JP2002298861A - 燃料電池、燃料電池用電極およびその製造方法 - Google Patents
燃料電池、燃料電池用電極およびその製造方法Info
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Abstract
高出力を生むことができる燃料電池用電極層を提供す
る。 【解決手段】 導電性繊維21からなる集電体層と、集
電体層上に形成された触媒層とからなる燃料電池用電極
において、触媒層として、集電体面に対して垂直方向に
成長したカーボンナノファイバー22を触媒担体として
使用することで、触媒層中の膜厚方向の導電性を向上さ
せる。
Description
よび燃料電池に係わり、特に触媒担体としてカーボンナ
ノファイバーを用いた燃料電池用電極およびこの電極を
用いた燃料電池に関する。
く、環境負荷の少ない発電技術として近年大きく注目さ
れている。
ード用触媒層/プロトン伝導性の電解質膜/アノード用
触媒層/アノード用集電体を順次積層した構造を採って
いる。
アノード用触媒層)には触媒機能を得るため十分な量の
触媒粒子を保持させること以外にも、電極用触媒層と集
電体との間では電子伝導性が、電極用触媒層と電解質膜
との間ではプロトン伝導性が求められる。そのため、触
媒を担持させた粒径50nm程度の導電性粒子と、プロ
トン伝導体の混合体で、数10μm程度の触媒層を従来
形成していた。
ば電解質膜近傍にある触媒で生成された電子は、複数個
の導電性粒子間を移動しなければ集電体にまで到達しな
い。しかしながら、導電性粒子間の接触面積は小さく、
場合によっては粒子間にプロトン伝導性材料が存在する
ため、導電性粒子間の電気抵抗は高い。すなわち従来の
触媒層は、集電体と電極用触媒層との間の電子伝導性が
低く、そのため燃料電池の発電効率を低下させていた。
と電極用触媒層との間の電子伝導性を高めることは可能
であるが、触媒層を緻密化すると触媒層中への燃料ある
いは酸化剤の拡散性が低下するため、触媒粒子の触媒機
能を十分に利用することができなくなるという問題が生
じる。
ファイバーを触媒担体として使用し、このカーボンファ
イバー表面に触媒粒子を担持させた報告がある( E.
セオリドら:Electrochem.Acta.,vol.38,No.6,P.793(19
93))。
たものを作製し、これを仮に集電体表面に成膜した電極
を燃料電池に採用した場合、電解質膜近傍で生成された
電子が集電体に移動するまでの間の粒子間(ファイバー
間)を移動する確率は低下しても、何回かの粒子間の移
動は通常必要となり、十分に電子伝導性を高めることは
困難である。
の燃料電池用電極は、触媒層の導電性を十分に高めるこ
とが困難であり、そのため燃料電池の発電効率を十分に
高めることができなかった。
ものであり、発電効率の高い燃料電池、それを達成する
ための燃料電池用電極および、それを達成するための燃
料電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。
は、導電性多孔質体からなる集電体と、この集電体の面
に対して仰角45°以上の先端部が50%以上有するカ
ーボンナノファイバー、カーボンナノファイバー表面に
担持された電極用触媒粒子、および前記カーボンナノフ
ァイバー表面に前記電極用触媒粒子と接触して形成され
るプロトン伝導体とからなる触媒層とを具備することを
特徴とする。
解質膜と、この電解質膜を挟む一対の電極とからなる燃
料電池において、前記一対の電極の少なくとも一方の電
極は、導電性多孔質体からなる集電体と、この集電体面
に対して仰角45°以上の先端部が50%以上有するカ
ーボンナノファイバー、このカーボンナノファイバー表
面に担持された電極用触媒粒子、および前記カーボンナ
ノファイバー表面に前記電極用触媒粒子と接触して形成
されるプロトン伝導体とからなる触媒層とを具備するこ
