JP2002216777A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
高分子電解質型燃料電池Info
- Publication number
- JP2002216777A JP2002216777A JP2001012492A JP2001012492A JP2002216777A JP 2002216777 A JP2002216777 A JP 2002216777A JP 2001012492 A JP2001012492 A JP 2001012492A JP 2001012492 A JP2001012492 A JP 2001012492A JP 2002216777 A JP2002216777 A JP 2002216777A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polymer electrolyte
- layered silicate
- particles
- fuel cell
- catalyst
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- 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
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 膜厚を増大させることなく、またイオン交換
容量等を低下させずに低加湿運転が可能な高分子電解質
型燃料電池を提供する。 【解決手段】 触媒層22，32と拡散層21，31とを有する
一対の対向する電極２，３と、これらに挟持された高分
子電解質膜１とからなる高分子電解質型燃料電池におい
て、前記触媒層22，32は触媒粒子と、高分子電解質と層
状珪酸塩粒子とからなる。層状珪酸塩粒子はスメクタイ
ト族鉱物又は合成雲母粒子である。
容量等を低下させずに低加湿運転が可能な高分子電解質
型燃料電池を提供する。 【解決手段】 触媒層22，32と拡散層21，31とを有する
一対の対向する電極２，３と、これらに挟持された高分
子電解質膜１とからなる高分子電解質型燃料電池におい
て、前記触媒層22，32は触媒粒子と、高分子電解質と層
状珪酸塩粒子とからなる。層状珪酸塩粒子はスメクタイ
ト族鉱物又は合成雲母粒子である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は低加湿運転が可能な
高分子電解質型燃料電池に関する。
高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】石油資源の枯渇化と地球温暖化等の環境
問題の深刻化により、クリーンな電動機用電力源として
燃料電池が注目され、広範に開発されているとともに、
一部実用化もされている。特に燃料電池を自動車等に搭
載する場合には、軽量化の目的で高分子電解質膜型燃料
電池を使用するのが好ましい。
問題の深刻化により、クリーンな電動機用電力源として
燃料電池が注目され、広範に開発されているとともに、
一部実用化もされている。特に燃料電池を自動車等に搭
載する場合には、軽量化の目的で高分子電解質膜型燃料
電池を使用するのが好ましい。
【０００３】高分子電解質型燃料電池では、イオン伝導
性の低下を抑制するために高分子電解質膜及び電極の触
媒層は水分を含んだ状態になっている必要がある。その
ために、一般に十分に加湿した燃料を燃料極に供給する
手法が採られている。しかしながら、燃料電池の小型化
を考慮すると、燃料の低加湿化又は無加湿化が望まし
い。
性の低下を抑制するために高分子電解質膜及び電極の触
媒層は水分を含んだ状態になっている必要がある。その
ために、一般に十分に加湿した燃料を燃料極に供給する
手法が採られている。しかしながら、燃料電池の小型化
を考慮すると、燃料の低加湿化又は無加湿化が望まし
い。
【０００４】高分子電解質型燃料電池においては、高分
子電解質膜中を燃料極から酸素極に向かってプロトンが
同伴水とともに移動する。そのため、燃料極は乾燥しや
すく、プロトン伝導性が低下する恐れがある。一方、酸
素極では電極反応による生成水が過剰になると、フラッ
ディング現象（触媒層が濡れてガスの拡散経路が閉塞さ
れる現象）が起こる。このため、燃料極では水分を補給
するとともに、酸素極では水分を除去する必要がある。
子電解質膜中を燃料極から酸素極に向かってプロトンが
同伴水とともに移動する。そのため、燃料極は乾燥しや
すく、プロトン伝導性が低下する恐れがある。一方、酸
素極では電極反応による生成水が過剰になると、フラッ
ディング現象（触媒層が濡れてガスの拡散経路が閉塞さ
れる現象）が起こる。このため、燃料極では水分を補給
するとともに、酸素極では水分を除去する必要がある。
【０００５】このような水分の管理のために、(イ) 縒り
糸状の繊維を高分子電解質膜に挟み込むサンドイッチ構
造にすることにより、繊維を介して高分子電解質膜を加
湿する方法、又は(ロ) 水吸着剤を電極に添加する方法
（特開平10-334922号）が提案されている。しかしなが
ら、(イ) の方法には、繊維を挟む分だけ高分子電解質膜
の厚さが増大し、イオン伝導性が低下するという問題が
あり、また(ロ) の方法には、水吸着剤の添加により電極
のイオン交換容量が低下するという問題がある。
糸状の繊維を高分子電解質膜に挟み込むサンドイッチ構
造にすることにより、繊維を介して高分子電解質膜を加
湿する方法、又は(ロ) 水吸着剤を電極に添加する方法
（特開平10-334922号）が提案されている。しかしなが
ら、(イ) の方法には、繊維を挟む分だけ高分子電解質膜
の厚さが増大し、イオン伝導性が低下するという問題が
あり、また(ロ) の方法には、水吸着剤の添加により電極
のイオン交換容量が低下するという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的
は、膜厚を増大させることなく、またイオン交換容量等
を低下させずに低加湿運転が可能な高分子電解質型燃料
電池を提供することである。
は、膜厚を増大させることなく、またイオン交換容量等
