JPH03295171A - 燃料電池用電極の製造方法 - 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〉 本発明は、ガス拡散電極に対して加圧に伴う固体高分子
電解質膜の拡散をより深（行うことができる燃料電池用
電極の製造方法に関する。

〈従来の技術〉 燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必
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（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、このモータにより車両等
を駆動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等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。

かかる固体高分子電解質膜燃料電池の概念を表す第２図
に示すように、この固体高分子電解質膜燃料電池ｌは固
体高分子電解質膜２とこの固体高分子電解質膜２を挟ん
で対向する一対のガス拡散電極３．４とで主要部が構成
され、これら固体高分子電解質膜２とガス拡散電極３．
４とは一体的に接合されている。

又、多孔質のガス拡散電極３，４はそれぞれ白金等の触
媒を含む反応層５とガス拡散層６とを有し、前記固体高
分子電解質膜２には反応層５が接触した状態となってい
る。

従って、この固体高分子電解質膜燃料電池としての電池
反応は、主として固体高分子電解質膜２と反応層５との
間の接触面で発生する。

例えば、一方のガス拡散電極３のガス拡散層６に水素を
供給し、他方のガス拡散電極４のガス拡散層６に酸素を
供給すると、水素極であるガス拡散電極３の反応層５と
固体高分子電解質膜２との界面では、以下の如き反応が
起こる。

２Ｈ２−＋　　４Ｈ”＋４　ｅ 又、酸素極であるガス拡散電極４の反応層５と固体高分
子電解質膜２との界面では、以下の如き反応が起こる。

０２＋４Ｈ４′＋４　ｅ−−’＞　２ＨｚＯここで、水
素イオンＨ”は固体高分子電解質膜２を通過して水素極
であるガス拡散電極３から酸素極であるガス拡散電極４
へと移動するが、電子ｅ−は負荷６を介して水素極であ
るガス拡散電極３から酸素極であるガス拡散電極４へと
流れ、電気エネルギを得られるのである。

従来、このような固体高分子電解質膜燃料電池の電極の
製造方法としては、固体高分子電解質膜を二枚のガス拡
散電極で挟み、これらを加圧しつつ加熱することにより
一体化させるようにしている。固体高分子電解質膜の両
側に触媒を含むガス拡散電極を接合したものであり、メ
タノールと水等で構成される水素原料を改質して得られ
る改質ガスを反応ガスとしてガス拡散電極の陽極（以下
、これを水素極と呼称する）側に供給して発電する形式
が取られる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 化学反応を利用した燃料電池においては、ガス拡散電極
の反応層の表面積を増大させることがその反応表面積を
増大させることになるため、この反応層が深く形成され
ているほど、電池の出力密度を大きくすることができ、
出力変動が大きな車両等の駆動源としては好都合である
。

ところで、固体高分子電解質膜燃料電池の電極を製造す
る場合、従来では単に固体高分子電解質膜を二枚のガス
拡散電極で挟み、これらを加圧しつつ加熱するだけのた
め、延伸性の良い固体高分子電解質膜がガス拡散電極内
に拡散せず、どちらかというと押しつぶされてガス拡散
電極の周縁部からはみ出してしまう結果、反応表面積を
余り大きくすることができないという不具合があった。

く問題点を解決するための手段〉 本発明による燃料電池用電極の製造方法は、固体高分子
電解質膜を二枚のガス拡散電極で挟み、これらを加圧し
つつ加熱することにより一体化させるようにした燃料電
池用電極において、これら固体高分子電解質膜と二枚の
ガス拡散電極とを金属箔で覆い、前記ガス拡散電極の周
縁からはみ出す前記固体高分子電解質膜の周縁部を前記
ガス拡散電極よりも厚い弾性材で挟み、この弾性材と共
に前記固体高分子電解質膜と前記二枚のガス拡散電極と
を前記金属箔を介して加圧し、前記固体高分子電解質膜
の延伸を拘束した状態でこれら固体高分子電解質膜と二
枚のガス拡散電極とを加熱して一体化させるようにした
ことを特徴とするものである。