とを特徴とする。
電性多孔質からなる集電体表面に、複数のカーボン析出
用触媒を担持させる工程と、前記多孔質集電体のカーボ
ン析出用触媒が担持された面に対し、前記多孔質集電体
の他方の面に炭素含有原料ガスを供給して、前記カーボ
ン析出用触媒からカーボンを析出させたカーボンナノフ
ァイバーを生成する工程と、前記カーボンナノファイバ
ーに電極用触媒粒子を担持させる工程と、前記カーボン
ナノファイバー表面にプロトン伝導性層層を形成する工
程とを有することを特徴とする。
図1に示す。
ン酸基を有するフッ素系高分子などからなるプロトン伝
導性の電解質膜2、カソード電極3が順次積層されて燃
料電池が構成されている。
ソード電極3は、それぞれ集電体1−1および触媒層1
−2、集電体3−1および触媒層3−2から形成されて
いる。
び水からなる混合燃料が、カソード電極3に酸化剤ガス
(空気や酸素ガス)が供給されると、それぞれの触媒層
1−2、3−2において化学式(1)および化学式
(2)で示す触媒反応が生じる。
は電解質膜2へ、電子は一方のアノード集電体1−1へ
移動し、カソード触媒層3−2ではカソード集電体3−
1から供給される電子と電解質膜2から供給されるプロ
トンと酸素とを反応させることで、電極間に電流を流
す。
成された貫通孔を有する多孔質体からなり、アノード触
媒層1−2で生成された効率よく外部へ伝達する機能、
あるいは外部から供給される電子を効率よくカソード触
媒層3−2へ伝達する機能を有する。さらに集電体1−
1、3−1は、集電体に供給される燃料あるいは酸化剤
ガスを、電極触媒層1−2、3−2へ供給する機能を有
する。
しては、電子伝導能を有する材料であれば特に限定され
ずに使用することができ、例えばカーボンなどの炭素材
料の他に、金属や、すず酸化物、チタン酸化物などの導
電性を有する金属酸化物など金属酸化物が挙げられる。
ただし、一般にプロトン伝導性を持つ材料は強酸性材料
であるため、特に金属材料を集電体に使用する時には耐
酸性の高い材料を選択することが望ましい。
バーなどで形成されるカーボンクロスやカーボンペーパ
ーなどのように、導電性繊維をシート状に加工したもの
を使用することが好ましく、例えば繊維径1μm程度以
上のカーボンファイバーで作られた気孔率50%以上カ
ーボンペーパーあるいはカーボンクロスを使用すればよ
い。また、多孔質体としては焼結体を使用することも可
能であり、金属材料あるいは金属酸化物を焼結したもの
を使用しても良い。
て触媒層の説明をする。
導電材料であり前述したように5μm程度以上の繊維径
をもっており、図面で示す導電性繊維21の下表面(燃
料電池に使用した時の燃料あるいは酸化剤ガスが供給さ
れる側)から、導電性繊維21を回り込み、導電性繊維
21の上側(燃料電池に使用した時の電解質膜側)に向
かって成長したカーボンナノファイバー22が形成され
ている。カーボンナノファイバー22表面には電極用触
媒粒子が担持され、かつ電極用触媒粒子と接触してプロ
トン伝導体が付着しており、またプロトン伝導体は、導
電性繊維表面にまで形成されているが、プロトン伝導性
層および電極用触媒は図示されていない。
粒子と導電性繊維との間の電子伝導パスとして機能する
カーボンナノファイバーと、電極用触媒粒子と電極外部
(燃料電池に使用した時の電解質膜)との間のプロトン
伝導性パスとして機能するプロトン伝導体とから形成さ
れ、例えば、図2においては触媒層は、集電体内部(導
電性繊維21間)および集電体表面に形成されている
が、集電体表面のみに触媒層が形成されていても良い。
また、プロトン伝導性層が電解質膜と接触する構造であ
れば、カーボンナノファイバーは集電体内部にのみ存在
する触媒層構造であっても良い。
は、集電体の下面から上面側の方向へ向けて導電性繊維
に沿って成長しているため、導電性繊維との接着性が高
く、またカーボンナノファイバーと導電性繊維との界面
