JPH03184266A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、イオン伝導性固体電解質層を有する燃料電池
に関する。

（従来の技術） 近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が
注目を集めている。燃料電池は、一般に電極反応に寄与
するイオン種を含む電解質層を、電極反応で変質しない
で電子の授受が行え、かつ反応物質が移行できる正負２
種類の電極によって挟持することによって素電進を形成
し、この素電池の複数を集電板を介して積層することに
よって構成される。上記電極は、起電反応を生じさせる
場所を提供するものであることから、通常多孔質体によ
って構成されており、かつ起電反応に寄与する触媒を含
む触媒電極として使用されている。

このような燃料電池における反応系のフローは、イオン
種が酸性かアルカリ性かで異なり、たとえば酸性の場合
には、以下に示すフローによって反応が進み、（＋）極
側で生成物（水）が生ずる。

負荷ｅ −１〆　　　ゝ、 （＋）極　　（−）極 （Ｈ＋） Ｏｘ　　→　　　←　　　←Ｒｅ （例ニー、、０１　＋２Ｈ”　＋２ｅ−４Ｈ２０）ｌ　
　　　　Ｉ（例：８２−＋２）１”＋２ｅ−）ところで
、上記したような燃料電池のうち、電解質層をプロトン
伝導性の固体高分子電解質（Ｓ。

−１ｉｄ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）
とした燃料電池（以下、ＳＰＥ燃料電池と記す）は、コ
ンパクトな構造で高出力密度であり、かつ簡略なシステ
ムで運転か可能なことから、宇宙用や車両用の移動用電
源として注目されている。

このようなＳＰＥ燃料電池の性能向上を目的として、（
＋）および（−）側の触媒電極に用いられるガス拡散電
極に対して以下のような改良がなされてきた。

たとえばプロトン伝導体であるパーフルオロカーボンス
ルフオン酸樹脂のようなイオン交換樹脂の溶液をガス拡
散電極に塗布し、該イオン交換樹脂をガス拡散電極中に
含有させることによって、反応領域を電解質層と電極と
の界面のみから三次元的に増大させ、電極性能を向上さ
せる試みがなされている。また、イオン交換樹脂溶液に
触媒金属を含有させ、これとフッ素樹脂懸濁液との混合
酸を電解質膜に塗着させることによって触媒電極を形成
し、同様に反応領域を三次元的に増大させる試み（特開
昭６１−２９５３８７号公報、同６１−２９５３８８号
公報参照）なとが検討されてきた。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、プロトン伝導性のイオン交換樹脂を含
有させたガス拡散電極を用いることにより、三次元的な
反応領域を増大でき、これが実効的な反応面積の増大に
つながって、ＳＰＥ燃料電池の電極性能を向上させるこ
とか可能となる。

しかしながら、その半面電子伝導性を持たないイオン交
換樹脂が反応サイトを被覆するために、内部抵抗が増大
するという欠点を有していた。また、この反応サイトの
被覆は、電極の細孔構造を狭小にし、電極反応に関与す
る水素や酸素などの反応ガスや水などの反応生成物の物
質移動を阻害することによって、特性低下の要因となっ
ていた。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
ので、実効的な反応面積を減少させることなく、充分な
物質移動の通路を確保することによって、性能向上を図
った固体電解質型燃料電池を提供することを目的として
いる。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明の固体電解質型燃料電池は、触媒を担持
した導電性微粒子が疎水性結合剤により保持された多孔
質触媒層を有する一対のガス拡散電極と、これら一対の
ガス拡散電極によって挟持されたイオン伝導性固体電解
質層とを具備する固体電解質型燃料電池において、前記
多孔質触媒層が表面にイオン交換樹脂を付着させた微粒
子を含有することを特徴としている。

本発明における多孔質触媒層は、イオン交換樹脂を付着
・担持した微粒子を構成要素とし、上記微粒子と触媒を
担持した導電性微粒子とを疎水性結合剤によって多孔質
状に保持したものである。

本発明において使用するイオン交換樹脂としては、通常
、種々の電気化学装置（燃料電池、水電解槽、食塩電解
槽など）にイオン交換樹脂膜として用いられているよう
な、耐アルカリ性、耐酸性、耐熱性に冨むものが好まし
い。その中でも特に、含フツ素高分子を骨格とするイオ
ン交換樹脂、たとえばパーフルオロカーボンスルフオン
酸樹脂などが好適である。

また、上記イオン交換樹脂の担持体となる微粒子は、特
にその素材が限定されるものではなく、有機材料、無機
材料のいずれをも使用することが可能であるが、たとえ
ばナイロン１２（商品名）やスチレン系樹脂などの耐薬
品性を有する有機樹脂からなる粒径１〜１００μｍ程度
の粒子が好ましい。

