JPS6313274A - 燃料電池用ガス拡散電極の電極基材 - Google Patents
燃料電池用ガス拡散電極の電極基材Info
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- JPS6313274A JPS6313274A JP61156675A JP15667586A JPS6313274A JP S6313274 A JPS6313274 A JP S6313274A JP 61156675 A JP61156675 A JP 61156675A JP 15667586 A JP15667586 A JP 15667586A JP S6313274 A JPS6313274 A JP S6313274A
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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
この発明は、例えばりん酸型燃料電池を対象とした燃料
電池用ガス拡散電極の電極基材に関する。
電池用ガス拡散電極の電極基材に関する。
周知のように頭記燃料電池に用られるガス拡散電極は、
第2図に示すように電極基材1と、活性成分である白金
等の貴金属を担持したカー゛ボン触媒の粉末をPTFE
(4ふっ化エチレン樹脂)で結着して前記電極基材1
上に成層された触媒層2とか構成されている。 ここで電極基材1は、カーボン繊維を厚さ0.3〜0.
5mm程度に抄いたカーボン紙タイプのもの、あるいは
カーボン繊維、カーボン粉末を材料として厚さ1.5〜
2.O1程度の板状にプレス成形した後に片側の面に反
応ガス供給通路となる溝を形成したリブ付きタイプのも
のが知られている。さらにかかる電極基材1に触媒層2
を成層してガス拡散電極を構成するに当たっては、燃料
電池の運転時にマトリックス側から触媒層2を透過して
電極基材側に浸透して来た電解液が電極基材1の空孔に
充満してガス透過性を阻害することを防ぐために、前記
した多孔性カーボン基材に111水処理を施すことが一
般に行われている。なお図中、3は電極基材1を構成す
るカーボン繊維、4は前記したt8水処理により基材に
付着されたPTFE粉末、5は反応ガス供給通路を画成
するt8ii基材のリブを示す。 一方、前記した電極基材1のto水水理理法して、従来
技術では多孔性カーボン基材をPTFEの分散液、ある
いはFEP (4ふつ化エチレン−6ふっ化エチレン共
重合樹脂)の分散液に浸漬する方法により基材表面にフ
ッ素系樹脂を付着させてfJ1水処理を施した後に、さ
らに触媒層を成層する側の基材表面にアルコール(例え
ばイソピロピルアルコール)分散媒に分散させたPTF
E微粉末を吸引塗布し、これにより電極基材1と触媒層
2と間の接触部に必要な1水性の確保を図るようにして
いる。 しかして前記した従来の撥水処理方法では次記のような
難点がある。すなわち、 +11単位面積当たりのPTFEl粉末の塗布量が多量
(例えば5−g/−以上)であると、電極基材1と触媒
層2との間の接触部に対して高いIn水性が確保される
反面、該接触部で電極基材1の表面の空孔に過度なPT
FE粉末が充填されてガス拡散性が低下するようになり
、この結果燃料電池のガス拡散電極として触媒層に反応
ガスを充分に供給することができなくなる。 (2)逆にPTFE微粉末の単位面積当たりの塗布量が
少量(例えば3−g/−以下)であると、電極基材のガ
ス拡散性は向上する反面、撥水性が低下するために、か
かる電極基材を採用の電極を組込んだ燃料電池を定格運
転条件(運転温度190℃、電流密度200mA /
cd 、反応ガス圧4kg/ cd G )で長時間放
電すると、放電時間の経過とともにマトリックス側から
浸透して来た電解液が触媒層を透過し、さらに電極基材
の空孔に充満して基材のガス拡散性を阻害し、この結果
として電池の出力特性が大幅に低下′し、かつ電池寿命
も縮まるようになる。 上記のように従来における電極基材のto水水理理法は
、PTFHの塗布量によって電極基材、特に触媒層との
間の接触部のIn水性、ガス拡散性が変化するために、
電極基材に付与するIn水性の調整が実際の処理工程上
で極めて困難であった。
第2図に示すように電極基材1と、活性成分である白金
等の貴金属を担持したカー゛ボン触媒の粉末をPTFE
(4ふっ化エチレン樹脂)で結着して前記電極基材1
上に成層された触媒層2とか構成されている。 ここで電極基材1は、カーボン繊維を厚さ0.3〜0.