での電子伝導性も良好な構造となる。
%以上のものは、その先端部(集電体に接触する端部と
は異なる端部)が集電体面に対して45°以上の角度を
もったものであることが望ましい。集電体面に対する角
度が45°よりも小さいカーボンナノファイバーが50
%を超えて存在すると、触媒層の膜厚が確保できなくな
る恐れがある。あるいは触媒層の角度が45°よりも小
さいと、触媒層の膜厚に対しカーボンナノファイバー先
端部からの電子伝導パスが長くなるため、電子伝導効率
が低下する。
繊維レベルのミクロに見たときの面ではなく、集電体全
体から見たときのマクロに見た時のものであり、例えば
集電体表面3mm×3mm程度の面積を持った面を指
す。また、カーボンナノファイバーの先端部とは、カー
ボンナノファイバーの先端から10nm程度の部分と
し、この部分の傾きを測定すればよい。
造を持った繊維状体であり、c軸が繊維長方向に対して
並行なグラファイトのc面を繊維長方向に積み重ねた所
謂プレートレット構造のもの、c軸が繊維長方向に傾き
を持ったc面を繊維方向に積み重ねた所謂ヘリングボー
ン構造のもの、さらにはc面が繊維長方向に平行なカー
ボン面を円筒形にした所謂カーボンナノチューブなどが
ある。これらの中で、プレートレット構造、あるいはヘ
リングボーン構造のカーボンナノファイバーを使用する
ことが望ましい。
方向に対して結合力が強く、プレートレット構造あるい
はヘリングボーン構造のカーボンナノファイバーは繊維
側面にc面端部が露出するため、繊維の側面に大量の電
極用触媒を担持することが可能になるためである。
繊維長が1μm〜100μm程度、繊維径が5nm〜5
00nm、のものを使用することが望ましい。繊維長が
1μmよりも短いとカーボンナノチューブに付着できる
電極触媒の量が少なくなり、燃料電池の起電力が小さく
なる。またカーボンナノチューブと電解質膜との距離が
大きくなり、カーボンナノチューブ表面に担持される触
媒と電解質膜との間のプロトン伝導パスが長くなるおそ
れもある。繊維長50μmを超えるカーボンナノチュー
ブは高密度に集電体表面に生成させることが困難にな
り、電極層中の電極用触媒粒子の比率が低下してしま
う。また繊維径が1μmより小さいと繊維長1μm以上
のカーボンナノファイバーを作製することが困難であ
り、繊維径が500nmより大きくなるとカーボンナノ
ファイバーの比表面積が小さくなり、カーボンナノチュ
ーブ表面に担持される電極用触媒の比率が低下する。
元素が0.3wt%以上含有されることが好ましい。水
素元素を0.3%以上含有させることで、電極用触媒の
担持率を高めることが可能になる。
の比率は、30vol%〜80vol%の範囲内である
ことが好ましい。カーボンナノファイバーの比率が50
vol%よりも少ないと、触媒層中に電極用触媒粒子の
比率が少なくなり、80vol%よりも多いと、触媒層
中の気孔率が低下し、触媒層中への燃料あるいは酸化剤
ガスの拡散性が悪くなり、電極用触媒粒子の使用効率が
低下する。
いは式(2)に示す反応を活性化させる材料が使用さ
れ、例えば、白金粒子、または白金族元素(例えばR
u、Rh、Ir、OsあるいはPd)および第4周期お
よび第5周期遷移金属の中から選ばれた一種類以上の元
素と白金との合金粒子などが使用できる。
としてはPtが、カソード電極用触媒としては、Pt−
Ru合金が挙げられるが、特にこれらのものに限定され
るものではない。
径が小さいほど触媒活性が高くなる。そのため、電極用
触媒粒子の粒径は5nm以下とすることが好ましく、カ
ーボンナノチューブ表面に対する電極触媒粒子の平均数
密度が1×1016個/m2以上であることが好ましい。
さらに、BET法によるカーボンナノファイバーの比表
面積は100m2/g以上であることが望ましい。カー
ボンナノファイバーの比表面積は100m2/g以上と
することでカーボンナノファイバー表面への電極用触媒
