JP3492385B2 - 燃料電池用ガス拡散電極の製造方法 - Google Patents
燃料電池用ガス拡散電極の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、水素含有気体と酸素含
有気体及び電解質として陽イオン交換膜を使用するプロ
トン移動タイプの燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Proton Excha
nge MembraneFuel Cell）用ガス拡散電極の製造方法に
係る。 【０００２】 【従来の技術と発明が解決すべき課題】電解質として陽
イオン交換膜を使用する固体高分子電解質型燃料電池
は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電
解質型燃料電池に次ぎ、第４のタイプの燃料電池として
開発されたが、それまでに開発されていた燃料電池と比
較して出力が高い特徴があり、且つ、そのコンパクトさ
故に実用化に対する期待が高く、現在鋭意改良が検討さ
れている。 【０００３】このタイプの燃料電池は、ＰＥＭＦＣ（Pr
oton Exchange Membrane Fuel Cell) と称され、一般に
添付の図１に示すような構造を有する。このＰＥＭＦＣ
の心臓部となる固体高分子電解質である陽イオン交換膜
としては、膜の耐久性、耐薬品性、耐酸化劣化性、耐熱
安定性等からパーフルオロスルホン酸型陽イオン交換膜
が好適とされているが、ＰＥＭＦＣの性能を充分に発揮
させるためには、陽イオン交換膜自身の物性と膜表面に
結合されるアノード用及びカソード用の電極触媒層との
組合せで、バランスのとれた性能を得ることが重要であ
る。 【０００４】従来のＰＥＭＦＣ用の陽イオン交換膜とし
ては、市販されているパーフルオロスルホン酸型陽イオ
ン交換膜で米国デュポン社製の Nafion 膜、例えば Naf
ion１１７（イオン交換基に水素イオンを有する（Ｈ
形）、イオン交換容量 0.909ミリ当量/g乾燥樹脂、膜厚
約１７８μm ）が主として使用されているが、ＰＥＭＦ
Ｃに使用する場合、イオン交換容量が低く膜厚が厚すぎ
ることから膜抵抗が高くなること等に起因してセル電圧
が低くなることが問題とされており、特にＰＥＭＦＣの
陰極に空気を使用する場合には充分なセル電圧が得られ
ず、実用上問題とされている。 【０００５】一方、図１に示すようにＰＥＭＦＣは陽イ
オン交換膜面上にアノード用及びカソード用の電極触媒
層、導電性のカーボン布またはカーボンペーパーを有す
るが、陽イオン交換膜とアノード用及びカソード用の電
極触媒層の性能が有効に発揮され、結果としてＰＥＭＦ
Ｃの性能が十分に発揮されるためには、これ等の陽イオ
ン交換膜及びアノード用、カソード用の電極触媒層を有
するカーボン布またはカーボンペーパーが十分に一体化
されていることが必要であり、従って陽イオン交換膜、
アノード用及びカソード用の電極触媒層及びカーボン布
またはカーボンペーパーの接合方法も重要である。従
来、陽イオン交換膜とアノード用及びカソード用の電極
触媒層との接合方法としては、予め電極触媒、微粒子炭
素と疎水性樹脂のバインダーとしてのポリテトラフルオ
ロエチレン分散液との混合物をシート状の基材（例えば
アルミ箔、ポリエステルフィルム、ポリオレフィンフィ
ルムようなプラスチックフィルム等）上に均一に塗布し
乾燥して薄膜上の電極触媒層を別個に作成し、これを陽
イオン交換膜上に転写しホットプレスで圧着結合する方
法、あるいは前記混合物を陽イオン交換膜上に直接塗布
し乾燥した後ホットプレスで圧着結合する方法が知られ
ている。しかしながらこれらの方法では、疎水性樹脂の
バインダーとして使用するポリテトラフルオロエチレン
の軟化温度が陽イオン交換膜の軟化温度に較べてかなり
高く、また電極触媒、微粒子炭素と疎水性樹脂のバイン
ダーのポリテトラフルオロエチレンエマルジョンとの混
合比率によりホットプレスに使用する温度を高くする必
要があること等から圧着結合のためのホットプレスの条
件設定が難しく充分な接合を得ることが困難であり、ま
た電極触媒層が厚くなりやすく、さらにはガス拡散電極
製造の工程が多くなり、ＰＥＭＦＣの価格が高くなると
いう問題がある。 【０００６】従って、陽イオン交換膜、アノード用及び
カソード用の電極触媒を被覆したカーボン布またはカー
ボンペーパーの接合方法についての改善が必要である。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な観点から陽イオン交換膜自体の性質及び陽イオン交換
膜、アノード用及びカソード用の電極触媒を被覆したカ
ーボン布またはカーボンペーパーの接合方法について鋭
意検討を重ねた結果、特定の厚さと特定のイオン交換容
量を有する陽イオン交換膜を使用し、特定の陽イオン交
換膜とアノード用及びカソード用の電極触媒を被覆した
カーボン布またはカーボンペーパーを接合することによ
り、高いモル電圧を有するＰＥＭＦＣを製造し得るＰＥ
ＭＦＣ用ガス拡散電極を極めて効率よく製造し得ること
を見出し、本発明に到達したものである。 【０００８】本発明は、陽イオン交換膜の両面にアノー
ド用及びカソード用の電極触媒層とカーボン布またはカ
ーボンペーパーをこの順で有する固体高分子電解質型燃
料電池用ガス拡散電極の製造方法であって、アノード用
の導電性及びガス透過性を有するカーボン布またはカー
ボンペーパーの表面に、電極触媒を担持した炭素粒子と
ポリテトラフルオロエチレン分散液とからなる混合物を
被覆して圧着接合させることにより電極触媒層を設ける
とともに、これとは別にカソード用として、アノード用
のものと同様にして電極触媒層を設けたカーボン布また
はカーボンペーパーの電極触媒層とは反対側の面に炭素
粒子とポリテトラフルオロエチレン分散液とからなる混
合物を被覆して圧着接合させることにより撥水性層を設
け、テトラフルオロエチレン単位と側鎖にスルホン酸基
を有するパーフルオロビニルエーテル単位からなる下記
構造式(1)または(2) 【化２】 （ＸはNaまたはＫを表し、ｋは2.1〜7.6であり、ｍは3.
8〜9.3であり、ｌ及びｎは正の数を表す）のパーフルオ
ロスルホン酸基を有するコポリマー膜からなり、室温条
件下乾燥状態で膜厚が５０〜１５０μm、イオン交換容
量が0.83〜1.43ミリ当量/g（乾燥樹脂）である陽イオン
交換膜表面に、前記アノード用及びカソード用のカーボ
ン布またはカーボンペーパー表面に設けた電極触媒層を
その表面が前記陽イオン交換膜に接触するようにしてカ
ーボン布またはカーボンペーパーとともに圧着接合する
ことからなり、前記電極触媒層と陽イオン交換膜との圧
着接合を、圧着接合される陽イオン交換膜及び電極触媒
層の表面のいずれかまたは両方に上記構造式(1)または
(2)を有しかつ使用する陽イオン交換膜のコポリマーの
Ｘと同じ種類の元素をＸとして有するパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーの溶液または分散液を被覆し、各接
合面を合わせて電極触媒層を設けたカーボン布またはカ
ーボンペーパーと陽イオン交換膜とを載置し、150℃か
ら250℃の温度で全体をホットプレスして行うことを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散電極の
製造方法である。 【０００９】本発明で使用する導電性及びガス透過性を
有するカーボン布またはカーボンペーパーとしては、従
来よりＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極の製造に使用されてい
るものを使用することができ、炭素繊維から種々の織布
法により製造された炭素繊維の平織布、あるいは不織
布、炭素繊維を抄紙したカーボンペーパーが含まれる。
これらのカーボン布またはカーボンペーパーは、0.2 〜
0.5 mm 程度の厚さ、100 〜400 g/m2程度の重量を有す
るものが好ましく使用できる。 【００１０】市販されるカーボン布及びカーボンペーパ
ーで好ましいものとしては、東レ(株)製のトレカ織物
（平織布）及びカーボンペーパーが挙げられ、トレカ #
6344B(厚さ0.38 mm, 320 g/m2)、トレカ #6343 (厚さ0.
