JPH08162123A - 高分子電解質型電気化学セル及びその製造方法 - Google Patents
高分子電解質型電気化学セル及びその製造方法Info
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- JPH08162123A JPH08162123A JP6330131A JP33013194A JPH08162123A JP H08162123 A JPH08162123 A JP H08162123A JP 6330131 A JP6330131 A JP 6330131A JP 33013194 A JP33013194 A JP 33013194A JP H08162123 A JPH08162123 A JP H08162123A
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- polymer electrolyte
- current collector
- catalyst layer
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ガス透過性が高く、かつ高出力を得ることが
できる高分子電解質型電気化学セルを提供する。 【構成】 アノード集電体11−アノード触媒層12−高分
子電解質膜13−カソード触媒層14−カソード集電体15の
順に積層した電気化学セルの前記両触媒層の少なくとも
一方の凝集した触媒粒子16、16′の粒径を高分子電解質
膜に近づくほど小さくかつ集電体に近づくほど大きくな
るよう分布させる。集電体に近い側ではガス透過性が優
先され、高分子電解質膜に近い側では触媒の利用率が重
視されるため、このように分布させることにより最高の
ガス透過性と触媒の利用率が得られる。
できる高分子電解質型電気化学セルを提供する。 【構成】 アノード集電体11−アノード触媒層12−高分
子電解質膜13−カソード触媒層14−カソード集電体15の
順に積層した電気化学セルの前記両触媒層の少なくとも
一方の凝集した触媒粒子16、16′の粒径を高分子電解質
膜に近づくほど小さくかつ集電体に近づくほど大きくな
るよう分布させる。集電体に近い側ではガス透過性が優
先され、高分子電解質膜に近い側では触媒の利用率が重
視されるため、このように分布させることにより最高の
ガス透過性と触媒の利用率が得られる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、反応ガスの供給及び生
成ガスの排出を容易にし、実用域で得られる限界出力を
向上させた高分子電解質型電気化学セル及びその製造方
法に関する。
成ガスの排出を容易にし、実用域で得られる限界出力を
向上させた高分子電解質型電気化学セル及びその製造方
法に関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】高分子電解質型電気化学セル例
えば燃料電池は、リン酸型燃料電池と比較してコンパク
トで高い電流密度を取り出せることから電気自動車、宇
宙船用の電源として注目されている。又この分野の開発
においても種々の電極構造や触媒作製方法、システム構
成等に関する提案がなされている。図１は高分子電解質
型燃料電池の原理及び構成を模式的に示すものであり、
イオン交換膜１の一方面に、アノード側多孔質触媒層２
Ａとアノード側撥水性多孔質集電体層３Ａを接合して成
るアノード側ガス拡散電極４Ａが、又他面にはカソード
側多孔質触媒層２Ｃとカソード側撥水性多孔質集電体層
３Ｃを接合して成るカソード側ガス拡散電極４Ｃが接合
されている。アノード側のガス拡散電極４Ａには反応ガ
ス供給溝５Ａを有するセパレータ６Ａが接し、該セパレ
ータ６Ａの供給溝５Ａ間に集電部７Ａが形成されてい
る。同様にカソード側のガス拡散電極４Ｃには反応ガス
供給溝５Ｃを有するセパレータ６Ｃが接し、該セパレー
タ６Ｃの供給溝５Ｃ間に集電部７Ｃが形成されている。
両集電部６Ａ、４６間を負荷８を有する導線で接続し、
アノード側に水素、カソード側に酸素を供給すると前記
負荷８から電力を取り出すことができる。
えば燃料電池は、リン酸型燃料電池と比較してコンパク
トで高い電流密度を取り出せることから電気自動車、宇
宙船用の電源として注目されている。又この分野の開発
においても種々の電極構造や触媒作製方法、システム構
成等に関する提案がなされている。図１は高分子電解質
型燃料電池の原理及び構成を模式的に示すものであり、
イオン交換膜１の一方面に、アノード側多孔質触媒層２
Ａとアノード側撥水性多孔質集電体層３Ａを接合して成
るアノード側ガス拡散電極４Ａが、又他面にはカソード
