JPS6251166A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPS6251166A
JPS6251166A JP60190305A JP19030585A JPS6251166A JP S6251166 A JPS6251166 A JP S6251166A JP 60190305 A JP60190305 A JP 60190305A JP 19030585 A JP19030585 A JP 19030585A JP S6251166 A JPS6251166 A JP S6251166A
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carbon
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electrode catalyst
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Tsutomu Aoki
努 青木
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Toshiba Corp
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    • HELECTRICITY
    • 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】 [発明の技術分野] 本発明は燃料電池に係り、特に電極触媒層の疎水性を強
化し得るようにした燃料電池に関する。
[発明の技術的背景] 燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを電気化学プ
ロセスで酸化させることにより、酸化反応に伴って放出
されるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置
である。この燃料電池を用いた発電プラントは、比較的
小さな規模でも発電の熱効率が40〜50%にも達し、
新鋭火力をはる・かにしのぐと期待されている。さらに
、近年大きな社会問題になっている公害要因であるSO
x。
NOxの排出が極めて少ない、発電装置内に燃焼サイク
ルを含まないので大量の冷却水を必要としない、振動音
が小さいなど、原理的に高いエネルギー変換効率が期待
できると共に、騒音・排ガス等の環境問題が少なく、さ
らに、負荷変動に対して応答性が良い等の特徴があるこ
とから、その開発、実用化の研究に期待と関心が寄せら
れている。
第3図は、上記原理に基づく特にリン酸を電解質とした
、リブ付電極型の燃料電池における単位セルの構成例を
分解斜視図にて示したものである。
図において、1は電解質としてのリン酸をマトリックス
に含浸してなる電解質層、3a、3bはこの電解質層1
を挾んで配置された多孔質炭素材からなるアノード電極
、カソード電極であり、その電解質層1と接する側には
触媒2a、2bが夫々塗布され、かつ背面側にはリブ4
a、4bおよび燃料ガス、酸化剤ガスの流通する溝5a
、 5bを夫々有している。ここで、燃料ガスの流通す
る溝5aと酸化剤ガスの流通する溝5bとは、互いに直
交する方向に規則的に複数本平行に形成されている。以
上により単位セルが形成され、かかる単位セルをち密な
炭素質で作られたゼパレータ Bを挾んで複数個積層す
ることにより単位セル積層体を構成している。
ところで、上述したようなリン酸を電解質とする燃料電
池は、二酸化炭素が混入しても性能的に支障が無い反面
、電極反応、特に正極反応での分極が大きいので、これ
を低減させる為に反応を促進させる活性な電極触媒の使
用が必要である。即ち、上記多孔質電極は、触媒をカー
ボン粒子上に担持させた担持触媒を、カーボン材質から
成るガス透過性の有る導電性の多孔質基板上に層状に骨
管形成したものである。
ところで、上述した燃料電池のうち特にリン酸を電解質
としたリン酸型燃料電池においては、酸化剤極:1/2
02 +2H” +2 e−H20・・・(1) 燃料極 二H2−2H÷+2e     =12)なる
反応が進行する。かかる反応は、電極の電解質側に形成
されている触媒層で進行する。触媒は、一方の側では電
解質に、他方の側では気相に夫々接していて、しかも上
記反応が速やかに進行するためには気相と液相の原子の
やりとりが固相上、すなわち触媒上で効率よく行なわれ
る必要がある。
すなわち、有効な気・液・固相の三相界面が要求される
。この三相界面を長期間維持するためには、触媒層に疎
水性部分(たとえばポリテトラフルオロエチレン)と親
水性部(たとえば白金)をミクロ的に混合して電極とす
