JP2002513992A - 燃料電池の電極の製造方法並びに燃料電池の電極 - Google Patents

燃料電池の電極の製造方法並びに燃料電池の電極

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ブリュック、ロルフ
ベルクマン、アンドレ
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Abstract

(57)【要約】 燃料電池、特に低温燃料電池の電極の製造方法として、有機ポリマーを含む原材料に熱処理を施し、それによりこの有機ポリマーを少なくとも部分的に、特にグラファイト状の構造を持つ導電性有機ポリマーに変換する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は燃料電池、特に低温燃料電池の電極の製造方法及び電極に関する。
【０００２】 燃料電池もしくは燃料電池システムは、自動車、特に乗用車の駆動のための動
力源として有効であるので、益々大きな評価を得ている。燃料電池は自動車にお
ける移動形の使用の他に、据置形の電力供給源、特に分散形の電力供給源として
も利用される。
【０００３】 種々の型の燃料電池が公知である。これらは、主として燃料電池の電解質並び
に燃料電池が作動する作動温度によって区別される。
【０００４】 低温燃料電池、即ち約８０℃の作動温度で作動する燃料電池として、所謂ＰＥ
Ｍ燃料電池が使用される。ＰＥＭ燃料電池とは、電解質が陽子伝導性の膜（陽子
交換膜）によって形成されている燃料電池を意味する。
【０００５】 陽子伝導性の電解質膜は、１０分の数ミリの厚さを持つポリマー薄膜である。
陽子伝導性の電解質膜の両側を、白金及びガス透過性の電極で被覆することは公
知である。これは、膜電極構成（ＭＥＡ）と言われる。電極としてはグラファイ
ト電極が使用される。このような機器構成の取扱いは比較的問題である。という
のは、陽子伝導性の電解質膜は非常に薄く、従ってガス透過性の電極もしくは白
金と電解質膜との間の結合が不充分な場合、この白金もしくはガス透過性の電極
が電解質膜から剥が落ちるからである。
【０００６】 グラファイトによって形成された電極も公知である。このグラファイトは多孔
質に形成されている。これは電解質に接合される。
【０００７】 このようなことを前提として、この発明の課題は、比較的簡単に実施すること
のできる燃料電池の電極の製造方法並びに簡単に製造することのできる電極を提
供することにある。
【０００８】 この課題は、それぞれ、請求項１の特徴を備えたこの発明による方法により並
びに請求項９の特徴を備えた電極により解決される。有利な実施例及び構成例は
それぞれに従属する請求項に記載されている。
【０００９】 燃料電池、特に低温燃料電池の電極のこの発明による製造方法によれば、有機
ポリマーを含む原材料に熱処理を施こし、それにより有機ポリマーを少なくとも
部分的に導電性ポリマーに変換すること提案する。この方法を実施することによ
り、一つには導電層を備え、電解質に接触する電極が製造できる。
【００１０】 この原材料は、全体に或いは部分的に有機ポリマーを含むことができる。部分
的にのみ有機ポリマーを含む原材料の場合、有機ポリマーは、特に外側層に含ま
せ、それにより熱処理、特に高温処理の後に電極の外側層だけが導電性を持つよ
うにするのがよい。電極の機械的特性は、熱処理によって全く或いは僅かにしか
変化しない電極の構成要素によって決まる。
【００１１】 別の有利な実施例においては、有機ポリマーは少なくとも部分的に熱処理によ
ってグラファイト状の構造に変換される。この構成は、炭素を含む外側層ができ
るという利点を持っている。
【００１２】 更に有利な実施例において、有機ポリマーはポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）
或いはセルロースアセテート或いはそれらの混合物によって形成される。
【００１３】 ポリアクリルニトリル或いはセルロースアセテート或いはそれらの混合物は、
熱処理に際し先ず安定化され、これによりポリアクリルニトリル或いはセルロー
スアセテート或いはそれらの混合物が非溶解性の形に移行する利点がある。次い
で、温度を上げると、即ち特に１２００から１５００℃の温度において、炭化が
揮発性生成物の分解を伴いながら生ずる。炭化は、特に窒素雰囲気の中で行う。
しかる後、ポリアクリルニトリル或いはセルロースアセテートのグラファイト化
を２０００から３０００℃の温度で行う。
【００１４】 少なくともグラファイト化は特に真空中で行われる。或いはまた、グラファイ
ト化を保護ガス雰囲気中で行うこともできる。この保護ガス雰囲気は、特に窒素
或いはアルゴンを含む。
【００１５】 さらに別の有利な実施例においては、少なくとも部分的に多孔質の原材料に熱
処理を施すことが提案される。原材料の多孔性は、熱処理の間維持される。導電
性ポリマーを形成した後でも、この電極は多孔性を維持する。この多孔性は、燃
料ガス、特に水素或いはメタノールもしくは酸化剤、特に酸素が電解質に到達す
るのを保証するに充分である。
【００１６】 このように製造した電極を所謂集合電極として用意し、外部の電流回路を形成
するために、先ず少なくとも２層の原材料を準備し、この原材料の外側層に、少
なくとも部分的に導電性ポリマーに変換する有機ポリマーと、この外側層に隣接
する導電性層とを設けることができる。この導電性の層により、外側層から端子
までの電流の流れが保証される。導電性の層により電極のオーム抵抗が減少し、
これにより燃料電池の効率向上が可能である。
【００１７】 特に原材料の熱処理の際に、有機ポリマーのみを導電性ポリマーとして外側層
に変換するのがよい。
【００１８】 さらにこの発明による実施例によれば、有機ポリマーの熱変換により導電性ポ
リマーに形成される導電性の層を備える燃料電池、特に低温燃料電池の電極が提
案される。電極はまた、完全な導電性であってもよい。
【００１９】 特に、少なくとも外側層は、少なくとも部分的にグラファイト状の構造を備え
ているのがよい。
【００２０】 導電性ポリマーは、特にポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）ないしセルロースア
セテート或いはそれらの混合物からなっていてもよい。
【００２１】 さらに別の有利な実施例によれば、電極は少なくとも部分的に多孔性とするこ
とができる。
【００２２】 さらに異なる有利な電極の構成においては、電極は導電性ポリマーを含む外側
層と、この外側層に隣接する導電性の層とを備える。
【００２３】 燃料電池の電極の製造方法並びにこれにより製造した電極のその他の利点及び
詳細を、図面に示す実施例を参照して説明する。
【００２４】 図１は燃料電池、特に低温燃料電池の電極１の、第一実施例を例示的かつ概略
的に示す。特に、低温燃料電池は陽子伝導性の電解質を備えた燃料電池である。
【００２５】 電極１は多孔質の電極体４を備えている。多孔質の電極体４には孔３が形成さ
れている。この電極体４は、特にグラファイト状の構造を持つ導電性ポリマーに
よって形成された外側層２を備える。この外側層２も多孔質である。電極１は、
燃料もしくは酸化剤に対してガス透過性であるように形成されている。外側層２
は、図示しない電解質と接触可能である。図１中の矢により、燃料もしくは酸化
剤の供給方向を示す。
【００２６】 図１に示す電極１は、有機ポリマーを含む原材料の熱処理により形成され、こ
の熱処理の間に、有機ポリマーが少なくとも部分的に導電性ポリマーに変化して
いる。
【００２７】 図２は電極１の第二の実施例を示す。電極１は、多孔質である電極体４を備え
ている。符号３で多孔質の電極体４の孔を示している。
【００２８】 電極１は、図２に示すように、多層構造を備えている。電極１は導電性ポリマ
ーによって形成された外側層２を備えている。導電性ポリマーはグラファイト状
の構造を持っている。外側層２には層５が結合され、この層は導電層である。こ
の層５は外側層２と導電接続している。この層５は、電気端子７まで延びる個々
の集合導体により形成可能である。この層５の上に絶縁層６が形成されている。
この絶縁層６により、層５又は外側層２と周囲との電気的絶縁が行われている。
【００２９】 絶縁層６の形成は、隣接する燃料電池の電極が接触している燃料電池の構成に
おいて、特に燃料電池を積層する際、隣接する燃料電池の電極が電気的に互いに
分離されているという利点を持っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による燃料電池の電極の第一実施例の断面図。
【図２】 この発明による燃料電池の電極の第二実施例の断面図。
【符号の説明】
１ 電極 ２ 外側層 ３ 孔 ４ 電極体 ５ 層 ６ 絶縁層 ７ 端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルクマン、アンドレ ドイツ連邦共和国 デー‐53797 ローマ ールアルテ ローマーラー シュトラーセ 36 (72)発明者 コニエクツニー、イエルク‐ロマーン ドイツ連邦共和国 デー‐53721 ジーク ブルク バーンホーフシュトラーセ 17 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 EE06 5H026 AA06 BB01 CX02 EE06

