JP2003123769A - 固体高分子型燃料電池用電極 - Google Patents
固体高分子型燃料電池用電極Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 結合剤を添加しないか、あるいは結合剤の添
加量が少なくても触媒層の結合強度の向上が図られると
ともにクラックの発生が防がれ、その結果として発電性
能が向上する固体高分子型燃料電池用電極を提供する。 【解決手段】 触媒物質および高分子電解質を備えた触
媒層を有する固体高分子型燃料電池において、触媒層中
に、炭素ウィスカー、親水性繊維等の繊維状物質を含有
する。
加量が少なくても触媒層の結合強度の向上が図られると
ともにクラックの発生が防がれ、その結果として発電性
能が向上する固体高分子型燃料電池用電極を提供する。 【解決手段】 触媒物質および高分子電解質を備えた触
媒層を有する固体高分子型燃料電池において、触媒層中
に、炭素ウィスカー、親水性繊維等の繊維状物質を含有
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池用電極に係り、特に、触媒層を有効に機能させる技
術に関する。
電池用電極に係り、特に、触媒層を有効に機能させる技
術に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、平板状の電極
構造体の両側にセパレータが積層されて構成されてい
る。電極構造体は、一般に、正極（カソード）側の触媒
層と負極（アノード）側の触媒層との間に高分子電解質
膜が挟まれ、各触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積
層された積層体である。このような燃料電池によると、
例えば、負極側に配されたセパレータのガス通路に水素
ガスを流し、正極側に配されたセパレータのガス通路に
酸化性ガスを流すと、電気化学反応が起こって電流が発
生する。
構造体の両側にセパレータが積層されて構成されてい
る。電極構造体は、一般に、正極（カソード）側の触媒
層と負極（アノード）側の触媒層との間に高分子電解質
膜が挟まれ、各触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積
層された積層体である。このような燃料電池によると、
例えば、負極側に配されたセパレータのガス通路に水素
ガスを流し、正極側に配されたセパレータのガス通路に
酸化性ガスを流すと、電気化学反応が起こって電流が発
生する。
【０００３】燃料電池の作動中においては、ガス拡散層
は電気化学反応によって生成した電子を触媒層とセパレ
ータとの間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化性
ガスを拡散させる。また、負極側の触媒層は燃料ガスに
化学反応を起こさせプロトン（Ｈ＋）と電子を発生さ
せ、正極側の触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生
成し、電解質膜はプロトンをイオン伝導させる。そし
て、正負の触媒層を通して電力が取り出される。
は電気化学反応によって生成した電子を触媒層とセパレ
ータとの間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化性
ガスを拡散させる。また、負極側の触媒層は燃料ガスに
化学反応を起こさせプロトン（Ｈ＋）と電子を発生さ
せ、正極側の触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生
成し、電解質膜はプロトンをイオン伝導させる。そし
て、正負の触媒層を通して電力が取り出される。
【０００４】ところで、触媒層は、一般に、表面にＰｔ
等の触媒粒子を担持させたカーボン粒子とイオン伝導性
ポリマーからなる電解質とを溶媒に混合して触媒ペース
トを調製し、この触媒ペーストを、膜やカーボンペーパ
ー、またはＦＲＰシートに塗布して乾燥させることによ
り形成している。触媒ペーストを調製する際には、必要
に応じて、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒
子やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）粒子を結合剤お
よび撥水剤として添加している。上記電気化学反応は、
触媒、電解質およびガスの三者が共存する三相界面で起
こると考えられている。
等の触媒粒子を担持させたカーボン粒子とイオン伝導性
ポリマーからなる電解質とを溶媒に混合して触媒ペース
トを調製し、この触媒ペーストを、膜やカーボンペーパ
ー、またはＦＲＰシートに塗布して乾燥させることによ
り形成している。触媒ペーストを調製する際には、必要
に応じて、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒
子やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）粒子を結合剤お
よび撥水剤として添加している。上記電気化学反応は、
触媒、電解質およびガスの三者が共存する三相界面で起
こると考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】固体高分子型燃料電池
にあっては、触媒層の体積当たりの発電効率を高めるこ
とによって発電性能が向上するとされており、そのため
には、発電に不要な材料の存在をできる限り少なくする
ことが望ましい。上記ＰＴＦＥ粒子やＰＶＤＦ粒子は発
電には不要な材料であり、結合剤として用いる場合には
相当量を添加することになるので、できれば添加しない
