JPH06275282A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JPH06275282A JPH06275282A JP5058398A JP5839893A JPH06275282A JP H06275282 A JPH06275282 A JP H06275282A JP 5058398 A JP5058398 A JP 5058398A JP 5839893 A JP5839893 A JP 5839893A JP H06275282 A JPH06275282 A JP H06275282A
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- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- catalyst layer
- catalyst layers
- hydrogen
- electrode catalyst
- Prior art date
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- 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)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】固体高分子電解質型水素−空気燃料電池におい
て、電極および固体電解質膜の乾燥を防止、空気極の反
応生成水を有効利用による電池出力特性の向上。 【構成】固体高分子電解質膜の両側に水素極および空気
極を設けた燃料電池において、ガス拡散電極を親水性し
た燃料電池。 【効果】従来の電極に対して１.５ 倍程度の出力密度を
得ることが可能。
て、電極および固体電解質膜の乾燥を防止、空気極の反
応生成水を有効利用による電池出力特性の向上。 【構成】固体高分子電解質膜の両側に水素極および空気
極を設けた燃料電池において、ガス拡散電極を親水性し
た燃料電池。 【効果】従来の電極に対して１.５ 倍程度の出力密度を
得ることが可能。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に関し、特に水
素−酸素型燃料電池の電極構造に関するものである。
素−酸素型燃料電池の電極構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本発明は燃料電池一般に応用できるもの
であるが、ここでは固体高分子型水素−酸素燃料電池を
例にとり従来技術を説明する。反応物質が水素−空気で
あっても技術はまったく同じである。
であるが、ここでは固体高分子型水素−酸素燃料電池を
例にとり従来技術を説明する。反応物質が水素−空気で
あっても技術はまったく同じである。
【０００３】固体高分子型燃料電池の両電極は白金触
媒，触媒担体であるカーボン，結着剤であるポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、および固体高分子電解
質（イオン交換膜）と同様のイオン伝導体(イオン交換
樹脂)からなる。水素極では水素分子がプロトンにイオ
ン化され、この時に電子を放出する。
媒，触媒担体であるカーボン，結着剤であるポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、および固体高分子電解
質（イオン交換膜）と同様のイオン伝導体(イオン交換
樹脂)からなる。水素極では水素分子がプロトンにイオ
ン化され、この時に電子を放出する。
【０００４】 Ｈ2 ⇒ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- （１） プロトンは電極内のイオン交換樹脂を伝導して陽イオン
交換膜に到達し、さらに交換膜を伝導し、反対側の酸素
極(空気極)に移動する。放出電子は外部回路を通じて酸
素極へ移動する。酸素極ではプロトンが酸素及び水素極
から放出された電子と反応して水が生成される。
交換膜に到達し、さらに交換膜を伝導し、反対側の酸素
極(空気極)に移動する。放出電子は外部回路を通じて酸
素極へ移動する。酸素極ではプロトンが酸素及び水素極
から放出された電子と反応して水が生成される。
【０００５】 １／２Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ⇒ Ｈ2Ｏ （２） 上記燃料電池の反応は主に次の４プロセスからなる。
【０００６】（Ａ）水素及び酸素の触媒表面への拡散 （Ｂ）触媒表面反応（水素極，酸素極） （Ｃ）プロトン伝導（触媒内部，イオン交換膜内） （Ｄ）反応生成水 それぞれのプロセスでの拡散あるいは反応速度が電池出
力特性に大きく影響する。
