JPH0896814A - りん酸型燃料電池の電極触媒 - Google Patents
りん酸型燃料電池の電極触媒Info
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- JPH0896814A JPH0896814A JP6228555A JP22855594A JPH0896814A JP H0896814 A JPH0896814 A JP H0896814A JP 6228555 A JP6228555 A JP 6228555A JP 22855594 A JP22855594 A JP 22855594A JP H0896814 A JPH0896814 A JP H0896814A
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- carbon carrier
- electrode
- electrode catalyst
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- 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)
Abstract
(57)【要約】
【目的】カーボン担体を撥水処理し電極触媒がりん酸で
過剰に濡れるのを防ぐ。 【構成】電極触媒に用いるカーボン担体を、白金などの
貴金属を担持させる前に、低重合のＰＴＦＥで撥水処理
して、カーボン担体表面の一部に低重合のＰＴＦＥを付
着させておくことにより、カーボン担体が撥水性を持つ
ようになるので、電池の運転中に電極触媒がりん酸によ
って過剰に濡れるのを防ぐことができ、燃料電池の特性
を長時間にわたって安定に保つ。
過剰に濡れるのを防ぐ。 【構成】電極触媒に用いるカーボン担体を、白金などの
貴金属を担持させる前に、低重合のＰＴＦＥで撥水処理
して、カーボン担体表面の一部に低重合のＰＴＦＥを付
着させておくことにより、カーボン担体が撥水性を持つ
ようになるので、電池の運転中に電極触媒がりん酸によ
って過剰に濡れるのを防ぐことができ、燃料電池の特性
を長時間にわたって安定に保つ。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、りん酸型燃料電池の電
極触媒に関する。
極触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】りん酸型燃料電池は、電解質であるりん
酸を保持したマトリックスの上下両側に、一対のアノー
ド電極とカソード電極が設置されており、これら両電極
は、一般にカーボンを担体とし、これに白金などの貴金
属を担持した触媒と、ポリテトラフロロエチレン（以
下、ＰＴＦＥとする）などの撥水性を有するバインダー
を混合して、多孔性としたものが用いられている。
酸を保持したマトリックスの上下両側に、一対のアノー
ド電極とカソード電極が設置されており、これら両電極
は、一般にカーボンを担体とし、これに白金などの貴金
属を担持した触媒と、ポリテトラフロロエチレン（以
下、ＰＴＦＥとする）などの撥水性を有するバインダー
を混合して、多孔性としたものが用いられている。
【０００３】りん酸型燃料電池に用いられる電極触媒
は、通常、粒子径が数百オングストロームの一次粒子の
カーボンが複数個集まって、粒子径が数μｍの二次粒子
を形成し、これを担体としてその表面上に、数十オング
ストロームの大きさの貴金属を担持して構成される。こ
の電極触媒上では下記の反応が起きる。
は、通常、粒子径が数百オングストロームの一次粒子の
カーボンが複数個集まって、粒子径が数μｍの二次粒子
を形成し、これを担体としてその表面上に、数十オング
ストロームの大きさの貴金属を担持して構成される。こ
の電極触媒上では下記の反応が起きる。
【０００４】 アノード電極 ： Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- （１） カソード電極 ： 1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ （２） 即ち、アノード電極では、触媒上で水素がプロトンと電
子とに解離する。電子は外部回路を通ってカソード電極
