JPH0456429B2 - - Google Patents
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- JPH0456429B2 JPH0456429B2 JP60063972A JP6397285A JPH0456429B2 JP H0456429 B2 JPH0456429 B2 JP H0456429B2 JP 60063972 A JP60063972 A JP 60063972A JP 6397285 A JP6397285 A JP 6397285A JP H0456429 B2 JPH0456429 B2 JP H0456429B2
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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
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/96—Carbon-based electrodes
-
- 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
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
〔発明の属する技術分野〕
本発明は燃料電池のガス拡散電極に関する。
〔従来技術とその問題点〕
燃料電池は触媒層を備えた多孔性のガス拡散電
極に燃料ガスや酸化剤ガスを連続的に供給し、電
解液との電気化学的反応により燃料のエネルギー
を電気エネルギーに変換して取り出す装置であつ
て、ガス拡散電極の構造は一般に第3図のような
ものが知られている。 第3図はガス拡散電極の構成部材の配置を示し
た模式的断面図であり、電極の一方の面が電解液
に接し、その反対側の面が燃料または酸化剤ガス
に接するように、液側層1、触媒層2および撥水
層3の3層からなる。但し液側層1はマトリツク
ス型燃料電池においては省略されることが多い
が、自由電解液型燃料電池に設けられて電解液室
側へのガスのバブリングを防ぐ役割を果す。燃料
ガス、電解液、触媒が互に接触して起こる電気化
学的反応は触媒層2内で行なわれる。撥水層3は
電解液がガス側へ漏洩するのを防ぐ役割をもつて
いる。したがつて撥水層3を形成する材料として
は電解液をはじきやすい、すなわち撥水性の高い
材料が好ましく、アセチレンブラツク粉末やグラ
フアイト粉末などが適しており、特にアセチレン
ブラツクは撥水性が著しく高いので最適である。
撥水層3はこれら粉末に少量のポリ4弗化エチレ
ン樹脂を結合剤として混合した後成形される。 しかしながら撥水性の高いアセチレンブラツク
を用いた撥水層3を備えた電極にも次のような欠
点がある。すなわち、触媒層2内で起こる電気化
学的反応により生ずる水は、電解液室側(マトリ
ツクス型ではマトリツクス側)またはガス側へ拡
散もしくは蒸発して逃散して行き、このとき燃料
電池が通常状態で運転されていれば水が触媒層2
中に蓄積されることはないが、高負荷状態で運転
されると、水の生成される量の方が逃散する量よ
りも多くなり、その結果触媒層2内に蓄積される
水が増加を続け触媒層2内の水圧が高まる。水圧
が高まると電解室液側への水の逃散する割合も増
えるから水の生成量と逃散量とのバランスを保つ
ことはできるが、高負荷運転状態が長時間続く
と、電極内の水圧が電極内で結着力の弱い個所に
作用し、具体的には触媒層2と撥水層3の境界部
が剥離して、剥離によつて生じた空〓に水が蓄積
されるようになる。このような状態になつたとき
電極はガス拡散性が損なわれ、電極性能は極端に
低下する。この現象は高い撥水性を有し水を逃散
させ難いアセチレンブラツク撥水層に顕著に現わ
れるが、同様に撥水性の良好なグラフアイト粉末
を用いた撥水層とした場合にも屡々みられ、例え
ばアルカリ型燃料電池を100℃化下の低温で作動
させるとき、生成される水は液状のままであり、
水の生成反応を起こす水素極にとくに問題とな
る。 例えば通常のごとくアセチレンブラツク100部
にポリ4弗化エチレンデイスパージヨン20部を添
加しシート成形した撥水層、白金を担持したフア
ーネスブラツクにポリ4弗化エチレンを加えてシ
ート成形した触媒層、焼結ニツケル板を液側層と
してこの順に積層した電極A、別にグラフアイト
100部にポリ4弗化エチレンデイスパージヨン30
部を添加しシート成形した撥水層と前記の触媒
層、液側層から同様に構成した電極Bの2種類の
電極をアルカリ型燃料電池の水素極として連続放
電を行なうと第4図のような結果が得られる。第