力特性に大きく影響する。
【０００７】（Ａ）の水素及び酸素の触媒表面への拡散
を効率的に行うために、特開昭60−35472 号、図１に示
されているような波型集電体を使用している。この波型
集電体を電極に接触させると接触面に空間ができ、この
空間を通して水素あるいは酸素が電極表面に拡散する。
イオン交換樹脂を使用した燃料電池は通常上記のような
構造が採用されており、ある程度の出力が発現されてい
る。
を効率的に行うために、特開昭60−35472 号、図１に示
されているような波型集電体を使用している。この波型
集電体を電極に接触させると接触面に空間ができ、この
空間を通して水素あるいは酸素が電極表面に拡散する。
イオン交換樹脂を使用した燃料電池は通常上記のような
構造が採用されており、ある程度の出力が発現されてい
る。
【０００８】陽イオン交換膜を伝導してきたプロトン
は、該交換膜と酸素極との界面および酸素極触媒層内で
反応（２）が進むため酸素極では水が生成される。この
生成水は、酸素極に供給されるガスとともに系外に排出
される。しかしこの供給ガス量が多すぎると排出される
水分量が多くなりすぎ酸素極が乾燥する。酸素極が乾燥
するとプロトンの供給が該交換膜と酸素極界面の近傍の
みとなり電池性能が発現できなくなる。また、プロトン
の移動を容易にするためイオン伝導体の量を増加する方
法もある。しかし、酸素極でのプロトンの移動はイオン
伝導体によるものであるが、イオン伝導体は電子伝導に
対しては抵抗体でその添加量は限度がある。これらの問
題を解決するために、空気極を加湿することが一般に用
いられている方法である。従って、電池内酸素極では水
分を供給する加湿水分および電極反応での生成水とから
成り、それらの水分管理が重要となる。
は、該交換膜と酸素極との界面および酸素極触媒層内で
反応（２）が進むため酸素極では水が生成される。この
生成水は、酸素極に供給されるガスとともに系外に排出
される。しかしこの供給ガス量が多すぎると排出される
水分量が多くなりすぎ酸素極が乾燥する。酸素極が乾燥
するとプロトンの供給が該交換膜と酸素極界面の近傍の
みとなり電池性能が発現できなくなる。また、プロトン
の移動を容易にするためイオン伝導体の量を増加する方
法もある。しかし、酸素極でのプロトンの移動はイオン
伝導体によるものであるが、イオン伝導体は電子伝導に
対しては抵抗体でその添加量は限度がある。これらの問
題を解決するために、空気極を加湿することが一般に用
いられている方法である。従って、電池内酸素極では水
分を供給する加湿水分および電極反応での生成水とから
成り、それらの水分管理が重要となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明では水素極及び
空気極のプロトンの移動を高効率化するために、水素極
では（１）の反応で生成するプロトンの移動を促進さ
せ、空気極では水分の保持量を最適化させプロトンの移
動を容易にし、電極触媒層でのプロトンとガスとの電極
反応を促進させるとともに、電極とイオン交換膜の界面
と触媒層内で生じる酸化還元反応を加速する電極構造を
提供することを目的とする。水素極にはイオン交換膜の
乾燥防止及びプロトンの移動を促進するために水分を添
加している。電極触媒層の坦体の撥水性が強い場合は、
その水分が浸透できずきプロトンの移動が阻害される。
また、イオン交換膜中へ移動する水分の移動量が不十分
になり、イオン交換膜が乾燥状態になるのでプロトンの
移動が阻害され、電極反応が進行せずに電極性能が低下
する。一方、空気極ではプロトンに伴う水和水と電極反
応で生成する水分は、触媒層の撥水性が高い場合は供給
ガスに同伴し系外に排出され易く水分が不足する。従っ
て、水素極側より移動して来るプロトンは触媒層の界面
近傍のみで電極反応が進行し触媒層深部まで到達できな
い。また、撥水性を有する触媒層では水分の保持性が低
く供給ガスとともに同伴されやすく、水分の保持量が少
なくなる。従って、プロトンの移動を容易にさせるため
には、その移動の補助剤となる水分の保持力が必要であ
る。
空気極のプロトンの移動を高効率化するために、水素極
では（１）の反応で生成するプロトンの移動を促進さ
せ、空気極では水分の保持量を最適化させプロトンの移
動を容易にし、電極触媒層でのプロトンとガスとの電極
反応を促進させるとともに、電極とイオン交換膜の界面
と触媒層内で生じる酸化還元反応を加速する電極構造を
提供することを目的とする。水素極にはイオン交換膜の
乾燥防止及びプロトンの移動を促進するために水分を添
加している。電極触媒層の坦体の撥水性が強い場合は、
その水分が浸透できずきプロトンの移動が阻害される。
また、イオン交換膜中へ移動する水分の移動量が不十分
になり、イオン交換膜が乾燥状態になるのでプロトンの
移動が阻害され、電極反応が進行せずに電極性能が低下