ことが望ましい。しかしながら、結合剤を添加しない
と、触媒層は単独では形状を保持することができず、さ
らに、結合強度が弱く、かつ薄膜であることから、例え
基板上で支持されていても製造時にクラックが発生した
り基板から剥離してしまったりする製造上の問題があ
る。触媒層にクラックが発生していると、電解質膜に接
合させた場合に電解質膜が触媒層のクラックに流動して
入り込み、その結果、膜厚が変化して発電性能に影響を
及ぼすといった不具合が生じる。
にあっては、触媒層の体積当たりの発電効率を高めるこ
とによって発電性能が向上するとされており、そのため
には、発電に不要な材料の存在をできる限り少なくする
ことが望ましい。上記ＰＴＦＥ粒子やＰＶＤＦ粒子は発
電には不要な材料であり、結合剤として用いる場合には
相当量を添加することになるので、できれば添加しない
ことが望ましい。しかしながら、結合剤を添加しない
と、触媒層は単独では形状を保持することができず、さ
らに、結合強度が弱く、かつ薄膜であることから、例え
基板上で支持されていても製造時にクラックが発生した
り基板から剥離してしまったりする製造上の問題があ
る。触媒層にクラックが発生していると、電解質膜に接
合させた場合に電解質膜が触媒層のクラックに流動して
入り込み、その結果、膜厚が変化して発電性能に影響を
及ぼすといった不具合が生じる。
【０００６】よって本発明は、結合剤を添加しないか、
あるいは結合剤の添加量が少なくても触媒層の結合強度
の向上が図られるとともにクラックの発生が防がれ、そ
の結果として発電性能が向上する固体高分子型燃料電池
用電極を提供することを目的としている。
あるいは結合剤の添加量が少なくても触媒層の結合強度
の向上が図られるとともにクラックの発生が防がれ、そ
の結果として発電性能が向上する固体高分子型燃料電池
用電極を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、触媒物質およ
び高分子電解質を備えた触媒層を有する固体高分子型燃
料電池において、触媒層中に繊維状物質が含有されてい
ることを特徴としている。
び高分子電解質を備えた触媒層を有する固体高分子型燃
料電池において、触媒層中に繊維状物質が含有されてい
ることを特徴としている。
【０００８】本発明では、繊維状物質が触媒物質間の結
合媒体となり、かつ繊維強化されるので、結合剤を添加
しない場合にも触媒層の結合強度が向上する。また、製
造時にあっては、触媒ペーストを塗布して乾燥させる際
に、収縮によって生じる引っ張り応力にも耐えることが
でき、このためクラックの発生が防止される。結合剤を
添加しない場合には、触媒層の乾燥時のクラックを防ぐ
ために触媒ペーストを調製する際の溶媒量を極力少なく
する必要があったが、本発明の繊維状物質を含有させる
ことによりクラックが防止されるので溶媒量の制約がな
くなる。したがって、触媒ペーストの粘度調製の自由度
が増し、加えて、粘度調整のための工程や設備が不要と
なり、製造効率も上昇する。さらに、繊維状物質は絡み
合って触媒層中に存在することにより空孔が生じやす
く、この空孔は、電解質膜に対してプレス接合されても
残る可能性があるので燃料ガス等の流路として機能し、
発電効率が向上する。
合媒体となり、かつ繊維強化されるので、結合剤を添加
しない場合にも触媒層の結合強度が向上する。また、製
造時にあっては、触媒ペーストを塗布して乾燥させる際
に、収縮によって生じる引っ張り応力にも耐えることが
でき、このためクラックの発生が防止される。結合剤を
添加しない場合には、触媒層の乾燥時のクラックを防ぐ
ために触媒ペーストを調製する際の溶媒量を極力少なく
する必要があったが、本発明の繊維状物質を含有させる
ことによりクラックが防止されるので溶媒量の制約がな
くなる。したがって、触媒ペーストの粘度調製の自由度
が増し、加えて、粘度調整のための工程や設備が不要と
なり、製造効率も上昇する。さらに、繊維状物質は絡み
合って触媒層中に存在することにより空孔が生じやす
く、この空孔は、電解質膜に対してプレス接合されても
残る可能性があるので燃料ガス等の流路として機能し、
発電効率が向上する。
【０００９】本発明に係る繊維状物質の触媒層への含有
量は、触媒層の総量に対して５〜２５重量％含有されて
いるとよい。その理由としては、含有量が５重量％未満
では上記の各効果が発揮されにくくなり、例えば触媒ペ
ーストの粘度によってはクラックが生じるおそれがあ
り、一方、２５重量％を超えると、体積当たりの触媒反
応点の絶対量が少なくなって発電効率の低下を招くから
である。
量は、触媒層の総量に対して５〜２５重量％含有されて
いるとよい。その理由としては、含有量が５重量％未満
では上記の各効果が発揮されにくくなり、例えば触媒ペ
ーストの粘度によってはクラックが生じるおそれがあ
り、一方、２５重量％を超えると、体積当たりの触媒反
応点の絶対量が少なくなって発電効率の低下を招くから
である。
【００１０】本発明に係る繊維状物質としては、微細
で、かつ電子伝導性を有する炭素ウィスカーが好ましく
用いられる。炭素ウィスカーは触媒層を構成する触媒物
質や、触媒物質を担持したカーボン粒子に絡みつくこと
により、このカーボン粒子の点接触による導電パスに加
えて新たな導電パスが発現し、このため、触媒層の電子
伝導性が向上する。炭素ウィスカーは電子伝導性を有す
るので、白金触媒を炭素ウィスカーの表面にも担持し、
白金触媒の電極内での面積密度の向上を目的として用い
ることもできる。
で、かつ電子伝導性を有する炭素ウィスカーが好ましく
用いられる。炭素ウィスカーは触媒層を構成する触媒物
質や、触媒物質を担持したカーボン粒子に絡みつくこと
により、このカーボン粒子の点接触による導電パスに加
えて新たな導電パスが発現し、このため、触媒層の電子
