JPH01286256A - 燃料電池用電極 - Google Patents

燃料電池用電極

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JPH01286256A
JPH01286256A JP63115794A JP11579488A JPH01286256A JP H01286256 A JPH01286256 A JP H01286256A JP 63115794 A JP63115794 A JP 63115794A JP 11579488 A JP11579488 A JP 11579488A JP H01286256 A JPH01286256 A JP H01286256A
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JP
Japan
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electrode
water
repellent layer
catalyst
fiber
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JP63115794A
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English (en)
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Nobuyuki Yanagihara
伸行 柳原
Kunio Ito
伊藤 邦夫
Mieko Tanabe
田辺 美恵子
Makoto Uchida
誠 内田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
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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】 産業上の利用分野 本発明は気体燃料として水素、炭化水素、液体燃料とし
てメタノール、ヒドラジンなどの還元剤を用い、空気、
酸素を酸化剤とする燃料電池の電極に関するものである
従来の技術 この種の燃料電池用電極には、通常、導電性多孔質基体
、例えば、タンタル、白金、炭素質材料などからなる網
状あるいは布状の基体を介して、その表面に白金などの
触媒を担持しているカーボン質材料、例えば、活性炭、
グラファイト、カーボンブラックなどの炭素質担体を結
着剤、例えば、フッ素樹脂などと共に塗着して触媒層を
構成している。しかしながら、この電極を用いて燃料電
池を組み立てたる時に、あるいは燃料電池を発電する時
に、電極を構成する触媒層が基体から剥離したり、触媒
層構成粒子が脱落する現象が起り、燃料電池の出力が発
電経過と共に低下するなどの課題があった。そこで、基
体との密着力、又は触媒粉体間の結着力は結着剤の量を
増加すると大きくなるが、電気抵抗も大きくなるため、
電極電位が下がってしまう。そこで、さらに導電性多孔
質基体の表面に塗着している触媒層の中に繊維状物質を
5〜30%程含有させて、触媒を担持しである活性炭、
グラファイト、カーボンブラックなどの多孔質導電性担
体と基体との密着力、あるいは触媒粉体間の結着力を向
上させる提案がある(特開昭59−127372号公報
)。
発明が解決しようとする課題 この様な従来の構成では、触媒層中に含有する繊維状物
質がガラスウール、シリカウール、シリカ・アルミナウ
ール、アルミナウール、タンタル。
その他の耐酸性金属ウール、炭素ウール等であり、これ
らの繊維状物質は直接触媒作用に関係しないために、触
媒量を一定にすれば、当然、電極の厚さが厚くなり、燃
料電池本体が大型化となる。電極自体の厚さを変化させ
ないと触媒部分が少なくなり、電極全体の触媒活性が低
くくなる。このために電池性能の耐久性が減少し、しか
も大型化となるなどの課題を有している。
そこで、本発明はこの様な課題を解決するもので、電極
の耐久性に優れ、しかも長期間、発電しても性能低下の
少ない燃料電池用電極を得ることを目的とするものであ
る。
課題を解決するための手段 この課題を解決するために、本発明は撥水性樹脂と導電
性微粉末からなる撥水層と、触媒を担持した導電性微粉
末からなる触媒層を、導電性多孔質体を介して、加圧成
型してなる燃料電池用電極において、前記撥水層に繊維
状黒鉛を含有したものである。
また、撥水性樹脂が繊維状フッ素樹脂であり、繊維状黒
鉛の直径と長さが各々10〜10μm。