27 mm, 200 g/m2)等の平織炭素繊維布、トレカ TGP-120
(厚さ0.37 mm, 170 g/m2)等の炭素繊維ペーパーが含ま
れる。また後述するように、これ等のカーボン布または
カーボンペーパーに電極触媒層を設けたものも市販され
ている。 【００１１】電極触媒層に使用される電極触媒は、従来
より固体高分子電解質型の燃料電池に使用されているも
のでよく、Pt、Rh、Ir、Ru等が使用できるが、通常は白
金が用いられ、例えば粒径約15〜30オングストロームの
白金触媒を被覆した粒径約50〜100 オングストロームの
微粒子状の炭素粒子（白金含有量は一般的には10〜20重
量％程度）が用いられる。このような微粒子状の炭素粒
子に白金触媒を被覆したものとしては、Ｅ−ＴＥＫ社よ
り、Platinum on Vulcan XC-72またはPlatinumon Vulca
n XC-72R として炭素粒子に対して５〜30重量％の白金
を担持させた触媒物質（炭素粒子の直径約100オングス
トローム、表面積100 〜200g/m2 、白金粒子径約20オン
グストローム) が製造、販売されている。 【００１２】電極触媒層は、上記の触媒物質と、疎水性
樹脂のバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン
の分散液あるいは一部低分子化したポリテトラフルオロ
エチレンの分散液とを均一に混合したペースト状混合物
を前記カーボン布またはカーボンペーパーに被覆しホッ
トプレスすることによって設けられる。これによりカー
ボン布またはカーボンペーパーの開孔部分に埋め込まれ
たような形態で電極触媒層が形成される。触媒塗布量は
白金の場合、0.04〜0.5mg/cm2 程度が好ましい。 【００１３】疎水性樹脂を含有するペーストはできるだ
け均一に被覆し（被覆量は60〜70grペースト／m2（カー
ボン布又はカーボンペーパー））、室温である程度自然
乾燥した後または直ちに減圧乾燥する。電極触媒層の厚
さは、カーボン布またはカーボンペーパーへの白金触媒
の付着量に関係するが、通常50〜100 μm 程度である。 【００１４】疎水性樹脂のバインダーとしては、通常は
ポリテトラフルオロエチレンが使用される。電極触媒と
疎水性樹脂のバインダーを含むペースト状混合物は、電
極触媒を担持した炭素粒子とポリテトラフルオロエチレ
ン分散液を均一に混合することによって調製することが
できる。通常、電極触媒を担持した炭素粒子とポリテト
ラフルオロエチレン分散液からなるペースト中のポリテ
トラフルオロエチレンの含有量は約50重量％程度になる
ように調製される。ホットプレスの条件も任意に選択す
ることができるが、通常約 290〜350 ℃の温度、80〜15
0 kg/cm2の圧力で約３〜60分の条件で行うことができ
る。上記で使用するポリテトラフルオロエチレン分散液
は水を分散媒とし、界面活性剤を分散剤として使用して
調製することができるが、種々のポリテトラフルオロエ
チレン分散液が市販されており、これ等を好適に使用で
きる。これらの分散液はコロイド状のポリテトラフルオ
ロエチレンを含むものである。 【００１５】上記のようなカーボン布またはカーボンペ
ーパー全体に埋め込まれたような形態で電極触媒層を形
成したものがＥ−ＴＥＫ社より市販されており、電極触
媒層の厚さが数十μm 〜100 μm 程度、白金触媒の付着
量が0.04mg/cm2〜約0.5mg/cm 2 程度のものが入手可能で
ある。 【００１６】ＰＥＭＦＣのカソード側で使用されるカー
ボン布またはカーボンペーパーについては、カソード側
で生成する水が電極触媒層に侵入するのを防ぐために電
極触媒層を設けた面とは反対の面に撥水性を付与する必
要がある。この撥水性付与は、炭素粒子（電極触媒層を
形成するのに使用したものと同様のもので触媒を担持さ
せていないもの）と疎水性樹脂のバインダーとしてのポ
リテトラフルオロエチレンの分散液を使用してペースト
状混合物を調製してこれをカーボン布またはカーボンペ
ーパーの電極触媒層を設けたのとは反対面に被覆して、
ホットプレスすることにより行うことができる。ホット
プレスの条件は電極触媒層を形成する場合と同様でよい
が、ペーストの量は導電性及びガス透過性を損わない程
度の被覆量でよく、カーボン布またはカーボンペーパー
の開孔部分に埋め込まれるような量でよい。上記のよう
なカーボン布またはカーボンペーパー上に形成した電極
触媒層を下記の陽イオン交換膜に圧着接合する。 【００１７】本発明で使用する陽イオン交換膜は、上記
構造式(1) または(2) で示される、テトラフルオロエチ
レン単位と側鎖に-SO3H, -SO3Kまたは-SO3Na基を有する
パーフルオロビニルエーテル単位で構成されるコポリマ
ーからなる。側鎖に-SO3K または-SO3Na基を有するこの
コポリマー（Ｋ形及びNa形）膜は、テトラフルオロエチ
レンと側鎖の末端にスルホニルフルオライド(-SO2F) 基
を有するパーフルオロビニルエーテルの共重合により得
られたコポリマーの膜をＫＯＨまたはNaOHの水溶液およ
び／またはアルコール溶液および／またはジメチルスル
ホキシドからなる混合溶液で処理することによって得ら
れる。側鎖に-SO3H を有するコポリマー（Ｈ形）膜は上
記Ｋ形及びNa形のコポリマー膜を希硫酸水溶液に浸漬す
ることにより得られる。 【００１８】上記で得られる陽イオン交換膜のイオン交
換容量は、コモノマーとして使用されるテトラフルオロ
エチレンと側鎖の末端にスルホニルフルオライド基(-SO
2F)を有するパーフルオロビニルエーテル系モノマーと
の共重合比を変えて重合を行い、合成されたコポリマー
の側鎖の-SO2F 基をスルホン酸基に変性することにより
変更することが可能であるが、0.83〜1.43ミリ当量/g
（乾燥樹脂）、好ましくは0.91〜1.25ミリ当量/g（乾燥
樹脂）のものを使用する。イオン交換容量が充分に大き
いことは、単に膜抵抗を低くするだけでなくＰＥＭＦＣ
において陽極触媒によるプロトンの陰極への移動能を向
上させ、膜の平衡含有水分を高めると共に、陰極で生成
した水が陽極側に逆拡散し易くなるのでＰＥＭＦＣの運
転中の膜の乾燥を抑制する働きもあり、また膜の導電性
の向上にも有効である。但し、イオン交換容量が大きす
ぎると膜強度が低下すること、膜内の水分含有量が大き
くなりすぎる等の弊害があり好ましくない。 【００１９】陽イオン交換膜の乾燥膜厚は、50〜150 μ
m 、好ましくは70〜140 μm である。陽イオン交換膜の
膜厚は、陰極側で生成した水を陽極側へ移行せしめる上
で重要なファクターとなり、ＰＥＭＦＣの最適なバラン
スのとれた性能を保持させる為には、イオン交換容量の
選択と共に最適な膜厚を選択をすることが重要である。 【００２０】上記陽イオン交換膜の両面に、前記のアノ
ード用及びカソード用の電極触媒層を設けたカーボン布
またはペーパーを、陽イオン交換膜表面に電極触媒層が
接触するように圧着接合する。カソード側には、カーボ
ン布またはカーボンペーパーの電極触媒層を被覆したの
とは反対の面に炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン
分散液からなる混合物を被覆して圧着接合して撥水性層
を設けたものを使用する。陽イオン交換膜とアノード用
及びカソード用のカーボン布またはカーボンペーパーに
被覆された電極触媒層との接合は、陽イオン交換膜及び
電極触媒層のいずれかまたは両方の接合する表面に前記
式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロスルホン
酸コポリマーの溶液または分散液を被覆して両者の接合
面を合わせて全体をホットプレスすることにより行う。 【００２１】このとき、電極触媒層の表面に被覆される
溶液または分散液中の前記式(1) または(2) の構造を有
するパーフルオロスルホン酸コポリマーに含まれるＸ
は、陽イオン交換膜を構成する前記式(1) または(2) の
構造を有するパーフルオロスルホン酸コポリマーに含ま
れるＸと同じ元素であるようにする。即ち、陽イオン交
換膜のスルホン酸基のＸがＨの場合にはＨを（Ｈ形）、
Naの場合にはNaを（Na形）、Ｋの場合にはＫを（Ｋ形）
Ｘとして有するパーフルオロスルホン酸コポリマーをバ
インダーとして含む溶液または分散液を使用する。溶液
または分散液中のパーフルオロスルホン酸コポリマーは
その元素Ｘの種類が陽イオン交換膜の元素Ｘの種類に合
致していればよく、その構造は前記式(1) または(2) の
いずれのものも使用することができ、陽イオン交換膜の
コポリマーの構造と合致している必要はない。溶液また
は分散液中のコポリマーの濃度は１〜５重量％程度であ
ることが好ましい。 【００２２】上記溶液または分散液の調製においては、
前記式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーでＨ形のコポリマー溶液または分散
液を、特に限定されないが、例えば低級脂肪族アルコー
ルと水との混合溶媒中の溶液または分散液として調製す
ることができ、これを約５％程度のNaOH溶液またはＫＯ
Ｈ溶液の化学量論的に必要な量を使用して中和すること
によりＫ形またはNa形のパーフルオロスルホン酸系コポ
リマーの溶液または分散液をそれぞれ調製することがで
きる。式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロス
ルホン酸系コポリマーでＨ形のものを低級脂肪族アルコ
ール例えばイソプロパノールと水との混合溶媒に溶解し
た溶液は市販されており、例えば、Aldrich Chemical C
o.からNafion Solution の名称で販売されている（低級
アルコール85重量％、水15重量％の混合物中のコポリマ
ー含有量５重量％の混合液）。このように、電極触媒層
を陽イオン交換膜に圧着接合する際に使用するバインダ
ーとして陽イオン交換膜のパーフルオロスルホン酸系コ
ポリマーと同種のパーフルオロスルホン酸系コポリマー
溶液または分散液を使用することにより容易にホットプ
レスで圧着結合することができ、更にコポリマーがNa形
またはＫ形である場合はこれにより陽イオン交換膜自体
の軟化温度が高くなりホットプレスを高温で行うことが
でき、陽イオン交換膜面と電極触媒層の密着性と結合性
が著しく改善される。 【００２３】上記のようにして形成したコポリマー溶液
または分散液を、カーボン布またはカーボンペーパー上
の電極触媒層表面に均一に被覆して、溶液または分散液
中の溶媒を充分に除去する。溶液または分散液の被覆量
は乾燥膜厚が 5〜20μm 程度となるような量とすること
が好ましい。乾燥は電極触媒層の乾燥と同様の条件で行
うことができるが、コポリマー溶液または分散液は電極
触媒層よりも薄く塗布されるので膨潤等のおそれは少な
く常圧で行うことができる。その後、被覆面を陽イオン
交換膜表面上に載置して、陽イオン交換膜の軟化温度よ
り10℃以上低い温度でホットプレスを行い一体化された
ＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極が得られる。 【００２４】上記の通りホットプレスは、陽イオン交換
膜のコポリマーの軟化温度（JIS K7196-1991 に規定さ
れた、熱可塑性プラスチックフィルム及びシートの熱機
械分析による軟化温度試験方法により測定したもの）よ
りも少くとも１０℃以上低い温度で行うが、これよりも
高い温度ではコポリマー膜内の水分が急激に気化し、陽
イオン交換膜と電極触媒層との充分な密着性を確保する
ために好ましくない。 【００２５】陽イオン交換膜の軟化温度は、膜を構成す
るコポリマーの平均分子量及びイオン交換容量更には膜
中の平衡含有水分率等により左右されるが、Ｈ形である
前記式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜の場
合、一般に約 100〜 150℃の範囲にある。従って、この
場合のホットプレス時の温度は少くとも 140℃以下、好
ましくは130 ℃以下である。Ｋ形またはNa形である陽イ
オン交換膜の軟化温度もやはり膜を構成するコポリマー
の平均分子量及びイオン交換容量更には膜中の平衡含有
水分率等により左右されるが、Ｋ形またはNa形である前
記式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜はイオ
ン架橋型の構造を形成しているものと考えられるために
Ｈ形であるものに比較して軟化温度は高く、一般に約 2
00〜 260℃の範囲にある。従って、ホットプレス時の温
度は少くとも 250℃以下、好ましくは 200℃以下であ
る。 【００２６】ホットプレス時の圧力は、Ｈ形である前記
式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜の場合、
少なくとも80kg/cm2以上、好ましくは120kg/cm2以上で
あり、Ｋ形またはNa形の場合は少なくとも120 kg/cm2以
上、好ましくは140 kg/cm2以上である。ホットプレスの
時間は、圧力、温度等により変化し得るが、通常数分〜
数十分であり、例えば５〜60分である。 【００２７】本発明に使用する陽イオン交換膜の平均分
子量は膜の機械的強度及び製膜性の観点から、好ましく
は30万〜240 万、より好ましくは90万〜120 万である
が、これに限定されるものではない。コポリマー溶液ま
たは分散液のコポリマー平均分子量は、膜よりも若干低
いか同程度である。ホットプレスの後、一体化されたＰ
ＥＭＦＣ用ガス拡散電極は、使用されたコポリマー膜が
Ｋ形またはNa形の場合には、室温で５重量％硫酸水溶液
に16時間程度浸漬することによりＨ形に変えられる。 【００２８】図１に示した通り、上記カーボン布または
カーボンペーパーの電極触媒層が設けられた面とは反対
の面にはカーボンプレート（微粉末炭素とポリフッ化ビ
ニリデン粉末または低分子化したポリテトラフルオロエ
チレン粉末をドライブレンドしてホットプレスにより板
状に成形したもの）７及び８が設けられる。両極のカー
ボンプレートの厚さは数mmであり、その内面には燃料ガ
スを供給するための幅約1.0 〜1.5mm 、深さ約1.0 〜1.