側多孔質触媒層２Ｃとカソード側撥水性多孔質集電体層
３Ｃを接合して成るカソード側ガス拡散電極４Ｃが接合
されている。アノード側のガス拡散電極４Ａには反応ガ
ス供給溝５Ａを有するセパレータ６Ａが接し、該セパレ
ータ６Ａの供給溝５Ａ間に集電部７Ａが形成されてい
る。同様にカソード側のガス拡散電極４Ｃには反応ガス
供給溝５Ｃを有するセパレータ６Ｃが接し、該セパレー
タ６Ｃの供給溝５Ｃ間に集電部７Ｃが形成されている。
両集電部６Ａ、４６間を負荷８を有する導線で接続し、
アノード側に水素、カソード側に酸素を供給すると前記
負荷８から電力を取り出すことができる。
【０００３】このような電気化学セル用電極の電極触媒
層の担体としてカーボン粒子が使用され、このカーボン
粒子とイオン交換樹脂を混合しホットプレス等により結
着して電極触媒層が形成される。このように形成された
電極触媒層はカーボン粒子が球形であるため隙間無く充
填され、しかもホットプレスにより互いに強固に密着し
て密度が高くなっているため、ガスの流通路が少なく、
従って原料ガスが電極触媒層中を拡散して反応点に到達
しにくく更に反応後の生成ガスの排出も円滑に行いにく
いという欠点がある。そのため原料ガスの供給が更に行
いにくくなり、電極触媒層での反応効率が大幅に低下
し、理論的な最大出力を大きく下回るエネルギーしか取
り出せないという問題点が生じている。
層の担体としてカーボン粒子が使用され、このカーボン
粒子とイオン交換樹脂を混合しホットプレス等により結
着して電極触媒層が形成される。このように形成された
電極触媒層はカーボン粒子が球形であるため隙間無く充
填され、しかもホットプレスにより互いに強固に密着し
て密度が高くなっているため、ガスの流通路が少なく、
従って原料ガスが電極触媒層中を拡散して反応点に到達
しにくく更に反応後の生成ガスの排出も円滑に行いにく
いという欠点がある。そのため原料ガスの供給が更に行
いにくくなり、電極触媒層での反応効率が大幅に低下
し、理論的な最大出力を大きく下回るエネルギーしか取
り出せないという問題点が生じている。
【０００４】
【発明の目的】本発明は上記問題点に鑑み、反応ガスの
供給及び生成ガスの排出を円滑に行なうとともに、最大
の出力が得られるような高分子電解質型電気化学セル用
電極及びその製造方法を提供することを目的とする。
供給及び生成ガスの排出を円滑に行なうとともに、最大
の出力が得られるような高分子電解質型電気化学セル用
電極及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】本発明は、集電体、触
媒層及び高分子電解質膜を積層して成る高分子電解質型
電気化学セルの触媒が凝集したクラスターの粒径を集電
体側に近づくほど大きく、高分子電解質膜側に近づくほ
ど小さくし、あるいは前記触媒を被覆するイオン交換樹
脂の濃度を集電体側に近づくほど小さく、高分子電解質
膜側に近づくほど大きくした高分子電解質型電気化学セ
ル及びその製造方法である。
媒層及び高分子電解質膜を積層して成る高分子電解質型
電気化学セルの触媒が凝集したクラスターの粒径を集電
体側に近づくほど大きく、高分子電解質膜側に近づくほ
ど小さくし、あるいは前記触媒を被覆するイオン交換樹
脂の濃度を集電体側に近づくほど小さく、高分子電解質
膜側に近づくほど大きくした高分子電解質型電気化学セ
ル及びその製造方法である。
【０００６】以下、本発明の詳細について説明する。本
発明は、第１に触媒層を通して行なわれる反応ガスの供
給及び生成ガスの排出を円滑に行なうことを意図し、第
２にアノードガス及びカソードガス間の反応を促進する
ことを意図する。触媒層は、微細な触媒を触媒担体に担
持した多数の触媒粒子及びイオン交換樹脂から成るが、
触媒粒子は相互に凝集してクラスター（凝集体）を形成
している。凝集度が大きいほどつまりクラスターの粒径
が大きいほど、クラスター間に形成される空間は大きく
なり、一方触媒粒子に担持された触媒が該空間に露出し
にくくなりクラスター内部の触媒の利用率は低下する。
発明は、第１に触媒層を通して行なわれる反応ガスの供
給及び生成ガスの排出を円滑に行なうことを意図し、第
２にアノードガス及びカソードガス間の反応を促進する
ことを意図する。触媒層は、微細な触媒を触媒担体に担
持した多数の触媒粒子及びイオン交換樹脂から成るが、
触媒粒子は相互に凝集してクラスター（凝集体）を形成
している。凝集度が大きいほどつまりクラスターの粒径
が大きいほど、クラスター間に形成される空間は大きく
なり、一方触媒粒子に担持された触媒が該空間に露出し
にくくなりクラスター内部の触媒の利用率は低下する。
【０００７】逆に凝集度が小さいと、クラスター間に形