を低下させずに低加湿運転が可能な高分子電解質型燃料
電池を提供することである。
【０００７】
【課題を解決する手段】上記目的に鑑み鋭意研究の結
果、高分子電解質膜の両面に電極触媒層が接合された高
分子電解質型燃料電池において、電極触媒層を触媒粒子
と、高分子電解質と、層状珪酸塩粒子により構成するこ
とにより、優れた自己加湿機能を有し、低加湿運転が可
能な高分子電解質型燃料電池が得られることを発見し、
本発明に想到した。
果、高分子電解質膜の両面に電極触媒層が接合された高
分子電解質型燃料電池において、電極触媒層を触媒粒子
と、高分子電解質と、層状珪酸塩粒子により構成するこ
とにより、優れた自己加湿機能を有し、低加湿運転が可
能な高分子電解質型燃料電池が得られることを発見し、
本発明に想到した。
【０００８】すなわち、本発明の高分子電解質型燃料電
池は、触媒層と拡散層とを有する一対の対向する電極
と、これらに挟持された高分子電解質膜とからなり、前
記触媒層は触媒粒子と、高分子電解質と層状珪酸塩粒子
とからなることを特徴とする。
池は、触媒層と拡散層とを有する一対の対向する電極
と、これらに挟持された高分子電解質膜とからなり、前
記触媒層は触媒粒子と、高分子電解質と層状珪酸塩粒子
とからなることを特徴とする。
【０００９】前記層状珪酸塩粒子は、スメクタイト族鉱
物又は合成雲母粒子であるのが好ましく、特にモンモリ
ロナイト、サポナイト、ヘクトライト、スチーブンサイ
ト、バーミキュライト、フッ素四珪素雲母及びテニオラ
イトからなる群から選ばれた少なくとも１種であるのが
好ましい。
物又は合成雲母粒子であるのが好ましく、特にモンモリ
ロナイト、サポナイト、ヘクトライト、スチーブンサイ
ト、バーミキュライト、フッ素四珪素雲母及びテニオラ
イトからなる群から選ばれた少なくとも１種であるのが
好ましい。
【００１０】層状珪酸塩粒子の含有量は10重量％以下で
あるのが好ましい。また層状珪酸塩粒子のイオン交換容
量は0.5 meq/g以上であるのが好ましい。さらに層状珪
酸塩粒子の凝集径は100μｍ以下であるのが好ましい。
あるのが好ましい。また層状珪酸塩粒子のイオン交換容
量は0.5 meq/g以上であるのが好ましい。さらに層状珪
酸塩粒子の凝集径は100μｍ以下であるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】[1] 電極構造体 高分子電解質型燃料電池は、一般に図１に示す電極構造
体が複数積層された構造を有する。各電極構造体は、高
分子電解質膜１と、その両側の燃料極２及び酸素極３
と、それらの両側のセパレータ４，４とからなる。燃料
極２及び酸素極３の電極はそれぞれ、拡散層21，31と触
媒層22，32とからなる。
体が複数積層された構造を有する。各電極構造体は、高
分子電解質膜１と、その両側の燃料極２及び酸素極３
と、それらの両側のセパレータ４，４とからなる。燃料
極２及び酸素極３の電極はそれぞれ、拡散層21，31と触
媒層22，32とからなる。
【００１２】(A) 高分子電解質膜 本発明の高分子電解質膜はプロトン（イオン）交換樹脂
からなり、イオン交換樹脂としてはスルホン化パーフル
オロカーボンのみならず、スルホン化ポリエーテルエー
テルケトン(PEEK)、ポリエーテルスルホン、ポリスルホ
ン、スルホン化ポリエーテルイミド、ポリフェニレンス
ルフィド、スルホン化ポリフェニレンオキサイド、スル
ホン化フェノキシベンゾフェノン−ベンゾフェノン共重
合体等の非フッ素系のスルホン酸基含有樹脂も使用可能
である。
からなり、イオン交換樹脂としてはスルホン化パーフル
オロカーボンのみならず、スルホン化ポリエーテルエー
テルケトン(PEEK)、ポリエーテルスルホン、ポリスルホ
ン、スルホン化ポリエーテルイミド、ポリフェニレンス
ルフィド、スルホン化ポリフェニレンオキサイド、スル
ホン化フェノキシベンゾフェノン−ベンゾフェノン共重
合体等の非フッ素系のスルホン酸基含有樹脂も使用可能
である。
【００１３】(B) 電極 各電極（燃料極２及び酸素極３）の拡散層21，31は、電
子を電極触媒層22，32とセパレータ４，４との間で伝達
する機能とともに、燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス
（空気）を拡散して電極触媒層22，32に供給する機能を
有する。そのため拡散層21，31は導電性及び多孔性の両
方を具備する必要がある。具体的には拡散層21，31は、
カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト
等の支持層（集電体）に、カーボンブラックが分散した
イオン伝導性バインダー（上記高分子電解質と同じで良
い）のスラリーを塗布することにより下地層を形成した
ものが好ましい。
子を電極触媒層22，32とセパレータ４，４との間で伝達
する機能とともに、燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス
（空気）を拡散して電極触媒層22，32に供給する機能を
有する。そのため拡散層21，31は導電性及び多孔性の両
方を具備する必要がある。具体的には拡散層21，31は、
カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト
等の支持層（集電体）に、カーボンブラックが分散した
イオン伝導性バインダー（上記高分子電解質と同じで良
い）のスラリーを塗布することにより下地層を形成した
ものが好ましい。
【００１４】また触媒層22，32は、カーボンブラック粒
子等の担体粒子に白金粒子等の触媒金属粒子を担持させ
てなる触媒粒子及び層状珪酸塩粒子をイオン伝導性バイ
ンダー（高分子電解質）の有機溶剤溶液に均一に分散さ
せることにより得られた触媒スラリーを、電極拡散層2
1，31に塗布することにより得られる。
子等の担体粒子に白金粒子等の触媒金属粒子を担持させ
てなる触媒粒子及び層状珪酸塩粒子をイオン伝導性バイ
ンダー（高分子電解質）の有機溶剤溶液に均一に分散さ
せることにより得られた触媒スラリーを、電極拡散層2
1，31に塗布することにより得られる。
