JP2004349048A - 固体高分子型燃料電池用電極構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体高分子型燃料電池用電極構造体1は,固体高分子電解質膜2と,その固体高分子電解質膜2を挟む一対の電極層3,4と,各電極層3,4の外側に配置される一対の拡散層5,6とを基本構成要素とする。一方の前記電極層3および前記拡散層5の間ならびに他方の前記電極層4および前記拡散層6の間にそれぞれ電気媒介層7,8が設けられる。各電気媒介層7,8は複数の炭素ウイスカと,複数の炭素粒子と,電解質物質よりなるバインダとより構成される。各電気媒介層7,8の炭素ウイスカの含有量GW は10wt%≦GW ≦25wt%に設定されている。
【選択図】 図1
Description
【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構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来,この種の電極構造体として,固体高分子電解質膜と,その固体高分子電解質膜を挟む一対の電極層と,各電極層の外側に配置される一対の拡散層とを基本構成要素とするものが知られている。この場合,各拡散層はカーボンペーパ,カーボンクロス等より構成され,また各電極層は,例えば,白金担持カーボンブラックとバインダとより構成されている(例えば,特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−57742号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらカーボンペーパ等を形成する炭素繊維の直径は通常,8〜10μmであって,拡散層の電極層との接触面の面粗さが大となるため,拡散層および電極層間の接触抵抗が増大して発電性能の低下を招くおそれがあった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は,拡散層および電極層間の接触抵抗を低減して発電性能を高く維持し得るようにした前記固体高分子型燃料電池用電極構造体を提供することを目的とする。
【0006】
前記目的を達成するため本発明によれば,固体高分子電解質膜と,その固体高分子電解質膜を挟む一対の電極層と,各電極層の外側に配置される一対の拡散層とを基本構成要素とする固体高分子型燃料電池用電極構造体において,一方の前記電極層および前記拡散層の間ならびに他方の前記電極層および前記拡散層の間にそれぞれ電気媒介層を設け,各電気媒介層は複数の炭素ウイスカと,複数の炭素粒子と,バインダとより構成され,各電気媒介層中の前記炭素ウイスカの含有量GW が10wt%≦GW ≦25wt%である固体高分子型燃料電池用電極構造体が提供される。
【0007】
各電気媒介層において,炭素ウイスカの含有量GW を前記のように設定し,また炭素粒子を併用すると,炭素ウイスカ相互の接触および炭素粒子による炭素ウイスカ相互間の接続をそれぞれ多数現出させることができるので電気媒介層の表面抵抗は小となる。また炭素ウイスカはその直径が0.1〜0.2μmであって長さも短いことから,炭素ウイスカと,拡散層の炭素繊維および電極層の炭素粒子との接触点が多くなる。これらにより,拡散層および電極層間の接触抵抗を低減して,発電性能を高く維持することができる。ただし,炭素ウイスカの含有量GW がGW <10wt%では電気媒介層の表面抵抗が高く,また発電性能も低い。一方,GW >25wt%では電気媒介層の表面抵抗は低くなるが,発電性能は低下する。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1において,固体高分子型燃料電池に用いられる電極構造体1は,固体高分子電解質膜2と,その固体高分子電解質膜2を挟む一対の電極層,つまり,カソード側電極層3およびアノード側電極層4と,各電極層3,4の外側に配置される一対の拡散層5,6とを基本構成要素とする。
【0009】
この実施例においては,カソード側電極層3および拡散層5の間ならびにアノード側電極層4および拡散層6の間にそれぞれ電気媒介層7,8が設けられている。各電気媒介層7,8は複数の炭素ウイスカと,複数の炭素粒子と,バインダとより構成されている。各電気媒介層7,8中の炭素ウイスカの含有量GW は10wt%≦GW ≦25wt%に,また炭素粒子の含有量GP は20wt%≦GP ≦50wt%に,バインダの含有量GE は20wt%≦GE ≦50wt%にそれぞれ設定されている。ただし,炭素粒子の含有量GP がGP <20wt%では炭素粒子を用いる意義が失われ,一方,GP >50wt%ではバインダの分散性が悪くなる。またバインダの含有量GE がGE <20wt%ではバインダ機能が不十分となり,一方,GE >50wt%では電気媒介層7,8の細孔量が不十分となる。炭素ウイスカとしては気相成長炭素繊維が好適である。
【0010】