2mm の溝が約1.0 〜1.5mm 間隔で垂直に設けられてお
り、ガスは下側から上方へ供給される。本発明方法によ
り製造されたガス拡散電極を使用したＰＥＭＦＣは、水
素／空気または酸素を供給して運転することが可能であ
り、アノード側燃料ガスとして天然ガス改質ガス（COが
５PPM 以下のH2/CO2 ガス）、メタノール／水蒸気改質
ガス（COが５PPM 以下のH2／CO2 ガス) 、水素貯蔵合金
から脱着された水素、CNG 改質ガス（COが５PPM 以下の
水素含有ガス) 、さらに食塩電解で副生される水素等を
使用して運転することも可能である。尚、ＰＥＭＦＣで
は、アノード側からプロトンがカソードへ移動する際に
プロトン１モルに対して、水が３〜５モル程度同伴され
るので、膜のアノード側のドライアップ(dry up)を防止
するために予め吸湿させた水素を供給することが好まし
い。 【００２９】アノード及びカソードのターミナル端子は
カーボン布またはカーボンペーパー及びカーボンプレー
トのいずれに設けられてもよく、これらのターミナルか
ら直流電流を取り出すことが可能である。本発明の方法
により製造されたＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を使用した
ＰＥＭＦＣは、自動車用、潜水艦用、宇宙用、オンサイ
ト発電用として好適であり、またニッケル−カドミウム
二次電池の代替、クロル−アルカリ電解の副生水素利
用、カソード側で得られる温水の暖房等への利用等の効
用も期待できる。 【００３０】 【発明の効果】本発明方法においては、アノード用及び
カソード用の電極触媒層を被覆したカーボン布またはカ
ーボンペーパーを陽イオン交換膜に接合する際に使用す
るバインダーとして陽イオン交換膜のパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーと同種のパーフルオロスルホン酸系
コポリマー溶液または分散液を使用することによりホッ
トプレスの条件設定を容易にするものであるが、さらに
コポリマーがNa形またはＫ形である場合はこれにより陽
イオン交換膜自体の軟化温度が高くなりホットプレスを
高温で行うことができ、陽イオン交換膜面と電極触媒層
の密着性と結合性が改善されることにより電気抵抗性が
著しく改善され、従って高いセル電圧を発生するＰＥＭ
ＦＣを提供し得るＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を製造する
ことができる。また、カーボン布またはカーボンペーパ
ー上に被覆された電極触媒層を陽イオン交換膜の両面に
１回のホットプレスで接合することができるので、極め
て効率よくＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を製造することが
できる。 【００３１】 【実施例】以下、実施例により本発明の詳細を説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。 【００３２】 【００３３】 【００３４】 【００３５】実施例１ 前記構造式(1)の構造を有するコポリマーからなる陽イ
オン交換膜（Na形、乾燥膜厚100μm、イオン交換容量1.
12ミリ当量/g（乾燥樹脂）、軟化温度約220℃、平均分
子量約100万）を用い、白金付着量は約0.2mg/cm2となる
ようにしNafionSolutionの代わりにNafion Solutionの
中に含まれるスルホン酸基のＨを実質的に全てNaに換え
るのに必要な量の５重量％NaOH水溶液で中和したものを
使用した。一方、表面積が約200m2/g、平均粒子径が約1
00オングストロームの炭素粒（Ｅ−ＴＥＫ社製Vulcan X
C-72)の表面に粒径５〜20オングストロームの白金触媒
を9.9重量％担持させた電極触媒と約50重量％ポリテト
ラフルオロエチレン分散液からなる混合物で、ポリテト
ラフルオロエチレン含有量が約50重量％になるように均
一に混合して調製したペースト状混合物を調製し、これ
をカーボン布（東レ（株）製平織炭素繊維布トレカ#664
4B、厚さ0.38mm、320g/m2)の表面に厚さ約100μmで均一
に塗布し乾燥した後、340℃で約30分ホットプレスして
白金付着量が約0.5mg／cm2（電極面積）のアノード用の
電極触媒層を被覆したカーボン布（Ｉ）を形成した。別
に、上記と同様に形成した電極触媒層を被覆したカーボ
ン布（Ｉ）の電極触媒層とは反対の面に、白金触媒を担
持していない炭素粒子Vulcan XC-72とポリテトラフルオ
ロエチレンエマルジョンを上記と同様にして均一に混合
して調製したペースト状混合物を厚さ約50μmで均一に
塗布し乾燥した後、340℃で約25分ホットプレスして該
面に撥水性を付与した撥水処理したカソード用の電極触
媒層を被覆したカーボン布（II）を得た。さらに電極触
媒層を被覆したカーボン布と陽イオン交換膜の一体化の
ためのホットプレスを温度210℃、圧力150kg/cm2で約60
分間行い、カーボン布（Ｉ）及び(II)と前記陽イオン交
換膜を、カーボン布（Ｉ）及び(II)のNafion Solution
の被覆面が陽イオン交換膜の両面に接触するように載置
し約130℃、約140kg/cm2で約60分ホットプレスしてカー
ボン布（Ｉ）及び（ＩI)と陽イオン交換膜を一体化した
ＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を作成した。上記で得られた
一体化されたＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極の両面のカーボ
ン布上に、アノード及びカソード用のカーボンプレート
（内側面に垂直方向に幅1.2mm、深さ1.2mmの溝が間隔1.
2mmで設けられており、溝近傍の背面内部に冷却水を供
給する通路を設けたもの）を耐熱性シリコンゴムからな
るガスケットを介してそれぞれ圧着してＰＥＭＦＣガス
拡散電極（有効電極面積12.5cm×12.5cm）を作成した。
このガス拡散電極を５％硫酸水溶液中に室温で１６時間
浸漬して全体をＨ型に変えた。このＰＥＭＦＣガス拡散
電極に水素及び空気をそれぞれ３atm及び５atmで供給
し、８０℃で運転した結果、次の性能が得られた。 セル電流密度（A/cm2） 1.0 2.0 3.0 セル電圧（Volt） 0.72 0.62 0.52 【００３６】
有気体及び電解質として陽イオン交換膜を使用するプロ
トン移動タイプの燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Proton Excha
nge MembraneFuel Cell）用ガス拡散電極の製造方法に
係る。 【０００２】 【従来の技術と発明が解決すべき課題】電解質として陽
イオン交換膜を使用する固体高分子電解質型燃料電池
は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電
解質型燃料電池に次ぎ、第４のタイプの燃料電池として
開発されたが、それまでに開発されていた燃料電池と比
較して出力が高い特徴があり、且つ、そのコンパクトさ
故に実用化に対する期待が高く、現在鋭意改良が検討さ