るような技術が開発されている。この場合、親水性部分
は液相を気相側へ通じさせる通路となり、また疎水性部
分は気相の液相側への通路となり、上記三相界面が立体
的に均一に形成されることが理想的である。
〔背景技術の問題点] さて上述した燃料電池においては、その電極触媒層に具
備した疎水性が十分に確保されていないと、電池運転中
に前記反応式(1)で示した生成水によって経時的に電
極触媒層が濡れ、前述した気相の液相側への通路が確保
されなくなると共に、生成水が電極触媒層を覆って三相
界面が低下することになる。そこで従来では、電極触媒
層に疎水性を具備させるためにフッ素系樹脂、例えばポ
リテトラフルオロエチレンを混入させていることは前述
した通りである。しかし、このフッ素系樹脂は疎水性に
優れているものの、逆に電極に不可欠な電気伝導性を持
たない電気的絶縁物であることから、電極触媒層に十分
な疎水性が得られるように添加されるフッ素系樹脂によ
り、電極に電気伝導性の低下が生じて電池特性の低下を
きたすことになる。
一方、電極触媒層に疎水性を具備させるその他の方法と
して、触媒担持を行なっているカーボン担体の疎水性を
向上させる方法がある。このカーボン担体に触媒を担持
させるのは、一般に溶液中でカーボン担体上に触媒を析
出させる方法で行なわれる。そしてこの時、カーボン担
体の疎水性が強いとカーボン担体との馴染みが悪く、カ
ーボン担体上に触媒を均一に分散させることができなく
なる。その結果、触媒が凝集した状態で担持され、三相
界面の低下に結び付いて良好な電池特性が得られなくな
るという問題が生じる。
さらに、燃料電池を運転して電池から排出される流体の
検査を行なったところ、排出流体中より凝縮させた凝縮
水中からフッ素イオンが検出された。これは、電極触媒
層中のフッ素系樹脂が分解して燃料電池外に運び出され
たためであると思われる。すなわち、フッ素系樹脂は耐
電解質性および耐熱性に優れているが、燃料電池では電
解質に浸された状態で反応熱等で高温に加熱されること
から、フッ素系樹脂の分解が発生したものであると考え
られる。
[発明の目的] 本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は電極の電気伝導性を低下させることな
く長期間にわたって十分なかつ安定した疎水性を電極触
媒層に維持させることが可能な耐熱、耐電解質性に優れ
た燃料電池を提供することにある。
[発明の概要] 上記目的を達成するために本発明では、ガス流通用の溝
を有する導電性の多孔質基体の片面に触媒層を塗着して
なる一対の電極間に、電解質を含浸したマトリックスを
挟んで構成される燃料電池において、上記触媒層を、担
持触媒と、結着剤としてのフッ素系樹脂と、疎水性の強
いカーボンとを混合して形成することにより、電極触媒
層に疎水性を持たせるようにしたことを特徴とする。
[発明の実施例] まず本発明は、ガス流通用の溝を有する導電性の多孔質
基体の片面に触媒層を塗着してなる一対の電極間に、電
解質を含浸したマトリックスを挟んで構成される前述し
た燃料電池において、担持触媒と、結着剤としてのフッ
素系樹脂と、疎水性の強いカーボンとを混合することに
より、上記電極触媒層を形成するものである。
以下、その具体的な一実施例について図面を参照して説
明する。すなわち、その−例として第1図に示すように
、まず白金属粒子をカーボン粒子上に担持させた担持触
媒7を30〜60wt%と、結着剤としてのフッ素系樹
脂8例えばポリテトラフルオロエチレンを30〜5 Q
 w t%と、疎水性の強いカーボン9例えばグラファ
イトの微粉末を10〜20wt%とを水中で均一に混合
する。次に、これをエアスプレー等を用いて導電性の多
孔質基体の片面に吹付け、所定の圧力で加圧し、その後
約330℃で加熱焼成処理を行なって電極触媒層を形成
する。この場合、疎水性の強いカーボン9としては、結
晶度が高くかつ官能基を持たないカーボン、または結晶
度が高くかつ官能基が著しく少ないカーボンを用いる。
また、結着剤であるポリテトラフルオロエチレン8とし
ては、電極触媒層を上記330°Cで加熱焼成処理した
時に担持触媒7を十分に結着できるものを用い、電気伝
導性に影響を与えない程度に抑えている。
上述のようにして形成した電極触媒層を有する燃料電池
においては、結晶度が高くかつ官能基を持たない、また
は結晶度が高くかつ官能基が著しく少ない疎水性の強い
カーボン9を電極触媒層に混入していることから、結着
剤であるポリテトラフルオロエチレン8を多量に用いる
ことなく電極触媒層の疎水性を強化することが可能とな
り、電極の電気伝導性の低下を防止することができる。
また、耐熱、耐電解質性に優れた疎水性の強いカーボン
9を使用していることから、長期間にわたって十分なか
