JPH10223233A - 燃料電池用電極および電極電解質膜接合体 - Google Patents
燃料電池用電極および電極電解質膜接合体Info
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- JPH10223233A JPH10223233A JP9039828A JP3982897A JPH10223233A JP H10223233 A JPH10223233 A JP H10223233A JP 9039828 A JP9039828 A JP 9039828A JP 3982897 A JP3982897 A JP 3982897A JP H10223233 A JPH10223233 A JP H10223233A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ガス拡散電極の多孔質基体の表面や内部には
直径５０ミクロン程度の細孔が存在し、１ミクロン以下
の貴金属触媒粒子やカーボン粒子等を含む混合体は内部
に入り、これらの混合体が多孔質基体の内部にも存在す
るために、その細孔をふさいで、多孔質基体中の反応ガ
スの拡散速度を低下させ、また、この混合体がすべて完
全に連続したものとはならず、電気的に孤立して電気化
学反応に利用されず、その結果触媒利用率を低下させ
る、という問題があった。 【解決手段】 アルコールなどの溶媒中に貴金属触媒粒
子・カーボン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロ
エチレン粒子を分散させた触媒分散溶液に炭素繊維を混
入した溶液を、多孔質基体の表面に塗布あるいは噴霧
し、乾燥して溶媒を除去し、多孔質基体の表面に炭素繊
維を含む触媒を取り付ける。
直径５０ミクロン程度の細孔が存在し、１ミクロン以下
の貴金属触媒粒子やカーボン粒子等を含む混合体は内部
に入り、これらの混合体が多孔質基体の内部にも存在す
るために、その細孔をふさいで、多孔質基体中の反応ガ
スの拡散速度を低下させ、また、この混合体がすべて完
全に連続したものとはならず、電気的に孤立して電気化
学反応に利用されず、その結果触媒利用率を低下させ
る、という問題があった。 【解決手段】 アルコールなどの溶媒中に貴金属触媒粒
子・カーボン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロ
エチレン粒子を分散させた触媒分散溶液に炭素繊維を混
入した溶液を、多孔質基体の表面に塗布あるいは噴霧
し、乾燥して溶媒を除去し、多孔質基体の表面に炭素繊
維を含む触媒を取り付ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、触媒層を有する燃
料電池用電極および電極電解質膜接合体に関するもので
ある。
料電池用電極および電極電解質膜接合体に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、イオン導電体である電解質
の両側に２つの電極を取り付け、一方の電極に酸素や空
気などの酸化ガスを供給し、他方の電極に水素やハイド
ロカーボンなどの燃料（還元剤）を供給し、電気化学反
応を起こさせて電気を発生させるものである。
の両側に２つの電極を取り付け、一方の電極に酸素や空
気などの酸化ガスを供給し、他方の電極に水素やハイド
ロカーボンなどの燃料（還元剤）を供給し、電気化学反
応を起こさせて電気を発生させるものである。
【０００３】燃料電池は、使用する電解質によってアル
カリ型・りん酸型・固体高分子型・溶融炭酸塩型・高温
酸素イオン導電性固体電解質型などのいくつかの種類に
分けられる。このうち、電解質にイオン交換膜を使用す
る固体高分子電解質型燃料電池は、構造が簡単で小型化
が可能で、作動温度が１００℃以下であり、反応生成物
が水のみで有害物質を排出せず、発電効率がきわめて高
いという利点を持つため、将来の移動体（電気自動車）
用電源や可搬型独立電源として大いに期待され、世界中
で開発が進められている。固体高分子電解質としては、
パーフロオロカーボンスルフォン酸系ポリマーやスチレ
ン−ジビニルベンゼン系ポリマーなどのイオン交換樹脂
の薄膜などがよく知られている。
カリ型・りん酸型・固体高分子型・溶融炭酸塩型・高温
酸素イオン導電性固体電解質型などのいくつかの種類に
分けられる。このうち、電解質にイオン交換膜を使用す
る固体高分子電解質型燃料電池は、構造が簡単で小型化
が可能で、作動温度が１００℃以下であり、反応生成物
が水のみで有害物質を排出せず、発電効率がきわめて高
いという利点を持つため、将来の移動体（電気自動車）
用電源や可搬型独立電源として大いに期待され、世界中
で開発が進められている。固体高分子電解質としては、
パーフロオロカーボンスルフォン酸系ポリマーやスチレ
ン−ジビニルベンゼン系ポリマーなどのイオン交換樹脂
の薄膜などがよく知られている。
【０００４】固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散電
