JPH0722035A - 燃料電池用電極の製造方法 - Google Patents

燃料電池用電極の製造方法

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JPH0722035A
JPH0722035A JP5190810A JP19081093A JPH0722035A JP H0722035 A JPH0722035 A JP H0722035A JP 5190810 A JP5190810 A JP 5190810A JP 19081093 A JP19081093 A JP 19081093A JP H0722035 A JPH0722035 A JP H0722035A
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JP
Japan
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electrode
paste
water
reaction layer
carbon
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JP5190810A
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English (en)
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Kazunori Tsurumi
和則 鶴見
Toshihide Nakamura
俊秀 中村
Etsuko Tadano
悦子 只野
Haruko Sugimoto
晴子 杉本
Hiroshi Yoshioka
博史 芳岡
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Original Assignee
Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 撥水性の原料素材を余分な界面活性剤や水を
用いずに均一に分散させ、電極反応層中の三相界面の面
積を増大し、触媒利用を高めつつ長寿命化を計ることの
できる燃焼電池用電極の製造方法を提供する。 【構成】 撥水性フッ素樹脂で被覆されたカーボンブラ
ック、フッ化カーボン等の結着性を持たない撥水性素
材、カーボン、触媒担持カーボン及びPTFEとからな
る電極反応層を有する燃料電池用電極を製造するに於い
て、前記電極層を構成する素材を、グリセリン又はグリ
セリン溶液に分散したペースト状混合物になして、これ
をブレード法により多孔質導電性基板に塗布し、乾燥、
洗浄後、プレス成形し、焼成する燃料電池用電極の製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燐酸型燃料電池の電極
に於いて、特に触媒利用率の向上及び長寿命化に好適な
ポリテトラフロロエチレン(以下PTFEと称する)以
外の撥水性素材を含有する燃料電池用電極を製造する方
法に関する。
【0002】
【発明の背景】燐酸型燃料電池は、マトリックスと呼ば
れる電解質保持材の両面に電極反応層及び多孔質基板を
配置している。マトリックスは、やや柔軟な多孔質膜
で、その内部の隙間に燐酸を保持している。また、多孔
質板上には触媒を含む電極反応層が形成されている。
【0003】電極反応層は、触媒担持カーボンやカーボ
ン、PTFEなどの撥水性材料を含むペースト状混合分
散液をカーボンペーパーなどの多孔質導電性基板上に塗
布して作製される。この電極反応層中にはマトリックス
層から浸透してきた燐酸と多孔質基板を透過してきたガ
スと微粒子との三相界面が形成される。ガスは対向した
2枚の電極について、夫々水素ガス及び酸素ガス又は空
気を供給する。電極反応層は、その内部に適度の空孔を
持ち、燐酸とガスの両者の通路を確保する役割を持つ。
更に電極反応層は、内部がすっかり燐酸で埋まってガス
の通り道が塞がってしまうことが無いように、適度の撥
水性を持たなければならない。あまり撥水性が高すぎて
も燐酸が浸透できず、電解質と電極との電荷の授受に支
障を来たす。
【0004】燐酸とガスをバランス良く取り込むために
は、電極中に燐酸を吸収するカーボンまたは触媒担持カ
ーボンの粒子と、燐酸とは濡れない撥水性の材料(PT
FE、フッ素化ポリエチレン被覆カーボン、フッ化カー
ボンまたはフッ素化ピッチ被覆カーボンなど)が適度に
分散していなくてはならない。これらの粒子がむらにな
って存在していると、燐酸とガスと触媒粒子の三相界面
を形成している部分の面積が減少して触媒の利用率が低
下し、所望の起電力を得えることができない。
【0005】ここで撥水性材料としてPTFEの他にフ
ッ素ポリオレフイン、フッ素ピッチ被覆カーボンやフッ
化カーボンを使用するのは、PTFEのみを増量してガ
スの通り道を確保すると、PTFEの併せ持つ結着性に
よって触媒担持カーボンがPTFEで取り囲まれて燐酸
から隔離されてしまい、触媒の利用率が下がってしまう
ことを避けるためである。
【0006】
【従来の技術】従来の燃料電池用電極の製造方法では、
PTFE以外の撥水性素材を分散させたイソプロピルア
ルコール溶液中にPTFEディスパージョンを滴下した
り、PTFE以外の撥水性素材を界面活性剤であるトラ
