JPH03295168A - 燃料電池のガス拡散電極およびマトリックス製造方法 - Google Patents

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〕 この発明は、燃料電池の単電池を構成するガス拡散！極
の電極触媒層ま念はマトリックスを混合粉体音用いて行
う製造方法に関する。

〔従来の技術〕

第３図はりん酸型燃料電池の一般的な単電池の構成を嗟
開して示す斜視図であり、リプ付き電極構造とよばれる
単電池を例に示したものである。

図において、単電池１０は、電解質としてのりん酸を保
持する多孔性絶縁材からなるマトリックス層４全挾んで
その両側に一対のガス拡散電極１′１ｃ配した層状体か
ら々す、複数の単電池１０を積層面にガス不透過性のカ
ーボン板からなるセパレータ５を配して積層することＫ
よシ積層燃料電池（スタック）が構成される。

ガス拡散電極１１−ｉ、反応ガスの通路となる複数の溝
６を有するガス透過性ガーボン繊維板からなる電極基材
２と、その反リプ側の面く形成された電極触媒層３とか
らなり、電極触媒層３は電極触媒としての例えば白金を
担持したカーボンブラック粉末を、ポリテトラフルオロ
エチレン等の耐熱。

耐りん酸性を有する撥水性結着剤で結合して厚み２００
ないし３００μｍ程度の電極層を形成する。

また、一対のリプ付き電極基材２の溝６け、その方向が
互いに直交するよう積層され、一方の溝に燃料ガス６１
”’を供給し、他方の溝に酸化剤としての例えば空気を
供給すると、燃料ガスおよび空気（併せて反応ガスとよ
ぶ）はそれぞれの多孔性電極基材２を透過して電極触媒
層３の細孔中に拡散し、電極触媒粒子１勺ん酸、および
反応ガスが一対の電極触媒層中で三相界面を形成するこ
とによシ、電気化学反応に基づく直接発電が行われる。

ガス拡散性のよい電極触媒層を有するガス拡散電極全安
価に製造する方法としては、触媒を担持したカーボンブ
ラックとポリテトラフルオロエチレン等の撥水性結着材
の混合微粉末を電極基材２の表面に均等に散会し、その
後熱処理を行なって撥水性結着材によって結合した電極
触媒層３を形成する方法が知られておシ、触媒を担持し
たカーボンブラック粒子の表面を撥水性結着材の被膜で
コーティングした粉体を用い念ものも知られている。基
材表面に粉体を均一に散布する方法としては、粉体を収
容したふるいの下に粉体の付着面を上にした基材を置い
てふるいを振動させ、落下する粉体を基材の下面から吸
引して基材表面に付着させる方法や、水面上に散布した
粉体の１１を基材側に転写して付着させる方法、あるい
は粉体を空気輸送して基材の表面に均一な厚みに付着さ
せる方法などが知られておシ、いずれの場合も付着した
粉体を熱圧処理することＫよシ、第４図にその拡大断面
図を示すように１多孔性電極基材２の表面に電極触媒層
５が成層されたガス拡散電極１が形成される。

電解質を保持するマトリックスは、例えば粉体にりん酸
を加えて混練した原料を圧延ロールによってシート化す
る方法が一般的であるが、電極触媒層の表面にスクリー
ン印刷する方法も知られておシ、この場合には第５図に
示すようにガス拡散電極１の電極触媒層３の表面にマト
リックスが一様に固着した構造のものが得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

粉体を基材表面に付着させる方式では、布層し之粉体の
密度および堆積厚みが一様でないと、熱圧処理を行った
際電極触媒層の厚みや密度の面方向の分布が不均一にな
シ、これが原因で電極触媒層の細孔分布（通常細孔径１
０ｍμｍオーダまたは１００ｍμｍオーダ）も不均一に
なシ、反応ガスの拡散性能や三相界面の形成に悪影響を
及ぼし、したがって発電性能が低下するという問題を生
ずる。ふるいを用いた従来の散布方法では付着量の不均
一分布をブレードを用いてならす対策が知られているが
、付着力の強い粉体では粉体をならすことが困難であり
、上記問題点を回避できないのが実情である。

また、水面に散布した粉体を基材に転写する方法、また
は空気輸送による方法では、大面積（１−またはそれ以
上ンのガス拡散電極への適用が困難であるばかりか、混
合粉体の場合ＫＦ！その組成および混合状態が変化して
しまい、均質な電極触媒層を得難いという問題４＋ある
。さらに、基材表面に散布した粉体は基材表面に乗って
いるだけなので、風や振動によって粉体が移動したり飛
び散ってしまう之め）＼ンドリンクが悪く、かつこれが
均一な電極触媒層の性能に悪影響を及ぼすという問題も
ある。