極は、従来、白金やパラジウムなどをカーボンに担持し
た触媒とディスパージョンポリテトラフルオロエチレン
などの撥水剤と高分子電解質をアルコールなどの適当な
溶媒に溶解・分散した触媒分散溶液を、多孔質基体表面
に塗布や噴霧で取り付け、乾燥して溶媒を除去する方法
で作製されていた。
極は、従来、白金やパラジウムなどをカーボンに担持し
た触媒とディスパージョンポリテトラフルオロエチレン
などの撥水剤と高分子電解質をアルコールなどの適当な
溶媒に溶解・分散した触媒分散溶液を、多孔質基体表面
に塗布や噴霧で取り付け、乾燥して溶媒を除去する方法
で作製されていた。
【０００５】この方法で得られたガス拡散電極の触媒層
は、その内部に触媒、カーボン、高分子電解質を含むた
め、良好な電子−イオン混合伝導体となり、電極反応が
三次元的に起こるために、燃料電池の特性は大きく改善
された。また、ガス拡散電極の多孔質基体としては、主
に軽量で機械的強度が大きく、ガス透過性の良いカーボ
ンペーパーが使用されてきた（特開平４−１６２３６
５）。
は、その内部に触媒、カーボン、高分子電解質を含むた
め、良好な電子−イオン混合伝導体となり、電極反応が
三次元的に起こるために、燃料電池の特性は大きく改善
された。また、ガス拡散電極の多孔質基体としては、主
に軽量で機械的強度が大きく、ガス透過性の良いカーボ
ンペーパーが使用されてきた（特開平４−１６２３６
５）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、多孔質基体と
してカーボンペーパー、カーボン焼結体、発泡金属など
を使用し、その表面に触媒分散溶液を塗布あるいは噴霧
で取り付ける場合、多孔質基体の表面に存在している直
径２０ミクロン以上の細孔が問題になる。例えばカーボ
ンペーパーは、直径数ミクロン以下の直線状カーボン繊
維の集合体であり、その表面や内部には直径５０ミクロ
ン程度の細孔が存在している。一方、触媒分散溶液中に
含まれる貴金属触媒粒子やカーボン粒子、さらに高分子
電解質やポリテトラフルオロエチレン粒子の直径はいず
れも１ミクロン以下であるため、触媒分散溶液の粘度を
大きくした場合でも、貴金属触媒粒子・カーボン粒子・
高分子電解質・ポリテトラフルオロエチレン粒子を含む
混合体は、カーボン繊維の表面から内部に入る。その結
果得られたガス拡散電極においては、貴金属触媒粒子・
カーボン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロエチ
レン粒子の混合体は表面に存在するだけではなく、カー
ボンペーパーの内部にも分布することになる。なお、多
孔質基体にカーボンペーパー以外の材料を使用した場合
も同様の問題が生じる。
してカーボンペーパー、カーボン焼結体、発泡金属など
を使用し、その表面に触媒分散溶液を塗布あるいは噴霧
で取り付ける場合、多孔質基体の表面に存在している直
径２０ミクロン以上の細孔が問題になる。例えばカーボ
ンペーパーは、直径数ミクロン以下の直線状カーボン繊
維の集合体であり、その表面や内部には直径５０ミクロ
ン程度の細孔が存在している。一方、触媒分散溶液中に
含まれる貴金属触媒粒子やカーボン粒子、さらに高分子
電解質やポリテトラフルオロエチレン粒子の直径はいず
れも１ミクロン以下であるため、触媒分散溶液の粘度を
大きくした場合でも、貴金属触媒粒子・カーボン粒子・
高分子電解質・ポリテトラフルオロエチレン粒子を含む
混合体は、カーボン繊維の表面から内部に入る。その結
果得られたガス拡散電極においては、貴金属触媒粒子・
カーボン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロエチ
レン粒子の混合体は表面に存在するだけではなく、カー
ボンペーパーの内部にも分布することになる。なお、多
孔質基体にカーボンペーパー以外の材料を使用した場合
も同様の問題が生じる。
【０００７】このようなガス拡散電極では、貴金属触媒
等を含む混合体が多孔質基体の内部にも存在するため
に、多孔質基体の細孔をふさいで、多孔質基体中の反応
ガスの拡散速度を低下させ、また、貴金属触媒等を含む
混合体がすべて完全に連続したものとはならず、電気的
に孤立して電気化学反応に利用されず、その結果触媒利
用率を低下させる、という問題があった。
等を含む混合体が多孔質基体の内部にも存在するため
に、多孔質基体の細孔をふさいで、多孔質基体中の反応
ガスの拡散速度を低下させ、また、貴金属触媒等を含む
混合体がすべて完全に連続したものとはならず、電気的
に孤立して電気化学反応に利用されず、その結果触媒利
用率を低下させる、という問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明燃料電池用電極
は、アルコールなどの溶媒中に貴金属触媒粒子・カーボ
ン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロエチレン粒
子を分散させた触媒分散溶液に炭素繊維を混入した溶液