する。一方、空気極ではプロトンに伴う水和水と電極反
応で生成する水分は、触媒層の撥水性が高い場合は供給
ガスに同伴し系外に排出され易く水分が不足する。従っ
て、水素極側より移動して来るプロトンは触媒層の界面
近傍のみで電極反応が進行し触媒層深部まで到達できな
い。また、撥水性を有する触媒層では水分の保持性が低
く供給ガスとともに同伴されやすく、水分の保持量が少
なくなる。従って、プロトンの移動を容易にさせるため
には、その移動の補助剤となる水分の保持力が必要であ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、電極触
媒層を親水性にしその層を薄膜にすることにより、電極
触媒層内濡れ性を改善しプロトン移動性を容易にするこ
とで、電極細孔での電極反応を促進させるとともに、空
気極の電極反応で生成する水分を有効活用できることか
ら、電極触媒層深部の活性成分を利用し電池性能が向上
し、かつ安定化させたことにある。本発明の基本的な電
池構造を図１に示す。固体高分子電解質１の両側に水素
極２，空気極３，集電体４，ガスシール体５からなって
いる。水素極２，空気極３は触媒成分，触媒担体，結着
剤成分，電解質１と同種あるいは異種の陽イオン交換性
電解質等から構成されている。また、図２に電極群の構
成を示す。高分子電解質１の両側に水素極電極２，空気
極電極３があるが、それぞれの電極は水素極触媒層６と
ガス拡散層を兼ねた電子伝導体７，空気極触媒層８とガ
ス拡散層を兼ねた電子伝導体９になっており、それを加
圧し一体化している。重要なことは、両極とも触媒坦体
が親水性であることにある。触媒坦体が親水性であると
触媒層が濡れやすくなり、電極の細孔が閉塞されガス拡
散が阻害される恐れがあるが、触媒層を薄膜にすること
でガス拡散層から供給されるガスとともに余剰の水分を
同伴できるので、電極触媒層が適度に濡れ電極反応の場
が大になる。触媒坦体としては、ファーネスブラック，
活性炭などまたあり、また、それらを混合又は表面積の
異なるものを混合しても効果がある。触媒中のプロトン
の移動は水分だけでは泳動できない。従って、イオン伝
導体が必要になる。イオン伝導体は親水性を有すること
から触媒層中に添加する量を変化させる方法もある。イ
オン伝導体のイオン交換基は親水的であるがその他の部
分は必ずしも親水的であるとは言えず，材料によって異
なる。添加量が増加すれば親水基は増加しており、親水
性が強化されること、また、プロトンの移動も促進する
働きもある。さらに、両極の触媒坦体の比表面積を大き
くすることでも水分の保持性が高くなり、プロトン移動
が適度になるため電極反応の場が大きくなり、電極性能
を向上させるに有効である。その比表面積の大きさとし
ては１００〜２０００ｍ2 ／ｇが好ましい。また、電極
触媒層に用いる坦体自身を親水性にすることも効果があ
る。その方法としては坦体のイオン交換容量を大きくす
ることが有効である。本発明の電極触媒に用いる坦体は
炭素粉末であり、その炭素粉末は本来イオン交換容量は
非常に小さい。検討の結果、本発明の目的に合致するに
は、少なくとも０.１mg・ｅｑ／ｇ 以上のイオン交換容
量が必要であることが実験的に確認した。これを大にす
るには表面官能基を増加させれば良い。通常、炭素粉末
を酸化処理する方法が用いられる。酸化剤として、塩
酸，硝酸のように酸化性の強い酸が有効である。撥水性
を有しない結着剤とはイオン交換基のような親水性官能
基を有しない含フッ素系化合物とりわけフッ素樹脂系高
分子化合物以外のことであり、たとえば塩化ビニール，
ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリビニールアルコー
ル，ポリカーボネイトなど及びその化合物などが好まし
い。電極触媒層に水分を保水させる方法として、触媒層
に吸水性を有する樹脂を添加することも効果がある。そ
の吸水性樹脂は、水和反応などの化学的作用を伴う物質
で、たとえばアクリル酸ビニールアルコール共重合体，
アクリル酸ソーダ重合体のような吸水性高分子が好まし
い。
媒層を親水性にしその層を薄膜にすることにより、電極
触媒層内濡れ性を改善しプロトン移動性を容易にするこ
とで、電極細孔での電極反応を促進させるとともに、空
気極の電極反応で生成する水分を有効活用できることか
ら、電極触媒層深部の活性成分を利用し電池性能が向上
し、かつ安定化させたことにある。本発明の基本的な電
池構造を図１に示す。固体高分子電解質１の両側に水素
極２，空気極３，集電体４，ガスシール体５からなって
いる。水素極２，空気極３は触媒成分，触媒担体，結着
剤成分，電解質１と同種あるいは異種の陽イオン交換性
電解質等から構成されている。また、図２に電極群の構
成を示す。高分子電解質１の両側に水素極電極２，空気
