JP2753046B2 - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JP2753046B2 JP2753046B2 JP1154735A JP15473589A JP2753046B2 JP 2753046 B2 JP2753046 B2 JP 2753046B2 JP 1154735 A JP1154735 A JP 1154735A JP 15473589 A JP15473589 A JP 15473589A JP 2753046 B2 JP2753046 B2 JP 2753046B2
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- Japan
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- catalyst layer
- fuel cell
- catalyst
- heat treatment
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の効果〕 （産業上の利用分野） 本発明は触媒層および電解質マトリックス層を改良し
た燃料電池に関する。
た燃料電池に関する。
（従来の技術） 従来、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネ
ルギーに変換する装置として燃料電池が知られている。
この燃料電池は通常、触媒層を片面に形成した一対の多
孔質電極間に、電解質を含浸した電解質マトリックス層
を挟持した構造となっている。
ルギーに変換する装置として燃料電池が知られている。
この燃料電池は通常、触媒層を片面に形成した一対の多
孔質電極間に、電解質を含浸した電解質マトリックス層
を挟持した構造となっている。
この燃料電池は一方の電極背面に水素等の燃料を接触
させ、また他方の電極背面に酸素等の酸化剤を接触させ
ることにより、このとき起こる電気化学的反応を利用し
て上記電極間から電気エネルギーを取り出すようにした
ものである。そしてこの種の燃料電池は、燃料と酸化剤
が供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギー
を取り出すことができるものである。
させ、また他方の電極背面に酸素等の酸化剤を接触させ
ることにより、このとき起こる電気化学的反応を利用し
て上記電極間から電気エネルギーを取り出すようにした
ものである。そしてこの種の燃料電池は、燃料と酸化剤
が供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギー
を取り出すことができるものである。
従来の技術を説明するため、第１図に燃料電池の構成
を示す。同図において、電極4a,4bの触媒層3a,3bは、白
金（Pt）のごとく微細の金属触媒粒子をアセチレンブラ
ックのごとくカーボン粉末上に担持した燃料電池触媒
と、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）のごとくフッ
素樹脂の混合物とをガス拡散電極4a,4bの片面に塗布し
た後、フッ素樹脂の融点温度近傍で熱処理して形成して
いた。
を示す。同図において、電極4a,4bの触媒層3a,3bは、白
金（Pt）のごとく微細の金属触媒粒子をアセチレンブラ
ックのごとくカーボン粉末上に担持した燃料電池触媒
と、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）のごとくフッ
素樹脂の混合物とをガス拡散電極4a,4bの片面に塗布し
た後、フッ素樹脂の融点温度近傍で熱処理して形成して
いた。
この触媒層のフッ素樹脂は、燃料電池触媒微粉末を結
着するためと、触媒層にある程度の撥水性を持たせるた
めに添加している。電池特性にとって上記触媒層の適度
な撥水性が重要となる。
着するためと、触媒層にある程度の撥水性を持たせるた
めに添加している。電池特性にとって上記触媒層の適度
な撥水性が重要となる。
次にマトリックス層５は上記電極触媒層3a,3bの面上
に炭化珪素（SiC）のごとく耐酸性で絶縁性である微粒
子とPTFEのごとくフッ素樹脂の混合物を塗布した後、フ
ッ素樹脂の融点温度近傍で熱処理して形成していた。さ
らに、上記マトリックス層５にリン酸のごとく電解質を
含浸することにより、電解質マトリックス層５としてい
た。上記マトリックス層のフッ素樹脂は、SiCのごとく
微粒子を結着するために添加している。
に炭化珪素（SiC）のごとく耐酸性で絶縁性である微粒
子とPTFEのごとくフッ素樹脂の混合物を塗布した後、フ
ッ素樹脂の融点温度近傍で熱処理して形成していた。さ
らに、上記マトリックス層５にリン酸のごとく電解質を
含浸することにより、電解質マトリックス層５としてい
た。上記マトリックス層のフッ素樹脂は、SiCのごとく
微粒子を結着するために添加している。