イトンの水溶液中に分散した液とPTFEディスパージ
ョンを混合したりして作製したペースト状混合物を、多
孔質導電性基板に塗布し、乾燥、洗浄後、プレス成形し
ている。
【0007】ところで、上記のペースト状混合物の作製
に於いて、界面活性剤及び水を加え震盪すると撥水性素
材を混練できるが、震盪を効果的に行う為に粘度を下げ
る意味で追加した過剰な水を飛ばす際に乾燥塊を生じて
ペースト組成が変化したり、添加した界面活性剤の除去
が不充分な為、電極反応層の濡れが進み過ぎるという問
題があった。
【0008】ターピネオールやエタノールなどの分散媒
とした場合には、PTFEディスパージョン分散液と混
合した際に、PTFEが凝集化してしまってペースト化
できない。
【0009】アルコール溶液にPTFE以外の撥水性素
材を分散し、そこへPTFEディスパージョンを投入す
る工程に於いては、PTFEはアルコールと接触直後に
凝集してしまう為、PTFEが偏析し、他の素材との分
散が不充分となる。また、この手法で電極反応層を形成
した場合には、他の方法に比べてPTFEを多く添加し
ないと結着が得られなかった。その結果、厚く燐酸で覆
われた触媒部分にはガスが供給できない為、またPTF
Eで四方を囲まれた触媒部分には燐酸が届けられない
為、触媒の利用率が低下してしまう。
【0010】界面活性剤が電極中に残留していると、撥
水性が低下し、燐酸が浸透して、所望のガス通路を維持
できない副作用が問題となる。界面活性剤は、一般に高
沸点物質の為電極層形成後に蒸発除去しようとすると、
触媒など電極に損傷を与え、また原材料粒子間の奥深く
に浸透する為、後から溶剤で充分洗浄することができな
い。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、撥水
性の原料素材を余分な界面活性剤や水を用いずに均一に
分散させ、電極反応層中の三相界面の面積を増大し、触
媒利用率を高めつつ長寿命化を計ることのできる燃料電
池用電極の製造方法を提供しようとするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の燃料電池用電極の製造方法は、撥水性フッ素
樹脂で被覆されたカーボンブラック、フッ化カーボン等
の結着性を持たない撥水性素材、カーボン、触媒担持カ
ーボン及びPTFEとからなる電極反応層を有する燃料
電池用電極を製造するに於いて、前記電極反応層を構成
する素材を、グリセリン又はグリセリン溶液に分散した
ペースト状混合物になして、これをブレード法により多
孔質導電性基板に塗布し、乾燥、洗浄後、プレス成形
し、焼成することを特徴とするものである。
【0013】
【作用】上記のように本発明の燃料電池用電極の製造方
法では、電極反応層を構成する撥水性素材、カーボン、
触媒担持カーボン及びPTFEを、グリセリン又はグリ
セリン溶液に分散したペースト状混合物になすので、撥
水性素材との濡れ性の良いグリセリンは、撥水性素材を
溶液内部に取り込むように作用する。そのためPTFE
以外の撥水性素材であってもアルコールや界面活性剤を
分散媒中に添加せずに原料素材と分散媒と容易に混練で
きる。従って、このペースト状混合物を多孔質導電性基
板に塗布し、乾燥、洗浄後、プレス成形し、焼成して得
た燃料電池用電極における電極反応層は、従来のように
PTFEが凝集して触媒利用率が低下したり、界面活性
剤の残留により電極寿命が短くなったりすることが無
い。
【0014】また、グリセリンは、水などの溶剤に比べ
て粘度が高い為、一旦内包した素材が重力や表面張力に
よって移動するのを妨げる力が強く、分散状態を安定に
保持できる能力が高いので、上記ペースト状混合物によ
って多孔質導電性基板状に作製された電極反応層の長寿
命化に寄与することとなる。
【0015】
【実施例】本発明の燃料電池用電極の製造方法の一実施
例について説明する。カーボン0.5gを含有する触媒担
持カーボンとグリセリン7.33gを容積 250mlの安定化ジ
ルコニア製ポットに秤量し、直径5mmの安定化ジルコニ
ア製ボール 200gと共に回転半径 125mmの遊星ボールミ
ル機にセットし、回転数200rpmで30分間運転して触媒を
グリセリン中に分散させた。
【0016】ボール表面の触媒担持カーボン分散液は、
2000Gの遠心分離により振り切って回収した。分散媒に
グリセリンを使用すれば、この程度の重力では分散粒子
は沈降しない。カーボン 0.5gを含有するフッ素化ポリ
エチレン被覆カーボンについても同様にしてグリセリン
中に分散させた。PTFEディスパージョンは、既に分
散状態にあることから、単に三本ロールミルによりグリ
セリンと混合した。
【0017】以上三種の分散液を三本ロールミルにより
混合し、ペースト化した。このペースト状混合物をブレ
ード法により多孔質導電性基板、本側ではカーボンペー
パー上に塗布し、乾燥し、エタノールで洗浄後、プレス
成形し、焼成して、電極反応層を有する燃料電池用電極
を得た。
【0018】次に比較例について説明する。界面活性剤
を使用してフッ素化ポリエチレン被覆カーボンを分散媒
中に混練してみた。界面活性剤 0.1%の添加で通常の混
練を行った処、素材の撥水性の為、通常の25倍という非
現実的な混練時間と労力を要した。界面活性剤の濃度を
1%に高め、更に分散媒の量を多くして震盪した処、混