を、多孔質基体の表面に塗布あるいは噴霧し、乾燥して
溶媒を除去し、多孔質基体の表面に炭素繊維を含む触媒
層を取り付けたことを特徴とする。
は、アルコールなどの溶媒中に貴金属触媒粒子・カーボ
ン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロエチレン粒
子を分散させた触媒分散溶液に炭素繊維を混入した溶液
を、多孔質基体の表面に塗布あるいは噴霧し、乾燥して
溶媒を除去し、多孔質基体の表面に炭素繊維を含む触媒
層を取り付けたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】燃料電池には、アルカリ型・りん
酸型・固体高分子型・溶融炭酸塩型・高温酸素イオン導
電性固体電解質型など各種あるが、本発明になる電極は
低温作動型の燃料電池、特に固体高分子型燃料電池に適
している。
酸型・固体高分子型・溶融炭酸塩型・高温酸素イオン導
電性固体電解質型など各種あるが、本発明になる電極は
低温作動型の燃料電池、特に固体高分子型燃料電池に適
している。
【００１０】本発明になる電極／電解質接合体の基本構
成は、多孔質基体からなるガス拡散層と電解質層の間に
触媒層を備えており、この触媒層中には、貴金属触媒粒
子・カーボン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロ
エチレン粒子・炭素繊維が含まれる。
成は、多孔質基体からなるガス拡散層と電解質層の間に
触媒層を備えており、この触媒層中には、貴金属触媒粒
子・カーボン粒子・高分子電解質・ポリテトラフルオロ
エチレン粒子・炭素繊維が含まれる。
【００１１】貴金属触媒としては、白金、白金合金、パ
ラジウム、パラジウム合金、その他燃料電池の電極に適
した触媒を使用することができ、白金ブラックのような
これら貴金属の微粉末あるいは貴金属を担持したカーボ
ン粉末を使用することができる。
ラジウム、パラジウム合金、その他燃料電池の電極に適
した触媒を使用することができ、白金ブラックのような
これら貴金属の微粉末あるいは貴金属を担持したカーボ
ン粉末を使用することができる。
【００１２】固体高分子電解質型燃料電池の場合、高分
子固体電解質としては、パーフルオロカーボンスルフォ
ン酸系樹脂膜やスチレン−ジビニルベンゼン共重合体系
樹脂膜などの、各種イオン交換樹脂膜を使用することが
できる。
子固体電解質としては、パーフルオロカーボンスルフォ
ン酸系樹脂膜やスチレン−ジビニルベンゼン共重合体系
樹脂膜などの、各種イオン交換樹脂膜を使用することが
できる。
【００１３】ガス拡散性多孔性基体としては、カーボン
ペーパー、カーボンとポリテトラフルオロエチレンの混
練シート、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、発泡
金属なども使用することができる。
ペーパー、カーボンとポリテトラフルオロエチレンの混
練シート、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、発泡
金属なども使用することができる。
【００１４】撥水剤材料としては、ポリテトラフルオロ
エチレンやテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプ
ロピレン共重合体などを水溶液中に分散させたものを使
用することができる。
エチレンやテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプ
ロピレン共重合体などを水溶液中に分散させたものを使
用することができる。
【００１５】本発明になる燃料電池用ガス拡散電極は次
の方法で作製される。まず、エチルアルコール、プロピ
ルアルコール、ブチルアルコールなどの低級アルコール
の単一あるいは混合溶媒中に、白金ブラックなどの触媒
粒子あるいは触媒を担持したカーボン粉末を加えて混合
し、これにディスパージョンポリテトラフルオロエチレ
ンなどの撥水剤および高分子電解質のアルコール溶液を
加え、均一に混合して触媒分散溶液とし、さらにアルコ
ールを加えて粘度の低い溶液にしておく。さらに、短い
炭素繊維の粉末を触媒分散溶液に加えて、炭素繊維が溶
液中に均一に分散するように混合する。別に、多孔質基
体をディスパージョンポリテトラフルオロエチレンなど
の溶液中に浸漬し、乾燥・焼成して得た、撥水処理をほ
どこした多孔性質体を準備しておき、その表面に炭素繊
維を分散させた触媒分散溶液を塗布あるいは噴霧によっ
て取り付け、乾燥して、表面に炭素繊維を含む触媒層を
備えたガス拡散電極を得る。このようにして得られた２
枚のガス拡散電極の間に固体高分子電解質膜を、触媒を
取り付けた面が固体高分子電解質膜側になるようにして
挟み、ポットプレス法によって接合して、燃料電池用電
極／電解質接合体を作製するものである。
の方法で作製される。まず、エチルアルコール、プロピ
ルアルコール、ブチルアルコールなどの低級アルコール
の単一あるいは混合溶媒中に、白金ブラックなどの触媒