伝導性が向上する。炭素ウィスカーは電子伝導性を有す
るので、白金触媒を炭素ウィスカーの表面にも担持し、
白金触媒の電極内での面積密度の向上を目的として用い
ることもできる。
【００１１】触媒層は高い電子伝導性を有していること
が好ましいものの、従来では、その電子伝導性は触媒担
持カーボン粒子のネットワークのみに頼っており、積極
的な電子伝導性の向上を図る試みはなされていない。電
子伝導性の向上を図る手段としては、高い電子伝導性を
示すケッチェンブラックやデンカブラック等のカーボン
粉末を添加する方法も考えられるが、これら微粉の添加
は触媒層の結合力を著しく低下させ、製造時の乾燥工程
等でクラックが発生しやすくなるので、クラックの発生
を防止するために、従来ではＰＴＦＥやＰＶＤＦ等の本
来は発電に不要な結合剤を多く添加していたのは前述の
通りである。触媒層は、通常１０〜２０μｍ程度ときわ
めて薄く、したがって、例えば炭素繊維や金属粉等の他
の電子伝導性を高める物質を添加しようとしても、これ
らは最小でも直径１０μｍ程度であるため困難であっ
た。その点、炭素ウィスカーは直径０．１〜０．２μｍ
と微細な粒子の結合体であるから、厚さが１０〜２０μ
ｍ程度の触媒層に電子伝導材として混入は十分可能であ
り、しかも、アスペクト比が約１００と比較的大きい形
状であることから、触媒物質間の結合媒体として機能
し、触媒層の結合性の向上に寄与するのである。
が好ましいものの、従来では、その電子伝導性は触媒担
持カーボン粒子のネットワークのみに頼っており、積極
的な電子伝導性の向上を図る試みはなされていない。電
子伝導性の向上を図る手段としては、高い電子伝導性を
示すケッチェンブラックやデンカブラック等のカーボン
粉末を添加する方法も考えられるが、これら微粉の添加
は触媒層の結合力を著しく低下させ、製造時の乾燥工程
等でクラックが発生しやすくなるので、クラックの発生
を防止するために、従来ではＰＴＦＥやＰＶＤＦ等の本
来は発電に不要な結合剤を多く添加していたのは前述の
通りである。触媒層は、通常１０〜２０μｍ程度ときわ
めて薄く、したがって、例えば炭素繊維や金属粉等の他
の電子伝導性を高める物質を添加しようとしても、これ
らは最小でも直径１０μｍ程度であるため困難であっ
た。その点、炭素ウィスカーは直径０．１〜０．２μｍ
と微細な粒子の結合体であるから、厚さが１０〜２０μ
ｍ程度の触媒層に電子伝導材として混入は十分可能であ
り、しかも、アスペクト比が約１００と比較的大きい形
状であることから、触媒物質間の結合媒体として機能
し、触媒層の結合性の向上に寄与するのである。
【００１２】また、本発明に係る繊維状物質は、自身が
親水性を有するもの、または表面が親水化処理されてい
るものであることを好ましい形態としている。前述の如
く、繊維状物質は絡み合って触媒層中に存在することに
より空孔が生じやすく、この空孔が燃料ガス等の流路と
して機能する。燃料電池にあっては、発電に伴い正極
（カソード）側の触媒層内では水蒸気が生成し、その水
蒸気は触媒層の表面側に形成される拡散層を通って系外
に排出される。ここで、その水蒸気が結露すると水がガ
ス流路を閉塞し、ガスの流動性を著しく低下させる。そ
こで、繊維状物質が親水性を有していたり表面が親水化
処理されていたりすれば、発電によって生成した水蒸気
が結露する状況になった場合、水が毛細管現象によって
繊維状物質に広がり液滴が生じない。このため、水の投
影面積が小さくなると同時に、水は乾いた部分に移動
し、ガス流路の閉塞が防止される。例えば、ガス流路の
下流側は湿度が高くなって結露が起こりやすいが、この
ような場所でも結露が防止され、発電性能は低下しにく
い。また、毛細管現象によって、水が過剰な場所から水
の不足している場所への水の速やかな移動が起こり、こ
れによって電極内部では自発的な水不足の解消がなされ
る。その結果、加湿量に応じた電圧変動の発生が抑制さ
れるといった効果が奏される。
親水性を有するもの、または表面が親水化処理されてい
るものであることを好ましい形態としている。前述の如
く、繊維状物質は絡み合って触媒層中に存在することに
より空孔が生じやすく、この空孔が燃料ガス等の流路と
して機能する。燃料電池にあっては、発電に伴い正極
（カソード）側の触媒層内では水蒸気が生成し、その水
蒸気は触媒層の表面側に形成される拡散層を通って系外
に排出される。ここで、その水蒸気が結露すると水がガ
ス流路を閉塞し、ガスの流動性を著しく低下させる。そ
こで、繊維状物質が親水性を有していたり表面が親水化
処理されていたりすれば、発電によって生成した水蒸気
が結露する状況になった場合、水が毛細管現象によって
繊維状物質に広がり液滴が生じない。このため、水の投
影面積が小さくなると同時に、水は乾いた部分に移動
し、ガス流路の閉塞が防止される。例えば、ガス流路の
下流側は湿度が高くなって結露が起こりやすいが、この
ような場所でも結露が防止され、発電性能は低下しにく
い。また、毛細管現象によって、水が過剰な場所から水
の不足している場所への水の速やかな移動が起こり、こ
れによって電極内部では自発的な水不足の解消がなされ
る。その結果、加湿量に応じた電圧変動の発生が抑制さ
れるといった効果が奏される。
【００１３】本発明に係る繊維状物質としては、上記の
ように結露によるガス流路の閉塞を防ぐ観点から、自身
が撥水性を有するもの、または表面が撥水化処理されて
いるものであってもよい。繊維状物質が撥水性を有して
いたり表面が撥水化処理されていたりすることにより、
結露が防止されて空孔すなわちガス流路の閉塞が防止さ
れ、ガスの透過性が確保される。なお、撥水性の繊維状
物質の含有量は、５重量％未満では本発明の効果が得ら
れにくく、１０重量％超では触媒層の厚さが大きくなっ