一方、マトリックスの製造方法においても、シート状の
マトリックスを製造しようとする場合、ハンドリング可
能なマトリックスの厚みには限界があり、一般には１０
０μｍ以下の厚みのものは製造できないばかりか、多ぐ
の工程を必要とするためにその製造コストが高くなる欠
点がある。ま九、スクリーン印刷する方法では、製造コ
ストや厚みの面で有利になるが、出来上り念マトリック
ス層にピンホールが生じやすぐ、これが原因でガス不透
過性が低下しやすいために、マトリックスを挾む一対の
電極間で反応ガスのクロスオーツくが生じやすくなる危
険性がある。

この発明の目的＃′ｉ７、粉体の散布方法を改善するこ
とによ、！７．電極電極層はもとよシマトリックスに対
しても均一な厚みの薄層を容易く形成できる製造方法金
得ること忙ある。

〔諌Ｍを解決する九めσ手段〕

上記課ａｔ解決するために、この発明によれば、ガス拡
散電極の製造方法は多孔性電極基材と、その一方の面に
形成された電極触媒層とからなるガス拡散電極における
電極触媒層の製造方法であって、電極触媒粒子を担持ｊ
−たカーボンブラック粉末と撥水性結着材粉末との混合
粉体を高電界雰囲気中で滞電さセ、滞電した粉体粒子を
前記多孔性電極全集電極としてその表面に静電気力によ
って均一に付着させ、しかる後熱処理を施すことにより
電極触媒層を形成することとする。また、マトリックス
の製造方法はガス拡散電極の電極触媒層の表面に電解質
を保持するマトリックス層を形成する方法であって、セ
ラミック粉末と少量の撥水性結着材との混合粉体を高電
界雰囲気中で滞電させ、滞電し几粉体粒子會前記ガス拡
散電極全集電極としてその表面に静電気力によって均一
に付着させ、しかる後熱処理を施すことによｐマ）ｌツ
クス層金形成することとする。

〔作用〕

この発明の構成において、多孔性電極基材の表面に電極
触媒層を形成１−ようとする場合、電極触媒全担持り、
７’？カーボンブラツク微粉末と撥水性結着剤とを所定
の割合で混合した粉体音高電界下で帯電させ、電極基材
を集電極として帯電した粉体粒子を静電気力によって基
材表面に均一に付着させた後、圧熱処Ｎｉを施すよう構
成したことＫより、帯電した粒子は相互のクーロ／力に
よって粒塊を形成することなく電極基材の表面に静電気
力によって均一に分布して付着し、７１ンドリ／グの原
生ずる風や振動圧よって付着した粉体が脱落したシ移動
しなりすることを防止する機能が得られるので、圧熱処
理することにより、所望の大きさの細孔が均一に分布し
てガス拡散性に優れ、かつ薄く均一な厚みの電極触媒贋
金形成することができる。

また、マトリックス層を形成しようとする場合、シリコ
ンカーバイト（ＳｉＣ）等のセラミックス微粉末と撥水
性結着材との混合粉体を帯電させ、ガス波紋ＩＥ極全集
電極として電極触媒層の表面に帯電した混合粉体を静電
気力によって付着させるよう構成したことにより、電極
触媒層と同様に細孔が均一に分布してピンホールがなく
、かつ薄いマトリックス層をガス拡散電極の表面に容易
に形成できる機能が得られる。まな、熱圧処理する際、
電極触媒層側の撥水性結着材がマ）　ＩＪツクス層側に
移行して薄いマトリックス層の結着性を強化するよう機
能するので、混合粉体における結着材の配合量を従来よ
り更に少くすることが可能であり、これによって電解質
としてのりん酸の保持力を改善する機能が得られる。

〔実施例〕

以下この発Ｆ！Ａ’を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になるガス拡散電極の製造方
法の説明図であり、粉体帯電成膜装置を用いて電極触媒
層を形成する状ｍを断面図によって示している。図にお
いて、粉体帯電成膜装置１１は、接地された金Ｊｌ［製
の外箱１２および蓋板１４の内側に絶縁材）為らなる内
ｆｉｔ　３ｆ：：設け、内箱１３の底板の下面には背後
電離１５が設けられ、内箱１５の底板の上には帯電極１
６を有する絶縁材からなる受皿１７が載置され、受皿１
７には粉体１８が収容され、例えば互いに韮列接続され
九復数の金属細線で構成される帯電極１６が粉体１８中
に埋没し次状態となる。ま念、帯電した粉体粒子の集電
極となる多孔性電極基材２＃：を電極触媒層３を形成す
べき部分を残して金属箔からなるマスク２人で覆い、ハ
ンガー１９によって受皿１７の上方に所定の間隔を保持
して水平に吊され、かつ・・ンガー１９および蓋板１４
を介して接地される。粉体１８は、例えば電極触媒を担
持したカーボンブラック１００重量％と撥水性結着材と
してのポリテトラプルオロエチレン微粉末１００重量％
の混合粉体が用いられる。