の付着率が高くなる。
形成されていれば良く、例えばスルホン酸基を有するフ
ッ素系樹脂などが使用できる。
ァイバーの全面を覆うように形成され、カーボンナノフ
ァイバー表面に担持した電極用触媒と触媒層外部(電解
質膜)との間のプロトン導電パスとして機能する。
下に説明する。
カーボンナノファイバーを生成するための生成用触媒を
付着させる。
Coなどの金属材料、あるいはこれらの金属とCu、A
g、Mnとの合金を使用すればよい。これらの金属成分
に関しては、例えば文献(J.Mater.Res.vol. 8, No.12(1
993)3233-)に詳細に記述されている。
プレートレット構造のカーボンナノファイバーが生成さ
れやすくなり、Ni−Cu合金を使用するとへリングボ
ーン構造のカーボンナノファイバーが生成されやすくな
る。
化学的蒸着方法など特に制限されることはなく、例えば
マグネトロンスパッタリング法や、抵抗加熱による蒸着
方法を挙げることができる。
0nm〜200nm程度付着させることが好ましい。層
厚が50nmよりも小さいと生成されるカーボンナノフ
ァイバーの密度が低下する。
しまうと所望の電極用触媒の機能が得られなくなる。そ
のため、電極用触媒粒子との合金化を抑制するために生
成用触媒の層厚を通常200nm以下とする。なお、電
極用触媒粒子を構成する成分元素と生成用触媒元素とが
同じ元素である場合は、この生成用触媒量を制御して電
極用触媒粒子に使用してもよい。
ンナノファイバーを成長させる。
に、生成用触媒を形成した面が下面となるようにして集
電体を配置し、これを500℃〜1000℃程度に加熱
された加熱炉に導入する。
スを加熱炉内に導入し、集電体の上面側に原料ガスを流
通させる。
ン、アセチレン等のガスを挙げることができ、さらには
これらのガスと水素、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不
活性ガスとを混合した混合ガスを使用することが好まし
く、例えばエチレン:水素=1:5の比率の混合ガスを
使用すればよい。
接触して分解され、生成用触媒と集電体との間にカーボ
ンが析出して生成用触媒を持上げるようにしてナノファ
イバーを生成する。
分10ml/g〜10l/g程度の流量とすることが望
ましい。10ml/gよりも少ないと、生成触媒による
原料ガスの分解量の方が高くなり、反応時の原料ガス濃
度を一定に保つことが困難になる。10l/gよりも多
くしても、カーボンナノファイバーの生成速度は速くな
らず、また原料ガス流によって集電体を安定に保持する
ことが困難になる恐れがある。
000℃程度とすることが好ましい。加熱温度が500
℃よりも低いと、原料ガスが分解されずカーボンが析出
しない恐れがある。また、1000℃よりも高いと析出
されるカーボン量が多すぎ、カーボンが繊維状にならな
い恐れがある。特に、生成用触媒がNiあるいはNi−
Cu合金の場合加熱温度を600℃〜1000℃にする
ことでプレートレット構造、あるいはヘリングボーン構
造のカーボンナノファイバーが生成される傾向にある。
し、集電体の上面に原料ガスを流すと、集電体内あるい
は集電体と基体との隙間にある原料ガスを消費しつつカ
ーボンナノファイバーが成長させ始め、原料ガスの濃度
の高い集電体上面側に向かって集電体を構成する導電性
繊維に沿って、図1に示すように成長する。
時間によって異なり、例えば上述した条件で0.5h〜
5h程度加熱を続けることで、繊維長を1μm〜100
μm程度にまで成長させることができる。
ボンナノファイバーに残存していると、電極用触媒と合
金化する恐れがあるため、必要に応じカーボンナノファ
イバーを生成した後、生成用触媒を除去してもよい。
に浸漬して生成用触媒を溶解した後、カーボンナノファ
イバーを洗浄することで生成用触媒をカーボンナノファ
イバー表面から除去することができる。
