JPH04169069A - 固体高分子電解質膜と電極との接合体 - Google Patents
固体高分子電解質膜と電極との接合体Info
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- JPH04169069A JPH04169069A JP2293647A JP29364790A JPH04169069A JP H04169069 A JPH04169069 A JP H04169069A JP 2293647 A JP2293647 A JP 2293647A JP 29364790 A JP29364790 A JP 29364790A JP H04169069 A JPH04169069 A JP H04169069A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用公費〉
本発明は、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。
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くできる等の
優れた特徴を持って行るため、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。
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くできる等の
優れた特徴を持って行るため、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Ｃよ必要でないものの、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４池が注
目されている。
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Ｃよ必要でないものの、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４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３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
構成されてろ。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。
基本構造を第３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
構成されてろ。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、ガス拡散電極０３Ａ。
される。また、ガス拡散電極０３Ａ。
０３Ｂはそれぞれ反応膜０４Ａ、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。
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１１ｊ０２と反応膜０４Ａ。
主に電解質１１ｊ０２と反応膜０４Ａ。
０４Ｂとの間の接合面で起こる。
また、上記ガス拡散電極０３Ａの表面には、酸素供給Ｉ
＄０６ ａ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の表面にハ水素供給溝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。
＄０６ ａ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の表面にハ水素供給溝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ｉ１ｇ ０６ ａ及び水素供給溝０７
ａ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。
ａ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１
１０４Ａ、０４Ｂと電解質膜０２との界面で次のような
反応が起こる。
１０４Ａ、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 ＋４Ｈ”＋４ｅ−２ＨＯ
反応膜０４Ｂの界面：
２ Ｈ−＝４ Ｈ”＋ ４ ｅ−
ここで、４Ｈ”は電解質膜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。
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。
、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
には電極自体を大きくあるいは多層にしなければならな
いという問題がある。
には電極自体を大きく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０１０単位体積当りの電池反応の向
上が必須となる。これは、水電解質等を行う場合にも同
様である。
、上述した電池本体０１０単位体積当りの電池反応の向
上が必須となる。これは、水電解質等を行う場合にも同
様である。
本発明はこのような事情に艦み、燃料電池や水電解等に
用いた場合に電池反応効率が大幅に向上する、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。
用いた場合に電池反応効率が大幅に向上する、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。
＜５ｕｉｔ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、表面に高周波スパッタリングにより
凹凸を形成した固体高分子電解質膜の凹凸面に反応層と
