JPH05190184A - 電極−電解質接合体、その製造方法、およびそれを用いた燃料電池 - Google Patents
電極−電解質接合体、その製造方法、およびそれを用いた燃料電池Info
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- JPH05190184A JPH05190184A JP4020638A JP2063892A JPH05190184A JP H05190184 A JPH05190184 A JP H05190184A JP 4020638 A JP4020638 A JP 4020638A JP 2063892 A JP2063892 A JP 2063892A JP H05190184 A JPH05190184 A JP H05190184A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 電解質膜への水分供給能力を有し、燃料電池
の発電性能を向上させる効果を得られる燃料電池の電極
−電解質接合体を提供する。 【構成】 固体高分子電解質膜上に電極触媒層が形成さ
れた電極−電解質接合体において、電極触媒層が形成さ
れている部分と形成されず固体高分子電解質膜一層のみ
の部分とがある。
の発電性能を向上させる効果を得られる燃料電池の電極
−電解質接合体を提供する。 【構成】 固体高分子電解質膜上に電極触媒層が形成さ
れた電極−電解質接合体において、電極触媒層が形成さ
れている部分と形成されず固体高分子電解質膜一層のみ
の部分とがある。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電極−電解質接合体お
よびその製造方法に関し、特に揆水性、粘着性を必要と
するアノード極側でも電解質膜への水分供給能力に優
れ、また燃料電池の発電性能向上を図ることが可能とな
る電極−電解質接合体およびその製造方法に関する。
よびその製造方法に関し、特に揆水性、粘着性を必要と
するアノード極側でも電解質膜への水分供給能力に優
れ、また燃料電池の発電性能向上を図ることが可能とな
る電極−電解質接合体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、一般に電解質膜とその両側
に設けられたアノードおよびカソードからなる単位電
池、すなわちセルを、セパレータを介して積層してな
る。
に設けられたアノードおよびカソードからなる単位電
池、すなわちセルを、セパレータを介して積層してな
る。
【０００３】反応ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスからな
り、セパレータのアノード側には燃料ガスが供給され、
一方、セパレータのカソード側には酸化剤ガスが供給さ
れる。このような反応ガスの供給の結果、電気化学的反
応の進行にともない電子が発生し、この電子を外部回路
に取り出すことにより、電気エネルギーを発生する。
り、セパレータのアノード側には燃料ガスが供給され、
一方、セパレータのカソード側には酸化剤ガスが供給さ
れる。このような反応ガスの供給の結果、電気化学的反
応の進行にともない電子が発生し、この電子を外部回路
に取り出すことにより、電気エネルギーを発生する。
【０００４】このような燃料電池として、電解質膜をイ
オン交換膜などの固体高分子電解質膜により形成し、そ
の上に電極触媒層を形成してなるものが考えられる。
オン交換膜などの固体高分子電解質膜により形成し、そ
の上に電極触媒層を形成してなるものが考えられる。
【０００５】このような燃料電池において、電解質膜内
をＨ+ が移動する際にＨ+ １個につきｎ個のＨ2 Ｏの移
動をともなう。この数は、電気浸透係数（β）と定義さ
れる。βが低下すると、電解質膜のイオン導電性が低下
し、電解質膜自体の膜抵抗が増大する。この結果、膜抵
抗による発熱が起こり、電解質膜内の温度上昇によって
電解質膜内の含水量がさらに低下し、βの低下は助長さ
れる。これは、固体高分子電解質膜型燃料電池にとって
高電流密度領域での運転を難しくする原因となる。
をＨ+ が移動する際にＨ+ １個につきｎ個のＨ2 Ｏの移
動をともなう。この数は、電気浸透係数（β）と定義さ
れる。βが低下すると、電解質膜のイオン導電性が低下
し、電解質膜自体の膜抵抗が増大する。この結果、膜抵
抗による発熱が起こり、電解質膜内の温度上昇によって
電解質膜内の含水量がさらに低下し、βの低下は助長さ
れる。これは、固体高分子電解質膜型燃料電池にとって
高電流密度領域での運転を難しくする原因となる。