5mm程度に抄いたカーボン紙タイプのもの、あるいは
カーボン繊維、カーボン粉末を材料として厚さ1.5〜
2.O1程度の板状にプレス成形した後に片側の面に反
応ガス供給通路となる溝を形成したリブ付きタイプのも
のが知られている。さらにかかる電極基材1に触媒層2
を成層してガス拡散電極を構成するに当たっては、燃料
電池の運転時にマトリックス側から触媒層2を透過して
電極基材側に浸透して来た電解液が電極基材1の空孔に
充満してガス透過性を阻害することを防ぐために、前記
した多孔性カーボン基材に111水処理を施すことが一
般に行われている。なお図中、3は電極基材1を構成す
るカーボン繊維、4は前記したt8水処理により基材に
付着されたPTFE粉末、5は反応ガス供給通路を画成
するt8ii基材のリブを示す。 一方、前記した電極基材1のto水水理理法して、従来
技術では多孔性カーボン基材をPTFEの分散液、ある
いはFEP (4ふつ化エチレン−6ふっ化エチレン共
重合樹脂)の分散液に浸漬する方法により基材表面にフ
ッ素系樹脂を付着させてfJ1水処理を施した後に、さ
らに触媒層を成層する側の基材表面にアルコール(例え
ばイソピロピルアルコール)分散媒に分散させたPTF
E微粉末を吸引塗布し、これにより電極基材1と触媒層
2と間の接触部に必要な1水性の確保を図るようにして
いる。 しかして前記した従来の撥水処理方法では次記のような
難点がある。すなわち、 +11単位面積当たりのPTFEl粉末の塗布量が多量
(例えば5−g/−以上)であると、電極基材1と触媒
層2との間の接触部に対して高いIn水性が確保される
反面、該接触部で電極基材1の表面の空孔に過度なPT
FE粉末が充填されてガス拡散性が低下するようになり
、この結果燃料電池のガス拡散電極として触媒層に反応
ガスを充分に供給することができなくなる。 (2)逆にPTFE微粉末の単位面積当たりの塗布量が
少量(例えば3−g/−以下)であると、電極基材のガ
ス拡散性は向上する反面、撥水性が低下するために、か
かる電極基材を採用の電極を組込んだ燃料電池を定格運
転条件(運転温度190℃、電流密度200mA /
cd 、反応ガス圧4kg/ cd G )で長時間放
電すると、放電時間の経過とともにマトリックス側から
浸透して来た電解液が触媒層を透過し、さらに電極基材
の空孔に充満して基材のガス拡散性を阻害し、この結果
として電池の出力特性が大幅に低下′し、かつ電池寿命
も縮まるようになる。 上記のように従来における電極基材のto水水理理法は
、PTFHの塗布量によって電極基材、特に触媒層との
間の接触部のIn水性、ガス拡散性が変化するために、
電極基材に付与するIn水性の調整が実際の処理工程上
で極めて困難であった。
この発明は上記の点にかんがみなされたものであり、前
記した従来の難点を解消し、ガス拡散性を損なうことな
く、かつ闇易な製造工程で高いIn水性を付与できるよ
うにした長寿命化の図れるガス拡散電極の電極基材を提
供することを目的とする。
記した従来の難点を解消し、ガス拡散性を損なうことな
く、かつ闇易な製造工程で高いIn水性を付与できるよ
うにした長寿命化の図れるガス拡散電極の電極基材を提
供することを目的とする。
上記目的を達成するために、この発明は多孔性カーボン
基材の表面にフッ素系樹脂を付着させて撥水処理を施す
とともに、さらに該基材における触媒層が成層される側
の表面にフッ素系樹脂の多孔性薄膜シートを加圧融着し
て電極基材を構成することにより、簡易な製造工程でガ
ス拡散性およびIn水性の双方を同時に満足させつつ、
燃料電池のガス拡散電極として電池性能の向上、長寿命
化に大きく寄与できるようにしたものである。
基材の表面にフッ素系樹脂を付着させて撥水処理を施す
とともに、さらに該基材における触媒層が成層される側
の表面にフッ素系樹脂の多孔性薄膜シートを加圧融着し
て電極基材を構成することにより、簡易な製造工程でガ
ス拡散性およびIn水性の双方を同時に満足させつつ、
燃料電池のガス拡散電極として電池性能の向上、長寿命
化に大きく寄与できるようにしたものである。
第1図はこの発明の実施例によるガス拡散電極の構成断
面図を示すものであり、第2図に対応する同一部材には
同じ符号が付しである。すなわちこの発明により、カー
ボン繊維等で作られた多孔性カーボン基材6に対して、
その表面にフッ素系樹脂2例人ばPTFE4をディスバ
ージ四ン法により付着させて撥水処理を施すとともに、
さらに触媒層2の成層される側の表面には符号7で示す
フッ素系樹脂の多孔性薄膜シートを加圧融着して電極基
材1が構成されている。 次にがかる電極基材の製造方法を次記の実施例1〜4で
説明する。 (実施例1) カーボン繊維を板状にプレス成形した約65%の空孔率
を有するリブ付き多孔性カーボン基材(第1図の符号6
