃料電池用電極及びその製造方法を
提供することを目的とすると共に、特性の向上した燃料
電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明燃料電池用電極
は、撥水性を有し、且つ表面がイオン交換膜により被覆
された骨格材料からなる多孔質体中に触媒粒子が分散さ
れてなることを特徴とする。
【0012】また、前記多孔質体中に分散された親水性
粒子を有することを特徴とし、前記多孔質体の気孔率が
20%〜80%の範囲であることを特徴とする。
【0013】本発明燃料電池用電極の製造方法は、撥水
性を有する骨格材料からなる多孔質体をイオン交換体を
含む溶液に浸漬し、前記骨格材料の表面をイオン交換膜
により被覆する工程と、前記多孔質体中に触媒粒子を分
散する工程と、を備えることを特徴とする。
【0014】また、前記多孔質体中に、親水性粒子を分
散する工程を備えることを特徴とする。
【0015】さらに、本発明燃料電池は、電解質膜の互
いに対向する2主面に夫々アノードとカソードを配して
なる単位セルを有する燃料電池であって、前記アノード
及びカソードは、撥水性を有し、且つ表面がイオン交換
膜により被覆された骨格材料からなる多孔質体中に触媒
粒子が分散されてなることを特徴とする。
【0016】また、前記多孔質体中に分散された親水性
粒子を有することを特徴とし、前記多孔質体の気孔率が
20%〜80%の範囲であることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について以下
に説明する。
【0018】図1は、本発明に係る燃料電池用電極の構
成を模式的に示した模式図である。同図を参照して、本
発明に係る燃料電池用電極は、それ自体が撥水性を有す
る骨格材料1からなる多孔質体を基体10とし、この骨
格材料1の表面をイオン交換膜2で被覆するとともに、
基体10中に触媒粒子3を分散させて構成している。
【0019】斯かる撥水性を有する骨格材料1からなる
基体10としては、例えば市販のPTFEシートを用い
ることができ、これ以外にも例えばテトラフルオロエチ
レン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体やフッ素化ポ
リエチレンを用いることができる。また、イオン交換膜
2の材料としては、例えばパーフルオロカーボンスルホ
ン酸、ポリフェノールスルホン酸、トリフルオロエチレ
ンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリベンズイ
ミダゾールスルホン酸或いはポリエーテルケトンスルホ
ン酸を用いることができる。
【0020】斯かる構成によれば、電極の全体が撥水性
を有する骨格材料を基体としているので、撥水性が厚み
方向にわたって連続しており、従って従来よりも良好な
ガス拡散性を有する。
【0021】(実施例1)まず、延伸多孔質PTFEシ
ートを、5重量%のNafion溶液(アルドリッチ・
ケミカル社製、商品名)に浸漬した後、空気中において
80℃で加熱・乾燥することによって、PTFEの骨格
材料表面をNafion膜で被覆した。
【0022】次いで、白金担持炭素粉末とアルコール溶
媒とを混合して触媒スラリーを作製し、この触媒スラリ
ーをスクリーン印刷法によって上記PTFEシート上に
均一に塗布した。そして、約80℃で加熱することによ
り溶媒を除去すると共に白金担持炭素粉末をPTFEシ
ート中に圧入することによって、本発明に係る燃料電池
用電極を作製した。
【0023】このようにして作製したアノード側及びカ
ソード側の電極の間に、電解質膜として厚み50μmの
Nafion112(デュポン社製、商品名)膜を挟持
し、130℃でホットプレスすることにより一体化して
実施例1の単位セルを形成した。
【0024】(実施例2)実施例1と同一の工程で白金
担持炭素粉末をPTFEシート中に圧入した後、触媒ス
ラリーを塗布した面とは反対側の面に、親水性カーボン
粉末とアルコール溶液とを混合してなる親水性カーボン
スラリーを塗布し、80℃で乾燥することによって、P
TFEシート中に親水性カーボンを分散させた。
【0025】そして、実施例1と同一の方法により実施
例2の単位セルを作製した。
【0026】(比較例)撥水化処理の施されたカーボン
ペーパー上に、白金担持炭素粉末とNafion溶液と
PTFEディスパージョンを100:20:5の割合で
混合してなる触媒スラリーを塗布し、80℃で乾燥する
ことによって燃料電池用を作製する以外は、実施例1と
同一の方法で比較例の単位セルを作製した。
【0027】(実験1)上記実施例1、実施例2及び比
較例の単位セルを次の条件で運転し、そのときの出力電
圧を測定した。この結果を図2の特性図に示す。
【0028】燃料ガス:水素 酸化剤ガス:空気 燃料利用率:50% 酸化剤利用率:30% 図2から、実施例1及び2の燃料電池は、比較例の燃料
