JPH03295169A - 固体高分子電解質膜と電極との接合体 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、固体高分子電解質膜と電極との接合体に関し
、燃料電池や水電解等に用いて好適なものである。

〈従来の技術〉 燃料電池は、資源の枯渇問題を有する石化燃料を使う必
要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回収
効率も他のエネルギ機関と較べて非常に高くできる等の
優れた特徴を持っているため、例えばビルディング単位
や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用され
ている。

近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に代えて作動す
るモータの電源として利用し、とのモータにより車両等
を駆動することが考えられている。この場合に重要なこ
とは、反応によって生成する物質をできるだけ再利用す
ることは当然のこととして、車載用であることからも明
らかなように、余り大きな出力は必要でないものの、全
ての付帯設備と共に可能な限り小型であることが望まし
く、このような点から固体高分子電解質膜燃料電池が注
目されている。

ここで、−例として固体高分子電解質膜燃料電池本体の
基本構造を第３図を参照しながら説明する。同図に示す
ように、電池本体０１は固体高分子電解質膜０２の両側
にガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂが接合されることによ咬
構成されている。そしてこの接合体は、固体高分子電解
質膜０２の両側にガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂを合せた
後、ホットプレス等することにより製造される。また、
ガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂはそれぞれ反応膜０４Ａ。

０４Ｂ及びガス拡散膜０５Ａ、０５Ｂが接合されたもの
であ抄、電解質！１Ｉ０２とｌよ反応膜０４Ａ、０４Ｂ
の表面が接触している。したがって、電池反応は主に電
解質膜０２と反応膜０４Ａ、０４Ｂとの間の接触面で起
こる。

例えばガス拡散電極０３Ａを酸素極、ガス拡散電極０３
Ｂを水素極とし、各々のガス拡散膜０５Ａ、０５Ｂを介
して酸素、水素を反応膜０４Ａ、０４Ｂ側へ供給すると
、各反応膜０４Ａ、０４Ｂと電解質膜０２との界面で次
のような反応が起こる。

反応膜０４Ａの界面： ０　＋４　Ｈ”＋４　ｅ　−＝２　ＨＯ反応膜０４Ｂの
界面： ２　Ｈ−４Ｈ”＋　４　ｅ ここで、４Ｈ”は電解質膜０２を通って水素屑から酸素
極へ流れるが、４ｅは負荷０６を通って水素極から酸素
極へ流れることになり、電気エネルギーが得られる。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述した構成の燃料電池本体０１では、電池反応は主に
、電解質膜０２と各反応！ｌ！０４Ａ。

０４Ｂとの接触面で起こるので、電池性能を向上させる
には電極自体を大きくあるいは多層にしなければならな
いという問題がある。

すなわち、例えば燃料電池の小型化を追求するためには
、上述した電池本体０１の単位体積当りの電池反応の向
上が必須となる。これは、水電解等を行う場合にもｒｉ
８ｉＩ様である。

そして、単位体積当りの電池反応を向上させるためには
、例えば上記反応膜０４Ａ、０４Ｂの触媒担持量を増大
させるのが有効である。

しかし、上述した反応膜０４Ａ、０４Ｂは一般に、例え
ば白金系触媒若しくは白金系触媒を担持させた親水性カ
ーボン微粒子をフッ素樹脂等に分散させたものであり、
触媒担持量には限界があり、例えばＩＩＩＩｇ／ｄ程度
までである。

本発明：よこのような事情に鑑み、燃料電池や水電解等
に用いた場合に電池反応効率を大幅に向上させるために
触媒担持量を増大させた、固体高分子電解質膜と電極と
の接合体を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 前記目的を達成する本発明に係る固体高分子電解質膜と
電極との接合体は、両面に触媒を析出した固体高分子電
解質膜の両側に、必要に応じて内側に反応膜を有する２
枚のガス拡散膜を配した挾持体を、ホットプレスしてな
ることを特徴とする。

本発明で固体高分子電解質膜とは水が共存しても液体に
ならない電解質膜をいい、好適なものとしてはパーフル
オロスルフォン酸ポリマー膜（ナフィオン：デュポン社
商品名）を挙げろことができるが、例えばスチレン系イ
オン交換膜などの一般のイオン交換膜も用箋ろことがで
きる。

このような固体高分子電解質膜の両面に白金系触媒を析
出させたものを得るには例えば待開昭５５−３８９３４
号公報に記載された方法を用いればよい。すなわち、固
体高分子電解質膜の一面側に触媒金属塩溶液を、他面側
に還元剤溶液をそれぞれ配することにより触媒金属塩溶
液側の面に触媒を析出し、その後、両側の溶液を逆にし
て他方の面に触媒を析出するようにする。なお、ここで
、触媒としては、好ましくは白金、ロジウム、パラジウ
ム、ルテニウムおよびイリジウムなどの白金族金属が用
いられ、また、還元剤としてはホウ素化ナトリウム、ジ
メチルアミノボランなどが用いられる。