【００１５】(C) 層状珪酸塩粒子 本発明の特徴は、一対の電極の触媒層に保水効果を付与
する層状珪酸塩粒子を添加したことである。層状珪酸塩
粒子は層間に水を保持するので、高温、低湿度下におい
ても触媒層に供給される水分が存在し、発電性能を低下
させない。さらに層状珪酸塩はイオン伝導性を有するた
め、触媒層中のイオン交換容量が層状珪酸塩粒子を添加
しない場合と比較して低下することがない。このため、
層状珪酸塩粒子を含有する触媒層を有する本発明の高分
子電解質型燃料電池は、低加湿運転が可能である。
する層状珪酸塩粒子を添加したことである。層状珪酸塩
粒子は層間に水を保持するので、高温、低湿度下におい
ても触媒層に供給される水分が存在し、発電性能を低下
させない。さらに層状珪酸塩はイオン伝導性を有するた
め、触媒層中のイオン交換容量が層状珪酸塩粒子を添加
しない場合と比較して低下することがない。このため、
層状珪酸塩粒子を含有する触媒層を有する本発明の高分
子電解質型燃料電池は、低加湿運転が可能である。
【００１６】層状珪酸塩粒子としては、例えば モンモリロナイト：[M0.33Si4(Mg0.33Al1.67)O10(OH)2
・nH2O; M=Na]、 サポナイト：[M0.33(Si3.67Al0.33)Mg3O10(OH)2・nH2O;
M=Na]、 ヘクトライト：[M0.33Si4(Mg2.67Li0.33)O10(OH)2・nH2
O; M=Na]、 スチーブンサイト：[M0.17Si4Mg2.92O10(OH)2・nH2O; M
=Na]、 バーミキュライト：[M0.36(Si3.14Al0.86)Al2O10(OH)2
・nH2O; M=Na] 等のスメクタイト族鉱物の粒子のほか、例えば フッ素四珪素雲母：[M・Mg2.5(Si4O10)F2; M=Na]、 テニオライト：[M・Mg2(Si4O10)F2; M=Na, Li]等の合成
雲母粒子も用いることができる。
・nH2O; M=Na]、 サポナイト：[M0.33(Si3.67Al0.33)Mg3O10(OH)2・nH2O;
M=Na]、 ヘクトライト：[M0.33Si4(Mg2.67Li0.33)O10(OH)2・nH2
O; M=Na]、 スチーブンサイト：[M0.17Si4Mg2.92O10(OH)2・nH2O; M
=Na]、 バーミキュライト：[M0.36(Si3.14Al0.86)Al2O10(OH)2
・nH2O; M=Na] 等のスメクタイト族鉱物の粒子のほか、例えば フッ素四珪素雲母：[M・Mg2.5(Si4O10)F2; M=Na]、 テニオライト：[M・Mg2(Si4O10)F2; M=Na, Li]等の合成
雲母粒子も用いることができる。
【００１７】層状珪酸塩粒子の平均粒径dはほぼ２μｍ
以下であるが、通常は凝集しており、その凝集径は100
μｍ以下であるのが好ましい。凝集径が大きすぎると発
電性能が低下する。また層状珪酸塩粒子のイオン交換容
量は0.5 meq/g以上であるのが好ましい。層状珪酸塩粒
子のイオン交換容量が低いと、発電性能が低下する。層
状珪酸塩粒子のイオン交換容量の上限は特に限定的では
ないが、実用的には1.0 meq/g程度であれば良い。
以下であるが、通常は凝集しており、その凝集径は100
μｍ以下であるのが好ましい。凝集径が大きすぎると発
電性能が低下する。また層状珪酸塩粒子のイオン交換容
量は0.5 meq/g以上であるのが好ましい。層状珪酸塩粒
子のイオン交換容量が低いと、発電性能が低下する。層
状珪酸塩粒子のイオン交換容量の上限は特に限定的では
ないが、実用的には1.0 meq/g程度であれば良い。
【００１８】触媒層における層状珪酸塩粒子の含有率は
10重量％以下であるのが好ましい。層状珪酸塩粒子の含
有率が10重量％を超えると発電性能が低下する。なお層
状珪酸塩粒子の含有率は触媒粒子（触媒金属＋担体粒
子）を基準とした重量％で表す。層状珪酸塩粒子の含有
率の下限は0.01重量％程度で良い。
10重量％以下であるのが好ましい。層状珪酸塩粒子の含
有率が10重量％を超えると発電性能が低下する。なお層
状珪酸塩粒子の含有率は触媒粒子（触媒金属＋担体粒
子）を基準とした重量％で表す。層状珪酸塩粒子の含有
率の下限は0.01重量％程度で良い。
【００１９】(D) セパレータ 各セパレータ４は少なくとも片面（通常は両面）にガス
流路用の多数の溝41が設けられた金属板であり、各電極
構造体を分離するとともに、電極構造体を積層した時に
固定部材として作用する。
流路用の多数の溝41が設けられた金属板であり、各電極
構造体を分離するとともに、電極構造体を積層した時に
固定部材として作用する。
【００２０】[2] 高分子電解質型燃料電池の製造方法 (A) 電極の形成 (1) 触媒スラリーの作製 白金触媒を例にとって、以下電極の形成方法を説明す
る。まずカーボンブラック粒子に白金粒子を担持させ
て、触媒粒子を形成する。イオン伝導性バインダー（上
記高分子電解質と同じで良い）の有機溶剤溶液中に前記
触媒粒子及び層状珪酸塩粒子を均一に混合し、触媒スラ
リーを作製する。有機溶剤としては、ジメチルアセトア
ミド（沸点：165.5℃）、ジメチルホルムアミド（沸
点：153℃）、ジメチルスルホキシド（沸点：189℃）、
トリエチルホスフェート（沸点：115℃）、N-メチルピ
ロリドン（沸点：202℃）等を使用することができる。
なお触媒スラリー中の触媒粒子／高分子電解質の重量比
は１／２〜３／１であるのが好ましい。
る。まずカーボンブラック粒子に白金粒子を担持させ
て、触媒粒子を形成する。イオン伝導性バインダー（上
記高分子電解質と同じで良い）の有機溶剤溶液中に前記
触媒粒子及び層状珪酸塩粒子を均一に混合し、触媒スラ
リーを作製する。有機溶剤としては、ジメチルアセトア
ミド（沸点：165.5℃）、ジメチルホルムアミド（沸
点：153℃）、ジメチルスルホキシド（沸点：189℃）、
トリエチルホスフェート（沸点：115℃）、N-メチルピ
ロリドン（沸点：202℃）等を使用することができる。
なお触媒スラリー中の触媒粒子／高分子電解質の重量比
は１／２〜３／１であるのが好ましい。
【００２１】(2) 拡散層の作製 重量比で１／３〜５／１のカーボンブラック粒子とポリ
