JPS61225768A - 燃料電池のガス拡散電極 - Google Patents

燃料電池のガス拡散電極

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JPS61225768A
JPS61225768A JP60063972A JP6397285A JPS61225768A JP S61225768 A JPS61225768 A JP S61225768A JP 60063972 A JP60063972 A JP 60063972A JP 6397285 A JP6397285 A JP 6397285A JP S61225768 A JPS61225768 A JP S61225768A
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electrode
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gas diffusion
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Kazuo Koseki
小関 和雄
Shunji Watanabe
俊二 渡辺
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel 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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属すゐ技術分野〕 本発明は燃料電池のガス拡散電極に関する。
〔従来技術とその問題点〕
燃料電池は触媒層を備えた多孔性のガス拡散電極に燃料
ガスや酸化剤ガスを連続的に供給し、電融液との電気化
学的反応により燃料のエネルギーを電気エネルギーに変
換して取シ出す装置であって、ガス拡散電極の構造は一
般に第3図のようなものが知られている。
第3図はガス拡散電極の構成部材の配置を示した模式的
断面図であシ、電極の一方の面が電解液に接し、その反
対側の面が燃料または酸化剤ガスに接するように、液側
層1.触媒層2および撥水層303層からなる。但し液
側層1はマトリックス型燃料電池においては省略される
ことが多いが、自由電解液型燃料電池に設けられて電解
液室側へのガスのバブリングを防ぐ役割を果す。燃料ガ
ス。
電解液、触媒が互に接触して起こる電気化学的反応は触
媒層2内で行なわれる。撥水層3は電解液がガス側へ漏
洩するのを防ぐ役割をもっている。
したがって撥水層3を形成する材料としては電解液をは
じきやすい、すなわち抗水性の高い材料が好ましく、ア
セチレンブラック粉末やグラファイト粉末などが適して
おり、411アセチレンブラツクは抗水性が著しく高い
ので最適である。撥水層3はこれら粉末に少量のポリ4
弗化エチレン樹脂を結合剤として混合した後成形される
〇しかしながら抗水性の高いアセチレンブラックを用い
た撥水層3を備えた電極にも次のような欠点がある。す
なわち、触媒層2内で起こる電気化学的反応により生ず
る水は、電解液室側(マトリックス型ではマトリックス
側)またはガス側へ拡散もしくは蒸発して逃散して行き
、このとき燃料電池が通常状態で運転されていれば水が
触媒層2中に蓄積されることはないが、高負荷状態で運
転されると、水の生成される量の方が逃散する量よシも
多くなシ、その結果触媒層2内に蓄積される水が増加を
続は触媒層2内の水圧が高まる。水圧が高まると電解室
液側への水の逃散する割合も増えるから水の生成量と逃
散量とのバランスを保つことはできるが、高負荷運転状
態が長時間続くと、電極内の水圧が電極内で結着力の弱
い個所に作用し、具体的には触媒層2と撥水層3の境界
部が剥離して、剥離によって生じた空隙に水が蓄積され
るようKなる。このような状態になったとき電極はガス
拡散性が損なわれ、電極性能は極端に低下する。この現
象は高い抗水性、を有し水を逃散させ難いアセチレンブ
ラック溌水層に顕著に現われるが、同様に抗水性の良好
なグラファイト粉末を用いた撥水層とした場合にも屡々
みられ、例えばアルカリ型燃料電池を100℃以下の低
温で作動させるとき、生成される水は液状、のままであ
り、水の生成反応を起こす水素極にとくに問題となる。
例えば通常のごとくアセチレンブラック100部にポリ
4弗化工チレンデイスパージヨン20部を添加しシート
成形した撥水層、白金を担持したファーネスブラックに
ポリ4弗化エチレンを加えてシート成形した触媒層、焼
結ニッケル板を源側層としてこの順に積層した電極A、
