JPH0888007A - 固体高分子型燃料電池およびその電極 - Google Patents
固体高分子型燃料電池およびその電極Info
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- JPH0888007A JPH0888007A JP6221310A JP22131094A JPH0888007A JP H0888007 A JPH0888007 A JP H0888007A JP 6221310 A JP6221310 A JP 6221310A JP 22131094 A JP22131094 A JP 22131094A JP H0888007 A JPH0888007 A JP H0888007A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 触媒粒子をフッ素樹脂で過多に被覆すること
なく電極触媒層にガス供給状態を良好にすることができ
るガスチャネルを形成し、ガス供給能がより高い高性能
な固体高分子型燃料電池用電極を提供する。 【構成】 固体高分子電解質と貴金属触媒を担持した炭
素粉末とからなる触媒層を有する電極で、炭素粉末の一
次粒子径は２００〜３５０Åで比表面積が７００〜１０
００ｍ2／ｇであり、触媒層は細孔を有し、その細孔の
直径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔容積が０．０
３５〜０．１３０ｃｍ3である。
なく電極触媒層にガス供給状態を良好にすることができ
るガスチャネルを形成し、ガス供給能がより高い高性能
な固体高分子型燃料電池用電極を提供する。 【構成】 固体高分子電解質と貴金属触媒を担持した炭
素粉末とからなる触媒層を有する電極で、炭素粉末の一
次粒子径は２００〜３５０Åで比表面積が７００〜１０
００ｍ2／ｇであり、触媒層は細孔を有し、その細孔の
直径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔容積が０．０
３５〜０．１３０ｃｍ3である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料として純水素、ま
たはメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池の電極に
関するものであり、特に固体高分子型燃料電池用電極、
およびそれを用いた固体高分子型燃料電池に関するもの
である。
たはメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池の電極に
関するものであり、特に固体高分子型燃料電池用電極、
およびそれを用いた固体高分子型燃料電池に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は常温で作動し、
常圧で１Ａ／ｃｍ2以上の高出力が得られる。このよう
な高電流密度での出力を可能にするためには、電極触媒
層における触媒粒子と固体高分子電解質との接触面積、
すなわち反応面積の増大および反応サイトへのガス供給
能の向上が重要となる。このうち、ガス供給能を向上さ
せるためには、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）樹脂などのフッ素樹脂を撥水材として電極触媒層に
添加して反応ガスの供給路（ガスチャネル）を形成する
試みがなされてきた。
常圧で１Ａ／ｃｍ2以上の高出力が得られる。このよう
な高電流密度での出力を可能にするためには、電極触媒
層における触媒粒子と固体高分子電解質との接触面積、
すなわち反応面積の増大および反応サイトへのガス供給
能の向上が重要となる。このうち、ガス供給能を向上さ
せるためには、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）樹脂などのフッ素樹脂を撥水材として電極触媒層に
添加して反応ガスの供給路（ガスチャネル）を形成する
試みがなされてきた。
【０００３】例えば、特開平４−２６４３６７号公報で
は触媒を担持した炭素粉末とＰＴＦＥのコロイド分散液
との混合液を用いて電極を作製し、触媒層表面に固体高
分子電解質溶液を塗布している。また、特開平５−３６
４１８号公報では触媒とＰＴＦＥ粉末とを固体高分子電
解質溶液に分散・混練して触媒層を作製している。
は触媒を担持した炭素粉末とＰＴＦＥのコロイド分散液
との混合液を用いて電極を作製し、触媒層表面に固体高
分子電解質溶液を塗布している。また、特開平５−３６
４１８号公報では触媒とＰＴＦＥ粉末とを固体高分子電
解質溶液に分散・混練して触媒層を作製している。
【０００４】さらにＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈ
ｅｍ．１９７（１９８６）の１９５頁では、ＰＴＦＥに