ガス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層側を合せ、
接合してなることを特徴とする 本発明で固体高分子電解質膜とは水が共存していても液
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ーマ膜（ナフィオン：デュポ
ン社商品名）を挙げることがでいるが、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ること
ができる。
電極との接合体は、表面に高周波スパッタリングにより
凹凸を形成した固体高分子電解質膜の凹凸面に反応層と
ガス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層側を合せ、
接合してなることを特徴とする 本発明で固体高分子電解質膜とは水が共存していても液
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ーマ膜（ナフィオン：デュポ
ン社商品名）を挙げることがでいるが、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ること
ができる。
また、本発明で用いるガス拡散膜は、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、一般に炭素や黒鉛粒子からなる疎水性カーボンと
フッ素樹脂なその疎水性樹脂とからなる。
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、一般に炭素や黒鉛粒子からなる疎水性カーボンと
フッ素樹脂なその疎水性樹脂とからなる。
本発明に係る接合体は、上述した固体高分子電解質膜と
ガス拡散電極とをホットプレス等により接合したもので
あるが、予め固体高分子電解質膜の表面に高周波スパッ
タリングにより凹凸が形成されているので、該凹凸内に
ガス拡散電極がくい込み、固体高分子電解質膜とガス拡
散電極との接合面が拡大される。
ガス拡散電極とをホットプレス等により接合したもので
あるが、予め固体高分子電解質膜の表面に高周波スパッ
タリングにより凹凸が形成されているので、該凹凸内に
ガス拡散電極がくい込み、固体高分子電解質膜とガス拡
散電極との接合面が拡大される。
すなわち、第１図（ａ）に示すように固体高分子電解質
膜１と、ガス拡散電極２を構成する炭素２ａと、ガス拡
散電極２に担持された触媒（Ｐｔ）２ｂと、ガス拡散電
極２のガス通過空間２ｃとの王者の接合点が、平滑の場
合に較べて著しく増大する。因みに、表面が平滑な固体
高分子電解質膜を用いた場合には、膜表面へのガス拡散
電極のくい込みがないので、第１図（ｂ）に示すように
、固体高分子電解質膜ＩＡと、炭素２ａと、ガス通過空
間２Ｃとの王者の接合点は、第１図（ａｌの場合より著
しく少ない。
膜１と、ガス拡散電極２を構成する炭素２ａと、ガス拡
散電極２に担持された触媒（Ｐｔ）２ｂと、ガス拡散電
極２のガス通過空間２ｃとの王者の接合点が、平滑の場
合に較べて著しく増大する。因みに、表面が平滑な固体
高分子電解質膜を用いた場合には、膜表面へのガス拡散
電極のくい込みがないので、第１図（ｂ）に示すように
、固体高分子電解質膜ＩＡと、炭素２ａと、ガス通過空
間２Ｃとの王者の接合点は、第１図（ａｌの場合より著
しく少ない。
本発明において、上記王者の接合点を著しく増大させる
ためには、固体高分子電解質膜の表面の凹凸を、粒径１
００〜１０００人の炭素若しくは黒鉛粒子からなるガス
拡散電極の凹凸と同程度、又は炭素若しくは黒鉛粒子が
整合性よく結合し得るように形成するのがよく、一般に
は間隔、深さが１００〜１０００人が好ましい。
ためには、固体高分子電解質膜の表面の凹凸を、粒径１
００〜１０００人の炭素若しくは黒鉛粒子からなるガス
拡散電極の凹凸と同程度、又は炭素若しくは黒鉛粒子が
整合性よく結合し得るように形成するのがよく、一般に
は間隔、深さが１００〜１０００人が好ましい。
く実 施 例〉
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
平均粒径５００人のカーボンブラックと平均粒径０．３
μｍのポリテトラフルオロエチレンとが７： ３の割合
である反応層（０，１ｍ）と、平均粒径５００人のカー
ボンブラックと平均粒径０．３μｍのポリテトラフルオ
ロエチレンとが６：４の割合である反応層（０，５ｍ）
とからなるガス拡散電極を製造した。
μｍのポリテトラフルオロエチレンとが７： ３の割合
である反応層（０，１ｍ）と、平均粒径５００人のカー
ボンブラックと平均粒径０．３μｍのポリテトラフルオ
ロエチレンとが６：４の割合である反応層（０，５ｍ）
とからなるガス拡散電極を製造した。
一方、厚さ０．１１７＋ｍのパーフルオロスルフォン酸
ポリマー膜（ナフィオン：デュポン社製）に対し、雰囲
気Ａｒ １０−２Ｔｏ ｒ ｒ 、周波数１３．５ｋｌ
ｋ、電流値４ｍＡ、時間２００秒の高周波スパッタリン
グを実施することにより、両面に凹凸を形成した。この
ときの凹凸の間隔及び深さは約１０００人であり、上記
ガス拡散電極を構成する炭素の粒径５００人の約２倍で
ある。
ポリマー膜（ナフィオン：デュポン社製）に対し、雰囲
気Ａｒ １０−２Ｔｏ ｒ ｒ 、周波数１３．５ｋｌ
ｋ、電流値４ｍＡ、時間２００秒の高周波スパッタリン
グを実施することにより、両面に凹凸を形成した。この
ときの凹凸の間隔及び深さは約１０００人であり、上記
ガス拡散電極を構成する炭素の粒径５００人の約２倍で
ある。
かかる凹凸を有するポリマー膜を、２枚の上記ガス拡散
電極で挾み、１３０〜１５０℃。
電極で挾み、１３０〜１５０℃。
６０ｋｇ／ｃＩｌの条件で１分間接合し、２００℃で０
．５時間大気中で加熱して接合体とした。
．５時間大気中で加熱して接合体とした。
また、比較するため、高周波スパッタリングを施さない
こと以外は上記実施例と同様に操作して比較例に係る接
合体を製造した。
こと以外は上記実施例と同様に操作して比較例に係る接
