JPH04274167A - 燃料電池の電極触媒層 - Google Patents
燃料電池の電極触媒層Info
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- JPH04274167A JPH04274167A JP3033270A JP3327091A JPH04274167A JP H04274167 A JPH04274167 A JP H04274167A JP 3033270 A JP3033270 A JP 3033270A JP 3327091 A JP3327091 A JP 3327091A JP H04274167 A JPH04274167 A JP H04274167A
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Classifications
-
- 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
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は燃料電池の電極触媒層
に係り、特に高電流密度における特性に優れる燃料電池
の電極触媒層に関する。
に係り、特に高電流密度における特性に優れる燃料電池
の電極触媒層に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は燃料電池の電極を示す断面図であ
る。燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを直接電気エネ
ルギに変換するものであり、燃料電池はマトリックスと
称される電解液保持層１と、この電解液保持層１を挟持
する燃料極触媒層２および酸化剤極触媒層３と、これら
電極触媒層を融着支持する多孔質電極基材４とからなる
。
る。燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを直接電気エネ
ルギに変換するものであり、燃料電池はマトリックスと
称される電解液保持層１と、この電解液保持層１を挟持
する燃料極触媒層２および酸化剤極触媒層３と、これら
電極触媒層を融着支持する多孔質電極基材４とからなる
。
【０００３】燃料極触媒層２と酸化剤極触媒層３の両電
極触媒層は図５に示すようにカーボンからなる触媒担体
６に貴金属８の担持された電極触媒、およびこの電極触
媒を結着するフッ素樹脂７から構成されている。電極触
媒のカーボン触媒担体はその粒径が１００ 〜１０００
Åの範囲にあり、４００ Åをこえるものが使われるこ
とが多い。またカーボン触媒担体１ｇあたりに担持され
る白金量は０．１ 〜０．２５ｇの範囲にある。
極触媒層は図５に示すようにカーボンからなる触媒担体
６に貴金属８の担持された電極触媒、およびこの電極触
媒を結着するフッ素樹脂７から構成されている。電極触
媒のカーボン触媒担体はその粒径が１００ 〜１０００
Åの範囲にあり、４００ Åをこえるものが使われるこ
とが多い。またカーボン触媒担体１ｇあたりに担持され
る白金量は０．１ 〜０．２５ｇの範囲にある。
【０００４】電極触媒層の内部では電解液保持層１から
の電解液５と、多孔質電極基材４からの反応ガス （燃
料ガスまたは酸化剤ガス） と、前記電極触媒とが三相
界面を形成しており式（１） と式（２） に示す反応
が燃料極触媒層２と酸化剤極触媒層でそれぞれおこる。 Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ
（１）２Ｈ＋ ＋１／２ Ｏ２ ＋２ｅ→
Ｈ２ Ｏ （２）
の電解液５と、多孔質電極基材４からの反応ガス （燃
料ガスまたは酸化剤ガス） と、前記電極触媒とが三相
界面を形成しており式（１） と式（２） に示す反応
が燃料極触媒層２と酸化剤極触媒層でそれぞれおこる。 Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ
（１）２Ｈ＋ ＋１／２ Ｏ２ ＋２ｅ→
Ｈ２ Ｏ （２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うな従来の電極触媒層を用いた燃料電池においては以下
のような問題があった。すなわち電極触媒層に粒子径ガ
４００ Å以下のカーボンを用い、これに白金を０．２
５ｇ／ｇカーボン担持した電極触媒５を用いるときは低
電流密度における特性は良好であるが、高電流密度にお
ける分極が大きい。この場合は白金粒子は高分散化され
ている。 また粒子径が５００ 〜６００ Åのカーボンに白金を
０．２５ｇ／ｇカーボンまたは０．４ ｇ／ｇカーボン
担持した電極触媒を用いるときは低電流密度においても
高電流密度においても分極が大きい。この場合は白金粒
子は高分散化されていない。
うな従来の電極触媒層を用いた燃料電池においては以下
のような問題があった。すなわち電極触媒層に粒子径ガ
４００ Å以下のカーボンを用い、これに白金を０．２
５ｇ／ｇカーボン担持した電極触媒５を用いるときは低
電流密度における特性は良好であるが、高電流密度にお
ける分極が大きい。この場合は白金粒子は高分散化され
ている。 また粒子径が５００ 〜６００ Åのカーボンに白金を