粒子あるいは触媒を担持したカーボン粉末を加えて混合
し、これにディスパージョンポリテトラフルオロエチレ
ンなどの撥水剤および高分子電解質のアルコール溶液を
加え、均一に混合して触媒分散溶液とし、さらにアルコ
ールを加えて粘度の低い溶液にしておく。さらに、短い
炭素繊維の粉末を触媒分散溶液に加えて、炭素繊維が溶
液中に均一に分散するように混合する。別に、多孔質基
体をディスパージョンポリテトラフルオロエチレンなど
の溶液中に浸漬し、乾燥・焼成して得た、撥水処理をほ
どこした多孔性質体を準備しておき、その表面に炭素繊
維を分散させた触媒分散溶液を塗布あるいは噴霧によっ
て取り付け、乾燥して、表面に炭素繊維を含む触媒層を
備えたガス拡散電極を得る。このようにして得られた２
枚のガス拡散電極の間に固体高分子電解質膜を、触媒を
取り付けた面が固体高分子電解質膜側になるようにして
挟み、ポットプレス法によって接合して、燃料電池用電
極／電解質接合体を作製するものである。
【００１６】このような構成とすることにより、ガス拡
散層内部のガス拡散速度が大きく、しかも触媒利用率が
大きく、その結果優れた電極特性を示す燃料電池用電極
を得ることができる。
散層内部のガス拡散速度が大きく、しかも触媒利用率が
大きく、その結果優れた電極特性を示す燃料電池用電極
を得ることができる。
【００１７】
【実施例】本発明になる燃料電池用電極の製造方法およ
び構造を、好適な実施例を用いて詳述する。
び構造を、好適な実施例を用いて詳述する。
【００１８】［実施例１］まず、空隙率７５％、厚み
０．４０ｍｍのカーボンペーパーを１０ｃｍ×１０ｃｍ
の大きさに切り、２−プロパノールで洗浄、乾燥したも
のを、ポリテトラフルオロエチレンを２０重量％含むデ
ィスパージョンポリテトラフルオロエチレン水溶液中に
数秒間浸漬し、取り出して自然乾燥した後、アルゴンカ
ズ雰囲気下で３５０℃、１０分間焼成する。得られた撥
水処理済みカーボンペーパーには、カーボンペーパーに
対し１０重量％のポリテトラフルオロエチレンが取り付
けられている。
０．４０ｍｍのカーボンペーパーを１０ｃｍ×１０ｃｍ
の大きさに切り、２−プロパノールで洗浄、乾燥したも
のを、ポリテトラフルオロエチレンを２０重量％含むデ
ィスパージョンポリテトラフルオロエチレン水溶液中に
数秒間浸漬し、取り出して自然乾燥した後、アルゴンカ
ズ雰囲気下で３５０℃、１０分間焼成する。得られた撥
水処理済みカーボンペーパーには、カーボンペーパーに
対し１０重量％のポリテトラフルオロエチレンが取り付
けられている。
【００１９】別に、２−プロパノールで洗浄、乾燥した
カーボンペーパーを小片に切り、乳鉢で粉砕し、短い炭
素繊維の粉末を作製しておく。
カーボンペーパーを小片に切り、乳鉢で粉砕し、短い炭
素繊維の粉末を作製しておく。
【００２０】つぎに、触媒分散溶液を作製する。まず、
ステンレス製ビーカーに白金を１０重量％含む白金担持
触媒５ｇを入れ、水８０ｍｌを加えて撹拌し、さらに２
−プロパノール８０ｍｌを加え、超音波を照射しながら
撹拌機で１時間撹拌する。その後、ポリテトラフルオロ
エチレンを２０重量％含むディスパージョンポリテトラ
フルオロエチレン水溶液を２ｍｌ加え、撹拌機で１時間
撹拌する。さらに市販のナフィオン溶液（ナフィオン５
重量％含む、アルドリッチケミカル社製）１０ｍｌを加
え、超音波を照射しながら撹拌機で１時間撹拌し、さら
に２−プロパノール５０ｍｌ加えて超音波を照射しなが
ら撹拌機で１時間撹拌して触媒分散溶液を得た。この触
媒分散溶液に炭素繊維の粉末１ｇを加えて均一に撹拌し
た。
ステンレス製ビーカーに白金を１０重量％含む白金担持
触媒５ｇを入れ、水８０ｍｌを加えて撹拌し、さらに２
−プロパノール８０ｍｌを加え、超音波を照射しながら
撹拌機で１時間撹拌する。その後、ポリテトラフルオロ
エチレンを２０重量％含むディスパージョンポリテトラ
フルオロエチレン水溶液を２ｍｌ加え、撹拌機で１時間
撹拌する。さらに市販のナフィオン溶液（ナフィオン５
重量％含む、アルドリッチケミカル社製）１０ｍｌを加
え、超音波を照射しながら撹拌機で１時間撹拌し、さら
に２−プロパノール５０ｍｌ加えて超音波を照射しなが
ら撹拌機で１時間撹拌して触媒分散溶液を得た。この触
媒分散溶液に炭素繊維の粉末１ｇを加えて均一に撹拌し
た。
【００２１】撥水処理済みカーボンペーパーの片面に、
炭素繊維を含む触媒分散溶液を塗布し、自然乾燥の後、
再度塗布・自然乾燥後、１１０℃で１時間乾燥して、片
面に触媒層が取り付けられた燃料電池用ガス拡散電極Ａ
（本発明による電極）を得た。
炭素繊維を含む触媒分散溶液を塗布し、自然乾燥の後、
再度塗布・自然乾燥後、１１０℃で１時間乾燥して、片
面に触媒層が取り付けられた燃料電池用ガス拡散電極Ａ
（本発明による電極）を得た。
【００２２】比較のため、同じ撥水処理済みカーボンペ
ーパーの表面に、炭素繊維を含まない触媒分散溶液を、
同じ条件で塗布・乾燥して、片面に触媒層が取り付けら
れた燃料電池用ガス拡散電極Ｂ（従来の電極）を得た。