1o〜1oIt!11、撥水層重量当り6〜20重量%
含有し、さらに繊維状黒鉛の表面に導電性微粒子が部分
的に被覆されているものである。
作用 このような構成により、電極反応には関与しない撥水層
にのみ、繊維状黒鉛を含有させる事により、電極自体の
耐久性1機械的強度を、この撥水層によって保持させ直
接電極反応に関与する触媒層には繊維状黒鉛は含有させ
ないで、触媒作用が効果的て働くようになっている。即
ち、電極自体の耐久性と電極性能を発揮する部分を別々
に分けて、耐久性を強くする部分を撥水層部分が分担し
、電極性能を向上させる部分を触媒層部分が受は持つ事
になる。この様に、電極の保持すべき機能を各々が分担
し合って、優れた電極を得ることが出来ることとなる。
実施例 以下に実施例によりさらに詳しく説明する。
市販の炭素粉末(パルカンXC−72R・キャボット社
製)を塩化白金酸(H2PtCl6)水溶液の中に入れ
、十分攪拌した後、36%ホルマリン(HCI(O)溶
液を適量加える。その後30重量%カ性力IJ(KOH
)水溶液を除々に加えてH2PtCl6を還元する。還
元反応が完了し、白金(Pt)が炭素粉末の表面に担持
された状態で、さらに十分水洗、乾燥する。得られた触
媒担持炭素粉末にはpt10重量%が含有する様に触媒
溶液を調整した。
この触媒担持炭素粉末を結着剤と共に用いて触媒層を形
成した。つぎに、市販の炭素粉末をフッ素樹脂の分散液
中に浸漬し、十分攪拌した後、炭素粉末に繊維状のフッ
素樹脂を形成させ、さらに、直径1o−2へ10μm、
長さ10〜10’μm程度の繊維状黒鉛を加え、混合攪
拌し、撥水層を形成させた。この両者を導電性多孔質基
体を介して各々両表面に塗着し、加圧、成型して電極を
構成した。この電極の構成を第1図に示す。又この電極
を空気極と燃料極に用いた液体燃料電池の構成を第2図
に示す。導電性多孔質基体1を介して、その両面に繊維
状黒鉛を含有する撥水層3と触媒層2を形成し、この基
板を空気極や燃料極を構成する燃料電池用電極4として
用いた。空気極6は導電性多孔質基体6を介して撥水層
7と触媒層8からなり、撥水層7のガス側に空気室9が
あり酸化剤である空気が入口1oから供給され、出口1
1から排出される。触媒層8側には陽イオン交換膜12
があり、この陽イオン交換膜12を介して燃料極13が
配置されている。燃料極13においても導電性多孔基体
14を介して撥水層15と触媒層16からなり、触媒層
1eは陽イオン交換膜12側に接し、撥水層16は燃料
室17側に配置されている。メタノール燃料は入口18
から供給され、出口19より排出される。画電極は固定
枠2oで固定されている。この様な構成からなる液体燃
料電池の寿命特性を第3図に示す。この本発明の燃料電
池を人とする。
つぎに、繊維状黒鉛の表面に導電性微粒子が部分的に被
覆されている炭素材料を撥水層に含有させた電極を作り
、この電極を空気極と燃料極に用いた液体燃料電池をB
とする。ここで、繊維状黒鉛の表面に微粒子の炭素粉末
を強固に結合させる方法として、「化学装置41986
年9月号(p。
19)記載の粉体の表面改質方法を採用した。この表面
改質法(高速気流中衝撃カプセル化)は繊維状黒鉛の表
面に静電気的に導電性微粒子を付着させる。この状態で
は繊維状黒鉛と導電性微粒子間での結合力が弱く、導電
性微粒子が脱離するので、さらに導電性微粒子付着の繊
維状黒鉛複合体を回転ドラム中で高速気流によって回転
させて、高速気流の応力によって、打ち込むように両者
間で衝撃を与え、強固に繊維状黒鉛の表面を部分的に被
覆した複合体を作ることができる。
また、比較のために、繊維状黒鉛を含有していない電極
を用いた液体燃料電池をCとする。
第3図に示すよって、繊維状黒鉛を含有していない撥水
層からなる電極を空気極、燃料極に用いた液体燃料電池
では、電流密度son人/cnl。
1、s M H2S O4電解液、温度60℃の条件下
で作動時間1.ooOHで電圧が0,4Vから0,2V
まで低下した。これに対して、本発明型電池A−Bでは
2,0OOH作動しても殆んど性能低下が見られない。
電池性能が低下した電池Cの電極を分解してみると導電
性多孔質基板を境にして撥水層部分がはくりして電極自
体の抵抗が大きくなっている事がわかった。また、燃料
極側の撥水層の炭素粉末が脱落している事も見られた。
とくに本発明の電池Bでは第4図に示すように繊維状黒
鉛21の表面に炭素微粒子22が強固に固定されている
ために、電極を構成する炭素粉末との結合力がよく、炭
素粉末の脱落もなく、導電性多孔質基体との密着性も優
れ、両者間での剥離も認められなかった。
また、触媒層には触媒付炭素微粒子のみ存在しているた
