JPH0758617B2 - 固体高分子電解質膜と電極との接合体 - Google Patents
固体高分子電解質膜と電極との接合体Info
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- JPH0758617B2 JPH0758617B2 JP2293647A JP29364790A JPH0758617B2 JP H0758617 B2 JPH0758617 B2 JP H0758617B2 JP 2293647 A JP2293647 A JP 2293647A JP 29364790 A JP29364790 A JP 29364790A JP H0758617 B2 JPH0758617 B2 JP H0758617B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description
【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、高分子電解質膜と電極との接合体に関し、燃
料電池や水電解等に用いて好適なものである。
料電池や水電解等に用いて好適なものである。
〈従来の技術〉 燃料電池は、資源の枯渇問題を有する石化燃料を使う必
要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回収
効率も他のエネルギ機関と較べて非常に高くできる等の
優れた特徴を持って行るため、例えばビルディング単位
や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用され
ている。
要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回収
効率も他のエネルギ機関と較べて非常に高くできる等の
優れた特徴を持って行るため、例えばビルディング単位
や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用され
ている。
近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に代えて作動す
るモータの電源として利用し、このモータにより車両等
を駆動することが考えられる。この場合に重要なこと
は、反応によって生成する物質をできるだけ再利用する
ことは当然のこととして、車載用であることからも明ら
かなように、余り大きな出力は必要でないものの、全て
の付帯設備と共に可能な限り小型であることが望まし
く、このような点から固体高分子電解質膜燃料電池が注
目されている。
るモータの電源として利用し、このモータにより車両等
を駆動することが考えられる。この場合に重要なこと
は、反応によって生成する物質をできるだけ再利用する
ことは当然のこととして、車載用であることからも明ら
かなように、余り大きな出力は必要でないものの、全て
の付帯設備と共に可能な限り小型であることが望まし
く、このような点から固体高分子電解質膜燃料電池が注
目されている。
ここで、一例として固体高分子電解質膜燃料電池本体の
基本構造を第３図を参照しながら説明する。同図に示す
ように、電池本体01は固体高分子電解質膜02の両側にガ
ス拡散電極03A,03Bが接合されるとにより構成されて
る。そしてこの接合体は、固体高分子電解質膜02の両側
にガス拡散電極03A,03Bを合せた後、ホットプレス等す
ることにより製造される。また、ガス拡散電極03A,03B
はそれぞれ反応膜04A,04B及びガス拡散膜05A,05Bが接合
されたものであり、電解質膜02とは反応膜04A,04Bの表
面が接触している。したがって、電池反応は主に電解質
膜02と反応膜04A,04Bとの間の接合面で起こる。
基本構造を第３図を参照しながら説明する。同図に示す
ように、電池本体01は固体高分子電解質膜02の両側にガ
ス拡散電極03A,03Bが接合されるとにより構成されて
る。そしてこの接合体は、固体高分子電解質膜02の両側
にガス拡散電極03A,03Bを合せた後、ホットプレス等す
ることにより製造される。また、ガス拡散電極03A,03B
はそれぞれ反応膜04A,04B及びガス拡散膜05A,05Bが接合
されたものであり、電解質膜02とは反応膜04A,04Bの表
面が接触している。したがって、電池反応は主に電解質
膜02と反応膜04A,04Bとの間の接合面で起こる。
また、上記ガス拡散電極03Aの表面には、酸素供給溝06a
を有するガスセパレータ06が、また他方のガス拡散電極
03Bの表面には水素供給溝07aを有するガスセパレータ07
がそれぞれ接合されており、ガス拡散電極03A,03Bをそ
れぞれ酸素極、水素極とする固体高分子電解質膜燃料電
池を構成している。
を有するガスセパレータ06が、また他方のガス拡散電極
03Bの表面には水素供給溝07aを有するガスセパレータ07
がそれぞれ接合されており、ガス拡散電極03A,03Bをそ
れぞれ酸素極、水素極とする固体高分子電解質膜燃料電
池を構成している。
そして、酸素供給溝06a及び水素供給溝07aにそれぞれ酸
素及び水素を導入して各各のガス拡散膜05A,05Bを介し
て酸素，水素を反応膜04A,04B側へ供給すると、各反応
膜04A,04Bと電解質膜02との界面で次のような反応が起
こる。
素及び水素を導入して各各のガス拡散膜05A,05Bを介し
て酸素，水素を反応膜04A,04B側へ供給すると、各反応
膜04A,04Bと電解質膜02との界面で次のような反応が起