前記ガス拡散電極の具体的なものとしては、反応層とガ
ス拡散層とを接合した、例えば特開昭６２−１５４５７
１号公報等に開示されたものを採用することができる。

ここで、反応層は触媒或いはこの触媒を担持させた親水
性の炭素微粒子をフッ素樹脂等に分散させたものである
。又、触媒としては白金系の金属や、この白金系の金属
の酸化物、或いはこれら白金系の金属と白金系の金属の
酸化物との化合物の他、白金及びパラジウムにルテニウ
ムや錫等を合金化させたものや、白金及びパラジウム及
びイリジウムにルテニウムや錫等を合金化させたもの、
或いはイリジウムにルテニウムや錫等を合金化させたも
の等を採用することができる。

なお、前記固体高分子電解質膜としては水が共存しても
液体にならないパーフルオロスルフォン酸ポリマー（ナ
フィオン：デュポン社の商品名）の膜等を挙げることが
できる。

又、弾性材としてはシリコン系のゴムや固体高分子電解
質膜と化学的に反応しに（いフッ素系のゴム等を採用す
ることができる。

く作用〉 固体高分子電解質膜の周縁部を挟む弾性材と共にこの固
体高分子電解質膜と二枚のガス拡散電極とを前記金属箔
を介して加圧すると、固体高分子電解質膜の周縁部が金
属箔を介して弾性材で挟み付けられ、固体高分子電解質
膜の延伸が拘束された状態となる。

これにより、固体高分子電解質膜がガス拡散電極の周縁
からはみ出すようなことがなくなり、固体高分子電解質
膜はガス拡散電極の反応層内に深く拡散して行（。

〈実施例〉 本発明による燃料電池用電極の製造方法の一実施例の概
念を表す第１図に示すように、電気ヒータ１１を埋設し
た上下一対の加圧ダイス１２の間には、０．１７ｍｍ程
度の厚みのパーフルオロスルフォン酸ポリマー膜にて形
成された固体高分子電解質膜１３と、この固体高分子電
解質膜１３を間に挟んで相互に対向し且つ０．５＋ｎｍ
程度の厚さを有する一対のガス拡散電極１４とが位置し
、これら固体高分子電解質膜１３と一対のガス拡散電極
１４とは、２０／Ｊ程度の厚さを有するステンレス鋼箔
１５にて包まれている。

本実施例におけるガス拡散電極１４は、平均粒径が５０
人の白金と平均粒径が４５０人の親水性カーボンブラッ
クと平均粒径が０．３声のポリテトラフルオロエチレン
とが０．７対７対３の割合で混合された親水性反応膜と
、平均粒径が４２０人の疎水性カーボンブラックと平均
粒径が０．３１ｓのポリテトラフルオロエチレンとを７
対３の割合でソルベントナフサやアルコール、水、炭化
水素等の溶媒と共に混合して圧縮成形した疎水性ガス拡
散膜とからなる。

なお、上記親水性反応膜は白金以外の原料である親水性
カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレンとにソ
ルベントナフサやアルコール、水、炭化水素等の溶媒を
混合して圧縮成形し、これと前記疎水性ガス拡散膜とを
重ね合わせて延伸した後、塩化白金酸化還元法により白
金を０．５６■／ａ［ｒの割合で担持させることにより
、ガス拡散電極１４と同時に成形される。

又、前記ステンレス鋼箔１５とガス拡散電極１４との間
には、これらガス拡散電極１４に対する面圧の均一化と
前記ステンレス鋼箔１５に対するガス拡散電極１４の剥
離性とを企図した０、５ｍｍ程度の厚みのステンレス鋼
製の押さえ板１６がそれぞれ介装されている。

そして、前記上下一対の加圧ダイス１２とステンレス鋼
箔１５との間には、１．０■程度の厚さのフッ素系のゴ
ムシート１７が差し込まれ、従って固体高分子電解質膜
Ｉ３と一対のガス拡散電極１４とは、押さえ板１６及び
ステンレス鋼箔１５及びゴムシート１７を介して加圧ダ
イス１２により例えば４００ａｔｍ程度に加圧される。