に、例えば以下のようにして電極用触媒粒子を担持させ
る。
を担持させる場合について説明する。
共に水中に懸濁させ、40℃〜100℃程度に加熱した
後に、電極用触媒粒子の前駆体を添加する。
触媒の塩類を使用すればよく、例えば触媒粒子として白
金粒子を得る場合には、例えば塩化白金酸(H2PtC
l6)を用いればよい。
とで、懸濁液を酸性溶液とする。
宜加熱を続けることで中和し、例えばPt(OH)4な
ど、電極用触媒粒子を構成する材料の水酸化物を生成
し、この水酸化物を導電性粒子表面に析出させる。さら
にこの懸濁液を濾過・乾燥してPt(OH)4などが担
持された触媒担体を得る。必要に応じこの触媒粒子に水
洗・濾過を繰り返し、中和反応により生成される不純物
イオンの除去をさらに施してもよい。
た導電性繊維を還元雰囲気下に入れ、Pt(OH)4な
どの水酸化物を還元して白金などの電極用触媒を生成す
ることで、導電性繊維表面に電極用触媒粒子が担持され
る。
を含むガス雰囲気中で、100℃〜900℃、好ましく
は200℃〜500℃の温度域とすればよい。還元温度
が100℃より低いと白金系金属粒子の結晶化が不充分
となり、電極に使用した際、粒子径の増大が起こり易く
成る。還元温度が900℃よりも高いと白金軽金属粒子
の粒子径の増大が起こり触媒活性が低下する。
は、10wt%から80wt%とすることが望ましい。
20wt%よりも少ないと電池性能がでず、80wt%
以上だと触媒担体上にうまく担持できなくなる。
がスルホン酸基を有するフッ素系樹脂の場合、これを有
機溶媒中に溶かした溶液を準備し、この溶液をカーボン
ナノファイバーが形成された集電体に含浸する。
ーボンナノファイバー表面(および集電体表面)にプロ
トン伝導性体を付着させる。
%〜20%程度溶かした溶液を用い、含浸・乾燥をそれ
ぞれ一度づつ行ってプロトン伝導性材料をカーボンナノ
ファイバー表面に付着させても良いし、プロトン伝導性
材料の濃度の低い、例えば1〜5%程度溶かした溶液を
用い、含浸・乾燥を繰り返し行い、プロトン伝導性材料
の付着量させてもよい。
は、プロトン伝導性材料として高分子を用いたものに使
用することもできるし、アノード電極に供給される燃料
がメタノールなどの液体燃料ではなく、水素ガスなどが
供給されるタイプの燃料電池にも使用することができ
る。
ンナノファイバーが触媒層の膜厚方向に比較的配向して
いるため、膜厚方向の通気性が高い。そのため、電極に
供給されるものが、水素ガスや酸化剤ガスなどのガスを
使用するタイプの電極に使用すると、触媒層中にこれら
のガスが拡散しやすく、電極用触媒の使用効率を高める
ことができる。一方、液体燃料を使用する燃料電池のア
ノードに使用すると、液体燃料がアノード電極および電
解質膜を通過して酸化剤と直接反応してしまい、燃料電
池の発電効率を低下させてしまう恐れがある。
うにして得られたカソード電極との一対の電極と、電解
質膜を準備する。
様な材料を使用したものが利用でき、この時の電解質膜
の膜厚は、20μm〜200μm程度とすればよい。
し、ロールまたはプレスによって熱圧着することで燃料
電池(膜電極複合体:MEA)を作製することができる。
上180℃以下で、圧力は10kg/cm2〜200k
g/cm2とし、圧着時間は1分〜30分程度とすれば
よい。圧力、温度あるいは時間がこれらの値より低く
い、あるいは短かい場合には、圧着が不十分で電極部と
しての抵抗が高いために、電池性能が悪くなるおそれが
ある。一方、前述の値よりも高圧、高温、長時間などの
条件の場合、電解質膜膜の変形や分解、また集電体の変
形が大きくなり、燃料および酸化剤がうまく各電極内に
供給されなくなったり、電解質膜の特性が低下する恐れ
がある。 [実施例] 実施例1 (1)カソード電極の作成 (a) カーボンナノファイバーの作成 カソード用集電体として、繊維径10μm、厚さ100
μm、面積100cm 2のカーボンペーパー(東レ社