テトラフルオロエチレン(PTFE)等の粒子とをエチレング
リコール等の溶媒に均一に分散させてなるスラリーをカ
ーボンペーパー等の支持層（集電材）の片面に塗布し、
乾燥させて下地層を形成し、支持層と下地層からなる拡
散層を作製する。下地層の膜厚は1.8〜2.5 mg/cm2程度
で良い。
テトラフルオロエチレン(PTFE)等の粒子とをエチレング
リコール等の溶媒に均一に分散させてなるスラリーをカ
ーボンペーパー等の支持層（集電材）の片面に塗布し、
乾燥させて下地層を形成し、支持層と下地層からなる拡
散層を作製する。下地層の膜厚は1.8〜2.5 mg/cm2程度
で良い。
【００２２】(3) 触媒層の形成 拡散層の下地層上に、上記(1) で得た触媒／層状珪酸塩
粒子スラリーを白金量が0.4〜0.6 mg/cm2となるように
コートし、乾燥して、各電極の触媒層を作製する。
粒子スラリーを白金量が0.4〜0.6 mg/cm2となるように
コートし、乾燥して、各電極の触媒層を作製する。
【００２３】(B) 高分子電解質膜と電極との積層 上記の方法により形成した電極を触媒層を内側にして、
高分子電解質膜を挟み込んでも良いが、電極触媒層上に
高分子電解質溶液を塗布する方法により電極構造体を作
製しても良い。
高分子電解質膜を挟み込んでも良いが、電極触媒層上に
高分子電解質溶液を塗布する方法により電極構造体を作
製しても良い。
【００２４】高分子電解質溶液を塗布する方法の場合、
まず一方の電極の触媒層上に高分子電解質の有機溶剤溶
液を塗布する。このとき、一方の電極の触媒層中の有機
溶剤残存量は0.1〜0.2mg/cm2程度であるのが好ましい。
また高分子電解質溶液の濃度は一般に５〜15重量％が好
ましい。塗布した高分子電解質膜を有機溶剤残存量が３
〜20重量％程度、好ましくは５〜15重量％程度になるま
で乾燥させた後、他方の電極用の触媒スラリーを塗布す
る。高分子電解質膜上に塗布する触媒スラリーの固形分
濃度は５〜20重量％と比較的薄めにするのが好ましい。
まず一方の電極の触媒層上に高分子電解質の有機溶剤溶
液を塗布する。このとき、一方の電極の触媒層中の有機
溶剤残存量は0.1〜0.2mg/cm2程度であるのが好ましい。
また高分子電解質溶液の濃度は一般に５〜15重量％が好
ましい。塗布した高分子電解質膜を有機溶剤残存量が３
〜20重量％程度、好ましくは５〜15重量％程度になるま
で乾燥させた後、他方の電極用の触媒スラリーを塗布す
る。高分子電解質膜上に塗布する触媒スラリーの固形分
濃度は５〜20重量％と比較的薄めにするのが好ましい。
【００２５】(C) ホットプレス 触媒層を乾燥した後で、他方の電極用の拡散層を積層
し、ホットプレスする。ホットプレス条件は、一般に60
〜200℃の温度及び１〜10 MPaの圧力で１〜３分間であ
るのが好ましい。またホットプレスを２回に分けて行
い、一次ホットプレスの条件を60〜100℃の温度及び１
〜10 MPaの圧力で１〜３分間とし、二次ホットプレスの
条件を120〜200℃の温度及び１〜10 MPaの圧力で１〜３
分間としても良い。
し、ホットプレスする。ホットプレス条件は、一般に60
〜200℃の温度及び１〜10 MPaの圧力で１〜３分間であ
るのが好ましい。またホットプレスを２回に分けて行
い、一次ホットプレスの条件を60〜100℃の温度及び１
〜10 MPaの圧力で１〜３分間とし、二次ホットプレスの
条件を120〜200℃の温度及び１〜10 MPaの圧力で１〜３
分間としても良い。
【００２６】
【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２７】実施例１ (1) 触媒スラリーの作製 カーボンブラック(ファーネスブラック)粒子に白金粒子
を白金／カーボンの重量比が１：１になるように担持さ
せて、触媒粒子とした。またポリエーテルエーテルケト
ン（アルドリッチ社製）を発煙硫酸中に入れて、イオン
交換容量が2.4meq/gになるまでスルホン化し、スルホン
化ポリエーテルエーテルケトンを得た。スルホン化ポリ
エーテルエーテルケトンをN-メチルピロドリン（アルド
リッチ社製）に還流溶解し、濃度12重量％のスルホン化
ポリエーテルエーテルケトンを生成した。このスルホン
化ポリエーテルエーテルケトン溶液に触媒粒子を混合
し、触媒粒子／スルホン化ポリエーテルエーテルケトン
の重量比が１：２の触媒スラリーを作製した。
を白金／カーボンの重量比が１：１になるように担持さ
せて、触媒粒子とした。またポリエーテルエーテルケト
ン（アルドリッチ社製）を発煙硫酸中に入れて、イオン
交換容量が2.4meq/gになるまでスルホン化し、スルホン
化ポリエーテルエーテルケトンを得た。スルホン化ポリ
エーテルエーテルケトンをN-メチルピロドリン（アルド
リッチ社製）に還流溶解し、濃度12重量％のスルホン化
ポリエーテルエーテルケトンを生成した。このスルホン
化ポリエーテルエーテルケトン溶液に触媒粒子を混合
し、触媒粒子／スルホン化ポリエーテルエーテルケトン
の重量比が１：２の触媒スラリーを作製した。
【００２８】表１に示す層状珪酸塩粒子をN-メチルピロ
ドリンに分散させ、得られたスラリーを上記触媒スラリ
ーに添加し、触媒／層状珪酸塩粒子スラリーを作製し
た。触媒スラリー（触媒層）中の層状珪酸塩粒子の含有
率は、触媒粒子（白金＋カーボンブラック粒子）に対し
て３重量％であった。
ドリンに分散させ、得られたスラリーを上記触媒スラリ
ーに添加し、触媒／層状珪酸塩粒子スラリーを作製し
た。触媒スラリー（触媒層）中の層状珪酸塩粒子の含有
率は、触媒粒子（白金＋カーボンブラック粒子）に対し
て３重量％であった。
【００２９】(2) 拡散層の作製 重量比で４：６のカーボンブラック粒子及びポリテトラ
フルオロエチレン(PTFE)粒子をエチレングリコールに均
一に分散させてなるスラリーをカーボンペーパーの片面
に塗布し、乾燥させて下地層を形成し、カーボンペーパ
ーと下地層からなる拡散層を作製した。
フルオロエチレン(PTFE)粒子をエチレングリコールに均
一に分散させてなるスラリーをカーボンペーパーの片面
に塗布し、乾燥させて下地層を形成し、カーボンペーパ
