JP2001135320A - 固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法Info
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- JP2001135320A JP2001135320A JP31431699A JP31431699A JP2001135320A JP 2001135320 A JP2001135320 A JP 2001135320A JP 31431699 A JP31431699 A JP 31431699A JP 31431699 A JP31431699 A JP 31431699A JP 2001135320 A JP2001135320 A JP 2001135320A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 容易にかつ効率的に形成され、良好な多孔
性、導電性、撥水性、耐久性を有する固体高分子電解質
型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法を提供する。 【解決手段】 触媒、含フッ素イオン交換樹脂及び温度
２０℃における２質量％の水溶液の粘度が１０００ｃＰ
以上のセルロース類が溶媒に分散又は溶解された粘性混
合物からガス拡散電極を形成する。
性、導電性、撥水性、耐久性を有する固体高分子電解質
型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法を提供する。 【解決手段】 触媒、含フッ素イオン交換樹脂及び温度
２０℃における２質量％の水溶液の粘度が１０００ｃＰ
以上のセルロース類が溶媒に分散又は溶解された粘性混
合物からガス拡散電極を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法に関する。
型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素と酸素を使用する燃料電池は、その
反応生成物が原理的に水のみであり環境への悪影響がほ
とんどない発電システムとして注目されている。なかで
も、近年、プロトン導電性のイオン交換膜を電解質と使
用する固体高分子電解質型燃料電池は、作動温度が低
く、出力密度が高く、且つ小型化が可能なため、車載用
電源など有望視されている。
反応生成物が原理的に水のみであり環境への悪影響がほ
とんどない発電システムとして注目されている。なかで
も、近年、プロトン導電性のイオン交換膜を電解質と使
用する固体高分子電解質型燃料電池は、作動温度が低
く、出力密度が高く、且つ小型化が可能なため、車載用
電源など有望視されている。
【０００３】かかる固体高分子電解質型燃料電池は、上
記のように作動温度が低い（５０〜１２０℃）ことが特
徴であるが、一方では、そのために排熱が補機動力など
に有効利用しがたい難点がある。これを補う意味でも固
体高分子電解質型燃料電池には、水素及び酸素の利用率
の高い運転条件も高いエネルギー効率及び高い出力密度
が要求されている。
記のように作動温度が低い（５０〜１２０℃）ことが特
徴であるが、一方では、そのために排熱が補機動力など
に有効利用しがたい難点がある。これを補う意味でも固
体高分子電解質型燃料電池には、水素及び酸素の利用率
の高い運転条件も高いエネルギー効率及び高い出力密度
が要求されている。
【０００４】固体高分子電解質型燃料電池が上記要求を
満たすためには、電池を構成する要素のうち特にガス拡
散電極及び該電極をその両表面に形成したイオン交換膜
−電極接合体が重要である。従来、かかるガス拡散電極
は、電極反応を促進する触媒粉末、導電性を高めかつ水
蒸気の凝縮による多孔体の閉塞（フラッデイング）を防
止するための含フッ素イオン交換樹脂を、エタノールな
どのアルコール類の溶媒に溶解又は分散して含む粘性混
合物を、イオン交換膜の表面に直接塗布するか、又は別
のシート状基材に塗布して得られる層をイオン交換膜の
表面に転写又は張り付けることにより形成されている。
満たすためには、電池を構成する要素のうち特にガス拡
散電極及び該電極をその両表面に形成したイオン交換膜
−電極接合体が重要である。従来、かかるガス拡散電極
は、電極反応を促進する触媒粉末、導電性を高めかつ水
蒸気の凝縮による多孔体の閉塞（フラッデイング）を防
止するための含フッ素イオン交換樹脂を、エタノールな
どのアルコール類の溶媒に溶解又は分散して含む粘性混
合物を、イオン交換膜の表面に直接塗布するか、又は別
のシート状基材に塗布して得られる層をイオン交換膜の
表面に転写又は張り付けることにより形成されている。
【０００５】しかしながら、このようにしてガス拡散電
極を形成する場合、上記粘性混合物は、イオン交換膜又
はシート状基材への塗工性は、必ずしも良好でなく、ま
た、形成されたガス拡散電極は、多孔性、導電性、撥水
性、更には耐久性について必ずしも満足されるものでは
ない。
極を形成する場合、上記粘性混合物は、イオン交換膜又
