JP2921725B2 - 固体高分子電解質型燃料電池電極の製造方法 - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池電極の製造方法

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JP2921725B2 JP5162623A JP16262393A JP2921725B2 JP 2921725 B2 JP2921725 B2 JP 2921725B2 JP 5162623 A JP5162623 A JP 5162623A JP 16262393 A JP16262393 A JP 16262393A JP 2921725 B2 JP2921725 B2 JP 2921725B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】固体高分子電解質膜を介して、ア
ノードと、カソードとを有する固体高分子電解質型燃料
電池に関し、詳しくはその電極の製造方法に関す。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、固体高
分子電解質膜の一方の面にカソード、他方の面にアノー
ドが設けられた構造である。従来の固体高分子電解質型
燃料電池は、カーボンブラックに白金を担持させた触媒
粉末と、固体高分子電解質の溶液と、PTFEの水性分
散液との混合物を、シート状に形成した電極を、固体高
分子電解質膜とともにホットプレスすることによって作
製される。
【0003】このように作製された電池の電極は、図6
のような構造であり、反応ガスは、電極中に形成された
ガス拡散経路(触媒粉末、固体高分子電解質、PTFE
の間に存在する隙間)を通って電極内に拡散し、電気化
学反応がおこる。
【0004】
【発明が解決する課題】ところで、上記固体高分子電解
質型燃料電池の電気化学反応では、プロトンがアノード
側から固体高分子電解質膜を通ってカソード側へと移動
する。この固体高分子電解質膜中のプロトンの移動に
は、水が必要であり、一旦水分量が不足してしまうと、
固体高分子電解質膜の抵抗が増大して、大きな電極の性
能低下を引き起こす。このため、燃料電池を流れる電流
に応じた水分量を常にアノード側から供給している。こ
のように供給される水のうち化学反応に不必要なものに
ついては、通常ガス拡散通路を通って、電極外部に放出
される。
【0005】また、カソード側には、電気化学反応によ
り生成した水や、固体高分子電解質膜中を移動してきた
水が発生する。このような水はアノード側と同様に通常
電極内に形成されているガス拡散通路を通って電極外部
に放出される。ところが、上記方法で作製した電池の電
極では、触媒粉末、固体高分子電解質、フッ素樹脂が均
一に高分散しているため、ガス拡散通路は均一に狭く、
電極中に存在する水のうちうまく外部に逃げることがで
きないものが出てくる。電池の運転を続けていると、上
記したような水が除々に蓄積してくる。このように電極
内に水が蓄積すると、ガス拡散通路がさらに狭くなり、
ガスの拡散性の低下が生じる。この結果、電極内での電
気化学反応がスムーズに行われなくなり、電極性能の低
下を引き起こし、ひいては電池特性の低下を招くといっ
た問題を生じる。
【0006】従来から行われている電極のガス拡散通路
を拡げる方法として、特公平5−20868号公報に開
示された電極の製造方法がある。この方法は、触媒粉末
とフッ素樹脂の水性分散液混合物に、予め作製したフッ
素樹脂凝集液を混合し、多孔質基体に塗布した後焼成す
ることで、フッ素樹脂凝集体からなるガス拡散通路を形
成するというものである。
【0007】しかしながらこの方法では、混合ならびに
塗布工程のみで触媒層が形成されるため、あまりPTF
Eの繊維化が進んでいない。さらにこの方法は、リン酸
電解質燃料電池についての電極の製造方法であり、固体
高分子電解質型燃料電池においては、電極内に固体高分
子電解質を予め注入するため、上記のような焼結を行う
と固体高分子電解質が分解してしまい、上記方法を利用
することはできなかった。それゆえ、焼成を行わずに触
媒層内に反応を速やかに進行させるだけのガス拡散通路
を確保することができない。
【0008】本発明は上記問題点に鑑み行われたもので
あり、ガスの拡散性が良く、電極性能の良好な固体高分
子電解質型燃料電池電極の製造方法を提供することを目
的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、固体高分子電解質膜を介して、アノー