各電気媒介層7,8において,炭素ウイスカの含有量GW を前記のように設定し,また炭素粒子を併用すると,炭素ウイスカ相互の接触および炭素粒子による炭素ウイスカ相互間の接続をそれぞれ多数現出させることができるので電気媒介層7,8の表面抵抗は小となる。また炭素ウイスカはその直径が0.1〜0.2μmであって長さも短いことから,炭素ウイスカと,拡散層5,6の炭素繊維および電極層3,4の炭素粒子との接触点が多くなる。これらにより,拡散層5,6および電極層3,4間の接触抵抗を低減して,発電性能を高く維持することができる。電極層3,4のバインダとして電解質物質を用いることが可能であるから,その電解質物質と同様のものを電気媒介層7,8のバインダとすることにより,電極層3,4と電気媒介層7,8との接合性を良好にして,それらを一体化することができる。これは,電極層3,4および電気媒介層7,8間における間隙発生防止をもたらすので,その間隙に起因した生成水の滞留が回避される。
【0011】
以下,具体例について説明する。
【0012】
A.拡散層
カソード側およびアノード側拡散層5,6として,カーボンペーパ(東レ社製,商品名 TGP−H−060,厚さ190μm)の表面および内部,つまり全体にFEP(フッ素化エチレンプロピレン)を分散付着させて,撥水性を付与したものを用意した。この場合,FEPの含有量GF は,カーボンペーパの重量をa,FEPの重量をbとすると,GF ={b/(a+b)}×100(wt%)において,GF ≧0.2wt%に設定され,実施例ではGF =0.25wt%とした。
【0013】
B−1.電気媒介層用スラリの調製
炭素ウイスカの集合体として,直径約0.2μm,長さ約15μmの気相成長炭素繊維(昭和電工社製,商品名 VGCF)を,また炭素粒子の集合体として,カーボンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製,商品名 ケッチェンブラックEG600JD)を,さらにバインダとして電解質物質であるナフイオン(デュポン社製,商品名 Nafion SE)をそれぞれ用意した。これらを種々の配合量となるように秤量し,各配合物 12.5gを0.1LのNMP(N−メチルピロリドン)溶液と共にボールミルに投入して攪拌混合し,各種スラリを得た。表1は,スラリの例(1)〜(8)における炭素ウイスカ,炭素粒子,およびバインダの配合量(含有量)を示す。
【0014】
【表1】
【0015】
B−2.電気媒介層の形成
スラリの例(1)を,カソード側拡散層5を構成するカーボンペーパの一面に,乾燥重量が2mg/cm2 となるように塗布し,次いで塗布層を乾燥して,カソード側拡散層5と一体化された電気媒介層7を得た。次いで,前記同様の方法でアノード側拡散層6と一体化された電気媒介層8を得た。これらを一組の二層積層物の例(1)とする。その後,スラリの例(2)〜(8)を順次用い,前記と同様の方法で,カソード側拡散層5と一体化された電気媒介層7およびアノード側拡散層6と一体化された電気媒介層8を順次得た。これらを一組の二層積層物の例(2)〜(8)とする。
【0016】
C.電気媒介層の表面抵抗の測定
二層積層物の例(1)における電気媒介層7(電気媒介層8でもよい),つまり,電気媒介層7の例(1)の表面に,JIS K7194に則って,2つの電圧用探針を押当ててそれら探針間に直流電圧を印加し,その時流れた電流を電気媒介層7の表面に押当てた2つの電流用探針を介して測定し,それら電圧および電流から表面抵抗を算出した。同様の方法で,二層積層物の例(2)〜(8)に関する電気媒介層7(電気媒介層8でもよい)の例(2)〜(8)について表面抵抗を求めた。表2は,電気媒介層7の例(1)〜(8)に関する炭素ウイスカの含有量GW と表面抵抗を示す。
【0017】
【表2】
【0018】
図2は,表2に基づいて炭素ウイスカの含有量GW と表面抵抗との関係をグラフ化したものである。図2より,炭素ウイスカの含有量GW の増加に伴い表面抵抗が低下することが判る。
【0019】
D−1.電極層用ペーストの調製
ファーネスブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製,商品名 ケッチェンブラックEC)に,Pt粒子をそれらの重量比が1対1になるように担持させてPt担持炭素粒子の集合体,つまり粉末を得た。この粉末と,プロトン導電性バインダとしての粉末状のナフィオン(デュポン社製,商品名 NafionSE)とを重量比で1対1となるように秤量し,次いでナフィオンを溶剤である2−プロパノールに溶解してナフィオン溶液を調製し,その後ナフィオン溶液に粉末を投入して十分に混合し,ペーストを得た。
【0020】
D−2.電極層の形成
二層積層物の例(1)のカソード側電気媒介層7の表面に,前記ペーストをPt量が0.5mg/cm2 となるようにスクリーン印刷し,次いで60℃,10分間の乾燥を行い,その後,120℃にて減圧乾燥を行ってカソード側電極層3を形成した。次いで二層積層物の例(1)のアノード側電気媒介層8の表面に,前記同様の方法でアノード側電極層4を形成した。これらを一組の三層積層物の例(1)とする。同様に,二層積層物の例(2)〜(8)を順次用い,前記と同様の方法で,カソード側電気媒介層7表面に形成された電極層3およびアノード側電気媒介層8表面に形成された電極層4を順次得た。これらを一組の三層積層物の例(2)〜(8)とする。
