JPS6345756A - 燃料電池用ガス拡散電極 - Google Patents
燃料電池用ガス拡散電極Info
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- JPS6345756A JPS6345756A JP61189869A JP18986986A JPS6345756A JP S6345756 A JPS6345756 A JP S6345756A JP 61189869 A JP61189869 A JP 61189869A JP 18986986 A JP18986986 A JP 18986986A JP S6345756 A JPS6345756 A JP S6345756A
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- Japan
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- catalyst layer
- platinum
- surface area
- catalyst
- gas diffusion
- Prior art date
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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
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
-
- 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
-
- 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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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Materials Engineering (AREA)
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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〕
本発明は燃料電池用ガス拡散電極の構成部材である触媒
層の構造に関する。
層の構造に関する。
一般に燃料電池用ガス拡散電極は、電気伝導性に優れた
多孔質なカーボン基材上に貴金属を担持した触媒粉末と
ポリテトラフ加エチレン（以下ｒＰＴＦＪと呼称する）
を混合した触媒層より形成されている。
多孔質なカーボン基材上に貴金属を担持した触媒粉末と
ポリテトラフ加エチレン（以下ｒＰＴＦＪと呼称する）
を混合した触媒層より形成されている。
このような構造からなるガス拡散電極を第３図に示す６
第３図は電極基材側から供給された空気が空気極触媒層
内部に拡散する状態を模式的に表わしたものである。基
材側より供給された醍化剤ガス１４である酸素が触媒Ｎ
Ｊ１２を拡散する時、触媒層内部に存在する１１ン酸１
５と触媒１６ 、 Ｐ Ｔ Ｆ Ｅ １７とで三相界面
を生じ電気化学的触媒反応が起こる。
第３図は電極基材側から供給された空気が空気極触媒層
内部に拡散する状態を模式的に表わしたものである。基
材側より供給された醍化剤ガス１４である酸素が触媒Ｎ
Ｊ１２を拡散する時、触媒層内部に存在する１１ン酸１
５と触媒１６ 、 Ｐ Ｔ Ｆ Ｅ １７とで三相界面
を生じ電気化学的触媒反応が起こる。
第４図における触媒層において、′ｗＬ気化学的触媒反
応を生ずる三相界面を効尤良く、安定維持させる為には
、触媒層内部を電解質に対して適度な９水性と反応ガス
の拡散を充分に確保しなければならない。
応を生ずる三相界面を効尤良く、安定維持させる為には
、触媒層内部を電解質に対して適度な９水性と反応ガス
の拡散を充分に確保しなければならない。
本発明は上記に鑑みなされたものであり、ガス拡散阻害
と触媒劣化を低減して電池特性の安定化を図ることを目
的とする。
と触媒劣化を低減して電池特性の安定化を図ることを目
的とする。
この目的は本発明によれば、ガス拡散阻害を防止する為
に触媒層の厚さを０．２＋ｌＩａ以下にし、触媒劣化を
低減するために白金表面積を単位面積当り１００ｄ以上
にした電極触媒層とすることにより違成される。
に触媒層の厚さを０．２＋ｌＩａ以下にし、触媒劣化を
低減するために白金表面積を単位面積当り１００ｄ以上
にした電極触媒層とすることにより違成される。
第４図に電池運転初期と５０００時間運転後の触媒層厚
さと電池特性の関係をそれぞれ曲線１８および１９に示