０．２５ｇ／ｇカーボンまたは０．４ ｇ／ｇカーボン
担持した電極触媒を用いるときは低電流密度においても
高電流密度においても分極が大きい。この場合は白金粒
子は高分散化されていない。
【０００６】上述の電極触媒で粒子径４００ Å以下の
カーボンに白金を担持した場合は、白金は高分散化され
てはいるが、カーボン触媒担体により形成される細孔内
を水素イオンＨ＋ が拡散し難く、そのために燃料電池
の電極触媒層内部抵抗が増大して、高電流密度における
特性が低下する。
カーボンに白金を担持した場合は、白金は高分散化され
てはいるが、カーボン触媒担体により形成される細孔内
を水素イオンＨ＋ が拡散し難く、そのために燃料電池
の電極触媒層内部抵抗が増大して、高電流密度における
特性が低下する。
【０００７】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的は電極触媒層のカーボン触媒担体に担持される貴金
属を高分散化するとともに電極触媒層内部における水素
イオンＨ＋ の拡散性を良くして電流電圧特性に優れる
燃料電池の電極触媒層を提供することにある。
目的は電極触媒層のカーボン触媒担体に担持される貴金
属を高分散化するとともに電極触媒層内部における水素
イオンＨ＋ の拡散性を良くして電流電圧特性に優れる
燃料電池の電極触媒層を提供することにある。
【０００８】
【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、カーボン触媒担体と触媒担体に担持される貴金
属とを有し、カーボン触媒担体はその粒子径が４００
Å以下であり、貴金属はその担持量がカーボン１ｇあた
り、０．３０〜０．６６ｇの範囲にある、とすることに
より達成される。カーボン触媒担体としては、アセチレ
ンブラック， ファーネスブラック等が用いられる。貴
金属としては白金， 白金合金 （白金／鉄， 白金／
コバルトなど） 等が含まれる。
よれば、カーボン触媒担体と触媒担体に担持される貴金
属とを有し、カーボン触媒担体はその粒子径が４００
Å以下であり、貴金属はその担持量がカーボン１ｇあた
り、０．３０〜０．６６ｇの範囲にある、とすることに
より達成される。カーボン触媒担体としては、アセチレ
ンブラック， ファーネスブラック等が用いられる。貴
金属としては白金， 白金合金 （白金／鉄， 白金／
コバルトなど） 等が含まれる。
【０００９】
【作用】カーボン触媒担体の粒子径が４００ Å以下で
かつ貴金属担持量が０．６６ｇ／ｇカーボン以下のとき
は貴金属は高分散状態で担持される。さらに貴金属担持
量が上記の範囲内のうち、０．３０〜０．６６ｇ／ｇカ
ーボンの領域にあるときは電極触媒層の貴金属量を従来
と同一に保って電極触媒層の厚さを従来のものより薄く
することができ、水素イオンＨ＋ の拡散性を向上させ
ることができる。
かつ貴金属担持量が０．６６ｇ／ｇカーボン以下のとき
は貴金属は高分散状態で担持される。さらに貴金属担持
量が上記の範囲内のうち、０．３０〜０．６６ｇ／ｇカ
ーボンの領域にあるときは電極触媒層の貴金属量を従来
と同一に保って電極触媒層の厚さを従来のものより薄く
することができ、水素イオンＨ＋ の拡散性を向上させ
ることができる。
【００１０】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
る。平均粒子径が２００ 〜９００ Åの範囲にある各
種のアセチレンブラックを用意し、それぞれ１０％硝酸
中で酸処理したのち、ろ過水洗を行った。酸処理された
アセチレンブラックを所定濃度の塩化白金酸水溶液中に
分散させ、ｐＨを１０〜１１に調整して３０〜６０分撹
拌した。次いで０．１ 〜０．３ モル濃度のギ酸また
はヒドラジン等の還元剤を滴加し、塩化白金酸を白金に
還元すると同時にアセチレンブラック表面に白金の微粒
子を析出させた。アセチレンブラックをろ過乾燥して白
金を０．４ ｇ／ｇカーボン担持した電極触媒を得た。
る。平均粒子径が２００ 〜９００ Åの範囲にある各
種のアセチレンブラックを用意し、それぞれ１０％硝酸
中で酸処理したのち、ろ過水洗を行った。酸処理された
アセチレンブラックを所定濃度の塩化白金酸水溶液中に
分散させ、ｐＨを１０〜１１に調整して３０〜６０分撹
拌した。次いで０．１ 〜０．３ モル濃度のギ酸また
はヒドラジン等の還元剤を滴加し、塩化白金酸を白金に
還元すると同時にアセチレンブラック表面に白金の微粒
子を析出させた。アセチレンブラックをろ過乾燥して白
金を０．４ ｇ／ｇカーボン担持した電極触媒を得た。
【００１１】得られた電極触媒中の担持された白金粒子
の大きさを走査型電子顕微鏡を用いて測定した。図１は
電極触媒における白金粒子径 （Å） とカーボン粒子
径 （Å） との関係を示す線図である。カーボン粒子
径が大きくなると担持される白金粒子径も大きくなるこ
とがわかる。アセチレンブラックとしては、平均のカー
ボン粒子径が４００Å以下のものを用いると、担持され
る白金の粒子径が約５０Åの大きさに高分散化されるこ
とがわかる。
の大きさを走査型電子顕微鏡を用いて測定した。図１は
電極触媒における白金粒子径 （Å） とカーボン粒子
径 （Å） との関係を示す線図である。カーボン粒子
