JPH0412458A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池

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JPH0412458A
JPH0412458A JP2113577A JP11357790A JPH0412458A JP H0412458 A JPH0412458 A JP H0412458A JP 2113577 A JP2113577 A JP 2113577A JP 11357790 A JP11357790 A JP 11357790A JP H0412458 A JPH0412458 A JP H0412458A
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JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
solid polymer
catalyst layer
layer
noble metal
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Pending
Application number
JP2113577A
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English (en)
Inventor
Yoshinori Nishihara
啓徳 西原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

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〕 この発明は固体高分子電解質型燃料電池に係り、特にそ
の電極に関する。
〔従来の技術〕
燃料電池はこれに用いる電解質の種類により、例えばア
ルカリ型、固体高分子電解質型、およびリン酸型などの
低温動作形の燃料電池と、溶融炭酸塩型、固体酸化物電
解質型などの高温動作形の燃料電池とに大別される。
固体高分子電解質型の燃料電池における半電池の基本構
成は例えば第4図に示すように固体高分子電解質膜8と
、貴金属触媒層9Aと、担持触媒層5と、電極基板4と
から構成される。固体高分子電解質膜8はスルホン酸基
を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜を水素イオン導
電性膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸
とポリビニリデンフロライドの混合膜、あるいはフロロ
カーボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラフト
化したものなどが知られているが、最近ではパーフロロ
カーボンスルホンfIIM(米国、デュポン社製、商品
名ナフィオン膜)を用いることにより燃料電池を長寿命
化したものなどが知られている。担持触媒層5は担持触
媒7をフッ素樹脂3で結着して形成される。担持触媒7
はカーボンブラックである触媒担体2に貴金属lを担持
して得ることができる。担持触媒層5は電極基板4によ
って支持される。貴金属触媒層9Aは担持触媒層5のさ
れる。固体高分子電解質膜8は分子中にプロトン (水
素イオン)交換基を有し、飽和吸湿させることにより常
温で20Ω・1以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電
解質として機能する。貴金属触媒層9Aは多孔質状態で
固体高分子電解質膜8に接触し、電池反応の電極として
働く、この電極には電極基板4より担持触媒層5を介し
て反応ガスが供給され、3相界面が形成される。担持触
媒7の表面には図示し゛ないが固体高分子電解質の薄い
被−膜が形成される。これは固体高分子電解質の溶液、
を担持触媒層に含浸し、溶剤を揮散させて得られる。担
持触媒層5の内部にも3相界面が形成される。貴金属触
媒層9Aと担持触媒層5とが電極を構成することになる
が前者が主たる反応部分とじてf艷h<。
アノードでは次式の反応がおこる。
Hl →2H’″+ 2 e     (11カソード
ては次式の反応がおこる。
’A(h + 2 H’″+ 2 e −H* O−−
−+21単セルは固体高分子電解質膜8を中心として担
持触媒層5と電極基板4が対称に配置して形成される。
