JPH0218862A - 燃料電池用電極触媒層の製造方法 - Google Patents
燃料電池用電極触媒層の製造方法Info
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- JPH0218862A JPH0218862A JP63166609A JP16660988A JPH0218862A JP H0218862 A JPH0218862 A JP H0218862A JP 63166609 A JP63166609 A JP 63166609A JP 16660988 A JP16660988 A JP 16660988A JP H0218862 A JPH0218862 A JP H0218862A
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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
- H01M4/8636—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells with a gradient in another property than porosity
- H01M4/8642—Gradient in composition
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- 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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- General 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〕
この発明は燃料電池用電極触媒層の製造方法に係り、特
に触媒粒子が粒度勾配を有する電極触媒層の製造方法に
関する。
に触媒粒子が粒度勾配を有する電極触媒層の製造方法に
関する。
例えばリン酸を電解質とする燃料電池はリン酸電解液を
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、これら両電極はいずれも多花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により、両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、面接電気
エネルギーを取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′電池特性は両電極に設
けられる触媒層の性能に影響される所が太きい。
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、これら両電極はいずれも多花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により、両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、面接電気
エネルギーを取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′電池特性は両電極に設
けられる触媒層の性能に影響される所が太きい。
第5図は燃料電池に用いられる空気また(工水素の拡散
電極の構造を模式的な断面図で示したものである。第5
図においてガス拡散電極は電極基材Aと電極触媒層Bの
二つの領域からなっている。
電極の構造を模式的な断面図で示したものである。第5
図においてガス拡散電極は電極基材Aと電極触媒層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領域の電極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
要な適度のはり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lこ分散さ
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、l11゜軸は全粒
子量に対する重量比が示しであるが、曲#J17はカー
ボン粉末2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0.1〜0.4/Jm 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0.1〜5μm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りてい
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。
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領域の電極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
要な適度のはり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lこ分散さ
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、l11゜軸は全粒
子量に対する重量比が示しであるが、曲#J17はカー
ボン粉末2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0.1〜0.4/Jm 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0.1〜5μm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りてい
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径を有するカーボン粒子に貴会1
を担持した触媒を用いて電極触媒層を作製する場合、一
般に界面活性剤の入った分散媒(例えばイオン交換水)
中に前記貴金属担持カーボン触媒粉末とPTF’E(ポ
リテトラフロロエチレン)等のフッ素樹脂粉末を超音波
ホモジナイザー ウルトラディスパーサ等を用い高分散
比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。
を担持した触媒を用いて電極触媒層を作製する場合、一
般に界面活性剤の入った分散媒(例えばイオン交換水)
中に前記貴金属担持カーボン触媒粉末とPTF’E(ポ
リテトラフロロエチレン)等のフッ素樹脂粉末を超音波
ホモジナイザー ウルトラディスパーサ等を用い高分散
比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′ayL極触媒
層は電極触媒層内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m極基材側では十分なカス拡散性が
、また電解液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。
層は電極触媒層内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m極基材側では十分なカス拡散性が
、また電解液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、1E電解液側は小さ