別にグラフアイ)100部にポリ4弗化工チレンデイス
パージヨン30部を添加しシート成形した撥水層と前記
の触媒層、源側層から同様に構成した電極Bの2種類の
電極をアルカリ型燃料電池の水素極として連続放電を行
なうと第4図のような結果が得られる・第4図は65℃
で500mA/cdの高電流密度としたときの経過時間
に対する電位の関係を示した線図であって、第4図にみ
られるようにA、 B両電極とも約2500〜2700
時間を経過すると急激に劣化するようになる◇これら両
電極A、 Bをそれぞれ放電後の断面で示すといずれも
第5図のごとくであり、各部を第3図と同一符号で示し
であるが、この断面を観察すると、触媒層2と撥水層3
との境界が一部剥離を生じここに水泡4の存在が認めら
れ、蓄積された水泡4が前述のようガス拡散性を阻害し
、電極性能を劣化させるのである。
〔発明の目的〕
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでロシ、その目
的は高負荷運転を長期間継続するときも触媒層と撥水層
が剥離を起こさず、これら層間に電気化学反応によシ生
成される水が蓄積されることなく、安定した電極性能を
保持することができる燃料電池のガス拡散電極を提供す
ることにある。
〔発明の要点〕
本発明は撥水層、触媒層および源側層からなる燃料電池
のガス拡散電極のガス側に配設された撥水層に、撥水性
の高いカーボン粉末とこれより撥水性の、低いカーボン
粉末との混合粉末とを用い、撥水層内お上び撥水層のガ
ス側表面に抗水性の高い部分と抗水性の低い部分を形成
させ、高負荷運転時に生成される水の増量分を抗水性の
低い部分を通してガス側に水滴として逃がすことによシ
、触媒層と撥水層との剥離およびこれら両層間に水が蓄
積することのないガス拡散電極としたものである。
〔発明の実施例〕
以下本発明を実施例に基づき説明する。
撥水層を構成するカーボン材料として抗水性の高いカー
ボンにはアセチレンブラックとグラファイトを用い、抗
水性の低い材料には活性炭と7フーネスブラツクを選び
これら抗水性の異なるカーボン材料の組み合わせによる
4試料電極を作製した。その組み合わせおよび配合は第
1表のようにした。
第  1  表 以上C,D、E、Fの記号で表わした4種の電極の作製
方法は次の通シである。電極C,Dのアセチレンブラッ
クを用いたものはそれぞれ第1表の配合に混合し、ポリ
4弗化エチレンデイスパージヨンを20重量部添加した
後、シートに成形しこれを撥水層とする。次に白金を担
持したファーネスブラックにポリ4弗化エチレンを加え
てシートに成形した触媒層、さらに焼結ニッケル板を源
側層としこれら3層をこの順序に重ねてホットプレスす
ることによシ一体化し電極を構成した◇撥水層にグラフ
ァイトを用いた電極E、Fはそれぞれ第1表の配合に混
合しポリ4弗化工チレンデイスパージヨン30重量部を
添加した後、シートに成形して撥水層とし、触媒層と源
側層は電極C1Dと同じものを用いて同様に積層一体化
する。このようKして作製した各電極の構成を模式的断
面図として示すことは、第3図と同様になるから図示を
省略するが、撥水層は抗水性の高いアセチレンブラック
粉末またはグラファイト粉末が、抗水性の低い活性炭粉
末またはファーネスブラック粉末と混シ合って、全体に
一様に分散してポリ4弗化エチレン樹脂によ多結合され
たものとなシ、この撥水層はガス側に配置されるので、
ガス側表面では2種類のカーボンが混合割合に応じて均
一に露出した状態となっている。
かくして得られた電極C,D、E、Fの連続放電特性を
求め結果を第1図に示す。第1図はこれら試料電極を水
素極とし、対極に白金板を配して、60℃の30%KO
K電解液中において、500 A/cdの高電流密度で
強制的に連続放電を行った場合の時間経過に対する出力
電位の関係を表わしたものである。
第1図から明らかなように電極C,Dは初期値からほと
んど変化なく推移し、電極E、Fも電極C,Dよりやや
低下するが、これら4電極はいずれも5000時間以上
過ぎるまで劣化することなく安定に作動している。これ
を第4図に示した従来電極A、Hの場合と比較すれば、
本発明による電極の方がほぼ2倍の長寿命を有すること
がわかる。
また放電後の電極C,Dについて断面観察を行なうと、
いずれも第2図のよう罠なっておシ、第5図の従来電極
A、Bの場合と対比して観察することができる。すなわ
ち第2図では第5図のように触媒層2と撥水層3が剥離
してその間に水泡4が存在するという形態をとることな
く、撥水層3のガス側表面に水滴5の付着が見られる。
このことは電極C,Dでは撥水層3に抗水性の低い活性