なお、電極Ａ、電極Ｂとも、触媒層の厚みは約０．０５
ｍｍ、電極表面の白金担持量は０．３ｍｇ／ｃｍ2 とし
た。
ーパーの表面に、炭素繊維を含まない触媒分散溶液を、
同じ条件で塗布・乾燥して、片面に触媒層が取り付けら
れた燃料電池用ガス拡散電極Ｂ（従来の電極）を得た。
なお、電極Ａ、電極Ｂとも、触媒層の厚みは約０．０５
ｍｍ、電極表面の白金担持量は０．３ｍｇ／ｃｍ2 とし
た。
【００２３】つぎに、本発明になる電極Ａと従来の電極
Ｂの断面の、高分子電解質の分布状態を見るためにＥＰ
ＭＡ分析を行った。分析資料としては、ガス拡散電極を
高分子電解質であるナフィオン１１５膜にホットプレス
で接合したものを使用した。高分子電解質であるナフィ
オンはスルフォン酸基を含んでいるため、イオウについ
てのＥＰＭＡ分析を行い、その分布を比較した。なお、
触媒分散溶液は均一に撹拌されているため、その濃度は
異なるが、カーボンペーパー中の白金触媒の分布もスル
フォン酸基の分布と類似しているものと考えられる。
Ｂの断面の、高分子電解質の分布状態を見るためにＥＰ
ＭＡ分析を行った。分析資料としては、ガス拡散電極を
高分子電解質であるナフィオン１１５膜にホットプレス
で接合したものを使用した。高分子電解質であるナフィ
オンはスルフォン酸基を含んでいるため、イオウについ
てのＥＰＭＡ分析を行い、その分布を比較した。なお、
触媒分散溶液は均一に撹拌されているため、その濃度は
異なるが、カーボンペーパー中の白金触媒の分布もスル
フォン酸基の分布と類似しているものと考えられる。
【００２４】図１は本発明になる電極Ａの断面のイオウ
の分布を示し、図２は従来の方法で作製した電極Ｂの断
面のイオウの分布を示したものであり、図１および図２
において黒点はイオウの存在を示している。図１および
図２においてナフィオン１１５膜の内部には多くのイオ
ウ、すなわちスルフォン酸基が存在していることが示さ
れている。図１に示した本発明になる電極Ａでは、イオ
ウは電極とナフィオン膜の間の触媒層にのみ存在してい
るのに対し、従来の電極Ｂでは、イオウは電極の内部に
も存在し、しかもお互いに接触していない孤立した部分
があることが示される。イオウの分布すなわちナフィオ
ンの分布と白金触媒の分布は類似しているため、電極Ａ
および電極Ｂの白金触媒の分布も図１や図２と同様と考
えられる。すなわち、本発明になる電極Ａでは白金触媒
は電極とナフィオンの間の触媒層にのみ存在しているの
に対し、従来の電極Ｂにおいては白金触媒は電極の内部
にも存在し、しかもお互いに接触していない孤立した部
分があることが示される。したがって、従来の電極Ｂに
おいては、白金触媒やナフィオンがカーボンペーパーの
内部にも存在して、ガスがカーボンペーパー中を拡散す
るのを妨げており、また、白金触媒が孤立していること
は、その白金触媒が反応に関与せず、全体として白金触
媒の利用効率を低下させていることが明らかであり、本
発明の電極Ａでは、このような欠点が取り除かれるもの
である。
の分布を示し、図２は従来の方法で作製した電極Ｂの断
面のイオウの分布を示したものであり、図１および図２
において黒点はイオウの存在を示している。図１および
図２においてナフィオン１１５膜の内部には多くのイオ
ウ、すなわちスルフォン酸基が存在していることが示さ
れている。図１に示した本発明になる電極Ａでは、イオ
ウは電極とナフィオン膜の間の触媒層にのみ存在してい
るのに対し、従来の電極Ｂでは、イオウは電極の内部に
も存在し、しかもお互いに接触していない孤立した部分
があることが示される。イオウの分布すなわちナフィオ
ンの分布と白金触媒の分布は類似しているため、電極Ａ
および電極Ｂの白金触媒の分布も図１や図２と同様と考
えられる。すなわち、本発明になる電極Ａでは白金触媒
は電極とナフィオンの間の触媒層にのみ存在しているの
に対し、従来の電極Ｂにおいては白金触媒は電極の内部
にも存在し、しかもお互いに接触していない孤立した部
分があることが示される。したがって、従来の電極Ｂに
おいては、白金触媒やナフィオンがカーボンペーパーの
内部にも存在して、ガスがカーボンペーパー中を拡散す
るのを妨げており、また、白金触媒が孤立していること
は、その白金触媒が反応に関与せず、全体として白金触
媒の利用効率を低下させていることが明らかであり、本
発明の電極Ａでは、このような欠点が取り除かれるもの
である。
【００２５】つぎに、本発明になる電極Ａと従来の方法
で作製した電極Ｂを使用し、それぞれ２枚の電極の間に
固体高分子電解質膜としてのナフィオン１１５膜を、電
極の触媒を取り付けた面がナフィオン膜側になるように
して挟み、１４０℃で３分間ホットプレスして接合し、
燃料電池用電極／電解質接合体を作製した。そして片方
の電極に空気を、他方の電極に水素を流して、燃料電池
の特性を測定した。図３はｉ−Ｖ曲線を示したもので、
大電流領域においては、従来の方法で作製した電極Ｂの
特性に比べ、本発明になる電極Ａの特性の方が優れてい
ることが示された。
で作製した電極Ｂを使用し、それぞれ２枚の電極の間に