なお、ガス拡散電極１４の周縁部からはみ出す固体高分
子電解質膜１３の周縁部には、ガス拡散電極１４とステ
ンレス鋼箔１５とを重ねた厚さよりも厚い例えば１．２
ｍｍ程度の厚みの枠状をなすフッ素系のゴムシート１８
がガス拡散電極１４を取り囲むように装着されており、
従って固体高分子電解質膜１３の周縁部はステンレス鋼
箔１５及びゴムシート１７．１８を介して加圧ダイス１
２により加圧される。

このため、ガス拡散電極１４の周縁部からはみ出す固体
高分子電解質膜１３の周縁部は、ステンレス鋼箔１５を
介してゴムシート１７゜１８によりその延伸が拘束され
た状態となり、加圧ダイス１２にて固体高分子電解質膜
１３と一対のガス拡散電極１４とを加圧すると共に電気
ヒータ１１により例えば１８０℃程度に加熱する操作を
５分間続けた場合、固体高分子電解質膜１３はその面方
向に伸び拡がり難くなり、ガス拡散電極１４の反応層内
に深く拡散して行く。

このようにして製造した本実施例の電極と、固体高分子
電解質膜１３の周縁部の延伸を拘束するゴムシート１８
を用いずに製造した従来の電極とをそれぞれ燃料電池に
組み込み、これらの電池性能を比較した結果を第３図に
示す。

図中、実線にて示す本実施例による燃料電池は、拘束用
のゴムシート１８を用いない図中、破線にて示す従来方
法による燃料電池と比べて電池性能が格段に向上してい
ることが判る。これは、拘束用のゴムシート１８を用い
ない従来方法による燃料電池の場合、固体高分子電解質
膜１３が加圧ダイス１２の加圧操作によって延伸されて
しまい、部分的に一対のガス拡散電極１４が電気的に接
触してしまうためであると考えられる。

〈発明の効果〉 本発明の燃料電池用電極の製造方法によると、固体高分
子電解質膜と二枚のガス拡散電極とを金属箔で覆い、こ
れらガス拡散電極の周縁からはみ出す固体高分子電解質
膜の周縁部をガス拡散電極よりも厚い弾性材で挟み、こ
の固体高分子電解質膜の延伸を拘束した状態でこれら固
体高分子電解質膜と二枚のガス拡散電極とを加圧しつつ
加熱するようにしたので、固体高分子電解質膜がその面
方向に伸び拡がり難くなり、ガス拡散電極の反応層内に
深く拡散して行（結果、小型の燃料電池用電極であって
も反応表面積を従来のものよりも拡げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池用電極の製造方法の一実
施例の作業概念を表す断面図、第２図は燃料電池の作動
概念を表す原理図、第３図は本実施例と従来例とにおけ
る燃料電池の電流密度とその電圧との関係を表す電池特
性のグラフである。 又、図中の符号で１１は電気ヒータ、１２は加圧ダイス
、１３は固体高分子電解質膜、１４はガス拡散電極、１
５はステンレス鋼箔、１７゜１８はゴムシートである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固体高分子電解質膜を二枚のガス拡散電極で挟み、これ
   らを加圧しつつ加熱することにより一体化させるように
   した燃料電池用電極において、これら固体高分子電解質
   膜と二枚のガス拡散電極とを金属箔で覆い、前記ガス拡
   散電極の周縁からはみ出す前記固体高分子電解質膜の周
   縁部を前記ガス拡散電極よりも厚い弾性材で挟み、この
   弾性材と共に前記固体高分子電解質膜と前記二枚のガス
   拡散電極とを前記金属箔を介して加圧し、前記固体高分
   子電解質膜の延伸を拘束した状態でこれら固体高分子電
   解質膜と二枚のガス拡散電極とを加熱して一体化させる
   ようにしたことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法
   。