JPH03295172A - 固体高分子電解質膜と電極との接合体 - 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、固体高分子電解質膜と電極との接合体に関し
、燃料電池や水電解等に用いて好適なものである。

〈従来の技術〉 燃料電池は、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ぜず、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、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、−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膜０２の両側
にガス拡散電極０３Ａ、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、
ガス拡散膜Ｊ１ｉ０３Ａ、０３Ｂはそれぞれ反応膜０４
Ａ。

０４Ｂ及びガス拡散膜０５Ａ、０５Ｂが接合されたもの
であり、電解質膜０２とは反応膜０４Ａ、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。

また、上記ガス拡散電極０３Ａの表面には、酸素供給溝
０６ｍを有するガスセパレータ０６が、また他方のガス
拡散電極０３Ｂの表面には水素供給溝０７ａを有するガ
スセパレータ０７がそれぞれ接合されており、ガス拡散
電極０３Ａ、０３Ｂをそれぞれ酸素極、水素極とする固
体高分子電解質膜燃料電池を構成している。

そして、酸素供給溝０６ａ及び水素供給溝０７ａにそれ
ぞれ酸素及び水素を導入して各各のガス拡散膜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　Ｈ０ 反応膜０４Ｂの界面： ２　Ｈ−＝４　Ｈ”＋４　ｅ ここで、４Ｈ＋Ｒよ電解質膜０２を通って水素極から酸
素極へ流れるが、４ｅは負荷０８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
、電解質膜０２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
には電極自体を太き（あるいは多層にしなければならな
いという問題がある。

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の単位体積当吟の電池反応の向
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。

そして、単位体積当りの電池反応を向上させるためには
、例えば上記反応膜０４Ａ、０４Ｂの触媒担持量を増や
すと共に利用率を増大させるのが有効である。

しかし、上述した反応膜０４Ａ、０４Ｂは一般に、例え
ば白金系触媒若しくは白金系触媒を担持させた親水性カ
ーボン微粒子をフッ素樹脂等に分散させたものであり、
触媒担持量には限界があゆ、例えば１■／ｃＩｄ程度ま
でである。

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を大幅に向上させた固体高分
子電解質膜と電極との接合体を提供することを目的とす
る。

く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
電極との接合体は、反応膜とガス拡散膜とからなるガス
拡散電極の反応膜側に固体高分子電解質膜を接合してな
る固体高分子電解質膜と電極との接合体であって、上記
反応膜中には、固体高分子電解質の粉末が分散され、た
がいに結合していることを特徴とする。

本発明で固体高分子電解ｇＲ膜とは水が共存しても液体
にならない電解質膜をいい、好適なものとしてはパーフ
ルオロスルフォン酸ポリマー膜（ナフィオン：デュポン
社商品名）を挙げろことができるが、例えばスチレン系
イオン交換膜などの一般のイオン交換膜も用いろことが
できる。

本発明でガス拡散電極とは、反応膜とガス拡散膜とを接
合してなるもので、従来から知られているもの（例えば
特開昭６２−１５４５７１号公報）であって、該反応膜
中に、上記固体高分子電解質膜を形成する固体高分子電
解質の粉末が分散されているものをいう。

ここで、上記反応膜とは、触媒を担持させたものをいい
、一般に、疎水性、カーボン及びフッ素樹脂などの疎水
性樹脂に、触媒を担持させた親水性カーボン黴粒子若し
くは触媒微粒子を担持させたもので、電解質や水などを
透過させる性質を有しているものであるが、本発明では
、該反応膜中に固体高分子電解質の粉末が互いに結合し
てなる網目状の固体高分子電解質層を有するものである
。

すなわち、例えば疎水性カーボン、疎水性樹脂に触媒及
び固体高分子電解質の粉末を混合・分散してホットプレ
ス等することにより得られるもので、これにより一般の
反応膜中に、この反応膜を形成する導電性材料にからみ
合うように網目状の固体高分子電解質層が形成され、且
つこれらの間に触媒が分散しているものである。

本発明で上記反応膜中に分散される固体高分子電解質の
粉末とは、上述した固体高分子電解質膜を形成するパー
フルオロスルフォン酸ポリマーの微粉末やスチレン系イ
オン交換樹脂の微粉末などの水が共存しても液体になら
ない電解質をいう。この固体高分子電解質の粉末の粒径
は、１μｍ以下とするのが好ましい。

なお、ここで触媒とは、白金、ロジウム、パラジウム、
ルテニウムおよびイリジウムなどの白金族金属、金、銀
、並びにこれらの合金又は酸化物の他、酸化鉛等の卑金
属触媒をいい、さらには、これらの触媒微粒子をカーボ
ン微粒子などの担体に担持した担持体をいう。