極電極３があるが、それぞれの電極は水素極触媒層６と
ガス拡散層を兼ねた電子伝導体７，空気極触媒層８とガ
ス拡散層を兼ねた電子伝導体９になっており、それを加
圧し一体化している。重要なことは、両極とも触媒坦体
が親水性であることにある。触媒坦体が親水性であると
触媒層が濡れやすくなり、電極の細孔が閉塞されガス拡
散が阻害される恐れがあるが、触媒層を薄膜にすること
でガス拡散層から供給されるガスとともに余剰の水分を
同伴できるので、電極触媒層が適度に濡れ電極反応の場
が大になる。触媒坦体としては、ファーネスブラック，
活性炭などまたあり、また、それらを混合又は表面積の
異なるものを混合しても効果がある。触媒中のプロトン
の移動は水分だけでは泳動できない。従って、イオン伝
導体が必要になる。イオン伝導体は親水性を有すること
から触媒層中に添加する量を変化させる方法もある。イ
オン伝導体のイオン交換基は親水的であるがその他の部
分は必ずしも親水的であるとは言えず，材料によって異
なる。添加量が増加すれば親水基は増加しており、親水
性が強化されること、また、プロトンの移動も促進する
働きもある。さらに、両極の触媒坦体の比表面積を大き
くすることでも水分の保持性が高くなり、プロトン移動
が適度になるため電極反応の場が大きくなり、電極性能
を向上させるに有効である。その比表面積の大きさとし
ては１００〜２０００ｍ2 ／ｇが好ましい。また、電極
触媒層に用いる坦体自身を親水性にすることも効果があ
る。その方法としては坦体のイオン交換容量を大きくす
ることが有効である。本発明の電極触媒に用いる坦体は
炭素粉末であり、その炭素粉末は本来イオン交換容量は
非常に小さい。検討の結果、本発明の目的に合致するに
は、少なくとも０.１mg・ｅｑ／ｇ 以上のイオン交換容
量が必要であることが実験的に確認した。これを大にす
るには表面官能基を増加させれば良い。通常、炭素粉末
を酸化処理する方法が用いられる。酸化剤として、塩
酸，硝酸のように酸化性の強い酸が有効である。撥水性
を有しない結着剤とはイオン交換基のような親水性官能
基を有しない含フッ素系化合物とりわけフッ素樹脂系高
分子化合物以外のことであり、たとえば塩化ビニール，
ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリビニールアルコー
ル，ポリカーボネイトなど及びその化合物などが好まし
い。電極触媒層に水分を保水させる方法として、触媒層
に吸水性を有する樹脂を添加することも効果がある。そ
の吸水性樹脂は、水和反応などの化学的作用を伴う物質
で、たとえばアクリル酸ビニールアルコール共重合体，
アクリル酸ソーダ重合体のような吸水性高分子が好まし
い。
【００１１】電極触媒層に添加して有効反応表面積の拡
大を図る陽イオン交換性電解質のイオン伝導体は、酸化
および還元雰囲気に触れるという厳しい使用条件のた
め、化学的安定性の高いパーフルオロスルホン酸樹脂あ
るいはパーフルオロカルボン酸樹脂などが特に好まし
い。
大を図る陽イオン交換性電解質のイオン伝導体は、酸化
および還元雰囲気に触れるという厳しい使用条件のた
め、化学的安定性の高いパーフルオロスルホン酸樹脂あ
るいはパーフルオロカルボン酸樹脂などが特に好まし
い。
【００１２】触媒成分の調製には貴金属を予め担持した
触媒層を電子伝導体状に薄膜として形成する。さらに、
その表面から新たに貴金属成分を付加する方法も良い。
その方法として、貴金属化合物溶液の含浸，めっき，蒸
着，イオン打ち込み等で堆積させることができる。
触媒層を電子伝導体状に薄膜として形成する。さらに、
その表面から新たに貴金属成分を付加する方法も良い。
その方法として、貴金属化合物溶液の含浸，めっき，蒸
着，イオン打ち込み等で堆積させることができる。
【００１３】電極を調製するには、電極触媒をペースト
状で塗布する方法やスラリーを電子伝導体に吹き付ける
方法，電子伝導体に吸引付着するする方法，電極触媒を
シート状にし電子伝導体と接合する方法，電極触媒を直
接固体高分子電解質膜上に化学メッキ法などで析出させ
る方法などが考えられ、電極触媒層が薄膜にできるので
あれば調製方法は限定されない。電極の調製方法とし
て、予め電極触媒，イオン伝導体，結着剤を混合し電子
伝導体に付着する。この方法で電極を調製すると用いる
触媒坦体の種類により濡れ性を変化させることができ、
また、電極の親水性は、イオン伝導体および結着剤の添
加量を変化させることでも任意に選定できる。触媒坦体
の親水性調製には親水性の異なる触媒坦体を混合および
それらの量を変化させることにより可能である。電極触
媒を直接固体高分子電解質膜上に化学メッキ法などで析
出させる方法では、固体高分子電解質膜の一方の側に還
元剤の水溶液を配置し、他方に触媒成分の化合物の水溶
液を配置し、還元剤が膜中を拡散することにより膜の表