成される空間は小さくなり、一方触媒粒子に担持された
触媒が該空間に露出しやすくなり触媒の利用率は向上す
る。前記高分子電解質型電気化学セルを低電流密度で運
転する場合に、反応が高分子電解質膜近傍の触媒層内部
で起こりやすいことから、高い電圧を得るために該高分
子電解質膜近傍では触媒利用率の向上が必須があるのに
対し、該高分子電解質膜から比較的遠く位置する集電体
近傍は低電流密度での反応にあまり寄与しないと考えら
れることから触媒利用率の向上にはさほど考慮する必要
はなく、高電流密度で運転する場合を考慮して、該集電
体側から供給される反応ガスを如何に円滑に高分子電解
質膜近傍に供給し、かつ生成するガスを排出するかを主
として解決する必要がある。
成される空間は小さくなり、一方触媒粒子に担持された
触媒が該空間に露出しやすくなり触媒の利用率は向上す
る。前記高分子電解質型電気化学セルを低電流密度で運
転する場合に、反応が高分子電解質膜近傍の触媒層内部
で起こりやすいことから、高い電圧を得るために該高分
子電解質膜近傍では触媒利用率の向上が必須があるのに
対し、該高分子電解質膜から比較的遠く位置する集電体
近傍は低電流密度での反応にあまり寄与しないと考えら
れることから触媒利用率の向上にはさほど考慮する必要
はなく、高電流密度で運転する場合を考慮して、該集電
体側から供給される反応ガスを如何に円滑に高分子電解
質膜近傍に供給し、かつ生成するガスを排出するかを主
として解決する必要がある。
【０００８】従って本発明者は、これらの問題点を解決
するために、触媒粒子の凝集度つまりクラスターの粒径
と、触媒粒子を被覆するイオン交換樹脂の濃度に着目
し、これらを調節することにより、前述の目的に合致し
た高分子電解質型電気化学セルを提供することを可能に
した。前述の通り高分子電解質型電気化学セル特に燃料
電池は、アノード集電体−アノード触媒層−高分子電解
質膜−カソード触媒層−カソード集電体の順に積層して
成り、反応ガスである水素ガスと酸素ガスはそれぞれア
ノード集電体側及びカソード集電体側からそれぞれの触
媒層を通して高分子電解質膜へ供給されガス反応が進行
する。この際に、ガスが供給される側の集電体に近い触
媒層近傍の触媒粒子の凝集度を大きくしておくと、粒子
の間隙に生ずる空間が大きく供給されたガスが容易に高
分子電解質膜側に向かって移動して該膜に到達する。つ
まり集電体側の触媒層のガス透過性が良好になる。そし
て該高分子電解質膜近傍では触媒粒子の凝集度が低く、
つまり多くの触媒粒子表面が露出して反応が従来と同等
又はそれ以上に進行する。反応により生成する水蒸気は
前記集電体方向に移動し系外に排出されるが，この場合
にも集電体近傍の触媒粒子の凝集度が高いため円滑に系
外に取り出される。
するために、触媒粒子の凝集度つまりクラスターの粒径
と、触媒粒子を被覆するイオン交換樹脂の濃度に着目
し、これらを調節することにより、前述の目的に合致し
た高分子電解質型電気化学セルを提供することを可能に
した。前述の通り高分子電解質型電気化学セル特に燃料
電池は、アノード集電体−アノード触媒層−高分子電解
質膜−カソード触媒層−カソード集電体の順に積層して
成り、反応ガスである水素ガスと酸素ガスはそれぞれア
ノード集電体側及びカソード集電体側からそれぞれの触
媒層を通して高分子電解質膜へ供給されガス反応が進行
する。この際に、ガスが供給される側の集電体に近い触
媒層近傍の触媒粒子の凝集度を大きくしておくと、粒子
の間隙に生ずる空間が大きく供給されたガスが容易に高
分子電解質膜側に向かって移動して該膜に到達する。つ
まり集電体側の触媒層のガス透過性が良好になる。そし
て該高分子電解質膜近傍では触媒粒子の凝集度が低く、
つまり多くの触媒粒子表面が露出して反応が従来と同等
又はそれ以上に進行する。反応により生成する水蒸気は
前記集電体方向に移動し系外に排出されるが，この場合
にも集電体近傍の触媒粒子の凝集度が高いため円滑に系
外に取り出される。
【０００９】触媒層方向に触媒粒子の凝集度の勾配を形
成するためには、濾過法による場合には、触媒粒子を分
散した溶液を集電体上に暫く放置し、前記触媒粒子を自
然沈降させて集電体側ほど粒子径の大きいクラスター粒
子の密度を上昇させた後に、従来のホットプレス法等に
より一体化させることにより達成される。自然沈降の時
間は、触媒粒子の粒径、必要なクラスター粒径分布やイ
オン交換樹脂量等により変化するが、例えば平均粒径が
１μｍで0.2 〜２μｍの範囲の分布の場合は５分以上と
することが望ましい。５分未満であると触媒層の厚み方
向に適当なクラスター分布が形成されにくい。このよう
に凝集度分布を形成する以外に、互いに凝集度の異なっ