固体高分子電解質膜としてのナフィオン１１５膜を、電
極の触媒を取り付けた面がナフィオン膜側になるように
して挟み、１４０℃で３分間ホットプレスして接合し、
燃料電池用電極／電解質接合体を作製した。そして片方
の電極に空気を、他方の電極に水素を流して、燃料電池
の特性を測定した。図３はｉ−Ｖ曲線を示したもので、
大電流領域においては、従来の方法で作製した電極Ｂの
特性に比べ、本発明になる電極Ａの特性の方が優れてい
ることが示された。
【００２６】
【発明の効果】本発明になる炭素繊維を含んだ触媒層を
備えた燃料電池用ガス拡散電極は、触媒分散溶液を多孔
質基体の表面に塗布あるいは噴霧する場合、炭素繊維の
存在のために、触媒分散溶液中に含まれる触媒粒子・カ
ーボン粒子・ポリテトラフルオロエチレン・高分子電解
質などの固体成分が炭素繊維にからまって、多孔質基体
の内部まで流れ込むようなことは起こらない。したがっ
て、多孔質基体の内部は触媒などの固形分にふさがれる
ことなく元の空隙が保たれており、反応ガスの拡散速度
が低下することはない。また、触媒がガス拡散電極の表
面にのみ存在することは、ほとんどの触媒が反応に関与
することになり、ムダな触媒はなく、その結果触媒利用
率を高めることができるものである。
備えた燃料電池用ガス拡散電極は、触媒分散溶液を多孔
質基体の表面に塗布あるいは噴霧する場合、炭素繊維の
存在のために、触媒分散溶液中に含まれる触媒粒子・カ
ーボン粒子・ポリテトラフルオロエチレン・高分子電解
質などの固体成分が炭素繊維にからまって、多孔質基体
の内部まで流れ込むようなことは起こらない。したがっ
て、多孔質基体の内部は触媒などの固形分にふさがれる
ことなく元の空隙が保たれており、反応ガスの拡散速度
が低下することはない。また、触媒がガス拡散電極の表
面にのみ存在することは、ほとんどの触媒が反応に関与
することになり、ムダな触媒はなく、その結果触媒利用
率を高めることができるものである。
【００２７】なお、炭素繊維は、軽くて細かい粉末にし
て触媒分散溶液中に均一に分散し易く、また、高電導性
であるため、触媒層の電気抵抗を小さくする。
て触媒分散溶液中に均一に分散し易く、また、高電導性
であるため、触媒層の電気抵抗を小さくする。
【００２８】さらに、本発明になる触媒分散溶液中に炭
素繊維を含ませて多孔質基体の表面に塗布あるいは噴霧
し、炭素繊維を含む触媒層とする方法は、触媒分散溶液
が多孔質基体の表面にのみ付着し、内部には侵入しない
ため、多孔質基体がカーボンペーパー以外のカーボンの
焼結体や発泡金属などの表面に大きな孔を持つあらゆる
基体にも有効である。
素繊維を含ませて多孔質基体の表面に塗布あるいは噴霧
し、炭素繊維を含む触媒層とする方法は、触媒分散溶液
が多孔質基体の表面にのみ付着し、内部には侵入しない
ため、多孔質基体がカーボンペーパー以外のカーボンの
焼結体や発泡金属などの表面に大きな孔を持つあらゆる
基体にも有効である。
【００２９】また、燃料電池の電極は一般に、多孔質基
体の表面に触媒層を取り付けたガス拡散電極を使用して
いるため、本発明の電極は固体高分子電解質型燃料電池
のみならず、その他の燃料電池にも適用可能である。
体の表面に触媒層を取り付けたガス拡散電極を使用して
いるため、本発明の電極は固体高分子電解質型燃料電池
のみならず、その他の燃料電池にも適用可能である。
【図１】本発明になる電極Ａと高分子固体電解質接合体
の断面の、イオウの分布を示す図
の断面の、イオウの分布を示す図
【図２】従来の電極Ｂと高分子固体電解質接合体の断面
の、イオウの分布を示す図
の、イオウの分布を示す図
【図３】本発明になる電極Ａと従来の電極Ｂを使用した
燃料電池の特性を比較した図
燃料電池の特性を比較した図
Claims (8)
- 【請求項１】多孔質基体表面に炭素繊維を含む触媒層を
備えたことを特徴とする燃料電池用電極。 - 【請求項２】触媒層中に固体高分子電解質を含む、請求
項１記載の燃料電池用電極。 - 【請求項３】触媒層中に白金担持カーボンを含む、請求
項１又は請求項２記載の燃料電池用電極。 - 【請求項４】触媒層中に撥水剤を含む、請求項１又は請
求項２記載の燃料電池用電極。 - 【請求項５】多孔質基体がカーボンペーパーである、請
求項１記載の燃料電池用電極。 - 【請求項６】多孔質基体が撥水剤で処理された、請求項
１記載の燃料電池用電極。 - 【請求項７】撥水剤がポリテトラフルオロエチレン系ポ
リマーである、請求項４又は請求項６記載の燃料電池用
電極。 - 【請求項８】多孔質基体表面に炭素繊維を含む触媒層を
備え、触媒層中に固体高分子電解質を含む燃料電池用電
極と、固体高分子電解質とからなる、燃料電池用電極電