てしまうので、５〜１０重量％が好ましい。
ように結露によるガス流路の閉塞を防ぐ観点から、自身
が撥水性を有するもの、または表面が撥水化処理されて
いるものであってもよい。繊維状物質が撥水性を有して
いたり表面が撥水化処理されていたりすることにより、
結露が防止されて空孔すなわちガス流路の閉塞が防止さ
れ、ガスの透過性が確保される。なお、撥水性の繊維状
物質の含有量は、５重量％未満では本発明の効果が得ら
れにくく、１０重量％超では触媒層の厚さが大きくなっ
てしまうので、５〜１０重量％が好ましい。
【００１４】なお、本発明の繊維状物質としては、上記
で挙げた以外に、アルミナウィスカー、シリカウィスカ
ー等の無機繊維、気相成長カーボン等の炭素繊維、ナイ
ロンやポリイミド等の高分子繊維が挙げられる。これら
繊維状物質は、直径１μｍ以下のものが好ましく、０．
３μｍ以下であればより好ましい。
で挙げた以外に、アルミナウィスカー、シリカウィスカ
ー等の無機繊維、気相成長カーボン等の炭素繊維、ナイ
ロンやポリイミド等の高分子繊維が挙げられる。これら
繊維状物質は、直径１μｍ以下のものが好ましく、０．
３μｍ以下であればより好ましい。
【００１５】
【実施例】次に、具体的な実施例により本発明を詳細に
説明する。 ［実施例］ Ａ．触媒ペーストの原材料 （I）白金担持カーボン ・カーボンブラックと白金との重量比を５０：５０とし
た白金担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ：田中貴
金属工業社製） （II）高分子電解質 ・イオン伝導性ポリマー（Ｎａｆｉｏｎ ＳＥ５１１
２：Ｄｕｐｏｎｔ社製） （III）繊維状物質 ａ．ホウ酸アルミナウィスカー（アルボレックス：四国
化成社製） ｂ．炭素ウィスカー：繊維径約０．２μｍ、長さ１５μ
ｍの気相成長カーボン（ＶＧＣＦ：昭和電工社の登録商
標） ｃ．親水性セルロース繊維（ＫＣフロック：日本製紙社
製） ｄ．親水性高分子吸水材（エスペックＬ：東洋紡績社
製）
説明する。 ［実施例］ Ａ．触媒ペーストの原材料 （I）白金担持カーボン ・カーボンブラックと白金との重量比を５０：５０とし
た白金担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ：田中貴
金属工業社製） （II）高分子電解質 ・イオン伝導性ポリマー（Ｎａｆｉｏｎ ＳＥ５１１
２：Ｄｕｐｏｎｔ社製） （III）繊維状物質 ａ．ホウ酸アルミナウィスカー（アルボレックス：四国
化成社製） ｂ．炭素ウィスカー：繊維径約０．２μｍ、長さ１５μ
ｍの気相成長カーボン（ＶＧＣＦ：昭和電工社の登録商
標） ｃ．親水性セルロース繊維（ＫＣフロック：日本製紙社
製） ｄ．親水性高分子吸水材（エスペックＬ：東洋紡績社
製）
【００１６】Ｂ．触媒ペーストの調製
上記白金担持カーボンと高分子電解質の混合物に、上記
ａ〜ｄの繊維状物質をそれぞれ添加し、添加された繊維
状物質がａ〜ｄである４種類の触媒ペーストを調整し
た。触媒ペーストの調整にあたっては、繊維状物質の添
加割合および触媒ペーストの粘度（ｃＰ）を種々変えた
ものを用意した。
ａ〜ｄの繊維状物質をそれぞれ添加し、添加された繊維
状物質がａ〜ｄである４種類の触媒ペーストを調整し
た。触媒ペーストの調整にあたっては、繊維状物質の添
加割合および触媒ペーストの粘度（ｃＰ）を種々変えた
ものを用意した。
【００１７】Ｃ．電極シートの作製
上記触媒ペーストをＦＥＰ（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）製のシートに塗布
して乾燥させ、電極シートを得た。乾燥させた触媒ペー
ストが触媒層となる。なお、電極シートの白金量は０．
５０ｍｇ／ｃｍ ２であった。
ヘキサフルオロプロピレン共重合体）製のシートに塗布
して乾燥させ、電極シートを得た。乾燥させた触媒ペー
ストが触媒層となる。なお、電極シートの白金量は０．
５０ｍｇ／ｃｍ ２であった。
【００１８】Ｄ．電極構造体の作製
上記電極シートを、デカール法にて高分子電解質膜（Ｎ
ａｆｉｏｎ１１２：Ｄｕｐｏｎｔ社製）の両面に転写
し、電極構造体を得た。なお、デカール法による転写と
は、電極シートの触媒層側を高分子電解質膜に熱圧着し
た後にＦＥＰシートを剥離することを言う。
ａｆｉｏｎ１１２：Ｄｕｐｏｎｔ社製）の両面に転写
し、電極構造体を得た。なお、デカール法による転写と
は、電極シートの触媒層側を高分子電解質膜に熱圧着し
た後にＦＥＰシートを剥離することを言う。
【００１９】［比較例］触媒ペーストの調整工程で繊維
状物質を添加しない以外は上記実施例と同様にして、比
較例の電極シートおよび電極構造体を作製した。
状物質を添加しない以外は上記実施例と同様にして、比
較例の電極シートおよび電極構造体を作製した。
【００２０】［各種試験とその結果］
・触媒層のクラックの観察
ａ）ホウ酸アルミナウィスカーを添加した触媒層を備え
た実施例の電極シートと、比較例の電極シートにつき
（粘度は３３０ｃＰで一定）、触媒層のクラック発生状
態を観察してクラックの面積率を求めた。図１は、ホウ
酸アルミナウィスカーの添加量とクラックの面積率の関
係を示している。図１で明らかなように、ホウ酸アルミ
ナウィスカーが添加されているとクラックの発生率が低
下し、１０重量％以上の添加でクラック防止効果が顕著
である。
た実施例の電極シートと、比較例の電極シートにつき
（粘度は３３０ｃＰで一定）、触媒層のクラック発生状
態を観察してクラックの面積率を求めた。図１は、ホウ
酸アルミナウィスカーの添加量とクラックの面積率の関
係を示している。図１で明らかなように、ホウ酸アルミ
ナウィスカーが添加されているとクラックの発生率が低