また、本発明で用いろガス拡散電極は、通気性はあるが
通水性は有さず導電性のあるものであれば特に限定され
ないが、一般に疎水性カーボン及びフッ素樹脂などの疎
水性樹脂からなる。

本発明では、両面に触媒を析出させた固体高分子電解質
膜の両側にガス拡散膜を配した挾持体をホットプレスす
ることにより接合体とする。このときのホットプレスの
条件は接合する条件であれば特に限定されないが、−般
に、１２０〜２５０℃の温度で１００〜６００ｋｇ　／
　ｃｌｒの圧力で行えばよい。

また、このときガス拡散膜の内側に反応膜を配してもよ
い。すなわち、固体高分子電解質膜燃料電池等に用いら
れるガス拡散膜と反応膜とからなるガス拡散電極を用い
ることもできる。ここで、反応膜は触媒を担持させたも
のをいい、一般に、疎水性カーボン及びフッ素樹脂など
の疎水性樹脂に、触媒を担持させた親水性カーボン微粒
子若しくは触媒微粒子を担持させたもので、電解質や水
などを透過させる性質を有しているものである。

このように形成した接合体では、固体高分子電解質膜と
ガス拡散膜苦しくＬよ反応膜との界面に存在する触媒量
が、例えば固体高分子電解質膜に直接、反応膜を接合し
た場合に比べて大幅に大きくなる。

く実　施　例ン 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図には一実施例に係る固体高分子電解質膜とガス拡
散電極との接合体の断面を示す。

同図中、１は固体高分子電解質膜、２はその両面に析出
された触媒層であり、この両側にガス拡散電極３Ａ、３
Ｂを接合して接合体としている。

ここで、固体高分子電解質膜１としては厚さ０．１７−
のデュポン社製のナフィオン１１７（商品名）を用い、
これに前述した吸着還元法によりＰｔ黴籾粒子らなる触
媒層２を形成した。

一方、ガス拡散電極３Ａ、３Ｂは、平均粒径５０人の白
金と平均粒径４５０人の親水性カーボンブラックと平均
粒径０，３μのポリテトラプルオロエチレンとが０．７
：　　７：　　３の割合で成る親水性反応膜４Ａ、４Ｂ
と、平均粒径４２０人の疎水性カーボンブラックと平均
粒径０．３μのポリテトラフルオロエチレンとが７：　
３の割合から成る疎水性ガス拡散膜５Ａ。

５Ｂとから構成されている。親水性反応膜４Ａ。

４Ｂ及び疎水性ガス拡散膜５Ａ、５Ｂは、白金以外の各
原料粉末にソルベントナフサ、アルコール、水、炭化水
素などの溶媒を混合した後、圧縮成形することにより得
る乙とができる。そして、これらを重ねて圧延し、親水
性反応膜４Ａ、４Ｂ側に、塩化白金酸化還元法によりＰ
ｔＯ，５６ｇ／ｃＩｌを担持させることによりガス拡散
電極３Ａ、３Ｂが製造される。

そして、２枚のガス拡散電極３Ａ、３Ｂの間に固体高分
子電解質膜１を挾んで挾持体とし、水分共存下１８０℃
で３　Ｑ　Ｏａｔｅの条件で３００秒間ホットプレスす
ることにより接合体とした。

このように製造した接合体は、触媒が４〜５■／ｃｌＩ
ｒ担持されており、大幅な性能向上を図ることができる
。

第２図には上述した実施例の接合体と、固体高分子電解
質膜１の表面に触媒層２を形成しない接合体（比較例）
について発電テストを行った結果を示すが、実施例の接
合体の方が著しく高性能であることが認められた。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明に係る接合体は、単位面積
当りの触媒担持量が著しく大きいので、燃料電池や水電
解等に用いた場合の電池反応効率が大幅に向上するとい
う効果を秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例に係る接合体の断面図、第２図は発明
テストの結果を示すグラフ、第３図は固体高分子電解質
膜燃料電池本体の基本構造の概念図である。 図　　面　　中、 １は固体高分子電解質膜、 ２は触媒層、 ３Ａ、３Ｂはガス拡散電極、 ４Ａ、４Ｂは親水性反応膜、 ５Ａ。 Ｂは疎水性ガス拡散膜である。 三菱重工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 両面に触媒を析出した固体高分子電解質膜の両側に、必
   要に応じて内側に反応膜を有する２枚のガス拡散膜を配
   した挾持体を、ホットプレスしてなることを特徴とする
   固体高分子電解質膜と電極との接合体。