ドと、カソードとを有する固体高分子型燃料電池の電極
の製造方法において、触媒粉末にフッ素樹脂を添着させ
る第一のステップと、上記フッ素樹脂が添着した触媒粉
末に、固体高分子電解質と、フッ素樹脂の凝集体とを混
合する第二のステップと、上記第二のステップにより作
製された混合物に対して圧延を行い、フッ素樹脂の凝集
体を繊維化する第三のステップと、を行うことを特徴と
する。
【0010】
【0011】
【作用】上記のように構成することにより、以下の作用
が得られる。請求項1の方法においては、第一のステッ
プによって触媒粉末にフッ素樹脂が添着される。第二の
ステップでは固体高分子電解質とフッ素樹脂の凝集体を
混合することにより、固体高分子電解質は、上記第一の
ステップで作製されたフッ素樹脂が添着された状態の粉
末の表面を被覆し、このような状態の触媒粉末とフッ素
樹脂凝集体が混合されている。第三のステップで、圧延
を行うことによってフッ素凝集体が強く捏ねられた状態
になり、高い率で繊維化する。このように繊維化された
フッ素樹脂は互いに絡み合い3次元構造を形成し、触媒
粉末やフッ素樹脂をかき分けるようにして広いガス拡散
経路が確保される。これにより、電極内に存在する水の
電極外への排出が行われやすくなり、水が電極内部に蓄
積することが防止される。
【0012】
【0013】
【実施例】
〔実施例1〕以下に本発明の一例にかかる実施例1につ
いて以下に図を参照しながら説明を行う。図1は、本発
明の製造方法で作製されたカソードを有する固体高分子
電解質型燃料電池の概略断面図であり、固体高分子電解
質である固体高分子電解質膜1の一方の面にカソード2
を有し、他方の面にアノード3を有する構造である。
【0014】ここで、上記固体高分子電解質型燃料電池
は、以下のようにして作製した。 (カソード、及び、アノード両電極の製造方法)図2は
本実施例の電極の製造工程を示す図である。先ず、触媒
粉末である10wt%の白金を担持したカーボンブラッ
ク3gと固体高分子電解質であるナフィオン117の5
%溶液(アルドリッチ社製)4gとを混合し、真空乾燥
することにより触媒粉末表面をナフィオン117で被覆
し、、この後に粉砕した。
【0015】次に、上記ナフィオン117で被覆された
触媒粉末に水100ccと撥水性を有するフッ素樹脂で
あるPTFE−30J(三井・デュポンフロロケミカル
製)1.3gとを攪拌しながら加え、上記触媒粉末にP
TFE−30Jを添着させ、続いて、ろ過、真空乾燥、
粉砕を行った。次に、この粉砕されたものにフッ素樹脂
の凝集体であるPTFE−6CJ(三井・デュポンフロ
ロケミカル製)0.4gと、イソプロピルアルコール約
10ccを加え、混合した。最後に、この混合物に対し
て、以下のような条件で、圧延操作を施すことによって
シート化を行った。
【0016】・使用ローラ 双ローラ ・温度 30度 ・ローラの回転数 100〜200rpm ・圧延回数 10回 ・最終厚み 100μm 上記した圧延操作により、混合物中のフッ素樹脂の凝集
体PTFE−6CJが繊維化する。
【0017】上記の圧延操作終了後、乾燥を行い、電極
を作製した。上記のように作製された電極は図3に示す
ように、繊維化したPTFE−6CJが互いに絡み合い
3次元構造を形成し、触媒粉末やフッ素樹脂をかき分け
るようにして広いガス拡散経路が確保されている。 (電池の組立)上記のように作製されたカソード2を、
固体高分子電解質膜1としてのナフィオン117の膜
に、ホットプレスすることにより固体高分子電解質膜1
とカソード2との接合を行った。一方、固体高分子電解
質膜1の他方の面にも上記のようにして作製されたアノ
ード3をカソード2と同様にホットプレスすることによ
り接合し、電池を作製した。
【0018】このように、作製された電池を以下
(a1 )電池と称する。 〔実施例2〕本発明の一例に係る実施例2を図を参照し
ながら以下に説明する。図4は実施例2のカソードの製
造工程を示す図である。先ず、100ccの水に触媒粉
末である10wt%の白金を担持したカーボンブラック
3gを加えたものに、1.3gのPTFE−30Jを攪
拌しながら添加し、触媒である上記触媒粉末にPTFE
−30Jを添着させ、この後、ろ過、真空乾燥、粉砕を
行った。次に、粉砕を行ったものに、0.4gのPTF
E−6CJと、ナフィオン117の5%溶液4gと、イ
ソプロピルアルコール約10ccとを加え混合した。こ
れにより、上記触媒粉末の表面はナフィオン117によ
って被覆され、フッ素樹脂の凝集体とは混合された状態