上述の実施例において、帯電極１６と集電極２との間に
はブ１ツシング２６を介して［＋５！高圧電源２４から
ａｌ　０ＫＶオーダの直流高電圧を印加し、背後電極１
５ＫＦｉ帯電極１６との間に交流高圧電源２５から１５
ＫＶ程度の交流電圧を印加する。この状態では、細線状
の帯電極１６に電界が集中して微小放電（コロナ放電）
が発生してその近傍の粉体１８が帯電する。また、これ
と同時に背後電極１５に印加された５！流電界と帯電粒
子との間に反発、吸引力が発生して粉体が流動、攪拌さ
れ、帯電粒子の一部が舞い上がる。舞い上がった帯電粒
子は、帯電極１６と集電極である電極基材２との間の直
流電界圧によって加速され、帯電粉体２８Ｋが電極基材
２の表面に静電気力によって均一に付着し、粉体［２３
に形成する。粉体膜２３の厚みは、電界Ｅとその印加時
間との積によって制御することができる。なお、電極基
材２Ｆｉ粉体膜をその上面に付着させるよう）・ンガー
に吊してもよい。

このような方法によれば、同極性に帯電した粒子相互の
反発力によって粒塊を生ずることがなく、かつ帯電粉の
組成に変化？生ずることなく均一な厚みの粉体膜を形成
できるとともに、粉体＠２５が果ＩＥ礪である多孔性電
極基材２０表面に静電気力によって付着して、多少の風
や振動によって膜が脱落したシ移動したヤすることがな
いので、ハンドリング性が著しく改善される。したがっ
て、帯電成膜装置１１から取り出した後、例えば２８０
℃程度の加熱炉中で揮発分を蒸発させ、さらに５５０℃
程の高温中でと一ドブレス加工を施すことＫより、第４
図についてずでに説明したガス拡散電極１を得ることが
できる。なお５ｊ！施例方法によれば、粉体膜２３の厚
みおよび密度分布が均一なので、これをヒートプレスし
て得られる電極触媒層５の密度分布は均一であり、した
がってヒートプレス条件および粉体の粒径や混合比など
の条件の選択の仕方によル、例えば数１０ｍμｍ　オー
ダおよび１００ｍμｍオーダに細孔分布を有する電極触
媒層を安定して得ることができる。

一方マトリックスを製造しようとする場合、第１図にお
ける集電極を第４図ですでに！５２明したガス拡散電ｆ
ｆ１１に代えるとともに、粉体１８をシリコンカーバイ
）　（ＳｉＣ）と撥水性結着材としてのポリテトラフル
オロエチレン粉末との混合粉体に代えることにより、前
述と同様な製造方法によって厚み５０μｍｓ度の薄いマ
トリックス層４がガス拡散ＩＥ極を基材として形成され
次第５図に示す構造の層状体を製造することができる。

なお、ヒートプレス加工時Ｋ［極触媒層３中の結着材が
マトリックス層４１１に移行するので、混合粉体の配合
比はセラミックス微粉末１０に対して結着材の量を１程
度とすることができ、したがってマトリックス層の撥水
性を抑制してりん酸等の電解質の保持力を高めることが
できる。また、粉体層の厚みおよび密度の分布を均等化
できるので、得られたマトリックス層は厚みが均一でピ
ンホールがなく、したがって対向電極間での反応ガスの
クロスオーバの危険性が少いという特長が得られる。な
お、集電極としてのガス拡散電極における電極触媒層３
は、ｓｉ図に示す簑流側方法で成層したものであっても
、また従来の方法で成層したものであってもよい。

第２図はこの発明の異なる実施ｆ１ｆ！−示す！！２明
図で、１ｅｌｌす、直流高圧電源２４から高電圧が印加
される帯電極３２を内蔵した粉体スプレーガン３１は空
輸管５４ｔｌ−介して粉体容器５３に連通しており。

空輸管５４に送られる空気流によりて粉体１８を粉体ス
プレーガン３１に輸送すると、帯電極３２全通過する際
粉体は帯電し、帯電した粉体３８Ｋがノズルに対向して
配されな電極基材２の表面に吹き付けられ、静電気力に
よって集電極としての電層基材２の表面に付着し、粉体
１［３を形成する。したがって、スプレーガ／３１と電
極基材２との相対位置を移動させれば、基材表面に均一
な厚みの粉体膜３３を形成することができるので、前述
の実施例におけると同様に粉体膜５５を圧熱処理するこ
とＫよって電極触媒層を形成できる。