より撥水処理した炭素粉末と触媒を担持した炭素粉末と
を混合してガス拡散電極の触媒層を作製し、電解液とし
て酸性水溶液を用いるものが示されている。
ｅｍ．１９７（１９８６）の１９５頁では、ＰＴＦＥに
より撥水処理した炭素粉末と触媒を担持した炭素粉末と
を混合してガス拡散電極の触媒層を作製し、電解液とし
て酸性水溶液を用いるものが示されている。
【０００５】一方、フッ素系の固体高分子電解質の酸素
透過能が高いことに着目し、フッ素樹脂を添加せずに触
媒層の厚みを減少させることによりガス供給能を高める
試みがされている。
透過能が高いことに着目し、フッ素樹脂を添加せずに触
媒層の厚みを減少させることによりガス供給能を高める
試みがされている。
【０００６】例えば、米国特許５，２１１，９８４号明
細書では、グリセリンもしくはテトラブチルアンモニウ
ム塩を溶媒として固体高分子電解質と触媒と炭素粉末の
インク状分散液を作製し、ＰＴＦＥ製フィルム上に成型
した後固体高分子電解質膜表面に転写する方法、もしく
は固体高分子電解質膜をＮａ型に置換した後に、その膜
の表面に上記インク状分散液を塗布して１２５℃以上で
加熱乾燥し、再び固体高分子電解質膜をＨ型に置換する
方法が報告されている。このとき触媒層の厚みは約１０
μｍ未満と小さく、反応ガスの供給は固体高分子電解質
中を拡散することにより行っている。
細書では、グリセリンもしくはテトラブチルアンモニウ
ム塩を溶媒として固体高分子電解質と触媒と炭素粉末の
インク状分散液を作製し、ＰＴＦＥ製フィルム上に成型
した後固体高分子電解質膜表面に転写する方法、もしく
は固体高分子電解質膜をＮａ型に置換した後に、その膜
の表面に上記インク状分散液を塗布して１２５℃以上で
加熱乾燥し、再び固体高分子電解質膜をＨ型に置換する
方法が報告されている。このとき触媒層の厚みは約１０
μｍ未満と小さく、反応ガスの供給は固体高分子電解質
中を拡散することにより行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記特許
に記載されている従来の方法では、フッ素樹脂によって
触媒粒子が過多に被覆されて反応面積が減少し、分極特
性が低下するという欠点を有していた。一方上記Ｊ．Ｅ
ｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９７（１９８６）
の１９５頁のようにＰＴＦＥによって撥水処理した炭素
粉末を用いると、ＰＴＦＥによる触媒粒子の被覆は抑制
できるが、電解液として酸性水溶液を用いているため、
固体高分子電解質を触媒層に添加した場合において撥水
処理された炭素粉末の添加の有無やその添加率による効
果の検討が行われていなかった。
に記載されている従来の方法では、フッ素樹脂によって
触媒粒子が過多に被覆されて反応面積が減少し、分極特
性が低下するという欠点を有していた。一方上記Ｊ．Ｅ
ｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９７（１９８６）
の１９５頁のようにＰＴＦＥによって撥水処理した炭素
粉末を用いると、ＰＴＦＥによる触媒粒子の被覆は抑制
できるが、電解液として酸性水溶液を用いているため、
固体高分子電解質を触媒層に添加した場合において撥水
処理された炭素粉末の添加の有無やその添加率による効
果の検討が行われていなかった。
【０００８】また上記米国特許では、触媒層は触媒担持
炭素粉末と親水性の固体高分子電解質のみからなる緻密
なフィルムであるため、ガスチャネルが形成されず生成
水によるフラッディングによって高電流密度での電池電
圧が低くなるか、または不安定となるという欠点を有し
ていた。
炭素粉末と親水性の固体高分子電解質のみからなる緻密
なフィルムであるため、ガスチャネルが形成されず生成
水によるフラッディングによって高電流密度での電池電
圧が低くなるか、または不安定となるという欠点を有し
ていた。
【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、固体高分子型燃料電池の電極において、触媒粒子を
フッ素樹脂で過多に被覆することなく、電極触媒層にガ
ス供給状態を良好にすることができるガスチャネルを形
成するものである。
で、固体高分子型燃料電池の電極において、触媒粒子を
フッ素樹脂で過多に被覆することなく、電極触媒層にガ
ス供給状態を良好にすることができるガスチャネルを形
成するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極は少なくとも
固体高分子電解質と貴金属触媒を担持した炭素粉末から
なる触媒層をガス拡散層の片面に形成した電極であっ
て、前記炭素粉末は一次粒子径が２００〜３５０Åで比
表面積が７００〜１０００ｍ2／ｇであり、前記電極の
触媒層はガスチャネルとして細孔を有し、その細孔の直
径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔の容積が０．０
