JP4239917B2 - 燃料電池電極、燃料電池及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
第一に触媒層では十分な電子伝導性、イオン伝導性及びガス拡散性が要求されるが、例えば特許文献1の電子伝導性、イオン伝導性及びガス拡散性に係る各材料の混合物である触媒層では、電子伝導性を高くしようと電子伝導性部材(カーボン)の量を増やすと、相対的にイオン伝導性部材(フッ素系イオン交換樹脂)の量比が減少するのでイオン伝導性が低下するなど、それぞれの特性がトレードオフの関係にあるという問題があった。
従って本発明に係る燃料電池電極の導電性高分子マトリックスは、電子伝導性、イオン伝導性、ガス透過性を併せ持つため三次元的に広い三相界面が容易に形成されることになる。
本発明に係る燃料電池電極は、例えば図1に示した構造の固体高分子型燃料電池1に適用しえるものであり、特に触媒層4(4a、4b)に触媒成分含有ポリアニリンを含んでいる点に特徴がある。
一実施形態に係る燃料電池電極は、ポリアニリンの前駆体モノマーを、触媒成分の共存下で電解酸化重合させる電解酸化重合工程を行って得た触媒成分含有ポリアニリンを触媒層に含むものであればよい。「触媒成分含有ポリアニリン」とは触媒成分を含むポリアニリンのことを意味する。この場合に「触媒成分」としてアニオン性物質を用いることができ、「アニオン性物質」として大環状錯体イオンを用いることができる。「アニオン性物質」とは、負電荷を持つイオンであり、導電性高分子と静電気的な相互作用を示すものである。
次に一実施形態に係る燃料電池についてであるが、一実施形態に係る燃料電池電極をフッ素系イオン交換樹脂などを電解質膜としてその両側に触媒成分含有ポリアニリン(触媒層)を内側にして接合することにより得られる(図1参照)。そしてその作用であるが三相界面が効率よく触媒中全体で連続して形成されるとともに、触媒が十分に分散されているため三相界面での触媒利用率が高まる。従って高い放電特性を示す。
(実施例1)
水溶液中で電離してアニオン性を示すコバルト−テトラフェニルポルフィリンスルホン酸(Co−TPPS、図4参照)1mMと0.1Mのアニリンを含む水溶液Fを用意した。
希薄なテフロン(デュポン社の登録商標)分散液を含浸・乾燥させたカーボンペーパー(厚さ0.1mm)を、窒素雰囲気300℃で焼成して得た、電極拡散層の一面を図3のように溶液Fの水面に接触させ、別途、溶液F中に設けた黒鉛製の対極との間に、見かけの電極拡散層面積1cm2あたり、5mAの一定電流を10分間流した(電解重合)。このとき、電極拡散層の側を陽分極、すなわち、+極として電流を印可した。この通電により、アニリンは電気化学的に酸化重合し、電極拡散層表面にポリアニリンの均一な層が形成された。純水で十分洗浄・乾燥して電極Fとした。形成されたポリアニリンを分析した結果、電極拡散層見かけ面積1cm2あたり、約0.3mgのコバルトが含まれていることがわかった。
電極F2枚をポリアニリンの触媒層を内側にして、膜圧約50μmのナフィオンの両側に押しあて、小型の試験電池Fを作製した。
水に不溶で非アニオン性を示すコバルト−テトラフェニルポルフィリン(Co−TPP、図5参照)のトルエン溶液にカーボンブラック(Cabot社製、VULCAN XC−72)を分散させ、よく攪拌した後、ロータリーエバポレーターにて、トルエンを蒸発・乾固して、Co−TPPをカーボンブラック上に担持した触媒を得た。コバルトイオンの担持密度は約1wt%であった。この触媒を、5wt%のナフィオン溶液(水とエタノールの混合溶媒)と混合してペーストとして、実施例1と同じ電極拡散層表面に塗布、約100℃で真空乾燥して触媒層を形成し、電極Gとした。触媒層中のカーボン重量に対するナフィオンの重量比は、1.0とし、電極面積1cm2あたりのコバルト量は、約0.3mgとなるよう調整した。電極Gを2枚用いたほかは、実施例1と同じ方法で小型の試験電池を作製し、試験電池Gとした。
試験電池F、Gを用いて、燃料電池の放電試験を行った。試験条件は、電池温度80℃として、水素・空気を露点70℃で加湿して供給した。結果を図6に示した。
2 電解質膜
3(3a、3b) 燃料電池電極
4(4a、4b) 触媒層
5(5a、5b) 拡散層
6 負荷
Claims (5)
- フタロシアニン錯体イオン、ナフタロシアニン錯体イオン、ポルフィリン錯体イオン、テトラアザアヌレン錯体イオン、サレン錯体イオン、ヘモグロビン錯体イオン、または、カタラーゼ錯体イオンから選択されるアニオン性の触媒成分の共存下で、ポリアニリンの前駆体モノマーを電解酸化重合させる電解酸化重合工程を行なって得た触媒成分含有ポリアニリンを触媒層に含むことを特徴とする燃料電池電極。
- フタロシアニン錯体イオン、ナフタロシアニン錯体イオン、ポルフィリン錯体イオン、テトラアザアヌレン錯体イオン、サレン錯体イオン、ヘモグロビン錯体イオン、または、カタラーゼ錯体イオンから選択されるアニオン性の触媒成分の共存下で、ポリアニリンの前駆体モノマーを電解酸化重合させることにより得られる当該触媒成分の分散状態のままで当該触媒成分が分散した触媒成分含有ポリアニリンを触媒層に含むことを特徴とする燃料電池電極。
- 請求項1または2に記載の燃料電池電極を備えたことを特徴とする燃料電池。
- フタロシアニン錯体イオン、ナフタロシアニン錯体イオン、ポルフィリン錯体イオン、テトラアザアヌレン錯体イオン、サレン錯体イオン、ヘモグロビン錯体イオン、または、カタラーゼ錯体イオンから選択されるアニオン性の触媒成分の共存下で、ポリアニリンの前駆体モノマーを電解酸化重合させる電解酸化重合工程を含むことを特徴とする燃料電池電極の製造方法。
- 請求項4に記載の燃料電池電極の製造方法を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
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