JPH03297060A - 燃料電池用電極触媒層 - 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〕 この発明は電極触媒層の構成に係り、特にリン酸の分布
の連続性に優れる燃料電池の電極触媒層に関する。

〔従来の技術〕

第３図は従来のガス拡散電極をマトリックスとともに示
す要部配置図である。電極基材１はカーボン繊維６から
なり、カーボン繊１ｉ６の間隙を反応ガスが流れ、電極
触媒層５に反応ガスが供給される。電極触媒層５は貴金
属粒子（図示せず）の担持される触媒担体であるカーボ
ンブラック粉体７とカーボンブランク粉体７を結着する
フッ素樹脂粒子８およびこれらの形成する空孔とから構
成される。マトリックス４はシリコンカーバイド１０か
らなり、シリコンカーバイド１０の間隙に電解室である
リン酸が含浸される。リン酸は電極触媒層５に所定量が
供給される。電極触媒層５の内部には電極基材１からの
反応ガスと、マトリックス４からの電解室と、貴金属粒
子の担持された触媒担体とにより３相界面が形成され電
気化学反応が進行する。

この電気化学的反応を効率良（行わせるためには、３相
界面を多（するとともに電解液中のイオンの移動が容易
であり、また反応ガスを充分効率良く供給する必要があ
る。イオンの移動を良くすることは、電極触媒層内の電
解液量を多くしたり、イオンの移動距離を短くする必要
がある。またガス拡散性を向上させるためには、反応ガ
スの拡散通路を電解液で閉塞されないように電解液量を
制限しなければならない、この相反する現象を調整し、
最適の状態で使用する必要がある。

電極触媒層は、電極液の保持性とガス拡散性を良好に保
つため電解液に対してぬれやすい触媒に、撥水性の高い
フッ素樹脂を適量混合する。

〔発明が解決しようとする課題〕

燃料電池の運転においては、燃料ガスと酸化剤ガスを電
気化学的に反応させて電気エネルギをとり出すがこのと
き水も同時に生成する。この生成水は燃料電池運転の電
流密度によりその生成量が変化するが、これはリン酸中
に溶解し、一部は運転温度における平衡水蒸気圧の下で
反応ガスにより除去される。この生成水のリン酸への溶
解１反応ガスによる生成水の除去は、バランスするとこ
ろがあり燃料電池の電流密度、運転温度１反応ガス流量
等によりリン酸濃度が変化することになる。

このリン＃Ｉ濃度の変化はリン酸の体積につき膨張。

収縮をもたらす、リン酸が電極触媒層の空孔内で収縮を
起こす場合には、空孔内表面に分布するリン酸は一様に
分布せず不連続な分布を示すようになる。この不連続化
により孤立したリン酸電解質は特にカソードにおいてこ
れと接する触媒粒子の腐食を促進する。不連続化したリ
ン酸の内部には燃料電池の運転時において電流が流れず
、カソードは分極ゼロの高い開放電位を示す、この高い
開放電位は電池の運転温度が高い場合（＞１６０℃）に
おいて、貴金属粒子やカーボンブランクを腐食溶解させ
る。触媒粒子が腐食すると、電池の分極特性は劣化し、
電気出力が小さくなる。このように電極触媒層内のリン
酸電解液の不連続化は電池の特性を低下させ、寿命を低
減させる。

この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は燃料電
池の運転時において電極触媒層内でリン酸分布の不連続
化がおこらないようにして特性と信頼性に優れる燃料電
池用電極触媒層を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的はこの発明によれば、触媒粒子と、フン素樹
脂粒子と、炭素繊維とを有し、触媒粒子はカーボンブラ
ックからなる触媒担体に貴金属粒子の担持されたもので
あり、フン素樹脂粒子は触媒粒子を結着してリン酸と反
応ガスの通る流路を形成し、 炭素繊維は触媒粒子、フッ素樹脂粒子と均一に混合され
前記流路内のリン酸の分布を連続化させることにより達
成される。

炭素繊維はアクリル、ポリエステル等の化学繊維、パル
プ等の植物性繊維または羊毛等の動物性繊維等をあらか
じめ電極触媒層に加えておき、加熱炭化することによっ
て調製することができる。