めに、触媒の活用度が高く、しかも電極の厚さも厚くな
らず、電池本体も大型化にならない。とくに撥水層で繊
維状のフッ素樹脂と繊維状黒鉛とが電極内で絡み合って
いるので、さらに電極自体の強度を向上させ、この事が
燃料電池の寿命を伸長させている。
本実施例では、燃料電池の一例として空気極とメタノー
ル極に用いた例を取り上げたが、撥水層と触媒層を有す
る電極であればいずれの種類の電極でもよい。例えば、
水素極、炭化水素電極などのガス拡散電極にも用いる事
ができる。繊維状黒鉛はとくに撥水性があるので、撥水
層側に用いる方が望ましい。触媒層側に用いると触媒活
性を低下させ、触媒能力を十分発揮させる事ができない
。′繊維状黒鉛の直径は1o−2μmより細いと強度的
な面で効果が少なくなる。10μm以上では太くなりす
ぎて電極の厚さの点で。抵抗が大きくなり、電極性能上
望ましくない。
一方、長さが10μm以下では強度的に不十分である。
10 μm以上では長くなりすぎて、結合度合いの点に
おいてやはり、電極自体の強度的な面において問題を発
生する。したがって、線径。
長さは各々10−2〜10μm、10〜105μmの範
囲が最適な条件と云う事になる。また、この添加量が6
重量%より少ないと電極の強度アップにならず、20重
景%以上では表面積、多孔度との係わりにおいて導電性
多孔質基体との密着性がわるくなり、5〜20重量%の
範囲が最適である。
発明の効果 以上の様に、本発明によれば、電極自体の機械的強度が
大きく、触媒活性度も高く、長期間作動しても性能低下
の少ない燃料電池用電極を提供できるという効果が得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の燃料電池用電極の断面図、第2図は本
発明の電極を用いた液体燃料電池の構造図、第3図はア
ルコール燃料電池の寿命特性を示し、従来型電極を用い
た電池と本発明の電極を用いた電池を比較した図、第4
図は繊維状黒鉛に炭素微粒子が結合したモデル図である
。 1・・・・・・導電性多孔質基体、2・・・・・・触媒
層、3・・・・・・撥水層(繊維状黒鉛含有)、5・・
・・・・空気極、了・・・・・・空気極の撥水層、12
・・・・・・陽イオン交換膜、13・・・・・・燃料極
、16・・・・・・燃料極の撥水層、21・・・・・・
繊維状黒鉛、22・・・・・・炭素微粒子。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名1−
0真を性多り貫i&沫 2−触媒層 第1図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)撥水性樹脂と導電性微粉末からなる撥水層と、触
    媒を担持した導電性微粉末からなる触媒層を、導電性多
    孔質基体を介して、加圧成型してなる燃料電池用電極に
    おいて、前記撥水層が繊維状黒鉛を含有することを特徴
    とする燃料電池用電極。
  2. (2)撥水性樹脂が繊維状フッ素樹脂である特許請求の
    範囲第1項記載の燃料電池用電極。
  3. (3)繊維状黒鉛の直径と長さが各々10^−^2〜1
    0μm10〜10^3μmであり、繊維状黒鉛が撥水層
    重量当り5〜20重量%含有する特許請求の範囲第1項
    記載の燃料電池用電極。
  4. (4)繊維状黒鉛の表面に少なくとも導電性微粒子が部
    分的に被覆されている特許請求の範囲第1項記載の燃料
    電池用電極。
JP63115794A 1988-05-12 1988-05-12 燃料電池用電極 Pending JPH01286256A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999066578A1 (en) * 1998-06-16 1999-12-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
WO2002039533A3 (en) * 2000-11-09 2003-02-27 Ird As Membrane electrode assemblies for direct methanol fuel cells and methods for their production
WO2012098606A1 (ja) * 2011-01-18 2012-07-26 パナソニック株式会社 燃料電池用膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池

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