JPH0757742A - ガス拡散電極 - Google Patents

ガス拡散電極

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JPH0757742A
JPH0757742A JP5220642A JP22064293A JPH0757742A JP H0757742 A JPH0757742 A JP H0757742A JP 5220642 A JP5220642 A JP 5220642A JP 22064293 A JP22064293 A JP 22064293A JP H0757742 A JPH0757742 A JP H0757742A
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JP
Japan
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gas diffusion
diffusion electrode
catalyst
base material
carbon
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JP5220642A
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English (en)
Inventor
Kazunori Tsurumi
和則 鶴見
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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】 触媒の利用率を向上し、かつ撥水性寿命の長
いガス拡散電極を提供する。 【構成】 触媒を担持したカーボン粉末とフッ素化ポリ
オレフィン被覆カーボン粉末の混合物が多孔質のカーボ
ンペーパー基材に埋め込まれていることにより、上記混
合物がカーボンペーパー基材の空隙に埋め込まれ、撥水
性粉末が触媒表面を覆うことなく、高い触媒利用率と長
い撥水性寿命を持ち、かつ十分な強度を有する反応層を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電解液とガスの電気化
学反応に用いられるガス拡散電極に係り、特に高い触媒
利用率と長い撥水性寿命が要求されるりん酸型燃料電池
のカソード極に好適なガス拡散電極に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種のガス拡散電極は、白金等
の触媒を担持したカーボン粉末とポリテトラフルオロエ
チレン(PTFE)粒子との混合物を、フッ素化エチレ
ンプロピレン樹脂(FEP)で撥水化処理した多孔質の
カーボンペーパー基材に、触媒反応層として接合して用
いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ガス拡散電極では、PTFEは、反応層中への十分なガ
ス供給のための撥水性を得る目的に併せ、触媒を担持し
たカーボン粉末の結着材として機能させて反応層の形状
を保持する目的で使用されるものの、電極の撥水性寿命
を長くするために十分な量を用いると、可塑性をもつP
TFEで触媒表面を覆う部分が増加し、触媒の有効利用
度が低下してしまって電極の活性低下を起こす、二律背
反する問題がある。そこで、本発明は、触媒の利用率を
向上し、かつ撥水性寿命の長いガス拡散電極の提供を目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明のガス拡散電極は、触媒を担持したカーボン
粉末と特開平2−298523に示される様なフッ素化
ポリオレフィン被覆カーボン粉末の混合物が多孔質のカ
ーボンペーパー基材に埋め込まれていることを特徴とす
る。又、前記混合物は、フッ素化ポリオレフィン被覆カ
ーボン粉末と触媒カーボン粉末の他に適量のポリテトラ
フルオロエチレン粒子を含んでもよい。更に、前記カー
ボンペーパー基材の片面に導電性多孔質撥水性膜が張り
付けられていることが望ましい。更に又、前記触媒を担
持したカーボン粉末とフッ素化ポリオレフィン被覆カー
ボン粉末との混合物は、カーボンペーパー基材の厚さ方
向の一部分を残して埋め込まれていてもよい。更に、前
記カーボンペーパー基材に於て、混合物が埋め込まれて
いない厚さ方向の一部分は、疎水性樹脂の付着によって
撥水性処理されていることが好ましい。
【0005】
【作用】上記手段においては、結着性がほとんど無く、
触媒カーボン粉末と共に電極を形成することは困難であ
るけれども、PTFEの様な可塑性を持たず、触媒表面
を覆うことが少なく、かつPTFEと同様の撥水性を有
するフッ素化ポリオレフィン被覆カーボン粉末と触媒を
担持したカーボン粉末の混合物がカーボンペーパー基材
の空隙に埋め込まれ、撥水性粉末が触媒表面を覆うこと
なく、高い触媒利用率と、長い撥水性寿命を持ち、かつ
十分な強度を有する反応層を形成する。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。
【0007】
【実施例1】ポリエチレン被覆カーボン粉末をフッ素化