上記微粒子にイオン交換樹脂を付着させる方法としては
、イオン交換樹脂を溶液化し、デイ・ツブ法や濾過法と
いった一般的な被覆方法を用いることが可能であり、こ
れらにより容易に付着・担持させることができる。

このようなイオン交換樹脂を担持した微粒子は、多孔質
触媒層中に１〜１０重量％重量％側合で含有させること
が好ましい。このイオン交換樹脂を担持した微粒子の含
有量が（重量％未満ては反応領域を充分に増大させるこ
とができず、また１０重量％を超えると内部抵抗が増大
して電極特性を逆に低下させてしまう。

（作　用） 本発明の固体電解質型燃料電池においては、多孔質触媒
層内にイオン交換樹脂を付着させた微粒子を構成成分と
して含有させている。これにより、三次元的な反応領域
を低下させることなく、ガス拡散電極中の物質移動に要
する通路を充分に確保することができ、電極反応に関与
する反応ガスや反応生成物を安定して移動させることが
可能となる。したがって、電極特性の向上（分極電圧低
減）か容易に図れる。

（実施例） 以下、本発明の固体電解質型燃料電池をＳＰＥ燃料電池
に適用した実施例について図面を参照にして説明する。

第１図は、本発明の一実施例のＳＰＥ燃料電池の要部を
示す断面図である。同図中、１はイオン伝導性を有する
固体電解質膜であり、たとえばパーフルオロカーボンス
ルフオン酸樹脂・ナフィオン（商品名、デュポン社製）
などのプロトン伝導性を有する固体高分子膜によって構
成されている。

この電解質膜１の両表面上には、（＝）副触媒電極２と
（＋）副触媒電極３とか一体的に形成されており、これ
らによって素電池４が構成されている。

これら触媒電極２．３は、多孔質状態のガス拡散電極で
あり、多孔質触媒層とガス拡散層の両方の機能を兼ね備
えるものである。これら触媒電極２．３は、白金、パラ
ジウムあるいはこれらの合金などの触媒を担持した導電
性微粒子たとえばカーボン微粒子をポリテトラフルオロ
エチレンのような疎水性樹脂結合剤により保持した多孔
質体によって構成されており、さらにイオン交換樹脂た
とえばパーフルオロカーボンスルフオン酸樹脂・ナフィ
オンを付着・担持した微粒子を電極構成要素として含ん
でいる。

また、（−）副触媒電極２の他方の面には、多孔質カー
ボン支持体５を介して、燃料ガスたとえば水素ガスの通
路となる溝６ａが形成された導電性物質たとえばカーボ
ンからなる集電板６が配置されている。また、（＋）副
触媒電極３の他方の面には、多孔質導電性撥水層７を介
して、酸化剤ガスたとえば酸素ガスの通路となる溝８ａ
が形成された導電性物質たとえばカーボンからなる集電
板８が配置されている。

さらに、（＋）副触媒電極３に酸化剤ガスを供給すると
、反応生成物たとえば水が（＋）側触媒電極３側に生じ
るため、電解液や液状反応生成物の移動通路となるウィ
ック９が、（＋）側触媒電極３側の集電板８に設けられ
た溝８ａ内に形成されている。

そして、電解質層１、（＋）側および（−）副触媒電極
２．３および集電板６．８などによって、燃料電池の電
池ユニット１０が構成されている。

なお、図中１１は上記燃料電池のユニット１０を直列に
積層してスタックを構成する場合の電池の作動温度を制
御するための冷却水通路である。

次に、上記構成のＳＰＥ燃料電池の具体例について説明
する。

実施例１ ます、ナイロンｉ２からなる平均粒径５〜６μ會の有機
樹脂微粒子の表面に、イオン交換樹脂としてナフィオン
をデイツプ法によって被覆した。得られた微粒子は、第
２図に示すように、有機樹脂微粒子２１の表面にイオン
交換樹脂膜２２が均一に付着（被覆）されたイオン交換
樹脂付着粒子２３であった。

次に、上記イオン交換樹脂付着微粒子１０重量部と、触
媒としての白金が１０重量％添加されたカーボンブラッ
ク５０重量部と、疎水性樹脂結合剤としてポリテトラフ
ロロエチレン樹脂を分散液で４０重量部とに対し、この
分散液の約１０倍の水を添加し、これを充分に混合した
後、濾過、乾燥して疎水性樹脂結合剤とイオン交換樹脂
付着微粒子と触媒担持炭素微粒子とが均一に混合された
混合物を得た。

