JPS6240822B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電解質に例えばりん酸を使用するマ
トリツクス型燃料電池の電極−マトリツクス結合
体およびその製作方法に関する。

周知のようにこの種の燃料電池は、燃料電極、
空気電極の２枚の電極の間に電解質を含浸保持し
たマトリツクスを挾んで単電池が構成され、水素
を含む燃料ガスおよび空気の反応ガスがそれぞれ
前記の各電極に供給されるように構成されてい
る。ここで電極は予めポリテトラフルオロエチレ
ンで撥水処理されたカーボンペーパーを電極基材
に、その基材の面上に白金を担持したカーボンブ
ラツク触媒をポリテトラフルオロエチレンで結着
した触媒層を形成したものが広く使用されてい
る。またマトリツクスは、その機能として電子的
絶縁体であること、液状電解質に対して湿潤性と
大きな保持力を有すること、電池の作動温度に耐
え、りん酸等の電解質に対して化学的に安定であ
ること、両電極間で反応ガスが交差するのを阻止
するのに十分な泡圧力を有すること、およびでき
るだけ層の厚さが薄く、かつ電池組立等の取扱い
に対しても破損しないよう十分な強度を有してい
ることなどの特性が要求される。この観点から一
般には、マトリツクスとしては、シリコンカーバ
イドの粉末を主材料に、これに僅かな量のポリテ
トラフルオロエチレン等の結着剤で結着して親水
性を与えた多孔性の薄膜状のものが広く用いられ
ている。しかして層の厚さが１mmにも満たないマ
トリツクスはそれ自身に殆ど機械的な強度をもた
せることができないので、通常は前述した電極の
触媒層の上に直接塗布、焼成し、電極とマトリツ
クスを一体化した電極−マトリツクス結合体構造
として構成される場合が多い。

次に上記した電極−マトリツクス結合体の従来
における構造を第１図に示す。図において、１は
電極基材であるカーボンペーパー、２，３はそれ
ぞれカーボンペーパー１の面上に順次重ねて形成
された触媒層およびマトリツクス層である。また
触媒層２において、符号４は白金を担持したカー
ボンブラツク触媒の粒子５は触媒の粒子を結着し
ているポリテトラフルオロエチレンである。一
方、マトリツクス層３において、符号６はシリコ
ンカーバイドの粒子、５′はシリコンカーバイド
粒子を結着しているポリテトラフルオロエチレン
である。

上記構成のうち、触媒層２は先述のようにカー
ボンブラツク触媒４とポリテトラフルオロエチレ
ン５とのペースト状の混合物を電極基材１の上に
塗布し、300℃程度で焼成して形成される。これ
に対しマトリツクス層３は、シリコンカーバイド
６とポリテトラフルオロエチレン５′とのペース
ト状の混合物を既に燃成された触媒層２１の上に
塗布し、約300℃で５分程度焼成して形成され
る。この場合にマトリツクス層３には電解質に対
する十分な湿潤性と保持力を与えるために、撥水
性をもつたポリテトラフルオロエチレン５′の混
入割合は、触媒層２のそれに較べてはるかに少な
く、例えばシリコンカーバイド100重量部に対
し、ポリテトラフルオロエチレンは８重量部程度
に選定されている。

しかしながら上記のような構造および方法で作
られた電極−マトリツクス結合体は、マトリツク
ス層３の焼成段階、ないしは製作後に電池に組込
む取扱工程の段階で、しばしばマトリツクス層３
が触媒層２から剥離する不具合が生じ、また同時
にマトリツクス層自身にもひび割が生じることが
見られ、この結果製品としての歩どまりが低下す
る欠点があつた。この原因は結着剤としてシリコ
ンカーバイドに加えるポリテトラフルオロエチレ
ンの混入割合が少ないことにある訳であるが、仮
にこの混入割合を増すと、ポリテトラフルオロエ
チレンのもつ撥水性が大きく働いて、マトリツク
ス層に要求される湿潤性が得られなくなる。この
ためにポリテトラフルオロエチンの混入割合を増
すことは好ましくない。また他の結着剤を使用す
ることも考えられるが、りん酸電解質に対して有
効な耐熱、耐食性をもつものとしてはポリテトラ
フルオロエチレンが現在のところ最も優れた結着
剤である。

