JPS60133660A - 燃料電池の電極基材の製造方法 - Google Patents
燃料電池の電極基材の製造方法Info
- Publication number
- JPS60133660A JPS60133660A JP58241620A JP24162083A JPS60133660A JP S60133660 A JPS60133660 A JP S60133660A JP 58241620 A JP58241620 A JP 58241620A JP 24162083 A JP24162083 A JP 24162083A JP S60133660 A JPS60133660 A JP S60133660A
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- Japan
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- electrode
- carbon particles
- carbon
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- impregnated
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- Pending
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/96—Carbon-based electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は燃料電池のガス拡散電極の改良に関する。
例えば燐酸を雪解質とする燃料電池では、燐酸電解液を
保持したマトリックスを挾持している空気などを用いる
酸化剤側の電極と、水素に富むガスを用いる燃料ガス側
の電極不備え、いずれも多孔性の炭素電極基材に触媒を
担持した炭素粉末を弗素樹脂で結合した反応層を設ける
ことにより、これら電極に供給され拡散する酸化剤ガス
と燃料ガスが触奴および電解質の在任のもとに、雪見化
学的反応を連続的かつ安定に行わせている。
保持したマトリックスを挾持している空気などを用いる
酸化剤側の電極と、水素に富むガスを用いる燃料ガス側
の電極不備え、いずれも多孔性の炭素電極基材に触媒を
担持した炭素粉末を弗素樹脂で結合した反応層を設ける
ことにより、これら電極に供給され拡散する酸化剤ガス
と燃料ガスが触奴および電解質の在任のもとに、雪見化
学的反応を連続的かつ安定に行わせている。
このような燃料電池のガス拡散市極の従来の構造を模式
図で第１図に示す。第１図において１は電極暴利で触媒
層２を備えており、電極基材１は炭素繊細３からなって
いる。この電極の具備すべき性質として一般に次の諸点
が要求される。すなわち ＋１１’ｆｆｌ気化学的活性が高いこと（２）宿坊伝導
性が高いこと （３）耐熱性が大きいこと （４）耐食性が大きいこと （５）ガス拡−故性が大きいこと （６）機械的強度が高いこと （７）厚さの寸法精度が高いこと などであり、実用電極としては、電気化学的反芯を有効
に行わせるために、反応面積ができる限り大きくなるよ
うに多孔性としてガス拡散性を向上させ、電気抵抗を小
さくするため薄膜構造にしている。燐酸電解質形燃料電
池では触媒層２は貴金属を担持した炭素粉末の触媒と、
結着剤のボリテトラフルオロエナレン（ＰＴＦＥ）との
混合物を電極基月１の上に塗布することによりつくられ
る。
図で第１図に示す。第１図において１は電極暴利で触媒
層２を備えており、電極基材１は炭素繊細３からなって
いる。この電極の具備すべき性質として一般に次の諸点
が要求される。すなわち ＋１１’ｆｆｌ気化学的活性が高いこと（２）宿坊伝導
性が高いこと （３）耐熱性が大きいこと （４）耐食性が大きいこと （５）ガス拡−故性が大きいこと （６）機械的強度が高いこと （７）厚さの寸法精度が高いこと などであり、実用電極としては、電気化学的反芯を有効
に行わせるために、反応面積ができる限り大きくなるよ
うに多孔性としてガス拡散性を向上させ、電気抵抗を小
さくするため薄膜構造にしている。燐酸電解質形燃料電
池では触媒層２は貴金属を担持した炭素粉末の触媒と、
結着剤のボリテトラフルオロエナレン（ＰＴＦＥ）との
混合物を電極基月１の上に塗布することによりつくられ
る。
電極暴利１はガス拡散性、電気伝導性および耐熱。
耐食性を満足するために炭素繊維を薄膜状としたものが
用いられている。
用いられている。
しかしながら、以上のような従来の電極構造では、電極
基材ｌ自体の機械的強度が不足し、曲げ。
基材ｌ自体の機械的強度が不足し、曲げ。