炭やファーネスブラックが含まれているために、高負荷
運転時に増える生成水をこれら抵抗水性カーボンによっ
て形成される細孔を通してガス側へ逃がしているからに
ほかならない。したがって拡散層3のガス側表面に付着
する水滴5は、いずれもその周囲の抗水性の高いアセチ
レンブラックで囲まれているために、はぼ球状を呈する
ようKなるから、この水滴5によって撥水層3のガス側
表面が覆われる面積は非常に少なく、水滴5が付着して
も撥水層3のガス拡散性が阻害されることはほとんどな
い。とくに水素ガスは拡散性が良いので水素極でガスの
拡散が損われることは全くないと言ってよい0なお断面
観察については、図示してない電極E、Fについても同
様の結果が得られる。
また本発明による電極C,D、 E、 Fを用いるとき
、放電中にガス側へ水滴5が落下するのが観察されるが
、この水は排出されるガスとともに電°池外部に運はれ
るので、電池の運転上支障をもたらすことdない。一方
水滴5は電極内の反応によって生成される水が主体であ
るが、僅かに電解液をも含むことから長期間運転後には
電解液の濃度が変化するが、これに対しては数千時間に
1回程度の割合で電解液の濃度調整を行う程度で済ませ
るととができ、実用上保守の点などでなんら不都合とな
ることは生じない0 〔発明の効果〕 とくにアルカ17 !燃料電池の水素極など燃料電池の
ガス拡散電極は触媒層内で電気化学反応によって生ずる
水が、高負荷運転時に増加し続けるので撥水層を抗水性
の高い材料のみで形成すると、−七の生成水が逃げられ
ず、電極内の水圧を高めて・);) 触媒層と撥水層を剥離させてその隙間に水泡が溜1υ”
!″!’f−1′L<*n6hu’>RA、t%”>゛
、・′ていたのに対し、本発明によれば実施例で説明し
される水の増量分を抗水性の低いカーボンで形成される
細孔を通してガス側に逃がし、撥水層のガス側表面に付
着する水滴としてこれを排出ガスとともに除去すること
ができるから、電極内に水が蓄積されることなく高負荷
運転に際しても電極は良好なガス拡散性を保持して長時
間にわたって安定な作動を持続することが可能となシ、
その結果電極寿命を大巾に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による電極の運転経過時間に対する出力
電位の変化を示す線図、第2図は本発明による電極の放
電後の模式的断面図、第3図は従来電極の構成を示す模
式的断面図、第4図は従来電極の放電特性線図、第5図
は同じく放電後の模式的断面図である。 1・・・・・・液側層、2・・・・・・触媒層、3・・
・・・・撥水層。 4・・・・・・水泡、5・・・・・・水滴0二心汗a:
等々力逢蚊兇時間(h) 第1図 第2図 第3図 ダン 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)撥水層をガス側に配置してなる燃料電池のガス拡散
    電極において、前記撥水層は弗素樹脂で結合された撥水
    性の異なるカーボン粉末の混合体からなることを特徴と
    する燃料電池のガス拡散電極。 2)特許請求の範囲第1項記載の電極において、撥水性
    の異なるカーボン粉末としてアセチレンブラックと活性
    炭を用いることを特徴とする燃料電池のガス拡散電極。 3)特許請求の範囲第1項記載の電極において、撥水性
    の異なるカーボン粉末としてアセチレンブラックとファ
    ーネスブラックを用いることを特徴とする燃料電池のガ
    ス拡散電極。 4)特許請求の範囲第1項記載の電極において、撥水性
    の異なるカーボン粉末としてグラファイトと活性炭を用
    いることを特徴とする燃料電池のガス拡散電極。 5)特許請求の範囲第1項記載の電極において、撥水性
    の異なるカーボン粉末としてグラファイトとファーネス
    ブラックを用いることを特徴とする燃料電池のガス拡散
    電極。
JP60063972A 1985-03-29 1985-03-29 燃料電池のガス拡散電極 Granted JPS61225768A (ja)

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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
JP2009266681A (ja) * 2008-04-25 2009-11-12 Toyota Motor Corp 燃料電池

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