径が大きくなると担持される白金粒子径も大きくなるこ
とがわかる。アセチレンブラックとしては、平均のカー
ボン粒子径が４００Å以下のものを用いると、担持され
る白金の粒子径が約５０Åの大きさに高分散化されるこ
とがわかる。
【００１２】図２は電極触媒における白金担持量 （ｇ
） と白金粒子径 （Å） との関係を示す線図である
。カーボン粒子径 （Å） をパラメータとして用いて
いる。曲線１３，１４，１５はそれぞれカーボン粒子径
が２００ Å， ４００ Å， ７００ Åである。カ
ーボン粒子径が４００ Å以下でかつ白金担持量が０．
６６ｇ／ｇカーボン以下の範囲にあるときは白金粒子径
が約５０Åで高分散化されることがわかる。
） と白金粒子径 （Å） との関係を示す線図である
。カーボン粒子径 （Å） をパラメータとして用いて
いる。曲線１３，１４，１５はそれぞれカーボン粒子径
が２００ Å， ４００ Å， ７００ Åである。カ
ーボン粒子径が４００ Å以下でかつ白金担持量が０．
６６ｇ／ｇカーボン以下の範囲にあるときは白金粒子径
が約５０Åで高分散化されることがわかる。
【００１３】電極触媒を界面活性剤を含む水に加え、超
音波を利用して充分に分散させたのち、ポリテトラフロ
ロエチレンを分散させた液を加えよく混合した。水溶性
有機溶剤を添加し、ペーストを得た。このペーストを多
孔質電極基材上に塗布し、乾燥したのち３５０ ℃に昇
温し、５〜１０ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を印加して焼成し
た。このようにして酸化剤極触媒層が多孔質電極基材上
に溶着した酸化剤電極、または燃料極触媒層が多孔質電
極基材上に溶着した燃料電極が得られる。このとき酸化
剤極触媒層， 燃料極触媒層は、単位面積あたりの白金
量が０．５ 〜１．５ｍｇ ／ｃｍ２ になるようにそ
の厚さが調整される。
音波を利用して充分に分散させたのち、ポリテトラフロ
ロエチレンを分散させた液を加えよく混合した。水溶性
有機溶剤を添加し、ペーストを得た。このペーストを多
孔質電極基材上に塗布し、乾燥したのち３５０ ℃に昇
温し、５〜１０ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を印加して焼成し
た。このようにして酸化剤極触媒層が多孔質電極基材上
に溶着した酸化剤電極、または燃料極触媒層が多孔質電
極基材上に溶着した燃料電極が得られる。このとき酸化
剤極触媒層， 燃料極触媒層は、単位面積あたりの白金
量が０．５ 〜１．５ｍｇ ／ｃｍ２ になるようにそ
の厚さが調整される。
【００１４】平均粒子径４００ Åのアセチレンブラッ
クに白金を０．３０ｇ／ｇカーボン担持した電極触媒を
用いて電極を構成し、得られた燃料電池の電流電圧特性
を求めた。図３はこの発明の実施例に係る前記電池の特
性 （曲線９） を比較例 （曲線１０，１１，１２）
と対比して示す線図である。電極触媒の白金担持量が０
．３０ｇ／ｇカーボンでこれは従来の担持量より大きく
、電極触媒層の厚さが低減され、電池内部抵抗が減少し
、高電流密度における特性が向上している。０．３０ｇ
／ｇカーボンを越える場合は０．６６ｇ／ｇカーボン以
下ならばさらに良好な特性が得られる。
クに白金を０．３０ｇ／ｇカーボン担持した電極触媒を
用いて電極を構成し、得られた燃料電池の電流電圧特性
を求めた。図３はこの発明の実施例に係る前記電池の特
性 （曲線９） を比較例 （曲線１０，１１，１２）
と対比して示す線図である。電極触媒の白金担持量が０
．３０ｇ／ｇカーボンでこれは従来の担持量より大きく
、電極触媒層の厚さが低減され、電池内部抵抗が減少し
、高電流密度における特性が向上している。０．３０ｇ
／ｇカーボンを越える場合は０．６６ｇ／ｇカーボン以
下ならばさらに良好な特性が得られる。
【００１５】比較例１
粒子径が５００ 〜６００ Åのアセチレンブラックに
０．２５ｇ／ｇカーボンになるように白金を担持させた
電極触媒を用いて実施例と同一の方法により電極を作製
した（曲線１０） 。 比較例２ 粒子径が５００ 〜６００ Åのアセチレンブラックに
０．４ ｇ／ｇカーボンになるように白金を担持させた
電極触媒を用いて実施例と同一の方法により電極を作製
した（曲線１１） 。 比較例３ 粒子径が４００ Å以下のアセチレンブラックに０．２
５ｇ／ｇカーボンになるように白金を担持させた電極触
媒を用いて実施例と同一の方法により電極を作製した
（曲線１２） 。
０．２５ｇ／ｇカーボンになるように白金を担持させた
電極触媒を用いて実施例と同一の方法により電極を作製
した（曲線１０） 。 比較例２ 粒子径が５００ 〜６００ Åのアセチレンブラックに
０．４ ｇ／ｇカーボンになるように白金を担持させた
電極触媒を用いて実施例と同一の方法により電極を作製
した（曲線１１） 。 比較例３ 粒子径が４００ Å以下のアセチレンブラックに０．２
５ｇ／ｇカーボンになるように白金を担持させた電極触
媒を用いて実施例と同一の方法により電極を作製した
（曲線１２） 。
【００１６】
【発明の効果】この発明によればカーボン触媒担体と触
媒担体に担持される貴金属とを有し、カーボン触媒担体
はその粒子径が４００ Å以下であり、貴金属が高分散