はシート状基材への塗工性は、必ずしも良好でなく、ま
た、形成されたガス拡散電極は、多孔性、導電性、撥水
性、更には耐久性について必ずしも満足されるものでは
ない。
【０００６】一方で、含フッ素イオン交換樹脂を含酸素
炭化水素および含フッ素化合物の混合溶液を用いて溶解
することも知られている（特開平７−７６６４４号公
報）が、これは溶解性のみを開示するものであり、固体
高分子電解質型燃料電池のガス拡散電極への使用を示唆
するものではない。
炭化水素および含フッ素化合物の混合溶液を用いて溶解
することも知られている（特開平７−７６６４４号公
報）が、これは溶解性のみを開示するものであり、固体
高分子電解質型燃料電池のガス拡散電極への使用を示唆
するものではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、固体高分子
電解質型燃料電池及びガス拡散電極における従来の難点
を解消し、イオン交換膜又はシート状基材への塗工性が
良好な電極形成用粘性混合物を使用することにより、良
好な多孔性、導電性、撥水性、更には耐久性を有する固
体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法
を提供する。
電解質型燃料電池及びガス拡散電極における従来の難点
を解消し、イオン交換膜又はシート状基材への塗工性が
良好な電極形成用粘性混合物を使用することにより、良
好な多孔性、導電性、撥水性、更には耐久性を有する固
体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法
を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者の研究による
と、固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散電極におけ
る上記の問題は、ガス拡散電極を構成する、触媒、含フ
ッ素イオン交換樹脂から粘性混合物を作製する場合に、
特定のセルロース類を添加することにより解決できるこ
とが見出された。即ち、上記触媒、含フッ素イオン交換
樹脂を、溶媒に分散、又は溶解せしめて粘性混合物を作
製する際に特定のセルロース類を添加する場合、電極特
性に対して悪影響を与えることなく、セルロース類の量
により粘性混合物の粘性が制御され、電極を形成する際
の粘性混合物の塗布性が大きく改善される。
と、固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散電極におけ
る上記の問題は、ガス拡散電極を構成する、触媒、含フ
ッ素イオン交換樹脂から粘性混合物を作製する場合に、
特定のセルロース類を添加することにより解決できるこ
とが見出された。即ち、上記触媒、含フッ素イオン交換
樹脂を、溶媒に分散、又は溶解せしめて粘性混合物を作
製する際に特定のセルロース類を添加する場合、電極特
性に対して悪影響を与えることなく、セルロース類の量
により粘性混合物の粘性が制御され、電極を形成する際
の粘性混合物の塗布性が大きく改善される。
【０００９】かくして、本発明は、イオン交換膜に接し
て配置される、固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡
散電極の製造方法において、触媒、含フッ素イオン交換
樹脂、及び温度２０℃における２質量％の水溶液の粘度
が１０００ｃＰ以上であるセルロース類が溶媒に分散又
は溶解された粘性混合物より、前記ガス拡散電極を製造
することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製
造方法にある。
て配置される、固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡
散電極の製造方法において、触媒、含フッ素イオン交換
樹脂、及び温度２０℃における２質量％の水溶液の粘度
が１０００ｃＰ以上であるセルロース類が溶媒に分散又
は溶解された粘性混合物より、前記ガス拡散電極を製造
することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製
造方法にある。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に本発明について更に説明す
る。
る。
【００１１】本発明において製造されるガス拡散電極に
おいては、触媒及び含フッ素イオン交換樹脂が必須の成
分とされる。触媒としては、燃料極及び空気極で電極反
応を促進する物質が使用されるが、好ましくは、白金な
どの白金族元素又はその合金が挙げられる。触媒は微粒
子としてそのまま使用してもよいが、比表面積が、好ま
しくは、２００ｍ2／ｇ以上の活性炭、カーボンブラッ
クなどを担体として使用し、担持量が、好ましくは、１
０〜７０質量％の担持触媒を使用することもできる。
おいては、触媒及び含フッ素イオン交換樹脂が必須の成
分とされる。触媒としては、燃料極及び空気極で電極反