【０００６】また、電極触媒層は、Ｈ2 が吸着し、原子
状（Ｈ2 ）がイオン化（２Ｈ+ ＋２e - ）反応を行うた
め、Ｈ2 の吸着サイトが確保されていなくてはならな
い。このため、電極触媒層にはある程度の揆水性が要求
される。
状（Ｈ2 ）がイオン化（２Ｈ+ ＋２e - ）反応を行うた
め、Ｈ2 の吸着サイトが確保されていなくてはならな
い。このため、電極触媒層にはある程度の揆水性が要求
される。
【０００７】さらに、電極触媒層を層として電解質膜に
所定の厚さで形状保持させるために粘着性のある材料が
必要となる。
所定の厚さで形状保持させるために粘着性のある材料が
必要となる。
【０００８】このように、揆水性と粘着性の双方の特徴
と電解質膜への非反応性の観点より、粘着剤としてポリ
テトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂が有効とされ
ている。
と電解質膜への非反応性の観点より、粘着剤としてポリ
テトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂が有効とされ
ている。
【０００９】しかし、固体高分子電解質膜型燃料電池で
は、上述のごとくＨ2 Ｏの移動および電解質膜内での含
水率の保持が要求されるため、Ｈ2 Ｏの電解質膜への進
入は不可欠である。
は、上述のごとくＨ2 Ｏの移動および電解質膜内での含
水率の保持が要求されるため、Ｈ2 Ｏの電解質膜への進
入は不可欠である。
【００１０】従来、このような電解質膜の含水率を一定
の範囲内に保持させた固体高分子電解質膜型燃料電池と
しては、アノード側に水を供給しかつ冷却を同時に行う
ことのできる固体高分子電解質膜型燃料電池（特開平１
−３０９２６３号公報）、アノード極に密着させるガス
セパレータに対し、水素供給溝の間に水供給溝を付設し
た固体高分子電解質膜型燃料電池（特開平３−１０２７
７４号公報）、また電極部分と加湿部分を同じ電解質板
面に備えた固体高分子電解質膜型燃料電池〔ＦＣ Ｓｅ
ｍｉｎａｒ，３３０（１９８８）〕などが開示されてい
る。
の範囲内に保持させた固体高分子電解質膜型燃料電池と
しては、アノード側に水を供給しかつ冷却を同時に行う
ことのできる固体高分子電解質膜型燃料電池（特開平１
−３０９２６３号公報）、アノード極に密着させるガス
セパレータに対し、水素供給溝の間に水供給溝を付設し
た固体高分子電解質膜型燃料電池（特開平３−１０２７
７４号公報）、また電極部分と加湿部分を同じ電解質板
面に備えた固体高分子電解質膜型燃料電池〔ＦＣ Ｓｅ
ｍｉｎａｒ，３３０（１９８８）〕などが開示されてい
る。
【００１１】しかしながら、これらの従来技術に示され
ている燃料電池では、上記のような、揆水性、粘着性と
含水率の維持というこれら相反する要求を電極触媒層で
解決することは困難であり、また電解質層、電極触媒層
双方の特性を使いきるには至らず、例えばＦＣ Ｓｅｍ
ｉｎａｒ，３３０（１９８８）の固体高分子電解質膜型
燃料電池では、電極部分と加湿部分が同じ電解質板面で
もそれぞれ別々のエリアに属しており、それぞれ機能が
独立しているため、電極部分でも加湿部分からの距離に
よって電解質内の水分含有量が異なる場合もあり、また
構造的にも複雑となるなど、充分に水分供給能力を発揮
できるとはいい難い。
ている燃料電池では、上記のような、揆水性、粘着性と
含水率の維持というこれら相反する要求を電極触媒層で
解決することは困難であり、また電解質層、電極触媒層
双方の特性を使いきるには至らず、例えばＦＣ Ｓｅｍ
ｉｎａｒ，３３０（１９８８）の固体高分子電解質膜型
燃料電池では、電極部分と加湿部分が同じ電解質板面で
もそれぞれ別々のエリアに属しており、それぞれ機能が
独立しているため、電極部分でも加湿部分からの距離に
よって電解質内の水分含有量が異なる場合もあり、また
構造的にも複雑となるなど、充分に水分供給能力を発揮
できるとはいい難い。
【００１２】さらに、固体高分子電解質膜型燃料電池作
動条件下で電解質板ではアノード側での水分含有率の低
下が著しく、これは、アノード側に水分供給は必要であ
るとの示唆がなされているともいえる。
動条件下で電解質板ではアノード側での水分含有率の低
下が著しく、これは、アノード側に水分供給は必要であ
るとの示唆がなされているともいえる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な従来の技術を背景になされたものであり、電解質膜へ
の水分供給能力を高め、電解質膜内の含水量低下に伴う
乾燥を防ぎ、また揆水能力の高い電極触媒層を用いた場