くなるようにして分極特性と長期信頼性に優れる燃料電
池用電極触媒層の製造方法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、1E電解液側は小さ
くなるようにして分極特性と長期信頼性に優れる燃料電
池用電極触媒層の製造方法を提供することにある。
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、電極基拐
lOと電解液層とで挾持された電極触媒、I&11であ
って触媒粒子の粒子径につき電極基材側と電解液層側と
の間に粒度勾配をもたせた電極触媒層11の製造方法に
おいて、触媒粒子を分級し、電極基材上に、分級された
触媒粒子を大きさの順に用いて成膜することにより達成
される。
lOと電解液層とで挾持された電極触媒、I&11であ
って触媒粒子の粒子径につき電極基材側と電解液層側と
の間に粒度勾配をもたせた電極触媒層11の製造方法に
おいて、触媒粒子を分級し、電極基材上に、分級された
触媒粒子を大きさの順に用いて成膜することにより達成
される。
電極基材側より電解液層側へ触媒粒子の大きさが階段状
に小さくなる。
に小さくなる。
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ガ
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lOの上には電極触媒層11が結着されている。電極
触媒層11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lOの上には電極触媒層11が結着されている。電極
触媒層11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1!電極触媒は以下のようにして調製される
。カーボン粒子を超音波分散器などにより溶媒中に分散
したとき、カーボン粒子の沈降速度がその粒子径により
異tC,ることを利用して遠心分離法を用いて溶媒中に
分散されたカーボン粒子から、粒子径毎にほぼ同一のカ
ーボン粒子を分離選別することができる。
。カーボン粒子を超音波分散器などにより溶媒中に分散
したとき、カーボン粒子の沈降速度がその粒子径により
異tC,ることを利用して遠心分離法を用いて溶媒中に
分散されたカーボン粒子から、粒子径毎にほぼ同一のカ
ーボン粒子を分離選別することができる。
第1表1cは、白金微細結晶を10 wt%世持したカ
ーボン粉末、り触媒粉末について分散媒に純水を用い、
遠心分離器の回転数を500〜1000 rpm 。
ーボン粉末、り触媒粉末について分散媒に純水を用い、
遠心分離器の回転数を500〜1000 rpm 。
沈降距離lOαとして触媒粒子径と沈降速度の概算値を
示した。
示した。
純水的500 mlの中に白金を10wt%担持したカ
ーボン触媒粉末を約100g加え、超音波ホモジナイザ
ーを用いて約n分間回転させて作製した分散液を遠心分
離器にセットして回転数50Orpmで3分間回転させ
て粒子径3.0μ01以上のカーボン触媒粉末を沈澱分
離し、分級触媒(a)を得た。次に上澄液を再び回転数
500 rpmで11分間回転し、粒子径的3μm〜1
.0pmのカーボン触媒粉末を沈澱分離し、分級触媒(
blを、更に上澄液を回転数を100Orpmに上げ約
n分間回転させ、粒子径1.0μm〜0.4pmのカー
ボン触媒粉末を沈澱分離し、分級触媒(c)を、m 後
tこ上澄液を回転数1100Orpで約360分間回転
し2粒子径0.4μm以下のカーボン触媒粉末を沈澱分
離し、分級触媒(dlを得た。
ーボン触媒粉末を約100g加え、超音波ホモジナイザ
ーを用いて約n分間回転させて作製した分散液を遠心分
離器にセットして回転数50Orpmで3分間回転させ
て粒子径3.0μ01以上のカーボン触媒粉末を沈澱分
離し、分級触媒(a)を得た。次に上澄液を再び回転数
500 rpmで11分間回転し、粒子径的3μm〜1
.0pmのカーボン触媒粉末を沈澱分離し、分級触媒(
blを、更に上澄液を回転数を100Orpmに上げ約
n分間回転させ、粒子径1.0μm〜0.4pmのカー
ボン触媒粉末を沈澱分離し、分級触媒(c)を、m 後
tこ上澄液を回転数1100Orpで約360分間回転
し2粒子径0.4μm以下のカーボン触媒粉末を沈澱分
離し、分級触媒(dlを得た。
次にこれらの分級触媒に、それぞれ所定Hの純水を加え
、再び超音波ホモジナイザーで分散を行ったのち、分級
触媒(a)に対しては平均粒子径約4.0/jQ1の、
分級触媒(blに対しては平均粒子径約2.0Pm。
、再び超音波ホモジナイザーで分散を行ったのち、分級
触媒(a)に対しては平均粒子径約4.0/jQ1の、
分級触媒(blに対しては平均粒子径約2.0Pm。
分級触媒(clに対しては平均粒子径0.4μm1分級
触媒(d)に対しては、平均粒子径0.1μmのPTF
E 粉末を、それぞれの分級触媒に対し約45 wt
%添加し、触媒分散塗布液(a、b、c、+j)を作製
する。
触媒(d)に対しては、平均粒子径0.1μmのPTF
E 粉末を、それぞれの分級触媒に対し約45 wt
%添加し、触媒分散塗布液(a、b、c、+j)を作製
する。
続いて、これら触媒分散塗布液を予じめPTFE等のフ
ッ素樹脂ではつ水処理の施された電極基材上に触媒粒子
の大きい触媒分散塗布液aから順次す。
ッ素樹脂ではつ水処理の施された電極基材上に触媒粒子
の大きい触媒分散塗布液aから順次す。
c、dと所定厚さに吸引塗布を行い、(資)℃、窒素ガ
スふん囲気中で約2時間乾燥したのち、PTFEの溶融
する温度350〜360℃で約5分間熱処理を施こし、
燃料電池用ガス拡散電極を得た。
スふん囲気中で約2時間乾燥したのち、PTFEの溶融
する温度350〜360℃で約5分間熱処理を施こし、
燃料電池用ガス拡散電極を得た。
なお本発明の実施例では、触媒層作製方法として、吸引
塗布法について述べたが、これまで一般に用いられてい
るスプレー法、スクリーン印刷法。
塗布法について述べたが、これまで一般に用いられてい
るスプレー法、スクリーン印刷法。
カレンダーロール法にても同様に電極触媒層を作製する
ことが出来る。
ことが出来る。
次に本発明が適用された電極を備えた燃料電池の特性を
第2図および第3図に示す。第2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
るガス拡散電極、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l) T F E粒子からなる混合体を粒
子径の順序に電極基材に積層し触媒層とし、電極基材側
で触媒層空孔を大きく、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ったためこの電
極触媒層を用いたカス拡散電極は高電流密度に至るまで
高い出力電圧を示し、不均一粒度の電極触媒層をもった
従来のガ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。
第2図および第3図に示す。第2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
るガス拡散電極、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l) T F E粒子からなる混合体を粒
子径の順序に電極基材に積層し触媒層とし、電極基材側
で触媒層空孔を大きく、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ったためこの電