た２枚の触媒層を積層し、通常のホットプレス法等によ
り１枚の触媒層を形成することもできる。
成するためには、濾過法による場合には、触媒粒子を分
散した溶液を集電体上に暫く放置し、前記触媒粒子を自
然沈降させて集電体側ほど粒子径の大きいクラスター粒
子の密度を上昇させた後に、従来のホットプレス法等に
より一体化させることにより達成される。自然沈降の時
間は、触媒粒子の粒径、必要なクラスター粒径分布やイ
オン交換樹脂量等により変化するが、例えば平均粒径が
１μｍで0.2 〜２μｍの範囲の分布の場合は５分以上と
することが望ましい。５分未満であると触媒層の厚み方
向に適当なクラスター分布が形成されにくい。このよう
に凝集度分布を形成する以外に、互いに凝集度の異なっ
た２枚の触媒層を積層し、通常のホットプレス法等によ
り１枚の触媒層を形成することもできる。
【００１０】本発明では、このように触媒粒子の凝集度
の勾配を形成する以外に、触媒粒子にイオン交換樹脂を
被覆する際にイオン交換樹脂量の異なるものを作成し、
これらを用いて電極厚み方向にイオン交換樹脂の濃度勾
配を形成することもできる。前記イオン交換樹脂（例え
ばデュポン社の商品名ナフィオン）の濃度が高いとプロ
トンの移動が容易に生じるがガス透過性が低くなり、逆
に濃度が低いとプロトンの移動は生じにくいがガス透過
性は良好になる。
の勾配を形成する以外に、触媒粒子にイオン交換樹脂を
被覆する際にイオン交換樹脂量の異なるものを作成し、
これらを用いて電極厚み方向にイオン交換樹脂の濃度勾
配を形成することもできる。前記イオン交換樹脂（例え
ばデュポン社の商品名ナフィオン）の濃度が高いとプロ
トンの移動が容易に生じるがガス透過性が低くなり、逆
に濃度が低いとプロトンの移動は生じにくいがガス透過
性は良好になる。
【００１１】従って高分子電解質膜側のイオン交換樹脂
濃度を高くし、集電体側のイオン交換樹脂濃度を低くす
ると、触媒粒子の凝集度が調節された燃料電池の場合と
同様にイオン伝導性が高くかつガス透過性にも優れた燃
料電池を提供できる。
濃度を高くし、集電体側のイオン交換樹脂濃度を低くす
ると、触媒粒子の凝集度が調節された燃料電池の場合と
同様にイオン伝導性が高くかつガス透過性にも優れた燃
料電池を提供できる。
【００１２】燃料電池等の高分子電解質型電気化学セル
を作動させる場合、高電流密度領域では電極中のガス拡
散が律速となり、特にカソード極では高電流密度の領域
で生成水の発生量が多く、これを効果的に排出して触媒
表面へ酸素ガスを効果的に導入することが必要で、これ
が本発明の電極により達成される。同様に低電流密度領
域でもガスの供給及び排出を促進することは高出力を取
り出すことを可能にする。
を作動させる場合、高電流密度領域では電極中のガス拡
散が律速となり、特にカソード極では高電流密度の領域
で生成水の発生量が多く、これを効果的に排出して触媒
表面へ酸素ガスを効果的に導入することが必要で、これ
が本発明の電極により達成される。同様に低電流密度領
域でもガスの供給及び排出を促進することは高出力を取
り出すことを可能にする。
【００１３】本発明の電極では、集電体として従来使用
されている電気伝導性材料、例えばカーボンペーパ、多
孔質カーボン不織布、カーボン織物、カーボンプレート
等を使用でき、又これらは撥水化処理されたものであっ
ても良い。触媒を担持させる触媒担体も従来のカーボン
ブラックとするのが好ましく、この他にカーボン単繊維
に担持させても良く、本発明では該繊維と担持触媒の両
方を用いたものが含まれる。又本発明の電極における触
媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム等の貴金属
を使用できる。又イオン交換樹脂としてはパーフルオロ
カーボンスルホン酸等が用いられる。又電極触媒層中に
テフロン（商品名）等の撥水性樹脂を混在させても良
い。
されている電気伝導性材料、例えばカーボンペーパ、多
孔質カーボン不織布、カーボン織物、カーボンプレート
等を使用でき、又これらは撥水化処理されたものであっ
ても良い。触媒を担持させる触媒担体も従来のカーボン
ブラックとするのが好ましく、この他にカーボン単繊維
に担持させても良く、本発明では該繊維と担持触媒の両
方を用いたものが含まれる。又本発明の電極における触
媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム等の貴金属
を使用できる。又イオン交換樹脂としてはパーフルオロ
カーボンスルホン酸等が用いられる。又電極触媒層中に
テフロン（商品名）等の撥水性樹脂を混在させても良
い。