れている。 【０００３】このタイプの燃料電池は、ＰＥＭＦＣ（Pr
oton Exchange Membrane Fuel Cell) と称され、一般に
添付の図１に示すような構造を有する。このＰＥＭＦＣ
の心臓部となる固体高分子電解質である陽イオン交換膜
としては、膜の耐久性、耐薬品性、耐酸化劣化性、耐熱
安定性等からパーフルオロスルホン酸型陽イオン交換膜
が好適とされているが、ＰＥＭＦＣの性能を充分に発揮
させるためには、陽イオン交換膜自身の物性と膜表面に
結合されるアノード用及びカソード用の電極触媒層との
組合せで、バランスのとれた性能を得ることが重要であ
る。 【０００４】従来のＰＥＭＦＣ用の陽イオン交換膜とし
ては、市販されているパーフルオロスルホン酸型陽イオ
ン交換膜で米国デュポン社製の Nafion 膜、例えば Naf
ion１１７（イオン交換基に水素イオンを有する（Ｈ
形）、イオン交換容量 0.909ミリ当量/g乾燥樹脂、膜厚
約１７８μm ）が主として使用されているが、ＰＥＭＦ
Ｃに使用する場合、イオン交換容量が低く膜厚が厚すぎ
ることから膜抵抗が高くなること等に起因してセル電圧
が低くなることが問題とされており、特にＰＥＭＦＣの
陰極に空気を使用する場合には充分なセル電圧が得られ
ず、実用上問題とされている。 【０００５】一方、図１に示すようにＰＥＭＦＣは陽イ
オン交換膜面上にアノード用及びカソード用の電極触媒
層、導電性のカーボン布またはカーボンペーパーを有す
るが、陽イオン交換膜とアノード用及びカソード用の電
極触媒層の性能が有効に発揮され、結果としてＰＥＭＦ
Ｃの性能が十分に発揮されるためには、これ等の陽イオ
ン交換膜及びアノード用、カソード用の電極触媒層を有
するカーボン布またはカーボンペーパーが十分に一体化
されていることが必要であり、従って陽イオン交換膜、
アノード用及びカソード用の電極触媒層及びカーボン布
またはカーボンペーパーの接合方法も重要である。従
来、陽イオン交換膜とアノード用及びカソード用の電極
触媒層との接合方法としては、予め電極触媒、微粒子炭
素と疎水性樹脂のバインダーとしてのポリテトラフルオ
ロエチレン分散液との混合物をシート状の基材（例えば
アルミ箔、ポリエステルフィルム、ポリオレフィンフィ
ルムようなプラスチックフィルム等）上に均一に塗布し
乾燥して薄膜上の電極触媒層を別個に作成し、これを陽
イオン交換膜上に転写しホットプレスで圧着結合する方
法、あるいは前記混合物を陽イオン交換膜上に直接塗布
し乾燥した後ホットプレスで圧着結合する方法が知られ
ている。しかしながらこれらの方法では、疎水性樹脂の
バインダーとして使用するポリテトラフルオロエチレン
の軟化温度が陽イオン交換膜の軟化温度に較べてかなり
高く、また電極触媒、微粒子炭素と疎水性樹脂のバイン
ダーのポリテトラフルオロエチレンエマルジョンとの混
合比率によりホットプレスに使用する温度を高くする必
要があること等から圧着結合のためのホットプレスの条
件設定が難しく充分な接合を得ることが困難であり、ま
た電極触媒層が厚くなりやすく、さらにはガス拡散電極
製造の工程が多くなり、ＰＥＭＦＣの価格が高くなると
いう問題がある。 【０００６】従って、陽イオン交換膜、アノード用及び
カソード用の電極触媒を被覆したカーボン布またはカー
ボンペーパーの接合方法についての改善が必要である。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な観点から陽イオン交換膜自体の性質及び陽イオン交換
膜、アノード用及びカソード用の電極触媒を被覆したカ
ーボン布またはカーボンペーパーの接合方法について鋭
意検討を重ねた結果、特定の厚さと特定のイオン交換容
量を有する陽イオン交換膜を使用し、特定の陽イオン交
換膜とアノード用及びカソード用の電極触媒を被覆した
カーボン布またはカーボンペーパーを接合することによ
り、高いモル電圧を有するＰＥＭＦＣを製造し得るＰＥ
ＭＦＣ用ガス拡散電極を極めて効率よく製造し得ること
を見出し、本発明に到達したものである。 【０００８】本発明は、陽イオン交換膜の両面にアノー
ド用及びカソード用の電極触媒層とカーボン布またはカ
ーボンペーパーをこの順で有する固体高分子電解質型燃
料電池用ガス拡散電極の製造方法であって、アノード用
の導電性及びガス透過性を有するカーボン布またはカー
ボンペーパーの表面に、電極触媒を担持した炭素粒子と
ポリテトラフルオロエチレン分散液とからなる混合物を
被覆して圧着接合させることにより電極触媒層を設ける
とともに、これとは別にカソード用として、アノード用
のものと同様にして電極触媒層を設けたカーボン布また
はカーボンペーパーの電極触媒層とは反対側の面に炭素
粒子とポリテトラフルオロエチレン分散液とからなる混
合物を被覆して圧着接合させることにより撥水性層を設
け、テトラフルオロエチレン単位と側鎖にスルホン酸基
を有するパーフルオロビニルエーテル単位からなる下記
構造式(1)または(2) 【化２】 （ＸはNaまたはＫを表し、ｋは2.1〜7.6であり、ｍは3.
8〜9.3であり、ｌ及びｎは正の数を表す）のパーフルオ
ロスルホン酸基を有するコポリマー膜からなり、室温条
件下乾燥状態で膜厚が５０〜１５０μm、イオン交換容
量が0.83〜1.43ミリ当量/g（乾燥樹脂）である陽イオン
交換膜表面に、前記アノード用及びカソード用のカーボ
ン布またはカーボンペーパー表面に設けた電極触媒層を
その表面が前記陽イオン交換膜に接触するようにしてカ
ーボン布またはカーボンペーパーとともに圧着接合する
ことからなり、前記電極触媒層と陽イオン交換膜との圧
着接合を、圧着接合される陽イオン交換膜及び電極触媒
層の表面のいずれかまたは両方に上記構造式(1)または
(2)を有しかつ使用する陽イオン交換膜のコポリマーの
Ｘと同じ種類の元素をＸとして有するパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーの溶液または分散液を被覆し、各接
合面を合わせて電極触媒層を設けたカーボン布またはカ
ーボンペーパーと陽イオン交換膜とを載置し、150℃か
ら250℃の温度で全体をホットプレスして行うことを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散電極の
製造方法である。 【０００９】本発明で使用する導電性及びガス透過性を
有するカーボン布またはカーボンペーパーとしては、従
来よりＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極の製造に使用されてい
るものを使用することができ、炭素繊維から種々の織布
法により製造された炭素繊維の平織布、あるいは不織
布、炭素繊維を抄紙したカーボンペーパーが含まれる。
これらのカーボン布またはカーボンペーパーは、0.2 〜
0.5 mm 程度の厚さ、100 〜400 g/m2程度の重量を有す
るものが好ましく使用できる。 【００１０】市販されるカーボン布及びカーボンペーパ
ーで好ましいものとしては、東レ(株)製のトレカ織物
（平織布）及びカーボンペーパーが挙げられ、トレカ #
6344B(厚さ0.38 mm, 320 g/m2)、トレカ #6343 (厚さ0.