す。この図は供給する酸化剤中の酸素濃度の違いによる
拡散阻害を把握するものであり・温度２００℃、を流密
度２２０ ｍｋｌｍ、動作圧力４ψ菅の条件下での運転
初期と５０００時間連続運転後の空気に対する１００％
酸素での電位の上昇割合を表わしたものである。触媒層
厚さを０．０５１１１〜０．５ ｗの範囲で酸素濃度の
影響を求めると、０．２０雪冨まではいずれもほぼ一定
の電位上昇率であるが、 ０．２０１１１を超えると電
位上昇率が増加する傾向を示す。これは５０００時間運
転後の電池特性の方が更に顕著である。このことから、
マド１１ 、クスに含まれるリン酸の触媒層側への移動
による触媒層内部の液抵抗は、＠掘屑の厚いものほど増
大することがわかる。
さと電池特性の関係をそれぞれ曲線１８および１９に示
す。この図は供給する酸化剤中の酸素濃度の違いによる
拡散阻害を把握するものであり・温度２００℃、を流密
度２２０ ｍｋｌｍ、動作圧力４ψ菅の条件下での運転
初期と５０００時間連続運転後の空気に対する１００％
酸素での電位の上昇割合を表わしたものである。触媒層
厚さを０．０５１１１〜０．５ ｗの範囲で酸素濃度の
影響を求めると、０．２０雪冨まではいずれもほぼ一定
の電位上昇率であるが、 ０．２０１１１を超えると電
位上昇率が増加する傾向を示す。これは５０００時間運
転後の電池特性の方が更に顕著である。このことから、
マド１１ 、クスに含まれるリン酸の触媒層側への移動
による触媒層内部の液抵抗は、＠掘屑の厚いものほど増
大することがわかる。
次に白金表面積が電池特性に及ぼす影響を第５図に示す
。これは単位面積当りの白金表面積と電池特性の関係を
示すもので、運転初期と５０００時間後の空気濃度の違
いによるガス拡散阻害の減少を除くため、１００％のａ
素を用いた場合の触媒劣化のみによる５０００時間運転
後のセル電圧減少割合を測定しである。
。これは単位面積当りの白金表面積と電池特性の関係を
示すもので、運転初期と５０００時間後の空気濃度の違
いによるガス拡散阻害の減少を除くため、１００％のａ
素を用いた場合の触媒劣化のみによる５０００時間運転
後のセル電圧減少割合を測定しである。
この結果より１００７ｒｌ−Ｐ ｔ／ｉの白金比表面積
を境いに、それ以下は急峻な電圧低下を示していること
がわかる。これは運転時間と空気極中の白金結晶の変化
が電池特性に起因するもので、第７図に示すように、白
金結晶子径の増加速度が一足すると白金表面積の小さい
触媒層はど白金結晶の増加が大きい傾向を示す。すなわ
ち、単位面積当りの白金表面積が２００ ｒｗ侃の触媒
層２１．４００■／ゴの触媒層ｎの白金結晶子径の増加
に対し、 １００ Ｖｄの触媒層では、運転時間２００
時間程度で４０人から１００Ａ程度まで白金結晶子径の
増加が認められる。
を境いに、それ以下は急峻な電圧低下を示していること
がわかる。これは運転時間と空気極中の白金結晶の変化
が電池特性に起因するもので、第７図に示すように、白
金結晶子径の増加速度が一足すると白金表面積の小さい
触媒層はど白金結晶の増加が大きい傾向を示す。すなわ
ち、単位面積当りの白金表面積が２００ ｒｗ侃の触媒
層２１．４００■／ゴの触媒層ｎの白金結晶子径の増加
に対し、 １００ Ｖｄの触媒層では、運転時間２００
時間程度で４０人から１００Ａ程度まで白金結晶子径の
増加が認められる。
また第７図に白金結晶子径と電池特性の影響を求めたも
ので・８０Ａを越えると電池特性が急激な低下を示す。
ので・８０Ａを越えると電池特性が急激な低下を示す。
以上のようにガス拡散性阻害を防止する為には触媒層を
薄くする必要があり、触媒劣化を低減するために白金量
を高くする必要があった、以上述べた結果をまとめると
、第４図より触媒層厚さとガス拡散性の変化より長期電
池のガス拡散性を安定に保つためには、触媒層厚さを薄
くする必要があることがわかる。また、第５図ないし算
７図より白金結晶子径の増加は単位面積当りの白金表面
積に依存しており、結晶子径が（資）λ以上になるとセ
ル電圧が著しく低下する傾向を示している。
薄くする必要があり、触媒劣化を低減するために白金量
を高くする必要があった、以上述べた結果をまとめると
、第４図より触媒層厚さとガス拡散性の変化より長期電
池のガス拡散性を安定に保つためには、触媒層厚さを薄
くする必要があることがわかる。また、第５図ないし算
７図より白金結晶子径の増加は単位面積当りの白金表面
積に依存しており、結晶子径が（資）λ以上になるとセ
ル電圧が著しく低下する傾向を示している。
しかしながら、触媒層の白金量は触媒担体であるカーボ
ンブラックに担持する白金量が一定の場合１層厚さを変
えることで白金量をｉｌｉ！ｇすることしかできない。
ンブラックに担持する白金量が一定の場合１層厚さを変
えることで白金量をｉｌｉ！ｇすることしかできない。