圧縮強度が小さいために、この基材１の上に触媒層２を
塗布して作製したガス拡散電極も曲げや圧縮に対して弱
いものとなり、電極基材１の厚さ寸法は通常０．５図程
までしか薄くできない。また燃料電池を各単電池の積層
体として締め付ける際に、電極が脆くき裂を生ずるなど
の欠点があった。
塗布して作製したガス拡散電極も曲げや圧縮に対して弱
いものとなり、電極基材１の厚さ寸法は通常０．５図程
までしか薄くできない。また燃料電池を各単電池の積層
体として締め付ける際に、電極が脆くき裂を生ずるなど
の欠点があった。
本発明は薄膜でしかも曲げ、圧縮に対する機械的強度の
大きい燃料電池のガス拡散電極の製造方法を提供するこ
とにある。
大きい燃料電池のガス拡散電極の製造方法を提供するこ
とにある。
ｒ発明の要点〕
本発明は薄膜多孔性樹脂の空孔に導電性炭素粒子を充填
することにより、薄膜かつ機械的強度の大なるガス拡散
電極の基材としたものである。
することにより、薄膜かつ機械的強度の大なるガス拡散
電極の基材としたものである。
以下本発明を実施例に基づき説明する。
まず界面活性剤を添加した水に平均粒径が１〜３μｍの
炭素粒子を添加し、超音波を用いて攪拌混合して炭素粒
子を十分液中に分散させたインクを調合し、このインク
中に厚さ１００ Ｐｍ 、平均孔径１０μｍ、気孔率７
０〜８０％を有する多孔性のＰＴＦＥ膜を浸漬し、真空
含浸法により、このＰ Ｔ Ｆ Ｅ膜の細孔中に炭素粒
子を含浸させる。次に炭素粒子を含浸したＰ’ＴＦＥ膜
を加熱乾燥させて水分を除去し、この操作を繰り返し行
うことにより、炭素曖を増すことができる。炭素粒子の
量は、インクの炭素濃度と粒子の径によって定まる飽和
量がある。炭素粒子の含浸を終了したＰＴＦＥ膜は、Ｐ
Ｔ Ｆ Ｅ膜の融点以下の２９０℃で焼成して電極基
材とするが、この基材はＰ ＴＦ Ｂ 膜に炭素粒子を
含浸しただけであるから、この才までは基材に充填され
た炭素粒子が甫解散に対して濡れやすくなり、ガス拡散
性を低下させるので、さらにＰ ＴＦ Ｅ微粒子を界面
活性剤とともに水中に分散させたＰ Ｔ Ｆ Ｅディス
パージョンに浸漬して炭素粒子に撥水性を付与させる必
要がある。
炭素粒子を添加し、超音波を用いて攪拌混合して炭素粒
子を十分液中に分散させたインクを調合し、このインク
中に厚さ１００ Ｐｍ 、平均孔径１０μｍ、気孔率７
０〜８０％を有する多孔性のＰＴＦＥ膜を浸漬し、真空
含浸法により、このＰ Ｔ Ｆ Ｅ膜の細孔中に炭素粒
子を含浸させる。次に炭素粒子を含浸したＰ’ＴＦＥ膜
を加熱乾燥させて水分を除去し、この操作を繰り返し行
うことにより、炭素曖を増すことができる。炭素粒子の
量は、インクの炭素濃度と粒子の径によって定まる飽和
量がある。炭素粒子の含浸を終了したＰＴＦＥ膜は、Ｐ
Ｔ Ｆ Ｅ膜の融点以下の２９０℃で焼成して電極基
材とするが、この基材はＰ ＴＦ Ｂ 膜に炭素粒子を
含浸しただけであるから、この才までは基材に充填され
た炭素粒子が甫解散に対して濡れやすくなり、ガス拡散
性を低下させるので、さらにＰ ＴＦ Ｅ微粒子を界面
活性剤とともに水中に分散させたＰ Ｔ Ｆ Ｅディス
パージョンに浸漬して炭素粒子に撥水性を付与させる必
要がある。
第２図はこのようにして得らイｔた基材をもつ電極構造
を模式的に示したものであり、第１図と同様に電極基材
１と触媒ｊ−２からなっているかｍ１図と異なる所は電
極基材１はＰＴＦＥ４の細孔に炭素粒子５が充填されて
いることである。
を模式的に示したものであり、第１図と同様に電極基材
１と触媒ｊ−２からなっているかｍ１図と異なる所は電
極基材１はＰＴＦＥ４の細孔に炭素粒子５が充填されて
いることである。
第３図は第２図の電極基材１に孔６を設け、ガス拡散性
を向上させるようにしたものであるが、孔６の太きさや
数は、基材１の強度を保持し導電性を損、１つない程度
に、燃料電池の出力特性に見合って適宜設定すれはよい
。例えば０．１麿厚さの基材ｌに対し゛にれより大きな
径の孔０．２〜０．３厘とすることができる。
を向上させるようにしたものであるが、孔６の太きさや
数は、基材１の強度を保持し導電性を損、１つない程度
に、燃料電池の出力特性に見合って適宜設定すれはよい
。例えば０．１麿厚さの基材ｌに対し゛にれより大きな
径の孔０．２〜０．３厘とすることができる。
第２図、第３図に示したガス拡散電極は、基材がＰＴＦ
Ｅの電気絶縁相であるが、炭素粉末を含浸して導電性を
もたせてあり、かつ従来の電極基材である炭素繊維など
に比べて大きな柔軟性を備えているから、曲げ、圧縮な
どの応力に対する追従性が高く、従来の炭素繊維基材で
は僅かに曲げるだけでき裂を生じたり、′５〜１０シ吃
−の圧縮力が負荷されると破損してしまうのに対して、