【００１４】図２及び３は、本発明に係わる高分子電解
質型電気化学セルの微細構造を例示するもので、それぞ
れ別個の態様を例示する。図２の燃料電池は、アノード
集電体11−アノード触媒層12−高分子電解質膜13−カソ
ード触媒層14−カソード集電体15の順に積層して構成さ
れ、両触媒層12、14はそれぞれ、アノード集電体11及び
カソード集電体15近傍の凝集した触媒粒子16ほどその粒
径が大きく、高分子電解質膜13近傍の凝集した触媒粒子
16′ほどその粒径が小さくなるよう調節されている。
質型電気化学セルの微細構造を例示するもので、それぞ
れ別個の態様を例示する。図２の燃料電池は、アノード
集電体11−アノード触媒層12−高分子電解質膜13−カソ
ード触媒層14−カソード集電体15の順に積層して構成さ
れ、両触媒層12、14はそれぞれ、アノード集電体11及び
カソード集電体15近傍の凝集した触媒粒子16ほどその粒
径が大きく、高分子電解質膜13近傍の凝集した触媒粒子
16′ほどその粒径が小さくなるよう調節されている。
【００２５】又図３の燃料電池は、アノード集電体21−
アノード触媒層22−高分子電解質膜23−カソード触媒層
24−カソード集電体25の順に積層して構成され、両触媒
層22、24はそれぞれ、イオン交換樹脂が被覆された触媒
微粒子が凝集した触媒粒子26により構成された２枚の層
22ａ、22ｂ及び24ａ及び24ｂを接着等により積層して構
成され、アノード集電体21及びカソード集電体25に近い
層22ａ及び24ａほどイオン交換樹脂濃度が低く、高分子
電解質膜25に近い層22ｂ及び24ｂほどイオン交換樹脂濃
度が高くなるよう調節されている。
アノード触媒層22−高分子電解質膜23−カソード触媒層
24−カソード集電体25の順に積層して構成され、両触媒
層22、24はそれぞれ、イオン交換樹脂が被覆された触媒
微粒子が凝集した触媒粒子26により構成された２枚の層
22ａ、22ｂ及び24ａ及び24ｂを接着等により積層して構
成され、アノード集電体21及びカソード集電体25に近い
層22ａ及び24ａほどイオン交換樹脂濃度が低く、高分子
電解質膜25に近い層22ｂ及び24ｂほどイオン交換樹脂濃
度が高くなるよう調節されている。
【００２６】
【実施例】次に本発明に係わる高分子電解質型電気化学
セル製造の実施例を記載するが、本実施例は本発明を限
定するものではない。
セル製造の実施例を記載するが、本実施例は本発明を限
定するものではない。
【実施例１】表面積が300 ｍ2 ／ｇであるカーボン粒子
に塩化白金酸水溶液）（白金濃度５ｇ／リットル）を含
浸させた後、還元処理を行って30重量％の白金を担持さ
せた担持触媒と、平均直径１μｍのカーボン単繊維を、
前記担持触媒の担体カーボンに対しカーボン比で単繊維
が25重量％となるように分散させたものと、更に該トー
タルカーボン量に対して40重量％となる量の固形分を含
むナフィオン（商品名）溶液中に超音波ホモジナイザで
分散させ、攪拌しながら乾燥して粉末化した。この粉末
を超音波ホモジナイザを使用してエタノール中に10分間
再分散し、撥水化処理したカーボンペーパー上に５分間
放置し、自然沈降させた。その後、そのまま溶液を吸引
濾過して130 ℃でホットプレスして結着しカソード電極
とした。アノード電極は上記工程で、カーボン粒子に白
金を担持させナフィオンを絡めてエタノールに分散した
溶液を濾過して撥水化処理したカーボンペーパー上に転
写し、130 ℃でホットプレスし結着して作成した。各々
の電極をイオン交換膜（ナフィオン）を挟んだサンドイ
ッチ構造として本実施例の電池とした。
に塩化白金酸水溶液）（白金濃度５ｇ／リットル）を含
浸させた後、還元処理を行って30重量％の白金を担持さ
せた担持触媒と、平均直径１μｍのカーボン単繊維を、
前記担持触媒の担体カーボンに対しカーボン比で単繊維
が25重量％となるように分散させたものと、更に該トー
タルカーボン量に対して40重量％となる量の固形分を含
むナフィオン（商品名）溶液中に超音波ホモジナイザで
分散させ、攪拌しながら乾燥して粉末化した。この粉末
を超音波ホモジナイザを使用してエタノール中に10分間
再分散し、撥水化処理したカーボンペーパー上に５分間
放置し、自然沈降させた。その後、そのまま溶液を吸引
濾過して130 ℃でホットプレスして結着しカソード電極
とした。アノード電極は上記工程で、カーボン粒子に白
金を担持させナフィオンを絡めてエタノールに分散した
溶液を濾過して撥水化処理したカーボンペーパー上に転
写し、130 ℃でホットプレスし結着して作成した。各々
の電極をイオン交換膜（ナフィオン）を挟んだサンドイ
ッチ構造として本実施例の電池とした。
【００２７】