)に対し、まずPTFE分散液(三井デュポンフロロケ
ミカル社製:比重1.5.濃度60wt%)をイオン交
換水で20倍に希釈した液に前記の基材6を浸漬して約
3分間超音波含浸させた後に60〜80℃の加熱乾燥器
にて2〜3時間加熱乾燥させ、基材に単位面積当たり2
〜3■gのPTFEを含浸させて撥水処理を施した0次
に前記のPTFEによる撥水処理済み基材に対して、触
媒層の成層される側の表面に空孔率75%、膜厚約20
μ−のPTFE未焼成シート(第1図の符号7)を被着
し、加圧力0.3kg/ d に 、温度330℃の条
件下で約2分間加圧して前記多孔性薄膜シートを多孔性
カーボン基材の表面に加圧融着させた。 また本発明者は前記方法で製作された電極基材に付いて
の評価を行うために、従来の方法で撥水性を付与した電
極基材と対比してガス拡散性を調べた処、反応ガスの透
過量は従来のものと比べて約1.5倍に増加することが
確認された。また撥水性に付いては、100 wt%の
りん酸を前記したPTFE薄膜シートの融着面上に滴下
し、温度200℃で約500時間放置した後に電極基材
を解体して調べたが、多孔性カーボン基材にはりん酸に
よる濡れが何等認められず、りん酸に対する高い撥水性
の得られることが確認された。さらに電気伝導性に付い
ては従来の電極基材と同等な値を得た。 さらにこの電極基材上に触媒層を成層して製作したガス
拡散電極、および従来方法の電極基材を採用して製作さ
れた電極を用いて組み立てた燃料電池のそれぞれに付い
て、運転温度190℃、電流密度200vA / d
、反応ガス圧4.0kg/ cd Qの条件で長時間連
続放電する試験を行った。この試験結果の電池特性を第
3図に示す、なお図中の特性線41口はそれぞれ本発明
および従来の電極基材による電池特性を示す、この特性
図から明らかなように従来の電極基材を採用した燃料電
池では電池電圧が10μv / hrの割合で低下し、
かつ長時間の放電時間が経過すると特性が急激に垂下す
る傾向を示すのに対し、本発明による電極基材を採用し
た燃料電池では電池電圧の降下割合を2μv / ll
yまで抑えることができ、かつ長時間連続放電しても特
性が急激に垂下することも無くて長寿命化の得られるこ
とが確認された。 (実施例2) 前記した実施例1における多孔性カーボン基材に撥水処
理を施す工程で、PTFE分散液に替えてFEP分散液
(三井デュポンフロロケミカル社製:比重1.5゜濃度
50wt%)をイオン交換水で約18倍に希釈したちの
使用し、このFEP分散液に多孔性カーボン基材を浸漬
して↑θ水処理を施した後に、触媒層を成層する側の表
面に多孔性のPTFE未焼成薄膜シートを被着した上で
PTFEの溶融温度にて加圧融着させた。 (実施例3) 実施例1で述べた多孔性薄膜シートとしてPTFE薄膜
シートに替えてFEPI膜シートを採用し、空孔率70
%、膜厚20μ露のFEP未焼成シートを加圧力3.0
kg/ d G 、温度280℃、処理時間約2分間の
条件下で1水処理済みの多孔性カーボン基材の表面に加
圧融着した。 (★施例4) 実施例1におけるta水処理工程で、PTFE分散液に
替えてFEP分散液を採用し、さらに後段の工程では多
孔性薄膜シートに多孔性のFEP未焼成薄膜シートを用
いて撥水処理済みの多孔性カーボン基材の表面に加圧融
着させた。 なお前記実施例2〜4に付いても実施例1と同様に各種
の特性試験を行ったところ、実施例1と同様に高い評価
の得られることが確認された。
面図を示すものであり、第2図に対応する同一部材には
同じ符号が付しである。すなわちこの発明により、カー
ボン繊維等で作られた多孔性カーボン基材6に対して、
その表面にフッ素系樹脂2例人ばPTFE4をディスバ
ージ四ン法により付着させて撥水処理を施すとともに、
さらに触媒層2の成層される側の表面には符号7で示す
フッ素系樹脂の多孔性薄膜シートを加圧融着して電極基
材1が構成されている。 次にがかる電極基材の製造方法を次記の実施例1〜4で
説明する。 (実施例1) カーボン繊維を板状にプレス成形した約65%の空孔率
を有するリブ付き多孔性カーボン基材(第1図の符号6
)に対し、まずPTFE分散液(三井デュポンフロロケ
ミカル社製:比重1.5.濃度60wt%)をイオン交
換水で20倍に希釈した液に前記の基材6を浸漬して約
3分間超音波含浸させた後に60〜80℃の加熱乾燥器
にて2〜3時間加熱乾燥させ、基材に単位面積当たり2
〜3■gのPTFEを含浸させて撥水処理を施した0次
に前記のPTFEによる撥水処理済み基材に対して、触
媒層の成層される側の表面に空孔率75%、膜厚約20
μ−のPTFE未焼成シート(第1図の符号7)を被着
し、加圧力0.3kg/ d に 、温度330℃の条