解質膜接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9039828A JPH10223233A (ja) | 1997-02-06 | 1997-02-06 | 燃料電池用電極および電極電解質膜接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9039828A JPH10223233A (ja) | 1997-02-06 | 1997-02-06 | 燃料電池用電極および電極電解質膜接合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10223233A true JPH10223233A (ja) | 1998-08-21 |
Family
ID=12563842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9039828A Pending JPH10223233A (ja) | 1997-02-06 | 1997-02-06 | 燃料電池用電極および電極電解質膜接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10223233A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002151088A (ja) * | 2000-11-09 | 2002-05-24 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子型燃料電池の製造方法 |
| WO2002056404A1 (en) * | 2001-01-16 | 2002-07-18 | Showa Denko K. K. | Catalyst composition for cell, gas diffusion layer, and fuel cell comprising the same |
| JP2004273434A (ja) * | 2003-02-20 | 2004-09-30 | Jsr Corp | 電極用ペースト組成物 |
| JP2005194107A (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-21 | Tokyo Institute Of Technology | 多孔質炭素層の形成方法 |
| US7094492B2 (en) | 2001-10-11 | 2006-08-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Electrode for polymer electrolyte fuel cell |
| EP1701399A1 (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-13 | Japan Gore-Tex, Inc. | Fuel cell humidity adjusting film |
| US7125822B2 (en) * | 2002-08-12 | 2006-10-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Fuel cell catalyst and fuel cell |
| JP2007508677A (ja) * | 2003-10-17 | 2007-04-05 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 改善された燃料電池性能のための拡散媒体上のポリマー表面分布の制御 |
| JP2007157736A (ja) * | 2001-01-16 | 2007-06-21 | Showa Denko Kk | 電池用触媒組成物、ガス拡散層及びこれらを備えた燃料電池 |
| JP2007250366A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用電極の触媒層 |
| JP2008147031A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Sharp Corp | 膜電極複合体の製造方法 |
| US7585584B2 (en) | 2002-07-29 | 2009-09-08 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Carbon nanotubes for fuel cells, method for manufacturing the same, and fuel cell using the same |
| JP2010257929A (ja) * | 2009-03-31 | 2010-11-11 | Eneos Celltech Co Ltd | 燃料電池用電極触媒スラリーの製造方法ならびに固体高分子型燃料電池用の電極および膜・電極接合体 |
| US9203093B2 (en) | 2011-03-21 | 2015-12-01 | Hyundai Motor Company | Fuel cell electrode |
-
1997
- 1997-02-06 JP JP9039828A patent/JPH10223233A/ja active Pending
