JPH0282455A - ガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体及びその撥水化処理方法 - Google Patents

ガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体及びその撥水化処理方法

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JPH0282455A
JPH0282455A JP63231997A JP23199788A JPH0282455A JP H0282455 A JPH0282455 A JP H0282455A JP 63231997 A JP63231997 A JP 63231997A JP 23199788 A JP23199788 A JP 23199788A JP H0282455 A JPH0282455 A JP H0282455A
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JP
Japan
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fine powder
water
repellent
gas diffusion
diffusion electrode
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JP63231997A
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Masahiro Watanabe
政廣 渡辺
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
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    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、撥水性に優れ且つガス供給能が従来のものよ
りも格段に優れたガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体
ならびにその撥水化処理方法に関する。
(従来技術とその課題) 触媒層と該触媒層に接するガス供給層から成る燃料電池
等のガス拡散電極の前記ガス供給層は、例えばカーボン
ブラック等と撥水性のポリテトラフルオロエチレン(以
下PTFEという)の微粉体の混合物を塗布又は圧着す
るなどした後、使用されている。あるいはまたカーボン
ペーパーにPTFEを付着シンターさせ、使用されてい
る。しかしガス供給層は、長時間に渡ってガス供給能を
維持するためには、多量のPTFEの添加を必要とし、
その結果カーボンブラック粒子間の細孔が前記PTFE
により閉塞されてガス供給能の低下を招き、その結果電
池などに使用したとき性能の低下をきたすものである。
他方、前記触媒層はガス流通路と電解液流通路とを有し
、前記ガス供給層から供給された反応ガスは前記触媒層
中のガス流通路中を拡散し、これと接する電解液中に溶
解して、該電解液中の触媒上で電極反応を行うようにな
っている。
しかしながら触媒層中においても、例えばリン酸型燃料
電池等で見られるように、長時間運転により前記ガス流
通路中に電解液が浸入し、ガス供給能が低下して、これ
により電池性能の極端な低下を招来する。これを回避す
べく撥水剤の量を堆加させると触媒層中に電解力が入り
にくくなり、触媒が反応に関与できなくなり、やはり電
池性能の低下を来してしまうものである。
前記触媒層中のガス供給能と触媒反応の能力を両立させ
るための手段として、撥水性微粒子と触媒を含まないカ
ーボンブラック微粉末の混合物等と、撥水剤を含まない
触媒微粉末を混合し、これにより触媒層を形成する方法
が提案されている。
(特願昭60−162614号参照) しかしこの場合でも長時間ガス供給能を維持するために
は前記混合物中の撥水性微粒子の組成比を高くすること
が必要であり、必然的にガス供給能の低下を招いている
(発明の目的) 本発明は上記実情に鑑みなされたもので、従来技術では
解決できなかったガス供給能と触媒能との両者を併せ持
つガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体ならびにその撥
水化処理方法を提供することを目的とするものである。
(課題を解決するための手段) 上記課題を解決するための本発明のガス拡散電極構成用
微粉体・多孔質体は微粉末又は細い繊維の略全表面上に
、平均粒径が前記微粉末の粒径又は細い繊維の直径以下
である撥水性微粒子、或いは薄い膜が被覆されているこ
とを特徴とするものである。
前記微粉末又は細い繊維は、炭素、金属、酸化物、炭化
物、窒化物、ほう化物等から成るものであることが好ま
しい。
前記撥水性微粒子或いは薄い膜は、ポリテトラフルオロ
