JPH0428166A - 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】 〈産業上の利用分計〉 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寓くできる等の
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５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、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
０６ａ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！ｌ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： ０２＋４　Ｈ”＋４　ｅ−→２　Ｈ２０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。

〈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０１の単位体積当９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ろためには
、例えば上記反応膜０４Ａ、０４Ｂの有効に働く触媒量
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、
有効に働く触媒は担持量の１１５以下である。

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るために有
効に働く触媒量を増大させた、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。

〈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、少なくとも一方の面に触媒を担持し
た固体高分子電解質膜の触媒担持側に、反応膜及び／又
はガス拡散膜を配し、これをホットプレスしてなること
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。

このような固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面に
白金系触媒を担持する方法としては、触媒微粒子を表面
に付着するものであれば特に限定されないが、好適には
還元剤浸透法（特公昭５６−３６８７３号公報）や吸着
還元成長法（特公昭５８−４７４７１号公報）を用いれ
ばよい。なお、予め固体高分子電解質膜の表面をサンド
ブラスト等して微細な凹凸をつけるようにすれば、触媒
微粒子の付着量を向上することができる。

また、本発明で触媒とは、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
い、好ましくは粒径が５０Å以下のものを用いるのが望
ましい。

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。

本発明では、少なくとも一方の面に触媒を担持した固体
高分子電解質膜の触媒担持側にガス拡散膜を配し、これ
を接合することにより接合体とする。

ここで、接合する方法としては、通常のホットプレス、
静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ、ＣＩ　Ｐ）などを採用すれば
よい。また、このときの接合条件は接合できる条件であ
れば特に限定されないが、例えばホットプレスの場合で
１２０〜２００℃の温度で１００〜５００ｋｇ／ａｄノ
圧力で行えばよい。

また、このように接合体とする場合、固体高分子電解質
、触媒及びガス拡散電極の導電性材料の王者が共存して
電池反応が起こる範囲が広くなればなるほど、電池反応
の効率が向上する。

したがって、例えば水や、アルコールなどの溶媒雰囲気
中でプレスする方法を採用するとよい。この方法では固
体高分子電解質膜が膨潤あるいは多少溶解した状態でプ
レスされるので、固体高分子電解質がガス拡散膜の中に
多く入り込む（拡散する）ようになり上述した王者の共
存範囲が大きくなるという効果が得られる。

また、ラバーなどの弾性材で固体高分子電解質膜の周囲
を挾んだ状態でプレスして、プレスの際の固体高分子電
解質膜の面方向への延伸を極力防止するようにする方法
も好適である。この方法によっても固体高分子電解質膜
がガス拡散膜内へ拡散し易くなり、電池反応の効率が向
上するという効果が得られろ。

また、本発明では、このように接合するガス拡散膜の内
側に反応膜を配してもよい。すなわち、固体高分子電解
質膜燃料電池等に用いられるガス拡散膜と反応膜とから
なるガス拡散電極を用いることもできる。また、ガス拡
散膜の代りに反応膜だけを配してもよい。

ここで、反応膜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微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
と共にガスを透過させる性質を有しているものである。

本発明に係る接合体では、固体高分子電解質膜とガス拡
散膜若しくは反応膜との界面に存在する有効触媒量が、
例えば固体高分子電解質膜に直接、反応膜を接合した場
合に比べて大幅に大きくなる。

く実　施　例〉 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図には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、１は固体高分子電解質膜、２はその両面に析出
された触媒層であり、この両側にガス拡散電極３Ａ、３
Ｂを接合して接合体としている。

ここで、固体高分子電解質膜１としては厚さ０．１７閣
のデュポン社製のナフィオン（商品名）を用い、この両
面にＰｔ微粒子をスプレーして触媒層２を形成した。

一方、ガス拡散電極３Ａ、３Ｂは、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０．７：　７：　４：　　３の割合
で成る反応膜４Ａ、４Ｂ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のポリテドラフル
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５Ａ、５Ｂとから構成されている。反応膜４Ａ、４
Ｂ及び疎水性ガス拡散膜５Ａ、５Ｂは、白金以外の各原
料粉末にソルベントナフサ、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
４Ａ、４Ｂ側に、塩化白金酸化還元法によすＰｔ　Ｏ，
５６■／ｃｉを担持させることによりガス拡散電極３Ａ
、　３Ｂが製造される。