27 mm, 200 g/m2)等の平織炭素繊維布、トレカ TGP-120
(厚さ0.37 mm, 170 g/m2)等の炭素繊維ペーパーが含ま
れる。また後述するように、これ等のカーボン布または
カーボンペーパーに電極触媒層を設けたものも市販され
ている。 【００１１】電極触媒層に使用される電極触媒は、従来
より固体高分子電解質型の燃料電池に使用されているも
のでよく、Pt、Rh、Ir、Ru等が使用できるが、通常は白
金が用いられ、例えば粒径約15〜30オングストロームの
白金触媒を被覆した粒径約50〜100 オングストロームの
微粒子状の炭素粒子（白金含有量は一般的には10〜20重
量％程度）が用いられる。このような微粒子状の炭素粒
子に白金触媒を被覆したものとしては、Ｅ−ＴＥＫ社よ
り、Platinum on Vulcan XC-72またはPlatinumon Vulca
n XC-72R として炭素粒子に対して５〜30重量％の白金
を担持させた触媒物質（炭素粒子の直径約100オングス
トローム、表面積100 〜200g/m2 、白金粒子径約20オン
グストローム) が製造、販売されている。 【００１２】電極触媒層は、上記の触媒物質と、疎水性
樹脂のバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン
の分散液あるいは一部低分子化したポリテトラフルオロ
エチレンの分散液とを均一に混合したペースト状混合物
を前記カーボン布またはカーボンペーパーに被覆しホッ
トプレスすることによって設けられる。これによりカー
ボン布またはカーボンペーパーの開孔部分に埋め込まれ
たような形態で電極触媒層が形成される。触媒塗布量は
白金の場合、0.04〜0.5mg/cm2 程度が好ましい。 【００１３】疎水性樹脂を含有するペーストはできるだ
け均一に被覆し（被覆量は60〜70grペースト／m2（カー
ボン布又はカーボンペーパー））、室温である程度自然
乾燥した後または直ちに減圧乾燥する。電極触媒層の厚
さは、カーボン布またはカーボンペーパーへの白金触媒
の付着量に関係するが、通常50〜100 μm 程度である。 【００１４】疎水性樹脂のバインダーとしては、通常は
ポリテトラフルオロエチレンが使用される。電極触媒と
疎水性樹脂のバインダーを含むペースト状混合物は、電
極触媒を担持した炭素粒子とポリテトラフルオロエチレ
ン分散液を均一に混合することによって調製することが
できる。通常、電極触媒を担持した炭素粒子とポリテト
ラフルオロエチレン分散液からなるペースト中のポリテ
トラフルオロエチレンの含有量は約50重量％程度になる
ように調製される。ホットプレスの条件も任意に選択す
ることができるが、通常約 290〜350 ℃の温度、80〜15
0 kg/cm2の圧力で約３〜60分の条件で行うことができ
る。上記で使用するポリテトラフルオロエチレン分散液
は水を分散媒とし、界面活性剤を分散剤として使用して
調製することができるが、種々のポリテトラフルオロエ
チレン分散液が市販されており、これ等を好適に使用で
きる。これらの分散液はコロイド状のポリテトラフルオ
ロエチレンを含むものである。 【００１５】上記のようなカーボン布またはカーボンペ
ーパー全体に埋め込まれたような形態で電極触媒層を形
成したものがＥ−ＴＥＫ社より市販されており、電極触
媒層の厚さが数十μm 〜100 μm 程度、白金触媒の付着
量が0.04mg/cm2〜約0.5mg/cm 2 程度のものが入手可能で
ある。 【００１６】ＰＥＭＦＣのカソード側で使用されるカー
ボン布またはカーボンペーパーについては、カソード側
で生成する水が電極触媒層に侵入するのを防ぐために電
極触媒層を設けた面とは反対の面に撥水性を付与する必
要がある。この撥水性付与は、炭素粒子（電極触媒層を
形成するのに使用したものと同様のもので触媒を担持さ
せていないもの）と疎水性樹脂のバインダーとしてのポ
リテトラフルオロエチレンの分散液を使用してペースト
状混合物を調製してこれをカーボン布またはカーボンペ
ーパーの電極触媒層を設けたのとは反対面に被覆して、
ホットプレスすることにより行うことができる。ホット
プレスの条件は電極触媒層を形成する場合と同様でよい
が、ペーストの量は導電性及びガス透過性を損わない程
度の被覆量でよく、カーボン布またはカーボンペーパー
の開孔部分に埋め込まれるような量でよい。上記のよう
なカーボン布またはカーボンペーパー上に形成した電極
触媒層を下記の陽イオン交換膜に圧着接合する。 【００１７】本発明で使用する陽イオン交換膜は、上記
構造式(1) または(2) で示される、テトラフルオロエチ
レン単位と側鎖に-SO3H, -SO3Kまたは-SO3Na基を有する
パーフルオロビニルエーテル単位で構成されるコポリマ
ーからなる。側鎖に-SO3K または-SO3Na基を有するこの
コポリマー（Ｋ形及びNa形）膜は、テトラフルオロエチ
レンと側鎖の末端にスルホニルフルオライド(-SO2F) 基
を有するパーフルオロビニルエーテルの共重合により得
られたコポリマーの膜をＫＯＨまたはNaOHの水溶液およ
び／またはアルコール溶液および／またはジメチルスル
ホキシドからなる混合溶液で処理することによって得ら
れる。側鎖に-SO3H を有するコポリマー（Ｈ形）膜は上
記Ｋ形及びNa形のコポリマー膜を希硫酸水溶液に浸漬す
ることにより得られる。 【００１８】上記で得られる陽イオン交換膜のイオン交
換容量は、コモノマーとして使用されるテトラフルオロ
エチレンと側鎖の末端にスルホニルフルオライド基(-SO
2F)を有するパーフルオロビニルエーテル系モノマーと
の共重合比を変えて重合を行い、合成されたコポリマー
の側鎖の-SO2F 基をスルホン酸基に変性することにより
変更することが可能であるが、0.83〜1.43ミリ当量/g
（乾燥樹脂）、好ましくは0.91〜1.25ミリ当量/g（乾燥
樹脂）のものを使用する。イオン交換容量が充分に大き
いことは、単に膜抵抗を低くするだけでなくＰＥＭＦＣ
において陽極触媒によるプロトンの陰極への移動能を向
上させ、膜の平衡含有水分を高めると共に、陰極で生成
した水が陽極側に逆拡散し易くなるのでＰＥＭＦＣの運
転中の膜の乾燥を抑制する働きもあり、また膜の導電性
の向上にも有効である。但し、イオン交換容量が大きす
ぎると膜強度が低下すること、膜内の水分含有量が大き
くなりすぎる等の弊害があり好ましくない。 【００１９】陽イオン交換膜の乾燥膜厚は、50〜150 μ
m 、好ましくは70〜140 μm である。陽イオン交換膜の
膜厚は、陰極側で生成した水を陽極側へ移行せしめる上
で重要なファクターとなり、ＰＥＭＦＣの最適なバラン
スのとれた性能を保持させる為には、イオン交換容量の
選択と共に最適な膜厚を選択をすることが重要である。 【００２０】上記陽イオン交換膜の両面に、前記のアノ
ード用及びカソード用の電極触媒層を設けたカーボン布
またはペーパーを、陽イオン交換膜表面に電極触媒層が
接触するように圧着接合する。カソード側には、カーボ
ン布またはカーボンペーパーの電極触媒層を被覆したの
とは反対の面に炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン
分散液からなる混合物を被覆して圧着接合して撥水性層
を設けたものを使用する。陽イオン交換膜とアノード用
及びカソード用のカーボン布またはカーボンペーパーに
被覆された電極触媒層との接合は、陽イオン交換膜及び
電極触媒層のいずれかまたは両方の接合する表面に前記
式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロスルホン
酸コポリマーの溶液または分散液を被覆して両者の接合
面を合わせて全体をホットプレスすることにより行う。 【００２１】このとき、電極触媒層の表面に被覆される
溶液または分散液中の前記式(1) または(2) の構造を有
するパーフルオロスルホン酸コポリマーに含まれるＸ
は、陽イオン交換膜を構成する前記式(1) または(2) の
構造を有するパーフルオロスルホン酸コポリマーに含ま
れるＸと同じ元素であるようにする。即ち、陽イオン交
換膜のスルホン酸基のＸがＨの場合にはＨを（Ｈ形）、
Naの場合にはNaを（Na形）、Ｋの場合にはＫを（Ｋ形）
Ｘとして有するパーフルオロスルホン酸コポリマーをバ
インダーとして含む溶液または分散液を使用する。溶液
または分散液中のパーフルオロスルホン酸コポリマーは
その元素Ｘの種類が陽イオン交換膜の元素Ｘの種類に合
致していればよく、その構造は前記式(1) または(2) の
いずれのものも使用することができ、陽イオン交換膜の
コポリマーの構造と合致している必要はない。溶液また
は分散液中のコポリマーの濃度は１〜５重量％程度であ
ることが好ましい。 【００２２】上記溶液または分散液の調製においては、