応を促進する物質が使用されるが、好ましくは、白金な
どの白金族元素又はその合金が挙げられる。触媒は微粒
子としてそのまま使用してもよいが、比表面積が、好ま
しくは、２００ｍ2／ｇ以上の活性炭、カーボンブラッ
クなどを担体として使用し、担持量が、好ましくは、１
０〜７０質量％の担持触媒を使用することもできる。
【００１２】ガス拡散電極に含まれる含フッ素イオン交
換樹脂は、導電性及びガスの透過性の点から、イオン交
換容量として、０．５〜２．０ミリ当量／グラム乾燥樹
脂を有するものが好ましく、特には、０．８〜１．５ミ
リ当量／グラム乾燥樹脂を有するものが適切である。ま
た、含フッ素イオン樹脂は、テトラフルオロエチレンに
基づく重合単位と、スルホン酸基又はカルボン酸基を有
するパーフルオロビニルエーテルに基づく重合単位とを
含む共重合体からなるものが好ましい。上記スルホン酸
基又はカルボン酸基を有するパーフルオロビニルエーテ
ルとしては、ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦＸ）m−Ｏp−
（ＣＦ2）n−Ｍを有するものが好ましい。
換樹脂は、導電性及びガスの透過性の点から、イオン交
換容量として、０．５〜２．０ミリ当量／グラム乾燥樹
脂を有するものが好ましく、特には、０．８〜１．５ミ
リ当量／グラム乾燥樹脂を有するものが適切である。ま
た、含フッ素イオン樹脂は、テトラフルオロエチレンに
基づく重合単位と、スルホン酸基又はカルボン酸基を有
するパーフルオロビニルエーテルに基づく重合単位とを
含む共重合体からなるものが好ましい。上記スルホン酸
基又はカルボン酸基を有するパーフルオロビニルエーテ
ルとしては、ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦＸ）m−Ｏp−
（ＣＦ2）n−Ｍを有するものが好ましい。
【００１３】ここで、ｍは０〜３の整数、ｎは１〜１２
の整数、ｐは０又は１であり、ＸはＦ又はＣＦ3であ
り、Ｍはスルホン酸基又はカルボン酸基である。それら
の好ましい具体例として以下の化合物が挙げられる。下
記の式中、ｑ、ｒ、ｓは１〜８の整数、ｔは１〜３の整
数である。 ＣＦ2＝ＣＦＯ（ＣＦ2）qＳＯ3Ｈ ＣＦ2＝ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）rＳＯ3Ｈ ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3））tＯ（ＣＦ2）sＳ
Ｏ3Ｈ ガス拡散電極に含まれる触媒と含フッ素イオン交換樹脂
とは、質量比で触媒：含フッ素イオン交換樹脂＝０．４
０：０．６０〜０．９５：０．０５であることが電極の
導電性と撥水性の点から好ましい。特には、０．６：
０．４〜０．８：０．２が適切である。なお、ここでい
う触媒は、担持触媒の場合には担体の質量を含むもので
ある。
の整数、ｐは０又は１であり、ＸはＦ又はＣＦ3であ
り、Ｍはスルホン酸基又はカルボン酸基である。それら
の好ましい具体例として以下の化合物が挙げられる。下
記の式中、ｑ、ｒ、ｓは１〜８の整数、ｔは１〜３の整
数である。 ＣＦ2＝ＣＦＯ（ＣＦ2）qＳＯ3Ｈ ＣＦ2＝ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）rＳＯ3Ｈ ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3））tＯ（ＣＦ2）sＳ
Ｏ3Ｈ ガス拡散電極に含まれる触媒と含フッ素イオン交換樹脂
とは、質量比で触媒：含フッ素イオン交換樹脂＝０．４
０：０．６０〜０．９５：０．０５であることが電極の
導電性と撥水性の点から好ましい。特には、０．６：
０．４〜０．８：０．２が適切である。なお、ここでい
う触媒は、担持触媒の場合には担体の質量を含むもので
ある。
【００１４】ガス拡散電極の製造法では、触媒と含フッ
素イオン交換樹脂のほかに必要に応じて他の物質が加え
られる。例えば空気極には、生成する水による閉塞をさ
らに防止するため撥水剤が加えられる。撥水剤として
は、好ましくは、テトラフルオロエチレンとヘキサフル
オロプロピレンとの共重合体、テトラフルオロエチレン
とパーフルオロ（アルキルビニルエーテル）との共重合
体、ポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。
素イオン交換樹脂のほかに必要に応じて他の物質が加え
られる。例えば空気極には、生成する水による閉塞をさ
らに防止するため撥水剤が加えられる。撥水剤として
は、好ましくは、テトラフルオロエチレンとヘキサフル
オロプロピレンとの共重合体、テトラフルオロエチレン
とパーフルオロ（アルキルビニルエーテル）との共重合
体、ポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。
【００１５】ガス拡散電極を形成する触媒と含フッ素イ
オン交換樹脂は、次いで、溶媒に分散又は溶解される。
該溶媒としては、アルコール類、エーテル類、ジアルキ