製:TGP−H−030)を準備し、このカーボンペー
パーの片面に400WのRFスパッタリングにより、生
成用触媒としてのNiを100nmの膜厚で成膜した。
電体載せた石英基体を電気炉に導入した。この電気炉内
の温度を600℃に保持し、この電気炉に原料ガスとし
てのC2H4とH2との混合ガス(C2H4/H2=1/5)
を毎分500ml/g、1時間流すことで、生成用触媒
からカーボンナノファイバーを成長させた。
ガスを止めH2ガスのみを継続して流し、30分経過し
た後に炉冷した。
測定したところ600mg増量しており、6mmg/c
m2のカーボンナノファイバーからなる層が形成された
ことが分かる。
ーが生成されたカーボンペーパーをゆがみの無い状態で
平滑な基板上に載せ(カーボンペーパーと基板面とを並
行にし)、カーボンペーパ電子顕微鏡で観察した、得ら
れたカーボンナノファイバーの先端部10nmの基板面
に対する角度を確認したところ、70%程度のカーボン
ナノファイバーが略90°の角度で成長していることが
確認できた。
は、平均繊維径が300nm、繊維径が100nm〜5
00nmのものが80%以上存在し、平均繊維長が12
μmであり、その構造がプレートレット構造をしている
ことを確認した。
り出し含有水素量を測定したところ0.6wt%の水素
が含まれていることが分かった。また、比表面積をBE
T法で測定したところ260m2/gであった。 (b)電極用触媒の担持 得られた100cm2の試料を10等分して10cm2の
試料にした。
を酸性液中に溶解し、酸性液を洗い流すことで、生成用
触媒の洗浄を行った。
(白金成分21mg/ml) 中に浸析して、これを1時
間煮沸した。
の炭酸水素ナトリウムを約10mlの水に溶かしたアル
カリ水溶液を30分かけて滴下した。滴下後、そのまま
2時間還流させて塩化白金酸とアルカリ水溶液を反応さ
せて、カーボンナノファイバー表面に白金の水酸化物微
粒子を析出させた。
して洗浄し、洗浄後、試料を乾燥機内に移して100℃
で12時間乾燥させた。
気炉内温度を300℃にした状態で100%水素を20
0ml/minで流し、白金の水酸化物粒子を1時間還
元して白金化させた。すなわち、カーボンナノファイバ
ー表面に電極用触媒粒子としての白金微粒子を担持させ
た。
白金微粒子を担持させる前の重量と比較することでカー
ボンナノファイバー表面に担持された白金の比率を換算
したところ、約5wt%の白金が担持されていることが
分かった。また、TEMでカーボンナノファイバー表面
を400万倍の倍率で10視野確認したところ、カーボ
ンナノファイバーの表面に平均粒径2〜3nmの白金微
粒子が平均1×1016個/m2担持されていることが分
かった。いていた。さらにこの微粒子の組成分析を行う
と、99%以上の純度の白金であった。 (c)プロトン伝導性層の形成 プロトン伝導性材料であるスルホン酸基を有するフッ素
樹脂(ナフィオン:デュポン社製)を有機溶媒中に2%
溶かした溶液を準備した。
ーボンナノファイバーを集電体と共に浸漬した後、取り
出し、乾燥機にて100℃で乾燥した。この工程をさら
に2回繰り返してカーボンナノファイバー表面にプロト
ン伝導体を付着させた。
(カーボンナノファイバーおよび電極用触媒も含む)の
重量変化は20mg増であった。
た。 (2) アノード電極の作成 触媒担体として平均粒径100nmのカーボン粒子(ケ
ッチェンブラックEC:AKZO NOBEL社製)を準備し、
触媒担体表面に30wt%Pt−Ru合金からなる触媒
粒子を担持し、触媒担持カーボンを得た。
かした溶液と、2−エトキシエタノールと、得られた触
媒担持カーボンとからなるスラリーを調製し、このスラ
リーをアノード電極に使用したものと同じ集電体の表面
に塗布してカソード電極を作成した。 (3) 燃料電池の作成 スルホン酸を有するフッ素系樹脂からなる膜厚170μ