そして、２枚のガス拡散電極３Ａ、３Ｂの間に固体高分
子電解質膜１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、ここで用いる装置は上型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を挾持することにより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、このプレス室
１４内で２枚のガス拡散電極で固体高分子電解質膜を挾
んだ挟持体１５をホットプレスする構造となっている。

そして、下型１２にはプレス室１３に連通する供給通路
１６及び排出通路１７が形成されており、これら通路１
６．１７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内には温度センサ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Ｏ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だ挟持体１５を載
置する。

この状態で上型１１を合わせた後、供給通路１６から純
水を排出通路１７から排出するまで供給する。そして、
このようにプレス室１４内に水を適度に満たした状態で
設定温度（例えば１２０〜１３０℃）に加熱しつつ例え
ば２００ｋｇ／ｃｉ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レス室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
ロパツールと水との１＝　１の混合溶媒を用いてもよい
が、このようにアルコール等の溶媒を用いた場合には、
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、まず、上述した固体高
分子電解質膜１を２枚のガス拡散電極３Ａ、３Ｂで挾ん
だ挾持体を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０．１　ｗｘｍ　程度の厚すのス
テンレス鋼からなり、ガス拡散電極３Ａ、３Ｂに対する
面圧の均一化と、これらガス拡散電極３Ａ、３Ｂ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、ガス拡散電極３Ａ、３Ｂからはみ出した固体高
分子電解質膜１の周縁部をステンレス鋼箔２２を介して
押えろようにゴムシート２３を装着し、さらに全体を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３Ａ（若しくは３Ｂ）と押え板２１とを重ね
た厚さよりも大きく例えば１．０−程度とする。なお、
ゴムシート２４も、例えば１．０ｗ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
、固体高分子電解質膜１の面方向への延伸が制限され、
固体高分子電解質膜１がガス拡散電極３Ａ、３Ｂの反応
層内に深く拡散していくことになる。

思上説明した二つの接合方法で製造した接合体は、有効
な触媒量が向上し、大幅に性能が向上した。

（試　験　例） 上記実施例と同様にして固体高分子電解質膜に０．５Ｉ
Ｎ１ｇ／−のｐｔを付着させた後、これを０．５＋ａｇ
／ｃＩｌのＰｔを担持したガス拡散電極と接合したもの
（実施例）と、比較のため、固体高分子電解質膜にＰｔ
を付着させずに、１１１ｇ／ｃＩｉのＰｔを担持したガ
ス拡散電極と接合したもの（比較例）とについて、発電
試験を行ったところ第４図に示す結果を得た。なお、両
者は第３図に示すプレス法により、１８０℃で５分間液
合し、その後２００℃の空気中で３０分熱処理したもの
である。また、発電試験は８５℃、Ｈ１０＝２７２ｔｍ
の条件で行った。

この結果より、実施例と比較例とではＰｔの担持量は同
じであるが、利用率の違いにより発電性能に大きな差が
出ることが認められな。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明に係る接合体は、単位面積
当りの触媒利用率が著しく大きいので、燃料電池や水電
解等に用いた場合の電池反応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図は一実施例に係る接合体の断面図、第２図及び第
３図は実施例に係る接合の作業態様を示す説明図、第４
図は発電試験の結果を示すグラフ、第５図は固体高分子
電解質膜燃料電池本体の基本構造の概念図である。 図面中、 １は固体高分子電解質膜、 ２は触媒層、 ３Ａ、３Ｂはガス拡散電極、 ４Ａ、４Ｂは反応膜、 ５Ａ、５Ｂは疎水性ガス拡散膜である。 上型 下型 ０リング プレス室 挟持体 供給通路 排出通路 ヒータ ヒータ 温度センザ ３Ａ、３Ｂ ２３．２４ 固体高分子電解質膜 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 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも一方の面に触媒を担持した固体高分子電解質
   膜の触媒担持側に、反応膜及び／又はガス拡散膜を配し
   、これを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。