合でも電解質膜内に水分を供給することができる電極−
電解質接合体その製造方法、およびそれを用いた燃料電
池を提供することを目的とする。
な従来の技術を背景になされたものであり、電解質膜へ
の水分供給能力を高め、電解質膜内の含水量低下に伴う
乾燥を防ぎ、また揆水能力の高い電極触媒層を用いた場
合でも電解質膜内に水分を供給することができる電極−
電解質接合体その製造方法、およびそれを用いた燃料電
池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子電
解質膜上に電極触媒層が形成された電極−電解質接合体
において、電極触媒層が形成されている部分と、形成さ
れず固体高分子電解質膜一層のみの部分とがある、固体
高分子電解質膜を電解質とする電極−電解質接合体その
製造方法、およびそれを用いた燃料電池を提供するもの
である。
解質膜上に電極触媒層が形成された電極−電解質接合体
において、電極触媒層が形成されている部分と、形成さ
れず固体高分子電解質膜一層のみの部分とがある、固体
高分子電解質膜を電解質とする電極−電解質接合体その
製造方法、およびそれを用いた燃料電池を提供するもの
である。
【００１５】本発明の一実施例による燃料電池は、典型
的には、それぞれ複数枚の電解質膜およびセパレータを
交互に積層した積層体を形成し、両端に燃料ガスの流入
口および流出口、および酸化剤ガスの流入口および流出
口を具備するマニホールドを取り付けてなる構造を有す
る。このような燃料電池のセルは、１枚の電解質板とそ
の両側に配置された電極触媒層からなる。
的には、それぞれ複数枚の電解質膜およびセパレータを
交互に積層した積層体を形成し、両端に燃料ガスの流入
口および流出口、および酸化剤ガスの流入口および流出
口を具備するマニホールドを取り付けてなる構造を有す
る。このような燃料電池のセルは、１枚の電解質板とそ
の両側に配置された電極触媒層からなる。
【００１６】このような本発明の燃料電池に使用可能な
電極−電解質接合体の層構造を図１に示す。電極−電解
質接合体１は、電解質膜１ａと、その両側の電極触媒層
１ｂとからなる。電解質膜として、固体高分子電解質膜
を用いると効果的であり、その膜厚はおおむね５０〜２
００μｍ程度である。
電極−電解質接合体の層構造を図１に示す。電極−電解
質接合体１は、電解質膜１ａと、その両側の電極触媒層
１ｂとからなる。電解質膜として、固体高分子電解質膜
を用いると効果的であり、その膜厚はおおむね５０〜２
００μｍ程度である。
【００１７】また、電極触媒層１ｂは、白金族金属の粉
末、カーボンブラックまたは白金族金属をカーボンブラ
ックに担持させたものなどをイオン交換膜の溶液に分散
させたペーストから形成する。上記ペーストは、上述し
たイオン交換膜樹脂の溶液の固形分１００重量部当た
り、白金族金属粉末１〜２００重量部、カーボンブラッ
ク１〜５００重量部およびポリテトラフルオロエチレン
などのフッ素樹脂の溶液（乾燥状態で１〜２００重量
部）を混合することにより、製造することができる。な
お、白金族金属のほかに、他の金属との合金を用いるこ
ともできる。
末、カーボンブラックまたは白金族金属をカーボンブラ
ックに担持させたものなどをイオン交換膜の溶液に分散
させたペーストから形成する。上記ペーストは、上述し
たイオン交換膜樹脂の溶液の固形分１００重量部当た
り、白金族金属粉末１〜２００重量部、カーボンブラッ
ク１〜５００重量部およびポリテトラフルオロエチレン
などのフッ素樹脂の溶液（乾燥状態で１〜２００重量
部）を混合することにより、製造することができる。な
お、白金族金属のほかに、他の金属との合金を用いるこ
ともできる。
【００１８】次に、電解質膜１ａ上に前述した電極触媒
ペーストをスクリーン印刷、スプレー法、塗布法などに
より図２および図３のように塗布し、電極触媒層が形成
されている電極触媒層部分Ａと、形成されず固体高分子
電解質膜一層のみからなる水分供給エリアＢとを形成す
る。また、上記スクリーン印刷法によるペーストの塗布
量は、乾燥重量で０．５〜２０ｍｇ／ｃｍ2 程度であ
る。この方法によれば、電極触媒層と水分供給エリアを
共に同じ面上に隣接させることができ、また印刷または
塗布パターンなどは自由自在である。
ペーストをスクリーン印刷、スプレー法、塗布法などに
より図２および図３のように塗布し、電極触媒層が形成
されている電極触媒層部分Ａと、形成されず固体高分子
電解質膜一層のみからなる水分供給エリアＢとを形成す
る。また、上記スクリーン印刷法によるペーストの塗布
量は、乾燥重量で０．５〜２０ｍｇ／ｃｍ2 程度であ