３５〜０．０５ｃｍ3／ｇである構造を特徴とするもの
である。
に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極は少なくとも
固体高分子電解質と貴金属触媒を担持した炭素粉末から
なる触媒層をガス拡散層の片面に形成した電極であっ
て、前記炭素粉末は一次粒子径が２００〜３５０Åで比
表面積が７００〜１０００ｍ2／ｇであり、前記電極の
触媒層はガスチャネルとして細孔を有し、その細孔の直
径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔の容積が０．０
３５〜０．０５ｃｍ3／ｇである構造を特徴とするもの
である。
【００１１】さらに、少なくとも固体高分子電解質と貴
金属触媒を担持した炭素粉末とフッ素樹脂を２５〜７０
重量％有する炭素粉末とからなる触媒層をガス拡散層の
片面に形成した電極であって、前記貴金属触媒を担持し
た炭素粉末は一次粒子径が２００〜３５０Åで比表面積
が７００〜１０００ｍ2／ｇであり、上記電極の触媒層
は直径０．０４〜１．０μｍの細孔容積が０．０４〜
０．１３ｃｍ3／ｇである構造を特徴とする固体高分子
型燃料電池用電極及びそれを用いた燃料電池を提供する
ものである。
金属触媒を担持した炭素粉末とフッ素樹脂を２５〜７０
重量％有する炭素粉末とからなる触媒層をガス拡散層の
片面に形成した電極であって、前記貴金属触媒を担持し
た炭素粉末は一次粒子径が２００〜３５０Åで比表面積
が７００〜１０００ｍ2／ｇであり、上記電極の触媒層
は直径０．０４〜１．０μｍの細孔容積が０．０４〜
０．１３ｃｍ3／ｇである構造を特徴とする固体高分子
型燃料電池用電極及びそれを用いた燃料電池を提供する
ものである。
【００１２】
【作用】以上のような細孔構造の触媒層によって、図１
に示すように触媒担持炭素粒子５３間に形成されるガス
チャネル用の細孔５５を固体高分子電解質５６が充填し
ないため、ガス供給能が高く優れた分極特性を発揮する
固体高分子型燃料電池用電極を実現することができる。
さらに図２のフッ素樹脂５９によって撥水処理された炭
素粉末６０を添加することにより、触媒粒子５２をフッ
素樹脂５９で過多に被覆することなくガスチャネル用の
細孔５５を増加させ、かつ撥水性を向上させて、ガス供
給能及び生成水排出能が高く優れた分極特性を発揮し、
電圧安定性の優れた固体高分子型燃料電池用電極を実現
することができる。
に示すように触媒担持炭素粒子５３間に形成されるガス
チャネル用の細孔５５を固体高分子電解質５６が充填し
ないため、ガス供給能が高く優れた分極特性を発揮する
固体高分子型燃料電池用電極を実現することができる。
さらに図２のフッ素樹脂５９によって撥水処理された炭
素粉末６０を添加することにより、触媒粒子５２をフッ
素樹脂５９で過多に被覆することなくガスチャネル用の
細孔５５を増加させ、かつ撥水性を向上させて、ガス供
給能及び生成水排出能が高く優れた分極特性を発揮し、
電圧安定性の優れた固体高分子型燃料電池用電極を実現
することができる。
【００１３】
【実施例】以下、実施例により、本発明をさらに詳しく
説明する。
説明する。
【００１４】（実施例１）固体高分子電解質のアルコー
ル溶液としてアルドリッチ・ケミカル社製の５％Ｎａｆ
ｉｏｎ溶液を固体高分子電解質量が０．１〜１．４ｍｇ
／ｃｍ2となるようｎ−酢酸ブチル１０ｍｌと混合・攪
拌して高分子電解質のコロイド状分散液を生成した。こ
のコロイド状分散液に白金触媒を１０〜３０重量％担持
させた炭素粉末を白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるよ
う添加し、固体高分子電解質を触媒を担持した炭素粉末
の表面に吸着させた。なおこの炭素粉末は一次粒子径が
２００〜３５０Åで比表面積が７００〜１０００ｍ2／
ｇである。この分散液を超音波分散器を用いてペースト
状とした。このペーストをあらかじめ２０〜６０重量％
のフッ素樹脂を添加した(株)東レ製のカーボンペーパー
上に塗着し、本発明の電極Ａを作製した。この電極Ａを
デュポン社製の固体高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１７
の両面に１２０〜２００℃、５〜１００ｋｇ／ｃｍ2で
ホットプレスし、本発明の電池Ａ′を作製した。
ル溶液としてアルドリッチ・ケミカル社製の５％Ｎａｆ
ｉｏｎ溶液を固体高分子電解質量が０．１〜１．４ｍｇ
／ｃｍ2となるようｎ−酢酸ブチル１０ｍｌと混合・攪
拌して高分子電解質のコロイド状分散液を生成した。こ
のコロイド状分散液に白金触媒を１０〜３０重量％担持
させた炭素粉末を白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ2となるよ
う添加し、固体高分子電解質を触媒を担持した炭素粉末
の表面に吸着させた。なおこの炭素粉末は一次粒子径が