この発明は上記の点にかんがみなされたもので
あり、その目的はマトリツクス層の組成を従来の
ものから変更することなく、しかも触媒層との結
着性に優れた特性が得られるようにした電極−マ
トリツクス結合体およびその製作方法を提供する
ことにある。

以下この発明による電極−マトリツクス結合体
の構成、並びにその製造方法を実施例に基づき詳
述する。

まず第２図によりこの発明により製作された電
極−マトリツクス結合体の構造について述べる。
図において、電極基材１の面上に形成された触媒
層２は、二つの触媒層２−と２−とに区分し
て形成されている。このうち第１の触媒層２−
は第１図に示した従来のものと同じであり、かつ
その層の厚さは電極反応を安定よく行なうのに必
要な寸法をもたせて電極基材１の面上に直接形成
されている。これに対し第２の触媒層２−は、
第１の触媒層２−の面上に形成されたものであ
るが、第１の触媒層と異なる点は、その層内に形
成されている気孔径が第１の触媒層２−のそれ
に較べて充分大きいことである。このように大き
な気孔を生成する方法については後述する。更に
触媒層２の面上に形成されるマトリツクス層３
は、その一部を図示のように前記した第２の触媒
層２−に形成されている大きな気孔に充填して
形成されている。なお、第２の触媒層２−、マ
トリツクス層３の厚みを一例として挙げると、前
者は30μｍ、後者は130μｍである。

上記の構成によれば、マトリツクス層３におけ
る層内の結着剤の混入割合が従来と同じく小量で
あつても、第２の触媒層２−の気孔を充填する
ように入り組んでいる部分が丁度アンカーの役目
を果たす。したがつてマトリツクス層３と触媒層
２との間の結着力は従来のものと較べて飛躍的に
向上する。この結果、マトリツクス層３の焼成、
あるいは製作後の各取扱工程の段階でも、マトリ
ツクス層３が触媒層２から剥離する恐れは殆んど
なくなり、またこれによりマトリツクス層自身に
ひび割れの入る確率も大巾に低くなる。また実際
に製作した製品について従来品と較べた結果で
も、この強度の向上が大巾に改善されたことが確
認されている。加えて第２の触媒層２−はマト
リツクスが一部入り組んでいるので、電解質を電
極反応部として働く第１の触媒層２−へ円滑に
導くことができ、該層内に形成される三相界面で
効率よく電極反応を行なわせる利点も得られる。

次に第２図に示した電極−マトリツクス結合体
の製作方法の実施例を詳述する。

まず第一工程で予めポリテトラフルオロエチレ
ンで撥水処理を施したカーボンペーパーの電極基
材１の上に、白金を担持したカーボンブラツク触
媒４とポリテトラフルオロエチレン５との混合物
を所定の厚さに塗布し、乾燥後役300℃で５分間
焼成して第１の触媒層２−を形成する。次の第
二工程では、カーボンブラツク触媒４と、ポリテ
トラフルオロエチレン５と、および触媒層の焼成
温度以下の温度で容易に分解飛散するか、あるい
は別な処理手段で容易に除去可能な造孔剤、例え
ば常温では固体であるが熱を加えると分解してガ
ス化する重炭酸アンモニウムとの混合物を先の第
一工程で形成された第１の触媒層２−の上に塗
布し、乾燥後に前処理工程として約100℃で先に
述べた重炭酸アンモニウムを分解除去させ、引続
いて350℃に昇温して焼成し、第２の触媒層２−
を形成する。この第二工程により形成された第
２の触媒層２−には、その層内に造孔剤が除去
された跡に第１の触媒層２−に較べて径大な気
孔が生成されることになる。なおこの工程で使わ
れる造孔剤としての重炭酸アンモニウムは実用的
には63μｍ以下の粒径のものが使用される。また
造孔剤はこれに限らず、他の種類のものも使用で
きるし、更にその種類および除去処理の仕方によ
つては前記した第２工程とは別に、第２の触媒層
の形成後に行なう工程で造孔剤の除去を行なえば
よい。