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002151088A (ja) * | 2000-11-09 | 2002-05-24 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子型燃料電池の製造方法 |
| JP4529276B2 (ja) * | 2000-11-09 | 2010-08-25 | 旭硝子株式会社 | 固体高分子型燃料電池の製造方法 |
| JP2007157736A (ja) * | 2001-01-16 | 2007-06-21 | Showa Denko Kk | 電池用触媒組成物、ガス拡散層及びこれらを備えた燃料電池 |
| WO2002056404A1 (en) * | 2001-01-16 | 2002-07-18 | Showa Denko K. K. | Catalyst composition for cell, gas diffusion layer, and fuel cell comprising the same |
| US7094492B2 (en) | 2001-10-11 | 2006-08-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Electrode for polymer electrolyte fuel cell |
| US7585584B2 (en) | 2002-07-29 | 2009-09-08 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Carbon nanotubes for fuel cells, method for manufacturing the same, and fuel cell using the same |
| US8083905B2 (en) | 2002-07-29 | 2011-12-27 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Carbon nanotubes for fuel cells, method for manufacturing the same, and fuel cell using the same |
| US7125822B2 (en) * | 2002-08-12 | 2006-10-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Fuel cell catalyst and fuel cell |
| JP2004273434A (ja) * | 2003-02-20 | 2004-09-30 | Jsr Corp | 電極用ペースト組成物 |
| JP2007508677A (ja) * | 2003-10-17 | 2007-04-05 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 改善された燃料電池性能のための拡散媒体上のポリマー表面分布の制御 |
| JP4838721B2 (ja) * | 2003-10-17 | 2011-12-14 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 改善された燃料電池性能のための拡散媒体上のポリマー表面分布の制御 |
| JP2005194107A (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-21 | Tokyo Institute Of Technology | 多孔質炭素層の形成方法 |
| EP1701399A1 (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-13 | Japan Gore-Tex, Inc. | Fuel cell humidity adjusting film |
| JP2007250366A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用電極の触媒層 |
| JP2008147031A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Sharp Corp | 膜電極複合体の製造方法 |
| JP2010257929A (ja) * | 2009-03-31 | 2010-11-11 | Eneos Celltech Co Ltd | 燃料電池用電極触媒スラリーの製造方法ならびに固体高分子型燃料電池用の電極および膜・電極接合体 |
| US9203093B2 (en) | 2011-03-21 | 2015-12-01 | Hyundai Motor Company | Fuel cell electrode |
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