下し、１０重量％以上の添加でクラック防止効果が顕著
である。
【００２１】ｂ）炭素ウィスカーを添加した触媒層を備
えた実施例の電極シートと、比較例の電極シートにつき
（粘度は３３０ｃＰで一定）、触媒層のクラック発生状
態を観察してクラックの面積率を求めた。図２は、炭素
ウィスカーの添加量とクラックの面積率の関係を示して
おり、炭素ウィスカーが添加されているとクラックの発
生率が低下し、１０重量％以上の添加でクラック防止効
果が顕著である。
えた実施例の電極シートと、比較例の電極シートにつき
（粘度は３３０ｃＰで一定）、触媒層のクラック発生状
態を観察してクラックの面積率を求めた。図２は、炭素
ウィスカーの添加量とクラックの面積率の関係を示して
おり、炭素ウィスカーが添加されているとクラックの発
生率が低下し、１０重量％以上の添加でクラック防止効
果が顕著である。
【００２２】・触媒ペーストの粘度とクラック発生の関
係 ホウ酸アルミナウィスカーを添加した触媒層を備えた実
施例の電極シートと、比較例の電極シートにつき、作製
時の触媒ペーストの粘度とクラックが発生する関係を調
べ、クラックが発生する最低粘度を求めた。なお、粘度
測定は、粘度測定機（ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ社製、ＤＶ
−III＋）を用い、スピンドルＣＰＥ−４０、温度２５
℃、１００ｒｐｍの条件下で行った。図３はその結果を
示しており、ホウ酸アルミナウィスカーが添加されてい
ると、触媒ペーストの粘度が低くてもクラックが発生し
なくなる傾向にある。すなわち、ホウ酸アルミナウィス
カーの添加量が増えるにつれてクラックが発生する最低
粘度は低下し、したがって、触媒ペーストの粘度の自由
度が大幅に高くなることが判る。
係 ホウ酸アルミナウィスカーを添加した触媒層を備えた実
施例の電極シートと、比較例の電極シートにつき、作製
時の触媒ペーストの粘度とクラックが発生する関係を調
べ、クラックが発生する最低粘度を求めた。なお、粘度
測定は、粘度測定機（ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ社製、ＤＶ
−III＋）を用い、スピンドルＣＰＥ−４０、温度２５
℃、１００ｒｐｍの条件下で行った。図３はその結果を
示しており、ホウ酸アルミナウィスカーが添加されてい
ると、触媒ペーストの粘度が低くてもクラックが発生し
なくなる傾向にある。すなわち、ホウ酸アルミナウィス
カーの添加量が増えるにつれてクラックが発生する最低
粘度は低下し、したがって、触媒ペーストの粘度の自由
度が大幅に高くなることが判る。
【００２３】・炭素ウィスカーの添加量と導電率
炭素ウィスカーを添加した電極シートの触媒層と、比較
例の電極シートの触媒層につき、直流４端子法によって
導電率を調べた。図４はその結果を示しており、触媒層
への炭素ウィスカーの添加量が増えるにしたがって導電
率が向上することが判る。
例の電極シートの触媒層につき、直流４端子法によって
導電率を調べた。図４はその結果を示しており、触媒層
への炭素ウィスカーの添加量が増えるにしたがって導電
率が向上することが判る。
【００２４】・炭素ウィスカーの添加量と空孔率
炭素ウィスカーを添加した電極シートの触媒層と、比較
例の電極シートの触媒層につき、水銀圧入法によって空
孔率を調べた。図５はその結果を示しており、触媒層へ
の炭素ウィスカーの添加量が増えるにしたがって空孔率
が上昇することが判る。空孔は、炭素ウィスカーが絡み
合うことにより形成され、炭素ウィスカーが多いほど、
空孔率が上昇することが推察される。
例の電極シートの触媒層につき、水銀圧入法によって空
孔率を調べた。図５はその結果を示しており、触媒層へ
の炭素ウィスカーの添加量が増えるにしたがって空孔率
が上昇することが判る。空孔は、炭素ウィスカーが絡み
合うことにより形成され、炭素ウィスカーが多いほど、
空孔率が上昇することが推察される。
【００２５】・炭素ウィスカーの添加量と限界電流密度
炭素ウィスカーを添加した触媒層を備えた実施例の電極
構造体と、比較例の電極構造体につき、負極側とした一
方の触媒層に水素ガスを供給し、正極側とした他方の触
媒層に空気を供給して発電を行い、限界電流密度（電流
密度を上げていった時の電圧がゼロになる電流密度）を
測定した。供給した水素ガスおよび空気は、ともに温度
８０℃、湿度５０％ＲＨ、利用率（消費量／供給量）５
０％であった。触媒層への炭素ウィスカーの添加量と限
界電流密度との関係を図６に示す。図６によると、触媒
層への炭素ウィスカーの添加量が増えると限界電流密度
が上昇することが判る。しかしながら、添加量が２５重
量％を超えると発電性能が低下することが示唆され、こ
れは、触媒層の厚さが増すことに起因すると推察され
る。
構造体と、比較例の電極構造体につき、負極側とした一
方の触媒層に水素ガスを供給し、正極側とした他方の触
媒層に空気を供給して発電を行い、限界電流密度（電流
密度を上げていった時の電圧がゼロになる電流密度）を
測定した。供給した水素ガスおよび空気は、ともに温度
８０℃、湿度５０％ＲＨ、利用率（消費量／供給量）５
０％であった。触媒層への炭素ウィスカーの添加量と限
界電流密度との関係を図６に示す。図６によると、触媒
層への炭素ウィスカーの添加量が増えると限界電流密度
が上昇することが判る。しかしながら、添加量が２５重
量％を超えると発電性能が低下することが示唆され、こ
れは、触媒層の厚さが増すことに起因すると推察され
る。
【００２６】・親水性繊維の添加と発電性能
触媒層に１０重量％のセルロースが添加された実施例の
電極構造体と、触媒層に１０重量％の高分子吸水材が添
加された実施例の電極構造体と、比較例の電極構造体に
つき、負極側とした一方の触媒層に水素ガスを供給し、