また、本発明で用いる上記ガス拡散膜は、通気性はある
が通水性は有さず導電性のあるものであれば特に限定さ
れないが、一般に疎水性カーボン及びフッ素樹脂などの
疎水性樹脂からなるものである。

本発明によれば、第１図に示すように、この固体高分子
電解質膜の粉末を分散・混合した反応膜１０１Ａ、、１
０１Ｂを形成すると共に、この得られた反応膜１０１Ａ
、ｌ０ＩＢとガス拡散膜１０２Ａ、１０２Ｂとを接合し
て、ガス拡散！Ｒ極１０３Ａ、１０３Ｂを形成する。そ
して、このガス拡散電極１０３Ａ。

１０３Ｂを２枚用し）で、固体高分子電解質膜１０４を
挾持した後プレス等により接合して、固体高分子電解質
膜と電極との接合体１０５を得ろことができる。尚、図
中符号１０７は、触媒を図示している。

この接合体の製造方法としては、ガス拡散電極に固体高
分子電解質膜が接合されたノ１−フセルとした後、ハー
フセル同志を接合したり、あるいはハーフセルとガス拡
散電極とを接合するようにしてもよい。

上記接合体を形成する方法としては、■固体高分子電解
質膜を用いたり、■固体高分子電解質の粉体を用いたり
、■固体高分子電解質の溶液を塗布したりして、ホット
プレスによって接合体を製造するようにすればよい。

この内、上記■及び■の方法は、膜厚を極めて薄くでき
ると共に、厚さのコントロールも容易となるので、好ま
しい方法である。

本発明によると、固体高分子電解質膜１０４と接合する
反応膜１０１Ａ、ｌ０ＩＢには、上述したように導電性
材料と、これにからみ合った網目状の固体高分子電解質
Ｉ％１１０６との間に、触媒１０７が分散されて王者の
共存状態が形成されており、両者の綱目状の固体高分子
電解質層１０６が固体高分子電解質膜により結合される
。従って、網目状の固体高分子電解質層１０６に沿って
形成される王者の共存範囲において、電池反応が起こる
ことになる。

従来においては、固体高分子電解質膜と、反応膜との境
界においてのみ電池反応が生じていたので、反応効率が
悪かったが、本発明によれば電池反応の起こる範囲が広
くなり、電池反応の効率が向上する。

また、高分子電解質膜を極めて薄くすることができるの
で、Ｈ＋の移動抵抗が低下し、さらに、電池反応の効率
が向上する。

このように、本発明にかかる固体高分子電解質膜と電極
との接合体を、例えば燃料電池や水電解等に使用すると
、電池反応の反応効率の著しい向上を図ることができる
。

く実　施　例〉 す下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図にば一実施例に係る固体高分子電解質膜とガス拡
散電極との接合体の断面を示す。

同図中、ｌ０ＩＡ、１０コＢは反応膜、１０２Ａ。

１０２Ｂはガス拡散膜、１０３Ａ、１０３Ｂはガス拡散
電極、１０４は固体高分子電解質膜、１０５は高分子電
解質膜と電極との接合体を図示する。

ここで、固体高分子電解質膜１０４としては厚さ０．１
７＋ａｍ＋のデュポン社製のナフィオン（商品名）を用
いると共に、これを粉砕し、固体高分子電解質の粉末と
した。

一方、ガス拡散電極１０３Ａ、１０３Ｂは、上記粉砕し
て得られた固体高分子電解質の粉末と、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のボリテトラフルオロエチトンと
、疎水性カーボンブラックとが５：０．７二　７：　４
：　　３の割合で成る親水性と疎水性とを部分的に有す
る反応膜１０１．Ａ、ｌ０ＩＢ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１０２Ａ。

１０２Ｂとから構成されている。反応膜１０１Ａ。

１０１Ｂ及び疎水性ガス拡散膜１０３Ａ、　１０３Ｂは
、白金以外の各原料粉末にソルベントナフづ、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、反応膜１０］、Ａ、ｌ０ＩＢ中に固体高分子
電解質の粉末１００を配合したガス拡散電極１０３Ａ、
１０３Ｂが製造される。

そして、このガス拡散膜８ｉ１１０３Ａ、１０３Ｂを２
枚用いて、固体高分子電解質膜１０４を挾んで挟持体と
し、これを次の方法で接合した。

第２図には一実施例に係る接合方法による作業状態を示
す。同図に示すように、ここで用いろ装置は上型１１及
び下型１２を有し、この上型１１及び下型１２の間にＯ
リング１３を挟持することによ抄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、乙のブ１７ス
ｖ１４内で２枚のガス拡散電極で固体高分子電解質膜を
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１／ス室１４に連通する供給
通路１６及び排出通ｌｌ５１７が形成されており、これ
ら通路１６，１７を介してプレス室１４内に水を充たす
ことができるようになっている。