4図は65℃で500mA/cm2の高電流密度としたと
きの経過時間に対する電位の関係を示した線図で
あつて、第4図にみられるようにA,B両電極と
も約2500〜2700時間を経過すると急激に劣化する
ようになる。これら両電極A,Bをそれぞれ放電
後の断面で示すといずれも第5図のごとくであ
り、各部を第3図と同一符号で示してあるが、こ
の断面を観察すると、触媒層2と撥水層3との境
界が一部剥離を生じここに水泡4の存在が認めら
れ、蓄積された水泡4が前述のようガス拡散性を
阻害し、電極性能を劣化させるのである。 〔発明の目的〕 本発明は上述の点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は高負荷運転を長期間継続するとき
も触媒層と撥水層が剥離を起こさず、これら層間
に電気化学反応により生成される水が蓄積される
ことなく、安定した電極性能を保持することがで
きる燃料電池のガス拡散電極を提供することにあ
る。 〔発明の要点〕 本発明は撥水層、触媒層および液側層からなる
燃料電池のガス拡散電極のガス側に配設された撥
水層に、撥水性の高いカーボン粉末とこれより撥
水性の低いカーボン粉末との混合粉末とを用い、
撥水層内および撥水層のガス側表面に撥水性の高
い部分と撥水性の低い部分を形成させ、高負荷運
転時に生成される水の増量分を撥水性の低い部分
を通してガス側に水滴として逃がすことにより、
触媒層と撥水層との剥離およびこれら両層間に水
が蓄積することのないガス拡散電極としたもので
ある。 〔発明の実施例〕 以下本発明を実施例に基づき説明する。 撥水層を構成するカーボン材料として撥水性の
高いカーボンにはアセチレンブラツクとグラフア
イトを用い、撥水性の低い材料には活性炭とフア
ーネスブラツクを選びこれら撥水性の異なるカー
ボン材料の組み合わせによる4試料電極を作製し
た。その組み合わせおよび配合は第1表のように
した。
極に燃料ガスや酸化剤ガスを連続的に供給し、電
解液との電気化学的反応により燃料のエネルギー
を電気エネルギーに変換して取り出す装置であつ
て、ガス拡散電極の構造は一般に第3図のような
ものが知られている。 第3図はガス拡散電極の構成部材の配置を示し
た模式的断面図であり、電極の一方の面が電解液
に接し、その反対側の面が燃料または酸化剤ガス
に接するように、液側層1、触媒層2および撥水
層3の3層からなる。但し液側層1はマトリツク
ス型燃料電池においては省略されることが多い
が、自由電解液型燃料電池に設けられて電解液室
側へのガスのバブリングを防ぐ役割を果す。燃料
ガス、電解液、触媒が互に接触して起こる電気化
学的反応は触媒層2内で行なわれる。撥水層3は
電解液がガス側へ漏洩するのを防ぐ役割をもつて
いる。したがつて撥水層3を形成する材料として
は電解液をはじきやすい、すなわち撥水性の高い
材料が好ましく、アセチレンブラツク粉末やグラ
フアイト粉末などが適しており、特にアセチレン
ブラツクは撥水性が著しく高いので最適である。
撥水層3はこれら粉末に少量のポリ4弗化エチレ
ン樹脂を結合剤として混合した後成形される。 しかしながら撥水性の高いアセチレンブラツク
を用いた撥水層3を備えた電極にも次のような欠
点がある。すなわち、触媒層2内で起こる電気化
学的反応により生ずる水は、電解液室側(マトリ
ツクス型ではマトリツクス側)またはガス側へ拡
散もしくは蒸発して逃散して行き、このとき燃料
電池が通常状態で運転されていれば水が触媒層2
中に蓄積されることはないが、高負荷状態で運転
されると、水の生成される量の方が逃散する量よ
りも多くなり、その結果触媒層2内に蓄積される
水が増加を続け触媒層2内の水圧が高まる。水圧
が高まると電解室液側への水の逃散する割合も増
えるから水の生成量と逃散量とのバランスを保つ
ことはできるが、高負荷運転状態が長時間続く
と、電極内の水圧が電極内で結着力の弱い個所に
作用し、具体的には触媒層2と撥水層3の境界部
が剥離して、剥離によつて生じた空〓に水が蓄積
されるようになる。このような状態になつたとき
電極はガス拡散性が損なわれ、電極性能は極端に
低下する。この現象は高い撥水性を有し水を逃散
させ難いアセチレンブラツク撥水層に顕著に現わ
れるが、同様に撥水性の良好なグラフアイト粉末
を用いた撥水層とした場合にも屡々みられ、例え
ばアルカリ型燃料電池を100℃化下の低温で作動
させるとき、生成される水は液状のままであり、
水の生成反応を起こす水素極にとくに問題とな
る。 例えば通常のごとくアセチレンブラツク100部
にポリ4弗化エチレンデイスパージヨン20部を添
加しシート成形した撥水層、白金を担持したフア
ーネスブラツクにポリ4弗化エチレンを加えてシ