正極側とした他方の触媒層に空気を供給して発電を行
い、端子電圧を測定して発電性能を調べた。水素ガス
は、温度８０℃、湿度２５％ＲＨ、利用率５０％で供給
した。また、空気は、温度８０℃、湿度４５％ＲＨ、利
用率５０％で供給した。図７はその結果を示しており、
親水性の繊維状物質の添加によって発電性能が向上する
ことが判る。
電極構造体と、触媒層に１０重量％の高分子吸水材が添
加された実施例の電極構造体と、比較例の電極構造体に
つき、負極側とした一方の触媒層に水素ガスを供給し、
正極側とした他方の触媒層に空気を供給して発電を行
い、端子電圧を測定して発電性能を調べた。水素ガス
は、温度８０℃、湿度２５％ＲＨ、利用率５０％で供給
した。また、空気は、温度８０℃、湿度４５％ＲＨ、利
用率５０％で供給した。図７はその結果を示しており、
親水性の繊維状物質の添加によって発電性能が向上する
ことが判る。
【００２７】・親水性繊維の添加とカソードガスの透湿
量に対する端子電圧 触媒層に１０重量％のセルロースが添加された実施例の
電極構造体と、触媒層に１０重量％の高分子吸水材が添
加された実施例の電極構造体と、比較例の電極構造体に
つき、負極側とした一方の触媒層に水素ガスを供給し、
正極側とした他方の触媒層に空気を供給して発電を行
い、電流密度が０．７Ａ／ｃｍ２時のカソードガスの相
対湿度に対する端子電圧を測定した。水素ガスおよび空
気の供給条件は、上記「親水繊維の添加と発電性能」の
場合と同じとした。図８はその結果を示しており、親水
性繊維を添加しない場合には相対湿度が低下すると急激
に電圧が低下するが、親水性繊維を添加することにより
相対湿度が低くても電圧低下が抑えられることが判る。
特に、高分子吸水材の添加は著しい効果が発揮されてい
る。セルロースは高分子吸水材と比較すると効果が低
く、これは、セルロースの繊維長さがアスペクト比２〜
５と比較的短いため、水を潤っている場所から乾いてい
る場所へ移動させる能力が小さいためと推察される。
量に対する端子電圧 触媒層に１０重量％のセルロースが添加された実施例の
電極構造体と、触媒層に１０重量％の高分子吸水材が添
加された実施例の電極構造体と、比較例の電極構造体に
つき、負極側とした一方の触媒層に水素ガスを供給し、
正極側とした他方の触媒層に空気を供給して発電を行
い、電流密度が０．７Ａ／ｃｍ２時のカソードガスの相
対湿度に対する端子電圧を測定した。水素ガスおよび空
気の供給条件は、上記「親水繊維の添加と発電性能」の
場合と同じとした。図８はその結果を示しており、親水
性繊維を添加しない場合には相対湿度が低下すると急激
に電圧が低下するが、親水性繊維を添加することにより
相対湿度が低くても電圧低下が抑えられることが判る。
特に、高分子吸水材の添加は著しい効果が発揮されてい
る。セルロースは高分子吸水材と比較すると効果が低
く、これは、セルロースの繊維長さがアスペクト比２〜
５と比較的短いため、水を潤っている場所から乾いてい
る場所へ移動させる能力が小さいためと推察される。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体高分
子型燃料電池によれば、触媒層中に繊維状物質が含有さ
れているので、結合剤を添加しないか、あるいは結合剤
の添加量が少なくても触媒層の結合強度の向上が図られ
るとともにクラックの発生が防がれ、その結果として発
電性能が向上するといった効果を奏する。
子型燃料電池によれば、触媒層中に繊維状物質が含有さ
れているので、結合剤を添加しないか、あるいは結合剤
の添加量が少なくても触媒層の結合強度の向上が図られ
るとともにクラックの発生が防がれ、その結果として発
電性能が向上するといった効果を奏する。
【図１】 本発明の実施例におけるホウ酸アルミナウィ
スカーの添加量とクラックの面積率の関係を示す線図で
ある。
スカーの添加量とクラックの面積率の関係を示す線図で
ある。
【図２】 本発明の実施例における炭素ウィスカーの添
加量とクラックの面積率の関係を示す線図である。
加量とクラックの面積率の関係を示す線図である。
【図３】 本発明の実施例におけるホウ酸アルミナウィ
スカーの添加量と触媒層にクラックが生じない触媒ペー
ストの最低粘度の関係を示す線図である。
スカーの添加量と触媒層にクラックが生じない触媒ペー
ストの最低粘度の関係を示す線図である。
【図４】 本発明の実施例における炭素ウィスカーの添
加量と導電率の関係を示す線図である。
加量と導電率の関係を示す線図である。
【図５】 本発明の実施例における炭素ウィスカーの添
加量と空孔率の関係を示す線図である。
加量と空孔率の関係を示す線図である。
【図６】 本発明の実施例における炭素ウィスカーの添
加量と限界電流密度の関係を示す線図である。
加量と限界電流密度の関係を示す線図である。
【図７】 本発明の実施例における親水性繊維の添加の
有無と発電性能の関係を示す線図である。
有無と発電性能の関係を示す線図である。
【図８】 本発明の実施例における親水性繊維の添加の
有無とカソードガスの透湿量に対する端子電圧の関係を
示す線図である。
有無とカソードガスの透湿量に対する端子電圧の関係を
示す線図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 高山 克彦
埼玉県和光市中央１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 AS01 BB03 BB06 BB08
BB12 CC06 DD05 DD08 EE03
EE05 EE08 EE12 EE17 EE18
HH05
5H026 AA06 CC03 CX02 EE05 HH05
Claims (4)
- 【請求項１】 触媒物質および高分子電解質を備えた触