面に密着した触媒層が形成される。このとき、触媒成分
水溶液とともに、炭素粉末，結着剤，イオン伝導体など
を共存させておくと共析出させることができ、より好ま
しい触媒層が形成される。
状で塗布する方法やスラリーを電子伝導体に吹き付ける
方法，電子伝導体に吸引付着するする方法，電極触媒を
シート状にし電子伝導体と接合する方法，電極触媒を直
接固体高分子電解質膜上に化学メッキ法などで析出させ
る方法などが考えられ、電極触媒層が薄膜にできるので
あれば調製方法は限定されない。電極の調製方法とし
て、予め電極触媒，イオン伝導体，結着剤を混合し電子
伝導体に付着する。この方法で電極を調製すると用いる
触媒坦体の種類により濡れ性を変化させることができ、
また、電極の親水性は、イオン伝導体および結着剤の添
加量を変化させることでも任意に選定できる。触媒坦体
の親水性調製には親水性の異なる触媒坦体を混合および
それらの量を変化させることにより可能である。電極触
媒を直接固体高分子電解質膜上に化学メッキ法などで析
出させる方法では、固体高分子電解質膜の一方の側に還
元剤の水溶液を配置し、他方に触媒成分の化合物の水溶
液を配置し、還元剤が膜中を拡散することにより膜の表
面に密着した触媒層が形成される。このとき、触媒成分
水溶液とともに、炭素粉末，結着剤，イオン伝導体など
を共存させておくと共析出させることができ、より好ま
しい触媒層が形成される。
【００１４】
【作用】本発明では、電極触媒の坦体に親水性坦体を用
い触媒層を薄膜にすることにより、電極の濡れ性を適度
にしたことで水素極側では触媒層および電解質膜に水分
が供給され、触媒層内のプロトンの移動抵抗を低減し膜
の乾燥を防止することができ、空気極触媒層では、電解
質膜から供給される水や電極反応で生成する水ぶんを有
効活用しプロトンの移動を容易にすることで触媒層深部
まで電極反応の場が拡げることができる。その結果、有
効反応面積の拡大と安定維持が可能となり、高出力密度
かつ安定な性能の電池が実現できる。また、触媒層を薄
膜にすることで、プロトンの移動が容易になり電極反応
が速くなり電池性能が向上する。固体高分子型燃料電池
は電解質膜が湿潤状態でなければ抵抗体となることから
電極−電解質膜とも湿潤状態にしておく必要がある。従
って、親水性ガス拡散電極にすることで、水素極側に添
加する水分と空気極では電極反応で生成る水分を有効に
利用でき、電池全体の水分管理が容易になる。
い触媒層を薄膜にすることにより、電極の濡れ性を適度
にしたことで水素極側では触媒層および電解質膜に水分
が供給され、触媒層内のプロトンの移動抵抗を低減し膜
の乾燥を防止することができ、空気極触媒層では、電解
質膜から供給される水や電極反応で生成する水ぶんを有
効活用しプロトンの移動を容易にすることで触媒層深部
まで電極反応の場が拡げることができる。その結果、有
効反応面積の拡大と安定維持が可能となり、高出力密度
かつ安定な性能の電池が実現できる。また、触媒層を薄
膜にすることで、プロトンの移動が容易になり電極反応
が速くなり電池性能が向上する。固体高分子型燃料電池
は電解質膜が湿潤状態でなければ抵抗体となることから
電極−電解質膜とも湿潤状態にしておく必要がある。従
って、親水性ガス拡散電極にすることで、水素極側に添
加する水分と空気極では電極反応で生成る水分を有効に
利用でき、電池全体の水分管理が容易になる。
【００１５】
【実施例１】 （実施例１）本発明を以下に示す電極において実施し
た。カーボン粉末にファーネスブラック（ＢＰ２００
０，キャボット社製）に白金を担持した電極触媒をイオ
ン伝導体であるパーフルオロスルホン酸系陽イオン交換
樹脂(Ａldrich Ｃhemical 社製，Ｎafion液)とともに十
分に混練してペーストを調製し、電子伝導体である細孔
径約１００μｍ，厚み１００μｍのカーボンペーパに塗
布した。カーボンペーパにはあらかじめそれをＰＴＦＥ
の水系懸濁液をＰＴＦＥとして１２mg／cm2 なるように
含侵させ３５０℃で焼成したものを用いた。塗布後８０
℃で乾燥し電極とした。水素極の組成は、白金量０.３m
g／cm2 、イオン伝導体３０ｗｔ%とした。空気極の組成
は白金量０.３mg／cm2、イオン伝導体２０ｗｔ％電極と
した。それぞれの触媒層厚さは３０μｍとした。本発明
と比較のために、水素極及び空気極とも白金量０.３mg
／cm2、イオン伝導体２０ｗｔ％、ＰＴＦＥ２０ｗｔ％
と同一組成にし触媒層厚さを１００μｍにした電極を作
成し、これを従来電極とした。
た。カーボン粉末にファーネスブラック（ＢＰ２００
０，キャボット社製）に白金を担持した電極触媒をイオ
ン伝導体であるパーフルオロスルホン酸系陽イオン交換
樹脂(Ａldrich Ｃhemical 社製，Ｎafion液)とともに十
分に混練してペーストを調製し、電子伝導体である細孔