従来、貴金属触媒層9AはS、5rin!vasan+
 M、A、En−ayetullah+  S、Som
asundaras、  D、Manko+  H,K
och。
J、Appleby:Proc、 24th IHCB
C,1623,(198嘴記載されているように、 ■担持触媒とフッ素樹脂より構成される担持触媒層に塩
化白金酸を塗布し還元あるいは熱分解する方法、 ■担持触媒とフッ素樹脂より構成される担持触媒層に白
金黒を塗布する方法、 ■担持触媒とフッ素樹脂より構成される担持触媒層に白
金をスパッタする方法、 等を用いて製造されていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら上述のような従来の貴金属触媒層9Aにお
いては、固体高分子電解質膜8の表面と貴金属触媒層9
Aとの接触が充分でなく、充分高い出力電圧をとり出す
ことができないという問題があり、また白金黒を塗布す
る場合や白金をスパッタする方法では比表面積の大きい
白金微粒子が得られないという問題もあった。
この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は、固体
高分子電解質膜の表面に微細な粒子からなる貴金属触媒
層を密着させることにより電流電圧特性に優れる固体高
分子電解質型燃料電池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 ]6 1)固体高分子電解質膜8と、貴金属触媒層ガと、担持
触媒層5と、−電極基板4、とを有し、固体高分子電解
質膜はカチオン交換膜で、飽和吸湿されてプロトン導電
性を示し、 貴金属触媒層は固体高分子電解質膜の主面に直接的に化
学めっきされ、 担持触媒層は担持触媒をフッ素樹脂で結着してなり1方
の土面を介して貴金属触媒層と接触するものであり、こ
こに前記担持触媒はカーボンブランクからなる触媒担体
2に貴金属lが担持され、成される。
〔作用〕
固体高分子電解質膜の表面に直接的に貴金属が化学めっ
きされるので、貴金属は微粒子の形で、しかも膜表面に
密着して形成される。
〔実施例〕
次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。
第1図はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池の半電池を示す断面図である。第4図と異なるの
は貴金属触媒層9Bが固体高分子電解質膜に直接的に形
成されている点である。このような燃料電池は以下のよ
うにして製造される。
(イオン交換膜の前処理) カチオン交換膜であるナフィオン(Dupont社の商
品名、以下間し)117を70X70m角に切断した後
に11硫酸水溶液から取り出し、十分に脱イオン・水に
て水洗した後に脱イオン水中に投入し、約1に M煮沸した。
(イオン交換膜への化学めっき) 前処理の完了したナフィオン117を第2図に示す治具
にセントした。第2図において21はイオン交換膜を、
22は液室を、23はシリコンゴムのパツキンを、24
はアクリル樹脂製の容器を、25は締め付はボルト位置
を示す、22の液室はイオン交換膜と接触する面積が1
6−であり、体積は40−である。
塩化白金酸水溶液(濃度5 mg−PL/a+l)を2
−1採取し、これに脱イオン水を95.5mlと濃度2
8%のアンモニア水を2.5ml添加した。この溶液を
前記治具のイオン交換膜の両側に設けられた液室に入れ
、治具ごと80℃の湯浴に入れ、約1.5h保持した。
この後に治具を湯浴から取り出し、脱イオン水でイオン
交換膜を十分に洗浄した。白金塩がイオン交換膜に吸着
される。
水素化ホウ素ナトリウム0.605gを秤量し、これに
脱イオン水495m1を添加し、水素化ホウ禦ナトリウ
ムを溶解させた後に、濃度28%のアンモニア水5ml
を添加して還元剤とした。この還元剤を吸着過程の終了
したイオン交換膜をセットした治具の液室に満たして、
50℃の湯浴中で約1.5h保持し、イオン交換膜に吸
着している白金塩を還元し、金属白金とした。
(イオン交換膜の後処理) 還元終了後イオン交換膜を治具より取り外し、脱イオン
水にて十分洗浄した後にINの硫酸水溶液中で約1h魚
沸し、脱イオン水で硫酸を洗浄の後に沸騰した脱イオン
水中でさらに1h煮沸して燃料電池用イオン交換膜とし
た。このようにして固体高分子電解質膜8であるイオン
交換膜に貴金属触媒j19Bが形成される。
イオン交換膜への白金の付着量は片面で約0.23mg