ルスルホキシド及び水から選ばれる少なくとも一種が好
ましい。上記溶媒を２種以上併用する場合は、水を含む
水性溶媒、特に水とアルコールの混合溶媒が好ましい。
オン交換樹脂は、次いで、溶媒に分散又は溶解される。
該溶媒としては、アルコール類、エーテル類、ジアルキ
ルスルホキシド及び水から選ばれる少なくとも一種が好
ましい。上記溶媒を２種以上併用する場合は、水を含む
水性溶媒、特に水とアルコールの混合溶媒が好ましい。
【００１６】アルコール類、エーテル類およびジアルキ
ルスルホキシドは、その炭素数が１〜６の範囲であるも
のが好ましい。なかでも沸点が好ましくは、４０〜１６
０℃、特には、６０〜１２０℃であるものが適切であ
る。上記に該当する溶媒の好ましい具体例としては、メ
タノール、エタノール、ｎープロパノール、２−プロパ
ノール、１−ブタノール、２−ブタノール、１，４−ジ
オキサン、ｎ−プロピルエーテルなどが挙げられる。ま
た、ジアルキルスルホキシドとしては、ジメチルスルホ
キシド、ジエチルスルホキシドなどが挙げられる。
ルスルホキシドは、その炭素数が１〜６の範囲であるも
のが好ましい。なかでも沸点が好ましくは、４０〜１６
０℃、特には、６０〜１２０℃であるものが適切であ
る。上記に該当する溶媒の好ましい具体例としては、メ
タノール、エタノール、ｎープロパノール、２−プロパ
ノール、１−ブタノール、２−ブタノール、１，４−ジ
オキサン、ｎ−プロピルエーテルなどが挙げられる。ま
た、ジアルキルスルホキシドとしては、ジメチルスルホ
キシド、ジエチルスルホキシドなどが挙げられる。
【００１７】本発明で使用される温度２０℃における２
質量％の水溶液の粘度が１０００ｃＰ以上であるセルロ
ース類の好ましい例としては、アルキルセルロースが挙
げられる。アルキルセルロースのアルキル基の炭素数と
しては、好ましくは １〜６、特には、１〜３が適切で
ある。上記セルロース類のこれらの好ましい具体例とし
ては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキ
シプロピルメチルセルロース、ヒドロキシルエチルメチ
ルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキ
シメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルヒド
ロキシエチルセルロースなどが挙げられる。
質量％の水溶液の粘度が１０００ｃＰ以上であるセルロ
ース類の好ましい例としては、アルキルセルロースが挙
げられる。アルキルセルロースのアルキル基の炭素数と
しては、好ましくは １〜６、特には、１〜３が適切で
ある。上記セルロース類のこれらの好ましい具体例とし
ては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキ
シプロピルメチルセルロース、ヒドロキシルエチルメチ
ルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキ
シメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルヒド
ロキシエチルセルロースなどが挙げられる。
【００１８】本発明の製造方法は、上記した触媒、含フ
ッ素イオン交換樹脂及びセルロース類を使用し、これら
を上記溶媒中に分散又は溶解された粘性混合物が作製さ
れる。粘性混合物は、上記セルロース類が、触媒及び含
フッ素イオン交換樹脂の合量に対し、好ましくは、０．
１〜２０質量％、特には１〜１０質量％含むのが適切で
ある。かる粘性混合物を作製する手段は、触媒と含フッ
素イオン交換樹脂とを上記溶媒に溶解、分散させてもよ
く、また含フッ素イオン交換樹脂を上記溶媒に溶解又は
分散したものに、触媒を分散させてもよい。特に、触媒
を上記溶媒に分散したものに、含フッ素イオン交換樹脂
を溶解させる場合に得られる電極特性が向上するの好ま
しい。この場合、粘性混合物に触媒が極めて良好に分散
することに基づくものと思われる。
ッ素イオン交換樹脂及びセルロース類を使用し、これら
を上記溶媒中に分散又は溶解された粘性混合物が作製さ
れる。粘性混合物は、上記セルロース類が、触媒及び含
フッ素イオン交換樹脂の合量に対し、好ましくは、０．
１〜２０質量％、特には１〜１０質量％含むのが適切で
ある。かる粘性混合物を作製する手段は、触媒と含フッ
素イオン交換樹脂とを上記溶媒に溶解、分散させてもよ
く、また含フッ素イオン交換樹脂を上記溶媒に溶解又は
分散したものに、触媒を分散させてもよい。特に、触媒
を上記溶媒に分散したものに、含フッ素イオン交換樹脂
を溶解させる場合に得られる電極特性が向上するの好ま
しい。この場合、粘性混合物に触媒が極めて良好に分散
することに基づくものと思われる。
【００１９】このようにして、触媒、含フッ素イオン交
換樹脂及びセルロース類とが上記溶媒中に溶解又は分散
された粘性混合物が得られる。この場合、触媒、セルロ
ース類及び一部の含フッ素イオン交換樹脂は溶媒に溶解
されないので、固形物として粘性混合物中に存在するの