【0021】
E.電極構造体の製作
ナフィオン(デュポン社製,商品名 Nafion 112)よりなる固体高分子電解質膜2の一面に前記三層積層物の例(1)のカソード側電極層3を当て,またその他面に前記三層積層物の例(1)のアノード側電極層4をそれぞれ当てて重ね合せ物とし,次いでその重ね合せ物に140℃,2.5MPa,15分間の条件でポットプレスを施して電極構造体の例(1)を得た。その後,前記同様の固体高分子電解質膜2および三積層物の例(2)〜(8)を順次用い,前記同様の方法で電極構造体の例(2)〜(8)を得た。
【0022】
F.燃料電池の発電性能
電極構造体の例(1)〜(8)を用いて,それらに対応する燃料電池(セル)の例(1)〜(8)を組立て,それらについて限界電流密度を求めた。この限界電流密度とは,図3に示すように,I−V曲線において,電圧をゼロと仮定したときの電流密度を言うものであり,これが大であれば発電性能が高い,ということになるのである。よってI−V曲線を求めるべく次のような作業を行った。
【0023】
(1)燃料電池について,理論OCV(開回路電圧)を求めた。(2)発電試験において,端子電圧Vaと抵抗過電圧Vbとを測定して,それらからIRフリー,即ち,IRフリー=Va+Vbを求めた。(3)電極の活性化過電圧Vcと電解電流密度との関係式であるターフェルの式を適用して,電流密度0.01〜0.05A/cm2 に対応する電圧からターフェルプロット線を求めた。(4)活性化過電圧Vcを,理論OCVの電圧Vdとターフェルプロット線の電圧VeとからVc=Vd−Veとして求めた。(5)濃度過電圧Vfを,ターフェルプロット線の電圧VeとIRフリーの電圧VgとからVf=Ve−Vgとして求めた。
【0024】
以上の結果から,I−V曲線の電圧VhをVh=Vd−(Vc+Vf+Vb)として求め,これに基づいてI−V曲線を求め,さらにそのI−V曲線から限界電流密度を求めた。抵抗過電圧Vbは,表2,図2における表面抵抗が低い場合には低くなるので,表面抵抗を低くすることは限界電流密度を大にする上で有効である。
【0025】
表3は燃料電池の例(1)〜(8)に関する炭素ウイスカの含有量GW と限界電流密度とを示す。この限界電流密度は,カソード側のガスとして純酸素を用いた場合と,空気を用いた場合との両方について掲載されている。
【0026】
【表3】
【0027】
図4は,表3に基づいて炭素ウイスカの含有量と限界電流密度との関係をグラフ化したものである。表3,図4から明らかなように,炭素ウイスカの含有量GW を10wt%≦GW ≦25wt%に設定すると,例(2)〜(5)のごとく,限界電流密度を大にすることができる。炭素ウイスカの含有量GW は,好ましくは,15wt%≦GW ≦20wt%である。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば,前記のように構成することによって,拡散層および電極層間の接触抵抗を低減して発電性能を高く維持し得るようにした固体高分子型燃料電池用電極構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】電極構造体の断面図である。
【図2】電気媒介層における炭素ウイスカの含有量と表面抵抗との関係を示すグラフである。
【図3】燃料電池における電流密度と電圧との関係を示すグラフである。
【図4】燃料電池における炭素ウイスカの含有量と限界電流密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1………電極構造体
2………固体高分子電解質膜
3………電極
4………電極
5………拡散層
6………拡散層
7………電気媒介層
8………電気媒介層
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜(2)と,その固体高分子電解質膜(2)を挟む一対の電極層(3,4)と,各電極層(3,4)の外側に配置される一対の拡散層(5,6)とを基本構成要素とする固体高分子型燃料電池用電極構造体において,一方の前記電極層(3)および前記拡散層(5)の間ならびに他方の前記電極層(4)および前記拡散層(6)の間にそれぞれ電気媒介層を設け,各電気媒介層は複数の炭素ウイスカと,複数の炭素粒子と,バインダとより構成され,各電気媒介層中の前記炭素ウイスカの含有量GW が10wt%≦GW ≦25wt%であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極構造体。
- 前記炭素ウイスカは気相成長炭素繊維である,請求項1記載の固体高分子型燃料電池用電極構造体。
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