この燃料電池製造法において、従来触媒層に使用する
フッ素樹脂と、マトリックス層に使用するフッ素樹脂は
同様のものを使用していた。
フッ素樹脂と、マトリックス層に使用するフッ素樹脂は
同様のものを使用していた。
（発明が解決しようとする課題） 高いセル電圧、長寿命の電池を製造するには、触媒層
に適度の撥水性を持たせる必要がある。触媒層の撥水性
は上記の様にフッ素樹脂の熱処理により得ているが、熱
処理温度時間は撥水性の度合いを決定する重要な因子と
なっている。
に適度の撥水性を持たせる必要がある。触媒層の撥水性
は上記の様にフッ素樹脂の熱処理により得ているが、熱
処理温度時間は撥水性の度合いを決定する重要な因子と
なっている。
従来の電池製造法によると、熱処理の完了した触媒層
3a,3bにマトリックス層５を形成した後さらに熱処理を
行う。ここで、マトリックス層５に使用しているフッ素
樹脂は、触媒層3a,3bのそれと同様であるため、結着効
果を出すためには、触媒層3a,3bの熱処理温度と同程度
の熱処理温度でマトリックス層５の熱処理を行ってい
た。このことにより、触媒層は２度熱処理されることに
なり、その撥水性の度合いのコントロールが難しくな
り、適度な撥水性を再現するのが難しかった。
3a,3bにマトリックス層５を形成した後さらに熱処理を
行う。ここで、マトリックス層５に使用しているフッ素
樹脂は、触媒層3a,3bのそれと同様であるため、結着効
果を出すためには、触媒層3a,3bの熱処理温度と同程度
の熱処理温度でマトリックス層５の熱処理を行ってい
た。このことにより、触媒層は２度熱処理されることに
なり、その撥水性の度合いのコントロールが難しくな
り、適度な撥水性を再現するのが難しかった。
このため、従来の製造法による電池では、触媒層の撥
水性が弱いため、電解質にぬれすぎてブロッキングを起
こしたり、逆に、撥水性が強すぎるため、電解質による
接触が小さく、電池の内部抵抗が高すぎ、電池電圧が非
常に低くなることがあった。
水性が弱いため、電解質にぬれすぎてブロッキングを起
こしたり、逆に、撥水性が強すぎるため、電解質による
接触が小さく、電池の内部抵抗が高すぎ、電池電圧が非
常に低くなることがあった。
本発明の目的は、触媒層の撥水性度合いのコントロー
ルを容易にし、高特性の燃料電池を得ることにある。
ルを容易にし、高特性の燃料電池を得ることにある。
（課題を解決するための手段） 本発明の燃料電池は、ガス拡散電極の片面に触媒層を
形成し、このガス拡散電極を前記触媒層で電解質マトリ
ックス層を挟持するように積層した燃料電池において、
前記マトリックス層に使用するフッ素樹脂の融点が前記
触媒層に使用するフッ素樹脂の融点と比較して低いこと
を特徴とするものである。
形成し、このガス拡散電極を前記触媒層で電解質マトリ
ックス層を挟持するように積層した燃料電池において、
前記マトリックス層に使用するフッ素樹脂の融点が前記
触媒層に使用するフッ素樹脂の融点と比較して低いこと
を特徴とするものである。
（作 用） 本発明においては、フッ素樹脂の結着剤の効果を低減
させることなく、マトリックス層の熱処理温度を触媒層
のそれよりも低くすることができる。このことにより、
触媒層はそのフッ素樹脂の融点がマトリックス層のそれ
よりはるかに高いため、マトリックス層の熱処理による
影響をうけなくなる。よって触媒層の撥水性は触媒層の
熱処理の時に決定されることになる。触媒層の熱処理を
コントロールすることにより再現性よく、適度の撥水性
を持つ触媒層を形成する。
させることなく、マトリックス層の熱処理温度を触媒層
のそれよりも低くすることができる。このことにより、
触媒層はそのフッ素樹脂の融点がマトリックス層のそれ
よりはるかに高いため、マトリックス層の熱処理による
影響をうけなくなる。よって触媒層の撥水性は触媒層の
熱処理の時に決定されることになる。触媒層の熱処理を
コントロールすることにより再現性よく、適度の撥水性
を持つ触媒層を形成する。
（実施例） 以下本発明を第１図に示す一実施例を参照して説明す
る。第１図において、本発明の燃料電池の電池単位セル
１は、一方の面にそれぞれガス通路2a又は2bを設け、他
方の平面に電極触媒層3a又は3bを形成し、さらにその電
極触媒層3a、又は3bにそれぞれマトリックス層５を形成
した一対の電極をアノード電極（燃料極）4aとカソード
電極（酸化剤極）4bとし、このアノード電極4aとカソー
ド電極4bとをマトリックス層５を挟んで一体にプレスし
て構成されている。
る。第１図において、本発明の燃料電池の電池単位セル
１は、一方の面にそれぞれガス通路2a又は2bを設け、他
方の平面に電極触媒層3a又は3bを形成し、さらにその電
極触媒層3a、又は3bにそれぞれマトリックス層５を形成
した一対の電極をアノード電極（燃料極）4aとカソード
電極（酸化剤極）4bとし、このアノード電極4aとカソー
ド電極4bとをマトリックス層５を挟んで一体にプレスし