２００〜３５０Åで比表面積が７００〜１０００ｍ2／
ｇである。この分散液を超音波分散器を用いてペースト
状とした。このペーストをあらかじめ２０〜６０重量％
のフッ素樹脂を添加した(株)東レ製のカーボンペーパー
上に塗着し、本発明の電極Ａを作製した。この電極Ａを
デュポン社製の固体高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１７
の両面に１２０〜２００℃、５〜１００ｋｇ／ｃｍ2で
ホットプレスし、本発明の電池Ａ′を作製した。
【００１５】（実施例２）固体高分子電解質のコロイド
状分散液に、さらにＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加し
て撥水処理した炭素粉末を白金触媒を担持した炭素粉末
に対して１０〜６０重量％となるよう添加した他は（実
施例１）と全く同様とし、本発明の電極Ｂ及び電池Ｂ′
を作製した。
状分散液に、さらにＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加し
て撥水処理した炭素粉末を白金触媒を担持した炭素粉末
に対して１０〜６０重量％となるよう添加した他は（実
施例１）と全く同様とし、本発明の電極Ｂ及び電池Ｂ′
を作製した。
【００１６】（比較例１）白金触媒を１０〜２５重量％
担持させた炭素粉末と、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添
加して撥水処理した炭素粉末と混合した。このとき白金
量は０．５ｍｇ／ｃｍ2とし、撥水処理した炭素粉末は
白金触媒を担持した炭素粉末に対して４０重量％となる
よう添加した。この触媒層用混合粉末をフッ素樹脂を重
量比で２０〜６０％添加したカーボンペーパー上に散布
し、３４０〜３６０℃、５〜２０ｋｇ／ｃｍ2でホット
プレスし、電極を作製した。この電極への固体高分子電
解質の添加は、固体高分子電解質量が１．０ｍｇ／ｃｍ
2となるようアルドリッチ・ケミカル社製の５％Ｎａｆ
ｉｏｎ溶液をイソプロピルアルコールで希釈した溶液を
カーボンペーパー側からポンプによって吸引した状態で
塗布し、乾燥させる方法を用いた。このようにして作製
した電極Ｃを（実施例１）と同様の方法で固体高分子電
解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１７と接合し、電池Ｃ′を作製し
た。
担持させた炭素粉末と、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添
加して撥水処理した炭素粉末と混合した。このとき白金
量は０．５ｍｇ／ｃｍ2とし、撥水処理した炭素粉末は
白金触媒を担持した炭素粉末に対して４０重量％となる
よう添加した。この触媒層用混合粉末をフッ素樹脂を重
量比で２０〜６０％添加したカーボンペーパー上に散布
し、３４０〜３６０℃、５〜２０ｋｇ／ｃｍ2でホット
プレスし、電極を作製した。この電極への固体高分子電
解質の添加は、固体高分子電解質量が１．０ｍｇ／ｃｍ
2となるようアルドリッチ・ケミカル社製の５％Ｎａｆ
ｉｏｎ溶液をイソプロピルアルコールで希釈した溶液を
カーボンペーパー側からポンプによって吸引した状態で
塗布し、乾燥させる方法を用いた。このようにして作製
した電極Ｃを（実施例１）と同様の方法で固体高分子電
解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１７と接合し、電池Ｃ′を作製し
た。
【００１７】そして、前記電極Ａ、Ｂ及びＣの細孔分布
を水銀ポロシメータ（マイクロメトリクス社製、Ａｕｔ
ｏ Ｐｏｒｅ９２２０）を用いて水銀圧入法により測定
した。
を水銀ポロシメータ（マイクロメトリクス社製、Ａｕｔ
ｏ Ｐｏｒｅ９２２０）を用いて水銀圧入法により測定
した。
【００１８】また、本発明の電池Ａ′、Ｂ′及び比較の
電池Ｃ′の正負極に６０℃で加湿した水素及び酸素をそ
れぞれ供給し、セル温度を５０℃として放電試験を行っ
た。
電池Ｃ′の正負極に６０℃で加湿した水素及び酸素をそ
れぞれ供給し、セル温度を５０℃として放電試験を行っ
た。
【００１９】図３に電極Ａにおいて固体高分子電解質量
を０．１〜１．４ｍｇ／ｃｍ2としたときの直径０．０
４〜１．０μｍの細孔容積の変化を示す。直径０．０４
〜１．０μｍの細孔は炭素粒子の凝集体に形成される孔
でガスチャネルとして機能する。なおこの細孔は炭素粉
末の一次粒子径によってその大きさが異なり、一次粒子
径の２倍以上の直径の孔となる。固体高分子電解質量の
増加より固体高分子電解質が細孔中に入り込み細孔容積
は０．０６２ｃｍ3／ｇから０．０３１ｃｍ3／ｇまで減
少した。
を０．１〜１．４ｍｇ／ｃｍ2としたときの直径０．０
４〜１．０μｍの細孔容積の変化を示す。直径０．０４
〜１．０μｍの細孔は炭素粒子の凝集体に形成される孔
でガスチャネルとして機能する。なおこの細孔は炭素粉