こる。
反応膜04Aの界面： O2＋4H+＋4e→2H2O 反応膜04Bの界面： 2H2→4H+＋4e- ここで、4H+は電解質膜02を通って水素極から酸素極へ
流れるが、4e-は負荷08を通って水素極から酸素極へ流
れることになり、電気エネルギーが得られる。
流れるが、4e-は負荷08を通って水素極から酸素極へ流
れることになり、電気エネルギーが得られる。
〈発明が解決しようとする課題〉 上述した構成の燃料電池本体01では、電池反応は主に、
電解質膜02と各反応膜04A,04Bとの接触面で起こるの
で、電池性能を向上させるには電極自体を大きくあるい
は多層にしなければならないという問題がある。
電解質膜02と各反応膜04A,04Bとの接触面で起こるの
で、電池性能を向上させるには電極自体を大きくあるい
は多層にしなければならないという問題がある。
すなわち、例えば燃料電池の小型化を追求するために
は、上述した電池本体01の単位体積当りの電池反応の向
上が必須となる。これは、水電解質等を行う場合にも同
様である。
は、上述した電池本体01の単位体積当りの電池反応の向
上が必須となる。これは、水電解質等を行う場合にも同
様である。
本発明はこのような事情に鑑み、燃料電池や水電解等に
用いた場合に電池反応効率が大幅に向上する、固体高分
子電解質膜と電極との接合体を提供することを目的とす
る。
用いた場合に電池反応効率が大幅に向上する、固体高分
子電解質膜と電極との接合体を提供することを目的とす
る。
〈課題を解決するための手段〉 前記目的を達成する本発明に係る固体高分子電解質膜と
電極との接合体は、表面に高周波スパッタリングにより
凹凸を形成した固体高分子電解質膜の凹凸面に反応層と
ガス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層側を合せ、
接合してなることを特徴とする 本発明で固体高分子電解質膜とは水が共存していても液
体にならない電解質膜をいい、好適なものとしてはパー
フルオロスルフォン酸ポリーマ膜（ナフィオン：デュポ
ン社商品名）を挙げることがでいるが、例えばスチレン
系イオン交換膜などの一般のイオン交換膜も用いること
ができる。
電極との接合体は、表面に高周波スパッタリングにより
凹凸を形成した固体高分子電解質膜の凹凸面に反応層と
ガス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層側を合せ、
接合してなることを特徴とする 本発明で固体高分子電解質膜とは水が共存していても液
体にならない電解質膜をいい、好適なものとしてはパー
フルオロスルフォン酸ポリーマ膜（ナフィオン：デュポ
ン社商品名）を挙げることがでいるが、例えばスチレン
系イオン交換膜などの一般のイオン交換膜も用いること
ができる。
また、本発明で用いるガス拡散膜は、通気性はあるが通
水性は有さず導電性のあるものであれば特に限定されな
いが、一般に炭素や黒鉛粒子からなる疎水性カーボンと
フッ素樹脂なその疎水性樹脂とからなる。
水性は有さず導電性のあるものであれば特に限定されな
いが、一般に炭素や黒鉛粒子からなる疎水性カーボンと
フッ素樹脂なその疎水性樹脂とからなる。
本発明に係る接合体は、上述した固体高分子電解質膜と
ガス拡散電極とをホットプレス等により接合したもので
あるが、予め固体高分子電解質膜の表面に高周波スパッ
タリングにより凹凸が形成されているので、該凹凸内に
ガス拡散電極がくい込み、固体高分子電解質膜とガス拡
散電極との接合面が拡大される。すなわち、第１図
（ａ）に示すように固体高分子電解質膜１と、ガス拡散
電極２を構成する炭素2aと、ガス拡散電極２に担持され
た触媒（Pt）2bと、ガス拡散電極２のガス通過空間2cと
の三者の接合点が、平滑の場合に較べて著しく増大す
る。因みに、表面が平滑な固体高分子電解質膜を用いた
場合には、膜表面へのガス拡散電極のくい込みがないの
で、第１図（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜1A
と、炭素2aと、ガス通過空間2cとの三者の接合点は、第
１図（ａ）の場合より著しく少ない。
ガス拡散電極とをホットプレス等により接合したもので
あるが、予め固体高分子電解質膜の表面に高周波スパッ
タリングにより凹凸が形成されているので、該凹凸内に
ガス拡散電極がくい込み、固体高分子電解質膜とガス拡
散電極との接合面が拡大される。すなわち、第１図
（ａ）に示すように固体高分子電解質膜１と、ガス拡散
電極２を構成する炭素2aと、ガス拡散電極２に担持され
た触媒（Pt）2bと、ガス拡散電極２のガス通過空間2cと
の三者の接合点が、平滑の場合に較べて著しく増大す
る。因みに、表面が平滑な固体高分子電解質膜を用いた
場合には、膜表面へのガス拡散電極のくい込みがないの
で、第１図（ｂ）に示すように、固体高分子電解質膜1A
と、炭素2aと、ガス通過空間2cとの三者の接合点は、第
１図（ａ）の場合より著しく少ない。
本発明において、上記三者の接合点を著しく増大させる
ためには、固体高分子電解質膜の表面の凹凸を、粒径10
0〜1000Åの炭素若しくは黒鉛粒子からなるガス拡散電
極の凹凸と同程度、又は炭素若しくは黒鉛粒子が整合性
よく結合し得るように形成するのがよく、一般には間
隔、深さが100〜1000Åが好ましい。
ためには、固体高分子電解質膜の表面の凹凸を、粒径10
0〜1000Åの炭素若しくは黒鉛粒子からなるガス拡散電