て構成されている。
そして両電極4a,4bの組合せになる必要数の単位セル
１をセパレータ６を介して積み重るに際しては、その背
面に形成されたガス通路2a,2bが互いに直交するように
配置されており、その各ガス通路2aおよび2bにそれぞれ
酸化剤ガス７および燃料ガス８をそれぞれ供給すること
により、超電反応を開始させて直流電圧を得ている。
１をセパレータ６を介して積み重るに際しては、その背
面に形成されたガス通路2a,2bが互いに直交するように
配置されており、その各ガス通路2aおよび2bにそれぞれ
酸化剤ガス７および燃料ガス８をそれぞれ供給すること
により、超電反応を開始させて直流電圧を得ている。
しかして、本発明においては、両電極4a,4bの触媒層3
a,3bとマトリックス層５との成形条件を改良した点に特
徴を有するものである。
a,3bとマトリックス層５との成形条件を改良した点に特
徴を有するものである。
すなわち、電極4a,4bの平面に微細の金属触媒粒子を
カーボン粉末に担持した触媒と粘着剤である融点が比較
的高い（300℃〜360℃）フッ素樹脂とを混合して塗布圧
着したのち、熱処理して触媒層3a,3bをそれぞれ形成す
る。具体的には白金（Pt）の微細の金属触媒粒子の60重
量部にPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）の40重量部
を混合し、これを電極4a,4bの平面に塗布して圧着した
のち、N2雰囲気中で340℃の温度で熱処理を行なって触
媒層3a,3bを形成する。
カーボン粉末に担持した触媒と粘着剤である融点が比較
的高い（300℃〜360℃）フッ素樹脂とを混合して塗布圧
着したのち、熱処理して触媒層3a,3bをそれぞれ形成す
る。具体的には白金（Pt）の微細の金属触媒粒子の60重
量部にPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）の40重量部
を混合し、これを電極4a,4bの平面に塗布して圧着した
のち、N2雰囲気中で340℃の温度で熱処理を行なって触
媒層3a,3bを形成する。
さらに両電極4a,4bのぞれぞれの触媒層3a,3bの上にSi
Cのような耐酸性で絶縁性である微粒子と、融点が触媒
層に使用したフッ素樹脂と比較して低い（240℃〜300
℃）のフッ素樹脂との混合物を塗布したのちに、そのフ
ッ素樹脂の融点温度付近で熱処理してマトリックス層５
を形成する。具体的にはSiC微粒子を97重量部と、FEP
（四フッ化エチレン、六フッ化プロピレンの共重合樹
脂）を３重量部とを水に分散してペースト状とし、これ
を両電極4a,4bの触媒層3a,3bに塗布したのち、N2の雰囲
気中で260℃で熱処理を行ってマトリックス層５を形成
した。
Cのような耐酸性で絶縁性である微粒子と、融点が触媒
層に使用したフッ素樹脂と比較して低い（240℃〜300
℃）のフッ素樹脂との混合物を塗布したのちに、そのフ
ッ素樹脂の融点温度付近で熱処理してマトリックス層５
を形成する。具体的にはSiC微粒子を97重量部と、FEP
（四フッ化エチレン、六フッ化プロピレンの共重合樹
脂）を３重量部とを水に分散してペースト状とし、これ
を両電極4a,4bの触媒層3a,3bに塗布したのち、N2の雰囲
気中で260℃で熱処理を行ってマトリックス層５を形成
した。
本発明においては、通常フッ素樹脂を結着剤として、
その効果を得るには、フッ素樹脂の融点温度近傍で熱処
理する必要がある。（その温度前後で撥水性の効果が大
きく変化するからである。）本発明によれば、フッ素樹
脂の結着剤の効果を低減させることなく、マトリックス
層の熱処理温度を触媒層のそれよりも低くすることがで
きる。このことにより触媒層はマトリックス層の熱処理
による影響を受けなくなる。（触媒層のフッ素樹脂の融
点が、マトリックス層のそれよりはるかに高いため）よ
って、触媒層の撥水性は、触媒層の熱処理の時決定され
ることになる。よって、触媒層の熱処理をコントロール
することにより再現性良く、適度の撥水性を持つ触媒層
を形成することが容易になる。
その効果を得るには、フッ素樹脂の融点温度近傍で熱処
理する必要がある。（その温度前後で撥水性の効果が大
きく変化するからである。）本発明によれば、フッ素樹
脂の結着剤の効果を低減させることなく、マトリックス
層の熱処理温度を触媒層のそれよりも低くすることがで
きる。このことにより触媒層はマトリックス層の熱処理
による影響を受けなくなる。（触媒層のフッ素樹脂の融
点が、マトリックス層のそれよりはるかに高いため）よ
って、触媒層の撥水性は、触媒層の熱処理の時決定され
ることになる。よって、触媒層の熱処理をコントロール
することにより再現性良く、適度の撥水性を持つ触媒層
を形成することが容易になる。
本発明においては、マトリックス層５に使用したFEP
の融点は、触媒層3a,3bに使用したPTFEのそれより低い
ため、マトリックス層の熱処理温度は、触媒層のそれよ