一方、上型１１及び下型１２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１８，１９が設
けられている。また、上型１１内には温度セッサ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０リング１３を載置し、この中に２枚のガス
拡散電極で固体高分子電解質膜を挾んｔｌ挾持体１５を
Ｍ置する。

この状態で上型１１をきわせｔ二段、供給通路１６から
純水を排出通路１７つ）ら排出するまで供給する。そし
て、このようにプレス室】４内に水を適度に満たした状
態で設定温度（例え＋、ｆ　１２０〜１３０℃）に加熱
しつつ例えば６０ｋｇ／ｃｆｆｌの条件で６０秒間加圧
する。加熱後、プレス室１４に冷却水を流してプし・ス
室１４の温度を下げ、治具をはずして接合体を°取り出
す。

なお、かかる接合方法では、水の代りに、例えばイソプ
コパノールと水との１：　１の混合溶媒を用５）でもよ
いが、このようにアルコール等の溶媒を用；）た場合に
は、接合後、溶媒を除去した後発電等に供する必要があ
る。

また、第３図には他の実施例に係る接合方法による作業
状態を示す。同図に示すように、内部に固体高分子電解
質の粉末１００を配合した反応膜１０１と、ガス拡散膜
１０２とを接合してガス拡散電極１０３を構成すると共
に、該反応膜１０１の上面に、固体高分子電解質の粉末
を層状に付着させた後、２枚の押え板２１で押えた状態
で２０μｍ程度の厚さのステンレス鋼箔２２で包み込む
。ここで、押え板２１は０．１ｍ程度の厚さのチタンか
らなり、ガス拡散電極１０３に対する面圧の均一化と、
これらガス拡散電極１０３の上記ステンレス鋼箔２２と
の剥離性とを目的として用いている。

そして、これらガス拡散電極１０３の周縁部をステンレ
ス鋼箔２２を介して押えるようにゴムシート２３を装着
し、さらに全体を上下２枚のゴムシート２４で挾んだ状
態で、電気ヒータ２５を内蔵する上下一対のダイス２６
内に載置し、上述した例と同様な条件でプレスする。

ここで、ゴムシート２３，２４としては例えばフッ素系
のものを用いればよいが、ゴムシート２３の厚さは、ガ
ス拡散電極１０３と押え板２１とを重ねた厚さよりも大
きく例えハ１．０−程度とする。なお、ゴムシート２４
も、例えば１．０論程度の厚さのものを用いればよい。

このような接合方法では、ゴムシート２３゜２４により
、固体高分子電解質の粉末から形成される膜の面方向へ
の延伸が制限され、固体高分子電解質の粉末がガス拡散
電極１０３の反応膜１０１内に深く拡散していく乙とに
なる。

思上説明した二つの接合方法で製造した接合体は、触媒
が４〜５ｆｆＩｇ／ｃ１１ｒ担持されたものであり、大
幅な性能向上が期待される。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明に係る接合体は、ガス拡散
電極を構成する反応膜中に、固体高分子電解質の粉末が
分散され、たがいり１こ結合しているので、反応膜中の
導電性材糾、触媒及び網目状の固体高分子電解質層の王
者が共存し、電池反応が起こる範囲が広くなり、電池反
応の効率が大幅に向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る固体高分子電解質膜と電極との
接合体の概念図、第２図及び第３図は本実施例に係る接
合の作業態様を示す説明図、第４図は従来技術に係る固
体高分子電解質膜燃料電池本体を示す概念図である。 図　面　中、 １０１Ａ、ｌ０ＩＢは反応膜、 １０２Ａ、１０２Ｂはガス拡散膜、 １０３Ａ、１０３Ｂはガス拡散電極、 １０４は固体高分子電解質膜、 １０５は固体高分子電解質膜と電極との接合体、 １０６は網目状の固体高分子電解質層、１０７は触媒で
ある。 ◇ 上型 下型 Ｏリング プレス室 挟持体 供給通路 排出通路 ヒータ ヒータ 温度センサ 固体高分子電解質の粉末 反応膜 ガス拡散膜 ガス拡散電極 ガス拡散電極 押え板 ステンレス鋼箔 ゴムシート 電気ヒータ ダイス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 反応膜とガス拡散膜とからなるガス拡散電極の反応膜側
   に固体高分子電解質膜を接合してなる固体高分子電解質
   膜と電極との接合体であって、 上記反応膜中には、固体高分子電解質の粉末が分散され
   、たがいに結合してい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。