練できたものの、余分な水分を蒸発させていくと、水面
の下がった分器壁に乾燥塊が生じてしまい、均一な分散
液が得られなかった。界面活性剤の濃度を5%とし、素
材に含浸後、軽く吸引濾過して素材表面を親水性にして
から他の素材と混練した。このペースト状混合物をブレ
ード法によりカーボンペーパー上に塗布し、乾燥し、エ
タノールで洗浄後、プレス成形し、焼成して、電極反応
層を有する燃料電池用電極を得た。
【0019】他方、イソプロピルアルコールを使用して
フッ素化ポリエチレン被覆カーボンを分散媒中に混練し
た。即ち、触媒担持カーボンとフッ素化ポリエチレンカ
ーボンをイソプロピルアルコール中に分散し、そこへP
TFEディスパージョンを撹拌しながら添加した。こう
して得たペースト状混合物を濾過、転写法によりカーボ
ンペーパー上に塗布し、乾燥し、エタノールで洗浄後、
プレス成形し、焼成して、電極反応層を有する燃料電池
用電極を得た。このようにして得た実施例、比較例1、
2の燃料電池用電極の発電特性を下記の表1に示す。
【0020】
【表1】
【0021】上記の表1で明らかなように比較例1の燃
料電池用電極は、半電池特性では触媒利用率が高いもの
の、単電池特性では電位の低下率が大きく、寿命が短
い。これは界面活性剤の微量の残留によるものと考えら
れる。また比較例2の燃料電池用電極は、半電池特性で
触媒利用率が低いことが判る。これは電極反応層の結着
を保つ為に他の方法に比べPTFEを多く加えねばなら
ず、PTFEに覆われて反応に関与できない触媒の割合
が増えた為と考えられる。単電池特性でも到達電位が低
く、その低下も速いことから寿命が比較的短いことが判
る。然るに実施例の燃料電池用電極は、触媒利用率が向
上し、優れた発電特性を示している。電極寿命について
も、電位の低下が少ないことやO2 −gainの上昇速
度が小さいことから、長寿命化できたことが判る。
【0022】
【発明の効果】以上の通り本発明の燃料電池用電極の製
造方法は、撥水性の原料素材を余分な界面活性剤や水を
用いずにグリセリン又はグリセリン溶液に均一に分散し
てPTFEの凝集を抑えたペースト状混合物を作り、こ
れを用いて多孔質導電性基板上に少量のPTFEで電極
反応層を結着形成するので、触媒利用率が向上し、且つ
長寿命化が計れる優れた燃料電池用電極が得られる。特
にこの燃料電池用電極は、燐酸の浸透領域及びガスの拡
散通路が均一に確保され、触媒担持カーボン全体に平均
的に燐酸を吸収させてガスを導くことにより、一層電極
の長寿命化や触媒利用率の向上が達成され、優れた発電
特性を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 晴子 神奈川県平塚市新町2番73号 田中貴金属 工業株式会社技術開発センター内 (72)発明者 芳岡 博史 神奈川県平塚市新町2番73号 田中貴金属 工業株式会社技術開発センター内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 撥水性フッ素樹脂で被覆されたカーボン
    ブラック、フッ化カーボン等の結着性を持たない撥水性
    素材、カーボン、触媒担持カーボン及びポリテトラフロ
    ロエチレンとから成る電極反応層を有する燃料電池用電
    極を製造するに於いて、前記電極反応層を構成する素材
    を、グリセリンまたはグリセリン溶液に分散したペース
    ト状混合物にして、これをブレード法により多孔質導電
    性基板上に塗布し、乾燥、洗浄後、プレス成形し、焼成
    することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
JP5190810A 1993-07-02 1993-07-02 燃料電池用電極の製造方法 Pending JPH0722035A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002052665A1 (de) * 2000-12-22 2002-07-04 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zur herstellung von elektroden, komponenten, halbzellen und zellen für elektrochmische energiewandler
WO2002067349A1 (fr) * 2001-02-21 2002-08-29 Sony Corporation Corps d'electrode a diffusion gazeuse, son procede de fabrication et dispositif electrochimique
US6452476B1 (en) 1999-01-28 2002-09-17 Tdk Corporation Organic positive temperature coefficient thermistor
KR100421708B1 (ko) * 1998-08-20 2004-03-11 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 연료전지 및 그 제조방법

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