で、粘性混合物の粘度が増大する。特に電極性能に影響
しないセルロース類の存在量により粘性混合物の粘度が
制御される。この場合の粘性混合物の粘度は、１００〜
３００００ｃＰが好ましく、なかでも３００〜２０００
０ｃＰが適切である。なお、本明細書における粘度は、
Ｂ型粘度計で測定した数値をいう。
換樹脂及びセルロース類とが上記溶媒中に溶解又は分散
された粘性混合物が得られる。この場合、触媒、セルロ
ース類及び一部の含フッ素イオン交換樹脂は溶媒に溶解
されないので、固形物として粘性混合物中に存在するの
で、粘性混合物の粘度が増大する。特に電極性能に影響
しないセルロース類の存在量により粘性混合物の粘度が
制御される。この場合の粘性混合物の粘度は、１００〜
３００００ｃＰが好ましく、なかでも３００〜２０００
０ｃＰが適切である。なお、本明細書における粘度は、
Ｂ型粘度計で測定した数値をいう。
【００２０】本発明で上記粘性混合物の作製に使用され
る溶媒は、上記溶媒のみでもよいが、必要により他の溶
媒を添加併用することができる。例えば、好ましくは、
含フッ素化合物溶媒を使用し、粘性混合物に良好な途工
性と乾燥性を与えることができる。かかる水又は含フッ
素化合物溶媒が含まれる場合、これらの添加溶媒と上記
溶媒との混合溶媒中の比率は、質量基準で、好ましく
は、１０：９０〜９０：１０、特には、３０：７０〜７
０：３０が適切である。上記の範囲を外れると、含フッ
素樹脂の溶解性が低下したり、また、粘性混合物の粘度
が十分高くならないなどの不都合が生じる。
る溶媒は、上記溶媒のみでもよいが、必要により他の溶
媒を添加併用することができる。例えば、好ましくは、
含フッ素化合物溶媒を使用し、粘性混合物に良好な途工
性と乾燥性を与えることができる。かかる水又は含フッ
素化合物溶媒が含まれる場合、これらの添加溶媒と上記
溶媒との混合溶媒中の比率は、質量基準で、好ましく
は、１０：９０〜９０：１０、特には、３０：７０〜７
０：３０が適切である。上記の範囲を外れると、含フッ
素樹脂の溶解性が低下したり、また、粘性混合物の粘度
が十分高くならないなどの不都合が生じる。
【００２１】上記含フッ素化合物溶媒としては、１個又
は２個のトリフルオロメチル基又はクロロジフルオロメ
チル基を有し、かつ水素原子又は水酸基を有する特定の
含フッ素化合物が特に良好である。例えば、構造式が似
ている化合物でもＣＦ3ＣＦ2ＣＨ2ＯＨとＣＨＦ2ＣＦ2
ＣＨ2ＯＨでは、前者が後者に比較して増粘性が極めて
良好で優れており、触媒及び含フッ素イオン交換樹脂を
少量加えただけでも高い粘度を有する粘性混合物が得ら
れる。これにより、イオン交換膜の表面に形成される電
極の厚みを薄くでき、電極層の電気抵抗の低減とガス拡
散性の増大をもたらす。
は２個のトリフルオロメチル基又はクロロジフルオロメ
チル基を有し、かつ水素原子又は水酸基を有する特定の
含フッ素化合物が特に良好である。例えば、構造式が似
ている化合物でもＣＦ3ＣＦ2ＣＨ2ＯＨとＣＨＦ2ＣＦ2
ＣＨ2ＯＨでは、前者が後者に比較して増粘性が極めて
良好で優れており、触媒及び含フッ素イオン交換樹脂を
少量加えただけでも高い粘度を有する粘性混合物が得ら
れる。これにより、イオン交換膜の表面に形成される電
極の厚みを薄くでき、電極層の電気抵抗の低減とガス拡
散性の増大をもたらす。
【００２２】上記特定の含フッ素化合物の溶媒を使用し
た場合の粘性混合物における粘性が高くなる理由につい
ては必ずしも明らかではないが、分子内にトリフルオロ
メチル基のようにフッ素原子で全置換されているような
疎水部と、水素原子、水酸基等のような親水部を合わせ
もつ構造を有する含フッ素化合物溶媒は、含フッ素イオ
ン交換樹脂との分子間相互作用が大きく、含フッ素イオ
ン交換樹脂が粘性混合物中で十分に伸びた構造を有する
ために粘度が増大するものと思われる。
た場合の粘性混合物における粘性が高くなる理由につい
ては必ずしも明らかではないが、分子内にトリフルオロ
メチル基のようにフッ素原子で全置換されているような
疎水部と、水素原子、水酸基等のような親水部を合わせ
もつ構造を有する含フッ素化合物溶媒は、含フッ素イオ
ン交換樹脂との分子間相互作用が大きく、含フッ素イオ
ン交換樹脂が粘性混合物中で十分に伸びた構造を有する
ために粘度が増大するものと思われる。
【００２３】上記含フッ素化合物溶媒の好ましい例とし
ては、2，2，2−トリフルオロエタノール、3，3，3，
2，2−ペンタフルオロプロパノール、4，4，4，3，2，2
−ヘキサフルオロブタノール、1，3−ジクロロ−1，1，
2，2，3−ペンタフルオロプロパン、1，1−ジクロロ−
2，2，3，3，3−ペンタフルオロプロパン、1，1，1，
2，3，4，4，5，5，5−デカフルオロペンタン、1，1，
1，3，3，3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、1，
1，1−トリクロロ−2，2，3，3，3−ペンタフルオロプ
ロパン、2，2，3，3，3−ペンタフルオロプロピルメチ