末の一次粒子径によってその大きさが異なり、一次粒子
径の２倍以上の直径の孔となる。固体高分子電解質量の
増加より固体高分子電解質が細孔中に入り込み細孔容積
は０．０６２ｃｍ3／ｇから０．０３１ｃｍ3／ｇまで減
少した。
【００２０】図４に電極Ａの細孔容積と電池Ａ′の電流
密度５０、６００および８００ｍＡ／ｃｍ2における電
池電圧の関係を示した。細孔容積が０．０５ｃｍ3／ｇ
より大きい場合、全ての電流密度における電池電圧が低
くなった。また細孔容積が０．０３５ｃｍ3／ｇより小
さいと、濃度分極が支配的となる６００及び８００ｍＡ
／ｃｍ2における電池電圧が低く、高電流密度域での電
圧の安定性が低下した。
密度５０、６００および８００ｍＡ／ｃｍ2における電
池電圧の関係を示した。細孔容積が０．０５ｃｍ3／ｇ
より大きい場合、全ての電流密度における電池電圧が低
くなった。また細孔容積が０．０３５ｃｍ3／ｇより小
さいと、濃度分極が支配的となる６００及び８００ｍＡ
／ｃｍ2における電池電圧が低く、高電流密度域での電
圧の安定性が低下した。
【００２１】図３に示したように細孔容積が０．０５ｃ
ｍ3／ｇより大きい場合では、触媒層中の固体高分子電
解質量が０．５ｍｇ／ｃｍ2未満と少ない。このことか
ら反応面積が小さく、活性化分極の支配域である５０ｍ
Ａ／ｃｍ2における電池電圧が低いと考えられる。
ｍ3／ｇより大きい場合では、触媒層中の固体高分子電
解質量が０．５ｍｇ／ｃｍ2未満と少ない。このことか
ら反応面積が小さく、活性化分極の支配域である５０ｍ
Ａ／ｃｍ2における電池電圧が低いと考えられる。
【００２２】一方、細孔容積が０．０３５ｃｍ3／ｇよ
り小さい場合、触媒層中の固体高分子電解質量が１．２
ｍｇ／ｃｍ2より多い。このことから固体高分子電解質
で埋められる細孔が増加してガス供給能が低下し、高電
流密度域における電池電圧が低下したと考えられる。さ
らに、親水性の固体高分子電解質で占められる細孔が多
いため、生成水が電極触媒層に保持されてフラッディン
グが起こりやすくなり、高電流密度域での電池電圧の安
定性が低下したと考えられる。
り小さい場合、触媒層中の固体高分子電解質量が１．２
ｍｇ／ｃｍ2より多い。このことから固体高分子電解質
で埋められる細孔が増加してガス供給能が低下し、高電
流密度域における電池電圧が低下したと考えられる。さ
らに、親水性の固体高分子電解質で占められる細孔が多
いため、生成水が電極触媒層に保持されてフラッディン
グが起こりやすくなり、高電流密度域での電池電圧の安
定性が低下したと考えられる。
【００２３】このように細孔容積が０．０３５〜０．０
５ｃｍ3／ｇである触媒層を有する電極を用いた電池が
高い分極特性と優れた電圧安定性を示した。
５ｃｍ3／ｇである触媒層を有する電極を用いた電池が
高い分極特性と優れた電圧安定性を示した。
【００２４】ついで、図５に電極Ｂの撥水処理した炭素
粉末の添加率による直径０．０４〜１．０μｍの細孔の
容積の変化と、比較の電極Ｃの細孔の容積を示した。な
おこのときの固体高分子電解質量は１．０ｍｇ／ｃｍ2
とした。本発明の電極Ｂの細孔容積は撥水処理した炭素
粉末の添加率の増加によって増大し、特に撥水処理した
炭素粉末の添加率が３０重量％以上で著しく増大した。
一方、電極Ｃの細孔容積は、撥水処理した炭素粉末が同
量である本発明の電極Ｂの０．０９０ｃｍ3／ｇと比較
して、０．１６４ｃｍ3／ｇと大きかった。
粉末の添加率による直径０．０４〜１．０μｍの細孔の
容積の変化と、比較の電極Ｃの細孔の容積を示した。な
おこのときの固体高分子電解質量は１．０ｍｇ／ｃｍ2
とした。本発明の電極Ｂの細孔容積は撥水処理した炭素
粉末の添加率の増加によって増大し、特に撥水処理した
炭素粉末の添加率が３０重量％以上で著しく増大した。
一方、電極Ｃの細孔容積は、撥水処理した炭素粉末が同
量である本発明の電極Ｂの０．０９０ｃｍ3／ｇと比較
して、０．１６４ｃｍ3／ｇと大きかった。
【００２５】（表１）に撥水処理した炭素粉末の各添加
率における触媒層の厚みを示した。
率における触媒層の厚みを示した。
【００２６】
【表１】
【００２７】撥水処理炭素粉末の増加によって、触媒層
の厚みが大きくなっていることがわかる。
の厚みが大きくなっていることがわかる。
【００２８】図６に本発明の電極Ｂの比較の電極Ｃの細
孔容積と電池Ｂ′およびＣ′の電流密度５０、６００及
び１０００ｍＡ／ｃｍ2における電池電圧との関係を示
した。比較の電池Ｃ′の電圧が７５０ｍＶであるのに対
し、本発明の電池Ｂ′の電圧は７８０〜８３０ｍＶと高
い値であった。また電池Ｂ′では、活性化分極の支配域
である５０ｍＡ／ｃｍ2での電圧は細孔容積の増加によ
ってわずかに低下した。濃度分極の支配域である６００
及び１０００ｍＡ／ｃｍ2では、電池Ｃ′に対して電池
Ｂ′は高い電池電圧を示した。また細孔容積の増加に伴
って電池電圧が上昇し、電池電圧の安定性も向上した。