極の凹凸と同程度、又は炭素若しくは黒鉛粒子が整合性
よく結合し得るように形成するのがよく、一般には間
隔、深さが100〜1000Åが好ましい。
〈実施例〉 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
平均粒径500Åのカーボンブラックと平均粒径0.3μｍの
ポリテトラフルオロエチレンとが7:3の割合である反応
層（0.1mm）と、平均粒径500Åのカーボンブラックと平
均粒径0.3μｍのポリテトラフルオロエチレンとが6:4の
割合である反応層（0.5mm）とからなるガス拡散電極を
製造した。
ポリテトラフルオロエチレンとが7:3の割合である反応
層（0.1mm）と、平均粒径500Åのカーボンブラックと平
均粒径0.3μｍのポリテトラフルオロエチレンとが6:4の
割合である反応層（0.5mm）とからなるガス拡散電極を
製造した。
一方、厚さ0.117mmのパーフルオロスルフォン酸ポリマ
ー膜（ナフィオン：デュポン社製）に対し、雰囲気Ar10
-2Torr,周波数13.5kHz,電流値4mA、時間200秒の高周波
スパッタリングを実施することにより、両面に凹凸を形
成した。このときの凹凸の間隔及び深さは約1000Åであ
り、上記ガス拡散電極を構成する炭素の粒径500Åの約
２倍である。
ー膜（ナフィオン：デュポン社製）に対し、雰囲気Ar10
-2Torr,周波数13.5kHz,電流値4mA、時間200秒の高周波
スパッタリングを実施することにより、両面に凹凸を形
成した。このときの凹凸の間隔及び深さは約1000Åであ
り、上記ガス拡散電極を構成する炭素の粒径500Åの約
２倍である。
かかる凹凸を有するポリマー膜を、２枚の上記ガス拡散
電極で挾み、130〜150℃,60kg/cm2の条件で１分間接合
し、200℃で0.5時間大気中で加熱して接合体とした。
電極で挾み、130〜150℃,60kg/cm2の条件で１分間接合
し、200℃で0.5時間大気中で加熱して接合体とした。
また、比較するため、高周波スパッタリングを施さない
こと以外は上記実施例と同様に操作して比較例に係る接
合体を製造した。
こと以外は上記実施例と同様に操作して比較例に係る接
合体を製造した。
（試験例） このようにして製造した接合体と２枚のガスセパレータ
で挾さみ、発電試験を行った（第３図の構成参照）。こ
の発電試験は、共に99.9％の水素及び酸素の圧力を0.3k
g/cm2、流量を100ml/minとして室温で実施した。また、
水素側にはバブリングにより水蒸気加湿を施した。
で挾さみ、発電試験を行った（第３図の構成参照）。こ
の発電試験は、共に99.9％の水素及び酸素の圧力を0.3k
g/cm2、流量を100ml/minとして室温で実施した。また、
水素側にはバブリングにより水蒸気加湿を施した。
この結果は第２図に示す。同図に示す結果より、実施例
の接合体では反応面積が増大していると考えられ、比較
例のものに比べて発電特性（能力）が大幅に向上してい
る。
の接合体では反応面積が増大していると考えられ、比較
例のものに比べて発電特性（能力）が大幅に向上してい
る。
なお、このように発電性能が向上すると逆に触媒として
使用するPtの量を低下させることができ、実施例の場合
には、Ptを約1mg/cm2低減することが可能である。
使用するPtの量を低下させることができ、実施例の場合
には、Ptを約1mg/cm2低減することが可能である。
〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明に係る接合体は高周波スパ
ッタリングにより予め固体高分子電解質膜の表面に凹凸
を形成しているので、固体高分子電解質膜とガス拡散電
極との接合面積が増大しており、燃料電池や水電解等に
使用したときの反応効率が大幅に向上するものである。
ッタリングにより予め固体高分子電解質膜の表面に凹凸
を形成しているので、固体高分子電解質膜とガス拡散電
極との接合面積が増大しており、燃料電池や水電解等に
使用したときの反応効率が大幅に向上するものである。
第１図は固体高分子電解質膜とガス拡散電極との界面状
態を示す説明図、第２図は試験例の結果を示すグラフ、
第３図は固体高分子電解質膜燃料電池本体を示す概念図
である。 図面中、 １は固体高分子電解質膜、２はガス拡散電極、2aは炭
素、2bは触媒、2cはガス通過空間である。
態を示す説明図、第２図は試験例の結果を示すグラフ、
第３図は固体高分子電解質膜燃料電池本体を示す概念図
である。 図面中、 １は固体高分子電解質膜、２はガス拡散電極、2aは炭
素、2bは触媒、2cはガス通過空間である。
Claims (2)
- 【請求項１】表面に高周波スパッタリングにより凹凸を
形成した固体高分子電解質膜の凹凸面に反応層とガス拡
散層とからなるガス拡散電極の反応層側を合せ、接合し
てなることを特徴とする固体高分子電解質膜と電極との
接合体。 - 【請求項２】請求項１において、固体高分子電解質膜の
凹凸面の凹凸は間隔が100〜1000Åで深さが100〜1000Å
であることを特徴とする固体高分子電解質膜と電極との
接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2293647A JPH0758617B2 (ja) | 1990-11-01 | 1990-11-01 | 固体高分子電解質膜と電極との接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2293647A JPH0758617B2 (ja) | 1990-11-01 | 1990-11-01 | 固体高分子電解質膜と電極との接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04169069A JPH04169069A (ja) | 1992-06-17 |