ルエーテル、2，2，3，3，3−ペンタフルオロプロピル
フルオロメチルエーテル、1，1，3，3，3−ペンタフル
オロ−2−トリフルオロメチルプロピルメチルエーテル
などが挙げられる。
ては、2，2，2−トリフルオロエタノール、3，3，3，
2，2−ペンタフルオロプロパノール、4，4，4，3，2，2
−ヘキサフルオロブタノール、1，3−ジクロロ−1，1，
2，2，3−ペンタフルオロプロパン、1，1−ジクロロ−
2，2，3，3，3−ペンタフルオロプロパン、1，1，1，
2，3，4，4，5，5，5−デカフルオロペンタン、1，1，
1，3，3，3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、1，
1，1−トリクロロ−2，2，3，3，3−ペンタフルオロプ
ロパン、2，2，3，3，3−ペンタフルオロプロピルメチ
ルエーテル、2，2，3，3，3−ペンタフルオロプロピル
フルオロメチルエーテル、1，1，3，3，3−ペンタフル
オロ−2−トリフルオロメチルプロピルメチルエーテル
などが挙げられる。
【００２４】更に、上記粘性混合物には、本発明の目的
を阻害しない限り、必要に応じて他の物質を添加するこ
とができる。例えば粘度を調節するための増粘剤又は希
釈剤、更には増孔剤などが添加できる。増粘剤として
は、セロソルブ系のものが使用でき、希釈剤としては、
水、炭化水素．含フッ素炭化水素などが使用できる。増
孔剤としては、シリカ、アルミナなどが使用できる。
を阻害しない限り、必要に応じて他の物質を添加するこ
とができる。例えば粘度を調節するための増粘剤又は希
釈剤、更には増孔剤などが添加できる。増粘剤として
は、セロソルブ系のものが使用でき、希釈剤としては、
水、炭化水素．含フッ素炭化水素などが使用できる。増
孔剤としては、シリカ、アルミナなどが使用できる。
【００２５】上記粘性混合物から固体高分子電解質たる
イオン交換膜の表面にガス拡散電極を形成する場合、粘
性混合物をイオン交換膜に直接塗布して電極を形成する
か、又はカーボンペーパーなどの別のシート状基材の表
面に塗布し、電極を形成した後、これをイオン交換膜に
転写又は張り付けることにより電極を形成できる。粘性
混合物のイオン交換膜又はシート状基材への塗布は、ダ
イコーター、スクリーン印刷などの既存の方法を適用で
きる。上記電極をシート状基材に形成しこれをイオン交
換膜に転写し又は張り付ける場合、ホットプレス法、接
着法（特開平７−２２０７４１公報、特開平７−２５４
４２０公報）などが使用できる。かくして、形成される
電極の厚みは、好ましくは、１〜５０μｍ、特には、５
〜３０μｍが適切である。
イオン交換膜の表面にガス拡散電極を形成する場合、粘
性混合物をイオン交換膜に直接塗布して電極を形成する
か、又はカーボンペーパーなどの別のシート状基材の表
面に塗布し、電極を形成した後、これをイオン交換膜に
転写又は張り付けることにより電極を形成できる。粘性
混合物のイオン交換膜又はシート状基材への塗布は、ダ
イコーター、スクリーン印刷などの既存の方法を適用で
きる。上記電極をシート状基材に形成しこれをイオン交
換膜に転写し又は張り付ける場合、ホットプレス法、接
着法（特開平７−２２０７４１公報、特開平７−２５４
４２０公報）などが使用できる。かくして、形成される
電極の厚みは、好ましくは、１〜５０μｍ、特には、５
〜３０μｍが適切である。
【００２６】本発明で、表面に電極が形成されるイオン
交換膜は、イオン交換容量として、好ましくは、０．５
〜２．０ミリ当量／グラムを有し、厚みとして、好まし
くは、１０〜８０μｍを有する。イオン交換膜を構成す
る材料としては、上記電極の形成に使用された含フッ素
イオン交換樹脂として記載された材料から選択して使用
できる。なかでも、スルホン酸型含フッ素イオン交換樹
脂が好ましく、特には、ＣＦ2＝ＣＦ2とＣＦ2＝ＣＦ−
（ＯＣＦ2ＣＦＸ）m−Ｏp−（ＣＦ2) n−ＳＯ3Ｈ（式
中、ｍは０〜３、ｎは１〜１２、ｐは０又は１、ＸはＦ
又はＣＦ3。）との共重合体からなるスルホン酸型パー
フルオロカーボンイオン交換樹脂が適切である。
交換膜は、イオン交換容量として、好ましくは、０．５
〜２．０ミリ当量／グラムを有し、厚みとして、好まし
くは、１０〜８０μｍを有する。イオン交換膜を構成す
る材料としては、上記電極の形成に使用された含フッ素
イオン交換樹脂として記載された材料から選択して使用
できる。なかでも、スルホン酸型含フッ素イオン交換樹
脂が好ましく、特には、ＣＦ2＝ＣＦ2とＣＦ2＝ＣＦ−
（ＯＣＦ2ＣＦＸ）m−Ｏp−（ＣＦ2) n−ＳＯ3Ｈ（式
中、ｍは０〜３、ｎは１〜１２、ｐは０又は１、ＸはＦ
又はＣＦ3。）との共重合体からなるスルホン酸型パー
フルオロカーボンイオン交換樹脂が適切である。
【００２７】
【実施例】以下に本発明の具体的態様を実施例によって
詳しく説明するが、本発明の解釈はこれらに限定されな
いことはいうまでもない。
詳しく説明するが、本発明の解釈はこれらに限定されな
いことはいうまでもない。
【００２８】[実施例１]エタノール６．１６ｇおよびイ
