JPH07262997A - 燃料電池用電極基体 - Google Patents
燃料電池用電極基体Info
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- JPH07262997A JPH07262997A JP6056888A JP5688894A JPH07262997A JP H07262997 A JPH07262997 A JP H07262997A JP 6056888 A JP6056888 A JP 6056888A JP 5688894 A JP5688894 A JP 5688894A JP H07262997 A JPH07262997 A JP H07262997A
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- Japan
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- fuel cell
- bases
- electrolyte
- substrate
- carbon fiber
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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
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- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、多孔質な基体上に触媒層を
形成し、多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭素繊維
の全面、または一部の表面を改質処理したことを特徴と
する。 【構成】 本発明の燃料電池用電極基体は、炭素繊維の
黒鉛化によって得られた特性の向上はそのままに、炭素
繊維に対する電解質の接触角を小さくすることにより多
孔質な基体の電解質への濡れ性を向上させることであ
る。
形成し、多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭素繊維
の全面、または一部の表面を改質処理したことを特徴と
する。 【構成】 本発明の燃料電池用電極基体は、炭素繊維の
黒鉛化によって得られた特性の向上はそのままに、炭素
繊維に対する電解質の接触角を小さくすることにより多
孔質な基体の電解質への濡れ性を向上させることであ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多孔質な基体上に触媒
層を形成した燃料電池用電極基体に関する。
層を形成した燃料電池用電極基体に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料の有しているエネルギーを、直接電
気エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られ
ている。この燃料電池は、通常電解質を挟んで一対の多
孔質電極を配置すると共に、一方の電極に水素などの燃
料ガスを供給し、他方の電極に酸素等の酸化剤ガスを供
給することにより起こる電気化学反応を利用して、上記
電極間から電気エネルギーを取り出すようにしたもので
ある。この燃料電池の電極は触媒層と触媒層を支持する
多孔質な基体から構成されている。この燃料電池は、燃
料ガスと酸化剤ガスが供給されている限りは高い変換効
率で電気エネルギーを取り出すことができる。この燃料
電池では、１枚の電池（単位セル）の出力電圧は0.8 Ｖ
程度と小さいため、実用機では複数の単位セルをセパレ
ータまたは冷却板と交互に積層して燃料電池スタックを
形成している。このような燃料電池の単位セルの構造を
図３に示す。図３において、単位セル３は、アノード電
極４とカソード電極５とを、リン酸などを含浸させたマ
トリックス層６を両側から挟み込むようにして重ね合わ
せて構成されている。アノード電極４とカソード電極５
は、電解質を含浸させた多孔質な基体４ａ，５ａと、こ
の多孔質な基体のマトリックス層６と対向する面に形成
した触媒層４ｂ，５ｂおよびマトリックス層６と対向し
ない面に形成した燃料ガス流通溝、酸化剤ガス流通溝に
より構成されている。多孔質な基体４ａ，５ａは触媒層
４ｂ，５ｂの支持材であり、燃料ガス、酸化剤ガスが触
媒層４ｂ，５ｂに速やかに到達することができるような
多孔性を有するよう、フェノール樹脂等を結着材として
加熱成形した炭素繊維によって構成されている。またこ
の多孔質な基体４ａ，５ａには、燃料ガス酸化剤ガスの
拡散を妨げない程度の電解質が予め含浸させてあり、マ
トリックス層へ補給する電解質の貯蔵庫としての機能も
有する。
気エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られ
ている。この燃料電池は、通常電解質を挟んで一対の多
孔質電極を配置すると共に、一方の電極に水素などの燃
料ガスを供給し、他方の電極に酸素等の酸化剤ガスを供
給することにより起こる電気化学反応を利用して、上記
電極間から電気エネルギーを取り出すようにしたもので
ある。この燃料電池の電極は触媒層と触媒層を支持する
多孔質な基体から構成されている。この燃料電池は、燃
料ガスと酸化剤ガスが供給されている限りは高い変換効
率で電気エネルギーを取り出すことができる。この燃料
電池では、１枚の電池（単位セル）の出力電圧は0.8 Ｖ
程度と小さいため、実用機では複数の単位セルをセパレ
ータまたは冷却板と交互に積層して燃料電池スタックを
形成している。このような燃料電池の単位セルの構造を
図３に示す。図３において、単位セル３は、アノード電
極４とカソード電極５とを、リン酸などを含浸させたマ
トリックス層６を両側から挟み込むようにして重ね合わ
せて構成されている。アノード電極４とカソード電極５
は、電解質を含浸させた多孔質な基体４ａ，５ａと、こ
の多孔質な基体のマトリックス層６と対向する面に形成