次いで、上記混合物をさらに充分に混練して、ポリテト
ラフロロエチレン樹脂を繊維化させて全体が餅状をなす
餅状物を得た。次に、この餅状物をローラでシート化し
て多孔質状態の触媒層シートを作製した。この後、この
触媒層シートを３２０℃の窒素ガス中で熱処理してガス
拡散電極を得た。

このようにして得たガス拡散電極を（＋）側および（＝
）側の触媒電極２．３として用い、この２枚の触媒電極
２．３で電解質膜１となるナフィオン膜を挟み込み、温
度１２０℃〜１３０℃、圧力１００ｋｇ／ｅ１の条件で
ホットプレスし一体化することにより電極・電解質膜複
合体Ａを得た。

次に、このようにして得た電極・電解質膜複合体Ａを素
電池４として用いて、上記構成のＳＰＥ燃料電池を組み
立てた。

また、本発明との比較として、ナフィオンで被覆した微
粒子を用いない以外は上記実施例１と同様にして作製し
た電極・電解質膜複合体Ｂ（比較例１）および上記比較
例１のガス拡散電極にナフィオン溶液を塗布して作製し
た電極・電解質膜複合体Ｃ（比較例２）とをそれぞれ用
い、実施例１と同様にしてＳＰＥ燃料電池を組み立てた
。

これら実施例および比較例のＳＰＥ燃料電池の電流・電
圧特性を評価するために、それぞれ運転試験を行った。

なお、試験条件は、温度８０℃、圧力３ａＬｌｓ燃料ガ
ス／水素、酸化剤ガス／酸素である。

その結果を第３図に示す。

第３図から明らかなように、実施例１によるＳＰＥ燃料
電池は、比較例１．２によるＳＰＥ燃料電池に比べて、
電流・電圧特性に優れていることか分る。これは、イオ
ン交換樹脂を電極内に存在させる方法として、イオン交
換樹脂膜で被覆した微粒子を電極構成要素として含有さ
せているため、移動物質の通路が充分に確保されたこと
による。

実施例２ 実施例１で作製した疎水性樹脂結合剤とイオン交換樹脂
付着微粒子と触媒担持炭素微粒子とが均一に混合された
混合物に、さらに造孔剤として炭酸水素アンモニウムを
６０重量部添加し、均一に混合した。次いで、この混合
物を用いて実施例１と同様にして触媒層シートを作製し
、この触媒層シートに一旦１００℃で熱処理を施して造
孔剤を気化させた後、３２０℃の窒素ガス中で熱処理し
てガス拡散電極を得た。

そして、このようにして得たガス拡散電極を用いて実施
例１と同一条件で電極・電解質膜複合体りを作製し、同
様にＳＰＥ燃料電池を組み立てた。

このようにして作製したＳＰＥ燃料電池の電流・電圧特
性を実施例１と同一条件下で評価したところ、実施例１
のＳＰＥ燃料電池とほぼ同じ優れた特性が得られた。

なお、上記各実施例では触媒として白金を用いたが、パ
ラジウムや白金とパラジウムとの合金を用いた系につい
ても同様な効果が得られた。

また、上記実施例では本発明をＳＰＥ燃料電池に適用し
た例について説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、イオン伝導性固体電解質層を用いる各種燃
料電池に適用可能である。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明の固体電解質型燃料電池によ
れば、ガス拡散電極中の物質移動に要する通路を十分に
確保した上で、反応領域を三次元的に増大させることを
可能としているため、電極特性を確実に向上させること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のＳＰＥ燃料電池の要部を
示す断面図、第２図は第１図の燃料電池に使用したイオ
ン交換樹脂膜付着微粒子を説明するための図、第３図は
本発明の実施例および比較例のＳＰＥ燃料電池における
電流・電圧特性を示す図である。 １・・・・・・電解質膜、２・・・・・・（−）側触媒
電極、３・・・・・・（＋）側触媒電極、４・・・・・
・素電池、５・・・・・・多孔質カーボン支持体、６．
８・・・・・・・・・集電板、７・・・・・多孔質導電
性撥水層、２１・・・・・・有機樹脂微粒子、２２・・
・・・・イオン交換樹脂膜、２３・・・・・・イオン交
換樹脂膜付着微粒子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）触媒を担持した導電性微粒子が疎水性結合剤によ
   り保持された多孔質触媒層を有する一対のガス拡散電極
   と、これら一対のガス拡散電極によって挟持されたイオ
   ン伝導性固体電解質層とを具備する固体電解質型燃料電
   池において、 前記多孔質触媒層が、表面にイオン交換樹脂を付着させ
   た微粒子を含有することを特徴とする固体電解質型燃料
   電池。