件下で約2分間加圧して前記多孔性薄膜シートを多孔性
カーボン基材の表面に加圧融着させた。 また本発明者は前記方法で製作された電極基材に付いて
の評価を行うために、従来の方法で撥水性を付与した電
極基材と対比してガス拡散性を調べた処、反応ガスの透
過量は従来のものと比べて約1.5倍に増加することが
確認された。また撥水性に付いては、100 wt%の
りん酸を前記したPTFE薄膜シートの融着面上に滴下
し、温度200℃で約500時間放置した後に電極基材
を解体して調べたが、多孔性カーボン基材にはりん酸に
よる濡れが何等認められず、りん酸に対する高い撥水性
の得られることが確認された。さらに電気伝導性に付い
ては従来の電極基材と同等な値を得た。 さらにこの電極基材上に触媒層を成層して製作したガス
拡散電極、および従来方法の電極基材を採用して製作さ
れた電極を用いて組み立てた燃料電池のそれぞれに付い
て、運転温度190℃、電流密度200vA / d
、反応ガス圧4.0kg/ cd Qの条件で長時間連
続放電する試験を行った。この試験結果の電池特性を第
3図に示す、なお図中の特性線41口はそれぞれ本発明
および従来の電極基材による電池特性を示す、この特性
図から明らかなように従来の電極基材を採用した燃料電
池では電池電圧が10μv / hrの割合で低下し、
かつ長時間の放電時間が経過すると特性が急激に垂下す
る傾向を示すのに対し、本発明による電極基材を採用し
た燃料電池では電池電圧の降下割合を2μv / ll
yまで抑えることができ、かつ長時間連続放電しても特
性が急激に垂下することも無くて長寿命化の得られるこ
とが確認された。 (実施例2) 前記した実施例1における多孔性カーボン基材に撥水処
理を施す工程で、PTFE分散液に替えてFEP分散液
(三井デュポンフロロケミカル社製:比重1.5゜濃度
50wt%)をイオン交換水で約18倍に希釈したちの
使用し、このFEP分散液に多孔性カーボン基材を浸漬
して↑θ水処理を施した後に、触媒層を成層する側の表
面に多孔性のPTFE未焼成薄膜シートを被着した上で
PTFEの溶融温度にて加圧融着させた。 (実施例3) 実施例1で述べた多孔性薄膜シートとしてPTFE薄膜
シートに替えてFEPI膜シートを採用し、空孔率70
%、膜厚20μ露のFEP未焼成シートを加圧力3.0
kg/ d G 、温度280℃、処理時間約2分間の
条件下で1水処理済みの多孔性カーボン基材の表面に加
圧融着した。 (★施例4) 実施例1におけるta水処理工程で、PTFE分散液に
替えてFEP分散液を採用し、さらに後段の工程では多
孔性薄膜シートに多孔性のFEP未焼成薄膜シートを用
いて撥水処理済みの多孔性カーボン基材の表面に加圧融
着させた。 なお前記実施例2〜4に付いても実施例1と同様に各種
の特性試験を行ったところ、実施例1と同様に高い評価
の得られることが確認された。
以上述べたようにこの発明によれば、多孔性カーボン基
材の表面にフッ素系樹脂を付着させて撥水処理を施すと
ともに、さらに該基材における触成層が成層される側の
表面にフッ素系樹脂の多孔性薄膜シートを加圧融着して
構成したことにより、従来の電極基材のように撥水処理
を施した多孔性カーボン基材の表面にさらにフッ素系樹
脂の微粉末を塗布したことにより電極基材と触媒層との
間の接触部に高い78水性を付与するようにした方法と
比べて、多孔性薄膜シートの採用により処理工程が簡易
、かつ触媒層との間の接触部に対する1水性の調整が容
易となる等、ガス拡散電極の電極基材としてガス拡散性
、撥水性に加え、電気伝導性、長寿命化の面で充分に満
足できる電極基材を得ることができ、かつこれにより燃
料電池の電池特性の向上、長寿命化にも大きく寄与する
ことができる。
材の表面にフッ素系樹脂を付着させて撥水処理を施すと
ともに、さらに該基材における触成層が成層される側の
表面にフッ素系樹脂の多孔性薄膜シートを加圧融着して
構成したことにより、従来の電極基材のように撥水処理
を施した多孔性カーボン基材の表面にさらにフッ素系樹
脂の微粉末を塗布したことにより電極基材と触媒層との
間の接触部に高い78水性を付与するようにした方法と
比べて、多孔性薄膜シートの採用により処理工程が簡易
、かつ触媒層との間の接触部に対する1水性の調整が容
易となる等、ガス拡散電極の電極基材としてガス拡散性
、撥水性に加え、電気伝導性、長寿命化の面で充分に満
足できる電極基材を得ることができ、かつこれにより燃
料電池の電池特性の向上、長寿命化にも大きく寄与する
ことができる。
第1図はこの発明の実施例によるガス拡散tiの構造を
示す部分断面図、第2図は第1図に対応する従来構造の
断面図、第3図は第1図および第2図のガス拡散電極を
採用した燃料電池に付いて行った連続数を試験結果によ