【実施例２】実施例１で調製した粉末を、超音波ホモジ
ナイザを使用して分散させ自然沈降させずに吸引濾過に
より撥水化処理したカーボンペーパー上に形成し、更に
その上に、担持触媒とナフィオンをカーボン：ナフィオ
ン＝５：５となるようにナフィオンを被覆した粉末を形
成して同様の分散溶液を自然沈降させずに吸引ろ過によ
り電極を構成し、この電極を使用して実施例１と同様に
して電池を構成した。
ナイザを使用して分散させ自然沈降させずに吸引濾過に
より撥水化処理したカーボンペーパー上に形成し、更に
その上に、担持触媒とナフィオンをカーボン：ナフィオ
ン＝５：５となるようにナフィオンを被覆した粉末を形
成して同様の分散溶液を自然沈降させずに吸引ろ過によ
り電極を構成し、この電極を使用して実施例１と同様に
して電池を構成した。
【００２８】
【実施例３】実施例１と同様に自然沈降させた溶液をそ
のままカーボンペーパ上に自然沈降させて濾過し、更に
その上にカーボン：ナフィオン＝５：５である同様の溶
液を自然沈降させずに濾過して電極を構成し、この電極
を使用して実施例１と同様にして電池を構成した。
のままカーボンペーパ上に自然沈降させて濾過し、更に
その上にカーボン：ナフィオン＝５：５である同様の溶
液を自然沈降させずに濾過して電極を構成し、この電極
を使用して実施例１と同様にして電池を構成した。
【００２９】
【比較例１】自然沈降を行なわず吸引濾過したこと以外
は実施例１と同一条件で電極を作製し、該電極を使用し
て電池を構成した。実施例１〜３及び比較例１の各電池
の性能評価（異なった電圧で得られる電流密度）を次の
条件で行った。その結果を表１に示した。 白金担持量：２ｍｇ／ｃｍ2 セル温度：80℃ アノードガス加湿温度：90℃ ガス圧力：大気圧 ガス：水素及び酸素
は実施例１と同一条件で電極を作製し、該電極を使用し
て電池を構成した。実施例１〜３及び比較例１の各電池
の性能評価（異なった電圧で得られる電流密度）を次の
条件で行った。その結果を表１に示した。 白金担持量：２ｍｇ／ｃｍ2 セル温度：80℃ アノードガス加湿温度：90℃ ガス圧力：大気圧 ガス：水素及び酸素
【００３０】実施例１における電流密度とセル電圧の関
係を図４に示すグラフに、又実施例３における電流密度
とセル電圧の関係を図５に示すグラフに示した。
係を図４に示すグラフに、又実施例３における電流密度
とセル電圧の関係を図５に示すグラフに示した。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【発明の効果】本発明は、アノード集電体−アノード触
媒層−高分子電解質膜−カソード触媒層−カソード集電
体の順に積層して成り、触媒担体に触媒を担持した触媒
粒子及びイオン交換樹脂より成るクラスター粒子を層状
に形成した高分子電解質型電気化学セル用電極の触媒層
において、少なくとも一方の触媒層の高分子電解質膜に
近い側の前記クラスターの粒径を小さくかつ集電体に近
い側の前記クラスターの粒径が大きくなるよう前記触媒
粒子を分布させたことを特徴とする高分子電解質型電気
化学セル（請求項１）である。
媒層−高分子電解質膜−カソード触媒層−カソード集電
体の順に積層して成り、触媒担体に触媒を担持した触媒
粒子及びイオン交換樹脂より成るクラスター粒子を層状
に形成した高分子電解質型電気化学セル用電極の触媒層
において、少なくとも一方の触媒層の高分子電解質膜に
近い側の前記クラスターの粒径を小さくかつ集電体に近
い側の前記クラスターの粒径が大きくなるよう前記触媒
粒子を分布させたことを特徴とする高分子電解質型電気
化学セル（請求項１）である。
【００３３】凝集した触媒粒子の粒径は大きいほどガス
透過性が向上する反面、触媒の利用率が低下し、逆に小
さいほどガス透過性は低下するが、触媒の利用率は向上
する。従って本発明のように高分子電解質膜の近傍に粒
径の小さい凝集触媒粒子を位置させ、集電体の近傍に粒
径の大きい凝集触媒粒子を位置させると、触媒利用率の
向上が必要でない集電体近傍の触媒層のガス透過性が向
上し、ガス透過性の向上をさほど必要としない高分子電
解質膜近傍の触媒利用率が向上した、反応ガスの供給及
び生成ガスの排出が容易で、高出力の得られる燃料電池
等の電気化学セルを提供できる。
透過性が向上する反面、触媒の利用率が低下し、逆に小
さいほどガス透過性は低下するが、触媒の利用率は向上
する。従って本発明のように高分子電解質膜の近傍に粒
径の小さい凝集触媒粒子を位置させ、集電体の近傍に粒
径の大きい凝集触媒粒子を位置させると、触媒利用率の
向上が必要でない集電体近傍の触媒層のガス透過性が向
上し、ガス透過性の向上をさほど必要としない高分子電