媒層を有する固体高分子型燃料電池において、前記触媒
層中に繊維状物質が含有されていることを特徴とする固
体高分子型燃料電池用電極。 - 【請求項２】 前記繊維状物質は、前記触媒層の総量に
対して５〜２５重量％含有されていることを特徴とする
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池用電極。 - 【請求項３】 前記繊維状物質は、炭素ウィスカーであ
ることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分
子型燃料電池用電極。 - 【請求項４】 前記繊維状物質は、自身が親水性を有す
るもの、または表面が親水化処理されているものである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体
高分子型燃料電池用電極。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001313826A JP3571680B2 (ja) | 2001-10-11 | 2001-10-11 | 固体高分子型燃料電池用電極 |
| US10/268,104 US7094492B2 (en) | 2001-10-11 | 2002-10-10 | Electrode for polymer electrolyte fuel cell |
| CA002407202A CA2407202C (en) | 2001-10-11 | 2002-10-10 | Electrode for polymer electrolyte fuel cell |
| DE10247452A DE10247452B4 (de) | 2001-10-11 | 2002-10-11 | Elektrode für Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001313826A JP3571680B2 (ja) | 2001-10-11 | 2001-10-11 | 固体高分子型燃料電池用電極 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004124113A Division JP4065862B2 (ja) | 2004-04-20 | 2004-04-20 | 固体高分子型燃料電池用電極 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003123769A true JP2003123769A (ja) | 2003-04-25 |
| JP3571680B2 JP3571680B2 (ja) | 2004-09-29 |
Family
ID=19132236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001313826A Expired - Lifetime JP3571680B2 (ja) | 2001-10-11 | 2001-10-11 | 固体高分子型燃料電池用電極 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3571680B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005174765A (ja) * | 2003-12-11 | 2005-06-30 | Equos Research Co Ltd | 膜電極接合体、その製造方法及びその使用方法 |
| JP2008147031A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Sharp Corp | 膜電極複合体の製造方法 |
| DE102008015575A1 (de) | 2007-03-26 | 2008-10-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi | Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung |
| JP2009152112A (ja) * | 2007-12-21 | 2009-07-09 | Three M Innovative Properties Co | インク組成物、その製造方法、そのインク組成物を用いて形成した電極触媒層及びこれらの用途 |
| JP2017095800A (ja) * | 2011-10-10 | 2017-06-01 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 触媒電極、並びにその製造及び使用方法 |
| WO2018155220A1 (ja) * | 2017-02-23 | 2018-08-30 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 膜電極接合体および燃料電池 |
| JP2018147675A (ja) * | 2017-03-03 | 2018-09-20 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒インク、燃料電池用触媒層、及び、膜電極接合体 |
| JP2019121572A (ja) * | 2018-01-11 | 2019-07-22 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒層 |
| CN111247677A (zh) * | 2017-10-31 | 2020-06-05 | 凸版印刷株式会社 | 电极催化剂层及固体高分子型燃料电池 |