に向かって移動する。一方、プロトンは電解質であるり
ん酸中をカソード電極に向かって移動する。
子とに解離する。電子は外部回路を通ってカソード電極
に向かって移動する。一方、プロトンは電解質であるり
ん酸中をカソード電極に向かって移動する。
【０００５】カソード電極では、供給された酸素とアノ
ード電極から移動してきたプロトンおよび電子が反応し
て水蒸気を生成する。上記の（１）および（２）から明
らかなように、アノード電極では、りん酸中へのプロト
ンの放出が必要であり、カソード電極では、りん酸中か
らのプロトンの補給が必要となるから、反応は電解質で
あるりん酸と反応ガスと触媒とが同時に存在する場所、
即ち、りん酸に覆われた触媒表面上に反応ガスが液中拡
散することにより起こる。この反応をスムーズに連続し
て行なわせるために、一般にりん酸型燃料電池では、多
孔性電極が採用されている。
ード電極から移動してきたプロトンおよび電子が反応し
て水蒸気を生成する。上記の（１）および（２）から明
らかなように、アノード電極では、りん酸中へのプロト
ンの放出が必要であり、カソード電極では、りん酸中か
らのプロトンの補給が必要となるから、反応は電解質で
あるりん酸と反応ガスと触媒とが同時に存在する場所、
即ち、りん酸に覆われた触媒表面上に反応ガスが液中拡
散することにより起こる。この反応をスムーズに連続し
て行なわせるために、一般にりん酸型燃料電池では、多
孔性電極が採用されている。
【０００６】従来の電極は、電池の運転温度や雰囲気に
対して安定であり、りん酸をはじく性質の材料、即ち撥
水性を有するＰＴＦＥなどを用いて、貴金属の担持され
た触媒粉末を結合してあり、触媒表面は適度にりん酸で
覆われているが、ガスの通路がりん酸で塞がれてしまわ
ないような工夫がなされている。図４は従来の電極の構
成を示す模式図であり、白金粒子２を担持したカーボン
担体１がＰＴＦＥ３で結合された状態を表わている。こ
のような電極は、カーボン担体１と白金粒子２からなる
触媒粉末と、ＰＴＦＥの分散液を、適当な分散媒を用い
て混合し、これをシート状に成形した後、乾燥，焼成の
工程を経て作製される。
対して安定であり、りん酸をはじく性質の材料、即ち撥
水性を有するＰＴＦＥなどを用いて、貴金属の担持され
た触媒粉末を結合してあり、触媒表面は適度にりん酸で
覆われているが、ガスの通路がりん酸で塞がれてしまわ
ないような工夫がなされている。図４は従来の電極の構
成を示す模式図であり、白金粒子２を担持したカーボン
担体１がＰＴＦＥ３で結合された状態を表わている。こ
のような電極は、カーボン担体１と白金粒子２からなる
触媒粉末と、ＰＴＦＥの分散液を、適当な分散媒を用い
て混合し、これをシート状に成形した後、乾燥，焼成の
工程を経て作製される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示す電極には、次のようなが問題がある。前述のよう
に、カーボン担体１として用いるカーボン粉末は、通常
数μｍの大きさであり、この表面にはあらかじめ撥水処
理は施されていない。一方、撥水性を有するバインダー
として、ＰＴＦＥを用いた場合、その粒径は約０．６μ
ｍであるから、作製後の電極は、図４に示したように、
触媒粒子の二次凝集体４の間にバインダーのＰＴＦＥ３
が存在することになる。
示す電極には、次のようなが問題がある。前述のよう
に、カーボン担体１として用いるカーボン粉末は、通常
数μｍの大きさであり、この表面にはあらかじめ撥水処
理は施されていない。一方、撥水性を有するバインダー
として、ＰＴＦＥを用いた場合、その粒径は約０．６μ
ｍであるから、作製後の電極は、図４に示したように、
触媒粒子の二次凝集体４の間にバインダーのＰＴＦＥ３
が存在することになる。
【０００８】このような構造の電極は、バインダーであ
るＰＴＦＥ３の近辺では、ガス通路が形成されている
が、カーボン担体１はりん酸で濡れている。したがっ
て、この電極を用いた燃料電池は、初期状態では高性能
を期待することはできるが、電池の運転の経過に伴い、
やがてカーボン担体１は、初期状態に比べて厚いりん酸
の層で覆われるようになり、その結果、ガス通路が狭く
なるとともに、りん酸と反応ガスが接触する面積が小さ
くなり、反応ガスのりん酸への溶解面積が減少する。ま
た、触媒表面上のりん酸の厚さが厚くなることにより、
りん酸に溶解した反応ガスの拡散距離（白金粒子２まで
の距離）が長くなり、電池性能が低下するという問題を
生ずる。
るＰＴＦＥ３の近辺では、ガス通路が形成されている
が、カーボン担体１はりん酸で濡れている。したがっ
て、この電極を用いた燃料電池は、初期状態では高性能
を期待することはできるが、電池の運転の経過に伴い、
やがてカーボン担体１は、初期状態に比べて厚いりん酸
の層で覆われるようになり、その結果、ガス通路が狭く
なるとともに、りん酸と反応ガスが接触する面積が小さ
くなり、反応ガスのりん酸への溶解面積が減少する。ま
た、触媒表面上のりん酸の厚さが厚くなることにより、
りん酸に溶解した反応ガスの拡散距離（白金粒子２まで
の距離）が長くなり、電池性能が低下するという問題を
生ずる。
【０００９】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、電池の長期間の運転に対して、安定
な特性を持続することができるりん酸型燃料電池の電極
触媒を提供することにある。
あり、その目的は、電池の長期間の運転に対して、安定
な特性を持続することができるりん酸型燃料電池の電極
触媒を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の電極触媒は、白金などの貴金属を担持さ
せる前に、低重合のＰＴＦＥで撥水処理したカーボン担
体を用いる。
めに、本発明の電極触媒は、白金などの貴金属を担持さ
せる前に、低重合のＰＴＦＥで撥水処理したカーボン担
体を用いる。
【００１１】
【作用】本発明の電極触媒に用いられるカーボン担体
は、上記の撥水処理を行なうことにより、撥水性を持つ
ようになり、電池の運転中に電極触媒がりん酸によって
過剰に濡れるのを防ぐ。
は、上記の撥水処理を行なうことにより、撥水性を持つ
ようになり、電池の運転中に電極触媒がりん酸によって
過剰に濡れるのを防ぐ。
【００１２】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。図
１は本発明の電極触媒が用いられる電極の構成を示す模
式図であり、図４と共通部分を同一符号で表わてある。
図１が図４と異なるところは、本発明の電極は、カーボ
ン担体１に白金粒子２を担持させる前に、低重合のＰＴ
ＦＥ３ａを付与したことにある。即ち、本発明の電極触
媒は、表面を部分的に低重合のＰＴＦＥ３ａで被覆した
カーボン担体１に、白金粒子２を担持したものである。
このようにすると、カーボン担体１が撥水性を持つよう
になり、電池の運転中に電極触媒がりん酸で過剰に濡れ
るのを防ぐことができる。
１は本発明の電極触媒が用いられる電極の構成を示す模
式図であり、図４と共通部分を同一符号で表わてある。
図１が図４と異なるところは、本発明の電極は、カーボ
ン担体１に白金粒子２を担持させる前に、低重合のＰＴ
ＦＥ３ａを付与したことにある。即ち、本発明の電極触
媒は、表面を部分的に低重合のＰＴＦＥ３ａで被覆した
カーボン担体１に、白金粒子２を担持したものである。
このようにすると、カーボン担体１が撥水性を持つよう
になり、電池の運転中に電極触媒がりん酸で過剰に濡れ
るのを防ぐことができる。
【００１３】図２は、カーボン担体１に低重合のＰＴＦ
Ｅ３ａを付与する撥水処理装置の要部構成を示す模式図
である。図２において、加熱部５に市販の粉末状ＰＴＦ
Ｅ６を入れ、これを図示してない加熱手段、例えばヒー
タなどを用いて加熱分解し、重合度の低いＰＴＦＥを生
成させる。同時に加熱部５にガス供給管７から窒素ガス
８を導入し、生成された低重合のＰＴＦＥを、窒素ガス
の流れに乗せて配管９内を通って冷却部１０まで送り込
む。このとき、低重合のＰＴＦＥが配管９内がトラップ
されるのを防ぐために、配管９の外周をヒータ１１で加
熱しておく。冷却装置１２により低重合のＰＴＦＥが冷
却される冷却部１０にカーボン担体１を入れておき、こ
こではカーボン担体１が加熱部５から輸送された低重合
のＰＴＦＥと十分混合されるように、冷却部１０の底部
から供給管７ａ，７ｂを通して供給される窒素ガス８に
より流動床が形成される。１３は余剰の窒素ガス８を排
気するガス排出口である。
Ｅ３ａを付与する撥水処理装置の要部構成を示す模式図
である。図２において、加熱部５に市販の粉末状ＰＴＦ
Ｅ６を入れ、これを図示してない加熱手段、例えばヒー
タなどを用いて加熱分解し、重合度の低いＰＴＦＥを生
成させる。同時に加熱部５にガス供給管７から窒素ガス
８を導入し、生成された低重合のＰＴＦＥを、窒素ガス
の流れに乗せて配管９内を通って冷却部１０まで送り込
む。このとき、低重合のＰＴＦＥが配管９内がトラップ
されるのを防ぐために、配管９の外周をヒータ１１で加
熱しておく。冷却装置１２により低重合のＰＴＦＥが冷
却される冷却部１０にカーボン担体１を入れておき、こ
こではカーボン担体１が加熱部５から輸送された低重合
のＰＴＦＥと十分混合されるように、冷却部１０の底部
から供給管７ａ，７ｂを通して供給される窒素ガス８に
より流動床が形成される。１３は余剰の窒素ガス８を排
気するガス排出口である。
【００１４】以上の過程において、カーボン担体１は例
えばキャボット社製の商品名ＸＣ−７２を用いることが
できる。これはＢＥＴ法による比表面積は２５４ｍ2 ／
ｇである。図２の装置で３０分撥水処理した後、カーボ
ン担体１を取り出し、ＢＥＴ法によりその比表面積を測
定したところ、１２０ｍ2 ／ｇまで減少していた。次
に、この撥水処理を施したカーボン担体１と、比較のた
めに撥水処理を行わないカーボン担体１とについて、そ
れぞれ２０ｗｔ％の白金を液相法により担持させ、得ら
れた触媒を用いて電極を調製した。電極中の白金量は、
いずれも約１．０ｍｇ／ｃｍ2 であり、ＰＴＦＥの総量
は共に約４５％である。
えばキャボット社製の商品名ＸＣ−７２を用いることが
できる。これはＢＥＴ法による比表面積は２５４ｍ2 ／
ｇである。図２の装置で３０分撥水処理した後、カーボ
ン担体１を取り出し、ＢＥＴ法によりその比表面積を測
定したところ、１２０ｍ2 ／ｇまで減少していた。次
に、この撥水処理を施したカーボン担体１と、比較のた
めに撥水処理を行わないカーボン担体１とについて、そ
れぞれ２０ｗｔ％の白金を液相法により担持させ、得ら
れた触媒を用いて電極を調製した。電極中の白金量は、
いずれも約１．０ｍｇ／ｃｍ2 であり、ＰＴＦＥの総量
は共に約４５％である。
【００１５】これらの電極をカソード電極として用いた
りん酸型燃料電池の寿命特性を図３の線図に示す。図３
は運転時間とセル電圧との関係線図であり、実線（イ）
は本発明による電極触媒を用いた場合、点線（ロ）はカ
ーボン担体１に撥水処理を施していない従来相当の電極
触媒を用いた場合を表わしている。ここで、カソード電
極以外の部材については両者とも同一仕様のものを用い
た。
りん酸型燃料電池の寿命特性を図３の線図に示す。図３
は運転時間とセル電圧との関係線図であり、実線（イ）
は本発明による電極触媒を用いた場合、点線（ロ）はカ
ーボン担体１に撥水処理を施していない従来相当の電極
触媒を用いた場合を表わしている。ここで、カソード電
極以外の部材については両者とも同一仕様のものを用い
た。
【００１６】図３中に付記した矢印は、加湿ガスを供給
によるりん酸の体積変化試験を行なった時点を示す。図
３の結果から明らかなように、本発明による電極を適用
したセルは、従来の電極を用いた場合に比べて、加湿試
験のような非定常の運転を行なっても、長時間安定な運
転を継続するのが可能であることがわかる。
によるりん酸の体積変化試験を行なった時点を示す。図
３の結果から明らかなように、本発明による電極を適用
したセルは、従来の電極を用いた場合に比べて、加湿試
験のような非定常の運転を行なっても、長時間安定な運
転を継続するのが可能であることがわかる。
【００１７】
【発明の効果】以上実施例で述べた如く、本発明の電極
触媒は、白金などの貴金属を担持させる前に、低重合の
ＰＴＦＥで撥水処理したカーボン担体を用いたために、
このカーボン担体は撥水性を持っているので、電池の運
転中に電極触媒がりん酸によって過剰に濡れるのを防ぐ
ことができ、電池は長時間安定性を持続し、長寿命化が
可能となる。
触媒は、白金などの貴金属を担持させる前に、低重合の
ＰＴＦＥで撥水処理したカーボン担体を用いたために、
このカーボン担体は撥水性を持っているので、電池の運
転中に電極触媒がりん酸によって過剰に濡れるのを防ぐ
ことができ、電池は長時間安定性を持続し、長寿命化が
可能となる。
【図１】本発明の電極触媒が用いられる燃料電池の電極
構成を示す模式図
構成を示す模式図
【図２】本発明におけるカーボン担体の撥水処理装置の
要部構成を示す模式図
要部構成を示す模式図
【図３】本発明の電極触媒を従来との比較で示した燃料
電池の寿命特性線図
電池の寿命特性線図
【図４】従来の燃料電池の電極構成を示す模式図
１ カーボン担体 ２ 白金粒子 ３ ＰＴＦＥ ３ａ 低重合のＰＴＦＥ４ 二次凝集体 ５ 加熱部 ６ ＰＴＦＥ ７ ガス供給管 ７ａ ガス供給管 ７ｂ ガス供給管 ８ 窒素ガス ９ 配管 １０ 冷却部 １１ ヒータ １２ 冷却装置 １３ 排出口
Claims (2)
- 【請求項１】カーボン担体に貴金属を担持した電極触媒
をポリテトラフロロエチレンで結合したアノードおよび
カソード両電極を、りん酸を保持したマトリックスの上
下両側に形成するりん酸型燃料電池の前記電極触媒であ
って、あらかじめ撥水処理を施し表面を部分的に低重合
度のポリテトラフロロエチレンで被覆したカーボン担体
を用いることを特徴とするりん酸型燃料電池の電極触
媒。 - 【請求項２】請求項１記載の電極触媒において、カーボ
ン担体に低重合度のポリテトラフロロエチレンを付与し
た後、貴金属を担持させることを特徴とするりん酸型燃
料電池の電極触媒。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6228555A JPH0896814A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | りん酸型燃料電池の電極触媒 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6228555A JPH0896814A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | りん酸型燃料電池の電極触媒 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0896814A true JPH0896814A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=16878214
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6228555A Pending JPH0896814A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | りん酸型燃料電池の電極触媒 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0896814A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002198057A (ja) * | 2000-05-23 | 2002-07-12 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 燃料電池とそれに用いる改良型酸素電極 |
| JP2006164574A (ja) * | 2004-12-02 | 2006-06-22 | Dainippon Printing Co Ltd | 固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層 |
-
1994
- 1994-09-26 JP JP6228555A patent/JPH0896814A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002198057A (ja) * | 2000-05-23 | 2002-07-12 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 燃料電池とそれに用いる改良型酸素電極 |
| JP2006164574A (ja) * | 2004-12-02 | 2006-06-22 | Dainippon Printing Co Ltd | 固体高分子形燃料電池用撥水性電極触媒層 |
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