して得たフッ素化ポリエチレン被覆カーボン(FPE/
C)5gと、触媒として20重量%の白金(Pt)を担持
したカーボン粉末(Pt/C)5gを、界面活性剤(ト
ライトンX−100)を2重量%含む水で混練してペースト
状にした。このペーストを、炭素繊維を紙状にすいた厚
さ約 0.2mmの多孔質のカーボンペーパー基材 (東レ製カ
ーボンペーパーTGP−060)の空隙全体に塗り込んだ
後、370℃の温度で15分間熱処理して界面活性剤を除去
し、図1に示すように、反応層1aを得た。そして、反
応層1aと、厚さ約 0.2mmの多孔質のカーボンペーパー
基材 (東レ製カーボンペーパーTGP−060)をフッ素化
エチレンプロピレン共重合樹脂 (FEP)約35重量%で
撥水化処理した撥水層1bを重ね合わせてガス拡散電極
1とした。次いで、図2に示すように、ガス通路プレー
ト2上にガス拡散電極1を載せると共に、その周囲にシ
ール部材3を配設してガス拡散電極1上に電解液容器4
を水密に載置し、電解液容器4内に 100%りん酸の電解
液5、Ptの対向電極6及び参照電極7を収容して半電
池を組んだ。上記ガス拡散電極1中のPt量を分析した
ところ、1cm2 当り 1.1mgであった。又、 190℃の温
度、 300mA/cm2のカソード電流密度で、空気及び純酸素
における電極電位を測定した後、開回路状態で10時間、
190℃の温度に保ち、再び同一条件で電極電位を測定し
たところ、表1に示すようになった。
【0008】
【表1】
【0009】なお、測定終了後、半電池を分解してガス
拡散電極を取り出したところ、電極表面に僅かな量のP
t/CとFPE/Cの混合物と思われる粉体がりん酸に
懸濁したスラリー状で存在した。
【0010】
【実施例2】実施例1で用いたFPE/C4gと、同じ
くPt/C5gと、ポリテトラフルオロエチレン(PT
FE)ディスパージョン液 1.7g (ダイキン製D−1、
樹脂分60重量%)を、実施例1と同様にしてペースト状
とし、実施例1と同様に反応層を作製し、かつ実施例1
と同様の撥水層と接合してガス拡散電極とし、このガス
拡散電極を用いて実施例1と同様の半電池を組み、同一
の条件で初期カソード電位及び10時間開回路後のカソー
ド電位を測定したところ、表1に示すようになった。上
記ガス拡散電極中のPt量を分析したところ、1cm2
り 1.0mgであった。なお、測定終了後、半電池の分解
時、電極表面には懸濁物は認められなかった。
【0011】
【実施例3】実施例1と同じFPE/C4gと、同じく
Pt/C5gをグリセリンで良く混練し、少し固めのペ
ーストとし、これにPTFEディスパージョン液 1.7g
を加え、再び良く混練して20gのペーストを得た。この
ペースト 0.5g (Pt25mg相当) を、縦横5cm角、深さ
0.3mmの堀込みをつけたステンレス板の堀込み部に、均
等の厚さになるように流し込み、その上から堀込みの中
に入るように切った5×5cm角、厚さ約0.37mmの多孔質
のカーボンペーパー基材 (東レ製TGP−120)を乗せ、
ゆっくりと静かに抑え込んだ後、20kgf/cm2 の圧力でプ
レスした。これをステンレス板と共に窒素気流中 150℃
の温度で3時間加熱してグリセリンを蒸発させた後、ス
テンレス板から剥がし取り、ステンレス板にて接してい
た面を下向きにし、テフロンろ紙を敷いた吸引ろ過器に
置き、吸引しながらエタノールをかけて洗浄した。これ
を十分に乾燥した後、ステンレス板と接していた面と反
対側の面に、フッ素化エチレンプロピレン共重合樹脂
(FEP)ディスパージョン液を塗布して乾燥し、 340
℃の温度で20分間熱処理をしてガス拡散電極8(図3参
照)を得た。得られたガス拡散電極8の一部を切断し
て、その切断を走査電子顕微鏡(SEM)で観察したと
ころ、図3に示すように、多孔質のカーボンペーパー基
材8aの厚さの片側約半分、すなわちステンレス板に接
していた側に粉体8bが埋まっていた。上記ガス拡散電
極を用いて実施例1と同様の半電池を組み、同一の条件
で初期カソード電位及び10時間開回路後のカソード電位
を測定したところ、表1に示すようになった。
【0012】
【実施例4】導電性カーボンブラック粉末(デンカ製ア
セチレンブラックDB)を少量のイソプピルアルコール
で濡らし、これに純水を加えて超音波ホモジナイザーで
十分に分解させた液に、カーボンと同重量に相当する樹
脂分を含むPTFEディスパージョン液(ダイキン製D
−1)を加え、フロックが生成し、上澄が透明になるま
で良く撹拌した。このフロックをろ別し、乾燥した後に
ソルベントナフサを加えて練り、圧延機で 0.2mmの厚さ
のシートにして乾燥し、図4に示すように、導電性多孔
質撥水膜9aを作製した。次いで、実施例1と同様にし
て作製した反応層9bの反面に、上記導電性多孔質撥水
膜9aを20kgf/cm2 の圧力で圧着後、 370℃の温度で10
分間熱処理してガス拡散電極9を作製した。上記ガス拡
散電極を用いて実施例1と同様の半電池を組み、同一の
条件で初期カソード電位及び10時間開回路後のカソード
電位を測定したところ、表1に示すようになった。
【0013】
【実施例5】実施例2と同様の反応層に、実施例4と同