ート成形した触媒層、焼結ニツケル板を液側層と
してこの順に積層した電極A、別にグラフアイト
100部にポリ4弗化エチレンデイスパージヨン30
部を添加しシート成形した撥水層と前記の触媒
層、液側層から同様に構成した電極Bの2種類の
電極をアルカリ型燃料電池の水素極として連続放
電を行なうと第4図のような結果が得られる。第
4図は65℃で500mA/cm2の高電流密度としたと
きの経過時間に対する電位の関係を示した線図で
あつて、第4図にみられるようにA,B両電極と
も約2500〜2700時間を経過すると急激に劣化する
ようになる。これら両電極A,Bをそれぞれ放電
後の断面で示すといずれも第5図のごとくであ
り、各部を第3図と同一符号で示してあるが、こ
の断面を観察すると、触媒層2と撥水層3との境
界が一部剥離を生じここに水泡4の存在が認めら
れ、蓄積された水泡4が前述のようガス拡散性を
阻害し、電極性能を劣化させるのである。 〔発明の目的〕 本発明は上述の点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は高負荷運転を長期間継続するとき
も触媒層と撥水層が剥離を起こさず、これら層間
に電気化学反応により生成される水が蓄積される
ことなく、安定した電極性能を保持することがで
きる燃料電池のガス拡散電極を提供することにあ
る。 〔発明の要点〕 本発明は撥水層、触媒層および液側層からなる
燃料電池のガス拡散電極のガス側に配設された撥
水層に、撥水性の高いカーボン粉末とこれより撥
水性の低いカーボン粉末との混合粉末とを用い、
撥水層内および撥水層のガス側表面に撥水性の高
い部分と撥水性の低い部分を形成させ、高負荷運
転時に生成される水の増量分を撥水性の低い部分
を通してガス側に水滴として逃がすことにより、
触媒層と撥水層との剥離およびこれら両層間に水
が蓄積することのないガス拡散電極としたもので
ある。 〔発明の実施例〕 以下本発明を実施例に基づき説明する。 撥水層を構成するカーボン材料として撥水性の
高いカーボンにはアセチレンブラツクとグラフア
イトを用い、撥水性の低い材料には活性炭とフア
ーネスブラツクを選びこれら撥水性の異なるカー
ボン材料の組み合わせによる4試料電極を作製し
た。その組み合わせおよび配合は第1表のように
した。
とくにアルカリ型燃料電池の水素極など燃料電
池のガス拡散電極は触媒層内で電気化学反応によ
つて生ずる水が、高負荷運転時に増加し続けるの
で撥水層を撥水性の高い材料のみで形成すると、
その生成水が逃げられず、電極内の水圧を高めて
触媒層と撥水層を剥離させてその〓間に水泡が溜
り、ガス拡散性を著しく妨げるという欠点をもつ
ていたのに対し、本発明によれば実施例で説明し
たように、撥水性の高いカーボンと撥水性の低い
カーボンとの2種類の材料を混合したものからな
る撥水層を構成したために、高負荷運転時に生成
される水の増量分を撥水性の低いカーボンで形成
される細孔を通してガス側に逃がし、撥水層のガ
ス側表面に付着する水滴としてこれを排出ガスと
ともに除去することができるから、電極内に水が
蓄積されることなく高負荷運転に際しても電極は
良好なガス拡散性を保持して長時間にわたつて安
定な作動を持続することが可能となり、その結果
電極寿命を大巾に延ばすことができる。
池のガス拡散電極は触媒層内で電気化学反応によ
つて生ずる水が、高負荷運転時に増加し続けるの
で撥水層を撥水性の高い材料のみで形成すると、
その生成水が逃げられず、電極内の水圧を高めて
触媒層と撥水層を剥離させてその〓間に水泡が溜
り、ガス拡散性を著しく妨げるという欠点をもつ
ていたのに対し、本発明によれば実施例で説明し
たように、撥水性の高いカーボンと撥水性の低い
カーボンとの2種類の材料を混合したものからな
る撥水層を構成したために、高負荷運転時に生成
される水の増量分を撥水性の低いカーボンで形成
される細孔を通してガス側に逃がし、撥水層のガ
ス側表面に付着する水滴としてこれを排出ガスと
ともに除去することができるから、電極内に水が
蓄積されることなく高負荷運転に際しても電極は
良好なガス拡散性を保持して長時間にわたつて安
定な作動を持続することが可能となり、その結果
電極寿命を大巾に延ばすことができる。
第1図は本発明による電極の運転経過時間に対
する出力電位の変化を示す線図、第2図は本発明
による電極の放電後の模式的断面図、第3図は従
来電極の構成を示す模式的断面図、第4図は従来
電極の放電特性線図、第5図は同じく放電後の模
式的断面図である。 1……液側層、2……触媒層、3……撥水層、
4……水泡、5……水滴。
する出力電位の変化を示す線図、第2図は本発明