径約１００μｍ，厚み１００μｍのカーボンペーパに塗
布した。カーボンペーパにはあらかじめそれをＰＴＦＥ
の水系懸濁液をＰＴＦＥとして１２mg／cm2 なるように
含侵させ３５０℃で焼成したものを用いた。塗布後８０
℃で乾燥し電極とした。水素極の組成は、白金量０.３m
g／cm2 、イオン伝導体３０ｗｔ%とした。空気極の組成
は白金量０.３mg／cm2、イオン伝導体２０ｗｔ％電極と
した。それぞれの触媒層厚さは３０μｍとした。本発明
と比較のために、水素極及び空気極とも白金量０.３mg
／cm2、イオン伝導体２０ｗｔ％、ＰＴＦＥ２０ｗｔ％
と同一組成にし触媒層厚さを１００μｍにした電極を作
成し、これを従来電極とした。
【００１６】以上の電極のイオン交換膜への接着はホッ
トプレス法により行った。イオン交換膜には、Ｄu Ｐon
t 社製 Ｎafion １１５ を用いた。水素極および空気極
をイオン交換膜の両側に配したものを３００ｋｇ／cm2
の圧力で温度１２０℃で１５分プレスした。以上のよう
に作製した電極を測定セルに組込み、電流密度−電圧特
性を８０℃，１気圧の条件で測定した。その結果を図３
に示す。従来型の電極は限界電流密度が５００ｍＡ／cm
2 であるのに対して、本発明電極の限界電流密度は８０
０ｍＡ／cm2 を越えた。このように親水性ガス拡散電極
に触媒層を薄膜することにより、大幅に電池性能を向上
することができた。
トプレス法により行った。イオン交換膜には、Ｄu Ｐon
t 社製 Ｎafion １１５ を用いた。水素極および空気極
をイオン交換膜の両側に配したものを３００ｋｇ／cm2
の圧力で温度１２０℃で１５分プレスした。以上のよう
に作製した電極を測定セルに組込み、電流密度−電圧特
性を８０℃，１気圧の条件で測定した。その結果を図３
に示す。従来型の電極は限界電流密度が５００ｍＡ／cm
2 であるのに対して、本発明電極の限界電流密度は８０
０ｍＡ／cm2 を越えた。このように親水性ガス拡散電極
に触媒層を薄膜することにより、大幅に電池性能を向上
することができた。
【００１７】（実施例２）カーボン粉末に比表面積が１
６００ｍ2 ／ｇのファーネスブラックを用い、電極触媒
を調整後、電極触媒およびパーフルオロスルホン酸系陽
イオン交換樹脂、結着剤である塩化ビニールを添加し電
極を形成した。触媒の組成は白金量０.３mg／cm2 、イ
オン伝導体２０ｗｔ％、結着剤量１０ｗｔ％、電極触媒
層厚さ３０μｍにし電極とした。以下、実施例１と同一
条件で比較検討した。得られた結果を図４に示す。本発
明の電池性能は、本発明電極の限界電流密度は７５０ｍ
Ａ／cm2 を越えた。このように電極触媒坦体に高比表面
積を用いると、大幅に電池性能を向上することが出来
た。
６００ｍ2 ／ｇのファーネスブラックを用い、電極触媒
を調整後、電極触媒およびパーフルオロスルホン酸系陽
イオン交換樹脂、結着剤である塩化ビニールを添加し電
極を形成した。触媒の組成は白金量０.３mg／cm2 、イ
オン伝導体２０ｗｔ％、結着剤量１０ｗｔ％、電極触媒
層厚さ３０μｍにし電極とした。以下、実施例１と同一
条件で比較検討した。得られた結果を図４に示す。本発
明の電池性能は、本発明電極の限界電流密度は７５０ｍ
Ａ／cm2 を越えた。このように電極触媒坦体に高比表面
積を用いると、大幅に電池性能を向上することが出来
た。
【００１８】（実施例３）電極触媒層の白金量を増加し
電極層厚みを薄くした電極を作製した。白金量は０.５m
g／cm2、触媒層厚み２０μｍにした。以下は実施例１と
同一条件で比較検討した。得られた結果を図５に示す。
本発明の電池の限界電流密度は８００ｍＡ／cm2 を超え
た。このように電極を薄くし白金量を増加することによ
り、大幅に電池性能を向上することが出来た。
電極層厚みを薄くした電極を作製した。白金量は０.５m
g／cm2、触媒層厚み２０μｍにした。以下は実施例１と
同一条件で比較検討した。得られた結果を図５に示す。
本発明の電池の限界電流密度は８００ｍＡ／cm2 を超え
た。このように電極を薄くし白金量を増加することによ
り、大幅に電池性能を向上することが出来た。
【００１９】（実施例４）電極触媒層を化学メッキ法で
固体高分子電解質膜上に直接接合させた。端部をゴムパ
ッキング材によってシールされた有効面積１００cm2 の
固体高分子電解質膜によって区切られた容器の片側に５
ｗｔ％のヒドラジン水溶液１００ｍｌを注入し、他方の
空間に０.５ｗｔ％の塩化白金酸水溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6・
６Ｈ2Ｏ）１００ｍｌを注入し、その中へファーネスブ
ラック（ＢＰ２０００，キャボット社製）０.１５ｇ と
イオン伝導体であるパーフルオロスルホン酸系陽イオン
交換樹脂 (Ａldrich Ｃhemical 社製，Ｎafion液）を