様に導電性多孔質撥水膜を接合してガス拡散電極を作製
した。上記ガス拡散電極を用いて実施例1と同様の半電
池を組み、同一の条件で初期カソード電位及び10時間開
回路後のカソード電位を測定したところ、表1に示すよ
うになった。
【0014】
【比較例】実施例2で作製したペーストを、FEPで撥
水化処理した厚さ0.37mmの多孔質のカーボンペーパー基
材 (東レ製TGP−120)上に、厚さ 0.2mmでブレード塗
布し、 370℃の温度で15分間熱処理してガス拡散電極を
得た。上記ガス拡散電極を用いて実施例1と同様の半電
池を組み、同一の条件で初期カソード電位及び10時間開
回路後のカソード電位測定したところ、測定中に反応層
の粉末が電解液中に懸濁し始め、反応層が崩れてしま
い、測定ができなかった。
【0015】
【従来例】実施例1と同じ20重量%のPtをカーボン粉
末に担持した触媒 (Pt/C)0.13gに純水を加え、超
音波ホモジナイザーで良く分解させ、これにPTFEデ
ィスパージョン液 (ダイキン製D−1)0.14gを加えて
良く撹拌し、フロックを作製した。このフロックをFE
Pで撥水化処理した厚さ0.37mmの5×5cm角の多孔質の
カーボンペーパー基材(東レ製TGP−120)上に移載
し、均一に引き延した後、乾燥し、 370℃の温度で10分
間熱処理してガス拡散電極を作製した。このガス拡散電
極の一部を切り取ってPt量を分析したところ、1cm2
当り1.05mgであった。上記ガス拡散電極を用いて実施例
1と同様の半電池を組み、同一の条件で初期カソード電
位及び10時間開回路後のカソード電位を測定したとこ
ろ、表1に示すようになった。
【0016】表1に示すO2 ゲインの値は、ガス拡散電
極中のガス供給能を表わす一つの尺度であり、この値の
増加による電極電位の低位は、ガス拡散電極の濡れ進行
を示すものである。又、電極電位の絶対値の大きさは、
ガス拡散電極中のPtの有効利用度を示す一つの尺度と
見ることができ、特に純酸素での電位が高い程、反応に
寄与しているPt表面が多いことを示していると考えら
れる。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のガス拡散
電極によれば、触媒を担持したカーボン粉末とフッ素化
ポリオレフィン被覆カーボン粉末の混合物が多孔質のカ
ーボンペーパー基材の空隙に埋め込まれ、フッ素化ポリ
オレフィン被覆カーボン粉末が触媒表面を覆うことな
く、カーボン粉末と相俟って十分な強度を有する反応層
を形成するので、従来に比して触媒の利用率を向上し、
かつ撥水性寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガス拡散電極の第1実施例を示す一部
の断面図である。
【図2】図1に示すガス拡散電極を用いた半電池の断面
図である。
【図3】本発明のガス拡散電極の第3実施例を示す一部
の断面図である。
【図4】本発明のガス拡散電極の第4実施例を示す一部
の断面図である。
【符号の説明】
1 ガス拡散電極 1a 反応層 1b 撥水層 8 ガス拡散電極 8a カーボンペーパー基材 8b 粉体 9 ガス拡散電極 9a 導電性多孔質撥水層 9b 反応層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 触媒を担持したカーボン粉末とフッ素化
    ポリオレフィン被覆カーボン粉末の混合物が多孔質のカ
    ーボンペーパー基材に埋め込まれていることを特徴とす
    るガス拡散電極。
  2. 【請求項2】 前記カーボンペーパー基材の片面に導電
    性多孔質撥水性膜が張り付けられていることを特徴とす
    る請求項1記載のガス拡散電極。
  3. 【請求項3】 前記混合物がカーボンペーパー基材の厚
    さ方向の一部分を残して埋め込まれていることを特徴と
    する請求項1記載のガス拡散電極。
  4. 【請求項4】 前記カーボンペーパー基材の厚さ方向の
    一部分が疎水性樹脂の付着によって撥水性処理されてい
    ることを特徴とする請求項3記載のガス拡散電極。
JP5220642A 1993-08-12 1993-08-12 ガス拡散電極 Pending JPH0757742A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004075321A1 (ja) * 2003-02-18 2004-09-02 Nec Corporation 燃料電池用電極およびこれを用いた燃料電池
WO2004075322A1 (ja) * 2003-02-18 2004-09-02 Nec Corporation 燃料電池用電極、燃料電池、およびこれらの製造方法
US7410720B2 (en) * 2003-02-18 2008-08-12 Nec Corporation Fuel cell and method for manufacturing the same
CN107437645A (zh) * 2017-07-17 2017-12-05 潘科艳 一种多孔高性能的金属燃料电池氧电极制作方法

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