による電極の放電後の模式的断面図、第3図は従
来電極の構成を示す模式的断面図、第4図は従来
電極の放電特性線図、第5図は同じく放電後の模
式的断面図である。 1……液側層、2……触媒層、3……撥水層、
4……水泡、5……水滴。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 触媒層と撥水層とを備え、前記撥水層をガス
側に配置してなる燃料電池のガス拡散電極におい
て、前記撥水層は、撥水性の高いカーボン粉末と
撥水性の低いカーボン粉末とを同等レベルの重量
部数で混合し弗素樹脂で結合してなる撥水層であ
ることを特徴とする燃料電池のガス拡散電極。 2 特許請求の範囲第1項記載の電極において、
撥水性の高いカーボン粉末は、アセチレンブラツ
クまたはグラフアイトであり、撥水性の低いカー
ボン粉末は活性炭またはフアーネスブラツクであ
ることを特徴とする燃料電池のガス拡散電極。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60063972A JPS61225768A (ja) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | 燃料電池のガス拡散電極 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60063972A JPS61225768A (ja) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | 燃料電池のガス拡散電極 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61225768A JPS61225768A (ja) | 1986-10-07 |
JPH0456429B2 true JPH0456429B2 (ja) | 1992-09-08 |
Family
ID=13244708
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP60063972A Granted JPS61225768A (ja) | 1985-03-29 | 1985-03-29 | 燃料電池のガス拡散電極 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61225768A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4326179B2 (ja) * | 1999-08-27 | 2009-09-02 | パナソニック株式会社 | 高分子電解質型燃料電池 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001513940A (ja) * | 1998-03-06 | 2001-09-04 | マグネート−モートア、ゲゼルシャフト、フュール、マグネートモートリシェ、テヒニク、ミット、ベシュレンクテル、ハフツング | 水に対する拡散能力が低いガス拡散電極およびポリマー電解膜燃料電池 |
JP2009266681A (ja) * | 2008-04-25 | 2009-11-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS496617A (ja) * | 1972-04-14 | 1974-01-21 | ||
JPS50132435A (ja) * | 1974-04-08 | 1975-10-20 |
-
1985
- 1985-03-29 JP JP60063972A patent/JPS61225768A/ja active Granted
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS496617A (ja) * | 1972-04-14 | 1974-01-21 | ||
JPS50132435A (ja) * | 1974-04-08 | 1975-10-20 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4326179B2 (ja) * | 1999-08-27 | 2009-09-02 | パナソニック株式会社 | 高分子電解質型燃料電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS61225768A (ja) | 1986-10-07 |
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