次に最終工程でマトリツクス層３が形成され
る。この工程ではシリコンカーバイドの粉末100
重量部に対しポリテトラフルオロエチレン８重量
部を加えたペースト状混合物を第２の触媒層２−
の上に塗布する。この場合にマトリツクス材料
の一部を第２の触媒層２−に生成されている造
孔剤除去の跡の気孔に充填するようにして塗布さ
れる。次いで約300℃で５分間焼成しマトリツク
ス層３を形成する。

上述のように各工程に分けて第１、第２の触媒
層を形成することにより、電極反応を効率よく行
なう電極反応部として働く第１の触媒層２−、
マトリツクス層との結着性を強化するための第２
の触媒層２−、および第２の触媒層２−と強
固に結着されたマトリツクス層３を形成すること
ができる。しかも第二工程で触媒層２−の材料
に造孔剤を混入し、後にこの造孔剤を除去するこ
とにより、径大な気孔を巧みに生成することがで
きる。なお造孔剤の混入割合を適宜選定すること
により、第１の触媒層でガスと液とをうまく接触
するように調整でき、これによつて電極反応を効
率よく行なえるようになる。

以上述べたようにこの発明によれば、マトリツ
クスに要求される各種機能を十分満足する特性の
優れた電極−マトリツクス結合体を製作提供する
ことができる。なおこの発明はりん酸電解質型燃
料電池のみに限定されるものではなく、その他の
アリカリ電解質型燃料電池にも実施適用できるこ
とは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来およびこの
発明の実施例による電極−マトリツクス結合体の
部分的な層内組織図である。 １……電極基材、２……触媒層、２……第１
の触媒層、２−……第２の触媒層、３……マト
リツクス層、４……カーボンブラツク触媒、５，
５′……結着剤としてのポリテトラフルオロエチ
レン、６……マトリツクス材としてのシリコンカ
ーバイド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極基材の面上に触媒層、およびこの触媒層
   の面上にマトリツクス層を形成してなる電極−マ
   トリツクス結合体において、前記触媒層が電極基
   材の面上に形成された第１の触媒層と、第１の触
   媒層の面上に重ねて形成された第１の触媒層より
   もその層内気孔径が大きい第２の触媒層との二つ
   の層からなり、しかもマトリツクス層をその一部
   を第２の触媒層の気孔に充填して第２の触媒層の
   面に形成したことを特徴とするマトリツクス型燃
   料の電池の電極−マトリツクス結合体。 ２ 電極基材の面上に触媒層およびこの触媒層の
   面上にマトリツクス層を形成した電極−マトリツ
   クス結合体を製造する方法であつて、電極基材の
   面上に触媒と結着剤との混合物を塗布、焼成して
   第１の触媒層を形成する工程を、触媒と結着剤と
   造孔剤との混合物を前記第１の触媒層の面上に塗
   布、焼成して第２の触媒層を形成する工程と、こ
   の工程の過程または別な工程として前記の造孔剤
   を除去する工程と、前段工程で生成された第２の
   触媒層の気孔に一部を充填してマトリツクス材料
   を塗布し、焼成してマトリツクス層を形成する工
   程とからなるマトリツクス型燃料電池の電極−マ
   トリツクス結合体の製作方法。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の製造方法におい
   て、造孔剤に重炭酸アンモニウムを用い第２の触
   媒層を焼成する工程の過程で重炭酸アンモニウム
   を分解除去させることを特徴とするマトリツクス
   型燃料電池の電極−マトリツクス結合体の製作方
   法。