炭化温度は３８０℃以下であることが必要である。

〔作用〕

炭化繊維はリン酸電解液に対してぬれやすく、また空孔
を多くもつために分布状態の不連続化したリン酸を他の
リン酸電解液に連結させる。

〔実施例〕

次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。

（実施例１） 第１図はこの発明の実施例に係る電極触媒層５を電極基
材１．マトリックス４とともに示す断面図である。第３
図とは炭素繊維２を用いることが異なる。このような電
極触媒層は次のようにして調製される。

白金を１０％担持させた触媒粒子に、フッ素樹脂（ＰＴ
ＦＥ）を５０〜８０重量％、太す０．００２〜０．０１
ｍ　テ長さ１〜１０鶴のアクリル繊維を０．１〜１０重
量％混合し、多孔質カーボン電極基材上へ乾式塗布して
プレス圧着し、不活性ガスをブローしながら３４０〜３
８０℃で焼成して電極触媒層を作成した。

（実施例２） 実施例１と同様にして得た混合物にアルコールを加えて
ペースト化し、展延してシート化したものを多孔質カー
ボン電極基材上にプレス圧着して不活性ガス中で３４０
〜３８０℃で焼成して電極触媒層を作製した。

（実施例３） 実施例１のアクリル繊維に替えてポリエステル繊維を用
い電極触媒層を得た。

（実施例４） 実施例１と同様の方法で植物性の短繊維を用いて電極触
媒層を得た。

（実施例５） 実施例１と同様の方法で繊維の長さが１０ｍ以上のもの
と１１以下のものを等量に含む繊維を用いて電極触媒層
を得た。

（実施例６） 実施例１と同様の方法で繊維径０．０１ｍのものと、０
、００２鶴のものを等量に含む長さ５〜１０鶴の繊維を
５重量％添加して電極触媒層を得た。

第２図はこの発明の実施例に係る電極触媒層を用いる燃
料電池の寿命特性（特性線２１）を従来の燃料電池の寿
命特性（特性線２２）と対比して示す＆ｌＩ図である。

これら特性は３００ｍＡ／−の電流密度で得られた０本
発明の実施例に係る電極触媒層においては、リン酸の分
布の連続性が良好であるために触媒粒子の利用率が高く
、特性が良好である上に寿命特性にも優れることがわか
る。

〔発明の効果〕

この発明によれば、触媒粒子と、フッ素樹脂粒子と、炭
素繊維とを有し、 触媒粒子はカーボンブランクからなる触媒担体に貴金属
粒子の担持されたものであり、フッ素樹脂粒子は触媒粒
子を結着してリン酸と反応ガスの通る流路を形成し、 炭素繊維は触媒粒子、フッ素樹脂粒子と均一に混合され
前記流路内のリン酸の分布を連続化させるので、触媒粒
子の利用率が高まるとともに触媒粒子の腐食溶解がなく
なって特性と信鯨性に優れる燃料電池の電極触媒層が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る電極触媒層を電極基材
、マトリックスとともに示す断面図、第２図はこの発明
の実施例に係る電極触媒層を用いる電池の寿命特性（特
性線２１）を従来の電池の寿命特性（特性線２２）と対
比して示す線図、第３図は従来の電極触媒層を電極基材
、マトリックスと共に示す断面図である。 １：電極基材、２：炭素繊維、４：マトリックス、５：
電極触媒層、６：カーボン繊維、７：カーボンブラック
粉体、８：フッ素樹脂粒子、１０：シリコンカーバイド
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）触媒粒子と、フッ素樹脂粒子と、炭素繊維とを有し
   、 触媒粒子はカーボンブラックからなる触媒担体に貴金属
   粒子の担持されたものであり、 フッ素樹脂粒子は触媒粒子を結着してリン酸と反応ガス
   の通る流路を形成し、 炭素繊維は触媒粒子、フッ素樹脂粒子と均一に混合され
   前記流路内のリン酸の分布を連続化させるものであるこ
   とを特徴とする燃料電池用電極触媒層。