本発明により得られる基材は、大きな曲げ応力に耐え、
１０’？＆以上の圧縮応力でも破損に至ることがない。
Ｅの電気絶縁相であるが、炭素粉末を含浸して導電性を
もたせてあり、かつ従来の電極基材である炭素繊維など
に比べて大きな柔軟性を備えているから、曲げ、圧縮な
どの応力に対する追従性が高く、従来の炭素繊維基材で
は僅かに曲げるだけでき裂を生じたり、′５〜１０シ吃
−の圧縮力が負荷されると破損してしまうのに対して、
本発明により得られる基材は、大きな曲げ応力に耐え、
１０’？＆以上の圧縮応力でも破損に至ることがない。
第４図は従来の炭素繊維基材２本発明のＰ Ｔ Ｆ Ｅ
膜に炭素粉末を含浸しＰＴＦｇディスパージョン処理を
した基材およびこれに孔あけ加工を施した基材の３種類
の基材を用いてそれぞれガス拡散電極を作製し、これを
小型の燐酸型燃料電池に適用した場合の電池の放電時の
各電圧特性の比較を示したものであり、燃料電池の出力
電圧と運転時間の関係を表わした線図である。第４図に
おいて、曲線イは従来電極１曲線口は本発明の電極９曲
線ノ・は孔あけをした本発明の電極の特性である。第４
図かられかるように、曲線イの従来電極では１０００時
間を超えると急速に劣化が進み、これに対して曲線口の
本発明による電極は初期出力は僅かに劣るが、長時間に
わたって出力特性を持続し、さらに曲線ハに示した電極
基材に孔を設けた場合は、孔なしのものより初期値がや
や高くなり、しかも長寿命を保っている。このように３
種類の電極を電池出力特性で比較すると、炭素繊維から
なる基材が最もガス拡散性が良好であって初期特性は僅
かに勝っているが、本発明による電極は、長時間燃料電
池を安定に持続して運転できる点においてはるかに優れ
ている。１ ｒ＠明の効果〕 。
膜に炭素粉末を含浸しＰＴＦｇディスパージョン処理を
した基材およびこれに孔あけ加工を施した基材の３種類
の基材を用いてそれぞれガス拡散電極を作製し、これを
小型の燐酸型燃料電池に適用した場合の電池の放電時の
各電圧特性の比較を示したものであり、燃料電池の出力
電圧と運転時間の関係を表わした線図である。第４図に
おいて、曲線イは従来電極１曲線口は本発明の電極９曲
線ノ・は孔あけをした本発明の電極の特性である。第４
図かられかるように、曲線イの従来電極では１０００時
間を超えると急速に劣化が進み、これに対して曲線口の
本発明による電極は初期出力は僅かに劣るが、長時間に
わたって出力特性を持続し、さらに曲線ハに示した電極
基材に孔を設けた場合は、孔なしのものより初期値がや
や高くなり、しかも長寿命を保っている。このように３
種類の電極を電池出力特性で比較すると、炭素繊維から
なる基材が最もガス拡散性が良好であって初期特性は僅
かに勝っているが、本発明による電極は、長時間燃料電
池を安定に持続して運転できる点においてはるかに優れ
ている。１ ｒ＠明の効果〕 。
以上実施例で説明したごとく本発明によれば、燃料電池
のガス拡散電極の基材として従来用いられていた炭素繊
維の代りに多孔性のＰ Ｔ Ｆ Ｅシートを用いて、こ
のシートの空孔に炭素粉末を含浸後撥水処理を施したも
のを電極基材とすることにより、Ｐ ’ｒ Ｆ Ｅが炭
素繊維に比べてじん性が大きく、したがって曲げ、圧縮
などの外的負荷応力に対する吸収能にすぐれるため基材
を破損することなく、製造過程における取扱い中も、ま
た燃料電池スタックの締め付けに対しても基セを健全に
保持することができる。従来の炭素繊維が曲げ、圧縮に
脆く、破損しやすいために、基材の厚さ寸法は０５閾程
度までしか薄くできなかったのに７Ｊ Ｌ、・Ｐ Ｔ
Ｆ Ｅシートを主体として炭素を含む本発明の暴利は上
記のように曲げ、圧縮などによる欠陥を生じないので０
．１１程度まで厚さを減少することが可能となり、電極
の電気抵抗を減少させるのに有効である。またＰ ’ｌ
” Ｆ Ｅシートは絶縁材であっても多孔性を有し、そ
の細孔に炭素粉末を充填して４Ｎ性を付与するとともに
撥水処理を施してガス拡散性をよくし、燃料電池の７９
化学的反応を効率よく行わしめているから、本発明によ
る電極は、燃料電池の寿命を延ばすのに効果的であり、
電極基材に孔を設けて、さらにガス拡散性を向上させた
ものは出力特性を高めることもできる。
のガス拡散電極の基材として従来用いられていた炭素繊
維の代りに多孔性のＰ Ｔ Ｆ Ｅシートを用いて、こ
のシートの空孔に炭素粉末を含浸後撥水処理を施したも
のを電極基材とすることにより、Ｐ ’ｒ Ｆ Ｅが炭
素繊維に比べてじん性が大きく、したがって曲げ、圧縮
などの外的負荷応力に対する吸収能にすぐれるため基材
を破損することなく、製造過程における取扱い中も、ま
た燃料電池スタックの締め付けに対しても基セを健全に