した触媒層４ｂ，５ｂおよびマトリックス層６と対向し
ない面に形成した燃料ガス流通溝、酸化剤ガス流通溝に
より構成されている。多孔質な基体４ａ，５ａは触媒層
４ｂ，５ｂの支持材であり、燃料ガス、酸化剤ガスが触
媒層４ｂ，５ｂに速やかに到達することができるような
多孔性を有するよう、フェノール樹脂等を結着材として
加熱成形した炭素繊維によって構成されている。またこ
の多孔質な基体４ａ，５ａには、燃料ガス酸化剤ガスの
拡散を妨げない程度の電解質が予め含浸させてあり、マ
トリックス層へ補給する電解質の貯蔵庫としての機能も
有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような構成を有す
る燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックを構成
する要素部材は、電気化学反応によって発生した熱を速
やかに冷却板に伝達することができるよう、高熱導伝性
を有することが望ましい。また燃料電池スタックそれ自
身が生成した電気エネルギーの抵抗とならぬよう、高電
気導伝性を有することが望ましい。特に燃料電池スタッ
クにおいて大きな割合を占める多孔質な基体４ａ，５ａ
の熱導伝性および電気導伝性によって、燃料電池の特性
は大きく左右される。多孔質な基体４ａ，５ａの熱導伝
性および電気導伝性を向上させるため、多孔質な基体４
ａ，５ａを黒鉛化するという方法が用いられている。多
孔質な基体４ａ，５ａ不活性ガス雰囲気中で2000℃以上
の高温で熱処理することにより、多孔質な基体４ａ，５
ａを構成する炭素繊維が凝縮し、熱導伝性および電気導
伝性が向上する。図２に基体４ａ，５ａの部分拡大図を
示す。ところが、炭素繊維の黒鉛化が進行すると、それ
に伴って炭素繊維に対する電解質の接触角は大きくな
り、多孔質な基体４ａ，５ａの電解質への濡れ性は低下
し、結果として多孔質な基体４ａ，５ａの電解質含浸量
は減少する。このため、燃料電池の特性は向上するもの
のマトリックス層への電解質の補給量が減少するため、
寿命が短くなるという問題があった。
る燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックを構成
する要素部材は、電気化学反応によって発生した熱を速
やかに冷却板に伝達することができるよう、高熱導伝性
を有することが望ましい。また燃料電池スタックそれ自
身が生成した電気エネルギーの抵抗とならぬよう、高電
気導伝性を有することが望ましい。特に燃料電池スタッ
クにおいて大きな割合を占める多孔質な基体４ａ，５ａ
の熱導伝性および電気導伝性によって、燃料電池の特性
は大きく左右される。多孔質な基体４ａ，５ａの熱導伝
性および電気導伝性を向上させるため、多孔質な基体４
ａ，５ａを黒鉛化するという方法が用いられている。多
孔質な基体４ａ，５ａ不活性ガス雰囲気中で2000℃以上
の高温で熱処理することにより、多孔質な基体４ａ，５
ａを構成する炭素繊維が凝縮し、熱導伝性および電気導
伝性が向上する。図２に基体４ａ，５ａの部分拡大図を
示す。ところが、炭素繊維の黒鉛化が進行すると、それ
に伴って炭素繊維に対する電解質の接触角は大きくな
り、多孔質な基体４ａ，５ａの電解質への濡れ性は低下
し、結果として多孔質な基体４ａ，５ａの電解質含浸量
は減少する。このため、燃料電池の特性は向上するもの
のマトリックス層への電解質の補給量が減少するため、
寿命が短くなるという問題があった。
【０００４】本発明の目的は、炭素繊維の黒鉛化によっ
て得られた特性の向上はそのままに、炭素繊維に対する
電解質の接触角を小さくすることにより多孔質な基体の
電解質への濡れ性を向上させることである。
て得られた特性の向上はそのままに、炭素繊維に対する
電解質の接触角を小さくすることにより多孔質な基体の
電解質への濡れ性を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、請求項１の発明は、多孔質な基体を構成す
る黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表面を改
質処理したことを特徴とする。
するために、請求項１の発明は、多孔質な基体を構成す
る黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表面を改
質処理したことを特徴とする。
【０００６】請求項２の発明は、請求項１の燃料電池用
電極基体において、多孔質な基体を構成する黒鉛化され
た炭素繊維の全面、または一部の表面に、オゾン処理に
よりカルボキシル基、水酸基などの官能基を形成したこ
とを特徴とする。
電極基体において、多孔質な基体を構成する黒鉛化され
た炭素繊維の全面、または一部の表面に、オゾン処理に
よりカルボキシル基、水酸基などの官能基を形成したこ
とを特徴とする。
【０００７】請求項３の発明は、請求項１の燃料電池用
電極基体において、多孔質な基体を構成する黒鉛化され
た炭素繊維の全面、または一部の表面を、高電位印加に
より酸化処理し、水酸基を形成したことを特徴とする。
電極基体において、多孔質な基体を構成する黒鉛化され
た炭素繊維の全面、または一部の表面を、高電位印加に
より酸化処理し、水酸基を形成したことを特徴とする。
【０００８】請求項４の発明は、請求項１の燃料電池用
電極基体において、多孔質な基体を構成する黒鉛化され
た炭素繊維の全面、または一部の表面に、黒鉛化されて
いない炭素微粒子を付着させたことを特徴とする。
電極基体において、多孔質な基体を構成する黒鉛化され
た炭素繊維の全面、または一部の表面に、黒鉛化されて
いない炭素微粒子を付着させたことを特徴とする。
【０００９】
【作用】前記のような構成を有する請求項１の発明によ
れば、多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭素繊維の
全面、または一部の表面が改質され、親水性を有するよ
うになり、炭素繊維に対する電解質の接触角が小さくな
り多孔質な基体の電解質への濡れ性が向上する。