る。この方法によれば、電極触媒層と水分供給エリアを
共に同じ面上に隣接させることができ、また印刷または
塗布パターンなどは自由自在である。
【００１９】なお、このようにして得られた電極−電解
質接合体１には、通常、ホットプレスなどの加熱加圧処
理を行う。上記加熱加圧処理の条件は、温度６０〜２０
０℃程度、圧力５０〜３００ｋｇ／ｃｍ2 程度、好まし
くは温度１００〜１２０℃程度、圧力１００〜１５０ｋ
ｇ／ｃｍ2 程度である。
質接合体１には、通常、ホットプレスなどの加熱加圧処
理を行う。上記加熱加圧処理の条件は、温度６０〜２０
０℃程度、圧力５０〜３００ｋｇ／ｃｍ2 程度、好まし
くは温度１００〜１２０℃程度、圧力１００〜１５０ｋ
ｇ／ｃｍ2 程度である。
【００２０】以上、本発明を添付図面を参照した説明し
てきたが、本発明はこれに限定されることなく、種々の
形式の積層型燃料電池に適応が可能である。
てきたが、本発明はこれに限定されることなく、種々の
形式の積層型燃料電池に適応が可能である。
【００２１】
【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明する。 実施例１ 白金ブラック２ｇと、カーボンブラック１ｇと、ポリテ
トラフルオロエチレン粉末１ｇとを、ナフィオン（登録
商標）溶液（アルドリッチ社製、５重量％溶液）４０ｍ
ｌと混合し、電極触媒用のペーストを調製した。
明する。 実施例１ 白金ブラック２ｇと、カーボンブラック１ｇと、ポリテ
トラフルオロエチレン粉末１ｇとを、ナフィオン（登録
商標）溶液（アルドリッチ社製、５重量％溶液）４０ｍ
ｌと混合し、電極触媒用のペーストを調製した。
【００２２】次に、ナフィオン（登録商標）の１０ｃｍ
×１０ｃｍのフィルム（厚さ１７５μｍ）をアセトンで
洗浄し、続いて塩酸処理を施したのち、乾燥した。これ
に対しスパッタ装置により５０ｍｍφの大きさに、３０
分間プラズマエッチング処理した。
×１０ｃｍのフィルム（厚さ１７５μｍ）をアセトンで
洗浄し、続いて塩酸処理を施したのち、乾燥した。これ
に対しスパッタ装置により５０ｍｍφの大きさに、３０
分間プラズマエッチング処理した。
【００２３】このフィルムに対して、上述したペースト
を、切り抜き製版スクリーンにより５０ｍｍφの大きさ
にパターン印刷を行った。さらに、加熱プレスにて１０
０℃、１５０ｋｇ／ｃｍ2 で、一分間ホットプレスを行
い、厚さ約２３０μｍの燃料電池用の電極−電解質接合
体を得た。
を、切り抜き製版スクリーンにより５０ｍｍφの大きさ
にパターン印刷を行った。さらに、加熱プレスにて１０
０℃、１５０ｋｇ／ｃｍ2 で、一分間ホットプレスを行
い、厚さ約２３０μｍの燃料電池用の電極−電解質接合
体を得た。
【００２４】
【発明の効果】以上に詳述したとおり、本発明の電極−
電解質接合体は、電解質膜への水分供給能力を高め、電
解質膜内の含水量低下に伴う乾燥を防ぎ、また揆水およ
び粘着能力の高い電極触媒層を用いた場合でも電解質膜
内に水分を供給することができ、またさらには燃料電池
の発電性能向上を図ることが可能となる。
電解質接合体は、電解質膜への水分供給能力を高め、電
解質膜内の含水量低下に伴う乾燥を防ぎ、また揆水およ
び粘着能力の高い電極触媒層を用いた場合でも電解質膜
内に水分を供給することができ、またさらには燃料電池
の発電性能向上を図ることが可能となる。
【図１】本発明の燃料電池に用いる電極−電解質接合体
の層構成を示す概略図であ
の層構成を示す概略図であ
【図２】本発明の燃料電池に用いる電極−電解質接合体
の表面概略図である。
の表面概略図である。
【図３】本発明の燃料電池に用いる電極−電解質接合体
の電極側の断面概略図である。
の電極側の断面概略図である。
１ 電極−電解質接合体 １ａ 電解質膜 １ｂ 電解触媒層 Ａ 電極触媒層部分 Ｂ 水分供給エリア
Claims (3)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜上に電極触媒層が形
成された電極−電解質接合体において、電極触媒層が形
成されている部分と、形成されず固体高分子電解質膜一
層のみの部分とがある、固体高分子電解質膜を電解質と
する電極−電解質接合体。 - 【請求項２】 ペースト状の電極触媒を塗布することに
より、電極触媒層を形成することを特徴とする請求項１
記載の電極−電解質接合体の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１記載の電極−電解質接合体を用