ーと下地層からなる拡散層を作製した。
【００３０】(3) 電極の作製 拡散層の下地層上に、上記(1) で得た触媒／層状珪酸塩
粒子スラリーを白金量が0.5 mg/cm2となるように塗布
し、60℃、10分間の乾燥及び120℃の減圧乾燥を行っ
て、空気極及び燃料極を作製した。
粒子スラリーを白金量が0.5 mg/cm2となるように塗布
し、60℃、10分間の乾燥及び120℃の減圧乾燥を行っ
て、空気極及び燃料極を作製した。
【００３１】(4) 高分子電解質溶液の作製 上記工程(1) で得たスルホン化ポリエーテルエーテルケ
トンを用いて厚さ50μｍの高分子電解質膜を作製した。
トンを用いて厚さ50μｍの高分子電解質膜を作製した。
【００３２】(5) 電極構造体の作製 工程(4) で得た高分子電解質膜を工程(3) で得た空気極
及び燃料極で挟み、80℃、５MPa、２分間の条件で一次
ホットプレスを行い、次いで160℃、４MPa、１分間の条
件で二次ホットプレスを行って、電極構造体を作製し
た。
及び燃料極で挟み、80℃、５MPa、２分間の条件で一次
ホットプレスを行い、次いで160℃、４MPa、１分間の条
件で二次ホットプレスを行って、電極構造体を作製し
た。
【００３３】(6) 発電性能の評価 工程(5) で得た電極構造体を用いて通常の方法によりセ
ルスタックを組み立てた。空気極に空気を送給するとと
もに燃料極に純水素を送給し、発電させた。発電条件
は、両電極ともガス圧100 kPa、利用率50％、及び露点8
0℃であった。セル圧力は大気圧とした。加湿はカソー
ドガスによる間接加湿であった。この条件下で電流密度
１A/cm2時のセル電位を測定した。結果を表１に示す。
また層状珪酸塩粒子の含有率と発電性能（１A時のセル
電圧）との関係を図２に示し、層状珪酸塩粒子のイオン
交換容量と発電性能（１A時のセル電圧）との関係を図
３に示し、層状珪酸塩粒子の凝集径と発電性能（１A時
のセル電圧）との関係を図４に示す。
ルスタックを組み立てた。空気極に空気を送給するとと
もに燃料極に純水素を送給し、発電させた。発電条件
は、両電極ともガス圧100 kPa、利用率50％、及び露点8
0℃であった。セル圧力は大気圧とした。加湿はカソー
ドガスによる間接加湿であった。この条件下で電流密度
１A/cm2時のセル電位を測定した。結果を表１に示す。
また層状珪酸塩粒子の含有率と発電性能（１A時のセル
電圧）との関係を図２に示し、層状珪酸塩粒子のイオン
交換容量と発電性能（１A時のセル電圧）との関係を図
３に示し、層状珪酸塩粒子の凝集径と発電性能（１A時
のセル電圧）との関係を図４に示す。
【００３４】実施例２ 層状珪酸塩粒子が触媒粒子（白金＋カーボンブラック）
の重量に対して５重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
の重量に対して５重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
【００３５】実施例３ 層状珪酸塩粒子が触媒粒子（白金＋カーボンブラック）
の重量に対して８重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
の重量に対して８重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
【００３６】実施例４ 層状珪酸塩粒子が触媒粒子（白金＋カーボンブラック）
の重量に対して10重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
の重量に対して10重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
【００３７】実施例５ 凝集径が98μmの層状珪酸塩粒子が触媒粒子（白金＋カ
ーボンブラック）の重量に対して５重量％となるように
層状珪酸塩粒子スラリーを添加した以外、実施例１と同
じ方法で電極構造体を作製し、発電性能の評価を行っ
た。結果を表１及び図２〜図４に示す。
ーボンブラック）の重量に対して５重量％となるように
層状珪酸塩粒子スラリーを添加した以外、実施例１と同
じ方法で電極構造体を作製し、発電性能の評価を行っ
た。結果を表１及び図２〜図４に示す。
【００３８】実施例６ イオン交換容量が0.5 meq/gの層状珪酸塩粒子を使用し
た以外、実施例２と同じ方法で電極構造体を作製し、発
電性能の評価を行った。結果を表１及び図２〜図４に示
す。
た以外、実施例２と同じ方法で電極構造体を作製し、発
電性能の評価を行った。結果を表１及び図２〜図４に示
す。
【００３９】実施例７ 白金を担持した触媒粒子を添加しない以外実施例２と同
じ方法で電極構造体を作製し、発電性能の評価を行っ
た。結果を表１及び図２〜図４に示す。
じ方法で電極構造体を作製し、発電性能の評価を行っ
た。結果を表１及び図２〜図４に示す。
【００４０】比較例１ イオン交換容量が0.3 meq/gの層状珪酸塩粒子を使用し
た以外、実施例２と同じ方法で電極構造体を作製し、発
電性能の評価を行った。結果を表１及び図２〜図４に示
す。
た以外、実施例２と同じ方法で電極構造体を作製し、発
電性能の評価を行った。結果を表１及び図２〜図４に示
す。
【００４１】比較例２ 層状珪酸塩粒子が触媒粒子（白金＋カーボンブラック）
の重量に対して13重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
の重量に対して13重量％となるように層状珪酸塩粒子ス
ラリーを添加した以外、実施例１と同じ方法で電極構造
体を作製し、発電性能の評価を行った。結果を表１及び
図２〜図４に示す。
【００４２】比較例３ 凝集径が105μｍの層状珪酸塩粒子が触媒粒子（白金＋
カーボンブラック）の重量に対して５重量％となるよう
に層状珪酸塩粒子スラリーを添加した以外、実施例１と
同じ方法で電極構造体を作製し、発電性能の評価を行っ
た。結果を表１及び図２〜図４に示す。
カーボンブラック）の重量に対して５重量％となるよう
に層状珪酸塩粒子スラリーを添加した以外、実施例１と
同じ方法で電極構造体を作製し、発電性能の評価を行っ