つ安定した疎水性を電極触媒層に維持させることが可能
となる。
第2図は、本実施例および従来の方法により夫々電極触
媒層が形成された電極を用いた燃料電池の電流電圧特性
を示したものである。なお、図においてAが本実施例に
よる特性を、Bが従来による特性を夫々示している。第
2図に示すように、本実施例の方法により電極触媒層の
疎水性を強化したものでは、従来のポリテトラフルオロ
エチレン8によって電極触媒層の疎水性を強化したもの
に比較して高い電池特性を示すことがわかり、また経時
的な低下もポリテトラフルオロエチレン8によって電極
触媒層の疎水性を強化したものに比較して良好であった
尚、上記実施例においては担持触媒7と、フッ素系樹脂
8と、疎水性の強いカーボン9とを水などの液体中で混
合するようにしたが、これに限らず乾燥状態で混合する
ようにしても同様の効果を得ることができるものである
また、フッ素系樹脂8としてはポリテトラフルーオロエ
チレンを用いたが、これ以外のフッ素系樹脂を用いるよ
うにしても同様の効果を得ることができるものである。
その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。
[発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、ガス流通用の溝を
有する導電性の多孔質基体の片面に触媒層を塗着してな
る一対の電極間に、電解質を含浸したマトリックスを挟
んで構成される燃躬電池において、上記触媒層を、担持
触媒と、結着剤としてのフッ素系樹脂と、疎水性の強い
カーボンとを混合して形成するようにしたので、電極の
電気伝導性を低下させることなく長期間にわたって十分
なかつ安定した疎水性を電極触媒層に維持させることが
可能な耐熱、耐電解質性に優れた極めて信頼性の高い燃
料電池が提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す電極触媒層の概念図、
第2図は本発明および従来による電池の電流電圧特性を
示す図、第3図は燃料電池の単位セルの構成を示す分解
斜視図である。 1・・・電解質層、2a、2.b・・・触媒、3a・・
・アノード電極、3b・・・カソード電極、4a、4b
・・・リプ、5a、5b・・・溝、6・・・セパレータ
、7・・・担持触媒、8・・・フッ素系樹脂、9・・・
疎水性の強いカーボン。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第1図 電流官度− 第2図 第3図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)ガス流通用の溝を有する導電性の多孔質基体の片
    面に触媒層を塗着してなる一対の電極間に、電解質を含
    浸したマトリックスを挟んで構成される燃料電池におい
    て、前記触媒層を、担持触媒と、結着剤としてのフッ素
    系樹脂と、疎水性の強いカーボンとを混合して形成する
    ようにしたことを特徴とする燃料電池。
  2. (2)疎水性の強いカーボンとしてグラファイトの微粉
    末を用いるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
    第(1)項記載の燃料電池。
  3. (3)疎水性の強いカーボンとして、結晶度が高くかつ
    官能基を持たないカーボン、または結晶度が高くかつ官
    能基が著しく少ないカーボンを用いるようにしたことを
    特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載の燃料電池。
JP60190305A 1985-08-29 1985-08-29 燃料電池 Expired - Lifetime JPH0766810B2 (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005347231A (ja) * 2003-10-01 2005-12-15 Kurita Water Ind Ltd 燃料電池用水処理装置
US7378450B2 (en) 2001-12-27 2008-05-27 University Of Connecticut Aerogel and metallic compositions

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59181463A (ja) * 1983-03-31 1984-10-15 Toshiba Corp ガス拡散電極

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