−Pt/ciであった。
(電極の製作) カーボンブランクを触媒担体2とし10wt%の白金1
を担持した担持触媒7を界面活性剤を含む脱イオン水で
分散させた後に三井デュポン・フロロケミカル社製テフ
ロン (Dupon を社命品名)30Jを混合 (約
50w t%)し、触媒分散液とした。この触媒分散液
を予めはっ水処理を施しである多孔質カーボンの電極基
板4上に塗布し、室温にて乾燥した後に、約300℃の
温度にて15分間熱処理して、電極中に存在する界面活
性剤を除去した。この後に360℃にてさらに5分間熱
処理してフッ素樹脂3を熔融し担持触媒層5を形成した
。これらの工程が終了した後に、電極表面にナフィオン
117の5%アルコール溶液を塗布した。塗布完了後、
70℃で1h乾燥の後に電極の重量を測定した。パーフ
ロロカーボン、スルホン酸の塗布量は0.5mg/−で
あった。
(担持触媒層とイオン交換膜との接合)上記の方法によ
り作製した白金付イオン交換膜の両側に、担持触媒層5
を配置し、これを100℃に制御されたプレスで5分間
処理した。この後にプレスの温度を150℃まであげ、
20kg/−の圧力にて2分間プレスして担持触媒層5
と固体高分子電解質膜を接合した。
以上の方法により作製したセルに含まれる白金の量は片
側約0.5mg/c+Jであった本実施例により作製し
た単セル(電極面積10cIll)の特性を運転温度7
0℃、水素と酸素(常圧)を用いて評価した。
試験結果を第3図の曲線31に示す。
比較のためにイオン交換膜に化学めっきを施さず、電極
表面に白金黒を塗布したセルを作製し、本実施例と同一
の条件にて試験をおこなった。白実施例と同一にしであ
る。
この比較冷却の試験結果を第3図の曲線32に示す。
第3図より明らかなように、本実施例を通用したセルの
方が優れた特性であることがわかる。
〔発明の効果〕
この発明によれば固体高分子電解質膜と、貴金属触媒層
と、担持触媒層と、電極基板、とを有し、固体高分子電
解質膜はカチオン交換膜で、飽和吸湿されてプロトン導
電性を示し、 貴金属触媒層は固体高分子電解質膜の主面に直接的に化
学めっきされ、 担持触媒層は担持触媒をフッ素樹脂で結着してなり1方
の主面を介して貴金属触媒層と接触するものであり、こ
こに前記担持触媒はカーボンブラックからなる触媒担体
に貴金属が担持され、電極基板は担持触媒層の他の主面
を介して担持触媒層を慕障するものであるので、固体高
分子電解質膜の表面に微粒子からなる貴金属触媒層が密
着して形成され、3相界面が増大して電流電圧特性に優
れる固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池の半電池を示す断面4図、第2図はこの発明の実
施例に係る、固体高分子電解質型燃料電池の化学メツキ
に使用される治具の断面図、第3gはこの発明の実施例
に係る固体高分子電解質型燃料電池の電流電圧特性(曲
&l31)を従来の固体高分子電解質型燃料電池の電流
電圧特性(曲線32)と対比して示す線図、第4図は、
従来の固体高分子電解質型燃料電池の半電池を示す断面
図である。 1:貴金属、2:触媒担体、3:フッ素樹脂、48電極
基板、5:担持触媒層、7X担持触媒、8:固体高分子
電解質膜、9A、98:貴金属触媒層。 茎12 +OOZoo     joo     400電上□
/n、lA c@−’ OO 第31¥1 第2図 第6の

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)固体高分子電解質膜と、貴金属触媒層と、担持触媒
    層と、電極基板、とを有し、 固体高分子電解質膜はカチオン交換膜で、飽和吸湿され
    てプロトン導電性を示し、 貴金属触媒層は固体高分子電解質膜の主面に直接的に化
    学めっきされ、 担持触媒層は担持触媒をフッ素樹脂で結着してなり1方
    の主面を介して貴金属触媒層と接触するものであり、こ
    こに前記担持触媒はカーボンブラックからなる触媒担体
    に貴金属が担持され、電極基板は担持触媒層の他の主面
    を介して担持触媒層を支持するものであることを特徴と
    する固体高分子電解質型燃料電池。
JP2113577A 1990-04-27 1990-04-27 固体高分子電解質型燃料電池 Pending JPH0412458A (ja)

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