た。結果を表１及び図２〜図４に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】図２は触媒層中の層状珪酸塩粒子の含有率
と発電性能（１A時のセル電位により表す。）との関係
を示す。図２から明らかなように、層状珪酸塩粒子の含
有率が多くなると、触媒層の保水機能が向上するのでセ
ル電位が増大する。しかしながら、層状珪酸塩粒子の含
有率が多くなりすぎると、層状珪酸塩粒子は触媒層中で
プロトンが移動するのを阻害する作用を有するので、こ
のプロトン移動阻害作用が保水効果を上回り、かえって
発電性能は低下する傾向を示す。従って、層状珪酸塩粒
子の含有率は、10重量％以下が好ましく、特に３〜８重
量％が好ましいことが分かる。
と発電性能（１A時のセル電位により表す。）との関係
を示す。図２から明らかなように、層状珪酸塩粒子の含
有率が多くなると、触媒層の保水機能が向上するのでセ
ル電位が増大する。しかしながら、層状珪酸塩粒子の含
有率が多くなりすぎると、層状珪酸塩粒子は触媒層中で
プロトンが移動するのを阻害する作用を有するので、こ
のプロトン移動阻害作用が保水効果を上回り、かえって
発電性能は低下する傾向を示す。従って、層状珪酸塩粒
子の含有率は、10重量％以下が好ましく、特に３〜８重
量％が好ましいことが分かる。
【００４５】図３は層状珪酸塩粒子のイオン交換容量と
発電性能（１A時のセル電位により表す。）との関係を
示す。図３から明らかなように、層状珪酸塩粒子のイオ
ン交換容量が多くなるにしたがって発電性能は増大す
る。従って、層状珪酸塩粒子のイオン交換容量は0.5 me
q/g以上が好ましいことが分かる。
発電性能（１A時のセル電位により表す。）との関係を
示す。図３から明らかなように、層状珪酸塩粒子のイオ
ン交換容量が多くなるにしたがって発電性能は増大す
る。従って、層状珪酸塩粒子のイオン交換容量は0.5 me
q/g以上が好ましいことが分かる。
【００４６】図４は層状珪酸塩粒子の凝集径と発電性能
（１A時のセル電位により表す。）との関係を示す。図
４から明らかなように、層状珪酸塩粒子の凝集径が大き
くなると発電性能は低下する。従って、層状珪酸塩粒子
の凝集径は100μｍ以下が好ましいことが分かる。
（１A時のセル電位により表す。）との関係を示す。図
４から明らかなように、層状珪酸塩粒子の凝集径が大き
くなると発電性能は低下する。従って、層状珪酸塩粒子
の凝集径は100μｍ以下が好ましいことが分かる。
【００４７】
【発明の効果】上記の通り、本発明の高分子電解質型燃
料電池は、電極触媒層内に層状珪酸塩粒子が存在するの
で、優れた自己加湿機能を有する。そのため発電性能を
低下させることなく低加湿運転が可能である。
料電池は、電極触媒層内に層状珪酸塩粒子が存在するの
で、優れた自己加湿機能を有する。そのため発電性能を
低下させることなく低加湿運転が可能である。
【図１】 本発明の高分子電解質型燃料電池を構成する
電極構造体の構造を示す概略図である。
電極構造体の構造を示す概略図である。
【図２】 触媒層中の層状珪酸塩粒子の含有率と発電性
能（１A時のセル電位）との関係を示すグラフである。
能（１A時のセル電位）との関係を示すグラフである。
【図３】 層状珪酸塩粒子のイオン交換容量と発電性能
（１A時のセル電位）との関係を示すグラフである。
（１A時のセル電位）との関係を示すグラフである。
【図４】 層状珪酸塩粒子の凝集径と発電性能（１A時
のセル電位）との関係を示すグラフである。
のセル電位）との関係を示すグラフである。
１・・・高分子電解質膜 ２・・・燃料極 21・・・燃料極の拡散層 22・・・燃料極の触媒層 ３・・・酸素極 31・・・酸素極の拡散層 32・・・酸素極の触媒層 ４・・・セパレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金岡 長之 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 斉藤 信広 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 EE03 EE08 EE13 HH00 HH01 HH05 5H026 AA06 EE12 EE18 HH00 HH01 HH05
Claims (6)
- 【請求項１】 触媒層と拡散層とを有する一対の対向す
る電極と、これらに挟持された高分子電解質膜とからな
る高分子電解質型燃料電池において、前記触媒層は触媒
粒子と、高分子電解質と層状珪酸塩粒子とからなること
を特徴とする高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 請求項１に記載の高分子電解質型燃料電
池において、前記層状珪酸塩粒子がスメクタイト族鉱物
又は合成雲母粒子であることを特徴とする高分子電解質
型燃料電池。 - 【請求項３】 請求項２に記載の高分子電解質型燃料電
池において、前記層状珪酸塩粒子がモンモリロナイト、
サポナイト、ヘクトライト、スチーブンサイト、バーミ
キュライト、フッ素四珪素雲母及びテニオライトからな
る群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とす
る高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項４】 請求項１〜３に記載の高分子電解質型燃
料電池において、前記層状珪酸塩粒子の含有量が10重量
％以下であることを特徴とする高分子電解質型燃料電
池。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の高分子
電解質型燃料電池において、前記層状珪酸塩粒子のイオ
ン交換容量が0.5 meq/g以上であることを特徴とする高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の高分子
電解質型燃料電池において、前記層状珪酸塩粒子の凝集
径が100μｍ以下であることを特徴とする高分子電解質