オン交換容量が１．１ミリ当量／ｇ乾燥樹脂であるＣＦ
2＝ＣＦ2とＣＦ2＝ＣＦ−ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）−ＯＣ
Ｆ2ＣＦ2ＳＯ3Ｈとの共重合体からなる含フッ素イオン
交換樹脂の９．０質量％エタノール溶液３．３３ｇ及び
水４．０ｇの混合物に対して、カーボンブラック粉末に
白金を４０質量％担持した担持触媒０．７ｇを分散させ
た。かかる分散液を更に十分に分散することにより粘性
混合物を得た。該粘性混合物の粘度は、７００ｃＰであ
った。なお、上記で使用したメチルセルロースは、その
２質量％水溶液の２０℃における粘度は、１０万ｃＰで
あった。
オン交換容量が１．１ミリ当量／ｇ乾燥樹脂であるＣＦ
2＝ＣＦ2とＣＦ2＝ＣＦ−ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）−ＯＣ
Ｆ2ＣＦ2ＳＯ3Ｈとの共重合体からなる含フッ素イオン
交換樹脂の９．０質量％エタノール溶液３．３３ｇ及び
水４．０ｇの混合物に対して、カーボンブラック粉末に
白金を４０質量％担持した担持触媒０．７ｇを分散させ
た。かかる分散液を更に十分に分散することにより粘性
混合物を得た。該粘性混合物の粘度は、７００ｃＰであ
った。なお、上記で使用したメチルセルロースは、その
２質量％水溶液の２０℃における粘度は、１０万ｃＰで
あった。
【００２９】イオン交換膜として、フレミオンＳ膜（ス
ルホン酸型パーフルオロカーボンイオン交換膜の旭硝子
社商品名、イオン交換容量１．０ミリ当量／ｇ乾燥樹
脂、膜厚５０μｍ）を使用し、該イオン交換膜に対し
て、空気極側及び水素極側の両面に上記粘性混合物を、
いずれも白金含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように
スクリーン印刷にて塗付した。次いで、１２０℃にて１
時間乾燥することにより、厚み２０μｍの多孔質のガス
拡散電極を表面に有するイオン交換膜・電極接合体（電
極面積１０ｃｍ2）を製作した。
ルホン酸型パーフルオロカーボンイオン交換膜の旭硝子
社商品名、イオン交換容量１．０ミリ当量／ｇ乾燥樹
脂、膜厚５０μｍ）を使用し、該イオン交換膜に対し
て、空気極側及び水素極側の両面に上記粘性混合物を、
いずれも白金含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるように
スクリーン印刷にて塗付した。次いで、１２０℃にて１
時間乾燥することにより、厚み２０μｍの多孔質のガス
拡散電極を表面に有するイオン交換膜・電極接合体（電
極面積１０ｃｍ2）を製作した。
【００３０】かかるイオン交換膜・電極接合体を使用し
て燃料電池セルを組み立て、該燃料電池を、０．２ＭＰ
ａ、水素／空気系、セル温度７０℃において０．６０Ｖ
の定電圧駆動で連続運転し、出力電流密度（Ａ／ｃ
ｍ2）の経時的な変化を測定したところ、表１に示す結
果が得られた。
て燃料電池セルを組み立て、該燃料電池を、０．２ＭＰ
ａ、水素／空気系、セル温度７０℃において０．６０Ｖ
の定電圧駆動で連続運転し、出力電流密度（Ａ／ｃ
ｍ2）の経時的な変化を測定したところ、表１に示す結
果が得られた。
【００３１】[比較例１]空気極側に塗布する粘性混合物
の調製において、メチルセルロースを添加しないほか
は、実施例１と同様にして空気極を作製した。空気側の
粘性混合物は、粘度が５０ｃＰと小さく、スクリーン印
刷機による塗布ができなかったのでイオン交換膜の表面
に刷毛で塗ることにより塗布した。
の調製において、メチルセルロースを添加しないほか
は、実施例１と同様にして空気極を作製した。空気側の
粘性混合物は、粘度が５０ｃＰと小さく、スクリーン印
刷機による塗布ができなかったのでイオン交換膜の表面
に刷毛で塗ることにより塗布した。
【００３２】上記空気極側の電極が異なるほかは、実施
例１と全く同様にしてイオン交換膜・電極接合体を作製
し、且つ実施例１と同様にして燃料電池セルを組み立
て、その性能を測定したところ、表１に示す結果が得ら
れた。
例１と全く同様にしてイオン交換膜・電極接合体を作製
し、且つ実施例１と同様にして燃料電池セルを組み立
て、その性能を測定したところ、表１に示す結果が得ら
れた。
【００３３】〔実施例２〕実施例１で使用したのと同じ
担持触媒０．７ｇを、エタノール７．５ｇ中充分に分散
させ、これに実施例１で使用したのと同じ、９．０質量
％の含フッ素イオン交換樹脂のエタノール溶液３．３３
ｇを添加して撹拌した。更に、実施例１で使用したのと
同じ、メチルセルロースの１．０質量％水溶液７ｇおよ
び水４．０ｇを添加して充分に撹拌した。得られた粘性
混合物の粘度は、約７００ｃＰであった。
担持触媒０．７ｇを、エタノール７．５ｇ中充分に分散
させ、これに実施例１で使用したのと同じ、９．０質量
％の含フッ素イオン交換樹脂のエタノール溶液３．３３
ｇを添加して撹拌した。更に、実施例１で使用したのと
同じ、メチルセルロースの１．０質量％水溶液７ｇおよ
び水４．０ｇを添加して充分に撹拌した。得られた粘性