前記式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーでＨ形のコポリマー溶液または分散
液を、特に限定されないが、例えば低級脂肪族アルコー
ルと水との混合溶媒中の溶液または分散液として調製す
ることができ、これを約５％程度のNaOH溶液またはＫＯ
Ｈ溶液の化学量論的に必要な量を使用して中和すること
によりＫ形またはNa形のパーフルオロスルホン酸系コポ
リマーの溶液または分散液をそれぞれ調製することがで
きる。式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロス
ルホン酸系コポリマーでＨ形のものを低級脂肪族アルコ
ール例えばイソプロパノールと水との混合溶媒に溶解し
た溶液は市販されており、例えば、Aldrich Chemical C
o.からNafion Solution の名称で販売されている（低級
アルコール85重量％、水15重量％の混合物中のコポリマ
ー含有量５重量％の混合液）。このように、電極触媒層
を陽イオン交換膜に圧着接合する際に使用するバインダ
ーとして陽イオン交換膜のパーフルオロスルホン酸系コ
ポリマーと同種のパーフルオロスルホン酸系コポリマー
溶液または分散液を使用することにより容易にホットプ
レスで圧着結合することができ、更にコポリマーがNa形
またはＫ形である場合はこれにより陽イオン交換膜自体
の軟化温度が高くなりホットプレスを高温で行うことが
でき、陽イオン交換膜面と電極触媒層の密着性と結合性
が著しく改善される。 【００２３】上記のようにして形成したコポリマー溶液
または分散液を、カーボン布またはカーボンペーパー上
の電極触媒層表面に均一に被覆して、溶液または分散液
中の溶媒を充分に除去する。溶液または分散液の被覆量
は乾燥膜厚が 5〜20μm 程度となるような量とすること
が好ましい。乾燥は電極触媒層の乾燥と同様の条件で行
うことができるが、コポリマー溶液または分散液は電極
触媒層よりも薄く塗布されるので膨潤等のおそれは少な
く常圧で行うことができる。その後、被覆面を陽イオン
交換膜表面上に載置して、陽イオン交換膜の軟化温度よ
り10℃以上低い温度でホットプレスを行い一体化された
ＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極が得られる。 【００２４】上記の通りホットプレスは、陽イオン交換
膜のコポリマーの軟化温度（JIS K7196-1991 に規定さ
れた、熱可塑性プラスチックフィルム及びシートの熱機
械分析による軟化温度試験方法により測定したもの）よ
りも少くとも１０℃以上低い温度で行うが、これよりも
高い温度ではコポリマー膜内の水分が急激に気化し、陽
イオン交換膜と電極触媒層との充分な密着性を確保する
ために好ましくない。 【００２５】陽イオン交換膜の軟化温度は、膜を構成す
るコポリマーの平均分子量及びイオン交換容量更には膜
中の平衡含有水分率等により左右されるが、Ｈ形である
前記式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜の場
合、一般に約 100〜 150℃の範囲にある。従って、この
場合のホットプレス時の温度は少くとも 140℃以下、好
ましくは130 ℃以下である。Ｋ形またはNa形である陽イ
オン交換膜の軟化温度もやはり膜を構成するコポリマー
の平均分子量及びイオン交換容量更には膜中の平衡含有
水分率等により左右されるが、Ｋ形またはNa形である前
記式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜はイオ
ン架橋型の構造を形成しているものと考えられるために
Ｈ形であるものに比較して軟化温度は高く、一般に約 2
00〜 260℃の範囲にある。従って、ホットプレス時の温
度は少くとも 250℃以下、好ましくは 200℃以下であ
る。 【００２６】ホットプレス時の圧力は、Ｈ形である前記
式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜の場合、
少なくとも80kg/cm2以上、好ましくは120kg/cm2以上で
あり、Ｋ形またはNa形の場合は少なくとも120 kg/cm2以
上、好ましくは140 kg/cm2以上である。ホットプレスの
時間は、圧力、温度等により変化し得るが、通常数分〜
数十分であり、例えば５〜60分である。 【００２７】本発明に使用する陽イオン交換膜の平均分
子量は膜の機械的強度及び製膜性の観点から、好ましく
は30万〜240 万、より好ましくは90万〜120 万である
が、これに限定されるものではない。コポリマー溶液ま
たは分散液のコポリマー平均分子量は、膜よりも若干低
いか同程度である。ホットプレスの後、一体化されたＰ
ＥＭＦＣ用ガス拡散電極は、使用されたコポリマー膜が
Ｋ形またはNa形の場合には、室温で５重量％硫酸水溶液
に16時間程度浸漬することによりＨ形に変えられる。 【００２８】図１に示した通り、上記カーボン布または
カーボンペーパーの電極触媒層が設けられた面とは反対
の面にはカーボンプレート（微粉末炭素とポリフッ化ビ
ニリデン粉末または低分子化したポリテトラフルオロエ
チレン粉末をドライブレンドしてホットプレスにより板
状に成形したもの）７及び８が設けられる。両極のカー
ボンプレートの厚さは数mmであり、その内面には燃料ガ
スを供給するための幅約1.0 〜1.5mm 、深さ約1.0 〜1.
2mm の溝が約1.0 〜1.5mm 間隔で垂直に設けられてお
り、ガスは下側から上方へ供給される。本発明方法によ
り製造されたガス拡散電極を使用したＰＥＭＦＣは、水
素／空気または酸素を供給して運転することが可能であ
り、アノード側燃料ガスとして天然ガス改質ガス（COが
５PPM 以下のH2/CO2 ガス）、メタノール／水蒸気改質
ガス（COが５PPM 以下のH2／CO2 ガス) 、水素貯蔵合金
から脱着された水素、CNG 改質ガス（COが５PPM 以下の
水素含有ガス) 、さらに食塩電解で副生される水素等を
使用して運転することも可能である。尚、ＰＥＭＦＣで
は、アノード側からプロトンがカソードへ移動する際に
プロトン１モルに対して、水が３〜５モル程度同伴され
るので、膜のアノード側のドライアップ(dry up)を防止
するために予め吸湿させた水素を供給することが好まし
い。 【００２９】アノード及びカソードのターミナル端子は
カーボン布またはカーボンペーパー及びカーボンプレー
トのいずれに設けられてもよく、これらのターミナルか
ら直流電流を取り出すことが可能である。本発明の方法
により製造されたＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を使用した
ＰＥＭＦＣは、自動車用、潜水艦用、宇宙用、オンサイ
ト発電用として好適であり、またニッケル−カドミウム
二次電池の代替、クロル−アルカリ電解の副生水素利
用、カソード側で得られる温水の暖房等への利用等の効
用も期待できる。 【００３０】 【発明の効果】本発明方法においては、アノード用及び
カソード用の電極触媒層を被覆したカーボン布またはカ
ーボンペーパーを陽イオン交換膜に接合する際に使用す
るバインダーとして陽イオン交換膜のパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーと同種のパーフルオロスルホン酸系
コポリマー溶液または分散液を使用することによりホッ
トプレスの条件設定を容易にするものであるが、さらに
コポリマーがNa形またはＫ形である場合はこれにより陽
イオン交換膜自体の軟化温度が高くなりホットプレスを
高温で行うことができ、陽イオン交換膜面と電極触媒層
の密着性と結合性が改善されることにより電気抵抗性が
著しく改善され、従って高いセル電圧を発生するＰＥＭ
ＦＣを提供し得るＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を製造する
ことができる。また、カーボン布またはカーボンペーパ
ー上に被覆された電極触媒層を陽イオン交換膜の両面に
１回のホットプレスで接合することができるので、極め
て効率よくＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を製造することが
できる。 【００３１】 【実施例】以下、実施例により本発明の詳細を説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。 【００３２】 【００３３】 【００３４】 【００３５】実施例１ 前記構造式(1)の構造を有するコポリマーからなる陽イ
オン交換膜（Na形、乾燥膜厚100μm、イオン交換容量1.
12ミリ当量/g（乾燥樹脂）、軟化温度約220℃、平均分
子量約100万）を用い、白金付着量は約0.2mg/cm2となる
ようにしNafionSolutionの代わりにNafion Solutionの
中に含まれるスルホン酸基のＨを実質的に全てNaに換え
るのに必要な量の５重量％NaOH水溶液で中和したものを
使用した。一方、表面積が約200m2/g、平均粒子径が約1
00オングストロームの炭素粒（Ｅ−ＴＥＫ社製Vulcan X
C-72)の表面に粒径５〜20オングストロームの白金触媒
を9.9重量％担持させた電極触媒と約50重量％ポリテト
ラフルオロエチレン分散液からなる混合物で、ポリテト
ラフルオロエチレン含有量が約50重量％になるように均
一に混合して調製したペースト状混合物を調製し、これ
をカーボン布（東レ（株）製平織炭素繊維布トレカ#664
4B、厚さ0.38mm、320g/m2)の表面に厚さ約100μmで均一
に塗布し乾燥した後、340℃で約30分ホットプレスして
白金付着量が約0.5mg／cm2（電極面積）のアノード用の
電極触媒層を被覆したカーボン布（Ｉ）を形成した。別
に、上記と同様に形成した電極触媒層を被覆したカーボ
ン布（Ｉ）の電極触媒層とは反対の面に、白金触媒を担
持していない炭素粒子Vulcan XC-72とポリテトラフルオ
ロエチレンエマルジョンを上記と同様にして均一に混合
して調製したペースト状混合物を厚さ約50μmで均一に
塗布し乾燥した後、340℃で約25分ホットプレスして該
面に撥水性を付与した撥水処理したカソード用の電極触
媒層を被覆したカーボン布（II）を得た。さらに電極触
媒層を被覆したカーボン布と陽イオン交換膜の一体化の
ためのホットプレスを温度210℃、圧力150kg/cm2で約60
分間行い、カーボン布（Ｉ）及び(II)と前記陽イオン交
換膜を、カーボン布（Ｉ）及び(II)のNafion Solution
の被覆面が陽イオン交換膜の両面に接触するように載置
し約130℃、約140kg/cm2で約60分ホットプレスしてカー
ボン布（Ｉ）及び（ＩI)と陽イオン交換膜を一体化した
ＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極を作成した。上記で得られた
一体化されたＰＥＭＦＣ用ガス拡散電極の両面のカーボ
ン布上に、アノード及びカソード用のカーボンプレート
（内側面に垂直方向に幅1.2mm、深さ1.2mmの溝が間隔1.
2mmで設けられており、溝近傍の背面内部に冷却水を供
給する通路を設けたもの）を耐熱性シリコンゴムからな
るガスケットを介してそれぞれ圧着してＰＥＭＦＣガス
拡散電極（有効電極面積12.5cm×12.5cm）を作成した。
このガス拡散電極を５％硫酸水溶液中に室温で１６時間
浸漬して全体をＨ型に変えた。このＰＥＭＦＣガス拡散
電極に水素及び空気をそれぞれ３atm及び５atmで供給
し、８０℃で運転した結果、次の性能が得られた。 セル電流密度（A/cm2） 1.0 2.0 3.0 セル電圧（Volt） 0.72 0.62 0.52 【００３６】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は電解質として陽イオン交換膜を使用する
プロトン移動タイプの固体高分子電解質型燃料電池の概
略断面図である。 【符号の説明】 １ パーフルオロスルホン酸系コポリマー陽イオン交換
膜 ２ アノード電極触媒層 ３ カソード電極触媒層 ４ アノード用カーボン布またはペーパー ５ カソード用カーボン布またはペーパー ６ カーボン布またはペーパーの電極触媒層とは反対側
の面に被覆された撥水処理層 ７ アノード用水素含有ガス供給用溝付きカーボンプレ
ート ８ カソード用酸素または空気供給用溝付きカーボンプ
レート ９ カソード用冷却水供給路
プロトン移動タイプの固体高分子電解質型燃料電池の概
略断面図である。 【符号の説明】 １ パーフルオロスルホン酸系コポリマー陽イオン交換
膜 ２ アノード電極触媒層 ３ カソード電極触媒層 ４ アノード用カーボン布またはペーパー ５ カソード用カーボン布またはペーパー ６ カーボン布またはペーパーの電極触媒層とは反対側
の面に被覆された撥水処理層 ７ アノード用水素含有ガス供給用溝付きカーボンプレ
ート ８ カソード用酸素または空気供給用溝付きカーボンプ
レート ９ カソード用冷却水供給路
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/02
H01M 8/10
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 陽イオン交換膜の両面にアノード用及び
カソード用の電極触媒層とカーボン布またはカーボンペ
ーパーをこの順で有する固体高分子電解質型燃料電池用
ガス拡散電極の製造方法であって、 アノード用の導電性及びガス透過性を有するカーボン布
またはカーボンペーパーの表面に、電極触媒を担持した
炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン分散液とからな
る混合物を被覆して圧着接合させることにより電極触媒
層を設けるとともに、これとは別にカソード用として、
アノード用のものと同様にして電極触媒層を設けたカー
ボン布またはカーボンペーパーの電極触媒層とは反対側
の面に炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン分散液と
からなる混合物を被覆して圧着接合させることにより撥
水性層を設け、テトラフルオロエチレン単位と側鎖にス
ルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテル単位か
らなる下記構造式(1)または(2) 【化１】（ＸはNaまたはＫを表し、ｋは2.1〜7.6であり、ｍは3.
8〜9.3であり、ｌ及びｎは正の数を表す）のパーフルオ
ロスルホン酸基を有するコポリマー膜からなり、室温条
件下乾燥状態で膜厚が５０〜１５０μm、イオン交換容
量が0.83〜1.43ミリ当量/g（乾燥樹脂）である陽イオン
交換膜表面に、前記アノード用及びカソード用のカーボ
ン布またはカーボンペーパー表面に設けた電極触媒層を
その表面が前記陽イオン交換膜に接触するようにしてカ
ーボン布またはカーボンペーパーとともに圧着接合する
ことからなり、前記電極触媒層と陽イオン交換膜との圧
着接合を、圧着接合される陽イオン交換膜及び電極触媒
層の表面のいずれかまたは両方に上記構造式(1)または
(2)を有しかつ使用する陽イオン交換膜のコポリマーの
Ｘと同じ種類の元素をＸとして有するパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーの溶液または分散液を被覆し、各接
合面を合わせて電極触媒層を設けたカーボン布またはカ
ーボンペーパーと陽イオン交換膜とを載置し、150℃か
ら250℃の温度で全体をホットプレスして行うことを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散電極の
製造方法。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP17448092A JP3492385B2 (ja) | 1992-07-01 | 1992-07-01 | 燃料電池用ガス拡散電極の製造方法 |
| US08/054,294 US5399184A (en) | 1992-05-01 | 1993-04-30 | Method for fabricating gas diffusion electrode assembly for fuel cells |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17448092A JP3492385B2 (ja) | 1992-07-01 | 1992-07-01 | 燃料電池用ガス拡散電極の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0620710A JPH0620710A (ja) | 1994-01-28 |
| JP3492385B2 true JP3492385B2 (ja) | 2004-02-03 |
Family
ID=15979221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17448092A Expired - Lifetime JP3492385B2 (ja) | 1992-05-01 | 1992-07-01 | 燃料電池用ガス拡散電極の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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| CN100405641C (zh) * | 2004-06-23 | 2008-07-23 | 比亚迪股份有限公司 | 质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法 |
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| KR20100039422A (ko) | 2007-08-02 | 2010-04-15 | 샤프 가부시키가이샤 | 연료 전지 스택 |
| JP5290402B2 (ja) | 2009-04-01 | 2013-09-18 | シャープ株式会社 | 燃料電池スタックおよびこれを備える電子機器 |
| FR3018956A1 (fr) * | 2014-03-21 | 2015-09-25 | Commissariat Energie Atomique | Assemblage membrane-electrodes pour pemfc et procede de fabrication |
-
1992
- 1992-07-01 JP JP17448092A patent/JP3492385B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0620710A (ja) | 1994-01-28 |
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