エチレン、テトラフルオロエチレン−パーフロロアルコ
キシエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキ
サフルオロプロピレン共重合体であることが好ましい。
また前記撥水性微粒子或いは薄い膜は、微粉末又は細い
繊維に対し20重量%以下になされていることが好まし
い。
また本発明のガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体の撥
水化処理方法は、微粉末又は細い繊維の略全表面に、平
均粒径が前記微粉末の粒径又は細い繊維の直径以下であ
る撥水性粒子或いは薄い膜をその気体状モノマーの直接
重合により合成被覆して、撥水化処理することを特徴と
するものである。
前記撥水性微粒子或いは薄い膜は、微粉末又は細い繊維
をシート状に成形する前とシート状に成型した後に気体
状モノマーの直接重合により合成被覆して撥水化処理す
る場合がある。
(作用) 上述の如く本発明のガス拡散電極構成用微粉体・多孔質
体は、微粉末又は細い繊維の略全表面上に、平均粒径が
前記微粉末の粒径又は細い繊維の直径以下である撥水性
微粒子、或いは薄い膜が被覆されているので、これによ
り構成したガス拡散電極は、燃料電池の陽極として長時
間使用しても電解液が撥水性粒子の被覆されていない部
分を通して浸入することがなく、前記微粉末又は細い繊
維により形成されるガス流通路が閉塞されてガス供給能
が低下することが防止される。従って、ガス拡散電極の
ガス供給層又は触媒層のいずれかの層の撥水性材料とし
て本発明の微粉体や多孔質体を使用しても撥水性に優れ
、ガス供給能が劣化することの無いガス拡散電極を得る
ことができる。
また本発明のガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体の撥
水化処理方法は、微粉末又は細い繊維の略全表面に、平
均粒径が前記微粉末の粒径又は細い繊維の直径以下であ
る撥水性粒子或いは薄い膜をその気体状モノマーの直接
重合により合成して、撥水化処理するので、そのままガ
ス拡散電極を構成するのに使用でき、またそれをさらに
高温でシンターして用いることができる。しかもこのよ
うに撥水化処理することにより、撥水性微粒子或いは薄
い膜は、微粉末又は細い繊維に対し20重量%以下にし
ても、従来多量の撥水化処理剤を用いた場合と同等又は
それ以上の撥水性を確保でき、しかも高いガス透過性が
得られる。
(実施例) 本発明のガス拡散電極構成゛用微粉体・多孔質体の実施
例を本発明の撥水化処理方法によって製作した場合を以
下に説明する。
先ず第1実施例について説明する。2000℃の熱処理
によりグラファイト化処理したカーボンブラック(BE
T表面積600m’/ g ) 10 gを500rn
lのパラフィンのトリクロロエチレン溶液(10wt%
)に浸し、50℃で乾燥後、過硫酸アンモニウム(30
0mg)およびパーフロロオフタル酸(20mg)のメ
タノール溶液にひたした後、同じ<50℃で乾燥した。
次にミキサーで微粉砕後、容積11オートクレーブ中に
充填した。窒素ガス導入による脱酸素後、テトラフルオ
ロエチレン(以下TFEと略す)を導入(1気圧)し、
50℃において付属の撹拌器でカーボンブラックが粉流
体となるように20分間激しく撹拌した。未反応のTF
Eは窒素ガスで置換した後、試料を取り出した。そして
反応前後の重量変化により10.2wt%の重量増があ
り、明らかに重合付着したポリテトラフルオロエチレン
(PTFE)が得られることが判った。走査電子顕微鏡
(SEM)、透過電子顕微鏡(TEM)のいずれによっ
てもカーボンブラック粒径相当以上のPTFE粒子は全
く認められなかったが、微粒子が集まって一見連続膜と
して認められた。この粉体に結着用として重量%で5%
の通常のPTFEファインパウダーを混合し、それを治
具に入れ、50kg/ cmで加圧成型し、330℃、
10分間加熱して多孔質板とした。
一方これと比較のため、PTFEの付着前の原料カーボ
ンブラックと5%PTFEファインパウダーを混合し、
それを治具に入れ、50kg/Crdで加圧成形し、3
30℃、10分間加熱して多孔質板とした。
さらにこれと比較のため、同一カーボンブラックと従来
より用いられているPTFEディスバージョンとを混合
後、脱水、乾燥した粉体を同様にして多孔質板に形成し
た。各サンプルを100%リン酸を含浸させたカーボン
フェルトに荷重にかけて乗せ、190℃オーブン中に保
持し、リン酸の飽和吸収量を測定した。
本発明によるサンプルは僅か15wt%PTFE徽(う
ち5%は成型のため結着剤として後で加えた通常のファ
インパウダー)にもかかわらず、実験誤差範囲内で、リ
ン酸の吸収は全く認められなかった。他方、原料カーボ
ンブラックと5%PTFEファインパウダーのサンプル
はその細孔体積の95%以上がリン酸で満たされている
ことが判った。
これにて撥水化処理効果の(号泣性は明白である。