′
したがって、ガス拡散阻害を防止するためには触媒層を
薄くする必要があり、また触媒の劣化を低減するために
は白金ｔを多くするために触媒層を厚くする必要がある
。
薄くする必要があり、また触媒の劣化を低減するために
は白金ｔを多くするために触媒層を厚くする必要がある
。
このような相反する関係を満たすことのできる白金担持
量の触媒を求めるにあたり、触媒担体であるカーボンブ
ラックの重量当り５％、１０％、１５％、２０％の白金
結晶を担持した触媒にそれぞれ）’ＴＦＥを触媒重量当
り５３％添加した触媒層の厚さと触媒劣化の関係を第１
図に示す。この結果より。
量の触媒を求めるにあたり、触媒担体であるカーボンブ
ラックの重量当り５％、１０％、１５％、２０％の白金
結晶を担持した触媒にそれぞれ）’ＴＦＥを触媒重量当
り５３％添加した触媒層の厚さと触媒劣化の関係を第１
図に示す。この結果より。
ガス拡散阻害にセル電圧劣化はどの触媒を用いても従来
技術と同様に０．２＋１１１以上の触媒層厚さで起こる
ことがわかる。また触媒劣化も従来技術と同様に触媒層
白金表面積が１００ぜ−Ｐｔ／ぜ以下で著しく劣化する
ことがわかる。しかし、触媒層劣化の起こる白金表面積
を触媒層厚さから求めると、白金を５ｗｔ％担持触媒は
０．１５ ｍｔｐ以下、 １０ｗｔ％触媒は０．７５
ｒａｔｓ以下、１５ｗｔ％は０．０５１１１、以下、２
０ｗｔ％は０．０４１ｍ以下というように触媒層厚さの
異なることがわかる。
技術と同様に０．２＋１１１以上の触媒層厚さで起こる
ことがわかる。また触媒劣化も従来技術と同様に触媒層
白金表面積が１００ぜ−Ｐｔ／ぜ以下で著しく劣化する
ことがわかる。しかし、触媒層劣化の起こる白金表面積
を触媒層厚さから求めると、白金を５ｗｔ％担持触媒は
０．１５ ｍｔｐ以下、 １０ｗｔ％触媒は０．７５
ｒａｔｓ以下、１５ｗｔ％は０．０５１１１、以下、２
０ｗｔ％は０．０４１ｍ以下というように触媒層厚さの
異なることがわかる。
以上のことから触媒層の厚さと白金表面積の関係を求め
て、触媒劣化を低減できる白金表面積である単位面積当
り１ｏｏ ｄ以上でガス拡散阻害に影響を及ぼさない０
．２ｍｍ以下の触媒層厚さとなる触媒を用いることで電
池特性の安定を図ることができる。
て、触媒劣化を低減できる白金表面積である単位面積当
り１ｏｏ ｄ以上でガス拡散阻害に影響を及ぼさない０
．２ｍｍ以下の触媒層厚さとなる触媒を用いることで電
池特性の安定を図ることができる。
、第２図は実際の電池特性の経時変化を示すもので、運
転条件は、温度２００℃、電流密度２２０ ｍＡ／ａｒ
ｔ。
転条件は、温度２００℃、電流密度２２０ ｍＡ／ａｒ
ｔ。
動作圧力４ Ｋｇ／１ｙｔｆである。図において、６は
触媒担体に対して１９ｗ１％白金を担持した触媒にＦ’
ＴＦＥを５３ｗｔ％添加混合した触媒層の厚さを０．１
５龍として白金表面積を２４０ ｒｒ？−Ｐ ｔ／ｙｌ
にした触媒層の電池特性であり、セル電圧の低下率が低
いことから。
触媒担体に対して１９ｗ１％白金を担持した触媒にＦ’
ＴＦＥを５３ｗｔ％添加混合した触媒層の厚さを０．１
５龍として白金表面積を２４０ ｒｒ？−Ｐ ｔ／ｙｌ
にした触媒層の電池特性であり、セル電圧の低下率が低
いことから。
ガス拡散阻害が防止され、触媒劣化も低減されているこ
とがわかる。７は、触媒担体に対して５ｗｔ％白金を担
持した触媒にＰＴＦＥを５３ｗｔ％添加混合した触媒層
の厚さを０．１５１■として、触媒層内の白金表面積を
１２０７７１”−）’ｔ／ゴにした触媒層の電池特性で
あり、白金量の不足による触媒劣化から大きい劣化高を
示している。また８は、触媒担体に対して１９ｗ１％白
金を担持した触媒に）’ＴＦＥ８５３ｗｔ％添加混合し
た触Ｗ＆層の厚さを０．３籠として、触媒層内の白金表
面ｆｆ ４８０ ｄ−Ｐｔ／ｄにした触媒層の電池特性
であり、触媒層厚さの不適正によりガス拡散阻害を起し
て、同じく大きな劣化藁を示している。
とがわかる。７は、触媒担体に対して５ｗｔ％白金を担
持した触媒にＰＴＦＥを５３ｗｔ％添加混合した触媒層
の厚さを０．１５１■として、触媒層内の白金表面積を
１２０７７１”−）’ｔ／ゴにした触媒層の電池特性で
あり、白金量の不足による触媒劣化から大きい劣化高を
示している。また８は、触媒担体に対して１９ｗ１％白
金を担持した触媒に）’ＴＦＥ８５３ｗｔ％添加混合し
た触Ｗ＆層の厚さを０．３籠として、触媒層内の白金表
面ｆｆ ４８０ ｄ−Ｐｔ／ｄにした触媒層の電池特性
であり、触媒層厚さの不適正によりガス拡散阻害を起し
て、同じく大きな劣化藁を示している。
以上の説明から明らかなように本発明によれば、触媒層
の厚さと森位面ｆｌ指りの白金表面涜の両者の適正化を
図ったため、ガス拡散阻害と触媒劣化の防止をすること
ができた。