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】有機ポリマーを含む原材料に熱処理を施し、それによりこの有
    機ポリマーを部分的に導電性有機ポリマーに変換するようにした燃料電池、特に
    低温燃料電池の電極の製造方法。
  2. 【請求項２】有機ポリマーを少なくとも部分的に熱処理によってグラファイ
    ト状の構造に変換する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】有機ポリマーをポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）、セルロース
    アセテート或いはそれらの混合物によって形成する請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】熱処理を少なくともグラファイト化の間保護ガス雰囲気の中で
    行う請求項１から３の１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】熱処理を少なくともグラファイト化の間真空中で行う請求項１
    から３の１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】少なくとも部分的に多孔質の原材料に熱処理を施こす請求項１
    から５の１つに記載の方法。
  7. 【請求項７】少なくとも部分的に導電性ポリマーに変換される有機ポリマー
    と、該ポリマーに隣接する導電層（５）とを備える少なくとも２層構造の原材料
    を準備する請求項１から６の１つに記載の方法。
  8. 【請求項８】有機ポリマーを、外側層（２）においてのみ変換する請求項１
    から７の１つに記載の方法。
  9. 【請求項９】有機ポリマーの熱変換により導電性ポリマーとされた少なくと
    も１つの外側層（２）を備える燃料電池、特に低温燃料電池の電極。
  10. 【請求項１０】少なくとも１つの外側層（２）が、少なくとも部分的にグラ
    ファイト状の構造を有することを特徴とする請求項９記載の電極。
  11. 【請求項１１】導電性ポリマーがポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）或いはセ
    ルロースアセテート或いはそれらの混合物の熱処理によって形成されたことを特
    徴とする請求項９又は１０記載の電極。
  12. 【請求項１２】少なくとも部分的に多孔質であることを特徴とする請求項９
    から１１の１つに記載の電極。
  13. 【請求項１３】導電性ポリマーを含む外側層（２）と、この外側層（２）に
    隣接する導電性の層（３）とを備えることを特徴とする請求項９から１２の１つ
    に記載の電極。
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