mの電解質膜(ナフィオン117:デュポン社製)を準
備し、この電解質膜を得られたアノード電極とカソード
電極とで挟み、これを100℃、100kg/cm2の
圧力で一体化して燃料電池を作成した。 (4) 評価 得られた燃料電池のアノード電極にメタノールと水とか
らなる液体燃料(メタノール濃度2mol/l)を供給
し、カソード電極には空気を200ml/nin供給し
て、燃料電池を起動し発電した。なお、発電温度を70
℃とした。
れた。
カーボン粒子を使用し、この触媒担体を水中に均一に分
散させた分散水を調製し、この分散水に塩化白金酸を添
加した後、1時間煮沸した。
水溶液を約30分かけて滴下し、そのまま2時間還流さ
せて水酸化ナトリウムと塩化白金酸を反応させて、カー
ボン粒子表面に白金の水酸化物を析出させた。
して洗浄し、洗浄後、試料を乾燥機内に移して100℃
で12時間乾燥させた。
気炉内温度を300℃にした状態で100%水素を20
0ml/minで流し、白金の水酸化物粒子を1時間還
元して白金化させた。すなわち、カーボン粒子表面に電
極用触媒粒子としての白金微粒子を担持させた。
の分析を行ったところ、カーボン粒子に対する白金量は
約5wt%、カーボン粒子表面に平均粒径3〜5nmの
白金微粒子が1016個/m2レベル担持されていること
が分かった。さらにこの微粒子の組成分析を行うと、9
9%以上の純度の白金であった。
実施例1と同様にして燃料電池を作成し、また実施例1
と同じ条件で得られた燃料電池の評価を行ったところ、
40mW/cm2の出力が得られた。
時間、原料ガス濃度および水素量、生成用触媒の種類、
洗浄処理による生成用触媒の除去条件や、電極用触媒粒
子を作製するときの還元温度などを変化させたことを除
き、実施例1と同様にして実施例2〜6および比較例2
のカソード電極を作製した。
を除き実施例1と同様にして、燃料電池を作製し、その
評価をした。
られた燃料電池の評価結果を表1に示す。
バーのうち、その先端部が集電体面に対して45°以上
の角度をもったもののが50%以上存在すると燃料電池
の出力が大きくなっていることが分かる。
料電池の発電効率を高めることが可能になる。
Claims (3)
- 【請求項1】導電性多孔質体からなる集電体と、 先端部の50%以上が、前記集電体の面に対して仰角4
5°以上であるカーボンナノファイバー、このカーボン
ナノファイバー表面に担持された電極用触媒粒子、およ
び前記カーボンナノファイバー表面に前記電極用触媒粒
子と接触して形成されるプロトン伝導体とからなる触媒
層とを具備することを特徴とする燃料電池用電極。 - 【請求項2】プロトン伝導性の電解質膜と、この電解質
膜を挟む一対の電極とからなる燃料電池において、 前記一対の電極の少なくとも一方の電極は、導電性多孔
質体からなる集電体と、先端部の50%以上が、前記集
電体面に対して仰角45°以上であるカーボンナノファ
イバー、このカーボンナノファイバー表面に担持された
電極用触媒粒子、および前記カーボンナノファイバー表
面に前記電極用触媒粒子と接触して形成されるプロトン
伝導体とからなる触媒層とを具備することを特徴とする
燃料電池。 - 【請求項3】導電性多孔質からなる集電体表面に、複数
のカーボン析出用触媒を担持させる工程と、 前記多孔質集電体のカーボン析出用触媒が担持された面
に対し、前記多孔質集電体の他方の面に炭素含有原料ガ
スを供給して、前記カーボン析出用触媒からカーボンを
析出させたカーボンナノファイバーを生成する工程と、 前記カーボンナノファイバーに電極用触媒粒子を担持さ
せる工程と、 前記カーボンナノファイバー表面にプロトン伝導性層層
を形成する工程とを有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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