る電池電圧の経時変化特性図である。各図において、 1:電極基材、2:触媒層、3=多孔性カーボン基材を
構成するカーボン繊維、4:基材に付着させたフッ素系
樹脂粉末、6:多孔性カーボン基材、7:フッ素系樹脂
の多孔性薄膜シート。
示す部分断面図、第2図は第1図に対応する従来構造の
断面図、第3図は第1図および第2図のガス拡散電極を
採用した燃料電池に付いて行った連続数を試験結果によ
る電池電圧の経時変化特性図である。各図において、 1:電極基材、2:触媒層、3=多孔性カーボン基材を
構成するカーボン繊維、4:基材に付着させたフッ素系
樹脂粉末、6:多孔性カーボン基材、7:フッ素系樹脂
の多孔性薄膜シート。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)多孔性カーボン基材の表面にフッ素系樹脂を付着さ
せて撥水処理を施すとともに、さらに該基材における触
媒層が成層される側の表面にフッ素系樹脂の多孔性薄膜
シートを加圧融着して構成したことを特徴とする燃料電
池用ガス拡散電極の電極基材。 2)特許請求の範囲第1項記載の電極基材において、多
孔性カーボン基材をフッ素系樹脂の分散液内に浸漬する
ことにより、基材表面にフッ素系樹脂を付着させて撥水
処理したことを特徴とする燃料電池用ガス拡散電極の電
極基材。 3)特許請求の範囲第1項記載の電極基材において、フ
ッ素系多孔性薄膜シートとして4ふっ化チレン樹脂の未
焼成シートを用いたことを特徴とする燃料電池用ガス拡
散電極の電極基材。 4)特許請求の範囲第1項記載の電極基材において、フ
ッ素系多孔性薄膜シートとして4ふっ化エチレン−6ふ
っ化エチレン共重合樹脂の未焼成シートを用いたことを
特徴とする燃料電池用ガス拡散電極の電極基材。 5)特許請求の範囲第1項記載の電極基材において、多
孔性薄膜シートをフッ素系樹脂の溶融温度にて撥水処理
済み多孔性カーボン基材の表面に加圧融着したことを特
徴とする燃料電池用ガス拡散電極の電極基材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61156675A JPS6313274A (ja) | 1986-07-03 | 1986-07-03 | 燃料電池用ガス拡散電極の電極基材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61156675A JPS6313274A (ja) | 1986-07-03 | 1986-07-03 | 燃料電池用ガス拡散電極の電極基材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6313274A true JPS6313274A (ja) | 1988-01-20 |
Family
ID=15632854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61156675A Pending JPS6313274A (ja) | 1986-07-03 | 1986-07-03 | 燃料電池用ガス拡散電極の電極基材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6313274A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0282455A (ja) * | 1988-09-16 | 1990-03-23 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | ガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体及びその撥水化処理方法 |
| 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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1986
- 1986-07-03 JP JP61156675A patent/JPS6313274A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0282455A (ja) * | 1988-09-16 | 1990-03-23 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | ガス拡散電極構成用微粉体・多孔質体及びその撥水化処理方法 |
| 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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