しかし細孔容積が０．１３０ｃｍ3／ｇより大きくなる
と撥水処理した炭素粉末を添加しないものより低い電池
電圧を示し、かつ電池電圧の安定性が悪くなった。
孔容積と電池Ｂ′およびＣ′の電流密度５０、６００及
び１０００ｍＡ／ｃｍ2における電池電圧との関係を示
した。比較の電池Ｃ′の電圧が７５０ｍＶであるのに対
し、本発明の電池Ｂ′の電圧は７８０〜８３０ｍＶと高
い値であった。また電池Ｂ′では、活性化分極の支配域
である５０ｍＡ／ｃｍ2での電圧は細孔容積の増加によ
ってわずかに低下した。濃度分極の支配域である６００
及び１０００ｍＡ／ｃｍ2では、電池Ｃ′に対して電池
Ｂ′は高い電池電圧を示した。また細孔容積の増加に伴
って電池電圧が上昇し、電池電圧の安定性も向上した。
しかし細孔容積が０．１３０ｃｍ3／ｇより大きくなる
と撥水処理した炭素粉末を添加しないものより低い電池
電圧を示し、かつ電池電圧の安定性が悪くなった。
【００２９】低電流密度域での電圧低下がわずかである
ことから、撥水処理した炭素粉末の添加によってＰＴＦ
Ｅによる白金触媒の被覆、すなわち触媒の反応面積の減
少を抑制することが可能となった。さらに撥水処理した
炭素粉末の添加によって電極の厚みは増加するが、図５
に示したようにガスチャネルである細孔が増加して反応
サイトへのガス供給能が向上し、高電流密度域での電圧
が上昇するといえる。さらにガスチャネルが撥水性のＰ
ＴＦＥで形成されるために、生成水の排出がより円滑に
行われて電池電圧の安定性が向上すると考えられる。し
かしガスチャネルが０．１３０ｃｍ3／ｇより大きくな
る、すなわち撥水処理炭素粉末が過剰となるとＰＴＦＥ
による白金触媒の被覆と電極厚みの増加とにより、ガス
チャネル形成の効果が打ち消されて電池電圧及び電池電
圧の安定性が低下すると考えられる。
ことから、撥水処理した炭素粉末の添加によってＰＴＦ
Ｅによる白金触媒の被覆、すなわち触媒の反応面積の減
少を抑制することが可能となった。さらに撥水処理した
炭素粉末の添加によって電極の厚みは増加するが、図５
に示したようにガスチャネルである細孔が増加して反応
サイトへのガス供給能が向上し、高電流密度域での電圧
が上昇するといえる。さらにガスチャネルが撥水性のＰ
ＴＦＥで形成されるために、生成水の排出がより円滑に
行われて電池電圧の安定性が向上すると考えられる。し
かしガスチャネルが０．１３０ｃｍ3／ｇより大きくな
る、すなわち撥水処理炭素粉末が過剰となるとＰＴＦＥ
による白金触媒の被覆と電極厚みの増加とにより、ガス
チャネル形成の効果が打ち消されて電池電圧及び電池電
圧の安定性が低下すると考えられる。
【００３０】このようにフッ素樹脂を添加して撥水処理
を行った炭素粉末を添加した場合、細孔容積が０．０４
０〜０．１３０ｃｍ3／ｇである電極を用いた電池が高
い特性を示した。
を行った炭素粉末を添加した場合、細孔容積が０．０４
０〜０．１３０ｃｍ3／ｇである電極を用いた電池が高
い特性を示した。
【００３１】なお、図５、図６及び（表１）では固体高
分子電解質量を１．０ｍｇ／ｃｍ2としたが、固体高分
子電解質量が０．６〜１．２ｍｇ／ｃｍ2では同様の細
孔容積範囲で同等の特性が得られた。
分子電解質量を１．０ｍｇ／ｃｍ2としたが、固体高分
子電解質量が０．６〜１．２ｍｇ／ｃｍ2では同様の細
孔容積範囲で同等の特性が得られた。
【００３２】また、有機溶媒としてｎ−酢酸ブチルを用
いたが、固体高分子電解質のコロイド状分散液を生じさ
せる溶媒であれば、これに限定されるものではない。ま
た、上記有機溶媒の添加量はより微細なコロイド状分散
液が生成する量が選択されることが望ましいが、本発明
の実施例はその代表値を記載したものであり、発明の効
果を限定するものではない。
いたが、固体高分子電解質のコロイド状分散液を生じさ
せる溶媒であれば、これに限定されるものではない。ま
た、上記有機溶媒の添加量はより微細なコロイド状分散
液が生成する量が選択されることが望ましいが、本発明
の実施例はその代表値を記載したものであり、発明の効
果を限定するものではない。
【００３３】また、実施例では固体高分子電解質とし
て、テトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエー
テルとの共重合体からなる高分子の代表例として、米国
アルドリッチケミカル社製の５％Ｎａｆｉｏｎ溶液を用
いたが、プロトン交換基を持つ高分子電解質であれば上
記実施例に限定されるものではなく、分子構造のことな
る高分子を同様の効果が得られた。例えばパーフルオロ
ビニルエーテル類及び側鎖分子長の異なる高分子やスチ
レンとビニルベンゼンとの共重合体からなる高分子を用
いても良い。
て、テトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエー
テルとの共重合体からなる高分子の代表例として、米国
アルドリッチケミカル社製の５％Ｎａｆｉｏｎ溶液を用
いたが、プロトン交換基を持つ高分子電解質であれば上
記実施例に限定されるものではなく、分子構造のことな
る高分子を同様の効果が得られた。例えばパーフルオロ
ビニルエーテル類及び側鎖分子長の異なる高分子やスチ
レンとビニルベンゼンとの共重合体からなる高分子を用
いても良い。
【００３４】さらに本実施例では燃料電池の一例として
水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メタノール、天然
ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素を用いた燃料電
池、または酸化剤として空気を用いた燃料電池や、直接
にメタノールを燃料に用いた液体燃料電池に適用するこ
とも可能である。
水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メタノール、天然
ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素を用いた燃料電
池、または酸化剤として空気を用いた燃料電池や、直接
にメタノールを燃料に用いた液体燃料電池に適用するこ
とも可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば電極触媒層
において、ガスチャネルとして炭素粒子間に形成される
細孔が固体高分子電解質で充填されないため、ガス供給
能が高くより高い分極特性を発揮する固体高分子型燃料
電池用電極を実現することができる。さらにフッ素樹脂
によって撥水処理された炭素粉末を添加することによ
り、触媒粒子をフッ素樹脂で過多に被覆することなくガ
スチャネルの増加かつ撥水性の向上を行い、ガス供給能
及び生成水排出能が高くより高い分極特性を発揮し、電
圧安定性の優れた固体高分子型燃料電池用電極を実現す
ることができる。
において、ガスチャネルとして炭素粒子間に形成される
細孔が固体高分子電解質で充填されないため、ガス供給
能が高くより高い分極特性を発揮する固体高分子型燃料
電池用電極を実現することができる。さらにフッ素樹脂
によって撥水処理された炭素粉末を添加することによ
り、触媒粒子をフッ素樹脂で過多に被覆することなくガ
スチャネルの増加かつ撥水性の向上を行い、ガス供給能
及び生成水排出能が高くより高い分極特性を発揮し、電
圧安定性の優れた固体高分子型燃料電池用電極を実現す
ることができる。
【図１】本発明の電極の断面を示す概略図
【図２】本発明の他の電極の断面を示す概略図
【図３】細孔容積と固体高分子電解質添加量との関係を
示す図
示す図
【図４】燃料電池の電圧と細孔容積との関係を示す図
【図５】細孔容積と撥水処理炭素粉末との関係を示す図
【図６】燃料電池の電圧−細孔容積との関係を示す図
１１ 固体高分子電解質膜 ５１ 触媒層 ５２ 触媒粒子 ５３ 触媒担持炭素粉末 ５５ 細孔 ５６ 固体高分子電解質 ５７ ガス拡散層 ５８ 固体高分子電解質膜 ５９ フッ素樹脂 ６０ 撥水処理炭素粉末
Claims (8)
- 【請求項１】少なくとも固体高分子電解質と貴金属触媒
を担持した炭素粉末からなる触媒層をガス拡散層の片面
に形成した電極であって、前記炭素粉末は一次粒子径が
２００〜３５０Åで比表面積が７００〜１０００ｍ2／
ｇであり、前記触媒層は細孔を有していてその細孔の直
径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔の容積が０．０
３５〜０．０５ｃｍ3／ｇである固体高分子型燃料電池
用電極。 - 【請求項２】固体高分子電解質膜とこの膜の両面に配し
た電極とからなる固体高分子型燃料電池であって、上記
２つの電極のうち少なくとも一方の電極は、少なくとも
固体高分子電解質と貴金属触媒を担持した炭素粉末から
なる触媒層をガス拡散層の片面に形成したものであっ
て、前記炭素粉末は一次粒子径が２００〜３５０Åで比
表面積が７００〜１０００ｍ2／ｇであり、前記触媒層
は細孔を有していてその細孔の直径が０．０４〜１．０
μｍで、かつ細孔の容積が０．０３５〜０．０５ｃｍ3
／ｇである固体高分子型燃料電池。 - 【請求項３】少なくとも固体高分子電解質のアルコール
溶液と有機溶媒とを混合して生成したコロイド状分散液
と貴金属触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層をガス
拡散層の片面に形成した電極であって、前記炭素粉末は
一次粒子径が２００〜３５０Åで比表面積が７００〜１
０００ｍ2／ｇであり、前記触媒層は細孔を有していて
その細孔の直径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔の
容積が０．０３５〜０．０５ｍ3／ｇである固体高分子
型燃料電池用電極。 - 【請求項４】固体高分子電解質膜とこの膜の両面に配し
た電極とからなる固体高分子型燃料電池であって、上記
２つの電極のうち少なくとも一方の電極は、少なくとも
固体高分子電解質のアルコール溶液と有機溶媒とを混合
して生成したコロイド状分散液と貴金属触媒を担持した
炭素粉末からなる触媒層をガス拡散層の片面に形成した
ものであって、前記炭素粉末は一次粒子径が２００〜３
５０Åで比表面積が７００〜１０００ｍ2／ｇであり、
前記触媒層は細孔を有していてその細孔の直径が０．０
４〜１．０μｍで、かつ細孔の容積が０．０３５〜０．
０５ｍ3／ｇである固体高分子型燃料電池。 - 【請求項５】少なくとも固体高分子電解質と貴金属触媒
を担持した炭素粉末とフッ素樹脂を２５〜７０重量％有
する炭素粉末とからなる触媒層をガス拡散層の片面に形
成した電極であって、前記貴金属触媒を担持した炭素粉
末は一次粒子径が２５０〜３５０Åで比表面積が７００
〜１０００ｍ2／ｇであり、前記触媒層は細孔を有して
いてその細孔の直径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細
孔の容積が０．０３５〜０．１３ｃｍ3／ｇである固体
高分子型燃料電池用電極。 - 【請求項６】固体高分子電解質膜とこの膜の両面に配し
た電極とからなる固体高分子型燃料電池であって、上記
２つの電極のうち少なくとも一方の電極は、少なくとも
固体高分子電解質と貴金属触媒を担持した炭素粉末とフ
ッ素樹脂を２５〜７０重量％有する炭素粉末とからなる
触媒層をガス拡散層の片面に形成した電極であって、前
記貴金属触媒を担持した炭素粉末は一次粒子径が２５０
〜３５０Åで比表面積が７００〜１０００ｍ2／ｇであ
り、前記触媒層は細孔を有していてその細孔の直径が
０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔の容積が０．０３５
〜０．１３ｃｍ3／ｇである固体高分子型燃料電池。 - 【請求項７】少なくとも固体高分子電解質のアルコール
溶液と有機溶媒とを混合して生成したコロイド状分散液
と貴金属触媒を担持した炭素粉末とフッ素樹脂を２５〜
７０重量％有する炭素粉末とからなる触媒層をガス拡散
層の片面に形成した電極であって、前記貴金属触媒を担
持した炭素粉末は一次粒子径が２５０〜３５０Åで比表
面積が７００〜１０００ｍ2／ｇであり、前記触媒層は
細孔を有していてその細孔の直径が０．０４〜１．０μ
ｍで、かつ細孔の容積が０．０３５〜０．１３ｃｍ3／
ｇである固体高分子型燃料電池用電極。 - 【請求項８】固体高分子電解質膜とこの膜の両面に配し
た電極とからなる固体高分子型燃料電池であって、上記
２つの電極のうち少なくとも一方の電極は、少なくとも
固体高分子電解質のアルコール溶液と有機溶媒とを混合
して生成したコロイド状分散液と貴金属触媒を担持した
炭素粉末とフッ素樹脂を２５〜７０重量％有する炭素粉
末とからなる触媒層をガス拡散層の片面に形成したもの
であって、前記貴金属触媒を担持した炭素粉末は一次粒
子径が２５０〜３５０Åで比表面積が７００〜１０００
ｍ2／ｇであり、前記触媒層は細孔を有していてその細
孔の直径が０．０４〜１．０μｍで、かつ細孔の容積が
０．０３５〜０．１３ｃｍ 3／ｇである固体高分子型燃
料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6221310A JPH0888007A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 固体高分子型燃料電池およびその電極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6221310A JPH0888007A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 固体高分子型燃料電池およびその電極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0888007A true JPH0888007A (ja) | 1996-04-02 |
Family
ID=16764800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6221310A Pending JPH0888007A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 固体高分子型燃料電池およびその電極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0888007A (ja) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1994
- 1994-09-16 JP JP6221310A patent/JPH0888007A/ja active Pending
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