JPH03208262A - 固体高分子電解質膜と電極との接合体の製造方法 - Google Patents

固体高分子電解質膜と電極との接合体の製造方法

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JPH03208262A
JPH03208262A JP2001066A JP106690A JPH03208262A JP H03208262 A JPH03208262 A JP H03208262A JP 2001066 A JP2001066 A JP 2001066A JP 106690 A JP106690 A JP 106690A JP H03208262 A JPH03208262 A JP H03208262A
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polymer electrolyte
electrolyte membrane
reaction
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Choichi Furuya
長一 古屋
Kuninobu Ichikawa
市川 国延
Ko Wada
和田 香
Isao Hirata
平田 勇夫
Hiroshi Nakajima
宏 中嶋
Yoshiyuki Takeuchi
善幸 竹内
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    • HELECTRICITY
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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、固体高分子電解質膜と電極との接合体を製造
する方法に関し、その接合体を燃料電池や水電解等に用
いた場合に電池反応の効率が向上するように工夫したも
のである。
く従来の技術〉 燃料m池は、資源の枯渇問題を有する石化燃料を使う必
要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回収
効率も他のエネルギ機関と較べて非常に高くできる等の
優れた特徴を持っているため、例えばビルディング単位
や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用され
ている。
近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に代えて作動す
るモータの電源として利用し、とのモータにより車両等
をwAIIIすることが考えられている。この場合に重
要なことは、反応によって生成する物質をできるだけ再
利用することは当然のこととして、車載用であることか
らも明らかなように、余り大きな出力は必要でないもの
の、全ての付帯設備と共に可能な限り小型であることが
望ましく、このような点から固体高分子電解質膜燃料電
池が注目されている。
ここで、一例として固体高分子電解質膜燃料電池本体の
基本構造を第4図を参照しながら説明する。同図に示す
ように、電池本体01は固体高分子電解質1j02の両
側にガス拡散電極o3A,03Bが接合されることによ
り構成されている。そしてこの接合体は、固体高分子電
解質膜02の両側にガス拡散電極03A,03Bを合せ
た後、ホットプレス等することにより製造される。また
、ガス拡散S極03A,03Bはそれぞれ反応MU 4
 A,04B及びガス拡散$0 5 A., 0 5 
Bカ接合されたものであり、電解質膜02とは反応膜0
4A,04Bの表面が接触している。したがって、電池
反応は主に電解質膜02と反応膜04A,04Bとの間
の接触面で起こる。
例えばガス拡散電極03Aを酸素極、ガス拡散電aii
03Bを水素極とし、各々のガス拡散膜05A,05B
を介して酸素,水素を反応膜04A,04B側へ供給す
ると、各反応膜04A,04Bと電解質膜02との界面
で次のような反応が起こる。
反応膜04Aの界面: 0 +4 H”+4 e −2 H 0反応膜04Bの
界面: 2 H →4 H +4 e ここで、4Kは電解質膜02を通って水素極から酸″素
極へ流れるが、4eiよ負荷06を通って水素極から酸
素極へ流れることになり、電気エネルギーが得られる。
〈発明が解決しようとする課題〉 上述した構成の燃料電池本体01では、電池反応は主に
、電解質WA02と各反応膜04A,04Bとの接触面
で起こるので、電池性能を向上させるには電極自体を大