解質膜近傍の触媒利用率が向上した、反応ガスの供給及
び生成ガスの排出が容易で、高出力の得られる燃料電池
等の電気化学セルを提供できる。
【００３４】本発明は、第２に、アノード集電体−アノ
ード触媒層−高分子電解質膜−カソード触媒層−カソー
ド集電体を積層して成る電気化学セルの触媒層を構成す
る触媒粒子を被覆するイオン交換樹脂の濃度を高分子電
解質膜側ほど高くした電気化学セルである（請求項
２）。このイオン交換樹脂は濃度が高いほどプロトンが
移動しやすく、つまり反応が進行しやすく、低いほどガ
ス透過性が良好になる。従って該化合物の濃度の高低
は、燃料電池の性能に対して、第１の発明の凝集触媒粒
子の粒径の大小と同様の効果を有し、高分子電解質膜側
ほどその濃度を高くし、集電体側ほどその濃度を低くす
ると、第１の発明と同様に反応ガスの供給及び生成ガス
の排出が容易で、高出力の得られる燃料電池等の電気化
学セルを提供できる。
ード触媒層−高分子電解質膜−カソード触媒層−カソー
ド集電体を積層して成る電気化学セルの触媒層を構成す
る触媒粒子を被覆するイオン交換樹脂の濃度を高分子電
解質膜側ほど高くした電気化学セルである（請求項
２）。このイオン交換樹脂は濃度が高いほどプロトンが
移動しやすく、つまり反応が進行しやすく、低いほどガ
ス透過性が良好になる。従って該化合物の濃度の高低
は、燃料電池の性能に対して、第１の発明の凝集触媒粒
子の粒径の大小と同様の効果を有し、高分子電解質膜側
ほどその濃度を高くし、集電体側ほどその濃度を低くす
ると、第１の発明と同様に反応ガスの供給及び生成ガス
の排出が容易で、高出力の得られる燃料電池等の電気化
学セルを提供できる。
【００３５】前記第１の発明に係わる電気化学セルは、
少なくとも一方の各集電体上に触媒粒子の分散液を位置
させ自然沈降させた後に該集電体上に濾過して製造でき
る（請求項３）。つまり濾過の前に液を放置するという
極めて簡単な手法を追加するのみで従来のセルより優れ
た性能を有する電気化学セルを製造することが可能にな
る。又前記第２の発明に係わる電気化学セルは、イオン
交換樹脂濃度の異なる複数の触媒層を作製し、最高濃度
のイオン交換樹脂を有する触媒層から濃度順に高分子電
解質膜側から積層することにより製造できる（請求項
４）。この方法は請求項３に記載の方法より手間が掛か
るが、比較的高価なイオン交換樹脂の使用量を節約し、
最小量の該化合物の使用により最大限の効率を生じさせ
ることができる。
少なくとも一方の各集電体上に触媒粒子の分散液を位置
させ自然沈降させた後に該集電体上に濾過して製造でき
る（請求項３）。つまり濾過の前に液を放置するという
極めて簡単な手法を追加するのみで従来のセルより優れ
た性能を有する電気化学セルを製造することが可能にな
る。又前記第２の発明に係わる電気化学セルは、イオン
交換樹脂濃度の異なる複数の触媒層を作製し、最高濃度
のイオン交換樹脂を有する触媒層から濃度順に高分子電
解質膜側から積層することにより製造できる（請求項
４）。この方法は請求項３に記載の方法より手間が掛か
るが、比較的高価なイオン交換樹脂の使用量を節約し、
最小量の該化合物の使用により最大限の効率を生じさせ
ることができる。
【図１】高分子電解質型燃料電池の原理及び構成を模式
図。
図。
【図２】本発明に係わる高分子電解質型電気化学の第１
の態様を示す概略断面図。
の態様を示す概略断面図。
【図３】同じく第２の態様を概略断面図。
【図４】実施例１に電流密度とセル電圧の関係を示すグ
ラフ。
ラフ。
【図５】実施例１に電流密度とセル電圧の関係を示すグ
ラフ。
ラフ。
11、21・・・アノード集電体 12、22・・・アノード触
媒層 13、23・・・高分子電解質膜 14、24・・・カソ
ード触媒層 15、25・・・カソード集電体 16、16′、
26・・・凝集触媒粒子
媒層 13、23・・・高分子電解質膜 14、24・・・カソ
ード触媒層 15、25・・・カソード集電体 16、16′、
26・・・凝集触媒粒子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 391016716 ストンハルト・アソシエーツ・インコーポ レーテッド ＳＴＯＮＥＨＡＲＴ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥ Ｓ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ アメリカ合衆国 06443 コネチカット州、 マジソン、コテッジ・ロード17、ピー・オ ー・ボックス1220 (72)発明者 戸島 庸仁 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 (4)