の厚さと森位面ｆｌ指りの白金表面涜の両者の適正化を
図ったため、ガス拡散阻害と触媒劣化の防止をすること
ができた。
第１図は本発明に係る白金担持量の易なる触媒の触媒層
厚さと単位面積に対する触媒劣化によるセル電圧減少値
とガス拡散阻害によるセル電圧減少値との関係を示すグ
ラフ、第２図は本発明による電池特性とガス拡散阻害、
触媒劣化による電池特性の経時変化を示すグラフ、第３
図は電気化学的触媒層を生ずる三相界面の概略模式図、
第４図は触媒層厚さと０２濃度によるガス拡散性の違い
を示すグラフ、第５図は５０００時間運転後の触媒劣化
によるセル電圧減少値を示すグラフ、第６図は運転時間
と白金結晶子径変化を示すクラフ、第７図は白金結晶子
径とセル電圧の関係を示すグラフである。 ｌ・・・Ｓｗｔ％白金担持触媒、２・・・ｌＱｗｔ％白
金担持触媒、３・・・１５ ｗｔ％白金担持触媒、４・
・・２０ｗｔ％白金担持触媒、６・・・本発明による電
池特性。 ７・・・触媒劣化による電池特性、８・・・ガス拡散阻
害による電池特性。 ｎ１ｌ）岬ｔ％ａＱＱ＋ｌｂ金＆１ｆｉｋ”−ＡＡ＋’
）１に時開（１−１，） 煽Ｚ図 第Ｊ ス ”１ＡｔＬＦｆｒ＋ｎ％すｅｒｒ ｆａ４ｚ；＆Ｆｉｎ
７ｔｒ （ｃ’−”／；ｎ’ ）昂ｊ 図
厚さと単位面積に対する触媒劣化によるセル電圧減少値
とガス拡散阻害によるセル電圧減少値との関係を示すグ
ラフ、第２図は本発明による電池特性とガス拡散阻害、
触媒劣化による電池特性の経時変化を示すグラフ、第３
図は電気化学的触媒層を生ずる三相界面の概略模式図、
第４図は触媒層厚さと０２濃度によるガス拡散性の違い
を示すグラフ、第５図は５０００時間運転後の触媒劣化
によるセル電圧減少値を示すグラフ、第６図は運転時間
と白金結晶子径変化を示すクラフ、第７図は白金結晶子
径とセル電圧の関係を示すグラフである。 ｌ・・・Ｓｗｔ％白金担持触媒、２・・・ｌＱｗｔ％白
金担持触媒、３・・・１５ ｗｔ％白金担持触媒、４・
・・２０ｗｔ％白金担持触媒、６・・・本発明による電
池特性。 ７・・・触媒劣化による電池特性、８・・・ガス拡散阻
害による電池特性。 ｎ１ｌ）岬ｔ％ａＱＱ＋ｌｂ金＆１ｆｉｋ”−ＡＡ＋’
）１に時開（１−１，） 煽Ｚ図 第Ｊ ス ”１ＡｔＬＦｆｒ＋ｎ％すｅｒｒ ｆａ４ｚ；＆Ｆｉｎ
７ｔｒ （ｃ’−”／；ｎ’ ）昂ｊ 図
Claims (1)
- 多孔質の電極基材上に白金を担持した触媒粉末と弗素樹
脂を混合した触媒層を形成してなるものにおいて、触媒
層の厚さを０．２ｍｍ以下にするとともに、触媒層内に
含まれる白金表面積を単位面積当り１００ｍ＾２以上と
したことを特徴とする燃料電池用ガス拡散電極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61189869A JPS6345756A (ja) | 1986-08-13 | 1986-08-13 | 燃料電池用ガス拡散電極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61189869A JPS6345756A (ja) | 1986-08-13 | 1986-08-13 | 燃料電池用ガス拡散電極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6345756A true JPS6345756A (ja) | 1988-02-26 |
Family
ID=16248532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61189869A Pending JPS6345756A (ja) | 1986-08-13 | 1986-08-13 | 燃料電池用ガス拡散電極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6345756A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0337963A (ja) * | 1989-07-04 | 1991-02-19 | Fuji Electric Co Ltd | リン酸型燃料電池のカソードガス拡散電極 |
-
1986
- 1986-08-13 JP JP61189869A patent/JPS6345756A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0337963A (ja) * | 1989-07-04 | 1991-02-19 | Fuji Electric Co Ltd | リン酸型燃料電池のカソードガス拡散電極 |
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