| CN113228354A (zh) * | 2018-10-09 | 2021-08-06 | 凸版印刷株式会社 | 燃料电池用膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池 |
| WO2022124407A1 (ja) * | 2020-12-10 | 2022-06-16 | 凸版印刷株式会社 | 電極触媒層、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
-
2001
- 2001-10-11 JP JP2001313826A patent/JP3571680B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005174765A (ja) * | 2003-12-11 | 2005-06-30 | Equos Research Co Ltd | 膜電極接合体、その製造方法及びその使用方法 |
| JP4506164B2 (ja) * | 2003-12-11 | 2010-07-21 | 株式会社エクォス・リサーチ | 膜電極接合体及びその使用方法 |
| JP2008147031A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Sharp Corp | 膜電極複合体の製造方法 |
| DE102008015575A1 (de) | 2007-03-26 | 2008-10-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi | Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung |
| JP2009152112A (ja) * | 2007-12-21 | 2009-07-09 | Three M Innovative Properties Co | インク組成物、その製造方法、そのインク組成物を用いて形成した電極触媒層及びこれらの用途 |
| JP2017095800A (ja) * | 2011-10-10 | 2017-06-01 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 触媒電極、並びにその製造及び使用方法 |
| WO2018155220A1 (ja) * | 2017-02-23 | 2018-08-30 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 膜電極接合体および燃料電池 |
| US11569519B2 (en) | 2017-02-23 | 2023-01-31 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Membrane electrode assembly and fuel cell |
| CN110383548A (zh) * | 2017-02-23 | 2019-10-25 | 松下知识产权经营株式会社 | 膜电极接合体以及燃料电池 |
| JPWO2018155220A1 (ja) * | 2017-02-23 | 2019-12-12 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 膜電極接合体および燃料電池 |
| JP7113232B2 (ja) | 2017-02-23 | 2022-08-05 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 膜電極接合体および燃料電池 |
| JP2018147675A (ja) * | 2017-03-03 | 2018-09-20 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒インク、燃料電池用触媒層、及び、膜電極接合体 |
| US10516172B2 (en) | 2017-03-03 | 2019-12-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Catalyst ink for fuel cell, catalyst layer for fuel cell, and membrane electrode assembly |
| CN111247677A (zh) * | 2017-10-31 | 2020-06-05 | 凸版印刷株式会社 | 电极催化剂层及固体高分子型燃料电池 |
| JP2019121572A (ja) * | 2018-01-11 | 2019-07-22 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒層 |
| CN113228354A (zh) * | 2018-10-09 | 2021-08-06 | 凸版印刷株式会社 | 燃料电池用膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池 |
| WO2022124407A1 (ja) * | 2020-12-10 | 2022-06-16 | 凸版印刷株式会社 | 電極触媒層、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
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| JP3571680B2 (ja) | 2004-09-29 |
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