きくしなければならないというR題がある。
すなわち、例えば燃料電池の小型化を追求するためには
、上述した電池本体01の単位体積当りの電池反応の向
上が必須となる。これは、水電解等を行う場合にも同様
である。
本発明はこのような事情に鑑み、燃料電池や水電解等に
用いた場合に電池反応効率が大幅に向上する、固体高分
子電解質膜と電極との接合体の製造方法を提供すること
を目的とずる。
〈課題を解決するための手段〉 前記目的を達成する本発明に係る固体高分子電解質膜と
電極との接合体の製造方法は、反応膜とガス拡散膜とか
らなる2枚のガス拡散電極の反応膜側で固体高分子電解
質膜を挾んだ挾持体を、溶媒中で加熱・加圧することに
より接合体とすることを特徴とする。
本発明で固体高分子電解質膜とCよ水が共存しても液体
にならない電解質膜をいい,例えばパーフルオロスルフ
オン酸ポリマー膜(ナフィオン:商品名)を挙げること
ができる。
一方、ガス拡散電極は反応膜とガス拡散膜とを接合して
なる也のなど、従来から知られているもの(例えば、特
開昭62−154571号公報#照)でよい。ここで、
反応膜は一般に、例えば白金金属及び/又はその酸化物
の他、Pt, Pd及び/又ぱIr等に}to,Sn等
を合金化したもの等からなる触媒若しくは触媒を担持さ
せた親水性カーボン黴粒子をフッ素樹脂等に分散させた
ものである。
本発明方法では、2枚のガス拡散電極で固体高分子電解
質膜を挾持した挾持体を溶媒中で加熱・加圧(ホットプ
レス)することにより接合体とする。ここで、溶媒とは
、メタノール,エタノール,イソプロパノールなどのア
ルコール類、アセトンなどのケトン類あるいはエーテル
類などの有機溶媒から選んだ一種以上からなる純粋な有
機溶媒から有機溶媒と水との混合溶媒までをいい、例え
ば、アルコールに水を50%以上添加してなるアルコー
ル水溶液が好適である。また、溶媒中でホッl・プレス
する方法としては、空気中で挾持体とした後これを溶媒
中に浸漬するようにしてもよいし、溶媒中で挾持体とし
てもよく、要は、ホットプレスのときに少なくとも挾持
体の周囲に溶媒が存在するようにすればよい。
なお、接合後は溶媒を除去した後接合体とする必要があ
る。
本発明方法によると、固体高分子電解質膜が溶媒中で軟
化又はその一部が溶解してl!潤した状態となるので、
ガス拡散電極との接合が容易となる。しかも、このとき
固体高分子電解質膜がガス拡散電極の反応膜内に入り込
み易いので触媒反応が生じる面積が大きくなり、また、
結果的に固体高分子電解質膜がきわめて薄くなるのでイ
オン導電の抵抗が低下するという効果を奏する。
く実 施 例〉 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
平均粒径50人の白金と平均粒径450人の親水性カー
ボンブラックと平均粒径0.3μのポリテトラフルオロ
エチレンとが0773の割合で成る親水性反応膜と、平
均粒径420人の疎水性カーボンブラックと平均粒径0
.3μのポリテトラフルオロエチレンとが7 3の割合
から成る疎水性ガス拡散膜と平均粒径0.31のガス拡
散電極(W−さ0. 6 wm )を製造した。
ここで、親水性反応幕及び疎水性ガス拡散膜Lよ、白金
以外の各原料粉末にソルベントナフサ、アルコール、水
、炭化水素などの溶媒を混合した後、圧縮成形すること
により得ることができる。そして、これらを重ねて圧延
し、親水性反応膜側に、塩化白金酸化還元法にょりpt
o.ss.g/cIlを担持させろことによりガス拡散
電極とした。
このような2枚のガス拡散電極の間に、0.17+w[
のバーフルオロスルフォン酸ホリマー膜(ナフィオン:
デュポン社製)をはさみ、イソブロビルアルコールと純
水との1:1の混合液中にて120〜130℃で60秒
間、60kg/cI17の条件でホットプレスし、接合
体とした。
本実施例に用いたホットプレス装置を第1図に示す。同
図に示すように、この装置ζよ上型コ]及び下型]2を
有し、この上型11及び下型l2の間にOリング13を
挾持することにより外気と遮断されるプレス室14が形
成できるようになっており、このプレス室14内で2枚
のガス拡散電極で固体高分子Ti解質膜を挾んだ挾持体
15をホットプレスする構造となっている。そして、下
型12にはプレス室13に連通するアルコール供給通$
16及びアルコール排出通路工7が形成されており、こ
れら通路16.17を介してプレス室14内にアルコー
ルを充たすことができるようになっている。一方、上型
11及び下型l2の上,下側にはこれら上・下型11.