| JPH0758617B2 true JPH0758617B2 (ja) | 1995-06-21 |
Family
ID=17797421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2293647A Expired - Lifetime JPH0758617B2 (ja) | 1990-11-01 | 1990-11-01 | 固体高分子電解質膜と電極との接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0758617B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001319665A (ja) * | 2000-05-08 | 2001-11-16 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池及びその電解質の製造方法 |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998029916A1 (fr) | 1996-12-27 | 1998-07-09 | Japan Storage Battery Co., Ltd. | Electrode a diffusion gazeuse, membrane a electrolyte polymere solide, procede de fabrication et pile a combustible de type a electrolyte polymere solide les utilisant |
| JP2003317735A (ja) * | 2002-04-18 | 2003-11-07 | Nec Corp | 固体高分子電解質型燃料電池、燃料電池用固体高分子電解質膜および燃料電池の製造方法 |
| US8309265B2 (en) | 2003-09-12 | 2012-11-13 | Hitachi, Ltd. | Electrolyte membrane for fuel cells, its production and fuel cell using the same |
| JP4826075B2 (ja) * | 2003-09-12 | 2011-11-30 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池用電解質膜とその製造方法及びそれを用いた燃料電池 |
| JP2005174565A (ja) * | 2003-12-08 | 2005-06-30 | Hitachi Ltd | 燃料電池用高分子電解質膜と膜・電極接合体とその製造方法およびそれを用いた燃料電池 |
| JP4882541B2 (ja) * | 2006-06-26 | 2012-02-22 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用電解質膜および膜電極接合体の製造方法 |
| WO2008023632A1 (fr) * | 2006-08-22 | 2008-02-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Ensemble d'électrode membranaire, son procédé de production et pile à combustible |
| KR20090123819A (ko) * | 2008-05-28 | 2009-12-02 | 주식회사 엘지화학 | 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법, 막 전극 접합체 및 고분자 전해질형 연료전지 |
| JP6971534B2 (ja) | 2015-08-20 | 2021-11-24 | 株式会社東芝 | 膜電極複合体および電気化学セル |
| US20230057062A1 (en) * | 2020-12-16 | 2023-02-23 | Kolon Industries, Inc. | Membrane-electrode assembly and method for manufacturing same |
-
1990
- 1990-11-01 JP JP2293647A patent/JPH0758617B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001319665A (ja) * | 2000-05-08 | 2001-11-16 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池及びその電解質の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04169069A (ja) | 1992-06-17 |
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