電池よりも高い電圧が得られる。これは、電極のガス拡
散性が比較例の燃料電池よりも向上したことによるもの
と推察される。
【0029】また、実施例2の燃料電池によれば実施例
1の燃料電池に比べて高い電圧が得られているが、これ
は実施例2の燃料電池においては親水性カーボンを分散
させており、この親水性カーボンが排水経路及び導電経
路として作用するために、電極の排水性及び導電性が向
上したことによるものと考えられる。
【0030】(実験2)気孔率の異なるPTFEシート
を用い、実施例2と同一の条件で種々の燃料電池を作製
した。そして、実験1と同一の条件で燃料電池を運転し
た。電流密度が500mA/cm2における電池電圧と
気孔率との関係を図3の特性図に示す。同図から、多孔
質体の気孔率は20%以上、80%以下の範囲が好まし
いことが分る。
【0031】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明燃料電池用電
極にあっては、撥水性を有し、且つ表面がイオン交換膜
により被覆された骨格材料からなる多孔質体中に、触媒
粒子が分散されて構成されている。このように、本発明
にあっては電極の全体が撥水性を有する骨格材料を基体
としているので、撥水性が厚み方向にわたって連続して
おり、従来よりも良好なガス拡散性を有している。
【0032】従って、斯かる電極をアノード及びカソー
ドに用いることにより、電池特性の向上した燃料電池を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池用電極の構成を模式的に
示した模式図である。
【図2】実施例1,2及び比較例の燃料電池の出力電圧
を示す特性図である。
【図3】多孔質体の気孔率と電池電圧との関係を示す特
性図である。
【図4】従来の燃料電池の単位セル構造を模式化して示
す断面図である。
【符号の説明】
1…骨格材料、2…イオン交換膜、3…触媒粒子、11
…電解質、12…カソード、13…アノード、12A,
13A…ガス拡散層、12B,13B…触媒層、14…
燃料室、15…酸化剤室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近野 義人 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 米津 育郎 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB03 BB05 BB06 BB08 BB09 BB12 CC06 DD06 DD08 EE03 EE05 EE19 HH04 5H026 AA06 CX05 EE02 EE05 EE19 HH04

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 撥水性を有し、且つ表面がイオン交換膜
    により被覆された骨格材料からなる多孔質体中に触媒粒
    子が分散されてなることを特徴とする燃料電池用電極。
  2. 【請求項2】 前記多孔質体中に分散された親水性粒子
    を有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電
    極。
  3. 【請求項3】 前記多孔質体の気孔率が20%〜80%
    の範囲であることを特徴とする請求項1又は2記載の燃
    料電池用電極。
  4. 【請求項4】 撥水性を有する骨格材料からなる多孔質
    体をイオン交換体を含む溶液に浸漬し、前記骨格材料の
    表面をイオン交換膜により被覆する工程と、前記多孔質
    体中に触媒粒子を分散する工程と、を備えることを特徴
    とする燃料電池用電極の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記多孔質体中に、親水性粒子を分散す
    る工程を備えることを特徴とする請求項4記載の燃料電
    池用電極の製造方法。
  6. 【請求項6】 電解質膜の互いに対向する2主面に夫々
    アノードとカソードを配してなる単位セルを有する燃料
    電池であって、 前記アノード及びカソードは、撥水性を有し、且つ表面
    がイオン交換膜により被覆された骨格材料からなる多孔
    質体中に触媒粒子が分散されてなることを特徴とする燃
    料電池。
  7. 【請求項7】 前記多孔質体中に分散された親水性粒子
    を有することを特徴とする請求項6記載の燃料電池。
  8. 【請求項8】 前記多孔質体の気孔率が20%〜80%
    の範囲であることを特徴とする請求項6又は7記載の燃
    料電池。
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