12を加熱するためのヒータ1.8,19が設けられて
いる。また、上型11内には渇度センサ20が設けられ
ている。
このような装置を用いてホットプレスを実施するには下
型12上にOリング13を載置し、この中に2枚のガス
拡散t4極で固体高分子電解質膜を挾んだ挾持体15を
載雪する。
この状態で上型11を合わせた後、アルコール供給通路
16からイソプロパノールと純水との1 1の混合液を
アルコール排出通路17から排出するまで供給する。そ
して、このようにプレス室14内にアルニールを適度に
満たした状態で設定温度に加熱しつつ加圧する。
加熱後、プレス室14に冷却水を流してプレス室14の
温度を下げ、治具をはずして接合体を取り出す。この接
合体を100℃位の純水の流れの中に浸たし、アルコー
ル除去することにより上述したような接合体が作成され
ろ。なお、アルコールの除去方法は、特に限定されず、
例えばN2雰囲気中で100℃以下に恒温檀内で蒸発さ
せることを可能である。
このようにして製造した接合体を2枚のガスセパレータ
で挾持し、発電試験を行った。
第2図はその状態を概念的に示したものである。
第2図中、1は固体高分子電解質膜、2A,2Bはガス
拡散電緬であり、ガス拡散電極2A,2Bはそれぞれ反
応1[3A,3B及びガス拡散膜4A,4Bからなる。
また、5,6はガスセバレー夕である。ガスセパレータ
5は水T:極となるガス拡散電極2人に水素を供給する
ための水素供給溝5aとガス拡散電極2人を冷却する冷
却水を流すための冷却水供給溝5bとを交互に有してお
り、ガスセパレータ6はm素極となるガス拡散電極2B
に酸素を供給するための酸素供給溝6aを有していろこ
のような構成において、ガスセパレータ5へ水素及び冷
却水を供給すると共にガスセパ1ノ一夕6へ酸素を供給
し、発電テストを行った。なお、酸素はガス圧1kg/
cjG,流量2. 6 / / win,水素はガス圧
o,akg7cic.,FA量2.01/llinとし
、冷却水温度1よ70℃とした。また、ガス拡散電gi
i2A,2Bの有効面積は12X12emてあった。
比較のため、溶媒中ではなく空気中で同様ホッ7・プレ
スした以外は上述したものと同様の接合体を用い、上記
実施例と同様にして発電テストを行った。
これらの結果を第3図に示す。この結果からも明らかな
ように、本発明方法による接合体を用いた場合には、電
池反応の効率が向上し、出力が上昇するという効果を奏
した。
4 く発明の効果〉 以上説明したように、本発明方法によると、固体高分子
電解質膜がアルコール中で軟化若しくは溶解した状態で
ガス拡散電極とが接合されるので、接合が容易にでき且
つ固体高分子電解質膜が反応膜内に入り込んで接触によ
り触媒反応が生じる面積が増大すると共に膜自体が薄く
なるので、イの移動抵抗が低減されろ。したがって本発
明方法による接合体を燃料電池や水電解等に用いると反
応効率が増大し、高出力化するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を実施するための装置を示す
*,t図、第2図はその試験方法を示す概念図、第3図
は発電テストの結果を示すグラフ、第4図は従来技術に
係る固体高分子電解質膜燃料電池を示す概念図である。 図  面  中、 1は固体高分子電解質膜、 2A,2Bはガス拡散電極、 3A.,3Bは反応膜、 4A,4Bはガス拡散膜、 5,6はガスセバレータ、 5aは水素供給溝、 5bは冷却水供給溝、 6aは酸素供給溝、 11は上型、 12は下型、 13はOリング、 14はプレス室、 15は挾持体、 16はアルコール供給通路、 17ぱアルコール排出通略、 18,19はヒータ、 20は温度センサである。 特  許  出  願 人 三菱重工業株式会社 代    理    人

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 反応膜とガス拡散膜とからなる2枚のガス拡散電極の反
    応膜側で固体高分子電解質膜を挾んだ挾持体を、溶媒中
    で加熱・加圧することにより接合体とすることを特徴と
    する固体高分子電解質膜と電極との接合体の製造方法。
JP2001066A 1990-01-09 1990-01-09 固体高分子電解質膜と電極との接合体の製造方法 Pending JPH03208262A (ja)

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