いてなることを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4020638A JPH05190184A (ja) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | 電極−電解質接合体、その製造方法、およびそれを用いた燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4020638A JPH05190184A (ja) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | 電極−電解質接合体、その製造方法、およびそれを用いた燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05190184A true JPH05190184A (ja) | 1993-07-30 |
Family
ID=12032772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4020638A Pending JPH05190184A (ja) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | 電極−電解質接合体、その製造方法、およびそれを用いた燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05190184A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0654837A1 (en) * | 1993-11-23 | 1995-05-24 | Johnson Matthey Public Limited Company | Manufacture of electrodes |
| WO1996024958A1 (en) * | 1995-02-10 | 1996-08-15 | Stichting Energieonderzoek Centrum | Solid polymer fuel cell comprising humidity-exchanging areas |
| WO2000014819A1 (en) * | 1998-09-04 | 2000-03-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid polymer type fuel cell system |
| JP2003077480A (ja) * | 2001-08-31 | 2003-03-14 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池 |
| JP2006040677A (ja) * | 2004-07-26 | 2006-02-09 | Daihatsu Motor Co Ltd | 膜電極接合体および燃料電池 |
| JP2006139922A (ja) * | 2004-11-10 | 2006-06-01 | Hideichiro Hirai | 発電ユニット、及び固体高分子形燃料電池 |
| CN113314719A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-08-27 | 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 | 一种高催化性能的一体化阴极及其制备方法和电池 |
-
1992
- 1992-01-10 JP JP4020638A patent/JPH05190184A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0654837A1 (en) * | 1993-11-23 | 1995-05-24 | Johnson Matthey Public Limited Company | Manufacture of electrodes |
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| CN113314719A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-08-27 | 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 | 一种高催化性能的一体化阴极及其制备方法和电池 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20001107 |