れば、多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭素繊維の
全面、または一部の表面が改質され、親水性を有するよ
うになり、炭素繊維に対する電解質の接触角が小さくな
り多孔質な基体の電解質への濡れ性が向上する。
【００１０】請求項２の発明によれば、多孔質な基体を
構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表
面にカルボキシル基、水酸基などの親水性を持つ官能基
が形成され炭素繊維に対する電解質の接触角が小さくな
り多孔質な基体の電解質への濡れ性が向上する。
構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表
面にカルボキシル基、水酸基などの親水性を持つ官能基
が形成され炭素繊維に対する電解質の接触角が小さくな
り多孔質な基体の電解質への濡れ性が向上する。
【００１１】請求項３の発明によれば、多孔質な基体を
構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表
面に、水酸基などの親水性を持つ官能基が形成され炭素
繊維に対する電解質の接触角が小さくなり多孔質な基体
の電解質への濡れ性が向上する。
構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表
面に、水酸基などの親水性を持つ官能基が形成され炭素
繊維に対する電解質の接触角が小さくなり多孔質な基体
の電解質への濡れ性が向上する。
【００１２】請求項４の発明によれば、多孔質な基体を
構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表
面に、電解質の接触角の小さな炭素微粒子が分散付着
し、多孔質な基体の電解質への濡れ性が向上する。
構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一部の表
面に、電解質の接触角の小さな炭素微粒子が分散付着
し、多孔質な基体の電解質への濡れ性が向上する。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。第１実施
例では、黒鉛化した多孔質な基体に、酸化性雰囲気中で
0.8 Ｖの電位を印加したまま１時間保持する。この処理
によって、炭素繊維の表面に水酸基が形成され基体は親
水性を有するようになる。この時、印加電位や保持時
間、または電位を印加する面積を変えることによって、
基体の親水性の度合や親水性を有する面積をコントロー
ルすることができる。図１に本発明による基体４ａ，５
ａの部分拡大図を示す。
例では、黒鉛化した多孔質な基体に、酸化性雰囲気中で
0.8 Ｖの電位を印加したまま１時間保持する。この処理
によって、炭素繊維の表面に水酸基が形成され基体は親
水性を有するようになる。この時、印加電位や保持時
間、または電位を印加する面積を変えることによって、
基体の親水性の度合や親水性を有する面積をコントロー
ルすることができる。図１に本発明による基体４ａ，５
ａの部分拡大図を示す。
【００１４】第１実施例の基体と、従来の黒鉛化のみの
基体に対してＳＥＭ観察を行ったところ、第１実施例の
基体は従来の基体に対して炭素繊維の表面が一様に変化
しており、炭素繊維表面が均一に改質されていることが
確認できた。また、水蒸気吸着を行ったところ、第１実
施例の基体は従来の基体に比べて10倍以上の吸着量を示
した。
基体に対してＳＥＭ観察を行ったところ、第１実施例の
基体は従来の基体に対して炭素繊維の表面が一様に変化
しており、炭素繊維表面が均一に改質されていることが
確認できた。また、水蒸気吸着を行ったところ、第１実
施例の基体は従来の基体に比べて10倍以上の吸着量を示
した。
【００１５】第１実施例では酸化性雰囲気で高電位を印
加することによって炭素繊維の表面に水酸基を形成した
が、基体をオゾン気流中にさらした後、亜鉛触媒の元で
水蒸気で還元することによっても、炭素繊維の表面にカ
ルボキシル基、水酸基などの親水性を持つ官能基を形成
でき、第１実施例と同様の効果を得ることができる。ま
た、黒鉛化されていない炭素微粒子が均一に分散した液
を基体に含浸させた後、加熱乾燥すると炭素微粒子が炭
素繊維の表面に均一分散付着し、第１実施例と同様の効
果を得ることができる。
加することによって炭素繊維の表面に水酸基を形成した
が、基体をオゾン気流中にさらした後、亜鉛触媒の元で
水蒸気で還元することによっても、炭素繊維の表面にカ
ルボキシル基、水酸基などの親水性を持つ官能基を形成
でき、第１実施例と同様の効果を得ることができる。ま
た、黒鉛化されていない炭素微粒子が均一に分散した液
を基体に含浸させた後、加熱乾燥すると炭素微粒子が炭
素繊維の表面に均一分散付着し、第１実施例と同様の効
果を得ることができる。
【００１６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、多孔質な
基体を構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一
部の表面を改質処理することによって、炭素繊維の黒鉛
化によって得られた特性の向上はそのままに、炭素繊維
に対する電解質の接触角を小さくすることにより多孔質
な基体の電解質への濡れ性を向上させることが可能とな
る。
基体を構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、または一
部の表面を改質処理することによって、炭素繊維の黒鉛
化によって得られた特性の向上はそのままに、炭素繊維
に対する電解質の接触角を小さくすることにより多孔質
な基体の電解質への濡れ性を向上させることが可能とな
る。
【図１】本発明による基体の部分拡大図
【図２】従来の基体の部分拡大図
【図３】単位セルの構成
１ 黒鉛化された炭素繊維 ２ 親水性を有する表面層 ３ 単位セル ４ アノード電極 ５ カソード電極 ６ マトリックス層
Claims (4)
- 【請求項１】 多孔質な基体上に触媒層を形成し、前記