になっている。但し、最初から触媒粉末に対してナフィ
オン117による被覆をおこなっている実施例1と比べ
て、触媒粉末に対するナフィオン117による被覆の度
合いは低いと思われる。
【0019】続いて、上記混合物を、上記実施例1と同
様の条件で圧延することによってPTFE−6CJの繊
維化を行い、最後に乾燥を行い電極を作製した。この電
極も実施例1と同様、図3に示すように繊維化されたフ
ッ素樹脂によってガス拡散通路が拡げられた状態にある
ものと思われる。このように作製した電極を用い、上記
実施例1と同様に電池の組立を行った。
【0020】このように作製した電池を以下、(a2
電池と称する。 〔比較例〕PTFE−30Jを2.1g用いたことと、
PTFE−6CJを用いないこと以外は、上記実施例2
と同様にカソードを作製し、また同様に電池を作製し
た。このように作製された電池を、以下(x)電池と称
する。 〔実験〕実施例の(a1 )、(a2 )電池と、比較例の
(x)電池を用いて、電流密度と電池電圧の関係を測定
したので、図5にその結果を示す。
【0021】図 から明らかなように、本実施例の(a
1 )、(a2 )電池は、比較例の(x)電池と比べて、
電池特性が向上していることがわかった。これは、(a
1 )、(a2 )電池のカソードは、上記したようにガス
拡散経路が繊維化されたフッ素樹脂により拡げられてい
るため、比較例の(x)電池と比べて電池化学反応で電
極内に存在する水の排出が行われやすい。このため、水
によって引き起こされるガス拡散性能の低下を防止で
き、電極性能は向上し、従って電池特性が向上したもの
と考えられる。 (その他の事項) 上記実施例の圧延条件は、一つの例であり、これに限
るものではない。
【0022】電極内での水の蓄積は、電気化学反応に
よって水の生成が起こるカソード側が特に顕著であるの
で、本発明の電極の製造方法をカソードのみに用いて実
施してもよい。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧延することによって繊維化されたフッ素樹脂の凝集体
が電極内に形成されているガス拡散経路を大きく拡げる
ことによって、電極中に存在する水の電極外部への排出
が行われ易くなる。これにより、電極内における水の蓄
積が抑制され、水によるガス拡散性能低下が防止でき、
電極性能が向上し、この電極を用いた固体高分子電解質
燃料電池の電池特性を向上させることができるといった
効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の概略断
面図である。
【図2】実施例1のカソード製造工程を示す図である。
【図3】本発明の製造方法を用いて作製したカソードの
内部構造を示す図である。
【図4】実施例2のカソードの製造工程を示す図であ
る。
【図5】(a1 )、(a2 )電池と、比較例の(x)電
池の電池特性を示す図である。
【図6】従来の電極の内部構造を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立山 英治 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−162365(JP,A) 特開 昭62−82652(JP,A) 特開 昭63−301466(JP,A) 特開 平3−25856(JP,A) 特開 平5−36418(JP,A) 特開 平5−182671(JP,A) 特開 平6−176765(JP,A) 特開 平6−295729(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/86 - 4/98

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体高分子電解質膜を介して、アノード
    と、カソードとを有する固体高分子型燃料電池の電極の
    製造方法において、 触媒粉末にフッ素樹脂を添着させる第一のステップと、 上記フッ素樹脂が添着した触媒粉末に、固体高分子電解
    質と、フッ素樹脂の凝集体とを混合する第二のステップ
    と、 上記第二のステップにより作製された混合物に対して圧
    延を行い、フッ素樹脂の凝集体を繊維化する第三のステ
    ップと、 を行うことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の
    電極の製造方法。
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