０.１５ｇを懸濁させ、室温中１２ｈ放置して拡散還元
反応を進行させた。膜の両側に注入する成分を入れ替え
て同様の操作を実施することにより、膜の反対側にも触
媒層を形成させ、電解質／電極接合体を作製した。実施
例１で使用したカーボンペーパを集電体に用いて実施例
１と同様の方法および条件で測定し、７８０ｍＡ／cm2
の限界電流密度が得られた。
固体高分子電解質膜上に直接接合させた。端部をゴムパ
ッキング材によってシールされた有効面積１００cm2 の
固体高分子電解質膜によって区切られた容器の片側に５
ｗｔ％のヒドラジン水溶液１００ｍｌを注入し、他方の
空間に０.５ｗｔ％の塩化白金酸水溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6・
６Ｈ2Ｏ）１００ｍｌを注入し、その中へファーネスブ
ラック（ＢＰ２０００，キャボット社製）０.１５ｇ と
イオン伝導体であるパーフルオロスルホン酸系陽イオン
交換樹脂 (Ａldrich Ｃhemical 社製，Ｎafion液）を
０.１５ｇを懸濁させ、室温中１２ｈ放置して拡散還元
反応を進行させた。膜の両側に注入する成分を入れ替え
て同様の操作を実施することにより、膜の反対側にも触
媒層を形成させ、電解質／電極接合体を作製した。実施
例１で使用したカーボンペーパを集電体に用いて実施例
１と同様の方法および条件で測定し、７８０ｍＡ／cm2
の限界電流密度が得られた。
【００２０】
【発明の効果】本発明により固体高分子電解質型水素−
空気(酸素)燃料電池の空気(酸素)極の活性を従来のもの
よりも大幅に向上でき、電池性能を飛躍的に向上でき
る。
空気(酸素)燃料電池の空気(酸素)極の活性を従来のもの
よりも大幅に向上でき、電池性能を飛躍的に向上でき
る。
【図１】電池構成図。
【図２】一体化電極構成図。
【図３】本発明になる電池の電流密度−電圧特性図。
【図４】本発明になる電池の電流密度−電圧特性図。
【図５】本発明になる電池の電流密度−電圧特性図。
１…固体高分子電解質膜、２…水素極、３…空気極、４
…集電体、５…ガスシール体、６…水素極触媒層、７…
電子伝導体、８…空気極触媒層、９…電子伝導体、１０
…本発明の実施例１に示した電池の電流密度−電圧特
性、１１…従来による電池の電流密度−電圧特性、１２
…本発明の実施例２に示した電池の電流密度−電圧特
性、１３…本発明の実施例３に示した電池の電流密度−
電圧特性。
…集電体、５…ガスシール体、６…水素極触媒層、７…
電子伝導体、８…空気極触媒層、９…電子伝導体、１０
…本発明の実施例１に示した電池の電流密度−電圧特
性、１１…従来による電池の電流密度−電圧特性、１２
…本発明の実施例２に示した電池の電流密度−電圧特
性、１３…本発明の実施例３に示した電池の電流密度−
電圧特性。
Claims (6)
- 【請求項１】固体高分子電解質の両側にガス拡散電極を
接合し、該ガス拡散電極の外側にガス拡散層を設け、そ
れぞれの電極に水素及び酸素又は空気を供給し、各々を
水素極及び酸素極又は空気極となすことにより構成され
る燃料電池において、ガス拡散電極が触媒を坦持したカ
ーボン坦体と撥水性を有しない結着剤から構成されたこ
とを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】請求項１において、水素極触媒層および空
気極触媒層に用いる坦体は比表面積を１００から２００
０ｍ2／ｇを有することを特徴とする燃料電池。 - 【請求項３】請求項１ないし２において、水素極触媒層
および空気極触媒層の坦体が親水性でありそのイオン交
換容量が０.１ｍｇ・eｑ／ｇ以上であることを特徴とす
る燃料電池。 - 【請求項４】請求項１ないし３において、水素極触媒層
および空気極触媒層の少なくとも一方に吸水性樹脂を有
することを特徴とする燃料電池。 - 【請求項５】ホットプレス法、あるいは化学メッキ法に
よって電極触媒層を固体高分子電解質に接合することを
特徴とする請求項１ないし４記載の燃料電池の製造法。 - 【請求項６】請求項１ないし５による燃料電池を用いた
ことを特徴とする移動用電源ないしはそれによって駆動
される電動機器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5058398A JPH06275282A (ja) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5058398A JPH06275282A (ja) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06275282A true JPH06275282A (ja) | 1994-09-30 |
Family
