JP2008251179A - 固体高分子型燃料電池用電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の電極は、触媒層とガス拡散基材とが積層されてなる固体高分子型燃料電池用電極であって、前記触媒層が、非白金触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性高分子電解質及び炭素繊維を含有し、前記非白金触媒担持炭素粒子と前記炭素繊維との配合割合が前者1重量部に対して後者が0.01〜1重量部である、ことを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明の触媒層は、非白金触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性高分子電解質及び炭素繊維を含有し、前記非白金触媒担持炭素粒子と炭素繊維との配合割合が前者1重量部に対して後者が0.01〜1重量部であることを特徴とする。
本発明のガス拡散基材は限定的でなく、公知又は市販のものを使用できる。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。
本発明の電極は上記触媒層がガス拡散基材に積層されてなる。特に触媒層の一部がガス拡散基材に含浸されてなることが好ましい。具体的には、ガス拡散基材の厚み方向に平均50%程度以上含浸されていることが好ましい。これにより、ガス拡散基材に多くの非白金触媒担持炭素粒子、ひいては多くの金属触媒を保持又は積層できる。
本発明の電極−電解質膜積層体は、電解質膜の少なくとも一方面に、本発明の電極が積層されている。
本発明の電極は、例えば、非白金触媒担持炭素粒子、炭素繊維、水素イオン伝導性高分子電解質及び溶剤を含有する触媒層形成用ペースト組成物をガス拡散基材に塗布し、乾燥することにより得られる。
1.カソード電極
(1)実施例1
(触媒担持炭素粒子及び炭素繊維の合計量に対する炭素繊維の添加量10%)
鉄コバルト合金触媒担持炭素粒子(鉄コバルト含有量:4.0wt%)1.8g及び炭素繊維(昭和電工製、VGCF、真密度:2.0g/cm3、比表面積:13m2/g、粉体抵抗率:0.012Ωcm)0.2gを水6gに混合し、次いで、メタノール6g、2−プロパノール10g及び水素イオン伝導性高分子電解質溶液(20wt%ナフィオン、デュポン社製)5gを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより、カソード触媒層形成用ペースト組成物を調製した。
(触媒担持炭素粒子及び炭素繊維の合計量に対する炭素繊維の添加量20%)
鉄コバルト合金触媒担持粒子及び炭素繊維の混合量を、コバルト合金触媒担持粒子1.6g及び炭素繊維0.4gとした以外は実施例1と同様にして、実施例2のカソード電極を作製した。
(触媒担持炭素粒子及び炭素繊維の合計量に対する炭素繊維の添加量50%)
鉄コバルト合金触媒担持粒子及び炭素繊維の混合量を、鉄コバルト合金触媒担持粒子1g及び炭素繊維1gとした以外は実施例1と同様にして、実施例3のカソード電極を作製した。
(触媒担持炭素粒子及び炭素繊維の合計量に対する炭素繊維の添加量0%)
鉄コバルト合金触媒担持粒子及び炭素繊維の混合量において、鉄コバルト合金触媒担持粒子2gとし、炭素繊維を含有しなかった以外は実施例1と同様にして、比較例1のカソード電極を作製した。
実施例1〜3及び比較例1の電極において、触媒層表面のクラックを顕微鏡を用いて観察したところ、実施例1〜3の触媒層はクラックは抑制されていた。一方、比較例1の触媒層はクラックの発生が酷く、触媒層の一部はカーボンペーパーから剥離していた。実施例2の触媒層表面の写真(倍率50倍)を図1に、比較例1の触媒層表面の写真(倍率50倍)を図2に示す。
実施例及び比較例の燃料電池の性能評価試験を行うためのアノード触媒層として、白金触媒層を用いた。白金アノード触媒層は下記のようにして作製した。
水素イオン伝導性高分子電解質膜(ナフィオン112、デュポン社製、75mm×75mm)の片面に、50×50mmに切断した実施例1〜3又は比較例1のカソード電極を、他面に50×50mmに切断したアノード触媒層を、各々が対面するように配置し、135℃、5.0MPa、150秒の条件で熱プレスすることにより、実施例1〜3及び比較例1の触媒層−電解質膜積層体を作製した。
実施例1〜3及び比較例1で得られた触媒層−電解質膜積層体を各燃料電池セルに組み込み、各実施例及び比較例の最大出力密度及び電流電圧特性を測定した。この時の測定は、セル温度80℃、アノード加湿温度80℃、カソード加湿温度70℃の状態にし、空気利用率を40%、水素利用率を70%に設定し、利用率一定条件下でセルに供給することにより行った。最大出力密度の測定結果を表1に示し、電流電圧特性の結果を図3に示す。
Claims (5)
- 触媒層とガス拡散基材とが積層されてなる固体高分子型燃料電池用電極であって、
前記触媒層が、非白金触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性高分子電解質及び炭素繊維を含有し、前記非白金触媒担持炭素粒子と前記炭素繊維との配合割合が前者1重量部に対して後者が0.01〜1重量部である、
ことを特徴とする電極。 - 前記触媒層の一部がガス拡散基材に含浸されてなる、請求項1に記載の電極。
- 平均厚さが200〜600μmである、請求項1又は2に記載の電極。
- 非白金触媒担持炭素粒子に対して、金属触媒が1〜20重量%の割合で担持されてなる、請求項1〜3のいずれかに記載の電極。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の電極を具備する、固体高分子型燃料電池。
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