化された状態でなおかつ高密度にカーボン触媒担体に担
持され、その結果電極触媒層の所要厚さを低減して内部
抵抗を下げることが可能になり高電流密度領域における
特性に優れる燃料電池が得られる。
媒担体に担持される貴金属とを有し、カーボン触媒担体
はその粒子径が４００ Å以下であり、貴金属が高分散
化された状態でなおかつ高密度にカーボン触媒担体に担
持され、その結果電極触媒層の所要厚さを低減して内部
抵抗を下げることが可能になり高電流密度領域における
特性に優れる燃料電池が得られる。
【図１】この発明の実施例に係る電極触媒層につき白金
粒子径とカーボン粒子径との関係を示す線図
粒子径とカーボン粒子径との関係を示す線図
【図２】こ
の発明の実施例に係る電極触媒層につき白金粒子径と白
金担持量との関係を示す線図
の発明の実施例に係る電極触媒層につき白金粒子径と白
金担持量との関係を示す線図
【図３】この発明の実施例
に係る電極触媒を用いる燃料電池につきその電流電圧特
性を比較例と対比して示す線図
に係る電極触媒を用いる燃料電池につきその電流電圧特
性を比較例と対比して示す線図
【図４】燃料電池の電極を示す断面図
【図５】燃料電池の電極触媒層を示す断面図
１ 電解液保持層
２ 燃料極触媒層
３ 酸化剤極触媒層
４ 多孔質電極基材
５ 電解質
６ カーボン触媒担体
７ ポリテトラフロロエチレン
８ 貴金属
Claims (3)
- 【請求項１】カーボン触媒担体と触媒担体に担持される
貴金属とを有し、カーボン触媒担体はその粒子径が４０
０ Å以下であり、貴金属はその担持量がカーボン１ｇ
あたり、０．３０〜０．６６ｇの範囲にあることを特徴
とする燃料電池の電極触媒層。 - 【請求項２】請求項１記載の電極触媒層において、カー
ボン触媒担体はアセチレンブラックであることを特徴と
する燃料電池の電極触媒層。 - 【請求項３】請求項１記載の電極触媒層において、貴金
属は白金であることを特徴とする燃料電池の電極触媒層
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3033270A JPH04274167A (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 燃料電池の電極触媒層 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3033270A JPH04274167A (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 燃料電池の電極触媒層 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04274167A true JPH04274167A (ja) | 1992-09-30 |
Family
ID=12381837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3033270A Pending JPH04274167A (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 燃料電池の電極触媒層 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04274167A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08162133A (ja) * | 1994-12-05 | 1996-06-21 | Agency Of Ind Science & Technol | 白金系触媒の製造方法 |
| KR100434552B1 (ko) * | 1997-08-21 | 2004-07-16 | 삼성전자주식회사 | 백금/탄소분말과그제조방법,및이를이용하여형성된촉매층을갖는연료전지 |
| JP2004311225A (ja) * | 2003-04-08 | 2004-11-04 | Sony Corp | 触媒粉体及び触媒電極、並びに電気化学デバイス |
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1991
- 1991-02-28 JP JP3033270A patent/JPH04274167A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08162133A (ja) * | 1994-12-05 | 1996-06-21 | Agency Of Ind Science & Technol | 白金系触媒の製造方法 |
| KR100434552B1 (ko) * | 1997-08-21 | 2004-07-16 | 삼성전자주식회사 | 백금/탄소분말과그제조방법,및이를이용하여형성된촉매층을갖는연료전지 |
| JP2004311225A (ja) * | 2003-04-08 | 2004-11-04 | Sony Corp | 触媒粉体及び触媒電極、並びに電気化学デバイス |
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