多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭素繊維の全面、
または一部の表面を改質処理したことを特徴とする燃料
電池用電極基体。 - 【請求項２】 多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭
素繊維の全面、または一部の表面に、オゾン処理により
カルベキシル基、水酸基などの官能基を形成したことを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極基体。 - 【請求項３】 多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭
素繊維の全面、または一部の表面を、高電位印加により
酸化処理し、水酸基を形成したことを特徴とする請求項
１に記載の燃料電池用電極基体。 - 【請求項４】 多孔質な基体を構成する黒鉛化された炭
素繊維の全面、または一部の表面を、黒鉛化されていな
い炭素微粒子を付着させたことを特徴とする請求項１に
記載の燃料電池用電極基体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6056888A JPH07262997A (ja) | 1994-03-28 | 1994-03-28 | 燃料電池用電極基体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6056888A JPH07262997A (ja) | 1994-03-28 | 1994-03-28 | 燃料電池用電極基体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07262997A true JPH07262997A (ja) | 1995-10-13 |
Family
ID=13039975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6056888A Pending JPH07262997A (ja) | 1994-03-28 | 1994-03-28 | 燃料電池用電極基体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07262997A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999040642A1 (fr) * | 1998-02-06 | 1999-08-12 | Nisshinbo Industries, Inc. | Separateur pour piles a combustible et procede de fabrication |
| US7749935B2 (en) | 2004-01-27 | 2010-07-06 | Showa Denko K.K. | Catalyst carrier and fuel cell using the same |
| US20130302723A1 (en) * | 2010-09-29 | 2013-11-14 | Kia Motors Corporation | Local hydrophilic gas diffusion layer and fuel cell stack comprising the same |
| CN113502662A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-10-15 | 陕西天策新材料科技有限公司 | 一种沥青基石墨碳纤维的表面处理方法 |
-
1994
- 1994-03-28 JP JP6056888A patent/JPH07262997A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999040642A1 (fr) * | 1998-02-06 | 1999-08-12 | Nisshinbo Industries, Inc. | Separateur pour piles a combustible et procede de fabrication |
| US6998189B2 (en) | 1998-02-06 | 2006-02-14 | Nisshinbo Industries, Inc. | Fuel cell separator and process for producing the same |
| US7749935B2 (en) | 2004-01-27 | 2010-07-06 | Showa Denko K.K. | Catalyst carrier and fuel cell using the same |
| US7919427B2 (en) | 2004-01-27 | 2011-04-05 | Showa Denko K.K. | Catalyst carrier and fuel cell using the same |
| US20130302723A1 (en) * | 2010-09-29 | 2013-11-14 | Kia Motors Corporation | Local hydrophilic gas diffusion layer and fuel cell stack comprising the same |
| US8911919B2 (en) * | 2010-09-29 | 2014-12-16 | Hyundai Motor Company | Local hydrophilic gas diffusion layer and fuel cell stack comprising the same |
| CN113502662A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-10-15 | 陕西天策新材料科技有限公司 | 一种沥青基石墨碳纤维的表面处理方法 |
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