尚、過酸化水素処理をしていないカーボンブラックでは
、上述と全く同じ1水化処理工程にもかかわらず、実験
誤差の範囲に於いて、TFEの重合反応は認められなか
った。これにて過酸化水素の重合促進効果は明白である
次に第2実施例について説明する。前記実施例と同じカ
ーボンブラックを前記と同じパラフィン処理後、パーフ
ロロオフタル酸(20mg)のメタノール溶液に浸し、
50℃で乾煙して、これを5キサ−で粉砕する。蒸留水
600mfと共に同じオートクレーブ中に充填し、窒素
ガスバブルにより脱酸素後、前記実施例と同様にしてT
FEを導入した。
付属の撹拌器でカーボンブラックが粉流体になるよう激
しく撹拌しながら50℃において1時間の反応後、未反
応のTFEを窒素置換して試料を取り、出した。9.7
%のP T F Eが重合付着したことが判った。この
場合にもSEM、TEMいずれによってもカーボンブラ
ンク粒径以上のPTFE粒子は全く認められなかった。
(発明の効果) 以上の説明で判るように本発明のガス拡散電極構成用微
粉体・多孔質体は、微粉末又は細い繊維の略全表面上に
、平均粒径が前記微粉末の粒径又は細い繊維の直径以下
である撥水性微粒子或いは薄い:iλが被覆されている
ので、これにより構成したガス拡散電極は、燃料電池の
陽極として長時間使用しても電解液が撥水性粒子の被覆
されていない部分を通して浸入することがなく、前記微
粉末文(↓細い繊維により形成されるガス流通路が閉塞
されて、ガス供給能が低下することが防止される。
従って、ガス拡散電極のガス供給層又は触媒層のいずれ
かの層の撥水性材料として本発明の微粉体や多孔質体を
使用しても撥水性に優れ、ガス供給能が劣化することの
無いガス拡散電極を得ることができる。
また本発明のガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体の撥
水化処理方法は、微粉末又は細い繊維の略全表面に、そ
れらより径の小さい撥水性粒子或いは薄い膜をその気体
状モノマーの直接重合により合成して、撥水化処理する
ので、そのままガス拡散電極を構成するのに使用でき、
またそれをさらに高温でシンターして用いることができ
る。しかもこのように撥水化処理することにより、撥水
性微粒子或いは薄い膜は微粉末又は細い繊維に対し20
重量%以下にしても、従来多量の撥水化処理剤を用いた
場合と同等又はそれ以上の撥水性を確保てき、しかも高
いガス透過性が得られ、高性能のガス拡散電極を得るこ
とのできる微粉体・多孔質体が得られる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、微粉末又は細い繊維の略全表面上に、平均粒径が前
    記微粉末の粒径又は細い繊維の直径以下である撥水性微
    粒子、或いは薄い膜が被覆されていることを特徴とする
    ガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体。 2、微粉末又は細い繊維が、炭素、金属、酸化物、炭化
    物、窒化物、ほう化物等から成る請求項1記載のガス拡
    散電極構成用微粉体・多孔質体。 3、撥水性微粒子或いは薄い膜が、ポリテトラフルオロ
    エチレン、テトラフルオロエチレン−パーフロロアルコ
    キシエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキ
    サフルオロプロピレン共重合体である請求項1記載のガ
    ス拡散電極構成用微粉体・多孔質体。 4、撥水性微粒子或いは薄い膜が、微粉末又は細い繊維
    に対し20重量%以下になされている請求項1及び3記
    載のガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体。 5、微粉末又は細い繊維の略全表面に、平均粒径が前記
    微粉末の粒径又は細い繊維の直径以下である撥水性粒子
    或いは薄い膜をそのモノマーの直接重合により合成被覆
    して、撥水化処理することを特徴とするガス拡散電極構
    成用微粉体・多孔質体の撥水化処理方法。 6、撥水性微粒子或いは薄い膜は、微粉末又は細い繊維
    をシート状に成形する前にモノマーの直接重合により合
    成被覆して撥水化処理することを特徴とする請求項5記
    載のガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体の撥水化処理
    方法。 7、撥水性微粒子或いは薄い膜は、微粉末又は細い繊維
    をシート状に成形した後にモノマーの直接重合により合
    成被覆して撥水化処理することを特徴とする請求項5記
    載のガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体の撥水化処理
    方法。
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