型燃料電池。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001012492A JP3962548B2 (ja) | 2001-01-19 | 2001-01-19 | 高分子電解質型燃料電池 |
| DE10194077T DE10194077T1 (de) | 2000-08-11 | 2001-08-13 | Festpolymer-Brennstoffzelle |
| PCT/JP2001/006980 WO2002015313A1 (fr) | 2000-08-11 | 2001-08-13 | Pile a combustible du type a polymere solide |
| CA2387674A CA2387674C (en) | 2000-08-11 | 2001-08-13 | Solid polymer fuel cell |
| US10/089,077 US6844097B2 (en) | 2000-08-11 | 2001-08-13 | Solid polymer type fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001012492A JP3962548B2 (ja) | 2001-01-19 | 2001-01-19 | 高分子電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002216777A true JP2002216777A (ja) | 2002-08-02 |
| JP3962548B2 JP3962548B2 (ja) | 2007-08-22 |
Family
ID=18879492
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001012492A Expired - Fee Related JP3962548B2 (ja) | 2000-08-11 | 2001-01-19 | 高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3962548B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100486728B1 (ko) * | 2002-12-12 | 2005-05-03 | 삼성에스디아이 주식회사 | 나노복합전해질막 및 이를 채용한 연료전지 |
| JP2006004856A (ja) * | 2004-06-21 | 2006-01-05 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| WO2006068279A1 (ja) * | 2004-12-20 | 2006-06-29 | Kuraray Co., Ltd. | イオン伝導性バインダー、膜−電極接合体及び燃料電池 |
| US8420276B2 (en) | 2007-02-07 | 2013-04-16 | Kuraray Co., Ltd. | Catalyst layer and preparation process thereof, and membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the catalyst layer |
| JP2013076087A (ja) * | 2006-09-18 | 2013-04-25 | Samsung Sdi Co Ltd | ナノ複合体イオン錯体を利用した電解質膜の製造方法 |
| WO2020031479A1 (ja) * | 2018-08-09 | 2020-02-13 | 三井金属鉱業株式会社 | 燃料電池用電極触媒層及びそれを用いた固体高分子形燃料電池 |
| WO2023151016A1 (zh) * | 2022-02-11 | 2023-08-17 | 罗伯特·博世有限公司 | 质子交换膜燃料电池、膜电极组件及其制备方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20240057186A (ko) * | 2022-10-24 | 2024-05-02 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전고체 전지용 음극 및 이를 포함하는 전고체 전지 |
-
2001
- 2001-01-19 JP JP2001012492A patent/JP3962548B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100486728B1 (ko) * | 2002-12-12 | 2005-05-03 | 삼성에스디아이 주식회사 | 나노복합전해질막 및 이를 채용한 연료전지 |
| US7357999B2 (en) | 2002-12-12 | 2008-04-15 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Nanocomposite electrolyte membrane and fuel cell employing the same |
| JP2006004856A (ja) * | 2004-06-21 | 2006-01-05 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| WO2006068279A1 (ja) * | 2004-12-20 | 2006-06-29 | Kuraray Co., Ltd. | イオン伝導性バインダー、膜−電極接合体及び燃料電池 |
| US7740968B2 (en) | 2004-12-20 | 2010-06-22 | Kuraray Co., Ltd. | Ion-conductive binder membrane-electrode assembly and fuel cell |
| KR101261074B1 (ko) | 2004-12-20 | 2013-05-06 | 가부시키가이샤 구라레 | 이온 전도성 바인더, 막 전극 접합체 및 연료 전지 |