極触媒層を用いたカス拡散電極は高電流密度に至るまで
高い出力電圧を示し、不均一粒度の電極触媒層をもった
従来のガ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図は単セルでの寿命を表すものであり、長期間
運転したときの1!池の劣化速度に対応している。運転
条件は電流密度200 mA/d 、 温度19℃で
ある。第3図において曲線5が本発明による電極触媒層
を用いたガス拡散電極1曲線6が従来のガス拡散電極を
耳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ガス拡散電極をもつ1!池では長
時間運転しても出力電圧が低下することがなく、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
は性能劣化がはやい。
運転したときの1!池の劣化速度に対応している。運転
条件は電流密度200 mA/d 、 温度19℃で
ある。第3図において曲線5が本発明による電極触媒層
を用いたガス拡散電極1曲線6が従来のガス拡散電極を
耳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ガス拡散電極をもつ1!池では長
時間運転しても出力電圧が低下することがなく、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
は性能劣化がはやい。
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
、電極基材と電解液層とで挾持された電極触媒層であっ
て触媒粒子の粒子径につき電極基材側と電解液層側との
間に粒度勾配をもたせた電極触媒層の製造方法において
、触媒粒子を分級し、電極基材上に、分級された触媒粒
子を大きさの順に用いて成膜するので、電極触媒層の電
極基板側においては大きな空孔、電解液層側では小さい
空孔が形成され、その結果電極基板側の反応ガスの供給
拡散が大きくなり、電解液層側では電解液の保持性が良
くなって三相界面の量が増え、分極特性が向上するとと
もに、長期信頼性(こ優れる燃料電池用を種触媒層を提
供することが可能になる。
、電極基材と電解液層とで挾持された電極触媒層であっ
て触媒粒子の粒子径につき電極基材側と電解液層側との
間に粒度勾配をもたせた電極触媒層の製造方法において
、触媒粒子を分級し、電極基材上に、分級された触媒粒
子を大きさの順に用いて成膜するので、電極触媒層の電
極基板側においては大きな空孔、電解液層側では小さい
空孔が形成され、その結果電極基板側の反応ガスの供給
拡散が大きくなり、電解液層側では電解液の保持性が良
くなって三相界面の量が増え、分極特性が向上するとと
もに、長期信頼性(こ優れる燃料電池用を種触媒層を提
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
ガ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糟鈍門 電極と従来のガス拡散電極の分極 、第3図ほこの
発明の実施例に係る電極触媒層を用いたガラ素樹脂の粒
子の粒度分布図、 第5図は従来の電 種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・・・電極基材、 11・・・電極触媒層。 第 図 肚8(μm) 第 図 第 図
ガ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糟鈍門 電極と従来のガス拡散電極の分極 、第3図ほこの
発明の実施例に係る電極触媒層を用いたガラ素樹脂の粒
子の粒度分布図、 第5図は従来の電 種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・・・電極基材、 11・・・電極触媒層。 第 図 肚8(μm) 第 図 第 図
Claims (1)
- 1)触媒粒子とフッ素樹脂の粒子とからなり、電極基材
と電解液層とで挾持された電極触媒層であって触媒粒子
の粒子径につき電極基材側と電解液層側との間に粒度勾
配をもたせた電極触媒層の製造方法において、触媒粒子
を分級し、電極基材上に、分級された触媒粒子を大きさ
の順に用いて成膜することを特徴とする燃料電池用電極
触媒層の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63166609A JPH0218862A (ja) | 1988-07-04 | 1988-07-04 | 燃料電池用電極触媒層の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63166609A JPH0218862A (ja) | 1988-07-04 | 1988-07-04 | 燃料電池用電極触媒層の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0218862A true JPH0218862A (ja) | 1990-01-23 |
Family
ID=15834477
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63166609A Pending JPH0218862A (ja) | 1988-07-04 | 1988-07-04 | 燃料電池用電極触媒層の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0218862A (ja) |
Cited By (4)
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 |
JP2002015743A (ja) * | 2000-06-30 | 2002-01-18 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
US6465041B1 (en) * | 2001-12-19 | 2002-10-15 | 3M Innovative Properties Company | Method of making gas diffusion layers for electrochemical cells |
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 |
-
1988
- 1988-07-04 JP JP63166609A patent/JPH0218862A/ja active Pending
Cited By (4)
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 |
JP2002015743A (ja) * | 2000-06-30 | 2002-01-18 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
US6465041B1 (en) * | 2001-12-19 | 2002-10-15 | 3M Innovative Properties Company | Method of making gas diffusion layers for electrochemical cells |
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 |
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