保持することができる。従来の炭素繊維が曲げ、圧縮に
脆く、破損しやすいために、基材の厚さ寸法は０５閾程
度までしか薄くできなかったのに７Ｊ Ｌ、・Ｐ Ｔ
Ｆ Ｅシートを主体として炭素を含む本発明の暴利は上
記のように曲げ、圧縮などによる欠陥を生じないので０
．１１程度まで厚さを減少することが可能となり、電極
の電気抵抗を減少させるのに有効である。またＰ ’ｌ
” Ｆ Ｅシートは絶縁材であっても多孔性を有し、そ
の細孔に炭素粉末を充填して４Ｎ性を付与するとともに
撥水処理を施してガス拡散性をよくし、燃料電池の７９
化学的反応を効率よく行わしめているから、本発明によ
る電極は、燃料電池の寿命を延ばすのに効果的であり、
電極基材に孔を設けて、さらにガス拡散性を向上させた
ものは出力特性を高めることもできる。
第１図は従来の電極構造を示す模式的断面図。
第２図は本発明によるＭ極構造を示す模式的断面図、第
３図は同じく基材ｌこ孔を設けた電極の模式的断面図、
第４図は燃料電池の運転時間と出力電圧との関係を示し
た線図である。 ■・・・Ｎ椿基材、４・・・ＰＴＦＥ、５・・・炭素粒
子、第１図 第２図 ６５ 第３図 第４図
３図は同じく基材ｌこ孔を設けた電極の模式的断面図、
第４図は燃料電池の運転時間と出力電圧との関係を示し
た線図である。 ■・・・Ｎ椿基材、４・・・ＰＴＦＥ、５・・・炭素粒
子、第１図 第２図 ６５ 第３図 第４図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）薄膜多孔性弗素樹脂の空孔に炭素粒子を含浸した後
、弗素樹′脂の融点以下の温度で焼成し、次いで弗素樹
脂懸濁液により撥水処理することを特徴とする燃料電γ
１此の電極基材の製造方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、電極暴
利を貫通する該基材の厚さ寸法より大きい径の孔を設け
ることを特徴とする燃料電池の電極暴利の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58241620A JPS60133660A (ja) | 1983-12-21 | 1983-12-21 | 燃料電池の電極基材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58241620A JPS60133660A (ja) | 1983-12-21 | 1983-12-21 | 燃料電池の電極基材の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60133660A true JPS60133660A (ja) | 1985-07-16 |
Family
ID=17077030
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58241620A Pending JPS60133660A (ja) | 1983-12-21 | 1983-12-21 | 燃料電池の電極基材の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60133660A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01161757A (ja) * | 1987-12-18 | 1989-06-26 | Nec Corp | 固体撮像素子 |
| JP2001513940A (ja) * | 1998-03-06 | 2001-09-04 | マグネート−モートア、ゲゼルシャフト、フュール、マグネートモートリシェ、テヒニク、ミット、ベシュレンクテル、ハフツング | 水に対する拡散能力が低いガス拡散電極およびポリマー電解膜燃料電池 |
-
1983
- 1983-12-21 JP JP58241620A patent/JPS60133660A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01161757A (ja) * | 1987-12-18 | 1989-06-26 | Nec Corp | 固体撮像素子 |
| JP2001513940A (ja) * | 1998-03-06 | 2001-09-04 | マグネート−モートア、ゲゼルシャフト、フュール、マグネートモートリシェ、テヒニク、ミット、ベシュレンクテル、ハフツング | 水に対する拡散能力が低いガス拡散電極およびポリマー電解膜燃料電池 |
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