| JP2013076087A (ja) * | 2006-09-18 | 2013-04-25 | Samsung Sdi Co Ltd | ナノ複合体イオン錯体を利用した電解質膜の製造方法 |
| US8420276B2 (en) | 2007-02-07 | 2013-04-16 | Kuraray Co., Ltd. | Catalyst layer and preparation process thereof, and membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the catalyst layer |
| WO2020031479A1 (ja) * | 2018-08-09 | 2020-02-13 | 三井金属鉱業株式会社 | 燃料電池用電極触媒層及びそれを用いた固体高分子形燃料電池 |
| JPWO2020031479A1 (ja) * | 2018-08-09 | 2021-08-12 | 三井金属鉱業株式会社 | 燃料電池用電極触媒層及びそれを用いた固体高分子形燃料電池 |
| US11652216B2 (en) | 2018-08-09 | 2023-05-16 | Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd. | Electrode catalyst layer for fuel cells and solid polymer fuel cell using same |
| JP7357619B2 (ja) | 2018-08-09 | 2023-10-06 | 三井金属鉱業株式会社 | 燃料電池用電極触媒層及びそれを用いた固体高分子形燃料電池 |
| WO2023151016A1 (zh) * | 2022-02-11 | 2023-08-17 | 罗伯特·博世有限公司 | 质子交换膜燃料电池、膜电极组件及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3962548B2 (ja) | 2007-08-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1950826B1 (en) | Gas diffusion electrode substrate, gas diffusion electrode and process for its production, and fuel cell | |
| JP2004185863A (ja) | 燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 | |
| JP5034172B2 (ja) | 燃料電池用ガス拡散層、および、これを用いた燃料電池 | |
| JPH08162123A (ja) | 高分子電解質型電気化学セル及びその製造方法 | |
| JP3459615B2 (ja) | 燃料電池用電極及び燃料電池 | |
| JP3556171B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池及びその製造方法 | |
| KR20040048310A (ko) | 연료 전지용 전극 및 연료 전지 | |
| US6844097B2 (en) | Solid polymer type fuel cell | |
| JP3962548B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
| JP3354550B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池および固体高分子型燃料電池スタック | |
| JP5601779B2 (ja) | ガス拡散層、膜−電極接合体及び燃料電池 | |
| JP2002164057A (ja) | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 | |
| JP3433169B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| KR101326190B1 (ko) | 연료전지용 막 전극 접합체 및 이를 이용한 연료전지 | |
| JP7359077B2 (ja) | 燃料電池用の積層体 | |
| JP7287347B2 (ja) | 燃料電池用の積層体 | |
| JP2009043688A (ja) | 燃料電池 | |
| JP3433172B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP2012022960A (ja) | 膜電極接合体および燃料電池 | |
| JP5410944B2 (ja) | ガス拡散層、膜−電極接合体及び燃料電池 | |
| JP2001338656A (ja) | 燃料電池 | |
| JP3433171B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP5682390B2 (ja) | 電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子及びこの製造方法 | |
| JP2004349180A (ja) | 膜電極接合体 | |
| JP7272319B2 (ja) | 燃料電池用の積層体 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060419 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060607 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070509 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070521 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |