JPH09326256A - ガス拡散電極 - Google Patents
ガス拡散電極Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池などに使用されるガス拡散電極にお
いて、高い寸法安定性と可撓性を備え、低いコストで製
造可能なガス拡散電極を提供する。 【解決手段】 繊維の不織網状構造体、１種以上の触媒
成分、及び少なくとも１種のポリマー物質を含んでな
り、触媒が繊維網状構造体の中に埋設されたことを特徴
とするガス拡散電極である。好ましくは、繊維の不織網
状構造体が０．３ｇ／ｃｍ3 未満の密度を有し、繊維
が、炭素、ガラス、ポリマー、金属、又はセラミックで
あって０．２μｍ〜５０μｍの直径と０．０５ｍｍ〜３
００ｍｍの長さを有し、触媒成分が、微細に分割された
担持されていない粉末の形態の１種以上の金属又は金属
酸化物、又は炭素担体の上に分散された形態の金属、又
は１種以上の貴金属若しくは遷移金属、又はカーボンブ
ラックである。
いて、高い寸法安定性と可撓性を備え、低いコストで製
造可能なガス拡散電極を提供する。 【解決手段】 繊維の不織網状構造体、１種以上の触媒
成分、及び少なくとも１種のポリマー物質を含んでな
り、触媒が繊維網状構造体の中に埋設されたことを特徴
とするガス拡散電極である。好ましくは、繊維の不織網
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が、炭素、ガラス、ポリマー、金属、又はセラミックで
あって０．２μｍ〜５０μｍの直径と０．０５ｍｍ〜３
００ｍｍの長さを有し、触媒成分が、微細に分割された
担持されていない粉末の形態の１種以上の金属又は金属
酸化物、又は炭素担体の上に分散された形態の金属、又
は１種以上の貴金属若しくは遷移金属、又はカーボンブ
ラックである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学的装置、
特には燃料電池に有用な新規なガス拡散電極構造体、及
びその新規なガス拡散電極構造体の製造方法に関する。
特には燃料電池に有用な新規なガス拡散電極構造体、及
びその新規なガス拡散電極構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】電気化
学的電池は、その基本レベルにおいて、固体又は液体の
電解質、及び所望の電気化学反応が生じる２つの電極の
アノードとカソードを必ず備える。ある範囲の電気化学
的装置にガス拡散電極が使用され、気相反応体及び／又
は生成物が、１つの電池の電極構造体の中及び／又は外
に拡散される必要がある。それらは、反応速度を最大限
にするため、反応体と電解質の間の接触を最適化するよ
うに設計される。所望の電極反応の速度を高めるよう
に、ガス拡散電極構造体の中に触媒が取り入れられるこ
とが多い。
学的電池は、その基本レベルにおいて、固体又は液体の
電解質、及び所望の電気化学反応が生じる２つの電極の
アノードとカソードを必ず備える。ある範囲の電気化学
的装置にガス拡散電極が使用され、気相反応体及び／又
は生成物が、１つの電池の電極構造体の中及び／又は外
に拡散される必要がある。それらは、反応速度を最大限
にするため、反応体と電解質の間の接触を最適化するよ
うに設計される。所望の電極反応の速度を高めるよう
に、ガス拡散電極構造体の中に触媒が取り入れられるこ
とが多い。
【０００３】ガス拡散電極は、金属−空気電池、電気化
学的ガスセンサー、有用な化学物質の電気合成などの多
数のいろいろな電気化学的装置、特には燃料電池に使用
される。燃料電池は、燃料の内部化学エネルギーを電気
エネルギーに効率的に転化させるエネルギー転化装置で
あり、ガスとして貯蔵された水素又は液体若しくはガス
として貯蔵されたメタノールと酸素とを反応させ、電力
を発生させる。水素又はメタノールがアノードで酸化さ
れ、酸素がカソードで還元される。双方の電極はガス拡
散タイプである。電解質は双方の電極と接触する必要が
あり、本質的に酸性又はアルカリ性でよく、液体又は固
体でよい。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）にお
いて、電解質は固体プロトン伝導性ポリマー膜であり、
一般にペルフルオロスルホン酸を基剤とし、その膜と２
種のガス拡散電極からなる一体の構造体が、膜電極アセ
ンブリー（ＭＥＡ）として知られる。アノードのガス拡
散電極は、多孔質に設計され、反応体の燃料供給に曝さ
れた電極面から反応体の水素又はメタノールが電極の中
に入り、電極の厚さを通って反応部位（一般に、水素又
はメタノールの電気化学的酸化を最大限にするため、白
金金属を基剤とする触媒を含む）まで拡散することを可
能にする。また、アノードは、電解質に曝された電極面
を通って電解質が浸透し、同じ反応部位に接触すること
を可能にするように設計される。酸性電解質のタイプを
用いると、アノード反応の生成物はプロトンであり、こ
れらは、アノード反応部位から電解質を通ってカソード
のガス拡散電極まで効率的に輸送されることができる。
カソードもまた多孔質に設計され、酸素又は空気が電極
に入り、反応部位まで拡散することを可能にする。ここ
でも、カソード反応部位でのプロトンと酸素が水を生成
する反応の速度を最大限にするため、触媒が一般に取り
入れられる。次いで生成物の水は、電極構造体の外に拡
散する必要がある。カソードの構造体(structure) は、
生成物の水の効率的な除去を可能にするように設計され
る必要がある。水が電解質中に蓄積すると、反応体の酸
素が反応部位まで拡散することがより困難になり、この
ため、燃料電池の性能が低下する。
学的ガスセンサー、有用な化学物質の電気合成などの多
数のいろいろな電気化学的装置、特には燃料電池に使用
される。燃料電池は、燃料の内部化学エネルギーを電気
エネルギーに効率的に転化させるエネルギー転化装置で
あり、ガスとして貯蔵された水素又は液体若しくはガス
として貯蔵されたメタノールと酸素とを反応させ、電力
を発生させる。水素又はメタノールがアノードで酸化さ
れ、酸素がカソードで還元される。双方の電極はガス拡
散タイプである。電解質は双方の電極と接触する必要が
あり、本質的に酸性又はアルカリ性でよく、液体又は固
体でよい。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）にお
いて、電解質は固体プロトン伝導性ポリマー膜であり、
一般にペルフルオロスルホン酸を基剤とし、その膜と２
種のガス拡散電極からなる一体の構造体が、膜電極アセ
ンブリー（ＭＥＡ）として知られる。アノードのガス拡
散電極は、多孔質に設計され、反応体の燃料供給に曝さ
れた電極面から反応体の水素又はメタノールが電極の中
に入り、電極の厚さを通って反応部位（一般に、水素又
はメタノールの電気化学的酸化を最大限にするため、白
金金属を基剤とする触媒を含む）まで拡散することを可
能にする。また、アノードは、電解質に曝された電極面
を通って電解質が浸透し、同じ反応部位に接触すること
を可能にするように設計される。酸性電解質のタイプを
用いると、アノード反応の生成物はプロトンであり、こ
れらは、アノード反応部位から電解質を通ってカソード
のガス拡散電極まで効率的に輸送されることができる。
カソードもまた多孔質に設計され、酸素又は空気が電極
に入り、反応部位まで拡散することを可能にする。ここ
でも、カソード反応部位でのプロトンと酸素が水を生成
する反応の速度を最大限にするため、触媒が一般に取り
入れられる。次いで生成物の水は、電極構造体の外に拡
散する必要がある。カソードの構造体(structure) は、
生成物の水の効率的な除去を可能にするように設計され
る必要がある。水が電解質中に蓄積すると、反応体の酸
素が反応部位まで拡散することがより困難になり、この
ため、燃料電池の性能が低下する。
【０００４】通常、プロトン交換膜燃料電池のガス拡散
電極その他のデバイスは多くの構成部分からなり、一般
に、これらの構成部分の１種、２種又はそれ以上の層か
ら形成される。一般に、ガス拡散電極は、１種以上の触
媒含有層を含むことができ、それらは、より硬質の多孔
質基材層によって支持される。触媒含有層は、所望の電
極反応を促進し、高い表面積の触媒金属から形成される
ことができる触媒を含み、この触媒金属は、貴金属の１
種特には白金であることが多く、金属ブラックとして未
担持であるか（例、米国特許第４９２７５１４号明細
書、欧州特許出願第０３５７０７７号公開明細書）、又
は非常に高い表面積の形態であり、高い表面積の導電性
多孔質カーボンブラック又はグラファイトの上に分散・
担持される（例、米国特許第４４４７５０５号明細
書）。また、触媒成分は、遷移金属の１種のような非貴
金属であることもできる。アルカリ性電解質を採用する
燃料電池において、カソードのガス拡散電極は、コバル
トの大環状化合物を基剤とする触媒を含むことができる
（例、米国特許第４１７９３５９号明細書、欧州特許出
願第０５１２７１３号公開明細書）。また、触媒層は、
付加的な金属触媒を含まない高い表面積のカーボンブラ
ック自身を含むこともでき、例えば、欧州特許出願第０
０２６９９５号公開明細書において、クロロアルカリ電
池における空気減極カソードの触媒層はカーボンブラッ
ク材料を含んでなる。
電極その他のデバイスは多くの構成部分からなり、一般
に、これらの構成部分の１種、２種又はそれ以上の層か
ら形成される。一般に、ガス拡散電極は、１種以上の触
媒含有層を含むことができ、それらは、より硬質の多孔
質基材層によって支持される。触媒含有層は、所望の電
極反応を促進し、高い表面積の触媒金属から形成される
ことができる触媒を含み、この触媒金属は、貴金属の１
種特には白金であることが多く、金属ブラックとして未
担持であるか（例、米国特許第４９２７５１４号明細
書、欧州特許出願第０３５７０７７号公開明細書）、又
は非常に高い表面積の形態であり、高い表面積の導電性
多孔質カーボンブラック又はグラファイトの上に分散・
担持される（例、米国特許第４４４７５０５号明細
書）。また、触媒成分は、遷移金属の１種のような非貴
金属であることもできる。アルカリ性電解質を採用する
燃料電池において、カソードのガス拡散電極は、コバル
トの大環状化合物を基剤とする触媒を含むことができる
（例、米国特許第４１７９３５９号明細書、欧州特許出
願第０５１２７１３号公開明細書）。また、触媒層は、
付加的な金属触媒を含まない高い表面積のカーボンブラ
ック自身を含むこともでき、例えば、欧州特許出願第０
０２６９９５号公開明細書において、クロロアルカリ電
池における空気減極カソードの触媒層はカーボンブラッ
ク材料を含んでなる。
【０００５】また、触媒層は、触媒材料に加えて別な非
触媒成分を含み、これらは一般に、電極層を一緒に支持
するためのバインダーとして機能するポリマー材料であ
り、これらは、得られる構造体の疎水性／親水性を制御
する付加的な作用を行うこともできる。特にプロトン交
換膜燃料電池において、触媒層は、プロトン伝導性ポリ
マーのようなこの他のポリマー材料を含むこともでき、
これはプロトン伝導性電極そのものの形態でもよく、こ
れらは、触媒成分と混合されるか、プロトン伝導性ポリ
マーの溶液を用いて触媒含有層にコーティングされるこ
とが多い。
触媒成分を含み、これらは一般に、電極層を一緒に支持
するためのバインダーとして機能するポリマー材料であ
り、これらは、得られる構造体の疎水性／親水性を制御
する付加的な作用を行うこともできる。特にプロトン交
換膜燃料電池において、触媒層は、プロトン伝導性ポリ
マーのようなこの他のポリマー材料を含むこともでき、
これはプロトン伝導性電極そのものの形態でもよく、こ
れらは、触媒成分と混合されるか、プロトン伝導性ポリ
マーの溶液を用いて触媒含有層にコーティングされるこ
とが多い。
【０００６】これらの触媒層は、一般に成分の適切な混
合物として作成され、伝導性炭素材料の例えば半黒鉛化
ペーパー、クロス又はフォームのような適当な多孔質基
材の上に堆積され、又はアルカリ性電解質系の場合には
ニッケルやステンレス鋼の金属メッシュの上に堆積さ
れ、又はセンサーの場合には多孔質ＰＴＦＥシートの種
々の成形体の上に堆積される。酸性電解質のプロトン交
換膜燃料電池において、基材は、一般に、炭素ペーパー
又は織布材料を基材とする（欧州特許出願第００２６９
９５号明細書）。これらの材料は、一般に、０．４ｇ／
ｃｍ3 より大きい高いバルク繊維密度を有する。基材の
主な役割は、触媒含有層のための物理的支持として作用
し、触媒層との直接的接触において導電性構造体を提供
することである。また、これは、機械的に安定なガス拡
散電極を製造することを可能にする。
合物として作成され、伝導性炭素材料の例えば半黒鉛化
ペーパー、クロス又はフォームのような適当な多孔質基
材の上に堆積され、又はアルカリ性電解質系の場合には
ニッケルやステンレス鋼の金属メッシュの上に堆積さ
れ、又はセンサーの場合には多孔質ＰＴＦＥシートの種
々の成形体の上に堆積される。酸性電解質のプロトン交
換膜燃料電池において、基材は、一般に、炭素ペーパー
又は織布材料を基材とする（欧州特許出願第００２６９
９５号明細書）。これらの材料は、一般に、０．４ｇ／
ｃｍ3 より大きい高いバルク繊維密度を有する。基材の
主な役割は、触媒含有層のための物理的支持として作用
し、触媒層との直接的接触において導電性構造体を提供
することである。また、これは、機械的に安定なガス拡
散電極を製造することを可能にする。
【０００７】炭素繊維ペーパー材料を基材とする従来の
ガス拡散電極の主な問題は、一般に使用される硬質な基
材に由来して可撓性が不足することである。このため、
従来の電極は、取扱いの際に容易に損傷し、このこと
は、電極と膜電極アセンブリーの製造時の高い不合格率
に結びつく。これがコストに大きな悪影響を及ぼすこと
が明らかである。織布材料を基材とする通常のガス拡散
電極における問題は、良好な寸法安定性に欠けることで
あり、これは布が主平面の方向（ｘとｙの方向）に容易
に伸長され得るためである。このことは、これらの基材
を用いた電極と膜電極アセンブリーの製造を非常に困難
にし、したがってコストを高くする。
ガス拡散電極の主な問題は、一般に使用される硬質な基
材に由来して可撓性が不足することである。このため、
従来の電極は、取扱いの際に容易に損傷し、このこと
は、電極と膜電極アセンブリーの製造時の高い不合格率
に結びつく。これがコストに大きな悪影響を及ぼすこと
が明らかである。織布材料を基材とする通常のガス拡散
電極における問題は、良好な寸法安定性に欠けることで
あり、これは布が主平面の方向（ｘとｙの方向）に容易
に伸長され得るためである。このことは、これらの基材
を用いた電極と膜電極アセンブリーの製造を非常に困難
にし、したがってコストを高くする。
【０００８】また、従来のガス拡散電極の複雑性は、基
材や複数の触媒層のような多数の別個な構成部分が一緒
に組み合わされることを必要とし、多数の工程を必要と
する非常に長い製造プロセスに帰着する。同様に、この
ことは、これらのガス拡散電極のユニットあたりのコス
トを高め、燃料電池のような電力発生装置に適用するの
に商業的実用性のある現状で妥当なコストよりも高くす
る。
材や複数の触媒層のような多数の別個な構成部分が一緒
に組み合わされることを必要とし、多数の工程を必要と
する非常に長い製造プロセスに帰着する。同様に、この
ことは、これらのガス拡散電極のユニットあたりのコス
トを高め、燃料電池のような電力発生装置に適用するの
に商業的実用性のある現状で妥当なコストよりも高くす
る。
【０００９】したがって、本発明の目的は、高い寸法安
定性と可撓性の両者を備え、したがってより低いコスト
で製造可能なガス拡散電極を提供することである。本発
明のもう１つの目的は、低いコスト単価、高い容積、及
び高い収率で電極と膜電極アセンブリーを大量生産する
ことができる改良された製造プロセスを提供することで
ある。
定性と可撓性の両者を備え、したがってより低いコスト
で製造可能なガス拡散電極を提供することである。本発
明のもう１つの目的は、低いコスト単価、高い容積、及
び高い収率で電極と膜電極アセンブリーを大量生産する
ことができる改良された製造プロセスを提供することで
ある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】即ち、本
発明は、繊維の不織網状構造体(non-woven network) 、
１種以上の触媒成分、及び少なくとも１種のポリマー材
料を含むガス拡散電極を提供するものであり、触媒成分
が繊維網状構造体の中に埋設されたことを特徴とする。
一般に、繊維の不織網状構造体は０．３ｇ／ｃｍ3 未
満、適切には０．２ｇ／ｃｍ3 未満、好ましくは０．１
ｇ／ｃｍ3 未満の密度を有する。
発明は、繊維の不織網状構造体(non-woven network) 、
１種以上の触媒成分、及び少なくとも１種のポリマー材
料を含むガス拡散電極を提供するものであり、触媒成分
が繊維網状構造体の中に埋設されたことを特徴とする。
一般に、繊維の不織網状構造体は０．３ｇ／ｃｍ3 未
満、適切には０．２ｇ／ｃｍ3 未満、好ましくは０．１
ｇ／ｃｍ3 未満の密度を有する。
【００１１】マトリックスの中の繊維は、通常ｘとｙ方
向（平面内）にランダムに配向され、二次元の等方的構
造体を形成する。また、非常に短い繊維（一般に２ｍｍ
以下の長さ、又は１μｍ以下の直径の非常に微細な繊
維）によるｚ方向（面を貫く方向）のランダムな配向も
生じる。また、押出又は製紙方式のプロセスのような混
合物に方向性のある力を付与して層を敷設する何らかの
方法を組み合わせ、割合に長い繊維（一般に５０ｍｍ）
を用い、組成物中の繊維マトリックスに異方性を与える
こともできる。本発明に使用するのに適切な繊維には、
炭素、ガラス、ポリマー、金属、又はセラミックの繊維
が挙げられ、好ましくは０．２μｍ〜５０μｍの直径と
０．０５ｍｍ〜３００ｍｍ、適切には０．５〜１５０ｍ
ｍの長さの炭素、ガラス、金属、又はセラミックの繊維
が挙げられる。炭素繊維その他の導電性繊維以外の繊維
が使用された場合、最終的な電極構造体が導電性である
ように、触媒成分は、炭素と所望による１種以上のこの
他の触媒成分の例えば金属又は炭素担持金属を含むこと
が必要である。
向（平面内）にランダムに配向され、二次元の等方的構
造体を形成する。また、非常に短い繊維（一般に２ｍｍ
以下の長さ、又は１μｍ以下の直径の非常に微細な繊
維）によるｚ方向（面を貫く方向）のランダムな配向も
生じる。また、押出又は製紙方式のプロセスのような混
合物に方向性のある力を付与して層を敷設する何らかの
方法を組み合わせ、割合に長い繊維（一般に５０ｍｍ）
を用い、組成物中の繊維マトリックスに異方性を与える
こともできる。本発明に使用するのに適切な繊維には、
炭素、ガラス、ポリマー、金属、又はセラミックの繊維
が挙げられ、好ましくは０．２μｍ〜５０μｍの直径と
０．０５ｍｍ〜３００ｍｍ、適切には０．５〜１５０ｍ
ｍの長さの炭素、ガラス、金属、又はセラミックの繊維
が挙げられる。炭素繊維その他の導電性繊維以外の繊維
が使用された場合、最終的な電極構造体が導電性である
ように、触媒成分は、炭素と所望による１種以上のこの
他の触媒成分の例えば金属又は炭素担持金属を含むこと
が必要である。
【００１２】用語「触媒」とは、目的の反応速度を高め
る又は促進するが、反応によって変化されない物質を意
味する。選択される１種又は１種以上の触媒成分は、ガ
ス拡散電極が使用される用途によって決まる。これら
は、例えば、炭素担体上に担持された又は担持されてい
ない分散形態の金属又は金属酸化物の貴金属又は遷移金
属であることができ、あるいは、高い表面積の微細に分
割された粉末又は繊維の形態の炭素又は有機物錯体であ
ることができ、また、これらの組み合わせであってもよ
い。
る又は促進するが、反応によって変化されない物質を意
味する。選択される１種又は１種以上の触媒成分は、ガ
ス拡散電極が使用される用途によって決まる。これら
は、例えば、炭素担体上に担持された又は担持されてい
ない分散形態の金属又は金属酸化物の貴金属又は遷移金
属であることができ、あるいは、高い表面積の微細に分
割された粉末又は繊維の形態の炭素又は有機物錯体であ
ることができ、また、これらの組み合わせであってもよ
い。
【００１３】ポリマー材料は、電極層を一緒に支持する
バインダーとしての作用をする。使用されるポリマー材
料に応じて、疎水性／親水性のバランスを調節するよう
な、基本的な電極構造特性を提供する役割をすることも
できる。このようなポリマーの例には、ポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン
（ＦＥＰ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン
−プロピレンなどが挙げられる。また、ポリマー材料
は、電極中のイオン伝導経路を提供する役割をすること
もできる。このようなプロトン伝導性ポリマーは、例え
ばデュポン社による製造のナフィオン（商標）と称され
るペルフルオロスルホン酸の材料である。
バインダーとしての作用をする。使用されるポリマー材
料に応じて、疎水性／親水性のバランスを調節するよう
な、基本的な電極構造特性を提供する役割をすることも
できる。このようなポリマーの例には、ポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン
（ＦＥＰ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン
−プロピレンなどが挙げられる。また、ポリマー材料
は、電極中のイオン伝導経路を提供する役割をすること
もできる。このようなプロトン伝導性ポリマーは、例え
ばデュポン社による製造のナフィオン（商標）と称され
るペルフルオロスルホン酸の材料である。
【００１４】本発明の第１の態様は、上述のようにガス
拡散電極を提供するものであり、ここで、触媒成分は、
微細に分割された未担持の粉末の形態の１種以上の金属
又は金属酸化物、又は炭素担体上に分散された形態の金
属である。好ましくは、この１種以上の金属は貴金属
（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ）
又は「Handbook of Chemistry and Physics, 64 版、CR
C Press 」の周期律表のＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩ
Ｂ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢから選択された遷移金属、
又はそれらの組み合わせ、又はそれらの合金である。好
ましくは、１種以上の金属は貴金属であり、特にはＰ
ｔ、又はその合金である。
拡散電極を提供するものであり、ここで、触媒成分は、
微細に分割された未担持の粉末の形態の１種以上の金属
又は金属酸化物、又は炭素担体上に分散された形態の金
属である。好ましくは、この１種以上の金属は貴金属
（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ）
又は「Handbook of Chemistry and Physics, 64 版、CR
C Press 」の周期律表のＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩ
Ｂ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢから選択された遷移金属、
又はそれらの組み合わせ、又はそれらの合金である。好
ましくは、１種以上の金属は貴金属であり、特にはＰ
ｔ、又はその合金である。
【００１５】本発明の第２の態様は、上述のように、触
媒成分が１種以上のカーボンブラックであるガス拡散電
極である。本発明の主な特長は、自立性で寸法安定性で
あり且つ高度に可撓性のあるガス拡散電極が得られるこ
とである。このため、製造時のハンドリングの際の損傷
の発生が抑制され、電極の不合格又は廃棄の数が少なく
なり、その結果、コストが低減される。また、炭素ペー
パー又は織布に要する固有の材料コストが顕著に低減さ
れる。しかも、本発明の電極は、その高い寸法安定性の
おかげで、大容量の連続製造プロセスにより適合する。
媒成分が１種以上のカーボンブラックであるガス拡散電
極である。本発明の主な特長は、自立性で寸法安定性で
あり且つ高度に可撓性のあるガス拡散電極が得られるこ
とである。このため、製造時のハンドリングの際の損傷
の発生が抑制され、電極の不合格又は廃棄の数が少なく
なり、その結果、コストが低減される。また、炭素ペー
パー又は織布に要する固有の材料コストが顕著に低減さ
れる。しかも、本発明の電極は、その高い寸法安定性の
おかげで、大容量の連続製造プロセスにより適合する。
【００１６】本発明のガス拡散電極のもう１つの特長
は、低下した質量輸送ロスによる改良された性能であ
る。プロトン交換膜燃料電池の運転の際に、生成物の水
がカソードで発生する。これは、構造体の中で蓄積せず
に以降の反応部位への酸素拡散（物質輸送）を妨げない
ように、電極構造体から効率的に除去される必要があ
る。従来の電極を用いると、このことを十分に達成する
ことは不可能であり、より高い電流密度で燃料電池を効
率的に運転することが困難になり、このことが、電力密
度を改良するために望まれる解決課題である。触媒層の
中の繊維の存在は、水が生成されて反応体のガス流の中
に入り込む触媒部位から生成水を効率的に除去し、反応
体ガスの流れによって燃料電池の外部に輸送される効率
を改良するのに役立つことができる。したがって、本発
明のもう１つの態様は、電気化学的電池に使用するのに
適切なガス拡散電極を提供するものであり、その電極
は、集電体と触媒構造体を備え、触媒含有層の中に２方
向輸送のための繊維の連続的網状構造が分布することを
特長とする。
は、低下した質量輸送ロスによる改良された性能であ
る。プロトン交換膜燃料電池の運転の際に、生成物の水
がカソードで発生する。これは、構造体の中で蓄積せず
に以降の反応部位への酸素拡散（物質輸送）を妨げない
ように、電極構造体から効率的に除去される必要があ
る。従来の電極を用いると、このことを十分に達成する
ことは不可能であり、より高い電流密度で燃料電池を効
率的に運転することが困難になり、このことが、電力密
度を改良するために望まれる解決課題である。触媒層の
中の繊維の存在は、水が生成されて反応体のガス流の中
に入り込む触媒部位から生成水を効率的に除去し、反応
体ガスの流れによって燃料電池の外部に輸送される効率
を改良するのに役立つことができる。したがって、本発
明のもう１つの態様は、電気化学的電池に使用するのに
適切なガス拡散電極を提供するものであり、その電極
は、集電体と触媒構造体を備え、触媒含有層の中に２方
向輸送のための繊維の連続的網状構造が分布することを
特長とする。
【００１７】本発明のガス拡散電極は低コスト生産に適
切である。この電極は、１種以上の一般的な方法によっ
て製造することができる。この電極は、予備作成した不
織繊維材料を提供し、触媒とポリマー材料を含む触媒層
を施すことによって製造することができる。このこと
は、プリント、ロール施工、ナイフ又はドクターブレー
ド法のような任意のコーティングプロセスによって行う
ことができる。
切である。この電極は、１種以上の一般的な方法によっ
て製造することができる。この電極は、予備作成した不
織繊維材料を提供し、触媒とポリマー材料を含む触媒層
を施すことによって製造することができる。このこと
は、プリント、ロール施工、ナイフ又はドクターブレー
ド法のような任意のコーティングプロセスによって行う
ことができる。
【００１８】本発明の別な局面を提供する本発明のガス
拡散電極の第２の製造方法は、繊維に少なくとも１種の
触媒成分又はポリマー材料を混合し、次いで製紙、カレ
ンダリング、又は押出のような連続的製造プロセスを適
用することによってガス拡散電極を作成することを含
む。例えば、製紙技術を基礎にしたプロセスにおいて、
繊維は、少なくとも１種の触媒成分及びポリマー材料を
含む水に分散され、希薄スラリーを作成し、次いで移動
するメッシュ床の上にそのスラリーをコントロールしな
がら堆積させることによって連続的構造体を作成し、脱
水して固形物にし、適切な時間・圧力・温度の制御下で
繊維含有層を乾燥・圧縮させることによって作成され
る。
拡散電極の第２の製造方法は、繊維に少なくとも１種の
触媒成分又はポリマー材料を混合し、次いで製紙、カレ
ンダリング、又は押出のような連続的製造プロセスを適
用することによってガス拡散電極を作成することを含
む。例えば、製紙技術を基礎にしたプロセスにおいて、
繊維は、少なくとも１種の触媒成分及びポリマー材料を
含む水に分散され、希薄スラリーを作成し、次いで移動
するメッシュ床の上にそのスラリーをコントロールしな
がら堆積させることによって連続的構造体を作成し、脱
水して固形物にし、適切な時間・圧力・温度の制御下で
繊維含有層を乾燥・圧縮させることによって作成され
る。
【００１９】この方法における主な特長は、一般的な製
紙技術のような連続的製造技術を用いて割合に少ない数
の工程によってガス拡散電極が容易に製造され、したが
って、コストがより安価であり、商業的実施を可能にす
ることである。通常の製紙技術を用い、触媒成分とポリ
マー材料を含む水の中に繊維が希薄スラリーとして分散
され、次いでそれが堆積され、マットの中に触媒成分を
埋設した不織マットを形成することができる。このマッ
トは、最少限の加工を伴う大容積と非常に安価な仕方で
ガス拡散電極を製造し得る公算を有して、連続的長さで
製造することができる。
紙技術のような連続的製造技術を用いて割合に少ない数
の工程によってガス拡散電極が容易に製造され、したが
って、コストがより安価であり、商業的実施を可能にす
ることである。通常の製紙技術を用い、触媒成分とポリ
マー材料を含む水の中に繊維が希薄スラリーとして分散
され、次いでそれが堆積され、マットの中に触媒成分を
埋設した不織マットを形成することができる。このマッ
トは、最少限の加工を伴う大容積と非常に安価な仕方で
ガス拡散電極を製造し得る公算を有して、連続的長さで
製造することができる。
【００２０】もう１つの特長は、２種以上の層（その少
なくとも１種の層が本発明の電極）を組み合わせ、単一
の層が製造され得るのと同じ速度で多層ガス拡散電極構
造体を製造可能なことである。このタイプのマトリック
ス構造体及びその製造法から得られる付加的な特長は、
適用されるポリマーが利用可能な表面を全て覆う炭素繊
維ペーパー又はクロスのような通常の材料に適用される
コーティングと異なり、構造体の中に取り込まれるポリ
マー材料が厳密に制御され得ることである。繊維及び１
種以上の触媒成分の双方が、所望の付加量にて適当な１
種以上のポリマーでプレコートされることができ、構造
体が任意の数のポリマー種を含み、その各々が構造体の
特定の領域に添加されることを可能にする。このこと
は、マトリックスの疎水性／親水性を調整する能力を与
え、改良された性能特性を提供する。構造体の中にプロ
トン交換ポリマーを取り入れることも容易に行われ、例
えば、電極を加熱成形して特定の形状にするために、熱
可塑性ポリマー材料が混入される。
なくとも１種の層が本発明の電極）を組み合わせ、単一
の層が製造され得るのと同じ速度で多層ガス拡散電極構
造体を製造可能なことである。このタイプのマトリック
ス構造体及びその製造法から得られる付加的な特長は、
適用されるポリマーが利用可能な表面を全て覆う炭素繊
維ペーパー又はクロスのような通常の材料に適用される
コーティングと異なり、構造体の中に取り込まれるポリ
マー材料が厳密に制御され得ることである。繊維及び１
種以上の触媒成分の双方が、所望の付加量にて適当な１
種以上のポリマーでプレコートされることができ、構造
体が任意の数のポリマー種を含み、その各々が構造体の
特定の領域に添加されることを可能にする。このこと
は、マトリックスの疎水性／親水性を調整する能力を与
え、改良された性能特性を提供する。構造体の中にプロ
トン交換ポリマーを取り入れることも容易に行われ、例
えば、電極を加熱成形して特定の形状にするために、熱
可塑性ポリマー材料が混入される。
【００２１】また、本発明は、膜電極アセンブリー及び
その製造方法に関するものであり、電極の一方又は双方
が本発明のガス拡散電極である。本発明のさらにもう１
つの局面は、少なくとも１つの本発明のガス拡散電極を
備えた燃料電池及びその製造方法に関する。本発明は、
燃料電池にガス拡散電極を使用することに限定されるも
のではなく、本発明のガス拡散電極を備えた全ての電気
化学的装置が、本発明の範囲の中に含まれる。
その製造方法に関するものであり、電極の一方又は双方
が本発明のガス拡散電極である。本発明のさらにもう１
つの局面は、少なくとも１つの本発明のガス拡散電極を
備えた燃料電池及びその製造方法に関する。本発明は、
燃料電池にガス拡散電極を使用することに限定されるも
のではなく、本発明のガス拡散電極を備えた全ての電気
化学的装置が、本発明の範囲の中に含まれる。
【００２２】本発明の構造体は、必ずしもガス拡散電極
に限定されるものではなく、ガス多孔質構造体を含む丈
夫な触媒が必要な構造体に有用であることができ、例え
ば、シール型電池でのガス再結合（電解質の電気分解に
よって生じる昇圧を防ぐため）や、水素との反応を用い
て酸素を非常に低レベルまで減らすことが必要な閉鎖系
の酸素捕獲などが挙げられる。
に限定されるものではなく、ガス多孔質構造体を含む丈
夫な触媒が必要な構造体に有用であることができ、例え
ば、シール型電池でのガス再結合（電解質の電気分解に
よって生じる昇圧を防ぐため）や、水素との反応を用い
て酸素を非常に低レベルまで減らすことが必要な閉鎖系
の酸素捕獲などが挙げられる。
【００２３】次に本発明を例によって説明するが、本発
明はこれらの例に限定されるものではない。
明はこれらの例に限定されるものではない。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の材料は、アノード又はカ
ソードのいずれか一方として使用されることができ、さ
らに、特定の用途の電気化学的電池においては、アノー
ドとカソードの双方に使用されることもできる。下記の
例においては、膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）のカソー
ドとして本電極が取り入れられ、アノード燃料として水
素を、カソード酸化剤として空気又は純粋素を使用する
プロトン交換膜燃料電池で評価した。燃料として水素を
用いて運転する燃料電池で、燃料電池の性能（電圧）が
低下する主な箇所はカソードである。膜電極アセンブリ
ーは、従来技術で一般に行われているように、固体プロ
トン伝導性電解質膜の各面に対してアノードとカソード
をホットプレスすることによって作成した。
ソードのいずれか一方として使用されることができ、さ
らに、特定の用途の電気化学的電池においては、アノー
ドとカソードの双方に使用されることもできる。下記の
例においては、膜電極アセンブリー（ＭＥＡ）のカソー
ドとして本電極が取り入れられ、アノード燃料として水
素を、カソード酸化剤として空気又は純粋素を使用する
プロトン交換膜燃料電池で評価した。燃料として水素を
用いて運転する燃料電池で、燃料電池の性能（電圧）が
低下する主な箇所はカソードである。膜電極アセンブリ
ーは、従来技術で一般に行われているように、固体プロ
トン伝導性電解質膜の各面に対してアノードとカソード
をホットプレスすることによって作成した。
【００２５】アノードは、現在プロトン交換膜燃料電池
で広く使用されている割合に一般的なタイプである。そ
れらは、通常のテフロン処理した(pre-teflonated)硬質
の伝導性炭素繊維材料（東レＴＧＰ−Ｈ−０９０、東レ
社より入手）を有し、それに、キャボットバルカンＸＣ
７２Ｒ（ジョンソンマッセイ社より入手、米国ニュージ
ャージ州）に担持された２０重量％の白金と１０重量％
のルテニウムの触媒の層を、電極の幾何面積あたり０．
２５ｍｇ／ｃｍ2 の電極白金添加量で施した。膜電極ア
センブリーをプロトン交換膜燃料電池の、５０ｃｍ2 の
電気化学的幾何活性面積を有するプロトン交換膜燃料電
池の１つの電池で評価した。１つの電池とグラファイト
板を備え、それに反応体ガスと給湿水を分配し、生成物
を除去するための流路(flowfield) を機械加工した。単
一の電池の運転は、パーパスビルトテストステーション
装置（グローブテック社より入手、ブライアンス、テキ
サス州、米国）によって制御した。燃料電池の「性能(p
erformance) 」は、標準的操作法を用いて電圧と電流の
関係を測定することによって評価した。特に明記がない
限り、これらの条件は一般的な８０℃の反応体ガス入口
温度、アノードとカソードの反応体ガス圧力は双方共に
３気圧の圧力、反応体の化学量論は水素が１．５で空気
が２．０とした。
で広く使用されている割合に一般的なタイプである。そ
れらは、通常のテフロン処理した(pre-teflonated)硬質
の伝導性炭素繊維材料（東レＴＧＰ−Ｈ−０９０、東レ
社より入手）を有し、それに、キャボットバルカンＸＣ
７２Ｒ（ジョンソンマッセイ社より入手、米国ニュージ
ャージ州）に担持された２０重量％の白金と１０重量％
のルテニウムの触媒の層を、電極の幾何面積あたり０．
２５ｍｇ／ｃｍ2 の電極白金添加量で施した。膜電極ア
センブリーをプロトン交換膜燃料電池の、５０ｃｍ2 の
電気化学的幾何活性面積を有するプロトン交換膜燃料電
池の１つの電池で評価した。１つの電池とグラファイト
板を備え、それに反応体ガスと給湿水を分配し、生成物
を除去するための流路(flowfield) を機械加工した。単
一の電池の運転は、パーパスビルトテストステーション
装置（グローブテック社より入手、ブライアンス、テキ
サス州、米国）によって制御した。燃料電池の「性能(p
erformance) 」は、標準的操作法を用いて電圧と電流の
関係を測定することによって評価した。特に明記がない
限り、これらの条件は一般的な８０℃の反応体ガス入口
温度、アノードとカソードの反応体ガス圧力は双方共に
３気圧の圧力、反応体の化学量論は水素が１．５で空気
が２．０とした。
【００２６】例１ 第１の微粒子状触媒成分は、５０重量部のカーボンブラ
ック（シャウイニガムブラック、米国のテキサス州ヒュ
ーストンにあるシェブロンケミカル社より入手）を１２
００部の脱イオン水の中に分散させることによって調製
した。これに、６重量部のポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）を水中の分散系（ＩＣＩフルオンＧＰＩ、
固形分６４重量％のサスペンション）として添加し、そ
の混合物を攪拌し、ＰＴＦＥ微粒子を炭素触媒材料の中
に取り込んだ。高剪断ミキサーを用いてこのスラリーを
再分散させ、均一な混合物を得た。
ック（シャウイニガムブラック、米国のテキサス州ヒュ
ーストンにあるシェブロンケミカル社より入手）を１２
００部の脱イオン水の中に分散させることによって調製
した。これに、６重量部のポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）を水中の分散系（ＩＣＩフルオンＧＰＩ、
固形分６４重量％のサスペンション）として添加し、そ
の混合物を攪拌し、ＰＴＦＥ微粒子を炭素触媒材料の中
に取り込んだ。高剪断ミキサーを用いてこのスラリーを
再分散させ、均一な混合物を得た。
【００２７】第２の微粒子状触媒材料は、水中のナフィ
オンＥＷ１１００（デュポン社）の９．５％分散系の３
０部に、カーボンブラック（ジョンソンマッセイＦＣ−
４０）に担持された４０重量％の白金触媒の１００重量
部を分散させ、欧州特許出願第７３１５２０号公開明細
書に記載の方法にしたがって調製した。高剪断ミキサー
を用いてこの微粒子状触媒を分散させ、均一な混合物を
得た。
オンＥＷ１１００（デュポン社）の９．５％分散系の３
０部に、カーボンブラック（ジョンソンマッセイＦＣ−
４０）に担持された４０重量％の白金触媒の１００重量
部を分散させ、欧州特許出願第７３１５２０号公開明細
書に記載の方法にしたがって調製した。高剪断ミキサー
を用いてこの微粒子状触媒を分散させ、均一な混合物を
得た。
【００２８】予め作成された不織炭素繊維構造体は密度
が１７ｇ／ｍ2 （≡０．０７ｇ／ｃｍ3 ）の炭素繊維マ
ットであり、オプティマット２０３（英国のカンブリア
のケンダルにあるテクニカルファイバープロダクツ社か
ら入手）として供給された。これを、２１００重量部の
水中の１２０重量部のＧＰＩ ＰＴＦＥエマルジョンの
溶液中に５分間浸漬することによって、ＰＴＦＥでプレ
コートした。このコーティングされた炭素繊維マットを
空気中で３５０℃に加熱し、ＰＴＦＥを焼成した。
が１７ｇ／ｍ2 （≡０．０７ｇ／ｃｍ3 ）の炭素繊維マ
ットであり、オプティマット２０３（英国のカンブリア
のケンダルにあるテクニカルファイバープロダクツ社か
ら入手）として供給された。これを、２１００重量部の
水中の１２０重量部のＧＰＩ ＰＴＦＥエマルジョンの
溶液中に５分間浸漬することによって、ＰＴＦＥでプレ
コートした。このコーティングされた炭素繊維マットを
空気中で３５０℃に加熱し、ＰＴＦＥを焼成した。
【００２９】本発明の電極は、第１の微粒子状触媒材料
を不織炭素繊維構造体の中に押し込み、真空床を用いて
水を除去し、微粒子状触媒材料をその構造体の中に引き
込むことによって作成した。炭素繊維ペーパーの幾何面
積１ｃｍ2 あたり１１．７ｇのシャウイニガムカーボン
の全充填量を得た。得られたシートを２６０℃と１５０
ポンド／平方インチでプレスし、構造体を緊密化した。
次いで装填した不織構造体の１つの面に第２の微粒子状
触媒材料の層を施し、残りの炭素繊維構造体の中の幾何
面積あたり０．７６ｍｇ／ｃｍ2 の白金充填量とし、２
００ポンド／平方インチでプレスして層を緊密化した。
を不織炭素繊維構造体の中に押し込み、真空床を用いて
水を除去し、微粒子状触媒材料をその構造体の中に引き
込むことによって作成した。炭素繊維ペーパーの幾何面
積１ｃｍ2 あたり１１．７ｇのシャウイニガムカーボン
の全充填量を得た。得られたシートを２６０℃と１５０
ポンド／平方インチでプレスし、構造体を緊密化した。
次いで装填した不織構造体の１つの面に第２の微粒子状
触媒材料の層を施し、残りの炭素繊維構造体の中の幾何
面積あたり０．７６ｍｇ／ｃｍ2 の白金充填量とし、２
００ポンド／平方インチでプレスして層を緊密化した。
【００３０】電極は膜電極アセンブリーのカソードを形
成し、膜電解質面に結合した白金触媒成分を含む電極の
面を有した。使用した膜は、デュポン社のナフィオン１
１２であった。単一の電池の結果は図１に示されてお
り、本発明のより低いコストでより生産性の高い電極を
備えた膜電極アセンブリーから、優れた燃料電池の性能
が得られたことを実証している。純粋酸素での運転につ
いて、２．０Ａ／ｃｍ2を超える非常に高い電流密度が
得られた。プロトン交換膜燃料電池の最も実用的な用途
について、酸化剤は空気であり、これらの用途は少なく
とも５００ｍＡ／ｃｍ2 の電流密度が得られることを必
要とする。図に示されたように、１．０Ａ／ｃｍ2 にも
及ぶ電流密度が得られ、その結果は、膜電極アセンブリ
ーの十分な性能を示す。空気での運転において、純粋酸
素でのデータに比較し、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2 の
近くまで増すにつれて燃料電池電圧が割合に迅速に低下
する傾向にあることは問題ではない。これは物質輸送ロ
スによる燃料電池電圧低下の例であり、空気中の反応体
ガスが電極反応部位に拡散できる容易性に関係する。ま
た、これは、高密度炭素繊維ペーパーのような伝導性物
質を含む電極を用いて作成された通常の膜電極アセンブ
リーに見られる燃料電池の電流と電圧のプロットの典型
的な属性である。
成し、膜電解質面に結合した白金触媒成分を含む電極の
面を有した。使用した膜は、デュポン社のナフィオン１
１２であった。単一の電池の結果は図１に示されてお
り、本発明のより低いコストでより生産性の高い電極を
備えた膜電極アセンブリーから、優れた燃料電池の性能
が得られたことを実証している。純粋酸素での運転につ
いて、２．０Ａ／ｃｍ2を超える非常に高い電流密度が
得られた。プロトン交換膜燃料電池の最も実用的な用途
について、酸化剤は空気であり、これらの用途は少なく
とも５００ｍＡ／ｃｍ2 の電流密度が得られることを必
要とする。図に示されたように、１．０Ａ／ｃｍ2 にも
及ぶ電流密度が得られ、その結果は、膜電極アセンブリ
ーの十分な性能を示す。空気での運転において、純粋酸
素でのデータに比較し、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2 の
近くまで増すにつれて燃料電池電圧が割合に迅速に低下
する傾向にあることは問題ではない。これは物質輸送ロ
スによる燃料電池電圧低下の例であり、空気中の反応体
ガスが電極反応部位に拡散できる容易性に関係する。ま
た、これは、高密度炭素繊維ペーパーのような伝導性物
質を含む電極を用いて作成された通常の膜電極アセンブ
リーに見られる燃料電池の電流と電圧のプロットの典型
的な属性である。
【００３１】例２ 第１の微粒子状触媒材料を、８０重量部のシャウイニガ
ムカーボンブラックを１２００部の水の中に分散させる
ことによって調製した。これに、２０重量部のポリテト
ラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を水中の分散系（ＩＣ
ＩフルオンＧＰＩ、固形分６４重量％のサスペンショ
ン）として添加し、その混合物を攪拌し、ＰＴＦＥ微粒
子を炭素触媒材料の中に取り込んだ。高剪断ミキサーを
用いてこのスラリーを再分散させ、均一な混合物を得
た。
ムカーボンブラックを１２００部の水の中に分散させる
ことによって調製した。これに、２０重量部のポリテト
ラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を水中の分散系（ＩＣ
ＩフルオンＧＰＩ、固形分６４重量％のサスペンショ
ン）として添加し、その混合物を攪拌し、ＰＴＦＥ微粒
子を炭素触媒材料の中に取り込んだ。高剪断ミキサーを
用いてこのスラリーを再分散させ、均一な混合物を得
た。
【００３２】３７ｍｍの繊維長さに短く切断した炭素繊
維（タイプＲＫ１０、英国のＲＫカーボンファイバー社
から入手した）を、水中のＧＰＩポリテトラフルオロエ
チレン分散系で処理し、繊維上に７重量％のコーティン
グを付与した。また、長さ１２ｍｍと１ｍｍのＲＫ１０
繊維を同様にして処理した。１．２５ｇの固体物質（炭
素とＰＴＦＥ成分）を含む微粒子状触媒混合物を、脱イ
オン水（５００ｃｍ3 ）の中で、３７ｍｍのテフロン処
理繊維の０．０１０５ｇ、１２ｍｍのテフロン処理繊維
の０．０８９ｇ、及び１ｍｍのテフロン処理繊維の０．
４３ｇ、ガラスミクロ繊維（エバナイト６０８、米国オ
レゴン州コルバリスにあるエバナイトファイバー社より
入手）の０．０４８５ｇ、ポリビニルアルコール粉末
（英国ドルセットのプールにあるＢＤＨケミカルズ社よ
り入手）の０．０３６ｇと混合して分散させた。製紙技
術の原理に基づき、得られた混合物から一工程法によっ
て本発明の電極を作成し、標準ＳＣＡシート成形機（Ａ
Ｂローレンツェン＆ベトレ社、スウェーデンのストック
ホルムのＢｏｘ４、Ｓ−１６３９３）で２１４ｃｍ2 の
サイズのシートとした。このシートを空気中の１００℃
で乾燥させ、３５０℃を超える温度で空気中で焼成し
た。
維（タイプＲＫ１０、英国のＲＫカーボンファイバー社
から入手した）を、水中のＧＰＩポリテトラフルオロエ
チレン分散系で処理し、繊維上に７重量％のコーティン
グを付与した。また、長さ１２ｍｍと１ｍｍのＲＫ１０
繊維を同様にして処理した。１．２５ｇの固体物質（炭
素とＰＴＦＥ成分）を含む微粒子状触媒混合物を、脱イ
オン水（５００ｃｍ3 ）の中で、３７ｍｍのテフロン処
理繊維の０．０１０５ｇ、１２ｍｍのテフロン処理繊維
の０．０８９ｇ、及び１ｍｍのテフロン処理繊維の０．
４３ｇ、ガラスミクロ繊維（エバナイト６０８、米国オ
レゴン州コルバリスにあるエバナイトファイバー社より
入手）の０．０４８５ｇ、ポリビニルアルコール粉末
（英国ドルセットのプールにあるＢＤＨケミカルズ社よ
り入手）の０．０３６ｇと混合して分散させた。製紙技
術の原理に基づき、得られた混合物から一工程法によっ
て本発明の電極を作成し、標準ＳＣＡシート成形機（Ａ
Ｂローレンツェン＆ベトレ社、スウェーデンのストック
ホルムのＢｏｘ４、Ｓ−１６３９３）で２１４ｃｍ2 の
サイズのシートとした。このシートを空気中の１００℃
で乾燥させ、３５０℃を超える温度で空気中で焼成し
た。
【００３３】第２の微粒子状触媒材料の第２の層は、水
中のナフィオンＥＷ１１００（デュポン社）の９．５％
分散系の３０部に、カーボンブラック（ジョンソンマッ
セイＦＣ−４０）に担持された４０重量％の白金触媒を
含むインクを、欧州特許出願第７３１５２０号公開明細
書に記載の方法にしたがって調製し、１０ｇ／ｍ2 の密
度のオプティマット２０３炭素繊維マットに施し、１０
０℃で空気乾燥することによって作成した。白金担持量
は、炭素繊維マットの幾何表面あたり０．７８ｍｇ／ｃ
ｍ2 であった。
中のナフィオンＥＷ１１００（デュポン社）の９．５％
分散系の３０部に、カーボンブラック（ジョンソンマッ
セイＦＣ−４０）に担持された４０重量％の白金触媒を
含むインクを、欧州特許出願第７３１５２０号公開明細
書に記載の方法にしたがって調製し、１０ｇ／ｍ2 の密
度のオプティマット２０３炭素繊維マットに施し、１０
０℃で空気乾燥することによって作成した。白金担持量
は、炭素繊維マットの幾何表面あたり０．７８ｍｇ／ｃ
ｍ2 であった。
【００３４】第２の触媒を含有する電極層を、第１電極
層の１つの面に施し、それらの層を２００ポンド／平方
インチでプレスし、層を緊密化させた。組み合わされた
２つの電極層は膜電極アセンブリーのカソードを形成
し、カソードの白金触媒含有面は、膜電解質面に結合し
た。膜電解質はナフィオン１１５であった。単一の燃料
電池の結果を図２に示す。
層の１つの面に施し、それらの層を２００ポンド／平方
インチでプレスし、層を緊密化させた。組み合わされた
２つの電極層は膜電極アセンブリーのカソードを形成
し、カソードの白金触媒含有面は、膜電解質面に結合し
た。膜電解質はナフィオン１１５であった。単一の燃料
電池の結果を図２に示す。
【００３５】例３ 例２に記載したカソードの調製法を踏襲し、但し、第１
の微粒子触媒混合物中のガラスミクロ繊維（エバナイト
６０８）の含有量を０．０９７ｇに増やした。膜電極ア
センブリーを例２の記載と同様にして作成した。単一の
燃料電池の結果を図２に示す。
の微粒子触媒混合物中のガラスミクロ繊維（エバナイト
６０８）の含有量を０．０９７ｇに増やした。膜電極ア
センブリーを例２の記載と同様にして作成した。単一の
燃料電池の結果を図２に示す。
【００３６】例４ 例２の第１の微粒子状材料について記載したと同様にし
て第１の微粒子状触媒材料を調製した。第２の微粒子状
触媒材料は、８５重量部のカーボンブラック（バルカン
ＸＣ７２Ｒ、米国マサチューセッツ州のビレリカにある
キャボット社より入手）を１２００部の水の中に分散さ
せることによって調製した。これに１５重量部のポリテ
トラフルオロエチレン固体（ＧＰＩ溶液より）を添加
し、その混合物を攪拌し、ポリテトラフルオロエチレン
粒子をカーボン触媒材料の中に含ませた。高剪断ミキサ
ーを用いてこのスラリーを再分散させ、均一な混合物を
得た。
て第１の微粒子状触媒材料を調製した。第２の微粒子状
触媒材料は、８５重量部のカーボンブラック（バルカン
ＸＣ７２Ｒ、米国マサチューセッツ州のビレリカにある
キャボット社より入手）を１２００部の水の中に分散さ
せることによって調製した。これに１５重量部のポリテ
トラフルオロエチレン固体（ＧＰＩ溶液より）を添加
し、その混合物を攪拌し、ポリテトラフルオロエチレン
粒子をカーボン触媒材料の中に含ませた。高剪断ミキサ
ーを用いてこのスラリーを再分散させ、均一な混合物を
得た。
【００３７】第１の微粒子状触媒混合物の７．８ｇの混
合物（０．６０３ｇの固体に相当）を、混合ミキサーを
用い、水（５００ｃｍ3 ）の中の第２の微粒子状触媒混
合物の７．８ｇの混合物（０．６０３ｇの固体に相
当）、及び３７ｍｍのテフロン処理繊維の０．０１０５
ｇ、１２ｍｍのテフロン処理繊維の０．０８９ｇ、及び
１ｍｍのテフロン処理繊維の０．４３ｇ、ガラスミクロ
繊維（エバナイト６０８）の０．０９７ｇ、ポリビニル
アルコール粉末の０．０３６ｇと混合して分散させた。
製紙技術の原理に基づき、得られた混合物から一工程法
によって本発明の電極を作成し、標準ＳＣＡシート成形
機（ＡＢローレンツェン＆ベトレ、スウェーデンのスト
ックホルムのＢｏｘ４、Ｓ−１６３９３）で２１４ｃｍ
2 のサイズのシートとした。このシートを空気中の１０
０℃で乾燥させ、３５０℃を超える温度で空気中で焼成
した。
合物（０．６０３ｇの固体に相当）を、混合ミキサーを
用い、水（５００ｃｍ3 ）の中の第２の微粒子状触媒混
合物の７．８ｇの混合物（０．６０３ｇの固体に相
当）、及び３７ｍｍのテフロン処理繊維の０．０１０５
ｇ、１２ｍｍのテフロン処理繊維の０．０８９ｇ、及び
１ｍｍのテフロン処理繊維の０．４３ｇ、ガラスミクロ
繊維（エバナイト６０８）の０．０９７ｇ、ポリビニル
アルコール粉末の０．０３６ｇと混合して分散させた。
製紙技術の原理に基づき、得られた混合物から一工程法
によって本発明の電極を作成し、標準ＳＣＡシート成形
機（ＡＢローレンツェン＆ベトレ、スウェーデンのスト
ックホルムのＢｏｘ４、Ｓ−１６３９３）で２１４ｃｍ
2 のサイズのシートとした。このシートを空気中の１０
０℃で乾燥させ、３５０℃を超える温度で空気中で焼成
した。
【００３８】白金触媒材料を含むもう１つのカソード電
極を例２と同様にして調製した。例２と同様にして完全
なカソードと膜電極アセンブリーを作成した。空気を用
いて運転した単一の燃料電池の結果を図２に示してい
る。例２、３、４は、触媒成分を不織繊維材料に含ませ
ることによって、本発明の電極を一層低コストで生産性
の高い単一のプロセス工程で作成したが、やはり非常に
満足すべき電流と電圧の性能特性を呈した。例２と３の
比較は、高い電流密度性能が、電極の作成に使用される
繊維混合物の組成に大きく影響されることを示し、例３
は、改良された物質輸送特性のおかげで改良された高い
電流密度性能を示している。この電極の特徴は、燃料電
池積層のサイズ、重量、コストを減らすために一層高い
電流密度が必要とされる車両の動力にプロトン交換膜燃
料電池を適用する場合に特に重要である。
極を例２と同様にして調製した。例２と同様にして完全
なカソードと膜電極アセンブリーを作成した。空気を用
いて運転した単一の燃料電池の結果を図２に示してい
る。例２、３、４は、触媒成分を不織繊維材料に含ませ
ることによって、本発明の電極を一層低コストで生産性
の高い単一のプロセス工程で作成したが、やはり非常に
満足すべき電流と電圧の性能特性を呈した。例２と３の
比較は、高い電流密度性能が、電極の作成に使用される
繊維混合物の組成に大きく影響されることを示し、例３
は、改良された物質輸送特性のおかげで改良された高い
電流密度性能を示している。この電極の特徴は、燃料電
池積層のサイズ、重量、コストを減らすために一層高い
電流密度が必要とされる車両の動力にプロトン交換膜燃
料電池を適用する場合に特に重要である。
【図１】本発明の電極の性能を示すグラフである。
【図２】本発明の電極の性能を示すグラフである。
フロントページの続き (72)発明者 ジョン マルコルム ガスコイン イギリス国，ハイ ウィコンベ エイチピ ー14 ４ビービー，ブレドロー リッジ, ルーツ グリーン，リダスカ（番地なし) (72)発明者 ロバート ジョン ポッター イギリス国，サウス オクソン アールジ ー４ ９エーイー，チャルクハウス グリ ーン，タンナーズ レーン 23
Claims (12)
- 【請求項１】 繊維の不織網状構造体、１種以上の触媒
成分、及び少なくとも１種のポリマー物質を含んでな
り、触媒が繊維網状構造体の中に埋設されたことを特徴
とするガス拡散電極。 - 【請求項２】 繊維の不織網状構造体が０．３ｇ／ｃｍ
3 未満の密度を有する請求項１に記載のガス拡散電極。 - 【請求項３】 繊維が炭素、ガラス、ポリマー、金属、
又はセラミックである請求項１又は２に記載のガス拡散
電極。 - 【請求項４】 繊維が０．２μｍ〜５０μｍの直径を有
する請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス拡散電
極。 - 【請求項５】 繊維が０．０５ｍｍ〜３００ｍｍの長さ
を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス拡散
電極。 - 【請求項６】 触媒成分が、微細に分割された担持され
ていない粉末の形態の１種以上の金属又は金属酸化物、
又は炭素担体の上に分散された形態の金属である請求項
１〜５のいずれか１項に記載のガス拡散電極。 - 【請求項７】 触媒成分が、１種以上の貴金属若しくは
遷移金属、又はそれらの組み合わせ、又はそれらの合金
から選択された請求項６に記載のガス拡散電極。 - 【請求項８】 触媒成分が１種以上のカーボンブラック
である請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス拡散電
極。 - 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１項に記載のガ
ス拡散電極の製造方法であって、繊維に少なくとも１種
の触媒成分又はポリマー物質を混合し、次いで連続的製
造プロセスを適用してガス拡散電極を製造することを含
むことを特徴とするガス拡散電極の製造方法。 - 【請求項１０】 連続的製造プロセスが製紙技術を基本
にする請求項９に記載の方法。 - 【請求項１１】 ガス拡散電極の一方又は双方が請求項
１〜８のいずれか１項に記載の電極であることを特徴と
する膜電極アセンブリー。 - 【請求項１２】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の
ガス拡散電極を含んでなることを特徴とする燃料電池。
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