混合物の粘度は、約７００ｃＰであった。
【００３４】上記のようにして得られた粘性混合物を使
用したほかは、実施例１と同様にしてイオン交換膜・ガ
ス拡散電極接合体を作製し、かつ燃料電池セルを組み立
ててその性能を測定したところ、表１に示す結果が得ら
れた。
用したほかは、実施例１と同様にしてイオン交換膜・ガ
ス拡散電極接合体を作製し、かつ燃料電池セルを組み立
ててその性能を測定したところ、表１に示す結果が得ら
れた。
【００３５】
【表１】
【００３６】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば、ガス拡散電
極がイオン交換膜の表面に簡便かつ良好に形成され、得
られたガス拡散電極は、良好な多孔性、導電性、撥水
性、更には耐久性を有し、かかるガス拡散電極を用いた
固体高分子電解質型燃料電池は出力特性が高く、且つ経
時劣化が小さい。
極がイオン交換膜の表面に簡便かつ良好に形成され、得
られたガス拡散電極は、良好な多孔性、導電性、撥水
性、更には耐久性を有し、かかるガス拡散電極を用いた
固体高分子電解質型燃料電池は出力特性が高く、且つ経
時劣化が小さい。
Claims (6)
- 【請求項１】イオン交換膜に接して配置される、固体高
分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法にお
いて、触媒、含フッ素イオン交換樹脂及び温度２０℃に
おける２質量％の水溶液の粘度が１０００ｃＰ以上であ
るセルロース類が溶媒に分散又は溶解された粘性混合物
よりガス拡散電極を製造することを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法。 - 【請求項２】前記溶媒は、アルコール類、エーテル類、
ジアルキルスルホキシド及び水からなる群から選ばれる
一種以上である請求項１に記載のガス拡散電極の製造方
法。 - 【請求項３】前記粘性混合物は、セルロース類を、触媒
及び含フッ素イオン交換樹脂の合量に対して、０．１〜
２０質量％含む請求項１又は２に記載のガス拡散電極の
製造方法。 - 【請求項４】触媒を前記溶媒に分散させた分散液に対し
て、含フッ素イオン交換樹脂及び前記セルロース類を混
合せしめて粘性混合物を得る請求項1、２又は３に記載
のガス拡散電極の製造方法。 - 【請求項５】粘性混合物をイオン交換膜の表面に直接塗
布するか、又は別のシート状基材に塗布して形成した層
をイオン交換膜の表面に転写又は張り付けることによ
り、ガス拡散電極を製造する請求項１〜４のいずれかに
記載のガス拡散電極の製造方法。 - 【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法
で得られたガス拡散電極をイオン交換膜に接して配置す
ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31431699A JP2001135320A (ja) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | 固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31431699A JP2001135320A (ja) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | 固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001135320A true JP2001135320A (ja) | 2001-05-18 |
Family
ID=18051891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31431699A Withdrawn JP2001135320A (ja) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | 固体高分子電解質型燃料電池用のガス拡散電極の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001135320A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006202598A (ja) * | 2005-01-20 | 2006-08-03 | Toray Ind Inc | 燃料電池用電極および燃料電池 |
-
1999
- 1999-11-04 JP JP31431699A patent/JP2001135320A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006202598A (ja) * | 2005-01-20 | 2006-08-03 | Toray Ind Inc | 燃料電池用電極および燃料電池 |
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