ID=13083253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5058398A Pending JPH06275282A (ja) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06275282A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10284087A (ja) * | 1997-04-04 | 1998-10-23 | Asahi Chem Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用電極及び膜・電極接合体 |
| JP2002134119A (ja) * | 2000-10-19 | 2002-05-10 | Japan Storage Battery Co Ltd | 燃料電池および燃料電池用電極 |
| JP2002203575A (ja) * | 2000-11-14 | 2002-07-19 | Nuvera Fuel Cells Europ Srl | 高分子膜燃料電池のための膜電極アセンブリー |
| JP2005174765A (ja) * | 2003-12-11 | 2005-06-30 | Equos Research Co Ltd | 膜電極接合体、その製造方法及びその使用方法 |
| WO2005083818A1 (ja) * | 2004-02-26 | 2005-09-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | 燃料電池用電極触媒、これを用いた燃料電池 |
| JP2006344530A (ja) * | 2005-06-09 | 2006-12-21 | Toyota Motor Corp | 触媒電極層、膜電極複合体およびその製造方法 |
| US7157175B2 (en) | 2002-11-29 | 2007-01-02 | Honda Motor Co., Ltd. | Solid polymer electrolyte membrane fuel cell electrode catalyst layer |
| JP2007005162A (ja) * | 2005-06-24 | 2007-01-11 | Permelec Electrode Ltd | 燃料電池用触媒の製造方法、当該触媒を用いるガス拡散電極及び燃料電池 |
| US7897291B2 (en) | 2006-03-14 | 2011-03-01 | Honda Motor Co., Ltd. | Membrane electrode assembly for use in solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP4904812B2 (ja) * | 2003-05-14 | 2012-03-28 | 東レ株式会社 | 膜電極複合体およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 |
-
1993
- 1993-03-18 JP JP5058398A patent/JPH06275282A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10284087A (ja) * | 1997-04-04 | 1998-10-23 | Asahi Chem Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用電極及び膜・電極接合体 |
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| JP4506164B2 (ja) * | 2003-12-11 | 2010-07-21 | 株式会社エクォス・リサーチ | 膜電極接合体及びその使用方法 |
| WO2005083818A1 (ja) * | 2004-02-26 | 2005-09-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | 燃料電池用電極触媒、これを用いた燃料電池 |
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| US7897291B2 (en) | 2006-03-14 | 2011-03-01 | Honda Motor Co., Ltd. | Membrane electrode assembly for use in solid polymer electrolyte fuel cell |
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