まｅ、を極触媒層の表面にマトリックス層を形成する場
合についても同様である。

なお、スプレーガン３１から放出され集電極に付着しな
かり九帯電粉５８には放出された空気とともにサイクロ
ン等の回収装置に導すて捕集することにより、再利用す
ることができる。また、第１図に示す実施例においても
上記と同様な方法で粉体を回収し、再利用することがで
きる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、電極触媒層となる混合粉体を
滞電させ、多孔性電極基材を集電極としてその表面に滞
電粉体を静電気力によって付着させ、粉体膜を形成する
か、あるいはマトリックス層となる混合粉体を滞電させ
、ガス拡散電極を集電極として電極触媒層表面忙靜電気
力によって付着させることによって粉体ＷＸｔ形成し、
しかる後粉体膜を熱圧処理することによって電極触媒層
ま九はその表面に固着したマトリックス層を形成するよ
う構成した。その結果、粉体帯電成膜装置を用いて粉体
を滞電かつ電界加速して粉体膜を形成するか、あるいは
粉体スプレーガンを用いて滞電かつ空気輸送して粉体膜
を形成することによシ、得られる粉体膜は厚みの分布お
よび付着密度が均一で、かつ静電気力によって集電極表
面に付着して粉体の移動や脱落が阻止されるので、これ
を圧熱処理することによって厚みおよび細孔分布が均一
でピンホールなどの欠陥が無く、かつ従来技術に比べて
厚みの薄い電極触媒層またはマトリックス層を形成する
ことができる。すなわち、ガス拡散電極の電極触媒層が
細孔分布が均一で膜厚を薄く形成できることによってガ
ス拡散性を改善でき、かつマトリックス層のピンホール
を排除できることにより反応ガスのクロスオーバを防止
できるので、発電性能および信頼性に優れた燃料電池Ｙ
ｒ提供することができる。

また、基材上に粉体を散布する方法で必要としたブレー
ドによる粉体膜のならし作業を必要とせず、かつ粉体膜
が基材表面に静電気力によりて付着しているのでハンド
リング性が向上し、さらには粉体を水面に浮かべる従来
方法や空気輸送する方法における電極面積の制約も排除
できるので単電池面積の大型化が可能になシ、シ念がっ
て大型の燃料電池を低いワーキングコストで得られるガ
ス拡散電極またはマトリックス層の製造方法ｔ−提供す
ることができる。

さらに、マトリックス層をガス拡散電極の電極触媒層と
同様な手法で低いワーキングコスト全保持して製造でき
、かつ得られたマトリックス層はピンホールなどの欠陥
がな〈従来より薄く形成できるなどの利点力；得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池のガス拡散電
極およびマトリックス層の製造方法を示す説明図、第２
図はこの発明の異なる製造方法を示す説明図、第３図は
単電池の一般的な構成を展開して示す斜視図、９４４図
はガス拡散電極の構成を示す拡大断面図、第５図はガス
拡散電極と一体化したマトリックス層を示す拡大断面図
である。 １・・・ガス拡散電極、２・・・多孔性電極基材、２Ａ
・・・マスク、３・・・電極触媒層、４・・・マトリッ
クス層、５・・・セパレータ、６・・・溝、１０・・・
単電池、１１・・・粉体帯電成膜装置、１２・・・外箱
、１５・・・内箱、１４・・・蓋体、１５・・・背後電
極、１６．５２・・・帯電極、１７・・・受皿、１８・
・・粉体、１９・・・ノ・ンガー　２５゜３３・・・粉
体膜、２４．２５・・・高圧電源、２８Ｅ・・・帯電粉
体、３１・・・粉体スグレーガン、３３・・・粉体容器
、５４・・・空槽管、Ｅ・・・電界。 ′；）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）多孔性電極基材と、その一方の面に形成された電極
   触媒層とからなるガス拡散電極における電極触媒層の製
   造方法であって、電極触媒粒子を担持したカーボンブラ
   ック粉末と撥水性結着材粉末との混合粉体を高電界雰囲
   気中で滞電させ、滞電した粉体粒子を前記多孔性電極を
   集電極としてその表面に静電気力によって均一に付着さ
   せ、しかる後熱処理を施すことにより電極触媒層を形成
   することを特徴とする燃料電池のガス拡散電極製造方法
   。 ２）ガス拡散電極の電極触媒層の表面に電解質を保持す
   るマトリックス層を形成する方法であって、セラミック
   粉末と少量の撥水性結着材との混合粒体を高電界雰囲気
   中で滞電させ、滞電した粉体粒子を前記ガス拡散電極を
   集電極としてその表面に静電気力によって均一に付着さ
   せ、しかる後熱処理を施すことによりマトリックス層を
   形成することを特徴とする燃料電池のマトリックス製造
   方法。