合体を製造した。
（試験例）
このようにして製造した接合体と２枚のガスセパレータ
で挾さみ、発電試験を行った（第３図の構成参照）。こ
の発電試験は、共に９９．９％の水素及び酸素の圧力を
０．３ｋｇ／ｃｄ。
で挾さみ、発電試験を行った（第３図の構成参照）。こ
の発電試験は、共に９９．９％の水素及び酸素の圧力を
０．３ｋｇ／ｃｄ。
流量を１００ｍｊ／ｍｉｎとして室温で実施した。また
、水素側にはバブリングにより水蒸気加湿を施した。
、水素側にはバブリングにより水蒸気加湿を施した。
この結果は第２図に示す。同図に示す結果より、実施例
の接合体では反応面積が増大していると考えられ、比較
例のものに比べて発電特性（能力）が大幅に向上してい
る。
の接合体では反応面積が増大していると考えられ、比較
例のものに比べて発電特性（能力）が大幅に向上してい
る。
なお、このように発電性能が向上すると逆に触媒として
使用するＰｔの量を低下させることができ、実施例の場
合には、Ｐｔを約１ｗｇ／ｄ低減することが可能である
。
使用するＰｔの量を低下させることができ、実施例の場
合には、Ｐｔを約１ｗｇ／ｄ低減することが可能である
。
〈発明の効果〉
以上説明したように、本発明に係る接合体は高周波スパ
ッタリングにより予め固体高分子電解質膜の表面に凹凸
を形成しているので、固体高分子電解質膜とガス拡散電
極との接合面積が増大しており、燃料電池や水電解等に
使用したときの反応効率が大幅に向上するものである。
ッタリングにより予め固体高分子電解質膜の表面に凹凸
を形成しているので、固体高分子電解質膜とガス拡散電
極との接合面積が増大しており、燃料電池や水電解等に
使用したときの反応効率が大幅に向上するものである。
第１図は固体高分子電解質膜とガス拡散電極との界面状
態を示す説明図、第２図は試験例の結果を示すグラフ、
第３図は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、 １は固体高分子電解質膜、 ２はガス拡散電極、 ２ａは炭素、 ２ｂは触媒、 ２ｃはガス通過空間である。 第１図 ２炭素 第２図 電流密度（Ａ／ｃｍ２） 手続補正書 平成２年１２月 ４日
態を示す説明図、第２図は試験例の結果を示すグラフ、
第３図は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、 １は固体高分子電解質膜、 ２はガス拡散電極、 ２ａは炭素、 ２ｂは触媒、 ２ｃはガス通過空間である。 第１図 ２炭素 第２図 電流密度（Ａ／ｃｍ２） 手続補正書 平成２年１２月 ４日
Claims (2)
- （１）表面に高周波スパッタリングにより凹凸を形成し
た固体高分子電解質膜の凹凸面に反応層とガス拡散層と
からなるガス拡散電極の反応層側を合せ、接合してなる
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
。 - （２）請求項１において、固体高分子電解質膜の凹凸面
の凹凸は間隔が１００〜１０００Åで深さが１００〜１
０００Åであ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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2293647A JPH0758617B2 (ja) | 1990-11-01 | 1990-11-01 | 固体高分子電解質膜と電極との接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2293647A JPH0758617B2 (ja) | 1990-11-01 | 1990-11-01 | 固体高分子電解質膜と電極との接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04169069A true JPH04169069A (ja) | 1992-06-17 |
| JPH0758617B2 JPH0758617B2 (ja) | 1995-06-21 |
Family
ID=17797421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2293647A Expired - Lifetime JPH0758617B2 (ja) | 1990-11-01 | 1990-11-01 | 固体高分子電解質膜と電極との接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0758617B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6592934B2 (en) | 1996-12-27 | 2003-07-15 | Japan Storage Battery Co., Ltd. | Gas diffusion electrode, solid polymer electrolyte membrane, process for the production thereof and solid polymer electrolyte fuel cell |
| WO2003088396A1 (fr) * | 2002-04-18 | 2003-10-23 | Nec Corporation | Batterie de piles a combustible a electrolyte polymere solide a performance amelioree et son procede de fabrication |
| JP2005108822A (ja) * | 2003-09-12 | 2005-04-21 | Hitachi Ltd | 燃料電池用電解質膜とその製造方法及びそれを用いた燃料電池 |
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