- 【請求項１】 アノード集電体−アノード触媒層−高分
子電解質膜−カソード触媒層−カソード集電体の順に積
層して成り、触媒担体に触媒を担持した触媒粒子及びイ
オン交換樹脂より成るクラスター粒子を層状に形成した
高分子電解質型電気化学セル用電極の触媒層において、
少なくとも一方の触媒層の高分子電解質膜に近い側の前
記クラスターの粒径を小さくかつ集電体に近い側の前記
クラスターの粒径が大きくなるよう前記触媒粒子を分布
させたことを特徴とする高分子電解質型電気化学セル。 - 【請求項２】 アノード集電体−アノード触媒層−高分
子電解質膜−カソード触媒層−カソード集電体の順に積
層して成り、触媒担体に触媒を担持した触媒粒子及びイ
オン交換樹脂より成るクラスター粒子を層状に形成した
高分子電解質型電気化学セル用電極の触媒層において、
少なくとも一方の触媒層の高分子電解質膜に近い側の前
記イオン交換樹脂の濃度を高くかつ集電体に近い側のイ
オン交換樹脂の濃度を低くなるよう前記クラスター粒子
を分布させたことを特徴とする高分子電解質型電気化学
セル。 - 【請求項３】 アノード集電体−アノード触媒層−高分
子電解質膜−カソード触媒層−カソード集電体の順に積
層して成り、両触媒層が触媒担体に触媒を担持した触媒
粒子及びイオン交換樹脂より成るクラスター粒子を層状
に形成した高分子電解質型電気化学セル用電極の触媒層
の製造方法において、少なくとも一方の各集電体上にイ
オン交換樹脂を被覆又は吸着させた触媒粒子クラスター
の分散液を該集電体上に自然沈降濾過させた後に、アノ
ード集電体−アノード触媒層−高分子電解質膜−カソー
ド触媒層−カソード集電体の順に積層することを特徴と
する高分子電解質型電気化学セルの製造方法。 - 【請求項４】 アノード集電体−アノード触媒層−高分
子電解質膜−カソード触媒層−カソード集電体の順に積
層して成り、触媒担体に触媒を担持した触媒粒子及びイ
オン交換樹脂より成るクラスター粒子を層状に形成した
触媒層から成る高分子電解質型電気化学セル用電極の製
造方法において、イオン交換樹脂濃度の異なる複数のク
ラスター粒子を作製し、最高濃度のイオン交換樹脂を有
するクラスター粒子を前記高分子電解質膜側から濃度の
高い順に層状に積層して少なくとも一方の触媒層を構成
し、アノード集電体−アノード触媒層−高分子電解質膜
−カソード触媒層−カソード集電体の順に積層すること
を特徴とする高分子電解質型電気化学セルの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6330131A JPH08162123A (ja) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | 高分子電解質型電気化学セル及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6330131A JPH08162123A (ja) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | 高分子電解質型電気化学セル及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08162123A true JPH08162123A (ja) | 1996-06-21 |
Family
ID=18229160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6330131A Pending JPH08162123A (ja) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | 高分子電解質型電気化学セル及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08162123A (ja) |
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09265992A (ja) * | 1996-03-29 | 1997-10-07 | Mazda Motor Corp | 燃料電池の電極構造 |
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-
1994
- 1994-12-05 JP JP6330131A patent/JPH08162123A/ja active Pending
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