り低くしてもそれの結着効果は十分であった。このこと
によって触媒層は、マトリックス層の熱処理による影響
を受けなくなる。
の融点は、触媒層3a,3bに使用したPTFEのそれより低い
ため、マトリックス層の熱処理温度は、触媒層のそれよ
り低くしてもそれの結着効果は十分であった。このこと
によって触媒層は、マトリックス層の熱処理による影響
を受けなくなる。
本発明の燃料電池の電極4a,4bの２枚に、85％リン酸
を含浸した後、一体化して燃料電池の単位セル１とし
た。この単位セル１を250℃、常圧、負荷電流密度220mA
/cm2の条件下で発電試験を行った。試験結果を第２図に
示す。Ａは本発明の電池の特性で、Ｂは従来の電池の特
性である。なお各帯の幅は電池特性のバラツキを示す。
本発明により電池電圧は高くなり、なおかつ各セル間の
バラツキは小さくなった。
を含浸した後、一体化して燃料電池の単位セル１とし
た。この単位セル１を250℃、常圧、負荷電流密度220mA
/cm2の条件下で発電試験を行った。試験結果を第２図に
示す。Ａは本発明の電池の特性で、Ｂは従来の電池の特
性である。なお各帯の幅は電池特性のバラツキを示す。
本発明により電池電圧は高くなり、なおかつ各セル間の
バラツキは小さくなった。
なお、本発明によれば実施例の他、マトリックス層に
使用するフッ素樹脂の融点が触媒層のそれと比較して、
低ければ、どんな組合せでも、同様の効果が得られる。
使用するフッ素樹脂の融点が触媒層のそれと比較して、
低ければ、どんな組合せでも、同様の効果が得られる。
以上のように本発明においては、マトリックス層の熱
処理温度を電池触媒層の熱処理温度に比して低い温度で
行なうことにより、触媒層はマトリックス層の熱処理の
影響をうけることなく、適度の撥水性を持つ触媒層を形
成することができ、高特性の燃料電池を得ることができ
る。
処理温度を電池触媒層の熱処理温度に比して低い温度で
行なうことにより、触媒層はマトリックス層の熱処理の
影響をうけることなく、適度の撥水性を持つ触媒層を形
成することができ、高特性の燃料電池を得ることができ
る。
第１図は本発明の燃料電池の単位セルを拡大して示す構
成図、第２図は本発明の燃料電池の試験結果を示す特性
図である。 １……単位セル、2a,2b……ガス通路 3a,3b……触媒層、4a,4b……電極 ５……マトリックス層、６……セパレータ ７……酸化剤ガス、８……燃料ガス
成図、第２図は本発明の燃料電池の試験結果を示す特性
図である。 １……単位セル、2a,2b……ガス通路 3a,3b……触媒層、4a,4b……電極 ５……マトリックス層、６……セパレータ ７……酸化剤ガス、８……燃料ガス
Claims (1)
- 【請求項１】ガス拡散電極の片面に触媒層を形成し、こ
のガス拡散電極を前記触媒層で電解質マトリックス層を
挟持するように積層した燃料電池において、前記電解質
マトリックス層に使用するフッ素樹脂の融点が前記触媒
層に使用するフッ素樹脂の融点と比較して低いことを特
徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1154735A JP2753046B2 (ja) | 1989-06-19 | 1989-06-19 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1154735A JP2753046B2 (ja) | 1989-06-19 | 1989-06-19 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0322362A JPH0322362A (ja) | 1991-01-30 |
| JP2753046B2 true JP2753046B2 (ja) | 1998-05-18 |
Family
ID=15590787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1154735A Expired - Fee Related JP2753046B2 (ja) | 1989-06-19 | 1989-06-19 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2753046B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4688516B2 (ja) * | 2005-02-14 | 2011-05-25 | 神畑養魚株式会社 | 照明ユニット |
-
1989
- 1989-06-19 JP JP1154735A patent/JP2753046B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0322362A (ja) | 1991-01-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |