JPH0218861A - 燃料電池用電極触媒層 - Google Patents
燃料電池用電極触媒層Info
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- JPH0218861A JPH0218861A JP63166607A JP16660788A JPH0218861A JP H0218861 A JPH0218861 A JP H0218861A JP 63166607 A JP63166607 A JP 63166607A JP 16660788 A JP16660788 A JP 16660788A JP H0218861 A JPH0218861 A JP H0218861A
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Classifications
-
- 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
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野Ｊ
この発明は燃料電池用電極触媒層に係り、！待に触媒粒
子のｖｌＬ極触媒鳩内における粒度勾配に関するＯ 〔従来の技術〕 例えばリン酸を電解室とする燃料電池はリン酸’ｍ′１
４４ｍを保持したマトリックスを挾持する空気電極と水
素電極を備え、これら画電極はいずれも多孔性の電極基
材に貴金属の触媒を担持したカーボン粉末をフッ素樹脂
で結合した触媒層を設けること（こより、画電極に供給
され拡散する空気または水素とリン酸電解液および触媒
の三相共存における電気化学的反応を連続的に行わせて
、直接電気エネルギーを増り出す装置であって、電池の
寿命と単位電流密度当りの出力電圧などの電池特性は画
電極に設けられる触媒層の性能に影響される所が大きい
。
子のｖｌＬ極触媒鳩内における粒度勾配に関するＯ 〔従来の技術〕 例えばリン酸を電解室とする燃料電池はリン酸’ｍ′１
４４ｍを保持したマトリックスを挾持する空気電極と水
素電極を備え、これら画電極はいずれも多孔性の電極基
材に貴金属の触媒を担持したカーボン粉末をフッ素樹脂
で結合した触媒層を設けること（こより、画電極に供給
され拡散する空気または水素とリン酸電解液および触媒
の三相共存における電気化学的反応を連続的に行わせて
、直接電気エネルギーを増り出す装置であって、電池の
寿命と単位電流密度当りの出力電圧などの電池特性は画
電極に設けられる触媒層の性能に影響される所が大きい
。
第５図は燃料電池に用いられる空気または水素の拡散電
極の構造を模式的な断面図で示したものである。第５図
においてカス拡散を極は電極基材Ａと触媒層Ｂの二つの
領域からなっている。Ａ領域の電極基材は空気または水
素の流通路Ｃを有し、耐熱性、耐腐食性および電気伝導
性に優れた多孔質カーボンが用いられる。Ｂ領域の触媒
層は貴金属を担持したカーボン粉末に、電気化学的反応
を行わせるのに必要な適度のはつ水性を持たせるように
フッ素樹脂が添加され両者が一体となっている。この触
媒層を形成するための貴金属を担持したカーボン粉末と
分散液に分散されたフッ素樹脂の粒子につきそれぞれ粒
度分布計により粒度分布を測定すると例えば第４図のよ
うになる。第４図は横軸に対数目盛で各粒子の粒径、縦
軸は全粒子量に対する重量比が示しであるが、曲線７は
カーボン粉末１曲線８はフッ素樹脂のそれぞれ粒度分布
を表している。第４図かられかるようにフッ素樹脂粒子
は大部分が０．１〜０．４７１ｍの粒径の狭い範囲にあ
って急峻な山をもった分布となるのに対してカーボン粒
子は粒径０．１〜５ｐｍにわたる広い範囲に分布してい
る。すなわちフッ素樹脂粒子はほぼ均一な粒径となって
いるがカーボン粒子はかなり不均一な粒径をもったもの
である。このように不均一な粒度を有するカーボン粒子
に責金篇を担持した触媒を用いて触媒層を作表する場合
、一般に界面活性剤の入った分散媒（例えばイオン交換
水）中に前記青金ｐＡ担持カーボン触媒粉末とＰ’ｌ’
ＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）等のフッ素樹脂粉末
を志音波ホモジナイザー、ウルトラディスパーサ等を用
い高分散化させたのち吸引塗布法、スプレー法、カレン
ダーロール法等を用いて成膜することが行われる。
極の構造を模式的な断面図で示したものである。第５図
においてカス拡散を極は電極基材Ａと触媒層Ｂの二つの
領域からなっている。Ａ領域の電極基材は空気または水
素の流通路Ｃを有し、耐熱性、耐腐食性および電気伝導
性に優れた多孔質カーボンが用いられる。Ｂ領域の触媒
層は貴金属を担持したカーボン粉末に、電気化学的反応
を行わせるのに必要な適度のはつ水性を持たせるように
フッ素樹脂が添加され両者が一体となっている。この触
媒層を形成するための貴金属を担持したカーボン粉末と
分散液に分散されたフッ素樹脂の粒子につきそれぞれ粒
度分布計により粒度分布を測定すると例えば第４図のよ
うになる。第４図は横軸に対数目盛で各粒子の粒径、縦
軸は全粒子量に対する重量比が示しであるが、曲線７は
カーボン粉末１曲線８はフッ素樹脂のそれぞれ粒度分布
を表している。第４図かられかるようにフッ素樹脂粒子
は大部分が０．１〜０．４７１ｍの粒径の狭い範囲にあ
って急峻な山をもった分布となるのに対してカーボン粒
子は粒径０．１〜５ｐｍにわたる広い範囲に分布してい
る。すなわちフッ素樹脂粒子はほぼ均一な粒径となって
いるがカーボン粒子はかなり不均一な粒径をもったもの
である。このように不均一な粒度を有するカーボン粒子
に責金篇を担持した触媒を用いて触媒層を作表する場合
、一般に界面活性剤の入った分散媒（例えばイオン交換
水）中に前記青金ｐＡ担持カーボン触媒粉末とＰ’ｌ’
ＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）等のフッ素樹脂粉末
を志音波ホモジナイザー、ウルトラディスパーサ等を用
い高分散化させたのち吸引塗布法、スプレー法、カレン
ダーロール法等を用いて成膜することが行われる。
しかしながら上述のようにして得られた電極触媒層にお
いては電極触媒層の空孔につき大小のものが混在してい
るため、電極触媒層の電極基材側では十分なカス拡散性
が、また電解′／ｒ！層側では十分な電解液保持性が得
られず、分極特性に劣るうえ特性が経時的に変化しやす
いという問題がある。
いては電極触媒層の空孔につき大小のものが混在してい
るため、電極触媒層の電極基材側では十分なカス拡散性
が、また電解′／ｒ！層側では十分な電解液保持性が得
られず、分極特性に劣るうえ特性が経時的に変化しやす
いという問題がある。
この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は電極触
媒層の電極基材側の空孔は大きく、電解液層側は小さく
して分極特性と長期信頼性に優れる燃料電池用電極触媒
層を提供することにある。
媒層の電極基材側の空孔は大きく、電解液層側は小さく
して分極特性と長期信頼性に優れる燃料電池用電極触媒
層を提供することにある。
（！！Ｉ！題を解決するための手段〕
上述の目的はこの発明によれば触媒粒子ＩＡ。
ＩＢとフッ素樹脂の粒子２Ａ、２Ｂからなり、電極と
基材１ｅ！解液層とで挾持された燃料電池用電極触媒層
１１において一触媒粒子の粒子径につき電極基材側は大
きく、電解液層側は小さい粒度勾配をもった触媒粒子を
備えることにより達成される。
１１において一触媒粒子の粒子径につき電極基材側は大
きく、電解液層側は小さい粒度勾配をもった触媒粒子を
備えることにより達成される。
触媒粒子の粒度が大きいと結着して得られる空孔径が大
きくなる。粒度が小さいと空孔径は小さくなる。
きくなる。粒度が小さいと空孔径は小さくなる。
次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。
第１図はこの発明の実施例に係る電極触媒層を有するカ
ス拡散電極の模式断面図である。第１図において電極基
材１０の上には電極触媒Ｎ１１が結着されている。電極
触媒Ｎ１１は、粒子径の大きい触媒粒子ＩＡ、フッ素樹
脂の粒子２Ａ、および粒子径の小さい触媒粒子ＩＢ、フ
ッ素樹脂の粒子２Ｂから構成され、電極基材１０側は大
きい粒径、反対側の電解液層側は小さい粒子径からなる
粒度勾配をもっている。
ス拡散電極の模式断面図である。第１図において電極基
材１０の上には電極触媒Ｎ１１が結着されている。電極
触媒Ｎ１１は、粒子径の大きい触媒粒子ＩＡ、フッ素樹
脂の粒子２Ａ、および粒子径の小さい触媒粒子ＩＢ、フ
ッ素樹脂の粒子２Ｂから構成され、電極基材１０側は大
きい粒径、反対側の電解液層側は小さい粒子径からなる
粒度勾配をもっている。
このような電極触媒層は以下のよう番こして調製される
。２ ｗｔ％の界面活性剤を含むイオン交換水１００コ
の中に０．１μｍ〜５μｍの粒子径を有する１０ｗｔ％
の白金を担持したカーボン触媒を２５０ｇ加え、超音波
ホモジナイザーを用いて約４（）分間分散させたのち０
．１μｍ％０．３μｍの粒子径を有するＦＴＦＢ粉末（
ポリテトラフロロエチレン粉末）を２３０９加え、再度
超音波ホモジナイザーにて約１０分間分散させ触媒とｐ
ｒｐｇの高分散液を作表する。
。２ ｗｔ％の界面活性剤を含むイオン交換水１００コ
の中に０．１μｍ〜５μｍの粒子径を有する１０ｗｔ％
の白金を担持したカーボン触媒を２５０ｇ加え、超音波
ホモジナイザーを用いて約４（）分間分散させたのち０
．１μｍ％０．３μｍの粒子径を有するＦＴＦＢ粉末（
ポリテトラフロロエチレン粉末）を２３０９加え、再度
超音波ホモジナイザーにて約１０分間分散させ触媒とｐ
ｒｐｇの高分散液を作表する。
次にグラファイト繊維からなるカーボン不織布に、平均
粒子径加μｍのグラファイト粉末と平均粒子径０．３μ
ｍのＰＴＦＥ粉末の混合粉末をスプレーしたものを多孔
質カーボンの片側に結着して、電極基材ｌＯを調製する
。
粒子径加μｍのグラファイト粉末と平均粒子径０．３μ
ｍのＰＴＦＥ粉末の混合粉末をスプレーしたものを多孔
質カーボンの片側に結着して、電極基材ｌＯを調製する
。
次ｌこ前記高分散液を遠心脱水ろ過器にチャージし前記
電極基側をろ退部材としてこの表面に電極触媒層を形成
させる。遠心脱水は回転数１０００〜２００Ｏｒｐｍで
約５分間行う。電極触媒層は電極基材とともに窒素カス
ふん囲気中において８５℃の温度で約３時間乾燥する。
電極基側をろ退部材としてこの表面に電極触媒層を形成
させる。遠心脱水は回転数１０００〜２００Ｏｒｐｍで
約５分間行う。電極触媒層は電極基材とともに窒素カス
ふん囲気中において８５℃の温度で約３時間乾燥する。
続いて温度３５０’Ｃで圧力１０％で約１（１分間ホ、
ドブレスし、カス拡散！極を得ることができる。
ドブレスし、カス拡散！極を得ることができる。
次に本発明が適用された電極を備えた燃料！池の特性を
第２図および第３図に示す。Ｆ４ＪＪ２図は単セルにお
ける分極特性を示したものであるが、比較のため従来電
極の場合を併記してあり、曲線３が本発明の電極触媒層
を有するカス拡散電極１曲線４が従来のガス拡散電極を
用いたときの特性である。第２図から本発明に係る電極
触媒層は粒子径の異なる触媒粉末とこれら触媒粒子径と
同等の粒子径をもつＰＴＦＥ粒子からなる混合体を粒子
径の順序に電極基材に成層し触媒層とし、電極基材側で
触媒層穿孔を大きく、電解液側で小さくなるようにし、
ガス拡散性、電解液保持性の向上を図−Ｏたためこの電
極触媒層を用いたカス拡？電極は高電流密度に至るまで
高い出力電圧を示し、不均一粒度の触媒層をもった従来
のカス拡散電極に比べて高い触媒活性とガス拡散性が得
られ、良好な電気化学的反応を生じていることがわかる
。また第３図は即セルでの寿命を表すものであり、長期
間運転したときの電池の劣化速度に対応している。
第２図および第３図に示す。Ｆ４ＪＪ２図は単セルにお
ける分極特性を示したものであるが、比較のため従来電
極の場合を併記してあり、曲線３が本発明の電極触媒層
を有するカス拡散電極１曲線４が従来のガス拡散電極を
用いたときの特性である。第２図から本発明に係る電極
触媒層は粒子径の異なる触媒粉末とこれら触媒粒子径と
同等の粒子径をもつＰＴＦＥ粒子からなる混合体を粒子
径の順序に電極基材に成層し触媒層とし、電極基材側で
触媒層穿孔を大きく、電解液側で小さくなるようにし、
ガス拡散性、電解液保持性の向上を図−Ｏたためこの電
極触媒層を用いたカス拡？電極は高電流密度に至るまで
高い出力電圧を示し、不均一粒度の触媒層をもった従来
のカス拡散電極に比べて高い触媒活性とガス拡散性が得
られ、良好な電気化学的反応を生じていることがわかる
。また第３図は即セルでの寿命を表すものであり、長期
間運転したときの電池の劣化速度に対応している。
運転条件は電流密度２００ ｍＡ／ｍ 、温度１９℃で
ある。
ある。
第３図において曲線５が本発明による電極触媒層を用い
たカス拡散電極２曲Ｉｗ６が従来のカス拡散電極を用い
たときの電池の性能を示している。第３図かられかるよ
うに本発明に係るカス拡散電極をもつ電池では長時間運
転してもｍカミ圧が低下することなく、はぼフラットな
直線となっているのに対し、従来のカス拡散電極の電池
は性能劣化が速い。
たカス拡散電極２曲Ｉｗ６が従来のカス拡散電極を用い
たときの電池の性能を示している。第３図かられかるよ
うに本発明に係るカス拡散電極をもつ電池では長時間運
転してもｍカミ圧が低下することなく、はぼフラットな
直線となっているのに対し、従来のカス拡散電極の電池
は性能劣化が速い。
この発明によれば触媒粒子とフッ素樹脂の粒子からなり
、電極基材と電解液種とで挾持された燃料電池用電極触
媒層において一触媒粒子の粒径につき電極基材側は大き
く、電解液層側は小さい粒度勾配をもった触媒粒子を備
えるので電極触媒層の電極基板側においては大きな空孔
、！無液層側では小さい空孔が形成され、その結果電極
基板側の反応カスの供給拡散が大きくなり、電解液層側
では電Ｗ４液の保持性が良くなって三相界面の量が８”
！え、分極特性が向上するとともｉこ、長期信順性に優
れる燃料電池用電極触媒層を提供することが可能になる
。
、電極基材と電解液種とで挾持された燃料電池用電極触
媒層において一触媒粒子の粒径につき電極基材側は大き
く、電解液層側は小さい粒度勾配をもった触媒粒子を備
えるので電極触媒層の電極基板側においては大きな空孔
、！無液層側では小さい空孔が形成され、その結果電極
基板側の反応カスの供給拡散が大きくなり、電解液層側
では電Ｗ４液の保持性が良くなって三相界面の量が８”
！え、分極特性が向上するとともｉこ、長期信順性に優
れる燃料電池用電極触媒層を提供することが可能になる
。
第１図はこの発明の実施例に係る電極触媒層を用いたカ
ス拡散電極の模式断面図、第２図はこの発明の実施例に
係る電極触媒層を用いたガス拡散はこの発明の実施例に
係る電極触媒層を用いたカッ素樹脂の粒子の粒度分布図
、第５図は従来の電極触媒層を用いたガス拡散電極の模
式断面図である。 ＩＡ、ＩＢ・・・触媒粒子、２Ａ、２Ｂ・・・フッ素樹
脂の粒子、１０・・・′α電極基材１１・・・電極触媒
層。 第 図 第 図 ′Ｊｒｋイ蚤（μｍ） 第 図 第 図
ス拡散電極の模式断面図、第２図はこの発明の実施例に
係る電極触媒層を用いたガス拡散はこの発明の実施例に
係る電極触媒層を用いたカッ素樹脂の粒子の粒度分布図
、第５図は従来の電極触媒層を用いたガス拡散電極の模
式断面図である。 ＩＡ、ＩＢ・・・触媒粒子、２Ａ、２Ｂ・・・フッ素樹
脂の粒子、１０・・・′α電極基材１１・・・電極触媒
層。 第 図 第 図 ′Ｊｒｋイ蚤（μｍ） 第 図 第 図
Claims (1)
- １）触媒粒子とフッ素樹脂の粒子からなり、電極基材と
電解液層とで挾持された燃料電池用電極触媒層において
一触媒粒子の粒子径につき電極基材側は大きく、電解液
層側は小さい粒度勾配をもった触媒粒子を備えることを
特徴とする燃料電池用電極触媒層。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63166607A JPH0218861A (ja) | 1988-07-04 | 1988-07-04 | 燃料電池用電極触媒層 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63166607A JPH0218861A (ja) | 1988-07-04 | 1988-07-04 | 燃料電池用電極触媒層 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0218861A true JPH0218861A (ja) | 1990-01-23 |
Family
ID=15834438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63166607A Pending JPH0218861A (ja) | 1988-07-04 | 1988-07-04 | 燃料電池用電極触媒層 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0218861A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0467569A (ja) * | 1990-07-09 | 1992-03-03 | Fuji Electric Co Ltd | 燃料電池の電極 |
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| WO2008013293A1 (fr) | 2006-07-24 | 2008-01-31 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Ensemble pour pile à combustible, pile à combustible et procédé de fabrication de pile à combustible |
Citations (1)
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| JPS60262356A (ja) * | 1984-06-08 | 1985-12-25 | Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd | 燃料電池用ガス拡散電極の製造方法 |
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1988
- 1988-07-04 JP JP63166607A patent/JPH0218861A/ja active Pending
Patent Citations (1)
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